專利名稱：無刷電機(jī)控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
0001本發(fā)明涉及開關(guān)無刷電機(jī)的控制。本發(fā)明具體但不唯一地涉及
開關(guān)磁阻電機(jī)。
背景技術(shù)：
0002開關(guān)磁阻電機(jī)是一種無刷電機(jī)。它包括轉(zhuǎn)子、限定轉(zhuǎn)子磁極、 定子、限定定子磁極以及被設(shè)置成與定子磁極相關(guān)從而限定一個(gè)或者多 于一個(gè)獨(dú)立可通電的相的一套繞組。在磁阻電機(jī)中， 一個(gè)或者多于一個(gè) 相繞組的通電在包括相關(guān)定子磁極的電路中建立磁通，促使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到最 小磁阻的位置。根據(jù)轉(zhuǎn)子位置定時(shí)對(duì)繞組順序通電引起轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。包括 開關(guān)磁阻電機(jī)的電驅(qū)動(dòng)器的通常處理方法可以在各種教科書中找到，例 如TJE Miller， Newnes 2001年所寫的"Electronic Control of Switched Reluctance Machine (開關(guān)磁阻電機(jī)的電子控制)"在此并入供參考。 更多的詳細(xì)內(nèi)容在1993年6月21-24日德國(guó)紐倫堡PC頂，93的會(huì)議和 展覽上Stephenson禾口 Blake發(fā)表的"The Characteristics, Design and Applications of Switched Reluctance Motors and Drives (開關(guān)磁阻 電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的特性、設(shè)計(jì)及應(yīng)用)"的論文中有描述，在此并入供參 考。正如在技術(shù)領(lǐng)域公知的，通過改變向相繞組通電的時(shí)間這些電機(jī)可 以作為電動(dòng)機(jī)或者發(fā)電機(jī)工作。
0003不同于電流在定子線圈中并且場(chǎng)由在轉(zhuǎn)子上的永磁體產(chǎn)生的常 規(guī)感應(yīng)同步"電磁"機(jī)(例如所稱的無刷直流電機(jī))，開關(guān)磁阻電機(jī)是 純粹的"磁"機(jī)。當(dāng)磁路的磁阻改變時(shí)，轉(zhuǎn)矩僅由磁場(chǎng)產(chǎn)生。因而斷定 控制這兩種類型的電機(jī)的方法是完全不同的，因?yàn)榭刂婆c轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的方 法有關(guān)。 一般講，用于給傳統(tǒng)電機(jī)提供正弦供電的控制方法不適合于開 關(guān)磁阻電機(jī)。
0004圖1示出典型的開關(guān)磁阻電機(jī)的橫截面。在這個(gè)示例中，可磁化的定子10具有六個(gè)定子磁極12?？纱呕霓D(zhuǎn)子14具有四個(gè)轉(zhuǎn)子磁極
16。每個(gè)定子磁極承載一個(gè)線圈18。在直徑方向上相對(duì)的磁極上的線圈
串聯(lián)連接從而提供三個(gè)相繞組。為了清楚只示出一個(gè)相繞組。開關(guān)磁阻 電機(jī)的控制可以以該技術(shù)領(lǐng)域人員熟知的多種方法實(shí)現(xiàn)。如果有關(guān)轉(zhuǎn)子 的角位置的信息(例如來自位置傳感器)可用，則勵(lì)磁可作為位置的函 數(shù)被施加。這種電機(jī)通常稱作"轉(zhuǎn)子位置開關(guān)電機(jī)"。
0005圖2示出典型的開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)器。在這個(gè)示例中，電機(jī)36與圖 1所示的電機(jī)相對(duì)應(yīng)。三相繞組A、 B以及C通過一套電力電子開關(guān)48 輪流與直流電源V接通。開關(guān)工作的時(shí)刻(也就是轉(zhuǎn)子的位置)由控制 器38決定，控制器可在處理裝置(如微控制器或者數(shù)字信號(hào)處理器)的 硬件或者軟件中實(shí)現(xiàn)?？刂菩盘?hào)通過數(shù)據(jù)總線46送到開關(guān)。通過使用電 流傳感器44檢測(cè)相電流并且反饋與比作需要的電流i。的相電流成比例 的一個(gè)信號(hào)來提供閉環(huán)電流反饋?？刂扑惴ㄍǔ０ū壤?P)，比例積 分(P+I)，時(shí)間最優(yōu)，反饋線性化，比例/積分/微分(PID)函數(shù)，或 者如技術(shù)中公知的許多其他的算法之一。通過從位置檢測(cè)器40反饋轉(zhuǎn)子 位置信號(hào)來提供位置或者速度的外部控制環(huán)也是普遍的。
0006在工作中，與電流需量(current demand) 42相應(yīng)的信號(hào)被提 供到控制器。這個(gè)信號(hào)根據(jù)所采用的特殊控制方案調(diào)節(jié)繞組中的電流， 從而產(chǎn)生電機(jī)的期望輸出。
0007開關(guān)磁阻電機(jī)的性能部分取決于關(guān)于轉(zhuǎn)子位置的相通電的精確 時(shí)間。轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)常規(guī)上通過使用圖2示意性所示的實(shí)體的轉(zhuǎn)子位 置傳感器(RPT) 40實(shí)現(xiàn)，例如，與例如安裝在定子上的光的或者磁的 傳感器協(xié)同工作的安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的旋轉(zhuǎn)齒盤。指示轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子 的位置的脈沖列被生成并且被提供給處理裝置，允許進(jìn)行準(zhǔn)確的相通電。 位置檢測(cè)的可選擇的方法包括所稱的"無傳感器"方法，該方法沒有實(shí) 體的位置傳感器，并且位置是從電機(jī)的一個(gè)或者多于一個(gè)其他參數(shù)的測(cè) 量中推出的。
0008由于在繞組中的電流相對(duì)容易測(cè)量，所以電機(jī)的閉環(huán)控制常規(guī) 上通過監(jiān)視和控制繞組中的通電電流來完成。然而，電機(jī)的期望輸出通常是轉(zhuǎn)矩、位置或者速度，電流與所有這些量具有高度的非線性關(guān)系。 結(jié)果是電流控制技術(shù)通常導(dǎo)致輸出不準(zhǔn)確，例如轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，位置誤差和/ 或者速度誤差。已經(jīng)設(shè)計(jì)出許多電流控制方案來解決這些缺點(diǎn)。所有這 些都增加了復(fù)雜性。
0009
一些研究者已經(jīng)提出在開關(guān)磁阻電機(jī)中更加基本的控制變量是 相繞組通電時(shí)在電機(jī)的磁路中建立的磁通。磁通是形成作用于轉(zhuǎn)子上促 使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到相對(duì)被通電的定子磁極的最小磁阻位置的力的直接原因。
EP-A-1109307和EP-A-1109308 (兩者并入在此供參考)公開了使用磁通 作為主要的控制變量的方法。并且驅(qū)動(dòng)器包括磁通控制器。
0010已知有許多不同的功率轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，其中的一些在上述引用?St印henson的論文中有闡述。 一個(gè)最普遍的配置在圖3的多相系統(tǒng)的單 相中被示出，其中電機(jī)的相繞組與橫穿母線26和27的兩個(gè)開關(guān)裝置21 和22串聯(lián)連接。母線26和27被總稱為轉(zhuǎn)換器的"直流環(huán)節(jié)"。能量恢 復(fù)二極管23和24被連接到繞組從而當(dāng)開關(guān)21和22打開時(shí)允許繞組電 流流回直流環(huán)節(jié)。被稱為"直流環(huán)節(jié)電容器"的電容器25連接到直流環(huán) 節(jié)的兩端，以得到或吸收直流環(huán)節(jié)電流的任何交流分量(也就是所稱的 紋波電流)，該交流分量不能由電源獲得或不能返回電源。在實(shí)際使用 中，電容器25可以包括以串聯(lián)和/或者并聯(lián)方式連接的一些電容器。其 中使用并聯(lián)連接， 一些元件可以遍及在轉(zhuǎn)換器中。多相系統(tǒng)典型地使用 圖3并聯(lián)連接的若干"相橋臂(phase leg)"，從而獨(dú)立地對(duì)電機(jī)的相 通電。
