無刷電機的控制的制作方法

無刷電機的控制的制作方法
【專利摘要】一種無刷電機，具有至少一個相繞組，其產生轉矩以驅動負載。用于該機器的控制系統能夠改變供給相的通量和電流，以按照轉子位置的函數改變轉矩輸出。在特定的角度處減少激勵以在轉矩曲線中產生微降，因此確保，如果驅動失速，則其將在預定位置處，例如驅動中的損耗最小的位置處失速。
【專利說明】無刷電機的控制
【技術領域】
[0001]本發明涉及無刷電機的控制。本發明尤其，但不排他地，涉及開關磁阻電機(switched reluctance machine)。
【背景技術】
[0002]開關磁阻電機是一種無刷電機。它包括轉子、限定轉子磁極、定子、限定定子磁極，以及與定子磁極相關布置以限定出一個或多個可單獨激勵的相的一組繞組。在磁阻電機中，對一個或多個相繞組的激勵在包括相關定子磁極的電路中產生磁通量，促使轉子到達使該電路的磁阻最小(且相關聯的相繞組的電感最大)的位置。在電動機操作中，根據轉子位置適時地按順序激勵繞組引起轉子的運動。對結合開關磁阻電機的電驅動的一般處理可在多種教科書中找到，例如TJE Miller所著的“Electronic Control of SwitchedReluctance Machines”，Newnes，2001，在此并入本文作為參考。在1993年6月21日至24日德國 Nurnberg 召開的 PCIM’ 93Conference and Exhibition 中由 Stephenson 和 Blake發表的論文 ‘The Characteristics, Design and Applications of Switched ReluctanceMotors and Drives’中提供了更多的細節，在此并入本文作為參考。如本領域中已知的，可通過改變對相繞組施加激勵的時序，而像電動機或發電機那樣操作這些機器。
[0003]不同于常規電感和同步“電磁”機器，例如，所謂的無刷直流電機，在其中電流在定子線圈中，并且場由轉子上的永磁體產生，開關磁阻電機是純“磁性”機器。隨著磁性電路的磁阻改變，完全通過磁場產生轉矩。由此可見，控制這兩種機器的方法有很大的不同，這是由于這種控制與轉矩產生的方式有關。在一般情況下，用于正弦饋給常規機器的控制方法并不適合用于開關磁阻電機。
[0004]圖1示出了典型的開關磁阻電機的橫截面圖。在該示例中，鐵磁定子10具有六個定子磁極12。鐵磁轉子14具有四個轉子磁極16。每一個定子磁極帶有線圈18。在沿直徑相對的磁極上的這些線圈串聯連接以提供三相繞組。為了清楚起見僅示出了一個相繞組。對開關磁阻電機的控制可通過本領域技術人員所熟知的多種方式進行。如果可從例如位置傳感器得到關于轉子的角位置的信息，則可按照位置的函數來施加激勵。這樣的機器通常被稱為“轉子位置開關機器”。
[0005]在圖2中示出了一種典型的開關磁阻驅動，在該示例中，機器36與圖1中示出的對應。三個相繞組A、B和C通過一組電源電子開關48依次被接通至DC電源V。操作開關的時刻(即，轉子位置)是由控制器38確定的，該控制器38可在硬件中或在諸如微控制器或數字信號處理器的處理裝置的軟件中實施。這些控制信號經由數據總線46被發送至開關。通過使用電流傳感器44感應相電流，并反饋與所需電流iD相當的相電流成正比的信號，來提供閉環電流反饋。這些控制算法可包括比例(P)、比例加積分(P+I)、時間優化、反饋線性化、比例/積分/微分(PID)函數，或如本領域熟知的許多其它算法中的一種。通過從位置檢測器40反饋轉子位置信號來提供位置或速度的外環控制也是普遍使用的。
[0006]操作中，向控制器提供與電流需求(demand)42相對應的信號。這依據所采用的特定控制方案調整繞組中的電流，以由該機器產生期望的輸出。
