CN101355332A - 单处理器双电动机控制 - Google Patents

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Abstract

单处理器双电动机控制。向多个可变频率控制电动机的电动机相电流采样提供了电动机控制处理器。电动机控制处理器包括模拟到数字(A/D)转换器和控制器。A/D转换器具有多个模拟输入并且响应于所述多个模拟输入产生数字输出信号。控制器耦合到A/D转换器并且确定多个可变频率控制电动机的第一个所最大想要的开关频率。控制器进一步响应于最大想要的开关频率来选择基本周期并且把相移时间延迟定义为所述基本周期的一小部分，使得所述控制器可以控制A/D转换器的多个模拟输入以便在由所述控制器响应于所述基本周期和相移时间延迟所确定的采样时间来采样多个可变频率控制电动机中每个的电动机相电流。

Description

单处理器双电动机控制
技术领域
本发明总体上涉及电动机，和尤其涉及用于多个电动机及其操作的电动机控制处理器。
背景技术
利用多个微处理器来用于多个电动机控制处理器控制多个电动机是有问题的，这是因为在所述电动机控制处理器之间的协调和通信增加了额外的复杂水平并且利用了额外的资源和计算时间，以及要求为所述处理器建立一定体系机制。利用单个电动机控制处理器来用于多个电动机控制仍然存在困难，这是由于每个电动机可能使用不同的开关频率。
虽然已经公开了这样的电动机控制电路，所述电动机控制电路利用单个电动机控制器使用可变开关频率来增加用于另外的低速电动机控制算法的可用执行时间或者减少开关损耗，但是多电动机系统存在另外的困难。例如，实现用于在单处理器内控制两个可变频率电动机驱动的方法要求向两个控制器提供连续可变的开关频率。然而当所要求的采样时间重叠时，可能引入并不想要的延迟。
据此，希望提供一种在多电动机系统中利用单个电动机控制处理器来控制两个或多个电动机控制器的方法。另外，希望提供一种用于一个电动机控制处理器中的两个电动机控制器的可变频率控制方法，其避免了在电流采样中所不想要的延迟。此外，结合附图及上述技术领域和背景技术，根据随后的具体实施方式和所附权利要求，本发明的其它所想要的特征和特性将变得更加清楚。
发明内容
向多个可变频率控制电动机的电动机相电流采样提供了电动机控制处理器。电动机控制处理器包括模拟到数字(A/D)转换器和控制器。A/D转换器具有多个模拟输入并且响应于所述多个模拟输入产生数字输出信号。控制器耦合到A/D转换器并且确定多个可变频率控制电动机的第一个所最大想要的开关频率。控制器进一步响应于最大想要的开关频率来选择基本周期并且把相移时间延迟定义为所述基本周期的一小部分，使得所述控制器可以控制A/D转换器的多个模拟输入以便在由所述控制器响应于所述基本周期和相移时间延迟所确定的采样时间来采样多个可变频率控制电动机中每个的电动机相电流。
提供了一种用于多个可变频率控制电动机的电动机相电流采样的方法。所述方法包括为多个可变频率控制电动机的第一个确定最大想要的开关频率，响应于所述最大想要的开关频率来选择基本周期，把相移时间延迟定义为所述基本周期的一小部分，并且在响应于所述基本周期和相移时间延迟所确定的采样时间处采样所述多个可变频率控制电动机中每一个的电动机相电流。
附图说明
以下结合附图描述了本发明，其中同样的数字标示同样的元素，并且
图1描绘了依照本发明实施例的双电动机系统的框图；
图2依照本发明实施例描绘了图1的双电动机系统的电动机控制处理器的操作的流程图；和
图3依照本发明实施例描绘了可变频率控制采样时间的时序图。
具体实施方式
以下具体实施方式实际上仅仅是示例性的，而并不旨在限制本发明或本发明的应用和使用。此外，并不存在捆绑于在先前技术领域、背景技术、发明内容或以下具体实施方式中所给出的任何明示或默示原理的意图。
参照图1，依照本发明实施例的多电动机系统100，诸如用于混合交通工具推进系统的双电动机系统，包括第一可变速度电动机105和第二可变速度电动机107。诸如电池或燃料电池之类的直流(DC)电源110利用高电压节点112和低电压节点114来向第一逆变器115提供DC电流来驱动第一电动机105。另外，电源110还向第二逆变器117提供DC电流来驱动第二电动机107。电容器119被连接在高电压节点112和低电压节点114之间以便提供低阻通路来用于交流电(AC)流动。
