专利名称：使用可变频率切换管理处理器执行时间的方法和系统的制作方法
技术领域：
本公开的技术领域是电动机控制器，尤其涉及使用数字信号微处理器的间接场定向控制(indirect field-oriented control)。
背景技术：
混合和电气车辆使用变速电动机驱动器提供牵引功率。汽车牵引应用中的常规电动机控制包括使用数字信号微处理器的间接场定向控制。其中包含的无位置传感器的控制增加了对于该处理器计算电动机轴位置的额外要求。
在常规电动机控制装置中，在主功率变换器的每个切换周期期间，处理器必须估计轴位置并且计算脉宽调制(PWM)信号，将其应用到电动机以产生转矩。已经有各种方法可以估计轴位置。然而，大多数用于估计轴位置的方法都对电动机的转子转速敏感并且在高转子转速或低转子转速时最准确。典型地，同时使用低转子转速方法和高转子转速方法来获得准确的电动机控制装置。
遗憾的是，同时使用低转子转速方法和高转子转速方法会超出可靠的处理器的性能。当前的解决方案包括用双处理器或高速处理器来代替常规处理器。这些方案由于增加了电动机控制器的每个单元成本而不是理想的。因此，希望提供一种能够克服这些和其他缺点的方法和系统。
发明内容
本发明的一个方面提供一种管理电动机控制器中的处理器执行时间的方法，包括接收电动机速度数据，将该接收的电动机速度数据与预定的电动机速度范围相比较，基于该比较确定电动机速度范围，并且基于该确定的电动机速度范围调制电动机控制器处理器的变换器切换频率。
根据本发明的另一方面，一种存储计算机程序的计算机可读介质包括用于将接收的电动机速度数据与预定电动机速度范围比较的计算机可读代码；基于该比较确定电动机速度范围的计算机可读代码；基于该确定的电动机速度范围调制电动机控制器处理器的变换器切换频率的计算机可读代码。
根据本发明的另一方面，提供一种管理电动机控制器中的处理器执行时间的系统。该系统包括用于接收电动机速度数据的装置。另外该系统还包括将该接收的电动机速度数据与预定的电动机速度范围相比较的装置。提供基于该比较确定电动机速度范围的装置。还提供基于该确定的电动机速度范围调制电动机控制器处理器的变换器切换频率的装置。
根据以下对于优选实施例的详细说明，结合附图阅读，本发明的前述和其他特征和优点将会变得更加清楚。本发明的范围由所附的权利要求及其等效物限定，该详细说明和附图仅仅是举例说明本发明而非限制本发明。
图1是示出了根据本发明一个实施例的电动机驱动系统的框图；图2是示出了根据本发明另一实施例的电动机驱动控制器的框图；图3是示出了根据本发明一个实施例的变换器切换频率与电动机速度的曲线图；图4是示出了根据本发明一个实施例的使用变频切换来管理处理器执行时间的方法。
在本说明以及权利要求中，术语“连接”表示相连接的组件或设备之间的直接连接而没有任何中间设备。术语“耦合”表示相连接的组件或设备之间的直接连接，或者是通过一个或多个被动或主动中间设备而进行的间接连接。
具体实施例方式
图1是示出了包括电动机驱动控制器110和功率变换器150的电动机驱动系统100的框图。控制器110包括处理器120。电动机驱动系统100可以包括与本说明无关的其他部件。
电动机驱动控制器110是提供电动机控制功能的组合装置，例如电动机感测、速度估计、转子位置信息和电动机驱动控制。电动机驱动控制器110是能够提供电动机控制功能的任何适当的设备。典型地，电动机驱动控制器110包括微控制器、处理器、微控制器和处理器的组合、用于执行电动机控制功能的软件模块、和易失性或非易失性存储器。电动机驱动控制器110可以包括与本说明无关的其他部件。
处理器120产生应用到功率变换器150的脉宽调制控制信号。处理器120耦合到电动机驱动控制器110。处理器120包括控制输出终端(CTL1)。处理器120可以包括与本说明无关的其他部件和终端。处理器120能够以不同的时钟速率处理不同的算法，例如基于变换器切换频率。处理器120可以实施为任何合适的处理器或数字信号处理器，例如由Motorola，Inc.of Schaumburg，IL提供的40兆赫(MH)Black Oak处理器。
