專利名稱：用于驅(qū)動無刷直流電動機的控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無刷直流電動機的控制，更特別地涉及一種使用delta 逆變器驅(qū)動三相無刷直流電動機以給電動機的定子繞組供電的控制裝 置。
背景技術(shù)：
近年來，無刷直流電動機(BDCM)已經(jīng)成為很多工作和討論的主題。 在適當(dāng)?shù)臅r間連續(xù)給這些電動機的定子繞組供電，以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，該 旋轉(zhuǎn)磁場反過來引起電動機的永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
用于BDCM的控制裝置常規(guī)地使用全波橋逆變器，該逆變器具有六 個固態(tài)開關(guān)裝置和六個二極管，以適當(dāng)?shù)厍袚Q單個直流電源，提供BDCM 的定子繞組的三相激勵(例如，參見1985年10月1日頒布給Murty并 轉(zhuǎn)讓給與本申請相同的受讓人的美國專利號4544868)。
當(dāng)使用BDCM作為電力或者混合車輛中的推動裝置時，由于大的功 率需求，電動機和逆變器的容量必須很大。在這些應(yīng)用中，逆變器可能 代表電動機推動系統(tǒng)的成本、質(zhì)量和封裝尺寸的重要部分。而且，使用 這種逆變器的控制裝置的可靠性反過來與逆變器中的需要的固態(tài)開關(guān) 裝置和二極管的數(shù)量相關(guān)。
因此，如果可以在用于驅(qū)動BDCM的控制裝置的功率逆變器制造中 采用較少的固態(tài)開關(guān)裝置和二極管將是有利的。

發(fā)明內(nèi)容
本申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過利用delta型逆變器的控制裝置可以有效 地驅(qū)動三相BDCM,該delta型逆變器僅僅采用常規(guī)全波橋式逆變器所需 的固態(tài)開關(guān)裝置和二極管的一半。
根據(jù)一個實施例，所述delta逆變器耦合到具有永磁轉(zhuǎn)子和三個定 子繞組的BDCM。該delta逆變器包括由三個基本相等并分隔開的電池組 部分構(gòu)成的三個直流電壓源，和三個相關(guān)的固態(tài)開關(guān)裝置。通過定時地 施加門信號(gate signal)以將固態(tài)開關(guān)裝置切換到導(dǎo)通狀態(tài)，選擇地將直流電壓源施加給不同的電動機定子繞組對。這樣就在每個相應(yīng)的 定子繞組中產(chǎn)生了相電流，該相電流建立了使永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁 場。
結(jié)合閉環(huán)電動機控制器使用delta逆變器，以為BDCM提供控制裝 置。該閉環(huán)電動機控制器接收表示BDCM的希望的運行條件的電動機命 令信號和表示測量的電動機運行的多個電動機運行信號。該閉環(huán)電動機 控制器適于根據(jù)電動機命令信號和電動機運行信號產(chǎn)生適當(dāng)?shù)拈T信號， 以控制在定子繞組中產(chǎn)生的相電流，使得BDCM以希望的運行條件運行。
根據(jù)一個實施例，該delta逆變器可以包括三個二極管，其中每個 二極管都反并聯(lián)連接在不同的固態(tài)開關(guān)裝置兩端，以使得當(dāng)沒有施加門 信號將固態(tài)開關(guān)裝置切換到導(dǎo)通狀態(tài)時，來自電動機的相電流能夠?qū)χ?流電壓源充電。
根據(jù)另 一 個實施例，通過用不同的脈寬調(diào)制信號調(diào)制每個門信號的 不同部分，可以實現(xiàn)對BDCM的適當(dāng)控制，其中不同的脈寬調(diào)制信號具 有基于電動機命令信號和不同的電動機運行信號確定的不同占空比 (duty cycle )
根據(jù)另外一個實施例，該閉環(huán)控制器包括用來產(chǎn)生參考相電流信號 的相電流波形發(fā)生器，該參考相電流信號用于控制相電流接近于準(zhǔn)方波 波形，對于永磁轉(zhuǎn)子的每個電旋轉(zhuǎn)周期，該準(zhǔn)方波波形包括正和負(fù)振幅 方形(square shaped)脈沖。
根據(jù)又 一 個實施例，該閉環(huán)電動機控制器包括滯環(huán)控制器 (hysteresis controller),用于產(chǎn)生具有基于參考相電流信號和耦合 到電動機定子繞組的電流傳感器提供的測量的相電流信號之間的差確 定的占空比的不同脈寬調(diào)制信號。
根據(jù)又一個實施例，該閉環(huán)電動機控制器包括利用轉(zhuǎn)矩估計器的轉(zhuǎn) 矩環(huán)，該轉(zhuǎn)矩估計器基于測量的相電流信號和表示通過永磁轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn) 在電動機定子繞組中產(chǎn)生的反電動勢電壓的梯形波形估計由BDCM產(chǎn)生 的轉(zhuǎn)矩。
因此，本發(fā)明使得能夠利用僅僅具有常規(guī)逆變器所需的 一半固態(tài)開 關(guān)裝置和二極管的delta逆變器有效地控制無刷直流電動機，由此顯著 地減小了電動機控制裝置的尺寸、成本和重量，同時增加了可靠性。


現(xiàn)在將參考附圖在下述的具體描述中描述本發(fā)明，其中在整個附圖 中相同的附圖標(biāo)記表示相同或者類似的元件，其中
圖1是采用全波橋逆變器的常規(guī)BDCM控制裝置的示意圖2示出了在理想運行條件下三相BDCM的定子繞組中的相電流和
相應(yīng)反電動勢相電壓的理想化波形的圖形表示；
圖3是根據(jù)本發(fā)明原理運行的利用delta型逆變器的BDCM控制裝
置的示意圖4示出了在用于驅(qū)動BDCM的delta逆變器中用于切換固態(tài)開關(guān) 裝置的門信號和在BDCM的定子繞組兩端產(chǎn)生的相電壓的圖形表示；以 及
圖5示出了在根據(jù)本發(fā)明的原理運行的BDCM控制裝置中使用的示 范性閉環(huán)電動機控制器的功能框圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在參考圖1,附圖標(biāo)記IO通常表示用于驅(qū)動BDCM 12的常規(guī)控制 裝置。該控制裝置包括全波橋逆變器14和閉環(huán)電動機控制器16。
BDCM 12被示出為具有永磁轉(zhuǎn)子18和在電動機端子A、 B和C之間 以Y形配置連接的三個定子繞組20a、 20b和20c的三相電動^L。盡管 對于所有的應(yīng)用不是必需的，但是還示出BDCM 12裝配有轉(zhuǎn)子位置傳感 器22,該轉(zhuǎn)子位置傳感器22提供表示轉(zhuǎn)子18相對于定子繞組20a-20c 的機械旋轉(zhuǎn)角位置的輸出轉(zhuǎn)子位置信號em。位置傳感器22可以是霍爾 效應(yīng)傳感器，或者本領(lǐng)域中已知的任何其他類型的位置編碼器。本領(lǐng)域 技術(shù)人員將認(rèn)識到，存在確定轉(zhuǎn)子18的角位置的其它技術(shù)，而不用轉(zhuǎn) 子位置傳感器22 (例如，參見頒布給Huggett等人的美國專利號 5949204)。
BDCM 12被示出為具有流過各個定子繞組20a、 20b和20c的相電 流Ia、 Ib和L。將定子繞組20a - 20c的每一個兩端的相對中線電壓(phase to neutral voltage)分別表示為Van、 Vb 、 Ven,在定子繞組20a-20c
Ea、 Eb和E。，其中每一個理想電壓源分別示為與定子繞組20a-20c串聯(lián) 連接。如所公知的，這些反電動勢電壓Ea、 Eb和E。是永磁轉(zhuǎn)子18的旋 轉(zhuǎn)在各個定子繞組20a-20c中感應(yīng)的電壓。圖2示出了流到定子繞組20a - 20c中以實現(xiàn)對BDCM12的有效控制 的實際相電流I,、 Io和1。的理想或者希望的波形，其分別表示為*18、 *Ib
