CN104604121A - Fpga闭环电力驱动控制器 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于开关磁阻(SR)机器的控制系统。所述控制系统可包括可操作地耦合到SR机器的转换器电路，以及与所述转换器电路进行通信的控制器。所述控制器可被配置成并行执行两个或多个过程，其中所述过程包括基于总线电压、机器电流、转子速度和转子位置中的一者或多者产生扭矩命令，基于所述扭矩命令和所述转子速度确定第一组电流控制参数，基于扭矩命令、转子速度和转子位置中的一者或多者确定第二组电流控制参数，基于转子速度选择第一组电流控制参数和第二组电流控制参数中的一者，以及根据所选择的该组电流控制参数操作栅极。

Description

FPGA闭环电力驱动控制器

技术领域

本发明总体涉及开关磁阻机器，并且更具体地涉及控制开关磁阻机器的电力驱动器的系统和方法。

背景技术

随着对节能关注的与日俱增，越来越多的机器，如移动工业作业机器或固定发电机，配备了用于操作机器的各种工具或功能的电力驱动组件或系统。电力驱动器的持续发展使其可用于电气驱动的机器以有效地匹配或超越机械驱动的机器的性能，同时需要显著减少的燃料和总能量。由于电力驱动器相对于这样的机器变得越来越普遍，对用于控制它们的更有效的发电机和技术的需求也有所增加。

在各类可与这样的电力驱动器配合使用的电气驱动的机器中，由于坚固，节约成本，并且总的来说，更高效，开关磁阻(SR)机器已经受到巨大关注。SR机器通常用于将主动力源，如内燃发动机，接收到的机械动力转换成电力，用于执行机器的一个或多个操作。此外，SR机器还可用于将储存在公共总线或存储装置内的电力转换成机械动力。SR机器同样可与其它通用的动力源，如电池、燃料电池等结合使用。更进一步地，SR机器还可与具有常规动力源，如风车、水电大坝或常用于固定应用的任何其他通用动力源的固定机器配合使用。虽然目前现有的用于控制SR机器的系统和方法可提供足够的控制，但是还有很大的提升空间。

典型的SR机器基本上包括电气耦合到电力驱动电路的多相定子，以及可旋转地定位在定子内的转子。在电动操作模式下，电力驱动器选择性地使开关或栅极与定子的各相相关联，以使所述定子和转子磁极之间产生电磁相互作用，并使转子在所需的扭矩和/或速度下相对于定子旋转。可替代地，在发电操作模式下，电力驱动器可被配置成接收可因转子相对于定子的机械旋转而诱生的任何电力。电力驱动器可使用在发电模式期间诱生的电力，以为相关联的作业机器的辅助或附属装置供电，或在一些情况下，将电力储存在能量存储装置中。

控制SR机器，并且因此，控制其电力驱动器通常从可编程微处理器开始。更具体地说，微处理器预编入算法，所述算法监测机器的各种参数以及将不同的指令发送给电力驱动器，用于根据检测到的参数的变化来控制SR机器。这样的闭环过程在预定义的速率下执行，预定义的速率基本上受限于微处理器的能力和微处理器实施该算法的方式。然而，由于对更有效且具有更高性能的SR机器的需求不断增长，对更有效的算法的实施和具有更大带宽的控制器的需求也增长。

因此，需要改善SR机器的性能能力和效率。此外，需要提高对电力驱动器的总体控制，并且因此，提高对操作SR机器的方式。更具体地说，需要对与SR机器相关联的传统控制器的操作带宽加以改进。

发明内容

在本发明的一个方面中，提供了一种用于具有转子和定子的开关磁阻(SR)机器的控制系统。所述控制系统可包括转换器电路，所述转换器电路可操作地耦合到所述定子并且包括与定子的各相选择性通信的多个栅极，以及控制器，所述控制器与所述定子和所述转换器电路中的每一者通信。所述控制器可被配置成并行执行两个或多个过程。所述过程可包括基于总线电压、机器电流、转子速度和转子位置中的一者或多者来产生扭矩命令，基于所述扭矩命令和所述转子速度来确定第一组电流控制参数，基于扭矩命令、转子速度和转子位置中的一者或多者来确定第二组电流控制参数，基于转子速度来选择第一组电流控制参数和第二组电流控制参数中的一者，以及根据所选择的该组电流控制参数来操作栅极。

在一改型中，所述控制器可被配置成至少并行执行确定所述第一组电流控制参数和确定所述第二组电流控制参数的过程。

在另一改型中，所述控制器可使用被配置成便于并行处理并大幅减少循环次数的现场可编程门阵列(FPGA)和专用集成电路(ASIC)中的一者或多者至少部分地实施。

在另一改型中，所述控制器可基于所观测到的总线电压、机器电流、转子速度和转子位置与分别所需的总线电压、机器电流、转子速度和转子位置之间的一个或多个比较来产生扭矩命令。

在相关的改型中，所述控制器可基于所述一个或多个比较进一步产生扭矩请求，基于转子速度限制扭矩请求，以及基于该受限的扭矩请求产生扭矩命令。

在另一改型中，所述控制器可被配置成在闭环控制模式和开环控制模式之一下产生扭矩命令。

在另一改型中，第一组和第二组电流控制参数中的每一者可包括电流目标、最大电流目标、θ-接通角和θ-断开角。

在另一改型中，所述控制器可通过确定最适合于电动操作模式和发电操作模式中的每一者的电流控制参数来确定第一组电流控制参数，基于扭矩命令和转子速度来确定SR机器的操作模式，以及选择对应于检测到的操作模式的电流控制参数。

