DE102010038560A1

DE102010038560A1 - Temperaturschätzung für eine Elektromotor-Statorwicklung

Info

Publication number: DE102010038560A1
Application number: DE102010038560A
Authority: DE
Inventors: Chia-Chou Gardena Yeh; Nitinkumar R. Cypress Patel; Yo Chan Torrance Son; Steven E. Torrance Schulz
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2011-04-14
Also published as: CN102004008B; US20110050141A1; US8487575B2; CN102004008A

Abstract

Ein Temperaturschätz-Steuerglied und -Verfahren werden für das Schätzen der Statorwicklungstemperatur über einen Gesamtbereich der Motorbetriebsgeschwindigkeiten geliefert. In einer Implementierung wird eine Winkelgeschwindigkeit eines Motors zusammen mit einem Gesamtleistungsverlust für jede Phase des Motors bestimmt. Der Gesamtleistungsverlust in jeder Phase weist einen Statorwicklungs-Leistungsverlust und einen Kernleistungsverlust auf. Statorwicklungstemperaturen für jede Phase des Motors können dann geschätzt werden, basierend auf dem Gesamtleistungsverlust in dieser Phase, und eine kombinierte Impedanz für diese Phase. Die kombinierte thermische Impedanz weist eine erste thermische Impedanz zwischen der Statorwicklung und dem Statorkern und eine zweite thermische Impedanz zwischen dem Statorkern und dem Motorkühlmittel auf.

Description

Querbezug zu verwandter Anmeldung
Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/238,570, eingereicht am 31. August 2009.
Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Elektromotorsysteme und, spezieller ausgedrückt, sie bezieht sich auf ein Verfahren und ein Gerät für das Schätzen der Temperatur von Statorwicklungen in einem Elektromotor.
Hintergrund
Hybride und elektrische Fahrzeuge (HEVs) beinhalten typischerweise einen Wechselstrom(AC)-Elektromotor, welcher durch eine Gleichstrom-(TC-)Leistungsquelle, wie z. B. eine Speicherbatterie, angetrieben wird. Die Statorwicklungen des AC-Elektromotors können an ein Leistungswandlermodul gekoppelt sein, welches eine schnelle Schaltfunktion durchführt, um die DC-Leistung in AC-Leistung umzuwandeln, um den AC-Elektromotor anzutreiben, welcher umgekehrt eine Welle des Antriebsstrangs des HEV's antreibt. Die Temperatur der Motorstatorwicklungen ist ein wichtiger Parameter, da er für eine Vielzahl von Zwecken benutzt werden kann. Beispielsweise kann die Statorwicklungstemperatur ein wichtiger Parameter bei vielen Motorsteueralgorithmen sein, welche den Statorwiderstand als eine Steuervariable benutzen, da der Statorwicklungswiderstand temperaturabhängig ist und aufgrund der Temperatur eingestellt werden kann.
Die Statorwicklungstemperatur kann auch benutzt werden, um hohe Motortemperaturen zu detektieren, um eine Überhitzung zu verhindern. Typischerweise wird die Temperatur der Statorwicklungen über einen Temperaturmesssensor gemessen, wie z. B. einen Thermistor oder ein Thermoelement, welches auf einer der Elektromotor-Statorwicklungen installiert oder befestigt ist. Wenn die drei Phasenströme, welche in den Statorwicklungen fließen, ausgeglichen sind, kann ein einzelner Temperaturmesssensor manchmal angemessen benutzt werden, um die Temperatur aller Statorwicklungen abzuschätzen. Jedoch kann bei einigen Systemen ein sehr großer Temperaturgradient zwischen dem Temperatursensor und dem heißesten Punkt der Statorwicklung auftreten. Bei dieser Situation wird das Benutzen eines einzelnen Temperatursensors, um den heißesten Temperaturpunkt des Motors vorauszusagen, schwierig. Zusätzlich kann bei der Geschwindigkeit null ein Strom in einer der Statorwicklungen fließen, in welcher der Sensor installiert ist, oder es können bei bestimmten Geschwindigkeiten unausgeglichene Ströme in einer der Statorwicklungen fließen. Beispielsweise kann während eines Standzustands eine Phase ein Stromäquivalent des Spitzenwertes des Sinuswellenstromes tragen, während die anderen beiden Phasen die Hälfte des Stromes mit entgegengesetztem Vorzeichen tragen. Daher kann eine Phase die vierfachen (4×) Widerstandswärmeverluste erfahren, verglichen mit den anderen beiden Phasen. Unter diesen Umständen wird der einzelne Temperaturmesssensor nicht korrekt die aktuelle Temperatur des elektrischen Motors erzeugen, und folglich kann der elektrische Motor durch Überhitzen geschädigt werden.
Ein anderer Nachteil besteht darin, dass derartige Temperatursensoren teuer und unzuverlässig sein können und Wartung oder Service benötigen. Jeder Sensor fügt Extrakosten für das System hinzu, und in einigen Fällen ist es notwendig, viele Sensoren in dem Motor anzuwenden, um den heißesten Punkt der Statorwicklungen zu identifizieren. Zusätzlich erfordern die Sensoren eine Schaltung für das externe elektrische Signalkonditionieren, um das (die) Sensorsignal(e) zu bearbeiten, was die Kosten für das System weiter erhöht und möglicherweise die Zuverlässigkeit des Systems sogar weiter reduziert. Zusätzlich müssen sie mit Service versehen und gewartet werden, um sicherzustellen, dass sie so arbeiten wie beabsichtigt. Außerdem müssem Sensoren, wenn sie fehlerbehaftet sind, repariert oder ersetzt werden, was eine Herausforderung sein kann, da sie gewöhnlicherweise innerhalb des Motors platziert sind, z. B. in der Mitte eines Statorschlitzes.
Um die Anzahl von Temperaturensensoren oder sogar die Notwendigkeit für Sensoren komplett zu eliminieren, wurden auch Temperaturabschätztechniken ohne Sensor für Statorwicklungen entwickelt. Einige Temperatur-Abschätztechniken für die Statorwicklung ohne Sensor wenden komplexe thermische Modelle für Motoren an, welche auf der Maschinengeometrie und ihrer thermischen und elektrischen Eigenschaften basieren. Während diese Techniken eine genaue und robuste Temperaturabschätzung liefern können, erfordern sie die Entwicklung eines komplexen thermischen Modells des Motors. In vielen Fällen kann die Information bezüglich der Motorgeometrie und/oder dessen thermischer oder elektrischer Eigenschaften nicht vollständig verfügbar sein.
Zusätzlich wurde eine hochfrequente Trägersignal-Zuführungstechnik auch für die Statortemperaturabschätzung benutzt. Jedoch nimmt diese Technik an, dass die Stator- und Rotortemperaturen identisch sind, was jedoch nicht immer der Fall ist. Demnach nimmt die Genauigkeit ab, wenn die Stator- und Rotortemperaturen auseinanderdriften.
Es wurden auch andere Statorwicklungs-Temperaturabschätztechniken ohne Sensor entwickelt, welche gut eine Temperaturabschätzung bei Null- oder niedriger Geschwindigkeit liefern (z. B. unter 75 UpM); jedoch führen diese Techniken nicht zu genauen Abschätzergebnissen bei höheren Motorgeschwindigkeiten.
Entsprechend ist es wünschenswert, ein Verfahren, System und Gerät für das Schätzen der Statorwicklungstemperatur über den gesamten Motorbetriebsgeschwindigkeitsbereich hinweg (d. h. bei niedrigen Betriebsgeschwindigkeiten und bei hohen Betriebsgeschwindigkeiten) zu liefern. Es wäre auch wünschenswert, um vollständig die Notwendigkeit für irgendwelche Statorwicklungs-Temperatursensoren zu eliminieren. Zusätzlich ist es wünschenswert, ein Verfahren, System und Gerät für das Schätzen der Statorwicklungstemperatur zu liefern, welches bei allen Motorbetriebsgeschwindigkeiten (d. h. Rotor-Winkelgeschwindigkeiten) arbeitet, ohne einen Temperatursensor (z. B. einen Thermistor) zu benutzen, welcher an eine oder mehrere der Statorwicklungen gekoppelt ist. Außer diesem werden andere wünschenswerte Merkmale und Charakteristika der vorliegenden Erfindung aus der nachfolgend detaillierten Beschreibung und den angehängten Ansprüchen offensichtlich, welche in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und dem vorausgegangenen technischen Bereich und Hintergrund gegeben werden.
Zusammenfassung
Entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform werden ein Temperaturabschätz-Steuerglied ohne Sensor und ein Verfahren geliefert, welche die Statorwicklungstemperatur über einen vollen Bereich der Motorbetriebsgeschwindigkeiten hinweg abschätzen können. Wenn die Motorgeschwindigkeit unterhalb eines Geschwindigkeitsschwellwertes (z. B. 75 UpM) liegt, kann ein erster Satz von Statorwicklungstemperaturen für jede der Statorwicklungen auf der Basis eines ersten Satzes von thermischen Impedanzmodellen geschätzt werden, welche die Statorwicklungs-Leistungsverluste beinhalten. Wenn jedoch die Motorgeschwindigkeit oberhalb des Geschwindigkeitsschwellwertes ist, wird ein zweiter Satz von geschätzten Statorwicklungstemperaturen für jede der Statorwicklungen geschätzt, basierend auf einem zweiten Satz von thermischen Impedanzmodellen, welche die Statorwicklungs-Leistungsverluste und die Kernleistungsverluste beinhalten.
Entsprechend einer anderen Ausführungsform werden ein System und ein Verfahren für das Steuern eines Drehmomentbefehles in einem Motorantriebssystem, welches vektorgesteuert ist, geliefert. Wenn eine detektierte Motorgeschwindigkeit größer als eine vorherbestimmte Geschwindigkeit ist, wird die Statorwicklungstemperatur für jede der Statorwicklungen geschätzt, basierend auf einem Gesamtleistungsverlust zwischen der Statorwicklung und dem Motorkühlmittel. Der gesamte Leistungsverlust weist den Statorwicklungs-Leistungsverlust und den Kern/Eisen-Leistungsverlust auf. Der Wert des Drehmomentbefehls wird dann in Antwort auf die geschätzte Statorwicklungstemperatur einer der Statorwicklungen abgeleitet/eingestellt, um den Motor vor Überhitzen zu schützen.
Um die Statorwicklungstemperatur für jede der Statorwicklungen abzuschätzen, wird ein Statorwicklungswiderstand für jede Statorwicklung, basierend auf einer Temperatur dieser Statorwicklung bestimmt, und wird zusammen mit einem Wechselstrom-(AC-)Quadratwurzelmittelwert (RMS) des Statorstromes benutzt, um einen Statorwicklungs-Leistungsverlust in jeder Phase zu bestimmen. Mit anderen Worten, der Statorwicklungs-Leistungsverlust in jeder Phase kann basierend auf dem Statorwicklungswiderstand für jede Phase und einem Wechselstrom (AC)-Quadratwurzelmittelwert (RMS) des Statorstromes bestimmt werden, welcher repräsentativ für die Statorströme in jeder der Statorwicklungen ist.
Der gesamte Leistungsverlust in jeder Phase des Motors kann dann basierend auf dem Statorwicklungs-Leistungsverlust für diese Phase und einem Kernleistungsverlust bestimmt werden. Um dies durchzuführen, wird eine Vielzahl von Lookup- bzw. Verweistabellen geliefert. Jede Lookup-Tabelle entspricht einer speziellen DC-Bus-Spannung und spezifiziert Werte des Kernleistungsverlustes für unterschiedliche Kombinationen von Motorgeschwindigkeit und dem Quadratwurzelmittelwert (RMS) des Statorwicklungsstromes. Der Kernleistungsverlust kann durch das Auswählen von zwei Lookup-Tabellen aus der Vielzahl von Lookup-Tabellen bestimmt werden, basierend auf einem DC-Bus-Spannungseingangssignals, wobei die Motorgeschwindigkeit und der Statorwicklungsstrom in eine erste der ausgewählten Lookup-Tabellen eingegeben wird, um einen ersten Kernleistungsverlustwert zu berechnen, indem die Motorgeschwindigkeit und der Statorwicklungsstrom in eine zweite der ausgewählten Lookup-Tabellen eingegeben wird, um einen zweiten Kernleistungsverlustwert zu berechnen, und indem eine lineare Interpolation ausgeführt wird, basierend auf der DC-Bus-Spannung, dem ersten Kernleistungsverlustwert und dem zweiten Kernleistungsverlustwert, um den Kernleistungsverlust zu berechnen.
