CN101335494B

CN101335494B - 用于控制异步电机的方法和装置

Info

Publication number: CN101335494B
Application number: CN2008101295300A
Authority: CN
Inventors: T·穆雷尔; D·L·科瓦列夫斯基
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-06-28
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2028-06-30
Also published as: US20090001906A1; CN101335494A; DE102008029874A1; US7629756B2

Abstract

本发明涉及用于控制异步电机的方法和装置。提供控制第一和第二电机的装置和方法。所述控制器包括提供控制信号以驱动所述电机的处理器和联接到所述处理器的逻辑电路。所述处理器产生与第一电机的速率协调的第一触发和与第二电机的速率协调的第二触发。所述逻辑电路从所述第一和第二触发的组合产生第三触发。所述处理器包括用于响应于第三触发取样所述电机的电流的转换器。如果所述第一和第二触发之间的时间段小于预定界限，所述处理器还在所述第一触发中产生修正脉冲宽度并指导所述转换器响应于所述修正脉冲宽度顺序地取样所述电流。

Description

用于控制异步电机的方法和装置

技术领域

本发明总体上涉及控制电机驱动器，且更特定地涉及用于控制可异步操作的多个电机驱动器的方法和装置。

背景技术

一些车辆在驱动系统中采用多个电机。例如，车辆可具有驱动每个轮或轮的组合的单独的电机(例如，一个电机驱动一对后轮且另一个电机驱动一对前轮)。具有多个电机的一个益处在于实现车辆对各种环境的更好的控制或响应。

每个电机典型地用不同的处理器或控制器控制。对每个电机使用单独的控制器看起来便于实施。例如，每个电机异步地操作(例如，以不同速率切换和取样)，且这些速率在操作期间也独立地改变。然而，每个控制器引起驱动系统部件的总体数量增多且总体上增加其尺寸、重量和复杂性。附加的控制器用于协调所述控制器，且从而控制电机，但总体上增加车辆部件的数量且进一步增加驱动系统的尺寸、重量和复杂性。

因此，希望提供具有用于控制多个异步地操作的电机、具有减少数量的部件的控制器或系统。此外，希望提供使用单个处理器控制多个异步地操作的电机的方法。另外，本发明的其它希望的特征和特性从随后详细说明和所附权利要求书结合附图以及前述技术领域和背景技术显而易见。

发明内容

提供使用单个处理器控制多个电机的装置和方法。在一个实施例中，控制器提供用于操作第一和第二电机。所述第一电机以第一速率操作且产生第一电流，所述第二电机以第二速率操作且产生第二电流。所述控制器包括处理器，所述处理器设置为提供控制信号以驱动所述第一和第二电机且还设置为产生第一和第二取样触发；和逻辑电路，所述逻辑电路联接到所述处理器且设置为从所述第一和第二取样触发的逻辑或产生第三取样触发。控制信号基于所述第一和第二电流，所述第一取样触发与所述第一速率协调，且所述第二取样触发与所述第二速率协调。所述处理器包括设置为响应于第三取样触发取样所述第一和第二电流的转换器。所述处理器还设置为：如果所述第一和第二取样触发之间的时间段小于预定界限，在所述第一取样触发中产生修正脉冲宽度。所述转换器还设置为响应于所述修正脉冲宽度顺序地取样所述第一和第二电流。

在另一实施例中，提供用于控制第一和第二电机的方法。所述第一电机以第一速率操作且产生第一电流，所述第二电机以第二速率操作且产生第二电流。所述方法包括：从第一和第二取样触发的逻辑或产生信号；如果所述第一和第二取样触发之间的时间段小于预定界限，产生所述信号的修正脉冲宽度；响应于所述修正脉冲宽度顺序地取样所述第一和第二电流；和基于所述第一和第二取样触发发送控制信号。所述第一取样触发基于所述第一速率，且所述第二取样触发基于所述第二速率。所述控制信号驱动所述第一和第二电机。

