CN103782502B - 电机夹紧系统 - Google Patents

Abstract

一种电机系统具有：电源；与所述电源连接的电机；由所述电机驱动的物体，其具有一定运动范围和在所述运动范围内的基本上中立的位置；功率传感器，其被构造成感测来自所述电源的功率；位置传感器，被构造成感测所述物体在所述运动范围的至少一部分中的位置；储能器；与所述电源和所述储能器连接的控制器；所述控制器构成并且布置成根据所述位置传感器、所述中立位置和所述功率传感器制动所述电机。

Description

电机夹紧系统

技术领域

本技术领域涉及动态再生的电机制动系统，更具体地说涉及改进的电机制动系统。

背景技术

已知有几种机电制动系统。例如，美国专利申请文献No.2006/0108867涉及可以用在飞机制动系统中的机电制动器，其具有电能备用装置和再生能量回收装置。根据该文献，在电源电压下降至低于所存储的电能电位时采用电容器来存储用于控制器的能量，并且从用于所存储的能量供应源的促动器回收再生能量。

美国专利No.3，975，668教导了在三相电机中采用动态制动，其中电机的线圈按照六个绕组三角形结构连接，并且在该结构的两个中心抽头之间施加直流制动电流。

美国专利No.4，831，469涉及用于磁盘驱动头的制动方法，其具有用于存储能量的电容器以便在功率损耗时重新作用并且制动电机。

发明内容

在给所披露的实施方案的相应部件、部分或表面作附带说明，仅仅为了例举说明而不是进行限制的目的，提供了一种电机系统(110，210，310)，包括：电源(112，212)；与所述电源连接的电机(111，211，311)；由所述电机驱动的物体，其具有一定运动范围以及在所述运动范围内的基本上中立位置(134)；功率传感器(114)，其被构造成感测来自所述电源的功率；位置传感器(115)，被构造成感测所述物体在其运动范围的至少一部分中的位置；储能器(123，223)；以及与所述电源和储能器连接的控制器(122，222)，所述控制器构成并且布置成根据位置传感器、中立位置和所述功率传感器来制动所述电机。

所述控制器可被构造成动态制动所述电机。所述系统还可以包括与耗散电阻器(R2)串联的耗散开关(SW2)，其中所述控制器被构造成操作所述耗散开关，从而用所述耗散电阻器来消耗来自所述电机的能量。

所述控制器可以被构造成再生制动所述电机。所述电机系统还可以包括切换网络(219)，其中所述控制器被构造成操作所述切换网络，从而来自所述电机的能量用来在所述储能器没有完全充电时给所述储能器充电。所述切换网络可以包括呈H形桥结构的六个开关元件。在所述切换网络中的所述开关元件可以包括IGBTs或MOSFETs。所述储能器可以为电容器(C1)或电池。

所述控制器可以被构造成主动制动所述电机。所述控制器还可以包括单独的制动促动器(229)。所述电机系统还可以包括切换网络，所述切换网络可以包括呈H形桥结构布置的六个开关元件。在所述切换网络中的所述开关元件可以包括IGBTs或MOSFETs。

所述控制器可以被构造成选择地主动制动、动态制动或再生制动所述电机。所述电机系统还可以包括切换网络和耗散电阻器，其中所述控制器被构造成操作所述切换网络，从而来自所述电机的能量选择地由所述耗散电阻器消耗，或者用来在所述储能器没有完全充电时给所述储能器充电。所述切换网络可以包括呈H形桥结构布置的六个开关元件。在所述切换网络中的所述开关元件可以包括IGBTs或MOSFETs。

所述电机系统还可以包括电源整流器(218)。所述电源整流器可以包括全波二极管整流器。

所驱动的物体可以包括在飞机机翼(265)上的飞机扰流板(216)。所述中立位置(234)可以为其中所述扰流板(216)偏离机翼表面(227)大于4度的位置。所驱动的物体可以包括在发电涡轮机(310)上围绕着变桨轴线(396)驱动的涡轮机叶片(316)。所述电机可以包括涡轮机叶片的节距控制电机。所述中立位置可以为涡轮机叶片薄边位置。

所述位置传感器可以包括编码器、解码器或LVDT。所述功率传感器可以包括电压传感器或FPGA有效性传感器。所述电源可以包括三相AC电源。

所述电机系统还可以包括输出滤波器(272)。所述输出滤波器可以包括共模滤波器(273)或者差模滤波器(274)。所述电机系统还可以包括输入滤波器(252)。所述输入滤波器可以包括共模滤波器(253)或者差模滤波器(254)。所述电机系统还可以包括软启动开关(SW1)。

在另一个方面，提供了一种驱动电机的方法，该方法包括以下步骤：提供外部电源输入；提供位置传感器信号输入；提供具有开关门的切换网络；提供用于与电机连接的电机接口；提供控制器；提供储能器接口；监测所述外部电源输入；并且根据所述位置传感器输入和所述外部电源输入操作所述开关门以接收来自所述电机接口的功率。

操作所述开关门的步骤可以包括在所述电源输入下降至低于电压阈值并且所述位置传感器信号输入低于位置阈值时操作所述开关门以接收来自所述电机接口的功率。

所述方法还可以包括提供耗散电阻器接口的步骤，所述方法还可以包括根据所述储能器接口是否完全充电来选择地将所接收的功率引导至所述储能器接口或所述耗散电阻器接口。

所述方法还可以包括根据所述位置传感器输入和所述外部电源输入来使用来自所述储能器接口的功率主动制动所述电机。使用来自所述储能器接口的能量主动制动所述电机的步骤可以包括在所述位置传感器输入信号的变化速度低于速度阈值、所述电源输入下降至低于电压阈值并且所述位置传感器信号输入低于位置阈值时主动地制动所述电机。操作所述开关门的步骤包括在所述位置传感器输入信号高于速度阈值、所述电源输入下降至低于电压阈值并且所述位置传感器信号输入低于位置阈值时接收来自所述电机接口的功率。所述方法还可以包括提供耗散电阻器接口的步骤。所述方法还包括根据所述储能器接口是否完全充电来选择地将所吸收的能量引导至所述储能器接口或所述耗散电阻器接口。

所述本地储能器接口可以被构造成与电容器或电池连接。所述方法还可以包括提供电源整流器并且将在所述电源输入上的AC电压转换成DC电压的步骤。所述电源整流器可以为全波二极管整流器。所述方法还可以包括提供软启动开关的步骤。所述位置传感器信号输入可以被构造成与编码器、解码器或LVDT连接。

