用于开关磁阻电机的切换策略的制作方法
【专利摘要】提供了控制电机的方法。该方法可确定电机的速度，并且如果电机速度相对低，则在每个相位的第一开关和第二开关上使用软斩波程序。第一开关可由第一脉冲宽度调制PWM信号驱动，并且第二开关由第二PWM信号驱动。第一和第二PWM信号可被交替配置以使得在分布式软斩波程序期间第一开关和第二开关中的至少一个开关在任何点处闭合，并且第一开关和第二开关两者从不同时打开。
【专利说明】用于开关磁阻电机的切换策略
【技术领域】
[0001]本公开一般涉及电机，并且更特别地涉及控制在低速电动模式中操作的开关磁阻电机的切换程序的系统和方法。
【背景技术】
[0002]随着在节能上的日益关注，越来越多的工业作业机器配有用于驱动作业机器并且操作其各种工具或功能的电动驱动组件或系统。在电驱动器中的持续发展已经使得对于电驱动作业机器可以有效地满足或超越机械驱动作业机器的性能，同时需求显著更少的燃料和总体能量。随着电驱动器关于工业作业机器等变得越来越普遍，用于更有效发电机的需求和用于控制该发电机的技术同样增多。
[0003]电动驱动机器的电机通常用于将从诸如燃烧发动机的主要动力源接收的机械功率转变成用于执行作业机器的一个或多个操作的电功率。此外，电机可用于将在公共总线或存储设备内存储的电功率转变成机械功率。在可与电动驱动系统一起使用的各种类型电机之间，开关磁阻电机已经在稳健、经济有效方面得到很大的关注，并且总体上更有效。虽然当前存在的用于控制开关磁阻电机的系统和方法提供了充分控制，但是仍存在用于改进的空间。
[0004]用于开关磁阻电机的典型控制方案可涉及在两个通用操作模式(例如操作的单脉冲和电流调节模式)中一个模式中操作电机的每个相位的两个开关。单脉冲模式引导朝向需要更多功率输出的更高速度任务，而电流调节模式引导朝向需要来自驱动电机更多扭矩输出的更低速度任务。此外，在典型的电流调节模式之间，额定速度任务可通过对于每个相位的两个开关的硬斩波(chopping)电流来操作，而相对更低的速度任务可通过对于每个相位的两个开关的软斩波电流来操作。
[0005]通过在所需频率处同时打开和闭合每个相位的两个开关，硬斩波程序获得脉冲相电流，而当在所需频率处仅打开和闭合第二开关时通过保持第一开关闭合，软斩波程序获得软脉冲相电流。软斩波程序反复经受在相臂中两个开关中的仅一个开关上的大量热应力。对这种开关的额外负担可导致在相关联功率转换器电路中的过早故障。在功率转换器电路中的这种故障可进而导致在电驱动器系统中的过早故障，并且因此阻止作业机器和其它相关工具实现初始性能需求。
[0006]因此，存在提高电驱动器系统总体效率和功能的需求。此外，存在改进与在高电流、高负荷情况中电动模式期间(诸如在零到低速)操作开关磁阻电机相关联的开关程序或策略的需求。此外，存在在软斩波程序期间更有效使用相臂开关的需求，以便延长开关和总体电驱动器系统的寿命。
【发明内容】
[0007]在本公开的一个方面中，提供了控制电机的方法。该方法可确定电机的速度，并且如果电机速度相对低，则在每个相位的第一开关和第二开关上使用软斩波程序。第一开关可由第一脉冲宽度调制(PWM)信号驱动，并且第二开关由第二 PWM信号驱动。第一和第二PWM信号可被交替配置以使得在分布式软斩波程序期间第一开关和第二开关中的至少一个开关在任何点处闭合，并且第一开关和第二开关两者从不同时打开。
[0008]在改进中，第一和第二 PWM信号可能不同。
[0009]在另一个改进中，电机可以是在操作的发电模式和电动模式中的一个模式中可操作的低到中电压三相开关磁阻电机。
[0010]在相关改进中，分布式软斩波程序可在操作的电动模式期间使用。
[0011 ] 在另一个改进中，相对低的电机速度可与在零和基本速度之间范围的电机速度近似对应。基本速度是在扭矩输出开始与电机速度成比例降低之前，在该速度处电机能够输出恒定扭矩的最大速度。
