CN101534084A - 电机系统的dc总线冗余放电 - Google Patents

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CN101534084A CN200910128609A CN200910128609A CN101534084A CN 101534084 A CN101534084 A CN 101534084A CN 200910128609 A CN200910128609 A CN 200910128609A CN 200910128609 A CN200910128609 A CN 200910128609A CN 101534084 A CN101534084 A CN 101534084A
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Abstract

电机系统的DC总线冗余放电：具体涉及使为电机系统中的电机控制电路供电的直流(DC)总线放电的方法和设备。方法包括检测预定放电信号的步骤和作为对检测到预定放电信号的响应而生成操作控制信号的步骤，操作控制信号包括通过无源负载来从DC总线耗散能量的相电流，其中无源负载包括电机系统中电机的电机绕组。该方法也包括向电机控制电路提供操作控制信号以使DC总线通过电机控制电路和电机的电机绕组而放电的步骤。

Description

电机系统的DC总线冗余放电
技术领域
【0001】本发明大体上涉及电机系统，更具体来说，涉及电机系统中直流(DC)总线冗余放电(redundant discharge)的方法和设备。
背景技术
【0002】电机系统通常包括电机控制电路，例如逆变器。通过直流(DC)总线向电机控制电路供电，直流(DC)总线具有连接在DC总线的高压节点和低压节点之间的DC总线电容器。当DC总线的电源中断时，存储在DC总线电容器中的能量一般通过将DC总线连接至专用放电电路来释放，专用放电电路通常包括大电阻器或者其他的耗能器件以使DC总线电容器放电。用于减少系统电力损失(即，由于连续连接耗能器件到DC总线而引起的那些系统电力损失)的传统专用放电电路，仅在需要放电功能时才被主动连接至DC总线，这既增加了电机控制电路系统(circuitry)的尺寸也增加了其成本。
【0003】因此，希望提供一种使用现有电路系统来执行所需的放电功能的DC总线放电方案。此外，希望提供一种无需外来信息的可靠的DC总线放电方案。而且，从后续的具体实施例和所附权利要求并结合附图及前文的技术领域和背景技术，本发明的其他所希望的特点和特征将变得显而易见。
发明内容
【0004】提供了一种电机系统，用于使为电机系统的逆变器供电的直流(DC)总线冗余放电。电机系统包括电机、逆变器、DC总线、第一处理器和第二处理器。逆变器连接于电机并为电机提供电力控制。DC总线连接于逆变器并向逆变器提供电力。第一处理器生成第一操作控制信号，第一操作控制信号包括响应于在第一处理器处接收到的转矩指令而提供给逆变器的相电流。另外，作为对检测到预定放电信号的响应，第一处理器生成无源负载放电操作控制信号，无源负载放电操作控制信号包括通过包含电机的电机绕组在内的无源负载来从DC总线耗散能量的相电流。第二处理器连接于第一处理器以从第一处理器接收第一操作信号和无源负载放电操作控制信号，并将这样的信号提供给逆变器。作为对检测到第一操作控制信号和无源负载放电操作控制信号这两者的缺失和检测到预定放电信号的响应，第二处理器也生成用于提供给逆变器的第二操作控制信号，第二操作控制信号包括波纹电流操作控制信号以将波纹电流引入到逆变器中，从而使DC总线通过电机的电机绕组放电。
【0005】提供了一种使为电机系统中的电机控制电路供电的直流(DC)总线放电的方法。该方法包括检测预定放电信号的步骤和作为对检测到预定放电信号的响应而生成操作控制信号的步骤，操作控制信号包括通过无源负载来从DC总线耗散能量的相电流，其中无源负载包括电机系统中电机的电机绕组。该方法也包括向电机控制电路提供操作控制信号以使DC总线通过电机控制电路和电机的电机绕组而放电的步骤。
附图说明
【0006】以下将结合下面的附图来描述本发明，其中相似的标号指代相似的元件，以及
