專利名稱：磁阻電機(jī)的控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電機(jī)的控制，更具體地且非排他性地，涉及不具有機(jī)械軸位置傳感器的電機(jī)。


圖1a和1b示出了傳統(tǒng)的兩相開關(guān)磁阻電動機(jī)，其包括定子2，具有兩對相對安置的指向內(nèi)部的凸出極3、4，其提供有對應(yīng)于兩個(gè)相位的兩對賦能繞組5、6；和轉(zhuǎn)子7，具有一對相對安置的指向外部的凸出極8，其不具有繞組。四個(gè)賦能繞組的每一個(gè)是繞其相應(yīng)的極纏繞的，如符號Y-Y和符號X-X所指出的，Y-Y表示繞組對6的每個(gè)繞組的兩個(gè)徑向相對的部分，X-X表示繞組對5的每個(gè)繞組的兩個(gè)徑向相對的部分。提供了激勵電路(未示出)，用于通過與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)同步地交變地賦能定子繞組來在定子2中旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子7，由此，在由繞組產(chǎn)生的磁場中，由轉(zhuǎn)子7使其自身布置在具有最小磁阻的位置的趨勢，建立了轉(zhuǎn)矩，如下文將更加詳細(xì)描述的。該可變磁阻電動機(jī)提供的優(yōu)于傳統(tǒng)繞線轉(zhuǎn)子電動機(jī)之處在于，不需要用以向轉(zhuǎn)子提供電流的整流器和電刷，其是易損部件。而且，所提供的其他優(yōu)點(diǎn)在于，由于在轉(zhuǎn)子上不存在導(dǎo)體，使得不需要高成本的永磁體。
圖1a和1b中的符號+和B示出了處于兩個(gè)交變激勵模式中繞組中的電流方向，其中轉(zhuǎn)子7被吸引到水平位置，或者被吸引到垂直位置，如圖中所示。應(yīng)認(rèn)識到，轉(zhuǎn)子7的旋轉(zhuǎn)需要對繞組對5和6的交變賦能，優(yōu)選地，在任一時(shí)間僅賦能一個(gè)繞組對5或者6，并且在該賦能過程中，通常僅在一個(gè)方向上向繞組對5或者6中的每一個(gè)提供電流。然而，如果需要產(chǎn)生有用的轉(zhuǎn)矩，則可對繞組進(jìn)行賦能僅持續(xù)最大為每周旋轉(zhuǎn)時(shí)間的一半，因此對于該電動機(jī)，電路的高利用率是不可能的。
相比之下，全節(jié)距(fully pitched)可變磁阻電動機(jī)，其如J.D.Waleand C.Pollock，“Novel Converter Topologies for a Two-Phase SwitchedReluctance Motor with Fully Pitched Windings”，IEEE Power ElectronicsSpecialists Conference，Baveno，June 1996，pp.1798-1803所述并如圖2a和2b(其中相同的參考數(shù)字用于表示圖1a和1b中相似的部件)所示出，包括兩個(gè)繞組10和11，這兩個(gè)繞組10、11具有兩倍于電動機(jī)極節(jié)距的節(jié)距，其在所說明的示例中是180°，并且相互成90°安置。繞組11可以纏繞成使得該繞組在轉(zhuǎn)子7一側(cè)的一部分填充了限定在極對3、4的相鄰極之間的定子槽12，且繞組11在轉(zhuǎn)子7的徑向相對側(cè)的另一部分填充了限定在極對3、4的兩個(gè)另外相鄰極之間的定子槽13。繞組10具有填充了徑向相對的定子槽14和15的相應(yīng)部分。這樣，兩個(gè)繞組10和11跨越了電動機(jī)的寬度，其中繞組10、11的軸相互成直角。
而且，在圖2a和2b中示出了對應(yīng)于轉(zhuǎn)子7的水平和垂直位置的該電動機(jī)的兩個(gè)交變的激勵模式，從中將認(rèn)識到，繞組10、11在兩個(gè)激勵模式中均被賦能，然而，鑒于繞組10中的電流方向在兩個(gè)模式中是相同的，而繞組11中的電流方向在兩個(gè)模式之間發(fā)生改變。由于在兩個(gè)模式中均向兩個(gè)繞組10、11提供電流，并且由于每個(gè)繞組10或11占有總定子槽區(qū)域的一半，因此該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)其槽區(qū)域的100％的利用率。這與利用上文所述的傳統(tǒng)繞線式可變磁阻電動機(jī)實(shí)現(xiàn)的50％的利用率形成對比，在后者中，任一時(shí)間僅對一相繞組進(jìn)行賦能。而且，由于不需要改變繞組10中的電流方向，因此可以向繞組10(其可被稱為勵磁繞組)提供不需要任何轉(zhuǎn)換的直流電流，其導(dǎo)致了所使用的激勵電路的簡化。
然而，繞組11(其可被稱為電樞繞組)必須通過與轉(zhuǎn)子位置同步交變的電流進(jìn)行賦能，以便于確定所需用于交替地將轉(zhuǎn)子吸引至水平位置和垂直位置的定子磁通量的變化方向。在該電動機(jī)中對向電樞繞組提供交流電流的需要可以導(dǎo)致具有高的復(fù)雜性和成本的激勵電路。
WO 98/05112公開了全節(jié)距磁通量開關(guān)可變磁阻電動機(jī)，其具有配備了勵磁繞組10和電樞繞組11的四極定子2(如圖3a中概略性示出的)，其中勵磁繞組10和電樞繞組11中的每一個(gè)均分為緊密耦合(利用基本上獨(dú)立于轉(zhuǎn)子位置的耦合)和纏繞的兩個(gè)線圈22和23或者24和25，由此該兩個(gè)線圈的徑向相對的部分均安置在徑向相對的定子槽中。
圖3b示出了用于賦能電樞線圈24和25的概括性電路圖。線圈24和25在電路中被連接成使得提供給端子26和27的直流電流以相同的方向流過線圈24和25，以便于產(chǎn)生相反方向的磁動勢(magnetomotive)作為線圈的反向繞組的結(jié)果。開關(guān)28和29(其可以包括例如，場效應(yīng)晶體管或者絕緣柵雙極型晶體管)與線圈24和25串聯(lián)連接，并且被交替地開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)線圈24和25的交變賦能，從而提供所需的作用于相反方向的磁動勢。該布置的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，電樞繞組是由兩個(gè)緊密耦合的線圈制成的，其使得每個(gè)線圈能夠通過僅處于一個(gè)方向的電流進(jìn)行賦能，由此可以使用相對簡單的激勵電路。在電動交流發(fā)電動機(jī)中也提供了相似的布置。
由WO 98/05112所引入的電路中的簡化實(shí)現(xiàn)了簡單的和低成本的電子電動機(jī)控制。為了自在WO 98/05112公開的電機(jī)中獲得最優(yōu)性能，需要位置測定裝置來確定轉(zhuǎn)子的位置，并由此確定開關(guān)28和29的正確的狀態(tài)，用于所需方向上的連續(xù)旋轉(zhuǎn)。在傳統(tǒng)的磁通量開關(guān)電機(jī)中，位置測定裝置可由安裝在電機(jī)定子上的光學(xué)傳感器提供，其觀察具有反射或透明部分的碼盤的旋轉(zhuǎn)。該光學(xué)傳感器提供了與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)同步變化的電信號?？商鎿Q地，定子上的傳感器可以響應(yīng)于磁極性，諸如霍爾效應(yīng)(Hall effect)設(shè)備，并且轉(zhuǎn)子上的碼盤可以包括表示轉(zhuǎn)子齒的磁性圖。編碼磁盤連同轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了固定傳感器中的電信號，其與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)同步改變。許多其他形式的位置測定裝置對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言也是已知的，但是它們?nèi)际艿綑C(jī)械對準(zhǔn)誤差問題的影響。在電機(jī)的制造過程中，固定傳感器必須安裝到電機(jī)定子的已知或者預(yù)定的位置處。而且，碼盤必須也安裝到轉(zhuǎn)子上相對于轉(zhuǎn)子極處于已知或者預(yù)定的角度位置處。這需要具有高度精確性的制造過程，因此其不易于在低成本下實(shí)現(xiàn)。
該位置測定布置是普遍使用的，但是具有顯著的機(jī)械復(fù)雜性，并且不總是具有低的制造成本。而且，由于開關(guān)相對于轉(zhuǎn)子位置的時(shí)序?qū)τ陔妱訖C(jī)的性能有直接的影響，因此必須實(shí)現(xiàn)具有精確的編碼傳感器盤對轉(zhuǎn)子的對準(zhǔn)以及電子拾取器(光學(xué)的或者霍爾效應(yīng)的)在定子上的定位。隨著轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)速度的增加，該對準(zhǔn)具有更大的重要性。完全基于對定子或其電繞組的直接和間接的電氣測量的轉(zhuǎn)子位置檢測系統(tǒng)是優(yōu)選的，這是因?yàn)槠渲胁淮嬖诔霈F(xiàn)機(jī)械錯(cuò)誤的可能性。
在無刷電動機(jī)中不使用機(jī)械傳感器的某些現(xiàn)有技術(shù)轉(zhuǎn)子位置檢測方法取決于反電動勢(back emf)波形重構(gòu)，用以尋找反電動勢的過零點(diǎn)。該重構(gòu)技術(shù)嚴(yán)重地依賴于對電樞繞組的電阻和電感的精確模型，用以確保精確的反電動勢波形的再現(xiàn)。由于電阻將在制造公差內(nèi)變化并隨溫度顯著變化，且電感將隨制造公差變化并顯著隨電流電平變化，因此，在不具有很大的成本和復(fù)雜性的前提下，該方法是非常難于實(shí)現(xiàn)的。在任何由勵磁繞組提供勵磁電動勢的磁通量開關(guān)電機(jī)中，由于勵磁電動勢的非恒定的值，使得反電動勢檢測方法是更加復(fù)雜的。
其他現(xiàn)有技術(shù)的方法使用了，將高頻信號注入到源繞組中的正常監(jiān)測電流的頂部。在源繞組中或者在其他的具有復(fù)雜的濾波和信號處理電子裝置的繞組中，可以對高頻電流相對于位置的調(diào)制進(jìn)行解碼。另外的現(xiàn)有技術(shù)方法使用了關(guān)于磁通量和電流之間的關(guān)系的詳細(xì)的電動機(jī)模型，該模型允許考慮非線性電流的依賴關(guān)系。然而，該方法仍然取決于非常精確的磁通量測量，其需要精確的電子電路以及在所有測量時(shí)間的精確繞組電阻值。所有現(xiàn)有技術(shù)的方法都需要復(fù)雜的電子電路，并且需要某些關(guān)于電機(jī)的詳細(xì)知識，以及其對物理參數(shù)(諸如溫度)的依賴性。
在US5821713中公開了確定電動機(jī)轉(zhuǎn)子相對于定子的位置的另外的現(xiàn)有技術(shù)的方法，其使用由電動機(jī)繞組中的電流梯度的變化(該梯度變化是由電動機(jī)的相同繞組的自感中取決于轉(zhuǎn)子位置的變化而引起的)，用以估計(jì)轉(zhuǎn)子的位置。由于自感不隨轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置而發(fā)生顯著的變化，因此該方法不能應(yīng)用于磁通量開關(guān)電動機(jī)。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例試圖克服上述的現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，并且特別地試圖提供一種電機(jī)，該電機(jī)具有簡單的控制電路并具有位置測定裝置，該位置測定裝置可以不需要轉(zhuǎn)子上的碼盤或者安裝在相對該電機(jī)定子的特定機(jī)械位置的測定設(shè)備而進(jìn)行操作，并且不需要復(fù)雜的電子電路，并且可以工作在其中繞組自感不隨位置顯著改變的電動機(jī)中。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種用于將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能和/或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的電機(jī)，該電機(jī)包括轉(zhuǎn)子，其具有多個(gè)轉(zhuǎn)子極；定子，用于以可旋轉(zhuǎn)方式接收所述轉(zhuǎn)子，并且具有用于在所述轉(zhuǎn)子和所述定子之間產(chǎn)生第一磁動勢的場磁體裝置，該定子并入了至少兩個(gè)電繞組，其中至少一個(gè)是電樞繞組，該電樞繞組適于承載與所述轉(zhuǎn)子相對于所述定子的旋轉(zhuǎn)同步變化的電流，用以產(chǎn)生變化的第二磁動勢，該第二磁動勢具有橫向于所述第一磁動勢的分量；控制裝置，用于控制給該所述電樞繞組或每個(gè)所述電樞繞組的電流供應(yīng)；和位置測定裝置，用于檢測取決于所述轉(zhuǎn)子相對于所述定子的旋轉(zhuǎn)位置的至少一個(gè)感應(yīng)第一電信號，該所述第一電信號或者每個(gè)所述第一電信號是通過跨越至少一個(gè)其他所述繞組的電壓而被感應(yīng)在所述繞組的各自繞組中，所述電壓是用于將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能和/或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的電機(jī)正常操作的要求，用以由此向所述控制裝置提供至少一個(gè)第二電信號，該第二電信號表示所述轉(zhuǎn)子相對于所述定子的旋轉(zhuǎn)位置。
