DE69519293T2

DE69519293T2 - Vektorsteuerungkreis für den motorregler eines elektrofahrzeugsantriebssystems

Info

Publication number: DE69519293T2
Application number: DE69519293T
Authority: DE
Inventors: B. Lansberry; L. Munro
Original assignee: SatCon Technology Corp
Current assignee: SatCon Technology Corp
Priority date: 1994-06-10
Filing date: 1995-06-01
Publication date: 2001-04-12
Anticipated expiration: 2015-06-02
Also published as: US5627758A; CN1154679A; EP0764090B1; TW267273B; WO1995034439A1; DE69519293D1; ATE197269T1; CN1050097C; MY130600A; EP0764090A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vektorsteuerkreis. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Vektorsteuerkreis für einen Motorregler eines elektrischen Fahrzeugantriebssystems. Während die Erfindung einen breiten Anwendungsbereich besitzt eignet sie sich insbesondere zur Verwendung in elektrischen Fahrzeugen, die Batterien oder eine Kombination von Batterien und anderen Quellen, z. B. eine Wärmemaschine, die mit einem Wechselstromgenerator gekoppelt ist, als Energiequelle verwenden, und sie wird insbesondere in diesem Zusammenhang beschrieben.

Beschreibung des verwandten Sachstandes

Damit ein elektrisches Fahrzeug kommerziell umsetzbar ist, sollten dessen Kosten und Betriebsverhalten mit denjenigen von ihren mit Benzin betriebenen Entsprechungen konkurrenzfähig sein. Typischerweise ist das Antriebssystem des Fahrzeugs und die Batterie die Hauptfaktoren, die zu der Konkurrenzfähigkeit des Fahrzeugs hinsichtlich der Kosten und seines Betriebsverhaltens beitragen.
Um eine kommerzielle Akzeptanz zu erreichen sollte ein elektrisches Fahrzeugantriebssystems im allgemeinen die folgenden Merkmale bereitstellen: (1) ein Fahrzeugbetriebsverhalten, welches äquivalent zu typischen mit Benzin betriebenen Antriebssystemen ist; (2) eine sanfte Steuerung des Fahrzeugantriebs; (3) ein regeneratives Bremsen; (4) einen hohen Wirkungsgrad; (5) niedrige Kosten; (6) eine Selbstkühlung; (7) eine Beständigkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen (EMI); (8) eine Fehlererfassung und einen Selbstschutz; (9) einen Selbsttest und eine Diagnosemöglichkeit; (10) Steuerungs- und Statusschnittstellen mit externen Systemen; (11) Bate-Betrieb und Wartung; (12) eine flexible Batterielademöglichkeit; und (13) eine Hilfsenergie von 12 Volt von der Hauptbatterie. In der herkömmlichen Praxis bestand jedoch der Entwurf eines Antriebssystems für ein elektrisches Fahrzeug hauptsächlich aus der Anpassung eines Motors und eines Reglers mit einem Satz von Fahrzeugbetriebsverhalten-Zielrichtungen, so dass ein Betriebsverhalten oft beeinträchtigt wurde, um einen praktischen Motor- und Reglerentwurf zu ermöglichen. Ferner wurden die voranstehenden Merkmale, die eine kommerzielle Akzeptanz verbessern, wenig beachtet.
Zum Beispiel bestand ein typisches herkömmliches Antriebssystem für ein elektrisches Fahrzeug aus einem DC Motor, einem Motorregler des Zerhacker-Typs, einem unabhängigen Batterieladegerät, und einem verteilten Satz von Steuerungen von Statusindikatoren. Das Fahrzeugbetriebsverhalten war allgemein für das Fahren auf einer Autobahn ungeeignet, die Beschleunigung war ungleichmäßig und manuelle Gangwechsel wurden benötigt. Zusätzlich war ein regeneratives Bremsen entweder nicht verfügbar oder bestenfalls bei hohen Motorgeschwindigkeiten verfügbar. Ferner hatte jede Systemkomponente ihr eigenes Kühlsystem, welches Pressluft oder eine Kombination von Pressluft und einer Flüssigkeitskühlung verwendete. Ferner wurden in einer umfassenden Weise die Fragen hinsichtlich der Massenproduktionskosten, EMI, Fehlererfassung, Wartung, Steuerungs- und Status-Schnittstellen, und Sicherheit nicht berücksichtigt.
Ein auf einem Mikrocomputer gestütztes Steuersystem für ein Antriebssystem mit einer Synchronmaschine mit einem inneren Permanentmagneten, die über einen Umrichter gespeist wird, ist in den IEEE Transactions of Industrial Electronics, Vol. 35, No. 4, November 1988, Seiten 547-559, XP 000052092, Bose. B. K. et al., A microcomputer-based control and simulation of an advanced IPM synchronous machine drive system for electric verhicle propulsion' offenbart. Dieses Steuersystem beinhaltet einen Mikroregler und zwei digitale Signalprozessoren, wobei die letzteren beiden dafür ausgelegt sind, um Maschinenstromsignale zu sammeln bzw. Referenzstromwellen zuzuführen. Diagnose- und Testfunktionen werden von jedem Mikrocomputer einzeln behandelt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Demzufolge ist die vorliegende Erfindung auf einen Vektorsteuerkreis für einen Motorregler eines elektrischen Fahrzeugantriebssystems gerichtet, der im wesentlichen ein oder mehrere der Probleme wegen der Beschränkungen und Nachteile des verwandten Sachstands beseitigt.
Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in der Beschreibung aufgeführt, die folgt, und ergeben sich teilweise aus der Beschreibung oder können durch Umsetzung der Erfindung in der Praxis erlernt werden. Die Aufgaben und andere Vorteile der Erfindung werden durch das Verfahren und die Vorrichtung realisiert und gelöst, die insbesondere in der geschriebenen Beschreibung und den Ansprüchen davon, sowie in den beigefügten Zeichnungen, aufgeführt sind.
