專利名稱：電驅(qū)動(dòng)功率響應(yīng)管理系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利公開(kāi)內(nèi)容主要涉及負(fù)載需求和功率生成平衡，并且更具體地涉及直接串聯(lián)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上的功率生成輸出的閉環(huán)調(diào)節(jié)。
背景技術(shù)：
在采礦、重型建造、采石和其它應(yīng)用中普遍使用重型機(jī)械，諸如非公路卡車。雖然傳統(tǒng)上經(jīng)由內(nèi)燃機(jī)直接驅(qū)動(dòng)這樣的機(jī)械，但是這種系統(tǒng)的大量燃料消耗和機(jī)械復(fù)雜性已經(jīng)促進(jìn)對(duì)可替代的功率系統(tǒng)廣泛探索。使得與重型機(jī)械的使用相關(guān)聯(lián)的效率得以提高的一項(xiàng)進(jìn)展是在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上采用交流電(AC)。用于機(jī)械的電驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)通常包括在所需扭矩有選擇地激活一個(gè)或者多個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率電路。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)中的每個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)連接到操作用于推進(jìn)機(jī)械的輪或者其它牽引設(shè)備。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)交流發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)、例如內(nèi)燃機(jī)。交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生經(jīng)常被調(diào)節(jié)并且最終用來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電功率。電動(dòng)機(jī)將電功率反向轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)車輪并且推進(jìn)車輛的機(jī)械功率。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常需要更少的維護(hù)，并因此具有更低的壽命周期成本。然而存在與這種機(jī)械相關(guān)聯(lián)的其它缺陷，這些缺陷需要關(guān)注以便提供最優(yōu)化的機(jī)械操作。例如只要從地面施加應(yīng)力(引起加速)來(lái)直接生成施加至引擎的負(fù)載，那么在傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)的車輛上的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)固有地穩(wěn)定。因此，隨著車輛加速，負(fù)載可以穩(wěn)定地增加。然而電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以包括添加自由度的中間加載狀態(tài)、電氣系統(tǒng)。這一添加的自由度將斷開(kāi)在地面與引擎之間的機(jī)械連接、因此使系統(tǒng)更不穩(wěn)定。例如可以用步進(jìn)式的方式而不是與引擎驅(qū)動(dòng)的機(jī)械通常經(jīng)歷的更平緩的方式來(lái)增加交流發(fā)電機(jī)上的負(fù)載并且因此增加主要功率源。所需功率的這樣突然 增加是更不容易適應(yīng)的，并且在一些情況下可能使主要功率源或者交流發(fā)電機(jī)滯后或者忽略功率需求，或者確切的說(shuō)出故障。尤其在非?；蛘弋惓５尿?qū)動(dòng)狀態(tài)、諸如車輛的驟然啟動(dòng)和停止之下，交流發(fā)電機(jī)的功率滯后問(wèn)題可能變得明顯。通過(guò)所公開(kāi)的原理的方面來(lái)解決本領(lǐng)域的該情況中的這一以及其它缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本公開(kāi)內(nèi)容在一個(gè)方面中描述一種電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括用于驅(qū)動(dòng)至少部分由激勵(lì)電壓控制的電功率交流發(fā)電機(jī)的、燃料驅(qū)動(dòng)的原動(dòng)機(jī)。電功率交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生具有電壓特性和電流特性的在DC鏈路上可用的電功率。一種用于管理交流發(fā)電機(jī)的響應(yīng)的方法包括確定DC鏈路的電壓和操作者的扭矩命令。該扭矩命令用來(lái)推導(dǎo)正被命令的機(jī)械功率?；谒茖?dǎo)的機(jī)械功率確定DC鏈路的期望電壓，以及通過(guò)使用閉環(huán)控制器基于DC鏈路的期望電壓而提供激勵(lì)電壓命令信號(hào)?；诩?lì)電壓命令信號(hào)向電功率交流發(fā)電機(jī)施加實(shí)際激勵(lì)電壓。在另一方面中,本公開(kāi)內(nèi)容描述一種用于管理在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)的功率生成響應(yīng)的控制器。該電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括用于驅(qū)動(dòng)至少部分由激勵(lì)電壓控制的電功率交流發(fā)電機(jī)的、燃料驅(qū)動(dòng)的原動(dòng)機(jī)。電功率交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生具有電壓特性和電流特性的在DC鏈路上可用的電功率。該控制器包括計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上的計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令。這些計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令包括用于確定DC鏈路的電壓的指令和用于確定電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的操作者的扭矩命令的指令。在操作期間執(zhí)行用于基于扭矩命令推導(dǎo)正被命令的機(jī)械功率的指令和用于基于所推導(dǎo)的機(jī)械功率確定DC鏈路的期望電壓的指令。在操作期間執(zhí)行用于通過(guò)使用閉環(huán)控制器基于DC鏈路的期望電壓而提供激勵(lì)電壓命令信號(hào)的指令和用于基于激勵(lì)電壓命令信號(hào)向電功率交流發(fā)電機(jī)施加實(shí)際激勵(lì)電壓的指令。在又一方面中，公開(kāi)內(nèi)容描述一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，該計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上具有用于管理電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)的功率生成響應(yīng)的計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令。該電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括用于驅(qū)動(dòng)至少部分由激勵(lì)電壓控制的電功率交流發(fā)電機(jī)的、燃料驅(qū)動(dòng)的原動(dòng)機(jī)。電功率交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生具有電壓特性和電流特性的在DC鏈路上可用的電功率。一種控制器包括在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上的計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令。這些計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令包括用于確定DC鏈路的電壓的指令和用于確定電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的操作者的扭矩命令的指令。這些計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令還包括用于基于扭矩命令推導(dǎo)正被命令的機(jī)械功率的指令和用于基于所推導(dǎo)的機(jī)械功率確定DC鏈路的期望電壓的指令。在控制器中也包括用于通過(guò)使用閉環(huán)控制器基于DC鏈路的期望電壓而提供激勵(lì)電壓命令信號(hào)的指令和用于基于激勵(lì)電壓命令信號(hào)向電功率交流發(fā)電機(jī)施加實(shí)際激勵(lì)電壓的指令。


