專利名稱：在通電馬達(dá)處的馬達(dá)控制器中實(shí)現(xiàn)自舉電源充電的方法以及使用該方法的馬達(dá)控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有使用自舉電容器電源的不工作開關(guān)的馬達(dá)控制器，并且尤其是涉及這樣一種情況其中，必須向自舉電源充電，同時(shí)把馬達(dá)控制器連接到正在旋轉(zhuǎn)與通電的馬達(dá)。本發(fā)明推出了一種基于從一組再充電序列中選擇再充電序列的再充電方法，其中，所述選擇依賴于所連接的馬達(dá)的狀態(tài)并且尤其是依賴于馬達(dá)的反-EMF電壓。
背景技術(shù)：
典型的馬達(dá)控制器使用了整流器部分和逆變器部分，其中，整流器把多相輸入電壓轉(zhuǎn)換為DC電壓。逆變器典型地提供了形成開關(guān)元件的二極管與晶體管的橋結(jié)構(gòu)，其中，這些開關(guān)元件中的每一個(gè)開關(guān)元件均包括高側(cè)和低側(cè)。連接?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)器以接通和斷開開關(guān)元件，其中，每一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器要求有電壓供應(yīng)。低成本、商品化的馬達(dá)控制器通常把柵極驅(qū)動(dòng)器的自舉電容器電源用于逆變器中的高側(cè)開關(guān)元件。這是一種已經(jīng)流行市場(chǎng)多年的高性價(jià)比方案。來自Danfoss Drives A/S的現(xiàn)存的馬達(dá)控制器產(chǎn)品，包括1998年的VLT 2800、2004年的VLT Automation Drive FC30x以及2007年的VLTeMicro Drive FC 51，均利用了自舉電容器原理。在給定的相位，所述方法把低側(cè)開關(guān)元件接通一段時(shí)間，以向這一相位的自舉電容器充電，其中，把所述一段時(shí)間稱為自舉充電時(shí)間。通過接通低側(cè)開關(guān)元件，把相應(yīng)高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器的電壓參照連接到低側(cè)開關(guān)元件的電壓參照，這意味著，典型地可以經(jīng)由，但不必經(jīng)由限流自舉電阻器和高電壓二極管把來自低側(cè)DC電壓源的能量傳送到相應(yīng)的自舉電容器。接下來，當(dāng)斷開了低側(cè)開關(guān)元件時(shí)，高側(cè)自舉電容器為高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器保持所需的能量，直至低側(cè)開關(guān)元件的下一個(gè)接通狀態(tài)。把這段時(shí)間稱為給定相位中自舉電容器的保持時(shí)間，所述給定相位與來自高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載電流和高側(cè)電源電壓的最小容忍水平一起定義了所要求的自舉電容。所要求的自舉電容和所需要的限流自舉電阻器設(shè)置了自舉充電時(shí)間，該自舉充電時(shí)間應(yīng)該盡可能短，以便對(duì)馬達(dá)控制器的性能產(chǎn)生最小的影響。所希望的長(zhǎng)保持時(shí)間和所希望的短自舉充電時(shí)間實(shí)際上是互相矛盾的。在向自舉電容器充電之前，高側(cè)開關(guān)元件將不工作(斷開)，因?yàn)橄鄳?yīng)的柵極驅(qū)動(dòng)器沒有電壓供應(yīng)。常規(guī)地，高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器的充電是簡(jiǎn)單的。在靜止?fàn)顟B(tài)，接通低側(cè)開關(guān)元件，并且在自舉充電時(shí)間結(jié)束時(shí)，可以使用正常的PWM (脈寬調(diào)制)通過令所有開關(guān)元件工作而起動(dòng)整個(gè)逆變器，例如如在國(guó)際會(huì)議PESC’90上所提交的論文“Stator Flux OrientedAsynchronous Vector Modulation for AC-Drives”中所描述的。如果不在任何自舉電容器的保持時(shí)間內(nèi)起動(dòng)所述驅(qū)動(dòng)器，則在能夠進(jìn)入正常的PWM之前需要新的自舉充電周期。
