專利名稱：控制多個(gè)直流電動(dòng)機(jī)和為其供應(yīng)功率的順序脈寬調(diào)制方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及控制直流電動(dòng)機(jī)的領(lǐng)域，更特別涉及一種使用順序脈寬調(diào)制來控制多個(gè)直流電動(dòng)機(jī)和為其供應(yīng)功率的方法。
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般涉及用于直流[DC]電動(dòng)機(jī)的功率供應(yīng)和控制系統(tǒng)。本發(fā)明更特別涉及以前向和反向兩個(gè)方向、通過連續(xù)的速度獨(dú)立地控制多個(gè)DC電動(dòng)機(jī)和為其供應(yīng)功率的系統(tǒng)。
直流電動(dòng)機(jī)在多種應(yīng)用中用作原動(dòng)力，包括機(jī)車、船舶、卡車、有篷貨車、汽車、農(nóng)場設(shè)備、鏟車、升降機(jī)、起重機(jī)、割草機(jī)和修剪器，以及休閑船舶和車輛，例如小船和高爾夫車。在選出的應(yīng)用中，例如機(jī)車，使用了多個(gè)直流電動(dòng)機(jī)。
在現(xiàn)有技術(shù)中已知的是使用包括一個(gè)與電動(dòng)機(jī)串聯(lián)的可控硅開關(guān)設(shè)備的斬波器電路來控制直流串聯(lián)電動(dòng)機(jī)的速度。這是一個(gè)比使用電阻控制系統(tǒng)更為有效的控制方式。通過改變提供給電動(dòng)機(jī)的電壓脈沖寬度實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)速度的控制，以便根據(jù)得到的提供給電動(dòng)機(jī)的平均功率確定電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度?？煽毓枋且环N帶有一個(gè)控制門的二極管，當(dāng)觸發(fā)門時(shí)允許電流通過?？煽毓栌煞聪蛱峁┙o它的電流來變換電流方向。因此可控硅的行為事實(shí)上象一個(gè)二極管，因?yàn)樗辉试S單向?qū)?，但是，開始導(dǎo)通的時(shí)刻可以通過對(duì)門應(yīng)用控制脈沖來控制。因此斬波器電路根據(jù)需要什么樣的輸出電壓，通過接通和斷開輸入電壓來控制電動(dòng)機(jī)速度；斬波器接通時(shí)間越長，輸出電壓越高。斬波器接通的時(shí)間稱作接通時(shí)間。接通時(shí)間與斷開時(shí)間的比表示間隔比(space ratio)或斬波器比。
典型地是使用多個(gè)直流電動(dòng)機(jī)來為機(jī)車供電，例如一般是使用4或6個(gè)DC電動(dòng)機(jī)，但是有時(shí)是2或8個(gè)。過去使用一個(gè)斬波器控制DC電動(dòng)機(jī)的速度。這有一些缺點(diǎn)。例如，如果車輪之一滑轉(zhuǎn)，斬波器會(huì)減少所有電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力供應(yīng)，這會(huì)有進(jìn)一步惡化該問題的風(fēng)險(xiǎn)。
需要一種更為有效的動(dòng)力控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許獨(dú)立和分別地控制多個(gè)電動(dòng)機(jī)中的每一個(gè)電動(dòng)機(jī)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種控制從電源提供給多個(gè)直流牽引電動(dòng)機(jī)的功率的方法，包括為每個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)提供一個(gè)獨(dú)立的斬波器電路。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種控制從直流電源提供給多個(gè)直流牽引電動(dòng)機(jī)的功率的方法，包括a)確定在多個(gè)順序時(shí)間間隔中的每個(gè)時(shí)間間隔每個(gè)電動(dòng)機(jī)的功率需求；b)確定為達(dá)到每個(gè)電動(dòng)機(jī)希望的功率所必需的有效電壓和脈沖寬度；c)對(duì)每個(gè)電動(dòng)機(jī)按順序脈動(dòng)地提供功率，供電持續(xù)時(shí)間達(dá)到在每個(gè)時(shí)間間隔的功率需求。
