CN109104894B - 永磁电动机和发电机的控制 - Google Patents

Abstract

描述了一种永磁电动机(2)和永磁发电机(102)，包括多个相绕组、控制系统(16)和换相电路(6)的。换相电路(6)可操作用于根据永磁电动机(2)的角位置控制供应给相绕组的电流的定时。控制系统(16)可操作用以在发生于换相事件内的电流脉冲事件中向相绕组中的单个绕组供应电流。电流脉冲事件的持续时间小于换相事件的持续时间，并且确定电流被供应给相绕组中的单个绕组的换相事件的比例以控制电动机(2)的速度。

Description

永磁电动机和发电机的控制

技术领域

本发明涉及具有控制系统和换相电路的永磁电动机，以及具有控制系统和换相电路的永磁发电机。

背景技术

永磁电动机包括永磁转子和具有绕组的定子。永磁转子包括多个磁极对。由于永磁体之间的磁力以及由于定子绕组中的电流而引起的磁场，电能被转换为机械能。

随着永磁体旋转，它们的位置相对于固定绕组而变化。这意味着在旋转周期中的不同点电流需要流过不同的绕组。电子换相提供了一种手段，以确保电流在正确的时间传递到正确的定子绕组，从而在转子上产生最大的转矩。这需要感应转子位置的装置(其可以是专用的转子位置传感器)或者测量电动机电动势的装置。基于位置测量，生成电子信号以使直流电流切换到正确的绕组。

每个换相事件对应于电流流向相同绕组的时段。例如，对于4极3相电动机，单个换相事件持续30度的轴旋转。在换相事件结束时，永磁体靠近不同的绕组并且需要切换电流。

除了换相之外，还需要电子控制以通过改变作用在转子上的转矩来设定转子速度。为了做到这一点，控制器调节电动机绕组中的电流。脉宽调制是众所周知的用于调节电动机绕组中的电流的方法。

在脉宽调制中，在换相事件期间，高频电子切换在定子绕组上施加恒定幅值的电压脉冲。这些电压脉冲的每个都会在定子绕组中产生一个电流脉冲。换相事件的占空比是该事件期间导通时间与非导通时间之比。设置电压脉冲的占空比允许针对每次换相事件控制绕组中的平均电流。

电动机的基本电频率是电动机的转速乘以转子上的磁极对的数量。电动机通常以小于200Hz(每秒200转)的转速运转。但是，在某些应用中，需要更高的电动机速度。这方面的一个例子就是涡轮机械，其中需要转速超过1500Hz、在一些汽车应用中需要超过2500Hz。

在脉冲宽度调制期间，脉冲的切换频率必须远远高于(至少10倍，通常100倍的)电动机的基本电频率。由此，在上述高速应用中，实现脉宽调制所需的电子切换频率非常高。这意味着电子元件的成本和复杂性很高。

考虑到前述内容设计了本发明。

发明内容

在本发明的一个方面中，提供了一种永磁电动机，其包括多个相绕组、控制系统和换相电路。换相电路可操作用于根据永磁电动机的角位置控制供应给相绕组的电流的定时。控制系统可操作为在发生于换相事件内的电流脉冲事件中向相绕组中的单个相绕组供应电流。电流脉冲事件的持续时间小于换相事件的持续时间，并且确定电流被供应给相绕组中的单个绕组的换相事件的比例以控制电动机的速度。

本发明的一个优点在于可以控制永磁电动机而不需要部件的非常高的频率切换。

在一个实施例中，电流脉冲事件包括单个电流脉冲。

在一个实施例中，电流脉冲事件包括多个电流脉冲。

优选地，以比永磁电动机的基本电频率的四倍小的频率供应电流脉冲事件中的多个脉冲。

在一个实施例中，换相电路包括换相反馈回路，其在针对给定相绕组所感测的反电动势的幅值大于针对多个相绕组的其他绕组所感测的反电动势时，向相应的相绕组提供电流脉冲事件。

