专利名称:感应电动机反馈制动控制的装置及方法
本申请涉及到下述相关专利申请，即D.J雪罗(D.J.Shero)等人提交的序号为696814并题名为“感应电动机合成控制装置和方法”(W.E.Case 50932)的申请，以及D.J雪罗(D.J.Shero)等人提交的序号为696833并题名为“感应电动机控制装置和方法”(W.E.Case 52232)的申请，这些申请都已转让给同一受让人并在这里一并作为参考。
本发明涉及到为交流电动机驱动设备设置一套闭环控制系统，其中电动机驱动设备包括有一台三相交流电动机，该电动机利用将逆变器提供的电压通过栅截止可控硅(GTO)的控制供电，而逆变器则直接从一直流电源供电。在逆变器中的该GTO开关需在电动机的每相和二极电源(即高压和低压)中的任一级之间具有一定的导通时间，每相与另外两相间的相互关系构成所需要的交流波形，以便适合于激励该电动机。
对于一个运输车来说，众所周知从一台或多台驱动电动机输出的转矩应使车辆的加速或减速能够维持在一定速率水平。众所周知，由于各种不同的扰动和未予料的变化因素，需要设置一套闭环控制装置，用它来确定电动机应具的输出转矩和控制加到电动机上的交流波形以便使电动机保持所期望的输出转矩。
交流电动机的输出转矩能够用改变滑差频率及/或电动机端电压的方法进行控制，对于以直流为输入电源的电动机驱动系统，可以用可变电压和可变频率的电压源逆变器来改变这些电动机的各参数值。
在先有技术中，已经知道有一种感应电动机的控制系统，该系统包括有用一台逆变器供电给电动机以反馈制动方式运行来给出需要的制动转矩，如科里门蒂(Clemente)等人所提供的美国专利3815002号即是。它包括有一个不同的变压器绕组与三相交流电动机的每相串联相接，并设有一个旁路可控硅，用于在电动机运行期间将每个变压器绕组短路，通过可控硅的相角调制而控制制动转矩。
对于交流感应电动机驱动系统提供一套可变电压和可变频率的逆变器驱动电动机控制装置和方法，采用一套可编程的微处理机，根据需要来确定电动机电流的接通和断开。对该逆变器装置连接一个附加的电动机电压源，它被附加在由该逆变器装置供电的电动机电压上，以便为感应电动机驱动系统在需要提供一个所期望的反馈制动的电动机运行中达到所期望的制动转矩时提供出所必需的总的电动机电压。
对于本发明的较佳实施例将结合下述附图加以说明。
图1表示先有技术中的交流感应电动机的控制装置;
图2表示先有技术中典型的在轨道上运行并具有一台驱动电动机设备的运输车的运行。
图3表示先有技术中一台运输车上交流感应驱动电动机的转矩，电压与速度的关系曲线;
图4表示本发明交流感应电动机控制装置的方框图;
图5表示本发明交流感应电动机控制装置的电动机控制器的功能;
图6表示本发明交流感应电动机控制装置的控制状态;
图7表示本发明交流电动机控制装置的制动TX控制准状态;
图8说明本发明中电动机转矩与电动机速度在每种驱动运行方式和制动运行方式下的相互关系;
图9为在本发明的感应电动机驱动系统中为制动运行方式提供所期望的电动机电压的制动装置的接线图;
图10表示所提供的制动运行控制电路;
图11表示本发明中的逆变器输出电压和制动装置的关系;
图12表示输入电动机的电压关系;
图13表示图10所示的制动运行控制电路内的信号电压关系。
图14表示为图10所示的制动运行控制电路提供控制信号的程序流程。
图1中示出了先有技术中的交流电动机控制装置，其中包括有一个直流电源10，它与逆变器11耦接，用以确定三相交流感应电动机12的运行，该电动机12连接在代表运输车的负荷13上。转矩敏感器14与电动机12耦接，用于将转矩反馈到电动机控制器16上。功率控制器17在从运输车操纵器输入一个加速度请求18时接受运输车重量19及运输车轮直径20的输入。功率控制器17在加速度请求18所限定的速率下根据负荷13所提的要求产生一个转矩作用力请求21，该请求21代表交流电动机12为将运输车加速而需达到的转矩，冲击限制器22接受此转矩作用力请求21并立即限制它而给出一个受过冲击限制后的转矩作用力请求23到电动机控制器16。电动机控制器16产生一个为起动逆变器11用的GTO的起动脉冲24，以便使转矩反馈15与冲击限制的转矩作用力请求23匹配。
在图2中表示了代表负荷13的运输车25，它运行在轨道26上;其中并包括有逆变器11、感应电动机12、电动机控制器16和耦接在电动机12上的转矩敏感器14。电源10通过动力线路27供电给逆变器11。
在图3中示出了先有技术中一台感应电动机的转矩、电压对速度的关系曲线。如曲线28所示的电动机驱动转矩在速度从零升到基准值间是常数，而后待速度大于此基准值时则驱动转矩即下降，图中所示基准速度值为50HZ而车的行驶速度约为20mph，如曲线31所示电动机电压，直到基准速度前为线性上升，然后在电动机基准速度以上时则保持为常数。