所述电机接口可以被构造成与飞机机翼的扰流板促动器连接。所述电机接口可以被构造成与所述风力涡轮机的节距控制电机连接。

所述外部电源输入可以被构造成三相AC电源。所述方法还可以包括对在所述外部电源输入上进入的信号进行滤波或对在所述电机接口上输出的信号进行滤波的步骤。所述方法还可以包括提供制动促动器接口的步骤。

在另一个方面，提供了一种用于电机的驱动器，包括：外部电源输入；功率传感器，其具有输出并且被构造成监测所述外部电源输入；具有输出的位置传感器；AC-DC电源整流器；具有开关门的切换网络；用于与电机连接的电机接口；控制器，被构造成监测所述功率传感器输出和所述位置传感器输出，并且被构造成操作所述开关门；用于暂时供电的本地储能器接口，其中所述控制器被构造成操作所述开关门，从而根据所述功率传感器输出和所述位置传感器输出从所述电机接口接收回收的能量。

所述驱动器还可以包括耗散电阻器接口。所述控制器可以被构造成将来自所述电机接口的能量引导至所述耗散电阻器接口。所述控制器可以被构造成操作所述切换网络，从而在与所述本地储能器接口连接的本地储能器没有完全充电时将来自所述电机接口的能量选择地引导至所述耗散电阻器接口或所述本地储能器接口。

所述控制器可以被构造成将功率从所述电机接口引导至所述本地储能器接口。所述驱动器还可以包括制动促动器接口。所述控制器可以被构造成操作所述切换网络，从而将来自所述本地储能器接口的能量引导至所述制动促动器接口。

所述切换网络可以包括呈H形桥结构布置的六个开关元件。所述开关元件可以包括IGBTs或MOSFETs。

所述控制器可以被构造成选择地主动制动、动态制动或再生制动与所述电机接口连接的电机。所述控制器可以被构造成操作所述切换网络，从而在与所述本地储能器接口连接的本地储能器没有完全充电时将来自所述电机接口的能量选择地引导至所述耗散电阻器接口或所述本地储能器接口。

所述驱动器电源整流器可以包括全波二极管整流器。所述驱动器还可以包括输出滤波器。所述输出滤波器可以包括共模滤波器或差模滤波器。所述驱动器还可以包括输入滤波器。所述输入滤波器可以包括共模滤波器或差模滤波器。所述驱动器还可以包括软启动开关。

附图说明

图1为电机系统的第一总体实施方案的高水平目标图表。

图2为电机系统的第二机翼扰流板控制实施方案的高水平目标图表。

图3为在图2中所示的机翼扰流板系统的示意图。

图4为在图2中所示的机翼扰流板系统的侧视图。

图5为处于中立位置中的在图2中所示的机翼扰流板系统的侧视图。

图6为在图2中所示的机翼扰流板系统的内部物理布置的目标图表。

图7为电机系统的第三风力涡轮机的节距控制实施方案的透视图。

图8为在图7中所示的风力涡轮机节距控制系统的内部物理布置的局部透视图。

具体实施方式

起初，应该清楚理解的是，在这几个附图中相同的附图标记用来表示相同的结构元件，通过整个书面说明书可以对这些元件、部分或表面作进一步说明或描述，其中该详细的说明书是整体组成部分。除非另外指出，这些附图用来与说明书一起阅读(例如剖面线、部件的布置、比例、程度等)，并且被认为是整个书面说明书的一部分。如在下面的说明书中所使用的一样，术语“水平”、“竖直”、“左边”、“右边”、“上”和“下”及其形容词和副词派生词(例如“水平地”、“向右地”和“向上地”等)仅仅指的是在特定附图面向读者时所示结构的取向。同样，适当的时候，术语“向内地”和“向外地”通常指的是表面相对于其延伸轴线或旋转轴线的取向。

下面的定义用来解释在这里所述的实施方案。动态制动是例如与耗散电阻器连接或“短接”的过程，例如电机的输入端子使得电机动能转变为热能因此使得电机减速。

再生制动为通过使得电流由电机驱动回到储能装置中来将来自电机的能量(通常为电机或系统动能)转移到储能装置的过程。

主动制动为使用电源来与其当前转动方向相反地驱动电机或者驱动与电机连接的单独制动促动器。

惰力运转为使得电机的输入端子断电的过程，从而使得其电压浮动，并且防止电能通过输入端子进入或离开电机。

切换网络为用于控制在至少两个端子之间的电流量的一组电气或机械装置，其示例包括IGBT H桥、MOSFET H桥、继电桥或其它类似的装置。

控件或控制器为数字装置，其具有作为其输出线路的逻辑函数的输出线路，其示例包括微处理器、微控制器、场可编程门阵列、可编程逻辑装置、特定用途集成电路或其它类似的装置。

功率传感器为用于测量电气系统的功率的电气或机械装置，其示例包括电压传感器、电流传感器、具有电压和电流传感器两者的装置或其它类似的装置。

制动开关为用于控制到达制动机构的电流的装置，其示例包括通用晶体管、IGBT、MOSFET、继电器或其它类似机械式或半导体装置。

电源为AC或DC电源。

位置传感器为用于测量位置或位置的导数或距离物体的距离的电气装置，其示例包括编码器、解码器、线性可变差动变压器、可变电阻器、可变电容器、激光测距仪、超声波距离检测器、红外距离检测器或其它类似的装置。

储能器为用于存储能量的装置，其示例包括电容器、电池、感应器、飞轮或其它类似的装置。

现在参照这些附图，并且更具体的参照图1，本发明提供了一种电机系统，其第一实施方案用110表示。如所示一样，电机系统110通常包括电源112、功率传感器114、储能器123、控制器122，切换网络119、电机111、受驱动物体116和物理边界127。

电源112给系统提供电能。在该实施方案中，电源112为DC电源。但是，可以采用AC电源作为替代。电源112与本地储能器123连接。

在该实施方案中，储能器123为电容器。可选的是，可以采用电池或感应器。由电源112提供的能量由功率传感器114测量出。在该实施方案中，功率传感器112为电压传感器。但是，可以采用电流传感器作为替代。

