CN106685292B - 电机中永磁磁通量的测定 - Google Patents

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Abstract

一种电机总成具有电机，该电机具有定子和转子。转子具有转子温度并且配置为以转子速度(ω)旋转。定子具有定子绕组温度(tS)下的定子绕组，并且电机限定多个极对(P)。控制器可操作地连接到电机并且配置为接收转矩命令(T*)。控制器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用于测定作为转子温度的函数的总永磁磁通量(ΨT)的方法的指令。处理器执行指令使得控制器测定高速磁通量因子(ψH)和低速磁通量因子(ψL)。

Description

电机中永磁磁通量的测定
技术领域
本发明主要涉及电机总成中永磁磁通量的测定
背景技术
诸如内部永磁电机等电机包括具有多个极性交替的永久磁铁的转子。转子可在定子内旋转，定子通常包括多个定子绕组和极性交替的磁极。在正常运行过程中，永磁体的磁通量随转子温度而变化。
发明内容
电机总成具有电机，该电机具有定子和转子。转子具有转子温度并且配置为以转子速度(ω)旋转。定子具有处于定子绕组温度(tS)的定子绕组，并且电机限定多个极对(P)。控制器可操作地连接到电机并且配置为接收转矩命令(T*)。控制器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测定作为转子温度的函数的总永磁磁通量(ψT)的方法的指令。处理器执行指令使得控制器测定高速磁通量因子(ψH)和低速磁通量因子(ψL)。控制器可操作以至少部分地基于总永磁磁通量(ψT)来控制电机的至少一个操作参数，从而提高性能和/或效率。
总永磁磁通量(ψ总)至少部分地基于加权因子(k)、高速磁通量因子(ψH)和低速磁通量因子(ψL)，即：ψ总＝[k*ψH+(1-k)*ψL]且0<k<1。当转子速度(ω)高于预定的高速阈值时，加权因子(k)为1。当转子速度(ω)低于预定的低速阈值时，加权因子(k)为0。
第一温度传感器可以可操作地连接到控制器并且配置为测量定子绕组温度(tS)。第二温度传感器可以可操作地连接到控制器并且配置为测量转子温度。该方法利用两次独立的转矩估算，例如使用基于电流的(通量图)和基于有源功率的估算值。
测定总永磁磁通量(ψT)包括：通过控制器获得第一函数(F1)，其作为查找因子和转矩命令(T*)的乘积，其中查找因子至少部分地基于转子速度(ω)、定子绕组温度(tS)和特征转矩误差。特征转矩误差可以被定义为由电机产生的转矩的两次独立估算值之间的差。可以通过控制器获得第二函数(F2)，其作为第一函数(F1)、转子温度下所实现的转矩(Ta)和预定的第一常数(Y)之和，即：F2＝(F1+Ta+Y)。
可以至少部分地基于第二函数(F2)、基线温度下的磁通量(ψC)、基线温度下所实现的转矩(TC)、第三函数(F3)和第四函数(F4)获得低速磁通因子(ψL)，即：ψL＝ψC–[(2*(TC–F2)*F3)/(3*F4)]。第三函数(F3)是基线温度下的定子绕组电阻(rC)与定子绕组温度(tS)下的定子绕组电阻(rts)的比率，即：F3＝(rC/rts)。第四函数(F4)是极对(P)和命令电流(id*)的乘积，即：F4＝[P*iq*]。
可以至少部分地基于第二函数(F2)、基线温度下的磁通量(ψC)、定子绕组温度(rts)下的定子绕组电阻(tS)、第五函数(F5)和第六函数(F6)获得高速磁通量因子(ψH)，即：ψL＝ψC+{2*[F5-(rts*F2)]/(3*F6)}。第五函数(F5)是基线温度下的定子绕组电阻(rC)和基线温度下所实现的转矩(TC)的乘积，即：F5＝(rC*TC)。第六函数(F6)是极对(P)、转子速度(ω)、命令电流(id*)和电感因子(Ld0)的乘积，即：F6＝[P*ω*id**Ld0]。
磁通量的实时精确估算值是用于改善电机的操作的许多特征的关键因素。该方法还包括基于总永磁磁通量(ψT)通过控制器控制或调整电机的操作参数，以提高性能和/或效率。例如，可以基于转子温度改变用于电机的电流命令，以最大限度地提高效率。可以基于总永磁磁通量(ψT)控制电机，以实现改善的高速电流控制和改善的电动机转矩线性度。控制器可以配置为基于总永磁磁通量(ψT)调整电机的操作参数以进一步实现各种目标，包括但不限于，监测永磁体的状态健康(例如测定疲劳/消磁相关的特征)以及增强诊断/电动机故障响应策略(例如估算三相短路电流)。
结合附图，从以下对用于实施本发明的最佳模式的详细描述中，本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点易于变得显而易见。