[0007]開關磁阻電機的性能部分地取決于相對于轉子位置進行相激勵的準確定時。對轉子位置的檢測常規地是通過使用實體的轉子位置傳感器(RPT) 40實現的，如圖2中示意性示出的，諸如被安裝在機器轉子上的轉動齒盤，其與例如被安裝在定子上的光或磁傳感器協同工作。生成指示轉子相對于定子的位置的脈沖列，并將其供應給處理裝置，以能夠進行準確的相激勵。位置檢測的備選方法包括所謂的“無傳感器”方法，該方法中沒有實體的位置傳感器，而位置是由對機器的一個或多個其它參數的測量推導出的。
[0008]由于繞組中的電流相對容易測量出，對機器的閉環控制常規上是通過監測和控制繞組中的激勵電流完成的。但是，所期望的機器的輸出通常是轉矩、位置或速度，并且電流與它們全都具有高度的非線性關系。因此電流控制技術通常導致輸出不準確，例如轉矩脈動(torque ripple)、位置誤差和/或速度誤差。現已提出了許多電流控制方案來解決這些缺點，正如在下面將進一步討論的。
[0009]許多不同功率轉換器的拓撲結構都是已知的，其中的一些在以上所引用的Stephenson的論文中有所討論。在圖3中示出了多相系統中單相的最常用的配置中的一種。其中，在母線26和27之間，機器的相繞組32與兩個開關裝置21和22串聯。母線26和27 —起被描述為轉換器的“DC鏈路”。能量恢復二極管23和24被連接至繞組，以在開關21和22被打開時使繞組電流流回DC鏈路。電容器25，被稱為“DC鏈路電容器”，連接在DC鏈路兩端以獲得或吸收DC鏈路電流的不能從電源吸取或返回電源的所有交流成分(SP，所謂的“脈動電流”)。 在實際應用中，電容器25可包括被串聯和/或并聯連接的若干個電容器。在使用并聯連接的情況下，這樣的元件中的一些可分布在整個換轉器中。多相系統通常使用并聯連接的圖3中的若干個“相腳(phase leg)”，以單獨地激勵電機的相。
[0010]開關磁阻電機的相電感周期就是連續的周期中公共點之間(例如當轉子磁極和有關的各個定子磁極完全對準時電感最大值之間)的相或每一個相的電感變化的時間段。正如在以上所引用的Stephenson的論文中所揭示的，最大電感區的中心在一對轉子磁極與一對定子磁極完全對準的轉子位置周圍。類似地，最小電感區的中心在轉子上極間軸線與定子磁極軸線對準的位置周圍，如圖1所示。
[0011]在低速下，開關磁阻系統通常工作在電流控制的或“斬波(chopping)”模式下。正如以上提到的Stephenson的論文中所解釋的，使用“硬”斬波的遲滯電流控制器經常被采用。在圖4 (a)中示出了在對該相進行激勵的接通角ΘΜ和消除激勵的切斷角θ。^之間，所研究的相的導電區(conduction region)中電流在高遲滯水平Iu和低遲滯水平Il之間循環。另一種備選的控制機制是“軟”斬波，其中在電流達到其高水平時僅打開一個開關。然后通過繞組、第二開關和一個二極管，電流極慢速地衰落。這在圖4(b)中示出。取決于開關和電流控制器的性能，可縮小遲滯帶的寬度直到電流實際上變成平坦的。如果轉子的角速度慢，則在接通和達到期望水平之間轉子經過的角度非常小，使得電流波形顯示為方波，如在下面將討論的。其它類型的電流控制器，例如在EP-A-0769844 (在此結合該文作為參考)中所說明的那些切斷時間控制器、恒定頻率控制器等，是本領域已知的，而本文將不進行進一步說明。
[0012]在高速下，開關磁阻系統通常工作在“單脈沖”激勵模式下，而不是斬波模式下。這在以上所參考的Stephenson的論文中也進行了解釋。[0013]因此，系統通常在低速下使用斬波模式而在高速下使用單脈沖模式。高低斬波電流水平在正常情況下被設定成高于單脈沖模式的期望峰值電流的值，以使得這些參數不干擾單脈沖操作。已知的是要將高電流水平設定成起到“安全網”作用的值，使得在驅動中發生故障情形時，電流將超過高水平并導致一個或多個開關裝置被打開，從而將電流限制在
安全值。
[0014]雖然在以上的說明中已經假定為電動機操作，但是開關磁阻電機在發電模式下能夠同樣良好地工作是公知的，其中電流波形通常為電動機波形的鏡像圖像。
