TW200524266A - Fault-tolerant electric motor control system - Google Patents
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Description
200524266 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本申請案係關於電力馬達,且詳言之,係關於一種用於 提供多相電力馬達之容錯運作之控制系統。 【先前技術】 對於(例如)在軍事應用中執行重要功能之電力馬達,馬 達即使在一相位失效之狀況下仍繼續其運作係基本的。因 此,全面容錯成為馬達設計之一主要態樣。通常,馬達裝 備有用以支持容錯運作之冗餘元件。 舉例而言,美國專利4,434,389揭示了 一無刷DC馬達,其 具有一永久磁化之轉子及一具有冗餘線圈組之定子。該轉 子由四個或四個以上磁極形成。兩組定子線圈用於四極馬 達中,二組用於六極馬達中,且四組用於八極馬達中。每 一組中之線圈被連接成γ形、德耳塔(她a)或星形組態以用 於-相激勵。藉由換向益機械地或藉由麵合至個別線圈組 之換向電路電子地實現每一線圈組中之個別線圈中之電流 切換二藉由獨立地_合至相應換向電路之獨立組的位置感 應器實現馬達之移動與固定部分間之相對位置之感應。為 最大轉矩,可同時運作該等換向電路,其中在一或多個電 路或線圈失效之狀況下可用的轉矩會減少。 因此’以複雜線圈圖案為代價提供了冗餘度,導致了設 計及運作之成本更高。 之馬達之容錯運 因此,需要開發一種將提供無冗餘元件 作的控制系統。 96074.doc 200524266 【發明内容】 本發明提供一種用於多相馬達之新穎控制系統,該多相 馬達無需為在一相位失效時繼續其運作之冗餘元件。在一 相位失效之狀況下,本發明之控制系統使馬達能夠運作而 媒需貫施任何錯誤校正程序。 另外,藉由提供無需錯誤校正而運作或執行適當錯誤校 正釭序間之述擇,本發明之控制系統給予使用者高可撓 ί·生另外田,可根據使用者之偏好來定製在一相位損失 時界定馬達特徵之錯誤校正參數。 該控制系統用於控制一具有複數個定子相位組件及一轉 子之馬達ϋ子相位組件包括—形成於核心元件上之 相位線圈。該控制系統包括:激勵電路,其連接至定子相 位線圈以用於激勵每一相位線圈;及一控制電路,其用於 界定用於馬達之個別相位之相位電流,以產生被施加至激 勵電路以用於激勵相位線圈之控制訊號。當馬達之至少一 相位失效時,-模式選擇電路使控制電路能夠於非校正模 式下或於錯誤校正模式下運作。 然而,在非校正運作模式下,用於保持運作之相位之相 位電流保縣修改;在錯誤校正料下,㈣預設參數修 改用於留存相位之相位電流。控制電路可能使不能激勵對 應於失效相位之相位線圈。 很像尽發明 m例,在錯誤校正模式下用於相位 流修改^㈣參數可在制於失效相位之相位角處包含 大電流量值,且在相對於失效相位移位了 9〇度之相位角 96074.doc 200524266 包含最小電流量值。基於預設參數,根據留存相位與失效 相位之間之相位角距離或偏移量,控制電路可修改用於一 在另相位失效後保持運作之相位之相位電流。 可根據使用者之偏好定製用於相位電流修改之預設參 數,以達成馬達之總轉矩與轉矩波動之間之所需平衡。 自下文之詳細描述中,熟習此項技術者將容易明瞭本發 明之額外優勢,其中簡單地藉由說明實施本發明所涵蓋之 最好模式而僅展示且描述了本發明之較佳實施例。如將瞭 解到,在皆不脫離本發明之情況下,本發明能夠使用其它 或不同實施例,且可在各種明顯方面修改其若干細節。因 此圖式及彳田述在本質上被認為係說明性的而非係限制性 的。 