專利名稱：電動機(jī)驅(qū)動升壓控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多相電動機(jī)控制系統(tǒng)。它特別適于永磁體AC電動機(jī)，但也可應(yīng)用于其它類型的電動機(jī)，諸如DC無刷電動機(jī)、開關(guān)磁阻電動機(jī)和感應(yīng)電動機(jī)。
背景技術(shù)：
電動機(jī)在各種范圍的應(yīng)用中變得越來越普遍。眾所周知，例如，要提供包含輸入軸、輸出軸、適于測量輸入軸中的轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩傳感器、適于根據(jù)由轉(zhuǎn)矩傳感器測量的轉(zhuǎn)矩向輸出軸施加輔助轉(zhuǎn)矩的電動機(jī)的類型的電動動力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)。
典型的永磁體電動機(jī)包括例如包含永磁體的具有磁性的轉(zhuǎn)子；和在磁軛上包含多個相繞組的定子。在各相繞組兩端施加適當(dāng)?shù)碾妷菏闺娏髁鬟^繞組，從而在定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙中產(chǎn)生電流磁通矢量。該磁通與轉(zhuǎn)子的磁場交互作用，以使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到電流矢量與轉(zhuǎn)子磁場的軸對準(zhǔn)的平衡點(diǎn)。
要使轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動，通過繞組的電流必須按順序變化。這使電流矢量旋轉(zhuǎn)?？梢酝ㄟ^在電動機(jī)驅(qū)動電路的控制下調(diào)制各繞組兩端的電壓實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
在電動機(jī)中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩首先以一般為線性的方式依賴于通過繞組的電流，其次依賴于電流相對于由轉(zhuǎn)子磁體產(chǎn)生的磁通的相位。
當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時，當(dāng)電流矢量與轉(zhuǎn)子磁通矢量相差四分之一周期時，產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)矩；當(dāng)電流與轉(zhuǎn)子磁通同相時，將不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。因此，電動機(jī)一般被控制為保持電流與轉(zhuǎn)子磁通相差四分之一周期。但是，隨著轉(zhuǎn)子速度增加，產(chǎn)生的反電動勢限制可產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，并且，眾所周知，要使電流相對于轉(zhuǎn)子磁通的相位提前，這可在一定的環(huán)境下增加可得到的轉(zhuǎn)矩。
并且，這種電動機(jī)的最大旋轉(zhuǎn)速度依賴于電動機(jī)相端子上的電壓-為了產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，該電壓必須比由電動機(jī)產(chǎn)生的反電動勢大。對于諸如會在EPS系統(tǒng)中使用的電池供電的電動機(jī)，最大電動機(jī)速度因此間接地受電池電壓控制。但是，眾所周知，要通過使用升壓電路從電池升高電壓。這種電路使得電壓能夠暫時升高，使得施加到電動機(jī)相端子上的有效電壓比基本電池電壓高。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于具有轉(zhuǎn)子和相繞組的電動機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括包含用于改變通過繞組的電流的與繞組相關(guān)的開關(guān)裝置的驅(qū)動電路；被配置為感測轉(zhuǎn)子的位置的轉(zhuǎn)子位置感測裝置；被配置為提供驅(qū)動信號以控制開關(guān)裝置的控制裝置；用于與標(biāo)稱電壓下的電源連接的功率輸入；以及與功率輸入和功率輸出電通信且可控制為將標(biāo)稱電壓升壓到應(yīng)用于繞組的更高電壓的升壓裝置，其中，控制裝置被配置為改變通過繞組的電流相對于轉(zhuǎn)子位置的相位并控制由升壓裝置輸出的第二電壓。
本發(fā)明還提供一種用于具有轉(zhuǎn)子和相繞組的電動機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括包含用于改變通過繞組的電流的與繞組相關(guān)的開關(guān)裝置的驅(qū)動電路；被配置為提供驅(qū)動信號以控制開關(guān)裝置的控制裝置；用于與標(biāo)稱電壓下的電源連接的功率輸入，其中，控制裝置被配置為控制電動機(jī)的至少一個控制參數(shù)，由此將來自電源的電流的大小限制為最大值。
本發(fā)明還提供一種用于具有轉(zhuǎn)子和相繞組的電動機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括被配置為從電池接收電池電流的輸入；用于改變通過繞組的電流的與繞組相關(guān)的開關(guān)裝置；被配置為向開關(guān)裝置提供輸入電流的直流環(huán)(dc link)；被配置為測量直流環(huán)中的電流的電流傳感器；被配置為使來自電流傳感器的輸出平均化的低通濾波器；和被配置為從所述輸出確定電池電流的控制裝置。
本發(fā)明還提供一種推挽式升壓電路，該推挽式升壓電路包括在共用的磁芯上具有兩個繞組的雙線纏繞部件，每個繞組在一端與共用的第一電勢連接；被配置為被交替打開以將繞組中的各繞組連接到第二電勢上由此在繞組對兩端產(chǎn)生升壓的電壓的兩個有源開關(guān)；和被配置為被交替打開以將繞組中的各繞組連接到輸出上由此向輸出施加升壓的電壓的兩個另外的開關(guān)。


