用溫度補償控制電動機的方法和系統的制作方法
【專利摘要】溫度估算模塊(104)基于與基準磁通強度相對比的工作磁通強度估算與電動機(117)的轉子相關聯的磁體的溫度變化，其中，所述基準磁通強度是在已知的環境溫度下并針對所述電動機的預定的工作范圍被確定的。溫度估算模塊(104)或系統(120)建立所估算的溫度變化與電動機(117)的目標輸出轉矩的磁轉矩分量之間的、符合所述預定的工作范圍的關系。電流調整模塊(107)或系統(120)根據所建立的關系調整用于所述電動機(117)的命令(例如，正交軸電流命令)，以補償與所估算的溫度變化相關聯的軸轉矩變化。
【專利說明】用溫度補償控制電動機的方法和系統
[0001]本發明根據35U.S.C.119(e)要求2011年2月23日提交的、名稱為“METHOD ANDSYSTEM CONTROLLING AN ELECTRICAL MOTOR WITH TEMPERATURE COMPENSATION”的第 61 /445，650號美國臨時申請的優先權。
【技術領域】
[0002]本發明涉及一種用溫度補償控制電動機的方法和系統。
【背景技術】
[0003]電動機可具有帶永磁體的轉子和定子，例如內置永磁體(IPM)電動機或IPM同步電動機。由于與轉子相關的磁體中的溫度變化，因此，內置永磁體(IPM)電動機或IPM同步電動機可能具有變化的磁場強度。依次地，如果磁場強度降低，電動機的輸出轉矩和運轉效率傾向于降低。與定子殼體或定子繞組相反，特定的電動機不具有用于測量轉子上的磁體的溫度的溫度傳感器。此外，轉子磁體溫度相對于定子繞組溫度或電動機的不同速度區域處的冷卻劑溫度可能具有被較差的限定的、不穩定或不一致的關系。因此，需要一種用溫度補償控制電動機的改進的方法和系統。

【發明內容】

[0004]根據一個實施例，公開了用于控制包括定子和帶有相關聯的轉子磁體的轉子的電動機的方法和系統。溫度估算模塊基于與基準磁通強度相對比的工作磁通強度估算與所述轉子相關聯的磁體的溫度變化，其中，所述基準磁通強度是在已知的環境溫度下并針對所述電動機的預定的工作范圍被確定的。溫度估算模塊或所述系統建立所估算的溫度變化與電動機的目標輸出轉矩的磁轉矩分量之間的、符合所述預定的工作范圍的關系。電流調整模塊或數據處理系統根據所建立的關系調整用于所述電動機的命令(例如，正交軸電流命令或正交軸電流)，以補償與所估算的溫度變化相關聯的軸轉矩變化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0005]圖1是用于用可溫度補償控制電動機的系統的一個實施例的方塊圖。
[0006]圖2是與圖1 一致的電子數據處理系統的方塊圖。
[0007]圖3是比圖1更詳細地示出了該系統的一部分的方塊圖。
[0008]圖4是用于用溫度補償控制電動機的方法的第一實施例的流程圖。
[0009]圖5是用于用溫度補償控制電動機的方法的第二實施例的流程圖。
[0010]圖6是用于用溫度補償控制電動機的方法的第三實施例的流程圖。
【具體實施方式】
[0011]根據一個實施例，圖1公開了用于控制電動機117 (例如，內永磁體(IPM)電動機)或其他交流電機的系統。在一個實施例中，除電動機117外，該系統可以被稱為逆變器或電動機控制器。
[0012]該系統包括電子模塊、軟件模塊,或以上二者。在一個實施例中，電動機控制器包括電子數據處理系統120，以支持一個或多個軟件模塊的軟件指令的存儲、處理或執行。電子數據處理系統120如圖1中的虛線所示，并且在圖2中被更詳細地示出。
[0013]電子數據處理系統120被連接到逆變器電路188。逆變器電路188包括半導體驅動電路，該半導體驅動電路驅動或控制切換半導體(例如，絕緣柵雙極晶體管(IGBT)或其他功率晶體管)以輸出用于電動機117的控制信號。依次地，逆變器電路188被連接到電動機117。電動機117與傳感器115(例如，位置傳感器、分解器或編碼器位置傳感器)關聯，傳感器115與電動機軸126或轉子相關聯。例如，傳感器115和電動機117被連接到數據處理系統120，以提供反饋數據(例如，諸如ia，ib，i。的電流反饋數據)、原始位置信號、以及其他可能的反饋數據或信號。例如，其他可能的反饋數據包括但不限于:繞組溫度讀數、逆變器電路188的半導體溫度讀數、三相電壓數據、或電動機117的其他熱學信息或性能信肩、O
