УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ
MOTOR CONTROL DEVICE AND METHOD

Уровень техники
1. Область техники, относящаяся к изобретению
Изобретение относится к устройству управления двигателем для управления двигателем, имеющим статор с обмоткой статора, концентрически расположенной на внешней стороне ротора, имеющего постоянный магнит, причем устройство управления двигателем включает в себя средство оценки температуры магнита для оценки температуры постоянного магнита и средство управления для управления двигателем на основе оцененной температуры магнита. Настоящее изобретение относится также к способу управления и программе управления такими двигателями.
2. Описание уровня техники, относящегося к изобретению
В последнее время растет интерес к гибридным транспортным средствам, электрическим транспортным средствам и транспортным средствам, питаемым топливными элементами, и предпринимаются различные попытки улучшить приводные характеристики таких транспортных средств с целью превзойти традиционные транспортные средства, приводимые в движение двигателями внутреннего сгорания. Например, в гибридных транспортных средствах предпринимаются попытки повысить энергоэффективность транспортных средств для улучшения приводных характеристик посредством использования более высоких напряжений, изменения приводной системы двигателя и т.д.
Однако использование двигателя в состоянии более высокой выходной мощности в течение продолжительного времени может привести к тому, что температура статора и ротора превысит верхнее граничное значение, что приведет к размагничиванию постоянного магнита ротора. Это приводит к уменьшению крутящего момента двигателя. Чтобы этого не допустить, важно управлять двигателем таким образом, чтобы его температура не превышала верхнего граничного значения, и при этом повышать охлаждающую способность двигателя, чтобы ограничить повышение внутренней температуры двигателя.
Для точного управления температурой двигателя следует измерять температуру ротора и статора. Обычно статор жестко прикреплен к корпусу двигателя, и температуру статора можно легко измерить, прикрепив к статору термопару. Однако поскольку внутри статора продолжает вращаться ротор, на валу ротора необходимо установить токосъемное кольцо или вращающийся контактор для снятия сигналов с термопары, прикрепленной к статору. В результате стоимость двигателя может возрасти, а конструкция двигателя становится более сложной.
В японской выложенной патентной публикации 2005-73333 раскрыт способ оценки температуры магнитного датчика, подшипника, магнита ротора и т.п. посредством предварительного измерения и сохранения температурного распределения двигателя, обнаружения температуры обмотки статора при помощи множества термисторов и сравнения обнаруженных значений температуры с сохраненным температурным распределением двигателя.
Кроме того, в японской выложенной патентной публикации 2000-23421 раскрыт другой способ оценки температуры магнита ротора, в котором система масляного охлаждения статорной части отделена от системы масляного охлаждения роторной части, измеряется расход охлаждающего масла, циркулирующего в системе масляного охлаждения ротора, и измеряется также температура охлаждающего масла на входе и температура охлаждающего масла на выходе соответственно до и после охлаждения ротора системой охлаждения ротора для оценки температуры магнита ротора на основе разности температуры охлаждающего масла.
Сущность изобретения
В вышеупомянутых способах, раскрытых в японских выложенных патентных публикациях 2005-73333 и 2000-23421, не определялось взаимоотношение между магнитом ротора, обмоткой статора и охлаждающим маслом, а также не учитывалось тепловое воздействие на двигатель в целом, то есть как обмотка статора и охлаждающая жидкость, которые оказывают тепловое воздействие на магнит ротора, влияют на температуру магнита ротора.
Кроме того, в способе, раскрытом в японской выложенной патентной публикации 2000-23421, оценивают температуру магнита ротора на основе температуры охлаждающего масла двигателя. Для получения более высокой выходной мощности управление двигателем осуществляется более сложным образом, магнит ротора сам по себе вырабатывает повышенное количество тепла, что препятствует достаточно точной оценке температуры при помощи обычных способов оценки. Особенно это верно в отношении двигателей, используемых в гибридных транспортных средствах, в которых состояние привода меняется мгновенно, поскольку температура магнита ротора может включать в себя заранее определенную ошибку, если оценка температуры осуществляется только по охлаждающему маслу двигателя.
С целью решения вышеуказанных проблем настоящее изобретение предлагает обеспечить небольшой и высокоэффективный двигатель посредством обеспечения устройством управления двигателя, включающим в себя средство оценки температуры магнита для оценки температуры постоянного магнита, входящего в состав ротора двигателя, и средство управления для управления двигателем на основе оцененной температуры магнита. Настоящее изобретение также предусматривает способ управления и программу управления двигателем.
