用于静电机的无传感器控制器制造技术

用于静电电动机的可变速度驱动器根据从反向电流(反向MMF)推断出的转子位置和/或转子旋转速率来提供反馈控制。通过对定子进行建模并且根据板电压测量结果产生隔离定子电压来执行反向电流的提取。来执行反向电流的提取。来执行反向电流的提取。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于静电机的无传感器控制器
[0001]关于联邦政府资助研究或开发的声明
[0002]‑‑
[0003]相关申请的交叉引用
[0004]本申请要求于2019年9月10日提交的美国专利申请第16/566,250号的权益，该美国专利申请通过引用并入本文。

技术介绍

[0005]本专利技术涉及静电机(电动机和发电机)，并且特别地涉及在不需要机械地附接至转子的单独分解器等的情况下感测转子位置和/或速度的电动机驱动系统。
[0006]静电机提供了针对电磁机的替选方案，所述电磁机利用电感应电场和电容变化来提供驱动力。静电机相对于常规电磁旋转电机具有许多优点，包括消除磁体和昂贵的稀土材料、减少铁质材料的显著重量以及减少对昂贵的高电流铜绕组的依赖。
[0007]静电机的另一显著优点是其能够在没有常规电磁机的电磁线圈中出现的那种显著电流流动或电阻性热损耗的情况下保持扭矩或位置。这种特性使静电机对高扭矩、低速度操作和定位具有吸引力。
[0008]用于低速度或定位应用的静电机可以采用大量电极。例如，与通常具有有限极数(例如，8个)的电磁电动机相比，静电电动机可以包括多达96个极或更多个极。在具有96个极的静电电动机的电循环内的精确位置控制需要分解器具有比电磁电动机所需的量级更高的量级的机械分辨率，并且超过标准12位编码器的能力。因此，在这样的应用中，静电机可能需要昂贵的15位编码器或更高位编码器。

