电机驱动开关模式电源系统和方法
【技术领域】
[0001] 本公开内容总体上涉及电机驱动器，并且更具体地涉及开关模式电源在电机驱动 器中的使用。
【背景技术】
[0002] 电动机和电机驱动器普遍用于工业、商业、材料运输、处理和制造场景，以提及仅 一些。例如，在制造场景中，电机驱动器可以向用于使负载移动的电动机提供驱动电力，该 负载例如为传送带、风扇或任何其它机器。与单相或三相感应电机一起使用的典型的电机 驱动器利用来自电力网的电力，并且执行电力变换以产生具有期望的电流、电压或频率特 性的输出电力。更具体地，控制电路可以控制电机驱动器的操作，以输出具有期望特性的电 力。
[0003] 为了便于控制电路的操作，开关模式电源可以向控制电路以及其他部件一一例如 安全电路、驱动器电路、保护电路或辅助电路一一提供电力。通常，开关模式电源可以包括 控制由开关模式电源输出电力（例如，电压或电流）的单个控制环。例如，当开关模式电源 利用反激变换器时，开关可以被包含在反激变换器的初级侧，以通过控制存储在初级侧中 的电能的量来控制由开关模式电源输出的电力。此外，开关模式电源的结构通常是固定的。 例如，当开关模式电源利用反激变换器时，初级侧的绕组数目和次级侧的绕组数目可以是 固定的。换言之，由开关模式电源输出的电力对于初级侧的操作通常是固定的。
[0004] 因此，通过增加对由开关模式电源输出的电力的控制量来改进开关模式电源的操 作的灵活性会是有益的。例如，增加对输出电力的控制量可以使得能够在不同电机驱动器 中使用结构上相同的开关模式电源。
【发明内容】
[0005] 下面概述在范围方面与原要求保护的本发明相称的某些实施方式。这些实施方式 并非旨在限制所要求保护的发明的范围，而是这些实施方式仅旨在提供对本发明的可能形 式的简要概述。实际上，本发明可以包含可与下面阐述的实施方式类似或不同的各种形式。
[0006] 第一实施方式描述了一种电机驱动器，该电机驱动器包括：驱动器电路，其控制电 机驱动器中的逆变器的操作以向电机输出电力；控制电路，其控制驱动器电路的操作；以 及开关模式电源，其向驱动器电路、控制电路、或驱动器电路和控制电路二者提供电力。开 关模式电源包括：初级线圈，其中初级控制器通过将初级线圈选择性地连接至电源来在初 级线圈中存储电能；以及与初级线圈电隔离的次级线圈，其中，次级线圈至少部分地基于存 储在初级线圈中的电能来输出电力，其中，次级控制器通过将次级线圈选择性地连接至开 关模式电源的电力输出来控制提供给驱动器电路、控制电路、或驱动器电路和控制电路二 者的电力。
[0007] 第二实施方式描述了多个电机驱动器，所述多个电机驱动器包括：第一电机驱动 器，其以第一额定功率向第一电机提供驱动电力，其中，该第一电机驱动器包括控制第一电 机驱动器的操作的第一控制模块；以及第二电机驱动器，其以第二额定功率向第二电机提 供驱动电力，其中，第二额定功率不同于第一额定功率，并且第二电机驱动器包括控制第二 电机驱动器的操作的第二控制模块。第一控制模块由第一开关模式电源来供电，而第二控 制模块由第二开关模式电源来供电，其中第一开关模式电源与第二开关模式电源在结构上 相同。
[0008] 第三实施方式描述了 一种开关模式电源，该开关模式电源包括第一次级电路，该 第一次级电路包括第一次级线圈和第一次级控制器，其中，该第一次级线圈至少部分地基 于由初级线圈在第一次级线圈上感生的电压来输出电力，并且该第一次级控制器通过将第 一次级线圈选择性地连接至第一电力输出来控制由第一次级电路输出的电力。该开关模式 电源还包括第二次级电路，该第二次级电路包括第二次级线圈和第二次级控制器，其中，第 二次级线圈至少部分地基于在第二次级线圈上感生的电压来输出电力，并且第二次级控制 器通过将第二次级线圈选择性地连接至第二电力输出来控制由第二次级电路输出的电力。
【附图说明】
[0009] 当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得 更好理解，在整个附图中相似的标记表示相似的部件，其中：
[0010] 图1描绘了根据所公开技术的实施方式的利用开关模式电源的电机驱动器的框 图；
[0011] 图2描绘了根据所公开技术的实施方式的多个不同的电机驱动器的框图，其中每 个电机驱动器利用结构上相同的开关模式电源；
[0012] 图3描绘了根据所公开技术的实施方式的图1的开关模式电源的第一实施方式的 框图；
[0013] 图4A描绘了描述根据所公开技术的实施方式的用于控制由图3的开关模式电源 输出的电压的过程的流程图；
[0014] 图4B描绘了描述根据所公开技术的实施方式的用于控制由图3的开关模式电源 输出的电流的过程的流程图；以及
