操作低電感電動馬達的控制系統(tǒng)、發(fā)電機及進氣系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】提供一種操作低電感電動馬達的控制系統(tǒng)、發(fā)電機及進氣系統(tǒng)。其中所述控制系統(tǒng)包含：電源，用于向所述馬達提供激勵電流；整流電路，該整流電路在操作上獨立于所述電源，且所述整流電路能夠操作用于控制在任何給定時間將所述激磁電流供應(yīng)給所述馬達的不同繞組的時機和持續(xù)時間，其中電流供應(yīng)控制器包括調(diào)節(jié)反饋回路，該調(diào)節(jié)反饋回路用于根據(jù)所述馬達的目標(biāo)速度來調(diào)節(jié)至所述馬達繞組的電流振幅；以及其中供應(yīng)所述激勵電流的所述時機和持續(xù)時間依賴于所述馬達的角度位置，而所述激磁電流的所述振幅獨立于該激磁電流應(yīng)用至所述繞組的所述時機和持續(xù)時間而變化。
【專利說明】
操作低電感電動馬達的控制系統(tǒng)、發(fā)電機及進氣系統(tǒng)
[0001 ] 本申請是申請日為2011年06月22日、申請?zhí)枮?01180038582.7、名稱為"控制器" 的中國發(fā)明專利申請的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明設(shè)及一種用于電動馬達的電力控制器。特別地，本發(fā)明設(shè)及一種用于改進 交流電動馬達控制及操作的系統(tǒng)，其中當(dāng)穩(wěn)定的電氣繞組(electrical winding)存在時， 永磁體或穩(wěn)定激磁電磁體(steadily excited electroma即et)會移動。運種馬達將被統(tǒng)稱 為永磁交流(PMAC)馬達(盡管某些可用穩(wěn)定激磁電磁體替代永磁體KPMAC馬達可存在于， 例如，高速混合滿輪增壓器(turbocharger)或其他高速電子裝置。
【背景技術(shù)】
[000引傳統(tǒng)的PMAC馬達在穩(wěn)定的電氣繞組存在時，利用了永磁體的移動。定子繞組 (stator winding)必須由振蕩的或間歇性電流（即，交流電或脈波寬度調(diào)變）激磁 (excite)，W便當(dāng)磁體繞著繞組轉(zhuǎn)動或移動（translate)時，施加電動勢至磁體上。運種馬 達通常被描述為無刷交流永磁馬達，或永磁同步馬達（permanent magnet synchronous motor, PMSM)。很重要的是應(yīng)注意，運種馬達與無刷直流永磁馬達的區(qū)別在于，此種馬達具 有不同的結(jié)構(gòu)和控制方法。
[0004] 就機械上而言，無刷交流永磁馬達屬于最為簡單、小型化(compact)且有效率的一 種馬達。然而，在電動馬達的歷史中，實際的實施例通常具有整合的設(shè)計特征，運些設(shè)計特 征犧牲了簡單、小型性(compac化ess)和效率，W便賦予較佳的簡化控制馬達的工作的操作 特性。犧牲的例子包括：
[0005] 1.磁場削弱(field weakening)，W限制來自馬達固有性質(zhì)的速度。
[0006] 2.螺旋磁體化elical ma即ets)，w在低速時增強起動轉(zhuǎn)矩（s1:a;rting torque)及 可預(yù)測性。
[0007] 3.使用電磁體而不使用永磁體，W允許通過提供電磁體動力的直流信號調(diào)整起動 轉(zhuǎn)矩。
[000引4.選擇定子繞組的分布，W便當(dāng)給予平滑交流電（振蕩）輸入時，使馬達的轉(zhuǎn)矩輸 出平滑。
[0009] 5.可變氣隙（特別是在"軸向磁通(axial flux)"型馬達中），w允許馬達常數(shù)（電 流輸入和轉(zhuǎn)矩輸出之間的關(guān)系)通過機械方式被調(diào)整；W及
[0010] 6.使用較弱的磁體或被動激磁(金屬)材料，W減少馬達對于交流信號輸入的形狀 的敏感度(sensitivity)。
[0011] 電動馬達通常操作W200赫W下的速度（即，電動車為20赫至100赫，汽車啟動馬達 為30赫至50赫，英國電站發(fā)電機為50赫，典型的累馬達為50赫，家用電器為10赫至50赫，輸 送帶和滑輪為1赫至50赫）。
[0012] 高速應(yīng)用具有上述清單中第屯項典型的較佳設(shè)計方式:被動激磁材料的使用。例 子包包括：JR Bumby,E Spooner,&Μ Jagiela, "Solid Rotor Induction Machines for use in Electrically-Assisted Turbochargers''，Proceedings of the XVII International Conference on Electric Machines (ICEM), 2006 ;從及8 Calverly , "High-speed switched reluctance machine for automotive turbo-generators'' , Mag.Soc.Seminar on Motors and Actuators for Automotive Applications,2002.
[0013] 上述設(shè)計特征的結(jié)合大大地增加馬達的尺寸、重量、成本及能量效率。此外，對任 一所選設(shè)計而言，馬達的尺寸、重量及成本一般是正比于轉(zhuǎn)矩輸出的。W高速操作的馬達可 W低轉(zhuǎn)矩來供給等量功率，因此設(shè)備和傳動裝置常常被指定盡可能地容納(accommodate) 較高速馬達。然而，較高的速度易于加重與馬達控制有關(guān)的挑戰(zhàn)。
[0014] -個特別值得注意的應(yīng)用領(lǐng)域為滿輪機械。運種裝置(利用氣體W接近音障的速 度操作超過1500赫的速度旋轉(zhuǎn)。滿輪機在航天及天然氣發(fā)電方面相當(dāng)知名，但它們逐漸 被應(yīng)用于汽車引擎（滿輪增壓器）、工業(yè)制程(壓縮機及熱回收系統(tǒng)）、家用電器（真空吸塵 器）W及建筑采暖和通風(fēng)。與定量(fixed-displacement)累及膨脹腔室相比，滿輪機的日益 普及創(chuàng)造了對高速馬達的更多需求，并提供減少或消除高比例傳輸成本的可能性(如果能 提供較高速度馬達）。本發(fā)明特別值得注意之處在于汽車滿輪增壓器的電氣化，其是較早專 利（B Richards,叮urbocharger concept",英國專利no.0624599.7,2006)的主題。
