CN111971894A - 用于操作功率转换器的方法，用于永久励磁电机、车辆和计算机程序产品的功率转换器 - Google Patents
用于操作功率转换器的方法，用于永久励磁电机、车辆和计算机程序产品的功率转换器 Download PDFInfo
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Abstract
一种用于操作永久励磁电机(2)的功率转换器(3)的方法，其中，根据所述电机(2)的运行参数，通过观测器确定温度信息(16)，并且根据所述温度信息(16)控制所述功率转换器(3)，其中所述温度信息(16)描述了所述电机(2)的至少一个永磁体(6)的温度；其中，处理时间片中的进程(18，19)的计算机(9)，在第一时间片中实施第一进程(18)，用于检测参数值(22)以确定运行参数，并且在比所述第一时间片更不频繁地被检索的第二时间片中实施确定所述温度信息(16)的第二进程(19)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于操作永久励磁电机的功率转换器的方法，其中，根据电机运行参数，通过观测器确定描述了电机的至少一个永磁体的温度的温度信息，并且根据温度信息控制功率转换器。
本发明还涉及一种用于永久励磁电机、车辆和计算机程序产品的功率转换器。
背景技术
电机控制中永磁体温度的考虑，一方面能够实现高扭矩精度，因为永磁体的磁通量很大程度上取决于其温度，并且另一方面，能够防止永磁体发生不可逆退磁，如果超过其居里温度。与基于热网络的相当不准确的技术相比，用于确定温度的优选方法是那些根据电机的反电动势通过观测器来估算温度的方法。
从文件DE 102015005555A1中已知这种用于确定永磁电机的磁体温度的方法，其中，所测量的电机定子电流，在电机的转换器中形成的定子电压和所测量的电机速度被馈送到磁体温度监测单元。所述磁体温度监测单元从所确定的永磁通量与参照磁体温度之间的磁通量差来确定温度差，并由此确定磁体温度。
然而，这种方法的常规实现需要非常高的计算量，由于观测器经常需要根据当前时间点检测到的参数值来进行估算。
发明内容
因此，本发明的目的是表明通过观测器的方式对温度信息确定的有效实现。
根据本发明，该目的通过开头所述类型的方法实现，其中，处理时间片中的进程的计算机在第一时间片中实施第一进程，用于检测参数值以确定运行参数，并且在比所述第一时间片更不频繁地被检索的第二时间片中实施确定温度信息的第二进程。
本发明是基于以下发现：在第一时间片中通过观测器对温度的计算大量利用了计算机的计算资源。因此，本发明提出减少计算机的资源消耗，由于在较不频繁的第二时间片中进行由观测器确定温度信息的计算上的复杂进程，并且仅在频繁的第一时间片中进行参数值的节省资源检测。有利地，根据本发明的方法允许特别有效地实现温度信息的确定，由于估算问题被分为要在第一时间片中处理的快速部分和要在第二时间片中处理的缓慢部分。
通常，观测器用于基于电机的反电动势(反EMF)来估算永磁体的温度。具体地，温度涉及该电机的永磁体的温度分布的平均值。描述电机的速度和/或功率转换器的实际输出电流和/或指定用于控制功率转换器的目标电流和/或功率转换器的输出电压，对于运行参数而言是有用的。优选地，在dq坐标中描述实际输出电流和/或目标电流和/或输出电压。为此目的，可以在根据本发明的方法的范围内将参数值转换成dq坐标系。优选地，所述第一时间片的检索频率对应于功率转换器的时钟频率。就本发明而言，术语“进程”描述了在时间片期间实施的若干计算任务或若干单独进程的总和。
优选地，根据本发明方法的第一进程也产生用于控制功率转换器的时钟切换信号。因此，第一时间片也可被视为是控制时间片。因此，参数值的检测可以集成到所述第一时间片中，因为参数值的检测能够以极其节省资源的方式进行，其中在任何情况下都提供所述第一时间片，并且所述第一时间片特别地确定时钟切换信号的占空比。
优选地，在一个检测循环的持续时间内检测参数值，该检测循环包括所述电机的一个或多个电气或机械周期。
特别有利的是，在用于确定运行参数的检测循环的持续时间内计算参数值的平均值。为此目的，在第一进程中可以确定和存储累积的样本值作为参数值。平均值的计算，特别是来自累积的样本值的平均值的计算，通过第二进程方便地实施，或通过在比第一时间片更不频繁地被检索的时间片中实施的进程方便地实施。
使用平均值来确定运行参数或作为运行参数具有以下优点：消除了例如由定子槽或磁饱和引起的谐波和次谐波。通常，这些谐波必须通过观测器中与位置有关的模型参数而加以考虑，这就是根据当前转子位置角的倍数，例如参照dq坐标的第六谐波，必须执行计算上的密集三角函数的原因。常规方法通过使用非常慢的观测器动态来处理，但是，如果动态不够慢，这可能导致估算温度的不必要振动。另一方面，求平均使得可以在确定运行参数的水平上消除谐波，从而进一步改进根据本发明的方法。