[0012]在相关改进中，该方法可进一步:如果电机速度相对高则在第一开关和第二开关上使用单脉冲程序，并且如果电机速度是额定的则在第一开关和第二开关上使用硬斩波程序。相对高的电机速度可近似大于基本速度，并且额定电机速度可近似基本速度。
[0013]在本公开的另一方面，提供了用于电机的控制系统。控制系统可包括转换器电路，该转换器电路可操作地耦合到电机的定子；以及控制器，该控制器与电机和转换器电路中的每个通信。转换器电路可包括被耦合到定子每个相位的至少第一开关和第二开关。控制器可被配置成确定电机速度，并且以相对低的电机速度在操作的电动模式期间采用软斩波程序使用第一开关和第二开关。第一开关和第二开关由交替信号驱动，以使得第一开关和第二开关两者从不同时打开。
[0014]在改进中，控制器可被配置成在分布式软斩波程序期间生成用于驱动第一开关的第一 PWM信号和用于驱动第二开关的第二 PWM信号，其中第一 PWM信号可与第二 PWM信号不同。
[0015]在相关改进中，控制器可被配置成将第一和第二 PWM信号交替，以使得在分布式软斩波程序期间第一开关和第二开关中的至少一个开关在任何点处闭合。
[0016]在另一个改进中，转换器电路可包括绝缘栅双极性晶体管开关。
[0017]在另一个改进中，软斩波程序可在可访问控制器的存储器中预编程。
[0018]在另一个改进中，控制器可适于与具有在发电模式和电动模式中的一个模式中可操作的低到中电压三相开关磁阻电机的电机驱动器一起使用。
[0019]在另一个改进中，控制器可进一步被配置成:如果电机速度是额定的则采用硬斩波程序使用第一开关和第二开关，并且如果电机速度相对高则采用单脉冲程序使用第一开关和第二开关。相对低的电机速度可近似与在零和基本速度之间范围的电机速度对应。额定电机速度可近似基本速度。相对高的电机速度可与近似大于基本速度的电机速度对应。基本速度可以是在扭矩输出开始与电机速度成比例降低之前，在该速度处所述电机能够输出恒定扭矩的最大速度。
[0020]在本公开的另一个方面中，提供了电驱动器系统。该电驱动器系统可包括具有转子和定子的电机、与电机通信的转换器电路，以及与电机和转换器的每个通信的控制器。转子和定子中的每个可具有多个相位，并且转换器电路可包括耦合到定子每个相位的至少第一开关和第二开关。控制器可被配置成确定电机速度，并且以相对低的电机速度在操作的电动模式期间采用软斩波程序使用第一开关和第二开关。第一开关和第二开关可由交替信号驱动，以使得第一开关和第二开关两者从不同时打开。
[0021]在改进中，控制器可被配置成在分布式软斩波程序期间生成用于驱动第一开关的第一 PWM信号和用于驱动第二开关的第二 PWM信号，其中第一 PWM信号可与第二 PWM信号不同。
[0022]在相关改进中，控制器可被配置成将第一和第二 PWM信号交替，以使得在分布式软斩波程序期间第一开关和第二开关中的至少一个开关在任何点处闭合。
[0023]在另一个改进中，软斩波程序可在可访问控制器的的存储器中预编程。
[0024]在另一个改进中，电机可以是在发电模式和电动模式中的一个模式中可操作的低到中电压三相开关磁阻电机。
[0025]在另一个改进中，控制器可进一步被配置成如果电机速度是额定的则采用硬斩波程序使用第一开关和第二开关，并且如果电机速度相对高则采用单脉冲程序使用第一开关和第二开关。相对低的电机速度可近似与在零和基本速度之间范围的电机速度对应。额定电机速度可近似基本速度。相对高的电机速度可与近似大于基本速度的电机速度对应。基本速度可以是在扭矩输出开始与电机速度成比例降低之前，在该速度处所述电机能够输出恒定扭矩的最大速度。