[0014]在一個實施例中，轉矩指令生成模塊105被連接到d-q軸電流生成管理器109 (例如，d_q軸電流生成查找表)。d-q軸電流指的是可應用于矢量控制式交流電機(例如電動機117)中的直軸電流和正交軸電流。d-q軸電流生成管理器109的輸出和電流調整模塊107 (例如，d-q軸電流調整模塊)的輸出被提供給加法器119。依次地，加法器119的一個或多個輸出(例如，直軸電流數據(i/)和正交軸電流數據(1:)被提供或連接至電流調整控制器111。
[0015]電流調整控制器111能夠與脈沖寬度調制(PWM)生成模塊112 (例如，空間矢量PWM生成模塊)通信。電流調整控制器111接收相應的d-q軸電流指令(例如i/和i/)和實際d-q軸電流(例如id和g以及與d-q軸電壓指令(例如v/和 < 指令)相對應的輸出，用于輸入至PWM生成模塊112。
[0016]在一個實施例中，PWM生成模塊112例如將直軸電壓和正交軸電壓數據從兩相數據表示轉化為三相數據表示(例如，三相電壓表示，諸如va%VbmVc*)以用于電動機117的控制。PWM生成模塊112的輸出被連接到逆變器188。
[0017]逆變器電路188包括功率電子元件，如用于生成、修改和控制施加到電動機117的經脈沖寬度調制的信號或其他交流信號(例如，脈沖、方波、正弦波、或其他波形)的切換半導體。PWM生成模塊112向逆變器電路188內的激勵級(driver stage)提供輸入。逆變器電路188的輸出級提供經脈沖寬度調制的電壓波形或其他電壓信號，以用于電動機的控制。在一個實施例中，逆變器188由直流(DC)電壓總線供電。
[0018]電動機117與估算電動機軸126的角位置、電動機軸126的速度或轉速以及電動機軸126的旋轉方向中的至少一個的傳感器115(例如，分解器、編碼器、速度傳感器、或其他位置傳感器或速度傳感器)關聯。傳感器115可以被安裝到電動機軸126上或與之成一體。傳感器115的輸出能夠與主處理模塊114(例如，位置和速度處理模塊)通信。在一個實施例中，傳感器115被連接到模數轉換器(未示出)，所述模數轉換器將模擬位置數據或速度數據分別轉換為數字位置或速度數據。在其他實施例中，傳感器115(例如，數字位置編碼器)可提供電動機軸126或轉子的位置數據或速度數據的數字數據輸出。
[0019]主處理模塊114的第一輸出(例如，電動機117的位置數據和速度數據)被傳輸至相位變換器113(例如,三相變兩相電流帕克變換(Park transformation)模塊)，其中相位變換器113將各個測得的電流的三相數字表示轉換為測得的電流的兩相數字表示。主處理模塊114的第二輸出(例如，速度數據)被傳輸至計算模塊110(例如，經調整的電壓/速度比模塊)。
[0020]感測電路124的輸入被連接到電動機117的終端，以至少檢測被測量的三相電流和直流電流(Dc)總線(例如，向逆變器電路188提供Dc功率的高壓Dc總線)的電壓電平。感測電路124的輸出被連接到模數轉換器122，以將感測電路124的輸出數字化。依次地，模數轉換器122的數字輸出被連接到輔助處理模塊116(例如，直流(Dc)總線和三相電流處理模塊)。例如,感測電路124與電動機117相關聯以用于測量三相電流(例如，施加到電動機117的繞組的電流，感應到所繞組中的反電動勢，或以上二者)。
[0021]主處理模塊114和輔助處理模塊116的一些輸出被提供給相位變換器113。例如，相位變換器113可應用帕克變換或其他轉換等式(例如，對于本領域普通技術人員而言已知的適當的特定的轉換等式)以基于來自輔助處理模塊116的數字三相電流數據和來自傳感器115的位置數據將測得的三相電流表示轉換為二相電流表示。相位變換器113的輸出被連接到電流調整控制器111。