对于电动机运行上升到50HZ基准速度时相当于车在轨道上的速度达到20mph，逆变器11在此驱动运行期间给出全力矩，如曲线28所示。在此期间，曲线31所示的接在电动机端子上的电压按照这种运行的需要而上升，直在达到这一基准速度之前，电压则按照保持常数转矩所需要逆变器11输出的最大均方根值电压而上升，逆变器11的电压则接自电源10引来的一定的直流线电压上。在达到基准速度以后，电压31便为常数值，并且有效转矩28递减直到在200HZ处的数值大约为80mph，这时的有效转矩28仅为50HZ处的1/16。在制动运行时，逆变器11将提供相同的转矩28，这是因为跨在电动机上的仍为电压31的缘故。制动电动机运行将因电动机速度的递减而沿着转矩曲线28的轨迹与上述相反方向行进。如果需要则可增加滑差以获得稍大的转矩。
典型的运输车电动机具有4个磁极，转子频率等于RPM(转数/分钟)除以30的机械频率。
在图4中示出了适合于按照本发明去控制一台三相交流电动机的电动机控制装置，例如用于一台大型旅游客车的驱动电动机。司机对一个功率控制器提出加速车速请求18，功率控制器17或车控制器将此请求翻译成转矩作用力请求信号21而输入到信号限制器22以便阻止不合理的转矩作用力请求。冲击限制器22被设计成与所期望的冲击率36相关，以便为了乘客的舒适感建立一个冲击限制转矩请求23。转矩反馈整定装置38根据测量出的系统输入功率来确定转矩反馈40，系统输入功率对应于由电源10所提供的直流电压43和直流电流44、逆变器频率48和合成方式50以及为计算电动机12的输出转矩而与驱动电动机12耦接的转速计54提供的转速计速度52。转矩反馈信号40提供给加法器58一个负的输入以便与冲击限制转矩请求信号23提供给该加法器58的正输入作比较，该合成的转矩差信号60则输入到电动机控制器62，从司机发出的一个控制允许信号64来批准驱动电动机运行或不运行。电动机控制器64所必需的其它输入为直流线电压43、频率计52和逆变器50的合成方式，电动机控制器62的输出包括有制动可控硅允许68、所期望的制动角70、请求逆变器频率48以及请求逆变器电压百分值74，这些都输入到逆变器和制动合成装置76中。此外，制动合成装置有一个输入/输出控制状态78，并且向电动机控制器62和转矩反馈确定装置38提供合成方式信号50。当电动机12处于制动运行方式时，靠着由变压器制动电路80提供的附加电压，控制状态信号78操作使合成方式保持在6步并且阻止改变到准6步(quasi-six-step)或脉冲宽度调制(PWM)方式。逆变器和制动合成装置76输出逆变器GTO起动脉冲82到逆变器11和输出制动GTO起动脉冲86到制动电路80。在驱动和制动运行中逆变器11驱动电动机12，以及在基准速度以上运行需要附加制动转矩时，制动电路80与电动机12一起运行。
在图5中示出了电动机控制器62的功能，图中包括有控制状态确定装置90，它有一个输入/输出电流控制状态78，用于确定下一步控制状态;其输入有逆变器频率48、车控制允许64，它在逆变器被允许时指示逆变器合成方式50运行、转动频率52以及冲击限制转矩请求或TERJ(冲击限制的转矩作用力请求)23，用来确定电动机是否处于驱动运行方式或是制动运行方式，如果TERJ23为正值，控制操作将使其为驱动状态;如TERJ23为负值，则此控制操作将使其为制动运行方式。合成方式50的作用是在控制操作不在6步时阻止改变到变压器制动装置运行。电动机控制器62包括一个制动PI控制器102和一个滑差控制器104。控制状态整定装置90提供给开关106一个滑差允许105，于是即允许转矩误差信号60传送到滑差控制器104。此操作可不用变压器制动装置80，例如，在期望改变电动机滑差以便控制电动机转矩的情况中即可不用变压器制动装置。在那种事件中，开关106将接通而允许转矩误差信号60进到滑差P+I控制器104，该104输出一个期望的滑差频率108到限制器110中，110阻止更大的滑差出现并且避免运行到超过转矩-滑差曲线的膝点。限制器110提供给滑差P+I控制器104一个滑差限制反馈信号112去限制滑差在期望的最大水平以及予置此滑差P+I控制器104去箝制控制器输出，以便使整个部分不继续上升。限制器110的输出114也是反馈到控制状态确定装置90的滑差频率114，用来控制各种不同的状态确定。滑差频率114在加法器116有请求逆变器频率48输出时被加到转动频率52上。函数发生器120利用逆变器频率48和滑差频率114而产生一个期望的逆变器电压122，以此而使交流电动机12处于在恒定的空气间隙磁通中运行。此期望的逆变器电压122由于所施加的直流电压的限制不是在基准速度以上从逆变器11所能获得的，所以电压限制器124临察直流线电压43确定是否所期望的逆变器电压122能被得到;如果不能得到该电压122，则电压限制器124将箝位到一个能得到它的输出电压上;如果能够得到此电压122，则电压限制器124即不再修正电压122。限制器124的输出是请求逆变器电压126，它被送到具有另外输入直流电压43和输出逆变器电压百分率74的函数发生器128中。该直流线电压43乘以常数0.78即代表最大可能得到的逆变器输出电压，逆变器电压126被除以此最大可能得到的逆变器输出电压即得到请求的逆变器电压百分率74，请求的逆变器频率48是从加法器116中输出。