附图说明
图1是设有具有定子和转子的电机的电机总成的示意性局部部分剖视图；
图2是用于测定图1的机器的总永磁磁通量的方法的流程图；
图3是用于获得图2的方法中使用的查找因子的示例图；
图4是图1的总成的示例性转矩-机器速度图。
具体实施方式
参照附图，其中相同的附图标记表示相同的部件，图1示意性地示出了电机总成10。总成10包括电机12。总成10可以是装置11的部件。装置11可以是具有一个或多个轮子的运输装置，例如自行车、客车、性能车、军用车、工业车辆。装置11可以是机器人、农机具、运动相关设备或任何其他类型的装置。
参照图1，电机12包括定子14和转子16。转子16可以包括在转子芯22外周周围的极性交替的第一永磁体18和第二永磁体20。转子16可以包括任何数量的永磁体；为了简单起见，仅示出两个永磁体。转子16可在定子14内以转子速度(ω)旋转。虽然图1所示的实施例示出了三相单极对(即两极)机器，但应当理解的是，可以采用任何数量的相或极对。
定子14包括定子芯24，其可以是具有中空内部的圆柱形。定子芯24可以包括由间隙或狭槽28隔开的多个向内突出的定子齿26A-F。在图1所示的实施例中，定子绕组30可以可操作地连接到定子芯24，例如，缠绕在定子齿26A-F上。电机12可以采用许多不同形式，并且包括多个和/或替代的部件和设施。虽然在附图中示出了示例性电机12，但附图所示的部件并不旨在是限制性的。事实上，可以使用额外的或替代的部件和/或实现方式。
定子绕组30中流动的电流在定子14中产生旋转磁场。参照图1，定子绕组30可以包括六组绕组；每组用于三相中的每一相(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)。或者，可以采用滑环和电刷(未示出)。参照图1，示出了正交(q)磁轴32和直接(d)磁轴34。第一永磁体18和第二永磁体20产生磁场和磁通量。当转子角度36为零时，第一永磁体18和第二永磁体20的磁通线对齐。如前所述，电机12可以是任何类型的电机，包括但不限于感应电机和同步电机。
参照图1，总成10包括可操作地连接到电机12或与电机12电子通信的控制器40。控制器40配置为接收转矩命令(T*)。参照图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)，存储器上记录有用于执行图2所示的方法100的指令，该方法用于测定总永磁磁通量(ψ总)，包括获得高速磁通量因子(ψH)和低速磁通量因子(ψL)。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。
许多参数估算方法使用最小二乘法/回归模型或基于观察者的方法，这些模型或方法影响了计算吞吐量并需要大量的校准工作。另外，基于磁通量-观察者的方法在低速的情况下具有局限性并增加了计算资源。其他方法使用基于FEA的磁通量-温度查找表，然而，这些方法不包括基于制造的公差，并且为了评估准确性，需要在不同温度下进行若干反电动势(BEMF)测试。
图1的控制器40被特别编程为执行方法100的步骤(如以下参照图2详细讨论的)，并且可以接收来自各种传感器的输入。参照图1，总成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)。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中的其中之一上。或者，可以采用本领域技术人员已知的无传感器的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和基于机器几何形状及其热电气性能进行计算的电动机热模型。第二温度传感器48可以与控制器40通信并且配置为测量转子16的温度，该温度在本文中称为“转子温度”。或者，可以采用本领域技术人员已知的无传感器的转子温度估算技术。
参照图1，总成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能够测量基线温度(例如90℃)下从电机12发出的磁通量并且将输入信号发送到控制器40。另外，控制器40可以被编程为在不采用任何传感器的情况下基于其他方法来测定磁通量，例如有限元分析(FEA)或任何本领域技术人员已知的方法或机制。
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不需要以本文所述的特定顺序进行。此外，应当理解的是，可以取消一些步骤。方法100利用两个独立的电动机转矩估算，例如使用基于电流的(通量图)和基于有源功率的估算值。
