CN1066296C - 使用相位定时提前的无刷直流电动机 - Google Patents

Abstract

一种无刷直流电动机(10)的驱动系统，该系统使用脉宽调制装置(20)和相位定时提前，以便在高转速期间维持恒功率输出。该装置非常适合于驱动电动车辆之类的装置上的无刷电机(10)。

Description

使用相位定时提前的无刷直流电动机

本申请是序列号为NO.07/794，679的美国专利申请的部分继续申请，NO.07/794，679又是序列号为07/396，639的美国专利申请的后续申请，在此将其作为参考资料列出。

发明领域

本发明一般涉及电动机，具体地说，涉及包括相位定时提前的无刷直流电动机。

现有技术

无刷直流电动机被认为是在给定的体积和重量下其转矩和功率容量最高的直流电动机。其理由之一是由于使用稀土永磁体产生没有损耗的强磁场，它在给定的电机绕组输入电流下产生相对恒定的转矩。虽然这一特性对许多工业应用非常有用，但是在某些应用中，如果能对转矩/电流特性进行修正，将是非常有利的。对于地面交通的驱动系统就是这样。

因为许多电动车辆具有有限的电源，所以长期来感到需要一种具有恒功率特性的电动机，以便最大限度地利用其特定的电池并使用于驱动车辆所需的电子设备最小。本发明提供了一种装置，用来产生这一所需的特性，并且使对原有的无刷直流驱动系统的费用影响最小。

近来在美国、欧洲和日本对大气质量的关心已经在车辆的高效率电驱动系统领域掀起了活动的高潮。虽然这种活动大部分集中于电池技术，但有足够多的资金花在车辆系统的其它方面的改进上，以便从现有的有限的电池技术得到最佳的性能。

已经看到的作为对车辆的效率有重大影响的一个方面是驱动系统。用于电动车辆的驱动系统可以包括一个或多个电动机，和驱动轮相连的某些形式的机械传动，以及用来向电动机输送功率的电子控制和电源装置。有许多可用于这一目的的不同的电动机技术，以及为实现所需结果而采用的许多电子装置和控制方法。

对于一种车辆而言特定技术的选择取决于几个因素：费用，效率，体积，重量，平衡性等等。目前，电动车辆电动机的主要竞争对手是异步电动机(感应电机)和同步电动机(永磁电机)。这两类电机都需要用于产生供电动机运行的可变频率和幅值的三相交流波形的电子装置。

普遍认为永磁无刷电动机比感应电动机的效率高且重量轻，但是永磁无刷电动机的固有的在恒电流下有恒转矩的特性在应用于电动车辆时被认为是一个缺点。

一般的车辆要求具有高的起动转矩值以便快速地使车辆加速，并要求对于斜坡地区具有足够的可爬坡性。在最高速度时，车辆需要较小的转矩(或者可利用的功率是有限的)，而对于在正常路面上巡航，这是已经能够满足要求了。电动车辆的这些所需的特性和具有恒功率特性的电动机能很好地配合。

在电机控制的课题上为了获得恒功率特性已经发表了许多文章。大部分文章都假定施加的驱动电流或电压是正弦波，并且控制电压和电流的主要作用是控制电流相对于转子磁通矢量的相位关系，使得电流在电机内引起磁通量的净减少，从而实现恒功率运行。虽然这种方法已经表明效果不错，也能通过分析被很好地理解，但本发明还是提供了另外一种方法，它更为简单并比上述方法可降低成本。

