CN105324934B - 双动力模式驱动器 - Google Patents

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Abstract

描述了一种控制电机驱动器的方法，该方法具有：一个正常模式，其中，使用一个交流(如，主)电源给一个直流链路电压充电；以及一个紧急模式，其中，使用一个直流电源(如，从一个电池)给该直流链路电压充电。在该正常操作模式中，如果该直流链路电压降到一个指示该交流电源丢失的阈值以下，进入该紧急模式，通常跟随一个中间滑行模式(在此过程中，该电机没有被驱动)。类似地，在该紧急模式中，如果该直流链路电压上升到一个指示该交流电源恢复的阈值以上，进入该正常模式，通常跟随一个中间滑行模式。

Description

双动力模式驱动器
技术领域
本发明涉及逆变器，尤其涉及具有交流和直流输入功率模式的逆变器。
背景技术
图1示出了通常由参考标号1指示的简单的电机系统。电机系统1包括一个三相电机2、一个交流电源4、一个整流器6、一个逆变器8以及一个控制模块10。
交流电源4的输出端与整流器6的输入端连接。整流器6的输出端给逆变器8提供直流电。以本领域所熟知的方式，该逆变器模块包括一个切换模块，该切换模块通常包括由栅极控制信号驱动的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，以便将直流电压转换成具有依赖于这些栅极控制信号的频率和相位的交流电压。这些栅极控制信号由控制模块10提供。这样，可以容易地控制电机2的每个输入端的频率和相位。
逆变器8与控制模块10进行双向通信。该逆变器通常监测与电机2的三个连接中的每一个连接中的电流和电压并且将电流和电压数据提供给控制模块10(尽管一点也没有必要使用电流传感器和电压传感器两者)。当如所期望的那样生成操作电机所需的栅极控制信号时，控制模块10可利用该电流和/或电压数据(当可用时)；另一种安排是从所汲取的电压和该切换模式估计电流-还存在其他控制安排。
电机2可被用于各种各样的应用中。在一些应用中，可能重要的是即使交流电源4失效，电机2也运转。例如，电机2可被用于操作冷却风扇。如果电机2失效，则该冷却风扇不运行，并且除非提供其他控制安排，正在被冷却的该装置会过热。
在此类情况下，众所周知的是在交流电源4失效的情况下提供一个备用电源。例如，在交流电源4失效的情况下，可提供一堆提供直流电源的电池。
尽管将交流电源和直流电源用于电机驱动系统是已知的，但是仍然存在对于用于控制这种系统的改进算法的需要。特别是仍然存在对于创新算法的需要，该创新算法用于在该交流电源失效的情况下控制进入紧急操作模式以及在该交流电源恢复的情况下控制退出该紧急操作模式。
本发明设法解决以上概述问题中的至少一些问题。
发明内容
本发明提供了一种控制电机驱动器的方法，该方法包括：一个正常操作模式，其中，使用一个交流电源(通常是主电源)给一个直流链路电压充电；以及一个紧急模式，其中，使用一个直流电源(例如由电池提供)给该直流链路电压充电，其中：在该正常操作模式中，确定该直流链路电压是否降到一个第一阈值以下(指示该交流电源丢失)，并且如果是，则进入该紧急操作模式；以及在该紧急操作模式中，确定该直流链路电压是否上升到一个第二阈值以上(指示该交流电源恢复)，并且如果是，则进入该正常操作模式。该方法进一步包括在从该正常操作模式进入该紧急操作模式之前进入一个第一滑行模式和/或在从该紧急操作模式进入该正常操作模式之前进入一个第二滑行模式。
本发明还提供了一种被配置成用于确定电机驱动器的直流链路电压的控制模块，其中：在一个正常操作模式中，该控制模块确定该直流链路电压是否降到一个第一阈值以下，并且如果是，则进入一个紧急操作模式，其中，在该紧急模式中，使用一个直流电源给该直流链路电压充电；以及在该紧急操作模式中，该控制模块确定该直流链路电压是否上升到一个第二阈值以上，并且如果是，则进入该正常操作模式，其中，在该正常模式中，使用一个交流电源给该直流链路电压充电，其中，该控制模块被进一步配置成用于在从该正常操作模式进入该紧急操作模式之前进入一个第一滑行模式和/或在从该紧急操作模式进入该正常操作模式之前进入一个第二滑行模式。