0011開關(guān)磁阻電機(jī)的相電感周期是連續(xù)周期中公共點(diǎn)之間的那相或 每相的電感變化時(shí)段(例如當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極和各自相關(guān)的定子磁極完全地對(duì) 齊時(shí)的電感最大值之間)。如上面引用的St印henson的論文所述，最大 感應(yīng)區(qū)域Lmax的中心位于一對(duì)轉(zhuǎn)子磁極完全地與一對(duì)定子磁極對(duì)齊的轉(zhuǎn) 子位置附近。類似地，最小感應(yīng)區(qū)域L^對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子上的極間軸線與定 子磁極軸線對(duì)齊的位置，如圖1所示。
0012低速時(shí)，開關(guān)磁阻系統(tǒng)通常工作在電流控制或者"斬波"模式。 利用"硬"斬波的磁滯電流控制器被經(jīng)常使用，如上面提到的St印henson的論文所述。 一個(gè)可替代的方式是當(dāng)電流達(dá)到它的上限水平時(shí)只有一個(gè) 開關(guān)打開的"軟"斬波。然后電流更緩慢地流經(jīng)繞組、第二個(gè)開關(guān)和一 個(gè)二極管而衰減。在技術(shù)領(lǐng)域中公知的其他類型的電流控制器(離線控
制器，恒定頻率控制器)，例如在此并入供參考的EP-A-0769844中所闡 述的那些控制器等等，將不在此闡述。
0013較高速時(shí)，開關(guān)磁阻系統(tǒng)典型地工作在通電的"單脈沖"模式 而不是斬波模式。這在上面提到的St印henson的論文中也有所說明。
0014因此，系統(tǒng)通常在低速時(shí)使用斬波模式而在較高速時(shí)使用單脈 沖模式。上限和下限斬波電流水平一般被設(shè)置為比單脈沖模式的預(yù)期峰 值電流更高的值，以便這些參數(shù)不會(huì)干擾單脈沖工作。公知的是將上限 電流水平設(shè)置到充當(dāng)"安全裕度(safety net)"的值，以便如果在驅(qū)動(dòng) 器中出現(xiàn)故障狀況電流將超過這個(gè)上限水平時(shí)，使一個(gè)或者多于一個(gè)開 關(guān)裝置打開，從而將電流限制到安全值。
0015常規(guī)做法是設(shè)置一個(gè)限度值，在單脈沖模式下超出該限度值不 能獲得進(jìn)一步的輸出，并且當(dāng)相磁通和電流在每個(gè)電周期末剛剛達(dá)到零 時(shí)才達(dá)到該限度值。為了在這些假設(shè)的約束下再進(jìn)一步增加轉(zhuǎn)矩，必須 增加電源電壓或者減少電機(jī)相繞組中的繞線匝數(shù)，或者兩者都進(jìn)行。由 于各種原因這些做法是不可行的或者只不過是不希望的。
0016另一種工作模式是所稱的"連續(xù)電流"模式，這種模式可以產(chǎn) 生大大超過在單脈沖模式中達(dá)到"限制條件"所獲得的機(jī)械輸出力矩和 功率。這在美國(guó)專利號(hào)5469039 (St印henson)中有公開，在此并入供 參考。這個(gè)專利公開了在這個(gè)模式中以穩(wěn)定的方式工作以便能達(dá)到穩(wěn)態(tài) 的工作的方法。因此與斬波和單脈沖模式不同，相繞組與連續(xù)地流經(jīng)其 中的電流一起工作并且始終通過磁通連接。電流變化是高于"持續(xù)
(standing)"值的準(zhǔn)正弦量。這己經(jīng)成為對(duì)于必須在工作周期的一些 點(diǎn)產(chǎn)生高電平的過載輸出的系統(tǒng)的重要模式。雖然在這種模式中驅(qū)動(dòng)器 的效率下降，但它能達(dá)到功率開關(guān)裝置中需要較大電機(jī)或需要增加伏安
(VA)容量才能達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)格。
0017雖然在上面的闡述中已經(jīng)說明電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，但是眾所周知開關(guān)磁阻電機(jī)在發(fā)電機(jī)模式同樣工作良好，在發(fā)電機(jī)模式中電流波形通常反 映電動(dòng)機(jī)波形的圖像。
0018在不同的模式中用于控制電機(jī)的角度和電流參數(shù)通常是速度的 函數(shù)，這些參數(shù)是實(shí)時(shí)計(jì)算的或者更普遍地存儲(chǔ)在可以在適當(dāng)時(shí)間從其 中讀取數(shù)據(jù)的一些形式的數(shù)據(jù)表中。為了在速度改變時(shí)從電機(jī)獲得平滑 的輸出，要仔細(xì)地選擇參數(shù)值。如果儲(chǔ)存的值是相對(duì)稀少的，使用一些 形式的插值從而給出在中間速度時(shí)的適當(dāng)?shù)膮?shù)值。選擇斬波模式與單 脈沖模式之間和單脈沖模式與連續(xù)電流模式之間的過渡點(diǎn)的值特別困 難，其中不管所需的轉(zhuǎn)矩水平如何，都要求平滑過渡。
0019對(duì)于斬波模式與單脈沖模式過渡時(shí)產(chǎn)生的這個(gè)問題的一個(gè)解決
方案是使用電流控制參數(shù)作為主要變量。對(duì)于整個(gè)斬波范圍給定的轉(zhuǎn)矩
需量(torque demand)，電流水平相對(duì)速度通常保持恒定。然而當(dāng)速度 上升到單脈沖模式區(qū)域，公知的是逐漸提高上限電流水平(有時(shí)將下限 電流水平提高相應(yīng)的量)以便逐漸從斬波模式轉(zhuǎn)換到單脈沖模式。 一旦 電機(jī)已經(jīng)達(dá)到相電流未達(dá)到上限水平時(shí)的速度，電流控制參數(shù)被逐漸設(shè) 置到高的值以便它們不會(huì)引起單脈沖速度范圍的剩余部分的斬波。
0020在連續(xù)電流模式中以及進(jìn)入連續(xù)電流模式時(shí)控制角度的靈敏性 的問題仍然存在。很難實(shí)現(xiàn)控制中的快速改變，并且使系統(tǒng)有變得不穩(wěn) 定的風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)在闡述其原因。
0021出現(xiàn)在常規(guī)工作期間的磁通周期和電流周期之間的"死區(qū)時(shí)間" 的效應(yīng)是磁通和電流在每個(gè)電周期的初始始終從零開始。當(dāng)工作在連續(xù) 電流模式時(shí)，穩(wěn)態(tài)的磁通、電流和轉(zhuǎn)矩由凈施加的繞組電壓在所有以前 的電周期而不只是當(dāng)前周期上的時(shí)間積分確定的，在傳統(tǒng)的"單脈沖" 模式下便是這種情況。結(jié)果在連續(xù)電流模式中電機(jī)輸出對(duì)控制角度的非 常小的改變十分敏感。這造成使轉(zhuǎn)矩輸出相對(duì)轉(zhuǎn)矩需量信號(hào)線性化的難 度并且也導(dǎo)致對(duì)繞組阻抗和在半導(dǎo)體開關(guān)中的電壓降高度靈敏。由于繞 組阻抗特別是溫度的強(qiáng)函數(shù)(strong function)，所以當(dāng)電機(jī)溫度改變 時(shí)(例如由于負(fù)載或者周圍環(huán)境變化)，嘗試在連續(xù)電流模式中僅通過 控制角度來控制轉(zhuǎn)矩經(jīng)常導(dǎo)致在輸出中的不能接受的變化。0022對(duì)開關(guān)角的靈敏性的問題能夠通過使用前述的控制器控制峰值 電流和磁通兩者來改善。在這種情況中，使導(dǎo)通角度比在最壞情況的條 件下(例如在最高的必需的繞組溫度時(shí))所需的導(dǎo)通角度稍大。然后電 流控制器的斬波行為自動(dòng)地提供工作點(diǎn)的穩(wěn)定性——在穩(wěn)態(tài)通常只需一 個(gè)"斬波"將峰值電流截短并控制磁通，以便電力電子中的過多的開關(guān)
