阅读说明：本技术 用于可变直流链路电压的开关磁阻电动机功率估计补偿 (Switched reluctance motor power estimation compensation for variable DC link voltage ) 是由 J·L·米勒 E·伊诺雅 J·格迪斯 A·C·克罗斯曼三世 C·E·尼诺-巴伦 T·M·小 于 2018-06-04 设计创作，主要内容包括：一种用于开关磁阻(SR)电动机(206)的控制系统(200)包括直流(DC)电源(202)和逆变器(204)。控制系统(200)包括用户界面,该用户界面配置为使得操作员能够指定期望扭矩输出。控制系统(200)还包括控制器(216),该控制器(216)将由逆变器(204)供应给SR电动机(206)的交流电流(AC)转换为DC电流。控制器(216)基于由DC电源(202)供应给逆变器(204)的DC电压和转换的DC电流来估计由SR电动机(206)产生的实际功率输出。控制器(216)基于SR电动机(206)的实际功率输出和转速来估计实际扭矩输出。控制器(216)比较实际扭矩输出和期望扭矩输出以计算扭矩误差。控制器(216)调节SR电动机(206)的扭矩输出极限和转速。(A control system (200) for a Switched Reluctance (SR) motor (206) includes a Direct Current (DC) power source (202) and an inverter (204). The control system (200) includes a user interface configured to enable an operator to specify a desired torque output. The control system (200) also includes a controller (216), the controller (216) converting Alternating Current (AC) supplied by the inverter (204) to the SR motor (206) to DC current. The controller (216) estimates an actual power output generated by the SR motor (206) based on the DC voltage supplied by the DC power source (202) to the inverter (204) and the converted DC current. The controller (216) estimates an actual torque output based on the actual power output and the rotational speed of the SR motor (206). The controller (216) compares the actual torque output and the desired torque output to calculate a torque error. A controller (216) regulates a torque output limit and a rotational speed of the SR motor (206).)

用于可变直流链路电压的开关磁阻电动机功率估计补偿

技术领域

本发明涉及一种开关磁阻电动机。更具体地，本发明涉及一种用于开关磁阻电动机的控制系统。

背景技术

用于诸如履带式拖拉机的作业机器的电驱动系统通常可包括发动机(例如，内燃机)、耦合到发动机的发电机、直流(DC)电源和电动机。DC电源可以电耦合在发电机与电动机之间以驱动机器的一个或多个接地元件。转换器可以电耦合在发电机与DC电源之间。可以控制转换器以在发电机发电时将交流(AC)电力转换为DC电力，并且在发电机利用电力驱动电动机时将DC电力转换为AC电力。逆变器可以电耦合在DC电源与电动机之间。逆变器可以配置为当发电机利用电力驱动电动机时将来自DC电源的DC电力转换为AC电力，并且在电动机的电制动期间将AC电力转换为DC电力。

电动机可以是开关磁阻(SR)电动机。传统上，使用基于开环表的控制来控制SR电动机。然而，这种类型的控制不能补偿系统中的动态变化，例如SR电动机的相的DC链路电压或相电流。这是由于以下事实：根据在固定DC链路电压下的测试台设置来调谐或计算控制表。实际上，如果DC链路电压偏离该电压，或者实际相电流已经偏离命令相电流，则由SR电动机产生的实际扭矩可能大幅偏离请求扭矩。

为了说明DC链路电压的变化，离线开发的控制图应包括用于DC链路电压的轴线。除了需要更高维的插值算法以便说明额外维度之外，该要求还以与所考虑的电压点的数量成比例的速率增加了所需的存储空间。较高的DC链路电压降低了SR电动机的初始位置算法的可靠性和/或准确性。由于初始位置算法的精度较低，因此更进一步增加了扭矩精度较低的风险。而且，SR电动机制造中的零件间变化增加了扭矩精度误差的风险。扭矩调谐过程是昂贵且耗时的，但目前每次实施新设计时都需要进行该扭矩调谐过程。在速度被控制为速度目标的SR电动机上，直接基于算法调节扭矩输出可能使得难以调谐速度控制。此外，如果扭矩极限被设定得过高，则可能发生对机械和电气部件的损坏。另一方面，如果扭矩极限被设定得过低，则电动机性能降低