[0015]與一些其它類型的電機不同，開關磁阻電機的轉矩與電流之間通常并不具有線性關系。其原因在Miller的書中以及在以上所引用的Stephenson的論文中更加詳細地討論過。圖5中示出了這樣的關系，其中對于在45°轉子角度上施加的恒定電流，示出圖1的三相機器中的一個相的所謂靜態轉矩。對于該機器的工作區域中的低電流(10%以下)，轉矩將幾乎為方形的。但是，隨著通量和電流水平提高，攜帶該通量的鐵的磁性明顯變為非線性，且轉矩的形狀變為圓形的。所示出的轉矩曲線形狀對于機器的額定電流是典型的。
[0016]那些本領域技術人員將認識到，在圖5中所示出的電流波形是被理想化的，這是因為實際的波形一般將具有一些疊加在所示出的平均電流上的斬波脈動。
[0017]圖6示出了機器的不同相的轉矩曲線之間的關系。對于具有6個定子磁極和4個轉子磁極的機器，曲線的角位移(所謂的“ ε角”)為30°。在機器旋轉時由機器提供連續轉矩的最簡單的方法是:在轉矩曲線交叉時接通該相，并且在經過ε角后將該相切斷并接通下一個相。這在圖7中再一次針對恒定相電流被示出。雖然這是一種實現簡單的控制機制，但是其明顯缺陷在于產生大的轉矩脈動。以任意角度可獲得的最小轉矩被稱為ε轉矩，并在圖7中示出。在ε角度上產生的平均轉矩將處于峰值轉矩和ε轉矩之間的某處，這取決于曲線的確切形狀。這種方法的另一個缺陷在于，每一個相僅在該相時期的三分之一中使用，因此定子和電子控制器的利用率較差。
[0018]為了克服這些缺陷，已知的是每當有可能在期望方向上產生轉矩時激勵每個相。對于所示出的3相機器，給出了激勵模式:相A單獨為15°，然后Α+Β為15°，然后相B單獨為15°，等，在圖8中示出(其中已忽略相之間的所有交互作用)。這種模式在不同情況下被稱為相重疊或被稱為“I又1/2相接通”。可見，ε轉矩已經有效加倍(因為現在兩個相在前面交叉點處正在產生相同的轉矩，并且轉矩曲線的斜率已經大致為相同的數量級)。因為未改變峰值轉矩，轉矩脈動明顯降低并且平均轉矩顯著上升。現在每一個相被使用半個相持續時間，因此提高了定子利用率。
[0019]雖然這種勵磁機制被許多驅動所采用，但是還存在一些應用需要平滑的轉矩，而不得將額定用于控制電流的裝置的電流無故打折。

【發明內容】

[0020]本發明的一個方面，提供了一種如權利要求中所限定的控制無刷電機的方法。本發明進一步的方面提供了一種如權利要求所限定的控制系統以及驅動。
[0021]在一個實施例中，提供了一種控制無刷電機以產生輸出的方法，其中，該輸出為轉矩或力。該方法包括在接通點和切斷點之間的導電區中激勵(energise)機器的第一相。響應于輸出需求(output demand)激勵該機器以產生在分別高于或低于輸出需求的上下輸出限制之間的輸出，補償無刷電機的輸出與第一相中的電流之間的非線性關系。從導電區的開始到止動區(detent region)以及從止動區到導電區的結束，響應于輸出需求產生在上下輸出限制之間的輸出。在止動區中，以止動水平產生輸出。止動水平在下限以下。以這種方式，促使機器在止動區內的止動位置處失速(stal I)。
[0022]有利地，通過控制無刷電機以在止動區以外產生上下輸出容限之間的輸出，并且控制機器使得輸出下降至下容限以下，可限定出止動區，在該止動區中機器更有可能失速。這提供了對機器的失速行為的控制。
[0023]在理想條件下，上下輸出限制相同(等于輸出需求)，使得在導電區中的輸出為理想的平滑的或平坦的。在真實世界的情況下，以上說明的輸出波動不能得到充分補償以使得機器受控產生為輸出需求的輸出，其基本上是平滑的或平坦的，并且由于無補償性輸出波動而在上下限之間變化。例如，在輸出需求的兩側，上下限可為5%，潛在地可獲得在輸出需求兩側的具有例如3%或甚至1%或2%的上下限的更為平坦的輸出(相對于輸出需求)。為實現基本上平滑的或平坦的輸出，可使用任意的已知輸出調節技術，例如，分析電流(或其它控制量，例如通量)以獲得輸出的期望平滑度。控制和/或分析(profiling)可基于前饋控制或反饋控制，該前饋控制基于機器的特征，該反饋控制基于適當的反饋量，諸如輸出或輸出的變化。前饋和反饋控制相結合同樣是可以的。不同可能的控制方案可采用無傳感器形式的轉子位置檢測，或使用轉子位置檢測器硬件進行位置檢測。無傳感器和硬件形式的轉子位置檢測的結合同樣是可能的。
