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1. DE102009005372 - Schätzen der Temperatur von Statorwicklungen eines Elektromotors

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]
Beschreibung
TECHNISCHES GEBIET
[0001]  Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Elektromotorsysteme, und sie betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schätzen der Temperatur von Statorwicklungen in einem Elektromotor.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
[0002]  Ein Permanentmagnetmotor in einem Elektromotorsystem kann beschädigt werden, wenn die Temperatur von Statorwicklungen des Permanentmagnetmotors überhitzt. Typischerweise wird die Temperatur der Statorwicklungen von einem Temperaturmesssensor, wie etwa einem temperaturabhängigen Widerstand (Thermistor), gemessen, der an einer der Phasen der Statorwicklung des Elektromotors installiert ist. Unter der Annahme, dass ausgeglichene dreiphasige Ströme in den Statorwicklungen fließen, kann der einzige Temperaturmesssensor auf angemessene Weise die Temperatur aller drei Phasen schätzen. Bei oder in der Nähe einer Drehzahl von Null kann es jedoch sein, dass kein Strom in der Phase der Statorwicklung des Elektromotors fließt, an welcher der Sensor installiert ist, oder es kann sein, dass bei gewissen Drehzahlen nicht ausgeglichene Ströme in den drei Phasen der Statorwicklungen fließen. Unter diesen Bedingungen wird der einzige Temperaturmesssensor die tatsächliche Temperatur des Elektromotors nicht korrekt wiedergeben und folglich kann der Elektromotor durch Überhitzung beschädigt werden.
[0003]  Entsprechend ist es wünschenswert, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verhindern eines Schadens durch Überhitzung an Statorwicklungen des Elektromotors bereitzustellen. Zudem ist es wünschenswert, eine Temperaturerfassung für den Elektromotor bei allen Drehzahlen einschließlich einer Drehzahl bei oder in der Nähe von Null bereitzustellen. Darüber hinaus werden weitere wünschenswerte Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung aus der nachfolgenden genauen Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen und dem voranstehenden technischen Gebiet und Hintergrund offenbar werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
[0004]  Es wird ein Temperaturschätzcontroller zum Verhindern eines Schadens durch Überhitzung an Statorwicklungen eines Permanentmagnetmotors bereitgestellt. Der Temperaturschätzcontroller umfasst ein Temperaturschätzmodul für niedrige Drehzahl, ein Übergangsmodul und einen Block zur temperaturabhängigen Herabsetzung des Drehmomentbefehls. Das Temperaturschätzmodul für niedrige Drehzahl ermittelt eine Statortemperatur jeder von mehreren Phasen des Permanentmagnetmotors in Ansprechen auf erste thermische Impedanzen, die für jede der mehreren Phasen mit Bezug auf einen thermischen Neutralpunkt gemessen werden. Das Übergangsmodul ist mit dem Temperaturschätzmodul für niedrige Drehzahl gekoppelt und gibt die Statortemperaturen jeder von mehreren Phasen des Permanentmagnetmotors so aus, wie sie von dem Temperaturschätzmodul für niedrige Drehzahl ermittelt wurden, wenn eine detektierte Drehzahl des Permanentmagnetmotors kleiner als eine erste vorbestimmte Drehzahl ist. Der Block zur temperaturabhängigen Herabsetzung des Drehmomentbefehls ist mit dem Übergangsmodul gekoppelt und setzt den Drehmomentbefehl in Ansprechen auf die Statortemperatur einer oder mehrerer der mehreren Phasen herab.
[0005]  Es wird ein Verfahren bereitgestellt, um einen Drehmomentbefehl so zu steuern, dass ein Überhitzen einer oder mehrerer von mehreren Phasen eines Permanentmagnetmotors verhindert wird. Das Verfahren umfasst die Schritte, dass ermittelt wird, ob eine detektierte Drehzahl des Permanentmagnetmotors kleiner als eine erste vorbestimmte Drehzahl ist, dass eine Statortemperatur jeder der mehreren Phasen in Ansprechen auf erste thermische Impedanzen ermittelt wird, welche für jede der mehreren Phasen mit Bezug auf einen thermischen Neutralpunkt gemessen werden, wenn die detektierte Drehzahl des Permanentmagnetmotors kleiner als die erste vorbestimmte Drehzahl ist, und dass der Drehmomentbefehl in Ansprechen auf die Statortemperatur einer oder mehrerer der mehreren Phasen herabgesetzt wird.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
[0006]  Die vorliegende Erfindung wird hier nachstehend in Verbindung mit den folgenden Zeichnungsfiguren beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, und
[0007]  Fig.1 ein Blockdiagramm eines Elektromotorsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
[0008] Fig.2 eine Schaltplandarstellung des Algorithmus zur Temperaturschätzung für niedrige Drehzahl gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
[0009]  Fig.3 eine detailliertere Zeichnung des Temperaturschätzcontrollers des Elektromotorsystems von Fig.1 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
[0010]  Fig.4 einen Fluss der Arbeitsweise des Übergangsmoduls des Temperaturschätzcontrollers des Elektromotorsystems von Fig.3 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
[0011]  Fig.5 einen Graphen der Arbeitsweise des Übergangsmoduls des Elektromotorsystems von Fig.3 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
[0012]  Fig.6 ein Flussdiagramm der Arbeitsweise eines Temperaturschätzcontrollers des Elektromotorsystems von Fig.3 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
[0013]  Fig.7 Wellenformen veranschaulicht, die im Betrieb eines Kraftfahrzeugs erzeugt wurden, welches das Elektromotorsystem von Fig.3 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet.
BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORM
[0014]  Die folgende genaue Beschreibung ist rein beispielhafter Natur und ist nicht dazu gedacht, die Erfindung oder die Anwendung und Verwendungen der Erfindung zu beschränken. Darüber hinaus besteht nicht die Absicht, durch irgendeine explizite oder implizite Theorie gebunden zu sein, die in dem voranstehenden technischen Gebiet, dem Hintergrund, der Kurzzusammenfassung oder der folgenden genauen Beschreibung dargestellt ist.