[0022]主處理模塊114和輔助處理模塊116的其他輸出可以被連接到計算模塊110(例如，經調整的電壓/速度比計算模塊)的輸入。例如，主處理模塊114可提供速度數據(例如，電動機軸126的每分鐘轉數)，而輔助處理模塊116可提供(例如，在車輛的直流(Dc)總線上)測得的直流電壓電平。向逆變器電路188供電的DC總線上的直流電壓電平可因為各種因素(包括但不限于:環境溫度、電池狀況、電池充電狀態、電池電阻或電抗、燃料電池狀態(如果可使用的話)、電動機負載狀況、各自的電動機轉矩和相應的運轉速度、以及車輛電負載(例如，電驅動的空調壓縮機))而波動或變化。計算模塊110被作為媒介連接在輔助處理模塊116和d-q軸電流發生管理器109之間。計算模塊110的輸出可調整或影響由d-q電流生成管理器109生成的電流指令，以補償直流總線電壓中的波動或變化及其他情況。
[0023]轉子磁體溫度估算模塊104、電流成形模塊106、和終端電壓反饋模塊108被連接到d-q軸電流調整模塊107或能夠與d-q軸電流調整模塊107通信。依次地，d-q軸電流調整模塊107可與d-q軸電流生成管理器或加法器119通信。
[0024]轉子磁體溫度模塊104估算或確定一個或多個轉子永磁體的溫度。在一個實施例中，轉子磁體溫度估算模塊104可通過內部控制變量計算、位于定子上或者與定子熱連通或者固定到電動機117的外殼上的一個或多個傳感器估算轉子磁體的溫度。例如，轉子磁體溫度估算模塊可估算或促進轉子溫度的確定或電流調整，該電流調整基于通過觀察電動機117在環境或基準溫度下的磁場強度或可利用的轉矩中的變化估算出的溫度與實際升高的工作溫度之間的關系。
[0025]在一個替換實施例中，轉子磁體溫度估算模塊104可被位于定子上、與定子熱連通的或者固定到電動機117的外殼上的一個或多個傳感器替代或可依據這些傳感器估算轉子磁體的溫度。
[0026]在另一替換實施例中，轉子磁體溫度估算模塊104可被安裝在轉子或磁體上的溫度檢測器(例如，熱敏電阻或被連接到無線變送器的紅外線感熱器)替代，其中，所述檢測器提供指示一個或多個磁體的溫度的信號(例如，無線信號)。
[0027]在一個實施例中，所述方法或系統可以下述方式進行操作。轉矩命令生成模塊105通過車輛數據總線118接收輸入控制數據信息，例如速度控制數據信息、電壓控制數據信息、或轉矩控制數據信息。轉矩命令生成模塊105將接收到的輸入控制信息轉化為轉矩控制命令數據316。
[0028]d-q軸電流生成管理器109選擇或確定與各個轉矩控制命令數據和各個檢測到的電動機軸126速度數據有關的直軸電流命令數據和正交軸電流命令數據。例如，d-q軸電流生成管理器109通過訪問下述一個或多個項來選擇或確定直軸電流命令、正交軸電流命令:(1)將各個轉矩命令與相應的直軸或正交流電流關聯起來的查找表、數據庫或其他數據結構，(2)將各個轉矩命令與相應的直軸或正交流電流關聯起來的二次等式組或線性等式組，或(3)將各個轉矩命令與相應的直軸或正交流電流關聯起來的一組規則(例如“如果-則”(if-then)規則)。[0029]電動機117上的傳感器115有利于從電動機軸126提供檢測到的速度數據，其中，主處理模塊114可將由傳感器115提供的位置數據轉化為速度數據。
[0030]電流調整模塊107 (例如，d-q軸電流調整模塊)提供電流調整數據以基于來自轉子磁體溫度估算模塊104、電流成形模塊106、和終端電壓反饋模塊108的輸入數據調整直軸電流命令數據和正交軸電流命令數據。
[0031]電流成形模塊106可基于以下一個或多個因素確定正交軸(q軸)電流命令和直軸(d軸)電流命令的校正或初步調整:例如，電動機117上的轉矩載荷和電動機117的速度。轉子磁體溫度估算模塊104可基于例如在已知的環境溫度以及已知的操作條件下轉子磁體的轉子溫度或磁場強度相對于特征化的轉子溫度或磁場強度的估算變化生成對于q軸電流命令和d軸電流命令的二次調整值。終端電壓反饋模塊108可基于控制器電壓命令與電壓極限的關系(versus)提供對于d軸電流命令和q軸電流命令的第三次調整。電流調整模塊107可提供考慮了一個或多個下述調整的合并的電流調整:初步調整、二次調整和第三次調整。
[0032]在一個實施例中，電動機117可包括內置永磁體(IPM)電機或同步IPM電機(IPMSM)。相對于傳統的感應電機或表面安裝式PM電機(SMPM)而言，IPMSM具有許多優點，例如，高效率、高功率密度、寬的恒定功率工作區域、免維護。
