CN106464184A - 用于最小化转矩波纹和电流的电流分布策略 - Google Patents

用于最小化转矩波纹和电流的电流分布策略 Download PDF

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Abstract

一种控制电动马达(116)的方法(200)可以包括确定电动马达(116)处的期望转矩。可以在控制器(166)处计算电动马达(116)的第一相位(142)处的电流。计算出的电流可以是导致在电动马达(116)处供应期望转矩的电流。控制器(166)可以比较计算出的电流与预定阈值电流，且当计算出的电流大于预定阈值电流时，控制器(166)可以将计算出的电流减小至预定阈值电流，并且调整邻近于电动马达(116)的第一相位(142)的第二相位(146)中的电流以继续在电动马达(116)处供应期望转矩。

Description

用于最小化转矩波纹和电流的电流分布策略
技术领域
本发明总体上涉及电驱动系统，并且更具体地涉及管理电动马达的操作期间的转矩波纹的系统和方法。
背景技术
由于对能量节约的关注不断增长，对日益增长的工业作业机器供应电驱动组件或系统用于驱动作业机器和操作其各种工具或功能。电驱动系统的不断发展使得电驱动的作业机器可有效地匹配或胜过主要机械驱动的作业机器的性能，并同时需要显著更少的燃料和总能量。随着电驱动系统关于工业作业机器等变得日益普遍，对更有效率的马达和发电机以及控制它们的技术的需求也随之增长。
电驱动机器的发电机通常用于将接收自主电源(诸如燃烧式发动机)的机械能转换为电能以执行作业机器的一个或多个操作。另外，电动马达可以用于将存储在共同总线或存储装置中的电功率转换为机械功率。在可结合电驱动系统使用的各种类型的电动马达中，开关磁阻机器在稳定性、成本效益和整体更有效率方面受到了极大的关注。虽然用于控制开关磁阻机器的当前现有系统和方法可以提供充分控制，但是仍然存在许多改进空间。
例如，方波输入电流控制分布易于实施和保护电动马达的绕组免受大电流影响。然而，这样的电流控制分布可以使由电动马达在一个转子循环过程中产生的转矩产生明显变动，这称为转矩波纹。其他电流分布可以产生具有高转矩的平坦转矩输出，但是可要求绕组电流超过额定绕组电流。生产具有过度额定能力的马达以适应大的瞬间电流没有成本效益。
用于开关磁阻机器的控制方案可涉及操作机器的每个相脚的两个开关以施加脉冲于或切断电流，由此有效地提供波形，诸如脉宽调制(PWM)波形。US 6,756,757('757专利)教导使用解算器来计算期望转矩分布并且使用查找表来产生平坦转矩输出。然而，'757专利未能认识到最大相位电流限制和限制相位电流对所产生的转矩的影响。
本发明解决了上文陈述的一个或多个问题和/或本领域中的其他问题。
发明内容
在本发明的方面中，一种控制电动马达的方法可以包括：确定电动马达处的期望转矩、在控制器处计算电动马达的第一相位处的计算出的电流，该计算出的电流为导致在电动马达处供应期望转矩的电流。该方法可以通过在控制器处比较所述计算出的电流与预定阈值电流，且当计算电流大于预定阈值电流时，在控制器处将计算出的电流减小至预定阈值电流而继续进行。该方法还可以包括：调整邻近于电动马达的第一相位的第二相位中的电流，以继续在电动马达处供应期望转矩。
在本发明的另一个方面中，一种用于控制电动马达的系统包括：开关组，其配置成单独地控制电动马达中的定子的多个相位中的每一者中的电流；以及控制器。该控制器可以配置成：确定电动马达要产生的期望转矩、计算电动马达的第一相位期间供应期望转矩所需的电流，以及确定第一相位期间的计算出的电流是否大于第一相位的阈值电流。当计算出的电流大于阈值电流时，控制器可以将第一相位期间的计算出的电流限制为阈值电流，并且增加邻近于第一相位的定子的第二相位中的电流，以至少部分补偿第一相位处由于限制第一相位期间的计算出的电流而产生的转矩差额。
在本发明的又另一个方面中，一种使用控制器管理电动马达中的转矩和相位电流的方法可以包括：响应于电动马达上的负荷要求第一相位中的电流大于预定阈值电流，而经由控制器将电动马达的第一相位中的电流限制在预定阈值电流。当限制第一相位中的电流时，经由控制器将电动马达中的第二相位中的电流增加足以允许电动马达满足负荷的量。
附图说明