因此，需要一种用于SR电动机的改进的控制装置。

发明内容

在本发明的一个方面，提供了一种用于开关磁阻(SR)电动机的控制系统。该控制系统包括直流(DC)电源和在逆变器的输入侧耦合到DC电源的逆变器。逆变器在逆变器的输出侧耦合到SR电动机。逆变器接收来自DC电源的DC电压，并向SR电动机供应交流(AC)电流。该控制系统包括用户界面，该用户界面使得操作员能够指定期望扭矩输出。用户界面产生指示期望扭矩输出的信号。控制系统还包括与SR电动机、DC电源、逆变器、速度传感器和用户界面通信的控制器。控制器通过转换由逆变器供应给SR电动机的AC电流来确定DC电流。控制器至少基于DC电压和转换的DC电流估计SR电动机产生的实际功率输出。控制器确定SR电动机的转速。控制器基于SR电动机的实际功率输出和速度估计实际扭矩输出。控制器接收来自用户界面的指示期望扭矩输出的信号。控制器比较实际扭矩输出和期望扭矩输出以计算扭矩误差。此外，控制器基于扭矩误差调节扭矩输出极限，并且基于扭矩输出极限调节SR电动机的转速。

在本发明的另一方面，提供了一种开关磁阻电动机调速系统。该开关磁阻电动机调速系统包括定子和配置为在定子内部旋转的转子。开关磁阻电动机调速系统包括直流(DC)电源和朝向逆变器的输入侧耦合到DC电源的逆变器。逆变器朝向逆变器的输出侧耦合到SR电动机。逆变器接收来自DC电源的DC电压，并向SR电动机供应交流(AC)电流。开关磁阻电动机调速系统包括用户界面，该用户界面使得操作员能够提供期望扭矩输出。用户界面产生指示期望扭矩输出的信号。开关磁阻电动机调速系统还包括与SR电动机、逆变器、速度传感器和用户界面通信的控制器。控制器通过转换由逆变器供应给SR电动机的AC电流来确定DC电流。控制器至少基于DC电压和转换的DC电流估计SR电动机产生的实际功率输出。控制器确定SR电动机的转速。控制器基于SR电动机的实际功率输出和转速估计实际扭矩输出。控制器接收来自用户界面的指示期望扭矩输出的信号。控制器比较实际扭矩输出和期望扭矩输出以计算扭矩误差。此外，控制器基于扭矩误差调节扭矩输出极限，并且基于扭矩输出极限调节SR电动机的实际扭矩输出。

在本发明的又一方面，提供了一种控制开关磁阻(SR)电动机的方法。该方法包括通过由控制器转换交流(AC)电流来确定直流(DC)电流。AC电流由逆变器供应给SR电动机。方法包括至少基于转换的DC电流和DC电压来由控制器估计由SR电动机产生的实际功率输出。DC电压由DC电源供应给逆变器。方法包括由控制器确定SR电动机的转速。方法包括基于SR电动机的实际功率输出和转速由控制器估计实际扭矩输出。方法包括由控制器接收来自用户界面的指示期望扭矩输出的信号。方法包括由控制器比较实际扭矩输出和期望扭矩输出以计算扭矩误差。方法包括由控制器调节扭矩输出极限。方法还包括由控制器基于扭矩输出极限调节SR电动机的转速。

附图说明

图1是根据本发明实施例的示出为履带式拖拉机的示例性机器；

图2是示意性地表示根据本发明实施例的用于图1中机器的控制系统的框图；并且

图3是示出根据本发明实施例的控制图1中机器的方法的流程图。

具体实施方式

只要有可能，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或相似的零件。图1示出了示例性机器100。机器100可以是执行与诸如采矿、建筑、耕作、运输、园林绿化等工业相关的操作的移动式机器。例如，机器100可以是如图1所示的履带式拖拉机或推土机、自动平地机或本领域已知的任何其他土方机器。尽管以下详细说明书描述了与履带式拖拉机相关的示例性方面，但是应当理解，该描述同样适用于本发明在其他机器中的使用。

如图所示，机器100包括操作员站或驾驶室102。驾驶室102可包括用于操作机器100的用户界面(未示出)。用户界面可以与例如一个或多个显示器一起提供或者可以包括例如一个或多个显示器。用户界面可以配置为推进机器100和/或控制其他机器部件。在一些实施例中，用户界面可以是加速踏板或数字界面，其使得操作员能够提供期望扭矩命令以操作机器100。用户界面还可以包括一个或多个操纵杆，该一个或多个操纵杆设置在驾驶室102内并且适于接收来自操作员的指示机器100的期望运动的输入。显示器可以向操作员传达信息，并且可以包括键盘、触摸屏或用于接收来自操作员的输入以控制和/或操作机器100和/或其他机器部件的任何适当的机构。

