CN103155405B - 电驱动功率响应管理系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开一种电驱动系统，该电驱动系统包括用于驱动至少部分由激励电压控制的电功率交流发电机(204)的燃料驱动的原动机(202)。电功率交流发电机(204)产生具有电压特性和电流特性的在dc链路(312)上可用的电功率。一种用于管理交流发电机(204)的响应的方法包括确定dc链路(312)的电压(502)和操作者的扭矩命令(504)。扭矩命令(504)用来推导正被命令的机械功率。基于所推导的机械功率确定dc链路(312)的期望电压(606)，并且通过使用闭环控制器(500)基于dc链路(312)的期望电压而提供激励电压命令(612)信号。基于激励电压命令(612)信号向电功率交流发电机(204)施加实际激励电压。

Description

电驱动功率响应管理系统和方法
技术领域
本专利公开内容主要涉及负载需求和功率生成平衡，并且更具体地涉及直接串联电驱动系统中的驱动系统上的功率生成输出的闭环调节。
背景技术
在采矿、重型建造、采石和其它应用中普遍使用重型机械，诸如非公路卡车。虽然传统上经由内燃机直接驱动这样的机械，但是这种系统的大量燃料消耗和机械复杂性已经促进对可替代的功率系统广泛探索。
使得与重型机械的使用相关联的效率得以提高的一项进展是在电驱动系统上采用交流电(AC)。用于机械的电驱动器系统通常包括在所需扭矩有选择地激活一个或者多个驱动电动机的功率电路。驱动电动机中的每个驱动电动机连接到操作用于推进机械的轮或者其它牵引设备。电驱动系统包括驱动交流发电机的原动机、例如内燃机。交流发电机产生经常被调节并且最终用来驱动电动机的电功率。电动机将电功率反向转换成驱动车轮并且推进车辆的机械功率。电驱动系统通常需要更少的维护，并因此具有更低的寿命周期成本。
然而存在与这种机械相关联的其它缺陷，这些缺陷需要关注以便提供最优化的机械操作。例如只要从地面施加应力(引起加速)来直接生成施加至引擎的负载，那么在传动驱动的车辆上的驱动系统固有地稳定。因此，随着车辆加速，负载可以稳定地增加。然而电驱动系统可以包括添加自由度的中间加载状态、电气系统。这一添加的自由度将断开在地面与引擎之间的机械连接、因此使系统更不稳定。例如可以用步进式的方式而不是与引擎驱动的机械通常经历的更平缓的方式来增加交流发电机上的负载并且因此增加主要功率源。所需功率的这样突然增加是更不容易适应的，并且在一些情况下可能使主要功率源或者交流发电机滞后或者忽略功率需求，或者确切的说出故障。尤其在非常或者异常的驱动状态、诸如车辆的骤然启动和停止之下，交流发电机的功率滞后问题可能变得明显。通过所公开的原理的方面来解决本领域的该情况中的这一以及其它缺点。
发明内容
本公开内容在一个方面中描述一种电驱动系统。该电驱动系统包括用于驱动至少部分由激励电压控制的电功率交流发电机的、燃料驱动的原动机。电功率交流发电机产生具有电压特性和电流特性的在DC链路上可用的电功率。一种用于管理交流发电机的响应的方法包括确定DC链路的电压和操作者的扭矩命令。该扭矩命令用来推导正被命令的机械功率。基于所推导的机械功率确定DC链路的期望电压，以及通过使用闭环控制器基于DC链路的期望电压而提供激励电压命令信号。基于激励电压命令信号向电功率交流发电机施加实际激励电压。
在另一方面中，本公开内容描述一种用于管理在电驱动系统内的功率生成响应的控制器。该电驱动系统包括用于驱动至少部分由激励电压控制的电功率交流发电机的、燃料驱动的原动机。电功率交流发电机产生具有电压特性和电流特性的在DC链路上可用的电功率。该控制器包括计算机可读介质上的计算机可执行指令。这些计算机可执行指令包括用于确定DC链路的电压的指令和用于确定电驱动系统的操作者的扭矩命令的指令。在操作期间执行用于基于扭矩命令推导正被命令的机械功率的指令和用于基于所推导的机械功率确定DC链路的期望电压的指令。在操作期间执行用于通过使用闭环控制器基于DC链路的期望电压而提供激励电压命令信号的指令和用于基于激励电压命令信号向电功率交流发电机施加实际激励电压的指令。
在又一方面中，公开内容描述一种计算机可读介质，该计算机可读介质上具有用于管理电驱动系统内的功率生成响应的计算机可执行指令。该电驱动系统包括用于驱动至少部分由激励电压控制的电功率交流发电机的、燃料驱动的原动机。电功率交流发电机产生具有电压特性和电流特性的在DC链路上可用的电功率。一种控制器包括在计算机可读介质上的计算机可执行指令。这些计算机可执行指令包括用于确定DC链路的电压的指令和用于确定电驱动系统的操作者的扭矩命令的指令。这些计算机可执行指令还包括用于基于扭矩命令推导正被命令的机械功率的指令和用于基于所推导的机械功率确定DC链路的期望电压的指令。在控制器中也包括用于通过使用闭环控制器基于DC链路的期望电压而提供激励电压命令信号的指令和用于基于激励电压命令信号向电功率交流发电机施加实际激励电压的指令。
附图说明
图1A和1B分别是根据公开内容的机械的前视图和侧视图。
图2是根据公开内容的用于机械的直接串联电驱动系统的框图表示。
图3是其中可以处置公开的原理的驱动系统的另一框图表示。
图4是用于在图3中所示驱动和减速系统中使用的功率电路的简化电路图。
图5是根据公开内容的用于驱动系统的电子控制器的框图。
图6是用于根据公开内容的功率管理控制器的框图。
