電機(jī)中電阻的估算的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明的實(shí)施例在單向激勵(lì)應(yīng)用于其繞組的電機(jī)中，例如通過(guò)使用低通濾波器（在模擬或數(shù)字域中），可以從瞬時(shí)相電壓和電流計(jì)算電壓和電流的平均值。然后可以通過(guò)將平均電壓除以平均電流從歐姆定律計(jì)算繞組電阻的DC值。這避免常規(guī)溫度傳感器的易碎性和潛在不精確性，且為控制器提供繞組溫度的不間斷估算。
【專(zhuān)利說(shuō)明】電機(jī)中電阻的估算
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電機(jī)中的相繞組電阻的估算，尤其是使用單向相電流操作的那些電機(jī)中的相繞組電阻的估算。
【背景技術(shù)】
[0002]盡管大多數(shù)電機(jī)在其繞組中使用交流電流操作，一些類(lèi)型的機(jī)器使用單向電流操作。這些電機(jī)包括DC電機(jī)和雙凸磁阻電機(jī)(doubly salient reluctance)。一般地,磁阻電機(jī)是這種電機(jī):其中通過(guò)其可移動(dòng)部件延伸到磁電路磁阻被最小化(即，激勵(lì)繞組的磁阻被最大化)的位置的趨勢(shì)產(chǎn)生扭矩。在一些形式中，提供用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子的角度位置且作為轉(zhuǎn)子位置的函數(shù)激勵(lì)相繞組的電路。這種類(lèi)型的磁阻電機(jī)一般已知為開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)且可以操作為馬達(dá)或發(fā)電機(jī)。包括開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的電學(xué)驅(qū)動(dòng)的一般處理可以在各種教科書(shū)中發(fā)現(xiàn)，例如此處通過(guò)引用結(jié)合于此的THE MIller、Newnes等人2001的“Electronic Controlof Switched Reluctance Machines”。這種開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的特性是公知的,且例如在此處通過(guò)引用結(jié)合于此的1993年6月Stephenson和Blake在PCIM，93, Niirnberg, 21-24頁(yè)的“The Characteristics, Design and Application of Switched Reluctance Motors andDrives”中描述。該文章詳細(xì)地描述了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的特征，這些特征一同產(chǎn)生周期性改變相繞組的電感的特性。在本領(lǐng)域中公知:僅通過(guò)交替改變繞組激勵(lì)的時(shí)序,這種電機(jī)可以以馬達(dá)或發(fā)電模式操作。
[0003]圖1示出連接到負(fù)載19的典型開(kāi)關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的原理組件。輸入DC電源11典型地從電池或整流且濾波的AC電源衍生且可以是固定或變化的電壓。電源11提供的DC電壓在電子控制單元14的控制下通過(guò)電源轉(zhuǎn)換器13在馬達(dá)12的相繞組上切換。切換必須正確地同步于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度以用于驅(qū)動(dòng)的適當(dāng)操作。轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器15常規(guī)地用于提供指示轉(zhuǎn)子的角度位置的信·號(hào)。轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器15的輸出還可以用于產(chǎn)生語(yǔ)音反饋信號(hào)。
[0004]開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)中的相繞組的激勵(lì)依賴(lài)于轉(zhuǎn)子的角度位置的檢測(cè)。這可以參考圖2和3解釋?zhuān)瑘D2和3說(shuō)明了操作為馬達(dá)的磁阻電機(jī)的切換。圖2 —般地示出接近定子極21的轉(zhuǎn)子極20，該定子極21 —般在箭頭22示出的方向中。如圖2所示，完整的相繞組16的一部分23纏繞在定子極21附近。當(dāng)定子極21附近的相繞組16的部分23被激勵(lì)時(shí)，力將施加在轉(zhuǎn)子上，傾向于拉動(dòng)轉(zhuǎn)子極20與定子極21對(duì)準(zhǔn)。圖3 —般地示出電源轉(zhuǎn)換器13中的典型切換電路，該切換電路控制包括定子極21附近的部分23的相繞組16的激勵(lì)。電壓總線36、37 —般已知為DC鏈路且跨越它們的電容器35已知為DC鏈接電容器，其功能用于處理DC鏈路上的交流電流。當(dāng)開(kāi)關(guān)31和32閉合時(shí)，相繞組耦合到DC電源且被激勵(lì)。當(dāng)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的相繞組以上述方式激勵(lì)時(shí)，通過(guò)磁電路中的通量設(shè)立的磁場(chǎng)引起圓周力，如上所述，該圓周力用于拉動(dòng)轉(zhuǎn)子極與定子極一致。