[0015] 滿輪機需要超過1500赫的操作速度，且一些汽車應(yīng)用需要超過2500赫的速度。低 于200赫的典型的馬達速度并不適用于此應(yīng)用。使用較弱磁體或被動磁化材料的設(shè)計折中 方案可使速度達到1500赫，但運些折中方案具有相對較低的功率密度(power densi ty)。典 型的20千瓦滿輪壓縮機在形狀上約為15cm X 15cm X 10cm，且在穩(wěn)定狀態(tài)中需要1.6Nm的 轉(zhuǎn)矩輸入。典型的操作在相同速度的被動激磁式電動馬達可W從足夠大的馬達供應(yīng)所需的 轉(zhuǎn)矩。但運種馬達將具有大轉(zhuǎn)子慣量(rotor inedia)。當(dāng)馬達的尺寸進一步增加 W提供過 量轉(zhuǎn)矩W便在瞬時加速時克服它本身的慣量時，馬達增加的慣量與產(chǎn)生的額外轉(zhuǎn)矩成正 比，造成收益遞減。相比之下，具有強力永磁體的馬達W同樣體積可達到十倍的轉(zhuǎn)矩，允許 馬達變?。?0cm X 10cm X 10cm為2Nm的數(shù)量級），而仍提供足夠的轉(zhuǎn)矩W供加速。管理控制 器電流的問題仍然存在。
[0016] 由于上述設(shè)計優(yōu)點W及用于高速機器的新興應(yīng)用，過去Ξ十年間，更加難W控制 的馬達成為總體趨勢。運一趨勢與W下現(xiàn)象相符且依賴W下現(xiàn)象：電子學(xué)和計算機的廣泛 應(yīng)用，使更為繁復(fù)的控制策略變得可行。
[0017] 傳統(tǒng)的無刷永磁式馬達一般為直流類型或交流類型兩者之一。無刷直流式馬達接 受"粗糖(rou曲Γ的電壓輸入，并通過馬達繞組的電感及電阻，在馬達內(nèi)部使電流平滑。無 刷交流馬達(也稱為同步馬達)需要控制器給予的平滑且正弦(或接近正弦）的電流。運兩種 馬達都不是被設(shè)計為接受"粗糖"的電流輸入波形。
[001引控制無刷永磁式馬達的傳統(tǒng)方式為脈寬調(diào)制(pulse wi化h modulation,PWM)。該 方式的示例(尤其設(shè)及PMAC)示出在EP2159909中。該文件利用快速PWM，W模擬輸入至馬達 的平滑正弦波電壓輸入。運允許位置的精確控制W及馬達的平滑操作(尤其是低速時）。 [0019]無刷直流永磁式馬達也使用nm來控制馬達輸入電壓的振幅及相位。無刷直流永 磁式機器與無刷交流永磁式機器之間的本質(zhì)區(qū)別在于:無刷交流馬達額外地需要其PWM控 審IJ器合成正弦信號，而直流馬達允許P歷的輸出為"粗糖"的電壓波形。在運兩種情況下(直 流或交流），PWM產(chǎn)生固定振幅和頻率的馬達控制信號，并于每一整流山011111111*3*1〇11)時應(yīng)用 該信號。所需信號(例如"粗糖"信號(直流)或正弦信號(交流））的供應(yīng)是通過改變供應(yīng)至馬 達的脈沖的數(shù)量及持續(xù)時間而獲得的。運一般需要為每次馬達整流提供數(shù)個脈沖，W嘗試 近似馬達使用所需要的理想波形輸入。因此，PWM所供應(yīng)的總振幅(或電壓)通過改變?nèi)魏谓o 定相位的供應(yīng)至馬達的脈沖的數(shù)量和持續(xù)時間而被控制。
[0020] 然而，PWM控制器的使用需密集計算，且需要控制器在超出馬達的轉(zhuǎn)動頻率至少十 倍(典型地100倍或更多）的頻率下操作。運表示，例如，汽車滿輪增壓器壓縮機將需要具備 至少15000赫的內(nèi)部操作頻率的控制器。運對低功率邏輯電路來說輕而易舉，但運接近現(xiàn)今 高功率電子電路所能達到的極限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0021] 可通過下述的本應(yīng)用發(fā)明所實施的控制器產(chǎn)生"粗糖"的電流波形，且需要(或符 合)非典型設(shè)計的馬達。
[0022] 所提出的馬達是無刷永磁類型的馬達，該類型的馬達具有與典型的無刷交流或無 刷直流永磁式馬達都不同的性能。該馬達的性能為發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域所熟知的，但運些性 質(zhì)的運種選擇和結(jié)合并非尋常的。特別地，該馬達具有加強該馬達W下能力的性能：接收 "粗糖"的電流波形(或者，在作為發(fā)電機的情況下，產(chǎn)生"粗糖"波形的趨向），且可有利 的方式與實施本發(fā)明的控制器一起使用。其性能如下：
[0023] a.轉(zhuǎn)子磁體由具有強永磁性質(zhì)的材料構(gòu)成，且W下列方式被形塑:在對應(yīng)于軸旋 轉(zhuǎn)的角度維度上具有固定厚度，且圍繞轉(zhuǎn)子無間隙地分布(所有運些設(shè)計特征使得靠近磁 體邊緣的繞組所感應(yīng)到的電磁場與靠近磁體中間的繞組所感應(yīng)到的電磁場強度類似）；
[0024] b.齒狀物(teeth)(定子繞組所包圍的金屬組件）的數(shù)量可被電子相接線（由轉(zhuǎn)子 及繞組樣式所提供）的數(shù)量所整除，使得串連或并連的繞組的任意組合(組成一相)將在各 處受到相同（穿過軸轉(zhuǎn)動會變化，但在任何時候各處都互相相同）的由馬達磁體產(chǎn)生的電磁 場(因此，在軸的任何轉(zhuǎn)動角處，相中的所有繞組是互補的，且并不會互相抵消）；
[0025] C.選擇磁體（"極"）的數(shù)量W實施b。
[00%] d.選擇磁體的角厚度(弧長)和繞組節(jié)距(winding pitchK單一繞組圈所跨越的 齒狀物數(shù)量），使得轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角度精確地符合相位角(振蕩周期的部份），其中相反極性的 相鄰磁體之間的界面經(jīng)過繞組圈的跨幅角度(span)為該轉(zhuǎn)動角度，且控制器在該相位角度 中將保持該繞組圈中的最大電流;W及
[0027] e.通過優(yōu)選單個線圈實現(xiàn)最小繞組電感，該線圈形成并聯(lián)的繞組，而非其他考慮 所允許的某種程度串聯(lián)的繞組，其他考慮諸如馬達必須符合的電流及電壓規(guī)格(認識W下 事實:較大內(nèi)部電感將傾向于使控制器所產(chǎn)生的訊號平滑并延遲，由于運種轉(zhuǎn)化的程度是 馬達速度的函數(shù)，因此難W納入控制器中）。
[0028] 盡管在學(xué)術(shù)概念上，運些特征分別地為人所知，但運些特征并不被認為可經(jīng)組合 而用在典型的、商業(yè)化地建構(gòu)出的電動馬達，控制器的該等設(shè)計特征所帶來的影響也未被 廣泛地考慮或理解。事實上，在產(chǎn)業(yè)界，將馬達設(shè)計及馬達控制混合在一個結(jié)構(gòu)中是反常 的。還將理解，運些特征的組合可用于創(chuàng)造具有獨特特性的發(fā)電機，該獨特特性影響發(fā)電機 控制器的設(shè)計。特別地，發(fā)電機將提供給予其本身直流整流的輸出。