[0024]在一些實施例中，止動水平小于輸出需求的96%。例如，止動水平可以是95%。止動水平的較低或較高值同等可能，雖然對于較高的值止動效果降低，但是較低的水平可引入不期望的轉矩脈動。
[0025]在一些實施例中，該方法可包括與第一相一起分別激勵第二和第三相。在止動區之前導電區的第一部分中一起激勵第二相與第一相，在止動區之后的導電區的第二部分中一起激勵第三相與第一相，以產生上下限之間的輸出。這些實施例可使用以上參考圖8所說明的激勵方案以有利于使輸出平滑。
[0026]在一些實施例中，控制機器產生基本上平滑的輸出的結果是，對于恒定輸出需求，由第一相吸引的電流在導電區的第二和第四部分中在概念性的水平(not ional I eve I)之上。導電區的第二和第四部分位于導電區的第一第三和第五部分之間，其中電流低于概念性的水平。因此，電流曲線(無論直流電流控制或例如通量控制的結果)具有兩個峰值以及峰值之間的低谷。在一些實施例中，止動位置在第三部分內，該第三部分是在電流曲線的兩個峰值之間的低谷部分。以這種方式，止動區被放置成使得止動位置位于由第一相吸收的電流相對低的區域內。這意味著，當與吸收電流的情況相比失速降低時，與該相吸收的電流相對應的熱負載將更高。概念性的水平可能比第一相的導電區中的最大電流以及第一相的導電區的第三部分中的最小電流的平均更低。概念性的水平可小于第一相導電區中的最小電流的90%和最大電流的10%的和。在一些實施例中，第一相的導電區的第三部分中的最小電流出現在止動區中。這導致該相在止動區中失速的時候吸收最小電流(或接近于最小的電流)。
[0027]在一些實施例中，無刷電機通過柔性(compliant)轉矩傳輸裝置被稱接至負載。該傳輸裝置的柔度(compliance)意味著機器可在負載不移動的情況下移動到止動區內的失速位置。在一些實施例中，無刷電機被稱接至車輛的一個或多個牽引輪(traction wheel),例如在下面說明的裝載機(loader)。
[0028]在一些實施例中，無刷電機具有一個以上的相，并且本方法包括在至少兩個水平之間改變輸出需求，以導致機器在不同的止動位置處失速，其中，每一個止動位置處于不同的相中。這使得與失速電流相關聯的熱負載將在相之間被分擔，并因此可降低在失速條件下對機器的加熱。尤其是，在一些實施例中，輸出需求響應于檢測到機器的失速而改變。不同相可相鄰并且對于具有η個相的無刷電機，輸出需求可在這η個水平之間變化(導致經過與這η個相中的每一個相關聯的失速位置)。
[0029]在一些實施例中，無刷電機具有轉子.，也就是說這是具有轉矩輸出的旋轉電機。但是，本揭示內容可同等適用于具有布置成用于相對于固定部分線性運動的可運動部件的機器并因此為具有力輸出的線性機器的實施例。
[0030]在一些實施例中，無刷電機就是開關磁阻電機。在其它實施例中，無刷電機可以是無刷DC電機或任意其它可適用類型的無刷電機。
[0031]在一些實施例中，引入具有止動水平的輸出的止動區與速度相關。為此，例如，確定機器的速度，并且在速度低于第一值的情況下，在止動區中產生的輸出處于止動水平，而在速度高于第二值的情況下，該輸出處于或高于低水平。第二值可以與第一值相同并作為閾值水平。備選地，第二值可大于第一值，例如，通過隨著速度從第一值提高至第二值而實施從止動水平至根本無輸出減少的逐級躍遷。這將由于與輸出周期減少至止動區中的止動水平相關聯的轉矩脈動而使共振被引入機器/驅動的風險降低。
