一种六相电机的转子永磁体温升估计方法及系统

1.本发明涉及电机转子永磁体温升监测技术，具体涉及一种六相电机的转子永磁体温升估计方法及系统。


背景技术：

2.近年来，随着人们对关键动力部件可靠性的重视，六相电机使用越来越广泛。六相永磁电机具有高功率密度、高性能、高效率，并且具有良好的容错性能，能够满足特殊工况下对电机系统的可靠性及容错需求，越来越受到人们的关注。
3.由于六相永磁电机工作在恶劣的环境下，其定子绕组在运行的过程中会产生热量，其转子永磁体在热应力的作用下，有可能发生不可逆的退磁情况，严重影响到了电机运行的可靠性。因此，为了防止电机永磁体转子出现过热的极端情况，需对电机转子永磁体的运行温度进行估计。
4.目前，现有的永磁电机转子永磁体温度估计方法大多针对的是三相电机，其主要方法是通过间接观测定子绕组的温度或者通过采用注入电流方法得到转子永磁体的温度。通过观测定子绕组阻值的方法是一种间接的方法，并不能实现对转子永磁体的直接观测，可能会存在着一定的误差不能反映转子永磁体的实际温度。通过向电机的绕组中注入基波电流，从中提取特定的电流与电压信号，由于是向其基波电路中注入的谐波，在电机的运行过程中，会引起转矩的波动的工况，影响了电机的正常运行。
5.综上所述，现有电机永磁体温度估计方法用于六相电机，存在着温度估计不准确、存在干扰、适用性差等技术问题。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种六相电机的转子永磁体温升估计方法及系统，本发明针对六相电机能够实现转子永磁体温度的准确估计，方法更加的直接，估计得到的结果更加的准确，可避免出现高温退磁的极端情况，而且本发明方法实施简单、实施成本低，避免了间接观测或者温度传感器测量数据不准确而产生的误判，且整个监测过程易于实现。
7.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种六相电机的转子永磁体温升估计方法，包括：1）在六相电机的数学模型中的谐波平面注入幅值相等、极性相反的电流，并通过基波平面和谐波平面的变换，消除电机电阻r的变化带来的对温升估计的影响，得到消除电机电阻r的电机方程；2）根据消除电机电阻r的电机方程，计算得到在初始温度t0以及任意t时刻的温度t(t)下的永磁体磁链；3）确定永磁体磁链和温升的关系，在永磁体磁链和温升的关系中代入得到的在初始温度t0以及任意t时刻的温度t(t)下的永磁体磁链，得到转子永磁体的温升。
8.可选地，步骤1）中六相电机的数学模型的函数表达式为：，（1）上式中，v
d1
,v
q1
为基波平面dq电压，v
d2
,v
q2
为谐波平面dq电压，i
d1
,i
q1
为基波平面dq电流，i
d2
,i
q2
为谐波平面dq电流，l
d1
,l
q1
为基波平面dq电感，l
d2
,l
q2
为谐波平面dq电感，d
d1
,d
q1
为基波平面dq轴转子位置函数，d
d2
,d
q2
为谐波平面转子位置函数，r为电机电阻，w为电机运行频率，v
dead
为半导体电压降，λ为六相电机的磁链。
9.可选地，步骤1）中在六相电机的数学模型中的谐波平面注入幅值相等、极性相反的电流是指往谐波平面注入幅值相同、极性相反的电流i，使得i
d2
=-i, i
q2
=i。
10.可选地，步骤1）中通过基波平面和谐波平面的变换，消除电机电阻r的变化带来的对温升估计的影响，得到消除电机电阻r的电机方程包括：将六相电机的数学模型进行公式变换，得到解耦后的基波平面的数学模型和谐波平面的数学模型；将谐波平面的数学模型中电机电阻r的函数表达式代入解耦后的基波平面的数学模型，从而得到消除电机电阻r的电机方程。
11.可选地，得到的解耦后的基波平面的数学模型和谐波平面的数学模型如下式所示：v
