用於動態電動機制動的方法和系統的製作方法

2023-12-03 15:57:51 3

專利名稱：：用於動態電動機制動的方法和系統的製作方法
技術領域：
：本發明一般地涉及電動機，尤其涉及用於電動機動態制動的控制方案。
背景技術：
：當直流電動機旋轉時，各繞組產生稱為反電動勢或反EMF的電壓，其對抗供給繞組的電源電壓。在正常運行條件下，反EMF的極性與電動機電源電壓的極性是反向的。三相逆變器橋配置用於控制電動機轉速和扭矩。一般地，例如是制動電阻器的外部硬體電路用來抵消電動機所產生的反EMF。然而，由於這需要額外的硬體，因此定義動態電動機制動方案以抵消反EMF是有利的。在用於醫學影像手術中的血管歪斜手術臺(table)的示例中，手術臺使用BLDC(BladeLessDirectCurrent)電動機來定位工作檯。當電動機旋轉時極性與電源電壓的極性相反的反EMF產生。當工作檯向重力方向移動時，電動機在發電模式下起作用並且反EMF的極性反向。在發電模式中，反EMF增強電源電壓。在此模式期間，電動機將能量注回電壓電源，從而使電源電壓增加到特定限制之上，這就可能致使工作檯電子件的破壞。因此需要耗散反向能量，按照慣例，通過使用制動電阻器來完成。這些電阻器相對較大並產生熱。而且這些制動電阻器不能與電動機相關的正常開關電路一起封裝，因而不得不單獨封裝。因此，需要在沒有任何外部硬體電路的情況下通過耗散反向能量將電源電壓保持在容許極限內。
發明內容上文所提的缺點、不足和問題在本文進行了解決，通過閱讀和理解下面的說明也可對其理解。本發明的一個實施例提供了一種用於動態電動機制動的方法。該方法包括在換向序列(commutationsequence)的非電流供應期間，通過間歇地使電動機繞組短路以將電動機內的反向能量耗散在電動機繞組內，其中，通過同時接通三相橋電動機控制器中所有的連接到電壓電源或地線的開關來使電動機繞組短路。在另一個實施例中，公開了一種電動機制動方法。該方法包括提供用於控制電動機的脈衝帶寬調製(PWM)信號；使用PWM信號觸發三相橋電動機控制器，其中三相橋電動機控制器可配置成具有並聯連接的三個支線(leg)，各支線具有串聯連接的上部開關和下部開關，並且其中，所有支線中的上部開關和下部開關一起分別組成第一行和第二行；並且同時接通一行中的所有開關，該行是基於檢測各行中的至少兩個工作開關來進行選擇的。在另一個實施例中，公開了一種制動無電刷式直流電動機的方法。該方法包括提供具有並聯連接的三個支線的三相橋電動機控制器，各支線具有串聯連接到電壓電源的上部開關和連接到地線的下部開關，其中這些支線的上部開關和下部開關配置成第一行和第二行；識別電動機內所產生的反向能量；選擇至少一個在非電流導通期間在一行中具有至少兩個工作開關的該行；激活所選行中的非工作開關；以及通過電動機繞組耗散反向能量。在另一個實施例中，公開了一種電動機制動系統。該系統包括以預定換向序列產生脈衝帶寬調製(PWM)信號的脈衝帶寬發生器；多個連接為三相橋電動機控制器的開關；和配置成產生關於所產生的反向能量的開關控制信號的處理器，該開關控制信號可配置成觸發開關以便電動機繞組間歇地短路。在另一個實施例中，公開了一種病人手術臺。該手術臺包括在多個方向可移動的承載病人的部件；用於控制承載病人的部件運動的無電刷式直流(DC)電動機；具有並聯連接的三個支線的三相橋電動機控制器，各支線具有串聯連接到電壓電源的上部開關和連接到地線的下部開關，這些支線的上部開關和下部開關可分別配置成第一行和第二行；以及配置成產生基於檢測到的反向能量接通一行內的所有開關的控制器，所述行基於識別一行內至少兩個工作開關來檢測。本發明的不同其它特徵、目的和優點對於閱讀過附圖和其具體實施方式的本領域技術人員而言是顯而易見的。