[0005]一般地，相繞組被激勵(lì)以如下影響轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)子的第一角度位置(稱(chēng)為“導(dǎo)通角” θ?)，控制器14提供切換信號(hào)以導(dǎo)通切換裝置31和32 二者。當(dāng)切換裝置31和32導(dǎo)通時(shí)，相繞組耦合到DC鏈路，導(dǎo)致在電機(jī)中確立增加的磁通量。磁通量在氣隙中產(chǎn)生作用在轉(zhuǎn)子極上的磁場(chǎng)以產(chǎn)生馬達(dá)扭矩。電機(jī)中的磁通量通過(guò)磁動(dòng)勢(shì)(_f)支持，該磁動(dòng)勢(shì)由通過(guò)開(kāi)關(guān)31和32以及相繞組23從DC電壓11流動(dòng)的電流提供。電流反饋一般地被采用且通過(guò)快速斷開(kāi)或閉合切換裝置31和/或32其中一個(gè)或兩個(gè)，相電流的幅度通過(guò)對(duì)電流進(jìn)行斬波而被控制。圖4 (a)示出斬波操作模式中的典型電流波形，其中電流在兩個(gè)固定水平之間被斬波。在馬達(dá)操作中，導(dǎo)通角Qm通常選擇為其中轉(zhuǎn)子上的極間空間的中線與定子極的中線對(duì)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)子位置，但是可以是某一其他角度。圖4 (a)還示出相繞組的理想電感曲線的形式。
[0006]在很多系統(tǒng)中，相繞組保持連接到DC鏈路(或如果采用斬波則間歇地連接)，直到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使得它到達(dá)“空轉(zhuǎn)角(freewheeling angle)” Θ fw。當(dāng)轉(zhuǎn)子到達(dá)對(duì)應(yīng)于空轉(zhuǎn)角的角度位置(例如圖2中示出的位置)時(shí)，開(kāi)關(guān)其中之一(例如31)關(guān)斷。相應(yīng)地，流經(jīng)相繞組的電流將繼續(xù)流動(dòng)，但是現(xiàn)在僅流經(jīng)開(kāi)關(guān)其中之一(在該示例中為32)且僅流經(jīng)二極管33/34其中之一(在該示例中為34)。在空轉(zhuǎn)周期中，相繞組兩端的電壓降很小，且通量保持基本恒定。在該空轉(zhuǎn)情況中保持電流，直到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到已知為“關(guān)斷角”的角度位置Qtjff (例如，當(dāng)轉(zhuǎn)子極的中線與定子極的中線對(duì)準(zhǔn))。當(dāng)轉(zhuǎn)子到達(dá)關(guān)斷角時(shí)，開(kāi)關(guān)31和32均關(guān)斷且相繞組23中的電流開(kāi)始流經(jīng)二極管33和34。二極管33和34然后在相反方向基于DC鏈路應(yīng)用DC電壓，導(dǎo)致電機(jī)中的磁通量(并且因此相電流)減小。
[0007]在現(xiàn)有技術(shù)中已知使用其他切換角度和其他電流控制架構(gòu)。類(lèi)似地，疊層幾何、繞組拓?fù)浜颓袚Q電路的很多其他配置在本領(lǐng)域是已知的，其中的一些在上面引用的Stephenson和Blake的文章中討論。
[0008]隨著電機(jī)速度增加，存在較少的時(shí)間使得電流上升到斬波水平，且驅(qū)動(dòng)通常運(yùn)行在“單脈沖”操作模式中。在該模式中，導(dǎo)通角、空轉(zhuǎn)角和關(guān)斷角被選擇為例如速度和負(fù)載扭矩的函數(shù)。一些系統(tǒng)不使用空轉(zhuǎn)角度周期，即，開(kāi)關(guān)31和32同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷。圖4 (b)示出其中空轉(zhuǎn)角為零的典型這種單脈沖電流波形。已知導(dǎo)通角、空轉(zhuǎn)角和關(guān)斷角的值可以預(yù)定且以合適的格式存儲(chǔ)，以用于在需要時(shí)被控制系統(tǒng)檢索，或可以實(shí)時(shí)地計(jì)算或推導(dǎo)。
