專利名稱：用于電機(jī)的非正弦電流波形激勵的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及電機(jī)(electrical machine)，更具體地涉及用于以瞬態(tài)非正弦電 流波形激勵電機(jī)的控制方案。
背景技術(shù)：
隨著時間的推移，電機(jī)在各個行業(yè)中的使用在許多工業(yè)、商業(yè)和運(yùn)輸業(yè)中繼續(xù)變 得更加普遍。在用于這種電機(jī)的功率電子和控制技術(shù)領(lǐng)域取得極大的進(jìn)步和巨大的成就， 從而導(dǎo)致增加的能源節(jié)約和控制靈活性。由數(shù)字技術(shù)造成的計算機(jī)技術(shù)的繼續(xù)進(jìn)步提供這 種成就。數(shù)字技術(shù)導(dǎo)致計算機(jī)的尺寸和成本非常顯著的縮減，從而允許它們成功地代替陳 舊的、龐大的并且相對昂貴的機(jī)械系統(tǒng)。盡管數(shù)字增強(qiáng)的控制系統(tǒng)和計算機(jī)的性能有所進(jìn)步，但是與這種控制系統(tǒng)一起使 用的電機(jī)的結(jié)構(gòu)絕大部分保持不變。例如，如圖IA和圖IB所示，當(dāng)今在許多領(lǐng)域中全面使 用的現(xiàn)有技術(shù)電機(jī)6，特別是用于混合應(yīng)用的電機(jī)，裝備有整數(shù)槽分布繞組8，其當(dāng)由AC電 流激勵時在空氣間隙中產(chǎn)生完全正弦的旋轉(zhuǎn)場。圖IA示出繞組8的24槽重疊分布布置， 而圖IB示出繞組8的12槽重疊集中布置，這種構(gòu)造在本領(lǐng)域中已知。仍然在使用的這些 整數(shù)槽分布繞組設(shè)計成用于理想正弦波形，其基于一個世紀(jì)前設(shè)計成用于與60Hz電源一 起使用的早期機(jī)器。在用于使這些繞組供給有正弦電流波形的現(xiàn)有電機(jī)中的變換器因而設(shè) 計成使用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)。這些PWM技術(shù)使用非常高頻率的載波信號，從而導(dǎo)致在變 換器裝置中的高開關(guān)損耗，以及電機(jī)的定子絕緣系統(tǒng)的使用壽命的顯著縮短。特別參考具有嚴(yán)格包裝限制的用于混合應(yīng)用的電機(jī)的使用，對獲得高功率密度機(jī) 器的需要必須使這些機(jī)器在高速下操作。這需要高基礎(chǔ)激勵頻率，其產(chǎn)生高頻諧波，從而導(dǎo) 致定子疊片中的大渦電流損耗。為了減小這些損耗，設(shè)計者不得不使用可能貴得驚人的薄 疊片。為了克服與傳統(tǒng)電機(jī)設(shè)計相關(guān)的缺點(diǎn)，開發(fā)出具有可選的繞組構(gòu)造的設(shè)計。例如， 開發(fā)出分?jǐn)?shù)槽集中繞組(有時稱為齒狀繞組)作為可選構(gòu)造(例如，見圖3A和圖3B)。這 種繞組更簡單、更容易制造、較便宜并且?guī)椭纳茩C(jī)器功率密度。然而，齒狀繞組引入空間 諧波的增加的等級，其在機(jī)器空氣間隙中產(chǎn)生非正弦旋轉(zhuǎn)場。這些非正弦場在定子和轉(zhuǎn)子 兩者中都產(chǎn)生損耗并且從而降低機(jī)器效率。因此，希望設(shè)計一種電機(jī)，其可直接接受非正弦電流波形，同時維持高功率密度和 高效率。還希望提供用于控制該機(jī)器的控制方案，其抑制典型地與齒狀繞組相關(guān)的附加的 諧波分量的作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及用于以瞬態(tài)非正弦電流波形激勵電機(jī)的方法和設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供具有可連接到電源的輸入和可連接到電機(jī)的輸入終 端的輸出的馬達(dá)驅(qū)動器，電機(jī)具有多個分?jǐn)?shù)槽集中繞組。馬達(dá)驅(qū)動器包括變換器和控制器，變換器在其中具有多個開關(guān)以控制電機(jī)中的電流和終端電壓，控制器連接到變換器并且編 程為輸入初始正弦電流需求到變換器，從而使變換器輸出初始正弦輸入電流?？