CN109060184A - 一种用于实现电机温度冗余监测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明创造提供了一种用于实现电机温度冗余监测的方法，包括如下步骤：(1)首先，建立永磁同步电机的在矢量控制中D‑Q两相同步旋转坐标系下的电压模型；(2)然后，建立模型参考自适应系统；将被辨识量作为参考自适应系统的参数，对电机的电阻R进行参数辨识。(3)最后通过电阻的相对变化，得到当前电机温度。通过本发明提出的电机电阻辨识方案，可进而估算出当前的环境温度，此方法为在温度传感器失效的情况下，电机控制器仍实现对电机温度的监测提供了新的方案和思路，可实现对电机温度的继续监测，有效地避免了电机温度监测失效后导致的诸多意外情况的发生。

Description

一种用于实现电机温度冗余监测的方法

技术领域

本发明创造属于电机监测领域，尤其是涉及一种用于实现电机温度冗余监测的方法。

背景技术

在常规的电机温度采样电路中，是通过温度电阻电路采样，进而获得电机的温度。采样所用的温度传感器为NTC负温度系数热敏电阻，通过温度传感器采样得到一个电压值，然后通过信号调理电路对采样得到的电压信号进行信号处理，然后将信号输入到主控制器中，主控制器通过该采样得到的电压值对电机温度完成监测。

现有的电机温度监测电路其具备价格低，温度采样电路容易实现，采样温度范围较广等优点。但是温度传感器的信号是通过线束传输到电机主控器上，当意外情况发生时，可能会导致线束接触不良或者信号丢失的情况，从而失去对电机温度的监测，在此类工况下，可能会导致电机在高温状态下持续运行，从而对电机本体造成损坏，还可能会导致车辆失控等重大后果。

发明内容

有鉴于此，本发明创造旨在提出一种用于实现电机温度冗余监测的方法，以解决对电机传感器失效时，通过对此时电机电阻参数进行辨识，从而推导出对应于此时电机电阻值的电机温度，从而解决在电机温度传感器失效的工况下，电机在高温状态持续运行的问题，避免电机因为过热导致的电机损坏。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种用于实现电机温度冗余监测的方法，包括如下步骤：

(1)首先，建立永磁同步电机的在矢量控制中D-Q两相同步旋转坐标系下的电压模型；

(2)然后，建立模型参考自适应系统；将被辨识量作为参考自适应系统的参数，对电机的电阻R进行参数辨识。

(3)最后通过电阻的相对变化，得到当前电机温度。

进一步，步骤(1)所述的电压模型为：

其中，u_d、u_q为D/Q轴电压，i_d、i_q为D/Q轴电流，L_d，L_q为D/Q轴电感，Ψ_d、Ψ_q为D/Q轴磁链，Ψ_f为永磁体磁链，R为定子绕组电阻，ω为电角速度。

进一步的，步骤(2)所述的模型参考自适应系统包括永磁同步电机的参考模型、永磁同步电机的可调模型。

进一步的，步骤(2)所述的建立模型参考自适应系统包括如下步骤：

(21)将MRAI参考自适应系统转化为由线性定常前向回路和非线性反馈回路组成的反馈系统；

(22)使非线性反馈回路满足Popov波波夫积分不等式，从而求出反馈方块中的参数自适应律；

(23)使线性定常前向回路满足严格正实的条件，从而求出前向回路中的线性补偿器；

(24)在确定了参数自适应律和线性补偿器后，返回到原系统做出整个自适应系统的结构图；然后完成电机电阻R的辨识过程。

进一步的，所述步骤(22)所述参数自适应律为：

其中，为运行工况下的电机电阻值，k1、k2为PI调节的参数值

进一步的，步骤(3)所述的当前电机温度T的计算公式，表示如下：

式中，R为常温下的电机电阻值，为运行工况下的电机电阻值，T为当前状态下的电机温度，T₀为室温。

相对于现有技术，本发明创造所述的一种用于实现电机温度冗余监测的方法具有以下优势：

通过本发明提出的电机电阻辨识方案，可进而估算出当前的环境温度，此方法为在温度传感器失效的情况下，电机控制器仍实现对电机温度的监测提供了新的方案和思路，可实现对电机温度的继续监测，有效地避免了电机温度监测失效后导致的诸多意外情况的发生。

