CN109313086A - 线圈温度估计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种估计系统重启后损失的温度增量(T_{LostIncrement})的方法，其用于具有电源箱(100)的机动车的电动转向设备(1)中的马达线圈温度估计，该电源箱(100)包括具有温度传感器(16)的ECU(10)以及电机(7)，所述方法包括步骤：a)存储马达线圈的给定电阻曲线(14)；b)存储ECU的测量电阻曲线(15)；c)在特殊测量脉冲期间测量需求电压矢量(U_d,d)和根据需求马达电流和电池电压(U_bat)的需求电流矢量(I_d,d)；d)根据步骤c)中测量的参数确定电源箱电阻(R_powerpack)；e)利用温度传感器(16)测量ECU的温度(T_ECU)；f)确定ECU的电阻(R_ECU)。

Description

线圈温度估计

根据权利要求1的前序部分，本发明涉及一种机动车的电动助力转向系统。

机动车的电动助力转向系统设置有为方向盘的转向操作提供辅助动力的电机。通过限制流经马达的电流，电动转向单元用于防止马达或电子控制单元(ECU)执行对该马达的以下驱动控制：该驱动控制使马达过热以及/或者造成永久损坏。

通常为了防止马达过热，要估计马达线圈温度。通常，以如下方式来计算所估计的线圈温度：测量基准温度，其是ECU的模块或主板温度并且通过ECU中的热传感器来检测，然后将马达的耗散功率所引起的热增量T_Increment加到基准温度上。在系统重启中，增加的热量T_Increment会损失。为了估计正确的线圈温度，估计器必须再次从基准温度开始，

在热增量的重建期间，马达没有受到保护以免过热。损失的热增量可能高于100℃。在一段时间后估计器将达到正确的估计的线圈温度，但这可能耗费几分钟到一小时。

在所估计的温度接近马达的真实温度之前，马达没有受到保护以免过热，该过热可能导致马达的永久损坏和退磁。不准确的温度信号可能进一步导致诊断失败。

US 2005/0269150 A1公开了一种在点火开关变为关闭状态时如何减少电池的负荷以及改善马达启动特性的方法。如果点火开关从关闭状态变为开启状态，则需要设置电流限制值的初始值并且确保过热保护。因此，控制器的最后状态(点火开关从开启变为关闭状态之前)和关闭状态期间的过程状态被存储。然而，温度的测量并不足够精确，因为其考虑马达温度而不是线圈温度。

US 8972115 B1公开了一种进入故障保护(failsafe)模式的电源箱(power pack)的过热保护的方法，其中马达电流可以被限制。使用热阻和马达电流来估计马达温度。使用车辆速度和电源箱温度来计算热阻。这种计算不够精确，因为其考虑完全的电源箱温度而不是马达线圈温度。

本发明的目标是提供一种机动车的电动助力转向系统，其具有改进的马达温度估计，以防止电机过热并提供更准确和稳健的诊断。

该问题通过一种用于估计系统重启后损失的温度增量的方法来解决，该方法用于机动车的电动辅助转向系统中的马达线圈温度估计，其具有权利要求1中所列的特征。进一步有利的实施方式可以从从属权利要求中获得。

因此，提供了一种估计机动车的电动转向设备中的损失的温度增量的方法，该机动车具有电源箱，该电源箱包括具有温度传感器的ECU和电机，所述方法包括以下步骤：

a)存储马达线圈的给定电阻曲线；

b)存储ECU的测量电阻曲线；

c)在特殊测量脉冲期间测量需求电压矢量、基于需求电流矢量和电池电压的电流反馈值I_d，fb；

d)基于步骤c)中测量的参数确定电源箱电阻；

e)利用温度传感器测量ECU的温度；

f)基于步骤e)中测量的温度以及所存储的ECU的电阻曲线，确定ECU的电阻；

g)从确定的电源箱电阻中减去ECU的电阻；

h)基于步骤g)中获得的值和所存储的马达线圈的电阻曲线确定马达线圈的温度；以及

i)通过从确定的马达线圈的温度中减去测量的ECU的温度来获得损失的温度增量。

优选地，马达线圈电阻曲线由给出，其中T_motorcoil是马达线圈温度，R_motorcoil是线圈的电阻，T₀是室温，α_Cu是线圈的铜的热系数，R₀是室温下线圈的电阻。

在一个实施方式中，马达线圈电阻以大约39％/100℃而增大。

有利的是，特殊测量脉冲很短，以使得马达的转子未移动。优选地，特殊测量脉冲小于25 ms。通过使用需求电流矢量I_d，d的方向和需求电压矢量U_d，d的方向，转子的运动以及由此马达扭矩产生被进一步阻止。

