CN102570942B

CN102570942B - 用于监视和控制无刷电动机的系统和方法

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Publication number: CN102570942B
Application number: CN201110315718.6A
Authority: CN
Inventors: E·杰斯克
Original assignee: Empresa Brasileira de Compressores SA
Current assignee: Enbraco Compressor Industry and Refrigeration Solutions Co., Ltd.
Priority date: 2010-09-27
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2015-11-25
Anticipated expiration: 2031-09-26
Also published as: CN102570942A; BRPI1003901B1; EP2622731A2; WO2012040805A3; TR201901790T4; US9160263B2; KR20130108504A; WO2012040805A2; ES2710749T3; US20130300329A1; BRPI1003901A2; EP2622731B1; JP2013538034A

Abstract

本发明涉及用于监视和控制无刷电动机的系统和方法。电动机为三相的并可通过整流器关联至电源。系统包括至少一个操作关联至电动机和整流器的致动器组件。整流器配置成提供连续母线电压和连续参考电压至致动器组件。致动器组件包括配置成同时激励电动机的两相的开关。系统包括至少一个电压观察器，其操作关联至电动机和致动器组件，允许监视电动机非激励相中的感应电压。系统包括至少一个操作关联至电压观察器的控制单元，其配置成当电动机的非激励相中的感应电压读数呈现包含在预设电压间隔内的值时，命令致动器组件的特定开关打开达特定时间间隔以中断供应至电动机的电力。本发明的方法识别无刷电动机非激励相的线圈中出现的瞬态电流以将其消除。

Description

用于监视和控制无刷电动机的系统和方法

技术领域

本发明涉及一种监视和控制系统，可阻止在无刷电动机中不希望的瞬态过电流的形成，以便在其受到呈现相对高扭矩瞬态的负载的影响时优化其操作效率。

本发明还涉及一种用于监视和控制无刷电动机的方法，当所述电动机中产生不希望的瞬态电流时，该方法用于避免电动机磁体的退磁，同时还用于阻止其内部元件损坏。

背景技术

如今，无刷型(无刷DC或BLDC)的永磁电动机经常用在需要操作稳健性以及高效率和低成本的应用中。BLDC的工作原理类似于传统的具有刷的连续电流电动机(DC)，然而，在BLDC中，磁体安装在电动机转子上，且在定子中安装有一组线圈，用于产生可提供相对于电动机的旋转运动的旋转场。此外，与通过具有刷的切换系统顺序地添加线圈的传统DC电动机不同的是，在BLDC中，线圈通过电子系统进行驱动且必须根据与定子相关的转子的位置同步。

在这个意义上，为了使BLDC电动机可通过电子系统进行控制，转子位置应是已知的以允许对电动机线圈的切换进行确定。所述转子位置可使用耦合至电动机的传感器获得，例如霍尔效应传感器和提供电动机的精确控制的合适的解码器，但存在高成本的问题。在例如用于冷却的压缩机的特定的应用中，成本、结构和可靠性因素使得这些传感器的应用在实际中不能实现。

相反，用于控制BLDC电动机的广为人知的技术包括使用来自电动机线圈本身的信息估计相对于定子的转子的位置。已知这一技术是作为无传感器控制，因为其不使用为这一目的特别设计的任何种类的传感器件。一般来说，这一技术基于具有仅仅使用两个线圈的同时驱动的三相电动机的前提，通过其旋转运动的效果，可在电动机的非激励的相中感应出电压的磁场将发生变化。这一电压的幅度，反过来直接与相对于定子的转子的位置相关，并因此其可用于估计电动机的下一个位置的切换的时刻。

已经存在用于处理在无传感器控制中感应电压的公知的技术，以允许对位置进行传感，从而使得可对电动机进行控制。

例如，北美专利申请US2004/200263109描述了一种考虑了BLDC电动机中的感应电压的控制策略，但其仅仅适用于运动中的电动机，即，当电动机已经具有足够的转速时，其中感应电压具有可使用这一技术最小的幅度。如果电动机处于其它操作条件下，则需要使用其它可提供其运动的技术，直到可检测感应电压为止。

日本专利文献JP55005035描述了一种用于启动具有无传感器控制的BLDC电动机的技术。所述技术包括以特定的顺序施加电流至电动机线圈、逐渐增加电动机的位置之间的切换频率，直到电动机达到足够的速度以使得感应电压可被监视。在这一点，电动机进入自控制模式，其中随后基于感应电压发生切换。这一方法的缺陷是在启动过程中可能出现同步的丢失，因为感应电压未被监视。这种同步的丢失可产生高的瞬态电流，其可能引起电动机的退磁。另一缺陷是这一技术对负载的变化非常敏感，当操作在不同的启动扭矩条件下时容易丢失同步。

北美专利US5019756描述了一种具有用于驱动BLDC电动机的4个不同阶段的技术，直到其工作在自动导航模式，其中根据电动机的感应电压进行速度控制。在第一步骤中，施加电流至电动机线圈装置，在零点启动直到最大值，且这一过程通过控制系统将电动机转子对准至现在已知的位置。在第二步骤中，电流传输至第二电动机线圈装置，以在电动机转子上产生希望方向的加速。这一电流在第二线圈中维持一段特定的时间，且一旦达到这一时间，便再次发生至第三线圈装置的切换，开始启动策略的第三步骤。在这一点，电动机已经获得足够的速度，且控制随后监视电动机的感应电压。如果在第三步骤中的预定的时间段中，控制检测到电动机的有效位置，则发生切换且电动机进入第四步骤，其特征在于基于电动机的感应电压进行操作。如果未检测到有效位置，则启动过程将从第一步骤重新开始。然而，这一方法在应用至需要高启动扭矩的负载时，可能不会产生好的结果。所述负载包括例如用于冷却的压缩机，其需要在不平衡的抽吸和排放压力(高启动扭矩)条件下启动。在这些条件下，在启动瞬态时间段期间可能发生电动机驱动失去与感应电压的同步，其导致电动机中内部瞬态电流的形成，且可能对磁体退磁或甚至破坏驱动电流。换句话说，在不平衡的压力条件下，电动机需要高扭矩，直到压缩机设法克服初始瞬态压力。