[0015]  Mit Bezug auf Fig.1 umfasst ein Elektromotorsystem 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine dreiphasige synchrone Wechselstrom-Elektromaschine (AC-Elektromaschine) 110, wie etwa eine synchrone Reluktanzmaschine oder einen Permanentmagnet-Elektromotor, welche in Ansprechen auf Signale von einem Wechselrichter 120 arbeitet. Der Wechselrichter 120, der eine elektrische Steuerung für den Elektromotor 110 bereitstellt, ist zwischen Gleichstrom-Busleitungen (DC-Busleitungen) 135 einer Leistungsquelle 140 geschaltet. Der Wechselrichter 120 umfasst Transistoren 122 bis 127, wie etwa Bipolartransistoren mit isolierter Gateelektrode (IGBTs), und arbeitet in Ansprechen auf Signale von einem stromgeregelten Drehmomentcontroller 150 an die Gates derselben so, dass er eine Spannung an jede Phase 115 des Motors 110 liefert, wobei jedes der Transistorpaare 122/ 125, 123/ 126 und 124/ 127 einen Phasenschenkel des Wechselrichters 120 bildet. Ein temperaturabhängiger Widerstand oder Thermistor 118 ist mit einer der Phasen 115 gekoppelt, um die Temperatur der Wicklung dieser Phase 115 zu messen. Ein Kühlmittel 155, wie etwa Motoröl, umgibt und kühlt den Motor 110 während eines Betriebs desselben, und ein Temperatursignalgenerator 156 ermittelt die Temperatur des Kühlmittels 155 aus einem Thermoelement 157 in dem Kühlmittel 155 und stellt eine digitale Signaldarstellung der Temperatur des Kühlmittels 155 auf der Leitung 158 bereit.
[0016]  Ein Resolver oder Drehmelder 160 (oder eine ähnliche Erfassungseinrichtung) ist mit dem Motor 110 gekoppelt, um die Rotorposition zu messen und die Drehzahl desselben zu detektieren. Ein Resolver/Digital-Wandler 165 wandelt die Signale von dem Resolver 160 in digitale Signale um und liefert diese digitalen Darstellungen einer Winkelposition und einer detektierten Drehzahl des Rotors des synchronen AC-Elektromotors 110 an den stromgeregelten Drehmomentcontroller 150. Der Ausgang des stromgeregelten Drehmomentcontrollers 150 ist mit den Gates jedes der Transistoren 122 bis 127 gekoppelt, um dem Wechselrichter 120 ein Motorsteuerungssignal als Betätigungssteuerungssignale für die Transistoren 122 bis 127 zu liefern.
[0017]  Gemäß der Ausführungsform umfasst ein Temperaturschätzcontroller 170 einen Block zur temperaturabhängigen Herabsetzung des Drehmomentbefehls 172, ein Temperaturschätzmodul für hohe Drehzahl 174, ein Temperaturschätzmodul für niedrige Drehzahl 176, einen Skalierungskoeffizientenberechner 178 und ein Übergangsmodul 180.
[0018]  Das Temperaturschätzmodul für hohe Drehzahl 174 empfängt Synchronrahmenströme I d, I q von dem stromgeregelten Drehmomentcontroller 150 und schätzt die Phasentemperaturen (T a, T b, T c) der Wicklungen der Phasen 115 in Ansprechen auf die Synchronrahmenströme und die Temperatur einer der Phasen 115, wie sie durch den temperaturabhängigen Widerstand 118 gemessen wird. Das Temperaturschätzmodul für niedrige Drehzahl 174 empfängt die detektierten Stromwerte I a, I b, I c und schätzt die Phasentemperaturen (T a, T b, T c) der Wicklungen der Phasen 115 in Ansprechen auf die Stromwerte und die Temperatur des Kühlmittels 155, wie sie auf der Leitung 158 bereitgestellt wird.
[0019]  Der Skalierungskoeffizientenberechner 178 empfängt ein digitales Signal, das die detektierte Drehzahl des Motors 110 darstellt, von dem Resolver/Digital-Wandler 165 und berechnet Skalierungskoeffizienten, wie nachstehend genauer beschrieben wird. Die Skalierungskoeffizienten werden von dem Berechner 178 zusammen mit den geschätzten Phasentemperaturen (T a, T b, T c) von dem Temperaturschätzmodul für hohe Drehzahl 174 und dem Temperaturschätzmodul für niedrige Drehzahl 176 an das Übergangsmodul 180 geliefert. Das Übergangsmodul 180 modifiziert die geschätzten Phasentemperaturen (T a, T b, T c) gemäß den Skalierungskoeffizienten, um Phasentemperaturen (T a, T b, T c) zur Lieferung an einen ersten Eingang des Blocks zur temperaturabhängigen Herabsetzung des Drehmomentbefehls 172 abzuleiten.
[0020]  Ein Drehmomentsteuerungssignal (ein Drehmomentbefehl T*) wird an einen zweiten Eingang des Blocks zur temperaturabhängigen Herabsetzung des Drehmomentbefehls 172 geliefert. Der Block zur temperaturabhängigen Herabsetzung des Drehmomentbefehls 172 modifiziert den Drehmomentbefehl in Ansprechen auf die Phasentemperaturen (T a, T b, T c), um ein temperaturgemäß herabgesetztes Drehmomentsteuerungssignal zu erzeugen. Der stromgeregelte Drehmomentcontroller 150 empfangt Stromsignale von jeder Phase 115 des Motors 110 und modifiziert gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Ströme bei den Phasen 115 des Motors 110 in Ansprechen auf das temperaturgemäß herabgesetzte Drehmomentsteuerungssignal, das von dem Block zur temperaturabhängigen Herabsetzung des Drehmomentbefehls 172 empfangen wird, um die Betätigungssteuerungssignale zu erzeugen, die an den Wechselrichter 120 geliefert werden.
