專利名稱：用于控制電氣/機械系統(tǒng)中功率平衡的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領域：
本說明書描述具有至少三點式功率接口的電氣/機械系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
參見圖1和圖2，這種系統(tǒng)的例子包括從放大器34通過交流電力供電的一個或多個線性致動器系統(tǒng)10，放大器34由例如電池11之類的直流(DC)電源供電。如下面更加具體的描述，致動器系統(tǒng)10包括具有一組線圈繞組的定子和桿。桿可以是具有永磁體組的柱塞?？刂葡到y(tǒng)限定將施加于線圈繞組的電流模式，從而限定跨線圈繞組和桿上的一系列磁體之間間隙的磁通量密度，從而產(chǎn)生力來移動用于移動的磁體線性致動器的桿。桿相對于線圈的移動限定了致動器機械功率，這在2處示出。電池11通過DC總線13施加于線圈的功率在4處示出，而耗散功率(包括在線圈中耗散的功率、電機中的磁芯損耗以及放大器中的功率電子器件損耗)在6處示出。功率流2、4和6限定了致動器系統(tǒng)10與致動器外部世界之間的三點式功率接口。
應當理解，跨三點式功率接口的功率的總和必須為零，即，流入致動器系統(tǒng)的功率必須與流出的功率平衡。如圖2所示及下面更為具體的描述，耗散功率6總是從致動器系統(tǒng)流出，而致動器機械功率2和DC總線功率4中的每一個可以流入或流出致動器系統(tǒng)。如果出現(xiàn)使流入致動器的功率流大于流出致動器系統(tǒng)的耗散功率的機械事件，那么DC總線功率4將流出致動器系統(tǒng)到DC總線上。這在本文中所指的是再生事件。應當理解，再生可以具有將電流施加回電池11并從而對電池11再充電的效果，但是如果再生電流足夠高，再生可能損壞電池。

發(fā)明內(nèi)容
在控制具有定子、桿、多個磁體和至少一個線圈的整流致動器的方法的一個實施例中，接收第一輸入和第二輸入，其中，桿在定子和桿之間的接口處相對于定子可移動，該多個磁體隨桿可移動且相對于接口部署使得該多個磁體提供在幅度和方向上沿接口變化的第一磁通量，該至少一個線圈相對于接口限定在定子上使得施加于該至少一個線圈的電流提供響應于電流的變化而在幅度和方向上沿接口變化的第二磁通量。作為對第一輸入的響應，控制第二磁通量從而使得第二磁通量具有相對于第一磁通量的預定的相位。作為對第二輸入的響應，并且相對于第一輸入可變化地，控制第二磁通量從而使得第二磁通量相對于第一磁通量的相位從預定的相位移位。
在控制具有定子、桿、多個磁體、至少一個線圈和電池的整流致動器的方法的另一實施例中，以可變的電平跨至少一個線圈施加電壓，其中，桿在定子和桿之間的接口處相對于定子可移動，該多個磁體隨桿可移動且相對于接口部署使得該多個磁體提供在幅度和方向上沿接口變化的第一磁通量，該至少一個線圈相對于接口部署在定子上從而使得施加于該至少一個線圈的電流提供響應于電流的變化而在幅度和方向上沿接口變化的第二磁通量，該電池具有電壓。桿和定子之間的相對位置是確定的。接收第一和第二輸入。響應于相對位置和第一輸入而控制可變的電平，從而提供在至少一個線圈上的電流相對于第一磁通量和第二磁通量的q軸分量。響應于第二輸入而控制可變的電平，從而提供在至少一個線圈上的電流相對于第一磁通量和第二磁通量的d軸分量。
在另一種實施例中，電整流致動器和控制系統(tǒng)包括定子和桿，桿在定子和桿之間的接口處相對于定子可移動。多個磁體隨桿可移動。該多個磁體相對于接口布置使得該多個磁體提供在幅度和方向上沿接口變化的第一磁通量。至少一個線圈相對于接口部署在定子上使得該至少一個線圈上的電流提供響應于電流的變化而在幅度和方向上沿接口變化的第二磁通量?？勺兊姆糯笃髟谥辽僖粋€線圈上施加變化的電流，該電流包括相對于第一磁通量和第二磁通量的q軸分量和相對于第一磁通量和第二磁通量的d軸分量?？刂齐娐讽憫诘谝惠斎攵薅╭軸分量，并且響應于第二輸入、相對于q軸分量可變化地限定d軸分量。
在又一種實施例中，一種車輛中的設備和控制系統(tǒng)，用于主動懸掛車輛中的設備， 包括如下設備，該設備響應于對車輛施加的力或由車輛施加的力而相對于車輛來改變位置。電整流致動器包括定子和桿，桿在定子和桿之間的接口處隨定子可移動。多個磁體隨桿可移動。該多個磁體相對于接口部署使得該多個磁體提供在幅度和方向上沿接口變化的第一磁通量。至少一個線圈相對于接口部署在定子上從而使得該至少一個線圈上的電流提供響應于電流的變化而在幅度和方向上沿接口變化的第二磁通量。桿與設備機械連通使得通過桿在設備和至少一個線圈之間施加力?？勺兊姆糯笃髟谥辽僖粋€線圈上施加變化的電流，該電流包括相對于第一磁通量和第二磁通量的q軸分量以及相對于第一磁通量和第二磁通量的d軸分量?？刂齐娐讽憫诘谝惠斎攵薅╭軸分量，并且響應于第二輸入、相對于q軸分量可變化地限定d軸分量。