图1是具有电驱动系统的一个示例性机器的示意图；
图2是示例性电动马达的截面图；
图3是图2的示例性电动马达的另一个截面图；
图4是示例性控制电子器件单元的示意图；
图5是用于控制电子器件单元的示例性控制器的方框图；
图6是实施用于最小化转矩波纹和电流的电流分布策略的示例性方法的流程图；
图7是图2的示例性电动马达的部分截面图；
图8是实施用于最小化转矩波纹和电流的电流分布策略的替代示例性方法的流程图；
图9A和图9B是根据本发明的输入电流和输出转矩图；以及
图10A和图10B是根据本发明的另一个实施例的输入电流和输出转矩图。
具体实施方式
图1示意地说明可以采用电驱动装置用于产生移动和/或执行作业的机器100的传动系102。更具体地，机器100可以包括电源104，其可以经由牵引装置108联接至电驱动系统106以产生运动。这种机器100可以用作用于执行与行业相关联的特定类型的操作(诸如采矿、建筑、农业、运输或本领域中已知的任何其他行业)的作业机器。例如，机器100可以是推土机、船舶、飞机、拖拉机、越野车、公路客车或任何其他运动型机器。在其他替代性实施方案中，电驱动系统106可以结合固定应用来使用并且例如利用风车、水电站坝、电池、燃料电池或任何其他合适的能源来实施。电驱动系统106的电源104可以包括(例如)柴油机、汽油机、天然气发动机或通常用于发电的任何其他类型的燃烧式发动机。
在所说明的示例性实施例中，电源104驱动发电机110或其他发电机构，其中所产生的能量存储在电池112或诸如电容器的其他能量存储装置中。控制电子器件114接着可以驱动电动马达116的定子118的磁极。转子120可以经由传动轴122将功率传输至车轴124用于对牵引装置108供电。在其他实施例中，传动轴122可以联接至功率输出单元，其驱动液压泵而非对牵引装置108供电或除对牵引装置108还驱动液压泵。在所说明的示例性实施例中，电动马达116是开关磁阻(SR)马达。
图2是电动马达116的实施例的侧视截面图。如上文所讨论，电动马达116可包括转子120和定子118。转子120可联接至传动轴122。轴承(诸如轴承134)可以用于支撑转子120。
定子118可由支撑件136安装。如将明白的是，存在用于提供电动马达116和其各个部件的机械安装的许多变动。如下文将更详细地讨论，定子118包括具有可经由引线132联接至控制电子器件114的绕组130的许多磁极。
图3是图2的电动马达116的横截面视图。此视图示出了转子120和定子118。此视图还示出了第一定子磁极142和其对应的定子绕组144、第二定子磁极146和其对应的定子绕组148以及第三定子磁极150和其对应的定子绕组152。在此示例性实施例中，转子120具有4个磁极且定子118具有六个磁极。相对的定子磁极可以同时通电。定子118和转子120中的磁极的其他配置也是可行的。
图4说明了适用于结合图2的电动马达116使用的控制电子器件114的一个实施例。回顾多对相对定子磁极可以一起通电，控制电子器件可以包括用于由图中的电感器描绘的三组定子绕组144、148、152中的每一个的驱动器的开关组。每个驱动器均可以相同并且可以包括低侧驱动晶体管156、高侧驱动晶体管158以及一对二极管160和162。电容器164可用于存储电力或将功率滤波以减小由还可以包括整流器的电池112或发电机110供应的电能中的DC波纹。
控制器166从转子120和/传动轴122上的位置传感器(未描绘)接收位置信息。控制器166还包括用于驱动定子绕组144、148、152的成对晶体管中的每一个的输出驱动器。晶体管156和158可为因其大电流容量和快速开关速度闻名的绝缘栅双极晶体管(IGBT)。在操作中，当晶体管156和158二者均导通时，电流流过每个定子绕组144和其的成对磁极中的每一个并且建立磁场。当晶体管156和158在转子120的旋转期间的适当时刻断开时，减弱的磁场产生经由二极管160和162反向传输至电容器164的电流。
图5是包括由数据总线174彼此联接的处理器170和存储器172的控制器166的示例性实施例。控制器166还可以包括来自驾驶室的控制输入176，其通过操作者中继对特定动作的请求，诸如对向前推进的请求。控制器166还可以包括转子120或传动轴122上的传感器输入178(诸如位置传感器)，其接收指示用于计算绕组电流设置的转子的位置的信号。控制器166还可以包括用于对定子118中的个别磁极对通电和断电的控制输出180。
