用于電機控制的利用開環(huán)位置的混合閉環(huán)速度控制的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用于控制具有轉子和定子的電機的速度的方法。該方法可以包括以下步驟：監(jiān)測轉子的期望速度和測量速度，基于期望速度和測量速度產(chǎn)生轉矩指令，以及基于轉矩指令、轉子的測量速度和估計位置的混合閉環(huán)分析來控制流入定子的相電流。轉子的估計位置可至少部分地自期望速度推導得出。
【專利說明】用于電機控制的利用開環(huán)位置的混合閉環(huán)速度控制
【技術領域】
[0001]本發(fā)明一般涉及電機，并且更具體地涉及用于控制電機的速度的系統(tǒng)和方法。
【背景技術】
[0002]電機例如發(fā)電系統(tǒng)、發(fā)電機組等通常用于將一種形式的能量轉換成另一種形式的能量，并且可在電動模式下操作以將電能轉化成機械能或旋轉動能，或在發(fā)電模式下操作以將機械能或旋轉能轉換成電能。在可與電驅動組件一起使用的各種類型的機器中，開關磁阻(SR)機器由于其穩(wěn)定性和高性價比已經(jīng)受到了廣泛的關注。雖然當前現(xiàn)有的用于控制這種電機的系統(tǒng)和方法提供了足夠的控制，但是仍然有需要改進的地方。
[0003]為了高效地操作機器的電驅動裝置，不僅在高的操作速度而且在零操作速度或低的操作速度中，精確地監(jiān)測轉子相對于與電驅動裝置相關聯(lián)的機器的定子的速度和/或位置是重要的。傳統(tǒng)的電驅動裝置通過使用高分辨率速度輪以在這種較低的操作速度下操作或經(jīng)常改變其旋轉方向從而檢測轉子的絕對位置，高分辨率速度輪聯(lián)接在傳統(tǒng)的電驅動裝置上并設置有多個齒，多個齒可以通過近距離傳感器的某種形式來檢測。然而，根據(jù)所需用途或應用，并不是所有機器可以能夠使用這種高分辨率速度輪，而是，可能需要使用具有繞其設置的較少的齒的低分辨率速度輪。
[0004]使用這種低分辨率速度輪使得電驅動系統(tǒng)很難精確地確定絕對轉子速度或位置以及產(chǎn)生足夠的轉矩，特別是當在零速或低速操作時，例如在發(fā)動機啟動例程期間。在一些這種設計中，在零速或接近于零速處計算初始轉子位置，依賴其中的進一步的計算和傳感器反饋以在機器的操作期間跟蹤絕對轉子位置。然而，由于使用的速度輪的低分辨率與傳感器相關聯(lián)的限制，初始轉子位置計算可能是不準確的。由于機器的跟蹤和整體控制的完整性依賴于初始轉子位置的精確性，因此可對不準確的初始轉子位置讀數(shù)產(chǎn)生的任何偏移不進行糾正，這可以進一步導致較差的機械性能或完全阻止機器的操作。
[0005]相應地，需要提供簡單并且更可靠的方法來控制具有較低分辨率的速度輪的電機的操作速度。所公開的系統(tǒng)和方法旨在解決上述需要中一個或多個并克服現(xiàn)有技術的不足。
【發(fā)明內容】
[0006]在本發(fā)明的一個方面，提供了一種控制具有轉子和定子的電機的速度的方法。該方法可以包括以下步驟:監(jiān)測轉子的期望速度和測量速度，基于期望速度和測量速度產(chǎn)生轉矩指令，以及基于轉矩指令、轉子的測量速度和估計位置的混合閉環(huán)分析來控制流入定子的相電流。轉子的估計位置至少部分地自期望速度推導得出。
[0007]在本發(fā)明的另一方面，提供了一種控制具有轉子和定子的電機的速度的方法。該方法可以包括以下步驟:監(jiān)測轉子的期望速度和測量速度，基于期望速度和測量速度產(chǎn)生轉矩指令，至少部分地基于期望速度確定轉子的估計位置，以及基于轉矩指令、轉子的測量速度和估計位置的混合閉環(huán)分析來確定用于控制流入定子中的每一個相的相電流的電流控制參數(shù)。
[0008]在本發(fā)明的又一方面，提供了一種用于控制具有轉子和定子的電機的速度的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可以包括操作性地聯(lián)接到定子的變換器電路，以及與定子和變換器電路中的每一個相連通的控制器。變換器電路可包括選擇性地連通電流與定子的每一個相的多個開關?？刂破鞅慌渲脼榛谄谕俣群蜏y量速度之間的差異產(chǎn)生轉矩指令，并基于轉矩指令、轉子的測量速度和估計位置的混合閉環(huán)分析來控制開關。轉子的估計位置可至少部分地自期望速度推導得出。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1是應用于電機的電驅動裝置的速度控制系統(tǒng)的示例性實施例的示意圖；