和*1。。在本領(lǐng)域中，當(dāng)繪制成e。的函數(shù)時，這些波形通常被稱作準(zhǔn)方波
波形(quasi-square waveform)，其表示轉(zhuǎn)子18相對于定子繞組20a -20c的電角位置(electrical angular position)。對于轉(zhuǎn)子18的 每個完整的電旋轉(zhuǎn)循環(huán)(也就是e。的360°變化)，這些準(zhǔn)方波波形的 每一個都包括正負(fù)振幅方形脈沖，其中每個方形脈沖存在時間為大約 120。的電旋轉(zhuǎn)(脈沖寬度)。在每一個波形中，連續(xù)的正負(fù)脈沖由存 在大約60°電旋轉(zhuǎn)的波形的零振幅部分分隔開。準(zhǔn)方波波形的每一個表 示不同的相電流，并相對于其它準(zhǔn)方波波形偏移了大約120°的電旋轉(zhuǎn)， 由此為BDCM 12提供了三相電流激勵。將理解的是，由下述已知方程給 出機械和電旋轉(zhuǎn)位置之間的角度關(guān)系
<formula>formula see original document page 11</formula> (1)
其中P是表示BCDM 12的物理極的數(shù)量的整數(shù)。
圖2還示出了當(dāng)用理想化的相電流*1,、 "b和"。驅(qū)動BDCM 12時， 在定子繞組20a-20c的每一個中由標(biāo)記為Ea、 Eb和E。的各個電壓源產(chǎn) 生的反電動勢相電壓(back EMF phase voltage) *Ea、 ，Eb和承E。的理想
波形。在本領(lǐng)域中，當(dāng)繪制為e。的函數(shù)時，這些理想化的反電動勢相電
壓通常被稱為理想梯形反電動勢波形。理想化的梯形反電動勢相電壓 *Ea、 *￡1)和*￡。的每一個都可以表達(dá)成
<formula>formula see original document page 11</formula>(2)
以及
<formula>formula see original document page 11</formula> (4)
其中L是BDCM 12的反電動勢常數(shù)，(0 表示實際電動機的運行速度，即 轉(zhuǎn)子18的機械角旋轉(zhuǎn)速度，其等于9m的時間變率，或者 =(^/也 (5)
在上述方程(2) 、 (3)和(4)中的函數(shù)fa(ej 、 "(e。)和f。(e。)是如 圖2所示的作為e。的函數(shù)變化的標(biāo)準(zhǔn)化的理想梯形波形，其中分別具有定義的最大和最小振幅+ 1和- 1。
將理解的是，上面描述的理想相電流*1,、 "b和"。的準(zhǔn)方波波形和
理想反電動勢相電壓*&、 *￡1)和*￡(:的梯形波形是依賴于BDCM 12的電角 位置&的預(yù)定函數(shù)。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子18旋轉(zhuǎn)通過每個電旋轉(zhuǎn)周期時，基
于轉(zhuǎn)子18的電角位置e?？梢院苋菀椎赝ㄟ^計算或者從查找表中產(chǎn)生這
些波形。
在運行中，實際相電流L、 L和I。流過定子繞組20a-20c，以建立 旋轉(zhuǎn)磁場，該旋轉(zhuǎn)磁場相對于永磁轉(zhuǎn)子18產(chǎn)生使其旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩。這些 相電流的振幅決定了所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的量，并可以用于控制電動機旋轉(zhuǎn)速 度。增大驅(qū)動BDCM 12的實際相電流的振幅導(dǎo)致更大的轉(zhuǎn)矩和更大的電 動機運行速度i
本領(lǐng)域技術(shù)人員還將認(rèn)識到，通常關(guān)于永磁轉(zhuǎn)子18的電角位置e。 調(diào)整實際相電流Ia、 Ib和1。的定時(timing),使得由定子繞組20a-20c產(chǎn)生的磁場的旋轉(zhuǎn)軸引 導(dǎo)轉(zhuǎn)子18的磁場軸。對于驅(qū)動BDCM 12的相 電流的固定振幅，可以使用該導(dǎo)程角(lead angle)的調(diào)整增加轉(zhuǎn)子18 引出的轉(zhuǎn)矩。如本領(lǐng)域所知道的，該導(dǎo)程角可以是預(yù)定的固定值，或者 是基于BDCM 12的運行條件(例如電動機運行速度化)確定的可變值。 在下述中，將假定已經(jīng)將上述的導(dǎo)程角調(diào)整為適用于BDCM 12的控制， 而沒有進(jìn)一步討論電動機運行的這個方面。
再次參考圖l,逆變器14被示出為具有以橋配置的方式連接的六個 固態(tài)開關(guān)裝置24、 26、 28、 30和34。為了說明的目的，將該固態(tài)開關(guān) 裝置表示為功率晶體管；但是還可以利用MOSFET或者IGBT (絕緣柵型 雙極晶體管)實現(xiàn)它們。串聯(lián)連接的固態(tài)開關(guān)裝置對并聯(lián)地附接到電池 48上，該電池48具有端電壓VB。 二極管36、 38、 40、 42、 44和46各 自都連接在固態(tài)開關(guān)裝置24 - 34的不同發(fā)射極-集電極結(jié)的兩端，以 當(dāng)這些裝置關(guān)斷時以與固態(tài)開關(guān)裝置24 - 34的方向相反的方向傳導(dǎo)電 流。通過連接串聯(lián)連接的功率晶體管24 - 34不同對之間的每個繞組， 將BDCM 12的定子繞組20a - 20c耦合到逆變器14。
使用已知的技術(shù)，通過從BDCM 12接收電動機運行信號49以及電 動機命令信號50以產(chǎn)生用于切換固態(tài)開關(guān)裝置24 - 34的門信號52(單 獨地記為G廣Gf),使得BDCM 12按照電動機命令信號50運行，閉環(huán)電 動機控制器16以閉環(huán)方式運行。通常，閉環(huán)電動機控制器16被實施為具有適當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器和其它電路的編程的微處理器，或者編程的數(shù)字信
號處理器(DSP),但是還可以使用其它已知的分立模擬/數(shù)字電路。 可以容易地將控制BDCM 12的已知控制策略、算法和過程編程到微處理 器或者DSP中，其可以簡化電動機控制器16的實施中所需的分立電路 的數(shù)量。然后編程的微處理器或者DSP執(zhí)行控制BDCM 12的方法或者過 程中的步驟。
電動機命令信號50可以采用表示希望的或者命令的BDCM 12的運 行的命令的電動機速度或者電動機轉(zhuǎn)矩信號的形式。通過測量BDCM 12 的運行特性獲得電動機運行信號49,例如由位置傳感器22提供的電動 機旋轉(zhuǎn)位置l表示實際相電流I,、 Ib和1。的一些或者全部振幅的信號、 由電池48提供給BDCM 12的總電流、電動機端子A、 B和C之間的相間 電壓，和/或在閉環(huán)電動機控制器16中對實施已知的控制策略有用的 其它測量的信號。
通過將門信號Ga-Gf施加給相關(guān)的固態(tài)開關(guān)裝置24 - 34的基極端而 選擇性地激活固態(tài)開關(guān)裝置24 - 34，來運行控制裝置10驅(qū)動BDCM 12。 在圖1中，門信號Ga-Gr被示出稍微高于并且在每個相應(yīng)的固態(tài)開關(guān)裝置 24 - 34的左邊。選擇性地激活固態(tài)開關(guān)裝置24 - 34,以在Y形連接的 定子繞組20a - 20c的不同對的兩端順序地施加或者連接電池48的端電 壓VB。通過選擇每個門信號Ga-Gf的適當(dāng)形式和定時，可以控制驅(qū)動BDCM 12的實際相電流L、 Ib和I。，以采取圖2所示的理想化的(也就是，近 似)準(zhǔn)方波波形的形式。
