專利名稱：電動(dòng)馬達(dá)定子繞組溫度估計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及電動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)，且更具體地涉及用于估計(jì)電動(dòng)馬達(dá)中的定子繞 組的溫度的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
混合動(dòng)力和電動(dòng)車輛(HEV)通常包括由直流(DC)功率源(例如存儲(chǔ)蓄電池)驅(qū) 動(dòng)的交流(AC)電動(dòng)馬達(dá)。AC電動(dòng)馬達(dá)的定子繞組可以被聯(lián)接到功率逆變器模塊，功率逆變 器模塊執(zhí)行快速開關(guān)功能，以便將DC功率轉(zhuǎn)換為AC功率以驅(qū)動(dòng)AC電動(dòng)馬達(dá)，繼而驅(qū)動(dòng)HEV 傳動(dòng)系的軸。由于馬達(dá)定子繞組的溫度可用于各種目的，因而馬達(dá)定子繞組的溫度是重要 的參數(shù)。例如，定子繞組溫度可以是各種馬達(dá)控制算法中的重要參數(shù)，馬達(dá)控制算法使用定 子電阻作為控制變量，因?yàn)槎ㄗ永@組電阻是依賴于溫度的且可以基于溫度調(diào)節(jié)。定子繞組溫度也可以用于檢測(cè)高馬達(dá)溫度以防止過熱。通常，定子繞組溫度由溫 度測(cè)量傳感器測(cè)量，例如安置或安裝在一個(gè)電動(dòng)馬達(dá)定子繞組中的熱敏電阻或熱電偶。如 果流入定子繞組的三相電流被平衡，單個(gè)溫度測(cè)量傳感器有時(shí)可用于充分地估計(jì)所有定子 繞組的溫度。然而，在一些系統(tǒng)中，在溫度傳感器和定子繞組的熱點(diǎn)之間可能有非常大的溫 度梯度。在這種情況下，使用單個(gè)溫度傳感器來預(yù)測(cè)馬達(dá)熱點(diǎn)溫度將變得困難。此外，在零 速時(shí)，沒有電流會(huì)在安裝傳感器的一個(gè)定子繞組中流動(dòng)，或者在某些速度下，不平衡的電流 可在一個(gè)定子繞組中流動(dòng)。例如，在失速條件期間，一個(gè)相可攜載等于正弦波電流峰值的電 流，而另外兩個(gè)相攜載電流的一半，符號(hào)相反。因而，與另外兩個(gè)相相比，一個(gè)相可經(jīng)歷四倍 (4X)的電阻加熱損失。在這些條件下，單個(gè)溫度測(cè)量傳感器將不正確地產(chǎn)生電動(dòng)馬達(dá)的實(shí) 際溫度，因?yàn)殡妱?dòng)馬達(dá)可能會(huì)由于過熱而被損壞。另一缺陷在于這種溫度傳感器可能是昂貴的、不可靠的且可能需要維護(hù)或維修。 每個(gè)傳感器給系統(tǒng)增加了額外的成本，且在一些情況下需要在馬達(dá)中采用多個(gè)傳感器以識(shí) 別定子繞組的最熱點(diǎn)。此外，傳感器需要外部電信號(hào)調(diào)節(jié)電路，以處理傳感器信號(hào)，這進(jìn)一 步增加了系統(tǒng)的成本且可能進(jìn)一步降低系統(tǒng)可靠性。此外，它們需要被維修和維護(hù)以確保 如預(yù)期那樣操作。另外，當(dāng)傳感器發(fā)生故障時(shí)，它們必須被修理或更換，這可能是一種挑戰(zhàn)， 因?yàn)閭鞲衅魍ǔＮ挥隈R達(dá)內(nèi)，例如定子槽的中間。為了減少溫度傳感器的數(shù)量或甚至完全消除傳感器的需要，也已經(jīng)開發(fā)了無傳感 器定子繞組溫度估計(jì)技術(shù)。一些無傳感器定子繞組溫度估計(jì)技術(shù)采用基于電機(jī)幾何形狀及 其熱和電屬性計(jì)算的復(fù)雜馬達(dá)熱模型。雖然這些技術(shù)可以提供準(zhǔn)確和魯棒的溫度估計(jì)，但 是需要開發(fā)復(fù)雜馬達(dá)熱模型。在許多情況下，關(guān)于馬達(dá)幾何形狀和/或其熱或電屬性的信 息可能不容易獲得。此外，高頻載波信號(hào)注入技術(shù)也已經(jīng)用于定子溫度估計(jì)；然而，該技術(shù)假設(shè)定子和轉(zhuǎn)子溫度相同，這不總是如此。因而，當(dāng)定子和轉(zhuǎn)子溫度偏離時(shí)，準(zhǔn)確性下降。也已經(jīng)開發(fā)出對(duì)于零或低速溫度估計(jì)(例如，低于75rpm)工作良好的其它無傳感 器定子繞組溫度估計(jì)技術(shù)；然而，這些技術(shù)在較高馬達(dá)速度下未得到準(zhǔn)確的估計(jì)結(jié)果。因此，期望提供一種在整個(gè)馬達(dá)操作速度范圍(即，低操作速度和高操作速度)內(nèi) 估計(jì)定子繞組溫度的方法、系統(tǒng)和設(shè)備。也期望完全消除對(duì)任何定子繞組溫度傳感器的需 要。此外，期望提供在不使用聯(lián)接到一個(gè)或多個(gè)定子繞組的溫度傳感器(例如，熱敏電阻) 的情況下在所有馬達(dá)操作速度(即，馬達(dá)角速度)下都工作的估計(jì)定子繞組溫度的方法、系 統(tǒng)和設(shè)備。另外，本發(fā)明的其它期望特征和特性將從隨后的詳細(xì)說明和所附權(quán)利要求結(jié)合 附圖以及前述技術(shù)領(lǐng)域和背景技術(shù)顯而易見。