Ein thermisches Impedanzmodell für jede Phase charakterisiert den gesamten Leistungsverlust zwischen der Statorwicklung und dem Motorkühlmittel. Das thermische Impedanzmodell erzeugt eine Änderung in der Temperatur zwischen der Statorwicklungstemperatur für diese Phase und der Motorkühltemperatur, basierend auf dem Gesamtleistungsverlust in dieser Phase und der Motorgeschwindigkeit.
Die Statorwicklungstemperaturen für jede der Statorwicklungen kann geschätzt werden, basierend auf den thermischen Impedanzmodellen, der Motorgeschwindigkeit und der Motorkühltemperatur.
Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den folgenden gezeichneten Figuren beschrieben, wobei ähnliche Ziffern ähnliche Elemente bezeichnen, und
1 ein Blockdiagramm eines elektrischen Motorsystems entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 eine Schaltbildwiedergabe eines thermischen Impedanzmodells entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
3 eine detailliertere Skizze des elektrischen Motorsystems der 1 entsprechend Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellt;
4 ein Flussdiagramm des Betriebs eines Temperaturabschätz-Steuergliedes des elektrischen Motorsystems der 3 entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
5 ein Verfahren für das Bestimmen des gesamten Leistungsverlustes in jeder Phase des Motors darstellt, basierend auf dem Statorwicklungs-Leistungsverlust und dem Kernleistungsverlust jeder Phase, entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
6 ein Verfahren für das Schätzen der Statorwicklungstemperaturen darstellt, basierend auf dem Gesamtleistungsverlust in jeder Phase des Motors, der Motorgeschwindigkeit (d. h. der Rotor-Winkelgeschwindigkeit) und der Motorkühltemperatur entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform
Wie es hier benutzt wird, bedeutet das Wort ”beispielhaft” ”als ein Beispiel, als ein Zustand oder eine Erläuterung dienend”. Die folgende detaillierte Beschreibung ist von ihrer Art her nur beispielhaft, und es ist nicht beabsichtigt, die Erfindung oder die Anwendung und das Benutzen der Erfindung einzuschränken. Jegliche Ausführungsform, welche hier als ”beispielhaft” beschrieben ist, ist nicht notwendigerweise als bevorzugt oder vorteilhaft gegenüber anderen Ausführungsformen angelegt. Alle Ausführungsformen, welche in dieser detaillierten Beschreibung beschrieben sind, sind beispielhafte Ausführungsformen, welche für Fachleute geliefert werden, um die Erfindung durchzuführen oder zu gebrauchen und nicht um den Umfang der Erfindung einzugrenzen, welcher in den Ansprüchen definiert ist. Außerdem besteht keine Absicht, durch irgendeine ausgedrückte oder beinhaltete Theorie, welche in dem vorausgegangenen technischen Feld, dem Hintergrund, der kurzen Zusammenfassung oder der nachfolgenden detaillierten Beschreibung präsentiert wird, gebunden zu sein.
Bevor im Detail Ausführungsformen beschrieben werden, welche in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung sind, sollte beachtet werden, dass die Ausführungsformen in erster Linie auf Kombinationen von Verfahrensschritten und Gerätebauteilen beruhen, welche sich auf das Schätzen von der Temperatur von Statorwicklungen in einem elektrischen Motor beziehen. Es wird gewürdigt werden, dass hier beschriebene Ausführungsformen implementiert werden können, indem Hardware, Software oder eine Kombination dieser benutzt werden. Die hier beschriebenen Steuerschaltungen können verschiedene Bauteile, Module, Schaltungen und andere Logik aufweisen, welche implementiert werden kann, indem eine Kombination von analogen und/oder digitalen Schaltungen, diskrete oder integrierte analoge oder digitale elektronischen Schaltungen oder Kombinationen von diesen benutzt werden. Wie er hier benutzt wird, bezieht sich der Term ”Modul” auf eine Einrichtung, eine Schaltung, ein elektrisches Bauteil und/oder eine, auf Software basierende Komponente für das Ausführen einer Aufgabe. Bei einigen Implementierungen können die Steuerschaltungen, welche hier beschrieben sind, implementiert werden, indem eine oder mehrere anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs), einer oder mehrere Mikroprozessoren und/oder eine oder mehrere auf Digitalsignalprozessoren (DSP) basierende Schaltungen benutzt werden, wenn ein Teil oder die gesamte Steuerlogik in derartigen Schaltungen implementiert wird. Es wird gewürdigt werden, dass Ausführungsformen der Erfindung, welche hier beschrieben sind, aus einem oder mehreren herkömmlichen Prozessoren und einzigartig gespeicherten Programminstruktionen bestehen können, welche einen oder mehrere Prozessoren steuern, in Verbindung mit gewissen Schaltungen ohne Prozessor, um einige, die meisten oder alle der Funktionen zu implementieren, um die Temperatur von Statorwicklungen in einem elektrischen Motor abzuschätzen, wie es hier beschrieben wird. Demnach können diese Funktionen als Schritte eines Verfahrens interpretiert werden, um die Temperatur von Statorwicklungen in einem elektrischen Motor abzuschätzen. Alternativ können einige oder alle Funktionen über eine Zustandmaschine, welche keine gespeicherten Programminstruktionen besitzt, oder in einer oder mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs) implementiert werden, in welchen jede Funktion oder einige Kombinationen von bestimmten Funktionen als Kundenlogik implementiert sind. Natürlich kann eine Kombination der zwei Vorgehensweisen benutzt werden. Derartige Verfahren und Mittel für diese Funktionen wurden hier beschrieben. Ferner wird erwartet, dass ein Fachmann, ungeachtet möglicher signifikanter Anstrengung und vieler Gestaltungsmöglichkeiten, welche z. B. durch verfügbare Zeit, aktuelle Technologie und wirtschaftliche Betrachtungen motiviert sind, in der Lage sein wird, derartige Software-Instruktionen und -Programme und ICs mit minimaler Erfahrung zu erzeugen, wenn er durch die Konzepte und Grundzüge geführt wird, welche hier veröffentlicht sind.
Überblick
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf Verfahren und Geräte für das Schätzen der Temperatur von Statorwicklungen in einem elektrischen Motor. Die veröffentlichten Verfahren und Geräte können in Betriebsumgebungen implementiert werden, wo es notwendig ist, die Temperatur von Statorwicklungen in einem elektrischen Motor zu schätzen. In den beispielhaften Implementierungen, welche nun beschrieben werden, werden die Steuertechniken und Technologien beschrieben werden, wie sie an einem Leistungssystem eines hybriden und elektrischen Fahrzeugs angewendet werden, welches Teil eines Hybrid-/Elektrikfahrzeugs (HEV) ist.
1 stellt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Architektur eines Dreiphasen-elektrischen Motorantriebssystems 100 dar, welches in einem hybriden/elektrischen Fahrzeug (HEV) implementiert werden kann. In dieser Ausführungsform kann das System 100 benutzt werden, um einen Dreiphasen-AC-Motor 110 über ein Wandlermodul 120 mit Dreiphasenpuls-Breitenwandlung (PWM) zu steuern, welches an dem Dreiphasen-AC-Motor 110 angeschlossen ist, indem die Strombefehle, welche den Dreiphasen-AC-Motor 110 steuern, eingestellt werden.
Das elektrische Motorsystem 100, entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, beinhaltet eine Dreiphasen-Wechselstrom-(AC-)elektrische Synchronmaschine 110, welche in Antwort auf Signale von einem Wandler 120 arbeitet. Wie er hier benutzt wird, bezieht sich der Term AC-Motor auf einen elektrischen Motor, welcher durch einen Wechselstrom (AC) angetrieben wird. Ein AC-Motor beinhaltet: einen äußeren stationären Stator, welcher Spulen besitzt, welche mit Wechselstrom versorgt werden, um ein sich drehendes magnetisches Feld zu erzeugen, und einen inneren Rotor, welcher an der Ausgangswelle befestigt ist, welchem durch das sich drehende Feld ein Drehmoment gegeben wird. Der Dreiphasen-AC-Motor 110 kann ein mit Dreiphasen-AC-versorgter ”gewickelter” Motor sein, wie z. B. ein Permanentmagnet-Synchronmotor mit einem Stator, welcher mit definierten Polen gewickelt ist, ein Dreiphasen-Induktionsmotor oder ein Synchron-Reluktanz- bzw. Magnetischer-Widerstand-Motor. Bei Implementierungen, bei welchen die AC-Maschine ein Permanentmagnet-Synchron-AC-Motor ist, ist davon auszugehen, dass dieser Innen-Permanentmagnet-Motore umfasst. Obwohl nicht gezeigt, ist der Motor 110 an eine Antriebswelle eines HEV gekoppelt.
Der Dreiphasenmotor 110 beinhaltet einen Rotor (nicht gezeigt) und drei Statorwicklungen 115, welche zwischen den Motoranschlüssen A, B und C angeschlossen sind. Wie in 1 dargestellt ist, besitzt der Dreiphasen-AC-Motor 110 drei Motorwicklungen 115, welche zusammen an einen neutralen Punkt angeschlossen sind.
Das Dreiphasen-PWM-Wandlermodul 120 beinhaltet einen Kondensator 180 und drei Wandler-Untermodule. In dieser Ausführungsform ist ein Wandler-Untermodul 115 an eine Motorwicklung 115 gekoppelt, ein anderes Wandler-Untermodul ist an eine Motorwicklung 115 gekoppelt, und ein anderes Wandler-Untermodul ist an eine Motorwicklung 115 gekoppelt. Jedes Wandler-Untermodul beinhaltet eine Zweifach-Schalteinrichtung. Jede Zweifach-Schalteinrichtung beinhaltet drei Schalter (z. B. einen Transistor, wie z. B. einen isolierten Gate-Bipolar-Transistor (IGBT) oder einen Thyristor), welche idealerweise in einer abwechselnden Weise arbeiten. Beispielsweise beinhaltet der Wandler 120 einen Kondensator 180, ein erstes Wandler-Untermodul, welches einen zweifachen Schalter 122/125 aufweist, ein zweites Wandler-Untermodul, welches einen zweifachen Schalter 123/126 aufweist, und ein drittes Wandler-Untermodul, welches einen Zweifachschalter 124/127 aufweist. Demnach besitzt der Vollwellen-Brückenwandler 120 sechs Halbleiter-Schalteinrichtungen 122, 125, 123, 126, 124, 127 und sechs Dioden (nicht gezeigt), welche antiparallel sind, damit jeder Schalter in geeigneter Weise eine Eingangsspannung schaltet und eine Dreiphasen-Energieversorgung der Statorwicklungen 115 des Dreiphasen-AC-Motors 110 liefert.