[0029] 本發(fā)明的目的是提供一種控制器，該控制器可使用電力電子學(xué)（power electronics)提供高速電子驅(qū)動。此處所描述的控制方式本質(zhì)上不同于傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制方 式，該脈寬調(diào)制方式由一個切換過程合成整個波形。脈寬調(diào)制控制器將需要具有高電感的 輸出負載，W便將連續(xù)的脈沖平滑成為交流波形。同樣地，具有方波電壓輸入的無刷直流馬 達將需要高電感。運種對高電感的需求也可為馬達性能的限制，尤其在高速機械速度與高 速電子速度時。
[0030] 根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于交流電動馬達控制系統(tǒng)，包含:在任何給定時間將激磁 電流供應(yīng)至馬達的不同繞組的裝置，其中激磁電流的振幅獨立于激磁電流輸送的時機和持 續(xù)時間而變化。
[0031] 在優(yōu)選實施方式中，供應(yīng)裝置包含:激磁電流供應(yīng)反饋回路，W及從與激磁電流供 應(yīng)反饋回路相分離的整流反饋回路，該激磁電流供應(yīng)反饋回路用于將電流振幅(對應(yīng)于"聚 集電流(aggregate current)")提供給馬達繞組，且該整流反饋回路用于控制將激磁電流 供應(yīng)至馬達繞組的時機W及持續(xù)時間。所述激磁電流可W是聚集電流。電流供應(yīng)反饋回路 可W包含：用于表現(xiàn)目標(biāo)馬達速度的輸入，W及用于響應(yīng)于馬達的目標(biāo)速度及馬達速度信 號提供電流振幅的裝置。電流供應(yīng)反饋回路可W進一步包含用于調(diào)節(jié)電流振幅的調(diào)節(jié)反饋 回路。
[0032] 可W提供裝置用于提供指示馬達速度和/或馬達角度位置的信號，該裝置可W是 傳感器形式。角度位置指示可W是粗略或經(jīng)量化的測量，而無須是精細的角度測量。該裝置 可W是指示馬達繞組中感應(yīng)的電流的整流信號或電流。
[0033] 整流反饋回路可操作用于根據(jù)角度位置信號，控制至馬達繞組的電流脈沖的時機 及持續(xù)時間。馬達的移動在對應(yīng)于位置信號的每相繞阻中產(chǎn)生反電動勢。當(dāng)對應(yīng)的相繞組 所感測的反電動勢的振幅比關(guān)于其他多個相繞組所感測的（sensed)反電動勢的振幅大時， 整流反饋回路將電流脈沖提供至給定相繞組。整流反饋回路可W包含濾波器，該濾波器用 于對經(jīng)感測的反電動勢進行濾波，W使信號平滑和/或促進給定繞組的電流供應(yīng)和角度位 置信號之間的同步?？蒞操作濾波器W將相位偏移導(dǎo)入經(jīng)感測的反電動勢，W促進所述同 步。馬達可W包含具有120度相對角位移的Ξ相繞組。為了促進電流供給和角度位置傳感器 之間的同步，用于感測馬達位置的反電動勢也可W不經(jīng)由單獨的相繞組被測量，而是經(jīng)由 相繞組的組合被測量(例如，橫跨兩個相繞組之間的反電動勢的總和或差異），該組合可能 導(dǎo)致存在于單獨相中的反電動勢的已知相位移位。
[0034] 在替代的實施方式中，用于提供馬達速度和/或馬達角度位置的信號指示可W是 霍爾效應(yīng)化all Effect)傳感器或與馬達輸出軸相關(guān)聯(lián)的光學(xué)傳感器。
[0035] 根據(jù)本發(fā)明，進一步提供一種用于交流電動馬達的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包含:整 流電路W及電源，該整流電路可操作用于控制電流供應(yīng)至電動馬達的時機和持續(xù)時間，且 該電源用于將電流供應(yīng)至馬達，其中該整流電路在操作上獨立于該電源。
[0036] 根據(jù)本發(fā)明，還進一步提供包含如上所定義的控制系統(tǒng)的永磁式馬達，其中該馬 達包含：多個置于轉(zhuǎn)子周圍的永磁體，W在磁體間提供連續(xù)而無間隙的磁殼（m a g η e t i C shell)。應(yīng)該理解，運種馬達所使用的永磁體可W是任何經(jīng)磁化的材料，其中馬達的控制不 依賴于改變磁力的能力。馬達可W包含置于磁性表面周圍的多個繞組，該繞組數(shù)量與槽孔 (S101)數(shù)量相同，使得每個槽可W被單一的電流脈沖供應(yīng)能量(energiSe)。
[0037]此外，永磁式馬達的理想配置為:配置于馬達圓周周圍的槽的數(shù)量除W配置于馬 達轉(zhuǎn)子周圍的磁體數(shù)量的商為電流相數(shù)量的倍數(shù)。應(yīng)可理解，馬達繞組的數(shù)量可實現(xiàn) 該比例而定制。
[003引根據(jù)本發(fā)明，還進一步提供用于內(nèi)燃機的強制進氣系統(tǒng)（forced induction system)，該內(nèi)燃機包含上述的控制系統(tǒng)。此種強制進氣系統(tǒng)可W是增壓器（supercharger) 或可為滿輪增壓器。在本發(fā)明的范例方面中，強制進氣系統(tǒng)用于內(nèi)燃機，其中該系統(tǒng)包含： 壓縮機、滿輪機、發(fā)電機、電動馬達W及控制系統(tǒng)。在所述方面中，壓縮機扮演W下角色:增 加進入引擎的氣體壓力，并機械地從滿輪機解禪(decouple),該滿輪機被配置成由引擎排 氣驅(qū)動，且驅(qū)動電性連接至電動馬達的發(fā)電機。輪流地，電動馬達驅(qū)動壓縮機，且因此壓縮 機至少部份經(jīng)由電性連接被滿輪機的輸出轉(zhuǎn)矩驅(qū)動。在運些方面中，電動馬達由上述控制 系統(tǒng)控制。
[0039] 在本發(fā)明的又一方面中，提供用于產(chǎn)生電力的發(fā)電機，該發(fā)電機包含:轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn) 子具有多個均勻地且連續(xù)地分布于馬達周圍的永磁體;定子，該定子具有多個繞組，其中轉(zhuǎn) 子相對于定子繞組的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生多個經(jīng)相位偏移的方波；W及控制電路，其中該控制電路包 含整流電路，該整流電路被配置成從定子繞組中抽出（draw)電流，所述控制電路控制電流 從繞組獨立于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)被抽出的時機與持續(xù)時間。
[0040] 在可替代或另外的方面中，提供永磁式發(fā)電機，該永磁式發(fā)電機包含：多個磁體， 該多個磁體之間無間隙地相互接觸，W便提供連續(xù)的永磁殼。此種永磁式發(fā)電機可包含多 個置于多個槽內(nèi)的相繞組，運些槽圍繞在發(fā)電機或永磁殼的周圍，使得每一相繞組可W由 單個激磁電流被互補地供給能量，且不致相互抵消。而且，該發(fā)電機可W被配置成多個相繞 組分別并聯(lián)地置于槽中，并使得槽數(shù)量除W磁體數(shù)量的商為激磁電流相數(shù)的倍數(shù)。
