CN105518990A - 可变磁化机控制器 - Google Patents

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Abstract

一种可变磁化机控制器(100)包括：磁滞控制部件，其被配置为接收理想磁化状态信号，基于理想磁化状态信号来输出用于控制可变磁化机(10)的实际磁化信号，并且根据理想磁化状态信号与实际磁化状态信号之间的误差值来修改实际磁化状态信号。

Description

可变磁化机控制器
相关申请的交叉引用
在2013年6月28日提交的第PCT/US2013/048562号国际申请中以及在与其同时提交的案号为第NS-WO135318(12-00423)号、题为“RotorforaVariableMagnetizationMachine”的国际申请中，公开了相关主题，在第PCT/US2013/048562号国际申请和案号为第NS-WO135318(12-00423)号、题为“RotorforaVariableMagnetizationMachine”的国际申请通过引用合并于此。
技术领域
本发明一般涉及可变磁化机控制器。更具体地，本发明涉及一种控制器，其包括用于改变在电动车辆或混合动力车辆中采用的可变磁化机(诸如电动机或其他类型的可变磁通机(fluxmachine))的磁化水平的磁滞部件。
背景技术
电动车辆和混合动力车辆(HEV)包括作为车辆的驱动源工作的电动机。在纯电动车辆中，电动机作为唯一驱动源工作。另一方面，HEV包括基于在本领域中了解的条件而作为车辆的驱动源工作的电动机和传统内燃机。
如本领域了解的那样，电动车辆和HEV可以采用具有可变磁化特性的电动机。例如，可以增加电动机的磁化水平以增大电动机产生的扭矩。因此，当驾驶者尝试使车辆加速以例如超过另一车辆时，电动机控制器可以改变磁化水平以增大电动机的扭矩输出并由此提高车辆速度。
存在用于增加这样的电动机的磁化水平的某些技术。在一种传统技术中，可以基于定子磁链来预先确定多个磁化水平(例如，3个水平)。在另一传统技术中，可以基于可变磁化机(例如，电动机)的磁化状态来预先确定多个磁化水平(例如，5个水平)。然而，如果磁化机的理想磁化状态(M/S)包括高频分量，则M/S的改变次数将会较大(例如，在特定的行驶循环内400次改变)并且由于改变次数而引起的损耗将是显著的。替选地，如果理想M/S维持于2个最近值之间的值，则将存在一定稳态误差。因而，磁化机的效率不会最大化。
发明内容
因此，期望提供一种用于可变磁化机(诸如用于车辆的可变磁化电动机或其他类型的可变磁通机)的改进的控制器。
鉴于已知技术的状态，根据所公开的实施例的可变磁化机控制器的一个方面包括磁滞控制部件，该磁滞控制部件被配置为：接收理想磁化状态信号，基于理想磁化状态信号来输出实际磁化信号以控制可变磁化机，并且根据理想磁化状态信号与实际磁化状态信号之间的误差值来修改实际磁化状态信号。
附图说明
现在，参照构成本原始公开内容的一部分的附图：
图1是根据所公开的实施例的可变磁化机的局部截面示意图；
图2至图4是示出在车辆中用来控制可变磁化机(诸如图1所示的可变磁化机)的、包括根据所公开的实施例的控制器的部件的示例的示图；
图5和图6是示出在磁化处理和去磁化处理期间利用图2至图4所示的配置向可变磁化机施加的M/S与d轴电流脉冲之间的关系的示例的曲线图；
图7是示出根据所公开的实施例的图2至图4所示的配置中采用的控制器的部件的示例的框图；
图8是示出控制器随时间而输出的实际M/S信号与M/S标记信号的示例的曲线图；
图9是示出基于控制器输出的实际M/S信号和M/S改变标记信号而控制的可变磁化机的扭矩的示例的曲线图；
图10是示出基于控制器输出的实际M/S信号和M/S改变标记信号而控制的可变磁化机的磁化的示例的曲线图；
图11是示出图10的曲线图的一部分的详细示图的曲线图；