无传感器控制算法130是一种估计在高速和低速操作期间的转子位置的软件应用。无传感器控制算法130与处理器120通信。无传感器控制算法130包括反电动势(EMF)算法132和高频注射(HFI)算法135。无传感器控制算法130还包括未列出的用于估计转子位置的其他算法。在一个实施例中，无传感器控制算法130被设置在包含在处理器120中的存储器中。在另一实施例中，无传感器控制算法130被设置在位于电动机驱动控制器110电路中的其他位置的存储器中。无传感器控制算法130允许处理器120使用机器终端信息计算任何速度下的电动机轴位置，该机器终端信息例如是机器终端电压信息或机器终端电流信息。
反电动势(EMF)算法132是一种估计在高速操作期间的转子位置的软件应用。在一个实施例中，反EMF算法132被设置在包含在处理器120中的存储器中。在另一实施例中，反EMF算法132被设置在位于电动机驱动控制器110电路中的其他位置的存储器中。反EMF算法132允许处理器120使用机器终端信息计算高速时的电动机轴位置，该机器终端信息例如是机器终端电压信息或机器终端电流信息。使用反EMF计算高速时的电动机轴位置的技术是本领域所公知的，在此不再进一步讨论。
高频注射(HFI)算法135是一种估计在低速操作期间的转子位置的软件应用。在一个实施例中，HFI算法135被设置在包含在处理器120中的存储器中。在另一实施例中，HFI算法135被设置在位于电动机驱动控制器110电路中的其他位置的存储器中。HFI算法135允许处理器120使用机器终端信息计算低速时的电动机轴位置，该机器终端信息例如是机器终端电压信息或机器终端电流信息。使用HFI计算低速时的电动机轴位置的技术是本领域所公知的，在此不再进一步讨论。
处理器控制算法140是一种提供一组指令以使得处理器120与各种硬件设备对接以及控制处理器120内的内部处理的软件应用。处理器控制算法140由处理器120执行。处理器控制算法140为处理器120提供变换器切换频率以确定处理器120的处理器执行时间。在一个实施例中，处理器控制算法140被设置在包含在处理器120中的存储器中。在另一实施例中，处理器控制算法140被设置在位于电动机驱动控制器110电路中的其他位置的存储器中。在以下图2所述的另一实施例中，处理器控制算法140被设置在电动机驱动系统100内的其他位置。处理器控制算法140可以实施为独立算法或作为大型算法的一部分，例如作为基本输入/输出系统(BIOS)的一部分或者作为操作系统(OS)的一部分。在一个实施例中，处理器控制算法140修改处理器120中断其他处理以处理与无传感器控制算法130相关的指令的速率。
功率变换器150包括控制输入终端(CTL2)。在一个实施例中，功率变换器150的控制输入终端(CTL2)被耦合到处理器120的控制输出终端(CTL1)。功率变换器150与处理器120通信。在另一实施例中，功率变换器150的控制输入终端(CTL2)耦合到电动机驱动控制器110，并且功率变换器150通过电动机驱动控制器110与处理器120通信。功率变换器150可以包括与本说明无关的其他组件或终端。功率变换器150基于从处理器120接收的脉宽调制控制信号向该电动机(未示出)提供脉宽调制(PWM)功率信号。
在运行中，处理器120接收机器终端信息并使用无传感器控制算法基于转子位置估计而计算电动机轴位置。转子位置估计提供了一种用于确定电动机速度的方式。在高速运行期间(例如电动机速度在6000转/分钟以上)，使用反电动势(EMF)算法132进行转子位置估计。在低速运行期间(例如电动机速度在3000转/分钟以下)，除了EMF算法132之外还使用高频注射(HFI)算法135进行转子位置估计。当在低速进行转子位置估计时，处理器120指令处理器控制算法140通过减少提供给处理器120的变换器切换频率而增加处理器执行时间。在低速运行和高速运行之间的过渡期间(例如在3000转/分钟和6000转/分钟的电动机速度之间)，也是除了EMF算法132之外还使用高频注射(HFI)算法135进行转子位置估计。当在该过渡区域内进行转子位置估计时，处理器120指令处理器控制算法140通过减少/增加提供给处理器120的变换器切换频率而增加/减少处理器执行时间以获得可变的处理器执行时间。以下在图3中详细示出了处理器执行时间的确定。
返回到更高的电动机速度导致返回到使用反EMF算法132估计转子位置而禁用HFI算法135。当在高速进行转子位置估计时，处理器120指令处理器控制算法140通过增加提供给处理器120的变换器切换频率而减少处理器执行时间。可以通过系统考虑包括功率损失、可听噪声和峰值波纹电流(peak ripple current)来改变切换频率的选择。
图2是示出了包括电动机驱动控制器110、功率变换器150和微处理器225的电动机驱动系统200的框图。控制器210包括处理器220。处理器220包括无传感器控制算法130。无传感器控制算法130包括反电动势(EMF)算法132和高频注射算法135。微处理器225包括处理器控制算法240。与图1中的名称和数字相同的部件如上所述一样工作。电动机驱动系统200可以包括与本说明无关的其他部件。
处理器220还包括控制输出终端(CTL1)、通信输出终端(COM1)和时钟输入终端(CLK1)。在另一实施例中，通过单个信号输入/输出终端执行处理器220的通信输出终端(COM1)和时钟输入终端(CLK1)的功能。处理器220可以包括与本说明无关的其他部件或终端。处理器220能够以不同的时钟速率处理不同算法，例如基于变换器切换频率。处理器220可以实施为任何适当的处理器，例如Motorola，Inc.of Schaumburg，IL提供的40兆赫(MH)Black Oak处理器。
微处理器225还包括通信输入终端(COM2)和时钟输出终端(CLK2)。在另一实施例中，通过单个信号输入/输出终端执行微处理器225的通信输入终端(COM2)和时钟输出终端(CLK2)的功能。处理器220的通信输出终端(COM1)耦合到微处理器225的通信输入终端(COM2)，而处理器220的时钟输入终端(CLK1)耦合到微处理器225的时钟输出终端(CLK2)。微处理器225可以包括与本说明无关的其他部件或终端。微处理器225可以实施为任何适当的微处理器。
处理器控制算法240是一种提供一组指令以使得微处理器225与各种硬件设备对接的软件应用。处理器控制算法240与处理器220通信并且为处理器220提供变换器切换频率以确定处理器220的处理器执行时间。在一个实施例中，处理器控制算法240被设置在包含在微处理器225中的存储器中。处理器控制算法240可以实施为独立算法或作为大型算法的一部分，例如作为基本输入/输出系统(BIOS)的一部分或者作为操作系统(OS)的一部分。
在运行中，处理器220接收机器终端信息并使用无传感器控制算法130基于转子位置估计而计算电动机轴位置。转子位置估计提供了一种用于确定电动机速度的方式。在高速运行期间，使用反电动势(EMF)算法132进行转子位置估计。在低速运行期间，除了EMF算法132之外还使用高频注射(HFI)算法135进行转子位置估计。当在低速进行转子位置估计时，处理器220指令处理器控制算法240通过减少提供给处理器220的变换器切换频率而增加处理器220的处理器执行时间。
返回到更高的电动机速度导致返回到使用反EMF算法132估计转子位置而禁用HFI算法135。当在高速进行转子位置估计时，处理器220指令微处理器225中的处理器控制算法240通过增加提供给处理器220的变换器切换频率而减少处理器220的处理器执行时间。在一个实施例中，可以通过系统考虑包括功率损失、可听噪声和峰值波纹电流等来确定切换频率的选择。
图3是示出了变换器切换频率与电动机速度的曲线图。在图3中，x轴代表电动机绝对速度，y轴代表变换器切换频率。在一个实施例中，参照上面的图1和2，y轴代表由处理器控制算法(140，240)使用无传感器控制算法130基于电动机速度确定而供给到处理器(120，130)的变换器切换频率。
图3还包括为了示例性目的提供的电动机速度(S1和S2)和相关的变换器切换频率(Freq1和Freq2)。电动机速度(S1和S2)限定三个区域。在一个实施例中，一个区域被限定为包括小于电动机速度S1的电动机速度。第二个区域被限定为包括存在于电动机速度(S1和S2)之间的电动机速度。第三个区域被限定为包括大于电动机速度S2的电动机速度。在本实施例中，每个电动机速度区域具有与其相关的对应的频率或频率范围。在其他实施例中，该曲线图可以在一个或多个区域中包括非线性部分，例如在包括存在于电动机速度(S1和S2)之间的电动机速度的第二个区域中。
在一个例子中，对于超出电动机速度S2(例如6000转/分钟)的电动机速度，为处理器提供变换器切换频率Freq2。对于小于电动机速度S1(例如3000转/分钟)的电动机速度，为处理器提供变换器切换频率Freq1。当该确定的电动机速度在电动机速度(S1和S2)之间限定的区域中时，基于电动机速度(S1和S2)之间的线的斜率为处理器提供可变的变换器切换频率。在一个实施例中，该线的斜率定义为Freq＝{[(S-S1)/(S2-S1)]*Freq1}+Freq1其中S是电动机速度(S1和S2)之间的电动机速度。
参照以上的图1和2，在运行中，当处理器接收机器终端信息并使用例如反电动势(EMF)算法确定电动机速度超过电动机速度S2时，将变换器切换频率Freq2提供给处理器。在一个例子中，当处理器确定电动机速度超过电动机速度S2时，将10千赫(KHz)的变换器切换频率提供给处理器。当使用同步脉宽调制(PWM)时，该10kHz的变换器切换频率允许处理器在100微秒(μS)内完成全部计算。
当处理器接收机器终端信息并使用例如反电动势(EMF)算法确定电动机速度小于电动机速度S1时，将变换器切换频率Freq1提供给处理器。在一个例子中，当处理器确定电动机速度小于电动机速度S1时，将5千赫(KHz)的变换器切换频率提供给处理器。当使用同步脉宽调制(PWM)时，该5kHz的变换器切换频率允许处理器在200微秒(μS)内完成全部计算。额外的处理时间允许处理器执行两种算法(反EMF和HFI)。
当处理器接收机器终端信息并确定电动机速度在电动机速度(S1和S2)之间限定的区域中时，停用HFI算法，并且基于电动机速度(S1和S2)之间的线的斜率来确定变换器切换频率。在一个例子中，当处理器确定电动机速度在电动机速度(S1和S2)之间限定的区域中时，停用HFI算法，并且将5KHz和10KHz之间的变换器切换频率提供给处理器。
图4是显示根据本发明的计算机可读介质上的代码的示范性实施例的流程图。图4详细示出了使用变频切换来管理处理器执行时间的方法400。方法400可以使用以上在图1-3中示出了一个或多个原理。
方法400从模块410开始。在模块420，接收电动机速度数据。在一个实施例中，处理器接收机器终端信息并基于该机器终端信息确定电动机速度数据。在一个例子中，处理器120接收机器终端电流或机器终端电压并基于该接收的机器终端信息确定电动机速度数据。在另一实施例中，处理器接收机器终端信息并使用反电动势(EMF)方法或EMF方法和高频注射方法的组合来处理该电动机速度数据。
在模块430，将该接收的电动机速度数据与预定的电动机速度范围进行比较。在一个实施例中，通过特定的电动机速度限定该预定的电动机速度范围。在一个例子中，该电动机速度是制造商确定的电动机速度。在本例子中，该电动机速度范围是制造商确定的电动机速度范围。在模块440，基于模块430中的比较确定包含该电动机速度数据的电动机速度范围。在一个实施例中，如上面图3中所述地确定该电动机速度范围。
在模块450，基于模块440确定的电动机速度范围调制变换器切换频率。在一个实施例中，通过基于该确定的电动机速度范围确定修改的变换器切换频率值和将该修改的变换器切换频率值提供给处理器控制算法来调制该变换器切换频率。在本实施例中，处理器控制算法基于该修改的变换器切换频率值修改该变换器切换频率。该处理器控制算法可以实施为操作系统或BIOS。
参照图3，在一个例子中，调制该处理器的变换器切换频率包括当该接收的电动机速度数据处于第一电动机速度范围内时指定第一变换器切换频率，当该接收的电动机速度数据处于第二电动机速度范围内时提供可变的变换器切换频率，和当该接收的电动机速度数据处于第二电动机速度范围内时提供第二变换器切换频率。确定该变换器切换频率还可以包括系统考虑，例如功率损失、可听噪声、峰值波纹电流等。以上方法允许使用低成本的处理器并且可以提供其他软件特征的增长。
上述用于管理电动机控制器中的处理器执行时间的系统和方法是一种示例的系统和方法。该用于管理电动机控制器中的处理器执行时间的系统和方法示出了一种用于管理电动机控制器中的处理器执行时间的可能的方法。实际的实施方式可以与所讨论的部件不同。而且，本领域普通技术人员可以对于本发明做出各种其他改进和修改，并且那些改进和修改将落在如以下权利要求所给出的本发明的范围内。
本发明可以以其他特定形式实施而不脱离它的关键特征。所述实施例无论从哪方面来看都只是示例性而非限制性的。
权利要求
1.一种管理电动机控制器中的处理器执行时间的方法，该方法包括接收电动机速度数据；将该接收的电动机速度数据与预定的电动机速度范围相比较；基于该比较确定电动机速度范围；和基于该确定的电动机速度范围调制电动机控制器处理器的变换器切换频率。
2.如权利要求1所述的方法，其中接收电动机速度数据包括接收机器终端信息；处理该接收的机器终端信息；和基于该处理的机器终端信息确定电动机速度数据。
3.如权利要求2所述的方法，其中该机器终端信息从一个组中选择，该组包括机器终端电流和机器终端电压。
4.如权利要求2所述的方法，其中处理该接收的信息使用从一个组中选择的方法，该组包括反电动势方法和高频注射方法。
5.如权利要求1所述的方法，其中该预定的电动机速度范围是制造商确定的电动机速度范围。
6.如权利要求1所述的方法，其中调制该电动机控制器处理器的变换器切换频率包括基于该预定的电动机速度范围确定修改的变换器切换频率值；和将该修改的变换器切换频率值提供给处理器控制算法；其中该处理器控制算法基于该修改的变换器切换频率值修改该变换器切换频率。
7.如权利要求6所述的方法，其中该处理器控制算法从一个组中选择，该组包括操作系统和BIOS。
8.如权利要求6所述的方法，进一步包括当该接收的电动机速度数据处于第一电动机速度范围内时提供第一变换器切换频率；当该接收的电动机速度数据处于第二电动机速度范围内时提供可变的变换器切换频率；和当该接收的电动机速度数据处于第二电动机速度范围内时提供第二变换器切换频率。
9.一种存储计算机程序的计算机可读介质，包括用于将该接收的电动机速度数据与预定的电动机速度范围相比较的计算机可读代码；基于该比较确定电动机速度范围的计算机可读代码；和基于该确定的电动机速度范围调制电动机控制器处理器的变换器切换频率的计算机可读代码。
10.如权利要求9所述的计算机可读介质，其中该用于接收电动机速度数据的计算机可读代码包括用于处理该接收的机器终端信息的计算机可读代码；和基于该处理的信息确定电动机速度数据的计算机可读代码。
11.如权利要求10所述的计算机可读介质，其中该机器终端信息从一个组中选择，该组包括机器终端电流和机器终端电压。
12.如权利要求10所述的计算机可读介质，其中用于处理该接收的信息的计算机可读代码使用从一个组中选择的方法，该组包括反电动势方法和高频注射方法。
13.如权利要求9所述的计算机可读介质，其中该预定的电动机速度范围是制造商确定的电动机速度范围。
14.如权利要求9所述的计算机可读介质，其中调制该电动机控制器处理器的变换器切换频率的计算机可读代码包括基于该预定的电动机速度范围确定修改的变换器切换频率值的计算机可读代码；和将该修改的变换器切换频率值提供给处理器控制算法的计算机可读代码；其中该处理器控制算法基于该修改的变换器切换频率值修改该变换器切换频率。
15.如权利要求14所述的计算机可读介质，其中该处理器控制算法从一个组中选择，该组包括操作系统和BIOS。
16.如权利要求14所述的计算机可读介质，进一步包括当该接收的电动机速度数据处于第一电动机速度范围内时提供第一变换器切换频率的计算机可读代码；当该接收的电动机速度数据处于第二电动机速度范围内时提供可变的变换器切换频率的计算机可读代码；和当该接收的电动机速度数据处于第二电动机速度范围内时提供第二变换器切换频率的计算机可读代码。
17.一种管理电动机控制器中的处理器执行时间的系统，该系统包括用于接收电动机速度数据的装置；用于将该接收的电动机速度数据与预定的电动机速度范围相比较的装置；基于该比较确定电动机速度范围的装置；和基于该确定的电动机速度范围调制电动机控制器处理器的变换器切换频率的装置。
全文摘要
本发明包括一种用于管理电动机控制器中的处理器执行时间的方法。该方法包括接收电动机速度数据，将该接收的电动机速度数据与预定的电动机速度范围相比较，基于该比较确定电动机速度范围，和基于该电动机速度范围调制电动机控制器处理器的变换器切换频率。该接收电动机速度数据的步骤可以包括接收机器终端信息，使用无传感器控制算法处理该接收的机器终端信息，和基于该处理的信息确定电动机速度数据。该调制变换器切换频率的步骤可以包括，基于该预定的电动机速度范围确定修改的变换器切换频率值，和将该修改的变换器切换频率值提供给处理器控制算法。在一个实施例中，该处理器控制算法基于该修改的变换器切换频率值修改该变换器切换频率。
文档编号H02P27/04GK1898858SQ200580001043
公开日2007年1月17日 申请日期2005年2月17日 优先权日2005年2月17日
发明者J·M·马加施马, T·奥米拉, N·帕特尔, S·舒尔茨 申请人:通用汽车公司