Um diese und andere Vorteile zu lösen und gemäß dem Zweck der Erfindung, wie umgesetzt und kurz beschrieben, stellt die Erfindung einen Vektorsteuerkreis für einen Motorregler eines elektrischen Fahrzeugantriebssystems bereit, enthaltend einen Mikroregler zum Generieren von Drehmomentanforderungen, einen Digitalsignalprozessor zum Empfangen der Drehmomentanforderungen von dem Mikroregler und zum Generieren von Phasenspannungssignalen in Übereinstimmung mit den Drehmomentanforderungen von dem Mikroregler und zum Generieren von Phasenspannungssignalen in Übereinstimmung mit den Drehmomentanforderungen, und ein digitales Gatterfeld zum Empfangen der Phasenspannungssignale von dem Digitalsignalprozessor und zum Generieren von Gattertreibersignalen aus den Phasenspannungssignalen, worin der Mikroregler ausgelegt ist, dass er die Steuerung des digitalen Gatterfelds umgeht, um eine Generierung der Gatterantriebssignale aus den Phasenspannungssignalen, die von dem Digitalsignalprozessor stammen, zu verhindern.
Es sei darauf hingewiesen, dass sowohl die vorangehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende ausführliche Beschreibung beispielhaft und erläuternd sind und dafür vorgesehen sind, eine weitere Erläuterung der Erfindung, so wie sie beansprucht wird, bereitzustellen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die beiliegenden Zeichnungen, die zur Bereitstellung eines besseren Verständnisses der Erfindung eingeschlossen sind und in diese Beschreibung eingebaut sind und einen Teil davon bilden, illustrieren eine gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform der Erfindung und dienen, zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines elektrischen Fahrzeugantriebssystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 ein Energieverteilungsdiagramm des elektrischen Fahrzeugantriebssystems der Fig. 1;
Fig. 3 ein Funktionsdiagramm des elektrischen Fahrzeugantriebssystems nach Fig. 1;
Fig. 4 ein Funktionsdiagramm des Motorreglers des elektrischen Fahrzeugantriebssystems der Fig. 1;
Fig. 5 ein Kühldiagramm des elektrischen Fahrzeugantriebssystems der Fig. 1;
Fig. 6A ein schematisches Diagramm des Motors des elektrischen Fahrzeugantriebssystems der Fig. 1;
Fig. 6B ein schematisches Diagramm des Drehmelders des elektrischen Fahrzeugantriebssystems nach Fig. 1;
Fig. 7 ein schematisches Diagramm des Vektorsteuerungskreises des Motorreglers nach Figur
Fig. 8 ein Funktionsdiagramm des Digitalsignalprozessors des Vektorsteuerungskreises der Fig. 7;
Fig. 9 ein Funktionsdiagramm des automatischen Flussreglers des Digitalsignalprozessors der Fig. 8; und
Fig. 10 ein Funktionsdiagramm des digitalen Gatterfelds des Vektorsteuerungskreises der Fig. 7.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Nun wird eingehend auf die gegenwärtige bevorzugte Ausführungsform der Erfindung Bezug genommen, wobei ein Beispiel davon in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist ein elektrisches Fahrzeugantriebssystem 10 vorgesehen, enthaltend eine Systemsteuereinheit 12, einen Motoraufbau 24, ein Kühlsystem 32, eine Batterie 40 und einen DC/DC Wandler 38. Die Systemsteuereinheit 12 umfasst eine Kaltplatte 14, ein Batterieladegerät 16, einen Motorregler 18, ein Energieverteilungsmodul 20 und einen Chassis-Regler 22. Der Motoraufbau 24 umfasst einen Drehmelder 26, einen Motor 28, und einen Filter 30. Das Kühlsystem 32 umfasst eine Ölpumpeneinheit 34 und einen Abstrahler/ein Gebläse 36.
Wie in Fig. 2 gezeigt dient die Batterie 40 als die Primärenergiequelle für das elektrische Antriebssystem 10. Die Batterie 40 umfasst zum Beispiel eine abgeschlossene Bleisäurebatterie, eine monopolare Liziummetallsulfid- Batterie, eine bipolare Liziummetallsulfid-Batterie oder dergleichen, um einen Ausgang mit 320 Volt bereitzustellen. Vorzugsweise arbeitet das elektrische Antriebssystem 10 über einen weiten Spannungsbereich, z. B. 120 Volt bis 400 Volt, um Änderungen in der Ausgangsspannung der Batterie 40 aufgrund der Last und der Tiefe einer Entladung aufzunehmen. Jedoch ist das elektrische Fahrzeugantriebssystem 10 vorzugsweise für nominelle Batteriespannungen von ungefähr 320 Volt optimiert.
Das Energieverteilungsmodul 20 ist mit dem Ausgang der Batterie 40 gekoppelt und umfasst unter anderem Sicherungen, Verdrahtungen und Verbinder zum Verteilen des 320 Volt Ausgangs von der Batterie 40 an verschiedene Komponenten des elektrischen Fahrzeugantriebssystems 10. Zum Beispiel verteilt das Energieverteilungsmodul 20 den 320 Volt Ausgang von der Batterie 40 an den Motorregler 18, den DC/DC Wandler 38, die Ölpumpeneinheit 34 und das Batterieladegerät 16. Das Energieverteilungsmodul 20 verteilt den 320 Volt Ausgang von der Batterie 40 an verschiedenes Fahrzeugzubehör, das extern zu dem elektrischen Fahrzeugantriebssystem ist. Dieses Fahrzeugzubehör umfasst zum Beispiel ein Klimaanlagensystem, ein Heizsystem, ein Servolenkungssystem und irgendwelches andere Zubehör, das eine 320 Volt Energiezuführung benötigen kann.
Der DC/DC Wandler 38, der wie voranstehend beschrieben mit dem 320 Volt Ausgang des Energieverteilungsmoduls 20 gekoppelt ist, wandelt den 320 Volt Ausgang des Energieverteilungsmoduls 20 in 12 Volt um. Der DC/DC Wandler 38 liefert dann seinen Ausgang mit 12 Volt als Betriebsenergie an das Batterieladegerät 16, den Motorregler 18, den Chassis-Regler 22, die Ölpumpe 34 und den Abstrahler/das Gebläse 36. Der DC/DC Wandler 38 liefert auch seinen 12 Volt Ausgang als Betriebsenergie an verschiedenes Fahrzeugzubehör, welches zu dem elektrischen Fahrzeugantriebssystem 10 extern ist. Dieses Fahrzeugzubehör umfasst zum Beispiel eine Fahrzeugbeleuchtung, ein Audiosystem und irgendwelches anderes Zubehör, welches eine 12 Volt Energieversorgung benötigen kann. Es sei darauf hingewiesen, dass der DC/DC Wandler 38 die Notwendigkeit einer getrennten 12 Volt Speicherbatterie beseitigt.
