CN112242812A - 内嵌式永磁同步电机定子绕组的温度估算方法 - Google Patents

内嵌式永磁同步电机定子绕组的温度估算方法 Download PDF

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Abstract

一种内嵌式永磁同步电机定子绕组的温度估算方法，通过仿真的方式得到包括仿真的定子绕组温度及各种损耗，并将这些损耗制作为表格，当电机运行于不同的工况下时，通过查表的方式将这些损耗作为输入传递给温度估算算法，通过算法计算得到定子绕组的实时温度。本发明能够在温度采样失效发生时，同步接替失效的传感器继续工作，保证对电机绕组温度继续监控。

Description

内嵌式永磁同步电机定子绕组的温度估算方法
技术领域
本发明涉及的是一种电机领域的技术，具体是一种内嵌式永磁同步电机定子绕组温度估算方法。
背景技术
为了达到功能安全目标ASIL等级的需求，需要对与电机运行状态相关的重要信号进行监控。其中，定子绕组的温度作为与电机运行状态监控相关的重要信号，需要对其进行实时监控。但是，当电机由于运行于恶劣工况或长时间使用后，存在传感器采样失效的风险。当失效发生时，为了避免因传感器失效或采样电路失效等原因导致无法对电机温度状态进行监控，使用估算的定子绕组温度可以同步接替失效的传感器继续工作，保证继续对电机绕组温度进行监控。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种内嵌式永磁同步电机定子绕组的温度估算方法，能够在传感器采样失效发生时，同步接替失效的传感器继续工作，保证继续对电机绕组温度进行监控。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种内嵌式永磁同步电机定子绕组的温度估算方法，其包括以下步骤：
1)将三相Y字形绕组连接的内嵌式永磁同步电机与三相逆变控制器系统中释放热量和带走热量的部件定义为等效节点，该等效节点包括：定子绕阻(Winding)、定子鄂部(Yoke)、定子齿部(Tooth)、冷却液(Coolant)和永磁体(Magnet)，将等效节点通过热阻和热容连接起来，得到电机及三相逆变控制器系统的热传递等效节点网络模型。
所述的热传递等效节点网络模型是指：对电机与三相逆变控制器系统中的热相关部件进行等效，依据电机控制器系统内部的热量传递规律，对电机的部件建立等效节点热平衡方程网络模型。
2)运用节点电流法得出各节点热平衡方程：
Figure BDA0002131369040000011
Winding节点的热平衡方程为
Figure BDA0002131369040000012
Yoke节点的热平衡方程为
Figure BDA0002131369040000013
Tooth节点的热平衡方程为
Figure BDA0002131369040000021
Magnet节点的热平衡方程为
Figure BDA0002131369040000022
其中：R1、R2、R3、R4、R5和R6为等效热阻，Cpwinding、Cpyoke、Cptooth和Cpmagnet为等效传热系数，Twinding为绕组温度，Tyoke为颚部温度，Ttooth为齿部温度，Tmagnet为永磁体温度，Tcoolant为冷却液温度，QCuLoss为铜损，QYokeLoss为颚部损耗，QToothLoss为齿部损耗，QCoreLoss为铁损。
3)得到电机定子绕组电阻与绕组温度的关系函数R＝fun(R0，t)，其中：R0为初始温度下的电阻阻值，t为当前温度。
4)通过公式QCuLoss＝I2×R，计算定子绕组热损耗。
5)通过仿真的方式得到电机在不同转速和电流工况下的定子鄂部热损耗QYokeLoss、定子齿部热损耗QToothLoss、转子涡流铁损耗QRotorCoreLoss，并且针对电机的不同工作点，将工作转速(单位：RPM)和永磁同步电机定子绕组电流有效值(单位：A)作为输入，再将电机的不同损耗作为表格的内容，制作以转速和电流为输入，损耗(单位：W)为输出的二维表格。
所述的仿真的方式是指：使用MaxWell仿真软件，通过设定电机的工作转速和定子相电流，得到在不同转速和电流工作点下的电机损耗:，即定子鄂部热损耗QYokeLoss、定子齿部热损耗QToothLoss、转子涡流铁损耗QRotorCoreLoss和定子绕组热损耗QCuLoss。
6)采用负温度系数热敏电阻测量电机冷却液入水口冷却液温度TCoolant，简化步骤2)中的节点热平衡方程，得状态空间方程：
Figure BDA0002131369040000023
Figure BDA0002131369040000024
其中：T1＝Twinding，T2＝Tyoke，T3＝Ttooth，T4＝Tmagnet，C1＝Cpwinding，C2＝Cpyoke，C3＝Cptooth，C4＝Cpmagnet。
