CN103931096A - 用温度补偿控制电动机的方法和*** - Google Patents

Abstract

温度估算模块(104)基于与基准磁通强度相对比的工作磁通强度估算与电动机(117)的转子相关联的磁体的温度变化，其中，所述基准磁通强度是在已知的环境温度下并针对所述电动机的预定的工作范围被确定的。温度估算模块(104)或***(120)建立所估算的温度变化与电动机(117)的目标输出转矩的磁转矩分量之间的、符合所述预定的工作范围的关系。电流调整模块(107)或***(120)根据所建立的关系调整用于所述电动机(117)的命令(例如，正交轴电流命令)，以补偿与所估算的温度变化相关联的轴转矩变化。

Description

用温度补偿控制电动机的方法和***

本发明根据35U.S.C.119(e)要求2011年2月23日提交的、名称为“METHOD AND SYSTEM CONTROLLlNG AN ELECTRICAL MOTOR WITHTEMPERATURE COMPENSATION”的第61／445,650号美国临时申请的优先权。

技术领域

本发明涉及一种用温度补偿控制电动机的方法和***。

背景技术

电动机可具有带永磁体的转子和定子，例如内置永磁体(IPM)电动机或IPM同步电动机。由于与转子相关的磁体中的温度变化，因此，内置永磁体(IPM)电动机或IPM同步电动机可能具有变化的磁场强度。依次地，如果磁场强度降低，电动机的输出转矩和运转效率倾向于降低。与定子壳体或定子绕组相反，特定的电动机不具有用于测量转子上的磁体的温度的温度传感器。此外，转子磁体温度相对于定子绕组温度或电动机的不同速度区域处的冷却剂温度可能具有被较差的限定的、不稳定或不一致的关系。因此，需要一种用温度补偿控制电动机的改进的方法和***。

发明内容

根据一个实施例，公开了用于控制包括定子和带有相关联的转子磁体的转子的电动机的方法和***。温度估算模块基于与基准磁通强度相对比的工作磁通强度估算与所述转子相关联的磁体的温度变化，其中，所述基准磁通强度是在已知的环境温度下并针对所述电动机的预定的工作范围被确定的。温度估算模块或所述***建立所估算的温度变化与电动机的目标输出转矩的磁转矩分量之间的、符合所述预定的工作范围的关系。电流调整模块或数据处理***根据所建立的关系调整用于所述电动机的命令(例如，正交轴电流命令或正交轴电流)，以补偿与所估算的温度变化相关联的轴转矩变化。

附图说明

图1是用于用可温度补偿控制电动机的***的一个实施例的方块图。

图2是与图1一致的电子数据处理***的方块图。

图3是比图1更详细地示出了该***的一部分的方块图。

图4是用于用温度补偿控制电动机的方法的第一实施例的流程图。

图5是用于用温度补偿控制电动机的方法的第二实施例的流程图。

图6是用于用温度补偿控制电动机的方法的第三实施例的流程图。

具体实施方式

根据一个实施例，图1公开了用于控制电动机117(例如，内永磁体(IPM)电动机)或其他交流电机的***。在一个实施例中，除电动机117外，该***可以被称为逆变器或电动机控制器。

该***包括电子模块、软件模块，或以上二者。在一个实施例中，电动机控制器包括电子数据处理***120，以支持一个或多个软件模块的软件指令的存储、处理或执行。电子数据处理***120如图1中的虚线所示，并且在图2中被更详细地示出。

电子数据处理***120被连接到逆变器电路188。逆变器电路188包括半导体驱动电路，该半导体驱动电路驱动或控制切换半导体(例如，绝缘栅双极晶体管(IGBT)或其他功率晶体管)以输出用于电动机117的控制信号。依次地，逆变器电路188被连接到电动机117。电动机117与传感器115(例如，位置传感器、分解器或编码器位置传感器)关联，传感器115与电动机轴126或转子相关联。例如，传感器115和电动机117被连接到数据处理***120，以提供反馈数据(例如，诸如i_a，i_b，i_c的电流反馈数据)、原始位置信号、以及其他可能的反馈数据或信号。例如，其他可能的反馈数据包括但不限于：绕组温度读数、逆变器电路188的半导体温度读数、三相电压数据、或电动机117的其他热学信息或性能信息。

在一个实施例中，转矩指令生成模块105被连接到d-q轴电流生成管理器109(例如，d-q轴电流生成查找表)。d-q轴电流指的是可应用于矢量控制式交流电机(例如电动机117)中的直轴电流和正交轴电流。d-q轴电流生成管理器109的输出和电流调整模块107(例如，d-q轴电流调整模块)的输出被提供给加法器119。依次地，加法器119的一个或多个输出(例如，直轴电流数据(i_d ^*)和正交轴电流数据(i_q ^*)被提供或连接至电流调整控制器111。

电流调整控制器111能够与脉冲宽度调制(PWM)生成模块112(例如，空间矢量PWM生成模块)通信。电流调整控制器111接收相应的d-q轴电流指令(例如i_d ^*和i_q ^*)和实际d-q轴电流(例如i_d和i_q)以及与d-q轴电压指令(例如v_d ^*和v_q ^*指令)相对应的输出，用于输入至PWM生成模块112。

在一个实施例中，PWM生成模块112例如将直轴电压和正交轴电压数据从两相数据表示转化为三相数据表示(例如，三相电压表示，诸如v_a ^*，v_b ^*和v_c ^*)以用于电动机117的控制。PWM生成模块112的输出被连接到逆变器188。

逆变器电路188包括功率电子元件，如用于生成、修改和控制施加到电动机117的经脉冲宽度调制的信号或其他交流信号(例如，脉冲、方波、正弦波、或其他波形)的切换半导体。PWM生成模块112向逆变器电路188内的激励级(driver stage)提供输入。逆变器电路188的输出级提供经脉冲宽度调制的电压波形或其他电压信号，以用于电动机的控制。在一个实施例中，逆变器188由直流(DC)电压总线供电。