[0010]圖2是使用混合閉環(huán)/開環(huán)控制方案控制電機的方法的流程圖；
[0011]圖3是用于控制電機的相電流的混合閉環(huán)控制方案的示意圖；以及
[0012]圖4是用于控制電機的相電流的閉環(huán)控制方案的示意圖。
【具體實施方式】
[0013]現(xiàn)在將詳細地參考特定實施例或特征，其中的示例在附圖中示出。通常，在所有附圖中將使用相應的附圖標記表示相同或相應的零件。
[0014]圖1示意性地示出了一個示例性電驅動裝置100，電驅動裝置100可以用來在動力源102和一個或多個電力負載裝置104之間傳輸動力。該動力源102可包括例如柴油發(fā)動機、汽油發(fā)動機、天然氣發(fā)動機或通常與機動機器一起使用的任何其他能源。動力源102也可結合固定應用使用，并且包括例如風車、水電站壩、電池、燃料電池、或者任何其他合適的能源。負載裝置104可以包括接收電能的一個或多個裝置或部件。例如，關于工業(yè)作業(yè)機器或機動作業(yè)車輛，負載裝置104可以包括用于操作機器的工具的一個或多個馬達和/或用于引起車輛運動的一個或多個牽引馬達。
[0015]圖1的動力源102可被配置為將動力經(jīng)由聯(lián)接器108(例如軸向旋轉驅動軸等)機械地傳輸至電驅動裝置100的電機106。電機106可包括任何合適的機器，該機器被配置為產(chǎn)生響應于外部供應的機械輸入的電能，或可選地，產(chǎn)生響應于電供應的輸入的機械能。在圖1的特定實施例中，例如，電機106可以包括開關磁阻(SR)機器等，開關磁阻(SR)機器被配置為響應于源自動力源102并且通過聯(lián)接器108的旋轉輸出來產(chǎn)生電能，或可選地，機械地旋轉聯(lián)接器108并響應于動力源上的電流來轉動或啟動動力源102。
[0016]如在本領域中眾所周知的，機器106可包括旋轉地設置在固定的定子112內的轉子110。機器106的轉子110可經(jīng)由聯(lián)接器108，或者在其他實施例中，經(jīng)由直接曲軸、齒輪系、液壓回路等，被旋轉地聯(lián)接到動力源102的輸出端。機器106的定子112可經(jīng)由變換器電路116電聯(lián)接到電驅動裝置100的公共總線114。在操作發(fā)電模式期間，當機器106的轉子110通過動力源102在定子112內旋轉時，定子112內可以感應出電流并提供給變換器電路116。該變換器電路116可以依次把電信號轉換成合適的直流(DC)電壓，以經(jīng)由公共總線114分配給電負載裝置104和/或任何其他裝置。公共總線114通?？梢蕴峁┱€路118和負線路或接地線路120，公共總線114可橫跨正線路118和負線路或接地線路120連通電驅動組件100的一個或多個電平行裝置之間的公共DC總線電壓?？蛇x地，在電動操作模式的期間，可以使機器106能夠響應于電信號產(chǎn)生轉子110的旋轉，該電信號是從公共總線114提供給定子112。
[0017]變換器電路116可包括一系列的晶體管或柵控開關122以及二極管124，用于選擇性地啟用機器106中的一個或多個相繞組。例如，可以使用具有六個開關122和六個二極管124的變換器電路116驅動三相開關磁阻機器106，用于選擇性地啟用或禁用通過機器106的三個相中的每一個的相電流。每個開關122經(jīng)由柵極信號也可以被啟用或被禁用，同時外用動力源或二次動力源(未示出)可提供橫跨公共總線114的正線路118和負線路120的功率以促使電流通過分別啟用的開關122和二極管124。此外，可通過二次動力源將初始動力提供給變換器電路116和機器106，二次動力源采取例如電池、存儲在公共總線114的電容器的殘余電壓、或任何其他合適的直流動力供應的形式。
