CN108372801B - 具有限滑电差动驱动单元的驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有限滑电差动驱动单元的驱动系统。公开了一种用于机动车辆的限滑电驱动系统。系统使用具有定子的感应电机，以及被设置为在定子内独立旋转的第一转子和第二转子。转子均独立地与车辆的一个轮相关联并且能够当车辆转弯时滑动。牵引逆变器和控制系统监视转子的角速度并且确定转子中的哪个转子与另一个转子相比转动较慢，并且根据具有较低速度的转子来控制感应电机，使得根据具有较低速度的转子生成转矩信号。

Description

具有限滑电差动驱动单元的驱动系统
技术领域
本公开涉及一种用于电动车辆的驱动系统，并且更具体地涉及一种利用感应电机来驱动车辆的一对轮的驱动系统，并且其中感应电机包括容纳在公共定子内的完全地独立的且非耦合的感应转子，用于独立地驱动一对轮，在不需要常规的机械差动装置。
背景技术
本部分提供未必是现有技术的与本公开有关的背景信息。
目前，诸如电动汽车之类的电动车辆可以采用感应电机用于向一对轮提供推动力。典型地，前轮被提供能量，但是在一些实例中，车辆的全部四个轮被提供能量：一个电机用于对前轮进行提供能量，并且一个分立电机用于对后轮进行提供能量。也可以使用单个电动机来对车辆的后轮进行提供能量。无论如何，目前的电动车辆典型地需要使用机械差动装置来接收来自电动机的输出并且将原动力耦合到车辆的驾驶员侧的轮和乘客侧的轮。驱动轮能够是车辆的前轮或它们能够是车辆的后轮。
需要差动装置，这是因为有当车辆转弯时，驾驶员侧的轮和乘客侧的轮需要以不同的角速度旋转的需求。然而，机械差动装置的使用增加车辆的成本、复杂度和重量。机械差动装置还引入机械损失，该机械损失因为差动装置内的摩擦损失而减少可用于车辆的轮的能量。
用于避免机械差动装置的使用的一种选择是，通过使用两个完全分立的电机来驱动一对车辆的(前或后)轮。在该实施方式中，典型地两个独立的逆变器是必需的，每个电机一个，这是因为存在当车辆转弯时能够以不同的角速度驱动轮的需要。将理解的是，该选择还遭受由于对第二逆变器的需要所引起的附加的成本和复杂度的缺点。
发明内容
本节提供本公开的总体概要，并且不是其完全范围或所有其特征的全面公开。
在一个方面中，本公开涉及用于机动车辆的限滑电驱动系统。系统可以包括感应电机，其中感应电机包括定子。感应电机还可以包括：被设置为在定子内旋转的第一转子，该第一转子与车辆的第一轮相关联，以及被设置为在定子内旋转的第二转子。第二转子可以与车辆的第二轮相关联并且能够独立于第一转子在定子内旋转。第一转子和第二转中的每个转子能够当车辆在转弯处行进时按需相对于另一个转子滑动。系统还可以包括牵引逆变器和控制系统，用于监视第一转子和第二转中的每个转子的角速度，以及确定第一转子和第二转子中的哪个转子与另一个转子相比更慢地转动。牵引逆变器和控制系统还可以进行工作以生成用于根据第一转子和第二转子中的一个具有较低速度的转子控制感应电机的信号，使得根据具有较低速度的转子生成转矩信号。
在另一个方面中，本公开涉及一种用于机动车辆的限滑电驱动系统。系统可以包括感应电机，并且感应电机可以包括定子和被设置为在定子内旋转的第一转子。第一转子可以与车辆的第一轮相关联。可以包括也被设置为在定子内旋转的第二转子。第二转子可以与车辆的第二轮相关联并且能够独立于第一转子在定子内旋转，使得第一转子和第二转中的每个转子被允许当车辆在转弯处行进时按需相对于另一个转子滑动。系统可以另外包括与第一转子相关联的并且被配置为检测第一转子的速度的第一编码器。可以包括与第二转子相关联的并且被配置为检测第二转子的速度的第二编码器。系统还可以包括牵引逆变器和控制系统。牵引逆变器和控制系统可以包括滑差频率计算系统以用于计算感应电机的实时滑差频率。牵引逆变器和控制系统还可以包括编码器选择系统，该编码器选择系统响应于来自第一编码器和第二编码器的信号并且被配置为确定并且选择使用来自第一编码器和第二编码器中的具有较低速度的编码器的速度信号。牵引逆变器和控制系统可以工作以控制感应电机，使得根据具有较低速度的转子来生成转矩信号。
