CN106124081A - 永磁同步电机精确多点实时测温方法及*** - Google Patents
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Abstract
永磁同步电机精确多点实时测温方法及***，属于永磁同步电机领域，本发明为解决采用二线制裸装温度传感器测量电机内部温度，会由于强烈电磁干扰而严重影响测量准确性和实时性的问题。本发明方法包括以下步骤：步骤一、电机未启动状态下，依次对每个测温点的测量参数进行校准，获取输入电阻信号与输出电压信号的线性关系式中的实际偏移b′、实际增益k′，及每个测量点处的引线电阻进行获取校准后的输入电阻信号与输出电压信号的线性关系式：步骤二、启动电机工作，下位机控制单元根据校准后关系式依次获取所有测量点的输出电压信号，上位机对该系列数据进行数字滤波，滤除其干扰信号，进而获取电机上每个测量点精准的温度值。
Description
技术领域
本发明属于永磁同步电机领域。
背景技术
永磁同步电机正越来越广泛地应用于电动汽车中。在永磁同步电机的设计过程中，需要对电机进行温升实验，通过对电机运行过程中的温度变化的观测与分析，判断电机散热性能的优劣，以保证电机运行的可靠。特别是在一些具有特殊温度条件的场合，需要保证电机在安全的温度下运行，电机才可以正常工作。
目前，对于具有复杂结构的电机来说，由于其散热空间较小，对电机的冷却提出了更高要求，并且需要实时、准确地监控电机的温度，这方面也是电动汽车用电机的一个重要研究方向。在温升实验的实际操作中，一方面，电机温度实时测量过程中存在强烈的电磁干扰，对温度信号有较大的影响，进而影响测量结果的准确性，另一方面，电路、元件参数存在误差，经过较高倍数放大后对测量结果影响较大，常用的测温装置不能准确测定温度。
为获得永磁同步电机运行过程中内部温度分布情况，需要安装温度传感器，通常为电阻型，具有正温度系数或负温度系数。一般来说，四线制的温度传感器通过Kelvin法测量电阻可以避免电阻供电电流流过测量回路引线，因而最适合精确温度测量。但考虑到传感器及其引线空间等问题的存在，大多选用二线制裸装的温度传感器，通过高温导线引出，此时测量温度受引线电阻和测量电路中元件参数误差影响较大，并且电机运行时产生强烈的电磁干扰也会影响测量准确性和实时性。
发明内容
本发明目的是为了解决采用二线制裸装温度传感器测量电机内部温度，会由于强烈电磁干扰而严重影响测量准确性和实时性的问题，提供了一种永磁同步电机精确多点实时测温方法及***。
永磁同步电机精确多点实时测温方法，该方法在电机的每个测量点均设置二线制PT100温度传感器，通过将二线制PT100温度传感器的输入电阻信号转换为电压信号来实现测温，
该方法包括以下步骤：
步骤一、电机未启动状态下，依次对每个测温点的测量参数进行校准，获取输入电阻信号与输出电压信号的线性关系式中的实际偏移b'、实际增益k'，及每个测量点处的引线电阻i为测量点的次序，i＝1,2,...