現(xiàn)在，參照附圖，僅通過例子說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，在這些附圖中，圖1是根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動系統(tǒng)的示意圖；圖2是表示圖1的系統(tǒng)的電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性的示圖；圖3是表示圖1的系統(tǒng)的電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)的示圖；圖4a和圖4b是表示具有零和非零相位提前角的圖1的電動機(jī)中的電流和反電動勢的示圖；圖5是表示相位提前角對圖1的電動機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩常數(shù)的影響的示圖；圖6是表示具有不同相位提前角的圖1的電動機(jī)中的轉(zhuǎn)矩隨電流變化的示圖；圖7表示圖1的系統(tǒng)中的損失隨相位提前角的變化關(guān)系；圖8表示圖1的系統(tǒng)中的效率隨相位提前角的變化關(guān)系；圖9表示圖1的電動機(jī)的等效相電路；圖10a和圖10b是具有零和非零相位提前角的圖1的電動機(jī)的相位圖；圖11表示需要相位提前的操作速度；圖12是表示最大轉(zhuǎn)矩隨具有零和非零相位提前的速度變化的示圖；圖13是表示相位提前角如何隨速度變化以在更高的速度下增加轉(zhuǎn)矩的示圖；
圖14是表示所需的相位提前隨具有和不具有助力(power boost)的圖1的電動機(jī)的速度的變化關(guān)系的示圖；圖15是表示助力對圖1的系統(tǒng)的直流環(huán)電壓的影響的示圖；圖16表示所需要的相位提前隨圖1的系統(tǒng)中的具有和不具有升壓(voltage boost)的速度的變化關(guān)系；圖17表示只使用相位提前和使用具有電壓升壓的相位提前的圖1的系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩/速度特性；圖18表示對于只使用相位提前和使用具有電壓升壓的相位提前的圖1的系統(tǒng)、產(chǎn)生的電池電流隨速度的變化關(guān)系；圖19表示對于只使用相位提前和使用具有電壓升壓的相位提前的圖1的系統(tǒng)、系統(tǒng)效率隨速度的變化關(guān)系；圖20表示在不具有升壓電壓只使用相位提前和使用具有電壓升壓的相位提前的圖1的系統(tǒng)的、系統(tǒng)功率損失隨速度的變化關(guān)系；圖21表示在不具有升壓電壓只使用相位提前和使用具有電壓升壓的相位提前的圖1的系統(tǒng)的多個部分中、功率損失隨速度的變化關(guān)系；圖22是具有替代性升壓電路位置的與圖1的系統(tǒng)類似的系統(tǒng)的示意圖；圖23是在圖1和圖22的系統(tǒng)中使用的升壓電路的電路圖；圖24是圖1的系統(tǒng)的已知的控制器的功能框圖；圖25、26、27、28、29和30是表示在圖1的系統(tǒng)中使用的直流環(huán)電壓和相位提前角的例子的示圖；圖31是用于估計(jì)圖1的系統(tǒng)中的電池電流的系統(tǒng)的電路圖。
具體實(shí)施例方式
參照圖1，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動電路8，該驅(qū)動電路8被配置為通過示為電阻Rh1和Rh2的線束12從這里為車輛電池的直流電源10取得電力。驅(qū)動電路8使用該電力以驅(qū)動與機(jī)械負(fù)載15連接的三相AC電動機(jī)14，這里該機(jī)械負(fù)載15為EPS系統(tǒng)的輸出軸。電動機(jī)14為常規(guī)類型，并包括以星狀網(wǎng)絡(luò)連接的一般稱為相a、b和c的三個電動機(jī)繞組。各繞組的一端與相應(yīng)端子16a、16b、16c連接。各繞組的其它端子被連接在一起以形成星狀中心。
驅(qū)動電路8包括逆變器18。逆變器18包含一般為晶體管的三對開關(guān)。各對開關(guān)包含在來自電壓源10的正極線(positive line)20a和負(fù)極線20b之間串聯(lián)連接的頂部晶體管和底部晶體管。三個輸出端21a、21b、21c分別從各對晶體管之間伸出(tap off)。輸出端21a、21b、21c分別通過電流傳感器22與各個電動機(jī)端子16a、16b、16c連接。
升壓電路26被設(shè)置在電池10和逆變器18之間。升壓電路26和逆變器18之間的濾波器和傳感器塊28被配置為過濾對逆變器18的輸入，并感測對逆變器18的直流環(huán)電壓和電流輸入。
控制器30被配置為控制逆變器18中的開關(guān)，以向電動機(jī)繞組a、b、c提供電流的脈沖寬度調(diào)制。控制器30因此具有對六個開關(guān)的控制門產(chǎn)生開關(guān)控制信號cg1、cg2、cg3、cg4、cg5和cg6的六個開關(guān)控制輸出。它還具有向升壓電路26提供控制信號的升壓控制輸出，使得它可以在來自電池10的電壓被輸入逆變器18之前控制施加到來自電池10的電壓的升高的水平?？刂破?0從以下傳感器接收輸入信號指示瞬時直流環(huán)電壓EC U-dclink和電流的直流環(huán)傳感器28；電流傳感器22，從該電流傳感器22它可確定三個電動機(jī)相電位；電動機(jī)輸出上的速度傳感器32，從該速度傳感器32它可確定電動機(jī)速度；電動機(jī)位置傳感器34，從該電動機(jī)位置傳感器34它可確定電動機(jī)14的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置。控制器也接收轉(zhuǎn)矩需求輸入，并被配置為控制逆變器18以驅(qū)動電動機(jī)產(chǎn)生需求的轉(zhuǎn)矩。
