CN102577094B - 用于估计、管理和诊断电动机参数的控制器和方法 - Google Patents

用于估计、管理和诊断电动机参数的控制器和方法 Download PDF

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Abstract

电动机控制系统包括控制模块、开关模块和滤波模块。控制模块基于扭矩需求来确定用于操作电动机的输出电压。开关模块生成驱动电动机的逆变器的开关信号。开关模块基于输出电压生成开关信号。开关模块根据基于输出电压、最大占空比以及向逆变器提供电力的直流(DC)总线的电压的比较来生成电压失调(OOV)信号。滤波模块通过对OOV信号滤波来生成OOV量。控制模块基于OOV量选择性地限制扭矩需求。

Description

用于估计、管理和诊断电动机参数的控制器和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求在2010年8月9日提交的美国实用专利申请No.12/852,961和在2009年8月10日提交的美国临时申请No.61/232,640的优先权。上面的申请的整体公开通过引用被包含在此。
技术领域
本公开涉及电动机控制系统和方法。
背景技术
在此提供的背景技术说明用于一般地呈现本公开的背景的目的。在本背景技术部分中描述的当前提名的发明人的工作以及不合适作为在提交时的现有技术的说明的方面既不明确地也不隐含地被承认为相对于本公开的现有技术。
在包括但是不限于加热、通风和空气调节(HVAC)系统的各种各样的工业和居住应用中使用电动机。仅举例而言，电动机可以驱动在HVAC系统中的压缩机。也可以在HVAC系统中实现一个或更多个另外的电动机。仅举例而言，HVAC系统可以包括驱动与冷凝器相关联的风扇的另一个电动机。可以在HVAC系统中包括另一个电动机，以驱动与蒸发器相关联的风扇。
功率因数是在电路中的电流和电压之间的关系或与存储和向电源返回能量作比较而言电路如何有效地使用有效功率的指示器。功率因数可以被表达为在0和1之间的值。电路的实际有效功率的使用除以由电路拉出(draw)的总的伏安会随着功率因数接近1而增大。在不同实现方式中，可以实现功率因数校正(PFC)系统。PFC系统通常运行以将电路的功率因数向1增大，由此与电路存储和向电源返回的无功功率的数量作比较而言提高电路的有效功率的使用。
发明内容
一种电动机控制系统包括控制模块、开关模块和滤波模块。控制模块基于扭矩需求来控制用于操作电动机的输出电压。开关模块生成用于逆变器的开关信号，所述逆变器用于驱动所述电动机。所述开关模块基于所述输出电压来生成所述开关信号。所述开关模块根据基于所述输出电压、最大占空比以及向所述逆变器提供电力的直流(DC)总线的电压的比较来生成电压失调(OOV)信号。滤波模块通过对所述OOV信号滤波来生成OOV量。所述控制模块基于所述OOV量选择性地限制所述扭矩需求。
在其他特征中，电动机控制系统还包括速度控制模块。速度控制模块基于命令速度来生成扭矩需求并基于所述OOV量选择性地暂停增大所述扭矩需求。
在又一些特征中，所述速度控制模块在所述OOV量大于预定阈值的情况下暂停增大所述扭矩需求。
在再一些特征中，所述控制模块还包括扭矩映射模块。所述扭矩映射模块将所述扭矩需求映射到电流需求，基于电流上限值选择性地限制所述电流需求，并在限制所述电流需求之时设置限制信号。在设置了所述限制信号的情况下，所述速度控制模块暂停增大所述扭矩需求。
在又一些特征中，电动机控制系统还包括速度控制模块。所述速度控制模块基于受限制的命令速度来生成所述扭矩需求并通过将命令速度减去预定增益与所述OOV量之积来生成所述受限制的命令速度。
在其他特征中，所述控制模块还包括电流控制模块，所述电流控制模块基于所述扭矩需求生成电压命令。所述输出电压是基于所述电压命令计算出的。所述电流控制模块基于所述OOV信号选择性地暂停增大所述电压命令之一。
在又一些特征中，所述电压命令包括q轴电压命令和d轴电压命令。所述电流控制模块基于所述OOV信号选择性地仅暂停增大所述q轴电压命令。
在又一些特征中，电动机控制系统还包括d轴注入模块。所述d轴注入模块基于所述OOV量调整d轴电流需。所述控制模块基于q轴电流需求和所述d轴电流需求来确定所述输出电压。所述q轴电流需求是基于所述扭矩需求的。
在又一些特征中，所述开关模块基于将所述输出电压除以所述DC总线电压来生成占空比值，并基于以下两项的比较来生成所述OOV信号：最大占空比，以及所述占空比值两两之间的最大差值。
在其他特征中，所述开关模块基于以下两项的比较来生成所述OOV信号：可用电压，以及所述输出电压两两之间的最大差值。所述可用电压等于所述DC总线电压乘以所述最大占空百分比。
一种方法，包括：基于扭矩需求来控制用于操作电动机的输出电压；基于所述输出电压生成用于逆变器的开关信号，所述逆变器驱动所述电动机；根据基于所述输出电压、最大占空比以及向所述逆变器提供电力的直流(DC)总线的电压的比较来生成电压失调(OOV)信号；通过对所述OOV信号滤波来生成OOV量；以及基于所述OOV量选择性地限制所述扭矩需求。
在其他特征中，该方法还包括：基于命令速度来生成所述扭矩需求；在所述OOV量大于预定阈值的情况下暂停增大所述扭矩需求。
在又一些特征中，该方法还包括：将所述扭矩需求映射到电流需求；基于电流上限值选择性地限制所述电流需求；在限制所述电流需求之时设置限制信号；以及在设置了所述限制信号的情况下暂停增大所述扭矩需求。
在其他特征中，该方法还包括：通过将命令速度减去预定增益与所述OOV量之积来生成受限制的命令速度；以及基于所述受限制的命令速度来生成所述扭矩需求。
在又一些特征中，该方法还包括：基于所述扭矩需求生成电压命令，其中所述输出电压是基于所述电压命令计算出的，以及基于所述OOV信号选择性地暂停增大所述电压命令之一。
在其他特征中，所述电压命令包括q轴电压命令和d轴电压命令，所述方法还包括：基于所述OOV信号选择性地仅暂停增大所述q轴电压命令。
在有一些特征中，该方法还包括：基于所述扭矩需求来确定q轴电流需求；基于所述OOV量调整d轴电流需求；以及基于所述q轴电流需求和所述d轴电流需求来确定所述输出电压。
在其他特征中，该方法还包括：基于所述输出电压除以所述DC总线电压来生成占空比值；以及基于以下两项的比较来生成所述OOV信号：所述最大占空比，以及所述占空比值两两之间的最大差值。
在又一些特征中，该方法还包括：基于所述DC总线电压乘以所述最大占空比来确定可用电压；以及基于以下两项的比较来生成所述OOV信号：所述可用电压，以及所述输出电压两两之间的最大差值。
一种方法，包括：基于命令速度来生成扭矩需求；将所述扭矩需求映射到q轴电流需求；基于电流上限值和d轴电流需求来选择性地限制所述q轴电流需求；在限制所述q轴电流需求之时设置限制信号；分别基于所述q轴电流需求和所述d轴电流需求来生成q轴电压命令和d轴电压命令；以及基于所述电压命令来确定分别用于操作电动机的第一绕组、第二绕组和第三绕组的第一输出电压、第二输出电压和第三输出电压；基于将所述第一输出电压、所述第二输出电压和所述第三输出电压分别除以直流(DC)总线的电压来确定第一占空比值、第二占空比值和第三占空比值，其中所述DC总线将电力提供到驱动所述电动机的逆变器；基于所述占空比值来生成用于所述逆变器的开关信号；在所述占空比值中的至少一个占空比值大于最大占空比的情况下将电压失调(OOV)信号设置为一，否则将所述OOV信号设置为零；基于所述OOV信号的加权移动平均生成OOV量；在所述OOV量大于预定阈值的情况下暂停增大所述扭矩需求；在设置了所述限制信号的情况下暂停增大所述扭矩需求；基于所述OOV量调整所述d轴电流需求；以及在所述OOV信号被设置为一的情况下仅暂停增大所述q轴电压命令。
通过以下提供的详细描述，本公开文件的其他适用领域将变得明显。应当明白，详细说明和具体示例意欲仅用于说明的目的，并且不意欲限制本公开文件的范围。
附图说明
通过详细说明和附图，变得更全面地明白本公开，在附图中：
图1是示例制冷系统的功能框图；
图2是示例驱动控制器和示例压缩机的功能框图；
图3a-3c是示例功率因数校正(PFC)模块的简化示意图；
图4a-4c是示例逆变电源模块和示例电动机的简化示意图；
图5是根据跟公开文件的电动机控制模块的功能框图；
图6是根据本公开文件的电压失调(out-of-volts，OOV)模块的功能框图；以及
图7示出了根据本公开文件的用于控制在OOV状态下的系统的方法。
具体实施方式