图12是示出在控制器的控制下会出现的可变磁化机的损耗能量的示例性特性的三维曲线图；
图13是示出总损耗能量和在控制器的控制下可变磁化机发生的驱动损耗的示例的条形图；
图14至图17示出了关于控制器可控制的可变磁化机的不同配置的Eff图的示例；
图18至图21是示出根据其他实施例的控制器的示例的框图；
以及
图22是示出图21所示的控制器随时间而输出的实际M/S信号与M/S标记信号的示例的曲线图。
具体实施方式
现在将参照附图说明所选实施例。本领域技术人员从本公开内容中将显而易见的是，以下对实施例的描述仅出于说明而提供，而不是出于限制由所附权利要求及其等同方案定义的本发明的目的。
如图1所示，可变磁化机10(也可以称为可变磁化电动机或其他类型的可变磁通电机)包括转子12和定子14。如本文所讨论的那样，术语“可变磁化机”和“可变磁通机”可以同义地用来指代相同类型的机器。可变磁化机10可以用在诸如汽车、卡车、SUV等任意类型的电动车辆或HEV中以及用在本领域中所了解的任意其他类型的设备中。转子12和定子14可以由金属或者本领域中所了解的任意其他适当材料制成。
在该示例中，转子12被配置为包括多对磁障(fluxbarrier)16与18，其可配置为气隙或者可以包括本领域中常规的任意适当类型的绝缘材料。虽然仅示出了完整的一对磁障16与18和部分的两对磁障16与18，但是在该示例中，六对磁障16与18可以围绕转子12的外周以60度的角度间隔开。当然，对于采用可变磁化机10的环境而言，转子12可以包括被认为适当的任意数量的多对磁障16与18。此外，如在该示例中所示，电动机的q轴穿过一对磁障16与18的中心。然而，各对磁障16与18可以相对于q轴位于任意适当位置以实现本文中所讨论的实施例的可操作性。
如进一步示出的那样，每个磁障18的径向向外边界与转子12的外圆周22之间存在转子12的表面隔磁桥(surfacebridge)20。此外，每对相邻磁障16与18之间存在d轴磁通旁路(fluxbypass)24。在该示例中，表面隔磁桥20和d轴磁通旁路由与转子12的材料相同的材料制成。然而，表面隔磁桥20和d轴旁路24可以由本领域中已知的任意适当类型的材料制成。
另外，多个低矫顽力磁体26围绕转子12的圆周在相邻的各对磁障16与18之间间隔开。如所示出的那样，这些磁体26中的每一个均在相对于相邻磁障16的一部分垂直或大致垂直的方向上纵向延伸。然而，磁体26可以按照任何适当的尺寸和形状进行配置。此外，在该示例中，转子12包括6个磁体26，这6个磁体26位于6对磁障16与18之间且在围绕转子12的圆周方向上以60度的间隔而隔开。然而，磁体26的数量可以相对于磁障16与18的配对数量的改变而改变。此外，每个磁体26可以被配置为多个磁体。在该示例中，d轴穿过磁体26的中心。然而，磁体26可以相对于d轴位于任意适当位置以实现本文中所讨论的实施例的可操作性。
定子14包括多个定子齿部28以及诸如绕组之类的其他部件，其可以以任何传统方式进行配置。在该示例中，定子齿部28被配置为本领域中已知的宽定子齿部。然而，定子齿部28可以具有任意适当尺寸，并且定子14可以包括任意数量的定子齿部28以实现本文中所讨论的实施例的可操作性。在该示例中，定子齿部28对定子14的内圆周30开放，但在需要时可以封闭。此外，在转子12的外圆周22与定子的内圆周30之间存在气隙32，以使得转子12能够围绕轴34不受限制地或者基本上不受限制地旋转。另外，可变磁化机10可以包括在上文引用的第PCT/US2013/048562号国际申请和案号为第NS-WO135318(12-00423)号、题为“RotorforaVariableMagnetizationMachine”的国际申请中所描述的特征。
