CN103973190B - 无传感器的电动机控制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无传感器的电动机控制。一种电动机控制系统包括功率逆变器和控制电路，所述控制电路被配置为根据基于电压的控制模式中的目标电压或根据基于电流的控制模式中的目标电流控制所述功率逆变器。所述控制器通过操作将所述控制电路的操作在所述基于电压的控制模式与所述基于电流的控制模式之间切换。所述控制器可被配置为以较低的电动机操作速度在所述基于电流的控制模式中操作所述控制电路，此时定子电流余量更重要，并且可被配置为以较高的电动机操作速度在所述基于电压的控制模式中操作所述控制电路，此时定子电压余量更重要。

Description

无传感器的电动机控制

技术领域

本发明的实施例涉及用于控制电动机的系统和方法。

背景技术

电动机一般包括被称为定子的静止部件和被称为转子的旋转部件。当使用驱动波形激励电动机时，转子在定子内(或围绕定子)旋转。感应电动机(有时也称为异步电动机)是一类电动机，其中通过电磁感应而非与转子的直接电连接来将电力提供给转子。

对于同步电动机，被提供给感应电动机的定子的驱动波形产生随着驱动波形的AC振荡而及时旋转的磁场。感应电动机的转子与定子磁场相比以更低的速度旋转。这种也被称为“转差(slip)”、“转差频率”或“转差速度”的旋转速度之差导致转子绕组中变化的磁通量，这在转子绕组中感应出电流。感应电流进而在转子绕组中产生磁场，这些磁场与定子产生的旋转磁场相反，从而引起转子的旋转运动。转子加速，直到感应的转子电流与转子转矩的大小平衡了施加的负载。由于同步速度旋转不会导致感应的转子电流，因此，感应电动机在正常的正向运行期间总是以低于同步速度的速度运行。

当驱动波形的频率低于转子频率时(例如在所设计的电动机速度在操作期间被电动机控制器减小的情况下)，定子产生的旋转磁场在转子上感应出与转子运动相反的旋转压力并减小电动机速度。在此操作制动模式中，转子和施加的负载的惯性在定子中导致可激励外部电动机部件(例如，给电动机提供电力的DC总线)的电压。

一种公知的控制电动机的方法是磁场定向控制或“FOC”。磁场定向控制涉及使用三个电动机输入变量控制电动机，这三个变量包括电压幅值、电压角度和频率。由于定子电流与输出转矩以及电动机的其它操作特性密切相关，因此适合使用磁场定向控制方法以根据目标定子电流操作电动机。但是，在高电动机速度上使用磁场定向控制操纵定子电流的效率较低，因为电动机在最大电压水平处或附近执行操作，消除或减少了一个输入变量(电压幅值)。

以上部分提供了与本公开相关的背景信息，此信息不一定是现有技术。

发明内容

本发明的实施例通过提供一种控制电动机的改进系统解决了上述问题，所述电动机能够根据电动机的操作速度在不同操作模式中执行操作。

根据本发明的实施例构造的电动机控制系统包括：功率逆变器；控制电路，该控制电路被配置为根据基于电压的控制模式中的目标电压或根据基于电流的控制模式中的目标电流控制所述功率逆变器；以及控制器，该控制器用于将所述控制电路的操作在所述基于电压的控制模式与所述基于电流的控制模式之间切换。

在相关实施例中，所述控制电路包括用于产生和/或调解电动机控制信号的多个调节器。第一调节器接收差分速度信号并基于所述差分速度信号产生参考电流信号的产生转矩的分量i_qref，所述差分速度信号表示参考电动机速度与估计的电动机速度之差。第二调节器接收参考速度信号并产生所述参考电流信号的产生磁通的分量i_dref。

第三调节器接收差分i_q信号并产生参考电压信号的产生转矩的分量V_q，所述差分i_q信号表示i_qref与估计的实际的电动机驱动波形的产生转矩的分量i_q之差。第四调节器接收差分i_d信号并基于所述差分i_d信号产生所述参考电压信号的产生磁通的分量V_d，所述差分i_d信号表示i_dref与估计的实际的所述电动机驱动波形的产生磁通的分量i_d之差。

