CN103997279A

CN103997279A - 用于控制无刷电机的方法和控制电路

Info

Publication number: CN103997279A
Application number: CN201410114310.6A
Authority: CN
Inventors: 丹尼尔·康尼格; 托马斯·布朗
Original assignee: Moore Fen Genyibipaite Ltd Co
Current assignee: Moore Fen Genyibipaite Ltd Co; Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Priority date: 2013-03-25
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2034-03-25
Also published as: CN103997279B; EP2784931A1; US9419548B2; EP2784931B1; US20140285126A1

Abstract

本发明公开了一种用于控制无刷电子换向电机的方法，市电交流电压(U_N)被整流成一中间电路直流电压(U_ZK)，该直流电压(U_ZK)由一包含中间电路电容器(C_ZK)的中间电路而被馈送到一逆变器，且该逆变器由一电机控制装置控制，用于向所述电机馈送和使所述电机换向，对所述中间电路直流电压(U_ZK)的电压电平进行监测，且将其与一预定限值(U_ZK,max/U_Standby)作比较，一旦达到或超过所述限值(U_ZK,max/U_Standby)，所述中间电路直流电压(U_ZK)就通过计时断开和再连接而被限制到所述预定限值。本发明的方法和控制电路，具有较高的功能可靠性，且能够经济运行。

Description

用于控制无刷电机的方法和控制电路

技术领域

根据独立权利要求1的前序部分，本发明首先涉及一种用于控制无刷电子换向电机的方法，其中市电交流电压被整流成一中间电路直流电压，该直流电压由一包含中间电路电容器的中间电路而被馈送到一逆变器，且所述逆变器由电机控制装置控制而向电机馈送和使电机换向。

根据权利要求5的前序部分，本发明也涉及一相应的控制电路，该控制电路包括：电源整流器、在下游与一正线和一负线连接的中间电路、以及逆变器，该逆变器被馈送以来自中间电路的中间电路直流电压，且可由电子电机控制装置控制而使电机换向；在中间电路中布置有中间电路电容器。

背景技术

电子换向电机广为人知，时常也被简称为EC电机；它们被用于多种用途，例如在通风和空调技术中被用作风扇或通风机的驱动器。这种类型的EC电机是根据所描述的一般方法而运行的，且为此而具有一上述适当的泛型控制电路。在这方面例如可参考文件EP2482442A1和EP2267883A1；然而，这些文件主要关注用于将中间电路配置为具有最小中间电路电抗（电容、电感）的“瘦中间电路”的具体措施。

在这种类型的EC电机的实际使用中，如果并非所有构件都被配置为用于特别高的电压和电流，则会出现问题，特别是由于市电侧的过电压和过电流；不过，将所有构件均配置为用于特别高的电压和电流会增加成本。

发明内容

因此，本发明基于以下目的：在尽可能低的成本下，确保EC电机及其控制电路具有高的功能可靠性，且能够经济运行。

根据本发明，这一方面是通过根据独立权利要求1所述的方法而实现的，另一方面是通过根据权利要求5所述的控制电路而实现的。有利的配置详见各从属权利要求以及下文。

因此，根据本发明，在中间电路中，通过使用电子开关而由计时控制来限制电压，且还优选限制电流，该电子开关布置在中间电路中，更具体地特别是布置在其负线中。由此，可使用具有电气强度和载流能力的经济型构件，所述电气强度和载流能力用于正常运行，因而相对较低，不会使构件有损坏、或甚至由于过电压和/或过电流而损坏的危险。在根据本发明所述的电压限制下，通过预设一适当的小于/等于构件电气强度的电压限值，实现有效的过电压保护。此外，可降低功耗的待机操作也是有利的，且很易于实现，这是因为中间电路的降低的电压被预设为电压限值；计算该降低电压的电平，从而仍确保电机控制装置的基本功能；这一方面使得电机控制装置可启动待机操作，而之后可再次转换到电机换向的正常操作中。因此，在优选配置中，根据本发明所述的中间电路开关具有三重功能。在下文中将更精确地描述各细节。