在一个实施例中，换相反馈回路包括用于对所感测的反电动势进行滤波的滤波器，并且滤波器向所感测的反电动势引入相移以使电流脉冲事件和角位置信号同步。

在一个实施例中，换相电路包括用于测量永磁电动机的位置的传感器。

在一个实施例中，换相电路在操作上独立于控制系统。

在本发明的第二方面中，提供了一种永磁发电机，其包括多个相绕组、控制系统和换相电路。换相电路可操作用于根据永磁电动机的角位置控制从相绕组抽取的电流的定时。控制系统可操作以在发生于换相事件内的电流脉冲事件中将电流提取到相绕组中的单个相绕组。电流脉冲事件的持续时间小于换相事件的持续时间，并且确定从相绕组中的单个相绕组中抽取电流的换相事件的比例以控制永磁发电机的速度。

本发明的优点在于可以控制永磁发电机而不需要部件的非常高的频率切换。

在一个实施例中，电流脉冲事件包括单个电流脉冲。

在一个实施例中，电流脉冲事件包括多个电流脉冲。

优选地，以比永磁发电机的基本电频率的四倍小的频率抽取电流脉冲事件中的多个电流脉冲。

在一个实施例中，换相电路包括换相反馈回路，当针对给定的相绕组所感测的反电动势的幅值大于针对多个相绕组中的其他绕组所感测的反电动势时，从相应的相绕组抽取电流脉冲。

在一个实施例中，换相反馈回路包括用于对所感测的反电动势进行滤波的滤波器，并且滤波器向所感测的反电动势引入相移以使电流脉冲事件和角位置信号同步。

在一个实施例中，换相电路包括用于测量永磁发电机的位置的传感器。

在一个实施例中，换相电路在操作上独立于控制系统。

另一方面，提供了一种强制进气系统，用于具有曲轴的内燃发动机，所述系统包括：压缩机，用于增加进入发动机的气体的压力；涡轮机，被设置为由发动机排气驱动；发电机，被设置为由涡轮机驱动的；以及根据第一方面的任一实施例的永磁电动机，被设置为驱动压缩机，其中发电机和电动机电连接，并且由此由涡轮机的输出扭矩经由电连接至少部分地驱动压缩机。

在实施例中，涡轮机可以与压缩机机械地分离。

附图说明

现在将参照附图通过示例进一步描述本发明，其中：

图1是示出根据本发明第一实施例的电动机控制回路的示意图。

图2是示出根据本发明第一实施例的IGBT模块的电路图。

图3a是电动机相电压与时间的曲线图。

图3b是电动机相间电压与时间的曲线图。

图3c是滤波后的电动机相间电压图。

图4是根据本发明第一实施例的滤波器的电路图。

图5是示出根据本发明第一实施例的比较器电路的电路图。

图6a是根据本发明第一实施例的比较器输出信号的曲线图。

图6b是根据本发明第一实施例的所需换相信号的曲线图。

图7是根据本发明第一实施例的占空比的图示。

图8是示出根据本发明第二实施例的IGBT模块的电路图。

具体实施方式

参考图1，示出了无刷直流电动机控制器1的示意图，其包括无刷直流电动机2、集成栅双极型晶体管(IGBT)模块4、换相逻辑电路6、占空比计算模块8、速度设定模块10以及用于电动机速度测量12和用于电动机位置测量14的反馈回路。用于电动机位置测量14的反馈回路包括滤波器15。

对期望的电动机速度10和转子速度测量结果12进行比较，该比较结果用于执行占空比计算8以确定所需的电动机电流。换相逻辑电路6基于经滤波的电动机位置测量结果14确定哪些定子绕组需要电流，在这种情况下经滤波的电动机位置测量结果14来自于电动机电动势的测量结果。所计算的占空比和换相信号馈入电动机控制器4中，该电动机控制器4确保正确的电流流过电动机2的正确绕组。电动机控制回路1的每个元件的功能将在下面参照图2至图7进行解释。

参考图2，示出了用于3相无刷直流电动机控制器1的IGBT模块4的电路图，其包括直流电压源16、三个顶部开关元件18a、18b、18c、三个底部开关元件20a、20b、20c、无刷直流电动机2以及换相逻辑电路6的图示。换相逻辑电路6使开关信号通过顶部开关线路17a、17b、17c传递给顶部开关元件18a、18b、18c，并且通过底部开关线路19a、19b、19c传递到底部开关元件20a、20b、20c。被激活的开关组件的组合确定在电动机2的哪个相位上施加来自直流电源16的电压。