[0021]  Entsprechend wenden die Betätigungssteuerungssignale die Verstärkung, die durch das temperaturgemäß herabgesetzte Drehmomentsteuerungssignal darstellt wird, auf die Befehlssignale/Spannung an, welche an die Gates der Transistoren 122 bis 127 angelegt werden bzw. wird. Somit werden gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Ströme an jeder der Phasen 115 durch den stromgeregelten Drehmomentcontroller 150 in Ansprechen auf das temperaturgemäß herabgesetzte Drehmomentsteuerungssignal empfangen und modifiziert, um eine geeignete Verstärkung an die Betätigungssteuerungssignale zu liefern, wobei eine temperaturabhängige Drehmomentherabsetzung bei allen Drehzahlen in die Steuerungsstruktur eingebaut ist, welche eine Modifikation des Drehmomentbefehls bei Drehzahlen in der Nähe der Drehzahl Null durch die skalierten Phasentemperaturen umfasst, welche durch den Temperaturschätzblock für niedrige Drehzahl 176 erzeugt und durch den Koeffizienten skaliert wird, der von dem Skalierungskoeffizientberechner 178 an das Übergangsmodul 180 geliefert wird.
[0022]  Gewöhnlich ist nur ein Temperaturmesssensor (z. B. der temperaturabhängige Widerstand 118) an einer der drei Phasen 115 der Motorstatorwicklung installiert. Wenn bei einer Drehzahl von Null Strom in den Phasen 115 fließt, an denen der temperaturabhängige Widerstand 118 nicht installiert ist, wird die tatsächliche Temperatur dieser Phasen 115 einem herkömmlichen Motorcontroller nicht korrekt gemeldet, um diese Phasen 115 vor Überhitzung zu schützen. Somit kann ein Schätzen der Statortemperatur jeder Phase 115 und ein Vergleichen derselben mit einem vordefinierten Temperaturschwellenwert, um den Drehmomentbefehl herabzusetzen, ein Überhitzen der Statorwicklungen bei einer Drehzahl von Null verhindern.
[0023]  Mit Bezug auf Fig.2 ermittelt eine Schaltplandarstellung eines Motortemperaturnetzwerks 200, das für eine Temperaturschätzung für niedrige Drehzahl gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird, die Temperaturen T a, T b und T c jeder der Phasen 115 (d. h. Φ a, Φ b, Φ c) des Motors 110.
[0024]  Die Temperatur der Statorphasenwicklungen 115 bei und in der Nähe einer Drehzahl von Null des Motors 115 werden gemessen, indem eine thermische Impedanz (R th) zwischen jeder der Phasen 115 und einem thermischen Neutralpunkt 202 (d. h. eine thermische Impedanz 204 (R than) zwischen der Temperatur T a einer ersten Phase Φ a und dem thermischen Neutralpunkt 202, eine thermische Impedanz 206 (R thbn) zwischen der Temperatur T b einer zweiten Phase Φ b und dem thermischen Neutralpunkt 202, und eine thermische Impedanz 208 (R thcn) zwischen der Temperatur T c einer dritten Phase Φ c und dem thermischen Neutralpunkt 202) sowie eine thermische Impedanz (R thnc) zwischen dem thermischen Neutralpunkt 202 und der Temperatur des Kühlmittels 155 (welches eine Temperatur T Coolant aufweist, die durch das Thermoelement 157 ( Fig.1) gemessen wird) berechnet wird.
[0025]  Eine Leistungsdissipation in dem Motor aufgrund von Kupferverlust und Eisenverlust kann unter Verwendung von Gleichung (1) bzw. (2) ausgedrückt werden.
wobei: R DC der DC-Widerstand je Phase ist;
N die Anzahl von Spulen in einer Reihe ist;
N  die Anzahl von Windungen ist;
L turn die Länge einer Windung ist;
A turn die Fläche einer Windung ist; und
σ cu die Leitfähigkeit von Kupfer ist.
wobei: P h die Leistungsdissipation aufgrund von Hystereseverlusten ist; und
P die Leistungsdissipation aufgrund von Wirbelstromverlusten ist.
[0026]  Wie Fachleute aus Gleichung (1) und (2) ableiten werden, wird der Großteil der Wärme in den Statorwicklungen bei einer Betriebsdrehzahl von Null und bei niedrigen Betriebsdrehzahlen aufgrund von Kupferverlust erzeugt. Somit wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Wärme ignoriert, die in den Statorwicklungen aufgrund von Eisenverlusten erzeugt wird. Die in den Statorwicklungen aufgrund von Kupferverlusten erzeugte Wärme kann unter Verwendung des Statorstroms und der thermischen Impedanzen berechnet werden, wie in der voranstehenden Gleichung (1) gezeigt ist.
[0027]  Der Temperaturanstieg in jeder der drei Phasen 115 wird unter Verwendung des Temperaturnetzwerks 200 und eines berechneten Kupferverlusts in jeder jeweiligen Phase 115 geschätzt. Mit Bezug auf das vereinfachte Motortemperaturmodell 200 kann der Temperaturanstieg in den Statorphasenwicklungen 115 des dreiphasigen AC-Motors 110 unter Verwendung von (a) der thermischen Impedanz R than 204, (b) der thermischen Impedanz R thbn 206, (c) der thermischen Impedanz R thcn 208, (d) der thermischen Impedanz 210 und (e) einer Temperatur geschätzt werden, die durch den temperaturabhängigen Widerstand 118 gemessen wird, der in der Wicklung der Phase C installiert ist. Der Kupferverlust in jeder Phase wird als eine Funktion des RMS-Statorstroms, I a, I b, I c und des Statorphasenwiderstands berechnet. Entsprechend wird die Temperaturschätzung bei niedrigen Drehzahlen durch das Temperaturschätzmodul für niedrige Drehzahlen 176 unter Verwendung von Gleichung (3), (4) und (5) berechnet.
[0028]  Die ersten Ausdrücke in Gleichung (3), (4) und (5) stellen den Temperaturanstieg aufgrund der thermischen Impedanz jeder Phase 204, 206, 208 mit Bezug auf den thermischen Neutralpunkt 202 dar, während die zweiten Ausdrücke in Gleichung (3), (4) und (5) den Temperaturanstieg aufgrund der thermischen Impedanz 210 zwischen dem thermischen Neutralpunkt 202 und dem Kühlmittel 155 darstellen.