損耗不是問題。這個(gè)方法已經(jīng)在US 6972533中闡述，該專利在此并入供參考。
0023然而主要的困難仍存在。在連續(xù)電流模式使用電流控制調(diào)節(jié)轉(zhuǎn) 矩沒有解決進(jìn)入和退出該模式時(shí)獲得平滑過渡的難題。連續(xù)電流起始出 現(xiàn)的準(zhǔn)確點(diǎn)將不僅取決于繞組溫度，也會(huì)對(duì)電源電壓和從一個(gè)特殊的電 機(jī)采樣到另一個(gè)電機(jī)采樣的變化敏感。單一控制參數(shù)"圖"僅在一個(gè)電 源電壓和繞組溫度能夠?qū)崿F(xiàn)平滑的過渡；補(bǔ)償電壓和繞組溫度兩者的困 難將是不言而喻的，特別是當(dāng)考慮到在連續(xù)電流模式工作時(shí)電機(jī)輸出對(duì) 參數(shù)變化的高度敏感的時(shí)候。

發(fā)明內(nèi)容
0024根據(jù)公開的實(shí)施例，提供用于具有至少一個(gè)相繞組的無刷電機(jī) 的控制器，該控制器包括可工作產(chǎn)生控制信號(hào)的控制裝置，控制信號(hào)用 于響應(yīng)于一個(gè)輸入信號(hào)對(duì)相繞組通電，并且該控制器可工作于使用磁通 穩(wěn)定信號(hào)修改輸入信號(hào)，從而改變由相繞組產(chǎn)生的磁通來穩(wěn)定電機(jī)輸出。 本說明書也公開了一種等效方法。通過磁通穩(wěn)定信號(hào)改變輸入信號(hào)，因 此影響控制裝置的輸出從而改變電機(jī)的磁通。
0025關(guān)于無傳感器形式的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)可使用公開的一些實(shí)施例。 對(duì)于轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器硬件可使用其他的實(shí)施例。在各種實(shí)施例中，磁通 穩(wěn)定信號(hào)用于影響啟動(dòng)(initiate)電機(jī)相繞組中的磁通衰減的時(shí)刻， 啟動(dòng)相繞組的磁通衰減是通過根據(jù)設(shè)計(jì)該相的磁通衰減的時(shí)刻來修改控 制裝置的輸入信號(hào)進(jìn)行的。
0026在一種形式中，磁通穩(wěn)定信號(hào)具有典型地帶有線性斜率的鋸齒 波形。這個(gè)信號(hào)可能具有負(fù)的斜坡并且與磁通需量(flux demand)信號(hào)相結(jié)合然后與指示在電機(jī)本身中的瞬間磁通的磁通反饋信號(hào)相比較。可 替代地，磁通穩(wěn)定信號(hào)的鋸齒波形可以具有正的斜坡并且取而代之與磁 通反饋信號(hào)相結(jié)合。這個(gè)結(jié)合信號(hào)與磁通需量信號(hào)相比較。在任何一種 情況下，穩(wěn)定信號(hào)的效應(yīng)是產(chǎn)生從上升的磁通到下降的磁通的轉(zhuǎn)變。即 使有任何擾動(dòng)出現(xiàn)也有充足的時(shí)間段(角度和時(shí)間兩者)使磁通在該相 的通電時(shí)間段結(jié)束之前被穩(wěn)定地控制。通常穩(wěn)定信號(hào)適于維持磁通的上 升和下降以在電周期上基本相等。
0027磁通穩(wěn)定信號(hào)和磁通反饋信號(hào)或者磁通需量信號(hào)的結(jié)合可以通
過將他們?cè)诩臃ㄆ髦邢嗉佣玫健?br> 0028控制器可以包括用于產(chǎn)生磁通穩(wěn)定信號(hào)的裝置，磁通穩(wěn)定信號(hào) 是隨時(shí)間可變的信號(hào)，它的時(shí)間段與相繞組的重復(fù)通電的時(shí)間段是一致 的。
0029穩(wěn)定信號(hào)的鋸齒波形的斜率能夠隨電機(jī)的速度而改變。例如， 當(dāng)速度增加時(shí)斜率能夠增加并且電周期的時(shí)段被縮短。然而，在一些實(shí) 施例中鋸齒波形的峰值幅度可以與電機(jī)的速度無關(guān)，保持不變。
0030在其他的實(shí)施例中穩(wěn)定信號(hào)用于修改指示相繞組中的磁通增長(zhǎng) 的信號(hào)。在這種形式中，由磁通反饋信號(hào)所指示的磁通的增長(zhǎng)率被修改 以至于視在磁通增長(zhǎng)率提高。通過根據(jù)修改的磁通反饋信號(hào)外推，輸入 信號(hào)被修改因此能夠確定斷開點(diǎn)。
0031公開的另一個(gè)實(shí)施例是一種用于開關(guān)磁阻電機(jī)的控制器以及用 于對(duì)至少一個(gè)相繞組通電的開關(guān)裝置，開關(guān)磁阻電機(jī)具有轉(zhuǎn)子、至少一 個(gè)相繞組的定子，該控制器可工作產(chǎn)生用于使開關(guān)裝置動(dòng)作(actuate) 的動(dòng)作信號(hào)(actuation signal)，該控制器包括第一開關(guān)裝置和第二 開關(guān)裝置，當(dāng)至少一個(gè)相繞組中的磁通超過磁通需量信號(hào)時(shí)，第一開關(guān) 裝置產(chǎn)生控制開關(guān)裝置的關(guān)斷信號(hào)，第二開關(guān)裝置根據(jù)轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子 的位置產(chǎn)生控制開關(guān)裝置的動(dòng)作信號(hào)。
0032這個(gè)控制器可以包括被設(shè)置成接收第一磁通信號(hào)和第二磁通信 號(hào)并且當(dāng)?shù)谝淮磐ㄐ盘?hào)超過第二磁通信號(hào)時(shí)產(chǎn)生關(guān)斷信號(hào)的比較器，第 一磁通信號(hào)指示至少一個(gè)相繞組中的磁通，第二磁通信號(hào)指示需要的磁通0
0033當(dāng)轉(zhuǎn)子到達(dá)相對(duì)定子的預(yù)期位置時(shí)第二開關(guān)控制器裝置可以可 工作地產(chǎn)生接通信號(hào)，從而使相繞組中的磁通增加。
0034當(dāng)轉(zhuǎn)子到達(dá)相對(duì)定子的慣性運(yùn)動(dòng)位置時(shí)，第二磁通控制裝置還 可以可工作地產(chǎn)生使至少一個(gè)相繞組中的電流自由衰降的慣性運(yùn)動(dòng)信 號(hào)，從而使相繞組中的磁通衰減。
0035當(dāng)轉(zhuǎn)子到達(dá)相對(duì)定子的關(guān)斷位置時(shí)，第二開關(guān)控制裝置還可以 可工作產(chǎn)生關(guān)斷信號(hào)，從而使相繞組中的磁通降低。
0036本發(fā)明可以應(yīng)用到各種無刷電機(jī)，例如開關(guān)磁阻電機(jī)或者無刷 直流電機(jī)。


0037本發(fā)明可以以各種方式實(shí)施，現(xiàn)在通過示例并參考附圖闡述其 中的一些實(shí)施方式，其中 圖1是開關(guān)磁阻電機(jī)的軸向截面示意圖； 圖2是用于開關(guān)磁阻電機(jī)的閉環(huán)電流控制器的示意圖； 圖3是用于開關(guān)磁阻電機(jī)的功率轉(zhuǎn)換器電路；
圖4是并入在此闡述的一個(gè)實(shí)施例的開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的方框示意圖5示出工作在連續(xù)電流模式下的電機(jī)的電壓和磁通波形；
圖6示出圖4的部分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的邏輯圖7示出在連續(xù)電流模式下不穩(wěn)定工作的磁通圖8示出根據(jù)在此闡述的實(shí)施例的磁通波形；
圖9示出實(shí)現(xiàn)在此公開的一方面的邏輯圖IO示出第二個(gè)實(shí)施例的波形圖；以及
圖11是實(shí)現(xiàn)圖10的實(shí)施例的流程圖。
具體實(shí)施例方式
