CN117792225A - 一种永磁同步电机转子温度高精度实时预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机转子温度高精度实时预测方法，属于电机转子温度估计的技术领域，其包括以下步骤：S1计算本次上电时刻t_i转子初始温度T_rl，包括记录电机上次工作下电时的温度T_rs，下电时刻的时间t₀，停机后的环境温度T₀，电机停机时长t_stop；S2计算本次上电时刻t_i转子温度变化ΔT_r；S3计算下一时刻t_i+1转子预测温度T_r2，通过将本次上电时刻t_i转子初始温度T_rl与转子温度变化ΔT_r迭代相实现转子温度实时预测；S4转子预测温度实时修正，设定本次上电时刻t_i转子预测温度校核时间，计算本次上电时刻转子经验温度T_{r_upd}，设定经验温度T_{r_upd}与预测温度T_r1偏差阈值；本发明有效减小迭代计算过程产生的累积误差，提高转子温度实时预测精度，可有效提高电机输出性能、保证电机工作安全运行。

Description

一种永磁同步电机转子温度高精度实时预测方法

技术领域

本发明涉及电机转子温度估计方法技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机转子温度高精度实时预测方法。

背景技术

永磁同步电机具有功率密度高、效率高、调速范围宽、可靠性高等优点，广泛应用于电动汽车、工业机器人等领域。但永磁同步电机在某些工况下运行时会使得内部温度大幅度升高，而电机温度过高则会导致绕组绝缘层老化烧毁和永磁体高温永久退磁等危险，严重影响电机正常工作，同时在电动汽车应用中转子温度难以直接测量。因此，实时预测转子温度能有效保障电机可靠工作，提高电机输出稳定性。

目前转子温度预测方法主要包括：信号注入法、基于模型参考模糊自适应控制的永磁温度估计法和磁链观测法等。其中，信号注入法通过在d轴上注入高频脉冲电流来估计永磁体温度。此方法增加了电磁损耗，对电机的温度本身有影响。基于模型参考模糊自适应控制的永磁体温度估计法利用估计的永磁磁链估计PM温度，此方法易于造成累积误差。磁链观测法通过精确的磁链观测器在基波域内佳节获取磁链的温度，使低俗温度估计误差小于10K。但模型在电机高速工况预测效果较差。

此外，上述的转子温度预测方法较少考虑了转子初始温度对预测温度的影响，忽略了预测过程中累积误差对温度预测精度的影响，导致预测结果不够准确，同时现有的预测方法在电机高速运行时预测实时性较差，难以满足实用要求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种永磁同步电机转子温度高精度实时预测方法，在可保证预测精度的前提下，有效提高预测实时性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种永磁同步电机转子温度高精度实时预测方法，包括以下步骤：

S1:计算本次上电时刻t_i转子初始温度T_rl；

通过环境温度试验得到不同环境温度T₀下，不同电机停机转子温度T_{r_pre}时长的数值曲线，记录电机上次工作下电时的温度T_rs，下电时刻的时间t₀，停机后的环境温度T₀，电机停机时长t_stop，通过上述数据对本次上电时刻电机的温度进行查表插值计算，得到本次上电时刻t_i转子初始温度T_rl；

S2:计算本次上电时刻t_i转子温度变化ΔT_r；

S3:计算下一时刻t_i+1转子预测温度T_r2；

将本次上电时刻t_i转子初始温度T_rl与转子温度变化ΔT_r相加即可得到下一时刻t_i+1转子预测温度T_r2，反复叠加转子温度变化值实现转子温度实时预测；

S4:转子预测温度实时修正；

设定本次上电时刻t_i转子预测温度校核时间，通过电机实际磁链计算本次上电时刻转子经验温度T_{r_upd}，设定经验温度T_{r_upd}与预测温度T_r1偏差阈值；

预测温度实时修正具体流程包括以下步骤：

当***判断为不断电时，且t_i-t₀≤10s，则不进行温度修正，使用t_i+1时刻的转子预测温度作为t_i+2时刻转子温度预测时的初始温度；

当***判断为不断电时，且t_i-t₀＞10s，则进行修正判断；

在进行修正判断时，若转子初始温度与经验温度的偏差阈值小于或等于5℃，不进行任何操作，进行下一次转子温度预测迭代计算，使用t_i+1时刻的转子预测温度作为t_i+2时刻转子温度预测时的初始温度；

