用于马达的退磁诊断设备和用于马达控制设备的退磁诊断方法

摘要

脉冲电压发生器7计算校正后的脉冲电压施加时间Ton’。脉冲电压发生器7还在校正后的脉冲电压施加时间Ton’的持续时间内将电压向量V1‑V12当中最接近转子相位γ的电压向量作为电压向量命令V+*输出。电流检测器8检测电力转换器3的三相输出电流Iu、Iv、Iw，该三相输出电流Iu、Iv、Iw是在电力转换器3的第一至第六开关元件基于电压向量命令V+*而接通和关断时取得的。三相/两相转换器9将三相输出电流Iu、Iv、Iw转换成两相输出电流以输出d轴电流Id。当在经过校正后的脉冲电压施加时间Ton’之后的d轴电流Id小于或等于退磁确定阈值时，退磁确定器10确定在马达4的转子的永磁体中发生了退磁。这提高了用于马达的退磁诊断设备中的退磁诊断的精度。

说明书

技术领域

本发明涉及用于马达的退磁诊断设备和用于马达控制设备的退磁诊断方法。

背景技术

图5示出了用于车载马达驱动系统的配置的示例。电池1的电压由升压电路2升压并施加到电容器C。然后，电容器C的电压通过逆变器3(即，电力转换器)转换成交流电压并施加到PM马达4，其使PM马达4旋转。如图6中所示，逆变器3包括连接到U相、V相和W相的臂的第一至第六开关元件U+、U-、V+、V-、W+和W-。

图7示意性地示出了PM马达4的配置。PM马达4在其内部侧包括转子5，该转子5由包括N极和S极的永磁体构成。此外，PM马达4在其外部侧包括定子，该定子包括连接到逆变器3的U相绕组6U、V相绕组6V和W相绕组6W。由永磁体构成的转子5响应于通过从逆变器3向U相绕组6U、V相绕组6V和W相绕组6W施加电压而在PM马达4内部生成的磁场而旋转。

转子5的永磁体可能由于老化而经历磁通量的劣化(即，退磁)。这会阻止PM马达4以预期扭矩被驱动。因此，车载马达驱动系统要求检测由于老化引起的退磁的功能。

专利文献3公开了用于退磁诊断的现有技术。专利文献3的图7示出了通过根据在马达停止期间施加d轴脉冲电压Vd达预定时间段时的电流斜率估计磁通量来执行退磁诊断的技术。

此外，能够修改专利文献3以产生另一种技术，该技术用于基于在马达停止期间施加d轴脉冲电压Vd达预定时间段时的d轴电流值来执行退磁诊断。

但是，这种经修改的技术被配置为基于图2中所示的电压向量命令生成用于退磁诊断的d轴电流值，其中电压向量命令具有被限制到十二个种类的相位。根据永磁体的转子相位位置的条件，这造成用于退磁诊断的d轴电流值的误差，并由此抑制以高精度执行退磁诊断。

鉴于上述情况，期望提高由用于马达的退磁诊断设备执行的退磁诊断的精度。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：JP 2011-200019 A

专利文献2：JP 2008-043153 A

专利文献3：JP 6158115 B2

发明内容

本发明要解决的问题

鉴于上述常规问题，根据本发明的一个方面，一种设备包括：电力转换器，该电力转换器包括：第一开关元件和第二开关元件，在电容器第一端和第二端之间彼此串联连接；第三半导体元件和第四半导体元件，在电容器的第一端和第二端之间彼此串联连接；以及第五开关元件和第六开关元件，在电容器的第一端和第二端之间彼此串联连接；马达，该马达包括：第一绕组，连接到第一开关元件和第二开关元件之间的共同连接点；第二绕组，连接到第三开关元件和第四开关元件之间的共同连接点；以及第三绕组，连接到第五开关元件和第六开关元件之间的共同连接点；脉冲电压发生器，其通过下面的数学表达式5计算校正后的脉冲电压施加时间段，并且从下面的表1中所示的电压向量V1至V12中选择最接近马达的转子的转子相位的电压向量，并且将所选择的电压向量作为电压向量命令输出达校正后的脉冲电压施加时间段；电流测量仪器，其测量当电力转换器的第一至第六开关元件响应于电压向量命令而根据表1接通或关断时输出的电力转换器的三相的输出电流；三相/两相转换器，其将三相的输出电流转换成两相的输出电流，并且输出d轴电流；以及退磁确定器，其响应于满足如下条件而确定在马达的转子的永磁体中发生退磁，所述条件是经过校正后的脉冲电压施加时间段之后的d轴电流小于或等于退磁确定阈值。