本發(fā)明的完整且可行的公開包括對于本領域普通技術(shù)人員而言其最優(yōu)的模式，在本說明書的其余部分中將更為具體地闡述該公開，說明書參考了下列附圖，其中 圖1為現(xiàn)有技術(shù)中懸架致動器系統(tǒng)的示意圖； 圖2為現(xiàn)有技術(shù)中懸架致動器系統(tǒng)的示意功率流程圖； 圖3為圖示出根據(jù)本發(fā)明一種實施例的致動器系統(tǒng)的示意框圖； 圖4為圖3中所示系統(tǒng)表現(xiàn)出的磁通量密度的波形圖； 圖5為如圖3中系統(tǒng)表現(xiàn)出的磁通量密度的波形圖； 圖6為可應用于圖3所示系統(tǒng)的相力常數(shù)的圖形表示； 圖7為用于致動器電路的相圖； 圖8為用于致動器電路的相圖； 圖9為用于根據(jù)圖3所示系統(tǒng)的致動器電路的相圖； 圖10為受如圖3所示系統(tǒng)影響的步驟的功能框圖；以及 圖11為受如圖3所示系統(tǒng)影響的步驟的功能框圖。
本說明書和附圖中重復使用的參考符號意在表示本發(fā)明的相同或類似的特征或元件。
具體實施例方式具體地參考本發(fā)明的某些實施例，在附圖中圖示了實施例的一個或多個例子。通過對本發(fā)明進行說明而非對本發(fā)明進行限制的方式提供每個例子。實際上，在不背離本發(fā)明的范圍或精神的情況下可以對本發(fā)明進行修改和變化，這對于本領域技術(shù)人員而言是顯然的。例如，圖示為或描述為一種實施例的一部分的特征可以用于另外一種實施例以產(chǎn)生又一實施例。因而，本發(fā)明意在覆蓋位于包括所附權(quán)利要求書在內(nèi)的本公開的范圍內(nèi)的這種修改和變化。
盡管本說明書中呈現(xiàn)的實施例是在線性致動器的情形下描述的，但應當理解這僅是為了示例的目的，而且本領域技術(shù)人員根據(jù)本公開應當理解，本文中描述的系統(tǒng)和方法可以采用其他的電氣/機械設備和布置來實施。因而，例如盡管本文所論述的致動器為線性致動器，桿為線性柱塞，應當理解致動器可以是旋轉(zhuǎn)電機，而桿可轉(zhuǎn)動，或者可以響應于力而實施螺母/螺紋螺桿動作而非直接線性移動。參見圖3，線性致動器10可包括定子16 和桿，在本實施例中桿為相對于定子16在軸向14上往復地線性可移動的柱塞12。箭頭14 在圖3 (以及圖1中)中用粗體示出從而指示直接的機械連接，在這種情形下(例如)是柱塞12和車輛懸架15之間的直接的機械連接，從而使得柱塞12和車輛懸架15可在14示出的往復方向上一起移動。定子16可固定于致動器殼體(未示出)，殼體圍繞柱塞和定子且固定于車輛底盤25，如圖3(以及圖1中)粗線示出地介于致動器和車輛底盤之間。如下文所述，柱塞12和定子16可以以兩極配置的方式布置，雖然應當理解這僅僅是為了說明的目的，然而可以采用四極布置及更高階的布置。柱塞12可以包括非磁性棒18和軸向磁化的柱形永磁體20，永磁體20繞柱塞固定并且沿方向14更替極性，導致生成磁通線22。柱塞還可以包括位于磁體之間的柱形磁極片對。在另一種實施例中，致動器為雙面線性電機， 并且柱塞包括矩形磁極片M和矩形永磁體20，該永磁體被磁化使得氣隙磁通密度垂直于由氣隙限定的直線。盡管本實施例中描述的是移動的磁體線性致動器，應當理解這僅為了示例的目的，而且本領域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的公開應當理解本文中描述的系統(tǒng)和方法可采用下述致動器來實施，該致動器具有附帶至少一個線圈的定子和附帶至少一個永磁體的桿，定子和桿相對彼此以線性或旋轉(zhuǎn)方式移動(移動線圈或移動磁體)。盡管在本實施例中描述的是三相致動器，本領域技術(shù)人員根據(jù)本公開應當理解在本文中描述的系統(tǒng)和方法可以采用不同數(shù)目的致動器相位(例如二相，四相等)來實施。
定子16可包括成對的非磁性柱形座圈沈和6個線圈^a、30a、32aJ8b、30b和 32b構(gòu)成的三相繞組。應當很好理解，每對繞組^a/^8b、30a/30b、32a/32b中的線圈彼此之間可以纏繞和電連接，從而增加兩個線圈之間的、由兩個線圈響應于通過相應導線^c、30c 或32c從反相器34遞送至線圈的交流(AC)電流而產(chǎn)生的磁通量。反相器34可以通過DC 總線13從DC電源11獲取三路AC電流信號，每路信號與其他兩路信號中的每一路的電學相位差為120°，并且將信號分別施加于導線觀(3、30(和32c。更為具體地，在圖示的實施例中，如果激活定子從而將柱塞12向右移動(在圖3示出的視圖中)，則線路30c上的信號滯后于線路28c上的信號120°，而線路32c上的信號滯后于線路30c上的信號120°，然而如果激活定子線圈從而將柱塞12向左移動，則線路30c上的信號超前于線路28c上的信號120°，而線路32c上的信號超前于線路30c上的信號120°。
圖4圖示了當柱塞12相對于定子以任一軸向14移動時，定子和柱塞之間的氣隙內(nèi)的柱塞的永磁體在與定子上給定點(例如繞組28a處)對準的點處所貢獻的氣隙磁通密度。圖4中的點35表示定子繞組28a在圖3所示的其位置上的氣隙磁通密度。在36處， 柱塞12在方向14之一上移動使得繞組28a直接抵抗下一個出現(xiàn)的磁極片對，而在38處， 柱塞I2繼續(xù)其移動使得繞組28a直接抵抗第二個出現(xiàn)的磁極片。因而，在40處表示柱塞 12上永磁體的磁極距。
