無傳感器電機制動系統的制作方法
【專利摘要】一種電機控制系統，包括用于產生電機控制信號的電機控制電路和用于調節電機控制信號以在電機控制電路處于制動模式時增大電機損耗的制動機構。該制動機構包括差分部件，該差分部件用于接收包含電機參考速度信息的第一信號、用于接收包含實際速度信息的第二信號且用于產生包含指示參考速度和實際速度之間的差異的信息的第三信號。積分部件積分第三信號且產生代表積分的第三信號的第四信號。第四信號可以增大基于電壓的控制電路中的電壓控制信號或可以增大基于電流的控制電路中的電流控制信號的通量產生成分。電機控制電路可以包括在不同操作模式中使用的多個制動機構。
【專利說明】無傳感器電機制動系統
【技術領域】
[0001]本實用新型的實施方式涉及用于制動電機的系統和方法。
【背景技術】
[0002]電機通常包括被稱為定子的靜止部件和被稱為轉子的旋轉部件。在電機使用驅動波形激勵時，轉子在定子內(或定子附近)轉動。感應電機(有時被稱為異步電機)是一種類型的電機，其中借助于電磁感應而不是借助于到轉子的直接電連接將電力提供到轉子。
[0003]與同步電機一樣，應用到感應電機定子的驅動波形建立磁場，該磁場隨著驅動波形的AC振蕩及時旋轉。感應電機轉子以比定子場更低的速度旋轉。旋轉速度中的該差異(也稱為“滑差”、“滑差頻率”或“滑差速度”)導致在轉子繞組中感應轉子繞組中的電流的變化的磁通量。感應電流進而在轉子繞組中產生與定子建立的旋轉磁場相反的磁場，由此在轉子中感應旋轉運動。轉子加速，直到感應轉子電流的幅度和轉子扭矩平衡所施加的負載。因為在同步速度的旋轉將導致沒有感應轉子電流，所以在正常前向操作期間，感應電機總是以小于同步速度操作。
[0004]感應電機的旋轉可以簡單地通過從電機移除驅動波形且允許電機由于轉子或耦合到轉子的任意物體的慣性隨時間滑行到靜止而停止。備選地，使用涉及將驅動波形的頻率調節到小于轉子頻率的制動方法，感應電機的旋轉可以更快速地停止，其中通過定子生成的旋轉磁場在轉子上感應與轉子運動相反的旋轉壓力且積極地減小電機速度。使用該制動方法，轉子的慣性和施加的負載在定子中感應電壓，該電壓可以激勵外部電機部件，該外部電機部件諸如是向電機提供電力的DC總線。
[0005]在很多電機應用中，需要只要從電機移除驅動波形，則立即停止轉子的旋轉。例如，在洗衣機應用中，需要在高速甩干循環之后停止洗衣機電機的旋轉，使得洗衣機可以卸載或切換到較低速度的清洗或漂洗循環。不幸的是，上面提及的制動方法具有限制，使得它不能有效地快速停止重負載。驅動波形生成的制動壓力例如通過可用于激勵定子的電力來限制。制動壓力進一步通過電機和其他部件的容量限制以在制動過程期間處理由轉子感應的電壓。
[0006]因此，開發了用于制動電機的各種備選技術。一種這樣的技術使用制動片、皮帶輪和/或其他摩擦制動系統。不幸的是，摩擦制動增加電機的成本和復雜度，且因此對于諸如洗衣機之類的低成本應用是不需要的。摩擦制動最終還會隨著使用磨損并且需要修復或替換。
[0007]因而，很多電機應用采用不同于摩擦制動的備選電制動系統。一種類型的電制動系統涉及DC注入制動，其中，直流(DC)電壓被施加于馬達的定子繞組以制動轉子。DC電壓生成向轉子施加靜態扭矩的靜止磁場。這減緩且最終停止轉子的旋轉。只要DC電壓保留在定子繞組上，轉子就保持固定且抗拒旋轉。DC注入制動是相對簡單、低成本和無維護的，且因此是用于很多電機應用的制動的流行選擇；然而，如下所描述的，在一些應用中它沒有有效地使用。[0008]還通常需要確定電機轉子何時停止旋轉，所以可以以不同的速度在相反方向中驅動轉子，等等。這可以使用諸如霍耳效應傳感器之類的電機軸傳感器完成，但是這種傳感器增加電機的成本和復雜度且因此對于諸如洗衣機電機之類的很多低成本應用是不需要的。
