无传感器电机制动系统的制作方法

无传感器电机制动系统的制作方法
【专利摘要】一种电机控制系统，包括用于产生电机控制信号的电机控制电路和用于调节电机控制信号以在电机控制电路处于制动模式时增大电机损耗的制动机构。该制动机构包括差分部件，该差分部件用于接收包含电机参考速度信息的第一信号、用于接收包含实际速度信息的第二信号且用于产生包含指示参考速度和实际速度之间的差异的信息的第三信号。积分部件积分第三信号且产生代表积分的第三信号的第四信号。第四信号可以增大基于电压的控制电路中的电压控制信号或可以增大基于电流的控制电路中的电流控制信号的通量产生成分。电机控制电路可以包括在不同操作模式中使用的多个制动机构。
【专利说明】无传感器电机制动系统
【技术领域】
[0001]本实用新型的实施方式涉及用于制动电机的系统和方法。
【背景技术】
[0002]电机通常包括被称为定子的静止部件和被称为转子的旋转部件。在电机使用驱动波形激励时，转子在定子内(或定子附近)转动。感应电机(有时被称为异步电机)是一种类型的电机，其中借助于电磁感应而不是借助于到转子的直接电连接将电力提供到转子。
[0003]与同步电机一样，应用到感应电机定子的驱动波形建立磁场，该磁场随着驱动波形的AC振荡及时旋转。感应电机转子以比定子场更低的速度旋转。旋转速度中的该差异(也称为“滑差”、“滑差频率”或“滑差速度”)导致在转子绕组中感应转子绕组中的电流的变化的磁通量。感应电流进而在转子绕组中产生与定子建立的旋转磁场相反的磁场，由此在转子中感应旋转运动。转子加速，直到感应转子电流的幅度和转子扭矩平衡所施加的负载。因为在同步速度的旋转将导致没有感应转子电流，所以在正常前向操作期间，感应电机总是以小于同步速度操作。
[0004]感应电机的旋转可以简单地通过从电机移除驱动波形且允许电机由于转子或耦合到转子的任意物体的惯性随时间滑行到静止而停止。备选地，使用涉及将驱动波形的频率调节到小于转子频率的制动方法，感应电机的旋转可以更快速地停止，其中通过定子生成的旋转磁场在转子上感应与转子运动相反的旋转压力且积极地减小电机速度。使用该制动方法，转子的惯性和施加的负载在定子中感应电压，该电压可以激励外部电机部件，该外部电机部件诸如是向电机提供电力的DC总线。
[0005]在很多电机应用中，需要只要从电机移除驱动波形，则立即停止转子的旋转。例如，在洗衣机应用中，需要在高速甩干循环之后停止洗衣机电机的旋转，使得洗衣机可以卸载或切换到较低速度的清洗或漂洗循环。不幸的是，上面提及的制动方法具有限制，使得它不能有效地快速停止重负载。驱动波形生成的制动压力例如通过可用于激励定子的电力来限制。制动压力进一步通过电机和其他部件的容量限制以在制动过程期间处理由转子感应的电压。
[0006]因此，开发了用于制动电机的各种备选技术。一种这样的技术使用制动片、皮带轮和/或其他摩擦制动系统。不幸的是，摩擦制动增加电机的成本和复杂度，且因此对于诸如洗衣机之类的低成本应用是不需要的。摩擦制动最终还会随着使用磨损并且需要修复或替换。
[0007]因而，很多电机应用采用不同于摩擦制动的备选电制动系统。一种类型的电制动系统涉及DC注入制动，其中，直流(DC)电压被施加于马达的定子绕组以制动转子。DC电压生成向转子施加静态扭矩的静止磁场。这减缓且最终停止转子的旋转。只要DC电压保留在定子绕组上，转子就保持固定且抗拒旋转。DC注入制动是相对简单、低成本和无维护的，且因此是用于很多电机应用的制动的流行选择；然而，如下所描述的，在一些应用中它没有有效地使用。[0008]还通常需要确定电机转子何时停止旋转，所以可以以不同的速度在相反方向中驱动转子，等等。这可以使用诸如霍耳效应传感器之类的电机轴传感器完成，但是这种传感器增加电机的成本和复杂度且因此对于诸如洗衣机电机之类的很多低成本应用是不需要的。