逆變器18中的開關(guān)以受控制電路30控制的方式被接通或斷開，以提供向端子16a、16b、16c中的每一個施加的電勢的脈沖寬度調(diào)制，由此控制繞組a、b、c中的每一個兩端施加的電勢差并由此還控制流過繞組的電流。該電流被電流傳感器22感測。相電位的控制反過來控制由繞組產(chǎn)生的總電流矢量的強(qiáng)度和取向，并由此還相對于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子的磁場的相位控制旋轉(zhuǎn)電流矢量的相位。
在實(shí)際的系統(tǒng)中，常常具有測量各相中的電流的多個電流傳感器22、或可被用于通過在控制器30的PWM周期中對受控時間的電流進(jìn)行采樣測量各相中的電流的直流環(huán)中的單個電流傳感器28。
參照圖2和圖4a，在電流波形的相位與轉(zhuǎn)子位置的時間t的變化同相并由此與在電動機(jī)中產(chǎn)生的反電動勢同相的簡單情況下，轉(zhuǎn)矩T與相電流I成正比，如下式所示T＝KTI其中，KT是電動機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)。在正常情況下，KT在圖3中所示的所有電流上為常數(shù)。
但眾所周知，如果電流相位如圖4b所示提前，使得它不再與反電動勢同相而是比其提前相位提前角θadv，那么電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩變化如下T＝KTIcosθadv這產(chǎn)生如圖5所示隨θadv的余弦變化的有效轉(zhuǎn)矩常數(shù)KT-effective。
參照圖6，對于任意相位提前角θadv，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩T仍與相電位I成比例，但是隨著θadv增加，有效轉(zhuǎn)矩常數(shù)減小，因此對于任意給定的電流的轉(zhuǎn)矩減小。
參照圖7，隨著相位提前角增加，電動機(jī)14、驅(qū)動電路8和線束12中的損失均增加，從而導(dǎo)致如圖8所示降低系統(tǒng)效率。但是，增加相位提前角可使得電動機(jī)以更高的速度操作，并以現(xiàn)在將更詳細(xì)地說明的方式輸出功率。
根據(jù)電動機(jī)等效電路理論，施加的相電壓Vph由下式表示Vph＝E+IRph+jIX其中，E是反電動勢，I是相電流，X是同步阻抗。這在圖9的等效相電路中示出。
可以在如圖10a所示的電動機(jī)相位圖中表示這些矢量。在這些圖中，d軸與轉(zhuǎn)子的磁通一致，q軸與d軸垂直。隨著零相位提前，反電動勢與相電位I同相，并且電壓XI相位相差90°。因此可如圖所示表示電壓VphIR、E和XI。但是，反電動勢隨電動機(jī)速度增加，并且Vph受ECU-dclink電壓限制，一般限制為直流環(huán)電壓的約三分之二。因此，相電壓Vph不能擴(kuò)展超出電壓限制周期以外，并且，存在由最大反電動勢確定的最大電動機(jī)速度，高于該最大電動機(jī)速度時，電動機(jī)不能被驅(qū)動。
但是，參照圖10b，如果引入相位提前角θadv，那么電流不與反電動勢同相。這如示出的那樣相對于反電動勢改變IR和XI電壓矢量的相位。其結(jié)果是，反電動勢的大小可增加，并且電壓E、IR、XI的矢量和仍如所示的那樣等于Vph極限。這意味著，對于任意給定的ECU-dclink電壓，電動機(jī)的最大可能輸出速度和功率可增加。參照圖11，其結(jié)果是，對于固定的最大ECU-dclink電壓V1，存在沒有相位提前就不能被超過的最大電動機(jī)速度ω1。此時，隨電動機(jī)速度增加的反電動勢等于最大可能ECU-dclink電壓V1。對于更高的電動機(jī)速度，必須使用相位提前。
可以如圖12所示畫出典型的電動機(jī)轉(zhuǎn)矩/速度曲線。從圖中可以看出，有了相位提前，操作區(qū)域大大增加?？梢垣@得更高的電動機(jī)速度，并且也可實(shí)現(xiàn)對于一些電動機(jī)速度的更高的轉(zhuǎn)矩。典型的相位提前分布如圖13所示。相位提前在比圖11中的ω1稍低的速度ω1之前保持為零，然后隨電動機(jī)速度增加而增加。
這導(dǎo)致在速度ω1之前恒定并然后隨電動機(jī)速度增加以恒定速率降低的最大轉(zhuǎn)矩。
參照圖14，如果通過使用圖1的升壓電路26施加升壓，那么可在高速下增加對于電動機(jī)速度和相位提前角的任意特定組合產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。因此，與在沒有助力的情況下需要的提前角分布相比，如果使用助力，那么相位提前的引入可被延至更高的電動機(jī)速度。參照圖15，在適當(dāng)?shù)纳龎翰呗缘囊粋€例子中，直流環(huán)電壓在速度ω3之前保持在其基本的未升壓水平V1，然后對于所有更高的電動機(jī)速度升壓到更高的水平V2。以下詳細(xì)說明其它例子。
參照圖16，在一個例子中，通過使用13.5V的未升壓ECU-dclink電壓和在750rpm的速度之前保持為零并然后如圖所示沿實(shí)線增加的相位提前角，模擬圖1的系統(tǒng)。圖16還表示使用23.0V的升壓ECU-dclink電壓和在2200rpm的速度之前保持為零并然后如圖所示沿虛線增加的相位提前角時的模擬系統(tǒng)性能。在各種情況下，相位提前角被控制，使得最大功率被傳輸，同時將電池電流限制到固定的上限。在模擬中使用的電動機(jī)類型是一般在EPS系統(tǒng)中使用的12槽/10極表面安裝、永磁體無刷交流電動機(jī)。
參照圖17，可以看出，通過使用圖16的控制策略，具有相位提前但沒有升壓時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩在約750rpm的拐點(diǎn)之前恒定。高于該速度時，轉(zhuǎn)矩開始以初始十分高但逐漸降低的速率以非線性的方式下降。如果使用升壓并且在較高的速度引入相位提前，那么出現(xiàn)拐點(diǎn)時的速度稍大，然后，轉(zhuǎn)矩隨電動機(jī)速度更慢地下降，對高于約1500rpm的電動機(jī)速度，慢約0.75Nm。如果升壓電路的效率可以增加，那么通過使其之內(nèi)的損失最小化，拐點(diǎn)可移向更高的速度。
