CN111886797A - 脉冲电机控制 - Google Patents

Abstract

描述了促进对电机(例如，电动机和发电机)的脉冲控制以提高机器的能量转换效率的各种方法、控制器和电机系统。在选定的运行条件下，该电机被间歇性地驱动(被施加脉冲)。该脉冲操作使得该电机的输出在第一输出水平与低于该第一输出水平的第二输出水平之间交替。这些输出水平被选择为使得该电机和包括该电机的系统中的至少一者在该脉冲操作期间的能量转换效率比该电机在以连续方式驱动该电机以递送期望输出所需的第三输出水平下运行时的能量转换效率更高。在一些实施例中，该第二输出水平是零扭矩。

Description

脉冲电机控制

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年3月19日提交的美国临时专利申请号62/644,912、于2018年4月17日提交的美国临时专利申请号62/658,739以及于2019年2月26日提交的美国临时专利申请号62/810,861的优先权，这些专利申请中的每一个均通过援引以其全文并入本文。

背景技术

本申请总体上涉及电机控制。更具体地，描述了控制方案和控制器设计，这些控制方案和控制器设计在选定的运行条件期间对使电机的运行施加脉冲，以利于以更节能的方式运行电机。

本文所使用的短语“电机”旨在被广泛地理解为是指电动机和发电机两者。电动机和发电机在结构上非常相似。当电机作为电动机运行时，其将电能转换为机械能。当作为发电机运行时，该电机将机械能转换为电能。

电动机和发电机用于各种各样的应用中，并且在各种各样的运行条件下使用。通常，许多现代电机具有相对较高的能量转换效率。然而，大多数电机的能量转换效率可能基于其运行负荷而显著变化。许多应用要求电机在各种各样的不同运行负荷条件下运行，这意味着电机的运行效率通常不尽其能。图1中展示了该问题的性质，该图是图解地示出了代表性电动机在不同运行条件下的效率的电动机效率图10。更具体地，该图绘制了随电动机速度(X轴)和所生成的扭矩(Y轴)而变的电动机的能量转换效率。

如图1可见，当所展示的电动机在特定速度范围内运行并生成限定范围内的扭矩时，该电动机通常是最高效的。针对所示的特定电动机，其运行范围中最高效的区域是标记为14的运行区域，该区域通常在4500RPM至6000RPM的范围内并且扭矩输出在大约40Nm至70Nm的范围内，其中，该电动机的能量转换效率大约为96％。区域14在本文中有时被称为“最佳点(sweet spot)”，该区域就是电动机的最高效运行区域。

如图1可见，在任何特定的电动机速度下，将存在对应的最高效输出扭矩，该最高效输出扭矩通过最大效率曲线16图解地展示。针对任何给定的电动机速度，当电动机的负荷高于或低于最高效负荷时，电动机的效率都趋向于少许下降。在一些区域中，电动机的效率趋向于相对较快地下降，例如，当所展示的电动机中的扭矩输出下降到大约30Nm以下时。

如果可以控制运行条件使得电动机几乎总是在其最佳点处或其附近运行，则电动机的能量转换效率将非常好。然而，许多应用要求电动机在各种各样的负荷条件、广泛变化的扭矩要求以及广泛变化的电动机速度下运行。容易想象的一个这种应用是汽车和其他车辆或移动应用，其中，电动机速度可能在车辆停止时的零到车辆以高速公路速度巡航时的相对较高的RPM之间变化。基于诸如车辆是否在加速或减速、是否在上坡、下坡、是否在相对平坦的地形上行驶等因素、车辆的重量以及许多其他因素，扭矩要求在任何这些速度下也可能大大不同。当然，在其他应用中使用的电动机也可能会经受各种各样的运行条件。

尽管常规电机的能量转换效率通常良好，但是仍在继续努力以进一步提高在更广泛的运行条件范围下的能量转换效率。

发明内容

描述了促进电机(例如，电动机和发电机)的脉冲控制以在运行条件许可时提高该电机的能量转换效率的各种方法、控制器和电机系统。更具体地，在选定的运行条件下，电机被间歇性地驱动(被施加脉冲)。该电机的脉冲操作使得该电机的输出在第一输出水平与低于该第一输出水平的第二输出水平之间交替。该第一输出水平和该第二输出水平被选择为使得该电机和包括该电机的系统中的至少一者在该脉冲操作期间的能量转换效率比该电机在以连续方式驱动该电机以递送期望输出所需的第三输出水平下运行时的能量转换效率更高。在一些实施例中，该第二输出水平是零扭矩(或基本上为零的扭矩)。

在一些实施例中，当在给定的电动机速度下期望输出小于指定的输出水平时，以脉冲方式驱动该电机；并且当期望的电动机输出大于或等于该指定的输出水平时，以连续方式驱动该电机。

在一些实施例中，功率转换器用于控制该电机的输出。根据应用，该功率转换器可以采用逆变器、整流器或其他适当的功率转换器的形式。

该脉冲的频率可以随任何特定应用的要求而大大不同。举例来说，在各种实施例中，该电机在该第一输出水平与该第二输出水平之间每秒至少交替10次、100次或1000次。

在一些实施例中，Σ-Δ转换器用于控制该电机的脉冲变化。可以使用各种各样的不同的Σ-Δ转换器架构。在一些实施例中，该Σ-Δ转换器是一阶Σ-Δ转换器。在其他实施例中，使用三阶Σ-Δ转换器。在仍其他实施例中，可以使用更高阶的Σ-Δ转换器。可以使用模拟部件和/或使用混合方法以算法方式、数字方式实施Σ-Δ转换器。

在其他实施例中，脉冲宽度调制控制器用于控制该电机的脉冲变化。

在一些实施例中，该第一输出水平根据该电机的当前运行速度的变化而变化。在各种实施例中，该第一输出水平可以对应于在该电机的当前运行速度下等于或接近最高系统能量转换效率或电机能量转换效率的电机输出水平。在一些实施例中，脉冲的占空比根据期望输出的变化而变化。

描述了用于实施上述所有功能的机器控制器和电机系统。在各种实施例中，该系统可以被配置成作为电动机、发电机或作为电动机/发电机运行。

在各种实施例中，该电机可以是：感应电机；开关磁阻电机；同步AC电机；同步磁阻电机；永磁同步磁阻电机；混合式永磁同步磁阻电机；外部激励AC同步电机；永磁同步电机；无刷DC电机；电激励DC电机；永磁DC电机；串联绕线DC电机；并联DC电机；有刷DC电机；复合DC电机；涡电流机；AC直线电机；AC机械换向电机或DC机械换向电机；或轴向磁通电机。

附图说明

参考结合附图进行的以下说明可以最佳地理解本发明及其优点，在附图中：

图1是展示了代表性电动机在不同运行条件下的能量转换效率的代表性扭矩/速度/效率曲线图。

图2A是展示了用于电机的脉冲驱动信号的曲线图。

图2B是连续三相AC驱动信号波形的图解表示。

图2C和图2D是占空比为50％的脉冲三相AC波形，这些脉冲三相AC波形表示与图2B的连续波形相同的平均功率。

图3是图解地展示了根据一个所描述的实施例的电机控制架构的功能框图。

图4是展示了根据另一个实施例的电动机控制方案的流程图。

图5是展示了代表性逆变器在不同运行条件下的能量转换效率的代表性扭矩/速度/效率曲线图。

图6是展示了代表性的逆变器/电动机组合的组合能量转换效率的曲线图。

图7是图解地展示了根据另一个实施例的包括基于Σ-Δ的脉冲发生器的电动机控制器架构的功能框图。

图8是一阶Σ-Δ转换器的示意性功能框图。

图9A是图解地表示脉冲功率的期望功率上升和下降的曲线图。

图9B是图解地表示当以所描述的方式对常规电动机施加脉冲时可以看到的实际功率上升和下降的曲线图。

图10是示出了表示汽车电动机在FTP 75行驶循环期间的模拟输出的驱动点分布的扭矩/速度/效率曲线图。

图11是根据实施例的具有暂态控制电路的电动机/发电机的示意框图，该暂态控制电路被配置成缩短电动机/发电机的开启/关闭的上升时间和下降时间。

在附图中，相同的附图标记有时用于指定相同的结构要素。还应了解，附图中的描绘是图解的而不是按比例的。

具体实施方式

本披露总体上涉及对否则将以连续方式运行的电机(例如，电动机和发电机)的脉冲控制，以在运行条件许可时提高该电机的能量转换效率。更具体地，在选定的运行条件下，以更高效的能量转换运行水平间歇性地驱动电机(对其施加脉冲)，以与通过传统的连续电动机控制获得的效果相比更节能地递送期望的平均扭矩。

传统地，当许多类型的电机(包括机械换向电机、电子换向电机、外部换向异步电机和外部换向同步电机)用作电动机来递送期望的扭矩输出时，该机器由连续的(尽管可能会变化)驱动电流驱动。驱动电流经常通过控制功率转换器(例如，逆变器)的用作电动机的电压输入的输出电压来控制。相反，许多类型的发电机的功率输出是通过控制磁场强度来控制的，控制磁场强度例如可以通过控制由激励器供应给转子线圈的激励电流来实现。(激励器可以是整流器或其他合适部件的一部分)。无论机器的类型如何，电动机的驱动电流或由发电机输出的电流均趋向于是连续的。