本發(fā)明還提供了一種控制從直流電源提供給多個(gè)直流牽引電動(dòng)機(jī)的功率的設(shè)備，包括a)確定在多個(gè)順序時(shí)間間隔中的每個(gè)時(shí)間間隔每個(gè)電動(dòng)機(jī)的功率需求的裝置；b)確定為達(dá)到每一個(gè)電動(dòng)機(jī)的需求動(dòng)力所需的有效電壓和脈沖寬度的裝置；和c)對(duì)每個(gè)電動(dòng)機(jī)按順序脈動(dòng)地提供功率的裝置，供電持續(xù)時(shí)間達(dá)到在每個(gè)時(shí)間間隔的功率需求。


圖1的方框圖說明了一種根據(jù)本發(fā)明的、獨(dú)立控制多個(gè)直流電動(dòng)機(jī)的電氣控制系統(tǒng)。
圖2的圖說明了一個(gè)設(shè)計(jì)連續(xù)脈寬調(diào)制的說明性例子。
圖3的圖說明了一個(gè)通過脈寬調(diào)制得到的希望的功率應(yīng)用曲線的例子。
具體實(shí)施例方式
貫穿下列描述提供了特定細(xì)節(jié)，以提供對(duì)本發(fā)明更為徹底的理解。但是，也可不采用這些細(xì)節(jié)實(shí)踐本發(fā)明。在其它例子中，沒有詳細(xì)顯示或描述眾所周知的元件，以避免不必要地使本發(fā)明難于理解。因此，要以說明性的、而不是限制性的意味來看待詳細(xì)說明和附圖。
參看圖1，機(jī)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括一個(gè)諸如電池的DC電源10和多個(gè)DC電動(dòng)機(jī)12，典型地是4或6個(gè)。輸入設(shè)備14提供節(jié)流輸入信息，操作員依據(jù)該信息選擇希望的速度或功率需求。操作員還從控制器16接收反饋信息。
可編程邏輯控制器[PLC]16從輸入設(shè)備14接收信息并將信息發(fā)送給功率控制系統(tǒng)(功率控制系統(tǒng)中的斬波器電路18)，功率控制系統(tǒng)按順序獨(dú)立地控制多個(gè)DC電動(dòng)機(jī)12。
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)DC電源10可以是電池、燃料電池、諸如懸索或“導(dǎo)電軌”那樣的外部電源，或發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)輸出。出于說明的目的，顯示了4個(gè)可逆DC電動(dòng)機(jī)12的普通機(jī)車配置。這些電動(dòng)機(jī)典型地是能夠在兩個(gè)方向速度相同。
輸入設(shè)備輸入設(shè)備14提供節(jié)流輸入信息，機(jī)車操作員使用該信息請求要通過電動(dòng)機(jī)12提供給鐵軌的功率量。這典型地是一個(gè)在空轉(zhuǎn)和八個(gè)位置之間的節(jié)流噴嘴，但也可以是一個(gè)電子設(shè)備，例如無限可變控制器或觸摸屏。
電源電壓傳感器設(shè)備201用于測量電源10的電壓。這是一個(gè)電子設(shè)備，例如電壓傳感器。電流傳感器設(shè)備202用于測量從電源10流出的電流量。這可以是一個(gè)電子設(shè)備，例如電流傳感器。此外獨(dú)立的電動(dòng)機(jī)電流傳感器設(shè)備22能夠測量流入每個(gè)DC電動(dòng)機(jī)12的電流量，使該信息提供給PLC 16。這些傳感器設(shè)備典型是電子設(shè)備，例如電流傳感器。