[0041] 本發(fā)明實施方式在W下方面為有利:提供獨立于整流的馬達速度變化。運通過將 進入馬達聚集電流獨立地供應(yīng)至整流而實現(xiàn)，該整流將該電流導(dǎo)向適當(dāng)?shù)鸟R達相繞組?？?W使用PWM方式來調(diào)節(jié)聚集電流，且在電流供應(yīng)控制器和整流控制器之間可能需要電感，W 使P歷輸出平滑。然而，可能需要用于調(diào)節(jié)電流供應(yīng)控制器的輸出的PWM電流供應(yīng)控制器的 頻率和電感是本質(zhì)上獨立于電感和馬達轉(zhuǎn)動速度的參數(shù)。運意味PWM訊號頻率無須如現(xiàn)有 技術(shù)的配置那樣比馬達的操作頻率高。位于電流供應(yīng)控制器和馬達之間的整流控制器并不 實施PWM。相反地，整流控制器僅僅根據(jù)馬達的相繞組位置將電流導(dǎo)向正確的繞組。因為整 流控制器并不實施PWM，所W該整流控制器的設(shè)計相對地簡單，且該整流控制器可實現(xiàn)高速 馬達操作速度。而且，因為整流控制器并不實施PWM，馬達無須展現(xiàn)高電感，且因此提高馬達 的效率(特別是在高速電子/機械速度時）。運意味較高的馬達速度不需要W下控制器也可 達成:提供整流而且還在單一步驟內(nèi)調(diào)節(jié)總電流的經(jīng)整合的高功率電子控制器。
[0042] 現(xiàn)在將參考附圖通過示例的方式更為詳細地描述本發(fā)明。
【附圖說明】
[0043] 圖la是傳統(tǒng)馬達的波形圖；
[0044] 圖化示出圖la的傳統(tǒng)馬達的結(jié)構(gòu)；
[0045] 圖Ic是可替代的傳統(tǒng)馬達的波形圖；
[0046] 圖2a是可W在本發(fā)明的實施方式中使用的馬達的波形圖；
[0047] 圖2b示出圖2a的馬達的結(jié)構(gòu)；
[0048] 圖3是體現(xiàn)本發(fā)明的控制電路的功能塊電路圖；
[0049] 圖4是示出圖3電路細節(jié)的框圖；
[0050] 圖5a是示出本發(fā)明的實施方式中使用的Ξ相馬達(稱為a、b和C)中的理想反電動 勢的波形圖；
[0051] 圖化是從測量的跨越兩相(a和b、b和c、a和C)的總反電動勢導(dǎo)出相間的反電動勢；
[0052] 圖5c是圖化的相間的波形的經(jīng)濾波后的波形圖；
[0053] 圖6是可W被用于體現(xiàn)本發(fā)明的控制電路的低通濾波器的電路圖；
[0054] 圖7a是來自Ξ個作用于相間的反電動勢信號的比較操作的數(shù)字輸出（例如，當(dāng)Va- b〉Vb-c 時，Cl = l);
[0055] 圖7b是可W通過體現(xiàn)本發(fā)明控制電路而到處的輸入單相的電流整流的波形圖；
[0056] 圖8a是當(dāng)圖化的馬達被用作發(fā)電機時所產(chǎn)生的相電流的波形圖；
[0057] 圖8b是圖8a中示出的經(jīng)整流的相電流的波形圖；W及
[0058] 圖8c是傳統(tǒng)發(fā)電機的經(jīng)整流相電流的波形圖。
【具體實施方式】
[0059] 圖la示出理想電流10,在現(xiàn)有技術(shù)的同步交流馬達中該理想電流10必須被供應(yīng)每 個相繞組(phase winding)，如圖化所示（或相反地，該電流由現(xiàn)有技術(shù)的同步交流發(fā)電機 產(chǎn)生）。如之后所解釋的，理想上，正弦電流1〇(具有整流頻率16)對于此種現(xiàn)有技術(shù)馬達是 最佳的，且當(dāng)驅(qū)動運種現(xiàn)有技術(shù)馬達時，要讓正弦波模式的表征(representation)12盡可 能地靠近。通常用于實現(xiàn)該理想波形的技術(shù)為脈寬調(diào)制(PWM)dPWM設(shè)及將許多不同持續(xù)時 間的電流脈沖12提供至裝置。通過改變平均脈沖寬度和脈沖時機(切換頻率14)，可W產(chǎn)生 近似正弦波的總電流。振幅是通過控制平均脈沖寬度而被改變的，而整流是通過改變脈沖 時機而被控制。一般而言，電流脈沖12與多個相(phase)-起被應(yīng)用，最佳地為具有120度相 位差的Ξ個不同相。
[0060] 圖化示出現(xiàn)有技術(shù)的無刷交流馬達20,該馬達具有安裝在軸24四極(four pole) 永磁體轉(zhuǎn)子22。在此種馬達20中，該馬達具有四個圍繞其圓周而被隔開的磁極。磁極是由圍 繞360度而散布(spread)的四個永磁體26、28、30和32所提供;然而，每個磁體僅跨越(span) 60度的幅度，與其相鄰磁體W30度的無效空間（dead space)相隔。磁體26、28、30、32自然地 產(chǎn)生"結(jié)實(blocky)"的圍繞該馬達的北-南-北-南磁場。
[0061 ] Ξ相電壓的繞組34如何被分布(dis化化ute)在磁體周圍的示例如圖化中所示。為 了清楚起見，僅示出繞組34的一個線圈?？蒞看出，繞組34自鄰接磁體28的槽（slot)36伸 出，然后穿入鄰接磁體30的邊緣的槽36。該繞組模式基于繞組相對于馬達磁體的相對位置 和方向而在繞組中創(chuàng)建不同（differing)的磁場。當(dāng)然，應(yīng)能理解，通過改變繞組形態(tài)可W 定制馬達的性能。
[0062]傳統(tǒng)馬達具有分布成用來中斷"結(jié)實"的開/關(guān)激磁的繞組，該開/關(guān)激磁是由磁體 自然生成的。在典型馬達繞組模式的運種示例中，15個槽36可供繞組34利用，W便輸入電壓 的每一相繞著5個槽繞線。由于5并非轉(zhuǎn)子上磁極數(shù)量（4)的倍數(shù)，因此一相的5個線圈 (coil)不可能由所有磁體W同樣方式被同時激磁。而是同一相中的各個線圈在不同時刻被 不同的量所激磁。此外，該5個線圈并非平均地圍繞轉(zhuǎn)子散布，而是如圖化所示那樣分布。如 果該機器為發(fā)電機，當(dāng)轉(zhuǎn)子移動時，每一線圈（對于一相所有線圈串連連接）中所創(chuàng)建的電 勢(potential)或多或少各不相同，且線圈的分布被選擇成使得總電勢W近于正弦模式上 升和下降。
[0063] 在傳統(tǒng)無刷直流控制中，如圖4所示，六個絕緣閩極雙極性晶體管（IGBT)(A+、A-、B +、B-、C+及C-)是用于控制整流(時機)和電壓調(diào)節(jié)(量)兩者的。電壓調(diào)節(jié)由圖Ic所示的PWM 實施。等電壓振幅的脈沖12a被供應(yīng)至馬達，并形成方波電壓10a。在此情況下，電壓10a的振 幅由脈沖的數(shù)量及其持續(xù)時間或?qū)挾?工作周期)決定。馬達的電感和電阻提供電流的內(nèi)部 調(diào)節(jié)。然而，馬達的電感和電阻降低效率(efficiency)且使馬達不適于相當(dāng)高的電子/機械 速度應(yīng)用。