附图说明

构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：

图1为本发明创造实施例所述的参考模型示意图；

图2为本发明创造实施例所述的波波夫超稳定理论波形示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。

(1)首先，建立永磁同步电机的在矢量控制中D-Q两相同步旋转坐标系下的电压模型；

(2)然后，建立模型参考自适应系统；将被辨识量作为参考自适应系统的参数，对电机的电阻R进行参数辨识。

(3)最后通过电阻的相对变化，得到当前电机温度。

步骤(1)所述的电压模型为：

其中，u_d、u_q为D/Q轴电压，i_d、i_q为D/Q轴电流，L_d，L_q为D/Q轴电感，Ψ_d、Ψ_q为D/Q轴磁链，Ψ_f为永磁体磁链，R为定子绕组电阻，ω为电角速度。

步骤(2)所述的模型参考自适应系统包括永磁同步电机的参考模型、永磁同步电机的可调模型。

步骤(2)所述的建立模型参考自适应系统包括如下步骤：

(21)将MRAI参考自适应系统转化为由线性定常前向回路和非线性反馈回路组成的反馈系统；

(22)使非线性反馈回路满足Popov波波夫积分不等式，从而求出反馈方块中的参数自适应律；

(23)使线性定常前向回路满足严格正实的条件，从而求出前向回路中的线性补偿器；

(24)在确定了参数自适应律和线性补偿器后，返回到原系统做出整个自适应系统的结构图；然后完成电机电阻R的辨识过程。

所述步骤(22)所述参数自适应律为：

其中，为运行工况下的电机电阻值，k1、k2为PI调节的参数值

步骤(3)所述的当前电机温度T的计算公式，表示如下：

式中，R为常温下的电机电阻值，为运行工况下的电机电阻值，T为当前状态下的电机温度，T₀为室温。

本发明的具体实施过程：

首先，建立了永磁同步电机的在矢量控制中D-Q两相同步旋转坐标系下的电压模型如下式所示：

式中u_d，u_q——d、q轴电压；

i_d，i_q——d、q轴电流；

L_d，L_q——d、q轴电感；

ψ_d，ψ_q——d、q轴磁链；

ψ_f——永磁体磁链；

R_●——定子绕组电阻；

ω_●——电角速度；

然后，引进模型参考自适应的参数辨识方法对电机的电阻R进行参数辨识。模型参考自适应的电机参数辨识框图如图1所示，主要内容为：

建立永磁同步电机的参考模型和可调模型，将被辨识量作为参数，电机在d-q同步旋转坐标系下的电压和电流作为输入和输出量，利用在运行状态下，两者数学模型的差值，通过参数自适应律使得参考模型和可调模型差值最小，从而实现待辨识参数的准确辨识。

在模型参考自适应的方法中，自适应律的设计通过波波夫(Popov)超稳定性理论来实现，从而能在保证系统稳定的前提下，结合实际系统比较灵活地设计参数自适应律。

波波夫超稳定定理所研究的控制系统是由线性定常的前向回路G(s)和非线性时变的反馈回路φ(v)组成的非线性反馈系统，如图2所示：

设该波波夫非线性反馈系统的线性定常前向回路的方程如下式所示：

y＝Cx+Du＝Cx-Dw (2)

其中，(A，B)完全可控，(A,C)完全可观。

非线性反馈回路的方程为：w＝φ(v) (3)

对于反馈回路，要满足波波夫积分不等式：

判定超稳定的充要条件：

对于上述波波夫非线性反馈系统，其(渐近)超稳定的充要条件是它的线性定常前向回路的传递函数矩阵H(s)是(严格)正实的。H(s)的表达式下式所示：

H(s)＝C(sI-A)^-1B+D (5)