[0009]應(yīng)當(dāng)注意，在斬波操作模式和單脈沖操作模式二者中，相繞組中的電流都是單向的。數(shù)學(xué)上，這可以通過(guò)零頻率成分(所謂的“DC成分”或“平均值”)和較高頻率的成分序列表達(dá)。這是與不存在DC成分的其他電機(jī)的重要區(qū)別。
[0010]嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，對(duì)于上述零頻率成分的引用假設(shè)在恒定速度或輸出和恒定繞組溫度的穩(wěn)定狀態(tài)操作(抽取的平均電流恒定)。當(dāng)操作條件不恒定時(shí)，“零頻率”成分將實(shí)際是低頻成分，具有由操作條件中變化的時(shí)間常數(shù)至少部分地確定的頻率內(nèi)容。在任意情況中，“零頻率”或低頻成分的頻率內(nèi)容將處于比參考上文的高頻成分明顯更低的頻率，這是由于諸如制動(dòng)開(kāi)關(guān)以激活討論的相繞組的切換順序以及噪聲和其他高頻率干擾之類(lèi)的因素。
[0011]至少部分地由于變化的操作條件，相電流因而具有低頻成分，其具有理論限制頻率以下的頻率內(nèi)容。在穩(wěn)定就緒的狀態(tài)操作(例如恒定速度、輸出和溫度)中，低頻成分基本是零頻率成分、恒定或時(shí)間不變的成分。相電流還具有至少部分地由于開(kāi)關(guān)制動(dòng)導(dǎo)致的理論限制頻率以上的高頻成分。為了闡述方便，在下文中，術(shù)語(yǔ)“零頻率成分”、“DC成分”、“平均成分”、“平均值”、“低頻成分” “零頻率成分”、“恒定成分”、“時(shí)間不變成分”等可互換地使用。[0012]在電學(xué)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的操作和控制中，即使不關(guān)鍵，相繞組電阻的知識(shí)通常是需要的。例如，很多這種系統(tǒng)結(jié)合估算轉(zhuǎn)子位置的方法且這些方法中的很多依賴(lài)于電阻的實(shí)際測(cè)量。換句話說(shuō)，對(duì)于繞組操作的溫度施加限制，從而維持用于絕緣系統(tǒng)的可接受壽命。
[0013]因?yàn)槔@組典型地基于具有約0.0039的電阻的已知溫度系數(shù)的銅或具有約0.0043的電阻的已知溫度系數(shù)的招，可以通過(guò)在已知溫度(典型地20°C的背景溫度)測(cè)量電阻且在提升的溫度測(cè)量或估算電阻，來(lái)計(jì)算相繞組的平均溫度。這樣做的過(guò)程被結(jié)合在很多標(biāo)準(zhǔn)和正式測(cè)試方法中，使得獲得估算溫度的一致方法。例如，IEC60034-1的部分8“Rotatingelectrical machines - Partl:Rating and Performance”專(zhuān)門(mén)用于確定電機(jī)的熱性能且建議使用公式I來(lái)確定背景溫度以上的平均繞組溫度提升:
[0014]Θ 2~ Θ a= (R2-R1)/R1* (k+ Θ j) + Θ Θ a (I)
[0015]其中:
[0016]θ I是在初始電阻測(cè)量時(shí)繞組(冷)的溫度(°C );
[0017]Θ 2是在熱測(cè)試結(jié)束時(shí)繞組的溫度(°C );
[0018]θ a是在熱測(cè)試結(jié)束時(shí)冷卻劑的溫度(°C );
[0019]R1是在溫度θι (冷)繞組的電阻；
[0020]R2是在熱測(cè)試結(jié)束時(shí)繞組的電阻；
[0021]k是在導(dǎo)電材料0°C時(shí)電阻的溫度系統(tǒng)的倒數(shù)。(對(duì)于銅，k=235，對(duì)于鋁，k=225。)
[0022]對(duì)于相繞組電阻處于例如10至100Ω范圍內(nèi)的小電機(jī)，可以通過(guò)多功能儀表類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)室儀器測(cè)量電阻，而對(duì)于具有相對(duì)低電阻的較大電機(jī)，一般要求使用4端電橋(凱爾文電橋)來(lái)給出所需的精確度。
[0023]用于在常規(guī)電機(jī)(諸如感應(yīng)馬達(dá))中估算繞組溫度的這種公知的“電阻提升(riseby resistance)”技術(shù)要求電機(jī)在做出電阻測(cè)量之前被去激勵(lì)。再者，電機(jī)內(nèi)一些電磁凸起的不可避免的存在(即使很小，例如，由于轉(zhuǎn)子棒幾何和開(kāi)槽導(dǎo)致的寄生效應(yīng))意味著在做出相關(guān)電阻測(cè)量之前轉(zhuǎn)子一般必須被帶入徹底停止?fàn)顟B(tài)。因此常規(guī)技術(shù)涉及關(guān)閉驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使得轉(zhuǎn)子停止，繪制電阻與時(shí)間的關(guān)系曲線，外推曲線回到關(guān)斷瞬間，且最后基于電阻的外推值計(jì)算溫度提升。