專利名稱:控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種用于電動馬達(dá)的電力控制器。特別地,本發(fā)明涉及一種用于改進(jìn)交流電動馬達(dá)控制及操作的系統(tǒng),其中當(dāng)穩(wěn)定的電氣繞組(electrical winding)存在時,永磁體或穩(wěn)定激磁電磁體(steadily excited electromagnet)會移動。這種馬達(dá)將被統(tǒng)稱為永磁交流(PMAC)馬達(dá)(盡管某些可用穩(wěn)定激磁電磁體替代永磁體)。PMAC馬達(dá)可存在于,例如,高速混合潤輪增壓器(turbocharger)或其他高速電子裝置。
背景技術(shù):
傳統(tǒng)的PMAC馬達(dá)在穩(wěn)定的電氣繞組存在時,利用了永磁體的移動。定子繞組(stator winding)必須由振蕩的或間歇性電流(即,交流電或脈波寬度調(diào)變)激磁(excite),以便當(dāng)磁體繞著繞組轉(zhuǎn)動或移動(translate)時,施加電動勢至磁體上。這種馬達(dá)通常被描述為無刷交流永磁馬達(dá),或永磁同步馬達(dá)(permanent magnet synchronousmotor, PMSM)。很重要的是應(yīng)注意,這種馬達(dá)與無刷直流永磁馬達(dá)的區(qū)別在于,此種馬達(dá)具有不同的結(jié)構(gòu)和控制方法。就機械上而言,無刷交流永磁馬達(dá)屬于最為簡單、小型化(compact)且有效率的一種馬達(dá)。然而,在電動馬達(dá)的歷史中,實際的實施例通常具有整合的設(shè)計特征,這些設(shè)計特征犧牲了簡單、小型性(compactness)和效率,以便賦予較佳的簡化控制馬達(dá)的工作的操作特性。犧牲的例子包括:1.磁場削弱(field weakening),以限制來自馬達(dá)固有性質(zhì)的速度。2.螺旋磁體(helical magnets),以在低速時增強起動轉(zhuǎn)矩(starting torque)及可預(yù)測性。3.使用電磁體而不使用永磁體,以允許通過提供電磁體動力的直流信號調(diào)整起動轉(zhuǎn)矩。4.選擇定子繞組的分布,以便當(dāng)給予平滑交流電(振蕩)輸入時,使馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩輸出平滑。5.可變氣隙(特別是在“軸向磁通(axial flux) ”型馬達(dá)中),以允許馬達(dá)常數(shù)(電流輸入和轉(zhuǎn)矩輸出之間的關(guān)系)通過機械方式被調(diào)整;以及6.使用較弱的磁體或被動激磁(金屬)材料,以減少馬達(dá)對于交流信號輸入的形狀的敏感度(sensitivity)。電動馬達(dá)通常操作以200赫以下的速度(即,電動車為20赫至100赫,汽車啟動馬達(dá)為30赫至50赫,英國電站發(fā)電機為50赫,典型的泵馬達(dá)為50赫,家用電器為10赫至50赫,輸送帶和滑輪為I赫至50赫)。高速應(yīng)用具有上述清單中第七項典型的較佳設(shè)計方式:被動激磁材料的使用。例子包包括:JR Bumby, E Spooner, &M Jagiela, “Solid Rotor Induction Machines for usein Electrically-Assisted Turbochargers,,,Proceedings of the XVII InternationalConference on Electric Machines (ICEM),2006 ;以及 S Calverly, “High-speed switchedreluctance machine for automotive turbo-generators,,,Mag.Soc.Seminar on Motorsand Actuators for Automotive Applications, 2002.
上述設(shè)計特征的結(jié)合大大地增加馬達(dá)的尺寸、重量、成本及能量效率。此外,對任一所選設(shè)計而言,馬達(dá)的尺寸、重量及成本一般是正比于轉(zhuǎn)矩輸出的。以高速操作的馬達(dá)可以低轉(zhuǎn)矩來供給等量功率,因此設(shè)備和傳動裝置常常被指定盡可能地容納(accommodate)較高速馬達(dá)。然而,較高的速度易于加重與馬達(dá)控制有關(guān)的挑戰(zhàn)。
一個特別值得注意的應(yīng)用領(lǐng)域為渦輪機械。這種裝置(利用氣體以接近音障的速度操作)以超過1500赫的速度旋轉(zhuǎn)。渦輪機在航天及天然氣發(fā)電方面相當(dāng)知名,但它們逐漸被應(yīng)用于汽車引擎(渦輪增壓器)、工業(yè)制程(壓縮機及熱回收系統(tǒng))、家用電器(真空吸塵器)以及建筑采暖和通風(fēng)。與定量(fixed-displacement)泵及膨脹腔室相比,潤輪機的日益普及創(chuàng)造了對高速馬達(dá)的更多需求,并提供減少或消除高比例傳輸成本的可能性(如果能提供較高速度馬達(dá))。本發(fā)明特別值得注意之處在于汽車渦輪增壓器的電氣化,其是較早專利(B Richards, “Turbocharger concept”,英國專利 n0.0624599.7,2006)的主題。
渦輪機需要超過1500赫的操作速度,且一些汽車應(yīng)用需要超過2500赫的速度。低于200赫的典型的馬達(dá)速度并不適用于此應(yīng)用。使用較弱磁體或被動磁化材料的設(shè)計折中方案可使速度達(dá)到1500赫,但這些折中方案具有相對較低的功率密度(power density)。典型的20千瓦渦輪壓縮機在形狀上約為15cm xl5cm xlOcm,且在穩(wěn)定狀態(tài)中需要1.6Nm的轉(zhuǎn)矩輸入。典型的操作在相同速度的被動激磁式電動馬達(dá)可以從足夠大的馬達(dá)供應(yīng)所需的轉(zhuǎn)矩。但這種馬達(dá)將具有大轉(zhuǎn)子慣量(rotor inertia)。當(dāng)馬達(dá)的尺寸進(jìn)一步增加以提供過量轉(zhuǎn)矩以便在瞬時加速時克服它本身的慣量時,馬達(dá)增加的慣量與產(chǎn)生的額外轉(zhuǎn)矩成正t匕,造成收益遞減。相比之下,具有強力永磁體的馬達(dá)以同樣體積可達(dá)到十倍的轉(zhuǎn)矩,允許馬達(dá)變小(10cm xlOcm xlOcm為2Nm的數(shù)量級),而仍提供足夠的轉(zhuǎn)矩以供加速。管理控制器電流的問題仍然存在。