电动机105、107是可变频率控制电动机，其中单个电动机速度可以是独立的并且逆变器115、117的开关频率也可以是独立可变的。最大想要的开关频率与逆变器115、117中的一个或两个相关联。
为了降低成本和组件数量，希望利用单个电动机控制处理器来控制两个独立的逆变器115、117。依照本发明的实施例，多电动机系统100包括诸如微处理器之类的单个电动机控制处理器120。电动机控制处理器120包括控制器122，用于以那些本领域技术人员公知的方式产生脉宽调制(PWM)控制信号以便把电动机相电压的基波分量调整为所想要的振幅、相位和频率。控制器122耦合到逆变器115、117以便向其开关元件提供PWM控制信号。
电动机控制处理器120还包括内部模拟到数字(A/D)转换器124。为了通过不包括另外的组件或电路来使电动机系统100的成本最小化，利用内部A/D转换器124来在逆变器115、117的输入采样相电流并且据此产生数字信号作为相电流感测信号，所述相电流感测信号被提供给控制器122。
虽然两个逆变器115、117中的每个要求同时采样其相电流中的两个(即，总共要采样四个信号，从两个相电流到电动机105的两个信号130、132和从两个相电流到电动机107的两个信号134、136)，A/D转换器124只有可以同时采样的两个信道。因此依照本发明，电动机控制处理器120还包括开关元件126，用于接收要采样的四个相电流，并且在控制器122的控制下操作，在任一时刻向A/D转换器124的两个信道输入提供两个输入信号。
控制器122提供对一个电动机控制处理器120中的两个逆变器115、117的可变频率控制，同时借助在所述电动机控制处理器120内的单个A/D转换器124来避免在电流采样中任何不想要的延迟。除在任一时刻向A/D转换器124的输入提供四个信号130、132、134、136中的两个以便同时采样与每个电动机105、107相关联的相电流(即，四个信号130、132、134、136中的两组)之外，在与从控制器122向逆变器115、117提供的PWM信号固定相位关系的情况下采样相电流。
与PWM控制信号的固定相位关系由控制器122响应于PWM信号的周期来确定。由于PWM信号在相电流上诱发AC谐波波纹，所以优选采样每个相电流的基波分量同时忽略AC波纹分量。当AC波纹分量在PWM信号的每个周期的开始和中心点穿过零时，优选在每个周期的开始或中点采样PWM信号。依照本发明的实施例，在PWM信号的周期开始时采样相电流由此有效地向该PWM周期提供了所述相电流的平均值。响应于所采样的相电流值而产生且从A/D转换器124提供给控制器122的相电流感测信号值由控制器122用于将在即将出现的计算周期期间执行的电动机控制计算。
虽然PWM信号的周期可以提供用于确定相电流的采样时间的基础，但是相电流采样时间中相对于PWM信号的周期的任何提前或延迟可能会把走样或错误引入到向控制器122所提供的相电流感测信号中。由于PWM信号还在每个逆变器的输入电流上诱发AC谐波波纹，所以必须在控制器122的控制下操作开关元件126以便对向逆变器115、117所提供的PWM信号进行相移从而促使抵消电流波纹。输入电流的和是在高电压分支112中流过的电流。此电流具有DC分量(即，平均电流值)和AC分量。大部分AC分量经由电容器119流到低电压节点114。对流入到两个逆变器115、117的输入电流进行相移对相电流的AC分量产生抵消效应，由此减少了流入到分支112的AC电流并且减少了流过电容器119的AC电流及其中的应力。
当确定相电流采样时间时，控制器122还必须调节逆变器115、117的开关频率。常常在低电动机速度减少逆变器115、117的开关频率以便使开关损耗最小化和/或允许另外的控制器122执行时间。相反地，在高电动机速度常常增加开关频率以便提供足够的脉冲比来维持可控制性，其中脉冲比被定义为开关频率与电动机基础电频率的比率。据此，必须在控制器122的控制下操作开关元件126以便在与从控制器122向逆变器115、117提供的PWM信号具有固定相位关系的采样时间处采样相移相电流，从而在与可变速度电动机105、107的速度具有固定相位的关系下采样相电流，其中采样时间被计算为落入每个相移相电流周期的理想采样时间部分内。
