專(zhuān)利名稱(chēng)：開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的位置檢測(cè)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)尤其是那些沒(méi)有檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的傳感器運(yùn)行的電機(jī)的控制。
概括地說(shuō)，磁阻電機(jī)是一種借助它的轉(zhuǎn)動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)到磁路的磁阻最小即勵(lì)磁繞組的電感最大位置的趨向而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電機(jī)。典型地，它備有檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置角度位置與隨轉(zhuǎn)子位置而變化供給各相繞組電流的電路。這類(lèi)磁阻電機(jī)通常稱(chēng)為開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，可作為電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)運(yùn)行。這類(lèi)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的特征為大家所熟知并介紹于例如Stephenson與Blake的論文“The Characteristics,Design andApplication of Switched Reluctance Motors and Drives”(開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)裝置的特征、設(shè)計(jì)及應(yīng)用)，此文刊登于PCIM’93,Nürberg，21-24 June 1993，其內(nèi)容以引用方式結(jié)合在本申請(qǐng)中。此文介紹一起產(chǎn)生特有的周期性變化相繞組電感的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的一些詳細(xì)特性。


圖1表示一個(gè)典型的開(kāi)關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要部件。輸入直流電源11可以是蓄電池組或經(jīng)整流與濾波的交流電源，其幅值可以是固定的或是可調(diào)的。在一些已知的驅(qū)動(dòng)裝置中，電源11包括一個(gè)諧振電路，它產(chǎn)生一個(gè)在零與某一預(yù)定值之間快速變化的直流電壓使零電壓能開(kāi)關(guān)功率開(kāi)關(guān)。功率轉(zhuǎn)換器13在電子控制裝置14的控制下開(kāi)關(guān)跨接在電動(dòng)機(jī)12的相繞組16兩端的由直流電源11提供的直流電壓。為使驅(qū)動(dòng)裝置正確運(yùn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作必須與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度正確同步。傳統(tǒng)方法使用一個(gè)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器15以供給指示轉(zhuǎn)子角度位置的信號(hào)。轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器15的輸出還可用于產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)。
轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器15可采用許多形式，例如它可采用硬件形式，如圖1中示意表示。在某些系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器15可包括一個(gè)轉(zhuǎn)子位置傳感器，它在每次轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到要求功率轉(zhuǎn)換器13中的裝置作不同的開(kāi)關(guān)配置的位置時(shí)提供改變狀態(tài)的輸出信號(hào)。在其它系統(tǒng)中，位置檢測(cè)器可以是一個(gè)算法軟件，它根據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的其它監(jiān)測(cè)參數(shù)計(jì)算或估計(jì)轉(zhuǎn)子位置。這些系統(tǒng)常稱(chēng)為“無(wú)傳感器位置檢測(cè)系統(tǒng)”，因?yàn)樗鼈儾皇褂门c轉(zhuǎn)子相關(guān)聯(lián)的實(shí)際傳感器。如同本領(lǐng)域內(nèi)眾所周知，為探索可靠的無(wú)傳感器系統(tǒng)，采用了許多不同的方法。下面討論這些方法中的一部分。