圖5圖示了當柱塞12以如圖4所示磁通密度曲線所反映的相同軸向移動時，定子和柱塞之間的氣隙內(nèi)的繞組28a在與柱塞給定點(例如磁極片M’處)對準的點處所貢獻的氣隙磁通密度。如下文更為具體地描述，系統(tǒng)可包括線性編碼器62和控制系統(tǒng)21，使得線性編碼器檢測柱塞12相對于定子16的位置，并且提供柱塞相對于控制系統(tǒng)21的相對位置，該相對位置確定了由反相器34施加至線圈^a的變化電壓信號所導致的通過導線28c 的電流信號的“d軸”和“q軸”分量的幅度，或者在另一種實施例中的該電流信號的幅度和相對相位(即相對于q軸相位的相移)。如圖4和圖5對比示出，控制系統(tǒng)21可以控制線圈28a上的電流信號，該電流信號產(chǎn)生相對于移動的柱塞12的、具有與圖4曲線相同正弦波形的氣隙磁通密度曲線，但在這個情形中有90°相位偏移。在本領域中應當理解，在理想狀況下線圈^a(以及，因而同樣地線圈^b)的90°相位偏移電流信號導致來自線圈28a 的磁力最有效地應用于在方向14上移動的柱塞12。然而，同樣應當理解，在向?qū)嶋H電機/ 線性致動器輸入的線圈電流中的最有效的相移可能多少與90°不同。用于校準致動器線圈電流的方法應當很好理解，因而本文中不再描述。因此，應當理解對于任何給定的永磁體致動器，無論是旋轉(zhuǎn)電機還是線性致動器，存在導致定子和磁體之間的力的最有效應用的位置相移(該位置相移位于當磁體和定子相對于彼此移動時由永磁體相對于定子所貢獻的氣隙磁通密度所限定的曲線與相對運動期間定子線圈相對于永磁體所貢獻的氣隙磁通密度所限定的曲線之間)。以產(chǎn)生磁通量密度曲線之間的這一相移(即位置相位)的這種相位(即電學相位)向致動器線圈施加的電流被稱為“q軸”電流。僅用于說明目的，在圖4 和圖5中呈現(xiàn)了理想狀況，并且因而在本文中描述的示例性位置q軸相位在圖5中所示有相對于圖4的90°的相移處，但是應當理解對于給定致動器而言，依據(jù)已知的原理和方法， 實際的q軸相位可能與90°不同。應當理解，q軸相位通常針對給定電機設計來限定，并隨之對那種類型的所有后續(xù)電機采用那種額定值，即使對于給定的單個電機而言q軸相位可以更為精確地限定亦是如此。本公開包含限定q軸相位的這類方法。
由線圈中電流流動導致的柱塞12和定子16之間的力(F。ut)通過下列式子給出 Fout = ia (χ) *Kfa (χ) +ib (χ) *Kfb (χ) +ic (χ) *Kfc (χ)，其中 ia(x)線圈28a和28b上的電流信號 Kfa (χ)繞組的相力常數(shù) ib (χ)線圈30a和30b上的電流信號 Kfb (χ)繞組30a/30b的相力常數(shù) ic(x)線圈3 和32b上的電流信號 Kfc (χ)繞組32a/32b的相力常數(shù) χ 柱塞12沿軸向14相對于定子16的位置 如上所說明地，控制每個電流信號ia(x)、ib(x)和ic(x)使得接收電流信號的線圈(相對于柱塞)產(chǎn)生限定具有與由柱塞的永磁體限定的氣隙磁通量密度曲線相同的形狀的曲線的氣隙磁通量密度，隨著柱塞和定子相對于彼此移動相應的線圈觀察到該曲線，但是該曲線在相位上相對于永磁體磁通曲線相移90° (如果處于如上面所述的理想狀況下的位置q軸相位)。由于線圈和永磁體設置成使得由成對線圈28a/28b、30a/30b和 32a/32b從柱塞觀察到的相應氣隙磁通量曲線彼此偏移120°，所以電流信號ia(x)、ib(x) 和ic(x)在相位上彼此間隔120°，各電流信號相對于其相應的來自柱塞的氣隙磁通量曲線偏移120°。如上所述，氣隙磁通量曲線形成正弦波，并且在線圈^a/28b上控制的電流信號ia(x)可以由下列式子描述 ia(x) = Ia氺sin (2氺pi氺χ (2氺mp)+phase—shift),其中 Ia 電流ia (X)的最大幅度 χ 柱塞12沿軸向14相對于線圈的相對位置 mp 磁距或極距40 phase_shift 相對于導致所得到的氣隙磁通量密度曲線的位置q軸相位的電學q 軸相位的相移(在圖5中示出的曲線中，phase_shift是0)。
控制系統(tǒng)限定la(或者直接限定，或者通過對q軸電流分量和d軸電流分量的幅度的限定而限定)，從而如下所述地向柱塞施加期望的力。針對ib(x)和ic(x)的式子類似于ia(x)式子并因而不予描述。注意，“X”是柱塞和相應的線圈之間的相對位置。相對位置“X”可以視為柱塞上任意選擇的點和當線圈對^a/28b上的電流ia(x)在曲線上最大值處時對準的線圈(也即x = 0)中的一個之間的軸向距離，該曲線上的最大值描述了當 phase_shift為0時的q軸電流。還應注意，用于針對其他兩個線圈的電流的式子相應地將 “2*pi*X/(2*mp)”項偏移120° ^P 240°，從而描述電流信號中的三相120偏移。對于柱塞和定子之間的任意相對位置“X”而言，電流函數(shù)ia(x)、ib(x)和ic(x)限定了在相應線圈對上應控制的電流，從而施加期望的力。如果柱塞和定子相對于彼此移動，則電流信號將根據(jù)它們的正弦函數(shù)變化，但是如果柱塞和定子相對于彼此位置固定，則將施加由電流函數(shù)限定的恒定電流。實際的電流函數(shù)取決于整流方案。例如，梯形整流將導致不同于理想正弦函數(shù)的實際的電流函數(shù)，并且此處描述的正弦函數(shù)用于說明的目的。