為了防止過載電流損壞給定牽引電動(dòng)機(jī)及其相關(guān)的功率電子設(shè)備，還使用電流傳感器設(shè)備來檢測各個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)電路中的電流量。當(dāng)被檢測的電流超過保護(hù)限制時(shí)，一個(gè)信號(hào)立即斷開從電池流出的電流，從而限制電流并將與過載電流相關(guān)的損壞危險(xiǎn)減到最小。
溫度測量設(shè)備24測量各個(gè)功率控制元件、DC電動(dòng)機(jī)等的溫度，并將該信息發(fā)送給PLC 16。軸交流發(fā)電機(jī)26是能夠測量它們安裝在其上的軸的旋轉(zhuǎn)的電子設(shè)備。該信息發(fā)送給PLC 16來確定速度或檢測需要注意和糾正的情況，例如車輪滑轉(zhuǎn)。
邏輯設(shè)備PLC 16根據(jù)通常的方法被編程用來執(zhí)行下列功能。PLC處理節(jié)流輸入請求、電源電壓，并確定電流控制點(diǎn)來滿足獨(dú)立牽引電動(dòng)機(jī)的功率需求。PLC 16還包括降低估算邏輯功能28，即用于將功率需求降低到低于操作員為保護(hù)設(shè)備而要求的功率需求的邏輯。如果設(shè)備處于過熱或電流升至接近設(shè)備設(shè)計(jì)極限的危險(xiǎn)，這將包括降低功率。PLC16包括檢測定標(biāo)功能30，即用于確定諸如車輪滑轉(zhuǎn)這樣的非最佳性能的邏輯。在差動(dòng)車輪滑轉(zhuǎn)的情況下，降低個(gè)別電動(dòng)機(jī)的功率，以及在同步車輪滑轉(zhuǎn)的情況下降低總功率。
提供了緩變功能(ramping function)32，即用于以對(duì)機(jī)車合理的速率使請求的節(jié)流水平緩變的邏輯。還提供了功率分配邏輯功能34，即，用于計(jì)算任何有關(guān)的降低功率的條件、任何車輪滑轉(zhuǎn)以及請求的節(jié)流水平，以便確定要發(fā)送給脈寬調(diào)制模塊36的適當(dāng)功率水平和任何可能是必需的單獨(dú)功率降低的中央邏輯。
功率控制系統(tǒng)/斬波器電路斬波器電路18包括下列元件。時(shí)鐘38包括一個(gè)產(chǎn)生一系列脈沖的集成電路。序列發(fā)生器40是一個(gè)將脈沖定序?yàn)橐恢碌闹芷诘募呻娐?，以用于每個(gè)電動(dòng)機(jī)的脈沖寬度區(qū)域。脈寬調(diào)制[PWM]模塊36提供“削短的”三角波形，結(jié)果產(chǎn)生一系列脈沖，其實(shí)質(zhì)上用于根據(jù)脈沖觸發(fā)功率開關(guān)設(shè)備接通和斷開。驅(qū)動(dòng)開關(guān)42是絕緣門柵極晶體管[IGBT]，其是能夠以非常快的速率按順序“脈動(dòng)”地將電源輸送到不同電動(dòng)機(jī)的開關(guān)設(shè)備。還可以提供閂鎖電路(latching circuit)(沒有顯示)，該電路設(shè)置為在功率開關(guān)晶體管[IGBT]未能完全飽和之后可以中斷對(duì)晶體管的驅(qū)動(dòng)。這迫使晶體管斷開，并防止晶體管短路運(yùn)行。
圖2說明了驅(qū)動(dòng)開關(guān)42如何分配功率脈沖。圖2A和2B中的條塊A圖示地表示了提供給DC電動(dòng)機(jī)121的功率脈沖。圖2A和2B中的條塊B圖示地表示了提供給DC電動(dòng)機(jī)122的功率脈沖。圖2A中的條塊C圖示地表示了提供給DC電動(dòng)機(jī)123的功率脈沖。圖2A和2B中的條塊D圖示地表示了提供給DC電動(dòng)機(jī)124的功率脈沖。條塊的高度表示提供給電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)電流。在說明了啟動(dòng)條件的例子的圖2A中，每個(gè)電動(dòng)機(jī)在周期的1/16期間接收功率。選擇周期的1/16只是說明性的。