開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)中各相繞組的通電依賴(lài)于轉(zhuǎn)子角位置的檢測(cè)。這可通過(guò)參看圖2與圖3來(lái)解釋?zhuān)@兩個(gè)示說(shuō)明一臺(tái)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的磁阻電機(jī)的開(kāi)關(guān)機(jī)理。圖2概括地表示一個(gè)轉(zhuǎn)子極20按箭頭22方向趨近一個(gè)定子極21。如圖2中所示，完全的相繞組16的一部分23圍繞在定子極21的周?chē)?。?dāng)相繞組16的圍繞定子極21的一部分23通電時(shí)，將對(duì)轉(zhuǎn)子施加一個(gè)力，趨向于將轉(zhuǎn)子極20拉到與定子極21對(duì)齊。圖3概括地表示功率轉(zhuǎn)換器13中控制相繞組16通電的典型開(kāi)關(guān)電路，包括圍繞定子極21的部分23。當(dāng)開(kāi)關(guān)31與32閉合時(shí)，相繞組與直流電源連接而通電。本領(lǐng)域內(nèi)已知許多其它的分層幾何形狀繞組布局與開(kāi)關(guān)電路的配置，其中有些在上面提到的Stephenson與Blake的論文中討論。當(dāng)一臺(tái)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的相繞組以上面描述的方式通電時(shí)，由磁路中磁通建立的磁場(chǎng)產(chǎn)生圓周力，這些力如上所述起到把轉(zhuǎn)子極拉到與定子極對(duì)齊的作用。
通常，相繞組通電以引起如下轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)子的第一角度位置(稱(chēng)為“接通角”，ON)，控制器14提供開(kāi)關(guān)信號(hào)以接通開(kāi)關(guān)裝置31與32。當(dāng)開(kāi)關(guān)裝置31與32接通時(shí)，相繞組與直流母線連接，引起電機(jī)中建立一個(gè)增加的磁通。此磁通在氣隙中產(chǎn)生一個(gè)作用在轉(zhuǎn)子極上以產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的磁場(chǎng)。電機(jī)中的磁通由從直流電源流過(guò)開(kāi)關(guān)31與32及相繞組23的電流提供的磁動(dòng)勢(shì)(mmf)支持。通常使用電流反饋并通過(guò)快速接通或關(guān)斷開(kāi)關(guān)31與/或32的一個(gè)或兩個(gè)以斬波電流從而控制相電流的幅值。圖4(a)表示一個(gè)典型的斬波式運(yùn)行的電流波形，其中電流斬波在兩個(gè)固定值之間。在電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，常選擇接通角ON為轉(zhuǎn)子極間空間的中心線與定子極的中心線對(duì)齊的轉(zhuǎn)子位置，但也可以是一些其它角度。
在許多系統(tǒng)中，相繞組保持與直流母線連接(或斷續(xù)連接，如果使用斬波的話)直至轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到稱(chēng)為“自由旋轉(zhuǎn)角”FW。當(dāng)轉(zhuǎn)子達(dá)到對(duì)應(yīng)于自由旋轉(zhuǎn)角的角度位置(例如圖2中所示的位置)時(shí)，開(kāi)關(guān)之一例如31關(guān)斷。從而，流過(guò)相繞組的電流將繼續(xù)流動(dòng)，但現(xiàn)在只流過(guò)開(kāi)關(guān)之一(在此例中為32)并只流過(guò)二極管33/34之一(在此例中為34)。在自由旋轉(zhuǎn)期間，相繞組兩端的電壓降很小，而磁通保持基本恒定。電路保持在此自由旋轉(zhuǎn)狀態(tài)直至轉(zhuǎn)子達(dá)到一個(gè)稱(chēng)為“關(guān)斷角”O(jiān)FF(例如當(dāng)轉(zhuǎn)子極的中心線與定子極的中心線對(duì)齊時(shí))的角度位置。當(dāng)轉(zhuǎn)子達(dá)到關(guān)斷角時(shí)，開(kāi)關(guān)31與32都關(guān)斷而相繞組23中的電流開(kāi)始流過(guò)二極管33與34。這時(shí)直流母線以相反方式對(duì)二極管33與34施加直流電壓，引起電機(jī)中磁通(并從而使相電流)減小。已知本領(lǐng)域內(nèi)還使用其它的開(kāi)關(guān)角度與其它的電流控制方式。