利用脉冲控制通过以下方式在“扭矩开启”状态和“零(无)扭矩”状态之间智能地且间歇性地调制机器的输出：(1)满足运行需求，同时(2)提高整体效率。换句话说，在选定的运行条件下，以更高效的能量转换运行水平间歇性地驱动电机(“扭矩开启”状态)，以递送期望输出。在脉冲之间的时间段中，理想地是机器不生成或消耗任何扭矩(“零扭矩”状态)。从概念上讲，这可以被认为是“关闭”了电机。在一些实施方式中，这可以通过有效地“关闭”电机来实现，例如通过切断电动机的驱动电流或发电机的激励电流来实现。然而，在其他实施方式中，在“零扭矩”状态期间可以以试图使由电机生成的扭矩为零或接近于零(这可能是实际的或者适合于特定机器)的方式控制电机。在一些实施方式中，结合电机使用的任何功率转换器也可以在“零扭矩”时间段的至少一部分中被有效地关闭。

如在背景技术中讨论的，图1展示了代表性电动机的能量转换效率。图1中展示的图是2010丰田普锐斯中使用的内部永磁同步电动机的效率图。应当理解，该图仅是说明性的。尽管图的特性将随所表征的机器而变化，但是几乎任何电机都可以生成类似的效率图。

如图1可见，在任何特定的电动机速度下，将存在对应的最高效输出扭矩，该最高效输出扭矩通过最大效率曲线16图解地展示。从概念的角度来看，当期望的电动机扭矩低于当前电动机速度的最高效输出扭矩时，可以通过对电动机施加脉冲来提高电动机的整体效率。相反，当期望的电动机扭矩处于或高于最大效率曲线16时，电动机可以以常规的(连续的/无脉冲的)方式运行以递送期望的扭矩。

图2A展示了脉冲电动机运行的示例。在该特定示例中，期望的电动机扭矩是10Nm，但是当前运行的电动机速度的最高效扭矩输出是50Nm。从概念上讲，可以通过使电动机在20％的时间内递送50Nm的扭矩并且然后在剩余80％的时间内不递送扭矩(或递送零扭矩)来驱动电动机递送10Nm的净扭矩。由于电动机在递送50Nm时比在递送10Nm时的运行更高效，因此可以通过以所描述的方式对电动机的运行施加脉冲来提高电动机的整体效率。在图2A所展示的示例中，电动机在每5个时间单位中的1个时间单位的时间段内产生50Nm的电动机输出(标记为24)，然后该电动机被控制在居间的4个时间单位期间产生零扭矩。

只要期望的电动机输出不超过50Nm，理论上仅通过改变以50Nm运行的电动机的占空比就可以满足期望的电动机输出。例如，如果期望的电动机输出改变为20Nm，则以50Nm运行的电动机的占空比可以增大到40％；如果期望的电动机输出改变为40Nm，则占空比可以增大到80％；如果期望的电动机输出改变为5Nm，则占空比可以减小到10％，等等。更一般地，在期望的电动机扭矩下降到最大效率曲线16以下的任何时间都有可能有利地使用对电动机施加脉冲。

实际使用的时间单位的范围可能会基于任何特定系统的大小、性质和设计需求而大大不同。在实践中，当电动机相对较快地从“扭矩开启”状态切换到“零扭矩”状态以实现指定的占空比时，从运行角度来看，电动机实际上在这些状态之间来回切换的事实可能不会实质地降低电动机的性能。在一些实施例中，每个开启/关闭周期的时间段的范围预计在100微秒至0.10秒的数量级(即，以10Hz至10,000Hz的范围内的频率脉冲变化)，例如将在下面更详细地讨论的在20Hz至1000Hz的范围内，或者在20Hz至100Hz的范围内。

从概念上讲，脉冲周期的零扭矩部分可以被视为切断电动机——尽管在许多情况下，电动机在这些时间段期间实际上可能没有被切断，或者可能仅在“零扭矩”间隔的一部分中被切断。

许多电机被设计成使用交流电运行。图2B至图2D是展示了可以输入到作为电动机(例如，三相感应电动机)运行的电机的连续交流电与脉冲交流电之间的差异的绘图。在每个绘图中，在竖直轴线上绘制电流，并且在水平轴线上绘制时间。

图2B展示了递送到电机的常规正弦三相输入电流42a、42b和42c。由曲线42b表示的相B比由42a表示的相A领先120度。由曲线42c表示的相C比相B领先120度。正弦波周期是τ。三相输入功率42是连续的(非脉冲的)，并且具有大约50安的指定最大幅值。应当理解，50安仅仅是代表性的最大电流，并且最大电流可以具有任意值。

图2C和图2D展示了不同的脉冲三相电流44a、44b和44c以及46a、46b和46c的两个示例，其中每个电流均具有50％的占空比和大约100安的峰值幅值。如图2B所示，基准正弦波的周期是τ，然而现在正弦波被调制为断断续续的。假设电动机速度相同，并且所生成的扭矩与电流基本上成比例(通常是这种情况)，图2C和图2D中的所递送电流产生与图2B的连续施加的三相输入电流相同的平均扭矩。脉冲电流44a-c与46a-c之间的差异在于它们各自的电流脉冲的持续时间和交错的“关闭”时间段。在图2C中，电流脉冲44a-c以相等长度的“关闭”时间段交错。每个开启时间段和关闭时间段的长度是2τ。在图2D中，电流脉冲46a-c和交错的“关闭”时间段同样具有相等的持续时间。在这种情况下，持续时间是τ/2。在这两个示例中，占空比为50％。然而，“开启”持续时间和“关闭”持续时间的持续时间不同，即，脉冲调制的频率不同。脉冲调制的频率可能会基于所使用的电机类型、噪声和振动考虑因素、当前运行转子的速度以及其他因素而不同。

图2C至图2D展示了这样的应用：其中，在电动机以稳态期望输出水平运行时，“开启”电动机驱动脉冲被均匀地间隔开。这种方法在许多情况下都表现良好，但不是要求。占空比不必为50％，而是可以被调整以匹配期望的平均输出扭矩。同样地，开启/关闭脉冲的相不必与所施加的AC功率的相同步。因此，电机驱动脉冲的相对大小和/或定时可以变化，只要它们达到平均数以递送期望的平均扭矩即可。

功率转换器和系统效率

存在各种各样不同的电机，并且每个机器都具有其自己独特的效率特性。进一步地，在不同的运行速度下，电机将具有不同的效率曲线，这从对图1的粗略回顾应该是显而易见的。因此，脉冲控制可以提供效率增益的运行区域将基于包括特定电机特性和当前运行转子速度在内的因素而显著地变化。

当AC电机与电池或其他DC功率源/汇(存储装置)结合使用时，通常将使用功率转换器(例如，逆变器和整流器)在DC功率与AC功率之间进行转换。例如，逆变器用于将从DC功率供应源(诸如电池或电容器)接收的功率转换为施加到电动机的AC输入功率。相反，整流器用于将从作为发电机运行的电机接收的AC功率转换为DC输出功率。取决于电机是用作电动机还是发电机，一些功率转换器可以用作逆变器或整流器。

功率转换器的能量转换效率通常还将在转换器的运行范围内变化。例如，图5被理解为2010丰田普锐斯逆变器(即，用于图1中表示的电动机的逆变器)的逆变器能量转换效率图。尽管所展示的逆变器的能量转换效率非常好，但是该逆变器的效率在某些区域(最明显的是在较低的扭矩输出和较低的电动机速度下)内也会明显下降。因此，当对作为逆变器/电动机组合的一部分的电动机的控制进行优化时，期望的是考虑整个逆变器/电动机系统的能量转换效率，而不是单独的电动机的能量转换效率。类似地，当对作为整流器/发电机系统的一部分的发电机的控制进行优化时，期望的是考虑整个整流器/发电机系统的能量转换效率，而不是单独的发电机的能量转换效率。

优选地，将对电机的脉冲控制进行建模以考虑在脉冲变化期间影响能量转换的任何/所有部件的效率。例如，当从电池汲取用于AC电动机的功率时，在确定递送最佳能量转换效率的电动机驱动信号时，除了逆变器效率和电动机效率之外，还可以考虑电池的功率递送效率、部件之间的电缆连接损耗以及任何其他损耗因素。

通常，功率转换器/电机系统的总能量转换效率是转换器转换效率乘以电机转换效率乘以其他部件的递送效率的乘积的函数。因此，应当理解，具有最大系统能量转换效率的脉冲驱动信号的参数可以与将为电动机本身提供最佳能量转换效率的参数不同。

图6是组合的逆变器/AC电动机的代表性能量转换效率图。更具体地，图6示出了特斯拉逆变器/电动机推进系统的组合效率。由于逆变器和电动机一起工作，因此可以通过基于组合的系统能量转换效率图而不是仅使用电动机的能量转换效率图来选择脉冲电压和对应的占空比，从而优化最佳的整体电动机系统能量转换效率。

通常，特定电机系统(例如，组合的功率转换器/电机；电池/功率转换器/电机等)的能量转换效率图将比电机本身的效率图更为复杂。这样，在最大效率曲线上方可能存在局部效率峰值。也就是说，可能存在能量转换效率图的某个区域，在该区域中，在给定的电动机速度下，在特定扭矩输出(高于在该电动机速度下进行的操作的“最大”可能效率)下进行的操作可能会比高于最大效率曲线但低于该特定扭矩输出的中间扭矩输出的范围更加高效。在图6中，一个这种区域被指定为61。应当理解，当能量转换效率图具有这种类型的图形时，局部效率峰值处的脉冲操作可能比在这些中间输出水平下的连续操作更高效。在这种情况下，可以在局部效率峰值水平处对电动机施加脉冲，以递送这种中间扭矩输出。