下面的描述在本质上仅是说明性的，并且绝不意欲限制本公开、其应用或使用。为了清楚的目的，在附图使用相同的附图标号来识别类似的元件。在此使用的短语A、B和C的至少一个应当被解释为使用非排他逻辑或来表示逻辑(A或B或C)。应当明白，在不改变本公开文件的原理的情况下，可以以不同的顺序来执行在方法内的步骤。
在此使用的术语模块可以指的是下述内容、下述内容的一部分或包括下述内容：专用集成电路(ASIC)；电子电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列(FPGA)；执行代码的处理器(共享、专用或组)；提供所述功能的其他适当的部件；或上面的一些或全部的组合，诸如在片上系统中。术语模块可以包括存储由处理器执行的代码的存储器(共享、专用或组)。
上面使用的术语代码可以包括软件、固件和/或微码，并且可以指的是程序、例程、函数、类和/或对象。上面使用的术语共享表示可以使用单个(共享)处理器来执行来自多个模块的一些或全部代码。另外，可以通过单个(共享)存储器来存储来自多个模块的一些或全部代码。上面使用的术语组表示可以使用一组处理器来执行来自单个模块的一些或全部代码。另外，可以使用一组存储器来存储来自单个模块的一些或全部代码。
可以通过由一个或更多个处理器执行的一个或更多个计算机程序来实现在此所述的设备和方法。计算机程序包括在非暂时有形计算机可读介质上存储的处理器可执行指令。计算机程序也可以包括存储的数据。非暂时有形计算机可读介质的非限定性示例是非易失性存储器、磁存储器和光学存储器。
现在参考图1，呈现了制冷系统100的功能框图。制冷系统100可以包括压缩机102、冷凝器104、膨胀阀106和蒸发器108。根据本公开文件的原理，制冷系统100可以包括另外和/或替代的部件。另外，本公开文件适用于其他适当类型的制冷系统，该其他适当类型的制冷系统包括但是不限于加热、通风和空气调节(HVAC)、热泵、制冷和冷却系统
压缩机102接收以蒸汽形式的制冷剂，并且压缩制冷剂。压缩机102向冷凝器104提供加压的以蒸汽形式的制冷剂。压缩机102包括驱动泵的电动机。仅举例而言，压缩机102的泵可以包括涡旋式压缩机和/或往复式压缩机。
加压的制冷剂的全部或一部分在冷凝器104内被转换为液体形式。冷凝器104将热量从制冷剂传开，由此冷却制冷剂。当制冷剂蒸汽被冷却到小于饱和温度的温度时，制冷剂变换为液体(或液化)制冷剂。冷凝器104可以包括电风扇，该电风扇提高将热量从制冷剂传开的速率。
冷凝器104经由膨胀阀106向蒸发器108提供制冷剂。膨胀阀106控制向蒸发器108提供制冷剂的流速。膨胀阀106可以包括恒温膨胀阀或可以被例如系统控制器130电控制。由膨胀阀106引起的压力降低可能使得液化制冷剂的一部分变换回蒸汽形式。以这种方式，蒸发器108可以接收制冷剂蒸汽和液化制冷剂的混合物。
制冷剂吸收在蒸发器108中的热量。液体制冷剂当被加热到大于制冷剂的饱和温度的温度时转换为蒸汽形式。蒸发器108可以包括电风扇，电风扇提高向制冷剂的热传导的速率。
设施120向制冷系统100提供电力。仅举例而言，设施120可以在大约230伏特(V)均方根(RMS)或在另一个适当电压提供单相交流(AC)电力。在各种实现方式中，设施120可以在大约400伏特RMS或480伏特RMS在例如50或60Hz的线频率提供三相电力。设施120可以经由AC线向系统控制器130提供AC电力。AC电力也可以经由AC线被提供到驱动控制器132。
系统控制器130控制制冷系统100。仅举例而言，系统控制器130可以基于由各个传感器(未示出)测量的用户输入和/或参数来控制制冷系统100。传感器可以包括压力传感器、温度传感器、电流传感器、电压传感器等。传感器也可以包括通过串行数据总线或其他适当数据总线的、来自驱动控制的反馈信息，诸如电动机电流或扭矩。
用户接口134向系统控制器130提供用户输入。用户接口134可以补充地或替代地向驱动控制器132提供用户输入。用户输入可以例如包括期望的温度，关于风扇(例如，蒸发器风扇)的操作的请求和/或其他适当的输入。系统控制器130可以控制冷凝器104、蒸发器108和/或膨胀阀106的风扇的操作。
驱动控制器132可以基于来自系统控制器130的命令来控制压缩机102。仅举例而言，系统控制器130可以指令驱动控制器132以特定速度操作压缩机电机。在各个实现方式中，驱动控制器132也可以控制冷凝器风扇。
现在参见图2，呈现了驱动控制器132和压缩机102的功能框图。电磁干扰(EMI)滤波器202降低可能否则通过驱动控制器132射回AC线上的EMI。EMI滤波器202也可以滤波在AC线上承载的EMI。
功率因数校正(PFC)模块204接收被EMI滤波器202滤波的来自AC线的AC电力。(参考图3a、3b和3c更详细描述的)PFC模块204整流AC电力，由此将AC输入电力转换为直流(DC)电力。在PFC模块204的正和负端子处提供所产生的DC电力。PFC模块204也选择性地提供在输入AC电力和产生的DC电力之间的功率因数校正。
PFC模块204选择性地将AC电力升压到大于AC电力的峰值电压的DC电压。仅举例而言，PFC模块204可以在无源模式中运行，其中，所产生的DC电压小于AC电力的峰值电压。PFC模块204也可以在有源模式下运行，其中，所产生的DC电压大于AC电力的峰值电压。比AC电力的峰值电压大的DC电压可以被称为升高的DC电压。
具有230V的RMS电压的AC电力具有大约325V(230V乘以2的平方根)的峰值电压。仅举例而言，当从具有230V的RMS电压的AC电力运行时，PFC模块204可以产生在大约350V和大约410V之间的升高的DC电压。仅举例而言，可以施加350V的下限以避免PFC模块204的不稳定工作状况。该限制可以例如随着实际AC输入电压值而改变。在各个实现方式中，PFC模块204能够实现比410V高的升高的DC电压。然而，可以施加上限以改进诸如在DC滤波器206中的部件的、在较高的电压下经历较大应力的部件的长期可靠性。在各个实现方式中，可以改变上限和/或下限。
DC滤波器206滤波由PFC模块204产生的DC电力。DC滤波器206最小化源自AC电力向DC电力的转换的、在DC电力中存在的纹波电压。在各个实现方式中，DC滤波器206可以包括在PFC模块204的正和负端子之间连接的一个或更多个串联或并联的滤波器电容器。在这样的实现方式中，PFC模块204的正和负端子可以直接地连接到逆变电源模块208的正和负端子。
(参考图4a、4b和4c更详细所述的)逆变电源模块208将由DC滤波器206滤波的DC电力转换为向压缩机电动机提供的AC电力。仅举例而言，逆变电源模块208将DC电力转换为三相AC电力，并且向压缩机102的电动机的三个相应的绕组提供AC电力的相。在其他实现方式中，逆变电源模块208可以将DC电力转换为更多或更少的相的电力。
DC-DC电源220也可以接收滤波的DC电力。DC-DC电源220将DC电力转换为适合于各个部件和功能的一个或更多个DC电压。仅举例而言，DC-DC电源220可以将DC电力的电压降低到适合于对于数字逻辑加电的第一DC电压和适合于控制在PFC模块204内的开关的第二DC电压。仅举例而言，第二DC电压可以选择性地被施加到开关的栅极端子。在各个实现方式中，可以由另一个DC电源(未示出)提供DC电力，其例如是从电源230VAC输入经由变压器得出的DC电压。
在各个实现方式中，第一DC电压可以是大约3.3V，并且第二DC电压可以是大约15V。在各个实现方式中，DC-DC电源220也可以产生第三DC电压。仅举例而言，第三DC电压可以是大约1.2V。可以使用调压器来从第一DC电压得出第三DC电压。仅举例而言，第三DC电压可以用于核心数字逻辑，并且第一DC电压可以用于电动机控制模块260和PFC控制模块250的输入/输出电路。
PFC控制模块250控制PFC模块204，并且电动机控制模块260控制逆变电源模块208。在各种实现方式中，PFC控制模块250控制在PFC模块204内的开关的切换，并且电动机控制模块260控制在逆变电源模块208内的开关的切换。可以将PFC模块204实现为具有1、2、3或更多的相。
监督者控制模块270可以经由通信模块272与系统控制器130进行通信。通信模块272可以包括输入/输出端口和其他适当部件，用于作为在系统控制器130和监督者控制模块270之间的接口。通信模块272可以实现有线和/或无线协议。
监督者控制模块270向PFC控制模块250和电动机控制模块260提供各种命令。例如，监督者控制模块270可以向电动机控制模块260提供命令的速度。命令的速度对应于压缩机102的电动机的期望的旋转速度。