处理器170可以是许多已知计算机处理器架构中的任一种，包括(但不限于)单芯片处理器或常规的计算机架构。存储器172可以是易失性和非易失性存储器的任何组合，包括旋转介质、快闪存储器、常规的RAM、ROM或其他非易失性可编程存储器，但是不包括载波或其他传播介质。控制器166还可以包括对与外部装置(诸如另一个发动机计算机或主体电子器件(未描绘))的通信提供支持的通信端口(未描绘)。
存储器172可以具有包括用于各种操作和控制功能的计算机可执行指令的模块并且可以包括用于(例如)发送和接收信号和基本操作任务的操作系统182和实用程序184。存储器172还可以包括转矩模块186，其处理操作者输入以计算对电动马达116请求的转矩输出。相位电流模块可以从转矩模块得到数据并且对电动马达116使用转子位置数据和转矩特征化数据以计算所需相位电流来实现所请求的转矩输出。另一个模块190可以包括由相位电流模块使用来做出关于最大值或其他阈值电流极限和替代相位转矩能力的决定的极限和约束。
工业实用性
图6是最小化转矩波纹和相位电流的方法200的流程图。图7说明两个磁极或相位在某个时刻通电的SR马达。定子磁极142产生磁通量143，其导致转子磁极151朝定子磁极142拖动。类似地，定子磁极146中的电流还导致转子磁极153朝定子磁极146逆时针转动。因为转子磁极153几乎完全与定子磁极146对准，所以其磁场对定子贡献极少转矩。
图9A和图9B公开了一种提供低转矩波纹输出并同时还避免相位过载电流状况的方法。根据本发明的各个实施方案的避免相位过载电流状况的某些优点可以包括(但不限于)减少由SR马达产生的热量以及能够使用低于将需要用来承受相位过载电流的额定电流的额定电流的部件。在继图6的方法200之后控制图9A的输入相位电流300、304和308以塑形相位转矩输出302、306、310以提供基本上齐平的总转矩输出312。在实施例中，个别输入相位电流(例如，输入相位电流300)的形状可以对应于适用于结合特定操作模式(诸如在低RPM下的高转矩)使用的特定电流分布。在其他操作模式中，可以使用其他输入相位电流分布，诸如在较高RPM下(例如当以高于250RPM操作时)的恒定电流分布。
转向图6，示出了实施用于最小化转矩波纹和电流的电流分布策略的示例性方法200。控制器可以确定SR机器处的期望转矩(步骤202)。此确定可以基于(例如)电动马达116处的负荷。对于电动马达116，在低速和因此相对较低rpm(每分钟转数)下可以发生相对较高转矩状况和对应的大电流状况。在各个示例性实施方案中，该方法200可以仅仅在低于约200rpm的速度下调用。
控制器166可以通过经由关于需要来自电动马达116的功率的操作者请求的控制输入176接收输入信号来确定SR机器处的期望转矩。输入信号可以对应于节流阀杆的变化或可以响应于关于液压执行器的命令，诸如提升装载机中的铲斗。控制器166可以确定满足与操作者请求相关联的需求所需要的期望转矩。例如，将机器100的速度从0增加至5mph的操作者请求可以产生等于电动马达116的最大额定输出的期望转矩。
给定的电动马达(诸如电动马达116)可以产生作为转子角度和相位电流的函数的转矩量。可计算或从查找表中得到在转子角度下产生特定转矩所需要的电流强度。在步骤204处，控制器166可以评估电动马达116的状态(例如，转子120的位置)并且计算特定相位处供应期望转矩所需的所请求电流。
在步骤206处，可以比较所请求电流与相位的最大额定或其他阈值电流。在步骤206处，如果所请求电流小于阈值电流(步骤206：否)，那么可以将相位的实际电流设置为所请求电流(步骤208)。控制电子器件114可以操作上文讨论的驱动电路以供应相位中的实际电流。
在步骤206处，如果所请求电流大于相位的阈值电流(步骤206：是)，那么可以将相位中的电流调整为阈值电流(步骤210)。即，可以将实际传递至相位的电流设置为阈值电流，而非供应所请求电流。
在步骤212处，可以计算归因于相位中的电流减小而损耗的转矩量。可计算由相位在阈值电流下针对电流转子位置产生的实际转矩以及比较转矩损耗或转矩差额与期望转矩。在示例性实施例中，期望转矩可以是电动马达116的额定转矩。
