CN108092597B - 用于控制绕线式转子同步电动机的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于控制绕线式转子同步电动机的方法和系统。一种用于控制绕线式转子同步电动机的系统，包括：电流/电压确定器，配置为根据实时电动机操作信息，使用映射来确定最优转子电流，并且根据确定的最优转子电流来确定并输出转子电压；以及温度估计器，配置为使用根据针对每一个转子电流的转子电压与转子线圈温度之间的相关性方程式设定的转子线圈温度估计方程式，根据从电流/电压确定器输出的转子电压和最优转子电流来计算并输出转子线圈温度。

Description

用于控制绕线式转子同步电动机的方法和系统

相关申请的交叉参考

本申请要求于2016年11月22日提交的第10-2016-0155418号韩国专利申请的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及一种用于控制绕线式转子同步电动机的方法和系统。更具体地，涉及一种用于根据绕线式转子同步电动机的操作信息实时估计转子线圈的温度来控制绕线式转子同步电动机的方法和系统。

背景技术

本节中的陈述仅提供与本发明相关的背景信息，并且可不构成现有技术。

近来，由于稀土资源的矿化和制造成本的上升以及稀土类永久磁铁材料的供应紧张，所以已经尝试扩展绕线式转子同步电动机的应用范围。

例如，内置式永磁同步电动机(IPMSM)已经被用作电动机(驱动电动机)，作为环保型车辆的驱动源，但是已经对于作为环保型车辆的驱动源而应用的具有缠绕线圈式转子和定子的绕线式转子同步电动机(WRSM)进行了积极地研究和开发。

众所周知，绕线式转子同步电动机是用于将电线圈代替永磁体应用至转子的电动机，并且配置为根据通过将线圈缠绕在转子周围并将直流电流(DC)施加至线圈以形成电场来与定子进行相互作用，从而产生扭矩。

如上所述，转子被线圈缠绕来代替永磁体的绕线式转子同步电动机附加地需要控制流经转子线圈的转子电流I_f，并且因此，当使用永磁同步电动机的传统控制方法时，可能发生由于矢量控制电流Id和Iq以及转子电流I_f的控制变量的组合而引起的控制中央处理单元(CPU)和大量图数据的过载。

另外，需要通过在绕线式转子同步电动机中输入DC电流来生成与永磁体的磁动势对应的力作为转子的电动势，因此由于转子线圈的铜损耗而频繁地发生加热和温升。

因此，当应用绕线式转子同步电动机时，由线圈缠绕的转子的温度升高，因此需要估计转子温度的技术。

当不应用用于根据负载工作条件防止转子线圈的温度升高并且保护转子线圈的逻辑(logic)时，可能发生转子线圈的铜损耗和对操作性能的限制。

特别地，根据负载操作条件，由于转子的损耗而在绕线式转子同步电动机中可能产生过多的热量。因此，由于转子的磁通量的减少而可能出现电动机性能的降低，并且发生转子线圈的损耗，以及由于转子过热而可能发生火灾。

根据相关技术，基于针对每一种操作条件而实际测量的转子线圈的温度来防止转子线圈温度上升并且保护转子线圈的逻辑通过以下内容进行配置：将根据操作条件/定子针对每一个电流实际测量的值存储在用于配置转子线圈电流控制图的数据库的表格中，然后从转子线圈电流控制图中导出现有输入变量的最优转子电流。

然而，可能导致由于矢量控制电流Id和Iq、转子电流I_f等的控制变量的过度组合而引起的庞大的转子线圈电流控制图以及由于控制CPU的过载而引起的处理速度的降低。

另外，为了抑制转子线圈中的损耗，可能导致过量的数据和将针对每一个转子电流的线圈的线圈温度存储在数据库的表格中所花费的过多的时间。

因此，虽然已经知道用于根据基于解译值的转子温度表来估计转子线圈温度的技术，但是不可能根据实时操作条件精确地测量转子线圈的温度。

结果，可能导致由于温度测量的偏差而引起的绕线式转子同步电动机的控制性能的降低。而且，用于保护转子免于过热的设计标准可能不精确，并且可能产生用于存储数据的额外费用。

