CN113454904B - 带有功率反馈回路的电机控制器 - Google Patents

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Abstract

一种电机控制***，包括：电机；以及电机控制电路，其被耦合到所述电机以给所述电机供电。所述电机控制电路包括：功率基准环路，其具有用于提供基准功率水平的功率基准电路；以及功率控制电路，其被配置成给所述电机提供恒定的功率水平，使得所述电机以基本恒定的转矩操作。所述恒定的功率水平与所述基准功率水平成比例。因此，当电机处于恒定速度时，电机也提供基本恒定的扭矩。

Description

带有功率反馈回路的电机控制器
技术领域
本公开涉及电机控制***及电路。
背景技术
在许多应用中，需要精确控制、驱动和调节无刷直流(“BLDC”)电机的电路。这些电路经常创建用于控制对电机供电的脉宽调制(“PWM”)驱动信号。
BLDC电机可包括多个线圈。这些线圈在被通电时使得电机转动。但是，为了使电机连续转动，电机控制器电路必须每次给线圈中的一个或多个线圈(但不是全部线圈)通电、以特定顺序给线圈通电、在不同时间沿向前和向后的方向给线圈通电等等。线圈被通电的时间段通常被称为所谓的电机的“相(phase)”。在相期间被通电的线圈(或多个线圈)可被称为相线圈(phase coil)。
线圈被通电的顺序和时间取决于针对BLDC电机的设计。作为示例，一个BLDC电机可以具有三个线圈，其必须依次通电，即循环通电，以使电机转动。这种电机可以具有三个“相”。在每个相中，三个线圈中不同的一个或多个线圈被通电。随着电机转动，相将改变，并且电机驱动器将给下一个或多个线圈通电，以保持电机旋转。
随着每个相被通电，其物理地驱动电机的转子。被提供给线圈的功率大小可以与电机产生的扭矩大小成正比。在许多BLDC电机中，随着线圈被通电，被提供给线圈的功率大小随时间上升和下降。因此，电机不会产生恒定的扭矩输出。
在美国专利7,590,334号(于2007年8月8日提交)；美国专利7,747,146号(于2007年8月8日提交)，美国专利8,729,841号(于2011年10月12日提交)；美国专利申请13/595,430号(于2012年8月27日提交)；美国专利9,088,233号(于2012年12月18日提交)；美国专利9,291,876号(于2013年5月29日提交)；以及美国专利申请15/967,841号(于2018年5月1日提交)描述了各种电动电机驱动器电路，这些美国专利中的每个都通过引用并入本文，并且这些美国专利中的每个都被转让给本专利的受让人。
发明内容
在实施例中，一种***，包括：电机；以及电机控制电路，所述电机控制电路被耦合到所述电机以给所述电机供电。所述电机控制电路包括：用于提供基准功率水平的功率基准电路；以及功率控制电路，所述功率控制电路被配置成给所述电机提供基本上恒定的功率水平，使得所述电机在基本恒定的电机速度下以基本恒定的转矩操作。所述恒定的功率水平与所述基准功率水平成比例。
可以包括以下特征中的一个或多个。
所述电机控制电路可以包括功率反馈回路。
所述功率反馈回路可以包括差分电路，所述差分电路产生代表所述基准功率水平与被施加到所述电机的功率水平之间的差的信号。
所述被施加到所述电机的功率水平可以通过使被施加到所述电机的电压与被施加到所述电机的电流相乘来计算。
被施加到所述电机的所述功率水平可以通过使被输入电机驱动器电路的输入电压与被输入所述电机驱动器电路的输入电流相乘来计算。
所述***可以包括用于测量被施加到所述电机的所述电压的电路。
所述***可以包括用于测量被施加到所述电机的所述输入电流的电路。
所述信号可以被作为作为输入提供到所述功率控制电路。
所述电机可以具有三个相。
所述电机控制电路可以包括速度反馈回路。
所述速度反馈回路可以包括差分电路，所述差分电路产生代表所述电机的基准速度值与测量速度之间的差的信号。