7)对状态空间方程进行周期离散化，即以不同计算时刻表示的离散方程，通过Matlab中的Simulink建模，利用EmbeddedCoder生成代码，在周期为T的任务中执行函数，得到可以在硬件数字控制器(如：DSP)上执行的软件，当电机运行于不同的工况下时，通过该软件估算定子绕组的实时温度。
所述的离散化是指：以指定绕组温度估算算法在数字控制器中的执行周期为T，运用MATLAB提供的函数命令进行离散化，得到离散化系数矩阵[G，H]＝c2d(factor_Vector_A，factor_Vector_B，T)，其中：
Figure BDA0002131369040000031
Figure BDA0002131369040000032
本发明涉及一种实现上述方法的系统，包括：连续时间系统模块、输入信号采集模块、MaxWell仿真模块、MotorCAD仿真模块、连续时间系统离散化模块、Simulink模型搭建及代码生成模块、实验测试模块和传感器采样与实验结果对比模块，其中：连续时间系统模块完成连续时间系统模型建立，输入信号采集模块采集模型输入信号，MaxWell仿真模块计算损耗，MotorCAD模块仿真得到定子绕组温度，连续时间系统离散化模块得到可以在DSP等数字处理器上运行的离散化模型，Simulink模型搭建及代码生成模块得到可以实现仿真与代码生成的Simulink模型，实验测试模块得到估算的绕组温度，传感器采样与实验结果对比模块估算的绕组温度与传感器采样温度对比得到优化后的模型系数。
技术效果
与现有技术相比，本发明能够在温度采样失效发生时，同步接替失效的传感器继续工作，保证对电机绕组温度继续监控。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为热传递等效节点网络模型示意图；
图3为通过MotorCAD仿真得到的组成电机各部件的温度分布图；
图4为电机各部件温度达到稳态后，在MotorCAD中生成的热路网络模型示意图；
图5为运用温度估算算法，测试拖台架上的一组定子绕组所得结果曲线图；
图6为优化系数矩阵后，得到的估算温度与采样温度的动态跟随特性图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例提供了一种内嵌式永磁同步电机转子永磁的温度估算方法，具体包括以下步骤：
步骤①将三相Y字形绕组连接的内嵌式永磁同步电机与三相逆变控制器系统中释放热量和带走热量的部件定义为等效节点，该等效节点包括：定子绕阻(Winding)、定子鄂部(Yoke)、定子齿部(Tooth)、冷却水(Coolant)和永磁体(Magnet)，将等效节点通过热阻和热容连接起来，得到电机及三相逆变控制器系统的热传递等效节点网络模型，如图2所示。
所述的电机为内嵌式三相永磁同步电机，该电机的定子绕组采用多层绕组并以Y字形连接，该电机的转子永磁体设有斜极。
所述的定子绕组设有三个温度传感器。
所述的热传递等效节点网络模型是指：对电机与三相逆变控制器系统中的热相关部件进行等效，依据电机控制器系统内部的热量传递规律，对电机的部件建立等效节点热平衡方程网络模型。
步骤②运用节点电流法得出各节点热平衡方程：
Figure BDA0002131369040000041
Winding节点的热平衡方程为
Figure BDA0002131369040000042
Yoke节点的热平衡方程为
Figure BDA0002131369040000043
Figure BDA0002131369040000044
Tooth节点的热平衡方程为
Figure BDA0002131369040000045
Figure BDA0002131369040000046
Magnet节点的热平衡方程为
Figure BDA0002131369040000047
其中：R1、R2、R3、R4、R5和R6为等效热阻，Cpwinding、Cpyoke、Cptooth和Cpmagnet为等效传热系数，Twinding为绕组温度，Tyoke为颚部温度，Ttooth为齿部温度，Tmagnet为永磁体温度，Tcoolant为冷却水温度，QCuLoss为铜损，QYokeLoss为颚部损耗，QToothLoss为齿部损耗，QCoreLoss为铁损，在MotorCAD中生成如图3和图4所示的热网络模型。
步骤③得到电机定子绕组电阻与绕组温度的关系函数R＝fun(R0，t)，其中：R0为初始温度下的电阻阻值，t为当前温度。
步骤④通过公式QCuLoss＝I2×R，计算定子绕组热损耗。
步骤⑤通过仿真的方式得到电机在不同转速和电流工况下的定子鄂部热损耗QYokeLoss、定子齿部热损耗QToothLoss、转子涡流铁损耗QRotorCoreLoss，并且针对电机的不同工作点，将工作转速(单位：RPM)和永磁同步电机定子绕组电流有效值(单位：A)作为输入，再将电机的不同损耗作为表格的内容，制作以转速和电流为输入，损耗(单位：W)为输出的二维表格。
所述的仿真的方式是指：使用MaxWell仿真软件，通过设定电机的工作转速和定子相电流，得到在不同转速和电流工作点下的电机损耗:，即定子鄂部热损耗QYokeLoss、定子齿部热损耗QToothLoss、转子涡流铁损耗QRotorCoreLoss和定子绕组热损耗QCuLoss。