[0064] 此外，為了從PWM控制器的開-關(guān)切換產(chǎn)生相對穩(wěn)定、相對低的電流，需要直流無刷 馬達的繞組34能展現(xiàn)高電感。再者，為了在相同的IGBT(控制整流裝置)上實施此類Pmi控 審|J，IGBT的切換頻率14必須比整流16的切換頻率高得多，且與馬達軸的旋轉(zhuǎn)速度相比仍然 較高。運使得在高電氣速度時，該方法不切實際。例如，對于具有足夠高的電感W使PWM的輸 出結(jié)果平滑的馬達，通常PWM馬達控制器中的IGBT切換頻率要比整流頻率高出至少10倍。再 者，在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中所提出的馬達類型中（該馬達產(chǎn)生相當(dāng)?shù)偷碾姼屑案咝?率），IGBT切換頻率14將需要比整流頻率16高出至少100倍。就本發(fā)明實施方式所期望的高 操作速度而言，此控制方式變得不切實際。
[0065] 相反地，本發(fā)明所采用的馬達40使用12個槽的設(shè)計。圖化中示出該馬達的代表圖。 在該馬達中，四個磁體41至44跨越轉(zhuǎn)子46的完整的360度，而沒有任何無效空間，運創(chuàng)建連 續(xù)的永磁殼，因此對于給定尺寸與15槽馬達相比，該馬達(一般而言)功率高出50%。12個槽 48和Ξ個相50允許每一相具有4個線圈或槽，其對應(yīng)于轉(zhuǎn)子上的4個磁極。因此每一線圈50 總是可W由磁體41-44完全激磁。任一相中的線圈50是W順時針-逆時針-順時針-逆時針的 方式繞線，因此北-南-北-南磁場加強并驅(qū)動通過定子的最大電流(在發(fā)電機的情況下），或 從給定電流創(chuàng)造最大轉(zhuǎn)矩(在電動機的情況下）。然而，作為發(fā)電機，此機器將難W供應(yīng)方波 輸出。類似地，作為馬達40,軸47的平滑轉(zhuǎn)動所需的方波電流輸入60難W被供應(yīng)?；谠摰?理由，在大多數(shù)的現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用中，具有于此所述的12槽的機器特征的馬達并不受到青睞。 如果此馬達因其小型性及效率而被選擇，然后使用現(xiàn)有技術(shù)的PWM控制器驅(qū)動，將導(dǎo)致不平 滑(隨時間而變動）的馬達輸出及額外的電能耗損，而抵消馬達的一些內(nèi)部效益。
[0066] 圖2a示出對于馬達40(圖化)設(shè)計為方波輸入時，理想上必須施加給每一相繞組50 的電流60。此外，依據(jù)轉(zhuǎn)子幾何結(jié)構(gòu)，需要有間隔(gap)66W當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極未對齊永磁體（由線 圈供給能量(energise))時，防止轉(zhuǎn)子的非理想激磁。在間隔66期間，電流由不同相所施加。 電流應(yīng)用與電流去除之間的相關(guān)切換點68是整流時機，且理想上切換點68在W下狀況發(fā) 生:當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極進入或離開磁體（由繞組供給能量)的影響時。
[0067] 為了實現(xiàn)高速度和高效率，繞組50的電阻和電感比在典型的直流電無刷馬達中 (諸如圖lb的現(xiàn)有技術(shù)馬達)要小得多。在馬達運作期間的任何時刻，一個相50被連接至正 極（電流流入），一個相被連接到負極（電流流出），且一個相為浮接(floatK無電流）。為了 使馬達性能最大化，當(dāng)一相50與其他相相比展現(xiàn)最大的反電動勢(back EMF)時，應(yīng)將電流 輸進至該相，且當(dāng)一相展現(xiàn)最小的反電動勢時，應(yīng)自該相輸出電流。整流時機68必須被精確 地控制。如果反電動勢為理想的，則可W通過比較Ξ相電壓獲得整流時機68(即，當(dāng)一相展 現(xiàn)最大的反電動勢時，該相電流被切換為"開"）。
[0068] 理想上，振幅62必須相對于整流頻率64獨立地變化。圖3示出本發(fā)明主要實施方 式，并詳細描述所使用的控制器80。控制器80的本質(zhì)特征為通過整流分離地處理(address) 電源。該控制方式通過聚集電流il 82(流至馬達84)的控制和在該馬達84的相連接器上的 電流iu、iV及iw 86a至86c的整流之間的邏輯分離而實現(xiàn)的。
[0069] 聚集電流82具有兩個調(diào)節(jié)（regulate)聚集電流82的比例-積分（p;ropo;rtional- integral，PI)反饋控制回路88、90。內(nèi)回路88直接控制電流振幅，而外回路90相應(yīng)于馬達84 需要的轉(zhuǎn)矩(速度/目標(biāo)速度不匹配)而調(diào)整電流。
[0070] 內(nèi)回路88包含工作周期92和(振幅)調(diào)節(jié)器94,該工作周期92提供聚集電流82的振 幅，而該調(diào)節(jié)器94將目前的聚集電流82與外回路90所要求的電流進行比較。如果外回路90 所要求的聚集電流82比目前所供應(yīng)的聚集電流還大，則該電流通過工作周期92被調(diào)整W匹 配所期望的電流。應(yīng)該可W理解，內(nèi)回路88可W被視為用于調(diào)節(jié)電流振幅的調(diào)節(jié)反饋回路。
[0071] 外回路90還包含(速度)調(diào)節(jié)器94,該調(diào)節(jié)器94將速度目標(biāo)96與馬達98的當(dāng)前速度 進行比較，并確定加速至速度目標(biāo)96所需的聚集電流82。飽和檢查（saturation check,SC) 100被提供W確保電流需求在控制器80和馬達84的性能之內(nèi)。馬達的速度由F/V轉(zhuǎn)換器102 所提供，該F/V轉(zhuǎn)換器102分析從馬達獲得的反電動勢信號Vw、Vv及化104,并轉(zhuǎn)換上述反電 動勢信號，W確定馬達速度98和馬達(及磁體)的角度位置。用來調(diào)節(jié)聚集電流82(內(nèi)反饋控 制回路88和外反饋控制回路90)的組件可被視為電流供應(yīng)反饋回路，該電流供應(yīng)反饋回路 用于將電流振幅提供至馬達84的繞阻。
[0072] 因為反電動勢將其自身表現(xiàn)為橫跨馬達定子繞組的每一相接線（phase connect ion)的表面電阻（apparent electrical resistance)中的振蕩變化，所W由強永 磁體移動經(jīng)過馬達中的繞組所產(chǎn)生的反電動勢的使用是有利的。運給出轉(zhuǎn)子相對于定子的 即時位置的指示，且因而指出用于定子電激磁的合適時機。通過該方法，馬達的相接線攜帶 馬達控制器的輸出（用于激磁馬達定子繞組的振蕩電流），W及馬達控制器的輸入(確定整 流模式的反電動勢）中的一者。