如果控制器122向开关元件126发信号表示在时间上移位两个采样时间，那么在采样时间之间不会有任何冲突。然而，利用两个完全独立的开关频率，由控制器122所计算的采样时刻可能在近似相同的时刻排齐(line up)。在这种情况下，A/D转换器124不可能同时采样所有四个相电流。虽然可以向一组逆变器相电流给予优先级，由此使另一组逆变器相电流的采样点从其理想的采样时刻延迟，但是可能会产生电流采样误差并且反馈信号可能会被破坏并且逆变器115、117的电动机控制性能可能会被降级。尽管可以补偿在非理想的采样时刻中所感应的电流采样误差，不过这种补偿可能会要求显著的处理器计算能力。据此依照本发明的实施例，有益地是，控制器122保证了信号130、132的采样时刻决不会与信号134、136的采样时刻重叠，而不管多电动机系统100的电动机105、107的独立可变频率操作。
由于A/D转换器124具有期间不能获取另外的样本的有限转换时间，所以控制器122还利用由时钟128所产生的时钟信号来计算相电流采样时间，以便在不能获取另外的相电流组采样的每个相电流组采样时间之后调节与所述A/D转换器124相关联的已知有限转换时间。
因此依照本发明的实施例，控制器122计算相电流的采样时间并且向开关元件126提供适当的采样时间信号以便控制向用于其采样的A/D转换器124提供相电流。参照图2，依照本发明实施例的控制器122的操作的流程图200最初确定多电动机系统100是否已经在202处通电。
当控制器122确定电动机系统100已经在202处通电时，从电动机控制逆变器115、117之一的最大开关频率中选择最大想要的开关频率(fmax)204。接下来，把基本周期(Tbase)定义为最大开关频率的周期(1/fmax)206。例如，对于最大开关频率12kHz来说，基本周期为83.33μsec。
然后，把相移时间延迟(tshift)定义为基本周期的零数(fractionalamount)208(即，tshift＝kshiftxTbase，其中0＜kshift＜1)。kshift值必须在两个采样时刻之间提供足够的分隔，以便允许A/D转换器124采样并且在开始对第二逆变器117的采样之前完成对第一逆变器115的转换。值二分之一(kshift＝1/2)提供了最大分隔同时当两个逆变器115、117以最大想要频率操作时使抵消质量最大化，并且被作为在两个电动机控制采样时间的开始时间之间的时间延迟引入。
典型情况下，两个逆变器115、117大部分时间以最大想要的开关频率(fmax)操作，并且当以fmax操作时，PWM信号的周期的相移可以帮助减少位于电容器119上的AC电流应力，这是因为当两个逆变器115、117以相同的开关频率运行时，由于馈送到电容器119的AC波纹电流中的一百八十度(180°)相移的缘故会出现抵消。
接下来，控制器122定义用于第一相电流(即，第一逆变器115的信号130、132的相电流)的第一采样时间(T1)210。接下来，控制器122响应于第一采样时间和相移时间延迟(T2＝T1+tshift)211来确定第二相电流(即，第二逆变器117的信号134、136的相电流)的第一采样时间(T2)。
然后控制器122的处理确定时间为第一相电流采样时间212、第二相电流采样时间214还是断电时间216。响应于为那些本领域技术人员公知的操作条件(例如，对电动机系统100断电)来确定断电时间216。
当时间为第一相电流采样时间212时，控制器122向开关126提供信号218以便把来自第一逆变器相电流的信号130、132耦合到A/D转换器124的输入。然后控制器122响应于在切换时间之间的开关频率来计算用于第一逆变器相电流的下一采样时间220，所述切换时间为基本周期的整数倍(N)(例如，T1＝T1+Tsw，其中Tsw＝NxTbase)。下面的表1提供了当使用最大开关频率12kHz时的可能开关频率的列表。该表停止在2kHz，但是可以通过另外整数增加Tbase延长采样周期来任意地使频率更低。所建议的技术允许大范围的可选开关频率，然而在没有不想要的延迟时间的情况下保证信号的同步采样。另外的好处包括减少了由于波纹电流抵消所带来的电容器119的应力。
  Ts[usec]   fsw[kHz]
  83.33   12.0
  166.67   6.0
  250.00   4.0
  333.33   3.0
  416.67   2.4
  500.00   2.0
表1
在计算第一相电流的下一采样时间220之后，处理返回到确定时间为下一第一相电流采样时间212、下一第二相电流采样时间214还是断电时间216。
