CN109039219A - 一种基于转子磁钢温度的车用电机保护方法 - Google Patents

Abstract

一种基于转子磁钢温度的车用电机保护方法，采用转子磁钢温度在线估计系统实现转子磁钢温度监测，根据当前转子磁钢温度对车用电机进行保护；所述转子磁钢温度在线估计系统，包括：磁链观测器、温度估计模块以及电机保护模块；所述磁链观测器输入信号为定子电压和电流，输出信号为转子磁钢磁链信号，根据定子电压和电流计算转子磁钢磁链信号，并将转子磁钢磁链信号输出至温度估计模块；所述温度估计模块接收磁链观测器的输出信号，进行转子磁钢温度计算，将计算出的转子磁钢温度传输至电机保护模块；电机保护模块接收转子磁钢温度，根据转子磁钢温度对车用电机采取保护措施。

Description

一种基于转子磁钢温度的车用电机保护方法

技术领域

本发明涉及电机领域，特别涉及一种基于转子磁钢温度的车用电机保护方法。

背景技术

永磁同步电机由于其能量密度高，易于控制，在当下的工业生产和交通运输中获得了广泛的应用。特别是是在新能源汽车行业，永磁同步电机的市场份额一直很高。在永磁同步电机的运行过程中，定子温度和电机控制器温度需要被实时监控以防止电机或控制器产生过热风险。转子磁钢由于其自身结构和特性，在温度过高时容易发生退磁，且这种变化具有不可逆性，一旦转子磁钢发生退磁，会大大影响电机的性能，使汽车在运行过程中出现不可控的风险。

(1)但是，由于转子始终处于高速旋转的状态，在上面安装温度传感器有很大的困难。

(2)传统的做法是利用电机的电流大小和转子磁钢磁链对应数值以及电机在空载情况下，对不同转速下所对应的转子磁钢磁链进行矢量运算得到电机当前转子磁钢磁链值，然而这种做法仍需在实验阶段，在电机内部安装滑环式传感器以确保实验准确性，实验工作较为复杂且实验花费昂贵。

(3)传统的电机温度保护策略往往只考虑电机定子温度，由于对所应用系统的安全性能要求不高，往往未做电机转子磁钢温度安全保护策略，在电机高温大扭矩运行时，很容易使得电机转子磁钢发生退磁。

发明内容

本发明的一个目的在于，提供一种能够在电机运行并加载时准确估计电机转子磁钢温度，防止由于温度过高导致的电机转子磁钢退磁现象发生，对电机进行保护的方法。

本发明实现其发明目的所采用的技术方案是：一种基于转子磁钢温度的车用电机保护方法，采用转子磁钢温度在线估计系统实现转子磁钢温度监测，根据当前转子磁钢温度对车用电机进行保护；所述转子磁钢温度在线估计系统，包括：磁链观测器、温度估计模块以及电机保护模块；所述磁链观测器输入信号为定子电压和电流，输出信号为转子磁钢磁链信号，根据定子电压和电流计算转子磁钢磁链信号，并将转子磁钢磁链信号输出至温度估计模块；所述温度估计模块接收磁链观测器的输出信号，进行转子磁钢温度计算，将计算出的转子磁钢温度传输至电机保护模块；电机保护模块接收转子磁钢温度，根据转子磁钢温度对车用电机采取保护措施。

进一步地，所述磁链观测器的观测器方程为：

其中，x(t)为状态矢量，u(t)为确定性输入矢量，σ(t)为考虑了不确定性模型和系统外部扰动的系统噪声；u(t_k)为测量噪声，包含了所有的测量噪声和测量的不准确性。

进一步地，所述磁链观测器根据定子电压和电流计算转子磁钢磁链信号，具体包括：

构建转子磁钢磁链和定子电压方程：

其中，u_d和u_q分别表示d轴和q轴的定子电压，i_d和i_q分别表示d轴和q轴的定子电流；R表示定子电阻，L_d和L_q分别表示d轴和q轴的定子电感；ψ_d和ψ_q分别表示d轴和q轴的定子磁链；ω表示转子的电角速度；ψ_r表示转子磁钢磁链；

在不同的工况下，转子磁钢磁链矢量的幅值和方向会发生变化，式(4)改写为：

由于转子磁钢磁链只和转子磁钢温度有关，因此可以认为其在最小中断周期内的变化率为零，令

则，系统总的方程为：

其中：

从而得到转子磁钢磁链为：

进一步地，所述温度估计模块接收磁链观测器的输出信号，进行转子磁钢温度计算是指：根据所述磁链观测器输出的转子磁钢磁链，计算转子磁钢的剩磁密度，根据剩磁密度和电机转子磁钢温度之间的关系，获得转子磁钢温度；

