CN117220565B - 一种永磁同步电机转子永磁体温度估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机转子永磁体温度估算方法，包括：S1，测量不同电流不同温度下的q轴电压(2v)次谐波幅值；S2，计算不同电流下的a_q、b_q和c_q，形成查找表LUT；S3，根据当前电流计算参考q轴电压(2v)次谐波幅值；S4，测量实际q轴电压(2v)次谐波幅值，将其与相应参考电压谐波幅值的偏差输入PI控制器；S5，获得永磁体温度。本发明基于一阶齿谐波估算转子永磁体温度，不需要使用电机电感和电阻参数，从而避免了参数变化对永磁体温度估算的影响；也不需要考虑逆变器非线性的影响，提高了永磁体温度估算的精度。

Description

一种永磁同步电机转子永磁体温度估算方法

技术领域

本申请属于永磁同步电机技术领域，具体涉及一种永磁同步电机转子永磁体温度估算方法。

背景技术

永磁同步电机(Permanentmagnet synchronous machine,PMSM)具有结构简单，转矩和功率密度高等优点，因此被广泛应用于电动汽车、航空航天和伺服驱动等领域。然而，对于高功率和高转矩密度的永磁同步电机，三相电流引起的铜损会导致定子绕组温度升高，铁损包括涡流损耗和磁滞损耗，特别是转子永磁体的涡流损耗会导致永磁体温升。永磁体温升则会导致其退磁，且温度过高时永磁体退磁是不可逆的，这会对永磁同步电机控制性能造成严重影响。因此，实时获取转子永磁体温度具有重要意义，然而通过安装热电偶等温度传感器或无线传输系统来直接测量永磁体温度，不但会改变电机原本的机械结构，同时还会增加了系统的复杂度和制造成本，因此开发无温度传感器的转子永磁体温度间接估算方法成为工业界和学术界的研究热点。

现在估算永磁同步电机转子永磁体温度的方法主要可分为两类，即基于反电势估算的方法和基于信号注入的方法。

基于反电势估算的方法通常是基于永磁体温度与永磁体磁链之间的线性关系，一旦从永磁同步电机的电压方程中准确地估算出永磁体磁链，之后就可以获得永磁体温度。然而，绕组电阻、电压源逆变器非线性和电感等其他电机参数的变化分别对温度、相电流和磁饱和敏感，它们会影响永磁体磁链估算的精度。因此，准确地估算永磁体磁链需要预先估算或消除估算模型中的这些未知参数和变量。

基于信号注入的方法也是估测永磁体温度的可能解决方案。例如，通过对注入高频信号的分析，可以获得与永磁体温度相关的高频转子电阻。但这种方法通常对带有表面安装永磁体的转子有效，如果永磁体位于转子叠片内部，则其精度会降低；并且，绕组电阻随温度变化的影响仍然需要适当的补偿，以提高温度估算的精度。另外，基于信号注入的方法会在传动系统中引入扰动，增加驱动系统的损耗。

发明内容

本发明公开了一种永磁同步电机转子永磁体温度估算方法，其基于一阶齿谐波估算转子永磁体温度，既不依赖电机参数，也无需注入信号，还不需要考虑逆变器非线性的影响，从而可以有效解决背景技术中涉及的至少一个技术问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种永磁同步电机转子永磁体温度估算方法，包括以下步骤：

