专利名称：用于控制电气/机械系统中功率平衡的系统和方法
技术领域：
本说明书描述具有至少三点式功率接口的电气/机械系统。
背景技术：
参见图1和图2，这种系统的例子包括从放大器34通过交流电力供电的一个或多个线性致动器系统10，放大器34由例如电池11之类的直流(DC)电源供电。如下面更加具体的描述，致动器系统10包括具有一组线圈绕组的定子和杆。杆可以是具有永磁体组的柱塞。控制系统限定将施加于线圈绕组的电流模式，从而限定跨线圈绕组和杆上的一系列磁体之间间隙的磁通量密度，从而产生力来移动用于移动的磁体线性致动器的杆。杆相对于线圈的移动限定了致动器机械功率，这在2处示出。电池11通过DC总线13施加于线圈的功率在4处示出，而耗散功率(包括在线圈中耗散的功率、电机中的磁芯损耗以及放大器中的功率电子器件损耗)在6处示出。功率流2、4和6限定了致动器系统10与致动器外部世界之间的三点式功率接口。
应当理解，跨三点式功率接口的功率的总和必须为零，即，流入致动器系统的功率必须与流出的功率平衡。如图2所示及下面更为具体的描述，耗散功率6总是从致动器系统流出，而致动器机械功率2和DC总线功率4中的每一个可以流入或流出致动器系统。如果出现使流入致动器的功率流大于流出致动器系统的耗散功率的机械事件，那么DC总线功率4将流出致动器系统到DC总线上。这在本文中所指的是再生事件。应当理解，再生可以具有将电流施加回电池11并从而对电池11再充电的效果，但是如果再生电流足够高，再生可能损坏电池。
发明内容
在控制具有定子、杆、多个磁体和至少一个线圈的整流致动器的方法的一个实施例中，接收第一输入和第二输入，其中，杆在定子和杆之间的接口处相对于定子可移动，该多个磁体随杆可移动且相对于接口部署使得该多个磁体提供在幅度和方向上沿接口变化的第一磁通量，该至少一个线圈相对于接口限定在定子上使得施加于该至少一个线圈的电流提供响应于电流的变化而在幅度和方向上沿接口变化的第二磁通量。作为对第一输入的响应，控制第二磁通量从而使得第二磁通量具有相对于第一磁通量的预定的相位。作为对第二输入的响应，并且相对于第一输入可变化地，控制第二磁通量从而使得第二磁通量相对于第一磁通量的相位从预定的相位移位。
在控制具有定子、杆、多个磁体、至少一个线圈和电池的整流致动器的方法的另一实施例中，以可变的电平跨至少一个线圈施加电压，其中，杆在定子和杆之间的接口处相对于定子可移动，该多个磁体随杆可移动且相对于接口部署使得该多个磁体提供在幅度和方向上沿接口变化的第一磁通量，该至少一个线圈相对于接口部署在定子上从而使得施加于该至少一个线圈的电流提供响应于电流的变化而在幅度和方向上沿接口变化的第二磁通量，该电池具有电压。杆和定子之间的相对位置是确定的。接收第一和第二输入。响应于相对位置和第一输入而控制可变的电平，从而提供在至少一个线圈上的电流相对于第一磁通量和第二磁通量的q轴分量。响应于第二输入而控制可变的电平，从而提供在至少一个线圈上的电流相对于第一磁通量和第二磁通量的d轴分量。
在另一种实施例中，电整流致动器和控制系统包括定子和杆，杆在定子和杆之间的接口处相对于定子可移动。多个磁体随杆可移动。该多个磁体相对于接口布置使得该多个磁体提供在幅度和方向上沿接口变化的第一磁通量。至少一个线圈相对于接口部署在定子上使得该至少一个线圈上的电流提供响应于电流的变化而在幅度和方向上沿接口变化的第二磁通量。可变的放大器在至少一个线圈上施加变化的电流，该电流包括相对于第一磁通量和第二磁通量的q轴分量和相对于第一磁通量和第二磁通量的d轴分量。控制电路响应于第一输入而限定q轴分量，并且响应于第二输入、相对于q轴分量可变化地限定d轴分量。
在又一种实施例中，一种车辆中的设备和控制系统，用于主动悬挂车辆中的设备， 包括如下设备，该设备响应于对车辆施加的力或由车辆施加的力而相对于车辆来改变位置。电整流致动器包括定子和杆，杆在定子和杆之间的接口处随定子可移动。多个磁体随杆可移动。该多个磁体相对于接口部署使得该多个磁体提供在幅度和方向上沿接口变化的第一磁通量。至少一个线圈相对于接口部署在定子上从而使得该至少一个线圈上的电流提供响应于电流的变化而在幅度和方向上沿接口变化的第二磁通量。杆与设备机械连通使得通过杆在设备和至少一个线圈之间施加力。可变的放大器在至少一个线圈上施加变化的电流，该电流包括相对于第一磁通量和第二磁通量的q轴分量以及相对于第一磁通量和第二磁通量的d轴分量。控制电路响应于第一输入而限定q轴分量，并且响应于第二输入、相对于q轴分量可变化地限定d轴分量。