图2至图4是示出在车辆102中采用根据所公开的实施例的控制器100(图3)控制可变磁化机10的方式的示例的示图。车辆102可以是电动车辆或HEV，诸如汽车、卡车、SUV或任意其他适当类型的车辆。如在本领域中了解的那样，当驾驶者向加速器104施压时，加速信号被输入至控制器106(诸如电子控制单元(ECU)或任意其他适当类型的控制器)。此外，诸如转速计或任意其他适当类型的传感器的速度传感器108感测例如车辆102的驱动轮110的旋转速度，并将车辆速度信号提供至控制器106。
控制器106包括其他传统部件，诸如输入接口电路、输出接口电路和存储装置(诸如ROM(只读存储器)装置和RAM(随机存取存储器)装置)。本领域技术人员根据本公开而显而易见的是，控制器106的确切结构和算法可以是将要执行本发明的功能的硬件与软件的任意组合。换言之，用在说明书和权利要求书中的“装置加功能”语句应该包括可用于执行“装置加功能”语句的功能的任意结构或硬件和/或算法或软件。此外，控制器106可以以本领域中了解的任意适当方式与本文所讨论的车辆102中的加速器104、速度传感器108和其他部件进行通信。另外，控制器106的部件不必是独立或分离的部件，并且一个部件或模块可以执行本文所讨论的多个部件或模块的操作。此外，每个部件可以包括如上述的微控制器，或者多个部件可以共用一个或多个微控制器。
如图2中进一步示出，控制器106如本领域中了解的那样输出用于控制可变磁化机10的速度和扭矩的信号，以达到适当的机器工作状态的信号，实现期望的车辆加速度。例如，控制器106可以从可存储在存储器112中的预先准备的多个损耗图当中访问适当的损耗图。每个损耗图可以指示所表示的相应磁化状态(M/S)的相应损耗特性。然后，控制器106可以例如生成表示针对每个相应M/S的损耗量的损耗曲线并得出所表示的最小损耗点。因此，控制器106可以输出用于控制可变磁化机10的信号以实现理想M/S。
如图3所示，表示理想M/S的信号被输入至控制器100，如以下更详细地讨论的那样，控制器100输出用于表示实际M/S的信号以及M/S改变标记信号。M/S和扭矩控制器114接收用于表示实际M/S的信号以及M/S改变标记信号，并且输出诸如脉宽调制(PWM)信号的电流控制信号以控制可变磁化机10。在上文引用的相关国际申请PCT/US2013/048562中更详细地描述了M/S和扭矩控制器114的特征以及包括电池116、逆变器装置118和可变磁化机10的e-动力系统的特征。此外，图5和图6是示出在磁化处理(图5)期间和去磁化处理(图6)期间M/S和扭矩控制器114连同电池116和逆变器装置118一起向可变磁化机10施加的M/S与d轴电流脉冲之间的关系的示例的曲线图。
现在将参照图7描述控制器100的部件的示例。如所示，控制器100包括采样和保持电路120，其包括开关122和z变换部件124。控制器100还包括减法器126、比例-积分(PI)补偿器128、绝对值电路130、比较器132和比较器输入部件134。
理想M/S信号被输入至采样和保持电路120的开关122以及减法器126。减法器126从理想M/S信号中减去反馈信号并将误差信号输出至PI补偿器128。如本领域中所了解的那样，PI补偿器128从误差信号中去除稳态误差，并将去除了稳态误差的误差信号作为修改后的误差信号提供至绝对值电路130。绝对值电路130将修改后的误差信号的绝对值输出至比较器132。比较器132还从比较器输入部件134接收输入信号。在该示例中，输入信号表示值“1”，但可以被设置为任何适当值以实现本文所述的效果。
比较器132基于修改后的误差信号和输入信号来提供输出以控制采样和保持电路120的开关122的切换。如本领域中所了解的，比较器132还将该输出作为重置信号提供至PI补偿器128。比较器132还将该输出作为M/S改变标记信号提供至上述的M/S和扭矩控制器114。