由于上述設(shè)計優(yōu)點以及用于高速機器的新興應(yīng)用,過去三十年間,更加難以控制的馬達(dá)成為總體趨勢。這一趨勢與以下現(xiàn)象相符且依賴以下現(xiàn)象:電子學(xué)和計算機的廣泛應(yīng)用,使更為繁復(fù)的控制策略變得可行。
傳統(tǒng)的無刷永磁式馬達(dá)一般為直流類型或交流類型兩者之一。無刷直流式馬達(dá)接受“粗糙(rough)”的電壓輸入,并通過馬達(dá)繞組的電感及電阻,在馬達(dá)內(nèi)部使電流平滑。無刷交流馬達(dá)(也稱為同步馬達(dá))需要控制器給予的平滑且正弦(或接近正弦)的電流。這兩種馬達(dá)都不是被設(shè)計為接受“粗糙”的電流輸入波形。
控制無刷永磁式馬達(dá)的傳統(tǒng)方式為脈寬調(diào)制(pulse width modulation, PWM)。該方式的示例(尤其涉及PMAC)示出在EP2159909中。該文件利用快速PWM,以模擬輸入至馬達(dá)的平滑正弦波電壓輸入。這允許位置的精確控制以及馬達(dá)的平滑操作(尤其是低速時)。
無刷直流永磁式馬達(dá)也使用PWM來控制馬達(dá)輸入電壓的振幅及相位。無刷直流永磁式機器與無刷交流永磁式機器之間的本質(zhì)區(qū)別在于:無刷交流馬達(dá)額外地需要其PWM控制器合成正弦信號,而直流馬達(dá)允許PWM的輸出為“粗糙”的電壓波形。在這兩種情況下(直流或交流),PWM產(chǎn)生固定振幅和頻率的馬達(dá)控制信號,并于每一整流(commutation)時應(yīng)用該信號。所需信號(例如“粗糙”信號(直流)或正弦信號(交流))的供應(yīng)是通過改變供應(yīng)至馬達(dá)的脈沖的數(shù)量及持續(xù)時間而獲得的。這一般需要為每次馬達(dá)整流提供數(shù)個脈沖,以嘗試近似馬達(dá)使用所需要的理想波形輸入。因此,PWM所供應(yīng)的總振幅(或電壓)通過改變?nèi)魏谓o定相位的供應(yīng)至馬達(dá)的脈沖的數(shù)量和持續(xù)時間而被控制。然而,PWM控制器的使用需密集計算,且需要控制器在超出馬達(dá)的轉(zhuǎn)動頻率至少十倍(典型地100倍或更多)的頻率下操作。這表示,例如,汽車渦輪增壓器壓縮機將需要具備至少15000赫的內(nèi)部操作頻率的控制器。這對低功率邏輯電路來說輕而易舉,但這接近現(xiàn)今高功率電子電路所能達(dá)到的極限。
發(fā)明內(nèi)容
可通過下述的本應(yīng)用發(fā)明所實施的控制器產(chǎn)生“粗糙”的電流波形,且需要(或符合)非典型設(shè)計的馬達(dá)。所提出的馬達(dá)是無刷永磁類型的馬達(dá),該類型的馬達(dá)具有與典型的無刷交流或無刷直流永磁式馬達(dá)都不同的性能。該馬達(dá)的性能為發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域所熟知的,但這些性質(zhì)的這種選擇和結(jié)合并非尋常的。特別地,該馬達(dá)具有加強該馬達(dá)以下能力的性能:接收“粗糙”的電流波形(或者,在作為發(fā)電機的情況下,產(chǎn)生“粗糙”波形的趨向),且可以以有利的方式與實施本發(fā)明的控制器一起使用。其性能如下:a.轉(zhuǎn)子磁體由具有強永磁性質(zhì)的材料構(gòu)成,且以下列方式被形塑:在對應(yīng)于軸旋轉(zhuǎn)的角度維度上具有固定厚度,且圍繞轉(zhuǎn)子無間隙地分布(所有這些設(shè)計特征使得靠近磁體邊緣的繞組所感應(yīng)到的電磁場與靠近磁體中間的繞組所感應(yīng)到的電磁場強度類似);b.齒狀物(teeth)(定子繞組所包圍的金屬組件)的數(shù)量可被電子相接線(由轉(zhuǎn)子及繞組樣式所提供)的數(shù)量所整除,使得串連或并連的繞組的任意組合(組成一相)將在各處受到相同(穿過軸轉(zhuǎn)動會變化,但在任何時候各處都互相相同)的由馬達(dá)磁體產(chǎn)生的電磁場(因此,在軸的任何轉(zhuǎn)動角處,相中的所有繞組是互補的,且并不會互相抵消);c.選擇磁體(“極”)的數(shù)量以實施b。d.選擇磁體的角厚度(弧長)和繞組節(jié)距(winding pitch)(單一繞組圈所跨越的齒狀物數(shù)量),使得轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角度精確地符合相位角(振蕩周期的部份),其中相反極性的相鄰磁體之間的界面經(jīng)過繞組圈的跨幅角度(span)為該轉(zhuǎn)動角度,且控制器在該相位角度中將保持該繞組圈中的最大電流;以及e.通過優(yōu)選單個線圈實現(xiàn)最小繞組電感,該線圈形成并聯(lián)的繞組,而非其他考慮所允許的某種程度串聯(lián)的繞組,其他考慮諸如馬達(dá)必須符合的電流及電壓規(guī)格(認(rèn)識以下事實:較大內(nèi)部電感將傾向于使控制器所產(chǎn)生的訊號平滑并延遲,由于這種轉(zhuǎn)化的程度是馬達(dá)速度的函數(shù),因此難以納入控制器中)。盡管在學(xué)術(shù)概念上,這些特征分別地為人所知,但這些特征并不被認(rèn)為可經(jīng)組合而用在典型的、商業(yè)化地建構(gòu)出的電動馬達(dá),控制器的該等設(shè)計特征所帶來的影響也未被廣泛地考慮或理解。事實上,在產(chǎn)業(yè)界,將馬達(dá)設(shè)計及馬達(dá)控制混合在一個結(jié)構(gòu)中是反常的。