在圖2中，將轉(zhuǎn)子電角位置e。的每個完整的電旋轉(zhuǎn)周期分割成六個
4灸向序歹寸(commutation sequence) I—VI,其中每一個表示功率晶體 管24 - 34的不同切換序列。例如， 一個可能的控制策略包括當(dāng)轉(zhuǎn)子18 旋轉(zhuǎn)通過序列I ( 0。 = 330°到& = 30° )時通過門信號G。和Gf接通功率 晶體管28和34。結(jié)果，將電池48的端電壓VB施加在連接到定子繞組對 20c和20b的電動機端子C和B兩端，這使得相電流L從電池48的正端 流到定子繞組20c，通過定子繞組20b,并返回電池48的負(fù)端。將理解 的是，在這種情況中，對于理想化的運行，要求IB = 0且Ib= - 1。，其 中Ie〉0,因為對于定子繞組20a-20c的Y形連接配置Ia+Ib+I。 = 0。 同樣對于圖2所示的序列I1、 III、 IV、 V和VI，將下述各個固態(tài)開關(guān)裝 置對選通以傳導(dǎo)電流(24和34)、 (24和30)、 (32和30) (32和26)以及(28和26)，這迫使BDCM 12的實際相電流I,、 L和L具 有圖2的理想化的準(zhǔn)方波波形。
常規(guī)地，在控制BDCM 12按照電動機命令信號12運行的過程中， 有必要對門信號G,-Gf進(jìn)行脈寬調(diào)制(P詣)。使用已知的技術(shù)，閉環(huán)電 動機控制器16通常比較電動機命令信號50和基于一個或者多個電動機 運行信號49的信號，以產(chǎn)生電流控制信號，其確定所施加的調(diào)制門信 號G。-Gf的脈寬調(diào)制信號的占空比。占空比越大，施加給定子繞組20a-20c 的平均電壓越大，結(jié)果，驅(qū)動BDCM 12的實際相電流I,、 Ib和I。的振幅 越大。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到，由于對于每個切換序列I-VI，順序地 給不同的定子繞組20a-20c對的兩端施加電池48的相同的端電壓VB， 所以對于全波橋逆變器14來說，簡化了如上所述的門信號的脈寬調(diào)制。
結(jié)果，可以基于單個控制信號對所有的門信號Ga-Gf進(jìn)行脈寬調(diào)制。通
常實現(xiàn)這種調(diào)制的一種方法是比較電動機命令信號50和表示BDCM l2 的對應(yīng)的實際測量的運行的信號，以產(chǎn)生誤差信號。所產(chǎn)生的誤差信號 和表示實現(xiàn)命令的電動機運行所需要提供給BDCM 12的總電流的參考電 流值有關(guān)。根據(jù)產(chǎn)生的參考電流值和由電池48提供的驅(qū)動BDCM l2的 實際測量的總電流之間的差確定用于確定施加給門信號Ga-Gr的脈寬調(diào) 制信號的占空比的控制信號(例如參見轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的相同受讓人的美 國專利號4544868中的描述)。
本領(lǐng)域技術(shù)人員還將理解的是，當(dāng)不使用門信號Ga-Gf接通固態(tài)開 關(guān)裝置24 - 34時，逆變器14還提供了通過BDCM 12對電池48進(jìn)行再 生或充電。例如在序列I中，如果固態(tài)開關(guān)裝置28和34沒有被接通(也 就是不在導(dǎo)電狀態(tài))，則由于永磁轉(zhuǎn)子18相對于定子繞組20b和20c 的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的反電動勢電壓Eb和E。， 二極管42和44將電流傳導(dǎo)回以對 電池48充電，對于其它二極管和相關(guān)的定子繞組同樣如此。
如之前表明的，當(dāng)在電力或者混合車輛中使用BDCM提供推動力時， 由于大功率需求電動機和逆變器的容量必須很大。在這些應(yīng)用中，逆變 器可能代表電動機推動系統(tǒng)的成本、質(zhì)量和封裝尺寸的一大部分。還已 知，使用這種逆變器的控制裝置的可靠性與逆變器所需的固態(tài)開關(guān)裝置 以及二極管的數(shù)量反有關(guān)。結(jié)果，如果在制造用于驅(qū)動BDCM的控制裝 置中的功率逆變器中采用較少的固態(tài)開關(guān)裝置和二極管將是有利的。本申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過和delta型逆變器一起使用閉環(huán)電動機控 制器可以實現(xiàn)BDCM 12的有效控制，該delta型逆變器僅僅采用了傳統(tǒng) 全波橋式逆變器中所需的一半固態(tài)開關(guān)裝置和二極管。因此，可以明顯 地減小BDCM控制裝置的尺寸、成本和重量，同時增加可靠性。
過去將delta型逆變器認(rèn)為是為感應(yīng)式電動機提供三相正弦激勵的 裝置；例如參見頒布給Eastham的英國專利號1543581和P. D. Evans、 R. C. Dodson和J. F. Easthatn的題為"Delta Inverter"的文章， Proc. IEE， vol. 127， Pt.B， Nov, 1980， pp. 333-340。然而，本申請人并不 知道其中使用delta型逆變器以閉環(huán)方式激勵并控制BDCM的運行的任 何公開的申請。
現(xiàn)在參考圖3,附圖標(biāo)記100通常表示根據(jù)本發(fā)明原理的用于驅(qū)動 BDCM 12的控制裝置?？刂蒲b置100包括delta逆變器102和閉環(huán)電動 機控制器104，該閉環(huán)電動機控制器104可以利用類似于之前關(guān)于常規(guī) 閉環(huán)電動機控制器16描迷的硬件來實施。
閉環(huán)電動機控制器104接收電動機運行信號49和電動機命令信號 50，正如常規(guī)閉環(huán)電動機控制器16 —樣；然而，只需要三個門信號S「S3 運行delta逆變器102，而不是運行全波橋逆變器14時所需要的六個門 信號Ga-Gr。
逆變器102具有第一逆變器端子106、第二逆變器端子108和第三 逆變器端子110，每一個逆變器端子都分別耦合到BDCM 12的不同電動 機端子A-C。逆變器102包括三個固態(tài)開關(guān)裝置112-116,和三個直流 電壓源118-122，所述直流電壓源的每一個具有端電壓V。，所述固態(tài)開 關(guān)裝置在該實施例中被示為IBGT。固態(tài)開關(guān)裝置112和直流電壓源118 串聯(lián)連接在逆變器端子106和110之間，使得當(dāng)通過門信號Si將固態(tài)開 關(guān)裝置112切換為導(dǎo)通或者導(dǎo)電狀態(tài)時電流Ir沿朝著逆變器端子106的 方向傳導(dǎo)。同樣，固態(tài)開關(guān)裝置114和直流電壓源120串聯(lián)連接在逆變 器端子10 6和10 8之間，使得當(dāng)通過門信號S 2將固態(tài)開關(guān)裝置114切換 為導(dǎo)通或者導(dǎo)電狀態(tài)時電流Ir沿朝著逆變器端子108的方向傳導(dǎo)，以及 固態(tài)開關(guān)裝置116和直流電壓源122串聯(lián)連接在逆變器端子108和110 之間，使得當(dāng)通過門信號S3將固態(tài)開關(guān)裝置116切換為導(dǎo)通或者導(dǎo)電狀 態(tài)時電流13沿朝著逆變器端子110的方向傳導(dǎo)。