电动机117与估算电动机轴126的角位置、电动机轴126的速度或转速以及电动机轴126的旋转方向中的至少一个的传感器115(例如，分解器、编码器、速度传感器、或其他位置传感器或速度传感器)关联。传感器115可以被安装到电动机轴126上或与之成一体。传感器115的输出能够与主处理模块114(例如，位置和速度处理模块)通信。在一个实施例中，传感器115被连接到模数转换器(未示出)，所述模数转换器将模拟位置数据或速度数据分别转换为数字位置或速度数据。在其他实施例中，传感器115(例如，数字位置编码器)可提供电动机轴126或转子的位置数据或速度数据的数字数据输出。

主处理模块114的第一输出(例如，电动机117的位置数据和速度数据)被传输至相位变换器113(例如，三相变两相电流帕克变换(Parktransformation)模块)，其中相位变换器113将各个测得的电流的三相数字表示转换为测得的电流的两相数字表示。主处理模块114的第二输出(例如，速度数据)被传输至计算模块110(例如，经调整的电压／速度比模块)。

感测电路124的输入被连接到电动机117的终端，以至少检测被测量的三相电流和直流电流(Dc)总线(例如，向逆变器电路188提供Dc功率的高压Dc总线)的电压电平。感测电路124的输出被连接到模数转换器122，以将感测电路124的输出数字化。依次地，模数转换器122的数字输出被连接到辅助处理模块116(例如，直流(Dc)总线和三相电流处理模块)。例如，感测电路124与电动机117相关联以用于测量三相电流(例如，施加到电动机117的绕组的电流，感应到所绕组中的反电动势，或以上二者)。

主处理模块114和辅助处理模块116的一些输出被提供给相位变换器113。例如，相位变换器113可应用帕克变换或其他转换等式(例如，对于本领域普通技术人员而言已知的适当的特定的转换等式)以基于来自辅助处理模块116的数字三相电流数据和来自传感器115的位置数据将测得的三相电流表示转换为二相电流表示。相位变换器113的输出被连接到电流调整控制器111。

主处理模块114和辅助处理模块116的其他输出可以被连接到计算模块110(例如，经调整的电压／速度比计算模块)的输入。例如，主处理模块114可提供速度数据(例如，电动机轴126的每分钟转数)，而辅助处理模块116可提供(例如，在车辆的直流(Dc)总线上)测得的直流电压电平。向逆变器电路188供电的DC总线上的直流电压电平可因为各种因素(包括但不限于：环境温度、电池状况、电池充电状态、电池电阻或电抗、燃料电池状态(如果可使用的话)、电动机负载状况、各自的电动机转矩和相应的运转速度、以及车辆电负载(例如，电驱动的空调压缩机))而波动或变化。计算模块110被作为媒介连接在辅助处理模块116和d-q轴电流发生管理器109之间。计算模块110的输出可调整或影响由d-q电流生成管理器109生成的电流指令，以补偿直流总线电压中的波动或变化及其他情况。

转子磁体温度估算模块104、电流成形模块106、和终端电压反馈模块108被连接到d-q轴电流调整模块107或能够与d-q轴电流调整模块107通信。依次地，d-q轴电流调整模块107可与d-q轴电流生成管理器或加法器119通信。

转子磁体温度模块104估算或确定一个或多个转子永磁体的温度。在一个实施例中，转子磁体温度估算模块104可通过内部控制变量计算、位于定子上或者与定子热连通或者固定到电动机117的外壳上的一个或多个传感器估算转子磁体的温度。例如，转子磁体温度估算模块可估算或促进转子温度的确定或电流调整，该电流调整基于通过观察电动机117在环境或基准温度下的磁场强度或可利用的转矩中的变化估算出的温度与实际升高的工作温度之间的关系。

在一个替换实施例中，转子磁体温度估算模块104可被位于定子上、与定子热连通的或者固定到电动机117的外壳上的一个或多个传感器替代或可依据这些传感器估算转子磁体的温度。

在另一替换实施例中，转子磁体温度估算模块104可被安装在转子或磁体上的温度检测器(例如，热敏电阻或被连接到无线变送器的红外线感热器)替代，其中，所述检测器提供指示一个或多个磁体的温度的信号(例如，无线信号)。

在一个实施例中，所述方法或***可以下述方式进行操作。转矩命令生成模块105通过车辆数据总线118接收输入控制数据信息，例如速度控制数据信息、电压控制数据信息、或转矩控制数据信息。转矩命令生成模块105将接收到的输入控制信息转化为转矩控制命令数据316。

d-q轴电流生成管理器109选择或确定与各个转矩控制命令数据和各个检测到的电动机轴126速度数据有关的直轴电流命令数据和正交轴电流命令数据。例如，d-q轴电流生成管理器109通过访问下述一个或多个项来选择或确定直轴电流命令、正交轴电流命令：(1)将各个转矩命令与相应的直轴或正交流电流关联起来的查找表、数据库或其他数据结构，(2)将各个转矩命令与相应的直轴或正交流电流关联起来的二次等式组或线性等式组，或(3)将各个转矩命令与相应的直轴或正交流电流关联起来的一组规则(例如“如果-则”(if-then)规则)。

电动机117上的传感器115有利于从电动机轴126提供检测到的速度数据，其中，主处理模块114可将由传感器115提供的位置数据转化为速度数据。

电流调整模块107(例如，d-q轴电流调整模块)提供电流调整数据以基于来自转子磁体温度估算模块104、电流成形模块106、和终端电压反馈模块108的输入数据调整直轴电流命令数据和正交轴电流命令数据。

电流成形模块106可基于以下一个或多个因素确定正交轴(q轴)电流命令和直轴(d轴)电流命令的校正或初步调整：例如，电动机117上的转矩载荷和电动机117的速度。转子磁体温度估算模块104可基于例如在已知的环境温度以及已知的操作条件下转子磁体的转子温度或磁场强度相对于特征化的转子温度或磁场强度的估算变化生成对于q轴电流命令和d轴电流命令的二次调整值。终端电压反馈模块108可基于控制器电压命令与电压极限的关系(versus)提供对于d轴电流命令和q轴电流命令的第三次调整。电流调整模块107可提供考虑了一个或多个下述调整的合并的电流调整：初步调整、二次调整和第三次调整。