[0026]在相关改进中，控制器可被配置成至少部分地基于检测的电机速度并且使用在可访问控制器的存储器中预编程的一个或多个控制图，来选择单脉冲、硬斩波和分布式软斩波程序中的一个。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1是具有电驱动器系统的一个示例性机器的示意图；
[0028]图2是用于根据本公开的教导构建的电驱动器的示例性控制系统的示意图；
[0029]图3是控制电机的一个示例性方法的流程图；以及
[0030]图4是用于低到中电压开关磁阻电机的示例性功率转换器电路的示意图；以及
[0031]图5是与示例性分布式软斩波波形比较的典型软斩波波形的图形视图。
【具体实施方式】
[0032]现详细参考在附图中示出的具体实施例或特征、范例。一般地,相应的参考标记将贯穿附图使用以指代相同或相应的部分。
[0033]图1图示了可利用用于引起运动的电驱动器的移动机器100。更具体地，机器100可包括经由牵引设备106耦接到用于引起运动的电动驱动系统104的功率源102。这种移动机器100可被用作用于执行与(诸如采矿、建筑、农业、运输或在本领域中的任何其它合适行业)行业相关联的特定类型操作的作业机器。例如，机器100可以是运土机、海洋船舶、飞机、拖拉机、越野车、公路客运车辆或任何其它移动机器。电驱动器104的功率源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用于产生功率的任何其它类型内燃发动机。发动机102可被配置成经由耦接件或轴向旋转驱动轴112来机械发送功率给电驱动器104的发电机或电机110。
[0034]图2示意性示出可被利用在发动机102与一个或多个电负载114之间传送功率的一个示例性电驱动器系统104。在图2中的电驱动器104的电机110可以是开关磁阻电机等，其被配置成响应来自发动机102的旋转输入而产生电功率，并且将电功率传送给机器100的一个或多个电负载114。负载114可包括例如用于引起机器100运动的电机，以及用于操作机器100的各种机械工具的电机。如本领域中熟知的，电机110可包括可旋转设置在固定定子118内的转子116。转子116可经由驱动轴112 (或在其它相关实施例中经由直接曲轴、齿轮传动系、液压回路等)被耦接到发动机102的输出。定子118可经由转换器电路122被电耦接到电驱动器104的公共总线120。
[0035]在操作的发电模式期间，随着转子116在定子118内通过发动机102旋转，电流可在定子118内被感应并且供应到转换器电路122。转换器电路122可进而将电信号转换成用于到机器100各种电负载114的分布的合适直流(DC)电压。此外,可使电机110例如在操作的电动模式期间能够响应于从公共总线120提供给定子118的电信号而引起转子116的旋转。公共总线120可包括正线124和负线或接地线126，横跨该线公共DC总线电压可被传送到耦接到其上的机器100的一个或多个负载114。例如，转换器电路122可通过公共总线120提供要发送的DC信号，并且提供到整流器电路，在该整流器电路中DC电压可被转换成用于驱动一个或多个牵引电机的合适交流(AC)信号或经由牵引设备106用于引起机器100运动的信号等。公共总线120可同样将公共DC电压传送给诸如混合动力系统、电驱动泵、电驱动风扇等的机器100的其它负载114。
[0036]仍参考图2，电驱动器104可同样包括用于控制电机110的控制系统128。控制系统128可基本包括控制器130，其至少与电驱动器104相关联的转换器电路122通信。转换器电路122可包括一系列(诸如绝缘栅双极性晶体管的)晶体管或栅极开关132，以及用于选择性实现电机110的一个或多个相位绕组的二极管134。例如三相开关磁阻电机110可使用具有用于选择性使电机110的三相臂的每个相臂启用或禁用的六个开关132和六个二极管134的转换器电路122来驱动。每个开关132可经由可由控制器130供应的栅极信号来启用或禁用。在特定修改中，控制系统128可同样具有编码器、速度传感器136等，其适于产生与相对于定子118的转子116的旋转位置和/或频率对应的速度传感器信号，并且将速度传感器信号传送到控制器130的输入。速度传感器136可包括霍尔效应传感器、可变磁阻传感器、各向异性磁阻传感器等。到控制系统128和转换器电路122的功率可通过外部或次级电源(诸如通过电池(未示出)、在公共总线120的电容器138中存储的残余电压或任何其它合适的限流DC电源)提供。
