脉冲电机控制制造技术

描述了促进电机的脉冲控制以在条件许可时提高该电机的能量效率的各种方法、控制器和电机系统。控制脉冲输出水平之间的选定的转变，以提供三次或更高阶的转变转矩曲线。在各种实施方式中，使用三次、五次或者更高阶的转变曲线。使用这种转变转矩曲线可以改善该电机的NVH特性，同时提供节能的脉冲转变。同时提供节能的脉冲转变。同时提供节能的脉冲转变。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】脉冲电机控制
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年5月5日提交的美国申请号16/866,917的优先权，该美国申请通过援引以其全文并入本文。

技术介绍

[0003]本申请总体上涉及电机控制。更具体地，描述了控制方案和控制器设计，这些控制方案和控制器设计在选定的运行条件期间平滑地对使电机的运行施加脉冲，以利于以更节能的方式运行电机。
[0004]本文所使用的术语“电机”旨在被广义地理解为是指电动机和发电机两者。电动机和发电机在结构上非常相似。两者都包括转子和具有多个极的定子。当电机作为电动机运行时，其将电能转换为机械能。当作为发电机运行时，该电机将机械能转换为电能。
[0005]电动机和发电机用于各种各样的应用中，并且在各种各样的运行条件下使用。通常，许多现代电机具有相对较高的能量转换效率。然而，大多数电机的能量转换效率可能基于其运行负荷而显著变化。在许多应用中，电机需要在各种不同的运行负荷条件下运行。结果，许多电机在某些时间以最高效率水平或接近最高效率水平运行，而在其他时间，这些电机则以较低效率水平运行。
[0006]电池供电的电动车辆提供了在较宽的效率水平范围下运行的电机的很好的示例。在典型的驱动循环期间，电动车辆将加速、巡航、减速、制动、转弯等。在某些转子速度和/或转矩范围内，电机在其最高效运行点(即，其“最佳点(sweet spot)”)处或其附近运行。在这些范围之外，电机的运行效率较低。随着驱动条件的改变，电机会随着转子速度和/或转矩需求的改变而在高运行效率水平与低运行效率水平之间转变。如果可以使电机在较大比例的驱动循环内在高效率运行区域中运行，则对于给定的电池电量水平，车辆的里程将增加。由于电池供电的电动车辆的里程有限是电动车辆的使用的主要商业障碍，因此延长车辆的运行里程非常有利。
[0007]尽管常规电机的能量转换效率通常良好，但是仍在继续努力以进一步提高在更广泛的运行条件范围下的能量转换效率。

