使用状态观测器确定同步电机中内部温度的方法和系统

摘要

本发明涉及一种使用状态观测器确定同步电机(4)中内部温度(2)(线圈和磁体温度)的方法，状态观测器用于线圈的电阻和磁体的磁通量。本发明还涉及一种诊断方法、控制方法和系统(3)，用于根据由此确定的内部温度控制同步电机。图1将被公布。

说明书

技术领域

本发明涉及同步电机的控制和诊断范围，尤其是用于机动车辆。

背景技术

同步电机包括旋转的部件，转子，以及静止的部件，定子。该转子可由永磁铁或DC供电的线圈以及磁电路(被称为电磁铁)组成。定子包括三相，每一相连接有至少一个线圈(也称为绕组)，并且这三个线圈被供以功率和电压。外力被用于旋转转子：定子线圈(绕组)中的交变电流感应出的磁场导致转子旋转。该旋转磁场的速度被称为“同步转速”。

为了控制和诊断这种电机，重要的是了解电机的内部。实际上，可以以电机转矩矢量控制的常规方式使用温度信息。因此，关于温度上升的电机性能变化可以被考虑：例如，磁通量强度和线圈阻抗不是恒定的，它们随着温度变化。称为矢量控制是因为，对于产生应用所需转矩的机器，在其中流通的电流必须保持同相并且与转子的位置同步。因此，控制电机的装置将电压施加到电机的端子上，这些电压由转矩控制算法提供。

电机的内部温度对应于线圈的温度以及集成在转子中的磁体(或电磁体)的温度。此外，电机框架的温度也可以被用于控制和诊断。所谓框架包括定子的铁磁材料，用作支撑件并包括线圈。

设置在电机中的温度检测器可以用于确定这些温度。然而，这类检测器不能设置在旋转的转子上，因此磁体的温度不是已知的。此外，检测器仅允许测量线圈或框架表面上的温度，而不是材料中的温度。此外，这种设备包括其他缺点，例如不准确的测量、存在测量噪声，检测器故障风险、高成本等。

此外，已经开发了算法，根据电机上执行的测量来确定内部温度。在现有技术中描述的算法单独地重构磁体的温度或线圈的温度，根据随这些温度变化的物理量的电测量来估算它们。然而，它们可分为两大类：

·基于特定信号的输入，其需要在电机的端子上施加特定电压，从而可以提取有关内部温度的电机物理参数，

·在电机输入端不需要特定信号，它们仅基于其性能的(实时估算器或观测器)数学描述。

此外，这些解决方案仅被用于监测电机，而非控制它。

因此，没有可以同时且精确地确定线圈和磁体的温度的材料或算法的方案。

为了克服这些问题，本发明涉及一种使用状态检测器确定内部温度(线圈和磁体温度)的方法，状态观测器用于线圈的电阻和磁体的磁通量。因此，可以精确地确定电机的所有部件的温度。本发明还涉及一种诊断方法、控制方法和系统，用于根据由此确定的内部温度控制电机。

发明内容

本发明涉及一种确定同步电机中的内部温度的方法，所述同步电机包括定子和转子，定子由三相组成，每一相连接有至少一个线圈，转子包括至少一个磁体，所述线圈的磁场使所述转子旋转，该方法中测量了所述转子的速度Ω_m，以及所述相的电流i_m和电压u_m。该方法执行以下步骤：

a)根据所述测量，通过线圈的阻抗的状态观测器估算所述线圈的阻抗所述阻抗取决于所述线圈的温度T_cu，

b)根据所述测量，通过磁体的磁通量的强度的状态观测器，估算所述磁体的磁通量的强度所述磁通量强度取决于磁体的温度T_ai。

c)通过线圈的阻抗的所述估算值，确定所述线圈的温度T_cu，以及

d)通过磁体的磁通量的强度的所述估算值，确定所述磁体的温度T_ai。

根据本发明，线圈的所述阻抗通过执行以下步骤来估算：

i)通过所测量的电压u_m和电流i_m的变换，在Park’s参考系中确定电压u_d，q和电流i_d，q，

ii)通过以下类型的方程估算电流和电流

$>L_d{\stackrel{.}{\hat{i}}}_d=-\hat{R}\left(T_{\mathrm{cu}}\right){\hat{i}}_d+p{\Omega }_m{L}_q{\hat{i}}_q+u_d-k_d(i_d-{\hat{i}}_d)$>

