共享支路电压源逆变器制造技术

提供了一种系统，其包括多个马达，每个相应的马达包括三相；电压源逆变器电路，其包括多个相应的逆变器支路；每个相应的逆变器支路被耦连以驱动相应马达中的至少一个的至少一相；其中第一共享逆变器支路被耦连以驱动第一马达的第一相并且驱动第二马达的第三相；并且其中第二共享逆变器支路被耦连以驱动第二马达的第三相和第三马达的第一相

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】共享支路电压源逆变器
[0001]优先权要求
[0002]本申请要求
2021
年5月
11
日提交的美国专利申请序列号
63/187,201
的优先权的权益，该专利申请通过引用以其整体并入本文
。


[0003]本公开总体上涉及电动马达，并且更具体地涉及电动马达中的相电压的控制
。

技术介绍

[0004]存在多种类型的电动马达
。
一些马达由交流电流
(AC)
源驱动，并且因此被称为
AC
马达
。AC
源向由一个或多个线圈组成的固定定子供应电流，以产生旋转磁场，该磁场与转子的磁场相互作用并且导致转子移动
。
转子的磁场可以由永磁体
(
诸如利用永磁体同步机器或无刷直流电流马达
)、
电气绕组
(
诸如感应马达
)
或通过磁阻
(
诸如利用开关或同步磁阻马达
)
产生
。
转子最常见的是放置在环形定子内的柱体，但也可以是圆盘
(
诸如在轴向磁通马达中
)
或其本身是围绕柱形定子的环
(
诸如所谓的“外转”无刷马达
)。
本文件中使用的术语“马达”是指任何电动
AC
马达
。
[0005]虽然从技术上定子只需要单个线圈来产生旋转磁场，并且因而使转子回旋，但定子通常包括许多线圈，通常缠绕在钢齿周围的槽内，以增加磁导率
。
可替代地，一些马达具有无齿的无槽设计，但它们仍然具有带线圈的绕组
。
马达中的线圈被分成组以形成耦连的电磁相
。
定子的相包括电耦连的一组线圈，使得它们共享相同的电压
。
虽然最常见的相数量是三相，但较高功率的马达有时具有五相或更多相，并且一相和两相马达是可用的
。
相数量的唯一上限是线圈的数量和为每相供电的可用电压源的数量
。
定子相绕组通常通过称为“相引线”的单个线连接到电压源，以便例如三相马达将具有三个引线
。
[0006]对
AC
马达的相引线施加恒定电压不会使其回旋太多
(
如果有的话
)。
必须调制相电压以在与转子的旋转轴线相切的方向上产生电动扭矩
。
在“同步”马达中，电压在称为“换向”的过程中基于转子位置而被同步
。
为了使同步马达换向，需要有关转子的角位置的信息
。
转子位置通常使用霍尔效应传感器或位置传感器
(
诸如数字编码器
)
来确定
。
在对成本更敏感的应用中，可以通过感测由于反电动势
(
反
EMF)
产生的电压来估计转子位置，有时称为“无传感器”马达控制
。
无论如何，换向需要某种形式的转子位置信息
。
[0007]马达由于转子电磁场与流过定子绕组的电流产生的磁场的相互作用而回旋
。
流过绕组的电流主要是相引线之间的电压差的函数，并且不受每根引线相对于地的电压的影响
。
例如，如果两相马达具有施加到一相的相对于地为
50V
和施加到另一相的相对于地为
40V
的电压，则将产生相同的磁场，就像马达具有施加到一相的相对于地为
10V
的电压和施加到另一相的相对于地为
0V
的电压
。
在第一示例中，平均相电压相对于地为
45V
，而在第二示例中，平均相电压相对于地为
5V。
这两个示例之间的差异对于马达来说是不可见的
。
相的平均电压通常称为电压的共模，或者有时也称为“中性电压”或“零序电压”。
[0008]通常，每相的电压由电压源逆变器
(VSI)
电路的一个“支路”生成
。
典型的
VSI
接收
DC
总线电压
、
