CN101610056A - 用于动态电动机制动的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本文公开了一种用于动态电动机制动的方法和系统。该方法包括：通过间歇地使电动机绕组短路以在换向序列的非供电期间将电动机内的反向能量(270)耗散在电动机绕组内。通过同时接通三相桥电动机控制器中连接到电压电源或连接到地线的所有的开关来使电动机绕组短路。
Description
技术领域
本发明一般地涉及电动机，尤其涉及用于电动机动态制动的控制方案。
背景技术
当直流电动机旋转时，各绕组产生称为反电动势或反EMF的电压，其对抗供给绕组的电源电压。在正常运行条件下，反EMF的极性与电动机电源电压的极性是反向的。三相逆变器桥配置用于控制电动机转速和扭矩。
一般地，例如是制动电阻器的外部硬件电路用来抵消电动机所产生的反EMF。然而，由于这需要额外的硬件，因此定义动态电动机制动方案以抵消反EMF是有利的。
在用于医学影像手术中的血管歪斜手术台(table)的示例中，手术台使用BLDC(Blade Less Direct Current)电动机来定位工作台。当电动机旋转时极性与电源电压的极性相反的反EMF产生。当工作台向重力方向移动时，电动机在发电模式下起作用并且反EMF的极性反向。在发电模式中，反EMF增强电源电压。在此模式期间，电动机将能量注回电压电源，从而使电源电压增加到特定限制之上，这就可能致使工作台电子件的破坏。因此需要耗散反向能量，按照惯例，通过使用制动电阻器来完成。这些电阻器相对较大并产生热。而且这些制动电阻器不能与电动机相关的正常开关电路一起封装，因而不得不单独封装。
因此，需要在没有任何外部硬件电路的情况下通过耗散反向能量将电源电压保持在容许极限内。
发明内容
上文所提的缺点、不足和问题在本文进行了解决，通过阅读和理解下面的说明也可对其理解。
本发明的一个实施例提供了一种用于动态电动机制动的方法。该方法包括：在换向序列(commutation sequence)的非电流供应期间，通过间歇地使电动机绕组短路以将电动机内的反向能量耗散在电动机绕组内，其中，通过同时接通三相桥电动机控制器中所有的连接到电压电源或地线的开关来使电动机绕组短路。
在另一个实施例中，公开了一种电动机制动方法。该方法包括：提供用于控制电动机的脉冲带宽调制(PWM)信号；使用PWM信号触发三相桥电动机控制器，其中三相桥电动机控制器可配置成具有并联连接的三个支线(leg)，各支线具有串联连接的上部开关和下部开关，并且其中，所有支线中的上部开关和下部开关一起分别组成第一行和第二行；并且同时接通一行中的所有开关，该行是基于检测各行中的至少两个工作开关来进行选择的。
在另一个实施例中，公开了一种制动无电刷式直流电动机的方法。该方法包括：提供具有并联连接的三个支线的三相桥电动机控制器，各支线具有串联连接到电压电源的上部开关和连接到地线的下部开关，其中这些支线的上部开关和下部开关配置成第一行和第二行；识别电动机内所产生的反向能量；选择至少一个在非电流导通期间在一行中具有至少两个工作开关的该行；激活所选行中的非工作开关；以及通过电动机绕组耗散反向能量。
在另一个实施例中，公开了一种电动机制动系统。该系统包括：以预定换向序列产生脉冲带宽调制(PWM)信号的脉冲带宽发生器；多个连接为三相桥电动机控制器的开关；和配置成产生关于所产生的反向能量的开关控制信号的处理器，该开关控制信号可配置成触发开关以便电动机绕组间歇地短路。
在另一个实施例中，公开了一种病人手术台。该手术台包括：在多个方向可移动的承载病人的部件；用于控制承载病人的部件运动的无电刷式直流(DC)电动机；具有并联连接的三个支线的三相桥电动机控制器，各支线具有串联连接到电压电源的上部开关和连接到地线的下部开关，这些支线的上部开关和下部开关可分别配置成第一行和第二行；以及配置成产生基于检测到的反向能量接通一行内的所有开关的控制器，所述行基于识别一行内至少两个工作开关来检测。
本发明的不同其它特征、目的和优点对于阅读过附图和其具体实施方式的本领域技术人员而言是显而易见的。