一个特定优势可能是：如果描述电机的准稳运行存在性的验证标准被满足，则参数值仅用于确定运行参数；如果所述验证标准不被满足，则实施新的检测循环。特别是，这将确保满足对于考虑平均值的有效性的准稳运行条件。可以假设准稳运行，因为电机的转子的热时间常数通常约为几分钟，因此与功率转换器的电动态相比非常慢。因此，在准稳条件下比较缓慢地进行估算就足够了。
所述验证标准可包括功率转换器的目标电流的变化在指定范围内的条件和/或电机的速度的变化在指定范围内的条件。因此可以确保，不使用基于在目标电流或速度的相关变化期间获得的参数值的平均值。例如，这种情况是驾驶员驾驶由电机驱动的车辆的意外加速。为了评估验证标准或其条件，第一进程可以另外确定并存储参数值的最小值和/或最大值，像前面提到的参数值的累积一样，它并不代表计算资源上显著的额外负担。验证标准优选通过第二进程评估，或通过在比第一时间片更不频繁地被检索的时间片中实施的进程评估，该时间片检索频率低于所述第一时间片。
在根据本发明的方法的范围内方便地提供：通过仅当表明电机的速度大于或等于指定阈值的启动信息存在时才提供的触发信息来开始参数值的检测，和/或通过仅当第一进程提供结束信息时才提供的触发信息来开始运行参数的确定，和/或通过仅当计算运行参数的进程提供验证信息时才提供的触发信息来开始温度信息的确定。
如果产生触发信息的进程实现状态机，则可以完成这种高阶进程控制的特别有效实施，其中所述状态机接收启动信息和/或结束信息和/或验证信息作为输入动作。有利地，触发信息的产生通过第二进程控制或通过比第一时间片更不频繁地被检索的时间片中实施的进程控制。
为了在电机运行期间考虑电感的变化，在确定温度信息时，可以根据运行参数，特别是功率转换器的实际输出电流的运行参数，从磁通量差确定要添加到参考温度的温度差。由于通过温度变化(其继而引起电感的变化)引起的通量变化改变了电机的工作点，可以通过考虑运行参数来实现与传统方法相比更高的温度估算精度。对于汽车应用中的高饱和电机更是如此。温度差可以描述永磁体的估算温度的泰勒级数展开的一阶元素。优选地，温度差通过将温度差值分配给运行参数值的查找表来确定，或者通过数学计算规则(优选具有运行参数作为变量的多项式)来确定。
此外，本发明涉及一种用于永久励磁电机的功率转换器，其包括被设计为实施根据本发明的方法的计算机。
本发明还涉及一种车辆，其包括用于驱动所述车辆的永久励磁电机和被设计为给所述电机供电的根据本发明所述的功率转换器。
最后，本发明涉及一种用于加载到计算机的存储器中的计算机程序，包括软件代码，当所述计算机程序在所述计算机上运行时，使用所述软件代码实施根据本发明所述的方法。特别地，所述计算机程序产品可被加载到根据本发明所述的功率转换器的计算机中。
根据本发明所述方法的所有解释可被类似地将转移至根据本发明所述的功率转换器、根据本发明所述的车辆，和根据本发明所述的计算机程序，使得上述优点也可以通过这些实现。
附图说明
根据以下描述的附图，本发明的进一步的优点和细节将变得清楚。这些为示意图且显示：
图1为具有根据本发明的功率转换器的实施例的根据本发明的车辆的实施例的基本示意图；
图2为根据本发明的方法的实施例的流程图；
图3为所述方法中实施的进程的流程图；以及
图4为所述方法中使用的观测器的框图。
具体实施方式
图1为车辆1(例如混合动力车辆或电动车辆)的实施例的示意图，其包括：用于驱动车辆1的永久励磁电机2，被设计为给电机供电的功率转换器3的实施例，以及高压电池4。电机包括定子5和具有一个或多个永磁体6的转子7。
功率转换器3具有功率单元8，其被设计为将由高压电池4提供的直流电压转换成被馈送到电机2的多相交流电压。功率单元8由计算机9控制，计算机9例如由微控制器实现。计算机9具有中央计算单元10和存储器11，其中中央计算单元10用实时操作系统操作。计算机9在不同检索频率的多个时间片中处理加载到存储器11中的计算机程序的进程。因此，计算机9被设计用于实施根据以下实施例之一的用于操作功率转换器3的方法：
图2为用于操作功率转换器3的方法的实施例的框图。在该方法的范围内，多个计算指令或单独进程12、13、14由高阶单独进程15控制，并在图3所示的流程图中呈现。
该方法用于确定描述永磁体6的温度分布平均值的温度信息16，和用于根据温度信息16控制功率转换器3。该控制在另一个单独进程17中实施。在第一时间片中，只有单独进程12、17通过第一进程18实施，其中第一时间片的检索频率对应于功率转换器3的时钟频率。在10kHz的时钟频率下，例如，每100μs检索一次第一进程18。然而，在第二时间片中，单独进程13、14、15通过第二进程19实施，其中第二时间片比第一时间片更不频繁地被检索，例如每10ms。