一个顶部开关组件和一个底部开关组件与三个电动机相位中的每一个相关联。当电流供应给电动机时，单个顶部开关组件和单个底部开关组件接收高电平信号并被激活。换相逻辑电路6基于电动机位置测量确定哪些开关需要被激活。这在下面更详细地解释。

为了测量电动机的位置，测量电动机的反电动势。分别由电动机2的三相之一产生的三个反电动势相电压22a、22b、22c在图3a中示出，其中它们被理想化为正弦波。实际上，反电动势信号是波动的和失真的，从而使得确定电动机的角位置和确定换相定时困难。此外，在实际的电动机控制中，由于电动机绕组中的快速相电流变化，换相本身会干扰反电动势。这种干扰可以使反电动势波形的形状变形，这使得它们之间的比较不可靠。此外，由于对控制器进行接线的实用性，通过单相测量反电动势很困难。

在第一实施例中，通过测量反电动势的相间电压24a、24b、24c改善反电动势信号的可靠性(允许控制器监测用于将电流传递给电动机的相同的接线)，如图3b所示。然而，相间电压24a、24b、24c不与相电压22a、22b、22c对齐。例如，图3a中的A相和B相交叉点(标记为点1)将是图3b中的A-B相零交叉点(标记为点2)。由于相间交叉点决定了将提供给电动机的电流切换到下一个对应的相位的最佳位置，因此确定此位置对于确保电动机的有效使用至关重要。相间电压是两相电压之间的差值，因此这两个信号之间的相位差可以计算如下：

A相电压：sin(x)

B相电压：sin(x-pi/3)(3相电动机中120度相位偏移)

A-B相间电压：sin(x)-sin(x-pi/3)＝sqrt(3)sin(x+pi/6)(领先sin(x)30度的波形)

相间交叉点(图3a中的点1)不再处于容易确定的位置(图3b中的点2)。为了获得可靠的信号，因此在进行比较之前对三相反电动势进行滤波。

图4中示出了可用于过滤相间电压的低通滤波器26设计的实例。滤波器26的传递函数为

随着电动机速度和电频率的增加，滤波器26的行为接近纯积分，并且由该滤波器产生的时滞接近90度滞后。经滤波的相间信号28a、28b、28c的图示在图3c中示出。

表1显示了在电动机不同速度下滤波器赋予的相移的程度。可以看出，对于大范围的电动机速度，相移非常接近90度。

表1.相移与RPM的对应关系

电动机速度	相移
		1000RPM	64.5度
5000RPM	84.5度
		10000RPM	87.27度
40000RPM	89.31度
		120000RPM	89.77度

如上所述，通过考虑相电压信号之间的交叉点来获得理想的切换定时。但是，控制器使用经滤波的相间电压信号，这些信号总共比相电压落后60度(30度-90度)。由于每60度发生一次换相事件(见图6b)，所以可以使用这些经滤波的相间电压，尽管哪个交叉点与哪个相电流信号相关联的映射不同于使用相电压时采用的映射。

图3c显示的是所考虑的具有90度相移的经滤波的相间信号。与图3a和3b中的点1和2对齐，图3c中的对应点标记为点3。这是B-C相和C-A相之间的交叉点。图3c表明，尽管存在恒定的相移，但电流切换的换相定时仍然可以通过比较经滤波的相间电压的大小来确定。

参照图5，示出了比较器电路30的示意图。比较器电路30包括承载相间电压24a、24b、24c的电压线32a、32b、32c。比较器电路还包括滤波器26a、26b、26c，该滤波器中的每一个以与图4的滤波器26相同的方式操作。来自这些滤波器26a、26b、26c的输出连接到比较器36a、36b、36c。

相间电压信号被传送到滤波器26a、26b、26c，滤波器26a、26b、26c将信号转换成比较器电压Vm1、Vm2、Vm3。比较器电压对应于图3c的经滤波的相间电压28a、28b、28c。根据比较器电压Vm1、Vm2、Vm3的比较，三个比较器36a、36b、36c给出高或低电压信号(参见图6a中的C1、C2和C3)。例如，当Vm1大于Vm2时，比较器CAP1将返回高电平信号。

