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基于波形整数倍的电动机扭矩调整

申请号 CN202280061004.3 申请日 2022-08-12 公开(公告)号 CN117957760A 公开(公告)日 2024-04-30
申请人 图拉技术公司; 发明人 M·扬金斯; M·威尔卡茨;
摘要 本文公开了基于 波形 整数倍的 电动机 扭矩 调整的方法、系统和设备。被布置成引导电动机的脉冲运行的电动机 控制器 包括利用脉冲控制器,该脉冲控制器基于与脉冲波形的波形周期的整数倍相对应的时间段来计算平均扭矩。
权利要求

1.一种电动机控制器,其被布置成引导电动机的脉冲运行,其中所述电动机控制器利用脉冲控制器,所述脉冲控制器基于与脉冲波形的波形周期或子周期的整数倍相对应的时间段来计算平均扭矩
2.根据权利要求1所述的电动机控制器,其中所述电动机控制器被配置成根据运行速度、扭矩和转速中的至少一个乘以所述电动机的极数的变化来改变所述第一输出平。
3.根据权利要求1所述的电动机控制器,其中连续的第一输出水平脉冲之间的周期是所述波形周期,并且所述波形周期在电动机的运行期间变化。
4.根据权利要求3所述的电动机控制器,其中所述波形周期作为所述电动机的转速的函数而变化。
5.一种电动机控制器,其促使电动机的脉冲运行以递送期望的输出,其中所述电动机的所述脉冲运行促使所述电动机的所述输出在第一输出水平与低于所述第一输出水平的第二输出水平之间交替,其中:
所述电动机控制器包括脉冲控制器,所述脉冲控制器根据特定时间段内的脉冲波形来引导所述电动机的所述脉冲的定时,并且其中所述脉冲波形由多个波形周期构成;和所述脉冲控制器基于与所述脉冲波形的所述波形周期的整数倍相对应的时间段来计算平均扭矩。
6.根据权利要求5所述的电动机控制器,其中所述第一输出水平和所述第二输出水平被选择成使得所述电动机在所述电动机的所述脉冲运行期间具有比所述电动机以第三输出水平运行时更高的能量转换效率,所述第三输出水平是以连续方式驱动所述电动机以递送所述期望输出所需要的。
7.根据权利要求6所述的电动机控制器,其中所述第二输出水平为零扭矩。
8.根据权利要求7所述的电动机控制器,其中在所述电动机的所述脉冲运行期间,所述电动机在所述电动机输出零扭矩的所述时间的至少部分时间内被关闭。
9.根据权利要求5所述的电动机控制器,其中连续的第一输出水平脉冲的开始之间的时段是波形周期,并且所述波形周期在所述电动机的运行期间变化。
10.根据权利要求9所述的电动机控制器,其中所述波形周期作为所述电动机的转速的函数而变化。
11.一种系统,包括:
电动机;
功率转换器;和
电动机控制器,其促使电动机的脉冲运行递送期望的输出,其中所述电动机的所述脉冲运行促使所述电动机的所述输出在第一输出水平与低于所述第一输出水平的第二输出水平之间交替,其中所述电动机控制器包括脉冲控制器,所述脉冲控制器根据特定时间段内的脉冲波形来引导所述电动机的所述脉冲的定时,并且其中所述脉冲波形由多个波形周期构成,并且其中所述脉冲控制器基于与所述脉冲波形的所述波形周期的整数倍相对应的时间段来计算平均扭矩。
12.根据权利要求11所述的系统,其中所述电动机作为达运行,并且所述功率转换器包括逆变器。
13.根据权利要求11所述的系统,其中所述电动机作为发电机运行,并且所述功率转换器包括整流器或逆变器。
14.根据权利要求11所述的系统,其中所述电动机被配置成作为马达/发电机运行。
15.根据权利要求11所述的系统,其中所述脉冲控制器被配置成促使所述电动机以每秒至少10次的频率被脉冲化。
16.根据权利要求15所述的系统,其中所述脉冲控制器被配置成促使所述电动机每秒在所述第一输出水平与所述第二输出水平之间切换至少100次。
17.根据权利要求11所述的系统,其中所述电动机选自包括以下各项的组:
同步磁阻电机,
永磁同步磁阻电机;
混合式永磁同步磁阻电机:
开关磁阻电机;
外部励磁AC同步电机;和
永磁同步电机。
18.根据权利要求11所述的系统,其中所述电动机是无刷DC电动机。
19.根据权利要求11所述的系统,其中所述电动机选自包括以下各项的组:
电激励DC电动机;
永磁DC电动机;
串励DC电动机:
并联DC电动机;
有刷DC电动机;和
复合DC电动机。
20.根据权利要求11所述的系统,其中所述电动机选自包括以下各项的组:
涡流电机;
AC直线电机;
AC和DC机械换向电机;和
轴向磁通电机。
21.一种电动机控制器,其控制电动机的扭矩反馈信号向控制器的发送,所述控制器确定是否需要启动安全过程,并且其中所述确定基于所述扭矩反馈信号和指令扭矩信号的差值与阈值的比较,并且其中所述电动机控制器调整扭矩反馈信号以校正平均值,从而表示与所述指令值的真实差值,并且在正常运行下在将它们发送到确定是否需要启动安全过程的所述控制器之前低于所述故障检测阈值。
22.一种系统,包括:
电动机;
功率转换器;和
电动机控制器,其控制电动机的扭矩反馈信号向控制器的发送,所述控制器确定是否需要启动安全过程,并且其中所述确定基于所述扭矩反馈信号与阈值以及指令扭矩信号与阈值的比较,并且其中所述电动机控制器调整扭矩反馈信号以校正平均值,从而表示与所述指令值的真实差异,并且在正常运行下,并且其中所述电动机控制器在将扭矩反馈信号发送到确定是否需要启动安全过程的所述控制器之前将所述扭矩反馈信号调整到低于所述阈值的值。
23.一种电动机控制器,其控制从电动机的电源向控制器发送反馈信号,所述控制器确定是否需要启动安全过程,并且其中所述确定基于所述反馈信号与阈值以及指令扭矩信号与阈值的比较,并且其中所述电动机控制器调整扭矩反馈信号以校正平均值,从而表示与所述指令值的真实差异,并且在正常运行下,并且其中所述电动机控制器在将反馈信号发送到确定是否需要启动安全过程的所述控制器之前将所述反馈信号调整到低于所述阈值的值。
24.根据权利要求23所述的电动机控制器,其中所述电动机控制器包括用于调整所述反馈信号的低通滤波器
25.根据权利要求23所述的电动机控制器,其中所述电动机控制器包括可由电动机控制器执行的指令,以确定脉宽调制波形在一段时间内的平均值。
26.根据权利要求23所述的电动机控制器,其中所述电源是功率转换器或电池中的一个,并且其中所述电动机控制器包括低通滤波器以调整所述反馈信号。
27.根据权利要求26所述的电动机控制器,其中所述功率转换器是逆变器。
28.根据权利要求23所述的电动机控制器,其中所述电源是功率转换器或电池中的一个,并且其中所述电动机控制器包括可由所述电动机控制器执行的指令,以确定脉宽调制波形在一段时间内的平均值。
29.一种系统,包括:
电动机;
功率转换器;和
电动机控制器,其控制从电动机的电源向控制器发送反馈信号,所述控制器确定是否需要启动安全过程,并且其中所述确定基于所述反馈信号与阈值以及指令扭矩信号与阈值的比较,并且其中所述电动机控制器调整扭矩反馈信号以校正平均值,从而表示与所述指令值的真实差异,并且在正常运行下,并且其中所述电动机控制器在将反馈信号发送到确定是否需要启动安全过程的所述控制器之前将所述反馈信号调整到低于所述阈值的值。
30.一种系统,包括:
电动机;
功率转换器;和
电动机控制器,其控制从电动机的电源向控制器发送反馈信号,所述控制器确定是否需要启动安全过程,并且其中所述确定基于将测量的电流与基于估计的扭矩的电流估计进行比较,并且其中所述电动机控制器在将反馈信号发送到确定是否需要启动安全过程的所述控制器之前将所述反馈信号调整到低于所述阈值的值。
31.根据权利要求30所述的系统,其中所述电流是逆变器总线电流。
32.根据权利要求30所述的系统,其中所述电流是电池电流。
33.根据权利要求30所述的系统,其中所述估计的扭矩还基于至少一个电动机‑逆变器组合效率特性值。

说明书全文

基于波形整数倍的电动机扭矩调整

技术领域

[0001] 本公开涉及电动机管理方法、设备和系统,并且特别涉及基于波形整数倍的电动机扭矩调整。

背景技术

[0002] 如本文所用的短语“电动机(electric machine)”旨在广义地解释为包括作为电动达和发电机中的一个或两者运行的机器。当电动机作为马达运行时,它将电能转换为机械能。当作为发电机运行时,电动机将机械能转换为电能。
[0003] 电动马达和发电机用于各种应用场合和各种运行条件下。一般而言,许多现代电动机具有相对较高的能量转换效率。然而,大多数电动机的能量转换效率会因其运行负载而有很大差异。许多应用要求电动机在各种不同的运行负载条件下运行,这意指电动机在以连续方式运行时通常不能尽可能高效地运行。
[0004] 例如,对于任何给定的马达速度,当马达的负载高于或低于最有效负载时,马达的效率往往会有所下降。在一些性能领域,马达的效率往往会相对较快地下降。
[0005] 如果可控制运行条件,使得马达几乎总是在其最有效点或最有效点附近运行,则马达的能量转换效率将相当高。已经提出在运行期间对电动机施加脉冲,以实现电动机更频繁地在其最高效点运行的条件。
[0006] 当在脉冲运行中控制机器时,必须在一段时间内确定扭矩输出的测量值或估计值。确定该扭矩输出的常规方法是将测量或估计的扭矩作为时间的函数进行处理,例如通过对最近的扭矩的估计值或测量值进行平均或使用数字滤波器。当试图将这些方法用于使用脉冲运行的电动机时,这会导致不准确的扭矩值,因为这些方法会产生不一致的结果。附图说明
[0007] 图1是示意性地图示根据本公开的实施例的电动机控制架构的功能性框图
[0008] 图2是图示可与本公开的实施例一起使用的电动机的脉冲驱动信号的曲线图。
[0009] 图3是图示根据本公开的实施例的马达控制方案的流程图
[0010] 图4是示意性地表示可与本公开的实施例一起使用的脉冲功率的期望功率估计方法的曲线图。

具体实施方式

[0011] 本公开提供了通过以脉冲波形的整数倍对脉冲输出进行平均来利用脉冲电动机管理的更好方式。这可通过实施一种新的电动机脉冲控制方法来实现。
[0012] 电动机控制的历史实践已被开发用于受连续可变扭矩控制的马达的运行。例如,当电动机在连续功率应用方案下运行时,如果期望递送100顿米(Nm)的扭矩,则控制电动机的控制系统递送100Nm的电动扭矩。然而,在一些实施方式中,可发现在更短的时间段内递送更大量的扭矩(间歇地脉动扭矩递送)的优点。这种脉冲运行可更有效,因此更合乎需要。
[0013] 在这类情况下,如果在一段时间内期望的扭矩输出为100Nm的扭矩,并且如果最有效的扭矩产生为200Nm,则控制系统将在该时间段的50%期间递送200Nm的扭矩,在该时间段内提供相同的总计100Nm,但是这样做比在整个时间段内提供100Nm更有效。200Nm的扭矩递送可按脉冲形式递送,脉冲随时间间隔开。例如,一个时间段可具有二十个分段,其中十个分段在200Nm处且十个分段在0Nm处(例如,交替200Nm、0Nm、200Nm、0Nm……)。其他实施方式也是可能的,并且可提供更理想的运行,例如提供更有效的振动控制。
[0014] 这种脉冲技术一般涉及电动机(例如,电动马达和发电机)的脉冲控制,否则电动机将以连续方式运行。当运行条件允许时,这类脉冲技术可提高电动机的能量转换效率。更具体地,在选定的运行条件下,电动机以更有效的能量转换运行平被间歇地驱动(脉冲驱动),以比传统的连续马达控制更有效地递送期望的平均扭矩。
[0015] 可基于脉宽调制(改变电动机处于开启状态的持续时间)或脉冲密度调制(特定时间段内的脉冲数目)来调整脉冲。可基于扭矩输出的需求以及性能和效率的考虑以这些方式调整脉冲。这类脉冲技术的一些目标是产生精确和响应的扭矩递送,但是扭矩控制也必须是可实现的。例如,以这类方式递送扭矩,使得扭矩递送使电动机在它不是设计运行的性能区域运行,这将是扭矩失控的情况,因为这可能导致安全或设备损坏问题,以及其他问题。
[0016] 当电动机用作马达以递送期望的扭矩输出时,许多类型的电动机传统上由连续的、尽管可能变化的驱动电流驱动。驱动电流经常通过控制功率转换器(例如,逆变器)的输出电压来管理,该功率转换器用作马达的电压输入件。相反,许多类型的发电机的功率输出是通过控制磁场强度来管理的,这可例如通过控制由励磁机提供给转子线圈的励磁电流来实现。
[0017] 通过脉冲控制,机器的输出可在“扭矩开启”与“低扭矩”状态之间智能地间歇调整,其调整方式为:(1)满足运行需求,同时(2)提高整体效率。换句话说,在选定的运行条件下,电动机以更有效的能量转换运行水平(“扭矩开启”状态)间歇性驱动,以递送期望的输出。
[0018] 在脉冲之间的时间段内,机器理想地不生成或消耗任何扭矩(“低(例如,零)扭矩”状态)。这在概念上可被认为是“关闭”电动机。在一些实施方式中,这可通过有效地“关闭”电动机来实现,例如通过切断马达的驱动电流或发电机的励磁电流。然而,在其他实施方式中,可在“低扭矩”状态期间以试图使电动机生成的扭矩为零或尽可能接近零的方式控制电动机,这对于特定电动机来说是可行或合适的。具体而言,对于通过定子中的电磁场在转子中感应磁场的马达('AC感应马达'),磁场生成的时间常数可能需要在电动马达中保持一定水平的连续'磁场'电流。在一些实施方式中,与电动机结合使用的任何功率转换器也可至少在部分“低扭矩”时段有效地关闭。
[0019] 电动机的控制(例如,反馈、前馈等)基于连续或有效的连续控制策略。也就是说,在电动机使用期间的每一时刻,其控制系统均在利用控制策略来确定电动机是否被致动。在当前脉冲控制过程下,如果利用瞬时扭矩的采样或连续平均,则满足扭矩需求的估计等可能变得不准确。此外,如果仅使用扭矩样本作为扭矩安全性是否正确实施的指标,则扭矩安全性过程可能不准确。
[0020] 例如,为了确定脉冲事件应该何时发生,可在一段时间内(实际时间或未来的预测时间)进行“连续平均”。然而,对于脉冲事件,电动机的输出或者为开(例如,在图4中由1指示)或者为关(在图4中由0指示)。目前,连续平均以小于波形周期的增量取平均值(波形周期是波形从特定值(例如,0.5)开始并返回到该相同值的周期)。在一些情况下,增量可比波形周期小得多,诸如毫秒或微秒增量。从平均的度来看,使用连续平均时,该值的上升和下降取决于电动机是脉冲开启还是关闭。
[0021] 作为可能发生的潜在不准确性的一个示例,如果采样1.5个波形周期,其中在每个波形周期期间电动机从0到1然后回到0的脉冲,扭矩值从0到1到0然后再到1,并且估计的扭矩输出将约为0.66,而不是0.5的实际输出。然后,该错误值可用于计算在随后的脉冲中提供多大的扭矩和/或一段时间内所需的脉冲数目,从而导致错误的计算,这会影响性能和/或效率。
[0022] 在另一个示例中,如果控制器在每毫秒或每微秒进行平均,但是当与脉冲密度策略结合时,其中脉冲为50Hz,那么对于毫秒的示例,将存在平均扭矩为0Nm的平均周期,而在平均扭矩为200Nm的其他时间,此时期望平均值为100Nm,因为这是期望的扭矩输出并且是实际输出。最大误差基于平均波形的数目,因此仅基于与基于整数的方法不相关的几个波形进行平均可具有较高的误差水平。
[0023] 解决这个问题的一种方法是在更长的时间段(例如,10秒)内求平均值。这类方法将提供接近或等于100Nm的平均值,但估计器将失去其对扭矩输入系统变化的响应性(例如,将花费约10秒来反映任何有意义的变化)。
[0024] 相比之下,本公开的实施例提供了一种利用平均周期的方法,该平均周期对应于脉冲周期(即,波形周期)的倍数。此外,在本公开的实施例中,控制策略利用基于波形周期或该周期的片段的整数倍间隔的平均。以这种方式,平均更准确地对应于该时间段内的实际输出。例如,在对应于波形周期或其倍数的间隔处,周期性平均/反馈条件是准确的(即,在一个周期内为0.5,其中电动机在半个周期内以0运行且在半个周期内以1运行)。
[0025] 本文所教导的实施例在诸如扭矩或速度相对频繁变化的动态环境中特别有益。它们还允许系统高度精确,同时还允许系统响应不同的扭矩需求。
[0026] 描述了多种方法、控制器和电动机系统,其有助于电动机(例如,电动马达和发电机)的脉冲控制,以在运行条件允许时提高电动机的能量转换效率。更具体地,在选定的运行条件下,电动机控制器被布置成引导电动机的脉冲运行,其中电动机控制器利用脉冲控制器,该脉冲控制器基于与波形周期或脉冲波形的周期片段的整数倍相对应的时间段来计算平均扭矩。
[0027] 此外,在一些实施例中,电动机控制器可使电动机的脉冲运行递送期望的输出,其中电动机的脉冲运行使电动机的输出在第一输出水平与低于第一输出水平的第二输出水平之间交替,其中电动机控制器包括脉冲控制器,该脉冲控制器根据特定时间段内的脉冲波形来引导电动机的脉冲的定时,并且其中脉冲波形由多个波形周期构成,并且脉冲控制器基于与波形周期或脉冲波形周期的片段的整数倍相对应的时间段来计算平均扭矩。
[0028] 在一些实施例中,当期望输出小于给定马达速度的指定输出水平时,电动机以脉冲方式驱动,而当期望马达输出大于或等于指定输出水平时,电动机以连续方式驱动。
[0029] 在一些实施例中,功率转换器用于控制电动机的输出。取决于应用,功率转换器可采取逆变器、整流器或其他合适的功率转换器的形式。
[0030] 脉冲的频率可随着任何特定应用的要求而广泛变化。举例来说,在各种实施例中,电动机每秒在第一输出水平与第二输出水平之间交替至少10,100或1000次。
[0031] 在一些实施例中,系统可包括电动机、功率转换器和电动机控制器,该电动机控制器使得电动机的脉冲运行递送期望的输出,其中电动机的脉冲运行使得电动机的输出在第一输出水平与低于第一输出水平的第二输出水平之间交替,其中电动机控制器包括脉冲控制器,该脉冲控制器根据特定时间段内的脉冲波形来引导电动机的脉冲的定时,并且其中脉冲波形由多个波形周期构成,并且其中脉冲控制器基于与波形周期或脉冲波形周期的片段的整数倍相对应的时间段来计算平均扭矩。
[0032] 在其他实施例中,脉宽调制控制器用于控制电动机的脉冲。并且,在一些其他实施例中,使用δ‑∑调制控制器。
[0033] 在一些实施例中,第一输出水平根据电动机的当前运行速度的变化而变化。在各种实施例中,第一输出水平可对应于电动机输出水平,该电动机输出水平在电动机的当前运行速度下处于或接近最高系统或电动机能量转换效率。在一些实施例中,脉冲的占空比根据期望输出的变化而变化。在一些实施例中,脉冲的占空比根据运行速度、扭矩和转速中的至少一个乘以极数的变化而变化(例如,四极电动机每转可调整四次)。
[0034] 描述了用于实施上述功能性中的所有的机器控制器和电动机系统。在各种实施例中,该系统可被配置成作为马达、发电机或马达/发电机运行。
[0035] 在各种实施例中,电动机可为:感应电动机;开关磁阻电动机;同步AC电动机;同步磁阻电机;开关磁阻电机;永磁同步磁阻电机;混合式永磁同步磁阻电机:外部励磁AC同步电机;永磁同步电机;无刷DC电动机;电激励DC电动机;永磁DC电动机;串励DC电动机:并联DC电动机;有刷DC电动机;复合DC电动机;涡流电机;AC直线电机;AC或DC机械换向电机;或者轴向磁通电机。
[0036] 在下面的详细描述中,参考了构成其一部分的附图。附图示出了如何实践本公开的一个或多个实施例。
[0037] 足够详细地描述了这些实施例,以使本领域普通技术人员能够实践本公开的一个或多个实施例。应当理解,在不脱离本公开的范围的情况下,可利用其他实施例,并且可进行过程、计算机化和/或结构上的改变。
[0038] 应当理解,可添加、交换、组合和/或消除本文的各种实施例中所示的元件,以便提供本公开的多个附加实施例。附图中提供的元件的比例和相对比例旨在说明本公开的实施例,而不应被视为限制性的。
[0039] 本文中的附图遵循编号惯例,其中第一个数字对应于附图编号,并且其余数字标识附图中的元件或组件。
[0040] 如本文所用,“一个”或“多个”事物可指一个或多个这类事物。例如,“多个”可指一个或多个阀。如本文所用,“多个”意指两个或更多个事物。
[0041] 图1是示意性地图示根据本公开的实施例的电动机控制架构的功能性框图。有多种不同的电动机,每种电动机均有其独特的效率特性。因此,脉冲控制可提供效率增益的运行区域将基于包括特定电动机的特性和当前运行转子速度在内的因素而显著变化。
[0042] 在电动机的许多应用中,功率转换器(例如,逆变器)将典型地用于将输入或输出电源的功率转换成电动机所需的电压、电流和波形。例如,逆变器用于将从DC电源(例如,电池或电容器)接收的电转换成应用于马达(一个或多个)的适当AC输入电力。
[0043] 功率转换器的能量转换效率典型地也会在转换器的工作范围内变化。因此,当优化作为逆变器/电动马达组合的一部分的马达的控制时,期望考虑整个逆变器/电动马达系统的能量转换效率,而不是单独考虑马达的能量转换效率。优选地,电动机的脉冲控制将被建模以考虑在脉冲期间影响能量转换的组件中的任何/所有的效率。例如,当电动马达的功率来自电池时,在确定递送最佳能量转换效率的马达驱动信号时,除了逆变器和马达效率之外,还可考虑电池的功率递送效率、组件之间的布线损耗以及任何其他损耗因素。
[0044] 一般而言,功率转换器/电动机系统的总能量转换效率是转换器转换效率乘以电动机转换效率乘以其他组件的递送效率的乘积的函数。因此,应当理解,具有最大系统能量转换效率的脉冲驱动信号的参数可不同于为马达本身提供最佳能量转换效率的参数。
[0045] 图1图示了适于以所描述的方式控制电动机的控制架构。在该实施例中,系统100包括机器控制器110、脉冲控制器(脉冲发生器)120、电源/接收器130、功率控制器/转换器140和电动机160。
[0046] 当需要脉冲运行时,脉冲控制器120负责控制/引导电动机160的脉冲的定时。在图1所图示的实施例中,脉冲控制器被示出为与机器控制器110分离的组件,以便于解释其功能。然而,在各种实施例中,脉冲控制器可被实施为机器控制器110的一部分、单独的组件、功率控制器/转换器140的一部分或其他适当的形式。
[0047] 当运行的电动机160是马达时,机器控制器用作马达控制器,并且功率控制器/转换器140负责将从电源130接收的功率132转换成适于驱动马达160的形式。在电源/接收器能够以电动机所需或输出的形式直接供应或接收功率的实施例中,功率控制器140可在概念上采取开关或逻辑乘法器的形式,其简单地打开和关闭马达以促进期望的脉冲。
[0048] 电源/接收器130可采取任何合适的形式。在一些实施方式中,电源/接收器可采取电池或电容器的形式。在其他实施方式中,电源可为电网(例如,“壁式电源”)、光伏系统或任何其他可用电源。类似地,接收器可为电负载(诸如电动机器或电器、建筑物、工厂、家庭等)、电网或任何其他使用或存储电力的系统。
[0049] 功率控制器/转换器140也可采取多种不同的形式。当电源/接收器130是DC电源且电动机160是AC马达时,功率控制器/转换器140可采取逆变器的形式。相反,当电源/接收器130是DC电源接收器且电动机160是AC发电机时,功率控制器/转换器140可采取整流器的形式。当电源/接收器130和电动机均是AC组件时,功率控制器/转换器140可包括双向或4象限功率转换器。
[0050] 在图1中,所请求的输出标记为113,电动机递送或接收的扭矩被标记为161,并且马达/发电机速度被标记为164。在一些实施例中,机器控制器110包括数据结构115(例如,查找表),该数据结构115用作脉冲运行图,该脉冲运行图限定了期望和/或适合脉冲马达控制的运行区域以及适合特定运行条件的特定占空比。
[0051] 一旦确定了期望的占空比,就可按多种方式确定/生成用于驱动马达的脉冲的持续时间和性质。如下文将更详细描述的,一种相对简单的方法是使用脉宽调制(PWM)控制器作为脉冲控制器120。
[0052] 在图1中,逻辑乘法器123被示为将脉冲控制信号125乘以机器控制器110输出的功率水平信号119,以产生功率转换器控制信号128。应当理解,出于解释的目的示出了逻辑乘法器123,并且在实践中,乘法器123的功能可由机器控制器110、功率转换器140或以其他合适的方式来实现。例如,在一些实施例中,机器控制器110可简单地在占空比的“关闭”阶段将功率转换器140的输出设定为零,而在占空比的“开启”阶段将功率转换器140的输出设定为期望的运行输出水平(例如,当前机器速度的最有效输出水平)。
[0053] 在一些实施例中,电动机控制系统或车辆控制系统可包括安全过程,该安全过程允许这类系统监控数据(例如,分析功率转换器反馈信号、扭矩值、电动机汲取的电流)以确定系统中是否存在可能导致潜在不安全的扭矩应用的故障。如果确定了安全问题,控制器可实行指令以将汽车置于“跛行模式”,其中扭矩的上限被另外限制以保护电动机和/或车辆的乘员。如果这种情况持续,指令可禁用功率转换器140(例如,断开到电源的继电器,使得功率转换器不能转换任何功率),从而另外降低损坏或伤害的险。
[0054] 该安全过程可通过由机器控制器110和/或由设置在车辆或电动机上的另一车辆控制器(例如,监督电子控制单元(ECU)或系统级ECU)实行的指令来实现,以管理车辆和/或电动机的功能。因此,在利用本公开的实施例时,脉冲控制器120需要考虑安全限制,使得脉冲波形(例如,脉宽调制(PWM))不会错误地启动任何上述安全措施。
[0055] 例如,机器控制器110确定需要50牛顿/米的扭矩,并且指令请求被发送到功率转换器140。然而,功率转换器以反馈消息做出响应,指示PWM在0与100之间变化。在这类示例中,机器控制器和/或其他控制器然后可实行指令来确定所提供的响应不是所请求的结果,并且基于该结果采取行动来启动安全过程。
[0056] 然而,在本公开的实施例中,如果机器控制器和/或车辆控制器具有这类安全过程功能,则反馈消息中传达的信息可按不满足安全过程阈值的方式被修改。例如,在一些实施例中,在反馈信号被发送到确定安全过程是否被触发的控制器之前,扭矩数据可通过低通滤波器(例如,5Hz),该低通滤波器去除高于安全过程阈值(例如,50Hz)的信号数据。在各种其他实施例中,产生具有特定占空比的PWM,并且由控制器(例如,机器控制器110)实行指令以确定PWM波形的时间段上的平均值(例如,PWM=50Hz,并且可对该时间段上的值进行平均,然后可提供该平均值作为反馈信号,以与用于安全过程目的的安全过程阈值进行比较。
[0057] 在一些其他实施例中,安全过程可将扭矩值和电流值的组合与给定扭矩值的期望值进行比较,以确定电流是否在期望值范围内。例如,多个扭矩值的这类预期电流值可存储在存储器中。
[0058] 比如,功率转换器可发送指示50N/m扭矩输出的反馈信号,但是感测到的电流(例如,在诸如功率转换器、电池等电源处感测到的电流)是500A。通过将感测到的扭矩和电流与对应的扭矩的当前值或值的范围进行比较,控制器可确定是否需要启动安全过程。
[0059] 因此,与上述实施例一样,在此,在一些实施例中,可对电流值应用低通滤波器以保持它们低于安全过程触发阈值,或者在其他实施例中,可对电流应用平均过程,类似于应用于上述PWM波形的过程。
[0060] 图2是图示可与本公开的实施例一起使用的电动机的脉冲驱动信号的曲线图。图2图示了脉冲电动机运行222的示例。在该特定示例中,期望的电动机扭矩是10Nm,但是对于当前运行的马达速度最有效的扭矩输出是50Nm。从概念上讲,通过使电动机在20%的时间内递送50Nm的扭矩,然后在剩余的80%时间内不递送(零)扭矩,可驱动电动机递送10Nm的净扭矩221。由于马达在递送50Nm时比递送10Nm时更有效地运行,因此可通过以所描述的方式脉动电动机的运行来提高电动机的整体效率。在图2所图示的示例中,电动机在每5个时间单位中的1个时间单位的时间段内产生50Nm的电动机输出(标记为224),然后电动机被控制在中间的4个时间单位期间产生零扭矩。
[0061] 只要期望的电动机输出不超过50Nm,理论上仅通过改变以50Nm运行的电动机的占空比就可满足期望的电动机输出。例如,如果期望的电动机输出变为20Nm,则以50Nm运行的电动机的占空比可增加到40%;如果期望的电动机输出变为40Nm,则占空比可增加到80%;如果期望的电动机输出变为5Nm,则占空比可降低到10%,等等。更一般而言,在期望的电动机扭矩低于最大效率的任何时候,均可潜在地有利地使用脉冲电动机。
[0062] 如上所述,在一些实施例中,波形频率可改变。在这类情况下,波形周期也会改变。这将为控制器提供非常灵敏、高保真的反馈响应。
[0063] 例如,实际使用的时间单位的比例可根据任何特定系统的大小、性质和设计需求而有很大的不同。实际上,当电动机相对快速地从“扭矩开启”状态切换到“低扭矩”状态以实现指定的占空比时,从运行角度来看,电动机实际上在这些状态之间来回切换的事实不会显著降低电动机的性能。在一些实施例中,每个开/关周期的周期规模预计为100微秒至10秒的量级(即,以0.1Hz至10,000Hz范围内的频率脉动),例如,在20Hz至1000Hz或20Hz至
100Hz的范围内。
[0064] 波形周期的低扭矩部分在概念上可被视为关闭电动机——尽管在许多情况下,马达可在这些周期内实际上没有关闭,或者可仅在“低扭矩”间隔的一部分时间内关闭。
[0065] 图3是图示根据本公开的实施例的马达控制方案的流程图。图3图示了可由机器控制器(例如,图1的110)执行以使电动机(160)有效递送期望扭矩的控制流程。为了简化论述,描述了电动机(160)用作马达的实施例。在这种布置中,电源/接收器(130)充当电源,并且机器控制器(110)充当马达控制器。
[0066] 最初,马达控制器(110)接收当前请求的马达输出(113)和任何所需的马达状态信息,诸如由框371表示的当前马达速度(164)。马达控制器(110)然后确定所请求的输出是否在脉冲控制范围内,如判定框372所示。该决定可按任何期望的方式做出。
[0067] 举例来说,在一些实施例中,可使用查找表(115)或其他合适的数据结构来确定脉冲控制是否合适。在一些实施方式中,简单的查找表可标识脉冲控制适用于各种马达速度的最大扭矩水平。在这种实施方式中,当前马达速度可用作查找表的索引,以获得在当前运行条件下脉冲控制合适的最大扭矩水平。然后可将检索到的最大扭矩值与请求扭矩进行比较,以确定请求输出是否在脉冲控制范围内。
[0068] 在其他实施例中,查找表可基于当前运行条件提供附加信息,诸如脉冲运行的期望占空比。在一个这类实施方式中,马达速度和扭矩请求可用作查找表的索引,查找表中的每个条目指示期望的占空比,并且当实际扭矩和/或马达速度在表中表示的索引值之间时,使用插值来确定运行占空比。
[0069] 如果出于任何原因,所请求的扭矩/电流运行条件在脉冲控制范围之外,则使用传统的(即,连续/非脉冲)马达控制,如从框372流出的“否”分支所表示。由此,不使用脉冲调制,并且功率转换器被引导以适于驱动马达的水平向马达递送功率,从而以常规方式递送所需输出,如框374所示。
[0070] 相反,当所请求的扭矩/电流运行条件在脉冲控制范围内时,则使用脉冲控制,如从框372流出的“是”分支所示。在这类实施例中,马达控制器将引导功率转换器以脉冲方式向马达递送功率。
[0071] 在“开”脉冲期间,功率转换器被引导以优选的输出水平递送功率,该输出水平典型地(但不是必须)处于或接近当前马达速度的最大效率运行水平。在“关闭”脉冲期间,马达在理想情况下输出零扭矩。在一些实施例中,脉冲的定时由脉冲控制器控制。
[0072] 为了便于脉冲运行,马达控制器在框375确定期望的输出水平,并且在框376确定在当前马达速度下脉冲运行的期望占空比(优选地,在当前马达速度下处于或接近系统的最大效率能量转换输出水平,尽管可适当地使用其他能量效率水平)。马达控制器和脉冲控制器然后在框378引导功率转换器以指定的功率水平实现期望的占空比。
[0073] 从概念上讲,这可通过以相对高的频率有效地打开和关闭电源来实现,使得向马达供电的时间部分对应于期望的占空比,并且功率水平对应于优选的输出水平。在一些实施例中,占空比的“关闭”部分可通过引导功率控制器/转换器驱动马达以递送零扭矩来实现。
[0074] 功率被脉冲化的频率优选地由机器控制器或脉冲控制器确定。在一些实施例中,对于马达的所有运行,脉冲频率可为固定的,而在其他实施例中,脉冲频率可基于诸如马达速度、扭矩需求等运行条件而变化。例如,在一些实施例中,脉冲频率可通过使用查找表来确定。
[0075] 在这类实施例中,可使用诸如马达速度、扭矩需求等适当的指标来查找当前马达运行条件的适当脉冲频率。在其他实施例中,对于任何给定的运行条件,脉冲频率不必是固定的,并且可根据脉冲控制器的引导而变化。在一些特定实施例中,至少在马达的一些运行区域中,脉冲频率可作为马达速度的函数成比例地变化。
[0076] 此外,为了确定期望的脉冲水平375和期望的占空比376,在马达的运行期间需要确定多个扭矩值。这可利用本文所描述的基于整数倍的扭矩平均方法来实现。通过使用所公开的方法,在378处,脉冲功率递送将处于比先前可能实现的更精确的功率水平和/或占空比。应当注意,在代表潜在功率估计方法的情况下,脉冲的细节可涉及若干种解决方案,以充分解决振动和/或噪声问题,同时提供最佳效率。
[0077] 图4是示意性地表示可与本公开的实施例一起使用的脉冲功率的潜在功率估计方法的曲线图。图4示出了实际扭矩输出450、连续平均452和基于波形周期的平均454之间的差异。
[0078] 如图4所示,实际扭矩450在曲线图的左侧显示为开始递送扭矩,因此在波形周期的一半(即从0至0.5,其中波形周期时间段在底部轴上从0至1)内具有扭矩值“1”(在左侧轴上)。值为“1”的该段表示扭矩脉冲。扭矩脉冲也显示在大约1‑1.5、2‑2.5、3‑3.5、4‑4.5处,并且从大约5处开始。在这些脉冲之间,扭矩变为0并一直保持到下一个脉冲的开始。这是实际提供的扭矩。
[0079] 图4中还示出了基于连续平均方法的连续平均值452。在该实施方式中,控制器以1毫秒的间隔进行平均。因为在该示例中,当扭矩值为常数1时平均开始,因此平均值也为1。然而,当扭矩达到0时,连续平均值开始向0.5下降(这是更精确的周期平均值,下面将详细论述)。然后,经过一段时间后,扭矩开始递送,扭矩值再次跃升至1。相应地,连续平均值开始再次增加。从图中可看出,随着时间的推移,连续平均值会提高,因为平均的数据点越多,将平均值降低到扭矩的精确描述所花费的时间越长,扭矩精确变化的延迟时间就越长。
[0080] 如本文所论述的,基于本公开中所论述的整数倍方法的周期性平均值454明显更准确,这可提高电动机性能和效率,并且具有低等待时间,因为平均可在少至一个波形周期内发生。从图4中可看出,这个平均值是准确的,因为在所示的整个波形和每个波形周期中,扭矩净输出为0.5。
[0081] 此外,尽管图4的示例示出了在1、2、3、4和5(在水平轴上)的点451处进行平均,但是周期内的实际开始点和结束点可改变,只要平均值是波形长度的整数倍即可(例如,从1.25‑2.25(1的整数倍)或从1.4‑3.4(2的整数倍)进行平均)。实施例可对范围内(例如,
1.25与2.25之间)的起点和终点之间的所有数据点进行平均。此外,可收集平均点451并用于创建另一个更长的平均值。
[0082] 在一些实施例中,可对小于完整波形周期的波形周期的一部分取平均值,诸如在时间0.0至0.5(1.0至1.5,2.0至2.5……)或在0.5至1.0(1.5至2.0,2.5至3.0,3.5至4.0……),但是以波形的整数周期取平均值。关于这些时间段的信息也有利于做出电动机管理决策。
[0083] 在各种实施例中,扭矩值可经由与被控制的特定电动机相关联的传感器来估计(例如,基于从被控制的特定电动机或从一个或多个其他电动机收集并存储在例如控制器可访问的存储器中的数据)或测量。例如,可通过感测电动机转子的速度来测量扭矩。实施方式还可测量进入电动机的电流或电压,以确定其对应的扭矩值。
[0084] 本公开的实施例提供了基于波形整数倍的电动机扭矩调整的方法、系统和设备。这些实施例可通过使用脉冲波形的波形周期的整数倍来提供更准确的估计扭矩值,从而提高电动机的性能和/或效率,以及防止错误的肯定故障检测。
[0085] 尽管这里已经图示和描述了具体实施例,但是本领域普通技术人员将会理解,旨在实现相同技术的任何布置均可替代所示的具体实施例。本公开旨在覆盖本公开的各种实施例的任何和所有修改或变化。
[0086] 应当理解,以上描述是以说明性方式而非限制性方式进行的。通过阅读以上描述,本领域技术人员将清楚上述实施例的组合以及本文未具体描述的其他实施例。
[0087] 本公开的各种实施例的范围包括使用上述结构和方法的任何其他应用。因此,本公开的各种实施例的范围应当参考所附权利要求以及这些权利要求所授权的等同物的全部范围来确定。
[0088] 在前面的详细描述中,出于简化本公开的目的,在附图中示出的示例实施例中将各种特征组合在一起。本公开的方法不应被解释为反映本公开的实施例需要比每个权利要求中明确列举的特征更多的特征的意图。
[0089] 相反,如以下权利要求所反映的,本发明的主题少于单个公开的实施例的所有特征。因此,以下权利要求由此被并入详细描述中,每个权利要求独立地作为单独的实施例。
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