用于电机控制的利用开环位置的混合闭环速度控制的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于控制具有转子和定子的电机的速度的方法。该方法可以包括以下步骤：监测转子的期望速度和测量速度，基于期望速度和测量速度产生转矩指令，以及基于转矩指令、转子的测量速度和估计位置的混合闭环分析来控制流入定子的相电流。转子的估计位置可至少部分地自期望速度推导得出。
【专利说明】用于电机控制的利用开环位置的混合闭环速度控制
【技术领域】
[0001]本发明一般涉及电机，并且更具体地涉及用于控制电机的速度的系统和方法。
【背景技术】
[0002]电机例如发电系统、发电机组等通常用于将一种形式的能量转换成另一种形式的能量，并且可在电动模式下操作以将电能转化成机械能或旋转动能，或在发电模式下操作以将机械能或旋转能转换成电能。在可与电驱动组件一起使用的各种类型的机器中，开关磁阻(SR)机器由于其稳定性和高性价比已经受到了广泛的关注。虽然当前现有的用于控制这种电机的系统和方法提供了足够的控制，但是仍然有需要改进的地方。
[0003]为了高效地操作机器的电驱动装置，不仅在高的操作速度而且在零操作速度或低的操作速度中，精确地监测转子相对于与电驱动装置相关联的机器的定子的速度和/或位置是重要的。传统的电驱动装置通过使用高分辨率速度轮以在这种较低的操作速度下操作或经常改变其旋转方向从而检测转子的绝对位置，高分辨率速度轮联接在传统的电驱动装置上并设置有多个齿，多个齿可以通过近距离传感器的某种形式来检测。然而，根据所需用途或应用，并不是所有机器可以能够使用这种高分辨率速度轮，而是，可能需要使用具有绕其设置的较少的齿的低分辨率速度轮。
[0004]使用这种低分辨率速度轮使得电驱动系统很难精确地确定绝对转子速度或位置以及产生足够的转矩，特别是当在零速或低速操作时，例如在发动机启动例程期间。在一些这种设计中，在零速或接近于零速处计算初始转子位置，依赖其中的进一步的计算和传感器反馈以在机器的操作期间跟踪绝对转子位置。然而，由于使用的速度轮的低分辨率与传感器相关联的限制，初始转子位置计算可能是不准确的。由于机器的跟踪和整体控制的完整性依赖于初始转子位置的精确性，因此可对不准确的初始转子位置读数产生的任何偏移不进行纠正，这可以进一步导致较差的机械性能或完全阻止机器的操作。
[0005]相应地，需要提供简单并且更可靠的方法来控制具有较低分辨率的速度轮的电机的操作速度。所公开的系统和方法旨在解决上述需要中一个或多个并克服现有技术的不足。
【发明内容】
[0006]在本发明的一个方面，提供了一种控制具有转子和定子的电机的速度的方法。该方法可以包括以下步骤:监测转子的期望速度和测量速度，基于期望速度和测量速度产生转矩指令，以及基于转矩指令、转子的测量速度和估计位置的混合闭环分析来控制流入定子的相电流。转子的估计位置至少部分地自期望速度推导得出。
[0007]在本发明的另一方面，提供了一种控制具有转子和定子的电机的速度的方法。该方法可以包括以下步骤:监测转子的期望速度和测量速度，基于期望速度和测量速度产生转矩指令，至少部分地基于期望速度确定转子的估计位置，以及基于转矩指令、转子的测量速度和估计位置的混合闭环分析来确定用于控制流入定子中的每一个相的相电流的电流控制参数。
[0008]在本发明的又一方面，提供了一种用于控制具有转子和定子的电机的速度的控制系统。该控制系统可以包括操作性地联接到定子的变换器电路，以及与定子和变换器电路中的每一个相连通的控制器。变换器电路可包括选择性地连通电流与定子的每一个相的多个开关。控制器被配置为基于期望速度和测量速度之间的差异产生转矩指令，并基于转矩指令、转子的测量速度和估计位置的混合闭环分析来控制开关。转子的估计位置可至少部分地自期望速度推导得出。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是应用于电机的电驱动装置的速度控制系统的示例性实施例的示意图；