如进一步示出，z变换部件124将采样和保持电路120输出的实际M/S信号的反馈作为第二输入提供至开关122。开关122基于比较器132提供的输出信号的状态来输出理想M/S信号或来自z变换部件124的反馈信号作为实际M/S信号。因此，上述的控制器100的部件起到磁滞控制部件的作用，该磁滞控制部件被配置为：接收理想磁化状态信号，基于理想磁化状态信号来输出用于控制可变磁化机的实际磁化信号，并且根据理想磁化状态信号与实际磁化状态信号之间的误差值来修改实际磁化状态信号。即，当误差值导致比较器132输出的信号具有控制开关122输出来自z变换部件124的修改后信号作为实际M/S信号的值时，控制器100实质上根据理想磁化状态信号与实际磁化状态信号之间的误差值来修改实际M/S信号。因此，采样和保持电路120(采样和保持部件)被配置为输出实际磁化状态信号以及根据误差值修改实际磁化状态信号。被配置为起到磁滞控制部件的作用的控制器100还被配置为输出M/S改变标记信号作为与实际M/S信号同步的脉冲信号，从而根据该脉冲信号进一步控制可变磁化机10。
在图8的曲线图中示出了控制器100随时间而输出的实际M/S信号和M/S标记信号的示例。该曲线图示出了由理想M/S信号与修改后的实际M/S信号(作为控制器100输出的实际M/S信号)之间的切换而引起的M/S信号出现的改变。如所示，控制器100执行的磁滞控制器操作减少了实际M/S信号的改变次数，而PI补偿器128如上所述地从误差信号中去除了稳态误差。图9中的曲线图示出了M/S和扭矩控制器114基于控制器100输出的实际M/S信号和M/S改变标记信号而控制的可变磁化机10的扭矩的示例。图10中的曲线图和如图11所示的图10的曲线图的一部分的详细示图示出了M/S和扭矩控制器114基于控制器100输出的实际M/S信号和M/S改变标记信号而控制的可变磁化机10的磁化水平的示例。如所示，与在上述的背景技术部分中讨论的传统控制器的437相比，在与传统控制器的时间段相同的时间段内发生的改变的计数减小至88，而驱动损耗仅增长了1.1％或约1.1％。
图12所示的三维曲线图示出了在控制器100的控制下，损耗能量在2.4的比例增益kp和2.5的积分增益ki处最小，其中M/S的阈值等于42％且时间常数为10秒。图13所示的条形图示出了总损耗能量和在控制器100的控制下可变磁化机10发生的驱动损耗的示例。如所示，改变的计数减小至一半或大约一半，而驱动损耗也减少了24％或大约24％。图14至图17示出了关于本文中讨论的控制器100可控制的可变磁化机10的不同配置的Eff图的示例。
图18是示出根据另一实施例的控制器200的框图。如所示，控制器200包括采样和保持电路120，其包括如上所述的开关122和z变换部件124。控制器200还包括如上所述的减法器126、绝对值电路130、比较器132和比较器输入部件134。另外，控制器200包括以与如上所述的PI补偿器128类似的方式进行操作的PI补偿器228，并且包括现在将讨论的部件。
如所示，该示例中的PI补偿器228可以包括增益部件230、增益部件232、累积器234和加法器236。从减法器126输出的误差信号被输入至增益部件230和增益部件232。诸如全球定位系统(GPS)装置的位置检测器238(位置确定装置)可以确定车辆102的位置并将位置信号输出至PI增益调节器240。因而，位置检测器238被配置为确定车辆102的位置，如本领域了解的那样，基于该位置可以确定车辆102的行驶模式。PI增益调节器240将信号输出至增益部件230和增益部件232，以改变增益部件230和增益部件232施加于误差信号的增益。因而，PI补偿器228被配置为根据车辆102的行驶模式来改变补偿特性，该车辆102包括可变磁化机10和可变磁化机控制器200。即，PI补偿器228被配置为基于补偿特性来从误差信号中去除稳态误差。
