CN107070363B - 电动机和电动机控制器 - Google Patents

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Abstract

一种电动机控制器，具有正面和背面，正面承载多个AC输出耦接器，并且控制器承载转换器，该转换器被配置为将接收的DC电源转换为用于控制电动机的输出AC电源，AC输出耦接器关于控制器的对称轴被对称地放置在控制器的正面上。还描述了一种装置，包括：DC串激电动机；以及第一电流源，被配置为将第一电流提供给DC串激电动机的电枢；第二电流源，被配置为将第二电流提供给DC串激电动机的励磁绕组；以及控制器，其被配置为控制第一电流源以基于电动机所需的扭矩输出来提供第一电流，以及控制第二电流源以基于第一电流来提供第二电流。

Description

电动机和电动机控制器
本申请是申请日为2012年4月30日、申请号为201280030879.3的中国发明专利申请“电动机和电动机控制器”的分案申请。
技术领域
本发明涉及用于电动机的控制器，并且涉及模块化电动机-控制器组件。可以在电动车中使用此类控制器和电动机。
本发明的一些方案涉及电动车，并且涉及用于电动车中的电动机的控制器和控制方案。具体地说，一些方案涉及具有振荡阻尼系统的电动机控制器。
本发明的一些方案还涉及DC串激电动机的控制以及用于控制DC电动机的控制电路，本发明的这些方案与DC串激电动机的控制具有特定但是非排他的关联。
背景技术
AC电动机和电动机控制器
在电动车中，为了避免差速器的重量和成本，相应的(单独的)电动机可以用于驱动相应的车轮。与二氧化碳车辆排放相关联的环境问题是众所周知的。所提出的解决方案是利用用于车辆的电动机替换内燃机。每一个电动机需要控制器。在电动机是三相电动机的情况下，控制器具有用于将DC电源转换为用于电动机的AC的逆变器。该过程由于高功率晶体管的快速切换和通态压降而产生热量。在电动机中还由于绕组中的欧姆(l2R)加热、涡流、并且由于摩擦而产生热量。每一个电动机和每一个控制器需要冷却系统。通常，通过使冷却液通过散热器或者歧管以吸收热能来实现冷却。虽然可以使用单个泵，但是每一个冷却系统将包括用于实现流体循环的管道系统。因此，在具有两个电动机和两个电动机控制器的布置中，必须提供四组冷却装置(包括散热器、歧管和管道系统)。多个电动机、控制器、相关联的电部件和冷却部件的存在意味着电动车牵引系统的设计和装配不是一项简单的任务。
另一个问题是，当分隔开的电动机和控制器通过长电线连接时，电动机所需的高电流(几百安培的量级)导致损耗。这种布线还带来了安全问题，例如，需要进入(cut in)事故车辆中的紧急服务人员的触电风险。
本案的发明人已经认识到对减小电力牵引电动机和电动机控制器组件的重量、体积和复杂性以及改善安全性的需要。
DC串激电动机及其控制
各种类型的DC电动机是已知的，并且每一个DC电动机具有相关联的优点和缺点。一种类型的DC电动机是DC串激电动机，其在图5中被示意性地示出。在DC串激电动机中，电动机1002的电枢绕组1004和励磁绕组6被串联，使得相同的电流通过每一个绕组。与其它电动机类型相比，这意味着励磁绕组比平常承载远远更高的电流，并且必须由重载电线制成。
因为通过绕组(具体地说，励磁绕组)的电流的量确定可以由电动机产生的扭矩，因此DC串激电动机通常提供高起始扭矩，这使得它们能够在第一次被供电时移动相对高的轴负载。DC串激电动机的依赖于该高扭矩特征的一种常用用途是作为用于启动内燃机的启动电动机。串激电动机的高扭矩特征还导致在牵引应用中(例如，在电动的电车辆中)考虑这些电动机。
DC串激电动机的一个特征是使通过电动机的电流的方向反向不会改变电动机的旋转方向。这是因为使通过电动机的电流的方向反向使得励磁绕组和电枢绕组中的电流均反向，这导致两个磁场反向。DC串激电动机的该特征导致这些电动机被认为是“交直流两用”电动机，这是因为它允许使用DC或AC电流来对它们供电。
为了使串激电动机的旋转方向反向，必须使通过励磁绕组或电枢绕组之一而不是这二者的电流反向。因此，为了允许电动机反转，为牵引用途而提供的DC串激电动机通常提供多于两个端子，在这两个端子处，可以将电压施加于电动机。例如，可以向很多商用DC串激电动机提供与如图5中所示的端子S1、S2、A1和A2相关联的四个端子。串激电动机的其它设计允许使用三个端子控制电动机的反转。
用于电动机反转的电路(例如，如图6所示)通常用于控制励磁绕组或电枢绕组中的任意一个中的电流的方向，因此允许电动机在任意一个方向上操作。用于电动机反转的电路被耦合到向DC串激电动机提供的四个端子A1、A2、S1和S2。为了管理电动机中的高电流流动，用于电动机反转的电路可以使用机械开关来根据所需的旋转方向引导电流通过绕组之一。在图2的示例性电路中，可以使开关1008a和1008b一起操作(即，闭合)以引导电流在第一方向上通过电枢绕组1004，而使开关1010a和1010b一起操作将使通过电枢的电流的方向反向，从而使电动机的旋转方向反向。然而，这些机械开关可能不可靠并且增加了制造和服务于电动机/电动机控制器组件的成本。
另一种已知类型的DC电动机是外激式电动机或SEM。在SEM中，可以单独地控制(激励)流过电动机的励磁绕组和电枢绕组的电流。与DC串激电动机相反，不期望SEM的励磁绕组承载与电枢相同的电流，因此，将为励磁绕组和相关联的控制电路设定远远更低的电流。
单独地控制励磁电流和电枢电流的能力允许SEM更加灵活，并且允许实现更先进地控制电动机的扭矩和速度特征。然而，单独地控制励磁电流和电枢电流所需的电路通常很贵。
本发明的一些方案和示例解决了上述技术问题的至少一部分。
双控制器交叉检查
本公开的实施例解决的另一个技术问题是具有多于一个驱动电动机和控制器的电动车中的安全控制和监控的问题。
使用电动机使车辆设计者能够简化车辆的传动轴系，例如，车辆中的每一个从动轮可以直接由仅专用于该车轮的电动机直接驱动。除了简化的构造以外，还认识到，这种单独地控制车辆的车轮可以提供某些其它优点。具体地说，车辆的机动性实质上可以大于缺乏这种独立控制从动轮的车辆中的机动性。
通常，优选的是向车辆中的每一个电动机提供单独的电源逆变器，并且本案的发明人已经认识到，虽然本发明提供了很多优点，但是单独地控制车辆的不同车轮也带来某些挑战。例如，如果在车辆处于运动中时与车轮中的一些(而非全部)相关联的电源逆变器发生故障，则可能使车辆转弯或者甚至旋转。本公开的方案和示例的目的是解决该问题的至少一部分。
具有振荡阻尼系统的电动机控制器
减少与所有形式的工业相关联的碳排放的需要是众所周知的。为了解决该需要，已经提出了电动车和混合驱动车辆(具有内燃机和电动机驱动器)。
车辆在发动机与要在其上驱动车辆的表面之间具有传动轴系或“动力系统”。传动轴系包括传动装置、传动轴、差速器、和主动轮或履带。该传动轴系必须包括多个部件，其中每一个部件可以具有一定程度的空隙，其被称作齿隙。因此，由发动机提供的扭矩的阶跃变化可以产生非常快速的加速，然后当传动轴系中的部件啮合时，产生非常快速的阶跃型减速。车辆传动轴系系统还呈现一定程度的“缠绕”，其中，当发动机施加扭矩时，传动轴系中的部件的变形使得它们存储弹性能。“缠绕”与传动轴中的扭转刚度/弹力相关联并且与轮胎、悬架和其它部件的弹性相关联。
电动机具有低质量和低惯性矩。典型的内燃机具有非常大的质量，并且通常使用惯性轮耦合到传动轴系，其中，惯性轮本身拥有较大惯性矩。在由电力牵引电动机供电的车辆中，通常需要减小车辆的重量，因此使用较大的惯性轮是不切实际的。本案的发明人已经认识到在具有呈现齿隙和/或“缠绕”的“软”传动装置的电动车中出现的问题。在这些系统中，在电动机提供的扭矩发生快速改变的情况下(例如，当车辆从静止加速时或者当由电动机构成的扭矩需要从正改变为负(例如，使方向反向)时)，传动装置中的齿隙意味着电动机最初可以无阻碍地加速。当传动轴系中的部件然后啮合时，车辆的惯性突然通过传动轴系耦合到电动机，从而提供电动机的负载的阶跃变化。传动轴系中的“缠绕”(或弹性)意味着相关联的振动中的一些被传动轴系中的部件的扭曲和变形暂时吸收。在电动车中，与车辆/传动轴系相比，电动机的惯性矩较低，因此存储的能量中的一些被传动回电动机中。结果是从电动机输出的扭矩的另一个阶跃变化，并且循环重复。系统中缺乏阻尼以及高扭矩惯性比意味着，在一些情况下，该反馈回路引起电动机速度的振荡。换言之，车辆的传动轴系中的扭矩的阶跃变化和弹性属性的组合可能引起振荡特征。在电动车中，电动机具有较低的惯性矩，因此不能施加由内燃机和惯性轮提供的那种阻尼。因此，电动车可能表现为欠阻尼振荡器，并且驾驶员的体验是，响应于加速，车辆的响应颤动或摇晃，并且可能引起增加的电动机噪声。本发明的一些方案和示例的目的是解决上述技术问题的至少一部分。
发明内容
AC电动机和电动机控制器的各个方案
在一个方案中，提供了一种电动机控制器，具有关于控制器的对称轴对称地分布的多个电子部件或电部件。其优点在于，单个控制器电路板可以被制造并且被简单地旋转以使控制器能够与公共输入/输出耦接器背对背地叠层在一起。本案的发明人已经认识到，虽然有在近距离布置多个热源的感知问题，但是将电动机控制器装配在一起是有利的，并且如果没有这种对称性，则必须提供不同的“右手”和“左手”控制器，或者在控制器要被装配在一起的位置处调整输入/输出耦接器。
电动机控制器可以包括：至少一个电源输入耦接器和监控耦接器，监控耦接器适合于监控另一控制器的操作参数，其中，监控耦接器和电源输入耦接器被放置在关于控制器的对称轴相互对称的位置处。其优点在于，对一个控制器的操作(例如，从电源获取的电流)的监控可以由相邻控制器板使用紧凑的短物理连接来监控。
在一些可能实现方式中，电动机控制器包括第一输出耦接器、第二输出耦接器和第三输出耦接器，用于提供相应的第一电动机控制输出信号、第二电动机控制输出信号、和第三电动机控制输出信号；并且包括控制装置，可操作以使第三输出耦接器提供第一电动机控制输出信号，并且使第一输出耦接器提供第三电动机控制输出信号，使得第一电动机控制输出信号和第三电动机控制输出信号换位。其优点在于，两个相同的控制器可以被背对背地装配以在关于控制器的相同物理方位上提供三相输出。