具体包括：

S1：根据获得的转子磁钢磁链，即转子磁钢磁通，结合以下转子磁钢磁通公式：

得到永磁体的剩磁密度B_r；其中，b_m0，A_m，σ₀均为常量。

S2：根据剩磁密度和转子磁钢磁钢的估计温度之间的关系：

得到永磁体磁钢的估计温度；其中，α，B_r，IL，B_r20均为常量，t为永磁体磁钢的估计温度；

进一步地，电机保护模块接收转子磁钢温度，根据转子磁钢温度对车用电机采取保护措施，是指：

当磁钢温度大于155度时，电机立即停机，等待温度降下；

当磁钢温度小于155度，大于145度时，电机采取降功率运行措施；

当电机温度小于145度，大于135度时，电机发出温度过高报警。

本发明的实质性效果：

(1)本发明设计了一种基于扩张卡尔曼滤波观测器的转子磁钢磁链估计方法，提高了估计精度，同时结合电机转子的剩磁密度公式计算电机运行的实时温度，温度控制的准确性更高。

(2)车用电机在正常运行时在线实时估记转子磁钢磁钢温度，并在磁钢温度过高时进行过温保护，避免了在驾车过程中由于旋变故障导致车辆抛锚的发生。

附图说明

图1为本发明的转子磁钢温度在线估计系统示意图。

图2为本发明实施例仿真实验得到的转子α轴磁链信号。

图3为本发明实施例仿真实验得到的转子β轴磁链信号。

图4为本发明根据转子磁钢温度对电机采取的保护策略。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。

一种基于转子磁钢温度的车用电机保护方法，采用转子磁钢温度在线估计系统实现转子磁钢温度监测，如图1所示，根据当前转子磁钢温度对车用电机进行保护；所述转子磁钢温度在线估计系统，包括：磁链观测器、温度估计模块以及电机保护模块；所述磁链观测器输入信号为定子电压和电流，输出信号为转子磁钢磁链信号，根据定子电压和电流计算转子磁钢磁链信号，并将转子磁钢磁链信号输出至温度估计模块；所述温度估计模块接收磁链观测器的输出信号，进行转子磁钢温度计算，将计算出的转子磁钢温度传输至电机保护模块；电机保护模块接收转子磁钢温度，根据转子磁钢温度对车用电机采取保护措施。

本发明能够很好地避免由于电机的低阶状态方程而引起的辨识问题，利用转子磁钢磁链值，估算出当前电流条件下的转子温度；应用本发明能实时监测转子温度变化，防止转子磁钢温度过高现象发生，提高了驱动系统的安全性能。

磁链观测器的观测器方程为：

其中，x(t)为状态矢量，u(t)为确定性输入矢量，σ(t)为考虑了不确定性模型和系统外部扰动的系统噪声；u(t_k)为测量噪声，包含了所有的测量噪声和测量的不准确性。

采用卡尔曼滤波器的最优状态估计x_ek|k为状态矢量x_(t)最小方差估计。考虑从t_k-1到t_k的采样时间间隔，最优状态估计x_ek|k和它的方差P_k|k通过下面两步计算得到：

第一步为估计阶段，估计阶段的递推方程可表示为：

其中，F_k-1表示

第二步为调整阶段，调整阶段的递推方程可表示为：

其中，

其中，K_k为卡尔曼滤波器矩阵的增益值，R为卡尔曼滤波器当中的一恒值矩阵。

构建转子磁钢磁链和定子电压方程：

其中，u_d和u_q分别表示d轴和q轴的定子电压，i_d和i_q分别表示d轴和q轴的定子电流；R表示定子电阻，L_d和L_q分别表示d轴和q轴的定子电感；ψ_d和ψ_q分别表示d轴和q轴的定子磁链；ω表示转子的电角速度；ψ_r表示转子磁钢磁链；

在不同的工况下，转子磁钢磁链矢量的幅值和方向会发生变化，式(4)改写为：

由于转子磁钢磁链只和转子磁钢温度有关，因此可以认为其在最小中断周期内的变化率为零，令

则，系统总的方程为：

其中：

从而得到转子磁钢磁链为：

根据获得的转子磁钢磁链，即转子磁钢磁通，结合以下转子磁钢磁通公式：

得到转子磁钢的剩磁密度B_r；其中，b_m0，A_m，σ₀均为常量；

再根据剩磁密度和转子磁钢磁钢的估计温度之间的关系：

得到转子磁钢温度；其中，α，B_r，IL，B_r20均为常量，t为转子磁钢温度。

为验证所提方法的有效性，本发明对永磁同步电机控制系统的温度估计效果效果进行仿真实验：

设置实验中的初始条件和控制参数为：采取仿真步长0.0000001s；电机参数设置为母线电压u_dc＝300V，L_d＝0.0006H，L_q＝0.0008H，电机的初始磁链值ψ_f＝0.067Wb，R＝0.014；状态变量初始状态均设为零。期望信号为2000转/分，仿真时间设定为0.5s，初始负载转矩设定为20N.m。

