CN102882465B - 用于在控制马达转矩中使用的系统及其组装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在控制马达转矩中使用的系统及其组装方法。电驱动系统(200)包括操作地联接到功率变换组件(210)和电源(205)的马达(215)。电驱动系统还包括马达控制系统(100)。马达控制系统包括存储器装置(110),存储器装置(110)构造成用以储存电源、功率变换组件和马达中的至少一个的多个操作测量结果。各操作测量结果与从电源经由功率变换组件至马达的功率传递相关联。马达控制系统还包括与存储器装置通信联接的处理器(115)。处理器编程为用以计算功率变换组件的功率输出限制,且通过根据马达的速度限制由马达引起的转矩(230)来限制功率变换器的功率输出。

Description

用于在控制马达转矩中使用的系统及其组装方法
技术领域
本文所公开的主题大体上涉及马达,并且更具体地涉及用于在控制电马达的输出转矩中使用的系统和组装这种系统的方法。
背景技术
至少一些公知的电动车辆包括电池型电源、联接到电池的功率变换器、联接到功率变换器的电驱动马达,以及经由传动轴联接到马达的负载。这些公知的电动车辆还包括控制系统,该控制系统便于功率变换器将由电池供应的直流(DC)变换成具有可变频率和可变振幅的交流(AC)以用于传送至马达的操作。功率变换器导致马达引起至负载的转矩,功率变换器还确定从变换器传送至马达的电功率。
这些公知的电动车辆控制系统中的至少一些仅根据电池的剩余强度使用输出转矩的限制来限制来自于电池的DC功率传送。通过限制马达的转矩输出来实现限制从电池抽取的功率,因而限制马达的功率。测量电池的剩余强度的一种方法包括测量电池的实际端子电压。因此,传统上通过在减小的电池强度下操作时降低变换器的输出转矩来实现功率限制。转矩限制还便于在正接近热极限时直接地减小电流。
在这些公知的电动车辆控制系统中的至少一些中,这些转矩限制在由功率可用性受限而产生的降低时不必要地限制性能。这些控制方案通常限制马达转矩以引起最具限制性的传动轴速度,且不必要地限制在低速下为负载制动或驱动可用的转矩量。此外,在正常操作期间的电池端子电压的快速波动可引起类似的马达转矩波动,因而便于瞬时转矩变化和传动轴振动。
发明内容
一方面,提供了一种组装电驱动系统的方法。该方法包括提供功率变换组件和将电源和马达联接到功率变换组件。该方法还包括将计算装置联接到功率变换组件,计算装置包括处理器和操作地联接到处理器的存储器装置。该方法还包括将计算装置构造成用以记录与马达的速度相关的至少一个测量结果。该方法还包括将计算装置构造成用以计算功率变换组件的功率输出限制和通过根据马达的速度限制由马达引起的转矩来限制功率变换组件的功率输出。
另一方面,提供了一种用于电驱动系统的马达控制系统。电驱动系统包括操作地联接到功率变换组件和电源的马达。马达控制系统包括存储器装置,存储器装置构造成用以储存电源、功率变换组件和马达中的至少一个的多个操作测量结果。各操作测量结果与从电源经由功率变换组件至马达的功率传递相关联。马达控制系统还包括与存储器装置操作地通信联接的处理器。处理器编程为用以计算功率变换组件的功率输出限制,且通过限制由马达根据马达的速度引起的转矩来限制功率变换组件的功率输出。
又一方面,提供了一种电驱动系统。电驱动系统包括功率变换组件和电源,以及联接到功率变换组件的马达。电驱动系统还包括计算装置,计算装置包括处理器和操作地联接到处理器的存储器装置。计算装置联接到功率变换组件。计算装置构造成用以记录与马达的速度相关的至少一个测量结果。计算装置还构造成用以计算功率变换组件的功率输出限制。计算装置进一步构造成用以通过根据马达的速度限制由马达引起的转矩来限制功率变换组件的功率输出。
附图说明
通过结合附图参看以下描述可更好地理解本文所述的实施例。
图1为可用于监测和/或控制电动车辆的操作的示例性马达控制系统的框图;
图2为可与图1中所示的马达控制系统一起使用的用于电动车辆的示例性电驱动系统的框图;
图3为使用和不使用图2中所示的电驱动系统的系统的马达转矩对马达速度的比较性关系的图解示图;以及
图4为示出组装图2中所示的电驱动装置的示例性方法的流程图。
部件列表
100 马达控制系统
105 计算装置
