克服开关磁阻电动机中的死区的系统和方法与流程

1.本公开总体上涉及电动机和发电机，并且更具体地涉及开关磁阻机械。


背景技术：

2.许多作业机械，如履带式拖拉机、挖掘机等可包括联接到电源的传动装置，以使作业机械能够重新定位或在位置之间行进。随着对节能和避免使用化石燃料的兴趣增加，使用电动机作为电源变得更加普遍。电动机将来自如电池的能源的电能转换成机械功率以驱动作业机械。
3.已知为开关磁阻电动机的一种类型的电动机由于其坚固且结实的结构而广泛用于各种应用，如上述作业机械。开关磁阻电动机包括转子和多个定子。与普通有刷dc电动机类型不同，功率被传送到定子中的绕组而不是转子。这大大简化了机械设计，因为不必将功率传送到移动部件，但是由于需要使用某种开关系统来将功率传送到不同的绕组，所以使电气设计复杂化。一些开关磁阻电动机具有使用无传感器操作的控制系统，其在不使用直接位置传感器的情况下估计转子相对于定子的位置和速度。由于需要最小的封装尺寸、高可靠性和低成本，无传感器操作在许多应用中是重要的。转子在静止或低速时的位置的正确确定对于电动机的性能和效率是至关重要的。
4.在美国专利第10,079,566号中描述了一种此类无传感器控制系统。然而，在低负载下，定子可能没有足够的电流来估计转子的位置，从而产生最小扭矩。因此，仍然需要一种用于开关磁阻电动机的控制系统，其在需要低扭矩时提供无传感器操作。