进行获取校准后的输入电阻信号与输出电压信号的线性关系式： RT为二线制PT100温度传感器的阻值，为第i个测量点的引线电阻；
为第i个测量点的输出电压信号；
步骤二、启动电机工作，下位机控制单元根据校准后关系式依次获取所有测量点的输出电压信号上位机对该系列数据进行数字滤波，滤除其干扰信号，进而获取电机上每个测量点精准的温度值。
优选地，步骤一中每个测量点的实际偏移b'值相同，每个测量点的实际增益k'值相同，以任意一个测量点为对象均可一次性获取，下面以第i＝m个测量点为对象说明获取过程：
步骤一一、将传感器引线端输入电阻短接，即则电路实际偏移即为输出电压
步骤一二、将传感器引线端输入电阻断开，投入一组已知精密电阻Ra，下位机控制单元采集测量相应电压为Ua，则电路实际增益
优选地，步骤一中每个测量点处的引线电阻的获取过程相同，以第i＝m个测量点为对象说明获取过程：
步骤一三、将第m个测量点处的引线端输入电阻投入电路中，并根据电机所处环境温度T查表得二线制PT100温度传感器的真实阻值RT-real，
步骤一四、第m个测量点存在关系式
其中，由下位机控制单元采集获得，
将步骤一一获取的b'、步骤一二获取的k'、步骤一三获取二线制PT100温度传感器的真实阻值RT-real及采集到的代入公式(1)中来获取第m个测量点处的引线电阻
重复执行以上步骤来获取所有测量点处的引线电阻
优选地，步骤二中所有测量点的输出电压信号的获取过程相同，以第i＝m个测量点为对象说明获取过程：
步骤二一、下位机控制单元采集到第m个测量点初始输出电压根据将初始输出电压折算出第m个测量点的温度初始值
步骤二二、查表获取温度初始值对应的二线制PT100温度传感器RT的真实阻值RT-real，
步骤二三、根据获取的二线制PT100温度传感器的真实阻值RT-real作为反馈值来获取第m个测量点输出电压
将步骤一一获取的b'、步骤一二获取的k'、步骤二二获取的RT的真实阻值及第m个测量点处的引线电阻代入公式(1)来获取第m个测量点输出电压
重复执行以上步骤来获取所有测量点的输出电压
优选地，二线制PT100温度传感器的真实阻值RT-real根据查表所得，所查表为温度传感器的电阻-温度关系表。
优选地，短接和断开操作通过下位机控制单元控制继电器来实现。
优选地，已知精密电阻Ra通过继电器或拨码开关投入。
优选地，步骤二中上位机对该系列数据进行数字滤波，滤除其干扰信号，进而获取电机上每个测量点精准的温度值的数据处理过程为：
步骤二A、对干扰信号采用快速傅里叶变换进行实时频谱分析，确定干扰信号与有效信号的频谱分布情况；
步骤二B、根据步骤二A频谱分布情况解析出电机运行产生的周期性干扰信号，将干扰信号成分滤除后，根据剩余的频谱成分并采用傅立叶逆变换还原温度数据，将此计算结果作为测量点精准的温度值；
除了电机同步旋转频率f0之外的信号均为干扰信，其中p为电机极对数，n为电机转速。
本发明的另一个方面，永磁同步电机精确多点实时测温***的第一套方案，包括上位机和下位机，上位机和下位机之间进行通讯；
上位机包括上位机温度显示模块、温度存储模块、滤波及信号处理模块、参数设置模块和通讯端口；
下位机包括信号采集模块、校准控制模块、调理电路、精密参考电压源、A/D转换模块和DSP；
信号采集模块采用二线制PT100温度传感器来实现，控制采集电机多个测量点的温度信息；信号采集模块输出的温度信息为电阻信号，调理电路接收该电阻信号并转换输出电压信号，A/D转换模块将该电压信号转换为数字信号发送给DSP，DSP通过校准控制模块控制调理电路的输入参数；经校正后的温度信号被DSP获取后发送给上位机；精密参考电压源为调理电路提供参考电压源；
滤波及信号处理模块通过通讯端口获取温度信号，进行滤波及抗干扰处理后的温度真实值存储在温度存储模块中，并在上位机温度显示模块上实时显示；
参数设置模块通过通讯端口向下位机发送***参数设置指令。
永磁同步电机精确多点实时测温***的第二套方案，包括上位机和下位机，上位机和下位机之间进行通讯；
上位机包括上位机温度显示模块、温度存储模块、参数设置模块和通讯端口；
下位机包括信号采集模块、校准控制模块、调理电路、精密参考电压源、A/D转换模块、DSP、温度显示模块、键盘及屏幕模块；