[0009]因而，開發了用于確定電機速度的無傳感器技術。一種類型的無傳感器速度檢測采用基于測量的電學參數估計轉子何時停止的各種算法。然而，測量的電學參數進而算法的結果在電機使用上述DC注入制動技術制動時是較不精確的。因而，DC注入制動技術一般需要電機軸傳感器。
[0010]上面的部分提供涉及不必是現有技術的本公開的背景信息。

【發明內容】

[0011]本實用新型的實施方式通過提供用于制動電機的改進系統和方法解決上述問題而無需電機軸傳感器、再生前端二極管、制動電阻器或其他高成本和/或復雜部件。
[0012]根據本實用新型的實施方式構建且配置成與電機控制系統一同使用的制動機構利用差分部件和積分部件來產生電機制動信號以增大制動功率。差分部件接收包含參考電機速度信息的第一信號、包含實際電機速度信息的第二信號且產生包含指示參考電機速度和實際電機速度之間的差異的信息的第三信號。積分部件積分第三信號且基于積分的第三信號產生第四信號。第四信號用于增大例如通過作為電機控制系統的一部分的電機控制電路產生的電機制動信號。
[0013]在本實用新型的另一實施方式中，電機控制系統包含功率變換器和控制電路，該控制電路配置成根據目標電壓產生第一電機控制信號且根據目標電流產生第二控制信號。第一制動機構配置成修改第一控制信號以最大化電機損耗，且第二制動機構配置成修改第二控制信號以最大化電機損耗?？刂破髟诋a生第一控制信號和第二控制信號之間切換電機控制系統的操作。控制器還可在控制電路處于制動模式時選擇性地嚙合第一制動機構和第二制動機構中的任意一個。
[0014]提供這種概述是為了以簡化形式介紹在下面的詳細描述中進一步描述的概念的選擇。這種概述并不旨在識別所要求保護主題的關鍵特征或本質特征，其也并不旨在用于限制所要求保護主題的范圍。從下面的實施方式的詳細描述和附圖將顯見本實用新型的其他方面和特征。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]下面參考附圖詳細描述本實用新型的實施方式，附圖中:
[0016]圖1是根據本實用新型的實施方式構建的電機系統的框圖。
[0017]圖2是用于與圖1的電機系統使用的控制電路的示意性表達。
[0018]圖3是圖2的控制電路的備選實施方式的示意性表達。
[0019]圖4是圖1的電機的某些操作和性能特征的圖形表達。
[0020]附圖并不將本實用新型限制為此處公開和描述的指定實施方式。附圖沒有必要按比例繪制，而是將重點放在清晰說明本實用新型的原理上。
【具體實施方式】[0021]本實用新型的實施方式的下面的詳細描述參考附圖。實施方式旨在以足夠詳細的細節描述本實用新型的方面以使得本領域技術人員能夠實踐本實用新型?？梢允褂闷渌麑嵤┓绞角铱梢宰龀鲎兓黄x本實用新型的范圍。因此下面的詳細描述并不具有限制意義。本實用新型的范圍僅由所附權利要求以及這種權利要求授予的全部等價范圍限定。
[0022]在本說明書中，對于“一個實施方式”、“實施方式”或“多個實施方式”的引用意味著被引用的特征或多個特征被包括在技術的至少一個實施方式中。在本說明書中，對于“一個實施方式”、“實施方式”或“多個實施方式”的單獨引用不必表示相同的實施方式且除非明確陳述和/或如本領域技術人員從本說明書已經顯見，其并不是相互排他的。例如，在一個實施方式中描述的特征、結構、動作等也可以被包括在另一實施方式中，但也不必被包括。因而，本技術可以包括此處描述的實施方式的各種組合和/或集成。
[0023]現在轉向附圖，且最開始轉向圖1，說明了根據本實用新型的實施方式構建的電機系統10。電機系統10廣泛地包括電機12、電源14和電機控制系統16,該電機控制系統16用于從電源14接收電力，且根據經 由參考速度輸入18傳輸到控制系統的參考電機速度(ω 6?)產生驅動波形以對電機12進行供電。參考電機速度對應于所需或目標操作電機輸出速度且可以通過外部電機控制機構(未示出)產生，該外部電機控制機構配置成根據本實用新型的特定實施方式操作電機12。電機控制系統16包括控制電路20，該控制電路20配置成從電源14接收輸入電力、從參考速度輸入18接收參考電機速度信號、生成驅動波形以及將驅動波形傳輸到電機12。控制器22管理控制電路20的操作的某些方面，如下面所解釋的，包括基于電壓的控制模式和基于電流的控制模式之間的切換。
[0024]電源14可以是常規交流電源，諸如是經由標準電學出口在居民和商業建筑中可用的標準115V或230V電源。電機系統10可以是諸如洗衣機或干衣機之類的電器驅動系統的部分，該電器驅動系統包括此處未說明或描述的附加電學和機械部件。
[0025]電機12可以是電感應電機，且在一個示例性實施方式中是額定為在190至200伏特的最大電壓以及4至6安培的最大電流操作的三相四極AC感應電機。電機12可以配置成例如在O至3，OOOrpm的正常操作范圍內操作，且能夠在超出諸如高達17，000或18，OOOrpm的正常范圍的速度操作。如下面所解釋的，超出正常操作范圍的電機操作可以通過逐漸地消除性能特征(諸如減小的扭矩)而特征化。
[0026]在圖4的圖表中示出跨越電機12的操作速度范圍的電機12的各種操作和性能特性，包括定子電壓(Vs)、最大操作電流和輸出扭矩。如圖4所示，電機性能特性根據電機是否在正常操作區域或場弱化區域操作而不同。正常操作區域對應于零電機輸出速度到正常操作速度24，該正常操作速度例如可以是3，000或4，OOOrpm0場弱化操作區域對應于正常速度24到最大電機速度26，該最大電機速度26例如可以為約17，000或18，OOOrpm。當在正常操作區域操作時，電機12的速度一般遵循線性模式且正比于定子電壓(Vs)，同時扭矩一般恒定。在場弱化區域中，定子電壓保持在最大操作電壓或附近且扭矩隨著電機輸出速度增加而消失。最大操作電流由電機12、控制電路20或二者的限制限定。盡管最大操作電流在所有電機操作速度上一般保持恒定，電機定子電流(is)將典型地隨著變化的操作參數(諸如電機速度和負載扭矩中的變化)而波動?？偠ㄗ与娏?is)包括扭矩產生成分(isq)和通量產生成分(isd)，其關系由下面的等式限定:[0027]is=」(id)2+(iMJf
[0028]用于當前教導的目的，電機12 —般以包括低速、中速和高速的三種不同輸出速度操作。如圖4的圖表所示，低速范圍一般對應于正常操作區域，中速范圍一般對應于場弱化區域的下部，且高速范圍一般對應于場弱化區域的上部。對應于中和高速范圍之間的邊界的電機速度可以限定為諸如8，OOOrpm或10，OOOrpm的特定電機速度或者限定為最大電機速度的百分比，諸如最大速度26的50%、60%或70%。備選地，可以依照定子電流(諸如isd或isq的特定值或isd和isq之間的差異)限定邊界。而且，可以依照扭矩(諸如特定扭矩值或最大扭矩的百分比)限定中和高速度范圍之間的邊界。中和高速范圍之間的邊界是相關的:如下面所解釋，其可以被控制器用作用于在基于電壓的控制模式和基于電流的控制模式之間的切換的閾值速度。在一些實施方式中，中和高速范圍之間的邊界定義為轉子速度，在該轉子速度處，定子電壓幅度處于逆變器電壓余量處或在其附近。當電機在逆變器電壓邊緣處或在其附近操作時，例如由于DC總線電壓中的變化導致的逆變器電壓邊緣中的波動使得基于電流的電機控制不切實際。