$>L_q{\stackrel{.}{\hat{i}}}_q=-\hat{R}\left(T_{\mathrm{cu}}\right){\hat{i}}_q-{\mathrm{p\Omega }}_m(L_d{\hat{i}}_d+\hat{\phi }\left(T_{\mathrm{ai}}\right))+u_q-k_p(i_d-{\hat{i}}_d);$>以及

iii)通过所述测量和所述电流和估算线圈的所述阻抗所述电流和是通过以下形式的状态观测器估算的：

$>\stackrel{.}{\hat{R}}\left(T_{\mathrm{cu}}\right)=k_r(i_d\frac{(i_d-{\stackrel{.}{\hat{i}}}_d)}{L_d}+i_q\frac{(i_q-{\stackrel{.}{\hat{i}}}_q)}{L_q})$>

其中：L_d：所述电机的直接电感，

L_q：所述电机的正交电感，

k_d，k_r，k_p，校准变量，

p：电机的极对的数量。

根据本发明，磁体的所述磁通量强度通过执行以下步骤来估算：

i)通过所测量的电压u_m和电流i_m的变换，在Park’s参考系中确定电压u_d，q和电流i_d，q，

ii)通过以下类型的方程估算电流和电流

$>L_d{\stackrel{.}{\hat{i}}}_d=-\hat{R}\left(T_{\mathrm{cu}}\right){\hat{i}}_d+p{\Omega }_m{L}_q{\hat{i}}_q+u_d-k_d(i_d-{\hat{i}}_d)$>

$>L_q{\stackrel{.}{\hat{i}}}_q=-\hat{R}\left(T_{\mathrm{cu}}\right){\hat{i}}_q-{\mathrm{p\Omega }}_m(L_d{\hat{i}}_d+\hat{\phi }\left(T_{\mathrm{ai}}\right))+u_q-k_p(i_d-{\hat{i}}_d);$>以及

iii)通过所述测量和所述电流和估算磁体的所述磁通量强度所述电流和是通过以下形式的状态观测器估算的：

$>\stackrel{.}{\hat{\phi }}\left(T_{\mathrm{ai}}\right)=k_{\phi }\left({\mathrm{p\Omega }}_m\frac{(i_q-{\stackrel{.}{\hat{i}}}_q)}{L_q}\right)$>

其中：L_d：所述电机的直接电感，

L_q：所述电机的正交电感，

k_d，k_r，k_p，校准变量，

p：电机的极对的数量。

有利地，所述线圈的所述温度T_cu是通过以下形式的方程确定的：其中R₀是所述线圈在参考温度T_ref下的参考阻抗，α是所述线圈的恒定温度阻抗参数。

有利地，所述磁体的所述温度T_ai是通过以下形式的方程确定的：其中是所述磁体在参考温度T_ref下的参考磁通量强度，β是所述磁体的恒定温度阻抗参数。

此外，方法可以包括在估算线圈阻抗和磁体的磁通量强度的步骤之前预处理电气量的步骤。

优选地，所述电气量y的预处理是通过将测量的电信号y_m分解成余弦和正弦函数之和来实现的，这取决于所测量的转子位置θ_m，系数a_i，b_i是由标识确定的，然后保存第一项：y_f＝a₁cos(θ_m)+b₁sin(θ_m)。

根据本发明的一个实施例，通过线圈的所述温度T_cu和磁体的T_ai以及所述电机的能量损耗，确定所述电机框架的温度T_fer。

优选地，所述框架的所述温度T_fer是通过以下类型的方程确定的：

$>\left(\begin{array}{ccc}\stackrel{.}{\hat{T}}=\mathrm{AT}+\mathrm{KC}(\hat{T}-T)+\mathrm{BP}& \mathrm{with}& T=(T_{\mathrm{fer}}{,T}_{\mathrm{cu}},T_{\mathrm{ai}}),\end{array}\right)$>P＝(P_fer，P_joules，P_m)，P_fer对应于所述电机的铁损耗，P_joules对应于所述电机的焦耳损耗，P_m对应于所述电机的机械损耗，K是增益，A是热模型的恒定矩阵，$>B=\left(\begin{array}{c}1\\ 1\\ 1\end{array}\right),$>C＝[0 1 1]。