由致動器的磁體設計確定相力常數(shù)Kfa(X)，并且相力常數(shù)Kfa(X)具有牛頓/安培的單位。相力常數(shù)優(yōu)選地是正弦波或類似于正弦波，盡管在高電流水平處該函數(shù)可以變得更為復雜。對于正常的電流水平(也即，應當很好理解地，當致動器護鐵不是重度飽和時) 而言，并且在如上所述的理想情況中，線圈對^a/^8b、30a/30b和32a/32b的相應相力常數(shù)通過下列式子來限定 Kfa (x) = KFA^sin (2*pi*x/(2*mp)) Kfb (χ) = KFB*sin(2*pi*x/(2*mp)-2*pi/3) Kfc (χ) = KFOsin (2*pi*x/ (2*mp) -4*pi/3)，其中 χ 柱塞12沿軸向14相對于線圈對^a/^8b、30a/30b和32a/32b的相對位置 mp 磁距或極距40 KF(a_c)取決于致動器設計的常數(shù) 應當很好理解用于確定實際狀況下的相力常數(shù)的方法，并且因而不詳細描述。然而應當理解，盡管在此處描述了針對相力常數(shù)的理想例子，但這僅用于示例性目的，而相力常數(shù)可以在致動器設計中由已知方法限定。
如上面的式子所反映的，當phase_shift是0時(也即當ia(x)、ib (χ)和ic(x) 完全對應于q軸電流時)，ia(x)與Kfa(x)同相，ib(x)與Kfb (χ)同相，ic(x)與Kfc (χ)同相。柱塞和定子之間的力F-是各電流信號乘以其對應相力常數(shù)的乘積的求和。圖6示出了由ia(x)和Kfa(x)所貢獻的F。ut的一部分。應當理解，由于ia(x)完全包括q軸電流，所以力曲線具有使得整個力曲線為正且頻率加倍的直流偏移。由ib(x)和Kfb(x)以及ic(x) 和Kfc(x)貢獻的F。ut的其余兩個分量具有與圖6中所示的相同形狀的曲線，但是它們彼此偏移120°且相對于由ia(x)和Kfa(x)貢獻的分量偏移120°。作為三個分量求和的F。ut 是恒定力，并且因此三相致動器10通過將三相電流ia(x)、ib(x)和ic(x)應用至相應的線圈對來向柱塞12施加恒定力。
將非零的phase_shift添加至電流ia(x)使得ia(x)曲線的相位相對于其相力常數(shù)曲線移位，從而降低了圖6中所示的力曲線的直流偏移，使得力曲線的一部分為負。當相同的phase_shift施加至其他兩個電流信號ib(x)和ic(x)中的每一個時，在它們相應的力曲線中出現(xiàn)了直流偏移的相同降低。三種力曲線的求和仍為恒定的F。ut，但是恒定的F。ut 的值低于當phase_shift是0時的值。當phase_shift是90°時，也即當線圈電流信號產(chǎn)生的氣隙磁通量密度曲線與其對應的來自柱塞永磁體的氣隙磁通量密度曲線相位差為180° 時，F(xiàn)out為0。然而與電學q軸相位類似地，在出現(xiàn)線圈電流的最低效率應用情況下的特定 phase_shift將有可能稍微不同于理想的90°移位。相對于q軸電流的這種電學相移下的電流稱為“d軸”電流。已知將d軸電流分量應用于驅(qū)動在磁場減弱的、穩(wěn)定狀態(tài)類型的環(huán)境中操作的電機，從而無需使用較高電壓供應即可擴展電機的上限速度范圍。盡管在這個例子中描述了具有多個永磁體的柱塞，但是本領域技術(shù)人員根據(jù)本公開應該理解本文中描述的系統(tǒng)和方法可以使用具有多個磁體的桿實施，其中磁體中的一些或者全部可以是永磁體或是電磁體。
應當理解，線圈電流可以通過單獨的線圈電流ia(x)、ib(x)和ic(x)來描述，或者通過q軸分量iq(x)和d軸分量id(x)來描述。應當很好理解這些描述之間的同步坐標變換 iqs(x) = ia(x),以及 ids(x) = ib(x)*l/(3) l/2-ic(x)*l/(3) 1/2 以及 Iq(X) = iqs (χ) * (cos (phase)-sin (phase)),以及 Id(x) = ids (χ)*(sin(phase)+cos (phase)),其中 Phase (相位):phase_shift, iqs(x):靜止參考坐標系中的q軸電流， ids (χ)靜止參考坐標系中的d軸電流， Iq(x)旋轉(zhuǎn)參考坐標系中的q軸電流，以及 Id(X)旋轉(zhuǎn)參考坐標系中的d軸電流。
在線圈電流信號ia(x)、ib(x)和ic(x)整個包括d軸電流的情形下，定子線圈不向柱塞施加凈力，或者向柱塞施加系統(tǒng)可應用力的可能范圍內(nèi)的最小力。如果在線圈上的被控制的電流包括q軸電流和d軸電流的混合，并且如果最大瞬態(tài)電流值la、Ib和Ic在三種情形中相同，則致動器向柱塞施加幅度在隨著完全d軸電流產(chǎn)生的最小力和隨著完全 q軸電流產(chǎn)生的最大力之間的力。注意，因為最大電流在三種情形中保持相同(也即完全q軸電流、完全d軸電流以及混合的q軸和d軸電流)，所以致動器在所有三種情形中消耗相同量的功率。
