CN104272578B

CN104272578B - 用于控制多相电磁机的方法和系统

Info

Publication number: CN104272578B
Application number: CN201380023649.9A
Authority: CN
Inventors: C·D·加德达
Original assignee: Etagen Inc
Current assignee: Manspring Energy Co.,Ltd.
Priority date: 2012-04-02
Filing date: 2013-04-01
Publication date: 2018-02-16
Anticipated expiration: 2033-04-01
Also published as: PT2823561T; EP2823561A2; US20130257336A1; WO2013151941A2; EP2823561B1; WO2013151941A3; US8344669B1; US8624542B2; DK2823561T3; CN104272578A

Abstract

可以通过控制多相电磁机的一个或多个相中的电流来控制所述多相电磁机。可以使用控制系统来确定向每个相递送多少电流或从每个相提取多少电流。控制系统可以使用服从于一个或多个约束的目标函数来确定电流。控制系统可以使用位置信息来确定目标函数、约束或者这两者。

Description

用于控制多相电磁机的方法和系统

技术领域

本公开涉及多相电磁机的控制方面。

背景技术

诸如电动机和发电机的电磁机例如可以包括定子和被配置为相对于定子运动的平移器(translator)。电磁机可以包括被配置为提供定子和平移器之间的功相互作用的一个或多个相。典型的例子包括装置中所包含的单相旋转感应电动机和用作电动机(motor)/发电机(generator)发电设备(gen-sets)的三相同步电动机。

发明内容

一种用于控制多相电磁机的可由控制系统实现的技术，可以包括确定多相电磁机的平移器和定子之间的所期望的电磁力。平移器可以被配置为相对于定子平移。定子可以包括形成多个相的多个绕组。该技术还可以包括至少部分地基于所期望的电磁力并且至少部分地基于至少一个目标函数和至少一个约束来确定施加到至少一个相的一组电流值。

一种用于控制多相电磁机的可由控制系统实现的技术，可以包括使用传感器确定平移器相对于定子的位置信息。该技术可以包括至少部分地基于位置信息来确定电磁机的平移器和定子之间的所期望的电磁力。该技术可以包括选择至少一个目标函数、选择至少一个约束、以及至少部分地基于所述至少一个目标函数和所述至少一个约束来确定一组电流值。

附图说明

在考虑了下面结合附图的详细说明后，本公开的上述和其他特征、其性质和各种优点将变得更加明晰，其中：

图1示出了根据本公开的一些实施例的说明性的线性电磁机(LEM)的截面图；

图2示出了根据本公开的一些实施例的说明性的旋转电磁机的截面图；

图3示出了根据本公开的一些实施例的具有铁芯、绕组和永磁体的说明性LEM的局部截面图；

图4示出了根据本公开的一些实施例的说明性LEM的截面图；

图5是根据本公开的一些实施例的用于控制电磁机的说明性控制系统的框图；

图6是根据本公开的一些实施例的对应于电磁机和电力子系统的说明性的等效电路的示意图；

图7是根据本公开的一些实施例的对应于具有虚拟相(virtual phase)的电磁机和电力子系统的说明性等效电路的示意图；

图8示出了根据本公开的一些实施例的用于线性电磁机的说明性的电流调度；

图9示出了根据本公开的一些实施例的速度曲线和三个说明性的期望的力曲线；

图10是根据本公开的一些实施例的用于确定力常数值的说明性步骤的流程图；

图11是根据本公开的一些实施例的用于确定电流值的说明性步骤的流程图；

图12是根据本公开的一些实施例的用于当相是不期望或不可用的时确定电流值的说明性步骤的流程图；

图13是根据本公开的一些实施例的用于基于代价函数和一个或多个约束来确定一组电流值的说明性步骤的流程图；

图14是根据本公开的一些实施例的用于选择目标函数的说明性步骤的流程图；

图15是根据本公开的一些实施例的用于选择约束的说明性步骤的流程图；

图16是根据本公开的一些实施例的用于基于目标函数和一个或多个约束来确定一组新的电流值的说明性步骤的流程图；

图17是根据本公开的一些实施例的用于控制多相电磁机的说明性模块的框图；和

图18是根据本公开的一些实施例的包括说明性的多相电磁机的说明性活塞引擎的截面图。

具体实施方式

本公开针对多相电磁机的控制方面。可以理解，本公开可以应用于任何合适的旋转或线性多相电磁机。

[多相电磁机]

电磁机可以包括定子和平移单元(例如平移器或转子)，被配置为使它们的相对运动和电磁活动联系起来。平移单元相对于定子的移动可以由电磁活动驱动(例如在电动机中)，或者可以用于生成电磁活动(例如在发电机中)。给定的电磁机可以能够作为电动机、作为发电机或作为两者来操作，这取决于环境和所期望的功用。

图1示出了根据本公开的一些实施例的说明性线性电磁机(LEM)100的截面图。LEM100包括定子110和平移器120，平移器120被配置为相对于定子110运动(即平移)，如图1中的双尖移动箭头所示。LEM 100可以包括感应LEM、永磁体LEM(例如同步LEM)、开关磁阻LEM、任何其他合适类型的LEM、或它们的任何组合。定子110包括N个相，其中每个相可以包括用于生成磁场的导电绕组。在一些实施例中，控制系统(图1中未示出)可以用于提供电流i₁-i_N给每个相的绕组(例如，使用合适的电力子系统)，如图1所示，以生成可控制的磁场，该可控制的磁场可以与平移器120相互作用(例如，相对于定子110平移该平移器120)。在一些实施例中，控制系统可以用于在平移器120被相对于定子110平移以在定子110的一个或多相中生成电动势(emf)时，从每个相的绕组提取电流i₁-i_N(即，作为电功)，如图1所示。平移器120可以包括一个或多个永磁体(例如，用于永磁体LEM)、一个或多个导电结构(例如，用于感应LEM)、绕组、任何其他合适的组件、或它们的任何组合。平移器120可以耦合到连接机构(linkage)(诸如连接机构122)，以传送功到另一组件(未示出)。例如，连接机构122可以包括活塞杆或其他连接机构以提供机械功(例如，用于压缩机、风扇、引擎、或任何其他合适的机器)。虽然定子在图1的上下文中被描述为包括绕组，但是在一些实施例中，定子可以包括永磁体或其他组件(例如，用于与感应机一起使用的导电组装件)，并且平移器可以包括对应于多个相的多个绕组。本公开可以被实现用于具有四个或更多个相的定子和平移器的任何合适的布置。在一些实施例中，这四个或更多个相可以包括能够在定子和平移器之间生成电动势的四个相。在一些实施例中，这四个或更多个相可以包括能够在定子和平移器之间生成电动势的三个相、以及一个或多个虚拟相，所述一个或多个虚拟相可以承载电流，但在任何相对位置处都不被配置为在定子和平移器之间生成任何明显的(substantial)电动势。

在一些实施例中，传感器124可以耦合到LEM 100，集成为LEM100的一部分，或者以其他方式与LEM 100通信。传感器124可以被配置为感测平移器120相对于定子110或固定参照系的位置信息。例如，传感器124可以包括线性编码器(linear encoder)，诸如光编码器、磁编码器、感应编码器、电容编码器、基于图像的编码器、任何其他合适的编码器、或它们的任何组合。在另一个例子中，传感器124可以包括加接到平移器120、连接机构122或两者的加速计。位置信息可以包括例如绝对或相对位置、线速度、线加速度、角度、角速度、角加速度、任何其他合适的绝对或相对的位置信息，或者它们的任何组合。在一些实施例中，取决于平移器120的位置信息，LEM 100的N个相中的一个或多个相可以不必定表现出与平移器120明显的电磁相互作用。相应地，控制系统可以基于位置信息来控制LEM 100的N个相中的一个或多个相中的电流，该电流可以为正或负的(即，可在任一方向流动)。将会理解，虽然在这里将讨论定子为固定的，但是定子可以相对于固定的惯性参照系运动，并且主要感兴趣的是定子和对应的平移器之间的相对移动。

图2示出了根据本公开的一些实施例的说明性的旋转电磁机(REM)200的截面图。REM 200包括定子210和转子220，转子220被配置为相对于定子210运动(即旋转)，如图1中的双尖移动箭头所示。REM 200可以包括感应REM、永磁体REM(例如，同步REM)、开关磁阻REM、任何其他合适类型的REM，或者它们的任何组合。定子210包括N个相，其中每个相可以包括用于生成磁场的导电绕组。在一些实施例中，控制系统(图2中未示出)可以用于提供电流i₁-i_N给每个相的绕组(例如，使用合适的电力子系统)，如图2所示，以生成可控制的磁场，该可控制的磁场可以与平移器220相互作用(例如，相对于定子210旋转转子220)。在一些实施例中，控制系统可以用于在转子220相对于定子210平移以在定子210的一个或多个相中生成电动势(emf)时，从每个相的绕组提取电流i₁-i_N(即，作为电功)，如图2所示。转子220可以包括一个或多个永磁体(例如，用于永磁体LEM)、一个或多个导电结构(例如，用于感应LEM)、绕组、任何其他合适的组件，或者它们的任何组合。转子220可以耦合到连接机构(诸如连接机构222)，以传送功到另一组件(未示出)。例如，连接机构222可以包括可旋转的轴或其他连接机构来提供机械功(例如，用于压缩机、风扇、引擎、或任何其他合适的机器)。