制动电压P+I控制器102有一个输入开关130。如果控制状态确定装置触发该制动控制器102，则制动允许129将开关130关合而允许误差信号60输入到制动P+I控制器102，即成为完整的控制器而运行。制动P+I控制器102的输出是期望的电动机电压132，该132被输入到带有另外输入-称为6步(Six-Step)逆变器电压136的一个加法器134中，直流线电压43通过一个乘法器138被乘以常数K0.78，并且乘法器138的输出是6步逆变器电压136，该136即是逆变器11在6步动行中能输出的最大电压值。加法器134取得此期望的电动机电压132并减去该6步逆变器电压136，其结果是期望的变压器输出电压140，此电压被输出到函数发生器142中，142也输入了直流线电压43以产生期望的制动角144作为其输出，这个角就是在制动装置80中的GTO开关必须在每180°周期中作截止所需用的角，以资借此产生所期望的变压器输出电压140。函数发生器142是利用下述关系式来计算期望的制动角144的，即角度＝ 360/(π) ×arc sin (π)/4 × (V－TX)/(VTDC) …(1)式中VTX是所期望的变压器输出电压140，VTDC是跨在制动变压器的二次侧的瞬时电压，例如，变压比为0.9、电源电压为600V时，则此二次电压为550V。这个所期望的制动角144必须是180°周期中的0-80°之间，在这个期间，在制动装置80中的GTO开关将被截止，跨在电动机12上的制动电压即按此角提供。所期望的制动角144输入到限制器146以资限制此期望的制动角不小于0°和不大于80°，0°极限的提供是因为在负的时间值不适合于GTO开关的截止，80°极限的提供是因为在这一角度下，GTO开关在电流有极性误差时GTO开关接近于截止，以致于可能引起与提供的电动机电压相减而形成负电压。限制器146的一个输出是请求的制动角70，以及另一输出为角限制148，后者被反馈去予整定制动P+I控制器102以去控制P+I控制器102的整个输出部分。角限制148也反馈到控制状态整定装置90以确定是否需要改变成另外的控制状态。例如，一旦变压器制动运行到无电压情况(这可能在制动角达到80°时发生)，则控制状态确定装置90即可趋于跑到高滑差的下一个控制状态，此状态造成保持住该最大制动角，然后增大滑差而取得附加的制动转矩。以另一例子来看，一旦GTO开关操作达到0°角，控制状态确定装置90因为不再被需要，故即脱离变压器制动。控制状态确定装置90输出一个制动可控硅允许68去导通或截止可控硅。在变压器制动的一个状态中，制动可控硅允许68保持可控硅截止，而当不在变压器制动的一个状态中则可控硅保持导通。
逆变器和制动合成装置76提供一个合成方式确定50。逆变器频率48、逆变器电压百分率74和实时控制状态78全部输入到合成装置76中，并且合成方式输出50将确定所被需要的合成运行类型，例如是PWM(脉冲宽度调制)、准6步或6步中之一种。
图6所示为本发明交流电动机控制装置的控制状态，本控制装置的运行可以分成三种基本状态，即关断、驱动或制动。
关断状态可被进一步分成正常和紧急关断状态，但两者都指示该系统不在运行。正常关断条件系由车辆控制输入的一项指令所造成，例如从司机处的主控制器来的指令。紧急关断条件系由系统故障造成，例如象发生过电流或线电压过低等意外情况所致。
驱动状态被分成低于或高于基准速度两个区间。划分成区间是因为低于基准速度时，电动机基本上是运行在每赫兹的电压为常数的条件下，这时空气间隙中的磁流密度保持在所期望的数值;然而，在高于基准速度范围中，逆变器运行在6步方式，以便使电动机能给出最大能得到的输出转矩，并且间隙中的磁流密度因速度的增加而减小。
制动状态包括与驱动状态相同的两个基本划分，即低于和高于基准速度的两个区间。在低于基准速度的区间也同于驱动中的情况，因为逆变器本身即能提供所需的转矩;在高于基准速度区间，因为逆变器不能独自满足产生所需要的转矩的要求，而且必须采用反馈制动电路80，所以问题更加复杂了。高于基准速度区的制动再分成三段A)高于基准速度而低于额定滑差时的制动;
B)高于基准速度而在额定滑差处，带有反馈电路但不在最大能力处;
