CN119384790A - 用于改进脉冲电机效率的升压转子供电电路和方法 - Google Patents

Abstract

本申请描述一种用于正当电机被脉冲式导通时向电机的转子供应升压电压的升压电路和方法，该升压电压帮助转子快速克服其启动电感，迅速接通转子。因此，每当电机在脉冲开始时从关断状态转变到导通状态时，实现快得多的转变时间。通过减少转变时间，显著提高了电机的整体效率。

Description

用于改进脉冲电机效率的升压转子供电电路和方法

相关申请的交叉参考

本申请要求2022年8月22日提交的美国临时申请号63/399,983的优先权，并且出于所有目的通过引用将其并入本文。

背景技术

本申请总体上涉及电机的脉冲式控制，其中电机被选择性地控制为在脉冲期间在关断状态和导通状态之间操作，并且更具体地，涉及用于正当电机被脉冲式导通时向电机的转子供应升压电压的升压电路和方法，该升压电压帮助转子快速克服其启动电感以迅速接通转子，使得在脉冲开始时电机从关断状态转变到导通状态时的转变时间要快得多。

大多数电机通常包括具有多个极子的定子以及转子，可以作为发电机或马达进行操作。当作为马达进行操作时，电能被转化为机械能。当作为发电机进行操作时，机械能被转化为电能。因此，本文使用的术语“电机”或“机器”旨在广泛地解释为意思是电动马达和发电机两者。

电机具有相对较高的能量转换效率，前提是它们在其最佳操作负载处或接近其最佳操作负载进行操作。然而，当在低于它们的最佳操作负载的情况下操作时，能量转换效率可能低得多。由于在许多应用中要求电机在低于其最佳操作负载的情况下操作，因此机器的整体效率降低，从而浪费了操作电机所需的能量。

电机脉冲控制是改进电机效率的已知方法。在所选操作条件下，电机在脉冲期间被间歇地从关断状态转变到导通状态。通过操作电机以仅在导通脉冲期间以高效率水平生成输出，与低于机器的最佳操作负载的常规连续操作相比，在生成所需输出的同时，改进了机器的整体效率。

脉冲式控制的问题是，对于每个脉冲都需要相对大量的能量和时间来使给定电机从关断状态转变到导通状态。

因此，存在对于每个脉冲将电机快速且有效地从关断状态转变到导通状态的需求，从而以更高的效率水平操作此类电机。

发明内容

本申请涉及一种用于正当电机被脉冲式导通时向电机的转子供应升压电压的升压电路和方法，该升压电压帮助转子快速克服其启动电感以迅速接通转子。因此，每当电机在脉冲开始时从关断状态转变到导通状态时，实现了快得多的转变时间。

附图说明

通过结合附图并参考以下描述，可以最好地理解本发明及其优点，在附图中：

图1是示出根据本发明的非排他性实施例的马达的脉冲式操作的曲线图。

图2是示出根据本发明的非排他性实施例的马达控制器架构的功能框图。

图3是示出根据本发明的非排他性实施例的由马达控制器实现的步骤的操作流程图。

图4A是在从零到峰值效率扭矩的转变期间以固定速度操作的马达的扭矩与效率关系图。

图4B是在从零到峰值效率扭矩的转变期间以固定速度操作的示例性马达的扭矩与功损耗的关系。

图5A是根据本发明的非排他性实施例的用于提升施加到电机的转子的电源电压的示例性升压电路。

图5B是根据本发明的非排他性实施例的由升压电路使用的示例性电压整流器。

图6是示出根据本发明的非排他性实施例的在脉冲式操作期间用于使施加到电机的转子的电源电压升压的步骤的流程图。

在附图中，相似的附图标记有时用于指示相似的结构元件。还应该理解，图中的描绘是概略的，并且不按比例绘制。

具体实施方式

电动马达和发电机被用于各种各样的应用中和各种各样的操作条件下。一般来说，许多现代电机具有相对较高的能量转换效率。然而，大多数电机的能量转换效率可能基于其操作负载而发生很大变化。一般来说，当在其峰值操作负载处或接近其峰值操作负载进行操作时，电机效率很高。然而，当以较低负载进行操作时，效率往往要低得多。

本申请总体上涉及电机(例如电动马达和发电机)的脉冲式控制，以在操作条件允许时改进其能量转换效率。更具体地，在较低负载操作条件下，电机被脉冲式控制，并在脉冲期间间歇地在关断状态和导通状态之间转变。通过控制脉冲的量值、占空比和频率，可以控制电机仅以其比传统连续马达控制更高的效率水平进行操作，从而以比先前更有能量效率的方式递送所期望的平均扭矩输出。

申请人已提交并收到几项涉及电机的脉冲式马达控制的美国专利，包括美国专利10,742,155(TULA P200B)、美国专利11,228,272(TULA P200C)和美国专利10,944,352(TULA P201)。出于所有目的，上面列出的申请中的每个都通过引用并入本文。

脉冲式机器控制

参考图1，其示出曲线图10，该曲线图示出脉冲式机器控制的基本操作。

在该示例中，做出几个假设，包括：

·电机作为电动马达进行操作。

·如沿着竖直轴线所绘制，马达的最大扭矩输出为50Nm。

·马达的峰值效率范围约为其峰值输出的95％，或约47.5Nm的扭矩输出。

·在该示例中，要求马达生成10Nm的输出扭矩，该扭矩远低于其峰值效率范围。

利用常规操作，马达被连续地操作以生成10Nm的要求扭矩输出。这在图1中由虚线12表示。以10的扭矩输出连续操作的缺点是，马达在远低于其峰值效率范围(例如，在该示例中为47.5Nm或以上)的情况下进行操作。

另一方面，利用脉冲式操作，马达是脉冲式导通和关断的。在导通脉冲之间，马达处于关断状态并且几乎不生成扭矩输出。在导通脉冲期间，马达：

(1)处于导通状态并以其峰值效率(即50)或接近其峰值效率操作；以及

(2)马达随时间推移(在此期间马达在关断状态和导通状态之间被间歇性进行脉冲式控制)的平均扭矩输出足以满足确定的扭矩请求。

在该示例中，导通脉冲的频率每五(5)个时间单位(如沿着水平轴线所绘制)出现一次。结果，马达在百分之二十(20％)的时间内被脉冲式导通，如脉冲14所表示。通过每五个时间单位(即时间的百分之二十(20％))以其峰值输出(例如50)操作马达，随时间推移生成所要求的10Nm扭矩。然而，由于马达在脉冲期间仅以其峰值效率或接近其峰值效率进行操作，因此马达的整体操作效率比传统的连续操作显著改进。

三相绕线励磁同步电机

在三相绕线励磁同步电机中，定子可以包括由三相交流输入激励的三线圈绕组和由直流输入供电的转子上的励磁绕组。当三相交流输入穿过三相电枢绕组时，生成旋转磁场(RMF)。RMF的旋转速率被称为电机的同步速度(N_s)。励磁绕组场和电枢绕组场的相互作用生成引起转子旋转的电动势(EMF)。

功率转换器

参考图2，其示出用于电机的脉冲式操作的功率控制器20的图示。功率控制器20包括功率转换器22、直流电源24和电机26。在该非排他性实施例中，功率转换器22还包括脉冲控制器28。

取决于通过系统的能量流动的方向，功率转换器22可以作为功率逆变器或功率整流器进行操作。

当电机26作为马达进行操作时，功率转换器22负责从直流电源24生成三相交流功率以驱动电机26。表示为相A、相B和相C的三相输入功率被施加到电机26的定子的绕组，以用于如上所述生成RMF。

在马达操作期间，脉冲控制器28负责选择性地向提供给电机26的三相输入功率进行脉冲控制。在常规(即连续)操作期间，输入功率的三相A、B和C是连续的(即不是脉冲式的)。在脉冲式操作期间，三相A、B和C被选择性地脉冲控制。

当电机作为发电机进行操作时，功率转换器22作为功率整流器进行操作，并且来自电机26的交流功率被转换为直流功率并被储存在直流电源24中。

描绘相A、B和C的线在两端上用箭头示出，从而指示当机器作为马达进行操作时，电流可以从功率转换器22流向电机26，或者当机器用作发电机时，电流可在相反方向上流动。

脉冲式马达控制

参考图3，其示出流程图30，该流程图示出脉冲控制器28在作为电动马达进行操作时对电机26进行脉冲控制操作的步骤。

在初始步骤32中，确定当前马达输出和当前马达速度。

在判断步骤34中，基于当前马达输出和当前马达速度确定马达应该以连续模式还是脉冲模式进行操作。换句话说，确定期望马达扭矩是高于还是低于针对当前马达速度的最有效输出扭矩范围(例如，图1示例中的47.5Nm)。

在步骤36中，如果当前马达扭矩请求高于针对当前马达速度的最有效输出扭矩，则马达以连续模式进行操作。

在可替代的步骤38中，如果当前马达扭矩请求低于针对当前马达速度的最有效输出扭矩，则马达以脉冲模式进行操作。

在步骤40中，确定脉冲模式下的操作的期望脉冲量值、占空比和频率，使得随时间推移的平均输出功率或扭矩与期望扭矩输出匹配。

在步骤42中，使用脉冲的所确定的脉冲量值、占空比和频率在脉冲模式下操作马达。

上述步骤32-42在马达操作时被连续执行。在任何给定的马达速度下，都会有对应的最有效输出扭矩，马达在该扭矩下以其最大效率或接近其最大效率进行操作。随着瞬时马达输出请求和/或当前马达速度改变，决定在适当的情况下以连续模式或脉冲模式操作马达。

从概念上讲，所期望的马达扭矩越经常低于针对当前马达速度的最有效输出扭矩，通过对马达进行脉冲控制可以改进马达的整体效率就越显著。

脉冲上升时间

当前的功率转换器通常被设计用于连续操作，而非脉冲式操作。此类功率转换器通常被要求相对不频繁地从未通电状态转变到通电状态。因此，迄今为止，在管理机器从关断时到其脉冲式导通时之间的转变时间方面几乎没有做出任何设计努力。在做出任何此类努力的情况下，重点通常是实现平稳转变，而不是快速转变。因此，对于大多数电机来说，从未通电(关断)到通电状态(脉冲式导通)的转变相对不是很快。

申请人已发现，对于频繁地从未通电状态转变到峰值效率状态的马达系统，诸如在脉冲式操作的情况下，当转变尽可能快地发生时，可以实现进一步的效率改进。利用快速转变，例如从零扭矩到峰值效率扭矩，改进了整体平均效率，因为马达在效率低于峰值的转变中花费的时间更少。这种关系在图4A和图4B中描绘。

参考图4A，其示出以固定速度(例如6000rpm)作为马达进行操作的示例性电机的扭矩与效率关系图。在示例性关系图中，沿着水平轴线绘制从0.0Nm到250Nm的扭矩输出范围，而沿着竖直轴线绘制马达从0.0％到100％的效率。曲线46描绘马达从零到峰值效率扭矩的转变。在该转变期间，如阴影区域48所描绘，马达在达到或接近如附图标记50所描绘的马达的峰值效率之前以低得多的效率进行操作。

参考图4B，提供了示出在从零到峰值效率扭矩的转变期间以固定速度操作的示例性马达的扭矩与功损耗的关系图。在该关系图中，功损耗(W)沿着竖直轴线绘制，而马达的扭矩输出沿着水平轴线绘制。如曲线52所示，在从零到峰值效率扭矩的转变期间，马达的功损耗随着扭矩输出的增加而增加。因此，从零到峰值效率扭矩的转变时间越快，所做的功就越少，并且由电动马达消耗的能量也就越少。

通过沿着水平轴线用时间代替扭矩，然后对曲线52下的面积进行积分，可以计算出给定转变时间内由电动马达消耗的能量。例如，对于示例性马达，在0.5秒的转变时间内使用7234.5焦耳的能量，而在0.05秒的转变时间内仅使用723.4焦耳的能量。这种比较表明，从零到峰值效率扭矩的转变时间越快，损耗中消耗的能量就越低。应该注意，对于该示例，假设没有发生负载的加速，则没有向负载惯性添加能量。正如通过减少上升时间来提高效率一样，通过减少脉冲下降时间也可以提高效率。

对于不同的马达，马达从零到峰值效率扭矩的转变、峰值效率扭矩和功损耗都会有所不同。因此，图4A和图4B的关系图应该仅被视为是示例性的，并且不应该被解释为在任何方面具有限制性。

升压转子电源电压

申请人发现，通过在每个脉冲开始时向转子施加升压电压，可以显著减少电机从关断状态转变到导通状态的转变时间。通过施加升压电压，由转子的电感和电阻所确定的固有接通时间被减少，允许转子的绕组迅速地通电到目标操作电流，从而比没有升压转子电压的情况更快地产生所期望的转子磁通量。通过显著减少每个脉冲从关断状态到导通状态的转变时间可以显著改进脉冲式控制电机的整体效率。

如下所述，可以通过几种不同方式中的一种生成或以其他方式提供施加到转子的升压电压。

在一个实施例中，外部电源(诸如电池或其他功率源)可以用于提供升压电压。可替代地，可以在电机内部生成升压电压。

参考图5A，其示出具有升压电路82的示例性电机80。在下面的解释中，电机80作为马达进行操作。然而，如上所述，电机80也可以作为发电机进行操作。

对于该实施例，电机80的许多现有电气部件以及一些额外部件被用于生成和储存升压电压。如下面详细描述的，在脉冲之间的关断状态期间对存储装置(诸如电容器)进行充电。然后，正当电机通过下一个导通脉冲开始转变到导通状态时，存储装置上的电荷被用于“提升”否则施加到转子的电源电压。因此，与不使用升压电压相比，转子被更快接通，显著地减少了电机从关断状态到导通状态的转变时间。由于对于该实施例来说电机80的大部分现有元件被用于生成升压电压，因此几乎“免费”实现更快转变时间的益处，在额外电路系统或组件方面的开销很小。

电机80包括功率转换器22、脉冲控制器28、具有标记为A、B和C的三个绕组的定子82、转子84，以及耦合到第一电源轨86和第二电源轨88的直流电源85(例如电池)。

功率转换器22包括三组晶体管-二极管对，分别标记为Q1-Q2、Q3-Q4和Q5-Q6。如本领域公知，三组晶体管-二极管对从直流电源85分别向定子82的三个绕组A、B和C生成三相交流功率。

如前所述，脉冲控制器28确定机器80应该在连续模式下还是脉冲模式下进行操作。如果是后者，则脉冲控制器28根据电机的当前速度和/或电机的瞬时需求等因素确定脉冲的量值、占空比和频率。作为响应，脉冲控制器28控制功率转换器22按需要选择性地向定子82的绕组A、B和C通电，以实现所期望的脉冲的量值、占空比和频率。在脉冲之间，绕组A、B和C被断电，并且电机80处于关断状态。在连续模式下，脉冲控制器28引导功率转换器22持续地向定子82的绕组A、B和C通电。

升压电路82包括整流器87、存储装置(诸如电容器C1)以及耦合在电源轨86和另一电源轨92之间的控制器90。此外，单向电流装置(诸如二极管D1)被耦合在轨86和92之间。对于该布置，二极管D1允许电流从电源轨86流向轨92，但不允许电流反向流动。

在电机80的脉冲模式操作期间，脉冲控制器28和控制器90进行协作以：(1)当电机80处于导通脉冲之间的关断状态时，将电容器C1重新充电到目标升压电压，以及(2)在下一个导通脉冲的转换变刚开始时，除了来自直流电源85的电压之外，还从电容器C1向转子84供应升压电压。通过在脉冲开始时使用额外升压电压，与如上所述没有施加升压电压的情况相比，转子84被迅速地通电并且更快地接通。

当转子迅速通电时，电容器C1上的电荷被耗尽。一旦转子84已完全通电，则其在导通脉冲的剩余部分中仅由直流电源85供电。通过这种布置，升压电压因此仅在最需要该升压电压时被施加，这意味着在每个脉冲开始时从关断状态转变到导通状态时施加该升压电压。

在每个脉冲结束时电机已从导通状态转变到关断状态之后，通过脉冲控制器28引导功率控制器22在短时间段内向定子82的绕组A、B和/C中的至少一个通电，从而在导通脉冲之间的关断状态下对电容器C1重新充电。通常，在该转变期间，绕组被简单地断电。然而，通过在转变之外向绕组A、B和/或C中的至少一个通电，并将非活动相位中的任一个切换到电源轨88上的负总线电压，当转子移动通过由定子产生的磁通时或者当相位被脉冲控制时，它在转子84中感应交流电压。作为响应，整流器87将交流电压转换为直流电压，该直流电压进而被储存在电容器C1的存储板上。一旦电容器C1上的电荷达到目标升压电压，则控制器90经由脉冲控制器28引导功率转换器22停止定子的一个或多个绕组A、B和/或C的通电。因此，一旦实现了目标升压电压的储存，则控制器90充当用于限制储存在电容器C1上的电压的电压箝位器。结果，所期望的升压电压(1)被收集并储存在电容器C1上，并且(2)对于下一个脉冲，在开始转变到导通状态时可用于转子84。

在各种实施例中，在脉冲结束后，定子82的一个或多个绕组A、B和/或C的激励可以大幅度变化。

在一个非排他性实施例中，该激励为反向正弦三相电压波形，其与在给定导通脉冲期间用于驱动电机80的波形相反。例如，如果转子84在给定导通脉冲期间以4000RPM顺时针旋转，则在给定导通脉冲结束之后，它将立即继续以该速率和方向旋转。如果在给定导通脉冲结束后以反向旋转(逆时针)4000RPM磁场故意激励定子，则净效应为转子84以8000RPM有效地旋转，这意味着转子84中感应的所得交流电压的更多极子交叉和更高频率。作为响应，由整流器87对交流电压进行整流，并且所得的直流电压被储存在电容器C1上。

在又一个实施例中，当转子84在旋转时，绕组A、B和C中的一个(或多个)可以被静态通电。结果，转子84将生成与每次极子交叉一致的交流电压。

在又一个实施例中，可以使用三相交流功率向绕组A、B和C通电，但相比于转子84的旋转处于较低的频率或速度。因此，转子将生成与每次极子交叉一致的交流电压。

应注意，本文未详尽列出用于激励绕组A、B和C中的一个或多个的所有可能实施例。因此，本文提到的那些实施例不应该被解释为在任何方面进行限制。相反，可以使用激励绕组中的至少一个(或多个)的任何实施例。然而，对于任何此种实施例，至少一个(或全部)非激励相位被选择性地切换到电源轨88上的负总线电压。

在电容器C1被充电到其目标升压电平之前，将电容器C1充电到目标升压电压的上述过程通常具有相对较短的持续时间，通常为2-3毫秒。此后，在电机80处于关断状态的剩余时间内，定子的一个或多个绕组被断电，直到下一个脉冲开始。

在各种实施例中，被收集并储存在电容器C1上的升压电压的量值可以大幅度变化。无论量值如何，升压电压都帮助减小转子84的接通时间。例如，如果直流电源85提供400伏电压，并且当电机80在脉冲之间处于关断状态时在电容器C1上收集并储存了额外的400伏电压，则在下一个导通脉冲开始时，总共有800伏电压可用。

随着下一个脉冲的开始，轨86上的直流电压和电容器C1上的升压电压在轨92上组合，并通过整流器87提供给转子84。使用上述非排他性示例中提供的电压值，向转子84提供800伏电压，而不是仅400伏电压。通过额外的400伏电压，转子84的绕组迅速通电，产生所期望的转子磁通量比仅使用电源85的400伏的情况快得多。因此，正当需要更大电压来加速转子84的接通时，升压电压是可用的。

当转子的绕组在启动过程期间通电时，电容器C1上的升压电压被耗尽，此后，一旦转子84在导通脉冲的剩余部分内实现稳态操作，则使用电源85所提供的直流电压来驱动转子84。通过该布置，升压电压仅在最需要它时被施加到转子，并且在非常短的时间段内施加。因此，与类似但未升压的电机所要求的高达10-100毫秒的启动时间相比，转子的启动时间被显著减少(例如，通常为2-3毫秒)。

应注意，给定电机的转子的接通电感通常远高于其定子，因为相对于定子来说，转子的绕组数量更大。因此，当施加到转子而不是定子时，升压电压的施加最为有利。然而，升压电压也可以类似地被施加到定子。

H桥整流器

许多电机通常依靠晶体管-二极管H桥来帮助使转子84退磁并减少反电动势(EMF)的生成。如下所述，申请人已发现，除了减少反电动势之外，此种H桥还可以被(1)用作整流器，以用于在对存储电容器C1充电时将由转子84生成的交流电压转换成直流电压，以及(2)用于提供电路路径，以用于在通电时(例如，在导通脉冲期间或在连续操作期间)向转子84供应升压电压和电源电压。

参考图5B，其示出H桥整流器94。H桥整流器94包括第一晶体管-二极管对Q7-Q8和第二晶体管-二极管对Q9和Q10。剩余元件即转子84、直流电源85、第一电源轨86和第二电源轨88、二极管D1、存储电容器C1、控制器90和轨92如上所述进行操作。此外，为了清楚起见，未示出上文关于图5A所讨论的剩余部件(例如，功率转换器22、脉冲控制器28和定子82)。

紧接着脉冲之后，H桥整流器94将由转子84生成的交流电压转换成直流电压。当交流电压为正时，与晶体管Q7和Q10相关联的二极管接通，而与晶体管Q8和Q9相关联的二极管断开。当交流电压为负时，与晶体管Q8和Q9相关联的二极管接通，而与晶体管Q7和Q10相关联的二极管断开。所得的直流电压经由电源轨92被储存在电容器C1上。当电容器C1已达到目标升压电压时，充电过程如上所述被停止，这理想地发生在转子驱动电路被禁用后的导通脉冲结束后3-5毫秒内。

可替代地，H桥整流器94还用于在每个脉冲开始时向转子84提供升压电压和电源电压。通过激活晶体管-二极管对Q7和Q10或Q9和Q8，电源轨92上的该电压被提供给转子84。优选地选择由电容器C1储存的目标升压电压，以(1)递送足够的电流，使得在尽可能短的时间内实现转子在标称操作下要求的电流，并且(2)在转子84进行标称稳态操作时，C1上的升压电压被完全耗尽，这意味着转子84仅由电源84经由轨86、二极管D1、电源轨92和H桥整流器94来通电。在正常操作期间(例如，在连续操作期间或一旦转子在脉冲期间完全通电)，转子84中的电流由本领域已知的H桥IGBT Q8或Q10的脉宽调制(PWM)驱动进行控制。

应注意，当交流到直流整流发生时，转子84被H桥整流器94有效地退磁，从而减少或消除反电动势。

如本文所述的本申请的升压电路可以用于各种各样的应用，诸如但不限于电动车辆(EV)、可变速度和负载工业马达应用，或其中可使用脉冲控制操作来实现电机的更高效率的任何其他应用。以EV为例，作为一般规则，当电动马达在每个脉冲开始时从关断状态转变到导通状态时，转变时间越快，操作效率越高。考虑到这一点，理想地选择或以其他方式定义诸如电容器C1和二极管D1等部件，以实现至少100毫秒的导通脉冲转变时间，并且如果可能，为10毫秒或甚至更小的转变时间，其中在关断时段期间转子H桥的体二极管或保护二极管充当全波整流器、升压电压监测电路系统以及定子82的相A、B和/或C的激励。为了实现这些目标，电容器C1的大小可以在从40uF或更小到100uF或更大的范围内，并且储存在其上的升压电压可以在从总线电压到不超过具有足够安全裕度的H桥部件操作极限的安全操作电压的任何电压的范围内。应该理解，本文描述的值仅是示例性的，并且在任何方面都不应该被解释为限制性的。相反，电容器C1的大小以及储存在其上的升压电压可以基于任何给定应用或环境设置而广泛变化。

脉冲控制操作

参考图6，其示出流程图60，该流程图示出用于提升施加到电机80的转子84的电源电压的步骤。

在判断步骤62中，脉冲控制器确定当前导通脉冲是否已结束。

如果当前脉冲已结束，则在步骤64中，脉冲控制器28将电机80转变到关断状态，同时使用上述实施例中的任一个或本文未列出的任何其他实施例来指示功率控制器22向定子82的一个或多个绕组通电。

在步骤66中，转子84响应于定子82的一个或多个绕组的通电而生成交流电压。

在步骤68中，整流器87或H桥整流器94将交流电压整流成直流电压。

在步骤70中，使用直流电压对存储电容器C1进行充电。

在判断步骤72中，确定电容器是否已达到目标升压电压。如果未达到该目标，则随着重复步骤66至70而继续充电。通常，重新充电到目标升压电压是迅速的，大约花费2-3毫秒。

在步骤74中，当达到目标升压电压时，定子82的定子绕组被断电。此后，定子82在关断状态的剩余部分内休眠，直到下一个导通脉冲开始。

在步骤76中，脉冲控制器28确定电机针对下一个脉冲转变到接通的时间。

在步骤78中，升压电压和来自电源85的电压之和被提供给转子，使得该转子可以迅速接通。由于升压电压消散时转子84的绕组被完全通电，因此在导通脉冲的剩余部分中只有来自电源85的电压被提供给转子84。

优选地连续重复步骤62至78。以此方式，存储电容器C1在紧接每个脉冲结束之后被连续地重新充电到目标升压电压，使得升压电压在下一个导通脉冲开始时准备好并且可用于转子。因此，对于每个导通脉冲，用于在关断状态和导通状态之间转变的时间显著减少，从而改进了电机的整体操作效率。

申请人已发现，使用如本文所述的升压电压已将从关断状态到导通状态的转变时间减少到约2-3毫秒，这是对任何非升压电机等同物的显著改进。结果，此类电机的整体效率被显著改进。

应注意，可以使用本文所述的升压来实现其他更长或更短的转变时间。如本文所述的2-3毫秒接通时间仅是说明性的，并且不应该以任何方式解释为在任何方面限制本发明的范围。

发电机操作

尽管以上描述主要针对作为马达的电机的操作。这绝不应该被解释为限制。相反，也可以在脉冲式控制操作期间将此种电机作为发电机来操作时使用如本文所述的至转子的绕组的升压电压。

电机类型

从以上描述应该明显看出，所描述的升压脉冲式机器控制可被用于各种不同的应用中，以改进各种不同类型的电动马达和发电机的能量转换效率。这些包括交流和直流马达/发电机两者。可受益于所描述的机器脉冲控制的升压实施例的几种代表性电机类型包括异步和同步交流电机两者，其包括感应电机(IM)、开关磁阻电机(SRM)、同步磁阻电机(SynRM)、永磁同步磁阻电机(PMaSynRM)、混合PMaSynRM；外部激励交流同步电机(SyncAC)、永磁同步电机(PMSM)、涡流电机、交流直线电机、交流和直流机械换向电机、轴向磁通马达等。代表性的直流电机包括无刷直流电机、电激励直流电机、永磁体直流电机、串行绕组直流电机、并励直流电机、有刷直流电机、复合直流电机等。

电机和车辆

电动车辆现在很常见，而且越来越受欢迎。据预测，在未来十年或二十年内，电动车辆将超越或完全取代传统的内燃机车辆。

对于电动车辆，提供一个或多个车载电机。当驾驶车辆时，该电机充当马达以生成扭矩，该扭矩继而用于推进车辆。在电动车辆的情况下，电机被专门用于生成所需的扭矩。该扭矩可以是推进车辆的正扭矩，或者将车辆动能转化为所储存的电能的负扭矩。对于混合动力车辆，车载电机可以被专门使用，或者可以与内燃机协同使用以推进车辆。利用再生制动，电机通常被用于将机械能转换为电能，该电能被储存在存储装置(诸如电池或电容器)中。所储存的能量可以在电机作为马达进行操作时被电机使用，或者可替代地为车辆上的其他电器(诸如空调、加热器、除霜器、各种照明系统、娱乐系统等)供电。

在车辆上利用本文所述的升压电压对车载电机进行脉冲控制有望显著提高效率。通过提高效率，可以在需要电池充电和/或需要加油之前增加车辆的续航里程，就像混合动力车辆的情况一样。

额外实施例

用于供暖、通风和空调(HVAC)应用的马达是能够从脉冲式控制中受益的应用的另一良好示例。有几个因素有助于脉冲式马达控制非常适合HVAC应用。这些包括以下事实：(a)目前在HVAC应用中使用的马达主要是不含永磁体的感应马达；(b)在HVAC应用(特别是包括变速HVAC冷凝器和/或空气处理器)中使用的马达中，有很高比例在大部分时间内在其高效区域以下的操作区中进行操作；以及(c)风扇或泵的惯性通常主导马达惯性，这往往进一步减轻与脉冲相关联的潜在NVH相关影响。

尽管仅详细描述了本发明的几个实施例，但应该理解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本发明可以以许多其他形式实现。在不同的实施例中，所描述的各种脉冲控制器和其他控制元件可以在各种不同的架构中实现、分组和配置。例如，在一些实施例中，脉冲控制器可以被结合到马达控制器或逆变器控制器中，或者其可以被提供作为单独的部件。类似地，对于发电机，脉冲控制器可以被结合到发电机控制器或整流器控制器中，并且在组合的马达/发电机中，脉冲控制器可以被结合到组合的马达/发电机控制器或组合的逆变器/整流器控制器中。在一些实施例中，所描述的控制功能可以在处理器上执行的软件或固件中以算法形式实现，该处理器可以采取任何合适的形式，包括例如通用处理器和微处理器、DSP等。

通常，脉冲式马达控制方案可以以数字形式、以算法形式、使用模拟部件或使用混合方法来实现。脉冲发电机和/或马达控制器可以被实现为在处理器上、在可编程逻辑诸如FPGA(现场可编程门阵列)上、在电路系统诸如ASIC(专用集成电路)中、在数字信号处理器(DSP)上、使用模拟部件或任何其他合适的硬件执行的代码。在某些实施方式中，所描述的控制方案可以被结合到目标代码中，以在结合到逆变器控制器(和/或发电机和/或组合的逆变器/整流器控制器的背景下的整流器控制器)中的数字信号处理器(DSP)上执行。

因此，当前的实施例应该被视为是说明性的而不是限制性的，并且本发明不限于本文给出的细节，而是可以在所附权利要求的范围和等同形式内进行修改。

Claims (23)

1.一种电机，其包括：

定子；

转子；

功率转换器，其被配置为向所述定子的一个或多个绕组通电；

脉冲控制器，其被配置为通过控制所述功率转换器选择性地向所述定子的所述一个或多个绕组通电，从而在关断状态和导通状态之间对所述电机进行脉冲控制；以及

升压电路，其被配置为当所述电机在导通脉冲之间处于所述关断状态时将升压电压储存在存储装置上，并且在所述电机从所述关断状态转变到所述导通状态期间将储存在所述存储装置上的所述升压电压提供给所述转子，

相对于在所述转变期间没有向所述转子提供所述升压电压的情况，所述升压电压使所述转子更快地接通，从而减少所述电机在从所述关断状态转变到所述导通状态期间的转变时间。

2.根据权利要求1所述的电机，其中所述转子被进一步配置为在所述电机从所述导通状态转变到所述关断状态后生成交流电压。

3.根据权利要求2所述的电机，其进一步包括整流器，所述整流器被配置为对由所述转子生成的所述交流电压进行整流并将直流电压储存在所述升压电路的所述存储装置上。

4.根据权利要求3所述的电机，其中所述整流器是H桥整流器，所述H桥整流器包括以H桥配置进行布置的四个晶体管-二极管对。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的电机，其中所述升压电路的所述存储装置是电容器。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的电机，其中所述升压电路进一步包括控制器，所述控制器被配置为一旦所述存储装置已达到目标升压电压，则在所述存储装置上箝位所述升压电压的储存，并防止所述升压电压超过所述目标升压电压。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的电机，其中所述升压电路进一步包括控制器，所述控制器被配置为引导所述功率转换器在导通脉冲之后在足够的时间段内向所述定子的所述一个或多个绕组通电，以允许将所述存储装置充电到目标升压电压。

8.根据权利要求7所述的电机，其中使用以下方式中的一种向所述定子的所述绕组中的所述一个或多个通电，直到所述存储装置被充电到所述目标升压电压：

(a)反向多相正弦电压波形，其与在给定导通脉冲期间用于驱动所述电机的波形相反；

(b)静态地；或

(c)使用与所述转子的旋转相比不同的频率或速度进行通电。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的电机，其中所述升压电路进一步包括控制器，所述控制器被配置为：

当所述电机处于所述关断状态时，通过引导所述功率转换器向所述定子的所述一个或多个绕组通电，使所述转子在所述导通脉冲之间生成交流电压；以及

一旦所述存储装置被充电到所述目标升压电压，则通过引导所述功率转换器停止向所述定子的所述一个或多个绕组通电来停止所述转子生成所述交流电压，直到所述电机开始转变到下一个导通脉冲。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的电机，其中所述定子、所述转子和所述功率转换器电耦合在第一电源轨和第二电源轨之间，并且通过直流电源在所述第一电源轨上提供电源电压。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的电机，其中所述定子具有三个绕组，并且所述功率转换器提供：

当所述电机处于所述导通状态时，在所述导通脉冲期间至所述定子的所述三个绕组的三相供电；以及

当所述电机处于所述关断状态时，在所述导通脉冲之间至所述转子的所述绕组中的所述一个或多个的选择性供电。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的电机，其中所述升压电路包括耦合在所述转子和所述存储装置之间的整流器。

13.根据权利要求1至13中任一项所述的电机，其中所述升压电路包括控制器，所述控制器被配置为在所述电机的所述导通脉冲之间的所述关断状态下控制所述存储装置的重新充电，并且在已达到所述目标升压电压时停止所述存储装置的所述重新充电。

14.根据权利要求1至14中任一项所述的电机，其中所述升压电路保持储存在所述存储装置上的所述升压电压，所述存储装置与向所述功率逆变器提供电源电压的电源轨电隔离。

15.根据权利要求1至15中任一项所述的电机，其中在所述电机从所述关断状态转变到所述导通状态期间施加到所述转子的所述升压电压帮助克服所述转子的接通电感，使得所述转子能够相对于所述升压电压未被施加到所述转子的情况更快地接通。

16.一种用于控制电机的脉冲式操作的方法，所述方法包括：

当对所述电机进行脉冲式导通时，当所述电机从关断状态转变到导通状态时，向所述电机的转子施加第一电压；以及

当对所述电机进行脉冲式导通时，当所述电机从所述关断状态转变到所述导通状态时，向所述电机的所述转子施加额外升压电压，

所述额外升压电压帮助克服所述转子的接通电感，使得所述转子能够相对于所述升压电压未被施加到所述转子的情况更快地接通。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述升压电压通过以下方式生成：

当处于所述关断状态时，感应所述转子以在所述电机的导通脉冲之间生成交流电压；

将所述交流电压整流为直流电压；以及

当所述电机处于所述关断状态时，在所述导通脉冲之间将所述直流电压储存在存储装置上，

其中在所述存储装置上储存的直流电压被用作所述电机从所述关断状态转变到所述导通状态期间的所述升压电压。

18.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括当所述存储装置已达到目标升压电压时停止所述存储装置上的所述直流电压的储存。

19.根据权利要求18所述的方法，其中由于所述存储装置已达到所述目标升压电压而停止所述存储装置上的所述直流电压的所述储存发生在三(3)毫秒或更短的时间内。

20.根据权利要求16至19中任一项所述的方法，其进一步包括：

(a)当所述电机处于导通脉冲之间的所述关断状态时，向定子的至少一个绕组通电；

(b)当所述电机处于导通脉冲之间的所述关断状态时，响应于所述定子的所述至少一个绕组的所述通电，在所述转子中生成交流电压；

(c)将所述交流电压整流为直流电压；以及

(d)将所述直流电压储存在存储装置上，当对所述电机进行脉冲式导通时，当将所述电机从所述关断状态转变到所述导通状态时，所述存储装置上的所述直流电压被用作施加到所述转子的所述升压电压。

21.根据权利要求20所述的方法，其进一步包括当所述存储装置已被充电到目标升压电压时终止(a)至(d)。

22.根据权利要求20所述的方法，其中当所述电机处于所述导通脉冲之间的所述关断状态时，定子的至少一个绕组的所述通电包括以下方式中的一种：

(a)反向正弦电压波形，其与在给定导通脉冲期间用于驱动所述电机的波形相反；

(b)静态地；或

(c)使用与所述转子的旋转相比不同的频率或速度进行通电。

23.根据权利要求16至22中任一项所述的方法，其中用所述升压电压接通所述转子发生在三(3)毫秒或更短的时间内。