在优选的实施方式中，马达线圈电阻曲线和测量的ECU电阻曲线通过多项式方程被存储在ECU软件中。电阻曲线可以进一步被存储在查找表中。在优选的实施方式中，可以选择合适的多项式方程。有利地，马达线圈电阻曲线和ECU电阻曲线分别通过两个多项式方程来存储，一个用于第一部分，一个用于第二部分，其中第一和第二部分被ECU电阻曲线的电阻的最小值分隔开。

本发明的优选实施方式将参照附图加以描述，在所有的图中，相同的附图标记表示相同的组件或功能上相似的组件。

图1示出了电动转向设备的示意图；

图2是示出了电动转向设备的电气结构的框图；以及

图3示出了针对温度而绘制的所计算的电阻。

图1是电动转向设备1的示意图。方向盘2被固定在转向轴3上，且转向轴3通过齿条齿轮机构5而耦接到齿条4。伴随转向操作的转向轴3的旋转通过齿条齿轮机构5而转换为有齿齿条4的往复线性运动。齿条4的线性运动改变了转向轮6的转向角。为了提供转向辅助，安装在齿条外壳一侧的电机7通过有齿橡胶带9而驱动滚珠丝杠机构(ball-screwmechanism)8。

通过转向控制器(ECU)10以及包含电机7和马达控制器12的动力辅助致动器11来提供电动辅助。转向控制器10接收代表车辆速度V和车辆操作员施加于方向盘2的扭矩T_TS的信号。响应于车辆速度V和操作员扭矩T_TS，控制器10确定目标马达扭矩T_d，并向马达控制器12提供信号，其中，计算占空比以通过PWM(脉宽调制)产生相电流。包括温度传感器16的转向控制器10和电机7形成称之为电源箱100的单元。电源箱100可以包括进一步的元件，如马达控制器12或用于感测电流和/或电压的感测电路。用电池电压U_bat来馈送电源箱100。

图2示出电动转向设备1的电气结构的框图。转向控制器10接收代表车辆速度v、由车辆操作员施加于方向盘2的扭矩T_TS以及基准温度T₀的信号，并得出目标马达扭矩T_d。该扭矩被馈送到电机控制器12，该电机控制器12确定用于PWM的电压输入，并且马达驱动器17通过PWM产生马达电流I_coils＝i_u，i_v，i_w。因此，马达7产生对操作员扭矩T_TS进行补偿的扭矩T。

估计器估计马达线圈的温度，以在必要时调整流经马达7的电流以防止马达7的损坏。温度传感器16测量ECU 10的温度T_ECU。估计器给ECU的测量温度T_ECU加上热增量T_Increment。

T_{CoilEstimated}＝T_Increment+I_ECU。

热增量得出如下：

其中T_Increment是在实际控制周期中至热地(thermal ground)的温度增量的值，T_{IncrementPrev}是在先前的运行周期中计算的温度增量的值，T_S＝1/f_S，f_s是估计器的运行频率，P是实际控制周期中马达的计算的耗散功率的值，G_Thermal是热导率，C_Thermal是热容量。

系统重启之后损失的热增量T_{LostIncrement}需要被恢复。这是通过以下方法完成的。图3示意性地示出了马达线圈的电阻曲线14、ECU的电阻曲线15和电源箱的电阻曲线13，以及马达线圈温度T_motorcoil的计算。

在估计器工作之前，测量在相关范围内不同温度下的电源箱的电阻R_powerpack13。电源箱电阻曲线13有一个转折点，将曲线分为冷和热部分，其中该转折点可以在0℃和15℃之间的范围内。该转折点是电容器的电阻曲线的最小值。电阻曲线的形状代表ECU 10的电气部分和材料的不同温度依赖性。针对电源箱电阻曲线13的每部分的多项式公式是根据需求电压矢量U_d，d和需求电流矢量I_d，d来确定，在对于旋转转子的电角频率固定的坐标系中表示该需求电压矢量U_d，d和需求电流矢量I_d，d。旋转转子的电角频率具有与转子相同或相反的方向，所以可以防止马达扭矩的产生。通过使用需求电流矢量I_d，d和需求电压矢量U_d，d，可以防止自转向(self-steering)。

此外，由给出的马达线圈电阻和马达线圈的温度之间的关系被存储，其中T₀是室温下马达线圈的温度。线圈的电阻R_motorcoil与温度相关。该公式依赖于线圈的铜的热系数α_Cu。其值为39％/100℃。接下来，计算两条曲线13,14之间的差，得到ECU电阻曲线15。借助于两个多项式方程，该曲线被存储在参数文件中，一个多项式方程用于热部分，一个用于冷部分，其中可以选择合适的多项式方程。