BLDC电动机中产生的扭矩正比于施加在其上的电流，且正比于由永磁体产生的磁场。基于这一概念，如果在电动机启动过程中需要最大扭矩，考虑到电流与电动机的感应电流同步施加，则将施加在其上的电流增大至最大值便已足够。然而，这一技术可能导致电动机中内部瞬态电流的出现，其不能通过已有技术直接测量，因为只有整流器总线的电流被测量。如前面已经提到的，在电动机轴上极限负载的情况下，瞬态电流可能变大，这是由位置传感和电动机驱动之间的差异而引起的。所述差异来源于感应电压非常低以允许对实际切换的时刻进行识别的事实。

特别地，在BLDC电动机启动的过程中，在需要高的启动扭矩之处可能发生情况，以使得电动机设法获得特定的速度并基于通过其线圈内的感应电压传感确定的位置开始操作。在使用在具有隔断阀或膨胀阀的系统中时，用于冷却的气体压缩机，其需要相对高的启动扭矩，在启动过程中易于受到主扭矩瞬态的影响。在这样的情况下，通过电动机的低速转动的效果，电动机的位置传感受到不利的影响，使得在这些条件下电动机的控制是关键的。换句话说，由于电动机的实际位置和施加至电动机的电压之间的差异，在电动机内部可能出现瞬态电流，其可能获得能引起电动机的内部磁元件损坏的幅度值。通过同样的方式，由于应用中需要的极限负载同时由于扭矩的瞬时和突然变化，瞬态电流的出现还可能发生在电动机的正常操作/工作状态。这些瞬态电流还可能影响功率半导体的尺寸，因为它们必须设计成满足应用中需要的电流水平，从而导致解决方案的最终成本增加。

因此，尚未掌握这样的用于监视和控制低成本BLDC电动机的系统/方法，其能够在启动情况和状态中避免形成内部瞬态电流并且对负载变化具有稳健性。

发明目的

因此，本发明的第一个目的是提供一种低成本的系统/方法，以监视和控制无刷电动机(BLDC-无刷DC)操作，其可阻止电动机中内部瞬态电流的形成，且其还对可能发生在系统中的潜在负载变化是稳健的。

本发明的第二个目的是提供一种系统/方法，其不受可能发生的潜在负载变化的影响，在其受到具有相对高的瞬态扭矩的负载的影响时，其可提供对无刷电动机(BLDC-无刷DC)的操作的监视和控制以优化其操作效率。

本发明的第三个目的是提供一种低成本的系统/方法，其提供对无刷电动机(BLDC-无刷DC)的操作的监视和控制，当所述电动机中产生不希望的内部瞬态电流时，可避免电动机磁体的退磁且还可阻止其内部元件的损坏，在其受到具有高瞬态扭矩的负载的影响时，和电动机启动中一样，改进状态条件中的操作特性。

本发明的第四个目的是提供一种可允许非直接地对无刷电动机(BLDC-无刷DC)的内部瞬态电流进行传感的系统/方法以及一种消除这些电流的算法。

发明内容

通过提供一种用于监视和控制无刷电动机的系统实现本发明的一个或多个目的，其中所述电动机为三相的且通过整流器可关联至电源。系统包括至少一个致动器组件，可操作地关联至电动机和整流器，整流器配置成依次将连续的母线电压和连续的参考电压提供至致动器。所述致动器组件包括配置成同时激励电动机的两个相的开关。此外，系统还包括至少一个电压观察器，可操作地关联至电动机和致动器组件，可允许对电动机的非激励相中的感应电压进行监视。此外，系统还包括至少一个关联至电压观察器的控制单元。当电动机的非激励相中的感应电压的测量值呈现包含在预设电压间隔中的值时，所述控制单元配置成命令致动器组件的特定开关打开达特定时间间隔以中断供应至电动机的电力。

在一个优选的实施例中，控制单元还配置成基于来自电压观察器的信息，识别电动机的位置和/或监视电动机的位置变化。

优选地，控制单元还配置成在电动机的启动过程时间段期间以及在电动机的工作状态时间段期间，基于电压观察器的监视结果提供致动器组件的所述命令。

通过提供监视和控制三相的且可关联至电源的无刷电动机的方法来实现本发明的一个或多个目的。所述电源能够允许将连续母线电压和连续参考电压提供至电动机。该方法包括如下步骤：

i)同时将电能提供至电动机的两个相；

ii)检测电动机的位置发生变化的时刻；

iii)测量电动机的非激励相中的感应电压；

iV)将步骤iii中测量的电动机的非激励相中的感应电压与预设电压间隔进行比较；以及

v)如果步骤iv中进行的比较表明电动机的非激励相中的感应电压呈现包含在预设电压间隔中的值达第二预设时间间隔，则中断供应至电动机的电力达第一预设时间间隔。

换句话说，本发明提供一种非直接传感电动机的内部瞬态电流的技术，以消除内部瞬态电流。更具体地，基于对电动机的非激励终端的电压的分析估计并识别瞬态电流，其中进行这一电压与母线电压DC或参考电压的比较。这一方式，应了解电流传导至整流器单元的正端或传导至源参考，使用这一非直接传感技术可识别电动机的内部瞬态电流的存在。在这两种情形中，电流沿着电动机的逆变桥的续流二极管前进，迫使进入线圈的电压处于总线的电压值或处于参考电压。在识别这些电流之后，执行控制动作以中断供应至电动机的电力达特定时间。