在本发明的另一实施例中，一种操作电动机控制系统的方法包括：如果参考电动机速度处于第一速度范围内，则根据目标电流产生第一电动机驱动信号，并且如果所述参考电动机速度处于第二速度范围内，则根据目标电压产生第二电动机驱动信号。所述方法进一步包括当所述目标速度在所述第一速度范围与所述第二速度范围之间变化时，将所述电动机控制系统的操作在产生所述第一电动机驱动信号与产生所述第二电动机驱动信号之间自动切换。

提供本发明内容是为了以简化的形式介绍一组选择的概念，这些概念将在下面的具体实施方式中进一步描述。本发明内容并非旨在识别所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也并非旨在用于限制所要求保护的主题的范围。根据下面对实施例和附图的详细描述，本发明的其它方面和优点将变得显而易见。

附图说明

下面参考附图详细地描述本发明的实施例，其中：

图1是根据本发明的实施例而构造的电动机系统的框图。

图2是用于图1中的电动机系统的控制电路的示意性表示。

图3是图2中的控制电路的另选实施例的示意性表示。

图4是图1中的电动机的特定操作和性能特征的图示。

这些附图并非将本发明限于此处公开和描述的具体实施例。附图不一定按比例绘制，而是将重点放在清楚地阐述本发明的原理。

具体实施方式

下面的对本发明的实施例的详细描述参考附图。这些实施例旨在足够详细地描述本发明的各方面，从而使本领域的技术人员能够实现本发明。可以使用其它实施例并且可以在不偏离权利要求的范围的情况下进行变化。因此，下面的详细描述不应被视为限制性的。本发明的范围仅由所附权利要求以及这些权利要求被赋予的等同物的全部范围所定义。

在本说明书中，对“一个实施例”、“实施例”或“多个实施例”的提及表示被引用的一个或多个特征被包括在至少一个技术实施例中。在本说明中，单独提及“一个实施例”、“实施例”或“多个实施例”不一定指示同一实施例，并且也不相互排斥，除非从说明书中被这样指出和/或这对本领域的技术人员而言是显而易见的。例如，一个实施例中描述的特征、结构、操作等也可以包括在其它实施例中，但不一定包括在内。这样，本技术可以包括此处描述的实施例的各种组合和/或综合。

现在参考附图，首先参考图1，示出根据本发明的实施例构造的电动机系统10。电动机系统10广义地包括电动机12、电源14和电动机控制系统16，该电动机控制系统16用于从电源14接收电力并根据经由参考速度输入端18传送到控制系统的参考电动机速度(ω_ref)产生激励电动机12的驱动波形。参考电动机速度对应于期望的或目标操作电动机输出速度并且可由外部电动机控制机构(未示出)产生，该外部电动机控制机构被配置为根据本发明的特定实施方式操作电动机12。电动机控制系统16包括控制电路20，控制电路20被配置为从电源14接收输入电力，从参考速度输入端18接收参考电动机速度信号，产生驱动波形，并将驱动波形传送到电动机12。控制器22管理控制电路20的操作的特定方面，包括在基于电压的控制模式与基于电流的控制模式之间切换，下面将对此进行描述。

电源14可以是传统的交流电源，例如在住宅和商业大厦中通过标准电气插座可提供的标准115V或230V电源。电动机系统10可以是诸如洗涤机或干衣机之类电器的驱动系统的一部分，该驱动系统还包括此处未示出或未描述的其它电气和机械部件。

电动机12可以是感应电动机，在一个实施例中，是指被设定在190到200伏特之间的最大电压和4到6安培之间的最大电流上执行操作的三相、四极AC感应电动机。电动机12可被配置为在例如0到3,000rpm的正常操作范围内执行操作，并且能够在大大超过正常操作范围的速度上，例如达到17,000或18,000rpm，执行操作。超出正常操作范围的电动机操作的特征可能在于逐步减小性能特征，例如转矩减少，下面将对此进行描述。

