CN104283465A - 用于监测和控制同步电机的方法和设备 - Google Patents

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CN104283465A CN201410324760.8A CN201410324760A CN104283465A CN 104283465 A CN104283465 A CN 104283465A CN 201410324760 A CN201410324760 A CN 201410324760A CN 104283465 A CN104283465 A CN 104283465A
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S.希蒂
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Abstract

控制同步电机包括：确定所述同步电机的绕线转子的转子励磁电流；以及确定励磁磁通链的时间率变化。基于励磁磁通链的时间率变化确定转子励磁电压，并且基于转子励磁电压和转子励磁电流确定转子励磁电阻。基于转子励磁电阻确定转子温度。响应于扭矩命令和转子温度来控制同步电机的操作。

Description

用于监测和控制同步电机的方法和设备
技术领域
本公开涉及电机。
背景技术
在该部分中的陈述仅提供与本公开相关的背景信息。因此，这种陈述并不旨在构成对现有技术的承认。
电机应用电磁原理来在轴上生成扭矩，其可被传递至机械***并被采用在机械***中。交通工具***在牵引操作中采用电机，包括从存储的电力生成推进扭矩，以及在再生制动功能中从交通工具动能生成电力。存在众多的电机构造，包括例如同步电动机装置、永久磁体装置和步进电动机。与电机的操作和耐久性有关的一个关键参数是其温度。
发明内容
控制同步电机包括：确定所述同步电机的绕线转子的转子励磁电流；以及确定励磁磁通链(field flux linkage)的时间率变化。基于励磁磁通链的时间率变化确定转子励磁电压，并且基于转子励磁电压和转子励磁电流确定转子励磁电阻。基于转子励磁电阻确定转子温度。响应于扭矩命令和转子温度来控制同步电机的操作。
本公开还提供以下技术方案：
1. 用于控制同步电机的方法，包括：
确定所述同步电机的绕线转子的转子励磁电流；
确定励磁磁通链的时间率变化；
基于所述励磁磁通链的时间率变化来确定转子励磁电压；
基于所述转子励磁电压和所述转子励磁电流来确定转子励磁电阻；
基于所述转子励磁电阻来确定转子温度；以及
响应于扭矩命令和所述转子温度来控制所述同步电机的操作。
2. 如技术方案1所述的方法，其中，控制所述同步电机的操作包括：在所述转子温度小于阈值转子温度时，响应于所述扭矩命令来控制所述同步电机的扭矩输出。
3. 如技术方案1所述的方法，其中，控制所述同步电机的操作包括：
在所述转子温度大于阈值转子温度时降低来自所述同步电机的最大扭矩输出；以及
在所述转子温度大于所述阈值转子温度时，响应于所述扭矩命令和降低的最大扭矩输出来控制所述同步电机的扭矩输出。
4. 如技术方案1所述的方法，其中，依据以下关系确定所述转子励磁电压：
Vf = Vcmd-Vcable-Vbrush-Vswitch-                                                
其中，Vcmd是所命令电压，
Vcable是电缆电压，
Vbrush是电动机电刷电压，
Vswitch是平均开关电压，
ψf是励磁磁通链，并且
是励磁磁通链的时间率变化。
5. 用于控制同步电机的方法，包括：
确定所述同步电机的绕线转子的转子励磁电流；
确定励磁磁通链的时间率变化；
基于所述励磁磁通链的时间率变化来确定转子励磁电压；
基于所述转子励磁电压和所述转子励磁电流来确定转子温度；以及
响应于所述转子温度来控制所述同步电机的操作。
6. 如技术方案5所述的方法，其中，控制所述同步电机的操作包括：在所述转子温度小于阈值转子温度时，控制所述同步电机的扭矩输出。
7. 如技术方案6所述的方法，其中，控制所述同步电机的操作进一步包括：
在所述转子温度大于所述阈值转子温度时降低来自所述同步电机的最大扭矩输出；以及
响应于降低的最大扭矩输出来控制所述同步电机的扭矩输出。