在自舉之后，當(dāng)所有開關(guān)元件已經(jīng)進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)處于正常PWM模式，其中眾所周知自舉再充電必須連續(xù)地運(yùn)行，以保持所有開關(guān)元件工作。必須把正常PWM設(shè)計(jì)為不違反自舉電容器設(shè)計(jì)所給定的保持時(shí)間，當(dāng)使用低成本自舉電源時(shí)這是一種制約。其文獻(xiàn)示例為US 6，570，353 B2，該文獻(xiàn)描述了在靜止?fàn)顟B(tài)下通過自舉序列向自舉電源初始充電之后維持工作的開關(guān)元件的PM-馬達(dá)的起動(dòng)算法。對(duì)于大多數(shù)馬達(dá)控制器的低速操作或者啟動(dòng)而言，自舉電源的再充電不是主要問題。對(duì)于如US 6，570，353 B2中所述的三相馬達(dá)控制器而言，將僅按低速在關(guān)閉狀態(tài)下，在提供了短時(shí)間段的每一開關(guān)周期中調(diào)制所有低側(cè)開關(guān)。因此，對(duì)所有自舉電容器充分、連續(xù)地進(jìn)行了再充電。然而，問題可能出現(xiàn)在高速水平時(shí)，其中，頻繁使用眾所周知的過調(diào)制技術(shù)生成針對(duì)負(fù)載的充足的輸出電壓水平。在一個(gè)高速區(qū)域中，可能會(huì)發(fā)生這樣的情況在特定的時(shí)間間隔中，在兩個(gè)或兩個(gè)以上相繼的開關(guān)周期中調(diào)制低側(cè)開關(guān)之一，從而產(chǎn)生其中未向相應(yīng)的自舉電源充電的放大的時(shí)間段。這一時(shí)間段可能有接近自舉電源的保持時(shí)間的風(fēng)險(xiǎn)。在另一個(gè)高速區(qū)域中，在特定的時(shí)間間隔中，可能會(huì)發(fā)生這樣的情況在兩個(gè)或兩個(gè)以上相繼的開關(guān)周期中調(diào)制兩個(gè)低側(cè)開關(guān)，從而產(chǎn)生其中沒有向相應(yīng)的兩個(gè)自舉電源充電的放大的時(shí)間段。這一時(shí)間段可能再次挑戰(zhàn)自舉電源的保持時(shí)間。通常，在某些驅(qū)動(dòng)器中，在自舉充電時(shí)間內(nèi)接通和斷開低側(cè)開關(guān)元件(經(jīng)PWM調(diào)制)，以限制對(duì)馬達(dá)控制器的壓力，而且如果馬達(dá)正在旋轉(zhuǎn)并且對(duì)其加以通電(磁化)，則也限制了對(duì)馬達(dá)的壓力，在這一情況下，所述馬達(dá)作為發(fā)電機(jī)操作，其在馬達(dá)控制器輸出端上感應(yīng)出電壓，由此感應(yīng)出反-EMF。即使使用經(jīng)PWM調(diào)制的自舉充電周期，在馬達(dá)控制器中仍可能感應(yīng)出過電壓和/或在馬達(dá)控制器和馬達(dá)兩者中感應(yīng)出過電流。對(duì)于永磁馬達(dá)，這可能是破壞性的。在最壞的情況下，自舉序列等于旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)的三相短路條件。本領(lǐng)域技術(shù)人員可能會(huì)意識(shí)到，對(duì)于旋轉(zhuǎn)的永磁馬達(dá)，這一問題尤為突出。本發(fā)明涉及一種克服這一問題的方法的推出，并且涉及實(shí)現(xiàn)所述方法的設(shè)備。本發(fā)明主要涉及馬達(dá)控制器和馬達(dá)，并且示例性地說明了馬達(dá)控制器和馬達(dá)，然而，總體上講，本發(fā)明也適用于可能出現(xiàn)類似問題的其它任何用于負(fù)載的控制器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在推出一種在出現(xiàn)其中馬達(dá)控制器的開關(guān)元件不工作的滑行(保持)情況之后對(duì)馬達(dá)控制器的自舉電源再充電的方法，其中，馬達(dá)控制器包含至少兩個(gè)輸出相位，并且連接到在馬達(dá)控制器的輸出端生成反-EMF的負(fù)載。所述方法針對(duì)每一輸出相位包含一個(gè)再充電序列，并且從與負(fù)載的反-EMF相關(guān)的一組再充電序列中選擇每一再充電序列。 在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，再充電序列為自舉充電過程。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，由旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)導(dǎo)致反-EMF。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，馬達(dá)為三相馬達(dá)，由此馬達(dá)控制器為三相馬達(dá)控制器。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，從一組包含至少兩個(gè)再充電序列的序列中選擇再充電序列，其中，根據(jù)馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)頻率相對(duì)基頻率的百分比或者馬達(dá)的反-EMF的實(shí)際幅度相對(duì)反-EMF的基幅度的百分比進(jìn)行所述選擇。