[0009]因而，开发了用于确定电机速度的无传感器技术。一种类型的无传感器速度检测采用基于测量的电学参数估计转子何时停止的各种算法。然而，测量的电学参数进而算法的结果在电机使用上述DC注入制动技术制动时是较不精确的。因而，DC注入制动技术一般需要电机轴传感器。
[0010]上面的部分提供涉及不必是现有技术的本公开的背景信息。

【发明内容】

[0011]本实用新型的实施方式通过提供用于制动电机的改进系统和方法解决上述问题而无需电机轴传感器、再生前端二极管、制动电阻器或其他高成本和/或复杂部件。
[0012]根据本实用新型的实施方式构建且配置成与电机控制系统一同使用的制动机构利用差分部件和积分部件来产生电机制动信号以增大制动功率。差分部件接收包含参考电机速度信息的第一信号、包含实际电机速度信息的第二信号且产生包含指示参考电机速度和实际电机速度之间的差异的信息的第三信号。积分部件积分第三信号且基于积分的第三信号产生第四信号。第四信号用于增大例如通过作为电机控制系统的一部分的电机控制电路产生的电机制动信号。
[0013]在本实用新型的另一实施方式中，电机控制系统包含功率变换器和控制电路，该控制电路配置成根据目标电压产生第一电机控制信号且根据目标电流产生第二控制信号。第一制动机构配置成修改第一控制信号以最大化电机损耗，且第二制动机构配置成修改第二控制信号以最大化电机损耗。控制器在产生第一控制信号和第二控制信号之间切换电机控制系统的操作。控制器还可在控制电路处于制动模式时选择性地啮合第一制动机构和第二制动机构中的任意一个。
[0014]提供这种概述是为了以简化形式介绍在下面的详细描述中进一步描述的概念的选择。这种概述并不旨在识别所要求保护主题的关键特征或本质特征，其也并不旨在用于限制所要求保护主题的范围。从下面的实施方式的详细描述和附图将显见本实用新型的其他方面和特征。
【专利附图】

【附图说明】
[0015]下面参考附图详细描述本实用新型的实施方式，附图中:
[0016]图1是根据本实用新型的实施方式构建的电机系统的框图。
[0017]图2是用于与图1的电机系统使用的控制电路的示意性表达。
[0018]图3是图2的控制电路的备选实施方式的示意性表达。
[0019]图4是图1的电机的某些操作和性能特征的图形表达。
[0020]附图并不将本实用新型限制为此处公开和描述的指定实施方式。附图没有必要按比例绘制，而是将重点放在清晰说明本实用新型的原理上。
【具体实施方式】[0021]本实用新型的实施方式的下面的详细描述参考附图。实施方式旨在以足够详细的细节描述本实用新型的方面以使得本领域技术人员能够实践本实用新型。可以使用其他实施方式且可以做出变化而不偏离本实用新型的范围。因此下面的详细描述并不具有限制意义。本实用新型的范围仅由所附权利要求以及这种权利要求授予的全部等价范围限定。
[0022]在本说明书中，对于“一个实施方式”、“实施方式”或“多个实施方式”的引用意味着被引用的特征或多个特征被包括在技术的至少一个实施方式中。在本说明书中，对于“一个实施方式”、“实施方式”或“多个实施方式”的单独引用不必表示相同的实施方式且除非明确陈述和/或如本领域技术人员从本说明书已经显见，其并不是相互排他的。例如，在一个实施方式中描述的特征、结构、动作等也可以被包括在另一实施方式中，但也不必被包括。因而，本技术可以包括此处描述的实施方式的各种组合和/或集成。
