CN106655980B

CN106655980B - 电机中的定子绕组电阻的确定

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Publication number: CN106655980B
Application number: CN201610921159.6A
Authority: CN
Inventors: D·V·西米利; J·张; S·朱尔科维克
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-11-04
Filing date: 2016-10-21
Publication date: 2019-05-10
Anticipated expiration: 2036-10-21
Also published as: US20170126166A1; US9647602B1; DE102016120056A1; CN106655980A

Abstract

一种电机组件包括具有定子和转子的电机。定子具有在定子绕组温度(t_S)下的定子绕组，并且转子配置为以转子转速(ω)转动。控制器可操作地连接到电机并且具有处理器和有形的非暂时性存储器，存储器上记录有用于执行方法的指令，该方法用于确定定子绕组电阻。控制器配置为确定高速电阻系数(r_H)，该高速电阻系数(r_H)至少部分基于转矩指令(T^*)、定子绕组温度(t_S)、转子转速(ω)、特征转矩误差以及极对(P)数量。控制器可以基于加权系数(k)、高速电阻系数(r_H)以及低速电阻系数(r_L)来确定总电阻值(R)。

Description

电机中的定子绕组电阻的确定

技术领域

本公开总体上涉及电机组件中的定子绕组电阻的确定。

背景技术

诸如内部永磁电机的电机通常包括具有交替极性的多个磁铁的转子。转子可在定子内旋转，定子通常包括多个定子绕组和交替极性的磁极。诸如马达的电机在电势差和电流方面吸收电能，从而将其转换为机械功。因为电机并非100％有效，所以某些电能由于绕组的电阻的缘故而以热量形式损耗。定子绕组在高转子转速下的电阻与操作温度和电流一起大幅度地变化。

发明内容

电机组件包括具有定子和转子的电机。定子具有定子绕组温度(t_S)下的定子绕组，并且转子配置为以转子转速(ω)旋转。控制器可操作地连接至电机并且配置为接收转矩指令(T^*)。控制器具有处理器和有形的非暂时性存储器，所述存储器上记录了用于执行确定定子绕组电阻的方法的指令。通过处理器来执行指令使得控制器确定定子绕组的高速电阻系数(r_H)。高速电阻系数(r_H)是至少部分基于转矩指令(T^*)、定子绕组温度(t_S)、转子转速(ω)、特征转矩误差以及电机的极对(P)的数量。

控制器可以进一步配置为至少部分地基于预先定义的导线系数(α)、在预先定义测量温度(t₀)下测量的定子电阻(r₀)和定子绕组温度(t_S)与预先定义的测量温度(t₀)之间的温度差来确定定子绕组的低速电阻系数(rL)，使得r_L＝[r₀(1+α*(t_S-t₀)]。控制器可以进一步配置为至少部分基于加权系数(k)以及高速电阻系数和低速电阻系数来确定定子绕组的总电阻(R)，使得R＝[k*r_H+(1-k)*r_L]且0＜k＜1。控制器可以操作来至少部分基于定子绕组的总电阻(R)来控制电机的至少一个操作参数，以实现改进的性能和/或效率。

第一温度传感器可以操作地连接至控制器并且配置为测量定子绕组温度(t_S)。第二温度传感器可以操作地连接至控制器并且配置为测量转子温度。磁通量传感器可以操作地连接至控制器并且配置为测量电机的磁通量。提供了一种用于确定高速和低速电阻系数以及总电阻(R)的方法。本文所述的方法和组件最大限度地减少了使用广泛查找表和复杂曲线拟合来估算不同转子转速下定子电阻的变化。方法利用所估算的磁通量(来自磁通量传感器或FEA模型)和两个独立的转矩估算值，诸如使用基于电流的(通量图)估算值和基于有功功率的估算值。

当转子转速(ω)相对较高时，高速电阻系数(r_H)说明了定子电阻的变化。当转子转速(ω)相对较低时，低速电阻系数(r_L)说明了定子电阻的变化。当转子转速(ω)等于或高于预先定义的高速阈值(例如ω＞5000rpm)时，加权系数(k)可以是1。当转子转速(ω)等于或低于预先定义的低速阈值(例如ω＜3000rpm)时，加权系数(k)可以是0。