C)高于基准速度的制动，带有反馈电路的最大能力处并在滑差高于额定值处。
对于根据实时控制状态和实时条件能允许的状态，采用了专门的定义这些可能的控制状态的转矩程序来完成这些控制状态之间的转换，以致于使一种能够实现从高于基准速度的驱动状态转换到高于基准速度而且低于额定滑差的上述A的制动状态，但是，不是转换到另外两个高于基准速度的条件B或C的制动状态。
基本控制原理是一个滑差控制，即利用改变逆变器的工作频率来调节电动机的滑差以达到所期望的输出转矩。在低于基准速度区间运行时，电动机保持在每赫兹为恒定电压的条件下运行，这时空气间隙磁通密度为额定值;然而在高于基准速度区间，逆变器处于“6步”中并且是在最大电压输出处，在这一运行方式下，逆变器电压不能被控制到产生额定的空气间隙磁通密度。
如果电动机是在基准速度以上的制动状态中运行，并且期望能获得比在最大电压输出下调节滑差能得到的制动转矩更大，则不增加一定的电动机电压而想获得所要求的制动率是不实际的，这里应用了一台专用的变压器电路给电动机提供所需要的附加电压，当制动在基准速度以上的电动机时，控制电动机的滑差使达到所期望的转矩，如果滑差到达额定值时而还得不到所期望的转矩，则将滑差保持在此处，并将变压器电压控制器开放来增加电动机上的电压以增加在制动方面所需要的转矩输出，直到最大的制动角达到约80°，然后将变压器控制器闭锁在此一位置，并且将滑差控制器打开，允许滑差上升在其额定值以上，一直达到满足转矩需求的绝对最大滑差为止。在实现这一措施中应使保持在GTO开关中的电流在予整定的350A(均方根值)的极限以下，以避免当需提供满足所要求的转矩时由于过电流的原因而使电路开断。
该控制运行被初始化到紧急断开的控制状态，所以起动或驱动运行都是处于紧急断开的操作中，除了紧急断开以外，唯一另外的下一个状态是正常断开，并且司机操纵的车控制器可进行这种转换。一经处于正常断开中，车控制器即请求运行，并一跃就到或是恢复程序状态，即驱动开环状态，或是处于“6步”状态驱动。当在紧急断开状态中时，检查一下看看该恢复时间器是否在停住，该时间器是为了保持紧急断开的控制状态一予定的时间间隔的。然后，控制状态改变到正常断开，再后就改变到或者是在低于“6步”驱动，驱动开环，或根据运行条件进行恢复。一俟逆变器运行，该确定方式程序即执行查看是否须改变到另外状态，例如，若该控制已在低于6步的驱动状态，并且接受到一个制动请求，于是就可能要改变到低于6步的制动状态，而且该运行即将从驱动改为制动。示于图6中的大多数通路是在确定方式程序中确定的，该程序在前述相关参考的专利申请S.N.696833(W.E.Case 52282)中已公开，但没有提到在6步和低于6步之间的改变，这一合成转换公开在前述的相关参考中专利申请S.N.696814(W.E.Case 50932)中。在该确定方式程序中还进行有其它的通路，例如，如果实时控制状态是在低于6步驱动状态，该确定方式程序将检查该条件或是进行驱动开环或是进行在低于6步制动，并且这些都是“唯一选择有效”，该合成转换将检查进行6步驱动的条件。
图7表示了制动TX准状态，它是在如图6所示的制动TX的控制状态。在图6中所示的有10种不同的控制状态，以及在图7中所示的制动TX包括有6种准状态。每进行一次确定方式程序的操作循环就视查一下是否有进行一个不同的控制状态或控制准状态的要求，该确定方式程序检查予定的标准，查看是否有改变到另外控制状态的要求。
交流感应电动机12的速度和转矩受所请求的逆变器电压百分率74和所请求的逆变器频率48的控制，如果所请求的频率48领先于在驱动运行中电动机12的实际机械频率，则电动机在正的转矩运行中升速;并且若请求的频率48迟后于电动机12的实际机械频率率，则电动机运行于制动方式并且减速。电动机12力求极限地接近所请求的逆变器频率48。电动机的前行和反转的运行控制由转接GTO的起动脉冲到逆变器的两个极上来实现。
逆变器11可以包括为每一相同的一个上部GTO开关和一个下部GTO开关，在该例中电源10为600V，对每相的上部GTO开关是连接到电源10的600V线电压上，以及每相的下部GTO开关是连接到电源10的接地线上。根据导通的是哪个GTO开关来决定连接在电动机上的哪一相线应接于高压或接于地。利用调制相关的GTO开关的导通和截止的操作使所期望的电压输入到电动机12中的每相，在这种措施中，逆变器11产生所期望的如图3所示的跨在交流电动机绕组上的电动机电压31。