通過提供用于檢測取決于所述轉(zhuǎn)子相對于所述定子的旋轉(zhuǎn)位置的至少一個(gè)感應(yīng)第一電信號，該所述第一電信號或每個(gè)所述第一電信號是通過跨越至少一個(gè)其他所述繞組的電壓而被感應(yīng)在所述繞組的各自繞組中，所述電壓是用于將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能和/或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的電機(jī)正常操作的要求，用以由此向所述控制裝置提供至少一個(gè)第二電信號，該第二電信號表示所述轉(zhuǎn)子相對于所述定子的旋轉(zhuǎn)位置，這樣提供的優(yōu)點(diǎn)在于，該互感第一電信號或者每個(gè)互感第一電信號顯著地變化，這使得有可能產(chǎn)生至所述控制裝置的至少一個(gè)第二電信號，該第二電信號表示所述轉(zhuǎn)子相對于所述定子的旋轉(zhuǎn)位置。這樣，提供的優(yōu)點(diǎn)在于，不需要在制造過程中要求高度精確性的機(jī)械轉(zhuǎn)子位置檢測器或者要求顯著成本和復(fù)雜性的反電動勢波形重構(gòu)。這接下來提供的優(yōu)點(diǎn)在于，并入了該裝置的電機(jī)的成本可以顯著減少。
在優(yōu)選實(shí)施例中，所述定子具有多個(gè)定子極，并且至少一個(gè)所述電樞繞組被纏繞成具有對應(yīng)于多個(gè)定子極節(jié)距的節(jié)距。
優(yōu)選地，所述場磁體裝置包括至少一個(gè)勵磁繞組，其適于同包含至少一個(gè)所述電樞繞組的電路串聯(lián)或者并聯(lián)連接。
這提供的優(yōu)點(diǎn)在于，通過提供控制勵磁繞組和電樞繞組的賦能的適當(dāng)開關(guān)布置，可以簡化控制繞組賦能的電子電路。
該位置測定裝置可以適于檢測來自至少一個(gè)所述勵磁繞組的至少一個(gè)互感第一電信號。
這提供的優(yōu)點(diǎn)在于，通過允許將單向賦能施加到該勵磁繞組或每個(gè)勵磁繞組并且允許將改變方向的賦能施加到該電樞繞組或每個(gè)電樞繞組，簡化了控制電路。
在優(yōu)選實(shí)施例中，該位置測定裝置適于檢測至少一個(gè)所述互感第一電信號何時(shí)通過至少一個(gè)閾值，用以產(chǎn)生至少一個(gè)第二電信號。這提供的優(yōu)點(diǎn)在于，表示轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置的該至少一個(gè)第二電信號不會受到將影響至少一個(gè)互感第一電信號幅度的電機(jī)條件變化的影響。
該位置測定裝置可以適于，當(dāng)電機(jī)的電繞組由基本均勻的電壓進(jìn)行賦能時(shí)和/或當(dāng)所述繞組沒有由作為用以將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能和/或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的電機(jī)正常操作要求的電壓進(jìn)行賦能時(shí)，檢測至少一個(gè)互感第一電信號何時(shí)通過至少一個(gè)各自的閾值。
這提供的優(yōu)點(diǎn)在于，由于當(dāng)至少一個(gè)電樞線圈由基本均勻的電壓或者零電壓進(jìn)行賦能時(shí)，電機(jī)的各自第二繞組中的至少一個(gè)互感第一電信號的狀態(tài)中的變化基本上應(yīng)歸于第二繞組和電樞繞組之間的耦合中的變化，因此可以容易地檢測由耦合中的變化引起的互感第一電信號通過該閾值或每個(gè)閾值。
該位置測定裝置可以適于通過確定在所述轉(zhuǎn)子的預(yù)定旋轉(zhuǎn)周期期間、在至少一個(gè)電機(jī)繞組中、至少一個(gè)互感第一電信號大于或者小于至少一個(gè)各自閾值的時(shí)間的相對比例，確定何時(shí)開始和/或結(jié)束該至少一個(gè)所述電樞繞組的賦能。
該位置測定裝置可以適于控制至少一個(gè)所述電樞繞組的賦能的時(shí)序，用以維持在預(yù)定的限制內(nèi)、在至少一個(gè)電機(jī)繞組中、至少一個(gè)互感第一電信號大于或者小于至少一個(gè)各自閾值的時(shí)間的相對比例。
該預(yù)定的限制可以適于取決于所述電機(jī)的輸出性能進(jìn)行變化。
該位置測定裝置可以適于借助于輸入到所述控制裝置的至少一個(gè)誤差信號來控制所述賦能的時(shí)序。
該位置測定裝置可以適于響應(yīng)于在預(yù)定周期期間對至少一個(gè)互感第一電信號通過閾值的檢測的失敗，選擇性地控制所述賦能的時(shí)序。
該位置測定裝置可以適于檢測至少一個(gè)所述互感第一電信號何時(shí)通過至少一個(gè)各自閾值，用以產(chǎn)生至少一個(gè)所述第二電信號，該至少一個(gè)所述閾值是相應(yīng)的所述互感第一電信號的平均值的函數(shù)。
該位置測定裝置可以適于從在電機(jī)電繞組中出現(xiàn)的電流變化的速率中提取取決于所述轉(zhuǎn)子相對于所述定子的旋轉(zhuǎn)位置的至少一個(gè)互感第一電信號，該電流變化是作為跨越電機(jī)的一個(gè)或者多個(gè)其他所述電繞組的電壓的存在結(jié)果而出現(xiàn)。
該位置測定裝置可以包括至少一個(gè)各自的線圈，其適于磁耦合到由承載通過至少一個(gè)所述繞組的電流的導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場。
這提供的優(yōu)點(diǎn)在于，由于跨越所述線圈的電壓可以用作相應(yīng)的互感第一電信號，因此，可以簡化從在電機(jī)的電繞組中出現(xiàn)的電流中對取決于所述轉(zhuǎn)子相對于所述定子的旋轉(zhuǎn)位置的該互感第一電信號或每個(gè)互感第一電信號的提取。在另外的實(shí)施例中，該位置測定裝置適于獲得與至少一個(gè)所述互感第一電信號相關(guān)的數(shù)據(jù)，并且將所述數(shù)據(jù)同與至少一個(gè)已知轉(zhuǎn)子位置相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。
該位置測定裝置可以適于通過在電機(jī)的至少一個(gè)其他電繞組被賦能時(shí)確定至少一個(gè)電繞組中的至少一個(gè)互感第一電信號，提供表示處于停頓的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置的至少一個(gè)所述第二電信號。
該控制裝置可以適于響應(yīng)于來自所述位置測定裝置的、所述轉(zhuǎn)子停頓時(shí)產(chǎn)生的至少一個(gè)第二電信號，使所述轉(zhuǎn)子相對于所述定子移動至穩(wěn)定平衡的位置。
該位置測定裝置可以適于通過在電機(jī)的至少一個(gè)其他電繞組被賦能時(shí)觀察至少一個(gè)所述電繞組中的各自互感第一電信號，指出所述轉(zhuǎn)子相對于所述定子的穩(wěn)定平衡的最接近位置。
該位置測定裝置可以適于通過間歇地對至少一個(gè)所述互感第一電信號進(jìn)行采樣來監(jiān)視所述信號。
該位置測定裝置可以適于通過間歇地對至少一個(gè)所述第二電信號進(jìn)行采樣來監(jiān)視所述信號。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種控制用于將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能和/或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的電機(jī)的方法，該電機(jī)包括轉(zhuǎn)子，其具有多個(gè)轉(zhuǎn)子極；和定子，用于以可旋轉(zhuǎn)方式接收所述轉(zhuǎn)子，并且具有用于在所述轉(zhuǎn)子和所述定子之間產(chǎn)生第一磁動勢的場磁體裝置，該定子具有至少兩個(gè)電繞組，其中至少一個(gè)是各自的電樞繞組，該電樞繞組適于承載與所述轉(zhuǎn)子相對于所述定子的旋轉(zhuǎn)同步變化的電流，用以產(chǎn)生變化的第二磁動勢，該第二磁動勢具有橫向于所述第一磁動勢的分量，該方法包括以下步驟檢測取決于所述轉(zhuǎn)子相對于所述定子的旋轉(zhuǎn)位置的至少一個(gè)感應(yīng)第一電信號，該所述第一電信號或者每個(gè)所述第一電信號是通過跨越至少一個(gè)其他所述繞組的電壓而被感應(yīng)在所述繞組的各自繞組中，所述電壓是用于將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能和/或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的電機(jī)正常操作的要求；提供表示所述轉(zhuǎn)子相對于所述定子的旋轉(zhuǎn)位置的至少一個(gè)第二電信號；和響應(yīng)于至少一個(gè)所述第二電信號，控制給該所述電樞繞組或每個(gè)所述電樞繞組的電流供應(yīng)。
該方法可以進(jìn)一步包括以下步驟檢測來自至少一個(gè)所述勵磁繞組的至少一個(gè)互感第一電信號。
該方法可以進(jìn)一步包括以下步驟檢測至少一個(gè)所述互感第一電信號何時(shí)通過至少一個(gè)閾值，用以產(chǎn)生至少一個(gè)所述第二電信號。
該方法可以進(jìn)一步包括以下步驟當(dāng)電機(jī)的電繞組由基本均勻的電壓進(jìn)行賦能時(shí)和/或當(dāng)所述繞組沒有由作為用以將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能和/或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的電機(jī)正常操作要求的電壓進(jìn)行賦能時(shí)，檢測至少一個(gè)互感第一電信號何時(shí)通過至少一個(gè)各自的閾值。
該方法可以進(jìn)一步包括以下步驟通過確定在所述轉(zhuǎn)子的預(yù)定旋轉(zhuǎn)周期期間、在至少一個(gè)電機(jī)繞組中、至少一個(gè)互感第一電信號大于或者小于至少一個(gè)各自閾值的時(shí)間的相對比例，確定何時(shí)開始和/或結(jié)束該至少一個(gè)所述電樞繞組的賦能。
該方法可以進(jìn)一步包括以下步驟控制至少一個(gè)所述電樞繞組的賦能的時(shí)序，用以維持在預(yù)定的限制內(nèi)、在至少一個(gè)電機(jī)繞組中、至少一個(gè)互感第一電信號大于或者小于至少一個(gè)各自閾值的時(shí)間的相對比例。
該方法可以進(jìn)一步包括以下步驟取決于所述電機(jī)的輸出性能來改變所述預(yù)定的限制。
該方法可以進(jìn)一步包括以下步驟借助于至少一個(gè)誤差信號來控制所述賦能的時(shí)序。
該方法可以進(jìn)一步包括以下步驟響應(yīng)于在預(yù)定周期期間對至少一個(gè)互感第一電信號通過閾值的檢測的失敗，選擇性地控制所述賦能的時(shí)序。
該方法可以進(jìn)一步包括以下步驟檢測至少一個(gè)所述互感第一電信號何時(shí)通過至少一個(gè)各自閾值，用以產(chǎn)生至少一個(gè)所述第二電信號，該至少一個(gè)所述閾值是相應(yīng)的所述互感第一電信號的平均值的函數(shù)。
該方法可以進(jìn)一步包括以下步驟通過從在電機(jī)電繞組中出現(xiàn)的電流變化的速率，提取取決于所述轉(zhuǎn)子相對于所述定子的旋轉(zhuǎn)位置的至少一個(gè)互感第一電信號，該電流變化是作為跨越電機(jī)的一個(gè)或者多個(gè)其他所述電繞組的電壓的存在結(jié)果而出現(xiàn)。
該方法可以進(jìn)一步包括以下步驟獲得與至少一個(gè)所述互感第一電信號相關(guān)的數(shù)據(jù)，并且將所述數(shù)據(jù)同與至少一個(gè)已知轉(zhuǎn)子位置相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。
該方法可以進(jìn)一步包括以下步驟通過在電機(jī)的至少一個(gè)其他電繞組被賦能時(shí)確定至少一個(gè)電繞組中的至少一個(gè)互感第一電信號，提供表示處于停頓的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置的至少一個(gè)所述第二電信號。
該方法可以進(jìn)一步包括以下步驟響應(yīng)于來自所述位置測定裝置的、所述轉(zhuǎn)子停頓時(shí)產(chǎn)生的至少一個(gè)第二電信號，使所述轉(zhuǎn)子相對于所述定子移動至穩(wěn)定平衡的位置。
該方法可以進(jìn)一步包括以下步驟通過在電機(jī)的至少一個(gè)其他電繞組被賦能時(shí)觀察至少一個(gè)所述電繞組中的各自互感第一電信號，指出所述轉(zhuǎn)子相對于所述定子的穩(wěn)定平衡的最接近位置。
該方法可以進(jìn)一步包括以下步驟通過間歇地對至少一個(gè)所述互感第一電信號進(jìn)行采樣來監(jiān)視所述信號。
該方法可以進(jìn)一步包括以下步驟通過間歇地對至少一個(gè)所述第二電信號進(jìn)行采樣來監(jiān)視所述信號。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種確定電機(jī)的至少一個(gè)繞組中的電流變化的速率的方法，該電機(jī)用于將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能和/或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，該方法包括監(jiān)視感應(yīng)在至少一個(gè)各自線圈中的電壓，該線圈磁耦合到由承載所述電流的導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場。