參照圖18，在使用基線13.5V未升壓電壓的情況下，電池電流在約900rpm的速度之前穩(wěn)定增加，然后在約2000rpm的速度之前保持為最大電流85A，并然后逐漸下降。如果使用23V的升壓電壓，那么電流在低速下開始較高，并以相同的速率增加，在約750rpm達(dá)到極限電流85A。然后保持在極限電流上，一直到電動機(jī)的最大試驗(yàn)速度，在這種情況下最大試驗(yàn)速度為約3000rpm。
參照圖19，沒有升壓的總體系統(tǒng)效率在300rpm的速度下在約40％開始，在700rpm的速度下增加到約55％，然后在更高速度下逐漸下降，保持在45％和55％之間。但是，一起使用電壓升壓和相位提前時，效率開始較低，在300rpm下為約35％，但是，在2000rpm下穩(wěn)定增加達(dá)到約64％，然后逐漸下降到3000rpm時的約62％。對于高于約950rpm的速度，具有電壓升壓比沒有電壓升壓效率高。
因此，可以看出，對于高于這里為約950rpm的電動機(jī)速度，相位提前和電壓升壓的組合是有利的。
參照圖20，可以計(jì)算具有和不具有電壓升壓的系統(tǒng)中的總體功率損失。標(biāo)為系統(tǒng)1的損失是不具有電壓升壓的系統(tǒng)的損失，標(biāo)為系統(tǒng)2的損失是具有電壓升壓的系統(tǒng)的損失?？梢钥闯?，對于系統(tǒng)1，功率損失對于1000～3000rpm的速度大致恒定，在約550和580w之間變化，而對于系統(tǒng)2，損失以相同的水平在1000rpm時約550W開始，但在稍微上升到3000rpm時的約440W之前逐漸下降到2000rpm時的約410W。
參照圖21，這些損失可被分解以分出統(tǒng)稱為ECU(包含控制器30、逆變器18、濾波器28和ECUdclink20)的驅(qū)動電路8中的損失、電動機(jī)14中的損失、線束12中的損失和升壓電路26中的損失。可以看出，使用系統(tǒng)2時的ECU損失大大低于使用系統(tǒng)1時的損失，并且在更高的速度下尤其如此。使用系統(tǒng)2與使用系統(tǒng)1相比，電動機(jī)損失也大大降低，并且在兩個系統(tǒng)中線束損失相近。這是因?yàn)樯龎弘娐?6處于線束12的下游。升壓電路26中的損失顯然僅存在于系統(tǒng)2中?？傮w來說，在所考慮的操作的高速范圍中，來自升壓電路的損失比由其它部件中的較低的損失補(bǔ)償?shù)亩啵瑥亩o出圖20的總體系統(tǒng)損失。
在圖1的實(shí)施例中，升壓電路26是驅(qū)動電路8的一部分，并且通過線束12與電池10分開。這是系統(tǒng)的實(shí)際實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗沟抿?qū)動電路能夠作為單一單元被安裝。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能，升壓電路26可被放在電池上、在電池和線束之間。圖22表示以這種方式配置的根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的系統(tǒng)。與圖1中的部件對應(yīng)的部件由相同的附圖標(biāo)記表示，但增加了100。在該系統(tǒng)中，線束中的損失通過添加升壓而降低，而不是如圖21所示基本上不受影響。
參照圖23，作為示例性升壓器，升壓電路包含具有單一雙線纏繞磁部件的四開關(guān)同步推挽式升壓器，該雙線纏繞磁部件包含纏繞在公共磁芯M上的形成各個導(dǎo)體L1、L2的兩個繞組。正極電池端子B+通過電阻器R1與兩個繞組L1、L2中的每一個的中點(diǎn)即第一端連接。負(fù)極電池端子B-接地。兩個繞組L1、L2的中點(diǎn)通過電容器C1接地。第一繞組L1的第二端通過第一MOSFET開關(guān)Q1接地。第二繞組L2的第二端通過第二MOSFET開關(guān)Q2接地。電路的輸出示為并聯(lián)連接在一側(cè)的接地點(diǎn)和另一側(cè)的穿過各個MOSFET開關(guān)Q3、Q4的兩個繞組L1、L2的第二端之間的負(fù)載電阻器R2和電容器C2。
電路可以以四種模式操作。在無源模式中，Q1、Q2、Q3和Q4處于它們的斷開(OFF)狀態(tài)，并且電流可同時流過繞組L1、L2中的每一個，以通過兩個MOSFET Q3和Q4的寄生二極管流到負(fù)載R2。自耦變壓器芯M中的兩個磁通場由于繞組和自耦變壓器的相位調(diào)整基本上相互消除，因此有效地從電路上消失。
在增強(qiáng)的無源模式中，Q1和Q2處于它們的斷開狀態(tài)，并且Q3和/或Q4選通為(gate)接通(ON)。與Q3和Q4的寄生二極管相關(guān)的正向電壓降Vbθ從而被MOSFET接通電阻旁路。
在有源模式中，一對MOSFET Q1和Q4和另一對Q2和Q3被交替選通為它們的接通狀態(tài)。因此，Q1和Q4同時被選通，并且同時為接通且同時為斷開，并且Q2和Q3同時被選通，并且同時為選通且同時為斷開。因此Q1和Q2不會同時為接通。因此，當(dāng)Q1和Q2中的一個為接通時，它保持其自耦變壓器繞組端接近電池低電勢(接地)而兩個繞組的中點(diǎn)處于電池高電勢。由于兩個繞組具有相同的匝數(shù)且大致同相，因此不接地的繞組端被驅(qū)動到大致等于輸入端子上的電壓的兩倍的電壓。該電壓然后被傳給輸出電容器C2和負(fù)載R2。
假定當(dāng)與施加到自耦變壓器的伏特秒相比自耦變壓器的電感較大時，電流斜坡是全負(fù)載電流的較小的比例。各MOSFET(和各電感器)中的電流脈沖基本上為矩形，并在輸入和輸出上被依次求和，以形成幾乎連續(xù)的波形。在輸出和輸入上存在的紋波電流均在某種程度上被自耦變壓器電感過濾。
供給MOSFET門極中的每一個的占空因數(shù)可以為從0％到稍低于50％。也可以在比例控制的基礎(chǔ)上選通MOSFET，這有利于輸出電壓的可變升壓。
