CN1890872A - 直流电动机的控制 - Google Patents

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Abstract

一个三相直流电动机通过周期地重复三个第一开关状态(a，c，e)被控制，其中在这三个第一开关状态的每个中，直流电动机(M)的三个相(U，V，W)之一被周期地在一个第一和一个第二输入电压之间转换，而另外两个相被持续地连接第一输入电压。

Description

直流电动机的控制
本发明涉及用于控制无电刷的直流电动机的方法以及用于实施该方法的合适的逆变器。
这种电动机的定子产生旋转的磁场，在该磁场中，转子的磁体试图对准并且由此驱动转子的旋转。为了达到这种电动机的尽可能高的电效率，值得期望的是，定子的三个绕组被施加彼此相对分别相移三分之一周期的正弦形电流。因为电动机的转速取决于电流的频率，所以这些电流必须可以以可变的频率被提供。为了提供具有任意可选的频率的驱动电流，通常使用了逆变器，这些逆变器键控地(getastet)对电动机的绕组施加以固定的供电电压，其中开关的键控频率基本上高于转动频率。以这种逆变器越好地近似供电电压的正弦曲线，则在逆变器的开关中，开关过程的所需的频率越高。开关的损耗功率随着开关频率而增大。因此，太高的开关频率可能导致开关的过热和损坏。电动机的能达到的效率是在一方面对于电动机绕组的正弦形供电电流的期望和另一方面对于低开关频率以及相应地在逆变器中的低的损耗的要求之间的折衷。
一种已广为使用的控制方法使用了六个周期交替的开关状态，它们各有六分之一周期的持续时间，其中每个绕组分别在一个状态期间无电流，然后两个状态长的时间在第一方向上流过电流，随后又一个状态长的时间无电流，并且最后两个另外的状态长的时间以相反的符号地流过电流，并且三个绕组的电流各被相移三分之一周期。这种方案虽然容易控制，但是电动机的三个绕组中始终有一个是无电流的，这样它对于电动机的转矩形成没有贡献。绕组和在其中流动的电流强度因此必须被这样设计，使得两个电流流过的绕组足以提供所需的转矩。一种控制方法，借助该方法任何时间所有三个绕组都可以有电流流过，将允许在保持不变的转矩情况下减少绕组的匝数并且由此不仅节省了费用、重量和大小，而且还减小了电阻损耗并且改善了效率。
本发明的任务在于，实现这种改进的控制方法。
该任务通过用于控制三相直流电动机的一种方法解决，在该方法中，三个第一开关状态被周期地重复，其中在这三个第一开关状态的每个中，三个相的分别的另外一个被周期地在第一和第二输入电压之间转换，而另外两个相被连续地连接第一输入电压。当所述一个相被连接第二输入电压时，电流总是在一个串联电路中流过这一个相和另外的两个彼此并联的相，这样所有三个相都传输电流并且为电动机的转矩做贡献。
当在两个第一开关状态之间分别***一个第二开关状态时，其中在该第二开关状态中三个相的一个周期地在第一和第二输入电压之间转换，而另外两个相持续地连接第二输入电压时，得到电动机的均匀的运转。当所述一个相被连接到所述第一输入电压时，在此所有的三个相也流过电流。
当在每个第二开关状态中，这样的相被周期地转换，即该相既不在先前的也不在接着的第一开关状态中被周期转换，则得到一个连续地同心转动的空间矢量。
为了均匀的电动机功率，此外值得期望的是，一个时间——在该时间中该被周期地转换的相被连接该第二输入电压——在每个第一开关状态的持续时间上的份额等于一个时间——在该时间中该被周期地转换的相被连接该第一输入电压——在每个第二开关状态的持续时间上的份额。
该时间份额被合乎目的地在每个第一和/或第二开关状态中与直流电动机的负载成比例地调整。
如果为了控制直流电动机使用了逆变器，该逆变器为电动机的每个相位都具有被置于一个输送该第一输入电压的端子和相关的电动机相之间的第一开关和被置于相关的电动机的相和一个输送该第二输入电压的第二端子之间的第二开关，则在每个第一开关状态中，被周期地转换的相的第一开关可保持打开，而该相的第二开关被周期地转换。由此在第一开关中没有转换损耗。相应地，在每个第二开关状态中，被周期转换的相的第二开关可保持打开，而该相的第一开关被周期地转换。
根据本发明的逆变器被配备以控制电路，用于根据如上面定义的方法控制其开关。
本发明的另外的特征和优点从以下参照附图的、对于实施例的描述中得出。其中
图1示出了本发明可以借助其实施的一个逆变器的框图；
图2示出了一个时间图，它说明了逆变器的开关的状态以及对于本发明的方法的不同状态的、电动机的各个相中的电压和电流方向；以及
图3示出了根据本发明地控制的电动机的一个相的电流信号的模拟时间进程。
在图1中示出的逆变器包括六个开关SU1、SV1、SW1、SU2、SV2、SW2，其中开关SU1、SV1、SW1被相应地布置在正供电端子(+)和三相无电刷的直流电动机M的一个相U、V或W之间，并且开关SU2、SV2、SW2被相应地布置在这三个相之一和一个负供电端子(-)之间。以已公开的方式，这些开关可以是具有被并联连接的自振荡二极管的IGBT。
控制电路C生成控制序列以根据两个输入信号打开和关闭开关SU1至SW2，这两个输入信号表明在直流电动机M中的磁场的所期望的转动频率或电动机的所期望的功率。
控制电路C周期地重复六个开关状态的序列。在图2中以a表示的第一开关状态中，与正端子相连接的开关SU1、SW1被闭合，并且相应地互补的开关SU2、SW2被打开，这样在相U、W上有正供电电位。开关SV1同样被打开，并且开关SV2被交替地打开和闭合，其中在其期间开关SV2被闭合的时间的、在第一开关状态a的持续时间上的份额α由控制电路C与电动机M的所要求的功率成比例地来选择。如在状态a中的、电动机的示意性示图中的箭头所示，电流一方面流过电动机的相U、V和W、V。由此，所有三个相都为磁场的空间矢量Ua作出贡献，其中相U、V的贡献叠加成为与相V的贡献平行的贡献。
在接下来的开关状态b中，开关SU1以占空比(Tastverhltris)α闭合，开关SV2和SW2被闭合并且开关SU2、SV1、SW1被打开。相V、W位于低供电电压上，并且相U以占空比α接受高的供电电位。空间矢量Ub以逆时针方向被旋转60°。
一般来说，在开关状态a，c，e中分别地在两个相中与高供电电位相连接的开关被打开并且与低供电电位相连接的开关被闭合，并且在所述的第三相中与高供电电位相连接的开关打开并且与低供电电位相连接的开关被键控。对于这三种开关状态a，c和e的顺序有两种不同的可能性；它们相应于电动机的两个相反的转动方向。在每个位于其间的开关状态b，d或f的情况下，在相U，V，W的分别的两个中，与低供电电位相连接的开关打开并且与高供电电位相连接的开关打开，及在第三相中与低供电电位相连接的开关打开并且与高供电电位相连接的开关被键控。在此，被键控的相总是这样的相，它既不在直接在前的也不在接着的开关状态中被键控。这样得到空间矢量从一个开关状态向下一个开关状态的、60°的均匀的转动。
图3示出了对于电动机的一个相、例如相U，作为时间的函数的相电流的模拟计算的结果，作为曲线IU示出；以及示出了在控制信号cSU1的相和电动机的电动势EMK之间的负载角δ的情况下，用于两个供应相U的开关SU1和SU2的控制信号cSU1和cSU2。

