CN101689827B - 开关磁阻发电机的导通角控制 - Google Patents
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Abstract
公开了一种控制系统(18)。该控制系统(18)具有开关磁阻发电机(20)，该开关磁阻发电机通过直流总线(24)联接以向电机(22)提供电功率。控制系统(18)还包括控制器(26)，该控制器与开关磁阻发电机(20)、电机(22)和直流总线(24)通信。控制器(26)能够接收电机(22)所需要的转矩或功率的量的指示，基于电机(22)所需要的转矩或功率的量确定开关磁阻发电机(20)的导通角，以及基于导通角使用开关磁阻发电机(20)提供的电功率为直流总线(24)充电。
Description
技术领域
本发明整体涉及开关磁阻发电机系统，更具体地，涉及开关磁阻发电机的导通角控制。
背景技术
诸如乘用车、火车、船舶、建筑设备、挖掘机等的机械通常具有内燃机来为机械的各种操作提供动力。过去，内燃机的功率输出通常机械联接至牵引装置(例如车轮或履带)以推进机械。但是，为了实现更严格的排放要求和设计目标，开发了不同的推进布置。现在通常使用内燃机驱动诸如电感机械、永磁机械或开关磁阻(SR)机械的电动机械，电动机械在发电模式下操作以为直流总线充电，直流总线用于为牵引装置的电机提供功率。这样的布置允许内燃机以使得有害排放最小和/或燃油经济性最高的恒定转速(即“最佳点”)运转，因此是有利的。
这种布置的一个挑战是要保持直流总线充电使得能够在各种负载状况下向电机提供足够的功率。如果使用开关磁阻发电机，发电机的各个相位必须在合适的旋转角度被“激发”以为直流总线充电(例如为电容充电)。替代地，如果在“空转”模式下操作，电机的各个相位必须类似地在合适的时间被“激发”。这通常是由连接到直流总线的SR功率转换器的响应地开关的晶体管或其他开关元件来完成的。功率转换器根据SRG的各个相位的最佳“激发角”、或“接通”和“切断”角(θon和θoff)来进行开关。换句话说，θon和θoff对应于沿着SRG的旋转路径的最佳角度位置，在所述位置，功率转换器的晶体管被开关以从SRG的各个相位线圈获取电流为直流总线充电。
2006年7月4日授权于Torrey等人的美国专利NO.7,071,659(’659专利)中描述了一种控制开关磁阻发电机的导通角的系统。’659专利的系统包括通过直流总线联接以为负载提供功率的SRG。该系统包括电压控制器，其通过反馈回路监测直流总线的电压并且对SRG的导通角做出改变以补偿由于负载状况变化而导致的总线电压的变化。
虽然’659专利的系统可以响应于总线电压的变化而调整SRG的导通角，该系统的响应可能不够适当。特别地，由于电压控制器仅考虑总线电压作为施加于系统的负载的指示，系统响应可能很慢。因此，如果系统受到突然的负载增加或减小，总线电压可能突然减小或增加，而负载可能被临时提供不足或过多的功率，直至系统能将总线电压恢复到希望的水平。这种晶体管响应可能无法实现最佳操作和/或产生负载(如电机或其他电子装置)故障。
发明内容
本发明旨在克服上述一个或多个问题。
本发明的一个方面是针对一种控制系统。该控制系统可以包括通过直流总线联接以向电机提供电功率的开关磁阻发电机。该控制系统还可以包括与开关磁阻发电机、电机和直流总线通信的控制器。该控制器能够接收电机所需要的转矩或功率的量的指示，基于电机所需要的转矩或功率的量来确定开关磁阻发电机的导通角，并且基于导通角使用开关磁阻发电机提供的电功率为直流总线充电。
本发明的另一个方面是针对一种传递功率的方法。该方法可以包括将开关磁阻发电机的电功率通过直流总线提供给电机，接收电机需要的转矩或功率的量的指示，以及基于电机所需要的转矩或功率的量确定开关磁阻发电机的导通角。该方法还可以包括基于导通角使用开关磁阻发电机提供的电功率为直流总线充电。
附图说明
图1示出了示例性地公开的发电机控制系统的概要原理图。
图2示出了图1的控制系统所使用的示例性地公开的开关磁阻机械的简图。
图3示出了图1的控制系统所使用的示例性地公开的电路的详细原理图。
图4和图5示出了图2的开关磁阻机械的相位电感和电流响应相对于相位角的示例性地公开的曲线图。
图6示出了图2的开关磁阻机械的导通角相对于电机负载要求的示例性地公开的曲线图。
图7示出了图1的控制系统所使用的示例性地公开的控制算法的原理图。
图8和图9示出了图1的控制系统的示例性的电压调节和相应的导通角的曲线图。
具体实施方式
图1示出了一种示例性的机械10。机械10可以是能够执行与诸如矿业、建筑、农业、运输等的特定产业相关联的一些类型的操作，且在工作环境(例如建筑工地、矿场、发电站、公路应用等)之间或这些工作环境下进行操作的固定或移动式机械。例如，机械10可以为移动式机械，如挖掘机、公路或越野式拖拉机、乘用车或船舶。机械10也可以替代地为固定式机械，如发电机组、泵送机构或其它适合的固定式操作执行机械。
机械10可以包括诸如内燃机(如柴油机、汽油机、气体燃料发动机)的功率源12，其燃烧燃料空气混合物从而产生机械功率输出，机械功率输出可以表现为曲轴12a的旋转。曲轴12a的机械输出可以用于为机械10的操作提供动力。例如，机械功率输出可以用于通过牵引装置14推进机械10运动，或者驱动作业工具16运动等。
机械10也可以包括发电机控制系统18以将机械功率输出转换为适于为机械10的各种操作提供动力的形式。控制系统18可以包括发电机20，发电机与曲轴12a联接以接收功率源12的至少部分的机械功率输出。发电机20可以将机械功率转换为电功率，并且通过电路23联接以向电机22提供电功率。控制系统18也可以包括控制器26，控制器可操作地联接以分别通过通信线路27a、27b、27c、27d和27e与功率源12、SRG 20、电机22、电路23和/或操作员输入装置25通信。