Wie in Fig. 6A gezeigt ist der Motor 28 ein dreiphasiger Wechselstrom-(AC)-Induktionsmotor mit zwei identischen elektrisch isolierten Wicklungen pro Phase (Wicklungen A1 und A2 sind für die "A" Phase, Wicklungen B1 und B2 sind für die "B" Phase, und Wicklungen C1 und C2 sind für die "C" Phase), um bei einer Null-Geschwindigkeit ein hohes Drehmoment zu erzeugen, um ein Betriebsverhalten bereitzustellen, welches mit herkömmlichen mit Gas betriebenen Maschinen vergleichbar ist. Die Welle (nicht gezeigt) des Motors 28 ist mit der Fahrzeugkardanwelle (nicht gezeigt) gekoppelt. Vorzugsweise sind die zwei Wicklungen in jeder Phase des Motors 28 im wesentlichen aufeinander ausgerichtet und sind elektrisch in Phase, so dass jede Wicklung ungefähr die Hälfte der Gesamtenergie der Phase bereitstellt. Ferner ist der Motor 28 vorzugsweise vollständig abgeschlossen und verwendet eine Sprühöl-Kühlung, um Wärme direkt von dem Läufer und den Endwicklungen zu entfernen, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen.
Nachstehend wird der Betrieb des elektrischen Fahrzeugantriebssystems 10 nun unter Bezugnahme auf die Fig. 3-5 und 7-10 beschrieben.
Wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt sind die Komponenten des elektrischen Fahrzeugantriebssystems 10 über verschiedene Datenbusse untereinander verbunden. Die Datenbusse können, wie in dem technischen Gebiet bekannt, von dem elektrischen, optischen oder elektro-optischen Typ sein.
Das Batterie-Ladegerät 16 empfängt Befehlssignale von dem Motorregler 18 und sendet Statussignale an diesen, um die Batterie 40 zu laden. Das Batterie-Ladegerät 16 stellt einen gesteuerten bzw. geregelten Batterieladestrom von einer externen Wechselstrom-Energiequelle (nicht gezeigt) bereit. Vorzugsweise wird der Wechselstrom aus der externen Quelle bei einem Energiefaktor von nahezu eins und bei einer geringen harmonischen Verzerrung in Übereinstimmung mit erwarteten zukünftigen Energiequalitätsstandards gezogen. Ferner ist das Batterie-Ladegerät 16 vorzugsweise dafür ausgelegt, um standardmäßigen Massefehler-Stromunterbrechern und einer Einzelphasenenergie, die normalerweise in Wohngebieten gefunden wird, angepasst zu sein.
Die Ölpumpeneinheit 34 und der Abstrahler/das Gebläse 36 empfangen ebenfalls Befehlssignale von dem Motorregler 18 und senden Statussignale an diesen. Wie in Fig. 5 gezeigt verwendet das elektrische Fahrzeugantriebssystem 10 ein Kühlsystem mit einer geschlossenen Schleife einschließlich der Kaltplatte 14, des Filters 30, des Motors 28, der Ölpumpeneinheit 34 und des Abstrahlers/Gebläses 36. Vorzugsweise ist die Kaltplatte 14 ein hohler Körper mit einer doppelseitigen Oberfläche, auf der das Batterie- Ladegerät 16, der Motorregler 18 und das Energieverteilungsmodul 20 in einem thermischen Kontakt angebracht sind. Es sei darauf hingewiesen, dass der DC/DC Wandler 38 auch in einem thermischen Kontakt mit der Kaltplatte 14 angebracht werden kann. Die Ölpumpeneinheit 34 zirkuliert Öl, z. B. Flugzeugturbinenöl, von dem Ölreservoir des Motors 28 über den Abstrahler/das Gebläse 36, die Kaltplatte 14, den Filter 30 und zurück durch den Motor 28, wie in Fig. 5 gezeigt. Wärme wird von dem Öl durch den Abstrahler/das Gebläse 36 entfernt und das Öl wird von dem Filter 30 gefiltert, der ein kommerziell erhältlicher Ölfilter ist, der in dem technischen Gebiet bekannt ist. Vorzugsweise wird die Ölpumpeneinheit 34 von dem Motorregler 18 gesteuert, um eine variable Rate des Ölflusses bereitzustellen. Es sei darauf hingewiesen, dass das Ölkühlsystem mit geschlossener Schleife der Fig. 5 das elektrische Fahrzeugantriebssystem 10 vor der rauhen Automobilbetriebsumgebung schützt, wodurch die Zuverlässigkeit erhöht und die Wartung verringert wird. Weil das gleiche Öl, welches zum Schmieren des Motors 28 verwendet wird, auch zum Kühlen der Systemsteuereinheit 12 verwendet wird, kann das Kühlsystem ein vereinfachtes Design aufweisen.
Der Drehmelder 26 ist in Fig. 6B dargestellt und ist in der Nähe des Motors 28 positioniert, um die Winkelposition der Motorwelle zu erfassen und um Signale, die die Winkelposition der Motorwelle anzeigen, an dem Motorregler 18 bereitzustellen. Die Referenzsignalleitung R&sub1;, die mit dem Drehmelder verbunden ist, ist für einen positiven oder negativen Referenzwert, der die Winkelposition der Motorwelle anzeigt. Die S&sub1; Signalleitung von dem Drehmelder stellt einen positiven oder negativen Kosinuswert für die Winkelposition der Motorwelle bereit und die S&sub2; Signalleitung von dem Drehmelder stellt einen positiven oder negativen Kosinuswert für die Winkelposition der Motorwelle bereit.
Der Drehmelder 26 kann einen kommerziell erhältlichen Drehmelder oder einen anderen Drehmelder enthalten, der in dem technischen Gebiet bekannt ist. Wie mit näheren Einzelheiten nachstehend erläutert wird, werden die Referenzsignale für den Drehmelder 26 von dem Motorregler 28 bereitgestellt.
Der Chassis-Regler 22 und der Motorregler 18 empfangen Signale von einem Fahrzeugkommunikationsbus. Im allgemeinen dient der Fahrzeugkommunikationsbus als ein Kommunikationspfad zur Kopplung von verschiedenen Fahrzeugsensoren und Reglern mit dem Chassis-Regler 22 und dem Motorregler 18, wie nachstehend noch mit näheren Einzelheiten erläutert wird.
