一种基于多变量区间控制的电机过温保护方法及系统与流程

1.本发明涉及汽车驱动电机技术领域，尤其涉及一种基于多变量区间控制的电机过温保护方法及系统。


背景技术：

2.电机在运行过程中会产生大量热量，如果未能及时将这些热量散发，电机温度将持续升高，一方面会导致永磁体退磁，电机性能急剧降低；另一方面会加速电机老化，严重时将导致电机关键零部件过热损坏。
3.目前常用的电机过温保护方法有两种思路：减少电机内部热量产生或增强电机散热。第一种思路多采用转矩控制：当电机温度超过预设温度阈值时，抑制电机的输出转矩或输出功率，以减少电机内部生热，减缓电机温度升高速率，避免电机过热。第二种思路下多采用流量控制：当电机温度过高时，基于预测的电机发热量或电机温度变化趋势，计算电机所需冷却液流量，通过调节冷却液流量，满足电机散热需求，从而达到过温保护目的。
4.上述过温保护方法存在以下弊端：其一，仅控制转矩只能减少热量产生，无法带走电机内部累积的热量，电机温度依然升高；而仅控制冷却液流量时，由于冷却液在管路中的流动、冷却液与电机部件的对流换热等过程，对电机温度的调节存在时滞，在此过程中电机温度将会继续升高。因此，单独控制转矩或冷却液流量时，电机仍然存在过热损坏的风险。其二，基于预测的发热量或电机温度趋势计算冷却液流量，而没有考虑电机的实时温度，当预测模型精度不足时，计算出的冷却液流量可能无法匹配电机的冷却需求。


技术实现要素：

5.为此，本发明提供一种基于多变量区间控制的电机过温保护方法及系统，用以克服现有技术中由于无法实时根据电机温度对电机运行状态进行精确调控导致的电机散热效率低、运行安全性低的问题。
6.为实现上述目的，一方面，本发明提供一种基于多变量区间控制的电机过温保护方法，包括：
7.步骤s1，实时采集电机温度t0；
8.步骤s2：将实时采集的电机温度t0与各预设电机温度进行比对，以判断实时采集的电机温度t0是否处于预设过温保护范围t内，其中，t1≤t≤t2，t1为第一预设电机温度，t2为第二预设电机温度；
9.步骤s3：根据实时采集的电机温度t0与各预设电机温度的比对结果，采取不同控制方式控制电机的运行状态，其中，
10.若t0＜t1，判定实时采集的电机温度t0小于预设过温保护范围t，维持电机转矩与冷却液流量不变；
11.若t1≤t0≤t2，判定实时采集的电机温度t0处于预设过温保护范围t内，执行多变量区间控制策略以控制电机的运行状态；
12.若t0＞t2，判定实时采集的电机温度t0大于预设过温保护范围t，停止电机运行并进行电机故障提示。
13.进一步地，所述多变量区间控制策略包括：
14.步骤s301：获取所述电机温度t0；
15.步骤s302：根据实时电机工况确定流量控制系数kq和转矩控制系数k
tor
，设定0≤kq≤1，0≤k
tor
≤1，且kq+k
tor
＝1；
16.步骤s303：计算可变权矩阵martix；
17.步骤s304：根据所述电机温度t0计算误差值err，误差值err计算完成后，根据误差值err和流量控制系数kq计算流量控制误差errq，并根据误差值err和转矩控制系数k
tor
计算转矩控制误差err
tor
；
18.步骤s305：根据所述流量控制误差errq、所述转矩控制误差err
tor
和所述可变权矩阵martix分别计算流量调节量uq和转矩调节量u
tor
，并以此对冷却液流量和电机转矩进行调整，并根据调整后的冷却液流量和电机转矩控制电机的运行状态；
19.步骤s306：重复以上步骤，直至实时采集的电机温度小于预设过温保护范围t并保持稳定。
20.进一步地，所述步骤s302中，所述电机工况包括20％转矩工况、40％转矩工况、60％转矩工况、80％转矩工况和100％转矩工况。
21.进一步地，所述步骤s302中，所述流量控制系数kq和所述转矩控制系数k
tor
的确定方法包括，设定，
[0022][0023]kq
＝1-k
tor
[0024]
ꢀꢀꢀ
(2)
[0025]
式中，t
min
为电机输出转矩最小值，t
max
为电机输出转矩最大值，(k
tor
)
min
表示转矩为t
min
时计算得到的转矩控制系数，(k
tor
)
max
表示转矩为t
max
时计算得到的转矩控制系数。
[0026]
进一步地，所述步骤s303中，定义所述可变权矩阵martix的数值为m，其计算公式如下，设定，
[0027][0028]