Das Dreiphasen-PWM-Wandlermodul 120 ist zwischen den Gleichstrom-(DC-)Busleitungen 135 einer DC-Leistungsquelle 140 (z. B. einer Batterie oder Batterien oder einer anderen Brennstoffzelle) über einen Hochspannungs-DC-Bus geschaltet und empfängt eine Eingangs-DC-Spannung (Vdc). Das Dreiphasen-PWM-Wandlermodul 120 beinhaltet eine Vielzahl von Wandlerpolen, wobei beinhaltet sind: ein erster Wandlerpol, welcher eine Dreiphasen-Sinusspannung (Va) erzeugt, ein zweiter Wandlerpol, welcher eine zweite Dreiphasen-Sinusspannung (Vb) erzeugt, und ein dritter Wandlerpol, welcher eine dritte Dreiphasen-Sinusspannung (Vc) erzeugt. Der Dreiphasen-AC-Motor 110 ist an das Dreiphasen-PWM-Wandlermodul 120 über den ersten Wandlerpol, den zweiten Wandlerpol und den dritten Wandlerpol gekoppelt. Das Dreiphasen-PWM-Wandlermodul 120 liefert eine elektrische Steuerung für den elektrischen Motor 110 und erzeugt Wechselstrom-(AC-)Wellenformen (dreiphasige Sinusvolt-Signale), welche den Dreiphasen-AC-Motor 110 bei sich ändernden Geschwindigkeiten, basierend auf der DC-Eingangsspannung (Vdc), antreibt. Der Dreiphasen-AC-Motor 110 erzeugt Wechselstrom-(AC-)Wellenformen, basierend auf der Dreiphasen-Sinusspannung (Va), der zweiten Dreiphasen-Sinusspannung (Vb) und der dritten Dreiphasen-Sinusspannung (Vc).
Phasenströme (d. h. erster resultierender Statorstrom (Ia), zweiter resultierender Statorstrom (Ib) und dritter resultierender Statorstrom (Ic)) fließen durch die jeweiligen Statorwicklungen 115. Der Strom in die Motorwicklung A 115 fließt aus den Motorwicklungen B 115 und C 115, der Strom in die Motorwicklung B 115 fließt aus den Motorwicklungen A 115 und C 115, und der Strom in die Motorwicklung C 115 fließt aus den Motorwicklungen A 115 und B 115.
Phase-zu-Neutral-Spannungen werden über jeder der Statorwicklungen 115 erzeugt, und Rück-EMF-Spannungen werden in den jeweiligen Statorwicklungen 115 durch die Drehung des Rotors mit dem Fluss erzeugt. Im Falle eines Permanentmagnetmotors wird der Fluss durch den Permanentmagnet aufgebaut.
Die Ausgangssignale des stromregulierten Drehmoment-Steuergliedes 150 sind Steuersignale, welche an die Gates jedes Transistors 122 bis 127 des Wandlers 120 geliefert werden, und dienen als Betriebssteuersignale für die Transistoren 122 bis 127. Der Wandler 120 arbeitet in Antwort auf die Signale, welche von einem Stromreglierten-Drehmoment-Steuerglied 150 an die Gates desselben geliefert werden, um die Spannung für jede Phase 115 des Motors 110 zu liefern, wobei jedes der Transistorpaare 122/125, 123/126 und 124/127 ein Phasenbein des Wandlers 120 liefert. Das Steuerglied 150 kann die Motorbefehlssignale und die Motorbetriebssignale von dem Motor 110 empfangen und Steuersignale erzeugen, um das Schalten der Halbleiterschalteinrichtungen 122, 125, 123, 126, 124, 127 innerhalb der Wandler-Untermodule zu steuern. Durch das Liefern geeigneter Steuersignale an die einzelnen Wandler-Untermodule steuert das Rückkopplungs-Steuerglied das Schalten der Halbleiter-Schalteinrichtungen 122, 125, 123, 126, 124, 127 innerhalb der Wandler-Untermodule und steuert dadurch die Ausgangssignale der Wandler-Untermodule, welche jeweils an die Motorwicklungen 115 geliefert werden. Der erste resultierende Statorstrom (Ia), der zweite resultierende Statorstrom (Ib) und der dritte resultierende Statorstrom (Ic), welche durch die Wandler-Untermodule des Dreiphasen-PWM-Wandlermoduls 120 erzeugt werden, werden an die Motorwicklungen 115 geliefert.
Ein Kühlmittel 155, wie z. B. ein Motoröl, umgibt und kühlt den Motor 110 während des Betriebes desselben, und ein Temperatur-Signalgenerator 156 bestimmt die Temperatur des Kühlmittels 155 über ein Thermoelement innerhalb des Kühlmittels 155 und liefert ein Digitalsignal als Repräsentation der Temperatur des Kühlmittels 155 an die Leitung 260.
Der Motor 110 wird auch ausgestattet mit einem Rotorpositionssensor 160/165 gezeigt, welcher ein Rotor-Positionssignal θ_m liefert, welches die mechanische Drehwinkelposition des Rotors relativ zu den Statorwicklungen 115 anzeigt. Wie er hier benutzt wird, ist der Term ”Positionssensor” breit zu interpretieren und bezieht sich auf jegliches, herkömmliche Positionssensorgerät, welches eine Winkelpositionsinformation erzeugt, wobei eine physikalische Positionssensoreinrichtung beinhaltet ist, oder auf eine virtuelle Software-Implementierung eines physikalischen Positionssensors, jedoch auf irgendeine Art von absoluten Positionssensor oder drehbaren Transducer. In der speziellen Implementierung, welche in 1 dargestellt ist, ist der Positionssensor 160/165 ein Typ eines sich drehenden elektrischen Transformators, welcher für das Messen der Drehgrade benutzt wird, und er ist so gestaltet, dass er Positionssensor-Ausgangssignale (PSout) 190 erzeugt, wobei eine oder mehrere Ausgangssignal-Winkelpositionsinformation(en) (θ_r) und/oder Winkelgeschwindigkeits-(θ_r-)Information beinhaltet sind, welche idealerweise der Winkelposition und/oder der Winkelgeschwindigkeit des Rotors bezüglich einem Stator des Motors entsprechen, wenn sich der Rotor um den Stator mit einer Winkelgeschwindigkeit dreht. Mit anderen Worten erzeugt der Positionssensor 160/165, wenn er korrekt arbeitet, eine absolute Winkelpositionsinformation und/oder eine Winkel-Geschwinigkeitsinformation, welche idealerweise dem mechanischen Winkel (θ_r) des Rotors und/oder der Winkelgeschwindigkeit des Rotors entspricht. Obwohl nicht dargestellt, ist ein gebräuchlicher Typ der Positionssensor-160-Einrichtung ein Drehmelder.
In 1 ist der Positionssensor 160/165 implementiert, wobei ein Drehmelder 160 und ein Drehmelder-zu-Digital-Wandler 165 benutzt wird, es kann jedoch im Allgemeinen jede Art von Positionssensor sein, welcher in der Fachwelt bekannt ist, wobei ein Hall-Effekt-Sensor oder jede andere ähnliche Abtasteinrichtung oder Codierer beinhaltet sein kann, welche in der Fachwelt bekannt sind, welche die Winkelposition oder die Winkelgeschwindigkeit des Rotors der Maschine (nicht dargestellt) erfassen. Der Drehmelder 160 ist an den Motor 110 gekoppelt, um die Rotorposition zu messen und um die Motorgeschwindigkeit (d. h. die Winkelgeschwindigkeit des Rotors) desselben zu detektieren. Ein Drehmelder-zu-Digital-Wandler 165 wandelt die Signale von dem Drehmelder 160 in Digitalsignale und liefert diese Digitalrepräsentationen der Winkelposition und der detektierten Geschwindigkeit des Rotors des AC-elektrischen Synchronmotors 110 an das stromregulierte Drehmoment-Steuerglied 150.
Entsprechend der Ausführungsform beinhaltet ein Temperaturschätz-Steuerglied 170: einen temperaturabhängigen Drehmomentbefehl-Verminderungsblock 172, ein Hochgeschwindigkeits-Temperaturschätzmodul 174, ein Niedriggeschwindigkeits-Temperaturschätzmodul 176 und ein Übergangsmodul 180.
Das Hochgeschwindigkeits-Temperaturschätzmodul 174 empfängt synchrone Rahmenströme I_d, I_q von dem stromregulierten Drehmoment-Steuerglied 150 und schätzt die Phasentemperaturen (T_a, T_b, T_c) 175 der Statorwicklungen 115. Die geschätzten Temperaturen 175 werden basierend auf den synchronen Rahmenströmen I_d, I_q, der Motorgeschwindigkeit 190 und der Temperatur des Kühlmittels 155, welche auf der Leitung 260 geliefert werden, erzeugt. Das Niedriggeschwindigkeits-Temperaturschätzmodul 176 empfängt die detektierten Stromwerte I_a, I_b, I_c und schätzt die Phasentemperaturen (T_a, T_b, T_c) 177 der Wicklungen 115 der Phasen in Antwort auf die Stromwerte I_a, I_b, I_c und die Temperatur des Kühlmittels 155, wie sie auf Leitung 260 geliefert werden.
Die geschätzten Phasentemperaturen (T_a, T_b, T_c) 175, 177 von dem Hochgeschwindigkeits-Temperaturschätzmodul 174 und dem Niedriggeschwindigkeits-Temperaturschätzmodul 176 werden an das Übergangsmodul 180 geliefert. Das Übergangsmodul 180 liefert geschätzte Phasentemperaturen (T_a, T_b, T_c) 175 und die geschätzten Phasentemperaturen (T_a, T_b, T_c) 177 an einen Eingang des temperaturabhängigen Drehmomentbefehl-Verminderungsblockes 172. Das Übergangsmodul 180 wählt einen Satz der geschätzten Phasentemperaturen aus, um sie an einen temperaturabhängigen lock 172 zu liefern, basierend auf der aktuellen Betriebsgeschwindigkeit 190 (Winkelgeschwindigkeit) des Motors 110, welche von dem Drehmelder-zu-Digitalwandler 165 geliefert wird.
Ein Drehmomentsteuersignal (Drehmomentbefehl T*) 171 wird an den temperaturabhängigen Drehmomentbefehl-Verminderungsblock 172 geliefert. Der temperaturabhängige Drehmomentbefehl-Vermindungsblock 172 modifiziert den Drehmomentbefehl 171 in Antwort auf den ausgewählten Satz von Phasentemperaturen (T_a, T_b, T_c) 175, 177, um ein von der Temperatur abgeleitetes Drehmomentsteuersignal 173 zu erzeugen. Das stromgeregelte Drehmomentsteuerglied 150 empfängt Stromsignale (I_a, I_b, I_c) von jeder Statorwicklung 115 des Motors 110 und modifiziert, entsprechend der vorliegenden Erfindung, die Ströme an den Statorwicklungen 115 des Motors 110 in Antwort auf das temperaturgeregelte Drehmoment-Steuersignal 173, welches von dem temperaturabhängigen Drehmomentbefehl-Verminderungsblock 172 empfangen wird, um die Betriebssteuersignale zu erzeugen, welche an jedes Phasenbein 122/125, 123/126, 124/127 des Wandlers 120 geliefert werden.
Entsprechend legen die Betriebssteuersignale die Verstärkung, welche durch das durch die Temperatur verminderte Drehmomentsteuersignal 173 repräsentiert ist, an den Befehlssignalen/der Spannung an, welche an den Gates der Transistoren 122–127 angelegt ist bzw. sind. Entsprechend der vorliegenden Erfindung, werden demnach die Ströme jeder der Statorwicklungen 115 empfangen und von dem stromregulierten Steuerglied 150 in Antwort auf das temperaturverminderte Drehmomentsteuersignal 173 modifiziert, um eine geeignete Verstärkung für die Betriebssteuersignale zu liefern, während ein temperaturabhängiges Vermindern des Drehmoments in die Steuerstruktur bei allen Geschwindigkeiten integriert wird. Das Schätzen der Temperatur jeder Statorwicklung 115 und das Vergleichen dieser mit einem vorher festgelegten Temperaturschwellwert kann ein Überhitzen der Statorwicklungen verhindern.
2 stellt eine Schaltungsdarstellung eines thermischen Impedanzmodells 200 entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Das thermische Impedanzmodell 200 kann für das Hochgeschwindigkeitstemperatur-Schätzmodul 174 entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung benutzt werden, um die geschätzten Wicklungstemperaturen T_a 205, T_b 225 und T_c 245 bei jeder der Wicklungen 115 des Motors 110 zu bestimmen, wenn der Motor bei einer hohen Geschwindigkeit arbeitet (d. h. die Rotorwinkelgeschwindigkeiten größer als 75 UpM sind).