實(shí)際的脈沖持續(xù)時(shí)間將由電流瞬時(shí)流入各個(gè)電動(dòng)機(jī)所需要的時(shí)間長度來確定，這取決于電源電壓和斬波器平均輸出電壓之間的電壓差，斬波器平均輸出電壓是電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢[EMF]。每一段順序是時(shí)鐘頻率的1/4，其對(duì)于給定應(yīng)用可以調(diào)整。條塊的高度表示提供給電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)電流。圖2B說明了一個(gè)由電動(dòng)機(jī)123驅(qū)動(dòng)的車輪在滑轉(zhuǎn)的條件。在這個(gè)例子中，電動(dòng)機(jī)121、122和124各在周期的四分之一期間接收功率，而電動(dòng)機(jī)123不接收功率。條塊高度降低，顯示瞬時(shí)電流因?yàn)镋MF電壓增加而降低，從而降低電池和所述電動(dòng)機(jī)之間的電壓差，即電勢。脈沖持續(xù)時(shí)間因?yàn)殡妱莶罨蝌?qū)動(dòng)力降低而增加，因此電流成比例下降。此外，脈沖持續(xù)時(shí)間增加的另一個(gè)原因是操作員增加功率請求。圖2C說明了一個(gè)穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，其中由電動(dòng)機(jī)速度產(chǎn)生的反電動(dòng)勢進(jìn)一步降低了電動(dòng)機(jī)中的電壓差，功率按降低的電壓差在100％的時(shí)間里提供給所有電動(dòng)機(jī)。
圖3說明了一個(gè)示例的恒定功率曲線族。在操作員請求的給定功率水平上，因?yàn)樗俣鹊蜁r(shí)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的反EMF低，所以有一個(gè)高初始平均電流流向電動(dòng)機(jī)。隨著電動(dòng)機(jī)速度增加，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的反EMF增加，這降低了電池源和電動(dòng)機(jī)之間的電壓差，導(dǎo)致流向電動(dòng)機(jī)的電流降低。因?yàn)殡娏鞒杀壤陆狄云ヅ湓黾拥碾妱?dòng)機(jī)電壓，所以提供給電動(dòng)機(jī)的功率恒定。
在運(yùn)行時(shí)，PLC根據(jù)輸入設(shè)備14、緩變32、降低估算邏輯28和檢測定標(biāo)30的輸入確定各個(gè)電動(dòng)機(jī)在每個(gè)時(shí)間間隔的功率需求。PLC 34根據(jù)這些輸入計(jì)算每個(gè)電動(dòng)機(jī)必需的脈沖寬度。然后選定的脈沖寬度提供給開關(guān)驅(qū)動(dòng)，開關(guān)驅(qū)動(dòng)將功率的希望脈沖寬度順序地提供給DC電動(dòng)機(jī)12。例如當(dāng)啟動(dòng)機(jī)車時(shí)，在電池和電動(dòng)機(jī)之間存在高電壓差，因此能夠?yàn)殡妱?dòng)機(jī)提供高電流，這只需要一個(gè)短脈沖持續(xù)時(shí)間來滿足規(guī)定的功率需求。這可得到用于在任一個(gè)方向上啟動(dòng)的全電源電壓。隨著電動(dòng)機(jī)速度增加，產(chǎn)生了一個(gè)降低電池和電動(dòng)機(jī)之間的有效電壓或電壓差的反電壓，因此需要較長的脈沖來實(shí)現(xiàn)相同的功率。如果檢測到車輪滑轉(zhuǎn)，可以斷電或適當(dāng)?shù)亟档吞峁┙o相關(guān)電動(dòng)機(jī)的功率。