8. 如技术方案5所述的方法，其中，依据以下关系确定所述转子励磁电压：
Vf = Vcmd-Vcable-Vbrush-Vswitch- 
其中，Vcmd是所命令电压，
Vcable是电缆电压，
Vbrush是电动机电刷电压，
Vswitch是平均开关电压，
ψf是励磁磁通链，并且
是励磁磁通链的时间率变化。
9. 用于控制绕线转子同步电机的方法，包括：
监测绕线转子的转子励磁电流；
估计励磁磁通链的时间率变化；
基于所述励磁磁通链的时间率变化来确定转子励磁电压；
基于所述转子励磁电压和所述转子励磁电流来确定转子励磁电阻；
基于所述转子励磁电阻来确定转子温度；以及
响应于所述转子温度和扭矩命令来控制所述绕线转子同步电机的操作。
10. 如技术方案9所述的方法，其中，估计励磁磁通链的时间率变化是基于在两个相继采样时间的定子和转子电流的监测值。
11. 如技术方案9所述的方法，其中，控制所述同步电机的操作包括：在所述转子温度小于阈值转子温度时，控制所述同步电机的扭矩输出。
12. 如技术方案11所述的方法，其中，控制所述同步电机的操作进一步包括：
在所述转子温度大于所述阈值转子温度时降低来自所述同步电机的最大扭矩输出；以及
响应于所述扭矩命令和降低的最大扭矩输出来控制所述同步电机的扭矩输出。
13. 如技术方案9所述的方法，其中，依据以下关系确定所述转子励磁电压：
Vf = Vcmd-Vcable-Vbrush-Vswitch- 
其中，Vcmd是所命令电压，
Vcable是电缆电压，
Vbrush是电动机电刷电压，
Vswitch是平均开关电压，
ψf是励磁磁通链，并且
是励磁磁通链的时间率变化。
附图说明
现在将参考附图通过示例方式来描述一个或多个实施例，附图中：
图1示出了依据本公开的包括绕线转子同步电机的电气***；并且
图2示出了依据本公开用于监测和控制参考图1描述的电机的实施例的操作的温度估计例程的流程图。
具体实施方式
现在参考附图，其中图示只是为了示出某些示例性实施例的目的而不是用于限制它们的目的，图1示意性地示出了一示例性电气***10，其包括：绕线转子同步电机(电机)20，其采用定子22、可旋转地组装到轴构件25上的绕线转子24、电动机监测器28；电力逆变器30；高电压电源40，其包括高电压总线，其具有正高电压总线42和负高电压总线44；转子逆变器50；和控制器90。绕线转子24包括由绝缘线制造的多个励磁绕组26。
转子逆变器50电连接至绕线转子24的励磁绕组26。操作中，转子逆变器50生成高频率AC信号，其电气地激励绕线转子24的励磁绕组，从而在其上感应出励磁电流If并形成北和南磁极性。转子逆变器50优选是开关电源逆变器，其经由正高电压总线42和负高电压总线44联接至高电压电源40。转子逆变器50是二相装置(正和负)，且相中的每个具有二电平H桥，其制造自IGBT或其它适当的高电压开关，其响应于包括正信号dp 51和负信号dn 52的命令受到控制。正信号dp 51和负信号dn 52以高频率生成，并起源于控制器90。转子逆变器50将高频率信号dp 51和dn 52施加在转子24的励磁绕组26上。***配备有安培计或其它适当的装置来监测励磁电流If 53。
电力逆变器30电连接至电机20的定子绕组，并且绕线转子24形成电机20的副端口。操作中，电力逆变器30生成多相PWM信号，其通过电机的定子绕组，并生成电磁能量，其作用于绕线转子24，使它在轴构件25上旋转。因此，电机20响应于来自电力逆变器30和转子逆变器50的控制信号在轴构件25上生成扭矩。电力逆变器30是多相开关电源逆变器，其经由正高电压总线42和负高电压总线44联接至高电压电源40。电力逆变器30被示为三相装置，且相中的每个具有二电平逆变器，其制造自IGBT或其它适当的高电压开关，其电连接在正高电压总线42与负高电压总线44之间，并响应于起源于控制器90的电动机PWM命令da 31、db 32和dc 33控制对定子22的绕组的电激励。***配备有安培计或其它适当的装置来监测电动机电流Ia 35、Ib 36和Ic 37。
电动机监测器28是用于监测电机20的参数的复合元件，并且可包括传感器和/或估计方案。一个被监测的参数是定子温度23，其可由热电偶、热敏电阻器或其它适当的装置来监测。一个被监测的参数是绕线转子24的旋转位置27(由此推导出速度)，其可由解算器或其它适当的旋转位置监测***来监测。必要时可以监测其它参数。