S1，测量不同电流不同温度下的q轴电压(2v)次谐波幅值；

S2，计算不同电流下的a_q、b_q和c_q，形成查找表；

S3，根据当前电流计算参考q轴电压(2v)次谐波幅值；

S4，测量实际q轴电压(2v)次谐波幅值，将其与参考电压谐波幅值的偏差输入PI控制器；

S5，获得永磁体温度。

作为本发明的一种优选改进，永磁体温度与q轴电压(2v)次谐波之间的关系表达式为：

式中，U_q(2v)为q轴电压(2v)次谐波幅值，i_d为d轴电流，i_q为q轴电流，a_q、b_q和c_q为系数。

作为本发明的一种优选改进，所述步骤S2，具体包括以下步骤：

S21，将i_d固定为一个常数值，i_q在3秒内进行6步变化，每步为额定电流的六分之一，进行数据测量；

S22，将i_d增加额定电流的六分之一，再次重复i_q的6步变化测试；

S23，如果i_d达到其允许的最大值，则整个测试完成，通过同步滤波器得到在不同电流点下的U_q(2v)；

S24，在不同永磁体温度下重复步骤S21-S23；

S25，以红外相机测量的永磁体温度为输入，测量的U_q(2v)为输出，利用式(17)得到a_q、b_q和c_q。

作为本发明的一种优选改进，所述步骤S3具体包括：获取永磁同步电机的三相电流i_abc，通过park变换得到反馈交直轴电流i_dq，将其输入查找表LUT中得到此时反馈交直轴电流i_dq下的a_q、b_q和c_q，根据式(17)计算得到参考q轴电压(2v)次谐波幅值。

作为本发明的一种优选改进，在步骤S4中，通过同步滤波器提取实际q轴电压(2v)次谐波幅值，提取公式如下所示：

式中，X_k表示随机信号x的k次谐波幅值，LPF表示低通滤波。

本发明的有益效果如下：

1、本发明提出了一种基于一阶齿谐波估算转子永磁体温度的方法，通过提取q轴(2ν)次电压谐波来估算永磁体温度，无需使用电阻参数，避免了电阻参数变化对永磁体温度估算的影响；

2、由于逆变器非线性主要在电压中产生6次扰动谐波的频率，该频率远低于一阶齿谐波的(2v)次频率，并且，永磁体温度变化引起的q轴(2ν)次电压谐波的变化中并没有涉及逆变器非线性导致的dq轴畸变电压项V_deadDd和V_deadDq，因此，本发明不需要考虑逆变器非线性的影响，提高了永磁体温度估算的精度；

3、相比于基于信号注入的方法来估算永磁体温度，本发明无需注入信号，避免了对系统造成额外的扰动和损耗。

附图说明

图1为永磁体温度估算方法流程图；

图2为永磁体温度估算框架图；

图3为36槽4极电机在i_d＝0控制下的永磁体温度估算结果图；

图4为36槽4极电机在MTPA控制下的永磁体温度估算结果图；

图5为36槽6极电机在i_d＝0控制下的永磁体温度估算结果图；

图6为36槽6极电机在MTPA控制下的永磁体温度估算结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明将q轴电压(2v)次谐波作为永磁体温度的潜在指标，为了方便索引永磁体温度，将永磁体温度与q轴电压的(2v)次谐波之间的关系用二阶多项式近似表示为：

式中，U_q(2v)为q轴电压(2v)次谐波幅值，i_d为d轴电流，i_q为q轴电流，a_q、b_q和c_q为系数，T_mag为永磁体温度。

参阅图1和2所示，本申请实施例提供了一种永磁同步电机转子永磁体温度估算方法，适应于大功率非道路车辆、新能源电动车和电力机车用大功率永磁同步电机等应用场合，所述方法具体包括以下步骤：

S1，测量不同电流不同温度下的q轴电压(2v)次谐波幅值：

S2，计算不同电流下的a_q、b_q和c_q，形成查找表；具体包括以下步骤：

S21，将i_d固定为一个常数值，i_q在3秒内进行6步变化，每步为额定电流的六分之一，进行数据测量；

S22，将i_d增加额定电流的六分之一，再次重复i_q的6步变化测试；

S23，如果i_d达到其允许的最大值，则整个测试完成，通过同步滤波器得到在不同电流点下的U_q(2v)；

S24，在不同永磁体温度下重复步骤S21-S23；

S25，以红外相机测量的永磁体温度为输入，测量的U_q(2v)为输出，利用式(17)得到a_q、b_q和c_q。

S3，根据当前电流计算参考q轴电压(2v)次谐波幅值；

具体的，首先通过由电机控制器自带的电流传感器获取永磁同步电机的三相电流i_abc，然后经park变换后得到反馈交直轴电流i_dq，将其输入到查找表LUT中得到此时i_dq下的a_q、b_q和c_q，并根据式(17)计算得到参考q轴电压(2v)次谐波幅值U_{q(2v)_ref}。

