永磁同步電機(jī)的降額控制方法
【專利摘要】本申請(qǐng)公開(kāi)了一種永磁同步電機(jī)的降額控制方法，包括：第1步，在不同轉(zhuǎn)速、但總是最大扭矩的條件下，記錄永磁同步電機(jī)從正常工作模式進(jìn)入失效響應(yīng)模式的瞬時(shí)峰值電流。第2步，根據(jù)各個(gè)轉(zhuǎn)速下的瞬時(shí)峰值電流，記錄不同轉(zhuǎn)子溫度下的退磁率。第3步，根據(jù)所允許的最大退磁率，得到各個(gè)轉(zhuǎn)速下的最大允許轉(zhuǎn)子溫度。第4步，為各個(gè)轉(zhuǎn)速、各個(gè)轉(zhuǎn)子溫度下設(shè)定降額系數(shù)。第5步，根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子溫度，根據(jù)第4步所設(shè)定的降額系數(shù)的值來(lái)對(duì)最大輸出扭矩和最大輸出功率進(jìn)行限制。本申請(qǐng)所述方法特別適用于新能源汽車上的永磁同步電機(jī)，既能保證永磁體的剩余磁通密度不超過(guò)一定范圍，又能滿足低速爬坡、高速超車的需求。
【專利說(shuō)明】永磁同步電機(jī)的降額控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請(qǐng)涉及一種新能源汽車上的永磁同步電機(jī)的降額控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]永磁同步電機(jī)被普遍應(yīng)用于新能源汽車(純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車等)，作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子上設(shè)有永磁體，通常為磁鋼，其主要特性參數(shù)包括剩余磁通密度(Br)和內(nèi)稟矯頑力(Hcj )。
[0003]剩余磁通密度決定永磁體的性能,進(jìn)而影響永磁同步電機(jī)的輸出扭矩和功率。永磁體的剩余磁通密度減小的現(xiàn)象被稱為退磁，剩余磁通密度的減小量與原本的剩余磁通密度之比被稱為退磁率。永磁體發(fā)生退磁主要與溫度和電流兩個(gè)因素有關(guān)。退磁率在一定范圍內(nèi)是可以接受的，超過(guò)該范圍則是不被允許的。
[0004]內(nèi)稟矯頑力決定永磁體的抗退磁能力。內(nèi)稟矯頑力由永磁體中的稀土 (例如釹、鏑)含量所決定，這直接影響永磁同步電機(jī)的生產(chǎn)成本。新能源汽車上的永磁同步電機(jī)需要在復(fù)雜的整車工況及苛刻的環(huán)境溫度條件下工作，因而永磁體的抗退磁能力是電機(jī)乃至整車穩(wěn)定性及使用壽命的重要指標(biāo)。
[0005]當(dāng)永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子達(dá)到較高溫度時(shí)，若由于某些故障從正常工作模式進(jìn)入失效響應(yīng)模式，將導(dǎo)致永磁同步電機(jī)受到較大的瞬態(tài)峰值電流沖擊，此時(shí)永磁同步電機(jī)中的永磁體易發(fā)生退磁，具體表現(xiàn)為電機(jī)空載反電勢(shì)降低、性能下降。
[0006]為使永磁同步電機(jī)的退磁率在允許范圍內(nèi)，目前已有對(duì)永磁同步電機(jī)的降額控制方法。請(qǐng)參閱圖1，該方法包括如下步驟:
[0007]第I步，根據(jù)永磁同步電機(jī)運(yùn)行時(shí)的最大相電流，計(jì)算不同轉(zhuǎn)子溫度下永磁體的
退磁率。
[0008]第2步，根據(jù)永磁同步電機(jī)所允許的最大退磁率，得到最大允許轉(zhuǎn)子溫度。
[0009]第3步，為永磁同步電機(jī)設(shè)定第一閾值、第二閾值，第一閾值<第二閾值<最大允許轉(zhuǎn)子溫度。