图19所示的控制器300包括所有与上述的控制器100和控制器200的部件相同的部件。然而，PI增益调节器240从驱动模式选择装置242接收信号，而不是从位置检测器238接收信号，驱动模式选择装置242可以是例如布置在控制台面板上或车辆102内任意其他适当位置处的开关。驱动模式选择装置242被配置为使得车辆102的驾驶者例如能够选择车辆102的驱动模式，如本领域了解的那样，基于该驱动模式确定车辆的行驶模式。PI增益调节器240将信号输出至增益部件230和增益部件232以基于所选择的驱动模式来改变增益部件230和增益部件232施加于误差信号的增益。
图20所示的控制器400包括所有与上述的控制器100和200的部件相同的部件。然而，PI增益调节器240接收基于已存储在例如行驶历史记录装置244(诸如存储器或其他适当类型的存储装置)中的行驶模式数据的信号，而不是从位置检测器238或驱动模式选择装置242接收信号。行驶历史记录装置244被配置为记录车辆102在一段时间内的行驶历史，以如本领域中了解的那样基于行驶历史来确定车辆102的行驶模式。用于表示存储在行驶历史记录装置244中的数据的信号可以被直接提供至PI增益调节器240。替选地，存储在行驶历史记录装置244中的数据可以被提供至部件246，该部件246被配置为在表示行驶历史的数据被提供至PI增益调节器240之前对该数据执行快速傅里叶变换处理。行驶模式选择装置242被配置为使得车辆102的驾驶者例如能够基于所存储的表示车辆行驶模式的数据来选择车辆102的驱动模式，如本领域中所了解的那样。PI增益调节器240将信号输出至增益部件230和增益部件232以基于行驶模式数据改变增益部件230和增益部件232施加于误差信号的增益.
图21所示的控制器500包括所有与上述的控制器100和200的部件相同的部件。另外，控制器500包括信号修改部件502，该信号修改部件502被配置为在将理想磁化状态信号输入到采样和保持电路120之前修改理想磁化状态信号。信号修改部件502可以包括例如比例加微分补偿器，其被配置为如本领域中了解的那样修改理想磁化状态信号，从而在理想磁化状态信号被输入到采样和保持电路120之前调节理想磁化状态信号。在图22的曲线图中示出了控制器500随时间而输出的实际M/S信号和M/S标记信号的示例。该曲线图示出了由理想M/S信号与修改后的实际M/S信号(作为控制器500输出的实际M/S信号)之间的切换而引起的M/S信号发生的改变。此外，控制器500可以包括如上所述的控制器200、300和400的特征。控制器200、300、400和500还可以包括以组合的方式或以替选的方式配置的彼此的特征以实现本文中所讨论的效果。
控制器100、200、300、400和500的特征可以被配置为离散部件或者可以根据例如微处理器或任意其他适当类型的信号处理装置执行。此外，控制器100、200、300、400和500可以包括其他传统部件，诸如输入接口电路、输出接口电路和存储装置(诸如，ROM(只读存储器)装置和RAM(随机存取存储器)装置)。本领域技术人员从本公开内容中将显而易见的是，控制器100、200、300、400和500的确切结构和算法可以是将执行本发明的功能的软件与硬件的任意组合。换言之，用在本说明书和权利要求中的“装置加功能”语句应该包括可以用来执行“装置加功能”语句的功能的任意结构或硬件和/或算法或软件。此外，控制器100、200、300、400和500可以按照本领域中了解的任意适当方式与本文中所讨论的车辆102中的其他部件进行通信。另外，控制器100、200、300、400和500的部件不必是独立或分离的部件，并且一个部件或模块可以执行本文中所讨论的多个部件或模块的操作。此外，每个部件均可以包括如上所述的微控制器，或者多个部件可以共用一个或多个微控制器。
由上可知，控制器100、200、300、400和500均提供了用于改变在电动车辆或混合动力车辆中采用的可变磁化机(诸如，电动机或其他类型的可变磁通机)的磁化水平的磁滞部件。因而，控制器100、200、300、400和500的操作提供了M/S选择方法，该M/S选择方法减少了实际M/S信号的改变次数且不提供或者实质上不提供稳态误差。
术语的一般解释