盡管這是用于測(cè)定工業(yè)馬達(dá)的熱額定的de facto標(biāo)準(zhǔn)方法，該技術(shù)不僅是笨重和傾向于出錯(cuò)的，而且不能在正常操作中在不間斷基礎(chǔ)上應(yīng)用于電機(jī)。對(duì)于在機(jī)器開(kāi)啟和/或激勵(lì)時(shí)監(jiān)控繞組溫度，附加地需要其他感測(cè)裝置(諸如熱偶、熱敏電阻等)。這種溫度傳感器通常是不精確的(依賴(lài)于它們基于與電絕緣繞組的問(wèn)題定義的熱接觸)，且與精確或真實(shí)的繞組溫度相比，可能呈現(xiàn)一些時(shí)間滯后。再者，它們要求附加的低電壓(以及因此潛在易碎和敏感的)布線且在大規(guī)模生產(chǎn)設(shè)計(jì)的情況中，其附加成本可能十分顯著。因此，需要一種非插入的且不昂貴的裝置用于在機(jī)器開(kāi)啟和/或激勵(lì)的同時(shí)獲得繞組溫度的精確測(cè)量(或估算)。
[0024]補(bǔ)償其他類(lèi)型電機(jī)的繞組中的電阻變化的方法是已知的。例如，US專(zhuān)利4496898公開(kāi)了補(bǔ)償交流發(fā)電機(jī)的場(chǎng)繞組中溫度提升的方法。感應(yīng)電機(jī)中的轉(zhuǎn)子電阻補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ且阎那页３Ｔ谒^的矢量控制系統(tǒng)中應(yīng)用。然而這些方案均不可應(yīng)用于開(kāi)關(guān)磁阻系統(tǒng)，因?yàn)殡娮柚凶兓挠绊憣?duì)于這些類(lèi)別的電機(jī)是唯一的。
[0025]因而，需要一種可靠和經(jīng)濟(jì)的方法用于估算可以在所有負(fù)載條件(包括瞬時(shí)負(fù)載干擾)和寬范圍背景溫度上操作的電機(jī)的相繞組電阻。本公開(kāi)一般可應(yīng)用于操作為馬達(dá)或發(fā)電機(jī)的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0026]第一實(shí)施例提供一種在電機(jī)操作的同時(shí)估算電機(jī)的繞組的電阻和溫度其中至少一個(gè)的方法。該方法包括激勵(lì)繞組以使得單向電流在繞組中流動(dòng)以操作電機(jī)。單向電流和繞組兩端產(chǎn)生的繞組電壓均具有低頻成分和高頻成分，其中低頻成分具有低于限制頻率的頻率內(nèi)容，低頻成分高頻成分具有高于限制頻率的頻率內(nèi)容高頻成分。該方法包括得出分別指示繞組電壓和單向電流的低頻成分的幅度的第一和第二信號(hào)。該方法還包括使用第一和第二信號(hào)得出繞組的電阻和溫度其中至少一個(gè)的第三信號(hào)。
[0027]有利地，上述方法從用于操作電機(jī)的電流得出電阻或溫度信號(hào)，而不是注入附加電流以用于估算溫度或電阻的目的。換句話說(shuō)，該方法利用電機(jī)操作中固有的單向電流來(lái)估算電阻或溫度。
[0028]在得出第一信號(hào)中使用的代表繞組電壓的信號(hào)例如可以是通過(guò)使用放置在繞組的每一端附近的相應(yīng)電壓感應(yīng)引線而在繞組兩端被測(cè)量的；在控制激勵(lì)的切換電路的輸入和輸出之間的測(cè)量，忽略到繞組或來(lái)自繞組的電阻，或使用估算或測(cè)量來(lái)計(jì)算它；基于DC鏈接電壓和切換時(shí)序估算(在一個(gè)或兩個(gè)開(kāi)關(guān)在典型的每相位兩開(kāi)關(guān)的布置中斷開(kāi)時(shí)忽略或估算任意電壓降);或通過(guò)任意其他合適的方式獲得。例如可以通過(guò)將第一信號(hào)除以第二信號(hào)、計(jì)算兩個(gè)信號(hào)的比例或在使用對(duì)數(shù)執(zhí)行計(jì)算時(shí)彼此減去第一和第二信號(hào)得出第三信號(hào)。無(wú)論電機(jī)是否操作為產(chǎn)生扭矩的馬達(dá)或操作為從與繞組相關(guān)的電機(jī)的相位產(chǎn)生充電電流的電動(dòng)機(jī)，都可以應(yīng)用上述方法。
[0029]在一些實(shí)施例中，限制頻率可以不超過(guò)繞組的激勵(lì)的切換頻率，例如它可以不超過(guò)切換頻率的十分之一。例如，限制頻率可以小于10Hz，且在一些實(shí)施例中小于1Hz。
[0030]可以使用低通濾波器得出第一和第二信號(hào)。例如，低通濾波器可以是無(wú)源濾波器。該方法還可以包括將第一和第二信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)數(shù)字信號(hào)且使用該數(shù)字信號(hào)得出第三信號(hào)。第一和第二信號(hào)可以在低通濾波之后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。例如使用數(shù)字濾波或平均信號(hào)的計(jì)算，可以使用數(shù)字處理得出第一和第二信號(hào)。