【0007】图1示出了根据本发明的实施例的电机系统的框图；
【0008】图2示出了根据本发明的实施例的图1中电机系统的电机的主动放电电流方向图；
【0009】图3示出了根据本发明的实施例的图1中电机系统的第一处理器的放电操作信号发生器的工作流程图；
【0010】图4示出了根据本发明的实施例的图1中电机系统的第二处理器的二次放电方法；以及
【0011】图5示出了根据本发明的实施例的图1中电机系统的第二处理器的放电操作信号发生器的工作流程图。
具体实施方式
【0012】下面的具体实施例实质上仅为示例性的，并不旨在限制本发明或者本发明的应用和使用。而且，也无意受到在前面的技术领域、背景技术、发明内容或者下面的具体实施例中所介绍的明示或者默示的理论的约束。
【0013】参照图1，根据本发明的一个实施例的电机系统100包括三相电机110，例如凸极式电机(如同步磁阻电机或永磁电机)或者非凸极式电机(如感应电机)，三相电机110响应于来自逆变器120的信号而运转。为电机110提供电力控制的逆变器120连接在电源140的直流(DC)总线线路135之间。逆变器120包括开关122到127，并响应于来自第一处理器170和第二处理器180的操作控制信号而工作以向电机110的每一相或电机绕组115提供电压，每一个开关对122/125、123/126和124/127形成逆变器120的相位臂。除了在逆变器120中描绘的开关电路系统，开关122到127可以可替代地由晶体管来实现，例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
【0014】DC总线电容器145连接在DC总线线路135之间以保护逆变器120和电源140。旋转变压器(resolver)160(或者相似的传感器件，或者等同的虚拟软件)连接于电机110以测量转子的位置和检测转子的速度。轴角-数字转换器(resolver-to-digital converter)165将来自旋转变压器160的信号转换成数字信号，并将所检测到的电机110的转子的速度和角度位置的这些数字表达提供给第一处理器170。
【0015】第一处理器170由电源171(如电池171)供电，并且包括依赖于转矩的操作信号发生器172，该发生器从轴角-数字转换器165接收角度位置和检测到的转子转速的数字表达，以及接收从电机110的每一相115感测到的电流信号(Ia、Ib、Ic)。依赖于转矩的操作信号发生器172响应于转矩控制信号(转矩指令T*)而修改测量的相电流表达(Ia、Ib、Ic)以生成用于提供给逆变器120的操作控制信号，转矩控制信号是从更高级别的控制器接收的。
【0016】根据本实施例，第一处理器170也包括放电操作信号发生器174，用于在DC总线135断电时通过无源负载(passive load)来使DC总线电容器145放电，无源负载包括电机110的电机绕组115。依赖于转矩指令的操作信号发生器172在同步参考坐标系(synchronousreference frame)中修改电流信号，并因此将三相电流(Ia、Ib、Ic)转变成两个同步坐标系相电流(Id、Iq)。放电操作信号发生器174也利用同步坐标系相电流(Id、Iq)来生成无源负载放电操作控制信号，如将在下文描述的。
【0017】放电信号检测器175响应于来自更高级别控制器的预定放电信号而生成检测信号，并将检测信号提供给放电操作信号发生器174。作为对接收到检测信号的响应，放电操作信号发生器174响应于同步坐标系相电流(Id、Iq)而生成无源负载放电操作控制信号，并将无源负载放电操作控制信号提供给输出处理器176。
【0018】依赖于转矩指令的操作信号发生器172也将操作控制信号提供给输出处理器176。输出处理器176通常将来自依赖于转矩指令的操作信号发生器172的操作控制信号提供给第一处理器170的输出。作为对接收到检测信号的响应，放电操作信号发生器174在线路178上将信号提供给输出处理器176以抑制来自依赖于转矩指令的操作信号发生器172的操作控制信号，以及相反的，在第一处理器170的输出处提供无源负载放电操作控制信号。