脉冲系统控制

图3展示了适合于以所描述的方式控制电机的控制架构。在本实施例中，系统100包括机器控制器110、脉冲控制器(脉冲发生器)120、功率供应源/汇130、功率控制器/转换器140和电机160。脉冲控制器120负责在需要脉冲操作时控制/指引电机160的脉冲变化的定时。在图3所展示的实施例中，脉冲控制器被示为与机器控制器110分离的部件，以便于解释脉冲控制器的功能。然而，在各种实施例中，脉冲控制器可以被实施为机器控制器110的一部分、单独的部件、功率控制器/转换器140的一部分或以其他适当的形式实施。

当电机160作为电动机运行时，机器控制器用作电动机控制器，并且功率控制器/转换器140负责将从功率供应源130接收的功率132转换为适合于驱动电动机160的形式。相反，当机器160作为发电机运行时，机器控制器110用作发电机控制器，并且功率控制器/转换器140将从发电机接收到的功率转换为适合于递送到功率汇130的形式。在功率供应源/汇可以直接供应呈电机需要的形式的功率或直接接收呈由电机输出的形式的功率的实施例中，功率控制器140可以在概念上采取简单地开启和关闭电动机以促进期望的脉冲变化的开关或逻辑乘法器的形式。

功率供应源/汇130可以采取任何合适的形式。在一些实施方式中，功率供应源/汇可以采取电池或电容器的形式。在其他实施方式中，该源可以是电网(例如，“壁式电源”)、光伏系统或任何其他可用源。类似地，该汇可以是电力负载(诸如，电操作式机器或器具、建筑物、工厂、家庭等)、电网或者使用或储存电力的任何其他系统。

功率控制器/转换器140也可以采取各种不同的形式。当功率供应源/汇130是DC功率供应源并且电机160是AC电动机时，功率控制器/转换器140可以采取逆变器的形式。相反，当功率供应源/汇130是DC功率汇并且电机160是AC发电机时，功率控制器/转换器140可以采取整流器的形式。当功率供应源/汇130和电机两者都是AC部件时，功率控制器/转换器140可以包括双向功率转换器或4象限功率转换器。

在图3中，所请求的输出被标记为113，电机所递送或接收的扭矩被标记为161，并且电动机/发电机速度被标记为164。在一些实施例中，机器控制器110包括用作脉冲操作图的数据结构115(例如，查找表)，该脉冲操作图限定了脉冲电动机控制是被期望的和/或适当的运行区域、以及适合于特定运行条件的特定占空比。

一旦确定了期望的占空比，就可以以各种方式确定/生成用于驱动电动机的脉冲的持续时间和性质。如下面将更详细描述的，一种相对简单的方法是使用脉冲宽度调制(PWM)控制器作为脉冲控制器120。

在图3中，逻辑乘法器123被示为将脉冲控制信号124与由机器控制器110输出的功率水平信号119相乘，以产生功率转换器控制信号128。应当理解，出于解释的目的示出了逻辑乘法器123，并且在实践中，乘法器123的功能可以由机器控制器110、由功率转换器140或以其他合适的方式实现。例如，在一些实施例中，机器控制器110可以在占空比的“关闭”阶段期间将功率转换器140的输出简单地设置为零，并且在占空比的“开启”阶段期间将其设置为期望的运行输出水平(例如，当前机器速度的最高效输出水平)。

图4展示了可以由机器控制器110执行以使电机160高效地递送期望扭矩的控制流程。为了简化讨论，描述了电机160用作电动机的实施例。在这种布置中，功率供应源/汇130用作功率供应源，并且机器控制器110用作电动机控制器。

最初，电动机控制器110接收当前请求的电动机输出113和任何所需的电动机状态信息(诸如，如框171所表示的当前电动机速度164)。然后，电动机控制器110确定所请求的输出是否在如决策框172所表示的脉冲控制范围内。该决策可以以任何期望的方式进行。举例来说，在一些实施例中，可以使用查找表115或其他合适的数据结构来确定脉冲控制是否是合适的。在一些实施方式中，简单的查找表可以识别出在各种电动机速度下都适合进行脉冲控制的最大扭矩水平。在这种实施方式中，当前电动机速度可以用作查找表的索引，以获得在当前运行条件下适合进行脉冲控制的最大扭矩水平。然后可以将检索到的最大扭矩值与所请求的扭矩进行比较，以确定所请求的输出是否在脉冲控制范围内。

在其他实施例中，查找表115可以基于当前运行条件提供附加信息(诸如针对脉冲操作的期望占空比)。在一种这种实施方式中，电动机速度和扭矩请求可以用作查找表的索引，查找表中的每个条目指示期望的占空比，并且当实际扭矩和/或电动机速度处于表中所表示的索引值之间时，使用内插法来确定运行占空比。

如果所请求的扭矩/当前运行条件出于任何原因在脉冲控制范围之外，则如从框172流出的“否”分支所表示的使用传统的(即，连续的/非脉冲的)电动机控制。这样，如框174所表示的，不使用脉冲，并且指引功率转换器140用常规方式以适合于驱动电动机递送所请求的输出113的水平向电动机160递送功率。相反，当所请求的扭矩/当前运行条件在脉冲控制范围内时，则如从框172流出的“是”分支所表示的那样利用脉冲控制。在这样的实施例中，电动机控制器110将指引功率转换器140以脉冲方式向电动机递送功率。在“开启”脉冲期间，指引功率转换器140以优选的输出水平递送功率——该优选的输出水平通常(但不是必须)等于或接近当前电动机速度下的最大效率运行水平。在“关闭”脉冲期间，理想地是电动机输出零扭矩。在一些实施例中，脉冲的定时由脉冲控制器120控制，如将在下面更详细地讨论的。

为了促进脉冲操作，电动机控制器110确定针对当前电动机速度下的脉冲操作的期望输出水平(框175)和期望的占空比(框176)(优选地等于或接近系统在当前电动机速度下的最大效率能量转换输出水平——尽管可以适当地使用其他能量效率水平)。电动机控制器和脉冲控制器然后指引功率转换器以指定的功率水平实施期望的占空比(框178)。从概念上讲，这可以通过以下方式来实现：以相对较高的频率有效地打开和关闭功率供应源，使得向电动机供应功率的时间的分数对应于期望的占空比，并且功率水平对应于优选的输出水平。在一些实施例中，可以通过指引功率控制器/转换器140驱动电动机以递送零扭矩来实施占空比的“关闭”部分。

优选地由机器控制器110或脉冲控制器120来确定功率的脉冲频率。在一些实施例中，脉冲频率可以针对电动机的所有操作是固定的，而在其他实施例中，该脉冲频率可以基于诸如电动机速度、扭矩要求等运行条件而变化。例如，在一些实施例中，可以通过使用查找表来确定脉冲频率。在这种实施例中，可以使用诸如电动机速度、扭矩要求等适当索引来查找当前电动机运行条件下的适当脉冲频率。在其他实施例中，脉冲频率对于任何给定的运行条件不一定是固定的，并且可以随着脉冲控制器120的指示而变化。当在确定脉冲中使用Σ-Δ转换时，这种类型的变化是常见的，如下面讨论的。在一些具体的实施例中，至少在电动机的一些运行区域中，脉冲频率可以根据电动机速度成比例地变化。

尽管图4顺序地展示了一些步骤以促进对所提供的功能的清楚理解，但是应当理解，实际上可以组合和/或重新排序许多步骤。例如，使用所请求的输出113和当前电动机速度164作为索引的多维查找表115中的条目可以指示优选的输出水平和适合于当前操作的占空比。

在一些实施例中，存储在查找表中的值(诸如为1(100％)的占空比或其他合适的通配符)可以可选地用于指示不需要脉冲。当然，可以使用各种其他惯例和数据结构来提供相同的信息。

在一些实施例中，可以将脉冲控制表结合到较大的表中，该较大的表限定了所有水平下的操作，使得无论是期望常规控制还是脉冲控制(常规控制仅通过为1的占空比以及适当的电动机输入功率水平来限定，并且脉冲控制通过较小的占空比和使用优选的电动机输入功率水平来限定)，操作流都是相同的。

在一些实施例中，基于其他考虑因素，即使在可能会提高效率的情况下，也可能期望在一些运行区域中避免使用脉冲。如下面将更详细讨论的，这些其他考虑因素可能基于诸如噪声和振动、控制器的实际切换功能等因素。

本文描述的机器控制器可以以各种不同的方式来实施，包括使用在处理单元(诸如微处理器)上执行的软件或固件、使用可编程逻辑、使用专用集成电路(ASIC)、使用离散逻辑等和/或使用前述任何组合。

值得注意的是，在许多情况下，可以容易地改造现有电机和机器控制器以获得所描述的益处。例如，使用在处理单元上执行的软件或固件来实施许多机器控制器，该处理单元已经可以访问适用于所描述的控制的控制输入参数(例如，所请求的电动机输出和当前电动机速度)。在这种情况下，可以通过安装相对简单的软件更新来获得显著的效率提高。

脉冲生成

如上所述，一旦确定了期望的占空比，就可以以各种方式确定/生成用于驱动电动机的脉冲的持续时间和性质。一种相对简单的方法是使用脉冲宽度调制(PWM)控制器作为脉冲控制器120。