难以精确估计转子线圈的温度，因此，在由于电阻的损耗而引起绕线式转子同步电动机的性能降低和由于转子线圈的损耗而引起的火灾风险方面存在严重的问题。

发明内容

在一个方面中，本发明提供了一种用于控制绕线式转子同步电动机的方法和系统，用于根据绕线式转子同步电动机的操作信息实时精确地估计转子线圈的温度，以提高控制电动机性能，并且有效防止转子线圈过热/损耗。

在本发明的一种实施方式中，用于控制绕线式转子同步电动机的系统包括：电流/电压确定器，配置为根据实时电动机操作信息，使用映射来确定最优转子电流，并且根据确定的最优转子电流来确定并输出转子电压；以及温度估计器，配置为使用根据针对每一个转子电流的转子电压与转子线圈温度之间的相关性方程式设定的转子线圈温度估计方程式，根据从电流/电压确定器输出的转子电压和最优转子电流来计算并输出转子线圈温度。

系统还可包括：确定器，配置为将从温度估计器输出的转子线圈温度与预设的转子保护温度设定值进行比较，以确定是否执行用于保护转子线圈的逻辑；以及转子命令确定器，配置为根据确定器的确定结果来最终确定用于控制施加至转子线圈的电流的转子电流命令。

在本发明的另一实施方式中，控制绕线式转子同步电动机的方法包括：根据实时电动机操作信息，使用映射来确定最优转子电流；根据确定的最优转子电流来确定转子电压；以及使用根据针对每一个转子电流的转子电压与转子线圈温度之间的相关性方程式设定的转子线圈温度估计方程式，根据转子电压和确定的最优转子电流来计算转子线圈温度。

方法还可包括：比较确定的转子线圈温度与预设的转子保护温度设定值，以确定是否执行用于保护转子线圈的逻辑；以及根据确定结果来最终确定用于控制施加至转子线圈的电流的转子电流命令。

根据本文提供的描述，其他应用范围将变得显而易见。应当理解，描述和具体示例仅旨在用于说明的目的，并不旨在限制本发明的范围。

附图说明

为了可以很好地理解本发明，现在将参考附图描述以示例的方式给出的本发明的各个实施方式，其中：

图1是示出根据相关技术的用于控制绕线式转子同步电动机的结构的示图；

图2是示出控制绕线式转子同步电动机的方法的总体过程的示图；

图3是示出针对每一个转子电流I_f的转子电压V_f与转子线圈温度Temp_f之间的相关性的示例的示图；并且

图4是示出用于控制绕线式转子同步电动机的系统的结构的框图。

这里描述的附图仅用于说明的目的，并不意图以任何方式限制本发明的范围。

具体实施方式

以下描述本质上仅仅是示例性的，并不意图限制本发明、应用或用途。应当理解，在整个附图中，对应的附图标记表示相同或对应的部件和特征。

本发明提供了一种用于控制绕线式转子同步电动机的方法和系统，用于根据绕线式转子同步电动机的操作信息实时精确地估计转子线圈的温度，以增强电动机的控制性能并且有效防止转子线圈的过热/损耗。

在对本发明的一种实时方式进行描述之前，本申请人提交并登记的第10-1664680号(2016年10月4日)韩国专利(专利文献1)公开了一种用于控制绕线式转子同步电动机的系统，用于根据操作命令控制转子电流，以增强绕线式转子同步驱动电动机的控制性能，并且通过根据操作条件实时限制转子电流来防止转子线圈的损耗，从而防止过度的温升。

更详细地，图1是示出专利文献1中公开的用于控制绕线式转子同步电动机的系统的结构的示图。

首先，专利文献1中公开的用于控制绕线式转子同步电动机的系统可包括：转子电流命令发生器10，用于基于驱动电动机的扭矩命令T_e、最大扭矩T_{e_max}和最大转子电流I_{f_max}生成转子电流命令I_f；和定子电流命令映射(map)20，用于基于驱动电动机的扭矩命令T_e和最大频带通量(band flux)λ^-1来确定定子电流命令。