本发明还涉及一种用于同步电机的诊断方法，其中执行以下步骤：

-根据上述方法确定所述电机的所述内部温度，以及

-根据所述确定的温度诊断所述同步电机的过热。

此外，本发明涉及一种控制同步电机的方法，其中执行以下步骤：

-根据上述方法确定所述电机的所述内部温度，以及

-根据所述确定的温度控制所述同步电机的转矩。

本发明还涉及一种控制同步电机的系统，该系统适于实施上述的控制方法。

本发明还涉及一种电动车辆，其包括至少一个同步电机，所述车辆还包括上述的控制系统。

附图说明

通过阅读非限制方式给出的实施例后续的说明并参照附图，根据本发明的方法的其它特征和优点将变得显而易见，其中：

-图1示出了根据本发明的同步电机的控制，

-图2是根据本发明的方法的流程图，以及

-图3示出了使用状态观测器确定温度的步骤的一个实施例。

具体实施方式

需要提醒的是，根据本发明的方法适用于同步电机。这种电机包括旋转的部件，转子，以及静止的部件，定子。旋转部件包括至少一个磁体(或电磁体)。该定子包括至少三个分布在三相之间的线圈，这些线圈(通常由铜制成)被交替地供电，从而产生适合于旋转所述转子的磁场。线圈由框架支撑，框架通常由铁制成，也被称为壳体。

图1示出了通常由三相组成的同步电机的控制。该电机可以是永磁体、受控激励或双激励的类型。电机(4)设有至少一个测量位置和/或转子速度的装置，以及测量相电压和电流的装置；这些测量装置未示出。电机的控制装置(1)由确定电机(4)的内部温度(线圈、磁体以及可选的框架的温度)的装置(2)以及控制电机(4)转矩的装置(3)组成。内部温度确定装置(2)根据转子速度Ω_m的测量和电压u_m和电流i_m的测量确定了温度。这些是电机(4)的三相中的每一相的电流和电压。转矩控制装置(3)根据内部温度、速度Ω_rot以及电压u_m和电流i_m，将电压施加于电机端子上，以便为电机(4)提供转矩设定值。

符号

在说明书中使用以下符号：

u：电机各相的端子上的电压

i：电机各相中流通的电流

θ：转子位置，其对应于电机转子相对于定子的旋转角度

Ω：转子速度，其对应于电机转子相对于定子的旋转速度

T_cu：电机线圈的温度

T_ai：电机转子的磁体的温度

T_fer：电机框架的温度

T：三维的温度向量，即T＝(T_fer，T_cu，T_ai)

T_ref：参考温度，大致20℃

φ：转子磁体的磁通量的强度，可随着线圈温度T_cu变化

φ₀：参考温度T_ref下的参考磁通量的强度，取决于制造商的数据

R：电机线圈的阻抗，可随着磁体温度T_ai变化

R₀：参考温度T_ref下的参考线圈的阻抗，取决于制造商的数据

L_d：所述电机的直接电感，它是已知的电机参数(制造商的数据或实验获得)

L_q：所述电机的正交电感，它是已知的电机参数(制造商的数据或实验获得)

P_joules：由于焦耳效应产生的电机能量损耗，这是制造商的数据，可以以地图的形式给出，作为电机的转矩和速度的函数

P_fer：电机框架中的能量损耗，这是制造商的数据，可以以地图的形式给出，作为电机的转矩和速度的函数

P_m：电机中的机械能量损耗，这是制造商的数据，可以以地图的形式给出，作为电机的转矩和速度的函数

P：三维的损耗向量，即P＝(P_fer，P_joules，P_m)

p：电机的极对的数量

α：所述线圈的恒定温度阻抗参数，取决于线圈材料的电阻率

β：所述磁体的恒定温度阻抗参数，取决于磁体

k_d，k_q，k_r，校准变量，允许状态观测器的收敛被控制

K：热模型的校准增益

A：热模型的恒定矩阵

B：恒定列向量，$>B=\left(\begin{array}{c}1\\ 1\\ 1\end{array}\right)$>

C：恒定行向量，C＝[0 1 1]。

这些符号，由_{_m}索引，代表所测量的值。所估算的值由扬抑符表示。时间导数是由点来表示。由_{_d}或_{_q}索引的符号意味着数是用Park’s参考系表示。

本发明可以确定电机的内部温度。

图2描述了根据本发明的方法的各个步骤：

1)预处理电气量(PRE)

2)估算线圈和磁体的温度(OBS)