控制器90被构造成生成电动机PWM命令da 31、db 32、dc 33、dp 51和dn 52，以响应于扭矩命令例如所命令的电动机扭矩29来控制电机20。控制器90被构造成监测多个操作状态，包括电动机电流Ia 35、Ib 36、Ic 37、越过高电压电源40的高电压DC链路Vdc 41、励磁电流If 53、定子温度23、和来自解算器27的旋转位置输出。控制器90优选被构造成执行温度估计例程200，它的一个实施例参考图2被描述。
控制模块、模块、控制装置、控制器、控制单元、处理器和类似术语意指以下中的任一个或一个或多个的各种组合：专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序或例程的中央处理器(优选为微处理器)和相关联的内存和存储器(只读、可编程只读、随机存取、硬盘驱动器等)、组合逻辑电路、输入/输出电路和装置、适当的信号调节和缓冲电路、以及用以提供所描述功能的其它部件。软件、固件、程序、指令、例程、代码、算法和类似术语意指包括校准和查询表的任何指令组。控制模块具有被执行用以提供所需功能的一组控制例程。例程比如通过中央处理器被执行，并且是可操作的，用以监测来自传感装置和其它网络控制模块的输入，并执行控制和诊断例程，用以控制致动器的操作。可以以一定间隔来执行例程，例如在正进行的发动机和交通工具操作期间每100微秒或每3.125、6.25、12.5、25和100毫秒。替代地，可以响应于事件的发生来执行例程。
图2示出了与用于监测和控制参考图1所描述的电机20的实施例的操作相关联的温度估计例程200的实施例的流程图。表1被提供为图2的关键，其中数字标记的框和对应的功能按如下方式给出。
表1
温度估计例程200在正进行的操作(202)期间周期性地执行。在操作期间监测或以其它方式确定各个电气控制变量或参数，包括励磁电流If、所命令电压Vcmd、电缆电压Vcable、电动机电刷电压Vbrush、开关电压Vswitch和励磁磁通链ψf(204)。使用电气控制参数来监测转子温度会使预生产或交通工具上校准的需求最小化。所命令电压Vcmd在控制器90内被处理，并且是适当的励磁电流调节的结果。电缆电压Vcable是电缆上的电压下降，所述电缆将转子逆变器50的输出连接至电刷，其通过滑环将电流提供至转子的励磁绕组。可从电缆电阻和励磁电流算出电缆电压Vcable。电动机电刷电压Vbrush是越过电刷的电压下降，其可相对于励磁电流得到校准。开关电压Vswitch是从电力逆变器30的每个相越过开关部件的平均电压下降，并且可相对于励磁电流和转子逆变器的正和负信号dp和dn得到确定。可作为定子和转子电流的函数从查询表估计励磁磁通链ψf。可在FEA模拟模型中估计励磁磁通链。
将励磁电流If的绝对值与最小电流Ifmin进行比较，并且还将励磁电流If的变化的绝对值与最小电流Ifmin进行比较(206)。当励磁电流If的绝对值大于最小电流Ifmin并且励磁电流If的变化的绝对值小于最小电流Ifmin(206)(1)时，操作继续。否则(206)(0)，温度估计例程200的该重复结束(220)。
基于在两个相继采样时间的定子和转子的监测值来估计励磁磁通链ψf的时间率变化，即(210)。转子励磁电压Vf可依据以下关系来确定：
Vf = Vcmd-Vcable-Vbrush-Vswitch-                                                                       [1]
其中，Vcmd是所命令电压，
Vcable是电缆电压，
Vbrush是电动机电刷电压，
Vswitch是平均开关电压，
ψf是励磁磁通链，并且
是励磁磁通链的时间率变化。
可基于欧姆定律算出与转子绕组相关联的励磁电阻Rf，如下(212)。　
Rf = Vf/If
可使用用于***(214)的转子温度Tr与励磁电阻Rf之间的已知预定关系相对于励磁电阻Rf来确定转子温度Tr。将转子温度Tr与最大许容转子温度Tr-max(216)进行比较，并且当转子温度Tr超过最大许容转子温度Tr-max(216)(1)时，可进行温度管理扭矩控制动作。否则(216)(0)，温度估计例程200的该重复结束(220)。