这里，转子电流命令发生器10可配置为根据方程式1确定转子电流命令I_f，

在这种情况下，定子电流命令映射20可配置为包括针对多个转子电流中的每一个的映射(其中为每一个转子电流设置标准转子电流值)，并且配置为基于从转子电流命令发生器10输出的转子电流命令I_f来选择多个映射中的一个，并通过选择的映射确定定子电流命令(d轴电流和q轴电流)。

该系统可包括：转子线圈温度限制器30，用于接收由转子电流命令发生器10确定的转子电流命令I_f，基于输入转子电流命令I_f确定最终转子电流命令，以及将最终转子电流命令输出至定子电流命令映射20。

在这种情况下，定子电流命令映射20可配置为：基于从转子线圈温度限制器30输出的最终转子电流命令来选择映射，并且通过选择的映射来确定定子电流命令。

转子线圈温度限制器30可包括：PI控制器34，用于计算用于温度限制的最大转子电流If_com，使得转子线圈温度Temp_f不超过预设的转子线圈最大设定温度Temp_fmax,_f；和选择器36，用于基于转子线圈温度Temp_f与转子线圈最大设定温度Temp_fmax之间的比较结果来选择用于温度限制的转子电流命令I_f和最大转子电流If_com中的一个，并且将所选择的一个输出至定子电流命令映射20作为最终转子电流命令。

转子线圈温度限制器30还可包括：转子温度估计器32，用于基于实时获取的转子电压V_f和从转子电流命令发生器10输出的转子电流命令I_f来计算实时转子线圈温度Temp_f。

根据上述配置，可使用扭矩命令T_e和最大频带通量λ^-1作为输入，根据定子电流命令映射确定定子电流命令，并且可根据上述方程式1确定转子电流命令I_f。

转子温度估计器32可根据从转子电流命令发生器10输出的转子电流命令I_f，使用基于解译值的转子温度估计表(R-T表)来估计转子线圈温度Temp_f。

然而，根据实时电动机操作条件，针对每一个操作时间，由于转子的温度上升而在绕线式转子同步电动机中发生转子加热，结果，在上述系统中，在实际温度与使用基于解译值的转子温度估计表(R-T表)估计的转子线圈温度Temp_f之间存在较大误差。

因此，转子可控性降低，并且难以精确地建立转子温度规范标准。

可能由于在估计转子温度方面的误差而不能操作温度限制逻辑(即，转子保护逻辑)，因此，转子线圈中出现损耗并且由于高温而引起火灾的可能性可能增加。

另外，应该考虑由于转子温度估计表(R-T表)的过量数据而引起的存储和管理数据的高费用。

因此，本发明提供了一种控制绕线式转子同步电动机的系统和方法，其包含估计转子线圈温度的增强方法。

本发明提出了一种使用通过针对每一个转子电流I_f分析转子电压V_f与转子线圈温度Temp_f之间的相关性而建立的热模型来估计转子线圈的温度的方法。

本发明提出了一种生成转子电流命令的方法，用于通过根据实时操作条件估计绕线式转子同步电动机的转子线圈的温度来防止转子过热/损耗。

图2是示出根据本发明的控制绕线式转子同步电动机的方法的整体过程的示图。参考图2，当实时确定用于电动机操作信息(即，电动机控制)的操作命令(扭矩和速度)时(S1)，可根据操作命令确定最优转子电流I_{f_Opt}，同时，可根据转子电流确定当前转子电压V_f(S2)。

可通过基于温升的转子电阻值的改变和最优转子电流I_{f_Opt}来确定转子电压V_f，更具体地，转子电压V_f可确定为通过将转子电阻值的改变与最优转子电流相乘所得到的值。

这里，例如转子电阻值的数据可为通过前期测试和评价过程获得的实验值，并且可存储和使用该实验值。

然后，可使用针对每一个转子电流I_f的转子电压V_f与转子线圈温度Temp_f之间的相关性来实时估计和确定与当前转子电压V_f和最优转子电流I_f＝I_{f_Opt}对应的转子线圈温度Temp_f(S3)。

然后，可基于实时估计的转子线圈温度Temp_f来执行用于保护转子线圈的控制逻辑(S4)。

当操作绕线式转子同步电动机时，实际上，根据操作条件，关于转子线圈的温度，在估计值与实际测量值之间存在偏差，因此，由于偏差可能导致电流映射命令中的误差和转子线圈中的损耗。