图7是根据公开内容的超前补偿器的框图。
图8是根据公开内容的比例/积分控制器的框图。
图9是用于根据公开内容的方法的流程图。
图10是根据公开内容的电子控制器的一个可替代实施例的框图。
具体实施方式
本公开内容涉及用于管理直接串联电驱动系统中的功率的系统和方法，该直接串联电驱动系统诸如可以在非公路卡车或者其它重型机械中使用。图1A和图1B分别图示机械100的前视图和侧视图。机械100具有直接串联电驱动系统。机械100的一个示例是诸如用于建造、采矿或者采石的非公路卡车101。在下面描述中，这一示例图示了可以在具有直接串联电驱动系统的机械上使用的各种布置。如可以理解的，具有混合驱动、仅电动或者直接串联电驱动布置的任何其它车辆可以从这里描述的优点而受益。术语“机械”因此用来广义地描述具有至少一个驱动轮的任何机械，该驱动轮由连接到该轮的电动机驱动。由引擎或者其它原动机驱动的交流发电机、发电机或者另一功率生成设备可以机载地生成电功率。可替换地，可以存储但并非机载地生成电功率。
在图1A中示出非公路卡车101的前视图，并且在图1B中示出侧视图。非公路卡车101包括支撑操作者的驾驶室104和铲斗106的底盘102。铲斗106枢轴地连接到底盘102并且被布置用于在非公路卡车101工作时携带有效负载。占用操作者驾驶室104的操作者可以控制非公路卡车101的运动和各种功能。底盘102支持各种驱动系统组件。这些驱动系统组件能够驱动一组驱动轮108以推进非公路卡车101。一组空转轮110可以转向使得非公路卡车101可以在任何方向上移动。尽管非公路卡车101包括具有用于运动的动力轮和用于转向的可转向轮的刚性底盘，但是可以理解可以使用其它机械配置。例如这样的配置可以包括具有一个或者多个从动轮的铰接底盘。
非公路卡车101具有直接串联电驱动系统，该直接串联电驱动系统在这一实例中指代使用多于一个功率的源或者形式以对驱动轮108进行驱动。在图2中示出用于机械100(例如非公路卡车101)的直接串联电驱动系统的框图。在框图中，当推进机械时在系统中的功率流动方向由实线箭头表示。反言之，在虚线箭头中示出在减速模式期间的功率流动。直接串联电驱动系统包括在输出轴(未示出)处产生输出扭矩的引擎202，例如，诸如柴油引擎的内燃机。引擎202的输出轴连接到交流发电机204。在操作中，引擎202的输出轴旋转交流发电机204的转子以产生例如以交流电(AC)功率形式的电功率。向整流器206供应这一电功率并且将该电功率转换成直流(DC)功率。整流的DC功率可以由逆变器电路208再次转换成AC功率。逆变器电路208可以能够有选择地调整它的输出的频率和/或脉冲宽度，从而连接到逆变器电路208的输出的电动机210可以以可变速度而操作。电动机210可以经由最终部件(未示出)或者直接连接到机械100的驱动轮212。
当推进非公路卡车101时，引擎202生成转换成电功率的机械功率，该电功率由各种电气组件调控。在图示的实施例中，在机柜114(图1A)内容纳这样的组件。机柜114设置于与操作者驾驶室104相邻的平台上并且可以包括整流器206(图2)、逆变器电路208(图2)和/或其它组件。当非公路卡车101将降低速度或者将以别的方式使它的运动减速时，例如当机械沿着斜坡向下行驶时防止机械加速，将它的动能转换成电能。这一所生成的电功率的有效布置允许非公路卡车101的有效减速。
具体而言，当机械100减速时，将机械100的动能转换成使电动机210旋转的驱动轮的旋转功率，其作用为电气交流发电机。由电动机210生成的电功率具有AC波形。由于逆变器电路208是桥式逆变器，所以由电动机210供应的功率由逆变器电路208整流成DC功率。电动机210生成的DC功率的耗散在驱动轮108产生反旋转扭矩以使机械降低速度。可以通过经过电阻传递由逆变器电路208整流的所生成的电流来实现这一DC功率的耗散。为了实现这一点，减速器布置213可以包括下文更具体描述的第一电阻器网214，该第一电阻器网被布置为经由开关216从逆变器电路208接收电流。当闭合开关216时，与由电动机210生成的电流对应的电功率可以经过第一电阻器网214传递并且耗散为热。此外，过量的电功率在它经过被布置用于经由斩波器电路220接收电功率的第二电阻器网218时也耗散为热。斩波器电路220操作为有选择地发送经过第二电阻器网218所形成的电功率的部分。下文更具体描述用于驱动和减速系统的一个实施例。
图3和图4中示出了作为用于机械100的一个示例的非公路卡车101的直接串联电驱动系统的框图。在这些视图中，为了简化，由相同的附图标记来表示先前描述的元件。另外，图4的框图包括具有可以在图3中所示的功能块中包括的组件示例的一个具体实施例。因此，当考虑后续描述时应当一起参照图3和图4中所示的框图。如图所示，引擎202经由输出驱动轴304连接到交流发电机204(图3中所示)。即使示出了与输出驱动轴304的直接连接，但是其它驱动组件、诸如传动或者其它齿轮布置可以用来将引擎202的输出耦合到交流发电机204。交流发电机204可以是任何适当类型的交流发电机或者在功率生成领域中已知的交流发电机。
