专利名称：控制多个直流电动机和为其供应功率的顺序脉宽调制方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及控制直流电动机的领域，更特别涉及一种使用顺序脉宽调制来控制多个直流电动机和为其供应功率的方法。
背景技术：
本发明一般涉及用于直流[DC]电动机的功率供应和控制系统。本发明更特别涉及以前向和反向两个方向、通过连续的速度独立地控制多个DC电动机和为其供应功率的系统。
直流电动机在多种应用中用作原动力，包括机车、船舶、卡车、有篷货车、汽车、农场设备、铲车、升降机、起重机、割草机和修剪器，以及休闲船舶和车辆，例如小船和高尔夫车。在选出的应用中，例如机车，使用了多个直流电动机。
在现有技术中已知的是使用包括一个与电动机串联的可控硅开关设备的斩波器电路来控制直流串联电动机的速度。这是一个比使用电阻控制系统更为有效的控制方式。通过改变提供给电动机的电压脉冲宽度实现对电动机速度的控制，以便根据得到的提供给电动机的平均功率确定电动机的运转速度。可控硅是一种带有一个控制门的二极管，当触发门时允许电流通过。可控硅由反向提供给它的电流来变换电流方向。因此可控硅的行为事实上象一个二极管，因为它只允许单向导通，但是，开始导通的时刻可以通过对门应用控制脉冲来控制。因此斩波器电路根据需要什么样的输出电压，通过接通和断开输入电压来控制电动机速度；斩波器接通时间越长，输出电压越高。斩波器接通的时间称作接通时间。接通时间与断开时间的比表示间隔比(space ratio)或斩波器比。
典型地是使用多个直流电动机来为机车供电，例如一般是使用4或6个DC电动机，但是有时是2或8个。过去使用一个斩波器控制DC电动机的速度。这有一些缺点。例如，如果车轮之一滑转，斩波器会减少所有电动机的动力供应，这会有进一步恶化该问题的风险。
需要一种更为有效的动力控制系统，该系统允许独立和分别地控制多个电动机中的每一个电动机。
发明内容
本发明提供了一种控制从电源提供给多个直流牵引电动机的功率的方法，包括为每个牵引电动机提供一个独立的斩波器电路。根据本发明的一个方面，提供一种控制从直流电源提供给多个直流牵引电动机的功率的方法，包括a)确定在多个顺序时间间隔中的每个时间间隔每个电动机的功率需求；b)确定为达到每个电动机希望的功率所必需的有效电压和脉冲宽度；c)对每个电动机按顺序脉动地提供功率，供电持续时间达到在每个时间间隔的功率需求。
本发明还提供了一种控制从直流电源提供给多个直流牵引电动机的功率的设备，包括a)确定在多个顺序时间间隔中的每个时间间隔每个电动机的功率需求的装置；b)确定为达到每一个电动机的需求动力所需的有效电压和脉冲宽度的装置；和c)对每个电动机按顺序脉动地提供功率的装置，供电持续时间达到在每个时间间隔的功率需求。
图1的方框图说明了一种根据本发明的、独立控制多个直流电动机的电气控制系统。
图2的图说明了一个设计连续脉宽调制的说明性例子。
图3的图说明了一个通过脉宽调制得到的希望的功率应用曲线的例子。
具体实施例方式
贯穿下列描述提供了特定细节，以提供对本发明更为彻底的理解。但是，也可不采用这些细节实践本发明。在其它例子中，没有详细显示或描述众所周知的元件，以避免不必要地使本发明难于理解。因此，要以说明性的、而不是限制性的意味来看待详细说明和附图。
参看图1，机车驱动系统包括一个诸如电池的DC电源10和多个DC电动机12，典型地是4或6个。输入设备14提供节流输入信息，操作员依据该信息选择希望的速度或功率需求。操作员还从控制器16接收反馈信息。
可编程逻辑控制器[PLC]16从输入设备14接收信息并将信息发送给功率控制系统(功率控制系统中的斩波器电路18)，功率控制系统按顺序独立地控制多个DC电动机12。
驱动系统DC电源10可以是电池、燃料电池、诸如悬索或“导电轨”那样的外部电源，或发动机驱动的发电机输出。出于说明的目的，显示了4个可逆DC电动机12的普通机车配置。这些电动机典型地是能够在两个方向速度相同。
输入设备输入设备14提供节流输入信息，机车操作员使用该信息请求要通过电动机12提供给铁轨的功率量。这典型地是一个在空转和八个位置之间的节流喷嘴，但也可以是一个电子设备，例如无限可变控制器或触摸屏。
电源电压传感器设备201用于测量电源10的电压。这是一个电子设备，例如电压传感器。电流传感器设备202用于测量从电源10流出的电流量。这可以是一个电子设备，例如电流传感器。此外独立的电动机电流传感器设备22能够测量流入每个DC电动机12的电流量，使该信息提供给PLC 16。这些传感器设备典型是电子设备，例如电流传感器。