【0019】第二处理器180连接到第一处理器170的输出，输入信号检测器182从输出处理器176接收操作控制信号(或者是由模块172响应于转矩控制信号T*而生成的操作控制信号，或者是由模块174生成的无源负载放电操作控制信号)。第二处理器180连接于电源183，例如电池，并通过放电操作信号发生器184提供冗余放电保护。当输入信号检测器182检测到没有操作控制信号正在从第一处理器170接收，并且放电信号检测器185响应于检测到预定放电信号而生成检测信号时，放电操作信号发生器184生成无源负载放电操作控制信号以使包含DC总线电容器145的DC总线135放电。
【0020】第二处理器180为逆变器120提供冗余放电保护并可以如所示的在专用处理器180中实现，或者可以在已经为逆变器120和/或电机系统100执行控制功能例如故障处理的处理器中实现。
【0021】通过由放电操作信号发生器174、184生成的操作控制信号来将电机110的相电流控制到调制幅度，这样，来自DC总线135的能量耗散于电机110的电机绕组115和电机控制电路120的逆变器损失中。由于电机绕组115中的调制相电流(即，被放电操作控制信号调制的相电流)的目的是使DC总线135放电，因此电机110被控制成就好像它是无源负载使得在电机110中未产生转矩。
【0022】以这种方式，可使用现有的电路系统(即，第一处理器170)来执行DC总线135，包括DC总线电容器145的放电。提供冗余控制的第二处理器180，利用第二放电操作信号发生器184来提供由于在第一处理器170的输出处缺失操作控制信号而引发的冗余放电保护(即，提供用于使DC总线135放电的冗余装置)，如上面所讨论的，也可以在现有电路系统中实现。
【0023】参照图2，根据本实施例的电机110的主动放电电流方向图200，分别在X轴210和Y轴220上描绘了相电流在同步参考坐标系中的q分量和d分量。作为对检测到预定放电信号的响应，可以使用若干种方法来通过无源负载从DC总线135耗散能量，无源负载包括电机110的电机绕组115。这样一种控制电机绕组115中的电机相电流而不产生转矩的方法包括，将相电流调制成仅在电机110的同步参考坐标系的d轴方向。对于凸极式电机，例如内置永磁电机或者同步磁阻电机，希望如图2所示地将相电流控制在电机110的负d轴方向212上。对于非凸极式电机，例如感应电机，需要将相电流控制在正d轴方向214上。无论是将相电流115控制在d轴210的正方向还是负方向上，必须将相电流在q轴220上的分量调制为零。通过控制电机相电流，DC总线135快速地放电，在某这一点电机110的相电流自然地衰减为零。
【0024】参照图3，图中描绘了根据本发明的实施例的电机系统100的第一处理器170的放电操作信号发生器174的工作流程图300。当在步骤302处检测到了来自放电信号检测器175的检测信号时(即，表示来自更高级别控制器的预定放电信号已被放电信号检测器175检测到)，在步骤304处生成包括正的或者负的d轴分量和零q轴分量的放电操作信号。这样，在由向第一处理器170提供放电信号的更高级别控制器所引发的关闭程序(shutdown sequence)期间，放电操作信号发生器174利用不产生转矩的d轴电流来主动使DC总线135放电。
【0025】在步骤308处，向输出处理器176提供放电操作信号以及在步骤310处，在线路178上向输出处理器176提供信号，以信号示意输出处理器176去抑制来自依赖于转矩指令的操作信号发生器172的操作控制信号流，以及相反的，将来自放电操作信号发生器174的放电操作信号提供给第一处理器170的输出。来自第一处理器170的输出处的放电操作信号的供应，在于步骤310处提供给输出处理器的信号的控制下继续，直到放电操作信号发生器174在步骤302处没有再检测到来自放电信号检测器175的检测信号。当没有检测到检测信号时，放电操作信号发生器174在步骤312处停止在线路178上向输出处理器提供信号，借此来允许第一处理器170在第一处理器170的输出处提供来自依赖于转矩指令的操作信号发生器172的操作控制信号。