在又一个方面中，本公开涉及一种用于形成用于机动车辆的限滑电驱动系统的方法。该方法可以包括布置在感应电机的定子内旋转的第一转子，该第一转子与车辆的驾驶员侧的车辆的第一轮相关联。该方法可以进一步包括布置在定子内旋转的第二转子，该第二转子与车辆的乘客侧的车辆的第二轮相关联，并且相对于第一转子关于共轴旋转，该第二转子进一步能够独立于第一转子在定子内旋转，并且进一步使得第一转子和第二转子能够当车辆在转弯处行进时按需以不同的速度旋转。该方法可以进一步包括使用牵引逆变器和控制系统来在车辆行进时监视第一转子和第二转中的每个转子的角速度，以确定第一转子和第二转子中的哪个转子与另一个转子相比更慢地转动。牵引逆变器和控制系统还可以工作以控制感应电机，使得根据具有较低速度的转子来生成转矩信号。
根据在本文提供的描述，进一步的适用范围将变得明显。该概要中的描述和特定示例旨在仅仅用于示例性目的并且不旨在限制本公开的范围。
附图说明
在本文描述的附图仅仅用于所选择的实施例的说明性目的，而并非所有可能的实施方式，并且不旨在限制本公开的范围。
图1是根据本公开的驱动系统的一个实施例的高层级框图；并且
图2是与在确定用于由驱动系统驱动一对轮中的每个车轮速度时所执行的操作一起图示出图1的系统的各种组件的高层级控制图。
贯穿附图的若干视图，对应的附图标记指示对应的部分。
具体实施方式
现在将更全面地参考附图描述示例实施例。
参考图1，根据本公开的一个实施例示出了驱动系统10。在该示例中，系统10可以包括感应电机子系统12，并且还可以包括牵引逆变器和控制系统14(在下文简称“逆变器系统14”)。逆变器系统14可以包括电子控制器16并且与处理器控制的车辆引擎控制单元(“ECU”)18进行通信。同时使用感应电机子系统12以提供原动力以驱动诸如汽车或卡车之类的机动车辆的左轮20和右轮22。然而，将立即理解的是，系统10不局限于仅仅用于汽车，并且事实上预期在其中轮被电动机驱动并且车辆需要在转弯时被推进的任何类型的轮车上找到实用性。本公开的教导可以甚至发现关于由电动机供电的并且对于其需要产生具有略微不同的角速度的两个同时驱动的元件的任何类型的设备的实用性。
在该示例中，感应电机子系统12包括定子24，在该定子24中封装了两个完全独立的转子26a和转子26b。诸如当车辆转弯并且外侧轮20或22与内侧轮相比具有更高的角速度时，转子26a和转子26b关于公共纵向轴旋转但是互相非耦合，并且因此自由地以不同的角速度旋转。
转子26a具有输出轴28a并且转子26b具有输出轴28b。输出轴28a可以被形成编码器30a的传感器/轴承组件支承，并且其速度被形成编码器30a的传感器/轴承组件所监视，而转子26b可以被形成编码器30b的传感器/轴承组件支承，并且其速度被形成编码器30b的传感器/轴承组件所监视。输出轴28a可以替换地耦合到行星齿轮减速系统32a，而输出轴28a可以替换地耦合到分立的行星齿轮减速系统32b。行星齿轮减速系统32a和行星齿轮减速系统32b可以耦合到与轮20和轮22相关联的轮轴34a和轮轴34b，并且根据来自轮的相关联的行星齿轮减速系统32a或行星齿轮减速系统32b的输出向每个轮提供驱动力。将理解的是，在一些应用中，行星齿轮减速系统32a和行星齿轮减速系统32b可能不是必需的。然而，预计对于汽车而言，应用行星齿轮减速系统32a和行星齿轮减速系统32b很可能是必需的。
逆变器系统14从传感器/轴承组件接收角速度信号并且电子控制器16可以用于在确定实时三相AC电压驱动信号时处理这些信号，该实时三相AC电压驱动信号可以经由适当的电力总线36施加到定子24上的线圈绕组(在图1中不可见)，以对感应电机子系统12进行整流。电子控制器16还可以经由适当的通信总线38(例如，控制器局域网总线)与车辆的引擎ECU18进行通信，并且可以在生成施加到感应电机子系统12的三相AC驱动信号时使用来自各种传感器的信息。