在另一改型中，定子可以是三相定子。第二组电流控制参数可包括在SR机器处于电动操作模式时用于定子的第一相的180°的固定的θ-接通角和360°的固定的θ-断开角，且包括在SR机器处于发电操作模式时用于定子的第一相的0°的固定的θ-接通角和180°的固定的θ-断开角。用于定子的第二相的对应的θ-接通和θ-断开角可偏移120°且用于定子的第三相的对应的θ-接通和θ-断开角可偏移240°。

在另一改型中，所述控制器可通过基于转子速度、转子位置和预编程的扭矩共享函数中的一者或多者标定用于定子的各相的扭矩命令来产生第二组电流控制参数，以及基于标定的扭矩命令、转子速度、转子位置和预定义的查找映射中的一者或多者来产生用于定子的各相的电流目标。扭矩共享函数可被配置成使扭矩生产更均匀地分布于其间并使扭矩脉动最小化的方式修改定子的各相中的电流。

在又一改型中，所述控制器可将转子速度的绝对值与被配置成建立至少第一速度区域和第二速度区域的多个转子速度阈值进行比较。所述控制器可选择第一组电流控制参数，用于在转子速度降到第一速度区域内时控制SR机器，并且所述控制器可选择第二组电流控制参数，用于在转子速度降到第二速度区域内时控制SR机器。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于具有转子和定子的SR机器的电力驱动器的电流控制器。所述电流控制器可包括扭矩控制模块，被配置成基于总线电压、机器电流、转子速度和转子位置中的一者或多者来产生扭矩命令；平均扭矩控制模块，被配置成基于所述扭矩命令和所述转子速度来确定第一组电流控制参数；电流描廓模块，被配置成基于扭矩命令、转子速度和转子位置中的一者或多者来确定第二组电流控制参数；控制选择模块，被配置成基于转子速度来选择第一组和第二组电流控制参数中的一者；以及电流控制模块，被配置成根据所选择的该组电流参数选择性地驱动与定子的各相相关联的多个栅极。

在一个改型中，至少所述扭矩控制模块、平均扭矩控制模块和电流描廓模块使用被配置成便于并行处理并且大幅减少循环次数的FPGA和ASIC中的一者来实施。

在另一改型中，扭矩控制模块可将所观测到的总线电压、机器电流、转子速度和转子位置中的一者或多者分别与所需的总线电压、机器电流、转子速度和转子位置中的一者或多者进行比较。扭矩控制模块可基于所述一个或多个比较进一步产生扭矩请求，基于转子速度限制扭矩请求，以及基于该受限的扭矩请求产生扭矩命令。

在另一个改型中，平均扭矩控制模块可确定最适合于电动操作模式和发电操作模式中的每一者的电流控制参数，基于扭矩命令和转子速度来确定SR机器的操作模式，以及选择对应于检测到的操作模式的电流控制参数。

在另一个改型中，电流描廓模块可被配置成基于检测到的SR机器的操作模式输出用于定子的各相的固定的θ-接通和θ-断开角。

在另一个改型中，定子可以是三相定子。电流描廓模块可被配置成在SR机器处于电动操作模式时输出用于定子的第一相的180°的固定的θ-接通角和360°的固定的θ-断开角，以及在SR机器处于发电操作模式时输出用于定子的第一相的0°的固定的θ-接通角和180°的固定的θ-断开角。用于定子的第二相的对应的θ-接通和θ-断开角可偏移120°且用于定子的第三相的对应的θ-接通和θ-断开角可偏移240°。

在另一个改型中，电流描廓模块可被预编入扭矩共享函数，扭矩共享函数被配置成使扭矩生产更均匀地分布于其间并使扭矩脉动最小化的方式修改定子的各相中的电流。电流描廓模块可被配置成基于转子速度、转子位置和扭矩共享函数中的一者或多者标定用于定子的各相的扭矩命令，以及基于标定的扭矩命令、转子速度、转子位置和预定义的扭矩-速度-位置查找映射中的一者或多者来产生用于定子的各相的电流目标。

在另一个改型中，控制选择模块可将转子速度的绝对值与被配置成至少建立第一速度区域和第二速度区域的多个转子速度阈值进行比较。控制选择模块可选择第一组电流控制参数，用于在转子速度降到第一速度区域内时控制SR机器，并且所述控制选择模块可选择第二组电流控制参数，用于在转子速度降到第二速度区域内时控制SR机器。

在又一改型中，扭矩控制模块可在闭环控制模式和开环控制模式中的一者下操作。

在本发明的又一个方面中，提供了一种控制具有转子和定子的SR机器的方法。所述方法可包括以下步骤：确定SR机器的总线电压、机器电流、转子速度和转子位置中的一者或多者；基于总线电压、机器电流、转子速度和转子位置中的一者或多者产生扭矩命令；基于所述扭矩命令和所述转子速度来确定第一组电流控制参数；基于扭矩命令、转子速度和转子位置中的一者或多者来确定第二组电流控制参数；基于转子速度来选择第一组和第二组电流控制参数中的一者；以及根据所选择的该组电流控制参数选择性地驱动与定子的各相相关联的多个栅极。

在一个改型中，至少确定所述第一组电流控制参数和确定所述第二组电流控制参数的步骤可并行地执行。

在另一改型中，产生所述扭矩命令的步骤可在闭环控制模式和开环控制模式中的一者下执行。

在另一改型中，产生所述扭矩命令的步骤可进一步包括：将所观测到的总线电压、机器电流、转子速度和转子位置中的一者或多者分别与所需的总线电压、机器电流、转子速度和转子位置中的一者或多者进行比较。