[0010]图2是使用混合闭环/开环控制方案控制电机的方法的流程图；
[0011]图3是用于控制电机的相电流的混合闭环控制方案的示意图；以及
[0012]图4是用于控制电机的相电流的闭环控制方案的示意图。
【具体实施方式】
[0013]现在将详细地参考特定实施例或特征，其中的示例在附图中示出。通常，在所有附图中将使用相应的附图标记表示相同或相应的零件。
[0014]图1示意性地示出了一个示例性电驱动装置100，电驱动装置100可以用来在动力源102和一个或多个电力负载装置104之间传输动力。该动力源102可包括例如柴油发动机、汽油发动机、天然气发动机或通常与机动机器一起使用的任何其他能源。动力源102也可结合固定应用使用，并且包括例如风车、水电站坝、电池、燃料电池、或者任何其他合适的能源。负载装置104可以包括接收电能的一个或多个装置或部件。例如，关于工业作业机器或机动作业车辆，负载装置104可以包括用于操作机器的工具的一个或多个马达和/或用于引起车辆运动的一个或多个牵引马达。
[0015]图1的动力源102可被配置为将动力经由联接器108(例如轴向旋转驱动轴等)机械地传输至电驱动装置100的电机106。电机106可包括任何合适的机器，该机器被配置为产生响应于外部供应的机械输入的电能，或可选地，产生响应于电供应的输入的机械能。在图1的特定实施例中，例如，电机106可以包括开关磁阻(SR)机器等，开关磁阻(SR)机器被配置为响应于源自动力源102并且通过联接器108的旋转输出来产生电能，或可选地，机械地旋转联接器108并响应于动力源上的电流来转动或启动动力源102。
[0016]如在本领域中众所周知的，机器106可包括旋转地设置在固定的定子112内的转子110。机器106的转子110可经由联接器108，或者在其他实施例中，经由直接曲轴、齿轮系、液压回路等，被旋转地联接到动力源102的输出端。机器106的定子112可经由变换器电路116电联接到电驱动装置100的公共总线114。在操作发电模式期间，当机器106的转子110通过动力源102在定子112内旋转时，定子112内可以感应出电流并提供给变换器电路116。该变换器电路116可以依次把电信号转换成合适的直流(DC)电压，以经由公共总线114分配给电负载装置104和/或任何其他装置。公共总线114通常可以提供正线路118和负线路或接地线路120，公共总线114可横跨正线路118和负线路或接地线路120连通电驱动组件100的一个或多个电平行装置之间的公共DC总线电压。可选地，在电动操作模式的期间，可以使机器106能够响应于电信号产生转子110的旋转，该电信号是从公共总线114提供给定子112。
[0017]变换器电路116可包括一系列的晶体管或栅控开关122以及二极管124，用于选择性地启用机器106中的一个或多个相绕组。例如，可以使用具有六个开关122和六个二极管124的变换器电路116驱动三相开关磁阻机器106，用于选择性地启用或禁用通过机器106的三个相中的每一个的相电流。每个开关122经由栅极信号也可以被启用或被禁用，同时外用动力源或二次动力源(未示出)可提供横跨公共总线114的正线路118和负线路120的功率以促使电流通过分别启用的开关122和二极管124。此外，可通过二次动力源将初始动力提供给变换器电路116和机器106，二次动力源采取例如电池、存储在公共总线114的电容器的残余电压、或任何其他合适的直流动力供应的形式。