[0073] 盡管本發(fā)明利用反電動勢信號確定馬達速度和位置，但是可利用監(jiān)測馬達和產(chǎn)生 參考信號的可替代方法。替代方法的實例包括:響應(yīng)于馬達軸上的標(biāo)記或形狀(例如，壓縮 機葉片)使用外部轉(zhuǎn)子位置傳感器，很可能為光學(xué)類型或電磁干擾(霍爾效應(yīng))傳感器類型； 在控制器內(nèi)部使用計時裝置，該計時裝置規(guī)律地被粗略傳感器(coarse sensor)校準(zhǔn)或重 設(shè)(例如，馬達軸每轉(zhuǎn)動一次）；整流電流的量測，或整流電流的指示信號，該整流電流與導(dǎo) 入馬達繞組的電流(非進入馬達的總電流)有關(guān)；W及使用純粹的內(nèi)部邏輯和計時，其對馬 達的位置和所需整流做出假設(shè)，而不預(yù)期(或不在乎)運可能與真正的、最佳的整流時機失 去同步性(例如，轉(zhuǎn)子可能相對于電激磁有所"滑動"）。
[0074] 因為馬達84是針對相當(dāng)?shù)偷膬?nèi)部電感而最佳地設(shè)計，且因此，除非電流82在短時 間尺度上被嚴格地控制，否則馬達84對于損壞相當(dāng)敏感，所W運種雙層方法被實施W避免 過量電流的狀況。為了控制速度96,控制系統(tǒng)80測量馬達反電動勢104的頻率，W得到馬達 速度98。通過將電流指令90設(shè)定至內(nèi)回路88中，控制系統(tǒng)可W控制轉(zhuǎn)矩。如果馬達84需要加 速，該控制器90將增加電流指令W增加轉(zhuǎn)矩。
[0075] 聚集電流82的整流被單獨實施，且圖示為在馬達84的右側(cè)。整流模式110被動地響 應(yīng)馬達位置，該馬達位置是通過追蹤顯示在相接在線的反電動勢104所測量的。優(yōu)選實施方 式使用相間電壓(phase-to-地ase voltage)來測量反電動勢?；隈R達的典型性能，通常 運將領(lǐng)先最佳電流整流時機的相位90度(見下文）。因此優(yōu)選實施方式實施低通濾波器112， 該低通濾波器112在該所測量的相間電壓中產(chǎn)生90度的相位位移。此外，此低通濾波器112 移除來自反電動勢104的錯誤，并實時調(diào)整相位角度，使得該時機適合用于電流整流控制信 號。
[0076] 一旦確定整流模式110,整流模式110被提供至IGBT模塊114。然后聚集電流82可W 由IGBT模塊114調(diào)節(jié)至所需的整流模式110, W傳送所需電流iu、iv及iw 86a至86c至馬達 84。組件110、112及114的組合充當(dāng)整流反饋回路，該反饋回路用于控制將激磁電流供應(yīng)至 馬達繞組的時機及持續(xù)時間。
[0077] 圖4強調(diào)工作周期92和IGBT模塊114。工作周期92充當(dāng)"直流/直流電流源"部份，并 創(chuàng)建被控制的聚集電流量82的近乎連續(xù)的電流。工作周期具有兩個IGBT 120和122,且通過 將IGBT開啟或關(guān)閉，聚集電流82可被調(diào)節(jié)。工作周期92連接至IGBT模塊114, IGBT模塊114為 Ξ相信號充當(dāng)六接腳(six-leg)換流器。由于馬達的高基頻，IGBT模塊114僅控制整流，且從 不需要中斷電流的聚集流動W控制功率（如同在較為傳統(tǒng)的控制布局中所必須作的）。該 "換流器"部份將W下兩者作為輸入:來自數(shù)字控制器(未圖標(biāo))的整流信號，W及通過工作 周期92所產(chǎn)生的聚集電流82。
[0078] 作為輸出，IGBT模塊114產(chǎn)生方波電流訊號，W驅(qū)動PM馬達。IGBT模塊114的功能是 使用如圖2a所示的簡單切換模式，將從工作周期92所能得到的任何聚集電流82直接傳送至 馬達84。對于電流86a至86c的每一相，提供了兩個IGBT。用于電流iu 86a的整流模式是由 IGBT 116a和IGBT 116b所提供，IGBT 116a和IGBT 116b將聚集電流82開啟或關(guān)閉，W提供 所需之整流模式 110。類似的IGBT 118a、IGBT 118b、IGBT 120a及IGBT 120b為電流iv 86b 和iw 86c的每一附加相執(zhí)行同樣的功能。因此，由每一相所供應(yīng)的電流可為正、負或零。
[0079] 此方式主要的優(yōu)點為移除了對IGBT操作于不切實際的高頻的需要。該方式還使馬 達84得W被建構(gòu)為具備低電感。最后，此方式從馬達的相繞組移除通常與PWM控制相關(guān)的擾 動。運使反電動勢信號104更加清楚，并改進整流時機110的準(zhǔn)確性。在高電子速度時，控制 器80的效率對整流時機110相當(dāng)敏感。因此，從相繞組移除擾動的附加特征更進一步改進此 方式的效率。
[0080] 馬達84所產(chǎn)生的反電動勢信號104示出于圖5a中。Ξ個反電動勢信號104曰、104b及 104c對應(yīng)于輸入電流86a、86b及86c的Ξ個相。圖5a中所示的反電動勢是理想化的。實際上， 反電動勢信號104常常起伏不定且失真，使得難W確定馬達的角度位置，且因而難W確定整 流時機。此外，在實際的馬達控制中，因為快速的相電流改變，整流本身干擾反電動勢104。 該干擾可使反電動勢的波形變形，使得反電動勢之間的比較不再可靠。此外，由于控制器繞 組的實際情況，因此難W測量單一的反電動勢104a。
[0081] 在本實施方式中，通過測量反電動勢104的相間電壓130(允許控制器監(jiān)測同條電 線，該電線是用于將電流傳入馬達)來進一步改進反電動勢信號的穩(wěn)定度(reliability), 如圖5b所示。然而，（反電動勢104的）相間電壓130并不與（反電動勢104的）相電壓匹配。例 如，圖5a中相A和相B的交叉點（標(biāo)示為點1)將為圖5b中相A-B的零交叉點（zero crossing point)(標(biāo)示為點2)。當(dāng)相間交叉點確定最佳位置(該最佳位置用來將供應(yīng)至馬達的電流轉(zhuǎn) 換至下一個對應(yīng)的相)時，此位置的確定對于確保有效率地使用馬達相當(dāng)關(guān)鍵。相間電壓為 兩個相電壓之間的差異，且因此，運兩個信號在相位上的差異可W如下方式計算：
[0082] 相 A 電壓：sin(x)
[0083] 相B電壓:sin(x-pi/3)(S相馬達中120度的相位偏移）
[0084] 相4至8:3；[]1(義)-3；[]1(義-9；[/3)=391'1:(3)3；[]1(針9；[/6)(領(lǐng)先3；[]1(義)30度的波形）
[0085] 相間交叉點（圖5a中的點1)不再位于容易確定的位置（圖化中的點2)之中。為了得 到穩(wěn)定的訊號，因而Ξ相反電動勢在執(zhí)行比較之前先被濾波。圖6中示出低通濾波器112設(shè) 計。濾波器112的轉(zhuǎn)移函數(shù)(transfer function)夫
。隨著馬達速度和電子頻率 增加，該濾波器112的表現(xiàn)接近純積分(pure integral),且該濾波器112所產(chǎn)生的時間延遲 接近90度延遲。經(jīng)濾波的相間信號140的表示在圖5c中示出。
