控制器制造技術(shù)

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(jī)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(jī)械速度和/或高電子速度。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】
本專利技術(shù)涉及一種用于電動馬達(dá)的電力控制器。特別地，本專利技術(shù)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。
技術(shù)介紹
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(jī)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(qiáng)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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))。本專利技術(shù)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(jī)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(jī)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(qiáng)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(jī)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(jī)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(jī)器與無刷交流永磁式機(jī)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1本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】

【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】2010.06.22 GB 1010443.81.一種用于電動馬達(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(jī)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(jī)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(jī)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)...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：布林·杰佛瑞·羅迪克·理查茲，胡文山，
申請(專利權(quán))人：艾利思科技控制技術(shù)有限公司，
類型：
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