注意的是，脉冲宽度调制通常用在某些类型的电动机控制中，包括AC电动机控制和DC无刷电动机控制，但是这种脉冲宽度调制在控制方案中的非常不同的位置被使用。具体地，当AC感应电动机由电池(该电池提供DC功率)供电时，通常使用逆变器来促进DC功率到AC功率的转换。通常，PWM控制器(未示出)用作逆变器控制器的一部分，以控制由逆变器生成的AC信号的幅值。然后，将由逆变器生成的连续AC功率以期望的频率和幅值供应给电动机。PWM控制器类似地用在无刷DC电动机中，以控制供应给电动机的连续信号的幅值。

本文利用的脉冲功率是非常不同的。具体地，如以上参考图2A至图2D所讨论的，功率转换器140被控制为在电机160中产生高效率扭矩输出(例如，峰值效率扭矩)与不产生扭矩之间循环切换。在感应电动机中，这导致电动机绕组中的磁通量有效地下降至零。

尽管传统的脉冲宽度调制将在许多应用中起作用，但是潜在的缺点是在打开和关闭电动机和/或功率供应源时，脉冲可能会生成不期望的振动或噪声。电动机以相同脉冲周期稳态运行一段时间特别容易产生这种振动。存在许多减轻这种风险的方式，包括一些将在下面更详细描述的方法。另一种方法是在命令的脉冲周期中添加一定抖动。

如上所述，脉冲操作期间每个周期的时间段(或相反地，脉冲频率)可以基于设计需要和受控系统的性质而广泛变化(从微秒到十分之一秒或更长)。多种因素会影响对周期时间段的选择。这些因素包括诸如电动机的能力和特性、与切换相关联的暂态效应、潜在的NVH(噪声、振动和声振粗糙度)考虑因素、预计的运行负荷等因素。通常，针对任何特定的应用选择的脉冲频率将涉及包括以下因素的折衷：诸如NVH考虑因素、所需的电机响应性、与脉冲相关联的效率损失等。例如，在一些汽车应用中，20Hz至1000Hz数量级的脉冲频率被认为表现良好。

Σ-Δ控制

接下来参考图7，将描述脉冲发生器的另一个实施例。所展示的架构类似于图3中展示的架构，不同之处在于：在本实施例中，Σ-Δ转换器190被用作脉冲发生器120。如熟悉Σ-Δ控制的技术人员所理解的，Σ-Δ控制的特性是其促进噪声整形、并且趋向于减少/消除空闲音并将噪声推到更高的频率。当噪声被随机化和/或扩展到高于人类感知极限的频率时，由于任何这种噪声和/或振动都不会使电动机的使用者感到烦扰，因此不必担心。因此，在汽车电动机应用的背景下，使用Σ-Δ控制趋向于减小由于脉冲电动机控制而导致车辆乘员感知到噪声或振动的可能性。

各种不同的Σ-Δ转换器可以用作Σ-Δ转换器190，并且Σ-Δ转换器可以利用各种不同的反馈方案。举例来说，一阶Σ-Δ转换表现良好。使用一阶Σ-Δ转换器的一个特别理想的特征是控制器固有地稳定。尽管一阶Σ-Δ转换器表现良好，但是应当理解，在其他实施例中，可以使用更高阶的Σ-Δ转换器(例如，相比于一阶Σ-Δ转换器利用更多数量的积分器的Σ-Δ转换器)。例如，可以使用三阶Σ-Δ转换器(例如，使用Richie架构的转换器)或更高阶的Σ-Δ转换器。

一般而言，可以使用模拟部件和/或使用混合方法以算法方式、数字方式实施Σ-Δ转换器。例如，在各种实施例中，可以使用模拟、数字和/或混合部件、或任何/或使用其他合适的硬件和/或软件组合在处理器上、在诸如FPGA等可编程逻辑上、在诸如ASIC等电路系统中、在数字信号处理器(DSP)上实施Σ-Δ转换器。在各种实施例中，Σ-Δ控制器可以利用样本数据Σ-Δ、连续时间Σ-Δ、差分Σ-Δ或任何其他合适的Σ-Δ实施方案。

美国专利号8,099,224和美国专利公开号2018-0216551描述了许多代表性的Σ-Δ转换器设计，这些美国专利通过援引以其全文并入本文。尽管其中描述的应用用于控制不同类型的动力装置，但是类似类型的转换器可以用于本申请。

接下来参考图8，将描述代表性一阶Σ-Δ转换器200。一阶Σ-Δ转换器200包括差分放大器201、积分器203和比较器205。差分放大器201对输入信号209与反馈信号212之间的差进行放大，并输出差分信号216，该差分信号被馈送到积分器203。积分器203对差分信号进行积分并且输出积分器输出信号217，该积分器输出信号被馈送到比较器205。比较器205用作一位量化器，并且输出代表输入信号209的脉冲(高/低)数字控制信号220。通过将积分器203的输出与参考电压进行比较来生成从比较器216输出的一位控制信号220。该输出实际上是一串1和0，该串1和0以Σ-Δ转换器的时钟的频率被输出。低信号被视为来自功率供应源的零功率请求，并且高信号被视为对当前电动机速度的最高效(或其他指定的)功率水平的请求。

通常，为了确保高质量控制，期望的是Σ-Δ转换器的时钟信号226(以及因此比较器205的输出流)的频率是输入信号209的变化率的预计频率的许多倍，以提供良好的分辨率和对输入信号的过采样。通常，100kHz至1MHz或更高数量级的时钟频率对于汽车类型的应用表现良好，在这些应用中，输入信号(通常基于驾驶员的扭矩请求——例如，加速器踏板)趋向于以小于5Hz的速率变化。即，比较器205的输出以至少100kHz至1MHz的速率被采样(尽管在各种实施例中可以使用更高和更低的采样速率)。提供给比较器216的时钟信号226可以来自任何合适的源。例如，在一些实施例中，时钟信号226由晶体振荡器提供。

在各种实施例中，比较器205可以被配置成对脉冲施加期望的约束(在本文中有时被称为表现为功能智能化比较器)。在简单的示例中，比较器可以被约束成限定最小和/或最大“开启”时间、最小(和/或最大)“关闭”时间等，这是熟悉高级Σ-Δ控制的技术人员将理解的。这样的约束条件可能有助于确保在期望的频率和“开启”脉冲长度参数内执行脉冲。在其他实施例中，比较器可以施加更高级的约束。例如，如果期望的话，可以将脉冲周期抖动223添加到比较器。

在一些实施例中，可能期望的是对输入信号209和反馈信号212进行抗混叠滤波。可以将抗混叠功能提供作为Σ-Δ控制电路的一部分，或者可以将其提供作为Σ-Δ控制电路之前的抗混叠滤波器，或者可以以任何其他合适的形式提供该抗混叠功能。在一些三阶模拟连续时间Σ-Δ控制电路中，第一积分器提供了抗混叠功能。即，该第一积分器实际上用作低通滤波器。

在其他实施例中，可以使用基于电动机速度的可变时钟而不是使用固定时钟。在图8的Σ-Δ转换器中图解地展示了这种布置，该Σ-Δ转换器使用基于电动机速度的可变时钟。具体地，时钟信号被配置成随电动机速度成比例地变化。在电动机以一定速度运行时使用可变速度时钟具有确保比较器的输出更好地与电动机速度同步的优点。这进而可以帮助简化转换器的整体设计。通过利用由对电动机速度的指示(例如，转速计信号)驱动的锁相环路229可以容易地使时钟与电动机速度同步。然后可以使用乘法器231来对电动机速度信号164进行相乘以获得期望的采样率。电动机速度的倍数可以基于任何特定系统的需要而广泛变化。举例来说，在一些应用中，10倍到1,000,000倍(例如，10,000倍)数量级的倍频是适当的。在另一示例中，1kHz到几百千赫兹数量级的Σ-Δ时钟速率被认为适用于许多汽车应用。

使用基于电动机速度的可变时钟方法的挑战是，当电动机停止或以特别低的电动机速度运行时，该可变时钟的表现可能不是特别好。可以使用几种不同的技术来减轻这种限制。举例来说，当电动机停止和/或以低于指定空闲阈值(例如，低于600RPM)的速度运行时，可以使用固定时钟。在其他实施例中，可以使用功能智能化比较器，该比较器具有指定的启动例程和停止例程、或者在低速运行期间会切换到不同的运行模式。在仍其他实施例中，针对较低速度下的操作，可以使用非线性RPM时钟。

存在可以配置Σ-Δ转换器200的几种方式。在一个实施例中(类似于图8中展示的实施例)，输入信号209是期望的电动机占空比。在该实施例中，反馈信号212是脉冲数字控制信号220，该脉冲数字控制信号对应于来自图7的脉冲控制信号124。在本实施例中，脉冲控制信号220表示期望的电动机占空比。

在另一个实施例(未示出)中，输入信号209可以被认为代表期望的扭矩或期望的扭矩分数，并且反馈信号可以基于电动机的扭矩输出161而不是脉冲数字控制信号220。在这种实施例中，相比于脉冲控制信号220，该反馈更能代表电动机的实际扭矩输出，因为该反馈考虑了由于使功率供应源和电动机在零状态与最高效(或其他期望的)运行状态之间来回切换而引起的任何潜在的扭矩损失或效率低下。

在仍其他实施例中，反馈信号212可以是脉冲控制信号220与电动机的扭矩输出161的按比例组合。当使用更高阶的Σ-Δ转换器时，可以使用脉冲控制信号、电动机扭矩输出或这两者作为反馈源向不同积分器提供不同比例的反馈，以适合于期望的自适应控制。