[0018]仍然参照图1，电驱动装置100也可以设置有速度控制系统126，该控制系统126配置为至少控制转子110相对于机器106的定子112的旋转速度和/或位置。控制系统126可以包括控制器128，控制器128被配置为通过变换器电路116和一个或多个传感器130与机器106连通。控制器128可以通过使用处理器、微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、电子控制模块(ECM)、电子控制单元(ECU)、或任何其他合适的装置中的一个或多个来实施。控制器128可以被配置为按照预定或预编程的算法或指令集操作，用于基于转子110的速度或位置和电驱动组件100的整个操作条件来操作电驱动装置100。这种算法或指令集可以被预编程或结合到板上或外部的存储器，但在可访问如本领域通常所保持的控制器128。
[0019]传感器130可以包括光学传感器、霍尔效应传感器、可变磁阻传感器、各向异性磁阻传感器、近距离传感器，或适合以电子方式将机器106的速度和/或位置连通到控制器128的任何其他合适的装置。更具体地，传感器130可以设置成紧靠机器106的转子110的速度轮，以便检测机器106的转子110的绝对位置。速度轮可以结合到转子110的主体中，或外部地但刚性地联接到转子110或其联接器108以便能以与转子110直接对应地旋转。速度轮可包括设置在其周围的多个齿，使得当速度轮旋转时，齿与传感器130相互作用，并且例如，使传感器130产生具有对应于经过每个齿的可检测的上升沿和下降沿的信号。
[0020]另外，速度轮可结合为低分辨率速度轮，低分辨率速度轮例如在其周围具有大约8个齿，这些齿被配置为使传感器130输出每转速度轮以及由此每转转子110具有大约16个可分辨上升沿和下降沿的电传感器反馈信号。该速度轮可选择地设置为高分辨率速度轮，例如，具有大约96个齿，这些齿被配置为使传感器130输出每转转子110具有大约192个不同的上升沿和下降沿的电传感器反馈信号。通过监测传感器反馈信号中多个上升沿和/或下降沿，图1的控制器128可以能够在机器106的操作期间的任何时间评定转子110相对于定子112的即时速度和/或位置。此外，基于所评定的转子转速和/或转子位置，控制器128可以能够提供栅极信号，或电流控制参数，用于操作变换器电路116的开关122并且将合适的电流提供至定子112的每个相。
[0021]现在参考图2，提供了一种控制转子的速度的示例性算法或方法132，这种算法或方法具有可以选择性地由控制器128执行的多个步骤。所示的方法132或至少其中的一些步骤可以在机器操作的某些模式的期间应用，这些模式涉及，例如，方向变化和/或零速到低速操作，例如在发动机启动例程的期间等，其中无传感器控制方案和/或高分辨率速度轮可能不太实用。具体地，控制器128可以被配置为当机器106以速度控制模式等操作时执行方法132，例如，以使相关联的内燃机102旋转至某一速度，该速度使发动机102启动并维持其本身的速度。一旦启动发动机102，并在发动机结束时启动例程，那么速度控制模式可被禁止并且机器106可以通过电压控制模式等来控制。本领域的技术人员将理解其他控制配置和修改不脱离本发明的范围。
[0022]如通过图2的方法132所示，参考速度指令或在步骤132-1中期望的转子速度，控制器128可以首先监测由传感器130所检测的实际的转子速度或测量的转子速度。基于检测到的期望的转子速度和测量的转子速度之间的差异，控制器128可以被配置产生步骤132-2中的转矩指令。如图3和图4所示，例如，控制器128可以采用比例-积分(PI)控制器134以根据检测到的期望的转子速度和测量的转子速度之间的差异来产生和/或调节转矩指令。通过采用速度控制模式下的PI控制器134，期望速度和测量速度作为PI控制器的输入，所施加到机器106的转矩的量可由特定机器参数来控制。例如，控制器128可以能够根据定子112的每个相通电的持续时间和每个相通电的电流的大小来控制机器106。在本质上，更大的期望速度和所测量速度之间的差异可导致特定相通电更长的持续时间，并且具有更大的电流量。当这些机器参数增加时，可以使机器106的转子110旋转并更快地对齐到通电的相，并且因此变得越来越能够克服任何阻力转矩或防止转子110可能是由于发动机压缩等产生的转动的转矩。