步骤⑥采用负温度系数热敏电阻测量电机冷却液入水口冷却液温度TCoolant。
步骤⑦简化步骤②中的节点热平衡方程，得状态空间方程：
Figure BDA0002131369040000051
Figure BDA0002131369040000052
其中：T1＝Twinding，T2＝Tyoke，T3＝Ttooth，T4＝Tmagnet，C1＝Cpwinding，C2＝Cpyoke，C3＝Cptooth，C4＝Cpmagnet。
步骤⑧对状态空间方程进行周期离散化，即以不同计算时刻表示的离散方程，通过Matlab中的Simulink建模，利用EmbeddedCoder生成代码，在周期为T的任务中执行函数，得到可以在硬件数字控制器(如：DSP)上执行的软件，当电机运行于不同的工况下时，通过该软件估算定子绕组的实时温度。
所述的离散化是指：以指定绕组温度估算算法在数字控制器中的执行周期为T，运用MATLAB提供的函数命令进行离散化，得到离散化系数矩阵[G，H]＝c2d(factor_Vector_A，factor_Vector_B，T)，其中：
Figure BDA0002131369040000053
Figure BDA0002131369040000054
步骤⑨运用Matlab中的Simulink建模，利用EmbeddedCoder生成代码，在周期为T的任务中执行函数。
本实施例涉及一种实现上述方法的系统，包括：连续时间系统模块、输入信号采集模块、MaxWell仿真模块、MotorCAD仿真模块、连续时间系统离散化模块、Simulink模型搭建及代码生成模块、实验测试模块和传感器采样与实验结果对比模块，其中：连续时间系统模块完成连续时间系统模型建立，输入信号采集模块采集模型输入信号，MaxWell仿真模块计算损耗，MotorCAD模块仿真得到定子绕组温度，连续时间系统离散化模块得到可以在DSP等数字处理器上运行的离散化模型，Simulink模型搭建及代码生成模块得到可以实现仿真与代码生成的Simulink模型，实验测试模块得到估算的绕组温度，传感器采样与估算结果对比模块将估算的绕组温度与传感器采样温度进行对比，得到优化后的模型系数。
如图5所示，使用优化后的模型进行定子绕组温度估算的一组测试结果，通过本发明实现的温度估算算法，在数字运算控制器上运行后，得到一组测试条件下估算出的定子绕组实时温度曲线。
如图6所示，给出了使用系数优化后的模型进行定子绕组温度估算的一组动态跟随结果，图中可以看到估算得到的定子绕组温度具有很高的精度与动态跟随特性。
本发明通过建模仿真的方式得到定子绕组温度的仿真结果以及电机控制器系统的损耗。电机控制器系统的损耗为：定子绕阻(Winding)损耗、定子鄂部(Yoke)损耗、定子齿部(Tooth)损耗、冷却水(Coolant)温度和永磁体(Magnet)损耗，作为定子绕组温度估算算法的输入。将电机运行于不同的转速、扭矩工况下，得到在不同运行工况下的定子绕组温度。通过在不同运行工况下的测试，修正状态方程的系数，并将算法估计的定子绕组温度结果与通过传感器采样结果进行对比，进一步提高定子绕组估算温度的精度与动态跟随响应。通过电机、逆变器二合一控制器作为测试平台，结合具体定子绕组温度估计的案例，将连续控制系统的离散化建模、设计、实现作了详细的阐述，指明了定子绕组温度估计的技术路线与实现方法。不仅能够估算定子绕组温度，同时也能估计状态空间方程中其余热网络节点的温度。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (10)

1.一种内嵌式永磁同步电机定子绕组的温度估算方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将三相Y字形绕组连接的内嵌式永磁同步电机与三相逆变控制器系统中释放热量和带走热量的部件定义为等效节点，该等效节点包括：定子绕阻(Winding)、定子鄂部(Yoke)、定子齿部(Tooth)、冷却水(Coolant)和永磁体(Magnet)，将等效节点通过热阻和热容连接起来，得到电机及三相逆变控制器系统的热传递等效节点网络模型；
2)运用节点电流法得出各节点热平衡方程生成热网络模型；
3)得到电机定子绕组电阻与绕组温度的关系函数R＝fun(R0，t)，其中：R0为初始温度下的电阻阻值，t为当前温度，再通过公式QCuLoss＝I2×R，计算定子绕组热损耗；
4)通过仿真的方式得到电机在不同转速和电流工况下的定子鄂部热损耗QYokeLoss、定子齿部热损耗QToothLoss、转子涡流铁损耗QRotorCoreLoss，并且制作为查表；
5)采用负温度系数热敏电阻测量电机冷却液入水口冷却液温度TCoolant，简化步骤2)中的节点热平衡方程，得状态空间方程；