在各个实现方式中，系统控制器130可以向监督者控制模块270提供命令的压缩机速度。在各个实现方式中，监督者控制模块270可以基于经由通信模块272提供的输入和/或由各个传感器测量的参数(即，传感器输入)来确定或调整命令的压缩机速度。监督者控制模块270也可以基于来自PFC控制模块250和/或电动机控制模块260的反馈来调整命令的压缩机速度。
监督者控制模块270也可以向PFC控制模块250和/或电动机控制模块260提供其他命令。例如，基于命令的速度，监督者控制模块270可以命令PFC控制模块250来产生命令的总线电压。监督者控制模块270可以基于另外的输入——诸如逆变电源模块208的操作参数和输入AC线的测量的电压——来调整命令的总线电压。
监督者控制模块270可以诊断在驱动控制器132的各个系统中的故障。仅举例而言，监督者控制模块270可以从PFC控制模块250和/或电动机控制模块260接收故障信息。监督者控制模块270也可以经由通信模块272接收故障信息。监督者控制模块270可以管理在驱动控制器132和系统控制器130之间的故障的报告和清除。
响应于故障信息，监督者控制模块270可以指令PFC控制模块250和/或电动机控制模块260进入故障模式。仅举例而言，在故障模式中，PFC控制模块250可以暂停PFC模块204的开关的切换，而电动机控制模块260可以暂停逆变电源模块208的开关的切换。另外，电动机控制模块260可以直接地向PFC控制模块250提供故障信息。以这种方式，PFC控制模块250可以响应由电动机控制模块260识别的故障，即使监督者控制模块270未正确地运行，并且反之亦然。
PFC控制模块250可以使用脉宽调制(PWM)来控制在PFC模块204中的开关。更具体地，PFC控制模块250可以产生被施加到PFC模块204的开关的PWM信号。PWM信号的占空比被改变以在PFC模块204的开关中产生期望的电流。基于在测量的DC总线电压和期望的DC总线电压之间的误差来计算期望电流。换句话说，计算期望电流以便实现期望的DC总线电压。期望的电流也可以基于实现期望的功率因数校正参数，诸如在PFC模块204中的电流波形的形状。由PFC控制模块250产生的PWM信号可以被称为PFC PWM信号。
电动机控制模块260可以使用PWM控制在逆变电源模块208中的开关，以便实现命令的压缩机速度。由电动机控制模块260产生的PWM信号可以被称为逆变器PWM信号。逆变器PWM信号的占空比控制通过压缩机102的电动机的绕组的电流(即，电动机电流)。电动机电流控制电动机扭矩，并且电动机控制模块260可以控制电动机扭矩来实现命令的压缩机速度。
除了共享故障信息之外，PFC控制模块250和电动机控制模块260也可以共享数据。仅举例而言，PFC控制模块250可以从电动机控制模块260接收数据，诸如负载、电动机电流、估计的电动机扭矩、逆变器温度、逆变器PWM信号的占空比和其他适当的参数。PFC控制模块250也可以从电动机控制模块260接收数据，诸如测量的DC总线电压。电动机控制模块260可以从PFC控制模块250接收数据，诸如AC线电压、通过PFC模块204的电流、估计的AC功率、PFC温度、命令的总线电压和其他适当的参数。
在各个实现方式中，可以在集成电路(IC)280上实现PFC控制模块250、电动机控制模块260和监督者控制模块270的一些或全部。仅举例而言，IC 280可以包括数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、微处理器等。在各个实现方式中，可以在IC 280中包括另外的部件。另外，可以在IC 280外部——例如在第二IC中或在分立电路中——实现在图2中的IC 280内示出的各个功能。仅举例而言，监督者控制模块270可以与电动机控制模块260集成。
图3a是PFC模块204的示例实现方式的示意图。PFC模块204经由第一和第二AC输入端子302和304来接收AC电力。AC电力可以例如是由EMI滤波器202输出的AC电力。在各个实现方式中，在第一和第二AC输入端子302和304处的信号可以都是相对于大地是时变的。PFC模块204经由正DC端子306和负DC端子308向DC滤波器206和逆变电源模块208输出DC电力。
第一整流器二极管310的阳极连接到第二AC输入端子304，并且第一整流器二极管310的阴极连接到正DC端子306。第二整流器二极管312的阳极连接到负DC端子308，并且第二整流器二极管312的阴极连接到第二AC输入端子304。整流器二极管310和312的每一个可以被实现为一个或更多个单独的串联或并联的二极管。
开关块320连接在正和负DC端子306和308之间。开关块320包括第一PFC分支330，第一FPC分支330包括第一和第二开关332和334。开关332和334每一个包括第一端子、第二端子和控制端子。在各个实现方式中，开关332和334的每一个可以被实现为绝缘栅双极晶体管(IGBT)。在这样的实现方式中，第一、第二和控制端子可以分别对应于集电极、发射极和栅极端子。
第一开关332的第一端子连接到正DC端子306。第一开关332的第二端子连接到第二开关334的第一端子。第二开关334的第二端子可以连接到负DC端子308。在各个实现方式中，第二开关334的第二端子可以经由分流电阻器380来连接到负DC端子308，以使得能够测量流过第一PFC分支330的电流。
开关332和334的控制端子从PFC控制模块250接收大体互补的PFCPWM信号。换句话说，向第一开关332提供的PFC PWM信号在极性上与向第二开关334提供的PFC PWM信号相反。当开关332和334之一的接通与开关332和334的另一个的关断交迭时，短路电流可能流动。因此，开关332和334两者可以在开关332和334的任何一个接通之前的空载时间期间关断。因此，大体互补意味着两个信号在它们的周期的大部分是相反的。然而，在转换周围，两个信号可以在某个交迭时间段低或高。
第一PFC分支330也可以包括分别与开关332和334反并联的第一和第二二极管336和338。换句话说，第一二极管336的阳极连接到第一开关332的第二端子，并且，第一二极管336的阴极连接到第一开关332的第一端子。第二二极管338的阳极连接到第二开关334的第二端子，并且，第二二极管338的阴极连接到第二开关334的第一端子。
开关块320可以包括一个或更多个另外的PFC分支。在各个实现方式中，开关块320可以包括一个另外的PFC分支。如图3a中所示，开关块320包括第二和第三PFC分支350和360。可以基于性能和成本来选择在开关块320中包括的PFC分支的数量。仅举例而言，当PFC分支的数量增加时，在PFC模块204的DC输出中的纹波(电压和电流)的幅度可能降低。另外，当PFC分支的数量增加时，在AC线电流中的纹波电流的数量可能降低。然而，当PFC分支的数量增加时，部件成本和实现方式复杂度可能增加。
开关块320的第二和第三PFC分支350和360可以类似于第一PFC分支330。仅举例而言，第二和第三PFC分支350和360可以每一个包括开关332和334、二极管336和338的相应部件以及以与第一PFC分支330相同方式连接的相应的分流电阻器。
向另外的PFC分支的开关提供的PFC PWM信号也可以在本质上是互补的。向另外的PFC分支提供的PFC PWM信号可以彼此相移，并且相对于向第一PFC分支330提供的PFC PWM信号相移。仅举例而言，可以通过将360度(°)除以PFC分支的数量来确定PFC PWM信号的相移。例如，当开关块320包括三个PFC分支时，PFC PWM信号可以彼此相移120°(或对于双相180°或对于四相90°等)。将PFC PWM信号相移可以消除在AC线电流以及DC输出中的纹波。
PFC模块204包括第一电感器370。第一电感器370连接在第一AC输入端子302和第一开关332的第二端子之间。另外的电感器可以将第一AC输入端子302连接到另外的PFC分支。仅举例而言，图3a示出将第一AC输入端子302分别连接到第二和第三PFC分支360和360的第二电感器372和第三电感器374。
可以在分流电阻器380上测量电压，以根据欧姆定律确定通过第一PFC分支330的电流。诸如运算放大器的放大器(未示出)可以放大在分流电阻器380上的电压。可以数字化、缓冲和/或滤波放大的电压以确定通过第一PFC分支330的电流。可以使用相应的分流电阻器来确定通过其他PFC分支的电流。