在另一实施例中，提供用于操作第一和第二电机的控制器。所述第一电机以第一速率操作且产生第一电流，所述第二电机以第二速率操作且产生第二电流。所述控制器包括处理器，所述处理器设置为提供控制信号以驱动所述第一和第二电机且还设置为产生第一和第二取样触发；和联接到所述处理器的逻辑电路。控制信号基于所述第一和第二电流，所述第一取样触发与所述第一速率协调，且所述第二取样触发与所述第二速率协调。所述处理器包括设置为响应于第三取样触发取样所述第一和第二电流的转换器；第一预定指令组，如果所述第一和第二取样触发之间的时间段处于预定界限内，所述第一预定指令组产生所述第一取样触发的延伸脉冲宽度；和第二预定指令组，所述第二预定指令组响应于所述延伸脉冲宽度通过转换器排定所述第一和第二电流的顺序取样。所述逻辑电路设置为从所述第一和第二取样触发的逻辑或产生所述第三取样触发。

附图说明

本发明将在其后结合以下附图描述，其中相同的附图标记表示相同的元件，且

图1是根据本发明示范性实施例的驱动系统的方块图；

图2是有助于理解图1所示的控制器的取样触发波形的图表；和

图3是根据本发明示范性实施例、用于控制第一和第二电机的方法的流程图。

具体实施方式

以下详细说明本质上仅为示范性的且不打算限定本发明或本发明的应用和使用。此外，不由出现在前述技术领域、背景技术、发明内容或以下详细说明中的任何明确的或隐含的理论限定。

提供用于控制以彼此异步的速率操作的多个电机的方法和装置。在一个实施例中，提供控制器以控制可以彼此异步操作的两个电机。所述控制器包括具有模拟-数字转换器(ADC)的单个处理器和联接到所述处理器的逻辑电路。所述处理器产生各与相应电机的操作速率协调的两个触发，且所述逻辑电路从由处理器产生的两个触发的组合产生第三触发。响应于第三触发，ADC从两个电机取样电流。有时，第一和第二触发的定时可彼此邻近发生。处理器确定第一和第二触发是否邻近彼此且修正第一触发的脉冲宽度，从而来自电机的电流可以响应于修正脉冲宽度通过转换器顺序地取样。处理器也产生控制信号(例如，脉冲宽度调制(PWM)信号)，以分别使用第一和第二触发作为参考操作电机。

参见附图，图1是根据示范性实施例的驱动系统10的方块图。驱动系统10包括设置为产生控制信号(例如，电机A相A、电机A相B、电机A相C、电机B相A、电机B相B、和电机B相C)的控制器12、具有联接到控制器12第一输出的输入且具有联接到控制器12的第一输入的输出的逻辑或电路16、各具有联接到控制器12第二输出的输入的门驱动和功率电子元件22、24、和各联接到门驱动和功率电子元件22、24的相应一个的输出的第一和第二电机18、20(例如，电机A和电机B)。门驱动和功率电子元件22、24响应于来自控制器12的相应控制信号提供AC电流给电机18、20。来自电机18、20的电流供应给控制器12的第二输入(例如，作为反馈)且取样以产生控制信号。这些电流的取样都基于逻辑或电路16的输出且由控制器12控制。

在该实施例中，控制器12提供第一控制信号(例如，电机A相A、电机A相B、和电机A相C)给第一门驱动和功率电子元件22，且提供第二控制信号(例如，电机B相A、电机B相B、和电机B相C)给第二门驱动和功率电子元件24。虽然控制器12设置为控制两个电机，控制器12可设置为控制附加的电机。

门驱动和功率电子元件22、24响应于相应控制信号提供AC电流给电机18、20。门驱动和功率电子元件22、24的每个可以包括但不必须限于电压/功率限幅器、磁场削弱控制件、电流调节器、和逆变器(例如，电压源逆变器)以实现电流供应从而驱动电机18、20。每个电机18、20为电机，优选为三相AC电机(例如，永久磁体电机)，且电机18、20响应于供应的AC电流操作。同步永久磁体电机(SPMM)典型地具有适于电动车辆(EV)/燃料电池电动车辆(FCEV)/混合电动车辆(HEV)推进应用的功率密度和效率特性。这些类型的电机可以用于车辆或其它应用的各种驱动系统中。