本发明的完整且可行的公开包括对于本领域普通技术人员而言其最优的模式，在本说明书的其余部分中将更为具体地阐述该公开，说明书参考了下列附图，其中 图1为现有技术中悬架致动器系统的示意图； 图2为现有技术中悬架致动器系统的示意功率流程图； 图3为图示出根据本发明一种实施例的致动器系统的示意框图； 图4为图3中所示系统表现出的磁通量密度的波形图； 图5为如图3中系统表现出的磁通量密度的波形图； 图6为可应用于图3所示系统的相力常数的图形表示； 图7为用于致动器电路的相图； 图8为用于致动器电路的相图； 图9为用于根据图3所示系统的致动器电路的相图； 图10为受如图3所示系统影响的步骤的功能框图；以及 图11为受如图3所示系统影响的步骤的功能框图。
本说明书和附图中重复使用的参考符号意在表示本发明的相同或类似的特征或元件。
具体实施例方式具体地参考本发明的某些实施例，在附图中图示了实施例的一个或多个例子。通过对本发明进行说明而非对本发明进行限制的方式提供每个例子。实际上，在不背离本发明的范围或精神的情况下可以对本发明进行修改和变化，这对于本领域技术人员而言是显然的。例如，图示为或描述为一种实施例的一部分的特征可以用于另外一种实施例以产生又一实施例。因而，本发明意在覆盖位于包括所附权利要求书在内的本公开的范围内的这种修改和变化。
尽管本说明书中呈现的实施例是在线性致动器的情形下描述的，但应当理解这仅是为了示例的目的，而且本领域技术人员根据本公开应当理解，本文中描述的系统和方法可以采用其他的电气/机械设备和布置来实施。因而，例如尽管本文所论述的致动器为线性致动器，杆为线性柱塞，应当理解致动器可以是旋转电机，而杆可转动，或者可以响应于力而实施螺母/螺纹螺杆动作而非直接线性移动。参见图3，线性致动器10可包括定子16 和杆，在本实施例中杆为相对于定子16在轴向14上往复地线性可移动的柱塞12。箭头14 在图3 (以及图1中)中用粗体示出从而指示直接的机械连接，在这种情形下(例如)是柱塞12和车辆悬架15之间的直接的机械连接，从而使得柱塞12和车辆悬架15可在14示出的往复方向上一起移动。定子16可固定于致动器壳体(未示出)，壳体围绕柱塞和定子且固定于车辆底盘25，如图3(以及图1中)粗线示出地介于致动器和车辆底盘之间。如下文所述，柱塞12和定子16可以以两极配置的方式布置，虽然应当理解这仅仅是为了说明的目的，然而可以采用四极布置及更高阶的布置。柱塞12可以包括非磁性棒18和轴向磁化的柱形永磁体20，永磁体20绕柱塞固定并且沿方向14更替极性，导致生成磁通线22。柱塞还可以包括位于磁体之间的柱形磁极片对。在另一种实施例中，致动器为双面线性电机， 并且柱塞包括矩形磁极片M和矩形永磁体20，该永磁体被磁化使得气隙磁通密度垂直于由气隙限定的直线。尽管本实施例中描述的是移动的磁体线性致动器，应当理解这仅为了示例的目的，而且本领域技术人员根据本发明的公开应当理解本文中描述的系统和方法可采用下述致动器来实施，该致动器具有附带至少一个线圈的定子和附带至少一个永磁体的杆，定子和杆相对彼此以线性或旋转方式移动(移动线圈或移动磁体)。尽管在本实施例中描述的是三相致动器，本领域技术人员根据本公开应当理解在本文中描述的系统和方法可以采用不同数目的致动器相位(例如二相，四相等)来实施。
定子16可包括成对的非磁性柱形座圈沈和6个线圈^a、30a、32aJ8b、30b和 32b构成的三相绕组。应当很好理解，每对绕组^a/^8b、30a/30b、32a/32b中的线圈彼此之间可以缠绕和电连接，从而增加两个线圈之间的、由两个线圈响应于通过相应导线^c、30c 或32c从反相器34递送至线圈的交流(AC)电流而产生的磁通量。反相器34可以通过DC 总线13从DC电源11获取三路AC电流信号，每路信号与其他两路信号中的每一路的电学相位差为120°，并且将信号分别施加于导线观(3、30(和32c。更为具体地，在图示的实施例中，如果激活定子从而将柱塞12向右移动(在图3示出的视图中)，则线路30c上的信号滞后于线路28c上的信号120°，而线路32c上的信号滞后于线路30c上的信号120°，然而如果激活定子线圈从而将柱塞12向左移动，则线路30c上的信号超前于线路28c上的信号120°，而线路32c上的信号超前于线路30c上的信号120°。
图4图示了当柱塞12相对于定子以任一轴向14移动时，定子和柱塞之间的气隙内的柱塞的永磁体在与定子上给定点(例如绕组28a处)对准的点处所贡献的气隙磁通密度。图4中的点35表示定子绕组28a在图3所示的其位置上的气隙磁通密度。在36处， 柱塞12在方向14之一上移动使得绕组28a直接抵抗下一个出现的磁极片对，而在38处， 柱塞I2继续其移动使得绕组28a直接抵抗第二个出现的磁极片。因而，在40处表示柱塞 12上永磁体的磁极距。
