專利名稱：帶有單個(gè)電流傳感器的三相電動(dòng)機(jī)中的阻尼控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及三相動(dòng)力裝置(例如三相電動(dòng)機(jī))，并且具體涉及一種改進(jìn)的流程，通過(guò)用于阻尼控制和電動(dòng)機(jī)制動(dòng)的單個(gè)電流傳感器來(lái)測(cè)量各相電流。
背景技術(shù)：
三相電動(dòng)機(jī)(例如永久磁鐵同步電動(dòng)機(jī)和感應(yīng)電動(dòng)機(jī))可以用于許多應(yīng)用，用來(lái)提供機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力輔助?？梢允褂妹}沖寬度調(diào)制信號(hào)控制三相電動(dòng)機(jī)中的各相線圈是已知的。脈寬調(diào)制信號(hào)加載到一個(gè)反相器或一系列開(kāi)關(guān)器件，它們把電動(dòng)機(jī)的各相線圈連接到直流(DC)電源的正極或負(fù)極接線端，例如電池。該反相器包括高端組中的三個(gè)開(kāi)關(guān)和低端組中的三個(gè)開(kāi)關(guān)。
為了充分控制電動(dòng)機(jī)，有必要測(cè)量流過(guò)各相線圈的電流。各相的測(cè)量電流提供給產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)的控制器。為了測(cè)量電流，可以用一個(gè)電阻與各相線圈串聯(lián)是已知的。測(cè)量各電阻兩端的電壓降以確定各相的電流流動(dòng)。這種類型的系統(tǒng)具有這樣的缺點(diǎn)，它需要分別用于三相線圈的三個(gè)電流傳感器和三個(gè)測(cè)量電路。
可以去掉至少一個(gè)電流傳感器且基于其它兩相的測(cè)量可以計(jì)算無(wú)傳感器的那一相電流，也是已知的。在大多數(shù)情況下，流過(guò)電動(dòng)機(jī)所有相的所有電流之和為零，所以，通過(guò)了解流過(guò)其中兩相的電流，可以確定流過(guò)無(wú)傳感器的那一相電流(星形連接點(diǎn)接地的星形連接電動(dòng)機(jī)或有故障的電動(dòng)機(jī)除外)。
可以用單個(gè)電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量流過(guò)三相電動(dòng)機(jī)各相的電流的功能也是已知的。該單個(gè)電阻位于電動(dòng)機(jī)線圈的外部，在DC電源與反相器或系列開(kāi)關(guān)器件之間的DC鏈路上。根據(jù)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)和工作的周期，通過(guò)各相的電流可以通過(guò)該單個(gè)電阻測(cè)量或計(jì)算。
當(dāng)需要阻尼或制動(dòng)時(shí)，可以閉合高端開(kāi)關(guān)器件組或低端開(kāi)關(guān)器件組，從而把電動(dòng)機(jī)所有相的線圈連接在一起，也是已知的。制動(dòng)用來(lái)抑制不需要的機(jī)械系統(tǒng)振動(dòng)，也用來(lái)減小機(jī)械系統(tǒng)的速度。例如，機(jī)械共振或擾動(dòng)可以從機(jī)械系統(tǒng)反饋回電動(dòng)機(jī)。不穩(wěn)定的機(jī)械共振不僅不受歡迎，這些共振還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)(EMF)，它可能引起電動(dòng)機(jī)中的過(guò)載電流。在阻尼模式中，閉合的開(kāi)關(guān)允許電流在電動(dòng)機(jī)線圈中循環(huán)流動(dòng)以充當(dāng)制動(dòng)來(lái)抑制由機(jī)械共振引起的任何運(yùn)動(dòng)，從而幫助恢復(fù)穩(wěn)定。但是，阻尼模式下電流在電動(dòng)機(jī)線圈中的內(nèi)部循環(huán)不能由單個(gè)外部電阻來(lái)測(cè)量，因?yàn)樵撾娮璨辉陔娏鱾鬏敪h(huán)路中。因此，不能測(cè)量，從而也不能改變或控制電動(dòng)機(jī)線圈中的電流。
為了獲得增強(qiáng)的制動(dòng)效果，可以調(diào)制三相反相器開(kāi)關(guān)以強(qiáng)制電動(dòng)機(jī)中的電流返回到電池也是已知的。在這種情況下，流過(guò)單個(gè)電阻的電池電流與正常的電動(dòng)機(jī)工作相比是反向的。因此，該電阻兩端的電壓是負(fù)的并且不能由控制器讀出，除非該控制器是為該種情況而設(shè)計(jì)的。
因此，需要一種改進(jìn)的技術(shù)，在阻尼/制動(dòng)模式下，使用單個(gè)電流傳感器來(lái)監(jiān)控三相裝置中的電流。也希望提供這種技術(shù)而無(wú)附加硬件要求，從而提高可靠性并節(jié)約成本。


本發(fā)明的新穎特點(diǎn)在權(quán)利要求書(shū)中具體闡明。通過(guò)參考下列描述并結(jié)合附圖，可以最充分地理解本發(fā)明及其進(jìn)一步的目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)。附圖中相同的參考數(shù)字標(biāo)明相同的元件，其中圖1依照本發(fā)明給出帶有一個(gè)電源、一個(gè)反相器或開(kāi)關(guān)電路以及一個(gè)三相電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)圖示；圖2為圖1中系統(tǒng)的控制器的圖示，它用于產(chǎn)生PWM信號(hào)給多個(gè)開(kāi)關(guān)器件；圖3為反映圖1中開(kāi)關(guān)的八種可能開(kāi)關(guān)狀態(tài)的表格；圖4為圖3的電壓空間矢量圖；圖5依照本發(fā)明給出阻尼模式開(kāi)關(guān)配置的示意圖；圖6依照本發(fā)明給出阻尼模式下測(cè)量電流的開(kāi)關(guān)配置實(shí)例的示意圖；圖7依照本發(fā)明給出阻尼模式下測(cè)量電流的開(kāi)關(guān)操作及開(kāi)關(guān)定時(shí)的圖示；圖8依照本發(fā)明給出用于阻尼模式中電流阻尼的開(kāi)關(guān)配置的示意圖；圖9依照本發(fā)明給出阻尼模式下測(cè)量電流并提供電流阻尼的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換和定時(shí)圖示；和圖10依照本發(fā)明給出阻尼模式下測(cè)量三相電動(dòng)機(jī)電流的流程圖。