[0032]在其它實施例中，提供了一種控制系統，包括依據以上所說明的方法和技術控制無刷電機的器件。在又進一步的實施例中，提供了一種包括無刷電機的驅動和被耦接至該無刷電機的控制系統。該控制系統包括被配置成使得該控制系統依據以上所說明的方法和技術控制無刷電機的處理器。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]本發明可以不同的方式付諸實踐，現在將參考附圖通過舉例的方式來說明其中的一些方式，其中:
[0034]圖1示出了開關磁阻電機的示意性軸向截面圖。
[0035]圖2示出了開關磁阻電機驅動系統的示意圖。
[0036]圖3示出了可適用于開關磁阻電機的功率轉換器電路的一部分。
[0037]圖4(a)示出了斬波電流波形及其與電感曲線的角度關系。
[0038]圖4(b)示出了結合續流(freewheeling)的斬波電流波形。
[0039]圖5示出了機器的一個相的轉矩和電流波形。
[0040]圖6示出了針對該機器的其它相交疊起來的圖5中的波形。
[0041]圖7示出了一次激勵一個相所產生的轉矩波形。
[0042]圖8示出了通過交疊相產生的轉矩波形。
[0043]圖9示出了用于在給定轉子角度上產生平滑轉矩的相電流曲線。
[0044]圖10示出了相電流曲線，其與另一個交疊以產生平滑的轉矩。
[0045]圖11示出了驅動和負載轉矩。[0046]圖12示出了轉矩和電流波形。
[0047]圖13示出了依據本發明的一方面的轉矩波形；以及
[0048]圖14示出了依據本發明另一方面的轉矩波形。
【具體實施方式】
[0049]一些類型的負載尤其容易受到由于原動機造成的轉矩脈動的影響，并且目前存在許多用于產生“平滑”轉矩(即轉子位置無明顯改變的轉矩)的技術。這些技術中的一些專注于機械的解決方案，即，改變轉子和/或定子磁極的外形，正如在EP0930694 (Randall)中所公開的。其它方法使得電流作為轉子角度的函數，使得不再是恒定不變的(例如在圖5至圖8中所示出的)，而是電流幅度在導通角期間改變，正如在US6922036 (Ehsani)中所揭示的。這些后來的技術通常被稱作“電流分析(current profiling)”。
[0050]電流分析可通過不同的方式進行。一種最簡單的方法符合圖7并且一次使用一個相(phase)。針對任意相在ε角期間，與轉矩的形狀相反地調制電流，以保持轉矩在該ε角上一直恒定不變。這在圖9中已示出。但是實際上，這種方法具有三個缺點。首先，其不可能瞬時地向相(phase)施加電流或從該相移除電流。其次，如以上已經根據圖7所討論的，當一次僅激勵一個相時ε轉矩非常低，因此，該機器的輸出從圖7中的平均轉矩(接近ε轉矩的兩倍，這取決于實際的波形)下降至ε轉矩。第三，由于僅在電周期的一個很小的部分中存在電流，并且由于電流具有高峰值，因此其具有相對高的RMS值，這導致對于所產生的轉矩的繞組損耗相對較高。
[0051]可以如以上在圖8中所說明的方法相同的方式，通過在一些轉子角度下激勵兩個(或更多)相來至少部分地克服這些缺陷。現在該相電流的上升沿和下降沿以這樣的方式進行分析，即，使得由輸出相產生的轉矩與由輸入相產生的轉矩互相配合，以產生所需的恒定值的轉矩。這在圖10中針對一個相進行說明，在這種情況下可針對比圖9中的布置小得多的電流獲得恒定不變的、無脈動的轉矩。
[0052]雖然在圖10中ε轉矩被示出為與理想的平坦或平滑的轉矩相對應的直線，但是實際中，例如由于模型的不精確性或有限的反饋增益，對于給定的轉矩需求，轉矩輸出將關于該轉矩需求而稍有波動，該波動在可接受的轉矩波動的上下水平之間。例如，在真實世界的實施中，轉矩輸出將是基本上平坦或平滑的，在控制過程中允許具有噪聲、誤差或設計約束條件。