[0015] 图5描绘了根据所公开技术的实施方式的图1的开关模式电源的第二实施方式的 框图。
【具体实施方式】
[0016] 下面将描述本发明的一个或更多个特定实施方式。试图提供对这些实施方式的简 洁描述，在说明书中可能未描述实际实现方式的所有特征。应当理解的是，在任何这样的实 际实现方式的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出许多特定于实现方式的决策 以实现开发者的特定目标，例如符合系统相关和商业相关的约束，所述特定目标可从一个 实现方式到另一个实现方式改变。此外，应理解的是，这样的开发工作可能是复杂和耗时 的，然而对于受益于本公开内容的普通技术人员来说，这样的开发工作将是设计、制作和制 造的例行任务。
[0017] 当介绍本发明的各种实施方式的元素时，冠词"一（a) "、"一个（an) "、"该（the) " 和"所述（said) "旨在表示存在元素中的一个或更多个。术语"包括（comprising)"，包含 (including) "和"具有（having) "旨在是包含性的，并且表示除了所列元素之外还可以存 在额外的元素。
[0018] 如上所述，开关模式电源可以用于向电机驱动器中的电子电路--例如，控制电 路、驱动器电路、安全电路、保护电路、辅助电路等一一提供电力。由于各个电子电路可以利 用具有不同特性（例如，不同电压或不同电流）的电力，所以开关模式电源可以包括多个电 力输出。例如，第一电力输出可以向控制电路提供电力，而第二电力输出可以向驱动器电路 提供电力。
[0019] 更具体地，为了控制向电机驱动器中的各种电子电路提供的电力的特性，开关模 式电源可以包括单个控制环，该单个控制环通过控制在开关模式电源中使用的变换器（例 如，反激变换器）的初级侧的占空比来控制电力（例如，电压或电流）输出。然而，由于开 关模式电源的结构通常是固定的，所以在各电力输出中的每个处输出的电力对于初级侧的 操作是固定的。举例说明，用于反激变换器的输出电压（例如O与输入电压（例如V in) 之间的关系可以被如下描述：
[0020]
[0021] 其中，t为初级线圈进行充电的时间段，T - t为初级线圈进行放电的时间段，队为 次级线圈中的绕组的数目，以及N1为初级线圈中的绕组的数目。因此，由于初级线圈和次 级线圈中的绕组的数目通常是固定的，所以在各电力输出中的每个处输出的电压与充电和 放电时间段成比例地改变。
[0022] 因此，本公开内容的一个实施方式描述了 一种电机驱动器，该电机驱动器包括：驱 动器电路，该驱动器电路控制电机驱动器中的逆变器的操作以向电机输出电力；控制电路， 该控制电路控制驱动器电路的操作；以及开关模式电源，该开关模式电源向驱动器电路、控 制电路、或驱动器电路和控制电路二者提供电力。开关模式电源包括：初级线圈，其中初级 控制器通过将初级线圈选择性地连接至电源来在初级线圈中存储电能；以及与初级线圈电 隔离的次级线圈，其中次级线圈至少部分地基于存储在初级线圈中的电能来输出电力，其 中次级控制器通过将次级线圈选择性地连接至开关模式电源的电力输出来控制提供给驱 动器电路、控制电路、或驱动器电路和控制电路二者的电力。换言之，可以通过使由每个电 力输出提供的电力能够被独立地控制来增加开关模式电源的操作的灵活性。更具体地，次 级控制器可以通过改变次级线圈连接至电力输出的时间来控制所提供的电力的特性（例 如，电压或电流）。例如，次级控制器可以通过增加次级线圈连接至电力输出的时间来增加 电压输出。另一方面，次级控制器可以通过减小次级线圈连接至电力输出的时间来减小电 压输出。换言之，次级控制器可以通过改变次级线圈的占空比来控制所提供的电力的特性。 因此，本文所描述的技术可以另外使在每个电力输出处提供的电力的特性（例如，电压或 电流）能够被独立地控制。
[0023] 通过介绍的方式，在图1中描绘了电机驱动器10的框图。在一些实施方式中，电 机驱动器10可以是由威斯康星州密尔沃基的洛克韦尔自动化公司制造的PowerFlex驱动 器。如所描绘的，电机驱动器10包括均耦接至DC总线18的整流器电路12、各种调节和支 持电路14以及逆变器电路16。更具体地，诸如电力网的三相电源电耦接至一组输入端子 20、22和24,以向整流器电路12提供恒定频率的三相AC电力。应当指出的是，在本文中所 描述的三相实现方式并非旨在是限制性的，并且本发明可以被用在单相电路以及针对除了 电机驱动器之外的应用而设计的电路上。
[0024] 在整流器电路12中，一组六个绝缘栅双极晶体管（IGBT)或硅控整流器（SCR) 26 提供对三相电压波形的全波整流。如所描绘的，进入整流器电路12的每个输入端子耦接在 从DC总线18的高侧28跨越到DC总线18的低侧30以阳极到阴极串联布置的