参考图2，示出了控制图100，该控制图100图示出系统10可以在生成用于电机子系统12的三相AC电压驱动信号时使用的各种操作和子系统。逆变器系统14可以包括逆变器部40，并且可选地包括场定向控制系统(FOC)42，并且可选地包括滑差频率计算系统44，并且可选地包括编码器选择控制子系统46。
ECU 18以直流电(DC)电压信号的形式向FOC 42以及向滑差频率计算系统44提供磁通命令48和转矩命令50。FOC 42可以使用磁通命令48、转矩命令50、以及实时转子角度信号(θr)52，并且可选地使用电压和/或电流反馈信号54，以生成用作逆变器部40的驱动信号的三相交流电压56。将理解的是，逆变器可以是利用MOSFET或绝缘栅双极结晶体管(IGBT)作为开关设备以按照对电机子系统12进行整流的方式来控制驱动信号的应用的常规逆变器。此类电路在行业中为公知，并且因此将不对逆变器部40提供附加的描述。在需要对电机子系统12进行整流时，逆变器部40顺序地向卷绕在电机子系统12的定子24上的各个线圈施加驱动信号。编码器30a和编码器30b提供速度信号来分别指示转子26a和2转子6b中的每个转子的实时旋转速度。编码器30a和30b向编码器选择控制子系统46输出它们的实时速度信号。
编码器选择控制子系统46可以包括选择此刻具有较低的旋转速度的转子(26a或26b)的一个或多个控制算法，并且然后可以输出将最终用于确定角位(θr)信号的对应的速度信号。例如，如果车辆以顺时针方向转弯而向前行驶，那么转子(在该示例中，车辆的乘客侧的转子26b)将具有较低的角速度，并且车辆的驾驶员侧的转子26a将具有更高的角速度，这是因为当车辆进行顺时针方向转弯时，其轮需要转动地更快。如果车辆进行反时针方向转弯，对立的情况将出现。因此，在该示例中，因为转子26b具有两个转子26a和26b中的较小的角速度，那么其速度将被编码器选择控制子系统46使用。滑差频率计算系统44使用转矩和磁通命令来计算电机子系统12的实时滑差频率并且输出与转子的计算的滑差速度有关的信号(ωsr)。该信号然后可以在求和节点58与来自编码器选择控制子系统46的输出求和并且求和的输出被应用到积分器60。积分器60产生然后可以被输出到FOC 42的实时转子角度信号52。
将理解的是，系统10基于通过滑差频率，或者更具体地通过定子绕组的选择性的激发所引起的磁场的同步速度与转子的旋转速度之间的差而创建的作用于常规的感应电机的转子的转矩的事实。以每分钟转数(RPM)共同地表示(或测量)滑差频率。测量的滑动将随着增加的负载而增加，因此提供增加的转矩。在牵引应用中，转矩被需要，并且随后通过控制定子24绕组内的滑差频率被生成。典型地通过来自与转子相关联的增量编码器的速度信号获取感应机的反馈。利用系统10，两个独立的转子26a和26b的使用允许两个编码器30a和30b被独立地用于确定两个转子的速度。因为不要求绝对位置，单个定子24内的两个转子26a和26b能够关于彼此“滑动”。换句话说，当车辆在角落转弯时，一个转子26a或26b能够与另一个转子相比以更快的角速度转动，并且其中与外侧轮相比，内侧轮将以较低的角速度旋转，并且因此要求更大的转矩。纵然转子(26a和26b)被分成定子24内的2个部，也存在能够通过逆变器系统14控制的定子24中的仅仅一个滑差频率。当车辆以直线行进时，转子26a和26b两者以相同的速度转动并且看见相同的滑差频率——就好像转子是一个单元那样。当车辆开始转弯时，然后一个转子(26a或26b)将开始具有相比另一个的更高的速度。假定运行于控制器16中的控制算法选择较低的旋转转子的旋转速度，然后较快的旋转转子(26a或26b)将看见与另一个转子相比的更小的滑差频率，并且随后将在该转子轴上生成较小的转矩。如果较快的旋转转子(26a或26b)继续增加其速度，则在一些点，当其滑差频率等于定子24的旋转电场时，其将生成零转矩。该条件能够出现在其中一个轮胎与另一个轮胎相比位于更低摩擦的表面上的低牵引工况下。利用标准开放差动装置，所有转矩将到达旋转的论坛，而引起使车辆移动的牵引力为零。在本发明中，所有转矩被传递到较低的旋转轮胎以提供使车辆移动的可能达到的最好的牵引力。系统10因此在不需要昂贵的机械差动装置的情况下操作为具有限滑差动功能的机械差动装置。