在另一实施例中，一种电路，包括：电机驱动器电路，所述电机驱动器电路包括多个开关，所述多个开关被耦合以给电机供电；以及电机控制电路。所述电机控制电路包括：用于提供基准功率水平的功率基准电路；以及电机控制电路，所述电机控制电路被配置成控制所述电机驱动器电路以将恒定功率水平施加到所述电机，使得所述电机以基本上恒定的扭矩操作。所述恒定功率水平与所述基准功率水平成比例。
可以包括以下特征中的一个或多个。
所述电机控制电路可以包括功率反馈回路。
所述功率反馈回路可以包括差分电路，所述差分电路产生代表所述基准功率水平与被施加到所述电机的功率水平之间的差的信号。
被施加到所述电机的功率水平可以通过将被施加到所述电机的电压与电流相乘来计算。
可以包括用于测量被施加到所述电机的所述电压的电路。
可以包括用于测量被施加到所述电机的所述电流的电路。
所述信号可以被作为输入提供到所述电机控制电路。
所述电机控制电路可以包括速度反馈回路。
所述速度反馈回路可以包括差分电路，所述差分电路产生代表所述电机的基准速度值与测量速度之间的差的信号。
在另一实施例中，一种以恒转矩驱动电机的方法，包括：测量被施加到所述电机的电压；测量被施加到所述电机的电流；根据测量到的电压和测量到的电流计算被施加到所述电机的瞬时功率；确定所述瞬时功率与基准功率水平之间的差；以及调整被施加到所述电机的电压和/或电流，使得所述瞬时功率与所述基准功率水平相匹配。
在另一实施例中，一种***，包括：电机；以及驱动装置，所述驱动装置用于驱动所述电机以达到恒定功率，使得所述电机的扭矩输出是基本上恒定的。
附图说明
从附图的随后描述中可以更加充分地理解上述特征。附图有助于说明和理解所公开的技术。由于图示并描述每个可能的实施例通常是不切实际或者不可能的，因此提供的附图绘出的是实施例的一个或多个示例。相应地，附图并不意图限制本发明的范围。附图中相似的附图标记标示相似的元件。
图1是用于控制电机的***的框图。
图2是用于控制电机的***的方框图。
图3是由现有技术的电机控制电路驱动的电机的电机功率图。
图4是由提供基本恒定扭矩输出的电机控制电路驱动的电机的电机功率图。
具体实施方式
图1是用于控制电机102的电机控制***100的电路图。电机控制***100包括被耦合到电机驱动器电路106的电机控制电路104。电机驱动器电路106被耦合到电机102，并且给电机102供电。在实施例中，电机控制电路可以是非正弦波无刷直流电机控制电路。
在图1所示的示例中，电机102是三相电机。相应地，电机驱动器电路106具有六个场效应晶体管(FET)开关，其在电源线108与返回线110之间成对耦合。所述对之间的节点(即，节点A、B和C)被耦合到电机102的线圈。当FET开关断开和闭合时，其向电机102供电，并且提供来自电机102的返回路径。例如，如果FET开关112和FET开关114被闭合(例如处于导通状态)，而其它FET开关断开(例如处于非导通状态)，则电流可从电源线108，通过FET开关112流动到节点A，从节点A通过电机102的内部线圈流动到节点B，并从节点B通过FET开关114流动到接地。
为了便于说明，仅示出了FET开关112的栅极被耦合到电机控制电路104。但是，在实施例中，电机驱动器电路106内的每个FET开关的栅极可以被耦合到电机控制电路104。电机控制电路104可以用信号104a驱动每个FET开关的栅极，以选择性地断开和闭合FET开关。这通过将功率(电力)导向电机102的线圈来有效地驱动电机102。本领域技术人员将认识到，在其它实施例中，FET开关可以被诸如双极结型晶体管(“BJT”)、继电器之类的任何能够用作开关的装置替代。
在实施例中，信号104a可以是脉冲宽度调制(“PWM”)信号。随着PWM接通时间从零增加到百分之百，被供应给电机的电流大小从零按比例增大到其最大值。因此，电机控制电路104能够通过改变信号104a的脉冲宽度来控制被供应给电机102的电流大小。
电机控制***100可以包括用于测量被供应给电机102的电压和电流的传感器。作为示例，为了测量被供应给电机102的电压，模数转换器(“ADC”)116可以通过多路复用器118耦合到节点A、B和/或C。ADC 116可以测量在节点处向电机102供电的电压，并且产生代表被供应给电机102的电压的信号116a。多路复用器118可以由电机控制电路104(或另一控制电路)控制，以将当前向电机102供电的节点(例如A、B或C)连接到ADC 116。在实施例中，处理器或电路可以接收信号116a并使用其计算被供应给电机102的电压的平均值或RMS值(均方根值)。