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作为查找因子和转矩命令(T*)的乘积的第一函数(F1)。响应于操作者输入或者由控制器40监测到的自动进给的输入条件，可以由控制器40接收转矩命令(T*)。如果装置11是车辆，那么控制器40可以基于操作者通过加速踏板52和制动踏板54的输入信号来确定转矩命令(T*)，如图1所示。电池组56可以作为DC电压源可操作地连接到机器12。
为了获得查找因子，在基线温度(C)下以各种转子速度(ω)获取特征数据。基线温度(C)可以基于特定应用而变化。在一个实例中，基线温度(C)为90摄氏度。查找因子至少部分地基于转子速度(ω)、定子绕组温度(tS)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)和第二转矩估算值T2(即，使用第二方法估算的转矩)之间的差，即：(ΔT＝T1-T2)。如本领域技术人员已知的，估算转矩的第一方法可以是基线温度(C)下基于电流的通量图方法。如本领域技术人员已知的，估算转矩的第二方法可以是基线温度(C)下基于有源功率的方法。可以采用本领域技术人员已知的任何两种不同的转矩估算方法。
参照图3，示出了用于获得查找因子的示例图。在图3中，竖轴202表示基于通量图方法估算的转矩与有源功率方法估算的转矩[两者均在基线温度(C)下进行]的差，其作为速度的函数。横轴204表示转矩命令(T*)(以牛顿-米为单位)。轨迹206、208和210分别表示转子速度值为1000rpm、1500rpm和2000rpm时的数据。
如图3所示，轨迹206、208和210表现出高命令转矩值下的非线性度，例如，高于峰值转矩命令的大约80％。参照图3，查找因子可以视为其中轨迹208和210重合的部分212的斜率。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因子，例如简单线性近似方法或多项式曲线拟合方法或任何其它曲线拟合方法。查找因子可以表征两种不同方法(都在基线温度下)估算的转矩之间的误差，其作为转子速度(在这种情况下，在500rpm和2000rpm之间)的函数，高达峰值转矩的80％。
在图2的步骤104中，控制器40配置为获得第二函数(F2)，其作为第一函数(F1)、转子温度下所实现的转矩(Ta)和预定的第一常数(Y)之和，即：F2＝(F1+Ta+Y)。预定的第一常数(Y)可以视为轨迹部分208的y-截距。在一个实例中，Y的值被视为5％。所实现的转矩(Ta)应理解为电磁转矩，并且可以被定义为所实现的低速转矩(TLS)和所实现的高速转矩(THIS)的加权和，即：Ta＝[(1-K)*TLS+K*THS]。
图4是用于图1的机器的示例性转矩-转子速度图，并且可以用于获得所实现的转矩(Ta)。数据可以在测试发电机或实验室条件下获得。在图4中，竖轴302表示所实现的转矩(以牛顿-米为单位)，而横轴304表示电动机速度(以RPM为单位)。第一部分306表示在相对较低转子速度下所实现的低速转矩(TLS)，例如由线308表示的小于第一速度(ω1)的转矩速度。第二部分310表示在相对较高转子速度下所实现的高速转矩(THS)，例如由线312表示的大于第二速度(ω2)的转矩速度。第三部分314表示以第一和第二速度(ω1和ω2)之间的转矩速度在“混合区”中所实现的转矩。可以获得用于特定转子速度(ω)的加权因子，如下：K＝(ω–ω1)/(ω2-ω1)。上边界316和下边界318示出了所实现的转矩的误差极限320。也可以估算所实现的低速扭矩(TLS)和所实现的高速扭矩(THIS)，如下：和其中
本文中，Pmech被定义为机器的机械输出功率，Pdc被定义为机器12中的DC功率并且可以作为DC线路电压(Vdc)(例如，来自可操作地连接到机器12的电池组56的电压)和DC电流(idc)的乘积获得。此外，Pinv_loss被定义为逆变器损耗(将DC转换为AC)。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。被定义为在定子绕组30中的损耗或所耗散的热量。当机器12不使用时，所耗散热量的值可以用传感器或FEA模型表征或获得。
在图2的步骤106中，控制器40配置为获得低速磁通量因子(ψL)。步骤106包括子步骤106A-C。在图2的步骤106A中，控制器40配置为获得第三函数(F3)，其作为基线温度下的定子绕组电阻(rC)与定子绕组温度下的定子绕组电阻(rts)的比率，即：F3＝(rC/rts)。
在图2的步骤106B中，控制器40配置为获得第四函数(F4)，其作为极对(P)和命令电流(iq*)的乘积，即：