[0029]  Mit Bezug auf Fig.3 sind beispielhafte Schaltungsblocks zum Ausführen der Berechnung und anderer Funktionen gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt. Die AC-Ströme I a, I b und I c werden an Kombinatoren 302, 304 bzw. 306 des Temperaturschätzmoduls für niedrige Drehzahl 176 geliefert. Die Kombinatoren 302, 304, 306 erzeugen durch die Bereitstellung der Ströme I a, I b und I c an jeden von zwei Eingängen derselben Wellenformen, welche den AC-RMS-Strömen jeder der Phasen 115 entsprechen, und liefern die AC-RMS-Ströme an Blöcke 308, 310 bzw. 312.
[0030]  Der Block 308 berechnet den Statorphasenwiderstand R sa der Statorverdrahtung von Phase a (Phase 204) in Ansprechen auf die Temperatur T a der Statorverdrahtung von Phase a und multipliziert ihn mit dem AC-RMS-Wert des Statorstroms I 2
a von dem Ausgang des Kombinators 302, wobei er digitale Werte des Produkts derselben an einen Block 314 zur Berechnung des Temperaturanstiegs aufgrund der thermischen Impedanz Z θ_an der Phase 204 liefert. Auf ähnliche Weise berechnen die Blöcke 310 und 312 die Statorphasenwiderstände R sb bzw. R sc aus den Temperaturen T b und T c der Statorverdrahtungen der Phasen b bzw. c (Phasen 206, 208) und multiplizieren diese mit den jeweiligen Ausgängen der Kombinatoren 304, 306. Die Ausgänge der Blöcke 310 und 312 werden als digitale Werte zur Berechnung des Temperaturanstiegs aufgrund der thermischen Impedanzen Z θ_bn, Z θ_cn der Phasen 206 und 208 an Blöcke 316 bzw. 318 geliefert.
[0031]  Die Ausgänge der Blöcke 308, 310 und 312 werden auch an Eingänge eines Blocks 320 zur Berechnung des Temperaturanstiegs aufgrund der thermischen Impedanz Z θ_cn 210 zwischen dem thermischen Neutralpunkt 202 und dem Kühlmittel 155 geliefert. Die Ausgänge der Blöcke 314, 316, 318 und 320 sowie das digitale Signal, das die Temperatur T Coolant des Kühlmittels 155 auf der Leitung 158 darstellt, werden an Eingänge eines Statorphasentemperaturschätzers für niedrige Drehzahl 325 zur Schätzung der Temperaturen T a, T b und T c der drei Phasen 115 des Motors 110 in Ansprechen auf den berechneten Kupferverlust in den drei Phasen 115 gemäß Gleichung (3), (4) und (5) geliefert.
[0032]  Nun auf das Temperaturschätzmodul für hohe Drehzahl 174 Bezug nehmend, wird die Berechnung der Temperaturen der drei Phasen 115 etwa alle 10 ms ausgeführt und ein Abtasten eines AC-Stromsignals bei dieser hohen Grundfrequenz würde die Genauigkeit der Kupferverlustberechnungen verringern. Entsprechend werden digitale Synchronrahmenstromsignale I d und I q (d. h. die d- und q-Achsenströme) zur Berechnung der Kupferverluste verwendet. Auch wird angenommen, dass, wenn sich der Motor 110 dreht, die Wärmeverteilung zwischen den drei Statorwicklungen der drei Phasen 115 fast äquivalent ist und dass die durch den temperaturabhängigen Widerstand 118, welcher in einer der drei Wicklungen montiert ist, gemessene Temperatur einen korrekten Temperaturanstieg in allen drei Phasen 115 darstellen sollte. Somit werden die Statorphasenwiderstände R sa, R sb und R sc unter Verwendung des Messwerts des temperaturabhängigen Widerstands berechnet. Die digitalen Synchronrahmenstromsignale I d und I q werden von dem stromgeregelten Drehmomentcontroller 150 an einen Berechner 330 des Quadrats der Größe des Statorstroms des Temperaturschätzmoduls für hohe Drehzahl 174 geliefert. Der Berechner 330 des Quadrats der Größe des Statorstroms berechnet den RMS-Wert der Ströme I 2
s und liefert den RMS der Ströme an Blöcke 332, 334 und 336.
[0033]  Die Blöcke 332, 334 und 336 berechnen die Statorphasenwiderstände R sa, R sb und R sc der Statorverdrahtung der Phasen 115 in Ansprechen auf die durch den temperaturabhängigen Widerstand 118 gemessene T Thermistor einer der Statorverdrahtungen der Phasen 115 und multiplizieren sie mit dem RMS-Wert der Statorströme I 2
s von dem Ausgang des Berechners 330 des Quadrats der Größe des Statorstroms. Die Ausgänge der Blöcke 332, 334 und 336 werden zur Berechnung des Temperaturanstiegs aufgrund der thermischen Impedanzen Z θ_an, Z θ_bn, Z θ_cn der Phasen 206 und 208 an Blöcke 340, 342 bzw. 344 geliefert. Die Ausgänge der Blöcke 332, 334 und 336 werden auch an Eingänge eines Blocks 346 zur Berechnung des Temperaturanstiegs aufgrund der thermischen Impedanz Z θ_nc 210 zwischen dem thermischen Neutralpunkt 202 und dem Kühlmittel 155 geliefert.
[0034]  Die Ausgänge der Blöcke 340, 342, 344 und 346 sowie das digitale Signal, das die Temperatur T Coolant des Kühlmittels 155 auf der Leitung 158 darstellt, und das Signal T Thermistor von dem temperaturabhängigen Widerstand 118 werden an Eingänge eines Statorphasentemperaturschätzers für hohe Drehzahl 348 zur Schätzung der Temperaturen T a, T b und T c der drei Phasen 115 des Motors 110 in Ansprechen auf den berechneten Kupferverlust in den drei Phasen 115 gemäß den Gleichungen (3), (4) und (5) geliefert.