如上所述，一阶Σ-Δ转换器(像所有Σ-Δ转换器一样)有助于将噪声推到更高的频率。然而，一阶Σ-Δ转换不能避免空闲音的生成——这些空闲音可能是不想要的噪声或振动的来源。帮助最小化或消除空闲音的一种方式是向系统中添加抖动。可以在系统中的许多位置添加这种抖动。在图8中展示的实施例中，可选的伪随机抖动发生器223(以虚线示出)可以提供可选的抖动信号224作为差分放大器201的附加输入。在其他实施例中，可以代替地将抖动注入Σ-Δ转换器200中的其他位置，例如作为比较器205的附加输入。更高阶的Σ-Δ转换器不易受到空闲音的影响，因此，将向这种系统中添加抖动的益处较小。相应地，通常不会在这种系统中使用抖动(尽管可以使用抖动)。

在以上讨论的实施例中，使用脉冲宽度调制和Σ-Δ转换来生成脉冲控制信号。脉冲宽度调制和Σ-Δ转换是两种类型的转换器，这些转换器可以用于表示输入信号。所描述的Σ-Δ转换器中的一些转换器呈现过采样转换，并且在各种替代性实施例中，可以使用其他过采样转换器来代替Σ-Δ转换。在仍其他实施例中，也可以使用其他类型的转换器。应当理解，转换器可以采用各种调制方案，包括各种脉冲高度调制方案或脉冲密度调制方案、面向码分多址(CDMA)的调制或者可以用于表示输入信号的其他调制方案，只要对脉冲发生器进行相应调整即可。

如本领域技术人员将理解的，开关磁阻电动机是与类似尺寸的感应电动机相比而言相对较便宜的大功率电动机。然而，开关磁阻电动机由于其切换而趋向于噪声较大并且易于振动，这使得它们不适合在许多应用中使用。Σ-Δ转换的特征是其对噪声进行整形并将噪声推到使人类不那么(或不会)感到烦扰的频率的能力。这样，使用Σ-Δ或其他噪声整形转换技术以脉冲方式控制开关磁阻电动机具有使得可以在许多当前未使用开关磁阻电动机的应用中实际使用开关磁阻电动机的潜力。

管理转变

电动机的固有电感可能会暂时地延迟/减慢电动机开启状态与电动机关闭状态之间的电流/功率阶跃。在连续(无脉冲)操作期间，这些暂态效应趋向于对整体电动机运行产生相对较小的影响。然而，当如本文所设想地使用快速脉冲时，这些暂态效应可以具有较大的净影响，并且因此更有动机专注于电动机响应性。将参考图9A至图9B描述该问题的性质。

如先前所描述的，脉冲电动机控制的总体目标是在电动机“开启”时间段期间以当前电动机速度下该电动机的最高效水平对该电动机进行操作(供电)，并在电动机“关闭”时间段期间切断功率(提供零扭矩)。因此，理想地，电动机功率“开启”状态与电动机功率“关闭”状态之间的功率转变将是离散的阶跃。这在图9A中图解地示出，该图展示了在占空比为50％时用于脉冲电动机控制的理想/期望的电动机驱动功率。如图9A所示，“开启”脉冲302与“关闭”时间段304之间的转变是理想的阶跃。实际上，电动机和(当使用时)逆变器的电感方面会减慢功率信号的上升和下降。特定电动机的实际响应将随电动机的电气特性而广泛变化。通常，响应于命令的电动机驱动功率的阶跃变化，电动机的实际输入功率将以指数方式少许上升和下降。上升和下降的性质在图9B中图解地展示。如其中所见，存在功率信号实际上从零上升到期望的“开启”功率水平所需的上升时间段(上升时间)306，以及功率信号实际上从“开启”功率水平下降到零所需的下降时间段(下降时间)308。

在功率上升时间段和功率下降时间段期间，电动机继续被驱动。然而，如参考图1可以容易理解的，电动机在这些时间段期间以变化的方式低效地运行。通常，对于大多数给定的运行速度，当运行功率从最大效率线16朝向零下降时，电动机效率将下降，其中当功率水平接近零时，能量转换效率会明显变差。因此，由功率上升时间段和功率下降时间段表示的脉冲失真会降低可以通过所描述的脉冲操作获得的效率增益。通常，上升/下降时间与脉冲长度之比越小，暂态切换效应在脉冲期间对电动机的能量转换效率的影响就越小。

应当理解，图9B中所示的暂态效应是为了说明该问题的性质而示出的，并且不一定反映与任何特定电动机的运行相关联的上升/下降时间。上升时间与脉冲长度之比的相对范围可以基于可用的功率供应源电压和所使用的电动机的特性(主要是指上升时间和下降时间)、脉冲频率(主要由所使用的控制方案指示)和脉冲宽度(由控制方案和电动机负荷指示)而广泛变化。如果与电动机响应相比脉冲较慢，则上升/下降时间可能是脉冲宽度的一极小部分，并且暂态切换效应可能会对电动机性能产生最小的影响。相反，如果脉冲变化非常快和/或电动机响应较慢，则上升/下降时间与脉冲宽度之比可能变得非常大，甚至可能超过脉冲宽度。如果管理不当，则与切换相关联的暂态效率损失会大大降低或甚至消除可以通过脉冲操作获得的理论增益。因此，在确定适用于任何特定应用的脉冲频率和控制方案时，考虑与脉冲操作相关联的暂态切换效应是非常重要的。

可以使用多种技术来改善功率上升时间和功率下降时间。例如，在一些实施例中，采用基于电动机电感的谐振电容器。谐振电容器可以用于将功率上升时间和功率下降时间减少为100分之一或更少(通常实质上更少)，因此谐振电容器可以显著地降低与脉冲操作相关联的暂态切换效应。因此，应当理解，与现有电动机相比，在设计时考虑了脉冲控制的电动机或经修改以改善电动机对功率脉冲的暂态响应的电动机可以从脉冲操作中获得更多的益处。

在其他实施例中，可以使用升压转换器和/或降压-升压转换器来显著减少与在“开启”电动机状态同“关闭”电动机状态之间切换相关联的上升时间和下降时间。在特定示例中，升压转换器可以将升压电容器(在本文中有时被称为反冲启动电容器)充电至比电动机的输入电压更高的电压。每次电动机发生脉冲开启时，反冲启动电容器就向电动机施加该更高的电压，这可以大大缩短上升时间。

类似地，可以使用降压-升压转换器对降压-升压电容器进行充电。每次电动机发生脉冲关闭时，降压-升压电容器就可以储存来自电动机绕组的磁场的能量，这可以大大缩短脉冲的暂态下降时间

为电动机及其电感和电阻特性分别适当地选择升压电容器和降压-升压电容器的电压充电水平和电容，以缩短分别与电动机发生脉冲开启和脉冲关闭相关联的暂态上升/下降时间。优选地，考虑到所有方面(包括与暂态本身相关联的低效率以及由于使用升压转换器和降压-升压转换器而发生的任何过冲的影响)，还选择升压电容器和降压-升压电容器的相应电容和充电电压水平以最大化脉冲变化期间的整体电动机效率。由于升压电容器和降压-升压电容器被用于改善暂态响应，因此它们各自可能会在其相应的使用之间的时间段中(例如，在电动机关闭时间段期间)被适时地再充电。

与电动机“关闭”暂态期间的损耗尤其相关的另一个因素与磁场中储存的能量的耗散有关。通常，在电动机正在运行的任何时间，电动机内部都会建立电磁场。电磁场包含储存在磁体中的一定量的能量。如果仅关闭电动机，则储存的能量将耗散，这会导致磁场中存在的能量的损失。任何这种能量损失都会降低整体系统效率。通过肯定地控制电动机的关闭暂态以在“关闭”周期期间递送零扭矩，而不是简单地切断向电动机的电流供应来实际上关闭电动机，可以恢复这些磁场能量的一部分。这导致一些“反向”电流从绕组流回/流过功率转换器140，使得可以恢复这些能量的至少一部分，这意味着更少的能量损失，从而提高了系统效率。此外，在许多应用中，管理功率转换器140以递送零扭矩(而不是简单地关闭功率转换器)将导致更快的转变。

类似地，在发电机的“关闭”循环期间，可以控制从发电机汲取的功率以高效地管理对在“开启”循环期间在电动机中积累的所储存能量的捕获。

图11展示了结合有暂态控制电路系统343(该暂态控制电路系统可以包括谐振电路、升压电路和降压-升压电路和/或一起、单独地或以任何适当的组合改善电路的其他暂态响应)的功率转换器/控制器。在所展示的实施例中，机器控制器310指引功率转换器/控制器340的脉冲控制，该功率转换器/控制器进而控制电机160。暂态控制电路系统343被结合到功率转换器340本身。在其他实施例中，暂态控制电路系统可以被提供作为附加单元，该附加单元被放置在功率转换器340与电动机/发电机之间，或者被合并到电动机/发电机本身以实现相同的功能(放置未示出)。

电动机类型和应用

从前面的描述应该显而易见的是，所描述的脉冲机器控制可以用于各种不同的应用，以提高各种不同类型的电动机和发电机的能量转换效率。这些电动机和发电机包括AC电动机/发电机和DC电动机/发电机。