电动机12的各种操作和性能特征(包括定子电压(V_s)、最大操作电流和输出转矩)在图4的图中示出，遍及电动机12的操作速度范围。如图4所示，电动机性能特征根据电动机是在正常操作区域还是在磁场弱化区域中执行操作而有所不同。正常操作区域对应于0到标称操作速度24的电动机输出速度，该标称操作速度24例如可以是3,000或4,000rpm。磁场弱化操作区域对应于标称操作速度24到最大电动机速度26，最大电动机速度26例如可以是约17,000或18,000rpm。当在正常操作区域中执行操作时，电动机12的速度一般遵循线性模式，并且与定子电压(V_s)成正比，同时转矩一般保持恒定。在磁场弱化区域中，定子电压保持在最大操作电压处或附近，并且转矩随着电动机输出速度增加而减小。最大操作电流由电动机12和/或控制电路20的限制定义。尽管最大操作电流一般在所有电动机操作速度上保持恒定，但是电动机定子电流(i_s)通常随变化的操作参数(例如变化的电动机速度和负载转矩)而波动。总定子电流(i_s)包括产生转矩的分量(i_sq)和产生磁通的分量(i_sd)，它们的关系由以下方程式定义：

为了实现本教导，电动机12一般在包括低速、中速和高速的三种不同的输出速度范围内执行操作。低速范围一般对应于正常操作区域，中速范围一般对应于磁场弱化区域的下半部分，高速范围一般对应于磁场弱化区域的上半部分，如图4中的图所示。对应于中速与高速范围之间边界的电动机速度可被定义为特定的电动机速度，例如8,000rpm或10,000rpm，或者被定义为最大电动机速度的百分比，例如最大速度26的50％、60％或70％。另选地，此边界可根据定子电流定义，例如i_sd或i_sq的特定值或i_sd与i_sq之差。更进一步地，中速与高速范围之间的边界可根据转矩定义，例如特定的转矩值或最大转矩的百分比。中速与高速范围之间的边界很重要，因为可被控制器用作用于在基于电压的控制模式与基于电流的控制模式之间切换的阈值速度，下面将对此进行描述。在某些实施例中，中速与高速范围之间的边界被定义为转子速度，在该速度上，定子电压振幅处于逆变器电压余量(margin)处或者附近。当电动机在逆变器电压余量处或者附近执行操作时，例如由于DC总线电压变化导致的逆变器电压余量波动使得基于电流的电动机控制不实际。

控制器22包括被配置为与控制电路20的特定部件进行交互并控制这些部件的数字逻辑。该数字逻辑可以包括分立的逻辑部件、可编程逻辑装置和/或诸如微控制器或微处理器之类的通用计算机处理器。在本发明的某些实施例中，控制器22是或包括计算机处理器，该处理器被配置为执行计算机程序以引导控制电路20在低速和中速范围内在基于电流的控制模式下执行操作，或者在高速范围内在基于电压的控制模式下执行操作。

这样，本发明的各方面可通过存储在计算机可读介质中或计算机可读介质上的一个或多个计算机程序实现，该计算机可读介质位于控制器22中或者可被控制器22访问。该计算机程序包括用于在控制器22中实现逻辑功能的一系列可执行指令。该计算机程序可被包含在任何非临时计算机可读介质上，并由控制器22使用或者与控制器22结合使用，其中控制器从计算机可读介质取回指令并执行指令。如在此使用的那样，“计算机可读介质”可以是能够存储由控制器使用或者与控制器结合使用的程序的任何非临时装置。该计算机可读介质例如可以是，但不限于，电、磁、光、电磁、红外或半导体系统、设备或装置。计算机可读介质的更具体的实例(尽管不是包括所有的)包括以下项：具有一条或多条线(wire)的电连接、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)。

现在参考图2，更详细地示出控制电路20的特定部件。整流器30将从电源14接收到的AC电力转换为激励DC总线32的DC电力。整流器30可以包括实际上任何类型的整流电路，但是在各种优选实施例中，它是简单的非再生整流器，例如二极管电桥整流器。信号分流器34和电压传感器35与DC总线32耦合并用于检测DC总线32上的电压和/或电流水平，以用于反馈回路，下面将更详细地介绍。信号分流器34例如可以是电阻器，而电压传感器35可以是分压电路。一个或多个电容器36也可耦合到DC总线32以最小化总线32上的电压纹波并在制动期间将再生能量存储在总线32中。