为了防止过载电流损坏给定牵引电动机及其相关的功率电子设备，还使用电流传感器设备来检测各个牵引电动机电路中的电流量。当被检测的电流超过保护限制时，一个信号立即断开从电池流出的电流，从而限制电流并将与过载电流相关的损坏危险减到最小。
温度测量设备24测量各个功率控制元件、DC电动机等的温度，并将该信息发送给PLC 16。轴交流发电机26是能够测量它们安装在其上的轴的旋转的电子设备。该信息发送给PLC 16来确定速度或检测需要注意和纠正的情况，例如车轮滑转。
逻辑设备PLC 16根据通常的方法被编程用来执行下列功能。PLC处理节流输入请求、电源电压，并确定电流控制点来满足独立牵引电动机的功率需求。PLC 16还包括降低估算逻辑功能28，即用于将功率需求降低到低于操作员为保护设备而要求的功率需求的逻辑。如果设备处于过热或电流升至接近设备设计极限的危险，这将包括降低功率。PLC16包括检测定标功能30，即用于确定诸如车轮滑转这样的非最佳性能的逻辑。在差动车轮滑转的情况下，降低个别电动机的功率，以及在同步车轮滑转的情况下降低总功率。
提供了缓变功能(ramping function)32，即用于以对机车合理的速率使请求的节流水平缓变的逻辑。还提供了功率分配逻辑功能34，即，用于计算任何有关的降低功率的条件、任何车轮滑转以及请求的节流水平，以便确定要发送给脉宽调制模块36的适当功率水平和任何可能是必需的单独功率降低的中央逻辑。
功率控制系统/斩波器电路斩波器电路18包括下列元件。时钟38包括一个产生一系列脉冲的集成电路。序列发生器40是一个将脉冲定序为一致的周期的集成电路，以用于每个电动机的脉冲宽度区域。脉宽调制[PWM]模块36提供“削短的”三角波形，结果产生一系列脉冲，其实质上用于根据脉冲触发功率开关设备接通和断开。驱动开关42是绝缘门栅极晶体管[IGBT]，其是能够以非常快的速率按顺序“脉动”地将电源输送到不同电动机的开关设备。还可以提供闩锁电路(latching circuit)(没有显示)，该电路设置为在功率开关晶体管[IGBT]未能完全饱和之后可以中断对晶体管的驱动。这迫使晶体管断开，并防止晶体管短路运行。
图2说明了驱动开关42如何分配功率脉冲。图2A和2B中的条块A图示地表示了提供给DC电动机121的功率脉冲。图2A和2B中的条块B图示地表示了提供给DC电动机122的功率脉冲。图2A中的条块C图示地表示了提供给DC电动机123的功率脉冲。图2A和2B中的条块D图示地表示了提供给DC电动机124的功率脉冲。条块的高度表示提供给电动机的瞬时电流。在说明了启动条件的例子的图2A中，每个电动机在周期的1/16期间接收功率。选择周期的1/16只是说明性的。实际的脉冲持续时间将由电流瞬时流入各个电动机所需要的时间长度来确定，这取决于电源电压和斩波器平均输出电压之间的电压差，斩波器平均输出电压是电动机产生的反电动势[EMF]。每一段顺序是时钟频率的1/4，其对于给定应用可以调整。条块的高度表示提供给电动机的瞬时电流。图2B说明了一个由电动机123驱动的车轮在滑转的条件。在这个例子中，电动机121、122和124各在周期的四分之一期间接收功率，而电动机123不接收功率。条块高度降低，显示瞬时电流因为EMF电压增加而降低，从而降低电池和所述电动机之间的电压差，即电势。脉冲持续时间因为电势差或驱动力降低而增加，因此电流成比例下降。此外，脉冲持续时间增加的另一个原因是操作员增加功率请求。图2C说明了一个稳态状态，其中由电动机速度产生的反电动势进一步降低了电动机中的电压差，功率按降低的电压差在100％的时间里提供给所有电动机。
图3说明了一个示例的恒定功率曲线族。在操作员请求的给定功率水平上，因为速度低时电动机产生的反EMF低，所以有一个高初始平均电流流向电动机。随着电动机速度增加，电动机产生的反EMF增加，这降低了电池源和电动机之间的电压差，导致流向电动机的电流降低。因为电流成比例下降以匹配增加的电动机电压，所以提供给电动机的功率恒定。
在运行时，PLC根据输入设备14、缓变32、降低估算逻辑28和检测定标30的输入确定各个电动机在每个时间间隔的功率需求。PLC 34根据这些输入计算每个电动机必需的脉冲宽度。然后选定的脉冲宽度提供给开关驱动，开关驱动将功率的希望脉冲宽度顺序地提供给DC电动机12。例如当启动机车时，在电池和电动机之间存在高电压差，因此能够为电动机提供高电流，这只需要一个短脉冲持续时间来满足规定的功率需求。这可得到用于在任一个方向上启动的全电源电压。随着电动机速度增加，产生了一个降低电池和电动机之间的有效电压或电压差的反电压，因此需要较长的脉冲来实现相同的功率。如果检测到车轮滑转，可以断电或适当地降低提供给相关电动机的功率。
