在电动增压器中的电动机的控制的制作方法

本发明涉及电动机的控制，特别是在电动增压器中的电动机的控制。

背景技术：

在汽车行业中，与内燃(IC)发动机一起使用的电动增压器变得越来越有吸引力。首先，相比于传统的(直接发动机驱动的)增压机，它们使IC中的燃料消耗更低，并且因此降低二氧化碳排放。它们相比发动机驱动的增压机还往往能够更好响应并且可能能够获得更高速度。

在电动增压器中使用开关磁阻电动机(以驱动压缩机元件)已经被发现是特别有益的。图1中说明了用于控制电动增压器中的开关磁阻电动机的速度的先前建议的控制系统。参照图1，控制系统101接收输入，设定增压机中的电动机的目标速度。该目标速度是由发动机的控制系统确定的，该控制系统的细节与本专利说明书不相关。该目标速度与电动机的实际速度输入进行比较，以产生速度误差。

由比例积分(PI)控制器103接收速度误差。接着，PI控制器103确定合适的转矩，以便将电动机的速度从其实际速度向着目标速度改变。由PI控制器确定的转矩被称为“转矩需求”。

在某些情况下，需要限制由电动机提供的转矩的最大值。例如，可能需要防止对电动机中的绕组或电子器件的损坏，如果转矩需求太高，那么可能会引起该损坏(该转矩可能导致电子器件和/或绕组中的过量电流)。相应地，控制系统将转矩需求的大小与转矩上限进行比较。如果转矩需求的大小大于转矩上限，那么转矩需求减小到上限的值。一旦核对最大转矩上限，该转矩被重新标记，并且被称为“转矩设定点”。如果转矩需求的大小小于转矩上限，那么转矩需求的大小保持不变(但是，虽然如此，它被重新标记是转矩设定点)。

转矩上限的行为通常被称为“满载曲线”。图2展示了图1的控制系统的满载曲线。纵轴表示转矩设定点，横轴表示电动机的实际速度。在这种情况下，转矩上限基于已经以特定速度对电动机的最大可能转矩正常话的转矩；转矩设定点值从而从0到1。从图2可以明显看出，在电动机的所有速度上满载曲线为常数(转矩设定点＝0.898)。在该转矩之上，发现电动机的效率明显下降，并且电流开始接近潜在损坏水平。因此，由于安全和/或过大损耗的原因，增压器不允许运行在该转矩之上。因此，如果在任何时候，图1的控制系统中的转矩需求大于0.898，那么它将自动被减少到0.898。

输入电流的四个不同控制变量(开启角、关闭角、自由轮角和脉冲宽度调制(PWM))管理由开关磁阻电动机生成的转矩。转矩设定点映射105用于获得实现特定转矩设定点所需的每个控制变量的输入值。对于每个控制变量都存在转矩设定点映射105(即，总共存在四个转矩设定点映射)。对于所有转矩设定点和所述电动机速度(后者通过电源电压与参考电压的比较标准化，从而考虑电源电压中的任何变化)，每个映射均用控制变量的值填充。对于特定增压器电动机，每个控制变量的值都预先确定，并且硬连线进映射中。

一旦控制系统已经获得需要的变量的值，电流提供给电动机。该电动机输入产生物理响应，生成新的实际速度。该实际速度反馈给控制系统并与目标速度进行比较，并且重复上述步骤。

电动增压器倾斜于在高速(例如，50,000+rpm)下运行，当需要快速使电动机加速时，转矩设定点通常受到满负载曲线的限制(即，限制在最大转矩上限)。

图3为展示了随着由图1的控制系统控制的增压器电动机从5000rpm加速到70000rpm的目标速度(在实际中，电动机只可以达到58000rpm的最大实际速度)，转矩设定点、电动机速度和电流的变化的曲线图。这样的操作所需的转矩通常在满负载曲线之上。因此，在提供电流的全时段(0-1.6秒)转矩设定点匹配最大转矩上限(对于所有速度为常数)。

当以这种方式运行，转矩将总是认为安全可能的最大值(即，在其之上存在损坏电动机的显著风险，并且在其上效率下降)。这意味着电流消耗也将总是认为安全可能的最大值。这种电流被消耗的不灵活性，以及因此产生的功率消耗是不可取的。例如，当电池在低电量下运行时，消耗大量功率是不可取的。此外，处于最高水平的长期电流仍然可能潜在地导致对增压器的一些损害。