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，基頻率和基幅度為馬達(dá)的額定頻率和額定幅度。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，再充電序列組包含定義為含以下全部旋轉(zhuǎn)頻率的高頻區(qū)域其中，馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)頻率相對(duì)基頻率的百分比位于上閾值旋轉(zhuǎn)水平之上。替換地，把這一區(qū)域定義為這樣一個(gè)區(qū)域其中，馬達(dá)的反-EMF的實(shí)際幅度相對(duì)反-EMF的基幅度的百分比在上閾值電壓水平之上。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，再充電序列組包含定義為含位于馬達(dá)的相對(duì)基頻率的旋轉(zhuǎn)頻率的下閾值旋轉(zhuǎn)水平之下的全部旋轉(zhuǎn)頻率的低頻區(qū)域，該下閾值旋轉(zhuǎn)水平可能與上閾值旋轉(zhuǎn)水平相同。替換地，也可以把這一區(qū)域定義為這樣一個(gè)區(qū)域其中，馬達(dá)的反-EMF幅度低于下閾值電壓水平，可能與上閾值電壓水平相同。以下，一般而言，上(或者下)閾值指的是上(或者下)旋轉(zhuǎn)或者電壓閾值。而且，當(dāng)一般提及閾值水平(上閾值或者下閾值)之上或者之下的馬達(dá)旋轉(zhuǎn)時(shí)，一般意指馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)頻率相對(duì)基頻率的百分比在閾值旋轉(zhuǎn)水平(上或者下)之上或者之下，或者，替換地，意指馬達(dá)的反-EMF的實(shí)際幅度相對(duì)反-EMF的基幅度的百分比在閾值電壓水平(上或者下)之上或者之下，或者意指這兩者。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，再充電序列組還包含定義為位于低頻區(qū)域和高頻率區(qū)域之間的中頻區(qū)域，意味著位于上閾值和下閾值之間。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，序列組的第一序列實(shí)際上將在同一時(shí)間啟動(dòng)所有3個(gè)相位的再充電過程。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，序列組中的第二序列實(shí)際上將在同一時(shí)間啟動(dòng)兩個(gè)相位的再充電過程，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，當(dāng)它們兩者均為負(fù)時(shí)，可選地當(dāng)它們兩者均低于實(shí)際上為負(fù)的再充電閾值水平(反-EMF電壓的某一定義值)時(shí)，例如當(dāng)兩個(gè)相位與O交叉點(diǎn)相交，因而再充電閾值水平為O時(shí)，或者，替換地，在它們具有類似的負(fù)反-EMF值時(shí)，序列組中的第二序列實(shí)際上將在同一時(shí)間啟動(dòng)兩個(gè)相位的再充電過程。然后，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，在前兩個(gè)相位的再充電過程之后，在第三相位的O交叉區(qū)域啟動(dòng)第三相位的再充電過程。替換地，可以在其接下來為負(fù)的任何時(shí)間，進(jìn)行這一啟動(dòng)。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，當(dāng)所有3個(gè)相位分別具有負(fù)反-EMF值時(shí)，可選地在它們的O交叉點(diǎn)，或者當(dāng)各反-EMF低于實(shí)際上為負(fù)的再充電閾值水平時(shí)，序列組的第三序列將相繼地啟動(dòng)所有3個(gè)相位的充電過程。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，第一序列相應(yīng)于低區(qū)域，第二序列相應(yīng)于中區(qū)域以及第二序列相應(yīng)于聞區(qū)域?？傮w上講，本發(fā)明還涉及一種包括任意數(shù)目上述實(shí)施例以及上述實(shí)施例任意排列的馬達(dá)控制器或者設(shè)備。作為對(duì)本發(fā)明描述的概括性評(píng)論，假設(shè)在臨界閾值(將加以定義)之下自舉電容器至少部分地放電。為了能夠使馬達(dá)“制動(dòng)”，首先通過同步化的自舉序列對(duì)自舉電容器進(jìn)行充電，從而避免了(或至少最小化了)因過電流和/過電壓所導(dǎo)致的問題。當(dāng)對(duì)自舉電容器進(jìn)行充電時(shí)，馬達(dá)起動(dòng)器已經(jīng)為安全地制動(dòng)馬達(dá)做好準(zhǔn)備，因?yàn)樗芯w管均以針對(duì)柵極電壓的可接受水平工作。使用眾所周知的例如在us 6,570,353 B2中所描述的起動(dòng)算法，來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。