盡管不需要驅(qū)動BDCM 12，但是delta逆變器102優(yōu)選地包括二極管124 - 128,所述二極管的每一個反并聯(lián)連接在IBGT112-116中的單 獨的一個IBGT的發(fā)射極和集電極端子上，如圖3所示。當(dāng)BDCM 12以 自由旋轉(zhuǎn)(freewheeling)的方式運行，其永/磁轉(zhuǎn)子18旋轉(zhuǎn)并且固態(tài) 開關(guān)裝置112-116被切換到關(guān)斷或者不導(dǎo)電狀態(tài)時，這些二極管用于 提供導(dǎo)電路徑，該導(dǎo)電路徑使得由定子繞組20a-20c中的反電動勢電壓 產(chǎn)生的實際相電流L、 L和1。能夠回流并對直流電壓源118-122充電。
廣義上來說，通過從BDCM 12接收電動機運行信號49以及電動機 命令信號50以產(chǎn)生分別標(biāo)記為S廣S3的門信號130,用于切換固態(tài)開關(guān) 裝置112-116以根據(jù)電動機命令信號50運行BDCM 12,閉環(huán)電動機控 制器104以閉環(huán)方式運行。這通過選擇門信號SI-S3的形式和定時使得 將驅(qū)動BDCM 12的實際三相電流1,、Ib和1。的每一個被控制為近似于*1,、 *^和*1。的理想化準(zhǔn)方波波形來實現(xiàn)，其中根據(jù)電動機命令信號50和至 少其中一個電動機運行信號49確定這些理想化的準(zhǔn)方波波形的振幅。
本申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過選擇門信號S1-S3具有圖4所示的形式和 定時，可以選擇性地激活固態(tài)開關(guān)裝置112-116的每一個，以在定子 繞組20a-20c的不同對上施加不同直流電壓源118 - 122的端電壓V。， 這樣產(chǎn)生的驅(qū)動BDCM 12的實際相電流Ia、 L和1。將具有圖2所示的理 想化的(即，近似的)準(zhǔn)方波波形的形式。
例如，在換向序列I中(也就是e。從330。變化到30° )，門信號 S3的包絡(luò)的振幅正得足以激活固態(tài)開關(guān)裝置16到導(dǎo)通或者導(dǎo)電狀態(tài)，而 門信號S,和S2的包絡(luò)的振幅不足以激活它們各自的固態(tài)開關(guān)裝置112和 114，那么固態(tài)開關(guān)裝置112和114處于它們的關(guān)斷或者不導(dǎo)電狀態(tài)。 在這種情況中，在電動機端子C和B兩端施加直流電壓源122的端電壓 Vc，其使得相電流1。從直流電壓源122的正端流到定子繞組20c中，經(jīng) 過定子繞組20b并回到直流電壓源122的負(fù)端。因此，在換向序列I中， Ia = 0且Ib= - I。， IE〉0,由此在換向序列I中導(dǎo)致或者控制實際相電 流具有圖2的理想化的準(zhǔn)方波波形的形狀。
在換向序列II中(也就是，e。從30°變化到90° ),門信號Si和 S3的包絡(luò)的振幅正得足以激活它們相應(yīng)的固態(tài)開關(guān)裝置112和116到導(dǎo) 通或者導(dǎo)電狀態(tài)，而門信號S2的包絡(luò)的振幅不足以激活其相應(yīng)的固態(tài)開 關(guān)裝置114,那么固態(tài)開關(guān)裝置114處于其關(guān)斷或者不導(dǎo)電狀態(tài)。在這 種情況中，基本上在電動機端子A和B兩端施加串聯(lián)的直流電壓源118的端電壓Ve和直流電壓源122的端電壓Ve，這^f吏得相電流I,從直流電壓
源118的正端流到定子繞組20a中，經(jīng)過定子繞組20b并回到直流電壓 源122的負(fù)端。因此，由于定子繞組20a-20c的電阻抗的相似性，Ib =-IaJLI。 = 0， Ia>0,由此在該換向序列II中導(dǎo)致或者控制實際相電 流具有圖2的理想化的準(zhǔn)方波波形的形狀。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，上述給定子繞組20a和20b施加直流電 壓源118和112等價于考慮將直流電壓源118的端電壓Ve施加在Y形連 接的定子繞組對20a和20b上，以及將直流電壓源122的端電壓Vc施加 在Y形連接的定子繞組對20b和20c上，其中直流電壓源118和122每 一個在定子繞組20c中引起相等但是反向的電流，使得1。== O并且Vcn = 0。
同樣對于圖4中的其它換向序列III、 IV、 V和VI的每一個，所示的 門信號SrS3的包絡(luò)將下述各個固態(tài)開關(guān)裝置切換到導(dǎo)通或者導(dǎo)電狀態(tài) (對于序列III, 112);(對于序列IV, 112和114);(對于序列V, 114);以及(對于序列VI, 114和116)。將理解的是，delta逆變器 102的這種切換導(dǎo)致在不同換向序列中將直流電壓源118-122中的一 個或者兩個施加到定子繞組20a-20c的不同對，因此可以控制實際相電 流I,、 L和1。采取理想化的或者接近于理想化的圖2的準(zhǔn)方波波形。
圖4還示出了，當(dāng)如上所述在換向序列I -VI中門信號S,-S3激活固 態(tài)開關(guān)裝置112 - 116時，激勵定子繞組20a-20c的相電壓V,n、 、 和Vcn
(相對中線電壓)的對應(yīng)波形。由于這些相電壓V吣Vb。和V。n對于不同的
換向序列I-vi以逐步的方式變化，所以本申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過適當(dāng) 地脈寬調(diào)制每個門信號s,-s3,可以控制這些相電壓的平均電壓，以避免
實際相電流以及所得到的由BDCM 12產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩中類似的不希望的逐步 變化。
在門信號S廣S3的包絡(luò)下的不同陰影區(qū)域200、 210和2"表示當(dāng)控 制實際相電流Ia、 L和1。的振幅時施加給這些門信號的不同脈寬調(diào)制， 使得BDCM 12按照電動機命令信號50運行。本申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，為了 適當(dāng)?shù)乜刂艬DCM 12實現(xiàn)命令的運行狀況，使用具有不同占空比的脈寬 調(diào)制信號調(diào)制每個門信號S,-S3的不同部分，其中基于電動機命令信號 和不同的電動機運行信號確定不同的占空比?，F(xiàn)在將參考圖5描述如上 所述的實施閉環(huán)電動機控制器用于調(diào)制門信號S,-S3的不同部分的示范性方法。
圖5提供了之前圖3所示的控制裝置IOO的更詳細(xì)的示圖，其包括 以功能框圖形式示出的并用附圖標(biāo)記300表示的閉環(huán)電動機控制器104 示范性實施方式。在下述中，將理解的是，在談到閉環(huán)電動機控制器300 時，將參考在圖3所示的控制裝置100中采用的閉環(huán)電動機控制器l(M 的示范性功能框圖表示。
然后參考圖5, delta逆變器102被示為通過導(dǎo)電線301a_301c耦 合到BDCM 12，該導(dǎo)電線分別將電動機端子A-C連接到逆變器端子106 -110，由此為相電流I,、 L和1。提供了導(dǎo)電路徑以從delta逆變器102 流出并驅(qū)動BDCM 12。
標(biāo)記為302a-302c的電流傳感器分別耦合到導(dǎo)電線301a-301c,用 于測量傳送給BDCM 12的實際相電流Ia、 Ib和I。的振幅。在電動機控制 領(lǐng)域電流傳感器302a-302c是公知的，并分別提供測量的相電流信號 I, 、、和U作為線303a-303c上的輸出。這些測量的相電流信號Iam、 L和U表示傳送給BDCM 12的實際相電流I,、 L和1。的振幅。將理解 的是，僅通過使用所示的三個電流傳感器302a-302c中的兩個以僅測量 這些相電流中的兩個然后根據(jù)已知的關(guān)系Iam+ I?！? O確定第三個就 能獲得測量的相電流信號I,m、 1^和1 。