d1id1
v
q1iq1
=ri
s2
wi
q1 (l
δid1
λ0) (i
d1dd1
i
q1dq1
)v
dead
，（2）v
q2-v
d2
=r(i
q2-i
d2
) w(l
d2id2
l
q2iq2
) (d
q2-d
d2
)v
dead
，（3）上式中，i
s2
= i
d12
i
q12
，l
δ
为基波平面dq电感差，且有l
δ
= i
d1
‑ꢀiq1
。
12.可选地，所述谐波平面的数学模型中电机电阻r的函数表达式如下式所示：r=(v
q2 ‑vq2 ‑ꢀ
w(l
d2id2
l
q2iq2
)
ꢀ‑ꢀ
(d
q2-d
d2
)v
dead
)/(i
q2-i
d2
) ，（4）得到的消除电机电阻的电机方程的函数表达式如下式所示：α1= wi
q1 (l
δid1
λ0) κ
1vdead
，（5）上式中，α1为包含电压信息的物理量，κ1为包含电流信息的物理量，且有：α1= v
d1id1 v
q1iq1-γi
s2 (v
q2-v
d2
) ，（6）κ1= i
d1 d
d1 i
q1dq1-γi
s2 (d
q2-d
d2
)，（7）其中，中间变量γ=1/(2i)，其中i表示往谐波平面注入的电流。
13.可选地，步骤2）中计算得到在初始温度t0以及任意t时刻的温度t(t)下的永磁体磁链分别为：λ0=(α
1,0-κ
1,0vdead
)/w0i
q1,t-l
δ,tid1,t
，（8）λ
t
(t)=(α
1,t-κ
1,tvdead
)/w
tiq1,t-l
δ,tid1,t
，（9）上式中，λ0为在初始温度t0下的永磁体磁链的大小，α
1,0
为初始温度t0下包含电压信息的物理量α1，κ
1,0
为初始温度t0下包含电流信息的物理量κ1，v
dead
为半导体电压降，w0为初始温度t0下的电机运行频率，i
d1,t
和i
q1,t
分别为初始温度t0下的基波平面的dq轴电流，l
δ,t
为初始温度t0下的基波平面dq电感差；λ
t
(t)为在任意t时刻的温度t(t)下的永磁体磁链的大小，α
1,t
为当前温度t(t)下包含电压信息的物理量α1，κ
1,t
为当前温度t(t)下包含电
流信息的物理量κ1，w
t
为当前温度t(t)下的电机运行频率。
14.可选地，步骤3）包括：3.1）确定永磁体磁链和温升的关系如下式所示：λ
t
(t)=λ
0-(1 β(t(t)-t0))，（10）上式中，λ
t
(t)为在任意t时刻的温度t(t)下的永磁体磁链的大小，λ0为在初始温度t0下的永磁体磁链的大小，β为永磁体温度系数，t(t)-t0表示t时刻的温度t(t)相对初始温度t0的温升；3.2）在永磁体磁链和温升的关系中代入得到的在初始温度t0以及任意t时刻的温度t(t)下的永磁体磁链，得到转子永磁体的温升的计算函数表达式如下式所示：
∆
t= t(t)-t0=((α
1,t
‑ꢀ
κ
1,tvdead
)/w
tiq1,t
ꢀ‑
(α
1,0 ‑ꢀ
κ
1,0vdead
)/w0i
q1,t
)/βλ0，（11）上式中，
∆
t表示转子永磁体的温升。
15.此外，本发明还提供一种六相电机的转子永磁体温升估计系统，包括相互连接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执所述六相电机的转子永磁体温升估计方法的步骤。
16.此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有计算机程序，且该计算机程序用于被计算机设备执行以实施所述六相电机的转子永磁体温升估计方法的步骤。