[0086] 表1示出當(dāng)馬達在不同速度時，濾波器所送出的相位偏移度數(shù)?？蒞看出，對大范 圍的馬達速度而言(200赫至2000赫），相位偏移非常接近90度。
[0087] 表1.相位偏移與RPM
[008引
[0089]
[0090] 如上所述，理想的切換時機是通過考慮相電壓信號之間的交叉點而獲得。然而該 控制器使用經(jīng)濾波的相間電壓信號，該相間電壓信號落后相電壓總共60度(30度-90度）。因 為整流事件每60度就發(fā)生一次（見圖5c)，盡管哪個交叉點關(guān)于哪個相電流信號的對映 (mapping)與若使用相電壓時將應(yīng)用的對映有所不同，但是可利用運些經(jīng)濾波的相間電壓。
[0091] 圖5c示出考慮到具有90度相位偏移的濾波器相間信號。在圖5c中，與圖5a和圖化 中的點1及點2所對齊的對應(yīng)點被標(biāo)示為點3，點3為相B-C和相C-A之間的交叉點。圖5c示出， 盡管有固定相位偏移，用于電流切換的整流時機110仍可W通過比較經(jīng)濾波的相間電壓的 振幅而決確定。
[0092] 然后，通過相間電壓濾波器所產(chǎn)生的Ξ個電壓信號可W使熟知的電子組件而進行 比較。如圖7a圖中可看出的，比較的結(jié)果可W被解碼W產(chǎn)生整流輸出。C1 152是經(jīng)濾波的 Va-b和Vb-c之間的比較結(jié)果。C2 154是經(jīng)濾波的Vb-c和Vc-a之間的比較結(jié)果。C3 156是經(jīng) 濾波的Vc-a和Va-b之間的比較結(jié)果。控制流至馬達的電流的整流模式的六個IGBT 116a、 116b、118a、118b、120a及120b可W由信號Cl、C2及C3完全地且最佳地控制，如圖7b中的底部 圖所示。當(dāng)A+IGBT 116a被開啟時，正電流被輸進相A 166曰。當(dāng)A-166b為開啟時，負電流被輸 進相A 166b。通過比較圖7a中的波形Cl(152)和圖7b中的A+及A-波形，可W看出，當(dāng)Cl 152 由負切換到正的點發(fā)生在V6處。此V6處的點對應(yīng)于IGBT 116a必須被切換W供應(yīng)A+電流 116a的點。類似地，C1由正切換到負之點發(fā)生在731/6處，此7V6處的點對應(yīng)于通過切換11化 所造成的A-16化的切換點。
[0093] 因此，控制器80將振蕩電流信號86a至86c施加給馬達相接線86a至86c，運些振蕩 電流信號的波形系W如下方式被形塑和傳布(相位偏移）：它們的絕對值總和總是等于組成 它們的恒定(聚集電流82)信號。此多相整流模式110為控制器的輸出，且被送至馬達定子繞 組中可用的相接點。包括整流部分的控制器80是電子的而非機械的，與嵌入馬達中的摩擦 機械開關(guān)或滑動機械開關(guān)相比，運改進了效率及穩(wěn)定度，且改進了潛在地高速移動。
[0094] 還可W理解，控制器80可W用于將馬達84作為發(fā)電機運轉(zhuǎn)。在運種實施方式中，發(fā) 電機轉(zhuǎn)子相對于定子的移動造成定子繞組內(nèi)的電流流動。運種實施方式中的整流電路由繞 組拉出電流，創(chuàng)造(在上述例子中的）Ξ相功率信號。當(dāng)控制器80將馬達84W發(fā)電機形式操 作時，控制器80獨立于電流源，而如上述相同方式持續(xù)操作。然而，當(dāng)馬達84W發(fā)電機形式 運轉(zhuǎn)時，電流源基本上是反向的，且因此電流流動方向也是反向的，造成電流流出整流電路 和馬達84。由于馬達或發(fā)電機的配置，運種輸出為直流信號或電流。通過改變正負設(shè)定點 (setpoint)之間的直流電流，控制器允許馬達迅速且平穩(wěn)地轉(zhuǎn)換至發(fā)電機，再迅速且平穩(wěn) 地轉(zhuǎn)換至馬達。
[00%]當(dāng)W發(fā)電機形式運轉(zhuǎn)時，所述功率信號然后可W通過整流器W創(chuàng)造直流電流。有 利地，本發(fā)明的發(fā)電機實施方式所產(chǎn)生的整流模式為一連串的方波，如圖8a所示，且與圖7a 的方波類似。由圖8a可見，（具有馬達40的形狀的）發(fā)電機產(chǎn)生Ξ相電流信號180(與圖7b的A 和B比較）、182(與圖7b的B和C比較)及184(與圖7b的C和A比較）。產(chǎn)生180、182和184Ξ相信 號的每一者制造出從正相電流180a變化至負相電流180e的信號，該變化是經(jīng)由零凈相電流 階段(plateaus) 180c和180g，W及經(jīng)由介于正、負及凈零階段之間的階梯函數(shù)180b、180d、 180f和18化實現(xiàn)的。應(yīng)能理解，波形的確切形狀很可能不同于該理想化的標(biāo)準(zhǔn)表示。
[0096] 此處所描述的該種發(fā)電機從獨立的發(fā)電機相制造方波輸出180、182及184,當(dāng)運些 方波被整流為直流之后，其為平滑電流190(除了諧波192W外）。經(jīng)整流的直流電流的表示 在圖8b中示出。諧波192可在從一個方波相輸出180轉(zhuǎn)換至下一個方波輸出182時發(fā)生(于每 一階梯函數(shù)區(qū)間處）。然而，當(dāng)移除諧波192后，整體信號190比圖8c中所示的經(jīng)整流的Ξ相 正弦信號194還要平滑。（訊號190大約W0%變化，而非經(jīng)整流的Ξ相正弦信號194的一般為 10%的變化。）由于許多工業(yè)應(yīng)用可自然地濾除諧波，但不可忍受由將正弦信號整流所造成 的大量波動，因此運正是令人滿意的。再者，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將能理解，存在許多濾除當(dāng) 整流方波輸入時所產(chǎn)生的運種短持續(xù)時間諧波的方法。
[0097] 若機器被純粹設(shè)計用于發(fā)電機操作，則控制器可簡化為整流器，而非此處所描述 的完整控制器。無論將哪種控制方法用于發(fā)電機，此處所描述的特殊組合將創(chuàng)造適于產(chǎn)生 直流電力輸出信號的發(fā)電機。
【主權(quán)項】