其中，A、B、C、D为方程中的矩阵量，s为拉普拉斯变换函数，H(s)为传递函数

由上述波波夫非线性反馈系统的定义和自适应系统超稳定的充要条件可知，用波波夫超稳定理论来设计模型参考自适应MRAI系统可分为以下四步：

(i)，将MRAI系统转化为由线性定常前向回路和非线性反馈回路组成的反馈系统；

(ii)，使非线性反馈回路满足Popov积分不等式，从而求出反馈方块中的参数自适应律；

(iii)，使线性定常前向回路满足严格正实的条件，从而求出前向回路中的线性补偿器；

线性补偿器的公式为：V＝De

其中，V为线性补偿器的输出，D为增益矩阵，e为待辨识参数的误差。

(iv)，在确定了参数自适应律和线性补偿器后，返回到原系统做出整个自适应系统的结构图；然后完成电机电阻R的辨识过程。

永磁同步电机Q轴参考电流方程如下式所示：

由此构建电阻R辨识的可调模型如下式所示：

参考模型与可调模型两式相减，整理可得：

其中式(8)为一个标准的Popov波波夫非线性反馈系统，而且，其前向回路的传递函数，由公式(5)推导可知，为且其传递函数为严格正实的。

从而，由波波夫积分不等式得到的辨识参数R的自适应律为：

由此可实现在电机稳态运行工况下电阻值的准确辨识，而常温下的电机电阻值R可由仪表测出。

由于永磁同步电机的电阻值是由内部定子绕组线路等效产生的，绕组的材料为铜，由常用的导电材料电阻温度系数查表知：铜的温度系数α为0.0041/℃，因此通过电阻的相对变化情况即可计算出当前电机温度。具体计算公式如下式所示：

式中R为常温下的电机电阻值，为运行工况下的电机电阻值，T为当前状态下的电机温度，T₀为室温。当运行工况下电阻值已知时，当前状态下的电机温度T即可计算出来。

本发明针对的电机种类为永磁同步电机，但并不局限于某一种电机参数数学模型的建立。其中，本电机电阻R辨识方案采用模型参考自适应方法，重点在于自适应律的设计，本电机的温度冗余监测方案通过电机绕组的电阻等效特性，同时利用了绕组材料的温度系数，不止局限于铜这一种金属材料。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于实现电机温度冗余监测的方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)首先，建立永磁同步电机的在矢量控制中D-Q两相同步旋转坐标系下的电压模型；

(2)然后，建立模型参考自适应系统；将被辨识量作为参考自适应系统的参数，对电机的电阻R进行参数辨识。

(3)最后通过电阻的相对变化，得到当前电机温度。

2.根据权利要求1所述的一种用于实现电机温度冗余监测的方法，其特征在于：步骤(1)所述的电压模型为：

其中，u_d、u_q为D/Q轴电压，i_d、i_q为D/Q轴电流，L_d，L_q为D/Q轴电感，Ψ_d、Ψ_q为D/Q轴磁链，Ψ_f为永磁体磁链，R为定子绕组电阻，ω为电角速度。

3.根据权利要求1所述的一种用于实现电机温度冗余监测的方法，其特征在于：步骤(2)所述的模型参考自适应系统包括永磁同步电机的参考模型、永磁同步电机的可调模型。

4.根据权利要求1所述的一种用于实现电机温度冗余监测的方法，其特征在于：步骤(2)所述的建立模型参考自适应系统包括如下步骤：

(21)将MRAI参考自适应系统转化为由线性定常前向回路和非线性反馈回路组成的反馈系统；

(22)使非线性反馈回路满足Popov波波夫积分不等式，从而求出反馈方块中的参数自适应律；

(23)使线性定常前向回路满足严格正实的条件，从而求出前向回路中的线性补偿器；

(24)在确定了参数自适应律和线性补偿器后，返回到原系统做出整个自适应系统的结构图；然后完成电机电阻R的辨识过程。

5.根据权利要求1所述的一种用于实现电机温度冗余监测的方法，其特征在于：所述步骤(22)所述参数自适应律为：

其中，为运行工况下的电机电阻值，k1、k2为PI调节的参数值。

6.根据权利要求1所述的一种用于实现电机温度冗余监测的方法，其特征在于：所述步骤(3)所述的当前电机温度T的计算公式，表示如下：

式中，R为常温下的电机电阻值，为运行工况下的电机电阻值，T为当前状态下的电机温度，T₀为室温。