S4，测量实际q轴电压(2v)次谐波幅值，将其与参考q轴电压(2v)次谐波幅值的偏差输入PI控制器；

具体的，在该步骤中，定子电流i_s ^*在MTPA或i_d＝0控制方式下输出合适的参考交直轴电流i_dq ^*，将其与反馈交直轴电流i_dq的偏差经PI控制器输出为参考交直轴电压u_dq ^*，然后利用同步滤波器获得实际q轴电压(2v)次谐波幅值U_{q(2v)_mea}。

其中，使用同步滤波器提取幅值，其提取公式如下所示：

式中，X_k表示随机信号x的k次谐波幅值，LPF表示低通滤波；为了提取随机信号x的k次谐波幅值，需要首先将x映射到对应于k次谐波的旋转坐标系下，随后信号x的k次谐波幅值可以通过低通滤波获得。

S5，获得估算的永磁体温度，即参考q轴电压(2v)次谐波幅值U_{q(2v)_ref}与实际q轴电压(2v)次谐波幅值U_{q(2v)_mea}的偏差经PI控制器后输出的值。

下面，通过具体实施例一来详细说明将q轴电压(2v)次谐波作为永磁体温度的潜在指标来估算永磁体温度。

实施例一

整数槽永磁同步电机由于其相对较高的效率，在机车和汽车的牵引控制中应用广泛。然而，对于整数槽永磁同步电机，它通常在反电势中有不可忽略的一阶齿谐波。基于这一事实，本发明针对传统永磁体温度估算方法存在的问题，提出了一种新的基于一阶齿谐波的永磁体温度估算方法，该方法不依赖电机参数，无需注入信号，且不需要考虑逆变器非线性的影响。

本发明通过q轴电压(2v)次谐波估算永磁体温度的具体理论如下：

永磁同步电机在三相坐标系下的基波模型可以表示为：

式中，u_d为d轴实际电压，u_q为q轴实际电压，R为定子绕组电阻，i_d为d轴电流，i_q为q轴电流，p为微分算子，ψ_d为d轴磁链，ψ_q为q轴磁链，ω_e为电机转子电角速度，ψ_dm为d轴永磁磁链，ψ_qm为q轴永磁磁链，l_d为d轴电感，l_q为q轴电感。

当公式(1)考虑谐波分量时，电感、转子电角速度、电流以及永磁磁链可分别如式(2)-(5)表示：

式中，L_d0为d轴电感的直流分量,L_q0为q轴电感的直流分量，L_dk为d轴电感k次谐波幅值，L_qk为q轴电感k次谐波幅值，θ为转子电角度，Ω_e0为转子电角速度的直流分量，Ω_ek为转子电角速度的k次谐波幅值，I_d0为d轴电流的直流分量，I_q0为q轴电流的直流分量，I_dk为d轴电流k次谐波幅值，I_qk为q轴电流k次谐波幅值，ψ_dm0为永磁磁链的直流分量，Ψ_dmk为d轴永磁磁链k次谐波幅值，Ψ_qmk为q轴永磁磁链k次谐波幅值，φ_ik、φ_lk、φ_ωk和φ_ψmk分别为电流、电感、转子电角速度和永磁磁链k次谐波相角。

在上述谐波项作用下，会将电压纹波引入PMSM驱动系统，而电压纹波通常包含几个比其他谐波项大的多的齿谐波项。即对于槽数N_s与极数N_p之比为N_s/N_p＝ν的三相整数槽PMSM，在槽和齿之间不连续的磁导率作用下，反电势中有(2hν±1,h＝1,2,3...)次齿谐波产生。而电机设计通常将ν设计为≥6，以实现较小的齿谐波。当h＝1时，即(2ν±1)次齿谐波在所有反电动势谐波中占比最大。例如，对于分别为ν＝6和9的PMSM，(12±1)次和(18±1)次谐波通常在所有反电动势谐波中占比最大，因此，第12次和第18次谐波将在dq轴电压谐波中占比最大。此外，由于逆变器非线性，dq轴电压中也存在较大的6次电压谐波分量。因此，dq轴参考电压可近似建模为直流分量、(2ν)次和6次电压谐波分量之和，如式(6)所示：