在电动机维持在电气位置中的时间内以及对于电动机的所有的电气位置执行非直接传感和控制动作的过程并重复这二者，以阻止瞬态电流的发展，且除了用于驱动其的功率半导体之外，还保护了电动机的内部磁元件。

附图说明

现在将参照附图更详细地描述本发明，其中：

图1示出了根据本发明的一个优选实施例的用于监视和控制无刷电动机(BLDC-无刷DC)的系统的框图；

图2示出了图1中示出的系统的BLDC电动机驱动的波的形成特性的示意图；

图3示出了图1中示出的系统的BLDC电动机的所有操作阶段的示意图，通过电动机的对准阶段(S1)、开环驱动(S2)以及最终的自动导航模式(S3)开始，其中电动机的速度控制在闭环中进行；

图4示出了在高扭矩瞬态的条件下，以及此外，在来源于BLDC电动机的非激励相中的电压测量点处这一过电流的发生的影响的条件下，图1中示出的系统的BLDC电动机中过电流的发生的示意图。

图5示出了在BLDC电动机的位置“3”，图1中示出的系统的BLDC电动机中以及致动器组件中电流的循环；

图6示出了当BLDC电动机从位置“3”至位置“4”的位置变化发生时，考虑到电动机的开关中PWM关闭的时间段，图1中示出的系统的BLDC电动机的相FC的退磁电流的循环；

图7示出了当BLDC电动机从位置“3”至位置“4”的位置变化发生时，考虑到电动机的开关3中PWM打开的时间段，图1中示出的系统的BLDC电动机的相FC的退磁电流的循环；

图8示出了图1中示出的系统的BLDC电动机中的不希望的内部瞬态电流的循环，在其启动过程中产生，到达BLDC电动机的位置“4”；

图9示出了表示图1中示出的系统的BLDC电动机的内部瞬态电流在BLDC电动机的非激励相中的感应电流中的影响的图；

图10示出了在工作状态中BLDC电动机的位置“4”，根据本发明一个优选实施例表示执行监视和控制无刷电动机(BLDC-无刷DC)的方法的步骤的图；

图11示出了在工作状态中的BLDC电动机的位置“1”，根据本发明一个优选实施例表示执行监视和控制无刷电动机(BLDC-无刷DC)的方法的步骤的图；

图12示出了在BLDC电动机的位置“4”，在执行本发明的监视和控制方法时，图1中示出的系统的BLDC电动机中和致动器组件中的电流循环；以及

图13示出了在BLDC电动机的启动过程中，根据本发明一个优选实施例表示执行监视和控制无刷电动机(BLDC-无刷DC)的方法的步骤的图。

具体实施方式

监视和控制无刷电动机(无刷DC-BLDC)的系统

本发明的主题，用于监视和控制无刷电动机100(无刷DC-BLDC)的系统，以框图的形式原理性地示出在图1中。

无刷电动机100，也称作三相型的无刷DC-BLDC电动机，优选地以星形配置。可选地，也可使用三角形的配置。理解到本发明也可应用于BLDC型的永磁电动机的任何变形是重要的。

电动机100可关联至通过整流器交变的电压源。可选地，电压/连续电流的电源可应用至本发明的系统，这将不需要使用整流器。广泛使用的连续电压源的实例包括DC蓄电池。

优选地，本发明的用于监视和控制的系统应用于电动机，电动机使用在家用、商用或工业冷却设备气体的压缩机中。自然地，除了用于气体压缩机的电动机之外，本发明的系统还可用在其它应用中，假设进行了需要的任何适配。

从图3中可看出，电动机100具有3个操作阶段，其中在第一阶段(S1)，电流逐渐施加至其线圈或相的两个，直到其中电动机转子100的对准发生在已知位置的那一刻。在第二阶段(S2)中，电动机100的新的配置被驱动，以提供电动机100的运动。对于阶段(S3)，电动机100已经获得了足够的速度，从而存在感应电压，且因此可开始闭环操作，提供电动机100的速度控制。本发明的速度和方法可应用在上面提到的阶段(S2)和(S3)中，以允许识别并消除不希望的瞬态电流。

从图1中可看出，本发明的系统包括至少一个可操作地关联至电动机100和整流器的致动器组件200，整流器配置成依次提供连续的母线电压Vbar和连续的参考电压Vref至所述致动器组件200。如果电源为连续型的，其应配置成直接提供连续的母线电压Vbar和连续的参考电压Vref至所述致动器组件200。

进一步根据图1，致动器200包括多个配置成同时激励电动机100的两个相FA、FB；FA、FC；FB、FC的开关SW_1-6，以提供电动机100的运动。开关SW_1-6可包括根据应用的需要设计的继电器、二极管或功率晶体管。

致动器组件200还包括多个续流二极管DI_1-6，其中每一个续流二极管DI_1-6与致动器组件200的每一个开关SW_1-6并联地电关联。所述续流二极管DI_1-6根据电动机100中瞬态电流的产生可将电动机100的非激励相FC；FB；FA中的电压限制并维持(“确保”)在母线电压Vbar的值或参考电压Vref的值(取决于电动机100的位置)。