在一些实施例中，传感器124可以耦合到REM 200，集成为REM200的一部分，或者以其他方式与REM 200通信。传感器224可以被配置为感测转子220相对于定子210或固定参照系的位置信息。例如，传感器224可以包括旋转编码器，诸如光编码器、磁编码器、感应编码器、电容编码器、基于图像的编码器、任何其他合适的编码器，或者它们的任何组合。在另一个例子中，传感器224可以包括加接到转子220、连接机构222或两者的加速计。位置信息可以包括例如绝对或相对位置、线速度、线加速度、角度、角速度(例如或者角频率(诸如rpm))、角加速度、任何其他合适的绝对或相对的位置信息，或者它们的任何组合。控制系统可以基于位置信息来控制REM 200的N个相中的一个或多个相中的电流，该电流可以为正或负的(即，可在任一方向流动)。

图3示出了根据本公开的一些实施例的具有铁芯、绕组和永磁体(在第一位置处)的说明性LEM 300的局部截面图。LEM 300具有中心轴线350，平移器360可以被配置为沿着中心轴线350运动。尽管LEM被示出为基本是圆柱形，但是LEM可以是平的(即，在平行平面中层叠)，具有任何其他二维或三维的布置或者它们的任何组合。LEM 300可以包括具有至少相310、320和330的定子302。相310可以包括铁芯312、314和316，它们以轴线350为中心并环绕轴线350在圆周上延伸。相320可以包括铁芯322、324和326，它们以轴线350为中心并环绕轴线350在圆周上延伸。相330可以包括铁芯332、334和336，它们以轴线350为中心并环绕轴线350在圆周上延伸。铁芯312轴向地(axially)定位在绕组311和313之间。铁芯314轴向地定位在绕组313和315之间。铁芯316轴向地定位在绕组315和317之间。铁芯322轴向地定位在绕组317和319之间。铁芯324轴向地定位在绕组319和321之间。铁芯326轴向地定位在绕组321和323之间。铁芯332轴向地定位在绕组323和325之间。铁芯334轴向地定位在绕组325和327之间。铁芯336轴向地定位在绕组27和329之间。绕组311、313、315、317、319、321、323、325、327和329(即，连同将被称为“定子302的绕组”的定子302的任何其他合适的绕组)中的每一个可以包括一组或多组的导电材料(例如绝缘金属线)的绕组，它们可以以绕轴线350的任何合适的取向(例如绕轴线350顺时针或逆时针)而串行连接(wired)、并行连接、或独立连接。定子302的铁芯和绕组可以用于生成磁场，使得在平移器360上产生净电磁力。净电磁力可以取向在基本平行于轴线350的方向上。相应地，关于REM(图3中未示出)，定子的铁芯和绕组可用于生成磁场，使得在平移器上产生绕中心轴线的净扭矩。尽管在图3中未示出，但是根据本公开可以理解，定子并不需要包括绕组。例如，在一些实施例中，定子可以包括多个永磁体，对应的平移器可以包括对应于四个或更多个相的绕组。在另一个例子中，在一些实施例中，定子可以包括多个永磁体，对应的平移器可以包括对应于三个或更多个相的绕组，并且对应的控制系统可以实现一个或多个虚拟相。

如图3所示，平移器360包括轴向(相对于轴线350)布置的多个永磁体的Hallbach排列，其中平移器360内的箭头说明性地表示磁体的极性(例如，每个箭头的尾部对应于南磁极，每个箭头的尖部对应于北磁极)。将会理解，图3的Hallbach排列是说明性的例子，平移器或转子可以包括任何合适布置的永磁体，或者可以不包括永磁体(例如，感应电磁机)。当平移器360沿着轴线350相对于定子302运动时，可以向一个或多个相310、320、330的绕组提供电流或从其提取电流。图4示出了根据本公开的一些实施例的图3所示的说明性LEM300的截面图，其中平移器360在相对于定子302的第二位置处。在一些实施例中，取决于平移器360相对于定子302的位置信息，定子302的仅一些相需要具有明显非零的电流流动。在一些实施例中，取决于平移器360相对于定子302的位置信息，定子302的一个或多个相可以具有相对较小的电流流动。

图4示出了根据本公开的一些实施例的说明性LEM 400的截面图。如图4所示，LEM400包括具有相420、422、424、426、428、430、432、434、436、438、440、442、444、446和448的定子450(即，说明性LEM 400是十五相电磁机)。如图4所示，刚性耦合到杆462的平移器460能够基本在图4所示的双尖箭头的方向上运动。例如，平移器460位于位置x₁并运动到位置x₂，如虚线所示。在位置x₁处，可以预期平移器460具有与相428、430和432的明显的电磁相互作用，与相426相对较弱的电磁相互作用，以及与其他相的相对更弱的电磁相互作用。在平移器460相对于定子450运动时，平移器460和每个相之间预期的电磁相互作用可以改变。在一些实施例中，每个相所承载的电流可以被限制在总和为零。在一些这样的实施例中，来自与平移器460具有最强的电磁相互作用的相的任何非零电流和可以分布到与平移器460不具有明显的电磁相互作用的相。

[控制系统]

控制系统可以用于基于所期望的性能来控制电磁机的移动、力、功、任何其他方面，或它们的任何组合。当电磁机的相的数目增加时，例如增加到多于三个的相，协调每个相中的电流可以变得具有挑战性。因此，可以期望用于控制多相电磁机的技术来减小系统损耗，提高系统效率，并减轻系统失效。

在一些实施例中，控制系统可以接收来自一个或多个传感器、用户输入、参考数据库、任何其他来源、或它们的任何组合的信息，并确定对应的控制响应。例如，控制系统可以接收与电磁机的平移器和定子有关的位置信息、连同来自数据库的期望的力的信息，并确定用于电磁机的一个或多个绕组相的电流值。在一些实施例中，控制系统可以控制多相电磁机的每个相中的电流。在一些实施例中，控制系统可以基于位置信息、通量信息、任何其他合适的信息、或它们的任何组合来控制每个相中的电流。控制系统可以控制每个相中电流的大小、每个相中电流流动的方向、或者以上量者。

图5是根据本公开的一些实施例的用于控制多相电磁机550的说明性控制系统500的框图。多相电磁机550可以包括对应于多个相的多个绕组。例如，多相电磁机可以包括具有十个相的定子，这十个相可以与平移器电磁地相互作用(例如，以施加力到平移器、从平移器的相对移动生成电流、或者以上两者)。每个绕组中的电流流动可以通过控制系统500控制，并且可以使用电力子系统512来提供/接收。

控制系统500可以包括处理装备502、存储器504、一个或多个通信接口506、一个或多个用户接口508、传感器接口510、电力子系统512、未示出的任何其他合适的组件或模块，或者它们的任何组合。控制系统500可以至少部分地实现在一个或多个计算机、终端、控制台、手持式设备、模块、任何其他合适的接口设备，或者它们的任何组合。在一些实施例中，控制系统500的组件可以通过通信总线514通信地耦合，如图5所示。

处理装备502可以包括处理器(例如，中央处理单元)、高速缓冲存储器、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、任何其他合适的组件，或者它们的可以处理关于多相电磁机550的信息的任何组合。存储器504可以包括任何合适的易失性存储器或非易失性存储器，它们可以包括例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪速存储器、硬盘、任何其他合适的存储器，或者它们的任何组合。存储在存储器504中的信息可由处理装备502经由通信总线514来访问。例如，存储在存储器504中的计算机可读程序指令(例如，用于实现此处所公开的技术的)可以由处理装备502访问和执行。在一些实施例中，存储器504可以包括用于存储计算机可执行指令的非暂态计算机可读介质，所述指令使得处理装备502(例如，合适的计算系统的处理装备)执行用于控制多相电磁机的方法。例如，存储器504可以包括用于实现在此描述的任何控制技术的计算机可执行指令。

通信接口506可以包括用于与控制系统500外部的一个或多个系统通信的有线连接(例如，使用IEEE802.3以太网或通用串行总线接口协议)、无线耦合(例如，使用IEEE802.11“Wi-Fi”或蓝牙协议)、光耦合、感应耦合、任何其他合适的耦合，或者它们的任何组合。例如，通信接口506可以包括被配置为接受闪速存储器驱动器的USB端口。在另一个例子中，通信接口506可以包括被配置为允许与一个或多个设备、网络或以上两者通信的以太网端口。