因此，在该正常操作模式中，如果该直流链路电压降到一个指示该交流电源丢失的阈值以下，进入该紧急模式(通常跟随一个中间滑行模式)。类似地，在该紧急模式中，如果该直流链路电压上升到一个指示该交流电源恢复的阈值以上，进入该正常模式(通常跟随一个中间滑行模式)。在该(这些)滑行模式中，该电机没有被驱动并且因此没有从直流链路电容器28流出电力。
在本发明的一些形式中，进入该第一滑行模式持续一个第一时间段(例如10ms)。因此，经过一个例如10ms的滑行时间段之后，可进入该紧急模式。该第一滑行模式持续其他时间段是可能的，例如1ms、1秒或10秒。该适当的滑行时间段可取决于所使用的电机的功率水平；例如，更高功率电机可需要更长滑行时间段。在一些实施例中(如，当使用低功率电机时)，该第一滑行模式的时间段可以减小到零。该第一滑行模式可以是用户可配置的参数。
替代性地，或此外，当该直流链路电压降到一个第三阈值电压以下时，可退出该第一滑行模式。因此，在本发明的一些形式中，该第一滑行时间段是该第一时间段的最小值，但是如果在该时间段之后该直流链路电压还未降到该第三阈值电压以下，该第一滑行时间段可以更长。替代性地，可不存在最小第一滑行时间段，这样使得该第一滑行模式仅仅持续到该直流链路电压降到该第三阈值电压以下为止。
在本发明的一些形式中，进入该第二滑行模式持续一个第二时间段(例如10ms)。因此，经过一个例如10ms的滑行时间段之后，可进入该正常模式。该第二滑行模式持续其他时间段是可能的，例如1ms、1秒或10秒。该适当的滑行时间段可取决于使用的电机的功率水平；例如，更高功率电机可需要更长滑行时间段。在一些实施例中(如，当使用低功率电机时)，该第二滑行模式的时间段可以减小到零。该第二滑行模式可以是用户可配置的参数。
替代性地，或此外，当该直流链路电压上升到一个第四阈值电压以上时，可退出该第二滑行模式。因此，在本发明的一些形式中，该第二滑行时间段是该第二时间段的最小值，但是如果在该时间段之后该直流链路电压还未上升到该第四阈值电压以上，该第二滑行时间段可以更长。替代性地，可不存在最小第二滑行时间段，这样使得该第二滑行模式仅仅持续到该直流链路电压上升到该第四阈值电压以上为止。
该紧急模式可包括限制输出功率和/或电机速度和/或电机电流。这可以在该紧急模式中例如借由限制电机速度、电机转矩和输出电流中的一个或多个来实现(例如，在控制模块的控制下)。举例来讲，输出电流可被限制到正常输出电流的55％和/或电机速度可被限制到45Hz。进一步地，在该紧急模式中电机速度、电机转矩和输出电流中的所述一个或多个受限的量是可变的(例如，在控制模块的控制下)。
附图说明
现在将参考以下示意图进一步详细地描述本发明，在附图中：
图1示出了一个已知的逆变器驱动系统；
图2示出了根据本发明实施例的一个逆变器驱动系统；
图3是示出了根据本发明一个方面的一个算法的流程表；
图4以根据本发明的一个方面的一个电路的示例性使用示出了该驱动器的直流链路电压和输入电流；
图5以根据本发明的一个方面的另一个电路的示例性使用示出了该驱动器的直流链路电压和输入电流；
图6示出了在本发明的实施例中在进入紧急模式中时的速度和转矩曲线；以及
图7示出了在本发明的实施例中在退出紧急模式时的速度和转矩曲线。
具体实施方式
图2示出了根据本发明实施例的一个通常用参考标号20指示的逆变器驱动系统。系统20包括一个交流主电源21、一个直流电压电源22、一个过滤器24、一个整流器26、一个直流链路电容器28、一个逆变器30和一个电机32。交流主电源21可例如提供400V的电压(如图2中所建议的)，但是本发明的原理应用，而不管所使用的绝对值如何。
在该系统的正常使用中，由被整流器26整流的交流主电源21给该直流链路电容器充电。在交流主电源21失效的情况下，由直流电压电源22给直流链路电容器28充电。