3)估算框架的温度(MTH)。

预处理电气量(PRE)的步骤和估算框架温度(MTH)的步骤是可选的步骤。

在这些步骤之前，测量电机各相中的电流i和电压u，以及转子位置θ和转子速度Ω。

根据本发明，使用测量值确定转子位置θ和转子速度Ω。为了实现这种测量，可以使用任何类型的检测器，尤其是低成本的位置检测器，其可以限制准备成本。特别地，它可以是霍尔效应传感器或电感检测器。可以使用单个位置检测器，因为可以根据位置推断出旋转速度。可替换地，估算算法可以被用于确定这些量。特别地，这种算法的例子在申请号为FR-11/03,994的专利申请中特别描述了。

通过控制提供给同步电机各相中的电力的电压和电流，控制同步电机的转矩。为了最优地控制该电机，需要通过电压和电流检测器来测量相端子处的电压u_m以及在其中流通的电流i_m。

1)预处理电气量(PRE)

电气量的测量通常包括测量噪声，其导致估算各种内部温度的不准确性。为了解决这一问题，预处理(PRE)电气量的步骤(在图2中以虚线表示)可以在估算温度(OBS)之前执行。这种预处理允许对所测量的量进行滤波，并因此改进内部温度估算量。

根据本发明的一个实施例，预处理电气量y(电压或电流)是通过将测量的电信号y_m分解为成余弦和正弦函数之和来实现的，这取决于所测量的位置：系数a_i，b_i是由标识确定的。注意的是，在N＝3或N＝4实际中，允许测量数据的正确处理。然后只保存第一项(N＝1)：y_f＝a₁cos(θ_m)+b₁sin(θ_m)。然后预处理的量被用于下文中限定的状态观测器。

2)估算线圈和磁体的温度(OBS)

绕组温度和磁体的估算(OBS)是根据使用两个状态观察器的测量(可能是预处理的)实现的：线圈的阻抗R和磁体的磁通量φ。

根据本发明的一个实施例，该步骤可以包括两个不可分割的部分，如图3所示，如下：

·电机磁体的磁通量强度以及线圈阻抗的估算(OBS(R，φ))，以及

·根据估算的磁通量和阻抗对温度的重构(DET(T))。

对于该步骤，我们需要Park参考系，因此我们将三相电气量变换为分别由d和q标示的二维的量，即直接和正交。实际上，Park变换是一种用于电气工程的数学工具，用来在两相或三相轴系统中执行参考系的变换。它通常用于将有关电机定子的“静止的”参考系变换为有关它的转子或磁场的旋转的参考系。

为了构建根据本发明的状态观测器，我们使用如下类型的同步电机状态空间值作为基础：

$>L_d{\stackrel{.}{i}}_d=-R\left(T_{\mathrm{cu}}\right)i_d+{\mathrm{p\Omega }}_m{L}_q{i}_q+u_d$>

$>L_q{\stackrel{.}{i}}_q=-R\left(T_{\mathrm{cu}}\right)i_q-{\mathrm{p\Omega }}_m(L_d{i}_d+\phi \left(T_{\mathrm{ai}}\right))+u_q.$>

磁通量φ和阻抗R是不可测量的，而且它们根据电机的运行温度变化。

然后，可以将观测器设计为提供如下类型的电流(i_d，i_q)的估算值的实时计算：

$>L_d{\stackrel{.}{\hat{i}}}_d=-\hat{R}\left(T_{\mathrm{cu}}\right){\hat{i}}_d+p{\Omega }_m{L}_q{\hat{i}}_q+u_d-k_d(i_d-{\hat{i}}_d)$>

$>L_q{\stackrel{.}{\hat{i}}}_q=-\hat{R}\left(T_{\mathrm{cu}}\right){\hat{i}}_q-{\mathrm{p\Omega }}_m(L_d{\hat{i}}_d+\hat{\phi }\left(T_{\mathrm{ai}}\right))+u_q-k_p(i_d-{\hat{i}}_d)$>

其中和是绕组阻抗和磁体磁通量的估算值。这些量通过以下类型的状态观测器实时计算的：

$>\stackrel{.}{\hat{R}}\left(T_{\mathrm{cu}}\right)=k_r(i_d\frac{(i_d-{\stackrel{.}{\hat{i}}}_d)}{L_d}+i_q\frac{(i_q-{\stackrel{.}{\hat{i}}}_q)}{L_q})$>

$>\stackrel{.}{\hat{\phi }}\left(T_{\mathrm{ai}}\right)=k_{\phi }\left({\mathrm{p\Omega }}_m\frac{(i_q-{\stackrel{.}{\hat{i}}}_q)}{L_q}\right).$>