Для достижения вышеуказанной цели устройство управления согласно настоящему изобретению приводит в действие двигатель, имеющий статор с обмоткой статора, концентрически расположенной по внешней стороне ротора, имеющего постоянный магнит, причем устройство управления двигателем включает в себя средство оценки температуры магнита для оценки температуры постоянного магнита и средство управления для управления двигателем на основе оцененной температуры магнита. Двигатель включает в себя средство охлаждения для охлаждения внешней периферии статора, средство обнаружения температуры жидкости для обнаружения температуры охлаждающей жидкости и средство обнаружения температуры обмотки для обнаружения температуры обмотки статора. Средство оценки температуры магнита заранее определяет коэффициент теплового сопротивления, который определяется посредством сравнения теплового сопротивления между охлаждающей жидкостью и обмоткой статора с тепловым сопротивлением между обмоткой статора и постоянным магнитом. Средство оценки температуры магнита заранее определяет коэффициент производства теплоты между обмоткой статора и постоянным магнитом. Во время эксплуатации двигателя температура магнита вычисляется на основе температуры обмотки статора и охлаждающей жидкости, коэффициента производства теплоты и коэффициента теплового сопротивления.
Кроме того, в устройстве управления двигателем согласно настоящему изобретению средство управления управляет двигателем посредством переключения между управлением с широтно-импульсной модуляцией и управлением с прямоугольной волной сигнала. Средство оценки температуры магнита вычисляет температуру в соответствии с изменением теплового коэффициента, вызванным переключением между управлением с широтно-импульсной модуляцией и управлением с прямоугольной волной сигнала.
Способ управления двигателем согласно настоящему изобретению приводит в действие двигатель, имеющий статор с обмоткой статора, концентрически расположенной на внешней стороне ротора, имеющего постоянный магнит, причем способ управления двигателем включает в себя этапы обнаружения температуры обмотки статора, выделяющей тепло, обнаружения температуры охлаждающей жидкости для охлаждения внешней периферии статора, оценки температуры постоянного магнита, вырабатывающего тепло, и управления двигателем на основе оцененной температуры магнита. На этапе оценки температуры магнита заранее определяют коэффициент теплового сопротивления, который определяется посредством сравнения теплового сопротивления между охлаждающей жидкостью и обмоткой статора, с тепловым сопротивлением между обмоткой статора и постоянным магнитом. На этапе оценки температуры магнита также заранее определяют коэффициент производства теплоты между обмоткой статора и постоянным магнитом. Во время работы двигателя температура магнита вычисляется на основе температуры обмотки статора и охлаждающей жидкости, коэффициента производства теплоты и коэффициента теплового сопротивления.
Кроме того, в способе управления двигателем согласно настоящему изобретению на этапе управления управляют двигателем посредством переключения между управлением с широтно-импульсной модуляцией и управлением с прямоугольной волной сигнала. Средство оценки температуры магнита вычисляет температуру в соответствии с изменением теплового коэффициента, вызванным переключением между управлением с широтно-импульсной модуляцией и управлением с прямоугольной волной сигнала.
Программа управления согласно настоящему изобретению приводит в действие двигатель, имеющий статор с обмоткой статора, концентрически расположенной на внешней стороне ротора, имеющего постоянный магнит. В ответ на эксплуатацию двигателя программа управления двигателем обеспечивает выполнение компьютером этапов обнаружения температуры обмотки статора, выделяющей тепло, обнаружения температуры охлаждающей жидкости для охлаждения внешней периферии статора, оценки температуры постоянного магнита, выделяющего тепло, и управления двигателем на основе оцененной температуры магнита. На этапе оценки температуры магнита заранее определяют коэффициент теплового сопротивления, который определяется посредством сравнения теплового сопротивления между охлаждающей жидкостью и обмоткой статора, с тепловым сопротивлением между обмоткой статора и постоянным магнитом. На этапе оценки температуры магнита также заранее определяют коэффициент производства теплоты между обмоткой статора и постоянным магнитом. Во время эксплуатации двигателя температура магнита вычисляется на основе температуры обмотки статора и охлаждающей жидкости, коэффициента производства теплоты и коэффициента теплового сопротивления.
Кроме того, в программе управления двигателем согласно настоящему изобретению на этапе управления управляют двигателем посредством переключения между управлением с широтно-импульсной модуляцией и управлением с прямоугольной волной сигнала. На этапе оценки температуры магнита вычисляют температуру в соответствии с изменением теплового коэффициента, вызванным переключением между управлением с широтно-импульсной модуляцией и управлением с прямоугольной волной сигнала.
Преимущество настоящего изобретения заключается в том, что температуру магнита ротора вычисляют на основе множества параметров таким образом, что температура магнита ротора может быть точно оценена и двигатель может должным образом управляться.