作为补充或替代，电阻器382可以与负DC端子308串联，如图3b中所示。通过电阻器382的电流因此可以指示从PFC模块204输出的总的电流。可以基于通过PFC分支330、350和360的电流的已知相位定时的总电流来推断通过PFC分支330、350和360的每一个的电流。
可以使用用于测量或感测通过PFC分支330、350和360的任何一个或全部的电流的任何方法。例如，在各个实现方式中，可以使用电流传感器387(如图3c中所示)来测量通过第一PFC分支330的电流。仅举例而言，可以与第一电感器370串联地实现电流传感器387。在各个实现方式中，电流传感器387可以包括霍尔效应传感器，其基于在第一电感器370周围的磁通来测量通过第一PFC分支330的电流。也可以分别使用相关联的电流传感器388和389来测量通过PFC分支350和360的电流。
PFC模块204也可以包括第一和第二旁路二极管390和392。第一旁路二极管390的阳极连接到第一AC输入端子302，并且第一旁路二极管390的阴极连接到正DC端子306。第二旁路二极管392的阳极连接到负DC端子308，并且第二旁路二极管392的阴极连接到第一AC输入端子302。
旁路二极管390和392可以是功率二极管，该功率二极管可以被设计来在低频下运行，该低频例如是小于大约100Hz或大约200Hz的频率。旁路二极管390和392的电阻可以小于电感器370、372和374的电阻。因此，当在开关块320中的开关332和334未接通时，电流可以流过旁路二极管390和392，而不是二极管336和338。
当PFC模块204运行以产生升高的DC电压时，该升高的DC电压将大于在AC线上的峰值电压。旁路二极管390和392因此不被前向偏置，并且仍然保持不活动。旁路二极管390和392可以提供雷击保护和功率突增保护。
在各个实现方式中，可以使用在单个包中的整流二极管310和312来实现旁路二极管390和392。仅作为示例，可以将Vishay型号26MT或36MT或国际整流器型号26MB或36MB用作旁路二极管390和392与整流二极管310和312。整流二极管310和312承载电流，而不论PFC模块204是否产生升高的DC电压。因此，在各个实现方式中，可以将整流二极管310和312的每一个实现为并联的两个物理二极管。电流传感器可以用于测量与电感器370、372和374串联的PFC相电流。
现在参见图4a，呈现了电动机400和逆变电源模块208的示例实现方式的简化示意图。电动机400是图2的压缩机102的部件。然而，图4a-4c的原理可以适用于其他电动机，包括冷凝器104的电动机。逆变电源模块208包括开关块402。在各个实现方式中，可以使用类似的零件实现开关块402和PFC模块204的开关块320。仅举例而言，在图4a中，第一逆变器分支410包括第一和第二开关420和422与第一和第二二极管424和426，它们与图3a的开关332和334与二极管336和338类似地布置。
开关块402经由正DC端子404和负DC端子406来从DC滤波器206接收滤波的DC电压。第一开关420的第一端子可以连接到正DC端子404，而第二开关422的第二端子可以连接到负DC端子406。开关420和422的控制端子从电动机控制模块260接收大体互补的逆变器PWM信号。
开关块402可以包括一个或更多个另外的逆变器分支。在各个实现方式中，开关块402可以包括用于电动机400的每一个相或绕组的一个逆变器分支。仅举例而言，开关块402可以包括第二和第三逆变器分支430和440，如图4a中所示。逆变器分支410、430和440可以分别向电动机400的绕组450、452和454提供电流。绕组454、452和450可以分别被称为绕组a、b和c。向绕组454、452和450施加的电压可以分别被称为Va、Vb和Vc。通过绕组454、452和450的电流可以分别被称为Ia、Ib和Ic。
仅举例而言，绕组450、452和454的第一端子可以连接到公共节点。绕组450、452和454的第二端子可以分别连接到逆变器分支410、430和440的第一开关420的第二端子。
逆变电源模块208也可以包括与第一逆变器分支410相关联的分流电阻器460。分流电阻器460可以连接在第二开关422的第二端子和负DC端子406之间。在各个实现方式中，相应的分流电阻器可以位于逆变器分支430和440的每一个与负DC端子406之间。仅举例而言，可以基于在第一逆变器分支410的分流电阻器460上的电压来确定通过电动机400的第一绕组450的电流。在各个实现方式中，可以省略逆变器分支410、430或440之一的分流电阻器。在这样的实现方式中，可以基于剩余的分流电阻器的测量来推断电流。
作为补充或替代，电阻器462可以与负DC端子406串联，如图4b中所示。因此，通过电阻器462的电流可以指示由逆变电源模块208消耗的总电流。可以基于通过逆变器分支410、430和440的电流的已知相位定时来从总电流推断通过逆变器分支410、430和440的每一个的电流。可以在2007年3月20日授权的、共同转让的美国专利No.7,193,388中找到确定在逆变器中的电流的进一步讨论，该文通过引用被整体包含在此。
可以使用用于测量或感测通过逆变器分支410、430和440的任何一个或全部的电流的任何方法。例如，在各个实现方式中，可以使用(在图4c中所示的)电流传感器487来测量通过第一逆变器分支410的电流。仅举例而言，可以在第一逆变器分支410和第一绕组450之间实现电流传感器487。也可以分别使用相关联的电流传感器488和489来测量流过逆变器分支430和440的电流。在各个实现方式中，电流传感器可以与逆变器分支410、430和440的两个相关联。可以基于在电动机绕组中的电流的和为0的假设来确定通过逆变器分支410、430和440的另一个的电流。
现在参见图5，示出图2的电动机控制模块260的示例性实现方式。电动机控制模块260控制逆变电源模块208内的开关以控制施加到电动机400的绕组454、452、450(在下文中称作“绕组Sa-c”)的电压。这也可以称作对逆变电源模块208进行控制或者对电动机400进行控制。
例如，当电动机400包括三相电动机时，电动机控制模块260可以分别将电压Va-c施加于绕组Sa-c。电压Va-c可以统称为输出电压。当电压Va-c被施加于绕组Sa-c时，分别在绕组Sa-c中产生电流Ia-c。电流Ia-c可以统称为绕组电流。绕组Sa-c中的电流在绕组Sa-c周围产生磁通，反之亦然。电动机控制模块260生成输出电压以控制绕组电流和/或控制磁通。
电动机400包括转子(未示出)，转子响应于绕组电流而转动。电动机控制模块260控制输出电压的幅度、占空比和/或频率以控制转子的扭矩和速度。电动机控制模块260可以基于命令的电动机速度来控制输出电压，命令的速度表示期望的转子旋转速度。
电动机控制模块260可以实现电动机400的场定向控制。相应地，电动机控制模块260可以将电动机驱动变量映射到各种参考系上。电动机驱动变量可以包括所请求的用于控制电动机400的电流/电压值作为测量电流/测量电压。例如，电动机驱动变量可以包括测量到的流过绕组Sa-c的电流Ia-c和电动机控制模块260用来将电压Va-c施加于绕组Sa-c的电压请求。
电动机控制模块260可以将电动机驱动变量映射在abc参考系(FoR)、αβFoR和qdr FoR中。abc FoR可以表示例如基于绕组Sa-c的三相定子参考系。测量电流Ia-c中的每个电流可以被映射到abc FoR的相应轴a、b和c上。此外，电动机控制模块260可以将所请求的与电压Va-c对应的电压映射在abc FoR中。
αβFoR包括静止的基于定子的x和y坐标系，其中电动机驱动变量被投射到x和y坐标系上。qdr FoR是与转子对应的并与转子同步旋转的旋转FoR。因此，qdr FoR基于转子的角度。
电动机控制模块260可以将电动机驱动变量从一个FoR变换到另一个FoR。例如，电动机控制模块260可以将abc FoR中表示的电流变换到αβFoR中表示的电流，反之亦然。电动机控制模块260可以利用数值变换将电动机驱动变量从abc FoR变换到αβFoR。电动机控制模块260可以基于转子的角度将电动机驱动变量从αβFoR变换到qdr FoR。
电动机控制模块260控制基于来自图2的监督者控制模块270的命令速度来控制逆变电源模块208。在各种实现方式中，滤波模块501可以对来自图2的监督者控制模块270的命令速度进行过滤。在这些实现方式中，滤波模块501的输出在下面被称作命令速度ωv。