在一些可能实现方式中，所述多个部件和/或输入耦接器和输出耦接器中的至少一个被布置在控制器的第一面上，该控制器包括至少一个功率晶体管，该功率晶体管被布置在控制器的与第一面相对的第二面上。其具有使一对电动机控制器能够被装配到放置在控制器之间的单个散热器的优点，这是因为控制器的晶体管可以被热耦合到散热器。还可以提供第一电动机和第二电动机，其中，第一电动机被放置在电动机控制器中的一个的第一面附近，而第二电动机被放置在另一电动机控制器的第一面附近，以使散热器和电动机能够被热耦合到单个冷却歧管。这进一步简化了电动机和控制器的布置，这是因为可以向单个冷却系统提供一对流体耦接器，以使冷却流体通过歧管向内流动和向外流动。
在一个方案中，提供了一种电动机控制器，包括至少一个输出耦接器，其中，输出耦接器关于控制器的轴被对称地放置。该对称性使控制器能够以减少组件的重量、体积和复杂性的方式与另一控制器并且与电动机和冷却装置装配在一起。
在一个示例中，提供了一种电动机控制器，包括：多个输出耦接器，其中，输出耦接器关于控制器的正面的对称轴被对称地放置在该面上。在一些示例中，耦接器中的至少一个未被放置在轴上。在另一示例中，提供了一种电动机控制器，包括：三个输出耦接器。输出耦接器可以关于控制器的正面的轴被对称地放置在该面上，控制器的该面可以刚好是电路板的其上布置有控制器部件的正面。优选地，耦接器中的至少一个未被放置在轴上。在第一控制器和第二控制器均具有该输出端子布置的示例中，当控制器被背对背地对齐时，第一控制器的输出端子提供第二控制器的输出端子的镜像。
在一个实施例中，本文所描述的多个控制器可以被一起叠层在壳体中，而无需耦合到电动机。这在分离地布置电动机的同时实现了对控制器进行紧凑且有效的封装。
此外，本文描述了一种模块化电动机控制器组件，包括电动机控制器组件，其中，每一个电动机控制器组件包括电动机控制器和耦合到电动机控制器的电动机，以及冷却装置，被配置为冷却电动机和控制器。冷却装置包括散热器。在一个可能实现方式中，控制器中的每一个控制器包括一个输出耦接器，其中，输出耦接器关于控制器的轴被对称地放置。在另一可能实现方式中，控制器中的每一个控制器包括多个输出耦接器。输出耦接器可以关于控制器的面的对称轴被对称地放置在该面上。在一些示例中，耦接器中的至少一个耦接器未被放置在轴上。在另一可能实现方式中，控制器中的每一个控制器包括三个输出耦接器，其中，输出耦接器关于控制器的面的轴被对称地放置在该面上，并且耦接器中的至少一个耦接器未被放置在轴上。控制器的面可以是外表面，或者在一些示例中，该面可以是电路板的承载控制器的电子部件的表面。在一个可能实现方式中，控制器可以具有关于控制器的对称轴被放置在对称位置处的输出耦接器。散热器可以被提供在控制器和/或电动机之间。可以提供冷却歧管以冷却控制器/电动机的散热器。在一个可能实现方式中，散热器与冷却歧管集成在一起。
通过使用该布置，只需要向两个电动机控制器组件提供一组冷却装置，其效果是重量、体积和复杂性减小。另一优点是，提供具有对称相同的输出耦接器的控制器允许使用具有相同设计规格的电动机。另一优点是，可以在壳体中提供模块化组件，从而方便地操纵组件并且更加容易地将组件装配到车辆或车辆发动机室中。壳体可以提供电连接和冷却液耦接器，电连接和冷却液耦接器被配置为服务于两个控制器和/或两个电动机，从而进一步减小装置的重量、大小和复杂性。
在一个示例中，组件被配置为提供差速传动。在一个可能实现方式中，差速传动可以用于驱动车辆的前轮和后轮。在另一可能实现方式中，差速传动可以用于驱动车辆的左轮和右轮。在另一示例中，组件的控制器可以耦合到电动机的协调驱动(coordinatedriving)。
在一个方案中，提供了一种用于电动机的电动机控制器，包括：多个输出耦接器和至少一个输入耦接器，其中，多个输出耦接器关于控制器的面的对称轴被对称地放置。在一些可能实现方式中，控制器包括多个输出耦接器，其中，输出耦接器关于控制器的面的轴被对称地放置在该面上，并且耦接器中的至少一个耦接器未被放置在轴上。在一些可能实现方式中，控制器包括三个输出耦接器，其中，输出耦接器关于控制器的面的轴被对称地放置在该面上，并且耦接器中的至少一个耦接器未被放置在轴上。在一些可能实现方式中，控制器包括至少一个电源接触点，用于接收功率输入，以及逆变器，优选地，至少一个电源接触点包括两个电源接触点。在一些可能实现方式中，控制器包括至少一个电源接触点，并且输出耦接器被布置在控制器的正面上，而逆变器被布置在控制器的背面上。在一些可能实现方式中，控制器包括：电源接触点，用于接收DC输入，三个输出接触点，以及逆变器，用于将DC输入转换为三相AC输出。在一些可能实现方式中，逆变器是诸如IGBT逆变器或MOSFET逆变器等的半导体设备。在一些可能实现方式中，控制器包括第一电源接触点和第二电源接触点，其中，第一电源接触点被配置为耦合到电源的第一端子，第二接触点被配置为耦合到所述电源的第二端子，并且被布置为使放置在控制器的背面附近的相类似的控制器能够耦合到第二接触点以监控通过第二接触点的电流流动。在一些可能实现方式中，提供导电带以耦合到电源接触点与相应的电源端子之间。在一些可能实现方式中，在外壳中提供了控制器，其中，外壳提供了用于将控制器连接到电源的耦接器。在一些可能实现方式中，在外壳的扩展端中提供了用于将控制器连接到电源的耦接器。
在一些示例中，提供了一种电动机控制器组件，包括：电动机控制器和耦合到该电动机控制器的电动机。在一些可能实现方式中，组件包括多个控制器，每一个控制器耦合到电动机，以及冷却装置，用于冷却电动机和控制器。冷却装置可以包括至少一个散热器，其中，控制器被布置在彼此附近使得两个相邻的控制器共享散热器。优选地，存在两个电动机控制器组件和用于冷却电动机和控制器的公共冷却装置。在一些可能实现方式中，冷却装置包括与控制器热接触的散热器。在一些可能实现方式中，控制器被背对背地布置，并且散热器被提供到控制器之间，散热器与控制器的背面热接触。在一些可能实现方式中，冷却装置包括与电动机热接触的冷却歧管。在一些可能实现方式中，控制器是对称相同的。在一些可能实现方式中，一个控制器相对于另一个控制器具有某一方位，使得当控制器被背对背地布置时控制器的输出耦接器被对齐。在一些可能实现方式中，当控制器被背对背布置时，控制器中的一个控制器的部件是另一控制器的部件的几何镜像。在一些可能实现方式中，控制器在其部件和其部件的配置方面具有相同的设计规格。在一些可能实现方式中，控制器外壳不是旋转对称的，并且控制器中的一个控制器相对于另一控制器的控制器外壳被反转，使得当控制器被背对背地布置时，外壳重合。在一些可能实现方式中，在控制器外壳的重合扩展端中提供电源耦接器，以将控制器连接到电源。在一些可能实现方式中，每一个电动机在控制器中的相应控制器附近。在一些可能实现方式中，电动机具有相同的设计规格。在一些可能实现方式中，两个电动机控制器组件被布置在轴上，并且其中，电动机被布置为在轴的相应末端处提供驱动。在一些可能实现方式中，组件被配置为使电动机能够产生差速传动。在一些可能实现方式中，控制器被耦合到电动机的协调驱动。
在一个方案中，提供了一种电动机控制器，具有正面和背面，控制器承载多个DC输入耦接器和多个AC输出耦接器以及转换器，转换器具有耦合到DC输入耦接器的输入端和耦合到AC输出耦接器的输出端，转换器被配置为将接收的DC电源转换为输出AC电源，AC输出耦接器关于控制器的对称轴被对称地放置在控制器的正面上。在一些可能实现方式中，DC输入耦接器中的至少一个关于控制器的对称轴被对称地放置在控制器的正面上。
在一些可能实现方式中，经由相应的导电带将DC输入耦接器耦合到相应的电源输入耦接器。在一些可能实现方式中，提供三个DC输入耦接器，并且经由相应的铜带将DC输入耦接器中的两个DC输入耦接器耦合到相应的电源输入耦接器。在一些可能实现方式中，控制器具有外壳，并且电源输入耦接器位于外壳的扩展端中。
在一个方案中，提供了一种套件，包括至少两个电动机控制器，被配置为在其背面彼此面对的情况下被背对背地放置，例如，其中，电动机控制器被配置为在其背面彼此面对的情况下被背对背地放置，并且电动机控制器的外壳是彼此的镜像，使得当控制器被背对背地放置时，扩展端使得控制器的电源输入耦接器经由穿过扩展端的导体与电源连接。
电动机控制器组件可以包括电动机控制器和电动机，并且控制器和电动机可以共享冷却系统。还提供了模块化电动机组件，包括：多个电动机控制器以及针对每一个电动机控制器的相应电动机，电动机控制器和电动机被布置为使得相邻的电动机控制器被背对背地放置并且共享组件的冷却系统。在一些可能实现方式中，冷却系统包括散热器和冷却循环系统中的至少一个。在一些可能实现方式中，冷却系统包括遍布电动机和散热器的冷却歧管。在一个方案中，提供了一种电动机控制器，包括：输出装置，用于耦合到电动机，其中，输出装置关于控制器的对称轴被对称地放置在控制器的面上。
在一个方案中，提供了一种车辆，具有根据本文所描述的任意一个方案的电动机控制器和/或根据本文所描述的任意一个方案的电动机控制器组件。还提供了一种电动机控制器，具有多个电子部件或电部件，多个电子部件或电部件关于控制器的对称轴对称地分布。优选地，电动机控制器包括至少一个电源输入耦接器和监控耦接器，监控耦接器适合于监控另一控制器的操作参数，其中，监控耦接器和电源输入耦接器被放置在关于控制器的对称轴相互对称的位置处。在一些可能实现方式中，控制器包括至少一个电动机控制输出耦接器，至少一个电动机控制输出耦接器关于控制器的对称轴被对称地放置。在一些可能实现方式中，至少一个电动机控制输出耦接器包括多个电动机控制输出耦接器。在一些可能实现方式中，多个电动机控制输出耦接器包括第一输出耦接器、第二输出耦接器、以及第三输出耦接器，用于提供相应的第一电动机控制输出信号、第二电动机控制输出信号、以及第三电动机控制输出信号，并且包括控制装置，可操作以使第三输出耦接器提供第一电动机控制输出信号并且使第一输出耦接器提供第三电动机控制输出信号，使得第一电动机控制输出信号和第三电动机控制输出信号换位。在一些可能实现方式中，所述多个部件和/或输入耦接器和输出耦接器中的至少一个被布置在控制器的第一面上，控制器包括至少一个功率晶体管，该功率晶体管被布置在控制器的与第一面相对的第二面上。还提供了一种装置，包括：一对此类电动机控制器，被装配到放置在控制器之间的散热器，以使控制器的晶体管能够热耦合到散热器。在一些可能实现方式中，这对控制器被布置为使得每一个控制器的监控耦接器与另一控制器的电源输入耦接器对齐。在一些可能实现方式中，装置包括第一电动机和第二电动机，其中，第一电动机被放置在电动机控制器中的一个的第一面附近，并且第二电动机被放置在另一电动机控制器的第一面附近，以使散热器和电动机能够热耦合到单个冷却歧管。优选地，装置还包括冷却歧管，该冷却歧管可以包括用于使冷却流体流动以冷却歧管的流体流动路径，优选地，其中，流体包括液体。在一些可能实现方式中，电动机被放置在电动机控制器的第一面附近，以使电动机和电动机控制器被装配到放置在电动机控制器的第二面附近的散热器，以使至少一个晶体管能够被热耦合到所述散热器。优选地，装置包括：所述散热器。优选地，装置包括：冷却歧管，适合于耦合到电动机和所述散热器。