进一步地，所述步骤s304中，所述误差值err的计算公式如下，设定，
[0029]
err＝t
0-t1[0030]
ꢀꢀꢀ
(6)
[0031]
所述流量控制误差errq的计算公式如下，设定，
[0032]
errq＝kq×
err
[0033]
ꢀꢀꢀ
(7)
[0034]
所述转矩控制误差err
tor
的计算公式如下，设定，
[0035]
err
tor
＝k
tor
×
err。
[0036]
ꢀꢀꢀ
(8)
[0037]
进一步地，所述步骤s305中，所述流量调节量uq和所述转矩调节量u
tor
的计算公式如下，设定，
[0038][0039][0040]
式中，k
p,q
为流量比例增益系数，0＜k
p,q
＜1，k
i,q
为流量积分增益系数，0＜k
i,q
＜1，k
d,q
为流量微分增益系数，0＜k
d,q
＜1，k
p,tor
为转矩比例增益系数，0＜k
p,tor
＜100，k
i,tor
为转矩积分增益系数，0＜k
i,tor
＜100，k
d,tor
为转矩微分增益系数，0＜k
d,tor
＜100。
[0041]
进一步地，根据所述流量调节量uq和所述转矩调节量u
tor
分别对冷却液流量和电机转矩进行调整，以对电机温度处于预设过温保护范围内的电机运行状态进行调整，调整后的冷却液流量为q(t+δt)，调整后的电机转矩为tor(t+δt)，其中，
[0042]
q(t+δt)＝q(t)+uq(t)
[0043]
ꢀꢀꢀ
(11)
[0044]
tor(t+δt)＝tor(t)+u
tor
(t)
[0045]
ꢀꢀꢀ
(12)
[0046]
式中，δt为电机运行状态调整的间隔时间，q(t)为t时刻的冷却液流量，uq(t)为t时刻的流量调节量，tor(t)为t时刻的电机转矩，u
tor
(t)为t时刻的转矩调节量。
[0047]
另一方面，本发明还提供一种基于多变量区间控制的电机过温保护系统，包括：
[0048]
采集模块，用以实时采集电机温度t0，并将温度信号传输至判断模块与控制策略模块；
[0049]
判断模块，用以根据实时采集的电机温度进行运行风险判断，若实时采集的电机温度t0小于预设过温保护范围t，判定电机运行无风险，若实时采集的电机温度t0处于预设过温保护范围t内，判定电机运行存在中风险，若实时采集的电机温度t0大于预设过温保护范围t，判定电机运行存在高风险；
[0050]
控制策略模块，用以根据运行风险判断结果采取不同方式控制电机的运行状态，当电机运行无风险时，所述控制策略模块维持电机转矩与冷却液流量不变，当电机运行存在中风险时，所述控制策略模块根据多变量区间控制策略控制电机的运行状态，当电机运行存在高风险时，所述控制策略模块控制电机停止运行并进行电机故障提示，所述控制策略模块还用以下发控制指令；
[0051]
执行模块，用以接收所述控制指令，并根据所述控制指令调整电机运行的电机转矩和冷却液流量。
[0052]
进一步地，所述控制策略模块包括：
[0053]
流量获取单元，其用以实时获取电机当前的冷却液流量；
[0054]
转矩获取单元，其用以实时获取电机当前的电机转矩；
[0055]
第一输入单元，其用以输入流量控制系数；
[0056]
第二输入单元，其用以输入转矩控制系数；
[0057]
温度获取单元，其用以实时获取当前的电机温度；
[0058]
温度预设单元，其用以设置各预设电机温度；
[0059]
矩阵计算单元，其用以计算可变权矩阵；
[0060]
误差值计算单元，其用以计算实时电机温度与第一预设电机温度的误差值；
[0061]
第一误差分配单元，其用以计算流量控制误差；
[0062]
第二误差分配单元，其用以计算转矩控制误差；
[0063]
流量调节单元，其用以计算流量调节量；
[0064]
转矩调节单元，其用以计算转矩调节量；
[0065]
第一整合单元，其用以整合冷却液流量的输入值与调节量，以计算调整后的冷却液流量；
[0066]
第二整合单元，其用以整合电机转矩的输入值与调节量，以计算调整后的电机转矩；
[0067]
流量输出单元，其用以输出调整后的冷却液流量，并向执行模块发送控制指令；
[0068]
转矩输出单元，其用以输出调整后的电机转矩，并向执行模块发送控制指令。