在开环模式中，假设命令速度ωv不会改变得太快，则转子的实际速度将遵循命令速度ωv。结果，滤波模块501的低通滤波器的系数可以被选择为使得转子加速度可以跟得上从滤波模块501输出的命令速度ωv的变化。否则，将失去转子同步。在各种实现方式中，滤波模块501可以实现斜坡函数，该函数在每个预定的时间间隔期间将命令速度ωv更新一最大增量。
在以开环模式工作时，电动机控制模块260可以基于所命令的FoR(例如，qdv FoR)来控制电动机400。qdv FoR与转子的命令速度ωv和转子的命令角度(θv)相关联。命令角度生成模块502可以诸如通过对命令速度ωv积分来确定命令角度θv。
电动机控制模块260可以在各种模式下工作，如开环模式或闭环模式。仅举例而言，电动机控制模块260可以在启动电动机400时在开环模式下工作而在稍后转换为在闭环模式下工作。当在开环模式下工作时，转子将倾向于与命令速度ωv同步，尤其是当电动机控制模块260以较低速度操作转子时。然而，实际的转子角度可能由于施加于电动机400的负载而不同于命令角度θv。例如，在开环模式工作的同时改变负载可能改变命令角度θv与实际转子角度之间的相位差。
转换模块503确定何时将电动机控制模块260从开环模式转换到闭环模式。仅举例而言，转换模块503可以基于命令速度ωv、电动机400的工作时间、所命令的转子加速度和/或来自估计模块504的反馈中的至少一个来确定何时转换。
例如，转换模块503可以基于命令加速度和/或工作时间来预测转子的速度。转换模块503可以在预定速度大于速度阈值时从开环转换到闭环。在各种实现方式中，转换模块503可以在启动电动机400所经历的时间超过预定时长时从开环模式转换到闭环模式。
估计模块504估计转子的速度(ωest)和角度(θest)。估计模块504可以基于估计角度(θest)来确定估计速度(ωest)。例如，估计模块504可以在一个时间段上对估计角度θest求微分并滤波以确定估计速度ωest。转换模块503可以在估计模块504已经实现估计角度θest和估计速度ωest的稳定估计值时从开环模式转换到闭环模式。在各种实现方式中，当在估计模块504中出现收敛时(这可以通过例如通量估计值来表示)，转换模块503可以从开环模式转换到闭环模式。
或者，转换模块503可以在命令速度ωv大于速度阈值时从开环模式转换到闭环模式。替代地或附加地，转换模块503可以在估计转子速度ωest大于预定速度时开始转换。影响何时执行转换的其他因素可以包括电动机400上的负载和电动机驱动变量。
估计模块504可以基于各种电动机驱动变量来确定估计角度θest。例如，电动机驱动变量可以包括要施加于绕组Sa-c的Va-c和测量到的绕组Sa-c中的Ia-c。附加地，估计模块504可以基于命令速度ωv来确定估计角度θest。估计模块504可以实现状态观测器(例如，Luenberger观测器)以基于电动机驱动变量来确定估计角度θest和估计速度ωest。在2004年6月29日授予的美国专利6,756,757、2007年4月24日授予的美国专利7,208,895、2008年3月11日授予的美国专利7,342,379以及2008年5月20日授予的美国专利7,375,485中可以找到对无传感器的控制系统和方法的描述，通过引用将它们整体结合于此。
电流确定模块506可以测量绕组Sa-c的电流Ia-c(在下文中称作“测量电流”)。估计模块504可以利用测量电流来估计θest和ωest。
角度/速度确定模块508基于当前使能的模式(如开环模式或闭环模式)来生成输出角度θr和输出速度ωr。角度/速度确定模块508可以在以开关模式工作时将输出角度θr设置为等于命令角度θv，而当以闭环模式工作时可以将输出角度θr设置为等于估计角度θest。
当转换模块503指示从开环模式转换到闭环模式时，角度/速度确定模块508逐步地将输出角度θr从命令角度θv调整到估计角度θest。该逐步调整可以使从开环模式转换到闭环模式时瞬时电流需求最小化，这可以防止估计角度θest的估计值和/或电流控制(在下面描述)的扰动。因此逐步调整可以改善转换期间的稳定性并允许更可靠地启动电动机400，尤其是在高负载的情况下。
角度/速度确定模块508可以在以开环模式工作时将输出速度ωr设置为等于命令速度ωv。角度/速度确定模块508可以在以闭环模式工作时将输出速度ωr设置为等于估计速度ωest。在各种实现方式中，当转换模块503指示从开环模式转换到闭环模式时，角度/速度确定模块508可以立即将输出速度ωr从命令速度ωv切换到估计速度ωest。
转换模块503还可以指示从闭环模式变回到开环模式。仅举例而言，在观测到错误状况(如失去转子)或异常工作状况时，可以转换回开环模式。因此，角度/速度确定模块508还可以将输出速度ωr从估计速度ωest切换回命令速度ωv，并且将输出角度θr从估计角度θest切换回命令角度θv。在各种实现方式中，类似于从开环模式转换到闭环模式，可以立即执行输出角度ωr的切换，而可以逐步执行输出角度θr的切换。
在各种实现方式中，可以支持附加模式。仅举例而言，可以支持三个、四个、或更多个模式。转换模块503可以指示角度/速度确定模块508从一个模式转换到另一个模式，在每次转换期间，角度/速度确定模块508可以将输出速度ωr立即切换到与所选择的模式对应的速度。或者，输出速度ωr可以朝着所选择的模式的速度变化。此外，角度/速度确定模块508将输出角度θr朝着与所选择模式对应的角度变化。转换模块503可以利用转换信号指示角度/速度确定模块508从一个模式转换到另一个模式。例如，转换信号可以指定角度/速度确定模块508应当要转换到的目标模式。
速度回路控制模块510生成需求扭矩信号，该信号被计算以使输出速度ωr与命令速度ωv匹配。在各种实现方式中，在开环模式中可以使速度回路控制模块510变为旁路。在闭环模式中，输出速度ωr等于电动机400的估计速度ωest。因此，速度回路控制模块510可以生成需求的扭矩信号以将电动机400的速度保持为大于等于命令速度ωv。仅举例而言，当输出速度ωr小于命令速度ωv时，速度回路控制模块510可以增大需求的扭矩，反之亦然。
Idr注入模块51基于DC总线电压、需求的扭矩信号和命令的速度ωv来生成d轴电流(Idr)需求。Idr需求被下面描述的用于Idr注入的电流控制所使用，Idr注入也可以称作场弱化或相位提前。在各种实现方式中，Idr注入模块512可以基于下面描述的电压失调(OOV)信号和测量电流来调整Idr需求。
扭矩映射模块514基于需求的扭矩信号来生成q轴电流(Iqr)需求。还可以通过Idr需求来生成扭矩，因此，扭矩映射模块514可以基于Idr需求来确定Iqr需求。仅举例而言，扭矩映射模块514可以实现最大电流限值。在各种实现方式中，扭矩映射模块514可以将Idr需求和Iqr需求的组合与最大电流限值比较，并当该组合超过最大电流限值时减小这两个需求之一。在各种实现方式中，扭矩映射模块514可以仅限制Iqr需求。仅举例而言，最大电流限值可以是均方根限值，如25Ampsrms。
当扭矩映射模块514限制Iqr需求来满足最大电流限值时，扭矩映射模块514可以将限制信号输出到速度回路控制模块510。当接收到限制信号时，速度回路控制模块510可以临时暂停增大需求的扭矩。此外，速度回路控制模块510还可以基于OOV信号临时暂停增大需求的扭矩。
仅举例而言，速度回路控制模块510可以尝试将输出速度ωr与命令速度ωv的减小版本匹配。替换地或附加地，速度回路控制模块510可以选择性地暂停将会导致增大需求扭矩的错误的求和和/或积分运算。换句话说，当扭矩映射模块经由限制信号表示达到了最大电流限值时，速度回路控制模块510可以停止增大需求的扭矩，这是因为已经不能在最大电流限值内实现当前需求的扭矩。
电流控制模块516基于电流需求Iqr和Idr在qdr FoR中确定电压命令Vqr和Vdr。电压命令Vqr和Vdr可以分别是q轴电压命令和d轴电压命令。在各种实现方式中，电流控制模块516可以基于测量电流来确定电压命令Vqr和Vdr。在各种实现方式中，电流控制模块516可以尝试通过调整电压命令Vqr和Vdr而使测量电流与Iqr和Idr需求匹配。在各种实现方式中，电流控制模块516还可以接收输出速度ωr。
abc到qdr模块520基于输出角度θr将测量电流Ia-c映射到qdr FoR。得到的映射电流可以称作Iqdr，并且可以包括Iqr和Idr分量。因此电动机控制模块260的部件(如电流控制模块516)所使用的测量电流可以使用测量电流的Iqdr表示。