[0010]第4步，當(dāng)轉(zhuǎn)子溫度達(dá)到第一閾值時(shí)，開(kāi)始限制永磁同步電機(jī)的最大輸出扭矩和最大輸出功率，此時(shí)降額系數(shù)從I開(kāi)始減小。所述降額系數(shù)是指限制后的最大輸出功率與未限制的最大輸出功率的比值，取值范圍為O?I。永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子溫度越高，降額系數(shù)越小。當(dāng)轉(zhuǎn)子溫度達(dá)到第二閾值時(shí)，將永磁同步電機(jī)的最大輸出扭矩和最大輸出功率降至0，此時(shí)降額系數(shù)為O。
[0011]所述方法第4步中，限制永磁同步電機(jī)的最大輸出扭矩和最大輸出功率就是降額控制。請(qǐng)參閱圖2，這是永磁同步電機(jī)的扭矩-轉(zhuǎn)速外特性曲線(粗實(shí)線)和功率-轉(zhuǎn)速外特性曲線(粗虛線)。當(dāng)轉(zhuǎn)速在O?nl之間時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速升高，功率隨之升高，扭矩不變，稱為恒扭矩區(qū)。當(dāng)轉(zhuǎn)速在nl以上時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速升高，扭矩隨之降低，功率不變，稱為恒功率區(qū)。實(shí)際上，恒扭矩區(qū)與恒功率區(qū)的拐點(diǎn)是很窄的一個(gè)轉(zhuǎn)速范圍，因而可以近似地認(rèn)為是一個(gè)特定的轉(zhuǎn)速拐點(diǎn)nl。[0012]在恒扭矩區(qū)進(jìn)行降額控制，是通過(guò)限制永磁同步電機(jī)的三相定子繞組的相電流，從而限制輸出扭矩。
[0013]在恒功率區(qū)進(jìn)行降額控制，是通過(guò)限制永磁同步電機(jī)的三相定子繞組的相電流，從而限制輸出功率。
[0014]由于永磁同步電機(jī)的功率僅與其轉(zhuǎn)速、扭矩有關(guān)，轉(zhuǎn)速X扭矩=特定常數(shù)X功率。那么一旦限制了扭矩，在轉(zhuǎn)速不變的前提下，也就必然限制了功率。同樣地，一旦限制了功率，在轉(zhuǎn)速不變的前提下，也就必然限制了扭矩。因此，降額系數(shù)不僅用來(lái)表征限制后的最大輸出功率與未限制的最大輸出功率的比值，還用來(lái)表征限制后的最大輸出扭矩與未限制的最大輸出扭矩的比值。
[0015]所述方法第4步中，當(dāng)轉(zhuǎn)子溫度在第一閾值到第二閾值之間時(shí)，可以采用線性降額控制，即隨著轉(zhuǎn)子溫度上升線性地減小降額系數(shù)。
[0016]例如，永磁同步電機(jī)所允許的最大退磁率為15%，由此得到的最大允許轉(zhuǎn)子溫度為140°C。請(qǐng)參閱圖3，當(dāng)轉(zhuǎn)子溫度≤130°C時(shí)，降額系數(shù)為I。當(dāng)轉(zhuǎn)子溫度> 130°C時(shí)，降額系數(shù)從I開(kāi)始隨著轉(zhuǎn)子溫度升高而線性減小。當(dāng)轉(zhuǎn)子溫度=140°C時(shí)，降額系數(shù)為O。這種降額控制方法可以避免轉(zhuǎn)子上的永磁體發(fā)生超出15%以外的退磁率。
[0017]請(qǐng)參閱圖 4，這是現(xiàn)有的永磁同步電機(jī)的降額控制方法所對(duì)應(yīng)的扭矩-轉(zhuǎn)速外特性曲線。此時(shí)永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子溫度大于第一閾值，但小于第二閾值。在拐點(diǎn)nl之前，限制其最大輸出扭矩為原最大輸出扭矩的80% ;此時(shí)其最大輸出功率也為原最大輸出功率的80%。在拐點(diǎn)nl之后，限制其最大輸出功率為原最大輸出功率的80% ;此時(shí)其最大輸出扭矩也為原最大輸出扭矩的80%。即降額控制后只能在圖4中斜線填充區(qū)域工作。