圖1圖解了一個(gè)可以有利地應(yīng)用本發(fā)明的典型的控制器。圖2圖解了在相位之一具有反-EMF的控制器。圖3飛示出了根據(jù)本發(fā)明的再充電過程的不同的模擬情況。
具體實(shí)施例方式圖1描述了馬達(dá)控制器(I)的典型的設(shè)置，該馬達(dá)控制器包含整流器(2)和逆變器(3 )，兩者均為3相，其中，整流器(2 )把來自AC線的AC信號(hào)改變?yōu)镈C信號(hào)，作為向逆變器
(3)的輸入，所述逆變器將該輸入形成為運(yùn)行連接到逆變器(3)的輸出端(4)的負(fù)載/馬達(dá)
(14)的偽AC信號(hào)。逆變器(3)典型地提供了二極管(5)和晶體管(6)的橋結(jié)構(gòu)，形成了 3個(gè)開關(guān)(7)的組，3個(gè)相位中的每一個(gè)相位使用一個(gè)開關(guān)(7)，或者馬達(dá)(14)的線中每一條線使用一個(gè)開關(guān)(7)。逆變器部分(3)的每一組所述開關(guān)元件(7)包括稱為高側(cè)(7H)的第一子組的和稱為低側(cè)(7L)的第二組。連接?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)器(8)以接通和斷開開關(guān)元件(7)，其中每一柵極驅(qū)動(dòng)器要求有電
壓供應(yīng)。低成本、商品化的馬達(dá)控制器通常把柵極驅(qū)動(dòng)器(8)的自舉電容器(11)電源用于逆變器(3)中的高側(cè)開關(guān)元件(7H)。這是一種已經(jīng)流行市場(chǎng)多年的高性價(jià)比方案。所述方法把相應(yīng)的低側(cè)開關(guān)元件(7L)接通一段時(shí)間，以向針對(duì)高側(cè)開關(guān)元件的柵極驅(qū)動(dòng)器充電，其中，把所述一段時(shí)間稱為自舉充電時(shí)間。圖2圖解了柵極驅(qū)動(dòng)器(8)的一個(gè)總的和典型的設(shè)置，其示出了相位之一(U)的情況，此時(shí)在這一相位和其它相位中馬達(dá)生成反-EMF。例如，所圖解的柵極驅(qū)動(dòng)器(8)包含具有分別針對(duì)低側(cè)(低側(cè)驅(qū)動(dòng)器)和高側(cè)(高側(cè)驅(qū)動(dòng)器)的驅(qū)動(dòng)器(12)的自舉二極管(10)、自舉電容器(11)以及電平移動(dòng)器(13)。通過接通低側(cè)開關(guān)元件(7L)，把相應(yīng)的高側(cè)驅(qū)動(dòng)器(12)的電壓參照連接到低側(cè)開關(guān)元件(7L)的電壓參照，這意味著，典型地可以經(jīng)由，但不必經(jīng)由電阻器(Rub)和高電壓二極管把來自低側(cè)DC電壓源的能量傳送到高側(cè)自舉電源電容器(11)。接下來，當(dāng)斷開低側(cè)開關(guān)元件(7L)時(shí)，高側(cè)自舉電容器(11)為高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器
(12)保持所需的能量，直至低側(cè)開關(guān)元件(7L)的下一個(gè)接通狀態(tài)。在向自舉電容器(11)充電之前，高側(cè)開關(guān)元件(7H)將不工作(斷開)，因?yàn)橄鄳?yīng)的柵極驅(qū)動(dòng)器沒有電壓供應(yīng)。常規(guī)地，高側(cè)驅(qū)動(dòng)器(12)的充電是簡(jiǎn)單的。在靜止?fàn)顟B(tài)，接通低側(cè)開關(guān)元件(7L)，并且在自舉充電時(shí)間結(jié)束時(shí)，可以常規(guī)地通過令所有開關(guān)元件工作來起動(dòng)整個(gè)逆變器。通常，在某些驅(qū)動(dòng)器中，在自舉充電時(shí)間內(nèi)接通和斷開低側(cè)開關(guān)元件(7L)(經(jīng)PWM調(diào)制)，以限制對(duì)馬達(dá)控制器(I)的壓力，如果馬達(dá)(14)正在旋轉(zhuǎn)并且對(duì)其通電(磁化)，則也限制對(duì)馬達(dá)(14)的壓力。在這一情況下，在自舉充電時(shí)間期間，在最糟糕的情況下，低側(cè)開關(guān)元件(7L)所需的調(diào)制類似于馬達(dá)的三相短路條件，使得可以明顯看出為什么自舉充電對(duì)于通電的馬達(dá)是一個(gè)問題。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以意識(shí)到這一問題對(duì)于旋轉(zhuǎn)的永磁馬達(dá)而言是典型的問題。