[0031]另一實(shí)施例提供一種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其包括:具有繞組的電機(jī)、配置成應(yīng)用激勵(lì)電壓的控制器、電壓傳感器、電流傳感器以及耦合到電壓和電流傳感器且配置成如上所述得出第一和第二和第三信號(hào)的溫度分析器。
[0032]電壓傳感器可以配置成使得感測(cè)的繞組電壓可以使用放置在繞組的每一端附近的相應(yīng)電壓感應(yīng)引線而在繞組兩端被測(cè)量；在控制激勵(lì)的切換電路的輸入和輸出之間被測(cè)量，忽略到繞組或來(lái)自繞組的布線的電阻或使用估算或測(cè)量計(jì)算它；基于DC鏈接電壓和切換時(shí)序估算(在一個(gè)或兩個(gè)開(kāi)關(guān)在典型的每相位兩開(kāi)關(guān)布置中斷開(kāi)時(shí)，忽略或估算任意電壓降)；或通過(guò)任意其他合適的方式獲得。
[0033]在又一實(shí)施例中，提供一種用于估算電機(jī)的繞組的電阻和溫度其中至少一個(gè)的系統(tǒng)，包括實(shí)施如上所述的方法的裝置。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0034]本發(fā)明可以以很多方式投入實(shí)踐，參考附圖，現(xiàn)在通過(guò)舉例的方式描述這些方式中的一些，附圖中:
[0035]圖1示出開(kāi)關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的原理組件；
[0036]圖2示出接近定子極的轉(zhuǎn)子極的示意圖；
[0037]圖3示出電源轉(zhuǎn)換器中的典型切換電路，該切換電路控制圖1的電機(jī)的相繞組的激勵(lì)；
[0038]圖4 (a)和4 (b)分別說(shuō)明在斬波和單脈沖模式中操作的開(kāi)關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)的典型電流波形；
[0039]圖5示出一個(gè)實(shí)施例的示意圖；
[0040]圖6示出圖5中示出的電路使用無(wú)源模擬組件的實(shí)施方式；
[0041]圖7示出圖5中示出的電路使用無(wú)源模擬組件的另一實(shí)施方式；
[0042]圖8示出圖5中示出的電路使用數(shù)字組件的示意圖；
[0043]圖9示出使用差分放大器的實(shí)施例；
[0044]圖10示出使用隔離放大器的實(shí)施例；以及
[0045]圖11示出備選實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0046]所述實(shí)施例具有這樣的事實(shí)優(yōu)點(diǎn):與最常見(jiàn)的AC馬達(dá)相比，存在具有繞組電流的基本DC (即零頻率)成分的一些電機(jī)。一個(gè)示例是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。這引出繞組電壓的相應(yīng)零頻率成分。通過(guò)(在模擬或數(shù)字域中)使用低通濾波器，這些零頻率成分(或平均值)可以基于瞬時(shí)相電壓和相電流計(jì)算出來(lái)。然后可以通過(guò)將平均電壓除以平均電流基于歐姆定律計(jì)算繞組電阻的DC值。這避免常規(guī)溫度傳感器的成本、易碎性和潛在不精確性，且為控制器提供平均繞組溫度的不間斷的和精確的估算。這例如可以用于在接近溫度限制時(shí)自動(dòng)限制“回折(fold-back)”能力中電機(jī)的輸出，且還可以有利地用于改善例如通量受控和/或傳感器較少換向方案中磁通匝鏈的估算。
[0047]圖5說(shuō)明一個(gè)實(shí)施例。獲得對(duì)應(yīng)于瞬時(shí)繞組電壓Vph(t)37和瞬時(shí)繞組電流Iph (t) 38的信號(hào)。例如，可以使用差分放大器或隔離放大器以適當(dāng)?shù)目s放因子獲得對(duì)應(yīng)于Vph(t)的信號(hào)?？梢允褂酶綦x電流傳感器(例如基于霍耳效應(yīng)或磁阻原理——注意下降到零頻率的響應(yīng)是關(guān)鍵)或使用與適當(dāng)信號(hào)調(diào)節(jié)組合的簡(jiǎn)單并聯(lián)電阻器獲得對(duì)應(yīng)于Iph(t)的信號(hào)。應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，這種電阻器可以如圖所示與電機(jī)繞組串聯(lián)放置。