储能器123通过共同的电源线133与切换网络119连接。切换网络119控制着进出以及在电机111的端子之间的能量流。切换网络119的操作由与控制器122连接的控制输入端控制。切换网络119被构造成通过动态制动电机111来将电机111的各个端子相互连接。在该实施方案中，切换网络119由IGBT构成。但是，也可以采用继电器或MOSFET来构成切换网络119作为替代。

电机111通过促动器113与受驱动物体116机械连接。促动器113可以包含有齿轮、螺杆驱动装置或其它类似的装置。物体116具有一定可动范围，这可能由物理边界127限定。还有，在物体116的运动范围内具有基本上中立范围或位置134。在物体116停靠在中立范围134中时，物体116不会倾斜运动。物体116在其位置处于中立范围134外面时更容易受到作用在其上的外力。

位置传感器115测量在物体116和物理边界127之间的距离125。在该实施方案中，位置传感器115为线性可变差动转换器(“LVDT”)。但是，也可以采用编码器、解码器、激光测距仪、超声波距离检测器、可变电阻器、红外距离检测器或其它类似的装置作为替代。

位置传感器115与控制器122连接。在该实施方案中，控制器122为场可编程门阵列(“FPGA”)。但是，可以采用可编程逻辑装置(“PLD”)、微处理器、微控制器或其它类似的装置作为替代。控制器122具有用来接收位置传感器115的输出信号的输入端和用来接收功率传感器114的输出信号的输入端。控制器122还控制着与切换网络119连接的控制线路。通向切换网络119的控制线路可以为单根导线、多根导线或无线。与控制器112连接的还有指令接口132。存储器128存储着几个操作变量的数值，包括中立范围上限值124、电源阈值135、中立位置阈值136和储能器阈值137。将控制器122编程为如下所述一样操作。

在电源故障的情况下，系统110在处于更安全的位置中时制动受驱动物体116。更具体地说，在电源112出故障时，在受驱动物体116接近中立范围134或在其之内时，切换网络119被构造成动态制动电机111。由于储能器123只具有足够能量来临时控制切换网络119，所以控制器122被构造成只有在出现电源故障时以及在受驱动物体116靠近中立范围134或在其之内时才控制切换网络119进行动态制动。

如上所述，物体116具有由物理边界127限定的运动范围。如果物体116用太大的力接触物理边界127，则物理边界127和受驱动物体116会受损。这种碰撞也会损坏电机111或促动器113。如果在受驱动物体116正在运动期间，切断给电机111的供电，则受驱动物体116惯性运转，从而可能会与物理边界127碰撞。另外，即使在没有给电机111供电时受驱动物体116没有运动的情况下，如果物体116没有处于中立范围134内，则它会中止被外力加速，并且以过大的力接触边界127。

如图1所示，储能器123沿着共同的电源线133与电源112连接。在电源112正确工作期间，将储能器123充电至电源112的电压。在电源出故障的情况下，储能器123将临时保持在共同电源线133上的电压，同时能量由控制器122和切换网络119消耗。

控制器122从共同电源线133接收操作所需的能量。控制器122具有内部传感器以监测在共同电源线133上的电压水平。共同电源线133还给切换网络119提供电能。电机111所用的功率间接由共同电源线133通过切换网络119提供。

电源112的电压由功率传感器114测量，并且来自电源传感器114的输出由控制器122读取。位置传感器115测量出在物体116和边界127之间的距离125，并且位置传感器115的输出由控制器122读取。

控制器122给切换网络119发送控制信号。例如，正向控制信号将使得切换网络119按照让电机111向前运动的方式使得电机111与电源线133连接。同样，反向控制信号将使得切换网络119按照这样一种方式使得电机111与电源线133连接，从而使得电机111反向运动。再生信号将使得电机111的驱动端子按照这样的方式连接，使得能量被从电机中接收并且存储在电源123中。惰性运转信号将使得切换网络119使得电机111的驱动端子断开，并且让其电压能够浮动。动态制动信号将使得电机111的驱动端子相互连接，从而电机的动能以热量形式消耗。通过迅速地在惰性运转信号和正向、反向或再生信号之间切换，控制器122能够调节电机111的时间平均驱动或再生水平。作为可选方案，优选的是，通过切换网络119的特定电路实施方案是将浮动和再生组合成单个模式(例如在采用具有惰性运转二极管的IGBT桥)。可以按照多种方式来制动电机111，包括通过将电机111被构造成将能量再生到储能器123中、通过驱动电机111沿着与其转动方向相反的方向运转(适当时沿着正向或反向的方向)或通过动态制动。

在位置传感器115、控制器122、切换网络119、电机111和受驱动物体116之间形成反馈回路。在正常操作情况下，控制器122调节提供给切换网络119的控制信号以便使得位置传感器115的输出与所期望的设定点匹配。对于反馈回路可以任选采用与位置传感器115不同的传感器，例如与电机111连接的解码器。

指令接口132给控制器122提供高水平位置或运动指令。例如，指令接口可以为命令控制器122以使得受驱动物体116运动到特定位置。随着在接口132处的命令改变，控制器122将调节所期望的设定点，并且反过来改变发送给切换网络119的控制信号。

控制器122通过将功率传感器114的读数与功率阈值135相比较来确定什么时候出现电源故障。如果电源传感器114的输出小于功率阈值135，则确定出现电源故障。在电源出故障的情况下，在储能器123中只有有限的电源，这可以用来给控制器122供电，操作切换网络119或促动电机111。在储能器123的能量耗尽时，在共同电源线133上的电压将下降，并且电机111、切换网络119和控制器122不能工作。

在功率传感器114的读数下降至低于功率阈值135时，则控制器122将根据来自接口132的命令停止，并且将给切换网络119发送惰性运转信号，从而电机111将不会消耗任何能量，并且切换网络119将消耗最少的能量。

控制器接着将智能地确定什么时候要制动电机111，从而使得物体116碰撞边界127的机会最小化。更具体地说，将只有在电源112已经小于阈值电压并且位置传感器115指出物体116处于中立范围134的阈值136内时才促动制动。控制器122将位置传感器115的输出与中立范围的上限值124比较，并且确定物体116的位置是否落入在中立范围134的阈值136内。这是通过确定位置传感器115的输出和中立范围上限值124的差的绝对值(“ABS”)是否大于位置阈值136来实现的。控制器122还测量出在共同电源线133上的电压，并且在共同电源线133的电压低于储能器阈值137的情况下防止启动动态制动。总之，控制器122评估逻辑函数：