本發(fā)明可以做各種修改并有替換形式，同時(shí)這里已經(jīng)在附圖中以實(shí)例方式給出了特殊實(shí)施例并且將詳細(xì)描述。但是，本發(fā)明并不局限于公開(kāi)的具體形式。相反地，本發(fā)明包括權(quán)利要求書(shū)定義的本發(fā)明寬范圍內(nèi)的所有修改、等效和替代。
具體實(shí)施例方式
所描述的是一種改進(jìn)的流程，用于在阻尼模式下用單個(gè)外部電流傳感器測(cè)量系統(tǒng)中流過(guò)三相裝置各相的電流。很方便地，不需要額外的硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。三相電動(dòng)機(jī)，例如永久磁鐵同步電動(dòng)機(jī)，可以用作動(dòng)力機(jī)械系統(tǒng)的一部分。但是，本發(fā)明并不局限于三相電動(dòng)機(jī)并且可以應(yīng)用于其它三相裝置甚至多相裝置。
由于系統(tǒng)的機(jī)械性質(zhì)和控制器的閉環(huán)響應(yīng)，動(dòng)力機(jī)械系統(tǒng)在特定頻率范圍內(nèi)(例如5-10Hz)表現(xiàn)出輕阻尼諧振響應(yīng)是可能的。但是，要求閉環(huán)控制系統(tǒng)在所有可能的機(jī)械擾動(dòng)下保持穩(wěn)定。如果在發(fā)生輕阻尼系統(tǒng)響應(yīng)的頻率范圍內(nèi)遇到機(jī)械擾動(dòng)，必須修改控制器操作以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)響應(yīng)定義為機(jī)械系統(tǒng)和電子控制器的閉環(huán)響應(yīng)。確保系統(tǒng)穩(wěn)定性的一種方法是短路電動(dòng)機(jī)線圈。該方式的后果是阻尼電動(dòng)機(jī)和機(jī)械系統(tǒng)響應(yīng)，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)充當(dāng)制動(dòng)以阻止由機(jī)械系統(tǒng)引起的任何運(yùn)動(dòng)。
現(xiàn)在看附圖，依照本發(fā)明說(shuō)明三相裝置系統(tǒng)的使用實(shí)例。參照?qǐng)D1，系統(tǒng)20一般帶有一個(gè)電源22、一個(gè)反相器或開(kāi)關(guān)電路24和一個(gè)電動(dòng)機(jī)26。典型地，電源22是一個(gè)帶有正接線端28和負(fù)接線端30的DC電池。負(fù)接線端30也可以接地。盡管可以使用其它連接類型，例如delta連接的電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)26可以是一個(gè)帶有Y形連接三相線圈A、B、C的電動(dòng)機(jī)。例如，這樣的電動(dòng)機(jī)可以包括一個(gè)永久磁鐵同步電動(dòng)機(jī)或一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。
反相器或開(kāi)關(guān)電路24包括三組開(kāi)關(guān)器件，一組對(duì)應(yīng)于電動(dòng)機(jī)26的一相線圈。第一組開(kāi)關(guān)器件S1、S2能夠提供第一電壓Va給第一相線圈A。第二組開(kāi)關(guān)器件S3、S4能夠提供第二電壓Vb給第二相線圈B。第三組開(kāi)關(guān)器件S5、S6能夠提供第三電壓Vc給第三相線圈C。
各種開(kāi)關(guān)器件S1-S6都可以用于開(kāi)關(guān)電路24。例如，開(kāi)關(guān)器件S1-S6可以是功率晶體管，例如本領(lǐng)域熟知的IGBT、功率MOSFET和雙極型晶體管。PWM信號(hào)將加載到功率晶體管的柵極或基極。重要的是，通過(guò)加載一個(gè)PWM信號(hào)，各開(kāi)關(guān)器件S1-S6可以斷開(kāi)或閉合(或者關(guān)閉或?qū)?。
各組開(kāi)關(guān)器件的高端開(kāi)關(guān)組S1、S3、S5連接到電源22的正接線端28，低端開(kāi)關(guān)組S2、S4、S6連接到電源22的負(fù)接線端30(或地)。一個(gè)組中的各開(kāi)關(guān)器件與另一個(gè)組中的其它開(kāi)關(guān)互補(bǔ)。例如，當(dāng)高端開(kāi)關(guān)器件組中的高端開(kāi)關(guān)器件S1閉合時(shí)，低端開(kāi)關(guān)器件組中的相應(yīng)低端開(kāi)關(guān)器件S2斷開(kāi)。相似地，當(dāng)高端開(kāi)關(guān)器件組中的高端開(kāi)關(guān)器件S1斷開(kāi)時(shí)，低端開(kāi)關(guān)器件組中的相應(yīng)低端開(kāi)關(guān)器件S2閉合。
由于帶有互補(bǔ)的開(kāi)關(guān)器件，各組中開(kāi)關(guān)器件的斷開(kāi)和閉合(即反相器的相位管腿)允許電動(dòng)機(jī)26的各相線圈A、B、C連接到電源22的正接線端28或負(fù)接線端30。這就允許電壓Va、Vb或Vc分別加載到電動(dòng)機(jī)26的相應(yīng)相線圈A、B或C上。圖1中分別用相應(yīng)變量Ia、Ib或Ic表示流過(guò)各相線圈A、B或C的電流。