还应注意的是，该示例定子24包含常规的分布式3相绕组(或各种相位或分布结构的其他常规的绕组)。这意味着定子24能够与具有单个连续的转子的感应电机互换，并且在类似的单个输出轴性能的情况下进行工作。在定子24内不实施或需要特殊的绕组配置。
为了图示和描述的目的而提供实施例的以上描述。其意图不是穷尽性的或者限制本公开。即使没有被具体地示出或描述的，特定实施例的独立元素或特征通常不限于该特定实施例，但是，在可适用的情况下，是可互换的并且能够被用于所选择的实施例。其也能够在许多方面发生变化。这样的变化将不被认为偏离本公开，并且所有这类的修改旨在被包括在本公开的范围内。

Claims (17)

1.一种用于机动车辆的限滑电驱动系统，包括：
感应电机，所述感应电机包括：
定子；
被设置为用于在所述定子内旋转的第一转子，所述第一转子与所述车辆的第一轮相关联；
被设置为用于在所述定子内旋转的第二转子，所述第二转子与所述车辆的第二轮相关联，并且能够独立于所述第一转子在所述定子内旋转，所述第一转子和所述第二转子中的每个转子能够当车辆在转弯处行进时按需相对于另一个转子滑动；以及
牵引逆变器和控制系统，用于监视所述第一转子和所述第二转中的每个转子的角速度，确定所述第一转子和所述第二转子中的哪个转子与另一个转子相比转动较慢，并且根据所述第一转子和所述第二转子中的具有较低速度的一个转子来生成用于控制所述感应电机的信号，使得根据具有较低速度的所述转子生成转矩信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述牵引逆变器和控制系统包括与所述第一转子相关联的第一编码器，以及与所述第二转子相关联的第二编码器。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述牵引逆变器和控制系统包括与所述第一编码器和所述第二编码器进行通信的编码器选择控制系统，所述编码器选择控制系统被配置为检测所述第一转子和所述第二转子中的哪个转子以较慢速度转动，以及用于选择来自所述第一转子和所述第二转子中的具有较慢速度的一个转子的速度信号以用于确定将被施加到具有较慢速度的所述转子的转矩命令。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述牵引逆变器和控制系统进一步包括用于计算所述感应电机的滑差频率的滑差频率计算系统。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述牵引逆变器和控制系统进一步包括：
逆变器部；以及
场定向控制系统，用于接收磁通命令和转矩命令，并且确定将被施加到所述逆变器部的三相AC电压信号。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述场定向控制系统还接收对所述第一转子和所述第二转子中的被确定为具有较慢速度的所述一个转子的实时转子角度进行表示的信号。
7.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：
由所述第一转子驱动的第一行星齿轮减速系统；以及
由所述第二转子驱动的第二行星齿轮减速系统。
8.一种用于机动车辆的限滑电驱动系统，包括：
感应电机，所述感应电机包括：
定子；
被设置为用于在所述定子内旋转的第一转子，所述第一转子被适配为驱动所述车辆的第一轮；
被设置为用于在所述定子内旋转的第二转子，所述第二转子被适配为驱动所述车辆的第二轮，所述第二转子能够独立于所述第一转子在所述定子内旋转，使得所述第一转子和所述第二转子中的每个转子被允许当车辆在转弯处行进时按需相对于另一个转子滑动；
耦合到所述第一转子并且被配置为检测所述第一转子相对于所述定子的位置的第一编码器；
耦合到所述第二转子并且被配置为检测所述第二转子相对于所述定子的位置的第二编码器；