110 存储器装置
115 处理器
120 展示界面
125 用户
130 用户输入接口
135 通信接口
150 监测传感器
200 电驱动系统
205 电池系统
208 DC功率
210 换流器(功率变换组件)
212 AC功率
215 马达
220 负载
225 传动轴
230 转矩
235 马达速度和位置反馈编码器
238 马达电测量装置
240 电池测量装置
245 换流器测量装置
250 电池测量信号
255 电池充电状态估计器
260 充电状态信号
265 功率限制确定模块
270 马达反馈信号
275 换流器测量信号
280 马达转矩估计模块
285 马达转矩估计信号
290 换流器功率限制信号
300 曲线图
302 y轴
304 x轴
306 线
308 第一曲线
310 第二曲线
500 方法
502 提供功率变换组件
504 联接电源和马达
506 提供包括处理器的计算装置…
508 将计算装置构造成用以记录…
510 将计算装置构造成用以计算功率…。
具体实施方式
图1为可用于监测和/或控制电动车辆(图1中未示出)的操作的示例性马达控制系统100的框图。马达控制系统100包括示例性计算装置105。计算装置105包括存储器装置110和操作地联接到存储器装置110用于执行指令的处理器115。在一些实施例中,可执行指令储存在存储器装置110中。计算装置105可构造成用以通过对处理器115编程来执行本文所述的一个或多个操作。例如,处理器115可通过将操作编码为一个或多个可执行指令和提供可执行指令到存储器装置110中来对处理器115编程。处理器115可包括一个或多个处理单元(例如,在多核构造中)。
在示例性实施例中,存储器装置110为使得能够储存和检索信息(诸如可执行指令和/或其它数据)的一个或多个装置。存储器装置110可包括一个或多个计算机可读介质,诸如但不限于动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、固态盘和/或硬盘。存储器装置110可构造成用以储存操作测量结果,其包括但不限于振动读数、场电压和电流读数、场基准设定点、定子电压读数和电流读数、转子速度读数、维护任务和/或任何其它类型的数据。在一些实施例中,处理器115基于数据的年限来从存储器装置110移除或"清除"数据。例如,处理器115可盖写与随后的时间和/或事件相关联的先前记录和储存的数据。此外或作为备选,处理器115可移除超过预定时间间隔的数据。
在一些实施例中,计算装置105包括联接到处理器115的展示界面120。展示界面120向用户125展示信息,如用户界面和/或警告。例如,展示界面120可包括显示适配器(未示出),显示适配器可联接到显示装置(未示出),诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、有机LED(OLED)显示器和/或"电子墨水"显示器。在一些实施例中,展示界面120包括一个或多个显示装置。此外或作为备选,展示界面120可包括音频输出装置(未示出)(例如,音频适配器和/或扬声器)。在一些实施例中,展示界面120诸如通过使用人机接口(HMI)(未示出)来展示与电动车辆的传动系(图1中未示出)相关联的警告。
在一些实施例中,计算装置105包括用户输入接口130。在示例性实施例中,用户输入接口130联接到处理器115且接收来自于用户125的输入。用户输入接口130可包括例如键盘、指示装置、鼠标、触针和/或触敏面板(例如,触摸板或触摸屏)。单个构件,诸如触摸屏可作用为展示界面120的显示装置和用户输入接口130。
通信接口135联接到处理器115,且构造成用以与一个或多个其它装置(诸如多个监测传感器150或另一计算装置105)通信联接,且用以执行关于这些装置的输入操作和输出操作。例如,通信接口135可包括但不限于有线网络适配器、无线网络适配器、移动电信适配器、串行通信适配器和/或并行通信适配器。通信接口135可从一个或多个远程装置接收数据和/或将数据传送至一个或多个远程装置。例如,一个计算装置105的通信接口135可将警告传送至另一计算装置105的通信接口135。