F4＝[P*iq*]。可以从所检测到的机器12的电流(Ia、Ib和Ic)获得DQ参考帧电流(id,iq)，使用电动机位置或转子角36(如图1所示)将所检测到的电流转换为DQ参考帧。可以采用位置传感器51来测定转子角36。使用查找表基于转矩命令(T*)来获得命令电流(id*，iq*)。
在图2的步骤106C中，控制器40配置为至少部分地基于第二函数(F2)(在步骤104中获得)、基线温度下的磁通量(ψC)、基线温度下所实现的转矩(TC)，第三函数(F3)(在步骤106A中获得)和第四函数(F4)(在步骤106B中获得)获得低速磁通量因子(ψL)，即：
ψL＝ψC–[(2*(TC–F2)*F3]/(3*F4)]。
基线温度(例如90摄氏度)下的磁通量(ψC)和所实现的转矩(TC)可以例如使用磁通量传感器50通过在实验室环境或试验室中进行测量而获得。
在图2的步骤108中，控制器40配置为获得高速磁通量因子(ψH)。步骤108包括子步骤108A-C。在图2的步骤108A中，控制器40配置为获得第五函数(F5)，其作为基线温度下的定子绕组电阻(rC)和基线温度下所实现的转矩(TC)的乘积，即：F5＝(rC*TC)。基线温度(例如90摄氏度)下的定子绕组电阻(rC)和所实现的转矩(TC)可以通过使用本领域技术人员已知的装置在实验室环境或试验室中进行测量来获得。
在图2的步骤108B中，控制器40配置为获得第六函数(F6)，其作为极对(P)、转子速度(ω)、命令电流(id*)和电感因子(Ld0)的乘积，即：F6＝[P*ω*id**Ld0]。如上所述，可以使用查找表基于转矩命令(T*)来获得命令电流(id*，iq*)。定子绕组的电感(L)可以通过本领域技术人员已知的任何方法获得。在一个实例中，获得电感(L)作为定子绕组(N)中的匝数、绕组芯材料的相对磁导率(μ)、绕组/线圈的面积(以平方米为单位)以及绕组/线圈的平均长度(以米(l)为单位)的函数，即：L＝(N2*μ*A/l)。
在图2的步骤108C中，控制器40配置为至少部分地基于第二函数(F2)(在步骤104中获得)、基线温度下的磁通量(ψC)，定子绕组温度(tS)下的定子绕组电阻(rts)，第五函数(F5)(在步骤108A中获得)和第六函数(F6)(在步骤108B中获得)获得高速磁通量因子(ψH)，即：
ψL＝ψC+{2*[F5-(rts*F2)]/(3*F6)}。
在图2的步骤110中，控制器40配置为至少部分地基于加权因子(k)、高速磁通量因子(ψH)和低速磁通量(ψL)获得总永磁磁通量因子(ψ总)，即：ψ总＝[k*ψH+(1-k)*ψL]且0<k<1。当转子速度(ω)等于或大于预定的高速阈值(例如，ω>5000rpm)时，加权因子(k)可以为1。当转子速度(ω)等于或小于预定的低速阈值(例如，ω<3000rpm)时，加权因子(k)可以为0。
磁通量的实时精确估算值是用于改善电机12的操作的许多特征的关键因素。控制器40可以可操作以至少部分地基于总永磁磁通量(ψT)来控制电机12的至少一个操作参数，从而提高性能和/或效率。换句话说，方法100可以包括基于总永磁磁通量(ψT)经由控制器40控制或调整电机12的操作参数，从而提高性能和/或效率。例如，可以基于转子温度改变用于电机12的电流命令，以最大限度地提高效率。可以基于总永磁磁通量(ψT)来控制电机12，从而实现改善的高速电流控制和改善的电动机转矩线性度。控制器40可以配置为基于总永磁磁通量(ψT)来调整电机的操作参数，以监测永磁体的状态健康(例如测定疲劳/消磁相关的特征)以及增强诊断/电动机故障响应策略(例如估算三相短路电流)。
总之，由控制器40执行方法100来测定对应于转矩指令(T*)的总永磁磁通量(Ψ总)。方法100利用了两个独立的转矩估算之间的差，例如使用基于电流的(通量图)转矩估算值和基于有功功率的转矩估算值，并且所需的校准最小。图1的控制器40可以是总成10的其他控制器的整体部分或者可操作地连接到总成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(也被称为处理器可读介质)，包括参与提供可由计算机(例如，由计算机的处理器)读取的数据(例如，指令)的任何非暂时性(例如，有形的)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，包括同轴电缆、铜线和光纤，包括包含耦接到计算机处理器的系统总线的线缆。计算机可读媒介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、任何其他光学介质、穿孔卡、纸带、带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、或计算机可从其读取的任何其他介质。