在一个实施例中，交流发电机204是具有无刷绕线转子的三相交流电(AC)同步交流发电机。交流发电机204具有用于生成的交流电的三相中的每一相的输出301，而每个输出具有连接到该输出的相应的电流互感器306。交流发电机204(图3中所示)的转子包括连接到旋转激励器电枢302A的旋转整流器302。旋转激励器电枢302A由激励绕组303产生的激励场来激励。因此，在激励绕组303的输入处应用激励信号而产生激励场以激活交流发电机场305。反过来，交流发电机305产生在交流发电机204的电枢307的三条引线处可用的输出。
在图示的实施例中，旋转整流器302包括连接到旋转二极管302B的阵列的旋转激励器电枢302A。交流发电机204的三个电流输出连接到整流器206，这三个电流输出共同视为交流发电机204的输出。如果旋转二极管302B的阵列中的一个出故障，则需要更大的电流以形成给定的电压。因此，当这样的故障出现时直接串联电驱动系统往往更低效率地操作。
整流器206将交流发电机204供应的AC功率转换成DC功率。可以使用任何类型的整流器206。在所示例子中，整流器206包括绕着交流发电机204的输出的每一相在二极管对中布置的六个功率二极管310(在图4中最好地示出)。每个二极管对包括彼此串联连接的两个功率二极管310而在每对之间具有与交流发电机204的每个相控输出的连接。三对功率二极管310彼此并联连接并且操作为跨越DC联接或者DC链路312形成电压。这一DC链路电压在DC链路312的第一轨和第二轨可用。在操作期间，第一轨通常在第一电压，并且第二轨通常在第二电压。第一和第二电压中的任一电压可以是零。
在操作期间，由整流器206和/或逆变器电路208跨越DC链路312的第一和第二轨形成电压。一个或者多个电容器320可以跨越DC链路312与一个或者多个电阻器321并联连接以平滑跨越DC链路312的第一和第二轨的电压V。如图3中所示，DC链路312表现可以由电压互感器314测量的DC链路电压V和可以由电流互感器316测量的电流A。
逆变器电路208与整流器206并联连接并且操作为将DC电压V转换成在这一示例中驱动两个驱动电动机210(图3)的变频正弦或者非正弦AC功率。任何已知逆变器可以用于逆变器电路208的布置。在图4中所示示例中，逆变器电路208包括在晶体管对中布置并且被配置用于向每个驱动电动机210供应3相AC输出的绝缘栅双极晶体管(IGBT)324的三个相阵列。
逆变器电路208可以通过控制AC输出的频率和/或脉冲宽度来控制电动机210的速度。驱动电动机210可以直接连接到驱动轮108或者可以向最终驱动提供能量，这些最终驱动对驱动轮212提供能量。最终驱动如已知那样操作用于减少旋转速率并且增加在每个驱动电动机210与每组驱动轮212之间的扭矩。
在可替代的实施例中，不需要引擎202和交流发电机204来供应对于驱动电动机210进行驱动而必需的功率。而是这种可替代的实施例使用另一功率源、诸如电池或者与带电轨或者电缆的接触。在一些实施例中，一种驱动电动机210可以用来向机械的所有驱动轮提供能量，而在其它实施例中，任何数目的驱动轮可以用来向包括连接到机械的所有轮的任何数目的驱动轮提供能量。
现在回顾图3和图4的框图，当机械100在也称为电减速的电动制动模式中操作时，从交流发电机204向DC链路312供应更少功率。由于机械在某一非零速度行驶，所以由于机械100的动能所致的驱动轮108的旋转将向驱动电动机210供应功率。驱动电动机210在这一模式中通过产生AC电功率来作用为交流发电机。这一电功率的消耗或者处置将消耗功并且作用于对驱动轮108施加反旋转，使它们降低它们的旋转速度、因此对机械减速。
可以通过逆变器电路208将生成的AC电功率转换成DC电功率用于例如以热的形式最终消耗或者处置。在一个图示的实施例中，减速器布置213消耗在减速期间生成的这样的电功率。减速器布置213可以包括将操作在机械的减速期间的耗散电功率的任何适当布置。在图4中所示的示例实施例中，减速器布置213包括被布置为在固定速率耗散电功率的第一电阻器网214。减速器布置213也包括通过使用脉宽调制器(PWM)或者斩波器电路220在可选择地可变速率向其供应DC电流的第二电阻器网218。以这种方式，第二电阻器网218在可变速率耗散电能。
当机械100将在减速模式中操作时，第一电阻器网214连接在DC链路312的第一和第二轨之间，从而可以经过它传递电流。然而当推进机械100时，通过两个接触器或者双极自动开关(BAS)216将第一电阻器网214与DC链路312电隔离。每个BAS 216可以包括由致动机构闭合的成对电气触点，该致动机构例如是产生将电气触点吸引到闭合位置的磁力的螺线管(未示出)或者线圈。BAS 216可以包括可以允许这些项目在高电压环境中反复地操作的适当电气屏蔽和消火花的特征。
当机械100启动减速时，期望在相对短的时期内闭合两个BAS216，从而将第一电阻器网214放置于在第一和第二DC轨之间的电路中以迅速开始能量消耗。成对的BAS 216的同时致动或者在大约相同时间、诸如在数微秒内致动也可以有利地避免将第一电阻器网214和其它电路元件充电到在DC链路312的轨处呈现的电压。成对BAS 216也防止将每个BAS 216或者系统中的其它组件暴露于大电压差(跨越DC链路312的电压差)而持续延长的时段。二极管334可以与第一电阻器网214并联设置以减少跨越BAS 216的电弧，该BAS在推进操作模式期间也将第一电阻器网214与DC链路312电隔离。