17.和现有技术相比，本发明具有下述优点：1、本发明通过六相电机进行全解耦，并对电机数学模型进行变换，消除了电机电阻变化带来的估计不准确问题；通过向其谐波平面注入电流幅值相等、方向相反的电流，实现对六相电机转子温度的估计，由于谐波平面不产生转矩，因此不会带来转矩波动的问题。相比于传统的观测定子电阻间接观测和基波平面注入电流观测方法，该方法更加的直接，估计得到的结果更加的准确。本发明能够在线实现对六相电机的转子永磁体温升进行估计，从而避免出现高温退磁的极端情况。
18.2、本发明方法只需要采集变流器中的六相电流信号和电压信号，无需安装内部的转子永磁体上安装温度传感器，降低了在线监测技术的成本，也避免了间接观测或者温度传感器测量数据不准确而产生的误判，且整个监测过程易于实现。
附图说明
19.图1为本发明实施例方法的结构示意图。
20.图2为本发明实施例装置的结构示意图。
21.图3为本发明实施例系统的结构示意图。
具体实施方式
22.为使本发明实施上述目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明实施例中的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.如图1所示，本实施例六相电机的转子永磁体温升估计方法包括：
1）在六相电机的数学模型中的谐波平面注入幅值相等、极性相反的电流，并通过基波平面和谐波平面的变换，消除电机电阻r的变化带来的对温升估计的影响，得到消除电机电阻r的电机方程；2）根据消除电机电阻r的电机方程，计算得到在初始温度t0以及任意t时刻的温度t(t)下的永磁体磁链；3）确定永磁体磁链和温升的关系，在永磁体磁链和温升的关系中代入得到的在初始温度t0以及任意t时刻的温度t(t)下的永磁体磁链，得到转子永磁体的温升。
24.本实施例在六相电机的数学模型中的谐波平面注入幅值相等、极性相反的电流，并通过基波平面和谐波平面的变换，消除电机电阻r的变化带来的对温升估计的影响，得到消除电机电阻r的电机方程，可消除电机电阻r对转子永磁体的温升计算的干扰。本实施例包括利用永磁体磁链和温升的关系，在永磁体磁链和温升的关系中代入得到的在初始温度t0以及任意t时刻的温度t(t)下的永磁体磁链，得到转子永磁体的温升。针对六相电机能够实现转子永磁体温度的准确估计，方法更加的直接，估计得到的结果更加的准确，可避免出现高温退磁的极端情况。本实施例方法实施简单、实施成本低，避免了间接观测或者温度传感器测量数据不准确而产生的误判，且整个监测过程易于实现。
25.本实施例中，步骤1）中六相电机的数学模型的函数表达式为：，（1）上式中，v
d1
,v
q1
为基波平面dq电压，v
d2
,v
q2
为谐波平面dq电压，i
d1
,i
q1
为基波平面dq电流，i
d2
,i
q2
为谐波平面dq电流，l
d1
,l
q1
为基波平面dq电感，l
d2
,l
q2
为谐波平面dq电感，d
d1
,d
q1
为基波平面dq轴转子位置函数，d
d2
,d
q2
为谐波平面转子位置函数，r为电机电阻，w为电机运行频率，v
dead
为半导体电压降，λ为六相电机的磁链。
26.本实施例中，步骤1）中在六相电机的数学模型中的谐波平面注入幅值相等、极性相反的电流是指往谐波平面注入幅值相同、极性相反的电流i，使得i
d2
=-i, i
q2
=i。现有的永磁体温度估计方法是通过向电机的运行过程中注入不同的运行dq轴电流，通过电机的电压方程计算得到永磁电机的磁链，但是注入不同的dq电流将对电机的正常运行产生影响。而本实施例中往谐波平面注入幅值相同、极性相反的电流i，不会对电机的正常运行产生影响。
27.本实施例中，步骤1）中通过基波平面和谐波平面的变换，消除电机电阻r的变化带来的对温升估计的影响，得到消除电机电阻r的电机方程包括：将六相电机的数学模型进行公式变换，得到解耦后的基波平面的数学模型和谐波平面的数学模型；将谐波平面的数学模型中电机电阻r的函数表达式代入解耦后的基波平面的数学模型，从而得到消除电机电阻r的电机方程。