在該實施例中，BDCM 12包含轉(zhuǎn)子位置傳感器22 (未示出)，其提 供表示轉(zhuǎn)子18相對于電動機定子繞組20a-20c的機械旋轉(zhuǎn)角位置的輸 出電動機位置信號0 (參見圖l和相關(guān)的描述)。因此，來自BDCM 12 的輸出電動機位置信號^和由電流傳感器302a-302c提供的測量的相電 流信號Iam、 I"和U然后包括在結(jié)合圖3的討論中所稱的電動機運行信 號49。
在該實施例中，命令的電動機速度信號 。表示BDCM l2的希望的 或者命令的機械旋轉(zhuǎn)速度，其對應(yīng)于之前在關(guān)于圖3的論述中所提到的 電動機命令信號50。
在下述中，閉環(huán)電動機控制器300基于命令的電動機速度信號com。、 電動機位置信號e-和被傳送以驅(qū)動BDCM 12的測量的相電流信號Ia 、 Ib 和匸產(chǎn)生用于切換delta逆變器102的適當(dāng)?shù)拈T信號S廣S3。閉環(huán)電動 機控制器300從BDCM 12接收電動機旋轉(zhuǎn)位置信號l，該電動機旋轉(zhuǎn)位 置信號被輸入到微分器318。微分器318運行以獲得邑信號的時間導(dǎo)數(shù)，從而產(chǎn)生輸出電動機運行速度信號(或者0) 信號)，其表示BDCM 12 的轉(zhuǎn)子18的測量的機械旋轉(zhuǎn)速度(參見上面的方程5)。還將0 信號輸 入到變換器316，變換器316使用BDCM 12的已知數(shù)量的物理極P計算 并輸出表示轉(zhuǎn)子18的電旋轉(zhuǎn)角位置的電動機電位置信號& (參見方程 1)。該e。信號提供閉環(huán)電動機控制器300的基本定時，并且被引導(dǎo)作 為轉(zhuǎn)矩估計器310、相電流波形發(fā)生器340和換向邏輯308的輸入。
相電流波形發(fā)生器340使用e。信號，以基于圖2所示的準(zhǔn)方波波形 的已知形狀產(chǎn)生理想化的相電流*1,、 "b和W。的值。相電流波形發(fā)生器 340還接收電流控制信號1*。如在下面將要具體描述的，該電流控制信 號1*表示根據(jù)命令的電動機速度信號ow運行BDCM 12所要求的準(zhǔn)方波 波形的理想4匕的相電流*Ia、 *Ib和*I。的振幅。
使用上迷輸入信號，相電流波形發(fā)生器340輸出三個參考相電流信 號Iar、 Ibr和L，其中每一個如下計算
I,r = I*'*I, (6) Ibr=I*.*Ib (7) 以及Icr= I* . *IC ( 8 )
其中假設(shè)"a、*I,和*1,的理想化的準(zhǔn)方波波形的每一個都分別具有+ 1
和-1的最大和最小標(biāo)準(zhǔn)化振幅。
將上面計算的參考相電流信號Iar、、和u分別引導(dǎo)到電流比較器
320a-320c的正輸入，并且將測量的相電流信號Ia 、 k和U分別引導(dǎo) 到電流比較器320a-320c的負(fù)輸入。因此，電流比較器320a-320c計算 施加給它們的輸入的對應(yīng)參考相電流信號和測量的相電流信號之間的 差，并分別輸出計算的差作為相電流誤差信號，記為AIa、 AIb和AI。。 將相電流誤差信號A Ia、 △ Ib和△ I。的每一個作為輸入提供給電流 滯環(huán)控制器306，電流滯環(huán)控制器306單獨地在這些信號的每一個上運 行，以產(chǎn)生對應(yīng)的脈寬調(diào)制的輸出信號，每一個分別表示為脈寬調(diào)制信 號Sa、 Sb和S。。在電動機控制領(lǐng)域中電流滯環(huán)控制器是已知的，并用于
建立關(guān)于希望的運行波形(在這種情況中，參考相電流信號I,f、 Ibr和
1。r的每一個)的預(yù)定滯環(huán)帶(hysteresis band)。這種滯環(huán)帶通常由 上下限定義，所述上下限例如分別表示為隊和L。在運行中，滯環(huán)控制 器306單獨地比較電流誤差信號AIa、 AIb和AL的每一個與上下限UL 和Ll，以確定分別產(chǎn)生的輸出脈寬調(diào)制信號Sa、 Sb和S。的每一個的占空比。例如，如果相電流誤差信號AI,-1 -1, < - U"那么測量的相電流
U超出希望的或者參考相電流Iar的部分已經(jīng)大于上限U"因此相關(guān)的
脈寬調(diào)制信號s,被關(guān)斷(或者設(shè)置為邏輯o狀態(tài))，其中它保持著該狀
態(tài)直到AI,- I _Ia >U，這表示測量的相電流Ia.低于參考相電流I,r的
部分已經(jīng)大于下限L"因此相關(guān)的脈寬調(diào)制信號S,再次被導(dǎo)通(或者設(shè) 置為邏輯l狀態(tài))。同樣，在基于其它脈寬調(diào)制信號Sb和s。的相電流誤 差信號AIb和AI。確定它們各自的占空比時，由滯環(huán)控制器306執(zhí)行相 同的過程。將理解的是，基于不同的電動機運行信號，確定脈寬調(diào)制信
號Sa、 Sb和Sc的每一個的占空比，在這種情況中，所述不同的電動機運 行信號是不同的測量的相電流信號U、、和1?！?。
脈寬調(diào)制信號S.、 Sb和S。用作換向邏輯308的輸入，換向邏輯308 還接收電動機電位置信號e。，如之前所描述的。換向邏輯308對這些輸 入信號進(jìn)行操作，以產(chǎn)生門信號S,、 Sz和S3，施加這些門信號以切換固 態(tài)開關(guān)裝置112-116，如之前參考圖3和4論述的。
將理解的是，換向邏輯308首先使用電動機電位置信號e。產(chǎn)生具有 圖4所示的門信號S^ S2和S3的所定義的包絡(luò)的信號。然后可以通過在 適當(dāng)?shù)碾妱訖C換向序列I -VI中，使用一個或者多個脈寬調(diào)制信號Sa、 Sb和S。之間的簡單邏輯操作實現(xiàn)對表示門信號S,、 S2和S3的包絡(luò)信號的 脈寬調(diào)制。
本申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，與利用全波橋逆變器的BDCM控制裝置不同， 不可能使用公共的脈寬調(diào)制信號對用于本發(fā)明的控制裝置的門信號Sb S2和S3都進(jìn)行調(diào)制。優(yōu)選地，每個門信號Si、 S2和S3具有如下所述的利
用不同脈寬調(diào)制信號Sa 、 Sb和S。中的至少兩個進(jìn)行選擇性調(diào)制的部分(由
換向序列定義)。
在換向序列n和in中(參見圖2和圖5),可以認(rèn)識到，將產(chǎn)生參
考相電流信號1 、I&和1。r,以使其具有*19、 "b和"。的理想化的準(zhǔn)方
波波形的形狀。因此，L將具有等于電流控制信號1*的值的正振幅，
如之前描述的。然而，在換向序列IV中，Iw將具有零值，而lbr和I。r的 振幅為Ibr= - 1 = 1*。測量的相電流信號U也將類似地具有小的振幅， 因為在序列IV中其對應(yīng)的相電流Ia被控制為接近零值。結(jié)果，用于確定 脈寬調(diào)制信號Sa的占空比的相電流誤差信號AL- Iar-U被計算為兩個
基本為零的振幅值之間的差，這可能在該換向序列IV中產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號s,時引起誤差。結(jié)果，本申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在換向序列n和ni中可以 通過脈寬調(diào)制信號s,有效地調(diào)制門信號s"但是在序列iv中應(yīng)當(dāng)使用脈 寬調(diào)制信號Sb或者脈寬調(diào)制信號s。調(diào)制門信號s"同樣，在換向序列iv 和v中可以使用脈寬調(diào)制信號Sb有效地調(diào)制門信號s2，但是在序列vi中 應(yīng)當(dāng)使用脈寬調(diào)制信號Sa或者脈寬調(diào)制信號s。調(diào)制門信號s"在換向序 列vi和i中可以使用脈寬調(diào)制信號s。有效地調(diào)制門信號s3，但是在序列 n中應(yīng)當(dāng)使用脈寬調(diào)制信號s,或者脈寬調(diào)制信號Sb調(diào)制門信號s3。