現(xiàn)在，通過參考附圖，將僅借助于示例描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，在附圖中圖1a和1b示出了現(xiàn)有技術(shù)的兩相可變磁阻電動機(jī)的解釋性示圖，在圖1a和圖1b中示出了兩個(gè)激勵模式；圖2a和2b示出了現(xiàn)有技術(shù)的磁通量開關(guān)電機(jī)的解釋性示圖，在圖2a和圖2b中示出了兩個(gè)激勵模式；圖3a示出了關(guān)于WO 98/05112中公開的現(xiàn)有技術(shù)的兩相可變磁阻電動機(jī)的定子繞組的解釋性示圖；圖3b用于激勵圖3a的繞組的激勵電路的電路圖；圖4體現(xiàn)了本發(fā)明的電機(jī)中使用的磁通量開關(guān)電動機(jī)的示圖，其具有8極定子和4極轉(zhuǎn)子；圖5a、5b和5c示出了用于賦能本發(fā)明實(shí)施例的磁通量開關(guān)電動機(jī)的電樞繞組的電路布置的電路圖；圖6a和6b示出了用于賦能本發(fā)明實(shí)施例的勵磁繞組和電樞繞組的電路布置的電路圖；圖7a和7b示出了用于賦能本發(fā)明實(shí)施例的勵磁繞組和電樞繞組的另外的電路布置的電路圖；圖8示出了用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的波形和時(shí)序；圖9a示出了本發(fā)明的第一實(shí)施例的用于使用霍爾效應(yīng)電流變換器測量勵磁電流的電路布置；圖9b示出了用于對電流信號進(jìn)行微分并然后使用比較器用于檢測圖9a的實(shí)施例中梯度的正負(fù)號的簡單電路；圖10示出本發(fā)明的第二實(shí)施例，其中勵磁電流是使用接地參考電阻器進(jìn)行測量的；圖11a和11b示出了本發(fā)明的第三和第四實(shí)施例的部件，其中圍繞承載待微分電流的導(dǎo)線的磁場在線圈中產(chǎn)生了與該電流變化速率成比例的電壓；圖12示出了圖11a和11b的實(shí)施例的電路實(shí)現(xiàn)方案，其具有在實(shí)際電動機(jī)驅(qū)動中實(shí)現(xiàn)的元件值；圖13示出了關(guān)于圖12的電路的變化方案；圖14示出了電樞控制脈沖的時(shí)序和獲得自勵磁電流梯度的正負(fù)號變化的信息，其用于使電樞控制脈沖的時(shí)序同轉(zhuǎn)子位置同步；圖15示出了通過對處于停頓的電動機(jī)繞組(電樞繞組)進(jìn)行脈沖調(diào)制并且監(jiān)視另一繞組(勵磁繞組)中的電流梯度而獲得的信息；圖16示出了實(shí)驗(yàn)性波形，其說明了在從pwm操作轉(zhuǎn)變至單脈沖的過程中應(yīng)用的本發(fā)明的實(shí)施例；圖17示出了用于自適應(yīng)脈沖定位的本發(fā)明的實(shí)施例的實(shí)現(xiàn)方案；圖18示出了自適應(yīng)脈沖定位中涉及的關(guān)鍵時(shí)間；圖19示出了用于自適應(yīng)脈沖定位的本發(fā)明的實(shí)施例的另一實(shí)現(xiàn)方案；圖20示出了圖19的實(shí)施例中使用的控制算法的實(shí)現(xiàn)方案；圖21示出了本發(fā)明的第五實(shí)施例的完整的磁通量開關(guān)電動機(jī)驅(qū)動；圖22和23示出了通過圖21的電路獲得的測試結(jié)果，該電路處于體現(xiàn)了本發(fā)明的實(shí)際磁通量開關(guān)電動機(jī)上；圖24示出了電樞控制脈沖的時(shí)序和獲得自勵磁電流梯度的正負(fù)號變化的信息的另外的實(shí)現(xiàn)方案，該信息用于使電樞控制脈沖的時(shí)序同轉(zhuǎn)子位置同步；圖25是可替換的實(shí)施例的示意圖，其中場磁體裝置是由一個(gè)或者多個(gè)永磁體構(gòu)成的；圖26是本發(fā)明的實(shí)施例的框圖。
供電電子配置參考圖4，磁通量開關(guān)電機(jī)具有定子2和轉(zhuǎn)子7，定子2配備有8個(gè)指向內(nèi)部的凸出極30。轉(zhuǎn)子7具有四個(gè)指向外部并不具繞組的凸出極31。定子2配備有勵磁繞組10和電樞繞組11。勵磁繞組在正常的布置時(shí)為用于承載相同方向的電流，而電樞繞組的布置則是用于承載交流電流。在圖4所示的電機(jī)中，電樞的一個(gè)電流周期對應(yīng)于一個(gè)轉(zhuǎn)子極的旋轉(zhuǎn)節(jié)距。因此一個(gè)電樞電流周期對應(yīng)于轉(zhuǎn)子90°的旋轉(zhuǎn)。
在圖4中，電樞繞組包括A1、A2兩個(gè)線圈，每個(gè)線圈跨越兩個(gè)定子槽，或者包括A1、A2、A3、A4四個(gè)線圈，該等線圈繞定子極纏繞使得相鄰線圈的有效部分被容納在相同的定子槽中。該等線圈以串聯(lián)或者并聯(lián)方式連接在一起，以形成電樞繞組。圖4的電樞槽中的正號和負(fù)號應(yīng)當(dāng)理解作為說明處于兩個(gè)電樞激勵模式之一的電樞電流的極性。電樞電流方向的反轉(zhuǎn)將會改變?nèi)克膫€(gè)電樞槽中的電流的方向。
相似地，處于圖4的8槽定子中的勵磁繞組包括F1、F2兩個(gè)線圈，每個(gè)線圈跨越兩個(gè)定子槽，或者包括F1、F2、F3、F4四個(gè)線圈，該等線圈繞定子極纏繞使得相鄰線圈的有效部分容納在相同的定子槽中。該等線圈以串聯(lián)或者并聯(lián)形式連接在一起以形成勵磁繞組。
電樞繞組中的雙向電流可以使用如圖5a-5c所示出示例的各種電路(逆變器)布置控制。
圖5a示出了全橋式逆變器，其使用4個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)和4個(gè)二極管。開關(guān)S1和S3的接通允許正電流流過電樞繞組。開關(guān)S2和S4的接通允許負(fù)電流流過電樞繞組。電流一旦在該兩個(gè)方向中的任一方向建立了，就可以使用額外的操作模式，使得一個(gè)開關(guān)和一個(gè)二極管能在施加于電樞繞組的電壓為零時(shí)導(dǎo)通。。
圖5b示出了另一逆變器電路，其需要兩個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)和兩個(gè)電容器配合。這兩個(gè)電容器相對于該兩個(gè)電容器之間的節(jié)點(diǎn)形成了一個(gè)雙極電源。開關(guān)S1的接通允許正電流流過電樞繞組。開關(guān)S2的接通允許負(fù)電流流過電樞繞組。與每個(gè)開關(guān)并聯(lián)的二極管在相對的開關(guān)斷開時(shí)傳導(dǎo)電流。
可相替換地，每個(gè)電樞繞組部件(A1和A2，或者A1、A2、A3和A4)可分為兩個(gè)緊密地磁耦合的線圈。電樞線圈以反向方式進(jìn)行纏繞，并且可以在適當(dāng)時(shí)作雙線式纏繞并進(jìn)行連接，例如，可參考如WO 98/05112圖6所述，每個(gè)電樞繞組包括A1、A2、A3、A4四個(gè)線圈，其以串聯(lián)或者并聯(lián)方式連接在一起并且圍繞定子極進(jìn)行纏繞，由此使相鄰線圈的有效部分容納在相同的定子槽中。然后，這兩個(gè)電樞繞組可以連接到另外如WO 98/05112所述并如本圖5c所示的逆變器電路。開關(guān)S1的接通允許正電流流過電樞繞組。接通開關(guān)S2的接通賦能予第二個(gè)電樞繞組，并且由于這是以相反的方式與電源連接的，因此該電樞槽中的有效電流是負(fù)的。與每個(gè)開關(guān)并聯(lián)的二極管在對方的開關(guān)斷開時(shí)傳導(dǎo)電流。
勵磁繞組中的單向電流可以通過使勵磁繞組與電樞開關(guān)布置作串聯(lián)連接(圖6a和7a)以獲得，或者亦可以將勵磁繞組與電樞開關(guān)作并聯(lián)(圖6b和7b)連接，以獲得勵磁繞組中的單向電流。在串聯(lián)配置中，還可以包括如WO 98/05112所公開的二極管或者電容器或者這兩者皆有的裝置。在圖6b和7b所示的并聯(lián)配置中，額外的開關(guān)(S5)和二極管示出了可以用于提供獨(dú)立于電樞開關(guān)布置而對勵磁電流激勵的控制。該額外的開關(guān)是可選的。另外的替換方案是使一些勵磁繞組與電樞開關(guān)布置串聯(lián)連接并且使另一些勵磁繞組與其以并聯(lián)方式連接。而且，向勵磁繞組10提供的電流可來自分立的電流源。
電樞繞組11可以包括兩個(gè)串聯(lián)連接或者并聯(lián)連接的電樞繞組部件A1和A2，并且勵磁繞組10可以包括兩個(gè)串聯(lián)連接或者并聯(lián)連接的勵磁繞組部件F1和F2，該繞組部件纏繞在定子2上，如圖4中的定子中所示的。
在圖4中，通過標(biāo)注在圖中定子外部的符號，示出了該情況中的繞組配置。在圖4中，符號+和-示出了處于一個(gè)激勵模式下的繞組中的電流方向，并且應(yīng)當(dāng)理解，在另一激勵模式下，電樞繞組中的電流方向是反轉(zhuǎn)的，而勵磁繞組中的電流方向是不變的。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員亦會理解到，在所有的電路實(shí)施例中，電樞槽中的電流方向是周期性反轉(zhuǎn)的，而勵磁繞組中的電流方向則是不變的。
基本位置估計(jì)方法和低速實(shí)現(xiàn)方案在磁通量開關(guān)電機(jī)的全部供電電子實(shí)施例中，將電壓施加給電樞繞組(或者勵磁繞組)會在勵磁繞組(或者電樞繞組)中以受感應(yīng)電壓形式產(chǎn)生互感電信號。該感應(yīng)電壓的幅度和符號(方向)將取決于轉(zhuǎn)子位置。下面的描述將解釋如何容易地檢測該感應(yīng)電壓以及如何將其用于確定轉(zhuǎn)子位置并由此控制電機(jī)。由于磁通量開關(guān)電機(jī)最普遍的操作模式是控制施加給電樞的電壓和/或電流，以及將勵磁繞組以串聯(lián)或者并聯(lián)方式與受控電樞連接，下文的描述將假設(shè)于電壓會施加給電樞繞組并且互感電信號的檢測與勵磁繞組相關(guān)聯(lián)。施加給電樞和/或勵磁繞組以引起電動機(jī)旋轉(zhuǎn)的電壓應(yīng)當(dāng)理解及可被定義為需用于電機(jī)正常操作的電壓。
當(dāng)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置接近相對于與定子極的對準(zhǔn)的位置時(shí)，由于電樞繞組的激勵而在勵磁繞組引起的感應(yīng)電壓的幅度是最大的。這也是勵磁繞組中感應(yīng)電壓(相對于轉(zhuǎn)子位置的)變化速率最小的轉(zhuǎn)子位置，即是，勵磁繞組中的感應(yīng)電壓的幅度中在這些對準(zhǔn)位置兩側(cè)的位置處僅存在有限的變化。這些對準(zhǔn)位置感應(yīng)電樞的反電動勢為零故是將電樞激勵極性反轉(zhuǎn)的最理想點(diǎn)的位置以達(dá)至最佳電-機(jī)能量的轉(zhuǎn)換。
圖8示出了一個(gè)基本位置檢測方法的實(shí)施方案。圖8示出了具有串聯(lián)連接的勵磁繞組的磁通量開關(guān)電動機(jī)的操作。在圖8中的操作速度下，電樞的受感應(yīng)電動勢顯著低于可利用的電樞電源電壓，由此在每個(gè)電樞傳導(dǎo)段中需要調(diào)制電樞開關(guān)以避免電樞電流達(dá)到超常的水平。圖8中示出的開關(guān)信號是用于開關(guān)S1和S2的。如果電樞是由如圖6a和6b所示的全橋逆變器控制，則開關(guān)S3和S4可以分別遵循與S1和S2相同的模式(硬斬波)，或者可以使其在每個(gè)各自電樞傳導(dǎo)段的過程中保持接通(軟斬波)。
每次開關(guān)S1接通時(shí)(連同S3一起，如果出現(xiàn)S3的話)，跨越電樞繞組的電壓是正的，產(chǎn)生了正的電樞電流Ia的流動。電樞磁鏈的增加在勵磁繞組中感應(yīng)了感應(yīng)電壓，該電壓的方向和幅度是位置的函數(shù)。勵磁繞組中的感應(yīng)電壓將波動疊加到勵磁電流梯度上。該波動可被提取以提供取決于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置的互感電信號。
在每個(gè)具有正電樞磁動勢的電樞傳導(dǎo)段的起點(diǎn)(由圖8中的跡線Ia的起點(diǎn)示出)，將正電壓施加到電樞在勵磁繞組中感應(yīng)了電壓，其在勵磁電流中疊加了正梯度。在此時(shí)，當(dāng)開關(guān)(或多個(gè)開關(guān))斷開時(shí)間的過程中將負(fù)電壓施加到電樞繞組時(shí)，勵磁電流的感應(yīng)梯度是負(fù)的。
勵磁繞組中的感應(yīng)電壓以及由此在勵磁電流中疊加的梯度在電樞傳導(dǎo)段中的某個(gè)點(diǎn)處減小到零，并且，不論施加到電樞的電壓狀態(tài)如何，勵磁電流的疊加梯度都是可忽略的。在此區(qū)域中，電樞反電動勢通常是最大的，同時(shí)，在一定電樞電流的情況下產(chǎn)生了最大轉(zhuǎn)矩。這一情況通常地接近在電樞傳導(dǎo)段的中間。
在朝向具有正磁動勢的電樞傳導(dǎo)段的末端處的方向上，當(dāng)正電壓施加到電樞時(shí)，勵磁電流的疊加梯度為負(fù)，而當(dāng)負(fù)電壓施加到電樞繞組時(shí)，勵磁電流的疊加梯度為正。
隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，至接近轉(zhuǎn)子與定子對準(zhǔn)的位置，電樞磁動勢的極性最理想地應(yīng)反轉(zhuǎn)，以維持處于所需方向上的轉(zhuǎn)矩。
通過勵磁電流的疊加梯度，，最簡單可作位置檢測方案將為當(dāng)各自電樞開關(guān)接通時(shí)在如圖8中的點(diǎn)100a所示的采樣點(diǎn)檢測勵磁電流的疊加梯度的極性。在圖8所示出的實(shí)現(xiàn)方案中，勵磁電流的疊加梯度的極性(即正負(fù)號)由比較器進(jìn)行檢測，以確定其為正(即比較器的輸出為低)還是為負(fù)(即比較器的輸出為高)。當(dāng)勵磁電流的疊加梯度在各自開關(guān)接通的時(shí)間中為正時(shí)(發(fā)生在每個(gè)電樞傳導(dǎo)段的第一部分期間)，圖8中的比較器信號X1在每個(gè)采樣點(diǎn)處是低的。在隨后的開關(guān)接通期間，勵磁電流的疊加梯度下降，但是在由黑點(diǎn)100a表示的采樣點(diǎn)處比較器輸出仍然為低。在接近電樞傳導(dǎo)段的中心處，勵磁電流的疊加梯度變負(fù)(當(dāng)開關(guān)接通時(shí))或者正(當(dāng)開關(guān)斷開時(shí))。一采樣點(diǎn)送回比較器的高值。此來自前一采樣的變化就用來改變邏輯信號X2的狀態(tài)。此邏輯信號X2在電樞電流的極性需要反轉(zhuǎn)的點(diǎn)的前面及約為定子極節(jié)距一半的位置處之前，即，如圖4中所示約為22.5°(參見圖8中的T2)。準(zhǔn)確位置將取決于電動機(jī)的設(shè)計(jì)特征以及電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和所需的轉(zhuǎn)矩。在知道轉(zhuǎn)子的速度之后，就可以預(yù)測需要使用對向開關(guān)(或多個(gè)對向開關(guān))來反轉(zhuǎn)電樞磁動勢極性的點(diǎn)，如圖8中的箭頭所標(biāo)注的。