在理解本发明的范围时，本文中所使用的术语“包含”及其派生词意指开放式术语，其指定所述特征、元件、部件、组、整数和/或步骤的存在，但不排除其他未提及的特征、元件、部件、组、整数和/或步骤的存在。以上也适用于具有类似含义的词，诸如术语“包括”、“具有”及其派生词。此外，术语“部分”、“部”、“一部分”、“构件”或“元件”在以单数形式使用时可以具有单个部分或多个部分的双重含义。诸如本文中所使用的“基本上”、“大约”或“近似”的程度术语是指使得最终结果没有显著改变的被修饰术语的合理偏差量。
尽管仅选择了所选的实施例来说明本发明，但是本领域技术人员从本公开内容中将显而易见的是，在不背离所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，在本文中可以进行各种改变和修改。例如，可以按照需要和/或期望改变各个部件的尺寸、形状、位置或取向。被示为直接连接或彼此接触的部件可以具有布置在它们之间的中间结构。一个元件的功能可以由两个元件执行，反之亦然。一个实施例的结构和功能可以在另一实施例中被采用。所有优点不必同时存在于特定实施例中。独特于现有技术的每个特征(单独或者与其他特征组合)也应被视为本申请人对进一步的发明的单独描述，包括通过这样的特征体现的结构和/或功能概念。因此，根据本发明的实施例的以上描述仅为了说明而提供，而不是出于限制由所附权利要求及其等同方案限定的本发明的目的。

Claims (12)

1.一种可变磁化机控制器，包括：
磁滞控制部件，其被配置为：接收理想磁化状态信号；基于所述理想磁化状态信号来输出实际磁化信号以控制可变磁化机；以及根据所述理想磁化状态信号与所述实际磁化状态信号之间的误差值来修改所述实际磁化状态信号。
2.根据权利要求1所述的可变磁化机控制器，其中
所述磁滞控制部件包括采样和保持部件，所述采样和保持部件被配置为输出所述实际磁化状态信号并根据所述误差值来修改所述实际磁化状态信号。
3.根据权利要求1或2所述的可变磁化机控制器，其中
所述磁滞控制部件包括比例-积分补偿器，所述比例-积分补偿器被配置为接收表示所述误差值的误差信号并从所述误差信号中去除稳态误差，从而使得所述磁滞控制部件根据从其中已去除所述稳态误差的所述误差值来修改所述实际磁化状态信号。
4.根据权利要求3所述的可变磁化机控制器，其中
所述补偿器被配置为根据包括所述可变磁化机和所述可变磁化机控制器的车辆的行驶模式来改变补偿特性，所述补偿器被配置为基于所述补偿特性来去除所述稳态误差信号。
5.根据权利要求4所述的可变磁化机控制器，还包括：
位置确定装置，其被配置为确定所述车辆的位置，基于所述位置确定所述车辆的行驶模式。
6.根据权利要求5所述的可变磁化机控制器，其中
所述位置确定装置包括全球定位系统装置。
7.根据权利要求4所述的可变磁化机控制器，还包括：
驱动模式选择装置，其被配置为选择所述车辆的驱动模式，基于所述驱动模式确定所述车辆的行驶模式。
8.根据权利要求4所述的可变磁化机控制器，还包括：
行驶历史记录装置，其被配置为记录所述车辆在一段时间内的行驶历史，以基于所述行驶历史来确定所述车辆的行驶模式。
9.根据权利要求8所述的可变磁化机控制器，还包括：
被配置为对表示所述行驶历史的数据执行快速傅里叶变换的部件。
10.根据权利要求1至9所述的可变磁化机控制器，其中
所述磁滞控制部件还被配置为与所述实际磁化信号同步地输出脉冲信号，以使得根据所述脉冲信号进一步控制所述可变磁化机。
11.根据权利要求2至10所述的可变磁化机控制器，还包括：
信号修改部件，其被配置为在将所述理想磁化状态信号输入到所述采样和保持电路之前修改所述理想磁化状态信号。
12.根据权利要求11所述的可变磁化机控制器，其中
所述信号修改部件包括被配置为修改所述理想磁化状态信号的比例加微分补偿器。
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