展示界面120和/或通信接口135两者都能够提供适于与本文所述的方法一起使用的信息(例如,提供给用户125或另一装置)。因此,展示界面120和通信接口135可称为输出装置。类似地,用户输入接口130和通信接口135能够接收适合于与本文所述的方法一起使用的信息,且可称为输入装置。
图2为可与马达控制系统100一起使用的用于电动车辆(未示出)的示例性电驱动系统200的框图。在示例性实施例中,系统200包括电源,例如电池系统205。电池系统205可为单个孤立型电池,或可包括操作地联接以使电驱动系统200能够如本文所述地操作的多个电池。作为备选,电池系统205可用使电驱动系统200能够如本文所述地操作的任何移动电源替代,该移动电源包括但不限于燃烧型装置和燃料电池。此外,对于嵌入不需要或不提供移动性的设备和/或系统内的电驱动系统200的那些实施例,电池系统205可用静止电源替代,静止电源包括但不限于公用事业部门提供的线路功率和辅助发电机。在示例性实施例中,电池系统205包括储存和传送直流(DC)电功率208的至少一个可再充电电池。
另外,在示例性实施例中,系统200包括功率变换组件,例如,换流器。换流器210联接到电池系统205,且将由电池系统205供应的DC功率208转变成具有可变频率和可变振幅的交流(AC)功率212。在示例性实施例中,换流器210为可变频率驱动器(VFD),其包括多个半导体开关(未示出),半导体开关包括但不限于晶体管。
此外,在示例性实施例中,系统200包括联接到换流器210的电驱动马达215。马达215为使电驱动系统200能够如本文所述地操作的任何AC马达。马达215经由传动轴225联接到负载220。在示例性实施例中,负载220为传动装置(transmission)。作为备选,负载220为使系统200能够如本文所述地操作的任何装置。马达215在传动轴225上引起转矩230来驱动负载220。
监测传感器150包括马达速度和位置反馈编码器235。编码器235通信地联接到计算装置105。监测传感器150还包括通信地联接到计算装置105的多个马达电测量装置238。装置238包括但不限于用以测量马达215内的绕组电流的电流换能器。监测传感器150还包括电池测量装置240。装置240包括但不限于用以测量电池系统205的端子电压、电驱动系统200的电流容量额定值和电驱动系统200的总阻抗的至少一个传感器(未示出)。监测传感器150还包括便于监测换流器210和估计从换流器210传送来的AC功率212的多个换流器测量装置245。该装置245包括但不限于用以测量换流器210的温度的至少一个传感器,以及用以记录换流器210中的触发(firing)装置(未示出)的触发速率的至少一个反馈机构。对于包括电源,诸如线路电源的电驱动系统200的实施例,这些多个换流器测量装置245包括但不限于至少一个传感器(未示出),该传感器用以测量换流器210可用的输入线路相的数目和系统200的总阻抗。
计算装置105接收来自于电池测量装置240的电池测量信号250,且将这些信号传送至电池充电状态估计器模块255。电池测量信号250包括但不限于代表电池系统205的端子电压、电驱动系统200的电流容量额定值和电驱动系统200的总阻抗的值。充电估计器模块255使用编程的计算指令,计算指令可包括至少一种算法,以便确定电池系统205的剩余容量的近似值。充电估计器模块255还将充电状态信号260传送至功率限制确定模块265,其中充电状态信号260代表电池系统205的剩余容量。
计算装置105还接收马达反馈信号270,马达反馈信号270包括从编码器235传送来的速度和位置反馈信号和来自于马达电测量装置238的绕组电流信号。计算装置105进一步接收从换流器测量装置245传送来的换流器测量信号275。换流器测量信号275可包括但不限于指示马达215的端子电压的估计值。作为备选,马达电测量装置238可包括马达端子电压换能器,且计算装置105可使用实际马达端子电压值。马达转矩估计模块280接收马达反馈信号270和换流器测量信号275。马达转矩估计模块280使用编程的计算指令,计算指令可包括至少一种算法,以便根据估计的和/或实际的端子电压和测量的马达215的绕组电流来确定AC功率212的近似值。马达转矩估计模块280使用编程的计算指令,该计算指令可包括至少一种算法,以便还确定通过马达215产生的转矩230,且将马达转矩信号285传送至功率限制确定模块265。功率限制确定模块265使用编程的计算指令,该计算指令可包括至少一种算法,以便确定将传送至换流器210的换流器功率限制信号290。换流器功率限制信号290代表根据电池系统205的当前充电状态和传动轴225的实际速度的命令换流器功率限制。