式中，为d轴参考电压，/>为q轴参考电压，/>为d轴参考电压k次谐波，/>为q轴参考电压k次谐波，U_d0为d轴参考电压直流分量，U_q0为q轴参考电压直流分量，U_dk为d轴参考电压k次谐波幅值，U_qk为q轴参考电压k次谐波幅值，φ_uk为电压k次谐波相角，V_deadDd、V_deadDq为逆变器非线性导致的d轴和q轴的畸变电压，E_d(2ν)、E_q(2ν)为一阶齿谐波导致的d轴和q轴的(2v)次电压谐波。相似地，式(2)-(4)也可以简化并重写为(7)-(9)，式(5)可近似表示为式(10)：

ω_e＝Ω_e0+ω_e6+ω_e(2v) (8)

将式(7)-(10)代入式(6)得到包含直流分量、6次和(2v)次电压谐波的d轴和q轴电压表达式：

在式(11)中，永磁磁链的直流分量与永磁体温度有关，但其在负载条件下很难被直接提取。在式(12)中，dq轴6次电压谐波主要由绕组电阻和dq轴电流6次谐波的乘积(u_6-1)、dq轴磁链的微分(u_6-2)、速度谐波和dq轴磁链谐波的乘积(u_6-3和u_6-4)以及由于逆变器非线性引起的6次谐波(u_6-5)组成。其中，u_6-3(d轴永磁磁链的基波分量)、u_6-2和u_6-4(dq轴永磁磁链的6次谐波分量)这三项与永磁温度有关。而由于u_6-5与永磁温度无关，其随电流相位角变化，因此u_6-5的影响难以准确补偿，导致dq轴6次电压谐波不适用于估算永磁体温度。

在式(13)中，dq轴(2ν)次电压谐波和/>由绕组电阻和dq轴电流(2ν)次谐波的乘积(u_2v-1)、dq轴磁链的微分引起的(2ν)次谐波(u_2v-2)、速度谐波和dq轴磁链谐波的乘积(u_2v-3和u_2v-4)以及由一阶齿谐波引起的(2ν)次谐波(u_2v-5)组成。在u_2v-2中，由于电感谐波和电流谐波通常很小，所以u_2v-2项中只保留dq轴永磁磁链的微分，因此，式(13)可以简化为式(14)：

实际上，由于通常使用电压源逆变器而不是电流源逆变器，并且速度振荡通常不能忽略。因此，为了获得三相正弦电流或恒定的dq轴电流，PMSM可以在恒转矩控制下使用高带宽dq轴电流环PI控制器来消除电流谐波。在这种情况下，与电流谐波相关的乘积项可忽略不计。此外，电感谐波通常也是很小的项，与其它项的乘积也很小，在实际应用中也可以忽略不计。因此，式(14)可以进一步简化为式(15)：

其中，第一项是由一阶齿谐波引起的(2ν)次谐波；中间两项是永磁磁链分布不均匀引起的(2ν)次谐波；最后一项是由速度振荡引起的(2ν)次谐波。在中，有四个项与永磁体温度相关，即d轴永磁磁链的基波和(2ν)次谐波分量，q轴永磁磁链的(2ν)次谐波和q轴一阶齿谐波E_q(2ν)。这里，一阶齿谐波与永磁体温度有关，是因为它是永磁磁动势的函数。此外，实际中的电感谐波项几乎与温度无关。还值得注意的是，对于整数槽PMSM，与其他谐波项相比，由d轴主磁通量与磁导率相互作用产生的E_q(2ν)通常占主导。由永磁体温度变化引起的q轴(2ν)次电压谐波的变化可以表示为式(16)：

由式(15)可知，d轴(2ν)次电压谐波有(2ν)次永磁磁链谐波项，(2ν)次永磁磁链微分项，和(2ν)次一阶齿谐波E_d(2ν)。E_d(2ν)通常较小，因为它主要是由q轴漏磁通和磁导率相互作用产生的。同时，实际上，由于磁极位置被位置传感器精确测量，q轴永磁磁链几乎为零，其(2ν)次谐波可以忽略不计。因此，在/>的主导项是ω_e(2v)L_q0I_q0，它与永磁体温度没有直接关系。

综上所述，q轴电压的(2ν)次谐波可以作为永磁体温度的潜在指标。而为了方便索引永磁体温度，永磁体温度与q轴电压(2v)次谐波之间的关系可以用二阶多项式近似表示，如式(17)所示：