Claims (9)

1.用于控制一个三相直流电动机(11)的方法，其中三个第一开关状态(a，c，e)被周期地重复，其中在这三个第一开关状态的每个中，该直流电动机(M)的三个相(U，V，W)之一被周期地在一个第一和一个第二输入电压(+，-)之间转换，而另外两个相被持续地连接该第一输入电压(+)。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，在两个第一开关状态(a，c，e)之间各***一个第二开关状态(b，d，f)，在该第二开关状态中所述三个相(U，V，W)之一被周期地在该第一和该第二输入电压(+，-)之间转换，而所述另外两个相被持续地连接该第二输入电压(-)。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，在每个第二开关状态(b，d，f)中，这样的相被周期地转换，该相既不在先前的也不在该接着的第一开关状态(a，c，e)中被周期地转换。
4.根据权利要求2或3的方法，其特征在于，一个时间——在该时间中该被周期地转换的相被连接该第二输入电压(-)——在每个第一开关状态(a，c，e)的持续时间上的份额(α)等于一个时间——在该时间中该被周期地转换的相被连接该第一输入电压(+)——在每个第二开关状态(b，d，f)的持续时间上的份额。
5.根据权利要求2至4之一的方法，其特征在于，在每个第二开关状态(b，d，f)中，在其期间该被周期地转换的相被连接该第一输入电压(+)的时间的该份额(α)被与该直流电动机(11)的一个负载成比例地调节。
6.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于，在每个第一开关状态(a，c，e)中，在其期间该被周期地转换的相被连接该第二输入电压(-)的时间的该份额被与该直流电动机(11)的一个负载成比例地调节。
7.根据前述权利要求之一的方法，其特征在于，为了控制该直流电动机(11)使用了一种逆变器，其中在该电动机(11)的每个相(U，V，W)和一个输送该第一输入电压(+)的端子之间分别设置了该逆变器的一个第一开关(SU1，SV1，SW1)，及在该电动机(11)的每个相(U，V，W)和一个输送该第二输入电压(-)的端子之间分别设置了该逆变器的一个第二开关(SU2，SV2，SW2)，并且在每个第一开关状态(a，c，e)中，该被周期地转换的相的该第一开关保持打开，而该相的该第二开关被周期地转换。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于，在每个第二开关状态(b，d，f)中，该被周期地转换的相的该第二开关保持打开，而该相的该第一开关被周期地转换。
9.逆变器，其特征在于，包括一个控制电路(C)，用于实施根据前述权利要求之一的方法。
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