当机械100减速时，通过第一电阻器网214可以产生大量的热。当这种能量转换成热时，必须从第一电阻器网214去除以避免过热状态。出于这一原因，由电动机336驱动的鼓风机338操作为对流地冷却第一电阻器网214。存在可用于生成用于驱动电动机336的功率的多个不同可替代方案。在这一实施例中，DC/AC逆变器340被布置为从跨越第一电阻器网214的一部分的经电压调节的位置汲取功率。DC/AC逆变器340可以在减速期间当向第一电阻器网214施加电压时有利地将来自DC链路312的DC功率转换成驱动电动机336的3相AC功率。
在图示的实施例中，BAS 216未被布置为调制经过第一电阻器网214耗散的能量数量。然而在减速期间，机械100可以具有不同能量耗散要求。这是因为，除其他事项之外，应当控制DC链路312中的电压V在预定范围内。为了满足这样的耗散要求，第二电阻器网218可以在通过斩波器电路220的动作在减速期间暴露于受控电流。斩波器电路220可以具有将允许向第二电阻器网218供应的电流的调制的任何适当配置。在这一实施例中，斩波器电路220包括晶体管342的布置，该晶体管342的布置可以当对其致动时根据期望的频率和/或持续时间调制传送至第二电阻器网218电流。这控制第二电阻器网218在减速期间耗散的能量数量。斩波器电路220还可以包括布置在DC链路312的第一和第二轨之间并且调节输入至斩波器电路220的电压的电容器344。切换式二极管346可以连接于第二电阻器网218与DC链路312之间以防范DC电路312中的短路状态并且提供可以例如在维修期间去激活DC链路的设备。
经过第二电阻器网218的电流通道也将生成热从而需要冷却第二电阻器网218。在这一实施例中，第一和第二电阻器网214和218可以均位于鼓风机机壳116内(也在图1A和图2中示出)用于当电动机336和鼓风机338使用时的对流冷却。
图4中所示用于驱动系统的实施例包括为了完整而讨论的其它组件。这些组件是可选的、但是这里被示出，因为它们促进驱动系统的平滑和高效操作。在这一示例实施例中，泄漏检测器348连接在两个电阻器321之间，与电容器359串联连接到DC链路312的第一和第二轨。泄漏检测器348检测从DC链路312的第一和第二轨中的任一轨到地面的任何电流泄漏。另外，在一个实施例中，第一电压指示器350可以跨越DC链路312的第一和第二轨连接于电阻器352之间。可以将第一电压指示器350设置于整流器206与减速器布置213之间，从而可以检测高电压状态。以相似方式，第二电压指示器354可以跨越DC链路312的第一和第二轨连接于电阻器356之间。可以将第二电压指示器354设置于连接到驱动电动机210和逆变器电路208的连接节点353之间以检测在例如其中DC链路312不连续的母线破裂期间出现的电压状态以便诊断逆变器电路208是否操作。
在图5中示出用于在电驱动机械的驱动系统中使用的电子控制器的框图。电子控制器可以是单个控制器或者可以包括多于一个的被设置用于控制机械的各种功能和/或特征的控制器。例如与用来控制引擎202的电动机或者引擎控制器相配合地实施的用来控制机械的整个操作和功能的主控制器。在这一实施例中，术语“控制器”意味着包括可以与机械100相关联并且可以在控制机械100(图1)的各种功能和操作时操作的一个、两个或者更多控制器。尽管仅出于图示的目的而在图5中在概念上示出包括各种分立功能的控制器的功能，但可以在硬件和/或软件中实施控制器的功能而不考虑所示的分立功能。因而，相对于图3的框图中所示驱动系统的组件而描述的控制器的各种接口。这样的接口并非旨在于限制连接的组件的类型和数目、也未限制描述的控制器的数目。
应当理解的是这里讨论的控制器是或者包括从计算机可读介质读取计算机可执行指令并且执行那些指令的计算设备、例如处理器。通过计算机而可读的媒质包括有形的或无形的媒质。前者的示例包括磁盘、光盘、闪存、RAM、ROM、带、卡等。后者的示例包括声信号、电信号、AM和FM波等。如在所附权利要求中使用的，除非在权利要求中以别的方式具体指出，则术语“计算机可读介质”仅表示通过计算机可读的有形的介质。
在图5中，可以是电子控制器的控制器500被设置用于接收在节点502提供的电压信号，该电压信号指示在DC链路312(图3)呈现的瞬时DC电压。例如电压互感器314测量这一个值。以相似方式，控制器500接收在第二节点504处提供的扭矩命令信号，该信号指示由机械的操作者命令的扭矩。扭矩命令信号可以由操作者移位的加速器踏板或者杠杆直接或者间接生成。在可替代的实施例中，扭矩命令信号可以由机械的相同或者另一控制器、例如速度调节器来生成。
在一个实施例中，机械100(图1A)可以包括测量每个驱动电动机的旋转速度的传感器。例如电动机210(图3)可以各自具有与电动机集成或者以别的方式与电动机相关联的速度传感器(未示出)。每个速度传感器可以被布置为测量每个电动机210的旋转速度并且经由在速度传感器与电子控制器500之间的适当连接使这样的信息可用于电子控制器500。因此，电子控制器500分别在第三和第四节点506和508接收第一和第二电动机速度信号。在一个实施例中，第一和第二电动机速度信号指示机械的两个电子驱动电动机中的每个电子驱动电动机的旋转速度。在具有少于或者多于两个驱动电动机的可替代实施例中，电子控制器可以被布置为接收用于系统的每个驱动电动机的相应驱动电动机速度信号。