Das thermische Modell, welches in 2 dargestellt wird, basiert auf der thermischen Gleichung (1), welche gegeben ist durch: Temperaturänderung = thermische Impedanz X Gesamtleistungsverlust (1)
Beispielsweise ist die Temperaturdifferenz (ΔT_a) zwischen der Temperatur der Statorwicklung A (T_a) und der Temperatur des Motorkühlmittels (T_Kühlmittel) gleich dem Produkt der thermischen Impedanz (R_tha) 215 und dem Leistungsabfuhr bzw. -verlust (P_a) 210 für diese Phase. Das thermische Impedanzmodell 200 wird vollständiger nachfolgend mit Bezug auf die Gleichungen (4) bis (6) beschrieben.
Wenn die Winkelgeschwindigkeit des Rotors des Motors 115 oberhalb eines speziellen Wertes (z. B. 75 UpM) ist, können die geschätzten Temperaturen zwischen 205, 225, 245 für jede der Statorwicklungen 115 berechnet werden, basierend auf einer thermischen Impedanz (R_th) 215, 235, 255 zwischen dieser Wicklung 115 und einer Temperatur des Motorkühlmittels 260 (wobei die thermische Impedanz 215 (R_tha), die thermische Impedanz zwischen der Temperatur T_a einer ersten Wicklung und der Temperatur des Motorkühlmittels 260 ist, eine thermische Impedanz 235 (T_thb), die thermischen Impedanz zwischen der Temperatur T_b einer zweiten Wicklung und der Temperatur des Motorkühlmittels 260 ist und eine thermische Impedanz 225 (R_tc), die thermische Impedanz zwischen der Temperatur T_c einer dritten Wicklung und der Temperatur des Motorkühlmittels 260 ist). Die Temperatur des Motorkühlmittels besitzt eine Temperatur T_Kühlmittel 260, wie sie durch einen Temperatursensor gemessen wird.
Die Leistungsausbreitung bzw. -abfuhr in dem Motor aufgrund eines Verlustes der Statorwicklung (oder des Kupfers) und dem Verlust des Statorkerns (oder des Eisens) kann durch Benutzen der Gleichungen (2) bzw. (3) ausgedrückt werden.
wobei: R_DC der DC-Widerstand pro Phase ist; i_x der Statorstrom in einer speziellen Phase x ist, N_c die Anzahl der Spulen in einer Reihe ist; N die Anzahl der Windungen pro Spule ist; l_turn die Länge einer Windung ist; und A_turn die Fläche einer Windung; und σ_cu die Leitfähigkeit des Kupfers ist.
wobei P_iron der Kern/Eisen-Leistungsverlust ist; P_h der Leistungsverlust aufgrund der Hystereseverluste ist; P_e der Leistungsverlust aufgrund der Wirbelstromverluste ist; B und B_m die Spitzenflussdichten sind, α, ε_h und ε_c Konstanten für das spezielle Kernmaterial sind, f die Betriebsfrequenz des Motors ist; und f_n die nominale Grundfrequenz des Motors ist.
Techniken für das Schätzen der Statortemperatur bei niedrigen Geschwindigkeiten (unterhalb von 75 UpM) wurden in der Patentanmeldungsveröffentlichung der Vereinigten Staaten unter der Nummer 2009/0189561 A1, eingereicht am 24. Januar 2008 und dem Autor der vorliegenden Erfindung zugeteilt, beschrieben, welches hier als Referenz in seiner Gesamtheit eingearbeitet ist.
Bei niedrigen Motorbetriebsgeschwindigkeiten (z. B. unterhalb von 75 UpM) sind die Kernverluste (P_iron) vernachlässigbar, da diese Verluste von der Geschwindigkeit (Winkelgeschwindigkeit) abhängen. Die Winkelgeschwindigkeit (ω) ist gleich zu 2πf. Da die Betriebsfrequenz (f) des Motors gegen null geht, nähern sich die Kernverluste (P_iron), welche in Gleichung (2) ausgedrückt sind, auch null. Jedoch bei höheren Winkelgeschwindigkeiten (z. B. oberhalb 75 UpM) erhöht sich die Betriebsfrequenz (f), und die Kern-/Eisenverluste (P_iron) werden signifikant. Entsprechend müssen die Kern-/Eisenverluste (P_iron) bei hohen Betriebsgeschwindigkeiten (Winkelgeschwindigkeiten) berücksichtigt werden, anderenfalls werden die geschätzten Temperaturen 205, 225, 245 ungenau.
Entsprechend der vorliegenden Ausführungsformen berücksichtigt die Wärme, welche in dem Motor erzeugt wird, die Wärme, welche aufgrund der Wicklungs-(oder Kupfer-) und der Eisenverluste in dem Kern erzeugt wird, wenn das Hochgeschwindigkeitstemperatur-Schätzmodul 174 benutzt wird. Die in den Statorwicklungen erzeugte Wärme aufgrund der Kupferverluste kann berechnet werden, indem die Statorströme und die Statorwiderstände wie oben mit Bezug auf Gleichung (2) beschrieben, benutzt werden.
Die thermische Impedanz in jeder Phase berücksichtigt (1) die thermische Impedanz zwischen der Statorwicklung und dem Statorkern und (2) die thermische Impedanz zwischen dem Statorkern und dem Motorkühlmittel. Beispielsweise kann für die Phase-a die thermische Impedanz mathematisch dargestellt werden als R_tha = R_wca + R_cca; wobei R_tha die thermische Impedanz zwischen der Statorwicklung in Phase-a und dem Motorkühlmittel ist, R_wca die thermische Impedanz zwischen der Statorwicklung a und dem Statorkern ist und R_cca die thermische Impedanz zwischen dem Statorkern und dem Motorkühlmittel ist.
Bei hohen Geschwindigkeiten kann die geschätzte Temperatur der Wicklungen 115 geschätzt werden, indem benutzt wird (a) die thermische Impedanz R_tha 215, (b) die thermische Impedanz R_thb 235 und (c) die thermische Impedanz R_thc 255 und die Gleichungen (4), (5) und (6) wie folgt:
wobei T_zx die Vorlaufzeitkonstante [Sekunden] ist, T_wx die natürlich gedämpfte Frequenz [Sekunden] ist, ξ_x der Dämpfungsfaktor ist, I_s der RMS-Statorstromwert [Ampere] ist, welcher basierend auf den synchronen Referenz-Rahmenstromsignalen (I e / qs, I e / ds) ist, R_sx der Statorwiderstand [Ω] ist, P_core der Stator kern-/-eisenverlust [Watt] ist, T_coolant die Motorkühltemperatur [°C] ist; und x ein a, b oder c repräsentiert. Es ist zu beachten, dass bei null Geschwindigkeit die Statorströme I_a, I_b oder I_c nicht die gleichen sein können, da es einen Umstand geben wird, wo nur zwei Phasen Strom tragen und in der dritten Phase null Strom fließt. Demnach benutzt Gleichung (2) die aktuellen Statorströme, um die Statorwicklungs-(oder Kupfer-)Verluste zu berechnen. Jedoch für die Hochgeschwindigkeitsabschätzung sollten die Statorströme I_a, I_b oder I_c in allen drei Phasen die gleichen sein. Demnach kann der Statorwicklungs-Leistungsverlust in jeder Phase berechnet werden, wobei der RMS-Wert der Motorströme, I_s, benutzt wird.
Das thermische Impedanzmodell 200 pro Phase wird in den Gleichungen (4), (5) und (6) durch die Kombination von R_thx (wobei x = a, b, c) und einem Modell einer Transferfunktion zweiter Ordnung dargestellt, welche benutzt wird, um die Statortemperaturen 205, 255, 245 als eine Funktion der Leistungsabfuhr (der Kupfer- + Kernverluste) zwischen jeder einzelnen Phase und der Motorkühlmitteltemperatur zu schätzen. Die in Klammern stehenden Terme in den Gleichungen (4), (5) und (6) repräsentieren das thermische Impedanzmodell für den gesamten Leistungsverlust/-ableitung (P_x) zwischen der Statorwicklung x und dem Motorkühlmittel aufgrund der thermischen Impedanz für jede Phase 215, 235, 255. Beispielsweise berücksichtigt der Leistungsverlust/-ableitung (Pa) den Wicklungs-(oder Kupfer-)Leistungsverlust (I_s ²R_sa) für die Statorwicklung A und den Kern-(oder Eisen-)Leistungsverlust P_core. Die thermischen Impedanzen ebenso wie die Koeffizienten der Transferfunktion zweiter Ordnung können empirisch rechnerunabhängig von den gemessenen Testdaten entwickelt werden. Dies erfordert das Messen der Phasenströme, der Temperaturwerte jeder der Phasenwicklungen von entweder einem Thermistor oder einem Thermoelement ebenso wie das Messen der Motorkühltemperatur 260. Dieser Charakterisierprozess des thermischen Modells kann computerunabhängig durchgeführt werden, indem ein Motor mit Instrumenten (d. h. ein Motor ausgestattet mit Temperatursensoren) benutzt wird. Nachdem der Charakterisierprozess fertig gestellt ist, kann das thermische Modell nun vollständig für Online- bzw. rechnerabhängige Temperaturabschätzung für den Motor gleicher Klasse benutzt werden, welcher keinerlei Temperatursensoren besitzt.
3 stellt eine detailliertere Skizze des elektrischen Motorsystems 100 der 1 entsprechend Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
Wie in 3 dargestellt wird, beinhaltet das System 300: einen Dreiphasen-AC-Motor 110, ein Dreiphasen-PWM-Wandlermodul 120, welches an den Dreiphasen-AC-110 gekoppelt ist, ein Synchron-Rahmenstrom-Reguliermodul 360 (welches Aufsummierverbindungen und ein Steuermodul beinhalten kann, welche nicht dargestellt sind), welches die Strombefehle von einem Drehmomentzu-Strom-Anpassmodul 354 empfängt, Aufsummierverbindungen 356, 358, welche an das Synchron-Rahmenstrom-Reguliermodul 360 gekoppelt sind, ein Synchron-zu-Stationär-Wandlermodul 365/370, ein Stationär-zu-Synchron-Wandlermodul 350/352, welches tatsächliche Ströme für die Aufsummierverbindungen 356, 358 liefert, und das Statorwicklungs-Temperaturschätzsteuerglied 170. Obwohl nicht dargestellt, kann das System andere gut bekannte Module und Steuerschleifen beinhalten, abhängig von der speziellen Implementierung. Der Betrieb des Systems 300 wird nun beschrieben. In der speziellen Implementierung, welche in 3 dargestellt ist, kann der Dreiphasen-AC-Motor 110 als ein sternverdrahteter (oder Y-verdrahteter) elektrischer Dreiphasenmotor 110 bezeichnet werden, und das Dreiphasen-PWM-Wandlermodul 120 kann als ein Vollwellen-Brückenwandler 120 bezeichnet werden. Der Kürze wegen wird die Beschreibung der verschiedenen Blöcke, welche mit Bezug auf 1 beschrieben wurden, nicht nochmals beschrieben.
Die Statorströme I_a, I_b und I_c werden zu Kombiniergliedern 302, 304 bzw. 306 des Niedriggeschwindigkeit-Temperaturschätzmoduls 176 geliefert. Die Kombinierglieder 302, 304, 306 benutzen die Ströme I_a, I_b oder I_c, um Wellenformen zu erzeugen, äquivalent zu den AC-RMS-Strömen für jede der Statorwicklungen 115, und liefern die AC-RMS-Ströme an die Blöcke 308, 310 bzw. 312.
Der Block 308 berechnet den Statorphasenwiderstand R_sa der Statorwicklung der Phase a in Antwort auf die geschätzte Temperatur T_a 326 der Statorverdrahtung der Phase a und multipliziert diesen mit dem AC-RMS-Wert des Statorstromes I_a ² von dem Ausgang des Kombiniergliedes 302. Der Block 308 liefert dann das Produkt davon an den Block 314 zur Berechnung des Temperaturanstiegs aufgrund der thermischen Impedanz Z_{θ_an}. In ähnlicher Weise berechnen die Blöcke 310 und 312 jeweils die Statorphasenwiderstand R_sb und R_sc aus den Temperaturen T_b und T_c der jeweiligen Statorverdrahtungen der Phasen b und c und multiplizieren sie mit den jeweiligen Ausgängen der Kombinierglieder 304, 306. Die Ausgangssignale der Blöcke 310 und 312 werden jeweils an die Blöcke 316 und 318 geliefert, zur Berechnung des Temperaturanstiegs aufgrund der thermischen Impedanzen Z_{θ_bn}, Z_{θ_cn} der Statorwicklungen B und C.