[0023]现在转向附图，且最开始转向图1，说明了根据本实用新型的实施方式构建的电机系统10。电机系统10广泛地包括电机12、电源14和电机控制系统16,该电机控制系统16用于从电源14接收电力，且根据经 由参考速度输入18传输到控制系统的参考电机速度(ω 6?)产生驱动波形以对电机12进行供电。参考电机速度对应于所需或目标操作电机输出速度且可以通过外部电机控制机构(未示出)产生，该外部电机控制机构配置成根据本实用新型的特定实施方式操作电机12。电机控制系统16包括控制电路20，该控制电路20配置成从电源14接收输入电力、从参考速度输入18接收参考电机速度信号、生成驱动波形以及将驱动波形传输到电机12。控制器22管理控制电路20的操作的某些方面，如下面所解释的，包括基于电压的控制模式和基于电流的控制模式之间的切换。
[0024]电源14可以是常规交流电源，诸如是经由标准电学出口在居民和商业建筑中可用的标准115V或230V电源。电机系统10可以是诸如洗衣机或干衣机之类的电器驱动系统的部分，该电器驱动系统包括此处未说明或描述的附加电学和机械部件。
[0025]电机12可以是电感应电机，且在一个示例性实施方式中是额定为在190至200伏特的最大电压以及4至6安培的最大电流操作的三相四极AC感应电机。电机12可以配置成例如在O至3，OOOrpm的正常操作范围内操作，且能够在超出诸如高达17，000或18，OOOrpm的正常范围的速度操作。如下面所解释的，超出正常操作范围的电机操作可以通过逐渐地消除性能特征(诸如减小的扭矩)而特征化。
[0026]在图4的图表中示出跨越电机12的操作速度范围的电机12的各种操作和性能特性，包括定子电压(Vs)、最大操作电流和输出扭矩。如图4所示，电机性能特性根据电机是否在正常操作区域或场弱化区域操作而不同。正常操作区域对应于零电机输出速度到正常操作速度24，该正常操作速度例如可以是3，000或4，OOOrpm0场弱化操作区域对应于正常速度24到最大电机速度26，该最大电机速度26例如可以为约17，000或18，OOOrpm。当在正常操作区域操作时，电机12的速度一般遵循线性模式且正比于定子电压(Vs)，同时扭矩一般恒定。在场弱化区域中，定子电压保持在最大操作电压或附近且扭矩随着电机输出速度增加而消失。最大操作电流由电机12、控制电路20或二者的限制限定。尽管最大操作电流在所有电机操作速度上一般保持恒定，电机定子电流(is)将典型地随着变化的操作参数(诸如电机速度和负载扭矩中的变化)而波动。总定子电流(is)包括扭矩产生成分(isq)和通量产生成分(isd)，其关系由下面的等式限定:[0027]is=」(id)2+(iMJf
[0028]用于当前教导的目的，电机12 —般以包括低速、中速和高速的三种不同输出速度操作。如图4的图表所示，低速范围一般对应于正常操作区域，中速范围一般对应于场弱化区域的下部，且高速范围一般对应于场弱化区域的上部。对应于中和高速范围之间的边界的电机速度可以限定为诸如8，OOOrpm或10，OOOrpm的特定电机速度或者限定为最大电机速度的百分比，诸如最大速度26的50%、60%或70%。备选地，可以依照定子电流(诸如isd或isq的特定值或isd和isq之间的差异)限定边界。而且，可以依照扭矩(诸如特定扭矩值或最大扭矩的百分比)限定中和高速度范围之间的边界。中和高速范围之间的边界是相关的:如下面所解释，其可以被控制器用作用于在基于电压的控制模式和基于电流的控制模式之间的切换的阈值速度。在一些实施方式中，中和高速范围之间的边界定义为转子速度，在该转子速度处，定子电压幅度处于逆变器电压余量处或在其附近。当电机在逆变器电压边缘处或在其附近操作时，例如由于DC总线电压中的变化导致的逆变器电压边缘中的波动使得基于电流的电机控制不切实际。