[0018]仍然參照圖1，電驅動裝置100也可以設置有速度控制系統(tǒng)126，該控制系統(tǒng)126配置為至少控制轉子110相對于機器106的定子112的旋轉速度和/或位置。控制系統(tǒng)126可以包括控制器128，控制器128被配置為通過變換器電路116和一個或多個傳感器130與機器106連通?？刂破?28可以通過使用處理器、微處理器、微控制器、數(shù)字信號處理器(DSP)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、電子控制模塊(ECM)、電子控制單元(ECU)、或任何其他合適的裝置中的一個或多個來實施。控制器128可以被配置為按照預定或預編程的算法或指令集操作，用于基于轉子110的速度或位置和電驅動組件100的整個操作條件來操作電驅動裝置100。這種算法或指令集可以被預編程或結合到板上或外部的存儲器，但在可訪問如本領域通常所保持的控制器128。
[0019]傳感器130可以包括光學傳感器、霍爾效應傳感器、可變磁阻傳感器、各向異性磁阻傳感器、近距離傳感器，或適合以電子方式將機器106的速度和/或位置連通到控制器128的任何其他合適的裝置。更具體地，傳感器130可以設置成緊靠機器106的轉子110的速度輪，以便檢測機器106的轉子110的絕對位置。速度輪可以結合到轉子110的主體中，或外部地但剛性地聯(lián)接到轉子110或其聯(lián)接器108以便能以與轉子110直接對應地旋轉。速度輪可包括設置在其周圍的多個齒，使得當速度輪旋轉時，齒與傳感器130相互作用，并且例如，使傳感器130產(chǎn)生具有對應于經(jīng)過每個齒的可檢測的上升沿和下降沿的信號。
[0020]另外，速度輪可結合為低分辨率速度輪，低分辨率速度輪例如在其周圍具有大約8個齒，這些齒被配置為使傳感器130輸出每轉速度輪以及由此每轉轉子110具有大約16個可分辨上升沿和下降沿的電傳感器反饋信號。該速度輪可選擇地設置為高分辨率速度輪，例如，具有大約96個齒，這些齒被配置為使傳感器130輸出每轉轉子110具有大約192個不同的上升沿和下降沿的電傳感器反饋信號。通過監(jiān)測傳感器反饋信號中多個上升沿和/或下降沿，圖1的控制器128可以能夠在機器106的操作期間的任何時間評定轉子110相對于定子112的即時速度和/或位置。此外，基于所評定的轉子轉速和/或轉子位置，控制器128可以能夠提供柵極信號，或電流控制參數(shù)，用于操作變換器電路116的開關122并且將合適的電流提供至定子112的每個相。
[0021]現(xiàn)在參考圖2，提供了一種控制轉子的速度的示例性算法或方法132，這種算法或方法具有可以選擇性地由控制器128執(zhí)行的多個步驟。所示的方法132或至少其中的一些步驟可以在機器操作的某些模式的期間應用，這些模式涉及，例如，方向變化和/或零速到低速操作，例如在發(fā)動機啟動例程的期間等，其中無傳感器控制方案和/或高分辨率速度輪可能不太實用。具體地，控制器128可以被配置為當機器106以速度控制模式等操作時執(zhí)行方法132，例如，以使相關聯(lián)的內燃機102旋轉至某一速度，該速度使發(fā)動機102啟動并維持其本身的速度。一旦啟動發(fā)動機102，并在發(fā)動機結束時啟動例程，那么速度控制模式可被禁止并且機器106可以通過電壓控制模式等來控制。本領域的技術人員將理解其他控制配置和修改不脫離本發(fā)明的范圍。
[0022]如通過圖2的方法132所示，參考速度指令或在步驟132-1中期望的轉子速度，控制器128可以首先監(jiān)測由傳感器130所檢測的實際的轉子速度或測量的轉子速度?；跈z測到的期望的轉子速度和測量的轉子速度之間的差異，控制器128可以被配置產(chǎn)生步驟132-2中的轉矩指令。如圖3和圖4所示，例如，控制器128可以采用比例-積分(PI)控制器134以根據(jù)檢測到的期望的轉子速度和測量的轉子速度之間的差異來產(chǎn)生和/或調節(jié)轉矩指令。通過采用速度控制模式下的PI控制器134，期望速度和測量速度作為PI控制器的輸入，所施加到機器106的轉矩的量可由特定機器參數(shù)來控制。例如，控制器128可以能夠根據(jù)定子112的每個相通電的持續(xù)時間和每個相通電的電流的大小來控制機器106。在本質上，更大的期望速度和所測量速度之間的差異可導致特定相通電更長的持續(xù)時間，并且具有更大的電流量。當這些機器參數(shù)增加時，可以使機器106的轉子110旋轉并更快地對齊到通電的相，并且因此變得越來越能夠克服任何阻力轉矩或防止轉子110可能是由于發(fā)動機壓縮等產(chǎn)生的轉動的轉矩。