圖1A和IB分別是根據(jù)公開(kāi)內(nèi)容的機(jī)械的前視圖和側(cè)視圖。圖2是根據(jù)公開(kāi)內(nèi)容的用于機(jī)械的直接串聯(lián)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的框圖表示。圖3是其中可以處置公開(kāi)的原理的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的另一框圖表示。圖4是用于在圖3中所示驅(qū)動(dòng)和減速系統(tǒng)中使用的功率電路的簡(jiǎn)化電路圖。圖5是根據(jù)公開(kāi)內(nèi)容的用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電子控制器的框圖。圖6是用于根據(jù)公開(kāi)內(nèi)容的功率管理控制器的框圖。圖7是根據(jù)公開(kāi)內(nèi)容的超前補(bǔ)償器的框圖。圖8是根據(jù)公開(kāi)內(nèi)容的比例/積分控制器的框圖。圖9是用于根據(jù)公開(kāi)內(nèi)容的方法的流程圖。圖10是根據(jù)公開(kāi)內(nèi)容的電子控制器的一個(gè)可替代實(shí)施例的框圖。
具體實(shí)施例方式本公開(kāi)內(nèi)容涉及用于管理直接串聯(lián)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的功率的系統(tǒng)和方法，該直接串聯(lián)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)諸如可以在非公路卡車或者其它重型機(jī)械中使用。圖1A和圖1B分別圖示機(jī)械100的前視圖和側(cè)視圖。機(jī)械100具有直接串聯(lián)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。機(jī)械100的一個(gè)示例是諸如用于建造、采礦或者采石的非公路卡車101。在下面描述中，這一示例圖示了可以在具有直接串聯(lián)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械上使用的各種布置。如可以理解的，具有混合驅(qū)動(dòng)、僅電動(dòng)或者直接串聯(lián)電驅(qū)動(dòng)布置的任何其它車輛可以從這里描述的優(yōu)點(diǎn)而受益。術(shù)語(yǔ)“機(jī)械”因此用來(lái)廣義地描述具有至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的任何機(jī)械，該驅(qū)動(dòng)輪由連接到該輪的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。由引擎或者其它原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)或者另一功率生成設(shè)備可以機(jī)載地生成電功率。可替換地，可以存儲(chǔ)但并非機(jī)載地生成電功率。在圖1A中示出非公路卡車101的前視圖，并且在圖1B中示出側(cè)視圖。非公路卡車101包括支撐操作者的駕駛室104和鏟斗106的底盤102。鏟斗106樞軸地連接到底盤102并且被布置用于在非公路卡車101工作時(shí)攜帶有效負(fù)載。占用操作者駕駛室104的操作者可以控制非公路卡車101的運(yùn)動(dòng)和各種功能。底盤102支持各種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組件。這些驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組件能夠驅(qū)動(dòng)一組驅(qū)動(dòng)輪108以推進(jìn)非公路卡車101。一組空轉(zhuǎn)輪110可以轉(zhuǎn)向使得非公路卡車101可以在任何方向上移動(dòng)。盡管非公路卡車101包括具有用于運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力輪和用于轉(zhuǎn)向的可轉(zhuǎn)向輪的剛性底盤，但是可以理解可以使用其它機(jī)械配置。例如這樣的配置可以包括具有一個(gè)或者多個(gè)從動(dòng)輪的鉸接底盤。非公路卡車101具有直接串聯(lián)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該直接串聯(lián)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在這一實(shí)例中指代使用多于一個(gè)功率的源或者形式以對(duì)驅(qū)動(dòng)輪108進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。在圖2中示出用于機(jī)械100 (例如非公路卡車101)的直接串聯(lián)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的框圖。在框圖中，當(dāng)推進(jìn)機(jī)械時(shí)在系統(tǒng)中的功率流動(dòng)方向由實(shí)線箭頭表示。反言之，在虛線箭頭中示出在減速模式期間的功率流動(dòng)。直接串聯(lián)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括在輸出軸(未示出)處產(chǎn)生輸出扭矩的引擎202，例如，諸如柴油引擎的內(nèi)燃機(jī)。引擎202的輸出軸連接到交流發(fā)電機(jī)204。在操作中，引擎202的輸出軸旋轉(zhuǎn)交流發(fā)電機(jī)204的轉(zhuǎn)子以產(chǎn)生例如以交流電(AC)功率形式的電功率。向整流器206供應(yīng)這一電功率并且將該電功率轉(zhuǎn)換成直流(DC)功率。整流的DC功率可以由逆變器電路208再次轉(zhuǎn)換成AC功率。逆變器電路208可以能夠有選擇地調(diào)整它的輸出的頻率和/或脈沖寬度，從而連接到逆變器電路208的輸出的電動(dòng)機(jī)210可以以可變速度而操作。電動(dòng)機(jī)210可以經(jīng)由最終部件(未示出)或者直接連接到機(jī)械100的驅(qū)動(dòng)輪212。當(dāng)推進(jìn)非公路卡車101時(shí)，引擎202生成轉(zhuǎn)換成電功率的機(jī)械功率，該電功率由各種電氣組件調(diào)控。在圖示的實(shí)施例中，在機(jī)柜114(圖1A)內(nèi)容納這樣的組件。機(jī)柜114設(shè)置于與操作者駕駛室104相鄰的平臺(tái)上并且可以包括整流器206 (圖2)、逆變器電路208 (圖2)和/或其它組件。當(dāng)非公路卡車101將降低速度或者將以別的方式使它的運(yùn)動(dòng)減速時(shí)，例如當(dāng)機(jī)械沿著斜坡向下行駛時(shí)防止機(jī)械加速，將它的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能。這一所生成的電功率的有效布置允許非公路卡車101的有效減速。具體而言，當(dāng)機(jī)械100減速時(shí)，將機(jī)械100的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成使電動(dòng)機(jī)210旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)功率，其作用為電氣交流發(fā)電機(jī)。由電動(dòng)機(jī)210生成的電功率具有AC波形。由于逆變器電路208是橋式逆變器，所以由電動(dòng)機(jī)210供應(yīng)的功率由逆變器電路208整流成DC功率。電動(dòng)機(jī)210生成的DC功率的耗散在驅(qū)動(dòng)輪108產(chǎn)生反旋轉(zhuǎn)扭矩以使機(jī)械降低速度。可以通過(guò)經(jīng)過(guò)電阻傳遞由逆變器電路208整流的所生成的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)這一 DC功率的耗散。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，減速器布置213可以包括下文更具體描述的第一電阻器網(wǎng)214，該第一電阻器網(wǎng)被布置為經(jīng)由開(kāi)關(guān)216從逆變器電路208接收電流。當(dāng)閉合開(kāi)關(guān)216時(shí)，與由電動(dòng)機(jī)210生成的電流對(duì)應(yīng)的電功率可以經(jīng)過(guò)第一電阻器網(wǎng)214傳遞并且耗散為熱。此外，過(guò)量的電功率在它經(jīng)過(guò)被布置用于經(jīng)由斬波器電路220接收電功率的第二電阻器網(wǎng)218時(shí)也耗散為熱。斬波器電路220操作為有選擇地發(fā)送經(jīng)過(guò)第二電阻器網(wǎng)218所形成的電功率的部分。