刂破鬟€編 程為接收在由初始正弦電流需求產(chǎn)生的電機(jī)中的空氣間隙磁場上的反饋，確定空氣間隙磁 場的瞬態(tài)基波分量和瞬態(tài)諧波分量，并且施加校正到空氣間隙磁場的瞬態(tài)基波分量以產(chǎn)生 理想基波分量?？刂破鬟M(jìn)一步編程為基于理想基波分量產(chǎn)生非正弦電流需求并且輸入非正 弦電流需求到變換器，從而使變換器輸出非正弦電流。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供用于激勵具有多個分?jǐn)?shù)槽集中繞組的電機(jī)的方 法。方法包括步驟輸入測試正弦電流需求到變換器并且響應(yīng)于測試正弦電流需求在變換 器中產(chǎn)生初始正弦電流波形，該初始正弦電流波形輸出到電機(jī)以在包括在其中的轉(zhuǎn)子和定 子之間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。該方法還包括步驟確定旋轉(zhuǎn)磁場的基波分量和諧波分量，從測試正 弦電流需求和基波分量確定用于空氣旋轉(zhuǎn)磁場的理想基波分量，并且基于理想基波分量確 定希望的電流波形。該方法進(jìn)一步包括步驟基于希望的電流波形產(chǎn)生非正弦電流需求并 且輸入非正弦電流需求到變換器，從而使變換器輸出非正弦電流波形到電機(jī)以產(chǎn)生正弦旋 轉(zhuǎn)磁場。根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，提供馬達(dá)驅(qū)動器控制器用于施加電流指令到變換器以 控制電機(jī)中的電流和終端電壓。馬達(dá)驅(qū)動器控制器構(gòu)造成輸入初始正弦電流需求到變換 器，從而使變換器輸出初始正弦輸入電流。馬達(dá)驅(qū)動器控制器還構(gòu)造成接收輸入信號，其包 括在響應(yīng)于初始正弦電流需求在電機(jī)中產(chǎn)生的瞬態(tài)旋轉(zhuǎn)磁場上的數(shù)據(jù)，確定瞬態(tài)旋轉(zhuǎn)磁場 的瞬態(tài)基波分量和瞬態(tài)諧波分量，并且基于初始正弦電流需求和瞬態(tài)基波分量確定用于旋 轉(zhuǎn)磁場的理想基波分量。馬達(dá)驅(qū)動器控制器進(jìn)一步構(gòu)造成基于理想基波分量產(chǎn)生瞬態(tài)非正 弦電流需求并且輸入瞬態(tài)非正弦電流需求到變換器，從而使變換器輸出非正弦電流，該非 正弦電流使電機(jī)產(chǎn)生具有理想基波分量的旋轉(zhuǎn)磁場。各個其它特征和優(yōu)點(diǎn)從以下的詳細(xì)描述和附圖中將是顯而易見的。


附圖示出目前預(yù)期用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。在附圖中圖IA和圖IB是用于AC馬達(dá)的現(xiàn)有技術(shù)定子繞組構(gòu)造的示意圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的AC馬達(dá)驅(qū)動器的示意圖。圖3A和圖3B是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于AC馬達(dá)的定子繞組構(gòu)造的示意圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于控制AC馬達(dá)驅(qū)動器的控制器實(shí)現(xiàn)技術(shù)的流程圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的包括馬達(dá)驅(qū)動器的用于產(chǎn)生牽引力的設(shè)備的方塊示 意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的實(shí)施例涉及用于以瞬態(tài)非正弦電流波形激勵電機(jī)的系統(tǒng)和方法。實(shí)現(xiàn)控 制方案，其處理施加到變換器的初始正弦電流指令以便產(chǎn)生瞬態(tài)非正弦電流指令，該瞬態(tài) 非正弦電流指令將產(chǎn)生僅具有基波分量的旋轉(zhuǎn)空氣間隙場并且消除所有場諧波，從而導(dǎo)致 從定子到轉(zhuǎn)子的最佳能量轉(zhuǎn)化，即在高效率下的高扭矩。
