CN110231101A - 可实时修正系统测量误差的电机测温系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可对高速电机不同运行状态下的系统温升测量误差进行实时修正的电机测温系统及方法，该系统包含依次连接的传感器、信号放大器、模数转换芯片、运算芯片、输出单元。运算芯片连接了寄存器和输入单元，同时系统中信号放大器、模数转换芯片、运算芯片、输入输出输出单元以及寄存器由一个DC‑DC电源模块同一供电。本发明可以在驱动电机的不同运行状态下，计算得到由电机内部磁场附加损耗分布变化引起热点的偏移而导致的测量误差，进而对传感器探测到的温度进行实时修正，显著提高了高速电机槽内绕组最高温升的检测精度。

Description

可实时修正系统测量误差的电机测温系统及方法

技术领域

本发明涉及电机热管理领域，具体地，涉及一种新型的可实时修正系统测量误差的电机测温系统及方法。

背景技术

近年来，新能源汽车、高速磨削机床、航空航天电动设备的快速发展，正推动着其驱动电机向更高功率、更高转速方向发展。然而，驱动电机的内部温升问题逐渐成为限制驱动电机能量密度进一步提高的主要因素，尤其是电机绕组部位。电机内部存在许多绝缘物质，在高温下会产生失效，造成热损毁。在电机内部，定子绕组中损耗密度最高，然而其导热能力较差，不能将热量快速传递到外界，因此会存在热累积，严重威胁电机安全。

因此，许多高性能电机中，需要对电机绕组温升进行实时监测。一般来说，在低速大扭矩启动或者爬坡时，热点主要出现在端部绕组，然而，随着转速的提升，电机槽内绕组的温度由于交流附加损耗的存在，会产生电机内部的最高温升。因此，一般对于高速电机，需要在槽内绕组安置传感器进行实时监控。

固定的传感器实时测温存在一定的问题。在低速与中速运行时，槽内绕组最高点主要存在于中心位置，此时，安置在中心的传感器可以探测到最高温度。随着转速的提升，由于涡流损耗分布的不均与度逐渐增加，热点会向槽口处移动。因此，使用固定位置的传感器探测不断移动的热点温度，会产生误差，需要进行修正。

需要注意的是，该误差的大小是与电机的输入状态和运行状态相关的，决定于电机内部此刻的磁场分布，漏磁场分布，损耗产生速度与确切分布。固定的修正值是无法进行准确修正。因此需要重新设计温度测量装置，使其具有识别能力和基于当前状态的误差估测能力，才能保证电机准确探知当前的确切温升，保证电机安全。本发明就是基于以上技术背景展开的。

申请号为201610999866.7的发明专利公开了一种转子绕组温升测试的修正方法，用以修正由于冷态电阻和热态电阻的测试位置不同，即冷、热状态电阻不是同一电阻而引起转子绕组温升测试的偏差问题；其修正方法是：在不同运行工况下，进行三次发电机温升试验；转子绕组输入功率的计算，转子绕组温升的计算；以转子绕组输入功率Pf为横坐标，以转子绕组温升Δt为纵坐标，把三次温升试验的转子绕组温升数据绘制在一张坐标图上；温升曲线线性延长，延长线交于纵轴，与纵轴的交点距离原点为h；当h>5k时，需要修正转子绕组温升，其修正值为h；转子绕组温升的测试值与修正值之差，作为转子绕组温升的实际值。但是上述技术方案采用的是固定的修正值，无法准确进行修正。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种可实时修正系统测量误差的电机测温系统及方法。

根据本发明提供的一种实时修正系统误差的电机测温系统，包括依次连接的传感器、信号放大器、模数转换芯片、运算处理芯片以及输出单元，处理芯片还连接有寄存器和输入单元，其中：