在步骤214处，可以计算施加于SR机器上的定子的相邻相位以补偿转矩损耗的所需电流。然而，取决于转子位置，相邻相位的所需电流也可以高于其额定最大值或其他预定阈值电流。
在步骤216处，做出关于相邻相位中的所需电流是否大于阈值电流的确定。如果所需电流低于相位的阈值电流(步骤216：否)，那么可以将相邻相位的电流设置为所请求电流(步骤218)。在某些实施例中，取决于诸如预期持续时间或温度的其他条件，阈值电流可以大于电路的额定最大值。
如果所需电流大于相位的阈值电流(步骤216：是)，那么可以将所需电流向下调整为阈值电流或其他设置，且控制电子器件114可仅仅将预定电流供应至相邻相位。可以连续地执行方法200使得可以每转几十或几百次地计算主相位电流和相邻相位电流。
如图9B中所见，可能会出现其中重叠相位电流(例如，相位电流300和304)可产生不一定维持完全平坦的总转矩输出312的对应相位转矩的情形。如果转矩波纹的预期水平是在期望范围内使得波纹满足特定应用的规范，那么此波纹水平可以接受。然而，可使用以下一项或全部项将波纹减少至基本上平坦线转矩输出：i)电流和波纹的更精确特征化，ii)更精确的转子位置感测，和iii)较高速度循环时间，使得每转可以进行更多相位电流调整。更精确的相位电流传感器和/或瞬间转矩测量的使用也可以用于减小转矩波纹。
图8示出了实施用于最小化转矩波纹和电流的电流分布策略的替代示例性方法240的流程图。在步骤242处，控制器166可以确定SR机器处的期望转矩。控制器166可以通过经由关于需要来自电动马达116的功率的操作者请求的控制输入176接收输入信号。输入信号可以对应于节流阀杆的变化或可以响应于关于液压执行器的命令，诸如提升装载机中的铲斗。控制器166可以确定满足与操作者请求相关联的需求所需要的期望转矩。
如上文所讨论，给定的电动马达(诸如电动马达116)可以产生作为转子角度和相位电流的函数的转矩量。可计算或从查找表中得到在转子角度下产生特定转矩所需要的电流强度。在步骤244处，控制器166可以评估电动马达116的状态(例如，转子120的位置)并且计算电动马达116的第一相位处供应期望转矩所需的所请求电流。
在步骤246处，可以比较所请求电流与第一相位的最大额定或其他阈值电流。如果所请求电流小于阈值电流(步骤246：否)，那么可以将第一相位的实际电流设置为所请求电流(步骤248)。如上文所讨论，控制电子器件114可以操作驱动电路以供应第一相位中的实际电流。
在步骤246处，如果所请求电流大于第一相位的阈值电流(步骤246：是)，那么可以将第一相位的实际电流调整为阈值电流或其他预定电流(步骤250)。即，将实际上传递至第一相位的电流设置为阈值电流或其他预定电流设置，而非供应所请求电流。
在步骤252处，可以将第二相邻相位中的电流设置为第二相位的阈值，而非如上文针对方法200讨论般计算来自第一相位的转矩的减小。这可以降低对控制器166的处理需求并同时仍然提供转矩的可接受增加以至少部分补偿第一相位处的转矩减小。在某些实施例中，取决于诸如预期持续时间或温度的其他条件，阈值电流可以大于电路的额定最大值。
图10A和图10B公开了一种提供低转矩波纹输出并同时还避免相位过载电流状况的替代方法。图9A和图9B公开了将相位电流(例如，相位电流300)限幅为阈值强度。图10A说明相位电流320、322和324。当特定相位电流分布(例如，相位电流320)将超过阈值强度时，整条曲线可以下移使得其峰值低于阈值强度。可以增加相邻相位电流分布使得它们的峰值也为阈值强度，使得进一步分布在阈值强度以下以至少部分补偿第一相位的转矩减小并同时提供图10B中所示的波纹减小的转矩输出326。
一般来说，前述公开发现在各个行业应用(诸如农业、建筑和采矿业)中实用于提供对通常结合作业车辆和/或机器(诸如拖拉机、反铲装载机、夯实机、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)使用的电动马达的更平稳且更有效控制。更具体地，所公开的控制系统和方法可以应用于具有开关磁阻马达或本领域中通常使用的其他相应马达的电驱动系统和机器。
本文所公开的系统和方法提供了一种用于从电动马达供应具有最小波纹的额定转矩输出并同时保护定子绕组免受不可接受的大电流强度影响的策略。
从前述将明白，虽然已经出于说明目的陈述了仅仅某些实施例，但是本领域技术人员从以上描述将明白替代和修改。这些和其他替代被视为等效的且在本发明和所附权利要求书的精神和范围内。