當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，電流升到斬波值的時(shí)間較短，驅(qū)動(dòng)裝置正常運(yùn)行于“單脈沖”運(yùn)行方式。在此方式時(shí)，作為例如轉(zhuǎn)速與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的函數(shù)選擇接通角、自由旋轉(zhuǎn)角與關(guān)斷角。有些系統(tǒng)不使用自由旋轉(zhuǎn)角周期，即開(kāi)關(guān)31與32同時(shí)接通或關(guān)斷。圖4(b)表示一個(gè)典型的自由旋轉(zhuǎn)角為零的這種單脈沖電流波形。大家知道接通角、自由旋轉(zhuǎn)角與關(guān)斷角的值可預(yù)先確定并以某合適的格式貯存以便當(dāng)需要時(shí)由控制系統(tǒng)檢索，或可在實(shí)時(shí)內(nèi)計(jì)算或?qū)С觥?br> 應(yīng)認(rèn)識(shí)到如果要獲得開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的全部能力，無(wú)傳感器系統(tǒng)必須在斬波與單脈沖兩種運(yùn)行方式時(shí)都能提供轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。雖然已開(kāi)發(fā)了許多無(wú)傳感器系統(tǒng)，但大多數(shù)限于或只有一種運(yùn)行方式，或?qū)ο到y(tǒng)運(yùn)行強(qiáng)加苛刻的限制。一個(gè)建議是使用在當(dāng)時(shí)未用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩與其中沒(méi)有電流流過(guò)的相繞組(即“空載”相繞組)中注入判斷脈沖。此方法典型可用于斬波方式，其中電流上升與下降的時(shí)間與全部勵(lì)磁周期相比較短。這種方法的一個(gè)實(shí)施例描述在Mvungi等的論文“A NewSensorless Position Detector for SR Drives”(一種新的用于SR驅(qū)動(dòng)裝置的無(wú)傳感器位置檢測(cè)器)中，此文刊登于Proc PEVD Conf, IEE Pub′nNo324,London,17-19 July 1990,PP 249-252，以引用方式結(jié)合在本申請(qǐng)中。此文承認(rèn)對(duì)于高轉(zhuǎn)速(即單脈沖)運(yùn)行需要一種不同的方法。這種方法的一個(gè)例子是EP-A-0573198(Ray)，它公開(kāi)一種使能預(yù)計(jì)轉(zhuǎn)子位置的磁通與電流測(cè)量方法。Ray等的論文“Sensorless Methods forDetermining the Rotor Position of Switched Reluctance Motors”(確定開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置的無(wú)傳感器方法)中對(duì)許多其它的無(wú)傳感器位置檢測(cè)系統(tǒng)作了評(píng)論與分類(lèi)，此文刊登于Proc EPE′93 Conference,Brighton,UK,13-16 Sept 93,Vol 6,PP 7-13，它斷定這些方法中沒(méi)有一個(gè)能完全令人滿意地用于在全部運(yùn)行范圍內(nèi)運(yùn)行。
Mvungi提出的方法可用于在空載周期較長(zhǎng)與電流下降時(shí)間短因而給出足夠時(shí)間以注入若干判斷脈沖的很低轉(zhuǎn)速下工作。然而，此方法依賴(lài)于磁通與電流在注入判斷脈沖之前衰減至零(Mvungi,Page 252,Col 2)。隨著速度升高此要求變得更加難以滿足，因?yàn)橹鲃?lì)磁的尾部電流占用較長(zhǎng)的衰減時(shí)間而判斷脈沖的空間變得越來(lái)越小。Mvungi介紹他的使用一臺(tái)4相電機(jī)的系統(tǒng)，但問(wèn)題比3相系統(tǒng)(由于其它理由它經(jīng)常被優(yōu)選使用)更為嚴(yán)重。圖5(a)表示Mvungi介紹的帶有注入的磁鏈脈沖的相電流波形。這些脈沖只在主勵(lì)磁的尾部電流衰減至零之后注入。逐步增大的電流脈沖是隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)相電感減小的一個(gè)指示。(應(yīng)當(dāng)注意為清楚起見(jiàn)圖中放大了脈沖的尺寸。)圖5(a)是從很低轉(zhuǎn)速的運(yùn)行點(diǎn)得出的，其中尾部電流迅速衰減至零，留下一個(gè)適當(dāng)長(zhǎng)的用于判斷轉(zhuǎn)子位置的區(qū)域。然而，隨著轉(zhuǎn)速上升，尾部電流占用越來(lái)越長(zhǎng)的時(shí)間衰減，侵入判別區(qū)域從而推遲注入判別脈沖的時(shí)機(jī)。這種情況表示在圖5(b)中。隨著轉(zhuǎn)速上升，留給判斷的剩余時(shí)間變?yōu)椴蛔阋宰⑷氤浞值挠糜诳煽抗浪阄恢玫拿}沖，同時(shí)由于有時(shí)候當(dāng)沒(méi)有相處于判斷用的狀態(tài)和控制系統(tǒng)與轉(zhuǎn)子位置失去同步時(shí)系統(tǒng)變?yōu)椴环€(wěn)定。
