Fpga閉環(huán)電力驅(qū)動控制器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體涉及開關(guān)磁阻機(jī)器，并且更具體地涉及控制開關(guān)磁阻機(jī)器的電力驅(qū)動器的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著對節(jié)能關(guān)注的與日俱增，越來越多的機(jī)器，如移動工業(yè)作業(yè)機(jī)器或固定發(fā)電機(jī)，配備了用于操作機(jī)器的各種工具或功能的電力驅(qū)動組件或系統(tǒng)。電力驅(qū)動器的持續(xù)發(fā)展使其可用于電氣驅(qū)動的機(jī)器以有效地匹配或超越機(jī)械驅(qū)動的機(jī)器的性能，同時需要顯著減少的燃料和總能量。由于電力驅(qū)動器相對于這樣的機(jī)器變得越來越普遍，對用于控制它們的更有效的發(fā)電機(jī)和技術(shù)的需求也有所增加。
[0003]在各類可與這樣的電力驅(qū)動器配合使用的電氣驅(qū)動的機(jī)器中，由于堅固，節(jié)約成本，并且總的來說，更高效，開關(guān)磁阻(SR)機(jī)器已經(jīng)受到巨大關(guān)注。SR機(jī)器通常用于將主動力源，如內(nèi)燃發(fā)動機(jī)，接收到的機(jī)械動力轉(zhuǎn)換成電力，用于執(zhí)行機(jī)器的一個或多個操作。此夕卜，SR機(jī)器還可用于將儲存在公共總線或存儲裝置內(nèi)的電力轉(zhuǎn)換成機(jī)械動力。SR機(jī)器同樣可與其它通用的動力源，如電池、燃料電池等結(jié)合使用。更進(jìn)一步地，SR機(jī)器還可與具有常規(guī)動力源，如風(fēng)車、水電大壩或常用于固定應(yīng)用的任何其他通用動力源的固定機(jī)器配合使用。雖然目前現(xiàn)有的用于控制SR機(jī)器的系統(tǒng)和方法可提供足夠的控制，但是還有很大的提升空間。
[0004]典型的SR機(jī)器基本上包括電氣耦合到電力驅(qū)動電路的多相定子，以及可旋轉(zhuǎn)地定位在定子內(nèi)的轉(zhuǎn)子。在電動操作模式下，電力驅(qū)動器選擇性地使開關(guān)或柵極與定子的各相相關(guān)聯(lián)，以使所述定子和轉(zhuǎn)子磁極之間產(chǎn)生電磁相互作用，并使轉(zhuǎn)子在所需的扭矩和/或速度下相對于定子旋轉(zhuǎn)。可替代地，在發(fā)電操作模式下，電力驅(qū)動器可被配置成接收可因轉(zhuǎn)子相對于定子的機(jī)械旋轉(zhuǎn)而誘生的任何電力。電力驅(qū)動器可使用在發(fā)電模式期間誘生的電力，以為相關(guān)聯(lián)的作業(yè)機(jī)器的輔助或附屬裝置供電，或在一些情況下，將電力儲存在能量存儲裝置中。
[0005]控制SR機(jī)器，并且因此，控制其電力驅(qū)動器通常從可編程微處理器開始。更具體地說，微處理器預(yù)編入算法，所述算法監(jiān)測機(jī)器的各種參數(shù)以及將不同的指令發(fā)送給電力驅(qū)動器，用于根據(jù)檢測到的參數(shù)的變化來控制SR機(jī)器。這樣的閉環(huán)過程在預(yù)定義的速率下執(zhí)行，預(yù)定義的速率基本上受限于微處理器的能力和微處理器實施該算法的方式。然而，由于對更有效且具有更高性能的SR機(jī)器的需求不斷增長，對更有效的算法的實施和具有更大帶寬的控制器的需求也增長。
[0006]因此，需要改善SR機(jī)器的性能能力和效率。此外，需要提高對電力驅(qū)動器的總體控制，并且因此，提高對操作SR機(jī)器的方式。更具體地說，需要對與SR機(jī)器相關(guān)聯(lián)的傳統(tǒng)控制器的操作帶寬加以改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]在本發(fā)明的一個方面中，提供了一種用于具有轉(zhuǎn)子和定子的開關(guān)磁阻(SR)機(jī)器的控制系統(tǒng)。所述控制系統(tǒng)可包括轉(zhuǎn)換器電路，所述轉(zhuǎn)換器電路可操作地耦合到所述定子并且包括與定子的各相選擇性通信的多個柵極，以及控制器，所述控制器與所述定子和所述轉(zhuǎn)換器電路中的每一者通信。所述控制器可被配置成并行執(zhí)行兩個或多個過程。所述過程可包括基于總線電壓、機(jī)器電流、轉(zhuǎn)子速度和轉(zhuǎn)子位置中的一者或多者來產(chǎn)生扭矩命令，基于所述扭矩命令和所述轉(zhuǎn)子速度來確定第一組電流控制參數(shù)，基于扭矩命令、轉(zhuǎn)子速度和轉(zhuǎn)子位置中的一者或多者來確定第二組電流控制參數(shù)，基于轉(zhuǎn)子速度來選擇第一組電流控制參數(shù)和第二組電流控制參數(shù)中的一者，以及根據(jù)所選擇的該組電流控制參數(shù)來操作柵極。
[0008]在一改型中，所述控制器可被配置成至少并行執(zhí)行確定所述第一組電流控制參數(shù)和確定所述第二組電流控制參數(shù)的過程。
[0009]在另一改型中，所述控制器可使用被配置成便于并行處理并大幅減少循環(huán)次數(shù)的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和專用集成電路(ASIC)中的一者或多者至少部分地實施。
[0010]在另一改型中，所述控制器可基于所觀測到的總線電壓、機(jī)器電流、轉(zhuǎn)子速度和轉(zhuǎn)子位置與分別所需的總線電壓、機(jī)器電流、轉(zhuǎn)子速度和轉(zhuǎn)子位置之間的一個或多個比較來產(chǎn)生扭矩命令。
[0011]在相關(guān)的改型中，所述控制器可基于所述一個或多個比較進(jìn)一步產(chǎn)生扭矩請求，基于轉(zhuǎn)子速度限制扭矩請求，以及基于該受限的扭矩請求產(chǎn)生扭矩命令。
[0012]在另一改型中，所述控制器可被配置成在閉環(huán)控制模式和開環(huán)控制模式之一下產(chǎn)生扭矩命令。
[0013]在另一改型中，第一組和第二組電流控制參數(shù)中的每一者可包括電流目標(biāo)、最大電流目標(biāo)、Θ-接通角和Θ-斷開角。
[0014]在另一改型中，所述控制器可通過確定最適合于電動操作模式和發(fā)電操作模式中的每一者的電流控制參數(shù)來確定第一組電流控制參數(shù)，基于扭矩命令和轉(zhuǎn)子速度來確定SR機(jī)器的操作模式，以及選擇對應(yīng)于檢測到的操作模式的電流控制參數(shù)。
[0015]在另一改型中，定子可以是三相定子。第二組電流控制參數(shù)可包括在SR機(jī)器處于電動操作模式時用于定子的第一相的180°的固定的Θ-接通角和360°的固定的Θ-斷開角，且包括在SR機(jī)器處于發(fā)電操作模式時用于定子的第一相的0°的固定的Θ-接通角和180°的固定的Θ-斷開角。用于定子的第二相的對應(yīng)的Θ-接通和Θ-斷開角可偏移120°且用于定子的第三相的對應(yīng)的Θ-接通和Θ-斷開角可偏移240°。
[0016]在另一改型中，所述控制器可通過基于轉(zhuǎn)子速度、轉(zhuǎn)子位置和預(yù)編程的扭矩共享函數(shù)中的一者或多者標(biāo)定用于定子的各相的扭矩命令來產(chǎn)生第二組電流控制參數(shù)，以及基于標(biāo)定的扭矩命令、轉(zhuǎn)子速度、轉(zhuǎn)子位置和預(yù)定義的查找映射中的一者或多者來產(chǎn)生用于定子的各相的電流目標(biāo)。扭矩共享函數(shù)可被配置成使扭矩生產(chǎn)更均勻地分布于其間并使扭矩脈動最小化的方式修改定子的各相中的電流。
[0017]在又一改型中，所述控制器可將轉(zhuǎn)子速度的絕對值與被配置成建立至少第一速度區(qū)域和第二速度區(qū)域的多個轉(zhuǎn)子速度閾值進(jìn)行比較。所述控制器可選擇第一組電流控制參數(shù)，用于在轉(zhuǎn)子速度降到第一速度區(qū)域內(nèi)時控制SR機(jī)器，并且所述控制器可選擇第二組電流控制參數(shù)，用于在轉(zhuǎn)子速度降到第二速度區(qū)域內(nèi)時控制SR機(jī)器。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種用于具有轉(zhuǎn)子和定子的SR機(jī)器的電力驅(qū)動器的電流控制器。所述電流控制器可包括扭矩控制模塊，被配置成基于總線電壓、機(jī)器電流、轉(zhuǎn)子速度和轉(zhuǎn)子位置中的一者或多者來產(chǎn)生扭矩命令；平均扭矩控制模塊，被配置成基于所述扭矩命令和所述轉(zhuǎn)子速度來確定第一組電流控制參數(shù)；電流描廓模塊，被配置成基于扭矩命令、轉(zhuǎn)子速度和轉(zhuǎn)子位置中的一者或多者來確定第二組電流控制參數(shù)；控制選擇模塊，被配置成基于轉(zhuǎn)子速度來選擇第一組和第二組電流控制參數(shù)中的一者；以及電流控制模塊，被配置成根據(jù)所選擇的該組電流參數(shù)選擇性地驅(qū)動與定子的各相相關(guān)聯(lián)的多個柵極。
[0019]在一個改型中，至少所述扭矩控制模塊、平均扭矩控制模塊和電流描廓模塊使用被配置成便于并行處理并且大幅減少循環(huán)次數(shù)的FPGA和ASIC中的一者來實施。
[0020]在另一改型中，扭矩控制模塊可將所觀測到的總線電壓、機(jī)器電流、轉(zhuǎn)子速度和轉(zhuǎn)子位置中的一者或多者分別與所需的總線電壓、機(jī)器電流、轉(zhuǎn)子速度和轉(zhuǎn)子位置中的一者或多者進(jìn)行比較。扭矩控制模塊可基于所述一個或多個比較進(jìn)一步產(chǎn)生扭矩請求，基于轉(zhuǎn)子速度限制扭矩請求，以及基于該受限的扭矩請求產(chǎn)生扭矩命令。
[0021]在另一個改型中，平均扭矩控制模塊可確定最適合于電動操作模式和發(fā)電操作模式中的每一者的電流控制參數(shù)，基于扭矩命令和轉(zhuǎn)子速度來確定SR機(jī)器的操作模式，以及選擇對應(yīng)于檢測到的操作模式的電流控制參數(shù)。
[0022]在另一個改型中，電流描廓模塊可被配置成基于檢測到的SR機(jī)器的操作模式輸出用于定子的各相的固定的Θ-接通和Θ-斷開角。
[0023]在另一個改型中，定子可以是三相定子。電流描廓模塊可被配置成在SR機(jī)器處于電動操作模式時輸出用于定子的第一相的180°的固定的Θ-接通角和360°的固定的Θ-斷開角，以及在SR機(jī)器處于發(fā)電操作模式時輸出用于定子的第一相的0°的固定的Θ-接通角和180°的固定的Θ-斷開角。用于定子的第二相的對應(yīng)的Θ-接通和Θ-斷開角可偏移120°且用于定子的第三相的對應(yīng)的Θ-接通和Θ-斷開角可偏移240°。
[0024]在另一個改型中，電流描廓模塊可被預(yù)編入扭矩共享函數(shù)，扭矩共享函數(shù)被配置成使扭矩生產(chǎn)更均勻地分布于其間并使扭矩脈動最小化的方式修改定子的各相中的電流。電流描廓模塊可被配置成基于轉(zhuǎn)子速度、轉(zhuǎn)子位置和扭矩共享函數(shù)中的一者或多者標(biāo)定用于定子的各相的扭矩命令，以及基于標(biāo)定的扭矩命令、轉(zhuǎn)子速度、轉(zhuǎn)子位置和預(yù)定義的扭矩-速度-位置查找映射中的一者或多者來產(chǎn)生用于定子的各相的電流目標(biāo)。
[0025]在另一個改型中，控制選擇模塊可將轉(zhuǎn)子速度的絕對值與被配置成至少建立第一速度區(qū)域和第二速度區(qū)域的多個轉(zhuǎn)子速度閾值進(jìn)行比較?？刂七x擇模塊可選擇第一組電流控制參數(shù)，用于在轉(zhuǎn)子速度降到第一速度