在一个实施例中，电动机117可包括内置永磁体(IPM)电机或同步IPM电机(IPMSM)。相对于传统的感应电机或表面安装式PM电机(SMPM)而言，IPMSM具有许多优点，例如，高效率、高功率密度、宽的恒定功率工作区域、免维护。

如果电动机117包括IPMSM，则由两个分量(磁转矩和磁阻转矩)构成的输出转矩如下：

$T_{\mathrm{shaft}}=T_{\mathrm{mag}}+T_{\mathrm{rel}}=\frac{3}{2}\mathrm{pp}\·{\mathrm{\λ}}_f\·i_q+\frac{3}{2}\mathrm{pp}\·(L_d-L_q)\·i_d\·i_q---\left(1\right)$

在等式1中，T_shaft是电动机的总转矩，T_mag是磁转矩分量，T_rel是磁阻转矩分量，pp是电动机或电机的极对的数目，λ_f是每相位的最大磁通匝连数数，i_d是直轴电流，i_q是正交轴电流，L_d是直轴电感，以及L_q是正交轴电感。

在等式1中，每个相位的最大磁通匝连数(λ_f)可由磁体强度和磁饱和水平确定。L_d和L_q是电机d-q轴电感，其可根据磁饱和水平变化。为简化起见，对等式1应用如下假设：

1.与磁转矩分量Tmag一样，λ_f与磁体强度成正比例；

2.L_d和L_q只是i_d和i_q的函数，尽管λ_f变化会对L_d和L_q产生轻微的影响，其中，L_d和L_q可基于模拟的有限元分析获得；和

3.当d-q轴电流(i_d，i_q)轻微地变化时，(L_d-L_q)具有可以忽略的变化，并且磁阻转矩分量T_rel随着d-q轴电流轻微的变化而具有可以忽略的改变。

在不调节电流命令(i_d，i_q)的情况下，由于磁体温度变化而产生的磁体强度波动将导致磁转矩分量T_meg的相应的百分比变化。然而，总输出转矩中的净百分比变化仍取决于每个转矩分量的权重，而该权重是相对于工作状况而变化的。

在IMPSM(例如，电动机117)的稳定状态操作中，电流调整控制器111的输出提供可由下面等式表述的d-q轴终端电压：

v_d＝r_s·i_d-ω_e·L_q·i_q  (2)

v_q＝r_s·i_d+ω_e·L_d·i_d+ω_e·λ_f  (3)

在等式2和3中，v_d是直轴电压或命令，V_q是正交轴电压或命令，r_s是电动机或电机的定子电阻(stator resi stance)，i_d是直轴电流，i_q是正交轴电流，ω_e是转子相对于定子的电学转速(rotationalelectricalspeed)，λ_f是每个相位的最大磁通匝连数，L_d是直轴电感。

在等式2和3中，如果忽略定子电阻(r_s)相对于定子绕组温度的变化并假设L_d和L_q只是d-1轴电流(i_d，i_q)的函数，那么导致磁通匝连数(λ_f)波动的磁体温度变化将对d轴终端电压命令v_d没有影响。例如，转子的转速(ω_e)可以与转子的机械转速(rotational mechanical speed)成比例。然而，q轴终端电压命令V_q将相应地变化，以适应λ_f的波动。

传感器115(例如，轴或转子速度检测器)可包括下述一项或多项：直流电动机、光学编码器、磁场传感器(例如，霍尔效应传感器)、磁阻传感器、和分解器(例如，无刷分解器)。在一种构造中，传感器115包括位置传感器，其中，位置数据和相关的时间数据被处理，以确定电动机轴126的速度或转速。在另一种构造中，传感器115包括速度传感器，或速度传感器与积分器的组合，以确定电动机轴的位置。

在又一种构造中，传感器115包括辅助的、紧凑的直流发电动机，该直流发电动机被机械地连接到电动机117的电动机轴126，以确定电动机轴126的速度，其中，该直流发电动机产生与电动机轴126的转速成比例的输出电压。在再一种构造中，传感器115包括带有光源的光学编码器，其中，所述该光学编码器向被连接到轴126的旋转物体发送信号并在光学检测器处接受反射的或衍射的信号，其中被接收到的信号脉冲(例如，方波)的频率可与电动机轴126的速度成比例。在额外的构造中，传感器115包括带有第一绕组和第二绕组的分解器，其中，第一绕组接入交流电，在第二绕组中感生的电压随着转子的旋转频率而变化。

在图2中，电子数据处理***120包括电子数据处理器264、数据总线262、数据存储装置260、和一个或多个数据端口(268，270，272，274和276)。数据处理器264、数据存储装置260、和所述一个或多个数据端口被连接到数据总线262，以支持数据处理器264、数据存储装置260、和所述一个或多个数据端口之间的数据通信。

在一个实施例中，数据处理器264可包括电子数据处理器、微处理器、微控制器、可编程逻辑阵列、逻辑电路、运算逻辑单元、专用集成电路、数字信号处理器、比例积分微分(PID)控制器、或其他数据处理装置。

数据存储装置260可包括任何用于存储数据的磁的、电子的或光学的装置。例如，数据存储装置260可包括电子数据存储装置、电子存储器、非易失性电子随机存取存储器、一个或多个电子数据寄存器、数据锁存器、磁盘驱动器、硬盘驱动器、光学磁盘驱动器等。

如图2所示，数据端口包括第一数据端口268、第二数据端口270、第三数据端口272、第四数据端口274和第五数据端口276，当然，也可采用其他任意适当数目的数据端口。每个数据端口可包括例如收发器或缓冲存储器。在一个实施例中，每个数据端口可包括任意串行或并并输入/输出端口。