【0026】参照图4，图中示出了第二处理器180的二次放电方法，用于根据本发明的本实施例的电机系统100的冗余保护。有8种可能的逆变器开关122、123、124、125、126、127的状态组合，当三相-中性点电压(three phase-to-neutral voltage)相加为零时，被称为开关空间向量(SSV)的空间向量可与逆变器开关122、123、124、125、126、127中每一个的状态相关联。开关空间向量形成六边形400，任何落入六边形边界内部的参考输出电压都可以根据每周期平均值通过组合开关空间向量而产生。逆变器开关状态402、404、406、408、410、412是如六边形400的顶点所表示的激活状态(active state)，逆变器开关状态414、416是零状态。
【0027】根据本实施例，当输入信号检测器182检测到缺失控制电压(即，操作控制信号)以及放电信号检测器185检测到预定放电信号时，放电操作信号发生器184使用基于波纹电流的放电方法来使DC总线135放电。放电操作信号发生器184通过操纵电压向量对402/408、404/410、406/412、414/416来将波纹电流引入到逆变器120中以通过电机110的电机绕组115来使DC总线135放电。
【0028】通过响应于向量对402/408、404/410、406/412、414/416而生成放电操作控制信号，放电操作信号发生器184有利地将波纹电流引入到逆变器120中以使DC总线135放电而无需任何关于电机110的负载的转子位置的信息(即，无需感测电流Ia、Ib、Ic或者来自轴角-数字转换器165的信号的任何信息(如，θr或ωr))。
【0029】参照图5，图中描绘了根据本发明的实施例的电机系统100的第二处理器180的放电操作信号发生器184的工作流程图500。当在步骤502处检测到了来自放电信号检测器185的检测信号(即，表示来自更高级别控制器的预定放电信号已被放电信号检测器185检测到)并且在步骤504处来自输入信号检测器182的信号显示没有信号被输入信号检测器182检测到(即，表示在输入信号检测器182处没有检测到操作控制信号)时，在步骤506处响应于向量对402/408、404/410、406/412、414/416而生成放电操作信号，以将波纹电流引入到电机绕组115中，如上文所讨论的。这样，当从第一处理器170未接收到操作控制信号时，放电操作信号发生器184利用波纹电流来主动使DC总线135在由向第二处理器180提供放电信号的更高级别控制器所引发的关闭程序期间放电。
【0030】在步骤508处，向输出处理器188提供放电操作信号以及在步骤510处，在线路189上向输出处理器188提供信号，以信号示意输出处理器188去抑制来自输入信号检测器182的操作控制信号流，以及相反的，将来自放电操作信号发生器184的放电操作信号提供给第二处理器180的输出。来自第二处理器180的输出处的放电操作信号的供应，在于步骤510处提供给输出处理器的信号的控制下继续，直到或者放电操作发生器184在步骤502处没有再检测到来自放电信号检测器185的检测信号，或者放电操作发生器184在步骤504处没有再检测到来自输入信号检测器182的信号，这两种情况表示放电操作信号发生器184处没有接收到输入。当在步骤502处没有检测到检测信号时，放电操作发生器184在步骤512处停止在线路189上向输出处理器提供信号，借此来允许第二处理器180在第二处理器180的输出处提供来自输入信号检测器182的操作控制信号。同样地，当在步骤504处没有检测到来自输入信号检测器182的信号时(即，表示第二处理器180接收到了操作控制信号)，放电操作发生器184也在步骤512处停止在线路189上向输出处理器提供信号，借此来允许第二处理器180向第二处理器180的输出处提供来自输入信号检测器182的操作控制信号。
【0031】从上面的描述中可以看出，利用电机110的电机绕组115的无源负载以及逆变器120的损失，取消了专用总线放电电路。另外，拥有两个独立的总线放电方法使得能够通过提供DC总线135的可靠放电而取消实现总线放电电路的专用硬件，可靠放电是利用现有处理器电路并无需12伏连接，通过电机110的无源负载和逆变器120而实现的。在激活状态期间，电机110上施加有净电压，而在零状态期间，电机110实际上被短路了。调节激活状态和零状态的占空比可以向无源负载施加所期望的输出电压。