因此，可分析基于实际测量值的转子损耗与转子线圈温度之间的相关性，以建立用于实时估计转子温度的热模型，然后需要通过建立的热模型在防止转子损耗的操作区域中控制转子电流。

在本发明的一些实施方式中，如图3所示，通过前期测试和评价过程，可针对每个转子电流I_f分析转子电压V_f与转子线圈温度Temp_f之间的相关性，可从分析结果中获得转子线圈温度的估计方程式，然后可基于估计方程式建立热模块。

也就是说，如图3所示，为了导出转子线圈温度的估计方程式，可针对每一个转子电流(例如，I_f＝0A,5A,10A,15A,20A,...)根据转子电压V_f通过原理测试获得转子线圈温度的实际测量值和改变值，并且可获得所获取的转子电压V_f与转子线圈温度Temp_f之间的相关性的估计方程式。

例如，可使用通过前期测试和评价过程获得的图3的数据来获取转子线圈温度的估计方程式。

[方程式2]Temp_f＝A×V_f+B

这里，Temp_f是转子线圈温度，V_f是转子电压，A是转子线圈温度的比例系数，B是转子线圈温度的比例常数。

可在前期测试和评价过程中针对每一个转子电流(例如，0A,5A,10A,15A,20A,...)预先获取系数A和常数B，可针对每一个转子电流在数据库的表格中建立系数A和常数B，然后可在控制系统(稍后将描述的温度估计器)中预先设定、输入、存储和使用存储在数据库中的针对每一个转子电流的系数和常数。

除了针对电流值为转子电压V_f定义转子线圈温度Temp_f(即，通过上述相关性方程式2预设系数和常数的电流值(0A,5A,10A,15A,20A,...))之外，关于转子电流I_f，可根据转子电压与转子线圈温度之间的相关性通过插值(interpolation)来估计转子线圈的相对于转子电压改变的温度。

图4是示出根据本发明的一种实施方式的用于控制绕线式转子同步电动机的系统的结构的框图。框图包括如下配置：用于根据实时电动机操作信息来实时估计转子线圈温度Temp_f的配置；和用于最后确定电流命令(即，用于控制施加至转子线圈的电流的转子电流命令I_f*)的配置，以便基于实时估计的转子线圈温度Temp_f，保护转子线圈免于转子线圈过热/损耗。

也就是说，根据本发明的一种实施方式的用于控制绕线式转子同步电动机的系统可包括：电流/电压确定器110，用于根据实时电动机操作信息使用转子命令映射If_map来确定最优转子电流I_{f_Opt}，并且根据确定的最优转子电流I_{f_Opt}实时确定并输出当前转子电压V_f；温度估计器120，用于使用预设转子线圈温度估计方程式，根据从电流/电压确定器110输出的当前转子电压V_f和最优转子电流I_{f_Opt}来估计并输出转子线圈温度Temp_f；确定器130，用于比较预设的转子保护温度设定值Temp_limit与从温度估计器120输出的转子线圈温度Temp_f，以确定是否执行用于保护转子线圈的逻辑；以及转子命令确定器140，用于根据确定器130的确定结果最终确定转子电流命令I_f*。

这里，电动机操作信息可为与实时电动机操作条件对应的信息，即，关于电动机扭矩命令T_e和电动机速度的信息，并且可使用绕线式转子同步电机的实时操作条件，根据信息来实时估计转子线圈温度Temp_f。

关于电动机速度的信息可为电动机的最大频带通量λ^-1。

在这种情况下，电流/电压确定器110的转子命令映射If_map可为如下映射：根据电动机扭矩命令T_e和最大频带通量λ^-1来设定最优转子电流I_{f_Opt}的值，并且电流/电压确定器110可同时根据从转子命令映射If_map中确定的最优转子电流I_{f_Opt}获得转子电压V_f的值。

温度估计器120的转子线圈温度估计方程式可为上述方程式2中所示的针对每一个转子电流I_f的转子电压V_f与转子线圈温度Temp_f之间的相关性方程式，在这种情况下，可针对每一个转子电流在温度估计器120中预设、输入和存储方程式2的系数A和常数B。