图5图示了当柱塞12以如图4所示磁通密度曲线所反映的相同轴向移动时，定子和柱塞之间的气隙内的绕组28a在与柱塞给定点(例如磁极片M’处)对准的点处所贡献的气隙磁通密度。如下文更为具体地描述，系统可包括线性编码器62和控制系统21，使得线性编码器检测柱塞12相对于定子16的位置，并且提供柱塞相对于控制系统21的相对位置，该相对位置确定了由反相器34施加至线圈^a的变化电压信号所导致的通过导线28c 的电流信号的“d轴”和“q轴”分量的幅度，或者在另一种实施例中的该电流信号的幅度和相对相位(即相对于q轴相位的相移)。如图4和图5对比示出，控制系统21可以控制线圈28a上的电流信号，该电流信号产生相对于移动的柱塞12的、具有与图4曲线相同正弦波形的气隙磁通密度曲线，但在这个情形中有90°相位偏移。在本领域中应当理解，在理想状况下线圈^a(以及，因而同样地线圈^b)的90°相位偏移电流信号导致来自线圈28a 的磁力最有效地应用于在方向14上移动的柱塞12。然而，同样应当理解，在向实际电机/ 线性致动器输入的线圈电流中的最有效的相移可能多少与90°不同。用于校准致动器线圈电流的方法应当很好理解，因而本文中不再描述。因此，应当理解对于任何给定的永磁体致动器，无论是旋转电机还是线性致动器，存在导致定子和磁体之间的力的最有效应用的位置相移(该位置相移位于当磁体和定子相对于彼此移动时由永磁体相对于定子所贡献的气隙磁通密度所限定的曲线与相对运动期间定子线圈相对于永磁体所贡献的气隙磁通密度所限定的曲线之间)。以产生磁通量密度曲线之间的这一相移(即位置相位)的这种相位(即电学相位)向致动器线圈施加的电流被称为“q轴”电流。仅用于说明目的，在图4 和图5中呈现了理想状况，并且因而在本文中描述的示例性位置q轴相位在图5中所示有相对于图4的90°的相移处，但是应当理解对于给定致动器而言，依据已知的原理和方法， 实际的q轴相位可能与90°不同。应当理解，q轴相位通常针对给定电机设计来限定，并随之对那种类型的所有后续电机采用那种额定值，即使对于给定的单个电机而言q轴相位可以更为精确地限定亦是如此。本公开包含限定q轴相位的这类方法。
由线圈中电流流动导致的柱塞12和定子16之间的力(F。ut)通过下列式子给出 Fout = ia (χ) *Kfa (χ) +ib (χ) *Kfb (χ) +ic (χ) *Kfc (χ)，其中 ia(x)线圈28a和28b上的电流信号 Kfa (χ)绕组的相力常数 ib (χ)线圈30a和30b上的电流信号 Kfb (χ)绕组30a/30b的相力常数 ic(x)线圈3 和32b上的电流信号 Kfc (χ)绕组32a/32b的相力常数 χ 柱塞12沿轴向14相对于定子16的位置 如上所说明地，控制每个电流信号ia(x)、ib(x)和ic(x)使得接收电流信号的线圈(相对于柱塞)产生限定具有与由柱塞的永磁体限定的气隙磁通量密度曲线相同的形状的曲线的气隙磁通量密度，随着柱塞和定子相对于彼此移动相应的线圈观察到该曲线，但是该曲线在相位上相对于永磁体磁通曲线相移90° (如果处于如上面所述的理想状况下的位置q轴相位)。由于线圈和永磁体设置成使得由成对线圈28a/28b、30a/30b和 32a/32b从柱塞观察到的相应气隙磁通量曲线彼此偏移120°，所以电流信号ia(x)、ib(x) 和ic(x)在相位上彼此间隔120°，各电流信号相对于其相应的来自柱塞的气隙磁通量曲线偏移120°。如上所述，气隙磁通量曲线形成正弦波，并且在线圈^a/28b上控制的电流信号ia(x)可以由下列式子描述 ia(x) = Ia氺sin (2氺pi氺χ (2氺mp)+phase—shift),其中 Ia 电流ia (X)的最大幅度 χ 柱塞12沿轴向14相对于线圈的相对位置 mp 磁距或极距40 phase_shift 相对于导致所得到的气隙磁通量密度曲线的位置q轴相位的电学q 轴相位的相移(在图5中示出的曲线中，phase_shift是0)。
控制系统限定la(或者直接限定，或者通过对q轴电流分量和d轴电流分量的幅度的限定而限定)，从而如下所述地向柱塞施加期望的力。针对ib(x)和ic(x)的式子类似于ia(x)式子并因而不予描述。注意，“X”是柱塞和相应的线圈之间的相对位置。相对位置“X”可以视为柱塞上任意选择的点和当线圈对^a/28b上的电流ia(x)在曲线上最大值处时对准的线圈(也即x = 0)中的一个之间的轴向距离，该曲线上的最大值描述了当 phase_shift为0时的q轴电流。还应注意，用于针对其他两个线圈的电流的式子相应地将 “2*pi*X/(2*mp)”项偏移120° ^P 240°，从而描述电流信号中的三相120偏移。对于柱塞和定子之间的任意相对位置“X”而言，电流函数ia(x)、ib(x)和ic(x)限定了在相应线圈对上应控制的电流，从而施加期望的力。如果柱塞和定子相对于彼此移动，则电流信号将根据它们的正弦函数变化，但是如果柱塞和定子相对于彼此位置固定，则将施加由电流函数限定的恒定电流。实际的电流函数取决于整流方案。例如，梯形整流将导致不同于理想正弦函数的实际的电流函数，并且此处描述的正弦函数用于说明的目的。