作为另一示例，为了测量流动通过电机102的电流，电机控制***100可以在电流路径中包括分流电阻120。差分放大器122的输入可以被耦合到分流电阻120两端。因此，被放大的信号122a(即，差分放大器122的输出)可以代表分流电阻120两端的电压。ADC 124可以将被放大的信号122a转换为数字信号124a，其可以由电机控制电路104(或其它电路)使用以计算流动通过电机102的电流。在实施例中，分流电阻120可以根据基尔霍夫电流规则，计算得到的通过分流电阻120的电流可以代表输入电机102的输入电流和/或从电机102输出的输出电流。
由于分流电阻器120的电阻是已知的，电机控制电路104可以使用分流电阻器120两端的电压来测量流动通过电机102的电流。因此，数字信号124a也可以代表测量得到的电流。在实施例中，分流电阻120可以具有非常小的电阻，使得其不会显著阻碍电流流动，并且不会耗散大量的功率。分流电阻120的典型值可以是0.1欧姆或更小。另外，尽管分流电阻120被示出为被耦合到返回线110，以测量从电机102返回的电流(Iout)，但分流电阻可以被耦合到电源线108，以测量流到电机102中的电流(Iin)。
参考图2，电机控制***200包括电机控制电路202，其可以与电机控制电路104相同或类似。电机控制电路202被耦合到电机驱动器电路204，该电机驱动器电路204可以与电机驱动器电路106相同或类似。类似于电机驱动器电路106，电机驱动器电路204可以被耦合到电机102，以给电机102提供动力。
电机控制电路202可以接收基准速度信号206a(其代表电机102的期望速度)作为来自基准速度电路206的输入。基准速度电路206可以是能够产生基准速度信号206a以代表电机102的期望速度的任何外部电路。在实施例中，基准速度电路206可以是外部控制电路、处理器电路等。在其它实施例中，基准速度信号206a可以由电机控制电路202内部产生。
电机控制电路202还可以包括功率基准电路208，其可以产生功率基准信号208a。功率基准信号208a可以代表要被施加到电机102的功率大小。在实施例中，功率基准信号208a可以是恒定或可变的信号，和/或可以由功率基准电路208内部产生。在其它实施例中，功率基准电路208可以从外部来源接收外部功率控制信号208b，其可以代表期望的功率水平。在这种情况下，功率基准信号208a可以与外部功率控制信号208b成比例，或者基于外部功率控制信号208b。
基准速度信号206a可以从电机控制电路202的外部生成。基准速度信号206a可以是固定的，或者在操作期间改变，以控制电机102的速度。功率基准信号208a可以基于基准速度信号206a(例如，期望速度)与信号102a(实际速度)之间的误差(例如，差异)来计算。信号212a可以代表基准速度信号206a与信号102a之间的误差。随后，功率基准电路208可以使用该误差来计算功率基准信号208a。
例如，假设基准速度信号206a要求电机速度为1000rpm，而测量到的速度102a为980rpm。信号212a可以代表误差(例如20rpm)，该误差将被PI环路208用于增大功率基准信号208a，从而使电机以预定的功率水平加速到1000rpm。
电机控制***200可以包括两个反馈环路：速度反馈环路和功率反馈环路。速度反馈环路可以包括差分电路212和比例积分(“PI”)控制器214。差分电路212可以接收基准速度信号206a和反电动势信号102a，并且生成代表基准速度信号206a与反电动势信号102a之间的差或“误差”的差分信号212a。反电动势(back-EMF)可以是代表电机102的反电动势电压的信号或能够代表电机102的速度的任何其它类型的信号。
