专利名称：用于调节无级电气变速器的方法和调节器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于调节无级电气变速器的方产和调节器.
无級电气变速器(Electric Variable Transmission, EVT)例如由 代尔夫特工业大学的Hoeijmakers， M. J. 、 Ferreira， J. A.在2004年 发表于IEEE的"The Electrical Variable Transmission"公知。EVT 是一种包括两个电磁耦合的异步电机(下面称为转子ASM和定子ASM) 的电机，这样的变速器可例如在汽车中代替离合器、换档、起动器和 发电机.
在单个传统的异步电机工作时，由于定子和转子的部件(诸如绕 组或笼型绕组的可磁化的板或者导体)中的高磁通量而产生损耗功率， 这些损耗功率导致发热以及因此导致整个电机的效率的降低.在异步 电机的磁场定向控制(field oriented control, F0C )中，这种关系 通常通过预先规定磁通量的幅度而得到考虑，其中将F0C例如针对最 大荷栽的工况、即针对轴上的要最大驱动的转矩进行优化，以致效率 对这种工况来说最大.对于在轴上的转矩较小的工况来说，以此种方 式静态预设的磁通量幅度通常来说太高，并且因而效率较低。
针对异步电机、尤其是针对异步电动机，例如由斯洛文尼亚的马 里博尔大学的Cucej， Z. 、 Borojevic， D.于1997年发表于IEEE的 "Input power minimization at inverter fed induction motor drive sys tem wi th F0C by field weakening"或者由Dilmi, S. 、 Yurkovich， S.在2005年在美国发表于2005 American Control Conference的 "Nonlinear Torque Control of the Induction Motor in Hybrid Electric Vehicle Applications"公知了在使用带有离散的、预先计 算出的通量值的分配表的情况下根据转矩的损耗最小的固定通量预 设，以便应用在混合动力汽车中，但尤其是用来提高效率.然而根据 Mendes， E. 、 Baba, A, 、 Razek， A.于1995年在Electrical Machines and Drives的会议出版物上发表的"Losses Minimization of a Field oriented controlled Induction Machine"，固定通量预设具有如下 缺点这种通量预设在角速度或者转矩在时间上有大的变化时可能极
不精确。
5在无级电气变速器中也以与单个异步电机可比较的方式在转子
ASM和定子ASM的部件中产生损耗功率，并降低变速器的效率.然而， 转子ASM与定子ASM通过中间转子(Interrotor)以电磁方式相互强 烈地耦合，以致异步电机的上述调节方法不能应用于EVT,并且用于无 级电气变速器的最小化损耗功率和提高效率的调节器不是公知的.
因此，本发明的任务是说明一种用于无级电气变速器(EVT)的改 进的调节方法和改进的调节器，
该任务在该方法方面通过根据权利要求1所述的调节方法得以解 决，其中要调节的无级电气变速器包含两个被辆合的异步电机，即 转子ASM和定子ASM,该转子ASM的转子或转子绕组(或转子笼型绕组) 为了产生笫一电磁场被馈送以转子电流(Ir)，该定子ASM的定子或定 子绕组(或定子笼型绕组)为了产生第二电磁场被馈送以定子电流(Is )。 两个异步电机通过与第一和笫二电磁场协同作用的中间转子耦合.中 间转子包含用于引导由笫一和笫二电磁场感应的第一磁化电流(Ii)和 第二磁化电流U。)的笫一和第二笼型绕组.转子和中间转子在这种情 况下通过第一通量(入i)或笫一电转矩(Ti)协同作用，而中间转子和 定子通过第二通量(入。)或第二电转矩(T。)协同作用.
为了执行该调节方法，预设或确定第一转矩(L )的第一额定值(Tn ) 和第二转矩(TD)的第二额定值(Tnl),并且预设或确定转子或转子轴 的角速度的实际值(幼)和中间转子或中间转子轴的角速度的实际值 (处)以及转子或者定子的温度的至少一个实际值(《9),根据Tit、 T。,、 幼、妫和诉十算损耗最小的第一額定通量(U和损耗最小的第二额 定通量U。.).