在下文中将根据图示的优选实施方式而对本发明作更详细的说明，

附图说明

图1是根据本发明所述的控制电路的优选配置的框图；

图2是用于说明续流程序的曲线图；

图3是用于说明电流限制的曲线图；

图4是用于说明中间电路直流电压的过电压限制的曲线图；以及

图5是用于说明中间电路直流电压的待机值的电压限制的曲线图。

具体实施方式

对于下文描述需明确强调的是，本发明不局限于实施方式，且也不局限于所述特征组合的全部或多个特征。事实上，实施方式的每个单一的部分特征自身都可具有创造性意义，且也可与任何其他特征结合，即使当与相关描述的所有其他部分特征分开时。

根据图1，根据本发明所述的控制电路1用于控制电机M，该电机M以极简化的形式示意性绘出，且优选是一种三股永磁励磁同步电机，简写为“PMSM”，即事实上为三相电机，不过，该三相电机是通过受控逆变器2而采用直流电压运行的。因此，这种类型的电机M往往也被称为无刷电子换向直流电机或简称为EC电机。

以众所周知的方式而采用六个受控半导体电路元件（未单独示出）将逆变器2构建成全桥端阶段，这六个受控半导体电路元件受电机控制装置4的控制（电机控制），且电机控制装置4的转子旋转位置由适当装置测定为用于换向和速度调整。这通常是通过脉冲宽度调制(PWM)而进行的，以便调制有效正弦电机的相电压和相电流。

这种类型的电机控制广为人知，且无需任何更进一步的描述。

为驱动电机M，首先，将一特定三相市电交流电压U_N（电源）通过不受控的大功率整流器6而整流成中间电路直流电压U_ZK。为全面起见，在市电交流电压U_N的输入电路中，等效电阻R和等效电感L显示于三相中。电源整流器6通过中间电路8而连接到逆变器2。中间电路8具有正线8a和负线8b。在中间电路8内连接有一中间电路电容器C_ZK，其平行于正线8a与负线8b之间的电源整流器6，且该中间电路电容器C_ZK用于平滑被整流的最初脉冲中间电路直流电压U_ZK。

在这方面，中间电路8可被配置为“瘦中间电路”或“胖中间电路”。“瘦中间电路”只具有很小的中间电路阻抗，且中间电路电容器C_ZK对其具有很低的电容。因此，在“瘦中间电路”中，电容例如最多只有10%，但在“胖中间电路”中，实际上甚至优选只需1%至7%的电容来平滑被整流的脉冲中间电路直流电压U_ZK。该电容的大小原则上至少取决于电器功率。取决于配置，胖中间电路的电容例如可以是330μF；在这一实施例中，具有瘦中间电路的配置会产生只有5-20μF数量级的中间电路电容。对于胖中间电路，电容器C_ZK通常是由电解电容器而形成的，而对于瘦中间电路，则使用一更简单、更经济和更耐用的箔电容器就足够了。

根据本发明，在开触点（集电极-发射极路径C-E）之间具有间隙的电子开关T_ZK被布置在中间电路8的一条线中，更具体而特别地是布置在负线8b中。开关T_ZK优选由晶体管而形成，该晶体管经由其控制连接（基极B）而由比较器接线10来控制，且比较器接线10可承受中间电路直流电压U_ZK的电平和/或在中间电路8中流动的中间电路电流I_ZK的电平。在运行过程中，开关T_ZK必须承载全部中间电路电流I_ZK，即换向电子设备（逆变器2和电机控制装置4）的工作电流以及电机工作电流。

续流二极管D_ZK也沿反向而连接在位于正线8a与负线8b之间的中间电路8内，且与中间电路电容器C_ZK平行。电感（扼流圈）L_ZK位于正线8a中，该正线8a位于中间电路电容器C_ZK和二极管D_ZK的连接点之间，且该电感（扼流圈）L_ZK与具有二极管D_L和齐纳二极管ZD_L的另一续流臂平行连接。

为测量中间电路电流I_ZK，提供电流传感器12，该传感器12也优选位于负线8b中，且例如可被配置成测量分路。为测量各个当时中间电路电压U_ZK，在正线8a与负线8b之间的中间电路8中连接有适当的电压表14。

根据本发明所述的比较器接线10具有第一比较器OP1、第二比较器OP2以及第三比较器OP3。这些比较器优选由运算放大器形成，如图所示。第一比较器OP1形成电流比较器，第二比较器OP2形成第一电压比较器，且第三比较器OP3形成第二电压比较器。