逆变电路38包括脉宽调制(“PWM”)控制逻辑40和三相逆变器42，三相逆变器42将来自DC总线32的DC电力转换为被传送到电动机12的驱动波形。PWM控制逻辑40接收表示两相静止参考坐标系(reference frame)电压值V_α和V_β的两个输入信号(V_αref和V_βref)，并将输入信号转换为逆变器控制信号，这些逆变器控制信号驱动逆变器以将来自DC总线32的电力转换为被施加到电动机定子绕组的驱动波形。根据参考电动机速度ω_ref操纵电驱动波形的电压幅值、电压角度和频率以控制电动机12的操作。当电动机12以恒定速度执行操作或加速时，具有正转差频率并且一般地消耗能量。当电动机12减速(制动)时，具有负转差频率并产生在电动机12中消耗的能量(作为转子和定子损耗)，并且该能量激励逆变器42和DC总线32，从而增加这些部件中的电压而超过整流器30提供的电压。DC总线32上增加的电压可通过进一步增加电动机12中的定子电压和损耗而促进制动，下面将更详细地介绍。

当开关28处于第一位置(由图2中的虚线表示)时，控制电路20根据间接磁场定向控制(IFOC)的原理在基于电流的控制模式中执行操作。在基于电流的控制模式中，控制电路20根据目标定子电流驱动功率逆变器(power inverter)42的操作。IFOC电动机控制方法包括借助以下三个电动机输入变量控制AC电动机操作：电压幅值、电压角度和信号频率。根据参考速度ω_ref通过两个控制/反馈回路操纵这些变量，两个控制/反馈回路独立地控制在电动机的定子中感应出的旋转磁场的速度(频率)和强度。

参考电动机速度(ω_ref)信号在图1中的电路图的左侧被接收。可以从外部电动机控制器(例如被配置为根据特定电器的操作参数控制电动机的速度和操作的电器电动机控制器)接收ω_ref信号。从参考速度中减去估计的转子速度ω_r并将差值传送到第一比例积分控制器44，第一比例积分控制器44被配置为产生目标定子电流中的产生转矩的分量i_qref。估计的电动机速度(ω_r)还被传送到磁场弱化控制器46，磁场弱化控制器46被配置为产生定子电流中的产生磁通的分量i_dref。当参考电动机速度位于电动机操作的磁场弱化区域中时，磁场弱化控制器46减小i_dref的值。

i_qref信号被从第一比例积分控制器44传送到DC限压电路48，DC限压电路48被配置为基于电动机12、逆变器42和/或电容器36的电压限制而限制i_qref的最大负值。在电动机制动期间，当参考电动机速度小于实际的转子速度时，i_qref的值为负值。当制动时，来自电动机12的再生能量增加逆变器42和DC总线电容器36中的电压，正如以上所述。限压电路48阻止i_qref的负值超过与电动机、逆变器和/或电容器的最大电压对应的水平。限压电路48接收表示最大电压水平的第一信号V_dcmax、表示在DC总线32上估计或测量的电压的第二信号V_dc，并从V_dcmax中减去V_dc的值。积分控制器50对差值进行积分并将结果–i_qrefmax传送到第一限流部件52，第一限流部件52将i_qref限制为–i_qrefmax的值。

限流部件54接收i_qref和i_dref信号并对这些信号施加限制，所述限制对应于由电动机12和/或逆变器42的最大额定值定义的最大定子电流。这样，当限压电路48在制动期间施加i_qref的最大负值以调节再生电压时，限流部件54在正常操作期间施加i_qref和i_dref的最大正值。从i_qref和i_dref中减去实际定子电流中的产生转矩的分量i_q和产生磁通的分量i_d的测量值，并将得出的差值传送到第二比例积分控制器56和第三比例积分控制器58，第二比例积分控制器56和第三比例积分控制器58计算旋转两相电压信号V_qref和V_dref。

Park反变换电路60将V_qref和V_dref信号转换为静止的两相信号V_αref和V_βref，信号V_αref和V_βref由逆变电路38的PWM控制逻辑40接收。PWM控制逻辑40基于静止的两相信号V_αref和V_βref产生多个逆变器控制信号，正如以上所述，并将这些控制信号传送到逆变器42。

在基于电流的控制模式中，控制电路20使用反馈回路产生电动机控制信号。分流器34和传感器35检测DC总线32上的电流和/或电压并将信息传送到转换部件62，转换部件62产生表示瞬时定子电流和/或电压的测量值的多个信号。Clarke变换电路64将测量的定子电流和/或电压值转换为两相静止值i_α和i_β，值i_α和i_β然后被Park变换电路66转换为两相旋转信号i_q和i_d。i_q和i_d信号与i_qref和i_dref信号进行组合，正如以上所述。Clarke变换电路64也可以产生两相静止值V_α和V_β，值V_α和V_β被速度估计器68用于估计转子速度ω_r。