本發(fā)明的實(shí)施例涉及包括多個結(jié)構(gòu)的馬達(dá)驅(qū)動器，并且涉及用于操作馬達(dá)驅(qū)動器 的控制方案。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，AC馬達(dá)驅(qū)動器10的大體結(jié)構(gòu)如圖2所示。例如， 馬達(dá)驅(qū)動器10可構(gòu)造成可調(diào)速驅(qū)動器(ASD)，其設(shè)計成接收三相AC功率輸入、對AC輸入進(jìn) 行整流并且執(zhí)行整流區(qū)段至供應(yīng)到負(fù)載的具有可變的頻率和幅值的三相交變電壓的DC/AC 轉(zhuǎn)換。根據(jù)可選實(shí)施例，認(rèn)識到馬達(dá)驅(qū)動器10可設(shè)計成接收DC功率輸入并且執(zhí)行DC功率 至供應(yīng)到負(fù)載的具有可變的頻率和幅值的三相交變電壓的DC/AC轉(zhuǎn)換。在優(yōu)選實(shí)施例中， ASD根據(jù)示例性的伏特每赫茲特性操作。在這點(diǎn)上，馬達(dá)驅(qū)動器在穩(wěn)態(tài)下提供士 的電壓 調(diào)整，其中總諧波畸變少于3%，輸出頻率士0. 1Hz，并且在全負(fù)載范圍內(nèi)快速動態(tài)階躍負(fù) 載響應(yīng)。在示例性實(shí)施例中，三相AC輸入12a_12c供給到三相整流器橋14。輸入線阻抗在 所有三相中是均等的。整流器橋14將AC功率輸入轉(zhuǎn)換成DC功率，從而DC總線電壓存在 于整流器橋14和開關(guān)陣列16之間。DC總線電容器組18使總線電壓平穩(wěn)。開關(guān)陣列16由 共同形成變換器24的一系列IGBT開關(guān)20和反并聯(lián)二極管22組成。變換器24根據(jù)由馬 達(dá)驅(qū)動器控制器28產(chǎn)生的電流需求來綜合AC電壓波形用于傳送到負(fù)載，例如AC馬達(dá)26， 如以下將更加詳細(xì)地進(jìn)行解釋。控制器28經(jīng)由電流需求信號以及DC總線電壓和極電流的 傳感(例如通過電壓傳感器34)連接到變換器24，從而可傳感DC總線電壓中的變化。這些 電壓變化可解釋為瞬時負(fù)載狀態(tài)并且用于到變換器24的瞬態(tài)電流需求的產(chǎn)生/輸入，從而 保持接近穩(wěn)態(tài)的負(fù)載狀態(tài)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，負(fù)載26是以電機(jī)的形式，例如具有已知結(jié)構(gòu)的電馬達(dá)或發(fā) 電機(jī)，如圖3A和圖3B所示。應(yīng)認(rèn)識到的是，電機(jī)26可以是以永磁式電機(jī)、感應(yīng)式電機(jī)、同 步磁阻式電機(jī)和交換磁阻式電機(jī)中的任何一個的形式。如圖3A和圖3B所示，電機(jī)26在其 中包括定子36和可旋轉(zhuǎn)地配合在定子36中的轉(zhuǎn)子38。定子36具有定子芯部40和纏繞在 定子芯部40上的繞組42。定子芯部40具有通過堆疊大量環(huán)形薄板而形成的芯部主體44， 薄板由提供在芯部主體44的軸端面上的電磁鋼和絕緣體(絕緣部件)46制成。定子芯部 40沿其圓周方向以預(yù)定的節(jié)距具有多個齒狀物48。根據(jù)示例性實(shí)施例，繞組42纏繞在相 應(yīng)的齒狀物48上，并且因此是以分?jǐn)?shù)槽集中繞組或“齒狀繞組”的形式。槽50沿圓周方向 形成在相鄰的齒狀物48之間。如圖3A所示，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，定子36的一個實(shí)施例 包括六個槽50，其中非重疊式繞組42纏繞所有的齒狀物48。如圖3B所示，根據(jù)本發(fā)明的 另一個實(shí)施例，定子36的另一個實(shí)施例包括六個槽50，其中非重疊式繞組42纏繞交替的齒 狀物48。應(yīng)認(rèn)識到的是，包括集中繞組的其它布置的負(fù)載26想象成可與本發(fā)明的實(shí)施例一 起使用，并且因此圖3A和圖3B的繞組布置僅僅是示例性的。現(xiàn)在參看圖4，方塊圖示出為表示用于操作馬達(dá)驅(qū)動器10(圖2)的控制方案52， 該方案例如由控制器28 (圖2)實(shí)現(xiàn)。圖4的控制方案52執(zhí)行與具有分?jǐn)?shù)槽集中定子繞組 42 (圖3A和圖3B)的電機(jī)26 —起使用的電子處理細(xì)節(jié)(EPD)，以達(dá)到電機(jī)26和變換器24 兩者的高功率密度、高效率以及降低的成本。