为限制电流，电流比较器OP1优选将由电流传感器12测得的中间电路电流I_ZK的各个当时真实值I_ZK,akt与一预定最大限值I_ZK,max作比较。

根据本发明，为防止过电压，第一电压比较器OP2将由电压表14测得的中间电路直流电压U_ZK的各个当时真实值I_ZK,akt与一预定最大限值U_ZK,max作比较。

最后，在本发明的用于待机操作以减少功耗的一优选配置中，第二电压比较器OP3将由电压表14测得的中间电路直流电压U_ZK的各个当时真实值U_ZK,akt与一预定降低电压值U_Standby作比较。

此外，在位于正线8a与负线8b之间的中间电路8内连接有第一电源16，该第一电源16提供来自中间电路直流电压U_ZK的第一控制电压U_ST1，从而为中间电路开关T_ZK和第一比较器OP1提供电力。此外，在位于正线8a与负线8b之间的中间电路8内连接有第二电源18，该第二电源18可有利地通过开关模式电源而实现，且其从中间电路直流电压U_ZK而向电机控制装置4和两个电压比较器OP2与OP3提供第二控制电压U_ST2。

由于当中间电路开关T_ZK打开时在控制电压U_ST1与U_ST2之间具有不同的地电位，在图示的实施方式中两个比较器OP2和OP3的输出端通过电流隔离而连接到开关T_ZK的控制连接B，例如如图所示而通过光耦合器20，而第一比较器OP1直接控制开关T_ZK。

由于迄今对根据本发明所述的控制电路1的配置所作的描述，中间电路开关T_ZK有利地具有多种功能。根据本发明，它主要用于限制中间电路8的电压，其更具体地受制于用于过电压保护的上限值U_ZK,max（第一功能），且优选受制于用于控制电路1的待机操作的降低限值U_Standby（第二功能）。此外，中间电路开关T_ZK也有利地用于限制中间电路8内的电流（第三功能）。在下文中将分别对这些功能作更详细的描述。

A)电流限制

在传统的控制电路中，在没有诸如串联电阻的其他限流措施的情况下，由于电容器C_ZK尚未充电，一非常高的峰值电流I_ZK有可能在连接电源U_N的瞬间通过中间电路电容器C_ZK而流入到中间电路8中，因而实际上构成一短路。这样很危险，特别是在电容器内的电极与金属箔之间的接触区域中，高的峰值电流会使各处升至很高的温度，从而由于触点烧毁而可能发生热损坏。此外，电容器的所谓的电流承载能力受到电极厚度的限制，由此转而发生受电流强度影响的热损耗。一般地，电容器对温度很敏感，这相应地对其使用寿命有负面影响。此外，必要的诸如电容器的电源整流器6也具有有限的电流承载能力。整流器6在承受过大的电流负荷时会损坏或甚至毁坏，且由于产生的热损耗而至少会加速老化过程。所有这些因素有可能导致整个换向电子设备出现故障。

通过根据本发明所述的控制电路1的优选电流限制，可有利地避免这些问题。

此外，也在换向电子设备的运行期间出现的高电流可引起另一问题。这种类型的高电流可随时由高市电侧的电压瞬变和过电压而引起。这种类型的高电流也可有利地受到根据本发明所述的电路拓扑结构的限制，这是因为拓扑结构在正常操作期间也仍然有效。在这方面，理想地选择上述限值I_ZK,max，从而使在正常操作期间产生的电机电流不主动地影响电流限制，而只是一不允许的高于预定限值的过电流。