[数学表达式5]

Ton'＝Ton/cos(Δs)…(5)

Ton:校正前的脉冲电压施加时间段(固定值)

Ton’:校正后的脉冲电压施加时间段

Δθ:当前的转子相位γ与电压向量命令的相位之间的差的绝对值

[表1]

根据本发明的另一方面，一种设备包括：电力转换器，包括：电力转换器，该电力转换器包括：第一开关元件和第二开关元件，在电容器的第一端和第二端之间彼此串联连接；第三半导体元件和第四半导体元件，在电容器的第一端和第二端之间彼此串联连接；以及第五开关元件和第六开关元件，在电容器的第一端和第二端之间彼此串联连接；马达，该马达包括：第一绕组，连接到第一开关元件和第二开关元件之间的共同连接点；第二绕组，连接到第三开关元件和第四开关元件之间的共同连接点；以及第三绕组，连接到第五开关元件和第六开关元件之间的共同连接点；脉冲电压发生器，其通过下面的数学表达式6计算校正后的脉冲电压施加时间段，并且从下面的表1中所示的电压向量V1至V12中选择最接近马达的转子的转子相位的电压向量，并且将所选择的电压向量作为电压向量命令输出达校正后的脉冲电压施加时间段；电流测量仪器，其测量当电力转换器的第一至第六开关元件响应于电压向量命令而根据表1接通或关断时输出的电力转换器的三相的输出电流；三相/两相转换器，其将三相的输出电流转换成两相的输出电流，并且输出d轴电流和q轴电流；以及退磁确定器，其响应于满足如下条件而确定在马达的转子的永磁体中发生退磁，所述条件是经过校正后的脉冲电压施加时间段之后的根据d轴电流和q轴电流计算的交流电流的有效值小于或等于退磁确定阈值。

[数学表达式6]

Ton:校正前的脉冲电压施加时间段(固定值)

Ton’:校正后的脉冲电压施加时间段

Δθ:当前的转子相位γ与电压向量命令的相位之间的差的绝对值

Ld:d轴电感

Lq:q轴电感

[表1]

根据本发明的又一方面，脉冲电压发生器通过将校正后的脉冲电压施加时间段乘以第一值来对校正后的脉冲电压施加时间段进行进一步校正，其中第一值是通过将直流电压基准值除以直流电压测量值而取得的。

根据本发明的又一方面，一种设备包括：电力转换器，该电力转换器包括：第一开关元件和第二开关元件，在电容器的第一端和第二端之间彼此串联连接；第三半导体元件和第四半导体元件，在电容器的第一端和第二端之间彼此串联连接；以及第五开关元件和第六开关元件，在电容器的第一端和第二端之间彼此串联连接；马达，该马达包括：第一绕组，连接到第一开关元件和第二开关元件之间的共同连接点；第二绕组，连接到第三开关元件和第四开关元件之间的共同连接点；以及第三绕组，连接到第五开关元件和第六开关元件之间的共同连接点；脉冲电压发生器，其通过下面的数学表达式8计算校正后的脉冲电压施加时间段，并且从下面的表1中所示的电压向量V1至V12中选择最接近马达的转子的转子相位的电压向量，并且将所选择的电压向量作为电压向量命令输出达校正后的脉冲电压施加时间段；电流测量仪器，其测量当电力转换器的第一至第六开关元件响应于电压向量命令而根据表1接通或关断时输出的电力转换器的三相的输出电流；三相/两相转换器，其将三相的输出电流转换成两相的输出电流，并且输出d轴电流或者d轴电流和q轴电流两者；以及退磁确定器，其响应于满足如下条件而确定在马达的转子的永磁体中发生退磁，所述条件是经过校正后的脉冲电压施加时间段之后的d轴电流或者根据d轴电流和q轴电流计算的交流电流的有效值小于或等于退磁确定阈值。

[数学表达式8]

Ton″＝Ton*VDC/VDC'…(8)

Ton:校正前的脉冲电压施加时间段(固定值)

Ton”:校正后的脉冲电压施加时间段

VDC:直流电压基准值(固定值)