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，提供一種可以在全部馬達(dá)操作速度范圍內(nèi)估計(jì)定子繞組 溫度的無傳感器溫度估計(jì)控制器和方法。當(dāng)馬達(dá)速度低于速度閾值(例如，75rpm)時(shí)，用于 每個(gè)定子繞組的第一組估計(jì)定子繞組溫度可以基于第一組熱阻抗模型來估計(jì)，所述第一組 熱阻抗模型包括定子繞組功率損失。然而，當(dāng)馬達(dá)速度高于速度閾值時(shí)，用于每個(gè)定子繞組 的第二組估計(jì)定子繞組溫度基于第二組熱阻抗模型來估計(jì)，所述第二組熱阻抗模型包括定 子繞組功率損失和芯功率損失。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，提供用于控制矢量控制馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的扭矩指令的系統(tǒng)和方 法。當(dāng)檢測(cè)馬達(dá)速度大于預(yù)定速度時(shí)，每個(gè)定子繞組的定子繞組溫度基于定子繞組和馬達(dá) 冷卻劑之間的總功率損失來估計(jì)?？偣β蕮p失包括定子繞組功率損失和芯/鐵功率損失。 然后，響應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)定子繞組的估計(jì)定子繞組溫度來降低/調(diào)節(jié)扭矩指令值，以保護(hù) 馬達(dá)防止過熱。為了估計(jì)每個(gè)定子繞組的定子繞組溫度，每個(gè)定子繞組的定子繞組電阻基于該定 子繞組的溫度來確定，且與交流(AC)平方根(RMS)定子電流一起使用以確定每個(gè)相中的定 子繞組功率損失。換句話說，每個(gè)相中的定子繞組功率損失可以基于每個(gè)相的定子繞組電 阻和表示每個(gè)定子繞組的定子電流的交流(AC)平方根(RMS)定子電流來確定。然后，馬達(dá)的每個(gè)相的總功率損失可以基于該相的所述定子繞組功率損失和芯功 率損失來確定。為此，提供多個(gè)查詢表。每個(gè)查詢表對(duì)應(yīng)于具體DC總線電壓，且規(guī)定馬達(dá) 速度和平方根(RMS)定子繞組電流的不同組合的芯功率損失的值。通過基于DC總線電壓 輸入從所述多個(gè)查詢表選擇兩個(gè)查詢表、將馬達(dá)速度和定子繞組電流輸入所選擇查詢表中 的第一個(gè)以計(jì)算第一芯功率損失值、將馬達(dá)速度和定子繞組電流輸入所選擇查詢表中的第 二個(gè)以計(jì)算第二芯功率損失值、以及基于DC總線電壓、第一芯功率損失值和第二芯功率損 失值來執(zhí)行線性內(nèi)插值以計(jì)算芯功率損失，可以確定芯功率損失。每個(gè)相的熱阻抗模型表征定子繞組和馬達(dá)冷卻劑之間的總功率損失。熱阻抗模型 基于該相中的總功率損失和馬達(dá)速度在該相的定子繞組溫度和馬達(dá)冷卻劑溫度之間產(chǎn)生 溫度變化。每個(gè)定子繞組的定子繞組溫度可以基于熱阻抗模型、馬達(dá)速度和馬達(dá)冷卻劑溫度 來估計(jì)。方案1. 一種方法，包括以下步驟
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確定馬達(dá)速度是否大于速度閾值；以及當(dāng)馬達(dá)速度大于速度閾值時(shí)，估計(jì)多個(gè)定子繞組中的每個(gè)的第一估計(jì)定子繞組溫 度，其中，每個(gè)定子繞組的第一估計(jì)定子繞組溫度基于該定子繞組和馬達(dá)冷卻劑之間 的組合熱阻抗以及總功率損失來估計(jì)，其中，總功率損失包括定子繞組功率損失和芯功率 損失。方案2.根據(jù)方案1所述的方法，其中，當(dāng)馬達(dá)速度大于速度閾值時(shí)，估計(jì)多個(gè)定子 繞組中的每個(gè)的第一估計(jì)定子繞組溫度的步驟包括以下步驟基于每個(gè)定子繞組的溫度來確定該定子繞組的定子繞組電阻；基于每個(gè)相的所述定子繞組電阻和平方根(RMS)定子電流來確定該相的定子繞 組功率損失；基于馬達(dá)的每個(gè)相的所述定子繞組功率損失和芯功率損失來確定該相的總功率 損失；基于每個(gè)相的總功率損失、馬達(dá)速度和該相的組合熱阻抗來產(chǎn)生該相的相溫度變 化(ATan)；以及基于相溫度變化(ATan)和馬達(dá)冷卻劑溫度來估計(jì)每個(gè)定子繞組的定子繞組溫度。方案3.根據(jù)方案2所述的方法，其中，所述組合熱阻抗包括定子繞組和定子芯之 間的第一熱阻抗、以及定子芯和馬達(dá)冷卻劑之間的第二熱阻抗。方案4.根據(jù)方案3所述的方法，其中，所述芯功率損失根據(jù)馬達(dá)速度、定子繞組電 流和dc總線電壓而變，且其中，芯功率損失通過以下步驟確定提供多個(gè)查詢表，其中，每個(gè)查詢表對(duì)應(yīng)于具體DC總線電壓，且規(guī)定馬達(dá)速度和 平方根(RMS)定子繞組電流的不同組合的芯功率損失的值；基于DC總線電壓輸入從所述多個(gè)查詢表中選擇兩個(gè)查詢表；將馬達(dá)速度和定子繞組電流輸入所選擇的查詢表中的第一個(gè)以計(jì)算第一芯功率 損失值；將馬達(dá)速度和定子繞組電流輸入所選擇的查詢表中的第二個(gè)以計(jì)算第二芯功率 損失值；以及基于DC總線電壓、第一芯功率損失值和第二芯功率損失值來執(zhí)行內(nèi)插值以計(jì)算 芯功率損失。方案5.