在进行修正判断时，若转子初始温度与经验温度的偏差阈值大于5℃，则用经验温度代替转子初始温度进行作为t_i+2时刻转子温度预测的转子初始温度，参与下一时刻的转子温度预测；

其中，转子经验温度T_{r_upd}是基于当前时刻的电机工作状态，通过经验公式计算得到当前时刻的实际磁链，再通过磁链反向计算当前时刻电机转子的经验温度，经验公式为：

其中，ψ_mot为电机实际磁链；E_mot为电机线电压的有效值；n_mot为电机转速；P_n为电机的极对数；N为线圈匝数；S为磁通面积；B_mtT为磁感应密度。

进一步，所述步骤S2中计算本次上电时刻t_i转子温度变化ΔT_r的具体方法如下：基于传感器获得定子温度变化值与变化率，通过实验标定得到总散失功率P_{d_total}和转子温度补偿值T_var与定子温度变化率ΔT_s/Δt的关系曲线；计算转子温度变化值的公式为：

其中，C_s与M_s分别为定子比热容和质量；C_r与M_r分别为转子比热容和质量。

进一步，所述步骤S2中，根据转子温度变化的计算公式，在标定总散失功率与定子温度变化率的过程中，基于转子温度预测值与实际值的误差来对预测的转子温度变化值进行补偿，并根据该误差实时调整总散失功率P_{d_total}及转子温度补偿值T_var，使转子温度预测值与实际值保持一致。

进一步，标定过程中的具体实时调整方法为：当转子实际温度T_{r_mea}高于转子预测温度T_{r_set}时，增大定子温升速率对应的总散失损耗功率P_{d_total}，然后再增大转子温度补偿值T_var，直至两者相等；

当转子实际温度T_{r_mea}低于转子预测温度T_{r_set}时，减小定子温升速率对应的总散失功率P_{d_total}，然后再减小转子温度补偿值T_var，直至两者相等。

本发明相较于现有技术的有益效果：

本发明针对车用永磁同步电机转子温度预测难以准确实时预测的问题，提出了一种转子温度高精度实时预测方法。此方法充分考虑了转子初始温度和预测过程中累积误差对温度预测及其精度的影响。通过对停机时刻转子温度、停机时长及环境温度的关系进行分析，计算本次电机上电时刻转子初始温度，降低因初始温度不同造成的转子温度预测误差；然后基于传感器得到定子温度变化值及其变化率，通过标定模型查表快速计算转子温度变化值，并与上电时刻的转子初始温度值相加得到转子实时预测温度，最后通过转子温度与磁链关系的数学模型，对上一时刻的转子预测温度进行校正，减少转子温度预测模型计算过程产生的累积误差；此方法提高转子温度实时预测精度，能有效提高电机输出性能、保证电机工作安全运行。

附图说明

图1是本发明的永磁同步电机转子温度高精度实时预测方法的流程图。

图2是不同温度下电机铜损和铁损。

图3是定子温度变化率与总散失功率关系标定流程图。

图4是转子预测温度与实测温度温差绝对值随时间变化关系图。

图5是定工况转子仿真预测温度与试验实际温度曲线。

图6是定工况转子预测温度差值曲线。

图7是变工况转子仿真预测温度与试验实际温度曲线。

图8是变工况转子预测温度差值曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细的说明。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。其中，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明公开一种永磁同步电机转子温度高精度实时预测方法。

参照图1，永磁同步电机转子温度高精度实时预测方法包括以下步骤：

S1:计算本次上电时刻t_i转子初始温度T_rl；

通过环境温度试验得到不同环境温度T₀下，不同电机停机转子温度T_{r_pre}时长的数值曲线，记录电机上次工作下电时的温度T_rs，下电时刻的时间t₀，停机后的环境温度T₀，电机停机时长t_stop，结合以上数据对本次上电时刻电机的温度进行查表插值计算，得到本次上电时刻t_i转子初始温度T_rl。

S2:计算本次上电时刻t_i转子温度变化ΔT_r；

由于定子铜损作为电机损耗的主要部分，通常占电机损耗的70％左右，同时定子作为非旋转件，通常在电机的设计安装过程中会在电机中安装温度传感器实时监测定子温度。因此，电机工作过程中产生的损耗大小可以通过定子部分的温升表示。而铜损时导致温度升高的主要原因，不同温度下电机铜损及铁损如图2所示。由图2可见，在电机内部各个主要部件的导热系数没有变化的情况下，单位时间内定子温度变化率能有效反应电机内部损耗产生情况。此外，通过冷却***或热辐射与外界交互也是电机损耗的一部分，计算公式为：