优选地，致动器组件200包括分成三对的6个开关SW_1-6，且开关SW_1-6的对并联地关联在一起，如图1中所示。在这种情况下，致动器组件200还包括6个续流二极管DI_1-6。

此外，本发明的系统还包括至少一个观察器300(电压传感器或电压测量器)，可操作地关联至电动机100和致动器组件200，可允许对电动机100的非激励相FC；FB；FA中的电压进行监视。

由电压观察器300进行的测量还允许对可操作地关联至电动机100的非激励相FC；FB；FA的至少一个续流二极管DI_1-6中的电压降进行检测。自然地，通过控制单元400的命令获得这一电压降的值，从而可进行后续处理。

根据图1，电压观察器300包括3个独立的测量总线，其中每一个测量线电关联至电动机100的一个相。换句话说，电压观察器300可允许独立地对电动机100的每一个相进行监视。

此外，本发明的系统还包括至少一个控制单元400，可操作地关联至电压观察器300，其包括微控器、微处理器或甚至提供有离散元件的平衡电路、集成电路或执行与微控器或微处理器相同功能的其他模拟或数字电子元件。

值得指出的是本发明的系统用作控制电动机100的位置的基础，该技术由专利文献US2004/0263109描述。通常来说，控制单元400配置成分析电压观察器的测量值并根据电动机100被检测的位置以图2中示出的顺序驱动致动器组件200的开关SW1、SW2、SW3、…、SW6。特别地，图2用梯形波示出了三相型无刷DC的永磁电动机的驱动中存在的理想波形。

控制单元400配置成当电动机的非激励相FC；FB；FA中感应电压的测量值呈现包含在预设电压间隔dV内的值时，命令致动器组件200的特定开关SW_1-6打开达特定时间间隔以中断供应至电动机100的电力，这表明在电动机100的至少一个相中产生瞬态电流。

此外，控制单元400还配置成基于来自电压观察器300的信息识别电动机100的位置和/或监视电动机100的位置变化。

因此，基于电动机100的位置的识别和/或基于电动机100的位置变化的检测，可确定致动器组件200的哪一个开关SW_1-6应被打开以中断供应至电动机100的电力。

预设电压间隔dV包括一电压值的范围，该电压值的范围包括以电压上限和电压下限。优选基于电动机100(对于电动机100特定的激励配置)的位置确定所述上下限，其中电压上限和电压下限之间的差异包括与续流二极管DI_1-6上的电压降相关的值。自然地，预设电压间隔dV可通过试验获得的上、下限值来确定。

优选地，电压间隔dV包括在电压上限Vbar和电压下限Vref之间。

因此，控制单元400配置成决定是否应进行电动机100的非激励相FC；FB；FA中的电压与包括总线电压Vbar的电压预设电压间隔dV或包括参考电压Vref预设电压间隔的比较，其中对于电动机100的特定激励配置，基于电动机100的位置进行所述决定。

换句话说，预设电压间隔dV的模量基本上为常数且通过续流二极管DI_1-6上的电压降进行确定，然而，这一间隔dV的上下限(下限和上限)的电压数值随着电动机100的位置变化。例如，在图10中，应指出当相FC的的线圈未被激励时，对于电动机100的位置4，预设电压间隔dV包括参考电压Vref。在图11中，应指出当FC相的线圈未被激励时，对于电动机100的位置1，预设电压间隔dV包括母线电压Vbar。因此，可以肯定的是，预设电压间隔dV根据电动机100的运动“偏移”。

优选地，为了确定预设电压间隔dV，考虑包括预设偏移值的安全裕度是重要的。这一偏移值可例如基于电子网络中存在的噪声和元件的容限百分比进行计算。

进一步，控制单元400配置成既在电动机100保持在一位置中达特定时间段的时间期间，也在电动机100的两个位置之间的转换时间期间监视电压观察器300。因此，可在这两个不同的时候命令打开致动器组件200的可中断供应至电动机100的电力的所述开关SW_1-6。

因此，本发明的系统可应用于在电动机100启动过程时间段期间以及在电动机100工作状态时间段期间阻止电动机100形成内部瞬态电流。为明确这一点，当电动机100用于例如气体压缩机中，考虑如下内容：

A)启动：当气体压缩机被驱动时，电动机100的旋转逐渐加快直到其达到工作转速。

B)工作状态：气体压缩机工作在基本稳定的条件下(永久状态)。

C)停机：当电子气体压缩机被关闭，电动机100的旋转逐渐变慢直到其达到零。

控制单元400允许对其中电动机100开始启动过程的时刻和其中电动机100基于通过电压观察器300测量的电动机100的非激励相FC；FB；FA的感应电压达到工作状态的时刻进行识别。

在打开致动器组件200的可中断供应至电动机100的电力的开关SW_1-6同时，控制单元400通过施加PWM型的调制来控制致动器组件200的第二开关SW_1-6的打开和闭合行为，并且控制单元400基于电动机100的位置来确定哪一个开关SW_1-6应作为第二开关SW_1-6。

下面的表1包括在电动机100的工作期间致动器组件200的开关SW_1-6的驱动的所有可能的组合。该表可存储在控制单元400的内部存储器中或外部存储器中，且可根据电动机100的位置传感的结果进行访问。应指出在表中，一旦电动机100的位置发生变化，则其中施加了PWM调制的开关SW_1-6被交替。

表1：在电动机操作期间开关SW_1-6的可能组合。

进一步根据图1，本发明的系统还包括至少一个可操作地关联至控制单元400的电流观察器500，可允许由控制单元400通过例如分流型电阻对电动机100的总电流进行监视。