机器100还包括实现系统104。实现系统104可适于接合、穿透或切割工地的地面106，并且还可适于移动土壤以完成预定任务。工地可包括例如矿场、填埋场、采石场、建筑工地、高尔夫球场或任何其他类型的工地。机器100还包括地面接合元件108，用于在地面106上沿着向前或向后的方向推进机器100。在所示实施例中，地面接合元件108示出为连续轨道。在一些实施例中，地面接合元件108还可以实施为车轮。操作员通过用户界面提供的期望扭矩命令可以是用于操作实现系统104的所需扭矩、用于通过地面接合元件108推进机器100的所需扭矩，或基于应用要求的两者的组合。

机器100包括发动机110，用于为各种目的提供动力，例如推进机器100，操作实现系统104等。发动机110可以是内燃机，例如汽油发动机、柴油发动机或燃气动力发动机。发动机110通过开关磁阻电动机调速系统向实现系统104和/或地面接合元件108提供动力。借助于图2解释了开关磁阻电动机调速系统的各种部件以及操作方面。

图2示出了用于机器100的开关磁阻电动机调速系统的控制系统200。控制系统200包括可耦合到发动机110的DC电源202。发动机110可以通过发电机(未示出)向DC电源202供电。发动机110产生机械动力并将机械动力供应给发电机。发电机将机械动力转换为电力并向DC电源202供应电力。可以在发电机和DC电源202之间提供转换器(未示出)，用于将来自发电机的电力转换为DC电力以供应给DC电源202。控制系统200还包括逆变器204。逆变器204具有输入侧和输出侧。逆变器204朝向逆变器204的输入侧耦合到DC电源202，使得逆变器204接收来自DC电源202的DC电力。逆变器204朝向逆变器204的输出侧耦合到开关磁阻(SR)电动机206。逆变器204接收来自DC电源202的DC电力，并向SR电动机206供应AC电力。

SR电动机206包括在SR电动机206的定子内部旋转的转子。SR电动机206配置为将电能转换为机械能(在电动机运行模式中)，或将机械能转换为电能(在制动模式中)。在电动机运行模式中，SR电动机206可操作以接收来自逆变器204的电能并将其转换为机械能。在制动模式中，SR电动机206可操作以将机械能转换为电能以供应到逆变器204，从而制动(即，减慢)SR电动机206的转速并因此制动机器100的速度。SR电动机206可以进一步耦合到机器100的主减速器208。SR电动机206可以配置为根据应用要求向主减速器208提供扭矩输出，扭矩输出可以进一步通过主减速器208分配给地面接合元件108。

在一些实施例中，SR电动机206可以基于应用要求设有扭矩输出极限。极限可以包括最大扭矩输出值和最小扭矩输出值。最大和最小扭矩输出值限定了可由SR电动机206提供给主减速器208的扭矩输出的范围。扭矩输出极限可以取决于各种因素，例如但不限于SR电动机206的操作条件，例如转子和定子的磨损状态、SR电动机206的固有特性，例如转子的磁极数、定子和转子的尺寸、磁化曲线等。扭矩输出极限还可以取决于机器100所用于的应用领域，例如挖掘、分级等，机器规格和SR电动机效率，以及开关磁阻电动机调速系统的其他部件的操作特性，例如逆变器效率、DC电源的最大能量存储容量等。这样，由发动机110产生的动力通过开关磁阻电动机调速系统提供给地面接合元件108。

控制系统200包括耦合到DC电源202的电压传感器210。电压传感器210测量由DC电源202提供给逆变器204的DC电压。由DC电源202提供给逆变器204的DC电压也可以称为DC链路电压。电压传感器210可以是能够配置为测量由DC电源202供应给逆变器204的DC电压的任何类型的电压传感器。电压传感器210产生指示测量的DC电压的信号。控制系统200还包括耦合到逆变器204的电流传感器212。电流传感器212测量由逆变器204供应给SR电动机206的AC电流。电流传感器212可以是能够测量由逆变器204供应给SR电动机206的AC电流的任何类型的电流传感器。在一些实施例中，SR电动机206实施为三相电动机。在这种情况下，电流传感器212电耦合到SR电动机206的三相之一，以感测该相的相电流并输出指示该相电流的相电流信号。