用户接口508可以包括用于与一个或多个用户接口设备516通信的有线连接(例如，使用IEEE802.3以太网、或通用串行总线接口、尖-环-密封(tip-ring-seal)RCA型连接)、无线耦合(例如，使用IEEE802.11“Wi-Fi”、红外、或蓝牙)、光耦合、感应耦合、任何其他合适的耦合，或者它们的任何组合。用户接口设备516可以包括显示器、键盘、鼠标、音频设备、任何其他合适的用户接口设备，或者它们的任何组合。例如，显示器可以包括显示屏，诸如例如阴极射线管屏、液晶显示屏、发光二极管显示屏、等离子显示屏、可以向用户提供图形、文本、图像或其他可视特征的任何其他合适的显示屏，或者它们的屏幕的任何组合。进一步地，显示器可以包括触摸屏，其可以通过例如在显示屏上提供一个或多个软命令来提供与用户的触觉交互。在另一个例子中，用户接口设备516可以包括键盘，诸如QWERTY键盘、数字键盘、硬命令按钮的任何其他合适的集合，或者它们的任何组合。在另一个例子中，用户接口设备516可以包括鼠标或者可以控制显示在显示屏上的图形用户界面上的光标或图标的任何其他合适的指点设备。在另一个例子中，用户接口设备516可以包括音频设备，诸如麦克风、扬声器、耳机、用于提供和/或接收音频信号的任何其他合适的设备，或者它们的任何组合。

传感器接口510可以包括用于将电力提供给传感器530的电源、信号调节器、信号预处理器、任何其他合适的组件，或者它们的任何组合。例如，传感器接口510可以包括一个或多个滤波器(例如，模拟和/或数字的)、放大器、采样器、用于调节和预处理来自传感器530的信号的模数转换器。传感器接口510可以经由通信耦合532与传感器530通信，通信耦合532可以是有线连接(例如，使用IEEE802.3以太网或通用串行总线接口)、无线耦合(例如，使用IEEE802.11“Wi-Fi”或蓝牙)、光耦合、感应耦合、任何其他合适的耦合，或者它们的任何组合。

传感器530可以包括任何合适类型的传感器，其可以被配置为感测多相电磁机550的任何合适的属性或方面。在一些实施例中，传感器530可以包括线性编码器、旋转编码器或以上两者，它们被配置为感测多相电磁机550的平移器和定子之间的相对位置。在一些实施例中，传感器530可以包括被配置为感测平移器相对于多相电磁机550的固定的定子的加速度的加速计。在一些实施例中，传感器530可以包括被配置为捕捉平移器相对于多相电磁机550的定子的图像(例如延时成像)的相机。在一些实施例中，传感器530可以包括一个或多个电流和/或电压传感器(例如，耦合到多相电磁机550的相的安培计和/或伏特计)，它们被配置为感测电压、电流、功输出和/或输入(例如电流乘以电压)、多相电磁机550任何其他合适的电属性，或者它们的任何组合。在一些实施例中，传感器530可以包括一个或多个温度传感器，诸如例如热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD)、用于检测温度的任何其他合适的传感器，或者它们的任何组合。例如，传感器530可以包括热电偶，该热电偶被布置为测量永磁体、绕组、电力子系统组件(诸如晶体管)、或多相电磁机的可测量其温度信息的任何其他组件的温度。

电力子系统512可以包括控制电路系统、电力电子设备、电负载(例如，用于耗散)、接地、端子板、用于供电的电总线线路、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、机械继电器、功率二极管、晶闸管、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、任何其他合适的晶体管、开关、脉宽调制控制器、数模控制器、任何其他合适的电子组件、任何其他合适的控制器，或者它们的任何组合。电力子系统512可以经由通信总线514从处理装备502接收关于多相电磁机550的控制信号。例如，电力子系统512可以包括经由电力耦合552而耦合到多相电磁机550的多个相中对应的相的多个IGBT。IGBT可以耦合到高、低总线电压线路和相的绕组，相的绕组可以耦合到中性线。在一些实施例中，电力耦合552可以包括一根或多根电缆。例如，多相电磁机550的每个相可以经由双线电缆(two-conductor cable)而耦合到电力子系统512对应的端子。在一些实施例中，电力子系统可以包括虚拟相，虚拟相可以容纳电流流动，但是不对应于多相电磁机550的任何相。

图6是根据本公开的一些实施例的对应于多相电磁机和电力子系统的说明性等效电路600的示意图。如图6所示，多相电磁机中的每个相和控制系统经由双线(例如，一个耦合到低压总线线路604一个耦合到对应的IGBT)耦合。图6示出了多个相(即N个相)610、620和630，其中每个都可以由合适的控制系统(例如，图5的控制系统500)分别控制。相610、620和630可以分别使用IGBT612和614、IGBT622和624、以及IGBT632和634来控制。在一些实施例中，IGBT612和614、IGBT622和624、以及IGTB632和634可以耦合到可提供信号给IGBT的处理装备502的控制电路系统、电力子系统512的电路系统、或以上两者。系统650包括多相电磁机和到控制系统的对应的耦合。每个相可以包括由定子和平移器产生的电动势。每个相还可以包括电阻性负载(例如，导线和连接器电阻)、电感性负载(例如，来自每个相的绕组中的电流流动)、或以上两者，如图6所示。在一些实施例中，控制系统还可以包括电阻性负载、电感性负载、或以上两者，这些可以与电磁机和耦合的负载配合。

如图6所示，每个相可以操作在电压总线线路(例如，高压总线线路602和低压总线线路606)、中性点(例如，中性点604)、或两者之间。在一些实施例中，高压总线线路602可以相比低压总线线路606以相对较高的电压操作。例如，高压总线线路602可以以大约720VDC操作，低压总线线路606可以以大约0VDC操作。在另一个例子中，高压总线线路602和低压总线线路606可以关于0VDC对称(例如，分别为360 VDC和-360VDC)。电压总线线路可以具有任何合适的相对电压差，并且可以相对于任何合适的参考电位被定义。在一个说明性的例子中，控制系统可以提供信号到IGBT 612，允许电流从高压总线线路602流动至中性点604。在另一个说明性的例子中，控制系统可以提供信号到IGBT 614，允许电流从中性点604流动到低压总线线路606。在一些实施例中，控制系统可以提供脉宽调制信号到IGBT 612、614、622、624、632和634，以控制有效电压差并且在每个相应的相中产生电流流动。将会理解，控制系统的电力子系统可以包括一个或多个IGBT(如图6所示)、一个或多个机械继电器、一个或多个功率二极管、一个或多个晶闸管、一个或多个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、任何其他合适的晶体管、用于切换电力的任何其他合适的组件，或者它们的任何组合。如本文所提及的，从高压总线线路602到低压总线线路606的电流流动将为正，从低压总线线路606到中性点604的电流流动将为负。取决于多相电磁机的平移器和定子的相对位置，可以允许电流在一个或多个相中流动。在一些实施例中，中性点606可以接地。在一些实施例中，中性点可以以Y型构造连接。根据本公开，可以使用允许通过多相电磁机的每个相的独立的电流控制的任何合适的电气布置。在一些实施例中，有效电容可以包括在高压、低压总线线路602和606之间，如由电容器608说明性地示出的。

图7是根据本公开的一些实施例的对应于具有虚拟相的多相电磁机和电力子系统的说明性等效电路700的示意图。等效电路700包括等效电路600的元件，并添加有虚拟相640，虚拟相640并不对应于多相电磁机的相。虚拟相电耦合到中性点604，但与多相电磁机不具有电磁相互作用(例如，虚拟相的力常数基本为零)。在一些实施例中，电磁机N个相中的电流之和可以总计为零。在一些实施例中，电磁机N个相中的电流之和不必总计为零。在一些这样的实施例中，使用诸如虚拟相640的虚拟相可以提供用于提供给多相电磁机或由多相电磁机产生的非零电流的路径。控制系统可以包括IGBT 642和644，它们可以用来控制通过虚拟相640的电流。虚拟相640可以包括电感器646、由电阻器648所示的有效电阻、任何其他合适的阻抗、任何其他合适的电子组件，或者它们的任何组合。虚拟相640的有效电阻与其他相相比相对地小是有利的，并且通常应当尽可能地小。应当选择电感器646的电感以允许虚拟相640中的电流的可控制的操作，并且优选地电感器646应当具有低电阻。虚拟相640可以被用来提供高效的电流路径，其允许其他“真实”相(即电动机/发电机相)中的电流之和不必定限制为零。这种布置可以允许以虚拟相中相对低的损耗获得改进的控制灵活性。例如，如果特定的相已经被禁用或受到损害，虚拟相640可以承载显著的电流并允许多相电磁机的灵活操作。虚拟相640可能在具有相对较小的相计数的布置中特别有用，对于具有相对较小的相计数的布置，在不具有明显的电磁相互作用的相之间分配电流是相对不太有效的。例如，如果多相电磁机具有高的相计数，则电流可以分布在许多远离平移器的相中，这对系统效率的影响相对低(例如，由于i²R欧姆损耗)。