在具有負(fù)電樞磁動勢的電樞傳導(dǎo)段的開始處，當(dāng)負(fù)電壓施加于電樞時(shí)勵磁電流的疊加梯度為正，及當(dāng)正電壓施加到電樞繞組時(shí)，勵磁電流的疊加梯度為負(fù)。
勵磁繞組中的受感應(yīng)電壓以及由此在勵磁電流中的疊加梯度在接近具有負(fù)磁動勢的電樞傳導(dǎo)段中心處通過零。在具有負(fù)磁動勢的電樞傳導(dǎo)段的末端處，當(dāng)負(fù)電壓施加于電樞時(shí)勵磁電流的疊加梯度為負(fù)，及當(dāng)正電壓施加到電樞繞組時(shí)該疊加梯度為正。
不論處于正的傳導(dǎo)段還是負(fù)的傳導(dǎo)段，所需用于檢測連續(xù)采樣之間比較器狀態(tài)變化的邏輯是相同的。
僅檢測勵磁電流疊加梯度的極性避免了對勵磁電流疊加梯度絕對測量的需要，因其將非常取決于電動機(jī)參數(shù)和其他的電路參數(shù)。然而，盡管有這些問題，但是通過監(jiān)視每個(gè)點(diǎn)處的勵磁電流疊加梯度的絕對值，可以獲得額外的位置信息。
微分方法通過測量電機(jī)的勵磁繞組102中的電流再在該勵磁繞組102后面跟隨有對表示勵磁電流的信號進(jìn)行微分的電路，就可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方案。此微分信號代表電流變化速率，且其值可用于計(jì)算轉(zhuǎn)子的位置?？梢允褂没魻栃?yīng)電流變換器103測量在勵磁繞組102中流動的電流，并且可以使用如圖9a和9b所示的使用了簡單的CR(電容-電阻)(112和113)電路的模擬微分電路。參考圖9a，來自ac交流電源100的整流dc直流電流經(jīng)由整流橋101提供給勵磁繞組102，其與霍爾效應(yīng)電流變換器103串聯(lián)連接。具有緊密耦合的雙線繞組形式的一對電樞繞組104、105借助于各自的晶體管開關(guān)106、107，選擇性地與勵磁繞組102串聯(lián)連接。每個(gè)開關(guān)106、107配備有二極管108，用于在控制其他繞組105、104的開關(guān)107、106斷開時(shí)傳導(dǎo)在繞組104、105中感應(yīng)的電流。包括電阻器110、電容器111和兩個(gè)二極管111a的緩沖電路109防止在繞組104、105中受感應(yīng)的電壓在開關(guān)轉(zhuǎn)變過程中損壞開關(guān)。緩沖器電路109的作用是用于吸收與該緊密耦合的電樞繞組的漏電感相關(guān)的能量。緩沖電路109的操作在WO98/05112中以較詳細(xì)地描述了并視為收錄于此。
在本發(fā)明的最簡單的實(shí)施例中，足夠用于控制電動機(jī)的信息可以獲得自對勵磁電流梯度極性的檢測，而不需要抽取表示勵磁電流疊加梯度的信號。更具體地，通過對并非由電子供電轉(zhuǎn)換器中的開關(guān)狀態(tài)變化所引起的勵磁電流梯度極性反轉(zhuǎn)的檢測，可以獲得用于控制電動機(jī)的足夠的信息。在該實(shí)施例中，通過使用比較器114的組合所產(chǎn)生的邏輯高或者邏輯低將微分勵磁電流信號與零電平進(jìn)行比較將僅取決于勵磁電流梯度極性。這些邏輯信號可以直接用于實(shí)施在例如微控制器115中的數(shù)字控制器的輸入。圖9b中所示。
如圖9b較詳細(xì)示出的，通過電阻器116建立的霍爾效應(yīng)電流變換器103的輸出電壓與勵磁繞組102中流動的電流幅度成比例，并且輸入到包括電阻器112和電容器113的微分電路中，其輸出(表示勵磁繞組102中的電流變化速率)輸入到比較器114。來自比較器114的輸出信號顯示勵磁繞組102中的電流變化速率為正或?yàn)樨?fù)，并輸入到控制器115以控制開關(guān)106、107的操作。
在實(shí)際的磁通量開關(guān)驅(qū)動而言，勵磁電流的測定優(yōu)選地是通過參考接地電阻器，更勝于通過更為昂貴的霍爾效應(yīng)電流變換器。圖10中示出了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的電路，其中與圖9a的實(shí)施例共用的部件由同樣的參考數(shù)字但增加了100來表示，并且其允許所獲得的信號能直接與所有邏輯開關(guān)和供電開關(guān)相同的接地為基準(zhǔn)作參考。該信號相對于在正極電路軌所量的勵磁電流是反向的，但這是可以修正到。然后，跨越電阻器203的電壓可以輸入到微分電路中，圖9b所示。
盡管迄今為止描述的實(shí)施例允許以相對低的成本測量繞組中的電流以及該信號的微分，但是簡單的微分器具有有限的帶寬且不具有電壓增益。較高性能的電路將使用如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟悉的利用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)的模擬微分器電路。然而，該等電路的應(yīng)用中必須注意使噪聲和相位延遲減到最小。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例通過監(jiān)察線圈中受感應(yīng)的電壓(其耦合到承載電機(jī)繞組中的電流的導(dǎo)線周圍的磁場)，在單一的步驟中實(shí)現(xiàn)了繞組電流的微分化。承載電機(jī)勵磁電流的導(dǎo)線具有圍繞其的磁場，磁場與導(dǎo)線中流動的電流成比例。線圈(或者單一匝數(shù))被布置為與圍繞該導(dǎo)線的磁場耦合，在線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓與導(dǎo)線中的電流的變化速率成比例。通過布置導(dǎo)線的磁場使得該線圈與具有大于1的相對磁導(dǎo)率的適當(dāng)磁路相鏈接，可以有利地增強(qiáng)圍繞該導(dǎo)線的場。優(yōu)選的布置將使用簡單的芯和線圈，且承載待微分的電流的導(dǎo)線通過該芯的中心，如圖11a所示。
可以設(shè)想使用寬范圍的磁耦合布置的替換方案。導(dǎo)線和線圈可以位于印刷電路板的表面上，圖11b所示。如果需要，通過在該印刷電路板的上面和下面添加磁性材料，可以增強(qiáng)該布置的磁耦合。
在最簡單的可行檢測方案中，在圖11a或11b中的線圈中感應(yīng)的電壓直接施加到電壓比較器的正或負(fù)信號輸入處。根據(jù)通過線圈的導(dǎo)線中的電流梯度的正負(fù)號，來自該比較器的電輸出信號將是邏輯高或者邏輯低。根據(jù)本發(fā)明，比較器的電輸出信號包含關(guān)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置的信息，并且可以用作至數(shù)字控制器的輸入。
在圖12所示的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)際的實(shí)現(xiàn)方案中，承載勵磁電流的導(dǎo)線通過具有1000匝線圈的環(huán)形芯320(Telcon芯HES 25VT)的中間。線圈上的電壓直接地與芯中磁通量的變化速率成比例，因而與勵磁電流的變化速率成比例。線圈的一端經(jīng)由10k的電阻器321直接饋送給比較器322的第一輸入處，而不必需經(jīng)過模擬處理。該線圈的第二端連接到比較器322的第二輸入處，其在該情況中也是零電壓提供路徑。比較器322的輸出用作至微控制器324的輸入，其包含用于對來自比較器的電輸出信號的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置進(jìn)行解碼的電動機(jī)控制算法和邏輯。微控制器被布置用于記錄如前文所描述的預(yù)定采樣點(diǎn)處的比較器的狀態(tài)，并且確定兩個(gè)連續(xù)的采樣改變狀態(tài)的點(diǎn)?；谵D(zhuǎn)子速度以及轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)另一半定子極節(jié)距所耗費(fèi)的時(shí)間，可以預(yù)測用于反轉(zhuǎn)電樞激勵的理想的點(diǎn)。在下文中將更加詳細(xì)地描述進(jìn)一步的控制算法。
本發(fā)明的該實(shí)施例不需要測量或者調(diào)節(jié)實(shí)際的勵磁電流，這使得其是極其低成本的，并且針對由于制造差異或者溫度導(dǎo)致的電動機(jī)參數(shù)的變化，其是非常穩(wěn)定的。該線圈的第二端可連接于任何已選擇的參考電壓或簡單地連接于比較器。
高速實(shí)現(xiàn)方案隨著電動機(jī)的速度的增加，對在每個(gè)電樞傳導(dǎo)段的期間需要通過對電樞電流值作重復(fù)性的pwm調(diào)制的需要減小。這在圖7a和7b的電路中是尤其確切的，其中電樞是由兩個(gè)緊密耦合的繞組構(gòu)成的。在這些電路中，除了設(shè)備的開關(guān)損耗外，重復(fù)的開關(guān)還引起與線圈的漏電感相關(guān)的能量耗散。對電動機(jī)速度和轉(zhuǎn)矩的控制可以通過在每個(gè)電樞傳導(dǎo)周期中持續(xù)一定時(shí)間長度操作電樞開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。該時(shí)間長度可由負(fù)載要求和轉(zhuǎn)子速度確定，如PCT/GB00/03197所描述的其內(nèi)容現(xiàn)引入于此。
因此，圖8中說明的方法必須適合用于在較高速度下使用，因使用重復(fù)性的pwm是不再適當(dāng)?shù)摹６?，隨著轉(zhuǎn)子速度的增加，基于對勵磁賦能電流的梯度作采樣的方法將導(dǎo)致對梯度改變正負(fù)號的準(zhǔn)確點(diǎn)的檢測不精確，該不精確性涉及采樣頻率相對于電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)頻率的比率的下降。由于開關(guān)的狀態(tài)不須針對為實(shí)現(xiàn)pwm電流或者電壓控制而發(fā)生變化，因此無論在開關(guān)接通期間或者在開關(guān)斷開的期間發(fā)生的勵磁電流梯度狀態(tài)的任何變化，完全地源于勵磁繞組和電樞繞組之間耦合的變化。
通過參考圖14可以描述在高速模式下的本發(fā)明的操作方法，其中與每個(gè)電樞電流極性相關(guān)的電樞開關(guān)在電樞傳導(dǎo)周期一部分保持導(dǎo)通。勵磁電流梯度狀態(tài)的變化可以出現(xiàn)在逆變器中的電樞開關(guān)的接通時(shí)間或者斷開時(shí)間期間，，并且可以對其進(jìn)行檢測。
圖14示出了典型的電樞傳導(dǎo)周期中的事件序列。在圖14的開始，信號ARMSW1是高的。這顯示，圖7a和b中的S1(或者圖6a或6b中的開關(guān)S1和S3)是接通的，并且正電壓正施加到電樞繞組，以及有效(組合)電樞電流是正的。將正電壓施加到電樞繞組會在電動機(jī)的勵磁繞組中誘生感應(yīng)電壓。隨著電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，該互感誘生電壓從正變?yōu)樨?fù)，引起勵磁電流疊加梯度從正變?yōu)樨?fù)。
在正的電樞傳導(dǎo)段中的某個(gè)點(diǎn)，勵磁電流梯度將從正變?yōu)樨?fù)，此轉(zhuǎn)變由比較器信號的上升沿可示出。該狀態(tài)變化的時(shí)間由微控制器或者等效電子電路記錄，并且計(jì)算出自從將正電壓首次施加給電樞開始所消逝的時(shí)間，即圖14中的Tc(區(qū)域C的持續(xù)時(shí)間)。
現(xiàn)在可以計(jì)算用于使ARSW1信號保持為高的剩余時(shí)間Ta(區(qū)域A的持續(xù)時(shí)間)。其中，Ta＝Tpulse-Tc，其中Tpulse是可以根據(jù)PCT/GB00/03197或者任何等效方法計(jì)算的脈沖持續(xù)時(shí)間，或者可以是電樞重復(fù)周期的固定的百分比。其計(jì)算方法引入于此。
在經(jīng)過Ta之后，將ARMSW1變低，用以使電樞開關(guān)(一個(gè)或多個(gè))斷開，而區(qū)域B亦開始。如果電樞激勵周期的每半周期的時(shí)間(在具有8個(gè)定子極和4個(gè)轉(zhuǎn)子極的電動機(jī)中用于45旋轉(zhuǎn)的時(shí)間)是Thalf-cycle，則對于區(qū)域B的時(shí)間Tb，可由Tb＝Thalf-cycle-Tpulse計(jì)算出。
在區(qū)域B的末端處，將對向的電樞的開關(guān)信號ARMSW2變高，用以使(一個(gè)或多個(gè))對向的電樞開關(guān)接通，并且向電樞繞組施加負(fù)電壓，及產(chǎn)生需要用于一個(gè)完整的電動機(jī)操作周期的負(fù)的電樞電流。
作為可替換的或者另外的同步方法，可以籍在區(qū)域B期間監(jiān)視描述勵磁電流梯度正負(fù)號的比較器。在跟隨在正的電樞傳導(dǎo)段之后的區(qū)域B期間，施加到電樞的電壓是負(fù)的。由于區(qū)域B出現(xiàn)在電樞傳導(dǎo)半周期的后面部分，在開關(guān)(一個(gè)或多個(gè))斷開之后勵磁電流梯度將是正的，而比較器信號將是低的。
在區(qū)域B期間，梯度的正負(fù)號從正到負(fù)的變化表示，轉(zhuǎn)子已轉(zhuǎn)過足夠的角度并到達(dá)了負(fù)向施加的電樞電壓會產(chǎn)生梯度勵磁電流的點(diǎn)。這是負(fù)的電樞傳導(dǎo)段可以開始的轉(zhuǎn)子角度的清楚指出?？梢允褂孟喾礃O性的電流再次賦能予電樞電路。因此，可以使用在開關(guān)斷開時(shí)間期間對梯度從正到負(fù)的變化(圖14中的比較器的低-高)進(jìn)行檢測，以使具有相反極性的電樞傳導(dǎo)的起點(diǎn)同步。然而，在檢測到該轉(zhuǎn)變后并沒有必要立即開始相反極性的電樞傳導(dǎo)。如果Tpulse相對于每個(gè)半周期的預(yù)計(jì)時(shí)間Thalf-cycle是相對小的，則可以插入延遲，如圖14所示。如果Tpulse相對于每個(gè)半周期的預(yù)期時(shí)間Thalf-cycle是相對大的，如全負(fù)載條件下所出現(xiàn)的，則該點(diǎn)的延遲將是最小的。
在圖14中還示出了被稱為濾波位置(filter location)的信號。由于在開關(guān)之后微分信號可能出現(xiàn)偽轉(zhuǎn)變的亂真過渡，提議在開關(guān)接通之后的一段時(shí)間內(nèi)避免監(jiān)視比較器信號。在開關(guān)斷開之后(區(qū)域B的開始)也可以應(yīng)用相似的濾波。