也就是說，實(shí)現(xiàn)控制方案52以便產(chǎn)生瞬態(tài)非 正弦電流指令，其將產(chǎn)生僅具有基波分量的旋轉(zhuǎn)空氣間隙場并且消除所有場諧波，從而導(dǎo) 致從定子到轉(zhuǎn)子的最佳能量轉(zhuǎn)化，即在高效率下的高扭矩。最初，控制方案52的模塊54在接收的第一輸入電流56和接收的第二輸入電流58 上執(zhí)行選擇性“同步時間函數(shù)”操作。第一輸入電流56是從電源(未示出)輸入到模塊54的初始或測試電流輸入，并且是以正弦計算的電流需求的形式。例如，初始/測試正弦電流 需求是基于來自要求由電機(jī)26產(chǎn)生希望扭矩的操作者的輸入進(jìn)行計算。在初始迭代或測 試/啟動運(yùn)行中，不存在第二輸入電流58。第一輸入56的初始/測試正弦電流需求未受影響地(即沒有在第一輸入56上執(zhí) 行時間同步)通過模塊54，以向變換器24提出正弦電流需求。響應(yīng)于初始/測試正弦電流 需求，變換器24產(chǎn)生或生成從其中輸出的初始電流。初始輸出電流傳到模塊60，其用于根 據(jù)初始正弦電流需求調(diào)整電流的幅值，以便在電機(jī)26的空氣間隙中(即，在轉(zhuǎn)子36和定子 38之間的空氣間隙中，圖3A和圖3B)產(chǎn)生可容易地檢測的旋轉(zhuǎn)磁場(其滿足扭矩要求)， 如將在以下進(jìn)行解釋。然后存儲由模塊60增添的調(diào)整因子用于以后的使用。來自模塊60的電流輸出施加到電機(jī)26的機(jī)器終端，電機(jī)26對此響應(yīng)在空氣間隙 中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。例如，由電機(jī)26產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場通過使用集成在電機(jī)26中的高溫霍爾 探頭62或者可選地通過使用優(yōu)選地位于定子中心的探測線圈(未示出)檢測。探測線圈 /霍爾探頭的輸出作為空氣間隙磁場的強(qiáng)度的反饋傳輸?shù)侥K64并且因此被接收(即，由 控制器接收)?？焖俑盗⑷~變換(FFT)在模塊64處在空氣間隙磁場反饋上執(zhí)行以確定/分 析空氣間隙旋轉(zhuǎn)場的基波分量和諧波分量。也就是說，空氣間隙旋轉(zhuǎn)場的基波分量和諧波 分量的瞬態(tài)值被確定。在模塊64中確定的空氣間隙旋轉(zhuǎn)場的瞬態(tài)基波分量和瞬態(tài)諧波分量的值傳到模 塊66，其用于消除空氣間隙磁場的諧波分量?？諝忾g隙磁場的基波分量因此被分離并且隨 后傳到模塊68。如圖4所示，空氣間隙磁場的分離的瞬態(tài)基波分量連同第一輸入56 ( S卩，初 始正弦電流需求)一起輸入模塊68。查找表存儲在模塊68中，該模塊68在其中存儲多個 正弦輸入電流需求和從多個正弦輸入電流需求中的每個產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的理想基波分量。 與每個正弦輸入電流需求相關(guān)的旋轉(zhuǎn)磁場的“理想”基波分量在查找表中限定為由正弦輸 入電流需求至具有正弦繞組的電機(jī)的輸入產(chǎn)生的最高基波分量?？諝忾g隙磁場的分離的瞬態(tài)基波分量和第一輸入的初始正弦電流需求被分析/ 與在模塊68中的查找表比較。更具體地，相對于查找表分析空氣間隙磁場的瞬態(tài)基波分量 和初始正弦電流需求以確定需要將什么電流需求施加至具有正弦繞組的電機(jī)以便產(chǎn)生空 氣間隙磁場的瞬態(tài)基波分量。基于這個確定，校正施加到旋轉(zhuǎn)磁場的瞬態(tài)基波分量，從而實(shí) 現(xiàn)用于所需的正弦電流需求的理想基波分量。仍然參看圖4，在確定旋轉(zhuǎn)磁場的理想基波分量之后，理想基波分量輸入到模塊 70。同樣在模塊70中，在模塊60中先前施加到初始正弦電流需求的調(diào)整因子通過具有從 模塊60到模塊70的輸入而移除，以取消較早做出的調(diào)整?！罢妗毙盘栆虼藦哪K70輸出并 由模塊72接收。在模塊72處，在來自模塊70的信號上執(zhí)行拉普拉斯變換。模塊74表示在電機(jī)中的分?jǐn)?shù)槽集中繞組的拉普拉斯傳遞函數(shù)。