CN100336674C - 用于动力传动系统的控制器 - Google Patents

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Abstract

一种动力传动系统控制器可以在电动回转或制动两种模式下工作。它的原动机可以接收有限比例的制动功率，而其余的制动功率消耗在能量卸除装置中。控制系统安排成在两种模式中始终都使动力传动系统的母线电压保持在恒定值。

Description

用于动力传动系统的控制器
技术领域
本发明总体上涉及一种用于动力传动系统(power train)的控制器。更具体地说，但不是唯一地，本发明涉及控制系统中的可逆功率通量，上述系统具有电机和能吸收一些功率的原动机。
背景技术
某些独立的电力系统包括原动机，起发电机作用的电机，及简单地吸收所产生的电功率的电气负载。在这些系统中，功率通量都是单向的，并且不需要逆向。这些系统的控制比较直截了当。然而，在另一些系统中，电气负载时常可以起一种临时电源作用，然后该系统的至少一部分中的功率通量逆向。这些系统的控制更复杂。
可逆式功率通量系统的一个例子是混合式电动车辆。动力传动系统可以包括：原动机，比如内燃机；电机，所述电机连接到原动机上并且通常起发电机作用；一个或多个电机，所述一个或多个电机安排作为驱动各车轮的牵引电动机；及控制系统，所述控制系统监视功率通量。图1示出一个典型的例子。发动机10刚性地连接到电机12上，上述电机12主要起发电机作用。发电机的输出在电气母线13上出现，并供电到一个或多个牵引电动机上，上述牵引电动机如标号14示意示出。这些牵引电机可以直接从电压母线驱动(比如它们可以是直流(DC)电机)，或者它们可以具有干预功率电子设备(比如，它们可以是感应或开关磁阻电机)。
当车辆操作人员要求车辆前进时，控制系统17选择最合适的速度和发动机的节流设置，安排发电机的激励，以便产生所需的功率输出，并设定母线13上的电压，上述母线13上的电压将把所需的功率输送到牵引电动机上。然后系统可以说是在电动回转，并且功率通量的方向用箭头16示出。当车辆操作人员的要求是车辆放慢或停止时，控制系统17取消对发动机的要求，并安排对各牵引电动机起发电机的作用的要求，将功率输送到母线13并因此制动车辆。然后系统可以说是在制动，并且功率通量的方向用箭头18示出。母线13的电压升高，然后必须采取某种措施来消耗功率，以便防止电压升高到不可接受的电平。所有这一切在本技术领域中都是已知的。
图2示出一种已知控制系统的更详细情况。发动机由发动机管理单元(EMU)22控制，上述EMU22接收来自整个控制系统17(见图1)的命令。电气母线13一般供电给另外的辅助负载20，上述另外的辅助负载20都有它们自己的控制系统(未示出)。发电机12具有一个专用的控制器23，所述专用控制器23接收来自比较器24的输入。比较器取代表母线13电压的信号并将它与一所希望的电平VS1比较。在一个已知系统中，VS1是650V。控制器23控制发电机，以便使母线保持在VS1处或其附近，并可以利用比如一种比例/积分/微分(PID)策略来达到这个目的。
这里和全文都利用术语“比较器”来代表一种装置，所述装置将两个量进行比较，并产生一个代表它们之间的差的值。这种装置也称为‘差分器’或‘减法器’。
当系统处于制动模式时，除非例如由辅助负载20将功率从母线中移除，否则母线电压升高。防止这种电压升高的一种常见方式是提供一个卸除装置21，所述卸除装置21简单地消耗能量。通常，卸除装置包括一个电阻器网，该电阻器网能通过空气或液体冷却消耗所需的功率。这种卸除装置是在控制器26的控制下通过一个功率开关27连接到母线13上，上述控制器26接收来自比较器25的输入。功率开关通常是绝缘栅双极晶体管(IGBT)或者是金属氧化物硅场效应晶体管(MOSFET)。比较器25取代表母线13上电压的信号，并将它与所希望的电平VS2比较。控制器26控制开关27，以使母线保持在VS2处或其附近，并可以利用比如一种PID，脉冲式(比如脉冲宽度调制(PWM))或砰砰控制机构(通-断)策略来达到这个目的。