還將理解,這些特征的組合可用于創(chuàng)造具有獨特特性的發(fā)電機,該獨特特性影響發(fā)電機控制器的設(shè)計。特別地,發(fā)電機將提供給予其本身直流整流的輸出。本發(fā)明的目的是提供一種控制器,該控制器可使用電力電子學(xué)(powerelectronics)提供高速電子驅(qū)動。此處所描述的控制方式本質(zhì)上不同于傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制方式,該脈寬調(diào)制方式由一個切換過程合成整個波形。脈寬調(diào)制控制器將需要具有高電感的輸出負(fù)載,以便將連續(xù)的脈沖平滑成為交流波形。同樣地,具有方波電壓輸入的無刷直流馬達(dá)將需要高電感。這種對高電感的需求也可為馬達(dá)性能的限制,尤其在高速機械速度與高速電子速度時。
根據(jù)本發(fā)明,提供一種用于交流電動馬達(dá)控制系統(tǒng),包含:在任何給定時間將激磁電流供應(yīng)至馬達(dá)的不同繞組的裝置,其中激磁電流的振幅獨立于激磁電流輸送的時機和持續(xù)時間而變化。
在優(yōu)選實施方式中,供應(yīng)裝置包含:激磁電流供應(yīng)反饋回路,以及從與激磁電流供應(yīng)反饋回路相分離的整流反饋回路,該激磁電流供應(yīng)反饋回路用于將電流振幅(對應(yīng)于“聚集電流(aggregate current)”)提供給馬達(dá)繞組,且該整流反饋回路用于控制將激磁電流供應(yīng)至馬達(dá)繞組的時機以及持續(xù)時間。所述激磁電流可以是聚集電流。電流供應(yīng)反饋回路可以包含:用于表現(xiàn)目標(biāo)馬達(dá)速度的輸入,以及用于響應(yīng)于馬達(dá)的目標(biāo)速度及馬達(dá)速度信號提供電流振幅的裝置。電流供應(yīng)反饋回路可以進(jìn)一步包含用于調(diào)節(jié)電流振幅的調(diào)節(jié)反饋回路。
可以提供裝置用于提供指示馬達(dá)速度和/或馬達(dá)角度位置的信號,該裝置可以是傳感器形式。角度位置指示可以是粗略或經(jīng)量化的測量,而無須是精細(xì)的角度測量。該裝置可以是指示馬達(dá)繞組中感應(yīng)的電流的整流信號或電流。
整流反饋回路可操作用于根據(jù)角度位置信號,控制至馬達(dá)繞組的電流脈沖的時機及持續(xù)時間。馬達(dá)的移動在對應(yīng)于位置信號的每相繞阻中產(chǎn)生反電動勢。當(dāng)對應(yīng)的相繞組所感測的反電動勢的振幅比關(guān)于其他多個相繞組所感測的(sensed)反電動勢的振幅大時,整流反饋回路將電流脈沖提供至給定相繞組。整流反饋回路可以包含濾波器,該濾波器用于對經(jīng)感測的反電動勢進(jìn)行濾波,以使信號平滑和/或促進(jìn)給定繞組的電流供應(yīng)和角度位置信號之間的同步??梢圆僮鳛V波器以將相位偏移導(dǎo)入經(jīng)感測的反電動勢,以促進(jìn)所述同步。馬達(dá)可以包含具有120度相對角位移的三相繞組。為了促進(jìn)電流供給和角度位置傳感器之間的同步,用于感測馬達(dá)位置的反電動勢也可以不經(jīng)由單獨的相繞組被測量,而是經(jīng)由相繞組的組合被測量(例如,橫跨兩個相繞組之間的反電動勢的總和或差異),該組合可能導(dǎo)致存在于單獨相中的反電動勢的已知相位移位。
在替代的實施方式中,用于提供馬達(dá)速度和/或馬達(dá)角度位置的信號指示可以是霍爾效應(yīng)(Hall Effect)傳感器或與馬達(dá)輸出軸相關(guān)聯(lián)的光學(xué)傳感器。
根據(jù)本發(fā)明,進(jìn)一步提供一種用于交流電動馬達(dá)的控制系統(tǒng),該控制系統(tǒng)包含:整流電路以及電源,該整流電路可操作用于控制電流供應(yīng)至電動馬達(dá)的時機和持續(xù)時間,且該電源用于將電流供應(yīng)至馬達(dá),其中該整流電路在操作上獨立于該電源。
根據(jù)本發(fā)明,還進(jìn)一步提供包含如上所定義的控制系統(tǒng)的永磁式馬達(dá),其中該馬達(dá)包含:多個置于轉(zhuǎn)子周圍的永磁體,以在磁體間提供連續(xù)而無間隙的磁殼(magneticshell)。應(yīng)該理解,這種馬達(dá)所使用的永磁體可以是任何經(jīng)磁化的材料,其中馬達(dá)的控制不依賴于改變磁力的能力。馬達(dá)可以包含置于磁性表面周圍的多個繞組,該繞組數(shù)量與槽孔(slot)數(shù)量相同,使得每個槽可以被單一的電流脈沖供應(yīng)能量(energise)。
此外,永磁式馬達(dá)的理想配置為:配置于馬達(dá)圓周周圍的槽的數(shù)量除以配置于馬達(dá)轉(zhuǎn)子周圍的磁體數(shù)量的商為電流相數(shù)量的倍數(shù)。應(yīng)可理解,馬達(dá)繞組的數(shù)量可以以實現(xiàn)該比例而定制。
根據(jù)本發(fā)明,還進(jìn)一步提供用于內(nèi)燃機的強制進(jìn)氣系統(tǒng)(forced inductionsystem),該內(nèi)燃機包含上述的控制系統(tǒng)。此種強制進(jìn)氣系統(tǒng)可以是增壓器(supercharger)或可為渦輪增壓器。在本發(fā)明的范例方面中,強制進(jìn)氣系統(tǒng)用于內(nèi)燃機,其中該系統(tǒng)包含:壓縮機、渦輪機、發(fā)電機、電動馬達(dá)以及控制系統(tǒng)。在所述方面中,壓縮機扮演以下角色:增加進(jìn)入引擎的氣體壓力,并機械地從渦輪機解耦(decouple),該渦輪機被配置成由引擎排氣驅(qū)動,且驅(qū)動電性連接至電動馬達(dá)的發(fā)電機。輪流地,電動馬達(dá)驅(qū)動壓縮機,且因此壓縮機至少部份經(jīng)由電性連接被渦輪機的輸出轉(zhuǎn)矩驅(qū)動。在這些方面中,電動馬達(dá)由上述控制系統(tǒng)控制。