确定高速电阻系数(r_H)包括：经由控制器获得第一函数(F₁)，所述第一函数(F₁)是查找系数与转矩指令(T^*)的乘积，其中查找系数至少是部分基于转子转速、定子绕组温度(t_S)和特征转矩误差。特征转矩误差可以被定义为由机器产生的转矩的任何两个独立或不同估算值之间的差值。第二函数(F₂)可以经由控制器而获得，所述第二函数(F₂)是第一函数(F₁)、转子温度下所达到的转矩(T_a)以及预定义的第一常数(Y)的总和，使得：F₂＝(F₁+T_a+Y)。

第三函数(F₃)可以经由控制器而获得，所述第三函数(F₃)是基线温度下的定子绕组电阻(r_C)与基线温度下所达到的转矩(T_C)的乘积，使得F3＝(T_C*r_C)。第四函数(F₄)可以经由控制器而获得，所述第四函数(F₄)是转子温度下的磁通量(ψ_tr)与基线温度下的磁通量(ψ_C)之间的差值，使得：F₄＝(ψ_tr-ψ_C)。第五函数(F₅)可以经由控制器获得，所述第五函数(F₅)是极对(P)、转子转速(ω)、指令电流和电感系数(L_d0)的乘积，使得：

高速电阻系数(r_H)可以至少部分基于第二函数(F₂)、第三函数(F₃)、第四函数(F₄)以及第五函数(F₅)而获得，使得：r_H＝[1/(2*F₂)][2*F₃-(3*F₄*F₅)]。

结合附图，本公开的以上特征和优点以及其它特征和优点通过以下对用于实行本公开的最佳模式的说明容易变得显而易见。

附图说明

图1是具有带有定子绕组的定子的电机组件的示意性局部部分截面图；

图2是用于确定图1的定子绕组的高速电阻系数(r_H)、低速电阻系数(r_L)以及总电阻(R)的方法的流程图；

图3是用于获得在图2的方法中使用的查找系数的示例性图；

图4是图1的组件的示例性转矩对电机速度图。

具体实施方式

参考附图，其中相同的参考数字是指相同部件，图1示意地说明了电机组件10。组件10包括电机12。组件10可以是装置11的部件。装置11可以是客车、性能车辆、军用车辆、工业车辆、机器人、农用工具、运动相关设备或任何其它类型的设备。

参考图1，电机12包括定子14和转子16。转子16可以包括在转子铁芯22的外围周围的交替极性的第一永磁铁18和第二永磁铁20。转子16可以包括任何数量的永磁铁；为了简单起见仅仅示出了两个永磁铁。转子16可在定子14内以转子转速(ω)旋转。虽然图1中所示的实施例说明了三相、单极对(即，两极)机器，但是应当理解的是，可以采用任何数量的相位或极对。

定子14包括定子铁芯24，该定子铁芯24可以是具有中空内部的圆柱形形状。定子铁芯24可以包括由间隙或狭槽28分离的多个向内突出的定子齿26A-F。在图1中所示的实施例中，定子绕组30可以操作地连接至定子铁芯24，诸如例如在定子齿26A-F周围缠绕。电机12可以采用许多不同形式并且包括多个和/或交替部件和设施。虽然图中示出了示例性电机12，但图中说明的部件不旨在具有限制性。实际上，可以使用另外或替代性部件和/或实施方案。

在定子绕组30中流动的电流在定子14中产生旋转磁场。参考图1，定子绕组30可以包括六组绕组；一组绕组用于三相(通过定子绕组30A和30D的第一相、通过定子绕组30B和30E的第二相以及通过定子绕组30C和30F的第三相)中的每一相。或者，可以采用滑环或电刷(未示出)。参考图1，示出了正交(q)磁轴32和直流(d)磁轴34。第一永磁铁18和第二永磁铁20产生磁场和磁通量。当转子角36为零时，第一永磁铁18和第二永磁铁20的磁通量对准。如先前所提及，电机12可以是任何类型，包括但不限于感应式电机和同步电机。