針對一種示例性布置以及將在下文中更詳細描述地，現(xiàn)在假設致動器10是車輛懸架系統(tǒng)的一部分，使得柱塞12直接連接到車輪組件15或用于座椅的懸架系統(tǒng)，并且定子16足夠靠近座椅，從而使得熱量從定子16傳送至座椅。在正常情況下，電機控制系統(tǒng) 17(圖1)和21感測柱塞12的位置和/或速度并通過去往反相器34的對應的指令19來確定向柱塞施加的矯正力，指令19導致車輪懸架或座椅的響應，該響應改進車輛的操縱和 /或使乘坐于座椅的車輛操作員舒適，或?qū)ψ螒壹苣K或致動器加熱以將其溫度提升至合適的操作溫度，例如當環(huán)境溫度低于懸架模塊正常操作溫度時(諸如為0°C)?？梢酝ㄟ^處理器58確定力矯正，但是在另一種實施方式中由單獨的處理器確定，該單獨的處理器向處理器58提供力命令。在例如共同未決的、于2004年10月四日提交的、名稱為“Active Suspending"的美國專利申請10/978，105中描述了一種用于確定和向車輛中的座椅施加這種期望力的系統(tǒng)，該申請全文在此通過引用并入本文。具體矯正算法本身并不是這個實施例的一部分，因而對于算法本身的詳細論述在此省略。然而，在控制系統(tǒng)17或21激活期間的任何給定時刻，控制系統(tǒng)限定這種力命令，并且反相器34基于力命令限定針對相應的三相線圈對的最大瞬態(tài)電流幅度IaUb和Ic (對于控制系統(tǒng)21，或者直接地確定或者通過確定q軸和d軸分量來確定)，這將導致待施加于柱塞的、預定的、期望的、為零或非零的力。如上所述，已知確定這種完全q軸電流的最大電流幅度。然而，在一種當前描述的實施例中，并且參考圖3，如果車輛操作員激活開關來啟動座椅加溫功能，或者當諸如溫度傳感器之類的傳感器檢測到致動器的環(huán)境溫度低于其操作溫度時，向控制系統(tǒng)21發(fā)送座椅加熱信號?？刂葡到y(tǒng)21執(zhí)行上面論述的控制系統(tǒng)17 (圖1)的功能，但是除此之外，作為對座椅加熱請求信號的響應，控制系統(tǒng)21將phase_shift引入至三相電流(這也被描述為添加 d軸分量)。由于如果最大電流幅度la、讓和1(保持為與當？1^%_吐1代為0時相同則 phase_shift具有降低向柱塞施加的力的效果，所以最大電流幅度(IaUb和Ic)可以增加足以維持由矯正算法限定的期望的力的量。在一種下文論述的具體例子中，這種效果通過以下方式來實現(xiàn)確定實現(xiàn)期望力所需的q軸電流，以及添加d軸分量以產(chǎn)生附加的期望熱量。也就是說，在添加d軸分量的同時維持q軸分量導致了在增大最大電流幅度的同時添加了 phaSe_Shift以維持柱塞上的期望力。
備選地，在系統(tǒng)通過相位而非通過d軸分量來確定phaSe_Shift的情形下，期望的 F。ut、相力常數(shù)、相對的定子/柱塞位置以及極距是已知的，而限定的phase_shift下產(chǎn)生期望F。ut所需的電流la、rt和Ic可以通過上面的式子確定。因此，根據(jù)任一方法，施加d軸分量，并且在存在phase_shift/d軸分量的情況下向柱塞施加的力等于由矯正算法限定的期望力并且是致動器在不存在phase_shift/d軸分量的情況下將向柱塞施加的相同力。然而由于phase_shift/d軸分量，當實現(xiàn)這種相同的力時，控制系統(tǒng)控制用于耗散在定子線圈上的更大電流。也即，為了實現(xiàn)相同的力，消耗了更多的功率，從而導致產(chǎn)生更多的熱量。
在這種示例性布置中的這種添加d軸電流的效果可以參考圖2中所示的力圖來描述。系統(tǒng)可以(以采樣頻率)周期性地確定依據(jù)力矯正算法的待施加于柱塞12(圖3)的期望力。如上所述，這種力源自q軸電流或I,。然而由于用戶已請求座椅加熱，系統(tǒng)也期望向致動器線圈施加預定的電流水平，從而提供由耗散功率6表示的熱量。這種用于耗散的熱量而不用于施加到柱塞的力的電流是d軸電流Id。應當理解，q軸電流也對在線圈中耗散的熱量作出貢獻，并且q軸電流的提高(如果期望的話)可能因此用于進一步增大產(chǎn)生的熱量，但是這也將增大向柱塞施加的力。因而，對d軸電流添加的使用使得可以產(chǎn)生熱量， 而不更改向柱塞施加的期望的力。
在這個實施例中對座椅加熱的請求對應于對預定的耗散功率6的請求。應當理解，系統(tǒng)可以通過多個切換選擇選項向用戶提供在多個座椅加熱水平之間的選擇，每個座椅加熱水平對應于相應的期望耗散功率電平6。線圈電阻已知，并且如下文描述地，處理器 58估算任何給定時刻的實際耗散功率6。如果實際耗散功率低于期望耗散功率，則總電流水平IT應當增大以將耗散功率提升至期望電平?？傠娏魉絀T是q軸電流和d軸電流的幾何求和，或 It = (Iq2+Id2)1/2, 其中1,和Id位于旋轉(zhuǎn)參考坐標系中。參見線圈(圖3)，給定瞬間的Ia (也即柱塞12 (圖3)相對于定子的給定位置χ)可以被認為是那個瞬間那個線圈的Ιτ?？梢灶愃频乜紤]其他兩個線圈的瞬態(tài)電流Λ和Ic。如上所述，處理器58接收確定給定時刻所需的 q軸電流I,的力命令。因此，基于上述關于It的公式和已知的線圈電阻，處理器58確定將 Ia(也即線圈^a的It)提升至足以產(chǎn)生期望耗散功率電平所需的Id的值。Iq和Id之間的關系限定了 phase_shift?？刂葡到y(tǒng)21控制懸架致動器10來得到這個phase_shift下的所確定的總電流，也即得到包括針對致動器三個線圈中每一個的這些q軸和d軸分量的總電流。由于功率可以描述為I2R,其中I是電流而R是線圈電阻，所以瞬態(tài)耗散功率6是 (Iq2+Id2)*R加上磁芯損耗和放大器損耗。