技术实现要素：

5.根据本公开的一个方面，公开了一种作业机械。该作业机械包括机架、支撑机架的牵引系统、安装在机架上的电源、开关磁阻电动机、被配置成控制从电源到电动机的功率的逆变器，以及控制器。控制器被配置成接收指示期望扭矩的信号，并确定期望扭矩是否在上阈值和下阈值之间。如果期望扭矩在上阈值和下阈值之间，则使用脉冲宽度调制来产生pwm调节的扭矩命令，并且基于pwm调节的扭矩命令来命令电动机。pwm调节的扭矩命令被配置成在上阈值和下阈值之间循环以产生期望扭矩。
6.根据本公开的另一方面，公开了一种电驱动系统。该系统包括开关磁阻电动机、被配置成控制从电源到电动机的功率的逆变器，以及控制器。控制器被配置成接收指示期望扭矩的信号，并确定期望扭矩是否在上阈值和下阈值之间。如果期望扭矩在上阈值和下阈值之间，则使用脉冲宽度调制来产生pwm调节的扭矩命令，并且基于pwm调节的扭矩命令来命令电动机。pwm调节的扭矩命令被配置成在上阈值和下阈值之间循环以产生期望扭矩。
7.根据本公开的另一方面，公开了一种克服开关磁阻电动机中的死区的方法。该方法包括接收指示期望扭矩的信号并确定期望扭矩是否在上阈值和下阈值之间。如果期望扭矩在上阈值和下阈值之间，则使用脉冲宽度调制来产生pwm调节的扭矩命令，并且基于pwm调节的扭矩命令来命令电动机。pwm调节的扭矩命令被配置成在上阈值和下阈值之间循环
以产生期望扭矩。
8.在结合附图阅读以下详细描述之后，将更容易理解本公开的这些和其他方面和特征。
附图说明
9.图1是根据本公开的一个方面的作业机械的侧视图。
10.图2是根据本公开的一个方面的可在图1的作业机械上使用的电驱动系统的框图。
11.图3是根据本公开的一个方面的开关磁阻电动机的横截面图。
12.图4是描绘根据本公开的一个方面的脉冲宽度调制的图表。
13.图5是根据本公开的一个方面的具有脉冲宽度调制的扭矩命令图表。
14.图6是根据本公开的一个方面的克服死区的方法的流程图。
具体实施方式
15.本公开涉及一种开关磁阻电动机控制系统及其配置方法。开关磁阻电动机控制系统可广泛应用于任何利用这种开关磁阻电动机控制系统的作业机械。现在参照附图并具体参照图1，示出了包括开关磁阻电动机控制系统的示例性作业机械100。作业机械100被示出为履带式拖拉机，但是可以包括任何类型的作业机械，该作业机械包括开关磁阻电动机和控制系统。
16.如图所示，作业机械100包括机架110、支撑机架110的牵引系统120、支撑在机架110上的电源130，以及被配置成将能量从电源130传递到牵引系统120的电驱动系统200。机具140，如但不限于图示的铲斗，可以附接到机架1110，并且可以由电驱动系统220提供动力。作业机械100还可包括操作员驾驶室150。电源130被配置成向作业机械100供应功率并提供用于推进电驱动系统200的操作功率。电源130可以是直流(dc)电源、奥托循环或狄塞尔循环发动机等。电源130可以可操作地布置成接收来自操作员驾驶室150中的操作员控制器(未示出)的控制信号。另外，电源130可以可操作地布置成对作业机械100的其他系统提供动力。
17.电驱动系统200可以与电源130可操作地布置以经由来自操作员驾驶室150中的操作员的控制信号选择性地推进作业机械100。电驱动系统200可操作地连接到牵引系统120，牵引系统120可以通过轴、驱动轴、传动装置和/或其他部件可移动地连接到作业机械100。在一些实施方式中，牵引系统120可以以所示的履带驱动系统的形式设置，尽管被配置成接合地面并推进作业机械100的轮驱动系统或任何其他类型的驱动系统也是可能的。
18.在一些实施方式中，电驱动系统200可以附加地或替代地被配置成选择性地操作机具140，机具140可以可移动地连接到作业机械100和电驱动系统200。图示的机具154是以拖拉机装载机的形式安装在作业机械100上的刀片，但是当然，其他实施例可以包括用于各种任务，如但不限于推土、刷、压实、采矿、减缓坡度、吊升、翻土、犁地等的任何其他合适的机具。
19.如上所述，图1设置为可以利用本公开的开关磁阻电动机和控制系统的作业机械100的实例。其他实例也是可能的，并且可以与结合图1所描述的不同。
20.如图2所示，电驱动系统200包括电动机205、控制器210、逆变器220和电流传感器
230。电动机205是开关磁阻(sr)电动机，如图3所示并在下面更详细地描述。
21.控制器210被配置成接收来自传感器230、操作员和/或作业机械100的其他系统的输入。基于这些输入，控制器210命令逆变器220根据需要对sr电动机205提供功率。这包括启动时的启动命令、操作期间的开关命令，以及如本文将描述的应用所需的其他命令。
22.逆变器220电连接到电源130和电动机205。逆变器220按照控制器210的命令向sr电动机205提供电流。在一些实施方式中，逆变器220可以从电源130接收dc电流，并且可以控制dc电流的相位以向sr电动机205提供ac电流。电流传感器230监测sr电动机205中的电流，并将关于sr电动机205的数个相位中的每一个中的电流的信息传送到控制器210。
23.sr电动机205的一个实例在图3中以横截面示出。sr电动机205包括具有多个定子齿310的定子320。定子齿310成对地设置在定子的相对侧上，在图3中标记为a、b和c。与有刷dc电动机类型不同，功率被传送到定子310而不是转子340。这大大简化了机械设计，因为不必将功率传送到移动部件，但是由于需要使用某种开关系统来将功率依次传送到不同的定子310，所以使电气设计复杂化。
24.每个定子齿310具有允许为定子齿310通电的绕组(未示出)。每个定子齿310可以进行通电作为不同的相位。在定子320的中心内是具有也成对布置的多个转子磁极350的转子340。图示的实例具有六个定子齿310和四个转子磁极350，但是其他数量的定子齿310和转子磁极350也是可能的。