如以下详细描述的，适当地使用一个控制器(在图2中未示出)来控制逆变器30，这取决于是由交流主电源21还是直流电压电源22给直流链路电容器28充电。当交流主电源21可用时，该逆变器(并且从而电机32)以正常模式运行。当交流主电源21不可使用时(这样使得使用该交流电压电源)，该逆变器(并且电机)以紧急模式运行。在该紧急模式中，电机频率(并且从而电机速度)被限制。例如，电机速度可被限制到45Hz。输出功率也被限制(例如，限制输出电流到正常输出电流的55％)。当然，45Hz和正常输出电流的55％仅仅是以实例的形式提出的。这些值也是可变的，例如，这些值可以由控制器取决于可用的直流功率计算得到。
图3是示出了根据本发明一个方面的通常以参考标号40指示的一个算法的流程表。
算法40从步骤42开始，此时系统20是在正常操作模式中。在步骤44中，确定该直流链路电压(即跨电容器28的电压)是否已经降到一个电压阈值(300V是以实例的形式建议的)以下。如果不是，算法40返回到步骤42，这样使得该系统保持在该正常模式中。
在步骤42中，如果确定该直流链路电压已经下降到该电压阈值以下，这表明交流电源21已经丢失，并且算法40移动到步骤46，此时该电机被允许滑行(步骤46)持续一个短的时间段(在本发明的一个实施例中是10ms，但是也可以使用其他持续时长)。
在该滑行时间段之后，该算法移动到步骤48，此时确定该直流链路电压是否已经下降到另一个电压阈值以下(250V是在图3中以实例形式建议的)。如果是，算法40移动到步骤50：如果不是，该算法返回到步骤46，这样使得该电机滑行直到该直流链路电压下降到该相关的电压阈值以下为止。
在步骤50中，系统20进入该紧急模式。在该紧急模式中，由直流电源22给直流链路电容器28充电。如以下详细描述的，在该紧急模式中的该直流链路电压小于在该正常模式中的该直流链路电压，并且这为可用的电机速度和转矩给出暗示。
在步骤52中，确定该直流链路电压是否已经上升到一个电压阈值(350V是在图3中以实例的形式建议的)以上。如果不是，该算法返回到步骤50(这样使得系统20保持在该正常模式中)。如果是，这表明该交流电源是可操作的并且给该直流链路电压充电。作为回应，算法40移动到步骤54，此时在确定(在步骤56)该直流链路电压已经上升到另一个电压阈值(480V是在图3中以实例形式建议的)以上之前，该电机被允许滑行持续一个短的时间段(如10ms)。如果不是，算法40返回到滑行步骤54。如果是，该算法返回到步骤42，此时再次进入该正常模式。
因此，取决于该直流链路电压确定系统20应该在该正常模式还是该紧急模式中运行。该直流链路电压被一个标准电机驱动控制器(例如以上描述的现有技术系统1中展示的控制器10)容易地检测。
尽管算法40建议无论当该直流链路电压上升超过还是下降低于该相关电压阈值，这些模式都被改变，但是算法可被适配成保证短持续时长的电压下降和暂降是被忽视的，由此防止该模式由于相关电源的正常波动而改变。
如上所述，当在正常和紧急操作模式之间过渡时，插入了一个滑行时间段。在该滑行时间段中，该电机没有被驱动并且因此没有从直流链路电容器28流出电力。当进入该紧急操作模式时，滑行时间段允许该直流链路电压从当交流电源21可用时产生的电平下降到由直流电源22产生的电平。若没有这个滑行时间段，在向该紧急模式过渡期间可能会出现电流尖脉冲。在退出该紧急模式时，若不使用滑行时间段，因为涌入保护可能没被启动，则会出现过电压状况。过电流状况也会出现。提供滑行时间段通过减少过电流和过电压状况的出现可以改善相关驱动部件的寿命。
图4展示了在当系统20正在进入该紧急操作模式中时的期间内系统20中该驱动器的直流链路电压61和输入电流62。
首先(通常在由参考标号63指示的时间点)，系统20在正常模式下运行(并且因此该算法在步骤42)。在该正常模式中，交流电源21给直流链路电容器28充电。
在时间点64，交流电源21丢失。电机32继续在正常模式下运行，这样使得逆变器30从直流链路电容器28中汲取电力。结果是，该直流链路电压下降。当该直流链路电压下降到该相关阈值以下时(如以上所述的算法40中的300V)，系统20进入滑行模式(步骤46)，这样使得电机32不再由逆变器30驱动。在此阶段，该直流链路电压不再由逆变器30流出并且电机32的速度下降。