[0023]一經(jīng)在步驟132-2中確定轉矩指令，控制器128可以被配置為使用例如如圖3所示的混合閉環(huán)的方法或部分開環(huán)的方法繼續(xù)控制相電流。相比于圖4中的全閉環(huán)的方法，例如，混合閉環(huán)分析可依賴于轉子的估計位置、經(jīng)由開環(huán)，而不是通過傳感器130、經(jīng)由閉環(huán)測量，以便控制流入機器106的相電流。更具體地，混合閉環(huán)方法可通過給出的期望速度或速度指令輸入的計算在內部獲得轉子的位置，使得不限制針對速度輪分辨率和/或傳感器的不精確性的任何缺陷的機器性能。如參照現(xiàn)有技術所討論的，完全閉環(huán)方法的某些限制可能缺乏需要正確識別的初始轉子位置和提供可接受的機械性能的精確性和可靠性。盡管為機器106提供高分辨率的速度輪可以改善精確性和性能，但是實現(xiàn)這種高分辨率的速度輪并不總是理想的，這是由于尺寸限制、封裝限制、費用限制、和/或其他因素。因此，基于速度指令而不是只基于傳感器反饋來控制機器106，控制器128可以能夠為機器106提供更可靠的性能，機器106通常在零速至低速操作或發(fā)生方向變化。
[0024]再回到參考圖2，控制器128可被配置為基于如圖3所示的混合閉環(huán)方法控制流入定子112的每個相的電流。如圖2的方法132所示，控制器128可以被配置為至少部分地基于步驟132-3中的期望速度或速度指令輸入推導出或計算出轉子110相對于定子112的估計位置。轉子的估計位置可以通過使用各種不同的可用的方案中的任何一個或多個來獲得。例如，控制器128可以適用于基于編程到可訪問控制器128的存儲器的預定關系或方程從給出的速度指令中推導出轉子位置的估計。在其他實施例中，控制器128還可被配置為對給定的速度指令參考產(chǎn)生或建議合適的轉子的估計位置的預編程的查找表和/或映射。由于基于改變速度指令，混合閉環(huán)方法動態(tài)地計算轉子位置，因此轉子位置可以改變并且不固定至參考現(xiàn)有技術的閉環(huán)方法所討論的任何初始轉子位置。此外，由于機器106試圖跟隨轉子的估計位置，因此可以減小轉子的估計位置和實際的轉子位置之間的偏移。
[0025]一旦獲得轉子的估計位置，那么控制器128可以被配置為基于如圖2所示的步驟132-4中轉矩指令、測量的轉子速度和轉子的估計位置來控制相電流。更具體地，控制器128可以至少部分地使用轉子的估計位置來控制定子112的特定相的柵極或開關122。通過切換相電流并且對定子112的每一個相的磁極進行電磁通電，則可以將轉子110相應的磁極與通電定子磁極對齊并因此引起機器106的轉子110的旋轉。因此，改變期望速度或速度指令輸入可以導致對轉子的估計位置的改變，實際上這用于控制機器速度。例如，如果速度指令以及由此轉子的估計位置是以合適的速率改變，那么實際的轉子速度可充分地跟隨期望速度。
[0026]如圖4所示的閉環(huán)方法，圖3中的混合閉環(huán)方法也可以參考查找表和/或映射138以確定給出的轉矩指令、測量的轉子速度和轉子的估計位置的最適合的電流控制參數(shù)集136。如圖所示，由控制器128產(chǎn)生的電流控制參數(shù)136可以包括電流指令信號、Θ -導通角、Θ -截止角，或用于適當?shù)乜刂葡嚯娏鞑⑶矣纱藱C器106的轉子速度的任何其他信號中的一個或多個。映射138可包括，例如，轉矩-速度映射、轉矩-位置映射，以及轉矩指令、轉子速度、轉子位置和電流控制參數(shù)136之間任何其他預定義相關聯(lián)集中的一個或多個。
[0027]工業(yè)實用性
[0028]一般而言，上述發(fā)明反映了在涉及電機控制的各種應用中的實用性。更具體地，所公開的系統(tǒng)和方法可以被用來提供更可行的機器的控制，這些機器通常與工業(yè)施工車輛、固定式發(fā)電機器、移動機器等的電驅動組件聯(lián)合使用，并通常可在零速到低速操作和/或發(fā)生方向變化。此外，所公開的混合閉環(huán)速度控制方式和方法可以應用到具有開關磁阻(SR)機器的電動驅動組件，在開關磁阻(SR)機器中，高分辨率的速度輪可能是不希望的和/或不適用的。通過結合閉環(huán)部件(例如測量的轉子速度)以及開環(huán)部件(例如轉子的估計位置)，本發(fā)明可提高具有低分辨率的速度輪的基于傳感器的機器的控制的可靠性。