作为由电流观察器500给出的测量值，结合由电压观察器300测量的读数，可被控制单元400使用以调整施加至电动机100的电压并控制电动机100的最大电流。

为了更好地理解上面描述的本发明的系统的工作，下面给出一些实际的操作实例。

实例

图4中示出的图示出了在BLDC的启动过程中本发明的应用。细节部分(D00)高亮示出电流“Ic”的曲线，其在处于位置数“3”期间的电动机100的相FC的线圈上循环。所述电流“Ic”将穿过电动机100的相FC的线圈而循环直到电动机100的位置发生改变。在位置发生变化的时刻，如细节部分(D01)指出的那样，电流“Ic”开始一退磁阶段，因为在电动机100的这一位置，相FC的线圈不再被激励。在电动机100的位置“4”，穿过相FC的线圈的电流循环在退磁阶段后应保持为0，但从细节部分(D02)中可看出，在特定的情形下这一线圈中可能出现瞬态电流，表示不希望的操作条件。这一电流叠加至电动机的电流，且如细节部分(D03)指出的那样，结果是在电动机100中出现电流峰值，其中产生这一峰值的电流的分量不能被仅仅使用电流传感器的电流传感的方法检测。细节部分(D04)包括电动机的非激励相FC的线圈中测量的值，示出了其值被固定在参考电压Vref，因为续流二极管DI6(与开关“SW6”并联)正在传导相FC的线圈中的瞬态电流。在细节部分(D05)，注意到被消除的瞬态电流，且随后，由于续流二极管DI6不在处于传导状态，因此感应电压可被测量，从细节部分(D06)中可看出。

图4的细节部分(D07、D08、D09以及D10)示出了除电动机的位置“1”之外的模拟状态。因此，在(D07)，注意到相FC的线圈中瞬态电流的出现，由于对应的续流二极管的传导，将测量的线圈中的电压固定在总线电压Vbar，从(D08)中可看出。在(D09)中，可注意到不存在瞬态电流，因此相FC的非激励线圈中的感应电压可被测量，如(D10)中示出的那样。

上面给出的分析类似地适用于电动机100的其它相FA和FB。

图5给出了当电动机处于位置“3”时，图4的细节部分(D00)的电流“Ic”在电动机100和致动器组件200中的循环路径。应指出电流“Ic”是电源的一部分且施加于电动机100的相FB和FC的线圈中，以产生需要移动其的扭矩。

图6和7均示出了在电动机100从位置“3”至位置“4”的变化发生的时刻，图4的细节部分(D01)的电流“Ic”的循环路径。所述电流包括基于其感应特性产生的线圈的退磁电流。图6考虑了PWM的非活动的循环(开关SW3接通)。相反，图7考虑了5PWM的活动的循环(开关SW3断开)。

图8示出了在电动机100的位置“4”，图4(瞬态电流)的(D02)中电流“Ic”的路径。续流二极管DI6(与开关SW6并联)上的电压降用于识别瞬态电流的存在，其在正常操作电压下不应在电动机100中循环。这一电流导致的主要问题是其被叠加到被施加至电动机100的相FA的线圈的电流，引起过电流的形成，从图4的细节部分(D03)中可看出。

简言之，图5、6、7和8示出了在电动机100的位置变化之前的时刻、在位置变化的过程中以及最终在电动机100的位置变化之后的时刻，在致动器组件200中和电动机100的相中循环的电流的行为。电动机100的所有其它位置和相的电流的行为可类似地推导。

图9表明了根据电动机100的位置，穿过续流二极管循环的瞬态电流将非激励线圈的电压确保为母线电压Vbar或参考电压Vref。如果不存在这样的瞬态电流，则测量的电压包括电动机100上的感应电压，其可能具有向上或向下的趋势，这取决于电动机100的位置。如前面已经阐释的，为了识别所述电流，控制单元400使用比较窗，其中非激励线圈的电压应位于划定的“dV”电压窗(预设电压间隔)之外。记住考虑续流二极管上的电压降的值而调节预设电压间隔dV的值，加上偏移值是重要的，这保证算法的可靠操作的安全裕度。在图9中通过“感应的V”作出的标记，示出了当不存在瞬态电流时，感应电压保持在划定的“dV”电压窗之外。

下面的表2给出了检测电动机100中瞬态电流的条件的所有组合，列出了测量的具有电动机100的位置的非激励相FC；FB；FA中的电压。此外，表2还给出了对应于电动机100的每一个位置的开关SW_1-6，其应被打开以消除瞬态电流。在10表中，标记“Va”、“Vb”和“Vc”与测量的非激励相的线圈中的电压相关，“Vbar”包括总线电压，而“dV”包括用于确定瞬态电流存在的电压窗(预设电压间隔dV)。

表2：列出了具有内部瞬态电流的识别的电动机的非激励相的线圈中的电压的测量值，并给出了应通过消除算法打开的对应开关的表。

因此，基于瞬态电流的识别，通过控制单元400执行用于消除所述电流的技术，以阻止电流发展成相对高的值。

图10示出了对于电动机100的位置4，与这一技术相关的行动步骤，如现在所述：一旦电动机100的位置发生变化，则新的位置被识别，而用于识别瞬态电流的存在的检测条件根据上面的表2载入控制单元400中。

顺次，控制单元400等待时间“T3”的终止，时间“T3”包括用于消除线圈的退磁电流需要的时间，在图10中用“Ic”标出。这一时间可通过试验确定或通过监视电动机的非激励相的线圈中的电压确定或甚至可被停用，因为退磁电流条件将非激励线圈中的电压确保在相对的参考值，这不会导致算法的错误操作。