附图说明
图1是可配置成用于本发明实施例所描述的耗散反向能量的方法中的三相桥电动机控制器；
图2是图示使用图1所描述的三相桥电动机控制器的制动方法的流程图；
图3是示出了本发明实施例所描述的DC电动机的改进换向序列的波形图；
图4是图示了本发明另一个示例性实施例所描述的电动机制动方法的流程图；
图5是图示了制动本发明实施例所描述的无电刷式DC电动机的方法的流程图；
图6是本发明实施例所描述的电动机制动系统的结构图；
图7是本发明实施例所描述的病人手术台的结构图；
图8是血管歪斜病人手术台运动控制器的结构图，该控制器具有本发明实施例所描述的制动系统。
部件列表
| 图1 | |
| 100 | 三相桥电动机控制器 |
| 105 | 第一行 |
| 110 | 第二行 |
| 图2 | |
| 210 | 检查电动机电流的操作 |
| 220 | 检查直流电压的操作 |
| 230 | 识别反向能量的操作 |
| 240 | 识别两个工作开关的操作 |
| 250 | 接通第一行中非工作开关的操作 |
| 260 | 接通第二行中非工作开关的操作 |
| 270 | 耗散反向能量的操作 |
| 280 | 检查直流电压的操作 |
| 290 | 正常电动机换向序列的操作 |
| 图4 | |
| 410 | 提供脉冲带宽调制信号的操作 |
| 420 | 触发三相桥电动机控制器的操作 |
| 430 | 接通所有开关的操作 |
| 图5 | |
| 510 | 提供三相桥电动机控制器的操作 |
| 520 | 识别反向能量的操作 |
| 530 | 选择至少一行的操作 |
| 540 | 激活行中所有开关的操作 |
| 550 | 耗散反向能量的操作 |
| 图6 | |
| 600 | 电动机 |
| 610 | 脉冲带宽调制产生器 |
| 620 | 三相桥电动机控制器 |
| 630 | 处理器 |
| 图7 | |
| 710 | 承载病人的病人携带部件 |
| 720 | 直流电动机 |
| 730 | 三相桥电动机控制器 |
| 740 | 控制器 |
| 图8 | |
| 810 | 电源 |
| 820 | 数字信号处理器 |
| 830 | 现场可编程门阵列 |
| 840 | 驱动单元 |
| 850 | 电动机 |
| 860 | 伺服放大器 |
具体实施方式
在下面的具体实施方式中，需参考形成本文一部分的附图，并且附图可借助可实施的具体实施例来表示。这些实施例被足够详细地描述，以使本领域技术人员能够实施实施例。还应当了解到，可使用其它实施例，并且在不脱离实施例范围的情况下，可作出逻辑的、机械的、电的和其它的改变。因此以下的具体实施方式不作为限制本发明的范围。
本发明的不同实施例提供了控制方案，该控制方案通过在电动机绕组内循环电流来在电动机绕组中耗散反向能量。本发明有助于耗散反向能量而不使用任何外部硬件电路。反向能量在电动机绕组自身内耗散。在一个实施例中，反向能量通过使电动机绕组间歇地短路来耗散，以便电动机绕组充当耗散反向能量的电阻器。
在一个实施例中，公开了DC电动机控制的病人手术台。电动机由三相桥电动机控制器控制。控制方案被限定用来耗散反向能量和调整电动机速度。
在说明书中提及的用语“反向能量”是指产生的反EMF。
图1是可配置成用于本发明实施例所描述的耗散反向能量的方法中的三相桥电动机控制器。三相桥电动机控制器100包括并联连接的三个开关支线L1、L2、L3。各支线包括两个串联连接的开关。第一支线L1包括两个开关S1和S2，第二支线L2包括两个开关S3和S4，且第三支线L3包括两个开关S5和S6。开关S1、S3、S5(也就是在各支线中的上部开关)连接到电源电压(“+”)并且组成第一行105。支线中的下部开关S2、S4和S6连接到地线(“-”)并且组成第二行110。三相桥电动机控制器100通过脉冲带宽调制(PWM)信号来触发。在任何点，三相桥电动机控制器100的两相基于电动机转子位置通电。转子位置可从霍尔传感器(未示出)中获得，假定转子在一个位置，直到霍尔传感器输出有变化为止。在正常的换向序列中，S2和S4或S3和S1可接通，以致电动机旋转。反EMF在电动机绕组内产生。这反向能量在惯性滑行期间或换向序列的非电流导通期间被耗散。在惯性滑行期间，S1和S3或S2和S4闭合，以便反向能量可耗散到外部电路。