圖1是可配置成用於本發明實施例所描述的耗散反向能量的方法中的三相橋電動機控制器；圖2是圖示使用圖1所描述的三相橋電動機控制器的制動方法的流程圖；圖3是示出了本發明實施例所描述的DC電動機的改進換向序列的波形圖；圖4是圖示了本發明另一個示例性實施例所描述的電動機制動方法的流程圖；圖5是圖示了制動本發明實施例所描述的無電刷式DC電動機的方法的流程圖；圖6是本發明實施例所描述的電動機制動系統的結構圖；圖7是本發明實施例所描述的病人手術臺的結構圖；圖8是血管歪斜病人手術臺運動控制器的結構圖，該控制器具有本發明實施例所描述的制動系統。部件列表具體實施例方式在下面的具體實施方式中，需參考形成本文一部分的附圖，並且附圖可藉助可實施的具體實施例來表示。這些實施例被足夠詳細地描述，以使本領域技術人員能夠實施實施例。還應當了解到，可使用其它實施例，並且在不脫離實施例範圍的情況下，可作出邏輯的、機械的、電的和其它的改變。因此以下的具體實施方式不作為限制本發明的範圍。本發明的不同實施例提供了控制方案，該控制方案通過在電動機繞組內循環電流來在電動機繞組中耗散反向能量。本發明有助於耗散反向能量而不使用任何外部硬體電路。反向能量在電動機繞組自身內耗散。在一個實施例中，反向能量通過使電動機繞組間歇地短路來耗散，以便電動機繞組充當耗散反向能量的電阻器。在一個實施例中，公開了DC電動機控制的病人手術臺。電動機由三相橋電動機控制器控制。控制方案被限定用來耗散反向能量和調整電動機速度。在說明書中提及的用語「反向能量」是指產生的反EMF。圖1是可配置成用於本發明實施例所描述的耗散反向能量的方法中的三相橋電動機控制器。三相橋電動機控制器100包括並聯連接的三個開關支線L1、L2、L3。各支線包括兩個串聯連接的開關。第一支線L1包括兩個開關S1和S2，第二支線L2包括兩個開關S3和S4，且第三支線L3包括兩個開關S5和S6。開關S1、S3、S5(也就是在各支線中的上部開關)連接到電源電壓(「+」)並且組成第一行105。支線中的下部開關S2、S4和S6連接到地線(「-」)並且組成第二行110。三相橋電動機控制器100通過脈衝帶寬調製(PWM)信號來觸發。在任何點，三相橋電動機控制器100的兩相基於電動機轉子位置通電。轉子位置可從霍爾傳感器(未示出)中獲得，假定轉子在一個位置，直到霍爾傳感器輸出有變化為止。在正常的換向序列中，S2和S4或S3和S1可接通，以致電動機旋轉。反EMF在電動機繞組內產生。這反向能量在慣性滑行期間或換向序列的非電流導通期間被耗散。在慣性滑行期間，S1和S3或S2和S4閉合，以便反向能量可耗散到外部電路。在實施例中，不是將反向能量耗散到外部電路，而是電動機繞組被間歇地短路以在電動機繞組內耗散反向能量。在實施例中，在慣性滑行期間，通過接通S5或S6來實現電動機短路。如果S1和S3導通，S5被迫導通或「ON」，使得電動機短路，並且電動機電阻充當反向能量耗散在其上的電阻器。類似地，當S2和S4導通時，開關S6接通以使電動機繞組短路。圖2是圖示使用圖1所描述的三相橋電動機控制器的制動方法的流程圖。所產生的反向能量和換向序列的慣性滑行期間不得不被識別以在電動機慣性滑行期間在電動機繞組內耗散反向能量。在步驟210，檢查電動機電流的方向。在電動機的發電機模式期間，反向能量將增強電源電壓。如果電流被檢測到小於0，斷定電流方向是反方向。如果電流方向是正常的，電動機使用如步驟280所示的正常換向序列運行。在步驟220中，如果檢測到電流為負的，則檢查電源電壓。不允許電源電壓或DC母線電壓大於預置值。由於在發電機模式期間，反EMF或反向能量幫助母線電壓，運行母線電壓可超過DC母線電壓。