式中，U_q(2v)表示q轴电压(2v)次谐波幅值，i_d为d轴电流，i_q为q轴电流，a_q、b_q和c_q为系数。

实施例二

在本实施例中，应用所发明的方法在36槽4极(ν＝9)的永磁同步电机上进行永磁体温度估算实验，转子电角速度设定为600rpm。

如图3所示，为id＝0控制下的36槽4极电机的永磁体温度估算结果，其中，x轴为高速红外相机测量的永磁体温度T_mea，y轴为按照本发明的方法所估算的永磁体温度T_est。由图3可知，在不同的i_q电流下，永磁体温度估算的最大误差在±4℃以内。

如图4所示，为36槽4极电机在MTPA控制下的永磁体温度估算结果。由图4可以看出，与红外相机测量的永磁体温度相比，在不同的i_s电流下，永磁体温度估算的最大误差也在±4℃以内。因此，结合两组实验来看，所发明的方法可以很好地估算永磁体温度。

实施例三

为了进一步验证所发明的方法在其他永磁同步电机上的有效性，因此在36槽6极(ν＝6)电机上进行了同实施例二类似的测试。36槽6极电机在i_d＝0和MTPA控制下的永磁体温度估算结果分别如图5和图6所示。从图中可以看出，与高速红外相机温度读数相比，两种控制下的最大永磁体温度估算误差分别小于3℃和4℃。

本发明的有益效果如下：

1、本发明提出了一种基于一阶齿谐波估算转子永磁体温度的方法，通过提取q轴(2ν)次电压谐波来估算永磁体温度，无需使用电阻参数，避免了电阻参数变化对永磁体温度估算的影响；

2、由于逆变器非线性主要在电压中产生6次扰动谐波的频率，该频率远低于一阶齿谐波的(2v)次频率，并且，永磁体温度变化引起的q轴(2ν)次电压谐波的变化中并没有涉及逆变器非线性导致的dq轴畸变电压项V_deadDd和V_deadDq，因此，本发明不需要考虑逆变器非线性的影响，提高了永磁体温度估算的精度；

3、相比于基于信号注入的方法来估算永磁体温度，本发明无需注入信号，避免了对系统造成额外的扰动和损耗。

上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。

Claims (2)

1.一种永磁同步电机转子永磁体温度估算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，测量不同电流不同温度下的q轴电压2v次谐波幅值，v为槽极比；

S2，计算不同电流下的a_q、b_q和c_q，形成查找表；

S3，根据当前电流计算参考q轴电压2v次谐波幅值；具体包括：获取永磁同步电机的三相电流i_abc，通过park变换得到反馈交直轴电流i_dq，将其输入查找表LUT中得到此时反馈交直轴电流i_dq下的a_q、b_q和c_q，根据式(17)计算得到参考q轴电压2v次谐波幅值，式(17)的表达式为：

式中，U_q(2v)为q轴电压2v次谐波幅值，i_d为d轴电流，i_q为q轴电流，a_q、b_q和c_q为系数，T_mag为永磁体温度；

S4，测量实际q轴电压2v次谐波幅值，将其与相应参考电压谐波幅值的偏差输入PI控制器；在步骤S4中，通过同步滤波器提取实际q轴电压2v次谐波幅值，提取公式如下所示：

式中，X_k表示随机信号x的k次谐波幅值，LPF表示低通滤波；

S5，获得永磁体温度，即参考q轴电压2v次谐波幅值U_{q(2v)_ref}与实际q轴电压2v次谐波幅值U_{q(2v)_mea}的偏差经PI控制器后输出的值。

2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机转子永磁体温度估算方法，其特征在于，所述步骤S2，具体包括以下步骤：

S21，将i_d固定为一个常数值，i_q在3秒内进行6步变化，每步为额定电流的六分之一，进行数据测量；

S22，将i_d增加额定电流的六分之一，再次重复i_q的6步变化测试；

S23，如果i_d达到其允许的最大值，则整个测试完成，通过同步滤波器得到在不同电流点下的U_q(2v)；

S24，在不同永磁体温度下重复步骤S21-S23；

S25，以红外相机测量的永磁体温度为输入，测量的U_q(2v)为输出，利用式(17)得到a_q、b_q和c_q。