AC电流经由基于中心的PWM方法应用于电机相(例如，三相)。对每个电机18、20的每个周期而言，控制器12执行三个(3)电流样本、三个(3)控制确定、且产生三个(3)PWM控制信号。例如，控制器12产生用于电机A的第一相的控制信号(电机A相A)、用于电机A的第二相的控制信号(电机A相B)、用于电机A的第三相的控制信号(电机A相C)、用于电机B的第一相的控制信号(电机B相A)、用于电机B的第二相的控制信号(电机B相B)、和用于电机B的第三相的控制信号(电机B相C)。这些序列的每个称为“切换周期”，且典型地从大约2KHz到大约20KHz发生，但是切换周期可以变动超出该频率范围。

控制器12的一个或更多部件可以实施在软件或固件、硬件中，如特定应用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或更多软件或固件程序的处理器和存储器、组合逻辑电路、和/或其它适当的部件、或其组合。在一个实施例中，控制器12包括具有ADC26的微处理器14，但是对其它实施例，其它处理设备可用于控制器12中。微处理器14产生(例如，经由软件)两个取样触发(电机A电流取样触发和电机B电流取样触发)，各用于电机18、20中的一个。每个取样触发对应于相应相电流的取样。例如，第一取样触发(电机A电流取样触发)对应于电机A相电流的取样，且第二取样触发(电机B电流取样触发)对应于电机B相电流的取样。

在该实施例中，逻辑或电路16具有第一和第二输入以从微处理器14接收第一和第二取样触发(电机A电流取样触发和电机B电流取样触发)。逻辑或电路16产生表示所述两个取样触发的逻辑或的第三取样触发。例如，第一和第二取样触发可以以或结构耦合在一起(例如，电线联接在一起)。第三取样触发返回给微处理器14以触发ADC26。

总体上，电机控制任务的执行与相电流取样协调地排定。微处理器14上的定时器/比较外围设备，如增强模块化输入/输出子系统(EMIOS)，可用于产生第一和第二取样触发(电机A电流取样触发和电机B电流取样触发)的两个基本波形。例如，由控制器12执行的控制算法通过取样触发的波形定步速以取样电机电流。每个波形具有对应于与相应电机18、20相关的各自切换频率的预定频率。

在示范性实施例中，在驱动系统10的功率上升顺序期间，两个切换频率设定为彼此异相大约一百八十度(180°)的预定的和大致相同的值。在初始化和系统操作期间，这些切换频率基于驱动系统10的操作或性能特性独立地改变。例如，较低的切换频率用于低的电机速度以限定硅开关相关的功率损失，且较高的切换频率用于较高的电机速度以改进控制稳定性。

来自电机18、20的电流供应给ADC26。对取样触发的每个触发间隔，ADC26取样合适的电流(例如，来自电机A的电流和/或来自电机B的电流)。一旦完成模拟-数字转换，产生中断，该中断发出软件切换周期开始的信号。该软件切换周期的输出是与每个电机相相关的PWM控制信号。当与电机A相关的取样触发(电机A电流取样触发)时间上从与电机B相关的取样触发(电机B电流取样触发)足够地隔开时，电机A和电机B的每个触发和取样间隔可以发生而不受另一个干涉。

控制器12监测第一和第二取样触发(电机A电流取样触发和电机B电流取样触发)的定时，且在一些情况下，这些取样触发产生有竞争情形。在此使用的“有竞争情形”指的是这样的情形，其中与一个电机取样触发相关的取样间隔可能和与另一电机取样触发相关的取样间隔干涉。例如，如果与第一取样触发(电机A电流取样触发)相关的取样间隔在与第二取样触发(电机B电流取样触发)相关的取样间隔的预定时间段内，产生有竞争情形。该时间段可基于与ADC26相关的转换时间和/或与由控制器12执行的软件相关的中断时间。