在如图2描绘的一个实施例中，第一数据端口268被连接到车俩数据总线118。依次地，车俩数据总线118被连接到控制器266。在一种构造中，第二数据端口270可以被连接到逆变器电路188；第三数据端口272可以被连接到传感器115；第四数据端口274可以被连接到模数转换器122；以及第五数据端口276可以被连接到终端电压反馈模块108。模数转换器122被连接到感测电路124。

在数据处理***120的一个实施例中，转矩命令生成模块105与电子数据处理***120的第一数据端口268关联或由该第一数据端口268支持。第一数据端口268可以被连接到车俩数据总线118，例如控制器区域网络(CAN)数据总线。车辆数据总线118可经由第一数据端口268向转矩命令生成模块105提供数据总线信息以及转矩命令。车辆的操作者可通过用户接口(例如油门、踏板、控制器266或其他控制装置)生成转矩命令。

在一些实施例中，传感器115和主处理模块114可与数据处理***120的第三数据端口272关联或由第三数据端口272支持。

在电动机(例如，117)包括带有相关联磁体的转子和定子的实施例中，用于控制电动机(例如，117)的***包括数据处理器264，数据处理器264用于基于与基准磁通强度相对比的工作磁通强度估算与电动机的转子相关联的磁体的温度中的变化，其中，基准磁通强度是在已知的环境温度下并且针对电动机的预定的工作范围被确定的。温度估算模块104适于在估算的温度变化与电动机的符合预定的工作范围的目标输出转矩的磁转矩分量之间建立关系。例如，在一种构造中，温度估算模块104包括用于数据处理器264的软件指令(例如，被永久地或以非暂时形式存储在数据存储装置260中)，以在估算的温度变化与电动机的符合预定的工作范围的目标输出转矩的磁转矩分量之间建立关系。电流调整模块107适于依照所建立的关系调整电动机的命令以补偿与估算的温度变化相关的轴转矩变化。例如，在一种构造中，电流调整模块107包括用于数据处理器264的软件指令(例如，被永久地或以非暂时形式存储在数据存储装置260中)，以依照所建立的关系补偿与估算的温度变化相关的轴转矩变化。

在一个实施例中，数据处理器264被设置以从工作正交轴电压命令中获得工作磁通强度，并且其中所述数据处理器264被设置以从基准正交轴电压命令中获得基准磁通强度。数据处理器264适于执行温度估算模块104的软件指令，以建立所述关系，其中，所述关系包括作为基准磁通强度、直轴电流命令、正交轴电流命令、直轴电感和正交轴电感的函数的目标输出转矩的磁转矩分量。

电流调整模块107或数据处理器264可根据各种示例生成命令，其中，所述示例可以被交替地或累加地应用。在第一实例中，所述命令包括正交轴电流命令。在第二示例中，所述命令包括响应于温度中的相应的升高而在正交轴电流命令中产生的对应增加。在第三示例中，所述命令包括基于估算的温度变化和目标输出转矩的磁转矩分量对正交轴电流命令的调整。

通常，数据处理器264可执行、确定、计算或解析在本文中列举的任意等式或数学表达式，或落入权利要求范围内的它们的各种变型，有助于提供命令或对转子磁体中的温度变化或磁通强度变化提供其他补偿。

图3比图1中更加详细地示出转子磁体温度估算模块104、电流调整模块107、以及d-q轴电流生成管理器109的一种可能的示例性构造。在一种构造中，3-D(三维)磁转矩分量权重查找表304接收(例如，以百分比表示的)转矩命令316和经调整的电压/速度比率318作为输入。3-D(三维)磁转矩分量权重查找表304提供内插的磁转矩分量权重(例如，W^C _mag)作为输出。3-D(三维)磁转矩分量权重查找表304定义了所输入的转矩命令数据316、所输入的经调整的电压/速度比率数据318和相应的输出的内插的磁转矩分量权重(例如，W^C _mag)的各个组合之间的第一关系。

转矩命令数据316和经调整的电压/速度比率数据318被输入值3-D正交轴电流(I_q)查找表302、3-D直轴电流(I_q)查找表308和3-D实际磁通匝连数查找表306。3-D正交轴电流(I_q)查找表302定义了所输入的转矩命令316、所输入的经调整的电压/速度比率318和相应的输出的内插的正交轴电流命令(例如，i^* _q)的各个组合之间的第二关系。3-D直轴电流(I_d)查找表308定义了所输入的转矩命令316、所输入的经调整的电压/速度比率318和相应的输出的内插的直轴电流命令(例如，i^* _d)的各个组合之间的第三关系。3-D实际磁通匝连数查找表306定义了所输入的转矩命令316、所输入的经调整的电压/速度比率318和相应的输出的内插的实际磁通匝连数水平(例如，V_q ^*C/ω_e ^C或者其中V_q ^*C是平均数)的各个组合之间的第四关系。

内插的实际磁通匝连数水平被输入至估算器314，用于偏离特征化的磁体温度偏差。估算器314还输入磁通强度在环境温度下的存储值(例如V_q ^*O或其平均值)和在环境温度下或已知的基准温度下转子的相应的电学转速(ω_e ^C)。磁通强度的存储值和相应的转速被存储在是非易失性存储器的数据存储装置260或寄存器中。估算器314输出磁体温度的变化(例如，ΔT_magnet)。用于计算q轴电流命令调整系数的计算器312基于接收到的磁体温度的变化和磁转矩分量的内插权重来计算q轴电流调整。在倍增器319或辅助加法器119中，内插的正交轴(q轴)电流命令调整系数(例如，J_q)被倍增或以其方式与内插的正交电流命令(例如，内插的iq命令或i_q ^*)合并，以生成经调整的正交轴电流命令(例如，i^* _{q_adjusted})。

d-q轴电流生成管理器109存储运转转矩与运转转子速度之间在运转速度范围内的关系曲线的特征。在电动机117的特征化或在定义电动机117工作点或工作输出转矩与速度的关系的曲线图期间，q轴电压命令的移动平均值被记录在数据存储装置260中。电动机117(例如，IPMSM)需要被谨慎地特征化，使得可以在不同的运转速度下确定最佳的工作轨迹。在特征化期间，在电动机轴的特定电动机速度下，为一批电流幅度选择最佳的控制角。除了在每个工作点记录输出转矩之外，由控制器111计算的正交轴(q轴)终端电压命令也应当被记录。