如下文將要更詳細(xì)描述的，本發(fā)明使用多個(gè)脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)來(lái)控制高端和低端開(kāi)關(guān)器件組S1-S6。參見(jiàn)圖2，控制器34用來(lái)產(chǎn)生PWM信號(hào)給各開(kāi)關(guān)器件S1-S6。控制器34連接到開(kāi)關(guān)以提供脈寬調(diào)制信號(hào)來(lái)控制開(kāi)關(guān)?？刂破?4可基于接收到的由連接到控制器34的電流傳感器32提供的電流測(cè)量信號(hào)產(chǎn)生PWM信號(hào)。應(yīng)該承認(rèn)，電流傳感器32可以聯(lián)合比較器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及類似的器件來(lái)提供一個(gè)模擬或數(shù)字信號(hào)給控制器，指示電動(dòng)機(jī)26中被測(cè)相的電流。另外，控制器34可以包括數(shù)字處理器和存儲(chǔ)器以存儲(chǔ)帶有控制算法的軟件。依照本發(fā)明，數(shù)字處理器基于軟件實(shí)現(xiàn)的控制算法提供PWM信號(hào)。例如，適合于本發(fā)明的帶有數(shù)字處理器的控制器34可以從德州儀器公司獲得，元件號(hào)為TMS320LF2406。該元件是一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)控制器，包括閃存，用來(lái)存儲(chǔ)軟件。此外，控制器34可以包括一個(gè)DSP處理器和一個(gè)外部存儲(chǔ)器(未顯示)。
在操作時(shí)，電流傳感器32可測(cè)量至少一相電流，并且更適宜繼續(xù)測(cè)量電動(dòng)機(jī)的各相電流?？刂破?4可輸入來(lái)自于電流傳感器32的信號(hào)以確定電流何時(shí)由于來(lái)自于電動(dòng)機(jī)的機(jī)械反饋而超過(guò)預(yù)定閾值。預(yù)定閾值不僅包括一個(gè)電流值限制，也包括進(jìn)入阻尼(零向量)模式前在一段時(shí)間內(nèi)電流值超過(guò)限制的次數(shù)。如果在預(yù)定時(shí)間內(nèi)超過(guò)預(yù)定閾值，控制器閉合高端和低端開(kāi)關(guān)組之一的所有開(kāi)關(guān)以提供機(jī)械反饋的阻尼，同時(shí)另一個(gè)開(kāi)關(guān)組斷開(kāi)。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，很顯然高端開(kāi)關(guān)組可以閉合一段時(shí)間，這時(shí)斷開(kāi)高端開(kāi)關(guān)組且閉合低端開(kāi)關(guān)組(即旋轉(zhuǎn)開(kāi)口)，從而在兩個(gè)開(kāi)關(guān)組之間分配熱量。也可以確定需要一個(gè)更強(qiáng)烈的阻尼/制動(dòng)電平，在這種情況下，電流返回到電池，而不是在電動(dòng)機(jī)中循環(huán)流動(dòng)。
本發(fā)明的一個(gè)新穎方面在阻尼模式過(guò)程中，其中控制器34可周期性地開(kāi)關(guān)電流傳感器32和控制器34必需的被選開(kāi)關(guān)以確定電動(dòng)機(jī)中至少一相電流，從而傳感器和控制器對(duì)被選相的電流進(jìn)行采樣。這樣以短采樣周期重復(fù)直到采樣電流指示到電動(dòng)機(jī)的機(jī)械反饋降低到預(yù)定閾值以下，從而該設(shè)備退出阻尼模式，使PWM系統(tǒng)正常工作。
在優(yōu)選實(shí)施例中，控制器34可選擇開(kāi)關(guān)以對(duì)電流進(jìn)行采樣，以使電動(dòng)機(jī)的平均向量電壓大致為零。實(shí)際上，控制器可選擇開(kāi)關(guān)來(lái)對(duì)電流采樣，以使電動(dòng)機(jī)各相的正負(fù)電壓向量本質(zhì)上都為零。例如，電流Ia可以在一個(gè)PWM周期中采樣，后接后續(xù)PWM周期中的電流采樣-Ia，得到一個(gè)零電壓向量(即Ia-Ia＝0)。優(yōu)選采樣各相正負(fù)電流六次(即Ia，-Ia，Ib，-Ib，Ic，-Ic)，得到一個(gè)零電壓向量。
在高端組或低端組有效模式以外，在阻尼模式中開(kāi)關(guān)發(fā)生的時(shí)間僅夠獲得精確的采樣，在此之后開(kāi)關(guān)返回到它們以前的狀態(tài)。這時(shí)，電流不再在電動(dòng)機(jī)線圈內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，而是從電池流過(guò)感應(yīng)電阻，從而獲得相電流讀數(shù)。在接下來(lái)的周期中，互補(bǔ)開(kāi)關(guān)激活以求出相等的負(fù)相電流(例如，第一個(gè)采樣為+Ia，第二個(gè)采樣為-Ia)。換句話說(shuō)，控制器可對(duì)為了在已獲得一個(gè)電流采樣之后直接獲得電流采樣而開(kāi)關(guān)的所有開(kāi)關(guān)都不進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。如果對(duì)電流采樣的時(shí)間長(zhǎng)度很小或不存在，則在使用PWM信號(hào)時(shí)可能出現(xiàn)問(wèn)題。當(dāng)采樣時(shí)間長(zhǎng)度很小或不存在時(shí)，系統(tǒng)不能測(cè)量通過(guò)電動(dòng)機(jī)各相線圈的電流。