在有竞争情形中，控制器12动态地调节(例如，经由软件)第一取样触发的取样间隔，以便第三取样触发的取样间隔适应两个电机电流的取样。例如，与第一取样触发中相应取样间隔相关的脉冲宽度增加，从而第一和第二取样触发的逻辑或获得供应给ADC26的单个触发脉冲。与有竞争情形有关的第一取样触发的脉冲宽度可以被延伸以叠置于与有竞争情形有关的第二取样触发的脉冲宽度。如果有竞争情形不再存在(例如，由控制器12确定)，第一取样触发的脉冲宽度恢复到正常宽度(例如，对应于供应给逻辑或电路16的第一取样触发)。

在有竞争情形期间，取样的顺序由控制器12预定。例如，电机电流的取样典型地以ADC26的队列(未示出)排定。在有竞争情形期间，电机18和20均以ADC26队列排定以用一个触发取样(例如，从第一和第二取样触发的逻辑或获得的取样间隔)。通过监测第一和第二取样触发的定时，控制器12追踪这些取样触发的顺序，并因而触发仲裁和排定可以为随后的切换周期和有竞争或无竞争情形准备好。控制器12因而使用单个处理器操作两个电机18、20，电机18、20以独立的切换频率操作而没有对控制切换周期的中断。附加地，控制器12可以适应电机18、20之间切换频率的动态变化。

图2是有助于理解图1所示的控制器12的取样触发波形30、32、34的图表。参见图1和2，取样触发波形30、32、34图示供应给ADC26的取样触发的不同实施例(例如，基于逻辑或电路16的输出)。第一波形30显示用于单个电机(例如，电机A)，第二波形32显示用于带有不同取样触发(例如，无竞争的第一和第二取样触发)的两个电机(例如，电机A和电机B)，第三波形34显示用于带有有竞争情形的单个取样触发的两个电机(例如，电机A和电机B)。

第一波形30具有在时刻T₀开始的第一取样触发以取样电机A的电流和在时刻T₃开始的第二取样触发以取样电机A的电流。第一取样触发具有从时刻T₀延伸到时刻T₁的脉冲宽度。第二波形32具有在时刻T₀开始的第一取样触发以取样电机A的电流和在时刻T₂开始的第二取样触发。在该实施例中，两个电机(电机A和电机B)以不同的第一和第二取样触发在ADC26队列中排定。

第三波形34具有用于有竞争情形的在时刻T₀开始且在时刻T₄结束的单个取样触发。在该实施例中，两个电机(电机A和电机B)以单个取样触发在ADC26队列中排定。在该有竞争情形中，第一取样触发的脉冲宽度已经由于与有竞争情形有关的第一和第二取样触发的逻辑或延伸。例如，在该有竞争情形中的第一取样触发的脉冲宽度延伸至叠置于该有竞争情形中的第二取样触发的脉冲宽度。响应于单个取样触发，两个电机(电机A和电机B)的电流顺序地取样。如果不再有有竞争情形，第一取样触发的脉冲宽度恢复到正常宽度。

图3是根据本发明示范性实施例、用于控制第一和第二电机(例如，电机A和电机B)的方法100的流程图。参见图1和3，电机18、20的每个具有可能彼此同步或异步的操作速率(例如，根据相应电机18、20的切换频率，电机A以第一速率操作且电机B以第二速率操作)。此外，电机18、20的每个可以为三相AC电机。信号从第一和第二取样触发的组合产生，如步骤105所示。在一个实施例中，微处理器14产生与电机18、20的速率(例如，切换频率)协调的取样触发。例如，微处理器14产生与电机A的第一速率协调的第一取样触发和与电机B的第二速率协调的第二取样触发。第三取样触发从第一和第二取样触发的组合产生。在一个实施例中，第一取样触发经由逻辑或与第二取样触发组合以产生第三取样触发。例如，第一和第二取样触发由微处理器14提供给逻辑或电路16以产生第三取样触发，且第三取样触发供应给ADC26。

确定第一取样触发是否与第二取样触发干涉(例如，在有竞争情形中)，如步骤110所示。在一个实施例中，确定第一取样触发是否在第二取样触发的预定时间量内。该时间量基于软件中断处理时间(例如，与控制器12执行的软件有关)、转换时间(例如，与ADC26有关)、或两者。其它驱动系统标准可以用于描绘第一取样触发是否与第二取样触发干涉。如果第一取样触发与第二取样触发干涉，产生信号的修正脉冲宽度，如步骤115所示。例如，如果第一和第二取样触发的定时产生有竞争情形，第一取样触发的脉冲宽度延伸(例如，通过控制器12)。

