用于控制多相电磁机的方法和系统的制作方法

用于控制多相电磁机的方法和系统的制作方法
【专利摘要】可以通过控制多相电磁机的一个或多个相中的电流来控制所述多相电磁机。可以使用控制系统来确定向每个相递送多少电流或从每个相提取多少电流。控制系统可以使用服从于一个或多个约束的目标函数来确定电流。控制系统可以使用位置信息来确定目标函数、约束或者这两者。
【专利说明】用于控制多相电磁机的方法和系统

【技术领域】
[0001] 本公开涉及多相电磁机的控制方面。

【背景技术】
[0002] 诸如电动机和发电机的电磁机例如可以包括定子和被配置为相对于定子运动的 平移器（translator)。电磁机可以包括被配置为提供定子和平移器之间的功相互作用的一 个或多个相。典型的例子包括装置中所包含的单相旋转感应电动机和用作电动机（motor)/ 发电机（generator)发电设备（gen-sets)的三相同步电动机。


【发明内容】

[0003] -种用于控制多相电磁机的可由控制系统实现的技术，可以包括确定多相电磁机 的平移器和定子之间的所期望的电磁力。平移器可以被配置为相对于定子平移。定子可以 包括形成多个相的多个绕组。该技术还可以包括至少部分地基于所期望的电磁力并且至少 部分地基于至少一个目标函数和至少一个约束来确定施加到至少一个相的一组电流值。
[0004] 一种用于控制多相电磁机的可由控制系统实现的技术，可以包括使用传感器确定 平移器相对于定子的位置信息。该技术可以包括至少部分地基于位置信息来确定电磁机的 平移器和定子之间的所期望的电磁力。该技术可以包括选择至少一个目标函数、选择至少 一个约束、以及至少部分地基于所述至少一个目标函数和所述至少一个约束来确定一组电 流值。

【专利附图】

【附图说明】
[0005] 在考虑了下面结合附图的详细说明后，本公开的上述和其他特征、其性质和各种 优点将变得更加明晰，其中：
[0006] 图1示出了根据本公开的一些实施例的说明性的线性电磁机（LEM)的截面图；
[0007] 图2示出了根据本公开的一些实施例的说明性的旋转电磁机的截面图；
[0008] 图3示出了根据本公开的一些实施例的具有铁芯、绕组和永磁体的说明性LEM的 局部截面图；
[0009] 图4示出了根据本公开的一些实施例的说明性LHM的截面图；
[0010] 图5是根据本公开的一些实施例的用于控制电磁机的说明性控制系统的框图；
[0011] 图6是根据本公开的一些实施例的对应于电磁机和电力子系统的说明性的等效 电路的不意图；
[0012] 图7是根据本公开的一些实施例的对应于具有虚拟相（virtual phase)的电磁机 和电力子系统的说明性等效电路的示意图；
[0013] 图8示出了根据本公开的一些实施例的用于线性电磁机的说明性的电流调度；
[0014] 图9示出了根据本公开的一些实施例的速度曲线和三个说明性的期望的力曲线；
[0015] 图10是根据本公开的一些实施例的用于确定力常数值的说明性步骤的流程图；
[0016] 图11是根据本公开的一些实施例的用于确定电流值的说明性步骤的流程图；
[0017] 图12是根据本公开的一些实施例的用于当相是不期望或不可用的时确定电流值 的说明性步骤的流程图；
[0018] 图13是根据本公开的一些实施例的用于基于代价函数和一个或多个约束来确定 一组电流值的说明性步骤的流程图；
[0019] 图14是根据本公开的一些实施例的用于选择目标函数的说明性步骤的流程图；
[0020] 图15是根据本公开的一些实施例的用于选择约束的说明性步骤的流程图；
[0021] 图16是根据本公开的一些实施例的用于基于目标函数和一个或多个约束来确定 一组新的电流值的说明性步骤的流程图；
[0022] 图17是根据本公开的一些实施例的用于控制多相电磁机的说明性模块的框图； 和
[0023] 图18是根据本公开的一些实施例的包括说明性的多相电磁机的说明性活塞引擎 的截面图。

【具体实施方式】
[0024] 本公开针对多相电磁机的控制方面。可以理解，本公开可以应用于任何合适的旋 转或线性多相电磁机。
[0025] [多相电磁机]
[0026] 电磁机可以包括定子和平移单元（例如平移器或转子），被配置为使它们的相对 运动和电磁活动联系起来。平移单元相对于定子的移动可以由电磁活动驱动（例如在电动 机中），或者可以用于生成电磁活动（例如在发电机中）。给定的电磁机可以能够作为电动 机、作为发电机或作为两者来操作，这取决于环境和所期望的功用。
[0027] 图1示出了根据本公开的一些实施例的说明性线性电磁机（LEM) 100的截面图。 LEM 100包括定子110和平移器120,平移器120被配置为相对于定子110运动（即平移）， 如图1中的双尖移动箭头所示。LEM 100可以包括感应LEM、永磁体LEM(例如同步LEM)、开 关磁阻LEM、任何其他合适类型的LEM、或它们的任何组合。定子110包括N个相，其中每个 相可以包括用于生成磁场的导电绕组。在一些实施例中，控制系统（图1中未示出）可以 用于提供电流、-、给每个相的绕组（例如，使用合适的电力子系统），如图1所示，以生成 可控制的磁场，该可控制的磁场可以与平移器120相互作用（例如，相对于定子110平移该 平移器120)。在一些实施例中，控制系统可以用于在平移器120被相对于定子110平移以 在定子110的一个或多相中生成电动势（emf)时，从每个相的绕组提取电流ii_i N(即，作为 电功），如图1所示。