在图8中，曲线210表示所需要的制动转矩，这是为了提供所期望的制动率所必须满足的。每秒3mph的加速率所需的功率按照驱动转矩曲线212提供，并且驱动转矩曲线212在基准速度214以上开始下降，这是因为逆变器输出电压216在基准速度214以上便不再增长的缘故。在制动运行中所期望的每秒3mph的减速度需要的制动转矩示于曲线210上50mph以上的部分，此处约为125HZ，然后制动转矩在80mph处降低而使减速度低于每秒2.5mph，该处相当于约200HZ。该制动转矩在低于125HZ处约为800ft-1b如曲线210所示，而驱动转矩在50HZ以下约为800ft-1b，在800mph处约50ft-1b的转矩是由电动机在驱动中提供的，期望的制动转矩在800mph处要求有约650ft-1b，为了这一制动运行，需要给电动机再加上百分值的电压以提供一个所期望的滑差，而逆变器11本身提供不出为达到此目的所需要的电压，电动机的特性是，滑差一直可以增大直到在驱动中的转矩不再增加为止，而在制动中，负的滑差只能增加到转矩达到仅由逆变器11所供给的电动机电压造成的所期望的制动转矩以下为止。
示于图4中的请求的制动角信号70是电动机控制器62的一个输出，该信号70进到逆变器和制动合成装置76中，其中进行了制动角乘法计算。
在前述相关参考的专利申请序号NO.696814(W.E.Case 50932)中，其中的逆变器和制动合成装置包括有一个6步方框，且所期望的制动角信号70输入到该方框中。在6步方框以外设有逆变器GTO起动脉冲82和制动GTO起动脉冲86，它们合在一起运算。
在前述相关参考的专利申请序号696833(W.E.Case 52282)中所描述的中断程序的运算中，无论何时有一个脉冲送到逆变器合成时间器中之一，则微处理机便被中断。
在6步合成运行中，公开在前述相关参考的专利申请序号S.N.696814(W.E.50932)中，对一个新的逆变器合成时间进行了计算，并且在微处理机的中断程序期间输出到适当的合成时间器内，同样地在此中断程序期间，对一相用的制动GTO开关的两个制动时间进行从请求制动角70开始计算，并且若请求的制动角70不等于0°时将计算结果输出到为那一相用的两个制动合成时间器中;如果它等于0°，则不输出时间，这是因为不需要变压器制动的缘故。这两个制动时间在6步计算程序中进行计算，并且联合地确定在制动装置80中何时截止那一相的制动GTO和截止多长时间。制动时间器电路利用这两个时间产生该制动GTO起动脉冲86中的一个输入到制动装置80中，两个时间器以相同的方式去控制另外两相中的每个制动GTO开关。
在图9中示出了制动装置80的一相接线，其中电动机的转矩可近似地用下述关系表示T＝K×V2M×S×1/F2…(2)
式中VM为电动机电压，单位V(均方根值)S 为定子与转子间的滑差频率，单位HZF 为加到定子上的逆变器频率，单位HZK 为决定于系统的具体参数的比例常数。
当逆变器11在如8所示的基准速度214以上在6步合成方式下起作用且全部直流线电压已加在电动机上时，那么V2M达到如图8中曲线216所示的峰值Vmax，如已知滑差S，则转矩方程可写成T＝K×V2max×S×1/F2…(3)其中，前三项基本上为常数，故上式变为TA＝KX1/F2…(4)故有效转矩TA在一给定的滑差频率下与逆变器频率的平方成反比。
按照上述方程式(4)的关系，为了在高于基准速度、频率的条件下取得高于TA的转矩，则必须增大加在电动机上的电压。由于驱动电动机12的逆变器11是连接在有效的直流电源10上的。没有进一步的诸如在直流轨道和逆变器之间的前置斩波器之类的设备，所以逆变器11不可能提供所需增大的电压，同时也不期望附加一套前置斩波器，因为考虑到它必须能够应付在基准速度以上的全功率，以及对于一个实际系统它必须工作于如同一个阶跃和阶降的斩波器。
示于图9的制动装置对增加电动机电压是有效的，对于电动机的每相提供一个单独的变压器220供电，该变压器连接在电动机12和逆变器11之间，并在每1，2和3相中进行调制操作，该变压器利用一只GTO开关222提供给电动机12一个附加电压以增加其有效转矩。为了说明起见，为电动机12的第3相用的变压器示意地示于图9，带有背对背的可控硅开关224和226，用于在驱动运行或适度的制动运行期间将变压器220短路，这是指按前述公式(4)的关系确定需要比TA较小的转矩、而且逆变器11能够独自满足时而需要的，整流桥228用于将电动机12产生的交流电流转换成直流电源10所要求的波形。GTO开关222用作调制向电动机回路供电的变压器的暂载率，二极管230与电源10串联联接，以防止栅截止可控硅开关222造成电源10短路。
从图9可见，该制动装置80与逆变器11串联相接，逆变器11导出的在点4、5和6处的输出电压提供给变压器二次绕组234、235和236上，故改变了分别在相位3、2和1上的电动机实际的输入电压。问题是必须控制该变压器的电压，使从绕组236、235和234导出的电压分别与逆变器输出电压4，5和6同相位，以便使电动机各相1，2和3的输入电压比被逆变器11在点4，5和6所产生的电压更高。