VDC’:直流电压测量值

[表1]

根据本发明的又一方面，退磁确定器基于马达的永磁体的温度来设置退磁确定阈值。

本发明用于提高由马达的退磁诊断设备执行的退磁诊断的精度。

附图说明

图1是示出根据第一至第四实施例的用于退磁诊断的控制的配置的框图。

图2是电压向量的说明性视图。

图3是示出d轴电流与d轴电感之间的关系的曲线图。

图4是示出正常状态和退磁状态的情况下的电压脉冲施加时间段与d轴电流之间的关系的曲线图。

图5是示出车载马达驱动系统的配置的示例的框图。

图6是示出逆变器和马达的图。

图7是PM马达的示意图。

具体实施方式

以下，参考图1至图4以及图6和图7描述根据本发明的用于马达的退磁诊断设备的第一至第四实施例。

[第一实施例]下面描述在根据第一实施例的退磁诊断设备中采用的逆变器3和马达4的配置。逆变器3包括第一和第二开关元件U+和U-，第三和第四半导体元件V+和V-，以及第五和第六开关元件W+和W-。第一开关元件U+和第二开关元件U-在电容器C的第一端和第二端之间彼此串联连接。第三半导体元件V+和第四半导体元件V-在在电容器C的第一端和第二端之间彼此串联连接。第五开关元件W+和第六开关元件W-在电容器C的第一端和第二端之间彼此串联连接。

马达4包括U相绕组6U(即，第一绕组)、V相绕组6V(即，第二绕组)和W相绕组6W(即，第三绕组)。U相绕组6U连接到第一开关元件U+和第二开关元件U-的共同连接点。V相绕组6V连接到第三开关元件V+和第四开关元件V-的共同连接点。W相绕组6W连接到第五开关元件W+和第六开关元件W-之间的共同连接点。U相绕组6U和V相绕组6V和W相绕组6W通过星形连接彼此连接。顺便提及，本实施例可以应用于除图5中例示的车载马达驱动系统以外的设备，只要每个设备包括逆变器和马达即可。

图1是示出根据第一实施例的用于退磁诊断的控制的配置的框图。在第一实施例中，在PM马达4停止期间执行退磁诊断。PM马达4的正常旋转操作由与图1中所示的控制块不同的控制块控制，由于缺乏与本发明的直接相关性，因此省略其解释。

下面参考图1描述根据第一实施例的退磁诊断。PM马达4具有被输入到脉冲电压发生器7的转子相位γ。如图7中所示，转子相位γ是在转子5的N极的轴(即，d轴)与U相绕组的轴之间的相位差。基于转子相位γ，脉冲电压发生器7从图2中所示的十二个电压向量V1至V12中选择最接近d轴的一个电压向量，并将选择的电压向量作为电压向量命令V+*输出达预定时间段Ton’(即，下文描述的校正后的脉冲电压施加时间段)。例如，在-15°<γ<+15°的情况下，电压向量V1被选择用于电压向量命令V+*。

逆变器3根据输入到逆变器3的电压向量命令V+*的电压向量来接通/关断开关元件，并向PM马达4施加脉动的输出电压。

下面的表1示出了电压向量和用于第一至第六开关元件U+、U-、V+、V-、W+和W-的ON/OFF(通/断)命令之间的关系。如表1中所示，逆变器3基于电压向量命令V+*将开关元件U+、U-、V+、V-、W+、W-接通/关断。

[表1]

电流测量仪器8测量在逆变器3的第一至第六开关元件U+至W-响应于电压向量命令V+*而接通或关断时流动的PM马达4的U、V和W相的绕组电流Iu、Iv和Iw(即，逆变器3的三相的输出电流)。三相的输出电流满足Iu+Iv+Iw＝0，因为U相绕组6U、V相绕组6V和W相绕组6W通过星形连接彼此连接。允许对三相中的各个相使用电流测量仪器并测量三相的输出电流中的各个输出电流。在另一种方式中，允许使用用于两相的电流测量仪器并测量两相的输出电流，并通过上式计算余下一相的输出电流。后一种方式在减少电流测量仪器的数量方面具有优势。

三相/二相转换器9基于三相的输出电流Iu、Iv和Iw和转子相位γ通过使用以下数学表达式(1)和(2)来执行三相/二相转换，并输出d轴电流Id。

[数学表达式1]