[0053]有很多不同的方法可用于選擇電流的曲線以獲得這種平滑轉矩，這是由于對于單獨的相電流并沒有唯一的方案。例如:在Mechatronics，Vol4, No8, 1994，pp785_794中，由Hung, JY 所著的論文 “Torque ripple minimisation for variable reluctance motors”中討論了一種十分簡單的方法，該方法忽略了磁電路中飽和的問題；1992年9月15日至17日在英國Manchester舉行的關于電機的國際會議的會議錄Vol2, pp484_488中由Schramm, DS, Williams, Bff&Green TC 所著的 “Optimum commutation-current profile ontorque linearization of switch reluctance motors” 揭不了一種使用查詢表的較復雜的方法；并且，在04年11月2日至6日在韓國的Busan舉行的IndustrialElectronicsSociety的第30屆年度會議的會議錄，vol4, pp3172_3177中由Gobbi, R&Sahoo, NC所著的“A fuzzy iterative approach for determination of current waveform for switchedreluctance motors using a torque sharing function at positive and negativetorque production regions”中引用了模糊邏輯(fuzzy logic)的方法來迭代逼近用于單獨相電流的解決方案。
[0054]所有這些方法的共同點都是對相供電，使其攜帶隨轉子位置變化的電流以(盡量完全地或部分地)補償相電流和該相所生成的轉矩之間的非線性關系。通常，所產生的電流波形將具有兩個峰值，在這兩個峰值之間具有低谷，以反折(reflect)轉矩生成特性，該轉矩生成特性在相導電區的中間區域中對于給定電流產生更高的轉矩。
[0055]雖然產生本質上無脈動轉矩通常被認為是需要電驅動系統的應用的最佳方案，但是令人驚奇的是，對于有一類應用，這并不總是最佳的總體方案。負載所需的轉矩超過可從驅動得到的轉矩而導致系統失速(stall)的情況并不少見。這種情況可能意外地發生，也可能是用于將負載保持在特定位置的蓄意事件。例如，如果由驅動系統驅動升降機并且期望將負載保持在特定高度，則可將該負載驅動至某位置并且將轉矩降低直至該負載被保持在那個位置，因此不需要使用止動器。進一步的示例是正在鏟起松散材料的車輛的牽引驅動，例如裝載機，其中車輛被驅動至一堆材料處并停留在那，同時執行另一個操作。由于將驅動系統的轉矩傳遞至地面的橡膠輪胎存在很大的柔度(compliance)，所以這種類型的系統更為復雜。當車輛沿平滑的、梯度恒定不變的表面穩速運動時，在轉矩的傳輸中這種柔度對于驅動沒有影響。但是，如果遇到失速情況，隨著驅動繼續施加轉矩，輪胎“繞緊(wind up)”，而車輛不能移動。
[0056]這在圖11中進行了說明，其中平滑轉矩由驅動提供，并且繞緊輪胎的柔度直到輪胎產生的轉矩等于驅動轉矩，在點X處。一般地，車輛的傳動裝置是這樣的，在繞緊過程中，電動機將經過許多相周期，并且可能已經轉動了幾轉。隨后柔度的非常小的變化(例如，這可能由環境溫度的改變而導致的)使相周期中轉子停止的特定位置有很大的改變。參考圖9或圖10，示出了失速電流如何因此而能夠輕易地改變到2或3倍。隨后繞組和開關裝置中的相關損耗發生很大的改變，導致很難進行驅動的熱管理。
[0057]為了控制或影響在驅動失速時的轉子位置，在導電區內的止動區(detentregion)中改變相線圈的電流曲線，以保證驅動將在相電流處于或接近其最低值的點(或止動位置)處失速，因而最小化了驅動系統中的相關損耗。圖12示出了在止動區DR中被引入圖10的電流曲線中的微降(dip)，以促使驅動在止動區內的止動位置處失速。這在轉矩中產生了相應的微降，如圖所示。當該轉矩波形被施加至輪胎的柔度中時，由圖13可見，驅動在轉矩微降處失速，對應于最低電流。這不僅具有對驅動失速處轉子角度進行控制的有益效果，而且還具有確保了失速點處于止動區中電流曲線的最低點處的有益效果。進一步地，如果驅動為3-相驅動，查看圖8和圖12會發現，由于微降被置于電流波形的中間三分之一處，在該點處相鄰相中沒有電流。這進一步簡化了對驅動的熱管理。