信号采集模块采用二线制PT温度传感器来实现，控制采集电机多个测量点的温度信息；信号采集模块输出的温度信息为电阻信号，调理电路接收该电阻信号并转换输出电压信号，A/D转换模块将该电压信号转换为数字信号发送给DSP，DSP通过校准控制模块控制调理电路的输入参数；经校正后的温度信号被DSP获取，进行滤波及抗干扰处理后获取测量点的温度真实值，该温度真实值在温度显示模块上实时显示；键盘及屏幕模块向DSP输入***参数设置指令；
精密参考电压源为调理电路提供参考电压源；
所述温度真实值还发送给上位机；在上位机温度显示模块上实时显示，在温度存储模块中存储，参数设置模块通过通讯端口向下位机发送。
本发明的优点：可以处理18个通道的温度信号，即可对电机的进、出风口、绕组及其端部、永磁体和铁芯等位置进行精确的温度测量；有效的消除引线电阻、元件参数误差和电磁干扰造成的影响，准确的还原温度信号，测量的范围在0-300℃，误差为±0.5℃；用户可通过键盘或上位机软件设定环境温度、电机极对数等***参数，通过下位机屏幕或上位机软件实时观测电机运行过程中的温度变化曲线，并存储历史温度数据。
使用两线制的温度传感器，解决了由于电机***结构紧凑、引线空间有限、测量点较多引发的问题。
采用基于线性测量电路的线性误差校准方法，解决了由于传感器引线电阻和测量电路中元件参数误差引起的测量精度不高的问题。
采用软硬件结合的滤波方法，解决了电机运行时产生的电磁干扰，导致传感器输出电压扰动的问题。
采用数字信号处理技术实时分析及消除电机运行时的干扰信号频率成分，解决了由于干扰频率的不确定性以及复杂的硬件滤波器会影响测量准确性和实时性的问题。
附图说明
图1是第一个实施例永磁同步电机精确多点实时测温***的原理框图；
图2是第二个实施例永磁同步电机精确多点实时测温***的原理框图；
图3是调理电路的具体电路图；
图4是调理后的电阻/电压对比曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
为校准A/D的线性误差，使用4路参考电压源作为已知输入，通过A/D的转换输出解出其转换增益和偏移，从而达到校准的目的。一般来说，若测量***为线性，即可通过1个测量点校准其测量增益和偏移。若将PT l00的测量电路设计为线性，就可由1个已知电阻值和测量电压值计算出测量电路的实际增益和偏移，进而消除传感器引线电阻和电路元件参数误差的影响。永磁同步电机运行时的强烈交变电磁场造成测量输入端电压扰动，其频率成分主要为电机的同步旋转频率及其谐波。同步旋转频率与转速的关系为式中f0为同步旋转频率，n为转速，p为极对数。当电机低速负载运行时，低频干扰信号经硬件低通滤波后仍可能保持较大的幅值，本发明的永磁同步电机精确多点实时测温***对采样数据进行数字滤波。对原始信号以足够高的频率采样，根据干扰信号的频谱分布情况，从采样序列分离出有效信号成分，即可计算出测量点的实际温度值。
温度传感器采用二线制PT100温度传感器，测量电路采用如图3所示的调理电路203，调理电路203为恒流源电路，其原理是将二线制PT100温度传感器的输入电阻信号转换为电压信号。则输出电压U0与PTl00电阻RT的关系为：
令其中
则存在关系式U0＝kR0+b，即电压电阻为一次线性关系。其中，U0为输出理论电压，k为理论增益，b为理论偏移，R0为输入电阻，R0＝RT+RW，RT为二线制PT100温度传感器的阻值，RW为引线电阻；但由于电路电阻及参考电压源精确度的影响，k和b不可能完全等于理论值，导致增益和偏移误差。为了消除此误差影响，本实施方式对此线性测量进行校准，现在具体给出两个实施例。
实施例一：
参见图1为一种永磁同步电机精确多点实时测温***，包括上位机1和下位机2，通过温度传感器对温度信号进行实时采集，经调理电路203将电阻信号转换为电压信号后，经A/D转换模块205处理成数字***能够识别的数字信号，下位机处理器DSP206完成信号采样、校准电路控制和数据发送等任务。上位机1主要进行参数设置和滤波及信号处理工作，并对所得的温度信号进行实时显示及数据存储。上位机1与下位机2经过通信总线实时通信。
在电机未启动状态下，接通测量***，DSP206通过继电器控制传感器引线端输入电阻R0短接、断接，具体操作过程为：
(1)将传感器引线端输入电阻R0短接，即R0＝RT+RW＝0，则电路实际偏移即为输出电压b'＝U0，与理论值b比较，即可得到偏移误差；