在对转子与中间转子之间的内部气隙中的額定通量(U和转子 与定子之间的气隙中的額定通量(入。,)进行调节时，变速器在所给出的 转矩、转速和温度下可以以几乎最优的效率运转，并且机械功在变速 器的最小可能的损耗功率的情况下完成(verrichten).所述气隙中 的磁通量可通过在转子绕组中注入转子电流(Ir)以及在定子绕组中注 入定子电流(1，)来产生。这些电流因此在根据本发明的调节方法中被 计算，使得针对所述运转数据在转子与中间转子之间的内部气隙中出 现额定通量(并且在中间转子与定子之间的外部气隙中出现额定 通量(入。,)。为此使用一种对于EVT匹配的、场定向电流调节方法，该
6方法根据所计算出的损耗最小的額定通量(Aia)和(入。 )、转矩(Ti)
和(T。)的要实现的額定值(Tit)和(乙)、转子的角速度的实际值(幼)
和定子的角速度的实际值(处)以及转子或者定子的至少一个温度实
际值(》9)来计算电流Ir和I"多个转子的温度实际值(A)和定子的
温度实际值(A)也可被确定并且并入计算的计算步猓或调节步骤中。
与用于调节传统的单个异步电机的方法不同，以这种方式附加地
考虑转子ASM与定子ASM之间的电磁耦合.由此实现无级电气变速器
的损耗最小的调节.
为了更好地考虑变速器的动态运转特性，可以将 -笫一转矩的额定值(Tu)和笫二转矩的额定值(乙)的时间变
化f^^或f^^，或者
dt
dt
-转子的角速度的实际值(处)和中间转子的角速度的实际值(处)
的时间变化f^)或f^)，
并入到损耗最小的通量(入")和(人。,)的计算中。这些时间变化可在 该调节方法的范围内根据微分法则来计算，如果它们已经在电机的其 它的或中央的检测或者调节设备中被确定，则可将用于执行该调节方 法的分量(即例如上述导数的值)也作为输入变量例如通过CAN (控制 器局域网)总线进行传送。
例如对损耗最小的额定通量值(或者U。,)的计算可通过使 用分配表来加快.这种分配表可包含一个或多个输入变量的离散值与 离散的额定通量值、电流之间的关联信息(Verknuepfungs -information),或者但是包含对于计算必需的辅助变量之间的关联信 息.分配表的内容可以通过在任意时刻在可比较的变速器、模型或者 计算机上进行的仿真或者测量和分析来确定并已经被存储在调节器或
计算块中.
在最简单的情况下，对损耗最小的额定通量值(U或者(入。.) 的计算完全依据以下分配表该分配表包含第一和第二转矩(Ti， T。) 的额定值(Tit, T。，)、转子角速度的实际值(幼)和定子角速度的实 际值(处)以及转子或者定子的至少一个温度的实际值(《9).该表中 所包含的值可例如从仿真结果获得，
可替换地，对损耗最小的額定通量值(U或者(入。,)的计算部 分地依据以下分配表该分配表包含笫一和第二转矩(Ti， T。)的额定
7值(Tit， T。t)和转子或者定子的至少一个温度的实际值(《9).
由于在表格中通常列出离散值，所以为了确定偏离这些离散值的值(中间值)而可能需要插值.
损耗最小的额定通量(入'.)或者U。,)的所允许的极限值(通常为最大值)可与计算块的输入变量之一(例如角速度之一(幼)或者(处))有关.对损耗最小的額定通量值(入,.)或者U。,)的计算为此可包括与通量限制函数(f")的乘法关联(multiplikativeVerkmiepfung ).这种通量限制函数可与转子角速度(迈,)或者定子角速度(处)中的至少一个有关.通量限制函数可在所限定的极限值(战)之上与角速度(处)或者(处)大约成倒数，
在装置方面，上述无级电气变速器的任务通过根据权利要求9所述的调节器得以解决，该调节器包括
-针对第一转矩(Ti)的額定值(Tit)和第二转矩(T。)的额定值(T。t)的输入端，
-针对转子角速度的实际值(幼)和定子角速度的实际值(处)的输入端，
-针对转子或者定子的温度的实际值(》9)的至少一个输入端，-用于根据第一转矩的额定值(Tu)和第二转矩的额定值(T。t)
以及转子的角速度的实际值(幼)和中间转子的角速度的实际值(处)
及至少一个温度实际值( $ )计算损耗最小的第一额定通量(U和
笫二额定通量(入。,)的计算块，和
-用于根据至少所述损耗最小的笫一额定通量(入u)和所述损耗
最小的第二额定通量(人。,)计算转子电流Ur)和定子电流(Is)的场
定向电流调节器.