下文更具體描述用于驅(qū)動(dòng)和減速系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例。圖3和圖4中示出了作為用于機(jī)械100的一個(gè)示例的非公路卡車101的直接串聯(lián)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的框圖。在這些視圖中，為了簡(jiǎn)化，由相同的附圖標(biāo)記來(lái)表示先前描述的元件。另外，圖4的框圖包括具有可以在圖3中所示的功能塊中包括的組件示例的一個(gè)具體實(shí)施例。因此，當(dāng)考慮后續(xù)描述時(shí)應(yīng)當(dāng)一起參照?qǐng)D3和圖4中所示的框圖。如圖所示，引擎202經(jīng)由輸出驅(qū)動(dòng)軸304連接到交流發(fā)電機(jī)204(圖3中所示)。即使示出了與輸出驅(qū)動(dòng)軸304的直接連接，但是其它驅(qū)動(dòng)組件、諸如傳動(dòng)或者其它齒輪布置可以用來(lái)將引擎202的輸出耦合到交流發(fā)電機(jī)204。交流發(fā)電機(jī)204可以是任何適當(dāng)類型的交流發(fā)電機(jī)或者在功率生成領(lǐng)域中已知的交流發(fā)電機(jī)。在一個(gè)實(shí)施例中，交流發(fā)電機(jī)204是具有無(wú)刷繞線轉(zhuǎn)子的三相交流電(AC)同步交流發(fā)電機(jī)。交流發(fā)電機(jī)204具有用于生成的交流電的三相中的每一相的輸出301,而每個(gè)輸出具有連接到該輸出的相應(yīng)的電流互感器306。交流發(fā)電機(jī)204(圖3中所示)的轉(zhuǎn)子包括連接到旋轉(zhuǎn)激勵(lì)器電樞302A的旋轉(zhuǎn)整流器302。旋轉(zhuǎn)激勵(lì)器電樞302A由激勵(lì)繞組303產(chǎn)生的激勵(lì)場(chǎng)來(lái)激勵(lì)。因此，在激勵(lì)繞組303的輸入處應(yīng)用激勵(lì)信號(hào)而產(chǎn)生激勵(lì)場(chǎng)以激活交流發(fā)電機(jī)場(chǎng)305。反過(guò)來(lái)，交流發(fā)電機(jī)305產(chǎn)生在交流發(fā)電機(jī)204的電樞307的三條引線處可用的輸出。在圖示的實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)整流器302包括連接到旋轉(zhuǎn)二極管302B的陣列的旋轉(zhuǎn)激勵(lì)器電樞302A。交流發(fā)電機(jī)204的三個(gè)電流輸出連接到整流器206，這三個(gè)電流輸出共同視為交流發(fā)電機(jī)204的輸出。如果旋轉(zhuǎn)二極管302B的陣列中的一個(gè)出故障，則需要更大的電流以形成給定的電壓。因此，當(dāng)這樣的故障出現(xiàn)時(shí)直接串聯(lián)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)往往更低效率地操作。整流器206將交流發(fā)電機(jī)204供應(yīng)的AC功率轉(zhuǎn)換成DC功率?？梢允褂萌魏晤愋偷恼髌?06。在所示例子中，整流器206包括繞著交流發(fā)電機(jī)204的輸出的每一相在二極管對(duì)中布置的六個(gè)功率二極管310 (在圖4中最好地示出)。每個(gè)二極管對(duì)包括彼此串聯(lián)連接的兩個(gè)功率二極管310而在每對(duì)之間具有與交流發(fā)電機(jī)204的每個(gè)相控輸出的連接。三對(duì)功率二極管310彼此并聯(lián)連接并且操作為跨越DC聯(lián)接或者DC鏈路312形成電壓。這一DC鏈路電壓在DC鏈路312的第一軌和第二軌可用。在操作期間,第一軌通常在第一電壓，并且第二軌通常在第二電壓。第一和第二電壓中的任一電壓可以是零。在操作期間，由整流器206和/或逆變器電路208跨越DC鏈路312的第一和第二軌形成電壓。一個(gè)或者多個(gè)電容器320可以跨越DC鏈路312與一個(gè)或者多個(gè)電阻器321并聯(lián)連接以平滑跨越DC鏈路312的第一和第二軌的電壓V。如圖3中所示，DC鏈路312表現(xiàn)可以由電壓互感器314測(cè)量的DC鏈路電壓V和可以由電流互感器316測(cè)量的電流A。逆變器電路208與整流器206并聯(lián)連接并且操作為將DC電壓V轉(zhuǎn)換成在這一示例中驅(qū)動(dòng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)210 (圖3)的變頻正弦或者非正弦AC功率。任何已知逆變器可以用于逆變器電路208的布置。在圖4中所示示例中，逆變器電路208包括在晶體管對(duì)中布置并且被配置用于向每個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)210供應(yīng)3相AC輸出的絕緣柵雙極晶體管(IGBT) 324的三個(gè)相陣列。逆變器電路208可以通過(guò)控制AC輸出的頻率和/或脈沖寬度來(lái)控制電動(dòng)機(jī)210的速度。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)210可以直接連接到驅(qū)動(dòng)輪108或者可以向最終驅(qū)動(dòng)提供能量，這些最終驅(qū)動(dòng)對(duì)驅(qū)動(dòng)輪212提供能量。最終驅(qū)動(dòng)如已知那樣操作用于減少旋轉(zhuǎn)速率并且增加在每個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)210與每組驅(qū)動(dòng)輪212之間的扭矩。在可替代的實(shí)施例中，不需要引擎202和交流發(fā)電機(jī)204來(lái)供應(yīng)對(duì)于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)210進(jìn)行驅(qū)動(dòng)而必需的功率。而是這種可替代的實(shí)施例使用另一功率源、諸如電池或者與帶電軌或者電纜的接觸。在一些實(shí)施例中，一種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)210可以用來(lái)向機(jī)械的所有驅(qū)動(dòng)輪提供能量，而在其它實(shí)施例中，任何數(shù)目的驅(qū)動(dòng)輪可以用來(lái)向包括連接到機(jī)械的所有輪的任何數(shù)目的驅(qū)動(dòng)輪提供能量?，F(xiàn)在回顧圖3和圖4的框圖，當(dāng)機(jī)械100在也稱為電減速的電動(dòng)制動(dòng)模式中操作時(shí)，從交流發(fā)電機(jī)204向DC鏈路312供應(yīng)更少功率。由于機(jī)械在某一非零速度行駛，所以由于機(jī)械100的動(dòng)能所致的驅(qū)動(dòng)輪108的旋轉(zhuǎn)將向驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)210供應(yīng)功率。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)210在這一模式中通過(guò)產(chǎn)生AC電功率來(lái)作用為交流發(fā)電機(jī)。這一電功率的消耗或者處置將消耗功并且作用于對(duì)驅(qū)動(dòng)輪108施加反旋轉(zhuǎn)，使它們降低它們的旋轉(zhuǎn)速度、因此對(duì)機(jī)械減速?？梢酝ㄟ^(guò)逆變器電路208將生成的AC電功率轉(zhuǎn)換成DC電功率用于例如以熱的形式最終消耗或者處置。在一個(gè)圖示的實(shí)施例中，減速器布置213消耗在減速期間生成的這樣的電功率。減速器布置213可以包括將操作在機(jī)械的減速期間的耗散電功率的任何適當(dāng)布置。在圖4中所示的示例實(shí)施例中，減速器布置213包括被布置為在固定速率耗散電功率的第一電阻器網(wǎng)214。減速器布置213也包括通過(guò)使用脈寬調(diào)制器(PWM)或者斬波器電路220在可選擇地可變速率向其供應(yīng)DC電流的第二電阻器網(wǎng)218。以這種方式，第二電阻器網(wǎng)218在可變速率耗散電能。當(dāng)機(jī)械100將在減速模式中操作時(shí)，第一電阻器網(wǎng)214連接在DC鏈路312的第一和第二軌之間，從而可以經(jīng)過(guò)它傳遞電流。然而當(dāng)推進(jìn)機(jī)械100時(shí)，通過(guò)兩個(gè)接觸器或者雙極自動(dòng)開(kāi)關(guān)(BAS) 216將第一電阻器網(wǎng)214與DC鏈路312電隔離。每個(gè)BAS 216可以包括由致動(dòng)機(jī)構(gòu)閉合的成對(duì)電氣觸點(diǎn)，該致動(dòng)機(jī)構(gòu)例如是產(chǎn)生將電氣觸點(diǎn)吸引到閉合位置的磁力的螺線管(未示出)或者線圈。BAS 216可以包括可以允許這些項(xiàng)目在高電壓環(huán)境中反復(fù)地操作的適當(dāng)電氣屏蔽和消火花的特征。當(dāng)機(jī)械100啟動(dòng)減速時(shí)，期望在相對(duì)短的時(shí)期內(nèi)閉合兩個(gè)BAS216，從而將第一電阻器網(wǎng)214放置于在第一和第二 DC軌之間的電路中以迅速開(kāi)始能量消耗。成對(duì)的BAS 216的同時(shí)致動(dòng)或者在大約相同時(shí)間、諸如在數(shù)微秒內(nèi)致動(dòng)也可以有利地避免將第一電阻器網(wǎng)214和其它電路元件充電到在DC鏈路312的軌處呈現(xiàn)的電壓。成對(duì)BAS 216也防止將每個(gè)BAS 216或者系統(tǒng)中的其它組件暴露于大電壓差(跨越DC鏈路312的電壓差)而持續(xù)延長(zhǎng)的時(shí)段。二極管334可以與第一電阻器網(wǎng)214并聯(lián)設(shè)置以減少跨越BAS 216的電弧，該BAS在推進(jìn)操作模式期間也將第一電阻器網(wǎng)214與DC鏈路312電隔離。當(dāng)機(jī)械100減速時(shí)，通過(guò)第一電阻器網(wǎng)214可以產(chǎn)生大量的熱。當(dāng)這種能量轉(zhuǎn)換成熱時(shí)，必須從第一電阻器網(wǎng)214去除以避免過(guò)熱狀態(tài)。出于這一原因，由電動(dòng)機(jī)336驅(qū)動(dòng)的鼓風(fēng)機(jī)338操作為對(duì)流地冷卻第一電阻器網(wǎng)214。存在可用于生成用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)336的功率的多個(gè)不同可替代方案。在這一實(shí)施例中，DC/AC逆變器340被布置為從跨越第一電阻器網(wǎng)214的一部分的經(jīng)電壓調(diào)節(jié)的位置汲取功率。DC/AC逆變器340可以在減速期間當(dāng)向第一電阻器網(wǎng)214施加電壓時(shí)有利地將來(lái)自DC鏈路312的DC功率轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)336的3相AC功率。在圖示的實(shí)施例中，BAS 216未被布置為調(diào)制經(jīng)過(guò)第一電阻器網(wǎng)214耗散的能量數(shù)量。然而在減速期間，機(jī)械100可以具有不同能量耗散要求。這是因?yàn)椋渌马?xiàng)之外，應(yīng)當(dāng)控制DC鏈路312中的電壓V在預(yù)定范圍內(nèi)。為了滿足這樣的耗散要求，第二電阻器網(wǎng)218可以在通過(guò)斬波器電路220的動(dòng)作在減速期間暴露于受控電流。斬波器電路220可以具有將允許向第二電阻器網(wǎng)218供應(yīng)的電流的調(diào)制的任何適當(dāng)配置。在這一實(shí)施例中，斬波器電路220包括晶體管342的布置，該晶體管342的布置可以當(dāng)對(duì)其致動(dòng)時(shí)根據(jù)期望的頻率和/或持續(xù)時(shí)間調(diào)制傳送至第二電阻器網(wǎng)218電流。這控制第二電阻器網(wǎng)218在減速期間耗散的能量數(shù)量。斬波器電路220還可以包括布置在DC鏈路312的第一和第二軌之間并且調(diào)節(jié)輸入至斬波器電路220的電壓的電容器344。切換式二極管346可以連接于第二電阻器網(wǎng)218與DC鏈路312之間以防范DC電路312中的短路狀態(tài)并且提供可以例如在維修期間去激活DC鏈路的設(shè)備。經(jīng)過(guò)第二電阻器網(wǎng)218的電流通道也將生成熱從而需要冷卻第二電阻器網(wǎng)218。在這一實(shí)施例中，第一和第二電阻器網(wǎng)214和218可以均位于鼓風(fēng)機(jī)機(jī)殼116內(nèi)(也在圖1A和圖2中示出)用于當(dāng)電動(dòng)機(jī)336和鼓風(fēng)機(jī)338使用時(shí)的對(duì)流冷卻。圖4中所示用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)施例包括為了完整而討論的其它組件。這些組件是可選的、但是這里被示出，因?yàn)樗鼈兇龠M(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的平滑和高效操作。在這一示例實(shí)施例中，泄漏檢測(cè)器348連接在兩個(gè)電阻器321之間，與電容器359串聯(lián)連接到DC鏈路312的第一和第二軌。泄漏檢測(cè)器348檢測(cè)從DC鏈路312的第一和第二軌中的任一軌到地面的任何電流泄漏。另外，在一個(gè)實(shí)施例中，第一電壓指示器350可以跨越DC鏈路312的第一和第二軌連接于電阻器352之間。可以將第一電壓指示器350設(shè)置于整流器206與減速器布置213之間，從而可以檢測(cè)高電壓狀態(tài)。以相似方式，第二電壓指示器354可以跨越DC鏈路312的第一和第二軌連接于電阻器356之間。可以將第二電壓指示器354設(shè)置于連接到驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)210和逆變器電路208的連接節(jié)點(diǎn)353之間以檢測(cè)在例如其中DC鏈路312不連續(xù)的母線破裂期間出現(xiàn)的電壓狀態(tài)以便診斷逆變器電路208是否操作。在圖5中示出用于在電驅(qū)動(dòng)機(jī)械的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中使用的電子控制器的框圖。電子控制器可以是單個(gè)控制器或者可以包括多于一個(gè)的被設(shè)置用于控制機(jī)械的各種功能和/或特征的控制器。例如與用來(lái)控制引擎202的電動(dòng)機(jī)或者引擎控制器相配合地實(shí)施的用來(lái)控制機(jī)械的整個(gè)操作和功能的主控制器。在這一實(shí)施例中，術(shù)語(yǔ)“控制器”意味著包括可以與機(jī)械100相關(guān)聯(lián)并且可以在控制機(jī)械100 (圖1)的各種功能和操作時(shí)操作的一個(gè)、兩個(gè)或者更多控制器。盡管僅出于圖示的目的而在圖5中在概念上示出包括各種分立功能的控制器的功能，但可以在硬件和/或軟件中實(shí)施控制器的功能而不考慮所示的分立功能。因而，相對(duì)于圖3的框圖中所示驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組件而描述的控制器的各種接口。這樣的接口并非旨在于限制連接的組件的類型和數(shù)目、也未限制描述的控制器的數(shù)目。應(yīng)當(dāng)理解的是這里討論的控制器是或者包括從計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)讀取計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令并且執(zhí)行那些指令的計(jì)算設(shè)備、例如處理器。通過(guò)計(jì)算機(jī)而可讀的媒質(zhì)包括有形的或無(wú)形的媒質(zhì)。前者的示例包括磁盤、光盤、閃存、RAM、R0M、帶、卡等。后者的示例包括聲信號(hào)、電信號(hào)、AM和FM波等。如在所附權(quán)利要求中使用的，除非在權(quán)利要求中以別的方式具體指出，則術(shù)語(yǔ)“計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)”僅表示通過(guò)計(jì)算機(jī)可讀的有形的介質(zhì)。在圖5中，可以是電子控制器的控制器500被設(shè)置用于接收在節(jié)點(diǎn)502提供的電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)指示在DC鏈路312(圖3)呈現(xiàn)的瞬時(shí)DC電壓。例如電壓互感器314測(cè)量這一個(gè)值。以相似方式，控制器500接收在第二節(jié)點(diǎn)504處提供的扭矩命令信號(hào)，該信號(hào)指示由機(jī)械的操作者命令的扭矩。扭矩命令信號(hào)可以由操作者移位的加速器踏板或者杠桿直接或者間接生成。在可替代的實(shí)施例中，扭矩命令信號(hào)可以由機(jī)械的相同或者另一控制器、例如速度調(diào)節(jié)器來(lái)生成。在一個(gè)實(shí)施例中，機(jī)械100 (圖1A)可以包括測(cè)量每個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度的傳感器。例如電動(dòng)機(jī)210(圖3)可以各自具有與電動(dòng)機(jī)集成或者以別的方式與電動(dòng)機(jī)相關(guān)聯(lián)的速度傳感器(未不出)。每個(gè)速度傳感器可以被布置為測(cè)量每個(gè)電動(dòng)機(jī)210的旋轉(zhuǎn)速度并且經(jīng)由在速度傳感器與電子控制器500之間的適當(dāng)連接使這樣的信息可用于電子控制器500。因此，電子控制器500分別在第三和第四節(jié)點(diǎn)506和508接收第一和第二電動(dòng)機(jī)速度信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，第一和第二電動(dòng)機(jī)速度信號(hào)指不機(jī)械的兩個(gè)電子驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)中的每個(gè)電子驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。在具有少于或者多于兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的可替代實(shí)施例中，電子控制器可以被布置為接收用于系統(tǒng)的每個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的相應(yīng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)速度信號(hào)。電子控制器500還接收指示引擎的操作參數(shù)的信號(hào)。例如電子控制器在第五節(jié)點(diǎn)510接收引擎速度(RPM)，該RPM指示引擎的旋轉(zhuǎn)速度。電子控制器500可以從引擎或者連接到引擎的單獨(dú)控制器(未示出)接收其它信息。這樣的其它引擎參數(shù)可以包括在第六節(jié)點(diǎn)512至引擎的注入極的實(shí)際燃料命令、在第七節(jié)點(diǎn)514在引擎的吸入歧管中的升壓壓力或者氣壓以及其它參數(shù)。
電子控制器500也可以接收指示與其它機(jī)械系統(tǒng)的操作或者與機(jī)械的操作環(huán)境有關(guān)的其它參數(shù)的信號(hào)。這樣的信號(hào)包括在第八節(jié)點(diǎn)516的節(jié)流閥位置。節(jié)流閥位置信號(hào)可以是指示操作者的如下控件的位置以及位置改變速率的信號(hào)，該控件用來(lái)設(shè)置機(jī)械的加速狀態(tài)。在第九節(jié)點(diǎn)518的齒輪位置攜帶指示機(jī)械的齒輪系統(tǒng)的狀態(tài)的信號(hào)。這樣的齒輪系統(tǒng)可以例如用來(lái)設(shè)置機(jī)械的行駛方向、調(diào)整在機(jī)械的一個(gè)或者多個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)與輪之間的扭矩、操作連接到機(jī)械的器具的電動(dòng)機(jī)等。最后，電子控制器500可以接收指示機(jī)械的操作環(huán)境的其它輸入，諸如在第十節(jié)點(diǎn)520的氣壓壓力、在第i^一節(jié)點(diǎn)522的環(huán)境溫度等。電子控制器500連接到機(jī)械并且操作為控制機(jī)械的各種組件和系統(tǒng)的操作。在一個(gè)實(shí)施例中，電子控制器500連接到操作驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)210(圖3)的逆變器電路208。電子控制器500被布置為例如通過(guò)在操作期間調(diào)整激勵(lì)電壓以控制在DC鏈路312的電壓、通過(guò)經(jīng)由第一輸出節(jié)點(diǎn)524向交流發(fā)電機(jī)204發(fā)送適當(dāng)功率生成控制命令信號(hào)來(lái)控制系統(tǒng)的功率生成?？梢赃m當(dāng)?shù)叵拗坪托拚β噬煽刂泼钚盘?hào)以表示直接串聯(lián)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以在任何給定的穩(wěn)態(tài)狀態(tài)或者瞬態(tài)操作境況之下傳遞的最大允許增量或者一般為功率生成改變速率。下文描述了通過(guò)電子控制器500限制和修正生成控制命令信號(hào)的方法。電子控制器500能夠執(zhí)行如下控制算法，這些控制算法通過(guò)運(yùn)用各種補(bǔ)償方案來(lái)提供功率生成輸出的、例如在DC鏈路312(圖3)的電壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)、該各種補(bǔ)償方案諸如具有超前補(bǔ)償?shù)谋壤?積分(PD控制、控制器增益參數(shù)的非線性增益調(diào)度以及其它被配置用于提供魯棒和快速閉環(huán)響應(yīng)的補(bǔ)償方案。從廣義觀點(diǎn)來(lái)看，當(dāng)命令機(jī)械的操作的改變時(shí)電子控制器500可以根據(jù)預(yù)測(cè)磁場(chǎng)的狀態(tài)考慮交流發(fā)電機(jī)的狀態(tài)，同樣地電子控制器可以根據(jù)通過(guò)減少功率生成系統(tǒng)的響應(yīng)的滯后以維持系統(tǒng)中的穩(wěn)定性的方式基于負(fù)載改變指示能夠前攝地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功率生成的改變來(lái)考慮交流發(fā)電機(jī)的操作狀態(tài)。同時(shí)，當(dāng)引擎經(jīng)歷瞬時(shí)狀態(tài)改變時(shí)電子控制器也可以能夠預(yù)測(cè)引擎的功率傳送改變速率，并且電子控制器能夠應(yīng)對(duì)或者對(duì)如下操作狀態(tài)作出反應(yīng)，這些操作狀態(tài)旨在將引擎置于速度不足狀態(tài)下，例如，如當(dāng)全負(fù)載的機(jī)械從完全停止開(kāi)始上升陡的斜坡時(shí)將發(fā)生的在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的負(fù)載增加突然發(fā)生的操作狀態(tài)。為了解決這樣的狀態(tài)，需要通過(guò)調(diào)整激勵(lì)信號(hào)對(duì)交流發(fā)電機(jī)的功率的同時(shí)改變。如果未有效解決這樣的狀態(tài)，可能出現(xiàn)功率供應(yīng)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)消耗的失配，這可能導(dǎo)致在操作期間DC鏈路的電壓降或者DC鏈路的電流急劇增加。在本公開(kāi)內(nèi)容的實(shí)施例中，功率生成的前攝控制用來(lái)確保生成足夠的功率以適應(yīng)功率消耗的改變?？梢匀〈蛘吒郊佑谄渌β使芾砘蛘吖β噬珊拖钠胶夥椒▉?lái)實(shí)施這樣的功率生成的前攝控制。例如一種先前提出的控制設(shè)備和方法通過(guò)調(diào)整向驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)命令的扭矩來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的功率消耗的改變。在2010年3月18日公布為公開(kāi)號(hào)US 2010-0066277 Al的，名稱為“Load Demandand Power Generation Balancing in Direct Series Electric Drive System，，的第12/210,896號(hào)共同未決美國(guó)專利申請(qǐng)中進(jìn)一步具體描述了一種這樣的先前提出的解決方案，并且通過(guò)完全引用將該專利申請(qǐng)的內(nèi)容結(jié)合于此。在這一先前提出的解決方案中，系統(tǒng)的功率消耗、即向電動(dòng)機(jī)命令的扭矩受功率生成系統(tǒng)的能力限制以改變它的輸出。在本公開(kāi)內(nèi)容中，功率生成系統(tǒng)的前攝控制允許可以附加于或者取代負(fù)載消耗管理技術(shù)使用的功率生成系統(tǒng)的更快響應(yīng)。在附加于功率消耗管理技術(shù)、諸如在前述申請(qǐng)中描述的功率消耗管理技術(shù)使用時(shí)，可以在各種操作狀態(tài)之下最小化或者甚至避免扭矩命令的限制。下文相對(duì)于示例實(shí)施例描述電子控制器500的這些和其它功能。圖6呈現(xiàn)用于電子控制器600的一個(gè)實(shí)施例，該電子控制器圖示為在電子控制器600中包括的各種功能算法的框圖。電子控制器600包括如下子例程，這些子例程可以通過(guò)實(shí)施各種補(bǔ)償方案、諸如具有超前補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)PI控制器、控制器增益參數(shù)的非線性增益調(diào)度和其它技術(shù)來(lái)響應(yīng)于系統(tǒng)的負(fù)載消耗而向機(jī)械100 (圖1A)的功率生成系統(tǒng)施加預(yù)測(cè)控制。這里描述的技術(shù)提供魯棒、快速和穩(wěn)定的系統(tǒng)響應(yīng)。更具體而言，電子控制器600包括計(jì)算在期望的DC鏈路電壓值Vdes 606與實(shí)際的DC鏈路電壓值Vact 502(圖5)之間的電壓誤差值Verr 604的求和結(jié)點(diǎn)602。期望電壓值Vdes 606可以是基于各種參數(shù)、例如負(fù)載或者扭矩命令計(jì)算的值，或者可以是基于機(jī)械的操作狀態(tài)而確定的值。電壓誤差值Verr 604指示出為了滿足系統(tǒng)的需求而在DC鏈路中需要的電壓的改變。在圖示的實(shí)施例中，通過(guò)適當(dāng)?shù)孛畎l(fā)電機(jī)的激勵(lì)電壓的改變來(lái)促進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)定性。交流發(fā)電機(jī)的激勵(lì)電壓的這樣的改變被布置為提供DC鏈路中的所需的電壓改變，而交流發(fā)電機(jī)的激勵(lì)電壓的改變?nèi)匀灰宰钚』蛘弑苊馀ぞ叵拗频姆绞奖３衷谙到y(tǒng)中的各種參數(shù)的可接受改變速率內(nèi)。