[0058]這種技術是與直覺相反的，因為其將一些轉矩脈動再次引入了機器的輸出，而在一般情況下這被認為是要避免的情況。但是，從以上說明中可以看出，受控地偏離圖9或圖10中的平滑轉矩可用于通過使失速條件下的熱管理難度大大降低而在總體上使驅動系統受益。
[0059]除其他以外，所需的轉矩微降的量將取決于轉矩傳輸中柔度的量以及機器的電氣循環與負載之間的傳動，但是大型工業車輛的典型值將引入輸出轉矩的5%左右的轉矩微降。
[0060]從概念上講，在圖12中概念性的電流水平30可以被繪制成將導電區劃分成五部分:兩側的兩個部分A和E ;中間部分C，其中電流低于概念性的水平；以及兩個居間部分B和D，其中電流在概念性的水平以上。當在中間部分中引入電流(并進而轉矩)微降時可獲得失速電流降低的益處，此時電流比居間部分中更低。受益越高，概念性的水平越低。如果止動區被選成將中間部分的最低點包括在內，則可獲得最佳的或接近最佳的失速電流降低。通過選擇使微降出現在中間部分中，同樣可降低一些激勵方案中由相鄰相吸引的電流，這取決于微降的位置，激勵方案和機器中的相數。
[0061]引入與速度有關的止動區可能是有用的，使得止動區僅在驅動工作在低速的時候或者速度接近零和幾乎達到失速條件的時候被引入。這將減少轉矩中的脈動在驅動鏈中引起共振的所有可能性。
[0062]雖然以上所說明的技術可用于在很大程度上減少失速條件下熱管理的問題，但是損耗仍然集中于一個相繞組以及供應該相的轉換器的相腳中。如果該驅動長時間失速，發熱限制可能仍然是一個考慮因素。現在將說明本發明的進一步的方面，其可進一步有益地改善驅動系統。觀察圖12和圖13將發現，相鄰轉矩微降(并進而相鄰止動/失速位置)與機器的相鄰相相關。可見，如果將轉矩輸出改變相對較小的量，輪胎轉矩線將與驅動轉矩曲線相交于不同的微降上。這在圖14中有所說明，其示出了圖13的放大的部分。
[0063]在圖14中，驅動轉矩從其原始值T變至增長值Ti以及下降值Tr。可見，負載現在導致系統在新的止動位置Xi和Xr處失速，這取決于所產生的轉矩。位置Xi，X和Xr分別對應于本示例中所使用的機器的三個相中的位置。清楚的是，對于相數更多的系統，將產生相應的效果。這樣，失速條件的熱負載可遍布于驅動的一些或所有相上。為了清楚起見，圖14已經示出角度比例經夸大的運動視圖，但實際上該運動相對較小，并且將不會對負載產生不良的影響。雖然用未使用所描繪的相曲線的系統也可能獲得相似的效果，但是以上所說明的實施例使得受控地從一個相移動至另一個相，并保證驅動停留所處的這些點全部對應于驅動上的可獲得的最低熱負載。
[0064]以上已經描繪了在整個導電角中利用電流分析，這可使用在驅動系統中普遍使用的電流控制器來實施。但是，本發明也可通過使用其它參數來控制機器中的激勵水平來實現，例如，該驅動可包括通量控制器，并且該激勵可通過監控機器中的通量并控制其以符合預定曲線來控制。
[0065]以上已經描述了具有被布置成相對于定子轉動的轉子以產生輸出轉矩的轉子電機的示例。以上說明可被等效地用于具有可相對于固定構件線性移動以產生輸出力的可移動構件的線性機器。將理解的是，在這樣的情況下，對“轉子”、“轉動”、“轉矩”、“角度”等的引用可相應地進行替換。
[0066]本發明以其不同的實施例為各種類型的電子開關無刷式機器提供了轉矩控制技術，并且尤其適用于開關磁阻電機。其能夠精密地控制驅動系統的熱行為。所揭示的實施例說明了明顯優勢在于可通過最小的改變將額外的控制方案與現有控制系統相結合。對于本領域技術人員可顯而易見的是，對于具體所揭示的實施例可作出不同的變體和改變，而不背離本發明。本發明應僅由隨附的權利要求書的范圍限定。