参见电动机相3的制动电路，当可控硅224和226连续地全导通时，变压器绕组234被短接，而当它们不是连续地导通时，可控硅将因所加的交流波形而最后截止;当可控硅224和226未将变压器220短接时，则电动机电流即流过变压器二次绕组234。为了便于说明，现假定电动机电流如图9中箭头280所示方向流动，则在一次绕组232中感应的电流即为箭头282的方向流动，为了使绕组232中的电流流向为箭头282的方向，电流必须流经二极管284和286，并且一旦电流流过二极管284，则电流必流过二极管230。二极管230的阳极电压必须比其阴极的电压较高，因为这个阴极是连接到电源线288上的，故其电压为600V600V，由于二极管电压降约为1V，故二极管230的阳极电压将应为601V，二极管284的阳极必须是602V，因此与二极管284的阳极相连的变压器绕组232的端电压应为602V，变压器232的另一端是接在二极管286的阴极上的，它通过导通的二极管286而接通到接地导线290上。这样提供给变压器220的一次绕组232两端的电压即约600V。如果有600V电压加在一次绕组232两端，这就意味着有约550V电压跨在二次234上，因为变压器变比为0.9，这550V跨在绕组234上的电压是在制动电路中的GTO222为截止时提供的，该550V电压的极性是这样的，即在点3上的瞬时电压为550V，它低于点6上的瞬时电压。当电流流向反转时，流在一次232绕组的电流也反向，并且桥路228中另两个二极管导通。在这种情况中，跨接在变压器二次绕组234上的550V电压的极性也反向，以致在点3上的瞬时电压为550V高于点6上的瞬时电压。
逆变器11输出到点6上的电压波形282示于图11中，这是一个典型的6步合成的逆变器输出波形，假设电源为600V，则从波形282上的0°符号280处到180°的符号281处止，输出点6是600V，从180°的符号281到360°的其余部份，点6的电压是OV。图11中波形287表示在交流电动机12看到的实际的线对中性点的电压，这时假定制动装置80没工作。可见，该线对中性点的电动机电压波形287是直接与示于图9中逆变器11的输出点6上的电压波形282同相位。同样，因为制动装置没工作，故输出点6和点3上的电压相等。如果交流电动机12正在制动，则电流波形286将滞后于电压波形282和287约135°，所以电压波形282的过0点280到电流286的过0点284之间具有135°的滞延。如果制动装置80投入工作，跨在变压器二次绕组234上的电压即导致流过绕组234的电流，跨在绕组234上的电压也即等于点3上的电压减输出点6上的电压，其与电压波形288相同，这是在可控硅224和226未导通及GTO222截止情况下提供的电压，如图11所示，变压器二次电压288与输出电压282异相，并且因此当加在一起时，输出电压282加上变压器二次电压288则在相3上造成的合成电压对电压282有相位移，这个相位移将导致在电动机中的电流与示于286的波形有相位移，这个电流相位移将导致变压器二次电压288更大的相位移，以及其它等。在考虑了所有的相位移之后，在电动机相3上合成的电压只稍微高于逆变器输出电压282，所以是不理想的，GTO222使变压器的二次电压实现可控，如果GTO 222导通，则跨在变压器一次232上的电压降低到OV，同时也使跨在变压器二次234上的电压降低到OV，通过控制GTO222，变压器二次电压即能被控制到永远与逆变器输出电压282同相，即能得到最大可能的变压器二次电压并且与逆变器输出电压282同相，如波形289所示。跃变297发生电流过0点284处，变压器电压波形289的中点293是跃变295和297之间的中点，逆变器输出电压波形282的中点292是在跃变280和281的中间。如果中点292和293同时发生，则变压器二次电压289就与逆变器输出电压282同相。当这两个电压为同相时，它们直接相加即在相3上产生一个较高的电动机输入电压。同样，因为这两个电压同相，所以电动机电流286无附加相位移，跃变295是由GTO222截止所造成的，跃变297则是由GTO222导通所造成，跃变298是由GTO222截止所造成，而跃变299则是由GTO222导通所致。由于实际上电动机电流286不是一个纯粹的正弦波，而且由于电流过0点284也不正好位移135°，为了实用起见，二次变压器电压被限定为波形290，此处对应的GTO222截止的时间被限定的角宽度为从283到285，此即表示360°周期中最大角宽为80°。中点294是在跃变283和285之间的中点，并且它与在逆变器输出电压282的中点292同时出现。当变压器电压290跟随逆变器输出电压282产生时，在相3上合成的电动机输入电压即如波形296所示，296的阴影部分表示利用了该制动装置80所获得的电压增益。