(2)将传感器引线端输入电阻R0断开，通过继电器或拨码开关投入一组已知精密电阻(精度为0.1％)Ra，并测量相应电压为Ua，则电路实际增益与理论值k比较，即可得到增益误差；
(3)重新将传感器引线端输入电阻R0投入电路中，通过测量环境温度T并查表(温度传感器的电阻-温度关系表)得到RT的真实值，并根据(1)和(2)的计算结果可得到RW的实际值。
环境温度T为电机所处环境温度，另一个温度测量装置测量获得。温度传感器的电阻-温度关系表是PT100自带参数表，其阻值随温度不同而不同。
针对一个测量点，执行了(1)、(2)即可获取电路实际增益k'、电路实际偏移b'，
重复执行(3)获取所有测量点处的引线电阻获取所有测量点的输出电压信号
电机运行时对测量输出产生强烈的电磁干扰的信号，为了消除此干扰信号的影响，本发明对此干扰信号采用数字信号处理技术，具体实施方式如下：
(1)对干扰信号进行实时频谱分析，如快速傅里叶变换，确定干扰信号与有效信号的频谱分布情况。
(2)根据(1)频谱解析出电机运行产生的周期性干扰信号，将干扰信号成分滤除后，根据剩余的频谱成分还原温度数据，即傅立叶逆变换，将此计算结果作为温度传感器的实际输出，可达到实时分析及消除干扰信号频率成分，有效的抑制电机运行过程中产生的电磁干扰的效果。
实施例二：本实施例给的测量***与实施例一差别不大，在实施例一的基础上对下位机2增添键盘及屏幕模块208，分别承担***参数设定和温度信号实时显示的工作。在本***中下位机处理器DSP206主要完成校准电路控制、滤波及信号处理、温度显示等任务。上位机1可根据需要经通信端口完成参数设置、温度数据存储等任务，温度数据也可存储于下位机2内存卡或上位机1硬盘中。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (10)
1.永磁同步电机精确多点实时测温方法，该方法在电机的每个测量点均设置二线制PT100温度传感器，通过将二线制PT100温度传感器的输入电阻信号转换为电压信号来实现测温，其特征在于，
该方法包括以下步骤：
步骤一、电机未启动状态下，依次对每个测温点的测量参数进行校准，获取输入电阻信号与输出电压信号的线性关系式中的实际偏移b′、实际增益k′，及每个测量点处的引线电阻i为测量点的次序，i＝1,2,...
进行获取校准后的输入电阻信号与输出电压信号的线性关系式： RT为二线制PT100温度传感器的阻值，为第i个测量点的引线电阻；
为第i个测量点的输出电压信号；
步骤二、启动电机工作，下位机控制单元根据校准后关系式依次获取所有测量点的输出电压信号上位机对该系列数据进行数字滤波，滤除其干扰信号，进而获取电机上每个测量点精准的温度值。
2.根据权利要求1所述永磁同步电机精确多点实时测温方法，其特征在于，步骤一中每个测量点的实际偏移b′值相同，每个测量点的实际增益k′值相同，以任意一个测量点为对象均可一次性获取，下面以第i＝m个测量点为对象说明获取过程：
步骤一一、将传感器引线端输入电阻短接，即则电路实际偏移即为输出电压
步骤一二、将传感器引线端输入电阻断开，投入一组已知精密电阻Ra，下位机控制单元采集测量相应电压为Ua，则电路实际增益
3.根据权利要求2所述永磁同步电机精确多点实时测温方法，其特征在于，步骤一中每个测量点处的引线电阻i＝1,2,...的获取过程相同，以第i＝m个测量点为对象说明获取过程：
步骤一三、将第m个测量点处的引线端输入电阻投入电路中，并根据电机所处环境温度T查表得二线制PT100温度传感器的真实阻值RT-real，
步骤一四、第m个测量点存在关系式
其中，由下位机控制单元采集获得，
将步骤一一获取的b′、步骤一二获取的k′、步骤一三获取二线制PT100温度传感器的真实阻值RT-real及采集到的代入公式(1)中来获取第m个测量点处的引线电阻重复执行以上步骤来获取所有测量点处的引线电阻
4.根据权利要求3所述永磁同步电机精确多点实时测温方法，其特征在于，步骤二中所有测量点的输出电压信号的获取过程相同，以第i＝m个测量点为对象说明获取过程：
步骤二一、下位机控制单元采集到第m个测量点初始输出电压根据将初始输出电压折算出第m个测量点的温度初始值
步骤二二、查表获取温度初始值对应的二线制PT100温度传感器RT的真实阻值RT-real，