当使用上述方程式2时，由电流/电压确定器110确定并输入至温度估计器120的最优转子电流I_{f_Opt}可为根据当前操作信息和操作条件的实时转子电流I_f，并且温度估计器120可确定具有根据最优转子电流I_f＝I_{f_Opt}确定的系数A和常数B的相关性方程式(转子线圈温度估计方程式)，并且该温度估计器可根据相关性方程式确定并估计转子线圈温度Temp_f。

参考除了确定系数A和常数B的电流值之外的最优转子电流值，可使用最优转子电流I_{f_Opt}和转子电压V_f，通过在针对每一个转子电流I_f的转子电压V_f与转子线圈温度Temp_f之间的相关性方程式中的插值来获取转子线圈温度Temp_f。

然后，如上所述，当温度估计器120获取并输出转子线圈温度Temp_f时，确定器130可将输入的转子线圈温度Temp_f与预设的转子保护温度设定值Temp_limit进行比较。

这里，当转子线圈温度Temp_f低于转子保护温度设定值Temp_limit(Temp_f<Temp_limit)时，确定器130可确定需要执行转子线圈保护逻辑。

在这种情况下，转子命令确定器140可接收确定器130的确定结果，并且确定用于控制作为最优转子电流I_{f_Opt}施加至转子线圈的电流的转子电流命令I_f*，使得不执行单独的转子线圈保护逻辑，并且不限制施加到转子线圈的电流。

另一方面，当转子线圈温度Temp_f等于或高于转子保护温度设定值Temp_limit(Temp_f≥Temp_limit)时，确定器130可确定：需要执行用于限制施加至转子线圈的电流的转子线圈保护逻辑。

在这种情况下，转子命令确定器140可接收确定器130的确定结果，将转子电流命令I_f*确定为预设的转子保护极限电流值I_{f_limit}，以及因此将施加至转子线圈的电流限制为转子保护极限电流值I_{f_limit}。

转子线圈保护逻辑可为用于限制施加至转子线圈的电流以抑制转子线圈过热和转子线圈中的损耗的逻辑，并且可限制转子线圈的电流以抑制转子线圈的过度的温升。

转子保护温度设定值Temp_limit可为通过前期测试和评价过程获得的预设值，并且可为由确定器130预先输入和使用的温度值，并且当转子线圈的温度达到上述温度时，在考虑到可能出现转子线圈的过度的温升并且转子线圈损耗上升的温度条件的情况下，可预设转子保护温度设定值Temp_limit。

转子保护极限电流值I_{f_limit}也是通过前期测试和评价过程预设的值，并且是预先输入至转子命令确定器140的电流值，并且当限制作为电流值施加至转子线圈的电流时，在考虑到用于确保防止转子线圈的过度的温升和损耗的情况下，可预设转子保护极限电流值I_{f_limit}。

因此，在本发明的一些实施方式中，用于控制绕线式转子同步电动机的方法和系统可在绕线式转子同步电动机的负载操作期间，根据电动机操作信息实时精确地估计转子线圈的温度，以提高电动机控制性能，并且有效防止转子线圈过热/损耗、起火等。

可实时精确地估计转子线圈的温度，以提高电动机系统的控制精度，根据控制精度的提高来减小电动机输出的偏差，提高系统效率，以及提高车辆的燃料效率。

另外，可减少由于转子损耗而引起的更换部件和电动机的费用，可防止火灾以提高车辆安全性，以及根据实时转子线圈估计来提高用于保护转子内部电压的标准的精确性。

在根据本发明的一种实施方式提出的估计转子线圈温度的方法中，可以通过开发和应用转子线圈的热模型来估计转子的内部温度，并且可通过省略转子温度传感器来降低制造成本。

与相关技术相比，可增强映射，并且例如，可减少使用需要过量数据的温度估计映射，可省略并减少用于存储大量数据的存储设备，因此，可降低制造成本。

本发明的描述本质上仅仅是示例性的，因此，不偏离本发明内容的变化意图在本发明的范围内。不认为这些变化偏离本发明的精神和范围。

Claims (16)