在本發(fā)明的又一方面中,提供用于產(chǎn)生電力的發(fā)電機,該發(fā)電機包含:轉(zhuǎn)子,該轉(zhuǎn)子具有多個均勻地且連續(xù)地分布于馬達(dá)周圍的永磁體;定子,該定子具有多個繞組,其中轉(zhuǎn)子相對于定子繞組的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生多個經(jīng)相位偏移的方波;以及控制電路,其中該控制電路包含整流電路,該整流電路被配置成從定子繞組中抽出(draw)電流,所述控制電路控制電流從繞組獨立于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)被抽出的時機與持續(xù)時間。在可替代或另外的方面中,提供永磁式發(fā)電機,該永磁式發(fā)電機包含:多個磁體,該多個磁體之間無間隙地相互接觸,以便提供連續(xù)的永磁殼。此種永磁式發(fā)電機可包含多個置于多個槽內(nèi)的相繞組,這些槽圍繞在發(fā)電機或永磁殼的周圍,使得每一相繞組可以由單個激磁電流被互補地供給能量,且不致相互抵消。而且,該發(fā)電機可以被配置成多個相繞組分別并聯(lián)地置于槽中,并使得槽數(shù)量除以磁體數(shù)量的商為激磁電流相數(shù)的倍數(shù)。本發(fā)明實施方式在以下方面為有利:提供獨立于整流的馬達(dá)速度變化。這通過將進(jìn)入馬達(dá)聚集電流獨立地供應(yīng)至整流而實現(xiàn),該整流將該電流導(dǎo)向適當(dāng)?shù)鸟R達(dá)相繞組??梢允褂肞WM方式來調(diào)節(jié)聚集電流,且在電流供應(yīng)控制器和整流控制器之間可能需要電感,以使PWM輸出平滑。然而,可能需要用于調(diào)節(jié)電流供應(yīng)控制器的輸出的PWM電流供應(yīng)控制器的頻率和電感是本質(zhì)上獨立于電感和馬達(dá)轉(zhuǎn)動速度的參數(shù)。這意味PWM訊號頻率無須如現(xiàn)有技術(shù)的配置那樣比馬達(dá)的操作頻率高。位于電流供應(yīng)控制器和馬達(dá)之間的整流控制器并不實施PWM。相反地,整流控制器僅僅根據(jù)馬達(dá)的相繞組位置將電流導(dǎo)向正確的繞組。因為整流控制器并不實施PWM,所以該整流控制器的設(shè)計相對地簡單,且該整流控制器可實現(xiàn)高速馬達(dá)操作速度。而且,因為整流控制器并不實施PWM,馬達(dá)無須展現(xiàn)高電感,且因此提高馬達(dá)的效率(特別是在高速電子/機械速度時)。這意味較高的馬達(dá)速度不需要以下控制器也可達(dá)成:提供整流而且還在單一步驟內(nèi)調(diào)節(jié)總電流的經(jīng)整合的高功率電子控制器?,F(xiàn)在將參考附圖通過示例的方式更為詳細(xì)地描述本發(fā)明。
圖1a是傳統(tǒng)馬達(dá)的波形圖;圖1b示出圖1a的傳統(tǒng)馬達(dá)的結(jié)構(gòu);圖1c是可替代的傳統(tǒng)馬達(dá)的波形圖;圖2a是可以在本發(fā)明的實施方式中使用的馬達(dá)的波形圖;圖2b示出圖2a的馬達(dá)的結(jié)構(gòu);圖3是體現(xiàn)本發(fā)明的控制電路的功能塊電路圖;圖4是示出圖3電路細(xì)節(jié)的框圖5a是示出本發(fā)明的實施方式中使用的三相馬達(dá)(稱為a、b和c)中的理想反電動勢的波形圖5b是從測量的跨越兩相(a和b、b和C、a和c)的總反電動勢導(dǎo)出相間的反電動勢;
圖5c是圖5b的相間的波形的經(jīng)濾波后的波形圖6是可以被用于體現(xiàn)本發(fā)明的控制電路的低通濾波器的電路圖7a是來自三個作用于相間的反電動勢信號的比較操作的數(shù)字輸出(例如,當(dāng)Va-b>Vb-c 時,Cl=I);
圖7b是可以通過體現(xiàn)本發(fā)明控制電路而到處的輸入單相的電流整流的波形圖8a是當(dāng)圖2b的馬達(dá)被用作發(fā)電機時所產(chǎn)生的相電流的波形圖8b是圖8a中示出的經(jīng)整流的相電流的波形圖;以及
圖8c是傳統(tǒng)發(fā)電機的經(jīng)整流相電流的波形圖。
具體實施方式
圖1a示出理想電流10,在現(xiàn)有技術(shù)的同步交流馬達(dá)中該理想電流10必須被供應(yīng)每個相繞組(phase winding),如圖1b所示(或相反地,該電流由現(xiàn)有技術(shù)的同步交流發(fā)電機產(chǎn)生)。如之后所解釋的,理想上,正弦電流10 (具有整流頻率16)對于此種現(xiàn)有技術(shù)馬達(dá)是最佳的,且當(dāng)驅(qū)動這種現(xiàn)有技術(shù)馬達(dá)時,要讓正弦波模式的表征(representation) 12盡可能地靠近。通常用于實現(xiàn)該理想波形的技術(shù)為脈寬調(diào)制(PWM)。PWM涉及將許多不同持續(xù)時間的電流脈沖12提供至裝置。通過改變平均脈沖寬度和脈沖時機(切換頻率14),可以產(chǎn)生近似正弦波的總電流。振幅是通過控制平均脈沖寬度而被改變的,而整流是通過改變脈沖時機而被控制。一般而言,電流脈沖12與多個相(phase) —起被應(yīng)用,最佳地為具有120度相位差的三個不同相。
圖1b示出現(xiàn)有技術(shù)的無刷交流馬達(dá)20,該馬達(dá)具有安裝在軸24四極(four pole)永磁體轉(zhuǎn)子22。在此種馬達(dá)20中,該馬達(dá)具有四個圍繞其圓周而被隔開的磁極。磁極是由圍繞360度而散布(spread)的四個永磁體26、28、30和32所提供;然而,每個磁體僅跨越(span) 60度的幅度,與其相鄰磁體以30度的無效空間(dead space)相隔。磁體26、28、30,32自然地產(chǎn)生“結(jié)實(blocky)”的圍繞該馬達(dá)的北-南-北-南磁場。