【0032】尽管在前面的具体实施方式部分呈现了至少一个示例性实施例，但应当理解，存在大量的变形。也应当理解，示例性实施例或者复数个示例性实施例仅为实例，并不旨在以任何方式限制本发明的范围、应用性或者构型。相反，前面的具体实施方式为本领域技术人员提供了实施示例性实施例或者复数个示例性实施例的方便的路线图。应当理解，在不偏离如在所附权利要求及其法律等同物中所规定的本发明的范围的情况下，可对元件的功能和布置进行各种改变。

Claims (20)

1.一种使为电机系统中的电机控制电路供电的直流(DC)总线放电的方法，该方法包括步骤：
检测预定放电信号；
作为对检测到预定放电信号的响应，生成操作控制信号，操作控制信号包括通过无源负载来从DC总线耗散能量的相电流，其中无源负载包括电机系统中电机的电机绕组；以及
向电机控制电路提供操作控制信号以使DC总线通过电机控制电路和电机的电机绕组放电。
2.权利要求1的方法，其中生成操作控制信号的步骤包括生成这样的操作控制信号的步骤，即该操作控制信号包括通过电机的电机绕组从DC总线耗散能量而控制电机不在其中产生转矩的相电流。
3.权利要求2的方法，其中生成操作控制信号的步骤包括步骤：
生成同步坐标系d轴操作控制信号，该信号被调制以将电机的相电流控制在同步坐标系d轴上，从而通过电机的电机绕组从DC总线耗散能量；以及
生成同步坐标系q轴操作控制信号，该信号被调制以将在同步坐标系q轴上的电机的相电流控制为零。
4.权利要求3的方法，其中同步坐标系d轴包括负d轴和正d轴，并且其中生成同步坐标系d轴操作控制信号的步骤包括生成这样的同步坐标系d轴操作信号的步骤，即该信号被调制以将电机的相电流控制在负d轴方向，从而通过电机的电机绕组从DC总线耗散能量。
5.权利要求3的方法，其中同步坐标系d轴包括负d轴和正d轴，并且其中生成同步坐标系d轴操作控制信号的步骤包括生成这样的同步坐标系d轴操作信号的步骤，即该信号被调制以将电机的相电流控制在正d轴方向，从而通过电机的电机绕组从DC总线耗散能量。
6.权利要求1的方法，还包括步骤：
检测包括相电流在内的操作控制信号的缺失；以及
作为对检测到包括相电流在内的操作控制信号的缺失和检测到预定放电信号的响应，生成波纹电流操作控制信号以将波纹电流引入到电机控制电路中以使DC总线通过电机的电机绕组放电。
7.权利要求6的方法，其中生成波纹电流操作控制信号的步骤包括响应于电机的电压向量对而生成波纹电流操作控制信号以将波纹电流引入到电机控制电路中的步骤。
8.一种用于向电机系统中的电机控制电路提供操作信号的双处理器控制系统，电机控制电路从直流(DC)总线接收电力，双处理器控制系统包括：
用于生成操作控制信号的第一处理器，操作控制信号包括提供给电机控制电路以控制电机系统的电机的相电流，其中，作为对检测到预定放电信号的响应，第一处理器还生成第一无源负载放电操作控制信号，第一无源负载放电操作控制信号包括通过无源负载从DC总线耗散能量的相电流，无源负载包括电机的电机绕组；以及
连接于第一处理器的第二处理器，用于接收操作控制信号和第一无源负载放电操作控制信号，并用于将这样的信号提供给电机控制电路，其中，作为对检测到操作控制信号和第一无源负载放电操作控制信号这两者的缺失和检测到预定放电信号的响应，第二处理器生成用于提供给电机控制电路的第二无源负载放电操作控制信号，第二无源负载放电操作控制信号包括波纹电流操作控制信号以将波纹电流引入到电机控制电路中，从而使DC总线通过电机的电机绕组放电。
9.权利要求8的双处理器控制系统，其中第一处理器包括：
第一放电信号检测器，作为对检测到预定放电信号的响应而生成第一检测信号；
第一操作信号发生器，用于接收转矩指令和响应于该转矩指令而生成操作控制信号；
连接于第一放电信号检测器的第二操作信号发生器，作为对从第一放电信号检测器接收到第一检测信号的响应，生成第一无源负载放电操作控制信号；以及
连接于第一和第二操作信号发生器的输出处理器，作为对没有从第二操作信号发生器接收到放电检测信号的响应，输出处理器向第一处理器的输出提供操作控制信号，以及作为对从第二操作信号发生器接收到放电检测信号的响应，输出处理器向第一处理器的输出提供第一无源负载放电操作控制信号。