速度估计器68基于被传送到定子的电力的特征(例如由Clarke变换电路64产生的估计值i_α、i_β、V_α和V_β)计算估计的转子速度ω_r。速度估计器68例如使用操作的模型参考自适应系统(MRAS)原理。信号ω_r与ω_ref组合以产生i_qref，正如以上所述。ω_r信号还被输出角度计算电路70用于产生输出角度信号θ_dq，信号θ_dq被Clarke和Clarke反变换电路用于在静止域与旋转域之间进行转换。

输出角度计算电路70包括转差计算器72，转差计算器72将转差频率ω_s确定为i_qref和i_dref的函数。具体而言，转差频率可使用以下方程式定义：

其中k值取决于电动机12的特征。转差频率与估计的转子频率ω_r组合，该组合使用积分器74而被积分以产生输出角度信号θ_dq。

如上所述，当在基于电流的控制模式中执行操作时，控制电路20使用两个独立的反馈回路控制在定子中感应的旋转磁场的强度和速度。第一反馈回路控制旋转磁场的强度并包括Park变换电路66、Clarke变换电路64和比例积分控制器56、58。第二反馈回路控制旋转磁场的速度并包括Clarke变换电路64、速度估计器68、第一比例积分控制器44、磁场弱化控制器46和输出角度计算电路70。因此，两个反馈回路之间存在某些重叠。

当开关28处于第二位置(由图2中的实线表示)时，控制电路20在基于电压的控制模式中执行操作，并通过操纵驱动波形的电压和频率，而非使用在基于电流的控制模式中采用的IFOC操作模式，控制电动机12。在所示的实施例中，V_dref被设为0，V_qref被设为V_rated，该V_rated可以对应于最大操作电压。最大操作电压通常是DC总线32上的可用电压，但是也可能与逆变器42和/或电动机12的最大电压容量有关。

在基于电压的控制模式中，控制电路20根据目标电压(V_rated)而非目标电流，操作逆变器42。该操作模式例如适合于以下情况：电动机12在非常高的速度上执行操作并且定子电压处于最大电压处或者附近。在这种情况下，基于电压的控制模式允许更多电力被传输到电动机12，因为消除了与基于电流的控制模式关联的电压余量。

图3示出了根据本发明的另一实施例构造的控制电路100。控制电路100与上面描述的图2中所示的控制电路20相同，除了控制电路100包括制动机构，该制动机构用于在控制电路100在基于电流的控制模式或基于电压的控制模式中执行操作时，调节电动机12的制动功率。因此，为了方便起见，类似的部件被赋予相同的附图标记，并且仅介绍两个实施例的不同之处。具体而言，基于电流的制动机构102在电路100在基于电流的控制模式中执行操作时被使用，基于电压的制动机构104在电路100在基于电压的控制模式中执行操作时被使用。

基于电流的制动机构102确定参考速度的变化(Δω_ref)与估计的转子速度的变化(Δω_r)之间的差值。使用积分控制器106对该差值进行积分以产生差分速度(differential speed)信号Δi_dref，当在基于电流的控制模式中制动时，该Δi_dref与i_dref信号进行组合。这样，基于电流的制动机构102根据参考电动机速度ω_ref与估计的转子速度ω_r之间的差值增大i_dref信号，从而增加电动机损耗并使电动机以较快的速度变慢。当参考电动机速度与估计的电动机速度之间的差值增加时，Δi_dref和i_dref的值也增加。

第一制动开关108通过操作选择性地将基于电流的制动机构102的输出连接到i_dref信号组合点。控制器22可被配置为在电动机处于制动模式时(即，当ω_ref小于ω_r时)致动开关108以将基于电流的制动机构102连接到i_dref信号组合点。

基于电压的制动机构104增大V_rated输入，以便在制动期间当控制电路20在基于电压的控制模式中执行操作时，增加电动机损耗。基于电压的制动机构104在形式和功能上与上述基于电流的制动机构102类似，这样，制动信号随着参考速度与估计的转子速度之间的差值增加。增大V_rated输入导致被施加到电动机上的电压也增加，这样在制动期间增加电动机损耗并使电动机以较快的速度变慢。增加被施加到电动机上的电压还会增加在逆变器中或者在DC总线上由电动机产生的能量级别，这样进而增加可被施加到电动机的电压量，进一步增加电动机损耗和制动功率。