[0069]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明同时调节冷却液流量与电机转矩，可以增强对电机温度的调节能力，通过设定不同的控制系数，调整对流量与转矩的调节幅度，可以应对不同电机工况下的过温保护需求，通过引入可变权矩阵与区间控制理论，可以将电机温度控制在合理区间内，考虑了电机实时温度反馈，可以精确匹配电机的冷却需求，避免了冷却液流量或电机转矩的调节量过大的问题，在实现过温保护的同时，降低了冷却泵的功率损耗，并保证了足够的动力输出，从而提高电机的散热效率，进而保证了电机运行的安全性。
[0070]
尤其，本发明通过实时采集电机温度以实现对电机温度状态的实时监控，进而保证电机温度数据的精确度，本发明通过将实时采集的电机温度与预设过温保护范围进行比对，以判断当前电机的温度状态，从而采取不同方式控制电机的运行，通过针对电机的不同温度状态采取不同控制方式，以实现对电机精确散热，提高对电机的散热效率保证电机运行的安全性，当电机温度处于预设过温保护范围内时，通过执行多变量区间控制策略以精确调整电机的运行状态，从而进一步提高电机的散热效率，在执行多变量区间控制策略时，通过获取电机工况确定流量控制系数kq和转矩控制系数k
tor
，进而通过计算精确得到流量调节量uq和转矩调节量u
tor
，并以此对冷却液流量和电机转矩进行调整，以调整后的冷却液流量和电机转矩控制电机运行，通过调整以精确获取该电机温度下的冷却液流量和电机转矩，从而实现对电机运行状态的精确调控，进一步提高电机的散热效率，从而进一步保证电机运行安全性。
附图说明
[0071]
图1为本实施例基于多变量区间控制的电机过温保护方法的流程示意图；
[0072]
图2为本实施例多变量区间控制策略的方法流程图；
[0073]
图3为本实施例基于多变量区间控制的电机过温保护系统的结构示意图；
[0074]
图4为本实施例控制策略模块的结构示意图。
具体实施方式
[0075]
为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
[0076]
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
[0077]
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0078]
请参阅图1所示，其为本实施例基于多变量区间控制的电机过温保护方法的流程示意图，所述电机过温保护方法包括：
[0079]
步骤s1，实时采集电机温度t0；
[0080]
步骤s2：将实时采集的电机温度t0与各预设电机温度进行比对，以判断实时采集的电机温度t0是否处于预设过温保护范围t内，其中，t1≤t≤t2，t1为第一预设电机温度，t2为第二预设电机温度；
[0081]
步骤s3：根据实时采集的电机温度t0与各预设电机温度的比对结果，采取不同控制方式控制电机的运行状态，其中，
[0082]
若t0＜t1，判定实时采集的电机温度t0小于预设过温保护范围t，维持电机转矩与冷却液流量不变；
[0083]
若t1≤t0≤t2，判定实时采集的电机温度t0处于预设过温保护范围t内，执行多变量区间控制策略以控制电机的运行状态；
[0084]
若t0＞t2，判定实时采集的电机温度t0大于预设过温保护范围t，停止电机运行并进行电机故障提示。
[0085]
具体而言，本实施例中通过设置过温保护范围以针对电机温度采取不同方式控制电机的运行状态，从而提高电机运行安全性及运行效率，当电机温度小于预设过温保护范围时，表示电机运行正常维持当前运行状态即可，当电机温度在预设过温保护范围内时，表示电机温度超出了正常工作温度范围，可能会因为过热导致电机性能下降，通过执行多变量区间控制策略以及时调整电机的运行状态，从而进一步提高电机运行安全性及运行效率，当电机温度大于预设过温保护范围时，表示电机温度已经严重超出正常工作温度范围，电机随时会出现过热损坏，通过及时停止电机运行以防止电机损坏，从而进一步提高电机运行安全性及运行效率。
[0086]
可以理解的是，本实施例中未对电机的温度采集位置及采集方式做具体限定，本领域技术人员在进行温度采集时，可通过在绕组端部或定子铁心等关键位置设置温度传感器进行电机温度采集，并将温度传感器采集的温度数据作为电机温度，用于后续的控制策略，本领域技术人员还可采取其他方式进行温度采集，只需满足对电机的实时温度采集需求即可；同时，本实施例中未对第一预设电机温度t1和第二预设电机温度t2做具体限定，本
领域技术人员在进行设置时，可针对不同电机通过试验测量得到不同阈值，也可依据研究人员经验获取，只需满足对电机温度阈值的获取需求即可。
[0087]
请参阅图2所示，其为本实施例多变量区间控制策略的方法流程图，所述多变量区间控制策略包括：
[0088]
步骤s301：获取所述电机温度t0；
[0089]
步骤s302：根据实时电机工况确定流量控制系数kq和转矩控制系数k
tor
，设定0≤kq≤1，0≤k
tor
≤1，且kq+k
tor
＝1；
[0090]
步骤s303：计算可变权矩阵martix；
[0091]
步骤s304：根据所述电机温度t0计算误差值err，误差值err计算完成后，根据误差值err和流量控制系数kq计算流量控制误差errq，并根据误差值err和转矩控制系数k
tor
计算转矩控制误差err
tor
；
[0092]
步骤s305：根据所述流量控制误差errq、所述转矩控制误差err
tor
和可变权矩阵m分别计算流量调节量uq和转矩调节量u
tor
，并以此对冷却液流量和电机转矩进行调整，并根据调整后的冷却液流量和电机转矩控制电机的运行状态；
[0093]
步骤s306：重复以上步骤，直至实时采集的电机温度小于预设过温保护范围t并保持稳定。
[0094]
具体而言，本实施例所述步骤s302中，所述电机工况以不同的电机转矩表示，包括20％转矩工况、40％转矩工况、60％转矩工况、80％转矩工况和100％转矩工况等，当检测到电机温度处于预设过温保护范围t内时，若处于低转矩工况，则无需对转矩进行较大限制，主要通过调节冷却液流量进行过温保护，若处于高转矩工况，通过增加对转矩的限制，以避免电机生热持续增加，因此，电机输出转矩越大，对转矩调节的幅度越大，从而保证电机运行的安全性和运行效率。
[0095]
具体而言，本实施例中在确定流量控制系数kq和转矩控制系数k
tor
时，可通过设置预设电机工况-控制系数表进行确定，当电机工况确定后，通过查表方式确定流量控制系数kq与转矩控制系数k
tor
，所述电机工况-控制系数表如下：
[0096]
电机工况流量控制系数kq转矩控制系数k
tor
20％转矩工况0.70.340％转矩工况0.60.460％转矩工况0.50.580％转矩工况0.40.6100％转矩工况0.30.7
[0097]
表1
[0098]
具体而言，本实施例中还提供一种确定流量控制系数kq和转矩控制系数k
tor
的方法，设定，
[0099][0100]kq
＝1-k
tor
[0101]
ꢀꢀꢀ
(2)
[0102]
式中，t
min
为电机输出转矩最小值，t
max
为电机输出转矩最大值，(k
tor
)
min
表示转矩为t
min
时计算得到的转矩控制系数，(k
tor
)
max
表示转矩为t
max
时计算得到的转矩控制系数。
[0103]
具体而言，本实施例中还提供一种确定流量控制系数kq和转矩控制系数k
tor
的方法，设定，
[0104][0105]kq
＝1-k
tor
。
[0106]
ꢀꢀꢀ
(4)
[0107]
具体而言，所述步骤s303中，通过计算可变权矩阵martix，以实现区间控制，所述区间控制的定义为：被控变量的目标值设置为某一区间，当被控变量落入该区间时，认为实现了控制目标，此时停止执行控制策略。
[0108]
具体而言，定义所述可变权矩阵martix的数值为m，其计算公式如下，设定，
[0109][0110]
具体而言，本实施例通过设置可变权矩阵以实现在不同温度下对电机运行的精确控制，以提高电机运行的安全性，当电机温度t0处于预设过温保护范围t内时，通过公式(5)计算出的可变权矩阵martix的数值m大于0且小于1，此时执行控制指令，调节冷却液流量与电机转矩，且电机温度t0越接近第一预设电机温度t1，调节幅度越小，当电机温度t0小于第一预设电机温度t1时，停止执行控制策略。
[0111]
具体而言，本实施例所述步骤s304中，所述误差值err的计算公式如下，设定，
[0112]
err＝t
0-t1[0113]
ꢀꢀꢀ
(6)
[0114]
误差值err计算完成后，根据误差值err和流量控制系数kq计算流量控制误差errq，设定，
[0115]
errq＝kq×
err
[0116]
ꢀꢀꢀ
(7)
[0117]
并根据误差值err和转矩控制系数k
tor
计算转矩控制误差err
tor
，设定，
[0118]