电流限制按照下文所述的方式而起作用。

如果中间电路电流I_ZK的实际电流值I_ZK,akt达到或超过预定限值I_ZK,max，例如当中间电路电容器C_ZK正在被充电时，电流比较器OP1的输出端切换，以便断开或禁用中间电路开关T_ZK。在开关T_ZK的禁用相，先前储存在中间电路电感L_ZK中的能量经由续流二极管D_ZK（续流路径1）或D_L和Z_DL（续流路径2）而释放到中间电路8内。当L_ZK的能量已释放完毕时，电流的流动也结束了。需要使用续流路径1和2，这是因为由于中间电路8被迅速断开，使得仍然存在于电感L_ZK中的能量试图在第一时刻继续流动，结果可出现电压峰值和过冲，其有可能高于中间电路开关T_ZK的最大可允许集电极-发射极电压（例如1200V）。这些会使开关T_ZK损坏。由于在中间电路的放电期间，在经由续流路径2而对于其构件的续流情况下，电压可能会太高，因而需要使用另一续流路径1。因此，取决于中间电路电压U_ZK的电平，能量经由续流路径1和/或续流路径2而被释放掉：

-对于续流路径1，当忽视二极管流动电压D_ZK时，对于在开关TZK处的集电极-发射极电压产生下列等式：UCE=UN

-在续流路径2中，DL和ZDL相互串联，且与电感LZK平行。在这方面，ZDL例如可被配置成二极管或变阻器。在经由这种布置而进行续流的情况下，对于在开关T_ZK处的集电极-发射极电压产生下列等式：U_CE=U_N–U_ZK+U_ZDL

在连接时刻，当U_ZK=0V时，续流路径1由此最初经由二极管D_ZK而在高至一具体的中间电路电压下起作用，且该具体的中间电路电压受制于ZD_L的击穿电压；然后能量经由布置D_L和ZD_L而释放在续流路径2中。该效果示于图2中。

在能量已从中间电路电感L_ZK中释放之后，电流比较器OP1然后重新连接开关T_ZK，由此使中间电路电流I_ZK以取决于电感L_ZK的上升速率而升高，由此使充电过程重新开始。重复这些切换周期，直到中间电路电容器C_ZK已被充电到市电电压U_N的峰值电压，或已达到由两个电压比较器OP2和OP3监测的两个电压极限之一，详见下文。根据本发明所述的中间电路开关T_ZK由此而工作在接合而非线性的操作条件下，但始终处于固定周期的运行中。中间电路8的这一计时充电程序示于图3中。这里可看出，由于各个电流脉冲I_ZK，中间电路直流电压U_ZK分步骤而升高至市电电压U_N的峰值。在这方面，每个电流脉冲中的电流被限制到最大可允许限值I_ZK,max，从而可有利地有效避免由此而产生的过电流和负面结果。

B)电压限制

根据本发明，中间电路8中的电压U_ZK受到比较器接线10的限制；有利地预设两个不同的限值，更具体而言，一方面用于过电压保护，而另一方面优选暂时用于控制电路1的待机操作。

B1)过电压保护

根据本发明所述的中间电路开关T_ZK作为其主要功能而对包含在控制电路1中的构件提供可能的保护，即对包含在中间电路8、逆变器2、以及电机控制装置4中的构件提供可能的保护，以防止例如由不稳定的市电电源而可导致的过电压。为此，中间电路开关T_ZK限制中间电路直流电压U_ZK。

当开关T_ZK打开时，施加的电源电压U_N被分为其集电极-发射极电压U_CE以及中间电路电压U_ZK。电子设备的电气强度由此增至最大可能中间电路电压与开关的最大集电极-发射极电压的总和：

U_N,PEAK=U_ZK+U_CE

为了将构件成本保持在合理的范围内，可使用半导体构件，其例如在400V的三相市电中的电气强度达到1200V。因此，最大可允许中间电路直流电压U_ZK应低于例如1200V的限值，以避免损坏构件。该最大可允许电压在第一电压比较器OP2中被预设为最大值U_ZK,max。由电压表14确定的当时中间电路直流电压U_ZK作为实际值U_ZK,akt而被提供给比较器OP2。比较器OP2然后不断地将当时中间电路电压U_ZK,akt与预设最大限值U_ZK,max作比较。如果当时值达到或超过限值，比较器OP2就断开开关T_ZK。因此，通过位于中间电路8中的测量分压器以及第二电源18(U_ST2)而使中间电路电容器C_ZK在预定阈值下放电，直到比较器OP2再次切换和重新连接开关T_ZK。中间电路8然后再次充电到断开阈值，而同时仍然存在过电压。重复该顺序，直到过电压下降到低于断开阈值。这些程序示于图4中。随着持续的市电过压，中间电路直流电压U_ZK由此通过计时而保持在恒定的电平，从而确保永久的过电压保护。