本发明调节器的优点已经结合本发明方法进行了阐述，该调节器可以包含调节器的输入变量的微分器。这可能是例如为
了计算第一第二转矩的額定值(Tit， T。,)的时间变化^1和^l)或
dt
dT
dt
者但是为了确定转子和中间转子的角速度的实际值(幼，处)的时间
变化^^和r^)所必需的。
dt 乂
dt
用于计算损耗最小的额定通量(和(入。,)的计算块可以具有相对应的输入端，以便对第一和笫二转矩的额定值(Tit，乙)的时间变化^^)和f^k)或时间变化f^L)和f^^进行考虑。于是，这些导
dt 乂、 dt
dt
dt
数不必在调节器中被构成，而是可在外部被确定并被馈入调节器中，
所述计算块也可以具有针对转子和中间转子的角速度的实际值(幼)和(处)的相对应的输入端。
本发明调节器可以包含分配单元、例如表格，该分配单元对于计算步骤来说可用于确定损耗最小的通量.这样避免调节器中的复杂的、也就是时间密集的计算.
为了计算损耗最小的频定通量(入u)或(XJ，可存在插值器，该插值器根据离散数值的分配、譬如根据分配单元(例如表格)针对输入值借助一维插值或者也借助多维插值来确定输出值.
此外可存在通量限制器，通过该通量限制器来保证损耗最小的额
定通量(入U)或U。a)不超过极限值.
本发明的调节器可具有用于连接到例如CAN(控制器局域网)总线的现场总线的连接端子，通过这些连接端子可在调节器与EVT的范围内的其他部件之间传送参数。
现在参考附图对本发明作进一步的阐述，
图1示出带有集成的调节器的无级电气变速器(EVT)的方框电路
图，
图2示出图1中针对损耗最小的额定通量的计算块4的方框电路
图，
图3示出可替换的针对损耗最小的额定通量的计算块4的方框电路图。
图1示出根据本发明进行调节的变速器1的方框电路图。变速器1包含真正的无级电气变速器(EVT) 2、场定向调节器3、针对EVT 2中的损耗最小的通量(L)和(入。,)的计算块4以及可选地包含转矩限制器5，
EVT 2具有针对转子电流(Ir)和定子电流(Is)的输入端。EVT 2给出的被象征性地示出的转矩(Ti)和(T。)对没有示出的转子轴和中间转子轴起作用。这些转矩的值可在EVT的两个输出端上被输送给未示出的调节电路的其它部件。
场定向调节器3具有针对转矩(L )的额定值的输入端(Tit)和针
9对转矩(T。)的額定值的输入端(T。,)、针对转子和中间转子的角速度的输入端(幼)和(处)以及针对损耗最小的通量值的输入端(入u)和(入丄
如也在图2中示出的那样，计算块4包含针对转矩(Ti)的额定值的输入端(Tit)和针对转矩(T。)的颠定值的输入端(T。t)、针对转子温度的实际值(A)的输入端(A)和针对定子温度的实际值(A)的输入端(A)、针对转子和中间转子的角速度的输入端(迈,)和(处)以及针对损耗最小的通量值(U和U。,)的输出端(和(入J.
变速器1在可替换的实施形式中包含转矩限制器5,该转矩限制器5拥有针对转矩(Ti)和(T。)的额定值的输入端(Ti,)和(T。t)、针对转子温度和定子温度的实际值以及必要时其它输入变量的输入端(A )和(A )以及针对转矩(Ti)和(T。)的被限额定值的输出端(Tit.)和(T。t.).
调节器3具有针对转矩的额定值的输入端(Tit)和(T。t)、针对转子温度和定子温度的实际值的输入端(A )和(A )以及针对转子和中间转子的角速度的输入端(幼)和(处)及针对转矩(Ti)和(T。)的输出端.调节器3的每个连接端子都可以与此处未示出的譬如CAN总线的现场总线相连接.