本文所述的查找表、数据库、数据储存库或其他数据存储可以包括用于存储、访问和检索各种类型数据的各种类型的机构，包括分层数据库、文件系统中的文件集、专有格式的应用数据库、关系数据库管理系统(RDBMS)等。每个这样的数据存储可以包括在采用诸如上述那些之一的计算机操作系统的计算装置中，并且可以以多种方式中的任何一种或多种通过网络进行访问。文件系统可以从计算机操作系统进行访问，并且可以包括以多种格式存储的文件。除了用于创建、存储、编辑和执行所存储的过程(例如上述PL/SQL语言)的语言之外，RDBMS还可以采用结构化查询语言(SQL)。
尽管详细描述和附图或图表对于本发明是支持性和描述性的，但本发明的范围仅由权利要求书限定。虽然已经详细描述了用于实施所要求保护的本发明内容的一些最佳模式和其他实施例，但还存在用于实施由所附权利要求书限定的本发明的各种替代设计和实施例。而且，附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必被理解为彼此独立的实施例。相反，有可能的是，在一个实施例的示例之一中所描述的每个特征可以与来自其他实施例的一个或多个其他所需特征相组合，从而形成不以文字进行描述或未参考附图来描述的其他实施例。因此，这种其他实施例落入所附权利要求书的保护范围的框架内。

Claims (9)

1.一种电机总成，其包括：
包括定子和转子的电机，所述转子具有转子温度并且配置为以转子速度ω旋转；
其中所述定子具有定子绕组温度tS下的定子绕组，并且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且配置为接收转矩命令T*；
其中所述控制器具有处理器和有形的非暂时性存储器，在所述存储器上记录有用于执行用于测定作为转子温度的函数的总永磁磁通量ψT的方法的指令，所述处理器执行所述指令以使得所述控制器测定高速磁通量因子ψH和低速磁通量因子ψL；
其中所述控制器可操作以至少部分地基于所述总永磁磁通量ψT来控制所述电机的至少一个操作参数；并且
其中所述总永磁磁通量ΨT至少部分地基于加权因子k、高速磁通量因子ψH和低速磁通量因子ψL，即：ψT＝[k*ψH+(1-k)*ψL]且0<k<1；
其中当所述转子速度ω大于预定的高速阈值时，所述加权因子k为1；并且
其中当所述转子速度ω小于预定的低速阈值时，所述加权因子k为0。
2.如权利要求1所述的总成，其中测定所述总永磁磁通量ΨT包括：
经由所述控制器获得第一函数F1，其作为查找因子和所述转矩命令T*的乘积，其中所述查找因子至少部分地基于所述转子速度ω、所述定子绕组温度tS和特征转矩误差；并且
其中所述特征转矩误差被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。
3.如权利要求2所述的总成，其中测定所述总永磁磁通量ψT包括：通过所述控制器获得第二函数F2，其作为所述第一函数F1、所述转子温度下所实现的转矩Ta和预定的第一常数Y之和，即：F2＝(F1+Ta+Y)。
4.如权利要求3所述的总成，其中测定所述总永磁磁通量ΨT包括：
至少部分地基于所述第二函数F2、基线温度下的所述磁通量ψC、所述基线温度下所实现的转矩TC，第三函数F3和第四函数F4获得所述低速磁通量因子ψL，即：ψL＝ψC–[(2*(TC–F2)*F3)/(3*F4)]。
5.如权利要求4所述的总成，其中所述第三函数F3是基线温度下的定子绕组电阻rC与所述定子绕组温度tS下的定子绕组电阻rts的比率，即：F3＝(rC/rts)。
6.如权利要求5所述的总成，其中所述第四函数F4是极对P和命令电流id*的乘积，即：F4＝[P*iq*]。
7.如权利要求3所述的总成，其中测定所述总永磁磁通量ΨT包括：
至少部分地基于所述第二函数F2、基线温度下的所述磁通量ψC、所述定子绕组温度rts下的定子绕组电阻tS、第五函数F5和第六函数F6获得高速磁通量因子ψH，即：ψL＝ψC+{2*[F5-(rts*F2)]/(3*F6)}。
8.如权利要求7所述的总成，其中所述第五函数F5是基线温度下的所述定子绕组电阻rC和所述基线温度下所实现的转矩TC的乘积，即：F5＝(rC*TC)。
9.如权利要求8所述的总成，其中所述第六函数F6是所述极对P、所述转子速度ω、命令电流id*和电感因子Ld0的乘积，即：F6＝[P*ω*id**Ld0]。
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