在数据处理***120或电流调整控制器111中，v_q命令在每个脉宽调制(PWM)循环中或在另一更新间隔处被更新，如下式：

$V_q^{*}=G_{\mathrm{cq}}\left(s\right)\·(i_q^{*}-i_q)+{\mathrm{\ω}}_e\·L_d\·i_d^{*}+{\mathrm{\ω}}_e\·{\mathrm{\λ}}_f^R---\left(4\right)$

其中，第一表达式为电流调整比例积分(PI)输出，并且其余的表达式涉及前馈项(feed forward items)，其中，所述前馈项反映了dq轴和反电动势(EMF)效应的交叉耦合(cross-coupling)。由于是环境温度(例如室温)下的基准磁通匝连数水平，因此，i_q比例积分(PI)调节器的积分项将被调整为适当的值，使得实际磁通匝连数水平可以被补偿。

由于比例积分(PI)调整作用，即使在稳定状态下，所生成的正交轴电压也将实际地在平均值周围轻微地波动。为了精确地反映特征化期间每相位的最大磁通匝连数的真实水平(λ_f)，对应于每个工作点的的移动平均值平均正交轴电压命令在特征化期间应当被记录。

最后，在特定的工作点上，可以按下式计算其在特征化期间的真实的磁通匝连数水平：

${\mathrm{\λ}}_f^C={\mathrm{\λ}}_f^R+\frac{{\tilde{V}}_q^{*C}}{{\mathrm{\ω}}_e^C}---\left(5\right)$

其中，是在特征化期间被计算出的每相位的真实的磁通匝连数水平(例如，在各种已知的工作状况和相应的温度下)，λ^R _f是在基准工作状况和在相应的基准环境温度下的每相位的磁通匝连数水平，是在特征化期间被记录的正交轴终端电压命令移动平均值，以及ω_e ^c是在特征化期间转子的电学转速。在一种构造中，和λ^R _f还可包括对前馈项(例如，中的不精确的直轴电感(例如，L_d参数)的某些补偿。在特定的电动机117的特征化的结尾，应当构建三个3-D查找表，例如，如图3中的方块302、方块304和方块306中所示。

转子磁体温度估算模块104估算偏离特征化标准(例如，基准工作条件)的运行时间磁体温度。当电动机117在运行时，经调整的电压/速度比318和转矩命令百分比316将确定来自3-D查找表的命令。接下来，q轴终端电压命令移动平均数值可在运行时间工作过程中被连续地计算。因此，运行时间工作期间的实际磁通匝连数水平可按照下式加以计算：

${\mathrm{\λ}}_f^O={\mathrm{\λ}}_f^R+\frac{{\tilde{V}}_q^{*O}}{{\mathrm{\ω}}_e^O}---\left(6\right)$

其中，是运行时间计算的q轴终端电压命令移动平均数值，是实际电动机电学转速。由于DC总线电压变化，命令的相同的集合可以在与相应的特征化速度不同的电动机转速下运行，除非由计算模块110或由数据处理***120向DC总线电压变化提供补偿。

基于等式(5)和等式(6)，在用于d-q轴电流命令的相同的集合的特征化阶段之外的运行时间时的磁通匝连数偏差可用下式加以计算：

${\mathrm{\Δ\λ}}_f={\mathrm{\λ}}_f^O-{\mathrm{\λ}}_f^C=\frac{{\tilde{v}}_q^{*O}}{{\mathrm{\ω}}_e^O}-\frac{{\tilde{v}}_q^{*C}}{{\mathrm{\ω}}_e^C}---\left(7\right)$

与类似，也可以包括对不精确的L_d的一定补偿。然而，应当移除对于L_d补偿的依赖性。相应的电动机磁体温度变化ΔT_magnet可以通过下式加以计算：

$\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{magnet}}=\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_f}{{\mathrm{\λ}}_f^R\·\mathrm{\ξ}}---\left(8\right)$

其中，ξ是永磁体材料的负温度系数，Δλ_f是每相位的磁通匝连数的变化，是在基准温度(例如环境温度)下或在基准工作条件下的每相位的磁通。ΔT_magnet的正值意味着增加的磁体温度，而ΔT_magnet的负值意味着降低的磁体温度。

在图3中，磁转矩分量权重被计算，例如，用于生成3-D磁转矩分量权重查找表。IPMSM特征化过程确定了在整个速度范围内的最佳的工作轨迹。对于特定的命令的集合而言，相应的磁转矩分量和磁阻转矩分量可以通过使用给定的机器参数加以计算。因此，总输出转矩中的磁转矩分量的公称权重百分比可按照下式加以计算：

$W_{\mathrm{mag}}^C=\frac{\frac{3}{2}\mathrm{pp}\·{\mathrm{\λ}}_f^R\·i_q^{*}}{\frac{3}{2}\mathrm{pp}\·{\mathrm{\λ}}_f^R\·i_q^{*}+\frac{3}{2}\mathrm{pp}\·(L_d-L_q)\·i_d^{*}\·i_q^{*}}---\left(9\right)$

其中，W^C _mag是磁转矩分量的权重，pp是电动机或机器的极对的数目，λ_f ^Rλ_f ^R在基准温度或工作条件下的每相位的最大磁通匝连数，i_d ^＊是直轴电流命令，i_q ^＊是正交轴电流命令，L_d是直轴电感，L_q是正交轴电感。