[0037]图2的控制器130可使用一个或多个处理器、微处理器、微控制器、电子控制模块(ECM)、电子控制单元(ECU)或用于向电驱动器系统104提供电子控制的任何其它合适部件来实现。更具体地，控制器130可被配置成基于电机110、发动机102、电驱动器104等的观测特性，根据设计为优化机器100性能的预定算法或指令组来操作电驱动器104的电机110。例如，控制器130可被编程为确定用于最适于观测的电机速度、负载特性和/或相位电流需求的开关磁阻电机110的操作模式。此外，基于观测参数，控制器130可调节供应到电机110每个相臂的相位电流以便在单脉冲模式、电流调节模式、硬斩波模式、软斩波模式等中的任何一个模式中操作电机110。这种算法可额外或可替代地包括预定义控制图或查找表，该控制图或查找表可提出与给定情况最优对应并且优化性能的预定义控制方案给控制器130。算法或指令组和条件可通过在本领域中公知的方式预编程或并入到控制器130的存储器中。[0038]现参考图3，提供了示例性算法或方法140的流程图，通过该算法或方法140控制器130可被配置成在操作的电动或推进模式中驱动电机110。如图所示，在初始步骤140-1中，控制器130可被配置成确定当前电机速度。更具体地，控制器130可监测并且比较观测速度与一个或多个预定义的速度阈值或阈值范围，以确定电机速度是否与相对高的速度、额定或中间范围速度、相对低的速度等对应。这种电机速度阈值可基于基本速度来区分。虽然用于任何特定电机110和/或应用的基本速度可随着施加的负载而变化，但是基本速度一般可定义为最大速度，在扭矩输出开始与电机速度成比例降低之前，在该速度处电机110能够输出恒定扭矩。相对低的电机速度可被指定为近似在零和基本速度之间的范围，而相对高的电机速度可指定为近似超过基本速度的电机速度。额定电机速度可近似与基本速度对应。
[0039]如果观测速度被观测为相对高，则控制器130可被配置成在步骤140-2中使用操作电机Iio的单脉冲模式。在步骤140-2的单脉冲模式期间，控制器130可发送被配置成启用或闭合与电机110的每个相臂相关联的转换器电路122的开关132的两个开关，以便在输出的基本上恒定的功率范围中操作电机110。可替代地，如果观测速度被观测为额定或相对低，则控制器130可被配置成在步骤140-3中使用操作电机110的电流调节模式。
[0040]在电流调节模式期间，控制器130可被配置成进一步区分观测的电机速度是否与额定或相对低的电机速度对应。如在先前条件中，控制器130可基于一个或多个预定义的速度阈值或阈值范围，在额定和相对低的电机速度之间区分。如果观测速度与额定电机速度对应，则控制器130可在步骤140-4中使用硬斩波切换程序。在硬斩波程序期间，通过同时切换(打开和闭合)在所需频率处用于电机110每个相位的开关132的两个开关，控制器130可发送被配置为通过电机110的相臂的脉冲电流的栅极信号。这种硬斩波程序可驱动电机110以生成基本上恒定的输出扭矩范围。可替代地，如果观测速度与相对低的电机速度对应，则控制器130可被配置成在步骤140-5中使用软斩波切换程序。例如，在步骤140-5期间，控制器130可发送栅极信号，该栅极信号被配置成在所需频率处交替切换开关磁阻电机110的相臂的两个开关132中的一个开关，而余下的开关被保持在闭合状态。