Q_out＝Q_c+Q_{s_rad}+Q_{r_rad}；

其中，Q_out为通过冷却***或热辐射与外界交互损失的总热量；Q_c为冷却液带走的热量；Q_{s_rad}和Q_{r_rad}分别为电机定子产生的热量和转子温度升高所耗散的热量。

根据S2所述，基于传感器获得定子温度变化值与变化率，通过实验标定得到总散失功率P_{d_total}和转子温度补偿值T_var与定子温度变化率ΔT_s/Δt的关系曲线，定子温度变化率与总散失功率关系标定流程如图3所示。

在标定过程中，基于转子温度预测值与实测值的误差来对预测的转子温度变化值进行补偿，并根据该误差实时调整总散失功率及转子温度补偿值，以优化转子温度预测结果。

具体标定方法如下：标定过程中保持定子温度变化率不变，通过实验测量当前电机转子实际温度T_{r_mea}，设定初始总散失功率P_{d_total}及温度的补偿值T_var，计算转子预测温度值T_{r_est}，调整总散失功率和转子预测温度补偿值，使转子预测温度T_{r_est}与转子实际温度T_{r_mea}保持一致，最终记录此时定子温度变化率、总散失功率和转子预测温度补偿值。其中，在调整总散失功率和转子预测温度补偿值的过程中，具体优化策略如下所示：

当转子实际温度T_{r_mea}高于转子预测温度T_{r_est}时，增大定子温升速率对应的总散失损耗功率P_{d_total}，然后再增大转子温度补偿值T_var，直至转子实际温度T_{r_mea}与转子预测温度T_{r_est}相等，并记录定子温升速率与总散失功率；

当转子实际温度T_{r_mea}低于转子预测温度T_{r_est}时，则减小定子温升速率对应的总散失损耗功率P_{d_total}，然后再减小转子温度补偿值T_var，直至转子实际温度T_{r_mea}与转子预测温度T_{r_est}相等，并记录定子温升速率与总散失功率；转子预测温度与实测温度温差绝对值随时间变化关系如图4所示。

综上，计算转子温度变化值的公式为：

其中，C_s与M_s分别为定子比热容和质量；C_r与M_r分别为转子比热容和质量。

S3:计算下一时刻t_i+1转子预测温度T_r2；

具体步骤包括：将本次上电时刻t_i转子初始温度T_rl与转子温度变化ΔT_r相加即可得到下一时刻t_i+1转子预测温度T_r2，反复叠加转子温度变化值实现转子温度实时预测。

S4:转子预测温度实时修正；具体如下：

设定本次上电时刻t_i转子预测温度校核时间，通过电机实际磁链计算本次上电时刻转子经验温度T_{r_upd}，设定经验温度T_{r_upd}与预测温度T_r1偏差阈值。

预测温度实时修正流程为：当***判断为不断电时，且t_i-t₀≤10s，则不进行温度修正，使用t_i+1时刻的转子预测温度作为t_i+2时刻转子温度预测时的初始温度；

当***判断为不断电时，且t_i-t₀＞10s，则进行修正判断；

在进行修正判断时，当转子初始温度与经验温度的偏差阈值小于或等于5℃时，不进行任何操作，进行下一次转子温度预测迭代计算，使用t_i+1时刻的转子预测温度作为t_i+2时刻转子温度预测时的初始温度；

在进行修正判断时，若转子初始温度与经验温度的偏差阈值大于5℃，则用经验温度代替转子初始温度进行作为t_i+2时刻转子温度预测的转子初始温度，参与下一时刻的转子温度预测。

其中，转子经验温度T_{r_upd}是基于当前时刻的电机工作状态，通过经验公式计算得到当前时刻的实际磁链，再通过磁链反向计算当前时刻电机转子的经验温度，经验公式为：

其中，ψ_mot为电机实际磁链；E_mot为电机线电压的有效值；n_mot为电机转速；P_n为电机的极对数；N为线圈匝数；S为磁通面积；B_mtT为磁感应密度。

其中，经过多次试验发现，当转子预测温度校核时间大于10s，或经验温度与预测温度偏差阈值大于5℃时，转子温度预测偏差较大，预测精度不满足实用要求；当转子预测温度校核时间小于10s，或经验温度与预测温度偏差阈值小于5℃时，虽然温度预测结果相对准确，但电机计算负荷增大，导致温度预测实时性降低，同样不满足实用要求。因此，为了保证温度预测的实用性，同时保证转子温度预测的精确性和实时性，通过多次仿真与试验证明当选择转子预测温度校核时间为10s，经验温度与预测温度偏差阈值为5℃时，所提预测方法在实际运用过程中既保证了预测准确性又使温度预测的实时性提高，使电机处于较优的工作区间，有利于电机控制，提高电机输出性能，保障电机安全稳定工作，图5-图6为定工况下转子仿真预测温度与试验实际温度曲线和转子预测温度差值曲线，图7-图8为变工况下转子仿真预测温度与试验实际温度曲线和转子预测温度差值曲线。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (4)