模塊74的傳遞函 數(shù)是在到電機(jī)終端的電流輸入和由探測線圈/霍爾探頭測量的旋轉(zhuǎn)磁場之間獲得。如在控 制工業(yè)中已知，這是使用標(biāo)準(zhǔn)小信號擾動技術(shù)在電機(jī)的全速度范圍內(nèi)測量。分?jǐn)?shù)槽集中繞 組的拉普拉斯變換是在霍爾探測線圈/霍爾探頭的輸出和輸入信號之間，該輸出是空氣間 隙磁場的基波分量，該輸入信號是輸入電流需求的基礎(chǔ)。作為瞬態(tài)空氣間隙磁場的拉普拉斯傳遞的模塊72的輸出被認(rèn)為是作為分?jǐn)?shù)槽集 中繞組的傳遞函數(shù)的模塊74的輸入。接下來，在模塊76處，反拉普拉斯變換施加到模塊74的輸出，以重建精確的瞬態(tài)低壓電流波形，其當(dāng)施加到變換器時將產(chǎn)生希望的瞬態(tài)電流。因 此，用于產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的理想基波分量的希望的電流波形從模塊72、74和76確定?；谙?望的電流波形，產(chǎn)生瞬態(tài)非正弦電流需求，其當(dāng)施加到變換器時將產(chǎn)生希望的電流波形。如圖4所示，從模塊76產(chǎn)生的瞬態(tài)非正弦電流需求作為第二輸入電流58發(fā)送到 模塊54。模塊54對正弦第一輸入電流56進(jìn)行調(diào)零并且在來自電源(未示出)的第二輸入 電流58上執(zhí)行同步時間函數(shù)操作，該操作調(diào)整第二輸入電流的定時。經(jīng)調(diào)整的(即，瞬態(tài) 的)非正弦電流需求然后發(fā)送到變換器24，由此使變換器輸出非正弦電流，該非正弦電流 使電機(jī)26產(chǎn)生具有理想基波分量的旋轉(zhuǎn)磁場。由于諧波被消除，故旋轉(zhuǎn)磁場的理想基波分 量使電機(jī)26產(chǎn)生具有最小損耗的高扭矩?，F(xiàn)在參看圖5，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，實(shí)現(xiàn)圖4所述的控制方案/電子處理的馬達(dá) 驅(qū)動器78示出為包括在產(chǎn)生牽引力的混合電動車輛(HEV)AC推進(jìn)系統(tǒng)80中。在圖5的實(shí) 施例中，馬達(dá)驅(qū)動器78接收DC功率或電壓作為輸入。推進(jìn)系統(tǒng)80包括馬達(dá)驅(qū)動器78、能 源82和構(gòu)造成具有分?jǐn)?shù)槽集中繞組或齒狀繞組的AC馬達(dá)的馬達(dá)84。在操作中，能源82產(chǎn) 生高DC電壓86。馬達(dá)驅(qū)動器78從高DC電壓86產(chǎn)生馬達(dá)電壓88，并且馬達(dá)84從馬達(dá)電 壓88產(chǎn)生牽引力。如在此所使用的，馬達(dá)84指的是能夠從電源產(chǎn)生機(jī)械功率的AC馬達(dá)， 其非限制性地包括單相或多相AC馬達(dá)。在圖5的實(shí)施例中，能源82構(gòu)造成混合-電動能源，其包括熱力發(fā)動機(jī)90、交流發(fā) 電機(jī)92、整流器94、牽引/能源電池96和牽引升壓轉(zhuǎn)換器98。牽引升壓轉(zhuǎn)換器98有時指 的是雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器或雙向升壓/降壓轉(zhuǎn)換器，其用于分離在裝置的輸入和輸出之間的 電壓，同時有效地傳遞功率。在操作中，熱力發(fā)動機(jī)90通過燃燒燃料產(chǎn)生機(jī)械功率100。交 流發(fā)電機(jī)92從機(jī)械功率100產(chǎn)生交變電壓102，然后整流器94對交變電壓102進(jìn)行整流以 產(chǎn)生低DC電壓104。能源電池96存儲并傳送來源于低DC電壓104的能量，并且牽引升壓 轉(zhuǎn)換器98對低DC電壓104進(jìn)行升壓以產(chǎn)生高DC電壓86。如在此涉及DC電壓所使用的， “低”和“高”僅是相對術(shù)語而并不意味特定的絕對電壓等級。高DC電壓86傳遞到馬達(dá)驅(qū) 動器78，其在其中包括牽引轉(zhuǎn)換器106 (即，變換器)，該牽引轉(zhuǎn)換器106在馬達(dá)操作期間接 收高DC電壓86并且對此響應(yīng)從高DC電壓86產(chǎn)生馬達(dá)電壓88。