图2示出了一种示例性的发电机20。发电机20可以为例如12/8三相开关磁阻发电机(SRG)。也就是，SRG 20可以包括12个定子极、8个转子极和3个导通相位。SRG 20可以包括定子28和转子30。定子28可以包括12个突出的定子极28a-l，这些定子极被划分为定子极组。定子极组可以相应于SRG 20的相位数量(例如3个)地包括两个或更多定子极。共计12个定子极28a-l可以被分为3个相位组(例如相位A、B和C)使得定子极28a-d可以被分在第一相位组(例如相位A)，定子极28e-h可以被分在第二相位组(例如相位B)而定子极28i-l可以被分在第三相位组(例如相位C)。每个定子极28a-l可以被电线圈32a-l缠绕。例如，定子极28a-d可以分别被电线圈32a-d(相位A线圈)缠绕，定子极28e-h可以分别被电线圈32e-h缠绕而定子极28i-l可以分别被电线圈32i-l缠绕。此外，如果需要，定子28可以包括额外的或更少的极，它们被划分为与更多或更少的相位(例如2个相位)相应的组中。但是，极和相位的数量和布置对于本发明的目的来说是不重要的。
转子30可以包括多个转子极，转子极的数量基于定子极28a-l的数量。例如，转子30可以包括共计8个转子极30a-h。但是，可以理解，转子极的数量仅是示例性的，而不意于作为限制性的。可以使用任意希望数量的转子极。转子30可以联接至曲轴12a以接收来自功率源12的至少部分机械功率输出。也就是，在操作中，曲轴12a可以导致转子30旋转。由转子30的旋转产生的磁通量可以使得线圈32a-l中感应产生直流(DC)电流。在相位A感应中，所产生的磁通量使得线圈32a-d中感应产生直流电流。在相位B感应中，所产生的磁通量可用于在线圈32e-h中感应产生直流电流。类似地，在相位C感应中，所产生的磁通量使得线圈32i-l中感应产生直流电流。更具体地，所需要并且由功率源12提供的转矩使得转子30产生的克服其使每个转子极30a-h分别与定子极28a-l中的相应的一个磁力地对准的趋势的转动可以产生磁通量，该磁通量能够分别在相位A、B和C感应阶段在线圈32a-d、32e-h和32i-l中感应产生直流电流。
SRG 20也可以装备有电流传感器(未示出)以测量相位A、B和C中的每一个的当前的瞬时相位电流。换句话说，传感器可以分别测量流过每个线圈32a-d、32e-h和32i-l中的实时电流。SRG 20也可以装备有转子位置传感器(未示出)，例如光编码器、霍尔效应传感器或分解器以指示转子30的角度位置。传感器可以产生表示各个测量参数(例如ia、ib和ic；HallA、HallB和HallC；转子位置等)的每一个的值的信号。该信号可以通过通信线路27b提供给控制器26以连接这里所公开的控制算法进行分析。
电机22可以是能够将电功率输入转换为机械功率输出的任何电动机械。电机22可以是例如电感电机、或永久或开关磁阻电机。在操作过程中，电机22可以从电路23获取功率以旋转转子(未示出)。转子可以通过输出轴(未示出)、转矩转换器(未示出)、变速器(未示出)或其他联接装置联接以旋转牵引装置14。电机22可以装备有一个或多个传感器(未示出)以测量实时的输出轴转速。传感器可以产生表示实时的输出轴转速值的信号，该信号可以被提供给控制器26以进行这里所公开的控制算法。
如图3所示，电路23可以包括直流总线24，其通过反相器34连接到电机22；通过开关磁阻(SR)功率转换器36连接到SRG 20；以及连接到控制器26。在操作过程中，直流总线24可以存储SRG 20所产生的直流电功率，并根据控制器26所执行并在下文讨论的控制算法将该功率传递至电机22。反相器34和功率转换器36可以通过正直流总线40a和负直流总线40b连接到直流总线24。更具体地，反相器34和功率转换器36可以通过正直流总线40a和负直流总线40b连接到诸如电容的存储装置38。
反相器34可以用于驱动电机22并且包括连接到电机22的相位A线圈的第一相位部分42、连接到电机22的相位B线圈的第二相位部分44以及连接到电机22的相位C线圈的第三相位部分46。但是，应当理解，反相器34中所包含的相位部分的数量可以取决于电机22的相位数量。也就是说，反相器34可以包括多于或少于三个相位部分，且第一相位部分42至第三相位部分46仅意于用作示出本发明的目的。
在一种实施方式中，第一相位部分42至第三相位部分46中的每一个可以包括分别连接到第二晶体管封装42b、44b和46b的第一晶体管封装42a、44a和46a。每个晶体管封装42a-46b可以包括例如隔离栅双极结型晶体管(IGBT)封装。IGBT封装可以包括功率二极管和IGBT。IGBT封装可以看作开关。当在IGBT的基极施加合适的电压(T1-T6)时，开关可以被致动且集电极可以被电连接到发射极以从存储装置38向电机22提供电功率(即开关闭合)。当没有电压施加到IGBT的基极时，集电极和发射极之间不存在连续(即开关断开)。每个功率二极管可以保护各自的IGBT不受反向偏置电流的损伤。也就是说，当IGBT为“切断”(即开关断开)时，由于电路中存储的剩余功率，虽然不需要，从发射极到其集电极的正向电流仍是有可能的。二极管可以将该电流与IGBT隔开并防止对IGBT造成损伤。
IGBT封装42a和42b可以连接到电机22的相位A线圈。IGBT封装44a和44b可以连接到电机22的相位B线圈。类似地，IGBT封装46a和46b可以连接到电机22的相位C线圈。IGBT封装42a和42b、44a和44b以及46a和46b中的IGBT基极可以连接到被称为门驱动板的电子驱动电路(未示出)，其根据预定的控制算法提供低压信号以接通和切断IGBT。该信号可以是例如具有与IGBT的开关相应的占空度的脉冲宽度调制信号。