在一个方案中，提供了一种电动机组件，包括：电动机和热耦合到散热器的第一电动机控制器，其中，电动机和散热器被热耦合到单个冷却歧管，优选地，还包括：第二电动机和第二电动机控制器，其中，第二电动机控制器被热耦合到散热器，并且第二电动机被热耦合到单个冷却歧管。优选地，冷却歧管包括用于使冷却流体流动以冷却歧管的流体流动路径，优选地，其中，流体包括液体。在一些可能实现方式中，电动机控制器和电动机以及散热器被放置在共同的外壳中。
在一个实施例中，电动机控制器包括多个耦接器装置，每一个耦接器装置可操作以提供以下各项中的一项：DC输入耦接器，用于将DC电源提供给转换器；以及监控耦接器，可以被配置为承载电流传感器，其中，额外的耦接器装置中的至少两个关于控制器的对称轴被对称地放置。监控耦接器可以包括通过控制器的电路板的通孔和/或可以包括电流传感器。其优点在于，当所述两个控制器被背对背地布置时，一个控制器的DC电源耦接器可以被放置在另一控制器的监控耦接器附近，使得DC电源可以穿过监控耦接器以使一个控制器能够监控由另一控制器获取的电流。
与DC串激电动机及其控制有关的方案
在一个方案中，提供了一种装置，包括：DC串激电动机；以及第一电流源，被配置为将第一电流提供给DC串激电动机的电枢；以及第二电流源，被配置为将第二电流提供给DC串激电动机的励磁绕组，优选地，还包括：控制装置，被配置为控制第二电流源以基于第一电流提供第二电流。在一个实施例中，第一电流源和第二电流源是从单个三相逆变器电流获取的，其中每一个电流源是由逆变器电路的一个或多个桥臂提供的。在一个示例中，第一电流源由逆变器电路的第一个桥臂提供，第二电流源由逆变器电路的第二个桥臂和第三个桥臂提供。在另一示例中，第一电流源由逆变器电路的第一个桥臂和第二个桥臂提供，第二电流源由逆变器电路的第三个桥臂提供。本案的发明人已经认识到，通过施加适合的控制信号，可以使用三相逆变器电路(例如，通常应用于AC电动机的标准的六开关逆变器)来控制DC电动机。这使得能够改造AC控制器以适应现有的DC电动机从而改善性能，而无需使用传统的SEM替换DC串激电动机所需的额外成本和资源。
在一些可能实现方式中，第一电流源和第二电流源被配置为被独立地控制。在一些可能实现方式中，第一电流源和第二电流源包括三相逆变器电路。在一些可能实现方式中，电枢被耦合到三相逆变器的第一个桥臂与三相逆变器的第二个桥臂之间，并且励磁绕组被耦合到三相逆变器的第三个桥臂与负电源和正电源之一之间，励磁绕组被耦合到三相逆变器的第一个桥臂与三相逆变器的第二个桥臂之间，并且电枢被耦合到三相逆变器的第三个桥臂与负电源和正电源之一之间。
在一些可能实现方式中，装置包括：控制器，被配置为控制第一电流源以基于电动机所需的扭矩输出来提供第一电流。在一些可能实现方式中，控制器被进一步配置为控制第二电流源以基于第一电流提供第二电流。
在一个方案中，提供了一种控制DC串激电动机的方法，包括：控制第一电流源以将电枢电流提供给DC串激电动机的电枢；以及控制第二电流源以将励磁电流提供给DC串激电动机的励磁绕组。在一些可能实现方式中，控制第一电流源还包括：控制第一电流源以基于电动机所需的扭矩输出提供电枢电流。在一些可能实现方式中，控制第二电流源还包括：控制第二电流源以基于电枢电流提供励磁电流。在一些可能实现方式中，控制第一电流源和控制第二电流源还包括控制三相逆变器电路。
在一个方案中，提供了一种计算DC串激电动机的旋转速度的方法，该方法包括：获得与电动机相关联的电枢电流值和励磁电流值；基于电枢电流值和励磁电流值估计电动机的磁通量；获得与电动机相关联的反电动势值；以及将反电动势值除以估计的磁通量以计算电动机的旋转速度。
在一些可能实现方式中，估计磁通量包括：确定与电枢电流值相关联的第一磁通量分量；确定与励磁电流值相关联的第二磁通量分量；以及对第一磁通量分量和第二磁通量分量进行求和。
在一些可能实现方式中，确定第一磁通量分量和第二磁通量分量包括：使用一个或多个查找表来识别与电流值相关联的磁通量分量。
在一些可能实现方式中，DC串激电动机组件包括：DC串激电动机，具有电枢和与电枢串联的励磁绕组，三相逆变器电路，耦合到该DC串激电动机，以及控制器，用于控制三相逆变器电路的切换元件的切换，以使三相逆变器电路能够控制通过电枢绕组和励磁绕组中的至少一个的电流。在一些可能实现方式中，控制器可操作以控制通过电枢和通过励磁绕组的电流。在一些可能实现方式中，控制器可操作以控制通过电枢和励磁绕组中的至少一个的电流的幅度和方向中的至少一个。在一些可能实现方式中，控制器可操作以控制通过电枢和励磁绕组中的一个的电流的方向以及通过电枢和励磁绕组的电流的幅度。在一些可能实现方式中，三相逆变器电路具有第一个桥臂、第二个桥臂、以及第三个桥臂，每一个桥臂被耦合到组件的正电源线与负电源线之间，每一个桥臂包括一起耦合到节点处的第一切换元件和第二切换元件，每一个切换元件具有由控制器控制的控制栅。在一些可能实现方式中，电枢被耦合到第一个桥臂的节点与正电源线和负电源线之一之间，励磁绕组被耦合到第一个桥臂和第二个桥臂的节点之间。在一些可能实现方式中，电枢被耦合到第一个桥臂和第二个桥臂的节点之间，并且励磁绕组被耦合到第三个桥臂的节点与正电源线和负电源线之一之间。在一些可能实现方式中，电枢被耦合到第一个桥臂和第二个桥臂的节点之间，并且励磁绕组被耦合到第二个桥臂和第三个桥臂的节点之间。在一些可能实现方式中，三相逆变器电路的切换元件包括半导体切换元件。在一些可能实现方式中，切换元件包括压控阻抗，例如，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、或MOSFET、或IGFET、或双极型晶体管(BJT)、或结型场效应晶体管。在一些可能实现方式中，三相逆变器电路包括被设计用于控制AC电动机的三相逆变器电路。
在一个方案中，提供了一种DC串激电动机组件，包括：DC串激电动机，具有电枢和与电枢串联的励磁绕组；以及控制器，用于控制通过电枢和励磁绕组中的至少一个的电流，其中，控制器包括被设计用于控制AC电动机的三相逆变器电路。
在一个方案中，本发明涉及一种被设计用于控制AC电动机的三相逆变器电路控制通过DC串激电动机的电枢和励磁绕组中的至少一个的电流的用途。在另一方案中，本发明涉及一种用于控制DC串激电动机的装置，包括：第一电流控件，被配置为控制向DC串激电动机的电枢和DC串激电动机的励磁绕组中的一个的第一电流的供应；第二电流控件，被配置为控制向DC串激电动机的电枢和DC串激电动机的励磁绕组中的另一个的第二电流的供应，其中，第一电流控件被配置为基于第二电流控制第一电流。在一些可能实现方式中，第一电流控件被配置为控制向DC串激电动机的电枢的第一电流的供应，第二电流控件被配置为控制向DC串激电动机的励磁绕组的第二电流的供应。在一些可能实现方式中，第一电流控件被配置为控制向DC串激电动机的励磁绕组的第一电流的供应，第二电流控件被配置为控制向DC串激电动机的电枢的第二电流的供应。在一些可能实现方式中，第一电流控件和第二电流控件中的至少一个可操作以通过施加控制电压以控制用于控制AC电动机的逆变器电路的至少一个桥臂来控制电流。在一些可能实现方式中，逆变器电路包括三相逆变器电路。
在一些可能实现方式中，逆变器电路包括三相逆变器电路，装置还可以包括逆变器电路。在一些可能实现方式中，逆变器电路被设计用于控制AC电动机。在一些可能实现方式中，装置可以包括DC串激电动机和/或存储器，存储器存储查找表，并且其中，基于第二电流控制第一电流包括：基于第一电流和查找表来控制第二电流值。
在一个方案中，提供了一种调整DC串激电动机的控制系统的方法，包括：提供逆变器电路以将电流提供给DC电动机的电枢绕组和励磁绕组，以及提供控制装置，该控制装置被配置为控制逆变器使得基于电枢电流和励磁电流中的一个来控制电枢电流和励磁电流中的另一个。
本发明的示例可以包括实现在软件、中间件、固件、或硬件或者其任意组合中的控制装置。本发明的实施例包括计算机程序产品，计算机程序产品包括：用于对处理器进行编程以执行本文所描述的方法中的一个或多个方法的程序指令，该产品可以提供在计算机可读存储介质上或者具有用于在网络上传输的计算机可读信号的形式。本发明的实施例提供了计算机可读存储介质和计算机可读信号，其承载根据本文所描述的方案中的任意一个的数据结构、媒体数据文件、或者数据库。
装置方案可以应用于方法方案，反之亦然。专业读者将认识到，装置实施例可以适合于实现方法实施例的特征，并且本文所描述的实施例中的任意一个的一个或多个特征(无论是在说明书的主体中定义还是在权利要求中定义)可以与本文所描述的其它实施例中的任意一个独立地组合。
与双控制器交叉检查有关的方案
在一个方案中，提供了一种电动机控制器，包括：健康指示器，用于提供输出信号以指示电源提供器的操作；以及故障保护，包括：信号接收装置，用于从另一电动机控制器接收健康指示器信号，以及控制装置，被布置为基于来自所述另一电动机控制器的指示器信号来控制所述电源提供器的操作。在一些可能实现方式中，故障保护被配置为基于指示器信号来启用对电源提供器的激活。在一些可能实现方式中，故障保护被配置为如果未接收到指示器信号，则不启用对电源提供器的激活。在一些可能实现方式中，故障保护被配置为响应于接收到指示器信号来激活电源提供器。
