用于电动马达的再生制动控制器制造技术

本申请公开了一种再生制动的方法(400)，其包括提供(401)包括至少一个定子和转子的电动马达、转子的速度、调节定子绕组中的电流水平的马达控制器、控制至定子端子的能量流的功率逆变器，以及与所述马达交换能量的能量存储系统(ESS)。电池管理电路位于功率逆变器与ESS之间，并且处理器具有存储再生制动(RB)算法的相关存储器。RB算法在制动期间促使马达控制器执行根据使再生制动电流最大化的转子速度来确定(402)RB扭矩值，并且使用(403)功率逆变器来重新定向RB电流以使从马达到ESS的功率转移最大化。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于电动马达的再生制动控制器
本专利技术涉及对电动马达的再生制动控制。
技术介绍
电动马达是将电能转换成机械能的机器。电动马达包括DC马达和AC马达。一种类型的AC马达是AC感应马达。通常由耦合到三相逆变器的电动马达控制器所提供的三相交流电来驱动AC感应马达。AC马达包括具有线圈的外部固定定子，所述线圈被供应交流电以产生旋转磁场，该旋转磁场在转子绕组中感应电流。当电流流过转子绕组时，产生第二磁场，该第二磁场与来自定子的磁场相互作用以产生运动。转子附接到输出轴，旋转磁场向该输出轴给予扭矩。转子磁场和定子磁场的相互作用引起可用于做功的转子旋转。另一种类型的AC马达是永磁马达(PMM)。PMM具有位于转子上的永磁体和位于定子上的铜绕组。定子绕组中的交流电产生旋转磁场，该旋转磁场与来自转子磁体的磁场相互作用以产生运动。定子电流振荡的频率确定转子的角速度和所得的角位置。电动马达具有两种机械操作，即马达驱动和制动。在扭矩相对(vs.)速度的关系曲线图中，扭矩-速度平面的象限I和III表示正向马达驱动操作和反向马达驱动操作，并且象限II和IV表示正向制动操作和反向制动操作。当电动马达作为发电机操作以使得转子的动能被转换为电能并反馈到电源时，制动操作是再生的。并非制动象限中的所有操作点本质上都是再生的，因此再生制动是制动象限的子集。需要确定制动象限中的再生制动操作的边界，使得闭环控制系统不会在非再生制动区中放置操作点(这致使机器从源汲取动力以便实现制动)。
技术实现思路
所公开的实施例认识到，如果正确操作，则制动电动马达可以从马达系统移除动能，但是在常规电制动系统中，该动能通常未被系统回收。在典型的电制动过程期间，需要来自电池的附加电能以使马达减速，并且没有可用的动能被回收。所公开的实施例包括为电动马达提供制动扭矩的最佳再生制动(RB)算法，这在从一个速度制动到更低速度时回收大量的动能。所公开的RB算法独立于参考系变换和马达控制方法。电动马达本身通过用作制动器的公开软件代码来进行控制，使得不需要外部机械制动器(诸如汽车中的液压制动器)。所公开的RB算法也适用于具有外部机械制动器的马达系统。在存在外部机械制动器的情况下，所公开的RB算法可用于确保电动马达遵循规定的扭矩轨迹，使得在制动事件期间最大电流返回能量存储系统(ESS，诸如电池)。由于所公开的RB算法独立于参考系变换和控制方法，因此在一个特定实施例中，与公开算法一起利用的控制方案可以是场定向控制(FOC)。所公开的RB算法也可以在固定参考系中进行操作，这消除了对FOC的需要。例如，可使用的控制方案包括在α/β坐标系中操作的马达控制器，其中每个坐标中的电压/电流被独立地控制并且然后通过空间矢量发生器(SVG)进行变换。这将期望的电压矢量(Vαβ)转换成脉冲宽度调制(PWM)持续时间以产生马达相电压(Vabc)或相电流Iabc，以便提供期望的电压电平或电流水平。马达控制器也可以在A/B/C坐标系中操作以允许直接控制每个马达相的电压/电流。附图说明图1A描绘了根据示例性实施例的扭矩相对(vs.)速度的关系曲线图，其示出在标称转子速度下的代表性期望和再生制动扭矩。图1B描绘了根据示例性实施例的示例性RB策略的逻辑的流程图。图2A是根据示例性实施例描绘在普通FOC控制器内没有外部制动器的受控马达系统的框图。图2B是根据示例性实施例描绘在普通FOC控制器内包括外部制动器和RB控制器的受控马达系统的框图。