在相关的改型中，产生所述扭矩命令的步骤可进一步包括：基于所述一个或多个比较产生扭矩请求，基于转子速度限制扭矩请求，以及基于该受限的扭矩请求产生扭矩命令。

在另一改型中，第一组和第二组电流控制参数中的每一者可包括电流目标、最大电流目标、θ-接通角和θ-断开角。

在另一改型中，确定所述第一组电流控制参数的步骤可进一步包括：确定最适合于电动操作模式和发电操作模式中的每一者的电流控制参数，基于扭矩命令和转子速度来确定SR机器的操作模式，以及选择对应于确定的操作模式的电流控制参数。

在另一改型中，所述第一组电流控制参数可基于扭矩-速度查找映射来确定，并且所述第二组电流控制参数可基于扭矩-速度-位置查找映射来确定。

在另一改型中，所述第二组电流控制参数可包括用于定子的各相的固定的θ-接通和θ-断开角，且所述控制器可基于检测到的SR机器的操作模式来确定固定的θ-接通和θ-断开角。

在另一个改型中，定子可以是三相定子。第二组电流控制参数可包括在SR机器处于电动操作模式时用于定子的第一相的180°的固定的θ-接通角和360°的固定的θ-断开角，且包括在SR机器处于发电操作模式时用于定子的第一相的0°的固定的θ-接通角和180°的固定的θ-断开角。用于定子的第二相的对应的θ-接通和θ-断开角可偏移120°且用于定子的第三相的对应的θ-接通和θ-断开角可偏移240°。

在另一改型中，确定所述第二组电流控制参数的步骤可进一步包括：基于转子速度、转子位置和预编程的扭矩共享函数中的一者或多者标定用于定子的各相的扭矩命令，以及基于标定的扭矩命令、转子速度、转子位置和预定义的扭矩-速度-位置查找映射中的一者或多者来产生用于定子的各相的电流目标。扭矩共享函数可被配置成使扭矩生产更均匀地分布于其间并使扭矩脉动最小化的方式修改定子的各相中的电流。

在又一改型中，选择第一组和第二组电流控制参数中的一者的步骤可进一步包括：将转子速度的绝对值与被配置成建立第一速度区域和第二速度区域的多个转子速度阈值进行比较。第一组电流控制参数可被选择成用于在转子速度降到第一速度区域内时控制SR机器，并且第二组电流控制参数可被选择成用于在转子速度降到第二速度区域内时控制SR机器。

附图说明

图1是一种具有电力驱动器的示例性机器的图解视图；

图2是一种用于控制按照本发明的教示构造的开关磁阻(SR)机器的示例性控制系统的示意图；

图3是一种示例性现场可编程门阵列(FPGA)控制器的示意图；

图4是与图3的FPGA控制器相关联的扭矩控制模块的示意图；

图5是与图3的FPGA控制器相关联的平均扭矩控制模块的示意图；

图6是部分地由图5的平均扭矩控制模块操作的SR机器的机器电流和输出扭矩的图形视图；

图7是与图3的FPGA控制器相关联的电流描廓模块的示意图；

图8是部分地由图7的电流描廓模块操作的SR机器的机器电流和输出扭矩的图形视图；

图9是由与图3的FPGA控制器相关联的控制选择模块所定义的转子速度阈值、区域以及对应的滞后带的图形视图；

图10是与图3的FPGA控制器相关联的电流控制模块的示意图；以及

图11是一种控制SR机器的示例性方法的图解视图。

具体实施方式

现在将详细地参考具体的实施例或特征，其实例示于附图中。一般而言，对应的参考数字将在附图中用于指代相同或对应的部分。

图1示意地示出了机器100的一个示例性实施例，机器100可采用电力驱动装置来由机械能产生电能，或反之亦然。在图1的特定实施例中，例如，机器100可包括动力源102，动力源102耦合到电力驱动器104，用于经由牵引装置106发生移动。此外，动力源102可被配置成经由耦合或轴向旋转的驱动轴112机械地发送动力给电力驱动器104的电力机器110，如电动机/发电机等。这样的移动机器100可作为作业机器来使用，用于执行与诸如采矿、建筑、农业、运输或者本领域中公知的任何其它合适的行业之类的行业相关联的特定类型的操作。例如，移动机器100可以是运土机、船舶、飞机、拖拉机、越野卡车、公路客运车辆等。在一般情况下，电力驱动器104的动力源102可包括，例如，内燃发动机，如柴油发动机、汽油发动机或天然气发动机，或者可替代地，可采用电池、燃料电池或者任何其它合适的动力源。在替代应用中，机器100可类似地与其它通用类型的动力源，如电池、燃料电池等结合使用。此外，虽然图1中的机器100可被示为移动的，但是与具有，例如，风车、水电大坝或作为动力源的任何其它合适的装置的固定应用结合使用，机器100还可用于发电。

图2示意性地示出了一种示例性的电力驱动器104，其可用于在动力源102和一个或多个电负载114之间传输电力。图2中的电力驱动器104的电力机器110可以是开关磁阻(SR)机器或类似物，其被配置成响应于来自动力源102的旋转输入产生电力并且将电力传输给机器100的一个或多个电负载114。负载114可包括114，例如，用于使机器100运动的电动机，以及用于操作机器100的各种机械工具的电动机。在本领域中众所周知的是，SR机器110可包括转子116，转子116可旋转地设置在固定的定子118内。转子116可经由驱动轴112耦合到动力源102的输出，或在其它相关的实施例中，经由直用曲轴、齿轮系、液压回路等耦合到动力源102的输出。定子118可经由转换器电路122电气耦合到电力驱动器104的公共总线120。