在该滑行时延(或许是10ms)之后，进入该紧急模式。现在该直流链路电压由直流电压电源22充电并且该直流链路电压上升到一个新运行电平(通常由参考标号65指示)，如图4中所示，该电平低于正常模式直流链路电压。
图5展示了在当系统20正在退出该紧急操作模式时的期间内系统20中该驱动器的直流链路电压71和输入电流72。
首先(通常在由参考标号73指示的时间点)，系统20在紧急模式下运行(并且因此该算法在步骤50)。在该紧急模式中，直流电源22给直流链路电容器28充电。
在通常由参考标号74指示的时间段内，交流电源21被重新激活。这导致该直流链路电压开始上升(并且还导致在该直流链路电压和电流中出现尖脉冲)。
当该直流链路电压上升到该相关阈值(如以上所述的算法40中的350V)以上时，启动滑行步骤54。在该滑行步骤期间，直流链路电容器28被充电但是电机32没有被驱动。如通常由参考标号75所指示的，这导致直流链路电压75上升到在该正常模式期间要求的电压。当该滑行时间段完成时，该电机再一次被激活并且该系统在该正常模式下运行。
在以上所述的算法20中，在进入该正常模式时，电机32在步骤46期间滑行并且接着在步骤48中测量该直流链路电压。没有必要在本发明的所有实施例中具有这两个步骤。例如，一旦已经执行了滑行步骤46，该算法可直接移动到该紧急模式(步骤50)，由此略过步骤48。在一个替代实施例中，该滑行模式可简单地运行直到该直流链路电压下降到该相关阈值(如250V)以下为止(这样使得不存在以上步骤46所定义的最小滑行时间段)。
类似地，在进入该紧急模式时，没有必要在本发明的所有实施例中使得电机32在步骤54期间滑行并且接着在步骤56中测量该直流链路电压。例如，一旦已经执行了滑行步骤54，该算法可直接移动到该正常模式(步骤42)，由此略过步骤56。在一个替代实施例中，该滑行模式可简单地运行直到该直流链路电压上升到该相关阈值(如480V)以上为止(这样使得不存在以上步骤54所定义的最小滑行时间段)。
可以提供以上所述的算法40的许多其他变体。例如，决策点44、48、52和56中的一些或全部决策点可以使用中断以本领域熟知的方式来实现。进一步地，可以略过滑行步骤48和54中的至少一个步骤；这可能是适当的，例如，当算法40被用在低功率电机上时。
图6示出了在进入本发明实施例的紧急模式时的转矩和速度曲线(通常由参考标号80和81分别指示)。
首先，该系统在该正常模式中(算法40的步骤42)。在该正常模式中，电机速度82和电机转矩86两者都很高。如果检测到该直流链路电压下降，该电机进入滑行状态46。在该滑行状态下，电机32没有被驱动，因此转矩下降到零(如参考标号87所指示)。由于惯性，该电机继续旋转，但是速度下降(如参考标号83所指示)。
一旦进入该紧急模式，电机32再一次被驱动。在此阶段，电机速度上升(如参考标号84所指示)并且电机转矩被应用(如参考标号88所指示)。电机速度继续上升直到达到在该紧急模式中的电机32的正常操作速度(如参考标号85所指示)。
如在图6中所清楚地显示的，在该紧急模式中的电机速度85小于在该正常模式中的电机速度82。这借由限制逆变器30的输出功率(例如限制输出电流或电机速度)来实现并且提出这种情况是为了减小直流电源22(其通常是一个电池)上的负载。电机32的可用转矩与电机速度有关联，并且因此在该紧急模式中的转矩89也小于在该正常模式中的转矩86。
图7示出了在本发明的实施例中在退出紧急模式时的转矩和速度曲线(通常由参考标号90和91分别指示)。
首先，该系统在该紧急模式中(算法40的步骤50)。如上文所解释的，在该紧急模式中，电机速度92和电机转矩96两者都相对较低。如果检测到该直流链路电压上升，该电机进入滑行状态52。在该滑行状态下，电机32没有被驱动，因此转矩下降到零(如参考标号97所指示)。由于惯性，该电机继续旋转，但是速度下降(如参考标号93所指示)。