根據(jù)方案4所述的方法，其中，基于每個(gè)相的所述定子繞組電阻和平方根 (RMS)定子電流來確定每個(gè)相的定子繞組功率損失的步驟包括以下步驟確定表示每個(gè)定子繞組中的定子電流的交流(AC)平方根(RMS)定子電流；以及基于每個(gè)定子繞組的AC RMS定子電流和電阻來確定該定子繞組的定子繞組功率 損失。方案6.根據(jù)方案1所述的方法，還包括以下步驟響應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)定子繞組的第一估計(jì)定子繞組溫度而降低扭矩指令。方案7.根據(jù)方案1所述的方法，還包括以下步驟當(dāng)馬達(dá)速度小于速度閾值時(shí)，估計(jì)所述多個(gè)定子繞組中的每個(gè)的第二估計(jì)定子繞組溫度，其中，第二估計(jì)定子繞組溫度基于定子繞組功率損失和第二熱阻抗模型來估計(jì)，所 述第二熱阻抗模型包括在定子繞組和熱中性點(diǎn)之間的二階熱阻抗模型和在熱中性點(diǎn)和馬 達(dá)冷卻劑之間的一階熱阻抗模型。方案8. —種控制矢量控制馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的扭矩指令的方法，所述方法包括以下 步驟確定馬達(dá)速度是否大于預(yù)定速度；當(dāng)馬達(dá)速度大于速度閾值時(shí)，基于總功率損失來估計(jì)多個(gè)定子繞組中的每個(gè)的定 子繞組溫度，其中，總功率損失包括定子繞組功率損失和芯功率損失；以及響應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)定子繞組的估計(jì)定子繞組溫度而降低扭矩指令。方案9. 一種方法，包括基于馬達(dá)的每個(gè)定子繞組的溫度和該定子繞組的電阻的溫度系數(shù)來確定該定子 繞組的定子繞組電阻；基于該定子繞組的定子繞組電阻來確定每個(gè)相的定子繞組功率損失；基于每個(gè)相的所述定子繞組功率損失和芯功率損失來確定每個(gè)相的總功率損 失；基于所述總功率損失、馬達(dá)速度、以及每個(gè)相的組合熱阻抗模型來確定該相的相 溫度變化；以及基于該相的所述相溫度變化和馬達(dá)冷卻劑溫度來估計(jì)每個(gè)定子繞組的定子繞組溫度。方案10.根據(jù)方案9所述的方法，其中，所述組合熱阻抗模型包括每個(gè)相的組合熱 阻抗，其中每個(gè)相的所述組合熱阻抗基于定子繞組和定子芯之間的第一熱阻抗、以及定子 芯和馬達(dá)冷卻劑之間的第二熱阻抗。方案11.根據(jù)方案9所述的方法，其中，每個(gè)相的所述芯功率損失基于馬達(dá)速度、 定子繞組電流和DC總線電壓來確定。方案12.根據(jù)方案11所述的方法，其中，每個(gè)相的所述芯功率損失通過以下步驟 確定提供多個(gè)查詢表，其中，每個(gè)查詢表對(duì)應(yīng)于具體DC總線電壓，且規(guī)定馬達(dá)速度和 平方根(RMS)定子繞組電流的不同組合的芯功率損失的值；基于DC總線電壓輸入從所述多個(gè)查詢表中選擇兩個(gè)查詢表；將馬達(dá)速度和定子繞組電流輸入所選擇的查詢表中的第一個(gè)以計(jì)算第一芯功率 損失值；將馬達(dá)速度和定子繞組電流輸入所選擇的查詢表中的第二個(gè)以計(jì)算第二芯功率 損失值；以及基于DC總線電壓、第一芯功率損失值和第二芯功率損失值來執(zhí)行內(nèi)插值以計(jì)算 芯功率損失。方案13.根據(jù)方案10所述的方法，其中，所述定子繞組功率損失基于該相的定子 繞組電阻和該相的平方根(RMS)定子電流來確定。


本發(fā)明在下文結(jié)合以下附圖描述，其中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件，且圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)的框圖；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的熱阻抗模型的電路圖表示；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖1的電動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)的更詳細(xì)視圖；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖3的電動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)的溫度估計(jì)控制器的操作的 流程圖；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于每個(gè)相的定子繞組功率損失和芯功率損失 來確定馬達(dá)每個(gè)相的總功率損失的方法；和圖6示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于馬達(dá)的每個(gè)相的總功率損失、馬達(dá)速度(即， 轉(zhuǎn)子角速度)和馬達(dá)冷卻劑溫度來估計(jì)定子繞組溫度的方法。