由致动器的磁体设计确定相力常数Kfa(X)，并且相力常数Kfa(X)具有牛顿/安培的单位。相力常数优选地是正弦波或类似于正弦波，尽管在高电流水平处该函数可以变得更为复杂。对于正常的电流水平(也即，应当很好理解地，当致动器护铁不是重度饱和时) 而言，并且在如上所述的理想情况中，线圈对^a/^8b、30a/30b和32a/32b的相应相力常数通过下列式子来限定 Kfa (x) = KFA^sin (2*pi*x/(2*mp)) Kfb (χ) = KFB*sin(2*pi*x/(2*mp)-2*pi/3) Kfc (χ) = KFOsin (2*pi*x/ (2*mp) -4*pi/3)，其中 χ 柱塞12沿轴向14相对于线圈对^a/^8b、30a/30b和32a/32b的相对位置 mp 磁距或极距40 KF(a_c)取决于致动器设计的常数 应当很好理解用于确定实际状况下的相力常数的方法，并且因而不详细描述。然而应当理解，尽管在此处描述了针对相力常数的理想例子，但这仅用于示例性目的，而相力常数可以在致动器设计中由已知方法限定。
如上面的式子所反映的，当phase_shift是0时(也即当ia(x)、ib (χ)和ic(x) 完全对应于q轴电流时)，ia(x)与Kfa(x)同相，ib(x)与Kfb (χ)同相，ic(x)与Kfc (χ)同相。柱塞和定子之间的力F-是各电流信号乘以其对应相力常数的乘积的求和。图6示出了由ia(x)和Kfa(x)所贡献的F。ut的一部分。应当理解，由于ia(x)完全包括q轴电流，所以力曲线具有使得整个力曲线为正且频率加倍的直流偏移。由ib(x)和Kfb(x)以及ic(x) 和Kfc(x)贡献的F。ut的其余两个分量具有与图6中所示的相同形状的曲线，但是它们彼此偏移120°且相对于由ia(x)和Kfa(x)贡献的分量偏移120°。作为三个分量求和的F。ut 是恒定力，并且因此三相致动器10通过将三相电流ia(x)、ib(x)和ic(x)应用至相应的线圈对来向柱塞12施加恒定力。
将非零的phase_shift添加至电流ia(x)使得ia(x)曲线的相位相对于其相力常数曲线移位，从而降低了图6中所示的力曲线的直流偏移，使得力曲线的一部分为负。当相同的phase_shift施加至其他两个电流信号ib(x)和ic(x)中的每一个时，在它们相应的力曲线中出现了直流偏移的相同降低。三种力曲线的求和仍为恒定的F。ut，但是恒定的F。ut 的值低于当phase_shift是0时的值。当phase_shift是90°时，也即当线圈电流信号产生的气隙磁通量密度曲线与其对应的来自柱塞永磁体的气隙磁通量密度曲线相位差为180° 时，Fout为0。然而与电学q轴相位类似地，在出现线圈电流的最低效率应用情况下的特定 phase_shift将有可能稍微不同于理想的90°移位。相对于q轴电流的这种电学相移下的电流称为“d轴”电流。已知将d轴电流分量应用于驱动在磁场减弱的、稳定状态类型的环境中操作的电机，从而无需使用较高电压供应即可扩展电机的上限速度范围。尽管在这个例子中描述了具有多个永磁体的柱塞，但是本领域技术人员根据本公开应该理解本文中描述的系统和方法可以使用具有多个磁体的杆实施，其中磁体中的一些或者全部可以是永磁体或是电磁体。
应当理解，线圈电流可以通过单独的线圈电流ia(x)、ib(x)和ic(x)来描述，或者通过q轴分量iq(x)和d轴分量id(x)来描述。应当很好理解这些描述之间的同步坐标变换 iqs(x) = ia(x),以及 ids(x) = ib(x)*l/(3) l/2-ic(x)*l/(3) 1/2 以及 Iq(X) = iqs (χ) * (cos (phase)-sin (phase)),以及 Id(x) = ids (χ)*(sin(phase)+cos (phase)),其中 Phase (相位):phase_shift, iqs(x):静止参考坐标系中的q轴电流， ids (χ)静止参考坐标系中的d轴电流， Iq(x)旋转参考坐标系中的q轴电流，以及 Id(X)旋转参考坐标系中的d轴电流。
在线圈电流信号ia(x)、ib(x)和ic(x)整个包括d轴电流的情形下，定子线圈不向柱塞施加净力，或者向柱塞施加系统可应用力的可能范围内的最小力。如果在线圈上的被控制的电流包括q轴电流和d轴电流的混合，并且如果最大瞬态电流值la、Ib和Ic在三种情形中相同，则致动器向柱塞施加幅度在随着完全d轴电流产生的最小力和随着完全 q轴电流产生的最大力之间的力。注意，因为最大电流在三种情形中保持相同(也即完全q轴电流、完全d轴电流以及混合的q轴和d轴电流)，所以致动器在所有三种情形中消耗相同量的功率。