因而，對(duì)用于補(bǔ)償系統(tǒng)中的慣性延遲的超前補(bǔ)償器功能607提供了誤差值Verr 604。下文相對(duì)于圖7更詳細(xì)地描述超前補(bǔ)償器功能。向被配置為提供激勵(lì)電壓命令612的閉環(huán)控制器、例如比例/積分(PI)控制器610提供由超前補(bǔ)償器功能607提供的補(bǔ)償?shù)恼`差值608。下文相對(duì)于圖8更詳細(xì)地描述PI控制器610。通過(guò)使用公開(kāi)的配置，DC鏈路電壓將響應(yīng)于激勵(lì)電壓命令612的改變而改變，從而在操作期間最小化誤差Verr 604。在圖7中示出超前補(bǔ)償功能607的一個(gè)實(shí)施例的框圖。如圖所示，超前補(bǔ)償功能607接收電壓誤差Verr 604作為對(duì)乘法器結(jié)點(diǎn)702的輸入。可以是恒定或可變參數(shù)的電壓誤差增益704與電壓誤差Verr 604相乘以提供縮放的誤差值706。完成以這一方式對(duì)誤差值的縮放以確保在后續(xù)計(jì)算中使用誤差的恰當(dāng)?shù)膯挝缓土恐??？s放的誤差值706 —般可以視為交流發(fā)電機(jī)的輸出電壓必須被改變的程度。交流發(fā)電機(jī)或者DC鏈路電壓通過(guò)與例如在激勵(lì)繞組303 (圖3)向交流發(fā)電機(jī)提供的激勵(lì)電壓的量值的對(duì)應(yīng)改變而被改變。以這種方式，可以將交流發(fā)電機(jī)對(duì)改變的激勵(lì)電壓的響應(yīng)分析成為以激勵(lì)電壓為輸入并且DC鏈路電壓為輸出的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。如與任何動(dòng)態(tài)系統(tǒng)一樣，交流發(fā)電機(jī)輸出對(duì)改變的激勵(lì)電壓輸入的響應(yīng)的合理的傳遞函數(shù)將在其繪制于復(fù)平面上時(shí)具有零點(diǎn)和極點(diǎn)。因此，通過(guò)理解系統(tǒng)的響應(yīng)的穩(wěn)定區(qū)域，不考慮輸入波動(dòng)濾波器可以用來(lái)確保穩(wěn)定的系統(tǒng)響應(yīng)。因此，除了提供其它功能之外，超前補(bǔ)償功能還可以操作為濾波器。更具體而言，向求和結(jié)點(diǎn)708提供縮放的誤差值706。也向極坐標(biāo)變換710提供縮放的誤差值706，該極坐標(biāo)變換的結(jié)果在乘法器714與零增益712相乘。在714的乘法的結(jié)果代表在結(jié)點(diǎn)708從縮放的誤差值706減去的零補(bǔ)償項(xiàng)716。在縮放的誤差值706與零補(bǔ)償項(xiàng)716之間的差值在718再次變換成極坐標(biāo)并且在乘法器722與極增益720相乘。這一乘法的結(jié)果是極補(bǔ)償項(xiàng)724。在以循環(huán)方式進(jìn)行計(jì)算的電子控制器的一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式中，極補(bǔ)償項(xiàng)724對(duì)應(yīng)于縮放的誤差值706的緊接的先前值。向積分器濾波器726提供求和結(jié)點(diǎn)708的結(jié)果，該結(jié)果代表基于系統(tǒng)極點(diǎn)和零點(diǎn)的補(bǔ)償?shù)恼`差值。積分器濾波器726提供補(bǔ)償?shù)恼`差值608 (也在圖6中示出)作為它的輸出。如先前討論的那樣，向PI控制器610提供補(bǔ)償?shù)恼`差值608。在圖8中示出了 PI控制器610的一個(gè)可能實(shí)現(xiàn)方式的框圖。參照?qǐng)D8，雖然示出典型PI控制器610，但是可以使用其它控制算法。為了促進(jìn)在寬操作狀態(tài)范圍內(nèi)的系統(tǒng)穩(wěn)定性，PI控制器610包括增益調(diào)度。PI控制器610的控制輸入是補(bǔ)償?shù)恼`差值608，該補(bǔ)償?shù)恼`差值驅(qū)動(dòng)激勵(lì)電壓命令612作為輸出。以這一方式，確定補(bǔ)償?shù)恼`差值608的、實(shí)際和期望的DC鏈路電壓Vdes 606和Vact 502的改變直接確定激勵(lì)電壓命令612的改變，該激勵(lì)電壓命令的改變?nèi)缦惹懊枋龅哪菢哟_定由交流發(fā)電機(jī)向DC鏈路提供的實(shí)際電壓Vact 502。如圖所示，PI控制器610包括在基于補(bǔ)償?shù)恼`差值608與激勵(lì)電壓命令612之間的差值確定電壓誤差差值732的求和結(jié)點(diǎn)730。換而言之，PI控制器610是如下閉環(huán)控制器，該閉環(huán)控制器使用它的輸出、激勵(lì)電壓命令612作為反饋。對(duì)比例項(xiàng)計(jì)算734以及對(duì)積分項(xiàng)計(jì)算736單獨(dú)提供電壓誤差差值732。比例項(xiàng)計(jì)算734包括將電壓誤差差值732與比例增益740基本相乘以提供比例項(xiàng)742的比例功能738。雖然比例增益740可以是常數(shù)，但是也可以根據(jù)增益調(diào)度動(dòng)態(tài)確定它。可以使用任何適當(dāng)?shù)臋C(jī)械參數(shù)作為用于根據(jù)增益調(diào)度確定比例增益的基礎(chǔ)，從而可以提高PI控制器610的響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定性。在圖示的實(shí)施例中，使用電壓誤差差值732作為向在所示實(shí)施例中為非線性函數(shù)的增益調(diào)度確定器的輸入。例如對(duì)于電壓誤差差值732的大數(shù)值可以增加比例增益，而對(duì)于小數(shù)值可以減少比例增益，從而可以提高系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)。增益調(diào)度確定器可以操作為單維方程、查找表、基于模型的算法等等。與比例項(xiàng)計(jì)算734相似,積分項(xiàng)計(jì)算736包括計(jì)算如下值的積分函數(shù)744,該值指示電壓誤差差值732的改變速率。通過(guò)積分增益746來(lái)縮放電壓誤差差值732的改變速率。提供縮放的積分值作為積分項(xiàng)748。雖然積分增益746可以是常數(shù)，其也可以根據(jù)增益調(diào)度而動(dòng)態(tài)地確定。可以使用任何適當(dāng)機(jī)械參數(shù)作為用于根據(jù)增益調(diào)度確定積分增益的基礎(chǔ)，從而可以提高PI控制器610的響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定性。在圖示的實(shí)施例中，使用電壓誤差差值732作為增益調(diào)度確定器的輸入。例如對(duì)于電壓誤差差值732的大數(shù)值可以減少積分增益，并且對(duì)于小數(shù)值可以增加積分增益，從而可以提高系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)。增益調(diào)度確定器可以操作為單維方程、查找表、基于模型的算法等。在求和結(jié)點(diǎn)750將比例和積分項(xiàng)742和748相加以產(chǎn)生控制信號(hào)752。在過(guò)程函數(shù)754中轉(zhuǎn)換控制器信號(hào)752以變成激勵(lì)電壓命令612。過(guò)程函數(shù)754可以包括用于將控制信號(hào)754適當(dāng)?shù)馗袷交扇缦轮档膯挝缓推渌D(zhuǎn)換，該值適合于命令激勵(lì)電壓的改變。例如過(guò)程函數(shù)754可以將由控制信號(hào)752提供的另外的連續(xù)的值轉(zhuǎn)換成諸如形式為脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)的離散值。另外，過(guò)程函數(shù)754可以包括用于激勵(lì)電壓命令612的最大和最小值限定器，這些限定器被配置為將輸出維持于可以固定或者可變的預(yù)定范圍內(nèi)。工業(yè)實(shí)用件從前文的討論應(yīng)當(dāng)容易理解如這里描述的用于功率管理的方法和系統(tǒng)的工業(yè)實(shí)用性。本公開(kāi)內(nèi)容適用于許多機(jī)械和許多環(huán)境。與公開(kāi)內(nèi)容相適的一個(gè)示例機(jī)械是非公路卡車。在礦井、建造點(diǎn)和采石場(chǎng)中普遍使用示例非公路卡車。使用這些非公路卡車的實(shí)體經(jīng)常承受來(lái)自未操作在峰值效率操作的非公路卡車的大量金錢損失。非公路卡車、具體為適于使用電動(dòng)、混合或者直接串聯(lián)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的非公路卡車受到突然負(fù)載改變，并且可能經(jīng)常難以適應(yīng)這樣的負(fù)載改變。因此，一種可以提高速度和準(zhǔn)確性的方法和系統(tǒng)可以顯著地增加操作效率，其中利用該速度和準(zhǔn)確性機(jī)械對(duì)可變功率需求做出響應(yīng)。另外，以上描述的方法和系統(tǒng)可以適應(yīng)于大量多種機(jī)械和任務(wù)。例如其它類型的工業(yè)機(jī)械、比如諸如反鏟裝載機(jī)、夯土機(jī)、伐木歸堆聯(lián)合機(jī)、森林機(jī)械、工業(yè)裝載機(jī)、滑移裝載機(jī)、輪式裝載機(jī)和許多其它機(jī)械可以從描述的方法和系統(tǒng)受益。在一個(gè)可替代的實(shí)施例中，可以通過(guò)針對(duì)各種參數(shù)的動(dòng)態(tài)傾斜速率限制器的添加來(lái)擴(kuò)充交流發(fā)電機(jī)的功率輸出的主動(dòng)控制，這些限制器可以被定制為與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組件、諸如電氣電動(dòng)機(jī)、交流發(fā)電機(jī)等的物理特性匹配?？梢匀〈蛘哂欣馗郊佑谶@里描述的主動(dòng)控制器來(lái)使用下文描述的限制器和/或其它相似的限制器。因而，在圖10中示出除了已經(jīng)描述的功能之外還可以在電子控制器500(圖5)內(nèi)發(fā)現(xiàn)的功能的部分框圖。在圖示的實(shí)施例中，電子控制器500包括用以動(dòng)態(tài)地限制在操作期間各種參數(shù)的改變速率的附加功能。更具體而言，扭矩命令504在乘法器802與電動(dòng)機(jī)速度、例如第一電動(dòng)機(jī)速度506相乘。可替代地，可以使用第二或者任何其它電動(dòng)機(jī)的速度。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器可以使用機(jī)械上的所有驅(qū)動(dòng)或者其它電動(dòng)機(jī)的平均速度。向動(dòng)態(tài)速率限制器806提供乘積804，該乘積代表基于一個(gè)或者多個(gè)電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前速度的歸一化扭矩命令。動(dòng)態(tài)速率限制器806可以是在操作期間控制或限制參數(shù)的改變速率的任何適當(dāng)函數(shù)或者操作。例如限制器806可以是基于導(dǎo)數(shù)的計(jì)算、濾波器或者任何其它適當(dāng)類型的函數(shù)，該函數(shù)避免參數(shù)信號(hào)中的超過(guò)預(yù)定最小或者最大量值的峰或者谷。在圖示的實(shí)施例中，限制器806可以包括如下比較器，該比較器比較當(dāng)前與先前值并且基于預(yù)定閾值界定該差值。限制器806的輸出808是一般指示功率的經(jīng)速率調(diào)整的參數(shù)，該參數(shù)在除法器810與電動(dòng)機(jī)速度506相除以產(chǎn)生修正的扭矩命令812。在操作期間，修正的扭矩命令812將跟蹤扭矩命令504、但是將有利地避免扭矩命令504的值的如下的過(guò)量改變，這些改變可能造成在系統(tǒng)所命令的扭矩與系統(tǒng)的瞬時(shí)扭矩能力之間的失配。可以具有與功率等效的單位的、由電動(dòng)機(jī)速度命令的扭矩的歸一化可以幫助確保在操作期間速率限制與機(jī)械的功率狀態(tài)協(xié)調(diào)。相似配置用來(lái)控制其它參數(shù)的改變速率。在圖示的實(shí)施例中，控制器500還被配置為動(dòng)態(tài)限制DC鏈路電壓參數(shù)502 (圖5)和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電功率的改變速率。因而，向控制器500提供電動(dòng)機(jī)功率814并且可選地提供電動(dòng)機(jī)效率816。電動(dòng)機(jī)功率814可以是如下值，該值指示機(jī)械的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)在任何給定的時(shí)間共同地使用的功率。電動(dòng)機(jī)效率816是如下參數(shù)，該參數(shù)指示可以基于已知系統(tǒng)響應(yīng)以及基于環(huán)境狀態(tài)、諸如環(huán)境溫度計(jì)算的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的操作效率。電動(dòng)機(jī)功率814與在除法器818與電動(dòng)機(jī)效率816相除以產(chǎn)生提供至附加速率限制器函數(shù)822的校正的功率值820，該函數(shù)產(chǎn)生速率調(diào)整的功率值824。電動(dòng)機(jī)效率816在乘法器826往回與速率調(diào)整的功率值824相乘以產(chǎn)生可以在控制器500中用于各種計(jì)算和操作的修正的電功率值828。修正的電功率值828指示電動(dòng)機(jī)的用于在操作期間消耗或者以別的方式使用電功率的物理能力的實(shí)際估計(jì)，因?yàn)樵谝粋€(gè)方面中它考慮電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的各種機(jī)械方面、諸如慣性力矩、機(jī)械有效負(fù)載、行駛等級(jí)等。也使用預(yù)計(jì)的DC鏈路電壓502作為用于修改校正的功率值820的基礎(chǔ)，因?yàn)轵?qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的電功率的最大一貫消耗者。更具體而言，校正的功率值820在除法器830除以DC鏈路電壓502以產(chǎn)生校正的DC鏈路電流值832。向產(chǎn)生速率調(diào)整的DC鏈路電流值836的又一動(dòng)態(tài)速率限制器函數(shù)834提供校正的DC鏈路電流值832。DC鏈路電壓502和電動(dòng)機(jī)效率816在乘法器838往回與速率調(diào)整的DC鏈路電流值836相乘以產(chǎn)生修正的電功率840，該修正的電功率840然后可以在控制器500的各種計(jì)算和估計(jì)中使用。以這種方式，機(jī)械的操作可以變得更穩(wěn)定，只要當(dāng)需要DC鏈路的電壓的改變時(shí)可以考慮交流發(fā)電機(jī)的操作的各種機(jī)械方面、諸如慣性、環(huán)境溫度等。一般而言，這里描述的系統(tǒng)和方法很好地適合于推進(jìn)系統(tǒng)的如下應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，施加的用于移動(dòng)機(jī)械的扭矩基于操作者請(qǐng)求、諸如節(jié)流閥輸入命令信號(hào)以及機(jī)械操作參數(shù)、諸如電動(dòng)機(jī)扭矩比對(duì)速度的曲線。在這種類型的推進(jìn)配置中，需要交流發(fā)電機(jī)功率輸出的改變。這里描述的方法提供這樣的改變，這些改變被布置用于與系統(tǒng)的功率要求匹配而又最小化先前用來(lái)使交流發(fā)電機(jī)的功率輸出與機(jī)械的最大可行功率消耗匹配的命令信號(hào)的扭矩限制。以這種方式，在機(jī)械的某些操作狀態(tài)，諸如上坡起步(其中功率改變可以很高)、等級(jí)改變(其中雖然功率可以保持恒定，但是驅(qū)動(dòng)電壓可以隨著電動(dòng)機(jī)速度改變))以及其它操作狀態(tài)期間最小化負(fù)載與功率供應(yīng)的失配。因而，在圖9中示出用于控制用于機(jī)械的混合推進(jìn)系統(tǒng)的功率響應(yīng)的方法的一個(gè)實(shí)施例的流程圖。該方法被配置為通過(guò)減少在固有功率生成系統(tǒng)響應(yīng)與負(fù)載消耗改變之間產(chǎn)生的差距來(lái)提高功率生成系統(tǒng)的響應(yīng)。以削減負(fù)載消耗以與功率生成能力實(shí)時(shí)匹配為目標(biāo)，該方法可以與先前提出的方法結(jié)合使用或者取代先前提出的方法。更具體而言，該方法包括在902向電子控制器提供指示各種操作參數(shù)的信號(hào)。在902提供的操作參數(shù)可以包括各種機(jī)械和推進(jìn)參數(shù)、諸如扭矩命令信號(hào)、在交流發(fā)電機(jī)的輸出的實(shí)際電壓等。電子控制器在904處理各種操作參數(shù)并且在906提供在交流發(fā)電機(jī)的輸出的期望電壓。在906確定的期望電壓依賴于負(fù)載命令、引擎或者交流發(fā)電機(jī)的操作狀態(tài)和/或其它參數(shù)。在908將在906確定的所需電壓與在交流發(fā)電機(jī)的輸出的實(shí)際電壓進(jìn)行比較。在910對(duì)實(shí)際和所需電壓是否匹配進(jìn)行確定。當(dāng)實(shí)際電壓與所需電壓基本上匹配時(shí)，該過(guò)程重復(fù)在902開(kāi)始。當(dāng)實(shí)際和所需電壓未匹配時(shí)，該方法前進(jìn)在912，其中確定為了達(dá)到所需電壓而需要的實(shí)際電壓改變程度。例如在圖示的實(shí)施例中通過(guò)計(jì)算在期望的與實(shí)際電壓值Vdes和Vact之間的差值(見(jiàn)圖6)并且通過(guò)當(dāng)差值為非零時(shí)執(zhí)行后續(xù)操作來(lái)進(jìn)行這一確定。在914向超前補(bǔ)償器提供在912確定的電壓差。超前補(bǔ)償器914可以可選地在916過(guò)濾電壓差值信號(hào)和/或在918將信號(hào)積分預(yù)定時(shí)段，以及在920對(duì)相關(guān)機(jī)械系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的極點(diǎn)和零點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償。在922從超前補(bǔ)償器提供補(bǔ)償?shù)碾妷翰钪怠Ｑa(bǔ)償?shù)碾妷翰钪荡碓谙到y(tǒng)的交流發(fā)電機(jī)的輸出的期望電壓改變的命令信號(hào)，并且在924將補(bǔ)償?shù)碾妷翰钐峁┙o比例/積分(PI)控制器。PI控制器可以可選地包括在926的非線性增益調(diào)度和在928的傳遞函數(shù)。PI控制器提供電壓命令信號(hào)930、諸如用于交流發(fā)電機(jī)的激勵(lì)電壓的電壓改變命令。整個(gè)過(guò)程然后重復(fù)在902開(kāi)始。在一個(gè)實(shí)施例中，在公開(kāi)的方法的各種步驟中使用的各種參數(shù)可以是如先前描述的速率調(diào)整的或者以別的方式修正的參數(shù)。將要理解的是，前文描述提供了公開(kāi)的系統(tǒng)和技術(shù)的示例。然而應(yīng)當(dāng)設(shè)想公開(kāi)內(nèi)容的其它實(shí)現(xiàn)方式可以在細(xì)節(jié)上不同于前述示例。對(duì)公開(kāi)內(nèi)容或者其示例的所有引用旨在于引用在那一點(diǎn)討論的具體示例，而并非旨在于更一般地暗示公開(kāi)內(nèi)容的范圍的任何限制。關(guān)于某些特征的所有褒貶語(yǔ)言旨在于指示缺乏針對(duì)那些特征的偏好、但是除非另有明示則不能從公開(kāi)內(nèi)容的范圍完全排除這樣的特征。這里的值范圍的敘述除非這里另有明示則僅旨在于用作為個(gè)別地引用落入范圍內(nèi)的每個(gè)單獨(dú)值的速記方法，并且將每個(gè)單獨(dú)的值結(jié)合至說(shuō)明書(shū)中如同這里個(gè)別地記載它。除非這里另有明示或者按照上下文另外清楚地有矛盾，則可以按照任何適當(dāng)順序執(zhí)行這里描述的所有方法。因而，本公開(kāi)內(nèi)容如適用法律允許的那樣包括在所附權(quán)利要求中記載的主題內(nèi)容的所有修改和等效物。另外，除非這里另有明示或者按照上下文另外清楚地有矛盾，則公開(kāi)內(nèi)容涵蓋上文描述的要素在其所有可能變化中的任何組合。
權(quán)利要求
1.一種管理電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)的功率生成響應(yīng)的方法，所述電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括用于驅(qū)動(dòng)至少部分由激勵(lì)電壓控制的電功率交流發(fā)電機(jī)(204)的燃料驅(qū)動(dòng)的原動(dòng)機(jī)(202)，所述電功率交流發(fā)電機(jī)(204)產(chǎn)生具有電壓特性和電流特性的在dc鏈路(312)上可用的電功率，所述方法包括: 確定所述dc鏈路(312)的電壓(502)； 確定所述電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的操作者的扭矩命令(504)； 基于所述扭矩命令(504)推導(dǎo)正被命令的機(jī)械功率； 基于所述推導(dǎo)的機(jī)械功率確定所述dc鏈路(312)的期望電壓￠06)； 通過(guò)使用閉環(huán)控制器(500)基于所述dc鏈路(312)的所述期望電壓(606)而提供激勵(lì)電壓命令￠12)信號(hào)；以及 基于所述激勵(lì)電壓命令(612)信號(hào)向所述電功率交流發(fā)電機(jī)(204)施加實(shí)際激勵(lì)電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管理功率生成響應(yīng)的方法，其中確定所述dc鏈路(312)的所述期望電壓包括從表取回?cái)?shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管理功率生成響應(yīng)的方法，其中所述閉環(huán)控制系統(tǒng)是比例/積分(PI)控制器(610)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的管理功率生成響應(yīng)的方法，還包括基于所述dc鏈路(312)的所述期望電壓(732)調(diào)度比例增益(540)和積分增益(746)中的至少一個(gè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管理功率生成響應(yīng)的方法，還包括通過(guò)使用至少一個(gè)動(dòng)態(tài)速率限制器函數(shù)(834)確定用于所述扭矩命令(504)、所述dc鏈路(312)的所述電壓和所述機(jī)械功率中的至少一項(xiàng)的修正的參數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的管理功率生成響應(yīng)的方法，還包括根據(jù)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)(734)和零點(diǎn)(736)中的至少一項(xiàng)補(bǔ)償差值以提供所補(bǔ)償?shù)牟钪?，所述傳遞函數(shù)代表所述交流發(fā)電機(jī)(204)的時(shí)間響應(yīng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的管理功率生成響應(yīng)的方法，其中所述閉環(huán)控制器(500)是比例/積分控制器(610)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的管理功率生成響應(yīng)的方法，其中向提供所述激勵(lì)電壓命令(612)信號(hào)的所述比例/積分控制器￠10)提供所補(bǔ)償?shù)牟钪怠?br> 9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管理功率生成響應(yīng)的方法，其中在機(jī)械(100)上使用所述方法。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管理功率生成響應(yīng)的方法，其中在與機(jī)械(100)相關(guān)聯(lián)的控制器(500)中實(shí)施所述方法，所述控制器(500)包括計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上具有用于管理電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)的功率生成響應(yīng)的計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令，所述電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括用于驅(qū)動(dòng)至少部分由激勵(lì)電壓控制的電功率交流發(fā)電機(jī)(204)的燃料驅(qū)動(dòng)的原動(dòng)機(jī)(202)，所述電功率交流發(fā)電機(jī)(204)產(chǎn)生具有電壓特性和電流特性的在dc鏈路(312)上可用的電功率，控制器(500)包括在所述計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上的所述計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令。
全文摘要
公開(kāi)一種電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括用于驅(qū)動(dòng)至少部分由激勵(lì)電壓控制的電功率交流發(fā)電機(jī)(204)的燃料驅(qū)動(dòng)的原動(dòng)機(jī)(202)。電功率交流發(fā)電機(jī)(204)產(chǎn)生具有電壓特性和電流特性的在dc鏈路(312)上可用的電功率。一種用于管理交流發(fā)電機(jī)(204)的響應(yīng)的方法包括確定dc鏈路(312)的電壓(502)和操作者的扭矩命令(504)。扭矩命令(504)用來(lái)推導(dǎo)正被命令的機(jī)械功率?；谒茖?dǎo)的機(jī)械功率確定dc鏈路(312)的期望電壓(606)，并且通過(guò)使用閉環(huán)控制器(500)基于dc鏈路(312)的期望電壓而提供激勵(lì)電壓命令(612)信號(hào)?；诩?lì)電壓命令(612)信號(hào)向電功率交流發(fā)電機(jī)(204)施加實(shí)際激勵(lì)電壓。
文檔編號(hào)H02P9/14GK103155405SQ201180049083
公開(kāi)日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2011年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月7日
發(fā)明者M·亨德里克松, B·貝利, S·雷迪 申請(qǐng)人:卡特彼勒公司