6)对状态空间方程进行周期离散化，即以不同计算时刻表示的离散方程，通过Matlab中的Simulink建模，利用EmbeddedCoder生成代码，在周期为T的任务中执行函数，得到可以在硬件数字控制器上执行的软件，当电机运行于不同的工况下时，通过该软件估算定子绕组的实时温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的各节点热平衡方程：
Figure FDA0002131369030000011
Figure FDA0002131369030000012
Winding节点的热平衡方程为
Figure FDA0002131369030000013
Figure FDA0002131369030000014
Yoke节点的热平衡方程为
Figure FDA0002131369030000015
Figure FDA0002131369030000016
Tooth节点的热平衡方程为
Figure FDA0002131369030000017
Figure FDA0002131369030000018
Magnet节点的热平衡方程为
Figure FDA0002131369030000019
其中：R1、R2、R3、R4、R5和R6为等效热阻，Cpwinding、Cpyoke、Cptooth和Cpmagnet为等效传热系数，Twinding为绕组温度，Tyoke为颚部温度，Ttooth为齿部温度，Tmagnet为永磁体温度，Tcoolant为冷却水温度，QCuLoss为铜损，QYokeLoss为颚部损耗，QToothLoss为齿部损耗，QCoreLoss为铁损。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的状态空间方程为：
Figure FDA0002131369030000021
Figure FDA0002131369030000022
其中：T1＝Twinding，T2＝Tyoke，T3＝Ttooth，T4＝Tmagnet，C1＝Cpwinding，C2＝Cpyoke，C3＝Cptooth，C4＝Cpmagnet。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的电机为内嵌式三相永磁同步电机，该电机的定子绕组采用多层绕组并以Y字形连接，该电机的转子永磁体设有斜极。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述的定子绕组设有三个温度传感器。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的热传递等效节点网络模型是指：对电机与三相逆变控制器系统中的热相关部件进行等效，依据电机控制器系统内部的热量传递规律，对电机的部件建立等效节点热平衡方程网络模型。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的制作查表是针对电机的不同工作点，将工作转速(单位：RPM)和永磁同步电机定子绕组电流有效值(单位：A)作为输入，再将电机的不同损耗作为表格的内容，制作以转速和电流为输入，损耗(单位：W)为输出的二维表格。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的仿真的方式是指：使用MaxWell仿真软件，通过设定电机的工作转速和定子相电流，得到在不同转速和电流工作点下的电机损耗:，即定子鄂部热损耗QYokeLoss、定子齿部热损耗QToothLoss、转子涡流铁损耗QRotorCoreLoss和定子绕组热损耗QCuLoss。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的离散化是指：以指定绕组温度估算算法在数字控制器中的执行周期为T，运用MATLAB提供的函数命令进行离散化，得到离散化系数矩阵[G，H]＝c2d(factor_Vector_A，factor_Vector_B，T)，其中：
Figure FDA0002131369030000031
Figure FDA0002131369030000032
10.一种实现上述任一权利要求所述方法的系统，其特征在于，包括：连续时间系统模块、输入信号采集模块、MaxWell仿真模块、MotorCAD仿真模块、连续时间系统离散化模块、Simulink模型搭建及代码生成模块、实验测试模块和传感器采样与实验结果对比模块，其中：连续时间系统模块完成连续时间系统模型建立，输入信号采集模块采集模型输入信号，MaxWell仿真模块计算损耗，MotorCAD模块仿真得到定子绕组温度，连续时间系统离散化模块得到可以在DSP等数字处理器上运行的离散化模型，Simulink模型搭建及代码生成模块得到可以实现仿真与代码生成的Simulink模型，实验测试模块得到估算的绕组温度，传感器采样与估算结果对比模块将估算的绕组温度与传感器采样温度进行对比，得到优化后的模型系数。
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