类似地，功率转换器36可以包括连接到SRG 20的相位A线圈的第一相位部分48、连接到SRG 20的相位B线圈的第二相位部分50以及连接到SRG 20的相位C线圈的第三相位部分52。在一个方面，SRG 20的相位A线圈、相位B线圈和相位C线圈可以分别为图2中的线圈32a-d、线圈32e-h和线圈32i-l。但是，应当理解，功率转换器36中所包含的相位部分的数量可以取决于SRG 20的相位的数量。也就是说，功率转换器36可以包括多于或少于三个相位部分，这取决于SRG 20的构造，且第一相位部分48到第三相位部分52仅意于用作示出本发明的目的。
第一相位部分48到第三相位部分52中的每一个可以包括分别连接到第二晶体管封装48b、50b和52b的第一晶体管封装48a、50a和52a。晶体管封装也可以包括例如IGBT/功率二极管布置，如图3所示。同样，如图3所示，SRG 20的相位A线圈可以联接到晶体管封装48a和48b，SRG 20的相位B线圈可以连接到晶体管封装50a和50b，且SRG 20的相位C线圈可以联接到晶体管封装52a和52b。当在各个IGBT的基极施加合适的电压Sa1-Sc2时，开关可以被致动且其集电极可以被电连接至其发射极。相反，当电压Sa1和Sa2为零或低于预定的阈值水平时，集电极和发射极之间不存在电连续性，且开关被打开。第一相位部分48到第三相位部分52中的每一个的封装48a-52c可以被选择性地接通和切断以从SRG 20的希望的相位获取直流电流。例如，可以通过在相应的IGBT基极上施加合适的电压Sa1-Sa2来将第一相位部分48的晶体管封装48a和48b同时接通。在接通情况下，封装48a和48b可以允许直流电流idc从SRG 20的相位A线圈通过输入线40a和输出线40b流向存储元件38，将存储元件38充电至电压为Vdc。在切断状况下，从相位A线圈没有电流流向存储元件38。每个功率二极管可以在开关切断时防止反向偏置电流流过并损坏相应的IGBT。应当理解，第二相位部分50和第三相位部分52的封装50a和50b、和封装52a和52b可以以同样的方式分别与SRG 20的相位线圈B和C联系地作用。
直流总线24也可以装备有电压传感器以测量存储装置38两端的瞬时电压Vdc。也就是说，传感器可以测量正直流总线40a和负直流总线40b之间的实时电势。传感器可以产生表示电压值的信号，该信号通过通信线路27d传递至控制器26以连接这里所公开的控制算法地进行分析。
这里所讨论的电路23布置(即直流总线24、反相器34、和/或功率转换器36)仅意于作为示例性的。本领域普通技术人员将理解，本领域现有其他类似电路，并且可以被用作图3所示出并在上文所讨论的电路的替代。
在操作过程中，直流总线24必须被供电使得在各种负载需求下有足够的功率被提供给电机22。也就是说，存储元件38必须响应地保持足以允许电机在不同负载下顺利操作的充电水平(即电压水平)。提供给存储元件38的功率的量可以取决于第一相位部分48到第三相位部分52中的每一个的晶体管封装被接通和切断时的SRG20的角度位置(即旋转角度)。这些角度位置被称为“接通”和“切断”角(θon和θoff)，或“激发角”。“导通”角θcond可以被定义为接通角和切断角之间的持续角度，如下述公式1所表示。图4和图5分别示出了在发电模式和空转模式下操作时SRG 20的相位电感和电流响应。
公式1θcond＝θoff-θon
通过仿真和/或实验，可以针对各种负载状况计算最佳接通角和切断角θon和θoff，以及由此的导通角θcond以实现特定的系统18的最大效率。例如，不同的转矩需求可以应用于不同操作转速的电机22的输出轴，且根据此可以确定最佳导通角。图6示出了导通角曲线与作为电机输出转速的函数的负载需求的示例性的曲线图。一旦确定了最佳导通角，控制器26可以连接这里所公开的导通角控制算法利用最佳导通角来实现快速动态系统响应。
操作员界面25可以包括监视器、触摸屏、小键盘、控制板、键盘、操纵杆、控制杆、踏板、方向盘和/或其他输入装置。操作员界面25可以接收机械操作员的输入并且响应于该输入产生相应的控制信号，该控制信号可以被发送至控制器26。在一种实施方式中，操作员输入可以导致操作员界面25产生表示电机22所需要转矩量的信号。例如，操作员可以按压加速器踏板或操作控制杆以命令执行机构16或牵引装置14移动。
控制器26可以是例如电子控制模块(ECM)，或能够响应于所接收和/或所存储的数据执行和/或输出控制信号以影响这里所公开的导通角算法等的其他处理器。控制器26可以包括诸如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和/或闪存的计算机可读存储器；诸如磁带机和/或磁盘驱动器的辅助存储装置；微处理器(CPU)和/或用于执行应用程序的任何其他组件。微处理器可以包括市场可购买或特别建造的微处理器的任意适合的组合以响应于操作者输入地控制系统操作。由此，控制器26可以包括存储为硬件、软件和/或存储器、辅助存储器和/或微处理器中的固件的指令和/或数据。替代地或额外地，控制器26可以包括多种其他适合地布置的硬件和/或软件组件，和/或与之相关联。例如，如果需要，控制器26可以进一步包括功率供给电路、信号调节电路、螺线管驱动电路、放大器电路、计时电路、过滤器电路、开关和/或其他类型的电路。
控制器26可以在计算机可读存储器中包括例如映射、表格和/或其他数据存储结构以连接所公开的控制算法地帮助确定转矩和/或功率需求。例如，控制器26可以包括一个或多个表格，以将控制器26所监控的加速踏器板压缩量、执行器工具控制操纵、机械倾斜和/或其他的机械操作参数索引至各个希望的电机22转矩的量以实现轴的多种输出转速。替代地或额外地，控制器26可以包括一个或多个公式以基于所监测的参数计算电机22需要的转矩量。包含在表格中，和/或基于公式计算的需要的转矩的量可以与机械的已知规格、实验数据和/或其他适合的来源相关。应当理解，控制器26可以包括本领域已知的其他机构以确定在特定的负载下电机22所需要的转矩的量。
图7示出了一种示例性的控制算法60，当在单脉冲模式下操作时控制器26可以执行该算法60以基于电机22的各种负载来确定SRG 20的实时的最佳导通角。单脉冲模式是指一种相应于第一相位部分48至第三相位部分52的每一个的晶体管封装在导通角的持续角度被接通，而不是通过脉冲或其他振荡进入该持续角度的模式。算法60可以被分为三个子部分：前馈控制块62、反馈控制块64和切断角控制块66。算法60也可以包括相位电流定序器68以响应于三个子部分的输出地驱动功率转换器36。
前馈功率控制器块62可以包括基线导通角块62b和转速相关修正块62a。在操作过程中，控制器26可以从电机22接收表示输出轴的实时的转速的信号。控制器26也可以从电机22、操作者输入装置25和/或监测机械10的操作参数的传感器(未示出)接收表示电机22在此时刻需要的转矩的量T*的信号。控制器26可以基于该信号以及例如存储在计算机可读存储器中的表格和/或公式来确定需要的转矩量T*。然后控制器26可以通过将电机22的实时的输出轴转速ω乘以实时的需要转矩的量T*来确定电机22实时的需要功率的量P*(即，P*＝ωT*)。然后控制器26可以在基线导通角块62a中确定基线导通角θbaseline。基线导通角可以是当在额定发电机转速下操作以产生电机22所需要的给定量的功率P*时SRG 20的最佳导通角θbaseline。在一个方面，控制器26可以根据下述多项式公式确定基线导通角：
公式2θbaseline＝a1P*2+b1P*+c1
在公式2中，a1、b1和c1为如上所述基于对特定的SRG 20的仿真或实验所确定的多项式系数；P*为电机22所需要的功率量。更具体地，P*为电机22所需要的转矩量T*乘以电机22的输出轴转速ω(即，P*＝ωT*)。如公式2所示，对于给定的输出轴转速ω，基线导通角θbaseline可以根据所需要的转矩T*的增加和减少成比例的增加和减少。
对于电机22的变化的轴转速和负载状况，控制器26也可以确定基线导通角的变化Δθbaseline。也就是，当在额定发电机转速ω0下操作时，对于给定的所需的功率的量P*，可以对于电机22的变化的轴转速和负载状况确定相对于基线导通角θbaseline的角度变化量。更具体地，控制器26可以根据下述公式在转速相关修正块62b中确定基线导通角的变化量Δθbaseline。
公式3Δθbaseline＝(kω+kP(P*-P0))(ω-ω0)
在公式3中，基于特定的SRG 20的仿真或实验，kω为转速相关修正项，而kP为功率相关的修正项；P*为电机22所需要的功率的量(即，P*＝ωT*)；P0为SRG 20的额定功率；ω为电机22的输出轴转速；而ω0为SRG 20的额定输出轴转速。
在一个方面，反馈控制块64可以是PI控制块、PID控制块或用于补偿实际输出与希望输出之间的差的其他类型的增益模块。更具体地，反馈控制块64可以基于存储元件38两端的实时电压Vdc的变化来输出表示导通角偏置值的信号。以这种方式，如果直流总线电压响应于变化的负载状况开始上升或下降，控制器26可以调节导通角以将直流总线电压保持在希望值或附近。例如，控制器26可以接收来自直流总线24的信号并且确定存储装置38两端的电压Vdc的实时值与内存中所包含的存储装置38两端的希望电压或目标电压Vdc *之间的差。然后控制器26可以产生表示该差的信号。然后反馈控制块64可以根据本领域已知的方法将例如比例增益组件、积分增益组件和/或微分增益组件应用于该信号以产生导通角偏置值信号。应当理解，作为直流总线电压Vdc的变化的结果，导通角偏置值可以表示SRG 20所需要的导通角的变化。
切断角控制块66可以确定第一相位部分48到第三相位部分52中的晶体管封装应当被切断的最佳角。切断角控制块66可以根据下述公式来确定最佳的切断角θturn off。
公式4θturn off＝a2ω2+b2ω+c2
在公式4中，a2、b2和c2为基于对特定的SRG 20仿真或实验所确定的多项式系数，ω为电机22的输出轴转速。
如图7所示，控制器26可以总计前馈控制块62和反馈控制块64的输出以确定最佳导通角θcond，可以从最佳切断角θturn off(经过第一限幅器70)中减去最佳导通角以确定最佳接通角θturn on(经过第二限幅器72)。限幅器70和72可以防止SRG 20操作中的破坏性变化(即θturn on和/或θoff变化过快)。最佳导通和切断角θturn on和/或θoff可以被提供给相位电流定序器68。相位电流定序器68可以监控SRG 20的传感器所提供的信号。也就是说，相位电流定序器68可以监控霍尔效应信号HallA、HallB和HallC、SRG 20的相位A到相位C中每一个的相位电流ia、ib和ic、和/或SRG 20的角度位置的实时值。基于这些值，相位电流定序器68可以确定SRG 20的电流角度位置和相位激励并根据所确定的接通角和切断角θturn on和θoff来开关电压Sa1、Sa2、Sb1、Sb2、Sc1和Sc2。例如，相位定序器68可以为每个电压Sa1、Sa2、Sb1、Sb2、Sc1和Sc2产生脉冲宽度调制信号，其中脉冲宽度和/或占空度相应于θturn on和θoff之间的持续角度。以这种方式，功率转换器36的第一相位部分48到第三相位部分52的晶体管封装可以根据最佳接通角和切断角θturn on和θoff被接通和切断以从SRG 20的各个相位获得电流。
应当理解，相位电流定序器68可以基于SRG 20的相位配置以合适的角度在Sa1和Sa2、Sb1和Sb2、Sc1和Sc2之间互相切换相位。在SRG 20为三相发电机的情况下，如这里所示例性地公开的，Sa1和Sa2、Sb1和Sb2、Sc1和Sc2之间的相位变化可以为120度。但是，在SRG 20具有更多或更少相位的情况下，相位电流定序器68所执行的相位变化可以不一样。
工业实用性
所公开的发电机控制系统可以应用于使用开关磁阻发电机通过直流总线驱动电机的情况。特别地，所公开的控制系统可以在多种负载状况下改进电机的性能并帮助电机的顺畅操作。通过提供基于电机需要的转矩或功率的量来为开关磁阻发电机的各个相位电流确定最佳导通角的前馈控制块，控制算法能够在直流总线的电压水平开始向有损系统性能的方向变化之前预期地估计可能需要的导通角的变化。
图8和图9示出了使用所公开的控制算法60可以实现的优点。特别地，图8和图9示出了电机22可以用于向SRG 20施加阶跃负载变化的情况。在图8中，Vdc *曲线表示参照直流总线电压(即在操作过程中控制算法60致力于保持的存储装置38两端的电压)。Vdc曲线示出了不使用前馈功率控制器62时的系统响应，而Vdc_forward曲线示出了当使用前馈功率控制块62时的系统响应。很清楚，当使用前馈控制块62时直流总线电压相对于参照电压的初始偏差(过冲量)小很多。此外，系统可以在较短的时间段内达到稳定状态响应。也就是说，系统的晶体管响应时间可以变短很多。
如图9，θon曲线可以示出没有前馈功率控制块62的系统响应于阶跃负载变化所计算的接通角，而θon_forward曲线可以示出当使用前馈功率控制块62时系统的接通角计算。很清楚，前馈功率控制块62能够通过帮助在更短时间段内稳定状态接通角计算来极大地改进系统性能。此外，作为阶跃负载变化的结果的初始接通角过冲量可以通过使用前馈功率控制块62得到相当大地减小。
本领域技术人员将很清楚，在不脱离本发明范围的情况下，可以对所公开的系统和算法进行各种修正和变型。例如，应当理解，算法可以同样地用于开关磁阻电机的控制，其中转矩指令可以被直接用于计算最佳导通角。类似地，算法可以同样地用于具有发电机和/或电机的系统，其均具有多于或少于三个相位和/或具有不同的极布置。考虑说明书，其他实施方式对于本领域技术人员来说也将是很清楚的。说明书和实例仅意于作为示例，本发明的真正范围由后附的权利要求书及按照等同原则来确定。
Claims (10)
1.一种控制系统(18)，包括：
开关磁阻发电机(20)，其通过直流总线(24)联接以向电机(22)提供电功率；以及
控制器(26)，其与所述开关磁阻发电机、所述电机和所述直流总线通信，所述控制器能够：
接收所述电机所需要的转矩的量的指示；
基于所述电机所需要的转矩的量确定所述开关磁阻发电机的导通角；以及
基于所确定的导通角利用所述开关磁阻发电机所提供的电功率为所述直流总线充电。
2.如权利要求1所述的控制系统，还包括用于感测电机的转速的传感器，其中，所述控制器还能够：
接收所感测的电机的转速的指示；
基于所感测的电机的转速和所述电机所需要的转矩的量确定所述电机需要的功率的量；
基于所述电机需要的功率的量确定所述开关磁阻发电机的额定导通角；以及
基于所述额定导通角确定所述导通角。
3.如权利要求2所述的控制系统，其中，所述控制器还能够：
基于所述电机需要的功率的量与所述电机的额定功率的量之间的差、以及所感测的电机的转速与所述电机的额定转速之间的差，确定与所述开关磁阻发电机的额定导通角的偏差；以及
将所述开关磁阻发电机的额定导通角加上与所述开关磁阻发电机的所述额定导通角的所述偏差。
4.如权利要求1所述的控制系统，其中，所述直流总线包括：
功率转换器(36)，其联接至所述开关磁阻发电机的至少一个相位线圈；以及
至少一个电容(38)，其与所述功率转换器联接，
其中，所述控制器能够通过选择性地开关所述功率转换器以允许存储在至少一个相位线圈中的电流通向所述至少一个电容并为所述至少一个电容充电来为所述直流总线充电。
5.如权利要求4所述的控制系统，其中，所述功率转换器包括至少一个晶体管(48a-52b)，且所述控制器能够通过向所述晶体管的栅极提供电压信号来开关所述功率转换器。
6.一种机械(10)，包括：
内燃机(12)，其能够为所述机械的操作提供功率；
电机(22)，其能够向牵引装置提供功率以推进所述机械；
开关磁阻发电机(20)，其被联接以接收来自所述内燃机(12)的机械功率输入，并且通过直流总线向所述电机提供电功率；以及
如权利要求1至5中的任意一项所述的控制系统(18)，其被联接以控制所述开关磁阻发电机的导通。
7.一种传递功率的方法，包括：
通过直流总线(24)从开关磁阻发电机(20)向电机(22)提供电功率；
接收所述电机所需要的转矩的量的指示；
基于所述电机所需要的转矩的量来确定所述开关磁阻发电机的导通角；以及
使用基于所确定的导通角的所述开关磁阻发电机提供的电功率为所述直流总线充电。
8.如权利要求7所述的方法，其中，确定导通角包括：
接收感测的电机的转速的指示；
基于所感测的电机的转速以及所述电机所需要的转矩的量来确定所述电机需要的功率的量；以及
基于所述电机需要的功率的量来确定所述开关磁阻发电机的额定导通角。
9.如权利要求8所述的方法，其中，确定导通角还包括：