三相電壓的繞組34如何被分布(distribute)在磁體周圍的示例如圖1b中所示。為了清楚起見,僅示出繞組34的一個線圈??梢钥闯觯@組34自鄰接磁體28的槽(slot)36伸出,然后穿入鄰接磁體30的邊緣的槽36。該繞組模式基于繞組相對于馬達(dá)磁體的相對位置和方向而在繞組中創(chuàng)建不同(differing)的磁場。當(dāng)然,應(yīng)能理解,通過改變繞組形態(tài)可以定制馬達(dá)的性能。
傳統(tǒng)馬達(dá)具有分布成用來中斷“結(jié)實”的開/關(guān)激磁的繞組,該開/關(guān)激磁是由磁體自然生成的。在典型馬達(dá)繞組模式的這種示例中,15個槽36可供繞組34利用,以便輸入電壓的每一相繞著5個槽繞線。由于5并非轉(zhuǎn)子上磁極數(shù)量(4)的倍數(shù),因此一相的5個線圈(coil)不可能由所有磁體以同樣方式被同時激磁。而是同一相中的各個線圈在不同時刻被不同的量所激磁。此外,該5個線圈并非平均地圍繞轉(zhuǎn)子散布,而是如圖1b所示那樣分布。如果該機器為發(fā)電機,當(dāng)轉(zhuǎn)子移動時,每一線圈(對于一相所有線圈串連連接)中所創(chuàng)建的電勢(potential)或多或少各不相同,且線圈的分布被選擇成使得總電勢以近于正弦模式上升和下降。在傳統(tǒng)無刷直流控制中,如圖4所示,六個絕緣閘極雙極性晶體管(IGBT) (A+、A_、B+、B-、C+及C -)是用于控制整流(時機)和電壓調(diào)節(jié)(量)兩者的。電壓調(diào)節(jié)由圖1c所示的PWM實施。等電壓振幅的脈沖12a被供應(yīng)至馬達(dá),并形成方波電壓10a。在此情況下,電壓IOa的振幅由脈沖的數(shù)量及其持續(xù)時間或?qū)挾?工作周期)決定。馬達(dá)的電感和電阻提供電流的內(nèi)部調(diào)節(jié)。然而,馬達(dá)的電感和電阻降低效率(efficiency)且使馬達(dá)不適于相當(dāng)高的電子/機械速度應(yīng)用。此外,為了從PWM控制器的開-關(guān)切換產(chǎn)生相對穩(wěn)定、相對低的電流,需要直流無刷馬達(dá)的繞組34能展現(xiàn)高電感。再者,為了在相同的IGBT(控制整流裝置)上實施此類PWM控制,IGBT的切換頻率14必須比整流16的切換頻率高得多,且與馬達(dá)軸的旋轉(zhuǎn)速度相比仍然較高。這使得在高電氣速度時,該方法不切實際。例如,對于具有足夠高的電感以使PWM的輸出結(jié)果平滑的馬達(dá),通常PWM馬達(dá)控制器中的IGBT切換頻率要比整流頻率高出至少10倍。再者,在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中所提出的馬達(dá)類型中(該馬達(dá)產(chǎn)生相當(dāng)?shù)偷碾姼屑案咝?,IGBT切換頻率14將需要比整流頻率16高出至少100倍。就本發(fā)明實施方式所期望的高操作速度而言,此控制方式變得不切實際。相反地,本發(fā)明所采用的馬達(dá)40使用12個槽的設(shè)計。圖2b中示出該馬達(dá)的代表圖。在該馬達(dá)中,四個磁體41至44跨越轉(zhuǎn)子46的完整的360度,而沒有任何無效空間,這創(chuàng)建連續(xù)的永磁殼,因此對于給定尺寸與15槽馬達(dá)相比,該馬達(dá)(一般而言)功率高出50%。12個槽48和三個相50允許每一相具有4個線圈或槽,其對應(yīng)于轉(zhuǎn)子上的4個磁極。因此每一線圈50總是可以由磁體41-44完全激磁。任一相中的線圈50是以順時針-逆時針-順時針-逆時針的方式繞線,因此北-南-北-南磁場加強并驅(qū)動通過定子的最大電流(在發(fā)電機的情況下),或從給定電流創(chuàng)造最大轉(zhuǎn)矩(在電動機的情況下)。然而,作為發(fā)電機,此機器將難以供應(yīng)方波輸出。類似地,作為馬達(dá)40,軸47的平滑轉(zhuǎn)動所需的方波電流輸入60難以被供應(yīng)?;谠摰壤碛?,在大多數(shù)的現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用中,具有于此所述的12槽的機器特征的馬達(dá)并不受到青睞。如果此馬達(dá)因其小型性及效率而被選擇,然后使用現(xiàn)有技術(shù)的PWM控制器驅(qū)動,將導(dǎo)致不平滑(隨時間而變動)的馬達(dá)輸出及額外的電能耗損,而抵消馬達(dá)的一些內(nèi)部效益。圖2a示出對于馬達(dá)40 (圖2b)設(shè)計為方波輸入時,理想上必須施加給每一相繞組50的電流60。此外,依據(jù)轉(zhuǎn)子幾何結(jié)構(gòu),需要有間隔(gap)66以當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極未對齊永磁體(由線圈供給能量(energise))時,防止轉(zhuǎn)子的非理想激磁。在間隔66期間,電流由不同相所施加。電流應(yīng)用與電流去除之間的相關(guān)切換點68是整流時機,且理想上切換點68在以下狀況發(fā)生:當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極進(jìn)入或離開磁體(由繞組供給能量)的影響時。為了實現(xiàn)高速度和高效率,繞組50的電阻和電感比在典型的直流電無刷馬達(dá)中(諸如圖1b的現(xiàn)有技術(shù)馬達(dá))要小得多。在馬達(dá)運作期間的任何時刻,一個相50被連接至正極(電流流入),一個相被連接到負(fù)極(電流流出),且一個相為浮接(float)(無電流)。為了使馬達(dá)性能最大化,當(dāng)一相50與其他相相比展現(xiàn)最大的反電動勢(back EMF)時,應(yīng)將電流輸進(jìn)至該相,且當(dāng)一相展現(xiàn)最小的反電動勢時,應(yīng)自該相輸出電流。整流時機68必須被精確地控制。如果反電動勢為理想的,則可以通過比較三相電壓獲得整流時機68( S卩,當(dāng)一相展現(xiàn)最大的反電動勢時,該相電流被切換為“開”)。