地电压以及从0％到
100
％中选择的期望占空比的指示作为输入，并且产生具有在足够长的时间段内被平均时在总线电压和地电压之间的值的电压作为输出
。
最常见的是，该输出电压经由正弦脉宽调制实现，尽管空间矢量调制也很常见
。
两种调制技术的结果是相同的
——
在给定时间段
(
调制频率的倒数
)
内求平均时，施加到马达相的电压等于总线电压和地电压之间的某个期望电压
。VSI
支路通常组合在电路板上，或有时甚至组合在同一集成电路内
。
因此，
VSI
通常向马达的多个相提供多个调制电压，并且每个单独的电压由
VSI
的支路生成
。
因此，例如，典型的3支路
VSI
可以生成3个单独的调制电压，其值介于总线电压和地电压之间
。
[0009]一般而言，马达的每一相被耦连到
VSI
的单独支路，使得三相马达通常由3支路
VSI
驱动
。
对于大多数应用，
VSI
的尺寸和成本都远小于马达的尺寸和成本，并且几乎没有动力去减小
VSI
的物理尺寸
。
然而，在一些马达应用中，诸如包含多个马达的小型机器人，
VSI
的物理尺寸可能是一个重要的设计因素
。Dujic
等人在
IEEE
工业电子学报
2009
年
10
月第
10
刊第
56
栏“AGeneral PWM Method for a(2n+1)
‑
Leg Inverter Supplying n Three
‑
Phase Machines”公开了一种通过电耦连单个
VSI
支路以与多个马达中的每个马达的相共享调制电压来减小
VSI
电路尺寸的方法
。
然而，这种方法仅限于与多个马达中的每一马达共享一个公共
VSI
支路，并且施加了实际约束
。
不幸的是，当
N
个马达共享单个公共
VSI
支路时，在最坏的情况下，对共享
VSI
支路施加的约束
(
特别是马达可以达到的最大速度
)
比例大约为
1/N。
这是由于单个
VSI
支路中出现的所有马达的反
EMF
的累积效应造成的
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.
一种系统，其包括：第一马达
、
第二马达和第三马达，每个相应马达包括三相；和电压源逆变器电路，其包括多个相应的逆变器支路；每个相应的逆变器支路被耦连以驱动所述相应马达中的至少一个的至少一相；其中第一共享逆变器支路被耦连以驱动所述第一马达的第一相并且驱动所述第二马达的第三相；并且其中第二共享逆变器支路被耦连以驱动所述第二马达的第三相和所述第三马达的第一相
。2.
根据权利要求1所述的系统，进一步包括：第四马达，其包括三相；其中第三共享逆变器支路被耦连以驱动所述第三马达的第三相并且驱动所述第四马达的第一相
。3.
根据权利要求2所述的系统，还包括：第五马达，其包括三相；其中第五共享逆变器支路被耦连以驱动所述第四马达的第三相并且驱动所述第五马达的第一相
。4.
根据权利要求1所述的系统，其中第一独占逆变器支路被耦连以驱动所述第一马达的第二相；其中第二独占逆变器支路被耦连以驱动所述第二马达的第二相；其中第三独占逆变器支路被耦连以驱动所述第三马达的第二相；并且其中第四独占逆变器支路被耦连以驱动所述第三马达的第三相
。5.
根据权利要求2所述的系统，其中第一独占逆变器支路被耦连以驱动所述第一马达的第二相；其中第二独占逆变器支路被耦连以驱动所述第二马达的第二相；其中第三独占逆变器支路被耦连以驱动所述第三马达的第二相；其中第四独占逆变器支路被耦连以驱动所述第四马达的第二相；并且其中第五独占逆变器支路被耦连以驱动所述第四马达的第三相
。6.