第二制动开关110通过操作选择性地将基于电压的制动机构104的输出连接到V_rated信号组合点。控制器22可被配置为在电动机处于制动模式时(即，当ω_ref小于ω_r时)致动开关110以将基于电压的制动机构104连接到V_rated信号组合点。

如上所述，在逆变器42和DC总线32中由电动机12在制动期间产生的能量一般受电动机12、逆变器42和/或电容器36的额定容量限制。当在基于电压的控制模式或基于电流的控制模式中制动时，在DC总线32上由电动机12产生的电压受到限压电路48限制。在基于电流的控制模式中，限压电路48调节i_qref和电动机转差频率以限制在逆变器42中和在DC总线32上的能量产生，从而避免损坏这些部件。在基于电压的控制模式中，限压电路48仅调节转差频率。

本领域的技术人员将理解，制动机构102、104在无需折衷控制制动过程的情况下提供增强的制动能力。电动机12的速度例如由速度估计器68进行跟踪，使得允许制动以便将电动机速度降为任何速度，包括除零以外的速度。例如，可以理想地将电动机速度从5,000rpm降为3,000rpm。

在操作中，控制器22致动电路控制开关28以在基于电压的控制模式与基于电流的控制模式之间转换控制电路的操作。控制器22进一步致动第一制动开关108和第二制动开关110以在处于制动模式中时使用制动机构102、104。电动机系统10的操作通常在电动机的实际速度为零并且将某一非零参考速度应用到电动机控制系统16上时开始。控制器22致动电路控制开关28，以使开关28处于第一位置，从而将控制电路置于基于电流的控制模式中。控制电路20产生驱动波形，导致电动机速度逐渐朝着电动机参考速度增加。当电动机速度在正常操作区域增加时，定子电压随着电动机12的速度线性增加，如图4所示。如果参考电动机速度ω_ref位于正常操作区域中，则实际的电动机速度达到参考速度并稳定，并且控制电路20在基于电流的控制模式中以参考速度继续驱动电动机12。

如果参考电动机速度ω_ref位于中速范围内，则控制电路20使电动机速度增加，使得当实际的电动机速度达到标称操作速度阈值时，定子电压增加到最大可用电压并保持在其附近。当定子电流的产生转矩的分量增加、定子电流的产生磁通的分量减小、以及电动机转矩减小时，电动机速度继续在磁场弱化区域中增加。实际的电动机速度最终达到参考速度并稳定，并且控制电路20在基于电流的控制模式中以参考速度继续驱动电动机12。

如果参考速度位于图1中的高速范围内，则控制器在基于电流的控制模式中继续增加电动机速度，直到估计的电动机速度ω_r达到高速范围，其中控制器22将开关28从第一位置切换到第二位置，从而将控制电路20从基于电流的控制模式转换为基于电压的控制模式。在基于电压的控制模式中，控制电路20以最大额定电压操作电动机12，正如以上所述。只要参考电动机速度保持在高速范围内，控制电路20便继续在基于电压的控制模式中执行操作。

当电动机12在高速范围内执行操作时，如果参考电动机速度降低，则控制电路20调节i_qref和i_dref，从而使电动机在负转差频率上执行操作，直到ω_r降低到对应于ω_ref。在负转差频率上的操作使用驱动波形对抗(against)电动机的运动，因此充当制动器。在此制动模式中，电动机的运动产生可升高逆变器42和/或DC总线32中电压的电能。如果逆变器42和/或DC总线32中的电压接近最大电压V_dcmax，则限压电路48通过限制负转差频率进行响应，从而限制V_dc值并防止损害性的过电压。

如果控制电路20包括基于电压的制动机构104，参考电动机速度一降到低于估计的速度ω_r的水平，控制器22就立即致动第二制动开关110以将电压值V_rated与V_qref组合，从而增加制动功率。当实际的电动机速度接近或达到参考电动机速度时，控制器22致动第二制动开关110以使制动机构104脱离控制电路20。