因此發(fā)明人提供了對(duì)DC電動(dòng)機(jī)提供功率的控制的定序。通過將功率脈沖定序，用于單個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)的高電流脈沖被間隔開而不會(huì)重疊，直到隨著電動(dòng)機(jī)速度增加而調(diào)整電流需求，該電動(dòng)機(jī)速度增加是隨電源和牽引電動(dòng)機(jī)之間相應(yīng)的電壓差降低而產(chǎn)生的。這一電流脈沖間隔導(dǎo)致不是疊加的單個(gè)瞬時(shí)電流需求。單個(gè)電流需求的這種獨(dú)立性對(duì)使得輸入濾波器要求最小化具有積極作用。因此，使用最小數(shù)量的電容器實(shí)現(xiàn)了低電源阻抗，這對(duì)驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)是重要的。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)來自于對(duì)多個(gè)DC電動(dòng)機(jī)的功率供應(yīng)的單獨(dú)控制的靈活性，這是一個(gè)糾正軌道機(jī)車應(yīng)用中車輪滑轉(zhuǎn)的經(jīng)濟(jì)而有效的方法。簡化的電路提供了一個(gè)直接的手段來平滑地去除、然后恢復(fù)滑轉(zhuǎn)車輪的功率供應(yīng)，同時(shí)保持對(duì)沒有滑轉(zhuǎn)車輪的滑轉(zhuǎn)前功率水平。這樣作的優(yōu)點(diǎn)是大大減少了隨車輪滑轉(zhuǎn)事件典型地發(fā)生的功率減小。
因此本發(fā)明提供了一種系統(tǒng)來獨(dú)立切斷對(duì)任一個(gè)特定電動(dòng)機(jī)的功率供應(yīng)并接著逐漸恢復(fù)功率供應(yīng)，同時(shí)保持其余電動(dòng)機(jī)的功率恒定。本發(fā)明提供了一種控制系統(tǒng)來限制從電源引出的電流以及由每個(gè)電動(dòng)機(jī)引出的獨(dú)立電流。
根據(jù)前面的公開內(nèi)容，很明顯本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下對(duì)其實(shí)施進(jìn)行很多變化和更改。因此本發(fā)明的范圍根據(jù)下面權(quán)利要求定義的內(nèi)容進(jìn)行限定。
權(quán)利要求
1.一種控制從電源提供給多個(gè)直流牽引電動(dòng)機(jī)的功率的方法，該方法為每個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)提供一個(gè)獨(dú)立的斬波器電路。
2.一種控制從電源提供給多個(gè)直流牽引電動(dòng)機(jī)的功率的方法，包括a)確定在多個(gè)順序時(shí)間間隔中的每個(gè)時(shí)間間隔每個(gè)電動(dòng)機(jī)的功率需求；b)確定為達(dá)到每個(gè)電動(dòng)機(jī)希望的功率所需要的有效電壓和脈沖寬度；c)對(duì)每個(gè)所述電動(dòng)機(jī)按順序脈動(dòng)地提供功率，提供功率的持續(xù)時(shí)間達(dá)到在所述時(shí)間間隔的所述功率需求。
3.如權(quán)利要求2的方法，其中，所述順序功率脈沖在電動(dòng)機(jī)速度已經(jīng)增加到給定水平之前不重疊。
4.如權(quán)利要求2的方法，其中，斷開然后恢復(fù)至第一牽引電動(dòng)機(jī)的功率，同時(shí)保持提供給其余電動(dòng)機(jī)的功率恒定，從而糾正單個(gè)電動(dòng)機(jī)上的牽引損失。
5.如權(quán)利要求2的方法，其中，對(duì)每個(gè)獨(dú)立控制的直流電動(dòng)機(jī)提供過流保護(hù)。
6.如權(quán)利要求2的方法，其中，在選定時(shí)間間隔期間，還按減小的電壓恒定地將功率提供給所有電動(dòng)機(jī)。
7.一種用于控制從直流電源提供給多個(gè)直流牽引電動(dòng)機(jī)的功率的設(shè)備，包括a)用于確定在多個(gè)順序時(shí)間間隔中的每個(gè)時(shí)間間隔每個(gè)電動(dòng)機(jī)的功率需求的裝置；b)用于確定為達(dá)到每個(gè)電動(dòng)機(jī)希望的功率所需要的電壓和脈沖寬度的裝置，以及c)用于對(duì)每個(gè)所述電動(dòng)機(jī)按順序脈動(dòng)地提供功率的裝置，提供功率的持續(xù)時(shí)間達(dá)到在所述時(shí)間間隔的所述功率需求。