預置可容許極限被確定為上有效電壓。如果DC母線電壓小於可容許極限，電動機可配置成遵循步驟280的正常換向序列。然而，如果識別DC母線電壓超過允許的預置可容許極限，並且如果電動機電流小於0，那麼反向能量在步驟230中檢測到。在步驟240中，在非電流導通期間工作的開關被識別。在慣性滑行期間，一行中至少兩個開關是工作的。所選行中的第三個開關是接通的以便使電動機繞組短路。如果上部開關S1和S3是導通的，開關S5也被導通以便電動機繞組如步驟250所示一樣短路。類似地，如果下部開關是導通的(也就是如果S2和S4是導通的)，那麼開關S6也導通，如步驟260所示的一樣。因而在步驟270中，通過使電動機繞組短路，反向能量通過一系列的開關S1、S3、S5或S2、S4、S6耗散。在步驟280作檢查，以確定DC母線電壓是否大於運行母線電壓。如果DC母線電壓大於運行母線電壓，重複步驟230至270以耗散反向能量。當檢測到DC母線電壓小於運行母線電壓時，電動機遵循步驟290所示的正常換向序列。圖3是示出了本發明實施例所描述的DC電動機的換向序列的波形圖。脈衝帶寬調製(PWM)信號具有上限USL和下限LSL，基於上下極限，確定脈衝調製信號的佔空比。波形圖示出了50％的佔空比。操作電壓V1設置在特定水平，並且母線電壓的可容許上限保持在V2。V2大於V1，並且基於應用決定該差別。示出了S1至S4的切換順序，並且S5和S6的波形標示了一些點，在這些點上，這些開關導通以使電動機繞組短路。應當注意的是，當S1和S3是ON時，S5切換到ON，類似地，當S2和S5是ON時，使S6ON以使電動機短路。因而基於電動機短路需求來修改PWM信號。電動機繞組的短路頻率和持續時間可依賴於電動機轉速、母線電壓、所產生的反EMF等。圖4是圖示了本發明另一個示例性實施例所描述的電動機制動方法的流程圖。在步驟410，提供PWM信號以便控制電動機。在步驟420，使用PWM信號觸發三相橋電動機控制器。三相橋電動機控制器具有並聯的三個支線，各支線具有串聯連接的兩個開關。各支線中的上部開關連接到電壓電源，並且各支線的下部開關連接到地線。各支線中的上部開關和下部開關一起各自組成第一行和第二行。識別電動機繞組內所產生的反向能量，並且通過檢查電流方向和有效的電源電壓來對其識別。在步驟430，一行中的所有開關在非電流導通期間被激活。為此，識別在非電流導通期間具有兩個工作開關的行，且使該行中的第三開關活動以便使電動機短路。一旦電動機短路，電動機充當電阻器，並且反向能量耗散在電動機繞組中。基於電動機轉速、電動機輸入電壓和電動機內產生的反向能量來確定電動機短路的頻率和持續時間。在電動機的非電流導通或慣性滑行期間，反向能量被耗散。圖5是圖示了制動本發明實施例所描述的無電刷式DC電動機的方法的流程圖；在步驟510，提供三相橋控制器以控制電動機的旋轉。三相橋電動機控制器具有三個並聯連接的支線，各支線具有兩個串聯連接的開關。各支線中的上部開關連接到電壓電源，且各支線中的下部開關連接到地線。上部開關和下部開關各自組成第一行和第二行。在步驟520中，識別電動機內所產生的反向能量。在發電機模式下，反向能量輔助電動機輸入電壓，且電動機輸入電壓傾向於高於容許的電動機輸入電壓。在這點上，需要耗散所產生的反向能量。在步驟530中，在非電流導通階段，識別出具有兩個工作開關的一排開關。在慣性滑行期間，一行中至少兩個開關將是工作的並且該行被識別。在步驟550，所選行中的非工作開關被激活以使電動機繞組短路。如果選中第一行，所有支線中的所有上部開關將被激活，並且如果選中第二行，所有支線中的所有下部開關將被激活。在步驟560，反向能量通過電動機繞組耗散。圖6是如本發明實施例所描述的電動機制動系統的框圖。