PI控制器电路214可以接收差分信号212a并生成控制信号214a。在实施例中，控制信号214a可以是用于控制电机102的脉宽调制信号。例如，PI控制器电路214可以增大控制信号214a的脉冲宽度以提升电机102的速度，以及减少控制信号214a的脉冲宽度以降低电机102的速度。通过这种方式，PI控制器电路214可以将电机102的速度与由基准速度信号206a代表的期望速度匹配。
尽管未示出，但电机控制***100可以包括诸如放大器、滤波器之类的信号整形电路，以在由差分电路212接收之前调节反电动势信号102a。
功率反馈回路可以包括差分电路216、PI控制器218和乘法器电路220。乘法器电路220可以将代表电机102的电压的信号(例如图1中的信号116a)与代表通过电机102的电流的信号(例如图1中的数字信号124a)相乘。乘法器电路220的功率信号220a可以代表被施加到电机102的瞬时功率(例如，当前功率)。在实施例中，乘法器电路220可以将输入到电机102的输入电压(Vin)与输入到电机102的输入电流(Iin)相乘，以生成功率信号220a，如图1所示。在其它实施例中，乘法器电路220可以将来自电机102的输出电压(Vout)与来自电机102的输出电流(Iout)相乘，以生成功率信号220a。
差分电路216可以接收当前(例如，瞬时)功率信号220a和期望的功率基准信号208a，并且生成代表功率信号220a与功率基准信号208a之间的差或“误差”的差分信号216a。PI控制器218可以接收差分信号216a并产生控制信号218a。控制信号218a可以是脉宽调制信号，以控制电机102。例如，PI控制器218可以增大控制信号218a的脉冲宽度以提升被应用于电机102的功率，以及减小控制信号218a的脉冲宽度以降低被应用于电机102的功率。通过这种方式，PI控制器218能够将被施加到电机102的功率与功率基准信号208a代表的期望功率匹配。在实施例中，控制信号218a可以与信号104a(参见图1)相同或类似。
在实施例中，被供应到电机102的功率可以与功率基准信号218a成比例。成比例意味着功率基准信号218a的值的变化可以导致被施加到电机102的功率的变化。例如，如果功率基准信号218a增大，则被施加到电机102的功率可能增大。在实施例中，功率基准信号可以具有恒定的值，使得被提供到电机102的功率是恒定的功率水平。在一些情况下，被提供到电机102的功率可以是功率基准信号218a的值的纯量倍数(scalarmultiple)。
参考图3，图表300示出了现有技术的电机功率曲线。横轴代表时间的任意单位，并且纵轴代表功率的任意单位。图表300示出了由现有技术的电机控制电路驱动的三相电机的扭矩曲线。
底部波形304、306和308各自代表电机在由三个电机相中的一个驱动时的输出功率。当每个相被激活时(例如，当电流被驱动通过相线圈时)，功率增大到峰值，随后随着相的不活跃而降低。将这三条转矩曲线相加得出曲线310，其代表了现有技术的三相电机的整体输出功率。如图所示，总体功率曲线不是恒定的；其峰值和下降的函数类似于正弦波的振幅(或绝对值)随时间的变化。例如，如果电机由非正弦波的无刷直流电机控制器驱动，就可能出现这种情况。因为电机功率是扭矩乘以电机速度的乘积，因此在由类似曲线310之类的功率曲线的驱动下，当电机达到稳态电机速度时电机的扭矩将不会保持恒定。
参考图4，图表400示出了电机102的功率输出曲线。横轴代表任意的时间单位，并且纵轴代表任意的功率单位。波形是随着电机由电机控制电路104(或电机控制电路202)控制的电机输入功率和电机输出功率的实验结果。
波形402代表输入到电机102的输入功率，其可以通过将输入电压和电流相乘来计算，如上所述。输出功率波形404代表从电机102输出的输出量。如图所示，输出功率波形404在所有三个电机相A、B和C上是相对恒定的，并显示出缩小的正弦图案。其结果是，由于扭矩是功率除以电机速度的商，因此对于任何恒定的电机速度，电机的输出扭矩也是恒定的。
本专利中描述了各种实施例。但是，本专利的范围不应局限于所描述的实施例，而应仅受权利要求书的精神和范围的限制。本专利中所引用的所有参考文献的全部内容均通过引用并入本文。