参考图1，组件10包括控制器40，其可操作地连接到电机12或与电机12电子通信。控制器40配置为接收转矩指令(T^*)。参考图1，控制器40包括至少一个处理器42和至少一个存储器44(或任何非暂时性有形计算机可读存储介质)，该存储器上存储有用于执行方法100的指令，如图2所示，该方法用于确定定子绕组3的电阻，包括高速电阻系数(r_H)、低速电阻系数(r_L)和总电阻(R)。存储器44可以存储控制器可执行指令集，并且处理器42可以执行存储在存储器44中的控制器可执行指令集。本文所述的方法100和组件10最大限度地减少了使用广泛查找表和复杂曲线拟合来估算不同转子转速下定子电阻的变化。

图1的控制器40被专门编程用来执行方法100的步骤(如下文参照图2所详细讨论的)，并且可以从各种传感器接收输入。参照图1，组件10可以包括与控制器40通信(例如，电子通信)的第一温度传感器46(例如热敏电阻或热电偶)，如图1所示。第一温度传感器46能够测量定子绕组30A-F的温度，并将输入信号发送到控制器40。第一温度传感器46可以安装或设置在定子绕组30A-F中的一个上。或者，可以采用本领域技术人员已知的无传感器定子绕组温度估算技术，包括但不限于：高频载波信号注入技术以及基于机器几何形状及其热电性能所计算的电机热模型。第二温度传感器48可以与控制器40通信，并可以配置为测量转子16的温度，本文称为“转子温度”。

参照图1，组件10可以包括与控制器40通信(例如，电子通信)的磁通量传感器50。磁通量传感器50能够测量从电机12发出的磁通量，例如转子16中永磁铁18，20的通量线，并将输入信号发送到控制器40。在一个示例中，磁通量传感器50是霍尔效应传感器，但是，也可以采用本领域技术人员已知的任何类型的磁通量感测装置。另外，控制器40可以被编程用来在不采用任何传感器的情况下基于其他方法来确定磁通量，例如有限元分析(FEA)或本领域技术人员已知的任何方法或机制。电池组56可操作地连接到机器12作为直流电压源。

现在参照图2，示出了存储在图1的控制器40上并可由其执行的方法100的流程图。方法100不需要按照本文所述的特定顺序进行。此外，应当理解的是，可以省去一些步骤。方法100利用估算的磁通量(来自磁通量传感器50或FEA模型)和两个独立的电机转矩估算值，例如使用基于电流的(通量图)和基于有功功率的估算值。参照图2，方法100可以从步骤102开始，其中控制器40被编程或配置为获得高速电阻系数(r_H)。步骤102包括子步骤102A至102F。

在图2的步骤102A中，控制器40被编程或配置为获得第一函数(F₁)，其是查找系数和转矩指令(T^*)的乘积。响应于操作人员输入或自动送入的由控制器40监测到的条件，转矩指令(T^*)可以由控制器40接收。如果装置11是车辆，控制器40可以通过油门踏板52和刹车踏板54基于来自操作人员的输入信号来确定转矩指令(T^*)，如图1所示。

为了获得查找系数，取得基线温度(C)下不同转子转速(ω)的特征数据。基线温度(C)可以基于特定的应用而变化。在一个示例中，基线温度(C)是90摄氏度。查找系数至少部分地基于转子转速(ω)、定子绕组温度(t_S)和特征转矩误差。特征转矩误差(ΔT)被定义为第一转矩估算值T1(即，使用第一方法估算的转矩)与第二转矩估算值T2(即，使用第二方法估算的转矩)之间的差值，使得(ΔT＝T1-T2)。估算转矩的第一种方法可以是基线温度(C)下的基于电流的通量图方法，这对于本领域技术人员是已知的。估算转矩的第二种方法可以是基线温度(C)下的基于有功功率的方法，这对于本领域技术人员是已知的。也可以采用本领域技术人员已知的估算转矩的任何两种不同方法。

参照图3，示出了用于获得查找系数的示例性图。在图3中，垂直轴202表示作为速度的函数的基于通量图方法估算的转矩与有功功率方法估算的转矩之间的差值【二者均在基线温度(C)下】。水平轴204表示转矩指令(T^*)(单位为牛顿-米)。轨迹206、208和210表示转子转速值分别为1000rpm、1500rpm和2000rpm时的数据。