在步骤S1中，高阶单独进程15接收启动信息20作为输入动作，表明电机2的速度大于或等于指定阈值，然后输出触发信息21。仅当达到或超过该阈值时，才能有意义地确定温度信息。为此目的，单独进程15实现状态机。
在随后的步骤S2中，触发信息21的存在启动了单独进程12以检测参数值22，其在第一时间片中实施。在检测循环的持续时间内实施检测，所述检测循环的持续时间包括电机2的一个或多个电气或机械周期。在该检测循环内，单独进程12累积样本值作为参数值22，以确定运行参数，其中所述运行参数描述电机2的速度、功率转换器3的实际输出电流、用于控制功率转换器3而指定的目标电流，以及功率转换器3的输出电压。此外，单独进程12确定参数值22的最小值和最大值，用于确定特定运行参数。累积的样本或参数值22以及最小值和最大值被存储在存储器11中。
在随后的步骤S3中，单独进程12向单独进程15输出形成状态机的输入动作的结束信息23。如果存在结束信息23，那么单独进程15输出另外的触发信息24。
当触发信息24存在时，在步骤S4中启动用于确定运行参数的单独进程13，该单独进程13在第二时间片中实施。为了确定运行参数，首先在检测循环的持续时间内，通过将从存储器11中检索到的累积的参数值22除以采样次数来计算参数值22的平均值。
在随后的步骤S5中，单独进程13评估(描述电机2的准稳运行的)验证标准。所述验证标准包括功率转换器3的目标电流的变化在指定范围内的条件和电机的速度的变化在指定范围内的条件。为此目的，单独进程13将同样从存储器11中检索到的最小值和最大值与指定阈值进行比较。
在步骤S6中，单独进程13检查验证标准是否被满足。如果情况不是如此，则输出否定的验证信息25作为状态机的输入动作。然后，状态机产生新的触发信息21——必要时延迟——其通过单独进程12触发新的检测循环。所述方法具有相应的跳回到步骤S2。
然而，如果在单独进程13中的检查表明验证标准被满足，那么，平均值作为运行参数被存储在存储器11中，并且肯定的验证信息26作为输入动作被输出至上级单独进程15。这然后在步骤S7中为单独进程14产生另外的触发信息27。
如果存在触发信息27，则在步骤S8中开始在第二时间片中实施的用于确定温度信息16的单独进程14。该进程14实现观测器，其在图4中详细示出。
为此目的，单独进程14包含子进程28，所述子进程28从存储器11检索运行参数，所述运行参数包括：平均速度ωel，平均，目标或输出电压uq，平均的平均q分量以及实际输出电流iq，平均的平均q分量。基于电机2的静态电压方程：
uq＝Rq·iq+ωel·Ψd
子进程28确定估算的磁通量的d分量：
其中，Rq描述了在q轴上有效的平均绕组电阻，其通常由欧姆直流电压分量和额外的频率相关分量组成，其描述了由于趋肤效应和邻近效应而导致的其他损失。直流电压分量通过导体材料的温度系数和测量的绕组温度而适配。
单独进程14的附加子进程29使用查找表，以从用于永磁体6的给定参考温度TPM,ref的实际输出电流idq,平均的平均dq分量来确定参考磁通量Ψd,ref的d分量。估算的磁通量Ψd,est的d分量与参考磁通量Ψd,ref的d分量之间的差值导致磁通量差ΔΨd的d分量。
单独进程14的下一个子进程30使用查找表，以从磁通量差ΔΨd和实际输出电流idq，平均的平均dq分量来确定温度差ΔTPM，并且，当将此温度差加到参考温度TPM,ref时，此温度差给出永磁体6的估算温度TPM,est作为温度信息16。
估算温度TPM,est的确定是基于以下泰勒级数展开：
因此，参考磁通量Ψd,ref的d分量描述了在参考温度TPM,ref下的通量的基波。对于此处描述的实现，基本上只考虑一阶导数进行估算就足够了。所述一阶导数基本上是实际输出电流idq的dq分量的函数，对于汽车应用中的高饱和牵引机而言尤其如此。所述一阶导数因此可被存储为如上所述的查找表，或可以依据实际输出电流idq，平均的平均dq分量通过多项式来描述。
通过考虑实际输出电流idq，平均的电流平均dq分量，还可以考虑传统方法中被忽略的电感变化。特别是在高度饱和电机中，取决于永磁体6的温度的磁通量的d分量的变化强烈依赖于实际输出电流的dq分量，因此，它们的考虑导致估算精度的显著提高。