技术实现思路

[0009]应当认识到，静电电动机提供了大致类似于标准电磁电动机的反向EMF(电动势)的“反向电流”或反向MMF(磁通势)。MMF——也被称为反向电流——的测量通常是具有相位和幅度的矢量，相位和幅度中的一者或两者可以提供用于推断位置和或速度的信息。本专利技术提供了当静电电动机有利地由电流驱动器供电时从静电电动机提取MMF测量结果的方法，例如在由共同专利技术人Ludois命名并在此通过引用并入本文的美国专利9,979,323中描述了这种类型的静电电动机。重要的是，本专利技术允许在电动机端子处进行易于处理的电压采样，而不需要庞大电流互感器等。在中等速度下，该MMF值可以用于推断位置和/或电动机速度，而无需具有必要分辨率的分解器。在低速度或零速度下，当存在不足/不显著的MMF时，可以通过在转子或定子中注入电流以替代MMF测量来感测位置和/或速度。另一方面，在高速度下，注入可与驱动电流区分开的电流可能难以使MMF感测更优选。
[0010]具体地，然后，在一个实施方式中，本专利技术提供了一种用于静电电动机的静电电动机驱动器，该静电电动机驱动器包括适于连接至多个定子电极的一组电流源驱动器。反向电流监测电路检测来自静电电动机的与转子速度成比例的反向电流值，并且反向电流调节电路接收检测到的反向电流值，以提供估计的转子位置和转子速度中至少之一，估计的转
子位置和转子速度被提供至比较电路，该比较电路接收估计的转子位置和转子速度中至少之一和电动机控制值，并且将估计的转子位置和转子速度中至少之一与电动机控制值进行比较，以产生到所述一组电流源驱动器的误差输出。反向电流监测电路可以在电流源驱动器与对应的定子电极之间的连接处获取电压测量结果。
[0011]因此，本专利技术的至少一个实施方式的特征是使用简单的电压监测来提供用于低速和高扭矩应用的高极数静电电动机类型的电动机轴的位置和/或速度测量，从而消除对直接输出反向电流感测的需求。
[0012]电流源驱动器可以提供与通过电感实现的电流源串联的一组电开关，以用于调制到定子电极的电流并调节电压。
[0013]因此，本专利技术的至少一个实施方式的特征是提供与有利于这种类型静电电动机的电流源驱动器兼容的无分解器的位置/旋转速率传感器。
[0014]反向电流监测电路可以将电压测量结果与公共电压进行比较，以提取与共模电压隔离的定子电压。
[0015]因此，本专利技术的至少一个实施方式的特征是消除高度可变共模电压对反向电流的计算的影响。
[0016]监测电路可以对定子电路的阻抗进行建模以推断通过每个定子电极的电流，并且可以将推断出的电流与来自与定子电极相关联的电流源驱动器的驱动电流进行比较以推断反向电流。
[0017]因此，本专利技术的至少一个实施方式的特征是推断进入定子中的正向电流以根据需要根据电压测量结果计算反向电流。
[0018]反向电流调节电路还可以测量反向电流的峰值以提供速度信号，并且比较电路还可以使用速度信号来提供误差输出。
[0019]因此，本专利技术的至少一个实施方式的特征是提供对例如电动机的速度控制有用的速度的独立测量。
[0020]反向电流调节电路可以根据反向电流的变化来提取估计的转子位置。
[0021]因此，本专利技术的至少一个实施方式的特征是根据反向电流的位置相关变化推断出位置。
[0022]静电电动机驱动器还可以包括：信号发生器，其向转子和定子之一提供注入信号；
[0023]提取电路，其监测转子和定子中至少之一，以提取所得信号，该所得信号指示转子与定子之间的电容耦合和根据凸极和空间对准的转子和定子中至少之一的变化的有效电容中的至少一个；以及
[0024]调节电路，其接收所得信号以提供估计的转子位置；
[0025]其中，比较电路还从凸极和空间对准调节电路接收估计的转子位置信号以产生误差输出。
[0026]因此，本专利技术的至少一个实施方式的特征是调整在低速度下反向电流信号的低信噪比，以进行低速控制。
[0027]静电电动机驱动器还可以包括开关，该开关用于选择性地传送来自凸极调节电路的估计的转子位置信号和来自反向电流调节电路的估计的转子位置信号中的一个，以供比较电路使用。
[0028]因此，本专利技术的至少一个实施方式的特征是为反向电流与注入电流位置感测之间的切换提供自动基础。
[0029]开关可以由从反向电流调节电路和凸极调节电路中至少之一得到的估计的转子速度来控制。
[0030]因此，本专利技术的至少一个实施方式的特征是利用从本专利技术的感测系统得到的转子速度来在这些感测系统之间进行选择。
[0031]这些特定特征和优点可以适用于落入权利要求中的仅一些实施方式，并且因此不限定本专利技术的范围。
附图说明
[0032]图1是本专利技术的附接至示例轴向磁通静电电动机的驱动系统的简化分解图；
[0033]图2是图1的电动机驱动器的详细框图，示出了电流源驱动器和反向电流检测系统以及替换用于控制电流源驱动器的分解器的注入电流检测系统；
[0034]图3是图2的电流源驱动器的更详细的框图，该电流源驱动器为三相静电电动机的三个定子板中的每一个提供单独的电流源；
[0035]图4是作为用于提供位置信息和速度信息的反向电流检测系统的一部分的反向电流调节电路的更详细的框图；
[0036]图5是提供可以从中推断出速度信息的位置信息的注入信号调节电路的框图；
[0037]图6是d变换轴和q变换轴的反向电流的曲线图；
[0038]图7本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于如下类型的静电电动机的静电电动机驱动器，所述类型的静电电动机具有定子和转子，所述定子具有适于生成绕轴线的旋转定子电场矢量的多个定子电极，所述转子具有主要通过静电力而不是磁力提供与旋转电场相互作用的转子电场以绕所述轴线旋转的多个转子电极，所述静电电动机驱动器包括：一组电流刚性驱动器，其适于连接至所述多个定子电极；反向电流监测电路，其检测来自所述静电电动机的与转子速度成比例的反向电流值；反向电流调节电路，其接收检测到的反向电流值，以提供对转子位置和转子速度中至少之一的估计；以及比较电路，其接收所估计的转子位置和转子速度之一和电动机控制值，并且将所估计的转子位置和转子速度之一与所述电动机控制值进行比较，以产生到所述一组电流源驱动器的误差输出；其中所述反向电流监测电路在所述电流源驱动器与对应的定子电极之间的连接处获取电压测量结果。2.根据权利要求1所述的静电电动机驱动器，其中，权利要求1所述的速度驱动器和所述电流源驱动器提供了与通过电感实现的电流源串联的一组电开关，以用于提供电流刚度和调节所述定子电极电压。3.根据权利要求2所述的静电电动机驱动器，其中，所述反向电流监测电路从测量信号中提取定子电压并消除共模电压。4.根据权利要求2所述的静电电动机驱动器，其中，所述反向电流监测电路对定子电路的阻抗进行建模以推断通过每个定子电极的电流，并且将推断出的电流与来自与所述定子电极相关联的所述电流源驱动器的驱动电流进行比较以推断反向电流。5.根据权利要求1所述的静电电动机驱动器，其中，所述反向电流调节电路还测量所述反向电流的相位和幅度，以提供转子位置信号和转子速度信号6.根据权利要求1所述的静电电动机驱动器，还包括：信号发生器，其向所述转子和所述定子之一提供注入信号；提取电路，其监测所述转子和所述定子中至少之一，以提取所得信号，所述所得信号指示所述转子与所述定子之间的电容耦合和所述转子和所述定子中至少之一的变化的有效电容中的至少一个；以及注入处理电路，其接收所述所得信号以提供估计的转子位置；其中，所述比较电路还从所述注入处理电路接收估计的转子位置信号以产生所述误差输出。7.根据权利要求6所述的静电电动机驱动器，其中，所述注入处理电路还提供估计的转子速度。8.根据权利要求7所述的静电电动机驱动器，还包括开关，所述开关用于选择性地传送来自所述注入处理电路的估计的转子位置信号和来自所述反向电流调节电路的估计的转子位置信号中的一个，以供所述比较电路使用。9.根据权利要求8所述的静电电动机驱动器，其中，所述开关由从所述反向电流调节电路和所述注入处理电路中至少之一得到的估计的转子速度来控制。10.根据权利要求7所述的静电电动机驱动器，其中，所述提取电路提供由所述静电电
动机修改之后的所述注入信号的解调。11.根据权利要求7所述的静电电动机驱动器，其中，所述注入处理...

【专利技术属性】
技术研发人员：丹尼尔，
申请(专利权)人：威斯康星校友研究基金会，
类型：发明
国别省市：