由此，這一自舉過程涉及接通和斷開低側(cè)逆變器開關(guān)元件，以向具有斷開的高側(cè)開關(guān)元件(7H)的高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器(12)供電。這帶來了這樣一個(gè)問題令正在旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)
(14)磁化并從而得到反-EMF系統(tǒng)，然后，反-EMF系統(tǒng)、每相位馬達(dá)電感Lm、低側(cè)逆變器晶體管、高側(cè)空轉(zhuǎn)的逆變器二極管以及DC-鏈路電容器Cdc仿效自舉整流器，這意味著在所述過程期間DC-鏈路電壓可能升得過高?！盁o限”循環(huán)可能是自舉序列本身導(dǎo)致過電壓事件，這意味著不能在不工作狀態(tài)下起動(dòng)所述驅(qū)動(dòng)器。因此，從以下可以推斷，自舉序列應(yīng)該與反-EMF系統(tǒng)同步，以限制馬達(dá)電流，并且把能量傳送回Cdc。對(duì)所述方法的第一個(gè)要求是，確保相對(duì)基本馬達(dá)周期的短自舉序列。第一不例涉及一種具有500Hz的上基本馬達(dá)頻率的馬達(dá)，從而提供2ms的最小基本周期。為了在給定相位中相應(yīng)的反-EMF為低或者為負(fù)時(shí)進(jìn)行自舉充電，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，有利地選擇這一相位的自舉充電序列具有為最小基本周期的一半的最大值，即為lms。在根據(jù)這一示例的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，如在現(xiàn)有技術(shù)中那樣選擇在自舉序列期間，按50%的占空比對(duì)低側(cè)開關(guān)元 件進(jìn)行PWM調(diào)制，由此有效的自舉充電時(shí)間為Ims的一半，等于δοομβο于是，自舉序列的一個(gè)示例可以為按8kHz調(diào)制的、具有Ims周期50%占空比的低側(cè)開關(guān)元件，從而提供了相對(duì)典型馬達(dá)的電時(shí)間常數(shù)每開關(guān)周期62. 5μ8的相當(dāng)短的接通時(shí)間。作為另一個(gè)示例，從對(duì)50Hz額定馬達(dá)進(jìn)行估計(jì)可以推斷，Ims的自舉充電時(shí)間相當(dāng)于典型所希望的^lOms范圍中的自舉電容器的保持時(shí)間，其中，例如按45Hz實(shí)際工作頻率向50Hz額定馬達(dá)饋送過調(diào)制的PWM電壓(保持時(shí)間>1/ (3. 45) =7. 5ms)。以下，假設(shè)IOms的保持時(shí)間。使用上述示例，本發(fā)明的范圍旨在提供這樣一種使得在基本馬達(dá)頻率的寬的范圍上最小化馬達(dá)控制器和馬達(dá)壓力的用于自舉充電的方法，從而覆蓋了具有諸如5(Γ500Ηζ范圍內(nèi)的額定基本頻率的馬達(dá)。為了使本發(fā)明的背景清晰，公開了一些僅用于說明的模擬情況，這些模擬情況將依賴于馬達(dá)和馬達(dá)控制器的設(shè)計(jì)。所模擬的馬達(dá)為正弦三相旋轉(zhuǎn)永磁馬達(dá)，假設(shè)其具有50Hz的額定馬達(dá)頻率和400Vrms的額定電壓。假設(shè)這一馬達(dá)為星形稱合的，并且每相位的定子電感(Lm)為IOmH,從而對(duì)1. 5kW范圍內(nèi)的馬達(dá)建模。出于對(duì)最壞情況的考慮，假設(shè)轉(zhuǎn)子的永久磁場(chǎng)強(qiáng)于定子電流所感應(yīng)的磁場(chǎng)。因此，忽略了場(chǎng)削弱和d-軸電流對(duì)反-EMF電壓的影響。假設(shè)在所考慮的自舉序列示例期間，向馬達(dá)加載了足夠大的慣性力矩以維持恒定的速度。假設(shè)1. 5kff的三相馬達(dá)控制器具有75PF的DC-鏈路電容Cdc(參見圖1)和4Arms的額定輸出電流水平。在圖3中所示的第一示例中，馬達(dá)按25Hz (中到低速)旋轉(zhuǎn)。于是,按相對(duì)于永磁馬達(dá)轉(zhuǎn)子位置的任意角度，同時(shí)起動(dòng)每一相位中的同一自舉序列?？梢酝茢?，使用了對(duì)所有同步以及同相的低側(cè)晶體管進(jìn)行調(diào)制的最簡(jiǎn)單的方案，由此提供了 3個(gè)自舉序列的最短的持續(xù)時(shí)間。圖3示出了所模擬的DC-鏈路電壓Udcp、反-EMF電壓emfx以及馬達(dá)電流imx。在另一個(gè)具有較高馬達(dá)旋轉(zhuǎn)速率的示例中，在圖4中，按大約40Hz (定義為接近50Hz的額定馬達(dá)頻率的高速)，重復(fù)上述最簡(jiǎn)單的自舉序列方案。25Hz速度水平和40Hz速度水平之間的差為反-EMF。25Hz時(shí)反-EMF為O. 5 · 400=200Vrms。