控制系统200还包括速度估计模块214。速度估计模块214可以是单个或多个微处理器，或微控制器，或可以执行必要计算以估计SR电动机206的转速的任何其他这种类型的部件。速度估计模块214可以基于诸如SR电动机206的固有特性、转子的位置等各种参数来估计SR电动机206的转速。在一些实施例中，SR电动机206的转速可以由耦合到SR电动机206的速度传感器来确定。速度传感器可以测量SR电动机206的转速。更具体地，速度传感器可以测量SR电动机206的定子内的转子的转速。速度传感器可以是能够精确测量SR电动机206的转速的任何类型的速度传感器。速度传感器可以产生指示SR电动机206的测量的转速的信号。

控制系统200还包括控制器216。控制器216可以使用处理器、微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、电子控制模块(ECM)、电子控制单元(ECU)或用于电子控制控制系统200的功能的任何其他适当装置中的一个或多个来实现。控制器216可以配置为根据预定算法或指令集来操作，该预定算法或指令集用于基于转子相对于定子的转速和/或位置以及电驱动器的其他操作特性来操作开关磁阻电动机调速系统。如本领域所公知的，这种算法或指令集可以被预编程或合并到控制器216可访问和/或设置在控制器216内的存储器中。例如，当SR电动机206开始操作时，控制器216可以确定转子相对于定子的初始位置。然后控制器216可以基于初始转子位置控制SR电动机206的操作。应当理解，控制器216可以基于各种参数来控制开关磁阻电动机调速系统的操作，并且初始转子位置的示例不以任何方式限制本发明的范围。

控制器216可通信地耦合到DC电源202、逆变器204和SR电动机206。控制器216还与电压传感器210、电流传感器212和速度估计模块214通信。控制器216接收由电压传感器210产生的指示由DC电源202提供给逆变器204的DC电压的信号。控制器216接收由电流传感器212产生的指示由逆变器204供应给SR电动机206的AC电流的信号。控制器216还通过速度估计模块214接收SR电动机的转速。在一些实施例中，控制器216接收来自速度传感器的指示SR电动机206的转速的信号。

在接收到由电流传感器212产生的指示由逆变器204供应给SR电动机206的AC电流的信号后，控制器216将AC电流转换为DC电流。控制器216可以基于根据应用要求可能是适当的本领域中已知的任何常规方法或算法将AC电流转换为DC电流。此外，本发明不以任何方式局限于用于DC电流转换的方法或算法。

然后控制器216基于转换的DC电流和由DC电源202供应给逆变器204的DC电压来估计SR电动机206的实际功率输出。控制器216接收来自电压传感器210的指示DC电压的信号。在一些实施例中，当控制器216与DC电源202通信时，控制器216可以具有关于DC电源202的充电状态的信息，并且控制器216可以基于充电状态确定DC电压。实际功率输出也可以被解释为供应给SR电动机206的电力。控制器216可以通过使转换的DC电流和DC电压相乘来估计实际功率输出。控制器216还可以将逆变器效率存储在相关联的存储器中。在一些实施例中，控制器216还可以在估计SR电动机206的实际功率输出的同时考虑逆变器效率。例如，控制器216可以在将AC电流转换为DC电流的同时使用逆变器效率。此外，控制器216可以通过使转换的DC电流、DC电压和SR电动机效率相乘来估计实际功率输出。控制器216可以通过使重构的DC电流、DC电压和逆变器效率相乘来估计实际功率输出。

在估计实际功率输出后，控制器216接收来自速度估计模块214的SR电动机206的转速。在一些实施例中，控制器216可以通过速度传感器接收指示SR电动机206的转速的信号。控制器216基于实际功率输出和转速估计SR电动机206的实际扭矩输出。控制器216可以通过将实际功率输出除以SR电动机206的转速来确定实际扭矩输出。在一些实施例中，控制器216可以将SR电动机效率存储在相关联的存储器中。控制器216还可以在估计实际扭矩输出的同时考虑SR电动机效率。例如，控制器216可以通过使实际功率输出和SR电动机效率相乘以获得值，然后将该值除以SR电动机206的转速来估计实际扭矩输出。

此外，控制器216还与用户界面通信。控制器216可接收指示操作员使用用户界面指定/识别的期望扭矩输出的信号。然后控制器216比较实际扭矩输出和期望扭矩输出。控制器216可以基于实际扭矩输出和期望扭矩输出的比较来计算扭矩误差。控制器216基于扭矩误差调节SR电动机206的扭矩输出极限。控制器216调节扭矩输出极限，使得扭矩输出误差可以最小化，并且SR电动机206根据应用要求的需要在合适的扭矩范围内操作。此外，控制器216可以基于调节后的扭矩输出极限来调节SR电动机206的扭矩输出。控制器216可以调节扭矩输出，使得SR电动机206在SR电动机206的扭矩输出尽可能接近操作员指定的期望扭矩输出的操作条件下操作。在一些实施例中，控制器216基于调节后的扭矩输出极限调节SR电动机206的转速。