[0029]控制器22包括配置成与控制电路20的某些部件交互且控制后者的数字逻辑。数字逻辑可以包括离散逻辑部件、可编程逻辑设备和/或诸如微控制器或微处理器的通用计算机处理器。在本实用新型的一些实施方式中，控制器22是或包括计算机处理器，该计算机处理器配置成执行计算机程序，该计算机程序用于引导控制电路20在低和中速范围中以基于电流的控制模式中操作或在高速范围中以在基于电压的控制模式中操作。
[0030]因而，本实用新型的方面可以使用存储在计算机可读介质中或上的一个或更多计算机程序实施，该计算机可读介质驻留在控制器22中或可以被控制器22访问。计算机程序包含用于实施在控制 器22中的逻辑功能的一系列可执行指令。计算机程序可以在任意非瞬时计算机可读介质中实现，被控制器22使用或与之结合使用，其中控制器从计算机可读介质抓取指令且执行指令。当在此使用时，“计算机可读介质”可以是可以存储被控制器使用或与之结合使用的程序的任意非瞬时装置。计算机可读介质例如可以是但不限于电子、磁、光学、电磁、红外或半导体系统、装置或设备。更具体而言，尽管没有包括，计算机可读介质的示例将包括如下的:具有一个或更多布线的电学连接、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)。
[0031]现在转向图2，更详细地说明控制电路20的某些部件。整流器30将从电源14接收的AC电力转换成激励DC总线32的DC电力。整流器30本质上可以包括任意类型的整流器电路，但是在各个优选实施方式中是简单的非再生整流器，诸如是二极管桥式整流器。如下面更详细解释的，信号分路器34和电压传感器35与DC总线32耦合且用于检测DC总线32上的电压和/或电流水平以在反馈回路中使用。信号分路器34例如可以是电阻器，而电压传感器35可以是分压器电路。一个或更多电容器36还耦合到DC总线32以最小化总线32上的电压纹波且在制动期间在总线32中存储再生能量。
[0032]逆变器电路38包括脉冲宽度调制(“PWM”)控制逻辑40以及将来自DC总线32的DC电力转换成传输到电机12的驱动波形的三相逆变器42。PWM控制逻辑40接收代表两相静止参考帧电压值Va和￥0的两个输入信号(Varef和Veref)且将输入信号转换成驱动逆变器的逆变器控制信号以将来自DC总线32的电力转换成施加于电机定子绕组的驱动波形。驱动电波形的电压幅度、电压角度和频率根据参考电机速度ω μ操作以控制电机12的操作。当电机12以恒定速度操作或加速时，它具有正滑差频率且一般消耗能量。当电机12减速(制动)时，它具有负滑差频率且产生在电机12中消耗(如转子和定子损耗)且激励逆变器42和DC总线32的能量，由此使得这些部件中的电压增加为超出整流器30提供的电压。如下面更详细解释，通过进一步增加定子电压和电机12中的损耗，DC总线32上增加的电压可以对制动做出贡献。
[0033]当开关28处于第一位置(图2中以虚线表示)时，控制电路20根据间接磁场定向控制(IFOC)的原理以基于电流的控制模式操作。在基于电流的控制模式中，控制电路20根据目标定子电流驱动电力逆变器42的操作。IFOC电机控制方法涉及借助于三个电机输入变量控制AC电机操作:电压幅度、电压角度和信号频率。经由独立控制在电机定子中感应的旋转磁场的速度(频率)和强度的两个控制/反馈回路根据参考速度ω 操作这些变量。
[0034]在图1的电路图的左侧接收参考电机速度(ωΜ?)信号。ωΜ?信号可以从诸如电器电机控制器的外部电机控制器接收，该电器电机控制器配置成根据特定电器的操作参数控制电机的速度和操作。估计转子速度从参考速度减去且差异被传输到第一比例积分控制器44，该第一比例积分控制器44配置成产生目标定子电流的扭矩产生成分ivef。估计电机速度(ω,)还被传输到场弱化控制器46，该场弱化控制器46配置成产生定子电流的通量产生成分idMf。场弱化控制器46在参考电机速度处于电机操作的场弱化区域时降低idMf的值。