[0041]如由图4的示例性功率转换器电路122和图5的相应波形所进一步展示的，步骤140-5的分布式软斩波程序可以是通常在本领域中使用的标准软斩波程序的修改。在标准的软斩波程序中，仅相臂的上部或第一开关132-1在所需频率处被施加脉冲，或打开和闭合，而下部或第二开关132-2被连续保持在闭合位置。此外，仅第一开关132-1通过在标准软斩波程序中的脉冲宽度调制(PWM)信号来切换或驱动。对于需要基本上更多扭矩输出的高电流应用，软斩波程序通常可用于在零或相对低的速度处驱动开关磁阻电机110。这种高电流应用放置大量的负担和显著热应力在恒定用于切换的两个开关132-1、132-2中的仅一个开关上，因此经常导致过早故障。
[0042]然而，在图5中示出的分布式软斩波程序可在第一和第二开关132-1、132_2之间分布高相位电流的切换模式，以便更均匀地分布热应力，并且减轻在功率转换器电路122上的总体负担。如图所示，第一和第二开关132-1、132-2中的每个可通过两个不同并且一般交替的PWM的栅极信号来驱动。例如，控制器130可被配置成发送用于驱动第一开关132-1的第一 PWM栅极信号和用于驱动第二开关132-2的第二 PWM栅极信号。更具体地，第一 PWM信号与第二 PWM信号可被配置成一般交替以使得在分布式软斩波程序期间第一和第二开关132-1、132-2中的至少一个开关在任何点处闭合，并且以使得在软斩波程序持续期间第一和第二开关132-1、132-2两者从不同时打开。此外，PWM信号可被配置以使得通过切换仅第一开关132-1所生成的(诸如图5的第一波形)标准软斩波程序的每个脉冲段在通过切换第一和第二开关132-1、132-2两者所生成的(诸如图5的第二波形)分布式软斩波程序中有效匹配。因此，控制器130可进一步被配置生成PWM信号，其保存标准软斩波程序的效果，同时促进转换器电路122和电驱动系统104的总体寿命。
[0043]工业话用件
[0044]—般来说，前述公开发现在诸如提供通常与在工作车辆和/或机器(诸如拖拉机、挖掘装载机、压土机、伐木归堆机、林业机器、工业装载机、滑移装载机、轮式装载机等)相关使用的电机的更平滑和更有效控制中的诸如农业、建筑和采矿工业的各种工业应用中的使用。更具体地，所公开的控制系统和方法可应用于具有开关磁阻电机或在本领域中通常使用的其它对照电机的电驱动器系统和机器。在此公开的系统和方法提供用于驱动电机的有效策略，其旨在保存相关电驱动器系统的健康并且延长机器性能。此外，提供分布式软切换策略用于以零或相对低的电机速度在操作的电动或推进模式期间驱动开关磁阻电机。在高电流和高负载应用期间，通过更均匀分配软斩波的任务给电机的每个相位的多于一个的开关，减少由热应力导致的组件故障。此外，通过交替在功率转换器电路的所有开关之间的切换任务，提高了效率同时保存标准软斩波策略的有效功能。
[0045]从前述中将理解到，虽然为了图示目的仅描述了某些实施例，但是对本领域的技术人员来说，替换和修改将从以上描述显而易见。这些和其它替换视为等效并且落入本公开和所附权利要求的精神和范围内。
【权利要求】
1.一种方法(140)，用于控制电机(110)，所述方法包括如下步骤: 确定所述电机(110)的速度；以及 如果电机速度相对低，则在每个相位的第一开关(132-1)和第二开关(132-2)上使用软斩波程序，所述第一开关(132-1)由第一脉冲宽度调制(PWM)信号驱动，并且所述第二开关(132-2)由第二 PWM信号驱动，所述第一和第二 PWM信号被交替配置以使得在分布式软斩波程序期间所述第一开关(132-1)和所述第二开关(132-2)中的至少一个开关在任何点处闭合，并且所述第一开关(132-1)和所述第二开关(132-2)两者从不同时打开。
