用于无刷电机的高性能电流感测架构制造技术

用于控制三相永磁同步电机的操作的电机控制器，其中，三相永磁同步电机由三个相A、B、C来表征，并且进一步其中，三相永磁同步电机通过调节分别针对三个相A、B、C的三个相电流i

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于无刷电机的高性能电流感测架构对待决在先专利申请的引用本专利申请：（i）要求巴莱特技术有限责任公司（BarrettTechnology,LLC）和ClaudeF.ValleIV等人于2018年11月9日提交的针对HIGHPERFORMANCECURRENTSENSINGARCHITECTUREFORBRUSHLESSMOTORS（用于无刷电机的高性能电流感测架构）的待决在先美国临时专利申请序列号62/758,004的权益（代理人案卷号BARRETT-13PROV）；以及（ⅱ）要求巴莱特技术有限责任公司和ClaudeF.ValleIV等人于2019年6月14日提交的针对HIGHPERFORMANCECURRENTSENSINGARCHITECTUREFORBRUSHLESSMOTORS（用于无刷电机的高性能电流感测架构）的待决在先美国临时专利申请序列号62/861,772的权益（代理人案卷号BARRETT-15PROV）。上述两（2）份专利申请藉此通过引用并入本文。
本专利技术总体上涉及电机（motor），并且更特别地涉及永磁同步电机和用于操作该电机的电机控制器。
技术介绍
为了领会本专利技术，理解如下一些核心概念是重要的：（i）三相永磁同步电机（PMSM）的基本构造和操作；（ii）涉及到的数学构建块中的两个：克拉克（Clarke）变换和帕克（Park）变换；（iii）三相半桥操作：开关状态、电流路径、二极管循环；以及（iv）脉宽调制（PWM）模式阶段（patternmoments）（激励和衰退）如何与电机模型和采样窗口相关。三相永磁同步电机（PMSM）如图1所示，三相永磁同步电机5典型地包括具有多个磁极15的固定定子10和具有至少一对北极和南极的可旋转转子20（为了图示清楚，可旋转转子20在图1中示为仅具有一对北极和南极，然而应当领会的是，在实践中，可旋转转子20通常具有多对北极和南极）。可旋转转子20可移动地设置在固定定子10内。当固定定子10的磁极15例如通过电机控制器25被适当地电激励时，可以在固定定子10的内部产生旋转磁场，使得可旋转转子20的磁极依次被吸引朝向固定定子10的磁极15或排斥远离固定定子10的磁极15，从而引起可旋转转子20在固定定子10内旋转。驱动轴30附接到可旋转转子20，以从三相永磁同步电机5提供输出功率。三相永磁同步电机5由三相A、B、C来表征，并且电机控制器25通过供应三个相电流iA、iB、iC来驱动三相A、B、C。三个相电流iA、iB、iC典型地包括脉冲，其中协调脉冲的定时以引起可旋转转子20旋转。克拉克和帕克对于正弦绕组的永磁同步电机（PMSM），三个相电流波形中的每一个随着电机转动而呈现正弦形状（见图2）。电机转矩是这三个相电流的函数。但是，与控制一组三个正弦变化的电流值相比，控制恒定电流值更加容易和高效，因此首先使用克拉克变换将三个感测到的绕组电流转换至2相正弦αβ系统（见图3），然后使用帕克变换将其转换至二元dq系统（见图4），该系统消除了与电角θ的相关性。q轴（正交）电流iq仅负责产生电机转矩，因此以单个易于控制的变量来具有该电流很有用。三相半桥、开关状态、电流路径为了使用单个直流母线电压（Vbus）来使三个电机相中的电流变化，在图5所示的三相半桥放大器配置40中使用六个相同的功率金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）35。使用微控制器42来控制MOSFET门（gate）35的操作。将领会的是，微控制器42和三相半桥放大器配置40连同适当的支持电路和逻辑一起形成电机控制器25。每个MOSFET门35都标有它控制的相（A、B、C）以及它是桥的高侧（H）还是低侧（L）（即AH、AL、BH、BL、CH、CL）。每个电机相都标有（A、B、C），其中N是Y形绕组电机的中性点。高侧MOSFET决定采用S[ABC]形式的放大器的状态。每个低侧MOSFET被操控为与其相关的高侧MOSFET相反的状态。这防止了从Vbus直接传导到地，也称为直通。通过使用称为脉宽调制（PWM）的计算出的定时模式快速地将这三个桥（AH/AL、BH/BL、CH/CL）切换开关，可以控制在每个电机相（A、B、C）中流动的电流的量以达到期望的转矩。例如，下面标题为“状态描述”的部分中示出的表格中的PWM模式由一系列7个状态组成（即S[000]、S[100]、S[110]、S[111]、S[110]、S[100]和S[000]），其中4个状态（即S[000]、S[100]、S[110]和S[111]）是唯一的。见图6至图9。状态描述。电机的电感会极大地影响通过放大器的电流流动。这首先在S3中很明显。假设电流流到相B中是合乎逻辑的，因为相B在此状态中连接到Vbus。但是相B中的电流的流出已经在S2期间构建了，并且电流流动不能立即改变，因为它受以下等式支配：其中：•Δiphase是相电流的变化（A）•Δt是时间变化（s）•Lphase是相电感（H）•uphase是相电压（V）。除了电感之外，其他因素也可能影响通过放大器的电流流动和/或影响三相永磁同步电机的性能，例如，导致线圈电阻变化的热效应、导致电机内摩擦变化的热效应、施加到电机的外部负载等。出于这些原因，对于电机控制器25而言，重要的是要持续感测通过三个电机级A、B、C的电流并酌情调整三个相电流iA、iB、iC，以在三相同步电机中产生期望的转矩。可以在图5所示的三相放大器图示的上下文中看到电流开始流动之前的初始状态S[000]，即，图10中示出了初始状态S[000]（在电流开始流动之前）。图11至图16中可看到该示例的其余状态中的电流流动。各种传感器架构如上所述，电机的电感会极大地影响通过放大器的电流流动。并且，除了电感之外，其他因素也可能会影响通过放大器的电流流动和/或影响三相永磁同步电机的性能，例如，导致线圈电阻变化的热效应、导致电机内摩擦变化的热效应、施加到电机的外部负载等。因此，对于电机控制器25而言，重要的是要持续感测通过三个电机级A、B、C的电流并酌情调整三个相电流iA、iB、iC，以在三相同步电机中产生期望的转矩。已开发了各种方案来感测通过三个电机级A、B、C的电流流动。三种最常见的架构是所谓的“三传感器”架构、所谓的“单传感器”架构以及所谓的“标准双传感器（B和C）”架构。三传感器在三传感器设计中，对于三相中的每一相，在接地的电流路径中有一个分流电阻45。微控制器在PWM模式的“衰退”阶段期间对三个放大器输出中的每一个进行采样（例如，经由运算放大器50），以获得绕组电流的全貌。见图17。每个样本中都存在加性高斯白噪声（AWGN），但微控制器能够同时对两个输入进行采样，因此在计算iβ时由于iB-iC的克拉克项而抵消了该共模噪声。但是iα仍包含AWGN，并且这被携带通过帕本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于控制三相永磁同步电机的操作的电机控制器，其中，三相永磁同步电机由三个相A、B、C来表征，并且进一步其中，三相永磁同步电机通过调节分别针对三个相A、B、C的三个相电流i