因此，源自q軸電流和d軸電流的瞬態(tài)耗散功率6和放大器損耗可以被視為已知的或可確定(盡管是動態(tài))的值，正如懸架致動器10和柱塞12之間的源自q軸電流的力 F。ut那樣。F。ut對柱塞12的速度做出貢獻，并因而對致動器機械功率2做出貢獻，但是機械功率2的幅度和方向也顯著地受向柱塞12施加的其他外部力的影響。因此，基于F。ut和向致動器10施加的這些外部力，柱塞12具有相對于定子16(圖幻的速度，并且這個速度限定了具有幅度和方向的致動器機械功率2 (具體而言，速度乘以F。ut)，也即如圖2所示地，或者流入致動器10或者流出致動器10。由于三接口功率必須求和為零(也即流入致動器10 的總功率必須等于流出致動器10的總功率)，上述的耗散功率和實際致動器機械功率2限定了 DC總線功率4的方向和幅度。如果F。ut和柱塞12的速度是相同方向的，則機械功率 2流出致動器10 (也即在圖2中向右)，并且因而DC總線功率4必須流入致動器10并具有等于機械功率2和耗散功率6的幅度的求和的幅度。因此，電池11必須提供Itl和Id所需的所有電流。另一方面，如果F。ut和柱塞速度方向相反(也即如果力矯正算法導致控制系統(tǒng)和懸架致動器向柱塞施加在那一瞬間與柱塞的實際運動方向相反的力)，則致動器機械功率2流入致動器10 (也即在圖2中向左)。如果機械功率2的幅度小于耗散功率6的幅度，則DC總線功率4必須流入致動器10并具有等于機械功率2和耗散功率6之間幅度差值的幅度。如下文更詳細地所述，在這種情形中，對致動器10而言，電池11和機械功率兩者都是提供所需q軸電流和d軸電流的電流源。如果機械功率2的幅度大于耗散功率6的幅度，則DC總線功率4流出致動器10至DC總線上，使得再生事件出現(xiàn)。DC總線功率4的幅度是機械功率2和耗散功率6之間的幅度差值。在這種情形下，機械功率提供用于q軸電流和d軸電流的電流源，并將電流返回至DC總線上并流入電池11，使得致動器10用作發(fā)電機。
流入電池11的再生電流可以對電池再充電，并且在某種程度上是有益的。然而， 再生事件可能具有如下的嚴重程度將電流水平引導至DC總線上將損壞電池或降低其有效壽命。這種情形可能導致例如在致動器10是車輛懸架系統(tǒng)的一部分的情形中使得柱塞 10直接連接至車輪組件15 (在四輪驅(qū)動車輛中有四個致動器，每個車輪都有一個致動器)。 定子殼體可以連接至車輛底盤25，而柱塞可以連接至車輪組件。當車輛通過道路中的減速路障或嚴重井眼(severe hole)時，柱塞通常在與F。ut相反的方向上突然以顯著的速度移動。因而，已知將基本并聯(lián)的電容器(例如電容器23，如圖1所示)放置在DC總線上，從而可以存儲再生能量(有時稱為再生脈沖)并將存儲的電流放電回DC總線上。適當設計的電容器可以以這種方式有效地和可靠地操作，但是提供充足電容以容納顯著的再生事件所需的增量分量成本和額外物理體積要求可能是不期望的，尤其是在車輛應用中。
因此，如在下文中更詳細描述地，控制系統(tǒng)21可以監(jiān)測柱塞12的位置和速度，并且在檢測到超過或很可能超過預定最大功率電平(或一段時間上的能量電平)的再生事件之后，增大上文論述的d軸電流分量，優(yōu)選地使得DC總線功率4降低，從而使得所得到的電流將不會損壞電池系統(tǒng)。在存在或不存在將d軸電流施加于座椅加熱的情況下，都可以實施再生補償，這兩種過程的同時應用相比于僅一種過程而言只不過是要向線圈添加更多的 d軸電流。
在本領域中應當理解，任何電致動器系統(tǒng)都會限定通常主要因?qū)﹄姍C或放大器的熱限制所可以達到的最大輸出扭矩或力。由于放大器的熱量與總電流It成正比，所以應當理解可以限定對It的限制。如果對于給定電機而言，向電流添加d軸分量導致超過這個閾值的總電流Ιτ，則降低d軸電流增量直至總電流低于閾值。
在電流受控的整流致動器的情形下論述當前描述的實施例。應當理解，盡管當前論述主要涉及無刷DC致動器，但是本發(fā)明可以作為感應電機控制系統(tǒng)的一部分來實現(xiàn)。應當理解，在這種配置中，在依據(jù)與轉(zhuǎn)子磁通校準的q軸分量來表達輸出力(對于旋轉(zhuǎn)AC電機而言是扭矩)時需要考慮滑動。因而，例如，本發(fā)明可以作為電流受控的整流感應AC感應電機來實施。“整流”是指基于桿(例如轉(zhuǎn)子或柱塞)位置和放大器之間的關系對致動器中電流的控制。
反相器是將交流電壓信號提供給線圈的放大器。對反相器占空比的調(diào)整是對放大器可變增益的調(diào)整，而給定增益導致線圈對上的交變平均電流信號。這種交變平均電流是產(chǎn)生圖5中所示交流氣隙磁通密度的交變電流信號。因而，控制電路限定了向電機線圈施加的電流信號的幅度、電流信號相對于彼此的相位、以及由電流引起的氣隙磁通密度的曲線相對于由柱塞磁體形成的氣隙磁通密度所限定的曲線的相位。盡管描述了電壓源反相器，但是也可應用其他反相器，諸如電流源反相器。
當柱塞響應于再生事件而快速移動時，所得到的每個線圈對觀、30和32的反向電動勢可以是大的。在反相器向致動器線圈施加電流信號從而向柱塞施加與柱塞速度方向相反的力的情形下，該電動勢抵抗由反相器向線圈施加的電壓信號，并且在諸如坑洼或減速障礙之類的情形中，顯著的電流(再生電流)可以通過反相器的二極管流回至DC總線上。 也就是說，線圈的超前電壓的顯著增大顯著地降低了系統(tǒng)位移功率因數(shù)(反相器輸出電壓和電流之間的時間相位關系)，從而顯著增大了返回至源的功率，并因而顯著增大了向DC 總線再生的電流。