此外，由图4可看出，由电压在再连接时刻的急剧上升而引起的充电电流I_ZK也受限于最大可允许电流I_ZK,max。参见上文描述中的A小节。在这方面，中间电路电容器C_ZK由此也在被分阶段地充电。

还提及在过电压期间不应发生电机M的换向，以便使中间电路电容器C_ZK不被过度放电，结果使整个换向电子设备的电气强度降低。因此，在过电压情况下，电机控制装置4暂停换向，直到电压再次下降。

B2)待机操作

与先前描述的过电压断开的操作模式类似，也可通过只预设较低的电压限值而有利地进行待机操作。因此，待机操作的原理也是基于中间电路电压U_ZK的计时，但是基于一低于额定整流市电输入电压U_N的较低电压值。结果可有利地降低换向电子设备的耗电量。在这方面，方便地选择处于待机操作中的中间电路直流电压U_ZK的电压值，从而通过第二电源18而仍然适当地产生用于电机控制装置4的低电压。

待机操作示于图5中。在该曲线图中绘有一降低的中间电路电压U_Standby，其中U_N表示被整流的市电输入电压，且U_ZK表示被计时的中间电路电压。

一旦未发生电机M的换向，就由电机控制装置4a来启动待机操作。在这种情况下，在第二电压比较器OP3中预设有一适当的降低限值U_Standby。比较器OP3也具有由电压表14经由第二输入端而确定的中间电路电压的实际值U_ZK,akt。当实际值达到或超过预定的限值时，比较器OP3断开开关T_ZK；然后，类似于上述的电压限制，在中间电路电容器C_ZK的短时放电阶段之后，重新与具有低滞后的开关连接。因此，根据图5，中间电路电压在此也是通过开关T_ZK的计时而受到限制的。

最后，还提及中间电路开关T_ZK可有利地配置成IGBT或MosFET。

由上文可清楚地看出，中间电路开关T_ZK有利地具有多种功能。因此，它可将输入电流限制在中间电路电容器C_ZK内，方式如下：一旦超过最大预设限值，开关就断开，且在电流已降低之后重新连接。由此在具有一电流极限的情况下，对电容器C_ZK进行分阶段地充电。开关T_ZK的根据本发明所述的另一功能是电压限制，一方面在高市电侧电压瞬变以及过电压的情况下用于断开而保护所有半导体构件，另一方面用于待机操作，该待机操作由于降低的中间电路电压U_ZK而有利地降低中间电路8中的功耗。

本发明具有下列重要优点：

-避免由于市电侧过电流而导致的半导体构件的损坏和加速老化

-避免由于过度充电电流而导致的中间电路电容器的热超载和加速老化

-避免由于过电压而导致的功率半导体的损坏

-在差或高阻抗的市电情况下，保护整个电机控制电路1以及电机M

-限制启动电流

-避免过度的工作电流

-增加整个电路的输入电气强度

-降低中间电路中的待机损耗

本发明并不局限于已举例和描述的实施方式，而是也包括在本发明的意义范围内具有相同效果的所有配置。需明确强调的是，这些实施方式并不局限于组合起来的所有特征，而是每个单独的部分特征就本身而言都可具有创造性意义，即使与所有其他部分特征分开。此外，本发明迄今也不局限于在各个独立权利要求中所限定的特征的组合，而是也可由在其全部公开的所有单独特征的特定特征的任何其他组合来限定。在原则上，这意味着实际上各个独立权利要求的任何单一特征均可被在本申请的其他地方公开的至少一个单一特征所省略或代替。在这方面，权利要求仅被理解为对于发明而作出的首次配方尝试。