理想上,振幅62必須相對于整流頻率64獨立地變化。圖3示出本發(fā)明主要實施方式,并詳細(xì)描述所使用的控制器80??刂破?0的本質(zhì)特征為通過整流分離地處理(address)電源。該控制方式通過聚集電流il82 (流至馬達(dá)84)的控制和在該馬達(dá)84的相連接器上的電流iu、iv及iw86a至86c的整流之間的邏輯分離而實現(xiàn)的。
聚集電流82具有兩個調(diào)節(jié)(regulate)聚集電流82的比例-積分(proportional-1ntegral, PI)反饋控制回路88、90。內(nèi)回路88直接控制電流振幅,而外回路90相應(yīng)于馬達(dá)84需要的轉(zhuǎn)矩(速度/目標(biāo)速度不匹配)而調(diào)整電流。
內(nèi)回路88包含工作周期92和(振幅)調(diào)節(jié)器94,該工作周期92提供聚集電流82的振幅,而該調(diào)節(jié)器94將目前的聚集電流82與外回路90所要求的電流進(jìn)行比較。如果外回路90所要求的聚集電流82比目前所供應(yīng)的聚集電流還大,則該電流通過工作周期92被調(diào)整以匹配所期望的電流。應(yīng)該可以理解,內(nèi)回路88可以被視為用于調(diào)節(jié)電流振幅的調(diào)節(jié)反饋回路。
外回路90還包含(速度)調(diào)節(jié)器94,該調(diào)節(jié)器94將速度目標(biāo)96與馬達(dá)98的當(dāng)前速度進(jìn)行比較,并確定加速至速度目標(biāo)96所需的聚集電流82。飽和檢查(saturationcheck, SC) 100被提供以確保電流需求在控制器80和馬達(dá)84的性能之內(nèi)。馬達(dá)的速度由F/V轉(zhuǎn)換器102所提供,該F/V轉(zhuǎn)換器102分析從馬達(dá)獲得的反電動勢信號Vw、Vv及Vul04,并轉(zhuǎn)換上述反電動勢信號,以確定馬達(dá)速度98和馬達(dá)(及磁體)的角度位置。用來調(diào)節(jié)聚集電流82 (內(nèi)反饋控制回路88和外反饋控制回路90)的組件可被視為電流供應(yīng)反饋回路,該電流供應(yīng)反饋回路用于將電流振幅提供至馬達(dá)84的繞阻。
因為反電動勢將其自身表現(xiàn)為橫跨馬達(dá)定子繞組的每一相接線(phaseconnection)的表面電阻(apparent electrical resistance)中的振蕩變化,所以由強永磁體移動經(jīng)過馬達(dá)中的繞組所產(chǎn)生的反電動勢的使用是有利的。這給出轉(zhuǎn)子相對于定子的即時位置的指示,且因而指出用于定子電激磁的合適時機。通過該方法,馬達(dá)的相接線攜帶馬達(dá)控制器的輸出(用于激磁馬達(dá)定子繞組的振蕩電流),以及馬達(dá)控制器的輸入(確定整流模式的反電動勢)中的一者。
盡管本發(fā)明利用反電動勢信號確定馬達(dá)速度和位置,但是可利用監(jiān)測馬達(dá)和產(chǎn)生參考信號的可替代方法。替代方法的實例包括:響應(yīng)于馬達(dá)軸上的標(biāo)記或形狀(例如,壓縮機葉片)使用外部轉(zhuǎn)子位置傳感器,很可能為光學(xué)類型或電磁干擾(霍爾效應(yīng))傳感器類型;在控制器內(nèi)部使用計時裝置,該計時裝置規(guī)律地被粗略傳感器(coarse sensor)校準(zhǔn)或重設(shè)(例如,馬達(dá)軸每轉(zhuǎn)動一次);整流電流的量測,或整流電流的指示信號,該整流電流與導(dǎo)入馬達(dá)繞組的電流(非進(jìn)入馬達(dá)的總電流)有關(guān);以及使用純粹的內(nèi)部邏輯和計時,其對馬達(dá)的位置和所需整流做出假設(shè),而不預(yù)期(或不在乎)這可能與真正的、最佳的整流時機失去同步性(例如,轉(zhuǎn)子可能相對于電激磁有所“滑動”)。
因為馬達(dá)84是針對相當(dāng)?shù)偷膬?nèi)部電感而最佳地設(shè)計,且因此,除非電流82在短時間尺度上被嚴(yán)格地控制,否則馬達(dá)84對于損壞相當(dāng)敏感,所以這種雙層方法被實施以避免過量電流的狀況。為了控制速度96,控制系統(tǒng)80測量馬達(dá)反電動勢104的頻率,以得到馬達(dá)速度98。通過將電流指令90設(shè)定至內(nèi)回路88中,控制系統(tǒng)可以控制轉(zhuǎn)矩。如果馬達(dá)84需要加速,該控制器90將增加電流指令以增加轉(zhuǎn)矩。
聚集電流82的整流被單獨實施,且圖示為在馬達(dá)84的右側(cè)。整流模式110被動地響應(yīng)馬達(dá)位置,該馬達(dá)位置是通過追蹤顯示在相接在線的反電動勢104所測量的。優(yōu)選實施方式使用相間電壓(phase-to-phase voltage)來測量反電動勢。基于馬達(dá)的典型性能,通常這將領(lǐng)先最佳電流整流時機的相位90度(見下文)。因此優(yōu)選實施方式實施低通濾波器112,該低通濾波器112在該所測量的相間電壓中產(chǎn)生90度的相位位移。此外,此低通濾波器112移除來自反電動勢104的錯誤,并實時調(diào)整相位角度,使得該時機適合用于電流整流控制信號。一旦確定整流模式110,整流模式110被提供至IGBT模塊114。然后聚集電流82可以由IGBT模塊114調(diào)節(jié)至所需的整流模式110,以傳送所需電流iu、iv及iw86a至86c至馬達(dá)84。組件110、112及114的組合充當(dāng)整流反饋回路,該反饋回路用于控制將激磁電流供應(yīng)至馬達(dá)繞組的時機及持續(xù)時間。圖4強調(diào)工作周期92和IGBT模塊114。工作周期92充當(dāng)“直流/直流電流源”部份,并創(chuàng)建被控制的聚集電流量82的近乎連續(xù)的電流。工作周期具有兩個IGBT120和122,且通過將IGBT開啟或關(guān)閉,聚集電流82可被調(diào)節(jié)。