可以从描述的脉冲中受益的一些代表性类型的电机包括异步AC电机和同步AC电机，这些电机包括：感应电机(IM)；开关磁阻电机(SMR)；同步磁阻电机(SynRM)；永磁同步磁阻电机(PMaSynRM)；混合式PMaSynRM；外部激励AC同步电机(SyncAC)；永磁同步电机(PMSM)；涡电流机；AC直线电机；AC机械换向电机和DC机械换向电机；轴向磁通电动机等。代表性的DC电机包括无刷电机、电激励电机、永磁电机、串联绕线电机、并联电机、有刷电机、复合电机和其他电机。

尽管各种类型的电动机和发电机的结构、控制和能量转换效率差别很大，但大多数电机被设计成在一定的运行条件范围内运行，并且它们的能量转换效率在该运行范围内将变化(通常很大)。通常，如果电机的运行范围包括在图1中展示的最大效率曲线的等效物下方的区域，则本文所描述的控制原理可以应用于任何类型的电机以提高电机的效率。在一些情况下，可以通过在考虑了脉冲操作的情况下设计电机来获得效率增益。

一些电动机设计利用转子和定子上的绕组来生成电动机磁通量，而其他电动机设计使用转子或定子上的永磁体来贡献电动机磁通量。结合了永磁体的电动机将在零扭矩下具有磁通量，并且因此在旋转时通常会具有磁芯损耗，并且产生超过供应电压的反电动势(BEMF)。在这样的应用中，通常期望的是在“扭矩关闭”时间段期间向电动机提供较小的电流，以保持零转矩。应当理解，在“无扭矩”时间段期间供应电流的需求降低了与脉冲相关联的整体效率，并且因此在确定哪些运行范围可以从脉冲中受益时应考虑这种需求。在一些运行区域中，与在扭矩关闭时间段期间切换和供应电流相关联的损耗可能超过与脉冲相关联的效率增益，从而减小(或完全消除)了期望进行脉冲操作的运行范围。然而，许多结合了永磁体的电机将具有这样的运行区域：在这些运行区域中，通过使用脉冲可以提高机器的整体效率。例如，对于内部永磁同步电动机(IPMSM)，预计最适合于脉冲操作的运行区域的运行速度低于(或接近于)需要进行磁场减弱的阈值速度。

当前，在车辆推进系统中使用电气动力装置(例如，电动机)引起了广泛的兴趣。用于车辆推进的电动机通常被称为牵引电动机。在汽车领域，近来已经做出了巨大的努力来单独利用牵引电动机或与内燃发动机结合利用牵引电动机(混合动力)以驱动车辆。现今，异步电动机和三相感应电动机最常用于汽车应用，这两种电动机都是上述脉冲电动机控制的很好选择。汽车应用因预计电动机在非常广泛的运行条件范围下运行而备受指责，该运行条件范围为从低速高扭矩需求到高速低扭矩需求以及介于两者之间的所有运行条件。在大多数驱动条件下(即，在许多行驶循环中的绝大部分时间期间)，要求电动机产生的扭矩远小于在当前电动机速度下该电动机能够产生的扭矩，并且实际上大多数驱动发生在电动机的请求输出低于(通常大大低于)最大效率线16的区域中。

在图10中可以看到典型行驶循环的低负荷性质，该图绘制了一系列驱动点，这些驱动点表示模拟牵引电动机/发电机在运行针对城市行驶循环的联邦测试程序(FTP-75)时的电功率/扭矩输出。这些驱动点绘制在扭矩/速度/效率曲线图上。如图10可见，与最大效率曲线16相比，行驶循环的相当大部分需要较低的扭矩。因此，典型的行驶循环的相当大部分处于可以从所描述的电动机控制方法中获得益处(并且通常是很大的益处)的运行区域中。图10仅描绘了行驶循环中需要输出扭矩的那些部分。在行驶循环的一些部分期间，用作发电机的电机可以使用再生制动。大部分再生制动也发生在可以从本文所描述的脉冲控制中受益的点处。据信，通过在某些汽车应用中实施所描述的控制方法，将可获得高达7％至12％或更高的平均整体效率增益。效率提高7％到12％将转化成相同充电条件下的里程提高7％到12％，这在里程焦虑严重阻碍了对该技术的广泛采用的汽车应用背景下具有显著优点。可以预计的是，在所请求的电动机输出的变化较小的自主驾驶条件下，可以看到甚至更大的效率提高。

在汽车应用和其他车辆应用中，电动机的运行范围可能非常广泛。这部分地是由于以下事实导致的：在大多数全电动车辆应用中，电动机以固定的速比联接到(多个)从动部件。这与内燃发动机提供动力的车辆相反，内燃发动机提供动力的车辆通常采用在发动机与(多个)从动部件之间具有可变速比的中间变速器。从图1中可以清楚地看到，电动机运行的“最佳点”通常处于中间电动机速度。当需要时，可以使用变速齿轮传动件来使电动机更多时候在更高效区域中运行。这种齿轮传动件可以很容易地由变速器提供，并且因此，将变速器与所描述的脉冲电动机控制结合使用具有潜在的优点。变速器可以具有一组齿轮，或者可以是无级变速的，或者可以具有任何其他合适的形式。在这种实施例中，电动机控制器或其他合适的控制部件可以被布置成以期望的方式指引变速器的运行。同样，变速器的使用也可以有益地用于各种其他(非车辆的)相关应用中。

尽管已将汽车应用用作车辆推进应用的示例，但是应当理解，所描述的控制方法在其他与推进相关的应用中同样有益，这些相关的应用包括：其他类型车辆(包括卡车、货车、摩托车、自行车、无人机和其他飞行设备)中使用的电动机；在环境中自主移动的机器人和其他设备，等等。

暖通空调(HVAC)应用中使用的电动机是可以从脉冲控制中受益的市场的另一个很好的示例。存在几个因素有助于使脉冲电动机控制非常适合于HVAC应用。这些因素包括以下事实：(a)现今在HVAC应用中使用的电动机主要是不包含永磁体的感应电动机；(b)HVAC电动机的大部分运行寿命是在该电动机的高效率区域下方的运行区域中度过的；以及(c)风扇或泵的惯性通常支配电动机的惯性，这趋向于进一步减轻与脉冲相关联的潜在的NVH相关影响。

当然，电动机还用于各种其他应用，在这些应用中，电动机以低于其最佳效率的效率运行。这可能是由于在较宽的运行范围内(例如，在各种不同的负荷和/或电动机速度下)运行，也可能是由于使用了对其应用来说尺寸过大(或没有经过特别设计)的电动机或各种其他原因中的任一种。应当明显的是，所描述的控制方法可以对这些类型的应用中的任何一种都是有益的。

高低扭矩调制

在上述大部分示例中，通过在较高(节能的)扭矩输出水平与零扭矩输出水平之间调制扭矩来实现脉冲变化。尽管这被认为是大多数脉冲控制应用中的优选方法，但是预计存在这样的情况(例如，特定的机器/机器(machines/machine)运行区域)：其中，可能优选地在较高的非零扭矩输出与较低的非零扭矩输出之间进行调制，而不是在高扭矩与零扭矩之间进行调制。例如，在一些情况下，高/低脉冲变化可能具有比开启/关闭脉冲变化更好的噪声、振动和声振粗糙度(NVH)特性，并且因此可能存在这样的情况：其中，与开启/关闭脉冲变化相比，通过高/低脉冲变化可以在能量转换效率与NVH特性之间获得更期望的折衷。在另一个示例中，对于一些电动机的一些运行区域，高/低脉冲变化方法可以提供比开启/关闭脉冲变化更好的整体能量转换效率。结合了需要进行磁场减弱以生成零扭矩的永磁体的电动机是使用高低扭矩调制的特别好的选择。

脉冲电动机过激

大多数电动机具有指定的最大额定输出水平。通常，最大额定输出水平基于稳态运行，并且通常可以在短时间段内以较高的输出水平驱动电动机而不会产生任何不利影响。在一些实施例中，在选定的运行区域中，电动机的输出水平可以是这样的脉冲形式：其中“开启”水平高于稳态运行下的最大额定连续输出水平。针对处于一些潜在运行范围内的一些电动机，使用过激脉冲有几个潜在的优点。例如，在一些特定的运行情况下，电动机或系统(例如，电动机和逆变器)在给定的电动机速度下的能量转换效率在某些过激区域中可能会比在“正常”运行区域中更高，这意味着在更高扭矩或功率下的脉冲操作可能更高效。

此外，更高效的运行通常会导致更少的发热，这潜在地促进了甚至更高的净扭矩输出。因此，据信，如果在传统上以连续功率驱动的电动机(诸如感应电动机和其他AC电动机、无刷DC电动机、开关磁阻电动机等)在设计时考虑了脉冲操作，则有时可以对这些电动机进行优化，以使用脉冲控制获得与适当地使用更常规的稳定/连续驱动功率相比更高的净扭矩输出。

其他电动机优化

存在各种因素导致电动机效率低下。一个贡献因素涉及功率因数，该功率因数是旋转电压与电流向量之间的角度的余弦值。理想地，电压和电流应该同相或具有统一的功率因数。然而，对于许多类型的电动机/发电机，这种理想情况不一定表示任何给定负荷和速度下的最高系统效率点。当设想到如本文描述的电动机的脉冲控制并且考虑了脉冲运行点来优化功率因数校正时，预计有效功率因数将提高到传统连续电动机操作的功率因数以上。