【權利要求】
1.一種控制無刷電機以產生輸出的方法，其中，所述輸出為轉矩或力，所述方法包括響應于輸出需求在接通點與切斷點之間的導電區中激勵所述機器的第一相，對所述無刷電機的輸出與所述第一相中的電流之間的非線性關系進行補償，以產生在輸出上下限之間的輸出，該輸出上下限分別比所述輸出需求更高或更低，其中所述第一相受到激勵以從所述導電區的開始到止動區以及從所述止動區到所述導電區的結束產生在所述輸出上下限之間的輸出，并且在所述止動區中產生低于所述下限的止動水平的輸出，從而促成所述機器在所述止動區內在止動點處失速。
2.如權利要求1所述的方法，其中，對于恒定的輸出需求，由所述第一相吸收的所述電流在所述導電區的第二和第四部分中高于一個水平，該導電區的第二和第四部分分別在所述導電區的第一部分與第三部分之間和所述導電區的第三部分與第五部分之間，在所述導電區的第一、第三和第五部分中所述電流低于所述水平，并且其中，所述止動位置在所述導電區的所述第三部分之內。
3.如權利要求2所述的方法，其中，所述水平不超過所述導電區中的最大電流和所述第三部分中的最小電流的平均值。
4.如權利要求2或3所述的方法，其中，在所述第三部分中的最小電流出現在所述止動區中。
5.如前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述止動水平低于所述輸出需求的96%。
6.如前述權利要求中任一項所述的方法，所述方法進一步包括:在所述止動區之前的所述導電區的第一部分中以及在所述止動區之后的所述導電區的第二部分中，與所述第一相一起分別激勵第二和第三相，以產生在所述上下限之間的輸出。
7.如前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述無刷電機具有一個以上的相，每一個相均如前述權利要求中的任一項所述的相那樣被激勵，所述方法包括在至少兩個水平之間改變所述輸出需求以導致所述機器在不同止動位置處失速，其中，所述不同止動位置中的每一個處于不同的相。
8.如權利要求7所述的方法，其中，響應于檢測到所述機器已經失速而改變所述輸出需求。
9.如權利要求7或8所述的方法，其中，所述不同相是相鄰的。
10.如權利要求7或8所述的方法，其中，所述無刷電機具有η個相并且所述輸出需求在η個水平之間改變。
11.如前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述方法包括確定所述機器的速度，并且，如果所述速度低于第一值則在所述止動區中以所述止動水平產生輸出，并且如果所述速度高于第二值，則在所述止動區中以所述低水平或高于該低水平的水平產生輸出，其中，所述第二值等于或大于所述第一值。
12.如前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述無刷電機具有轉矩或力的輸出，并通過用于將所述輸出傳輸至所述負載的柔性傳輸裝置被耦接至負載。
13.如前述權利 要求中任一項所述的方法，其中，所述無刷電機被耦接至車輛的一個或多個牽引輪。
14.如前述權利要求中任一項所述的方法，其中，所述無刷電機為開關磁阻電機。
15.一種控制系統，其包括根據權利要求1至14中任一項所述的對無刷電機進行控制的器件。
16.一種驅動，包括無刷電機和被耦接至所述無刷電機的控制系統，所述控制系統包括被配置成導致所述控制系統依照如權利要求1至14中任一項所述的方法控制所述無刷電機的處理器。
【文檔編號】H02P6/10GK104009683SQ201410067243
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年2月26日 優先權日:2013年2月26日
【發明者】S.P.蘭達爾, M.J.徹尼 申請人:尼得科Sr驅動有限公司