在发电操作模式中，当转子116通过动力源102在定子118内旋转时，电流可在定子118内诱生，并提供给转换器电路122。转换器电路122又可将电信号转换成适当的直流(DC)电压，分配给机器100的各种电负载114。另外，SR机器110可被启用以使转子116响应于由公共总线120，例如，在电动操作模式下提供给定子118的电信号而旋转。公共总线120可包括正线124和负线或接地线126，通过它们，公共DC总线电压可传输给耦合到其上的机器100的一个或多个负载114。例如，转换器电路122可提供DC信号，DC信号通过公共总线120发送，并提供给整流器电路，其中DC电压可被转换成适当的交流电(AC)信号以驱动一个或多个牵引电动机，或类似物，用于经由牵引装置106使机器100发生运动。公共总线120也可将公共DC电压传输给机器100的其他负载114，如混合系统、电气驱动的泵，电气驱动的风扇等。

仍参照图2，电力驱动器104还可包括控制系统128，用于控制SR机器110。控制系统128可基本上包括控制器130，其至少和与电力驱动器104相关联的转换器电路122通信。转换器电路122可包括串联的晶体管或栅控开关132，如绝缘栅双极晶体管，以及二极管134，用于选择性地启用SR机器110的一个或多个相绕组。三相SR机器110，例如，可使用具有用于选择性地启用或禁用SR机器110的三个相腿中的每一个的六个开关132和六个二极管134的转换器电路122来驱动。每个开关132可经由栅极信号被启用或禁用，其可由控制器130来提供。在特定改型中，控制系统128还可配置有编码器或传感器136，如转子位置传感器、转子速度传感器等，适于产生对应于转子116相对于定子118的旋转速度和/或位置的传感器信号并将传感器信号传输给控制器130的输入端。传感器136可包括可变磁阻传感器、电容传感器、霍尔效应传感器、各向异性磁阻传感器等。传感器136还可包括用于测量总线电压、通过定子118的一相或多相的电流或机器电流，和类似物中的任意一者或多者的装置。在进一步的替代改型中，转子速度、转子位置、总线电压和机器电流中的任何一者或多者可通过无传感器装置由控制器130估计或推导出，而不是测量而得。给控制系统128和转换器电路122的电力可通过外部或辅助动力源来提供，如通过电池(未示出)、储存在公共总线120的电容器138中的残留电压，或任何其他合适的电流受限DC电源来提供。

此外，图2的控制器130可包括可编程控制器130，可编程控制器130被配置为根据被设计成基于所观测到的SR机器110、动力源102、电力驱动器104等的特性来优化机器100的性能的预定的算法或指令集来操作电力驱动器104的SR机器110。算法或指令集和条件集可通过本领域中公知的手段被预编程到控制器130的存储器中。此外，相对于采用常规微控制器或微处理器来控制电气驱动的机器100的现有技术的传统控制器而言，图2中的控制器130可至少部分地使用现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)，或者能够同时或并行地执行多个闭环过程的任何其他可编程控制器来实施。通过采用这样的具有更好的吞吐量且实现更多并行处理的控制器，控制器130，以及预编程到其中的闭环控制方案可以以一种显著增加相关联的循环速率并促进更好的机器性能的方式进行配置。

现在参考图3，示意性发明了这样一种预编程的控制器130的示例性实施例。例如，控制器130可使用FPGA，以及ASIC来实施，其中预编程有用于控制三相SR机器110的电力驱动器104的算法，并且被配置为根据图3中所示的模块化示意图起作用。如图所示，FPGA控制器130可被编程为包括传感器模块140、扭矩控制模块142、平均扭矩控制模块144、电流描廓模块146、控制选择模块148和电流控制模块150等。通过使用FPGA来实施控制器130，控制器130可以以便于并行处理，从而大幅度增加总循环速率的方式被预编程。例如，控制器130可被预编程为每次迭代时至少同时并行执行分配给平均扭矩控制模块144和电流描廓模块146的过程。控制器130同样可使用ASIC，或适于促进并行处理的任何其他合适的控制器来实施。

如图3所示，传感器模块140一般可通过直接从传感器136收集分布在整个机器100内的此类信息或通过内部推导来确定对应于，例如，转子速度、转子位置、机器电流、总线电压等的一个或多个参数。传感器模块140还可在栅极命令信号在控制器130和定子118的各相之间传输时监测栅极命令信号。基于此类反馈，传感器模块140可被配置成至少计算转子116相对于定子118的角速度，或转子速度，以及转子116相对于定子118的角位置，或转子位置。传感器模块140还可根据任何观测到的变化连续地更新转子位置和转子速度，使得控制器130中的任何一个或多个模块可在操作过程中的任何时刻引用并访问即时转子速度和/或位置。如图3所示，例如，就扭矩控制模块142、平均扭矩控制模块144和电流选择模块148中的每一者的每分钟转速(RPM)而言，传感器模块140可产生对应于转子速度的第一信号。例如，就扭矩控制模块142和电流描廓模块146中的每一者的角度值θ而言，传感器模块140还可确定或产生对应于转子位置的第二信号。

