CN115699561A - 用于提高电动机效率的使用磁场削弱的脉冲调制控制 - Google Patents

用于提高电动机效率的使用磁场削弱的脉冲调制控制 Download PDF

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Abstract

对电机进行调制脉冲控制以便以更节能的方式递送期望输出，其方式为：(a)当所请求的转矩需求大于该电机的峰值效率转矩时，以连续模式运行电机，或者(b)当所请求的转矩需求小于该电机的峰值效率转矩时，以脉冲调制模式运行电机。当以脉冲调制模式运行时，在反向电磁力(BEMF)超过电机的逆变器的供电电压的情况下不需要磁场削弱来减轻或消除减速转矩的生成时，可以停用逆变器以进一步提高系统效率。

Description

用于提高电动机效率的使用磁场削弱的脉冲调制控制
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年4月21日提交的名称为“Pulsed Modulated Control withField Weakening for Improvement Motor Efficiency[用于提高电动机效率的使用磁场削弱的脉冲调制控制]”的美国临时申请序列号63/013,396，以及要求于2021年3月15日提交的名称为“Dynamic Motor Drive:Optimizing Electric Motor Controls to ImproveEfficiency[动态电动机驱动：优化电动机控制以提高效率]”的美国临时申请序列号63/161,405的优先权，这两个申请出于所有目的通过援引并入本文。
背景技术
本申请总体上涉及对电机进行调制脉冲控制以便以更节能的方式选择性地递送期望输出，并且更具体地涉及在反向电磁力(BEMF)超过电动机逆变器的供电电压的情况下使用磁场削弱来减轻或消除电动机减速转矩生成的脉冲调制控制。
本文所使用的术语“电机”旨在被广义地理解为是指电动机和发电机两者。电动机和发电机在结构上非常相似。两者都包括转子和具有多个极的定子。当电机作为电动机运行时，其将电能转换为机械能。当作为发电机运行时，该电机将机械能转换为电能。
现代电机具有相对较高的能量转换效率。然而，大多数电机的能量转换效率可能基于其运行负荷而显著变化。在许多应用中，电机需要在各种不同的运行负荷条件下运行。结果，电机通常在某些时间以最高效率水平或接近最高效率水平运行，而在其他时间，这些电机则以较低效率水平运行。
电池供电的电动车辆提供了在较宽的效率水平范围下运行的电机的很好的示例。在典型的驱动循环期间，电动车辆将加速、巡航、减速、制动、转弯等。在某些转子速度和/或转矩范围内，电机在最高效运行点(即其“最佳点(sweet spot)”)处或其附近运行。在这些范围之外，电机的运行效率较低。随着驱动条件的改变，电机会随着转子速度和/或转矩的改变而在高运行效率水平与低运行效率水平之间转变。如果可以使电机在较大比例的驱动循环内在高效率运行区域中运行，则对于给定的电池电量水平，车辆的里程将增加。由于电池供电的电动车辆的里程有限是电动车辆的使用的主要商业障碍，因此延长车辆的运行里程非常有利。
尽管常规电机的能量转换效率通常良好，但是仍在继续努力以进一步提高在更广泛的运行条件范围下的能量转换效率。
发明内容
本申请涉及对电机进行调制脉冲控制以便以更节能的方式选择性地递送期望输出。
在非排他性实施例中，电机的运行模式分为以下两种：(a)当所请求的转矩需求大于指定的脉冲阈值时，以连续模式运行电机，或者(b)当所请求的转矩需求小于脉冲阈值时，以脉冲调制模式运行电机。当在脉冲调制模式下运行电机时，定义占空比，并且向电机的逆变器施加脉冲。当连续运行电机时，通过正确选择脉冲的占空比和幅度，脉冲期间电机的平均轴转矩等于电机的轴转矩输出。但是由于电动机在脉冲期间以其峰值效率转矩或接近其峰值效率转矩运行，因此与低于峰值效率转矩的连续运行相比，电机的整体效率得到了提高。在一些实施例中，脉冲阈值随电机轴速度而变化。在一些实施例中，任何特定电机速度的脉冲阈值处于或接近针对该电机速度的峰值效率转矩。
在脉冲期间，逆变器被启用，并且电动机生成在其峰值效率水平处或附近的转矩。在脉冲之间的时间段中，逆变器理想地被禁用，因此电机不生成转矩。但是，如果需要磁场削弱(这通常发生在电动机的反向电磁力(BEMF)超过逆变器的功率供应时)，则逆变器保持激活状态，但要求无转矩(即零转矩)。这允许逆变器在脉冲之间的零转矩时间段期间继续施加磁场削弱。当电动机作为电动机运行时，磁场削弱可减轻或消除原本会在脉冲期间由电动机生成的任何减速转矩。
在各种实施例中，电机是能够通过施加磁场削弱来减小BEMF的任何类型的电机。代表性电机包括但不限于内部永磁体、表面永磁体、感应、同步磁阻、永久辅助同步磁阻、他励感应、磁通切换、开关磁阻以及其他类型的电机。
所描述的方法可以用于提高电动机和发电机两者的能量转换效率。
附图说明