传感器用于采集信号；

信号放大器用于将采集的信号放大；

模数转换芯片用于将放大的信号转换为数字信号；

运算处理芯片用于计算电机的最高升温对当前测得的温度之间偏差，并对电机当前测得的温度进行修正；

输入单元用于向运算处理芯片提供电机的运行状态数据；

输出单元用于输出修正后的温度值。

优选地，信号放大器、模数转换芯片、运算处理芯片、输入单元、输出单元以及寄存器由一个DC-DC电源模块统一供电。

优选地，所述传感器包括热敏电阻或者热电偶。

优选地，所述信号放大器包括电压放大器。

优选地，所述模数转换芯片、运算处理芯片、寄存器由芯片DSP28335统一提供。

优选地，所述输入单元和输出单元包括CAN总线收发器。

优选地，其运算处理芯片中包括一个基于电机定子热模型的温度修正算法，该电机定子热模型由热源、热容和热阻构成，热源包括定子齿部的铁耗、定子轭部的铁耗、绕组的铜耗，绕组的铜耗按照线圈的绕制层数分层；热容包括绕组、定子齿部和定子轭部的等效热容；热阻包括定子内部的导热热阻和定子与冷却水、气隙空气之间的热对流热阻。

根据本发明提供的一种实时修正系统误差的电机测温方法，包括如下步骤：

步骤S1：系统初始化，传感器开始采集温度信号；

步骤S2：模数转换芯片将采集的信号转换为数字信号；

步骤S3：输入单元获取电机的运行状态，包括电机运行时的转速、转矩以及相电流信息；

步骤S4：根据上一时刻传感器所得温度信号作为初始条件，结合电机的运行条件，用理论热模型计算出电机的最高温升偏差；

步骤S5：利用计算得到的最高温升偏差对当前传感器所测得的电机温度进行修正；

步骤S6：将修正后的温度值通过输出单元发出。

优选地，所述步骤S4包括如下步骤：

步骤S41：传感器的温度读数输入到系统用于建立边界条件和初始化条件，

初始化条件：热网络中各节点温度＝热网络保存的当前时刻各节点温度*传感器当前时刻温度读数/热网络中保存的当前时刻传感器安装节点温度；

边界条件：热对流的边界温度从输入单元获取；

步骤S42：根据电机的运行状态计算电机定子绕组各层、定子轭部、定子齿部的损耗；电机运行状态用电机的转速、转矩和相电流信息描述，基于电机厂家提供的的损耗实验数据或者基于Maxwell仿真自行建立电机损耗的数据表；

步骤S43：系统根据边界条件、初始条件、损耗分布，在下一个传感器采样周期内计算下一时刻热网络各节点温度；

步骤S44：将计算得到的各节点温度保存到寄存器，提供给后一时刻的温度修正过程使用；

步骤S45：将热网络中传感器测量点温度、最高点温度与实际传感器温度进行对比，对传感器测量温度进行修正，修正的公式如下：

实际最高点温度＝实际传感器测量温度+热网络最高点温度-热网络中传感器点温度；

步骤S46：将修正后的实际最高点温度作为电机绕组最高温度值输出。

优选地，所述步骤S4中，热网络法的热网络仿真模型能够通过下述矩阵方程编写程序：

其中：ρ_i、c_i、φ_i分别表示第i个节点的密度、比热容、产热速率，Γ表示各节点之间的热导，T_i(t)表示第i个节点在t时刻的温度，Δt表示时间间隔。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明避免了传统的固定测温点无法进行准确修正的问题，具有识别能力和误差估测能力；

2、本发明可以在驱动电机的不同运行状态下，计算得到由电机内部磁场附加损耗分布变化引起的热点偏移而导致的测量误差，进而对传感器探测到的温度进行实时修正，显著提高了高速电机槽内绕组最高温升的检测精度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为实时修正系统误差的电机测温系统的方框图；

图2为实时修正系统误差的电机测温系统的传感器安装位置图；

图3为实时修正系统误差的电机测温系统的计算温度偏差使用的磁热耦合模型图；

图4为实时修正系统误差的电机测温方法的步骤流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提供了一种可对高速电机各种不同运行状态下的系统温升测量误差进行实时修正的电机测温系统，包括依次连接的传感器、信号放大器、模数转换芯片、运算芯片、输出单元，运算芯片连接了寄存器和输入单元，同时系统中信号放大器、模数转换芯片、运算芯片、输入输出输出单元以及寄存器由一个DC-DC电源模块同一供电。本发明可以在车载驱动电机的各种不同运行状态下，探测电机绕组的最高温升，并依据电机内部磁场附加损耗偏移现象而导致的测量误差，使用算法解析并进行实时修正，显著提高了高速电机槽内绕组最高温升的检测精度。