已经提出了替代的控制系统。在这个替代布置(未图示)中，控制系统减少速度设定点(有效地逐步增加目标速度而不是把目标速度作为最终目标速度)。这缓和了转矩需求的忽然增大，因此避免忽然消耗大电流和长时间消耗。然而，功率以次优的方式使用，并且增压器倾向于有相对较慢的响应时间。

技术实现要素：

本发明旨在减轻或克服至少一些上述缺点。

根据本发明的第一方面，提供了一种控制电动增压器中的电动机的方法，此时所述电动机的速度从实际速度变化到目标速度，所述方法包括重复以下步骤：

(1)确定所述电动机的速度从所述实际速度朝向所述目标速度变化所需的输入变量的大小；

(2)在所需的所述输入变量上施加输入变量上限，从而建立输入变量设定点；

(3)依赖于所述输入变量设定点，向所述电动机提供电流；

其特征在于，所述输入变量上限的大小随所述电动机的速度而变化，所述输入变量上限的大小被预先确定为使得由所述电动机消耗的电流保持在预定阈值之下。

本发明认为输入变量上限行为(即，满负载曲线)可以设定为使得由电动机消耗的电流始终保持尽可能接近特定阈值。这通过随着电动机速度的变化改变输入变量上限的大小实现。因此可以定制满负载曲线以确保由电动机消耗的电流低于或处于预定量(阈值)，确保更可预见的功率消耗。相比于速度设定点是变化的前面建议的布置，本发明实现功率的更有效使用和更快的响应。

所述阈值优选地是恒定阈值。所述电动机可能具有所述电动机可以安全运行的最大转矩(例如，在该转矩之上，发现电动机的效率明显下降，并且电流开始接近潜在损坏水平)。所述阈值优选地处于小于认为安全可能的最大电流。所述阈值可能处于认为安全可能的最大电流的80％或更少。所述阈值可能处于认为安全可能的最大电流的60％或更少。所述预定阈值可能是预先选择的阈值。所述方法可能包括预先选择所述阈值的步骤。可能预先设计所述输入变量上限的大小的变化(以致由所述电动机消耗的电流保持在所述预定阈值之下)。所述方法可能包括预先设定所述输入变量上限的大小的变化。

原则上，所述控制系统可以布置为总是使用相同的(根据上述发明设计的)满负载曲线。例如，可以预见到所述电动机总是消耗特定的电流大小可能是有益的。然而，在本发明的优选实施例中，所述输入变量上限是基于从多个不同的输入变量上限行为中预先选择的输入变量上限行为。对于每个输入变量上限行为：所述输入变量上限的大小可能随所述电动机的速度的变化而变化，并且所述输入变量上限的大小的变化可能预先确定为使得由所述电动机消耗的电流保持在相应的预定阈值之下。

可能提供多个输入变量上限行为(即，满负载曲线)，每个满负载曲线均布置为确保在到达所述目标速度的过程中消耗的电流保持在相应的阈值之下。通过这种方式，可以根据情况(例如，可用功率、所需响应能力等)使用不同的满负载曲线。在产品开发和增压器测试的过程中可获得不同的满负载区域也被认为是很有用的，因为这使得增压器连通其他部件更易于测试(例如，汽车制造商可能希望尝试降低增压器的功率消耗以看看这种权衡在其他地方是否有益(例如，在电池寿命或从电池运行其他部件的能力))。

所述方法可能包括从所述多个输入变量上限行为中选择所述输入变量上限行为的步骤。因此，所述控制系统它自身可能选择所述输入变量上限行为。例如，所述控制系统可能接收来自所述发动机管理系统的输入，所述控制系统根据该输入确定选择哪个输入变量上限行为。

在本发明的其他实施例中，所述方法可能包括接收从所述多个输入变量上限行为中选择的所述输入变量上限行为的步骤。因此，所述控制系统可能提供有要使用的所述特定输入变量上限行为。例如，所述输入变量上限行为的选择可能发生在所述控制系统外面，并且选择的所述输入变量上限行为可能被所述控制系统接收。所述输入变量上限行为可能，例如，由用户选择(例如，如果用户希望在“运动”模式或“节能”模式中操作，那么可能选择带有相应的较高和较低电流阈值的输入变量上限行为)。所述输入上限行为可能，例如，由发动机管理系统选择(例如，如果发动机管理系统选择电量低的电池，那么它可能选择带有较低电流阈值的行为)。

本发明旨在提供更可预见的增压器电动机的功率消耗。这使得功率消耗能够被定制以适应特定环境。可能依赖于在电源中可获得的电量选择输入变量上限行为。所述电源优选为向所述电动机供电的电源。所述电压可能为，例如，电池或超级电容器。

在优选的实施例中，所述电动机为开关磁阻电动机。

所述输入变量优选为影响所述电动机的所述转矩的变量。所述输入变量可能影响所述电动机的所述转矩，但是不必单一地确定所述电动机的所述转矩。例如，在开关磁阻电动机中，所述转矩可能受开启角的影响比受关闭角、自由轮和PWM等其他变量的影响的程度大。相应地，所述输入变量可能是开启角。这样的布置将提供至少一种形式的电动机粗略控制，因为开启角的大小将近似地与转矩的大小成比例。然而，在本发明的优选实施例中，输入变量是转矩。这里所有提到的“输入变量”可能在本发明的优选实施例中被“转矩”替代。已经发现使用转矩作为输入变量是特别有益的，因为它使电动机的精准控制成为可能。例如，通过使用转矩作为输入变量，并且建立转矩设定点，许多不同的控制特性(例如，开启角、关闭角等)均可以被专门定制以实现转矩设定点。

可能向电动机提供电流的至少一个控制特征的值，该值从转矩设定点映射确定。对于转矩设定点和实际速度的每个值，所述转矩设定点映射通常包含所述控制特征的预定值。该值可能根据该映射直接获得。在一些实施例中，它可能内插在映射中的两个或两个以上相邻值之间。

所述电流的所述至少一个控制特征可能是开启角。可能根据多个相应的转矩设定点映射确定所述电流的多个控制特征的值(例如，关闭角、自由轮、脉冲宽度调制(PWM))。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于控制电动增压器中的电动机的控制系统，此时所述电动机的速度从实际速度变化到目标速度，所述系统包括：

存储模块，其包括输入变量上限行为；

处理器，其布置为应用所述输入变量上限行为以将输入变量上限施加到将所述电动机的速度从所述实际速度朝向所述目标速度变化所需的所述输入变量上；

其特征在于，在所述输入变量上限行为中的所述输入变量上限随所述电动机的速度的变化而变化，在输入变量映射中的变化预先确定为使得由所述电动机消耗的电流保持在阈值之下。

所述控制系统可能包括库，所述库包含多个不同输入变量上限行为。因此，所述控制系统可以根据需要访问多个不同输入变量上限行为。对于每个输入变量上限行为：所述输入变量上限的大小可能随所述电动机的速度的变化而变化，并且所述输入变量上限的大小的变化可能预先确定为使得由所述电动机消耗的电流保持在相应的预定阈值之下。

根据本发明的另一方面，提供了一种与这里的根据本发明的任意方面的控制系统相结合的电动增压器。所述增压器可能布置为向内燃发动机提供压缩进料。所述发动机优选地用在汽车中。所述发动机优选为相对较小排量发动机。所述发动机优选为4升或更小，更优选为3升或更小，并且还更优选为2升或更小。所述发动机可能在汽车中。所述汽车可能小于3.5公吨，并且更优选地小于2公吨。

根据本发明的另一方面，提供了一种用在电动增量器的控制系统中的输入变量上限行为的库，所述库包括多个不同输入变量上限行为。对于每个输入变量上限行为：所述输入变量上限的大小可能随着所述电动机的速度而变化，并且所述输入变量上限的大小的变化可能被预先确定为使得所述电动机消耗的电流保持在相应的预定阈值之下。所述输入变量优选是转矩。

所述输入上限行为可能根据经验确定。根据本发明的另一方面，提供了一种确定电动增压器中的电动机当速度从实际速度朝向目标速度变化时输入变量上限的变化的方法，所述方法包括步骤：

(1)测量第一输入变量上限的大小，所述第一输入变量上限可能为使得在第一速度增长过程中消耗的功率在阈值之下；以及

(2)为多个附加速度增长重复步骤(1)，

从而获得多个输入变量上限以建立输入变量上限行为，所述输入变量上限行为设计为使得对于至少所述第一速度增长和所述附加速度增长，由所述电动机消耗的电流保持在所述阈值之下。

例如，所述输入变量上限可能根据经验确定。所述第一速度增长和附加速度增长可能在所述实际速度和所述目标速度之间。所述输入变量上限行为内插在所述多个输入变量上限之间。可能为多个不同阈值重复所述方法，从而获得多个输入变量上限行为，每个输入变量上限行为设计为使得由所述电动机消耗的电流保持在相应的阈值之下。所述输入变量可能是转矩。

根据本发明的还有另一方面，提供了一种控制电动增压器中的电动机的方法，此时所述电动机的速度从实际速度变化到目标速度，所述方法包括步骤：

(1)确定所述电动机的速度从所述实际速度朝向所述目标速度变化所需的输入变量的大小；

(2)在所需的所述输入变量上施加输入变量上限，从而建立输入变量设定点；

(3)依赖于所述输入变量向所述电动机提供电流，以便生成所述输入变量设定点；

其特征在于，所述输入变量上限是基于从多个不同输入变量上限行为中选择的输入变量上限行为，所述多个输入变量上限中的每一个均设计为通过所述电动机实现不同功率消耗。通过具有从多个不同输入变量上限行为中选择的输入变量上限行为，每个输入变量上限行为均设计为实现不同功率消耗，可以根据情况(例如，可用功率、所需响应等)使用不同的输入变量上限行为。

根据本发明的还有另一方面，提供了这一种控制电动增压器中的电动机的控制系统，此时所述电动机的速度从实际速度变化到目标速度，所述系统包括：

存储器模块，其包括输入变量上限行为；

处理器，其布置为提供所述输入变量上限行为以在所述电动机的速度从所述实际速度朝向所述目标速度改变所需的所述输入变量上施加输入变量上限；

其特征在于，从多个不同输入变量上限行为中预先选择所述输入变量上限行为，所述多个输入变量上限行为中的每一个均设计为通过所述电动机实现不同功率消耗。

可以理解的是，关于本发明的一个方面所述的任意特征同样可以应用于本发明的任意其他方面。例如，关于根据本发明的第一方面的控制电动机的方法所述的任意特征同样可能应用于根据本发明的另一方面的控制电动机的方法。然而，在本发明的优选实施例中，所述输入变量是转矩。这里所有提到的“输入变量”可能被“转矩”替代。

附图说明

现在将通过举例的方式参照以下附图对本发明的实施例进行描述：

图1为展示了先前建议的控制系统的示意图；

图2展示了应用在图1的控制系统中的满负载曲线；

图3展示了在由图1的系统控制的增压器的使用过程中的转矩设定点、电流和电动机速度；

图4为展示了根据本发明的第一实施例的控制系统的示意图；

图5展示了应用在图4的控制系统中的其中一个满负载曲线；

图6展示了在由图4的系统控制的增压器的使用过程中的转矩设定点、电流和电动机速度。

具体实施方式

如本说明书的开篇所介绍，在图1所示的先前推荐的系统中，控制系统101将转矩需求与转矩上限进行比较。在图1的控制系统中的转矩上限在电动机的所有速度上是恒定的(标准化的转矩＝0.898)。在该转矩之上，电动机的效率显著降低，并且电流开始接近潜在损坏水平。因此不允许增压器在该转矩之上运行。因此，如果在任意时刻，在图1的控制系统中的转矩需求大于0.898，那么它将自动减少到0.898。

如图3所示，当电动机加速时，在提供电流的整个时间(0到1.6秒)转矩设定点匹配转矩上限。

当以这种方式运行，转矩将总是认为安全可能的最大值。这意味着消耗的电流也将是认为安全可能的最大值。电流使用的不灵活性，和由此产生的功率消耗是不可取的。例如，当电池在低电量下运行时，消耗大量功率是不可取的。

图4为根据本发明的第一方面的控制系统1的示意图。控制系统1类似于图1所示的控制系统，除了控制系统1包括库7，该库7包含三个不同转矩上限行为(满负载曲线)。此外，对于每个那些满负载曲线，转矩上限的大小随电动机的速度的变化而变化。这些新特征是特别有益的，这将从下面参照图5和6的描述明显看出。

图5展示了在库中的其中一个满负载曲线。相比于图2的满负载曲线，转矩上限的大小(纵轴)随着电动机速度(横纵)的变化而变化。该转矩上限相对它可能生成的最大转矩被标准化，因此，纵轴尺度从0到1。在单独的过程中依照经验确定转矩上限的变化。以下段落将描述该过程。

在测试台中，增压器以5000rpm重复地运行，并且朝向7000rpm加速。转矩上限的大小被逐渐减小，直到在第一速度增长(例如，5000到12000rpm)的过程中消耗的电流在阈值(在这种情况下为150Amp)之下。接着调整转矩上限的大小直达在第二速度增长(8000到175000rpm)过程中消耗的电流也在150Amp阈值之下。为其他速度增长(15000到25000rmp等)重复该过程，从而建立一系列转矩上限，每个转矩上限用于每个速度增长中的特定速度。这些上限如图5中的数据点所示。根据这些数据点之间的线性插值创建转矩上限行为。在测试的过程中，如果发现在特定的速度，电流超过150Amp阈值，那么围绕该速度测试附加速度增长，插入新的数据点。尽管使用相对基本的插值方法，这仍然确保了对于大多数速度(如果不是全部)转矩上限行为将电流保持在150Amp之下。

为电流阈值的两个其他大小重复上述过程。这些阈值中的每一个的满负载曲线为库7中的其他两个曲线。

具有多个满负载曲线，每个满负载曲线均设计为确保由电动机消耗的电流的不同阈值，产生一定优势：

首先，这意味着可以根据环境使用不同转矩上限行为。通过举例的方式，在图4的控制系统中，发动机管理系统(未图示)监视在车辆电池中可用功率，该车辆电池向增压器供电。如果检测到电池被充分充电(例如，80％或以上电量)，它告诉控制系统来选择与最高电流使用相对应的满负载曲线。这是因为发动机管理系统确认存在可用的足够的功率。相反，如果检测到电池在低电量下运行(例如，在50％电量之下)，它告诉控制系统来选择与最低电流使用相对应的满负载曲线。这是因为发动机管理系统已经确认它需要限制增压器的功率消耗来避免电池全力运行。

本系统的第二优势在于，它确保存在通过增压器的电流使用的可预测的大小。如果选择了基于150Amp的电流阈值的满负载曲线，那么发动机管理系统认识到将只消耗150Amp的最大电流。相反，在图1的系统中，消耗的电流将总是安全可能的最大值(在400Amp附近)，这在一些环境中可能是不可取的。

图6为展示了随着由图4的控制系统控制的增压器电动机从5000rpm加速到70000rpm的目标速度(实际中，电动机制可以达到48000rpm的最大时间速度)时(标准化的)转矩设定点、电动机速度和电流的变化。该控制系统使用图5所示的满负载曲线。

如图6所示，转矩需求限制为依照图5的满负载曲线的转矩设定点。因袭，电流快速达到150Amp的阈值，接着随着使电动机加速保持在这个值(为清楚起见，电流信号变平滑；实际上，存在来自该平滑的信号的一些噪声/变化)。由于电流阈值低于在图1的系统中经历的电流的大小，因此由电动机获得的最大速度被降低，并且响应能力稍微放缓。然而，通过电流使用的可预测性以及具有多个可获得的负载曲线的灵活性抵消了这些不利。

在本发明的进一步实施例(未图示)中，控制系统从多个不同满负载曲线中选择满负载曲线。然而，在本实施中，满负载曲线都是恒定的(独立于电动机速度)，但是每个满负载曲线均是恒定的不同大小。带有最高转矩上限的满负载曲线是电动机可以安全运行的转矩，并且存在设定在这个值80％和60％的两个其他负载曲线，从而确保每个负载曲线均具有较低功率消耗。不用特别地预先确定用这些满负载曲线消耗的电流(如在第一实施例中那样)，但是本实施例仍然可以预测功率消耗的近似水平，并且可以相应地选择满负载曲线的选择。

进一步的实施例(未图示)除了控制系统基于增压器的物理条件选择满负载曲线以外，其他与第一实施例相同。在本实施例中，使用带有最高电流阈值的满负载曲线，直到在增压器中的电子元件的可靠性变成临界的(例如，如果它们太热可能发生)。在这时(为了响应来自增压器的警报信号)，该控制系统选择更低阈值的满负载曲线。

虽然已经参照具体的实施例对本发明进行描述和说明，本领域技术人员将可以理解的是，本发明适用于这里没有具体说明的许多不同变化。在前面的描述中，提到的整体或元件是已经已知的、显而易见的或可预见的等同物，这些等同物与本文合为一体好像单独提出。应当参照权利要求确定本发明的正确范围，其应当作为任何这样的等同物被理解。读者还将可以理解的是，本发明的作为优选的、有利的等描述的整体或特征是可选的，并且不会限制独立权利要求的范围。