Также настоящее изобретение вычисляет температуру магнита ротора с использованием заранее определенного коэффициента производства теплоты и коэффициента теплового сопротивления, а также с использованием температуры легко измеряемой части двигателя, так что температуру магнита ротора можно вычислять без увеличения вычислительной нагрузки на компьютер.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 содержит конструкцию устройства управления двигателем для управления двигателем согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.2 поясняет тепловую модель двигателя согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.3 показывает последовательность выполнения вычислений для вычисления температуры магнита двигателя согласно одному варианту осуществления изобретения;
Фиг.4 содержит блок-схему выполнения операций способа управления для недопущения теплового размагничивания магнита двигателя;
Фиг.5 показывает соответственно карту производства теплоты обмотки статора и карту производства теплоты магнита ротора;
Фиг.6 показывает карту граничной температуры для теплового размагничивания магнита ротора;
Фиг.7 показывает экспериментальные результаты и зависимости, полученные при реальных измерениях.
Подробное описание примерных вариантов осуществления
Ниже описан вариант осуществления настоящего изобретения (называемый далее "вариант осуществления") со ссылкой на прилагаемые чертежи.
На Фиг.1 показано устройство 20 управления двигателем для управления двигателем 10. Двигатель 10 включает в себя ротор 12, имеющий постоянный магнит, резервуар 13, предусмотренный в роторе 12, статор 11, расположенный на внешней стороне ротора 12 и имеющий обмотку 16 статора, и температурный датчик 14 для обнаружения температуры обмотки 16 статора.
Устройство 20 управления двигателем для управления двигателем 10 включает в себя усилитель 21 температуры обмотки статора, усилитель 22 температуры охлаждающей жидкости двигателя, блок 23 управления транспортным средством и блок 24 управления двигателем. Кроме того, блок 30 электроснабжения для снабжения двигателя 10 электроэнергией включает в себя аккумулятор 33, повышающий преобразователь 32 напряжения для повышения напряжения аккумулятора и инвертор 31 двигателя для снабжения двигателя 10 электроэнергией в ответ на команду от блока 24 управления двигателем.
Температура обмотки статора обнаруживается температурным датчиком 14, усиливается усилителем 21 температуры обмотки статора и передается блоку 23 управления транспортным средством. Охлаждающее масло 17 двигателя для охлаждения внешней периферии статора охлаждает обмотку 16 статора на концевой секции обмотки (показано пунктирной линией на Фиг.1). Температура охлаждающего масла двигателя, которую повысила обмотка 16 статора, измеряется температурным датчиком 15 и также передается блоку 23 управления транспортным средством через усилитель 22 температуры охлаждающего масла двигателя.
Блок 23 управления транспортным средством оценивает температуру магнита ротора на основе тепловой модели (соотношения между температурой, величиной производства теплоты и тепловым сопротивлением) охлаждающего масла двигателя, обмотки 16 статора и магнита 12 ротора посредством использования температуры охлаждающего масла двигателя и температуры обмотки статора в качестве входных значений и посылает управляющую команду блоку 24 управления двигателем.
На Фиг.2 приведена тепловая модель двигателя, где снизу вверх в порядке возрастания температуры показаны охлаждающее масло 17 двигателя, обмотка 16 статора и магнит 12 ротора, при этом указаны тепловое сопротивление (R1, R2) и разность температур (ΔT1, ΔT2) для каждого компонента.
Как показано на Фиг.2, температура обмотки статора Tst, когда она находится в переходном состоянии, определяется выражением (1). Следует заметить, что величиной Qrt производства теплоты магнита 12 ротора можно пренебречь, поскольку она меньше (например, примерно 1/10) производства теплоты обмотки статора.
Tst=Qst·R1{1-exp(-t/Mst/R1)}+Toil (1),
где Tst [°C] - температура обмотки статора, Qst [Вт] - величина производства теплоты обмотки статора, Mst [Вт/°C] - теплопроводность обмотки статора, Toil [°C] - температура охлаждающего масла двигателя и R1 [°C/Вт] - тепловое сопротивление между обмоткой статора и охлаждающим маслом двигателя.
Поскольку "t" в нормальном состоянии равно бесконечности, значение exp(-t/Mst/R1) становится столь мало, что им можно пренебречь, и температура обмотки статора Tst равна просто:
Tst=Qst·R1+Toil (2),
если перенести величину "Toil" из правой стороны выражения (2) в левую сторону, то получим выражение (3) для определения разности температур между обмоткой статора и охлаждающим маслом двигателя:
Tst-Toil=Qst·R1=ΔT1 (3),
где ΔT1 [°C] - разность температур между обмоткой статора и охлаждающим маслом двигателя.