本发明的概述

因而，本发明的目的在于克服上述的缺点。具体地说，本发明的目的在于在高速运行期间维持恒功率消耗。

本发明的另一个目的在于使电机的谐波损失全面地减少。

本发明的另一个目的在于提供一种系统，其中在较高的速度运行范围内没有脉宽调制损失。

本发明的另一个目的是提供一种系统，它具有和车辆及其相关的电池特性密切配合的系统特性。

如上所述，本发明提供一种无刷电动机和驱动系统，包括：

(a)无刷直流电动机，包括具有三个相绕组的定子，以及和所述定子相应地设置的、具有在其上形成的磁性装置的转子；

(b)检测器，用于检测所述转子相对于所述定子的位置，并根据所述位置产生位置信号；

(c)开关放大器，用来按照控制信号选择性地向所述各相绕组的相应绕组提供电流；

(d)用来接收所述位置信号、并按照所述位置信号产生所述控制信号的装置，所述装置包括用于产生所述控制信号的脉宽调制装置。

本发明的其它特点、优点和目的在阅读最佳实施例的说明之后会看得更加清楚。

附图的简短说明

图1是本发明的无刷电动机和驱动系统的示意图；

图2是本发明的开关放大器的电路图；

图3说明在本发明的无刷直流电机中由转子的永磁体所产生的磁场分布；

图4是在电机的定子中产生的反电动势的相位图；

图5是用于开关放大器操作的开关时序图；

图6是在不同速度下电机输出功率对无刷电动机的相位提前的关系曲线；

图7是在不同速度下，电机的铜损对相位提前的关系曲线；

图8是在相位提前期间，开关放大器的开关元件中的电流导通情况；

图9说明相位提前系统的操作；

图10说明常规的驱动装置的设计要点；

图11说明本发明的相位提前驱动系统的设计要点。

最佳实施例的说明

参看图1，本发明的无刷电动机系统包括三相线绕永磁体电动机10，脉宽调制的三相六级驱动装置20，和向驱动装置20输出位置信号的低分辨率转子位置检测器30(例如3个数字型霍尔效应磁传感器阵列)。驱动装置20从位置信号中导出换向信号。驱动装置20包括一个逻辑电路或处理器22，它包括一个脉宽调制器(PWM)，换向控制器以及在逻辑电路或处理器22内部的电路或软件程序，所述电路或软件程序能够使低分辨率位置检测器30反馈的位置信号(换向信号)发生时间偏移。逻辑电路或处理器22可以包括用来产生控制信号的硬件电路，或包括可以被合适地编程的微处理器装置。驱动装置20还包括开关放大器24，它由来自逻辑电路或处理器22的输出所控制，并有选择地向电机10的各个绕组供给电流。驱动装置由直流电压源供电，直流电压可以用许多方式获得，其中包括但并不限于电池、整流的交流市电电压、整流的来自交流发电机的交流电压、来自直流发电机的电压，来自太阳能光电池阵列的电压或任何其它型式的电源。

转子位置检测器30用于检测电机磁体产生的磁场。另外，也可以用一个单独的磁性器件和转子相连，检测装置30可以检测这单独的磁性器件，从而产生和主电机转子磁场相同的磁位置信息。另外，转子位置检测器可以是数字式光检测型的，它按照连接于转子上的光遮断器检测光源。

更详细地说，无刷电机10包括定子12和转子16。定子包括三相绕组(其中每相标号分别为A，B和C)。转子含有沿其圆周设置的永磁体18，用于产生磁通。最好把磁体表面安装于转子上，也可以包括钕铁硼磁体。如果该系统要在高温下使用，则磁体最好由钐钴合金制成。转子可以包括实心钢质旋转返回通路，从而提供低成本结构。按另外方式，转子也可以包括层叠铁磁材料的旋转返回通路以便降低转子损失。或者，转子可以包括非晶磁材料旋转返回通路，以便降低转子损失。

图3说明在电机10内只由转子的永磁体产生的磁场的磁场分布。本发明的驱动系统可以用于电动车辆，例如具有一个不可调整的传动装置，以便把电机速度降低到所需的车辆速度。

现在参见图3，定子12包括许多齿14。转子16借助于空气隙G和定子12隔开。转子16具有一个形成在其上的表面安装的永磁铁18。如同本领域技术人员所理解的，当转子在定子内旋转时，在定子12的各个绕组内产生反电动势(EMF)。图4说明在A，B和C每个绕组内相对于中性点所产生的各个反电势的波形。由图4可以看出，反电势EMF趋向于呈现大体上的正弦波形。