在一些可能实现方式中，控制装置被配置为确定指示器信号的至少一个参数，并且基于该至少一个参数来控制电源提供器。在一些可能实现方式中，至少一个参数包括以下各项中的一项：DC电压电平；频率；相位；峰峰振幅；RMS振幅；以及占空比。在一些可能实现方式中，健康指示器被配置为提供时变输出信号以指示电源提供器的操作。在一些可能实现方式中，时变信号包括诸如方波等的脉冲输出信号。在一些可能实现方式中，健康指示器被配置为仅在例如基于确定电动机控制器的部件正在工作和/或来自另一类似控制器的信号与车辆的安全操作相一致而确定所述电动机控制器正在安全工作时，才提供所述指示器信号。在一些可能实现方式中，健康指示器被配置为基于确定至少一个操作参数来提供指示器信号。在一些可能实现方式中，至少一个操作参数是从包括以下各项的列表中选择的：电动机控制器的DC电流的方向；另一电动机控制器的DC电流的方向；按键切换电压；控制器的功率晶体管(IGBT)的温度；控制器的控制逻辑的温度；与控制器相关联的DC链路轨道的电压和/或温度；ADC校准电压；模拟输入；一个或多个可编程或不可编程电源电压(Vcc)监控器；正余弦编码器数据；解析器测量；速度反馈测量；其它数字输入和电动机PTC输入。
在一些可能实现方式中，确定包括：将所述至少一个操作参数与阈值进行比较。
在一些可能实现方式中，电动机控制器还包括：电源提供器，其中，电源提供器能够操作以提供用于电力牵引电动机的电源。
在一些可能实现方式中，控制器包括控制装置，被配置为基于电动机控制器的驱动方向与第二电动机控制器的驱动方向的比较来控制第一电力牵引电动机的电源。在一些可能实现方式中，控制器包括：比较器，能够操作以将电动机控制器的驱动方向与所述第二电动机控制器的驱动方向进行比较。在一些可能实现方式中，控制器包括以下各项中的至少一项：用于感测电动机控制器的驱动方向的传感器；以及用于感测第二电动机控制器的驱动方向的传感器。在一些可能实现方式中，感测驱动方向包括：感测电动机控制器的电源电流的方向。在一些可能实现方式中，控制器包括：电源提供器，用于向所述第一电力牵引电动机提供电源。
本发明的各个方案包括用于电动车的驱动装置和或包括所述驱动装置的车辆。
在一个方案中，提供了一种操作电动机控制器的方法，该方法包括：以本文定义的方式和/或基本上如参照图12至图15中任意一个所描述的方式操作电动机。还提供了一种计算机程序产品，包括：可操作以对电动机控制器的处理器进行编程以通过基于监控第二电动机控制器的电源电流向电动机控制器提供驱动信号来控制电动机的程序指令。还提供了一种计算机程序产品，包括：可操作以对电动机控制器的处理器进行编程以通过根据来自第二电动机控制器的控制信号向电动机提供驱动信号来控制电动机的程序指令。
电动机振荡阻尼方案
在一个方案中，提供了一种用于电动车的扭矩控制装置，该装置包括：控制器，被耦合以从驾驶员用户界面或车辆控制器接收扭矩需求信号、以及指示电动机的角速度的速度传感器信号；其中，控制器被配置为基于扭矩需求信号和速度传感器信号来提供经修改的扭矩需求控制信号。其优点在于，可以修改电动机的快速扭矩响应以确保对车辆的平稳工作。
在一个可能实现方式中，装置包括用于对速度传感器信号进行滤波的滤波器。在一个可能实现方式中，滤波器被配置为对感测的速度信号进行滤波，以相对于感测的速度信号的其它频率分量加重与选择的频率分量相关联的频率分量，在一些可能实现方式中，选择的频率分量与车辆的传动轴系的特征频率相关联。
本案的发明人已经认识到，车辆传动轴系可以具有例如与车辆传动轴系中的部件的扭矩硬度和/或其相应的惯性矩相关联的特征频率，并且通过应用选择性滤波器，车辆对扭矩改变的特征振荡响应可以被选择性地抑制，而不会危害车辆的响应。
在一个可能实现方式中，滤波包括：例如使用被配置为衰减至少一个噪声频率分量的陷波滤波器来衰减与所述车辆的传动轴系的特征频率没有关联的频率分量。本案的发明人已经认识到，存在可能危害扭矩控制的车辆系统特有的特定噪声源。
在一些可能实现方式中，控制器可操作以例如相应于车辆的操作条件来改变滤波器的传递函数。其优点在于，电噪声的一些源具有可以根据诸如车辆和/或电动机的速度等的操作条件而改变的幅度和/或频率特征。
在一个可能实现方式中，控制器被配置为从所接收的扭矩需求信号中减去减去信号，其中，减去信号基于感测的速度信号，例如，控制器被配置为对减去信号进行限制，使得减去信号的幅度不会超过参考信号电平。其优点在于，车辆对操作员控制的响应未被振荡阻尼系统过度地限制。优选地，减去信号基于感测的速度信号的改变速率。
在一些可能实现方式中，参考信号电平基于用于所述电动机的最大扭矩需求信号，在一些可能实现方式中，控制器可操作以配置参考信号电平。其优点在于，例如由于车辆的负载，因此可以根据操作需要来“调整”车辆的响应。本发明的这些示例的优点在于，可以在使用车辆期间对电动机控制的阻尼/响应进行调整。
在一些可能实现方式中，控制器被配置为基于修改的扭矩需求信号和所接收的扭矩需求信号的比较来提供替换扭矩需求信号。例如，在修改的扭矩需求信号具有与扭矩需求信号相反的符号的情况下，控制器可以被配置为用零扭矩需求信号替换修改的信号。其优点在于，对电动机速度振荡的抑制不会引起电动机扭矩输出的出乎意料或不期望的反转。
在一些示例中，替换扭矩需求信号是从包括至少一个预定的扭矩需求信号值的列表中选择的，例如，控制器可以被配置为基于诸如所述车辆的速度和/或电动机速度等的车辆的操作条件来选择替换扭矩需求信号。其优点在于，替换扭矩需求可以被选择为使得例如车辆扭矩需求不需要突然固定为零，而是可以被设置为与瞬时车辆或电动机速度相一致的低值。
在一个可能实现方式中，速度传感器信号包括基于感测到车辆的车轮的角速度的速度传感器信号。其优点在于，车辆的真实速度可以用于控制电动机扭矩需求。在一些可能实现方式中，速度传感器信号包括基于感测到电动机角速度的信号和基于感测到车辆的车轮的角速度的信号。
在一个方案中，提供了一种方法，包括：接收要应用于车辆电动机的电动机控制器的扭矩需求控制信号；接收指示所述电动机的角速度的感测的速度信号；以及基于所接收的扭矩需求信号和感测的速度信号来确定修改的扭矩需求信号。优选地，感测的速度信号包括角速度的改变速率。在一些可能实现方式中，速度传感器信号包括感测的扭矩信号。
在一些可能实现方式中，该方法包括：基于感测的速度信号从所接收的扭矩需求信号中减去减去信号，以确定修改的扭矩需求信号。例如，可以对减去信号进行限制使得减去信号的幅度不超过参考值。其优点在于，调整扭矩需要以减小电动机振荡不会危害车辆的响应。在一些示例中，参考值可以被选择为使得对前向扭矩的最大调整不会超过第一参考值，并且对反向扭矩的最大调整不会超过第二参考值。其优点在于，车辆性能可以被调整为适合操作模式。
本发明的示例提供了一种电子设备，包括：根据本文所描述的方案中的任意一个的扭矩控制装置。本发明的示例提供了一种车辆，包括：电动机和根据本文所描述的方案中的任意一个的扭矩控制装置。
虽然参照车辆进行了描述，但是电动机速度振荡的问题可能在使用电动机的其它系统中发生并且本发明的实施例解决了该问题，即，除了车辆以外的系统中的上述问题，例如，在一些可能实现方式中，该方法可以应用于控制混合系统中的电动机。在一个方案中，提供了一种控制电动机的方法，包括：接收指示扭矩需要的控制信号；接收基于电动机的速度输出的传感器信号；基于传感器修改控制信号；以及将修改的控制信号提供给电动机。
在一个方案中，提供了一种电动机控制系统，包括：控制输入端，用于接收控制信号；感测输入端，用于接收基于电动机速度输出的感测信号；以及控制装置，适合于基于感测信号来修改控制信号并且将修改的控制信号提供给电动机。优选地，感测信号基于电动机的角速度的改变速率。
本发明的示例可以实现在硬件(例如，FPGA或者ASIC或者其它硬件)或者软件、中间件、固件或者其任意组合中。本发明的实施例包括计算机程序产品，计算机程序产品包括：用于对处理器进行编程以执行本文所描述的方法中的一个或多个的程序指令，这些产品可以被提供在计算机可读存储介质上或者具有用于在网络上传输的计算机可读信号的形式。本发明的实施例提供了计算机可读存储介质和计算机可读信号，其承载根据本文所描述的方案中的任意一个的数据结构、媒体数据文件、或者数据库。
本文所描述的实施例中的任意一个的一个或多个特征中的任意一个(无论是在说明书的主体中定义还是在权利要求中定义)可以与本文所描述的其它实施例中的任意一个独立地组合。
附图说明
现在将参照附图仅通过举例说明的方式详细描述本发明的实施例，在附图中：
图1示出了包括电动机和控制器的系统；
图2A和图2B示出了根据本发明的第一控制器和第二控制器的正面；
图3示出了包括两个电动机和两个控制器以及服务于两个控制器的散热器和冷却歧管的模块化电动机-控制器组件；
图4从剖面示出了第一控制器和第二控制器，每一个控制器具有用于监控另一控制器上的电流的扩展端子；
图5示意性地示出了DC串激电动机；
图6示意性地示出了DC电动机和用于电动机反转的电路；
图7a示意性地示出了针对四端子DC串激电动机的电源电路的布置；
图7b示意性地示出了针对四端子DC串激电动机的电源电路的另一布置；
图8示意性地示出了针对三端子DC串激电动机的电源电路的布置；
图9示出了根据本发明的实施例用于产生电枢电流和励磁电流的控制算法；
图10示出了根据本发明的实施例确定电动机速度的方法；以及
图11示出了电动车的完全示意性的图；
图12示出了电动机控制器；
图13示出了两个电动机控制器以及外部控制单元的配置；
图14示出了两个互连的电动机控制器；
图15示出了图13和图14的示例性组合特征；
图16示出了车辆的完全示意性的图；以及
图17示出了在图16的车辆中使用的控制系统的功能框图。
具体实施方式
AC电动机和电动机控制器
概括地说，图1的电动机系统10包括电动机2和用于控制电动机的操作的控制器20。控制器20被配置为根据直流(DC)电源6(在该示例中，电池)得到用于电动机2的三相交流(AC)电源。电动机系统10还包括冷却装置4。冷却装置4被耦合到电动机2和控制器20以排除电动机2和控制器20的操作所产生的热量。电动机的驱动输出提供扭矩以驱动耦合到车辆的传动轮轴的传动盘8。
控制器20被配置为对电源6的DC输出进行逆变、滤波和调节处理，以向电动机提供所需的AC电源。
控制器20包括逆变器28，逆变器28用于将DC输入转换为三相AC输出以供电动机2使用。可以使用任何适当形式的逆变器。在优选的示例中，使用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)逆变器。在一些情况下，还可以使用MOSFET或其它IGFET。IGBT转换器的优选特征包括高效和快速切换。