在实施例中，不是将反向能量耗散到外部电路，而是电动机绕组被间歇地短路以在电动机绕组内耗散反向能量。在实施例中，在惯性滑行期间，通过接通S5或S6来实现电动机短路。如果S1和S3导通，S5被迫导通或“ON”，使得电动机短路，并且电动机电阻充当反向能量耗散在其上的电阻器。类似地，当S2和S4导通时，开关S6接通以使电动机绕组短路。
图2是图示使用图1所描述的三相桥电动机控制器的制动方法的流程图。所产生的反向能量和换向序列的惯性滑行期间不得不被识别以在电动机惯性滑行期间在电动机绕组内耗散反向能量。在步骤210，检查电动机电流的方向。在电动机的发电机模式期间，反向能量将增强电源电压。如果电流被检测到小于0，断定电流方向是反方向。如果电流方向是正常的，电动机使用如步骤280所示的正常换向序列运行。在步骤220中，如果检测到电流为负的，则检查电源电压。不允许电源电压或DC母线电压大于预置值。由于在发电机模式期间，反EMF或反向能量帮助母线电压，运行母线电压可超过DC母线电压。预置可容许极限被确定为上有效电压。如果DC母线电压小于可容许极限，电动机可配置成遵循步骤280的正常换向序列。然而，如果识别DC母线电压超过允许的预置可容许极限，并且如果电动机电流小于0，那么反向能量在步骤230中检测到。在步骤240中，在非电流导通期间工作的开关被识别。在惯性滑行期间，一行中至少两个开关是工作的。所选行中的第三个开关是接通的以便使电动机绕组短路。如果上部开关S1和S3是导通的，开关S5也被导通以便电动机绕组如步骤250所示一样短路。类似地，如果下部开关是导通的(也就是如果S2和S4是导通的)，那么开关S6也导通，如步骤260所示的一样。因而在步骤270中，通过使电动机绕组短路，反向能量通过一系列的开关S1、S3、S5或S2、S4、S6耗散。在步骤280作检查，以确定DC母线电压是否大于运行母线电压。如果DC母线电压大于运行母线电压，重复步骤230至270以耗散反向能量。当检测到DC母线电压小于运行母线电压时，电动机遵循步骤290所示的正常换向序列。
图3是示出了本发明实施例所描述的DC电动机的换向序列的波形图。脉冲带宽调制(PWM)信号具有上限USL和下限LSL，基于上下极限，确定脉冲调制信号的占空比。波形图示出了50％的占空比。操作电压V1设置在特定水平，并且母线电压的可容许上限保持在V2。V2大于V1，并且基于应用决定该差别。示出了S1至S4的切换顺序，并且S5和S6的波形标示了一些点，在这些点上，这些开关导通以使电动机绕组短路。应当注意的是，当S1和S3是ON时，S5切换到ON，类似地，当S2和S5是ON时，使S6ON以使电动机短路。因而基于电动机短路需求来修改PWM信号。电动机绕组的短路频率和持续时间可依赖于电动机转速、母线电压、所产生的反EMF等。
图4是图示了本发明另一个示例性实施例所描述的电动机制动方法的流程图。在步骤410，提供PWM信号以便控制电动机。在步骤420，使用PWM信号触发三相桥电动机控制器。三相桥电动机控制器具有并联的三个支线，各支线具有串联连接的两个开关。各支线中的上部开关连接到电压电源，并且各支线的下部开关连接到地线。各支线中的上部开关和下部开关一起各自组成第一行和第二行。识别电动机绕组内所产生的反向能量，并且通过检查电流方向和有效的电源电压来对其识别。在步骤430，一行中的所有开关在非电流导通期间被激活。为此，识别在非电流导通期间具有两个工作开关的行，且使该行中的第三开关活动以便使电动机短路。一旦电动机短路，电动机充当电阻器，并且反向能量耗散在电动机绕组中。基于电动机转速、电动机输入电压和电动机内产生的反向能量来确定电动机短路的频率和持续时间。在电动机的非电流导通或惯性滑行期间，反向能量被耗散。