针对一种示例性布置以及将在下文中更详细描述地，现在假设致动器10是车辆悬架系统的一部分，使得柱塞12直接连接到车轮组件15或用于座椅的悬架系统，并且定子16足够靠近座椅，从而使得热量从定子16传送至座椅。在正常情况下，电机控制系统 17(图1)和21感测柱塞12的位置和/或速度并通过去往反相器34的对应的指令19来确定向柱塞施加的矫正力，指令19导致车轮悬架或座椅的响应，该响应改进车辆的操纵和 /或使乘坐于座椅的车辆操作员舒适，或对座椅悬架模块或致动器加热以将其温度提升至合适的操作温度，例如当环境温度低于悬架模块正常操作温度时(诸如为0°C)。可以通过处理器58确定力矫正，但是在另一种实施方式中由单独的处理器确定，该单独的处理器向处理器58提供力命令。在例如共同未决的、于2004年10月四日提交的、名称为“Active Suspending"的美国专利申请10/978，105中描述了一种用于确定和向车辆中的座椅施加这种期望力的系统，该申请全文在此通过引用并入本文。具体矫正算法本身并不是这个实施例的一部分，因而对于算法本身的详细论述在此省略。然而，在控制系统17或21激活期间的任何给定时刻，控制系统限定这种力命令，并且反相器34基于力命令限定针对相应的三相线圈对的最大瞬态电流幅度IaUb和Ic (对于控制系统21，或者直接地确定或者通过确定q轴和d轴分量来确定)，这将导致待施加于柱塞的、预定的、期望的、为零或非零的力。如上所述，已知确定这种完全q轴电流的最大电流幅度。然而，在一种当前描述的实施例中，并且参考图3，如果车辆操作员激活开关来启动座椅加温功能，或者当诸如温度传感器之类的传感器检测到致动器的环境温度低于其操作温度时，向控制系统21发送座椅加热信号。控制系统21执行上面论述的控制系统17 (图1)的功能，但是除此之外，作为对座椅加热请求信号的响应，控制系统21将phase_shift引入至三相电流(这也被描述为添加 d轴分量)。由于如果最大电流幅度la、让和1(保持为与当？1^%_吐1代为0时相同则 phase_shift具有降低向柱塞施加的力的效果，所以最大电流幅度(IaUb和Ic)可以增加足以维持由矫正算法限定的期望的力的量。在一种下文论述的具体例子中，这种效果通过以下方式来实现确定实现期望力所需的q轴电流，以及添加d轴分量以产生附加的期望热量。也就是说，在添加d轴分量的同时维持q轴分量导致了在增大最大电流幅度的同时添加了 phaSe_Shift以维持柱塞上的期望力。
备选地，在系统通过相位而非通过d轴分量来确定phaSe_Shift的情形下，期望的 F。ut、相力常数、相对的定子/柱塞位置以及极距是已知的，而限定的phase_shift下产生期望F。ut所需的电流la、rt和Ic可以通过上面的式子确定。因此，根据任一方法，施加d轴分量，并且在存在phase_shift/d轴分量的情况下向柱塞施加的力等于由矫正算法限定的期望力并且是致动器在不存在phase_shift/d轴分量的情况下将向柱塞施加的相同力。然而由于phase_shift/d轴分量，当实现这种相同的力时，控制系统控制用于耗散在定子线圈上的更大电流。也即，为了实现相同的力，消耗了更多的功率，从而导致产生更多的热量。
在这种示例性布置中的这种添加d轴电流的效果可以参考图2中所示的力图来描述。系统可以(以采样频率)周期性地确定依据力矫正算法的待施加于柱塞12(图3)的期望力。如上所述，这种力源自q轴电流或I,。然而由于用户已请求座椅加热，系统也期望向致动器线圈施加预定的电流水平，从而提供由耗散功率6表示的热量。这种用于耗散的热量而不用于施加到柱塞的力的电流是d轴电流Id。应当理解，q轴电流也对在线圈中耗散的热量作出贡献，并且q轴电流的提高(如果期望的话)可能因此用于进一步增大产生的热量，但是这也将增大向柱塞施加的力。因而，对d轴电流添加的使用使得可以产生热量， 而不更改向柱塞施加的期望的力。
在这个实施例中对座椅加热的请求对应于对预定的耗散功率6的请求。应当理解，系统可以通过多个切换选择选项向用户提供在多个座椅加热水平之间的选择，每个座椅加热水平对应于相应的期望耗散功率电平6。线圈电阻已知，并且如下文描述地，处理器 58估算任何给定时刻的实际耗散功率6。如果实际耗散功率低于期望耗散功率，则总电流水平IT应当增大以将耗散功率提升至期望电平。总电流水平IT是q轴电流和d轴电流的几何求和，或 It = (Iq2+Id2)1/2, 其中1,和Id位于旋转参考坐标系中。参见线圈(图3)，给定瞬间的Ia (也即柱塞12 (图3)相对于定子的给定位置χ)可以被认为是那个瞬间那个线圈的Ιτ。可以类似地考虑其他两个线圈的瞬态电流Λ和Ic。如上所述，处理器58接收确定给定时刻所需的 q轴电流I,的力命令。因此，基于上述关于It的公式和已知的线圈电阻，处理器58确定将 Ia(也即线圈^a的It)提升至足以产生期望耗散功率电平所需的Id的值。Iq和Id之间的关系限定了 phase_shift。控制系统21控制悬架致动器10来得到这个phase_shift下的所确定的总电流，也即得到包括针对致动器三个线圈中每一个的这些q轴和d轴分量的总电流。由于功率可以描述为I2R,其中I是电流而R是线圈电阻，所以瞬态耗散功率6是 (Iq2+Id2)*R加上磁芯损耗和放大器损耗。