如图3所示，轨迹206、208和210表示高指令转矩值下的非线性，例如，超过峰值转矩指令的约80％。参照图3，查找系数可以作为部分212的斜率，其中轨迹208和210重合。可以采用本领域技术人员已知的任何插值方法来获得查找系数，例如简单的线性逼近或多项式曲线拟合法任何其它曲线拟合法。查找系数可以将由两种不同方法(均在基线温度下)估算的转矩之间的误差表征为转子转速(这种情况下为500rpm和2000rpm之间)的函数，高达峰值转矩的80％。

在图2的步骤102B中，控制器40配置为获得第二函数(F₂)，其是第一函数(F₁)、转子温度下所达到的转矩(T_a)以及预定义的第一常量(Y)的总和，使得F₂＝(F₁+T_a+Y)。预定义的第一常量(Y)可以作为轨迹部分208的Y截距。在一个示例中，Y值取5％。所达到的转矩(T_a)被理解为电磁转矩，并可以被定义为所达到的低速转矩(T_LS)和所达到的高速转矩(T_HS)的加权总和，使得T_a＝[(1-K)*T_LS+K*T_HS]。

图4是图1的机器的示例性转矩与转子转速图，并且可以用来获得所达到的转矩(T_a)。该数据可以在测试发电机或实验室条件下获得。在图4中，垂直轴302表示所达到的转矩(单位为牛顿-米)，而水平轴304表示电机速度(单位为RPM)。第一部分306表示相对较低转子转速下所达到的低速转矩(T_LS)，例如小于第一速度(ω₁)的转矩速度，由线308表示。第二部分310表示相对较高转子转速下所达到的高速转矩(T_HS)，例如大于第二速度(ω₂)的转矩速度，由线312表示。第三部分314表示“混合区”中所达到的转矩，其中转子转速处于第一速度和第二速度(ω₁和ω₂)之间。可以获得特定转子转速(ω)的加权系数，其为：K＝(ω-ω₁)/(ω₂-ω₁)。上边界316和下边界318示出了所达到的转矩的误差320的限制。所达到的低速转矩(T_LS)和所达到的高速转矩(T_HS)还可以估算为：和其中

本发明中，P_mech被定义为电机的机械输出功率，P_dc被定义为输入电机12的DC功率并且可以作为DC链路电压(V_dc)(例如，来自可操作地连接到电机12的电池组56的电压)和DC电流(i_dc)的乘积而获得。此外，P_{inv_loss}被定义为逆变器损耗(将直流转换为交流)。基于本领域技术人员已知的逆变器模型，它可以是非线性多项式。P_stat-loss被定义为定子绕组30中的损耗或所耗散的热量。所耗散热量的值可以在电机12未使用时利用传感器或FEA模型进行表征或获得。

在图2的步骤102C中，控制器40配置为获得第三函数(F₃)，其是基线温度(C)下定子绕组电阻(r_C)和基线温度(C)下所达到的转矩(T_C)的乘积，使得F₃＝(T_C*r_C)。基线温度(例如90摄氏度)下的定子绕组电阻(r_C)和所达到的转矩(T_C)可以通过在实验室环境或试验间中进行测量而获得。

在图2的步骤102D中，控制器40配置为获得第四函数(F₄)，其是转子温度下的磁通量(ψ_tr)和基线温度下的磁通量(ψ_C)之间的差值，使得：F₄＝(ψ_tr-ψ_C)。磁通量可以使用磁通量传感器50进行测量或者如前所述地进行估算。

在图2的步骤102E中，控制器40配置为获得第五函数(F₅)，其是极对(P)、转子转速(ω)、指令电流和电感系数(L_d0)的乘积，使得：DQ参考帧电流(i_d，i_q)是从电机的检测电流(I_a、I_b和I_c)获得，该DQ参考帧电流使用电机位置或转子角36(如图1所示)而转换为DQ参考帧。可以采用位置传感器51来确定转子角36。使用查找表，基于转矩指令(T^*)获得指令电流可以通过本领域技术人员已知的任何方法来获得定子绕组的电感(L)。在一个示例中，获得电感(L)，其作为定子绕组中的匝数(N)、绕组芯材的相对磁导率(μ)、单位为平方米的绕组/线圈的面积和单位为米的绕组/线圈的平均长度(1)的函数，使得：L＝(N²*μ*A/l)。