Der Chassis-Regler 22 umfasst ein Mikroprozessor-gestützes digitales und analoges Elektroniksystem und stellt eine Steuerung und einen Status bereit, der mit den Sensoren des Fahrzeugs und Reglern und mit dem Motorregler 18 gekoppelt ist. Zum Beispiel ist der Chassis-Regler 22 über den Fahrzeugkommunikationsbus mit dem Fahrzeugschlüsselschalter, dem Gaspedal, der Bremse und den Antriebswählschaltern verbunden. Der Chassis-Regler 22 interpretiert Signale von diesen Schaltern, um den Motorregler 18 mit Anlass-, Fahrmodus (z. B. vorwärts, rückwärts und neutral), Motordrehmoment-, Regenerationsbrems-, Abschalt- und eingebauten Test- (BIT) Befehlen zu versehen. Vorzugsweise kommuniziert der Chassis-Regler 22 mit dem Motorregler 18 über eine opto-gekoppelte serielle Datenschnittstelle und empfängt Statussignale von dem Motorregler 18 über sämtliche der Befehle, die gesendet werden, um die Kommunikationsverbindungen zwischen dem Chassis-Regler 22, dem Fahrzeug und dem Motorregler 18 zu überprüfen und um zu überprüfen, dass das Fahrzeug richtig arbeitet. Es sei darauf hingewiesen, dass deshalb, weil der Chassis-Regler 22 die Steuerung und den Status bereitstellt, die mit den Sensoren des Fahrzeugs und den Reglern und mit dem Motorregler 18 gekoppelt sind, das elektrische Fahrzeugantriebssystem 10 zur Verwendung mit irgend einer Anzahl von verschiedenen Fahrzeugen einfach durch Modifizieren des Chassis-Reglers 23 für ein bestimmtes Fahrzeug modifiziert werden kann.
Der Chassis-Regler 22 stellt auch Batterie- Managementmöglichkeiten durch Verwendung von Signalen, die über den Fahrzeugkommunikationsbus von einem Batteriestromsensor, der in dem Energieverteilungsmodul 20 angeordnet ist, bereit. Der Chassis-Regler 22 interpretiert Signale von dem Batteriestromsensor, stellt Ladebefehle an dem Motorregler bereit und sendet einen Ladungszustandswert an ein "Kraftstoff"-Messgerät auf dem Fahrzeug- Armaturenbrett. Der Chassis-Regler 22 ist ferner über den Fahrzeugkommunikationsbus mit Fahrzeugreglern einschließlich einem Geruchsmessgerät, einem Geschwindigkeitsmessgerät, der Beleuchtung, Diagnose- und Emissionsreglern sowie mit einer RS-232 Schnittstelle für eine Systementwicklung verbunden.
Wie in Fig. 4 gezeigt umfasst der Motorregler 18 eine Niederspannungs-Energieversorgung 42, ein Eingangsfilter und eine Gleichstromrelais-Steuereinheit 44, einen Vektorsteuerungskreis 46, und erste und zweite Energiebrücken und Gatteransteuerungen 48 bzw. 50.
Die Niederspannungs-Energieversorgung 42 wandelt den 12 Volt Ausgang von dem DC/DC Wandler 38 um, um + 5 V, +/- 15 V und + 20 V Ausgänge an dem Eingangsfilter und der DC Relaissteuereinheit 44, dem Vektorsteuerungskreis 46, der ersten Energiebrücke 48 und der zweiten Energiebrücke 50 bereitzustellen. Die Niederspannungs-Energieversorgung 42 kann eine kommerziell verfügbare Energieversorgung umfassen, wie im Stand der Technik bekannt.
Die Eingangsfilter- und Gleichstromrelais-Steuereinheit 44 umfasst elektrische Verbindungen zum Koppeln des 320 Volt Ausgangs des Energieverteilungsmoduls 20 mit den ersten bzw. zweiten Energiebrücken 48 und 50. Die Eingangsfilter- und Gleichstromrelais-Steuereinheit 44 umfasst eine EMI Filterung, eine Relaisschaltung zum Trennen der Kopplung des 320 Volt Ausgangs des Energieverteilungsmoduls 20 mit den ersten und zweiten Energiebrücken 48 bzw. 50, und verschiedene BIT Schaltungen einschließlich Spannungserfassungsschaltungen und einer Chassis- Massefehlerschaltung. Vorzugsweise empfangen die Eingangsfilter- und Gleichstromrelais-Steuereinheit 44 Steuersignale von dem Vektorsteuerungskreis 46 und senden Statussignale, z. B. BIT Signale, an diese.
Wie in Fig. 7 gezeigt umfasst der Vektorsteuerungskreis 46 einen Mikroregler 100, einen Digitalsignalprozessor 200, ein digitales Gatterfeld 300, eine Drehmelder-Schnittstelle 400 und eine analoge Schnittstelle 500. Taktsignale für den Mikroregler 100, den Digitalsignalprozessor 200 und das digitale Gatterfeld 300 werden von einem Oszillator 202 bereitgestellt.
Die Drehmelder-Schnittstelle 400 umfasst einen R/D Wandler 402, einen Referenzoszillator 404, einen Multiplexer 406 und eine BIT Schaltung 408. Die Drehmelder-Schnittstelle 400 empfängt über den Multiplexer 406 Läuferpositionsmessungen in der Form der Signal S1 und S2. Der R/D Wandler 402 wandelt dann die Signale S1 und S2 in digitale Werte um. Wie voranstehend erläutert werden die Signale S1 und S2 von dem Drehmelder 26 erzeugt und zeigen die Winkelposition der Welle des Motors 28 an. Die Drehmelder-Schnittstelle 400 stellt auch Referenzsignale an dem Drehmelder 26 bereit. Insbesondere erzeugt der Referenzoszillator 404 Referenzwellenformen, die an den Drehmelder 26 als Signal R1 über den Multiplexer 406 geliefert werden. Die BIT Schaltung 408 führt BIT Operationen aus, um den Betrieb der Drehmelder- Schnittstelle 400 zu testen.
Die analoge Schnittstelle 500 umfasst einen A/D Takt, eine Vielzahl von A/D Wandlern 504a-d, eine Vielzahl von Antialiasing-Filtern 506a-d, eine Vielzahl von Stromskalierern 508a-d, einen Überstromdetektor 510 und eine BIT Schaltung 512. Die analoge Schnittstelle 500 empfängt und verarbeitet Strommessungen in der Form der Signale IA1, IC1, IA2 und IC2 von den Stromsensoren (nicht gezeigt) die sich an den ersten bzw. zweiten Energiebrücken 48 und 50 befinden. Die Stromsensoren sind vorzugsweise mit den Wicklungen A1, A2, C1, und C2 des Motors 28 gekoppelt. Die Signale IA1, IC1, IA2, und IC2 werden von den Stromskalierern 508a-d empfangen und skaliert, von den Antialiasing-Filtern 506a-d gefiltert und dann von den A/D Wandlern 504a-d in digitale Werte umgewandelt. Die Überstromdetektoren 510 erfassen Überströme in den Stromskalierern 508a-d und die BIT Schaltung 512 führt BIT Operationen aus, um den Betrieb der analogen Schnittstelle 500 zu testen.