参考结合附图进行的以下描述可以最佳地理解本发明及其优点，在附图中：
图1是展示了代表性电机在不同运行条件下作为电动机运行时的能量转换效率的代表性转矩/速度/效率曲线图。
图2展示了根据本发明的非排他性实施例的脉冲控制的电机。
图3是展示了在作为电动机运行时响应于转矩需求而施加到电机的脉冲电流信号的曲线图。
图4A是提供给电机的连续三相AC波形的图解表示。
图4B和图4C是具有相似占空比的脉冲三相AC波形的不同示例，这些脉冲三相AC波形与图4A的连续波形提供相同的转矩。
图5是展示了示例性电机的调制效率图、峰值效率转矩图和零转矩损耗图的生成的图。
图6是展示了根据本发明的非排他性实施例的用于调制供应给电机的能量的控制器的图。
图7A和图7B是展示了用于调制电机控制的控制步骤的流程图。
图8A至图8D是根据各种实施例的用于在各种条件下激励电动机的三相AC功率信号的各种示例。
在附图中，相同的附图标记有时用于指定相同的结构要素。还应当了解，附图中的描绘是图解的而不是按比例的。
具体实施方式
在于2020年3月13日提交的美国专利申请号16/818,570、于2019年3月14日提交的美国专利申请号16/353,159、以及于2018年3月19日提交的美国临时专利申请号62/644,912中、于2018年4月17日提交的美国临时专利申请号62/658,739、以及于2019年2月26日提交的美国临时专利申请号62/810,861中描述了脉冲电机控制。上述申请中的每一个均通过援引以其全文并入本文。
本申请涉及对各种电机(例如，电动机和发电机)的脉冲控制(在其他情况下这些电机将以连续方式运行)的进一步的改进。为了简单起见，下文的讨论主要在作为电动机运行的电机的上下文中描述。然而，应当理解，在电动机的上下文中描述的概念通常同样适用于作为发电机运行的电机。
车辆电动机效率图
参考图1，展示了在不同负荷和速度条件下作为电动机运行时的示例性车辆电机效率图100。图10绘制了作为沿水平轴线的电机速度(RPM)的函数的沿竖直轴线的转矩(N*m)。最大稳态输出功率由曲线102给出。
峰值转矩/速度曲线102下的面积被映射到多个区域中，每个区域由运行效率百分比标记。针对所示的特定电机，以下特性很明显：
·该特定电动机的运行范围中最高效或“最佳点”区域是标记为104的运行区域，该区域通常在4,500RPM至6,000RPM的范围内并且转矩输出在大约40N*m至70N*m的范围内。在区域104中，能量转换效率约为96％，使其成为“最佳点”，其中，电动机在其最高效的运行范围内运行。
·随着电动机速度增加到超过大约6,000+RPM，无论输出转矩如何，效率都会降低。
·随着输出转矩增加到超过70N*m或低于40N*m，效率百分比趋于从其峰值下降，在某些情况下相当显著。例如，当电动机以大约2,000RPM和100N*m的输出转矩运行时，效率大约为86％。当转矩输出降低至低于约30N*m时，无论电动机速度如何，效率都会下降，在零负荷时接近零。
·在任何特定的电机速度下，将存在对应的最高效输出转矩，该最高效输出转矩通过最大效率曲线106图解地展示。
如所示的图100源自2010款丰田普锐斯中使用的电动机。图100针对内部永磁同步电机。应理解，图100仅是说明性的，并且在任何方面均不应解释为限制性的。可以为无论是在车辆中使用还是在某些其他应用中使用的几乎任何电机生成类似的图。
从图100中可以看出，当电动机驱动时，通常，电机在最佳点104的速度和转矩范围内运行时最高效。如果可以控制运行条件使得电动机在更大比例的时间内在其最佳点104处或附近运行，则可以显著提高电动机的整体能量转换效率。
然而，从实际角度来看，许多驾驶情况指定电动机在最佳点104的速度和转矩范围之外运行。在电动车辆中通常没有变速器或齿轮箱，因此电动机旋转速率与车轮旋转速率之比是固定的。在这种情况下，电动机速度可以在车辆停止时的零到以高速公路速度巡航时的相对较高的RPM之间变化。转矩要求也可能因车辆是加速还是减速、上坡、下坡、在水平路面上行驶、制动等因素而大大不同。
同样如图1可见，在任何特定的速度下，将存在对应的最高效输出转矩，该最高效输出转矩通过最大效率曲线106图解地展示。从概念的角度来看，当期望的电动机转矩低于当前电动机速度的最高效输出转矩时，可以通过对电动机施加脉冲来提高电动机的整体效率，从而在给定速度下使电动机在一定比例的时间内在其峰值效率处或附近运行并且在剩余时间内在低或零转矩输出水平下运行。因此生成的平均转矩通过控制施加到电机的峰值效率转矩的占空比来控制。
应当理解，电机将具有类似的效率图，该效率图表征了其作为发电机时的效率。
脉冲运行
图3是图解地展示了脉冲电动机运行的示例的曲线图30。在该特定示例中，期望的电动机转矩是10Nm，但是当前运行的电动机速度的最高效转矩输出是50Nm。从概念上讲，可以通过使电动机在20％的时间内递送50Nm的转矩然后在剩余80％的时间内不递送转矩(或递送零转矩)来驱动电动机递送10Nm的净转矩。由于电动机在递送50Nm时比在递送10Nm时的运行更高效，因此可以通过以所描述的方式对电动机的运行施加脉冲来提高电动机的整体效率。在图3所展示的示例中，电动机在每5个时间单位中的1个时间单位的时间段内产生50Nm的电动机输出(标记为34)，然后该电动机被控制为在居间的4个时间单位期间产生零转矩。