导致电动机效率低下的另一个因素有时被称为电阻性损耗或I²R损耗。电阻性损耗使电动机绕组发热，这又进一步增加了电阻性损耗，因为绕组的电阻率通常会随温度而增大。电阻性损耗是非线性的——至少随电流的平方增加。因此，在较高的电动机输出水平(诸如在脉冲操作期间使用的水平)下，电阻性损耗趋向于对整体电动机效率产生更大的影响。电动机设计的经验法则是，磁损耗应该大致等于目标运行设定点处的电阻性损耗。使用本文所描述的脉冲电动机控制方法可能会影响适当电动机的设计或选择，因为通常不会使用低于最高效运行点的电动机运行点。换句话说，电动机要么基本上在其最高效运行点下被驱动，要么在更高的负荷下被驱动。在电动机的设计或选择中无需考虑低负荷连续运行，这又可以帮助进一步提高系统整体效率。

导致电动机效率低下的另一个因素有时被称为磁芯损耗，这与磁通定向损耗有关。一种损耗机制是电动机绕组泄漏电抗，这是指不在转子磁性元件与定子磁性元件之间连接的磁通线。另一个磁芯损耗机制涉及磁铁芯内的磁滞，并且通常用BH曲线表示。这里，B是磁通量密度，并且H是磁场强度。它们与磁场通过的材料的磁化有关，对于一些电动机，这些材料是转子或定子中存在的(多个)铁芯。同样，可以对专门为脉冲控制设计的电动机进行优化，以减轻脉冲电动机操作期间的磁芯损耗。

如以上所讨论的，与在脉冲变化期间在电动机“开启”状态与电动机“关闭”状态之间切换相关联的暂态切换损耗是影响脉冲操作期间电动机的效率的另一个因素。如以上所讨论的，减少这些暂态切换损耗的一种方式是改善(缩短)与电动机发生脉冲开启和脉冲关闭相关联的电动机驱动电流上升时间和下降时间。帮助管理暂态切换损耗的另一种方式是管理脉冲的频率。通常，切换频率越低，暂态切换损耗将越低。然而，这里存在这样的折衷，即较低频率的切换有时会引起噪声、振动和声振粗糙度(NVH)，这在某些应用中可能是不期望的或不可接受的。因此，优选地，考虑电动机效率和与(多种)电动机旨在应用有关的NVH考虑因素和/或要求来适当地选择任何特定电动机的脉冲频率。按照这种方式，注意的是，具有噪声整形能力的脉冲控制器(诸如基于Σ-Δ转换的脉冲控制器)在减轻与脉冲电动机控制相关联的NVH影响方面可能非常有帮助，并且因此在支持使用通常较低的切换频率方面可能有帮助。

应当理解，基于电动机的构造、运行环境和运行范围，用于不同电动机的适当的脉冲频率可能非常不同。对于一些电动机，10kHz至50kHz数量级的切换频率可能是适当的——而对于其他电动机，低得多的切换频率(例如，10Hz至500Hz的范围)可能更适当。还有其他的电机的切换频率可以在这些范围之间或者高于或低于所陈述范围之一。对于任何特定的电动机，最适当的脉冲频率将取决于各种因素，包括电动机尺寸、开启/关闭暂态特性、NVH考虑因素等。

针对任何特定的电动机速度的期望驱动点选择也会对切换频率产生影响。更具体地，许多电动机在相对较宽的运行范围内具有相对平坦的效率曲线。通常，在略低于连续运行的最佳效率点的扭矩水平下的脉冲操作有时可以促进以较低频率进行切换，这——取决于切换损耗的性质——可能会导致脉冲操作期间更高的整体电动机效率。这强调了一点，即，与任何特定电动机速度相关联的期望脉冲操作驱动点不一定是对于连续电动机运行最高效的扭矩水平。而是，在一些情况下，脉冲操作的最节能点可能与连续操作的最节能点略有不同。此外，NVH考虑因素和/或其他运行考虑因素或控制考虑因素可能会影响关于被视为适合任何特定电动机速度的驱动点的决策。

附加实施例

虽然仅详细描述了本发明的几个实施例，但是应当理解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本发明可以以许多其他形式实施。在不同的实施例中，可以以各种不同的架构来实施、分组和配置各种所描述的脉冲控制器和其他控制元件。例如，在一些实施例中，脉冲控制器可以被结合到电动机控制器或逆变器控制器中，或者可以被提供为单独的部件。类似地，对于发电机，可以将脉冲控制器结合到发电机控制器或整流器控制器中，并且在组合的电动机/发电机中，可以将脉冲控制器结合到组合的电动机/发电机控制器或组合的逆变器/整流器控制器中。在一些实施例中，可以通过在处理器上执行的软件或固件以算法方式实施所描述的控制功能，该处理器可以采取任何合适的形式，包括例如通用处理器和微处理器、DSP等。

脉冲发生器或机器控制器可以是较大控制系统的一部分。例如，在车辆应用中，所描述的控制可以是执行与车辆控制有关的各种功能的车辆控制器、动力传动系控制器、混合动力传动系控制器或ECU(发动机控制单元)等的一部分。在这样的应用中，车辆控制器或其他相关控制器等可以采取执行所有所需控制的单个处理器的形式，或者可以包括共同定位为动力传动系或车辆控制模块的一部分、或者分布在车辆内的各个位置的多个处理器。由处理器或控制单元中的任何一个执行的具体功能可以广泛变化。

已经主要在电动机控制和/或逆变器/电动机控制的背景下描述了本发明。然而，应当理解，所描述的方法同样适用于发电机和/或发电机/整流器控制。因此，在描述电动机控制的任何时候，应当理解，类似的技术可以应用于发电机控制。因此，除非上下文需要不同的解释，否则对脉冲电动机控制、脉冲发电机控制或脉冲电动机/发电机控制的特征的描述应理解为同样适用于脉冲电动机控制、脉冲发电机控制和对组合的电动机/发电机的脉冲控制。

可以在脉冲控制器120内实施各种不同的控制方案。通常，可以使用模拟部件或使用混合方法以数字方式、算法方式实施这些控制方案。脉冲发生器和/或电动机控制器可以使用模拟部件或任何其他合适的硬件被实施为在处理器、在诸如FPGA(现场可编程门阵列)等可编程逻辑上、在诸如ASIC(专用集成电路)等电路系统中、在数字信号处理器(DSP)上执行的代码。在一些实施方式中，可以将所描述的控制方案结合到要在结合到逆变器控制器(和/或发电机背景下的整流器控制器，和/或组合的逆变器/整流器控制器)中的数字信号处理器(DSP)上执行的目标代码中。

在一些主要描述的实施例中，使用Σ-Δ控制来产生脉冲控制信号。尽管Σ-Δ控制是产生脉冲控制信号124的一种特别好的方式，但是应当理解，在其他实施例中，可以使用各种其他控制方案来产生脉冲控制信号。

无论所使用的脉冲的性质如何，优选地以使得不会产生对于旨在应用不可接受的NVH的方式来管理扭矩调制。

所描述的脉冲电动机控制可以用于各种应用中。通常，在并非以接近其最佳运行效率持续驱动的电动机和发电机中，通常会看到最大的效率增益。这样的很好的示例是具有广泛的运行范围并且旨在在广泛变化的负荷条件下使用的电动机/发电机。另一个很好的示例是按例程被驱动的电动机。例如，系统设计人员使用比应用实际所需的更大的电动机并不罕见，例如，当50hp电动机就相当足以满足指定任务时，使用100hp电动机。在许多情况下，较大的电动机在减少的负荷下的运行效率可能较低，并且在这样的情况下，脉冲控制可以提高使用期间的电动机效率。

因此，本实施例应当被考虑为说明性的而不是限制性的并且本发明不限于在此给出的细节，但可以在随附权利要求的范围和等效物内修改。

Claims (74)

1.一种控制电机的方法，该方法包括指引该电机的脉冲操作以递送期望输出，其中，该电机的脉冲操作使得该电机的输出在第一输出水平与低于该第一输出水平的第二输出水平之间交替，其中，该第一输出水平和该第二输出水平被选择为使得该电机和包括该电机的系统中的至少一者在该脉冲操作期间的能量转换效率比该电机在以连续方式驱动该电机以递送该期望输出所需的第三输出水平下运行时的能量转换效率更高。