图12所示代表输入到电动机相1和2的电压波形231和233，电压237是电动机的线到中性点的电压，是利用了制动装置80产生的最大的变压器二次电压290合成的，在电压237中被逆变器11单独提供的电压值为波形287所示。
如果电动机的线对中性点电压237小于如图12所示的期望值。则GTO222保持截止的时间宽度在不移动中点294的前提下减小，该宽度决定于跃变283到跃变285之间的时间如图11所示。
在图10中示出了制动运行控制电路的接线，较详细地示出了电动机一相的制动装置电路268，地址数据和控制线260在逆变器和制动合成装置76中与Motorola 68000微处理机相连接，其中包括有一个输出口262，这是一个普通的74LS373芯片，它具有8位输出，应用了其中4位线。第一位线264用于确定三极管266的导通，以此控制可控硅起动板，该板控制可控硅224和226造成短路或不短路变压器二次绕组234(见图9)。对电动机的其它两相的每相有两个同样的可控硅管，该可控硅起动板是此技术领域：
众所周知的，并且是连续地对这些可控硅送栅脉冲或不送栅脉冲，如果输出264为“1”值，则该起动板产生连续的栅脉冲;而如果输出264具有0值，则可控硅将得不到连续的起动脉冲。有三个GTO门控制电路268、270和272，分别用于电动机各相。在门控制电路268中，有两个时间器274和276，它们为普通的8254时间器。每个时间器的第三个口被用于每个控制电路268，270和272。时间器274是一个延时时间器，而时间器276为定时时间器，一个GTO开关在电动机每极变压器的制动电路中都有一个可控的GTO开关(例如图9中所示的222)。
应用富里叶分析和已知的制动电路暂载率和该线电压和逆变器电压位置，则可确定出跨在电动机上的期望电压以及从此可得出示于图11中的制动电路脉冲291的宽度应为多宽。电动机控制器62确定所期望的电动机电压和确定出电压282中合适的超出与已知的线电压相关的逆变器11以外的电压，由变压器制动装置80所提供的电压290的量决定于波形290的暂载率，所以在后面的暂载率和变压器制动装置80产生多大的电压290之间有一个数学关系，将制动装置的电压290加上逆变器电压282即达到了所期望的电压，直到制动角为80°时达到最大值，提供的数值能满足制动的要求。
控制器62的中间一个输出是所期望的总的电动机电压，根据确定出的逆变器11提供的多高电压，所差的电压即需要在确认不会超过电流286为0的过0点284的条件下由变压器制动装置80来提供，根据这个由变压器制动装置80所提供的电压差值算出GTO的制动角，该制动角小于80°，并且确定出GTO222的截止时间。如前述相关参考的专利申请S.N.696814(W.E.Case 50932)所公开的这种合成操作可知道，该逆变器电压282的首端280和终端281，然后计算出在逆变器电压282的首端280和时间283之间的时间，这一时间是GTO被截止的时间;以及计算出从时间283到285的时间，这是GTO被导通的时间。我们期望逆变器电压282完全与制动装置电压290同相，希望在无论何时都出现电压波形282和290的中心292和294对准在一条线上并且是完全同相。该合成操作确定出时间280和时间281。
示于图10中的制动控制电路包括有时间器274，该274是延时时间器，它提供出当GTO被截止时在时间280和时间283之间的延迟时间，这个时间被算出后并输到该时间器274中。当信号300到高位持续约1微秒，提供的截止302是低位，则“或非”门304将产生一个低位持续1微秒的脉冲进到时间器274的栅极306，此低位1微秒的脉冲的上升沿将把时间器274打开而开始计时。输出308将在一定的时间间隔内为低位，此时间等于在合成6步跃变时间280和GTO开始截止时间283之间的所期望的时间。一旦低位输出308跃变到高位，这也即延迟时间结束，时间器276开始计时，在时间器276开始计时输出310将变为低位，并且它停在低位一段时间间隔，这段时间等于期望GTO222被截止的时间间隔，该实际时间间隔小于或等于80°的等效时间。
当另一输入312为低位时，“或非”门314有了两个低位输入，所以它提供一个高位输出316到“或”门318。当线330为低位时，“或”门318输出高位信号320到上部三极管322，故322导通。“非”门324返转该高位信号320成为低位信号326而将下部三极管328截止。当三极管322导通且三极管328截止时，电流的方向与起动GTO222所需的方向相反，所以GTO222不会起动而且截止，信号310一经变高则三极管322即被截止，而三极管328将导通，从而提供起动GTO 222方向的电流，当输入到“或非”门314的312是0值时，它允许时间器276截止GTO，如果该输入312是1值，则强使GTO 222永远导通。输入312不是一个允许信号，但它确是一个截止信号使时间器截止而使GTO导通。输入到“或”门318的330经过了“非”门反相器332，当信号330为0值加在“或”门318的输入上时，这将允许时间器进入到可控状态，然而一个1值加在了“或”门318的输入上这就强迫GTO截止，这是因为上部三极管322永是导通而下部三极管328是截止状态的缘故。当示于图10中的信号302是0值时，则制动控制电路便能操作变压器制动装置80中的GTO开关到截止，供给线331为1值，而线312为0值。