28.本实施例中，得到的解耦后的基波平面的数学模型和谐波平面的数学模型如下式所示：v
d1id1
v
q1iq1
=ri
s2
wi
q1 (l
δid1
λ0) (i
d1dd1
i
q1dq1
)v
dead
，（2）vq2-v
d2
=r(i
q2-i
d2
) w(l
d2id2
l
q2iq2
) (d
q2-d
d2
)v
dead
，（3）上式中，i
s2
= i
d12
i
q12
，l
δ
为基波平面dq电感差，且有l
δ
= i
d1
‑ꢀiq1
。
29.本实施例中，谐波平面的数学模型中电机电阻r的函数表达式如下式所示：r=(v
q2 ‑vq2 ‑ꢀ
w(l
d2id2
l
q2iq2
)
ꢀ‑ꢀ
(d
q2-d
d2
)v
dead
)/(i
q2-i
d2
) ，（4）将公式（3）中的谐波平面的数学模型中电机电阻r的函数表达式代入公式（2）中：v
d1id1
v
q1iq1
=(v
q2 ‑vq2 ‑ꢀ
w(l
d2id2
l
q2iq2
)
ꢀ‑ꢀ
(d
q2-d
d2
)v
dead
)/(i
q2-i
d2
) i
s2
wi
q1 (l
δid1
λ0) (i
d1dd1
i
q1dq1
)v
dead
通过向其谐波平面注入幅值相同、极性相反的电流i，有i
d2
=-i, i
q2
=i。可得到：v
q2-v
d2
=2ri (d
q2-d
d2
)v
dead
，将其代入式（2），得到的消除电机电阻的电机方程的函数表达式如下式所示：α1= wi
q1 (l
δid1
λ0) κ
1vdead
，（5）上式中，α1为包含电压信息的物理量，κ1为包含电流信息的物理量，且有：α1= v
d1id1 v
q1iq1-γi
s2 (v
q2-v
d2
) ，（6）κ1= i
d1 d
d1 i
q1dq1-γi
s2 (d
q2-d
d2
)，（7）其中，中间变量γ=1/(2i)，其中i表示往谐波平面注入的电流。
30.本实施例步骤2）中计算得到在初始温度t0以及任意t时刻的温度t(t)下的永磁体磁链分别为：λ0=(α
1,0-κ
1,0vdead
)/w0i
q1,t-l
δ,tid1,t
，（8）λ
t
(t)=(α
1,t-κ
1,tvdead
)/w
tiq1,t-l
δ,tid1,t
，（9）上式中，λ0为在初始温度t0下的永磁体磁链的大小，α
1,0
为初始温度t0下包含电压信息的物理量α1（采用式（6）计算得到），κ
1,0
为初始温度t0下包含电流信息的物理量κ1（采用式（7）计算得到），v
dead
为半导体电压降，w0为初始温度t0下的电机运行频率，i
d1,t
和i
q1,t
分别为初始温度t0下的基波平面的dq轴电流，l
δ,t
为初始温度t0下的基波平面dq电感差；λ
t
(t)为在任意t时刻的温度t(t)下的永磁体磁链的大小，α
1,t
为当前温度t(t)下包含电压信息的物理量α1（采用式（6）计算得到），κ
1,t
为当前温度t(t)下包含电流信息的物理量κ1（采用式（7）计算得到），w
t
为当前温度t(t)下的电机运行频率。
31.本实施例中，步骤3）包括：3.1）确定永磁体磁链和温升的关系如下式所示：λ
t
(t)=λ
0-(1 β(t(t)-t0))，（10）上式中，λ
t
(t)为在任意t时刻的温度t(t)下的永磁体磁链的大小，λ0为在初始温度t0下的永磁体磁链的大小，β为永磁体温度系数，t(t)-t0表示t时刻的温度t(t)相对初始温度t0的温升；目前，永磁电机的转子通常采用的是具有高能积材料的永磁材料，其永磁的剩磁能力决定着永磁电机的性能，与温度密切相关。永磁电机磁通的大小与温度相关，保持着如式（10）所示的线性关系因此估算得到永磁磁链的大小就可以估算得到转子永磁体的温度。