在图3中，曲线图30在竖直轴线上绘制了施加到电机12(作为电动机)的总电流，在水平轴线上绘制了时间。出于说明性目的，假设每安培的施加电流将产生1N*m的输出转矩。在该特定示例中，期望的电动机输出转矩为10N*m，这将需要如虚线32所示的10安的电流。同样在该示例中，电动机的最高效转矩输出为50N*m，对应于50安的施加电流。
在常规运行期间，电动机将持续生成10N*m的转矩，只要期望的转矩保持在该值。在脉冲控制运行中，电动机被施加脉冲(如脉冲34所表示的)，以在20％的时间内递送50N*m的转矩。在剩余的80％时间里，该示例中的电动机关闭。因此，电动机的净输出满足10N*m的运行需求。由于电动机在递送50N*m时比递送10N*m时运行更高效，因此通过使用20％的占空比对电动机施加脉冲，提高电动机的整体效率，同时仍满足平均转矩需求。
在上述示例中，占空比不一定限于20％。只要期望的电动机输出不超过50N*m，就可以仅通过大范围的不同占空比来满足期望的电动机输出。例如，如果期望的电动机输出改变为20N*m，则以50N*m运行的电动机的占空比可以增大到40％；如果期望的电动机输出改变为40N*m，则占空比可以增大到80％；如果期望的电动机输出改变为5N*m，则占空比可以减小到10％，等等。一般地，在期望的电动机转矩下降到其最大效率曲线(即，图1的曲线106)以下的任何时间都有可能有利地使用脉冲电动机控制。
另一方面，当期望的电动机转矩处于或高于最大效率曲线时，电动机可以以常规的(连续的/无脉冲的)方式运行以递送期望的转矩。因此，对于给定的电动机速度，当电动机需要递送低于峰值效率转矩的平均转矩时，脉冲运行才能提供提高效率增益的机会。
应注意的是，本文提供的电流值和转矩值以及时间尺度仅是说明性的并且不旨在以任何方式进行限制。在实际的对电动机施加脉冲的实施例中，所使用的脉冲持续时间可以基于任何特定系统的设计需要而广泛变化。然而，通常，每个脉冲周期的时间段的范围可以在10微秒至10.0秒的数量级上广泛地变化。在非排他性实施例中，脉冲例如可以在0.2毫秒至100毫秒(10Hz至5000Hz)之间的范围内。此外，存在各种各样不同的电动机，并且每个电动机都具有其自己独特的效率特性。此外，在不同的电动机速度下，给定的电动机将具有不同的最大效率曲线。曲线的性质可以根据特定电动机或特定应用变化。例如，电流脉冲不需要如图2中所描绘的顶部是平的和/或电流在脉冲之间的时间段期间不必变为零，而可以是某个非零值。然而，不管所使用的特定曲线如何，在一定比例的时间内，电动机优选地在其给定电动机速度的最高效率区域处或附近运行。
功率逆变器
参考图2，展示了用于三相电机12的脉冲运行的功率控制器10的图。如上所述，电机12是具有磁场削弱能力的任何类型的电机，例如具有永磁体转子设计的任何类型的电机，包括例如永磁辅助同步磁阻电机和IPM电机。
功率控制器10包括功率逆变器14、DC电源16和脉冲控制器20。功率逆变器14可以取决于能量流过系统的方向而作为功率逆变器或功率整流器运行。
当电机12作为电动机运行时，功率逆变器14负责从DC电源16生成三相AC功率(对于相A、B和C分别表示为18A、18B和18C)。三相输入功率被施加到电机12的定子的绕组，用于生成旋转磁力(RMF)。对于大多数常见的永磁电动机，转子磁场是永磁体的磁场。在感应电动机中，该旋转磁场感应出电流在转子绕组中流动，该转子绕组进而感应出转子磁场。转子磁场和定子磁场的相互作用会生成电磁力(EMF)，从而导致转子旋转，进而使电动机轴旋转。旋转轴提供电动机的输出转矩。
三相18A-18C分别由两端带箭头的线描绘，这些线指示电流可以在任一方向上流动。当作为电动机使用时，电流从电源16通过功率逆变器14流向电机12。当作为发电机使用时，电流从电机12通过功率逆变器14流向电源16。当作为发电机运行时，功率逆变器14基本上作为功率整流器运行，并且来自电机12的AC功率被转换为DC功率并储存在DC电源(比如电池或电容器)中。
脉冲控制器20负责选择性地对电机12施加三相输入电流18A-18C的脉冲。在常规(即，连续)运行期间，提供给电机12的三相输入电流是连续的正弦电流信号，每个正弦电流信号关于彼此有120°的异相。在脉冲运行期间，使用本文描述的任何方法选择性地脉冲施加三相正弦电流信号18A-18C。
参考图4A至图4C，提供了用于展示提供给电机12/由该电机提供的连续的三相电流与脉冲的三相电流之间的差异的绘图。在每个绘图中，在竖直轴线上绘制电流，并且在水平轴线上绘制时间。
图4A展示了在激励期间递送到电机12/由该电机产生的常规正弦三相电流42a、42b和42c。由曲线42b表示的相B比由42a表示的相A落后120度。由曲线42c表示的相C比相B落后120度。正弦波周期是τ。三相电流42a、42b和42c是连续的(非脉冲的)，并且具有大约50安的指定最大幅度。应当理解，50安仅仅是代表性的最大电流，并且最大电流可以具有任意值。
图4B和图4C分别展示了不同脉冲三相正弦电流波形44a、44b和44c以及46a、46b和46c的两个示例。注意，每组波形都具有百分之五十(50％)的占空比和大约100安的峰值幅度。
在图4A中，正弦波形44a、44b和44c的周期是τ，然而，正弦波形各自被调制为断断续续的。图4C的脉冲电流44a-c与46a-c之间的差异在于它们各自的电流脉冲的持续时间和交错的“关闭”时间段。在图4B中，电流脉冲44a-c以相等长度的“关闭”时间段交错。每个开启时间段和关闭时间段的长度是2τ。在图4C中，电流脉冲46a-c和交错的“关闭”时间段同样具有相等的持续时间。在这种情况下，持续时间是τ/2。在这两个示例中，占空比为50％。然而，“开启”持续时间段和“关闭”持续时间段的持续时间不同，即，脉冲调制的频率不同。脉冲调制的频率可能会基于所使用的电机类型、噪声和振动考虑因素、当前运行转子的速度以及其他因素而不同。
当作为电动机运行时，图4B和图4C中的激励电流递送与图4A的连续施加的三相电流相同的平均转矩(假定转矩与电流成比例，这是表面永磁体型电机的常见情况)。
图4B和图4C展示了这样的应用：其中，在电机以稳态期望输出水平运行时，“开启”驱动脉冲被均匀地间隔开。这种方法在许多情况下都表现良好，但不是一个要求。占空比不必为50％，而是可以被调整以匹配期望的平均转矩。在图4B和图4C中，脉冲的相位与所施加的AC功率同步；然而，在一些实施例中，脉冲的相不必与所施加的AC功率的相同步。因此，电机驱动脉冲的相对大小和/或定时可以变化，只要它们的平均数达到期望的平均转矩即可。
电机效率和图
电机在系统中运行的效率可以通过以下方式来提高：调制运行以发生在更高效区域中并且最小化在低效区域中的运行同时仍满足所请求的转矩需求。因此，为了提高给定系统的效率，需要确定其峰值效率和效率较低的运行区域。
参考图5，示出了展示如何生成示例性系统的连续运行效率图52、峰值效率转矩图54和零转矩损耗图56的图50。如图所示，所考虑的系统的图52、54和56是根据为给定电机生成磁滞损耗图58A、涡流损耗图58B、铜损图58C、逆变器损耗图58D和轴功率图58E而得到。其他系统可能有额外的和/或不同的损耗需要考虑，比如风阻和摩擦，这些也应该被考虑。参数58A-58E中的每一个的图是根据在系统的运行和测试期间生成的经验数据生成的。
为了生成效率图，电机在较宽的转矩需求和速度范围内运行。当电机运行时，测量上面列出的每个参数。根据这些测量结果，生成图58A-58E，这些图分别指示在电机的不同速度和转矩范围内的磁滞、涡流、铜、逆变器和电机轴功率损耗。
在定义了图58A-58E的情况下，然后使用图生成模块55来生成电机的连续运行效率图52和零转矩损耗图56。然后从连续运行效率图52中提取峰值效率转矩图54。峰值效率转矩图54基本上是描绘了作为速度的函数的对应于电机的最大效率的转矩的图。类似地，零转矩损耗图是根据在电机在较宽的速度范围内运行期间收集的经验数据生成的，其中，逆变器控制零转矩。
如下文更详细描述的，连续运行效率图52、峰值效率转矩图54和零转矩损耗图56均在电机的调制控制期间使用，无论是作为电动机还是发电机运行。
永磁体、BEMF和磁场削弱
对于包括电池供电的车辆(包括混合动力车辆)的某些应用，具有使用永磁体的转子设计的电机是常见的。这样的电机包括但不限于永磁辅助同步磁阻电动机和内部永磁(IPM)电动机。虽然这样的电机通常是高效和相对便宜的并且因此有利地用于电动车辆应用，但它们具有一些不太理想的问题。
当给具有使用永磁体的转子设计的电机供应能量时，电机的转子开始与定子磁场同步旋转。转子的旋转永磁体进而在定子绕组中感应出通常称为反向EMF或“BEMF”的电磁力或“EMF”。BEMF对使定子电流流动并且因此最初使转子旋转的所施加电压起反作用。因此，当BEMF靠近施加到电机的电压时，在定子中流动的电流下降到零，因此自然地限制了轴速度。
磁场削弱是用于减小BEMF的负面影响的已知技术。通过减小或削弱磁场，BEMF被减小，从而允许生成电动机驱动转矩，并且在发电时将BEMF控制为小于逆变器供电电压限制的值允许受控电流流回逆变器电源，其速度超过在没有磁场削弱的情况下可能的速度。
在没有磁场削弱的情况下，电动机速度自然会被逆变器供电电压限制为低于电动机驱动时需要磁场削弱的速度。为了以更高的速度运行，可以逐渐削弱磁场，使得BEMF减小，从而允许电动机提高速度，直到它再次受到逆变器供电电压的限制。当再次超过供电电压时，会施加更多的磁场削弱。只有当磁场削弱无法将BEMF保持在逆变器的供电电压以下时，BEMF才会超过逆变器的供电电压。这可能会由于逆变器中通常使用的功率半导体器件的单极性质而导致整流不受控制。当这种情况发生时，能量会从电动机被提取并返回到逆变器的电源(即，发电)。这将减慢电动机的速度，从而迅速导致BEMF等于或小于逆变器的电压。
在发电时，电机无法控制其旋转速度。因此，除非如同在进行电动机驱动时一样对电机进行磁场削弱，否则BEMF将超过逆变器的电压，但这次不受控制的整流只会将减速转矩强加于轴，而这可能会也可能不会减慢速度。这通常是不期望的运行区，因为即使禁用逆变器也无法停止不受控制的整流。
调制的电机控制
参考图6，展示了用于对供应给电机12和来自该电机的能量进行脉冲调制的系统60的图。系统60包括：电机12；功率逆变器14，用于控制进出DC电源16以控制电机12的三相AC功率(对于相A、B和C分别表示为18A、18B和18C)；转矩控制决策模块62；设置在逆变器14内的磁场削弱模块63；用于生成反馈信号64A的可选反馈传感器64，该反馈信号指示电机12的转子的角位置；以及可选的转矩与速度估计器66。
在系统60的运行期间，转矩调制决策模块62接收转矩需求。作为响应，转矩调制决策模块62确定所请求的转矩需求大于还是小于与当前电机速度相关联的指定“脉冲”阈值。脉冲阈值将随电机12的速度和可能的其他考虑因素而变化。在一些实施例中，给定速度的脉冲阈值可以与该速度的电机12的峰值效率转矩相同。在其他情况下，对于任何特定的电动机/发电机速度，存在可以确定适当脉冲阈值的其他考虑因素或其他因素。还可以考虑电机或包括电机的更大系统的净运行效率。例如，如果转矩需求非常接近峰值效率转矩(例如，峰值效率转矩的98％或99％)，则其他考虑因素(比如与脉冲运行相关联的实际损耗)可能会压倒任何脉冲与连续运行的增量增益。在这种情况下，可以修改阈值以允许连续运行。也可以考虑其他因素(例如，NVH减轻问题)。因此，本文所用的术语“阈值”应被广义地理解而不应仅限于给定电机12的峰值效率转矩。
当转矩需求高于阈值时，转矩调制决策模块62以连续模式运行电机12。在这种情况下，提供给功率逆变器14的波形68指示电机12的连续运行。作为响应，对于所示的三相电机，由逆变器14生成的三相功率信号18A、18B和18C是具有所需幅度和相位以支持所需转矩的连续正弦波。在连续运行期间，磁场削弱模块63可以根据需要施加磁场削弱。
当转矩需求小于阈值时，电机12以脉冲模式运行。在这种情况下，由转矩调制决策模块62提供给逆变器14的波形68定义了用于对三相功率信号18A、18B和18C施加脉冲以满足所需转矩的(a)占空比和(b)幅度。
在电动机12的脉冲运行期间，逆变器在脉冲期间被激活，并且在脉冲之间被理想地停用。停用逆变器在概念上是期望的，因为这有助于在无转矩时间段期间减少逆变器损耗和逆变器引起的损耗。然而，有时可能期望逆变器在无转矩时间段(或至少一部分无转矩时间段)期间主动发出零转矩的命令。这样做的有几个原因。最容易理解的一个原因与反BEMF有关。如上所讨论的，当电动机的BEMF超过电动机使用的供电电压16时，会生成可以显著降低电动机的效率的减速转矩。磁场削弱通常用于减轻或消除减速转矩。电动机生成的BEMF主要是电动机速度的函数。因此，在脉冲电动机控制的无转矩时间段期间，BEMF仍然存在问题。因为磁场削弱是由逆变器施加的，所以在期望磁场削弱的电动机的运行状态下，在脉冲控制的无转矩时间段期间停用逆变器将具有使得BEMF在那些时间段期间使电动机减速、从而降低电动机的整体效率(有时相当显著)的影响。为了减轻这些影响，在BEMF超过供电电压的运行区域中，在脉冲控制的无转矩时间段期间，逆变器优选地保持发出零转矩的命令。
在一些实施例中，逆变器14有效地确定电机12的BEMF是否超过逆变器14使用的供电电压16。这可以通过将电机的当前轴速度(例如，RPM)与已知的速度阈值进行比较或通过其他合适的技术来实现。当BEMF小于供电电压16时，逆变器在脉冲控制的无转矩时间段期间被停用。另一方面，如果BEMF值大于供电电压，则逆变器14保持激活，要求零转矩，并且磁场削弱模块63适当地施加磁场削弱。作为响应，BEMF被减小，并且将原本由电机生成的任何减速转矩被完全减轻或消除。
上述脉冲电机控制框架通常基于效率和潜在的其他考虑因素为任何给定运行状态(例如电机速度和转矩需求)选择三种运行模式状态之一。首先，在脉冲控制不提供效率优势的运行区域中，电机以连续方式持续运行。在脉冲控制确实提供优势的运行区域中，使用脉冲。当在脉冲模式下运行时，将进一步决定是否在无转矩时间段期间禁用逆变器。主要基于效率考虑因素做出逆变器禁用决策。当条件允许并且在无转矩时间段期间禁用逆变器更节能时，禁用逆变器。当在脉冲控制的无转矩时间段期间保持逆变器发出零转矩的命令更节能时，逆变器以这种方式运行。在BEMF的上下文中，当BEMF超过供电电压16时，逆变器14保持激活以促进磁场削弱的施加，从而减轻或消除对电机效率有害的减速转矩。