图3中的扭矩控制模块142可被配置成基于由传感器模块140确定的总线电压、机器电流、转子速度和转子位置中的一者或多者产生扭矩命令信号。更具体而言，如在图4的示意图中所示，扭矩控制模块142可将所观测到的总线电压、机器电流、转子速度和转子位置中的任一者或多者与所需的总线电压、机器电流、转子速度和转子位置中的任一者或多者进行比较。基于所述比较中的任意一个或多个比较，扭矩控制模块142能够将SR机器110的实际和所需的操作特性之间的差异或误差量化。然后，扭矩控制模块142可将误差转发给闭环反馈控制器，如比例积分(PI)控制器等，以便产生对应于适当的误差校正的扭矩请求。

另外，扭矩控制模块142可确定扭矩限制，利用扭矩限制来限制扭矩请求。例如，扭矩控制模块142可基于所观测到的转子速度和预编程的扭矩限制查找映射和/或表来确定合适的原始扭矩限制。在其它替代方案中，利用适当的查找映射和/或表，原始扭矩限制可使用与SR机器110有关的其他参数，或其组合类似地推导。扭矩控制模块142可另外将预定义的降低额定值(derate value)应用于原始扭矩限制，以产生最终的扭矩限制，最终的扭矩限制将应用于由反馈控制器产生的扭矩请求。在其他改型中，扭矩控制模块142也可对扭矩的变化率施加限制，以及在最终输出前对扭矩请求进行任何其他合适的修改。在更进一步的改型中，扭矩控制模块142可不时在开环控制模式，而不是闭环控制模式下操作，以基于内部推导的输入参数产生扭矩命令和/或扭矩请求。一旦所有限制都已应用，扭矩命令就可被传输给平均扭矩控制模块144和电流描廓模块146中的每一者以供进一步处理。

返回参照图3中的FPGA控制器130，平均扭矩控制模块144可使用由扭矩控制模块142提供的扭矩命令来产生对应的第一组电流控制参数，用于控制SR机器110。如果被启用这样做，则平均扭矩控制模块144可通过控制流过离散传导窗口的机器电流基本上控制相关联的SR机器110的扭矩产生。由平均扭矩控制模块144产生的第一组电流控制参数可能与转子位置无关，但特定于扭矩命令和观测到的转子速度。如图5中所示，例如，电流控制参数可至少包括电流目标、最大电流目标、θ-接通角和θ-断开角。此外，平均扭矩控制模块142可对相关联的SR机器110的各相应用单个电流目标，所述电流目标与任何给定的扭矩和转子速度一致且未受到转子位置的影响。这个与位置无关的电流目标可对应于相关联的电力驱动器104的电流调节器在SR机器110操作期间可能试图实现的平均电流。同样地，平均扭矩控制模块144可针对SR机器110的各相定义一组一致的θ-接通/断开角，其中θ-接通/断开角针对各相适当地偏移。在涉及三相SR机器110的应用中，例如，针对一相所定义的θ-接通/断开角可能仅针对第二相偏移120°，且针对第三相偏移240°。

如图5中所示，平均扭矩控制模块144可基于扭矩命令、所观测到的转子速度和多个预编程的扭矩-速度查找映射单独地产生电流目标、最大电流目标和θ-接通/断开角中的每一者。平均扭矩控制模块144可进一步被预配置有两组不同的扭矩-速度查找映射，包括，例如，一组针对SR机器110的电动操作模式的映射，和另一组针对发电操作模式的映射。查找映射可针对不同的控制结果，包括，例如，最高效率、最小扭矩脉动或其任意组合来优化。在替代性改型中，平均扭矩控制模块144可类似地采用扭矩-速度查找表，而不是查找映射，或任何其它合适的可编程参考。此外，FPGA控制器130可被配置成使得针对电流目标、最大电流目标和θ-接通/断开角中的每一者的查找过程可同时或并行地执行。另外，可以类似地并行地产生电动和发电操作模式中的每一者的对应的一组输出，以在每次迭代时提供两组可能的输出。

一旦两个可能的输出集都已建立，平均扭矩控制模块144就可进一步被配置为基于由扭矩控制模块142确定的扭矩命令，和由传感器模块140确定的转子速度检测相关联的SR机器110的当前操作模式。例如，如果检测到SR机器110在电动模式操作时，则平均扭矩控制模块144可输出使用电动映射确定的电流控制参数。可替代地，如果检测到SR机器110在发电模式操作时，则平均扭矩控制模块144可输出使用发电映射确定的电流控制参数。如果最终被启用来使用所述第一组电流控制参数来控制SR机器110，则SR机器110可表现出近似对应于，例如，图6中所示的波形的机器电流和输出扭矩。如图所示，由平均扭矩控制模块144控制的SR机器110的输出扭矩可表现出一定水平的扭矩脉动，甚至在使用专门针对最小扭矩脉动优化的扭矩-速度映射时也是如此。这是因为相位可能不总是重叠的，且因为用于控制SR机器110的恒定电流目标可能不产生恒定扭矩。虽然这是普遍可接受的，但是此类水平的扭矩脉动可能不适合某些操作条件。因此，控制器130可同时采用电流描廓模块146，以产生适于进一步减少扭矩脉动的控制器。

由于平均扭矩控制模块144产生第一组电流控制参数，图3中的电流描廓模块146可被配置为基于由扭矩控制模块142所产生的扭矩命令和由传感器模块140所确定的转子位置同时产生第二组电流控制参数。在其它相关的改型中，电流描廓模块146还可至少部分地基于转子速度产生第二组电流控制参数。电流描廓模块146可用来通过使各相的电流以更均匀地分布在SR机器110的相位之间产生的扭矩的方式成形来使扭矩脉动最小化。由电流描廓模块146产生的电流控制参数可被配置为至少包括电流目标值、θ-接通角和θ-断开角。虽然最大电流目标是从平均扭矩控制模块144中的查找映射引用的，但是电流描廓模块146可基于用户输入、预先设定的值等来定义最大电流目标。与平均扭矩控制模块144进一步对比，由电流描廓模块146所产生的电流目标对SR机器110的各相可以是独立的且基于转子位置改变，或在某些情况下，还基于转子速度改变。