图2A示出了包括印刷电路板(PCB)22的控制器20的一个示例的前视图。图2A还示出了其中容纳有控制器的控制器外壳21。PCB 22承载电源接触配件26a、26b和26c，每一个配件可以包括用于感测通过配件的电流的电流传感器。电源接触配件26b包括用于耦合到DC电源(未示出)的第一端子的电源接触点B+。电源接触配件26c包括用于耦合到DC电源(未示出)的第二端子的电源接触点B-。PCB 22还承载AC输出端子24a、24b和24c以及逆变器28(在图2A中用虚线示出)。电源接触点B+通过铜桥臂35b电耦合到电池端子32a和32b，其中，电池端子32a和32b被安装到外壳21的扩展端33，电线穿过该扩展端33以提供与电源6的连接。电源接触点B-通过铜桥臂35a电耦合到电池端子32b，其中，电池端子32b被安装到外壳21的扩展端。
DC电源接触点26b、26c被耦合到逆变器28的相应输入端。逆变器28的输出端被耦合到AC输出端子24a、24b、24c。输出端子中的每一个可操作以耦合到电动机2的相应相绕组。
AC输出端子24a、24b、24c关于PCB 22的轴x-x被对称地放置。在该示例中，DC电源接触配件26a、26b、26c类似地被对称放置。
PCB 22可以包括被配置为控制滤波和调节的其它功能30，其它功能30可以包括例如微处理器、电源、电容器和电感器。
图2B示出了包括PCB 22′的第二控制器20′的前视图。图2B还示出了其中容纳有控制器20′的控制器外壳21′。除了PCB 22′的方位以外，控制器20′与控制器20相同。与PCB 22和控制器外壳21相比，PCB 22′相对于其控制器外壳21′旋转了180度。与控制器外壳21和PCB 22相比，控制器外壳21′相对于PCB 22′关于垂直于轴x-x的轴被反转。
PCB旋转的效果是当控制器以其边缘23、23′对齐的方式被放置并且其背面彼此面对时，控制器20′的输出端子24a′、24b′、24c′与输出端子24a、24b、24c对齐。控制器20的电源接触配件26a、26b、26c与控制器20′的电源接触配件26a′、26b′、26c′对齐。外壳反转意味着控制器外壳21、21′的轮廓重合。当以这种方式布置控制器时，散热器可以被放置在控制器的相应背面之间与发明人的功率晶体管相邻的位置处(主要热源是控制器)。散热器操作以同时冷却两个控制器，使得不需要为控制器提供单独的散热器。图3示出了第一控制器和第二控制器在轴10上被布置在散热器12的任意一侧的布置。
上述控制器使得能够形成由电动机和相关联的控制器的集合构成的模块化组件。具有相同的PCB 22、22′(可以简单地针对组件以背对背的形式一起旋转)的选择简化了PCB的生产和对模块化的电动机和控制器叠层的装配需求。
更详细地参照图3，示出了模块化组件50，其被包含在壳体40中并且包括以下各项：第一和第二电动机2、2′、第一和第二控制器20、20′、和包括散热器12和冷却歧管14的公共冷却装置，以及电源耦接器160，电源耦接器160穿过扩展端33以使电池端子32a和32b能够耦合到电源6。
电动机和控制器被放置在轴10上，其中，轴10被配置为耦合到传动盘8。第一电动机2被放置在轴10的第一末端上。第一电动机2与第一控制器20的正面34相邻。第一控制器20的承载逆变器的背面36与散热器12相邻并且进行热接触。散热器12还与第二控制器20′的背面36′相邻并且与进行热接触。第二控制器20′的正面34′与放置在轴10的第二末端上的第二电动机2′相邻。第一和第二电动机以及第一和第二控制器共享可以与壳体40集成在一起的冷却歧管14。冷却歧管14具有入口16和出口18。冷却歧管14与散热器12进行物理接触和热接触，并且与第一和第二电动机2、2′进行热接触。
DC电源耦接器160被耦合到第一和第二控制器20、20′。第一电动机2与第一控制器20进行电接触。电接触是通过输出端子24a、24b、24c中的每一个与电动机2中的相绕组之间的电耦合来实现的。第二电动机2′与第二控制器20′进行电接触。电接触是通过输出端子24a′、24b′、24c′中的每一个与电动机2′中的相绕组之间的电耦合来实现的。
经由DC电源耦接器160将DC电源提供给控制器20和20′。第一控制器20将DC电源转换为用于第一电动机2的三相AC。AC信号在第一电动机2的转子上产生扭矩，这在轴10的第一末端处产生驱动。第二控制器20′和电动机2′以相同的方式操作以在轴10的第二末端处产生驱动。电动机输出可以耦合到诸如传动盘等的相应驱动耦接器，以驱动相应传动轴。
在一种可能实现方式中，第一和第二控制器20、20′进行电接触。也即是说，第一控制器20的DC端子B+、B-被电耦合到第二控制器20′的相应端子B+、B-。每一个控制器在正面具有B+端子(26b、26b′)并且在背面上具有一个B-端子(针对控制器20的26a以及控制器20′上的26c′)。B-端子穿过另一单元上的电流传感器，从而允许由控制器对中的每一个控制器完成对两个控制器的性能的监控。
冷却系统按如下方式操作。冷却歧管14经由入口16接收冷却液。冷却液从第一和第二电动机2、2′吸收热量。歧管14还向散热器12提供流体，这从放置在第一和第二控制器20、20′的相应背面34、34′上的逆变器28、28′排放热量(如图4所示)。在该示例中，提供给散热器的流体循环回冷却歧管。冷却流体经由出口18离开冷却歧管。
在一种可能实现方式中，多个电动机和控制器以一个电动机与一个控制器的比例被放置在轴10上和壳体40中。被背对背布置的控制器可以共享散热器。最多两个控制器可以共享给定的散热器。所有散热器与冷却歧管14进行物理接触和热接触。通常，电动机将被叠层在轴10的末端处，以便在轴10的末端处产生驱动。
模块化组件50的优点是，第一和第二控制器20、20′如上所述共享冷却单元，而不是向每一个控制器提供冷却单元。因此，在具有多于一个电动机-控制器对的任何发动机中，模块化组件30通过消除至少一个冷却单元4，大大地减少了发动机的重量和体积。
在一种可能实现方式中，壳体40具有集成的电连接(例如，对于单相接定子绕组、转子位置编码器和DC输入端)。它们用于进一步优化组合装置的大小和重量。
将认识到，第二PCB 22′的相对旋转导致电端子的顺序相对于第一PCB 22的电端子的顺序被反转。这意味着，当第一和第二控制器20、20′如图3所示地被布置时，其输出端子24、24′按如下方式被对齐。端子24a与24c′对齐。端子24b与24b′对齐。端子24c与24a′对齐。在该示例中，端子24a和24a′输出第一电相位，端子24b和24b′输出第二相位，并且端子24c和24c′输出第三相位。当相同的电动机如图3所示地连接到控制器并且使用相同的电动机-控制器耦接器时，电动机2和2′在相反的方向上产生扭矩。可以期望控制器的输出端子排成行，使得输出相似相位的端子被对齐。因此，可选择地，可以在第一PCB 20或第二PCB20′上提供开关，以分别对从端子24a和24c以及24a′和24c′输出的相位进行反相。备选地，可以提供电路以自动地切换这些端子的相位。在多个控制器和电动机彼此并排叠层的可能实现方式中，这种自动切换可以用于调节整个控制器叠层上的相位输出。
在PCB 22′旋转以后，电源接触配件26′也被反转。未使用的接触配件可以用于执行额外的功能，例如，监控通过另一控制器的电流。在图4中示出了用于执行电流监控的布置，图4示出了被背对背地布置在公共散热器12的任意一侧的第一和第二控制器20、20′。在所示的示例中，第一控制器20的未使用的接触点26c被耦合到第二控制器20′的电流监控传感器。耦合是通过穿过逆变器22和散热器12的扩展端子38来实现的。类似地，第二控制器20′的未使用的接触点26a′经由穿过逆变器28′和散热器12的扩展端子38′被耦合到第一控制器20的电流监控输出端。
在另一可能实现方式中，电源6被连接到第一和第二控制器20、20′的电源接触点，使得由电源接触点26b和26b′在每一个相应的控制器上提供正电池端子，并且由当控制器被背对背地布置时对齐的电源接触点在每一个相应的控制器上提供负电池端子。参照图2A和图2B，也即是说，当电源接触点24a在第一控制器20上提供负电池端子时，电源接触点24c′在第二控制器20′上提供负电池端子，并且当电源接触点24c在第一控制器20上提供负端子时，电源接触点24a′在第二控制器20′上提供负电池端子。这允许控制器20、20′与电源6并联。在一些示例中，在这些情况26a下的正面承载端(carry)26b(B+端子)和背面承载端26c(B-端子)不是端子，而是可以承载电流传感器的孔。在电流传感器被放置在该位置中的情况下，它可以用于感测通过孔去往相邻控制器的电流。
如上所述，电动机是三相电动机，并且由控制器20产生的电源是三相AC。在另一示例中，电动机可以是单相电动机，并且由控制器产生的电源是单相AC。在另一示例中，电动机可以是两相电动机，并且由控制器产生的电源是两相AC。电动机可以仅是被配置为使用多个相位进行操作的多相电动机。如上所述，电源6包括电池。在其它示例中，电源可以是燃料电池或双电层电容器(EDLC)或者其它DC电源。
虽然所描述的逆变器采用IGBT，但是可以使用其它压控阻抗，例如，MOS-FET、其它类型的IG-FET或BJT。
DC串激电动机控制
DC串激电动机控制发明的实施例旨在允许商用DC串激电动机以与外激式电动机类似的方式操作，从而在维持与DC串激电动机相关联的提供高起始扭矩的能力的同时对电动机操作特征提供更大控制水平。图7a和图7b示出了用于将四端子DC串激电动机连接到三相逆变器的两个布置。三相逆变器电路是已知的，并且最近，能够管理高电流的逆变器已经以合理的价格在商业上使用，例如，Sevcon(RTM)Gen4(RTM)AC电动机控制器。逆变器的每一个桥臂提供相同的电流容量，从而允许向电枢绕组和励磁绕组提供相同的电流。在图7a的布置中，三相逆变器的每一个桥臂包括串联耦合到正(V+)电源电压与负(V-)电源电压之间的晶体管1012a和1012b。DC串激电动机的电枢1004连接到正电源电压与晶体管1012a和1012b之间的第一节点之间。三相逆变器的第二个桥臂和第三个桥臂包括分别串联耦合到正电源电压与负电源电压之间的晶体管1014a和1014b以及1016a和1016b。励磁绕组1006被耦合到晶体管1014a和1014b之间的第二节点与晶体管1016a和1016b之间的第三节点之间。虽然电枢1004被示出为耦合到正电源电压，但是将认识到，它同样可以耦合到负电源线。