Der Mikroregler 100 umfasst zum Beispiel einen Mikroregler, der von der Motorola 68HCl1 Familie von Mikroreglern oder anderen ähnlichen in diesem technischen Gebiet bekannten Einrichtungen gewählt ist. Als eine Hauptfunktion führt der Mikrocontroller 100 verschiedene Verwaltungsfunktionen des Vektorsteuerkreises 46 aus. Zum Beispiel kommuniziert der Mikroregler 100 mit dem Chassis-Regler 22 durch Empfangen von Strombefehlen, BIT Befehlen, Drehmomentbefehlen und Modusbefehlen von dem Chassis-Regler 22 und zum Senden von Statussignalen an diesen über einen Opto-Isolator 102. Der Mikroregler 100 kommuniziert auch mit dem Signalprozessor 200 durch Bereitstellen von Drehmomentanforderungen an dem Digitalsignalprozessor 200 über das digitale Gatterfeld 300, und kommuniziert mit dem digitalen Gatterfeld 300, um zum Beispiel verschiedene BIT und Steueroperationen auszuführen. Vorzugsweise umfasst der Mikroregler 100 eine Kombination von RAM, ROM und EEPROM zum Speichern von Programmbefehlen zum Steuern seines Betriebs.
Alternativ können einige oder sämtliche Programmbefehle in einem EPROM 112 gespeichert werden.
Der Mikroregler 100 empfängt auch analoge Eingangssignale von einer Temperatursensorschnittstelle 104, einer A/D BIT Schaltung 106 und einer Spannungsdetektorschnittstelle 108 über einen A/D Wandler 110. Der A/D Wandler 110 ist vorzugsweise Teil des Mikroreglers 100.
Die analogen Eingangssignale von der Temperatursensorschnittstelle 104 umfassen Temperatursignale, die von den Temperatursensoren (nicht gezeigt) übertragen werden, die sich auf der kalten Platte 14 in der Nähe der ersten bzw. zweiten Energiebrücken 48 und 50 befinden. Die analogen Eingangssignale von der A/D BIT Schaltung 106 umfassen Spannungstestsignale zum Testen des A/D Wandlers 110. Die analogen Eingangssignale von der Spannungsdetektorschnittstelle 108 umfassen Spannungssignale, die von Spannungsdetektoren (nicht gezeigt) übertragen werden, die in dem Eingangfilter und der DC Relaissteuerschaltung 44 angeordnet sind.
Der digitale Signalprozessor 200 umfasst zum Beispiel einen Texas Instrument TMS 320 C50 Digitalsignalprozessor oder eine andere ähnliche Einrichtung, die in dem technischen Gebiet bekannt ist. Als seine Hauptfunktion implementiert der Digitalsignalprozessor ein Drehmomentsteuerprogramm, das in einem EPROM 204 gespeichert und an ein RAM, welches sich in dem Digitalsignalprozessor 200 befindet, auf ein Einschalten des elektrischen Fahrzeugantriebssystems 10 heruntergeladen wird. Alternativ kann der Digitalsignalprozessor 200 auch vorprogrammiert werden, um das Drehmomentsteuerprogramm zu umfassen.
Insbesondere empfängt der Digitalsignalprozessor 200 die digitalisierten Läuferpositionsmessungen von der Drehmelder- Schnittstelle 400, die digitalisierten Strommessungen von der analogen Schnittstelle 500, und Drehmomentanforderungen von dem Mikroregler 100 und verwendet diese Messungen und Befehle zum Erzeugen von Phasenspannungssignalen. Wie nachstehend noch näher erläutert wird werden diese Phasenspannungssignale an das digitale Gatterfeld 300 geliefert, wodurch das digitale Gatterfeld 300 Impulsbreiten-modulierte (PWM) Spannungswellenformen in der Form von Gatteransteuersignalen erzeugt, um eine gewünschte Beschleunigung oder Bremseffekte in dem Motor 28 zu erzeugen. Die Phasenspannungssignale und somit die PWM Spannungswellenformen werden in Übereinstimmung mit dem Drehmomentsteuerprogramm erzeugt, welches dafür ausgelegt ist, zu einem angeforderten Drehmomentausgang zu führen, erzeugt. Eine Implementierung des Drehmomentsteuerprogramms von dem Digitalsignalprozessor 200 wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 8 und 9 beschrieben.
Wie in Fig. 7 gezeigt sendet der Mikroregler 100 eine Drehmomentanforderung an den Digitalsignalprozessor 200 über das digitale Gatterfeld 300. Die Drehmomentanforderung entspricht dem Drehmomentbefehl von dem Chassis-Regler 22 an dem Mikroregler 100. Jedoch kann der Betrag des Drehmoments, das von dem Chassis-Regler 22 gesendet wird, nicht mit der Drehmomentanforderung an dem DSP 200 übereinstimmen, weil der Drehmomentbetrag gegenwärtigen Bedingungen wie einer Stromtemperatur, einer Batteriezuführungs-Verfügbarkeit und einer Stromgeschwindigkeit zum Beispiel ausgesetzt ist. Diese Bedingungen werden von dem Mikroregler 100 erfasst und dieser sendet eine Drehmomentanforderung an den DSP, der die Bedingungen beinhaltet.
Der DSP 200 empfängt Information über den Strombetrag in dem Motor über die analoge Schnittstelle 500 (Fig. 7), die den Strom unter Verwendung der A/D Wandler 504a, 504b, 504c und 504d abtastet. Nur der Strom von den Phasen A und C wird benötigt. Wie in Fig. 8 gezeigt werden Ströme IA1 und IA2 von der Phase A von einem Addierer 224 addiert, um einen Strom Ia zu erzeugen und Ströme IC1 und IC2 von der Phase C werden einem Addierer 226 addiert, um Ic zu erzeugen. Ein Idq Transformator 208 transformiert Ia und Ic in eine direkte Komponente Id und eine Quadraturkomponente Iq, die kartesische Koordinaten des Statorstromanforderungs- Vektorsignals in einem sich synchron drehenden Referenzrahmen (siehe United States Patent 5,168,204 für eine ausführliche Erläuterung) darstellen.