因此，在低轉(zhuǎn)速下可使用Mvungi的方法而在高轉(zhuǎn)速下可使用Ray的方法。然而，有一個(gè)在它們之間的區(qū)域需要一種能使驅(qū)動(dòng)裝置可靠運(yùn)行的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)技術(shù)。
以前認(rèn)為，由于鋼疊片的B-H曲線是非線性的，導(dǎo)致磁阻電機(jī)的性能為非線性電流，因而電流的疊加將不給出精確的結(jié)果。因此總是認(rèn)為只能在沒(méi)有電流流入相繞組時(shí)注入用于轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的判斷脈沖，否則結(jié)果將是錯(cuò)誤的。這個(gè)論點(diǎn)是由例如Ehsami,M,Rajarathnam,AV,Suresh,G，與Fahimi在“Sensorless control of switched reluctancemotors-a technology ready for application”(開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的無(wú)傳感器控制-一種隨時(shí)可以應(yīng)用的技術(shù))中提及的，此文刊登于BICEM′98,International Conference on electrical Machines,Sept 2-4,1998,Istanbul,Turkey,Vol 2,pp673-684。通常這個(gè)論點(diǎn)是正確的，但本發(fā)明的發(fā)明者已認(rèn)識(shí)到在電機(jī)的一部分電感周期內(nèi)，這個(gè)概括的說(shuō)法是不正確的。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種可靠與經(jīng)濟(jì)的用于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的無(wú)傳感器位置檢測(cè)方法，它能在全部轉(zhuǎn)速(包括零轉(zhuǎn)速)與全部負(fù)載(包括瞬態(tài)負(fù)載擾動(dòng))情況下，尤其是在斬波方式與單脈沖方式之間的過(guò)渡點(diǎn)附近的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行。本發(fā)明可普遍地用于作為電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)運(yùn)行的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供適用于從靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)電機(jī)與在全部斬波范圍內(nèi)運(yùn)行的位置檢測(cè)。
根據(jù)本發(fā)明提供一種確定一臺(tái)包括一個(gè)轉(zhuǎn)子、一個(gè)定子與至少一個(gè)相繞組的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子位置的方法，此方法包括測(cè)量不通電與處于待用期間的相繞組內(nèi)的主電流或磁鏈；將一個(gè)具有預(yù)定的電流或磁鏈值的判斷脈沖注入此待用的相繞組；在脈沖結(jié)束時(shí)測(cè)量此相內(nèi)的總電流或總磁鏈；根據(jù)總電流與主電流之間或總磁鏈與主磁鏈之間的差別得到一個(gè)由于注入判斷脈沖而引起的電流或磁鏈值；根據(jù)此電流或磁鏈值同某一其它電流與磁鏈值的轉(zhuǎn)子角度的相互關(guān)系讀出轉(zhuǎn)子位置。
最好，判斷脈沖具有預(yù)定的磁鏈。最好，當(dāng)電流衰減至電感與電流成線性關(guān)系的范圍內(nèi)時(shí)注入此脈沖。
在同一相周期內(nèi)可重復(fù)注入脈沖。每次做一個(gè)可同根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算出的預(yù)計(jì)值相比較的檢測(cè)。如果測(cè)定值與預(yù)計(jì)值的差別過(guò)大，或在許多周期范圍內(nèi)過(guò)大，可改變電機(jī)控制，例如停止工作。