参考图6a，示出了来自比较器36a、36b、36c的输出电压信号C1、C2、C3的曲线图。该曲线图对应于图3a至3c中所示的经测量的相电压。C1代表Va-b(经滤波的)28a和Vb-c(经滤波的)28b之间的比较结果，C2代表Vb-c(经滤波的)28b和Vc-a(经滤波的)28c之间的比较结果，以及C3代表Vc-a(经滤波的)28c和Va-b(经滤波的)28a之间的比较结果。

参考图6b，示出了基于图3a至3c的测量的相电压的、将要传递至IGBT 18a、18b、18c、20a、20b、20c的所需的换相信号的曲线图。可以利用公知的电子组件从信号C1、C2、C3获取换相信号。

可以理解的是，在本发明的其他实施例中，可以根据单个相上的反电动势的测量或根据直接测量转子位置的传感器来确定电动机位置。

参考图7，示出了开关信号与时间关系的曲线图，其示出了占空比。为了控制电动机的速度，为给定的换相事件设定开关信号的占空比。占空比是导通时间与非导通时间之比。

图7的第一组信号49代表在时间50a和50b开始的两个换相事件48a、48b。这些换相事件中每一个的占空比为65％。第二组信号53代表在时间54a、54b开始的两个换相事件52a、52b。这些换相事件中每一个的占空比为100％。

在本发明的第一实施例中，对于信号组49和53两者，在每个换相事件开始时施加单个开关脉冲。这意味着开关组件的开关频率不需要高于电动机的基本电频率。应该注意的是，开关脉冲可以在换相事件期间的任何时刻开始，只要在换相事件中有足够的时间来完成脉冲即可。

在一些实施例中，可以在换相事件期间提供两个或更多个脉冲。在其他实施例中，在换相事件期间，以比永磁电动机的基本电频率的四倍小的频率供应至少一个电流脉冲。

在其他实施例中，仅在一些换相事件期间向相绕组供应电流。再次参考图2，可以看出，设置开关信号的占空比改变了通过电压源16在定子绕组两端施加电压的换相事件的比例。这确定了定子绕组中的平均电流并允许控制电动机速度。基于电动机速度和目标速度之间的差值来计算所需的占空比。该计算可以由采用比例积分控制的微型计算机来执行。

参照图8，示出了本发明的第二实施例，其中控制器102用于控制经受外部机械转矩122的3相发电机102。在该实施例中，IGBT模块104用于对发电机102进行换相。IGBT模块104再次包括三个顶部开关元件118a、118b、118c和三个底部开关元件120a、120b、120c。换相逻辑电路106将开关信号通过顶部开关线117a、117b、117c传送到顶部开关元件118a、118b、118c，并将开关信号通过底部开关线119a、119b、119c传送到底部开关元件120a、120b、120c。被激活的开关组件的组合确定从发电机102的哪些相汲取电流。

基于所测量的相间电压，以与上述相同的方式计算换相模式。这样就可以在正确的时间从正确的发电机相绕组汲取电流，从而可以从发电机获取最大功率。从发电机102获取的电力消耗在负载R2 116中，负载R2 116可以是电网或一些其他设备。

再次，取决于计算的占空比，IGBT 118a、118b、118c、120a、120b、120c仅在每个换相事件的一部分中接通。在该实施例中，基于对施加到发电机的外部机械转矩122的测量来计算占空比。

在其他实施例中，基于电动机常数和从电动机汲取的总平均电流来计算外部机械转矩122。这是直接测量外部转矩的更便宜的选择。这种计算的准确性可以通过对电动机常数相对于环境温度和最新的负载状态的关系进行列表来改善，这是一种先验。在运行期间，温度传感器和最新负载状态的存储器被用来查找电动机常数的更精确的瞬时值。

Claims (20)