测得转子α轴和β轴磁链如图2至图3所示，由图可见测到的磁链值与实验所采用电机的初始磁链值ψ_f＝0.067Wb，误差小于0.01Wb，估计精度较高，说明该方法具有较高的可行性。转子磁钢温度估计要求为+5度左右，满足转子磁钢温度估计要求。

电机保护模块根据转子磁钢温度对车用电机采取保护措施，如图4所示，具体包括：

当磁钢温度大于155度时，电机立即停机，等待温度降下；

当磁钢温度小于155度，大于145度时，电机采取降功率运行措施；

当电机温度小于145度，大于135度时，电机发出温度过高报警。

通过建立电机控制器的转子磁钢温度三级故障保护机制，可有效防止转子磁钢温度过高引起的退磁现象发生。

以上所述实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其他的变体及改型。

Claims (5)

1.一种基于转子磁钢温度的车用电机保护方法，其特征在于，采用转子磁钢温度在线估计系统实现转子磁钢温度监测，根据当前转子磁钢温度对车用电机进行保护；

所述转子磁钢温度在线估计系统，包括：磁链观测器、温度估计模块以及电机保护模块；

所述磁链观测器输入信号为定子电压和电流，输出信号为转子磁钢磁链信号，根据定子电压和电流计算转子磁钢磁链信号，并将转子磁钢磁链信号输出至温度估计模块；

所述温度估计模块接收磁链观测器的输出信号，进行转子磁钢温度计算，将计算出的转子磁钢温度传输至电机保护模块；

电机保护模块接收转子磁钢温度，根据转子磁钢温度对车用电机采取保护措施。

2.根据权利要求1所述的一种基于转子磁钢温度的车用电机保护方法，其特征在于，所述磁链观测器的观测器方程为：

其中，x(t)为状态矢量，u(t)为确定性输入矢量，σ(t)为考虑了不确定性模型和系统外部扰动的系统噪声；u(t_k)为测量噪声，包含了所有的测量噪声和测量的不准确性。

3.根据权利要求2所述的一种基于转子磁钢温度的车用电机保护方法，其特征在于，所述磁链观测器根据定子电压和电流计算转子磁钢磁链信号，具体包括：

构建转子磁钢磁链和定子电压方程：

其中，u_d和u_q分别表示d轴和q轴的定子电压，i_d和i_q分别表示d轴和q轴的定子电流；R表示定子电阻，L_d和L_q分别表示d轴和q轴的定子电感；ψ_d和ψ_q分别表示d轴和q轴的定子磁链；ω表示转子的电角速度；ψ_r表示转子磁钢磁链；

在不同的工况下，转子磁钢磁链矢量的幅值和方向会发生变化，式(4)改写为：

由于转子磁钢磁链只和转子磁钢温度有关，因此可以认为其在最小中断周期内的变化率为零，令

则，系统总的方程为：

其中：

从而得到转子磁钢磁链为：

4.根据权利要求3所述的一种基于转子磁钢温度的车用电机保护方法，其特征在于，所述温度估计模块接收磁链观测器的输出信号，进行转子磁钢温度计算是指：根据所述磁链观测器输出的转子磁钢磁链，计算转子磁钢的剩磁密度，根据剩磁密度和电机转子磁钢温度之间的关系，获得转子磁钢温度；

具体包括：

S1：根据获得的转子磁钢磁链，即转子磁钢磁通，结合以下转子磁钢磁通公式：

得到永磁体的剩磁密度B_r；其中，b_m0，A_m，σ₀均为常量；

S2：根据剩磁密度和转子磁钢磁钢的估计温度之间的关系：

得到转子磁钢温度；其中，α，B_r，IL，B_r20均为常量，t为转子磁钢温度。

5.根据权利要求1或4所述的一种基于转子磁钢温度的车用电机保护方法，其特征在于，电机保护模块接收转子磁钢温度，根据转子磁钢温度对车用电机采取保护措施，是指：

当磁钢温度大于155度时，电机立即停机，等待温度降下；

当磁钢温度小于155度，大于145度时，电机采取降功率运行措施；

当电机温度小于145度，大于135度时，电机发出温度过高报警。