0038參考圖4，開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的第一個(gè)實(shí)施例包括開關(guān)磁阻電 機(jī)36，開關(guān)磁阻電機(jī)36具有承載相繞組A、 B、 C的層壓可磁化定子10以及層壓可磁化轉(zhuǎn)子14。技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員熟知這個(gè)實(shí)施例中每個(gè)轉(zhuǎn)
子和定子由適合的鋼的疊片構(gòu)成。轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器(RPT) 40相對(duì)于轉(zhuǎn) 子14被設(shè)置以監(jiān)測(cè)位置。如上所述，RPT能夠采用各種形式，其中第一 個(gè)部件經(jīng)過傳感裝置的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一輸出，該輸出指示轉(zhuǎn)子相對(duì)定子的相 對(duì)運(yùn)動(dòng)。磁通控制器90產(chǎn)生控制信號(hào)，該控制信號(hào)用于使例如在圖3 中所示的相橋臂中配置的電力電子開關(guān)48動(dòng)作，并用于控制與定子10 相關(guān)的相繞組A、 B、 C的通電。為了清楚，圖中示意性地示出僅連接一 相繞組，但是通過使開關(guān)動(dòng)作(actuate)，每相被獨(dú)立地通電。在可替 代的實(shí)施例中，繞組的通電通過公知類型的放大器提供。
0039給磁通控制器90提供三個(gè)反饋信號(hào)。首先，磁通控制器從RPT40 接收轉(zhuǎn)子位置信號(hào)e。在可替代的實(shí)施例中，通過從電機(jī)的其他的參數(shù) 推算轉(zhuǎn)子位置的算法提供轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)。在任何一種情況下，信號(hào)e 提供位置信息(由此提供定時(shí)/時(shí)間信號(hào))給磁通控制器90。其次，磁 通控制器90從電流傳感器44接收相電流信號(hào)i。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到每相繞組 典型地具有與每相繞組相關(guān)聯(lián)的電流傳感器44從而產(chǎn)生電流信號(hào)i，但 是在此為了清楚僅示出一個(gè)傳感器。應(yīng)該注意電流反饋信號(hào)不以常規(guī)的 電流控制器的方式使用而是，使用它提供對(duì)電流的整體監(jiān)視從而確保 它保持在預(yù)期的安全水平內(nèi)。第三，磁通控制器90接收與每相繞組中的 磁通成比例的磁通信號(hào)W。這些信號(hào)或者通過直接測(cè)量磁通得到，或者 通過本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員公知的磁通估計(jì)的一些方法的其中之一種方法 得到。
0040磁通控制器90的輸入92是表示電機(jī)中產(chǎn)生期望輸出的期望的 峰值磁通W。的需量信號(hào)。在電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，期望輸出是轉(zhuǎn)矩、 速度或者位置。電機(jī)作為發(fā)電機(jī)工作時(shí)，期望輸出是典型的電功率。另 外，磁通控制器90具有在下面更詳細(xì)闡述的更進(jìn)一步的磁通穩(wěn)定輸入 94。磁通控制器90產(chǎn)生經(jīng)過數(shù)據(jù)總線46傳輸?shù)娇刂朴呻娫措妷篤給相 繞組通電的電力電子開關(guān)48中的控制信號(hào)。
0041如果相磁通在轉(zhuǎn)子到達(dá)導(dǎo)通時(shí)段末期之前或者在相電流達(dá)到斬 波模式中的預(yù)定值之前達(dá)到限制值，那么磁通相關(guān)的輸入提供終止相電壓脈沖的方式，在單脈沖模式中在導(dǎo)通時(shí)段相開關(guān)通常打開。這在圖5 示出，圖5示出工作在連續(xù)電流模式下的電機(jī)的波形。需要的峰值磁通
水平w。縮短預(yù)期導(dǎo)通角ee，以便磁通周期位于W。值和持續(xù)值Ws之間。
Ws值不直接被控制，而是作為需要的峰值磁通V。、電機(jī)速度和磁通的 上升和下降率(依次地由電源電壓和相繞組中的繞線匝數(shù)決定)的結(jié)果 自然地增長(zhǎng)。
0042發(fā)明人己經(jīng)認(rèn)識(shí)到在單脈沖模式中通常形成的轉(zhuǎn)矩很大程度上
與繞組阻抗無關(guān)。由于電機(jī)經(jīng)歷負(fù)荷改變，所以繞組的溫度(由此繞組 阻抗)改變，但是對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)，電機(jī)的輸出本質(zhì)上是獨(dú)立的，因此 允許使用不受繞組阻抗影響的控制參數(shù)。然而，在更加不穩(wěn)定的連續(xù)電 流模式中遇到的困難是對(duì)于導(dǎo)通角的某種增加得到的非常大的遞增的轉(zhuǎn) 矩。雖然磁通和電流最終將穩(wěn)定在受控的穩(wěn)態(tài)值上，但是導(dǎo)通角的很小 的遞增將引起在持續(xù)磁通、電流和平均轉(zhuǎn)矩的非常大的改變。特別是當(dāng) 相繞組阻抗很小時(shí)尤為如此。在實(shí)際的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，當(dāng)在連續(xù)電流模式 中嘗試僅使用換向角調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩時(shí)很有可能引起轉(zhuǎn)矩控制分辨率的問題。
0043即使能夠維持可接受的轉(zhuǎn)矩分辨率，系統(tǒng)級(jí)控制(例如速度調(diào) 節(jié)器)必須能夠處理即將從單脈沖模式進(jìn)入連續(xù)電流模式時(shí)候的電機(jī)的 轉(zhuǎn)矩"增益"的突然增加。更進(jìn)一步，平均磁通、電流以及由此的轉(zhuǎn)矩 的穩(wěn)態(tài)值現(xiàn)在主要取決于相繞組阻抗，并且取決于在半導(dǎo)體開關(guān)內(nèi)的電 壓降。所有這些參數(shù)展示出很強(qiáng)的溫度依賴性。這意味著不僅在連續(xù)電 流模式中實(shí)際形成的轉(zhuǎn)矩對(duì)元件的溫度非常敏感，而且達(dá)到該模式所需 的確切的導(dǎo)通角也將依賴于溫度。后一點(diǎn)使得使用常規(guī)的控制角度"查 詢"表或者其他的確定換向角的固定的方法(例如多項(xiàng)式函數(shù))線性化 轉(zhuǎn)矩-控制不連續(xù)非常困難。
0044對(duì)于克服上述問題的SR電機(jī)的換向器的一個(gè)示例性實(shí)施例展示 在圖6中。它形成圖4中在總線46上產(chǎn)生開關(guān)控制輸出的控制器90的
一部分。來自PRT40 (見圖4)的輸出e與用于接通e。n、慣性運(yùn)動(dòng)e"
以及斷開e。ff的角度的預(yù)定值在各個(gè)比較器100、 102和104中比較。磁
通反饋信號(hào)^ (可能源自直接反饋或者磁通的估計(jì))與需要的磁通W。在另一個(gè)比較器106中比較。
0045將磁通比較器106的輸出與斷開比較器104的輸出一起施加到 或門108。將磁通比較器106的輸出與慣性運(yùn)動(dòng)比較器102的輸出一起 施加到或門110。接通比較器100的輸出提供輸入到第一置位/復(fù)位(SR) 鎖存器120的置位(SET)輸入。第一鎖存器120的復(fù)位(RESET)輸入 是或門110的輸出。接通比較器100的輸出也給第二置位/復(fù)位(SR)鎖 存器122提供置位輸入。第二鎖存器122的復(fù)位輸入是或門108的輸出。 鎖存器的輸出是控制器124的輸入，控制器124監(jiān)視相繞組中的電流水 平，并且得出到總線46的控制信號(hào)，從而提供給圖4中的電力電子開關(guān) 48。如上所述控制器是磁通控制器90的一部分。因此，它由在單個(gè)處理 裝置的子程序構(gòu)成或者是獨(dú)立的處理裝置。在任何一種情況下，它都是 例如微處理器或者數(shù)字信號(hào)處理器，它們運(yùn)行軟件來執(zhí)行用于實(shí)現(xiàn)在此 所述的控制技術(shù)的已識(shí)別的步驟?？刂破靼ūO(jiān)視電流并且如果電流超 過預(yù)期閾值采取適當(dāng)措施的特性。