因此，本發(fā)明考慮不同情況的阻尼模式，測(cè)量或采樣其中至少一相線圈的電流。如下文更詳細(xì)說(shuō)明的，根據(jù)具體情況，提供PWM信號(hào)以得到足夠的采樣窗(或時(shí)間長(zhǎng)度)，它用于測(cè)量通過(guò)DC鏈路上感應(yīng)電阻的電流。典型地，5μs的采樣窗就足夠了。
可選地，控制器可斷開(kāi)所有開(kāi)關(guān)直到下一個(gè)PWM周期以使開(kāi)關(guān)充當(dāng)使電流流回(dump current back to)電源的整流器，同時(shí)保持對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的阻尼效果。在這種情況下，發(fā)生最大的電動(dòng)機(jī)制動(dòng)效果。在一定的電流條件下該選項(xiàng)是很有用的，如下文所描述。當(dāng)開(kāi)關(guān)為場(chǎng)效應(yīng)晶體管時(shí)，最優(yōu)地實(shí)現(xiàn)電流阻尼，因?yàn)檫@時(shí)開(kāi)路FET充當(dāng)二極管整流器。
更適宜地，控制器可在PWM周期較早時(shí)刻對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，只要電動(dòng)機(jī)在阻尼模式中。這能提供許多電流阻尼控制，如下文所說(shuō)明。只要電流測(cè)量指示電動(dòng)機(jī)仍然需要阻尼，則電流采樣發(fā)生在PWM周期的越早越好。由于優(yōu)選操作技術(shù)在退出阻尼模式前(為了保持零電壓向量條件)進(jìn)行六次電流測(cè)量，各相各測(cè)量一次正電流和負(fù)電流，所以較早的電流測(cè)量值之一可能指示不再需要阻尼模式。在這種情況下，剩余六個(gè)采樣中的后續(xù)電流測(cè)量值在PWM周期的越晚時(shí)刻獲得越好，因?yàn)椴辉傩枰娏髯枘帷Q句話說(shuō)，控制器可在退出阻尼模式前，針對(duì)電動(dòng)機(jī)各相的各正負(fù)電壓向量，對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，其中控制器可在PWM周期較早時(shí)刻對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，只要電動(dòng)機(jī)處于阻尼模式，并且可在PWM周期較晚時(shí)刻對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，只要到電動(dòng)機(jī)的機(jī)械反饋降低到預(yù)定閾值以下。通過(guò)把電動(dòng)機(jī)阻尼與三個(gè)開(kāi)關(guān)閉合的比例改為電流阻尼與所有六個(gè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的比例，可以控制電動(dòng)機(jī)的總制動(dòng)量以獲得期望的機(jī)械阻尼。
正常情況下，可以用電流傳感器的單個(gè)輸入監(jiān)控電流阻尼?？蛇x地，可以實(shí)現(xiàn)電流阻尼，其中電池電流以相對(duì)于電動(dòng)機(jī)正常工作相反的方向流過(guò)單個(gè)感應(yīng)電阻。另外，可以使用差分電流傳感器來(lái)感應(yīng)以任意方向通過(guò)感應(yīng)電阻的電流。但是，這會(huì)增加成本。
回顧圖1，為了充分控制電動(dòng)機(jī)26，需要測(cè)量或者以其它方式知道電流Ia、Ib、Ic。在一個(gè)實(shí)施例中，單個(gè)電流感應(yīng)器件32置于電源22和開(kāi)關(guān)電路24之間的DC鏈路上。特別地，電流感應(yīng)器件32位于開(kāi)關(guān)電路24的低端開(kāi)關(guān)器件S2、S4、S6和電源22的負(fù)接線端30(或地)之間。此外，電流感應(yīng)器件32可以位于開(kāi)關(guān)電路24的高端開(kāi)關(guān)器件S1、S3、S5和電源22的正接線端28之間。例如，電流感應(yīng)器件32可以是一個(gè)測(cè)量電阻兩端電壓降的傳感器。電流感應(yīng)器件32能夠根據(jù)公知器件和技術(shù)把電壓降測(cè)量值轉(zhuǎn)換成表示通過(guò)DC鏈路的電流的值(用I_dc_link表示)。
如上文所說(shuō)明，一組開(kāi)關(guān)器件中的各開(kāi)關(guān)器件與其它開(kāi)關(guān)器件互補(bǔ)。對(duì)于一個(gè)三相電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，這導(dǎo)致八種可能的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。圖3說(shuō)明的表格把這八種可能的開(kāi)關(guān)狀態(tài)表示為向量V0-V7。表格中的第一列40代表第一組開(kāi)關(guān)器件S1、S2的狀態(tài)(斷開(kāi)/閉合)。表格中的第二列42代表第二組開(kāi)關(guān)器件S3、S4的狀態(tài)(斷開(kāi)/閉合)。表格中的第三列44代表第三組開(kāi)關(guān)器件S5、S6的狀態(tài)(斷開(kāi)/閉合)。第四列46反映通過(guò)DC鏈路的電流(I_dc_link)與通過(guò)各相線圈A、B和C的電流Ia、Ib和Ic之間的關(guān)系。第五列48反映八種向量狀態(tài)。在八種可能的開(kāi)關(guān)狀態(tài)中，有六個(gè)有效向量狀態(tài)(V1-V6)(其中電流將流過(guò)DC鏈路)和對(duì)應(yīng)于電動(dòng)機(jī)阻尼模式的零向量狀態(tài)(V0，V7)(阻尼模式下阻尼電流在電動(dòng)機(jī)線圈內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，沒(méi)有電流會(huì)流過(guò)DC鏈路)。