工作周期92連接至IGBT模塊114,IGBT模塊114為三相信號充當(dāng)六接腳(six-leg)換流器。由于馬達(dá)的高基頻,IGBT模塊114僅控制整流,且從不需要中斷電流的聚集流動以控制功率(如同在較為傳統(tǒng)的控制布局中所必須作的)。該“換流器”部份將以下兩者作為輸入:來自數(shù)字控制器(未圖標(biāo))的整流信號,以及通過工作周期92所產(chǎn)生的聚集電流82。作為輸出,IGBT模塊114產(chǎn)生方波電流訊號,以驅(qū)動PM馬達(dá)。IGBT模塊114的功能是使用如圖2a所示的簡單切換模式,將從工作周期92所能得到的任何聚集電流82直接傳送至馬達(dá)84。對于電流86a至86c的每一相,提供了兩個IGBT。用于電流iu86a的整流模式是由IGBT116a和IGBTl 16b所提供,IGBTl 16a和IGBT116b將聚集電流82開啟或關(guān)閉,以提供所需之整流模式110。類似的IGBT118a、IGBT118b、IGBT120a及IGBT120b為電流iv86b和iw86c的每一附加相執(zhí)行同樣的功能。因此,由每一相所供應(yīng)的電流可為正、負(fù)或零。此方式主要的優(yōu)點為移除了對IGBT操作于不切實際的高頻的需要。該方式還使馬達(dá)84得以被建構(gòu)為具備低電感。最后,此方式從馬達(dá)的相繞組移除通常與PWM控制相關(guān)的擾動。這使反電動勢信號104更加清楚,并改進(jìn)整流時機110的準(zhǔn)確性。在高電子速度時,控制器80的效率對整流時機110相當(dāng)敏感。因此,從相繞組移除擾動的附加特征更進(jìn)一步改進(jìn)此方式的效率。馬達(dá)84所產(chǎn)生的反電動勢信號104示出于圖5a中。三個反電動勢信號104a、104b及104c對應(yīng)于輸入電流86a、86b及86c的三個相。圖5a中所示的反電動勢是理想化的。實際上,反電動勢信號104常常起伏不定且失真,使得難以確定馬達(dá)的角度位置,且因而難以確定整流時機。此外,在實際的馬達(dá)控制中,因為快速的相電流改變,整流本身干擾反電動勢104。該干擾可使反電動勢的波形變形,使得反電動勢之間的比較不再可靠。此外,由于控制器繞組的實際情況,因此難以測量單一的反電動勢104a。在本實施方式中,通過測量反電動勢104的相間電壓130 (允許控制器監(jiān)測同條電線,該電線是用于將電流傳入馬達(dá))來進(jìn)一步改進(jìn)反電動勢信號的穩(wěn)定度(reliability),如圖5b所示。然而,(反電動勢104的)相間電壓130并不與(反電動勢104的)相電壓匹配。例如,圖5a中相A和相B的交叉點(標(biāo)示為點I)將為圖5b中相A-B的零交叉點(zero crossing point)(標(biāo)示為點2)。當(dāng)相間交叉點確定最佳位置(該最佳位置用來將供應(yīng)至馬達(dá)的電流轉(zhuǎn)換至下一個對應(yīng)的相)時,此位置的確定對于確保有效率地使用馬達(dá)相當(dāng)關(guān)鍵。相間電壓為兩個相電壓之間的差異,且因此,這兩個信號在相位上的差異可以如下方式計算:相A 電壓:sin(x)相B電壓:sin(x_pi/3)(三相馬達(dá)中120度的相位偏移)相A 至 B:sin (X)-sin (x-pi/3) =sqrt (3) sin(x+pi/6)(領(lǐng)先 sin(x) 30 度的波形)相間交叉點(圖5a中的點I)不再位于容易確定的位置(圖5b中的點2)之中。為了得到穩(wěn)定的訊號,因而三相反電動勢在執(zhí)行比較之前先被濾波。圖6中示出低通濾波
器112設(shè)計。濾波器112的轉(zhuǎn)移函數(shù)(transfer function)為
權(quán)利要求
1.一種用于電動馬達(dá)的控制系統(tǒng),該控制系統(tǒng)包含:在任何給定時間將激磁電流供應(yīng)給馬達(dá)的不同繞組的裝置,其中該激磁電流的振幅獨立于該激磁電流應(yīng)用至所述繞組的時機和持續(xù)時間而變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng),其中所述供應(yīng)裝置包含:電流供應(yīng)反饋回路,以及與該電流供應(yīng)反饋回路相分離的整流反饋回路,所述電流供應(yīng)反饋回路用于將電流振幅提供給馬達(dá)繞組,所述整流反饋回路用于控制將激磁電流供應(yīng)至所述馬達(dá)繞組的時機和持續(xù)時間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制系統(tǒng),其中所述電流供應(yīng)反饋回路還包含調(diào)節(jié)反饋回路,該調(diào)節(jié)反饋回路用于調(diào)節(jié)所述電流振幅。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項權(quán)利要求所述的控制系統(tǒng),該控制系統(tǒng)還包含用于提供指示馬達(dá)速度和/或所述馬達(dá)的角度位置的信號的裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求2-4中的任一項權(quán)利要求所述的控制系統(tǒng),其中所述電流供應(yīng)反饋回路包含:用于表現(xiàn)目標(biāo)馬達(dá)速度的輸入,以及用于響應(yīng)于所述馬達(dá)的目標(biāo)速度和馬達(dá)速度信號而提供電流振幅的裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的控制系統(tǒng),其中所述整流反饋回路可操作用于根據(jù)所述角度位置信號,控制至所述馬達(dá)繞組的所述激磁電流的所述時機和持續(xù)時間。
