孫天夫團(tuán)隊(duì)提出一種單節(jié)點(diǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度主動(dòng)控制方法

中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院汽車(chē)電子研究中心孫天夫團(tuán)隊(duì)在單節(jié)點(diǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度主動(dòng)控制方面的研究取得進(jìn)展。相應(yīng)成果“Active motor rotor temperature management based on onenode thermal network model predictive control(基于單節(jié)點(diǎn)熱網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)控制方法的電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度主動(dòng)控制)”于 2020 年 3 月 10 日發(fā)表在IEEE Transactions on Power Electronics上。

電機(jī)是機(jī)器人、電動(dòng)汽車(chē)、無(wú)人機(jī)等產(chǎn)品的核心器件，其性能直接決定了上述產(chǎn)品的性能。在實(shí)際應(yīng)用中，上述產(chǎn)品往往需要電機(jī)具有短時(shí)過(guò)載的能力，以應(yīng)對(duì)不常出現(xiàn)的峰值功率需求，并減小機(jī)體的重量。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于電機(jī)可以過(guò)載運(yùn)行的程度和時(shí)間只能依靠經(jīng)驗(yàn)大致估算，這會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的過(guò)載能力被高估或被低估，甚至導(dǎo)致電機(jī)損壞。而電機(jī)工作環(huán)境溫度的變化進(jìn)一步加劇了精確估算電機(jī)過(guò)載能力的困難。近年來(lái)，研究者正在探索基于電機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)電機(jī)過(guò)載能力進(jìn)行估測(cè)的方法，即電機(jī)溫度主動(dòng)控制的方法。其中，相應(yīng)方法主要針對(duì)電機(jī)定子溫度的主動(dòng)控制，而關(guān)于電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度主動(dòng)控制方法的研究仍基本處于空白。同時(shí)，過(guò)高的轉(zhuǎn)子溫度會(huì)導(dǎo)致永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體退磁，或?qū)е轮绷麟姍C(jī)電樞損壞等一系列嚴(yán)重問(wèn)題。此外，現(xiàn)有的基于模型預(yù)測(cè)控制的電機(jī)溫度主動(dòng)控制需要依賴復(fù)雜的模型，運(yùn)算量很大，難以在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。

該文提出了一種簡(jiǎn)單且有效的單節(jié)點(diǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度模型，并基于該模型實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度模型預(yù)測(cè)控制。具體地，通過(guò)紅外溫度傳感器實(shí)時(shí)探測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度，基于嵌入式系統(tǒng)對(duì)所提出的單節(jié)點(diǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度模型預(yù)測(cè)控制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度的主動(dòng)控制。

結(jié)果顯示，在電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度較低時(shí)，所提出的控制方法可以實(shí)現(xiàn)大幅度的過(guò)載運(yùn)行。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度升高時(shí)，可根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度實(shí)時(shí)自適應(yīng)估算電機(jī)過(guò)載運(yùn)行的能力，進(jìn)而對(duì)電機(jī)過(guò)載程度進(jìn)行主動(dòng)限制，防止電機(jī)過(guò)熱損壞。當(dāng)電機(jī)溫度降低時(shí)，又可以根據(jù)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)放寬對(duì)電機(jī)過(guò)載程度的限制，從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)電機(jī)過(guò)載能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)可以精確地將電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度限制在所設(shè)定的最高溫度以下，同時(shí)盡可能地利用電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率潛力。

該研究提供了一種電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度主動(dòng)控制技術(shù)，可以根據(jù)電機(jī)運(yùn)行工況實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)電機(jī)的最大過(guò)載能力，并自適應(yīng)條件電機(jī)的過(guò)載限值。該技術(shù)一方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和功率潛力的充分挖掘，另一方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度的有效管控，起到了功能安全的作用。該研究可廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、電動(dòng)汽車(chē)、無(wú)人機(jī)和工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備[1]

[1] Sun TF, Rang R, Li H, et al. Active motor rotor temperature management based on one-node thermal network model predictive control [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2020, 35(10): 11213-11221.