8.如權(quán)利要求7的設(shè)備，其中，對(duì)每個(gè)所述電動(dòng)機(jī)按順序脈動(dòng)地提供功率的裝置包括一個(gè)脈寬調(diào)制設(shè)備。
9.如權(quán)利要求7的設(shè)備，其中，對(duì)每個(gè)電動(dòng)機(jī)按順序脈動(dòng)地提供功率的裝置包括一個(gè)時(shí)鐘。
10.如權(quán)利要求7的設(shè)備，其中，對(duì)每個(gè)電動(dòng)機(jī)按順序脈動(dòng)地提供功率的裝置包括多個(gè)驅(qū)動(dòng)開關(guān)。
11.如權(quán)利要求7的設(shè)備，其中，用于確定在多個(gè)順序時(shí)間間隔中的每個(gè)時(shí)間間隔每個(gè)電動(dòng)機(jī)的功率需求的裝置和用于確定為達(dá)到每個(gè)電動(dòng)機(jī)希望的功率所需要的電壓和脈沖寬度的裝置包括一個(gè)可編程邏輯控制器。
12.如權(quán)利要求7的設(shè)備，其中，用于確定在多個(gè)順序時(shí)間間隔中的每個(gè)時(shí)間間隔每個(gè)電動(dòng)機(jī)的功率需求的裝置包括一個(gè)節(jié)流閥。
13.如權(quán)利要求7的設(shè)備，其中，用于確定在多個(gè)順序時(shí)間間隔中的每個(gè)時(shí)間間隔電動(dòng)機(jī)的功率需求的裝置包括一個(gè)電源電流傳感器設(shè)備和一個(gè)電源電壓傳感器設(shè)備。
14.如權(quán)利要求7的設(shè)備，其中，用于確定在多個(gè)順序時(shí)間間隔中的每個(gè)時(shí)間間隔每個(gè)電動(dòng)機(jī)的功率需求的裝置包括一個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)電流傳感器設(shè)備。
15.如權(quán)利要求7的設(shè)備，其中，用于確定在多個(gè)順序時(shí)間間隔中的每個(gè)時(shí)間間隔每個(gè)電動(dòng)機(jī)的功率需求的裝置包括一個(gè)緩變設(shè)備。
16.如權(quán)利要求7的設(shè)備，其中，用于確定在多個(gè)順序時(shí)間間隔中的每個(gè)時(shí)間間隔每個(gè)電動(dòng)機(jī)的功率需求的裝置包括一個(gè)檢測定標(biāo)設(shè)備。
17.如權(quán)利要求10的設(shè)備，其中，用于確定在多個(gè)順序時(shí)間間隔中的每個(gè)時(shí)間間隔每個(gè)電動(dòng)機(jī)的功率需求的裝置包括一個(gè)降低估算邏輯設(shè)備。
18.如權(quán)利要求10的設(shè)備，所述，所述驅(qū)動(dòng)開關(guān)為絕緣柵雙極性晶體管。
19.如權(quán)利要求10的設(shè)備，還包括閂鎖電路裝置，用于在所述驅(qū)動(dòng)開關(guān)未能完全飽和之后中斷對(duì)所述驅(qū)動(dòng)開關(guān)的驅(qū)動(dòng)，從而防止短路運(yùn)行。
全文摘要
描述了一種獨(dú)立控制從單電源到多個(gè)電動(dòng)機(jī)的功率的控制系統(tǒng)。斬波器電路與該控制系統(tǒng)相結(jié)合，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖，操作IGBT開關(guān)設(shè)備為每個(gè)電動(dòng)機(jī)按順序提供脈沖。
文檔編號(hào)B60L3/10GK1655963SQ03806812
公開日2005年8月17日 申請日期2003年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月27日
發(fā)明者弗蘭克·W.·多尼利, 布賴恩·G.·伊萬 申請人:火車動(dòng)力技術(shù)公司