图5是图示了制动本发明实施例所描述的无电刷式DC电动机的方法的流程图；在步骤510，提供三相桥控制器以控制电动机的旋转。三相桥电动机控制器具有三个并联连接的支线，各支线具有两个串联连接的开关。各支线中的上部开关连接到电压电源，且各支线中的下部开关连接到地线。上部开关和下部开关各自组成第一行和第二行。在步骤520中，识别电动机内所产生的反向能量。在发电机模式下，反向能量辅助电动机输入电压，且电动机输入电压倾向于高于容许的电动机输入电压。在这点上，需要耗散所产生的反向能量。在步骤530中，在非电流导通阶段，识别出具有两个工作开关的一排开关。在惯性滑行期间，一行中至少两个开关将是工作的并且该行被识别。在步骤550，所选行中的非工作开关被激活以使电动机绕组短路。如果选中第一行，所有支线中的所有上部开关将被激活，并且如果选中第二行，所有支线中的所有下部开关将被激活。在步骤560，反向能量通过电动机绕组耗散。
图6是如本发明实施例所描述的电动机制动系统的框图。该系统用于控制电动机600。系统包括配置成产生脉冲带宽调制信号的PWM产生器610。PWM信号的占空比可基于应用变化。产生的PWM信号具有上限和下限以限定占空比。提供有三相桥电动机控制器620与PWM产生器610关联。三相桥电动机控制器620在图1得到了详细地说明。三相桥电动机控制器620通过PWM产生器610产生的PWM信号来触发。三相桥电动机控制器620可配置成具有多个开关，其布置成基于预定换向序列控制电动机。处理器630可配置成改变换向序列以在电动机绕组内耗散反向能量。处理器630可配置成接通三相桥电动机控制器620的一行中的所有开关，以使电动机绕组短路，并且反向能量可耗散在电动机绕组内。处理器630也可配置成基于电动机转速、产生的反EMF或母线电压或有效的可编程母线电压来确定电动机短路的持续时间和频率。此外，处理器630可配置成与电动机相互作用，且识别在电动机绕组内产生的反向能量。可提供接口以使PWM产生器610和三相桥电动机控制器620连接起来。也可提供驱动单元以驱动三相桥电动机控制器620。
图7是如本发明实施例所描述的病人手术台的结构图。病人手术台具有承载病人的部件710。承载病人的部件710在垂直方向以及水平方向是可移动的。提供无电刷式DC电动机720以控制病人手术台的移动。提供三相桥电动机控制器730以控制电动机。三相桥电动机控制器可配置成接收PWM信号，基于PWM信号确定电动机的换相。三相桥电动机控制器在图1中得到了详细地描述。控制器740可配置成基于应用改变换向序列。控制器740可配置成识别在电动机绕组内产生的反向能量，并且基于相同的换向序列调整以使电动机间歇地短路以将反向能量耗散到电动机绕组。在实施例中，控制器740可配置成接通一行中所有开关以使电动机绕组短路。
图8是血管歪斜病人手术台运动控制器的结构图，该控制器具有如本发明实施例所描述的制动系统。电源810用来将电功率供给病人手术台中不同的电气部件和相关的病人手术台移动系统。数字信号处理器(DSP)820可配置成产生脉冲带宽调制信号，并处理该信号以改变换向序列。接口，例如场可编程门阵列(FPGA)830，可配置成将DSP820耦合到伺服放大器850。驱动单元840用来驱动伺服放大器850。三相桥电动机控制器是伺服放大器850的一部分。伺服放大器850可配置成控制电动机860。DSP820识别反向能量，并且基于识别的反向能量改变换向序列。
因此，所建议的电动机方案间歇地使电动机绕组短路，以便电动机旋转不受影响。本发明不同实施例的优点包括消除了使用耗散反向能量的外部硬件。此外，该方法通过提供速度调节并避免对象的抖动有助于提高手术台或通过电动机移动的其它对象的性能。此外本发明允许可编程的电压限制来检测反向能量，且有助于提高速度调节。此外由于反向能量持续地耗散，减少了电磁干扰。该技术允许各轴电动机独立地耗散反向能量，因而不具有单点失效，因此，如果使用电动机来控制病人手术台可提高病人的安全性。
因而本发明的不同实施例描述了用于电动机制动的控制方案。
如本文所使用的那样，以单数形式修饰并接以单词“一个”或“一”的元件或步骤应该理为不排除所述元件或步骤的复数形式，除非这种排除明确地陈述过。此外，参考本发明的“一个实施例”不能解释为排除了也引入所陈述特征的额外实施例的存在性。