如图7所示，例如，电流描廓模块146可基于扭矩命令、所观测到的转子位置和所观测到的转子速度中的一者或多者产生用于SR机器110的每个单独的相的电流目标。具体而言，电流描廓模块146可实施扭矩共享函数，采用的是预编程的扭矩共享映射，或类似物的形式，其使观测到的转子位置与对应的扭矩标定值相关。在替代性改型中，扭矩共享函数还可使所观测到的转子速度与对应的扭矩标定值相关。电流描廓模块146可将所得的扭矩标定值应用到扭矩命令以产生修改或标定的扭矩命令。标定的扭矩命令以及所观测到的转子位置，并且在某些情况下，所观测到的转子速度，可用于基于预编程的扭矩-位置查找映射、扭矩-位置-速度查找映射，或类似物来确定适当的电流目标。如图7中示意性地所示，电流成形和扭矩标定过程可针对SR机器110的各相单独但并行执行，以便在每次迭代的同时产生用于各相的电流目标。

仍然参照图7，电流描廓模块146可产生特定于相关联的SR机器110的操作模式的θ-接通/断开角。此外，由电流描廓模块146产生的θ-接通/断开角可根据SR机器110的操作模式固定。在三相应用中，例如，如果SR机器110正处在电动操作模式，则对于第一相，θ-接通角可被固定到180°，且θ-断开角可被固定到360°。可替代地，如果SR机器110正处在发电操作模式，则对于第一相，θ-接通角可被固定到0°且θ-断开角可被固定到180°。相应地，对于第二相，θ-接通/断开角可偏移120°，且对于第三相，θ-接通/断开角可偏移240°。电流描廓模块146可进一步被配置为基于转子速度来确定SR机器110的当前操作模式，或转子116的旋转方向。

因此，伴随电流描廓模块146的扭矩共享函数的电流成形可使SR机器110的各相产生的扭矩成形，以便显示出组合的扭矩输出，它整体上更加恒定，如，例如，图8中的波形所示。更具体而言，由于SR机器110的扭矩输出能力随机器电感变化，并且由于机器电感随着转子位置变化，电流描廓模块146可用于基于转子位置来改变扭矩输出能力。此外，电流描廓模块146的整体操作可被约束到相对较小的转子速度范围内，例如，从大约0RPM-200RPM、0RPM-400RPM等范围观测到的转子速度。在更进一步的改型中，附加标度或附加轴可并入电流描廓模块146的查找映射中，以便进一步修改由此产生的电流控制参数。

根据图3中所示的FPGA控制器130，分别由平均扭矩控制模块144和电流描廓模块146产生的第一组和第二组电流控制参数中的每一者可同时传输给控制选择模块148以进行进一步的处理。控制选择模块148可用来，例如，经由平均扭矩控制或电流描廓来确定两种控制形式中的哪一种最适合于相关联的SR机器110的当前操作状况，并仅启用与将用于操作SR机器110的所选择的控制形式相关联的两个可用电流控制参数之一。此外，控制选择模块148可通过参照定义多个转子速度区域或转子速度范围的多个预编程的转子速度阈值，且确定对应于所观测到的转子速度的绝对值的区域来选择适当的控制形式。如图9的具体示例中所示，控制选择模块148可建立四个不同的转子速度阈值A、B、C和D，所述阈值总体限定低速区域I、中速区域II和高速区域III。控制选择模块148可另外限定每个区域之间的滞后带H。此外，控制选择模块148可为每个速度区域分配可用控制形式之一。例如，低速区域I和高速区域III可与经由平均扭矩控制模块144的控制相关联，而中速区域II可与经由电流描廓模块146的控制相关联。

因此，控制选择模块148可被配置为，如果所观测到的转子速度落入低速区域I或高速区域III内，则启用经由平均扭矩控制模块144的控制，或者如果所观测到的转子速度落入中速区域II内，则启用经由电流描廓模块146的控制。更具体而言，如果平均扭矩控制模块144被启用，则控制选择模块148可输出第一组电流控制参数，或如果电流描廓模块146被启用，则输出第二组电流控制参数，其中每组电流控制参数可包括电流目标、最大电流目标和θ-接通/断开角。同样地，在其它改型中，控制选择模块148可采用多于四个转子速度阈值，所述阈值可限定多于三个不同的速度区域，以使控制器130适于与更宽的操作速度范围配合使用。相应地，控制选择模块148也可采用少于四个转子速度阈值以限定少于三个不同的速度区域，并使控制器130适于与范围较窄的操作速度配合使用。

如图3中的控制器130中所示，由控制选择模块148启用的该组电流控制参数可被传输给电流控制模块150用于进行进一步处理。更具体地说，电流控制模块150可被配置成基于所选择的该组电流控制参数产生栅极命令信号，用于驱动SR机器110的各相，并将栅极命令信号传输给电力驱动器104的适当的栅极132。如图10中所示，例如，电流控制模块150的输入可包括由控制选择模块148所提供的电流目标、最大电流目标和θ-接通/断开角，以及由传感器模块140确定的测得或估计的机器电流等。基于所需的或目标电流控制参数和测得的电流控制参数之间的比较，电流控制模块150能够在每次迭代时请求调整后的电流目标，以及其周围的滞后带。