[0035]信号从第一比例积分控制器44传输到DC电压限制器电路48，该DC电压限制器电路48配置成基于电机12、逆变器42和/或电容器36的电压限制来限制ivef的最大负值。当参考电机速度小于实际转子速度时，在电机制动期间，的值是负的。如上面所解释，当制动时，来自电机12的再生能量增加逆变器42和DC总线电容器36中的电压。电压限制器电路48防止i_f的负值超过对应于电机、逆变器和/或电容器的最大电压的水平。电压限制器电路48接收代表最大电压水平的第一信号Vdemax、代表DC总线32上估计或测量电压的第二信号Vd。且从Vtkmax减去Vd。的值。积分器控制器50积分差异且将结果-1_fmax传输到限制i_f为_i_fmax值的第一电流限制器部件52。
[0036]电流限制器部件54接收ivef和idMf信号二者且在对应于电机12和/或逆变器42的最大额定限定的最大定子电流的信号上施加限制。因而，尽管电压限制器电路48在制动期间施加1,%的最大负值以调节再生电压，电流限制器部件54在正常操作期间施加i_f和idMf的最大正值。实际定子电流的扭矩产生成分i,和通量产生成分id的测量值从i_f和idMf减去，且所得的差异被传输到计算旋转两相电压信号Vqref和Vtof的第二比例积分控制器56和第三比例积分控制器58。
[0037]反向Park转换电路60将和Vdref信号转换成被逆变器电路38的PWM控制逻辑40接收的静止两相信号V?ef和Ve,ef。如上面所解释，PWM控制逻辑40基于静止两相信号和V0M产生多个逆变器控制信号且将控制信号传输到逆变器42。
[0038]在基于电流的控制模式中，控制电路20使用反馈回路来产生电机控制信号。分路器34和传感器35检测DC总线32上的电流和/或电压且向产生代表瞬时定子电流和/或电压的测量值的多个信号的转换器部件62传输该信息。Clarke转换电路64将测量的定子电流和/或电压值转换成两相静止值i α和ie，这两个值然后通过Park转换电路66转换成两相旋转信号iq和id。如上面所解释，iq和id信号与i_f和idMf信号组合。Clarke转换电路64还产生被速度估计器68使用的两相静止值Va和￥0以估计转子速度ω-
[0039]速度估计器68基于传输到定子的功率特性(诸如估计值ia和ie )计算估计的转子速度ωρ Va和V0通过Clarke转换电路64产生。速度估计器68例如使用模型参考自适应系统(MRAS)的操作原理。如上面所解释，ω J言号与ωΜ?组合以产生i_f。信号还被输出角度计算电路70使用以产生被Clarke和反向Clarke转换电路使用的输出角度信号Θ dq以在静止和旋转域之间转变。
[0040]输出角度计算电路70包括滑差计算器72，该滑差计算器72确定滑差频率ω3为 和idMf的函数。尤其是，滑差频率可以使用下面的等式限定:
[0041]
【权利要求】
1.一种制动机构，用于与电机控制系统一同使用，所述制动机构包含: 差分部件，用于接收包含参考电机速度信息的第一信号，用于接收包含实际电机速度信息的第二信号，且用于产生包含指示在所述参考电机速度和所述实际电机速度之间的差异的信息的第三信号；以及 积分部件，用于积分所述第三信号且基于所积分的第三信号产生第四信号。
2.根据权利要求1所述的制动机构，所述积分部件是积分控制器。
3.根据权利要求1所述的制动机构，还包含用于选择性啮合所述积分部件的开关。
4.根据权利要求1所述的制动机构，包含在所述第一信号中的所述参考电机速度信息包括所述参考电机速度随时间的变化。
5.根据权利要求1所述的制动机构，包含在所述第二信号中的所述实际电机速度信息包括所述实际电机速度随时间的变化。