在图2的步骤102F中，控制器40配置为至少部分地基于第二函数(F₂)、第三函数(F₃)、第四函数(F₄)和第五函数获得高速电阻系数(r_H)，使得：

r_H＝[1/(2*F₂)][2*F₃-(3*F₄*F₅)]。

在图2的步骤104中，控制器40配置为至少部分地基于预先定义的导线系数(α)、在预先定义的温度(t₀)下所测得的定子电阻(r₀)、以及定子绕组温度(t_S)和预先定义的测量温度(t₀)之间的温度差获得定子绕组的低速电阻系数(r_L)，使得：r₂＝[r₀(1+α*(t_S-t₀)]。当转子转速(ω)相对较低时，低速电阻系数(r_L)说明了定子电阻的变化。

在图2的步骤106中，控制器40配置为至少部分地基于加权系数(K)与第一和低速电阻系数获得定子电阻的总电阻值(R)，使得：

R＝[k*r_H+(1-k)*r_L]且0＜k＜1。

当转子转速(ω)等于或高于预先定义的高速阈值(例如，ω＞5000rpm)时，加权系数(k)可以是1。当转子转速(ω)等于或低于预先定义的低速阈值(例如，ω＞3000rom)时，加权系数(k)可以是0。

总之，由控制器40执行方法100确定了对应于转矩指令(T^*)的高电机速度下的定子绕组电阻，其包括已知随着定子绕组温度变化的AC电阻。方法100利用了磁通量(来自磁通量传感器50或FEA模型)和两个独立的转矩估算值之间的差值，例如，使用转矩的基于电流的(通量图)估算值和基于有功功率的估算值。高速下的定子电阻变化是非线性的，并随操作温度和电流而变化。定子绕组电阻的实时精确估算实现了可用DC链路(例如由电池组56提供的)的改进利用，从而增加了峰值转矩和电机效率。

控制器40(和方法100的执行)通过确定具有所需最小校准值的复杂系统的定子绕组电阻来改进组件10的运作。图1的控制器40可以是组件10的其他控制器的一体部分，或者可以是可操作地连接到组件10的其他控制器的单独模块。

图1的控制器40包括计算机可读介质(也称为处理器可读介质)，其包括参与提供可由计算机(例如计算机的处理器)读取的数据(例如指令)的任何非暂时性(例如有形)介质。这种介质可采取多种形式，包括但不限于非易失性介质和易失性介质。非易失性介质可以包括例如光盘或磁盘以及其他持久性存储器。易失性介质可以包括例如动态随机存取存储器(DRAM)，其可以构成主存储器。这种指令可以由一个或多个传输介质传输，传输介质包括同轴电缆、铜线缆和光纤，其中包括包含耦接到计算机的处理器的系统总线的导线。计算机可读介质的一些形式包括例如软盘片、软盘、硬盘、磁带、任何其他磁性介质、CD-ROM、DVD、其他任何光学介质、穿孔卡、纸带、带有穿孔图案的任何其他物理介质、RAM、PROM、EPROM、FLASH-EEPROM、任何其他存储芯片或存储盒、或任何其他计算机可读的介质。

本文所述的查找表、数据库、数据存储库或其他数据存储装置可以包括各种类型的用于存储、访问和检索各种数据的装置，包括层级数据库、文件系统中的文件集、专用格式的应用数据库、关系数据库管理系统(RDBMS)等等。每个这样的数据存储装置可以包括在采用诸如上述其中一个的计算机操作系统的计算机设备中，并可以以各种方式中的任何一种或多种方式通过网络进行访问。文件系统可以从计算机操作系统进行访问，并可以包括以各种格式存储的文件。除了用于创建、存储、编辑和执行所存储的程序的语言之外，RDBMS还可以采用结构化查询语言(SQL)，例如上述PL/SQL语言。