[0029]控制器22包括配置成與控制電路20的某些部件交互且控制后者的數字邏輯。數字邏輯可以包括離散邏輯部件、可編程邏輯設備和/或諸如微控制器或微處理器的通用計算機處理器。在本實用新型的一些實施方式中，控制器22是或包括計算機處理器，該計算機處理器配置成執行計算機程序，該計算機程序用于引導控制電路20在低和中速范圍中以基于電流的控制模式中操作或在高速范圍中以在基于電壓的控制模式中操作。
[0030]因而，本實用新型的方面可以使用存儲在計算機可讀介質中或上的一個或更多計算機程序實施，該計算機可讀介質駐留在控制器22中或可以被控制器22訪問。計算機程序包含用于實施在控制 器22中的邏輯功能的一系列可執行指令。計算機程序可以在任意非瞬時計算機可讀介質中實現，被控制器22使用或與之結合使用，其中控制器從計算機可讀介質抓取指令且執行指令。當在此使用時，“計算機可讀介質”可以是可以存儲被控制器使用或與之結合使用的程序的任意非瞬時裝置。計算機可讀介質例如可以是但不限于電子、磁、光學、電磁、紅外或半導體系統、裝置或設備。更具體而言，盡管沒有包括，計算機可讀介質的示例將包括如下的:具有一個或更多布線的電學連接、隨機訪問存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)和可擦除可編程只讀存儲器(EPROM或閃存)。
[0031]現在轉向圖2，更詳細地說明控制電路20的某些部件。整流器30將從電源14接收的AC電力轉換成激勵DC總線32的DC電力。整流器30本質上可以包括任意類型的整流器電路，但是在各個優選實施方式中是簡單的非再生整流器，諸如是二極管橋式整流器。如下面更詳細解釋的，信號分路器34和電壓傳感器35與DC總線32耦合且用于檢測DC總線32上的電壓和/或電流水平以在反饋回路中使用。信號分路器34例如可以是電阻器，而電壓傳感器35可以是分壓器電路。一個或更多電容器36還耦合到DC總線32以最小化總線32上的電壓紋波且在制動期間在總線32中存儲再生能量。
[0032]逆變器電路38包括脈沖寬度調制(“PWM”)控制邏輯40以及將來自DC總線32的DC電力轉換成傳輸到電機12的驅動波形的三相逆變器42。PWM控制邏輯40接收代表兩相靜止參考幀電壓值Va和￥0的兩個輸入信號(Varef和Veref)且將輸入信號轉換成驅動逆變器的逆變器控制信號以將來自DC總線32的電力轉換成施加于電機定子繞組的驅動波形。驅動電波形的電壓幅度、電壓角度和頻率根據參考電機速度ω μ操作以控制電機12的操作。當電機12以恒定速度操作或加速時，它具有正滑差頻率且一般消耗能量。當電機12減速(制動)時，它具有負滑差頻率且產生在電機12中消耗(如轉子和定子損耗)且激勵逆變器42和DC總線32的能量，由此使得這些部件中的電壓增加為超出整流器30提供的電壓。如下面更詳細解釋，通過進一步增加定子電壓和電機12中的損耗，DC總線32上增加的電壓可以對制動做出貢獻。
[0033]當開關28處于第一位置(圖2中以虛線表示)時，控制電路20根據間接磁場定向控制(IFOC)的原理以基于電流的控制模式操作。在基于電流的控制模式中，控制電路20根據目標定子電流驅動電力逆變器42的操作。IFOC電機控制方法涉及借助于三個電機輸入變量控制AC電機操作:電壓幅度、電壓角度和信號頻率。經由獨立控制在電機定子中感應的旋轉磁場的速度(頻率)和強度的兩個控制/反饋回路根據參考速度ω 操作這些變量。
[0034]在圖1的電路圖的左側接收參考電機速度(ωΜ?)信號。ωΜ?信號可以從諸如電器電機控制器的外部電機控制器接收，該電器電機控制器配置成根據特定電器的操作參數控制電機的速度和操作。估計轉子速度從參考速度減去且差異被傳輸到第一比例積分控制器44，該第一比例積分控制器44配置成產生目標定子電流的扭矩產生成分ivef。估計電機速度(ω,)還被傳輸到場弱化控制器46，該場弱化控制器46配置成產生定子電流的通量產生成分idMf。場弱化控制器46在參考電機速度處于電機操作的場弱化區域時降低idMf的值。