在一些实施例中，虚拟相可以由控制系统直接控制。虚拟相的直接控制可以通过具有控制组件的控制系统实现，控制组件被包括为虚拟相的一部分(例如，如图7所示)。例如，控制系统可以通过将PWM信号施加到一个或多个IGBT而直接控制虚拟相中的电流，如图7所示。在一些实施例中，可以间接控制虚拟相。虚拟相的间接控制可以通过将中性点连接到基本固定的电位来实现。例如，能够生成电动势的多个相(即电动机/发电机相)可以连接在具有中性点的Y型布置中，并且中性点可以接地。在另一个例子中，能够生成电动势的多个相(即电动机/发电机相)可以连接具有中性点的Y型布置中，并且中性点可以连接到等于总线线路电压的平均值的基本固定的电位。虚拟相中的电流则可以基于电动机/发电机相所承载的受控电流之和被确定。在一些实施例中，固定电位可以是高压总线线路和低压总线线路的平均电位(例如，当使用隔离的DC总线时)。在一些实施例中，固定电位可以为偏置电位，在数值上相对更靠近于高压总线线路或低压总线线路。在一些实施例中，控制系统可以通过包括直接或间接受控制的虚拟相而实现基本为零的扭矩/力波动(force ripple)。例如，如果电动机/发电机相被损坏或以其他方式被禁用，则控制系统可以通过实现虚拟相而实现基本为零的扭矩/力波动。相应地，通过使用虚拟相，具有三个或更多个电动机/发电机相的电磁机可被控制来以基本为零的扭矩/力波动操作，即使具有被禁用的相。

[控制技术]

在一些实施例中，电磁机每个相中的电流可以被设置为预定义的值、被限制、或以其他方式受控以提供所期望的力、所期望的位置、或以上两者。在一些实施例中，可以控制平移器和对应的定子的相对位置和移动。在一些实施例中，可以控制平移器和对应的定子所产生的力。在一些实施例中，可以控制一个或多个绕组相中的电流。例如，电磁机可以被集成到活塞引擎中，并且功相互作用(例如，电功输出)可以基于期望的性能而受控制。取决于期望的性能，可以由控制系统应用一个或多个控制策略，诸如例如使用特定电流约束来约束电流值。

图8示出了根据本公开的一些实施例的用于LEM的说明性电流调度。曲线图800、810、820和830的横坐标以平移位置的任意单位示出。曲线图800、810、820和830的纵坐标以电流的任意单位示出。曲线图800、810、820示出了分别对应于多相电磁机的第一、第二和第三相的对应的电流调度802、812和822。如图所示，图8中的电流调度可对应于相对于定子从左向右运动的平移器。将会理解，图8所示的电流调度可以用与定子相比具有较短的轴向长度的平移器的多相电磁机实现，其他电流调度可以用于其他布置。曲线图800示出了对应于第一相的电流调度802。在曲线图800中从左到右的方向上，电流调度802开始于0，表现出几个周期的振荡行为，接着平线(flat-line)为零。为零的第一部分指示平移器具有在第一相左侧的相对位置，在这种情况下，平移器和第一相之间的电磁相互作用可以是最小的。随着平移器向右运动，平移器和第一相之间的电磁相互作用增加。电流调度802的振荡特性可以是由于交替平移器的北极和南极。电流调度802的最右边的平线部分可以是由于平移器具有在第一相右侧的相对位置，在这种情况下，平移器和第一相之间的电磁相互作用可以是不显著的。曲线图810示出了对应于第一相右侧的第二相的电流调度812。相应地，电流调度812类似于电流调度802，尽管向右移位以对应于第二相相对于第一相的位置。曲线图820示出了对应于第二相右侧的第三相的电流调度822。相应地，电流调度822类似于电流调度802和812，尽管向右移位以对应于第三相相对于第二相的位置。曲线图830示出了对应于第三相右侧的第四相的电流调度832。相应地，电流调度832类似于电流调度802、812和822，尽管向右移位以对应于第四相相对于第三相的位置。如图8所示，每个相仅当平移器定位于靠近相时(即，与相电磁地相互作用)可以被利用(例如，允许非零电流流动)。仍如图8所示，随着平移器接近和离开相的附近，每个相中电流的幅度可以斜坡向上和向下。为了比较，正弦电流调度可以与典型的三相旋转电磁机一起使用，而不是图8中所示的斜坡和平线的电流调度被使用。应当理解，此处所使用的“左”和“右”一词仅用于示例性的参考，并不意欲暗示控制系统、电磁机或系统的所期望的取向。

将会理解，图8所示的电流调度可以对应于定子比平移器相对较长的永磁体类型的多相电磁机。电流调度可以表现出任何合适的曲线，类似于或不同于图8中所示出的，无论是用于感应电磁机、永磁体电磁机、开关磁阻电磁机、任何其他合适的具有四个或更多个相(其中之一可以是虚拟相)的电磁机、还是它们的任何组合。例如，关于感应电磁机，特定相中的一些电流可以被分配为维持平移器(或转子)通量，该相中的一些电流可以被分配以施加期望的电磁力。相应地，用于感应机的电流调度可以取决于位置、期望的通量和/或实际的(例如，估计的或测量的)通量，实际的通量又可以取决于电流值的历史。还将理解，一些电磁机可以包括比对应的定子相对较长的平移器。相应地，用于较长平移器情况的电流调度可以表现得和图8中的相比明显地不同(例如，没有平线部分或具有减小的平线部分)。

图9示出了根据本公开的一些实施例的曲线图900中说明性的期望的力曲线902、904和906，以及曲线图950中说明性的速度曲线952。曲线图900中所示的力曲线对应于电磁机的电动机操作，其中图中的箭头表示平移器沿x轴的相对移动。发电机操作可以通过反转曲线图中的箭头来实现。力曲线902、904和906表示相对简单的力曲线的例子，其可以根据本公开实现。将会理解，可以使用具有任何合适的复杂度的任何合适的期望的力曲线，其可以关于平移器的移动方向对称或不对称。说明性的所期望的力曲线902包括两个部分，一个对应于平移器在第一方向上的移动，另一个对应于平移器在相反方向上的移动。期望的力曲线902可以用此处所描述的控制技术实现为例如二元值的数量(two-value quantity)。例如，取决于平移器相对于定子的移动方向，控制系统可以使用期望的力曲线902的两个期望的力值中的任何一个(例如，力在与移动相同的方向上起作用)。说明性的期望的力曲线904包括两个部分，一个对应于平移器在第一方向上的移动，另一个对应于平移器在相反方向上的移动。与期望的力曲线902相比，期望的力曲线904是连续的，包括多个值而不是两个值。说明性的期望的力曲线902和904可以用于例如这样的布置中：多相电磁机耦合到活塞引擎(例如，平移器刚性耦合到活塞组装件)，活塞引擎具有在任一端处(即位置0或L附近)减慢平移器/活塞组装件的气体弹簧(或任何其他合适的弹簧，诸如机械弹簧或液压弹簧)。说明性的期望的力曲线906是位置x的线性函数。说明性的期望的力曲线906可以用于例如这样的布置中：多相电磁机被用作弹簧(例如，由控制系统和多相电磁机实现的“虚拟弹簧”)。在另一个例子中，说明性的期望的力曲线906可以用于这样的布置中：多相电磁机耦合到活塞引擎(例如，平移器刚性耦合到活塞组装件)，活塞引擎没有弹簧(或任何其他合适的弹簧，诸如机械弹簧或液压弹簧)或者具有不足够的弹簧，以在任一端处(即位置0或L附近)减慢平移器/活塞组装件。期望的力曲线可以由用户指定、基于一个或多个输入来从查找表调用、基于模型确定、基于函数确定、使用任何其他合适的技术生成，或者以上的任何组合。期望的力曲线可以依赖于应用，并且可以对于两个不同的应用相应地表现出不同的属性。曲线图950示出了平移器相对于定子的说明性的速度曲线952。速度曲线952在与平移器行程的限制相对应的两个轴向位置0和L处表现为零，在该限制处平移器可以改变方向。在一些实施例中，控制系统可以测量或参考速度曲线和期望的力曲线来确定所期望的的力。在一些实施例中，编码器可以用于确定平移器和定子的相对位置，该相对位置可以用来确定所期望的力值、速度值或以上两者。在一些实施例中，期望的速度曲线可以是预定的，并且实际的速度曲线可以被确定(例如，使用编码器)。相应地，控制系统可以确定所期望的力值以增加期望的速度曲线和实际的速度曲线之间的一致性。

多相平移器和定子系统之间的力相互作用F可以由式1描述：

其中，N为相的数目，i_j为每个由标记j索引的相中的电流，x为空间位置变量，Φ_T为平移器中的磁通量，k_j(x，Φ_T)为对应于N个相的可以取决于位置x的一组N个特性力常数。在一些实施例中，可以假定平移器通量Φ_T为常数(例如，对于永磁体机)，并且因此无需明确地确定。在一些实施例中，可以基于依赖于温度的B-H曲线使用公式或查找表来确定平移器通量Φ_T(例如，对于永磁体机器)。在一些实施例中，可以基于先前测量的电流值、使用平移器通量模型来计算平移器通量(例如，对于感应机)。如式1所示，力F(x)是来自每个相的力的组合(即力常数乘以电流)。力可以通过提供电流而施加到平移器(例如以驱动平移器)，力可以由平移器施加以生成电流(例如在电力生成期间)，或者以上两者的组合。在一些实施例中，可以确定多相电磁机的一个或多个特性，诸如k_j(x，Φ_T)值。例如，可以通过控制力、位置、速度、或它们的组合来驱动平移器。可以使用编码器来确定平移器相对于定子的位置x，以及速度(例如，通过使用任何合适的的分析或数值微分技术来计算时间导数)。在每个期望的位置x处，可以通过电压传感器(例如伏特计)来测量每个相中的电动势(emf)V_j(x)。如式2所示：