此外，在制動操作期間，牽 引轉(zhuǎn)換器106從馬達(dá)電壓88產(chǎn)生高DC電壓86。在制動操作期間，高DC電壓86從馬達(dá)電 壓88產(chǎn)生并且功率流通過“降壓”操作模式從雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器98的高電壓側(cè)86到雙向 DC-DC轉(zhuǎn)換器98的低電壓側(cè)104。在操作中，馬達(dá)驅(qū)動器78響應(yīng)于AC馬達(dá)84的要求的扭矩輸出而產(chǎn)生初始正弦電 流需求(即，第一輸入)。如關(guān)于圖4詳細(xì)提出的，馬達(dá)驅(qū)動器78 (即，馬達(dá)驅(qū)動器78中的 控制器)傳輸初始正弦電流需求到牽引變換器106，以產(chǎn)生用于傳輸?shù)紸C馬達(dá)84的初始電 流。AC馬達(dá)響應(yīng)于初始正弦電流需求產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，馬達(dá)驅(qū)動器78從旋轉(zhuǎn)磁場確定基波分 量和諧波分量。空氣間隙磁場的諧波分量被消除，并且馬達(dá)驅(qū)動器78施加校正到基波分量 以產(chǎn)生理想基波分量。需要用于在AC馬達(dá)84中產(chǎn)生理想基波分量的瞬態(tài)電流和當(dāng)施加到 牽引變換器106時將產(chǎn)生需要的瞬態(tài)電流的精確的瞬態(tài)低壓電流波形，是由馬達(dá)驅(qū)動器78 確定。基于希望的電流波形，馬達(dá)驅(qū)動器78產(chǎn)生瞬態(tài)非正弦電流需求，其當(dāng)施加到牽引變 換器106時將產(chǎn)生希望的電流波形。因此，牽引變換器106基于來自馬達(dá)驅(qū)動器78的瞬態(tài) 非正弦電流需求產(chǎn)生具有希望的電流波形的馬達(dá)電壓88。
盡管馬達(dá)驅(qū)動器78和伴隨的電機(jī)(S卩，AC馬達(dá)84)在圖5中描述成包括在產(chǎn)生 牽引力的HEV AC推進(jìn)系統(tǒng)80中，但是應(yīng)認(rèn)識到的是，構(gòu)造成實(shí)現(xiàn)用于以瞬態(tài)非正弦電流波 形激勵電機(jī)的技術(shù)的馬達(dá)驅(qū)動器也可應(yīng)用于其它各種類型的電機(jī)。因此，涉及馬達(dá)驅(qū)動器 和馬達(dá)驅(qū)動器控制器的本發(fā)明的實(shí)施例可應(yīng)用于在許多工業(yè)、商業(yè)和運(yùn)輸業(yè)中的電機(jī)。用于公開的方法和設(shè)備的技術(shù)貢獻(xiàn)在于，它提供用于以瞬態(tài)非正弦電流波形激勵 電機(jī)的控制器實(shí)現(xiàn)技術(shù)。實(shí)現(xiàn)控制方案，其處理施加到變換器的初始正弦電流指令，以便 產(chǎn)生瞬態(tài)非正弦電流指令，其將產(chǎn)生僅具有基波分量的旋轉(zhuǎn)空氣間隙場并且消除所有場諧 波，從而導(dǎo)致從定子到轉(zhuǎn)子的最佳能量轉(zhuǎn)化，即在高效率下的高扭矩。因此，根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，提供具有可連接到電源的輸入和可連接到電機(jī) 的輸入終端的輸出的馬達(dá)驅(qū)動器，該電機(jī)具有多個分?jǐn)?shù)槽集中繞組。馬達(dá)驅(qū)動器包括變換 器和控制器，變換器在其中具有多個開關(guān)以控制在電機(jī)中的電流和終端電壓，控制器連接 到變換器并且編程為輸入初始正弦電流需求到變換器，從而使變換器輸出初始正弦輸入電 流?？刂破鬟€編程為接收在由初始正弦電流需求產(chǎn)生的電機(jī)中的空氣間隙磁場上的反饋， 確定空氣間隙磁場的瞬態(tài)基波分量和瞬態(tài)諧波分量，并且施加校正到空氣間隙磁場的瞬態(tài) 基波分量以產(chǎn)生理想基波分量?？刂破鬟M(jìn)一步編程為基于理想基波分量產(chǎn)生非正弦電流需 求并且輸入非正弦電流需求到變換器，從而使變換器輸出非正弦電流。根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例，提供用于激勵具有多個分?jǐn)?shù)槽集中繞組的電機(jī)的方 法。