CN101558553A - 用于调节无级电气变速器的方法和调节器 - Google Patents

用于调节无级电气变速器的方法和调节器 Download PDF

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CN101558553A CNA2007800356071A CN200780035607A CN101558553A CN 101558553 A CN101558553 A CN 101558553A CN A2007800356071 A CNA2007800356071 A CN A2007800356071A CN 200780035607 A CN200780035607 A CN 200780035607A CN 101558553 A CN101558553 A CN 101558553A
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Abstract

用于调节无级电气变速器的方法包含如下步骤：针对第一转矩(Ti)和第二转矩(To)预设第一额定值(Tit)和第二额定值(Tot)，检测转子的角速度的实际值(ω1)和中间转子的角速度的实际值(ω2)，检测转子或者定子的温度的至少一个实际值，根据第一转矩的额定值(Tit)和第二转矩的额定值(Tot)以及转子的角速度的实际值(ω1)和中间转子的角速度的实际值(ω2)及温度的至少一个实际值计算损耗最小化的第一额定通量值(λim)和第二额定通量值(λom)，并利用场定向电流调节方法计算转子电流(Ir)和定子电流(Is)，以及为此使用损耗最小化的第一和第二额定通量值(λim，λim)。用于调节无级电气变速器的调节器包括：针对转矩额定值(Tit)、(Tot)、角速度(ω1)、(ω2)、至少一个温度实际值的输入端，和用于根据第一转矩的额定值(Tit)和第二转矩的额定值(Tot)以及转子的角速度的实际值(ω1)和中间转子的角速度的实际值(ω2)及温度实际值计算损耗最小的第一额定通量(λim)和第二额定通量(λom)的计算块和用于根据至少所述损耗最小的第一额定通量(λim)和所述损耗最小的第二额定通量(λom)计算转子电流(Ir)和定子电流(Is)的场定向电流调节器。

Description

用于调节无级电气变速器的方法和调节器
本发明涉及一种用于调节无级电气变速器的方法和调节器。
无级电气变速器(Electric Variable Transmission，EVT)例如由代尔夫特工业大学的Hoei jmakers，M.J.、Ferreira，J.A.在2004年发表于IEEE的“The Electrical Variable Transmission”公知。EVT是一种包括两个电磁耦合的异步电机(下面称为转子ASM和定子ASM)的电机。这样的变速器可例如在汽车中代替离合器、换档、起动器和发电机。
在单个传统的异步电机工作时，由于定子和转子的部件(诸如绕组或笼型绕组的可磁化的板或者导体)中的高磁通量而产生损耗功率，这些损耗功率导致发热以及因此导致整个电机的效率的降低。在异步电机的磁场定向控制(field oriented control，FOC)中，这种关系通常通过预先规定磁通量的幅度而得到考虑，其中将FOC例如针对最大荷载的工况、即针对轴上的要最大驱动的转矩进行优化，以致效率对这种工况来说最大。对于在轴上的转矩较小的工况来说，以此种方式静态预设的磁通量幅度通常来说太高，并且因而效率较低。
针对异步电机、尤其是针对异步电动机，例如由斯洛文尼亚的马里博尔大学的Cucej，Z.、Borojevic，D.于1997年发表于IEEE的“Input power minimization at inverter fed induction motor drivesystem with FOC by field weakening”或者由Dilmi，S.、Yurkovich，S.在2005年在美国发表于2005 American Control Conference的“Nonlinear Torque Control of the Induction Motor in HybridElectric Vehicle Applications”公知了在使用带有离散的、预先计算出的通量值的分配表的情况下根据转矩的损耗最小的固定通量预设，以便应用在混合动力汽车中，但尤其是用来提高效率。然而根据Mendes，E.、Baba，A.、Razek，A.于1995年在Electrical Machinesand Drives的会议出版物上发表的“Losses Minimization of a Fieldoriented controlled Induction Machine”，固定通量预设具有如下缺点：这种通量预设在角速度或者转矩在时间上有大的变化时可能极不精确。
在无级电气变速器中也以与单个异步电机可比较的方式在转子ASM和定子ASM的部件中产生损耗功率，并降低变速器的效率。然而，转子ASM与定子ASM通过中间转子(Interrotor)以电磁方式相互强烈地耦合，以致异步电机的上述调节方法不能应用于EVT，并且用于无级电气变速器的最小化损耗功率和提高效率的调节器不是公知的。
因此，本发明的任务是说明一种用于无级电气变速器(EVT)的改进的调节方法和改进的调节器。
该任务在该方法方面通过根据权利要求1所述的调节方法得以解决，其中要调节的无级电气变速器包含：两个被耦合的异步电机，即转子ASM和定子ASM，该转子ASM的转子或转子绕组(或转子笼型绕组)为了产生第一电磁场被馈送以转子电流(Ir)，该定子ASM的定子或定子绕组(或定子笼型绕组)为了产生第二电磁场被馈送以定子电流(Is)。两个异步电机通过与第一和第二电磁场协同作用的中间转子耦合。中间转子包含用于引导由第一和第二电磁场感应的第一磁化电流(Ii)和第二磁化电流(Io)的第一和第二笼型绕组。转子和中间转子在这种情况下通过第一通量(λi)或第一电转矩(Ti)协同作用，而中间转子和定子通过第二通量(λo)或第二电转矩(To)协同作用。
为了执行该调节方法，预设或确定第一转矩(Ti)的第一额定值(Tit)和第二转矩(To)的第二额定值(Tot)，并且预设或确定转子或转子轴的角速度的实际值(ω1)和中间转子或中间转子轴的角速度的实际值(ω2)以及转子或者定子的温度的至少一个实际值根据Tit、Tot、ω1、ω2和
Figure A20078003560700062
计算损耗最小的第一额定通量(λim)和损耗最小的第二额定通量(λom)。
在对转子与中间转子之间的内部气隙中的额定通量(λim)和转子与定子之间的气隙中的额定通量(λom)进行调节时，变速器在所给出的转矩、转速和温度下可以以几乎最优的效率运转，并且机械功在变速器的最小可能的损耗功率的情况下完成(verrichten)。所述气隙中的磁通量可通过在转子绕组中注入转子电流(Ir)以及在定子绕组中注入定子电流(Is)来产生。这些电流因此在根据本发明的调节方法中被计算，使得针对所述运转数据在转子与中间转子之间的内部气隙中出现额定通量(λim)并且在中间转子与定子之间的外部气隙中出现额定通量(λom)。为此使用一种对于EVT匹配的、场定向电流调节方法，该方法根据所计算出的损耗最小的额定通量(λim)和(λom)、转矩(Ti)和(To)的要实现的额定值(Tit)和(Tot)、转子的角速度的实际值(ω1)和定子的角速度的实际值(ω2)以及转子或者定子的至少一个温度实际值
Figure A20078003560700071
来计算电流Ir和Is。多个转子的温度实际值
Figure A20078003560700072
和定子的温度实际值
Figure A20078003560700073
也可被确定并且并入计算的计算步骤或调节步骤中。
与用于调节传统的单个异步电机的方法不同，以这种方式附加地考虑转子ASM与定子ASM之间的电磁耦合。由此实现无级电气变速器的损耗最小的调节。
为了更好地考虑变速器的动态运转特性，可以将：
-第一转矩的额定值(Tit)和第二转矩的额定值(Tot)的时间变化
Figure A20078003560700074
或
Figure A20078003560700075
或者
-转子的角速度的实际值(ω1)和中间转子的角速度的实际值(ω2)的时间变化
Figure A20078003560700076
或
Figure A20078003560700077
并入到损耗最小的通量(λim)和(λom)的计算中。这些时间变化可在该调节方法的范围内根据微分法则来计算。如果它们已经在电机的其它的或中央的检测或者调节设备中被确定，则可将用于执行该调节方法的分量(即例如上述导数的值)也作为输入变量例如通过CAN(控制器局域网)总线进行传送。
例如对损耗最小的额定通量值(λim)或者(λom)的计算可通过使用分配表来加快。这种分配表可包含一个或多个输入变量的离散值与离散的额定通量值、电流之间的关联信息(Verknuepfungs-information)，或者但是包含对于计算必需的辅助变量之间的关联信息。分配表的内容可以通过在任意时刻在可比较的变速器、模型或者计算机上进行的仿真或者测量和分析来确定并已经被存储在调节器或计算块中。
在最简单的情况下，对损耗最小的额定通量值(λim)或者(λom)的计算完全依据以下分配表：该分配表包含第一和第二转矩(Ti，To)的额定值(Tit，Tot)、转子角速度的实际值(ω1)和定子角速度的实际值(ω2)以及转子或者定子的至少一个温度的实际值
Figure A20078003560700078
该表中所包含的值可例如从仿真结果获得。
可替换地，对损耗最小的额定通量值(λim)或者(λom)的计算部分地依据以下分配表：该分配表包含第一和第二转矩(Ti，To)的额定值(Tit，Tot)和转子或者定子的至少一个温度的实际值
Figure A20078003560700081
由于在表格中通常列出离散值，所以为了确定偏离这些离散值的值(中间值)而可能需要插值。
损耗最小的额定通量(λim)或者(λom)的所允许的极限值(通常为最大值)可与计算块的输入变量之一(例如角速度之一(ω1)或者(ω2))有关。对损耗最小的额定通量值(λim)或者(λom)的计算为此可包括与通量限制函数(fGr)的乘法关联(multiplikativeVerknuepfung)。这种通量限制函数可与转子角速度(ω1)或者定子角速度(ω2)中的至少一个有关。通量限制函数(fGr)可在所限定的极限值(ωG)之上与角速度(ω1)或者(ω2)大约成倒数。
在装置方面，上述无级电气变速器的任务通过根据权利要求9所述的调节器得以解决，该调节器包括：
-针对第一转矩(Ti)的额定值(Tit)和第二转矩(To)的额定值(Tot)的输入端，
-针对转子角速度的实际值(ω1)和定子角速度的实际值(ω2)的输入端，
-针对转子或者定子的温度的实际值
Figure A20078003560700082
的至少一个输入端，
-用于根据第一转矩的额定值(Tit)和第二转矩的额定值(Tot)以及转子的角速度的实际值(ω1)和中间转子的角速度的实际值(ω2)及至少一个温度实际值计算损耗最小的第一额定通量(λim)和第二额定通量(λom)的计算块，和
-用于根据至少所述损耗最小的第一额定通量(λim)和所述损耗最小的第二额定通量(λom)计算转子电流(Ir)和定子电流(Is)的场定向电流调节器。
本发明调节器的优点已经结合本发明方法进行了阐述。
该调节器可以包含调节器的输入变量的微分器。这可能是例如为了计算第一第二转矩的额定值(Tit，Tot)的时间变化
Figure A20078003560700084
和
Figure A20078003560700085
或者但是为了确定转子和中间转子的角速度的实际值(ω1，ω2)的时间变化
Figure A20078003560700086
和
Figure A20078003560700087
所必需的。
用于计算损耗最小的额定通量(λim)和(λom)的计算块可以具有相对应的输入端，以便对第一和第二转矩的额定值(Tit，Tot)的时间变化
Figure A20078003560700091
和
Figure A20078003560700092
或时间变化
Figure A20078003560700093
和
Figure A20078003560700094
进行考虑。于是，这些导数不必在调节器中被构成，而是可在外部被确定并被馈入调节器中。
所述计算块也可以具有针对转子和中间转子的角速度的实际值(ω1)和(ω2)的相对应的输入端。
本发明调节器可以包含分配单元、例如表格，该分配单元对于计算步骤来说可用于确定损耗最小的通量。这样避免调节器中的复杂的、也就是时间密集的计算。
为了计算损耗最小的额定通量(λim)或(λom)，可存在插值器，该插值器根据离散数值的分配、譬如根据分配单元(例如表格)针对输入值借助一维插值或者也借助多维插值来确定输出值。
此外可存在通量限制器，通过该通量限制器来保证损耗最小的额定通量(λim)或(λom)不超过极限值。
本发明的调节器可具有用于连接到例如CAN(控制器局域网)总线的现场总线的连接端子，通过这些连接端子可在调节器与EVT的范围内的其他部件之间传送参数。
现在参考附图对本发明作进一步的阐述。
图1示出带有集成的调节器的无级电气变速器(EVT)的方框电路图，
图2示出图1中针对损耗最小的额定通量的计算块4的方框电路图，
图3示出可替换的针对损耗最小的额定通量的计算块4的方框电路图。
图1示出根据本发明进行调节的变速器1的方框电路图。变速器1包含真正的无级电气变速器(EVT)2、场定向调节器3、针对EVT 2中的损耗最小的通量(λim)和(λom)的计算块4以及可选地包含转矩限制器5。
EVT 2具有针对转子电流(Ir)和定子电流(Is)的输入端。EVT 2给出的被象征性地示出的转矩(Ti)和(To)对没有示出的转子轴和中间转子轴起作用。这些转矩的值可在EVT的两个输出端上被输送给未示出的调节电路的其它部件。
场定向调节器3具有针对转矩(Ti)的额定值的输入端(Tit)和针对转矩(To)的额定值的输入端(Tot)、针对转子和中间转子的角速度的输入端(ω1)和(ω2)以及针对损耗最小的通量值的输入端(λim)和(λom)。
如也在图2中示出的那样，计算块4包含针对转矩(Ti)的额定值的输入端(Tit)和针对转矩(To)的额定值的输入端(Tot)、针对转子温度的实际值
Figure A20078003560700101
的输入端
Figure A20078003560700102
和针对定子温度的实际值
Figure A20078003560700103
的输入端针对转子和中间转子的角速度的输入端(ω1)和(ω2)以及针对损耗最小的通量值(λim)和(λom)的输出端(λim)和(λom)。
变速器1在可替换的实施形式中包含转矩限制器5。该转矩限制器5拥有针对转矩(Ti)和(To)的额定值的输入端(Tit)和(Tot)、针对转子温度和定子温度的实际值以及必要时其它输入变量的输入端
Figure A20078003560700105
和
Figure A20078003560700106
以及针对转矩(Ti)和(To)的被限额定值的输出端(Titm)和(Totm)。
调节器3具有针对转矩的额定值的输入端(Tit)和(Tot)、针对转子温度和定子温度的实际值的输入端
Figure A20078003560700107
和
Figure A20078003560700108
以及针对转子和中间转子的角速度的输入端(ω1)和(ω2)及针对转矩(Ti)和(To)的输出端。调节器3的每个连接端子都可以与此处未示出的譬如CAN总线的现场总线相连接。
变速器1的温度输入端
Figure A20078003560700109
和
Figure A200780035607001010
与计算块4和转矩限制器5(可选)的同名输入端相连接。角速度(ω1)和(ω2)从变速器1的同名输入端不仅被导向计算块4的输入端，而且被导向场定向调节器3的输入端。额定值(Tit)和(Tot)可选地被导向转矩限制器5，该转矩限制器5在同名地标示的输出端上提供被限值(Titm)和(Totm)。在没有限制器5的情况下，输入值(Tit)和(Tot)位于那里。如果转矩值(Tit)和(Tot)一开始就被限制，则可以可选地取消转矩限制器5，而且导线(Tit)和(Tot)会对应于导线(Titm)和(Totm)。
导线(Titm)和(Totm)与场定向调节器3和计算块4的输入端(Tit)和(Tot)相连接。由计算块4根据其输入变量计算出的损耗最小的通量(λim)和(λom)从计算块4的同名输出端被导向场定向调节器3的输入端。
场定向调节器3根据施加在其输入端上的数据计算转子电流(Ir)和定子电流(Is)。这些电流或者但是用于调节这些电流的控制信息通过场定向调节器(3)与EVT(2)之间的同名连接(Ir)和(Is)被传输，以致转矩(Ti)和(To)将出现在EVT(2)的轴上。该场定向调节器使用简单的测量值(例如电流、电压)进行通量调节。
图3示出可替换的包含以下其它输入端的计算块4：
-针对转矩(Ti)和(To)的额定值的输入端(Tit)和(Tot)，
-针对转子温度和定子温度的实际值的输入端
Figure A20078003560700111
和
Figure A20078003560700112
针对转子和中间转子的角速度的输入端(ω1)和(ω2)，
-针对额定转矩(Tit)和(Tot)关于时间(dt)的变化的输入端和
Figure A20078003560700114
-针对角速度(ω1)和(ω2)关于时间(dt)的变化的输入端和
Figure A20078003560700116
在计算块4中根据输入变量所确定的损耗最小的通量值(λim)和(λom)在输出端(λim)和(λom)上可供向其它的未示出的调节部件进行传送使用。一个或多个输入端和输出端可与未示出的现场总线相连接。

Claims (16)

1.用于调节无级电气变速器的方法，其中，该变速器包含两个被耦合的异步电机，所述异步电机包括：
-能被转动的、能被馈送有用于产生第一电磁场的转子电流(Ir)的转子，
-能被馈送有用于产生第二电磁场的定子电流(Is)的定子，
-与第一和第二电磁场协同作用的中间转子，该中间转子具有用于引导通过第一和第二电磁场感应的第一磁化电流(Ii)和第二磁化电流(Io)的第一和第二笼型绕组，
-其中转子和中间转子通过第一通量(λi)或第一电转矩(Ti)协同作用，而中间转子和定子通过第二通量(λo)或第二电转矩(To)协同作用，
具有如下步骤：
-针对第一转矩(Ti)和第二转矩(To)预设第一额定值(Tit)和第二额定值(Tot)，
-检测转子的角速度的实际值(ω1)和中间转子的角速度的实际值(ω2)，
-检测转子或者定子的温度的至少一个实际值(θ)，
-根据第一转矩的额定值(Tit)和第二转矩的额定值(Tot)以及转子的角速度的实际值(ω1)和中间转子的角速度的实际值(ω2)及温度的至少一个实际值(θ)计算损耗最小的第一额定通量值(λim)和第二额定通量值(λom)，以及
-利用场定向电流调节方法计算转子电流(Ir)和定子电流(Is)，并且为此使用损耗最小的第一和第二额定通量值(λim，λim)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，第一额定值(Tit)和第二额定值(Tot)的时间变化
Figure A2007800356070002C1
和
Figure A2007800356070002C2
被确定并被用于损耗最小的额定通量(λim)和(λom)的计算中。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，转子的角速度的实际值的时间变化
Figure A2007800356070002C3
和中间转子的角速度的实际值的时间变化
Figure A2007800356070002C4
被确定并被用于损耗最小的额定通量(λim)和(λom)的计算中。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其中，至少一个计算步骤是根据分配表来实施的。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，利用以下分配表来确定第一和第二损耗最小的额定通量值(λim，λom)：该分配表包含第一和第二转矩的额定值(Tit，Tot)、转子角速度和定子角速度的实际值(ω1，ω2)以及温度实际值(θ)及损耗最小的额定通量值(λim，λom)。
6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其中，在计算步骤中进行插值。
7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其中，损耗最小的额定通量值(λim，λom)的计算包含与限制函数(fGr)的乘法关联。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，限制函数与转子和定子的角速度(ω1，ω2)中的至少一个有关。
9.用于调节无级电气变速器的调节器，其中，该变速器包含两个被耦合的异步电机，所述异步电机包括：
-能被转动的、能被馈送有用于产生第一电磁场的转子电流(Ir)的转子，
-能被馈送有用于产生第二电磁场的定子电流(Is)的定子，
-与第一和第二电磁场协同作用的中间转子，该中间转子具有用于引导通过第一和第二电磁场感应的第一磁化电流(Ii)和第二磁化电流(Io)的第一和第二笼型绕组，
-其中转子和中间转子通过第一通量(λi)或第一电转矩(Ti)协同作用，而中间转子和定子通过第二通量(λo)或第二电转矩(To)协同作用，
并且其中该调节器包括：
-针对第一转矩(Ti)的额定值(Tit)的输入端和针对第二转矩(To)的额定值(Tot)的输入端，
-针对转子的角速度的实际值(ω1)和定子的角速度的实际值(ω2)的输入端，
-针对转子或者定子的温度的至少一个实际值(θ)的输入端，
-用于根据第一转矩的额定值(Tit)和第二转矩的额定值(Tot)以及转子的角速度的实际值(ω1)和中间转子的角速度的实际值(ω2)及温度实际值(θ)计算损耗最小的第一额定通量(λim)和第二额定通量(λom)的计算块，和
-用于根据至少所述损耗最小的第一额定通量(λim)和所述损耗最小的第二额定通量(λom)计算转子电流(Ir)和定子电流(Is)的场定向电流调节器。
10.根据权利要求9所述的调节器，其具有用于对调节器的输入变量进行微分的微分器。
11.根据权利要求9或10所述的调节器，其中，计算块具有针对第一转矩的额定值(Tit)和第二转矩的额定值(Tot)的时间变化
Figure A2007800356070004C1
和
Figure A2007800356070004C2
的输入端。
12.根据权利要求9至11之一所述的调节器，其中，计算块具有针对转子的角速度的实际值(ω1)和中间转子的角速度的实际值(ω2)的时间变化
Figure A2007800356070004C3
和
Figure A2007800356070004C4
的输入端。
13.根据权利要求9至12之一所述的调节器，其中，计算块包含分配表，以计算损耗最小的额定通量(λim)和(λom)。
14.根据权利要求8至13之一所述的调节器，其中，计算块包括插值器，以计算损耗最小的额定通量(λim)和(λom)。
15.根据权利要求8至14之一所述的调节器，其中，计算块包括通量限制器，以计算损耗最小的额定通量(λim)和(λom)。
16.根据权利要求8至15之一所述的调节器，其具有到用于传送调节器的输入变量和输出变量的CAN(控制器局域网)总线的连接端子。
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