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181109 US 62/758004;20190614 US 62/8617721.一种用于控制三相永磁同步电机的操作的电机控制器，其中，三相永磁同步电机由三个相A、B、C来表征，并且进一步其中，三相永磁同步电机通过调节分别针对三个相A、B、C的三个相电流iA、iB和iC来驱动，电机控制器包括：
三相电源，用于供应三个相电流iA、iB和iC；
第一传感器，用于感测相电流iA；
第二传感器，用于跨相电流iB和iC进行感测；以及
微控制器，用于控制三相电源的操作，以产生操作三相永磁同步电机所需的三个相电流iA、iB和iC，其中，微控制器读取第一传感器和第二传感器的输出并调整三相电源的操作，以产生在三相永磁同步电机中产生期望的转矩的相电流iA、iB和iC。


2.根据权利要求1所述的电机控制器，其中，第一传感器包括放大器。


3.根据权利要求1所述的电机控制器，其中，第二传感器包括放大器。


4.根据权利要求1所述的电机控制器，其中，微控制器引起三相电源以脉冲的形式供应三个相电流iA、iB和iC。


5.根据权利要求1所述的电机控制器，其中，三相电源包括三相半桥放大器。


6.根据权利要求5所述的电机控制器，其中，三相半桥放大器包括：A相部分，包括串联布置并由微控制器操作的两个晶体管；B相部分，包括串联布置并由微控制器操作的两个晶体管；以及C相部分，包括串联布置并由微控制器操作的两个晶体管。


7.根据权利要求6所述的电机控制器，其中，三相永磁同步电机的A相连接在三相半桥放大器的A相部分的两个晶体管之间；其中，三相永磁同步电机的B相连接在三相半桥放大器的B相部分的两个晶体管之间；并且其中，三相永磁同步电机的C相连接在三相半桥放大器的C相部分的两个晶体管之间。


8.根据权利要求7所述的电机控制器，其中，第一传感器连接到三相半桥放大器的A相部分，并且其中，第二传感器连接到三相半桥放大器的B相部分和三相半桥放大器的C相部分。


9.根据权利要求5所述的电机控制器，其中，三相半桥放大器包括：A相部分，其包括串联布置并由微控制器操作的两个晶体管，其中A相部分的一个晶体管是高侧晶体管并且A相部分的一个晶体管是低侧晶体管；B相部分，其包括串联布置并由微控制器操作的两个晶体管，其中B相部分的一个晶体管是高侧晶体管并且B相部分的一个晶体管是低侧晶体管；以及C相部分，其包括串联布置并由微控制器操作的两个晶体管，其中C相部分的一个晶体管是高侧晶体管并且C相部分的一个晶体管是低侧晶体管，
其中，三相永磁同步电机的A相在三相半桥放大器的A相部分的高侧晶体管与低侧晶体管之间连接到三相半桥放大器的A相部分；其中，三相永磁同步电机的B相在三相半桥放大器的B相部分的高侧晶体管与低侧晶体管之间连接到三相半桥放大器的B相部分；并且其中，三相永磁同步电机的C相在三相半桥放大器的C相部分的高侧晶体管与低侧晶体管之间连接到三相半桥放大器的C相部分；

【专利技术属性】
技术研发人员：C·F·瓦勒四世，A·A·布兰克，B·泽诺维奇，T·纳多维奇，D·E·德鲁姆，C·伍达尔，W·T·汤森，
申请(专利权)人：巴莱特技术有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US