式2是使在位置x处、相j中的emf V_j(x)、速度和相j的力常数k_j(x，Φ_T)联系起来的说明性表达。式2的两侧都可以时间积分，如式3所示：

式3给出了使每个相j中的通量Φ_j与位置和力常数k_j(x，Φ_T)联系起来的表达。可以使用式4来确定每个位置处用于每个相的力常数k_j(x，Φ_T)：

其中，特定相的通量Φ_j对位置的偏导数等于用于该相的力常数k_j(x，Φ_T)。例如，emf可以在数值上时间积分以给出通量值的序列，函数(例如解析、分段或其他的)可以和这些通量值配合，并且对位置微分以产生力常数。在一些实施例中，一组力常数可以存储在控制系统的存储器中、控制系统可访问的存储器中，或两者的组合。将会理解，式1-3是可用来确定一组力常数的说明性表达，但是根据本公开，任何合适的分析技术(例如建模)、经验技术或它们的组合可以用于确定一组力常数。

图10是根据本公开的一些实施例的用于确定力常数值的说明性步骤的流程图1000。

步骤1002可以包括相对于定子驱动平移器。在一些实施例中，可以使用编码器以确定平移器被驱动时该平移器相对于定子的轴向位置。

步骤1004可以包括控制系统测量在步骤1002的驱动期间、在平移器相对于定子的多个位置处的一个或多个相j中的电动势。在一些实施例中，电流传感器——诸如电流夹具、基准电阻器、霍尔效应传感器、任何其他合适的电流传感器、或者它们的任何组合——可以由控制系统使用来测量一个或多个电流。

步骤1006可以包括控制系统确定在步骤1004的多个位置中的每个位置x处、用于相j的一个或多个力常数k_j(x，Φ_T)。在一些实施例中，控制系统可以实现式4来从步骤1004所测量的电动势和步骤1002的已知位置确定力常数。在一些实施例中，控制系统可以将所确定的力常数存储在可由控制系统的处理装备访问的数据库、值数组、或其他数据结构中。在一些实施例中，可以使用控制系统之外的系统来执行流程图的说明性步骤。例如，测试台——其可以包括合适的处理装备和传感器——可以用于执行流程图1000的说明性步骤。

在一些实施例中，控制系统可以使用一个或多个目标函数(例如，一个或多个代价函数)来确定一组电流值。目标函数可以表示系统代价，诸如例如来自于在一个或多个导体中的电流流动的欧姆损耗、IGBT损耗、期望的力的力偏差、任何其他合适的成本、或者它们的任何组合，或者可以表示系统益处。将会理解，尽管下面的讨论参考了代价函数——其通常是最小化的，也可以使用效用函数——其通常是最大化的。根据本公开，任何合适的目标函数可以被优化(例如，最小化或最大化)。例如，可以使用式5来表达目标函数C：

其中，i_j为N个相的相j中的电流，R_j是对应于相j的特性电阻(例如，其可以但不必须是每个相不同)。控制系统可以实现式4的目标函数以最小化欧姆电阻损耗。在另一个例子中，可以使用式6来表达目标函数C：

其中，i_j为N个相的相j中的电流，V_ce-IGBT，j是对应于相j的导通压降(例如，其可以但不必须是每个相不同)。在另一个例子中，可以使用式7来表达目标函数C：

其中，i_j为N个相的相j中的电流，R_MOSFET，j为对应于相j的特性金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)电阻(例如，其可以但不必须是每个相不同)。控制系统可以实现式6或式7的目标函数以分别最小化IGBT或MOSFET损耗。在另一个例子中，可以使用式8来表达目标函数C：

C＝|F_des-F_act| (8)

其中，F_des是期望的力，F_act是实际的力。控制系统可以实现式8的目标函数以最小化实际的力与期望的力的偏差。在另一个例子中，可以使用式9或10来表达目标函数C∶

其中，i_j为N个相的相j中的电流，R_j是对应于相j的特性电阻，V_ce-IGBT，j是对应于相j的导通压降，R_MOSFET，j为对应于相j的特性MOSFET电阻。控制系统可以实现式9或10的目标函数以分别最小化由于欧姆电阻损耗和IGBT损耗的总损耗、或由于欧姆电阻损耗和MOSFET损耗的总损耗。

在一些实施例中，电力子系统损耗、电磁机损耗(例如磁体损耗、铁芯的模型)或者这两者的相对较复杂的模型可以作为目标函数。在一些实施例中，可以组合一个或多个目标函数以生成新的目标函数。例如，可以使用两个目标函数的加权和作为目标函数。将会理解，虽然式5-10提供了目标函数说明性的例子，但是可以根据本公开使用任何合适的目标函数。

在一些实施例中，热信息(诸如例如温度测量结果)可以与目标函数一起使用。例如，系统属性(例如R_j、V_ce-IGBT，j、R_MOSFET，j)可以表示为依赖于温度的量(例如，使用依赖于温度的电阻率或用户指定的温度依赖性)。在另一个例子中，系统损耗可以由依赖于温度的系数加权。例如，操作在相对较高温度的相(例如，接近它们的操作范围的限制)可以使它们关联的电阻和/或损耗相对较重地加权，以减少分配给这些相的电流。在另一个例子中，可以用相对于其他相的加权来惩罚与表现出最高温度的相相关联的损耗。

在一些实施例中，目标函数可以服从于一个或多个约束。约束可以包括优化期间待满足的条件(例如，等式或不等式)。例如，可以使用式11来表达约束：

其中，i_j为N个相的相j中的电流，k_j(x，Φ_T)是位置x处对应于相j的力常数，F_des是期望的压力，其等于来自每个相的电动势之和。控制系统可以实现式11的约束以确保实现所期望的力。在另一个例子中，可以使用式12来表达约束：

其中，i_j为N个相的相j中的电流。控制系统可以实现式12的约束来约束总电流为预定值K(例如零)，以减少过量的电流。在另一个例子中，可以使用式13来表达约束：

i_j，min＜i_j＜i_j，max (13)

其中，i_j为N个相的相j中的电流，i_j，max为相j的最大电流阈值，i_j，min为用于相j的最小电流阈值。控制系统可以实现式13的约束方程以将任何相中的电流约束为在预定范围内(例如，-100到100安培或任何其他合适的范围)。在另一个例子中，可以使用式14来表达约束：

I＝i_j (14)

其中，i_j为N个相的相j中的电流，I为预定常数。控制系统可以实现式14的约束方程来将一个或多个相中的电流约束为固定值(例如，零或任何其他合适的值)。如式15所示：

O＝i_j (15)

式15是式14的特殊情况，其中预定值为零。在另一个例子中，可以使用式16来表达约束：

V_j，min＜V＜V_j，max (16)

其中，V_j为跨N个相中的相j的电压，V_j，max为用于相j的最大可用电压，V_j，min为用于相j的最小可用电压(例如，阈值可以但不必须是每个相不同)。在一些实施例中，可以基于在电力子系统中可用的高压、低压总线线路来确定用于每个相的可用电压。在另一个例子中，可以使用式17按照电流值来表达式16的约束：

Δi_j，min＜Δi_j＜Δi_j，max (17)

其中，Δi_j为N个相的相j中的电流的变化(例如，按照时间、采样数目、或任何其他合适的增量)，Δi_j，max为用于相j的电流阈值的最大变化，Δi_j，min为用于相j的最小电流阈值(例如，阈值可以但不必须是每个相不同)。控制系统可以实现式13的约束来将一个或多个相中的电流的变化约束为预定的范围。该范围可以基于每个相的感应限制来确定。如式18所示：

式18是另一个约束，其类似于式17中所示出的，其中每个相中的电流导数di_j/dt被限制为最小值(di_j/dt)_min与最大值(di_j/dt)_max之间的范围(例如，其可以但不必须是每个相不同)。控制系统可以实现式18的约束以将跨一个或多个相的绕组的压降约束为预定的范围。如式19所示：

式19是另一个约束，其中每个相中的压降由预定电压V_max，j和V_j，min限制(例如，每个相的在总线线路之间或在总线线路与中性点之间可用的最大和最小电压差)，其中L_j是相j的绕组电感(例如，其可以但不必须是每个相不同)。控制系统可以实现式19的约束以将跨一个或多个相的绕组和电阻元件的压降约束为预定范围。将会理解，虽然式11-19提供了约束的说明性例子，但是可以根据本公开使用任何合适的约束。