具體實(shí)施例方式如本文使用的，詞語“示例性”指的是“用作示例、實(shí)例、或說明”。下述詳細(xì)說明本 質(zhì)上僅為示例性的且不旨在限制本發(fā)明或本發(fā)明的應(yīng)用和使用。本文描述為“示例性”的 任何實(shí)施例不必須解釋為優(yōu)于或好于其他實(shí)施例。該詳細(xì)說明中描述的所有實(shí)施例是提供 用于使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠制造或使用本發(fā)明的示例性實(shí)施例，而不是限制本發(fā)明的范 圍，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求限定。此外，并不旨在受約束于前述技術(shù)領(lǐng)域、背景技術(shù)、發(fā)明 內(nèi)容或下述詳細(xì)說明中闡述的任何明示或暗示的理論。在詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例之前，應(yīng)當(dāng)看到的是，實(shí)施例主要在于涉及估計(jì) 電動(dòng)馬達(dá)定子繞組溫度的方法步驟和設(shè)備部件的組合。應(yīng)當(dāng)理解的是，本文所述的本發(fā)明 實(shí)施例可以使用硬件、軟件或其組合實(shí)施。本文所述的控制電路可包括各種部件、模塊、電 路和可以使用模擬和/或數(shù)字電路、分立或集成模擬或數(shù)字電子電路的組合實(shí)施的其它邏 輯或其組合來實(shí)施。如本文使用的，術(shù)語“模塊”指的是用于執(zhí)行任務(wù)的裝置、電路、電氣部 件和/或基于軟件的部件。在一些實(shí)施方式中，在實(shí)施這種電路中的控制邏輯的部分或全 部時(shí)，本文所述的控制電路可使用一個(gè)或多個(gè)專用集成電路(ASIC)、一個(gè)或多個(gè)微處理器 和/或一個(gè)或多個(gè)基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的電路實(shí)施。應(yīng)當(dāng)理解的是，本文所述的本發(fā) 明實(shí)施例可包括一個(gè)或多個(gè)常規(guī)處理器和控制所述一個(gè)或多個(gè)處理器以結(jié)合某些非處理 器電路來實(shí)施估計(jì)電動(dòng)馬達(dá)定子繞組溫度的功能中的一些、大多數(shù)或全部的獨(dú)特存儲(chǔ)程序 指令，如本文所述。因而，這些功能可理解為估計(jì)電動(dòng)馬達(dá)定子繞組溫度的方法的步驟。替 代地，一些或全部功能可以通過沒有存儲(chǔ)程序指令的狀態(tài)機(jī)來實(shí)施，或者在一個(gè)或多個(gè)專 用集成電路(ASIC)中實(shí)施，其中，每個(gè)功能或者某些功能的一些組合實(shí)施為定制邏輯。當(dāng) 然，可以使用兩種方法的組合。因此，在本文中描述用于這些功能的方法和手段。此外，可 以預(yù)期，盡管本領(lǐng)域技術(shù)人員可能由例如可用時(shí)間、當(dāng)前技術(shù)和經(jīng)濟(jì)考慮啟發(fā)顯著的努力 和許多設(shè)計(jì)選擇，但是在本文公開的構(gòu)思和原理的指導(dǎo)下，將在少量的試驗(yàn)的情況下能夠 容易產(chǎn)生這種軟件指令和程序以及IC。MM本發(fā)明的實(shí)施例涉及估計(jì)電動(dòng)馬達(dá)定子繞組溫度的方法和設(shè)備。所公開的方法和 設(shè)備可以在需要估計(jì)電動(dòng)馬達(dá)定子繞組溫度的操作環(huán)境中實(shí)施。在現(xiàn)在將描述的示例性實(shí)
8施方式中，控制技術(shù)和技術(shù)方案將描述為應(yīng)用于作為混合動(dòng)力/電動(dòng)車輛(HEV)的一部分 的混合動(dòng)力和電動(dòng)車輛動(dòng)力系統(tǒng)。圖1示出了可以在混合動(dòng)力/電動(dòng)車輛(HEV)中實(shí)施的三相電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 100架構(gòu)的簡(jiǎn)化框圖。在該實(shí)施例中，系統(tǒng)100可以通過調(diào)節(jié)控制三相AC馬達(dá)110的電流 指令而用于經(jīng)由被連接到三相AC馬達(dá)110的三相脈寬調(diào)制(PWM)逆變器模塊120控制三 相AC馬達(dá)110。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)100包括響應(yīng)于來自于逆變器120的信號(hào)操作 的三相交流(AC)同步電機(jī)110。如本文使用的，術(shù)語“AC馬達(dá)”指的是由交流(AC)驅(qū)動(dòng)的 電動(dòng)馬達(dá)。AC馬達(dá)包括具有線圈的外部固定定子、以及附連到輸出軸的內(nèi)部轉(zhuǎn)子，線圈被 供應(yīng)交流以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，輸出軸由旋轉(zhuǎn)場(chǎng)給予扭矩。三相AC馬達(dá)110可以是三相AC驅(qū) 動(dòng)的“纏繞”馬達(dá)(例如，永磁同步馬達(dá)，具有纏繞成有限極的定子)、三相感應(yīng)馬達(dá)或同步 磁阻馬達(dá)。在AC電機(jī)是永磁同步AC馬達(dá)的實(shí)施方式中，這應(yīng)當(dāng)理解為包括內(nèi)置永磁馬達(dá)。 雖然未示出，但是馬達(dá)110被聯(lián)接到HEV的驅(qū)動(dòng)軸。