[0035]  Die Ausgänge T a, T b und T c, die Schätzwerte der Statorwicklungstemperaturen der Wicklungen der drei Phasen 115 darstellen, die durch den Statorphasentemperaturschätzer für hohe Drehzahl 348 und den Statorphasentemperaturschätzer für niedrige Drehzahl 325 berechnet wurden, werden an Eingänge des Übergangsmoduls 180 geliefert. Wie voranstehend beschrieben wurde, empfängt der Skalierungskoeffizientberechner 178 ein digitales Signal, welches die detektierte Drehzahl des Motors 110 darstellt, von dem Resolver/Digital-Wandler 165 und berechnet Skalierungskoeffizienten. Die Skalierungskoeffizienten werden von dem Berechner 178 an das Übergangsmodul 180 geliefert und das Übergangsmodul 180 modifiziert die geschätzten Phasentemperaturen (T a, T b, T c) gemäß den Skalierungskoeffizienten, um Phasentemperaturen (T a, T b, T c) zur Lieferung an einen Eingang des Blocks zur temperaturabhängigen Herabsetzung des Drehmomentbefehls 172 abzuleiten.
[0036]  Das stromgeregelte Drehmomentsteuerungsmodul 150 umfasst einen Block 350 zur Transformation von drei in zwei Phasen, welcher Ströme von den drei Phasen 115 verwendet, um zwei Phasenströme I α und I β in dem stationären Referenzrahmen zu erzeugen, und ein Block 352 zur Transformation von stationär in synchron transformiert die Ströme I α und I β in Stromwerte I e
ds und I e
qs (einfacher als I d und I q dargestellt) in dem Synchronreferenzrahmen, wobei die DC-Stromwerte für eine leichtere Berechnung der Betätigungssteuerungssignale gemäß der vorliegenden Ausführungsform sorgen. Wie voranstehend beschrieben wurde, werden die digitalen Synchronreferenzrahmen-Stromwerte I d und I q an den Berechner 330 des Quadrats der Größe des Statorstroms geliefert. Zudem werden die digitalen Synchronreferenzrahmen-Stromwerte I d und I q an Bund q-Phasensummierer 356 bzw. 358 geliefert.
[0037]  Der Drehmomentbefehl T* wird an den Block zur temperaturabhängigen Herabsetzung des Drehmomentbefehls 172 geliefert, um das herabgesetzte Drehmomentbefehlssignal T** in Ansprechen auf die Phasentemperaturen (T a, T b, T c) von dem Übergangsmodul 180 zu erzeugen, um eine Beschädigung der Statorwicklungen der Phasen 115 durch Überhitzung zu verhindern. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform setzt der Block zur temperaturabhängigen Herabsetzung des Drehmomentbefehls 172 den Drehmomentbefehl T* herab (d. h. vermindert ihn), um den herabgesetzten Drehmomentbefehl T** in Ansprechen darauf abzuleiten, dass detektiert wird, dass die Statortemperatur einer oder mehrerer der mehreren Phasen höher als eine vorbestimmte Temperatur ist.
[0038]  Ein Block 354 zur Ermittlung des optimalen Strombefehls des stromgeregelten Drehmomentsteuerungsmoduls 150 erzeugt zwei Strombefehle I e
d *
und I e
q *
s in dem Synchronreferenzrahmen aus dem herabgesetzten Drehmomentbefehlssignal T** und kombiniert die Strombefehle I e*
ds und I e*
qs bei den d- und q-Phasensummierern 356 bzw. 358 mit den Stromwerten I d und I q, um Stromfehlersignale zu erzeugen. Synchronrahmen-Stromregler 360 erzeugen die Synchronrahmen-Betätigungssignale, die Spannungen V e*
ds und V e*
qs aufweisen.
[0039]  Ein Block 365 zur Transformation von synchron in stationär transformiert die Synchronrahmen-Betätigungssignale V e*
ds und V e
q *
in zwei Stationärrahmen-Betätigungssignale V  *
α und V *
β . Ein Block 370 zur Transformation von zwei in drei Phasen transformiert die zwei Stationärrahmen-Betätigungssignale V *
α und V *
β in dreiphasige Spannungsbetätigungssignale V *
, V *
und V  *
c zur Lieferung an die jeweiligen drei Phasenschenkel 122/ 125, 123/ 126 und 124/ 127 des Wechselrichters 120. Auf diese Weise werden die Betätigungssteuerungssignale für den Wechselrichter 120 in Ansprechen auf das herabgesetzte Drehmomentsignal T** erzeugt, um sich gegen ein Überhitzen der Phasen 115 des AC-Synchronmotors 110 auch bei niedrigen Drehzahlen zu schützen.
[0040]  Mit Bezug auf Fig.4 umfasst ein Fluss 400 der Arbeitsweise des Übergangsmoduls 180 des Temperaturschätzcontrollers 170 gemäß der vorliegenden Ausführungsform drei Betriebsmodi: den Modus Null 402, den Modus Eins 404 und den Modus Zwei 406. Wenn der Motor gestartet wird (d. h. eingeschaltet wird) 410, arbeitet das Übergangsmodul 180 in dem Modus Null 402. Der Modus Null 402 ist bei und in der Nähe einer Drehzahl von Null aktiv (z. B. unter etwa fünfundsiebzig Umdrehungen pro Minute (U/min)). Während des Modus Null 402 liefert das Übergangsmodul 180 geschätzte Statortemperaturen T a, T b und T c, die von dem Temperaturschätzmodul für niedrige Drehzahl 176 berechnet werden, an den Block zur temperaturabhängigen Herabsetzung des Drehmomentbefehls 172, um den Drehmomentbefehl T* herabzusetzen.
[0041]  Entsprechend wird der Drehmomentbefehl T* in Ansprechen auf die geschätzten Statortemperaturen T a, T b und T c herabgesetzt, die in Ansprechen auf die thermischen Impedanzen berechnet werden, welche für jede der mehreren Phasen durch Ermittlung des Kupferverlusts in jeder der Phasen 115 gemessen werden, wobei der Kupferverlust in Ansprechen auf den AC-RMS-Strom I 2
a, I 2
und I 2
c und den Statorphasenwiderstand R sa, R sb oder R sc in jeder jeweiligen Phase 115 berechnet wird, wobei die geschätzte Temperatur T a, T b oder T c verwendet wird, um den jeweiligen Statorphasenwiderstand R sa, R sb oder zu berechnen.