在當前描述的實施例中，由于因d軸電流分量導致的在電機線圈中耗散的額外的實際功率，所以有效地增大了位移功率因數(shù)，從而降低了通過DC總線向電源42施加回的凈電流。也就是說，通過如下方式增大功率因數(shù)增大由系統(tǒng)電源施加的功率，使得其等于或接近于負載功率，從而降低或基本上消除反射回系統(tǒng)電源的功率。
對致動器線圈上d軸電流分量控制的效果通過圖7至圖9中示出的相圖來示出。 每個相圖示出了電路中的電流和電壓降，該電路包括電池/反相器(視為單一電壓源)，線圈對之一的電阻，線圈對之一的電感，以及如果可應用的話還包括反向電動勢。"Vamp”是指電池/反相器源兩端的電壓?！癡/’是指線圈電阻兩端的電壓?！鞍恕笔侵妇€圈電感兩端的電壓?！癛”是指線圈電阻?！癓”是指線圈電感。IP是指電路中的總電流。“ID”是指Ip的d軸分量?！?Iq”是指Ip的q軸分量。
參見圖7，如上所述地，如果期望通過向定子線圈施加電流來向桿施加力，則實現(xiàn)這一點的有效方式是 (1)知曉定子和桿之間相對移動的速度， (2)知曉桿磁體的極距， (3)根據(jù)這兩條信息，確定來自定子的跨氣隙的磁通量信號的頻率， (4)知曉當電流是q軸電流時線圈中電流和桿上所得到的力之間的關系， (5)知曉期望待施加于桿的力的幅度，以及 (6)控制反相器從而以(3)中限定的頻率(被定時為使得電壓信號以電學q軸相位變化)和以幅度來限定電壓信號Vamp以產(chǎn)生電流IP，該電流IP(通過在(4)中限定的關系)導致在(5)中限定的力。
然而在本領域中應當理解，桿依據(jù)如下關系產(chǎn)生反向電動勢(Vemf) Vemf = dFlux/dt = (dFlux/dx) * (dx/dt) 其中“Flux”是由柱塞磁體(圖4)貢獻的氣隙磁通量密度曲線，而dx/dt是柱塞速度。因此，如果桿在q軸電流向桿施加的力的方向上移動，則反向電動勢總是與q軸電流同相，而如果桿在與q軸電流向桿施加的力的方向相反的方向上移動，則反向電動勢總是與q 軸電流有180°的相位差。
在圖7中，控制Vamp來僅施加q軸電流，并且桿在q軸電流向桿施加的力的方向上移動，因而Vemf與q軸電流同相。這意味著Vemf與Vk同相，電壓跨電阻器降低。
在本領域中應當理解，Vamp和Ip之間的角度θ涉及取決于θ的余弦的功率因數(shù)。 如果COS θ為正，則功率因數(shù)為正，系統(tǒng)中沒有再生電流。如果COS θ為負，則功率因數(shù)為負，系統(tǒng)中有再生電流。用于解出Ip的公式是
HVemf +1 p* Rf+i.h* ^Lff2 =Vamp 如圖7中所示，COS θ為正。因而，功率因數(shù)為正，沒有再生電流。
在圖8中，桿在與q軸線圈電流向桿施加的力的方向相反的方向上移動。同樣地， Vamp的長度(也即幅度)由反相器固定。Vemf為負。Ip同樣由下面的公式給出
權(quán)利要求
1.一種控制具有定子、桿、至少一個線圈和電源的致動器的方法，其中所述桿具有多個磁體，所述定子和所述桿在所述定子和所述桿之間的接口處相對于彼此移動，使得所述多個磁體提供在幅度和方向上沿所述接口變化的第一磁通量，所述至少一個線圈相對于所述接口部署在所述定子上，使得施加在所述至少一個線圈上的電流提供響應于所述電流的變化而在幅度和方向上沿所述接口變化的第二磁通量，所述電源具有電壓，所述方法包括如下步驟(a)以可變的電平跨所述至少一個線圈施加所述電壓；(b)確定所述定子和所述桿之間的相對位置；(c)接收第一輸入；(d)接收第二輸入；(e)響應于所述相對位置和所述第一輸入而控制所述可變的電平以提供所述至少一個線圈上的電流的q軸分量，從而使所述第一磁通量變化；以及(f)響應于所述第二輸入而控制所述可變的電平以提供所述至少一個線圈上的電流的 d軸分量，從而使所述第二磁通量變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述第二輸入攜帶指示再生事件存在的信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述再生事件指示在所述電源和所述至少一個線圈之間存在電流，所述方法包括如下步驟其中步驟(d)包括如下步驟(g)確定在所述至少一個線圈中耗散的功率，(h)確定所述桿上的機械功率，(i)基于在步驟(g)中確定的耗散功率和在步驟(h)中確定的機械功率，確定所述電源和所述至少一個線圈之間的總線上的功率，(j)將在步驟(i)中確定的總線功率與指示流向電源的再生電流的存在的預定標準比較以產(chǎn)生指示信號，以及其中步驟(f)包括當步驟(j)中所述信號指示再生電流時將所述至少一個線圈上的電流的相位移位以引入所述d軸分量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述第二輸入包括指示對在所述至少一個線圈中耗散熱量的請求的信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，包括存儲與預定的所述d軸分量對應的預定相移的步驟，以及其中步驟(f)包括響應于所述信號的接收而將所述至少一個線圈上的電流的相位以預定的相移移位以引入預定的d軸分量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述第一輸入包括指示對待施加于所述桿的力的請求的信號。