因此发明人提供了对DC电动机提供功率的控制的定序。通过将功率脉冲定序，用于单个牵引电动机的高电流脉冲被间隔开而不会重叠，直到随着电动机速度增加而调整电流需求，该电动机速度增加是随电源和牵引电动机之间相应的电压差降低而产生的。这一电流脉冲间隔导致不是叠加的单个瞬时电流需求。单个电流需求的这种独立性对使得输入滤波器要求最小化具有积极作用。因此，使用最小数量的电容器实现了低电源阻抗，这对驱动运转是重要的。
本发明的另一个优点来自于对多个DC电动机的功率供应的单独控制的灵活性，这是一个纠正轨道机车应用中车轮滑转的经济而有效的方法。简化的电路提供了一个直接的手段来平滑地去除、然后恢复滑转车轮的功率供应，同时保持对没有滑转车轮的滑转前功率水平。这样作的优点是大大减少了随车轮滑转事件典型地发生的功率减小。
因此本发明提供了一种系统来独立切断对任一个特定电动机的功率供应并接着逐渐恢复功率供应，同时保持其余电动机的功率恒定。本发明提供了一种控制系统来限制从电源引出的电流以及由每个电动机引出的独立电流。
根据前面的公开内容，很明显本领域的技术人员能够在不脱离本发明的精神或范围的情况下对其实施进行很多变化和更改。因此本发明的范围根据下面权利要求定义的内容进行限定。
权利要求
1.一种控制从电源提供给多个直流牵引电动机的功率的方法，该方法为每个牵引电动机提供一个独立的斩波器电路。
2.一种控制从电源提供给多个直流牵引电动机的功率的方法，包括a)确定在多个顺序时间间隔中的每个时间间隔每个电动机的功率需求；b)确定为达到每个电动机希望的功率所需要的有效电压和脉冲宽度；c)对每个所述电动机按顺序脉动地提供功率，提供功率的持续时间达到在所述时间间隔的所述功率需求。
3.如权利要求2的方法，其中，所述顺序功率脉冲在电动机速度已经增加到给定水平之前不重叠。
4.如权利要求2的方法，其中，断开然后恢复至第一牵引电动机的功率，同时保持提供给其余电动机的功率恒定，从而纠正单个电动机上的牵引损失。
5.如权利要求2的方法，其中，对每个独立控制的直流电动机提供过流保护。
6.如权利要求2的方法，其中，在选定时间间隔期间，还按减小的电压恒定地将功率提供给所有电动机。
7.一种用于控制从直流电源提供给多个直流牵引电动机的功率的设备，包括a)用于确定在多个顺序时间间隔中的每个时间间隔每个电动机的功率需求的装置；b)用于确定为达到每个电动机希望的功率所需要的电压和脉冲宽度的装置，以及c)用于对每个所述电动机按顺序脉动地提供功率的装置，提供功率的持续时间达到在所述时间间隔的所述功率需求。
8.如权利要求7的设备，其中，对每个所述电动机按顺序脉动地提供功率的装置包括一个脉宽调制设备。
9.如权利要求7的设备，其中，对每个电动机按顺序脉动地提供功率的装置包括一个时钟。
10.如权利要求7的设备，其中，对每个电动机按顺序脉动地提供功率的装置包括多个驱动开关。
11.如权利要求7的设备，其中，用于确定在多个顺序时间间隔中的每个时间间隔每个电动机的功率需求的装置和用于确定为达到每个电动机希望的功率所需要的电压和脉冲宽度的装置包括一个可编程逻辑控制器。
12.如权利要求7的设备，其中，用于确定在多个顺序时间间隔中的每个时间间隔每个电动机的功率需求的装置包括一个节流阀。
13.如权利要求7的设备，其中，用于确定在多个顺序时间间隔中的每个时间间隔电动机的功率需求的装置包括一个电源电流传感器设备和一个电源电压传感器设备。
14.如权利要求7的设备，其中，用于确定在多个顺序时间间隔中的每个时间间隔每个电动机的功率需求的装置包括一个牵引电动机电流传感器设备。
15.如权利要求7的设备，其中，用于确定在多个顺序时间间隔中的每个时间间隔每个电动机的功率需求的装置包括一个缓变设备。
16.如权利要求7的设备，其中，用于确定在多个顺序时间间隔中的每个时间间隔每个电动机的功率需求的装置包括一个检测定标设备。
17.如权利要求10的设备，其中，用于确定在多个顺序时间间隔中的每个时间间隔每个电动机的功率需求的装置包括一个降低估算逻辑设备。
18.如权利要求10的设备，所述，所述驱动开关为绝缘栅双极性晶体管。
19.如权利要求10的设备，还包括闩锁电路装置，用于在所述驱动开关未能完全饱和之后中断对所述驱动开关的驱动，从而防止短路运行。
全文摘要
描述了一种独立控制从单电源到多个电动机的功率的控制系统。斩波器电路与该控制系统相结合，产生驱动脉冲，操作IGBT开关设备为每个电动机按顺序提供脉冲。
文档编号B60L3/10GK1655963SQ03806812
公开日2005年8月17日 申请日期2003年2月24日 优先权日2002年2月27日
发明者弗兰克·W.·多尼利, 布赖恩·G.·伊万 申请人:火车动力技术公司