【實施方式】 本發明可適用於控制電力馬達,諸如2〇〇1年4月5日申請 之Maslov等人之且以引文的方式併入本文中之同在申請中 之美國申請案第09/826,422號中所揭示之馬達,雖然本發明 可用於各種其它永久磁體馬達及切換磁阻馬達。圖丨為一展 示如在該申請案中所描述之馬達1〇之轉子與定子元件的例 示性圖,該申請案之揭示内容已併入本文中。轉子部件 為一圓環結構,其具有沿著圓柱狀後板25大體上均勻分佈 之永久磁體21。 該等永久磁體為轉子極,其沿著圓環之内周邊交替磁極 性。轉子環繞定子部件30,轉子與定子部件間隔了環形徑 向氣隙。疋子30包括沿著氣隙均勻分佈之統一構造之複數 96074.doc 200524266 個電磁核心區段。每一核心區段包括通常為U狀磁結構36, 其形成具有面向氣隙之表面3 2之兩個極。雖然可將核心區 段構造成容納一形成於一鏈結極對之部分上之單一線圈, 但是該等極對之支腳(leg)由線圈38所纏繞。 每一定子電磁核心結構與鄰近定子核心元件相間隔且磁 性地隔離。定子元件3 6固定至一非磁性地可滲透之支持結 構,藉此形成一圓環組態。此組態消除了自鄰近定子極群 之雜散變壓器通篁效應之散出。因此,定子電磁體為包括 個別定子相位之自治單元。下文所描述之本發明之概念亦 可適用於其它永久磁體馬達結構,包含支持所有相位線圈 之整體定子核心。 圖2為根據本發明之馬達控制系統之方塊圖。該控制系統 包含用於控制包括圖1所示之轉子2〇與定子3〇之多相馬達 10之控制器210。該定子具有藉由功率電子(pE)電路22〇所 提供之驅動電流可切換式地被激勵之複數個相位線圈。舉 例而吕,圖2展示了為七個定子相位線圈所提供之pE電路 220-1至220-7。然而,本發明可適用於任何數量之馬達相 位。每一 PE電路可包含一電子開關組,其由控制器21〇經由 一驅動器元件而控制。該等開關組可包括複數個m〇sfet Η-橋接器,諸如國際整流器IRFIZ48N-ND。閘極驅動器可 包括 Intersil M〇sfeT閘極驅動器 HIP4082IB。 控制器2 1 〇具有一或多個使用者輸入及用於在運作期間 所感應之馬達狀態之複數個輸入。藉由輸出被提供給控制 器210之複數個電流感應器23〇之一個別感應器來感應每一 96074.doc 200524266 相位線圈中之電流。為此目的,控制器可具有複數個輸入, 或在替代實施例中,來自電流感應器之訊號可被多路傳輸 且連接至單一控制器輸入。諸如F. W. Bell SM-15之Hall效 應電流感應器可用於電流感應器230。 轉子位置感應器240可連接至控制器210之另一輸入以對 其提供位置訊號。該位置感應器可包括任何已知的感應構 件,諸如 Hall效應裝置(Allegro Microsystems 92B5308)、巨 磁阻(GMR)感應器、電容性旋轉感應器、簧片開關、包含 非晶感應器之脈衝導線感應器、解析器、光學感應器及其 類似物。可將位置感應器240之輸出施加至速度近似器 242,其可將位置訊號轉化成待施加至控制器210之另一輸 入之速度訊號。 控制器210可包括一微處理器或等效微控制器,諸如 Texas工具數位訊號處理器TMS320LF2407APG。為了改良 所需相位電流,控制器210產生以下控制電壓:
Vi(t) = Lidldi /dt + Ri Ii + Ei + ksiei 其中:
Vi(t)為相位線圈上之電壓;
Idi(t)為需產生以獲得所需轉矩之所需的相位電流;
Ii(t)為相位電流;
Ri為線圈電阻;
Ei(t)為反電動勢(EMF);