一旦进入该正常模式，电机32再一次被驱动。在此阶段，电机速度上升(如参考标号94所指示)并且电机转矩被应用(如参考标号98所指示)。电机速度继续上升直到达到在该正常模式中的该电机的正常操作速度(如参考标号95所指示)。
如在图7中清楚地展示的，在该紧急模式中的电机速度92小于在该正常模式中的电机速度95并且在该紧急模式中的转矩96也小于在该正常模式中的转矩99。
仅通过示例的方式提供对本发明实施例的以上描述。技术人员知道的是，在不偏离本发明的范围的情况下，可进行各种修改、改变、和替换。例如，以上所述的算法40中提到的特定的电压和时间点仅仅以实例的形式提出。本发明权利要求旨在涵盖如落在本发明的精神和范围内的所有此类修改、改变和替换。

Claims (14)

1.一种控制电机的驱动器的方法，该方法包括：一个正常操作模式，其中，使用一个交流电源给一个直流链路电压充电；以及一个紧急操作模式，其中，使用一个直流电源给该直流链路电压充电，其中：
在该正常操作模式中，确定该直流链路电压是否降到一个第一阈值以下，并且如果是，则进入该紧急操作模式；以及
在该紧急操作模式中，确定该直流链路电压是否上升到一个第二阈值以上，并且如果是，则进入该正常操作模式，
该方法进一步包括：
在从该正常操作模式进入该紧急操作模式之前进入一个第一滑行模式，和/或在从该紧急操作模式进入该正常操作模式之前进入一个第二滑行模式，其中：
在该第一滑行模式中，该直流链路电压不再流出，并且电机速度下降；
在该第二滑行模式中，该直流链路电压被充电，但电机没有被驱动。
2.如权利要求1所述的方法，其中，进入该第一滑行模式持续一个第一时间段。
3.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，进入该第二滑行模式持续一个第二时间段。
4.如权利要求1或2所述的方法，其中，当该直流链路电压降到一个第三阈值以下时，退出该第一滑行模式。
5.如权利要求1或2所述的方法，其中，当该直流链路电压上升到一个第四阈值以上时，退出该第二滑行模式。
6.如权利要求1或2所述的方法，其中，在该紧急操作模式中，该驱动器的输出功率是受限的。
7.如权利要求6所述的方法，其中，该输出功率受限的量是可变的。
8.如权利要求1或2所述的方法，其中，在该紧急操作模式中，电机速度、电机转矩和输出电流中的一个或多个是受限的。
9.如权利要求8所述的方法，其中，在该紧急操作模式中电机速度、电机转矩和输出电流中的一个或多个所受限的量是可变的。
10.一种被配置成用于确定电机的驱动器的直流链路电压的控制模块，其中：
在一个正常操作模式中，该控制模块确定该直流链路电压是否降到一个第一阈值以下，并且如果是，则进入一个紧急操作模式，其中，在该紧急操作模式中，使用一个直流电源给该直流链路电压充电；以及
在该紧急操作模式中，该控制模块确定该直流链路电压是否上升到一个第二阈值以上，并且如果是，则进入该正常操作模式，其中，在该正常操作模式中，使用一个交流电源给该直流链路电压充电，
其中，该控制模块被进一步配置成用于在从该正常操作模式进入该紧急操作模式之前进入一个第一滑行模式和/或在从该紧急操作模式进入该正常操作模式之前进入一个第二滑行模式，其中：
在该第一滑行模式中，该直流链路电压不再流出，并且电机速度下降；
在该第二滑行模式中，该直流链路电压被充电，但电机没有被驱动。
11.如权利要求10所述的控制模块，进一步包括在该紧急操作模式中限制该驱动器的输出功率。
12.如权利要求11所述的控制模块，其中，该控制模块被配置成用于改变该输出功率受限的量。
13.如权利要求10至12中任一项所述的控制模块，进一步包括在该紧急操作模式中电机速度、电机转矩和输出电流中的受限的一个或多个。
14.如权利要求13所述的控制模块，其中，该控制模块被配置成用于改变电机速度、电机转矩和输出电流中的一个或多个所受限的量。
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