在可在電路與可具有再生模式的負(fù)載連接時使用的再生模式中，Q1和Q2可被選通為它們的斷開狀態(tài)，并且Q3和/或Q4可被選通為它們的接通狀態(tài)。電流然后可從再生負(fù)載流回電池。
允許無源模式的非隔離配置即使在有源MOSFET器件Q1、Q2被關(guān)斷時也允許電力流過逆變器。這意味著，在低負(fù)載功率級，當(dāng)不需要電壓升壓時，系統(tǒng)可以在沒有開關(guān)損失的情況下以無源模式操作，并優(yōu)選Q3和Q4選通為接通以降低傳導(dǎo)損失。
現(xiàn)在參照圖24說明圖1的系統(tǒng)的功能控制塊。主相位提前、電壓升壓和電流限制控制塊200確定在任意給定的情況下需要的相位提前、電壓升壓和最大電池電流。電流限制塊202被配置為接收由從電動機(jī)14需求的轉(zhuǎn)矩指示的轉(zhuǎn)矩電流需求，以從主控制塊200接收電流限制信號，并輸出必要時降低到最大電流極限的修改的轉(zhuǎn)矩電流需求。電流被限制為指定的最大水平。在該階段，需求的電流被完全限定為作為電流的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生分量的q軸電流。相位提前塊204從電流限制塊202接收修改的q軸電流需求，并且還從指示需要的相位提前角和最大相電位的主控制塊200輸入。相位提前塊204然后確定將提供需求的總電流和相位提前的q軸和d軸電流，并將這些值輸出到電流控制塊206。該塊206確定產(chǎn)生需求的相電位所需求的d軸和q軸電壓并將這些值輸出到PWM算法208。PWM算法對于將產(chǎn)生需要的電壓的逆變器18中的開關(guān)確定PWM開關(guān)時間，并將控制信號輸出到驅(qū)動電子控制塊210以指示這些開關(guān)時間，驅(qū)動電子控制塊210然后在逆變器18中實(shí)現(xiàn)這些開關(guān)時間。電動機(jī)14的轉(zhuǎn)子的位置由轉(zhuǎn)子位置傳感器24檢測，并通過位置傳感器塊212被輸入到主控制塊200。d軸和q軸電流也通過電流傳感器22被測量，并通過驅(qū)動電子控制塊210被反饋到電流控制塊206中。
電池電流傳感器214測量電池電流Ibatt并將該值輸入主控制塊200中。升壓電路26從控制塊200接收升壓需求信號并將電池電壓升壓到向ECU施加的升壓水平?？杀患傻缴龎弘娐?6中的EMC濾波器調(diào)節(jié)對于逆變器18的輸入功率。在多傳感器系統(tǒng)中，環(huán)傳感器22測量環(huán)電流，并將這些值輸入到主控制塊200。對于單一傳感器系統(tǒng)，各相中的電流由直流環(huán)中的電流傳感器214確定。電池電流傳感器214可被省略，并且可以如下面更詳細(xì)地說明的那樣估計(jì)電池電流。
主控制塊200因此可控制電壓升壓和相位提前，由此控制電動機(jī)相中的電流。這可提供增加的效率，并由此如上所述提供增加的功率輸出和增加的最大電動機(jī)速度。
參照圖25，可在圖1的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的簡單控制策略的一個例子包含使用簡單的階梯狀電壓升壓，使得對于第一預(yù)定極限950rpm之前的速度有零電壓升壓，并且，在高于該極限的速度上，施加在這種情況下將直流環(huán)接電壓從13.5V升高到23V的恒定的電壓升壓。對于第二較高預(yù)定速度2200rpm之前的速度，相位提前保持為零，并然后在較高速度穩(wěn)定增加，在2500rpm達(dá)到30°，并在3000rpm達(dá)到約50°。如虛線所示，可以將滯后線添加到電壓升壓階梯上，使得隨著速度增加，在此時為950rpm的一個速度上引入電壓升壓，但是隨著速度降低，電壓升壓向下保持在此時為850rpm的稍低的速度，以降低開關(guān)點(diǎn)周圍的磕碰聲和噪聲。該控制方法實(shí)現(xiàn)起來較為簡單，但是由于急劇的電壓升壓轉(zhuǎn)換，仍存在控制磕碰聲問題。
參照圖26，在第二控制策略中，相位提前與第一控制策略相同，但是電壓升壓被逐漸引入。對于第一預(yù)定速度950rpm之前的低速，不施加電壓升壓。然后在950和第二較高預(yù)定速度2200rpm之間，電壓升壓隨速度增加而增加，直到環(huán)電壓在2200rpm達(dá)到23V。對于高于2200rpm的更高速度，電壓升壓恒定，直流環(huán)電壓保持在23V。應(yīng)注意，第二預(yù)定速度2200rpm是引入相位提前的速度。該策略實(shí)現(xiàn)起來也相當(dāng)簡單，并具有電壓升壓逐漸增加的優(yōu)點(diǎn)，這減少了控制磕碰聲和噪聲。參照圖27，在第三控制策略中，電壓升壓以與第一策略相同的方式被控制。對于高于第二預(yù)定速度2200rpm的速度，相位提前也以相同的方式增加。但是，在引入電壓升壓的點(diǎn)之前的低速范圍上也引入相位提前。具體而言，在本例子中，相位提前在750rpm的速度下開始增加，直到增加到950rpm的速度下的峰值40°，這里，它對于950和2200rpm之間的速度返回零。如電壓升壓那樣，引入滯后線，使得，對于降低低于2200rpm的速度，相位提前保持為零，直到速度達(dá)到850rpm，此時它增加到35°，然后降低到750rpm的速度下的零。該策略具有最高效率保持在剛剛低于電壓升壓切入速度的速度上的優(yōu)點(diǎn)；即，由使用相位提前導(dǎo)致的無效性比通過激活升壓電路導(dǎo)致的無效性低。但是，它會在急劇電壓升壓和相位提前轉(zhuǎn)換周圍存在磕碰聲問題。
參照圖28，在第四控制策略中，電壓升壓與第二策略相同。相位提前在750rpm的速度前為零，然后在750rpm的速度下的最大值40°之前隨速度增加而增加，然后降低到1125rpm的速度下的零。然后，如以前的策略那樣，對于1125和2200rpm之間的速度保持為零，在2200rpm上，它開始增加。該策略具有在電壓升壓或相位提前中都沒有階梯變化的優(yōu)點(diǎn)，因此減少了磕碰聲。它還在剛剛低于升壓切入速度的速度上保持最高的效率。