本發(fā)明使用PWM信號(hào)來(lái)控制開(kāi)關(guān)器件S1-S6的狀態(tài)。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)器件S1-S6的狀態(tài)，期望相電壓可以加載到電動(dòng)機(jī)26的各相線圈A、B、C上。
圖4顯示用于PWM工作的典型的反相器電壓空間向量圖示。電壓向量由圖3的各種開(kāi)關(guān)排列產(chǎn)生。六個(gè)FET的配置允許八個(gè)向量的全部組合加載到電動(dòng)機(jī)上(在反相器的各管腿上，F(xiàn)ET之一總是導(dǎo)通)。這些向量中的V0、V7兩個(gè)稱為“零電壓向量”，因?yàn)榛蛘呤堑投巳齻€(gè)FET都導(dǎo)通，或者是高端三個(gè)FET都導(dǎo)通，而其它開(kāi)關(guān)組完全斷開(kāi)，并且在阻尼模式下零電壓有效地加載到電動(dòng)機(jī)上。其它六個(gè)向量V1-V6在這里第二重要，因?yàn)樗鼈兩婕耙粋€(gè)高端和兩個(gè)低端FET導(dǎo)通或者兩個(gè)高端和一個(gè)低端FET導(dǎo)通，如正常、非阻尼工作時(shí)所執(zhí)行的那樣。
圖5演示以向量V7進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作時(shí)的電動(dòng)機(jī)電路，其所有的低端開(kāi)關(guān)S2、S4、S6都閉合且所有的高端開(kāi)關(guān)S1、S3、S5都斷開(kāi)。在正常、非阻尼工作時(shí)，低端三個(gè)FET(或高端三個(gè)FET)不短路，可以觀察感應(yīng)電阻中的電流以達(dá)到控制和監(jiān)控目的。當(dāng)?shù)投巳齻€(gè)FET短路時(shí)，在普通情況下不能觀察電動(dòng)機(jī)/FET組合中的電流流動(dòng)，且不能修改或控制加載的系統(tǒng)阻尼量。該技術(shù)有效地短路電動(dòng)機(jī)接線端，電流僅由電路阻抗和電動(dòng)機(jī)速度限制。在這種情況下，電流不會(huì)流過(guò)感應(yīng)電阻(Isns＝0)，從而無(wú)法知道FET電流。
本發(fā)明允許以對(duì)零電壓向量應(yīng)用的最小影響來(lái)觀察電動(dòng)機(jī)各相電流。很方便地，這允許對(duì)加載到系統(tǒng)的阻尼量進(jìn)行更多的控制并在電流不流過(guò)感應(yīng)電阻時(shí)防止低端FET之一中的過(guò)流情形。
實(shí)際上，在應(yīng)用零電壓向量來(lái)提供阻尼的過(guò)程中，控制器修改PWM周期中的零電壓向量以獲得電動(dòng)機(jī)各相電流的采樣測(cè)量值。開(kāi)關(guān)FET時(shí)間剛好夠獲得電動(dòng)機(jī)至少一個(gè)線圈中電流的一個(gè)采樣。如圖6的實(shí)例中所示，S1、S4和S6FET開(kāi)關(guān)導(dǎo)通(閉合)以使電流傳感器32有時(shí)間獲得電動(dòng)機(jī)一相線圈的電流采樣Ia。但是，這樣一個(gè)采樣使零電壓向量失衡。因此，在下一個(gè)PWM周期中，需要開(kāi)關(guān)FET(使用圖3的表格)以測(cè)量-Ia電流，從而存儲(chǔ)一段時(shí)間內(nèi)的平均零電壓向量。優(yōu)選對(duì)電動(dòng)機(jī)所有相的正負(fù)向量進(jìn)行測(cè)量，從而在保持平均零電壓向量的同時(shí)獲得電動(dòng)機(jī)中所有電流的最精確圖片。
圖7顯示如何修改PWM脈沖以對(duì)相電流進(jìn)行采樣的詳細(xì)圖表。PWM信號(hào)(Vgs_n)加載到關(guān)聯(lián)FET的柵極。在該圖中，高電平脈沖指示高端組中的相應(yīng)FET導(dǎo)通(閉合)，低電平脈沖指示FET關(guān)閉(斷開(kāi))；低端組中FET的工作使得低電平脈沖導(dǎo)通FET而高電平脈沖關(guān)閉該器件。所顯示的第一個(gè)PWM周期代表圖6的情況。
在各PWM周期中，選擇一個(gè)或更多非零向量，以使電動(dòng)機(jī)電流流過(guò)總線電流分流電阻，即Rsns。然后通過(guò)讀取Rsns兩端的電壓來(lái)采樣該電流。用于對(duì)電流采樣、放大和測(cè)量的許多技術(shù)都是已知的，不作陳述。非零電壓向量加載時(shí)間僅夠讀出電動(dòng)機(jī)電流。更適宜地，所有非零向量按順序進(jìn)行以保持時(shí)間平均等效結(jié)果為期望的零向量。
采樣電流與預(yù)定電流閾值比較。超過(guò)電流閾值可以指示需要阻尼，不僅穩(wěn)定機(jī)械系統(tǒng)而且避免電路中高電流引起的損害。實(shí)際上，一個(gè)過(guò)流指示可能不能足以觸發(fā)阻尼模式。相反，用一個(gè)計(jì)數(shù)器對(duì)一定時(shí)間內(nèi)的連續(xù)過(guò)流采樣個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)，其中如果該過(guò)流條件持續(xù)多組PWM周期，則進(jìn)入阻尼模式，其中一組FET閉合，其它的斷開(kāi)，如前文所描述。
可選地，本發(fā)明可以監(jiān)控電流超過(guò)過(guò)流閾值，其中存在損害電動(dòng)機(jī)或電路的可能性。當(dāng)檢測(cè)到過(guò)流時(shí)，本發(fā)明提供一個(gè)強(qiáng)加于阻尼模式的整流器模式，其中電流回到電池，如圖8所示。在這種情況下，本發(fā)明禁用(斷開(kāi))所有FET，從而強(qiáng)制三相電橋在PWM周期的剩余時(shí)間內(nèi)充當(dāng)自由整流器(電動(dòng)機(jī)電流循環(huán)流過(guò)FET的體二極管并返回到電池)，在此之后阻尼模式繼續(xù)。該功能可以在硬件中實(shí)現(xiàn)為一個(gè)峰值電流限。在自由整流器模式中，系統(tǒng)無(wú)條件保證把能量從電動(dòng)機(jī)傳回到電源系統(tǒng)/電池。