該系統用於控制電動機600。系統包括配置成產生脈衝帶寬調製信號的PWM產生器610。PWM信號的佔空比可基於應用變化。產生的PWM信號具有上限和下限以限定佔空比。提供有三相橋電動機控制器620與PWM產生器610關聯。三相橋電動機控制器620在圖1得到了詳細地說明。三相橋電動機控制器620通過PWM產生器610產生的PWM信號來觸發。三相橋電動機控制器620可配置成具有多個開關，其布置成基於預定換向序列控制電動機。處理器630可配置成改變換向序列以在電動機繞組內耗散反向能量。處理器630可配置成接通三相橋電動機控制器620的一行中的所有開關，以使電動機繞組短路，並且反向能量可耗散在電動機繞組內。處理器630也可配置成基於電動機轉速、產生的反EMF或母線電壓或有效的可編程母線電壓來確定電動機短路的持續時間和頻率。此外，處理器630可配置成與電動機相互作用，且識別在電動機繞組內產生的反向能量。可提供接口以使PWM產生器610和三相橋電動機控制器620連接起來。也可提供驅動單元以驅動三相橋電動機控制器620。圖7是如本發明實施例所描述的病人手術臺的結構圖。病人手術臺具有承載病人的部件710。承載病人的部件710在垂直方向以及水平方向是可移動的。提供無電刷式DC電動機720以控制病人手術臺的移動。提供三相橋電動機控制器730以控制電動機。三相橋電動機控制器可配置成接收PWM信號，基於PWM信號確定電動機的換相。三相橋電動機控制器在圖1中得到了詳細地描述。控制器740可配置成基於應用改變換向序列。控制器740可配置成識別在電動機繞組內產生的反向能量，並且基於相同的換向序列調整以使電動機間歇地短路以將反向能量耗散到電動機繞組。在實施例中，控制器740可配置成接通一行中所有開關以使電動機繞組短路。圖8是血管歪斜病人手術臺運動控制器的結構圖，該控制器具有如本發明實施例所描述的制動系統。電源810用來將電功率供給病人手術臺中不同的電氣部件和相關的病人手術臺移動系統。數位訊號處理器(DSP)820可配置成產生脈衝帶寬調製信號，並處理該信號以改變換向序列。接口，例如場可編程門陣列(FPGA)830，可配置成將DSP820耦合到伺服放大器850。驅動單元840用來驅動伺服放大器850。三相橋電動機控制器是伺服放大器850的一部分。伺服放大器850可配置成控制電動機860。DSP820識別反向能量，並且基於識別的反向能量改變換向序列。因此，所建議的電動機方案間歇地使電動機繞組短路，以便電動機旋轉不受影響。本發明不同實施例的優點包括消除了使用耗散反向能量的外部硬體。此外，該方法通過提供速度調節並避免對象的抖動有助於提高手術臺或通過電動機移動的其它對象的性能。此外本發明允許可編程的電壓限制來檢測反向能量，且有助於提高速度調節。此外由於反向能量持續地耗散，減少了電磁幹擾。該技術允許各軸電動機獨立地耗散反向能量，因而不具有單點失效，因此，如果使用電動機來控制病人手術臺可提高病人的安全性。因而本發明的不同實施例描述了用於電動機制動的控制方案。如本文所使用的那樣，以單數形式修飾並接以單詞「一個」或「一」的元件或步驟應該理為不排除所述元件或步驟的複數形式，除非這種排除明確地陳述過。此外，參考本發明的「一個實施例」不能解釋為排除了也引入所陳述特徵的額外實施例的存在性。上文對示例性實施例進行了詳細地描述。組件和方法不限於本文所描述的特定實施例，相反地，各組件的部件和/或方法可以獨立地使用，並且與本文所描述的其它部件分隔開。此外，工作流所包含的步驟無需按照圖中說明的順序，並且工作流中的所有步驟無需必要地執行以完成該方法。儘管已參考優選實施例描述了本發明，本領域技術人員將意識到，在不脫離本發明精神的情況下可做某些替代、變更和省略。因此，上述內容僅是示例性的，並且不應該限制本發明在下列權利要求中提出的範圍。權利要求1.一種用於動態電動機制動的方法，包括通過間歇地使電動機繞組短路以在換向序列的非電流提供期間將電動機內的反向能量(270)耗散在電動機繞組內，其中，通過同時接通三相橋電動機控制器中連接到電壓電源或連接到地線的所有開關來使電動機繞組短路。2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述方法進一步包括在控制換向序列的脈衝帶寬調製(PWM)控制信號的斷開期間，將反向能量(270)耗散在所述電動機繞組內。3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述三相橋電動機控制電路中的開關設置成並聯連接的三個支線，各支線具有串聯連接的上部開關和下部開關，並且其中，各支線上的連接到電壓電源的上部開關構成第一行，並且各支線上的連接到地線的下部開關構成第二行。4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述方法進一步包括在換向序列的非電流提供期間，檢測一行中至少兩個工作開關(250，260)，並激活該相應行中的第三開關。5.一種電動機制動方法，包括提供用於控制電動機的脈衝帶寬調製(PWM)信號(410)；使用PWM信號觸發三相橋電動機控制器(420)，其中，所述三相橋電動機控制器可配置成具有並聯連接的三個支線，各支線具有串聯連接的上部開關和下部開關，並且其中，所有支線中的上部開關和下部開關分別一起組成第一行和第二行；以及同時接通一行中的所有開關(430)，該行是基於檢測各行中的至少兩個工作開關來進行選擇的。6.如權利要求5所述的方法，進一步包括基於所產生的反向能量、電動機輸入電壓和電動機速度中的至少一個，控制使所述電動機繞組短路的頻率和持續時間。7.一種制動無電刷式直流電動機的方法，包括提供具有並聯連接的三個支線的三相橋電動機控制器(510)，各支線具有串聯連接到電壓電源的上部開關和連接到地線的下部開關，其中支線的上部開關和下部開關分別配置成第一行和第二行；識別電動機內所產生的反向能量(520)；選擇在非電流導通期間在一行中具有至少兩個工作開關的至少一行(530)；激活所選行中的非工作開關(540)；以及通過電動機繞組耗散反向能量(550)。8.一種電動機制動系統，包括以預定換向序列產生PWM信號的脈衝帶寬發生器(610)；多個開關，連接為三相橋電動機控制器(620)；處理器(630)，配置成產生關於所產生的反向能量的開關控制信號，該開關控制信號配置成觸發開關以便電動機繞組間歇地短路。9.如權利要求8所述的系統，其特徵在於，所述三相橋電動機控制器(620)配置成具有並聯連接的三個支線，各支線具有串聯連接的上部開關和下部開關，並且其中分別地，上部開關構成第一行，下部開關構成第二行。10.如權利要求8所述的系統，其特徵在於，所述處理器(630)配置成當檢測到電動機內的反向能量時觸發一行中的所有開關，所述開關在換向序列的慣性滑行期間被觸發。全文摘要本文公開了一種用於動態電動機制動的方法和系統。該方法包括通過間歇地使電動機繞組短路以在換向序列的非供電期間將電動機內的反向能量(270)耗散在電動機繞組內。通過同時接通三相橋電動機控制器中連接到電壓電源或連接到地線的所有的開關來使電動機繞組短路。文檔編號H02P3/12GK101610056SQ20091015036公開日2009年12月23日申請日期2009年6月16日優先權日2008年6月16日發明者B·阿努拉達,M·喬拉,A·薩塔帕蒂申請人:通用電氣公司