參照圖29，在第五控制策略中，如圖27那樣，在950rpm周圍以階梯的方式引入電壓升壓，并在950rpm周圍的速度范圍上增加相位提前。但是，該策略與圖27的不同在于，電壓升壓較高，從而使升壓電壓上升到35V。這允許相位提前在高速下保持遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于圖27的策略，或者如圖29所示對于更高的電動機(jī)速度確實(shí)保持在零上由此使其引入僅優(yōu)化拐點(diǎn)周圍的效率。
參照圖30，在第六控制策略中，電壓升壓如圖28的策略那樣被逐漸引入，使得在從700到約1100rpm的電動機(jī)速度的范圍上引入相位提前。但是，在這種情況下，電壓被升壓到更高的水平，從而在高于約2500rpm的電動機(jī)速度上達(dá)到35V，因此，如圖30所示，可完全避免更高速度上的引入相位提前，由此使其引入僅優(yōu)化拐點(diǎn)周圍的效率。
為了使控制器30可控制電池電流，如果電池電流可被測量或估計(jì)，那么會是有用的。在對上述實(shí)施例的修改中，可以通過使用圖31中所示的電路從直流環(huán)電流測量估計(jì)電池電流。特別地，電流分路40被設(shè)置在逆變器18和形成圖1中所示的濾波器和傳感器組28的一部分的EMC濾波器28a之間的負(fù)直流環(huán)中。直流環(huán)電流Ilink流過該分路40。
微分放大器42被連接在分路40兩端，并且其輸出被供給控制器30的ADC通道。這被用于在精確的時間測量分路40中的瞬時電流，以使用測量值以公知的方式計(jì)算電動機(jī)相繞組a、b、c中的每一個中的電流。但是，來自微分放大器42的輸出也被輸入到低通濾波器44、該低通濾波器44的輸出被輸入到控制器30的另一ADC通道。來自低通濾波器的輸出實(shí)質(zhì)上是直流環(huán)電流Ilink的平均測量值。假定EMC濾波器的電解質(zhì)輸出電容器中的泄漏電流較小，那么助力器(powerbooster)的平均輸出電流Iboost等于平均鏈電流Ilink電池電流Ibatt可被估計(jì)如下Ibatt＝(Voutb*Ilink)/(Vinb*effic)其中，Voutb＝助力器的輸出電壓Vinb＝助力器的輸入電壓effic＝助力器的效率(其值被存儲在查找表中)助力器的輸出電壓由控制器30控制，并且輸入電壓是控制器30已知的。助力器的效率取決于輸入電壓、輸出電壓、功率電平和溫度，并且被存儲在控制器中的查找表中。
作為圖30的電池電流估計(jì)系統(tǒng)的替代方案，可以向系統(tǒng)添加提供電池電流的直接測量作為對控制器30的輸入的單獨(dú)的電池電流傳感器。作為另一替代方案，對于系統(tǒng)的所有條件估計(jì)電池電流，并且控制器參數(shù)被調(diào)整以保證電池電流不超過預(yù)定的水平。
在上述的控制策略中，存在大量的將影響用于為給定的電動機(jī)速度提供給定的轉(zhuǎn)矩的電池電流的參數(shù)。因此能夠使用各種參數(shù)以限制電池電流。可以以多種方式實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
參照圖32，電池電流一般以基本上呈線性的方式隨電動機(jī)速度增加。因此，如果電池電流要被限制，那么它將隨電動機(jī)速度正常增加直到其極限，然后在電動機(jī)速度進(jìn)一步增加時保持在該極限。
參照圖33，圖26的策略中的電壓升壓可被改變，使得其在不同的電動機(jī)速度下出現(xiàn)。在示出的例子中，它在相同的速率下從標(biāo)稱電壓增加到最大值，但這種增加在三個不同的電動機(jī)速度1V、2V、3V下開始并在三個不同的速度1P、2P、3P下達(dá)到最大值。這些電壓升壓策略中的每一個被配置為，在電壓升壓增加的電動機(jī)速度的范圍上，將電池電流保持在各個恒定水平Ibat1、Ibat2、Ibat3。參照圖34，相位提前控制策略也可與電壓升壓策略一起改變，使得它在電壓升壓達(dá)到其最大值的電動機(jī)速度1P、2P、3P下被引入，并以與圖26的策略相同的方式在更高的速度下隨電動機(jī)速度增加。并且，由于各個電壓升壓策略低于速度1P、2P、3P，因此三個相位提前控制策略中的每一個被配置為對于高于這些速度的速度將電池電流保持在相同的水平Ibat1、Iba2t、Ibat3。因此應(yīng)理解，通過在電動機(jī)速度的全范圍上控制電壓升壓和相位提前，電池電流可在可能的電動機(jī)速度的全范圍上被限制為選擇的最大值。
也可通過控制包含相電流極限、q軸電流極限或調(diào)制指數(shù)的其它電動機(jī)控制參數(shù)控制電池電流。這些參數(shù)中的每一個被控制器30控制，因此控制器可被配置為控制這些參數(shù)中的每一個以限制電池電壓。參照圖35，對于電池電流一般不高的較低的電動機(jī)速度，這些電動機(jī)控制參數(shù)中的每一個的限制值可保持恒定。但是，當(dāng)電動機(jī)速度增加到一定的速度時，這些參數(shù)中的任一個可被限制為隨著電動機(jī)速度增加而減小的水平。參數(shù)的最大水平開始減小的速度越高，則將被使用的電池電流越大。因此，在示出的例子中，如果最大參數(shù)值在第一值1M之前保持恒定并然后減小，那么電池電流可被限制為第一水平Ibat1，如果最大參數(shù)值在更高的電動機(jī)速度2M或者甚至更高的速度3M之前保持恒定并然后減小，那么電池電流被限制為第二高水平Ibat2或第三高水平Ibat3。
應(yīng)當(dāng)理解，可以使用上面討論的參數(shù)即電壓升壓、相位提前、相電流極限、q軸電流極限和調(diào)制指數(shù)的任意組合，以將電池電流限制為希望的最大值。并且，可以在開環(huán)控制中提供這種電流極限，在該開環(huán)控制中，參數(shù)中的每一個被控制，使得它們將一起產(chǎn)生低于希望的極限的電池電流，或者可在閉環(huán)控制提供這種電流極限，在該閉環(huán)控制中，電池電流被直接測量或估計(jì)，并且參數(shù)中的一個或更多個響應(yīng)測量的電池電流被控制，以將電池電流限制為希望的水平。