因此，源自q轴电流和d轴电流的瞬态耗散功率6和放大器损耗可以被视为已知的或可确定(尽管是动态)的值，正如悬架致动器10和柱塞12之间的源自q轴电流的力 F。ut那样。F。ut对柱塞12的速度做出贡献，并因而对致动器机械功率2做出贡献，但是机械功率2的幅度和方向也显著地受向柱塞12施加的其他外部力的影响。因此，基于F。ut和向致动器10施加的这些外部力，柱塞12具有相对于定子16(图幻的速度，并且这个速度限定了具有幅度和方向的致动器机械功率2 (具体而言，速度乘以F。ut)，也即如图2所示地，或者流入致动器10或者流出致动器10。由于三接口功率必须求和为零(也即流入致动器10 的总功率必须等于流出致动器10的总功率)，上述的耗散功率和实际致动器机械功率2限定了 DC总线功率4的方向和幅度。如果F。ut和柱塞12的速度是相同方向的，则机械功率 2流出致动器10 (也即在图2中向右)，并且因而DC总线功率4必须流入致动器10并具有等于机械功率2和耗散功率6的幅度的求和的幅度。因此，电池11必须提供Itl和Id所需的所有电流。另一方面，如果F。ut和柱塞速度方向相反(也即如果力矫正算法导致控制系统和悬架致动器向柱塞施加在那一瞬间与柱塞的实际运动方向相反的力)，则致动器机械功率2流入致动器10 (也即在图2中向左)。如果机械功率2的幅度小于耗散功率6的幅度，则DC总线功率4必须流入致动器10并具有等于机械功率2和耗散功率6之间幅度差值的幅度。如下文更详细地所述，在这种情形中，对致动器10而言，电池11和机械功率两者都是提供所需q轴电流和d轴电流的电流源。如果机械功率2的幅度大于耗散功率6的幅度，则DC总线功率4流出致动器10至DC总线上，使得再生事件出现。DC总线功率4的幅度是机械功率2和耗散功率6之间的幅度差值。在这种情形下，机械功率提供用于q轴电流和d轴电流的电流源，并将电流返回至DC总线上并流入电池11，使得致动器10用作发电机。
流入电池11的再生电流可以对电池再充电，并且在某种程度上是有益的。然而， 再生事件可能具有如下的严重程度将电流水平引导至DC总线上将损坏电池或降低其有效寿命。这种情形可能导致例如在致动器10是车辆悬架系统的一部分的情形中使得柱塞 10直接连接至车轮组件15 (在四轮驱动车辆中有四个致动器，每个车轮都有一个致动器)。 定子壳体可以连接至车辆底盘25，而柱塞可以连接至车轮组件。当车辆通过道路中的减速路障或严重井眼(severe hole)时，柱塞通常在与F。ut相反的方向上突然以显著的速度移动。因而，已知将基本并联的电容器(例如电容器23，如图1所示)放置在DC总线上，从而可以存储再生能量(有时称为再生脉冲)并将存储的电流放电回DC总线上。适当设计的电容器可以以这种方式有效地和可靠地操作，但是提供充足电容以容纳显著的再生事件所需的增量分量成本和额外物理体积要求可能是不期望的，尤其是在车辆应用中。
因此，如在下文中更详细描述地，控制系统21可以监测柱塞12的位置和速度，并且在检测到超过或很可能超过预定最大功率电平(或一段时间上的能量电平)的再生事件之后，增大上文论述的d轴电流分量，优选地使得DC总线功率4降低，从而使得所得到的电流将不会损坏电池系统。在存在或不存在将d轴电流施加于座椅加热的情况下，都可以实施再生补偿，这两种过程的同时应用相比于仅一种过程而言只不过是要向线圈添加更多的 d轴电流。
在本领域中应当理解，任何电致动器系统都会限定通常主要因对电机或放大器的热限制所可以达到的最大输出扭矩或力。由于放大器的热量与总电流It成正比，所以应当理解可以限定对It的限制。如果对于给定电机而言，向电流添加d轴分量导致超过这个阈值的总电流Ιτ，则降低d轴电流增量直至总电流低于阈值。
在电流受控的整流致动器的情形下论述当前描述的实施例。应当理解，尽管当前论述主要涉及无刷DC致动器，但是本发明可以作为感应电机控制系统的一部分来实现。应当理解，在这种配置中，在依据与转子磁通校准的q轴分量来表达输出力(对于旋转AC电机而言是扭矩)时需要考虑滑动。因而，例如，本发明可以作为电流受控的整流感应AC感应电机来实施。“整流”是指基于杆(例如转子或柱塞)位置和放大器之间的关系对致动器中电流的控制。
反相器是将交流电压信号提供给线圈的放大器。对反相器占空比的调整是对放大器可变增益的调整，而给定增益导致线圈对上的交变平均电流信号。这种交变平均电流是产生图5中所示交流气隙磁通密度的交变电流信号。因而，控制电路限定了向电机线圈施加的电流信号的幅度、电流信号相对于彼此的相位、以及由电流引起的气隙磁通密度的曲线相对于由柱塞磁体形成的气隙磁通密度所限定的曲线的相位。尽管描述了电压源反相器，但是也可应用其他反相器，诸如电流源反相器。