在实践中，电机和/或包括电机/电机的系统的特性可以通过创建运行图(比如上述效率和损耗图)来表征。基于这种图，可以确定任何和所有运行条件(例如，所有可能的电机速度和输出水平组合)的最高效运行状态。在本上下文中，脉冲运行状态可以包括对脉冲控制是否被启用的指示，并且如果是，(a)在转矩开启时间段期间的期望目标输出水平；(b)期望的占空比；以及(c)在无转矩时间段期间，逆变器应该保持激活还是停用。在一些实施例中，该信息可以存储在比如查询表的数据结构中，转矩调制决策模块62可以利用该数据结构基于当前电机速度等来确定任何命令输出(例如，转矩需求)的适当逆变器控制信号68。在其他实施例中，转矩调制决策模块可以使用算法或其他合适的方法来做出这种决策。
在可选的实施例中，反馈传感器64生成反馈信号64A，该反馈信号指示电机12的转子的角位置。反馈信号64A被提供给功率逆变器14和转矩与速度估计器66中的每一个。在已知转子的角位置的情况下，转矩与速度估计器66可以向转矩调制决策模块62提供电机的转矩和速度的准确估计。作为响应，可以根据需要调整波形68，从而可以精确地控制功率逆变器14内的开关网络的定时(即，开关S1-S6导通/关断的定时)，使得相18A、18B和18C中的每一相被定时为确保转矩脉冲的分布不会引起NVH。结果，电机12的运行既平稳又高效。
应注意的是，反馈传感器64的使用不是强制性的，并且可以使用其他技术来测量或估计电机12的转子的角位置。例如，也可以使用多种无传感器方法中的任何一种。无传感器方法的示例可以包括BEMF感测、相电流感测、通过高频注入或其他方法的显著性检测或其任何组合。
在常规连续运行的情况下，损耗是连续的。另一方面，在脉冲调制的情况下，损耗主要取决于占空比。在脉冲调制的情况下，电机在脉冲期间和脉冲之间的时间段内在其运行峰值效率之间振荡，逆变器被停用，或者逆变器被激活，要求零转矩，并且任何减速转矩都被减轻或消除。因此，与常规连续运行生成的相同平均转矩相比，损耗最小，并且以整体更高的效率水平生成平均转矩。因此，当电机在低于其峰值效率转矩的区域运行时，脉冲调制提供了比常规连续运行更高的效率。
应注意，在一些情况下，使用恒定的脉冲占空比可能会导致不期望的噪声、振动和声振粗糙度(NVH)。在一些实施方式中，可以使用Σ-Δ调制来减轻这种问题。在非排他性实施例中，转矩调制决策模块62是Σ-Δ决策模块。于均在2019年3月14日提交的美国申请序列号16/353,159和16/353,166中描述了示例性Σ-Δ决策模块，并且均出于所有目的并入本文。
应注意，电机12的上述描述主要是在作为电动机运行的上下文中描述的。应当理解，当电机作为发电机运行时，脉冲控制提供更高效的电能生成。
操作流程图
参考图7A和图7B，展示了用于实施采用磁场削弱的脉冲调制的操作流程图70A、70B。
在步骤72中，接收电机12所请求的转矩需求。
在决策74中，转矩调制决策模块62将所需转矩与当前速度的预定脉冲阈值进行比较。如前所述，阈值可以与当前速度的峰值效率转矩相同或不同。
在步骤76中，如果转矩需求大于脉冲阈值，转矩调制决策模块62确定电机12应该以连续模式运行。在连续运行期间，磁场削弱模块63可以根据需要施加磁场削弱。另一方面，如果转矩需求小于阈值，则做出决策以脉冲模式运行电机12。
在步骤78中，转矩调制决策模块62定义脉冲的占空比。如前所述，通常可以使用多个不同占空比中的任何一个来满足所请求的转矩需求，并且所选占空比可以基于多个考虑因素，比如噪声和振动考虑因素、当前运行转子的速度以及其他因素。同样在模块62是Σ-Δ模块的实施例中，使用Σ-Δ调制来定义满足占空比的脉冲开/脉冲关序列。
在决策80中，基于电动机BEMF和逆变器供电电压的比较来确定磁场削弱模块63是否应该施加磁场削弱。然后使用该决策来决定是否可以在脉冲之间的时间段期间停用逆变器。
如果BEMF小于逆变器的供电电压，则电机以脉冲模式运行，其中，在脉冲之间的时间段期间在不进行磁场削弱的情况下停用逆变器14。
如果BEMF大于逆变器的供电电压，则逆变器14在命令转矩为零的脉冲之间的无转矩时间段期间保持激活。这允许逆变器在脉冲之间的无转矩时间段期间继续施加磁场削弱。结果，不受控制的返回整流电流减少，由此产生的减速转矩被减轻或消除。
应注意，通过上述布置，可以在两个脉冲之间的时间段期间从逆变器停用转变到逆变器激活且要求零转矩且使用磁场削弱(或反之亦然)。然而，由于脉冲之间的时间段在大多数实际应用中通常相对较小，因此这样做可能不切实际。
与流程图70A、70B相关联的操作步骤可以以多种方式实施。在一个实施例中，转矩调制决策模块62可以依靠算法来实施上述步骤。在替代实施例中，转矩调制决策模块62可以依靠一个或多个查找表。取决于转矩需求和当前速度，转矩调制决策模块62能够做出转矩需求是大于还是小于脉冲阈值以及是否应该施加磁场削弱的决策。在这种实施例中，一个或多个表通常由在较宽的速度和转矩需求范围内运行电机12时收集的经验数据构建。在测试电机12时，在较宽的速度和转矩请求组合范围内收集参数，然后制成表，产生一个或多个查找表。
具有升压的功率逆变器
在2020年3月13日提交的共同转让的美国申请号16/818,570中，披露了一种包括升压电路的示例性功率逆变器。所披露的逆变器包括具有一对开关的开关网络，每个开关耦接在正电压轨与负电压轨之间，用于分别耦接用于激励电机的相A、B和C中的每一个。升压电路包括能够生成升压电压的升压供应源(例如，电荷泵或单独的电压源)和/或比如另一电容器和/或电池的储存设备。在脉冲运行期间，升压供应源用于对正轨的电压进行升压。结果，脉冲的转变更快，这进一步提高了效率。在非排他性实施例中，如在前述美国申请号16/818,570中描述的升压电路并入本文并且可以用作如本文所述的功率逆变器14。
三相能量信号示例
如本文所述，电机12的运行已被描述为以连续模式、脉冲模式、使用Δ-Σ调制的脉冲模式以及最后以施加磁场削弱的脉冲模式。为了清楚起见，下面针对每种情况描述用于激励电机12的相A、B和C的示例性三相AC电流信号18A、18B和18C。
参考图8A，示出了在连续运行期间用于激励电机12的相A、B和C的示例性三相AC功率信号。在这种情况下，电流信号与所需转矩成正比。结果，轴转矩满足所需转矩。
参考图8B，示出了在脉冲运行期间用于相A、B和C的示例性三相AC功率信号。如图所示，通过在脉冲期间的峰值效率与脉冲之间的关闭之间调制信号的相激励，平均轴转矩等于所需转矩(例如，百分之四十(40％))，但通常比生成相同水平的连续转矩输出更高效地运行。如前所述，脉冲频率或占空比可以基于噪声、振动和声振粗糙度和/或其他考虑因素根据需要进行调整。
参考图8C，示出了当转矩调制决策模块62使用Σ-Δ调制时AC功率信号的示例性相激励电流。在该特定示例中，展示了百分之四十(40％)的占空比。如果使用图8B的相同脉冲宽度，则(脉冲、跳跃、跳跃、脉冲和跳跃)的示例性脉冲模式可以用于使用Σ-Δ调制来实现40％的占空比。
最后，图8D示出了当BEMF超过电压源16并且施加磁场削弱时AC电流信号的示例性相激励电流。在图8D中，如图8B和图8C所示，关于没有磁场削弱的脉冲运行存在几个区别。首先，在脉冲之间，小磁化电流流过逆变器14。结果，逆变器在脉冲之间没有完全禁用。在图8D中还注意到，在激活时间段与停用时间段之间的波形中出现相移，该相移表示转矩产生电流与纯去磁电流之间的相移。
电机类型
如本文所述的电机12是能够通过施加磁场削弱来减小BEMF的任何类型的电机。示例包括但不限于电机和/或电动机，包括但不限于内部永磁体、表面永磁体、感应、同步磁阻、永久辅助同步磁阻、他励感应、磁通切换、开关磁阻以及其他类型的电机和/或电动机。
本实施例应考虑为说明性而非限制性并且本发明不限于本文给出的细节，但可以在所附权利要求的范围和等效物内修改。

Claims (29)

1.一种方法，包括：
接收转矩需求；
如果接收到的转矩需求超过阈值，则以连续模式运行电动机；
如果该接收到的转矩需求小于该阈值，则以脉冲模式运行该电动机；
如果该电动机的反向电磁力(BEMF)大于施加到用于激励该电动机的功率逆变器的供电电压，则对该电动机施加磁场削弱；以及
当在该脉冲模式下运行时，在脉冲之间的时间段期间，当对该电动机施加该磁场削弱时，保持该逆变器激活但要求无转矩。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括当在该脉冲模式下运行时，在脉冲之间的这些时间段期间，当不施加磁场削弱时，停用该逆变器。
3.如权利要求1或2所述的方法，进一步包括当该电动机的BEMF小于在该连续模式和该脉冲模式期间施加到该功率逆变器的供电电压时，不对该电动机施加磁场削弱。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，进一步包括确定当在该脉冲模式下运行该电动机时脉冲的占空比，这些脉冲的占空比足以满足所请求的平均转矩需求。
5.如权利要求4所述的方法，进一步包括当在该脉冲模式下运行该电动机时，使用Σ-Δ调制来调制脉冲。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，进一步包括当对该电动机施加该磁场削弱时，防止或减轻该电动机生成减速转矩。
7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，在该脉冲模式下运行该电动机进一步包括：在该电动机生成处于或高于该阈值的转矩的脉冲之间散布在这些脉冲之间的时间段期间该电动机不生成转矩的时间段，其中，该电动机在其中运行的这些脉冲的占空比和幅度足以使在这些脉冲期间该电动机的平均转矩输出满足所请求的转矩需求。
8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，进一步包括通过访问该电动机的效率转矩图来确定对于给定的电动机速度，该接收到的转矩需求是否超过该电动机的阈值，
其中，该效率转矩图是从该电动机的一个或多个运行参数的损耗图得到的，这些损耗图选自包括以下各项的组：磁滞损耗图、涡流损耗图、铜损图、逆变器损耗图或电动机轴损耗图。
9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，进一步包括确定该电动机的BEMF是否小于该供电电压，并且当该电动机的BEMF小于该供电电压时，在该脉冲模式下，在脉冲之间的时间段期间停用该逆变器。
10.如权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，该阈值取决于该电动机的当前速度，并且与该电动机的峰值效率转矩相同或从该峰值效率转矩得到。
11.一种电动机组件，该电动机组件被布置为在该组件的电动机的脉冲模式运行期间，当该电动机的反向电磁力(BEMF)超过提供给用于激励该电动机的逆变器的供电电压时，施加磁场削弱。
12.如权利要求11所述的电动机组件，进一步包括：
当施加磁场削弱时，在脉冲之间的时间段期间，保持该逆变器激活但要求转矩为零；以及
当未施加磁场削弱时，在脉冲之间的时间段期间，将该逆变器保持在停用状态。
13.如权利要求11或12所述的电动机配置，进一步包括转矩调制决策模块，该转矩调制决策模块被配置为：
接收该电动机的转矩需求；
如果接收到的转矩需求超过阈值转矩，则以连续模式运行该电动机；以及
如果该接收到的转矩需求小于该阈值转矩，则以该脉冲模式运行该电动机。
14.如权利要求11至13中任一项所述的电动机组件，其中，该转矩调制决策模块进一步被配置为根据该接收到的转矩需求是超过还是小于该电动机的阈值转矩，分别向该逆变器提供指示该电动机在该连续模式下的连续运行或在该脉冲模式下的脉冲运行的波形。
15.如权利要求11至14中任一项所述的电动机组件，其中，该波形指示当在该脉冲模式下运行该电动机时这些脉冲的占空比。
16.如权利要求11至15中任一项所述的电动机组件，其中，该逆变器进一步包括磁场削弱模块，该磁场削弱模块用于(a)当该电动机的BEMF超过提供给该逆变器的供电电压时，施加该磁场削弱，或者(b)当该BEMF小于提供给该逆变器的供电电压时，不施加该磁场削弱。
17.如权利要求11至16中任一项所述的电动机组件，进一步包括Σ-Δ转矩调制模块，该Σ-Δ转矩调制模块被配置为使用Σ-Δ调制为该逆变器生成调制波形，以在该脉冲运行期间控制该电动机的脉冲变化。
18.如权利要求11至17中任一项所述的电动机组件，其中，该电动机选自包括以下类型的电动机的组：
内部永磁电动机，
表面永磁电动机，
感应电动机，
同步磁阻电动机，
永久辅助同步磁阻电动机，
他励感应电动机，
磁通切换电动机，以及
开关磁阻电动机。
19.如权利要求11至18中任一项所述的电动机组件，该电动机组件进一步被布置为当该电动机的BEMF超过提供给用于激励该电动机的逆变器的供电电压时，在该电动机的连续运行期间也施加磁场削弱。
20.如权利要求11至19中任一项所述的电动机组件，其中，该电动机能够响应于通过减弱与该电动机相关联的磁场进行该磁场削弱而减小该BEMF。
21.如权利要求11至20中任一项所述的电动机组件，其中，该电动机是能够作为发电机运行的电机。
22.如权利要求11至21中任一项所述的电动机组件，其中，在BEMF不超过该供电电压的情况下不需要磁场削弱来减轻或消除电动机减速转矩的生成时，在该脉冲运行期间停用该逆变器。
23.如权利要求11至22中任一项所述的电动机组件，其中，该阈值转矩取决于该电动机的速度，并且与该电动机的峰值效率转矩相同或从该峰值效率转矩得到。
24.一种电动机组件，该电动机组件被布置为以至少三种模式运行，这三种模式包括：
(a)当该电动机所请求的转矩需求超过阈值时的连续模式；
(b)第一脉冲模式，在该第一脉冲模式下，当(i)该转矩需求小于阈值转矩并且(ii)该电动机的反向电磁力(BEMF)小于提供给该逆变器的供电电压时，在脉冲之间的时间段期间，停用用于激励该电动机的逆变器；以及
(c)第二脉冲模式，在该第二脉冲模式下，当(i)该转矩需求小于阈值转矩并且(ii)该电动机的反向电磁力BEMF大于提供给该逆变器的供电电压时，在脉冲之间的时间段期间，将该逆变器转变为激活，但要求无转矩。
25.如权利要求24所述的电动机组件，进一步被配置为每当该电动机的BEMF大于提供给所述逆变器的供电电压时，对该电动机施加磁场削弱，该磁场削弱用于防止或减轻该电动机生成减速转矩。
26.如权利要求24或25所述的电动机组件，其中，该电动机选自包括以下类型的电动机的组：
内部永磁电动机，
表面永磁电动机，
感应电动机，
同步磁阻电动机，
永久辅助同步磁阻电动机，
他励感应电动机，
磁通切换电动机，以及
开关磁阻电动机。
27.如权利要求24至26中任一项所述的电动机组件，其中，脉冲的占空比和幅度足以使在这些脉冲期间该电动机的平均转矩输出满足所请求的转矩需求。
28.如权利要求24至27中任一项所述的电动机组件，其中，该阈值转矩取决于该电动机的速度。
29.如权利要求24至28中任一项所述的电动机组件，其中，该阈值转矩与该电动机的峰值效率转矩相同或从该峰值效率转矩得到。
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