只要参考速度处于高速范围内，控制电路20便继续在基于电压的控制模式中执行操作。但是，如果参考速度从高速范围降到中速或低速范围，则控制器22通过将开关28从第二位置切换到第一位置，将控制电路20的操作从基于电压的控制模式转换为基于电流的控制模式。如果电动机系统10在处于基于电流的控制模式期间进行制动，则控制器22致动第一制动开关108以接合上述基于电流的制动机构102，从而增大i_dref信号并增加制动功率。

本发明的优点对于本领域的技术人员而言将是显而易见的。电动机系统10的设计使成本最小化，因为它不需要使用制动电阻器、再生前端二极管电桥或电动机轴速度传感器。系统10通过以较低的速度根据目标电流执行操作(其中电流余量控制操作)、以及以较高的速度根据目标电压执行操作(其中电压余量控制操作)，以最大的效率执行操作。此外，电动机系统10包括增强的制动系统，该系统可在不丧失测量电动机速度的能力的情况下，迅速将电动机制动到任何速度。

尽管参考附图所示的优选实施例描述了本发明，但是需要指出，在不偏离权利要求所述的本发明范围的情况下，可以采用等同物并进行替换。电动机控制系统例如可以通过直流电源，而非所示的交流电源驱动，其中可以省略整流器。此外，控制回路中使用的定子电流和电压值可以直接根据电动机输入导体而非根据DC总线进行推断。

Claims (25)

1.一种电动机控制系统，包括：

功率逆变器；

控制电路，其被配置为根据基于电压的控制模式中的目标电压或根据基于电流的控制模式中的目标电流控制所述功率逆变器，所述控制电路包括：

变换电路，用于接收具有对应于旋转参考坐标系的值的第一和第二参考电压信号，将所述第一和第二参考电压信号转换为具有对应于静止参考坐标系的值的第三和第四参考电压信号，以及将所述第三和第四参考电压信号耦合到所述功率逆变器，和

开关，其在所述基于电压的控制模式中，将所述第一和第二参考电压信号分别耦合到零伏和等于所述功率逆变器的最大容量的电压，以及在所述基于电流的控制模式中，将所述第一和第二参考电压信号分别耦合到产生磁通的参考电压信号和产生转矩的参考电压信号；以及

控制器，其用于操作所述开关以在所述基于电压的控制模式与所述基于电流的控制模式之间切换。

2.根据权利要求1的电动机控制系统，进一步包括非再生整流器，其用于接收交流电波形并产生由所述功率逆变器接收的直流电。

3.根据权利要求2的电动机控制系统，进一步包括速度估计器，其用于基于由所述整流器产生的所述直流电的至少一个特征估计电动机速度。

4.根据权利要求3的电动机控制系统，所述速度估计器是所述电动机控制系统所使用的电动机速度信息的唯一来源。

5.根据权利要求3的电动机控制系统，所述控制电路包括

第一调节器，其用于根据目标电动机速度的大小和/或所述目标电动机速度与估计的电动机速度之差产生参考电流信号，所述估计的电动机速度由所述速度估计器产生；以及

第二调节器，其用于根据测量的电流与所述参考电流信号的值之差调节所述参考电流信号。

6.根据权利要求5的电动机控制系统，所述第一调节器和所述第二调节器分别包括比例积分控制器。

7.根据权利要求1的电动机控制系统，所述控制电路包括用于执行间接磁场定向控制的电路部件。

8.根据权利要求1的电动机控制系统，所述控制器被配置为当所述电动机控制系统在最大电压水平附近执行操作时，将所述电动机控制系统的操作从所述基于电流的控制模式切换为所述基于电压的控制模式。

9.根据权利要求8的电动机控制系统，所述控制器被配置为在电动机操作的磁场弱化范围内将所述电动机控制系统的操作从所述基于电流的控制模式切换为所述基于电压的控制模式。

10.根据权利要求1的电动机控制系统，进一步包括频率产生电路，其用于确定与电动机驱动信号关联的频率。

11.一种操作电动机控制系统的方法，所述方法包括：

如果参考电动机速度处于第一速度范围内，则根据目标电流产生第一电动机驱动信号，所述第一电动机驱动信号包括产生磁通的参考电流信号和产生转矩的参考电流信号；

如果所述参考电动机速度处于第二速度范围内，则根据目标电压产生第二电动机驱动信号，所述第二电动机驱动信号包括零伏信号和等于功率逆变器的最大容量的电压信号；以及

当所述参考电动机速度在所述第一速度范围与所述第二速度范围之间变化时，将所述电动机控制系统的操作在产生所述第一电动机驱动信号与产生所述第二电动机驱动信号之间自动切换。