基于所述电机需要的功率的量与所述电机的额定功率的量之间的差、以及所感测的电机的转速与所述电机的额定转速之间的差，确定与所述开关磁阻发电机的额定导通角的偏差；以及
将所述开关磁阻发电机的额定导通角加上与所述开关磁阻发电机的所述额定导通角的所述偏差。
10.如权利要求7所述的方法，其中为所述直流总线充电包括：
将电功率提供至与所述直流总线相联的能量储存装置(38)；
所述电机从所述能量储存装置中获取所述电功率；以及
所述电机响应于所述电机所需要的转矩的量产生机械功率输出。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8843233B2 (en) * | 2007-03-20 | 2014-09-23 | Donald L. Dollens | Intelligent drive control system |
| DE602008006676D1 (de) * | 2007-12-10 | 2011-06-16 | Panasonic Corp | Invertersteuerung, motorantriebsgerät, elektrischer verdichter und elektrisches haushaltsgerät mit der invertersteuerung |
| EP2110921B1 (en) | 2008-04-14 | 2013-06-19 | Stanley Black & Decker, Inc. | Battery management system for a cordless tool |
| US8624564B2 (en) | 2010-12-23 | 2014-01-07 | Caterpillar Inc. | Switched reluctance generator initial rotor position estimation |
| US8610382B2 (en) * | 2010-12-23 | 2013-12-17 | Caterpillar Inc. | Active high voltage bus bleed down |
| US8975878B2 (en) | 2010-12-23 | 2015-03-10 | Caterpillar Inc. | Switched reluctance generator integrated controls |
| US8746382B2 (en) | 2010-12-23 | 2014-06-10 | Caterpillar Inc. | Switched reluctance generator priming strategy |
| US8760898B2 (en) | 2011-01-31 | 2014-06-24 | Tesla Motors, Inc. | Fast switching for power inverter |
| US8664907B2 (en) * | 2011-01-31 | 2014-03-04 | Tesla Motors, Inc. | Fast switching for power inverter |
| US8441826B2 (en) | 2011-01-31 | 2013-05-14 | Tesla Motors, Inc. | Fast switching for power inverter |
| US8493018B2 (en) * | 2011-01-31 | 2013-07-23 | Tesla Motors, Inc. | Fast switching for power inverter |
| FR2978791B1 (fr) * | 2011-08-05 | 2013-09-20 | Somfy Sas | Procede de commande d'un ecran et actionneur adapte pour un tel procede |
| US10250168B2 (en) * | 2013-08-28 | 2019-04-02 | Lifting Solutions Inc. | Pump jack controller and method for using same for electricity generation |
| CN103454550B (zh) * | 2013-09-23 | 2015-10-21 | 中国矿业大学 | 开关磁阻电机功率变换器故障细节系数标准差诊断方法 |
| JP2015111983A (ja) * | 2013-12-06 | 2015-06-18 | 株式会社Ihi | 電力変換装置 |
| CN113472027A (zh) | 2014-05-18 | 2021-10-01 | 百得有限公司 | 电动工具系统 |
| US9893384B2 (en) | 2014-05-18 | 2018-02-13 | Black & Decker Inc. | Transport system for convertible battery pack |
| CN105317699A (zh) * | 2014-07-18 | 2016-02-10 | 合肥盛亚电机电泵有限公司 | 开关磁阻电机驱动调速节能型污水潜水电泵 |
| US10243491B2 (en) | 2014-12-18 | 2019-03-26 | Black & Decker Inc. | Control scheme to increase power output of a power tool using conduction band and advance angle |
| EP3370924B1 (en) | 2015-11-02 | 2021-05-05 | Black & Decker Inc. | Reducing noise and lowering harmonics in power tools using conduction band control schemes |
| CN106059443B (zh) * | 2016-07-21 | 2018-11-09 | 东南大学 | 一种降低开关磁阻电机噪声的方法 |
| WO2018119256A1 (en) | 2016-12-23 | 2018-06-28 | Black & Decker Inc. | Cordless power tool system |
| CN108390511B (zh) * | 2018-04-26 | 2023-07-28 | 北京建筑大学 | 一种开关磁阻电机及其控制方法、装置和系统 |
| US10476421B1 (en) * | 2018-08-28 | 2019-11-12 | Caterpillar Inc. | Optimized switched reluctance phase current control in a continuous conduction mode |
| US11374514B2 (en) | 2019-04-25 | 2022-06-28 | Black & Decker Inc. | Sensorless variable conduction control for brushless motor |
| CN110271443B (zh) * | 2019-05-24 | 2020-07-17 | 中国矿业大学 | 一种插电式混合动力汽车开关磁阻电机传动系统 |
| CN110247588B (zh) * | 2019-05-31 | 2022-02-22 | 惠州市蓝微电子有限公司 | 一种霍尔电机的单脉冲控制方法及系统 |
| EP3806273A1 (en) | 2019-10-11 | 2021-04-14 | Black & Decker Inc. | Power tool receiving different capacity batttery packs |
| JP2023528046A (ja) * | 2020-05-27 | 2023-07-03 | トーレス，ルイス，ロベルト トレド | 三相発電機における回転子上の四又はそれ以上の極 |
| CN113922709B (zh) * | 2020-07-10 | 2024-07-16 | 丁金龙 | 一种开关磁阻电机控制方法及装置 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7071659B1 (en) * | 2004-01-23 | 2006-07-04 | Dana Corporation | Closed loop control of excitation parameters for high speed switched-reluctance generators |
Family Cites Families (22)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4707650A (en) | 1986-10-03 | 1987-11-17 | General Electric Company | Control system for switched reluctance motor |
| US5012172A (en) * | 1989-05-09 | 1991-04-30 | General Electric Company | Control system for switched reluctance motor operating as a power generator |
| US5204604A (en) | 1992-02-28 | 1993-04-20 | General Electric Company | Linearizer for a switched reluctance generator |
| US6011377A (en) * | 1994-03-01 | 2000-01-04 | Hamilton Sundstrand Corporation | Switched reluctance starter/generator system and method of controlling same |
| US5493195A (en) * | 1994-09-29 | 1996-02-20 | Sundstrand Corporation | Switched reluctance starter/generator control system allowing operation with regenerative loads and electrical system employing same |
| GB9506975D0 (en) | 1995-04-04 | 1995-05-24 | Switched Reluctance Drives Ltd | Controller for a switched reluctance machine |
| US6051942A (en) | 1996-04-12 | 2000-04-18 | Emerson Electric Motor Co. | Method and apparatus for controlling a switched reluctance machine |
| US6211633B1 (en) * | 1996-07-10 | 2001-04-03 | Hamilton Sundstrand Corporation | Synchronous sampling circuit for a sensorless switching reluctance machine system |
| US6054819A (en) | 1998-05-15 | 2000-04-25 | Tridelta Industries, Inc. | Driving circuit for switched reluctance machines |
| US6150778A (en) | 1998-11-04 | 2000-11-21 | Tridelta Industries, Inc. | Sensorless rotor position detection for switched reluctance machines having irregular poles |
| GB9828186D0 (en) | 1998-12-21 | 1999-02-17 | Switched Reluctance Drives Ltd | Control of switched reluctance machines |
| GB9903401D0 (en) | 1999-02-15 | 1999-04-07 | Switched Reluctance Drives Ltd | Control of switched reluctance machines |
| US6348743B1 (en) | 1999-05-13 | 2002-02-19 | Komatsu Ltd. | Voltage control apparatus of engine generator and control method thereof |
| EP1256164A2 (en) | 2000-02-09 | 2002-11-13 | Dana Corporation | Method for operating a switched reluctance electrical generator |
| US6717281B1 (en) | 2000-10-26 | 2004-04-06 | Dennis Brandon | Electric generator and motor drive system |
| TW200402929A (en) | 2002-07-22 | 2004-02-16 | Switched Reluctance Drives Ltd | Control of a switched reluctance drive |
| GB0221117D0 (en) | 2002-09-12 | 2002-10-23 | Black & Decker Inc | Control of electrical machines |
| WO2005034332A1 (en) | 2003-09-30 | 2005-04-14 | Emerson Electric Co. | Position detection for a switched reluctance machine |
| US7378808B2 (en) * | 2004-05-25 | 2008-05-27 | Caterpillar Inc. | Electric drive system having DC bus voltage control |
| US7075273B2 (en) | 2004-08-24 | 2006-07-11 | Motorola, Inc. | Automotive electrical system configuration using a two bus structure |
| US7460941B2 (en) * | 2004-09-29 | 2008-12-02 | Caterpillar Inc. | Slope-limited retarding control for a propelled machine |
| US7106020B1 (en) | 2005-08-30 | 2006-09-12 | Honeywell International Inc. | Method of operating a brushless DC motor |
-
2007
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-
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Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7071659B1 (en) * | 2004-01-23 | 2006-07-04 | Dana Corporation | Closed loop control of excitation parameters for high speed switched-reluctance generators |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |