專利名稱：開關磁阻電機中電流變化率的測量的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及探測電流波形上的一個點，在該點處電流斜率的符號發(fā)生改變。本發(fā)明特別適用于控制開關磁阻電機。
背景技術：
在J M Stephenson和R J Blake于1993年6月21日至24日在德國紐倫堡舉行的PCIM’93 Conference and Exhibition上發(fā)表的論文“The Characteristics，Design and Applications of Switched ReluctanceMotors and Drives”中，描述了開關磁阻電機的控制和運行，該文在此處作為參考被引入。在該論文中，分別對于電機在低速和高速下的運行描述了開關磁阻電機激勵的“斬波”和“單脈沖”模式。
圖1中示意性地表示了現(xiàn)有技術中一個典型的驅動系統(tǒng)。它包括一個直流電源11，該電源可以是電池，也可以是經(jīng)過整流和濾波的交流源。在電子控制單元14的控制下，電源11提供的直流電壓被電源變換器13在電機12的相繞組16上進行轉換。通常會采用某種形式的電流傳感器18來提供相電流反饋。圖2示出了多種已知的轉換器拓撲結構中的一個。機器的相繞組16在母線26和27間與兩個開關器件21和22串聯(lián)。母線26和27統(tǒng)稱為變換器的“直流鏈路”。能量恢復二極管與繞組相連以使繞組電流在開關21和22打開時回流到直流鏈路。一個低阻值的電阻器28與與下部開關22串聯(lián)，起電流感應電阻的作用并以提供電流反饋信號。一個稱為“直流鏈路電容”的電容器25跨接在直流鏈路上以吸收直流鏈路電流的任何交流分量(即所謂的“紋波電流”)，這些交流分量不能被吸收或回到電源。實際上，電容器25可以包括相互串聯(lián)或并聯(lián)的幾個電容，當使用并聯(lián)時，一些元件可以分布在變換器中。
在低速下，開關磁阻系統(tǒng)通常運行在電流控制或者斬波模式下，而在較高速時，則通常運行在單脈沖激勵模式下。圖3示出了這種模式，其中示出在一個相電感周期中線性化的電流和電感波形。當電壓在接通角θon加在相繞組上時，電流增大，達到一個峰值，之后隨著轉子極開始與定子極重疊并且電感上升，電流發(fā)生翻轉。本質上，電流被電路的反電動勢所限制。電壓在斷開角θoff處反相，在一個導通角θc之后，隨著能量被返回電源，電流以更快的速度減小，并在電壓達到零的時候停止。之后，在循環(huán)再次開始之前有一個零電流的時期。在實踐中，電感波形由于磁通在空氣中的散射而具有圓角，這導致電流波形相應地變圓滑，如圖4所示。
一個可替代的開關策略是在θoff之前的一個時期使用空程(freewheeling)，從而開關電路允許電流在不加電壓的情況下在相繞組中再循環(huán)。圖4顯示了這項技術，清楚地表明了在空程期間施加的電壓為零的時期。在重復循環(huán)之前，電流再一次暫時回落到零。
上面的討論中已經(jīng)說明了電機運行過程，眾所周知，電機在發(fā)電模式下運行得同樣好，其中，電流波形通常是電機運行波形鏡象圖形。
開關磁阻電機的表現(xiàn)部分地取決于與轉子位置有關的相激勵的精確定時。通常使用位置傳感器15來探測轉子位置，如圖1所示，例如使用安裝在電機轉子上的、與安裝在定子上的光或磁傳感器協(xié)同工作的旋轉有齒圓盤。生成指示相對于定子的轉子位置的脈沖串并提供給控制電路，允許精確的相激勵。
可選擇的位置探測方法包括所謂的“無傳感器”法，其中位置從電機的另一個參數(shù)的測量中導出。這種方法的好處是電機上不需要專門的位置傳感器，因此降低了成本并增加了可靠性。在“Review of sensorlesscontrol methods in switched reluctance motor drives”(Fahimi等，IAS2000，Thirty-fifth Annual Meeting and World Conference onIndustrial Applications of Electrical Energy，2000年10月8日至12日，意大利羅馬，Vol 3，pp 1850-1857)中，給出了許多已知的無傳感器法的概括。在已知的方法中，包括那些使用在不飽和相電流波形下的性能的方法，其中峰值電流與轉子和定子極之間開始交疊在同時出現(xiàn)，如圖3所示。這些技術在論文“A New Indirect Rotor Position DetectionMethod For Switched Reluctance Drives”(Kjaer等，ProcInternational Conference on Electrical Machines，1994年9月5日至8日，巴黎，Vol 2，pp 555-560)中進行了一些詳盡討論，在此處作為參考引入。在EPA 1109309(Moriarty)中公開了探測極交疊開始的一種特別方法，此處作為參考引入。
所有這些技術都需要精確地了解相電流，特別是當需要電流的導數(shù)時，因為微分的過程會自動地加重任何錯誤。精確地電流檢測可以通過霍爾效應電流傳感器來完成，它也提供與相電流的電絕緣，但是成本很高，并且在低功率驅動器中耗費相當大的空間。在低成本應用中，經(jīng)常使用電流傳感電阻器，如圖2所示，但是這些電阻器不提供絕緣，并且，在低功率應用中，電阻器上出現(xiàn)的額外電壓降經(jīng)常引起不可接受的性能下降。
近年來，人們又重新開始使用羅高夫斯基線圈，在Viana等的一篇最近的論文“Voltage Profiles and Closures on Rogowski Coils”(Viana等，Proc IEE，Electric Power Applications，Vol 149 No3，2002年5月，pp 223-227)中，詳細描述了在系統(tǒng)準確性方面的最新研究。羅高夫斯基線圈測量環(huán)繞導體的電場，并給出與感應電流變化率成比例的電壓。之后，該電壓通過特別設計的電路進行積分，以給出電流的測量值。積分器的設計以及系統(tǒng)的校準決不是無關緊要的。盡管當設計完好時，這樣的系統(tǒng)可以在很寬的帶寬范圍內得到很高的精確度，但他們通常被認為是高成本的實驗室設備，而并不適用于低成本、大量生產(chǎn)的應用。已經(jīng)有人嘗試過制造更為廉價的形式，并且不過于嚴重地損害精確性，例如US 5414400(Gris)中所討論的那些產(chǎn)品，此處作為參考引入，但是需要將導體放在印刷電路板中會導致重大的裝配問題。
美國專利6380727中公開了一種使用印刷電路板(PCB)軌跡環(huán)(trace loop)的電流傳感器。電流傳感器和導體都作為PCB板上的PCB銅軌跡。導體中的電流與線圈的軸正交。
因此，在開關磁阻電機中，就需要低成本的電流測量系統(tǒng)，以監(jiān)測相電流的變化率并探測何時出現(xiàn)電流的翻轉。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明，提供了一種電流變化率傳感器，它包括一個用來耦合來自導體的磁通的線圈，線圈中的電流變化率有待檢測，線圈包括多匝，每匝都是印刷電路板上的軌跡，每匝都在平行于導體的方向上與其相鄰匝位移開。
這樣，就增加了導體和線圈之間的磁通鏈接。
印刷電路板最好至少具有第一層和第二層，每匝包括在第一層上的第一部分和在第二層上的第二部分，匝的第一和第二部分通過延伸過印刷電路板的通路連接。
這些匝可以是任何合適的形狀，例如，長方形、環(huán)形或者六邊形。每匝線圈的尺寸最好都和其他匝相同。
可以在印刷電路板上設置用于將導體相對于線圈定位的裝置。導體可以在印刷電路板的一個層上形成，或者也可以包括印刷電路板的一層。導體可以是具有至少兩個分支的分裂的導體，其中每個分支與線圈的任一側的通路相接近。
在優(yōu)選實施例中，在印刷電路板上提供了兩個線圈，而導體在兩個線圈間延伸。
在本發(fā)明的第二個方面中，提供了一種開關磁阻驅動裝置，它包括一個電機，該電機具有定義了多個轉子極的轉子、定義了多個定子極的定子，以及至少一個相繞組，用來激發(fā)兩個或多個極；開關磁阻驅動裝置還包括根據(jù)本發(fā)明的傳感器，該傳感器被連接以探測相繞組中的電流變化率。
傳感器的輸出最好被饋至探測電流變化率過零的點的線圈。傳感器的輸出可以被用于提供轉子位置信息。
本發(fā)明由所附的獨立權利要求限定。在附屬權利要求中列舉了一些優(yōu)選的性能。


本發(fā)明可以通過幾種方法實現(xiàn)，現(xiàn)在將通過舉例并參考附圖來描述其中的一些方法。附圖中，圖1是現(xiàn)有技術中典型的開關磁阻驅動裝置；圖2是附圖1轉換器的一相的已知的拓撲結構；圖3是在單脈沖控制中的理想的電流波形；附圖4是在使用空程的單脈沖控制中的典型的電流波形；圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個方面的線圈；圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一個方面的線圈；圖7是根據(jù)本發(fā)明的再一個方面的線圈；圖8是線圈的典型輸出波形；附圖9是示范性的過零檢測電路。
具體實施例方式
圖5示出了本發(fā)明的一個實施例，其中導體50帶有待探測的電流。在開關磁阻電機領域中，典型地，此導體通向開關磁阻電機的相繞組。導體和印刷電路板(PCB)平行排列，并可以通過固定裝置52被保持在位，其中固定裝置52采取PCB上的部件的形式，通常使用夾子或者其它緊固件。PCB可以專門用于電流探測，如圖5所示，或者也可以帶有部分或者全部控制系統(tǒng)以及電源轉換器，以控制電機。例如，它可以包括部件13和14的部分或全部，以控制如圖1所示的開關磁阻電機。
通過在PCB上布置導電軌跡，通常為銅，而在PCB上制造平面線圈，這在本專業(yè)是已知的。圖5顯示了排列在PCB的上面(實線)和下面(虛線)的線圈，線圈的每匝的側面以通常的方式通過通路連接。線圈開始于通路46，軌跡42構成了第一匝的第一部分。這部分通過通路44連接到位于電路板的另一面的第一匝的第二部分43。第一匝的第二部分通過通路47連接到下一匝的第一部分，線圈以這種方式繼續(xù)下去，直到最后一匝的第二部分終止于通路48。線圈的輸出電壓出現(xiàn)在通路46和48之間。
線圈的匝數(shù)是一個變量，受待探測的電流的大小、電路板上面可利用的面積、所需要的精確度，以及其它因素的影響。導體50中的電流i在線圈中產(chǎn)生的電壓由以下公式得出Vc＝A di/dt (1)其中A為一個常數(shù)，其值以一種復雜的方法依賴于線圈的幾何結構、匝數(shù)以及導體相對于線圈的位置。它最好由實驗確定。在圖5中，導體靠近位于線圈一側的通路。如果將導體從線圈旁邊移開，由于線圈和包圍線圈的磁場之間的鏈接減少，A的值以及隨之的Vc值都會下降。如果將導體移向線圈的中心，A的值首先會上升一點，隨后，由于導體右側的磁場開始與線圈鏈接并且抵消了原來的磁場，A值下降。當導體位于線圈的中心時，輸出實際上降到零。
由圖5可以看出，線圈的每一匝都在平行于導體的方向，特別是導體中的電流的方向上，與其相鄰匝移開一點。這樣，線圈的第二匝沿著線A-A移開第一匝，線圈的第三匝沿著線A-A移開第二匝，線圈中剩下的匝都是這樣。線圈的排列增加了在導體50和線圈之間的磁通鏈接。這也可以看作是導體被設置成與由線圈各匝的軸形成的直線相平行。在圖5中，各匝的軸與頁面正交。
圖5示出了一個六邊形線圈，這對于PCB的制造來說很方便，盡管也可以采用其它的形狀，如矩形或者環(huán)形。作為替代，可以通過在三個或者更多的層上沉積軌跡并將之適當?shù)鼗ハ嗦?lián)接來制造線圈。導體50可以由在PCB的一層上面的一條或多條軌跡組成。
圖6示出了另一個實施例，其中導體50放在兩個線圈61和62之間，每個線圈的構成都與附圖5中的線圈相似，這樣，通過適當?shù)剡B接兩個線圈，可以增加輸出的靈敏度。
圖7中示出了另外一個實施例，其中布置了兩個線圈和一個分裂的導體，以使系統(tǒng)的靈敏度最大化。導體由可以在PCB的一個或多個層上提供的軌跡形成。這種安排可以如以前一樣方便地布置，即線圈側位于頂層和底層，而導體軌跡位于中間層。導體軌跡具有焊盤或終端72和74，以允許連接到外部電路。如果電流在，比如74，之中流動，則它向上流經(jīng)分支76，隨后分為分支77和78。這種分裂避免了通路連接線圈側。隨后電流沿著分支79、80回到底部分支70，在72流出電路。這樣的安排允許每個線圈61、62被來自兩個分支的電流影響，這樣就最大化了靈敏度。