一旦时间“T3”到期，控制单元400开始监控非激励线圈中的感应电流“Vc”。当电压“Vc”在窗口“dV”之内时，考虑到在电动机100中存在许多不希望的瞬态电流循环。相反，如果电压“Vc”在窗口“dV”之外时，考虑到不存在不希望的瞬态电流。这属于这样的情形，如果电压“Vc”在窗口“dV”之内，则开始计时，而一旦电压“Vc”离开窗口“dV”，则重置计时。

如果测量的线圈中的电压保持在窗口“dV”之内达等于或大于“T2”的时间，则控制单元400根据电动机100的位置使SW_1-6中的一个停用，以暂时中断供应至电动机100的电力。SW_1-6的中断发生在图11中用“T1”表示的时间中，其中这一时间之后，SW_1-6再次被激活，从而重新开始监视感应电压“Vc”。

然而，当电动机100保持在特定位置时，且对于电动机100的所有位置来说，监视和控制的过程需要进行多次。

特别地，在图10中，在(E01)，小的瞬态电流通过其穿过续流二极管的循环出现在将电压“Vc”固定在电源的参考电压Vref的线圈“Ic”中。在检测到这一事件之后，开始达到“T2”值的计时。为了阻止“Ic”中瞬态电流的增加，控制单元400将开关SW2打开达时间段“T1”。在这一动作之后，可注意到“Ic”中不再出现瞬态电流，并因此在电动机100的这一位置不再需要控制单元400的动作。

该技术用于电动机100的其它位置的工作与上面所述的类似，且可基于前面的描述得出。

图11给出了曲线，其表示除了电动机的位置“1”的本发明的技术的应用结果。可看出，窗口“dV”的参考被改变成总线电压Vbar而用于方法的执行的开关为“SW1”，但其工作类似于电动机100的所有位置。

图12表明了在本发明的技术动作和瞬态电流消除时瞬态电流的路径，该瞬态电流在电动机100的位置“4”在图4的细节部分“D02”中给出。点划线“自动断开(Trip)”表示作为用于消除瞬态电流的方法的作用结果而打开开关。图12给出了PWM的关闭循环中的电流路径。

相反，给出了PWM的活动循环中的路径。该技术可调节或适配成允许在时间“T1”之内打开与电动机100的位置相关的两个开关，从而使得电流的行为总是类似于图12中给出的电流的行为。

图13示出了表示本发明的技术动作和瞬态电流消除的图，其用于具有非平衡压力的系统中气体压缩机的启动。在(F03)，可看出多个出现瞬态电流的小的趋势，其随即被消除/保护技术检测到。响应于这些瞬态电流，在(F01)，可注意到该技术的控制动作消除了这些电流，从而阻止其演变。以同样的方式，在(F02)，在电动机100的随后的位置中，该技术用于阻止瞬态电流的演变。因此，该技术动作保证电动机100的电流总是保持在最大极限，如从(F04)可看出的。

用于监视和控制无刷电动机(无刷DC-BLDC)的方法

基于上面示出的系统和实例的描述，可以确定监视和控制无刷电动机100的方法的步骤，其也是本发明的主题：

i)同时施加电能至电动机100的两个相FA、FB；FA、FC；FB、FC；

ii)检测电动机100的位置发生变化的时刻。这一步骤包括识别电动机100的位置的子步骤；

iii)测量电动机100的非激励相FC；FB；FA中的感应电压；

iv)将步骤iii中测量的电动机100的非激励相FC；FB；FA中的感应电压与预设电压间隔dV进行比较；

v)如果步骤iv中进行的比较表明电动机100的非激励相FC；FB；FA中的感应电压在第二预设时间间隔T2期间呈现包含在预设电压间隔dV中的值，则中断供应至电动机100的电力达第一预设时间间隔T1。这一步骤包括将可操作地关联至电动机100的致动器组件200的开关SW_1-6打开的步骤。这一步骤包括致动器组件200所包括的续流二极管上的电流传导的子步骤，续流二极管DI_1-6与开关SW_1-6并联地电关联。

自然地，通过该方法的反复循环重复步骤i至v直到电动机100的启动时刻。

优选地，本发明的方法包括电动机100的之前被激励的相FC；FB；FA的退磁步骤，将线圈中的值限制到母线电压Vbar的值或参考电压Vref的值，其中所述限制步骤在执行步骤iii之前且在执行步骤ii之后执行。

步骤iv包括确定预设电压间隔dV的电压上限和电压下限的子步骤。所述电压上限和电压下限基于电动机100(考虑电动机100的特定的激励配置)被识别的位置被确定，其中预设电压间隔dV的电压上限和电压下限之间的差异包括对应于续流二极管DI_1-6上的电压降的值的范围。

优选地，母线电压Vbar或参考电压Vref包括在预设电压间隔dV的电压上限和电压下限之间。在这种情形下，本发明的方法还包括决定是否应对电动机100的非激励相FC；FB；FA中的感应电压与包括总线电压Vbar的预设电压间隔dV或与包括参考电压Vref的预设电压间隔dV进行比较，其中所述决定基于电动机100的位置作出，考虑电动机100特定的激励配置，如前面阐释的那样。在执行步骤iv之前且在执行步骤iii之后执行所述决定步骤。

限定预设电压间隔dV的电压上限和电压下限的步骤考虑了安全裕度，其进而包括预设偏移值。

进一步，本发明的方法包括在执行步骤iii之前执行的等待第三预设时间间隔T3的步骤。在该方法随后的反复循环中，第三时间间隔T3可通过试验确定或通过待测量的电动机100的非激励相中的感应电压来限定。

