Fpga闭环电力驱动控制器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及开关磁阻机器，并且更具体地涉及控制开关磁阻机器的电力驱动器的系统和方法。
【背景技术】
[0002]随着对节能关注的与日俱增，越来越多的机器，如移动工业作业机器或固定发电机，配备了用于操作机器的各种工具或功能的电力驱动组件或系统。电力驱动器的持续发展使其可用于电气驱动的机器以有效地匹配或超越机械驱动的机器的性能，同时需要显著减少的燃料和总能量。由于电力驱动器相对于这样的机器变得越来越普遍，对用于控制它们的更有效的发电机和技术的需求也有所增加。
[0003]在各类可与这样的电力驱动器配合使用的电气驱动的机器中，由于坚固，节约成本，并且总的来说，更高效，开关磁阻(SR)机器已经受到巨大关注。SR机器通常用于将主动力源，如内燃发动机，接收到的机械动力转换成电力，用于执行机器的一个或多个操作。此夕卜，SR机器还可用于将储存在公共总线或存储装置内的电力转换成机械动力。SR机器同样可与其它通用的动力源，如电池、燃料电池等结合使用。更进一步地，SR机器还可与具有常规动力源，如风车、水电大坝或常用于固定应用的任何其他通用动力源的固定机器配合使用。虽然目前现有的用于控制SR机器的系统和方法可提供足够的控制，但是还有很大的提升空间。
[0004]典型的SR机器基本上包括电气耦合到电力驱动电路的多相定子，以及可旋转地定位在定子内的转子。在电动操作模式下，电力驱动器选择性地使开关或栅极与定子的各相相关联，以使所述定子和转子磁极之间产生电磁相互作用，并使转子在所需的扭矩和/或速度下相对于定子旋转。可替代地，在发电操作模式下，电力驱动器可被配置成接收可因转子相对于定子的机械旋转而诱生的任何电力。电力驱动器可使用在发电模式期间诱生的电力，以为相关联的作业机器的辅助或附属装置供电，或在一些情况下，将电力储存在能量存储装置中。
[0005]控制SR机器，并且因此，控制其电力驱动器通常从可编程微处理器开始。更具体地说，微处理器预编入算法，所述算法监测机器的各种参数以及将不同的指令发送给电力驱动器，用于根据检测到的参数的变化来控制SR机器。这样的闭环过程在预定义的速率下执行，预定义的速率基本上受限于微处理器的能力和微处理器实施该算法的方式。然而，由于对更有效且具有更高性能的SR机器的需求不断增长，对更有效的算法的实施和具有更大带宽的控制器的需求也增长。
[0006]因此，需要改善SR机器的性能能力和效率。此外，需要提高对电力驱动器的总体控制，并且因此，提高对操作SR机器的方式。更具体地说，需要对与SR机器相关联的传统控制器的操作带宽加以改进。
【发明内容】
[0007]在本发明的一个方面中，提供了一种用于具有转子和定子的开关磁阻(SR)机器的控制系统。所述控制系统可包括转换器电路，所述转换器电路可操作地耦合到所述定子并且包括与定子的各相选择性通信的多个栅极，以及控制器，所述控制器与所述定子和所述转换器电路中的每一者通信。所述控制器可被配置成并行执行两个或多个过程。所述过程可包括基于总线电压、机器电流、转子速度和转子位置中的一者或多者来产生扭矩命令，基于所述扭矩命令和所述转子速度来确定第一组电流控制参数，基于扭矩命令、转子速度和转子位置中的一者或多者来确定第二组电流控制参数，基于转子速度来选择第一组电流控制参数和第二组电流控制参数中的一者，以及根据所选择的该组电流控制参数来操作栅极。
[0008]在一改型中，所述控制器可被配置成至少并行执行确定所述第一组电流控制参数和确定所述第二组电流控制参数的过程。
[0009]在另一改型中，所述控制器可使用被配置成便于并行处理并大幅减少循环次数的现场可编程门阵列(FPGA)和专用集成电路(ASIC)中的一者或多者至少部分地实施。
[0010]在另一改型中，所述控制器可基于所观测到的总线电压、机器电流、转子速度和转子位置与分别所需的总线电压、机器电流、转子速度和转子位置之间的一个或多个比较来产生扭矩命令。
[0011]在相关的改型中，所述控制器可基于所述一个或多个比较进一步产生扭矩请求，基于转子速度限制扭矩请求，以及基于该受限的扭矩请求产生扭矩命令。
[0012]在另一改型中，所述控制器可被配置成在闭环控制模式和开环控制模式之一下产生扭矩命令。