当时间为第二相电流采样时间214时，控制器122向开关126提供信号222以便把来自第二逆变器相电流的信号134、136耦合到A/D转换器124的输入。然后控制器122计算第二相电流的下一采样时间224。还响应于在切换时间之间的开关频率来计算用于第二相电流的下一采样时间224，所述切换时间为基本周期的整数倍(即，T2＝T2+Tsw，其中Tsw＝NxTbase)。在计算用于第二相电流的下一采样时间224之后，处理返回到确定时间为下一第一相电流采样时间212、下一第二相电流采样时间214还是断电时间216。
依照本发明的实施例利用切换时间(Tsw)来计算采样时间和用于第二相电流采样时间的相移时间延迟(tshift)提供了可变频率操作，同时保证恒定地分隔了两个独立逆变器115、117的A/D转换器124的采样时刻，使得单个采样时刻决不会重叠。
参照图3，时序图300依照本发明的实施例图示了由控制器122的操作所定义的采样时间和开关频率。在具有固定开关频率12kHz的线302上示出了信号130、132的第一相电流采样时间，其中12kHz还是基本周期(Tbase)304。虽然第一相电流采样时间在时序图300中被示为具有固定开关频率12kHz，但是根据本发明的实施例在不违反分隔A/D转换器124的采样时刻的情况下，可以把开关频率改变为基本周期的任何整数倍(即，NxTbase)，这对那些本领域技术人员来说是公知的。
在初始第二逆变器相电流采样时间之前具有相移时间延迟(tshift)308并且具有在基本周期整数倍的随后采样时间(Tsw＝NxTbase)之间的开关频率的线306上示出了信号134、136的第二相电流采样时间。从时序图300中可以看出如果用于第一相电流采样时间302和第二相电流采样时间306的开关频率以最大开关频率(即，12kHz)的周期连续地切换，那么由于相移时间延迟(tshift)308的缘故，采样时刻会保持为恒定的时间间隔。即使当依照基本周期(Tbase)的整数倍来改变第二相电流采样时间306的切换周期时，采样时刻也至少保持最小的分隔量。
从而可以看出本发明的实施例使得能够在单个电动机控制处理器120使用其内部有限的输入A/D转换器124的控制下操作两个可变频率电动机控制，诸如逆变器115、117，同时保证当两个逆变器115、117以最大开关频率(fmax)运行时同步相电流采样没有不想要的延迟并且通过电流抵消来减少电容器119的应力。结果，减少了多电动机系统100的成本及其组成部分数量。
虽然在上面详细描述中已经给出了至少一个示例性实施例，但是应当理解，存在许多的变化。还应当理解，一个或多个示例性实施例只是例子，并且不旨在依照任何方式限制本发明的范围、适用性或配置。相反，上述详细描述向那些本领域技术人员提供了用于实现一个或多个示例性实施例的便利指示说明。应当理解，在不脱离所附权利要求及其法律等效方式所阐明的本发明范围的情况下，可以在元件的功能和布置上进行各种改变。

Claims (20)

1.一种用于多个可变频率控制电动机的电动机相电流采样的方法，包括步骤：
确定多个可变频率控制电动机中第一个的最大想要的开关频率；
响应于所述最大想要的开关频率来选择基本周期；
把相移时间延迟定义为所述基本周期的一小部分；并且
在响应于所述基本周期和相移时间延迟所确定的采样时间处采样所述多个可变频率控制电动机中每一个的电动机相电流。
2.根据权利要求1所述的方法，其中采样电动机相电流的步骤包括步骤：在与多个可变频率控制电动机之一的其它采样时间相隔基本周期整数倍的采样时间处采样所述多个可变频率控制电动机之一的电动机相电流。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个可变频率控制电动机包括第一可变频率控制电动机和第二可变频率控制电动机，并且其中确定最大想要的开关频率的步骤包括步骤：确定用于所述第一可变频率控制电动机的最大想要的开关频率。
4.根据权利要求3所述的方法，其中采样电动机相电流的步骤包括步骤：在由所述基本周期的整数倍分隔的采样时间处采样所述第一和第二可变频率控制电动机的电动机相电流，其中用于所述第二可变频率控制电动机的初始采样时间在用于所述第一可变频率控制电动机的初始采样时间之后出现相移时间延迟。
5.根据权利要求1所述的方法，其中定义相移时间延迟的步骤包括步骤：把相移时间延迟定义为所述基本周期一半。
6.根据权利要求1所述的方法，其中采样电动机相电流的步骤包括步骤：由模拟到数字(A/D)转换器来采样所述多个可变频率控制电动机中每一个的电动机相电流。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述A/D转换器是双输入A/D转换器，并且其中采样所述多个可变频率控制电动机之一的电动机相电流的步骤包括步骤：在每个采样时间处由所述双输入A/D转换器采样电动机相电流之一的两个信号。