Der DSP 100 führt ein Algorithmus in Übereinstimmung mit der Drehmomentanforderung unter Verwendung eines automatischen Flussreglers (AFC) 206 innerhalb des DSP 100 aus. Die Funktionen eines automatischen Flussreglers sind in dem United States Patent 5,168,204 von Schauder erläutert, wobei der Inhalt davon hier Teil der vorliegenden Anmeldung ist. Wie in Fig. 9 gezeigt empfängt der AFC 206 die Drehmomentanforderung und erzeugt IdRequest (Feldkomponente) und IqRequest (Drehmomentkomponente), die den geeigneten Betrag des Drehmoments und des Felds enthalten. Die Feldkomponente basiert auf den Feldern auf dem Läufer und auf dem Stator, die entgegengesetzt zueinander sind, um das Drehmoment zu erzeugen. Wenn eine maximale Spannung gerade angelegt wird und ein zusätzliches Drehmoment angefordert wird (gewöhnlicherweise tritt dies bei hohen Geschwindigkeiten auf), dann wird das Feld des Läufers verkleinert, um eine schnellere Geschwindigkeit zu ermöglichen. Wenn somit gegenwärtige Spannung, die gerade verwendet wird, hoch ist, dann kann der Läufer so gesteuert werden (Feldabschwächungssteuerung), um verringert zu werden, um eine höhere Fahrzeuggeschwindigkeit bereitzustellen. Jedoch ist in diesem Feldabschwächungsverfahren, das Drehmoment und die Beschleunigung geringer (da mehr Leistung benötigt wird, um bei höheren Geschwindigkeiten zu beschleunigen als bei niedrigen Geschwindigkeiten).
Die Spannung, die gegenwärtig gerade angelegt wird, Emod, wird von der maximalen Spannung, die verfügbar ist, EmodRef von dem Subtrahierer 254 subtrahiert. Emod wird von Spannungsvektoren Vd und Vq erhalten. Die Spannungsvektoren Vd und Vq werden aus Id und Iq von dem Idq Transformator 208 über die Transformationsfunktionen 214 und 218 erhalten. Die Vektorgröße (VectMag) von Vd und Vq wird aus der Einheit 236 bestimmt. Die Vektorgröße geht durch ein Filter 250, um die Spannung Emod zu erzeugen. Das subtrahierte Ergebnis geht durch einen proportionalen plus integralen Prozess (254, 256, 258 und 260), um IDC zu steuern, um eine Geschwindigkeit zu erhalten und zu erhöhen. Dieser Prozess wird als eine Hochgeschwindigkeits-Drehmomentregelung im Gegensatz zu einem Niedergeschwindigkeits-Drehmomentprozess bezeichnet, der verwendet wird, wenn eine ausreichende Spannung verbleibt (gewöhnlicherweise bei niedrigen Geschwindigkeiten), um das Fahrzeug mit einem maximalen Drehmoment zu beschleunigen. Der Niedergeschwindigkeits-Drehmomentprozess ist mit den Bezugszeichen 274, 276, 278, 280, 282, 284 und 286 gezeigt. Dieser Prozess gibt das Drehmoment, welches bei gegenwärtigen Bedingungen verfügbar ist (Idh), aus.
Idh und Idc werden verglichen und wenn Idc kleiner als Idh ist, d. h. wenn keine ausreichende Spannung verbleibt, dann wird das Feldabschwächungsverfahren verwendet, um die Geschwindigkeit zu erhöhen. Wenn jedoch Idc größer als Idh ist, d. h. wenn eine ausreichende Spannung verbleibt, dann wird das Feld nicht verändert und ein höheres Drehmoment und eine höhere Beschleunigung ist möglich. Beide Verfahren geben eine entsprechende IdRequest (Feldkomponente) aus und begrenzen IqRequest (Drehmomentkomponente) über 262, 264, 268, 270, 272, 292. IdRequest und IqRequest werden dann verwendet, um einen geeigneten Rutschwinkel (Lip Angle) zu erzeugen, der von dem automatischen Flussregler 206 ausgegeben wird.
Der Rutschwinkel plus die Läuferposition (222), Vd und Vq, werden einem Iac Transformator 210 eingegeben, um auf das ursprüngliche Koordinatensystem zurück umzuwandeln. Der Iac Transformator 210 gibt entsprechende Spannungsreferenzsignale Vla, V1b und V1c entsprechend zu der Drehmomentanforderung an eine Abflachungseinheit 212 aus, um die Signalamplitude zu erhöhen, bevor diese Referenzsignale an den Impulsbreitenmodulator angelegt werden.
Zusätzlich zur Implementierung des Drehmomentsteuerprogramms führt der Digitalsignalprozessor 200 auf verschiedene BTT Operationen, Steuerfunktionen und ein diagnostisches Testen aus, wie nachstehend noch näher erläutert wird. Die D/A Wandler 312 und 314 sind zum Umwandeln von digitalen diagnostischen Testdaten, die von dem digitalen Signalprozessor 200 erzeugt werden, in analoge Signale während eines diagnostischen Testens des Digitalsignalprozessors 200 und des Systems 100 durch eine externe Testeinrichtung (nicht gezeigt) vorgesehen.
Das digitale Gatterfeld 300 umfasst zum Beispiel ein feldprogrammierbares Gatterfeld oder eine andere ähnliche Einrichtung, die in dem technischen Gebiet bekannt ist. Allgemein empfängt das digitale Gatterfeld 300 die Phasenspannungssignale Va, Vb und Vc von dem Digitalsignalprozessor 200 und erzeugt PWM Spannungswellenformen in der Form von Gatteransteuersignalen A1U, A1L, B1U, B1L, C1U, C1L und Gatteransteuersignale A2U, A2L, B2U, B2L, B2U und B2L zum Ansteuern der ersten bzw. zweiten Energiebrücken 48 und 50. Das digitale Gatterfeld 300 erzeugt auch verschiedene PWM Signale (z. B. "Pumpen-PWM" und Chrgr PWM")und überträgt diese über einen Opto-Isolator- Ansteuerer 304 zum Steuern der Ölpumpeneinheit 34 und des Batterieladegeräts 16 sowie verschiedene Steuersignale (z. B. "Gebläse", "Hauptrelais", "Vorlade/Entlade-Relais" und "Chassis-Fehlertest") zum Steuern des Abstrahlers/des Gebläses 36, der Haupt- und Vorlade/Entlade-Relais (nicht gezeigt), die sich in dem Eingangsfilter und der DC Relais- Steuereinheit 44 befinden, und einer Chassis-Fehler- Erfassungseinheit, die sich ebenfalls in dem Eingangsfilter und der DC Relais-Steuereinheit 44 befindet. Ferner empfängt das digitale Gatterfeld 300 BIT Signale (z. B. "Chrgr BIT") und Fehlererfassungssignale (z. B. "Chassis-Fehler-Erfassung") über den Opto-Isolator-Ansteuerer 304 und empfängt von Betreiber initiierte Notstoppsignale (z. B. "Stopp") über den Opto-Isolator 302. Eine ausführlichere Beschreibung des digitalen Gatterfelds 300 wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 10 vorgenommen.