Claims (10)

1.一种用于控制电动马达(116)的系统，所述系统包括：
开关组(114)，其配置成单独地控制所述电动马达(116)中的定子(118)的多个相位(142、146、150)中的每一者中的电流；以及
控制器(166)，其配置成：
确定要所述电动马达(116)产生的期望转矩；
计算所述电动马达(116)的第一相位(142)中供应所述期望转矩所需要的电流；
确定所述第一相位(142)中的计算出的电流是否大于所述第一相位(142)的阈值电流；
当所述计算出的电流大于所述阈值电流时，将所述第一相位(142)中的所述计算出的电流限制为所述阈值电流；以及
增加邻近于所述第一相位(142)的所述定子(118)第二相位(146)中的电流，以至少部分地补偿所述第一相位(142)处由于限制所述第一相位(142)中的所述计算出的电流而产生的转矩差额。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器(166)进一步配置成：
计算所述第一相位中由于限制所述第一相位中的所述计算出的电流而产生的所述转矩差额；
计算所述第二相位中的调整电流需求以抵消所述第一相位中的所述转矩差额；以及
当所述第二相位中的所述调整电流大于所述阈值电流时将所述调整电流限制为所述阈值电流。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述控制器进一步配置成对于所述电动马达的转子(120)的旋转的至少一部分同时以所述阈值电流操作所述第一相位和所述第二相位二者。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器进一步配置成：
在增加邻近于所述第一相位的所述定子所述第二相位中的电流以至少部分补偿所述第一相位处的所述转矩差额之前确定所述电动马达的速度低于约每分钟250转。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器进一步配置成在所述电动马达的速度大于约每分钟250转时将所述电动马达的所述定子的所述第一相位或所述第二相位中的至少一者中的电流控制为不同于在所述电动马达的所述速度小于约每分钟250转时的电流分布。
6.一种使用控制器(166)管理电动马达(116)中的转矩和相位电流的方法(200)，所述方法包括：
响应于所述电动马达(116)上的负荷要求所述电动马达(116)的第一相位(142)中的电流大于预定阈值电流，而经由所述控制器(166)将所述第一相位中的电流限制为所述预定阈值电流；以及
经由所述控制器(166)将所述电动马达中的第二相位(146)中的电流增加足以允许所述电动马达(116)满足所述负荷的量。
7.根据权利要求6所述的方法，其进一步包括：
在所述控制器处确定满足所述负荷的所述第一相位中的所需电流；以及
在所述控制器处计算当利用所述预定阈值电流对所述第一相位通电时由所述电动马达提供的转矩。
8.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括：
在所述控制器处计算所述第二相位中的第二电流以提供对应于所述负荷与当利用所述预定阈值电流对所述第一相位通电时由所述电动马达提供的转矩之间的差值的补偿转矩；以及
当所述第二相位中的所述第二电流超过所述预定阈值电流时经由所述控制器将所述第二电流限制为所述预定阈值电流。
9.根据权利要求6所述的方法，其中经由所述控制器将所述电动马达的所述第一相位中的电流限制为所述预定阈值电流包括：选择将所述电动马达的旋转的至少一部分期间的所述电流限制为所述预定阈值电流的相位电流分布。
10.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括：当所述电动马达的速度大于每分钟约250转时选择另一种相位电流分布。
CN201580023297.6A 2014-04-30 2015-03-19 用于最小化转矩波纹和电流的电流分布系统和方法 Active CN106464184B (zh)

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