变速器l的温度输入端(A)和(A)与计算块4和转矩限制器5(可选)的同名输入端相连接.角速度(处)和(欲)从变速器1的同名输入端不仅被导向计算块4的输入端，而且被导向场定向调节器3的输入端。额定值(Ti,)和(T。t)可选地被导向转矩限制器5，该转矩限制器5在同名地标示的输出端上提供被限值(Tit.)和(T。t.)。在没有限制器5的情况下，输入值(Tit)和(T。t)位于那里。如果转矩值(Tu)和(T。t) 一开始就被限制，则可以可选地取消转矩限制器5，而且导线(T")和(T。t)会对应于导线(T".)和(L)。
导线(Tit.)和(T。t.)与场定向调节器3和计算块4的输入端(Tit)和(T。t)相连接.由计算块4根据其输入变量计算出的损耗最小的通量(和(入。,)从计算块4的同名输出端被导向场定向调节器3的^^^^3^ 。
场定向调节器3根据施加在其输入端上的数据计算转子电流(Ir)和定子电流(I,)。这些电流或者但是用于调节这些电流的控制信息通
10过场定向调节器(3)与EVT (2)之间的同名连接Ur)和U，)被传输，以致转矩(Ti)和(T。)将出现在EVT (2)的轴上。该场定向调节器使用简单的测量值(例如电流、电压)进行通量调节。图3示出可替换的包含以下其它输入端的计算块4:-针对转矩(Ti)和(T。)的额定值的输入端(Ti,)和(T。t)，一针对转子温度和定子温度的实际值的输入端(A )和(汰)，针对转子和中间转子的角速度的输入端(幼)和(幼)，
-针对额定转矩(Tit )和(T。,)关于时间(dt )的变化的输入端「dT'、
dt 和h
dt J
-针对角速度(幼)和(处)关于时间(dt)的变化的输入端「^1
/」
和
.dt
、dt 乂
在计算块4中根据输入变量所确定的损耗最小的通量值(M.)和(入。,)在输出端(入u)和(入。,)上可供向其它的未示出的调节部件进行传送使用. 一个或多个输入端和输出端可与未示出的现场总线相连接。
ii
权利要求
1.用于调节无级电气变速器的方法，其中，该变速器包含两个被耦合的异步电机，所述异步电机包括-能被转动的、能被馈送有用于产生第一电磁场的转子电流(Ir)的转子，-能被馈送有用于产生第二电磁场的定子电流(Is)的定子，-与第一和第二电磁场协同作用的中间转子，该中间转子具有用于引导通过第一和第二电磁场感应的第一磁化电流(Ii)和第二磁化电流(Io)的第一和第二笼型绕组，-其中转子和中间转子通过第一通量(λi)或第一电转矩(Ti)协同作用，而中间转子和定子通过第二通量(λo)或第二电转矩(To)协同作用，具有如下步骤-针对第一转矩(Ti)和第二转矩(To)预设第一额定值(Tit)和第二额定值(Tot)，-检测转子的角速度的实际值(ω1)和中间转子的角速度的实际值(ω2)，-检测转子或者定子的温度的至少一个实际值(θ)，-根据第一转矩的额定值(Tit)和第二转矩的额定值(Tot)以及转子的角速度的实际值(ω1)和中间转子的角速度的实际值(ω2)及温度的至少一个实际值(θ)计算损耗最小的第一额定通量值(λim)和第二额定通量值(λom)，以及-利用场定向电流调节方法计算转子电流(Ir)和定子电流(Is)，并且为此使用损耗最小的第一和第二额定通量值(λim，λim)。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，第一頻定值(TV)和第二额定值(T。,)的时间变化f^^和f^L)被确定并被用于损耗最小的额定通l dt J〔 dt J量(U和UJ的计算中，
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其中，转子的角速度的实际值的时间变化f，L)和中间转子的角速度的实际值的时间变化(，)被确乂广組<formula>formula see original document page 2</formula>定并被用于损耗最小的額定通量(和(入。,)的计算中.
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其中，至少一个计算步骤是根据分配表来实施的.
5. 根据权利要求4所迷的方法，其中，利用以下分配表来确定笫一 和第二损耗最小的额定通量值(入i.， X。,)该分配表包含第一和第二 转矩的額定值(Tn， T。t)、转子角速度和定子角速度的实际值(幼， 处)以及温度实际值(《9)及损耗最小的额定通量值(入J.
6. 根据权利要求1至5之一所述的方法，其中，在计算步猓中进行 插值.