技术实现思路

[0008]描述了促进电机(例如，电动机和发电机)的脉冲控制以在条件许可时提高该电机的能量转换效率的各种方法、控制器和电机系统。更具体地，在选定的运行条件下，电机被间歇地驱动(脉冲)以递送期望的平均输出。电机的脉冲运行导致电机的输出在高于电机的期望的平均输出的第一输出水平与低于期望的平均输出的第二输出水平之间交替。该第一输出水平和该第二输出水平被选择为使得该电机和包括该电机的系统中的至少一者在该脉冲运行期间的能量转换效率比该电机在以连续方式驱动该电机以递送期望的平均输出所需的第三输出水平下运行时的能量转换效率更高。在许多实施例中，该第二输出水平是零转矩(或基本上为零的转矩)。
[0009]控制脉冲输出水平之间的至少一些转变，以提供三次或更高阶的转变曲线。在各种实施方式中，使用三次、五次或者甚至更高阶的转变曲线。使用这种转变曲线可以改善电机的NVH特性和/或提供其他益处。
[0010]在各种实施例中，不同的转变曲线可以用于不同运行条件下的特定电机中。例如，不同的转变曲线可以可选地用于不同的运行速度、不同的脉冲频率和/或不同的脉冲输出水平。这些转变曲线也可以基于转变是否从零输出水平到目标脉冲输出水平而变化，或反之亦然；基于电机作为电动机还是发电机运行而变化；基于其他设计考虑和/或前述任何组合而变化。
[0011]在一些实施例中，电机控制器包括脉冲决策模块和脉冲控制器。脉冲决策模块确定何时电机的脉冲运行是期望的，以及何时电机的连续运行是期望的，以递送期望的平均输出。当脉冲决策模块确定脉冲运行是期望的时，脉冲控制器指引电机的脉冲运行。在一些实施例中，脉冲控制器包括使用三次或更高阶的转变曲线控制转变的转变曲线发生器。在一些实施例中，使用S形转变曲线。
附图说明
[0012]参考结合附图进行的以下描述可以最佳地理解本专利技术及其优点，在附图中：
[0013]图1是展示了代表性电机在不同运行条件下作为电动机运行时的能量转换效率的代表性转矩/速度/效率曲线图。
[0014]图2是展示了在作为电动机运行时响应于转矩需求而施加到电机的脉冲电流信号的曲线图。
[0015]图3是根据本专利技术的非排他性实施例的电机控制器的框图。
[0016]图4A是提供给电机的连续三相AC波形的图解表示。
[0017]图4B和图4C是具有相似占空比的脉冲三相AC波形的不同示例，这些脉冲三相AC波形与图4A的连续波形提供相同的转矩。
[0018]图5是展示了在固定电机速度下作为电机转矩的函数的代表性电机系统效率的曲线图。
[0019]图6A至图6C是示出了示例性3阶转变转矩曲线的角急动度、角加速度和转矩曲线的一系列相关曲线图。
[0020]图7A至图7E是示出了示例性5阶(五次)转变转矩曲线的五次、四次、三次(角急动度)、角加速度和转矩曲线的一系列相关曲线图。
[0021]图8A至图8E是示出了在脉冲周期的期望的关闭部分的时间段短于转矩转变时间的情况下，示例性的5阶(五次)转变转矩曲线的五次、四次、三次、角加速度和转矩曲线的一系列相关曲线图。
[0022]图9A至图9E是示出了在脉冲周期的期望的开启部分的时间段短于转矩转变时间的情况下，示例性的5阶(五次)转变转矩曲线的五次、四次、三次、角加速度和转矩曲线的一系列相关曲线图。
[0023]在附图中，相同的附图标记有时用于指定相同的结构要素。还应当了解，附图中的描绘是图解的而不是按比例的。
具体实施方式
[0024]本申请涉及对各种电机(例如，电动机和发电机)的脉冲控制(在其他情况下这些电机将以连续方式运行)。脉冲电机控制在2019年3月14日提交的美国专利申请第16/353,159号和第16/353,166号以及2020年3月13日提交的第16/818,570号中进行了描述。上述申请中的每一个均通过援引以其全文并入本文。如在并入的申请中所描述的，电机的脉冲控制提供了提高电机的运行能量转换效率的优点。
[0025]当采用脉冲时，电机的命令输出会频繁改变。脉冲控制的潜在缺点是：频繁的输出转变可以增加电机生成的运行噪声、振动与声振粗糙度(NVH)。与脉冲相关联的NVH问题在具有较高电时间常数的电机中往往更严重，因为电机的电时间常数可能对脉冲可能发生的频率施加实际限制。当脉冲频率处于人类通常可感知的频率范围内时，NVH往往更大。因此，期望以有效且高效的方式管理脉冲转变。
[0026]本申请提出在一些电机脉冲应用中使用三次或更高阶的脉冲转变转矩曲线。这种控制可以帮助减轻NVH问题，同时以高效的方式管理转变。在一些实施例中，使用五次脉冲转变曲线。
[0027]参考图1，展示了在不同负荷和速度条件下作为电动机运行时的示例性电机效率图100。图10绘制了作为沿水平轴线的电机速度(RPM)的函数的沿竖直轴线的转矩(N*m)。最大稳态输出功率由曲线102给出。
[0028]峰值转矩/速度曲线102下的面积被映射本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种控制电机的运行的方法，该方法包括：指引该电机的脉冲运行以递送期望的平均输出，其中，该脉冲运行导致该电机在大于该期望的平均输出的第一输出水平与小于该期望的平均输出的第二输出水平之间交替；以及使用三次或更高阶转变曲线控制这些输出水平之间的至少一些转变。2.一种控制电机的运行的方法，该方法包括：指引该电机的脉冲运行以递送期望的平均输出，其中，该脉冲运行导致该电机在大于该期望的平均输出的第一输出水平与小于该期望的平均输出的第二输出水平之间交替；以及使用S形命令的转变曲线控制从该第二输出水平到该第一输出水平的转变。3.如权利要求1或2所述的方法，其中，该转变曲线是五次函数曲线。4.如权利要求1或2所述的方法，其中，该转变曲线是三次函数曲线。5.如权利要求1或2所述的方法，其中，该转变曲线是具有比五次更高阶的曲线。6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该第二输出水平是零转矩。7.如权利要求6所述的方法，其中，该电机由逆变器控制，并且在至少一些运行状态下，在导致该电机输出零转矩的至少一部分时间期间，该逆变器被关闭。8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，通过使用该三次或更高阶的转变曲线控制由该电机生成的转矩来控制这些输出水平之间的转变。9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，这些转变曲线是转变转矩曲线。10.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，通过使用该三次或更高阶的转变曲线控制供应给该电机的电流来控制这些输出水平之间的转变。11.如权利要求1至7或10中任一项所述的方法，其中，这些转变曲线是转变电流曲线。12.如权利要求1所述的方法，其中：该第二输出水平是零转矩；该电机由逆变器控制；并且在至少一些运行状态下，在导致该电机输出零转矩的至少一部分时间期间，该逆变器被关闭。13.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，根据第一转变曲线控制从该第一输出水平到该第二输出水平的转变，并且根据不同于该第一曲线的第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：保罗，
申请(专利权)人：图拉E技术公司，
类型：发明
国别省市：