Wie in Fig. 10 gezeigt umfasst das digitale Gatterfeld 300 einen PWM Generator 316, einen Totzeit-Generator 318, eine Aktivierungs/Deaktivierungs-Einheit 320, Steuerlogikschaltungen 322 und 324 und eine Mikroregler-BIT- Schnittstelle 326. Wie auch in Fig. 10 gezeigt umfasst das digitale Gatterfeld 300 ferner eine Mikroregler-Schnittstelle und einen PWM Generator 328, eine Fehlereingabelogik 330 und eine Opto-Ansteuerer-BIT-Schnittstelle 332.
Die Phasenspannungssignale Va, Vb und Vc von dem Digitalsignalprozessor 200 werden von PWM Generator 316 und dem Totzeit-Generator 318 empfangen. Der PWM Generator 316 und der Totzeit-Generator 318 erzeugen PWM Spannungssignale AU, Al, BU, Bl, CU und Cl aus den Phasenspannungssignalen Va, Vb und Vc.
Jedes der PWM Signale AU, Al, BU, Bl, CU und Cl, die von dem PWM Generator 316 und dem Totzeit-Generator 318 erzeugt werden, wird in zwei identische Signale aufgespalten, was zu zwei Sätzen der PWM Signale führt. Die zwei Sätze der PWM Signale AU, Al, BU, Bl, CU und Cl werden an die Aktivierungs/Deaktivierungs-Einheit 320 und die Steuerlogikschaltungen 322 und 324 angelegt, wie in Fig. 10 gezeigt, um die Gatteransteuersignale A1U, A1L, B1U, B1L, C1U C1Lund die Gatteransteuersignale A2U A2L A2U A2L C2Uund C2Lzu erzeugen. Die Gatteransteuersignale A1U A1L B1U B1L C1Uund C1Lvon der Steuerlogikschaltung 322 werden an die erste Energiebrücke 48 über den Opto-Ansteuerer 306 angelegt, während die Gatteransteuersignale A2U A2L B2U B2L C2Uund C2L von der Steuerlogikschaltung 324 an die zweite Energiebrücke 50 über den Opto-Ansteuerer 308 angelegt werden.
Die Aktivierungs/Deaktivierungs-Einheit 320 verhindert den Fluss der PWM Signale AU, AL, BU, BL, CU und CL von dem Totzeit-Generator 318 an die Steuerlogikschaltungen 322 und 324 in Übereinstimmung mit BIT Signalen, die von dem Mikroregler 100 erzeugt werden. Die Aktivierungs/Deaktivierungs-Einheit 320 empfängt diese BIT Signale von dem Mikroregler 100 über die Mikroregler- Schnittstelle 326. Sobald der Mikroregler 100 die Aktivierungs-/Deaktivierungs-Einheit 320 veranlasst, den Fluss der PWM Signale AU, AL, BU, BL, CU und CL von dem Totzeit-Generator 318 an die Steuerlogikschaltungen 322 und 324 zu verhindern, kann der Mikroregler 100 seine eigenen Gatteransteuersignale an die Steuerlogikschaltungen 322 und 324 über die Mikroregler-BIT-Schnittstelle 326 bereitstellen. Somit kann der Mikroregler 100 eine Steuerung des digitalen Gatterfelds 300 durch den Digitalsignalprozessor 200 umgehen. Eine derartige Umgehung einer Steuerung durch den Mikroregler 100 kann wünschenswert sein, zum Beispiel wenn der Digitalsignalprozessor 200 eine Fehlfunktion ausführt und während eines BIT des Systems 10.
Die Mikroregler-Schnittstelle und der PWM Generator 328 umfassen eine PWM Generator- und Schnittstellen-Elektronik zum Empfangen von Befehlen von dem Mikroregler 100 und zum Erzeugen von PWM und Steuersignalen zum Steuern der Ölpumpeneinheit 34, des Batterieladegeräts 16, des Abstrahlers/Gebläses 36, der Haupt- und Vorlade-Entlade- Relais, und der Chassis-Fehler-Erfassungseinheit, wie voranstehend beschrieben. Die Mikroregler-Schnittstelle und PWM Generator 328 empfangen auch BIT und Fehlererfassungssignale von dem Batterieladegerät 16 bzw. der Chassis-Fehler-Erfassungseinheit, und vom Betreiber initiierte Notstoppsignale, und stellt die empfangenden Signale an dem Mikroregler 100 bereit.
Die Fehlereingabelogik 330 dient als eine Schnittstelle zwischen verschiedenen Fehler- und Rücksetzschaltungen in dem elektrischen Fahrzeugantriebssystem 10 und dem digitalen Gatterfeld 300. Auf einen Empfang einer geeigneten Fehlersteuerung und von Rücksetzsignalen hin, überträgt die Fehlereingabelogik 330 eine globale Rücksetzung an die Steuerlogikschaltung 322 und 324. Die Fehlersteuersignale umfassen zum Beispiel ein Unterspannungssignal von der Niederspannungs-Energieversorgung 42, ein vom Betreiber initiiertes Notabschaltsignal, ein Wachhund (watch dog)- Zeitnehmersignal, ein Energierücksetzungssignal, BIT Signale von der Drehmelderschnittstelle 400 und ein Überstromerfassungssignal von dem Überstromdetektor 510. Die Rücksetzsignale werden von dem Mikroregler erzeugt.
Die Opto-Ansteuerer-BIT-Schnittstelle 332 empfängt BIT Daten von den Opto-Ansteuerern 306 und 308 und stellt die BIT Daten an den Mikroregler 100 für eine Verarbeitung bereit. Die BIT Daten von den Opto-Ansteuerern 306 und 308 werden von dem Mikroregler 100 verwendet, um die Gatteransteuersignale A1U, A1L, B1U, B1L, C1U und C1L und die Gatteransteuersignale A2U, A2L, B2U, B2L, C2U und C2L, die von den Logikschaltungen 322 und 324 jeweils bereitgestellt werden, zu testen. Die BIT Daten von den Opto-Ansteuerern 306 und 308 werden von dem Mikroregler 100 verwendet, um die ersten bzw. zweiten Energiebrücken 48 und 50 zu testen.
Durchschnittsfachleuten sollte erkenntlich sein, dass verschiedene Modifikation und Veränderungen an der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Somit ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung die Modifikationen und Veränderungen der Erfindung abdeckt, so wie sie in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