电驱动系统200的示例性用途针对电动车辆。然而,电驱动系统200可与任何设备和/或系统一起使用,包括电源、功率变换器、驱动马达和负载。
图3为对于使用和不使用电驱动系统200(图2中所示)的系统的马达转矩对马达速度的比较性关系的图解示意300。曲线图300包括y轴302,y轴302代表以百分比(%)为单位且从0%延伸至100%以10%(0.1)的增量测得的可用转矩230(图2中所示)能力。曲线图300还包括x轴304,x轴304代表标准化为额定马达速度(100%)且以%为单位且从0延伸至2(即,额定速度的0%至200%)以20%(0.2)的增量测得的马达215(图2中所示)速度。
曲线图300还包括定位成与y轴302上的值25%相交的水平线306。线306代表马达215的额定转矩能力的25%,其为在试图将功率输出限制为50%时,除本文所述的电驱动系统200之外的电驱动系统所允许的转矩限制。在没有如本文所述的电驱动系统200的情况下,另一电驱动系统在负载超过25%的转矩能力限制时,可能没有足够的可用转矩用于产生传动轴225(图2中所示)的速度来有效地驱动负载220(图2中所示)。
曲线图300包括第一曲线308,第一曲线308代表完全设计能力可用时用于电驱动系统的转矩对速度能力。曲线308中所示的系统包括施加的100%的转矩能力限制,这与在额定速度的0%至100%之间的马达速度和通过马达额定速度和转矩速度曲线的系统设计选择确定的功率限制无关。因此,从额定速度的0%至100%,可用的转矩能力限制为额定转矩的100%,而曲线308示出了车辆以可用的马达215的相关转矩额定值的100%运行,直到达到马达215的100%的速度额定值。曲线308还示出了根据高于100%的值的增大的速度而减小的转矩230的可用能力。在大约50%的转矩能力可用的情况下,200%为通过马达215将达到的可用的最高速度。在速度从额定速度的100%增大至额定速度的200%时,至少部分地由于电池系统205的设计功率能力限制而需要可用转矩能力从额定能力的100%快速降低至额定能力的50%。对于电驱动系统,不论其是否包括马达控制系统100(图1和图2中所示),曲线308都保持一样。具有马达控制系统100的电驱动系统在全设计功率能力可用且因此转矩-速度曲线308将保持不变时,将应用100%的转矩限制。
曲线图300还包括第二曲线310,第二曲线310代表当可用功率能力减小时,用于包括如本文所述的马达控制系统100的电驱动系统200的转矩对速度能力。在示例性实施例中,马达控制系统100减小由马达215引起的可用的转矩230能力来用于限制换流器210(图2中所示)的功率输出。当可用功率能力仅为设计峰值的50%时,可用转矩230开始在马达215的额定速度的40%下从额定转矩的100%减小,且在额定速度的100%下,可用转矩230减小至额定转矩的50%。当速度增大超过额定值的100%时,可用的转矩230继续减小,且在达到额定速度的200%时,也达到25%的可用转矩值。与曲线306所代表的系统相比,即使在由于减小了可用功率而必须限制功率输出时,电驱动系统200也产生足够的转矩来继续维持或增大速度以便有效地驱动负载220,因而将功率减小至低于从电池系统205(图2中所示)中可用的功率。
在示例性实施例中,在操作期间,电池系统205(图2中所示)的电池电压在电驱动系统200连续操作时缓慢地减小。另外,在示例性实施例中,从换流器210(图2中所示)至马达215的输入功率在电驱动系统200连续地操作时缓慢地减小。此外,在示例性实施例中,在低速下的马达转矩限制在电驱动系统200连续操作时大致恒定。
具体而言,在示例性实施例中,在操作期间,处于低速的马达转矩大致恒定,而从换流器210至马达215的功率输入随电池电压强度减小而减小。限制来自于功率变换组件或换流器210的功率输入,而非马达205的转矩输出便于在较低速度下有足够的转矩可用于运输以及制动,因而便于即使在减小源或电池强度时电驱动系统200也有能力加速和制动。电驱动系统200使用根据源或电池强度的马达输出功率限制,且基于当前马达轴速度来计算应用的转矩限制。例如,在电池系统205几乎完全放电时,电池操作的车辆仍可在减小的速度下爬上陡坡。