[0018]現(xiàn)有的永磁同步電機(jī)的降額控制方法存在如下不足:
[0019]其一，永磁同步電機(jī)的最大相電流并非整個(gè)工況下會(huì)出現(xiàn)的最惡劣電流。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，從正常工作模式切換至失效響應(yīng)模式時(shí)會(huì)有3ms左右的瞬時(shí)峰值電流，該瞬時(shí)峰值電流比最大相電流更大，從而對(duì)退磁影響很大。
[0020]其二，不同轉(zhuǎn)速條件下，永磁同步電機(jī)在發(fā)生故障時(shí)的瞬態(tài)峰值電流大小有差異，通常最惡劣點(diǎn)位于恒扭矩區(qū)與恒功率區(qū)的拐點(diǎn)處，即圖3中轉(zhuǎn)速為nl的位置?，F(xiàn)有的降額控制方法在所有轉(zhuǎn)速下采取“一刀切”式的控制方式，將導(dǎo)致在轉(zhuǎn)子溫度較高時(shí)系統(tǒng)的性能受到限制。例如爬坡時(shí)常用的低轉(zhuǎn)速大扭矩區(qū)、高速超車時(shí)常用的高轉(zhuǎn)速大功率區(qū)，都會(huì)因最大輸出功率被限制而受到影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0021]本申請(qǐng)所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種永磁同步電機(jī)的降額控制方法，既能保護(hù)轉(zhuǎn)子上的永磁體在高溫和大電流時(shí)的退磁在允許范圍內(nèi)，又能在此前提下仍能輸出較大扭矩及功率，從而將轉(zhuǎn)子溫度對(duì)整車爬坡以及高速超車性能的影響降到最低。
[0022]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本申請(qǐng)永磁同步電機(jī)的降額控制方法包括如下步驟:
[0023]第I步，在永磁同步電機(jī)的不同輸出轉(zhuǎn)速、但總是保持該輸出轉(zhuǎn)速下的最大輸出扭矩的條件下，記錄永磁同步電機(jī)從正常工作模式進(jìn)入失效響應(yīng)模式的瞬時(shí)峰值電流；
[0024]第2步,根據(jù)永磁同步電機(jī)在各個(gè)轉(zhuǎn)速下的瞬時(shí)峰值電流,記錄永磁同步電機(jī)在不同轉(zhuǎn)子溫度下的退磁率；[0025]第3步，根據(jù)永磁同步電機(jī)的永磁體所允許的最大退磁率，得到各個(gè)轉(zhuǎn)速下的最大允許轉(zhuǎn)子溫度；
[0026]第4步，為永磁同步電機(jī)在各個(gè)轉(zhuǎn)速、各個(gè)轉(zhuǎn)子溫度下設(shè)定降額系數(shù)的值；在每個(gè)轉(zhuǎn)速的最大允許轉(zhuǎn)子溫度下，降額系數(shù)設(shè)為O ;在每個(gè)轉(zhuǎn)速的最大允許轉(zhuǎn)子溫度的一定溫度之前，降額系數(shù)從I開(kāi)始下降；在降額系數(shù)從I降至O的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子溫度越高，則降額系數(shù)越低；
[0027]第5步，根據(jù)永磁同步電機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子溫度，根據(jù)第4步所設(shè)定的降額系數(shù)的值來(lái)對(duì)永磁同步電機(jī)的最大輸出扭矩和最大輸出功率進(jìn)行限制，限制后的最大輸出扭矩=原最大輸出扭矩X降額系數(shù)，限制后的最大輸出功率=原最大輸出功率X降額系數(shù)。
[0028]現(xiàn)有的永磁同步電機(jī)的降額控制方法僅考慮轉(zhuǎn)子溫度一個(gè)因素，其最大允許轉(zhuǎn)子溫度還是基于最大相電流得到的。本申請(qǐng)的永磁同步電機(jī)的降額控制方法同時(shí)考慮電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子溫度兩個(gè)因素，其最大允許轉(zhuǎn)子溫度是基于瞬時(shí)峰值電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速得到的。這使得本申請(qǐng)所述方法特別適用于新能源汽車上的永磁同步電機(jī)，在復(fù)雜的整車工況下，轉(zhuǎn)子溫度較高時(shí)能避開(kāi)最大的退磁風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，從而保證在壽命周期內(nèi)永磁體的剩余磁通密度及整車性能的下降不超過(guò)一定范圍。同時(shí)，在轉(zhuǎn)子溫度較高時(shí)，還能在低轉(zhuǎn)速時(shí)仍能輸出峰值扭矩，在高轉(zhuǎn)速時(shí)能輸出峰值功率，從而滿足低速爬坡、高速超車的需求。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0029]圖1是現(xiàn)有的永磁同步電機(jī)的降額控制方法的流程圖；
[0030]圖2是永磁同步電機(jī)的扭矩-轉(zhuǎn)速外特性曲線和功率-轉(zhuǎn)速外特性曲線；
[0031]圖3是現(xiàn)有的永磁同步電機(jī)的降額控制方法所對(duì)應(yīng)的降額系數(shù)與溫度的示意圖；
[0032]圖4是現(xiàn)有的永磁同步電機(jī)的降額控制方法所對(duì)應(yīng)的扭矩-轉(zhuǎn)速外特性曲線；
[0033]圖5是本申請(qǐng)的永磁同步電機(jī)的降額控制方法的流程圖；
[0034]圖6是永磁同步電機(jī)從正常工作模式切換至失效響應(yīng)模式時(shí)的三相電流示意圖；
[0035]圖7、圖8是本申請(qǐng)的永磁同步電機(jī)的降額控制方法所對(duì)應(yīng)的扭矩-轉(zhuǎn)速外特性曲線(兩種不同轉(zhuǎn)子溫度下)。
【具體實(shí)施方式】
[0036]請(qǐng)參閱圖5，本申請(qǐng)永磁同步電機(jī)的降額控制方法包括如下步驟:
[0037]第I步，對(duì)永磁同步電機(jī)從正常工作模式進(jìn)入失效響應(yīng)模式進(jìn)行仿真，每次仿真都基于永磁同步電機(jī)的不同輸出轉(zhuǎn)速、但總是保持該轉(zhuǎn)速條件下的最大輸出扭矩。記錄各個(gè)轉(zhuǎn)速下的瞬時(shí)峰值電流。
[0038]這種仿真可以是軟件形式的暫態(tài)電流仿真，在搭建的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電路模型上進(jìn)行，主要是仿真出模式切換時(shí)的電機(jī)三相電流的暫態(tài)變化；也可以是對(duì)實(shí)際電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的測(cè)試測(cè)量。請(qǐng)參閱圖6，當(dāng)永磁同步電機(jī)從正常工作模式(例如扭矩控制模式)切換至失效響應(yīng)模式時(shí)，切換的瞬間由于加載到定子三相繞組上的電壓突然變化，導(dǎo)致某一相或多相出現(xiàn)瞬時(shí)的大電流，將其中幅值最大的瞬時(shí)電流稱為瞬時(shí)峰值電流。該瞬時(shí)峰值電流是導(dǎo)致轉(zhuǎn)子高溫時(shí)永磁體退磁的主要原因之一。
[0039]第2步，根據(jù)永磁同步電機(jī)的各個(gè)轉(zhuǎn)速下的瞬時(shí)峰值電流，對(duì)永磁同步電機(jī)在不同轉(zhuǎn)子溫度下進(jìn)行退磁仿真，記錄各個(gè)轉(zhuǎn)速條件下在各個(gè)轉(zhuǎn)子溫度下的永磁體的退磁率。