1. 一種用于操作低電感電動馬達的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包含： 電源，用于向所述馬達提供激勵電流； 整流電路，該整流電路在操作上獨立于所述電源，且所述整流電路能夠操作用于控制 在任何給定時間將所述激磁電流供應(yīng)給所述馬達的不同繞組的時機和持續(xù)時間， 其中電流供應(yīng)控制器包括調(diào)節(jié)反饋回路，該調(diào)節(jié)反饋回路用于根據(jù)所述馬達的目標(biāo)速 度來調(diào)節(jié)至所述馬達繞組的電流振幅；以及 其中供應(yīng)所述激勵電流的所述時機和持續(xù)時間依賴于所述馬達的角度位置，而所述激 磁電流的所述振幅獨立于該激磁電流應(yīng)用至所述繞組的所述時機和持續(xù)時間而變化。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述整流控制器包含與所述電流供應(yīng)反饋回 路相分離的整流反饋回路，該整流反饋回路用于控制將激磁電流供應(yīng)至所述馬達繞組的時 機和持續(xù)時間。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的控制系統(tǒng)，其中所述電流供應(yīng)控制器還包含飽和檢查以防 止過流狀況。4. 根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項權(quán)利要求所述的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)還包含用于提 供指示馬達速度和/或所述馬達的角度位置的信號的裝置。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的控制系統(tǒng)，其中所述電流供應(yīng)控制器包含：用于表現(xiàn)所述馬達 的所述目標(biāo)速度的輸入，以及用于響應(yīng)于所述馬達的目標(biāo)速度和馬達速度而提供所述電流 振幅的裝置。6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的控制系統(tǒng)，其中所述整流控制器能夠操作用于根據(jù)所述角 度位置信號，控制至所述馬達繞組的所述激磁電流的所述時機和持續(xù)時間。7. 根據(jù)權(quán)利要求4-6中的任一項權(quán)利要求所述的控制系統(tǒng)，其中指示所述馬達速度和/ 或所述馬達的角度位置且由所述控制裝置所測量的信號是指示所述馬達繞組中所感應(yīng)的 電流的整流信號。8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制系統(tǒng)，其中所述馬達的旋轉(zhuǎn)響應(yīng)于至多個相繞組的任一 給定的馬達繞組的所述激磁電流的供應(yīng)而在對應(yīng)于所述裝置信號的每一相繞組中產(chǎn)生反 電動勢。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的控制系統(tǒng)，其中當(dāng)對應(yīng)相繞組所感測的反電動勢的振幅比關(guān) 于其他所述多個相繞組所感測的所述反電動勢的振幅大時，所述整流反饋回路向所述給定 相繞組提供電流脈沖。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的控制系統(tǒng)，其中該整流反饋回路包含:濾波器，該濾波器用來 濾波所感測的反電動勢，以促進所述給定繞組的電流供應(yīng)與所述角度位置信號之間的同 步。11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的控制系統(tǒng)，其中所述濾波器將相位偏移導(dǎo)入至所感測的反 電動勢，以促進所述同步。12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的控制系統(tǒng)，其中所述馬達包含具有120度相對角位移的三相 繞組。13. 根據(jù)權(quán)利要求1-11中任意一項權(quán)利要求所述的控制系統(tǒng)，其中所述激勵電流為方 波電流信號。14. 一種永磁式馬達，包含根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項權(quán)利要求所述的控制系統(tǒng)，其 中所述馬達包括多個跨越在轉(zhuǎn)子周圍的永磁體，以提供連續(xù)的永磁殼。15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的永磁式馬達，其中所述永磁式馬達包含根據(jù)權(quán)利要求1-13 中的任一項權(quán)利要求所述的控制系統(tǒng)，且其中所述永磁式馬達還包含置于圍繞所述馬達圓 周的多個槽內(nèi)的多個相繞組，使得每一相繞組能夠通過單一激磁電流被互補地激磁，且不 致于相互抵消。16. 根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的永磁式馬達，其中所述多個相繞組分別并聯(lián)地置于所 述槽中。17. 根據(jù)權(quán)利要求14或15或16所述的永磁式馬達，其中所述槽的數(shù)量除以磁體的數(shù)量 的商為所述電流的相的數(shù)量的整數(shù)倍。18. -種用于內(nèi)燃機的強制進氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含根據(jù)權(quán)利要求1-13中的任一項權(quán)利 要求所述的控制系統(tǒng)。19. 一種用于具有曲軸的內(nèi)燃機的強制進氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含： 壓縮機，該壓縮機用于增加進入引擎的氣體壓力； 渦輪機，該渦輪機機械地從所述壓縮機解耦，并被配置成由引擎排氣所驅(qū)動； 發(fā)電機，該發(fā)電機被配置成由所述渦輪機所驅(qū)動； 電動馬達，該電動馬達被配置成驅(qū)動所述壓縮機，其中所述發(fā)電機和所述馬達電性地 連接；以及 根據(jù)權(quán)利要求1至13的任一項權(quán)利要求所述的控制系統(tǒng)，其中所述壓縮機至少部分經(jīng) 由電性連接而被所述渦輪機的輸出轉(zhuǎn)矩所驅(qū)動。20. -種永磁式發(fā)電機，該發(fā)電機包括權(quán)利要求1至12中任意一項權(quán)利要求所述的控制 系統(tǒng)，以及包括多個互相無間隙地連接的永磁體，以提供連續(xù)的永磁殼。21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的永磁式發(fā)電機，其中所述永磁式發(fā)電機包含置于圍繞所述 永磁殼圓周的多個槽內(nèi)的多個相繞阻，使得每一相繞組由單一激磁電流被互補地激磁，且 不致于相互抵消。22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的永磁式發(fā)電機，其中所述多個相繞組分別并聯(lián)地置于所述 槽中。
【文檔編號】H02K21/16GK106059401SQ201610452986
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2011年6月22日
【發(fā)明人】布林·杰佛瑞·羅迪克·理查茲, 胡文山
【申請人】艾利思科技控制技術(shù)有限公司