三相馬達(dá)110包括轉(zhuǎn)子(未示出)以及連接在馬達(dá)端子A、B和C之間的三個(gè)定子 繞組115。如圖1所示，三相AC馬達(dá)110具有在中性點(diǎn)聯(lián)接在一起的三個(gè)定子繞組115。三相PWM逆變器模塊120包括電容器180和三個(gè)逆變器子模塊。在該實(shí)施例中，一 個(gè)逆變器子模塊115被聯(lián)接到馬達(dá)繞組115，另一個(gè)逆變器子模塊被聯(lián)接到馬達(dá)繞組115， 另一個(gè)逆變器子模塊被聯(lián)接到馬達(dá)繞組115。每個(gè)逆變器子模塊包括雙開關(guān)裝置。每個(gè) 雙開關(guān)裝置包括以交替方式理想地操作的兩個(gè)開關(guān)(例如，晶體管，如絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)或晶閘管)。例如，逆變器120包括電容器180、具有雙開關(guān)122/125的第一逆變器 子模塊、具有雙開關(guān)123/126的第二逆變器子模塊、以及具有雙開關(guān)124/127的第三逆變器 子模塊。因而，全波橋式逆變器120具有六個(gè)固態(tài)開關(guān)裝置122、125、123、126、124、127和 與每個(gè)開關(guān)反向并聯(lián)的六個(gè)二極管(未示出)，以合適地開關(guān)輸入電壓，且提供三相AC馬達(dá) 110的定子繞組115的三相激勵(lì)。三相PWM逆變器模塊120經(jīng)由高壓DC總線被連接在DC功率源140(例如，蓄電池 或多個(gè)蓄電池或其它燃料電池)的直流(DC)總線135之間，且接收DC輸入電壓(Vde)。三 相PWM逆變器模塊120包括多個(gè)逆變器極，所述逆變器極包括產(chǎn)生三相正弦電壓(Va)的第 一逆變器極、產(chǎn)生第二三相正弦電壓(Vb)的第二逆變器極、和產(chǎn)生第三三相正弦電壓(Vc) 的第三逆變器極。三相AC馬達(dá)110經(jīng)由第一逆變器極、第二逆變器極和第三逆變器極聯(lián)接 到三相PWM逆變器模塊120。三相PWM逆變器模塊120提供電動(dòng)馬達(dá)110的電氣控制且基 于DC輸入電壓(Vde)產(chǎn)生以各種速度驅(qū)動(dòng)三相AC馬達(dá)110的交流(AC)波形(三相正弦電 壓信號(hào))。三相AC馬達(dá)110基于三相正弦電壓(Va)、第二三相正弦電壓(Vb)和第三三相正 弦電壓(Vc)產(chǎn)生交流(AC)波形。相電流(即，第一合成定子電流(Ia)、第二合成定子電流(Ib)和第三合成定子電流 (Ic))流經(jīng)相應(yīng)定子繞組115。進(jìn)入馬達(dá)繞組A 115的電流流出馬達(dá)繞組B 115和C 115， 進(jìn)入馬達(dá)繞組B 115的電流流出馬達(dá)繞組A 115和C 115，進(jìn)入馬達(dá)繞組C 115的電流流出 馬達(dá)繞組Al 15和B 115。相-中性點(diǎn)電壓跨過每個(gè)定子繞組115產(chǎn)生且反EMF電壓通過轉(zhuǎn)子隨磁通一起旋 轉(zhuǎn)而在相應(yīng)定子繞組115中感應(yīng)。在永磁馬達(dá)的情況下，磁通由永磁體產(chǎn)生。
電流調(diào)節(jié)扭矩控制器150的輸出是控制信號(hào)，所述控制信號(hào)提供給逆變器120的 每個(gè)晶體管122-127的柵極且用作晶體管122-127的操作控制信號(hào)。逆變器120響應(yīng)于從 電流調(diào)節(jié)扭矩控制器150提供給其柵極的信號(hào)操作，以提供電壓給馬達(dá)110的每個(gè)相115， 每個(gè)晶體管對(duì)122/125、123/126和124/127形成逆變器120的相腳?？刂破?50可以從馬 達(dá)110接收馬達(dá)指令信號(hào)和馬達(dá)操作信號(hào)，并產(chǎn)生控制信號(hào)，以控制逆變器子模塊內(nèi)的固 態(tài)開關(guān)裝置122、125、123、126、124、127的開關(guān)。通過提供合適的控制信號(hào)給獨(dú)立逆變器子 模塊，閉環(huán)馬達(dá)控制器控制逆變器子模塊內(nèi)的固態(tài)開關(guān)裝置122、125、123、126、124、127的 開關(guān)，從而控制逆變器子模塊分別提供給馬達(dá)繞組115的輸出。由三相PWM逆變器模塊120 的逆變器子模塊產(chǎn)生的第一合成定子電流(Ia)、第二合成定子電流(Ib)和第三合成定子電 流(I。)提供給馬達(dá)繞組115。冷卻劑155，例如馬達(dá)油，環(huán)繞馬達(dá)110且在其操作期間冷卻馬達(dá)110，溫度信號(hào)發(fā) 生器156從冷卻劑155內(nèi)的熱電偶確定冷卻劑115的溫度并提供線路260上的冷卻劑155 的溫度的數(shù)字信號(hào)表示。馬達(dá)110也顯示為配備有轉(zhuǎn)子位置傳感器160/165，提供表示轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子繞 組115的機(jī)械旋轉(zhuǎn)角位置的輸出轉(zhuǎn)子位置信號(hào)θω。如本文使用的，術(shù)語“位置傳感器”應(yīng) 當(dāng)廣泛地理解且涉及產(chǎn)生角位置信息的任何常規(guī)位置傳感器設(shè)備(包括物理位置傳感器 裝置)，或涉及物理位置傳感器的虛擬軟件實(shí)施方式，而且也涉及任何類型的絕對(duì)位置傳感 器或旋轉(zhuǎn)變送器。在圖1所示的具體實(shí)施方式
