CN117426049A - 具有高效扭矩转换的电机 - Google Patents

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阿姆尼什·辛格
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Abstract

提供了一种电机。提供了多相电机。功率逆变器电连接至多相电机。控制器电连接至功率逆变器，其中控制器向功率逆变器提供开关信号，其中控制器包括轨迹计算器，该轨迹计算器提供用于将多相电机从第一扭矩转换到第二扭矩的优化轨迹。

Description

具有高效扭矩转换的电机
相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年6月14日提交的美国申请号63/210,345的优先权的权益，该美国申请出于所有目的通过援引并入本文。
背景技术
本申请总体上涉及电机。
本文所使用的术语“电机”旨在被广泛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。当作为电动机运行时，电机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。
发明内容
为了实现前述目的并且根据本披露的目的，提供了一种电机。提供了多相电机。功率逆变器电连接至多相电机。控制器电连接至功率逆变器，其中控制器向功率逆变器提供开关信号，其中控制器包括轨迹计算器，该轨迹计算器提供用于将多相电机从第一扭矩转换到第二扭矩的优化轨迹。
在另一种表现形式中，提供了一种用于将多相电机从第一扭矩水平转换到第二扭矩水平的方法，其中多相电机由控制器控制。向多相电机提供来自控制器的优化轨迹，其中优化轨迹提供了用于将多相电机从第一扭矩水平转换到第二扭矩水平的优化轨迹。
下面将在具体实施方式中并结合附图更详细地描述本披露的这些和其他特征。
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是根据一些实施例的电机的示意图。
图2是在一些实施例中使用的高级流程图。
图3是根据一些实施例的具有脉冲扭矩的电机的示意图。
图4是展示出一些实施例提供的改进的曲线图。
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
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。另外，由电机提供的扭矩可能随着需要从第一扭矩变化到第二扭矩的操作而变化。第一扭矩可以是第一扭矩水平，并且第二扭矩可以是第二扭矩水平。
大多数电机(电动机和发电机)都经过控制以在稳态条件下提供最高效率，而不考虑暂态时间段。此外，对于高带宽扭矩控制器，需要尽可能小的暂态时间段，这通常会由于控制器输出饱和而导致控制不理想。
对扭矩转换的研究表明，大多数(如果不是全部)电动机控制法则只是尝试尽可能快地转换扭矩。用于多相电动机的大多数多输入多输出(MIMO)扭矩控制器要么未充分利用母线电压，要么使控制器输出饱和而导致暂态期间的控制不理想。母线电压利用不充分会导致扭矩响应缓慢，而不受控制的控制器饱和会导致响应快速但效率低下。因此，需要一种最大化控制器输出的解决方案，以确保尽可能快的转换时间，同时最大化该转换时间内的效率。
通常，对于诸如多相电动机之类的MIMO系统，控制器增益经过调节，以使控制器输出保持在系统能力的范围(例如逆变器的母线电压和电流限制)内。在这种场景下，如果控制器是线性的，则母线电压未得到充分利用。然而，过度调节的扭矩控制器和许多其他高带宽控制器(包括非线性控制器)往往会使输出饱和，从而在暂态期间充分利用母线电压。然而，施加于电动机的功率的轨迹并不遵循在这种饱和期间由每安培最大扭矩(MTPA)、每损耗最大扭矩(MTPL)、每磁通量最大扭矩(MTPF)或每伏最大扭矩(MTPV)控制策略定义的最优关系。本质上，目前使用的大多数技术在很大程度上是以扭矩性能换取暂态效率。
一些实施例涉及通过最大化母线电压利用率并确保在任何多相电动机的扭矩暂态期间扭矩轨迹保持在MTPA、MTPL、MTPF或MTPV路径中的至少一项上，以可能小的暂态时间最大化暂态效率。各种实施例使用可以实现这样的性能的不同方法/技术。在一些示例中，描述了许多可能技术中的三种技术来论证本发明的一些实施例，其中这三种技术描述如下：
1)用于实现最大母线电压利用率的最优扭矩速率限制。
2)用于实现最大母线电压利用率的最优Id/Iq速率限制/电压角。
3)当Q轴时间常数大于D轴时间常数时的以Iq反馈作为Id参考的开环Iq控制。当D轴时间常数大于Q轴时间常数时的以Id反馈作为Iq参考的开环Id控制。
三种方法都充分利用了扭矩暂态期间使用的母线电压，并在D轴与Q轴之间最优地共享了母线电压，从而实现最大效率。在一些实施例中，可以使用计算机优化算法来确定路径优化轨迹。
第一种方法依赖于计算下一个采样周期(即T[k+1])中可实现的最大扭矩。这种控制器需要高带宽逆模型控制器，诸如无差拍控制器。它可以利用直接扭矩磁通量控制环路或Id/Iq电流矢量控制工作。
考虑同步磁阻电动机的情况。电压Vd、Vq以及矢量幅度Vs可以计算如下。
其中，[k]是采样实例kth，Id是直轴定子电流，Iq是交轴定子电流，Ld是直轴定子电感，Lq是交轴定子电感，Vd是直轴定子电压，Vq是交轴定子电压，Vs是定子电压矢量幅度，ωe是转子电频率(rad/s)，并且Rs是每相定子电阻(欧姆)。
Id/Iq参考可以根据扭矩(rpm)计算，并且母线电压可以使用MTPA、MTPL或MTPV方程或满足这些方程的查找表(LUT)导出。
Id[k]＝f1(rpm[k],Vbus[k],τ[k])；
Iq[k]＝f2(rpm[k],Vbus[k],τ[k])；
Id[k+1]＝f1(rpm[k+1],Vbus[k+1],τ[k+1])；
Iq[k+1]＝f2(rpm[k+1],Vbus[k+1],τ[k+1])；
其中，[k+1]是采样实例(k+1)th，Vbus是可用于功率逆变器的DC母线电压，
由于每分钟转数(RPM)和Vbus在一个采样时间内不会发生显著变化，因此可以使扭矩[k+1]在最小扭矩与最大扭矩之间快速移动，由此得出Id[k]、Iq[k]、Id[k+1]、Iq[k+1]可用于导出Vs[k]。必须为控制器选择满足Vs[k]＝Vmax的扭矩[k+1]的值。以这种方式，使用上面的f1()和f2()函数，在满足MTPA、MTPL或MTPV条件的同时，Vs被最大化。然后，扭矩[k+1]可用于对扭矩命令进行速率限制。
这种最优扭矩[k+1]选择可以使用实时手动扫描和搜索算法(如二分查找)或使用以rpm[k],Vbus[k],τ[k]作为输入的3-D LUT来完成。
第二种方法依赖于计算最优电压角和当Vs＝Vmax时满足MTPA、MTPL或MTPV的电压幅度。当Vs设置为Vmax时，考虑离散状态空间形式的同步磁阻电动机的电压方程。
其中，φv是参考直轴的定子电压矢量角，并且Vmax是最大允许定子电压矢量幅度。
如果将φv在0°到360°之间快速移动，然后可以针对φv来绘制Id[k+1]和Iq[k+1]。在Id[k+1]和Iq[k+1]满足MTPA、MTPL或MTPV条件的情况下，选择φv的值。此时，Id[k+1]和Iq[k+1]中的任一项可以用于对无差拍控制器的命令进行速率限制，或者φv可以直接用来计算Vd[k]和Vq[k]得到暂态期间的控制器输出。
如果D轴的时间常数比Q轴高，则第三种方法使用比例积分控制器，并利用D轴的时间常数比Q轴的时间常数高这一事实，因此最初将全电压施加到慢时间常数轴，并允许Id仅受电动机时间常数限制而斜坡上升。然后，使用最优MTPA、MTPV或MTPL表，利用Id反馈来生成Iq参考。然后，Q轴控制环路的输出扰动电压角，使其远离D轴，以便电压在两个轴之间实现最优共享。如果Q轴的时间常数比D轴高，则第三种方法使用比例积分控制器，并利用Q轴的时间常数比D轴的时间常数高这一事实，因此最初将全电压施加到慢时间常数轴，并允许Iq仅受电动机时间常数限制而斜坡上升。然后，使用最优MTPA、MTPV或MTPL表，利用Iq反馈来生成Id参考。然后，D轴控制环路的输出扰动电压角，使其远离Q轴，以便电压在两个轴之间实现最优共享。
计算机优化算法可用于帮助定义在任何所需轨迹(包括MTPA、MTPV和MTPL)的扭矩转换过程中Id和Iq两者的最优路径。其结果可能是查找表(LUT)或可以在控制器中实时处理的数学方程。在一些实施例中，计算机优化算法可以是数值优化、动态规划和模型预测控制中的至少一种。在各种实施例中，计算机优化算法可以在线或离线使用。当离线使用时，可以通过计算机优化算法生成LUT。
在使用数值优化的一些实施例中，常微分方程(ODE)求解器与微分方程格式的电动机模型一起使用，以提供当在每个步骤施加控制输入时模型状态将如何随时间变化的估计。通过每个ODE解，可以计算成本来惩罚或奖励某个目标，诸如遵循扭矩目标，同时还将信号或状态限制在范围内。如果这样的优化无法实时完成，则可以提前计算优化并将其存储在LUT中。在数值优化的示例中，提供了在指定时间段内要满足的目标的成本函数。为控制输入指定了初始值，诸如电压。在一些实施例中，控制输入可以是Vd、Vq、电压幅度和电压角中的两个或更多个。在该示例中，假设每次都施加电压输入，则求解ODE。在该示例中，成本是根据ODE结果计算的。在一些实施例中，成本(J)可以是单个函数或者多个成本的任意总和。实际成本函数可以奖励遵循扭矩轨迹的能力、或者奖励增加有价值的统计数据(诸如每单位电流的扭矩)，或者是惩罚违反约束(例如母线电压或电枢电流限制)的障碍函数。成本函数可以随着时间或多次迭代而变化，这是使用边界函数的重要方面。电压输入的值随时间迭代并在某种条件下终止，从而产生控制输入的成本最优矢量。在一些实施例中，在一个时间步长上求解并优化ODE，然后在下一个时间步长上求解并优化ODE，等等。完成后，所有轨迹都可以连接在一起以得出最优长期成本。
在一些实施例中，还可以使用动态规划来导出成本最优轨迹。微分方程问题将从数值积分的问题转换为及时选择状态之间的转换的问题，其中每个转换都有一定的与之相关的成本。通过将问题表示为从期望的最终状态到开始的一系列路径，动态规划可以用于选择成本最优路径，并因此选择状态和输入的成本最优轨迹。该方法因其结构而利用了最优原理。
经济模型预测控制可以使用直接优化方法的一部分来设置。“经济”方面是用于解决此问题的“成本”，将是任意成本函数，而不是ODE状态之一，诸如电流或磁通量。ODE问题仍将得到解决，并且仍将根据ODE结果计算具有可能约束的成本，但针对该问题优化的元素数量将仅限于前几个时间步长，同时在剩余时间保留最后一个输入。这确保了长期轨迹是成本最优且受到约束的，但问题足够小，可以快速解决。通过解决模型预测控制问题并保存每个时间步长的第一控制输入，可以构建更大的离线解决方案。
当前技术要么以较差的暂态效率提供扭矩响应性能，要么限制扭矩需求的变化速率，使得控制保持在电压限制内。一些实施例优化扭矩暂态周期。一些实施例以尽可能小的暂态周期在暂态周期期间提供高效率。由于时间常数比采样时间长，一些实施例假定暂态期间的准稳态行为，并迫使系统通过最优状态轨迹转换以确保效率最大化。
一些实施例有可能提高任何电动机控制的效率，而不仅仅是牵引行业中使用的扭矩控制电动机，因此是对所采用的现有控制策略的补充。
图1是可以用于一些实施例中的电机系统100的框图。电机系统100包括多相电机104、功率逆变器108、电源112和逆变器控制器116。在说明书和权利要求书中，多相电机104可以是多相电动机或多相发电机。因此，在说明书和权利要求书中，功率逆变器108是用于多相电动机或多相发电机的功率转换器。这种功率逆变器108也可以称为功率整流器。在一些实施例中，电源112是DC电源。一个或多个反馈信号从多相电机104提供至逆变器控制器116。
在一些实施例中，逆变器控制器116可以位于功率逆变器108内。在一些实施例中，逆变器控制器116可以在功率逆变器108外部或与该功率逆变器分离。在一些实施例中，逆变器控制器116的一部分可以在功率逆变器108内，并且逆变器控制器116的一部分可以在功率逆变器108外部或与该功率逆变器分离。在一些实施例中，逆变器控制器116包括扭矩控制器120、斜坡速率限制器122、轨迹计算器124和扭矩到电流参考转换器128。在一些实施例中，逆变器控制器116不具有扭矩到电流参考转换器128。在这样的实施例中，用户扭矩命令136可以直接提供给斜坡速率限制器122。在一些实施例中，逆变器控制器116向功率逆变器108提供开关信号。在一些实施例中，开关信号控制电机激励使得电机遵循优化轨迹，从而使得电机最小化从第一扭矩到第二扭矩的损耗。
在一些实施例中，在多相电机104作为3相电动机运行时，功率逆变器108负责从DC电源112生成三相AC电以驱动多相电机104。表示为相A 137a、相B 137b和相C 137c的三相输入功率被施加到多相电机104的定子绕组以生成旋转磁场。描绘各个相137a、相137b和相137c的线被描绘为两端都有箭头，指示当电机用作3相电动机时，电流可以从功率逆变器108流向多相电机104，而当多相电机104用作发电机时，电流可以从多相电机104流向功率逆变器108。当多相电机104作为发电机运行时，功率逆变器108作为功率整流器运行，并且来自多相电机104的AC电被转换成DC电并储存在DC电源112中。
图2是可以在一些实施例中使用的过程的流程图。在一些实施例中，逆变器控制器116接收用户扭矩命令(步骤204)。在示例中，用户扭矩命令请求由多相电机104提供的扭矩从第一扭矩转换到第二扭矩。在一些实施例中，轨迹计算器124提供从第一扭矩到第二扭矩的优化轨迹(步骤208)。在一些实施例中，优化扭矩轨迹由一系列电压或电流命令来表达以提供电压或电流路径。将优化扭矩轨迹信息提供给斜坡速率限制器122(步骤212)。斜坡速率限制器向扭矩控制器120提供速率限制信息(步骤216)。将受控扭矩输入提供给功率逆变器108(步骤220)以便为多相电机104提供优化轨迹。
在一些实施例中，轨迹计算器124使用MTPA、MTPL、MTPF或MTPV控制策略中的至少一项来计算优化轨迹。在一些实施例中，使用以下至少一项来确定优化轨迹：1)用于实现最大母线电压利用率的最优扭矩速率限制、用于实现最大母线电压利用率的最优Id/Iq速率限制/电压角、以及以Iq反馈作为Id参考的开环Iq控制。在一些实施例中，上述方法中的一些用于创建查找表(LUT)。查找表可以提供第一扭矩和第二扭矩作为输入，并且然后从查找表提供由第一扭矩和第二扭矩识别的查找表中的存储值。在一些实施例中，使用优化算法的计算机优化可用于确定优化轨迹。
图3是图1所示的电机系统100的示意图，但增加了脉冲电机系统中使用的脉冲扭矩控制器。这种脉冲扭矩电机的示例在以下文献中描述：于2019年3月14日提交的美国专利号10,742,155、于2019年3月14日提交的美国专利申请号16/353,159、以及分别于2018年3月19日、2018年4月17日和2019年2月26日提交的美国临时专利申请号62/644,912、62/658,739和62/810,861。上述申请或专利中的每一个出于所有目的通过援引以其全文并入本文。在这样的应用中，扭矩水平转换非常频繁(可能每秒出现许多次)，并且有效的转换控制可以实现更高效的运行。在一些实施例中，脉冲扭矩控制器340向轨迹计算器124提供脉冲扭矩命令。在一些实施例中，第一和第二扭矩水平以及周期脉冲提供总体平均输出，该总体平均输出具有比系统以连续方式运行以提供相同平均输出时更高的能量转换效率。另外，在一些实施例中，可以选择脉冲周期以最小化或减少噪声、振动和硬度。
图4是扭矩或电流相对于时间的曲线图，展示了可以在使用脉冲周期性扭矩操作的一些实施例中使用的电流轨迹。在该示例中，扭矩在第一扭矩T1至第二扭矩T2之间脉动，周期为tp。在一些实施例中，脉冲扭矩由来自脉冲扭矩控制器340的脉冲扭矩命令或信号提供。在一些实施例中，第一扭矩T1的幅度为零。在该示例中，轨迹计算器124提供了从第一扭矩T1至第二扭矩T2的最优扭矩的优化轨迹，如图3所示。轨迹提供Iq斜坡412和Id斜坡416，用于提供在时间段t1内从第一扭矩T1至第二扭矩T2的扭矩斜坡420。扭矩可以在第二扭矩T2处保持一段时间。然后，扭矩命令可以请求将该扭矩从第二扭矩T2斜坡下降至第一扭矩T1。轨迹提供Iq斜坡422和Id斜坡424，用于提供在时间段t2内从第二扭矩T2至第一扭矩T1的最优扭矩斜坡428。扭矩可以在第一扭矩T1处保持一段时间，直到脉冲周期tp完成。
在一些实施例中，Iq斜坡412和Id斜坡416的轨迹提高了效率。一些现有技术系统尝试提供垂直电流斜坡，以便尝试提供从第一扭矩T1至第二扭矩T2的垂直扭矩斜坡。在此类现有技术实施例中，控制器输出是不受控的饱和输出，其导致低效率的快速响应。在其他现有技术的装置中，可以提供非常慢的斜坡过程，导致母线电压引线利用不充分，导致效率低下和扭矩响应缓慢。因此，优化轨迹避免了输出饱和以及母线电压利用不充分，从而提高效率。
在一些实施例中，脉冲周期tp是半秒，使得扭矩可以在第一扭矩T1与第二扭矩T2之间每秒转换几次。在一些实施例中，脉冲周期tp小于一秒。在一些实施例中，使用脉冲扭矩每秒多次提供改进的效率。
通过提供优化轨迹，以更少的功耗、更有效地实现了从第一扭矩到第二扭矩的转换。一些实施例提供了扭矩转换之间的最大效率。另外，一些实施例确保了传递到电动机轴的功率在扭矩转换期间最大化。一些实施例通过在第一扭矩与第二扭矩之间的转换期间充分利用可用电压和电流来优化扭矩性能。作为电动机的电机中功耗的减少增加了电动机在给定电源容量下的范围。作为发电机的电机中功耗的减少允许向DC电源112提供更多功率。
在各种实施例中，多相电机可以包括但不限于无刷DC(BLDC)电机、永磁同步电机(PMSM)、内置式永磁(IPM)电机、绕线式转子同步电机、感应电机和同步磁阻电机。在一些实施例中，多相电机可以具有两个或更多个相。如上所述，多相电机可以是多相电动机或多相发电机，或者既作为电动机又作为发电机运行的多相电机。在一些实施例中，扭矩控制器120可以被实施为不同的装置，诸如高带宽电流控制器或磁通量控制器。
虽然已经根据几个优选实施例描述了本披露，但是存在落入本披露的范围内的变更、修改、排列和各种替代等效物。还应当指出的是，存在实施本披露的方法和设备的许多替代方式。因此，旨在将以下所附权利要求解释为包括落入本披露的真实精神和范围内的全部此类变更、修改、修改和各种替代等效物。如本文所使用的，短语“A、B或C”应被解释为使用非排他性逻辑“OR”的逻辑(“A OR B OR C”)，并且不应被解释为仅表示A或B或C中的一个。过程中的每个步骤可以是可选步骤并且不是必需的。不同的实施例可以移除一个或多个步骤或者可以以不同的顺序提供步骤。另外，各种实施例可以同时而不是顺序地提供不同的步骤。另外，单独示出和描述的元件也可以组合在单个装置或单个步骤中。例如，顺序描述的步骤可以是同时的。另外，以一种顺序依次描述的步骤可以以另一种顺序执行。

Claims (20)

1.一种电机，包括：
多相电机；
功率逆变器，该功率逆变器电连接至该多相电机；以及
控制器，该控制器电连接至该功率逆变器，其中该控制器向该功率逆变器提供开关信号，其中该控制器包括轨迹计算器，该轨迹计算器提供用于将该多相电机从第一扭矩转换到第二扭矩的优化轨迹。
2.如权利要求1所述的电机，其中，该轨迹计算器基于每安培最大扭矩(MTPA)、每损耗最大扭矩(MTPL)、每磁通量最大扭矩(MTPF)、每伏最大扭矩(MTPV)和计算机优化轨迹中的至少一项提供该优化轨迹。
3.如权利要求1所述的电机，其中，该轨迹计算器使用以下至少一项来提供该优化轨迹、以及任何其他计算机生成的最优轨迹：用于实现最大母线电压利用率的最优扭矩速率限制、用于实现最大母线电压利用率的最优Id/Iq速率限制/电压角、以Iq反馈作为Id参考的开环Iq控制。
4.如权利要求3所述的电机，其中，该轨迹计算器使用查找表。
5.如权利要求1所述的电机，其中，该轨迹计算器提供使损耗最小化的优化轨迹，并且其中该电机遵循该优化轨迹。
6.如权利要求1所述的电机，进一步包括：连接至该控制器的脉冲扭矩控制器，该脉冲扭矩控制器向该控制器提供脉冲扭矩信号。
7.根据权利要求6所述的电机，扭矩控制器在第一扭矩与第二扭矩之间提供周期小于一秒的脉冲周期性扭矩操作。
8.如权利要求7所述的电机，其中，该脉冲周期性扭矩操作提供总体平均系统输出，该总体平均系统输出在该电机的脉冲周期性扭矩操作期间具有比该电机在以连续方式驱动该电机所需的第三扭矩运行以提供相同的平均输出时更高的能量转换效率。
9.如权利要求8所述的电机，其中，该周期是提供降低的噪声、振动和硬度的周期。
10.如权利要求1所述的电机，其中，该轨迹计算器提供至少一电压幅度和至少一电压矢量角。
11.一种用于将多相电机从第一扭矩水平转换到第二扭矩水平的方法，其中该多相电机由控制器控制，包括：
向该多相电机提供来自该控制器的优化轨迹，其中该优化轨迹提供了用于将该多相电机从该第一扭矩水平转换到该第二扭矩水平的优化轨迹。
12.如权利要求11所述的方法，其中，该控制器向该多相电机提供一系列电压，以提供该优化轨迹。
13.如权利要求12所述的方法，其中，该控制器进一步提供该电压的矢量角。
14.如权利要求11所述的方法，其中，该优化轨迹基于每安培最大扭矩(MTPA)、每损耗最大扭矩(MTPL)、每磁通量最大扭矩(MTPF)或每伏最大扭矩(MTPV)中的至少一项。
15.如权利要求11所述的方法，其中，使用以下至少一项来提供该优化轨迹：用于实现最大母线电压利用率的最优扭矩速率限制、用于实现最大母线电压利用率的最优Id/Iq速率限制/电压角、以Iq反馈作为Id参考的开环Iq控制、以及任何其他计算机生成的最优轨迹。
16.如权利要求15所述的方法，其中，该优化轨迹降低噪声、振动和硬度。
17.如权利要求11所述的方法，其中，该优化轨迹使损耗最小化，并且其中该多相电机遵循该优化轨迹。
18.如权利要求11所述的方法，进一步包括：提供脉冲扭矩信号以提供第一扭矩水平与第二扭矩水平之间的脉冲周期性扭矩操作，其中该脉冲周期性扭矩操作的周期小于一秒。
19.如权利要求18所述的方法，其中，该第一和第二扭矩水平和周期提供总体平均系统输出，该总体平均系统输出在该多相电机的脉冲周期性扭矩操作期间具有比该多相电机在以连续方式驱动该多相电机所需的第三扭矩水平运行以提供相同的平均输出时更高的能量转换效率。
20.如权利要求19所述的方法，其中，该周期是提供降低的噪声、振动和硬度的周期。
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