Die Ausgangssignale der Blöcke 308, 310 und 312 werden ebenso an die Eingänge des Blocks 320 zur Berechnung des Temperaturanstiegs aufgrund der thermischen Impedanz Z_{θ_cn} zwischen dem thermischen Neutralpunkt und dem Kühlmittel 155 geliefert. Die Ausgangssignale der Blöcke 314, 316, 318 und 320 ebenso wie das digitale Signal, welches die Temperatur T_Kühlmittel des Kühlmittels 155 auf der Leitung 260 repräsentiert, werden an die Eingänge eines Niedriggeschwindigkeits-Statorphase-Temperaturschätzgliedes 325 geliefert für das Schätzen der Temperaturen T_a, T_b und T_c der Wicklungen 115 des Motors 110, wie dies in der Veröffentlichung in der US-Patentanmeldung 2009/0189561 A1 beschrieben wird.
Wie nachfolgend beschrieben werden wird, benutzt das Hochgeschwindigkeits-Temperaturschätzmodul 174 die synchronen Referenz-Rahmenstromsignale I_d und I_q (d. h. die Ströme der d- und q-Achsen), die Motorgeschwindigkeit 190 und die Temperatur 260 des Motorkühlmittels, um die geschätzten Wicklungstemperaturen 205, 225, 245 zu berechnen.
Die Statorphasenwiderstände R_sa, R_sb und R_sc werden basierend auf den geschätzten Statorwicklungstemperatur-Ausgangssignalen 205, 225, 245 berechnet, welche von dem Hochgeschwindigkeits-Statorwicklungstemperatur-Schätzglied 348 zurückgeführt werden. Die synchronen Referenz-Rahmenstromsignale I_d und I_q werden von dem stromregulierten Drehmomentsteuerglied 150 zu einem Stator-Stromquadratgröße-Berechnungsglied 330 geliefert. Das Stator-Stromquadratgröße-Berechnungsglied 330 liefert dieses Ausgangssignal an die Blöcke 332, 334 und 336. Der Block 330 benutzt die synchronen Referenz-Rahmenstromsignale I_d, I_q, um einen quadrierten RMS-Wert (I_s ²) dieser Eingangssignale zu berechnen. Das Ausgangssignal (I_s ²) des Blockes 330 stellt den quadrierten RMS-Wert des Statorstromes (I_s ²) dar.
Die Blöcke 332, 334 und 336 berechnen die Statorwicklungs-115-Widerstände R_sa, R_sb und R_sc, basierend auf den jeweiligen Statorwicklungs-115-Temperaturen und multiplizieren den quadrierten RMS-Wert der Statorströme (I_s ²) mit den Statorwicklungs-115-Widerständen. Die Ausgangssignale der Blöcke 332, 334 und 336 stellen die Statorwicklungs-(oder Kupfer-)Leistungsverluste dar und werden an das Hochgeschwindigkeits-Statorwicklungs-Temperaturschätzglied 348 geliefert.
Die Ausgangssignale der Blöcke 332, 334 und 336, das digitale Signal, welches die Temperatur T_Kühlmittel des Kühlmittels 155 auf der Leitung 260 darstellt, und das Motorgeschwindigkeitssignal 190 von dem Drehmelder-zu-Digitalwandler 165 werden als Eingangssignale an das Hochgeschwindigkeits-Statorphase-Temperaturschätzglied 348 geliefert. Dann benutzt das Hochgeschwindigkeits-Statorwicklungs-Temperaturschätzglied 348 diese Eingangssignale, um die Statorwicklungstemperaturen abzuschätzen. Das Verarbeiten, welches durch das Hochgeschwindigkeits-Statorwicklungs-Temperaturschätzglied 348 durchgeführt wird, wird mit Bezug auf die 4–6, T_a, T_b und T_c der drei Wicklungen 115 des Motors 110 entsprechend den Gleichungen (4), (5) und (6) beschrieben.
Die Ausgangssignale T_a, T_b und T_c 205, 225, 245 stellen Abschätzungen der Statorwicklungstemperaturen der Wicklungen 115 dar, wie sie durch das Hochgeschwindigkeits-Statorwicklungs-Temperaturschätzglied 348 berechnet werden, werden an das Übergangsmodul 180 geliefert, zusammen mit den geschätzten Temperaturen für das Niedriggeschwindigkeits-Statorwicklungs-Temperaturschätzglied 325. Das Übergangsmodul 180 empfängt auch ein Motorgeschwindigkeits-Eingangssignal 190 von dem Wandler 165. Basierend auf der Motorgeschwindigkeit wählt das Übergangsmodul 180 das Ausgangssignal entweder des Hochgeschwindigkeits-Statorwicklungs-Temperaturschätzgliedes 348 oder des Niedriggeschwindigkeits-Schätzgliedes 325 aus und liefert den ausgewählten Satz von Ausgangssignalen (T_a, T_b, T_c) an den temperaturabhängigen Drehmomentbefehl-Verminderungsblock 172. Beispielsweise bei niedrigen Geschwindigkeiten (unter 75 UpM) wählt das Übergangsmodul 180 Ausgangssignale aus, welche durch 325 erzeugt sind, wohingegen bei hohen Geschwindigkeiten (größer als 75 UpM) das Übergangsmodul 180 Ausgangssignale auswählt, welche durch das Hochgeschwindigkeits-Statorwicklungs-Temperaturschätzglied 348 erzeugt sind. Das Verminderungsglied 172 stellt dann den Drehmomentbefehl T* 171 ein, basierend auf den geschätzten Statorwicklungstemperaturen, welche vom Übergangsmodul 180 geliefert werden.
Der Drehmomentbefehl T* 171 wird an den temperaturabhängigen Drehmomentbefehl-Verminderungsgliedblock 172 geliefert, zur Erzeugung des verminderten Drehmomentbefehlsignals T** 173 in Antwort auf die Phasentemperaturen (T_a, T_b, T_a), welche von dem Übergangsmodul 180 geliefert werden. Der verminderte Drehmomentbefehl T** 173 hilft die Zerstörung der Statorwicklungen 115 aufgrund von Überhitzung zu verhindern. Entsprechend der vorliegenden Ausführungsform vermindert (d. h. erniedrigt) der temperaturabhängige Drehmomentbefehl-Verminderungsgliedblock 172 den Drehmomentbefehl T* 171, um den verminderten Drehmomentbefehl T** 173 abzuleiten, in Antwort auf das Detektieren der Statortemperatur einer oder mehrerer Statorwicklungen 115, welche höher als eine vorher festgelegte Temperatur sind.
Das stromregulierte Drehmomentsteuermodul 150 beinhaltet ein Stationär-zu-Synchron-Wandlermodul 350/352, welches einen Drei-zu-zwei-Phasen-Transformationsblock 350 und einen Stationär-zu-Synchron-Transformationsblock 352 aufweist.
Der Drei-zu-zwei-Phasen-Transformationsblock 350 empfängt die drei resultierenden Statorströme (I_a, I_b, I_c), welche gemessene Phasenströme sind von den Motorstatorwicklungen 115, und transformiert diese Ströme in zwei Phasenstatorströme, I_α und I_β, in dem stationären Referenzrahmen. Der Stationär-zu-Synchron-Transformationsblock 352 empfängt die Statorströme (I_α, I_β) und die Rotorwinkelposition (θr) 190 und transformiert die Ströme I_α und I_β in Stromwerte I e / ds und I e / qs (Rückkopplungs-d-Achse-Stromsignal (I e / ds) und ein Rückkopplungs-q-Achse-Stromsignal (I e / qs) in dem Synchronreferenzrahmen, wobei die DC-Stromwerte eine leichtere Berechnung für die Betriebssteuersignale entsprechend der vorliegenden Ausführungsform liefern. Die Ausgangssignale des Stationär-zu-Synchron-Transformationsmoduls 352 können auch als die synchronen Referenzrahmen-Stromsignale (I e / qs, I e / ds) bezeichnet werden. Die synchronen Referenzrahmen-Stromsignale (I e / qs, I e / ds) werden an die Summierverbindungsglieder 356 und 358 geliefert, um die Stromfehler (Idserror_e und Iqserror_e) zu erzeugen. Wie nachfolgend beschrieben, subtrahiert das Summierverbindungsglied 356 das Rückkopplungs-d-Achsen-Stromsignal (I e / ds) von dem d-Achsen-Strombefehlssignal (I e* / ds) , um ein d-Achsen-Stromfehlersignal (Idserror_e) zu erzeugen, und das Summierverbindungsglied 358 subtrahiert das Rückkopplungs-q-Achsen-Stromsignal (I e / qs) von dem q-Achsen-Strombefehlssignal (I e* / qs) , um ein q-Achsen-Stromfehlersignal (Iqserror_e) zu erzeugen.
In einer Implementierung empfängt das Stationär-zu-Synchron-Wandlermodul 350/352 die Statorströme (I_a, I_b, I_c) von dem Dreiphasen-AC-Motor 110. Das Stationär-zu-Synchron-Wandlermodul 350/352 kann diese Statorströme zusammen mit einem synchronen Rahmenwinkel θ_e benutzen, um ein Rückkopplungs-d-Achsen-Stromsignal (Ids_e) und ein Rückkopplungs-q-Achsen-Stromsignal (Iqs_e) zu erzeugen. Der Winkel für den synchronen Rahmen (θ_e) kann auf unterschiedliche Weise abhängig von dem speziellen Typ des AC-Motors berechnet werden. Beispielsweise kann bei einem Permanentmagnetmotor der synchrone Rahmenwinkel (θ_e) basierend auf der Rotorposition θ_m und dem Motor-Polepaar berechnet werden. Bei einem Induktionsmotor kann der synchrone Rahmenwinkel (θ_e) basierend auf der Rotorposition θ_m, dem Motor-Polepaar und der Schlupffrequenz berechnet werden. Der Prozess der stationär-zu-synchronen Wandlung ist in der Fachwelt gut bekannt als die dq-Transformation oder die Park'sche Transformation und wird in Gleichung (7) wie folgt dargestellt;
Ein optimaler Strombefehls-Bestimmungsblock 354 des stromregulierten Drehmoment-Steuermoduls 150 erzeugt von dem verminderten Drehmomentbefehlssignal T** 173 zwei Strombefehle in dem synchronen Referenzrahmen, I e* / ds und I e / qs. Der optimale Strombefehls-Bestimmungsblock 354 ist ein Drehmoment-zu-Strom-Anpassmodul, empfängt das verminderte Drehmomentbefehlssignal (T**) 173 von dem Verminderungsglied 172, eine Geschwindigkeit (ω1) des Motors und eine DC-Eingangsspannung (Vdc) als Eingangssignale und passt das verminderte Drehmomentbefehlssignal (T**) 173 an ein d-Achsen-Strombefehlssignal (I e* / ds) und ein q-Achsen-Strombefehlssignal (I e* / qs) an.
Wie oben beschrieben, werden die synchronen Referenzrahmendigitalen Stromwerte I_d und I_q an das Statorstrom-Quadratgröße-Berechnungsglied 330 geliefert. Zusätzlich werden die synchronen Referenzrahmen digitalen Stromwerte I_d und I_q and die d- und q-Phasen-Summierglieder 356 bzw. 358 geliefert.
Die Strombefehle I e* / ds und I e* / qs werden mit den Stromwerten I_d und I_q an den d- und q-Phasen-Summierglieder 356 bzw. 358 jeweils kombiniert, um die Stromfehlersignale zu erzeugen. Spezieller ausgedrückt, das Summierverbindungsglied 356 empfängt das d-Achsen-Strombefehlssignal (I e* / ds) und das Rückkopplungs-d-Achsen-Stromsignal (I e / ds) und erzeugt ein erstes Ausgangssignal, und das Summier-Verbindungsglied 358 empfängt das q-Achsen-Strombefehlssignal (I e* / qs) und das Rückkopplungs-q-Achsen-Stromsignal (I e / qs) erzeugt ein zweites Ausgangssignal.
Die synchronen Rahmen-Stromregulierglieder 360 erzeugen die synchronen Rahmenbetriebssignale, welche die Spannungen V e* / ds und V e* / qs besitzen. Das synchrone Rahmen-Stromregulierglied 360 benutzt die ersten und zweiten Ausgangssignale, um ein d-Achsen-Spannungsbefehlssignal (V e* / ds) und ein q-Achsen-Spannungsbefehlssignal (V e* / qs) zu erzeugen. Der Vorgang der Strom-zu-Spannungswandlung ist in der Fachwelt gut bekannt und wird der Kürze wegen nicht im Detail beschrieben.
Das Synchron-zu-Stationär-Wandlungsmodul 365/370 empfängt das d-Achsen-Spannungsbefehlssignal (V e* / ds) und das q-Achsen-Spannungsbefehlssignal (V e* / qs) und erzeugt basierend auf diesen Signalen einen Dreiphasen-Sinus-Spannungsbefehl (V * / a), einen zweiten Dreiphasen-Sinus-Spannungsbefehl (V * / b) und einen dritten Dreiphasen-Sinus-Spannungsbefehl (V * / c), wobei die nachfolgende Gleichung (8) benutzt wird.
Der Vorgang der Synchron-zu-Stationär-Wandlung wird unter Benutzung der Inversen Clarke- und Park-Transformationen durchgeführt, welche in der Fachwelt sehr gut bekannt sind und der Kürze wegen im Detail nicht beschrieben werden. Eine Implementierung der Inversen Clarke- und Park-Transformationen wird in dem oben als Referenz aufgeführten Dokument ”Clarke & Park Transforms on the TMS320C2xx” beschrieben.
In einer Implementierung transformiert der Synchron-zu-Stationär-Transformationsblock 365 die synchronen Rahmen-Betriebssignale V e* / ds und V e* / qs in zwei stationäre Rahmen-Betriebssignale V * / α und V * / β. Speziell empfängt der Synchron-zu-Stationär-Transformationsblock 365 das d-Achsen-Spannungsbefehlssignal (V e* / ds), das q-Achsen-Spannungsbefehlssignal (V e* / qs) 174 und den Rotor-Positionswinkel (θr) und erzeugt basierend auf diesen Signalen die stationären Rahmen-Betriebssignale V * / α und V * / β.
Ein Zwei-zu-Drei-Phasen-Transformationsblock 370 empfängt das α-Achsen-Strombefehlssignal (V_α*) und das β-Achsen-Spannungsbefehlssignal (V_β*) und transformiert die zwei stationären Rahmenbetriebssignale V * / α und V * / β in Dreiphasen-Sinus-Spannungsbefehlssignale V * / a, V * / b und V * / c, welche an die jeweiligen Dreiphasenbeine bzw. -stege 122/125, 123/126 und 124/127 des Wandlers 120 geliefert werden.
Auf diese Weise werden die Betriebssteuersignale für den Wandler 120 in Antwort auf das verminderte Drehmomentsignal T** 173 geliefert, so dass eine Überhitzung der Wicklungen 115 sowohl bei hohen Motorbetriebsgeschwindigkeiten (d. h. Rotorwinkelgeschwindigkeiten größer als 75 UpM) als auch bei niedrigen Motorgeschwindigkeiten (d. h. Rotorwinkelgeschwindigkeiten kleiner als 75 UpM) vermieden werden können.
Das Dreiphasen-PWM-Wandlermodul 120 empfängt den ersten Dreiphasen-Sinus-Spannungsbefehl (Va*), den zweiten Dreiphasen-Sinus-Spannungsbefehl (Vb*) und den dritten Dreiphasen-Sinus-Spannungsbefehl (Vc*) von dem Synchron-zu-Stationär-Wandlermodul 365/370 und erzeugt Eingangsspannungssignale für den Motor 110. Wie von Fachleuten gewürdigt werden wird, kann die Modulation für das Steuern der Pulsbreitenmodulation (PWM) benutzt werden. Der spezielle PWM-Algorithmus, welcher in dem Dreiphasen-PWM-Wandlermodul (nicht gezeigt) implementiert ist, kann irgendein bekannter PWM-Algorithmus sein, welcher PWM-Algorithmen beinhaltet.
Während 1 das Temperatur-Schätzsteuerglied 170 darstellt, welches erkennbare Module und Blöcke beinhaltet, wie z. B. die Hoch- und Niedriggeschwindigkeits-Temperaturschätzmodule 174, 176, das Übergangsmodul 180 und den temperaturabhängigen Drehmomentbefehl-Verminderungsblock 172, wird gewürdigt werden, dass diese Blöcke oder Module als Softwaremodule implementiert werden können, welche diese auf einem Mikroprozessor ausführen, und deshalb kann der Betrieb der verschiedenen Blöcke/Module des Temperatur-Schätzsteuergliedes 170 wechselweise als Schritte eines Verfahrens dargestellt werden, wie es nun mit Bezug die 4–6 dargelegt wird.
4 stellt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 400 dar, den Betrieb eines Temperatur-Schätzsteuergliedes 170 des elektrischen Motorsystems der 3 entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Verarbeitung beginnt, wenn der Motor 110 im Schritt 402 eingeschaltet wird. Nachdem die Verarbeitung bestimmt, dass der Motor 110 im Schritt 402 eingeschaltet ist, wird ein Wechselstrom-(AC-)Quadratwurzel-Mittel-(RMS-)Stromwert berechnet 404. Der Kupferverlust jeder der Statorwicklungen 115 des Motors 110 wird als Nächstes im Schritt 406 in Antwort auf die AC-RMS-Stromwerte desselben berechnet, und erste thermische Impedanzen für jede der Statorwicklungen 115 des Motors 110 werden im Schritt 408 in Antwort auf den Kupferverlust berechnet, welcher im Schritt 406 berechnet wurde.
Im Schritt 410 werden Temperaturanstiege in den Statorwicklungen 115 aufgrund von entsprechenden thermischen Impedanzen (vom Schritt 408) bestimmt.
Im Schritt 412 wird die Temperatur des Kühlmittels 155 erfasst.
Im Schritt 414 wird der Temperaturanstieg aufgrund der thermischen Impedanz des thermischen Neutralpunktes mit Bezug auf die Temperatur des Kühlmittels 155 bestimmt.
Im Schritt 416 werden die Temperaturen der Niedriggeschwindigkeits-Statorwicklung für jede Phase geschätzt, basierend auf den Ergebnissen, welche in den Schritten 410, 412 und 414 erzeugt wurden.
Im Schritt 418 bestimmt die Verarbeitung, ob die Geschwindigkeit des Motors 110 größer als eine vorher festgelegte Geschwindigkeit (z. B. 75 UpM) ist.
Wenn die Geschwindigkeit kleiner als (d. h. nicht größer als) die vorher festgelegte Geschwindigkeit ist, werden im Schritt 420 die Statorwicklungstemperaturen T_a, T_b und T_c den geschätzten Niedriggeschwindigkeits-Statortemperaturen (vom Schritt 416) gleichgestellt. Der Drehmomentbefehl T* 171 wird dann im Schritt 422 vermindert, um ein Überhitzen von einer oder mehrerer der Statorwicklungen 115 zu verhindern. Die Verarbeitung kehrt dann zum Schritt 402 zurück.
Wenn bestimmt wird, dass die Geschwindigkeit größer als die vorher festgelegte Geschwindigkeit im Schritt 418 ist, fährt die Verarbeitung mit dem Schritt 430 fort.
In den Schritten 430 bis 450 werden die Hochgeschwindigkeits-Statorwicklungstemperaturen für jede der Statorwicklungen 115 geschätzt.
Im Schritt 430 wird der Widerstand der Statorwicklung 115 für jede Statorwicklung 115 basierend auf der Temperatur der Statorwicklung 430 bestimmt, wobei die Gleichungen (9)–(11) wie folgt benutzt werden: R_sa = R₂₅(1 + α(T_a – 25)) (9) R_sb = R₂₅(1 + α(_Tb – 25)) (10) R_sc = R₂₅(1 + α(_Tc – 25)) (11) wobei R_sa, R_sb und R_sc Statorwicklungswiderstände sind, T_a, T_b, T_c die geschätzten Statorwicklungstemperaturen sind, R₂₅ den Statorwicklungswiderstand bei der Umgebungstemperatur (25°C) anzeigt und α den Temperaturkoeffizienten des Widerstands darstellt (typischerweise 0,0039/°C für Kupferwicklung). Bei der ersten Iteration (wenn das System von der Niedriggeschwindigkeits-Statorwicklungs-Temperaturabschätzung zu der Hochgeschwindigkeits-Statorwicklungs-Temperaturabschätzung umschaltet), benutzt das Hochgeschwindigkeits-Statorwicklungs-Temperaturschätzglied 348 das geschätzte Statorwicklungs-Temepraturausgangssignal von dem Niedriggeschwindigkeits-Statorphasen-Temperaturschätzglied 325, um die Statorwicklungswiderstände zu bestimmen. Bei darauffolgenden Iterationen benutzt das Hochgeschwindigkeits-Statorwicklungs-Temperaturschätzglied 348 die geschätzten Statorwicklungs-Temperaturausgangssignale vom Block 455 (welche über eine Rückkopplungsschleife 460) geliefert werden, um die Statorwicklungswiderstände zu bestimmen.
Im Schritt 435 bestimmt dann die Verarbeitung die Statorwicklungs-Leistungsverluste in jeder Phase, basierend auf einem Statorwicklungswiderstand jeder Phase (vom Schritt 430) und dem RMS-Statorstrom, welcher in den Statorwicklungen fließt.
Im Schritt 440 bestimmt dann die Verarbeitung den Gesamtleistungsverlust in jeder Phase des Motors, basierend auf dem Statorwicklungs-Leistungsverlust und dem Kernleistungsverlust für jene Phase 440. Eine Implementierung des Schritts 440 wird nachfolgend mit Bezug auf 5 beschrieben.
Im Schritt 450 schätzt die Verarbeitung die Statorwicklungstemperatur für jede Phase, basierend auf einem Gesamtleistungsverlust in dieser Phase (vom Schritt 440), der Motorgeschwindigkeit 190 und der Motorkühltemperatur 260. Eine Implementierung des Schritts 450 wird nachfolgend mit Bezug auf 6 beschrieben. Im Schritt 455 werden die Statorwicklungstemperaturen T_a, T_b und T_c den geschätzten Hochgeschwindigkeits-Statorwicklungstemperaturen (vom Schritt 450) gleichgesetzt.
Zusätzlich werden die geschätzten Statorwicklungstemperaturen, welche im Schritt 450 berechnet wurden, auch an den Verminderungsblock 172 geliefert, und werden benutzt, um den Drehmomentbefehl T* 171 zu vermindern. Das Verfahren 400 kehrt dann in der Schleife zum Schritt 402 zurück.
5 stellt ein Verfahren 500 dar, um den Gesamtleistungsverlust in jeder Phase des Motors zu bestimmen, basierend auf dem Statorwicklungs-Leistungsverlust und dem Kernleistungsverlust in jeder Phase, entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Obwohl in 5 nicht dargestellt, werden die Statorwicklungs-Leistungsverluste, P_SWLA, P_SWLB und P_SWLC für jede Phase berechnet, basierend auf dem quadrierten RMS-Statorstromwert (I_s ²) und dem Statorwiderstandswert (R_sa, R_sb, R_sc) für jene Statorwicklung. Beispielsweise ist P_SWLA = I_s ²·R_sa, wobei I_s der RMS-Statorstrom für Phase-A ist und R_sa der berechnete Statorwiderstand 430 der Phase-A, basierend auf der Temperatur dieser Statorwicklung.
Der Motorkernverlust (P_core) ist eine Funktion der Motorgeschwindigkeit 190, des RMS-Statorwicklungsstromes 505 und der dc-Bus-Spannung 140. Eine Vielzahl von Lookup-Tabellen (LUTs) 510-1 ... 510-n wird geliefert. Die LUTs sind bei verschiedenen DC-Bus-Spannungen 140 entwickelt, welche die Kernverlust-Leistungsableitung (P_core) erzeugen, basierend auf der Motorgeschwindigkeit 190 und dem RMS-Strom 505. Jede der LUTs 510-1 ... 510-n entspricht einer speziellen DC-Bus-Spannung und spezifiziert Werte des Kernleistungsverlustes für unterschiedliche Kombinationen von Motorgeschwindigkeit und Quadratwurzel-Mittelwert-(RMS-)Statorwicklungsstrom.
Basierend auf der DC-Bus-Spannung 140 werden die zwei entsprechend nächsten LUTs 510-1 ... 510-n ausgewählt (d. h. die speziellen LUTs, welche einer speziellen Bus-Spannung 140 entsprechen), die Motorgeschwindigkeit 190 und der RMS-Strom (I_s) 505 werden an jede der ausgewählten LUTs 510-1 ... 510-n eingegeben, und jede LUT erzeugt Kernleistungsverlust-(P_core-)Werte. Eine Interpolation (z. B. lineare Interpolation oder andere bekannte Interpolationstechniken) können benutzt werden, um einen Kernverlustwert (P_core) 520 entsprechend jener Motorgeschwindigkeit 190 und dem RMS-Strom 505 zu erzeugen.
Beispielsweise wird der Kernleistungsverlust (P_core) 520 durch das Auswählen von zwei Lookup-Tabellen 510 aus der Vielzahl von LUTs 510-1 ... 510-n bestimmt, basierend auf einem DC-Bus-Spannung-Eingangssignal, wobei die Motorgeschwindigkeit und der Statorwicklungsstrom in eine erste der ausgewählten Lookup-Tabellen eingegeben wird, um einen ersten Kernleistungsverlust zu berechnen, wobei die Motorgeschwindigkeit und der Statorwicklungsstrom in eine zweite der ausgewählten Lookup-Tabellen eingegeben wird, um einen zweiten Kernleistungsverlustwert zu berechnen, und wobei eine Interpolation durchgeführt wird, basierend auf der DC-Bus-Spannung, dem ersten Kernleistungsverlustwert und dem zweiten Kernleistungsverlustwert, um den Kernleistungsverlust (P_core) 520 zu berechnen.
Der Statorwicklungs-(oder Kupfer-)Leistungsverlust für jede Phase (P_SWLA, P_SWLB, P_SWLC) wird dann zu dem Kernleistungsverlust für jede Phase (P_core) addiert, um einen Gesamtleistungsverlust für jede Phase (P_a, P_b, P_c) 210, 230, 250 zu erhalten. Wie nachfolgend mit Bezug auf 6 beschrieben wird, werden die Gesamtleistungsverlustwerte (P_a, P_b, P_c) für jede Phase dann durch die thermischen Impedanzmodelle benutzt, um die geschätzte Statorwicklungstemperatur für jede Phase (T_a 205, T_b 225 und T_c 245) zu berechnen.
6 stellt ein Verfahren 450 dar, um Statorwicklungstemperaturen abzuschätzen, basierend auf einem Gesamtleistungsverlust (P_a, P_b, P_c) 210, 230, 250 in jeder Phase des Motors, der Motorgeschwindigkeit 190 (d. h. Rotorwinkelgeschwindigkeit) und der Motorkühltemperatur 260 entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die in Klammern aufgeführten Terme in den Gleichungen (4), (5), (6) sind thermische Impedanzmodelle für den/die gesamte(n) Leistungsverlust/Abfuhr zwischen den Statorwicklungen und dem Motorkühlmittel in jeder Phase. Der Gesamtleistungsverlust in jeder Phase (P_a, P_b, P_c) 210, 230, 250 und die Motorgeschwindigkeit 190 werden in die thermischen Impedanzmodelle eingegeben, um eine Veränderung in der Temperatur für jede Phase (ΔZ_an, ΔT_bn und ΔT_cn) zu berechnen. Die Veränderung in der Temperatur für jede Phase wird dann zu der Motorkühlmitteltemperatur 260 hinzugefügt, um die geschätzte Statorwicklungstemperatur für jede Phase (T_a 205, T_b 225 und T_c 245) zu erhalten. Die Wicklungstemperatur für jede Phase wird dann benutzt, um den Drehmomentbefehl T* 171 im Schritt 422 zu vermindern.
Die veröffentlichten Ausführungsformen, welche oben beschrieben sind, werden beschrieben, wie sie an einem Dreiphasen-Permanentmagnet-synchronen AC-Motor (PMSM) angewendet werden, und dieser Term sollte verstanden werden, dass er einen Inneren-Permanentmagnet-Synchronmotor (IPMSM) und einen an der Oberfläche befestigten Permanentmagnet-Synchronmotor (SMPMSM) umfasst. Jedoch können die veröffentlichten Ausführungsformen im Allgemeinen an synchronen AC-Maschinen angewendet werden, welche Permanentmagnet-Maschinen beinhalten. Permanentmagnet-Maschinen beinhalten an der Oberfläche befestigte Permanentmagnet-Maschinen (SMPMMs) und interne Permanentmagnet-Maschinen (IPMMs). Obwohl eine AC-Maschine ein AC-Motor (d. h. ein Gerät, welches benutzt wird, um AC-Energieleistung an seinem Eingang zu wandeln, um eine mechanische Energie oder Leistung herzustellen, ist eine AC-Maschine nicht darauf begrenzt, ein AC-Motor zu sein, sondern kann auch Generatoren umfassen, welche benutzt werden, um mechanische Energie oder Leistung an dessen erstem Bewegungsglied in elektrische AC-Energie oder -Leistung an seinem Ausgang zu wandeln. Jede dieser Maschinen kann ein AC-Motor oder ein AC-Generator sein.
Darüber hinaus, obwohl die veröffentlichten Verfahren, Systeme und Geräte in Betriebsumgebungen, wie z. B. in einem Hybrid-/Elektrofahrzeug (HEV) implementiert sein können, wird von Fachleuten gewürdigt werden, dass die gleichen oder ähnliche Techniken und Technologien im Kontext von anderen Systemen angewendet werden können. Diesbezüglich können jegliche der Konzepte, welche hier veröffentlicht sind, im Allgemeinen an ”Fahrzeugen” angewendet werden, wobei der Term ”Fahrzeug” sich in weitem Maße auf einen nicht lebenden Transportmechanismus bezieht, welcher einen AC-Motor besitzt. Beispiele derartiger Fahrzeuge beinhalten Automobile, wie z. B. Omnibusse, Kraftwagen, Sportgebrauchsfahrzeuge, Vans, Fahrzeuge, welche nicht auf dem Land fahren, wie z. B. mechanische Wasserfahrzeuge, wobei Wasserkraft, Hovercraft, Segelkraft, Boote und Schiffe, mechanische Unterwasserfahrzeuge, Unterseeboote eingeschlossen, mechanische Luftfahrzeuge, Flugzeug- und Raumkraft eingeschlossen, mechanische Schienenfahrzeuge, wie z. B. Züge, Trambahnen und Tressinen, etc. eingeschlossen sind. Zusätzlich ist der Term ”Fahrzeug” nicht durch eine spezielle Antriebstechnik, wie z. B. Benzin oder Dieselkraftstoff, begrenzt. Vielmehr umfassen die Fahrzeuge auch Hybridfahrzeuge, batterieelektrische Fahrzeuge, Wasserstofffahrzeuge und Fahrzeuge, welche verschiedene andere alternative Brennstoffe benutzen.
Es sollte beobachtet werden, dass die veröffentlichten Ausführungsformen in erster Linie auf Kombinationen von Verfahrensschritten und Gerätekomponenten beruhen. Fachleute werden ferner schätzen, dass die verschiedenen erläuternden logischen Blöcke, Module, Schaltungen und Algorithmenschritte, welche in Verbindung mit den Ausführungsformen, welche hier veröffentlicht sind, beschrieben werden, als elektronische Hardware, Computersoftware oder Kombinationen von beiden implementiert werden können. Einige der Ausführungsformen und Implementierungen werden oben in Termen von funktionellen und/oder logischen Blockbauteilen oder Modulen oder verschiedenen Verarbeitungsschritten beschrieben. Jedoch sollte gewürdigt werden, dass derartige Blockbauteile oder Module durch irgendeine Anzahl von Hardware-, Software- und/oder Firmware-Bauteilen realisiert werden können, welche konfiguriert sind, um die spezifizierten Funktionen auszuführen. Um klar diese Auswechselbarkeit von Hardware und Software zu erläutern, wurden verschiedene erläuternde Bauteile, Blöcke, Module, Schaltungen und Schritte oben im Allgemeinen in den Termen ihrer Funktionalität beschrieben. Ob eine derartige Funktionalität als Hardware oder Software implementiert wird, hängt von der speziellen Anwendung und den Gestaltungsgegebenheiten ab, welche für das Gesamtsystem eingegeben sind. Geschickte Fachleute können die beschriebene Funktionalität auf verschiedenen Wegen für jede spezielle Anwendung implementieren, jedoch sollten derartige Implementierungsentscheidungen nicht so interpretiert werden, dass sie eine Abweichung vom Umfang der vorliegenden Erfindung verursachen. Beispielsweise kann eine Ausführungsform eines Systems oder eines Bauteils verschiedene integrierte Schaltbauteile anwenden, z. B. Speicherelemente, digitale Signalverarbeitungselemente, logische Elemente, Lookup-Tabellen oder ähnliches, welche eine Vielzahl von Funktionen ausführen können, unter der Steuerung eines oder mehrerer Mikroprozessoren oder anderer Steuerungseinrichtungen. Zusätzlich werden Fachleute würdigen, dass hier beschriebene Ausführungsformen nur beispielhafte Ausführungsformen sind.
Die verschiedenen erläuternden logischen Blöcke, Module und Schaltungen, welche in Verbindung mit den hier veröffentlichten Ausführungsformen beschrieben sind, können mit einem allgemein verwendbaren Prozessor, einem Digitalsignalprozessor (DSP), einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC), einem feldprogrammierbaren Gate-Feld (FPGA) oder einer anderen programmierbaren logischen Einrichtung einer diskreten Gate- oder Transistor-Logik, diskreten Hardware-Bauteilen oder jeglicher Kombination davon ausgeführt werden, welche gestaltet ist, die hier beschriebenen Funktionen auszuführen. Ein Prozessor für allgemeinen Zweck kann ein Mikroprozessor sein, aber in der Alternativ kann der Prozessor irgendein herkömmlicher Prozessor, ein Steuerglied, ein Mikrosteuerglied oder eine Zustandsmaschine sein. Es kann ein Prozessor auch als eine Kombination von Recheneinrichtungen implementiert sein, z. B. eine Kombination eines DSP und eines Mikroprozessors, eine Vielzahl von Mikroprozessoren, einer oder mehrere Mikroprozessoren in Verbindung mit einem DSP-Kern oder irgendeine andere derartige Konfiguration.
Die Schritte eines Verfahrens oder eines Algorithmus, welcher in Verbindung mit den Ausführungsformen, welche hier veröffentlicht sind, beschrieben ist, kann direkt in Hardware, in einem Softwaremodul, welcher durch einen Prozessor ausgeführt wird, oder in einer Kombination von den beiden ausgeführt sein. Ein Softwaremodul kann in einem RAM-Speicher, einem Flash-Speicher, einem ROM-Speicher, einem EPROM-Speicher, einem EEPROM-Speicher, Registern, einer Festplatte, einer entfernbaren Platte, einem CD-ROM oder irgendeiner Art von Speichermedium, welches in der Fachwelt bekannt ist, angesiedelt sein. Ein beispielhaftes Speichermedium ist an den Prozessor derart gekoppelt, dass der Prozessor die Information von dem Speichermedium lesen kann und Information auf dieses schreiben kann. In der Alternative kann das Speichermedium in dem Prozessor integriert sein. Der Prozessor und das Speichermedium können in einem ASIC angesiedelt sein.
In diesem Dokument können Bezugsterme, wie z. B. erster und zweiter und ähnliche nur benutzt werden, um eine Gesamtheit oder eine Aktion von einer anderen Gesamtheit oder Aktion zu unterscheiden, ohne notwendigerweise eine aktuelle derartige Beziehung oder Reihenfolge zwischen derartigen Einheiten oder Aktionen zu erfordern oder hineinzulegen. Numerische Ordnungszeichen, wie z. B. ”erster”, ”zweiter”, ”dritter”, etc. bezeichnen einfacherweise nur unterschiedliche einzelne oder eine Vielzahl und beinhalten keinerlei Ordnung oder Reihenfolge, es sei denn, dies wird speziell durch die Sprache der Ansprüche definiert. Die Folge des Textes in irgendeinem der Ansprüche beinhaltet nicht, dass Prozessschritte in einer zeitlichen oder logischen Reihenfolge entsprechend einer derartigen Sequenz durchgeführt werden müssen, es sei denn, dies wird speziell durch die Sprache des Anspruchs definiert. Die Prozess- bzw. Verarbeitungsschritte können in irgendeiner Reihenfolge ausgewechselt werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, solange nicht ein derartiger Wechsel der Sprache des Anspruchs entgegensteht und nicht logischerweise ohne Sinn ist.
Außerdem, abhängig vom Kontext, beinhalten Wörter, wie z. B. ”verbinden” oder ”gekoppelt an”, welche in der Beschreibung einer Beziehung zwischen unterschiedlichen Elementen benutzt werden, nicht, dass ein direkter physikalischer Zusammenhang zwischen diesen Elementen hergestellt werden muss. Beispielsweise können zwei Elemente miteinander physikalisch, elektronisch, logisch oder in irgendeiner anderen Weise durch eines oder mehrere zusätzliche Elemente angeschlossen sein.
Während wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform in der vorausgegangenen detaillierten Beschreibung präsentiert wurde, sollte gewürdigt werden, dass eine große Anzahl von Variationen existiert. Es sollte auch gewürdigt werden, dass die beispielhafte Ausführungsform oder beispielhafte Ausführungsformen nur Beispiele sind und dass nicht beabsichtigt ist, den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der Erfindung in irgendeiner Weise zu beschränken. Vielmehr wird die vorausgegangene detaillierte Beschreibung Fachleuten eine bequeme Anleitung für das Implementieren der beispielhaften Ausführungsform oder von beispielhaften Ausführungsformen geben. Es ist davon auszugehen, dass verschiedene Veränderungen in der Funktion und der Anordnung der Elemente durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie sie in den angehängten Ansprüchen und den rechtlichen Äquivalenten davon aufgeführt sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Clarke & Park Transforms on the TMS320C2xx [0072]

Claims

Verfahren, welches die folgenden Schritte aufweist: Bestimmen, ob eine Motorgeschwindigkeit größer als eine Geschwindigkeitsschwelle ist; und Schätzen, wenn die Motorgeschwindigkeit größer als die Geschwindigkeitsschwelle ist, von ersten geschätzten Statorwicklungstemperaturen für jede aus einer Vielzahl von Statorwicklungen, wobei die erste geschätzte Statorwicklungstemperatur für jede Statorwicklung geschätzt wird, basierend auf einer kombinierten thermischen Impedanz zwischen der Statorwicklung und dem Motorkühlmittel und einem Gesamtleistungsverlust, wobei der Gesamtleistungsverlust den Statorwicklungs-Leistungsverlust und einen Kernleistungsverlust aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Schätzens, wenn die Motorgeschwindigkeit größer als der Geschwindigkeitsschwellwert ist, der ersten geschätzten Statorwicklungstemperaturen für jede aus der Vielzahl der Statorwicklungen den Schritt aufweist von: Bestimmen eines Statorwicklungswiderstands für jede Statorwicklung, basierend auf einer Temperatur dieser Statorwicklung; Bestimmen eines Statorwicklungs-Leistungsverlustes in jeder Phase, basierend auf dem Statorwicklungswiderstand für diese Phase und einem Quadratwurzelmittelwert-(RMS-)Statorstrom; Bestimmen des Gesamtleistungsverlustes in jeder Phase des Motors, basierend auf dem Statorwicklungs-Leistungsverlust für diese Phase und einem Kernleistungsverlust; Erzeugen einer Phasentemperaturänderung (ΔT_an) für jede Phase, basierend auf dem Gesamtleistungsverlust in dieser Phase, der Motorgeschwindigkeit und der kombinierten thermischen Impedanz für diese Phase; und Schätzen einer Statorwicklungstemperatur für jede der Statorwicklungen, basierend auf einer Phasentemperaturänderung (ΔT_an) und der Motorkühlmitteltemperatur und/oder, wobei die kombinierte thermische Impedanz eine erste thermische Impedanz zwischen der Statorwicklung und dem Statorkern, und eine zweite thermische Impedanz zwischen dem Statorkern und dem Motorkühlmittel aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Kernleistungsverlust eine Funktion der Motorgeschwindigkeit, des Statorwicklungsstroms und der DC-Bus-Spannung ist und wobei der Kernleistungsverlust bestimmt wird durch: Liefern einer Vielzahl von Lookup- bzw. Verweistabellen, wobei jede Lookup-Tabelle einer speziellen DC-Bus-Spannung entspricht und die Werte des Kernleistungsverlustes für unterschiedliche Kombinationen von Motorgeschwindigkeit und Quadratwurzelmittelwert-(RMS-)Statorwicklungsstrom spezifiziert; Auswählen von zwei Lookup-Tabellen aus der Vielzahl von Lookup-Tabellen basierend auf einem DC-Bus-Spannungs-Eingangssignal; Eingeben der Motorgeschwindigkeit und des Statorwicklungsstromes in eine erste der ausgewählten Lookup-Tabellen, um einen ersten Kernleistungsverlustwert zu berechnen; Eingeben der Motorgeschwindigkeit und des Statorwicklungsstromes in eine zweite der ausgewählten Lookup-Tabellen, um einen zweiten Kernleistungsverlustwert zu berechnen; und Ausführen einer Interpolation, basierend auf der DC-Bus-Spannung, dem ersten Kernleistungsverlustwert und dem zweiten Kernleistungsverlustwert, um den Kernleistungsverlust zu berechnen und/oder wobei der Schritt des Bestimmens eines Statorwicklungs-Leistungsverlustes in jeder Phase, basierend auf dem Statorwicklungswiderstand für jede Phase und einem Quadratwurzelmittelwert-(RMS-)Statorstrom, die Schritte aufweist von: Bestimmen eines Wechselstrom-(AC-)Quadratwurzelmittelwert-(RMS-)Statorstromes, welcher repräsentativ für Statorströme in jeder der Statorwicklungen ist; und Bestimmen des Statorwicklungs-Leistungsverlustes jeder der Statorwicklungen, basierend auf dem AC-RMS-Statorstrom und dem Widerstand dieser Statorwicklung.
Verfahren nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, welches ferner den folgenden Schritt aufweist: Herabsetzen des Drehmomentbefehls in Antwort auf die erste geschätzte Statorwicklungstemperatur einer oder mehrerer der Statorwicklungen.
Verfahren nach einem der vorausgegangenen Ansprüche, welches ferner den folgenden Schritt aufweist: Schätzen, wenn die Motorgeschwindigkeit kleiner als der Geschwindigkeitsschwellwert ist, der zweiten geschätzten Statorwicklungstemperaturen für jede aus der Vielzahl der Statorwicklungen, wobei die zweiten geschätzten Statorwicklungstemperaturen geschätzt werden, basierend auf dem Statorwicklungs-Leistungsverlust und einem zweiten thermischen Impedanzmodell, welches ein thermisches Impedanzmodell der zweiten Ordnung zwischen der Statorwicklung und einem thermischen Neutralpunkt und einem thermischen Impedanzmodell der ersten Ordnung zwischen dem thermischen Neutralpunkt und dem Motorkühlmittel umfasst.
Verfahren zum Steuern eines Drehmomentbefehls in einem vektorgesteuerten Motorantriebssystem, wobei das System die folgenden Schritte aufweist: Bestimmen, ob eine Motorgeschwindigkeit größer als eine vorher festgelegte Geschwindigkeit ist; Schätzen, wenn die Motorgeschwindigkeit größer als eine Geschwindigkeitsschwelle ist, einer Statorwicklungstemperatur für jede aus einer Vielzahl von Statorwicklungen, basierend auf einem Gesamtleistungsverlust, wobei der Gesamtleistungsverlust einen Statorwicklungs-Leistungsverlust und einen Kernleistungsverlust aufweist; und Herabsetzen des Drehmomentbefehls in Antwort auf die geschätzte Statorwicklungstemperatur einer oder mehrerer der Statorwicklungen.
Verfahren, welches aufweist: Bestimmen eines Statorwicklungswiderstands für jede Statorwicklung eines Motors, basierend auf einer Temperatur dieser Statorwicklung und eines Temperaturkoeffizienten eines Widerstands dieser Statorwicklung; Bestimmen eines Statorwicklungs-Leistungsverlustes für jede Phase, basierend auf dem Statorwicklungswiderstand für diese Statorwicklung; Bestimmen des Gesamtleistungsverlustes in jeder Phase, basierend auf dem Statorwicklungs-Leistungsverlust für jede Phase und einem Kernleistungsverlust; Bestimmen einer Phasentemperaturänderung für jede Phase, basierend auf dem Gesamtleistungsverlust, der Motorgeschwindigkeit und einem kombinierten thermischen Impedanzmodell für diese Phase; und Schätzen einer Statorwicklungstemperatur für jede der Statorwicklungen, basierend auf der Phasentemperaturveränderung für diese Phase und einer Motorkühlmitteltemperatur.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das kombinierte thermische Impedanzmodell eine kombinierte thermische Impedanz für jede Phase aufweist, wobei die kombinierte thermische Impedanz für jede Phase auf einer ersten thermischen Impedanz zwischen der Statorwicklung und einem Statorkern und einer zweiten thermischen Impedanz zwischen dem Statorkern und dem Motorkühlmittel beruht und/oder wobei der Kernleistungsverlust in jeder Phase bestimmt wird, basierend auf der Motorgeschwindigkeit, dem Statorwicklungsstrom und der DC-Bus-Spannung.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Kernleistungsverlust in jeder Phase bestimmt wird durch: Liefern einer Vielzahl von Lookup-Tabellen, wobei jede Lookup-Tabelle einer speziellen DC-Bus-Spannung entspricht und Werte des Kernleistungsverlustes für verschiedene Kombinationen von Motorgeschwindigkeit und Quadratwurzelmittelwert-(RMS-)Statorwicklungsstrom spezifiziert; Auswählen von zwei Lookup-Tabellen aus der Vielzahl von Lookup-Tabellen, basierend auf einem DC-Bus-Spannungs-Eingangssignal; Eingeben der Motorgeschwindigkeit und des Statorwicklungsstromes in eine erste von ausgewählten Lookup-Tabellen, um einen ersten Kernleistungsverlustwert zu berechnen; Eingeben der Motorgeschwindigkeit und des Statorwicklungsstromes in eine zweite der ausgewählten Lookup-Tabellen, um einen zweiten Kernleistungsverlustwert zu berechnen; und Ausführen einer Interpolation, basierend auf der DC-Bus-Spannung, dem ersten Kernleistungsverlustwert und dem zweiten Kernleistungsverlustwert, um den Kernleistungsverlust zu berechnen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7–9, wobei der Statorwicklungs-Leistungsverlust basierend auf einem Statorwicklungswiderstand für diese Phase und einem Quadratwurzelmittelwert-(RMS-)Statorstrom dieser Phase bestimmt wird.