2.根据权利要求1所述的方法(140)，其中所述第一和第二PWM信号不同。
3.根据权利要求1所述的方法(140)，其中所述电机(110)是在操作的发电模式和电动模式中的一个模式中可操作的低到中电压三相开关磁阻电机，所述分布式软斩波程序在操作的电动模式期间使用。
4.根据权利要求1所述的方法(140)，其中相对低的电机速度与在零和基本速度之间范围的电机速度近似对应，所述基本速度是在扭矩输出开始与电机速度成比例降低之前，在该速度处所述电机(110)能够输出恒定扭矩的最大速度。
5.根据权利要求1所述的方法(140)，其进一步包括如果所述电机速度相对高则在所述第一开关(132-1)和所述第二开关(132-2)上使用单脉冲程序、并且如果所述电机速度是额定的则在所述第一开关(132-1)和所述第二开关(132-2)上使用硬斩波程序的步骤，相对高的电机速度近似大于基本速度，并且额定电机速度近似所述基本速度，所述基本速度是在扭矩输出开始 与电机速度成比例降低之前，在该速度处所述电机(110)能够输出恒定扭矩的最大速度。
6.一种控制系统(128)，用于电机(110),所述系统包括: 转换器电路(122)，其可操作地耦合到所述电机(110)的定子(118)，所述转换器电路(122)包括被耦合到所述定子(118)的每个相位的至少第一开关(132-1)和第二开关(132-2);以及 控制器(130)，其与所述电机(110)和所述转换器电路(122)中的每个通信，所述控制器(130)被配置成确定电机速度，并且以相对低的电机速度在操作的电动模式期间采用软斩波程序使用所述第一开关(132-1)和所述第二开关(132-2)，所述第一开关(132-1)和所述第二开关(132-2)由交替信号驱动，以使得所述第一开关(132-1)和所述第二开关(132-2)两者从不同时打开。
7.根据权利要求6所述的控制系统(128)，其中所述控制器(130)被配置成在所述分布式软斩波程序期间生成用于驱动所述第一开关(132-1)的第一脉冲宽度调制(PWM)信号和用于驱动所述第二开关(132-2)的第二 PWM信号，所述第一 PWM信号与所述第二 PWM信号不同。
8.根据权利要求6所述的控制系统(128)，其中所述控制器(130)被配置成将用于驱动所述第一开关(132-1)的第一脉冲宽度调制(PWM)信号和用于驱动所述第二开关(132-2)的第二脉冲宽度调制(PWM)信号交替，以使得在所述分布式软斩波程序期间所述第一开关(132-1)和所述第二开关(132-2)中的至少一个开关在任何点处闭合。
9.根据权利要求6所述的控制系统(128)，其中所述控制器(130)适于与具有在发电模式和电动模式中的一个模式中可操作的低到中电压三相开关磁阻电机的电驱动器(104)一起使用。
10.根据权利要求6所述的控制系统(128)，其中所述控制器(130)进一步被配置成如果电机速度是额定的则采用硬斩波程序使用所述第一开关(132-1)和所述第二开关(132-2)，并且如果电机速度相对高则采用单脉冲程序使用所述第一开关(132-1)和所述第二开关(132-2)，相对低的电机速度与在零和基本速度之间范围的电机速度近似对应，额定电机速度近似所述基本速度，相对高的电机速度与近似大于所述基本速度的电机速度对应，所述基本速度是在扭矩输出开始与电机速度成比例降低之前，在该速度处所述电机(110)能够输出恒定 扭矩的最大速度。
【文档编号】H02P25/08GK103999351SQ201280060576
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2012年12月5日 优先权日:2011年12月9日
【发明者】A·卡里尔, J·韦, J·格德斯, J·西格勒, M·哈特曼, J·威廉姆斯 申请人:卡特彼勒公司