2.如权利要求1所述的方法，其中，功率转换器用于控制该电机的输出，该方法进一步包括控制该功率转换器以使该电机的输出在该第一输出水平与该第二输出水平之间交替。

3.如权利要求1所述的方法，其中，该第二输出水平是基本上为零的扭矩。

4.如权利要求1所述的方法，其中，该电机以每秒至少10次的频率脉冲变化。

5.如权利要求1所述的方法，其中，该电机在该第一输出水平与该第二输出水平之间每秒至少交替100次。

6.如权利要求1所述的方法，其中，Σ-Δ转换器用于控制该电机的脉冲变化。

7.如权利要求6所述的方法，其中，该Σ-Δ转换器是一阶Σ-Δ转换器。

8.如权利要求6所述的方法，其中，该Σ-Δ转换器至少是三阶Σ-Δ转换器。

9.如权利要求1所述的方法，其中，该电机具有当前运行速度，该方法进一步包括根据该电机的当前运行速度的变化来改变该第一输出水平。

10.如权利要求1所述的方法，其中，脉冲宽度调制控制器用于控制该电机的脉冲变化。

11.如权利要求1所述的方法，其中，该第一输出水平对应于在该电机的当前运行速度下具有基本上最高的系统能量转换效率或电机能量转换效率的电机输出水平。

12.如权利要求1所述的方法，其中，该系统被配置成作为电动机/发电机运行。

13.如权利要求1所述的方法，进一步包括根据该期望输出的变化来改变该脉冲的占空比。

14.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该电机是感应电机。

15.如权利要求14所述的方法，其中，该感应电机具有至少三个相位。

16.如权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，该电机是开关磁阻电机。

17.如权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，该电机是同步AC电机。

18.如权利要求17所述的方法，其中，该电机选自由以下各项构成的组：

同步磁阻电机；

永磁同步磁阻电机；

混合式永磁同步磁阻电机；

外部激励AC同步电机；以及

永磁同步电机。

19.如权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，该电机是无刷DC电机。

20.如权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，该电机选自由以下各项构成的组：

电激励DC电机；

永磁DC电机；

串联绕线DC电机；

并联DC电机；

有刷DC电机；以及

复合DC电机。

21.如权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，该电机选自由以下各项构成的组：

涡电流机；

AC直线电机；

AC机械换向电机和DC机械换向电机；以及

轴向磁通电机。

22.一种控制电动机以递送期望扭矩的方法，该方法包括：

确定期望的电动机输出是否小于指定的输出水平，该指定的输出水平是能量转换高效输出水平；

当该期望的电动机输出小于该指定的输出水平时，用脉冲电功率信号驱动该电动机以使该电动机递送该期望输出，其中，该脉冲电功率信号在与该指定的输出水平相对应的第一功率水平与该基本上为零的第二功率水平之间交替，与在以连续方式驱动该电动机以递送该期望输出所需的第三功率水平下运行时相比，该电动机在由该脉冲电功率信号驱动时具有更高的能量转换效率，该第三功率水平低于该第一功率水平；以及

当该期望的电动机输出不小于该指定的输出水平时，驱动该电动机以递送该期望的电动机输出。

23.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，功率转换器用于控制该电机的输出，该方法进一步包括控制该功率转换器以使该电机的输出在该第一输出水平与该第二输出水平之间交替。

24.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该第二输出水平是基本上为零的扭矩。

25.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该电机在该第一输出水平与该第二输出水平之间每秒至少交替100次。

26.如权利要求1至5和11至25中任一项所述的方法，其中，Σ-Δ转换器用于控制该电机的脉冲变化。

27.如权利要求26所述的方法，其中，该Σ-Δ转换器是一阶Σ-Δ转换器。

28.如权利要求26所述的方法，其中，该Σ-Δ转换器至少是三阶Σ-Δ转换器。

29.如权利要求1至5和11至25中任一项所述的方法，其中，脉冲宽度调制控制器用于控制该电机的脉冲变化。

30.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该第一输出水平是至少部分地基于能量转换效率并且至少部分地基于噪声、振动和声振粗糙度(NVH)考虑因素来选择的。

31.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该第一输出水平对应于在该电机的当前运行速度下具有基本上最高的系统能量转换效率或电机能量转换效率的电机输出水平。

32.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该电机具有当前运行速度，该方法进一步包括根据该电机的当前运行速度的变化来改变该第一输出水平。

33.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该电机作为电动机和发电机中的至少一者运行。

34.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该功率转换器包括逆变器和整流器中的至少一者。

35.一种控制AC电动机以递送期望扭矩的方法，该方法包括向该AC电动机提供交流电功率信号以驱动该AC电动机递送期望扭矩，其中，该交流电功率信号在第一功率水平与基本上为零的第二功率水平之间脉冲变化，与在以连续方式驱动该AC电动机以递送该期望扭矩所需的第三功率水平下运行时相比，该AC电动机在以该第一功率水平下运行时具有更高的能量转换效率，该第三功率水平低于该第一功率水平。

36.如权利要求35所述的方法，其中，通过调节该交流电功率信号的频率来控制该AC电动机的速度。

37.如权利要求35所述的方法，其中，该第一功率水平与该第二功率水平之间的切换的相位与该交流电功率信号的相位同步。

38.如权利要求35所述的方法，其中，该第一功率水平与该第二功率水平之间的切换的相位与该交流电功率信号的相位不同步。

39.一种机器控制器，该机器控制器被配置成执行如前述权利要求中任一项所述的方法。

40.一种系统，包括：

电机；

功率转换器；以及

机器控制器，该机器控制器被布置成指引该功率转换器在选定的运行范围内引起该电机的脉冲操作以递送期望输出，其中，该电机的脉冲操作使得该电机的输出在第一输出水平与低于该第一输出水平的第二输出水平之间交替，其中，该第一输出水平和该第二输出水平被选择为使得该系统在该电机的脉冲操作期间的能量转换效率比该系统在以连续方式驱动该电机以递送该期望输出所需的第三输出水平下运行时的能量转换效率更高。

41.如权利要求40所述的系统，其中，该第二输出水平是基本上为零的扭矩。

42.如权利要求40所述的系统，其中，该机器控制器包括脉冲控制器，该脉冲控制器指引该电机的脉冲的定时。

43.如权利要求42所述的系统，其中，该脉冲控制器利用Σ-Δ转换器来动态地确定第一输出水平脉冲的持续时间、定时或频率中的至少一者。

44.一种电机控制器，包括Σ-Δ转换器，该Σ-Δ转换器被布置成指引该机器控制器的脉冲操作。

45.如权利要求43所述的系统，其中，该Σ-Δ转换器是一阶Σ-Δ转换器。

46.如权利要求43所述的系统，其中，该Σ-Δ转换器至少是三阶Σ-Δ转换器。

47.如权利要求43所述的系统，其中，连续的第一输出水平脉冲之间的时间段是脉冲周期持续时间，并且该脉冲周期持续时间在该电机的运行期间变化。

48.如权利要求47所述的系统，其中，该脉冲周期持续时间根据该电机的转速而变化。

49.如权利要求43所述的系统，其中，该Σ-Δ转换器利用可变时钟，该可变时钟根据该电机的运行速度而变化。

50.如权利要求42所述的系统，其中，该脉冲控制器利用脉冲宽度调制器来确定这些第一输出水平脉冲的持续时间。

51.如权利要求42所述的系统，其中，该脉冲控制器被配置成使得该电机以每秒至少10次的频率脉冲变化。

52.如权利要求40所述的系统，其中，该电机被配置成作为电动机/发电机运行。

53.如权利要求40所述的系统，其中，该机器控制器被配置成根据该电机的运行速度的变化来改变该第一输出水平。

54.如权利要求40至53中任一项所述的系统，其中，该电机是感应电机。

55.如权利要求54所述的系统，其中，该感应电机具有至少三个相位。

56.如权利要求40至53中任一项所述的系统，其中，该电机是开关磁阻电机。

57.如权利要求40至53中任一项所述的系统，其中，该电机是同步AC电机。

58.如权利要求57所述的系统，其中，该电机选自由以下各项构成的组：

同步磁阻电机；

永磁同步磁阻电机；

混合式永磁同步磁阻电机；

外部激励AC同步电机；以及

永磁同步电机。

59.如权利要求40至53中任一项所述的系统，其中，该电机是无刷DC电机。

60.如权利要求40至53中任一项所述的系统，其中，该电机选自由以下各项构成的组：

电激励DC电机；

永磁DC电机；

串联绕线DC电机；

并联DC电机；

有刷DC电机；以及

复合DC电机。

61.如权利要求40至53中任一项所述的系统，其中，该电机选自由以下各项构成的组：

涡电流机；

AC直线电机；

AC机械换向电机和DC机械换向电机；以及

轴向磁通电机。

62.如权利要求40至61中任一项所述的系统，其中，该机器控制器包括脉冲控制器，该脉冲控制器指引该电机的脉冲的定时。

63.如权利要求40至62中任一项所述的系统，其中，该第二输出水平是基本上为零的扭矩。

64.如权利要求40至49和51至63中任一项所述的系统，其中，该脉冲控制器利用Σ-Δ转换器来动态地确定第一输出水平脉冲的持续时间、定时或频率中的至少一者。

65.如权利要求44或64所述的系统或电机控制器，其中，该Σ-Δ转换器是一阶Σ-Δ转换器。

66.如权利要求44或64所述的系统或电机控制器，其中，该Σ-Δ转换器至少是三阶Σ-Δ转换器。

67.如权利要求44或64至66所述的系统或电机控制器，其中，连续的第一输出水平脉冲之间的时间段是脉冲周期持续时间，并且该脉冲周期持续时间在该电机的运行期间变化。

68.如权利要求67所述的系统或电机控制器，其中，该脉冲周期持续时间根据该电机的转速而变化。

69.如权利要求44或64至68所述的系统或电机控制器，其中，该Σ-Δ转换器利用可变时钟，该可变时钟根据该电机的运行速度而变化。

70.如权利要求40至69中任一项所述的系统，其中，该电机至少有时用作电动机，并且该功率转换器包括逆变器。

71.如权利要求40至70中任一项所述的系统，其中，该电机至少有时用作发电机，并且该功率转换器包括整流器。

72.如权利要求40至71中任一项所述的系统，其中，该系统被配置成作为电动机/发电机运行。

73.如权利要求40至72中任一项所述的系统，其中，该脉冲控制器被配置成使得该电机在该第一输出水平与该第二输出水平之间每秒至少切换100次。

74.如权利要求40至73中任一项所述的系统，其中，该机器控制器被配置成根据该电机的运行速度的变化来改变该第一输出水平。

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