在一些实施例中，控制系统可以优化一个或多个目标函数，每个目标函数服从于一个或多个约束。控制系统可以使用任何合适的技术——诸如例如牛顿方法、梯度下降/上升技术、内点技术、单纯形技术(simplex technique)、拉格朗日乘数技术，或者它们的任何组合——来实现优化。任何合适的技术——包括目标函数或约束的任何数学变换——可以用于求解一组电流值。例如，在一些实施例中，控制系统可以使用零目标函数，并通过指定目标函数值(即，将目标函数基本转化成约束)和一个或多个约束来生成可行性函数。控制系统可以针对一系列可行性函数确定一组电流值。

图11是根据本公开的一些实施例的用于确定电流值的说明性步骤的流程图1100。

步骤1102可以包括控制系统确定多相电磁机的平移器和定子之间的期望的力。在一些实施例中，控制系统可以确定平移器和定子之间的相对位置(例如，使用位置传感器)，并基于该相对位置来确定所期望的力。例如，控制系统可以参考查找表来查找特定的位置，并选择对应的期望的力值。在一些实施例中，控制系统可以确定平移器和定子之间的相对速度(例如，使用由位置传感器确定的位置的时间导数)，并基于该相对速度确定所期望的的力。例如，控制系统可以参考查找表来查找特定的速度，并选择对应的所期望的力值。在一些实施例中，控制系统可以接收指示所期望的力值的用户输入(例如，经由用户接口设备)。所确定的力可以具有任何合适的单位，诸如例如牛顿、磅、帕斯卡(pascal)、任何其他合适的单位，或者它们的任何组合。

步骤1104可以包括控制系统基于步骤1102的期望的力、至少一个目标函数和至少一个约束来确定电流值。在一些实施例中，控制系统可以优化服从于所述至少一个约束的所述至少一个目标函数。在一些实施例中，所述至少一个约束中的一个包括基于步骤1102的期望的力的由式8给出的约束。控制系统可以调用任何合适的信息(例如数据、预定值)，诸如例如力常数、相电阻、IGBT导通压降、绕组电感、阈值、先前的电流值、任何其他合适的信息，或者它们的任何组合。在一些实施例中，控制可以将电流值存储为数组或其他合适的数据结构。在一些实施例中，控制系统可以将电流值输入到脉宽调制(PWM)控制器，该控制器可以提供PWM信号到耦合到多相电磁机的电力子系统。

在一些情况下，多相电磁机的一个或多个相可以确定为被损坏、弱化、不可用、非期望的，或者可以以其他方式由对应的控制系统给予特殊考虑。例如，绕组可以通过电绝缘失效而变为短路，因此绕组的电属性可以显著地变化。在一些实施例中，控制系统可以应用特定的约束到一个或多个特定相，以防止进一步的损坏、防止过大的电流、防止不稳定性、或以其他方式相对于特定的相来控制电磁机的操作。

图12是根据本公开的一些实施例的用于当相是非期望或不可用的时确定电流值的说明性步骤的流程图。

步骤1202可以包括控制系统识别一个或多个非期望的相、不可用的相、或这两者。例如，多相电磁机的特定的相可以在操作期间受到损害(例如，通过绕组的绝缘击穿、机械损坏、IGBT损坏、或其他损坏)。在另一个例子中，控制系统可以使用少于N个的可用相来控制多相电磁机。在一些实施例中，控制系统可以执行诊断检查以确定任何相是否已经受到损害。例如，控制系统可以测量相的阻抗，并且如果阻抗超出预定的范围，则可以认为相受到损害。在一些实施例中，控制系统可以接收用户输入(例如，使用用户接口设备)，其表明一个或多个相需要特殊考虑。

步骤1204可以包括控制系统调整用于步骤1202所识别的一个或多个相的约束。在一些实施例中，控制系统可以例如将用于所述一个或多个相的电流约束到特定的范围或预定值(例如，零值或任何其他合适的的值)。例如，控制系统可以接收到键盘的硬命令按钮的用户输入，其指示特定的相不可用，并且用于该相的电流应当约束为零。在另一个例子中，控制系统可以确定相已经受到损害，并且可以相应地约束该相中的电流为零。在另一个例子中，控制系统可以确定一个或多个绕组已经被损坏，并且可以作为相应而调整所期望的力(例如，减小所期望的力以防止其他相中增加的电流需求)。

步骤1206可以包括控制系统确定用于步骤1202的一个或多个所识别的相的和用于多相电磁机的其他相中的一个或多个相的电流值。在一些实施例中，步骤1206可以包括图11的步骤1104的技术中的任何技术。例如，控制系统可以优化一个或多个代价函数，所述一个或多个代价函数服从于包括步骤1204的经调整的约束的一个或多个约束。在一些实施例中，控制系统可以将电流值存储为数组或其他合适的数据结构。在一些实施例中，控制系统可以将电流值输入到PWM控制器，该控制器可以将PWM信号提供给耦合到多相电磁机的电力子系统。

图13是根据本公开的一些实施例的用于基于目标函数和一个或多个约束来确定一组电流值的说明性步骤的流程图1300。

步骤1302可以包括控制系统确定平移器相对于定子的位置信息。位置信息可以包括平移器相对于定子的轴向位置、平移器相对于定子的轴向速度、平移器相对于定子的移动方向、平移器相对于定子的加速度、任何其他合适的位置信息，或者它们的任何组合。控制系统可以从一个或多个传感器接收信号，所述传感器诸如例如线性编码器、旋转编码器、加速计、多普勒系统、基于图像的位置传感器、用于检测位置信息的任何其他合适的传感器，或者它们的任何组合。在一些实施例中，位置信息可以通过使用传感器输出来执行计算被确定。例如，编码器可以感测线性位置，从该线性位置，通过计算一阶导数和二阶导数可以导出速度、移动的方向、加速度或它们的组合。在另一个例子中，加速计可以感测线性加速度，从该线性加速度，通过执行一次或两次时间积分可以导出位置、移动的方向、速度或它们的组合。

步骤1304可以包括控制系统确定多相电磁机的平移器和定子之间的期望的力。在一些实施例中，控制系统可以基于步骤1302的位置信息来确定所期望的力。例如，控制系统可以参考查找表来查找特定的位置，并选择对应的期望的力值。在另一个例子中，控制系统可以参考查找表来查找特定的确定的速度，并选择对应的期望的力值。在另一个例子中，控制系统可以参考查找表来查找移动的特定方向，并选择对应的期望的力值。在一些实施例中，控制系统可以接收用户输入(例如，经由用户接口设备)，其指示期望的力值。

步骤1306可以包括控制系统选择至少一个目标函数。在一些实施例中，多于一个的目标函数可以是可用的，并且控制系统可以选择一个或多个目标函数。在一些实施例中，只有一个目标函数可以是可用的，在这种情况下，不需要执行步骤1306。在一些实施例中，控制系统可以基于期望的操作特性来选择所述至少一个目标函数。所述至少一个目标函数可以包括式5-10中所表达的任何目标函数、任何其他合适的目标函数，或者它们的任何组合。图14是根据本公开的一些实施例的用于选择目标函数的说明性步骤的流程图1400。在一些实施例中，控制系统可以选择目标函数以最小化相绕组或其他电流路径或者这两者中的欧姆损耗(例如使用式5)，如步骤1402所示。在一些实施例中，控制系统可以选择目标函数以最小化电力子系统中的IGBT损耗(例如使用式6)，如步骤1404所示。在一些实施例中，控制系统可以选择目标函数以最小化相绕组中的欧姆损耗和IGBT损耗的组合(例如，使用式9)，如步骤1406所示。在一些实施例中，控制系统可以选择目标函数以最小化期望的力与实际的力之间的偏差(例如，使用式8)，如步骤1408所示。

步骤1308可以包括控制系统选择至少一个约束。在一些实施例中，多于一个的约束可以是可用的，并且控制系统可以选择一个或多个约束。在一些实施例中，只有一个约束可以是可用的，在这种情况下，不需要执行步骤1308。在一些实施例中，控制系统可以基于期望的操作特性来选择所述至少一个约束。所述至少一个约束可以包括式11-19中所表达的任何约束、任何其他合适的约束，或者它们的任何组合。图15是根据本公开的一些实施例的用于选择约束的说明性步骤的流程图1500。在一些实施例中，控制系统可以选择基于期望的力来约束一组电流值(例如，使用式11)，如步骤1502所示。在一些实施例，控制系统可以选择将一个或多个电流值约束为预定值(例如，使用式14)，如步骤1504所示。在一些实施例中，控制系统可以选择将一组电流值之和约束为恒定值(例如，使用式12)，如步骤1506所示。在一些实施例中，控制系统可以选择将一个或多个电流值约束为可允许的范围(例如，使用式103)，如步骤1508所示。在一些实施例，控制系统可以选择将一个或多个电流值的变化约束为可允许的范围(例如使用式17)，如步骤1510所示。