第一和第二电流响应于修正脉冲宽度取样，如步骤120所示。例如，与有竞争情形有关且具有延伸脉冲宽度的第一取样触发、和与有竞争情形有关的第二取样触发的逻辑或获得单个触发脉冲(例如，在第三取样触发中)。该单个触发脉冲供应给ADC26，且ADC26从电机A取样电流(例如，将从电机A取样的电流转换为数字值)且从电机B取样电流。关于电机18、20的三相AC电机实施例，ADC26响应于第三取样触发对每个相取样。在一个实施例中，来自电机A和电机B的电流的取样序列基于相应的取样触发的定时而确定，且电机电流在修正脉冲宽度期间以取样序列的顺序取样。

控制信号基于第一和第二取样触发发送，如步骤125所示。如果第一取样触发不与第二取样触发干涉(例如，非竞争情形)，发送控制信号，如步骤125所示。例如，第一控制信号通过微处理器14基于来自电机A的取样电流产生，且供应给驱动和功率电子元件22以驱动电机A。第二控制信号通过微处理器14基于来自电机B的取样电流产生，且供应给驱动和功率电子元件24以驱动电机B。在一个实施例中，控制信号是用于驱动电机18、20的脉冲宽度调制(PWM)信号。

虽然在前述详细说明中已经阐述至少一个示范性实施例，应当理解存在大量的变型。也应当理解，示范性实施例或多个示范性实施例仅为示例，且不旨在以任何方式限定本发明的范围、应用或结构。相反，前述详细说明提供本领域技术人员实施示范性实施例或多个示范性实施例的便利的路线图。应当理解，可以对元件的功能和布置进行各种修改，而不偏离所附权利要求书及其合法等价物陈述的本发明的范围。

Claims

1.一种用于操作第一和第二电机的控制器，所述第一电机以第一速率操作且产生第一电流，所述第二电机以第二速率操作且产生第二电流，所述控制器包括：

处理器，所述处理器设置为提供控制信号以驱动所述第一和第二电机且还设置为产生第一和第二取样触发，所述控制信号基于所述第一和第二电流，所述第一取样触发与所述第一速率协调，且所述第二取样触发与所述第二速率协调，所述处理器包括设置为响应于第三取样触发取样所述第一和第二电流的转换器；和

逻辑电路，所述逻辑电路联接到所述处理器且设置为从所述第一和第二取样触发的逻辑或产生第三取样触发，所述处理器还设置为：如果所述第一和第二取样触发之间的时间段小于预定界限，在所述第一取样触发中产生修正脉冲宽度，所述转换器还设置为响应于所述修正脉冲宽度顺序地取样所述第一和第二电流。

2.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述处理器具有第一和第二输入以及第一和第二输出，所述处理器的所述第一输入设置为接收所述第一和第二电流，所述处理器还设置为：

在所述处理器的第一输出处产生第一和第二取样触发；和

在所述处理器的第二输出处产生第一和第二控制信号，所述第一控制信号用于驱动所述第一电机，所述第二控制信号用于驱动所述第二电机；且

其中所述逻辑电路具有联接到所述处理器的所述第一输出的输入且具有联接到所述处理器的第二输入的输出。

3.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述转换器还设置为响应于所述修正脉冲宽度顺序地取样所述第一和第二电流。

4.根据权利要求3所述的控制器，其特征在于，所述处理器还设置为基于所述第一和第二取样触发确定所述第一和第二电流的取样序列；且

其中所述转换器还设置为基于所述取样序列响应于所述修正脉冲宽度顺序地取样所述第一和第二电流。

5.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述转换器具有转换时间；且其中所述处理器具有中断处理时间并还设置为基于所述转换时间和所述中断处理时间中的至少一个确定在第一和第二取样触发之间是否存在竞争。

6.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述第一和第二电机各为三相交流电机；且其中处理器还设置为：