1.一种用于控制绕线式转子同步电动机的系统，包括：

电流/电压确定器，配置为根据实时电动机操作信息，使用映射来确定最优转子电流，并且配置为基于所述最优转子电流来确定并输出转子电压；以及

温度估计器，配置为基于转子线圈温度估计方程式，根据从所述电流/电压确定器输出的转子电压和最优转子电流来计算并输出转子线圈温度，其中，所述转子线圈温度估计方程式为针对多个转子电流中的每一个的所述转子电压与所述转子线圈温度之间的相关性方程式。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括：

确定器，配置为确定用于保护转子线圈的逻辑是处于开启状态还是处于关闭状态，其中，用于保护所述转子线圈的逻辑基于所述转子线圈温度与预设的转子保护温度值的比较；以及

转子命令确定器，配置为基于所述确定器的结果来确定转子电流命令，其中，所述转子电流命令控制施加至所述转子线圈的电流。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，当所述转子线圈温度低于所述预设的转子保护温度值时，所述确定器配置为确定用于保护所述转子线圈的逻辑处于关闭状态。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，当所述确定器确定用于保护所述转子线圈的逻辑处于关闭状态时，所述转子命令确定器配置为将所述转子电流命令确定为所述最优转子电流。

5.根据权利要求2所述的系统，其中，当所述转子线圈温度等于或高于所述预设的转子保护温度值时，所述确定器配置为确定用于保护所述转子线圈的逻辑处于开启状态。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，当所述确定器确定用于保护所述转子线圈的逻辑处于开启状态时，所述转子命令确定器配置为将所述转子电流命令确定为预设的转子保护限制电流值，并且其中，所述转子命令确定器配置为将施加至所述转子线圈的电流限制为所述转子保护限制电流值。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述温度估计器将所述转子线圈温度估计方程式设定为：

Temp_f＝A×V_f+B，

其中，Temp_f为转子线圈温度，V_f为转子电压，A和B为针对所述多个转子电流中的每一个转子电流预设的系数和常数，并且其中，基于所述最优转子电流确定A和B。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，当所述最优转子电流不是带有预设的系数和常数的预设转子电流时，所述温度估计器配置为：基于所述转子线圈温度估计方程式，通过插值来确定与所述最优转子电流对应的转子线圈温度。

9.一种控制绕线式转子同步电动机的方法，包括以下步骤：

根据实时电动机操作信息，使用映射来确定最优转子电流，并且基于所述最优转子电流来确定转子电压；以及

基于转子线圈温度估计方程式，根据所述转子电压和所述最优转子电流来计算转子线圈温度，其中，所述转子线圈温度估计方程式为针对多个转子电流中的每一个的所述转子电压与所述转子线圈温度之间的相关性方程式。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括以下步骤：

确定用于保护转子线圈的逻辑是处于开启状态还是处于关闭状态，其中，基于所述转子线圈温度与预设的转子保护温度值的比较来确定用于保护所述转子线圈的逻辑；以及

确定转子电流命令，其中，所述转子电流命令控制施加至所述转子线圈的电流。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，当所述转子线圈温度低于所述预设的转子保护温度值时，确定用于保护所述转子线圈的逻辑处于关闭状态。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，当用于保护所述转子线圈的逻辑处于关闭状态时，所述转子电流命令被确定为所述最优转子电流。

13.根据权利要求10所述的方法，其中，当所述转子线圈温度等于或高于所述预设的转子保护温度值时，确定用于保护所述转子线圈的逻辑处于开启状态。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，当用于保护所述转子线圈的逻辑处于开启状态时，将所述转子电流命令确定为预设的转子保护限制电流值，并且其中，将施加至所述转子线圈的电流限制为所述转子保护限制电流值。

15.根据权利要求9所述的方法，其中，所述转子线圈温度估计方程式被设定为：

Temp_f＝A×V_f+B，

其中，Temp_f为转子线圈温度，V_f为转子电压，A和B为针对所述多个转子电流中的每一个预设的系数和常数，并且其中，基于所述最优转子电流确定A和B。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，当所述最优转子电流不是带有预设的系数和常数的预设转子电流时，基于所述转子线圈温度估计方程式，通过插值来确定与所述最优转子电流对应的转子线圈温度。

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