7.—種車輛中的設備和控制系統(tǒng)，用于主動懸掛所述車輛中的所述設備，包括設備，響應于由所述控制系統(tǒng)確定的力而相對于所述車輛改變位置；電整流致動器，包括定子，桿，具有多個磁體，所述定子和所述桿在所述定子和所述桿之間的接口處相對于彼此移動，其中所述多個磁體相對于所述接口部署使得所述多個磁體提供在幅度和方向上沿所述接口變化的第一磁通量，以及至少一個線圈，所述至少一個線圈相對于所述接口部署在所述定子上，使得所述至少一個線圈上的電流提供響應于所述電流的變化而在幅度和方向上沿所述接口變化的第二磁通量，以及其中所述桿與所述設備機械連通使得通過所述桿施加力； 電源，具有電壓；可變放大器，在電學上部署于所述電源和所述至少一個線圈之間，使得所述放大器以可變的電平跨所述至少一個線圈施加所述電壓；傳感器，相對于所述定子和所述桿中的至少一個部署，使得所述傳感器檢測所述定子和所述桿之間的相對位置，其中所述傳感器輸出對應于所述相對位置的信號；以及控制電路接收第一輸入和第二輸入， 接收來自所述傳感器的信號，控制所述可變放大器使得所述可變的電平響應于所述相對位置和所述第一輸入而變化，從而提供所述至少一個線圈上的電流的q軸分量，以及控制所述可變放大器使得所述可變的電平響應于所述第二輸入而變化，從而提供所述至少一個線圈上的電流的d軸分量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的設備和控制系統(tǒng)，其中所述控制系統(tǒng)輸出命令，所述命令包括所述第一輸入并對應于待施加至所述桿的力。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的設備和控制系統(tǒng)，包括用戶可激活的開關，所述開關輸出信號，所述信號包括所述第二輸入并且指示對在所述至少一個線圈中耗散熱量的請求。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的設備和控制系統(tǒng)，包括傳感器，所述傳感器檢測環(huán)境溫度，并且當檢測到的環(huán)境溫度低于預定值時輸出信號，所述信號包括所述第二輸入并且指示在所述至少一個線圈中耗散熱量的請求。
11.根據(jù)權(quán)利要求7的設備和控制系統(tǒng)，其中所述控制電路存儲對應于預定的d軸分量的預定相移，并且其中所述控制電路響應于所述信號的接收而將所述至少一個線圈上的電流的相位以預定的相移移位以引入預定的d軸分量。
12.根據(jù)權(quán)利要求7的設備和控制系統(tǒng)，包括三個所述至少一個線圈，設置成相對于所述桿和所述放大器的三相配置。
13.根據(jù)權(quán)利要求7的設備和控制系統(tǒng)，其中所述控制電路限定所述至少一個線圈中的最大總電流，并且其中當所述q軸分量和所述d軸分量的合計超過所述最大總電流時，所述控制電路降低所述d軸分量使得所述合計不超過所述最大總電流。
14.根據(jù)權(quán)利要求7的設備和控制系統(tǒng)，其中所述第二輸入攜帶指示再生事件存在的 fn息ο
15.根據(jù)權(quán)利要求7的設備和控制系統(tǒng)，其中 所述控制電路包括處理器，所述處理器配置成 確定在所述至少一個線圈中耗散的功率， 確定所述桿上的機械功率，基于所述耗散功率和所述機械功率確定所述電池和所述至少一個線圈之間的總線上的功率以產(chǎn)生指示信號，以及其中所述控制電路配置成當對應于比較的所述指示信號指示再生電流時將所述至少一個線圈上的電流的相位移位以弓I入所述d軸分量。
16.一種電整流致動器和控制系統(tǒng)，包括 定子；桿，所述桿在所述桿和所述定子之間的接口處相對于所述定子可移動； 多個磁體，所述多個磁體相對于所述桿可移動，其中所述多個磁體相對于所述接口部署使得所述多個磁體提供在幅度和方向上沿所述接口變化的第一磁通量；至少一個線圈，所述至少一個線圈相對于所述接口部署在所述定子上，使得所述至少一個線圈上的電流提供響應于所述電流的變化而在幅度和方向上沿所述接口變化的第二磁通量；可變放大器，所述可變放大器在所述至少一個線圈上施加變化的電流，所述變化的電流包括q軸分量和d軸分量；以及控制電路，所述控制電路響應于第一輸入而限定所述q軸分量并響應于第二輸入、相對于所述q軸分量可變化地限定所述d軸分量。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的電整流致動器和控制系統(tǒng)，被構(gòu)造并設置成主動懸掛車輛中的設備。
全文摘要
一種電整流致動器和控制系統(tǒng)具有定子和相對于定子可移動的桿。可隨桿移動的多個磁體提供第一磁通量，在定子上限定的至少一個線圈中的電流提供第二磁通量。響應于第一輸入而控制第二磁通量，使得第二磁通量具有相對于第一磁通量的預定的相位。響應于第二輸入而控制第二磁通量，使得第二磁通量相對于第一磁通量的相位從該預定的相位變化。
文檔編號H02P6/00GK102187565SQ200980141434
公開日2011年9月14日 申請日期2009年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月17日
發(fā)明者D·G·奧特曼, J·A·帕里松, L·D·克諾克斯 申請人:伯斯有限公司