IF(功率传感器114的输出<电源阈值135)

AND(共同电源线133的电压>储能器阈值137)

AND(ABS(位置传感器115的输出-中立范围上限值124)<位置阈值136)，

THEN给切换网络119发送制动信号。

在该实施方案中所采用的制动信号为动态制动信号。作为系统110操作的第一实施例，在物体116远离中立范围134时认为电源112出故障。在该情况下，控制器122将检测出功率传感器114的输出已经下降至低于电源阈值135。但是，由于位置传感器115的输出表示在物体116和中立范围上限值124之间的距离125大于中立位置阈值136，所述控制器122将不会给切换网络119发送动态制动信号。因此，在储能器123内的能量这时不会被切换网络119消耗。物体116由于外力现在会朝着边界127加速。制动开关131将不会促动直到物体116到达中立位置134的位置阈值136范围内。在促动制动开关131之后，储能器123将给主动制动器129提供能量，这将使得物体116的运动迅速停止并且开始迅速消耗在储能器123中的能量。

通过将控制器122被构造成在促动制动器之前等待直到物体116靠近中立范围134，从而在物体116处于危险(非中立)位置时不消耗储能器。由于在物体116靠近中立范围134时促动制动器，所以物体116在停止时应该基本上保持不动，并且将不需要进一步的能量来制动物体116。

与系统110如何操作相反，如果在物体116远离中心范围134期间一旦能量损失就立即促动制动，则物体116将停止在范围134之外。但是一旦储能器123能量耗尽，控制器122和切换网络119将不再工作，将不再施加制动，并且因为物体116没有处于中立范围134中，所以物体116将开始由外力加速，从而可能以过大的力接触边界127。

作为更具体的实施例，可以利用系统110来控制在电车的制动。在该实施例中，电车为受驱动物体116，并且位置传感器115为陀螺仪，表示电车相对于水平的倾斜度或斜度。中立范围134为电车几乎没有倾斜地(-3度至+3度角度斜度)位于轨道上的时候。电源112为在电车轨道上方延伸的电车电线。电车具有小型应急电池作为储能器123。

考虑这样一种情况，其中在轨道上方延伸的电车电线在电车运动期间突然切断。应急电池只具有足以将电车制动一次的能量。在该情况下，系统监测轨道的斜度，并且只有在斜度接近零时才制动。在电车到达轨道的平坦部分时，采用来自电池的电能接合这些制动器，并且电车停止。由于电车停止在轨道的平坦部分上，所以即使在电池耗尽的情况下它仍将保持不动。

如果在电车在山上期间接合制动器，则电车将停止在山上。一旦电池耗尽，制动器将停止工作。由于电车仍然在山上，所以它将开始加速，从而可能穿过轨道的平坦部分并且撞击物理阻挡物。

系统110可以修改为采用除了刚才动态制动之外的制动方案。例如，在高转速下可以采用再生制动以将系统动能转移到储能器123中。但是，再生制动在较低的电机速度下不会良好工作。在低速下，利用适当地提供给切换网络119的正向或反向信号通过沿着与转动方向相反的方向驱动电机111来主动制动电机111。电机111的这种反向驱动对于低转速而言是合适的，在该情况下动态和再生制动不会有效工作。另外，可以将单独制动系统与电机111连接，并且在期望制动时可以主动地接通。

另外，在动态制动时，代替仅仅将电机111的端子短接在一起来使得热量在电机111的内部电阻中散发，可以采用耗散电阻器。在这种结构中，在期望动态制动时，电机111的端子在耗散电阻器上连接，这构成为将系统动能转变成热能。耗散电阻器被构成为比电机111的线圈更迅速地耗散能量。

图2为高水平目标图表，显示出电机系统的第二实施方案210，它具体构造用于机翼扰流板系统。如图2所示，系统210具有几个未在系统110中显示出的特征。AC电源212与输入滤波器252连接。电流传感器214布置成测量来自AC电源212的电流。输入滤波器252与二极管整流器218连接，该二极管整流器与储能器223连接。功率耗散器259与切换网络219连接。来自储能器223的DC线路由线路257a和257b所表示，它们与控制器222连接。功率耗散器259在储能器223和切换网络219之间布置在DC线路上。切换网络219提供三个相位221a、221b和221c，它们在通向电机211之前穿过输出滤波器272。切换网络219如所示一样从控制器222接收其门控信号。流经相位线路221a、221b和221c的电流由电流传感器264测量出。解码器275与电机211连接。电机211通过促动器228与机翼扰流板216连接(在图4中所示的)。位置传感器215安装在机翼扰流板216上。解码器275和位置传感器215给控制器222提供其输出信号。存储器217存储用于控制器222的几个参数。所存储的参数包括DC阈值291、最小再生速度292、动态制动电流阈值293、中立位置值224、功率阈值235和中立位置阈值236。

图4显示出系统210在机翼265中的物理布局。电机211通过促动器228与机翼扰流板216机械连接以控制位置225。如下面所述一样，系统210被构成为防止扰流板216以过大的力接触机翼表面227或促动器228的物理界限。图5显示出在机翼扰流板216处于其中立位置234时的系统210。

图3为系统210的电气方框图，显示出图2的方框图的更多的实施细节。AC电源212为与三根电源线连接的三相AC电源。电源开关251与电源线串联布置，并且使得电源212的每个相位(电线)与系统的其余部分连接或断开。布置在电源线上的电流传感器214实现为霍尔效应电流传感器。电流传感器214每个都具有与控制器222连接的输出信号，它在电源线的相应相位中提供电流的幅值。如图3所示，电源线与输入滤波器252连接。滤波器252具有共模滤波器段253和差模滤波器段254。电源线接着连接至整流器218。

如图3所示，整流器218实现为具有六个二极管的全波二极管整流器。但是，如本领域技术人员将知道的一样，可以采用有源或无源电压整流实施方案。整流器218将三相AC电能转变为具有两个DC干线的DC信号，包括正干线255a和负干线255b。DC干线255a和255b与储能器223连接。如所示一样，储能器223实现为在DC干线255a和255b上与软启动开关SW1串联连接的电容器C1。正DC总线257a与正DC干线255a连接。负总线257b与在电容器C1和开关SW1之间的端子连接。如所示一样，DC总线257a和257b的电压由控制器222通过电压检测线258a和258b监测。

功率耗散器259连接在DC总线257a和257b上。功率耗散器259包括在DC总线257a和257b上与开关SW2串联连接的功率耗散电阻器R1。切换网络219与功率耗散器259并联连接。

在该实施方案中，如所示一样，切换网络219实现为具有三个电容器的六IGBT H桥。但是，本领域技术人员将认识到，很容易用不同的切换网络实施方式来代替所示的实施方式。每个开关门与控制器222连接并且由它控制。切换网络219提供三相输出，其与输出滤波器272连接。输出滤波器272具有差模滤波器段274，之后跟着共模滤波器段273。

如图3所示，电流传感器264与来自输出滤波器272的输出电源线连接。电流传感器264实现为霍尔效应电流传感器，并且将其信号提供给控制器222。输出电源线与电机211的三个端子连接。电机211为三相DC电机。电机211通过具有机械连接件和齿轮的促动器与机翼扰流板216机械连接。

图6显示出电机211如何与扰流板216的面板表面连接的另一个视图。布置在电机211的输出轴上的解码器275测量电机211的转子的转动角度。在电机211和扰流板216之间布置在机械连接件上的LVDT215有效地测量出扰流板216相对于机翼265的位置。如图4所示，LVDT 215测量在扰流板216和机翼表面227之间的距离225。回过来参见图3，控制器222接收来自LVDT 215和解码器275的输入信号。控制器222被编程为如下面所述操作。

通常，系统210将在电源出故障的情况下智能动态制动电机211，以便使得扰流板216以过大的力接触机翼表面227或系统的机械止动件的机会最小。更具体地说，由于储能器223只可以具有足以暂时动态制动系统的能量，所以控制器222构成为仅仅在电源出故障的情况下并且在扰流板216接近机翼表面227时动态制动系统。在扰流板216靠近机翼表面227停止时，它处于大体上中立的位置，并且更不容易在飞行时由在机翼265上的风力加速。一旦储能器223耗尽能量，则控制器222和切换网络219不能再被供电，因此电机211不能动态制动。通过在动态制动之前等待直到扰流板216接近机翼表面227，从而在本地电源耗尽时，扰流板216留在危险的非中立位置中的机会降低。

如图3所示，外部电源212为三相AC电源。电源212与系统的其余部分的连接由电源开关251控制。一旦开关251接通，则前面正在感测零电流的电流传感器214开始感测流向系统其余部分的电流。滤波器252从电磁干扰或其它噪声源在电源线上进入的共模和差模噪声。

整流器218将从滤波器252输出的AC电源转变为DC电源。与R1并联的开关SW1用作软启动机构。开关SW1在系统断电时为缺省断开(非导电)。由于SW1断开，所以电流流经R1以给C1缓慢充电。在一段时间之后，在C1基本上充满之后，SW1接通，从而使得电流绕过R1，这将不再消耗电能。开关SW1在正常操作期间保持接通。通过在将开关SW1接通中的这段时间，使得在电源接通时的电流浪涌最小。

切换网络219从DC总线257a和257b接收电能。切换网络219由控制器222控制以在至少三种不同模式中操作：再生；主动驱动和动态夹紧。在主动驱动期间，控制器222利用脉冲宽度调制，即控制器222以脉冲的方式使得在切换网络219中的开关接通和断开，以便为电机211的三个端子中的每一个产生出所期望的驱动电流信号。这样，可以按照受控的力矩或速度正向或反向驱动电机211。

在再生期间，控制器222使得在切换网络219中的每个开关断开。由于二极管在切换网络219中的取向，在处于这个模式中的期间，电流只能从电机线圈流出以再生充电进DC总线257a中，从而从负DC总线257b返回。如果电机211的速度足够低，使得后EMF小于DC总线电压，则再生电流将不会在电机211的线圈和开关网络219之间流至任意明显的程度。但是，如果电机速度提高至这样一个速度，使得后EMF超过DC总线电压，电流将在电机211、开切换网络219和DC总线之间流动。在后EMF大于DC总线电压期间，该系统将再生制动，从而将电机211的动能传输到DC总线中，在那里它将由储能器223收集为电能。该自动再生制动将持续直到后EMF不再超过DC总线电压。

控制器222通过电压检测线258a和258b主动地监测DC总线电压。如果DC总线电压超过设定阈值，则通常断开的开关SW2接通，从而使得电流从正DC总线257a流经耗散电阻器R2，经过开关SW2，并且流向负DC总线257b，从而降低了DC总线电压电位。该阈值设定为防止DC总线电压超过安全限值，否则这会对储能器223或其它系统部件造成损坏。接通开关SW2使得能量从DC总线耗散成在电阻器R2中的热量。在R2中消耗的能量可以来自储能器223、电机211或这两者的组合。

在动态夹紧模式期间，控制器222接通在切换网络219中的所有顶部开关(或者可选的是所有底部开关)，从而使得三个电机线圈211有效地使得电流短路。如果在将切换网络设置成动态夹紧模式时电机222正在转动，则后EMF通过短路电路线圈产生出急速的电流。该电流产生出沿着与转动方向相反的方向的电机力矩，这使得电机迅速减速。能量主要以热量形式在电机211的线圈的内部电阻以及当前路径的电路中消耗。在动态夹紧期间，即使电机211没有从DC总线接收能量，控制器222也会从DC总线接收能量。用于切换在切换网络219中的开关并且保持这些开关打开的能量也由DC总线提供。在动态夹紧期间，如果来自AC电源212的能量存在损失，则随着控制器222和切换网络219从DC总线接收能量，储能器223能量被消耗。因此，在假设储能器223的尺寸的情况下，则只能将动态夹紧一直保持到在外部AC电源212的损失之后将该所存储的能量耗尽。

在电源212出故障的情况下，在由控制器222读取的电流传感器214的输出信号中感测出该故障。一旦感测到AC电源212的故障，则控制器222通过断开在切换网络219中的所有开关来命令切换网络219进入再生模式。这使得从DC总线吸取的能量最小，并且使得电机再生能量能够供应储能器223。控制器222现在监测位置传感器215以确定电机211是否应该动态制动。更具体地说，控制器222遵循以下逻辑函数：

IF(电流传感器214的输出<电源阈值235)

AND(ABS(位置传感器215的输出-中立位置数值224)<位置阈值236))

THEN将切换网络219设置到动态制动模式中。

这样，增加了在储能器223上的消耗的动态制动延迟直到位置传感器215指示机翼扰流板216处于中立位置(例如在扰流板伸展小于4度时)。在大约2kHz的采样速度下来评估上面的逻辑函数。

例如，认为在扰流板216伸展40度时出现外部AC电源故障。采用4度的中立位置阈值236，由于这与中立位置值224(零度)非常接近，从而使得扰流板216在受制动时停止，并且也足够接近中立位置224，即扰流板216在处于该范围中时不会被风力加速。控制器222感测外部AC电源的损失，并且通过切断在切换网络219中的所有开关来立即使切换网络219进入再生模式。控制器222接着开始反复监测扰流板位置传感器215。由于位置传感器215将首先向控制器222指出扰流板216伸展40度，所以控制器将计算出，位置传感器输出215(40度)大于比中立位置数值224(零度)更大的位置传感器阈值224(4度)。控制器222将继续进行这种比较，从而只要位置传感器215的输出大于4度就让切换网络219处于惰性运转模式。同时，由于切换网络219处于再生模式，从而使得电机211惰性运转，所以扰流板216在风力作用下朝着机翼表面227加速。在该时间期间，储能器223由于再生电流而增大。在该模式中，切换网络219和电机211都不会消耗来自储能器223的能量。

一旦扰流板216在机翼表面227的4度范围内，控制器222从位置传感器215的输出中检测出该情况，并且将切换网络219设置到动态制动模式中。在切换网络219中的上开关都关闭，从而将电机211的线圈短路，使得电机211在动能以在线圈内的热量形式消耗时迅速减速到较低的速度。由于切换网络219在动态夹紧模式中让其上开关接通，所以它从DC总线中吸取能量，并且提高了储能器223的消耗速度。在储能器223的能量消耗超过提供最小必要的内部功率的能力时，扰流板216处于更安全的位置中(即，扰流板216不接触机翼表面227并且促动器没有超过机械止动界限)。该系统现从更不安全的状况(在扰流板处于非中立位置中时外部AC电源损失)来到更安全的状况(扰流板处于基本上中立的状态)。

通过在能量损失中不立即动态制动该系统，从而系统停靠在更安全状态中的机会明显增大。在上述情况中，在扰流板216伸展40度时，AC电源损失。如果在能量开始损失时促动动态制动，则储能器223将以更高的速度消耗，并且不会出现在储能器223中的能量由于电机再生而增大。在立即制动扰流板216期间，在停靠时，扰流板216将仍然伸展大约40度，即处于非中立位置中。扰流板216在受到动态制动期间将保持接近40度的位置，直到储能器223能量耗尽。随着储能器223能量耗尽，控制器222和切换网络219将不再工作。因此，电机211将不再受到动态夹紧。扰流板216现在将在气动负载的作用下从其大约40度的位置向下加速。随着加速相对较大的距离，扰流板216会以过大的力接触机翼表面227，从而对机翼表面227、扰流板216、电机211和/或机械止动件以及在这些部件之间的连接件造成损坏。

还有，通过在能量损失时不立即制动，该系统在能量损失时所具有的任何动量会被用来使得系统更接近中立位置。例如，如果在能量损失期间扰流板216主动收回，它将继续收回，从而接近中立位置直到满足控制器222的动态制动逻辑条件。

除了所述的动态制动，如图6所示，可以将系统210改变为在接合动态制动的同时促动制动器229。但是，由于制动器229需要比动态制动明显更多的能量，所以如果采用这种操作模式，则应该因此调整储能器223的容量。

图7显示出第三实施方案310，它尤其构成用于控制风力涡轮机叶片的桨距。如图7所示，风力涡轮机310通常包括塔350、可转动地支撑在塔351的顶部处的主体或机舱351和可转动地与机舱351连接的转子352。塔350固定在地面上，并且其高度和尺寸根据情况和所期望的性能改变。可选的是，代替安装在塔上的风力发电涡轮机，发电机可以设置在地面附近，或者可以为构成为从水流或潮汐获取能量的发电涡轮机。因此，术语发电机涡轮机用来包括从旋转能量产生电能的任意涡轮机，而不论该能量是通过风力、水流或其它运动产生出。机舱351安装在塔350的上部边缘端部上，并且构成为大体上围绕着竖直轴线y-y转动。机舱351通过摆动控制在塔350上围绕着轴线y-y转动，该摆动控制构成为使得机舱351在塔350的顶部上按照使之相对于风向或气流方向取向。因此，摆动控制可以使得机舱351转动以在由轮毂352面对的方向和风力方向之间调整角度。机舱351容纳着发电机和涡轮机控制系统，并且可以包括本领域所公知的其它部件、传感器和控制系统。风力涡轮机310与用于传输由涡轮机310产生出的电能的电网(未示出)及其发电机连接。机舱351可转动地支撑着轮毂352，轮毂安装在机舱351上以便大体上围绕着水平轴线395转动。如下面所述一样，多个叶片或翼片316从轮毂352径向向外延伸以便将风能转变成旋转动能。虽然转子352通常具有三个叶片，但是可以采用任意数量的叶片或翼片。叶片316根据情况可以具有各种长度、形状和结构。每个叶片316的桨距受到控制，并且相对于轮毂352围绕着在滚子轴承上的其纵向轴线转动以改变叶片相对于它所设置在其中的风的桨距或角度。轮毂352通过转子轴和齿轮箱可转动地与发电机连接，以便从由叶片316产生出的转动能量和轮毂352的转动中产生出电能。发电机从轮毂352的转动能量中发电的操作在本领域是公知的。

轮毂352包括桨距控制促动器353。桨距控制促动器353构成为选择地控制叶片316的桨距角，并且与控制系统连接。在该实施方案中，每个叶片316的桨距角分别由各自的桨距角促动器353控制。桨距角促动器353使得叶片316围绕着其纵向轴线396相对于轮毂352转动。设有轴承以使得叶片316能够绕着其纵向轴线相对于轮毂352转动，并且桨距控制促动器353在该轴承上操作。桨距控制促动器353通常包括电机311和带齿界面。

因此，风力涡轮机系统310具有主旋转轴线395和三个叶片。每个叶片316具有桨距旋转轴线396。另外，每个叶片具有角度传感器和桨距电机311。每个叶片316还具有其自身的桨距控制箱。与在系统210中的各个部件类似，在每个桨距控制箱内具有电源接头、储能器、切换网络、功率传感器和控制器。电源连接件安装在外部AC电网电源上。

图7显示出处于中立桨距角的叶片316。由风作用在叶片316上的所有力的总和由中心风力表示。在叶片316处于中立位置时，中心风力被引导穿过桨距旋转轴线396。因此，中心风力通常不会在叶片316上产生出围绕着桨距旋转轴线396的力矩。

风力涡轮机的桨距控制系统310按照与飞机扰流板系统210相同的总体方式操作，并且具有一些小的变化。飞机扰流板系统210试图防止扰流板216在电源出故障的情况撞到机翼265，而风力涡轮机的桨距控制系统310试图让涡轮机叶片316在电源出故障的情况运动到薄边位置并且停止在那里。与飞机扰流板系统210如何根据扰流板216与机翼265的接近而触发制动模式，桨距控制系统310根据每个叶片相对于其薄边位置的桨距角来触发制动模式。

所述的电机控制系统相对于现有技术具有几个令人惊讶的优点。通过在施加制动之前等待直到物体接近基本中立位置，从而只有在物体将要停止在更安全的位置中之前才有效使用所存储的能量来制动，所述更安全的位置是其中外力更不容易使得物体在制动能量丧失或耗尽时加速的位置。更具体地说，通过只有在受驱动物体接近中立位置时采用触发制动，从而该系统使得物体停止在中立位置中的机会大大增加。与在电源出故障的情况下自动地接合制动的可选系统(这在受驱动物体处于非中立位置中时使得本地能量耗尽，从而使之重新启动)不同，当前的实施方案只有在受驱动物体接近其中它不用制动能量也能够保持不动时才消耗所存储的能量。

另外，当前实施方案的优点在于，由于受驱动物体朝着中立位置的运动而得到的有益动量没有浪费。例如，如果在受驱动物体正在朝着中立位置运动期间外部能量损失，因为该系统没有自动制动，所以将该物体带到中立位置的动量不会由于过早制动而损失。

另外，通过利用再生制动、动态制动和主动制动多种制动模式，每个制动方案的优点被组合在一起。例如，通过再生制动，动能用来延长所存储能量的供应。通过具有动态制动选择，防止了该系统出现超速情况，这可以限制纯再生系统。另外，通过具有主动制动，从而该系统能够在电机速度低于最小限值时停止以有效地动态或再生制动。另外，由于采用了多个制动系统，提高了该系统的安全系数。如果其中一个制动系统失效，则另一个制动系统可以用来使得受驱动物体停止。

而且，由于能量只是在关键时刻消耗，并且由于能量被再生收集，所以当前实施方案能够节约成本，因为可以采用比其它方式更小的储能器。

虽然已经显示并且描述了电机系统的当前优选形式及其几个变型，但是本领域技术人员将容易理解的是，在不脱离由下面权利要求书所限定并且区分的本发明范围的情况下可以作出各种其它的变化。

Claims (63)

1.一种电机系统，包括：

电源；

与所述电源连接并且具有制动元件的电机；

机械连接到所述电机并由所述电机驱动的物体；

所述物体具有一定运动范围和在所述运动范围内的基本中立位置；

功率传感器，其被构造成感测来自所述电源的功率；

位置传感器，其被构造成感测所述物体在所述运动范围的至少一部分中的位置；

储能器；

与所述位置传感器、所述功率传感器和所述储能器连接的控制器；

所述控制器被构造并且布置成根据通过所述位置传感器相对于所述中立位置感测的所述物体的感测位置和通过所述功率传感器感测的来自所述电源的感测的功率下降到一阈值以下，而利用所述制动元件和来自所述储能器的功率而制动所述电机。

2.如权利要求1所述的电机系统，其中所述电机包括至少两个输入端子，所述制动元件包括构造成选择性地连接所述电机的所述输入端子的切换网络，所述控制器被构造成动态地制动所述电机。

3.如权利要求2所述的电机系统，其中所述制动元件包括与连接到所述电机的耗散电阻器串联的耗散开关，并且所述控制器被构造成操作所述耗散开关而使得来自所述电机的能量由所述耗散电阻器消耗。

4.如权利要求1所述的电机系统，其中所述控制器被构造成再生制动所述电机。

5.如权利要求4所述的电机系统，还包括连接到所述电机的切换网络，所述控制器被构造成操作所述切换网络，使得来自所述电机的能量被用于在所述储能器还未完全充电时给所述储能器充电。

6.如权利要求5所述的电机系统，其中所述储能器包括电容器或电池。

7.如权利要求5所述的电机系统，其中所述切换网络包括呈H桥结构的六个开关元件。

8.如权利要求1所述的电机系统，其中所述控制器被构造成主动制动所述电机。

9.如权利要求8所述的电机系统，还包括制动促动器。

10.如权利要求9所述的电机系统，还包括连接到所述制动促动器和所述储能器的切换网络，所述控制器被构造成操作所述切换网络，使得来自储能器的能量被用于制动所述电机。

11.如权利要求10所述的电机系统，其中所述切换网络包括呈H桥结构的六个开关元件。

12.如权利要求11所述的电机系统，其中所述开关元件包括IGBT或MOSFET。

13.如权利要求1所述的电机系统，其中所述控制器被构造成选择性地主动制动、动态制动或再生制动所述电机。

14.如权利要求13所述的电机系统，还包括连接到所述电机的切换网络和耗散电阻器，其中所述控制器被构造成操作所述切换网络，使得来自所述电机的能量选择地由所述耗散电阻器消耗或者用来在所述储能器还未完全充电时给所述储能器充电。

15.如权利要求1所述的电机系统，还包括连接到所述电源的电源整流器。

16.如权利要求15所述的电机系统，其中所述电源整流器包括全波二极管整流器。

17.如权利要求1所述的电机系统，其中所述物体包括在机翼上的飞机扰流板。

18.如权利要求17所述的电机系统，其中所述中立位置偏离所述机翼约4度。

19.如权利要求1所述的电机系统，其中所述物体包括在发电涡轮机上的涡轮机叶片。

20.如权利要求19所述的电机系统，其中所述中立位置为薄边位置。

21.如权利要求1所述的电机系统，其中所述位置传感器包括编码器、解码器或LVDT。

22.如权利要求1所述的电机系统，其中所述功率传感器包括电压传感器或FPGA有效性传感器。

23.如权利要求1所述的电机系统，其中所述电源包括三相AC电源。

24.如权利要求1所述的电机系统，还包括连接到所述电机的输出滤波器。

25.如权利要求24所述的电机系统，其中所述输出滤波器包括共模滤波器或差模滤波器。

26.如权利要求1所述的电机系统，还包括连接到所述电源的输入滤波器。

27.如权利要求26所述的电机系统，其中所述输入滤波器包括共模滤波器或差模滤波器。

28.如权利要求1所述的电机系统，还包括软启动开关。

29.一种用于电机的驱动电机接口的方法，所述电机接口具有外部电源输入、位置传感器信号输入、具有开关门的切换网络、控制器和储能器接口，该方法包括以下步骤：

提供外部电源输入；

提供位置传感器信号输入；

提供具有开关门的切换网络；

提供用于与电机连接的电机接口；

提供控制器；

提供储能器接口；

将所述电机接口连接到位置传感器、所述电机和用于所述电机的外部电源；

监视所述位置传感器信号输入；

监测所述外部电源输入；并且

根据相对于中立位置的所述位置传感器信号输入和所述外部电源输入下降到一阈值以下两者来操作所述开关门，以从电机接口接收功率。

30.如权利要求29所述的方法，其中操作所述开关门的步骤包括在所述电源输入下降至低于电压阈值并且所述位置传感器信号输入低于位置阈值时操作所述开关门以从所述电机接口接收功率。

31.如权利要求29所述的方法，还包括提供连接到所述电机的耗散电阻器接口的步骤。

32.如权利要求31所述的方法，还包括根据所述储能器接口是否完全充电而选择地将所接收的功率引导至所述储能器接口或所述耗散电阻器接口的步骤。

33.如权利要求29所述的方法，还包括根据所述位置传感器信号输入和所述外部电源输入使用来自所述储能器接口的功率来主动制动所述电机的步骤。

34.如权利要求33所述的方法，其中使用来自所述储能器接口的功率来主动制动所述电机的步骤包括在所述位置传感器输入信号的变化速度低于速度阈值、所述外部电源输入下降至低于电压阈值以及所述位置传感器信号输入低于位置阈值时主动制动所述电机。

35.如权利要求34所述的方法，其中操作所述开关门的步骤包括在所述位置传感器输入信号的变化速度高于速度阈值、所述外部电源输入下降至低于电压阈值以及所述位置传感器信号输入低于位置阈值时操作所述开关门以从所述电机接口接收功率。

36.如权利要求35所述的方法，还包括提供连接到所述电机的耗散电阻器接口的步骤。

37.如权利要求36所述的方法，还包括根据所述储能器接口是否完全充电而选择地将所接收的功率引导至所述储能器接口或所述耗散电阻器接口的步骤。

38.如权利要求29所述的方法，其中本地的所述储能器接口被构造成与电容器或电池连接。

39.如权利要求29所述的方法，还包括提供连接到所述外部电源输入的电源整流器并且将在所述外部电源输入上的AC电压转变成DC电压的步骤。

40.如权利要求39所述的方法，其中所述电源整流器为全波二极管整流器。

41.如权利要求29所述的方法，还包括提供软启动开关的步骤。

42.如权利要求29所述的方法，其中所述位置传感器信号输入被构造成与编码器、解码器或LVDT连接。

43.如权利要求29所述的方法，其中所述电机接口被构造成与机翼扰流板促动器连接。

44.如权利要求29所述的方法，其中所述电机接口被构造成与发电涡轮机叶片节距控制促动器连接。

45.如权利要求29所述的方法，其中所述外部电源输入被构造成三相AC电源。

46.如权利要求29所述的方法，还包括对从所述外部电源输入上进入的信号进行滤波或者将在所述电机接口上出去的信号进行滤波的步骤。

47.如权利要求29所述的方法，还包括提供制动促动器接口的步骤。

48.一种用于电机的驱动器，包括：

外部电源输入；

功率传感器，其具有输出并且被构造成监测所述外部电源输入；

具有输出的位置传感器；

AC-DC电源整流器；

具有开关门并构造成将来自所述电源整流器的DC电源转化为用于所述电机的AC电源的切换网络；

用于与所述电机连接的电机接口；

连接到所述开关门的控制器，其被构造成监测所述功率传感器输出和所述位置传感器输出，并且被构造成操作所述开关门；

用于从本地储能器暂时提供功率到所述切换网络的本地储能器接口；

其中所述控制器被构造成根据所述功率传感器输出下降到一阈值以下和相对于中立位置的所述位置传感器输出两者来操作所述开关门，使得从所述电机接口接收回收的功率。

49.如权利要求48所述的驱动器，还包括连接到所述电机接口的耗散电阻器接口。

50.如权利要求49所述的驱动器，其中所述控制器被构造成将来自所述电机接口的功率引导至所述耗散电阻器接口。

51.如权利要求49所述的驱动器，其中所述控制器被构造成操作所述切换网络，从而在与所述本地储能器接口连接的本地储能器没有完全充电时，将来自所述电机接口的能量选择地引导至所述耗散电阻器接口或所述本地储能器接口。

52.如权利要求48所述的驱动器，其中所述控制器被构造成将来自所述电机接口的功率引导至所述本地储能器接口。

53.如权利要求48所述的驱动器，还包括连接到所述本地储能器接口的制动促动器接口。

54.如权利要求53所述的驱动器，其中所述控制器被构造成操作所述切换网络，从而将来自所述本地储能器接口的能量从所述制动促动器接口导出。

55.如权利要求48所述的驱动器，其中所述切换网络包括呈H桥结构的六个开关元件。

56.如权利要求55所述的驱动器，其中所述开关元件包括IGBT或MOSFET。

57.如权利要求48所述的驱动器，其中所述控制器被构造成选择地主动制动、动态制动或再生制动与所述电机接口连接的电机。

58.如权利要求48所述的驱动器，其中所述电源整流器包括全波二极管整流器。

59.如权利要求48所述的驱动器，还包括连接到所述切换网络的输出滤波器。

60.如权利要求59所述的驱动器，其中所述输出滤波器包括连接到所述AC-DC电源整流器的共模滤波器或差模滤波器。

61.如权利要求48所述的驱动器，还包括连接到所述AC-DC电源整流器的输入滤波器。

62.如权利要求61所述的驱动器，其中所述输入滤波器包括共模滤波器或差模滤波器。

63.如权利要求48所述的驱动器，还包括软启动开关。