图3是根据示例性实施例描绘在衬底上形成的示例微控制器单元(MCU)芯片的框图，该MCU芯片实现图2B所示的包括RB控制器、外部制动器控制器和电池管理电路的FOC控制器。图4示出根据示例性实施例的RB的示例性方法中的步骤，其中所产生的每个扭矩相对速度值的关系被设计成使返回ESS的RB电流最大化。图5示出了停用所公开的RB算法的情况下的模拟速度响应。图6示出了根据示例性实施例的停用所公开的RB算法的情况下的扭矩-速度平面中的模拟制动轨迹。图7示出了启用所公开的RB算法的情况下的模拟速度响应。图8示出了启用所公开的RB算法的情况下的扭矩-速度平面上的模拟制动轨迹。图9示出了停用所公开的RB控制的情况下的测量速度响应。图10示出了启用所公开的RB控制的情况下的测量速度响应。具体实施方式附图不必按比例绘制。参考附图描述示例性实施例，其中相似的参考数字用于指代类似或等效的元件。动作或事件的所示顺序不应当被认为是限制性的，因为一些动作或事件可能以不同的顺序发生和/或与其他动作或事件同时发生。此外，实现根据本专利技术的方法可能不需要一些示出的动作或事件。另外，本文所使用而未进一步限定的术语“耦合到”或“与…耦合”(以及类似术语)旨在描述间接或直接的电连接。因此，如果第一装置“耦合”到第二装置，则该连接可以是通过直接电连接(其中通路中仅存在寄生现象)或通过经由包括其他装置和连接的插入物进行间接电连接。对于间接耦合，插入物通常不修改信号的信息，但可以调整其电流水平、电压水平和/或功率水平。所公开的RB方法包括提供包括转子的电动马达(马达)、转子的测量速度或估计速度(转子速度)和作为转子速度的函数的制动扭矩值，其中每个扭矩值被设计成使返回通常为电池的ESS的RB电流最大化。总的趋势是，随着转子速度减小，制动扭矩的水平降低。用于确定使RB电流最大化的制动扭矩的程序在下面使用符号闭型表达式来描述，或者使用数值优化方法来求解。针对两种不同的马达系统场景描述了所公开的制动策略，一种场景是存在外部制动器，而另一种场景是没有外部制动器。在存在外部制动器的情况下，可取的是将期望的制动扭矩水平分解为两个分量。电动马达施加使用所公开的RB算法来提供最大RB电流以回收能量的一个扭矩分量以及由外部制动器提供另一个扭矩分量以满足来自速度控制器(参见以下描述的图2B中的速度控制器251’)的期望制动扭矩指令。因此，如图1A所示，制定了使用该期望扭矩分解概念的制动策略，图1A示出了扭矩相对于速度的关系图，其示出在处于非再生制动区域中的期望速度ω下的期望制动扭矩水平(由速度控制器计算)τdesired。非再生制动区域是扭矩相对于速度的平面中的制动象限的子集，其中来自ESS的能量被用于提供τdesired的一部分。τdesired可以被分解成：提供最大RB电流的最佳RB扭矩τregen(位于RB区域内)以及由外部制动器施加的剩余制动扭矩τext＝τdesired-τregen。对于具有外部制动器的马达系统，由于在制动事件期间通过马达制动和外部机械制动的组合来施加期望的扭矩水平，该策略不影响减速所花费的时间。在没有外部制动器的情况下，所公开的RB制动策略被设计成使得如果在该转子速度下τdesired大于最佳RB扭矩τregen，则由马达施加的制动扭矩被局限于如上所述的作为转子速度的函数的τregen。该方法施加小于(由速度控制器命令的)期望扭矩水平的制动扭矩，由此增加了使马达减速所花费的时间。然而，在制动过程期间，ESS仍然回收大量的能量。存在各种各样的马达应用，其中不要求或甚至无需在最短时间量或者短距离内制动。在这些应用中，轨迹可以被计划以使得马达沿着产生最大RB电流的制动扭矩曲线操作。在图1B中示出了显示整体RB策略的逻辑的流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种再生制动的方法，其包括：提供包括具有带有定子端子的绕组的至少一个定子和转子的电动马达(马达)、所述转子的测量速度或估计速度(转子速度)、调节所述绕组中的电流水平的马达控制器、控制至所述定子端子的能量流的功率逆变器、与所述马达交换能量的能量存储系统(ESS)、耦合在所述功率逆变器与所述ESS之间的电池管理电路，以及具有存储再生制动(RB)算法的相关存储器的处理器；其中所述处理器被编程以在所述制动期间实现所述RB算法以便促使所述马达控制器执行：根据使RB电流水平最大化(最大RB电流)的转子速度确定RB扭矩的值(RB扭矩值)；以及使用所述功率逆变器来重新定向所述最大RB电流以便使从所述马达到所述ESS的功率转移最大化。