[0013]在另一改型中，第一组和第二组电流控制参数中的每一者可包括电流目标、最大电流目标、Θ-接通角和Θ-断开角。
[0014]在另一改型中，所述控制器可通过确定最适合于电动操作模式和发电操作模式中的每一者的电流控制参数来确定第一组电流控制参数，基于扭矩命令和转子速度来确定SR机器的操作模式，以及选择对应于检测到的操作模式的电流控制参数。
[0015]在另一改型中，定子可以是三相定子。第二组电流控制参数可包括在SR机器处于电动操作模式时用于定子的第一相的180°的固定的Θ-接通角和360°的固定的Θ-断开角，且包括在SR机器处于发电操作模式时用于定子的第一相的0°的固定的Θ-接通角和180°的固定的Θ-断开角。用于定子的第二相的对应的Θ-接通和Θ-断开角可偏移120°且用于定子的第三相的对应的Θ-接通和Θ-断开角可偏移240°。
[0016]在另一改型中，所述控制器可通过基于转子速度、转子位置和预编程的扭矩共享函数中的一者或多者标定用于定子的各相的扭矩命令来产生第二组电流控制参数，以及基于标定的扭矩命令、转子速度、转子位置和预定义的查找映射中的一者或多者来产生用于定子的各相的电流目标。扭矩共享函数可被配置成使扭矩生产更均匀地分布于其间并使扭矩脉动最小化的方式修改定子的各相中的电流。
[0017]在又一改型中，所述控制器可将转子速度的绝对值与被配置成建立至少第一速度区域和第二速度区域的多个转子速度阈值进行比较。所述控制器可选择第一组电流控制参数，用于在转子速度降到第一速度区域内时控制SR机器，并且所述控制器可选择第二组电流控制参数，用于在转子速度降到第二速度区域内时控制SR机器。
[0018]根据本发明的另一个方面，提供了一种用于具有转子和定子的SR机器的电力驱动器的电流控制器。所述电流控制器可包括扭矩控制模块，被配置成基于总线电压、机器电流、转子速度和转子位置中的一者或多者来产生扭矩命令；平均扭矩控制模块，被配置成基于所述扭矩命令和所述转子速度来确定第一组电流控制参数；电流描廓模块，被配置成基于扭矩命令、转子速度和转子位置中的一者或多者来确定第二组电流控制参数；控制选择模块，被配置成基于转子速度来选择第一组和第二组电流控制参数中的一者；以及电流控制模块，被配置成根据所选择的该组电流参数选择性地驱动与定子的各相相关联的多个栅极。
[0019]在一个改型中，至少所述扭矩控制模块、平均扭矩控制模块和电流描廓模块使用被配置成便于并行处理并且大幅减少循环次数的FPGA和ASIC中的一者来实施。
[0020]在另一改型中，扭矩控制模块可将所观测到的总线电压、机器电流、转子速度和转子位置中的一者或多者分别与所需的总线电压、机器电流、转子速度和转子位置中的一者或多者进行比较。扭矩控制模块可基于所述一个或多个比较进一步产生扭矩请求，基于转子速度限制扭矩请求，以及基于该受限的扭矩请求产生扭矩命令。
[0021]在另一个改型中，平均扭矩控制模块可确定最适合于电动操作模式和发电操作模式中的每一者的电流控制参数，基于扭矩命令和转子速度来确定SR机器的操作模式，以及选择对应于检测到的操作模式的电流控制参数。
[0022]在另一个改型中，电流描廓模块可被配置成基于检测到的SR机器的操作模式输出用于定子的各相的固定的Θ-接通和Θ-断开角。
[0023]在另一个改型中，定子可以是三相定子。电流描廓模块可被配置成在SR机器处于电动操作模式时输出用于定子的第一相的180°的固定的Θ-接通角和360°的固定的Θ-断开角，以及在SR机器处于发电操作模式时输出用于定子的第一相的0°的固定的Θ-接通角和180°的固定的Θ-断开角。用于定子的第二相的对应的Θ-接通和Θ-断开角可偏移120°且用于定子的第三相的对应的Θ-接通和Θ-断开角可偏移240°。
[0024]在另一个改型中，电流描廓模块可被预编入扭矩共享函数，扭矩共享函数被配置成使扭矩生产更均匀地分布于其间并使扭矩脉动最小化的方式修改定子的各相中的电流。电流描廓模块可被配置成基于转子速度、转子位置和扭矩共享函数中的一者或多者标定用于定子的各相的扭矩命令，以及基于标定的扭矩命令、转子速度、转子位置和预定义的扭矩-速度-位置查找映射中的一者或多者来产生用于定子的各相的电流目标。
[0025]在另一个改型中，控制选择模块可将转子速度的绝对值与被配置成至少建立第一速度区域和第二速度区域的多个转子速度阈值进行比较。控制选择模块可选择第一组电流控制参数，用于在转子速度降到第一速度