qdr到αβ模块522可以将电压命令Vqr和Vdr从qdr FoR变换到αβFoR，从而生成αβFoR中的电压请求(在下文中称作“电压请求”)。电压请求可以表示要施加于绕组Sa-c的电压。qdr到αβ模块522可以基于输出角度θr来执行变换，在各种实现方式中，可以基于输出速度ωr来执行该变换。
脉宽调制(PWM)模块524生成占空比信号以利用PWM控制逆变电源模块208。仅举例而言，PWM开关频率可以为约5kHz至约10kHz。在各种实现方式中，逆变电源模块208和电动机400具有三相，PWM模块524生成三个占空比信号，每个逆变器分支一个信号。
在各种实现方式中，逆变电源模块208的每个分支包括一对互补开关，因此每个占空比信号被转换为互补的占空比信号，每个互补开关一个信号。仅举例而言，参照图4a，可以利用互补的占空比来控制第一逆变器分支410的开关420和开关422。
在各种实现方式中，为了防止短路状况(在短路状况下，两个开关420和422同时接通)，互补占空比可以被调整为使得一个开关在另一开关关闭的同时不被接通。换句话说，这两个开关的关闭时间局部重叠。
PWM模块524基于DC总线电压以及来自qdr到αβ模块522的电压请求来确定占空比信号。仅举例而言，PWM模块524可以将电压请求从αβFoR变换到abc FoR以确定三个电压需求，在下文中称作与分别与绕组Sa-c对应的Vra，Vrb和Vrc(统称Vra-c)。
当在给定当前的DC总线电压的情况下不能满足电压需求时，驱动控制器132被限定为在OOV状态下工作。仅举例而言，可以在PWM模块524中限定最大占空比。如果电压需求将导致占空比之一大于最大占空比，则驱动控制器132在OOV状态下工作。
在各种实现方式中，最大占空比可以被设置为小于100％，如96％、95％或92％。可以基于用于精确测量绕组电流Ia-c的要求来设置最大占空比限值。也可以限定相应的最小占空比。仅举例而言，最小占空比限值可以等于一减去最大占空比限值。
在各种实现方式中，电动机400可以不与绕组电压本身对应，而代之以与绕组电压之间的差对应。作为简化示例，将50伏施加于第一绕组而将150伏施加于第二绕组可以等同于将0伏施加于第一绕组而将100伏施加于第二绕组。因此，即使电压需求之一可以超过可用电压，PWM模块524仍可以在生成占空比时改变电压需求。
在这样的实现方式中，当这三个电压需求中的任意两个电压需求之间的差大于可用电压时，PWM模块524可以确定驱动控制器132处于OOV状态。仅举例而言，可用电压可以等于DC总线乘以最大占空比。在各种实现方式中，PWM模块524可以将占空比改变为使得占空比之一被设置为零。或者，PWM模块524可以将占空比改变为使得占空比以一个中间占空比(如50％)为中心。在各种实现方式中，PWM模块524可以依赖于工作模式利用这三种方法中的这种或那种来改变占空比。仅举例而言，PWM模块524可以将占空比改变为使得当电动机400以超过预定阈值的速度工作时将最低占空比设置为零。
在OOV状态下，与电压需求对应的占空比之间的差大于最大占空比和最小占空比之间的差。因此，当在OOV状态下工作时，PWM模块524可以在生成占空比之前将电压需求缩小。等价地，PWM模块524可以缩放占空比。在各种实现方式中，PWM模块524可以尽可能地缩小占空比或电压需求，以使得占空比之一被设置为最小占空比，以及占空比之一被设置为最大占空比。
缩放因数是驱动控制器132目前处于多远的OOV的指示。缩放因数可以被称作OOV幅度，并且可以被包括在OOV信号中。在OOV状态下，PWM模块524将OOV标记设置为第一值，如1。当不处于OOV状态时，PWM模块524将OOV标记设置为第二值，如0。OOV标记可以被包括在OOV信号中。
可以基于OOV标记来确定OOV量。仅举例而言，OOV量可以表示驱动控制器132如何频繁地操作OOV。仅出于示例，逆变电源模块208可以将工作区域限定为类似于六边形的形状。电压需求可以被认为是该六边形内的圆。如果圆的中心在该六边形内，随着圆膨胀，它们将接触到六边形的边。当圆膨胀得超过六边形时，圆变得越来越与六边形的每个面夹紧。夹紧可以对应于OOV状态。结果，电压需求夹紧(产生OOV状态)的时间比例表示驱动控制器132处于多远的OOV。
OOV量可以表示驱动控制器132在OOV状态下的时间部分。可以通过将滤波(如数字低通滤波)应用于OOV标记来确定OOV。仅举例而言，可以通过将移动平均应用于OOV标记来确定OOV量。当OOV标记呈现0值或1值时，则OOV量将在0和1的范围之间。当乘以100时，OOV量是驱动控制器132在OOV状态下花费的时间的百分比。
电动机控制模块260可以使用多种方法来使OOV操作最小化，或者将OOV操作维持在低于预定阈值。在各种实现方式中，Idr注入模块512在确定如何调整Idr需求时可以使用OOV量。速度回路控制模块510还可以使用OOV量来确定何时暂停增大需求扭矩。电流控制模块516可以基于OOV标记来暂停增大Vqr和Vdr中的一个或两者。
现在返回图6，示出了PWM模块524的示例性实现方式。PWM模块524可以包括αβ到abc模块604，该模块将来自qdr到αβ模块522的电压请求变换到abc FoR，得到三个电压需求，一个电压需求对应于电动机400的三个绕组之一。三个电压需求可以表示要施加到各个绕组以生成期望电流的瞬时电压。
为了实现电压需求，PWM模块524将三个电压需求转换为三个占空比值。然后使用每个占空比值来控制与电动机绕组之一对应的开关。因为逆变电源模块208被DC总线供电，所以占空比模块608可以基于电压需求和DC总线电压来生成初步占空比值。
在各种实现方式中，可以通过将电压需求除以DC总线电压来计算初步占空比值。仅举例而言的目的，当DC总线电压是400V，而电压需求是320V时，相应的初步占空比可以是80％(320/400)。占空比比模块608将这三个初步占空比值输出到缩放模块612。
在各种操作状况中，初步占空比值中的一个或多个可以超过最大占空比。仅举例而言，最大占空比可以被设置为100％，这是通过定义能够产生的最大占空比。或者，最大占空比可以小于100％，如96％，95％或92％。最大占空比可以被设置为小于100％以确保在逆变电源模块208的特定电流路径中的充足的电流，从而允许精确测量电流。
在各种实现方式中，电动机400可以与施加于绕组的电压之间的差对应，而不与电压本身对应。为此，缩放模块612可以改变初步占空比值以生成该占空比值。仅出于示例的目的，如果初步占空比值中的最低的占空比值是80％，最大的占空比值是120％，则缩放模块612可以将这三个初步占空比值向下改变至少20％。
仅举例而言，缩放模块612可以改变初步占空比值，以使得最高的和最低的初步占空比值以预定值(如50％)为中心。或者，缩放模块612可以将初步占空比值改变为使得初步占空比值的平均值等于预定值，如50％。在另一个替换方式中，缩放模块612可以将初步占空比值变化为使得初步占空比值中的最低的占空比值被设置为零。在又一个替换方式中，缩放模块612可以将初步占空比值变化为使得初步占空比值中的最高的占空比值被设置为最大占空比。
利用上述的数值示例，第一种方法可以将初步占空比值80％和120％分别变小到30％和70％，使得它们以50％为中心。第二种方法依赖于中间的初步占空比值的值。第三种方法可以将初步占空比值80％和120％分别变小到0％和40％。第四种方法，例如仅利用最大占空比95％，可以将初步占空比值80％和120％分别减小到55％和95％。
在各种实现方式中，缩放模块612中各个时间可以使用这些方法中的两种以上。仅举例而言，当电动机400在高于预定速度工作时，缩放模块612可以将初步占空比值改变为使得最低的值等于零。当电动机在预定速度以下工作时，缩放模块612可以将初步占空比值改变为使得最高的初步占空比值和最低的初步占空比值以预定值为中心。
因此，缩放模块612可以改变初步占空比值以将初步占空比值的最大值减小到低于最大占空比。然而，在各种实现方式中，即使全部的初步占空比值都小于最大占空比，缩放模块612仍可以根据所选择的方法来改变预定的占空比值。
即使当缩放模块612已经改变初步占空比值，改变后的初步占空比值中的一个或两个仍可以大于最大占空比。如上所述，这种请况被称作电压失调(OOV)。当出现OOV情况时，缩放模块612将改变后的初步占空比值的最高值减小到最大占空比。这种减小在本文中也称作缩放。
所需的缩放量可以称作OOV幅度。同时，OOV标记表示当前是否正在执行缩放(即，当出现OOV时)。在各种实现方式中，当正在执行缩放时，可以将OOV标记设置为1，否则，设置为0。