[0033]如果電動機117包括IPMSM，則由兩個分量(磁轉矩和磁阻轉矩)構成的輸出轉矩如下:
【權利要求】
1.一種用于控制電動機的方法，所述電動機包括定子和帶有相關聯的磁體的轉子，所述方法包括下述步驟: 基于與基準磁通強度相對比的工作磁通強度估算與所述電動機的所述轉子相關聯的磁體的溫度的變化，其中，所述基準磁通強度是在已知的環境溫度下并針對所述電動機的預定的工作范圍被確定的； 建立所估算的溫度變化與所述電動機的目標輸出轉矩的磁轉矩分量之間的、符合所述預定的工作范圍的關系；以及 根據所建立的關系調整用于所述電動機的命令，以補償與所估算的溫度變化相關聯的軸轉矩變化。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述工作磁通強度是從工作正交軸電壓命令獲得的，并且其中，所述基準磁通強度是從基準正交軸電壓命令獲得的。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，建立所述關系的步驟包括確定作為所述基準磁通強度、直軸電流 命令、正交軸電流命令、直軸電感和正交軸電感的函數的所述目標輸出轉矩的所述磁轉矩分量。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，調整用于所述電動機的命令的步驟還包括調整正交軸電流命令。
5.根據權利要求1所述的方法，其中，調整用于所述電動機的命令的步驟還包括響應于溫度的增加而增加正交軸電流命令。
6.根據權利要求1所述的方法，其中，調整用于所述電動機的命令的步驟還包括基于所估算的溫度變化和所述目標輸出轉矩的磁轉矩分量調整正交軸電流命令。
7.根據權利要求6所述的方法，其中，所估算的溫度變化是根據下述等式確定的:
8.根據權利要求6所述的方法，其中，根據下列等式確定所述磁轉矩分量:
9.根據權利要求1所述的方法，其中，所述關系是依據下面的等式被確定的:
10.根據權利要求1所述的方法，其中，所述命令是依據下述等式被確定的:
11.一種用于控制電動機的系統，其中，所述電動機包括定子和帶有相關聯的磁體的轉子，所述系統包括: 數據處理器，該數據處理器基于與基準磁通強度相對比的工作磁通強度估算與所述轉子相關聯的磁體的溫度變化，其中，所述基準磁通強度是在已知的環境溫度下并針對所述電動機的預定的工作范圍被確定的； 溫度估算模塊，該溫度估算模塊建立所估算的溫度變化與所述電動機的目標輸出轉矩的磁轉矩分量之間的、符合所述預定的工作范圍的關系；和 電流調整模塊，該電流調整模塊根據所建立的關系調整用于所述電動機的命令，以補償與所估算的溫度變化相關聯的軸轉矩變化。
12.根據權利要求11所述的系統，其中，所述數據處理器被設置成從工作正交軸電壓命令獲得所述工作磁通強度，并且其中，所述數據處理器被設置成從基準正交軸電壓命令獲得所述基準磁通強度。
13.根據權利要求11所述的系統，其中，所述數據處理器適于執行所述溫度估算模塊的軟件指令，以建立所述關系，其中所述關系包括作為所述基準磁通強度、直軸電流命令、正交軸電流命令、直軸電感和正交軸電感的函數的所述目標輸出轉矩的磁轉矩分量。
14.根據權利要求11所述的系統，其中，所述命令包括正交軸電流命令。
15.根據權利要求11所述的系統，其中，所述命令包括響應于所述溫度的增加而相應地增加正交軸電流命令。
16.根據權利要求11所述的系統，其中，所述命令包括基于所估算的溫度變化和所述目標輸出轉矩的磁轉矩分量對正交軸電流命令做出的調整。
17.根據權利要求16所述的系統，其中，所估算的溫度變化是由述數據處理器根據下述等式確定的:
18.根據權利要求6所述的系統，其中，所述磁轉矩分量是由所述數據處理器根據下列等式確定的:
19.根據權利要求11所述的系統，其中，所述關系是由所述數據處理器依據下述等式確定的:
20.根據權利要求11所述的系統，其中，所述命令是由所述數據處理器依據下述等式確定的:
【文檔編號】H02P7/00GK103931096SQ201280010251
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2012年2月20日 優先權日:2011年2月23日
【發明者】吳隆, 羅伯特·肖 申請人:迪爾公司