[0042]  Wenn die Drehzahl des Motors 110 größer als eine erste vorbestimmte Drehzahl wird, wobei gemäß der vorliegenden Ausführungsform die erste vorbestimmte Drehzahl eine Drehzahl von etwa fünfundsiebzig U/min ist, schaltet 412 das Übergangsmodul 180 den Betrieb von dem Modus Null 402 in den Modus Eins 404 um. Während des Modus Eins 404 liefert das Übergangsmodul 180 geschätzte Statortemperaturen T a, T b und T c, die als eine Kombination sowohl der geschätzten Statortemperaturen, die von dem Temperaturschätzmodul für hohe Drehzahl 174 berechnet werden, als auch der geschätzten Statortemperaturen berechnet werden, welche von dem Temperaturschätzmodul für niedrige Drehzahl 176 berechnet werden, an den Block zur temperaturabhängigen Herabsetzung des Drehmomentbefehls 172, um den Drehmomentbefehl T* herabzusetzen. Mit anderen Worten setzt während des Modus Eins 404 der Block zur temperaturabhängigen Herabsetzung des Drehmomentbefehls 172 den Drehmomentbefehl T* in Ansprechen auf die Statortemperaturen der mehreren Phasen 115, welche durch das Temperaturschätzmodul für hohe Drehzahl 174 in Ansprechen auf die Temperatur einer der Phasen berechnet werden, die durch den temperaturabhängigen Widerstand 118 gemessen wird, und der Statortemperaturen der mehreren Phasen 115 herab, die durch das Temperaturschätzmodul für niedrige Drehzahl 176 in Ansprechen auf die thermischen Impedanzen der mehreren Phasen berechnet werden, indem der Kupferverlust in jeder der Phasen 115 ermittelt wird (d. h. die AC-RMS-Ströme I 2 a, I 2
und I 2
c). 
[0043] Wenn die Drehzahl des Motors 110 größer als eine zweite vorbestimmte Drehzahl wird, wobei gemäß der vorliegenden Ausführungsform die zweite vorbestimmte Drehzahl eine Drehzahl von etwa einhundertfünfzig U/min ist, schaltet 414 das Übergangsmodul 180 den Betrieb von dem Modus Eins 404 in den Modus Zwei 406 um. Während des Modus Zwei 406 liefert das Übergangsmodul 180 geschätzte Statortemperaturen T a, T b und T c, die durch das Temperaturschätzmodul für hohe Drehzahl 174 berechnet werden, an den Block zur temperaturabhängigen Herabsetzung des Drehmomentbefehls 172, um den Drehmomentbefehl T* herabzusetzen. Somit setzt während des Modus Zwei 406 der Block zur temperaturabhängigen Herabsetzung des Drehmomentbefehls 172 den Drehmomentbefehl T* in Ansprechen auf die Statortemperaturen der mehreren Phasen 115 herab, die durch das Temperaturschätzmodul für hohe Drehzahl 174 in Ansprechen auf die Temperatur einer der Phasen berechnet werden, welche durch den temperaturabhängigen Widerstand 118 gemessen wird.
[0044]  Wenn auf ähnliche Weise die Drehzahl des Motors 110 unter die zweite vorbestimmte Drehzahl fällt, schaltet 416 der Betrieb des Übergangsmoduls 180 von dem Modus Zwei 406 in den Modus Eins 404 um, und wenn die Drehzahl des Motors 110 unter die erste vorbestimmte Drehzahl fällt, schaltet 418 der Betrieb des Übergangsmoduls 180 von dem Modus Eins 404 in den Modus Null 402 um.
[0045]  Gemäß der vorliegenden Ausführungsform berechnet der Skalierungskoeffizientenberechner 178 Skalierungskoeffizienten in Ansprechen auf die Drehzahl des Motors 110, um es dem Übergangsmodul 180 zu ermöglichen, während des Modus Eins 404 einen glatten Übergang zwischen Modus Null 402 und Modus Zwei 406 durchzuführen. Mit Bezug auf Fig.5 ist ein Graph 500 der Arbeitsweise des Übergangsmoduls 180 in Ansprechen auf den Skalierungskoeffizientenberechner 178 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt.
[0046]  Wie auf der y-Achse des Graphen 500 ersichtlich ist, liegen die durch den Skalierungskoeffizientenberechner berechneten Skalierungskoeffizienten in einem Bereich von Null bis Eins. Das Übergangsmodul 180 multipliziert die geschätzten Statortemperaturen, die durch das Temperaturschätzmodul für hohe Drehzahl 174 berechnet werden, mit einem ersten Skalierungskoeffizienten, der auf einer Linie 502 dargestellt ist, multipliziert die geschätzten Statortemperaturen, die durch das Temperaturschätzmodul für niedrige Drehzahl 176 berechnet werden, mit einem zweiten Skalierungskoeffizienten, der auf einer Linie 504 dargestellt ist, und liefert die Summe daraus an den Block zur temperaturabhängigen Herabsetzung des Drehmomentbefehls 172.