如图10所示，电流控制模块150可附加地包括电流保护特征，所述电流保护特征被配置为监测机器电流，例如，基于当前的传感器读数，并将所观测到的机器电流与最大电流目标进行比较。如果观测到的机器电流超过最大电流目标，则电流控制模块150可被配置成禁用SR机器110的相位之一至少一个基本周期。电流控制模块150可被配置成通过仅禁用与相位相关联的上栅极和下栅极132中的一个，或者通过禁用与相位相关联的上栅极和下栅极132来禁用SR机器110的相位。电流控制模块150可进一步被配置成根据SR机器110的操作条件且基于所需的斩波模式，产生原始栅极命令。基于所请求的斩波模式，例如，电流控制模块150可调整供给SR机器110的各相的栅极132的电流，以便，例如，在单个脉冲模式、电流调节模式、硬斩波模式、软斩波模式等中的任一种模式下操作SR机器110。

现在参照图11，图解提供了一种示例性方法160或者算法，通过它，控制器130可被总体配置成控制SR机器110的电力驱动器104。此外，方法160可使控制器130能够执行，例如在图3中示意性示出的一个或多个过程。方法160或算法可以以可执行的代码格式可检索地储存在存储器中，其可由控制器130访问且被配置为可基于预定义的条件集来执行。此外，方法160可使用控制器130来预编程，其具有增强的能力用于在每次迭代的同时并行处理和执行方法160的多个闭环过程。例如，控制器130可至少部分地包括FPGA、ASIC或者具有增加的带宽或吞吐量的任何其它可编程控制器。

如图11中所示，在步骤160-1中，控制器130可被配置成确定总线电压，或与SR机器110的定子118相关联的公共总线120上的电压，机器电流或通过定子118的各相的电流，以及SR机器110的转子速度和转子位置。例如，控制器130可监测分布在整个机器100上的一个或多个传感器136以直接测量总线电压、机器电流、SR机器110的转子116相对于定子118的角速度和/或位置等。在其它实施例中，控制器130可被配置成导出或内部估计总线电压、机器电流、转子速度、转子位置等中的任何一者或多者。在步骤160-2中，控制器130可被配置成基于步骤160-1中确定的总线电压、机器电流、转子速度和转子位置中的一者或多者来产生扭矩命令。在图4中所示的特定迭代中，控制器130可实施闭环扭矩控制器，以基于所需的总线电压与观测到的总线电压、所需的机器电流与观测到的机器电流、所需的转子速度与观测到的转子速度，以及所需的转子位置与观测到的转子位置之间的一个或多个比较来产生扭矩请求。可替代地，控制器130可采用开环控制模式来基于一个或多个内部导出的参数来确定扭矩请求。步骤160-2可另外根据预定义的扭矩限制值来限制扭矩请求，并基于该受限的扭矩请求产生扭矩命令。

至少基于所述扭矩命令和所述转子速度，在图11的步骤160-3期间，控制器130可被配置为确定第一组电流控制参数，用于控制SR机器110。在步骤160-4期间，控制器130可基于扭矩命令、转子速度和转子位置中的一者或多者产生第二组电流控制参数，用于控制SR机器110。如针对图3中的控制器130所讨论的，第一组和第二组电流控制参数中的每一者可包括，例如，电流目标、最大电流目标、θ-接通角、θ-断开角，以及有关于与SR机器110的各相相关联的栅极132的控制的任何其他参数。此外，可使用平均扭矩控制方案来产生所述第一组电流控制参数，如，例如，图5中所示，同时可使用电流描廓控制方案来产生所述第二组电流控制参数，如，例如，图7中所示。此外，控制器130可被配置为至少同时或并行执行图11中的步骤160-3和160-4，以便减少总循环次数。

一旦获得了第一组和第二组电流控制参数，在步骤160-5中，控制器130就可被配置成至少基于转子速度来选择最佳方案，用于控制SR机器110。更具体而言，控制器130可被配置为将所观测到的转子速度与多个预编程的转子速度阈值进行比较来确定最适合于SR机器110的当前操作状况的控制方案。例如，如果观测到转子速度相对较低或较高，则控制器130可确定平均扭矩控制方案最适合于控制SR机器110，并且因此，使用在步骤160-3期间产生的第一组电流控制参数来驱动SR机器110。可替代地，如果观测到转子速度处于中速范围内，则控制器130可确定电流描廓控制方案最适合于控制SR机器110，且因此，使用在步骤160-4期间产生的第二组电流控制参数来驱动SR机器110。更具体而言，控制器130可根据启用的该组电流控制参数产生栅极命令信号，以及将所述命令信号传输给SR机器110的电力驱动器104的各自的栅极132。然而，在其它改型中，控制器130可被配置为建立与所观测到的转子速度进行比较的更少或更多数量的速度范围。

工业实用性

在一般情况下，前述的发明内容在各种工业应用，如农业、建筑业和采矿业中发现对电力机器或电动机/发电机进行更光滑且更有效的控制的效用，通常与移动机器，如拖拉机、挖掘装载机、压实机、伐木归堆机、林业机器、工业装载机、滑移装载机、轮式装载机等，以及与配置成发电的固定机器联合使用。所发明的控制器、控制系统和方法可应用于具有开关磁阻(SR)机器或本领域中常用的其他类似的电力机器的电气驱动机器。更具体而言，本发明提供对SR机器的电力驱动器的最佳控制，并使用具有并行处理能力的控制器和/或控制系统实施控制。通过启用或促进SR机器的多个控制过程的并行执行，本发明能够显著减少循环次数，并减轻现有技术的吞吐量限制。此外，通过增加控制器带宽，本发明大大降低了控制器及其性能的负担。