在图13中示出了图10的制动控制电路中信号关系图表，曲线340表示加到“或非”门304上一个输入的控制信号300，相应于控制信号300的波形340是一个正常低位信号，该信号有一个1微秒时间的高位脉冲，它在图11中的跃变280和281所示的逆变器输出电压282每次跃变中出现一次。控制信号300实际上是被逆变器合成控制电路所产生的，该电路即指前述相关参考的专利申请序号NO.696814(W.E.50932)中描述的电路。示于图13中的波形344是“或非”门的输出306，波形346是延时时间器274的输出308，而波形348是时间器276的输出310，当波形348在高位时，GTO导通;当波形248在低位时，GTO截止，造成变压器二次的电压波形为290。
计算延时时间器274为产生波形346所需时间的和由定时时间器276为产生波形348所需时间的必要计算示于图14上的流程中。
在图14中，方框217中时间90的计算代表从逆变器电压输出波形282的跃变点280到中点292之间的时间，可变的6步时间代表在波形282中从跃变280到281之间的时间。在方框219中，制动GTO截止时间是输出到定时时间器的时间，并且是期望GTO 222被截止的时间，这个时间的计算为，将请求的制动角70乘以6步时间并被180°除。换言之，制动GTO截止时间是与请求的制动角等效的时间。在方框221中，制动GTO定位时间是输出到延时时间器274的时间，其计算为，将制动GTO截止时间被2除并从时间90中减后所得的结果。
权利要求
1.控制电动机的方法，该电动机接于电源上并响应一个作用力的请求信号，包括有下述步骤用耦接于电源上的一个逆变器提供第一电压信号激励该电动机，用耦接于电源上和与上述逆变器相接的一个制动辅助电路提供第二个电压信号激励该电动机，提供一个响应作用力请求信号的第一电压信号的第一时间宽度，提供一个响应作用力请求信号的第二电压信号的第二时间宽度，以及控制该第一电压信号与第二电压信号的关系为同相以便激励该电动机。
2.如权利要求
1所述的控制电动机的方法，包括步骤控制响应作用力请求信号的第二电压信号的时间宽度，以便激励该电动机提供一个符合作用力请求信号所期望的输出转矩。
3.如权利要求
1所述的控制电动机的方法，采用将第二电压信号加第一电压信号以增加相对于用第一电压信号激励电动机的对该电动机的激励。
4.如权利要求
1的控制电动机的方法，采用具有基准速度的电动机和采用建立一个期望该电动机输出转矩的作用力请求信号，以及采用第二电压信号，以便当运行在上述基准速度以上时由电动机提供增大的输出转矩。
5.如权利要求
1所述的控制电动机的方法，采用第一电压信号以提供一个具有过零点的交变电流激励该电动机，以及采用第二电压信号的时间宽度由所述的过零点来限定。
6.如权利要求
1所述的控制电动机的方法，对于一台具有基准速度的电动机采用第一电压信号，它在所述的基准电压以上时是逆变器输出的一个予定的电压，以及采用第二电压信号的第二时间宽度小于一予定的最大时间宽度。
7.如权利要求
1所述的控制电动机的方法，对于一台具有滑差和基准速度的感应电动机的控制，包括步骤控制电动机在基准速度以上的滑差保持为额定滑差，采用第一电压信号，它在所述的基准速度以上时是逆变器输出的最大电压，以及采用第二电压信号，它是在所述的基准速度以上时响应所述的作用力请求信号所确定的并由它确定了该电动机的输出转矩。
8.如权利要求
1所述的控制电动机的方法，以第二电压信号达到一个予定的最大值时保持住该最大值，以及在响应所述的作用力请求信号中根据达到所述最大值的第二电压信号提高滑差到所述的额定滑差以上。
专利摘要
提出一种对交流感应电动机制动控制的装置和方法，用一台逆变器提供第一电压和一台附加的制动电路提供第二电压，两者同相并相加而得出一个在基准速度以上运行时所期望一定的制动转矩所需的电压。
文档编号H02P3/18GK86101083SQ86101083
公开日1986年8月20日 申请日期1986年1月30日
发明者哈比布·达德彼, 保罗·詹姆斯·莫利诺, 戴维德·约翰·舍罗 申请人:西屋电气公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan