DE102020124090A1

DE102020124090A1 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung des betriebs einer rotierenden elektrischen maschine mit permanentmagnet

Info

Publication number: DE102020124090A1
Application number: DE102020124090.2A
Authority: DE
Inventors: Anno YOO; Daniel J. Berry; Young J. Kim
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2019-10-01
Filing date: 2020-09-16
Publication date: 2021-04-01
Also published as: US20210099123A1; US11264936B2

Abstract

Verfahren, System und Vorrichtung zur Steuerung und Regelung des Betriebs einer rotierenden elektrischen Maschine mit Permanentmagnet mit einem Stator und einem Rotor, wobei ein erster Blindleistungsterm, der der elektrischen Maschine zugeordnet ist, auf der Grundlage der Spannung bestimmt wird, und ein zweiter Blindleistungsterm, der der elektrischen Maschine zugeordnet ist, auf der Grundlage des Flusses bestimmt wird. Eine erste Motortemperatur, die der elektrischen Maschine zugeordnet ist, wird auf der Grundlage des ersten und des zweiten Blindleistungsterms bestimmt, und die Leistungsabgabe von der elektrischen Maschine mit Permanentmagnet wird auf der Grundlage der ersten Motortemperatur gesteuert.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Verfahren und Systeme zur Echtzeit-Schätzung der Temperatur einer rotierenden Permanentmagnet-Elektromaschine und der darauf basierenden Betriebssteuerung.
Die Maschinentemperatur ist eine nützliche Steuergröße bei der Regelung des Betriebs einer elektrischen Maschine. Eine genaue Kenntnis der Maschinentemperatur ist auch für eine genaue Diagnose erforderlich. Bestehende Verfahren zur Schätzung der Maschinentemperatur hängen in der Regel von komplexen thermischen Modellen ab. Die Robustheit eines thermischen Modells kann von zuverlässigen Informationen über das Kühlsystem einer elektrischen Maschine abhängen, z. B. von der Kühlmitteltemperatur und der Durchflussrate, und kann anfällig für Signalfehler in den verschiedenen erforderlichen Eingangssignalen sein. Ebenso können Ansätze zur Temperaturschätzung, die sich auf die Kenntnis des Maschinenwiderstands stützen, dazu neigen, durch Kern-, Wirbelstrom- und andere Verlusteffekte untergraben zu werden, die sich alle nur schwer von Temperatureffekten entkoppeln lassen.
BESCHREIBUNG
Ein Verfahren, ein System und eine Vorrichtung zur Steuerung und Regelung des Betriebs einer rotierenden elektrischen Permanentmagnetmaschine mit einem Stator und einem Rotor wird beschrieben. Dies beinhaltet das Bestimmen eines ersten Blindleistungsterms, der mit der elektrischen Maschine verbunden ist, auf der Grundlage der Spannung, und das Bestimmen eines zweiten Blindleistungsterms, der mit der elektrischen Maschine verbunden ist, auf der Grundlage des Flusses. Eine der elektrischen Maschine zugeordnete erste Motortemperatur wird auf der Grundlage des ersten und zweiten Blindleistungsterms bestimmt, und die Leistungsabgabe der Permanentmagnet-Elektromaschine wird auf der Grundlage der ersten Motortemperatur gesteuert.
Ein Aspekt der Offenbarung umfasst das Bestimmen des ersten mit der elektrischen Maschine verbundenen Blindleistungsterms auf der Grundlage der Spannung durch das Bestimmen einer Spannung, eines Stroms, einer Drehzahl und eines Drehmomentbefehls, die mit dem Betrieb der elektrischen Maschine verbunden sind, sowie das Bestimmen eines Flussterms auf der Grundlage des Drehmomentbefehls. Ein erster Statorspannungsterm wird auf der Grundlage der Drehzahl, des Stroms und des Flussterms bestimmt, und ein zweiter Statorspannungsterm wird auf der Grundlage der Drehzahl, des Stroms und des Flussterms bestimmt. Der erste Blindleistungsterm wird auf der Grundlage des ersten und des zweiten Statorspannungsterms bestimmt. Ein Vorteil des Bestimmens des ersten Blindleistungsterms auf der Grundlage des ersten und zweiten Spannungsterms besteht darin, dass der erste Blindleistungsterm nicht durch temperaturbedingte Änderungen des Statorwiderstands beeinflusst wird.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst das Bestimmen des zweiten Blindleistungsterms, der mit der elektrischen Maschine verbunden ist, auf der Grundlage des Flusses durch das Bestimmen eines Stroms und einer Drehzahl, das Bestimmen einer Temperatur der elektrischen Maschine, das Bestimmen eines ersten Flussterms auf der Grundlage des Stroms und der Temperatur der elektrischen Maschine, das Bestimmen eines zweiten Flussterms auf der Grundlage des Stroms und der Temperatur der elektrischen Maschine und das Bestimmen des zweiten Blindleistungsterms auf der Grundlage der Drehzahl und des ersten und zweiten Flussterms.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet, dass die Temperatur der elektrischen Maschine eine geschätzte Temperatur eines Rotormagneten der elektrischen Maschine ist.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung beinhaltet das Bestimmen des zweiten Blindleistungsterms auf der Grundlage der Drehzahl und des ersten und zweiten Flussterms durch das Bestimmen des zweiten Blindleistungsterms auf der Grundlage der Drehzahl und einer Differenz zwischen dem ersten und zweiten Flussterm.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst das Bestimmen der ersten mit der elektrischen Maschine verbundenen Motortemperatur auf der Grundlage des ersten und zweiten Blindleistungsterms durch das Bestimmen der Temperatur eines Rotormagneten der elektrischen Maschine.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst das Bestimmen einer zweiten Motortemperatur über ein thermisches Modell, den Vergleich der ersten Motortemperaturmit der zweiten Motortemperatur und die Steuerung der Leistungsabgabe der Permanentmagnet-Elektromaschine auf der Grundlage des Vergleichs der ersten Motortemperatur mit der zweiten Motortemperatur.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst die Steuerung der Leistungsabgabe von der Permanentmagnet-Elektromaschine auf der Grundlage des Vergleichs der Temperatur des ersten Motors und der Temperatur des zweiten Motors durch Herabsetzen der Leistungsabgabe von der Permanentmagnet-Elektromaschine, wenn eine Differenz zwischen der Temperatur des ersten Motors und der Temperatur des zweiten Motors größer als ein Schwellenwert ist.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst die Kontrolle der Leistungsabgabe der elektrischen Maschine mit Permanentmagnet auf der Grundlage des Vergleichs der Temperatur des ersten Motors und der Temperatur des zweiten Motors durch Maximierung der Leistungsabgabe der elektrischen Maschine mit Permanentmagnet, wenn eine Differenz zwischen der Temperatur des ersten Motors und der Temperatur des zweiten Motors unter einem Schwellenwert liegt.
Die obige Zusammenfassung ist nicht dazu gedacht, jede mögliche Verkörperung oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung darzustellen. Vielmehr soll die vorstehende Zusammenfassung einige der neuartigen Aspekte und Merkmale, die hier offenbart wurden, veranschaulichen. Die oben genannten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der repräsentativen Ausführungsformen und Modalitäten für die Durchführung der vorliegenden Offenbarung leicht ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Figuren und den beigefügten Ansprüchen genommen wird.
Figurenliste
Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun beispielhaft anhand der begleitenden Figuren beschrieben, in denen:

1 ist eine schematische Darstellung eines Systems, das eine rotierende elektrische Maschine mit Permanentmagnet verwendet, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung.
2A und 2B sind Darstellungen alternativer oberflächenmontierter und eingebetteter Rotormagnetkonfigurationen der in 1 schematisch dargestellten elektrischen Maschine, in Übereinstimmung mit der Offenbarung.
3 ist ein logisches Flussdiagramm, das eine logische Konfiguration des in 2 gezeigten Reglers in Übereinstimmung mit der Offenbarung darstellt.
4 ist ein logisches Flussdiagramm, das einen Teil der logischen Konfiguration darstellt, die unter Bezugnahme auf 3 in Übereinstimmung mit der Offenbarung beschrieben wird.

Die beigefügten Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu und können eine etwas vereinfachte Darstellung verschiedener bevorzugter Merkmale der vorliegenden Offenbarung, wie sie hier offenbart wird, darstellen, einschließlich z.B. bestimmter Abmessungen, Ausrichtungen, Orte und Formen. Einzelheiten, die mit solchen Merkmalen verbunden sind, werden zum Teil durch die spezielle beabsichtigte Anwendung und die Verwendungsumgebung bestimmt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die hier beschriebenen und illustrierten Bestandteile der offenbart Ausführungsformen können in einer Vielzahl unterschiedlicher Konfigurationen angeordnet und gestaltet werden. Die folgende detaillierte Beschreibung soll daher nicht, wie behauptet, den Umfang der Offenbarung einschränken, sondern ist lediglich repräsentativ für mögliche Ausführungsformen davon. Obwohl in der folgenden Beschreibung zahlreiche spezifische Details aufgeführt sind, um ein gründliches Verständnis der hier offengelegten Ausführungsformen zu ermöglichen, können einige Ausführungsformen auch ohne einige dieser Details praktiziert werden. Darüber hinaus wurde aus Gründen der Klarheit bestimmtes technisches Material, das in der verwandten Kunst verstanden wird, nicht im Detail beschrieben, um die Offenbarung nicht unnötig zu verschleiern. Darüber hinaus kann die Offenbarung, wie hier illustriert und beschrieben, auch ohne ein Element praktiziert werden, das hier nicht ausdrücklich offengelegt wird.
Wie hier verwendet, kann sich der Begriff „System“ auf mechanische und elektrische Hardware, Software, Firmware, elektronische Steuerkomponenten, Verarbeitungslogik und/oder Prozessoren, einzeln oder in Kombination, beziehen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf: anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder gruppiert), der ein oder mehrere Software- oder Firmware-Programme ausführt, Speichergerät(e), das/die Software- oder Firmware-Anweisungen elektrisch speichert/speichern, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
Unter Bezugnahme auf die Figuren, wobei sich ähnliche Bezugszeichen auf die gleichen oder ähnliche Komponenten in den verschiedenen Abbildungen beziehen, wird in 1 ein System 100 schematisch dargestellt, das eine mehrphasige elektrische Maschine („elektrische Maschine“) 110, die so angeordnet ist, dass sie ein Drehmoment erzeugt und auf ein Stellglied 120 überträgt, um Arbeit zu bewirken, und eine Steuerung 130 umfasst, die eine Steuerroutine 200 ausführt, um den Betrieb zu steuern und zu verwalten. Einzelheiten in Bezug auf die Steuerroutine 200 werden unter Bezugnahme auf 3 und 4 beschrieben. In einer Ausführungsform ist das System 100 auf einem Fahrzeug angeordnet (nicht abgebildet). Bei der Anordnung auf einem Fahrzeug kann das Fahrzeug eine mobile Plattform in Form eines Nutzfahrzeugs, eines Industriefahrzeugs, eines landwirtschaftlichen Fahrzeugs, eines Personenkraftwagens, eines Flugzeugs, eines Wasserfahrzeugs, eines Zugs, eines Geländefahrzeugs, eines persönlichen Bewegungsapparats, eines Roboters und dergleichen umfassen, um die Zwecke dieser Offenbarung zu erfüllen, aber nicht darauf beschränkt sein.
Das System 100 umfasst die elektrische Maschine 110, einen Wechselrichter 104 und eine Gleichstromquelle 102. Die Gleichstromquelle 102 ist über einen Hochspannungs-Gleichstrombus 103 mit dem Wechselrichter 104 verbunden, und der Wechselrichter 104 ist über mehrere Stromleitungen 106 mit der elektrischen Maschine 110 verbunden. Der Wechselrichter 104 enthält eine Vielzahl von Halbleiterschaltern (nicht dargestellt), die so angeordnet und steuerbar sind, dass sie Gleichstrom in Wechselstrom und Wechselstrom in Gleichstrom unter Anwendung der Pulsbreitenmodulation oder einer anderen Steuertechnik umwandeln. Der Wechselrichter 104 ist so angeordnet und steuerbar, dass er Gleichstromleistung, die von der Gleichstromquelle 102 stammt, in Wechselstromleistung transformiert, um die elektrische Maschine 110 so zu betätigen, dass sie sich dreht und ein mechanisches Drehmoment erzeugt, das über ein drehbares Element 112 auf das Stellglied 120 übertragen wird, wenn es in einem Drehmomenterzeugungsmodus arbeitet. Die elektrische Maschine 110 ist steuerbar, um elektrische Wechselstromleistung aus dem am Stellglied 120 erzeugten mechanischen Drehmoment zu erzeugen, die durch den Wechselrichter 104 in elektrische Gleichstromleistung zur Speicherung in der Gleichstromleistungsquelle 102 umgewandelt wird, wenn sie in einem Modus zur Erzeugung elektrischer Leistung betrieben wird. Das Stellglied 120 umfasst in einer Ausführung ein hydraulisches System, das ein Pumpenelement 122 und einen zugehörigen Sumpf 124 umfasst, der ein hydraulisches Stellglied 126 mit unter Druck stehender Hydraulikflüssigkeit versorgt, wobei das hydraulische Stellglied 126 steuerbar sein kann, um eine Fahrzeugfunktion zu bewirken, wenn es im Fahrzeug eingesetzt wird. Die Gleichstromquelle 102 kann in Form einer wiederaufladbaren elektrochemischen Batterievorrichtung, einer Brennstoffzelle, eines Ultrakondensators und/oder einer anderen Batterietechnologie ausgeführt sein.
Die Sensoren sind so angeordnet, dass sie die Parameter des Systems 100 überwachen. Zu den überwachten Parametern gehören beispielsweise Spannung und Strom zwischen der elektrischen Maschine 110 und dem Umrichter 104 sowie die Drehzahl der elektrischen Maschine 110. Weitere überwachte Parameter können z.B. der an den hydraulischen Stellantrieb 126 übertragene hydraulische Druck, die Spannung am Hochspannungs-Gleichstrombus 103 usw. sein. In einer Ausführung können die Sensoren einen Spannungssensor 138, der so angeordnet ist, dass er den Hochspannungs-Gleichstrombus 103 überwacht, einen oder mehrere Stromsensoren 135, der bzw. die so angeordnet ist bzw. sind, dass er bzw. sie den Stromfluss zwischen dem Wechselrichter 104 und der elektrischen Maschine 110 überwacht bzw. überwachen, einen Drehzahlsensor 136, der so angeordnet ist, dass er bzw. sie die Drehzahl des drehbaren Elements 112 der elektrischen Maschine 110 überwacht, und einen Hydraulikdrucksensor 137, der so angeordnet ist, dass er bzw. sie den Druck im hydraulischen Stellglied 126 überwacht, umfassen. Andere überwachte Parameter können Motorbefehle umfassen, einschließlich eines Motordrehmomentbefehls, der von einer Drehmomentanforderung des Bedieners oder einer mit dem Stellantrieb 120 verbundenen Systemanforderung stammen kann.
Die Steuerung 130 kann als ein oder mehrere digitale Computergeräte ausgeführt sein und kann einen oder mehrere Prozessoren 134 und ausreichende Mengen an greifbarem, nichtflüchtigem Speicher 132, einschließlich Festwertspeicher in Form von optischem, magnetischem, Flash-Speicher usw. enthalten. Die Steuerroutine 200 kann als ausführbarer Befehlssatz im Speicher 132 gespeichert und von einem der Prozessoren 134 des Steuergeräts 130 ausgeführt werden. Die Steuerung 130 steht in Verbindung mit dem Umrichter 104 und den vorgenannten Sensoren, um deren Betrieb als Reaktion auf die Ausführung der Steuerroutine 200 zum Betrieb der elektrischen Maschine 110 zusteuern.
Der Begriff „Steuerung“ und verwandte Begriffe wie Mikrocontroller, Steuermodul, Baugruppe, Steuerung, Steuereinheit, Prozessor und ähnliche Begriffe beziehen sich auf eine oder verschiedene Kombinationen aus anwendungsspezifischer/n integrierter/n Schaltung(en) (ASIC), feldprogrammierbarem/n Gate-Array (FPGA), elektronischer/n Schaltung(en), Zentraleinheit(en), z. B. Mikroprozessor(en) und zugehöriger/n nichtflüchtiger/n Speicherkomponente(n) in Form von Speicher und Speicherbausteinen (schreibgeschützt, programmierbar schreibgeschützt, wahlfreier Zugriff, Festplatte usw.). Die nicht-transitorische Speicherkomponente ist in der Lage, maschinenlesbare Befehle in Form von einem oder mehreren Software- oder Firmware-Programmen oder -Routinen, kombinatorischen Logikschaltungen, Ein-/Ausgabeschaltungen und -vorrichtungen, Signalkonditionierungs- und Pufferschaltungen und anderen Komponenten zu speichern, auf die ein oder mehrere Prozessoren zugreifen können, um eine beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Ein-/Ausgabeschaltung(en) und -vorrichtungen umfassen Analog/Digital-Wandler und verwandte Vorrichtungen, die Eingänge von Sensoren überwachen, wobei diese Eingänge mit einer voreingestellten Abtastfrequenz oder als Reaktion auf ein Trigger-Ereignis überwacht werden. Software, Firmware, Programme, Anweisungen, Steuerroutinen, Code, Algorithmen und ähnliche Begriffe bedeuten Steuerungsausführbare Befehlssätze einschließlich Kalibrierungen und Nachschlagetabellen. Jeder Regler führt Steuerroutine(n) aus, um die gewünschten Funktionen bereitzustellen. Die Routinen können in regelmäßigen Abständen ausgeführt werden, zum Beispiel alle 100 Mikrosekunden während des laufenden Betriebs. Alternativ können Routinen als Reaktion auf das Eintreten eines auslösenden Ereignisses ausgeführt werden. Die Kommunikation zwischen Reglern, Aktoren und/oder Sensoren kann über eine direkte verdrahtete Punkt-zu-Punkt-Verbindung, eine vernetzte Kommunikationsbusverbindung, eine drahtlose Verbindung oder eine andere geeignete Kommunikationsverbindung erfolgen. Zur Kommunikation gehört der Austausch von Datensignalen in geeigneter Form, darunter z.B. elektrische Signale über ein leitendes Medium, elektromagnetische Signale über Luft, optische Signale über Lichtwellenleiter und dergleichen. Bei den Datensignalen kann es sich um diskrete, analoge oder digitalisierte Analogsignale handeln, die Eingänge von Sensoren, Aktuator befehle und die Kommunikation zwischen Steuerungen darstellen.
Der Begriff „Signal“ bezieht sich auf einen physisch wahrnehmbaren Indikator, der Informationen übermittelt, und kann eine geeignete Wellenform (z.B. elektrisch, optisch, magnetisch, mechanisch oder elektromagnetisch) sein, wie z.B. Gleichstrom, Wechselstrom, Sinuswelle, Dreieckwelle, Rechteckwelle, Schwingung und dergleichen, die in der Lage ist, ein Medium zu durchlaufen.
Der Begriff „Modell“ bezieht sich auf einen prozessorbasierten oder prozessorausführbaren Code und die damit verbundene Kalibrierung, die eine physikalische Existenz eines Geräts oder eines physikalischen Prozesses simuliert. Wie hier verwendet, beschreiben die Begriffe „dynamisch“ und „dynamisch“ Schritte oder Prozesse, die in Echtzeit ausgeführt werden und dadurch gekennzeichnet sind, dass Zustände von Parametern überwacht oder anderweitig bestimmt und die Zustände der Parameter während der Ausführung einer Routine oder zwischen Iterationen der Ausführung der Routine regelmäßig oder periodisch aktualisiert werden.
Die Begriffe „Kalibrierung“, „kalibriert“ und verwandte Begriffe beziehen sich auf ein Ergebnis oder einen Prozess, der eine einem Gerät oder System zugeordnete tatsächliche oder Standardmessung mit einer wahrgenommenen oder beobachteten Messung oder einer befohlenen Position für das Gerät oder System vergleicht. Eine Kalibrierung, wie hier beschrieben, kann auf eine speicherbare parametrische Tabelle, eine Vielzahl von ausführbaren Gleichungen oder eine andere geeignete Form reduziert werden, die als Teil einer Mess- oder Steuerroutine verwendet werden kann.
Ein Parameter ist definiert als eine messbare Größe, die eine physikalische Eigenschaft eines Geräts oder eines anderen Elements darstellt, die mit Hilfe eines oder mehrerer Sensoren und/oder eines physikalischen Modells erkennbar ist. Ein Parameter kann einen diskreten Wert haben, z.B. entweder „1“ oder „0“, oder er kann im Wert stufenlos variabel sein.
Unter Bezugnahme auf 2A und 2B kann die elektrische Maschine 110 aus 1 als Synchronvorrichtung 16A vom Typ Oberflächenpermanentmagnet („SPM“) (2A) oder als Synchronvorrichtung 16B vom Typ Innenpermanentmagnet („IPM“) (2B) ausgeführt sein. Bei der Synchronvorrichtung 16A vom Typ SPM sind die Permanentmagnete 17 auf der Oberfläche eines Rotors 16R montiert. Bei der Synchronvorrichtung 16B vom IPM-Typ können die Permanentmagnete 17 in Lamellen des Rotors 16R eingebettet sein. Die Synchronvorrichtung 16A vom SPM-Typ und die Synchronvorrichtung 16B vom IPM-Typ enthalten jeweils einen Stator 16S, der konzentrisch zum Rotor 16R ist und diesen umgibt. Der Stator 16S enthält eine Vielzahl nach innen gerichteter, radial vorstehender Statorzähne mit dazwischenliegenden Lücken. Statorwicklungen in Form von Längen aus leitendem Draht werden in die Lücken zwischen benachbarten Statorzähnen eingefügt und mit dem Umrichter 104 verbunden, um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen. In den abgebildeten Konfigurationen umgibt der Stator 16S den Rotor 16R. In anderen Ausführungsformen kann der Rotor 16R jedoch den Stator 16S umgeben. Einzelne Statorwicklungen 19 sind ebenfalls dargestellt. Wenn die einzelnen Statorwicklungen 19 über den Betrieb des in 1 dargestellten Umrichters 104erregt werden, entsteht ein rotierendes Statormagnetfeld, wobei das rotierende Statorfeld mit dem Magnetfeld der Permanentmagnete 17 wechselwirkt. Das rotierende Magnetfeld interagiert mit den Permanentmagneten 17 des Rotors 16R, um eine Drehung des Rotors 16R um seine Achse zu erzwingen und dadurch ein Drehmoment auf die Rotorwelle zu induzieren. Die gegenseitige Feldwechselwirkung verleiht dem Rotor 16R schließlich eine Rotation um seine Mittelachse 11, wobei diese Rotation das Motorausgangsdrehmoment erzeugt. 2A und 2B zeigen zwei mögliche Konfigurationen der elektrischen Maschine 110 und der Permanentmagnete 17. Die vorliegenden Lehren sind jedoch nicht auf eine bestimmte Konfiguration der elektrischen Maschine 110 beschränkt, weshalb die und lediglich zwei gemeinsame Positionen der Permanentmagnete 17 im Rotor 16R veranschaulichen.

3 zeigt schematisch eine Verkörperung der Steuerungsroutine 200, die als ausführbarer Code implementiert werden kann, um den Betrieb auf einer rotierenden Permanentmagnet-Elektromaschine zu steuern, z.B. eine Verkörperung der elektrischen Maschine 110, die unter Bezugnahme auf 1 beschrieben wird. Die Steuerroutine 200 ist als eine Sammlung von Blöcken in einem logischen Flussdiagramm dargestellt, das eine Sequenz von Operationen darstellt, die in Hardware, Software oder einer Kombination davon implementiert werden können. Im Zusammenhang mit Software stellen die Blöcke Computerbefehle dar, die, wenn sie von einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt werden, die rezitierten Operationen ausführen. Tabelle 1 ist als Taste vorgesehen, in der die numerisch beschrifteten Blöcke und die entsprechenden Funktionen entsprechend der Steuerroutine 200 wie folgt dargestellt sind. Tabelle 1

BLOCK	BLOCK INHALT
202	Routine einleiten
204	Überwachen Sie Parameter einschließlich Motordrehzahl und Drehmomentbefehl
206	Ist Motordrehzahl > Schwellendrehzahl? UND Ist Drehmomentbefehl > Schwellendrehmoment?
210	Bestimmen des ersten Blindleistungsparameters basierend auf der Spannung
220	Bestimmen des zweiten Blindleistungsparameters auf der Grundlage des Flusses
230	Magnettemperatur abschätzen
232	Aktualisieren des Flusses basierend auf der geschätzten Magnettemperatur
234	Abschätzung der Rotortemperatur aus dem thermischen Modell
250	Vergleich der Magnettemperatur und der Rotortemperatur
252	Betreiben der elektrischen Maschine als Reaktion auf eine Drehmomentanforderung, wenn die Differenz zwischen der Magnettemperatur und der Rotortemperatur kleiner als der Schwellenwert ist
254	Herabsetzen der Drehmomentausgabe einer elektrischen Maschine, wenn die Differenz zwischen der Magnettemperatur und der
	Rotortemperatur größer als der Schwellenwert ist
256	Iteration beenden

Die Durchführung der Kontrollroutine 200 kann wie folgt ablaufen. Die Schritte der Kontrollroutine 200 können in einer geeigneten Reihenfolge ausgeführt werden und sind nicht auf die mit Bezug auf 3 beschriebene Reihenfolge beschränkt. Wie hier verwendet, bedeutet der Begriff „1“ eine bejahende Antwort oder „JA“ und der Begriff „0“ eine verneinende Antwort oder „NEIN“.
Die Steuerroutine 200 kann periodisch ausgeführt werden, wobei jede Iteration beginnt (202), indem Parameter wie die Drehzahl und der Drehmomentbefehl für die elektrische Maschine 110 (204) bestimmt werden. Die Drehzahl und der Drehmomentbefehl dienen als Eingangskriterien für die Ausführung der übrigen Elemente der Steuerroutine 200, indem deren Ausführung unter Bedingungen vermieden wird, die einen Betrieb mit niedriger Drehzahl und/oder niedriger Leistung einschließen. Wenn die Drehzahl größer ist als eine minimale Schwellendrehzahl und der Drehmomentbefehl größer ist als ein minimales Schwellendrehmoment, wird der Betrieb der Steuerroutine 200 fortgesetzt (206) (1). Anderenfalls (206) (0) wird die Überwachung der Drehzahl und des Drehmomentbefehls ohne weitere Maßnahmen fortgesetzt (206)(0).
Wenn die Ausführung fortgesetzt wird, wird ein erster Blindleistungsterm Q_volt auf der Grundlage der Motorspannung (210) in Übereinstimmung mit dem folgenden Gleichungssystem bestimmt. $v_{d s}^{e} = R_{s} i_{d s}^{e} - ω_{r} λ_{q s}^{e}$
$v_{q s}^{e} = R_{s} i_{q s}^{e} - ω_{r} λ_{d s}^{e}$
$Q_{V o l t} = v_{q s}^{e} i_{d s}^{e} - v_{d s}^{e} i_{q s}^{e}$
wobei:

R_s stellt den Statorwiderstand dar;
ω_r steht für die Rotationsgeschwindigkeit;
λ stellt einen entsprechenden Flussbegriff dar;
i steht für einen jeweils aktuellen Begriff;
s zeigt den Stator an;
d, q mit Maschinenparametern verknüpft sind, die in einem synchronen Bezugssystem beschrieben sind, das direkte bzw. Quadraturachsen anzeigt; und
e zeigt an, dass der jeweilige Wert eine Schätzung ist.

Es wird geschätzt, dass der erste Blindleistungsterm Q_volt bestimmt werden kann, ohne dass der Statorwiderstand R_s mit Hilfe der in Gl. 3 beschriebenen Beziehung bestimmt werden muss. Der Statorwiderstand R_s variiert mit der Temperatur und der Drehzahl und würde sonst eine Variabilität einführen, die berücksichtigt werden müsste. Indem der erste Blindleistungsterm Q_volt auf diese Weise bestimmt wird, wird die Robustheit in das Ergebnis eingeführt.
Ein zweiter Blindleistungsterm Q_flux wird auf der Grundlage des Motorflusses (220) bestimmt, entweder parallel oder in Reihe mit der Ausführung von Schritt 210. Der zweite Blindleistungsterm Q_flux, der ein temperaturabhängiger Flussparameter ist und gemäß dem folgenden Gleichungssystem bestimmt wird. $\begin{array}{l} Q_{f l u x} = ω_{r} (λ_{d s_T}^{e} i_{q s}^{e} - λ_{q s_T}^{e} i_{d s}^{e}) \\ = ω_{r} (λ_{d s_{@ 90 C}}^{e} i_{q s}^{e} - λ_{q s_{@90C}}^{e} i_{d s}^{e} + Δ λ_{f_{T}} i_{q s}^{e}) \end{array}$
wobei: $λ_{d s_T}^{e} = f (i_{d s}^{e}, i_{q s}^{e}, T_{M a g n e t_e s t})$
$λ_{q s_T}^{e} = g (i_{d s}^{e}, i_{q s}^{e}, T_{M a g n e t_e s t})$
wobei $f (i_{d s}^{e}, i_{q s}^{e}, T_{M a g n e t_N e s t}) und g (i_{d s}^{e}, i_{q s}^{e}, T_{M a g n e t_N e s t})$
stellen Funktionen dar, die verwendet werden, um den jeweiligen Flusswert in Bezug auf geschätzte Gleich- und Quadraturachsen-Statorströme und eine geschätzte Magnettemperatur zu bestimmen; und wobei:

T_{magnet_est} stellt die geschätzte Magnettemperatur dar,
ω_r steht für die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors,
$λ_{d s_{@90C}}^{e}$
stellt einen geschätzten d-Achsen-Fluss für die elektrische Maschine dar, wobei der Stator bei 90° C arbeitet,
$λ_{q s_{@90C}}^{e}$
stellt einen geschätzten q-Achsen-Fluss für die elektrische Maschine dar, wobei der Stator bei 90° C arbeitet,
i steht für einen jeweils aktuellen Begriff,
s zeigt den Stator an,
d, q mit Synchronmaschinen-Parametern verknüpft sind und direkte bzw. Quadraturachsen angeben, und
e zeigt an, dass der jeweilige Wert eine Schätzung ist.

Die geschätzte Magnettemperatur T_{magnet_est} 438 kann in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem ersten Blindleistungsterm Qvolt und dem zweiten Blindleistungsterm Q_flux bestimmt werden (232). Einzelheiten zum Bestimmen der geschätzten Magnettemperatur T_{magnet_est} 438 werden unter Bezugnahme auf 4 beschrieben.
Der magnetische Flussverknüpfungsterm wird auf der Grundlage der geschätzten Magnettemperatur T_{magnet_est} (234)aktualisiert, wobei die Aktualisierung des magnetischen Flussverknüpfungsterms auf der Beziehung zwischen der Flussdichte in einer rotierenden elektrischen Permanentmagnetmaschine und der Temperatur basiert, wobei die Flussdichte mit einer Erhöhung der Temperatur des Permanentmagneten abnimmt.
Eine geschätzte Rotortemperatur kann anhand eines thermischen Modells bestimmt werden (240). Beispiele für thermische Modelle zur Schätzung der Rotortemperatur sind z. B. thermische Modelle für die Vorhersage der Temperatur von Massenklumpen.
Die geschätzte Magnettemperatur T_{magnet_est} und die geschätzte Rotortemperatur werden verglichen (250), und wenn eine Differenz zwischen ihnen kleiner als ein Temperaturschwellenwert (250)(1) ist, wird der Betrieb der elektrischen Maschine 110 als Reaktion auf einen Drehmomentbefehl bis zu einem von der elektrischen Maschine 110 erreichbaren maximalen Ausgangsdrehmoment ohne Einschränkung geregelt (252).
Wenn jedoch eine Differenz zwischen der geschätzten Magnettemperatur T_{magnet_est} und der geschätzten Rotortemperatur größer als eine Temperaturschwelle (250)(0) ist, wird der Betrieb der elektrischen Maschine 110 herabgesetzt (254). In einer Ausführungsform umfasst die Leistungsreduzierung die Begrenzung der Größe des von der elektrischen Maschine 11 0abgegebenen Drehmoments, wobei die Begrenzung der Größe der Leistungsreduzierung in direkter Beziehung zur Differenz zwischen der geschätzten Magnettemperatur T_{magnet_est} und der geschätzten Rotortemperatur steht. Die Iteration der Regelungsroutine 200 endet danach (256).
4 zeigt schematisch ein Logikdiagramm 400, das zusätzliche Einzelheiten zu Aspekten der Kontrollroutine 200 enthält, die mit Bezug auf 3 beschrieben wird, einschließlich dem Bestimmen der geschätzten Magnettemperatur T_{magnet_est} 438. Das Logikdiagramm hat die Form eines geschlossenen Regelkreises, der eine temperaturabhängige Flusskompensation bietet. Schritt 410 enthält Einzelheiten zum Bestimmen des ersten Blindleistungsparameters Q_volt 412 auf der Grundlage von Gleich- und Quadraturspannungs- und-stromeingängen 402 gemäß Gl. 3. Schritt 420 liefert Einzelheiten zur Bestimmen des zweiten Blindleistungsparameters Q_flux 422 auf der Grundlage von Gleichstrom-und Quadraturstromeingaben und der Drehzahl 402 und in Übereinstimmung mit Gl. 4(siehe oben).
Ein Differenzoperator 425 berechnet eine Differenz zwischen dem ersten Blindleistungsterm Q_volt und dem zweiten Blindleistungsparameter Q_flux, dessen Ergebnis im Magnettemperaturschätzer 430 verwendet wird, um die Magnettemperatur T_{magnet_est} 438 zu schätzen.
Der Magnettemperaturschätzer 430 enthält einen skalaren Multiplikator 432, der die geschätzte Magnettemperatur T_{magnet_est} 438 auf der Grundlage der Differenz zwischen dem ersten Blindleistungsterm Q_volt und dem zweiten Blindleistungsparameter Q_flux bestimmt. Der skalare Multiplikator 432 kann in Form eines proportionalen Terms, eines Proportional-Integral-Terms (PI-Terms) oder eines Proportional-Integral-Derivativ-Terms (PID-Terms) vorliegen.
Der Magnettemperaturschätzer 430 enthält eine magnetische Flussverknüpfungstabelle 434, die einen Flusskorrekturterm bestimmt Δλ_{f_T} 436 in Bezug auf die geschätzte Magnettemperatur T_{magnet_est} 438. Der Flusskorrekturterm Δλ_{f_T} 436 wird als Rückkopplungsterm zu Schritt 420 bereitgestellt, um den zweiten Blindleistungsparameter Q_flux 422 auf der Grundlage von Gleich- und Quadraturstromeingaben und der Drehzahl 402 zu bestimmen.
Durch die Verwendung der Closed-Loop-Anordnung in der mit Bezug auf 4 gezeigten Weise zum Bestimmen der geschätzten Magnettemperatur T_{magnet_est}, mit zwei Blindleistungsberechnungen und dem Kompensator, ist die Regelungsroutine 200 robust gegenüber Umrichterverlusten und Variationen des Motorreihenwiderstands, der eine Funktion der Rotordrehzahl und der Temperatur ist. Als solches verwendet das mit Bezug auf 1 beschriebene System 100 eine elektrisch basierte Temperaturschätzmethode und ein zugehöriges System, das einen robusten Wert ohne Informationen über die thermischen Kapazitäten der verschiedenen Elemente der elektrischen Maschine und ohne die Notwendigkeit, die drehzahlbasierte Variation des Motor-Reihenwiderstands zur Temperaturschätzung zu kompensieren, liefert. Wenn das System 100 im Fahrzeug eingesetzt wird, ist es in der Lage, Fehler in einem Kühlsystem einer elektrischen Maschine zu überwachen und zu erkennen, um einen reduzierten Vortrieb zu bewirken, indem es (a) die Magnettemperatur auf der Grundlage von zwei unabhängigen Blindleistungsberechnungen mit Spannungsgleichungen im synchronen Bezugssystem und Blindleistungsberechnung mit Flusstabellen schätzt, (b) den Magnetschätzer entwirft und (c) die geschätzte Magnettemperatur und die Rotortemperatur aus dem thermischen Modell vergleicht.
Die vorliegende Offenbarung ist anfällig für Änderungen und alternative Formen, wobei in den Figuren repräsentative Ausführungsformen beispielhaft gezeigt und im Folgenden ausführlich beschrieben werden. Die erfinderischen Aspekte dieser Offenbarung sind nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr soll die vorliegende Offenbarung Modifikationen, Äquivalente, Kombinationen und Alternativen umfassen, die in den Anwendungsbereich der Offenbarung fallen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.
Während einige der bevorzugten Ausführungsformen und andere Ausführungsformen ausführlich beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen für die Ausübung der in den beigefügten Ansprüchen definierten gegenwärtigen Lehren. Diejenigen, die sich in dem Fachgebiet auskennen, werden erkennen, dass Änderungen an den offenbarten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Darüber hinaus schließen die vorliegenden Konzepte ausdrücklich Kombinationen und Unterkombinationen der beschriebenen Elemente und Merkmale ein. Die detaillierte Beschreibung und die Figuren sind unterstützend und beschreibend für die vorliegenden Lehren, wobei der Geltungsbereich der vorliegenden Lehren allein durch die Ansprüche definiert wird.