0046圖6的電路可以工作如下。當(dāng)轉(zhuǎn)子角度e達(dá)到接通角度6 。n的時(shí) 候兩個(gè)SR鎖存器120、 122都"置位"。這觸發(fā)相開關(guān)裝置(受到隨后的 控制器124的全面許可)。在e。Jf始導(dǎo)通之后，由Ws建立相磁通W， 磁通隨時(shí)間近似線性增長(zhǎng)。如果轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值(或者測(cè)量值)在相磁
通達(dá)到限度值^D之前達(dá)到慣性運(yùn)動(dòng)角度e "或者達(dá)到斷開角度e 。lt，比較
器102或者104的輸出改變狀態(tài)。
0047然后一個(gè)或者兩個(gè)置位/復(fù)位鎖存器清零或者由來自 一個(gè)或者兩 個(gè)或門108和110的輸出"復(fù)位"，這兩個(gè)輸出輸入到鎖存器120/122的R
輸入。根據(jù)條件也就是慣性運(yùn)動(dòng)或者斷開，打開一個(gè)或者兩個(gè)相開關(guān) 21/22 (圖3)。然后如果已經(jīng)達(dá)到慣性運(yùn)動(dòng)角并且開關(guān)21/22中只有一個(gè)
開關(guān)已經(jīng)打開，則相電流和磁通將緩慢衰減；如果已經(jīng)達(dá)到關(guān)斷角且兩
個(gè)開關(guān)都是打開的，則相電流和磁通將快速衰減。e。n、 e。ff和e"的值 設(shè)置為閾值，它們或者是實(shí)時(shí)計(jì)算的或者儲(chǔ)存在一些已知形式的存儲(chǔ)器 中。這是基于角度的換向。
0048然而如圖5所示，相磁通可能在達(dá)到關(guān)斷角(off—angle)之前達(dá)到磁通限度W。。在這一點(diǎn)上，兩個(gè)鎖存器都將立即復(fù)位，所以迫使相 磁通下降而與預(yù)期的導(dǎo)通角無關(guān)。電機(jī)現(xiàn)在作為它的峰值磁通的函數(shù)被 控制。 一個(gè)可替代方案在達(dá)到磁通限度的時(shí)候只打開一個(gè)相開關(guān)21/22 ——這將啟動(dòng)慣性運(yùn)動(dòng)，然后相磁通將只是緩慢地下降直到達(dá)到關(guān)斷角。
0049根據(jù)輸入到比較器100-106的輸入，圖6的系統(tǒng)能夠在單脈沖 或者連續(xù)電流模式中工作。在每個(gè)模式中，系統(tǒng)能夠作為常規(guī)的斬波電 流控制器、角度控制器或者峰值磁通控制器工作?？刂破?0的所有這些 工作模式是有益的，特別是在連續(xù)電流模式中，因?yàn)楫a(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩平滑地 并且主要地被WD控制并且對(duì)繞組阻抗、電源電壓或者控制角度的確切值
不敏感。它也提供了當(dāng)電機(jī)的工作條件改變時(shí)單脈沖模式和連續(xù)電流模 式之間的平滑且連續(xù)的轉(zhuǎn)變的方法。
0050然而，上述控制器的最優(yōu)工作依賴于在輸入和反饋參數(shù)中沒有 擾動(dòng)，而工作于連續(xù)電流模式則在輸入和反饋參數(shù)中易于出現(xiàn)擾動(dòng)。這 種擾動(dòng)可能由多個(gè)來源引起。在電學(xué)上不利的環(huán)境中工作的驅(qū)動(dòng)器中， 電噪聲可能出現(xiàn)在例如電流或者磁通測(cè)量值中。在低慣量的驅(qū)動(dòng)器中， 轉(zhuǎn)子可能很快地改變速度或者方向。在"無傳感器"轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的驅(qū) 動(dòng)器中，估計(jì)值可能經(jīng)受隨機(jī)誤差影響，導(dǎo)致供應(yīng)到控制器的控制角的 抖動(dòng)。在控制系統(tǒng)中使用數(shù)字電路的驅(qū)動(dòng)器可能經(jīng)受量子化效應(yīng)的影響。 這些因素的任何一個(gè)，或者這些因素的結(jié)合可能導(dǎo)致磁通控制器的不穩(wěn) 定。
0051這種不穩(wěn)定的示例在圖7中示出。這說明磁通在角度達(dá)到e。ff
之前達(dá)到磁通W。，所以磁通的第一個(gè)周期被磁通需量參數(shù)W?？刂啤Ｈ?br> 而，在第二個(gè)周期在W。中出現(xiàn)短暫的擾動(dòng)A W，引起磁通上升的提前終 止。雖然磁通需量恢復(fù)到期望值，但磁通隨后的周期變得不穩(wěn)定，導(dǎo)致 電機(jī)的不穩(wěn)定的輸出。通常非常小的擾動(dòng)值足以引起不穩(wěn)定，因?yàn)橛蓴_ 動(dòng)引入的誤差不會(huì)自動(dòng)衰減。
0052磁通波形的斜率(線性化的)分別標(biāo)示為圖7所示的mu和md。斜 率的單位是韋伯/度，或者如果圖是在時(shí)間域繪制的，則單位是韋伯/秒。 單位是內(nèi)部可變換的，因?yàn)殡姍C(jī)被設(shè)置在恒定的速度下旋轉(zhuǎn)。mu的數(shù)值是正的而md的數(shù)值是負(fù)的。通過使用線性代數(shù)能夠證明如果擾動(dòng)A W被
引入磁通波形，則僅當(dāng)mu〉lmdl時(shí)這個(gè)擾動(dòng)將按周期衰減。如果這個(gè)條件 不滿足，引入到波形中的任何誤差將按周期增長(zhǎng)，造成磁通波形的混亂 的次諧波振蕩。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將知道擾動(dòng)可能同樣已出現(xiàn)在測(cè)量的 磁通中或者控制角中。然而，與擾動(dòng)源無關(guān)，磁通的斜率由電機(jī)設(shè)計(jì)和 電源電壓決定。
0053在這個(gè)實(shí)施例中不穩(wěn)定的問題通過加入負(fù)向斜坡形式的與重復(fù) 信號(hào)的周期同步的穩(wěn)定信號(hào)來解決，如圖8所示。斜坡nutab的斜率在角 度域的單位也是韋伯/度并且它的數(shù)值是負(fù)的。通過線性代數(shù)能夠證明如 果mu-mstab> 1 md |也就是mu-mstab+md>0，在波形中的誤差將衰減為零。
0054圖9示出這個(gè)過程如何可以在圖6的磁通控制器中被執(zhí)行并且 相同的參考數(shù)字代表相同的部件。圖9的控制器124具有輸入到圖4中 的磁通控制器90的輸入。磁通需量信號(hào)W。被供應(yīng)到加法器126，在加 法器126中，W。與以圖8所示的負(fù)向鋸齒波形式并且與每個(gè)導(dǎo)通周期一 致地重復(fù)的磁通穩(wěn)定信號(hào)^^相結(jié)合。將兩個(gè)信號(hào)相結(jié)合的作用是給出 取決于時(shí)間(也就是轉(zhuǎn)子位置)的峰值磁通需量并且現(xiàn)在自動(dòng)地考慮信 號(hào)擾動(dòng)和/或者參數(shù)變化的影響，否則將改變每個(gè)電周期中的磁通波形的 上升和下降部分之間的平衡。這個(gè)磁通穩(wěn)定信號(hào)的加入產(chǎn)生穩(wěn)定的系統(tǒng)。
0055應(yīng)認(rèn)識(shí)到磁通穩(wěn)定信號(hào)W^能夠等效地施加到磁通比較器106
的其他的端子，也就是添加到磁通反饋而不是需量參考。在這種情況下， 需要磁通穩(wěn)定波形mstab的正向斜坡實(shí)現(xiàn)同樣的效果。使用適當(dāng)?shù)男逼虏?形(負(fù)向或者正向)結(jié)合的其他結(jié)合當(dāng)然是可能的，也產(chǎn)生等效的結(jié)果。 雖然上面提到磁通穩(wěn)定信號(hào)是線性鋸齒波形，但是在每個(gè)電周期內(nèi)，其 他形式的磁通穩(wěn)定信號(hào)是可能的。例如，磁通穩(wěn)定信號(hào)的斜率可以同樣 地是指數(shù)的或者一些其他的非線性函數(shù)。波形的選擇將取決于應(yīng)用。
0056在大型和/或者高壓SR電機(jī)中，阻抗壓降和半導(dǎo)體電壓降與直 流環(huán)節(jié)電壓相比一般相對(duì)較小。由于高電壓值(它是每單位時(shí)間磁通變 化率的決定因素)，磁通的斜率md將比磁通的斜率mu稍微陡一些。因此 在這種情況下，通過確保結(jié)合的斜率(mu-mstab)比md的斜率更陡，只需要相對(duì)小的穩(wěn)定量來使電機(jī)穩(wěn)定。這實(shí)際上引起測(cè)量的磁通的上升率大 于下降率。添加磁通穩(wěn)定信號(hào)的結(jié)果是引起測(cè)量的磁通相對(duì)更早地達(dá)到 它的閾值，因此留有時(shí)間使正在衰減的磁通充分地下降。用這種方式， 磁通穩(wěn)定信號(hào)的影響是通過確保引入到波形中的任何誤差隨周期衰減來 維持一個(gè)電周期中由相繞組產(chǎn)生的磁通的上升和下降基本相等。
0057另一個(gè)考慮是速度變化，這是因?yàn)轱@然導(dǎo)通周期的時(shí)間段隨速
度增加而縮短。為了維持穩(wěn)定效應(yīng)，m^需要是速度的適當(dāng)?shù)暮瘮?shù)。
0058給定電機(jī)所需要的穩(wěn)定度不直接依賴于磁通需量水平，除非電 機(jī)的每單位的阻抗是高的，因此引起mu和md之間較大的差異。實(shí)際上， 典型的電機(jī)的低阻抗意味著當(dāng)電機(jī)上的負(fù)載增加時(shí)每個(gè)mu和md的斜率將 僅變化很小的量以便有效地使斜率mu和md基本恒定而與負(fù)載無關(guān)。然而，
在一些實(shí)例中，直流環(huán)節(jié)電壓中的紋波可能引入需要通過穩(wěn)定解決的不 確定因素，也就是需要增加穩(wěn)定從而迎合由于紋波動(dòng)在mu和md中的擾動(dòng)。
0059通過一個(gè)示例，假設(shè)開關(guān)磁阻電機(jī)具有750V的直流環(huán)節(jié)電壓， 控制器的電力半導(dǎo)體開關(guān)兩端的電壓降為3V， 二極管兩端的電壓降為 1.7V，繞組阻抗(iR)電壓降為5V。
0060為了在電周期中使磁通提高，可用的電壓是
750-(2x3)-5=739V
也就是電源電壓減去經(jīng)過動(dòng)作的開關(guān)兩端以及繞組兩端的電壓降。
0061為了在電周期中使磁通降低，可用的電壓是
750+(2x1. 7)+5=758. 4V
也就是將電源電壓提高了由逆流二極管(recirculating diode)和繞組 兩端的電路中感應(yīng)的電壓。
0062然后
磁通的最大上升率是739/60=12. 32韋伯每秒。 磁通的最大下降率是758. 4/60=12. 64韋伯每秒。
0063這樣，穩(wěn)定需要足以使磁通的視在上升率提高兩個(gè)數(shù)字之間差 值的幅度，即0.32韋伯每秒0064為了說明的目的，使用以5000轉(zhuǎn)/分運(yùn)轉(zhuǎn)并且具有一個(gè)八極轉(zhuǎn) 子的電機(jī)，導(dǎo)通周期的電時(shí)段是1.5兆秒。由此nwb的幅值需要為至少 0. 32x0. 015=0. 48兆韋伯——是參考值的2%。在幅值中并入更進(jìn)一步的 數(shù)量值從而迎合系統(tǒng)中的其他擾動(dòng)可能是必要的，例如如上所述的紋波 電壓。
0065在實(shí)際的情況中，連續(xù)電流模式工作所需要的速度范圍經(jīng)常是 相當(dāng)有限的。這樣， 一個(gè)可能是使用跨越速度范圍的固定的初始穩(wěn)定幅 值。在較高速度時(shí)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)在理論上將受到不利的影響，但是在 許多應(yīng)用中這不太可能達(dá)到不能接受的程度。
0066穩(wěn)定的最困難區(qū)域出現(xiàn)在最大相電流處，在最大相電流中繞組 兩端的歐姆電壓降最大并且合成的阻抗磁通波形變成非線性的。對(duì)于非 線性磁通上升和下降的理想的解決方法是具有穩(wěn)定曲線，該穩(wěn)定曲線的 時(shí)間段與相繞組(如上所述)通電的重復(fù)時(shí)間段一致，但其非線性輪廓 適合于磁通波形。如果需要，可以以更復(fù)雜的電路和/或者算法作為代價(jià) 來實(shí)現(xiàn)該解決方法。
0067磁通穩(wěn)定信號(hào)的性質(zhì)可能隨電機(jī)的工作條件變化而動(dòng)態(tài)地改變。 也應(yīng)該注意到上述磁通控制方案，雖然對(duì)于連續(xù)電流模式的控制特別地 有利，但是并不僅限于在連續(xù)電流模式中使用它同樣可應(yīng)用于較低轉(zhuǎn) 矩和速度時(shí)不連續(xù)的磁通工作中。當(dāng)被用在連續(xù)電流模式的控制時(shí)，己 經(jīng)發(fā)現(xiàn)在連續(xù)電流模式起始之前逐漸地達(dá)到磁通限度是有益的，所以存 在不連續(xù)和連續(xù)電流/磁通模式之間的無縫隙過渡。
0068通常，所公開的實(shí)施例使用周期與電機(jī)的導(dǎo)通周期一致的磁通 穩(wěn)定信號(hào)。磁通波形疊加在磁通需量信號(hào)或者測(cè)量的磁通信號(hào)的值之上 以便在相中的增長(zhǎng)磁通變化到下降磁通時(shí)的有效值位于相導(dǎo)通周期之 內(nèi)。實(shí)際上，系統(tǒng)中的任何擾動(dòng)導(dǎo)致的磁通劇烈增加或不穩(wěn)定輸出是通 過改變上升磁通變化為下降磁通時(shí)的值來補(bǔ)償?shù)?，使得?dǎo)通周期中有足 夠部分(因此是較大的時(shí)間段)用來由開關(guān)的動(dòng)作穩(wěn)定地控制磁通。
0069圖8和9中所示的實(shí)施例利用連續(xù)可用的磁通測(cè)量值或者估計(jì) 值。在許多與無傳感器位置檢測(cè)一起工作的系統(tǒng)中，這個(gè)信號(hào)已經(jīng)呈現(xiàn)并因此能夠用于磁通穩(wěn)定的更進(jìn)一步的目的。然而如果系統(tǒng)從上述的實(shí) 體位置傳感器獲取位置信息，磁通信號(hào)可能不可用并且可能需要產(chǎn)生專 門用于磁通穩(wěn)定的信號(hào)。典型地，這些可以通過對(duì)相電壓的積分實(shí)現(xiàn)， 相電壓積分需要能夠產(chǎn)生可信賴的信號(hào)的重要處理能力。另一個(gè)實(shí)施例 在圖10中示出，并且當(dāng)被設(shè)置根據(jù)來自實(shí)體轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號(hào)控制 電機(jī)10時(shí)，它可以在圖4的控制器90中實(shí)現(xiàn)。這避免了對(duì)在所需的處 理功率中必然減少的連續(xù)磁通信息的需要。
0070這個(gè)實(shí)施例提供在特殊時(shí)刻磁通的瞬態(tài)圖并且然后外推找到適 當(dāng)?shù)臄嚅_時(shí)間，而不使用相磁通的連續(xù)導(dǎo)出。在圖10中假定來自轉(zhuǎn)子位
置傳感器(或者一些等效的函數(shù))的信號(hào)可用于允許相繞組在t。時(shí)被通 電。電流能夠被記錄并且它的值被存儲(chǔ)，如果電機(jī)處在單脈沖模式，則 該值為零，如果電機(jī)處在連續(xù)電流模式，則該值為非零。由于獲知這個(gè) 電流和斷開點(diǎn)t。，所以能夠從電機(jī)的磁特性確定磁通。這個(gè)磁通值被存 儲(chǔ)。定時(shí)器被設(shè)置從t。運(yùn)行并且隨后的步驟將根據(jù)在圖11中所示的這 個(gè)實(shí)施例執(zhí)行。
0071當(dāng)達(dá)到Li。時(shí)(當(dāng)轉(zhuǎn)子位置傳感器發(fā)出信號(hào)時(shí))，電流被再次 測(cè)量并且磁通被估計(jì)。由于Un的電流與磁通差不多成線性，如果需要 可以使用簡(jiǎn)單的計(jì)算，而不使用磁特性的查詢表。這樣建立磁通值f^。 磁通穩(wěn)定值fs加上這個(gè)值得到點(diǎn)f,。通過從t。外推至f"與磁通需量的
交點(diǎn)被確定在t2，將t2作為該相的斷開點(diǎn)。
0072雖然這個(gè)實(shí)施例使用L^的便利的位置，任何其他的轉(zhuǎn)子的預(yù) 定位置可以用于達(dá)到相同結(jié)果。例如，實(shí)際上，有時(shí)需要通過提前或者 延遲RPT使其'偏斜，以考慮工作或電機(jī)特性。這樣，例如RPT輸出可 能實(shí)際上與一個(gè)事件例如L,不一致。為了這個(gè)發(fā)明這將仍然是便利的 預(yù)定位置的轉(zhuǎn)子位置。
0073在磁通增長(zhǎng)是線性的情況下(也就是繞組的iR下降，對(duì)于大型 高壓電機(jī)一般為這種情況)，線性外推是足夠的。對(duì)于其他的情況，可 以采用適合的非線性外推程序，例如二次外推。
0074圖10示出加入到在圖8中示出的方法上的這個(gè)方法，并且證明了兩個(gè)實(shí)施例的等效。在這個(gè)實(shí)施例中，將穩(wěn)定項(xiàng)添加到計(jì)算的磁通， 而不從磁通需量信號(hào)中減去穩(wěn)定項(xiàng)。如上所述，這個(gè)實(shí)施例的益處是省 去為了產(chǎn)生磁通估計(jì)值對(duì)所施加的相電壓的連續(xù)積分的需要。只需要一 個(gè)定時(shí)器和簡(jiǎn)單的儲(chǔ)存器以及計(jì)算過程。
0075圖11示出執(zhí)行這個(gè)實(shí)施例過程的示例性流程圖。應(yīng)理解除非另
有說明，該過程是在適當(dāng)編程的控制器(在圖4中標(biāo)記為90)中執(zhí)行的， 來自硬件轉(zhuǎn)子位置傳感器(RPT)的信號(hào)以基本傳統(tǒng)的方式提供給控制器。 該過程開始于步驟110，步驟110根據(jù)來自PRT的信號(hào)測(cè)試相通電點(diǎn)t。 是否已經(jīng)達(dá)到。如果沒有，控制環(huán)回到程序的起始。如果已經(jīng)達(dá)到，并 如果有電流，則步驟112使用如圖4所示的電流傳感器44采樣該相中已 存在的電流。然后那個(gè)值和對(duì)應(yīng)于t。的轉(zhuǎn)子角度相加以用于估計(jì)磁通。 啟動(dòng)控制器中的定時(shí)器功能，并且通過在功率轉(zhuǎn)換器48中的開關(guān)將控制 器連接到電源電壓來對(duì)相通電。在步驟113，測(cè)試被建立從而判斷使感 應(yīng)位置L,最小的轉(zhuǎn)子位置傳感器(或者等效物)信號(hào)何時(shí)已經(jīng)達(dá)到。 當(dāng)己經(jīng)達(dá)到時(shí)，在步驟114中，電流再次被采樣并且被儲(chǔ)存，并且磁通 被估計(jì)。磁通穩(wěn)定項(xiàng)也被添加到計(jì)算的磁通上從而給出磁通f,的值。
0076步驟115選取在t。的磁通值和t值并且根據(jù)選擇的外推方法外 推以找到期望磁通達(dá)到所需磁通水平的時(shí)間點(diǎn)t2。定時(shí)器繼續(xù)運(yùn)行，并 且步驟116判斷定時(shí)器何時(shí)達(dá)到t2。步驟117斷開該相以便磁通、并且 由此的電流衰減至零?？刂蒲h(huán)回118處以開始下一個(gè)循環(huán)。
0077本發(fā)明在其各種實(shí)施例中提供用于各種類型的電子開關(guān)無刷電機(jī) 的磁通控制技術(shù)，并且特別適合于開關(guān)磁阻電機(jī)。它在電機(jī)的磁路中產(chǎn)生 實(shí)時(shí)磁通信號(hào)，該實(shí)時(shí)磁通信號(hào)與磁通的參考值進(jìn)行比較以便在出現(xiàn)電噪 聲和其它擾動(dòng)時(shí)以穩(wěn)定方式控制電機(jī)輸出。所公開的實(shí)施例說明重大的益 處，因?yàn)楦郊涌刂品桨附?jīng)微小改動(dòng)、而不必重新定義現(xiàn)有控制數(shù)據(jù)組(在 連續(xù)電流模式之外保持有效)即可并入現(xiàn)有的SR控制系統(tǒng)中。目前可以 得到上述磁通控制的益處，另一個(gè)益處是每個(gè)電周期仍僅有兩個(gè)換向事件
(一個(gè)接通事件和一個(gè)斷開事件)——常規(guī)的角度控制便是這種情況。對(duì) 于熟練技術(shù)人員顯然，在不違背該發(fā)明的情況下能夠?qū)唧w公開的實(shí)施例進(jìn)行各種修改和變化。本發(fā)明僅由所附的權(quán)利要求限制。
權(quán)利要求
1. 一種用于具有至少一相繞組的無刷電機(jī)的控制器，所述控制器包括控制裝置，該控制裝置響應(yīng)輸入信號(hào)產(chǎn)生給所述相繞組通電的控制信號(hào)，該控制裝置使用磁通穩(wěn)定信號(hào)修改所述輸入信號(hào)，因此改變由所述相繞組產(chǎn)生的磁通從而使所述電機(jī)的輸出穩(wěn)定。
2. 如權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述磁通穩(wěn)定信號(hào)被設(shè)置成影響根據(jù)所述輸入信號(hào)啟動(dòng)所述相繞組中的磁通衰減的時(shí)刻。
3. 如權(quán)利要求1或者2所述的控制器，包括用于產(chǎn)生作為可變信號(hào) 的所述磁通穩(wěn)定信號(hào)的裝置，所述磁通穩(wěn)定信號(hào)的周期與所述相繞組通 電的重復(fù)周期是一致的。
4. 如權(quán)利要求3所述的控制器，其中所述磁通穩(wěn)定信號(hào)是隨時(shí)間可 變的。
5. 如權(quán)利要求3所述的控制器，其中所述磁通穩(wěn)定信號(hào)是隨轉(zhuǎn)子角 度可變的。
6. 如權(quán)利要求3至5中任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的控制器，其中用于 產(chǎn)生所述磁通穩(wěn)定信號(hào)的所述裝置可工作產(chǎn)生鋸齒波形。
7. 如權(quán)利要求6所述的控制器，其中所述鋸齒波形限定變化的閾值 輸入信號(hào)，在該閾值輸入信號(hào)出現(xiàn)時(shí)啟動(dòng)磁通衰減。
8. 如權(quán)利要求1至6中任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的控制器，包括用于 接收磁通反饋信號(hào)、磁通需量信號(hào)和所述磁通穩(wěn)定信號(hào)從而產(chǎn)生所述輸 入信號(hào)的裝置。
9. 如權(quán)利要求8所述的控制器，其中用于接收的所述裝置包括被設(shè) 置接收所述磁通反饋信號(hào)作為第一輸入，所述磁通需量信號(hào)和所述磁通 穩(wěn)定信號(hào)的結(jié)合作為第二輸入的比較器。
10. 如權(quán)利要求8所述的控制器，其中用于接收的所述裝置包括被設(shè)置接收所述磁通需量信號(hào)作為第一輸入，所述磁通反饋信號(hào)和所述磁通 穩(wěn)定信號(hào)的結(jié)合作為第二輸入的比較器。
11. 如權(quán)利要求9所述的控制器，當(dāng)從屬于權(quán)利要求6或者7時(shí)，其 中所述鋸齒波形的斜率是負(fù)的。
12. 如權(quán)利要求10所述的控制器，當(dāng)從屬于權(quán)利要求6或者7時(shí)， 其中所述鋸齒波形的斜率是正的。
13. 如權(quán)利要求11或者12所述的控制器，其中所述斜率在整個(gè)周期 是恒定值。
14. 如權(quán)利要求1至13中任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的控制器，其中所 述磁通穩(wěn)定信號(hào)適于保持由所述相繞組在一個(gè)電周期產(chǎn)生的所述磁通的 上升和下降的幅值基本相等。
15. 如權(quán)利要求1或者2所述的控制器，包括用于確定達(dá)到相通電周 期中的一點(diǎn)的時(shí)刻并且啟動(dòng)計(jì)時(shí)到預(yù)期的轉(zhuǎn)子位置的裝置、用于從指示 所述位置處的所述相繞組的磁通的信號(hào)中得出所述輸入信號(hào)的裝置、用 于將所述磁通穩(wěn)定信號(hào)和所述輸入信號(hào)相加的裝置、從修改的輸入信號(hào) 外插至磁通需量的預(yù)定閾值從而確定所述相繞組中的磁通衰減被啟動(dòng)的 時(shí)刻的裝置。
16. —種無刷電機(jī)系統(tǒng)，其包括無刷電機(jī)、如權(quán)利要求1至15中任 意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的控制器以及與所述相繞組可工作地連接并且響應(yīng)所述控制信號(hào)使所述相通電的開關(guān)裝置。
17. 如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，當(dāng)從屬于權(quán)利要求6至12中任意一項(xiàng)權(quán)利要求時(shí)，其中所述鋸齒波形的所述斜率根據(jù)所述電機(jī)的速度是可 變的。
18. 如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，當(dāng)從屬于權(quán)利要求6、 7、 11、 12或 者17中任意一項(xiàng)權(quán)利要求時(shí)，其中所述鋸齒波形具有不隨所述電機(jī)的所 述速度改變的固定的峰值幅值。
19. 如權(quán)利要求16至18中任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述 電機(jī)是磁阻電機(jī)或者無刷直流電機(jī)。
20. —種使具有至少一相繞組的無刷電機(jī)的輸出穩(wěn)定的方法，所述方法包括產(chǎn)生用于響應(yīng)輸入信號(hào)使所述相繞組通電的控制信號(hào)； 使用磁通穩(wěn)定信號(hào)修改所述輸入信號(hào)，其中修改的輸入信號(hào)引起由 所述相繞組產(chǎn)生的磁通被改變從而使所述電機(jī)的輸出穩(wěn)定。
21. 如權(quán)利要求20所述的方法，其中所述磁通穩(wěn)定信號(hào)影響根據(jù)所 述輸入信號(hào)啟動(dòng)所述相繞組中的磁通衰減的時(shí)刻。
22. 如權(quán)利要求20或者21所述的方法，包括產(chǎn)生作為可變信號(hào)的所 述穩(wěn)定信號(hào)，所述穩(wěn)定信號(hào)的周期與所述相繞組通電的重復(fù)周期一致。
23. 如權(quán)利要求22所述的方法，其中所述磁通穩(wěn)定信號(hào)是隨時(shí)間可 變的。
24. 如權(quán)利要求22所述的方法，其中所述磁通穩(wěn)定信號(hào)是隨轉(zhuǎn)子角 度可變的。
25. 如權(quán)利要求22至24中任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述 磁通穩(wěn)定信號(hào)具有鋸齒波形。
26. 如權(quán)利要求25所述的方法，其中所述鋸齒波形限定啟動(dòng)磁通衰 減的閾值輸入信號(hào)。
27. 如權(quán)利要求20至26中任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，包括從磁 通反饋信號(hào)、磁通需量信號(hào)和所述磁通穩(wěn)定信號(hào)產(chǎn)生所述輸入信號(hào)。
28. 如權(quán)利要求27所述的方法，包括將所述磁通反饋信號(hào)與所述磁 通需量信號(hào)和所述磁通穩(wěn)定信號(hào)的結(jié)合相比較。
29. 如權(quán)利要求27所述的方法，包括將所述磁通需量信號(hào)與所述磁 通反饋信號(hào)和所述磁通穩(wěn)定信號(hào)的結(jié)合相比較。
30. 如權(quán)利要求28所述的方法，當(dāng)從屬于權(quán)利要求25或者26時(shí)， 其中所述鋸齒波形的斜率是負(fù)的。
31. 如權(quán)利要求29所述的方法，當(dāng)從屬于權(quán)利要求25或者26時(shí)， 其中所述鋸齒波形的斜率是正的。
32. 如權(quán)利要求30或者31所述的方法，其中所述斜率在整個(gè)周期是 恒定值。
33. 如權(quán)利要求20至32中任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述 磁通穩(wěn)定信號(hào)保持由所述相繞組在一個(gè)電周期產(chǎn)生的磁通的上升和下降 基本相等。
34. 如權(quán)利要求20或者21所述的方法，包括確定達(dá)到相通電周期中的一點(diǎn)的時(shí)刻；啟動(dòng)計(jì)時(shí)到預(yù)定的轉(zhuǎn)子位置；從指示在所述位置處所述 相繞組的磁通的信號(hào)中得到所述輸入信號(hào)；將所述磁通穩(wěn)定信號(hào)和所述 輸入信號(hào)相加；以及從修改的輸入信號(hào)外插至磁通需量的預(yù)定閾值從而 確定啟動(dòng)所述相繞組中的磁通衰減的時(shí)刻。
35. 如權(quán)利要求25至31中任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述 鋸齒波形的斜率根據(jù)所述電機(jī)的速度變化。
36. 如權(quán)利要求25至35中任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述 鋸齒波形具有不隨所述電機(jī)的所述速度改變的固定的峰值幅值。
37. 如權(quán)利要求20至36中任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其被應(yīng)用 到磁阻電機(jī)或者無刷直流電機(jī)。
38. —種用于開關(guān)磁阻電機(jī)的控制器，開關(guān)磁阻電機(jī)具有轉(zhuǎn)子、帶有 至少一個(gè)相繞組的定子以及用于給所述至少一個(gè)相繞組通電的開關(guān)裝 置，所述控制器可工作產(chǎn)生用于使所述開關(guān)裝置動(dòng)作的動(dòng)作信號(hào)，所述 控制器包括第一開關(guān)控制裝置和第二開關(guān)控制裝置，當(dāng)所述至少一個(gè)相 繞組中的磁通超過磁通需量信號(hào)時(shí)，所述第一開關(guān)控制裝置產(chǎn)生控制所 述開關(guān)裝置的關(guān)斷信號(hào)，所述第二開關(guān)控制裝置根據(jù)所述轉(zhuǎn)子相對(duì)于所 述定子的位置產(chǎn)生控制所述開關(guān)裝置的動(dòng)作信號(hào)。
39. 如權(quán)利要求28所述的控制器，進(jìn)一步包括一比較器，該比較器 被設(shè)置接收指示所述至少一個(gè)相繞組中的磁通的第一磁通信號(hào)與指示所 需要的磁通的第二磁通信號(hào)，并且當(dāng)所述第一磁通信號(hào)超過所述第二磁 通信號(hào)時(shí)產(chǎn)生關(guān)斷信號(hào)。
40. 如權(quán)利要求38或者39所述的控制器，其中當(dāng)所述轉(zhuǎn)子到達(dá)相 對(duì)所述定子的預(yù)定位置時(shí)所述第二開關(guān)控制裝置可工作產(chǎn)生接通信號(hào)， 從而增加所述相繞組中的磁通。
41. 如權(quán)利要求40所述的控制器，其中當(dāng)所述轉(zhuǎn)子到達(dá)相對(duì)所述定 子的慣性運(yùn)動(dòng)位置時(shí)，所述第二開關(guān)控制裝置可工作產(chǎn)生使在所述至少 一個(gè)相繞組中的電流自由衰降的慣性運(yùn)動(dòng)信號(hào)，從而允許所述相繞組中 的磁通衰減。
42. 如權(quán)利要求38至41中任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的控制器，其中當(dāng) 所述轉(zhuǎn)子到達(dá)相對(duì)所述定子的關(guān)斷位置時(shí)，所述第二開關(guān)控制裝置可工 作產(chǎn)生關(guān)斷信號(hào)，從而使所述相繞組中的所述磁通降低。
全文摘要
一種無刷電機(jī)，其具有至少在電機(jī)中產(chǎn)生磁通的一相繞組?？刂破鞲鶕?jù)所需的磁通和穩(wěn)定信號(hào)控制電機(jī)中的磁通，所需磁通和穩(wěn)定信號(hào)的結(jié)合能夠使控制器在輸入或者控制器的參數(shù)中有干擾的情況下以穩(wěn)定的方式工作?？刂破髂軌蚺c硬件的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器或者無傳感器的位置算法一起工作。
文檔編號(hào)H02P6/14GK101299583SQ20081009607
公開日2008年11月5日 申請(qǐng)日期2008年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月4日
發(fā)明者M·J·特納, P·R·梅耶斯 申請(qǐng)人:開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)有限公司