从前述内容可以理解的是，虽然为实现说明的目的仅某些实施例已被阐述，但是从上述说明中，替代方案和修改对本领域技术人员将是显而易见的。这些和其它替代方案被视为是等同物且在本发明的精神和范围以及所附权利要求书范围内。

Claims (10)

1.一种用于具有转子(116)和定子(118)的开关磁阻(SR)机器(110)的控制系统(128)，所述控制系统(128)包括：

转换器电路(122)，其操作地耦合到所述定子(118)且包括与所述定子(118)的各相选择性通信的多个栅极(132)；以及

控制器(130)，其与所述定子(118)和转换器电路(122)中的每一者通信且能够并行执行两个或多个过程，所述过程包括：

基于总线电压、机器电流、转子速度和转子位置中的一者或多者产生扭矩命令，

基于所述扭矩命令和所述转子速度确定第一组电流控制参数，

基于扭矩命令、转子速度和转子位置中的一者或多者确定第二组电流控制参数，

基于所述转子速度选择所述第一组电流控制参数和第二组电流控制参数中的一者，以及

根据所选择的该组电流控制参数操作栅极(132)。

2.如权利要求1所述的控制系统(128)，其中，所述控制器(130)使用能够促进并行处理并大幅减少循环次数的现场可编程门阵列(FPGA)和专用集成电路(ASIC)中的一者或多者至少部分地实施。

3.如权利要求1所述的控制系统(128)，其中，所述控制器(130)基于所观测到的总线电压、机器电流、转子速度和转子位置分别与所需的总线电压、机器电流、转子速度和转子位置之间的一个或多个比较来产生扭矩命令，基于所述一个或多个比较产生扭矩请求，基于转子速度限制扭矩请求，以及基于该受限的扭矩请求产生扭矩命令。

4.如权利要求1所述的控制系统(128)，其中，所述定子(118)是三相定子，所述第二组电流控制参数包括在SR机器(110)处于电动操作模式时用于定子(118)的第一相的180°的固定的θ-接通角和360°的固定的θ-断开角，且包括在SR机器(110)处于发电操作模式时用于定子(118)的第一相的0°的固定的θ-接通角和180°的固定的θ-断开角，用于定子(118)的第二相的对应的θ-接通和θ-断开角偏移120°且用于定子(118)的第三相的对应的θ-接通和θ-断开角偏移240°。

5.如权利要求1所述的控制系统(128)，其中，所述控制器(130)通过基于转子速度、转子位置和预编程的扭矩共享函数中的一者或多者标定用于定子(118)的各相的扭矩命令来产生第二组电流控制参数，以及基于标定的扭矩命令、转子速度、转子位置和预定义的查找映射中的一者或多者来产生用于定子(118)的各相的电流目标，所述扭矩共享函数能够使扭矩生产更均匀地分布于其间并使扭矩脉动最小化的方式修改定子(118)的各相中的电流。

6.如权利要求1所述的控制系统(128)，其中，所述控制器(130)将转子速度的绝对值与能够建立至少第一速度区域和第二速度区域的多个转子速度阈值进行比较，所述控制器(130)选择所述第一组电流控制参数，用于在转子速度降到第一速度区域内时控制SR机器(110)，所述控制器(130)选择所述第二组电流控制参数，用于在转子速度降到第二速度区域内时控制SR机器(110)。

7.一种控制具有转子(116)和定子(118)的开关磁阻(SR)机器(110)的方法(160)，所述方法(160)包括以下步骤：

确定SR机器(110)的总线电压、机器电流、转子速度和转子位置中的一者或多者；

基于总线电压、机器电流、转子速度和转子位置中的一者或多者产生扭矩命令；

基于所述扭矩命令和所述转子速度来确定第一组电流控制参数；

基于扭矩命令、转子速度和转子位置中的一者或多者来确定第二组电流控制参数；

基于所述转子速度来选择所述第一组电流控制参数和第二组电流控制参数中的一者；以及

根据所选择的该组电流控制参数选择性地驱动与定子(118)的各相相关联的多个栅极(132)。

8.如权利要求7所述的方法(160)，其中，产生扭矩命令的步骤进一步包括将所观测到的总线电压、机器电流、转子速度和转子位置中的一者或多者分别与所需的总线电压、机器电流、转子速度和转子位置中的一者或多者进行比较，基于所述一个或多个比较产生扭矩请求，基于所述转子速度限制扭矩请求，以及基于该受限的扭矩请求产生扭矩命令。

9.如权利要求7所述的方法(160)，其中，确定所述第二组电流控制参数的步骤进一步包括：基于转子速度、转子位置和预编程的扭矩共享函数中的一者或多者标定用于定子(118)的各相的扭矩命令，以及基于标定的扭矩命令、转子速度、转子位置和预定义的扭矩-速度-位置查找映射中的一者或多者来产生用于定子(118)的各相的电流目标，所述扭矩共享函数能够使扭矩生产更均匀地分布于其间并使扭矩脉动最小化的方式修改定子(118)的各相中的电流。

10.如权利要求7所述的方法(160)，其中，选择第一组电流控制参数和第二组电流控制参数中的一者的步骤进一步包括将转子速度的绝对值与能够建立至少第一速度区域和第二速度区域的多个转子速度阈值进行比较，所述第一组电流控制参数被选择成用于在转子速度降到第一速度区域内时控制SR机器(110)，所述第二组电流控制参数被选择成用于在转子速度降到第二速度区域内时控制SR机器(110)。