在操作中，包括一系列控制脉冲的控制信号被施加于晶体管1012a和1012b的栅极耦接器，以调制流过电枢绕组1004的电流。将认识到，对于三相逆变器的每一个桥臂，将以互补的方式控制两个晶体管(a和b)，使得这些晶体管中一次只有一个晶体管导通。因此，调制施加于晶体管1012a和1012b的控制电压的脉冲宽度允许控制电枢电流Ia。当励磁绕组1006被耦合到三相转换器的两个桥臂之间时，可以通过控制晶体管1014a、1014b、1016a、1016b来使通过励磁绕组1006的电流If的方向反向，从而控制电动机的旋转方向。类似地，可以通过例如使用脉冲宽度调制来调制晶体管1014a、1014b、1016a、1016b的控制电压以控制励磁电流If的幅度。
在图7b的布置中，电枢1004被耦合到第一节点与第二节点之间，而励磁绕组1006被耦合到第三节点与正电源之间。对于图7a，可以取而代之地将励磁绕组耦合到第三节点与负电源之间。
在图7b所示电路的操作中，通过切换三相逆变器的晶体管中的适当晶体管来使电枢1004的电流Ia反向，从而使电动机的旋转方向反向。
将认识到，如图7a和图7b中所示的三相逆变器电路将包括其它特征，为了增加附图的清晰度，已经省略了这些特征。具体地说，将预期续流二极管与开关1012a、1012b、1014a、1014b、1016a、1016b中的每一个相关联。
在一些环境中，图7b的布置相对于图7a中所示的布置可以具有优势。具体地说，与电枢相比，励磁绕组通常具有远远更高的相关联的电感，因此，当尝试使电动机的旋转方向反向时，通常更快速地使电枢电流反向。此外，图7b的布置确保即使例如在电动机空转期间反e.m.f变为负，它也始终可以控制电枢电流Ia。相反，在图7a的布置中，反e.m.f可能导致经由与晶体管1012a相关联的续流二极管在电枢上形成短路，从而导致电枢电流变得不可控。
图8示出了三相逆变器用于控制装备有仅三个端子的DC串激电动机的布置。在图8的布置中，电枢1004被耦合到三相逆变器的第一节点与第二节点之间，并且励磁绕组1006被耦合到第二节点与第三节点之间。
图9示出了用于基于扭矩需求(TDemand)提供电枢电流Ia和励磁电流If的控制算法。图9的算法可以与图7a、图7b或图8中所示的布置中的任意一个联合使用。当然，将认识到，在不同的示例中，将区别地控制开关。例如，在图7a的情况下，将控制开关1012a和1012b以控制电枢电流，而在图7b中，将控制开关1012a、1012b、1014a和1014b以控制电枢电流。
下面关于图9的描述涉及图7a中所示的电路。
根据所示的算法，在第一功能元件1050处接收扭矩需求，第一功能元件1050限制了扭矩需求，例如，使得扭矩需求不会超过最大正向扭矩或最大反向扭矩。可以基于电动机的测量(例如，基于温度，以保护电动机避免过热)或者基于其它标准来预先确定或计算该限制。功能元件1050的输出是要由电动机提供的扭矩需求(Tlim)。
向第一放大器1052提供扭矩需求输出(Tlim)，第一放大器1052将扭矩需求转换为表示电枢电流需求的信号，该电枢电流需求与提供请求的扭矩输出所需的电流相对应。然后，将电流需求信号输入到反馈控制回路，该反馈控制回路由第一差分器1058、第一PID控制器1054和第二放大器1056构成。反馈回路的(来自第二放大器1056的)输出被配置为通过切换晶体管1012a、1012b来调节电枢电流(这对于图7a中所示的示例是成立的，但是对于其它布置，所控制的精确开关可以不同，例如，在图7b中，它将是用于电枢控制的1012a、1012b、1014a、1014b)，以基于来自第一放大器1052的电流需求信号提供电动机的电枢电流Ia。
电枢电流Ia还被提供给第二功能元件1060。第二功能元件1060包括扭矩通量表，这仅是一种选择，并且其它方法在本领域中是公知的。扭矩通量表由第二功能元件用作查找表以将提供的电枢电流值转换为励磁电流需求值。扭矩通量表可以通过电动机的特征描述凭经验产生，或者可以基于电动机的计算出的性能。然后，将输出励磁电流需求值输入到另一反馈回路，该另一反馈回路包括第二差分器1062、第二PID控制器1064以及第三放大器1066，该另一反馈回路基于励磁电流需求值来调节输出励磁电流If。该反馈回路(来自第三放大器1066)的输出被配置为通过切换晶体管1016a、1016b来调节励磁电流，以基于来自第三放大器1066的电流需求信号提供电动机的磁力电流If。
将认识到，使用扭矩通量表仅是一种导出If的方式，并且在本领域中公知的其它方式可以用于根据Ia和其它参数导出If。
通过基于电枢电流Ia计算励磁电流If，图9的控制算法提供了自动磁场消弱。这是因为当电动机的反e.m.f(电动势)最终增加时，可用的电源电压将不能向电动机提供期望的电枢电流。然而，当基于电枢电流Ia计算励磁电流If时，电枢电流的减小自动地导致计算出的励磁电流按比例减小。
专业读者在本公开的背景下可以理解的是，图9仅是示意性的，并且当在装置中实现示出为单独的功能部件的一个或多个功能时，这些功能可以由单个控制元件来提供，并且可以被进一步细分为多个元件。此外，可以使用施加于晶体管的脉冲宽度调制(PWM)控制信号来调节电动机的励磁电流和电枢电流。在图9中的算法的元件之间传递的信号可以是描述PWM信号的单个值或者多值参数，或者在一些示例中，可以包括PWM信号。
图10示出了根据图5的算法控制的DC串激电动机的速度计算算法。对于很多应用，能够准确地确定电动机的旋转速度是有帮助的，然而，直接测量电动机的速度可能很困难。图10的算法提供了一种基于容易测量的值或已知的值(例如，施加于电动机的电枢电流和励磁电流以及电枢电压Va和电池/电源电压Vbat)来计算速度的方式。
速度控制算法通过确定电动机的反e.m.f(电动势)并且将其除以电动机内由于励磁绕组和电枢绕组引起的磁通量的估计来操作。对于具有独立控制的励磁电流和电枢电流的电动机，确定磁通量必须考虑这两个值，这产生了额外的复杂性。
为了计算反e.m.f，在第一差分器1068处从电池电压中减去电枢电压。然后，将第一差分器1068的输出提供给第二差分器1070。将电枢电流提供给放大器1076，放大器1076将电枢电流与电枢的阻抗相乘以确定电枢中的IR损耗(即，由于电枢电阻而在电枢两端出现的压降)。然后，将该值输入到第二差分器1070，在第二差分器1070处，从第一差分器68的输出中减去该值，以确定反e.m.f值。
电枢电流值Ia也被输入到第一通量查找表1078，第一通量查找表1078输出与电枢电流Ia相关联的第一通量值。励磁电流If被输入到第二通量查找表1080中，第二通量查找表1080输出与励磁电流相关联的第二通量值。然后，将第一通量值和第二通量值输入到加法器1082以计算电动机内的总磁通量ψ。然后，将计算出的反e.m.f值和总磁通量输入到除法器1072，在除法器1072处，将反e.m.f值除以总通量以产生速度值，然后，在功能元件1074中调整速度值以提供电动机的经校准的速度值。
因此，图10的算法能够基于电动机的电源的容易测量的电参数来计算准确的速度值。虽然已经参照IGBT晶体管描述了逆变器，但是这仅是示例性的，并且可以使用任何压控阻抗，例如，MOSFET、IG-FET或BJT。
图11示出了具有四个车轮2102、2104、2106、2108的车辆2100。车轮2106和2108朝向车辆的前部彼此相对。车轮2102和2104朝向车辆2100的尾部彼此相对。
车轮2102耦合到电动机2101，进而电耦合到电动机控制器2002。车轮2104耦合到电动机2103，进而电耦合到电动机控制器2002′。车辆控制单元2126耦合到电动机控制器2002、2002′。
电动机2101、2103可操作以在控制器2002、2002′的控制下独立于彼此驱动车轮2101、2103。车辆控制单元2126向控制器2002、2002′提供控制信号，以通过驱动电动机2101、2103来控制车辆的移动。
虽然示出为后轮驱动，但是车辆2100可以是前轮驱动的。此外，虽然车辆2100被示出为两轮驱动车辆，但是本发明的示例可以应用于四轮驱动车辆。车辆控制单元2126可以通过诸如控制器局域网络、CAN-总线等的控制总线耦合到控制器2002、2002′。
图12示出了电动机控制器2002，电动机控制器2002包括耦合到本地电流监控器2010和远端电流监控器2014的控制装置2012。电动机控制器包括电源提供器2016，电源提供器2016被耦合到外部故障保护2020和控制装置2012。控制装置2012还被耦合到健康指示器2018。
在图12中，未示出电源输入连接(例如，电池连接)和AC电源输出连接。下面将参照图14更详细地讨论电源连接。
电源提供器2016包括绝缘栅双极型晶体管IGBT逆变器，并且可操作以基于直流DC电源向电动机提供脉冲宽度调制功率输出。可以通过来自控制装置2012的关闭信号或者由于故障保险2020断开电源提供器2016的电源电子设备(例如，PWM驱动器)，来禁用电源提供器。当故障保险2020的输出处于启用状态时，它打开晶体管电路(未示出)，晶体管电路控制向电源提供器2016的PWM驱动电路的功率供应。当故障保险2020的输出处于禁用状态时，它关闭晶体管电路，从而去激活PWM驱动器。
本地电流监控器2010可操作以感测电源提供器2016从DC电源获取的电流，并且基于感测的电流流动向控制装置2012提供感测输出信号。该本地电流监控器2010可操作以提供来自电源提供器2016所驱动的电动机的输出扭矩的估计，并且可以用于检查控制器是否正在向电动机提供能量(例如，在驱动模式中操作)或者电动机是否正在将能量返回控制器(如在再生制动模式中一样)。远端电流监控器2014可操作以被耦合从而感测由与电动机控制器2002类似的另一电动机控制器的电源提供器获取的电流。
健康指示器2018可操作以根据确定电动机控制器2010、2012、2014、2016、2018、2020的其它部件正在正确工作并且来自远端电流监控器2014的信号与车辆的安全操作相一致，来在其输出耦接器处提供心跳输出信号。心跳信号是具有所选幅度、频率和占空比的方波脉冲序列。如果心跳信号可接受，则故障保险202产生启用电源提供器的信号。如果心跳信号不可接受，则故障保险电路的输出禁用电源提供器2016。
可以理解的是，故障保险的输出与系统中的其它信号(例如，来自控制装置2012的关闭信号的反相)相结合，使得所有这些信号必须处于启用状态以启用电源提供器2016并且使得处于禁用状态的任何此类信号将使电源提供器被禁用。提供了一种用于在禁用电源提供器2016以后的一段时间期间防止重新启用电源提供器2016的装置。正确工作的确定基于检查与各个部件块相关联的信号的范围以及在一些情况下的瞬时特性。
在图12的示例中，心跳信号包括脉冲(方波)信号。
故障保险2020可操作以从外部系统接收心跳信号，并且向电源提供器2016提供启用信号。故障保险2020被配置为在它接收到心跳信号的情况下向电源提供器2016提供启用信号，并且电源提供器被布置为使得不能在没有来自故障保险的启用信号的情况下激活电源提供器，例如，电源提供器的电源可以被配置为使得在没有启用信号的情况下断开电源提供器2016的电源。除了故障保险以外或者作为故障保险的替换，故障保险2020还可以包括检测装置，检测装置被配置为使得在它未接收到心跳信号的情况下，它使电源提供器能够将其功率输出逐渐减小、或者减小或者以其它方式修改到安全水平。在一些情况下，电源提供器或故障保险可以包括定时器，定时器被配置为在电源提供器被禁用以后的所选时间期间防止重新启用电源提供器。备选地或附加地，故障保险或电源提供器可以被布置为以信号形式向控制装置2012告知已经采取行动以禁用电源提供器。
控制装置2012是被配置为对控制器2002的其它部件的操作进行控制的控制设备，例如，微处理器。例如，控制装置2012被配置为将由本地电流监控器2010感测的本地电流与由远端电流监控器2014感测的电流进行比较。基于该比较，控制装置2012被配置为控制电源提供器2016。例如，在由本地电流监控器2010感测的电流的方向与由远端电流监控器2014感测的电流的方向不匹配的情况下，控制装置被配置为关闭电源提供器。这可能与电动机之一参与再生制动的情形有关。注意，反转的电动机中的电池电流的反向是瞬时的。如果该情形持续，则再生制动将结束。反转的电动机可以启动以在相反的方向上驱动并且然后电池电流回到初始状态。
在操作中，如果出现以下情形，则电源提供器2016提供用于电力牵引电动机的AC电源输出信号：(a)故障保险2020向电源提供器2016提供启用信号，该启用信号指示故障保险2020正在接收有效的心跳信号；以及(b)控制装置未向电源提供器提供关闭信号。在健康指示器2018确定电动控制器的其它部件2010、2012、2014、2016、2018、2020正在正确工作并且来自远端电流监控器2014的信号与车辆的安全操作相一致的情况下，健康指示器2018提供(例如，将由另一控制器接收的)输出心跳信号，以例如确保电动机正在相同的方向上驱动或者正在所选的方向上驱动，或者确保电动机的速度或扭矩处于所选范围内，例如，基于另一电动机的速度或扭矩和/或向另一电动机提供的电流的范围。在一些情况下，电源提供器被配置为检查远端电动机的旋转方向与安全操作相一致。例如，在电源提供器被耦合到车辆的控制器局域网络总线(CANbus)的情况下，可以从CANbus中读取来自远端监控器的速度信息以执行该检查。虽然电源提供器16已经被描述为包括IGBT逆变器，但是可以使用其它类型的逆变器，例如，逆变器可以包括IG-FET、MOS-FET、BJT或者其它类型的压控阻抗。系统的部件之间的耦合可以是直接的或间接的，并且在适当的情况下，可以通过无线耦合和/或通过系统的其它部件来提供。虽然为了解释本发明的目的，已经将系统的部件示出为分立的单元，但是这仅仅是示例性的，并且可以在更少数量的功能单元、单个集成单元中提供类似的功能，或者可以在更多数量的功能单元之间进一步分发/细分功能。
可以使用数字或模拟电子设备来实现故障保险电路。心跳信号被描述为具有所选幅度、频率和占空比的方波脉冲序列。然而，可以使用诸如正弦或锯齿波形等的其它波形。此外，可以不使用幅度、频率和占空比中的一个或多个。例如，心跳可以仅基于信号的频率或者其幅度或者占空比。在一些情况下，可以使用这些参数中的两个或更多个参数的组合。
图13示出了图12的电动机控制器2002(其中，相似的附图标记指示相似的元件)与类似的第二电动机控制器2002′和外部安全监控器2026一起使用。为了帮助理解图13的示例，不与示例直接相关的元件仅用虚线示出；这些元件或其它元件可以被省略。电动机控制器2002的外部故障保险2020通过切换单元2024耦合到第二电动机控制器2002′的健康指示器2018′。第二电动机控制器2002′的外部故障保险2020′通过切换单元2024耦合到电动机控制器2002′的健康指示器2018。切换单元2024被耦合到外部安全监控器2026。外部安全监控器2026可以由诸如图11的车辆控制单元2126等的控制单元来提供。
切换单元2024可以由外部安全监控器2026来控制，以使电动机控制器2002的故障保险2020与第二电动机监控器2002′的健康指示器2018′耦合/解耦合。切换单元2024也可以由外部安全监控器2026来控制，以使第二电动机控制器2002′的故障保险2020′与电动机监控器2002的健康指示器2018耦合/解耦合。
在操作中，外部安全监控器2026和/或健康指示器2018监控车辆的安全参数，例如，每一个电动机控制器2020、2002′的电流感测；按键开关电压(例如，控制电子设备的电源电压，其与主电源级的电源电压不同)；每一个控制器的功率晶体管(IGBT)的温度；每一个控制器的控制逻辑的温度；DC链路轨道的电压和/或温度；ADC校准电压；模拟输入；(用于监控可编程和固定电源电压的)电源电压(Vcc)监控器；速度反馈测量(例如，正余弦编码器数据；解析器测量)；其它数字输入和电动机PTC输入。这些仅是可以监控的参数的示例，它们中的一些或全部在实际中可以不使用和/或可以监控其它额外的安全参数。可以通过将这些参数中的一个或多个参数与所选阈值或所选范围进行比较或者通过将参数在一段时间间隔内的采样值进行比较以测量其瞬时性能(例如，可以将这些参数中的一个或多个参数的改变速率与所选阈值水平或所选范围进行比较)，来执行故障检测；可以基于存储的(例如，预定的)值来选择阈值和范围，或者可以基于其它参数来实时地确定阈值和范围。
外部安全监控器2026可操作以基于对这些安全参数中的一个或多个的监控来检测故障条件，并且作为响应，控制切换单元2024。例如，在外部安全监控器检测到故障的情况下，它可以控制切换单元2024以将第二电动机控制器2002′的故障保险2020′与电动机控制器2002的健康指示器2018解耦合，和/或将第一电动机控制器2002的故障保险2020与第二电动机控制器2002′的健康指示器2018′解耦合。响应于健康指示器2018、2018′与故障保险2020、2020′断开，控制器将关闭。对于2018′被连接到2020并且2018被连接到2020′的配置，两个控制器将由于一个控制器发生故障而被关闭。
图14示出了图12(其中，相似的附图标记指示相似的元件)的电动机控制器2002与类似的第二电动机控制器2002′一起使用的另一示例。为了帮助理解图14的示例，不与示例直接相关的元件仅用虚线示出，并且不直接相关的连接已经被省略。
电动机控制器2002的本地电流监控器2010被串联电耦合到电池2200的正电池端子B+与电动机控制器2002的电源提供器16之间。第二电动机控制器2002′的远端电流感测模块被串联电耦合到第一电动机控制器2002的电源提供器2016与电池2200的负电池端子B-之间。电动机控制器2002′的本地电流监控器2010′被串联电耦合到电池2200的正电池端子B+与电动机控制器2002′的电源提供器16′之间。第一电动机控制器2002的远端电流感测模块被串联电耦合到电动机控制器2002′的电源提供器2016′与电池2200的负电池端子B-之间。通过这种方式，控制器2002的远端电流监控器2014被耦合以监控由电动机控制器2002′的电源提供器2016′获取的电流的感测，并且控制器2002′的远端电流监控器2014′被耦合以监控由电动机控制器2002的电源提供器2016获取的电流的感测。因此，每一个控制器2002、2002′被布置为监控由其它电动机控制器获取或产生的电流的感测。
在根据图14的一些示例中，为了提供配对的控制器互锁，电动机控制器2002的故障保险2020被耦合到第二电动机控制器2002′的健康指示器2018′。第二电动机控制器2002′的外部故障保险2020′被耦合到电动机控制器2002′的健康指示器2018。
虽然电流监控器2010、2010′、2014、2014′被示出为作为串联电流测量设备被连接，但是电流监控器2010、2010′、2014、2014′可以由不需要电耦合到电源线的电感传感器或霍尔效应电流传感器来提供和/或可以由诸如电流感测晶体管等的其它电流感测设备来提供。在一些示例中，电流监控器还可以被配置为监控电流幅度以及电流方向或者监控电流幅度而不监控电流方向。
图15使用与图13和图14相同的附图标记以指示相似的元件，并且示出了结合使用图13和图14的部件的示例。在图15中，切换单元2024和外部安全监控器2026用虚线示出，以指示控制器2002的故障保险2020可以在不存在切换单元的情况下耦合到控制器2002′的健康指示器2018′；同样地，控制器2002′的故障保险2020′可以在不存在切换单元的情况下耦合到控制器2002的健康指示器2018。在一些情况下，可以由外部安全监控器2026直接提供控制器2002和2002′上的故障保险输入，同时由外部安全监控器2026监控控制器2002和2002′产生的健康信号。
具体地说，电流监控器2014可以耦合到电流传感器，电流传感器被布置为在电动机控制器(例如，参照图1至图4所描述的电动机控制器)中提供监控耦接器，其中，监控耦接器包括至少一个电源输入耦接器和适合于监控另一控制器的操作参数的监控耦接器，其中，监控耦接器和电源输入耦接器被放置在所选位置处，使得当两个控制器被背对背地布置时，一个控制器的DC电源(例如，电池)端子可以通过相邻控制器的监控耦接器耦合到DC电源。例如，如果控制器被承载在电路板上，则可以将监控耦接器作为通过板的孔来提供，其中，电流传感器被布置在孔的周围/附近。因此，去往一个板的电池电流可以由穿过相邻板上的电流传感器的DC电源耦接器来提供，从而提供本文所描述的电流监控器2014。
图16示出了具有通过传动轴3010耦合到差速器3008的电动机3006的车辆3018。轮轴3014将差速器8耦合到车轮3012、3012′，使得车辆的传动轴系包括传动轴3010、差速器3008、轮轴3014和车轮3012、3012′。虽然图16中仅示出了两个车轮，但是这仅是示例性的，并且车辆可以具有更多或更少的车轮。