1.一种永磁电动机，包括：

多个相绕组；

控制系统；以及

换相电路，可操作用于根据所述永磁电动机的角位置控制供应给所述相绕组的电流的定时；

其中，所述控制系统可操作为在发生于换相事件内的单个电流脉冲事件中向所述相绕组中的单个相绕组供应电流，所述单个电流脉冲事件发生在所述换相事件中；

其中，单个电流脉冲事件的数量小于所述换相事件的数量；并且

其中，所述单个电流脉冲事件的持续时间小于所述换相事件的持续时间，并且所述换相事件中的所述单个电流脉冲被供应给所述相绕组中的所述单个相绕组的比例是由所述永磁电动机的期望速度和当前速度的比较来确定的。

2.根据权利要求1所述的永磁电动机，其中所述电流脉冲事件包括单个电流脉冲。

3.根据权利要求1所述的永磁电动机，其中所述电流脉冲事件包括多个电流脉冲。

4.根据权利要求3所述的永磁电动机，其中以比所述永磁电动机的基本电频率的四倍小的频率供应所述电流脉冲事件中的所述多个电流脉冲。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的永磁电动机，其中所述换相电路包括换相反馈回路，用于在针对给定相绕组所感测的反电动势的幅值大于针对所述多个相绕组中的其他相绕组所感测的反电动势时，向相应的相绕组供应电流脉冲。

6.根据权利要求5所述的永磁电动机，其中所述换相反馈回路包括用于对所感测的反电动势进行滤波的滤波器，所述滤波器向所感测的反电动势引入相移以使所述电流脉冲事件与所述角位置信号同步。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的永磁电动机，其中所述换相电路包括用于测量所述永磁电动机的位置的传感器。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的永磁电动机，其中所述控制系统包括用于测量所述永磁电动机的速度的传感器。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的永磁电动机，其中所述换相电路在操作上独立于所述控制系统。

10.一种永磁发电机，包括：

多个相绕组；

控制系统；以及

换相电路，可操作用于根据所述永磁发电机的角位置控制从所述相绕组抽取的电流的定时；

其中，所述控制系统可操作以在发生于换相事件内的电流脉冲事件中从所述相绕组中的单个相绕组抽取电流；

其中，单个电流脉冲事件的数量小于所述换相事件的数量；并且

其中，所述电流脉冲事件的持续时间小于所述换相事件的持续时间，并且所述换相事件中的从所述相绕组中的所述单个相绕组抽取电流的比例是由所述永磁发电机的期望速度和当前速度的比较来确定的。

11.根据权利要求10所述的永磁发电机，其中所述电流脉冲事件包括单个电流脉冲。

12.根据权利要求10所述的永磁发电机，其中所述电流脉冲事件包括多个电流脉冲。

13.根据权利要求12所述的永磁发电机，其中以比所述永磁发电机的基本电频率的四倍小的频率抽取所述电流脉冲事件中的所述多个电流脉冲。

14.根据权利要求10至13中的任一项所述的永磁发电机，其中所述换相电路包括换相反馈回路，所述换相反馈回路用于在针对给定相绕组所感测的反电动势的幅值大于针对所述多个相绕组中的其他相绕组所感测的反电动势时，从相应的相绕组抽取电流脉冲。

15.根据权利要求14所述的永磁发电机，其中所述换相反馈回路包括用于对所感测的反电动势进行滤波的滤波器，所述滤波器向所感测的反电动势引入相移以使所述电流脉冲和所述角位置信号同步。

16.根据权利要求10至13中任一项所述的永磁发电机，其中所述换相电路包括用于测量所述永磁发电机的位置的传感器。

17.根据权利要求10至13中任一项所述的永磁发电机，其中所述控制系统包括用于测量所述永磁发电机的速度的传感器。

18.根据权利要求10至13中任一项所述的永磁发电机，其中所述换相电路在操作上独立于所述控制系统。

19.一种强制进气系统，用于具有曲轴的内燃发动机，所述系统包括：

压缩机，用于增加进入所述发动机的气体的压力；

涡轮机，被设置为由发动机排气驱动；

发电机，被设置为由所述涡轮机驱动；以及

根据权利要求1至9中任一项所述的永磁电动机，被设置为驱动所述压缩机，其中所述发电机和电动机电连接，并且由此经由所述电连接由所述涡轮机的输出扭矩至少部分地驱动所述压缩机。

20.根据权利要求19所述的强制进气系统，其中所述涡轮机与所述压缩机机械地分离。

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