12.根据权利要求11的方法，进一步包括

使用非再生整流器接收交流电波形并产生直流电，

将所述直流电传送到功率逆变器，以及

通过所述第一电动机驱动信号或所述第二电动机驱动信号控制所述功率逆变器。

13.根据权利要求12的方法，进一步包括使用所述直流电的至少一个电特征估计电动机速度。

14.根据权利要求13的方法，产生所述第一电动机驱动信号的步骤包括

根据目标电动机速度和/或所述目标电动机速度与所述估计的电动机速度之差调节参考电流信号值，以及

根据估计的电流与目标电流之差调节所述参考电流信号值。

15.根据权利要求14的方法，产生所述第一电动机驱动信号的步骤包括

如果所述目标电动机速度大于所述估计的电动机速度，则增加所述参考电流信号值，并且如果所述目标电动机速度小于所述估计的电动机速度，则减小所述参考电流信号值，以及

如果所述目标电流大于所述估计的电流，则增加所述参考电流信号值，并且如果所述目标电流小于所述估计的电流，则减小所述参考电流信号值。

16.根据权利要求11的方法，进一步包括接收根据旋转参考坐标系的第一参考电压值，将所述第一参考电压值转换为根据静止参考坐标系的第二参考电压值，以及将所述第二参考电压值传送到所述功率逆变器。

17.根据权利要求11的方法，产生所述第一电动机驱动信号的步骤包括执行间接磁场定向控制。

18.根据权利要求11的方法，进一步包括当所述电动机控制系统在最大电压水平附近执行操作时，将所述电动机控制系统的操作在产生所述第一电动机驱动信号与产生所述第二电动机驱动信号之间切换。

19.根据权利要求11的方法，进一步包括当所述电动机在磁场弱化范围内操作时，将所述电动机控制系统的操作在产生所述第一电动机驱动信号与产生所述第二电动机驱动信号之间切换。

20.根据权利要求1的电动机控制系统，其中所述控制电路进一步包括

第一调节器，其用于接收差分信号i_q并生成产生转矩的参考电压信号，所述差分信号i_q表示产生转矩的参考电流信号i_qref与测量的实际的电动机驱动波形的产生转矩的分量i_q之差，和

第二调节器，其用于接收差分信号i_d并生成产生磁通的参考电压信号，所述差分信号i_d表示产生磁通的参考电流信号i_dref与测量的实际的所述电动机驱动波形的产生磁通的分量i_d之差。

21.根据权利要求20的电动机控制系统，其中所述控制电路进一步包括第一限流器，所述第一限流器被配置为将产生转矩的参考电流信号i_qref和产生磁通的参考电流信号i_dref的电流值限制为由所述电动机控制系统控制的电动机的定子的最大电流额定值。

22.根据权利要求21的电动机控制系统，其中所述控制电路进一步包括第二限流器，所述第二限流器被配置为，在产生转矩的参考电流信号i_qref的电流值被所述第一限流器限制之前，将产生转矩的参考电流信号i_qref的电流值限制为与所述功率逆变器的最大电压对应的最大负值。

23.根据权利要求22的电动机控制系统，其中所述控制电路进一步包括限压电路，第一信号表示所述功率逆变器的最大DC电压，第二信号表示所述电动机的供电电压的DC电压，所述限压电路产生与所述功率逆变器的最大电压对应的最大负值。

24.根据权利要求20的电动机控制系统，其中所述控制电路进一步包括

第三调节器，其用于接收差分速度信号并基于所述差分速度信号生成产生转矩的参考电流信号i_qref，所述差分速度信号表示参考电动机速度与估计的电动机速度之差，和

第四调节器，其用于接收估计的电动机速度信号，并且生成产生磁通的参考电流信号i_dref。

25.根据权利要求11的方法，产生第一电动机驱动信号的步骤包括：将产生转矩的参考电流信号和产生磁通的参考电流信号的电流值限制为由所述电动机控制系统控制的电动机的定子的最大电流额定值。