然后圖4中的陰影區(qū)域200 - 220示出了已經(jīng)使用脈寬調(diào)制信號S,、 Sb和S。中的兩個不同的脈寬調(diào)制信號調(diào)制的門信號S:-S3中的每一個的
部分。陰影區(qū)域2oo表示使用脈寬調(diào)制信號Sa在換向序列n和m中調(diào)制
門信號Sm以及例如在換向序列II中調(diào)制門信號S3。同樣，陰影區(qū)域210 表示使用脈寬調(diào)制信號Sb在換向序列IV和V中脈寬調(diào)制門信號s2,以及 例如在換向序列IV中脈寬調(diào)制門信號S"類似地，陰影區(qū)域220表示使 用脈寬調(diào)制信號S。在換向序列I和VI中脈寬調(diào)制門信號s3,以及例如在 換向序列VI中脈寬調(diào)制門信號S2。
再次參考圖5，現(xiàn)在將關(guān)于電流控制信號1*的產(chǎn)生，描迷閉環(huán)電動 機控制器300的功能框圖的剩余部分。如之前描述的，電流控制信號I* 表示參考相電流信號1 、、和U的振幅，該參考相電流信號由波形發(fā) 生器340輸出，并用于控制BDCM 12根據(jù)命令的電動機速度信號c^運行。
如之前指出的，微分器318輸出表示BDCM 12的轉(zhuǎn)子18的測量的 機械旋轉(zhuǎn)速度的電動機運行速度信號( ,信號)。將該coJ言號施加給速 度比較器324的負(fù)輸入，并將命令的電動機速度信號(^。施加給正輸入。 速度比較器324然后計算電動機速度誤差信號該電動機速度誤差 信號Acom是命令的電動機速度信號和電動機運行速度信號之間的差。該 電動機速度誤差信號A(Dm輸出在導(dǎo)電線326上，以用作速度控制器312 的輸入信號。
速度控制器312對電動機速度誤差信號Acom進(jìn)行操作，以在導(dǎo)電線 328上輸出參考轉(zhuǎn)矩信號T。r。該參考轉(zhuǎn)矩信號L表示BDCM 12需要產(chǎn)生 的電磁轉(zhuǎn)矩T。，以便將電動機速度誤差信號AcoJ咸小到零，使得BDCM12 以命令的電動機速度(0 。運行。電磁轉(zhuǎn)矩T。由已知的表達(dá)式給出
<formula>formula see original document page 21</formula> (9)其中o)m表示轉(zhuǎn)子18的機械旋轉(zhuǎn)速度；I,、 L和1。是分別在定子繞組 20a-20c中流動的實際相電流；Ea、 Eb和E。是在定子繞組20a-20c中產(chǎn) 生的相應(yīng)反電動勢電壓。
如所示的，從速度控制器312在導(dǎo)電線328上輸出參考轉(zhuǎn)矩信號T。r 到轉(zhuǎn)矩比較器325的正輸入。轉(zhuǎn)矩比較器325的負(fù)輸入接收估計的轉(zhuǎn)矩 信號T。。，該估計的轉(zhuǎn)矩信號T。。是由轉(zhuǎn)矩估計器310計算和輸出的，這 將在隨后解釋。該估計的電動機轉(zhuǎn)矩信號乙表示對由BCDM 12產(chǎn)生的實 際電磁轉(zhuǎn)矩L所計算的估計。轉(zhuǎn)矩比較器325計算電動機轉(zhuǎn)矩誤差信號 △T。-T -T。。，將其在導(dǎo)電線330上輸出以用作轉(zhuǎn)矩控制器314的輸入信 號。
本申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)實施產(chǎn)生估計的電動機轉(zhuǎn)矩信號Ta。的轉(zhuǎn)矩估計 器310的特別有用的方法。參考方程(9)，將理解的是，通過輸入由 電流傳感器302a-302c提供的測量的相電流信號Iam、 L和U，將實際 相電流I,、 Ib和1。的代表值提供給轉(zhuǎn)矩估計器310。假設(shè)將BDCM 12控 制為基本上以方程(2) - (4)表示的理想化的梯形反電動勢相電壓運 ^f亍，可以示出通過下述方程給出由BDCM 12產(chǎn)生的電》茲轉(zhuǎn)矩的估計
L=A'(/。(《)./am+/6fe)^+/ d ( 10)
其中函數(shù)fa(e。)、fa(0。)和fa(0e)是圖2所示的反電動勢電壓的理想化
的梯形波形，其可以基于電動機電位置信號e。來確定，L是BDCM12的
預(yù)定的轉(zhuǎn)矩常數(shù)。
轉(zhuǎn)矩控制器314對電動機轉(zhuǎn)矩誤差信號AT。進(jìn)行操作，以當(dāng)控制 BDCM 12以命令的電動機速度com。運行時，輸出將電動機轉(zhuǎn)矩誤差信號ATe 減小到零所需的電流控制信號1*。
根據(jù)特殊應(yīng)用所需的特殊控制器運行參數(shù)的選擇，可以將速度控制 器312和轉(zhuǎn)矩控制器314實施為例如已知類型的比例積分微分(PID) 控制器或其變形，例如PI或者PD控制器。
本申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在切換delta逆變器102以將其不同直流電壓 源連接在定子繞組20a-20c的不同對上時，發(fā)生相電壓V,n、 Vbn和V。。中 的明顯的逐步變化，如圖4所示。這在由BDCM 12中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩中產(chǎn)生 了明顯的波紋，由于產(chǎn)生了不希望的電動機振動以及在獲得命令的電動 機速度信號w。時產(chǎn)生了 BDCM 12的不平滑運行，所以這種波紋通常是 不期望的。通過添加包括轉(zhuǎn)矩估計器310、轉(zhuǎn)矩比較器325和轉(zhuǎn)矩控制器314的轉(zhuǎn)矩控制環(huán)，本申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)該轉(zhuǎn)矩波紋明顯減少。因此， 優(yōu)選的是，在轉(zhuǎn)矩波紋至關(guān)重要的那些應(yīng)用中在閉環(huán)電動機控制器300 中實施之前描述的轉(zhuǎn)矩環(huán)。
在轉(zhuǎn)矩波紋不是很重要的應(yīng)用中，將理解的是，可以實現(xiàn)閉環(huán)控制 器300的更基本的實施例，而不使用轉(zhuǎn)矩環(huán)。在這種情況中，可以將來 自速度控制器312的輸出導(dǎo)電線328直接連接到導(dǎo)電線332。然后可以 調(diào)節(jié)速度控制器312,以基于電動機速度誤差信號厶0) 直接提供電流控 制信號1*，而不需要轉(zhuǎn)矩環(huán)部件，即轉(zhuǎn)矩估計器310、轉(zhuǎn)矩控制器314 和轉(zhuǎn)矩比較器325。
在希望使用命令的電動機轉(zhuǎn)矩信號，而不是命令的電動機速度信號 (QW信號)控制BDCM 12的那些應(yīng)用中，將理解的是，閉環(huán)控制器300 的這種實施例將使其命令的電動機轉(zhuǎn)矩信號直接輸入到轉(zhuǎn)矩比較器 325，作為與估計的轉(zhuǎn)矩信號T。。比較的T。r信號。然后可以相應(yīng)地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn) 矩比較器314的參數(shù)，以產(chǎn)生電流控制信號1*,用于控制BDCM 12實現(xiàn) 由命令的電動機轉(zhuǎn)矩信號表示的所希望的電動機運行轉(zhuǎn)矩。因此，閉環(huán) 控制器300的該實施例的實施將不需要微分器318、速度比較器324或 者速度控制器312。
本申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在某些應(yīng)用中，將delta逆變器102中的直流 電壓源118-122中的每一個的開路端電壓V。選擇在20到60伏的范圍 中可能是有利的。當(dāng)在混合車輛應(yīng)用中使用本發(fā)明時，當(dāng)車輛不需要使 用常規(guī)的接觸器(重型機電開關(guān))關(guān)斷時，V。的這個特殊電壓范圍以及 delta逆變器102的結(jié)構(gòu)將避免暴露在高電壓下。另外，三個直流電壓 源118 - 122的組合電壓然后還將滿足具有大于等于60伏的總電池電壓 的混合車輛的California定義。