1. Ein Vektorsteuerungskreis für einen Motorregler (18) eines elektrischen Fahrzeugantriebssystems, enthaltend:

einen Mikroregler (100), der so ausgelegt ist, dass er Drehmomentanforderungen generiert, und

einen Digitalsignalprozessor (200), der so ausgelegt ist, dass er die Drehmomentanforderungen vom Mikroregler (100) empfängt,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Digitalsignalprozessor (200) so ausgelegt ist, dass er Phasenspannungssignale in Übereinstimmung mit den Drehmomentanforderungen generiert, und

der Vektorsteuerungskreis ferner ein digitales Gatterfeld (300) zum Empfangen der Phasenspannungssignale vom digitalen Signalprozessor (200) und zum Generieren von Gattertreibersignalen aus den Phasenspannungssignalen umfasst,

worin der Mikroregler (100) so ausgelegt ist, dass er die Steuerung des digitalen Gatterfelds (300) umgeht, um das Generieren der Gatterantriebssignale aus den vom digitalen Signalprozessor (200) herkommenden Phasenspannungssignalen zu verhindern.

2. Der Vektorsteuerungskreis gemäß Anspruch 1, der ferner eine Drehmelderschnittstelle (400) zum Empfangen der Läuferlagemessungen, und eine Analogschnittstelle (500) zum Empfangen der Strommessungen enthält, worin der Digitalsignalprozessor (200) ferner die Läuferlagemessungen und die Strommessungen empfängt und die Phasenspannungssignale in Übereinstimmung mit den Drehmomentanforderungen, den Läuferlagemessungen und den Strommessungen generiert.

3. Der Vektorsteuerungskreis gemäß entweder Anspruch 1 oder Anspruch 2, in dem die Gattertreibersignale pulsbreitenmodulierte (PWM) Spannungskurvenformen sind.

4. Der Vektorsteuerungskreis gemäß Anspruch 1, in dem das digitale Gatterfeld (300) einen PWM-Generator (316) zum Generieren der PWM-Spannungskurvenformen umfasst.

5. Der Vektorsteuerungskreis gemäß einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, in dem der Digitalsignalprozessor (200) ferner eine oder mehrere eingebaute Testoperationen, Steuerfunktionen, und Diagnosetests für den Vektorsteuerungskreis durchführt.

6. Der Vektorsteuerungskreis gemäß einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, in dem der Mikroregler (100) eine oder mehrere eingebaute Testoperationen und Diagnosetest für den Vektorsteuerungskreis durchführt.