根据权利要求3所述的系统，其中第一独占逆变器支路被耦连以驱动所述第一马达的第二相；其中第二独占逆变器支路被耦连以驱动所述第二马达的第二相；其中第三独占逆变器支路被耦连以驱动所述第三马达的第二相；其中第四独占逆变器支路被耦连以驱动所述第四马达的第二相；其中第五独占逆变器支路被耦连以驱动所述第五马达的第二相；并且其中第六独占逆变器支路被耦连以驱动所述第五马达的第三相
。7.
根据权利要求1所述的系统，其中所述第一马达
、
第二马达和第三马达每个均包括永磁体同步马达
。8.
根据权利要求1所述的系统，其中所述第一马达
、
所述第二马达和所述第三马达每个均包括无刷直流马达
。9.
根据权利要求1所述的系统，
其中所述第一马达
、
所述第二马达和所述第三马达每个均包括感应马达
。10.
根据权利要求1所述的系统，其中每个相应的逆变器支路包括耦连在相应的输出电压节点和总线电压之间的相应的第一开关以及耦连在所述相应的输出电压节点和地电压之间的相应的第二开关
。11.
根据权利要求1所述的系统，其中每个相应的逆变器支路包括耦连在相应的输出电压节点和总线电压之间的相应的第一晶体管开关以及耦连在相应的输出电压节点和地电压之间的相应的第二晶体管开关
。12.
根据权利要求
10
所述的系统，其中所述第一马达的所述第一相被耦连在所述第一马达的中性节点和所述第一共享支路的相应输出节点之间，并且所述第二马达的所述第三相被耦连在所述第二马达的中性节点和所述第一共享支路的所述相应输出节点之间；并且其中所述第二马达的所述第三相被耦连在所述第二马达的所述中性节点和所述第二共享支路的相应输出节点之间，并且所述第二马达的所述第一相被耦连在所述第二马达的所述中性节点和所述第二共享支路的所述相应的输出节点之间
。13.
根据权利要求
12
所述的系统，其中所述第一马达的第二相被耦连在所述第一马达的所述中性节点和第一独占支路的相应输出节点之间；其中所述第二马达的第二相被耦连在所述第二马达的所述中性节点和第二独占支路的相应输出节点之间；并且其中所述第三马达的第二相被耦连在所述第三马达的中性节点和第三独占支路的相应输出节点之间
。14.
根据权利要求
13
所述的系统，其中所述第三马达的第三相被耦连在所述第三马达的中性节点和第四独占支路的相应输出节点之间
。15.
根据权利要求1所述的系统，还包括：换向控制电路，其包括：第一电压变换块，其用于将与所述第一马达
、
所述第二马达和所述第三马达对应的第一组空间矢量电压信号
、
第二组空间矢量电压信号和第三组空间矢量电压信号变换为包括第一共享相信号和第二共享相信号的多相电压信号；和占空比块，其用于调制所述第一共享相电压信号和所述第二共享相电压信号，并且将共模电压值添加到所述第一共享相电压信号和第二共享相电压信号，以产生对应的第一输入控制信号和第二输入控制信号；其中所述第一共享逆变器支路响应于所述第一输入控制信号而将第一共享激励信号施加到所述第一马达的所述第一相和所述第二马达的所述第三相；并且其中所述第二共享逆变器支路响应于所述第二输入控制信号而将第二共享激励信号施加到所述第二马达的所述第三相和所述第三马达的所述第一相
。16.
根据权利要求
15
所述的系统，其中所述多个相电压信号包括第一独占相信号；
其中所述占空比电路调制所述第一独占相信号，并且将所述共模电压值与所述第一独占相信号相加，以产生对应的第三输入控制信号；其中第一独占逆变器支路响应于所述第三输入控制信号而施加第一独占激励信号
。17.
根据权利要求
15
所述的系统，还包括：一个或多个第二电压变换块，其针对相应的第一马达
、
第二马达和第三马达中的每一个，基于相应马达的相应转子的相应的角位置，将所述相应马达的相应的旋转双轴坐标系变换成所述相应马达的相应静止定子的相应静止两轴空间矢量坐标系中的相应组的空间矢量电压信号；由...

【专利技术属性】
技术研发人员：D，
申请(专利权)人：直观外科手术操作公司，
类型：发明
国别省市：