方法包括步驟輸入測試正弦電流需求到變換器并且響應(yīng)于測試正弦電流需求在變換 器中產(chǎn)生初始正弦電流波形，該初始正弦電流波形輸出到電機(jī)以在包括在其中的轉(zhuǎn)子和定 子之間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。該方法還包括步驟確定旋轉(zhuǎn)磁場的基波分量和諧波分量，從測試正 弦電流需求和基波分量確定用于空氣旋轉(zhuǎn)磁場的理想基波分量，并且基于理想基波分量確 定希望的電流波形。該方法進(jìn)一步包括步驟基于希望的電流波形產(chǎn)生非正弦電流需求并 且輸入非正弦電流需求到變換器，從而使變換器輸出非正弦電流波形到電機(jī)以產(chǎn)生正弦旋 轉(zhuǎn)磁場。根據(jù)本發(fā)明的又一個實(shí)施例，提供馬達(dá)驅(qū)動器控制器用于施加電流指令到變換器 以控制電機(jī)中的電流和終端電壓。馬達(dá)驅(qū)動器控制器構(gòu)造成輸入初始正弦電流需求到變換 器，從而使變換器輸出初始正弦輸入電流。馬達(dá)驅(qū)動器控制器還構(gòu)造成接收輸入信號，該輸 入信號包括在響應(yīng)于初始正弦電流需求在電機(jī)中產(chǎn)生的瞬態(tài)旋轉(zhuǎn)磁場上的數(shù)據(jù)，確定瞬態(tài) 旋轉(zhuǎn)磁場的瞬態(tài)基波分量和瞬態(tài)諧波分量，并且基于初始正弦電流需求和瞬態(tài)基波分量確 定用于旋轉(zhuǎn)磁場的理想基波分量。馬達(dá)驅(qū)動器控制器進(jìn)一步構(gòu)造成基于理想基波分量產(chǎn)生 瞬態(tài)非正弦電流需求并且輸入瞬態(tài)非正弦電流需求到變換器，從而使變換器輸出非正弦電 流，該非正弦電流使電機(jī)產(chǎn)生具有理想基波分量的旋轉(zhuǎn)磁場。該些文字描述使用示例以公開本發(fā)明，包括最佳實(shí)施方式，并且也使本領(lǐng)域技術(shù) 人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括做出和使用任何裝置或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何包括在內(nèi)的方法。本 發(fā)明的專利范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它示例。如果這種 其它示例具有與權(quán)利要求的字面語言沒有不同的結(jié)構(gòu)元件，或者如果它們包括具有與權(quán)利 要求的字面語言無實(shí)質(zhì)差別的等同結(jié)構(gòu)元件，則這種其它示例意圖在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種馬達(dá)驅(qū)動器(10)，其具有可連接到電源的輸入和可連接到電機(jī)(26)的輸入終 端的輸出，所述電機(jī)(26)具有多個分?jǐn)?shù)槽集中繞組，所述馬達(dá)驅(qū)動器(10)包括變換器(24)，其在其中具有多個開關(guān)(20)以控制所述電機(jī)(26)中的電流和終端電壓；和控制器(28)，其連接到所述變換器(24)并且編程為輸入初始正弦電流需求到所述變換器(24)，從而使所述變換器(24)輸出初始正弦輸 入電流；接收在由所述初始正弦電流需求產(chǎn)生的所述電機(jī)(26)中的空氣間隙磁場上的反饋； 確定所述空氣間隙磁場的瞬態(tài)基波分量和瞬態(tài)諧波分量； 施加校正到所述空氣間隙磁場的瞬態(tài)基波分量以產(chǎn)生理想基波分量； 基于所述理想基波分量產(chǎn)生非正弦電流需求；并且輸入所述非正弦電流需求到所述變換器(24)，從而使所述變換器(24)輸出非正弦電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的馬達(dá)驅(qū)動器(10)，其特征在于，所述控制器(28)進(jìn)一步編程 為施加調(diào)整因子到所述初始正弦輸入電流以修正其幅值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的馬達(dá)驅(qū)動器(10)，其特征在于，所述控制器(28)進(jìn)一步編程 為在產(chǎn)生所述理想基波分量之后移除所述調(diào)整因子。