40Hz時(shí)反-EMF為400 *4/5=320Vrmso就固定的自舉序列而言，這意味著在25Hz時(shí)把較少的馬達(dá)電流和較少的能量傳送回Cdc。另一個(gè)重要的差是初始DC-鏈路電壓和反-EMF系統(tǒng)之間的差。如果電壓幾乎相同，即為高速水平的情況，則在低側(cè)逆變器開關(guān)元件的斷開狀態(tài)期間，存在跨馬達(dá)(“升壓”)電感Lm的有限的電壓。因此，與充電狀態(tài)相比，馬達(dá)相位電流的放電遲緩，其中，低側(cè)(“升壓”)晶體管接通，從而提供了反-EMF系統(tǒng)的三相短路。這導(dǎo)致連續(xù)的馬達(dá)電流(參見圖4)，其最大化了傳送回Cdc的能量。在圖4中，在自舉序列期間，把諸如全輸出功率的某些東西反饋到DC-鏈路。把圖3和圖4加以比較，可以看出，按25Hz向DC-鏈路充電幾伏特，同時(shí)斷續(xù)的馬達(dá)電流高達(dá)1A。這大約為額定輸出驅(qū)動(dòng)電流的20%。在圖4中，把DC-鏈路從566V大體上充電至大約625V，充了大約60V。就過電壓斷路而言，這是一種糟糕的情況。更糟糕的是，連續(xù)的馬達(dá)電流高達(dá)7. 5A，其大約為額定輸出驅(qū)動(dòng)電流的130%。這處于馬達(dá)控制器的過電流范圍內(nèi)，并且可能有損于PM-馬達(dá)，因?yàn)楦袘?yīng)的定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子的永久磁場(chǎng)反相。根據(jù)模擬情況，相對(duì)于反-EMF系統(tǒng)(永磁馬達(dá)的轉(zhuǎn)子位置)的Ims自舉序列的相位基本上不改變圖3和4中的影響。圖3為可接受的性能，而圖4為不可接受的性能。因此，需要改變，特別是在高頻水平時(shí)，此處，將其定義為大于額定速度的50%。可以看出，每相位的給定影響被明顯地減小，如果執(zhí)行了所述相位的自舉序列而同時(shí)所述相位的反-EMF為負(fù)的話。這要求同步的不能在每一個(gè)相位中同時(shí)執(zhí)行的自舉序列。圖5示出了導(dǎo)致按50Hz的額定馬達(dá)頻率對(duì)DC-鏈路的可忽略充電和高頻區(qū)域中的可接受的低馬達(dá)電流。當(dāng)兩個(gè)相位的反-EMF交叉，同時(shí)兩者均為負(fù)時(shí)，同時(shí)以及同相地執(zhí)行兩個(gè)相位的自舉序列。然后，在第三相位的反-EMF的第一個(gè)從負(fù)變O的交叉點(diǎn)啟動(dòng)第三相位的自舉序列。一個(gè)重要的參數(shù)是前兩個(gè)相位和第三個(gè)相位之間的延遲，因?yàn)闉榱耸顾鲈碛行?這一時(shí)間段應(yīng)該小于IOms的保持時(shí)間。所述延遲為90° ,這意味著基本頻率降至大約25Hz所述原理依然適用。在給定的示例中，基本頻率為40Hz，由此提供了 6. 25ms的延遲，其低于保持時(shí)間。按200Hz的額定馬達(dá)頻率使用圖5中的原理不是優(yōu)選的。前兩個(gè)相位的自舉序列持續(xù)1ms，但兩個(gè)相應(yīng)的反-EMF均僅在30°期間為負(fù)，即按200Hz是O. 42ms。一種方案是比圖5中早30°啟動(dòng)前兩個(gè)相位的自舉序列。這對(duì)于這些相位的自舉序列留下了 60°的間隔，這按200Hz是O. 83ms。從圖6可以推斷，其處于邊緣。若需要甚至更高的額定馬達(dá)頻率，則應(yīng)該在3個(gè)不同的時(shí)刻起動(dòng)3個(gè)相位的自舉序列。每一個(gè)時(shí)刻均處于相應(yīng)反-EMF的一個(gè)從負(fù)變O的交叉點(diǎn)。這使得在Ims的脈沖鏈持續(xù)時(shí)間內(nèi)500Hz的額定馬達(dá)頻率受到支持。在高頻水平，能夠在不違反保持時(shí)間的情況下實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，因?yàn)榈谝粋€(gè)自舉序列和最后一個(gè)自舉序列之間的時(shí)間段足夠短?；谶@些觀察，可以定義自舉充電過程的原理，其中，依據(jù)相對(duì)于額定馬達(dá)頻率的馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)頻率，推出不同的自舉策略，其中，不同的充電或者重充電過程或者序列定義了