对于这些方程，k_d，k_r，k_p，是校准变量，允许状态观测器的收敛率被控制。

根据上述方程，可以估算朝着R(T_cu)和的真实值收敛的阻抗和磁通量然后可以根据状态观测器估算的值，通过变换下列方程来重构各种温度：

$>\hat{R}=R_0(1+\alpha (T_{\mathrm{cu}}-T_{\mathrm{ref}}))$>

$>\hat{\phi }={\phi }_0(1+\beta (T_{\mathrm{ai}}-T_{\mathrm{ref}})).$>

在这些方程中，φ₀对应于参考温度T_ref(通常选择为等于20℃)下的参考磁通量的强度，它是制造商的数据，R₀对应于参考温度T_ref下的参考线圈的阻抗，它也是制造商的数据，α和β是铜(线圈)和磁体的温度阻抗系数，这些参数是恒定的，而且取决于材料的电阻率。

因此，通过(用于线圈的阻抗和磁体的磁通量的)两个状态观察器，可以确定电机的两种内部温度：线圈温度T_cu和磁体温度T_ai。

3)估算框架的温度(MTH)

根据本发明，也可估算电机框架的温度。这种估算可以根据线圈和磁体的温度T_cu和T_ai来执行，其考虑到电机中各种能量损耗。

根据本发明的一个实施例，框架的温度可以基于电机的热模型(MTH)和前面步骤中获得的温度观测值，通过第二观测器来确定。

同步电机的热值可以写成如下：

$>\stackrel{.}{T}=\mathrm{AT}+\mathrm{BP}$>

y＝CT＝(T_cu，T_ai)

其中A是热模型的恒定矩阵，$>B=\left(\begin{array}{c}1\\ 1\\ 1\end{array}\right),$>且C＝[0 1 1]。

矩阵A可以通过综合热模型的识别来获得。由于它是综合的，所以不能在控制系统中在线使用。理念是构造一种降阶的模型(T＝AT+BP)，其可通过识别A，根据综合模型在线工作。该降阶的模型(T＝AT+BP)然后被用于估算铁的温度。

实时计算框架(定子中存在的铁，用作支架并且包括绕组)的温度T_fer的估算值的观测器被设计为按照以下类型的方程：

$>\stackrel{.}{\hat{T}}=\mathrm{AT}+\mathrm{KC}(\hat{T}-T)+\mathrm{BP}$>

增益K允许控制估算温度对实际值T的收敛率。

本方法的所有步骤可由计算机工具执行，尤其是电机的控制器。因此，电机的各种内部温度可以被实时确定。

此外，本发明涉及一种用于同步电机的诊断方法，其中执行以下步骤：

-通过上述方法确定所述电机的所述内部温度(线圈、磁体以及可选的框架的温度)，以及

-根据所确定的温度，诊断电机或其一个部件(线圈、磁体、框架)的过热，例如当所确定的温度高于制造商和/或用户所限定的阈值时。

本发明还涉及一种控制同步电机的方法，其中执行以下步骤：

-通过上述方法确定所述电机的所述内部温度(线圈、磁体以及可选的框架的温度)，以及

-根据所述确定的温度，控制所述同步电机的转矩。这一步骤可以使用任何常规的电机转矩矢量控制的装置来执行，除了温度，还考虑到测量的电压和电流以及转子位置和速度测量。考虑电机的控制温度能够精确地确定电机的性能，这使得能够完成适于其操作的控制。

此外，本发明涉及一种控制同步电机的系统，其适于实施上述控制方法。这种用于控制电机(4)的系统(1)在图1中示出。电机的控制装置(1)由确定电机(4)的内部温度(线圈、磁体以及可选的框架的温度)的装置(2)以及控制电机(4)转矩的装置(3)组成。确定内部温度的装置(2)根据所述转子的速度Ω_m的测量以及电压和电流u_m和i_m的测量确定了温度。这些是电机(4)的三相中的每一相的电压和电流。转矩控制装置(3)根据内部温度、速度Ω_rot以及电压u_m和电流i_m，将电压施加于电机端子上，以便为电机(4)提供转矩设定值。

该控制系统可用于车辆上的同步电机，尤其是电动或混合动力的汽车中。然而，所述的控制系统不局限于该应用，它适用于所有的同步电机的应用。