Li為線圈自感係數; ksi為電流迴路反饋增益; 96074.doc 200524266 ei則為相位電流誤差。 在控制器210之輸出處之控制電麼^⑴表*一用以獲得 使用者所要求轉矩所需之計算出的電壓值。在運作時,控 制器210界定每一相位中用以獲得所需轉矩而需要之相位 電流Idi⑴,再基於上文所提供之表示式而為每—相位產生 控制號Vi(t)。將控制訊號Vi⑴連續地提供給1>£電路 以用於個別相位線圈之個別激勵。經由雜驅動器,可啟 動個別P E電路2 2 0中之開關、组,使得其中選擇了 '線圈之序列 與控制器中所建立之序列相一致。每一連續控制訊號糊 與相應相位線圈中所感應之特定電流相關。2〇〇2年6月i9 曰申請之Maslov等人且同在申請中之美國申請案第 1〇/173,610號中更詳細地揭示了控制器的運作,其以引用的 方式併入本文中。 控制器210包含一用於選擇在馬達1〇之至少一相位失效 時所執行之容錯運作模式之容錯模式選擇器25〇。容錯模式 選擇為250可為一暫存器或一電子電路,其可由使用者程式 化或可根據馬達狀態控制。或者,模式選擇器25〇可配置於 控制器210外部。如下文更詳細之描述,在一相位失效之狀 況下,容錯模式選擇器250使控制器210能夠於以下容錯運 作模式中之一模式下運作:非校正模式與錯誤校正模式。 在非校正模式下,當至少一相位失效時,控制器21〇並不 修改馬達10之留存相位中之相位電流Idi(t)。實情為,其可 控制對應於失效相位之PE電路22〇,以便使不能激勵個別相 位線圈。 96074.doc -10- 200524266 在錯誤校正模式下,在一相位失效之狀況下,控制器210 與錯誤校正單元260相互作用,以根據一指定容錯演算法來 修改保持運作之相位中之相位電流Idi(t)。舉例而言,錯誤 杈正單元260可包括一含有用於修改保持運作之相位中之 相位電流Idi(t)之預定參數組的檢查表。如下文所述,可根 據使用者之偏好定製此參數組。 圖3為一說明本發明之馬達控制系統之容錯運作之簡化 流程圖。控制器210監控其輸入以偵測一馬達相位之失效 (v驟302)舉例而吕,可藉由使用為馬達之每一相位量測 相位電流Ii(t)之電流感應器23〇來偵測一相位失效。若任何 電流感應器230在預定時段内偵測到相位電流n⑴之異常 值,則控制器21 〇偵測到一相位失效狀態且識別一失效相位 (步驟3 0 4)。 舉例而言,若用於相位之相位電流n⑴突然降至零且在 預疋日τ ί又内未回復至其正常執道,則控制器2丨〇判定用於個 :相位之電路已打開。另外,若用於相位之相位電流Π⑴ 突然增加至越過了預設限制且在預定時段内未回復至其正 常執道,則控制器210判定用於個別相位之電路已短路。 因此,為了偵測到一相位失效,控制器21〇可為個別相位 監控相位電流誤差。該相位電流誤差為由個別電流感應器 所里測之貫際相位電流η⑴與所需相位電流ldi〇之間的 差。根據轉矩需求,基於由位置感應器24〇與速度近似器242 所判定之位置與速度,藉由控制器21〇界定用於每一相位之 所舄相位黾流Idi(t)。若用於該相位之相位電流誤差之絕對 96074.doc -11- 200524266 值在預定時段内超過預設限制,則控制器2丨〇認為任何相位 為一失相位。 當偵測到一相位失效時,控制器21〇檢查容錯模式選擇器 250以建立一指定容錯運作模式(步驟3〇6)。若偵測到一相位 失效狀態,則使用者可預程式化模式選擇器25〇以要求控制 器210於非校正模式下或於錯誤校正模式下運作。 或者,在偵測到一相位失效時,可自動地控制模式選擇 為250以視馬達狀態而定選擇適當之容錯運作模式。舉例而 吕,當至少一相位失效時,若用於預定數量之留存相位之 相位電流ii⑴超過臨限位準,則可控制模式選擇器25〇以設 定非校正運作模式。在此狀況下,修改用於留存相位之相 位電流會減少馬達之總轉矩值。在某些情形下,總轉矩減 少可能係不良的。 因此,當偵測到一相位失效時,控制器21〇可將由電流感 應器230所#測之用於留存相位之相位冑流值與臨限位準 相比較。若用於預定數量之相位之相位電流值超過臨限位 準,則控制為21 0控制模式選擇器250以設定非校正模式。 