Далее температура магнита ротора Trt, когда он находится в переходном состоянии, определяется выражением (4):
Trt=Qrt·R2{1-exp(-t/Mrt/R2)}+Tst (4),
где Trt [°C] - температура магнита ротора, Qrt [Вт] - величина производства теплоты магнита ротора, Mrt [Вт/°C] - теплопроводность магнита ротора и R2 [°C/Вт] - тепловое сопротивление между обмоткой статора и магнитом ротора.
Поскольку в нормальном состоянии "t" равно бесконечности, значение exp(-t/Mrt/R2) становится столь мало, что им можно пренебречь, и температура магнита ротор Trt равна просто:
Trt=Qrt·R2+Tst (5),
если перенести "Tst" из правой стороны выражения (5) в левую сторону, то получим выражение (6) для определения разности температур между магнитом ротора и обмоткой статора:
Trt-Tst=Qrt·R2=ΔT2 (6),
где ΔT2 [°C] - разность температур между обмоткой статора и магнитом ротора. Если разделить выражение (6) на выражение (3), то получим ΔT1/ΔT2 в виде:
ΔT1/ΔT2=Qrt/Qst·R2/R1 (7),
кроме того, выражение (7) можно преобразовать и получить другое выражение (8), определяющее температуру магнита ротора:
Trt=Tst+ΔT2=Tst+Qrt/Qst·R2/R1·ΔT1
Trt=Tst+Qrt/Qst·R2/R1·(Tst-Toil) (8).
Поскольку температура обмотки статора Tst и температура охлаждающего масла двигателя Toil получены по результатам фактических измерений, а Qrt/Qst·R1/R2 получены по результатам предварительных измерений, можно вычислить температуру магнита ротора при помощи выражения (8).
Экспериментальные результаты фактических измерений приведены на Фиг.7. В эксперименте только для экспериментального использования было создано специальное транспортное средство, чтобы обеспечить измерение температуры магнита ротора при помощи токосъемного кольца, предусмотренного на валу двигателя. На Фиг.7(E) показана пропорциональная взаимосвязь между ростом температуры обмотки статора и охлаждающего масла двигателя. Кроме того, на Фиг.7(F) показана пропорциональная взаимосвязь между ростом температуры обмотки статора и магнитом ротора. Таким образом, подтверждается, что между ростом температуры охлаждающего масла двигателя и магнита ротора существует заранее определенная пропорциональная взаимосвязь.
На Фиг.7(G) приведены значения ΔT2/ΔT1 (показаны на чертеже кружками), полученные на основе температурных значений Tst, Trt и Toil, по кривой Qrt/Qst·R2/R1, которая получена посредством вычисления. На Фиг.7(G) величина производства теплоты возрастает в окрестности скорости вращения около 4000 об/мин (или около 80 км/ч), вероятно, высокочастотный шум, обусловленный управлением с широтно-импульсной модуляцией, приводит к тому, что магнит ротора увеличивает величину производства теплоты. Согласно экспериментальным результатам установлено, что величину R2/R1 можно вычислить с получением постоянного значения примерно 3,5 после корректировки значений вблизи пересечения управления с широтно-импульсной модуляцией и управления с прямоугольной волной сигнала.
Далее для объяснения последовательности выполнения вычисления температуры магнита ротора, показанной на фиг.3, приводится описание данных карты, используемых в процессе. На Фиг.5(A) показана карта производства теплоты обмотки статора, на Фиг.5(B) показана карта производства теплоты магнита ротора, и на Фиг.5(C) показана карта граничной температуры для теплового размагничивания магнита ротора.
Со ссылкой на карту производства теплоты обмотки статора, показанную на Фиг.5(A), величина производства теплоты, показанная контурными линиями, приблизительно в десять раз больше величины производства теплоты карты производства теплоты магнита ротора на Фиг.5(B). Кроме того, на карте тепловыделения магнита ротора, приведенной на Фиг.5(B), имеется разрыв характеристики производства теплоты после переключения управления с широтно-импульсной модуляцией на управление с прямоугольной волной сигнала. Поэтому на карте граничной температуры для теплового размагничивания магнита ротора, приведенной на Фиг.6, также возникает разрыв характеристики производства теплоты в диапазоне скорости вращения от 5000 об/мин до 10000 об/мин.
На карте граничной температуры для теплового размагничивания магнита ротора, показанной на Фиг.6(C), предельная температура для теплового размагничивания, которое происходит из-за слабого магнитного поля, создаваемого в ответ на включение двигателя, делится на 5 диапазонов в пределах от 160 до 200 градусов Цельсия. При каждом эксплуатационном условии, определяемом сочетанием скорости вращения и крутящего момента, необходимо, чтобы магнит ротора эксплуатировался при температуре, равной или меньшей граничной температуры для теплового размагничивания.
Со ссылкой на Фиг.3 опишем последовательность вычисления температуры магнита ротора. Для вычисления граничной температуры для теплового размагничивания магнита ротора вычисляется температура магнита ротора (этап S1) и затем вычисляется граничная температура для теплового размагничивания магнита ротора (этап S2). На этапе S1 блок 41 вычисления температуры магнита ротора, показанный на Фиг.3, обращается к величине производства теплоты (Qst, Qrt), указанной на карте производства теплоты соответственно обмотки статора и магнита ротора в ответ на команду значения крутящего момента, которая подается извне, и на измеренное значение скорости вращения, обнаруженное резервуаром 13. Кроме того, в вышеприведенное выражение (8) подставляется экспериментально определенное значение R2/R1 для вычисления температуры магнита ротора.
Затем на этапе S2 блок вычисления предельной температуры для теплового размагничивания магнита 42 ротора может считать граничную температуру для теплового размагничивания магнита ротора при заранее определенных крутящем моменте и скорости вращения на основе температуры магнита ротора, вычисленной на этапе S1, и с использованием карты граничной температуры для теплового размагничивания магнита ротора, показанной на Фиг.6(C).
Например, команда условия M1, приведенная на Фиг.6(C), представляет команду ускорения для повышения скорости вращения с 8000 об/мин до 12000 об/мин для получения крутящего момента 140 Н·м. В ответ на ввод этой команды граничная температура магнита ротора для получения этого крутящего момента изменяется с температуры менее 190 градусов Цельсия для скорости вращения между 8000 об/мин и 9000 об/мин до 180 градусов Цельсия для скорости вращения между 9000 об/мин и 11000 об/мин и до 170 градусов Цельсия для скорости вращения между 11000 об/мин и 12000 об/мин.
Если предположить, что температура ротора составляет 190 градусов Цельсия, команда условия M1 ограничивается и корректируется командой условия M2 для снижения крутящего момента до 90 Н·м, если требуется поддерживать скорость вращения. Если же, наоборот, требуется поддерживать крутящий момент, то скорость вращения следует ограничить до 9000 об/мин.
Со ссылкой на Фиг.4 показан процесс управления для защиты магнита ротора от теплового размагничивания (называемый далее "управлением защитой"). Сначала, когда управление защитой начинается из основного процесса, не приведенного на чертеже, вычисляется на этапе S10 температура ротора и вычисляется на этапе S12 граничная температура для теплового размагничивания магнита ротора.
На этапе S14, если температура магнита ротора, полученная в предыдущем вычислении, не превышает граничной температуры теплового размагничивания, определенной на основе сочетания скорости вращения и крутящего момента, то выбирается вариант "Нет" и выполняется нормальная обработка. Но если температура превышает граничную температуру теплового размагничивания, выбирается вариант "Да" и процесс переходит к этапу S16. На этапе S16 вычисляется допустимое значение крутящего момента, не приводящее к размагничиванию. На этапе S18 значение команды крутящего момента ограничивается допустимым значением крутящего момента или же ограничивается скорость вращения для недопущения повышения температуры магнита ротора и затем процесс возвращается в основной процесс.
Как описано выше, вариант осуществления настоящего изобретения позволяет вычислить температуру магнита ротора на основе более чем одного параметра для обеспечения более точной оценки температуры, так чтобы двигателем можно было управлять надлежащим образом. Кроме того, температура магнита ротора вычисляется на основе температуры тех частей двигателя, температуру которых легко измерить, так чтобы можно было выполнить обработку без увеличения вычислительной нагрузки на компьютер. Кроме того, процесс управления двигателем корректируется с учетом производства теплоты постоянного магнита, вызываемого переключением способа управления двигателем, так что можно также не допустить неожиданного производства теплоты магнита двигателя.
В вышеприведенном варианте осуществления было описано управление двигателем для автомобилей, но настоящее изобретение не ограничивается этим вариантом и применимо также к двигателям, используемым в железнодорожном транспорте, в роботах и вообще в других промышленных устройствах. Кроме того, конкретные численные величины, используемые в вышеприведенном описании варианта осуществления, приведены исключительно для упрощения описания и эти величины не ограничиваются указанными значениями и могут быть установлены соответствующим образом в зависимости от характеристик двигателя, условий управления и т.д.