[数学表达式2]

退磁确定器10基于从电压向量命令V+*的输出开始起经过校正后的脉冲电压施加时间段之后的定时的d轴电流Id的值来执行转子5的永磁体的退磁诊断。由于用于电压向量命令V+*的电压向量被选择为最接近d轴的电压向量，因此q轴电流Iq满足Iq≈0。因而，绕组电流几乎不生成扭矩，并且转子5保持静止。

D轴电感Ld可以由以下数学表达式(3)表达，前提是满足条件Iq＝0和ω＝0(其中ω是转子5的旋转频率)并且d轴电流Id具有基本为零的直流分量。

[数学表达式3]

当将d轴电压Vd视为常数时，可以根据d轴电感Ld的变化率的倒数来计算d轴电流Id。

D轴电感Ld也可以用d轴电流变化量ΔId和磁通量变化量ΔΦ由以下数学表达式(4)表达。这允许根据d轴电感Ld估计马达磁体的磁通量Φ。

[数学表达式4]

PM马达4一般而言特征在于：随着d轴电流Id的增大，d轴电感Ld单调地减小。但是，在具有特定结构的PM马达4的情况下，已知的是：由于磁饱和，d轴电感Ld相对于d轴电流Id在其正区域中具有最大点。

如图3中所示，这个电感特性进一步特征在于：相对于磁体的设计最大磁通量的退磁因子的增大致使最大值点处的最大值增大以及最大点处的d轴电流Id减小。

鉴于上述电感特性和数学表达式(3)，d轴电流Id是通过对数学表达式(3)进行时间积分而计算的，并且当将用于d轴方向上的脉冲电压施加的时间段Ton视为常数时其根据图4中所示的磁体的磁通量而变化。因此，d轴电流Id随着退磁因子的增大而减小。因而，退磁确定器10响应于d轴电流Id的值小于或等于退磁确定阈值而诊断出发生了退磁并发出警报。

但是，当转子相位γ具有与作为d轴方向上的十二个电压向量之一的电压向量Vn的相位对应的值时，与电压向量Vn对应的转子相位存在于γ-15°

因此，即使在施加电压向量命令V+*的情况下，d轴电流Id也根据转子相位γ的位置而变化。在d轴电流Id最小的满足Vn＝γ±15°的转子相位的情况下，与转子相位满足Vn＝γ的情况相比，d轴电流Id具有大约96.6％的值。d轴电流Id的值取决于转子相位γ的这种变化会影响退磁诊断。

为了抑制取决于转子相位γ的电流变化，基于转子相位γ来校正脉冲电压施加时间段Ton。下面的数学表达式(5)示出了校正后的脉冲电压施加时间段Ton'。

[数学表达式5]

Ton'＝Ton/cos(Δθ)…(5)

Ton:校正前的脉冲电压施加时间段(固定值)

Ton’:校正后的脉冲电压施加时间段

Δθ:当前的转子相位γ与电压向量命令的相位之间的差的绝对值

例如，在转子相位γ＝28°时已经为电压向量命令V+*选择电压向量V2的情况下，电压向量命令V+*具有30°的相位，如图2中所示，并且上述Δθ被计算为Δθ＝|28°-30°|＝2°。

通过用数学表达式(5)校正脉冲电压施加时间段Ton并输出电压向量命令V+*达校正后的脉冲电压施加时间周期Ton’，允许将d轴电流Id设置为不依赖于转子相位γ的位置而流动。

如上所述，第一实施例公开了：通过在脉冲电压发生器7中使用数学表达式(5)校正脉冲电压施加时间段Ton，不依赖于在退磁诊断期间的转子相位γ地准确测量用于退磁诊断的d轴电流Id。这用于提高退磁诊断的精度。

[第二实施例]第一实施例被配置为将d轴电流Id的值与退磁确定阈值进行比较。而第二实施例被配置为通过将交流电流的有效值I1＝√(Id

如上所述，q轴电流Iq在退磁确定的操作期间满足Iq≈0。此外，因为d轴电感Ld与q轴电感Lq彼此不相等，所以交流电流的有效值I1＝√(Id

在这种情况下，校正后的脉冲电压施加时间段Ton’由以下数学表达式(6)表达。

[数学表达式6]

Ton:校正前的脉冲电压施加时间段(固定值)