[0029]從前面說明中將理解到，雖然為了說明的目的已經(jīng)提出了某些實施例，但是來自上述說明書的替換或修改對本領域的技術人員而言將是顯而易見的。這些和其他替換被認為是等效物并且落在本說明書和附加的權利要求書的精神和范圍之內。
【權利要求】
1.一種控制具有轉子(110)和定子(112)的電機(106)的速度的方法(132)，包括以下步驟: 監(jiān)測所述轉子(110)的期望速度和測量速度； 基于所述期望速度和所述測量速度產(chǎn)生轉矩指令；以及 基于所述轉矩指令、所述轉子(110)的所述測量速度和估計位置的混合閉環(huán)分析來控制流入所述定子(112)的相電流，所述轉子的估計位置至少部分地從所述期望速度推導得出。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法(132)，其中，基于所述轉子(110)的所述期望速度和所述測量速度之間的差異，產(chǎn)生所述轉矩指令。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法(132)，其中，使用所述轉子(110)的所述期望速度和所述測量速度的比例-積分(PI)評定，控制所述轉矩指令。
4.根據(jù)權利要求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)的所述相電流，直到實現(xiàn)最小的機器速度，在發(fā)動機啟動例程期間施加所述速度控制模式。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法(132)，其中，通過電流指令、Θ-導通角和Θ-截止角中的一個或多個來控制所述相電流，基于一個或多個預定查找映射(138)產(chǎn)生所述電流指令、所述Θ -導通角和所述Θ -截止角，所述查找映射(138)包括轉矩-速度映射和轉矩-位置映射中的一個或多個。
6.一種用于控制具有轉子(110)和定子(112)的電機(106)的速度的控制系統(tǒng)(126)，包括: 變換器電路(I 16)，其可操作地聯(lián)接到所述定子(112)，所述變換器電路(116)包括選擇性地將電流與所述定子(112)的每一個相連通的多個開關(122);和 控制器(128)，其與所述定子(112)和所述變換器電路(116)中的每一個相連通，所述控制器(128)能夠基于期望速度和測量速度之間的差異產(chǎn)生轉矩指令，并基于所述轉矩指令、所述轉子(110)的所述測量速度和估計位置的混合閉環(huán)分析來控制所述開關(122)，所述轉子的估計位置至少部分地自所述期望速度推導得出。
7.根據(jù)權利要求6所述的控制系統(tǒng)(126)，其中，所述控制器(128)能夠使用所述轉子(110)的所述期望速度和所述測量速度的比例-積分(PI)評定來控制所述轉矩指令。
8.根據(jù)權利要求6所述的控制系統(tǒng)(126)，其中，所述控制器(128)能夠基于所述轉矩指令、所述轉子的所述測量速度和估計位置以速度控制模式來控制所述開關(122)，在發(fā)動機啟動例程期間施加所述速度控制模式。
9.根據(jù)權利要求6所述的控制系統(tǒng)(126)，其中，所述控制器(128)根據(jù)電流指令、Θ -導通角和Θ -截止角中的一個或多個來控制所述開關(122)，基于預編程到所述控制器(128)的存儲器的轉矩-速度查找映射和轉矩-位置查找映射中的一個或多個產(chǎn)生所述電流指令、所述Θ-導通角和所述Θ-截止角。
10.根據(jù)權利要求6所述的控制系統(tǒng)(126)，其中，所述電機(106)為開關磁阻(SR)機器。
【文檔編號】H02P25/08GK104508972SQ201380040596
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2013年7月10日 優(yōu)先權日:2012年7月31日
【發(fā)明者】J·韋, J·吉爾德斯, J·M·索恩 申請人:卡特彼勒公司