多個(gè)阻尼模式周期的系統(tǒng)響應(yīng)如圖9所示，其中PxP_ILimit閾值強(qiáng)制功率級(jí)進(jìn)入圖8的整流器模式。以這種方式，能量從機(jī)械系統(tǒng)傳到電池系統(tǒng)。在所示實(shí)例中，首先在A-B+C-開(kāi)關(guān)配置時(shí)檢測(cè)到B相電流中的過(guò)流，一段時(shí)間以后在A-B+C+開(kāi)關(guān)配置時(shí)檢測(cè)到A相電流中的過(guò)流。每次檢測(cè)到過(guò)流條件后，所有FET的柵極在該P(yáng)WM周期的剩余時(shí)間內(nèi)都斷開(kāi)，引起整流且電流經(jīng)由FET的體二極管流回到電池。在該整流器模式中，電動(dòng)機(jī)電流衰減到PxP_ILimit閾值以下，因而保持在硬件(即FET)的設(shè)計(jì)限制內(nèi)。在該P(yáng)WM周期結(jié)束之后，后續(xù)周期重復(fù)阻尼模式順序，該行為繼續(xù)直到到系統(tǒng)的機(jī)械反饋穩(wěn)定，允許退出阻尼模式。
在整流器模式中，傳回到電池的能量大于加載零電壓向量時(shí)FET和電動(dòng)機(jī)中消耗的能量。整流模式中提供的阻尼量大于零向量(阻尼)模式中提供的阻尼。本發(fā)明通過(guò)控制整流器模式所花的時(shí)間和零向量模式所花的時(shí)間來(lái)控制系統(tǒng)的阻尼量。所有FET斷開(kāi)的時(shí)間長(zhǎng)度決定有多少能量返回到電池。到電池系統(tǒng)的該能量恢復(fù)更為有效，并且以不同的方式減少控制器和系統(tǒng)的總功耗。特別地，在整流器模式激活之后，電流采樣模式從零向量模式序列修改為下列方案，系統(tǒng)阻尼最小化，同時(shí)保持工作于硬件設(shè)計(jì)能力范圍內(nèi)的峰值電流。
在優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明移動(dòng)一個(gè)PWM周期內(nèi)阻尼模式電流感應(yīng)脈沖的定時(shí)位置，以使FET中的電流不會(huì)以不斷漸增的量而升高。初始時(shí)，電流感應(yīng)脈沖位于PWM周期結(jié)束時(shí)。當(dāng)發(fā)生過(guò)流事件時(shí)，電流感應(yīng)脈沖的位置移動(dòng)到PWM脈沖的較早時(shí)刻92，并且如果再次發(fā)生過(guò)流事件，電流返回到電池持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間90。如果接下來(lái)沒(méi)有發(fā)生過(guò)流事件，松弛算法將把電流感應(yīng)脈沖移回94到PWM周期結(jié)束時(shí)。
總之，本發(fā)明通過(guò)驅(qū)動(dòng)最優(yōu)零電壓向量通過(guò)功率級(jí)的三相電橋并僅選擇一個(gè)非零向量按需感應(yīng)電流，把最大阻尼應(yīng)用到系統(tǒng)。由于電動(dòng)機(jī)/FET開(kāi)關(guān)配置的固有性質(zhì)，整流器模式自動(dòng)選擇合適的電壓向量把能量返回到電源/電池并把電動(dòng)機(jī)電流減少到一個(gè)可接受的水平。在該操作過(guò)程中，通過(guò)驅(qū)動(dòng)把最大阻尼加載到電動(dòng)機(jī)，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)電流依照PxP_ILimit保持在最大電流容量。
在現(xiàn)有技術(shù)中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)線圈短路時(shí)，電流不能用單個(gè)外部電阻感應(yīng)。唯一的解決辦法是周期性地在一段隨機(jī)時(shí)間后離開(kāi)零向量模式并進(jìn)入正常操作看看存在什么電流。這潛在地使電動(dòng)機(jī)電路受到電流的損害，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)電流在阻尼模式中不能監(jiān)控并且正常操作被強(qiáng)制進(jìn)行整個(gè)開(kāi)關(guān)周期。本發(fā)明提供一種改進(jìn)，其中非零電壓向量順序排列以便a)時(shí)間平均等效值保持為零向量且對(duì)所有電動(dòng)機(jī)電流的采樣足夠快，以限制電動(dòng)機(jī)/FET峰值電流，從而保護(hù)系統(tǒng)；b)系統(tǒng)對(duì)過(guò)流檢測(cè)的響應(yīng)為暫時(shí)斷開(kāi)所有FET柵極并允許體二極管把電流(能量)再流到電源/電池，從而確保減小電動(dòng)機(jī)電流；和c)不需要與電動(dòng)機(jī)速度相關(guān)的計(jì)算或補(bǔ)償。
在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種方法用于通過(guò)傳感器32測(cè)量三相電動(dòng)機(jī)26的各相電流，電動(dòng)機(jī)26由從控制器34接收脈寬調(diào)制信號(hào)的多個(gè)開(kāi)關(guān)器件S1-S6控制。該方法包括在一個(gè)脈寬調(diào)制周期中對(duì)脈寬調(diào)制信號(hào)調(diào)制索引的監(jiān)控。
圖10說(shuō)明一種方法100用于通過(guò)以阻尼模式工作的三相電動(dòng)機(jī)中的一個(gè)傳感器來(lái)測(cè)量電流。三相電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)由多個(gè)脈寬調(diào)制信號(hào)控制的高端開(kāi)關(guān)組和低端開(kāi)關(guān)組開(kāi)關(guān)。