Ton’:校正后的脉冲电压施加时间段

Δθ:当前的转子相位γ与电压向量命令的相位之间的差的绝对值

Ld:d轴电感

Lq:q轴电感

退磁确定器10可以基于退磁确定阈值与交流电流的有效值I1＝√(Id

如上所述，第二实施例实现了与第一实施例类似的效果。

[第三实施例]第三实施例被配置为考虑磁体的温度来校正退磁确定器10的退磁确定阈值，这是因为磁体的磁通量根据磁体的温度而变化。退磁确定阈值通过以下操作来校正：预先将磁体温度与磁体磁通量之间的关系表达为数学表达式；以及根据输入的磁体温度的值适当地计算退磁确定阈值。在计算复杂的情况下，退磁确定阈值可以通过参考以下表格来改变，该表格被准备为包括与使用范围内的磁体温度的值对应的磁体磁通量的值。

除了第一实施例或第二实施例之外，还可以应用第三实施例。

如上所述，除了第一和第二实施例的效果之外，第三实施例被配置为鉴于磁体温度的变化来校正退磁确定阈值，并由此用于提高退磁诊断的精度。

[第四实施例]第一至第三实施例中的每个都被配置为通过鉴于转子相位γ校正脉冲电压施加时间段Ton来不依赖于退磁诊断期间的转子相位γ地提高用于退磁诊断的d轴电流Id的测量精度。这用于提高退磁诊断的精度。

但是，第一至第三实施例中的每个都要求输入到逆变器的直流电压(即，图6中的电容器C的直流电压VDC)始终恒定，作为高精度退磁诊断的前提条件，这是因为第一至第三实施例中的每个都被配置为施加脉冲电压(即，d轴电压)Vd达预定时间段，并基于此时的d轴电流Id的值来执行退磁诊断。因而，在供应给逆变器3的电压由于电池1的充电状态、其它组件的功耗、环境温度等的改变而改变的环境中，第一至第三实施例可能是不切实际的。

因为d轴电压Vd依赖于直流电压VDC，所以第四实施例被配置为鉴于直流电压VDC来校正脉冲电压发生器7中的脉冲电压施加时间段Ton。

假设转子相位γ具有固定值，那么直流电压VDC和脉冲电压(即，d轴电压)Vd之间具有以下数学表达式(7)中所示的关系。

[数学表达式7]

Vd＝VDC*cos(Δθ)…(7)

根据数学表达式(7)，脉冲电压施加时间段Ton可以通过以下数学表达式(8)来校正，其中脉冲电压施加时间段与直流电压的测量值VDC’成反比。

[数学表达式8]

Ton"＝Ton*VDC/VDC'…(8)

Ton:校正前的脉冲电压施加时间段(固定值)

Ton”:校正后的脉冲电压施加时间段

VDC:直流电压基准值(固定值)

VDC’:直流电压测量值

直流电压基准值(固定值)被设置为车载马达驱动系统的额定操作状态下的直流电压。

退磁确定器10可以将d轴电流Id与退磁确定阈值进行比较，或者将交流电流的有效值I1＝√(Id

在直流电压VDC在宽范围内变化并且同时脉冲电压施加时间段Ton没有充分大于死区时间的情况下，脉冲电压施加时间段Ton根据死区时间显著变化。这要求鉴于死区时间来预先校正脉冲电压施加时间段。

第四实施例与第一至第三实施例相结合用于进一步提高退磁诊断的精度。

在此类情况下，通过用凭借数学表达式(5)或(6)计算出的校正后的脉冲电压施加时间段Ton’代替数学表达式(8)中校正之前的脉冲电压施加时间段Ton，取得校正后的脉冲电压施加时间段Ton”。换句话说，校正后的脉冲电压施加时间段Ton”是通过将凭借数学表达式(5)或(6)计算出的校正后的脉冲电压施加时间Ton’乘以直流电压基准值(固定值)VDC/直流电压测量值VDC’来取得的。

如上所述，除了第一至第三实施例的效果之外，第四实施例被配置为鉴于直流电压测量值VDC’来对校正后的脉冲电压施加时间段Ton’进行校正，并由此用于进一步提高退磁诊断的精度。

虽然以上仅详细描述了本发明中所列举的实施例，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，在本发明的技术构思的范围内可以对实施例进行各种改变或修改。这样的各种改变和修改自然包括在本权利要求的范围内。