1.一种永磁同步电机转子温度高精度实时预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1:计算本次上电时刻t_i转子初始温度T_rl；

通过环境温度试验得到不同环境温度T₀下，不同电机停机转子温度T_{r_pre}时长的数值曲线，记录电机上次工作下电时的温度T_rs，下电时刻的时间t₀，停机后的环境温度T₀，电机停机时长t_stop，通过上述数据对本次上电时刻电机的温度进行查表插值计算，得到本次上电时刻t_i转子初始温度T_rl；

S2:计算本次上电时刻t_i转子温度变化ΔT_r；

S3:计算下一时刻t_i+1转子预测温度T_r2；

将本次上电时刻t_i转子初始温度T_rl与转子温度变化ΔT_r相加即可得到下一时刻t_i+1转子预测温度T_r2，反复叠加转子温度变化值实现转子温度实时预测；

S4:转子预测温度实时修正；

设定本次上电时刻t_i转子预测温度校核时间，通过电机实际磁链计算本次上电时刻转子经验温度T_{r_upd}，设定经验温度T_{r_upd}与预测温度T_r1偏差阈值；

预测温度实时修正具体流程包括以下步骤：

当***判断为不断电时，且t_i-t₀≤10s，则不进行温度修正，使用t_i+1时刻的转子预测温度作为t_i+2时刻转子温度预测时的初始温度；

当***判断为不断电时，且t_i-t₀＞10s，则进行修正判断；

在进行修正判断时，若转子初始温度与经验温度的偏差阈值小于或等于5℃，不进行任何操作，进行下一次转子温度预测迭代计算，使用t_i+1时刻的转子预测温度作为t_i+2时刻转子温度预测时的初始温度；

在进行修正判断时，若转子初始温度与经验温度的偏差阈值大于5℃，则用经验温度代替转子初始温度进行作为t_i+2时刻转子温度预测的转子初始温度，参与下一时刻的转子温度预测；

其中，转子经验温度T_{r_upd}是基于当前时刻的电机工作状态，通过经验公式计算得到当前时刻的实际磁链，再通过磁链反向计算当前时刻电机转子的经验温度，经验公式为：

其中，ψ_mot为电机实际磁链；E_mot为电机线电压的有效值；n_mot为电机转速；P_n为电机的极对数；N为线圈匝数；S为磁通面积；B_mtT为磁感应密度。

2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机转子温度高精度实时预测方法，其特征在于：所述步骤S2中计算本次上电时刻t_i转子温度变化ΔT_r的具体方法如下：基于传感器获得定子温度变化值与变化率，通过实验标定得到总散失功率P_{d_total}和转子温度补偿值T_var与定子温度变化率ΔT_s/Δt的关系曲线；计算转子温度变化值的公式为：

其中，C_s与M_s分别为定子比热容和质量；C_r与M_r分别为转子比热容和质量。

3.根据权利要求2所述的一种永磁同步电机转子温度高精度实时预测方法，其特征在于：所述步骤S2中，根据转子温度变化的计算公式，在标定总散失功率与定子温度变化率的过程中，基于转子温度预测值与实际值的误差来对预测的转子温度变化值进行补偿，并根据该误差实时调整总散失功率P_{d_total}及转子温度补偿值T_var，使转子温度预测值与实际值保持一致。

4.根据权利要求3所述的一种永磁同步电机转子温度高精度实时预测方法，其特征在于：标定过程中的具体实时调整方法为：当转子实际温度T_{r_mea}高于转子预测温度T_{r_set}时，增大定子温升速率对应的总散失损耗功率P_{d_total}，然后再增大转子温度补偿值T_var，直至两者相等；

当转子实际温度T_{r_mea}低于转子预测温度T_{r_set}时，减小定子温升速率对应的总散失功率P_dtotal，然后再减小转子温度补偿值T_var，直至两者相等。