Claims

Ein Verfahren zum Steuern einer rotierenden elektrischen Maschine mit Permanentmagnet, die einen Stator und einen Rotor enthält, umfassend: Bestimmen eines ersten Blindleistungsterms, der mit der elektrischen Maschine verbunden ist, auf der Grundlage der Spannung; Bestimmen eines zweiten Blindleistungsterms, der mit der elektrischen Maschine verbunden ist, auf der Grundlage des Flusses; Bestimmen einer ersten Motortemperatur in Verbindung mit der elektrischen Maschine auf der Grundlage des ersten und zweiten Blindleistungsterms; und Steuern der Leistungsabgabe der Permanentmagnet-Elektromaschine auf der Grundlage der Temperatur des ersten Motors.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen des ersten, mit der elektrischen Maschine verbundenen Blindleistungsterms auf der Grundlage der Spannung, umfasst: Bestimmen einer Spannung, eines Stroms, einer Drehzahl und eines Drehmomentbefehls, die mit dem Betrieb der elektrischen Maschine verbunden sind; Bestimmen eines Flussterms auf der Grundlage des Drehmomentbefehls; Bestimmen eines ersten Statorspannungsterms auf der Grundlage der Drehzahl, des Strom- und des Flussterms; Bestimmen eines zweiten Statorspannungsterms auf der Grundlage der Drehzahl, des Strom- und des Flussterms; und Bestimmen des ersten Blindleistungsterms auf der Grundlage des ersten und zweiten Statorspannungsterms.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen des zweiten Blindleistungsterms, der mit der elektrischen Maschine verbunden ist, auf der Grundlage des Flusses, umfasst: Bestimmen eines Stromes und einer Drehzahl; Bestimmen einer Temperatur der elektrischen Maschine; Bestimmen eines ersten Flussterms auf der Grundlage des Stroms und der Temperatur der elektrischen Maschine; Bestimmen eines zweiten Flussterms auf der Grundlage des Stroms und der Temperatur der elektrischen Maschine; und Bestimmen des zweiten Blindleistungsterms auf der Grundlage der Drehzahl und des ersten und zweiten Flussterms.
Das Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Bestimmen des zweiten Blindleistungsterms, auf der Grundlage der Drehzahl und des ersten und zweiten Flussterms, das Bestimmen des zweiten Blindleistungsterms, auf der Grundlage der Drehzahl und einer Differenz zwischen dem ersten und zweiten Flussterm, umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Temperatur der elektrischen Maschine eine geschätzte Rotormagnettemperatur umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen der ersten Motortemperatur, die mit der elektrischen Maschine verbunden ist, auf der Grundlage des ersten und zweiten Blindleistungsterms, das Bestimmen einer Temperatur eines Rotormagneten der elektrischen Maschine umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Bestimmen einer zweiten Motortemperatur über ein thermisches Modell; Vergleichen der ersten Motortemperatur und der zweiten Motortemperatur; und Steuern der Leistungsabgabe der elektrischen Maschine mit Permanentmagnet auf der Grundlage des Vergleichs der Temperatur des ersten Motors und der Temperatur des zweiten Motors.
Das Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Steuern der Leistungsabgabe von der elektrischen Maschine mit Permanentmagnet auf der Grundlage des Vergleichs der Temperatur des ersten Motors und der Temperatur des zweiten Motors eine Herabsetzung der Leistungsabgabe von der elektrischen Maschine mit Permanentmagnet umfasst, wenn eine Differenz zwischen der Temperatur des ersten Motors und der Temperatur des zweiten Motors größer als ein Schwellenwert ist.
Das Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Steuern der Leistungsabgabe von der elektrischen Maschine mit Permanentmagnet auf der Grundlage des Vergleichs der ersten Motortemperatur und der zweiten Motortemperatur die Maximierung der Leistungsabgabe von der elektrischen Maschine mit Permanentmagnet umfasst, wenn eine Differenz zwischen der ersten Motortemperatur und der zweiten Motortemperatur kleiner als ein Schwellenwert ist.
Ein System, umfassend: eine rotierende elektrische Maschine mit Permanentmagnet mit einem Stator und einem Rotor; einen Wechselrichter; eine Steuerung, die operativ mit dem Umrichter gekoppelt ist und mit Strom-, Spannungs- und Drehzahlsensoren kommuniziert, die zur Überwachung der rotierenden elektrischen Maschine angeordnet sind, wobei die Steuerung einen Befehlssatz enthält, wobei der Befehlssatz ausführbar ist um: einen ersten Blindleistungsterm, der der elektrischen Maschine zugeordnet ist, auf der Grundlage der Spannung zu bestimmen; einen zweiten, der elektrischen Maschine zugeordneten Blindleistungsterm auf der Grundlage des Flusses zu bestimmen; eine erste mit der elektrischen Maschine verbundene Motortemperatur auf der Grundlage des ersten und zweiten Blindleistungsterms zu bestimmen; und die Leistungsabgabe der elektrischen Maschine mit Permanentmagnet über den Wechselrichter auf der Grundlage der ersten Motortemperatur zu steuern.