[0048]然后從低通濾波器39、40獲得電壓和電流信號(hào)的平均(或等價(jià)地DC)成分，且通過(guò)除法器41計(jì)算比例以獲得對(duì)應(yīng)于估算的相電阻42的信號(hào)。濾波器截止頻率和電極圖案并不關(guān)鍵，但是用于重要的時(shí)間常數(shù)的典型值可以處于0.1秒至I秒的范圍。所得的濾波器截止頻率需要足夠低以充分抑制電阻估算的干擾和波動(dòng)，這些干擾和波動(dòng)由繞組電壓和電流的AC成分導(dǎo)致。另一方面，濾波器截止頻率不應(yīng)當(dāng)那么低，不應(yīng)當(dāng)?shù)偷绞沟庙憫?yīng)時(shí)間過(guò)剩(從方便的角度，如果提供電阻或溫度的顯示，或相對(duì)于系統(tǒng)需要遵守的繞組溫度變化的最大設(shè)想率)。
[0049]最后，如果需要明確的溫度估算tph，如上所述這可以基于計(jì)算的繞組電阻R2和在參考溫度Q1I預(yù)定的參考繞組電阻R1來(lái)計(jì)算。
[0050]圖6說(shuō)明該方法如何例如在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中被應(yīng)用為研究或開(kāi)發(fā)工具。圖5的低通濾波器39、40被實(shí)施為簡(jiǎn)單RC網(wǎng)絡(luò)。包括Rl和Cl的濾波器從通過(guò)Vl顯示的隨時(shí)間變化的電壓37提取平均值。類(lèi)似地，包括R2和C2的濾波器從在V2 (具有適當(dāng)?shù)目s放)上顯示的電流信號(hào)38提取平均值。此處，常規(guī)多功能儀表可以合理地被用于Vl和V2以獲得必要的讀數(shù)。在其DC范圍上，這種儀表通過(guò)設(shè)計(jì)將通常是平均響應(yīng)，在這種情況中低通濾波器明顯是多余的。然而，盡管忽略濾波器對(duì)于電流測(cè)量(其中波形峰值系數(shù)一般適宜)可以是可接受的，至少某一程度的低通濾波對(duì)于電壓測(cè)量通常是關(guān)鍵的，其中繞組電壓的峰值可以比DC成分大大幾十或甚至幾百倍。測(cè)量裝置前面的無(wú)源濾波器布置將減小信號(hào)的峰值系數(shù)，且抑制電壓的差分和共模高頻成分，使得可以使用相對(duì)簡(jiǎn)單的測(cè)量技術(shù)。在實(shí)驗(yàn)室中，這可以是基準(zhǔn)數(shù)字電壓計(jì)，且在嵌入式布置中，這可以是常規(guī)的低帶寬(且因此不昂貴的)差分或隔離放大器?，F(xiàn)在將討論這種嵌入式布置。
[0051]圖7示出用于低通濾波器的可選布置，其中Rl被分為兩個(gè)基本相等的部分R1’，且濾波電容的一部分被提供在另外兩個(gè)電容器Cl’’的接地連接中。這種布置在減小電壓計(jì)Vl可見(jiàn)的共模電勢(shì)的變化率中是有用的。應(yīng)當(dāng)意識(shí)到本領(lǐng)域已知的這種類(lèi)型的各種其他濾波器布置是可行的。
[0052]圖8示出一個(gè)實(shí)施例，其中假設(shè)在微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器或其他可編程控制器72內(nèi)的數(shù)字域中實(shí)施電阻計(jì)算。此處，經(jīng)由低通濾波器39、40在模擬域中實(shí)施的濾波程度將一定程度地依賴(lài)于是否需要瞬時(shí)繞組電壓和/或電流的測(cè)量以用于控制器內(nèi)的其他附加目。在Al和A2設(shè)置信號(hào)調(diào)節(jié)放大器以提供所需的任意電壓縮放。在ADCl和ADC2處提供模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，且數(shù)字信號(hào)被傳遞到處理器72。
[0053]電學(xué)測(cè)量領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識(shí)到，在這類(lèi)電學(xué)機(jī)器中繞組電壓的峰值系數(shù)很大，且因此，非濾波波形的數(shù)字化必須在足夠精確度的條件下保持相對(duì)小的平均值。模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換的采樣率也必須被考慮以防止由于混淆現(xiàn)象導(dǎo)致的誤差變得明顯。
[0054]圖9示出可以用于實(shí)施圖8的低通濾波器和Al的電壓濾波和縮放布置的另一實(shí)施例。此處，常規(guī)差分濾波器被結(jié)合簡(jiǎn)單無(wú)源低通濾波器使用，后者允許使用相對(duì)低的帶寬且因此是用于A3的低成本運(yùn)算放大器。同樣，濾波器截止頻率和放大器縮放因子的選擇依賴(lài)于濾波電壓是否僅用于電阻估算(在這種情況中將使用長(zhǎng)濾波時(shí)間常數(shù))或備選地針對(duì)其他目的是否需要較高帶寬的信號(hào)，在這種情況中，附加低通濾波可以應(yīng)用在此處未示出的后續(xù)信號(hào)處理中。
[0055]圖10示出另一實(shí)施例，其中使用隔離放大器，同樣具有某一程度的模擬預(yù)濾波以最小化隔離放大器必須支持的帶寬需求和共模應(yīng)力。用于說(shuō)明目的，取代原先示出的隔離電流傳感器，示出用于電流測(cè)量的電阻并聯(lián)Rsh。R4和C4構(gòu)建的低通濾波器饋入隔離放大器A4，該隔離放大器A4在點(diǎn)90輸出正比于平均繞組電壓的信號(hào)。類(lèi)似地，R5和C5構(gòu)建的低通濾波器饋入隔離放大器A4，該隔離放大器在點(diǎn)92輸出正比于平均繞組電流的信號(hào)。圖10還示出對(duì)放大器的輸出進(jìn)行附加低通濾波的備選，在本示例中通過(guò)R4、C4和/或R5、C5確定的帶寬應(yīng)當(dāng)高于產(chǎn)生電阻估算的除法電路的帶寬。這些可選輸出在點(diǎn)94和96可用。
[0056]圖11示出備選實(shí)施例，其中在低通濾波之前計(jì)算非濾波電壓和電流的比例。由于兩個(gè)原因，該方法不是優(yōu)選的。首先，它本質(zhì)上是有瑕疵的，因?yàn)橛捎陔妷汉碗娏髦屑傾C成分的比例，在結(jié)果中可能形成附加DC成分。其次，由于純粹的實(shí)踐原因，如早先所討論，A6和除法裝置102必須在精確地解決遠(yuǎn)遠(yuǎn)更小的DC (零頻率)成分的同時(shí)處理電壓波形的極大峰值系數(shù)。
[0057]實(shí)際上，將與本發(fā)明相關(guān)的電路放置在包括電源轉(zhuǎn)換器的外殼中是方便的(例如圖1中的13)。一般地，在所得的電阻估算中，馬達(dá)和電子設(shè)備之間的任意線纜的電阻不能從電機(jī)的繞組電阻區(qū)分出來(lái)。如果在電源電子設(shè)備和電機(jī)12之間存在明顯的距離，相對(duì)于繞組電阻，線纜電阻將明顯，且將必須在電阻和溫度計(jì)算中做出一些容差。例如，線纜電阻可以基于設(shè)計(jì)計(jì)算被估算或先于驅(qū)動(dòng)操作被測(cè)量，且該值簡(jiǎn)單地從總電阻的估算中減去。消除線纜電阻的影響的另一方法是運(yùn)行從馬達(dá)端子到電阻估算電路的其他部件的單獨(dú)一對(duì)電壓感測(cè)線。又一方法是在馬達(dá)接線盒中包括濾波器，由此減小溫度感測(cè)線纜上的電壓水平、高頻干擾問(wèn)題和短路電流能力。
[0058]應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，除了此處示出的排列，如上所述的各種電流和電壓測(cè)量布置可以在很多排列中使用，且可以使用其他類(lèi)似裝置和布置而不偏離本發(fā)明。
[0059]盡管本公開(kāi)尤其適用于在包括開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的開(kāi)關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中使用，應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，假設(shè)具有應(yīng)用于繞組其中至少一個(gè)的單向激勵(lì)，無(wú)論操作為馬達(dá)或發(fā)電機(jī)，本公開(kāi)可以應(yīng)用于具有任意數(shù)目電極和任意層疊幾何的任意電機(jī)。類(lèi)似地，本公開(kāi)可以應(yīng)用于其中移動(dòng)部件(通常稱(chēng)為“轉(zhuǎn)子”)線性行進(jìn)的線性電機(jī)。因而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)意識(shí)到公開(kāi)布置的變型是可能的而不偏離本發(fā)明。因此，若干實(shí)施例的上述描述以舉例方式示出且不用于限制目的。本發(fā)明旨在僅由下面的權(quán)利要求書(shū)限定。
【權(quán)利要求】
1.一種在電機(jī)操作的同時(shí)估算所述電機(jī)的繞組的電阻和溫度中至少一個(gè)的方法，該方法包括: 激勵(lì)所述繞組以使得單向電流在所述繞組中流動(dòng)以操作所述電機(jī)，所述單向電流和所述繞組兩端所得的繞組電壓均具有低頻成分和高頻成分，所述低頻成分具有低于限制頻率的頻率內(nèi)容，所述高頻成分具有高于所述限制頻率的頻率內(nèi)容； 得出指示所述繞組電壓的低頻成分的幅度的第一信號(hào)； 得出指示所述單向電流的低頻成分的幅度的第二信號(hào)； 使用所述第一和第二信號(hào)得出指示所述繞組的電阻和溫度中至少一個(gè)的第三信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述繞組的激勵(lì)以切換頻率被周期性地開(kāi)始和關(guān)斷，且所述限制頻率不超過(guò)所述切換頻率，例如其中所述限制頻率不超過(guò)切換頻率的十分之一 O
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述限制頻率小于10Hz，例如其中所述限制頻率小于IHz。
4.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，該方法包括使用相應(yīng)的低通濾波器得出所述第一和第二信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述低通濾波器是無(wú)源濾波器。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，該方法包括使用數(shù)字處理得出所述第一和第二信號(hào)。`