7.根據(jù)權(quán)利要求4-6中的任一項權(quán)利要求所述的控制系統(tǒng),其中指示所述馬達(dá)速度和/或所述馬達(dá)的角度位置且由所述控制裝置所測量的信號是指示所述馬達(dá)繞組中所感應(yīng)的電流的整流信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制系統(tǒng),其中所述馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)在對應(yīng)于所述裝置信號的每一相繞組中產(chǎn)生反電動勢,所述馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)響應(yīng)于至多個相繞組的任一給定的馬達(dá)繞組的所述激磁電流的供應(yīng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的控制系統(tǒng),其中當(dāng)對應(yīng)相繞組所感測的反電動勢的振幅比關(guān)于其他所述多個相繞組所感測的所述反電動勢的振幅大時,所述整流反饋回路向所述給定相繞組提供電流脈沖。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的控制系統(tǒng),其中該整流反饋回路包含:濾波器,該濾波器用來濾波所感測的反電動勢,以促進(jìn)所述給定繞組的電流供應(yīng)與所述角度位置信號之間的同步。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的控制系統(tǒng),其中所述濾波器將相位偏移導(dǎo)入至所感測的反電動勢,以促進(jìn)所述同步。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的控制系統(tǒng),其中所述馬達(dá)包含具有120度相對角位移的三相繞組。
13.一種用于電動馬達(dá)的控制系統(tǒng),該控制系統(tǒng)包含:整流電路以及電源,所述整流電路可操作用于控制將電流供應(yīng)至所述電動馬達(dá)的時機和持續(xù)時間,且所述電源用于將電流供應(yīng)至所述馬達(dá),其中所述整流電路在操作上獨立于所述電源。
14.一種永磁式馬達(dá),包含根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項權(quán)利要求所述的控制系統(tǒng),其中所述馬達(dá)包括多個互相無間隙地連接的永磁體,以提供連續(xù)的永磁殼。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的永磁式馬達(dá),其中所述永磁式馬達(dá)包含根據(jù)權(quán)利要求1-13中的任一項權(quán)利要求所述的控制系統(tǒng),其中所述永磁式馬達(dá)還包含置于圍繞所述馬達(dá)圓周的多個槽內(nèi)的多個相繞組,使得每一相繞組能夠通過單一激磁電流被互補地激磁,且不致于相互抵消。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的永磁式馬達(dá),其中所述多個相繞組分別并聯(lián)地置于所述槽中。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的永磁式馬達(dá),其中所述槽的數(shù)量除以磁體的數(shù)量的商為所述電流的相的數(shù)量的整數(shù)倍。
18.—種用于內(nèi)燃機的強制進(jìn)氣系統(tǒng),該系統(tǒng)包含根據(jù)權(quán)利要求1-13中的任一項權(quán)利要求所述的控制系統(tǒng)。
19.一種用于具有曲軸的內(nèi)燃機的強制進(jìn)氣系統(tǒng),該系統(tǒng)包含: 壓縮機,該壓縮機用于增加進(jìn)入引擎的氣體壓力; 渦輪機,該渦輪機機械地從所述壓縮機解耦,并被配置成由引擎排氣所驅(qū)動; 發(fā)電機,該發(fā)電機被配置成由所述渦輪機所驅(qū)動; 電動馬達(dá),該電動馬達(dá)被配置成驅(qū)動所述壓縮機,其中所述發(fā)電機和所述馬達(dá)電性地連接;以及 根據(jù)權(quán)利要求1至13的任一項權(quán)利要求所述的控制系統(tǒng),其中所述壓縮機至少部分經(jīng)由電性連接而被所述渦輪機的輸出轉(zhuǎn)矩所驅(qū)動。
20.一種永磁式發(fā)電機,該發(fā)電機包括多個互相無間隙地連接的永磁體,以提供連續(xù)的永磁殼。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的永磁式發(fā)電機,其中所述永磁式發(fā)電機包含置于圍繞所述永磁殼圓周的多個槽內(nèi)的多個相繞阻,使得每一相繞組由單一激磁電流被互補地激磁,且不致于相互抵消。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的永磁式發(fā)電機,其中所述多個相繞組分別并聯(lián)地置于所述 槽中。
23.根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的永磁式發(fā)電機,其中所述槽的數(shù)量除以磁體的數(shù)量的商為所述電流的相的數(shù)量的整數(shù)倍。
全文摘要
提供一種用于電動馬達(dá)的電子控制器。用于電動馬達(dá)的控制系統(tǒng)包含在任何給定時間將激磁電流供應(yīng)至馬達(dá)的不同繞組的裝置。而且,激磁電流的振幅獨立于該激磁電流應(yīng)用至所述繞組的時機和持續(xù)時間而變化。這允許加大馬達(dá)的控制,且促進(jìn)馬達(dá)操作于高機械速度和/或高電子速度。
文檔編號H02K21/16GK103155396SQ201180038582
公開日2013年6月12日 申請日期2011年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月22日
發(fā)明者布林·杰佛瑞·羅迪克·理查茲, 胡文山 申請人:艾利思科技控制技術(shù)有限公司