中，位置傳感器160/165是用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)度 數(shù)的一種旋轉(zhuǎn)變壓器，且設(shè)計(jì)成產(chǎn)生位置傳感器輸出(PSout) 190，包括理想地與在轉(zhuǎn)子以 角速度圍繞定子旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子相對(duì)于馬達(dá)定子的角位置和/或角速度相對(duì)應(yīng)的輸出角位置 信息(Θ》和/或角速度(ω》信息中的一個(gè)或多個(gè)。換句話說，當(dāng)適當(dāng)?shù)夭僮鲿r(shí)，位置傳 感器160/165產(chǎn)生將理想地與轉(zhuǎn)子的機(jī)械角(θ》和/或轉(zhuǎn)子的角速度相對(duì)應(yīng)的絕對(duì)角位置 信息和/或角速度信息。雖然未示出，但是一種常見類型的位置傳感器160裝置是解算器。在圖1中，位置傳感器160/165使用解算器160和解算器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器165實(shí)施， 但是通?？梢允潜绢I(lǐng)域已知的任何類型的位置傳感器，包括霍爾效應(yīng)傳感器或本領(lǐng)域已知 的感測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角位置或角速度的任何其它類似感測(cè)裝置或編碼器(未示出)。解算 器160聯(lián)接到馬達(dá)110，用于測(cè)量轉(zhuǎn)子位置和檢測(cè)其馬達(dá)速度(即，轉(zhuǎn)子的角速度)。解算 器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器165將來自于解算器160的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)且將AC同步電動(dòng)馬達(dá)110 的轉(zhuǎn)子的角位置和檢測(cè)速度的這些數(shù)字表示提供給電流調(diào)節(jié)扭矩控制器150。根據(jù)該實(shí)施例，溫度估計(jì)控制器170包括依賴于溫度的扭矩指令降低塊172、高速 溫度估計(jì)模塊174、低速溫度估計(jì)模塊176和變換模塊180。高速溫度估計(jì)模塊174從電流調(diào)節(jié)扭矩控制器150接收同步坐標(biāo)電流Id，Iq且估 計(jì)定子繞組115的相溫度(Ta，Tb, Tc) 175。估計(jì)溫度175基于同步坐標(biāo)電流Id，Iq、馬達(dá)速 度190和線路260上提供的冷卻劑155的溫度產(chǎn)生。低速溫度估計(jì)模塊176接收所檢測(cè)電 流值Ia, lb, Ic且響應(yīng)于電流值Ia, Ib, Ic和線路260上提供的冷卻劑155的溫度來估計(jì)相 的繞組115的相溫度(Ta, Tb, Tc) 177。來自于高速溫度估計(jì)模塊174和低速溫度估計(jì)模塊176的估計(jì)相溫度(Ta，Tb, Tc) 175、177提供給變換模塊180。變換模塊180將估計(jì)相溫度(Ta, Tb, Tc) 175和估計(jì)相溫 度(Ta，Tb, Tc) 177提供給依賴于溫度的扭矩指令降低塊172的輸入。變換模塊180基于從解算器_數(shù)字轉(zhuǎn)換器165提供的馬達(dá)110的當(dāng)前操作速度190 (角速度)而選擇一組估計(jì) 相溫度以提供給依賴于溫度的扭矩指令降低塊172。扭矩控制信號(hào)(扭矩指令T*) 171提供給依賴于溫度的扭矩指令降低塊172。依賴 于溫度的扭矩指令降低塊172響應(yīng)于所選擇組的相溫度(Ta，Tb, Tc) 175、177而修正扭矩指 令171，以產(chǎn)生溫度降低的扭矩控制信號(hào)173。電流調(diào)節(jié)扭矩控制器150從馬達(dá)110的每個(gè) 定子繞組115接收電流信號(hào)(Ia，Ib, I。)，并且根據(jù)該實(shí)施例響應(yīng)于從依賴于溫度的扭矩指 令降低塊172接收的溫度降低的扭矩控制信號(hào)173而修正馬達(dá)110的定子繞組115處的電 流，以產(chǎn)生提供給逆變器120的每個(gè)相腳122/125、123/126和124/127的操作控制信號(hào)。因此，操作控制信號(hào)將由溫度降低的扭矩控制信號(hào)173表示的增益應(yīng)用于施加到 晶體管122-127的柵極的指令信號(hào)/電壓。因而，根據(jù)該實(shí)施例，每個(gè)定子繞組115處的 電流由電流調(diào)節(jié)扭矩控制器150接收并響應(yīng)于溫度降低的扭矩控制信號(hào)173修正，以提供 合適的增益給操作控制信號(hào)，同時(shí)在所有速度下將依賴于溫度的扭矩降低集成到控制結(jié)構(gòu) 中。估計(jì)每個(gè)定子繞組115的溫度且將該溫度與預(yù)定溫度閾值進(jìn)行比較可以防止定子繞組 的過熱。