图2说明开关放大器24的开关的结构。参看图2，每个端子A，B和C(以及A’，B’和C’)接收来自逻辑电路或处理器22的开关控制信号。开关放大器24包括许多开关元件25a，25b和25c，以及开关元件26a，26b和26c。Vin表示输入到开关放大器24的电压。开关元件25a，25b和25c最好是IGBT器件，下开关元件26a，26b和26c则是MOSFET器件。此外，所有开关元件可以是MOSFET(对于低电压操作)器件或IGBT器件，或是任何其它合适的开关器件。最好用MOSFET器件制成下开关26a，26b和26c，从而在较高的开关频率下提供较低的PWM开关损失。开关放大器通过端子28a，28b和28c连接于电机10的各个绕组。开关放大器24包括电流传感器27a和27b，它们可以是霍尔效应型传感器。

放大器24可以产生三相交流矩形波而不是正弦波，以便简化控制并降低开关损失。

图5说明用于开关放大器的开关结构的一个例子。即，当逻辑电路或处理器22把输入波形A供给端子A，把输入波形A’供给端子A’时，供给A绕组的合成电流波形表示为A相电流。显然，A相电流基本上是正弦的，并有意地设计成和在定子绕组中产生的反电势相类似的波形。对于B相和C相，除去相位不同之外，开关波形图应该类似于图5。

这种驱动装置的结构的思路是使在所有运行方式下把系统损失减至最小。在低速运行期间，这时永磁电机10的反电势小于电源的平均直流输入电压，该驱动装置使得三相桥的上开关(25a，25b和25c)中的单独一个导通1/3电周期(即交流电特性的120°角)，并在这期间使三个下开关(26a，26b和26c)中的一个工作。这一操作的净效果是，电流被驱动进入电机线路A，B，C中的一个(见图1)，并通过另外的电机线路中的一根线返回放大器。这一模式随定子和转子的相对位置而改变，从而在电机的360度电角的周期内形成6个不同的模式，因而称为6步驱动。在这一期间内，只有一个开关由于PWM作用而有开关损失，这便大大减少了半导体损失，并且加在电机上的电压基本上和位置检测器中心同相。

当电动机的速度接近于使产生的反电势和施加的直流电压相同的程度时，放大器向电动机提供电流的能力减小，这使得在这一速度下的转矩减小，最终使速度受到限制。在此状态下，PWM操作已经达到100％的占空比，由于这一效果，基本上消除了在放大器和电动机中的全部最终损失，相位提前电路或算法使所需的上开关或下开关按照6步操作的要求提前导通。该提前导通的效果是使在相应的电机绕组上的交流电压的值小于所加的直流电压时就把直流电压加到电机绕组上。这使得有一个电流给绕组“预充电”，而这时转子的位置还处于这个流过的电流还不能产生足够的转矩的情况。当转子转到所产生的反电势已经超过施加的直流电压时，即使现在由于对电机电感施加的负电压而使电流正在减小，在该绕组中的电流已经上升到能产生足够大的转矩的值。结果是，较为标准的无刷直流电动机的速度范围可被明显地扩展，从而实现所需的恒功率特性而不需显著地增加费用。

图6说明在电动机转子的不同速度下所需的相位提前角与电动机输出功率的关系，曲线中表示的信息最好被存储在逻辑电路或处理器22中，供在电机驱动期间使用。从图可清楚地看出，随着电机速度的增加，电机的输出功率与相位提前角的关系曲线基本上呈直线。

不过，由图7说明的在不同的速度下电机的铜损对相位角的关系可见，在绕组中确实产生一些功率损耗。例如，参见图6，为了在4000RPM的转速下获得40KW的输出，必须利用30度的相位提前角。再参看图7，显然，当在转子速度为4000RPM下利用30度的相位提前角时，电机中产生的铜损大约为1.8KW。

图8说明对于一个特定绕组电机电流和开关放大器的开关元件导通与截止之间的关系。由图可见，在电流的第一部分期间，二极管D2导通，在电流的第二部分期间，晶体管Q1导通。电流曲线的下半部分可被类似地说明。