此外,在操作期间,电池系统205的容量在电驱动系统200的正常操作期间缓慢地且稳定地减小,因而减小了电池端子电压的快速波动。此外,通过根据马达215的速度控制马达215的转矩,电池系统205的波动造成的马达215的任何波动,以及相关快速瞬时转矩变化和传动轴振动都减小。
图4为示出组装图2中所示的电驱动系统的示例性方法500的流程图。在示例性实施例中,提供了功率变换组件,例如,换流器210(图2中所示)。电源(例如,电池系统205)和马达215(两者都在图2中示出)联接到换流器210。提供506包括处理器115和操作地联接到处理器115的存储器装置110(所有都在图1中示出)的计算装置105。计算装置105构造508成用以记录与换流器210传送的功率输出、电池系统205的容量和马达215的速度相关的至少一个测量结果。计算装置105还构造510成用以计算换流器210的功率输出限制,且通过根据马达215的速度限制由马达215引起的转矩来限制换流器210的功率输出。
与公知的电驱动系统相比,如本文所述的系统和组装方法提供了电驱动系统的加强的转矩控制和功率管理。具体而言,与公知的电驱动系统相比,如本文所述的系统和组装方法便于通过根据驱动马达速度限制输出功率来控制驱动马达的输入功率。因此,马达速度为主转矩限制参数。此外,与公知的电驱动系统相比,如本文所述的系统和组装方法便于将主电源的剩余容量用作第二转矩限制参数,而不是主转矩限制参数。此外,与公知的电驱动系统相比,如本文所述的系统和组装方法便于在随电池电压减小而减小马达功率输出时保持马达转矩限制大致恒定,且保持驱动负载的能力。
如本文所提供的基于计算机控制的实施例便于提供电驱动系统的加强的转矩控制和功率管理。具体而言,这种加强马达转矩的控制便于在根据马达速度和电池容量而减小从功率变换器组件到马达的功率输出的同时保持马达转矩限制大致恒定。更具体而言,主控制变量为马达速度,而第二控制变量为电池容量。限制来自于功率变换器组件的功率输出而非直接地限制马达的转矩输出便于在较低速度下有足够的转矩可用于电动车辆的运输以及制动,因而便于即使在电池强度减小时电驱动系统也有能力加速和制动。例如,由于如本文所提供的基于计算机的控制使用了根据电池强度的马达输出功率限制且计算基于当前马达轴速度来应用的转矩限制,故电池操作的车辆即使在电池系统几乎完全地放电时也仍可在减小的速度下爬上陡坡。此外,如本文所提供的基于计算机的控制便于在电驱动系统的正常操作期间缓慢地且稳定地减少电池系统的容量,因而减小了电池端子电压的快速波动。此外,如本文所提供的基于计算机的控制便于根据马达的速度控制马达的输出转矩。因此,减小了电池系统的波动所造成的马达的任何波动,且还减小了相关快速瞬时转矩变化和传动轴振动。
本文所述的系统和组装方法的示例性技术效果包括以下的至少一个:(a)通过限制根据计算出的功率变换组件的功率输出限制由马达引起的转矩来限制通过变换器的功率输出;(b)根据由功率变换组件传送的功率输出、电源的容量和马达的速度计算功率变换组件的功率输出限制;(c)通过测量电池端子电压、电驱动系统的电流容量额定值和电驱动系统的阻抗来计算电源的容量;(d)根据通过功率转变组件传送的功率输出和马达的速度来估计由马达引起的转矩输出;以及(e)将换流器功率限制信号从计算装置传送至功率变换组件来命令功率变换组件限制电功率从功率变换组件至马达的传送,以便于保持预定的马达速度。
本文所述的方法和系统不限于本文所述的特定实施例。例如,各系统的构件和/或各方法的步骤可与本文所述的其它构件和/或步骤独立且分开地使用和/或实践。此外,各构件和/或步骤还可与其它组件和方法一起使用和/或实践。
本书面说明使用了包括最佳模式的实例来公开本发明,且还使本领域技术人员能够实践本发明,包括制作和使用任何装置或系统,以及执行任何合并的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定,且可包括本领域技术人员所想到的其它实例。如果这种其它实例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件,或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件,则这种其它实例意图在权利要求的范围内。
一些实施例涉及使用一个或多个电子装置或计算装置。这些装置通常包括处理器或控制器,如通用中央处理器(CPU)、图形处理单元(GPU)、微控制器、简化指令集计算机(RISC)处理器、专用集成电路(ASIC)、可编程序逻辑电路(PLC)和/或能够执行本文所述的功能的任何其它电路或处理器。本文所述的方法可编码为包含在计算机可读介质中的可执行指令,计算机可读介质包括但不限于储存装置和/或存储器装置。这些指令在通过处理器执行时,导致处理器执行本文所述的方法的至少一部分。上述实例仅为示例性的,且因此不意图以任何方式限制术语处理器的定义和/或意义。
尽管本发明根据各种具体实施例进行了描述,但本领域技术人员将认识到的是本发明可利用在权利要求的精神和范围内的改动来实践。

Claims (10)

1.一种用于电驱动系统(200)的马达控制系统(100),所述电驱动系统(200)包括操作地联接到功率变换组件(210)和电源(205)的马达(215),所述马达控制系统包括:
存储器装置(110),其构造成用以储存所述电源、所述功率变换组件和所述马达中的至少一个的多个操作测量结果,其中,各操作测量结果均与从所述电源经由所述功率变换组件至所述马达的功率传递相关联;以及
处理器(115),其与所述存储器装置通信联接,所述处理器编程为用以:
记录所述电源的容量;
根据所述马达的速度限制马达的转矩;
根据所述马达速度和所述电源容量来限制所述功率变换组件的功率输出。
2.根据权利要求1所述的马达控制系统(100),其特征在于,所述处理器(115)编程为用以接收与以下相关的至少一个测量结果:
通过所述功率变换组件(210)传送的功率输出;
所述电源(205)的容量;以及
所述马达(215)的速度。
3.根据权利要求2所述的马达控制系统(100),其特征在于,所述处理器(115)还编程为用以接收代表电源(205)的端子电压、所述电驱动系统(200)的电流容量额定值和所述电驱动系统的阻抗中的至少一个的测量结果。
4.根据权利要求1所述的马达控制系统(100),其特征在于,所述处理器还编程为用以根据所估计的马达端子电压和所测量的绕组端子来估计所述功率变换组件的功率输出。
5.根据权利要求1所述的马达控制系统(100),其特征在于,所述处理器(115)还编程为用以将换流器功率限制信号传送至所述功率变换组件(210)。
6.根据权利要求1所述的马达控制系统(100),其特征在于,所述处理器(115)还编程为用以:记录与以下相关的至少一个测量结果:
通过所述功率变换组件(210)传送的功率输出;
通过根据所述马达的速度限制所述功率变换组件的功率输出来限制通过所述马达(215)引起的转矩(230);以及
限制电功率从所述功率变换组件至所述马达的传送。
7.一种电驱动系统(200),包括:
功率变换组件(210);
联接到所述功率变换组件的马达(215)和电源(205);
计算装置(105),其包括处理器(115)和操作地联接到所述处理器的存储器装置(110),所述计算装置操作地联接到所述功率变换组件,且构造成用以:
记录与所述马达的速度相关的至少一个测量结果;以及
所述电源的容量;
根据所述马达的速度限制马达的转矩;
根据所述马达速度和所述电源容量来限制通过所述功率变换组件的功率输出。
8.根据权利要求7所述的电驱动系统(200),其特征在于:
所述功率变换组件(210)包括换流器;
所述电源(205)包括直流(DC)电池系统;以及
所述马达(215)包括交流(AC)马达。
9.根据权利要求8所述的电驱动系统(200),其特征在于,所述处理器(115)还构造成用以接收代表电池端子电压、所述电驱动系统的电流容量额定值和所述电驱动系统的阻抗中的至少一个的测量结果。
10.根据权利要求7所述的电驱动系统(200),其特征在于,所述处理器(115)还构造成用以根据所估计的马达端子电压和所测量的绕组端子来估计所述功率变换组件(210)的功率输出。
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