[0047]  Unterhalb der ersten vorbestimmten Drehzahl 506 ist der erste Skalierungskoeffizient 502, der durch den Skalierungskoeffizientenberechner 178 an das Übergangsmodul geliefert wird, gleich Null und der zweite Skalierungskoeffizient 504, der durch den Skalierungskoeffizientenberechner 178 an das Übergangsmodul geliefert wird, ist gleich Eins, so dass die Summe der geschätzten Statortemperaturen, die durch die Temperaturschätzmodule für hohe Drehzahl und niedrige Drehzahl 174, 176 geliefert werden und durch den Skalierungskoeffizienten skaliert werden, gleich den geschätzten Statortemperaturen ist, die durch das Temperaturschätzmodul für niedrige Drehzahl 176 berechnet werden. Überhalb der zweiten vorbestimmten Drehzahl 508 ist der erste Skalierungskoeffizient 502, der durch den Skalierungskoeffizientenberechner 178 an das Übergangsmodul geliefert wird, gleich Eins, und der zweite Skalierungskoeffizient 504, der durch den Skalierungskoeffizientenberechner 178 an das Übergangsmodul geliefert wird, ist gleich Null, so dass die Summe der geschätzten Statortemperaturen, die durch die Temperaturschätzmodule für hohe Drehzahl und niedrige Drehzahl 174, 176 geliefert werden und durch den Skalierungskoeffizienten skaliert werden, gleich den geschätzten Statortemperaturen ist, die von dem Temperaturschätzmodul für hohe Drehzahl 174 berechnet werden.
[0048]  Während der Übergangsperiode von Modus Eins 404 liefert das Übergangsmodul 180 geschätzte Statortemperaturen T a, T b und T c, die als eine Kombination eines Anteils der geschätzten Statortemperaturen, welche durch das Temperaturschätzmodul für hohe Drehzahl 174 berechnet werden, und eines Anteils der geschätzten Statortemperaturen berechnet werden, die durch das Temperaturschätzmodul für niedrige Drehzahl 176 berechnet werden, an den Block zur temperaturabhängigen Herabsetzung des Drehmomentbefehls 172, um den Drehmomentbefehl T* herabzusetzen. Eine lineare Steigung der Skalierungskoeffizienten auf den Linien 502 und 504 sorgt für einen linearen Übergang der Temperaturschätzungen zwischen Modus Null 402 und Modus Zwei 406. Obwohl in dem Graphen 500 von Fig.5 ein linearer Übergang gezeigt ist, können andere nichtlineare Funktionen von dem Übergangsmodul 180 für den Übergang zwischen Modus Null 402 und Modus Zwei 406 verwendet werden, ohne den Geist der Erfindung zu verlassen, wobei das Konzept/die Programmierung des Skalierungskoeffizientenberechners 178 die Linearität oder Nichtlinearität des Übergangs zwischen den Modi steuert.
[0049]  Während Fig.1 den Temperaturschätzcontroller 170 darstellt, die identifizierbare Module und Blöcke umfasst, wie etwa die Temperaturschätzmodule für hohe und niedrige Drehzahl 174, 176, den Skalierungskoeffizientenberechner 178, das Übergangsmodul 180 und den Block zur temperaturabhängigen Herabsetzung des Drehmomentbefehls 172, kann die Arbeitsweise des Temperaturschätzcontrollers 170 alternativ durch Softwareschritte dargestellt werden. Mit Bezug auf Fig.6 ist ein Flussdiagramm 600 der Arbeitsweise des Temperaturschätzcontrollers 170 des Elektromotorsystems 100 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
[0050]  Der Prozess beginnt, wenn bei 602 der Motor 110 eingeschaltet wird. Nachdem die Verarbeitung bei 602 ermittelt, dass der Motor eingeschaltet ist, wird bei 604 ein Wechselstrom-RMS-Stromwert (quadratischer Mittelwert des AC-Stroms) für jede der mehreren Phasen 115 des Motors 110 berechnet. Als Nächstes wird bei 606 der Kupferverlust jeder der mehreren Phasen 115 des Motors 110 in Ansprechen auf die AC-RMS-Stromwerte derselben berechnet, und bei 608 werden erste thermische Impedanzen für jede der mehreren Phasen 115 des Motors 110 in Ansprechen auf den Kupferverlust berechnet, der bei Schritt 606 für jede der mehreren Phasen 115 berechnet wurde.
[0051]  Die Verarbeitung ermittelt dann bei 610 Temperaturanstiege in den Statorwicklungen jeder der Phasen 115 aufgrund der zugehörigen ersten thermischen Impedanzen, die bei Schritt 608 berechnet wurden. Danach wird bei 612 das Signal auf der Leitung 158 erfasst, das die Temperatur des Kühlmittels 155 anzeigt, und bei 614 wird ein Temperaturanstieg aufgrund einer zweiten thermischen Impedanz des thermischen Neutralpunkts ermittelt, wobei die zweite thermische Impedanz des thermischen Neutralpunkts mit Bezug auf die Temperatur des Kühlmittels 155 berechnet wird. Bei 616 werden dann Statortemperaturen für niedrige Drehzahl für jede der Phasen 115 in Ansprechen auf Temperaturanstiege in jeder der Phasen aufgrund der entsprechenden ersten thermischen Impedanzen, die bei Schritt 610 für jede der mehreren Phasen mit Bezug auf einen thermischen Neutralpunkt berechnet wurden, aufgrund des zweiten Temperaturanstiegs aufgrund der zweiten thermischen Impedanz des thermischen Neutralpunkts, die bei Schritt 614 berechnet wurde, und aufgrund der Temperatur des Kühlmittels 115, die bei Schritt 612 erfasst wurde, geschätzt.
[0052]  Anschließend ermittelt die Verarbeitung bei 618, ob die Drehzahl des Motors 110 größer als eine erste vorbestimmte Drehzahl ist, und wenn bei 618 die Drehzahl kleiner als (d. h. nicht größer als) die erste vorbestimmte Drehzahl ist, setzt sie bei 620 die Statortemperaturen T a, T b und T c gleich den geschätzten Statortemperaturen für niedrige Drehzahl von Schritt 616. Dann wird bei Schritt 622 der Drehmomentbefehl T* herabgesetzt, um ein Überhitzen einer oder mehrerer der mehreren Phasen 115 des Motors 110 zu verhindern, und die Verarbeitung kehrt zu Schritt 602 zurück.
[0053]  Wenn bei 618 ermittelt wird, dass die Drehzahl größer als die erste vorbestimmte Drehzahl ist, werden bei 624 die Statortemperaturen für hohe Drehzahl von jeder der mehreren Phasen in Ansprechen auf eine Temperatur geschätzt, die durch einen temperaturabhängigen Widerstand 118 gemessen wird, und die Verarbeitung ermittelt bei 626, ob die Drehzahl des Motors 110 größer als eine zweite vorbestimmte Drehzahl ist, wobei die erste und zweite vorbestimmte Drehzahl so gewählt sind, wie im Hinblick auf Fig.5 erörtert wurde. Wenn die Drehzahl bei 626 größer als die zweite vorbestimmte Drehzahl ist, werden bei 628 die Statortemperaturen T a, T b und T c gleich den geschätzten Statortemperaturen für hohe Drehzahl von Schritt 624 gesetzt. Der Drehmomentbefehl T* wird dann bei 622 herabgesetzt und die Verarbeitung kehrt zu Schritt 602 zurück.
[0054]  Wenn die Drehzahl des Motors 110 bei 618 größer als die erste vorbestimmte Drehzahl, aber bei 626 kleiner als die zweite vorbestimmte Drehzahl ist, wird bei 630 ein Skalierungskoeffizientenwert in Ansprechen auf die Drehzahl des Motors 110 berechnet. Die Statortemperaturen T a, T b und T c werden dann bei 632 berechnet, indem (a) ein Produkt aus den geschätzten Statortemperaturen für hohe Drehzahl (von Schritt 624) und aus dem Skalierungskoeffizientenwert und (b) ein Produkt aus den Statortemperaturen für niedrige Drehzahl (von Schritt 616) und aus einer Differenz zwischen Eins und dem Skalierungskoeffizienten auf summiert werden. Dann wird bei 626 der Drehmomentbefehl T* herabgesetzt und die Verarbeitung kehrt zu Schritt 602 zurück.
[0055]  Obwohl das Flussdiagramm 600 eine Softwaredarstellung der Arbeitsweise des Temperaturschätzcontrollers 170 anspricht, ist es für die Arbeitsweise gemäß der vorliegenden Erfindung nicht notwendig, über zwei separate Controller 150, 170 zu verfügen, wie es in Fig.1 dargestellt ist. Eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Funktionalität der beiden Controller 150, 170 in einem einzigen Controller oder Prozessor implementieren. Zudem können einige oder alle Arbeitsweisen, die hier voranstehend erörtert wurden, in einem Controller auf höherer Ebene implementiert werden, wie etwa dem Controller, welcher den Drehmomentbefehl T* erzeugt, wie Fachleuten wohlbekannt ist.
[0056] Mit Bezug auf Fig.7 veranschaulicht ein Graph 700 Wellenformen, die während eines Betriebs des Elektromotorsystems 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform erzeugt wurden. Die Zeit in Sekunden ist entlang der x-Achse gezeigt, während die y-Achse entweder die Temperatur in Grad Celsius oder das Drehmoment in Newtonmeter oder die Drehzahl des Motors 110 in Umdrehungen pro Minute (U/min) zeigt. Die Spur 702 zeigt den Drehmomentbefehl T*, der vor einer Herabsetzung gemäß der vorliegenden Ausführungsform an den Motor 110 geliefert wird und die Spur 704 zeigt die Drehzahl des Motors 110. Aus der Spur 704 ist ersichtlich, dass der Motor bis etwa 486790 Sekunden bei oder in der Nähe der Drehzahl Null arbeitet (d. h. bei einer niedrigen Drehzahl), und dass der Motor die Drehzahl danach auf eine weitere niedrige Drehzahl unter 75 U/min erhöht (auf beispielsweise 25 U/min). Verschiedene Drehmomentbefehlwerte 702 werden sowohl bei der Drehzahl Null als auch der niedrigen Drehzahl ( 25 U/min) sowie bei der hohen Drehzahl bereitgestellt.
[0057]  Die Spur 706 zeigt die Temperatur des Motors 110, während eine gemessene Temperatur einer der Phasen 115 auf Spur 708 gezeigt ist, und eine geschätzte Temperatur der einen der Phasen 115, die gemäß der vorliegenden Ausführungsform geschätzt wird, ist auf Spur 710 gezeigt. Es ist zu sehen, dass diese Temperaturen (auf den Spuren 706, 708 und 710) trotz Veränderungen bei der Motordrehzahl (auf der Spur 704) und/oder des Drehmomentbefehls T* (auf der Spur 702) annähernd gleich sind.
[0058]  Die Temperatur des Kühlmittels 155 ist auf Spur 712 gezeigt und die Temperatur des thermischen Neutralpunkts 202 ist auf Spur 714 gezeigt. Man stellt fest, dass diese Temperaturen beim fortgesetzten Vorhandensein eines Motorbetriebs ansteigen. Jedoch stellt auch bei dem Ansteigen dieser Werte das Herabsetzen des Drehmomentbefehls T* gemäß der vorliegenden Ausführungsform einen Schutz der Statorwicklungen der Phasen vor einer Beschädigung aufgrund von Überhitzung bereit. Zudem stellt die vorliegende Ausführungsform ein robustes Verfahren zur Temperaturschätzung bereit, bei dem die Temperatur in jeder der Phasen 115 eines Motors 110 genau geschätzt werden kann, ohne dass ein temperaturabhängiger Widerstand in jeder Phase 115 bereitgestellt wird, auch bei oder in der Nähe der Drehzahl Null des Motors 110.
[0059]  Obwohl mindestens eine beispielhafte Ausführungsform in der voranstehenden genauen Beschreibung dargestellt wurde, ist festzustellen, dass eine große Anzahl an Variationen existiert. Es ist auch festzustellen, dass die beispielhafte Ausführungsform oder die beispielhaften Ausführungsformen nur Beispiele sind und nicht dazu gedacht sind, den Schutzumfang, die Anwendbarkeit oder die Ausgestaltung der Erfindung in irgendeiner Weise einzuschränken. Stattdessen wird die voranstehende genaue Beschreibung Fachleuten eine brauchbare Anleitung zur Implementierung der beispielhaften Ausführungsform oder der beispielhaften Ausführungsformen bereitstellen. Es sollte verstanden sein, dass in der Funktion und Anordnung von Elementen verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen, wie er in den beigefügten Ansprüchen und deren juristischen Äquivalenten offen gelegt ist.