当柱塞响应于再生事件而快速移动时，所得到的每个线圈对观、30和32的反向电动势可以是大的。在反相器向致动器线圈施加电流信号从而向柱塞施加与柱塞速度方向相反的力的情形下，该电动势抵抗由反相器向线圈施加的电压信号，并且在诸如坑洼或减速障碍之类的情形中，显著的电流(再生电流)可以通过反相器的二极管流回至DC总线上。 也就是说，线圈的超前电压的显著增大显著地降低了系统位移功率因数(反相器输出电压和电流之间的时间相位关系)，从而显著增大了返回至源的功率，并因而显著增大了向DC 总线再生的电流。
在当前描述的实施例中，由于因d轴电流分量导致的在电机线圈中耗散的额外的实际功率，所以有效地增大了位移功率因数，从而降低了通过DC总线向电源42施加回的净电流。也就是说，通过如下方式增大功率因数增大由系统电源施加的功率，使得其等于或接近于负载功率，从而降低或基本上消除反射回系统电源的功率。
对致动器线圈上d轴电流分量控制的效果通过图7至图9中示出的相图来示出。 每个相图示出了电路中的电流和电压降，该电路包括电池/反相器(视为单一电压源)，线圈对之一的电阻，线圈对之一的电感，以及如果可应用的话还包括反向电动势。"Vamp”是指电池/反相器源两端的电压。“V/’是指线圈电阻两端的电压。“八”是指线圈电感两端的电压。“R”是指线圈电阻。“L”是指线圈电感。IP是指电路中的总电流。“ID”是指Ip的d轴分量。“ Iq”是指Ip的q轴分量。
参见图7，如上所述地，如果期望通过向定子线圈施加电流来向杆施加力，则实现这一点的有效方式是 (1)知晓定子和杆之间相对移动的速度， (2)知晓杆磁体的极距， (3)根据这两条信息，确定来自定子的跨气隙的磁通量信号的频率， (4)知晓当电流是q轴电流时线圈中电流和杆上所得到的力之间的关系， (5)知晓期望待施加于杆的力的幅度，以及 (6)控制反相器从而以(3)中限定的频率(被定时为使得电压信号以电学q轴相位变化)和以幅度来限定电压信号Vamp以产生电流IP，该电流IP(通过在(4)中限定的关系)导致在(5)中限定的力。
然而在本领域中应当理解，杆依据如下关系产生反向电动势(Vemf) Vemf = dFlux/dt = (dFlux/dx) * (dx/dt) 其中“Flux”是由柱塞磁体(图4)贡献的气隙磁通量密度曲线，而dx/dt是柱塞速度。因此，如果杆在q轴电流向杆施加的力的方向上移动，则反向电动势总是与q轴电流同相，而如果杆在与q轴电流向杆施加的力的方向相反的方向上移动，则反向电动势总是与q 轴电流有180°的相位差。
在图7中，控制Vamp来仅施加q轴电流，并且杆在q轴电流向杆施加的力的方向上移动，因而Vemf与q轴电流同相。这意味着Vemf与Vk同相，电压跨电阻器降低。
在本领域中应当理解，Vamp和Ip之间的角度θ涉及取决于θ的余弦的功率因数。 如果COS θ为正，则功率因数为正，系统中没有再生电流。如果COS θ为负，则功率因数为负，系统中有再生电流。用于解出Ip的公式是
HVemf +1 p* Rf+i.h* ^Lff2 =Vamp 如图7中所示，COS θ为正。因而，功率因数为正，没有再生电流。
在图8中，杆在与q轴线圈电流向杆施加的力的方向相反的方向上移动。同样地， Vamp的长度(也即幅度)由反相器固定。Vemf为负。Ip同样由下面的公式给出
权利要求
1.一种控制具有定子、杆、至少一个线圈和电源的致动器的方法，其中所述杆具有多个磁体，所述定子和所述杆在所述定子和所述杆之间的接口处相对于彼此移动，使得所述多个磁体提供在幅度和方向上沿所述接口变化的第一磁通量，所述至少一个线圈相对于所述接口部署在所述定子上，使得施加在所述至少一个线圈上的电流提供响应于所述电流的变化而在幅度和方向上沿所述接口变化的第二磁通量，所述电源具有电压，所述方法包括如下步骤(a)以可变的电平跨所述至少一个线圈施加所述电压；(b)确定所述定子和所述杆之间的相对位置；(c)接收第一输入；(d)接收第二输入；(e)响应于所述相对位置和所述第一输入而控制所述可变的电平以提供所述至少一个线圈上的电流的q轴分量，从而使所述第一磁通量变化；以及(f)响应于所述第二输入而控制所述可变的电平以提供所述至少一个线圈上的电流的 d轴分量，从而使所述第二磁通量变化。
2.根据权利要求1的方法，其中所述第二输入携带指示再生事件存在的信息。
3.根据权利要求1的方法，其中所述再生事件指示在所述电源和所述至少一个线圈之间存在电流，所述方法包括如下步骤其中步骤(d)包括如下步骤(g)确定在所述至少一个线圈中耗散的功率，(h)确定所述杆上的机械功率，(i)基于在步骤(g)中确定的耗散功率和在步骤(h)中确定的机械功率，确定所述电源和所述至少一个线圈之间的总线上的功率，(j)将在步骤(i)中确定的总线功率与指示流向电源的再生电流的存在的预定标准比较以产生指示信号，以及其中步骤(f)包括当步骤(j)中所述信号指示再生电流时将所述至少一个线圈上的电流的相位移位以引入所述d轴分量。
4.根据权利要求1的方法，其中所述第二输入包括指示对在所述至少一个线圈中耗散热量的请求的信号。