25.sr电动机205根据转子340移动到相对于定子320的磁阻最小的位置的趋势来操作。在一对转子磁极350与一对通电的定子齿310对齐的情况下，出现这种磁阻最小的位置。这种磁吸引力产生使转子340旋转并朝向最小磁阻位置移动的扭矩。当功率传送到每对定子齿310并且转子340移动到与之对齐时，按顺序下一个定子齿310然后进行通电以继续转子340的移动并保持角动量。定子齿310进行通电以及不进行通电的这种开关模式与哪个相位一起使此类电动机的操作复杂化。电动机310的正确操作取决于每个定子齿310进行通电的正确定时。该定时由转子340相对于定子320的角位置驱动。
26.尽管本领域中的一些sr电动机205使用传感器来检测转子磁极350相对于定子320的位置，但是由于需要sr电动机的最小封装尺寸、高可靠性和低成本，无传感器操作对于各种应用是重要的。开关磁阻电动机的可靠且精确的位置感测是开发低成本、高性能sr作业机械驱动器的关键步骤。
27.估计转子340位置的一种方式涉及将三角形电流脉冲注入定子310的一个或多个空闲相位。然后使用基于观测器的估计方法来估计流过空闲相位的定子电流。控制器310将估计的定子电流与从电流传感器接收的实际定子电流进行比较，以生成误差信号。误差信号用于计算转子的估计位置和转子的估计速度。
28.然而，这种无传感器操作的方法需要到电动机的最小电流。在非常低的扭矩负载下，所需的电流对于喷射、测量和比较过程来说可能太低而不能正确地起作用，从而产生死区，其中控制器不能确定转子的位置。
29.因此，本公开提出通过进一步配置控制器以在死区出现时应用脉冲宽度调制来克服死区。本公开还可应用于电机中的其他死区，这些电机包括但不限于sr发电机、具有位置传感器的sr电动机、感应电动机、永磁电动机，以及包括电动机或发电机的其他电机。
30.为了克服死区，控制器必须首先确定所需的扭矩量是否在对应于产生无传感器操
作所需的最小电流的正扭矩负载和负扭矩负载的上阈值410和下阈值420之间。在一些实施例中，上阈值410可以是250n
·
m，并且下阈值420可以是-250n
·
m，但是当然，具体阈值取决于应用。
31.如果需要的扭矩或“期望扭矩命令430”不在阈值410、420之间，则控制器将正常地命令逆变器产生期望扭矩。
32.另一方面，如果期望扭矩命令430在阈值410、420之间，则控制器将施加脉冲宽度调制pwm来产生pwm调节的扭矩命令450。pwm是一种通过有效地将电信号斩波成离散部分来减小由电信号传送的平均功率的方法。这允许在电动机产生期望扭矩430时使用死区限制之外的电流。
33.如图4中可见，pwm调节的扭矩命令450可以通过生成pwm参考信号440并将该信号与期望扭矩430进行比较来产生。pwm参考信号440可以是锯齿波或三角波，并且在上阈值410和下阈值420之间振荡。参考信号的频率必须比sr电动机205的机械响应快，但不能快到干扰位置感测。在一些实施例中，频率可以是250hz、500hz或适于特定应用的任何其他频率。在不同的条件下，相同的系统可以使用不同的频率。
34.当pwm参考信号440小于期望扭矩430时，pwm调节的扭矩命令450等于上阈值410。当pwm参考信号440大于期望扭矩430时，pwm调节的扭矩命令450等于下阈值420。pwm调节的扭矩命令450从sr电动机产生与期望扭矩450相同的扭矩。
35.如前所述，pwm调节的扭矩命令450仅在期望扭矩430在阈值水平之间时产生。图5描绘了期望扭矩430形成正弦波的典型情况。pwm调节的扭矩命令450仅在扭矩接近0n
·
m的窄范围中施加。
36.工业实用性
37.通常，本公开可应用于许多不同的工业，包括但不限于运土设备、建筑、农业、采矿等。更具体地，由于sr作业机械驱动的致动器需要最小的封装尺寸、高可靠性和低成本，这里公开的无死区无传感器操作对于各种应用是重要的。开关磁阻电动机的可靠且精确的位置感测是开发低成本、高性能sr作业机械驱动器的关键步骤。在非常低的扭矩负载下，所需的电流对于该方法来说可能太低而不能正确地起作用，从而产生控制系统在其中不能正确地起作用的死区。因此，本公开提出了一种避免开关磁阻电动机中的传感器死区的方法。如图6所示和下面进一步详细讨论的，本方法可用于校正在各种作业机械和应用中的使用无传感器操作的任何sr电动机中的这种死区。这些可包括履带式拖拉机、挖掘机、平地机和可利用sr电动机205的任何其他电驱动的作业机械100。此外，同样的方法也可以应用于电机中的其他死区，这些电机包括但不限于sr发电机、具有位置传感器的sr电动机、感应电动机、永磁电动机，以及包括电动机或发电机的其他电机。
38.现在转到图6，方法600首先需要接收指示期望扭矩430的信号，如框610所示。控制器210可接收来自作业机械100的其他系统的信号或操作员输入。接下来，控制器210确定期望扭矩430是否在上阈值410和下阈值420之间，如框620所示。上阈值410和下阈值420对应于无传感器操作的死区限制。如果期望扭矩不在上阈值410和下阈值420之间，则控制器210命令sr电动机205正常地产生期望扭矩(框630)。
39.另一方面，如果期望扭矩430在上阈值410和下阈值420之间，则控制器使用脉冲宽度调制来产生pwm调节的扭矩命令450(框640)，并基于pwm调节的扭矩命令450来命令sr电
动机205，如框650所示。pwm调节的扭矩命令450被配置成在上阈值410和下阈值420之间循环以产生期望扭矩430。
40.pwm调节的扭矩命令450可以通过生成pwm参考信号440并将该信号与期望扭矩430进行比较来产生。pwm参考信号450可以是锯齿波或三角波，并在上阈值410和下阈值420之间振荡。参考信号的频率必须比机械部件能够响应的更快，但不能快到干扰位置感测系统。
41.虽然前面的文本阐述了许多不同实施例的详细描述，但是应当理解，保护的法律范围由本专利结尾处阐述的权利要求的文字来限定。详细描述应当被解释为仅是示例性的并且不描述每个可能的实施例，因为描述每个可能的实施例即使不是不可能的，也是不切实际的。可以使用当前技术或在本专利的申请日之后开发的技术来实现许多替代实施例，这些替代实施例仍然落入限定保护范围的权利要求的范围内。