对第一电机的每个相产生第一控制信号，所述第一控制信号基于所述第一电流；和

对第二电机的每个相产生第二控制信号，所述第二控制信号基于所述第二电流。

7.根据权利要求6所述的控制器，其特征在于，所述第一和第二控制信号各为脉冲宽度调制(PWM)信号，且其中所述处理器还设置为：

使用所述第一取样触发作为第一参考产生第一控制信号；和

使用所述第二取样触发作为第二参考产生第二控制信号。

8.一种用于控制第一和第二电机的方法，所述第一电机以第一速率操作且产生第一电流，所述第二电机以第二速率操作且产生第二电流，所述方法包括：

产生第一和第二取样触发，所述第一取样触发基于所述第一速率，所述第二取样触发基于所述第二速率；

如果所述第一取样触发与第二取样触发干涉，修正第一取样触发的脉冲宽度；

从所述第一和第二取样触发的逻辑或产生第一信号；

响应于所述第一信号取样所述第一和第二电流；和

基于所述第一和第二取样触发发送第二信号，所述第二信号驱动所述第一和第二电机。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，修正脉冲宽度的步骤包括确定第一和第二取样触发之间的时间段是否小于预定界限，所述预定界限基于软件中断处理时间和转换时间中的至少一个。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，取样所述第一和第二电流的步骤包括：

基于所述第一和第二取样触发确定所述第一和第二电流的取样序列；和

响应于所述第一信号以所述取样序列顺序地取样所述第一和第二电流。

11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一和第二电机中的每个为具有三相的交流电机；且其中取样所述第一和第二电流的步骤包括响应于所述第一信号对所述三相的交流电机的三相的每个取样所述第一和第二电流。

12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，发送第二信号的步骤包括：

产生第一控制信号，所述第一控制信号驱动所述第一电机；和

产生第二控制信号，所述第二控制信号驱动所述第二电机。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，修正脉冲宽度的步骤包括：在产生第一信号的步骤之前，如果第一取样触发与第二取样触发干涉，产生第一取样触发的延伸脉冲宽度。

14.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，取样所述第一和第二电流的步骤包括将所述第一和第二电流的每个转换为数字值。

15.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，产生第一信号的步骤包括经由逻辑或将所述第一取样触发与所述第二取样触发组合，以产生所述第一信号。

16.一种用于操作第一和第二电机的控制器，所述第一电机以第一速率操作且产生第一电流，所述第二电机以第二速率操作且产生第二电流，所述控制器包括：

处理器，所述处理器设置为提供控制信号以驱动所述第一和第二电机且还设置为产生第一和第二取样触发，所述控制信号基于所述第一和第二电流，所述第一取样触发与所述第一速率协调，且所述第二取样触发与所述第二速率协调，所述处理器包括：

设置为响应于第三取样触发取样所述第一和第二电流的转换器；

第一预定指令组，如果所述第一和第二取样触发之间的时间段处于预定界限内，所述第一预定指令组产生所述第一取样触发的延伸脉冲宽度；和

第二预定指令组，以响应于所述延伸脉冲宽度通过转换器排定所述第一和第二电流的顺序取样；和

联接到所述处理器的逻辑电路，所述逻辑电路设置为从所述第一和第二取样触发的逻辑或产生所述第三取样触发。

17.根据权利要求16所述的控制器，其特征在于，所述转换器为模拟-数字转换器。

18.根据权利要求16所述的控制器，其特征在于，所述处理器包括第三预定指令组，以响应于所述延伸脉冲宽度确定所述第一和第二电流的取样序列。

19.根据权利要求18所述的控制器，其特征在于，所述处理器具有软件中断处理时间；其中所述转换器具有转换时间；且其中所述第三预定指令组设置为访问所述转换时间和所述中断处理时间中的至少一个以确定取样序列。

20.根据权利要求16所述的控制器，其特征在于，所述处理器具有输入和输出，所述处理器还设置为在所述处理器的输出处产生所述第一和第二取样触发；且

其中，所述逻辑电路具有设置为接收所述第一取样触发的第一输入、设置为接收所述第二取样触发的第二输入、和联接到所述处理器输入的输出。