牵引逆变器和控制系统，包括：
滑差频率计算系统，用于计算所述感应电机的实时滑差频率；以及
编码器选择系统，所述编码器选择系统对来自所述第一编码器和所述第二编码器的信号进行响应，并且所述编码器选择系统被配置为确定速度信号，所述速度信号表示所述第一转子和所述第二转子中的一个转子的旋转速度，所述一个转子相比所述第一转子和所述第二转子中的另一个转子具有较低旋转速度，所述速度信号基于所述第一编码器和所述第二编码器中的与所述第一转子和所述第二转子中的具有较低旋转速度的所述一个转子相关联的一个编码器的输出；并且
其中，所述牵引逆变器和控制系统被配置为控制所述感应电机，以使得根据所述第一转子和所述第二转子中的具有较低速度的所述一个转子来生成转矩信号。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述牵引逆变器和控制系统进一步包括用于生成三相AC电压驱动信号的场定向控制系统。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述牵引逆变器和控制系统进一步包括逆变器，所述逆变器响应于所述场定向控制系统生成施加到所述感应电机以对所述感应电机进行整流的信号。
11.根据权利要求8所述的系统，进一步包括：
由所述第一转子驱动的第一行星齿轮减速系统；以及
由所述第二转子驱动的第二行星齿轮减速系统。
12.一种形成用于机动车辆的限滑电驱动系统的方法，所述方法包括：
布置在感应电机的定子内旋转的第一转子，所述第一转子与所述车辆的驾驶员侧的所述车辆的第一轮相关联；
布置在所述定子内旋转的第二转子，所述第二转子与所述车辆的乘客侧的所述车辆的第二轮相关联，并且所述第二转子与所述第一转子围绕公共轴旋转，所述第二转子进一步能够独立于所述第一转子在所述定子内旋转，以使得所述第一转子和所述第二转子能够当车辆在转弯处行进时按需以不同的速度旋转；
在所述车辆行进时使用牵引逆变器和控制系统来监视所述第一转子和所述第二转中的每个转子的角速度，以确定所述第一转子和所述第二转子中的哪个转子与另一个转子相比更慢地转动，并且
使用所述牵引逆变器和控制系统来控制所述感应电机，以使得根据所述第一转子和所述第二转子中的慢于所述第一转子和所述第二转子中的另一个转子转动的所述一个转子来生成转矩信号。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，使用所述牵引逆变器和控制系统来控制所述感应电机包括：使用场定向控制系统来接收电机磁通和电机转矩命令信号，并且生成用于驱动所述感应电机的三相AC电压信号。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，使用所述牵引逆变器和控制系统来控制所述感应电机进一步包括：使用响应于所述三相AC电压信号来生成用于对所述感应电机进行整流的信号的逆变器。
15.根据权利要求14所述的方法，其中第一编码器被耦合到所述第一转子，其中第二编码器被耦合到所述第二转子，并且其中，使用所述牵引逆变器和控制系统来控制所述感应电机进一步包括：使用编码器选择控制从所述第一编码器和所述第二编码器接收信号，并且使用来自所述第一编码器和所述第二编码器的所述信号来确定所述第一转子和所述第二转子中的慢于所述第一转子和所述第二转子中的另一个转子转动的所述一个转子。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，使用所述牵引逆变器和控制系统来控制所述感应电机进一步包括：使用滑差频率检测系统来检测所述感应电机的实时滑差频率。
17.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：
使用插入在所述第一转子和所述第一轮之间的第一行星齿轮减速系统；并且
使用插入在所述第二转子和所述第二轮之间的第二行星齿轮减速系统。
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