否則,可設定錯誤校正模式。 因此,若在步驟306中控制器21〇判定未設定錯誤校正模 式,則其切換為非校正運作模式(步驟3〇8)。在非校正運作 模式下,控制器210可控制對應於失效相位之pE電路22〇以 使不能激勵個別相位線圈。在非校正模式下,儘管一相位 失效,但是未修改包含個別相位電流在内之與保持運作之 相位相關的馬達參數。 96074.doc -12- 200524266 若在步驟306中控制器210判定設定了錯誤校正模式,則 其切換為錯誤校正運作模式(步驟31〇)。在錯誤校正模式 下,根據一指定錯誤校正演算法,控制器21〇修改保持運作 之相位中之所需相位電流Idi(t)。 圖憎明可在錯誤校正運作模式下實施之例示性錯誤校 正肩π法。控制益21 〇識別失效相位j(步驟3 12),且計算失 效相位價每—保持運作之相位k之間的相㈣偏移量:距 離Djk(步驟314),其中渺為自1至Ns的整數,錢s為馬達 1 〇中之相位之數量。 另外,控制器210獲得使用者所要求之轉矩Γ及由速度近 似杰242所判定之馬達速度ω之值(步驟316)。此等值可用作 用於存取於錯誤校正單元中所含有之錯誤校正檢查表 的索引。該錯誤校正檢查表含有參數11與12,其用於計算每 一留存相位k之所需相位電流量值。參數η表示.在相對:失 效相位j配置於預定相位角之相位位置處的最大電流量 值。舉例而言,最大電流量值可在對應於失效相位j之相位 位置處。參數12表示在自最大電流量值之相位位置移位了 90度之相位角處之最小電流量值。在錯誤校正檢查表中, 蒼數11與12用於所要求的轉矩與當前速度之各種組合。 在步驟318中,控制器21〇存取錯誤校正檢查表以獲得用 於;/驟3 16中所判疋之轉矩與速度的參數η與12。基於此等 ’數&制為210在步驟32〇中判定用於保持運作之每一相 位k之所需相位電流之振幅Ik,纟為Ik=⑴叫师例 度。用於失效相位j之所需相位電流之振幅職設定為0。因 96074.doc 200524266 此,根據相位k自失效相位之距離,將用於每一相位k之所 需相位電流之振幅設定在11與12之間。藉由控制器21〇來使 用用於每一相位之經修改之所需相位電流,以判定被提供 至個別PE電路220以激勵相應相位線圈之控制電壓%⑴。 圖5為一說明包括根據參數11及12之相位電流之修改之 錯决杈正演算法的圖式。舉例而言,參數n可表示在對應 於失效相位j之相位處之相位電流量值,且參數12可表示在 相對於失效相位j移位了 90度之相位角處之相位電流量 值。控制器210修改用於更接近於失效相位〗之相位之相位 電流量值,使其更高於用於更遠離失效相位」·之相位之相位 電流量值。詳言之,用於最接近於失效相位」·之相位卜丨之經 ==相<立t流量值高於用於下一相朴2之經修改之相位 私机里值,该下一相位j_2又高於用於最遠離失效相位」之相 :HNs_1)/2之經修改的相位電流量值。在相位』失效之前, 星值10為每一相位中之相位電流值。 、圖6A與6B為分別展示在無根據本發明之錯誤校正演算 法之錯块校正與具有根據本發明之錯誤校正演算法之錯誤 校正之七相馬達中之相位電流的圖式。此等圖式說明在相 < 3失效&之狀況,且用於相位3之相位電流被設定為在 無錯誤校正之情況下,用於保持運作之相位卜2及心7之相 ^電流具有被設定(例如)為10A之振幅1〇(圖6A)。在存在錯 °、正之丨月况下,控制态210將用於運作相位丨、2及4-7之 電流量值設定在^與12間之範圍内。舉例而言,可將11 設定為12 A且可將12設定為5 a。 96074.doc -14- 200524266 本發明之錯誤校正演算法使控制器210能夠在保持運作 之相位中重新分佈相位電流以重新平衡來自每一相位之轉 矩貝獻。圖7為一展示由每一相位所產生之轉矩的圖式,該 轉矩即為在對於相位電流之正弦波輪廓之正常運作模式下 來自七相馬達之每一相位之轉矩貢獻。當所有相位皆在運 作時,所有相位之(例如)等於35 Nm之總轉矩可實際上無波 動。 圖8為一展示在相位3失效但並未修改用於留存相位之相 位電流時來自每-運作相位i、2及心7之轉矩貢獻的圖式。 如圖式中所說明,一相位失效對於在25至351^111之間變化的 總轉矩導致一等於(例如)〇17之實質轉矩波動。 圖9為一說明在相位3失效且根據本發明之錯誤校正演算 法重新分佈用於留存相位之相位電流時來自每一運作相位 1、2及4-7之轉矩貢獻的圖式。如在此圖式中所示,轉矩波 動對於在23至25 Nm之間變化的總轉矩可減少至約〇〇4。 為達成總轉矩值與轉矩波動之間之所需平衡,可根據使 用者之偏好定製錯誤校正參t1AI2之值。因此,錯誤校正 單元260可含有用於轉矩與速度之每種組合之數組錯誤校 正參數II及12。 舉例而言,為在損失一相位後達成馬達之最大轉矩,應 將麥數12選擇為在參數w位準處。另外,此等二參數皆應 被設定為最大可能之電流值 '然而,如此選擇將增加㈣ :動。結果’馬達將變得不平衡。當一相位失效時,為了 取小化轉矩波動以便達成馬達之平穩運作,可在試驗上建 96074.doc -15- 200524266 立參數II與12之值間之最佳差。 因^當-相位失效時,由本發明之控❹統所控制之 馬達無需為繼續其運作而採用冗餘元件。根據使用者之 好與馬達狀g ’藉由啟用具有或不具有錯誤校正之馬办 錯運作,控制系統能給予使用者高可撓性。另外,可裙= 使用者之偏好定製在損失一相位時界定馬達特徵之錯誤校 正參數。 儘管藉由用⑨馬達之每一電力相&之間隔磁電路之實例 揭不了本發明,但是本發明可適用於諸如含有共用磁路栌 之馬達之其它馬達配置。因&,應瞭解到,能夠在本文^ 表達之發明性概念之範疇内改變且修改本發明。 【圖式簡單說明】 圖1為一展示在可用於本發明中之組態中之轉子與定子 元件之例示性圖。 圖2為一說明本發明之容錯控制系統之簡化方塊圖。 圖3為一說明本發明之容錯模式選擇程序之流程圖。 圖4為一說明本發明之例示性錯誤校正演算法之流程圖。 圖5為一說明在本發明之錯誤校正模式下用於相位電流 修改之例示性預設參數之圖式。 圖6A與6B為說明在錯誤校正模式下之相位電流修改之 圖式。 圖7、8與9為說明由每一相位產生以達成馬達之總轉矩之 轉矩之圖式。 【主要元件符號說明】 96074.doc -16- 200524266 10 多相馬達 20 轉子部件/轉子 21 永久磁體 25 圓柱狀後板 30 定子部件/定子 32 表面 36 U狀磁結構/定子元件 38 線圈 210 控制器 220, 220-1,220-2, 功率電子(PE)電路 220-3, 220-4, 220-5, 220-6, 220-7 230 電流感應器 240 轉子位置感應器 242 速度近似器 250 容錯模式選擇器 260 錯誤校正單元 96074.doc -17-
Claims (1)
- 200524266 十、申請專利範圍: 1 · 一種用於一具有複數個定子相位組件及一轉子之多相馬 達之控制系統,每一定子相位組件包括一形成於一核心 元件上之相位線圈,該系統包括: 激勵電路,其連接至該等定子相位線圈以用於激勵每 一相位線圈; 一控制電路,其用於界定用於該馬達之個別相位之相 位電流’以產生施加至該激勵電路以用於激勵該等相位 線圈之控制訊號;及 一模式選擇電路,其用於在該馬達之一相位失效時使 該控制電路能夠於第一與第二運作模式中之一模式下運 作; 在該第一運作模式下,用於留存運作中之各相位之各 相位電流保持未修改; 在該第二運作模式下,根據若干預設參數修改用於留 存運作中之該等相位之該等相位電流。 2. 3. 4. 