5.根据权利要求4的方法，包括存储与预定的所述d轴分量对应的预定相移的步骤，以及其中步骤(f)包括响应于所述信号的接收而将所述至少一个线圈上的电流的相位以预定的相移移位以引入预定的d轴分量。
6.根据权利要求1的方法，其中所述第一输入包括指示对待施加于所述杆的力的请求的信号。
7.—种车辆中的设备和控制系统，用于主动悬挂所述车辆中的所述设备，包括设备，响应于由所述控制系统确定的力而相对于所述车辆改变位置；电整流致动器，包括定子，杆，具有多个磁体，所述定子和所述杆在所述定子和所述杆之间的接口处相对于彼此移动，其中所述多个磁体相对于所述接口部署使得所述多个磁体提供在幅度和方向上沿所述接口变化的第一磁通量，以及至少一个线圈，所述至少一个线圈相对于所述接口部署在所述定子上，使得所述至少一个线圈上的电流提供响应于所述电流的变化而在幅度和方向上沿所述接口变化的第二磁通量，以及其中所述杆与所述设备机械连通使得通过所述杆施加力； 电源，具有电压；可变放大器，在电学上部署于所述电源和所述至少一个线圈之间，使得所述放大器以可变的电平跨所述至少一个线圈施加所述电压；传感器，相对于所述定子和所述杆中的至少一个部署，使得所述传感器检测所述定子和所述杆之间的相对位置，其中所述传感器输出对应于所述相对位置的信号；以及控制电路接收第一输入和第二输入， 接收来自所述传感器的信号，控制所述可变放大器使得所述可变的电平响应于所述相对位置和所述第一输入而变化，从而提供所述至少一个线圈上的电流的q轴分量，以及控制所述可变放大器使得所述可变的电平响应于所述第二输入而变化，从而提供所述至少一个线圈上的电流的d轴分量。
8.根据权利要求7的设备和控制系统，其中所述控制系统输出命令，所述命令包括所述第一输入并对应于待施加至所述杆的力。
9.根据权利要求7的设备和控制系统，包括用户可激活的开关，所述开关输出信号，所述信号包括所述第二输入并且指示对在所述至少一个线圈中耗散热量的请求。
10.根据权利要求7的设备和控制系统，包括传感器，所述传感器检测环境温度，并且当检测到的环境温度低于预定值时输出信号，所述信号包括所述第二输入并且指示在所述至少一个线圈中耗散热量的请求。
11.根据权利要求7的设备和控制系统，其中所述控制电路存储对应于预定的d轴分量的预定相移，并且其中所述控制电路响应于所述信号的接收而将所述至少一个线圈上的电流的相位以预定的相移移位以引入预定的d轴分量。
12.根据权利要求7的设备和控制系统，包括三个所述至少一个线圈，设置成相对于所述杆和所述放大器的三相配置。
13.根据权利要求7的设备和控制系统，其中所述控制电路限定所述至少一个线圈中的最大总电流，并且其中当所述q轴分量和所述d轴分量的合计超过所述最大总电流时，所述控制电路降低所述d轴分量使得所述合计不超过所述最大总电流。
14.根据权利要求7的设备和控制系统，其中所述第二输入携带指示再生事件存在的 fn息ο
15.根据权利要求7的设备和控制系统，其中 所述控制电路包括处理器，所述处理器配置成 确定在所述至少一个线圈中耗散的功率， 确定所述杆上的机械功率，基于所述耗散功率和所述机械功率确定所述电池和所述至少一个线圈之间的总线上的功率以产生指示信号，以及其中所述控制电路配置成当对应于比较的所述指示信号指示再生电流时将所述至少一个线圈上的电流的相位移位以弓I入所述d轴分量。
16.一种电整流致动器和控制系统，包括 定子；杆，所述杆在所述杆和所述定子之间的接口处相对于所述定子可移动； 多个磁体，所述多个磁体相对于所述杆可移动，其中所述多个磁体相对于所述接口部署使得所述多个磁体提供在幅度和方向上沿所述接口变化的第一磁通量；至少一个线圈，所述至少一个线圈相对于所述接口部署在所述定子上，使得所述至少一个线圈上的电流提供响应于所述电流的变化而在幅度和方向上沿所述接口变化的第二磁通量；可变放大器，所述可变放大器在所述至少一个线圈上施加变化的电流，所述变化的电流包括q轴分量和d轴分量；以及控制电路，所述控制电路响应于第一输入而限定所述q轴分量并响应于第二输入、相对于所述q轴分量可变化地限定所述d轴分量。
17.根据权利要求16的电整流致动器和控制系统，被构造并设置成主动悬挂车辆中的设备。
全文摘要
一种电整流致动器和控制系统具有定子和相对于定子可移动的杆。可随杆移动的多个磁体提供第一磁通量，在定子上限定的至少一个线圈中的电流提供第二磁通量。响应于第一输入而控制第二磁通量，使得第二磁通量具有相对于第一磁通量的预定的相位。响应于第二输入而控制第二磁通量，使得第二磁通量相对于第一磁通量的相位从该预定的相位变化。
文档编号H02P6/00GK102187565SQ200980141434
公开日2011年9月14日 申请日期2009年10月15日 优先权日2008年10月17日
发明者D·G·奥特曼, J·A·帕里松, L·D·克诺克斯 申请人:伯斯有限公司