在某些實(shí)現(xiàn)方案中，當(dāng)每次電樞反轉(zhuǎn)而改變狀態(tài)時(shí)在控制器中產(chǎn)生內(nèi)部信號亦可以有利。。該信號，即圖4中的Sstate，與通常出現(xiàn)在具有傳統(tǒng)傳感器的電機(jī)中的信號相同。
隨著電動機(jī)加速，使用不同的運(yùn)算法計(jì)以算處于每個(gè)速度的脈沖。電動機(jī)的速度對于控制器而言是可取得的并且是通過對區(qū)域A、B和C的時(shí)間求和而得到的。通過將該時(shí)間同關(guān)于每個(gè)半周期的目標(biāo)時(shí)間進(jìn)行比較，并且在下一半周期期間產(chǎn)生較大的或較小的脈沖以校正測量速度中的任何誤差，可以容易地通過閉環(huán)速度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
在某些實(shí)施方案中，有時(shí)可能存在非由施加到電樞繞組的互感電壓的其他效應(yīng)引起的勵磁電流梯度變化。
例如，如果施加到串聯(lián)磁通量開關(guān)電動機(jī)的電樞繞組的百分比激勵中突然增加，有勵磁電流亦伴隨增加。
作為另外的示例，如果施加到圖5、6或7的供電電子電路的dc直流電壓得自具有最小平滑電容的整流ac交流電源，則跨越供電電子電路的電壓將依照整流正弦波的波形輪廓而發(fā)生變化。電樞繞組和勵磁繞組中的電流的波形輪廓將遵循該整流正弦波而發(fā)生變化。隨著電壓從零開始上升，勵磁繞組中的電流變化速率將具有正的平均值。由于電樞繞組的激勵而在勵磁繞組中引起的互感電壓使勵磁電流梯度中產(chǎn)生了的額外的變化，其疊加到此勵磁電流梯度的正的平均值上。表示轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置的互感電信號仍然存在，但是可能被勵磁電流梯度的較長時(shí)期平均值的掩蓋，使得勵磁電流梯度在電樞傳導(dǎo)周期期間完全沒有改變極性。因此，為了使得表示轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置的互感電信號能夠被清楚地檢測到，需要從電流波形的微分中移除電流梯度的長期平均值的影響。
處于該環(huán)境下的位置測定裝置的操作可以以若干方法進(jìn)行，而此處將解釋其中兩種方法用于說明。
產(chǎn)生自勵磁繞組電流的微分信號包含表示轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置的互感電信號，但是還包含電機(jī)的平均激勵電平的任何變化。電機(jī)平均激勵電平中的變化相對于互感的變化通常處于低的頻率。第一種方法是將表示微分勵磁電流的信號施加到比較器之前予以進(jìn)行濾波。該濾波器將是高通濾波器或者帶通濾波器，用于允許包含互感電信號的信號通過而同時(shí)移除由于電機(jī)平均激勵中的較慢變化而引起的信號。然后，濾波器的輸出可以傳遞到如前文所述的比較器，并同零進(jìn)行比較，用以確定互感電信號為正或?yàn)樨?fù)，并由此確定轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置。
相比于低通濾波器，高通濾波器的實(shí)現(xiàn)通常是較困難的。第二種方法將使用電信號的低通濾波器，其將產(chǎn)生表示勵磁電流梯度的分量的信號，該分量表示電動機(jī)平均激勵的變化速率。該信號施加給比較器的參考引腳。然后，將包含表示轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置的互感電信號和電機(jī)平均激勵電平中變化的電信號與此非零參考信號進(jìn)行比較。當(dāng)電機(jī)由得自具有最小電壓平滑的ac電源整流的dc電壓使操作時(shí)，該方法是特別有利的。
圖26說明了本發(fā)明的一個(gè)完整的實(shí)現(xiàn)方案。具有定子30和轉(zhuǎn)子31的電動機(jī)具有由適當(dāng)?shù)墓╇婋娮涌刂破?01賦能的勵磁繞組F和電樞繞組A?？刂破?00向供電電子控制器401發(fā)送信號用以控制電樞電流，從而實(shí)現(xiàn)所需的電機(jī)操作。
當(dāng)電機(jī)作為電動機(jī)操作時(shí)，通過與轉(zhuǎn)子31的旋轉(zhuǎn)同步地施加所施加的電壓，電樞繞組A就能取得自供電電子控制器的電流提供的電流。勵磁繞組F將受感應(yīng)而誘生取決于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置的互感第一電信號。這產(chǎn)生一個(gè)通過供電電子控制器401提供的勵磁電流疊加的梯度?；ジ械谝浑娦盘柨梢约K402自勵磁電流中提取，該模塊402可以是微分器電路或者可以是耦合到勵磁電流導(dǎo)線的磁場周遭的線圈。402的輸出表示該互感第一電信號的幅度。模塊403是可選的信號調(diào)節(jié)電路，其可以包含濾波器電路。模塊404產(chǎn)生為比較器405用的參考電壓。該參考電壓可以是零，由此比較器405確定互感第一電信號的極性。來自比較器的輸出是表示互感第一電信號小于或者大于由模塊404施加的閾值的數(shù)字信號。該比較器的輸出，即第二電信號，表示轉(zhuǎn)子相對于定子的旋轉(zhuǎn)位置，并且被提供給控制器400，用以維持電樞激勵和轉(zhuǎn)子位置之間的同步?？刂破?00可以是微控制器或?qū)Ｓ眉呻娐?ASIC)或者是任何其他的適當(dāng)?shù)碾娮与娐贰?br> 在上文所述的改進(jìn)的實(shí)現(xiàn)方案中，模塊404實(shí)現(xiàn)了低通濾波器，用以自互感第一電信號的平均值中產(chǎn)生參考信號。其施加給比較器的一個(gè)輸入處。在此情況中，模塊403可以將互感第一電信號不需要進(jìn)行濾波而直接傳遞到比較器。
這些對基本方法的微小修改確保了所述方法具有精確地檢測互感電信號改變極性的點(diǎn)的最佳機(jī)會。
初始化和啟動電動機(jī)在低速下，圖8示出了勵磁電流梯度的極性變化出現(xiàn)在距離理想的電樞電流反轉(zhuǎn)點(diǎn)約一半定子極節(jié)距的位置。一旦電動機(jī)正在旋轉(zhuǎn)時(shí)，則此信息就可用于估計(jì)關(guān)于電樞電流反轉(zhuǎn)的位置，用以維持相同方向的轉(zhuǎn)矩。然而，當(dāng)電動機(jī)是靜止時(shí)，此信息本身的利用并不足以確定將產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩以使電動機(jī)在所需方向上啟動的電樞電流的極性。
并入了本發(fā)明的另一實(shí)施例的新的過程允許成功地啟動電動機(jī)。在啟動時(shí)，通過對一個(gè)電動機(jī)繞組(例如，電樞繞組)進(jìn)行脈沖調(diào)制，可以獲得位置信息。在其他繞組(例如，勵磁繞組)中感應(yīng)的電壓產(chǎn)生第二繞組中流動的電流的變化，其可被檢測用以獲得某些關(guān)于轉(zhuǎn)子位置的信息。
圖15示出了可獲得自該方法的位置信息。如果S1(如果是全橋逆變器，則是S1和S3)接通了短的時(shí)間周期，則正電壓將施加到電樞繞組。電樞繞組中的電流將增加。然而，勵磁繞組中的電流將取決于轉(zhuǎn)子的方向以及電樞繞組和勵磁繞組之間的磁耦合程度而增加或減小。圖15示出了隔開一個(gè)定子極節(jié)距的兩個(gè)位置(在8/4電動機(jī)中是45°)，其中轉(zhuǎn)子極與定子極對準(zhǔn)。當(dāng)勵磁繞組和電樞繞組中的電流均為正時(shí)(通過S1(如果S3存在，則還有S3)進(jìn)行賦能的對準(zhǔn)位置)，對準(zhǔn)位置1是關(guān)于轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定平衡位置。當(dāng)勵磁繞組中的電流為正而電樞繞組中的電流為負(fù)時(shí)(通過S2(如果S4存在，則還有S4)進(jìn)行賦能的對準(zhǔn)位置)，對準(zhǔn)位置2是關(guān)于轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定平衡位置。對于對準(zhǔn)位置1兩側(cè)的約22.5°的區(qū)域(在8/4電動機(jī)中)向S1施加短的脈沖導(dǎo)致了向電樞施加正電壓，并且勵磁電流中產(chǎn)生了負(fù)的梯度。在前面比較器的描述中使用的配置中，這將在比較器中產(chǎn)生高的值。在此相同的區(qū)域中，脈沖調(diào)制S2將在勵磁電流中產(chǎn)生正的增加，并且在比較器中產(chǎn)生低的值，如圖15所示。
結(jié)合圖15所示的信息，可以使用向電樞繞組施加具有任一極性的電壓，用以確定轉(zhuǎn)子更接近于兩個(gè)對準(zhǔn)位置中的哪一個(gè)。
通過該信息，有利地將轉(zhuǎn)子分類為處于區(qū)域1或者處于區(qū)域2。如果轉(zhuǎn)子處于區(qū)域1，則S1的賦能(如果是全橋逆變器，則還有S3)將產(chǎn)生正的電樞電流以及用作將轉(zhuǎn)子拉向區(qū)域1的對準(zhǔn)位置1的轉(zhuǎn)矩。這可能涉及兩個(gè)方向中任一方向上的旋轉(zhuǎn)，但是保證了是至對準(zhǔn)位置的最短角距離。
如果電機(jī)具有某些已知的定子或者轉(zhuǎn)子不對稱性，則賦能具有相反電流極性的電樞將產(chǎn)生用于在已知的方向上將轉(zhuǎn)子拉離區(qū)域1的對準(zhǔn)位置1的轉(zhuǎn)矩(這在具有兩倍于轉(zhuǎn)子極數(shù)目的定子極的磁通量開關(guān)電動機(jī)或者開關(guān)磁阻電動機(jī)是普遍的，即轉(zhuǎn)子具有不對稱性，用以保證在所需的方向上從對準(zhǔn)位置處啟動轉(zhuǎn)矩。)隨后，在至下一對準(zhǔn)位置的途中將檢測勵磁電流梯度中的下一反轉(zhuǎn)，并且使用其預(yù)測再次反轉(zhuǎn)電樞電流極性的點(diǎn)。
在先專利申請(PCT/GB00/03213)描述了用于啟動電動機(jī)的過程，其中起始電樞激勵脈沖在長度上延伸，用以建立勵磁電流的流動，并且后面跟隨了具有減小的占空比的pwm。只要還滿足用于串聯(lián)磁通量開關(guān)電動機(jī)的啟動過程，如PCT/GB00/03213中所實(shí)現(xiàn)的，則可以在不使用機(jī)械傳感器的前提下，實(shí)現(xiàn)上文的本發(fā)明的實(shí)施例的電動機(jī)的啟動。現(xiàn)在將描述該過程。
直到使用具有一個(gè)電樞電流極性賦能電動機(jī)之前，沒有位置信息對于無傳感器的控制器是可用的。電樞電流極性的初始選擇是無關(guān)緊要的。初始脈沖具有用以建立勵磁電流的足夠持續(xù)時(shí)間。由于從電樞到勵磁中所感應(yīng)的電壓的影響被與勵磁電流初始化相關(guān)的大的正的電流變化速率所掩蓋，因此在初始脈沖期間的勵磁電流及其梯度的檢測是困難的。
在隨后的具有任一電壓極性的pwm脈沖期間的勵磁電流梯度給出了較清晰的位置依賴信息。然后，在此隨后的pwm脈沖中，圖14中給出的信息可被用于確定該兩個(gè)區(qū)域中的一個(gè)中的轉(zhuǎn)子位置。
在區(qū)域1中，轉(zhuǎn)子與對準(zhǔn)位置1最接近，正的電樞電流將使轉(zhuǎn)子朝向關(guān)于正電樞電流的穩(wěn)定平衡點(diǎn)向前或者向后移動不超過轉(zhuǎn)子節(jié)距的四分之一。在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間之后，將激勵變?yōu)樨?fù)將在由定子和轉(zhuǎn)子疊片設(shè)計(jì)中的任何不對稱性所確定的已知旋轉(zhuǎn)方向上使轉(zhuǎn)子拉離穩(wěn)定平衡點(diǎn)。所有隨后的換向點(diǎn)可由非傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算，如參考圖8所描述的。
在區(qū)域2中，轉(zhuǎn)子與對準(zhǔn)位置2最接近，負(fù)的電樞電流將使轉(zhuǎn)子朝向關(guān)于負(fù)電樞電流的穩(wěn)定平衡點(diǎn)向前或者向后移動。在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間之后，將激勵變?yōu)檎龑⒃谝阎男D(zhuǎn)方向上使轉(zhuǎn)子拉離穩(wěn)定平衡點(diǎn)。
沒有必要針對轉(zhuǎn)子進(jìn)行布置用以在電流反轉(zhuǎn)發(fā)生之前完全靜止于靜態(tài)平衡位置。這是因?yàn)?，如果轉(zhuǎn)子在向前的方向上朝向區(qū)域的對準(zhǔn)位置移動，則電流反轉(zhuǎn)可在轉(zhuǎn)子變得靜止之前發(fā)生，并且轉(zhuǎn)子的慣性將有助于使轉(zhuǎn)子維持所需的方向上的旋轉(zhuǎn)。反之，如果轉(zhuǎn)子必須被向后拉向各自區(qū)域的對準(zhǔn)位置，由于所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩將位于正確的方向中，因此電流的提前反轉(zhuǎn)不會帶來危害。用于使激勵從由初始區(qū)域選擇所確定的初始極性變化到所需用于在已知的方向上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的極性的適當(dāng)?shù)臅r(shí)間長度將取決于疊片的設(shè)計(jì)、靜態(tài)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子慣性、電源電壓、pwm占空比、定子繞組阻抗等等。該時(shí)間可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，或者可以由電氣和機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型確定。
應(yīng)當(dāng)注意，磁通量開關(guān)電動機(jī)(PCT/GB00/03213)中的定子的不對稱性可以使得一個(gè)區(qū)域稍寬于另一區(qū)域，但是將不會影響本發(fā)明的原理。該方法通過在初始時(shí)使轉(zhuǎn)子在已知的啟動方向中移動并且隨后開始方向反轉(zhuǎn)，可以容易地適于提供與非對稱性設(shè)計(jì)所針對的方向相反的方向上的旋轉(zhuǎn)。
從低速(pwm)到高速(單脈沖)的轉(zhuǎn)變在從低速pwm控制模式到高速單脈沖程序的轉(zhuǎn)變期間，勵磁電流的平均水平中可能存在急劇的增加。此勵磁電流中的大的增加掩蓋了由于電樞耦合中變化所引起的內(nèi)部感應(yīng)電壓。因此，常規(guī)的微分器/比較器布置不能檢測開關(guān)接通時(shí)間期間的勵磁電流梯度的極性變化。在圖16中示出的進(jìn)入單脈沖模式之后的前三個(gè)電樞脈沖期間的實(shí)驗(yàn)波形中可以看到這一點(diǎn)。在圖16中，跡線X10是所示僅用于參考的電動機(jī)軸上的機(jī)械傳感器，跡線X12是組合電樞電流(20A/div)；跡線X14是來自比較器的、通過將微分勵磁電流信號同零參考進(jìn)行比較而產(chǎn)生的電輸出信號；跡線X16是勵磁電流(20A/div)。在pwm斬波結(jié)束之后的第一個(gè)和第三個(gè)電樞電流脈沖中的開關(guān)接通時(shí)間期間，未出現(xiàn)比較器的上升沿。
本發(fā)明的實(shí)施例允許選擇關(guān)于電樞的正周期和負(fù)周期的開關(guān)時(shí)間，該電樞的正周期和負(fù)周期有待通過從在pwm轉(zhuǎn)變到單脈沖模式之前的轉(zhuǎn)子位置和速度的知識進(jìn)行預(yù)先計(jì)算。針對多個(gè)電樞脈沖以明顯開環(huán)的方式驅(qū)動電動機(jī)，使得勵磁電流轉(zhuǎn)變時(shí)間被置于考慮之外，并且恢復(fù)正常的比較器單脈沖操作(如圖14中的)。該轉(zhuǎn)變在圖16中示出。
如果有關(guān)進(jìn)入單脈沖程序的決定是基于電樞傳導(dǎo)段中的多個(gè)pwm周期，則轉(zhuǎn)變開始時(shí)所處的實(shí)際速度中可能存在變化。因此，一種使用預(yù)先計(jì)算開關(guān)時(shí)間來驅(qū)動電動機(jī)開環(huán)持續(xù)超過半周的系統(tǒng)可能遭遇誤差。
為了改善轉(zhuǎn)變的穩(wěn)定性，可以使用本發(fā)明的另外的實(shí)施例。在此另外的實(shí)施例中，通過在電機(jī)旋轉(zhuǎn)的任何部分中監(jiān)視繞組電流的正和/或負(fù)梯度的相對時(shí)間周期，可以改變與轉(zhuǎn)子位置相關(guān)的將電壓施加到繞組的起始和結(jié)束的位置。
在本實(shí)施例的一個(gè)實(shí)施方案中，監(jiān)視轉(zhuǎn)變之后的第四脈沖，用以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的脈沖定位算法。在從pwm轉(zhuǎn)變到比較器的上升沿之后，從開關(guān)接通到開始第四電樞傳導(dǎo)段的時(shí)間給出了脈沖位置的計(jì)量。該時(shí)間由圖17(a)中的指針示出，跡線X20是所示僅用于參考的電動機(jī)軸上的機(jī)械傳感器，跡線X22是組合電樞電流(20A/div)；跡線X24是來自比較器的、通過將微分勵磁電流信號同零參考進(jìn)行比較而產(chǎn)生的電輸出信號；跡線X26是勵磁電流(20A/div)。跡線X28、X30、X32、X34是在橫軸中延伸的X20、X22、X24、X26的詳細(xì)視圖，用于更清晰地觀察進(jìn)入單脈沖操作之后的第四電樞電流脈沖。
在一個(gè)具體的示例中，其中至單脈沖的轉(zhuǎn)變在約5000r/min的速度處發(fā)生，具有8個(gè)定子齒和4個(gè)轉(zhuǎn)子齒的電動機(jī)中的電樞激勵的完整周期時(shí)間(正和負(fù)電樞傳導(dǎo)段)在該速度處是3ms。本發(fā)明的該實(shí)施例的一個(gè)示例測量從向電樞施加正電壓到比較器上升沿(勵磁電流梯度從正變負(fù)的點(diǎn))的時(shí)間。該時(shí)間是在圖14中被限定為Tc的時(shí)間。在該示例中，在該速度處，如果時(shí)間Tc小于750μs(轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)45度所耗時(shí)間的50％)，則下一次開關(guān)變?yōu)榻油?下一個(gè)Tb)之前的用于開始第五脈沖的斷開時(shí)間被設(shè)置為Tc的測量值的1.5倍。這在圖17(i)中由指針示出，其中從第四脈沖開始到比較器的上升沿的測量時(shí)間僅為304ms。圖17(ii)示出了，從第四脈沖的斷開點(diǎn)到第五脈沖的接通點(diǎn)的時(shí)間被設(shè)置為Tc的1.5倍，即456μs。
如果在第四脈沖中測量的時(shí)間Tc大于750μs，則下一次開關(guān)變?yōu)榻油ㄖ暗臄嚅_時(shí)間將被設(shè)置為與測量時(shí)間相同的值，即Tb＝Tc。
該示例中引用的750μs的值對應(yīng)于約電樞傳導(dǎo)段的一半。因此，優(yōu)選的是，對脈沖進(jìn)行調(diào)節(jié)以確保Tc值小于電樞半周期的持續(xù)時(shí)間的50％，并且優(yōu)選地，Tc應(yīng)處于電樞半周期的20％～40％的范圍內(nèi)。然而，如果電樞電壓脈沖的時(shí)間(Tpulse)小于Thalf-cycle的50％，則優(yōu)選地，可以允許Tc的值小于Thalf-cycle的20％。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，該算法的實(shí)現(xiàn)方案極大地改善了第五脈沖的定位，用以應(yīng)對進(jìn)入單脈沖程序時(shí)所處速度中的變化。
單脈沖程序中的自適應(yīng)脈沖重新定位在某些情況中，特別是在其中在電樞開關(guān)的斷開期間梯度信息是不可用的情況中，電樞開關(guān)的接通點(diǎn)可能早于或者遲于理想時(shí)間?？梢酝ㄟ^時(shí)間Tc的長度檢測電樞電流的非理想的接通點(diǎn)，該時(shí)間Tc是得自從開關(guān)接通到勵磁電流跡線峰值的時(shí)間。這在圖18中被示為時(shí)間t0至t1，并且在圖14中被限定為Tc。
如果電樞電流接通點(diǎn)晚于理想時(shí)間，則時(shí)間Tc將變?yōu)門pulse的較小的部分，其中Tpulse是在電樞傳導(dǎo)段期間向電樞施加正或負(fù)電壓的持續(xù)時(shí)間(圖18中的t2～t0)。該時(shí)間可由適當(dāng)?shù)碾娮与娐坊蛘咄ㄟ^微控制器中的計(jì)時(shí)器測量。t1～t0的測量值可用于計(jì)算關(guān)于下一電樞激勵脈沖的較好的位置，由此在t3而不是t4開始S2的激勵。較早的接通點(diǎn)使電樞傳導(dǎo)段移動到更加接近理想的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生區(qū)域。一旦進(jìn)行了該調(diào)節(jié)，時(shí)間t5～t3(下一脈沖中的Tc)再次成為時(shí)間Tpulse的更加適當(dāng)?shù)牟糠帧?br> 圖19示出了用于該算法的實(shí)現(xiàn)方案，用于校正早于理想時(shí)間出現(xiàn)的電樞激勵脈沖。在圖19中，跡線X60是所示僅用于參考的電動機(jī)軸上的機(jī)械傳感器，跡線X62是組合電樞電流(20A/div)；跡線X64是示出了開始啟動每個(gè)電樞傳導(dǎo)脈沖的計(jì)時(shí)器中斷位置的控制器的數(shù)字輸出；跡線X66來自比較器的、通過將微分勵磁電流信號同零參考進(jìn)行比較而產(chǎn)生的電輸出信號。已由計(jì)時(shí)器定位的兩個(gè)正的和兩個(gè)負(fù)的電樞脈沖在電樞脈沖之間的斷開時(shí)間期間不具有比較器上升沿。
如果在若干連續(xù)脈沖的斷開時(shí)間期間未檢測到有效的比較器上升沿信號，則可以假設(shè)該脈沖位置不是理想的。測量時(shí)間Tc(略晚于圖19中的縮放窗口的中間)。然后將重新定位下一電樞電流脈沖的下一斷開時(shí)間(Tb)計(jì)算為1.25Tc，減小所驅(qū)動的電流，并且立即重新建立斷開時(shí)間期間的比較器的沿。
隨后，如果出現(xiàn)了不具有斷開時(shí)間比較器沿的四個(gè)電樞半周期，則可以再次執(zhí)行該重新定位算法。
到此為止所描述的重新定位算法使用了針對脈沖位置的預(yù)先計(jì)算的調(diào)節(jié)，用以確保使脈沖的位置移動到這樣的位置，即允許開關(guān)斷開時(shí)間期間的比較器信號重現(xiàn)。在某些電機(jī)中，斷開時(shí)間的比較器信號可能出現(xiàn)得沒有頻繁到足以被依賴用于脈沖位置的同步。這可能出現(xiàn)在下面的環(huán)境中1.在某些供電電子電路的實(shí)現(xiàn)方案中，圖6a和7a中的電容器可能沒有出現(xiàn)，用以減小驅(qū)動器的成本。這改變了勵磁電流波形的形狀，特別是在單脈沖模式中，并且在開關(guān)斷開時(shí)間期間的比較器信號不夠一致，且有時(shí)根本不存在。
2.在某些供電電子電路的實(shí)現(xiàn)方案中，移除圖6a和7a中的二極管是有利的，從而允許處于高速度的電樞電壓的電壓提升(voltageboosting)。這改變了勵磁電流波形的形狀，特別是在單脈沖模式中，并且電樞開關(guān)電路的斷開時(shí)間期間的勵磁電流梯度中的變化被電樞電流的斷開時(shí)間期間的較大的負(fù)的勵磁繞組電壓所掩蓋。
3.當(dāng)磁通量開關(guān)電動機(jī)中的電樞脈沖接近可利用時(shí)間的100％時(shí)，用于使下一電樞脈沖的接通同步的斷開時(shí)間期間的比較器的沿消失。
4.設(shè)計(jì)用于同永久連接到勵磁繞組的二極管一起運(yùn)行的磁通量開關(guān)電動機(jī)具有勵磁繞組和電樞繞組之間的減小的匝比。這意味著，由于電樞開關(guān)引起的感應(yīng)在勵磁繞組中的電壓是較低的，并且勵磁電流的疊加梯度中的變化可能更加難于檢測，特別是在開關(guān)斷開的時(shí)間期間。
到此為止所描述的重新定位算法同樣使用了特定時(shí)序以移動脈沖的位置。這些時(shí)序通常不適用于整個(gè)電機(jī)速度范圍，并且因此限于特定的速度。本發(fā)明的改進(jìn)的實(shí)施例允許脈沖重新定位連續(xù)地發(fā)生以調(diào)節(jié)每個(gè)操作周期中的電樞脈沖的位置，用于優(yōu)化與轉(zhuǎn)子位置的同步。
處于給定速度的Tpulse相對于Thalf-cycle(Thalf-cycle(＝Ta+Tb+Tc)和Tpulse是涉及圖14進(jìn)行限定的)的相對持續(xù)時(shí)間總是取決于負(fù)載所需的用于維持所需的負(fù)載特性或者用于維持當(dāng)前速度的轉(zhuǎn)矩。此另外的實(shí)施例利用了這一事實(shí)，即對于最佳的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生而言，應(yīng)連續(xù)地調(diào)節(jié)相對于轉(zhuǎn)子位置的電樞激勵脈沖的位置，由此從電樞開關(guān)接通到勵磁電流的轉(zhuǎn)向點(diǎn)的時(shí)間Tc應(yīng)維持在Tpulse的15％至60％的范圍內(nèi)，并且優(yōu)選地，在Tpulse的25％至55％的范圍內(nèi)。這可以這樣實(shí)現(xiàn)，即測量Tc并隨后計(jì)算下一Tb的值以調(diào)節(jié)下一脈沖的起始位置，使之早于或者晚于所測量的脈沖。
在開關(guān)的接通時(shí)間期間出現(xiàn)的勵磁電流中的轉(zhuǎn)向點(diǎn)相對于轉(zhuǎn)子而言不是固定位置，但是其取決于(i)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和元件值(ii)勵磁繞組和電樞繞組之間的匝比
(iii)電動機(jī)速度(iv)接通點(diǎn)(v)前一斷開點(diǎn)(vi)特定負(fù)載和速度處的激勵的平均電平結(jié)果，勵磁電流梯度中的變化不出現(xiàn)在絕對位置，并且因此不能用于直接同步電樞開關(guān)的開關(guān)。然而，盡管存在上面的轉(zhuǎn)向點(diǎn)位置的依賴關(guān)系，但是在任何操作點(diǎn)處，通過使勵磁電流的換向點(diǎn)維持在所施加的電樞脈沖寬度的特定比例處，均可以維持最優(yōu)化的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生。
在圖24所示的該方法的一個(gè)圖示中，優(yōu)選的是，勵磁電流的換向點(diǎn)應(yīng)出現(xiàn)在每個(gè)各自的電樞開關(guān)接通時(shí)間持續(xù)時(shí)間的x％處，其可以在25％和65％之間，并且更加優(yōu)選地，在35％和55％之間。在圖24中，第一電樞脈沖與負(fù)的電樞電流相關(guān)，并且由賦能S2(如果是全橋逆變器，則還有S4)的信號ARMSW2進(jìn)行控制。第一電樞脈沖的長度是Tpulse1，其中Tpulse1被計(jì)算為所需用于維持所需速度或者用于在當(dāng)前速度處提供所需轉(zhuǎn)矩的長度。在該脈沖Tpulse1的末端處，信號ARMSW2變低持續(xù)時(shí)間Tb1，去賦能電樞繞組。如下文針對Tb2所描述的計(jì)算時(shí)間Tb1。在Tb1的末端處，ARMSW1變高，開始通過正電流賦能電樞。取自從電樞開關(guān)接通點(diǎn)到勵磁電流的換向點(diǎn)的時(shí)間(圖24中的Tc2)由微控制器或者其他適當(dāng)?shù)碾娐愤M(jìn)行測量。
這與所提出的電樞脈沖持續(xù)時(shí)間的x％的目標(biāo)值進(jìn)行比較。關(guān)于區(qū)域C的長度的目標(biāo)值在圖上被示出為勵磁電流換向點(diǎn)實(shí)際出現(xiàn)之后的虛線。在圖24所示的示例中，測量值Tc2小于目標(biāo)值。測量值Tc2和關(guān)于Tc目標(biāo)值之間的差產(chǎn)生了誤差信號。
error=Tc2-(x100)Tpulse]]>在圖24所示的情況中，由于Tc2小于目標(biāo)值，因此該誤差是負(fù)數(shù)。事實(shí)上，該誤差是負(fù)數(shù)表示相對于轉(zhuǎn)子位置的脈沖位置對于最優(yōu)化的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生而言過晚。該誤差被用于調(diào)節(jié)下一斷開時(shí)間的值Tb2，用以提供具有相對于轉(zhuǎn)子位置的更加優(yōu)化的位置的脈沖。
在PID控制器中使用該誤差信號修改電樞脈沖之間的斷開時(shí)間的持續(xù)時(shí)間，由此使得下一電樞脈沖的位置更加接近目標(biāo)值。具有僅為比例項(xiàng)的實(shí)現(xiàn)方案將如下所示Tb2＝Calculated Tbbefore correction+KP(error)Tb2＝Ta1+Tb1+Tc1-Tpulse2+KP(error)值KP是比例控制回路中的比例增益。其值控制系統(tǒng)將收斂到穩(wěn)定解的速率。如果KP過高，則可能導(dǎo)致不穩(wěn)定性。對于典型的應(yīng)用而言，均勻區(qū)域中的值通常是可接受的。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所了解的，通過使用誤差的積分和導(dǎo)數(shù)，可以進(jìn)一步改進(jìn)控制器。
圖24示出了，由于誤差的負(fù)號，Tb2的長度短于Tb1。因此，使Tpulse3的位置相對于轉(zhuǎn)子位置提前，而Tc3的值與關(guān)于Tc的目標(biāo)值接近。
可以認(rèn)識到，如果梯度極性中變化的位置晚于關(guān)于Tc的目標(biāo)值，這指出了當(dāng)前脈沖相對于轉(zhuǎn)子位置出現(xiàn)得過早所產(chǎn)生的誤差將是正的，并且下一Tb的計(jì)算值將大于其在其他情況下的值，由此移動了脈沖相對于電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。
在Tc測量之后的每個(gè)Tb的計(jì)算期間，同樣重要的是，重新計(jì)算關(guān)于電動機(jī)的電氣半電周期Thalf-cycle的當(dāng)前時(shí)間，這是因?yàn)?，這允許在所有的時(shí)間內(nèi)精確地監(jiān)視電機(jī)的速度。這確保了下一脈沖的長度及其關(guān)于Tc的目標(biāo)值是關(guān)于電動機(jī)當(dāng)前速度的最新的值。
由于該方法不取決于對開關(guān)斷開時(shí)間期間所監(jiān)視電流的梯度狀態(tài)變化的檢測，因此其可以優(yōu)選地將某些額外的模擬濾波應(yīng)用于圖12所說明的檢測電路。在圖13中示出了該修改方案。插入在線圈320和比較器322之間的電阻器(10k)和電容器(2.2nF)形成了低通濾波器，其可被選擇用以移除梯度檢測電路中的很多高頻內(nèi)容。該電路在圖12所示電路上提供了改善的抗噪聲能力，但是其傾向于移除開關(guān)斷開時(shí)間期間的大部分梯度信息。結(jié)果，其僅能與本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方案結(jié)合使用，其不取決于開關(guān)斷開時(shí)間期間的梯度測量。
結(jié)合圖13已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了該方法的過程，并且通過圖20(a)和(b)中的示波器圖線對其進(jìn)行了說明跡線X70勵磁電流5A/div跡線X72至微控制器的表示勵磁電流梯度的正負(fù)號的輸入5A/div跡線X74一個(gè)電樞開關(guān)信號5V/div跡線X76組合電樞電流5A/div跡線X80勵磁電流5A/div跡線X82至微控制器的表示勵磁電流梯度的正負(fù)號的輸入5A/div跡線X84一個(gè)電樞開關(guān)信號5V/div跡線X86組合電樞電流5A/div由微控制器監(jiān)視關(guān)于每個(gè)電樞半周期Thalf-cycle的時(shí)間。有利的是，在若干半周期上對該時(shí)間進(jìn)行平均，用以產(chǎn)生穩(wěn)定的值。在圖20(a)中，在該圖線中由示波器指針?biāo)f明的測得從電樞賦能的開始(X74的上升沿)到由微處理器記錄的比較器X72的上升沿的時(shí)間為956μs。在該圖線中所實(shí)現(xiàn)的控制器是這樣的電樞脈沖長度，即其是半周期(即，778μs)的測量時(shí)間的13/16(0.8125)。
在該情況中，關(guān)于從每個(gè)電樞開關(guān)的接通到比較器的下一上升沿的時(shí)間的目標(biāo)值被設(shè)置為Tpulse的9/32，因此在該特定的速度下，TC(比較器上升沿之前的脈沖部分)的目標(biāo)值是778×9/32＝219μs。
在圖20(b)中，移動示波器指針用以測量在下一電樞脈沖期間實(shí)際出現(xiàn)的時(shí)間Tc。Tc的測量值是220μs，比目標(biāo)值長1μs。因此誤差值被設(shè)置為1μs。
error=measured,Tc-932Tpulse=220-219=1μs]]>New Tb＝Calculated Tb+K(error)＝Tz+Tb+Tc-Tpulse+errorNew Tb＝956-778+1＝179μs正的誤差值加入到Tb的計(jì)算值中，用以產(chǎn)生新Tb的新的值，其用于使下一電樞脈沖的開始向后推遲1μs。下一周期中稍晚的接通點(diǎn)將用作縮短將在下一周期中測量的Tc的值，并且有助于將脈沖維持在正確的位置。
該實(shí)施例可以通過任何脈沖尺寸、可以在任何轉(zhuǎn)子速度、并且可以通過與Tc相對應(yīng)的時(shí)間的任何目標(biāo)百分比實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上，有利的是，通過負(fù)載調(diào)節(jié)脈沖的目標(biāo)百分比，用以維持最優(yōu)化的效率。
當(dāng)電動機(jī)操作于脈寬調(diào)制模式下時(shí)，也可以使用脈沖重新定位算法。在該情況中，通過采樣每個(gè)PWM周期中的比較器狀態(tài)來測量時(shí)間Tc，用以檢測比較器的狀態(tài)何時(shí)自前一pwm周期中的狀態(tài)變化。誤差計(jì)算和脈沖之間的時(shí)間Tb的調(diào)節(jié)可以按照類似于單脈沖模式的方式進(jìn)行。
作為由勵磁繞組構(gòu)成的場磁體裝置的替換方案，或者作為其補(bǔ)充方案，場磁體裝置可以是勵磁繞組或者永磁體。在圖25中示出了其中場磁體裝置是永磁體的磁通量開關(guān)電機(jī)。四個(gè)永磁體35使4個(gè)鋼部件350布置成散置。電樞繞組將插入在鋼部件350的槽中，每個(gè)電樞繞組跨越兩個(gè)如圖4的定子齒。轉(zhuǎn)子352在形式上與圖4的轉(zhuǎn)子相似。
用于提供位置測定裝置的本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方案需要插入額外的電繞組，其被布置為具有與橫向于電樞繞組軸的軸。與永磁體部件相鄰的較小的槽356可用于承載此額外的電繞組。該額外的繞組還將具有對應(yīng)于兩個(gè)定子齒的節(jié)距。該額外的電繞組通常被布置為與通過定子的永磁體部件的磁通量耦合。作為替換方案，這可以通過安置與電動機(jī)的至少一個(gè)永磁體部件共軸的小的繞組而實(shí)現(xiàn)。當(dāng)在電樞繞組上存在電壓時(shí)，在該額外的電繞組中感應(yīng)了電壓，其將根據(jù)電樞繞組和該額外電繞組之間的相互磁耦合而變化，并且可以直接用于位置測定裝置，而不需要微分。來自該額外的電繞組的信號可以施加到比較器，用以確定該額外的電繞組中的互感電壓何時(shí)為正或何時(shí)為負(fù)，并且據(jù)此確定轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置。
在其中場磁體裝置包含永磁體和賦能的勵磁繞組的電機(jī)中，該方法可以按照前文所述的方式進(jìn)行。而且，在磁通量開關(guān)電動機(jī)中可以提供與勵磁繞組緊密耦合的額外的電繞組，其將通過與已描述的方法相似的方式產(chǎn)生取決于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置的互感電壓。
實(shí)驗(yàn)室測試中使用的完整電路在圖21的電路中示出了本發(fā)明的一個(gè)完整的實(shí)施例，其中與圖12的實(shí)施例共用的部件由同樣的參考數(shù)字來表示，與圖9a的實(shí)施例共用的部件由同樣的參考數(shù)字增加200來表示，并且在圖22和23中示出了獲得自根據(jù)本發(fā)明控制的電動機(jī)的某些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中圖22分別示出了1.0Nm和1.8Nm處的結(jié)果。盡管圖21示出了圖7(a)的逆變器配置的實(shí)現(xiàn)方案，但是本發(fā)明可以同樣地通過圖7b、6a和6b的電路實(shí)現(xiàn)。
跡線X90是來自比較器的電輸出信號跡線X92是電樞電流10A/div跡線X94機(jī)械傳感器信號(僅用于參考)5V/div跡線X96計(jì)時(shí)器信號5V/div跡線X100是來自比較器的電輸出信號跡線X102是電樞電流10A/div跡線X104機(jī)械傳感器信號(僅用于參考)5V/div跡線X106計(jì)時(shí)器信號5V/div盡管本發(fā)明已通過參考感應(yīng)了勵磁電流梯度變化的電樞開關(guān)描述了本發(fā)明，但是從該技術(shù)的基本特征中可以發(fā)現(xiàn)，其同樣可以適用于在勵磁繞組的激勵變化時(shí)測量電樞電流中的梯度。勵磁控制開關(guān)S5可以用于該目的。
在更先進(jìn)的控制系統(tǒng)中，記錄所述繞組中電流變化速率的正負(fù)號和幅度，而不是僅記錄正負(fù)號的極性。所記錄的值可以同關(guān)于位置的電流變化速率中的已知(或者預(yù)定的)變化進(jìn)行比較(考慮轉(zhuǎn)子速度和電流幅度)。該比較的結(jié)果將提供關(guān)于處于所述電流梯度改變極性的位置之間的轉(zhuǎn)子位置的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)對于每個(gè)電樞傳導(dǎo)周期中的轉(zhuǎn)子速度的變化將是更加敏感的，但是也將需要更加昂貴的電路，并且由于溫度的機(jī)械公差易于產(chǎn)生電動機(jī)參數(shù)的變化。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到，上文的實(shí)施例僅借助于示例進(jìn)行描述，且不具有任何限制性的含義，并且在不偏離由附屬權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍的前提下，多種變化和修改是可行的。特別地，盡管所述實(shí)施例對于在磁通量開關(guān)電動機(jī)上的本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方案而言是專用的，但是應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，所述技術(shù)還可以用于磁通量開關(guān)發(fā)電機(jī)的控制。
權(quán)利要求
1.一種用于將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能和/或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的電機(jī)，該電機(jī)包括轉(zhuǎn)子，其具有多個(gè)轉(zhuǎn)子極；定子，用于以可旋轉(zhuǎn)方式接收所述轉(zhuǎn)子，并且具有用于在所述轉(zhuǎn)子和所述定子之間產(chǎn)生第一磁動勢的場磁體裝置，該定子并入了至少兩個(gè)電繞組，其中至少一個(gè)是電樞繞組，該電樞繞組適于承載與所述轉(zhuǎn)子相對于所述定子的旋轉(zhuǎn)同步變化的電流，用以產(chǎn)生變化的第二磁動勢，該第二磁動勢具有橫向于所述第一磁動勢的分量；控制裝置，用于控制給該所述電樞繞組或每個(gè)所述電樞繞組的電流供應(yīng)；和位置測定裝置，用于檢測取決于所述轉(zhuǎn)子相對于所述定子的旋轉(zhuǎn)位置的至少一個(gè)感應(yīng)第一電信號，該所述第一電信號或者每個(gè)所述第一電信號是通過跨越至少一個(gè)其他所述繞組的電壓而被感應(yīng)在所述繞組的各自繞組中，所述電壓是用于將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能和/或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的電機(jī)正常操作的要求，用以由此向所述控制裝置提供至少一個(gè)第二電信號，該第二電信號表示所述轉(zhuǎn)子相對于所述定子的旋轉(zhuǎn)位置。
2.權(quán)利要求1的電機(jī)，其中所述定子具有多個(gè)定子極，并且至少一個(gè)所述電樞繞組被纏繞成具有對應(yīng)于多個(gè)定子極節(jié)距的節(jié)距。
3.權(quán)利要求1或2的電機(jī)，其中所述場磁體裝置包括至少一個(gè)勵磁繞組，其適于同包含至少一個(gè)所述電樞繞組的電路串聯(lián)或者并聯(lián)連接。
4.權(quán)利要求3的電機(jī)，其中位置測定裝置適于檢測在所述至少一個(gè)勵磁繞組中的所述至少一個(gè)感應(yīng)第一電信號。
5.前面任何一個(gè)權(quán)利要求的電機(jī)，其中位置測定裝置適于檢測至少一個(gè)所述感應(yīng)第一電信號何時(shí)通過至少一個(gè)閾值，用以產(chǎn)生所述至少一個(gè)第二電信號。
6.權(quán)利要求5的電機(jī)，其中位置測定裝置適于在當(dāng)至少一個(gè)所述繞組由基本均勻的電壓進(jìn)行賦能時(shí)和/或當(dāng)至少一個(gè)所述繞組沒有被賦能時(shí)，檢測至少一個(gè)所述感應(yīng)第一電信號何時(shí)通過至少一個(gè)各自的閾值，所述電壓是用以將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能和/或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的電機(jī)正常操作的要求。