err
tor
＝k
tor
×
err。
[0119]
ꢀꢀꢀ
(8)
[0120]
具体而言，本实施例所述步骤s305中，根据流量控制误差errq、转矩控制误差err
tor
和可变权矩阵m分别计算流量调节量uq和转矩调节量u
tor
，其中，
[0121]
[0122][0123]
式中，k
p,q
为流量比例增益系数，0＜k
p,q
＜1，k
i,q
为流量积分增益系数，0＜k
i,q
＜1，k
d,q
为流量微分增益系数，0＜k
d,q
＜1，k
p,tor
为转矩比例增益系数，0＜k
p,tor
＜100，k
i,tor
为转矩积分增益系数，0＜k
i,tor
＜100，k
d,tor
为转矩微分增益系数，0＜k
d,tor
＜100。
[0124]
可以理解的是，本实施例不对各增益系数的取值做具体限定，本领域技术人员在进行设置时，还可根据试验标定结果设置各增益系数的取值。
[0125]
具体而言，根据所述流量调节量uq和所述转矩调节量u
tor
分别对冷却液流量和电机转矩进行调整，并根据调整后的冷却液流量和电机转矩控制电机的运行状态，以对电机温度处于预设过温保护范围内的电机运行状态进行调整，调整后的冷却液流量为q(t+δt)，调整后的电机转矩为tor(t+δt)，其中，
[0126]
q(t+δt)＝q(t)+uq(t)
[0127]
ꢀꢀꢀ
(11)
[0128]
tor(t+δt)＝tor(t)+u
tor
(t)
[0129]
ꢀꢀꢀ
(12)
[0130]
式中，δt为电机运行状态调整的间隔时间，q(t)为t时刻的冷却液流量，uq(t)为t时刻的流量调节量，tor(t)为t时刻的电机转矩，u
tor
(t)为t时刻的转矩调节量。
[0131]
请参阅图3所示，其为本实施例基于多变量区间控制的电机过温保护系统的结构示意图，所述系统包括：
[0132]
采集模块，用以实时采集电机温度t0，并将温度信号传输至判断模块与控制策略模块；
[0133]
判断模块，用以根据实时采集的电机温度进行运行风险判断，若实时采集的电机温度t0小于预设过温保护范围t，判定电机运行无风险，若实时采集的电机温度t0处于预设过温保护范围t内，判定电机运行存在中风险，若实时采集的电机温度t0大于预设过温保护范围t，判定电机运行存在高风险；
[0134]
控制策略模块，用以根据运行风险判断结果采取不同方式控制电机的运行状态，当电机运行无风险时，所述控制策略模块维持电机转矩与冷却液流量不变，当电机运行存在中风险时，所述控制策略模块根据多变量区间控制策略控制电机的运行状态，当电机运行存在高风险时，所述控制策略模块控制电机停止运行并进行电机故障提示，所述控制策略模块还用以下发控制指令；
[0135]
执行模块，用以接收所述控制指令，并根据所述控制指令调整电机运行的电机转矩和冷却液流量。
[0136]
请参阅图4所示，其为本实施例控制策略模块的结构示意图，所述控制策略模块包括：
[0137]
流量获取单元1，其用以实时获取电机当前的冷却液流量；
[0138]
转矩获取单元2，其用以实时获取电机当前的电机转矩；
[0139]
第一输入单元3，其用以输入流量控制系数；
[0140]
第二输入单元4，其用以输入转矩控制系数；
[0141]
温度获取单元5，其用以实时获取当前的电机温度；
[0142]
温度预设单元6，其用以设置各预设电机温度；
[0143]
矩阵计算单元7，其用以计算可变权矩阵；
[0144]
误差值计算单元8，其用以计算实时电机温度与第一预设电机温度的误差值；
[0145]
第一误差分配单元9，其用以计算流量控制误差；
[0146]
第二误差分配单元10，其用以计算转矩控制误差；
[0147]
流量调节单元11，其用以计算流量调节量；
[0148]
转矩调节单元12，其用以计算转矩调节量；
[0149]
第一整合单元13，其用以整合冷却液流量的输入值与调节量，以计算调整后的冷却液流量；
[0150]
第二整合单元14，其用以整合电机转矩的输入值与调节量，以计算调整后的电机转矩；
[0151]
流量输出单元15，其用以输出调整后的冷却液流量，并向执行模块发送控制指令；
[0152]
转矩输出单元16，其用以输出调整后的电机转矩，并向执行模块发送控制指令。
[0153]
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。