10.权利要求9的双处理器控制系统，其中第二操作信号发生器生成第一无源负载放电操作控制信号，第一无源负载放电操作控制信号包括同步坐标系d轴操作控制信号和同步坐标系q轴操作控制信号，其中同步坐标系d轴操作控制信号被调制以将电机的相电流控制在同步坐标系d轴上，从而通过电机的电机绕组从DC总线耗散能量，同步坐标系q轴操作控制信号被调制以将在同步坐标系q轴上的电机的相电流控制为零。
11.权利要求8的双处理器控制系统，其中第二处理器包括：
连接于第一处理器的输入信号检测器，用于从第一处理器接收操作控制信号和第一无源负载放电操作控制信号，以及用于，作为对从第一处理器处既没有接收到操作控制信号也没有接收到第一无源负载放电操作控制信号的响应，生成无输入检测信号；
第二放电信号检测器，作为对在第二放电信号检测器的输入处检测到预定放电信号的响应，生成第二检测信号；
连接于第二放电信号检测器和输入信号检测器的第三操作信号发生器，输入信号检测器用于在检测到既接收到了第二检测信号又接收到了在输入信号检测器检测到的无输入检测信号时生成第二无源负载放电操作控制信号；以及
连接于输入信号检测器和第三操作信号发生器的输出处理器，用于，作为对没有从第三操作信号发生器接收到第二无源负载放电操作控制信号的响应，向电机控制电路提供操作控制信号或者第一无源负载放电操作控制信号，以及用于，当从第三操作信号发生器接受到第二无源负载放电操作信号时，向电机控制电路提供第二无源负载放电操作控制信号。
12.权利要求11的双处理器控制系统，其中，第三操作信号发生器响应于电机的电压向量对而生成第二无源负载放电操作控制信号。
13.一种电机系统，包括：
电机；
逆变器，连接于电机并为电机提供电力控制；
连接于逆变器的直流(DC)总线，用于向逆变器供电；
第一处理器，用于，响应于在第一处理器处接收的转矩指令而生成操作控制信号，操作控制信号包括提供给逆变器的相电流，其中，作为对检测到预定放电信号的响应，第一处理器还生成第一无源负载放电操作控制信号，第一无源负载放电操作控制信号包括通过无源负载从DC总线耗散能量的相电流，无源负载包括电机的电机绕组；以及
连接于第一处理器的第二处理器，用于接收操作控制信号和第一无源负载放电操作控制信号，并用于将这样的信号提供给逆变器，其中，作为对检测到操作控制信号和第一无源负载放电操作控制信号这两者的缺失和检测到预定放电信号的响应，第二处理器生成用于提供给逆变器的第二无源负载放电操作控制信号，第二无源负载放电操作控制信号包括通过无源负载从DC总线耗散能量的相电流，无源负载包括电机的电机绕组。
14.权利要求13的电机系统，其中由第一无源负载放电操作控制信号通过无源负载来从DC总线耗散能量的无源负载还包括逆变器中的能量损失。
15.权利要求13的电机系统，其中第一处理器生成第一无源负载放电操作控制信号，第一无源负载放电操作控制信号包括同步坐标系d轴操作控制信号和同步坐标系q轴操作控制信号，其中同步坐标系d轴操作控制信号被调制以将电机的相电流控制在同步坐标系d轴上，从而通过电机的电机绕组从DC总线耗散能量，同步坐标系q轴操作控制信号被调制以将在同步坐标系q轴上的电机的相电流控制为零。
16.权利要求13的电机系统，其中第二处理器生成第二无源负载放电操作控制信号，第二无源负载放电操作控制信号包括波纹电流操作控制信号以将波纹电流引入到逆变器中，从而使DC总线通过电机的电机绕组放电。
17.权利要求15的电机系统，其中电机是凸极式电机，以及其中同步坐标系d轴操作控制信号包括同步坐标系负d轴操作控制信号。
18.权利要求15的电机系统，其中电机是非凸极式电机，以及其中同步坐标系d轴操作控制信号包括同步坐标系正d轴操作控制信号。
19.权利要求16的电机系统，其中第二处理器响应于电机的电压向量对而生成第二无源负载放电操作控制信号。
20.权利要求13的电机系统，其中逆变器包括多个绝缘栅双极晶体管(IGBT)，多个IGBT响应于在IGBT处接收到的操作控制信号而控制电机的运转。
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PB01 Publication
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