步骤二三、根据获取的二线制PT100温度传感器的真实阻值RT-real作为反馈值来获取第m个测量点输出电压
将步骤一一获取的b′、步骤一二获取的k′、步骤二二获取的RT的真实阻值及第m个测量点处的引线电阻代入公式(1)来获取第m个测量点输出电压
重复执行以上步骤来获取所有测量点的输出电压
5.根据权利要求3或4所述永磁同步电机精确多点实时测温方法，其特征在于，二线制PT100温度传感器的真实阻值RT-real根据查表所得，所查表为温度传感器的电阻-温度关系表。
6.根据权利要求2所述永磁同步电机精确多点实时测温方法，其特征在于，短接和断开操作通过下位机控制单元控制继电器来实现。
7.根据权利要求2所述永磁同步电机精确多点实时测温方法，其特征在于，已知精密电阻Ra通过继电器或拨码开关投入。
8.根据权利要求1所述永磁同步电机精确多点实时测温方法，其特征在于，步骤二中上位机对该系列数据进行数字滤波，滤除其干扰信号，进而获取电机上每个测量点精准的温度值的数据处理过程为：
步骤二A、对干扰信号采用快速傅里叶变换进行实时频谱分析，确定干扰信号与有效信号的频谱分布情况；
步骤二B、根据步骤二A频谱分布情况解析出电机运行产生的周期性干扰信号，将干扰信号成分滤除后，根据剩余的频谱成分并采用傅立叶逆变换还原温度数据，将此计算结果作为测量点精准的温度值；
除了电机同步旋转频率f0之外的信号均为干扰信，其中p为电机极对数，n为电机转速。
9.永磁同步电机精确多点实时测温***，其特征在于，包括上位机(1)和下位机(2)，上位机(1)和下位机(2)之间进行通讯；
上位机包括上位机温度显示模块(101)、温度存储模块(102)、滤波及信号处理模块(103)、参数设置模块(104)和通讯端口(105)；
下位机包括信号采集模块(201)、校准控制模块(202)、调理电路(203)、精密参考电压源(204)、A/D转换模块(205)和DSP(206)；
信号采集模块(201)采用二线制PT100温度传感器来实现，控制采集电机多个测量点的温度信息；信号采集模块(201)输出的温度信息为电阻信号，调理电路(203)接收该电阻信号并转换输出电压信号，A/D转换模块(205)将该电压信号转换为数字信号发送给DSP(206)，DSP(206)通过校准控制模块(202)控制调理电路(203)的输入参数；经校正后的温度信号被DSP(206)获取后发送给上位机(1)；精密参考电压源(204)为调理电路(203)提供参考电压源；
滤波及信号处理模块(103)通过通讯端口(105)获取温度信号，进行滤波及抗干扰处理后的温度真实值存储在温度存储模块(102)中，并在上位机温度显示模块(101)上实时显示；
参数设置模块(104)通过通讯端口(105)向下位机发送***参数设置指令。
10.永磁同步电机精确多点实时测温***，其特征在于，包括上位机(1)和下位机(2)，上位机(1)和下位机(2)之间进行通讯；
上位机包括上位机温度显示模块(101)、温度存储模块(102)、参数设置模块(104)和通讯端口(105)；
下位机包括信号采集模块(201)、校准控制模块(202)、调理电路(203)、精密参考电压源(204)、A/D转换模块(205)、DSP(206)、温度显示模块(207)、键盘及屏幕模块(208)；
信号采集模块(201)采用二线制PT100温度传感器来实现，控制采集电机多个测量点的温度信息；信号采集模块(201)输出的温度信息为电阻信号，调理电路(203)接收该电阻信号并转换输出电压信号，A/D转换模块(205)将该电压信号转换为数字信号发送给DSP(206)，DSP(206)通过校准控制模块(202)控制调理电路(203)的输入参数；经校正后的温度信号被DSP(206)获取，进行滤波及抗干扰处理后获取测量点的温度真实值，该温度真实值在温度显示模块(207)上实时显示；键盘及屏幕模块(208)向DSP(206)输入***参数设置指令；
精密参考电压源(204)为调理电路(203)提供参考电压源；
所述温度真实值还发送给上位机(1)；在上位机温度显示模块(101)上实时显示，在温度存储模块(102)中存储，参数设置模块(104)通过通讯端口(105)向下位机发送。
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