7.—種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),包括: 包括繞組的電機(jī)； 控制器，配置成激勵(lì)所述繞組以使得單向電流在所述繞組中流動(dòng)以操作所述電機(jī)，所述單向電流和所述繞組兩端所得的繞組電壓均具有低頻成分和高頻成分，所述低頻成分具有低于限制頻率的頻率內(nèi)容，所述高頻成分具有高于所述限制頻率的頻率內(nèi)容； 電壓傳感器，用于感測(cè)所述繞組電壓； 電流傳感器，用于感測(cè)所述單向電流；以及 溫度分析器，耦合到所述電壓傳感器和所述電流傳感器，且配置成: 得出指示所述繞組電壓的低頻成分的幅度的第一信號(hào)； 得出指示所述單向電流的低頻成分的幅度的第二信號(hào)；以及 使用所述第一和第二信號(hào)得出指示所述繞組的電阻和溫度中至少一個(gè)的第三信號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述控制器配置成以切換頻率周期性地開(kāi)始和關(guān)斷所述繞組的激勵(lì)，且所述限制頻率不超過(guò)所述切換頻率，例如其中所述限制頻率不超過(guò)所述切換頻率的十分之一。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述限制頻率小于10Hz，例如其中所述限制頻率小于IHz。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9其中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，所述溫度分析器包括用于得出所述第一和第二信號(hào)的相應(yīng)的低通濾波器。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述低通濾波器是無(wú)源濾波器。
12.根據(jù)權(quán)利要求7至11中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，所述溫度分析器被配置成使用數(shù)字處理得出所述第一和第二信號(hào)。
13.一種在電機(jī)操作的同時(shí)估算所述電機(jī)的繞組的電阻和溫度中至少一個(gè)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括: 用于激勵(lì)所述繞組以使單向電流在所述繞組中流動(dòng)以操作電機(jī)的裝置，所述單向電流和所述繞組兩端所得的繞組電壓均具有低頻成分和高頻成分，所述低頻成分具有低于限制頻率的頻率內(nèi)容，所述高頻成分具有高于所述限制頻率的頻率內(nèi)容； 用于得出指示所述繞組電壓的低頻成分的幅度的第一信號(hào)的裝置； 用于得出指示所述單向電流的低頻成分的幅度的第二信號(hào)的裝置； 用于使用所述第一和第二信號(hào)得出指示繞組的電阻和溫度中至少一個(gè)的第三信號(hào)的>j-U ρ?α裝直。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述用于激勵(lì)的裝置被配置成以切換頻率周期性地開(kāi)啟和關(guān)斷所述繞組的激勵(lì)，且所述限制頻率不超過(guò)所述切換頻率，例如其中所述限制頻率不超過(guò)所述切換頻率的十分之一。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述限制頻率小于10Hz，例如其中所述限制頻率小于IHz。
16.根據(jù)權(quán)利要求13至15其中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，所述用于得出所述第一和第二信號(hào)的裝置包括相應(yīng)的低通濾波器。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述低通濾波器是無(wú)源濾波器。`
18.根據(jù)權(quán)利要求13至17中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，所述用于得出所述第一和第二信號(hào)的裝置使用數(shù)字處理來(lái)得出所述第一和第二信號(hào)。
【文檔編號(hào)】G01R27/08GK103869170SQ201310674442
【公開(kāi)日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2013年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月11日
【發(fā)明者】M.J.特納 申請(qǐng)人:尼得科Sr驅(qū)動(dòng)有限公司