VS2通常设定为一个大大超过VS1的值，以便即使是在不希望用电的环境下，也没有功率开关在系统仍处于电动回转时导通的危险。如果它导通，则它不需要废弃来自发动机的功率并大大降低系统的效率。典型的VS2值设定在比VS1高50V。当车辆进入制动模式时，首先由辅助负载从母线吸收功率。当它们不再吸收更多的功率时，母线电压升高，直至达到VS2时为止，使卸除装置进入运行状态。
尽管这种方案在让牵引电动机制动时是成功的，但它要求卸除装置电阻器21额定值足够高，以便吸收所有超过辅助负载所取部分的功率。这可能是成本很高的，并且还需要用于卸除装置的单独的冷却装置。此外，在母线电压中与从一个设定点移动到另一个设定点(亦即VS1到VS2)有关的阶一般对各牵引电动机是不利的，因为它改变了制动特性，并且可能造成不均匀的制动力。另外，各辅助负载暴露于变动的电压下，并且如果它们的输出随母线电压变动而改变，则这可能至少对用户来说是一件麻烦的事情。
上述基本方案改进的地方是利用原动机本身来吸收至少一部分制动功率。如果电机12作为电动机运转，则它将驱动原动机。在许多车辆中，原动机直接向其它机械负载(比如在农用车上的功率输出装置)供电，以便这些负载然后可以由制动功率驱动，节省了原动机用的燃料。另外，高于发动机的空转速度驱动发动机将通过发动机中的液压损失的消耗而吸收功率。这些损失转入发动机的冷却系统中，和/或在废气中损失。通常，发动机可以消耗所需峰值制动功率的10-30％，因此这可以在准备能量卸除装置时产生有用的节约。然而，限制取决于许多因素，其包括发动机状态及发动机运转时的海拔高度和温度。
当实施发动机制动时，电压母线13上的电流颠倒方向，将来自牵引电动机14的功率通量提供给电机12，所述电机12现在起电动机作用。这迫使制动功率进入发动机，使发动机的速度升高。因为发动机具有一个工作速度极限，所以把速度信号馈送到限制电路，所述限制电路有效地把到发动机的机械输入功率固定在一个安全限处。另外，制动功率然后使母线电压象前面那样升高，当达到较高电压时引入卸除装置。尽管这些方案是对图2基本方案的一种改进，但当发动机达到它的制动功率极限时，它们仍然要受在母线上的比较大的电压摆动的影响。
发明内容
在一种形式中，本发明提供一种用于动力传动系统的控制器，上述动力传动系统包括：原动机，机械地连接到原动机上的第一电机，通过电压母线电气连接到第一电机上的第二电机，及连接到电压母线上、用于消耗电功率的消耗装置，上述控制器包括：用于提供速度信号的装置，上述速度信号指示原动机的速度；及第一控制装置，所述第一控制装置对速度信号进行响应，以便把在母线上的、由第一或第二电机所产生的功率转移到消耗装置。
这通过响应发动机速度而不是母线电压启动消耗装置的控制环路而避免了以前各方案的缺点。
在一个实施例中，本发明还扩展到一种控制动力传动系统的电压母线上的电压的方法，上述动力传动系统包括：原动机，机械地连接到原动机上的第一电机，通过电压母线电气连接到第一电机上的第二电机，及连接到电压母线上、用于消耗电功率的消耗装置，上述方法包括：提供速度信号，所述速度信号指示原动机的速度；及响应速度信号把母线上的功率转移到消耗装置。
在另一个实施例中，本发明还扩展到一种动力传动系统，所述动力传动系统包括：可操纵以输送和吸收机械功率的原动机；电压母线；第一电机，所述第一电机可作为发电机操纵，以便由原动机所输送的功率在电压母线上产生电功率，和作为电动机操纵，以便提供被原动机吸收的机械功率；至少一个第二电机，所述第二电机连接到电压母线上，并可操纵，以由第一电机所产生的电功率驱动，及作为发电机操纵，以便将电功率输送到电压母线上，以驱动第一电机；用于消耗来自电压母线的电功率的消耗装置；用于提供速度信号的装置，所述速度信号指示原动机的速度；及控制器，所述控制器对速度信号和母线上的电压进行响应，以便把功率从母线上转移到消耗装置上，以使母线电压保持在基本上恒定的电平。
在本发明的另一个实施例中，当原动机速度增加时，可以利用有关原动机速度的信息来消耗增加的功率量。这通过逐渐消耗电功率解决了电压摆动的问题。
利用本发明有可能提供一种控制方案，所述控制方案避免母线上大的电压摆动，还使最大量的制动能量再循环到可以吸收它的负载上，同时使单独的卸除装置中必须消耗的量最少。
附图说明
在看了下面本发明示例性实施例的详细说明并参照附图后，本发明的另一些方面和优点将变得显而易见，其中：
图1示出动力传动系统的示意图；
图2示出图1的动力传动系统的一种已知控制系统；
图3示出一种按照本发明的一个方面所述的控制示意图；及
图4示出一种按照本发明的另一个方面所述的控制示意图。
具体实施方式
图3示出本发明的一个实施例的控制示意图。现有技术的内控制环路仍在原有位置，从而当动力传动系统进入制动时，PID控制器23增加电机12的电动回转的工作，以便使母线电压保持在VS1处或其附近。发动机，或它的机械负载，吸收功率，同时它的速度根据需要上升，以便达到功率平衡。连接速度限制器30以监视发动机速度和提供到控制器23的输出，以便使发电机12将它到发动机10的机械输入功率固定到安全限下。当发动机速度达到最大安全工作速度时，限制功能30防止控制器23从起电动机作用的电机12要求更大的转矩，并在外控制环路中启动第二PID控制器26′。这个第二控制器26′对限制功能30和比较器24二者的输出进行响应。当制动功率进一步增加和电压母线试图上升时，控制器26′逐渐地引入卸除装置21，同时使母线保持在VS1处或其附近。在这个实施例中，功率开关27的控制优选地是通过利用基于母线电压的反馈的PWM的PID控制，让工作循环与上升的制动功率一致逐渐增加。本发明技术人员应当理解，另一些众所周知的控制算法可为任何上面提到的控制器所使用。
注意，利用VS2和比较器25的控制环路不是严格地需要，因为母线的电压现在在整个制动循环中始终保持在VS1。然而它是一种应急的措施，以便如果在电动机控制器23或EMU22中有故障，则跟着发生的母线电压升高保持在较高的VS2电平。如果例如当动力传动系统正在电动回转时突然移去负载而EMU不能足够快地关闭发动机，则它也发生作用。
图3所示的技术比现有技术有相当大的改进。在这个实施例中，策略是当发动机10的速度变得过大时使围绕电机12的内闭环控制饱和或对其进行限制，并启动外控制环路。这个外环路对发动机速度和母线电压二者进行响应，并相应地通过卸除装置电阻器21消耗了功率。然而，有时它要求非常精心地安排控制器23和26′的参数，以当限制器30的动作使控制器23饱和时实现控制的平稳转移。如果在控制器中采用积分项，则尤为如此。
本发明的第二实施例在图4中示意示出。在这种安排中，基于控制电动回转电机12的输出的控制器23和比较器24的内控制环路在整个制动循环中始终保持有效。当馈送到母线13上的制动功率增加时，这个环路增加对电机12的需求，上述情况又加快发动机的速度，以便达到系统中的功率平衡。当发动机速度达到它的极限时，包括PID控制器54和比较器52的外控制环路变得有效，并把功率开关27的工作设定为使不能被发动机吸收的功率卸除。应该注意，现在没有从一个环路到另一个环路的控制切换：内环路仍然是有效的。如前所述，包括控制器26′和25的安全控制环路可以留在原有位置，以便如果系统的另一部分有故障的话操纵功率开关27。
在这个实施例中，所启动的外控制环路驱动开关27，以便使来自电压母线的功率卸除，因此使内控制环路能起作用到新的电压。如果母线电压降低到低于产生发动机10的最大速度的电压，则内控制器简单地继续工作，而外控制环路使功率开关27的工作降到零。这个系统控制电压母线13在同一设定点VS1周围，而不管由牵引电动机14所产生的制动功率量。现在这个系统显示出几个另外的优点：辅助负载在稳定的电压下供电，消除了任何电压瞬变；发动机上的任何机械负载用来自牵引电动机的功率供电，只要上述来自牵引电动机的功率可用，由此节约了燃料；将发动机的制动力用到它的最大极限，由此在发动机上利用现有的冷却系统；及能量卸除装置的工作被最小化，由此减少了冷却要求并节省了成本和空间。
实际上，控制器23，26′和54及相关的功能如比较器24，25和52的实现可在微处理器中方便地执行，上述微处理器具有到速度和电压传感器的模拟接口，正如本领域技术人员充分理解的。控制器所用的控制算法可以是已知的合适控制法则中的任一种。
本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的情况下，公开的安排的变形是可能的。例如，本发明在车辆牵引的背景下作了说明。本领域普通技术人员很容易理解，由发电机或原动机馈电的电动机分别驱动的负载可以完全等同地是某种其它驱动的运动性质或静止性质的负载。因此，上述说明是作为例子而不是用于限制的目的。对本领域技术人员来说很显然，在对上述操作不作重大改变的情况下，可以对上述安排作微小的修改。本发明打算仅由下面权利要求书的范围限定。

Claims (15)

1.一种用于动力传动系统的控制器，所述动力传动系统包括原动机，机械地连接到原动机上的第一电机，通过电压母线电气连接到第一电机上的第二电机，及连接到电压母线上、用于消耗电功率的消耗装置，上述控制器包括用于提供速度信号的装置，上述速度信号指示原动机速度，其特征在于，
所述控制器还包括第一控制装置，所述第一控制装置对速度信号进行响应，以便将由第一或第二电机所产生的功率从母线转移到消耗装置上。
2.如权利要求1所述的控制器，其中用于提供速度信号的装置可操纵，以便当原动机的速度达到阈值时产生速度信号。
3.如权利要求1或2所述的控制器，其中第一控制装置由速度信号启动，以便在第二电机的电动回转和制动两种模式下，通过将功率从母线转移到消耗装置，使母线电压基本上保持在所希望的电平。
4.如权利要求1所述的控制器，包括可由第一控制装置驱动的开关装置，所述开关装置用于控制功率流向消耗装置。
5.如权利要求1所述的控制器，其中第一控制装置包括误差信号，所述误差信号代表所希望的速度和高于所希望的速度的原动机实际速度之间的差值，第一控制器可操纵，以便按照误差信号将功率转移到消耗装置。
6.如权利要求5所述的控制器，其中第一控制装置可操纵，以便按照原动机速度的控制法则函数将功率转移到消耗装置。
7.如权利要求6所述的控制器，其中控制法则函数是比例/积分/微分函数。
8.一种控制动力传动系统的电压母线电压的方法，上述动力传动系统包括原动机，机械地连接到原动机上的第一电机，通过电压母线电气连接到第一电机上的第二电机和连接到电压母线上、用于消耗电功率的消耗装置，上述方法包括提供速度信号，所述速度信号指示原动机速度，其特征在于，
所述方法还包括，响应速度信号将由第一或第二电机所产生的功率从母线转移到消耗装置。
9.如权利要求8所述的方法，其中速度信号是当原动机的速度达到阈值时产生的。
10.如权利要求8或9所述的方法，包括：在第二电机的电动回转和制动两种模式下，通过将功率从母线转移到消耗装置，按照速度信号使母线电压能基本上保持在所希望的电平。
11.如权利要求8所述的方法，包括：驱动开关装置，该开关装置用于控制功率流向消耗装置。
12.如权利要求8所述的方法，包括：利用反馈来通过将功率转移到消耗装置上以控制母线电压，上述反馈指示母线上的电压。
13.如权利要求8所述的方法，包括：产生误差信号，并按照所述误差信号将功率转移到消耗装置上，上述误差信号代表所希望的速度和超过所希望速度的原动机实际速度二者之间的差值。
14.如权利要求13所述的方法，其中按照原动机的速度把功率转移到消耗装置上。
15.一种动力传动系统，包括：原动机，所述原动机可操纵，以便提供和吸收机械功率；电压母线；第一电机，所述第一电机可作为发电机操纵，以便由原动机所输送的功率在电压母线上产生电功率；及作为电动机操纵，以便输送被原动机吸收的机械功率；至少一个第二电机，所述第二电机连接到电压母线上，并可操纵，以被由第一电机所产生的电功率驱动，及作为发电机操纵，以便将电功率输送到电压母线上，以驱动第一电机；消耗装置，所述消耗装置用于消耗来自电压母线的电功率；用于提供速度信号的装置，所述速度信号指示原动机速度；其特征在于，
所述系统还包括控制器，所述控制器对速度信号和母线上的电压进行响应，以便将来自母线的功率转移到消耗装置上，以使母线电压保持在基本上恒定的电平。
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