注意圖7中的電源導體軌跡是為了看起來清晰而排列的，在實際應用中，分支77和78可以與導體側面連接更加接近，而外部分支可以與外部連接更加接近。
導體50可能形成與開關22和相繞組16相連接的母線的一部分。作為替代，開關22也可以安裝在PCB上，并通過導體50連接到線圈和相繞組。參見圖7，相繞組可以直接連接到終端72和74。
如圖5、6和7中所示的線圈的輸出有賴于電流波形的形狀。圖8示出了由圖3電流根據(jù)等式1產(chǎn)生的波形的類型。線圈的輸出被用于為開關磁阻驅動裝置中的位置探測方案提供探測信號。為了用線圈的輸出來探測電流翻轉點，必須探測到線圈輸出過零的點。這可以采用任何方便的方法做到，這是本領域技術人員所熟知的。圖9給出了一個示范性的電路。線圈90連接到差分放大器92，差分放大器92向施密特比較器94提供輸出。輸出96可被用于以已知方式驅動微處理器的中斷。然后，微處理器可以編程設定無傳感器位置探測算法，例如，如同EPA 119039中所描述的。
注意，由于重要的是過零位置，而不是波形的大小，因此沒有必要知道線圈輸出的確切大小(即，知道等式1中常數(shù)A的值)。輸出只需要足夠大，以便可靠地驅動探測電路就可以了。
本領域的技術人員會意識到，在不偏離本發(fā)明的情況下，所公開的這些安排可以有各種變化。因此，上述對于幾個實施例的描述采取了舉例的方式，而不是為了限制的目的。本領域的技術人員會很清楚，在不對上文所描述的運行方式做出明顯改變的情況下，可以對其進行一些小的修改。本發(fā)明僅受所附權利要求的范圍限制。
權利要求
1.一種電流變化率傳感器包括一用于耦合來自導體的磁通的線圈，所述導體中的電流變化率有待探測，所述線圈包括多匝，每匝都是印刷電路板上的一條軌跡，并且每匝在平行于導體的方向上移開其相鄰匝。
2.根據(jù)權利要求1的傳感器，其中所述印刷電路板至少具有一第一個層和一第二個層，每匝包括在所述第一層上的一第一部分和在所述第二層上的一第二部分，匝的第一和第二部分被延伸通過印刷電路板的通路連接。
3.根據(jù)權利要求1或2的傳感器，其中所述匝的形狀是矩形、環(huán)形或者六邊形。
4.根據(jù)權利要求1、2或3中的任意一個的傳感器，其中所述印刷電路板具有一個特性，相對于線圈保持導體就位。
5.如上述權利要求中的任意一個的傳感器，其中導體形成在所述印刷電路板的一層上，或者包括所述印刷電路板的一層。
6.根據(jù)權利要求1至5中的任意一個的傳感器，其中導體是分裂導體，具有至少兩個分支，每個分支接近于線圈任一側的通路。
7.根據(jù)權利要求1至5中的任意一個的傳感器，其中兩個線圈被設置在所述印刷電路板上，所述導體在兩個線圈中間延伸。
8.如上述權利要求中的任意一個的傳感器，其中所述線圈的每匝與其余匝具有相同的尺寸。
9.一種開關磁阻驅動裝置包括一電機，該電機具有定義了多個轉子極的轉子、定義了多個定子極的定子，以及至少一個相繞組，用來激勵兩個或多個極；還包括一個上述任意權利要求中所要求的傳感器，被連接以探測在至少一個相繞組內的電流變化率。
10.根據(jù)權利要求9的開關磁阻驅動裝置，其中所述傳感器的輸出被饋入一個探測電流變化率過零點的電路中。
11.根據(jù)權利要求10的開關磁阻驅動裝置，其中傳感器的輸出用于提供轉子位置信息。
全文摘要
測量開關磁阻電機中的電流變化率的方法和裝置。一個線圈由印刷電路板的兩個或多個軌跡42、43構成，并被安排得接近于導體50，以測量導體中的電流變化率。線圈的每匝在平行于導體的方向上位移開與其相鄰的匝。線圈的輸出可以被用來為開關磁阻驅動裝置中的位置探測方案提供探測信號。
文檔編號H02K11/00GK1487663SQ03156280
公開日2004年4月7日 申請日期2003年9月2日 優(yōu)先權日2002年9月5日
發(fā)明者M·P·坦卡德, A·D·布朗, M P 坦卡德, 布朗 申請人:開關磁阻驅動有限公司