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.08.27 US 14/837,8101.一种再生制动的方法，其包括：提供包括具有带有定子端子的绕组的至少一个定子和转子的电动马达(马达)、所述转子的测量速度或估计速度(转子速度)、调节所述绕组中的电流水平的马达控制器、控制至所述定子端子的能量流的功率逆变器、与所述马达交换能量的能量存储系统(ESS)、耦合在所述功率逆变器与所述ESS之间的电池管理电路，以及具有存储再生制动(RB)算法的相关存储器的处理器；其中所述处理器被编程以在所述制动期间实现所述RB算法以便促使所述马达控制器执行：根据使RB电流水平最大化(最大RB电流)的转子速度确定RB扭矩的值(RB扭矩值)；以及使用所述功率逆变器来重新定向所述最大RB电流以便使从所述马达到所述ESS的功率转移最大化。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述电池管理电路基于由所述ESS支持的最大充电电流水平来使用电流调节电路控制所述最大RB电流。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述马达包括外部制动器，所述方法还包括：根据所述转子速度确定外部制动扭矩(τext)的值以提供附加机械制动，以及将速度控制器所确定的期望制动扭矩水平(τdesired)分解成两个分量，其中所述马达控制器施加所述RB扭矩值作为一个扭矩分量以提供所述RB电流，并且由所述外部制动器向所述马达提供第二扭矩分量以满足所述τext。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述马达包括永磁体(PM)马达。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述马达包括交流(AC)感应马达。6.根据权利要求4所述的方法，其还包括使用以下公式计算所述RB扭矩值(τregen)：其中ω是所述转子速度，Kb是所述PM马达的反电动势常数，并且Rs是所述定子绕组的电阻。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述马达包括内部永磁体(IPM)，所述方法还包括：离线计算多个所述RB扭矩值与所述转子速度的对比并且根据其编译表格，以及使用所述表格来实时确定所述RB扭矩值。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述RB算法利用针对所述转子速度的给定值使所述RB扭矩值与所述最大RB电流相关联的闭型表达式。9.根据权利要求1所述的方法，其中所述马达控制器实现场定向控制(FOC)。10.一种微控制器单元(MCU)芯片，其包括：衬底，在其上形成有以下组件，这些组件被配置成实现用于控制包括具有带有定子端子的绕组(定子绕组)的至少一个定子和转子的N相电动马达(马达)的马达控制器，包括：至少一个模数转换器(ADC)，其用于从耦合到与所述N相中的每一个相关联的所述定子绕组的电流测量电路或电压测量电路接收所得的N相测量值；脉冲宽度调制(PWM)驱动器；中央处理单元(CPU)，其耦合到第一非易失性程序存储器，所述第一非易失性程序存储器包括用于实现再生制动(RB)算法、速度控制器、角速度估计器(EST)块以及具有被耦合以接收...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·S·穆尔蒂，D·P·马吉，
申请(专利权)人：德克萨斯仪器股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US