缩放模块612可以将改变后的初步占空比值中的中间初步占空比值减小与用于改变后的初步占空比值中的最高初步占空比值的缩放因数相同的缩放因数。缩放模块612输出初步占空比值(其可以被改变和/或缩放)作为逆变电源模块208的命令占空比值。
缩放模块612可以包括缩放确定模块616，其接收初步占空比值并确定是否需要缩放。如果需要，则缩放确定模块616将OOV标记设置为第一值，如1；否则，缩放确定模块616将OOV标记设置为第二值，如0。
此外，缩放确定模块616可以将缩放因数输出到调整模块620。还可以从PWM模块524输出缩放因数作为OOV幅度。缩放因数可以是当被乘以改变后的初步占空比时将等于最大占空比的数值。调整模块620选择性地改变初步占空比值。然后，调整模块620基于缩放因数按照需要缩放初步占空比值。然后，调整模块620输出缩放结果作为命令的占空比值。
PWM模块524还可以包括滤波模块624。滤波模块624对OOV标记应用滤波以生成OOV量。仅举例而言，滤波模块624可以应用基于移动平均(如以下的加权移动平均)的数字滤波。
y(k)＝α·y(k-l)+(l-α)·x(k)
其中，x(k)是采样间隔k处的输入，α的值设置了旧采样的贡献降低的速率。
当OOV标记呈现0值或1值时，OOV量将在范围0和1之间。接近于1的值将表示OOV情况经常出现，而当OOV量达到1时，OOV情况将已经持续出现了滤波模块624的滤波窗口延伸的时间。类似地，当OOV量达到0时，OOV情况将消失滤波窗口的长度。
仅举例而言，滤波窗口可以比电动机400的转子完成一次旋转所花的时间长。那么，OOV量可以对应于在转子旋转期间OOV情况出现的百分比。仅出于示例的目的，OOV操作可以被认为是限制在六边形内的圆球。随着圆球膨胀，圆最终将在六边形的每个边上与六边形接触。如果圆继续膨胀，则六边形将圆限制在六边形的每个边上，导致在圆上有平点。这些平点对应于OOV情况。随着圆尝试进一步膨胀，圆上越来越多的部分被六边形压平，这对应于更大的OOV量。
OOV量可以被具体表示为百分比乘以100。在各种实现方式中，OOV量的低值，如低于预定阈值的值，是可以接受的，而电动机控制模块260可以尝试约束OOV量增大以免高于预定阈值。
现在参照图7，示出了电流控制模块516的示例性实现方式。电流控制模块516可以实现比例积分微分(PID)控制算法。可以在离散的时间间隔处估计比例分量、积分分量和微分分量并且使用这些分量来生成输出，该输出是控制动作的期望变化。控制动作的变化被合计以产生期望的控制动作。
可以如下以速度形式编写PID控制算法。在第n个采样mn处的控制动作的变化由下式给出：
mn＝K1＊Sn+K2＊Sn-1+K3＊Sn-2+K4＊d
其中，K1、K2、K3和K4是预定常量，Sn、Sn-1和Sn-2分别是当前时间(第n个采样)、前一采样(n-1)和大前个采样(n-2)的系统状态，d是系统需求。第n个采样处的控制动作由下式给出：
Cn＝Cn-1+mn
其中，Cn-1是前一采样(n-1)的控制动作。系统状态表示实际测量到的系统状态，而需求表示期望的系统状态。因此，在各种实现方式中，K4的符号可以与K1、K2和K3的符号相反。
电流控制模块516可以包括q轴控制模块704和d轴控制模块708。q轴控制模块704和d轴控制模块708可以单独地操作或者其中一个向另一个提供反馈。q轴控制模块704可以生成Vqr电压命令以使得实际的(测量到的)Iqr与Iqr需求匹配。类似地，d轴控制模块708可以生成Vdr电压命令以使得实际的(测量到的)Idr与Idr需求匹配。在各种实现方式中，实际的Iqr和Idr值是从图5的abc到qdr模块520接收到的实际Iqdr的分量。
q轴控制模块704和d轴控制模块708可以实现系统需求分别为Iqr需求和Idr需求并且系统状态分别是实际的Iqr和实际的Idr的PID控制算法。
在q轴控制模块704的示例性实现方式中，第一延迟模块712接收实际的Iqr并输出实际Iqr的延迟版本。第二延迟模块716接收延迟的Iqr并产生进一步延迟的Iqr。Iqr、延迟的Iqr和进一步延迟的Iqr被乘法模块720接收。乘法模块720还接收Iqr需求。
在各种实现方式中，电流控制模块516可以以周期性的间隔执行控制迭代(control iteration)。在该实现方式中，可以在每次迭代时更新电流控制模块516中的每个值。第一延迟模块712和第二延迟模块716可以通过一个迭代延迟它们的输入值。乘法模块720将它们的每个输入乘以相应的增益，该增益也称作q增益724。这些乘积被求和模块728加到一起以产生单个值。在各种实现方式中，用于实际Iqr的增益的符号可以与用于Iqr需求的增益的符号相反。
饱和模块732可以将上限和/或下限应用于来自求和模块728的单个值。饱和模块732通过将任意的给定迭代中的变化限制到预定的可接受量来防止不稳定性。积分模块736接收饱和模块732的输出并生成一输出，该输出等于积分模块736的前一输出加上来自饱和模块732的输出。
然而，保持模块740可以基于OOV信号暂停积分模块736的操作。在各种实现方式中，保持模块740可以在OOV标记表示当前出现OOV情况时暂停积分模块736的操作。OOV情况的出现表示DC总线电压已经不能满足Vqr电压命令。因此，保持模块740防止积分模块736请求连续增大Vqr电压命令。
保持模块740可以监控积分模块736的输入和输出并估计积分模块736的迭代是否将增大或降低Vqr电压命令。保持模块740可以在积分模块736的操作将导致Vqr电压命令的减小时允许积分模块736操作。以该方式，q轴控制模块703可以离开饱和并使Vqr电压命令降低到DC总线电压能够满足的水平。
d轴控制模块708可以包括与q轴控制模块类似的部件。d轴控制模块708包括将实际Idr的延迟版本提供给乘法模块758的第三延迟模块750和第四延迟模块754。乘法模块758将实际Idr、实际Idr的延迟版本以及Idr需求乘以相应的d增益762。得到的乘积被求和模块766相加，并且所得到的和可以受到饱和模块770的限制。
积分模块774基于前一Vdr电压命令与来自饱和模块的输出之和来生成Vdr电压命令。例如，在启动时，或当出现错误情况时，复位信号可以将积分模块736和774复位到预定状态。在各种实现方式中，保持模块740的操作仅被应用于积分模块736，而不被应用于积分模块774。积分模块736和744两者的暂停操作将在q轴控制和d轴控制之间导致不期望的交互。
现在参照图8，示出了速度回路控制模块510的示例性实现方式。速度回路控制模块510还可以实现PID控制算法，其中，系统状态是输出速度ωr(即，闭环模式中的ωest)并且系统需求是命令速度ωv。第一延迟模块804和第二延迟模块808生成输出速度ωr的延迟版本。
在各种实现方式中，下拉模块812可以被实现为基于OOV信号而选择性地减小命令速度ωv。下拉模块812可以将命令速度ωv减小OOV量和预定增益的乘积。当不实现下拉模块812时，命令速度ωv可以被直接传递到乘法模块816。
乘法模块816接收输出速度ωr、ωr的延迟版本和命令速度ωv，命令速度ωv可以被下拉模块812减小。乘法模块816将其输入乘以相应的增益820并将乘积输出到求和模块824。求和模块824将乘积和输出到饱和模块828。
饱和模块828可以将上限和/或下限应用于该和并将结果输出到积分模块832。积分模块832基于需求的扭矩的前一值与饱和模块的输出之和来生成需求扭矩。积分模块832可以被复位信号复位到预定状态。
保持模块836可以暂停积分模块832的操作。在各种实现方式中，保持模块836可以监控积分模块832的输入和输出并在这样的操作将导致减小需求的扭矩时允许积分模块832的操作。
保持模块836可以在OR模块840表示出现两种情况之一或两者时暂停积分模块832的操作。第一种情况基于OOV信号，第二种情况基于限制信号。在各种实现方式中，第一种情况可以是OOV量大于预定阈值，如12％。第二种情况可以是来自扭矩映射模块514的限制信号表示Iqr需求由于最大电流限值而受到限制。
现在参照图9，流程图示出了OOV减轻系统的示例性操作。控制流程开始于904，其中，控制流程确定是否出现OOV情况。如果出现，则控制流程前进到908；否则控制流程前进到912。如上所述，当在给定当前的DC总线电压的情况下不满足电压命令时，控制流程可以确定出现OOV情况。
在908，控制流程将OOV标记设置为值1并在916处继续。在916，控制流程通过缩放因数缩放初始占空比值以将占空比值减小到预定最大占空比以下。