步骤1310可以包括控制系统基于步骤1304的期望的力、步骤1306的所述至少一个目标函数、以及步骤1308的所述至少一个约束来确定一组电流值。在一些实施例中，控制系统可以实现优化技术来确定该组电流值。在一些实施例中，控制系统可以优化(例如最大化或最小化)代价函数、效用函数或者这两者，如式20所示：

其可以是以下各项的函数：期望的力F_des、实际的力F_act、一个或多个力常数k_j(x，Φ_T)、一个或多个电流值i_j、电流值的一个或多个变化Δi_j、电流值的一个或多个微分di_j/dt、位置x、速度加速度通量Φ_T、相电阻R_j、导通压降V_ce-IGBT，j、有效MOSFET电阻R_MOSFET，j、相的电感L_j、任何其他合适的变量，或者它们的任何组合。控制系统可以优化服从于一个或多个约束的目标函数，所述约束可以包括等式，如式21所示：

可以包括不等式，如式22所示：

或者可以包括这两者，并且可以包括以下各项：期望的力F_des、实际的力F_act、一个或多个力常数k_j(x，Φ_T)、一个或多个电流值i_j、电流值的一个或多个变化Δi_j、电流值的一个或多个微分di_j/dt、位置x、速度加速度通量Φ_T、相电阻R_j、导通压降V_ce-IGBT，j、有效MOSFET电阻R_{MOSFET，j、}相的电感L_j、任何其他合适的变量，或者它们的任何组合。将会理解，式22示出了包括“小于或等于”符号和“大于或等于”符号两者的说明性不等式，尽管任何合适的不等式(例如，小于、大于)可以包括作为约束。

在说明性的例子中，控制系统可以选择如式5所示的目标函数和如式11所示的约束。如果所有相电阻R_j相同，则可以使用式23来确定一组电流值：

i＝k(k^Tk)^-1F (23)

其中，i为N个相的一组电流值i_j的列向量，k为N个相的力常数k_j(x，Φ_T)的列向量(例如，基于位置和通量)，F为1×1数组(即标量)，其具有和定子与平移器之间的期望的电动势F_des相等的值。如式23所示，目标函数和约束的该特定的选择允许最小范数解(leastnorm solution)。如果相电阻不相等，例如，控制系统可以确定加权的最小范数解(例如，通过使用加权的电流变量，并接着转化为电流)。另外，例如如果电流之和被约束为零，仍可以使用式23，尽管数组k和F的定义会不同。例如，k是N×2数组，其中第一列全1，第二列为一组力常数。相应地，F为2×1数组，其中顶行的值为零，底行具有值F_des。最小范数解或加权的最小范数解可以例如当使用合适的二次目标函数(例如如式5、7和10所示)和仿射等式约束(例如如式11、12和14所示)时被实现。

在一些情况下，控制系统可以确定一组电流值可能是不可接受的(例如，可能违反一个或多个约束，可能对应于不收敛的解)。例如，控制系统的处理装备可以未能达到优化可接受的解(例如，在执行图13的流程图1300的说明性步骤时)。在另一例子中，对于所选择的至少一个目标函数和至少一个约束可能不存在可接受的解。在一些实施例中，控制系统可以认识到已经确定了不可接受的电流值，并确定一组新的电流值。图16是根据本公开的一些实施例的用于基于代价函数和一个或多个约束来确定一组新的电流值的说明性步骤的流程图1600。

步骤1602可以包括控制系统确定一组电流值是不可接受的。在一些实施例中，控制系统可以对一组确定的电流值执行检查，以确保所有的约束已被满足。在一些实施例中，控制系统可以确定求解方法不收敛到可接受的解。在一些实施例中，控制系统可以接收用户输入，其指示一组确定的电流值是不可接受的。

如果控制系统在步骤1602处确定一组电流值是不可接受的，则控制系统可以执行步骤1604-1610中的任何或全部。步骤1604可以包括控制系统选择至少一个新的目标函数。在一些实施例中，控制系统可以选择另外的目标函数以连同先前的目标函数一起进行优化。在一些实施例中，控制系统可以用至少一个新的目标函数代替一个或多个目标函数。该控制系统可以选择包括在图14中的任何目标函数、任何其他合适的目标函数、或者它们的任何组合。

步骤1606可以包括控制系统调整至少一个约束。在一些实施例中，控制系统可以调整(例如，减少或增加)与约束一起使用的阈值(例如，包括在不等式中的阈值)。例如，步骤1606可以包括控制系统调整所期望的力值。控制系统可以减少所期望的力，这可以减少一个或多个相中的电流流动。在另一个例子中，控制系统可以确定所期望的力将可能是不可实现的(例如，由于损坏或其他因素)，并且相应地可以减小所期望的力。在一些实施例中，控制系统可以将等式约束放宽为不等式约束，以允许较宽范围的可接受的值。

步骤1608可以包括控制系统去除至少一个约束。在一些实施例中，控制系统可以去除约束以助于实现优化的解。在一些实施例中，控制系统可以针对所有相去除约束。在一些实施例中，控制系统可以针对特定的相或相的组合去除约束，同时针对其余的相保持约束。

步骤1610可以包括控制系统添加至少一个约束。在一些实施例中，控制系统可以添加约束以助于实现优化的解。在一些实施例中，控制系统可以针对所有相添加约束。在一些实施例中，控制系统可以针对特定的相或相的组合添加约束。在一些实施例中，控制系统可以用新的约束代替约束，从而去除旧的约束并添加新的约束。在一些实施例中，如果选择了新的目标函数，则可以添加一个或多个新的约束。例如，如果原始目标函数严重地惩罚大的电流(例如通过加权)，则选择不惩罚大电流值的新的目标函数可以受益于添加对可允许的电流值的约束(例如使用式13)。

图17是根据本公开的一些实施例的用于控制多相电磁机的控制系统的说明性模块的框图1700。可以例如使用任何合适的硬件模块、软件模块或它们的组合来实现框图1700。例如，框图1700可以用诸如图5的控制系统500的控制系统实现。框1716可以包括确定是使用期望的力还是期望的位置作为输入的处理装备。多相电磁机的定子和平移器之间的期望的力可以从存储器调用、由处理框确定，或者这两者，如数据框1702所示。多相电磁机的定子和平移器之间的期望的位置可以从存储器调用、由处理框确定，或者这二者，如数据框1704所示。期望的位置可以在框1706处被使用以基于机械模型(例如，从期望的位置作为输入所求解的期望的力)、PID控制器(例如，其可以使用数据框1710所示的测量位置)、接头力(cogging force)计算器、和其他合适的计算器、任何其他合适的模块、或者它们的任何组合来确定期望的力。从框1716输出的期望的力值可以由框1718限制(例如，由上、下阈值求交)或以其他方式调整(例如滤波、平均)。框1718可以输出目标力值(例如由数据框1720所示，并且其可以与期望的力值相同)，其可以用于确定一组电流值。框1708可以用于任何合适的多相电磁机(例如感应、永磁体、开关磁阻)，其可以基于先前的电流值、平移器属性、定子属性、B-H曲线、任何其他合适的信息、或者它们的任何组合来确定平移器中的磁通量(例如使用模型、查找表或其他参考)。例如，关于永磁体机，框1708可以将测量或估计的磁体温度当作输入来估计通量。在另一个例子中，关于感应机，框1708可以将施加的相电流和电压的历史当作输入。如数据框1710所示的平移器相对于定子的测量位置可以在框1714处使用以调用一组力常数。可以在框1708处使用平移器相对于定子的位置信息(例如位置、速度、加速度或它们的操作/转化)以确定一个或多个通量值，并确定一组力常数(例如，其可以用于感应型电磁机)。框1722可以确定是否有任何相需要特殊考虑(例如损坏、非期望的或不可用的相)，并且确定任何合适的对应的约束。框1726可以包括优化器/求解器模块以基于目标力(例如数据框1720)、力常数(例如来自框1708或框1714)、来自框1722的任何约束、以及任何常数、阈值或其他存储的值(例如如数据框1724所示)来确定一组电流值，如数据框1728所示。框1732可以基于所测量的位置(例如由数据框1710所示)和一组力常数(例如来自框1708和1714)来估计来自一个或多个相的反电动势(如数据框1734所示)。框1738可以将由框1726确定的一组电流值、由框1732确定的反电动势、和由数据框1736所示的先前一组电流值(例如来自前一次迭代)当作输入，并输出一组电压值用于电磁机的相。框1726可以例如应用图11-16的流程图1100-1600的任何说明性技术来确定一组电流值。框1742可以将来自框1736的一组电压值以及可用的总线和接地电压(例如由数据框1740所示)当作输入，并确定PWM占空比，其可被输出到控制系统的电力子系统(例如，一个或多个IGBT)。框图中所示的框可以以任何合适的速度来执行一次完整的计算(例如，采用所期望的力或位置以及信息位置，并确定PWM占空比)。例如，控制系统的处理装备可以以10kHz的速率来执行完整的计算。