本发明实施例中，所采用的传感器为热敏电阻或者热电偶，温度传感器的测量范围约为-50℃-300℃。如图2所示，温度传感器安装于电机绕组的中心位置，热网络模型中设置对应位置的参考点。信号放大器采为电压放大器，放大等级应该保证信号的最高电平不超过5V。所述模数转换芯片、处理芯片、寄存器由芯片DSP28335统一提供。所述输入和输出单元使用CAN总线收发器TJA1050。

本发明实施例中，处理芯片可以根据计算结果对传感器所测温升进行修正，计算程序基于热网络法模拟计算最高温升偏差值，算法本质是电机定子的热网络仿真模型，温升计算热网络如图3所示。计算程序可以通过SIMULINK建立热网络模型后自动生成嵌入式代码，也可以基于以下矩阵方程编写程序：

其中：ρ_i、c_i、φ_i分别表示第i个节点的密度、比热容、产热速率，Γ表示各节点之间的热导，T_i(t)表示第i个节点在t时刻的温度，Δt表示时间间隔。计算后的温升偏差值等于最高点温度减去参考点温度，参考点为温度传感器安装位置的对应位置。

本发明实施例中，运算处理芯片中包括一个基于电机定子热模型的温度修正算法，该电机定子热模型由热源、热容和热阻构成，热源包括定子齿部的铁耗、定子轭部的铁耗、绕组的铜耗，绕组的铜耗按照线圈的绕制层数分层；热容包括绕组、定子齿部和定子轭部的等效热容；热阻包括定子内部的导热热阻和定子与冷却水、气隙空气之间的热对流热阻。

本发明实施例中，使用热网络计算温升所需要的电机运行状态参数(转速、转矩以及相电流信息)由总线收发器从CAN总线获取。修正后的温度值也通过总线收发器TJA1050输出到CAN总线中。

本发明还提供一种实时修正系统误差的电机测温方法，如图4所述，包括以下步骤：

第一步：系统初始化，温度传感器开始采集信号；

第二步：模数转换芯片将模拟信号转换为数字信号；

第三步：从CAN总线上获取电机的运行状态，包含电机运行时的转速、转矩和相电流信息；

第四步，根据上一时刻温度传感器所得温度作为初始条件，结合电机的运行条件，用热网络法计算电机的最高温升偏差；

第五步，利用计算得到的最高温升偏差对当前温度传感器所测得的电机温度进行修正；

第六步，将修正后的温度值通过总线收发器发送到总线。

本实施例中，传感器的安装位置如图2所示，其在热网络中对应的位置如图3所示。热网络法修正电机定子最高温度值的工作步骤如下所示：

第一，传感器温度读数输入到程序用于建立边界条件和初始化条件。

初始化条件：热网络中各节点温度＝热网络保存的当前时刻各节点温度*传感器当前时刻温度读数/热网络中保存的当前时刻传感器安装节点温度。

边界条件：热对流的边界温度可以直接从CAN总线获取。

第二，根据电机的运行状态计算电机定子绕组各层、定子轭部、定子齿部的损耗。电机运行状态用电机的转速、转矩以及相电流信息描述，然后基于电机厂家的损耗实验数据或者基于Maxwell仿真自行建立电机损耗的数据表。

第三，系统根据边界条件、初始条件、损耗分布，在下一传感器采样周期内计算下一时刻热网络各节点温度，计算的本质即为解矩阵方程。

第四，将计算得到的各节点温度保存到寄存器，提供给后一时刻的温度修正过程使用。

第五，将热网络中传感器测量点温度、最高点温度与实际传感器温度进行对比，对传感器测量温度进行修正。修正的公式如下：

实际最高点温度＝实际传感器测量温度+热网络最高点温度-热网络中传感器点温度

第六，将修正后的实际最高点温度作为电机定子最高温度值输出。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种可实时修正系统测量误差的电机测温系统，其特征在于，包括依次连接的传感器、信号放大器、模数转换芯片、运算处理芯片以及输出单元，处理芯片还连接有寄存器和输入单元，其中：