Claims

1.一种用于控制无刷电子换向电机(M)的方法，市电交流电压(U_N)被整流成一中间电路直流电压(U_ZK)，该直流电压(U_ZK)由一包含中间电路电容器(C_ZK)的中间电路(8)而被馈送到一逆变器(2)，且该逆变器(2)由一电机控制装置(4)控制，用于向所述电机(M)馈送和使所述电机(M)换向，其特征在于：对所述中间电路直流电压(U_ZK)的电压电平进行监测，且将其与一预定限值(U_ZK,max/U_Standby)作比较，一旦达到或超过所述限值(U_ZK,max/U_Standby)，所述中间电路直流电压(U_ZK)就通过计时断开和再连接而被限制到所述预定限值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：为通过预设最大可允许电压(U_ZK,max)而将一过电压限制为限值，所述中间电路直流电压(U_ZK)被限制到一值，该值小于/等于受制于所述中间电路直流电压(U_ZK)的构件的构件特定性电气强度。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于：对于功耗降低的待机操作，通过预设一降低的限值(U_Standby)，所述中间电路直流电压(U_ZK)被限制到一值，该值仍然确保对电机控制装置(4)的最小供电。

4.根据权利要求1-3中的任一所述的方法，其特征在于：为限制在所述中间电路(8)内的电流，监测在所述中间电路(8)中流动的中间电路电流(I_ZK)，且将其与一预定限值(I_ZK,max)作比较，一旦达到或超过所述限值(U_ZK,max)，就通过计时断开和再连接而将所述中间电路电流(I_ZK)限制到所述限值(I_ZK,max)。

5.一种用于无刷电子换向电机(M)的控制电路(1)，特别是用于根据前述权利要求中的任一所述的方法，包括电源整流器(6)、在下游与一正线(8a)和一负线(8b)连接的中间电路(8)、以及逆变器(2)；该逆变器(2)被馈送以来自所述中间电路(8)的中间电路直流电压(U_ZK)，且可由电子控制装置(4)控制而使所述电机(M)换向；在所述中间电路(8)中布置有中间电路电容器(C_ZK)；其特征在于：在开触点(C-E)之间具有间隙的电子开关(T_ZK)被布置在所述中间电路(8)的所述线(8a，8b)的之一中，所述开关(T_ZK)可通过受制于所述中间电路直流电压(U_ZK)的比较器接线(10)而受到控制，并在每种情况下被测得所述当时实际值(U_ZK,akt)，且所述开关(T_ZK)可通过一预定限值(U_ZK,max/U_ZK,Standby)而受到限制，从而一旦达到或超过所述限值，所述中间电路直流电压(U_ZK)就通过所述开关(T_ZK)的计时连接而被限制到所述预定限值。

6.根据权利要求5所述的控制电路，其特征在于：所述电子开关(T_ZK)可通过也受制于中间电路电流(I_ZK)的所述比较器接线(10)而受到控制的，所述中间电路电流(I_ZK)在所述中间电路(8)中流动，并在每种情况下被测得所述当时实际值(I_ZK,akt)，且所述电子开关(T_ZK)可通过一预定的最大可允许电流限值(_ZK,max)而受到控制，从而一旦达到或超过所述限值，所述中间电路直流电流(I_ZK)就通过所述开关(T_ZK)的计时连接而被限制到所述预定限值，且所述中间电路电容器(C_ZK)通过电流脉冲而被分阶段地充电。

7.根据权利要求5或权利要求6所述的控制电路，其特征在于：所述比较器接线(10)具有用于限制过电压的第一电压比较器(OP2)、以及中间电路直流电压(U_ZK,max)，所述中间电路直流电压(U_ZK,max)是预设为限值的最大可允许考虑的构件电气强度。

8.根据权利要求5-7中的任一所述的控制电路，其特征在于：所述比较器接线(10)具有第二电压比较器(OP3)，其中所述第二电压比较器(OP3)被预设为仍然足以用于对所述电机控制装置(4)进行最小供电的降低的中间电路电压(U_Standby)，以作为待机操作的所述限值。

9.根据权利要求5-8中的任一所述的控制电路，其特征在于：所述比较器接线(10)具有在输出侧连接到所述电子开关(T_ZK)的控制连接(B)的电流比较器(OP1)。

10.根据权利要求7-9中的任一所述的控制电路，其特征在于：所述电压比较器(OP2,OP3)在输出侧通过电流隔离尤其是光耦合器(20)而连接到所述电子开关(T_ZK)的控制连接(B)。

11.根据权利要求5-10中的任一所述的控制电路，其特征在于：所述电子开关(T_ZK)被布置在所述中间电路(8)的所述负线(8b)中。