图18是根据本公开的一些实施例的包括说明性的多相电磁机1850的说明性活塞引擎1800的截面图。活塞引擎1800包括具有缸径1834的汽缸1822和燃烧部段1830以及基本刚性的活塞组装件1810，活塞组装件1810被配置为沿着缸径1834的轴线1850平移。在示出的实施例中，活塞组装件1810包括活塞1812、活塞杆1814、平移器1852，尽管还可以包括任何其他合适的未示出的组件或其任何组合。

在燃烧部段1830中可以发生引擎流体的燃烧、流体压缩和流体膨胀，其中活塞组装件1810提供与引擎流体的机械功相互作用。活塞组装件1810、特别是平移器1852相对于定子1854的移动可以允许电磁功相互作用。例如，可以从定子1854提取由平移器1852的相对移动引起的电磁功(例如，以从活塞组装件1810的膨胀冲程提取功)。在另一个例子中，可以向定子1854提供电磁功，以引起平移器1852的相对移动(例如，以在活塞组装件1810的压缩冲程期间提供功输入)。多相电磁机1850可以包括永磁体机、感应机、开关磁阻机、任何其他合适的电磁机，或者它们的任何组合。例如，平移器1852可以包括永磁体，定子1854可以包括线圈，其可以传导由平移器1852的移动生成的感应电流。在另一个例子中，平移器1852可以包括不具有永磁体的导电组装件(例如，具有导电连接机构)，感应电流可以在其中流动，并且定子1854可以包括线圈，其可以传导由平移器1852的移动生成的感应电流。

前面仅仅是本公开的说明性的原理，本领域技术人员可以不偏离本公开的范围而做出各种修改。呈现上述实施例是出于说明而非限制的目的。本公开还可以采用不同于此处所明确描述的形式的许多形式。因此，要强调的是，本公开不限制于明确公开的方法、系统和装置，而是旨在包括它们的变型和修改，这些变型和修改在权利要求的精神之内。

Claims

1.一种用于控制多相电磁机的方法，所述方法包括：

使用处理装备来确定所述电磁机的平移器和定子之间的期望的电磁力，其中所述平移器被配置为相对于所述定子平移，并且其中所述定子包括形成多个相的多个绕组；和

使用所述处理装备，至少部分地基于所述期望的电磁力以及至少部分地基于至少一个目标函数和至少一个约束，来确定一组电流值的最小范数解，该一组电流值中的每一个电流值被施加到所述多个相中的相应一个相。

2.如权利要求1所述的方法，其中确定所述一组电流值进一步包括优化服从于所述至少一个约束的所述至少一个目标函数。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个目标函数选自由以下各项构成的组：欧姆损耗之和、所述一组电流值的绝对值之和、期望的电磁力和实际的电磁力之间的差、以及它们的组合。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个约束选自由以下各项构成的组：所述一组电流值之和的预定值、所述一组电流值中的至少一个电流值的预定值、所述一组电流值中的至少一个电流值的允许范围、所述一组电流值中的至少一个电流值的时间变化的时间变化值的允许范围、以及它们的组合。

5.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

使用所述处理装备来确定所述平移器相对于所述定子的位置信息；和

使用所述处理装备，至少部分地基于所述位置信息来确定对应于所述多个相的一组力常数，其中确定所述一组电流值进一步至少部分地基于所述一组力常数。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述多个相包括至少四个相，并且其中所述一组力常数包括对应于所述至少四个相的至少四个力常数。

7.如权利要求5所述的方法，其中所述多个相包括至少三个相，并且其中所述一组力常数包括对应于所述至少三个相的至少三个力常数，所述方法进一步包括确定对应于直接受控制的虚拟相的电流值，其中所述虚拟相具有基本为零的相关联的力常数。

8.如权利要求5所述的方法，其中所述多个相包括至少三个相，并且其中所述一组力常数包括对应于所述至少三个相的至少三个力常数，所述方法进一步包括确定对应于间接受控制的虚拟相的电流值，其中所述虚拟相具有基本为零的相关联的力常数。

9.根据权利要求5所述的方法，其中确定所述期望的电磁力至少部分地基于所述位置信息。

10.如权利要求1所述的方法，进一步包括用所述处理装备来确定所述平移器中的磁通量，其中确定所述一组电流值进一步至少部分地基于所述磁通量。

11.一种用于控制多相电磁机的方法，所述方法包括：

确定平移器相对于定子的位置信息；

使用处理装备，至少部分地基于所述位置信息来确定所述电磁机的所述平移器和所述定子之间的期望的电磁力，其中所述定子包括形成多个相的多个绕组；

选择至少一个目标函数；

选择至少一个约束；和

使用所述处理装备，至少部分地基于所述至少一个目标函数和所述至少一个约束来确定一组电流值的最小范数解，该一组电流值中的每一个电流值被施加到所述多个相中的相应一个相。

12.如权利要求11所述的方法，进一步包括使用所述处理装备，至少部分地基于所述位置信息来确定一组力常数，其中确定所述一组电流值进一步至少部分地基于所述力常数。

13.如权利要求11所述的方法，进一步包括使用所述处理装备来确定所述一组电流值是否是可接受的。

14.如权利要求13所述的方法，进一步包括如果确定所述一组电流值是不可接受的，则使用所述处理装备来选择新的目标函数和新的约束中的至少一个。

15.如权利要求13所述的方法，进一步包括如果确定所述一组电流值是不可接受的，则调整所述至少一个约束中的一个约束。

16.如权利要求13所述的方法，进一步包括如果确定所述一组电流值是不可接受的，则调整所述期望的电磁力。

17.如权利要求13所述的方法，进一步包括如果确定所述一组电流值是不可接受的，则去除所述至少一个约束中的约束。

18.一种用于控制多相电磁机的系统，所述系统包括：

电力子系统，被配置为提供电力到多个绕组，所述多个绕组形成定子的多个相；和

处理装备，耦合到电力电子设备，所述处理装备被配置为：

确定待施加到平移器的期望的电磁力，所述平移器被配置为相对于所述定子平移，以及

至少部分地基于所述期望的电磁力以及至少部分地基于至少一个目标函数和至少一个约束来确定一组电流值的最小范数解，该一组电流值中的每一个电流值被施加到所述多个相中的相应一个相。

19.如权利要求18所述的系统，进一步包括耦合到所述电磁机的位置传感器，所述位置传感器被配置为：

感测所述平移器和所述定子的位置信息；和

向所述处理装备提供指示所述位置信息的输出。

20.如权利要求19所述的系统，其中所述处理装备进一步被配置为：

至少部分地基于所述位置信息来确定对应于所述多个相的一组力常数；和

确定所述一组电流值进一步至少部分地基于所述一组力常数。

21.如权利要求20所述的系统，其中所述多个相包括至少四个相，并且其中所述一组力常数包括对应于所述至少四个相的至少四个力常数。

22.如权利要求20所述的系统，其中所述多个相包括至少三个相，并且其中所述一组力常数包括对应于所述至少三个相的至少三个力常数，并且其中所述电力子系统进一步包括直接受控制的虚拟相，并且其中所述处理装备进一步被配置为确定对应于直接受控制的虚拟相的电流值，其中所述虚拟相具有基本为零的相关联的力常数。

23.如权利要求20所述的系统，其中所述多个相包括至少三个相，并且其中所述一组力常数包括对应于所述至少三个相的至少三个力常数，并且其中所述电力子系统进一步包括间接受控制的虚拟相，并且其中所述处理装备进一步被配置为确定对应于间接受控制的虚拟相的电流值，其中所述虚拟相具有基本为零的相关联的力常数。

24.如权利要求19所述的系统，其中所述处理装备进一步被配置为至少部分地基于所述位置信息来确定期望的电磁力。

25.如权利要求19所述的系统，其中所述处理装备进一步被配置为基于指示所述位置信息的传感器的所述输出来确定进一步的位置信息。

26.如权利要求18所述的系统，其中所述至少一个目标函数选自由以下各项构成的组：欧姆损耗之和、所述一组电流值的绝对值之和、期望的电磁力和实际的电磁力之间的差、以及它们的组合。

27.根据权利要求18所述的系统，其中所述至少一个约束选自由以下各项构成的组：所述一组电流值之和的预定值、所述一组电流值中的至少一个电流值的预定值、所述一组电流值中的至少一个电流值的允许值范围、所述一组电流值中的至少一个电流值的时间变化的时间变化值的允许范围、以及它们的组合。

28.如权利要求18所述的系统，其中所述处理装备进一步被配置为执行服从于所述至少一个约束的所述至少一个目标函数的优化，以确定所述一组电流值。

29.如权利要求18所述的系统，其中所述处理装备进一步被配置为至少部分地基于所述一组电流值来确定对应于所述多个相的一组脉宽调制值。

30.一种用于控制多相电磁机的装置，所述装置包括：

用于确定所述电磁机的平移器和定子之间的期望的电磁力的部件，其中所述平移器被配置为相对于定子平移，并且其中所述定子包括形成多个相的多个绕组；和

用于至少部分地基于所述期望的电磁力以及至少部分地基于至少一个目标函数和至少一个约束来确定一组电流值的最小范数解的部件，其中该一组电流值中的每一个电流值被施加到所述多个相中的相应一个相。