7.權(quán)利要求5或6的電機(jī)，其中位置測定裝置適于通過確定在所述轉(zhuǎn)子的預(yù)定旋轉(zhuǎn)周期期間、在至少一個(gè)所述繞組中、至少一個(gè)所述感應(yīng)第一電信號大于或者小于至少一個(gè)各自閾值的時(shí)間的相對比例，確定何時(shí)開始和/或結(jié)束至少一個(gè)所述電樞繞組的賦能。
8.權(quán)利要求7的電機(jī)，其中位置測定裝置適于控制至少一個(gè)所述電樞繞組的賦能的時(shí)序，用以維持在預(yù)定的限制內(nèi)、在至少一個(gè)所述繞組中、所述至少一個(gè)感應(yīng)第一電信號大于或者小于至少一個(gè)各自閾值的時(shí)間的相對比例。
9.權(quán)利要求8的電機(jī)，其中該預(yù)定的限制適于取決于所述電機(jī)的輸出性能進(jìn)行變化。
10.權(quán)利要求8或9的電機(jī)，其中位置測定裝置適于借助于輸入到所述控制裝置的至少一個(gè)誤差信號來控制所述賦能的時(shí)序。
11.權(quán)利要求8至10的任何一個(gè)的電機(jī)，其中位置測定裝置適于響應(yīng)于在預(yù)定周期期間對至少一個(gè)感應(yīng)第一電信號通過閾值的檢測的失敗，選擇性地控制所述賦能的時(shí)序。
12.權(quán)利要求5至11的任何一個(gè)的電機(jī)，其中位置測定裝置適于檢測至少一個(gè)所述感應(yīng)第一電信號何時(shí)通過至少一個(gè)各自閾值，用以產(chǎn)生至少一個(gè)所述第二電信號，該至少一個(gè)所述閾值是相應(yīng)的所述感應(yīng)第一電信號的函數(shù)。
13.前面任何一個(gè)權(quán)利要求的電機(jī)，其中位置測定裝置適于從在電機(jī)電繞組中出現(xiàn)的電流變化的速率中提取取決于所述轉(zhuǎn)子相對于所述定子的旋轉(zhuǎn)位置的至少一個(gè)感應(yīng)第一電信號，該電流變化是作為跨越至少一個(gè)所述繞組的電壓的存在結(jié)果而出現(xiàn)。
14.權(quán)利要求13的電機(jī)，其中位置測定裝置包括至少一個(gè)各自的線圈，其適于磁耦合到由承載通過至少一個(gè)所述繞組的電流的導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場。
15.前面任何一個(gè)權(quán)利要求的電機(jī)，其中位置測定裝置適于獲得與至少一個(gè)所述感應(yīng)第一電信號相關(guān)的數(shù)據(jù)，并且將所述數(shù)據(jù)同與至少一個(gè)已知轉(zhuǎn)子位置相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。
16.前面任何一個(gè)權(quán)利要求的電機(jī)，其中位置測定裝置適于通過在至少一個(gè)其他所述繞組被賦能時(shí)確定至少一個(gè)所述繞組中的至少一個(gè)所述感應(yīng)第一電信號，提供表示處于停頓的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置的至少一個(gè)所述第二電信號。
17.權(quán)利要求16的電機(jī)，其中控制裝置適于響應(yīng)于來自所述位置測定裝置的、所述轉(zhuǎn)子停頓時(shí)產(chǎn)生的至少一個(gè)所述第二電信號，使所述轉(zhuǎn)子相對于所述定子移動至穩(wěn)定平衡的位置。
18.權(quán)利要求17的電機(jī)，其中位置測定裝置適于通過在所述至少一個(gè)其他繞組被賦能時(shí)觀察所述至少一個(gè)繞組中的各自所述感應(yīng)第一電信號，指出所述轉(zhuǎn)子相對于所述定子的穩(wěn)定平衡的最接近位置。
19.前面任何一個(gè)權(quán)利要求的電機(jī)，其中位置測定裝置適于通過間歇地對至少一個(gè)所述感應(yīng)第一電信號進(jìn)行采樣來監(jiān)視所述信號。
20.前面任何一個(gè)權(quán)利要求的電機(jī)，其中位置測定裝置適于通過間歇地對至少一個(gè)所述第二電信號進(jìn)行采樣來監(jiān)視所述信號。
21.前面任何一個(gè)權(quán)利要求的電機(jī)，其中位置測定裝置適于檢測由通過所述繞組的磁通量中變化而引起的所述至少一個(gè)感應(yīng)第一電信號的變化速率。
22.一種控制用于將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能和/或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的電機(jī)的方法，該電機(jī)包括轉(zhuǎn)子，其具有多個(gè)轉(zhuǎn)子極；和定子，用于以可旋轉(zhuǎn)方式接收所述轉(zhuǎn)子，并且具有用于在所述轉(zhuǎn)子和所述定子之間產(chǎn)生第一磁動勢的場磁體裝置，該定子具有至少兩個(gè)電繞組，其中至少一個(gè)是各自的電樞繞組，該電樞繞組適于承載與所述轉(zhuǎn)子相對于所述定子的旋轉(zhuǎn)同步變化的電流，用以產(chǎn)生變化的第二磁動勢，該第二磁動勢具有橫向于所述第一磁動勢的分量，該方法包括以下步驟檢測取決于所述轉(zhuǎn)子相對于所述定子的旋轉(zhuǎn)位置的至少一個(gè)感應(yīng)第一電信號，該所述第一電信號或者每個(gè)所述第一電信號是通過跨越至少一個(gè)其他所述繞組的電壓而被感應(yīng)在所述繞組的各自繞組中，所述電壓是用于將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能和/或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的電機(jī)正常操作的要求；提供表示所述轉(zhuǎn)子相對于所述定子的旋轉(zhuǎn)位置的至少一個(gè)第二電信號；和響應(yīng)于至少一個(gè)所述第二電信號，控制給該所述電樞繞組或每個(gè)所述電樞繞組的電流供應(yīng)。
23.權(quán)利要求22的方法，其中檢測所述至少一個(gè)感應(yīng)第一電信號包括檢測在所述場磁體裝置的至少一個(gè)勵磁繞組中的至少一個(gè)所述感應(yīng)第一電信號。
24.權(quán)利要求22或23的方法，其中檢測所述至少一個(gè)感應(yīng)第一電信號包括檢測至少一個(gè)所述感應(yīng)第一電信號何時(shí)通過至少一個(gè)閾值，用以產(chǎn)生至少一個(gè)所述第二電信號。
25.權(quán)利要求24的方法，其中檢測所述至少一個(gè)感應(yīng)第一電信號包括當(dāng)至少一個(gè)所述繞組由基本均勻的電壓進(jìn)行賦能時(shí)和/或當(dāng)至少一個(gè)所述繞組沒有被賦能時(shí)，檢測至少一個(gè)感應(yīng)第一電信號何時(shí)通過至少一個(gè)各自的閾值，所述電壓是用以將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能和/或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的電機(jī)正常操作的要求。
26.權(quán)利要求24或25的方法，進(jìn)一步包括以下步驟通過確定在所述轉(zhuǎn)子的預(yù)定旋轉(zhuǎn)周期期間、在至少一個(gè)電機(jī)繞組中、至少一個(gè)感應(yīng)第一電信號大于或者小于至少一個(gè)各自閾值的時(shí)間的相對比例，確定何時(shí)開始和/或結(jié)束至少一個(gè)所述電樞繞組的賦能。
27.權(quán)利要求26的方法，進(jìn)一步包括以下步驟控制至少一個(gè)所述電樞繞組的賦能的時(shí)序，用以維持在預(yù)定的限制內(nèi)、在至少一個(gè)所述繞組中、至少一個(gè)所述感應(yīng)第一電信號大于或者小于至少一個(gè)各自閾值的時(shí)間的相對比例。
28.權(quán)利要求27的方法，進(jìn)一步包括以下步驟取決于所述電機(jī)的輸出性能來改變所述預(yù)定的限制。
29.權(quán)利要求22至28的任何一個(gè)的方法，進(jìn)一步包括以下步驟借助于至少一個(gè)誤差信號來控制所述賦能的時(shí)序。
30.權(quán)利要求29的方法，進(jìn)一步包括以下步驟響應(yīng)于在預(yù)定周期期間對至少一個(gè)所述感應(yīng)第一電信號通過閾值的檢測的失敗，選擇性地控制所述賦能的時(shí)序。
31.權(quán)利要求22至30的任何一個(gè)的方法，其中檢測所述至少一個(gè)感應(yīng)第一電信號包括檢測至少一個(gè)所述感應(yīng)第一電信號何時(shí)通過至少一個(gè)各自閾值，用以產(chǎn)生至少一個(gè)所述第二電信號，該至少一個(gè)所述閾值是相應(yīng)的所述感應(yīng)第一電信號的平均值的函數(shù)。
32.權(quán)利要求22至31的任何一個(gè)的方法，進(jìn)一步包括以下步驟從在所述繞組之一中出現(xiàn)的電流變化的速率中提取取決于所述轉(zhuǎn)子相對于所述定子的旋轉(zhuǎn)位置的至少一個(gè)感應(yīng)第一電信號，該電流變化是作為跨越一個(gè)或更多其他所述繞組的電壓的存在結(jié)果而出現(xiàn)。
33.權(quán)利要求22至32的任何一個(gè)的方法，進(jìn)一步包括以下步驟獲得與至少一個(gè)所述感應(yīng)第一電信號相關(guān)的數(shù)據(jù)，并且將所述數(shù)據(jù)同與至少一個(gè)已知轉(zhuǎn)子位置相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。
34.權(quán)利要求22至33的任何一個(gè)的方法，進(jìn)一步包括以下步驟通過在至少一個(gè)其他所述繞組被賦能時(shí)確定至少一個(gè)繞組中的至少一個(gè)所述感應(yīng)第一電信號，提供表示處于停頓的所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置的至少一個(gè)所述第二電信號。
35.權(quán)利要求34的方法，進(jìn)一步包括以下步驟響應(yīng)于來自所述位置測定裝置的、所述轉(zhuǎn)子停頓時(shí)產(chǎn)生的至少一個(gè)所述第二電信號，使所述轉(zhuǎn)子相對于所述定子移動至穩(wěn)定平衡的位置。
36.權(quán)利要求35的方法，進(jìn)一步包括以下步驟通過在至少一個(gè)其他所述繞組被賦能時(shí)觀察至少一個(gè)所述繞組中的各自所述感應(yīng)第一電信號，指出所述轉(zhuǎn)子相對于所述定子的穩(wěn)定平衡的最接近位置。
37.權(quán)利要求22至36的任何一個(gè)的方法，進(jìn)一步包括以下步驟通過間歇地對至少一個(gè)所述感應(yīng)第一電信號進(jìn)行采樣來監(jiān)視所述信號。
38.權(quán)利要求22至37的任何一個(gè)的方法，進(jìn)一步包括以下步驟通過間歇地對至少一個(gè)所述第二電信號進(jìn)行采樣來監(jiān)視所述信號。
39.權(quán)利要求22至38的任何一個(gè)的方法，其中檢測取決于所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置的所述至少一個(gè)第一電信號包括檢測由通過所述繞組的磁通量中的變化而引起的所述至少一個(gè)感應(yīng)第一電信號的變化速率。
40.一種確定電機(jī)的至少一個(gè)繞組中的電流變化的速率的方法，該電機(jī)用于將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能和/或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，該方法包括監(jiān)視感應(yīng)在至少一個(gè)各自線圈中的電壓，該線圈磁耦合到由承載所述電流的導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場。
全文摘要
公開了一種具有定子(30)和轉(zhuǎn)子(31)的電機(jī)。該電機(jī)具有由適當(dāng)?shù)墓╇婋娮涌刂破?401)進(jìn)行賦能的勵磁繞組(F)和電樞繞組(A)?？刂破?400)向供電電子控制器(401)發(fā)送信號以控制電樞電流，從而控制電機(jī)操作。當(dāng)電機(jī)作為電動機(jī)操作時(shí)，通過與轉(zhuǎn)子(31)的旋轉(zhuǎn)同步地施加所施加的電壓，向電樞繞組(A)提供來自供電電子控制器的電流。取決于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置的互感第一電信號將感應(yīng)在勵磁繞組(F)中。這將在通過供電電子控制器(401)得到的勵磁電流中產(chǎn)生疊加的梯度。模塊(402)可以自勵磁電流中提取該互感第一電信號，該模塊(402)可以是微分器電路或者可以是耦合到圍繞勵磁電流導(dǎo)線的磁場的線圈。提供了信號調(diào)節(jié)電路(403)，其可以包含濾波器電路。模塊(404)產(chǎn)生用于比較器(405)的參考電壓。該參考電壓可以是零，由此比較器(405)確定該互感第一電信號的極性。來自比較器的輸出是表示該互感第一電信號是否小于或者大于由模塊(404)施加的閾值的數(shù)字信號。該比較器的輸出，即第二電信號，表示轉(zhuǎn)子相對于定子的旋轉(zhuǎn)位置，并且提供給控制器(400)，用以維持電樞激勵和轉(zhuǎn)子位置之間的同步。
文檔編號H02P25/02GK1682431SQ03821787
公開日2005年10月12日 申請日期2003年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月12日
發(fā)明者查爾斯·波洛克, 海倫·杰拉爾丁·菲利斯·波洛克 申請人:百得有限公司, 萊斯特大學(xué)