计算出的磁转矩分量权重是通过使用公称的机器参数(例如，极对和电感)获得的并且将与特征化阶段期间的真实的磁转矩权重稍微地不同。转矩权重的不同将潜在地导致转矩补偿阶段中的不精确，因此，数据处理***120可基于补充的或经验的测试项转矩权重应用额外的补偿。在这种脱机后特征化计算之后，我们可以生成如图3的方块304所描述的第四个3-D查找表。

图4公开了用温度补偿控制电动机117(例如，内置永磁体电动机，感应电动机或其他交流电机)的方法。图4的方式开始于步骤S200。

在步骤S200中，转子磁体温度估算模块104或电子数据处理***120估算与电动机117的转子相关联的一个或多个磁体的温度变化。例如，转子磁体温度估算模块104或电子数据处理***120基于与基准磁通强度相对比的工作磁通强度估算一个或多个磁体的温度变化，其中，所述基准磁通强度是在已知的环境温度(例如，室温)下针对电动机117的预定的工作范围(例如，每分钟转数和转矩载荷)确定的。环境温度可以被设定为工作温度范围内的任意适当的基准温度，但优选地是设定在室温或室温附近或所述工作温度范围(例如，从负40摄氏度至150摄氏度)的中点处。

转子永磁强度相对于磁体温度变化具有明显的负温度系数，每摄氏度(C)约0.09％至约0.12％。实践中，磁体温度可轻易地从冷启动状态下的负40摄氏度升高至高速全转矩工作状态下的150摄氏度，尤其是当电动机117在户外天气中的车辆中使用时。磁体强度可能变化高达约20％，并且在不具有根据图4至图6的方法提供的转矩补偿的情况下会导致在电动机轴126上产生相应的输出转矩变化。

在一个实施例中，工作磁通强度从工作正交轴电压命令获得，并且基准磁通强度从基准正交轴电压命令获得。电动机117的工作范围(例如，预定的工作范围)可由一项或多项下述因数的函数确定或表达：机器运转速度(例如，电动机轴126的转速)、电动机117上的转矩载荷(例如，由电流幅度或电流消耗(current draw)表示)、电动机117工作持续时间(例如，连续的与间歇的操作)、和冷却剂流速和温度(如果可应用的话)。

在替换实施例中，数据处理***120确定电动机117是否在电动机轴速低于下阈值的情况下工作。如果电动机117在电动机轴速低于下阈值的情况下工作，则数据处理***120可用定子绕组温度传感器115和冷却剂温度传感器115二者补充对转子磁体温度的确定。

在步骤S202中，转子磁体温度估算模块104、或d-q轴电流调整模块107、或数据处理***12依照预定的工作范围建立估算的温度变化与电动机117的目标输出转矩的磁转矩分量之间的关系。根据用于执行步骤S202的第一示例，所述关系的建立包括：确定作为基准磁通强度、直轴电流命令、正交轴电流命令、直轴电感和正交轴电感的函数的目标输出转矩的磁转矩分量。根据用于执行步骤S202的第二示例，所述关系是依据下述等式确定的：

$J_q=\frac{1}{W_{\mathrm{mag}}^C\·(1+{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{magnet}}\·\mathrm{\ξ})+(1-W_{\mathrm{mag}}^C)}=\frac{1}{W_{\mathrm{mag}}^C\·(1+\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_f}{{\mathrm{\λ}}_f^R})+(1-W_{\mathrm{mag}}^C)},$

其中，J_q是q轴电流命令的调整系数，是磁转矩权重，ΔT_magnet是计算得出的磁体温度变化，ξ是转子磁体的永磁体材料的负温度系数，Δλ_f是每相位的磁通变化，是在基准温度(例如，环境温度)或在基准工作条件下的每相位磁通。上述等式可假设直轴电感和正交轴电感之间的电感差(L_d-L_q)随d-q轴电流命令(i_d，i_q)的轻微变化具有可以忽略的变化。

在步骤S204中，d-q轴电流调整模块107、或d-q轴电流生成管理器109、或加法器119、或数据处理***120依据所建立的关系调整用于电机117的(例如，用于正交轴电流的)命令，以补偿与估算的温度变化相关的轴126的转矩变化。可依据可以被交替地或累加地应用的各种技术执行步骤S204。依据第一种技术，命令的调整还包括调整正交轴电流命令。依据第二种技术，根据下述等式确定所述命令：

$i_{q\_\mathrm{adjusted}}^{*}=i_q^{*}\·J_q$ 和

$J_q=\frac{1}{W_{\mathrm{mag}}^C\·(1+{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{magnet}}\·\mathrm{\ξ})+(1-W_{\mathrm{mag}}^C)}=\frac{1}{W_{\mathrm{mag}}^C\·(1+\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_f}{{\mathrm{\λ}}_f^R})+(1-W_{\mathrm{mag}}^C)},$

其中，i^＊ _{q_adjusted}是正交轴电流命令与J_q调整系数的乘积，J_q是q轴电流命令的调整系数，ΔT_magnet是计算得出的磁体温度变化，ξ是转子磁体的永磁体材料的负温度系数，是磁转矩权重，Δλ_f是每相位的磁通变化，是在基准温度(例如，环境温度)或在基准工作条件下的每相位磁通。

上述等式可假设电感差(L_d-L_q)随(i_d，i_q)命令的轻微变化具有可以忽略的变化。在一个实施例中，调整系数(J_q)有助于在电动机117的整个工作范围内维持在转矩命令的约5％范围内的输出转矩。在不具有数据处理***120的控制器电流命令的上述适当的调整的情况下，如果磁体强度因磁体温度的增加而变弱，则电动机117的输出转矩和工作效率将降低。类似，当磁体强度因磁体温度的降低而变强时，则电动机117的输出转矩将提高，以至于过度使用终端电压或倾向于导致(例如，电流调整控制器111的)电流调整的不稳定性。

除图5的方法用步骤S206替代步骤S204之外，图5的方法与图4的方法类似。图4和图5中类似的附图标记表示类似的过程或步骤。

在步骤S206中，d-q轴电流调整模块107、或d-q轴电流生成管理器109、或加法器119、倍增器310、或数据处理***120依据所建立的关系调整用于电机117的(例如，用于正交轴电流的)命令，以补偿与估算的温度变化相关的轴126的转矩变化，其中，所述命令的调整包括响应于电动机117的转子的磁体的温度的增加而增加正交轴电流命令。