32.3.2）在永磁体磁链和温升的关系中代入得到的在初始温度t0以及任意t时刻的温度t(t)下的永磁体磁链，得到转子永磁体的温升的计算函数表达式如下式所示：
∆
t= t(t)-t0=((α
1,t
‑ꢀ
κ
1,tvdead
)/w
tiq1,t
ꢀ‑
(α
1,0 ‑ꢀ
κ
1,0vdead
)/w0i
q1,t
)/βλ0，（11）上式中，
∆
t表示转子永磁体的温升。
33.综上所述，本实施例方法包括通过对六相电机进行解耦，建立基波和谐波平面数学模型方程；通过变换电机的数学模型，消除了电阻对温升估计准确性的影响。并通过向其谐波平面注入电流，从而提取得到永磁体的磁链值，再通过注入相同大小的电流，得到电机转子的初始磁链，推导可以求取得到永磁体的温度。通过该向谐波平面注入电流，该电流不会对电机的转矩波动造成影响，从而在线电机温升估计，提升了电机系统的可靠性。
34.如图2所示，本实施例还提供一种前述方法对应的装置，分别包括：谐波平面电流注入单元，用于给定谐波平面dq轴电流，得到注入后的谐波平面电压方程。电流、转子位置采样单元，用于通过将采集得到的六相电流和转子位置信息进行坐标分量，得到旋转坐标系下的基波平面和谐波平面的电流分量。电机矢量控制单元，用于通过pi矢量控制，得到电机稳定运行时的参考电压vd、vq和v
d1
、v
q1
。转子磁链计算单元，用于计算得到在运行工况下的转子永磁体磁链λ
t
(t)及常温下的转子永磁体磁链λ0。转子永磁体温升计算单元，用于根据前面计算得到的转子磁链结果计算得到转子永磁体温升
∆
t。
35.图3为本发明实施例的六相电机转子永磁体温度估计系统的结构示意图，如图3所示，该系统主要包括直流电源，六相逆变器，控制器和六相电机等。本系统采用基于磁场定向的六相全解耦矢量控制方法，以电机的电流和实施转速作为控制系统的输入参数，通过输出pwm调制信号控制六相电机。为了提高转子永磁体温度的准确性，在控制环节考虑了变流器非线性因素死区效应带来的影响。如图3所示，将检测到的六相电流（在实际中仅需检测四相，如图所示ia、ib和id、ie）经过6/4旋转坐标系到静止坐标系变换，然后将6/4变换产生的电流进行高通滤波得到i
α
、i
β
和i
α1
、i
β1
，再变换到旋转坐标系下（4s/4r）得到dq轴坐标系下直流分量。将解耦过后的电流，通过基波平面电流和谐波平面电流分别进行pi调节器管理，得到参考电压v
d1
、v
q1
和v
d2
、v
q2
。不同于传统的电流注入方法，本实施例方法中是通过向其谐波平面注入电流，如图3所示的i
d2
、i
q2
电流幅值相等、方向相反。最后利用得到的参考电压去生成调制信号，控制六相逆变器，为六相电机供电。
36.此外，本实施例还提供一种六相电机的转子永磁体温升估计系统，包括相互连接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行前述六相电机的转子永磁体温升估计方法的步骤。
37.此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有计算机程序，且该计算机程序用于被计算机设备执行以实施前述六相电机的转子永磁体温升估计方法的步骤。
38.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质（包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
39.以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。