[0035]信號從第一比例積分控制器44傳輸到DC電壓限制器電路48，該DC電壓限制器電路48配置成基于電機12、逆變器42和/或電容器36的電壓限制來限制ivef的最大負值。當參考電機速度小于實際轉子速度時，在電機制動期間，的值是負的。如上面所解釋，當制動時，來自電機12的再生能量增加逆變器42和DC總線電容器36中的電壓。電壓限制器電路48防止i_f的負值超過對應于電機、逆變器和/或電容器的最大電壓的水平。電壓限制器電路48接收代表最大電壓水平的第一信號Vdemax、代表DC總線32上估計或測量電壓的第二信號Vd。且從Vtkmax減去Vd。的值。積分器控制器50積分差異且將結果-1_fmax傳輸到限制i_f為_i_fmax值的第一電流限制器部件52。
[0036]電流限制器部件54接收ivef和idMf信號二者且在對應于電機12和/或逆變器42的最大額定限定的最大定子電流的信號上施加限制。因而，盡管電壓限制器電路48在制動期間施加1,%的最大負值以調節再生電壓，電流限制器部件54在正常操作期間施加i_f和idMf的最大正值。實際定子電流的扭矩產生成分i,和通量產生成分id的測量值從i_f和idMf減去，且所得的差異被傳輸到計算旋轉兩相電壓信號Vqref和Vtof的第二比例積分控制器56和第三比例積分控制器58。
[0037]反向Park轉換電路60將和Vdref信號轉換成被逆變器電路38的PWM控制邏輯40接收的靜止兩相信號V?ef和Ve,ef。如上面所解釋，PWM控制邏輯40基于靜止兩相信號和V0M產生多個逆變器控制信號且將控制信號傳輸到逆變器42。
[0038]在基于電流的控制模式中，控制電路20使用反饋回路來產生電機控制信號。分路器34和傳感器35檢測DC總線32上的電流和/或電壓且向產生代表瞬時定子電流和/或電壓的測量值的多個信號的轉換器部件62傳輸該信息。Clarke轉換電路64將測量的定子電流和/或電壓值轉換成兩相靜止值i α和ie，這兩個值然后通過Park轉換電路66轉換成兩相旋轉信號iq和id。如上面所解釋，iq和id信號與i_f和idMf信號組合。Clarke轉換電路64還產生被速度估計器68使用的兩相靜止值Va和￥0以估計轉子速度ω-
[0039]速度估計器68基于傳輸到定子的功率特性(諸如估計值ia和ie )計算估計的轉子速度ωρ Va和V0通過Clarke轉換電路64產生。速度估計器68例如使用模型參考自適應系統(MRAS)的操作原理。如上面所解釋，ω J言號與ωΜ?組合以產生i_f。信號還被輸出角度計算電路70使用以產生被Clarke和反向Clarke轉換電路使用的輸出角度信號Θ dq以在靜止和旋轉域之間轉變。
[0040]輸出角度計算電路70包括滑差計算器72，該滑差計算器72確定滑差頻率ω3為 和idMf的函數。尤其是，滑差頻率可以使用下面的等式限定:
[0041]
【權利要求】
1.一種制動機構，用于與電機控制系統一同使用，所述制動機構包含: 差分部件，用于接收包含參考電機速度信息的第一信號，用于接收包含實際電機速度信息的第二信號，且用于產生包含指示在所述參考電機速度和所述實際電機速度之間的差異的信息的第三信號；以及 積分部件，用于積分所述第三信號且基于所積分的第三信號產生第四信號。
2.根據權利要求1所述的制動機構，所述積分部件是積分控制器。
3.根據權利要求1所述的制動機構，還包含用于選擇性嚙合所述積分部件的開關。
4.根據權利要求1所述的制動機構，包含在所述第一信號中的所述參考電機速度信息包括所述參考電機速度隨時間的變化。
5.根據權利要求1所述的制動機構，包含在所述第二信號中的所述實際電機速度信息包括所述實際電機速度隨時間的變化。
6.一種用于電機的控制系統，該系統包含: 電機控制電路，用于產生電機控制信號； 制動機構，用于調節所述電機控制信號以在所述電機控制信號在制動模式中操作時增大電機損耗，所述制動機構包括: 差分部件，用于接收包含電機參考速度信息的第一信號，用于接收包含實際速度信息的第二信號，且用于產生包含指示在所述參考速度和所述實際速度之間的差異的信息的第二?目號；以及 積分部件，用于積分所述第三信號且用于產生代表所積分的第三信號的第四信號。
7.根據權利要求6所述的控制系統，所述電機控制電路配置成根據目標電壓產生電機驅動波形。
8.根據權利要求7所述的控制系統，所述制動機構配置成在所述電機控制電路在所述制動模式中操作時增大所述目標電壓。
9.根據權利要求6所述的控制系統，所述電機控制電路配置成根據目標電流產生電機驅動波形。
10.根據權利要求9所述的控制系統，所述制動機構配置成在所述電機控制電路在所述制動模式中操作時增大所述目標電流的通量產生成分。
11.根據權利要求10所述的控制系統，還包含調節器，該調節器用于通過調節所述電機的滑差頻率限制在制動期間由所述電機感應的電壓量。
12.—種電機控制系統,包含: 控制電路，配置成根據目標電壓產生第一控制信號且根據目標電流產生第二控制信號; 第一制動機構，用于修改所述第一控制信號以最大化電機損耗； 第二制動機構，用于修改所述第二控制信號以最大化電機損耗；以及 控制器，用于在產生所述第一控制信號和所述第二控制信號之間切換所述電機控制系統的操作。
13.根據權利要求12所述的電機控制系統，所述第一制動機構配置成增大所述第一控制信號的最大電壓值。
14.根據權利要求13所述的電機控制系統，所述第一制動機構包括:差分部件，用于接收包含電機參考速度信息的第一信號，用于接收包含實際電機速度信息的第二信號，且用于產生包含指示在所述參考速度和所述實際速度之間的差異的信息的第三信號；以及 積分部件，用于積分所述第三信號且將積分信號傳輸到所述控制電路。
15.根據權利要求14所述的電機控制系統，還包含配置成選擇性嚙合所述第一制動機構的第一開關、可操作為激勵所述第一開關以在所述電機控制系統操作以產生所述第一控制信號且在制動模式中操作時嚙合所述第一制動機構的控制器。
16.根據權利要求12所述的電機控制系統，所述第二制動機構配置成增大所述第二控制信號的通量產生電流成分。
17.根據權利要求16所述的電機控制系統，所述第二制動機構包括: 差分部件，用于接收包含電機參考速度信息的第一信號，用于接收包含實際電機速度信息的第二信號，且用于產生包含指示在所述參考速度和所述實際速度之間的差異的信息的第三信號；以及 積分部件，用于積分所述第三信號且將積分的信號傳輸到所述控制電路。
18.根據權利要求17所述的電機控制系統，還包含配置成選擇性嚙合所述第二制動機構的第二開關、可操作為激勵所述第二開關以在所述電機控制系統操作以產生所述第二控制信號且在制動模式中操作時嚙合所述第二制動機構的控制器。
19.根據權利要求12所述的電機控制系統，所述控制電路包括: DC總線，用于在正向操作電力水平向電力逆變器傳送電力，以及 電容器，與DC總線耦合且可操作為接收且存儲產生的超過所述正向操作電力水平的電能量。
20.根據權利要求19所述的電機控制系統，還包含調節器，該調節器用于通過調節所述電機的滑差頻率來限制在制動期間由所述電機感應的電壓量。
【文檔編號】H02P3/06GK203775091SQ201320813019
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2013年12月11日 優先權日:2013年1月30日
【發明者】M·波茲克, D·馬塞迪克 申請人:尼得科電機有限公司