可在转子温度Tr超过最大许容转子温度Tr-max(216)(1)时进行的温度管理扭矩控制动作包括：在转子温度大于阈值转子温度时降低(derating)来自绕线转子同步电机的最大许容扭矩输出，并响应于扭矩命令和降低的最大许容扭矩输出(218)控制绕线转子同步电机的扭矩输出。温度估计例程200的该重复然后结束(220)。
本文描述的温度估计例程采用电气控制变量来监测转子温度，并理解转子绕组中的DC励磁电流铜损可以是显著的。
用以开发热模型的校准工艺被最小化或消除，而是基于转子上的铜绕组中的已知物理现象来采用转子绕组电阻温度依存性和转子绕组的电气模型。可能需要一些调整来基于转子的特定拓扑和控制变量极限的确定在特定交通工具模型上部署所述温度估计例程，且转子温度传感器变成多余的。
本公开已描述了某些优选的实施例及其变型。本领域的技术人员在阅读和理解说明书时可想到另外的变型和变更。因此，所意图的是本公开不局限于作为用于实施本公开所设想的最佳模式而公开的特定实施例，而是本公开应包括落入所附权利要求书范围内的所有实施例。

Claims (10)

1. 用于控制同步电机的方法，包括：
确定所述同步电机的绕线转子的转子励磁电流；
确定励磁磁通链的时间率变化；
基于所述励磁磁通链的时间率变化来确定转子励磁电压；
基于所述转子励磁电压和所述转子励磁电流来确定转子励磁电阻；
基于所述转子励磁电阻来确定转子温度；以及
响应于扭矩命令和所述转子温度来控制所述同步电机的操作。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，控制所述同步电机的操作包括：在所述转子温度小于阈值转子温度时，响应于所述扭矩命令来控制所述同步电机的扭矩输出。
3. 如权利要求1所述的方法，其中，控制所述同步电机的操作包括：
在所述转子温度大于阈值转子温度时降低来自所述同步电机的最大扭矩输出；以及
在所述转子温度大于所述阈值转子温度时，响应于所述扭矩命令和降低的最大扭矩输出来控制所述同步电机的扭矩输出。
4. 如权利要求1所述的方法，其中，依据以下关系确定所述转子励磁电压：
Vf = Vcmd-Vcable-Vbrush-Vswitch -                                                
其中，Vcmd是所命令电压，
Vcable是电缆电压，
Vbrush是电动机电刷电压，
Vswitch是平均开关电压，
ψf是励磁磁通链，并且
是励磁磁通链的时间率变化。
5. 用于控制同步电机的方法，包括：
确定所述同步电机的绕线转子的转子励磁电流；
确定励磁磁通链的时间率变化；
基于所述励磁磁通链的时间率变化来确定转子励磁电压；
基于所述转子励磁电压和所述转子励磁电流来确定转子温度；以及
响应于所述转子温度来控制所述同步电机的操作。
6. 如权利要求5所述的方法，其中，控制所述同步电机的操作包括：在所述转子温度小于阈值转子温度时，控制所述同步电机的扭矩输出。
7. 如权利要求6所述的方法，其中，控制所述同步电机的操作进一步包括：
在所述转子温度大于所述阈值转子温度时降低来自所述同步电机的最大扭矩输出；以及
响应于降低的最大扭矩输出来控制所述同步电机的扭矩输出。
8. 如权利要求5所述的方法，其中，依据以下关系确定所述转子励磁电压：
Vf = Vcmd-Vcable-Vbrush-Vswitch - 
其中，Vcmd是所命令电压，
Vcable是电缆电压，
Vbrush是电动机电刷电压，
Vswitch是平均开关电压，
ψf是励磁磁通链，并且
是励磁磁通链的时间率变化。
9. 用于控制绕线转子同步电机的方法，包括：
监测绕线转子的转子励磁电流；
估计励磁磁通链的时间率变化；
基于所述励磁磁通链的时间率变化来确定转子励磁电压；
基于所述转子励磁电压和所述转子励磁电流来确定转子励磁电阻；
基于所述转子励磁电阻来确定转子温度；以及
响应于所述转子温度和扭矩命令来控制所述绕线转子同步电机的操作。
10. 如权利要求9所述的方法，其中，估计励磁磁通链的时间率变化是基于在两个相继采样时间的定子和转子电流的监测值。
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