除图6的方法用步骤S208替代步骤S204之外，图6的方法与图4的方法类似。图4和图5中类似的附图标记表示类似的过程或步骤。

在步骤S208中，d-q轴电流调整模块107、或d-q轴电流生成管理器109、或加法器119、或数据处理***120依据所建立的关系调整用于电机117的(例如，用于正交轴电流的)命令，以补偿轴126的与估算的温度变化相关的转矩变化，其中，所述命令的调整包括基于估算出的温度变化与目标输出命令的磁转矩分量调整正交轴电流命令。可依据可被交替地或累加地应用的各种过程中执行步骤S208。在第一方式下，根据下述等式确定估算的温度变化：

${\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{magnet}}=\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_f}{{\mathrm{\λ}}_f^R\·\mathrm{\ξ}},$

其中，ΔT_magnet是磁体的温度变化，ΔT_magnet的正值表示温度的增加，而ΔT_magnet的负值表示温度的降低，Δλ_f是每相位的磁通变化，是在基准温度(例如，环境温度)或在基准工作条件下的每相位的磁通，以及ξ是转子磁体的永磁体材料的负温度系数。

在第二方式下，根据下述等式确定磁转矩分量：

$W_{\mathrm{mag}}^C=\frac{\frac{3}{2}\mathrm{pp}\·{\mathrm{\λ}}_f^R\·i_q^{*}}{\frac{3}{2}\mathrm{pp}\·{\mathrm{\λ}}_f^R\·i_q^{*}+\frac{3}{2}\mathrm{pp}\·(L_d-L_q)\·i_d^{*}\·i_q^{*}},$

其中，W^C _mag是总输出转矩的磁转矩分量的公称权重百分比，pp是电动机的极对的数目，ξ是转子磁体的永磁体材料的负温度系数，是在基准温度或工作条件下的每相位的最大磁通匝连数。i_d ^＊是各个直轴电流命令，i_q ^＊是相应的正交轴电流命令，L_d是直轴电感，L_q是正交轴电感。在上述等式中，是d-q轴电流命令的特定的集合或相应的对(例如，用于PWM信号的脉冲循环)。

本文公开的方法和***可良好地适于在目标转矩的适当的公差范围内实现电动机117的均匀的转矩，而无需考虑转子磁体的温度变化。例如，转子磁体的温度可因为环境温度的天气状况的改变而变化或者因为车辆或机器的电动机工作的工作循环(例如，连续的或间歇的)而变化。此外，本文公开的***和方法可良好地适于在各种磁体强度条件下改进机器的工作效率。

已经描述了优选的实施例，在不脱离由所附权利要求界定的本发明的范围的前提下显然可以做出各种修改。

Claims (20)

1.一种用于控制电动机的方法，所述电动机包括定子和带有相关联的磁体的转子，所述方法包括下述步骤：

基于与基准磁通强度相对比的工作磁通强度估算与所述电动机的所述转子相关联的磁体的温度的变化，其中，所述基准磁通强度是在已知的环境温度下并针对所述电动机的预定的工作范围被确定的；

建立所估算的温度变化与所述电动机的目标输出转矩的磁转矩分量之间的、符合所述预定的工作范围的关系；以及

根据所建立的关系调整用于所述电动机的命令，以补偿与所估算的温度变化相关联的轴转矩变化。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述工作磁通强度是从工作正交轴电压命令获得的，并且其中，所述基准磁通强度是从基准正交轴电压命令获得的。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，建立所述关系的步骤包括确定作为所述基准磁通强度、直轴电流命令、正交轴电流命令、直轴电感和正交轴电感的函数的所述目标输出转矩的所述磁转矩分量。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，调整用于所述电动机的命令的步骤还包括调整正交轴电流命令。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，调整用于所述电动机的命令的步骤还包括响应于温度的增加而增加正交轴电流命令。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，调整用于所述电动机的命令的步骤还包括基于所估算的温度变化和所述目标输出转矩的磁转矩分量调整正交轴电流命令。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所估算的温度变化是根据下述等式确定的：

$\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{magnet}}=\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_f}{{\mathrm{\λ}}_f^R\·\mathrm{\ξ}}$

其中，ΔT_magnet是所述磁体的温度变化，ΔT_magnet脯的正值表明温度的升高，而ΔT_magnet的负值表明温度的降低，ξ是所述转子的所述磁体的负温度系数，Δλ_f是每相位的磁通变化，是在已知的环境温度下并针对所述电动机的预定的工作范围的每相位的磁通。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，根据下列等式确定所述磁转矩分量：

$W_{\mathrm{mag}}^C=\frac{\frac{3}{2}\mathrm{pp}\·{\mathrm{\λ}}_f^R\·i_q^{*}}{\frac{3}{2}\mathrm{pp}\·{\mathrm{\λ}}_f^R\·i_q^{*}+\frac{3}{2}\mathrm{pp}\·(L_d-L_q)\·i_d^{*}\·i_q^{*}}$

其中，W^C _mag是磁转矩分量的权重，pp是所述电动机的极对的数目，λ_f ^R是在所述预定的工作范围内在所述已知的环境温度处的每相位的最大磁通匝连数，i_d ^*是相应的直轴电流命令，i_q ^*是对应的正交轴电流命令，L_d是直轴电感，L_q是正交轴电感。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述关系是依据下面的等式被确定的：

$J_q=\frac{1}{W_{\mathrm{mag}}^C\·(1+\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{magnet}}\·\mathrm{\ξ})+(1-W_{\mathrm{mag}}^C)}=\frac{1}{W_{\mathrm{mag}}^C\·(1+\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_f}{{\mathrm{\λ}}_f^R})+(1-W_{\mathrm{mag}}^C)}$