车辆3018包括通过逆变器3004耦合到电动机3006的电池3002。电动机控制器3004被耦合到控制器3020。控制器3020被耦合到传感器3024和驾驶员控制界面3022。
在操作中，逆变器3004将来自电池3002的DC电源转换为用于电动机3006的交流(AC)电源。电动机3006可操作以响应于来自逆变器的电源将扭矩施加于传动轴系3008、3010、3014，从而驱动车轮3012、3012′。传感器3024被配置为感测由电动机3006提供的角加速度或扭矩输出，并且被耦合以向控制器3020提供指示电动机3006的感测的速度输出的信号。
驾驶员用户界面3022包括用于控制车辆的速度的加速度计或扭矩需求输入用户界面。驾驶员用户界面3022被耦合以向控制器3020提供扭矩需求信号。控制器3020被配置为基于来自驾驶员控制界面3022的扭矩需求和电动机速度传感器3024感测到的电动机输出向逆变器3004提供控制信号以控制电动机的电源。
现在将参照图17更详细地描述控制器3020。控制器3020具有用于从驾驶员用户界面3022(在图16中)接收控制信号的扭矩需求输入端3030和用于从电动机速度传感器3024(也在图1中)接收传感器信号的传感器输入端3032。扭矩需求输入端3030被耦合到差别确定器3042的第一输入端和符号检查器3043。传感器输入端3032通过滤波器3034耦合到增益级3036。增益级3036的输出端被耦合到差别确定器3042的第二输入端。差别确定器3042的输出端被耦合到符号检查器3043。符号检查器3043的输出端被耦合到控制信号输出端3044。参考信号提供器3038被耦合到限幅器3040，限幅器3040应用于增益级3036的输出端。
控制器3020在扭矩需求输入端3030处从驾驶员用户界面3022接收扭矩需求信号，并且在传感器输入端3032处从电动机速度传感器3024接收测量信号。电动机的角速度的改变速率用于确定扭矩测量信号
Figure BDA0001268953160000381
滤波器3034对从扭矩传感器接收的扭矩测量信号进行滤波，以选择或加重特定的信号频率分量并且衰减其它信号频率分量。本案的发明人已经认识到，电动车的部件产生具有已知或可预测的频率特征的电噪声信号。例如，车辆可以包括处于50Hz处或附近的噪声源，因此，在一些示例中，滤波器3034包括适合于衰减50Hz周围的频带中的信号的陷波滤波器。在一些可能实现方式中，可以使用具有50Hz截止频率的低通滤波器，这具有平滑采样噪声的优点。此外，发明人已经认识到，车辆传动轴系和车辆本身提供了具有特定的特征(例如，谐振)频率的振荡系统。在图16的示例中，基于车辆和车辆传动轴系的特征频率来选择滤波器3034的传递函数/通带。在所有因素中，该特征频率尤其取决于传动轴系的部件的扭转刚度、轮胎的弹性、车辆悬架的刚度、车辆的质量、以及车辆传动轴系中的旋转部件的惯性矩。可以通过具有LCR网络的模拟滤波器或由数字电子设备来提供滤波器3034，其中，LCR网络具有带通和/或陷波特征。
参考信号提供器3038向限幅器3040提供参考信号。限幅器3040可操作以对提供给差别确定器的信号进行限制，使得它不会超过参考信号(例如，受到参考信号的限制)。在图16的示例中，参考信号被选择为最大可能的扭矩需求值的10％。其优点在于，可以抑制电动机速度振荡，而不会抑制扭矩需求的意向性改变以至于达到系统不会足够快速地对用户控制进行响应的程度。本案的发明人已经发现，10％是应用的“安全”值。实验显示，只需要对扭矩输出进行少量校正就能减轻振荡。当算法正在尝试抵抗速度改变时，移除10％的限制可能导致车辆变得没有响应。实际上，增益可以被设置为使得很少使用限制——仅少量校正将是必须的。使限制处于适当的位置有信心使得振荡阻尼绝不会完全越位控制驾驶员的需求。它可以用于允许配置不同的值。
符号检查器3043将在扭矩需求输入端3030处提供的扭矩需求信号的符号与要提供给扭矩需求输出端3044的修改的扭矩需求进行比较，并且在扭矩需求输入与修改的扭矩需求的符号相反时，将修改的扭矩需求设置为零。在该示例中，使用基于下面的伪随机代码的软件算法来实现符号检查器3043：
Figure BDA0001268953160000391
在操作中，控制器3020从驾驶员控制界面3022(图16)接收扭矩需求信号并且传感器3024(图16)基于由电动机3006(图16)提供的扭矩来向控制器3020提供感测的扭矩信号。滤波器3034选择感测的扭矩信号的可以表征不期望的电动机速度振荡的分量，并且根据滤波器的传递函数衰减噪声分量。将来自滤波器3034的输出信号提供给增益级3036。增益级3036将缩放比例施加于滤波器输出以提供要从扭矩需求输入中减去的减去信号——例如，它设置反馈回路的增益。通常，通过驱动车辆并且尝试不同的增益以查看它们对传动系统的影响来调整由增益级施加的缩放比例。振荡通常表现为来自电动机或传动系统的可听颤声。缩放比例值将被设置为尽可能低使得振荡不明显。使用低值最小化算法计算需要的扭矩的能力，这将降低车辆的响应。将来自增益级3036的减去信号输出提供给限幅器3040。在增益级的输出的幅度超过参考信号的情况下，限幅器对增益级的输出进行限幅，使得其幅度不会超过由参考信号提供器3038提供的参考信号(例如，受到该参考信号的限制)。差别确定器从接收自驾驶员控制界面3022(图1)的扭矩需求信号中减去经缩放、滤波的扭矩测量。差别确定器的输出提供要用作控制电动机3006的控制器的输入的经修改的扭矩需求输出。
在图16的示例中，车轮3012、3012′、轮轴3014、差速器和传动轴构成了传动轴系。当然，这仅是传动轴系的示例，实际上，传动轴系可以包括额外的部件，或者在例如直接传动系统中或者在不包括差速器的系统中可以省略图16中所示的部件中的一些。在一些示例中，可以使用车轮传动系统3004。在图16的示例中，传感器3024被示出为被放置在电动机附近，然而，实际上，传感器还可以被放置在传动轴或者传动轴系的某一其它方位上，和/或它可以是基于由电动机3006获取的电流确定扭矩输出的电子传感器。图16示出了通过差速器驱动两个车轮的单个电动机，然而，可以使用其它拓扑，例如，可以通过单独的电动机驱动每一个车轮。在该情况下，将根据上文概述的算法单独地控制每一个电动机。
可以通过使用无源和/或有源模拟部件的模拟电子设备来实现控制器3020。在一些示例中，控制器3020可以包括数字电子设备或者由数字电子设备来提供，该数字电子设备例如是DSP电路、专用集成电路、FPGA或其它数字电子设备。控制器还可以包括可编程处理器或者由可编程处理器来实现，该可编程处理器是使用程序指令来配置的以执行本文所描述的方法和/或装置的特征。
预期的是：上文所描述的和/或所附权利要求中定义的示例中的任意一个示例的一个或多个特征可以被省略和/或与其它示例中的任意一个示例的一个或多个特征相结合。本文所描述的方法可以实现在硬件、中间件或软件或者其任意组合中。此外，本发明的示例包括计算机可读存储介质和计算机程序产品，计算机可读存储介质和计算机程序产品可操作以对处理器进行编程从而执行本文所描述的方法中的任意一个方法，具体地说，对处理器进行配置以执行由上文所描述的控制装置2012、故障保险2020、或者健康指示器2018执行的功能中的一个或多个功能。

Claims (15)

1.一种用于车辆的电动机控制器(2002)，所述电动机控制器包括：
电源提供器(2016)；
健康指示器(2018)，被配置为仅在另一电动机控制器的操作与车辆的安全操作相一致时提供输出指示器信号，以及通过将所述另一电动机控制器的驱动方向和从车辆的控制器局域网络总线CANBUS获得的信息相比较来检查所述安全操作；
故障保险(2020)，包括：信号接收装置，用于从所述另一电动机控制器接收指示器信号；以及
控制装置(2012)，被布置为基于从所述另一电动机控制器接收的所述输出指示器信号来控制所述电源提供器的操作。
2.根据权利要求1所述的电动机控制器，其中，所述故障保险被配置为基于所述指示器信号来启用对所述电源提供器的激活。
3.根据权利要求1所述的电动机控制器，其中，所述故障保险被配置为如果未接收到所述指示器信号，则不启用对所述电源提供器的激活。
4.根据权利要求1所述的电动机控制器，其中，所述故障保险被配置为响应于接收到所述指示器信号来激活所述电源提供器。
5.根据权利要求1所述的电动机控制器，其中，所述控制装置被配置为确定所述指示器信号的至少一个参数并且基于所述至少一个参数来控制所述电源提供器。
6.根据权利要求5所述的电动机控制器，其中，所述至少一个参数包括以下中的一个：DC电压电平；频率；相位；峰峰振幅；RMS振幅；以及占空比。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的电动机控制器，其中，所述输出指示器信号是时变输出信号。
8.根据权利要求7所述的电动机控制器，其中，所述时变信号包括以下中的至少一个：脉冲输出信号和方波。
9.根据权利要求1所述的电动机控制器，其中，所述健康指示器被配置为基于确定至少一个操作参数来提供所述输出指示器信号。
10.根据权利要求9所述的电动机控制器，其中，所述至少一个操作参数是从包括以下各项的列表中选择的：所述电动机控制器的DC电流的方向；所述另一电动机控制器的DC电流的方向；按键切换电压；所述控制器的功率晶体管IGBT的温度；所述控制器的控制逻辑的温度；与所述控制器相关联的DC链路轨道的电压和/或温度；ADC校准电压；模拟输入；一个或多个可编程或不可编程电源电压Vcc监控器；正余弦编码器数据；解析器测量；速度反馈测量；其它数字输入和电动机PTC输入。
11.根据权利要求9所述的电动机控制器，其中，所述确定包括：将所述至少一个操作参数与阈值进行比较。
12.根据权利要求1所述的电动机控制器，其中，所述电源提供器能够操作以向电力牵引电动机提供电源。
13.根据权利要求1所述的电动机控制器，包括以下至少一项：
用于感测所述电动机控制器的驱动方向的传感器；以及
用于感测所述另一电动机控制器的驱动方向的传感器。
14.根据权利要求1所述的电动机控制器，其中，所述驱动方向包括电源电流的方向。
15.一种电动机控制器组件，包括电动机和根据权利要求1所述的电动机控制器。
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