上文对示例性实施例进行了详细地描述。组件和方法不限于本文所描述的特定实施例，相反地，各组件的部件和/或方法可以独立地使用，并且与本文所描述的其它部件分隔开。此外，工作流所包含的步骤无需按照图中说明的顺序，并且工作流中的所有步骤无需必要地执行以完成该方法。
尽管已参考优选实施例描述了本发明，本领域技术人员将意识到，在不脱离本发明精神的情况下可做某些替代、变更和省略。因此，上述内容仅是示例性的，并且不应该限制本发明在下列权利要求中提出的范围。
Claims (10)
1.一种用于动态电动机制动的方法，包括：
通过间歇地使电动机绕组短路以在换向序列的非电流提供期间将电动机内的反向能量(270)耗散在电动机绕组内，其中，通过同时接通三相桥电动机控制器中连接到电压电源或连接到地线的所有开关来使电动机绕组短路。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：在控制换向序列的脉冲带宽调制(PWM)控制信号的断开期间，将反向能量(270)耗散在所述电动机绕组内。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述三相桥电动机控制电路中的开关设置成并联连接的三个支线，各支线具有串联连接的上部开关和下部开关，并且其中，各支线上的连接到电压电源的上部开关构成第一行，并且各支线上的连接到地线的下部开关构成第二行。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：在换向序列的非电流提供期间，检测一行中至少两个工作开关(250，260)，并激活该相应行中的第三开关。
5.一种电动机制动方法，包括：
提供用于控制电动机的脉冲带宽调制(PWM)信号(410)；
使用PWM信号触发三相桥电动机控制器(420)，其中，所述三相桥电动机控制器可配置成具有并联连接的三个支线，各支线具有串联连接的上部开关和下部开关，并且其中，所有支线中的上部开关和下部开关分别一起组成第一行和第二行；以及
同时接通一行中的所有开关(430)，该行是基于检测各行中的至少两个工作开关来进行选择的。
6.如权利要求5所述的方法，进一步包括：基于所产生的反向能量、电动机输入电压和电动机速度中的至少一个，控制使所述电动机绕组短路的频率和持续时间。
7.一种制动无电刷式直流电动机的方法，包括：
提供具有并联连接的三个支线的三相桥电动机控制器(510)，各支线具有串联连接到电压电源的上部开关和连接到地线的下部开关，其中支线的上部开关和下部开关分别配置成第一行和第二行；
识别电动机内所产生的反向能量(520)；
选择在非电流导通期间在一行中具有至少两个工作开关的至少一行(530)；
激活所选行中的非工作开关(540)；以及
通过电动机绕组耗散反向能量(550)。
8.一种电动机制动系统，包括：
以预定换向序列产生PWM信号的脉冲带宽发生器(610)；
多个开关，连接为三相桥电动机控制器(620)；
处理器(630)，配置成产生关于所产生的反向能量的开关控制信号，该开关控制信号配置成触发开关以便电动机绕组间歇地短路。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述三相桥电动机控制器(620)配置成具有并联连接的三个支线，各支线具有串联连接的上部开关和下部开关，并且其中分别地，上部开关构成第一行，下部开关构成第二行。
10.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述处理器(630)配置成当检测到电动机内的反向能量时触发一行中的所有开关，所述开关在换向序列的惯性滑行期间被触发。
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| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20091223 |