图9说明相位提前系统的运行。由图可见，Tmax代表最大转矩，Nmax代表永磁体转子的最大转子速度，Nbase代表反电势等于输入电压时的转子速度，K是Nmax除以Nbase所得的常数。参见图9，在第一速度范围内，电机只运行在脉宽调制方式下；在第二范围，电机运行在脉宽调制和相位提前方式下，这一运行继续到脉宽调制的占空比达到100％。此后，在第三范围，转矩以抛物线方式减小，但在整个范围内功率保持常数。因而，在同样的功率下可以达到最大速度。

和常规驱动装置相比，这具有很大优点，参照图10和11可被清楚地说明。

图10说明常规驱动装置的设计特点。在图中，100表示电机的去磁化极限，200表示间歇运行热极限，300代表连续运行热极限。图10的虚线代表常规驱动的特性曲线。由图可清楚地看出，如果需要电流In用于在连续操作的极限附近运行电机，那么实际上需要2倍的电流(2In)来达到间歇操作的门限。

与此相反，参见图11，本图说明本发明的相位提前驱动的设计特点。由图可清楚地看出，通过向电机仅仅提供电流In便可以达到间歇热极限。此外，即使电机的速度增加，功率也保持恒定，尽管产生的转矩减小。

本发明使用的相位提前定时比磁场减弱系统更为有利，例如：

1.本发明可以使用廉价的低分辨率的转子位置检测器。

2.本发明使用简单的转子设计，不需要凸极或强电枢反应，这减少了由非基波的电力驱动电流分量而引起的转子的发热。

3.本发明提供一种简单的放大器设计，由于在任何给定时间的期间内只有6个开关元件中的一个进行脉宽调制(PWM)，并且在恒功率操作期间不进行脉宽调制，因而大大减少了所引起的损耗。此外，因为低的电枢反应因而不需要产生正弦波，这便大大地简化了控制器，并可以采用低分辨率的位置检测器。

这一技术对于低电感(小于1mH)的电机尤其有用。

这样，总的说来，本发明的驱动系统可以包括：永磁直流电动机；能够产生频率和幅值可变的三相交流波形的电子开关放大器；低分辨率检测器，它能够测定转子对电机定子的相对位置从而实现电机的6步换向；以及电路或软件算法，它可以调整来自电动机并被送到电子设备的换向信号的时间以便实现相位提前而达到恒功率运行。

以上对本发明的主题进行了说明，应当理解，在上述技术的范围内，本发明可以有许多替代、改型和改变。

Claims (4)

1．一种无刷电动机的驱动系统，其中无刷电动机包括：

(a)无刷直流电动机，包括具有三个相绕组的定子，以及和所述定子相应设置的转子，在转子上形成有磁性装置；所述的驱动系统包括

(b)检测器，用于检测所述转子相对于所述定子的位置，并根据检测到的位置产生位置信号；

(c)开关放大器，用来按照控制信号有选择地向所述各相绕组的相应绕组提供电流；

(d)发生装置，用来接收所述位置信号、以便按照所述位置信号产生所述控制信号，所述发生装置包括：脉宽调制装置，用来产生所述控制信号；和相位提前装置，用来在所述无刷电动机的至少一种运行方式期间把所述控制信号相位定时提前一个相位提前量，所述相位提前量是所述无刷电动机的转速和所需的输出功率的函数。

2．如权利要求1所述的无刷电动机的驱动系统，其特征在于其中所述的开关放大器包括6个开关元件，它们这样地排列，使得所述电机的每个相绕组具有两个与其相关的开关元件。

3．如权利要求1所述的无刷电动机的驱动系统，其特征在于，其中所述相位提前装置包括在至少一种所述运行方式期间运行的装置，用于按照所述转速来选择所述的相位提前量，从而把所述输出功率维持在恒定值。

4．如权利要求1所述的无刷电动机的驱动系统，其特征在于，其中所述的位置信号指明所述转子的所述位置，所述的发生装置根据所述转子的所述位置而产生所述的控制信号。

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