Claims (14)

1.一种用于控制电机的***，包括：
电机控制电路，所述电机控制电路被配置成用于被耦合到电机以给所述电机供电，所述电机控制电路包括：
用于提供基准功率水平的功率基准电路；
产生第一差分信号的第一差分电路，所述第一差分信号是所述基准功率水平与被施加到所述电机的功率水平之间的差；
功率控制电路，所述功率控制电路被配置成接收所述第一差分信号并且给所述电机提供恒定的功率水平，使得所述电机在恒定的电机速度下以恒定的转矩操作，其中，所述恒定的功率水平与所述基准功率水平成比例；以及
速度反馈回路，所述速度反馈回路包括产生第二差分信号的第二差分电路，所述第二差分信号是基准速度值与反电动势信号之间的差，其中，所述第二差分信号被接收在所述功率基准电路的输入处，所述反电动势信号代表所述电机的反电动势电压，所述电机被直接耦合到所述第二差分电路以直接给所述第二差分电路提供所述反电动势信号。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，被施加到所述电机的所述功率水平通过使被施加到所述电机的电压与被施加到所述电机的电流相乘来计算。
3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，被施加到所述电机的所述功率水平通过使被输入电机驱动器电路的输入电压与被输入所述电机驱动器电路的输入电流相乘来计算。
4.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述***还包括用于测量被施加到所述电机的所述电压的电路。
5.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述***还包括用于测量被施加到所述电机的所述电流的电路。
6.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述电机具有三个相。
7.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述功率控制电路包括比例积分(PI)控制器。
8.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述第二差分信号被用于控制所述功率基准电路，以提供所述基准功率水平。
9.一种用于控制电机的电路，包括：
电机驱动器电路，所述电机驱动器电路包括多个开关，所述多个开关被耦合以给电机供电；以及
电机控制电路，所述电机控制电路包括：
用于提供基准功率水平的功率基准电路；
产生第一差分信号的第一差分电路，所述第一差分信号是所述基准功率水平与被施加到所述电机的功率水平之间的差；以及
功率控制电路，所述功率控制电路被配置成接收所述第一差分信号并且控制所述电机驱动器电路以将恒定的功率水平施加到所述电机，使得所述电机以恒定的扭矩操作，其中，所述恒定的功率水平与所述基准功率水平成比例；以及
速度反馈回路，所述速度反馈回路包括产生第二差分信号的第二差分电路，所述第二差分信号是基准速度值与反电动势信号之间的差，其中，所述第二差分信号被接收在所述功率基准电路的输入处，所述反电动势信号代表所述电机的反电动势电压，所述电机被直接耦合到所述第二差分电路以直接给所述第二差分电路提供所述反电动势信号。
10.根据权利要求9所述的电路，其特征在于，被施加到所述电机的所述功率水平通过使被施加到所述电机的电压与被施加到所述电机的电流相乘来计算。
11.根据权利要求10所述的电路，其特征在于，所述电路还包括用于测量被施加到所述电机的所述电压的电路。
12.根据权利要求10所述的电路，其特征在于，所述电路还包括用于测量被施加到所述电机的所述电流的电路。
13.根据权利要求9所述的电路，其特征在于，所述功率控制电路包括比例积分(PI)控制器。
14.根据权利要求9所述的电路，其特征在于，所述第二差分信号被用于控制所述功率基准电路，以提供所述基准功率水平。
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