應(yīng)當(dāng)理解，由于電壓升壓和相位提前的組合控制可在較高的電動機(jī)速度下增加系統(tǒng)的效率，因此上述的本發(fā)明的實(shí)施例有大量的優(yōu)點(diǎn)。例如，對于給定的源電壓和源電流極限，可以通過使用電壓升壓和相位提前對系統(tǒng)進(jìn)行控制，以在更高的速度下產(chǎn)生更大的效率并因此產(chǎn)生更大的功率輸出。并且，作為更大的效率的結(jié)果，對于任何特定的輸出轉(zhuǎn)矩，相電流將比許多常規(guī)的系統(tǒng)中低。這還會減小一般稱為電子控制單元(ECU)的系統(tǒng)驅(qū)動電路8中的電流。這會減小系統(tǒng)中的熱應(yīng)力，這反過來減小ECU中的損失，并且還減小ECU中所需要的部件值，由此降低ECU的成本。通過重新設(shè)計(jì)電動機(jī)使其具有更高的轉(zhuǎn)矩常數(shù)(Kt)并使用電壓升壓以恢復(fù)高速特性可以進(jìn)一步增強(qiáng)這些益處；即，可以在不犧牲高速性能的條件下降低在系統(tǒng)零速工況下引起的應(yīng)力。
在一些情況下，增加的效率可使得能夠在保持需要的轉(zhuǎn)矩、速度和功率輸出的同時減小用于特定應(yīng)用的電動機(jī)尺寸。
應(yīng)當(dāng)理解，與具有相位提前但沒有電壓升壓的系統(tǒng)相比，在電動機(jī)操作參數(shù)的某些范圍內(nèi)需要更低水平的相位提前和過調(diào)制。這會降低一般隨相位提前和過調(diào)制增加的轉(zhuǎn)矩波動。這一般又會降低噪聲。相位提前或過調(diào)制的減小量也可被調(diào)整，使得在與機(jī)械系統(tǒng)的共振頻率對應(yīng)的某些電動機(jī)速度上轉(zhuǎn)矩波動較低。這還可有助于降低噪聲。
減小相位提前角的另一優(yōu)點(diǎn)在于，它可減少電動機(jī)的兩個方向之間的轉(zhuǎn)矩不對稱性。在成本敏感的系統(tǒng)中，可出現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的誤差，這導(dǎo)致沿兩個方向產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不對稱性。高水平的相位提前趨于增加這種不對稱性。因此，通過對于許多操作條件降低相位提前，所述的系統(tǒng)可減少這種不對稱性。并且，所述的系統(tǒng)的輸出功率將在高速下沿兩個方向更接近最佳值，從而在轉(zhuǎn)矩-速度范圍上給出更緊密的容限。
并且，隨著相位提前角變大，實(shí)現(xiàn)諸如動態(tài)操作、再生過程中的穩(wěn)定性和參數(shù)范圍的魯棒性的良好的電動機(jī)控制性能變得越來越困難。因此可通過使用組合的電壓升壓和相位提前控制以將相位提前保持為比已知系統(tǒng)中低的水平來提高控制性能。
權(quán)利要求
1.一種用于具有轉(zhuǎn)子和相繞組的電動機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括包含用于改變通過繞組的電流的與繞組相關(guān)的開關(guān)裝置的驅(qū)動電路；被配置為感測轉(zhuǎn)子的位置的轉(zhuǎn)子位置感測裝置；被配置為提供驅(qū)動信號以控制開關(guān)裝置的控制裝置；用于與標(biāo)稱電壓下的電源連接的功率輸入；和與功率輸入電通信且可控制為將標(biāo)稱電壓升壓到應(yīng)用于繞組的更高升壓電壓的升壓裝置，其中，控制裝置被配置為改變通過繞組的電流相對于轉(zhuǎn)子位置的相位并控制由升壓裝置輸出的第二電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，控制裝置被配置為高于預(yù)定的升壓引入速度的電動機(jī)速度提供電壓升壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中，控制裝置被配置為當(dāng)電動機(jī)速度達(dá)到升壓引入速度時以步進(jìn)的方式增加電壓升壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中，控制裝置被配置為隨著在從升壓引入速度到更高的全升壓速度的電動機(jī)速度范圍上增加電動機(jī)速度而增加電壓升壓。
5.根據(jù)任意上述權(quán)利要求的系統(tǒng)，其中，控制裝置被配置為控制電流的相位以相對于轉(zhuǎn)子位置產(chǎn)生電流的變化的相位提前。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中，控制裝置被配置為隨著為了高于相位提前引入速度的速度增加電動機(jī)速度而增加相位提前。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中，控制裝置被配置為至少在低于相位提前引入速度的零相位提前電動機(jī)速度的范圍上將相位提前設(shè)置為零。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7的系統(tǒng)，其中，控制裝置被配置為在低于相位提前引入速度的增加的相位提前電動機(jī)速度的范圍上提供非零相位提前。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中，在增加的相位提前電動機(jī)速度的范圍內(nèi)，控制裝置被配置為提供隨電動機(jī)速度增加到最大相位提前的相位提前。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的系統(tǒng)，其中，在增加的相位提前電動機(jī)速度的范圍內(nèi)，控制裝置被配置為提供隨電動機(jī)速度從最大相位提前降低的相位提前。
11.根據(jù)從屬于權(quán)利要求2～4中的任意一項(xiàng)時的權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中，相位提前引入速度大于升壓引入速度。