其中，J_q是q轴电流命令的调整系数，是磁转矩权重，ΔT_magnet是计算得出的磁体温度变化，ξ是磁体的永磁体材料的负温度系数，Δλ_f是每相位的磁通变化，是在所述预定的工作范围内在所述已知的环境温度处的每相位的磁通。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述命令是依据下述等式被确定的：

$i_{q\_\mathrm{adjusted}}^{*}=i_q^{*}\·J_q$ 和

$J_q=\frac{1}{W_{\mathrm{mag}}^C\·(1+\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{magnet}}\·\mathrm{\ξ})+(1-W_{\mathrm{mag}}^C)}=\frac{1}{W_{\mathrm{mag}}^C\·(1+\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_f}{{\mathrm{\λ}}_f^R})+(1-W_{\mathrm{mag}}^C)}$

其中，i^* _{q_adjusted}是正交轴电流命令与所述J_q调整系数的乘积，J_q是q轴电流命令的调整系数，ΔT_magnet计算得出的磁体温度变化，ξ是磁体的永磁体材料的负温度系数，是磁转矩权重，Δλ_f是每相位的磁通变化，是所述预定的工作范围内在所述已知的环境温度处的每相位的磁通。

11.一种用于控制电动机的***，其中，所述电动机包括定子和带有相关联的磁体的转子，所述***包括：

数据处理器，该数据处理器基于与基准磁通强度相对比的工作磁通强度估算与所述转子相关联的磁体的温度变化，其中，所述基准磁通强度是在已知的环境温度下并针对所述电动机的预定的工作范围被确定的；

温度估算模块，该温度估算模块建立所估算的温度变化与所述电动机的目标输出转矩的磁转矩分量之间的、符合所述预定的工作范围的关系；和

电流调整模块，该电流调整模块根据所建立的关系调整用于所述电动机的命令，以补偿与所估算的温度变化相关联的轴转矩变化。

12.根据权利要求11所述的***，其中，所述数据处理器被设置成从工作正交轴电压命令获得所述工作磁通强度，并且其中，所述数据处理器被设置成从基准正交轴电压命令获得所述基准磁通强度。

13.根据权利要求11所述的***，其中，所述数据处理器适于执行所述温度估算模块的软件指令，以建立所述关系，其中所述关系包括作为所述基准磁通强度、直轴电流命令、正交轴电流命令、直轴电感和正交轴电感的函数的所述目标输出转矩的磁转矩分量。

14.根据权利要求11所述的***，其中，所述命令包括正交轴电流命令。

15.根据权利要求11所述的***，其中，所述命令包括响应于所述温度的增加而相应地增加正交轴电流命令。

16.根据权利要求11所述的***，其中，所述命令包括基于所估算的温度变化和所述目标输出转矩的磁转矩分量对正交轴电流命令做出的调整。

17.根据权利要求16所述的***，其中，所估算的温度变化是由述数据处理器根据下述等式确定的：

$\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{magnet}}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_f}{{\mathrm{\λ}}_f^R\·\mathrm{\ξ}}$

其中，ΔT_magnet是所述磁体的磁体温度变化，ΔT_magnet的正值表明温度的升高，而ΔT_magnet的负值表明温度的降低，ξ是所述转子的磁体的负温度系数，Δλ_f是每相位的磁通变化，是在已知的环境温度下并且用于所述电动机的预定的工作范围的每相位的磁通。

18.根据权利要求6所述的***，其中，所述磁转矩分量是由所述数据处理器根据下列等式确定的：

$W_{\mathrm{mag}}^C=\frac{\frac{3}{2}\mathrm{pp}\·{\mathrm{\λ}}_f^R\·i_q^{*}}{\frac{3}{2}\mathrm{pp}\·{\mathrm{\λ}}_f^R\·i_q^{*}+\frac{3}{2}\mathrm{pp}\·(L_d-L_q)\·i_d^{*}\·i_q^{*}}$

其中，W^C _mag是磁转矩分量的权重，pp是所述电动机的极对的数目，λ_f ^R是在所述预定的工作范围内在所述已知的环境温度处的每相位的最大磁通匝连数，i_d ^*是相应的直轴电流命令，i_q ^*是对应的正交轴电流命令，L_d是直轴电感，L_q是正交轴电感。

19.根据权利要求11所述的***，其中，所述关系是由所述数据处理器依据下述等式确定的：

$J_q=\frac{1}{W_{\mathrm{mag}}^C\·(1+\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{magnet}}\·\mathrm{\ξ})+(1-W_{\mathrm{mag}}^C)}=\frac{1}{W_{\mathrm{mag}}^C\·(1+\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_f}{{\mathrm{\λ}}_f^R})+(1-W_{\mathrm{mag}}^C)}$

其中，J_q是q轴电流命令的调整系数，是磁转矩权重，ΔT_magnet是计算得出的磁体温度变化，ξ是所述磁体的永磁体材料的负温度系数，Δλ_f是每相位的磁通变化，是在所述预定的工作范围内在所述已知的环境温度处的每相位的磁通。

20.根据权利要求11所述的***，其中，所述命令是由所述数据处理器依据下述等式确定的：

$i_{q\_\mathrm{adjusted}}^{*}=i_q^{*}\·J_q$ 和

$J_q=\frac{1}{W_{\mathrm{mag}}^C\·(1+\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{magnet}}\·\mathrm{\ξ})+(1-W_{\mathrm{mag}}^C)}=\frac{1}{W_{\mathrm{mag}}^C\·(1+\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_f}{{\mathrm{\λ}}_f^R})+(1-W_{\mathrm{mag}}^C)}$

其中，i^* _{q_adjusted}是正交轴电流命令与所述J_q调整系数的乘积，J_q是q轴电流命令的调整系数，ΔT_magnet是计算得出的磁体温度变化，ξ是所述磁体的永磁体材料的负温度系数，是磁转矩权重，Δλ_f是每相位的磁通变化，是所述预定的工作范围内在所述已知的环境温度处的每相位的磁通。