如:求項1之系統,其中在該第一模式下,該控制電路係 組:成使其不能激勵—對應於—失效相位之相位線圈。 如:求項1之系統,其中在該第二模式下,該控制電路係 、u根據留存相位與_失效相位之間之—距離以修改 用於該留存相位之相位電流。 ^ 如Μ來項1之系統,盆中 ,、T在s亥弟一杈式下,該控制電路 組怨成根據在相對於^ — ^L· ± 于於一失效相位配置於一預定相位 一相位位置處之一曰 預叹取大電流置值而修改用於一留 96074.doc 200524266 相位之相位電流。 月长員1之系統,其中在該第二模式下,該控制電路係 組態成根據相對於該最大電流量值之該相位位置移位了 90度之一相位角處之一預設最小電流量值而修改用於一 留存相位之相位電流。 6·如明求項1之系統,其中根據使用者之偏好定製用於相位 電流修改之該等預設參數。 7·如請求項6之系統,其中該等預設參數係經定製以達成總 轉矩與轉矩波動之間所需之一平衡。 8 · 種用於一具有複數個定子相位組件及一轉子之多相馬 達之控制系統,每一定子相位組件包括一形成於一核心 元件上之相位線圈,該系統包括·· 激勵電路,其連接至該等定子相位線圈以用於激勵每 一相位線圈; 一控制電路,其用於界定用於該馬達之個別相位之相 位電流’以產生施加至該激勵電路以用於激勵該等相位 線圈之控制訊號;及 一錯誤校正電路,其回應於該馬達之一相位之一失 效’用於使該控制電路能夠根據若干預設參數修改用於 留存相位之相位電流。 9·如請求項8之系統,其中該控制電路係組態成根據一留存 相位與一失效相位之間之一相位角距離而修改用於該留 存相位之相位電流。 10.如請求項8之系統,其中該控制電路係組態成根據在相對 96074.doc 200524266 於一失效相位配置於一預定相位角之一相位位置處之一 預設最大電流量值而修改用於一留存相位之相位電流。 11. 如明求項8之系統,其中該控制電路係組態成根據相對於 該最大電流量值之該相位位置移位了 9〇度之一相位角處 之一預設最小電流量值而修改用於一留存相位之相位電 流。 12. 如請求項8之系統,其中根據使用者之偏好定製用於相位 電流修改之該等預設參數。 、、〜C 13. 如請求項12之系統,其中該等預設參數係經定製以達成 逾轉矩與轉矩波動之間所需之一平衡。 14 種用於控制-多相馬達之方法,其包括以下步驟: 若該馬達之-相位失效,則在一第一與—第二運作模 式之間進行選擇; Λ 在該第一運作模式下,使用於留存運作中之相位之相 位電流保持未修改;且 在該第二運作模式下,根撼箱Μ炎垂 很艨預5又參數修改用於留存運 作中之該等相位之相位電流。 15·如請求項14之方法,其進一步包括 /匕祜在忒弟一運作模式下 使其不能激勵一對應於一失六令;日你々4 , 矢效相位之相位線圈之步驟。 16. —種用於控制一多相馬達之方 乃凌其包括以下步驟: 偵測一相位失效;及 根據預设參數修改用於留存運作中 十思1卞Τ之相位之相位電 流。 17·如請求項16之方法,其中根據-留存相位與一失效相位 96074.doc 200524266 之門之相位角距離修改用於該留存相位之相位電流。 1 8 · 士明求項丨6之方法,其中根據在相對於一失效相位配置 於一預定相位角之一相位位置處之一預設最大電流量值 修改用於一留存相位之相位電流。 19·如凊求項丨6之方法,其中根據相對於該最大電流量值之 a亥相位位置移位了 9〇度之一相位角處之一預設最小電流 量值修改用於一留存相位之相位電流。 20·如請求項16之方法,其中根據使用者之偏好定製用於相 位電流修改之該等預設參數。 21 ·如明求項2 〇之方法,其中該寻預设參數係經定製以達成 總轉矩與轉矩波動之間所需之一平衡。 96074.doc
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