12.根據(jù)從屬于權(quán)利要求2～4中的任意一項(xiàng)時的權(quán)利要求8～10中的任意一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中，增加的相位提前電動機(jī)速度的范圍包含剛剛低于升壓引入速度的速度的范圍。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中，增加的相位提前電動機(jī)速度的范圍包含升壓引入速度。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的系統(tǒng)，其中，增加的相位提前電動機(jī)速度的范圍包含剛剛高于升壓引入速度的速度的范圍。
15.一種用于具有轉(zhuǎn)子和相繞組的電動機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括包含用于改變通過繞組的電流的與繞組相關(guān)的開關(guān)裝置的驅(qū)動電路；被配置為提供驅(qū)動信號以控制開關(guān)裝置的控制裝置；用于與標(biāo)稱電壓下的電源連接的功率輸入，其中，控制裝置被配置為控制電動機(jī)的至少一個控制參數(shù)由此將來自電源的電流的大小限制為最大值。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，還包括相位提前。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16的系統(tǒng)，還包括與功率輸入、功率輸出電通信且可控制為將標(biāo)稱電壓升壓到應(yīng)用于繞組的更高升壓電壓的升壓裝置，其中，至少一個參數(shù)包含由升壓裝置提供的升壓的水平。
18.根據(jù)權(quán)利要求15～17中的任意一項(xiàng)的系統(tǒng)，其中，至少一個參數(shù)包括q軸電流極限、相電流極限和過調(diào)制水平中的至少一個。
19.一種用于具有轉(zhuǎn)子和相繞組的電動機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括被配置為從電池接收電池電流的輸入；用于改變通過繞組的電流的與繞組相關(guān)的開關(guān)裝置；被配置為向開關(guān)裝置提供輸入電流的直流環(huán)；被配置為測量直流環(huán)中的電流的電流傳感器；被配置為使來自電流傳感器的輸出平均化的低通濾波器；和被配置為從所述輸出確定電池電流的控制裝置。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的驅(qū)動系統(tǒng)，其中，至少一個系統(tǒng)部件被設(shè)置在輸入和直流環(huán)之間，并且控制裝置被配置為通過使用與系統(tǒng)部件相關(guān)的因子從所述輸出確定電池電流。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的驅(qū)動系統(tǒng)，其中，該因子是部件的效率。
22.根據(jù)權(quán)利要求20或21的驅(qū)動系統(tǒng)，其中，系統(tǒng)部件是升壓器。
23.根據(jù)權(quán)利要求19～22中的任意一項(xiàng)的驅(qū)動系統(tǒng)，其中，控制裝置被配置為基于系統(tǒng)的至少一個操作參數(shù)確定該因子。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的驅(qū)動系統(tǒng)，其中，參數(shù)包含升壓機(jī)的輸入電壓、升壓機(jī)的輸出電壓、環(huán)電流或溫度。
25.一種推挽式升壓電路，包含在共用的磁芯上具有兩個繞組的雙線纏繞部件，每個繞組在一端與共用的第一電勢連接；被配置為被交替打開以將繞組中的各繞組連接到第二電勢上由此在繞組對兩端產(chǎn)生升壓的電壓的兩個有源開關(guān)；和被配置為被交替打開以將繞組中的各繞組連接到輸出上由此向輸出施加升壓的電壓的兩個另外的開關(guān)。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的電路，其中，開關(guān)可均被切換到斷開狀態(tài)，使得電路以電流可通過兩個繞組流到輸出的無源模式操作。
27.根據(jù)權(quán)利要求25或26的電路，其中，另外的開關(guān)可被打開以減小它們的電阻同時有源開關(guān)被關(guān)閉，使得電流可以以降低的損失流過兩個繞組，以通過另外的開關(guān)流向輸出。
28.根據(jù)權(quán)利要求25～27中的任意一項(xiàng)的電路，其中，有源開關(guān)可被關(guān)閉且另外的開關(guān)被打開，使得重生電流可從輸出流過電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于具有轉(zhuǎn)子和相繞組(a、b、c)的電動機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)，包括包含用于改變通過繞組的電流的與繞組a、b、c相關(guān)的開關(guān)裝置的驅(qū)動電路(8)；被配置為感測轉(zhuǎn)子的位置的轉(zhuǎn)子位置感測裝置(34)；被配置為提供驅(qū)動信號以控制開關(guān)裝置的控制裝置(30)；用于與標(biāo)稱電壓下的電源連接的功率輸入；和與功率輸入電通信且可控制為將標(biāo)稱電壓升壓到應(yīng)用于繞組的更高電壓的升壓裝置(26)。
文檔編號H02P6/00GK101027834SQ200580030391
公開日2007年8月29日 申請日期2005年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月10日
發(fā)明者馬爾科姆·艾里克·斯帕雷, 艾德里安·薩博, 格拉哈姆·威廉姆·懷特, 杰弗雷·羅納爾德·庫爾斯, 柯奈爾·布萊特·威廉姆斯, 陳陽生 申請人:Trw有限公司