該方法的第一步102包括確定到電動(dòng)機(jī)的機(jī)械反饋何時(shí)超過(guò)預(yù)定閾值，指示應(yīng)該進(jìn)入阻尼模式。
下一步104包括閉合高端和低端開(kāi)關(guān)組中任一開(kāi)關(guān)組的所有開(kāi)關(guān)以提供機(jī)械反饋的阻尼。其它開(kāi)關(guān)組斷開(kāi)。這一步在電動(dòng)機(jī)線圈內(nèi)再循環(huán)電流以提供最大阻尼。
下一步106包括對(duì)測(cè)量電動(dòng)機(jī)中至少一相電流必需的被選開(kāi)關(guān)周期性地進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。
下一步108包括對(duì)開(kāi)關(guān)步驟中由傳感器選擇的相電流采樣。
重復(fù)開(kāi)關(guān)和采樣步驟106、108直到采樣電流指示到電動(dòng)機(jī)的機(jī)械反饋已經(jīng)降低到預(yù)定閾值116以下。一旦它發(fā)生，就可以退出阻尼模式118。更適宜地，在重復(fù)步驟中選擇開(kāi)關(guān)步驟106中的被選開(kāi)關(guān)，以使電動(dòng)機(jī)的平均向量電壓全部為零114。這可以通過(guò)選擇開(kāi)關(guān)步驟106中的被選開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，以使電動(dòng)機(jī)的一相正負(fù)向量電壓(優(yōu)選所有相)在接下來(lái)的采樣步驟108中順序采樣，其中電動(dòng)機(jī)的平均向量電壓大致為零。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，在采樣步驟108之后，進(jìn)一步包括步驟110，在采樣步驟108已經(jīng)獲得一個(gè)電流采樣之后，立即把開(kāi)關(guān)復(fù)位為它們?cè)陂_(kāi)關(guān)步驟106前的狀態(tài)。這使電動(dòng)機(jī)返回到全阻尼模式?？蛇x地，當(dāng)開(kāi)關(guān)為場(chǎng)效應(yīng)晶體管或其它帶有一個(gè)外部二極管的晶體管時(shí)，進(jìn)一步包括步驟112，斷開(kāi)所有開(kāi)關(guān)直到下一個(gè)開(kāi)關(guān)步驟106以使開(kāi)關(guān)充當(dāng)使電流回流到電源并向電動(dòng)機(jī)施加最大阻尼轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的整流器。更適宜地，開(kāi)關(guān)步驟106發(fā)生在PWM周期的較早時(shí)刻，只要電動(dòng)機(jī)處于整流器模式。如前文所描述，這提供更多電流阻尼。如果過(guò)流被控制住，則開(kāi)關(guān)步驟106發(fā)生在PWM周期中較晚時(shí)刻。以這種方式，由電流加載到機(jī)械系統(tǒng)的阻尼量受到控制，并且可以用來(lái)跟蹤包絡(luò)(follow a profile)，如果機(jī)械系統(tǒng)需要的話。
在阻尼模式中，即使反饋不再是問(wèn)題(步驟116)，也不會(huì)立即退出阻尼模式118直到完成對(duì)必要正負(fù)電壓向量的采樣，以保持零電壓向量(步驟114)。換句話說(shuō)，在退出阻尼模式118之前，針對(duì)電動(dòng)機(jī)各相的各正負(fù)電壓向量，重復(fù)開(kāi)關(guān)106和采樣108步驟，它保持平均零電壓向量114。
如前文所描述，這里描述的脈寬調(diào)制方案可以包括單獨(dú)的控制環(huán)周期，各自具有多個(gè)脈寬調(diào)制周期(例如六個(gè)周期)。采樣窗或時(shí)間長(zhǎng)度的監(jiān)控可以發(fā)生在一個(gè)控制環(huán)周期中，且對(duì)自然PWM的調(diào)制(以確保適當(dāng)?shù)碾娏鳒y(cè)量)可以發(fā)生在下一個(gè)控制環(huán)周期中。
所描述的是一種改進(jìn)的流程，用于測(cè)量阻尼模式中流過(guò)三相裝置的電流。上述流程基于具體實(shí)例修改已有的PWM操作。該流程涉及短時(shí)間內(nèi)監(jiān)控電動(dòng)機(jī)的相電流并對(duì)稱地提供凈余(net)零電壓向量。另外，開(kāi)路FET開(kāi)關(guān)的自然二極管作用可以用來(lái)使電流回流到電源，同時(shí)仍然提供阻尼作用。應(yīng)該承認(rèn)，可以使用除FET以外的開(kāi)關(guān)器件。但是，在那種情況下，要添加外部二極管來(lái)復(fù)制FET的體二極管以使本發(fā)明的工作情況與FET相同。
改進(jìn)流程的優(yōu)點(diǎn)包括(1)了解何時(shí)不再需要阻尼；(2)確定阻尼過(guò)程中的峰值電流是否太高；(3)提供電流傾銷(dumping)機(jī)制同時(shí)保持阻尼；和(4)使用已有硬件。
本發(fā)明的上述描述僅作示范用，但并不限制本申請(qǐng)的任何專利范圍。例如，本討論使用了三相電動(dòng)機(jī)。但本發(fā)明同樣適用于使用脈寬調(diào)制的其它三相或多相裝置。本發(fā)明僅由權(quán)利要求書(shū)的寬范圍所限制。
權(quán)利要求
1.一種方法，用于通過(guò)工作于阻尼模式的三相電動(dòng)機(jī)(26)中的傳感器(32)測(cè)量電流，通過(guò)由多個(gè)脈寬調(diào)制信號(hào)控制的高端開(kāi)關(guān)組(S1、S3、S5)和低端開(kāi)關(guān)組(S2、S4、S6)的開(kāi)關(guān)操作來(lái)驅(qū)動(dòng)電流到三相電動(dòng)機(jī)(26)，該方法包括步驟確定到電動(dòng)機(jī)(26)的機(jī)械反饋何時(shí)超過(guò)預(yù)定閾值；閉合高端和低端開(kāi)關(guān)組之一的所有開(kāi)關(guān)以提供機(jī)械反饋的阻尼；對(duì)用于測(cè)量電動(dòng)機(jī)(26)至少一相電流所必需的被選開(kāi)關(guān)進(jìn)行周期性開(kāi)關(guān)操作；由傳感器(32)對(duì)開(kāi)關(guān)步驟中選擇的那相電流采樣；重復(fù)開(kāi)關(guān)和采樣步驟，直到采樣步驟中的采樣電流指示到電動(dòng)機(jī)(26)的機(jī)械反饋已經(jīng)降低到預(yù)定閾值以下；和退出該阻尼模式。
2.權(quán)利要求1中的方法，其中在重復(fù)步驟中選擇開(kāi)關(guān)步驟中的被選開(kāi)關(guān)，以使電動(dòng)機(jī)(26)的平均向量電壓基本為零。
3.權(quán)利要求1中的方法，其中在重復(fù)步驟中選擇開(kāi)關(guān)步驟中的被選開(kāi)關(guān)，以便在后續(xù)的采樣步驟中對(duì)電動(dòng)機(jī)(26)一相的正負(fù)向量電壓進(jìn)行采樣，其中電動(dòng)機(jī)的平均向量電壓基本為零。
4.權(quán)利要求1中的方法，其中在重復(fù)步驟中選擇開(kāi)關(guān)步驟中的被選開(kāi)關(guān)，以便在后續(xù)的采樣步驟中對(duì)電動(dòng)機(jī)(26)各相的正負(fù)向量電壓進(jìn)行采樣，其中電動(dòng)機(jī)的平均向量電壓基本為零。
5.權(quán)利要求1中的方法，其中，在采樣步驟之后，進(jìn)一步包括步驟在采樣步驟獲得電流采樣之后立即把開(kāi)關(guān)復(fù)位為它們?cè)陂_(kāi)關(guān)步驟之前的狀態(tài)。
6.權(quán)利要求1中的方法，其中，在采樣步驟之后，進(jìn)一步包括斷開(kāi)所有開(kāi)關(guān)直到下一個(gè)開(kāi)關(guān)步驟的步驟，以使開(kāi)關(guān)充當(dāng)整流器，保持阻尼電流的同時(shí)使電流流回電源。
7.權(quán)利要求6中的方法，其中斷開(kāi)步驟包括旋轉(zhuǎn)高端和低端開(kāi)關(guān)組中任一開(kāi)關(guān)組的開(kāi)口，以便在兩個(gè)開(kāi)關(guān)組之間分配熱量。
8.權(quán)利要求1中的方法，其中在過(guò)流條件下開(kāi)關(guān)步驟發(fā)生在PWM周期的較早時(shí)刻。
9.權(quán)利要求1中的方法，其中在退出阻尼模式之前，針對(duì)電動(dòng)機(jī)(26)各相的各正負(fù)電壓向量，重復(fù)開(kāi)關(guān)和采樣步驟，并且其中開(kāi)關(guān)步驟在過(guò)流條件下發(fā)生在PWM周期的較早時(shí)刻，在過(guò)流條件之后發(fā)生在PWM周期的較晚時(shí)刻。
10.一種設(shè)備，通過(guò)工作于阻尼模式的三相電動(dòng)機(jī)(26)中的傳感器(38)測(cè)量電流，該設(shè)備包括由多個(gè)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)控制的高端開(kāi)關(guān)組(S1、S3、S5)和低端開(kāi)關(guān)組(S2、S4、S6)；和連接到這些開(kāi)關(guān)的控制器(34)，提供脈寬調(diào)制信號(hào)用于控制這些開(kāi)關(guān)，該控制器(34)可從傳感器(32)接收電流測(cè)量信號(hào)；傳感器(32)可測(cè)量電動(dòng)機(jī)(26)的各相電流，控制器(34)可輸入來(lái)自于傳感器(32)的信號(hào)以確定到電動(dòng)機(jī)(26)的機(jī)械反饋何時(shí)超過(guò)預(yù)定閾值，從而控制器(34)閉合高端和低端開(kāi)關(guān)組之一的所有開(kāi)關(guān)以提供機(jī)械反饋的阻尼；控制器(34)可對(duì)傳感器(32)和控制器(34)用于測(cè)量電動(dòng)機(jī)(26)至少一相電流所必需的被選開(kāi)關(guān)進(jìn)行周期性開(kāi)關(guān)操作，從而傳感器(32)和控制器(34)對(duì)被選相電流采樣，并重復(fù)開(kāi)關(guān)和采樣，直到采樣電流指示到電動(dòng)機(jī)(26)的機(jī)械反饋已經(jīng)降低到預(yù)定閾值以下，從而該設(shè)備退出阻尼模式。
全文摘要
當(dāng)一個(gè)PWM控制的，F(xiàn)ET開(kāi)關(guān)的三相電動(dòng)機(jī)(26)以機(jī)械阻尼模式工作時(shí)，用單個(gè)電流傳感器(32)來(lái)測(cè)量電動(dòng)機(jī)(26)中的電流。當(dāng)?shù)诫妱?dòng)機(jī)(26)的機(jī)械反饋超過(guò)一個(gè)預(yù)定閾值時(shí)，可以閉合FET開(kāi)關(guān)組(S1－S6)以提供機(jī)械反饋的阻尼。這導(dǎo)致電流在電動(dòng)機(jī)(26)中循環(huán)流動(dòng)，單個(gè)外部電流傳感器不能測(cè)量該電流從而確定電流負(fù)載或機(jī)械反饋何時(shí)不再是問(wèn)題。本發(fā)明對(duì)采樣電動(dòng)機(jī)(26)至少一相電流必需的被選開(kāi)關(guān)進(jìn)行周期性開(kāi)關(guān)操作，以確定到電動(dòng)機(jī)(26)的機(jī)械反饋何時(shí)不再是問(wèn)題，同時(shí)也優(yōu)選保持電壓向量平均為零。
文檔編號(hào)H02P21/00GK1697305SQ20051007042
公開(kāi)日2005年11月16日 申請(qǐng)日期2005年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月10日
發(fā)明者帕特里克·A·奧＇戈?duì)柭? 斯科特·W·雷普林格 申請(qǐng)人:摩托羅拉公司