6.一种用于电机的控制系统，该系统包含: 电机控制电路，用于产生电机控制信号； 制动机构，用于调节所述电机控制信号以在所述电机控制信号在制动模式中操作时增大电机损耗，所述制动机构包括: 差分部件，用于接收包含电机参考速度信息的第一信号，用于接收包含实际速度信息的第二信号，且用于产生包含指示在所述参考速度和所述实际速度之间的差异的信息的第二?目号；以及 积分部件，用于积分所述第三信号且用于产生代表所积分的第三信号的第四信号。
7.根据权利要求6所述的控制系统，所述电机控制电路配置成根据目标电压产生电机驱动波形。
8.根据权利要求7所述的控制系统，所述制动机构配置成在所述电机控制电路在所述制动模式中操作时增大所述目标电压。
9.根据权利要求6所述的控制系统，所述电机控制电路配置成根据目标电流产生电机驱动波形。
10.根据权利要求9所述的控制系统，所述制动机构配置成在所述电机控制电路在所述制动模式中操作时增大所述目标电流的通量产生成分。
11.根据权利要求10所述的控制系统，还包含调节器，该调节器用于通过调节所述电机的滑差频率限制在制动期间由所述电机感应的电压量。
12.—种电机控制系统,包含: 控制电路，配置成根据目标电压产生第一控制信号且根据目标电流产生第二控制信号; 第一制动机构，用于修改所述第一控制信号以最大化电机损耗； 第二制动机构，用于修改所述第二控制信号以最大化电机损耗；以及 控制器，用于在产生所述第一控制信号和所述第二控制信号之间切换所述电机控制系统的操作。
13.根据权利要求12所述的电机控制系统，所述第一制动机构配置成增大所述第一控制信号的最大电压值。
14.根据权利要求13所述的电机控制系统，所述第一制动机构包括:差分部件，用于接收包含电机参考速度信息的第一信号，用于接收包含实际电机速度信息的第二信号，且用于产生包含指示在所述参考速度和所述实际速度之间的差异的信息的第三信号；以及 积分部件，用于积分所述第三信号且将积分信号传输到所述控制电路。
15.根据权利要求14所述的电机控制系统，还包含配置成选择性啮合所述第一制动机构的第一开关、可操作为激励所述第一开关以在所述电机控制系统操作以产生所述第一控制信号且在制动模式中操作时啮合所述第一制动机构的控制器。
16.根据权利要求12所述的电机控制系统，所述第二制动机构配置成增大所述第二控制信号的通量产生电流成分。
17.根据权利要求16所述的电机控制系统，所述第二制动机构包括: 差分部件，用于接收包含电机参考速度信息的第一信号，用于接收包含实际电机速度信息的第二信号，且用于产生包含指示在所述参考速度和所述实际速度之间的差异的信息的第三信号；以及 积分部件，用于积分所述第三信号且将积分的信号传输到所述控制电路。
18.根据权利要求17所述的电机控制系统，还包含配置成选择性啮合所述第二制动机构的第二开关、可操作为激励所述第二开关以在所述电机控制系统操作以产生所述第二控制信号且在制动模式中操作时啮合所述第二制动机构的控制器。
19.根据权利要求12所述的电机控制系统，所述控制电路包括: DC总线，用于在正向操作电力水平向电力逆变器传送电力，以及 电容器，与DC总线耦合且可操作为接收且存储产生的超过所述正向操作电力水平的电能量。
20.根据权利要求19所述的电机控制系统，还包含调节器，该调节器用于通过调节所述电机的滑差频率来限制在制动期间由所述电机感应的电压量。
【文档编号】H02P3/06GK203775091SQ201320813019
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2013年12月11日 优先权日:2013年1月30日
【发明者】M·波兹克, D·马塞迪克 申请人:尼得科电机有限公司