在最后的步骤S9中，依据温度信息16，功率转换器3由在第一时间片中实施的单独进程17控制。在此单独进程中，根据温度信息16，用于功率单元8的开关元件的时钟切换信号被确定，其中，如果永磁体6的温度高，则发生功率降低(降额)。如果该功率降低不足，则通过减小电机2的速度来启动永磁体6的保护。为此目的，消息被输出至车辆1的叠加控制单元(未示出)。然后，控制单元实现动力传动系统限制(速度限制)。
根据所述方法的其他实施方式，在第一进程19中仅实施单独进程13、14、15中的一个或一些进程，并且其他单独进程作为分开的进程而被实施。同样地，单独进程12、17可以作为分开的进程而被实施。本文中，仅仅重要的是，实施与单独进程12、17相对应的进程的时间片，相比于实施与单独进程13、14、15相对应的进程的时间片，更频繁地被检索。
Claims (14)
1.一种用于操作永久励磁电机(2)的功率转换器(3)的方法，其中，根据所述电机(2)的运行参数，通过观测器确定温度信息(16)，并且根据所述温度信息(16)控制所述功率转换器(3)，其中所述温度信息(16)描述了所述电机(2)的至少一个永磁体(6)的温度；
其特征在于，处理时间片中的进程(18，19)的计算机(9)，在第一时间片中实施第一进程(18)，用于检测参数值(22)以确定所述运行参数，并且在比所述第一时间片更不频繁地被检索的第二时间片中实施确定所述温度信息(16)的第二进程(19)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，用于控制所述功率转换器(3)的时钟切换信号也通过所述第一进程(18)产生。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在包括所述电机(2)的一个或多个电气或机械周期的检测循环的持续时间内检测所述参数值(22)。
4.根据权利要求3中任一项所述的方法，其中，在用于确定所述运行参数的检测循环的持续时间内计算所述参数值(22)的平均值。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，如果描述所述电机(2)的准稳运行存在性的验证标准被满足，则所述参数值(22)仅用于确定所述运行参数；如果所述验证标准不被满足，则实施新的检测循环。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述验证标准包括所述功率转换器的目标电流的变化在指定范围内的条件和/或所述电机(2)的速度的变化在指定范围内的条件。
7.根据权利要求4-6中任一项所述的方法，其中，所述平均值的计算和/或所述验证标准的评估通过所述第二进程(19)来实施，或通过在比所述第一时间片更不频繁地被检索的时间片中实施的进程来实施。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过仅当表明所述电机(2)的速度大于或等于指定阈值的启动信息(20)存在时才提供的触发信息(21)来开始所述参数值(22)的检测；和/或通过仅当所述第一进程(18)提供结束信息(23)时才提供的触发信息(24)来开始所述运行参数的确定；和/或通过仅当计算所述运行参数的所述进程(19)提供验证信息(26)时才提供的触发信息(27)来开始所述温度信息(16)的确定。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述触发信息(21，24，27)的产生通过所述第二进程(18)或通过在检索频率低于所述第一时间片的时间片中实施的进程来被控制。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，产生所述触发信息(21，24，27)的进程(18)实现状态机，所述状态机接收所述启动信息(20)和/或所述结束信息(23)和/或所述验证信息(26)作为输入动作。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，当确定所述温度信息(16)时，根据运行参数，特别是所述功率转换器(3)的实际输出电流，从磁通量差确定要添加至参考温度的温度差。
12.一种用于永久励磁电机(2)的功率转换器(3)，包括被设计为实施根据权利要求1-11中任一项所述的方法的计算机(9)。
13.一种车辆(1)，包括用于驱动所述车辆(1)的永久励磁电机(2)和被设计为给所述电机(2)供电的根据权利要求12所述的功率转换器(3)。
14.一种用于加载至计算机(9)的存储器(11)中的计算机程序，包括软件代码，当所述计算机程序在所述计算机(9)上运行时，使用所述软件代码实施根据权利要求1-11中任一项所述的方法。
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