控制器216可以调节SR电动机206的扭矩输出和/或SR电动机206的转速，以便使扭矩误差最小化，并且操作开关磁阻电动机调速系统以产生尽可能接近期望扭矩输出的实际扭矩输出。控制器216可以使用任何常规反馈控制装置使扭矩误差最小化，例如比例积分微分(PID)控制、比例积分(PI)控制等。本发明不以任何方式限于使扭矩误差最小化的反馈控制装置。

工业实用性

本发明提供了一种改进方法300来控制用于机器100的开关磁阻电动机调速系统的SR电动机206。方法300在步骤302处包括由控制器216转换DC电流。控制器216基于由逆变器204供应给SR电动机206的AC电流来转换DC电流。控制器216可以使用本领域已知的任何方法和/或算法来基于AC电流转换DC电流。

方法300在步骤304处估计由SR电动机206产生的实际功率输出。控制器216基于转换的DC电流和由DC电源202供应给逆变器204的DC电压来估计实际功率输出。控制器216能够可通信地与DC电源202耦合，并且可以基于DC电源202的充电状态确定DC电压。在一些实施例中，控制器216可以接收来自耦合到DC电源202的电压传感器210的指示DC电压的信号。控制器216可以通过使转换的DC电流和由DC电源202供应给逆变器204的DC电压相乘来估计实际功率输出。在一些实施例中，控制器216还可以在估计实际功率输出的同时考虑逆变器效率和SR电动机效率。控制器216可以在将AC电流转换为DC电流的同时使用逆变器效率。此外，控制器216可以通过使转换的DC电流、DC电压和SR电动机效率相乘来估计实际功率输出。

方法300在步骤306处确定SR电动机206的转速。例如，控制器216通过速度估计模块214接收SR电动机206的转速。在一些实施例中，控制器216可以接收来自速度传感器的指示SR电动机206的转速的信号。方法300在步骤308处包括估计实际扭矩输出。控制器216基于SR电动机206的实际功率输出和转速确定实际扭矩输出。在一些实施例中，控制器216通过将实际功率输出除以SR电动机206的转速来确定实际扭矩输出。在一些实施例中，控制器216还可以在估计实际扭矩输出的同时考虑SR电动机效率。

方法300在步骤310处包括接收来自用户界面的指示期望扭矩输出的信号。控制器216接收由用户界面产生的指示期望扭矩输出的信号。在一些实施例中，用户界面可以是加速踏板、数字界面或操纵杆。方法300在步骤312处包括比较实际扭矩输出和期望扭矩输出。控制器216比较实际扭矩输出和期望扭矩输出以计算扭矩误差。控制器216可以包括用于比较实际扭矩输出和期望扭矩输出以及随后计算扭矩误差的所需装置。

方法300在步骤314处包括调节扭矩输出极限。扭矩输出极限可以取决于各种因素，例如但不限于SR电动机206的操作条件、SR电动机206的固有特性、机器100所用于的应用领域(例如挖掘或挖沟等)、机器规格、SR电动机效率，以及开关磁阻电动机调速系统的其他部件的操作特性等。控制器216基于计算的扭矩误差调节扭矩输出极限，并且随后基于调节的扭矩极限控制SR电动机206。方法300在步骤316处基于调节的扭矩输出极限调节SR电动机206的转速。控制器216基于调节的扭矩输出极限调节SR电动机206的转速。

本发明提供了一种通过在提供用于控制SR电动机206的扭矩输出以及速度的算法的同时考虑DC链路电压来控制SR电动机206的改进方法。因为不再关注变化的DC链路电压，所以用于DC链路电压值的控制算法中不需要具有附加轴。此外，本发明允许控制器216确定所需扭矩输出，以便根据应用要求实现并维持SR电动机206的目标速度。通过根据SR电动机206的所需速度调节扭矩输出范围来说明扭矩输出的精度。此外，不管由于可变或高DC链路电压引起的初始位置误差和/或扭矩命令误差如何，都保持扭矩输出的精度。

尽管已经参照上述实施例具体示出和描述了本发明的各方面，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离所公开内容的精神和范围的情况下，可以通过修改所公开的机器、系统和方法来设想各种附加实施例。这些实施例应理解为落入基于权利要求书及其任何等同物确定的本发明的范围内。