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的馬達(dá)驅(qū)動器(10)，其特征在于，所述控制器(28)進(jìn)一步編程 為在所述空氣間隙磁場反饋上執(zhí)行快速傅立葉變換(FFT)以確定所述瞬態(tài)基波分量和瞬 態(tài)諧波分量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的馬達(dá)驅(qū)動器(10)，其特征在于，所述控制器(28)進(jìn)一步編程 為消除所述空氣間隙磁場反饋的瞬態(tài)諧波分量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的馬達(dá)驅(qū)動器(10)，其特征在于，所述控制器(28)進(jìn)一步編程為訪問查找表，其在其中存儲與多個正弦輸入電流需求的每個相關(guān)的空氣間隙磁場的理 想基波分量，所述理想基波分量包括用于所述多個正弦輸入電流需求的每個的最高基波分 量；比較與所述初始正弦電流需求相關(guān)的瞬態(tài)基波分量和與所述初始正弦電流需求相關(guān) 的理想基波分量；并且施加所述校正到所述瞬態(tài)基波分量以產(chǎn)生所述理想基波分量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的馬達(dá)驅(qū)動器(10)，其特征在于，所述控制器(28)進(jìn)一步編程 為執(zhí)行所述瞬態(tài)空氣間隙磁場的拉普拉斯傳遞函數(shù)，所述瞬態(tài)空氣間隙磁場的拉普拉斯傳 遞函數(shù)得自所述初始正弦輸入電流和所述空氣間隙磁場的理想基波分量。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的馬達(dá)驅(qū)動器(10)，其特征在于，所述控制器(28)進(jìn)一步編程為執(zhí)行所述電機(jī)(26)的分?jǐn)?shù)槽集中繞組的拉普拉斯傳遞函數(shù)，所述分?jǐn)?shù)槽集中繞組的 拉普拉斯傳遞函數(shù)得自所述初始正弦輸入電流和所述空氣間隙磁場的瞬態(tài)基波分量；并且 施加所述瞬態(tài)空氣間隙磁場的拉普拉斯傳遞函數(shù)到所述分?jǐn)?shù)槽集中繞組的拉普拉斯 傳遞函數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的馬達(dá)驅(qū)動器(10)，其特征在于，所述控制器(28)進(jìn)一步編程 為執(zhí)行所述電機(jī)(26)的分?jǐn)?shù)槽集中繞組的反拉普拉斯傳遞函數(shù)以確定所述非正弦電流需 求，所述非正弦電流需求使所述變換器(24)輸出需要用于產(chǎn)生所述空氣間隙磁場的理想 基波分量的非正弦電流。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的馬達(dá)驅(qū)動器(10)，其特征在于，所述控制器(28)進(jìn)一步編 程為根據(jù)所述非正弦電流需求調(diào)整來自所述電源的輸入電流的定時，以從所述變換器(24) 產(chǎn)生所述非正弦電流輸出。
全文摘要
公開用于以瞬態(tài)非正弦電流波形激勵電機(jī)(26)的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)包括變換器(24)和控制器(28)，變換器(24)控制電機(jī)(26)中的電流和終端電壓，控制器(28)編程為輸入初始正弦電流需求到變換器(24)，從而使變換器(24)輸出初始正弦輸入電流?？刂破?28)進(jìn)一步編程為接收在由初始正弦電流需求產(chǎn)生的電機(jī)(26)中的空氣間隙磁場上的反饋，確定空氣間隙磁場的瞬態(tài)基波分量和瞬態(tài)諧波分量，施加校正到空氣間隙磁場的瞬態(tài)基波分量以產(chǎn)生理想基波分量，基于理想基波分量產(chǎn)生非正弦電流需求，并且輸入非正弦電流需求到變換器(24)，從而使變換器(24)輸出非正弦電流。
文檔編號H02M1/12GK102006006SQ201010272850
公開日2011年4月6日 申請日期2010年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月28日
發(fā)明者A·M·F·埃爾-雷菲, A·M·埃爾-安塔布利, R·D·金 申請人:通用電氣公司