盡管已經(jīng)參考特定的優(yōu)選實施例和實施方式描述了本發(fā)明，但是應(yīng) 當(dāng)理解的是，可以在所描述的本發(fā)明概念的精神和范圍內(nèi)做出多種變 化。因此，本發(fā)明并不打算局限于公開的實施例，而是可以具有由下述 權(quán)利要求書的語言所允許的全部范圍。
權(quán)利要求
1、一種驅(qū)動無刷直流電動機的控制裝置，該電動機具有永磁轉(zhuǎn)子和三個定子繞組，其中通過定時地施加相電壓給每個定子繞組供電，以產(chǎn)生第一、第二和第三相電流，所述相電流的每一個在相應(yīng)的一個定子繞組中流動，從而建立導(dǎo)致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場，該控制裝置包括逆變器，其具有第一、第二和第三直流電壓源以及第一、第二和第三固態(tài)開關(guān)裝置，由此通過施加第一、第二和第三門信號以將相應(yīng)的第一、第二和第三固態(tài)開關(guān)裝置切換為導(dǎo)電狀態(tài)，選擇性地將第一、第二和第三直流電壓源耦合在不同的定子繞組對的兩端，由此通過定時地給固態(tài)開關(guān)裝置施加門信號，提供相電壓以給每個定子繞組供電；以及閉環(huán)電動機控制器，其接收指示電動機的希望的運行條件的電動機命令信號和指示測量的電動機運行特性的多個電動機運行信號，閉環(huán)電動機控制器適于根據(jù)該電動機命令信號和電動機運行信號產(chǎn)生第一、第二和第三門信號，以控制用于電動機在希望的運行條件下運行的相電流。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1的控制裝置，該逆變器還包括第一、第二和第 三二極管，每個二極管和不同的一個固態(tài)開關(guān)裝置反并聯(lián)連接，以當(dāng)通 過門信號將固態(tài)開關(guān)裝置切換到非導(dǎo)通狀態(tài)時，使得來自電動機的定子 繞組的相電流能夠?qū)δ孀兤鞯闹绷麟妷涸闯潆姟?br> 3、 根據(jù)權(quán)利要求1的控制裝置，其中通過具有不同占空比的不同 脈寬調(diào)制信號調(diào)制第一、第二和第三門信號的每一個的不同部分，其中 根據(jù)電動機命令信號和不同的電動機運行信號確定每一個不同的占空 比。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1的控制裝置，其中閉環(huán)電動機控制器包括相電 流波形發(fā)生器，該相電流波形發(fā)生器基于電動機命令信號和電動機運行 信號產(chǎn)生第一、第二和第三參考相電流信號，該第一、第二和笫三參考 相電流信號的每一個都具有不同的準(zhǔn)方波波形，所述不同的準(zhǔn)方波波形 分別對應(yīng)于控制電動機達(dá)到希望的電動機運行條件的第一、第二和第三 相電流的所希望的形式。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4的控制裝置，其中電動機運行信號包括由轉(zhuǎn)子位置傳感器提供的轉(zhuǎn)子位置信號，該轉(zhuǎn) 子位置信號表示轉(zhuǎn)子相對于定子繞組的機械旋轉(zhuǎn)位置，閉環(huán)電動機控制器使用該轉(zhuǎn)子位置信號計算表示電旋轉(zhuǎn)周期中轉(zhuǎn)子的電旋轉(zhuǎn)位置的電動機電位置信號，每個電旋轉(zhuǎn)周期被分成多個換向序列；以及每個不同的準(zhǔn)方波波形包括在由電動機電位置信號確定的每個電 旋轉(zhuǎn)周期中出現(xiàn)的正振幅方波形的脈沖和負(fù)振幅方波形的脈沖。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5的控制裝置，其中電動機運行信號還包括從耦合到電動機的定子繞組的多個電流傳 感器獲得的第一、第二和第三測量的相電流信號，該第一、第二和笫三 測量的相電流信號分別表示在定子繞組中流動的第一、第二和第三相電 流；以及閉環(huán)電動機控制器還包括第一、笫二和第三電流比較器，用于確定 第一、第二和第三相電流誤差信號，該第一、第二和第三相電流誤差信 號的每一個被計算為第一、第二和第三參考相電流信號與第一、第二和 笫三測量的電流信號的相應(yīng)信號之間的差。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6的控制裝置，其中閉環(huán)電動機控制器還包括用 于接收第一、第二和第三相電流誤差信號并產(chǎn)生第一、第二和第三脈寬 調(diào)制信號的電流滯環(huán)控制器，其中該第一、第二和第三脈寬調(diào)制信號的 每一個具有由第 一、第二和第三相電流誤差信號中的其中 一個相應(yīng)的信 號確定的脈寬。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7的控制裝置，其中閉環(huán)電動機控制器還包括換 向邏輯，用于產(chǎn)生定時施加給逆變器的固態(tài)開關(guān)裝置的第一、第二和第 三門信號，每個門信號被定時為根據(jù)電動機電位置信號在分別定義的連 續(xù)換向序列中出現(xiàn)，并且在每個分別定義的連續(xù)換向序列中通過第一、 笫二和第三脈寬調(diào)制信號的其中一個調(diào)制每個門信號，其中使用至少兩 個不同的脈寬調(diào)制信號調(diào)制每個門信號。
9、 根據(jù)權(quán)利要求6的控制裝置，其中電動機命令信號包括指示所希望的電動機運行速度的命令的電動 機速度信號；以及閉環(huán)電動機控制器還包括微分器，用于對轉(zhuǎn)子位置信號進(jìn)行操作以 產(chǎn)生指示轉(zhuǎn)子的實際機械旋轉(zhuǎn)速度的電動機運行速度信號，和速度比較 器，用于將電動機速度誤差信號計算為命令的電動機速度信號和電動機 運行速度信號之間的差。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9的控制裝置，其中由相電流波形發(fā)生器產(chǎn)生的參考相電流信號具有根據(jù)電動機速度誤差信號調(diào)節(jié)的振幅。
11、 根據(jù)權(quán)利要求9的控制裝置，其中閉環(huán)電動機控制器還包括 速度控制器，用于對電動機速度誤差信號進(jìn)行操作，以產(chǎn)生指示需要由電動機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩參考信號，以便將電動機速度誤差信 號降低到零值用于電動機在希望的電動機運行速度下運行；轉(zhuǎn)矩估計器，用于產(chǎn)生指示由電動機產(chǎn)生的實際電磁轉(zhuǎn)矩的估計的 電動機轉(zhuǎn)矩信號，該估計的電動機轉(zhuǎn)矩信號是根據(jù)電動機運行信號確定 的；以及轉(zhuǎn)矩比較器，用于將電動機轉(zhuǎn)矩誤差信號計算為轉(zhuǎn)矩參考信號和估 計的電動機轉(zhuǎn)矩信號之間的差，其中由相電流波形發(fā)生器產(chǎn)生的參考相 電流信號具有根據(jù)電動機轉(zhuǎn)矩誤差信號確定的振幅，由此減小了電動機 轉(zhuǎn)矩波紋。