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的熱阻抗模型200的電路圖表示。熱阻抗模型200 可以用于根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的高速溫度估計(jì)模塊174以確定在馬達(dá)以高速(即，大于75rpm 的轉(zhuǎn)子角速度)操作時(shí)馬達(dá)110的每個(gè)繞組115處的估計(jì)繞組溫度Ta 205、Tb 225和Tc 245。圖2所示的熱模型基于以下給出的熱方程(1)溫度變化=熱阻抗X總功率消耗 (1)例如，定子繞組A的溫度(Ta)和馬達(dá)冷卻劑的溫度(T。。。lant)之間的溫度差(ATa) 等于該相的熱阻抗(Rtha) 215和功率消耗(Pa) 210的乘積。熱阻抗模型200在下文參考方程 (4)-(6)更充分地描述。當(dāng)馬達(dá)115的轉(zhuǎn)子的角速度高于特定值(例如，75rpm)時(shí)，每個(gè)定子繞組115的估 計(jì)溫度205、225、245可以基于該繞組115和馬達(dá)冷卻劑260的溫度之間的熱阻抗(Rth) 215、 235、255(其中，熱阻抗215(Rtha)是第一繞組的溫度Ta和馬達(dá)冷卻劑260的溫度之間的熱 阻抗，熱阻抗235 (Rthb)是第二繞組的溫度Tb和馬達(dá)冷卻劑260的溫度之間的熱阻抗，熱阻 抗255 (Rthe)是第三繞組的溫度T。和馬達(dá)冷卻劑260的溫度之間的熱阻抗)來計(jì)算。馬達(dá) 冷卻劑的溫度具有由溫度傳感器測(cè)量的溫度T。。。lant 260。由于定子繞組(或銅)損失和定子芯(或鐵)損失引起的馬達(dá)中的功率消耗可以 分別使用方程(2)和(3)表示。Pcu = Roci2x, Roc =( 2 )
Δ yy
turn cu其中，Rdc是DC電阻/相；ix是具體相χ中的定子電流，N。是串聯(lián)線圈的數(shù)量；N是 每個(gè)線圈的匝數(shù)；lturn是一匝的長(zhǎng)度；Aturn是一匝的面積；σ。 是銅的導(dǎo)電率。Piron= Ph+Pe=sh jr B+ee jr B2(3)
\Jn J\Jn J其中，Pi是芯/鐵功率損失；Ph是由磁滯損失引起的功率消耗；Pe是由于渦流損 失引起的功率消耗；B和Bm是峰值磁通密度，α、％和、是具體芯材料的常數(shù)，f是馬達(dá)的操作頻率；fn是馬達(dá)的基本名義頻率。在低速(低于75rpm)時(shí)估計(jì)定子溫度的技術(shù)在2008年1月24日提交且轉(zhuǎn)讓給 本發(fā)明的受讓者的美國(guó)專利申請(qǐng)公布號(hào)2009/0189561A1中描述，該專利的全部?jī)?nèi)容作為 參考引入。在低馬達(dá)操作速度(例如，低于75rpm)時(shí)，由于這些損失是依賴于速度(角速度) 的，因而芯損失(Piran)是可忽略的。角速度(ω)等于2Jif。當(dāng)馬達(dá)的操作頻率(f)趨于零 時(shí)，方程⑵表示的芯損失(Piran)也趨于零。然而，在較高角速度(例如，高于75rpm)時(shí)， 操作頻率(f)增加且芯/鐵損失(Piran)變得明顯。因而，在高操作速度(角速度)時(shí)需要 考慮這些芯/鐵損失(Piran)，否則估計(jì)溫度205、225、245將不準(zhǔn)確。根據(jù)該實(shí)施例，在使用高速溫度估計(jì)模塊174時(shí)，在馬達(dá)中產(chǎn)生的熱考慮由于繞 組(或銅)損失和芯中的鐵損失而產(chǎn)生的熱。由于銅損失，在定子繞組中產(chǎn)生的熱可以使 用定子電流和定子電阻計(jì)算，如在上文參考方程(2)所述。每個(gè)相中的熱阻抗考慮(1)定子繞組和定子芯之間的熱阻抗，和(2)定子芯和馬 達(dá)冷卻劑之間的熱阻抗。例如，對(duì)于相a，熱阻抗可以數(shù)學(xué)表示為Rtha = Rwca+Rcca ；其中，Rtha 是相a中的定子繞組和馬達(dá)冷卻劑之間的熱阻抗，Rwca是定子繞組a和定子芯之間的熱阻 抗，Rcca是定子芯和馬達(dá)冷卻劑之間的熱阻抗。在高速時(shí)，繞組115的估計(jì)溫度可以使用以下變量和方程(4)、(5)和(6)估計(jì) (a)熱阻抗 Rtha 215，(b)熱阻抗 Rthb 235，(c)熱阻抗 Rthe 255，方程(4)、(5)和(6)如下
權(quán)利要求
1.一種方法，包括以下步驟確定馬達(dá)速度是否大于速度閾值；以及當(dāng)馬達(dá)速度大于速度閾值時(shí)，估計(jì)多個(gè)定子繞組中的每個(gè)的第一估計(jì)定子繞組溫度， 其中，每個(gè)定子繞組的第一估計(jì)定子繞組溫度基于該定子繞組和馬達(dá)冷卻劑之間的組 合熱阻抗以及總功率損失來估計(jì)，其中，總功率損失包括定子繞組功率損失和芯功率損失。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，當(dāng)馬達(dá)速度大于速度閾值時(shí)，估計(jì)多個(gè)定子繞組 中的每個(gè)的第一估計(jì)定子繞組溫度的步驟包括以下步驟基于每個(gè)定子繞組的溫度來確定該定子繞組的定子繞組電阻； 基于每個(gè)相的所述定子繞組電阻和平方根(RMS)定子電流來確定該相的定子繞組功 率損失；基于馬達(dá)的每個(gè)相的所述定子繞組功率損失和芯功率損失來確定該相的總功率損失；基于每個(gè)相的總功率損失、馬達(dá)速度和該相的組合熱阻抗來產(chǎn)生該相的相溫度變化 (ATan)；以及基于相溫度變化(ATan)和馬達(dá)冷卻劑溫度來估計(jì)每個(gè)定子繞組的定子繞組溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述組合熱阻抗包括定子繞組和定子芯之間的 第一熱阻抗、以及定子芯和馬達(dá)冷卻劑之間的第二熱阻抗。