一組序列。特別是,可以定義馬達(dá)的低頻旋轉(zhuǎn)頻率區(qū)域、中頻旋轉(zhuǎn)頻率區(qū)域以及高頻旋轉(zhuǎn)頻率區(qū)域，即旋轉(zhuǎn)頻率的跨度，并且針對(duì)這些“區(qū)域”中的每一個(gè)定義不同的自舉策略。由于把反-EMF電壓水平和頻率線性地加以耦合，所以能夠根據(jù)電壓而不是頻率定義相同的區(qū)域。對(duì)于低頻區(qū)域，在其中兩個(gè)相位具有負(fù)反-EMF時(shí)，實(shí)際上可以在同一時(shí)間啟動(dòng)所有3個(gè)相位的自舉序列(以下稱為序列組的第一序列)。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)兩個(gè)相位具有相同的負(fù)反-EMF時(shí)(相應(yīng)于第三相位具有最高正反-EMF的時(shí)間)，啟動(dòng)自舉序列。在替換實(shí)施例中，在所述相位之一的相應(yīng)反-EMF的負(fù)O交叉點(diǎn)啟動(dòng)自舉序列。在第三實(shí)施例中，實(shí)際上與負(fù)載的反-EMF無關(guān)地在同一時(shí)間啟動(dòng)3個(gè)序列。對(duì)于中頻區(qū)域，可以在相位中的兩個(gè)相位具有負(fù)反-EMF時(shí)針對(duì)這兩個(gè)相位啟動(dòng)自舉序列(以下，將其稱為序列組的第二序列)，再次在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，當(dāng)兩個(gè)相位具有相同的負(fù)反-EMF時(shí)(相應(yīng)于第三相位具有最高正反-EMF的時(shí)間)，啟動(dòng)自舉序列。在替換實(shí)施例中，當(dāng)兩個(gè)反-EMF均為負(fù)時(shí)，在兩個(gè)相位之一的相應(yīng)反-EMF的從負(fù)變O的交叉點(diǎn)針對(duì)這兩個(gè)相位啟動(dòng)自舉序列。在負(fù)反-EMF時(shí)，優(yōu)選在從負(fù)變O的交叉點(diǎn)啟動(dòng)第三相位的自舉序列。于是對(duì)于高頻區(qū)域，可以在各相位的每一反-EMF為負(fù)時(shí)，優(yōu)選在從負(fù)變O的交叉點(diǎn)，優(yōu)選相繼地啟動(dòng)每一相位的自舉序列(以下，將其稱為序列組的第三序列)?？梢园迅哳l區(qū)域定義為馬達(dá)工作在上閾值之上?？梢园阎蓄l區(qū)域定義為在馬達(dá)的相對(duì)基頻率的旋轉(zhuǎn)頻率的上閾值之下，并且可選地在馬達(dá)的相對(duì)基頻率的旋轉(zhuǎn)頻率的下閾值之上。可以把低頻區(qū)域定義為上閾值之下，并且可選地也在下閾值(為上旋轉(zhuǎn)或者電壓閾值)之下。 在一個(gè)非限制性示例中，可以使用50%以下的低頻區(qū)域和75%以上的高頻區(qū)域定義所述區(qū)域。其它百分比也適用于本發(fā)明。本發(fā)明并不局限于定義3個(gè)區(qū)域，而是對(duì)于某些系統(tǒng)也可以限制為兩個(gè)區(qū)域，兩個(gè)區(qū)域中的每一個(gè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)如以上所定義的3個(gè)自舉序列之一。然而，區(qū)域的定義典型地依賴于額定馬達(dá)頻率。例如，對(duì)于額定馬達(dá)頻率=15(Γ500Ηζ，在3個(gè)不同的時(shí)刻起動(dòng)各個(gè)相位的Ims自舉序列。在相應(yīng)反-EMF的負(fù)O交叉點(diǎn)起動(dòng)針對(duì)特定相位的一個(gè)序列。這提供了每一自舉序列之間的120°的位移。在額定馬達(dá)頻率的50%以下，將同時(shí)以及同相地、不與反-EMF系統(tǒng)同步地執(zhí)行自舉序列。作為針對(duì)額定馬達(dá)頻率=5(Tl50Hz的另一個(gè)示例，在兩個(gè)不同的時(shí)刻起動(dòng)各個(gè)相位的Ims自舉序列。當(dāng)相應(yīng)的反-EMF交叉，同時(shí)兩者均為負(fù)時(shí)，起動(dòng)兩個(gè)特定相位的前兩個(gè)序列。在最后一個(gè)相位的反-EMF的從負(fù)變O的交叉點(diǎn)遲90°起動(dòng)最后一個(gè)序列。在額定馬達(dá)頻率的50%以下，將同時(shí)以及同相地、不與反-EMF系統(tǒng)同步地執(zhí)行自舉序列。第三個(gè)示例針對(duì)額定馬達(dá)頻率<50Ηζ的情況，其中，難以通過如額定馬達(dá)頻率=5(Tl50Hz的示例中的序列進(jìn)行自舉,這一示例是針對(duì)兩個(gè)啟動(dòng)時(shí)刻之間的時(shí)間的最小化加以優(yōu)化的，因?yàn)?0%的額定速度時(shí)的90°大于10ms。這是自舉電容器的所希望的最大保持時(shí)間。折衷辦法是，如果在這一 IOms的時(shí)間幀內(nèi)沒有檢測(cè)到從負(fù)變O的交叉點(diǎn)，則總是在前兩個(gè)序列的執(zhí)行之后10ms，執(zhí)行最后一個(gè)相位的自舉序列。隨著額定馬達(dá)頻率變低，這將越來越多地違反異步自舉充電的50%的額定速度準(zhǔn)則。
權(quán)利要求