电子控制器500还接收指示引擎的操作参数的信号。例如电子控制器在第五节点510接收引擎速度(RPM)，该RPM指示引擎的旋转速度。电子控制器500可以从引擎或者连接到引擎的单独控制器(未示出)接收其它信息。这样的其它引擎参数可以包括在第六节点512至引擎的注入极的实际燃料命令、在第七节点514在引擎的吸入歧管中的升压压力或者气压以及其它参数。
电子控制器500也可以接收指示与其它机械系统的操作或者与机械的操作环境有关的其它参数的信号。这样的信号包括在第八节点516的节流阀位置。节流阀位置信号可以是指示操作者的如下控件的位置以及位置改变速率的信号，该控件用来设置机械的加速状态。在第九节点518的齿轮位置携带指示机械的齿轮系统的状态的信号。这样的齿轮系统可以例如用来设置机械的行驶方向、调整在机械的一个或者多个驱动电动机与轮之间的扭矩、操作连接到机械的器具的电动机等。最后，电子控制器500可以接收指示机械的操作环境的其它输入，诸如在第十节点520的气压压力、在第十一节点522的环境温度等。
电子控制器500连接到机械并且操作为控制机械的各种组件和系统的操作。在一个实施例中，电子控制器500连接到操作驱动电动机210(图3)的逆变器电路208。电子控制器500被布置为例如通过在操作期间调整激励电压以控制在DC链路312的电压、通过经由第一输出节点524向交流发电机204发送适当功率生成控制命令信号来控制系统的功率生成。可以适当地限制和修正功率生成控制命令信号以表示直接串联电驱动系统可以在任何给定的稳态状态或者瞬态操作境况之下传递的最大允许增量或者一般为功率生成改变速率。下文描述了通过电子控制器500限制和修正生成控制命令信号的方法。
电子控制器500能够执行如下控制算法，这些控制算法通过运用各种补偿方案来提供功率生成输出的、例如在DC链路312(图3)的电压的闭环调节、该各种补偿方案诸如具有超前补偿的比例/积分(PI)控制、控制器增益参数的非线性增益调度以及其它被配置用于提供鲁棒和快速闭环响应的补偿方案。从广义观点来看，当命令机械的操作的改变时电子控制器500可以根据预测磁场的状态考虑交流发电机的状态，同样地电子控制器可以根据通过减少功率生成系统的响应的滞后以维持系统中的稳定性的方式基于负载改变指示能够前摄地实现系统的功率生成的改变来考虑交流发电机的操作状态。同时，当引擎经历瞬时状态改变时电子控制器也可以能够预测引擎的功率传送改变速率，并且电子控制器能够应对或者对如下操作状态作出反应，这些操作状态旨在将引擎置于速度不足状态下，例如，如当全负载的机械从完全停止开始上升陡的斜坡时将发生的在驱动系统中的负载增加突然发生的操作状态。
为了解决这样的状态，需要通过调整激励信号对交流发电机的功率的同时改变。如果未有效解决这样的状态，可能出现功率供应与驱动系统消耗的失配，这可能导致在操作期间DC链路的电压降或者DC链路的电流急剧增加。在本公开内容的实施例中，功率生成的前摄控制用来确保生成足够的功率以适应功率消耗的改变。可以取代或者附加于其它功率管理或者功率生成和消耗平衡方法来实施这样的功率生成的前摄控制。例如一种先前提出的控制设备和方法通过调整向驱动电动机命令的扭矩来实现对系统的功率消耗的改变。
在2010年3月18日公布为公开号US 2010-0066277 A1的，名称为“Load Demand and Power Generation Balancing in Direct SeriesElectric Drive System”的第12/210,896号共同未决美国专利申请中进一步具体描述了一种这样的先前提出的解决方案，并且通过完全引用将该专利申请的内容结合于此。在这一先前提出的解决方案中，系统的功率消耗、即向电动机命令的扭矩受功率生成系统的能力限制以改变它的输出。在本公开内容中，功率生成系统的前摄控制允许可以附加于或者取代负载消耗管理技术使用的功率生成系统的更快响应。在附加于功率消耗管理技术、诸如在前述申请中描述的功率消耗管理技术使用时，可以在各种操作状态之下最小化或者甚至避免扭矩命令的限制。下文相对于示例实施例描述电子控制器500的这些和其它功能。
图6呈现用于电子控制器600的一个实施例，该电子控制器图示为在电子控制器600中包括的各种功能算法的框图。电子控制器600包括如下子例程，这些子例程可以通过实施各种补偿方案、诸如具有超前补偿的闭环PI控制器、控制器增益参数的非线性增益调度和其它技术来响应于系统的负载消耗而向机械100(图1A)的功率生成系统施加预测控制。这里描述的技术提供鲁棒、快速和稳定的系统响应。
更具体而言，电子控制器600包括计算在期望的DC链路电压值Vdes 606与实际的DC链路电压值Vact 502(图5)之间的电压误差值Verr 604的求和结点602。期望电压值Vdes 606可以是基于各种参数、例如负载或者扭矩命令计算的值，或者可以是基于机械的操作状态而确定的值。
电压误差值Verr 604指示出为了满足系统的需求而在DC链路中需要的电压的改变。在图示的实施例中，通过适当地命令发电机的激励电压的改变来促进系统稳定性。交流发电机的激励电压的这样的改变被布置为提供DC链路中的所需的电压改变，而交流发电机的激励电压的改变仍然以最小化或者避免扭矩限制的方式保持在系统中的各种参数的可接受改变速率内。因而，对用于补偿系统中的惯性延迟的超前补偿器功能607提供了误差值Verr 604。下文相对于图7更详细地描述超前补偿器功能。向被配置为提供激励电压命令612的闭环控制器、例如比例/积分(PI)控制器610提供由超前补偿器功能607提供的补偿的误差值608。下文相对于图8更详细地描述PI控制器610。通过使用公开的配置，DC链路电压将响应于激励电压命令612的改变而改变，从而在操作期间最小化误差Verr604。
在图7中示出超前补偿功能607的一个实施例的框图。如图所示，超前补偿功能607接收电压误差Verr 604作为对乘法器结点702的输入。可以是恒定或可变参数的电压误差增益704与电压误差Verr604相乘以提供缩放的误差值706。完成以这一方式对误差值的缩放以确保在后续计算中使用误差的恰当的单位和量值。
缩放的误差值706一般可以视为交流发电机的输出电压必须被改变的程度。交流发电机或者DC链路电压通过与例如在激励绕组303(图3)向交流发电机提供的激励电压的量值的对应改变而被改变。以这种方式，可以将交流发电机对改变的激励电压的响应分析成为以激励电压为输入并且DC链路电压为输出的动态系统。如与任何动态系统一样，交流发电机输出对改变的激励电压输入的响应的合理的传递函数将在其绘制于复平面上时具有零点和极点。因此，通过理解系统的响应的稳定区域，不考虑输入波动滤波器可以用来确保稳定的系统响应。因此，除了提供其它功能之外，超前补偿功能还可以操作为滤波器。
更具体而言，向求和结点708提供缩放的误差值706。也向极坐标变换710提供缩放的误差值706，该极坐标变换的结果在乘法器714与零增益712相乘。在714的乘法的结果代表在结点708从缩放的误差值706减去的零补偿项716。在缩放的误差值706与零补偿项716之间的差值在718再次变换成极坐标并且在乘法器722与极增益720相乘。这一乘法的结果是极补偿项724。在以循环方式进行计算的电子控制器的一个实现方式中，极补偿项724对应于缩放的误差值706的紧接的先前值。
向积分器滤波器726提供求和结点708的结果，该结果代表基于系统极点和零点的补偿的误差值。积分器滤波器726提供补偿的误差值608(也在图6中示出)作为它的输出。如先前讨论的那样，向PI控制器610提供补偿的误差值608。在图8中示出了PI控制器610的一个可能实现方式的框图。
参照图8，虽然示出典型PI控制器610，但是可以使用其它控制算法。为了促进在宽操作状态范围内的系统稳定性，PI控制器610包括增益调度。PI控制器610的控制输入是补偿的误差值608，该补偿的误差值驱动激励电压命令612作为输出。以这一方式，确定补偿的误差值608的、实际和期望的DC链路电压Vdes 606和Vact502的改变直接确定激励电压命令612的改变，该激励电压命令的改变如先前描述的那样确定由交流发电机向DC链路提供的实际电压Vact 502。
如图所示，PI控制器610包括在基于补偿的误差值608与激励电压命令612之间的差值确定电压误差差值732的求和结点730。换而言之，PI控制器610是如下闭环控制器，该闭环控制器使用它的输出、激励电压命令612作为反馈。对比例项计算734以及对积分项计算736单独提供电压误差差值732。
比例项计算734包括将电压误差差值732与比例增益740基本相乘以提供比例项742的比例功能738。虽然比例增益740可以是常数，但是也可以根据增益调度动态确定它。可以使用任何适当的机械参数作为用于根据增益调度确定比例增益的基础，从而可以提高PI控制器610的响应时间和稳定性。在图示的实施例中，使用电压误差差值732作为向在所示实施例中为非线性函数的增益调度确定器的输入。例如对于电压误差差值732的大数值可以增加比例增益，而对于小数值可以减少比例增益，从而可以提高系统的时间响应。增益调度确定器可以操作为单维方程、查找表、基于模型的算法等等。
与比例项计算734相似，积分项计算736包括计算如下值的积分函数744，该值指示电压误差差值732的改变速率。通过积分增益746来缩放电压误差差值732的改变速率。提供缩放的积分值作为积分项748。虽然积分增益746可以是常数，其也可以根据增益调度而动态地确定。可以使用任何适当机械参数作为用于根据增益调度确定积分增益的基础，从而可以提高PI控制器610的响应时间和稳定性。在图示的实施例中，使用电压误差差值732作为增益调度确定器的输入。例如对于电压误差差值732的大数值可以减少积分增益，并且对于小数值可以增加积分增益，从而可以提高系统的时间响应。增益调度确定器可以操作为单维方程、查找表、基于模型的算法等。
在求和结点750将比例和积分项742和748相加以产生控制信号752。在过程函数754中转换控制器信号752以变成激励电压命令612。过程函数754可以包括用于将控制信号754适当地格式化成如下值的单位和其它转换，该值适合于命令激励电压的改变。例如过程函数754可以将由控制信号752提供的另外的连续的值转换成诸如形式为脉宽调制(PWM)信号的离散值。另外，过程函数754可以包括用于激励电压命令612的最大和最小值限定器，这些限定器被配置为将输出维持于可以固定或者可变的预定范围内。
工业实用性
从前文的讨论应当容易理解如这里描述的用于功率管理的方法和系统的工业实用性。本公开内容适用于许多机械和许多环境。与公开内容相适的一个示例机械是非公路卡车。在矿井、建造点和采石场中普遍使用示例非公路卡车。使用这些非公路卡车的实体经常承受来自未操作在峰值效率操作的非公路卡车的大量金钱损失。
非公路卡车、具体为适于使用电动、混合或者直接串联电驱动系统的非公路卡车受到突然负载改变，并且可能经常难以适应这样的负载改变。因此，一种可以提高速度和准确性的方法和系统可以显著地增加操作效率，其中利用该速度和准确性机械对可变功率需求做出响应。
另外，以上描述的方法和系统可以适应于大量多种机械和任务。例如其它类型的工业机械、比如诸如反铲装载机、夯土机、伐木归堆联合机、森林机械、工业装载机、滑移装载机、轮式装载机和许多其它机械可以从描述的方法和系统受益。
在一个可替代的实施例中，可以通过针对各种参数的动态倾斜速率限制器的添加来扩充交流发电机的功率输出的主动控制，这些限制器可以被定制为与驱动系统的组件、诸如电气电动机、交流发电机等的物理特性匹配。可以取代或者有利地附加于这里描述的主动控制器来使用下文描述的限制器和/或其它相似的限制器。因而，在图10中示出除了已经描述的功能之外还可以在电子控制器500(图5)内发现的功能的部分框图。
在图示的实施例中，电子控制器500包括用以动态地限制在操作期间各种参数的改变速率的附加功能。更具体而言，扭矩命令504在乘法器802与电动机速度、例如第一电动机速度506相乘。可替代地，可以使用第二或者任何其它电动机的速度。在一个实施例中，控制器可以使用机械上的所有驱动或者其它电动机的平均速度。向动态速率限制器806提供乘积804，该乘积代表基于一个或者多个电动机的当前速度的归一化扭矩命令。
动态速率限制器806可以是在操作期间控制或限制参数的改变速率的任何适当函数或者操作。例如限制器806可以是基于导数的计算、滤波器或者任何其它适当类型的函数，该函数避免参数信号中的超过预定最小或者最大量值的峰或者谷。在图示的实施例中，限制器806可以包括如下比较器，该比较器比较当前与先前值并且基于预定阈值界定该差值。
限制器806的输出808是一般指示功率的经速率调整的参数，该参数在除法器810与电动机速度506相除以产生修正的扭矩命令812。在操作期间，修正的扭矩命令812将跟踪扭矩命令504、但是将有利地避免扭矩命令504的值的如下的过量改变，这些改变可能造成在系统所命令的扭矩与系统的瞬时扭矩能力之间的失配。可以具有与功率等效的单位的、由电动机速度命令的扭矩的归一化可以帮助确保在操作期间速率限制与机械的功率状态协调。
相似配置用来控制其它参数的改变速率。在图示的实施例中，控制器500还被配置为动态限制DC链路电压参数502(图5)和驱动电动机的电功率的改变速率。因而，向控制器500提供电动机功率814并且可选地提供电动机效率816。电动机功率814可以是如下值，该值指示机械的驱动电动机在任何给定的时间共同地使用的功率。电动机效率816是如下参数，该参数指示可以基于已知系统响应以及基于环境状态、诸如环境温度计算的电驱动系统的操作效率。
电动机功率814与在除法器818与电动机效率816相除以产生提供至附加速率限制器函数822的校正的功率值820，该函数产生速率调整的功率值824。电动机效率816在乘法器826往回与速率调整的功率值824相乘以产生可以在控制器500中用于各种计算和操作的修正的电功率值828。修正的电功率值828指示电动机的用于在操作期间消耗或者以别的方式使用电功率的物理能力的实际估计，因为在一个方面中它考虑电气驱动系统的结构的各种机械方面、诸如惯性力矩、机械有效负载、行驶等级等。
也使用预计的DC链路电压502作为用于修改校正的功率值820的基础，因为驱动系统是驱动系统中的电功率的最大一贯消耗者。更具体而言，校正的功率值820在除法器830除以DC链路电压502以产生校正的DC链路电流值832。向产生速率调整的DC链路电流值836的又一动态速率限制器函数834提供校正的DC链路电流值832。DC链路电压502和电动机效率816在乘法器838往回与速率调整的DC链路电流值836相乘以产生修正的电功率840，该修正的电功率840然后可以在控制器500的各种计算和估计中使用。以这种方式，机械的操作可以变得更稳定，只要当需要DC链路的电压的改变时可以考虑交流发电机的操作的各种机械方面、诸如惯性、环境温度等。
一般而言，这里描述的系统和方法很好地适合于推进系统的如下应用，在这些应用中，施加的用于移动机械的扭矩基于操作者请求、诸如节流阀输入命令信号以及机械操作参数、诸如电动机扭矩比对速度的曲线。在这种类型的推进配置中，需要交流发电机功率输出的改变。这里描述的方法提供这样的改变，这些改变被布置用于与系统的功率要求匹配而又最小化先前用来使交流发电机的功率输出与机械的最大可行功率消耗匹配的命令信号的扭矩限制。以这种方式，在机械的某些操作状态，诸如上坡起步(其中功率改变可以很高)、等级改变(其中虽然功率可以保持恒定，但是驱动电压可以随着电动机速度改变))以及其它操作状态期间最小化负载与功率供应的失配。
因而，在图9中示出用于控制用于机械的混合推进系统的功率响应的方法的一个实施例的流程图。该方法被配置为通过减少在固有功率生成系统响应与负载消耗改变之间产生的差距来提高功率生成系统的响应。以削减负载消耗以与功率生成能力实时匹配为目标，该方法可以与先前提出的方法结合使用或者取代先前提出的方法。
更具体而言，该方法包括在902向电子控制器提供指示各种操作参数的信号。在902提供的操作参数可以包括各种机械和推进参数、诸如扭矩命令信号、在交流发电机的输出的实际电压等。电子控制器在904处理各种操作参数并且在906提供在交流发电机的输出的期望电压。在906确定的期望电压依赖于负载命令、引擎或者交流发电机的操作状态和/或其它参数。
在908将在906确定的所需电压与在交流发电机的输出的实际电压进行比较。在910对实际和所需电压是否匹配进行确定。当实际电压与所需电压基本上匹配时，该过程重复在902开始。当实际和所需电压未匹配时，该方法前进在912，其中确定为了达到所需电压而需要的实际电压改变程度。例如在图示的实施例中通过计算在期望的与实际电压值Vdes和Vact之间的差值(见图6)并且通过当差值为非零时执行后续操作来进行这一确定。
在914向超前补偿器提供在912确定的电压差。超前补偿器914可以可选地在916过滤电压差值信号和/或在918将信号积分预定时段，以及在920对相关机械系统的传递函数的极点和零点进行补偿。在922从超前补偿器提供补偿的电压差值。补偿的电压差值代表在系统的交流发电机的输出的期望电压改变的命令信号，并且在924将补偿的电压差提供给比例/积分(PI)控制器。PI控制器可以可选地包括在926的非线性增益调度和在928的传递函数。PI控制器提供电压命令信号930、诸如用于交流发电机的激励电压的电压改变命令。整个过程然后重复在902开始。在一个实施例中，在公开的方法的各种步骤中使用的各种参数可以是如先前描述的速率调整的或者以别的方式修正的参数。
将要理解的是，前文描述提供了公开的系统和技术的示例。然而应当设想公开内容的其它实现方式可以在细节上不同于前述示例。对公开内容或者其示例的所有引用旨在于引用在那一点讨论的具体示例，而并非旨在于更一般地暗示公开内容的范围的任何限制。关于某些特征的所有褒贬语言旨在于指示缺乏针对那些特征的偏好、但是除非另有明示则不能从公开内容的范围完全排除这样的特征。
这里的值范围的叙述除非这里另有明示则仅旨在于用作为个别地引用落入范围内的每个单独值的速记方法，并且将每个单独的值结合至说明书中如同这里个别地记载它。除非这里另有明示或者按照上下文另外清楚地有矛盾，则可以按照任何适当顺序执行这里描述的所有方法。
因而，本公开内容如适用法律允许的那样包括在所附权利要求中记载的主题内容的所有修改和等效物。另外，除非这里另有明示或者按照上下文另外清楚地有矛盾，则公开内容涵盖上文描述的要素在其所有可能变化中的任何组合。

Claims (10)

1.一种管理电驱动系统内的功率生成响应的方法，所述电驱动系统包括用于驱动至少部分由激励电压控制的电功率交流发电机(204)的燃料驱动的原动机(202)，所述电功率交流发电机(204)产生具有电压特性和电流特性的在DC链路(312)上可用的电功率，所述方法包括：
确定所述DC链路(312)的电压(502)；
确定所述电驱动系统的操作者的扭矩命令(504)；
基于所述扭矩命令(504)推导正被命令的机械功率；
基于所述推导的机械功率确定所述DC链路(312)的期望电压(606)；
通过使用闭环控制器(500)基于所述DC链路(312)的所述期望电压(606)而提供激励电压命令(612)信号，其中所述激励电压命令(612)信号基于所述DC链路(312)的所述电压(502)与所述DC链路(312)的所述期望电压(606)之间的差值而确定；以及
基于所述激励电压命令(612)信号向所述电功率交流发电机(204)施加实际激励电压。
2.根据权利要求1所述的管理电驱动系统内的功率生成响应的方法，其中确定所述DC链路(312)的所述期望电压包括从表取回数据。
3.根据权利要求1所述的管理电驱动系统内的功率生成响应的方法，其中所述闭环控制器(500)是比例/积分(PI)控制器(610)。
4.根据权利要求3所述的管理电驱动系统内的功率生成响应的方法，还包括基于所述DC链路(312)的所述期望电压(732)调度比例增益(540)和积分增益(746)中的至少一个。
5.根据权利要求1所述的管理电驱动系统内的功率生成响应的方法，还包括通过使用至少一个动态速率限制器函数(834)确定用于所述扭矩命令(504)、所述DC链路(312)的所述电压(502)和所述机械功率中的至少一项的修正的参数。
6.根据权利要求5所述的管理电驱动系统内的功率生成响应的方法，还包括根据传递函数的极点(734)和零点(736)中的至少一项补偿差值以提供所补偿的差值，所述传递函数代表所述交流发电机(204)的时间响应。
7.根据权利要求6所述的管理电驱动系统内的功率生成响应的方法，其中所述闭环控制器(500)是比例/积分控制器(610)。
8.根据权利要求7所述的管理电驱动系统内的功率生成响应的方法，其中向提供所述激励电压命令(612)信号的所述比例/积分控制器(610)提供所补偿的差值。
9.根据权利要求1所述的管理电驱动系统内的功率生成响应的方法，其中在机械(100)上使用所述方法。
10.根据权利要求1所述的管理电驱动系统内的功率生成响应的方法，其中在与机械(100)相关联的控制器(500)中实施所述方法，所述控制器(500)包括计算机可读介质，所述计算机可读介质上具有用于管理电驱动系统内的功率生成响应的计算机可执行指令，所述电驱动系统包括用于驱动至少部分由激励电压控制的电功率交流发电机(204)的燃料驱动的原动机(202)，所述电功率交流发电机(204)产生具有电压特性和电流特性的在DC链路(312)上可用的电功率，控制器(500)包括在所述计算机可读介质上的所述计算机可执行指令。
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