7. 根据权利要求1至6之一所述的方法，其中，损耗最小的額定通 量值(入i.，入。,)的计算包含与限制函数(f")的乘法关联。
8. 根据权利要求7所迷的方法，其中，限制函数与转子和定子的角 速度(幼，迈2)中的至少一个有关。
9. 用于调节无级电气变速器的调节器，其中，该变速器包含两个 被耦合的异步电机，所述异步电机包括-能被转动的、能被馈送有用于产生笫一电磁场的转子电流Ur) 的转子，-能被馈送有用于产生第二电磁场的定子电流(Is)的定子， -与笫一和笫二电磁场协同作用的中间转子，该中间转子具有用于引导通过笫一和第二电磁场感应的第一磁化电流(Ii)和第二磁化电 流U。)的第一和第二笼型绕组，-其中转子和中间转子通过第一通量(义i)或第一电转矩(Ti)协 同作用，而中间转子和定子通过第二通量Uo)或第二电转矩(T。)协同 作用，并且其中该调节器包括_针对第一转矩(L )的額定值(Tit )的输入端和针对笫二转矩(TD) 的額定值(T。t)的输入端，-针对转子的角速度的实际值(幼)和定子的角速度的实际值(处) 的输入端，-针对转子或者定子的温度的至少一个实际值(《9)的输入端， -用于根据第一转矩的额定值(Ti,)和第二转矩的賴定值(T。，) 以及转子的角速度的实际值(幼)和中间转子的角速度的实际值(处) 及温度实际值(《9)计算损耗最小的笫一额定通量(入")和第二额定 通量U。,)的计算块，和-用于根据至少所述损耗最小的笫一額定通量(入u)和所述损耗最小的笫二額定通量(XJ计算转子电流(Ir)和定子电流U,)的场 定向电流调节器.
10. 根据权利要求9所述的调节器，其具有用于对调节器的输入变量进行微分的微分器。
11. 根据权利要求9或10所述的调节器，其中，计算块具有针对第 一转矩的额定值(Ti,)和第二转矩的额定值(T。t)的时间变化f&)和^LL)的输入端.、dt J
12. 根据权利要求9至11之一所述的调节器，其中，计算块具有针 对转子的角速度的实际值(处)和中间转子的角速度的实际值(处)的时间变化〔，一和r^)的输人端.、dt J、 dt J
13. 根据权利要求9至12之一所述的调节器，其中，计算块包含分 配表，以计算损耗最小的额定通量(和(入。.)。
14. 根据权利要求8至13之一所述的调节器，其中，计算块包括插 值器，以计算损耗最小的額定通量(和U。，)。
15. 根据权利要求8至14之一所述的调节器，其中，计算块包括通 量限制器，以计算损耗最小的额定通量(入u)和U。.).
16. 根据权利要求8至15之一所述的调节器，其具有到用于传送调 节器的输入变量和输出变量的CAN (控制器局域网)总线的连接端子.
全文摘要
用于调节无级电气变速器的方法包含如下步骤针对第一转矩(T<sub>i</sub>)和第二转矩(T<sub>o</sub>)预设第一额定值(T<sub>it</sub>)和第二额定值(T<sub>ot</sub>)，检测转子的角速度的实际值(ω<sub>1</sub>)和中间转子的角速度的实际值(ω<sub>2</sub>)，检测转子或者定子的温度的至少一个实际值，根据第一转矩的额定值(T<sub>it</sub>)和第二转矩的额定值(T<sub>ot</sub>)以及转子的角速度的实际值(ω<sub>1</sub>)和中间转子的角速度的实际值(ω<sub>2</sub>)及温度的至少一个实际值计算损耗最小化的第一额定通量值(λ<sub>im</sub>)和第二额定通量值(λ<sub>om</sub>)，并利用场定向电流调节方法计算转子电流(I<sub>r</sub>)和定子电流(I<sub>s</sub>)，以及为此使用损耗最小化的第一和第二额定通量值(λ<sub>im</sub>，λ<sub>im</sub>)。用于调节无级电气变速器的调节器包括针对转矩额定值(T<sub>it</sub>)、(T<sub>ot</sub>)、角速度(ω<sub>1</sub>)、(ω<sub>2</sub>)、至少一个温度实际值的输入端，和用于根据第一转矩的额定值(T<sub>it</sub>)和第二转矩的额定值(T<sub>ot</sub>)以及转子的角速度的实际值(ω<sub>1</sub>)和中间转子的角速度的实际值(ω<sub>2</sub>)及温度实际值计算损耗最小的第一额定通量(λ<sub>im</sub>)和第二额定通量(λ<sub>om</sub>)的计算块和用于根据至少所述损耗最小的第一额定通量(λ<sub>im</sub>)和所述损耗最小的第二额定通量(λ<sub>om</sub>)计算转子电流(I<sub>r</sub>)和定子电流(I<sub>s</sub>)的场定向电流调节器。
文档编号H02P5/74GK101558553SQ200780035607
公开日2009年10月14日 申请日期2007年9月25日 优先权日2006年9月25日
发明者J·赖因施克, M·克洛普兹格, M·威尔克 申请人:欧陆汽车有限责任公司