12、 根據(jù)權(quán)利要求11的控制裝置，其中電動機運行信號還包括由耦合到電動機的定子繞組的多個電流傳 感器提供的第一、第二和第三測量的相電流信號，該第一、第二和第三 測量的相電流信號分別表示在定子繞組中流動的第一、第二和第三相電 流；轉(zhuǎn)矩估計器基于轉(zhuǎn)子位置信號產(chǎn)生第一、第二和第三梯形波形，其 中該笫一、第二和第三梯形波形表示當(dāng)將相應(yīng)的笫一、第二和第三相電 流控制為近似于分別對應(yīng)于第 一、第二和第三參考相電流信號的準(zhǔn)方波 波形時在定子繞組中產(chǎn)生的反電動勢電壓；以及通過將第一、第二和笫三乘積加起來，轉(zhuǎn)矩估計器產(chǎn)生估計的電動 機轉(zhuǎn)矩信號，其中通過將笫一梯形波形乘以第一測量的相電流信號計算 第一乘積，通過將第二梯形波形乘以第二測量的相電流信號計算第二乘 積，以及通過將第三梯形波形乘以第三測量的相電流信號計算笫三乘 積。
13、 根據(jù)權(quán)利要求5的控制裝置，其中電動機命令信號是指示希望的電動機運行轉(zhuǎn)矩的命令的電動機轉(zhuǎn) 矩信號；以及閉環(huán)電動機控制器還包括轉(zhuǎn)矩估計器，用于產(chǎn)生指示電動機產(chǎn)生的 實際電磁轉(zhuǎn)矩的估計的電動機轉(zhuǎn)矩信號，該估計的電動機轉(zhuǎn)矩信號是基 于電動機運行信號確定的；和轉(zhuǎn)矩比較器，用于將電動機轉(zhuǎn)矩誤差信號計算為命令的電動機轉(zhuǎn) 矩信號和估計的電動機轉(zhuǎn)矩信號之間的差，其中由相電流波形發(fā)生器產(chǎn)生的參考相電流信號具有根據(jù)該電動機轉(zhuǎn)矩誤差信號確定的振幅，由此 減小了電動機轉(zhuǎn)矩波紋。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13的控制裝置，其中電動機運行信號還包括由耦合到電動機的定子繞組的多個電流傳 感器提供的第一、第二和笫三測量的相電流信號，該第一、第二和笫三 測量的相電流信號分別表示在定子繞組中流動的第一、第二和第三相電 流；轉(zhuǎn)矩估計器基于轉(zhuǎn)子位置信號產(chǎn)生第一、第二和第三梯形波形，其 中第一、第二和第三梯形波形表示當(dāng)將相應(yīng)的第一、第二和第三相電流 控制為近似于分別對應(yīng)于第一、第二和第三參考相電流信號的準(zhǔn)方波波 形時在定子繞組中產(chǎn)生的反電動勢電壓；以及通過將第一、第二和第三乘積加起來，轉(zhuǎn)矩估計器產(chǎn)生估計的電動 機轉(zhuǎn)矩信號，其中通過將第一梯形波形乘以第一測量的相電流信號計算 第 一乘積，通過將第二梯形波形乘以第二測量的相電流信號計算第二乘 積，以及通過將第三梯形波形乘以第三測量的相電流信號計算第三乘 積。
15、 根據(jù)權(quán)利要求i的控制裝置，其中第一、第二和第三直流電壓源具有基本相等的開路端電壓，其范圍是從20到60伏。
16、 驅(qū)動無刷直流電動機的控制裝置，該電動機具有永磁轉(zhuǎn)子和三 個定子繞組，其中通過定時地施加相電壓給每個定子繞組供電，以產(chǎn)生 第一、第二和第三相電流，該第一、第二和第三相電流的每一個在相應(yīng) 的一個定子繞組中流動，由此建立導(dǎo)致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場，該控制裝 置包括逆變器，其具有第一、第二和第三逆變器端子，所述逆變器端子的 每一個都耦合到電動機的不同的其中一個相繞組上，該逆變器具有笫 一、第二和第三固態(tài)開關(guān)裝置以及第一、第二和第三直流電壓源，其中第一固態(tài)開關(guān)裝置和第一直流電壓源串聯(lián)連接在第一和第二逆變器端 子之間，以當(dāng)通過第 一 門信號將第 一 固態(tài)開關(guān)裝置切換到導(dǎo)電狀態(tài)時， 沿朝著第一逆變器端子的方向傳導(dǎo)電流，第二固態(tài)開關(guān)裝置和第二直流 電壓源串聯(lián)連接在第一和第三逆變器端子之間，以當(dāng)通過第二門信號將第二固態(tài)開關(guān)裝置切換到導(dǎo)電狀態(tài)時，沿朝著第三逆變器端子的方向傳 導(dǎo)電流，以及第三固態(tài)開關(guān)裝置和第三直流電壓源串聯(lián)連接在第二和第 三逆變器端子之間，以當(dāng)通過第三門信號將第三固態(tài)開關(guān)裝置切換到導(dǎo)電狀態(tài)時，沿朝著第二逆變器端子的方向傳導(dǎo)電流；其中施加第一、第 二和笫三直流電壓源以通過定時地給第一、第二和第三固態(tài)開關(guān)裝置施 加第一、第二和第三門信號，提供相電壓以給電動機的每個定子繞組供 電；以及閉環(huán)電動機控制器，接收指示電動機的希望的運行條件的電動機命 令信號和指示測量的電動機運行特性的多個電動機運行信號，閉環(huán)電動機控制器適于根據(jù)該電動機命令信號和電動機運行信號產(chǎn)生第一、第二 和第三門信號，以控制在定子繞組中產(chǎn)生的用于電動機在希望的運行條 件下運行的相電流。
17、 一種控制無刷直流電動機的方法，該電動4幾具有永磁轉(zhuǎn)子和三 個定子繞組，其中通過施加相電壓給定子繞組供電以產(chǎn)生在定子繞組中 流動的相電流，由此建立導(dǎo)致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場，該方法的步驟包括接收指示電動機的希望的運行條件的電動機命令信號和指示測量 的電動機運行特性的多個電動機運行信號；基于該電動機命令信號和電動機運行信號產(chǎn)生第一、第二和第三門 信號；向相應(yīng)的第一、第二和第三固態(tài)開關(guān)裝置施加第一、第二和笫三門 信號，以選擇性地切換第一、第二和第三固態(tài)開關(guān)裝置為導(dǎo)通狀態(tài)，其 中第一、笫二和第三直流電壓源的每一個與相應(yīng)的第一、第二和第三固態(tài)開關(guān)裝置以及相應(yīng)的不同的定子繞組對串聯(lián)連接，借此通過定時施加 第一、第二和第三門信號給不同的定子繞組對供電，以控制在定子繞組 中產(chǎn)生的用于電動機在希望的運行條件下運行的相電流。
18、 根據(jù)權(quán)利要求17的方法，還包括用不同的脈寬調(diào)制信號調(diào)制 第一、笫二和第三門信號的每一個的不同部分的步驟，每一個脈寬調(diào)制 信號具有基于電動機命令信號和不同的電動機運行信號確定的不同的占空比。
19、 根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中該電動機運行信號包括電動機 電位置信號，和指示在每個定子繞組中流動的相電流的第一、第二和第 三測量的相電流信號。
20、根據(jù)權(quán)利要求19的方法，還包括步驟基于電動機運行信號和電動機命令信號產(chǎn)生第一、第二和第三參考 相電流信號；比較該第一、第二和第三參考相電流信號與相應(yīng)的第一、第二和第 三測量的相電流信號，以獲得相應(yīng)的第一、第二和第三相電流誤差信號； 以及基于不同的第一、第二和第三相電流誤差信號確定不同脈寬調(diào)制信 號的不同占空比。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于驅(qū)動無刷直流電動機的控制裝置。使用delta型逆變器以及閉環(huán)電動機控制器，以提供用于驅(qū)動三相無刷直流電動機的控制裝置。該delta逆變器具有常規(guī)橋式逆變器所需的一半固態(tài)開關(guān)裝置和二極管，由此改善了可靠性，并能夠使電動機控制裝置具有減小的尺寸、成本和重量。閉環(huán)電動機控制器可以包括在電動機運行期間減小轉(zhuǎn)矩波紋的轉(zhuǎn)矩環(huán)。
文檔編號H02P6/14GK101420197SQ20081013112
公開日2009年4月29日 申請日期2008年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月27日
發(fā)明者A·B·羅馬, A·G·霍爾姆斯, A·M·埃爾-安塔布利, A·馬斯穆迪 申請人:通用汽車公司