此外，当步骤iv中进行的比较表明电动机100的非激励相FC；FB；FA中的感应电压呈现包含在预设电压间隔dV中的值时，本发明的方法还包括计时步骤。当计时达到等于第二预设时间间隔T2的时间时，进行计时的终止步骤。

而且，当步骤iv中进行的比较表明电动机100的非激励相FC；FB；FA中的感应电压存在不包含在预设电压间隔dV中的值时，本发明的方法包括时间(计时)重置步骤。

本发明的方法的上述所有步骤发生在电动机100的启动过程期间或在工作状态期间。

因此，本发明可阻止电动机中出现、形成和演变可能使电动机的磁体退磁或甚至损坏驱动BLDC电动机的功率半导体的内部瞬态电流，从而允许其应用在需要在非平衡抽吸和排放压力条件下启动压缩机的情形中，例如使用隔断阀或膨胀阀的应用中。

此外，本发明还允许在电子驱动设备中使用较低电流电容的功率半导体，从而降低成本。

已经描述了优选实施例的实例，应理解本发明的范围包括其它可能的变形，仅仅由所附权利要求的内容限定，可能的等同方式包含在所附权利要求中。

Claims

1.用于监视和控制无刷电动机(100)的系统，电动机(100)为三相的且能通过整流器关联至电源，所述系统的特征在于至少包括：

-可操作地关联至电动机(100)和整流器的致动器组件(200)，整流器配置成提供母线电压(Vbar)和参考电压(Vref)至致动器组件(200)，母线电压(Vbar)和参考电压(Vref)是连续的，致动器组件(200)包括配置成同时激励电动机(100)的两个相(FA、FB；FA、FC；FB、FC)的开关(SW_1-6)；

-可操作地关联至电动机(100)和致动器组件(200)的电压观察器(300)，电压观察器(300)能够允许对电动机(100)的非激励相(FC；FB；FA)中的感应电压进行监视；以及

-可操作地关联至电压观察器(300)的控制单元(400)；

控制单元(400)配置成当电动机(100)的非激励相(FC；FB；FA)中的感应电压的读数呈现包含在预设电压间隔(dV)之内的值时，命令致动器组件(200)的特定开关(SW_1-6)打开达特定时间间隔以中断供应至电动机(100)的电力。

2.根据权利要求1的系统，特征在于其中，控制单元(400)配置成基于来自电压观察器(300)的信息识别电动机(100)的位置和/或监视电动机(100)的位置变化，控制单元(400)配置成基于电动机(100)的位置的识别和/或基于电动机(100)的位置变化的检测来确定致动器组件(200)的哪一个开关(SW_1-6)应被打开以中断供应至电动机(100)的电力。

3.根据权利要求2的系统，特征在于其中，控制单元(400)配置成对于电动机(100)在一位置中保持达特定时间段的时间以及在电动机(100)的两个位置之间的转换时间期间，监视电压观察器(300)以命令打开能够中断供应至电动机(100)的电力的开关(SW_1-6)。

4.根据权利要求3的系统，特征在于其中，控制单元(400)配置成在打开能够中断供应至电动机(100)的电力的开关(SW_1-6)同时，通过施加PWM型的调制来控制致动器组件(200)的第二开关(SW_1-6)的打开和闭合行为，控制单元(400)还配置成基于电动机(100)的位置确定致动器组件(200)的哪一个开关(SW_1-6)应作为第二开关(SW_1-6)。

5.根据权利要求4的系统，特征在于其中，致动器组件(200)包括续流二极管(DI_1-6)，其中每一个续流二极管(DI_1-6)与致动器组件(200)的每一个开关(SW_1-6)并联地电关联，当在电动机(100)中产生瞬态电流时，续流二极管(DI_1-6)能够将电动机(100)的非激励相(FC；FB；FA)中的感应电压维持在母线电压(Vbar)或参考电压(Vref)。

6.根据权利要求5的系统，特征在于其中，控制单元(400)配置成允许通过电压观察器(300)对可操作地关联至电动机(100)的非激励相(FC；FB；FA)的至少一个续流二极管(DI_1-6)中的电压降进行检测。

7.根据权利要求6的系统，特征在于其中，预设电压间隔(dV)包括含有电压上限和电压下限的电压值的范围，基于电动机(100)的位置确定所述电压上限和电压下限，电压上限和电压下限之间的差异包括与续流二极管(DI_1-6)上的电压降相关的值。

8.根据权利要求6或7的系统，特征在于其中，预设电压间隔(dV)包括与母线电压(Vbar)或与参考电压(Vref)相关的值。

9.根据权利要求8的系统，特征在于其中，控制单元(400)配置成决定是否应对电动机(100)的非激励相(FC；FB；FA)中的电压与包括母线电压(Vbar)的预设电压间隔(dV)或与包括参考电压(Vref)的预设电压间隔(dV)进行比较，所述决定基于电动机(100)的位置进行。

10.根据权利要求1至7中任一项的系统，特征在于包括至少一个可操作地关联至控制单元(400)的电流观察器(500)，电流观察器(500)能够允许通过控制单元(400)对电动机(100)的总电流进行监视，控制单元(400)配置成基于由电压观察器(300)和电流观察器(500)测量的值来调整施加至电动机(100)的电压并控制电动机(100)的最大电流。

11.根据权利要求1至7中任一项的系统，特征在于其中，控制单元(400)配置成在电动机(100)的启动过程时间段期间和在电动机(100)的工作状态时间段期间基于监视电压观察器(300)的结果来提供打开开关(SW_1-6)的命令，该开关(SW_1-6)能中断供应至电动机(100)的电力。