8.一种用于多个可变频率控制电动机的电动机相电流采样的电动机控制处理器，包括：
模拟到数字(A/D)转换器，具有多个模拟输入并且响应于此而产生数字输出信号；和
耦合到所述A/D转换器的控制器，用于确定用于所述多个可变频率控制电动机中第一个的最大想要的开关频率，所述控制器进一步响应于所述最大想要的开关频率来选择基本周期并且把相移时间延迟定义为所述基本周期的一小部分，其中所述控制器控制所述A/D转换器的多个模拟输入，以便在由所述控制器响应于所述基本周期和相移时间延迟所确定的采样时间处采样所述多个可变频率控制电动机中每一个的电动机相电流。
9.根据权利要求8所述的电动机控制处理器，其中所述控制器控制所述A/D转换器的多个模拟输入，以便在被所述基本周期整数倍分隔的采样时间处采样所述多个可变频率控制电动机中每一个的电动机相电流。
10.根据权利要求8所述的电动机控制处理器，其中所述多个可变频率控制电动机包括第一可变频率控制电动机和第二可变频率控制电动机，并且其中所述控制器确定用于所述第一可变频率控制电动机的最大想要的开关频率。
11.根据权利要求10所述的电动机控制处理器，其中所述控制器控制所述A/D转换器的多个模拟输入以便在由所述基本周期整数倍分隔的采样时间处采样所述第一和第二可变频率控制电动机的电动机相电流，其中用于所述第二可变频率控制电动机的初始采样时间在用于所述第一可变频率控制电动机的初始采样时间之后出现相移时间延迟。
12.根据权利要求8所述的电动机控制处理器，其中所述控制器把相移时间延迟定义为所述基本周期的一半。
13.根据权利要求8所述电动机控制处理器，其中所述A/D转换器是包括两个模拟输入的双输入A/D转换器，所述电动机控制处理器进一步包括耦合到所述控制器和所述A/D转换器的两个模拟输入的开关元件，并且其中所述控制器控制所述开关元件在用于由所述双输入A/D转换器采样所述电动机相电流的每个采样时间处把所述A/D转换器的两个模拟输入连接到所述多个可变频率控制电动机之一的电动机相电流之一的两个信号。
14.根据权利要求8所述的电动机控制处理器，其中所述A/D转换器向所述控制器提供数字输出信号。
15.一种多电动机系统，包括：
第一可变频率控制电动机，具有与其相关联的最大想要的开关频率；
第二可变频率控制电动机；
用于产生计时信号的时钟；和
模拟到数字(A/D)转换器，具有耦合到所述第一和第二可变频率控制电动机的多个模拟输入，并且响应于所述多个模拟输入来产生数字输出信号，其中所述A/D转换器在响应于所述计时信号和基本周期所确定的第一采样时间处采样所述第一可变频率控制电动机的电动机相电流，并且在响应于所述计时信号、基本周期和相移时间延迟所确定的第二采样时间处采样所述第二可变频率控制电动机的电动机相电流，其中响应于所述第一可变频率控制电动机的最大想要的开关频率来选择所述基本周期并且把所述相移时间延迟定义为所述基本周期的一小部分。
16.根据权利要求15所述的多电动机系统，其中所述第一采样时间均按照所述基本周期的整数倍分隔，并且其中所述第二采样时间也都按照所述基本周期的整数倍分隔。
17.根据权利要求15所述的多电动机系统，其中初始的第二采样时间在初始的第一采样时间之后出现相移时间延迟。
18.根据权利要求15所述的多电动机系统，其中所述A/D转换器是包括两个模拟输入的双输入A/D转换器，所述多个电动机系统进一步包括在所述电动机相电流和所述A/D转换器的两个模拟输入之间耦合的开关元件，所述开关元件用于接收来自所述控制器的信号以便在每个采样时间处把所述多个可变频率控制电动机中的第一或第二个的电动机相电流的两个信号耦合到所述A/D转换器的两个模拟输入。
19.根据权利要求15所述的多电动机系统，进一步包括电动机控制处理器，用于响应于所述A/D转换器的数字输出信号来控制所述第一和第二可变频率控制电动机，其中所述电动机控制处理器还耦合到所述时钟和所述A/D转换器的多个模拟输入以控制所述A/D转换器的多个模拟输入，以便在各自的第一和第二采样时间处采样所述多个可变频率控制电动机中的第一和第二个的电动机相电流。
20.根据权利要求19所述的多电动机系统，其中所述A/D转换器是所述电动机控制处理器的内部A/D转换器。
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