技术特征：
1.一种作业机械(100)，包括机架(110)；支撑所述机架(110)的牵引系统(120)；安装在所述机架(110)上的电源(130)；开关磁阻电动机(205)；被配置成控制从所述电源(130)到所述电动机(205)的功率的逆变器(220)；以及控制器(210)，所述控制器(210)被配置成：接收指示期望扭矩(430)的信号，确定所述期望扭矩(430)是否在上阈值(410)和下阈值(420)之间，如果所述期望扭矩(430)在所述上阈值(410)和所述下阈值(420)之间，则使用脉冲宽度调制来产生pwm调节的扭矩命令(450)，所述pwm调节的扭矩命令(450)被配置成在所述上阈值(410)和所述下阈值(420)之间循环以产生所述期望扭矩(430)，以及基于所述pwm调节的扭矩命令(450)来命令所述电动机(205)。2.根据权利要求1所述的作业机械(100)，其中所述pwm调节的扭矩命令(450)通过生成pwm参考信号(440)并将所述信号与所述期望扭矩(430)进行比较来产生。3.根据权利要求1所述的作业机械(100)，其中所述pwm参考信号(440)是锯齿波。4.根据权利要求1所述的作业机械(100)，其中所述上阈值(410)和下阈值(420)对应于正扭矩负载和负扭矩负载，所述正扭矩负载和负扭矩负载产生所述开关磁阻电动机(205)的无传感器操作所需的最小电流。5.根据权利要求1所述的作业机械(100)，其中所述期望扭矩(430)产生正弦波。6.一种克服开关磁阻电动机(205)中的死区的方法(600)，包括：接收指示期望扭矩(430)的信号；确定所述期望扭矩(430)是否在上阈值(410)和下阈值(420)之间；如果所述期望扭矩(430)在所述上阈值(410)和所述下阈值(420)之间，则使用脉冲宽度调制来产生pwm调节的扭矩命令(450)，所述pwm调节的扭矩命令(450)被配置成在所述上阈值(410)和所述下阈值(420)之间循环以产生所述期望扭矩(430)；以及基于所述pwm调节的扭矩命令(450)来命令所述电动机(205)。7.根据权利要求8所述的方法(600)，其中所述pwm调节的扭矩命令(450)通过生成pwm参考信号(440)并将所述信号与所述期望扭矩(430)进行比较来产生。8.根据权利要求8所述的方法(600)，其中所述pwm参考信号(440)是三角波。9.根据权利要求8所述的方法(600)，其中所述上阈值(410)和下阈值(420)对应于正扭矩负载和负扭矩负载，所述正扭矩负载和负扭矩负载产生所述开关磁阻电动机(205)的无传感器操作所需的最小电流。10.根据权利要求8所述的方法(600)，其中所述期望扭矩(430)产生正弦波。

技术总结
一种作业机械(100)包括机架(110)、支撑机架(110)的牵引系统(120)、安装在机架(110)上的电源(130)、开关磁阻电动机(205)、被配置成控制从电源(130)到电动机(205)的功率的逆变器(220)，以及控制器(210)。控制器(210)被配置成接收指示期望扭矩(430)的信号并确定期望扭矩(430)是否在上阈值(410)和下阈值(420)之间。如果期望扭矩(430)在上阈值(410)和下阈值(420)之间，则使用脉冲宽度调制来产生PWM调节的扭矩命令(450)，并且基于PWM调节的扭矩命令(450)来命令电动机(205)。PWM调节的扭矩命令(450)被配置成在上阈值(410)和下阈值(420)之间循环以产生期望扭矩(430)。间循环以产生期望扭矩(430)。间循环以产生期望扭矩(430)。


技术研发人员：J
受保护的技术使用者：卡特彼勒公司
技术研发日：2021.12.14
技术公布日：2023/8/28