1.一種使用不工作的開關(guān)元件對(duì)控制器再充電的方法，所述控制器包含自舉電容器并且具有至少兩個(gè)輸出相位，所述控制器連接到在控制器的輸出端生成反-EMF的負(fù)載，所述方法包含為每一輸出相位的自舉電容器準(zhǔn)備再充電序列，以及從與負(fù)載的反-EMF相關(guān)的或者作為負(fù)載的反-EMF的函數(shù)的至少兩個(gè)再充電序列的組中選擇每一個(gè)再充電序列， 其中，所述選擇基于與基頻率相關(guān)的負(fù)載旋轉(zhuǎn)，或者替換地基于與反-EMF的基幅度相關(guān)的反-EMF幅度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，負(fù)載為馬達(dá)，以及控制器為馬達(dá)控制器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的方法，其中，再充電序列為自舉充電過程。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或者3所述的方法，其中，旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)導(dǎo)致反-EMF。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，馬達(dá)為三相馬達(dá)，由此馬達(dá)控制器為三相馬達(dá)控制器。
6.根據(jù)先前權(quán)利要求中任何一個(gè)權(quán)利要求所述的方法，其中，再充電序列組包含定義為馬達(dá)在上閾值水平之上旋轉(zhuǎn)時(shí)的高頻區(qū)域。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，再充電序列組包含定義為馬達(dá)在下閾值水平之下旋轉(zhuǎn)時(shí)的低頻區(qū)域，所述下閾值水平可能與權(quán)利要求7的上閾值水平相同。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，再充電序列組還包含定義為在權(quán)利要求6的上閾值水平之下和/或在權(quán)利要求7的下閾值水平之上的中頻區(qū)域。
9.根據(jù)先前權(quán)利要求中任何一個(gè)權(quán)利要求所述的方法，其中，序列組的第一序列實(shí)際上將同時(shí)啟動(dòng)所有3個(gè)相位的再充電過程。
10.根據(jù)先前權(quán)利要求中任何一個(gè)權(quán)利要求所述的方法，其中，當(dāng)兩個(gè)相位均為負(fù)時(shí)， 可選地在兩個(gè)相位之一的O交叉點(diǎn)，或者當(dāng)兩個(gè)相位均低于再充電閾值水平，或者當(dāng)兩個(gè)相位以相似的負(fù)反-EMF值交叉時(shí)，序列組中的第二序列實(shí)際上將同時(shí)啟動(dòng)所述兩個(gè)相位的再充電過程，然后在第三相位的O交叉區(qū)域或者當(dāng)在再充電閾值水平之下時(shí)，啟動(dòng)第三相位的再充電過程。
11.根據(jù)先前權(quán)利要求中任何一個(gè)權(quán)利要求所述的方法，其中，當(dāng)所有3個(gè)相位分別具有負(fù)反-EMF值時(shí)，可選地在所述3個(gè)相位的O交叉點(diǎn)，或者低于再充電閾值水平時(shí)，序列組中的第三序列將相繼地啟動(dòng)所有3個(gè)相位的充電過程。
12.根據(jù)權(quán)利要求6 11中任何一個(gè)權(quán)利要求所述的方法,其中，第一序列相應(yīng)于低頻區(qū)域，第二序列相應(yīng)于中頻區(qū)域以及第三序列相應(yīng)于高頻區(qū)域，而且，其中，序列組包含第一、第二以及第三序列中的至少兩個(gè)。
13.—種包括根據(jù)先前權(quán)利要求中任何一個(gè)權(quán)利要求所述的方法的馬達(dá)控制器。
14.一種包括根據(jù)權(quán)利要求12中任何一個(gè)權(quán)利要求所述的方法的設(shè)備。
15.一種用于重新起動(dòng)電馬達(dá)的方法，其中，在已經(jīng)根據(jù)權(quán)利要求2 14中任何一個(gè)權(quán)利要求所述的再充電過程對(duì)控制器的自舉電容器再充電之后，重新起動(dòng)該馬達(dá)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種使用自舉電容器電源的馬達(dá)控制器，并且特別是涉及這樣一種情況其中，必須向自舉電源充電，同時(shí)把馬達(dá)控制器連接到正在旋轉(zhuǎn)與通電的馬達(dá)。本發(fā)明推出了一種基于從一組再充電序列中選擇再充電序列的再充電方法，其中，所述選擇依賴于所連接的馬達(dá)的狀態(tài)并且特別是依賴于馬達(dá)的反-EMF電壓。
文檔編號(hào)H03K17/567GK103039003SQ201180010032
公開日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2011年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月18日
發(fā)明者H.R.安德森 申請(qǐng)人:丹福斯驅(qū)動(dòng)器公司