[0023]一经在步骤132-2中确定转矩指令，控制器128可以被配置为使用例如如图3所示的混合闭环的方法或部分开环的方法继续控制相电流。相比于图4中的全闭环的方法，例如，混合闭环分析可依赖于转子的估计位置、经由开环，而不是通过传感器130、经由闭环测量，以便控制流入机器106的相电流。更具体地，混合闭环方法可通过给出的期望速度或速度指令输入的计算在内部获得转子的位置，使得不限制针对速度轮分辨率和/或传感器的不精确性的任何缺陷的机器性能。如参照现有技术所讨论的，完全闭环方法的某些限制可能缺乏需要正确识别的初始转子位置和提供可接受的机械性能的精确性和可靠性。尽管为机器106提供高分辨率的速度轮可以改善精确性和性能，但是实现这种高分辨率的速度轮并不总是理想的，这是由于尺寸限制、封装限制、费用限制、和/或其他因素。因此，基于速度指令而不是只基于传感器反馈来控制机器106，控制器128可以能够为机器106提供更可靠的性能，机器106通常在零速至低速操作或发生方向变化。
[0024]再回到参考图2，控制器128可被配置为基于如图3所示的混合闭环方法控制流入定子112的每个相的电流。如图2的方法132所示，控制器128可以被配置为至少部分地基于步骤132-3中的期望速度或速度指令输入推导出或计算出转子110相对于定子112的估计位置。转子的估计位置可以通过使用各种不同的可用的方案中的任何一个或多个来获得。例如，控制器128可以适用于基于编程到可访问控制器128的存储器的预定关系或方程从给出的速度指令中推导出转子位置的估计。在其他实施例中，控制器128还可被配置为对给定的速度指令参考产生或建议合适的转子的估计位置的预编程的查找表和/或映射。由于基于改变速度指令，混合闭环方法动态地计算转子位置，因此转子位置可以改变并且不固定至参考现有技术的闭环方法所讨论的任何初始转子位置。此外，由于机器106试图跟随转子的估计位置，因此可以减小转子的估计位置和实际的转子位置之间的偏移。
[0025]一旦获得转子的估计位置，那么控制器128可以被配置为基于如图2所示的步骤132-4中转矩指令、测量的转子速度和转子的估计位置来控制相电流。更具体地，控制器128可以至少部分地使用转子的估计位置来控制定子112的特定相的栅极或开关122。通过切换相电流并且对定子112的每一个相的磁极进行电磁通电，则可以将转子110相应的磁极与通电定子磁极对齐并因此引起机器106的转子110的旋转。因此，改变期望速度或速度指令输入可以导致对转子的估计位置的改变，实际上这用于控制机器速度。例如，如果速度指令以及由此转子的估计位置是以合适的速率改变，那么实际的转子速度可充分地跟随期望速度。
[0026]如图4所示的闭环方法，图3中的混合闭环方法也可以参考查找表和/或映射138以确定给出的转矩指令、测量的转子速度和转子的估计位置的最适合的电流控制参数集136。如图所示，由控制器128产生的电流控制参数136可以包括电流指令信号、Θ -导通角、Θ -截止角，或用于适当地控制相电流并且由此机器106的转子速度的任何其他信号中的一个或多个。映射138可包括，例如，转矩-速度映射、转矩-位置映射，以及转矩指令、转子速度、转子位置和电流控制参数136之间任何其他预定义相关联集中的一个或多个。
[0027]工业实用性
[0028]一般而言，上述发明反映了在涉及电机控制的各种应用中的实用性。更具体地，所公开的系统和方法可以被用来提供更可行的机器的控制，这些机器通常与工业施工车辆、固定式发电机器、移动机器等的电驱动组件联合使用，并通常可在零速到低速操作和/或发生方向变化。此外，所公开的混合闭环速度控制方式和方法可以应用到具有开关磁阻(SR)机器的电动驱动组件，在开关磁阻(SR)机器中，高分辨率的速度轮可能是不希望的和/或不适用的。通过结合闭环部件(例如测量的转子速度)以及开环部件(例如转子的估计位置)，本发明可提高具有低分辨率的速度轮的基于传感器的机器的控制的可靠性。
[0029]从前面说明中将理解到，虽然为了说明的目的已经提出了某些实施例，但是来自上述说明书的替换或修改对本领域的技术人员而言将是显而易见的。这些和其他替换被认为是等效物并且落在本说明书和附加的权利要求书的精神和范围之内。
【权利要求】
1.一种控制具有转子(110)和定子(112)的电机(106)的速度的方法(132)，包括以下步骤: 监测所述转子(110)的期望速度和测量速度； 基于所述期望速度和所述测量速度产生转矩指令；以及 基于所述转矩指令、所述转子(110)的所述测量速度和估计位置的混合闭环分析来控制流入所述定子(112)的相电流，所述转子的估计位置至少部分地从所述期望速度推导得出。
2.根据权利要求1所述的方法(132)，其中，基于所述转子(110)的所述期望速度和所述测量速度之间的差异，产生所述转矩指令。
3.根据权利要求1所述的方法(132)，其中，使用所述转子(110)的所述期望速度和所述测量速度的比例-积分(PI)评定，控制所述转矩指令。
4.根据权利要求1所述的方法(132)，其中，以速度控制模式控制流入所述定子(112)的所述相电流，直到实现最小的机器速度，在发动机启动例程期间施加所述速度控制模式。
5.根据权利要求1所述的方法(132)，其中，通过电流指令、Θ-导通角和Θ-截止角中的一个或多个来控制所述相电流，基于一个或多个预定查找映射(138)产生所述电流指令、所述Θ -导通角和所述Θ -截止角，所述查找映射(138)包括转矩-速度映射和转矩-位置映射中的一个或多个。
6.一种用于控制具有转子(110)和定子(112)的电机(106)的速度的控制系统(126)，包括: 变换器电路(I 16)，其可操作地联接到所述定子(112)，所述变换器电路(116)包括选择性地将电流与所述定子(112)的每一个相连通的多个开关(122);和 控制器(128)，其与所述定子(112)和所述变换器电路(116)中的每一个相连通，所述控制器(128)能够基于期望速度和测量速度之间的差异产生转矩指令，并基于所述转矩指令、所述转子(110)的所述测量速度和估计位置的混合闭环分析来控制所述开关(122)，所述转子的估计位置至少部分地自所述期望速度推导得出。
7.根据权利要求6所述的控制系统(126)，其中，所述控制器(128)能够使用所述转子(110)的所述期望速度和所述测量速度的比例-积分(PI)评定来控制所述转矩指令。
8.根据权利要求6所述的控制系统(126)，其中，所述控制器(128)能够基于所述转矩指令、所述转子的所述测量速度和估计位置以速度控制模式来控制所述开关(122)，在发动机启动例程期间施加所述速度控制模式。
9.根据权利要求6所述的控制系统(126)，其中，所述控制器(128)根据电流指令、Θ -导通角和Θ -截止角中的一个或多个来控制所述开关(122)，基于预编程到所述控制器(128)的存储器的转矩-速度查找映射和转矩-位置查找映射中的一个或多个产生所述电流指令、所述Θ-导通角和所述Θ-截止角。
10.根据权利要求6所述的控制系统(126)，其中，所述电机(106)为开关磁阻(SR)机器。
【文档编号】H02P25/08GK104508972SQ201380040596
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2013年7月10日 优先权日:2012年7月31日
【发明者】J·韦, J·吉尔德斯, J·M·索恩 申请人:卡特彼勒公司