用於控制電氣/機械系統中功率平衡的系統和方法

2023-06-17 18:39:01 2

專利名稱：用於控制電氣/機械系統中功率平衡的系統和方法
技術領域：
本說明書描述具有至少三點式功率接口的電氣/機械系統。
背景技術：
參見圖1和圖2，這種系統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10包括具有一組線圈繞組的定子和杆。杆可以是具有永磁體組的柱塞。控制系統限定將施加於線圈繞組的電流模式，從而限定跨線圈繞組和杆上的一系列磁體之間間隙的磁通量密度，從而產生力來移動用於移動的磁體線性致動器的杆。杆相對於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施加於線圈的功率在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。如果出現使流入致動器的功率流大於流出致動器系統的耗散功率的機械事件，那麼DC總線功率4將流出致動器系統到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並從而對電池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。

發明內容
在控制具有定子、杆、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，杆在定子和杆之間的接口處相對於定子可移動，該多個磁體隨杆可移動且相對於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於接口限定在定子上使得施加於該至少一個線圈的電流提供響應於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於第一磁通量的預定的相位。作為對第二輸入的響應，並且相對於第一輸入可變化地，控制第二磁通量從而使得第二磁通量相對於第一磁通量的相位從預定的相位移位。
在控制具有定子、杆、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，杆在定子和杆之間的接口處相對於定子可移動，該多個磁體隨杆可移動且相對於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於接口部署在定子上從而使得施加於該至少一個線圈的電流提供響應於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。杆和定子之間的相對位置是確定的。接收第一和第二輸入。響應於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於第一磁通量和第二磁通量的q軸分量。響應於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於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包括定子和杆，杆在定子和杆之間的接口處相對於定子可移動。多個磁體隨杆可移動。該多個磁體相對於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。至少一個線圈相對於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於電流的變化而在幅度和方向上沿接口變化的第二磁通量。可變的放大器在至少一個線圈上施加變化的電流，該電流包括相對於第一磁通量和第二磁通量的q軸分量和相對於第一磁通量和第二磁通量的d軸分量。控制電路響應於第一輸入而限定q軸分量，並且響應於第二輸入、相對於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，用於主動懸掛車輛中的設備， 包括如下設備，該設備響應於對車輛施加的力或由車輛施加的力而相對於車輛來改變位置。電整流致動器包括定子和杆，杆在定子和杆之間的接口處隨定子可移動。多個磁體隨杆可移動。該多個磁體相對於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。至少一個線圈相對於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於電流的變化而在幅度和方向上沿接口變化的第二磁通量。杆與設備機械連通使得通過杆在設備和至少一個線圈之間施加力。可變的放大器在至少一個線圈上施加變化的電流，該電流包括相對於第一磁通量和第二磁通量的q軸分量以及相對於第一磁通量和第二磁通量的d軸分量。控制電路響應於第一輸入而限定q軸分量，並且響應於第二輸入、相對於q軸分量可變化地限定d軸分量。


本發明的完整且可行的公開包括對於本領域普通技術人員而言其最優的模式，在本說明書的其餘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為現有技術中懸架致動器系統的示意圖； 圖2為現有技術中懸架致動器系統的示意功率流程圖； 圖3為圖示出根據本發明一種實施例的致動器系統的示意框圖； 圖4為圖3中所示系統表現出的磁通量密度的波形圖； 圖5為如圖3中系統表現出的磁通量密度的波形圖； 圖6為可應用於圖3所示系統的相力常數的圖形表示； 圖7為用於致動器電路的相圖； 圖8為用於致動器電路的相圖； 圖9為用於根據圖3所示系統的致動器電路的相圖； 圖10為受如圖3所示系統影響的步驟的功能框圖；以及 圖11為受如圖3所示系統影響的步驟的功能框圖。
本說明書和附圖中重複使用的參考符號意在表示本發明的相同或類似的特徵或元件。
具體實施例方式具體地參考本發明的某些實施例，在附圖中圖示了實施例的一個或多個例子。通過對本發明進行說明而非對本發明進行限制的方式提供每個例子。實際上，在不背離本發明的範圍或精神的情況下可以對本發明進行修改和變化，這對於本領域技術人員而言是顯然的。例如，圖示為或描述為一種實施例的一部分的特徵可以用於另外一種實施例以產生又一實施例。因而，本發明意在覆蓋位於包括所附權利要求書在內的本公開的範圍內的這種修改和變化。
儘管本說明書中呈現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，而且本領域技術人員根據本公開應當理解，本文中描述的系統和方法可以採用其他的電氣/機械設備和布置來實施。因而，例如儘管本文所論述的致動器為線性致動器，杆為線性柱塞，應當理解致動器可以是旋轉電機，而杆可轉動，或者可以響應於力而實施螺母/螺紋螺杆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 和杆，在本實施例中杆為相對於定子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示出的往複方向上一起移動。定子16可固定於致動器殼體(未示出)，殼體圍繞柱塞和定子且固定於車輛底盤25，如圖3(以及圖1中)粗線示出地介於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，然而可以採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繞柱塞固定並且沿方向14更替極性，導致生成磁通線22。柱塞還可以包括位於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， 並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於由氣隙限定的直線。儘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，而且本領域技術人員根據本發明的公開應當理解本文中描述的系統和方法可採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杆，定子和杆相對彼此以線性或旋轉方式移動(移動線圈或移動磁體)。儘管在本實施例中描述的是三相致動器，本領域技術人員根據本公開應當理解在本文中描述的系統和方法可以採用不同數目的致動器相位(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、由兩個線圈響應於通過相應導線^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°，並且將信號分別施加於導線觀(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上的信號滯後於線路28c上的信號120°，而線路32c上的信號滯後於線路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上的信號超前於線路28c上的信號120°，而線路32c上的信號超前於線路30c上的信號120°。
圖4圖示了當柱塞12相對於定子以任一軸向14移動時，定子和柱塞之間的氣隙內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的磁極片對，而在38處， 柱塞I2繼續其移動使得繞組28a直接抵抗第二個出現的磁極片。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，系統可包括線性編碼器62和控制系統21，使得線性編碼器檢測柱塞12相對於定子16的位置，並且提供柱塞相對於控制系統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(即相對於q軸相位的相移)。如圖4和圖5對比示出，控制系統21可以控制線圈28a上的電流信號，該電流信號產生相對於移動的柱塞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於在方向14上移動的柱塞12。然而，同樣應當理解，在向實際電機/ 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。用於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，應當理解對於任何給定的永磁體致動器，無論是旋轉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(該位置相移位於當磁體和定子相對於彼此移動時由永磁體相對於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於永磁體所貢獻的氣隙磁通密度所限定的曲線之間)。以產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。僅用於說明目的，在圖4 和圖5中呈現了理想狀況，並且因而在本文中描述的示例性位置q軸相位在圖5中所示有相對於圖4的90°的相移處，但是應當理解對於給定致動器而言，依據已知的原理和方法， 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，並隨之對那種類型的所有後續電機採用那種額定值，即使對於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 ib (χ)線圈30a和30b上的電流信號 Kfb (χ)繞組30a/30b的相力常數 ic(x)線圈3 和32b上的電流信號 Kfc (χ)繞組32a/32b的相力常數 χ 柱塞12沿軸向14相對於定子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(相對於柱塞)產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於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於永磁體磁通曲線相移90° (如果處於如上面所述的理想狀況下的位置q軸相位)。由於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°，各電流信號相對於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，並且在線圈^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相對於線圈的相對位置 mp 磁距或極距40 phase_shift 相對於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)的式子類似於ia(x)式子並因而不予描述。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，用於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。對於柱塞和定子之間的任意相對位置「X」而言，電流函數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於彼此移動，則電流信號將根據它們的正弦函數變化，但是如果柱塞和定子相對於彼此位置固定，則將施加由電流函數限定的恆定電流。實際的電流函數取決於整流方案。例如，梯形整流將導致不同於理想正弦函數的實際的電流函數，並且此處描述的正弦函數用於說明的目的。
由致動器的磁體設計確定相力常數Kfa(X)，並且相力常數Kfa(X)具有牛頓/安培的單位。相力常數優選地是正弦波或類似於正弦波，儘管在高電流水平處該函數可以變得更為複雜。對於正常的電流水平(也即，應當很好理解地，當致動器護鐵不是重度飽和時) 而言，並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相對於線圈對^a/^8b、30a/30b和32a/32b的相對位置 mp 磁距或極距40 KF(a_c)取決於致動器設計的常數 應當很好理解用於確定實際狀況下的相力常數的方法，並且因而不詳細描述。然而應當理解，儘管在此處描述了針對相力常數的理想例子，但這僅用於示例性目的，而相力常數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) 完全對應於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，由於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的其餘兩個分量具有與圖6中所示的相同形狀的曲線，但是它們彼此偏移120°且相對於由ia(x)和Kfa(x)貢獻的分量偏移120°。作為三個分量求和的F。ut 是恆定力，並且因此三相致動器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施加恆定力。
將非零的phase_shift添加至電流ia(x)使得ia(x)曲線的相位相對於其相力常數曲線移位，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了直流偏移的相同降低。三種力曲線的求和仍為恆定的F。ut，但是恆定的F。ut 的值低於當phase_shift是0時的值。當phase_shift是90°時，也即當線圈電流信號產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，Fout為0。然而與電學q軸相位類似地，在出現線圈電流的最低效率應用情況下的特定 phase_shift將有可能稍微不同於理想的90°移位。相對於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軸電流分量應用於驅動在磁場減弱的、穩定狀態類型的環境中操作的電機，從而無需使用較高電壓供應即可擴展電機的上限速度範圍。儘管在這個例子中描述了具有多個永磁體的柱塞，但是本領域技術人員根據本公開應該理解本文中描述的系統和方法可以使用具有多個磁體的杆實施，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)旋轉參考坐標系中的q軸電流，以及 Id(X)旋轉參考坐標系中的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淨力，或者向柱塞施加系統可應用力的可能範圍內的最小力。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，並且如果最大瞬態電流值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軸電流產生的最小力和隨著完全 q軸電流產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，現在假設致動器10是車輛懸架系統的一部分，使得柱塞12直接連接到車輪組件15或用於座椅的懸架系統，並且定子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 17(圖1)和21感測柱塞12的位置和/或速度並通過去往反相器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 /或使乘坐於座椅的車輛操作員舒適，或對座椅懸架模塊或致動器加熱以將其溫度提升至合適的操作溫度，例如當環境溫度低於懸架模塊正常操作溫度時(諸如為0°C)。可以通過處理器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、於2004年10月四日提交的、名稱為「Active Suspending"的美國專利申請10/978，105中描述了一種用於確定和向車輛中的座椅施加這種期望力的系統，該申請全文在此通過引用併入本文。具體矯正算法本身並不是這個實施例的一部分，因而對於算法本身的詳細論述在此省略。然而，在控制系統17或21激活期間的任何給定時刻，控制系統限定這種力命令，並且反相器34基於力命令限定針對相應的三相線圈對的最大瞬態電流幅度IaUb和Ic (對於控制系統21，或者直接地確定或者通過確定q軸和d軸分量來確定)，這將導致待施加於柱塞的、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，並且參考圖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境溫度低於其操作溫度時，向控制系統21發送座椅加熱信號。控制系統21執行上面論述的控制系統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21將phase_shift引入至三相電流(這也被描述為添加 d軸分量)。由於如果最大電流幅度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確定實現期望力所需的q軸電流，以及添加d軸分量以產生附加的期望熱量。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、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，根據任一方法，施加d軸分量，並且在存在phase_shift/d軸分量的情況下向柱塞施加的力等於由矯正算法限定的期望力並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。然而由於phase_shift/d軸分量，當實現這種相同的力時，控制系統控制用於耗散在定子線圈上的更大電流。也即，為了實現相同的力，消耗了更多的功率，從而導致產生更多的熱量。
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。系統可以(以採樣頻率)周期性地確定依據力矯正算法的待施加於柱塞12(圖3)的期望力。如上所述，這種力源自q軸電流或I,。然而由於用戶已請求座椅加熱，系統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。這種用於耗散的熱量而不用於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，並且q軸電流的提高(如果期望的話)可能因此用於進一步增大產生的熱量，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於對預定的耗散功率6的請求。應當理解，系統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於相應的期望耗散功率電平6。線圈電阻已知，並且如下文描述地，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於期望耗散功率，則總電流水平IT應當增大以將耗散功率提升至期望電平。總電流水平IT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位於旋轉參考坐標系中。參見線圈(圖3)，給定瞬間的Ia (也即柱塞12 (圖3)相對於定子的給定位置χ)可以被認為是那個瞬間那個線圈的Ιτ。可以類似地考慮其他兩個線圈的瞬態電流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，基於上述關於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)提升至足以產生期望耗散功率電平所需的Id的值。Iq和Id之間的關係限定了 phase_shift。控制系統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。由於功率可以描述為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軸電流的瞬態耗散功率6和放大器損耗可以被視為已知的或可確定(儘管是動態)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，並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，基於F。ut和向致動器10施加的這些外部力，柱塞12具有相對於定子16(圖幻的速度，並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。由於三接口功率必須求和為零(也即流入致動器10 的總功率必須等於流出致動器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)，並且因而DC總線功率4必須流入致動器10並具有等於機械功率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的幅度小於耗散功率6的幅度，則DC總線功率4必須流入致動器10並具有等於機械功率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的幅度大於耗散功率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。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，機械功率提供用於q軸電流和d軸電流的電流源，並將電流返回至DC總線上並流入電池11，使得致動器10用作發電機。
流入電池11的再生電流可以對電池再充電，並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，已知將基本並聯的電容器(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(有時稱為再生脈衝)並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21可以監測柱塞12的位置和速度，並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)的再生事件之後，增大上文論述的d軸電流分量，優選地使得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。在存在或不存在將d軸電流施加於座椅加熱的情況下，都可以實施再生補償，這兩種過程的同時應用相比於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，任何電致動器系統都會限定通常主要因對電機或放大器的熱限制所可以達到的最大輸出扭矩或力。由於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。如果對於給定電機而言，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於閾值。
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，儘管當前論述主要涉及無刷DC致動器，但是本發明可以作為感應電機控制系統的一部分來實現。應當理解，在這種配置中，在依據與轉子磁通校準的q軸分量來表達輸出力(對於旋轉AC電機而言是扭矩)時需要考慮滑動。因而，例如，本發明可以作為電流受控的整流感應AC感應電機來實施。「整流」是指基於杆(例如轉子或柱塞)位置和放大器之間的關係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。對反相器佔空比的調整是對放大器可變增益的調整，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、電流信號相對於彼此的相位、以及由電流引起的氣隙磁通密度的曲線相對於由柱塞磁體形成的氣隙磁通密度所限定的曲線的相位。儘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。
當柱塞響應於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，並且在諸如坑窪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體流回至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位移功率因數(反相器輸出電壓和電流之間的時間相位關係)，從而顯著增大了返回至源的功率，並因而顯著增大了向DC 總線再生的電流。
在當前描述的實施例中，由於因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，從而降低了通過DC總線向電源42施加回的淨電流。也就是說，通過如下方式增大功率因數增大由系統電源施加的功率，使得其等於或接近於負載功率，從而降低或基本上消除反射回系統電源的功率。
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。「V/』是指線圈電阻兩端的電壓。「八」是指線圈電感兩端的電壓。「R」是指線圈電阻。「L」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杆施加力，則實現這一點的有效方式是 (1)知曉定子和杆之間相對移動的速度， (2)知曉杆磁體的極距， (3)根據這兩條信息，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杆上所得到的力之間的關係， (5)知曉期望待施加於杆的力的幅度，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以產生電流IP，該電流IP(通過在(4)中限定的關係)導致在(5)中限定的力。
然而在本領域中應當理解，杆依據如下關係產生反向電動勢(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，如果杆在q軸電流向杆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，而如果杆在與q軸電流向杆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，並且杆在q軸電流向杆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涉及取決於θ的餘弦的功率因數。 如果COS θ為正，則功率因數為正，系統中沒有再生電流。如果COS θ為負，則功率因數為負，系統中有再生電流。用於解出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，功率因數為正，沒有再生電流。
在圖8中，杆在與q軸線圈電流向杆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
權利要求
1.一種控制具有定子、杆、至少一個線圈和電源的致動器的方法，其中所述杆具有多個磁體，所述定子和所述杆在所述定子和所述杆之間的接口處相對於彼此移動，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於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於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杆之間的相對位置；(c)接收第一輸入；(d)接收第二輸入；(e)響應於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)響應於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.根據權利要求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.根據權利要求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)確定所述杆上的機械功率，(i)基於在步驟(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.根據權利要求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.根據權利要求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)包括響應於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.根據權利要求1的方法，其中所述第一輸入包括指示對待施加於所述杆的力的請求的信號。
7.—種車輛中的設備和控制系統，用於主動懸掛所述車輛中的所述設備，包括設備，響應於由所述控制系統確定的力而相對於所述車輛改變位置；電整流致動器，包括定子，杆，具有多個磁體，所述定子和所述杆在所述定子和所述杆之間的接口處相對於彼此移動，其中所述多個磁體相對於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於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於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，以及其中所述杆與所述設備機械連通使得通過所述杆施加力； 電源，具有電壓；可變放大器，在電學上部署於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，相對於所述定子和所述杆中的至少一個部署，使得所述傳感器檢測所述定子和所述杆之間的相對位置，其中所述傳感器輸出對應於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於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於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.根據權利要求7的設備和控制系統，其中所述控制系統輸出命令，所述命令包括所述第一輸入並對應於待施加至所述杆的力。
9.根據權利要求7的設備和控制系統，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並且指示對在所述至少一個線圈中耗散熱量的請求。
10.根據權利要求7的設備和控制系統，包括傳感器，所述傳感器檢測環境溫度，並且當檢測到的環境溫度低於預定值時輸出信號，所述信號包括所述第二輸入並且指示在所述至少一個線圈中耗散熱量的請求。
11.根據權利要求7的設備和控制系統，其中所述控制電路存儲對應於預定的d軸分量的預定相移，並且其中所述控制電路響應於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.根據權利要求7的設備和控制系統，包括三個所述至少一個線圈，設置成相對於所述杆和所述放大器的三相配置。
13.根據權利要求7的設備和控制系統，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，並且其中當所述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.根據權利要求7的設備和控制系統，其中所述第二輸入攜帶指示再生事件存在的 fn息ο
15.根據權利要求7的設備和控制系統，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， 確定所述杆上的機械功率，基於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生指示信號，以及其中所述控制電路配置成當對應於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，包括 定子；杆，所述杆在所述杆和所述定子之間的接口處相對於所述定子可移動； 多個磁體，所述多個磁體相對於所述杆可移動，其中所述多個磁體相對於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於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於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，所述控制電路響應於第一輸入而限定所述q軸分量並響應於第二輸入、相對於所述q軸分量可變化地限定所述d軸分量。
17.根據權利要求16的電整流致動器和控制系統，被構造並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具有定子和相對於定子可移動的杆。可隨杆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。響應於第一輸入而控制第二磁通量，使得第二磁通量具有相對於第一磁通量的預定的相位。響應於第二輸入而控制第二磁通量，使得第二磁通量相對於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 優先權日2008年10月17日
發明者D·G·奧特曼, J·A·帕裡松, L·D·克諾克斯 申請人:伯斯有限公司