[0040]所述退磁仿真優(yōu)選為軟件仿真，在電磁仿真軟件中搭建電機(jī)模型，選定永磁體的剩余磁通密度、內(nèi)稟矯頑力、繞組匝數(shù)、系統(tǒng)電壓、鐵芯形狀等磁路參數(shù)后，在線圈內(nèi)加載第I步中得到的各個(gè)轉(zhuǎn)速下的瞬時(shí)峰值電流。從而記錄在各個(gè)轉(zhuǎn)速、各個(gè)溫度條件下的永磁體的退磁率。
[0041]第3步，根據(jù)永磁同步電機(jī)的永磁體所允許的最大退磁率，得到各個(gè)轉(zhuǎn)速下的最大允許轉(zhuǎn)子溫度。
[0042]請(qǐng)參閱圖2，大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，恒扭矩區(qū)與恒功率區(qū)的拐點(diǎn)(轉(zhuǎn)速為nl處)的瞬時(shí)峰值電流最大，相同轉(zhuǎn)子溫度條件下的退磁率也最大。轉(zhuǎn)速距離nl處越遠(yuǎn)，瞬時(shí)峰值電流越小，相同轉(zhuǎn)子溫度下的退磁風(fēng)險(xiǎn)越低。為使退磁率符合要求，需要在轉(zhuǎn)速為nl處進(jìn)行最嚴(yán)格的轉(zhuǎn)子溫度限制，轉(zhuǎn)速距離nl處越遠(yuǎn)則轉(zhuǎn)子溫度限制就越放寬。這種根據(jù)轉(zhuǎn)速、溫度兩者進(jìn)行降額控制的好處是:在轉(zhuǎn)速為nl處對(duì)輸出功率做最大幅度的抑制，用以防止永磁體退磁；根據(jù)轉(zhuǎn)速距離nl的由近到遠(yuǎn)，逐級(jí)放寬輸出功率的限制，用以提高低轉(zhuǎn)速大扭矩區(qū)和高轉(zhuǎn)速大功率區(qū)在轉(zhuǎn)子高溫下的性能，進(jìn)而提高整車低速爬坡和高速超車能力。
[0043]第4步，為永磁同步電機(jī)在各個(gè)轉(zhuǎn)速、各個(gè)轉(zhuǎn)子溫度下設(shè)定降額系數(shù)的值。在每個(gè)轉(zhuǎn)速的最大允許轉(zhuǎn)子溫度下，降額系數(shù)應(yīng)設(shè)為O。例如，在每個(gè)轉(zhuǎn)速的最大允許轉(zhuǎn)子溫度的一定溫度之前，降額系數(shù)從I開(kāi)始下降。例如，電機(jī)轉(zhuǎn)速為每分鐘2700轉(zhuǎn)時(shí)，最大允許轉(zhuǎn)子溫度為140°C，轉(zhuǎn)子溫度> 130°C就使降額系數(shù)從I開(kāi)始下降。而電機(jī)轉(zhuǎn)速為每分鐘500轉(zhuǎn)時(shí)，最大允許轉(zhuǎn)子溫度為180°C，轉(zhuǎn)子溫度> 150°C就使降額系數(shù)從I開(kāi)始下降。在降額系數(shù)從I降至O的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子溫度越高，則降額系數(shù)越低。
[0044]
【權(quán)利要求】
1.一種永磁同步電機(jī)的降額控制方法，其特征是，包括如下步驟: 第I步，在永磁同步電機(jī)的不同輸出轉(zhuǎn)速、但總是保持該輸出轉(zhuǎn)速下的最大輸出扭矩的條件下，記錄永磁同步電機(jī)從正常工作模式進(jìn)入失效響應(yīng)模式的瞬時(shí)峰值電流； 第2步，根據(jù)永磁同步電機(jī)在各個(gè)轉(zhuǎn)速下的瞬時(shí)峰值電流，記錄永磁同步電機(jī)在不同轉(zhuǎn)子溫度下的退磁率； 第3步，根據(jù)永磁同步電機(jī)的永磁體所允許的最大退磁率，得到各個(gè)轉(zhuǎn)速下的最大允許轉(zhuǎn)子溫度； 第4步，為永磁同步電機(jī)在各個(gè)轉(zhuǎn)速、各個(gè)轉(zhuǎn)子溫度下設(shè)定降額系數(shù)的值；在每個(gè)轉(zhuǎn)速的最大允許轉(zhuǎn)子溫度下，降額系數(shù)設(shè)為O ;在每個(gè)轉(zhuǎn)速的最大允許轉(zhuǎn)子溫度的一定溫度之前，降額系數(shù)從I開(kāi)始下降；在降額系數(shù)從I降至O的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子溫度越高，則降額系數(shù)越低； 第5步，根據(jù)永磁同步電機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子溫度，根據(jù)第4步所設(shè)定的降額系數(shù)的值來(lái)對(duì)永磁同步電機(jī)的最大輸出扭矩和最大輸出功率進(jìn)行限制，限制后的最大輸出扭矩=原最大輸出扭矩X降額系數(shù)，限制后的最大輸出功率=原最大輸出功率X降額系數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁同步電機(jī)的降額控制方法，其特征是，所述方法第I步中，在永磁同步電機(jī)的每一個(gè)輸出轉(zhuǎn)速、以及該輸出轉(zhuǎn)速下的最大輸出扭矩的條件下，對(duì)永磁同步電機(jī)從正常工作模式進(jìn)入失效響應(yīng)模式進(jìn)行暫態(tài)電流仿真或?qū)崪y(cè)，模式切換的瞬間定子的三相繞組的一相或多相出現(xiàn)瞬時(shí)的大電流，將其中幅值最大的瞬時(shí)電流稱為瞬時(shí)峰值電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁同步電機(jī)的降額控制方法，其特征是，所述方法第2步中，根據(jù)永磁同步電機(jī)的各個(gè)轉(zhuǎn)速下的瞬時(shí)峰值電流，對(duì)永磁同步電機(jī)在不同轉(zhuǎn)子溫度下進(jìn)行退磁仿真，記錄各個(gè)轉(zhuǎn)速條件下在各個(gè)轉(zhuǎn)子溫度下的永磁體的退磁率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁同步電機(jī)的降額控制方法，其特征是，所述方法第3步中，永磁同步電機(jī)的扭矩-轉(zhuǎn)速外特性曲線分為恒扭矩區(qū)和恒功率區(qū)兩部分，這兩部分拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速nl的瞬時(shí)峰值電流最大，相同轉(zhuǎn)子溫度下的退磁率也最大；實(shí)際轉(zhuǎn)速距離nl越遠(yuǎn)，瞬時(shí)峰值電流越小，相同轉(zhuǎn)子溫度下的退磁風(fēng)險(xiǎn)越低。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁同步電機(jī)的降額控制方法，其特征是，所述方法第4步中，不同轉(zhuǎn)速的最大允許轉(zhuǎn)子溫度與降額系數(shù)開(kāi)始下降的溫度之間的差值或者相同，或者不同。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁同步電機(jī)的降額控制方法，其特征是，所述方法第5步中，在恒扭矩區(qū)是通過(guò)限制永磁同步電機(jī)最大輸出扭矩，來(lái)限制其最大輸出功率；在恒功率區(qū)是通過(guò)限制永磁同步電機(jī)的最大輸出功率，來(lái)限制其最大輸出扭矩。
【文檔編號(hào)】H02P6/06GK103762911SQ201310726722
【公開(kāi)日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2013年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月25日
【發(fā)明者】王萑, 何海, 徐瑋, 陳劍鋒 申請(qǐng)人:聯(lián)合汽車電子有限公司