传感器用于采集信号；

信号放大器用于将采集的信号放大；

模数转换芯片用于将放大的信号转换为数字信号；

运算处理芯片用于计算电机的最高升温与测得温度之间的偏差，并对测得温度进行修正；

输入单元用于向运算处理芯片提供电机的运行状态数据；

输出单元用于输出修正后的温度值。

2.根据权利要求1所述的可实时修正系统测量误差的电机测温系统，其特征在于，信号放大器、模数转换芯片、运算处理芯片、输入单元、输出单元以及寄存器由一个DC-DC电源模块统一供电。

3.根据权利要求1所述的可实时修正系统测量误差的电机测温系统，其特征在于，所述传感器包括热敏电阻或者热电偶。

4.根据权利要求1所述的可实时修正系统测量误差的电机测温系统，其特征在于，所述信号放大器包括电压放大器。

5.根据权利要求1所述的可实时修正系统测量误差的电机测温系统，其特征在于，所述模数转换芯片、运算处理芯片、寄存器由芯片DSP28335统一提供。

6.根据权利要求1所述的可实时修正系统测量误差的电机测温系统，其特征在于，所述输入单元和输出单元包括CAN总线收发器。

7.根据权利要求1所述的可实时修正系统测量误差的电机测温系统，其特征在于，其运算处理芯片中包括一个基于电机定子热模型的温度修正算法，该电机定子热模型由热源、热容和热阻构成，热源包括定子齿部的铁耗、定子轭部的铁耗、绕组的铜耗，绕组的铜耗按照线圈的绕制层数分层；热容包括绕组、定子齿部和定子轭部的等效热容；热阻包括定子内部的导热热阻和定子与冷却水、气隙空气之间的热对流热阻。

8.一种基于权利要求1-7任一项所述的实时修正系统测量误差的电机测温系统的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：系统初始化，传感器开始采集温度信号；

步骤S2：模数转换芯片将采集的信号转换为数字信号；

步骤S3：输入单元获取电机的运行状态，包括电机运行时的转速、转矩以及相电流信息；

步骤S4：根据上一时刻传感器所得温度信号作为初始条件，结合电机的运行条件，用理论热模型计算出电机的最高温升偏差；

步骤S5：利用计算得到的最高温升偏差对当前传感器所测得的电机温度进行修正；

步骤S6：将修正后的温度值通过输出单元发出。

9.根据权利要求8所述的一种可实时修正系统测量误差的电机测温方法，其特征在于，所述步骤S4包括如下步骤：

步骤S41：传感器的温度读数输入到系统用于建立边界条件和初始化条件，

初始化条件：热网络中各节点温度＝热网络保存的当前时刻各节点温度*传感器当前时刻温度读数/热网络中保存的当前时刻传感器安装节点温度；

边界条件：热对流的边界温度从输入单元获取；

步骤S42：根据电机的运行状态计算电机定子绕组各层、定子轭部、定子齿部的损耗；电机运行状态用电机的转速和转矩描述，基于电机厂家的提供的损耗实验数据表或者基于Maxwell仿真自行建立电机损耗的数据表；

步骤S43：系统根据边界条件、初始条件、损耗分布，在下一传感器采样周期内计算出下一时刻热网络各节点温度；

步骤S44：将计算得到的各节点温度保存到寄存器，提供给后一时刻的温度修正过程使用；

步骤S45：将热网络中传感器测量点温度、最高点温度与实际传感器温度进行对比，对传感器测量温度进行修正，修正的公式如下：

实际最高点温度＝实际传感器测量温度+热网络最高点温度-热网络中传感器点温度；

步骤S46：将修正后的实际最高点温度作为电机定子最高温度值输出。

10.根据权利要求8所述的一种实时修正系统误差的电机测温方法，其特征在于，

所述步骤S4中，热网络法的热网络仿真模型能够通过下述矩阵方程编写程序：

其中：ρ_i、c_i、φ_i分别表示第i个节点的密度、比热容、产热速率，Γ表示各节点之间的热导，T_i(t)表示第i个节点在t时刻的温度，Δt表示时间间隔。