在估计器工作期间和系统重启之后，通过以下方法估计损失的增量T_{LostIncrement}；

首先，测量电源箱的电阻R_powerpack。为此使用特殊测量脉冲。该特殊测量脉冲的持续时间小于25 ms。在该短时间内转子没有移动，没有提供转向辅助，并且驾驶员不会探测到任何异常现象，如系统的自转向。当电源箱100被启动时，通过需求电压值U_d，d的测量而计算电源箱电阻R_powerpack，以及根据需求电流值I_d，d和电池电压U_bat以及电压降U_powerpack的计算来确定流入电源箱的电流反馈值I_d，fb＝I_powerpack，其中通过来计算电压降U_powerpack，以及通过来计算电源箱电阻R_powerpack。

集成在ECU 10中的热传感器16测量ECU的温度T_ECU，其中热传感器和温度传感器描述相同的元件。接着可以通过测量的温度T_ECU和预先存储的ECU电阻曲线的各个部分(冷或热)来确定ECU的适当的电阻值R_ECU。在下一步骤中，通过从电源箱电阻R_powerpack中减去ECU电阻值R_ECU来确定马达线圈电阻R_motorcoil。通过利用所存储的马达线圈电阻曲线14和所计算的马达线圈电阻R_motorcoil，可以计算马达线圈温度T_motorcoil。在此之后确定损失的热增量T_{LostIncrement}，其是所计算的马达线圈温度T_motorcoil和测量的ECU温度T_ECU之间的差，

T_{LostIncrement}＝T_motoycoil-T_ECU。

以此方式估计器可以不从基准温度(T_ECU)来重启，而是利用估计的增量值T_{LostIncrement}来重启。

然后在系统初始化期间通过T_{CoilEstimated}＝T_{Lostlncrement}+T_ECU来计算估计的马达线圈温度T_{CoilEstimated}。

在此之后估计器以T_Increment继续执行，而在第一个计算周期中T_{LostIncrement}被用作T_{IncrementPrev}，

最终，从一开始，电机7在正确估计的马达线圈温度的情况下工作。

根据本发明的方法使得能够容易地恢复在系统重启后损失的热增量值。因此，马达线圈的温度的估计将从正确的温度值开始。可以防止由过热引起的马达的损坏。此外，可以提供更稳健的系统诊断和更准确的扭矩信号估计。

Claims (7)

1.一种估计系统重启后损失的温度增量(T_{LostIncrement)}的方法，其用于具有电源箱(100)的机动车的电动转向设备(1)中的马达线圈温度估计，所述电源箱(100)包括具有温度传感器(16)的ECU(10)以及电机(7)，其特征在于所述方法包括步骤：

a)存储马达线圈的给定电阻曲线(14)；

b)存储ECU的测量电阻曲线(15)；

c)在特殊测量脉冲期间测量需求电压矢量(U_d，d)、基于需求电流矢量(I_d，d)和电池电压(U_bat)的电流反馈值I_d，fb；

d)根据步骤c)中测量的参数确定电源箱电阻(R_powerpack)；

e)利用温度传感器(16)测量ECU的温度(T_ECU)；

f)根据步骤e)中测量的温度以及所存储的ECU的电阻曲线(15)，确定ECU的电阻(R_ECU)；

g)从确定的电源箱电阻(R_powerpack)中减去ECU的电阻(R_ECU)；

h)根据步骤g)中获得的值和所存储的马达线圈的电阻曲线(14)确定马达线圈的温度(T_motorcoil)；以及

i)通过从确定的马达线圈的温度(T_motorcoil)中减去测量的ECU的温度(T_ECU)来获得损失的温度增量(T_{LostIncrement})。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于马达线圈电阻曲线(14)由给出，其中T_motorcoil是马达线圈温度，R_motorcoil是线圈的电阻，T₀是室温，α_Cu是线圈的铜的热系数，以及R₀是室温下线圈的电阻。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述马达线圈电阻(T_motorcoil)以约39％/100℃的梯度增大。

4.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于所述特殊测量脉冲短到使得马达(7)的转子没有移动。

5.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于所述特殊测量脉冲小于25ms。

6.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于马达线圈电阻曲线(14)和ECU电阻曲线(15)通过多项式方程而被存储。

7.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于所述马达线圈电阻曲线(14)和所述ECU电阻曲线(15)均通过两个多项式方程而被存储，一个用于第一部分，一个用于第二部分，其中所述第一部分和所述第二部分被所述ECU电阻曲线(15)的电阻最小值分隔开。