仅为了示例的目的，本公开已经描述了占空比变化和/或缩放。然而，等同地，电压命令本身可以变化和/或缩放。仅举例而言，代替变化和/或缩放占空比以将占空比减小到最大占空比以下，可以变化和/或缩放电压需求以将电压需求减小到可用电压以下。可用电压可以等于DC总线电压乘以预定的最大占空比。
控制流程在920处继续，其中控制流程确定电流控制算法中的积分运算是否将减小电压命令。如果减小，则控制流程前进到924，其中，执行电流控制积分；否则控制流程前进到928，其中暂停电流控制积分。在任一种情况下，控制流程都在932处继续。
在912处，控制流程将OOV标记设置为0并在932处继续。在932，控制流程对OOV标记滤波以生成OOV量。控制流程在936处继续，其中控制流程将增益应用于OOV量以确定速度调整量并将命令的速度减小该预定调整量。在各种实现方式中，可以省略936。
控制流程在940处继续，其中控制流程基于需求的扭矩来生成Iqr需求。控制流程在944处继续，其中控制流程确定Iqr需求和Idr需求的组合是否大于最大电流阈值。如果大于，则控制流程前进到948；否则控制流程前进到952。仅举例而言，控制流程可以通过将Iqr需求和Idr需求相加或者通过对它们求平方和来组合Iqr需求和Idr需求。
在948，控制流程减小Iqr需求以满足最大电流阈值并维护限制信号。然后，控制流程在956处继续。在952，控制解除对限制信号的维护并在956处继续。在956，控制流程确定OOV量是否大于阈值和是否维护限制信号。如果这两个情况之一为真，则控制流程前进到960；否则控制流程前进到964。
在960，控制流程确定速度控制算法的积分运算是否将减小需求扭矩。如果是，则控制流程前进到964，其中执行速度控制积分；否则控制流程前进到968，其中暂停速度控制积分。在任一种情况下，控制流程都返回到904。
可以以多种形式来实现本公开的广义教导。因此，虽然本公开文件包括具体示例，但是本公开文件的真实范围应当不限于此，因为其他修改对于学习了附图、说明书和随后的权利要求的技术人员变得显然。

Claims (20)

1.一种电动机控制系统，包括：
控制模块，其基于扭矩需求来控制用于操作电动机的输出电压；
开关模块，其生成用于逆变器的开关信号，所述逆变器用于驱动所述电动机，
其中，所述开关模块基于所述输出电压来生成所述开关信号，
其中，所述开关模块根据基于所述输出电压、最大占空比以及向所述逆变器提供电力的直流DC总线的电压的比较来生成电压失调OOV信号；以及
滤波模块，其通过对所述OOV信号滤波来生成OOV量，
其中，所述控制模块基于所述OOV量选择性地限制所述扭矩需求。
2.根据权利要求1所述的电动机控制系统，还包括速度控制模块，所述速度控制模块基于命令速度来生成所述扭矩需求，其中所述速度控制模块基于所述OOV量选择性地暂停增大所述扭矩需求。
3.根据权利要求2所述的电动机控制系统，其中所述速度控制模块在所述OOV量大于预定阈值的情况下暂停增大所述扭矩需求。
4.根据权利要求2所述的电动机控制系统，其中所述控制模块还包括扭矩映射模块，所述扭矩映射模块将所述扭矩需求映射到电流需求，基于电流上限值选择性地限制所述电流需求，并在限制所述电流需求之时设置限制信号，其中，在设置了所述限制信号的情况下所述速度控制模块暂停增大所述扭矩需求。
5.根据权利要求1所述的电动机控制系统，还包括速度控制模块，所述速度控制模块基于受限制的命令速度来生成所述扭矩需求，其中所述速度控制模块通过将命令速度减去预定增益与所述OOV量之积来生成所述受限制的命令速度。
6.根据权利要求1所述的电动机控制系统，其中所述控制模块还包括电流控制模块，所述电流控制模块基于所述扭矩需求生成电压命令，其中所述输出电压是基于所述电压命令计算出的，以及其中所述电流控制模块基于所述OOV信号选择性地暂停增大所述电压命令之一。
7.根据权利要求6所述的电动机控制系统，其中所述电压命令包括q轴电压命令和d轴电压命令，以及其中所述电流控制模块基于所述OOV信号选择性地仅暂停增大所述q轴电压命令。
8.根据权利要求1所述的电动机控制系统，还包括d轴注入模块，所述d轴注入模块基于所述OOV量调整d轴电流需求，其中所述控制模块基于q轴电流需求和所述d轴电流需求来确定所述输出电压，以及其中所述q轴电流需求是基于所述扭矩需求的。
9.根据权利要求1所述的电动机控制系统，其中所述开关模块基于将所述输出电压除以所述DC总线电压来生成占空比值，并基于以下两项的比较来生成所述OOV信号：最大占空比，以及所述占空比值两两之间的最大差值。
10.根据权利要求1所述的电动机控制系统，其中所述开关模块基于以下两项的比较来生成所述OOV信号：可用电压，以及所述输出电压两两之间的最大差值，其中所述可用电压等于所述DC总线电压乘以所述最大占空比。
11.一种控制电动机的方法，包括：
基于扭矩需求来控制用于操作电动机的输出电压；
基于所述输出电压生成用于逆变器的开关信号，所述逆变器驱动所述电动机，
根据基于所述输出电压、最大占空比以及向所述逆变器提供电力的直流DC总线的电压的比较来生成电压失调OOV信号；
通过对所述OOV信号滤波来生成OOV量；以及
基于所述OOV量选择性地限制所述扭矩需求。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
基于命令速度来生成所述扭矩需求；
在所述OOV量大于预定阈值的情况下暂停增大所述扭矩需求。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：
将所述扭矩需求映射到电流需求；
基于电流上限值选择性地限制所述电流需求；
在限制所述电流需求之时设置限制信号；以及
在设置了所述限制信号的情况下暂停增大所述扭矩需求。
14.根据权利要求11所述的方法，还包括：
通过将命令速度减去预定增益与所述OOV量之积来生成受限制的命令速度；以及
基于所述受限制的命令速度来生成所述扭矩需求。
15.根据权利要求11所述的方法，还包括：
基于所述扭矩需求生成电压命令，其中所述输出电压是基于所述电压命令计算出的，以及
基于所述OOV信号选择性地暂停增大所述电压命令之一。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述电压命令包括q轴电压命令和d轴电压命令，所述方法还包括：基于所述OOV信号选择性地仅暂停增大所述q轴电压命令。
17.根据权利要求11所述的方法，还包括：
基于所述扭矩需求来确定q轴电流需求；
基于所述OOV量调整d轴电流需求；以及
基于所述q轴电流需求和所述d轴电流需求来确定所述输出电压。
18.根据权利要求11所述的方法，还包括：
基于所述输出电压除以所述DC总线电压来生成占空比值；以及
基于以下两项的比较来生成所述OOV信号：所述最大占空比，以及所述占空比值两两之间的最大差值。
19.根据权利要求11所述的方法，还包括：
基于所述DC总线电压乘以所述最大占空比来确定可用电压；以及
基于以下两项的比较来生成所述OOV信号：所述可用电压，以及所述输出电压两两之间的最大差值。
20.一种控制电动机的方法，包括：
基于命令速度来生成扭矩需求；
将所述扭矩需求映射到q轴电流需求；
基于电流上限值和d轴电流需求来选择性地限制所述q轴电流需求；
在限制所述q轴电流需求之时设置限制信号；
分别基于所述q轴电流需求和所述d轴电流需求来生成q轴电压命令和d轴电压命令；
基于所述q轴电压命令和所述d轴电压命令来确定分别用于操作电动机的第一绕组、第二绕组和第三绕组的第一输出电压、第二输出电压和第三输出电压；
基于将所述第一输出电压、所述第二输出电压和所述第三输出电压分别除以直流DC总线的电压来确定第一占空比值、第二占空比值和第三占空比值，其中所述DC总线将电力提供到驱动所述电动机的逆变器；
基于所述第一占空比值、所述第二占空比值和所述第三占空比值来生成用于所述逆变器的开关信号；
在所述第一占空比值、所述第二占空比值和所述第三占空比值中的至少一个占空比值大于最大占空比的情况下将电压失调OOV信号设置为一，否则将所述OOV信号设置为零；
基于所述OOV信号的加权移动平均生成OOV量；
在所述OOV量大于预定阈值的情况下暂停增大所述扭矩需求；
在设置了所述限制信号的情况下暂停增大所述扭矩需求；
基于所述OOV量调整所述d轴电流需求；以及
在所述OOV信号被设置为一的情况下仅暂停增大所述q轴电压命令。
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