平移器120可以包括一个或多个永磁体（例如，用于永磁体LEM)、一 个或多个导电结构（例如，用于感应LEM)、绕组、任何其他合适的组件、或它们的任何组合。 平移器120可以耦合到连接机构（linkage)(诸如连接机构122)，以传送功到另一组件（未 示出）。例如，连接机构122可以包括活塞杆或其他连接机构以提供机械功（例如，用于压 缩机、风扇、引擎、或任何其他合适的机器）。虽然定子在图1的上下文中被描述为包括绕 组，但是在一些实施例中，定子可以包括永磁体或其他组件（例如，用于与感应机一起使用 的导电组装件），并且平移器可以包括对应于多个相的多个绕组。本公开可以被实现用于具 有四个或更多个相的定子和平移器的任何合适的布置。在一些实施例中，这四个或更多个 相可以包括能够在定子和平移器之间生成电动势的四个相。在一些实施例中，这四个或更 多个相可以包括能够在定子和平移器之间生成电动势的三个相、以及一个或多个虚拟相， 所述一个或多个虚拟相可以承载电流，但在任何相对位置处都不被配置为在定子和平移器 之间生成任何明显的（substantial)电动势。
[0028] 在一些实施例中，传感器124可以耦合到LEM 100,集成为LEM100的一部分，或者 以其他方式与LEM 100通信。传感器124可以被配置为感测平移器120相对于定子110或 固定参照系的位置信息。例如，传感器124可以包括线性编码器（linear encoder)，诸如光 编码器、磁编码器、感应编码器、电容编码器、基于图像的编码器、任何其他合适的编码器、 或它们的任何组合。在另一个例子中，传感器124可以包括加接到平移器120、连接机构122 或两者的加速计。位置信息可以包括例如绝对或相对位置、线速度、线加速度、角度、角速 度、角加速度、任何其他合适的绝对或相对的位置信息，或者它们的任何组合。在一些实施 例中，取决于平移器120的位置信息，LEM 100的N个相中的一个或多个相可以不必定表现 出与平移器120明显的电磁相互作用。相应地，控制系统可以基于位置信息来控制LEM 100 的N个相中的一个或多个相中的电流，该电流可以为正或负的（S卩，可在任一方向流动）。 将会理解，虽然在这里将讨论定子为固定的，但是定子可以相对于固定的惯性参照系运动， 并且主要感兴趣的是定子和对应的平移器之间的相对移动。
[0029] 图2示出了根据本公开的一些实施例的说明性的旋转电磁机（REM) 200的截面图。 REM 200包括定子210和转子220,转子220被配置为相对于定子210运动（即旋转），如图 1中的双尖移动箭头所示。REM 200可以包括感应REM、永磁体REM(例如，同步REM)、开关 磁阻REM、任何其他合适类型的REM，或者它们的任何组合。定子210包括N个相，其中每个 相可以包括用于生成磁场的导电绕组。在一些实施例中，控制系统（图2中未示出）可以 用于提供电流、-、给每个相的绕组（例如，使用合适的电力子系统），如图2所示，以生成 可控制的磁场，该可控制的磁场可以与平移器220相互作用（例如，相对于定子210旋转转 子220)。在一些实施例中，控制系统可以用于在转子220相对于定子210平移以在定子210 的一个或多个相中生成电动势（emf)时，从每个相的绕组提取电流i riN(g卩，作为电功）， 如图2所示。转子220可以包括一个或多个永磁体（例如，用于永磁体LEM)、一个或多个导 电结构（例如，用于感应LEM)、绕组、任何其他合适的组件，或者它们的任何组合。转子220 可以耦合到连接机构（诸如连接机构222)，以传送功到另一组件（未示出）。例如，连接机 构222可以包括可旋转的轴或其他连接机构来提供机械功（例如，用于压缩机、风扇、引擎、 或任何其他合适的机器）。
[0030] 在一些实施例中，传感器124可以耦合到REM 200,集成为REM200的一部分，或者 以其他方式与REM 200通信。传感器224可以被配置为感测转子220相对于定子210或固 定参照系的位置信息。例如，传感器224可以包括旋转编码器，诸如光编码器、磁编码器、感 应编码器、电容编码器、基于图像的编码器、任何其他合适的编码器，或者它们的任何组合。 在另一个例子中，传感器224可以包括加接到转子220、连接机构222或两者的加速计。位 置信息可以包括例如绝对或相对位置、线速度、线加速度、角度、角速度（例如或者角频率 (诸如rpm))、角加速度、任何其他合适的绝对或相对的位置信息,或者它们的任何组合。控 制系统可以基于位置信息来控制REM 200的N个相中的一个或多个相中的电流，该电流可 以为正或负的（即，可在任一方向流动）。
[0031] 图3示出了根据本公开的一些实施例的具有铁芯、绕组和永磁体（在第一位置处） 的说明性LEM 300的局部截面图。LEM 300具有中心轴线350,平移器360可以被配置为沿 着中心轴线350运动。尽管LEM被示出为基本是圆柱形，但是LEM可以是平的（S卩，在平行 平面中层叠），具有任何其他二维或三维的布置或者它们的任何组合。LEM 300可以包括具 有至少相310、320和330的定子302。相310可以包括铁芯312、314和316,它们以轴线 350为中心并环绕轴线350在圆周上延伸。相320可以包括铁芯322、324和326,它们以轴 线350为中心并环绕轴线350在圆周上延伸。相330可以包括铁芯332、334和336,它们 以轴线350为中心并环绕轴线350在圆周上延伸。铁芯312轴向地（axially)定位在绕组 311和313之间。铁芯314轴向地定位在绕组313和315之间。铁芯316轴向地定位在绕 组315和317之间。铁芯322轴向地定位在绕组317和319之间。铁芯324轴向地定位在 绕组319和321之间。铁芯326轴向地定位在绕组321和323之间。铁芯332轴向地定位 在绕组323和325之间。铁芯334轴向地定位在绕组325和327之间。铁芯336轴向地定 位在绕组 27 和 329 之间。绕组 311、313、315、317、319、321、323、325、327 和 329( S卩，连同 将被称为"定子302的绕组"的定子302的任何其他合适的绕组）中的每一个可以包括一 组或多组的导电材料（例如绝缘金属线）的绕组，它们可以以绕轴线350的任何合适的取 向（例如绕轴线350顺时针或逆时针）而串行连接（wired)、并行连接、或独立连接。定子 302的铁芯和绕组可以用于生成磁场，使得在平移器360上产生净电磁力。净电磁力可以取 向在基本平行于轴线350的方向上。相应地，关于REM(图3中未示出），定子的铁芯和绕组 可用于生成磁场，使得在平移器上产生绕中心轴线的净扭矩。尽管在图3中未示出，但是根 据本公开可以理解，定子并不需要包括绕组。例如，在一些实施例中，定子可以包括多个永 磁体，对应的平移器可以包括对应于四个或更多个相的绕组。在另一个例子中，在一些实施 例中，定子可以包括多个永磁体，对应的平移器可以包括对应于三个或更多个相的绕组，并 且对应的控制系统可以实现一个或多个虚拟相。
[0032] 如图3所示，平移器360包括轴向（相对于轴线350)布置的多个永磁体的 Hallbach排列，其中平移器360内的箭头说明性地表示磁体的极性（例如，每个箭头的尾部 对应于南磁极，每个箭头的尖部对应于北磁极）。将会理解，图3的Hallbach排列是说明性 的例子，平移器或转子可以包括任何合适布置的永磁体，或者可以不包括永磁体（例如，感 应电磁机）。当平移器360沿着轴线350相对于定子302运动时，可以向一个或多个相310、 320、330的绕组提供电流或从其提取电流。图4示出了根据本公开的一些实施例的图3所 示的说明性LEM 300的截面图，其中平移器360在相对于定子302的第二位置处。在一些 实施例中，取决于平移器360相对于定子302的位置信息，定子302的仅一些相需要具有明 显非零的电流流动。在一些实施例中，取决于平移器360相对于定子302的位置信息，定子 302的一个或多个相可以具有相对较小的电流流动。
[0033] 图4示出了根据本公开的一些实施例的说明性LEM 400的截面图。如图4所示， LEM 400 包括具有相 420、422、424、426、428、430、432、434、436、438、440、442、444、446 和 448的定子450 (即，说明性LEM 400是十五相电磁机）。如图4所示，刚性耦合到杆462的 平移器460能够基本在图4所示的双尖箭头的方向上运动。例如，平移器460位于位置 Xl 并运动到位置x2，如虚线所示。在位置Xl处，可以预期平移器460具有与相428、430和432 的明显的电磁相互作用，与相426相对较弱的电磁相互作用，以及与其他相的相对更弱的 电磁相互作用。在平移器460相对于定子450运动时，平移器460和每个相之间预期的电 磁相互作用可以改变。在一些实施例中，每个相所承载的电流可以被限制在总和为零。在 一些这样的实施例中，来自与平移器460具有最强的电磁相互作用的相的任何非零电流和 可以分布到与平移器460不具有明显的电磁相互作用的相。
[0034] [控制系统]
[0035] 控制系统可以用于基于所期望的性能来控制电磁机的移动、力、功、任何其他方 面，或它们的任何组合。当电磁机的相的数目增加时，例如增加到多于三个的相，协调每个 相中的电流可以变得具有挑战性。因此，可以期望用于控制多相电磁机的技术来减小系统 损耗，提高系统效率，并减轻系统失效。
[0036] 在一些实施例中，控制系统可以接收来自一个或多个传感器、用户输入、参考数据 库、任何其他来源、或它们的任何组合的信息，并确定对应的控制响应。例如，控制系统可以 接收与电磁机的平移器和定子有关的位置信息、连同来自数据库的期望的力的信息，并确 定用于电磁机的一个或多个绕组相的电流值。在一些实施例中，控制系统可以控制多相电 磁机的每个相中的电流。在一些实施例中，控制系统可以基于位置信息、通量信息、任何其 他合适的信息、或它们的任何组合来控制每个相中的电流。控制系统可以控制每个相中电 流的大小、每个相中电流流动的方向、或者以上量者。
[0037] 图5是根据本公开的一些实施例的用于控制多相电磁机550的说明性控制系统 500的框图。多相电磁机550可以包括对应于多个相的多个绕组。例如，多相电磁机可以包 括具有十个相的定子，这十个相可以与平移器电磁地相互作用（例如，以施加力到平移器、 从平移器的相对移动生成电流、或者以上两者）。每个绕组中的电流流动可以通过控制系统 500控制，并且可以使用电力子系统512来提供/接收。
[0038] 控制系统500可以包括处理装备502、存储器504、一个或多个通信接口 506、一个 或多个用户接口 508、传感器接口 510、电力子系统512、未示出的任何其他合适的组件或模 块，或者它们的任何组合。控制系统500可以至少部分地实现在一个或多个计算机、终端、 控制台、手持式设备、模块、任何其他合适的接口设备，或者它们的任何组合。在一些实施例 中，控制系统500的组件可以通过通信总线514通信地耦合，如图5所示。
[0039] 处理装备502可以包括处理器（例如，中央处理单元）、高速缓冲存储器、随机存 取存储器（RAM)、只读存储器（ROM)、任何其他合适的组件，或者它们的可以处理关于多相 电磁机550的信息的任何组合。存储器504可以包括任何合适的易失性存储器或非易失性 存储器，它们可以包括例如随机存取存储器（RAM)、只读存储器（ROM)、闪速存储器、硬盘、 任何其他合适的存储器，或者它们的任何组合。存储在存储器504中的信息可由处理装备 502经由通信总线514来访问。例如，存储在存储器504中的计算机可读程序指令（例如， 用于实现此处所公开的技术的）可以由处理装备502访问和执行。在一些实施例中，存储 器504可以包括用于存储计算机可执行指令的非暂态计算机可读介质，所述指令使得处理 装备502(例如，合适的计算系统的处理装备）执行用于控制多相电磁机的方法。例如，存 储器504可以包括用于实现在此描述的任何控制技术的计算机可执行指令。
[0040] 通信接口 506可以包括用于与控制系统500外部的一个或多个系统通信的有线 连接（例如，使用IEEE802. 3以太网或通用串行总线接口协议）、无线耦合（例如，使用 IEEE802. 11 "Wi-Fi"或蓝牙协议）、光耦合、感应耦合、任何其他合适的耦合，或者它们的任 何组合。例如，通信接口 506可以包括被配置为接受闪速存储器驱动器的USB端口。在另 一个例子中，通信接口 506可以包括被配置为允许与一个或多个设备、网络或以上两者通 信的以太网端口。
[0041] 用户接口 508可以包括用于与一个或多个用户接口设备516通信的有线连接（例 如，使用IEEE802. 3以太网、或通用串行总线接口、尖-环-密封（tip-ring-seal)RCA型连 接）、无线耦合（例如，使用IEEE802. 11 "11^"、红外、或蓝牙）、光耦合、感应耦合、任何 其他合适的耦合，或者它们的任何组合。用户接口设备516可以包括显示器、键盘、鼠标、 音频设备、任何其他合适的用户接口设备，或者它们的任何组合。例如，显示器可以包括显 示屏，诸如例如阴极射线管屏、液晶显示屏、发光二极管显示屏、等离子显示屏、可以向用户 提供图形、文本、图像或其他可视特征的任何其他合适的显示屏，或者它们的屏幕的任何组 合。进一步地，显示器可以包括触摸屏，其可以通过例如在显示屏上提供一个或多个软命令 来提供与用户的触觉交互。在另一个例子中，用户接口设备516可以包括键盘，诸如QWERTY 键盘、数字键盘、硬命令按钮的任何其他合适的集合，或者它们的任何组合。在另一个例子 中，用户接口设备516可以包括鼠标或者可以控制显示在显示屏上的图形用户界面上的光 标或图标的任何其他合适的指点设备。在另一个例子中，用户接口设备516可以包括音频 设备，诸如麦克风、扬声器、耳机、用于提供和/或接收音频信号的任何其他合适的设备，或 者它们的任何组合。
[0042] 传感器接口 510可以包括用于将电力提供给传感器530的电源、信号调节器、信号 预处理器、任何其他合适的组件，或者它们的任何组合。例如，传感器接口 510可以包括一 个或多个滤波器（例如，模拟和/或数字的）、放大器、采样器、用于调节和预处理来自传感 器530的信号的模数转换器。传感器接口 510可以经由通信耦合532与传感器530通信， 通信耦合532可以是有线连接（例如，使用IEEE802. 3以太网或通用串行总线接口）、无线 耦合（例如，使用IEEE802. 11 "Wi-Fi"或蓝牙）、光耦合、感应耦合、任何其他合适的耦合， 或者它们的任何组合。
[0043] 传感器530可以包括任何合适类型的传感器，其可以被配置为感测多相电磁机 550的任何合适的属性或方面。在一些实施例中，传感器530可以包括线性编码器、旋转编 码器或以上两者，它们被配置为感测多相电磁机550的平移器和定子之间的相对位置。在 一些实施例中，传感器530可以包括被配置为感测平移器相对于多相电磁机550的固定的 定子的加速度的加速计。在一些实施例中，传感器530可以包括被配置为捕捉平移器相对 于多相电磁机550的定子的图像（例如延时成像）的相机。在一些实施例中，传感器530可 以包括一个或多个电流和/或电压传感器（例如，稱合到多相电磁机550的相的安培计和 /或伏特计），它们被配置为感测电压、电流、功输出和/或输入（例如电流乘以电压）、多 相电磁机550任何其他合适的电属性，或者它们的任何组合。在一些实施例中，传感器530 可以包括一个或多个温度传感器，诸如例如热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器（RTD)、用于 检测温度的任何其他合适的传感器，或者它们的任何组合。例如，传感器530可以包括热电 偶，该热电偶被布置为测量永磁体、绕组、电力子系统组件（诸如晶体管）、或多相电磁机的 可测量其温度信息的任何其他组件的温度。
[0044] 电力子系统512可以包括控制电路系统、电力电子设备、电负载（例如，用于耗 散）、接地、端子板、用于供电的电总线线路、绝缘栅双极型晶体管（IGBT)、机械继电器、功 率二极管、晶闸管、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET)、任何其他合适的晶体管、开 关、脉宽调制控制器、数模控制器、任何其他合适的电子组件、任何其他合适的控制器，或者 它们的任何组合。电力子系统512可以经由通信总线514从处理装备502接收关于多相电 磁机550的控制信号。例如，电力子系统512可以包括经由电力f禹合552而f禹合到多相电 磁机550的多个相中对应的相的多个IGBT。IGBT可以耦合到高、低总线电压线路和相的绕 组，相的绕组可以耦合到中性线。在一些实施例中，电力耦合552可以包括一根或多根电 缆。例如，多相电磁机550的每个相可以经由双线电缆（two-conductor cable)而f禹合到 电力子系统512对应的端子。在一些实施例中，电力子系统可以包括虚拟相，虚拟相可以容 纳电流流动，但是不对应于多相电磁机550的任何相。
[0045] 图6是根据本公开的一些实施例的对应于多相电磁机和电力子系统的说明性等 效电路600的示意图。如图6所示，多相电磁机中的每个相和控制系统经由双线（例如，一 个耦合到低压总线线路604 -个耦合到对应的IGBT)耦合。图6示出了多个相（即N个 相）610、620和630,其中每个都可以由合适的控制系统（例如，图5的控制系统500)分别 控制。相610、620和630可以分别使用IGBT612和614、IGBT622和624、以及IGBT632和 634来控制。在一些实施例中，IGBT612和614、IGBT622和624、以及IGTB632和634可以 耦合到可提供信号给IGBT的处理装备502的控制电路系统、电力子系统512的电路系统、 或以上两者。系统650包括多相电磁机和到控制系统的对应的耦合。每个相可以包括由定 子和平移器产生的电动势。每个相还可以包括电阻性负载（例如，导线和连接器电阻）、电 感性负载（例如，来自每个相的绕组中的电流流动）、或以上两者，如图6所示。在一些实施 例中，控制系统还可以包括电阻性负载、电感性负载、或以上两者，这些可以与电磁机和耦 合的负载配合。
[0046] 如图6所示，每个相可以操作在电压总线线路（例如，高压总线线路602和低压总 线线路606)、中性点（例如，中性点604)、或两者之间。在一些实施例中，高压总线线路602 可以相比低压总线线路606以相对较高的电压操作。例如，高压总线线路602可以以大约 720VDC操作，低压总线线路606可以以大约0VDC操作。在另一个例子中，高压总线线路602 和低压总线线路606可以关于0VDC对称（例如，分别为360 VDC和-360VDC)。电压总线线 路可以具有任何合适的相对电压差，并且可以相对于任何合适的参考电位被定义。在一个 说明性的例子中，控制系统可以提供信号到IGBT 612,允许电流从高压总线线路602流动 至中性点604。在另一个说明性的例子中，控制系统可以提供信号到IGBT 614,允许电流从 中性点604流动到低压总线线路606。在一些实施例中，控制系统可以提供脉宽调制信号 至lj IGBT 612、614、622、624、632和634,以控制有效电压差并且在每个相应的相中产生电流 流动。将会理解，控制系统的电力子系统可以包括一个或多个IGBT(如图6所示）、一个或 多个机械继电器、一个或多个功率二极管、一个或多个晶闸管、一个或多个金属氧化物半导 体场效应晶体管（MOSFET)、任何其他合适的晶体管、用于切换电力的任何其他合适的组件， 或者它们的任何组合。如本文所提及的，从高压总线线路602到低压总线线路606的电流 流动将为正，从低压总线线路606到中性点604的电流流动将为负。取决于多相电磁机的 平移器和定子的相对位置，可以允许电流在一个或多个相中流动。在一些实施例中，中性点 606可以接地。在一些实施例中，中性点可以以Y型构造连接。根据本公开，可以使用允许 通过多相电磁机的每个相的独立的电流控制的任何合适的电气布置。在一些实施例中，有 效电容可以包括在高压、低压总线线路602和606之间，如由电容器608说明性地示出的。
[0047] 图7是根据本公开的一些实施例的对应于具有虚拟相的多相电磁机和电力子系 统的说明性等效电路700的不意图。等效电路700包括等效电路600的兀件，并添加有虚 拟相640,虚拟相640并不对应于多相电磁机的相。虚拟相电耦合到中性点604,但与多相 电磁机不具有电磁相互作用（例如，虚拟相的力常数基本为零）。在一些实施例中，电磁机 N个相中的电流之和可以总计为零。在一些实施例中，电磁机N个相中的电流之和不必总计 为零。在一些这样的实施例中，使用诸如虚拟相640的虚拟相可以提供用于提供给多相电 磁机或由多相电磁机产生的非零电流的路径。控制系统可以包括IGBT 642和644,它们可 以用来控制通过虚拟相640的电流。虚拟相640可以包括电感器646、由电阻器648所示 的有效电阻、任何其他合适的阻抗、任何其他合适的电子组件，或者它们的任何组合。虚拟 相640的有效电阻与其他相相比相对地小是有利的，并且通常应当尽可能地小。应当选择 电感器646的电感以允许虚拟相640中的电流的可控制的操作，并且优选地电感器646应 当具有低电阻。虚拟相640可以被用来提供高效的电流路径，其允许其他"真实"相（即电 动机/发电机相）中的电流之和不必定限制为零。这种布置可以允许以虚拟相中相对低的 损耗获得改进的控制灵活性。例如，如果特定的相已经被禁用或受到损害，虚拟相640可以 承载显著的电流并允许多相电磁机的灵活操作。虚拟相640可能在具有相对较小的相计数 的布置中特别有用，对于具有相对较小的相计数的布置，在不具有明显的电磁相互作用的 相之间分配电流是相对不太有效的。例如，如果多相电磁机具有高的相计数，则电流可以分 布在许多远离平移器的相中，这对系统效率的影响相对低（例如，由于i 2R欧姆损耗）。
[0048] 在一些实施例中，虚拟相可以由控制系统直接控制。虚拟相的直接控制可以通过 具有控制组件的控制系统实现，控制组件被包括为虚拟相的一部分（例如，如图7所示）。 例如，控制系统可以通过将PWM信号施加到一个或多个IGBT而直接控制虚拟相中的电流， 如图7所示。在一些实施例中，可以间接控制虚拟相。虚拟相的间接控制可以通过将中性 点连接到基本固定的电位来实现。例如，能够生成电动势的多个相（即电动机/发电机相） 可以连接在具有中性点的Y型布置中，并且中性点可以接地。在另一个例子中，能够生成电 动势的多个相（即电动机/发电机相）可以连接具有中性点的Y型布置中，并且中性点可 以连接到等于总线线路电压的平均值的基本固定的电位。虚拟相中的电流则可以基于电动 机/发电机相所承载的受控电流之和被确定。在一些实施例中，固定电位可以是高压总线 线路和低压总线线路的平均电位（例如，当使用隔离的DC总线时）。在一些实施例中，固定 电位可以为偏置电位，在数值上相对更靠近于高压总线线路或低压总线线路。在一些实施 例中，控制系统可以通过包括直接或间接受控制的虚拟相而实现基本为零的扭矩/力波动 (force ripple)。例如，如果电动机/发电机相被损坏或以其他方式被禁用，则控制系统可 以通过实现虚拟相而实现基本为零的扭矩/力波动。相应地，通过使用虚拟相，具有三个或 更多个电动机/发电机相的电磁机可被控制来以基本为零的扭矩/力波动操作，即使具有 被禁用的相。
[0049] [控制技术]
[0050] 在一些实施例中，电磁机每个相中的电流可以被设置为预定义的值、被限制、或以 其他方式受控以提供所期望的力、所期望的位置、或以上两者。在一些实施例中，可以控制 平移器和对应的定子的相对位置和移动。在一些实施例中，可以控制平移器和对应的定子 所产生的力。在一些实施例中，可以控制一个或多个绕组相中的电流。例如，电磁机可以被 集成到活塞引擎中，并且功相互作用（例如，电功输出）可以基于期望的性能而受控制。取 决于期望的性能，可以由控制系统应用一个或多个控制策略，诸如例如使用特定电流约束 来约束电流值。
[0051] 图8示出了根据本公开的一些实施例的用于LEM的说明性电流调度。曲线图800、 810、820和830的横坐标以平移位置的任意单位示出。曲线图800、810、820和830的纵坐 标以电流的任意单位示出。曲线图800、810、820示出了分别对应于多相电磁机的第一、第 二和第三相的对应的电流调度802、812和822。如图所示，图8中的电流调度可对应于相对 于定子从左向右运动的平移器。将会理解，图8所示的电流调度可以用与定子相比具有较 短的轴向长度的平移器的多相电磁机实现，其他电流调度可以用于其他布置。曲线图800 示出了对应于第一相的电流调度802。在曲线图800中从左到右的方向上，电流调度802开 始于〇,表现出几个周期的振荡行为，接着平线（flat-line)为零。为零的第一部分指示平 移器具有在第一相左侧的相对位置，在这种情况下，平移器和第一相之间的电磁相互作用 可以是最小的。随着平移器向右运动，平移器和第一相之间的电磁相互作用增加。电流调 度802的振荡特性可以是由于交替平移器的北极和南极。电流调度802的最右边的平线部 分可以是由于平移器具有在第一相右侧的相对位置，在这种情况下，平移器和第一相之间 的电磁相互作用可以是不显著的。曲线图810示出了对应于第一相右侧的第二相的电流调 度812。相应地，电流调度812类似于电流调度802,尽管向右移位以对应于第二相相对于 第一相的位置。曲线图820不出了对应于第二相右侧的第三相的电流调度822。相应地，电 流调度822类似于电流调度802和812,尽管向右移位以对应于第三相相对于第二相的位 置。曲线图830示出了对应于第三相右侧的第四相的电流调度832。相应地，电流调度832 类似于电流调度802、812和822,尽管向右移位以对应于第四相相对于第三相的位置。如图 8所示，每个相仅当平移器定位于靠近相时（即，与相电磁地相互作用）可以被利用（例如， 允许非零电流流动）。仍如图8所示，随着平移器接近和离开相的附近，每个相中电流的幅 度可以斜坡向上和向下。为了比较，正弦电流调度可以与典型的三相旋转电磁机一起使用， 而不是图8中所示的斜坡和平线的电流调度被使用。应当理解，此处所使用的"左"和"右" 一词仅用于示例性的参考，并不意欲暗示控制系统、电磁机或系统的所期望的取向。
[0052] 将会理解，图8所示的电流调度可以对应于定子比平移器相对较长的永磁体类型 的多相电磁机。电流调度可以表现出任何合适的曲线，类似于或不同于图8中所示出的，无 论是用于感应电磁机、永磁体电磁机、开关磁阻电磁机、任何其他合适的具有四个或更多个 相（其中之一可以是虚拟相）的电磁机、还是它们的任何组合。例如，关于感应电磁机，特 定相中的一些电流可以被分配为维持平移器（或转子）通量，该相中的一些电流可以被分 配以施加期望的电磁力。相应地，用于感应机的电流调度可以取决于位置、期望的通量和/ 或实际的（例如，估计的或测量的）通量，实际的通量又可以取决于电流值的历史。还将理 解，一些电磁机可以包括比对应的定子相对较长的平移器。相应地，用于较长平移器情况的 电流调度可以表现得和图8中的相比明显地不同（例如，没有平线部分或具有减小的平线 部分）。
[0053] 图9示出了根据本公开的一些实施例的曲线图900中说明性的期望的力曲线902、 904和906,以及曲线图950中说明性的速度曲线952。曲线图900中所示的力曲线对应于 电磁机的电动机操作，其中图中的箭头表示平移器沿X轴的相对移动。发电机操作可以通 过反转曲线图中的箭头来实现。力曲线902、904和906表示相对简单的力曲线的例子，其 可以根据本公开实现。将会理解，可以使用具有任何合适的复杂度的任何合适的期望的力 曲线，其可以关于平移器的移动方向对称或不对称。说明性的所期望的力曲线902包括两 个部分，一个对应于平移器在第一方向上的移动，另一个对应于平移器在相反方向上的移 动。期望的力曲线902可以用此处所描述的控制技术实现为例如二元值的数量（two-value quantity)。例如，取决于平移器相对于定子的移动方向，控制系统可以使用期望的力曲线 902的两个期望的力值中的任何一个（例如，力在与移动相同的方向上起作用）。说明性的 期望的力曲线904包括两个部分，一个对应于平移器在第一方向上的移动，另一个对应于 平移器在相反方向上的移动。与期望的力曲线902相比，期望的力曲线904是连续的，包括 多个值而不是两个值。说明性的期望的力曲线902和904可以用于例如这样的布置中：多 相电磁机耦合到活塞引擎（例如，平移器刚性耦合到活塞组装件），活塞引擎具有在任一端 处（即位置0或L附近）减慢平移器/活塞组装件的气体弹簧（或任何其他合适的弹簧， 诸如机械弹簧或液压弹簧）。说明性的期望的力曲线906是位置X的线性函数。说明性的 期望的力曲线906可以用于例如这样的布置中：多相电磁机被用作弹簧（例如，由控制系统 和多相电磁机实现的"虚拟弹簧"）。在另一个例子中，说明性的期望的力曲线906可以用 于这样的布置中：多相电磁机耦合到活塞引擎（例如，平移器刚性耦合到活塞组装件），活 塞引擎没有弹簧（或任何其他合适的弹簧，诸如机械弹簧或液压弹簧）或者具有不足够的 弹簧，以在任一端处（即位置0或L附近）减慢平移器/活塞组装件。期望的力曲线可以 由用户指定、基于一个或多个输入来从查找表调用、基于模型确定、基于函数确定、使用任 何其他合适的技术生成，或者以上的任何组合。期望的力曲线可以依赖于应用，并且可以对 于两个不同的应用相应地表现出不同的属性。曲线图950示出了平移器相对于定子的说明 性的速度曲线952。速度曲线952在与平移器行程的限制相对应的两个轴向位置0和L处 表现为零，在该限制处平移器可以改变方向。在一些实施例中，控制系统可以测量或参考速 度曲线和期望的力曲线来确定所期望的的力。在一些实施例中，编码器可以用于确定平移 器和定子的相对位置，该相对位置可以用来确定所期望的力值、速度值或以上两者。在一些 实施例中，期望的速度曲线可以是预定的，并且实际的速度曲线可以被确定（例如，使用编 码器）。相应地，控制系统可以确定所期望的力值以增加期望的速度曲线和实际的速度曲线 之间的一致性。
[0054] 多相平移器和定子系统之间的力相互作用F可以由式1描述：
[0055]

【权利要求】
1. 一种用于控制多相电磁机的方法，所述方法包括： 使用处理装备来确定所述电磁机的平移器和定子之间的期望的电磁力，其中所述平移 器被配置为相对于定子平移，并且其中所述定子包括形成多个相的多个绕组；和 使用所述处理装备，至少部分地基于所述期望的电磁力以及至少部分地基于至少一个 目标函数和至少一个约束来确定施加到所述相中的至少一个相的一组电流值。
2. 如权利要求1所述的方法，其中确定所述一组电流值进一步包括优化服从于所述至 少一个约束的所述至少一个目标函数。
3. 如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个目标函数选自由以下各项构成的组： 欧姆损耗之和、所述一组电流值的绝对值之和、期望的电磁力和实际的电磁力之间的差、以 及它们的组合。
4. 如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个约束选自由以下各项构成的组：所述 一组电流值之和的预定值、所述一组电流值中的至少一个电流值的预定值、所述一组电流 值中的至少一个电流值的允许范围、所述一组电流值中的至少一个电流值的时间变化的时 间变化值的允许范围、以及它们的组合。
5. 如权利要求1所述的方法，进一步包括： 使用所述处理装备来确定所述平移器相对于所述定子的位置信息；和 使用所述处理装备，至少部分地基于所述位置信息来确定对应于所述多个相的一组力 常数，其中确定所述一组电流值进一步至少部分地基于所述一组力常数。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中所述多个相包括至少四个相，并且其中所述一组 力常数包括对应于所述至少四个相的至少四个力常数。
7. 如权利要求5所述的方法，其中所述多个相包括至少三个相，并且其中所述一组力 常数包括对应于所述至少三个相的至少三个力常数，所述方法进一步包括确定对应于直接 受控制的虚拟相的电流值，其中所述虚拟相具有基本为零的相关联的力常数。
8. 如权利要求5所述的方法，其中所述多个相包括至少三个相，并且其中所述一组力 常数包括对应于所述至少三个相的至少三个力常数，所述方法进一步包括确定对应于间接 受控制的虚拟相的电流值，其中所述虚拟相具有基本为零的相关联的力常数。
9. 根据权利要求5所述的方法，其中确定所述期望的电磁力至少部分地基于所述位置 信息。
10. 如权利要求1所述的方法，进一步包括用所述处理装备来确定所述平移器中的磁 通量，其中确定所述一组电流值进一步至少部分地基于所述磁通量。
11. 一种用于控制多相电磁机的方法，所述方法包括： 确定平移器相对于定子的位置信息； 使用处理装备，至少部分地基于所述位置信息来确定所述电磁机的平移器和定子之间 的期望的电磁力，其中所述定子包括形成多个相的多个绕组； 选择至少一个目标函数； 选择至少一个约束；和 使用所述处理装备，至少部分地基于所述至少一个目标函数和所述至少一个约束来确 定一组电流值。
12. 如权利要求11所述的方法，进一步包括使用所述处理装备，至少部分地基于所述 位置信息来确定一组力常数，其中确定所述一组电流值进一步至少部分地基于所述力常 数。
13. 如权利要求11所述的方法，进一步包括使用所述处理装备来确定所述一组电流值 是否是可接受的。
14. 如权利要求13所述的方法，进一步包括如果确定所述一组电流值是不可接受的， 则使用所述处理装备来选择新的目标函数和新的约束中的至少一个。
15. 如权利要求13所述的方法，进一步包括如果确定所述一组电流值是不可接受的， 则调整所述至少一个约束中的一个约束。
16. 如权利要求13所述的方法，进一步包括如果确定所述一组电流值是不可接受的， 则调整所述期望的电磁力。
17. 如权利要求13所述的方法，进一步包括如果确定所述一组电流值是不可接受的， 则去除所述至少一个约束中的约束。
18. -种用于控制多相电磁机的系统，所述系统包括： 电力子系统，被配置为提供电力到多个绕组，所述多个绕组形成定子的多个相；和 处理装备，耦合到电力电子设备，所述处理装备被配置为： 确定待施加到平移器的期望的电磁力，所述平移器被配置为相对于所述定子平移，以 及 至少部分地基于所述期望的电磁力以及至少部分地基于至少一个目标函数和至少一 个约束来确定待施加到所述多个相中的至少一个相的一组电流值。
19. 如权利要求18所述的系统，进一步包括耦合到所述电磁机的位置传感器，所述位 置传感器被配置为： 感测所述平移器和所述定子的位置信息；和 向所述处理装备提供指示所述位置信息的输出。
20. 如权利要求19所述的系统，其中所述处理装备进一步被配置为： 至少部分地基于所述位置信息来确定对应于所述多个相的一组力常数；和 确定所述一组电流值进一步至少部分地基于所述一组力常数。
21. 如权利要求20所述的系统，其中所述多个相包括至少四个相，并且其中所述一组 力常数包括对应于所述至少四个相的至少四个力常数。
22. 如权利要求20所述的系统，其中所述多个相包括至少三个相，并且其中所述一组 力常数包括对应于所述至少三个相的至少三个力常数，并且其中所述电力子系统进一步包 括直接受控制的虚拟相，并且其中所述处理装备进一步被配置为确定对应于直接受控制的 虚拟相的电流值，其中所述虚拟相具有基本为零的相关联的力常数。
23. 如权利要求20所述的系统，其中所述多个相包括至少三个相，并且其中所述一组 力常数包括对应于所述至少三个相的至少三个力常数，并且其中所述电力子系统进一步包 括间接受控制的虚拟相，并且其中所述处理装备进一步被配置为确定对应于间接受控制的 虚拟相的电流值，其中所述虚拟相具有基本为零的相关联的力常数。
24. 如权利要求19所述的系统，其中所述处理装备进一步被配置为至少部分地基于所 述位置信息来确定期望的电磁力。
25. 如权利要求19所述的系统，其中所述处理装备进一步被配置为基于指示所述位置 信息的传感器的所述输出来确定进一步的位置信息。
26. 如权利要求18所述的系统，其中所述至少一个目标函数选自由以下各项构成的 组：欧姆损耗之和、所述一组电流值的绝对值之和、期望的电磁力和实际的电磁力之间的 差、以及它们的组合。
27. 根据权利要求18所述的系统，其中所述至少一个约束选自由以下各项构成的组： 所述一组电流值之和的预定值、所述一组电流值中的至少一个电流值的预定值、所述一组 电流值中的至少一个电流值的允许值范围、所述一组电流值中的至少一个电流值的时间变 化的时间变化值的允许范围、以及它们的组合。
28. 如权利要求18所述的系统，其中所述处理装备进一步被配置为执行服从于所述至 少一个约束的所述至少一个目标函数的优化，以确定所述一组电流值。
29. 如权利要求18所述的系统，其中所述处理装备进一步被配置为至少部分地基于所 述一组电流值来确定对应于所述多个相的一组脉宽调制值。
30. -种存储计算机可执行指令的非暂态计算机可读介质，所述计算机可执行指令在 由至少一个处理器执行时，使得计算机系统执行用于控制多相电磁机的方法，所述方法包 括以下步骤： 使用处理装备来确定所述电磁机的平移器和定子之间的期望的电磁力，其中所述平移 器被配置为相对于定子平移，并且其中所述定子包括形成多个相的多个绕组；和 使用所述处理装备，至少部分地基于所述期望的电磁力以及至少部分地基于至少一个 目标函数和至少一个约束来确定施加到所述相中的至少一个相的一组电流值。
【文档编号】H02P25/06GK104272578SQ201380023649
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2013年4月1日 优先权日:2012年4月2日
【发明者】C·D·加德达 申请人:埃塔热发电机股份有限公司