详细说明和附图或数字是用来支持和描述本公开内容，但本公开内容的范围仅由权利要求书限定。虽然已详细描述了用于实施所要求保护的公开内容的一些最佳模式和其他实施例，但还存在用于实施所附权利要求书中所限定的公开内容的各种替代设计和实施例。此外，图中所示的实施例或本说明书中提到的各种实施例的特征不一定要被理解为相互独立的实施例。相反，实施例的其中一个示例中所描述的每个特征都可以与其他实施例的一个或多个其他所需特征相结合，从而形成未用文字或未参考附图进行描述的其他实施例。因此，这些其他实施方式落入所附权利要求书的范围的框架内。

Claims

1.一种电机组件，其包括：

电机，其包括定子和转子，所述定子具有定子绕组温度(t_S)下的定子绕组并且所述转子配置为以转子转速(ω)转动；

其中，所述电机限定多个极对(P)；

控制器，其可操作地连接到所述电机并配置为接收转矩指令(T^*)；

其中，所述控制器具有处理器和有形的非暂时性存储器，所述存储器上记录了用于执行确定定子绕组电阻的方法的指令；并且

其中，通过所述处理器执行所述指令使得所述控制器确定所述定子绕组的高速电阻系数r_H，所述高速电阻系数r_H至少部分地基于所述转矩指令(T^*)、所述定子绕组温度t_S、所述转子转速(ω)和所述多个极对(P)；

其中所述控制器进一步配置为至少部分地基于预先定义的导线系数α、在预先定义的测量温度t₀下的测量的定子电阻r₀、以及所述定子绕组温度t_S和预先定义的测量温度t₀之间的温度差来确定所述定子绕组的低速电阻系数r_L，使得：

r_L＝[r₀(1+α*(t_S-t₀)]；

其中所述控制器进一步配置为至少部分地基于加权系数k，所述高速电阻系数r_H和所述低速电阻系数r_L来确定所述定子绕组的总电阻R，使得：R＝[k*r_H+(1-k)*r_L]以及0<k<1。

2.根据权利要求1所述的组件，其中：

当所述转子转速(ω)高于预先定义的高速阈值时，所述加权系数(k)是1；并且

当所述转子转速(ω)低于预先定义的低速阈值时，所述加权系数(k)是0。

3.根据权利要求1所述的组件，其中确定所述高速电阻系数(r_H)包括：

通过所述控制器获得第一函数(F₁)，所述第一函数(F₁)是查找系数和所述转矩指令(T^*)的乘积，其中所述查找系数至少部分基于转子转速(ω)、定子绕组温度(t_S)和特征转矩误差；并且

其中所述特征转矩误差定义为由所述电机产生的转矩的两个独立估算值之间的差值。

4.根据权利要求3所述的组件，其中确定所述高速电阻系数r_H包括：通过所述控制器获得第二函数F₂，所述第二函数F₂是所述第一函数F₁、在转子温度下达到的转矩T_a以及预定义的第一常量Y的总和，使得

F₂＝(F₁+T_a+Y)。

5.根据权利要求4所述的组件，其中确定所述高速电阻系数r_H包括：通过所述控制器获得第三函数F₃，所述第三函数F₃是基准温度下的定子绕组电阻r_C和所述基准温度下达到的转矩T_C的乘积，使得

F₃＝(T_C*r_C)。

6.根据权利要求5所述的组件，其中确定所述高速电阻系数r_H包括：通过所述控制器获得第四函数F₄，所述第四函数F₄是所述转子温度下的磁通量ψ_tr与所述基准温度下的磁通量ψ_C的差值，使得F₄＝(ψ_tr-ψ_C)。

7.根据权利要求6所述的组件，其中确定所述高速电阻系数r_H包括：通过所述控制器获得第五函数F₅，所述第五函数F₅是所述极对P、所述转子转速ω、所述指令电流和电感系数L_d0的乘积，使得

8.根据权利要求7所述的组件，其中确定所述高速电阻系数r_H包括：至少部分基于所述第二函数F₂、所述第三函数F₃、所述第四函数F₄以及所述第五函数F₅而获得所述高速电阻系数r_H，使得

r_H＝[1/(2*F₂)][2*F₃–(3*F₄*F₅)]。