12.用于监视和控制无刷电动机(100)的系统，电动机(100)能关联至电源，所述电源能够提供连续电流，所述系统的特征在于至少包括：

-可操作地关联至电动机(100)和整流器的致动器组件(200)，电源配置成提供

母线电压(Vbar)和参考电压(Vref)至致动器组件(200)，母线电压(Vbar)和参考电压是连续的(Vref)，致动器组件(200)配置成同时激励电动机(100)的两个相(FA、FB；FA、FC；FB、FC)的开关(SW_1-6)；

-可操作地关联至电压观察器(300)的控制单元(400)，控制单元(400)配置成基于来自电压观察器(300)的信息识别电动机(100)的位置和/或监视电动机(100)的位置变化，

控制单元(400)配置成当电动机(100)的非激励相(FC；FB；FA)中的感应电压的测量值呈现包含在预设电压间隔(dV)之内的值时，基于电动机(100)的位置的识别和/或基于电动机(100)的位置变化的检测来命令致动器组件(200)达特定时间间隔以中断供应至电动机(100)的电力，

控制单元(400)还配置成在电动机(100)的启动过程时间段期间和在电动机(100)的工作状态时间段期间基于监视电压观察器(300)的结果来提供致动器组件(200)的所述命令。

13.根据权利要求12的系统，特征在于其中，致动器组件包括：

分成3对的6个开关(SW_1-6)，其中开关(SW_1-6)的对并联地关联在一起；以及

6个续流二极管(DI_1-6)，每一个续流二极管(DI_1-6)与每一个开关(SW_1-6)并联地电关联，当在电动机(100)中产生瞬态电流时，续流二极管(DI_1-6)能够将电动机(100)的非激励相(FC；FB；FA)中的感应电压维持在母线电压(Vbar)或参考电压(Vref)，

控制单元(400)，其配置成允许通过电压观察器(300)对可操作地关联至电动机(100)的非激励相(FC；FB；FA)的至少一个续流二极管(DI_1-6)中的电压降进行检测，控制单元(400)还配置成当电动机(100)的非激励相(FC；FB；FA)中的感应电压的测量值呈现包含在预设电压间隔(dV)之内的值时，命令致动器组件(200)的特定开关(SW_1-6)打开达特定时间间隔以中断供应至电动机(100)的电力。

14.用于监视和控制无刷电动机(100)的方法，电动机(100)为三相的且能关联至电源，电源能够允许将母线电压(Vbar)和参考电压(Vref)提供至电动机(100)，母线电压(Vbar)和参考电压(Vref)是连续的，所述方法的特征在于包括如下步骤：

i)同时施加电能至电动机(100)的两个相(FA、FB；FA、FC；FB、FC)；

ii)检测电动机(100)的位置发生变化的时刻；

iii)测量电动机(100)的非激励相(FC；FB；FA)中的感应电压；

iv)将步骤iii中测量的电动机(100)的非激励相(FC；5FB；FA)中的感应电压与预设电压间隔(dV)进行比较；以及

v)如果步骤iv中进行的比较表明电动机(100)的非激励相(FC；FB；FA)中的感应电压在第二预设时间间隔(T2)中呈现包含在预设电压间隔(dV)中的值，则中断供应至电动机(100)的电力达第一预设时间间隔(T1)。

15.根据权利要求14的方法，特征在于包括将电动机(100)的非激励相(FC；FB；FA)中的感应电压限制在母线电压(Vbar)的值或参考电压(Vref)的值的步骤，所述限制步骤在执行步骤iii之前且在执行步骤ii之后执行。

16.根据权利要求14或15的方法，特征在于其中，步骤ii包括识别电动机(100)的位置的子步骤。

17.根据权利要求16的方法，特征在于其中，步骤iv包括确定预设电压间隔(dV)的电压上限和电压下限的子步骤，基于电动机(100)的经识别的位置确定电压上限和电压下限。

18.根据权利要求17的方法，特征在于包括持续第三预设时间间隔(T3)的等待步骤，所述等待步骤在执行步骤iii之前执行。

19.根据权利要求18的方法，特征在于当步骤iv中进行的比较表明电动机(100)的非激励相(FC；FB；FA)中的感应电压呈现包含在预设电压间隔(dV)中的值时，包括计时步骤。

20.根据权利要求19的方法，特征在于当步骤iv中进行的比较表明电动机(100)的非激励相(FC；FB；FA)中的感应电压呈现不包含在预设电压间隔(dV)中的值时，包括时间重置步骤。

21.根据权利要求20的方法，特征在于当计时达到等于第二预设时间间隔(T2)的时间时，包括计时终止步骤。

22.根据权利要求14或15的方法，特征在于其中，中断电力供应的步骤v)包括打开包含在可操作地关联至电动机(100)的致动器组件(200)中的开关(SW_1-6)的步骤。

23.根据权利要求22的方法，特征在于其中，中断电力供应的步骤v)包括在包含在致动器组件(200)中的续流二极管(DI_1-6)上的电流传导的子步骤，续流二极管(DI_1-6)并联地电关联至开关(SW_1-6)。

24.根据权利要求17的方法，特征在于其中，预设电压间隔(dV)的电压上限和电压下限之间的差异包括对应于续流二极管(DI_1-6)上的电压降的值。

25.根据权利要求24的方法，特征在于其中，预设电压间隔(dV)包括母线电压(Vbar)或参考电压(Vref)。

26.根据权利要求14或15的方法，特征在于其中，步骤i至v发生在电动机(100)的启动过程期间或工作状态期间。

27.根据权利要求14或15的方法，特征在于其中，通过反复循环重复步骤i至v直到电动机(100)的停机时刻。