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述芯功率損失根據(jù)馬達(dá)速度、定子繞組電流和 dc總線電壓而變，且其中，芯功率損失通過以下步驟確定提供多個(gè)查詢表，其中，每個(gè)查詢表對(duì)應(yīng)于具體DC總線電壓，且規(guī)定馬達(dá)速度和平方 根(RMS)定子繞組電流的不同組合的芯功率損失的值；基于DC總線電壓輸入從所述多個(gè)查詢表中選擇兩個(gè)查詢表；將馬達(dá)速度和定子繞組電流輸入所選擇的查詢表中的第一個(gè)以計(jì)算第一芯功率損失值；將馬達(dá)速度和定子繞組電流輸入所選擇的查詢表中的第二個(gè)以計(jì)算第二芯功率損失 值；以及基于DC總線電壓、第一芯功率損失值和第二芯功率損失值來執(zhí)行內(nèi)插值以計(jì)算芯功 率損失。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，基于每個(gè)相的所述定子繞組電阻和平方根(RMS) 定子電流來確定每個(gè)相的定子繞組功率損失的步驟包括以下步驟確定表示每個(gè)定子繞組中的定子電流的交流(AC)平方根(RMS)定子電流；以及 基于每個(gè)定子繞組的AC RMS定子電流和電阻來確定該定子繞組的定子繞組功率損失。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括以下步驟響應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)定子繞組的第一估計(jì)定子繞組溫度而降低扭矩指令。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括以下步驟當(dāng)馬達(dá)速度小于速度閾值時(shí)，估計(jì)所述多個(gè)定子繞組中的每個(gè)的第二估計(jì)定子繞組溫 度，其中，第二估計(jì)定子繞組溫度基于定子繞組功率損失和第二熱阻抗模型來估計(jì)，所述第 二熱阻抗模型包括在定子繞組和熱中性點(diǎn)之間的二階熱阻抗模型和在熱中性點(diǎn)和馬達(dá)冷 卻劑之間的一階熱阻抗模型。
8.—種控制矢量控制馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的扭矩指令的方法，所述方法包括以下步驟 確定馬達(dá)速度是否大于預(yù)定速度；當(dāng)馬達(dá)速度大于速度閾值時(shí)，基于總功率損失來估計(jì)多個(gè)定子繞組中的每個(gè)的定子繞 組溫度，其中，總功率損失包括定子繞組功率損失和芯功率損失；以及 響應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)定子繞組的估計(jì)定子繞組溫度而降低扭矩指令。
9. 一種方法，包括基于馬達(dá)的每個(gè)定子繞組的溫度和該定子繞組的電阻的溫度系數(shù)來確定該定子繞組 的定子繞組電阻；基于該定子繞組的定子繞組電阻來確定每個(gè)相的定子繞組功率損失； 基于每個(gè)相的所述定子繞組功率損失和芯功率損失來確定每個(gè)相的總功率損失； 基于所述總功率損失、馬達(dá)速度、以及每個(gè)相的組合熱阻抗模型來確定該相的相溫度 變化；以及基于該相的所述相溫度變化和馬達(dá)冷卻劑溫度來估計(jì)每個(gè)定子繞組的定子繞組溫度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述組合熱阻抗模型包括每個(gè)相的組合熱阻 抗，其中每個(gè)相的所述組合熱阻抗基于定子繞組和定子芯之間的第一熱阻抗、以及定子芯 和馬達(dá)冷卻劑之間的第二熱阻抗。
全文摘要
本發(fā)明涉及電動(dòng)馬達(dá)定子繞組溫度估計(jì)。提供在全部馬達(dá)操作速度范圍內(nèi)估計(jì)定子繞組溫度的溫度估計(jì)控制器和方法。在一個(gè)實(shí)施方式中，確定馬達(dá)的角速度，連同所述馬達(dá)的每個(gè)相的總功率損失。每個(gè)相的總功率損失包括定子繞組功率損失和芯功率損失。馬達(dá)的每個(gè)相的定子繞組溫度然后可以基于該相的總功率損失以及該相的組合熱阻抗來估計(jì)。組合熱阻抗包括定子繞組和定子芯之間的第一熱阻抗、以及定子芯和馬達(dá)冷卻劑之間的第二熱阻抗。
文檔編號(hào)G01K7/16GK102004008SQ20101026936
公開日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2010年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月31日
發(fā)明者C-C·葉, N·R·帕特爾, S·E·舒爾茨, Y·C·宋 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司