本發(fā)明還擴(kuò)展至一種用于包括一臺(tái)有一個(gè)轉(zhuǎn)子、一個(gè)定子、至少一個(gè)相繞組與可開(kāi)動(dòng)給相繞組通電的開(kāi)關(guān)裝置的電機(jī)的開(kāi)關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)裝置的檢測(cè)器，此轉(zhuǎn)子檢測(cè)器包括用于測(cè)量相繞組內(nèi)主電流或主磁鏈的測(cè)量裝置；用于使測(cè)量裝置測(cè)定不通電與處于待用期間的相繞組內(nèi)的主電流或主磁鏈的裝置；用于將一個(gè)具有預(yù)定的電流或磁鏈值的判斷脈沖注入待用的相內(nèi)的注入裝置；用于使測(cè)量裝置測(cè)量在脈沖結(jié)束時(shí)此相內(nèi)的電流或磁鏈的裝置；用于根據(jù)總電流與主電流之間或總磁鏈與主磁鏈之間的差別得到一個(gè)由于注入一個(gè)判斷脈沖而得到一個(gè)電流或磁鏈值的裝置；與用于根據(jù)此電流或磁鏈值同某一其它電流與磁鏈值的轉(zhuǎn)子角度的相互關(guān)系讀出轉(zhuǎn)子位置的裝置。
本發(fā)明還擴(kuò)展至一種包括使計(jì)算機(jī)執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法的計(jì)算機(jī)程序碼裝置的計(jì)算機(jī)程序部件。
本發(fā)明可通過(guò)許多途徑實(shí)施，現(xiàn)在將通過(guò)舉例方式參考附圖介紹其中一些實(shí)施例，在這些附圖中圖1表示一個(gè)開(kāi)關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要部件；圖2表示一個(gè)轉(zhuǎn)子極趨近于一個(gè)定子極的示意圖；圖3表示在一個(gè)控制圖1電機(jī)相繞組通電的功率轉(zhuǎn)換器內(nèi)的典型開(kāi)關(guān)電路；圖4(a)與4(b)圖示說(shuō)明分別運(yùn)行于斬波方式與單脈沖方式的開(kāi)關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)裝置的典型電流波形；圖5(a)與5(b)表示開(kāi)關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)裝置的勵(lì)磁引起的相電流波形；圖6表示一臺(tái)以低轉(zhuǎn)速方式運(yùn)行的電機(jī)的理想的電感分布、勵(lì)磁區(qū)域與判斷區(qū)域；圖7是一個(gè)包括本發(fā)明的開(kāi)關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)裝置的原理框圖；圖8表示一臺(tái)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的相電流/電感特性曲線；圖9是一個(gè)由本發(fā)明引起的相電流波形；圖10表示一臺(tái)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子角度/電流特性曲線；與圖11是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的流程圖。
圖7表示一個(gè)引入本發(fā)明的系統(tǒng)的原理圖。雖然各部件表示為分立的方框，各種功能可同樣好地通過(guò)一個(gè)為作為一臺(tái)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的全面控制部分的任務(wù)而編程的單處理器或ASIC在軟件中執(zhí)行。
配置一個(gè)電流傳感器100以提供指示電動(dòng)機(jī)102每相的相電流信號(hào)(為清楚起見(jiàn)只顯示一相的一個(gè)傳感器)。如同圖1，表示3相。相數(shù)可多于或少于此數(shù)。信號(hào)供給一個(gè)以微處理器為基礎(chǔ)的控制器104。其布置仍然與圖1相同。電流傳感器100可以是任何合適的類(lèi)型，例如一個(gè)隔離系統(tǒng)，如一個(gè)霍爾效應(yīng)裝置、一個(gè)Rogowski線圈等?；蛘呖墒褂靡粋€(gè)不隔離系統(tǒng)，例如常用于低成本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的熱穩(wěn)定電阻。
控制器表示為具有一個(gè)接至積分器106的輸出，盡管這是可同樣地在軟件中執(zhí)行的功能之一。還配置了一個(gè)待控制器104訪問(wèn)的檢查表108。此檢查表貯存相電流與轉(zhuǎn)子角度的對(duì)照值，由此檢索或內(nèi)推轉(zhuǎn)子位置信息。
通過(guò)閉合功率轉(zhuǎn)換器13中的一個(gè)開(kāi)關(guān)或多個(gè)開(kāi)關(guān)使在繞組兩端加上電壓從而將在一相中注入判斷脈沖的技術(shù)引入本發(fā)明。這引起一個(gè)磁鏈的增長(zhǎng)。當(dāng)磁鏈達(dá)到一個(gè)預(yù)定值時(shí)，開(kāi)關(guān)重新打開(kāi)。技術(shù)人員應(yīng)知道磁鏈?zhǔn)抢@組兩端電壓對(duì)時(shí)間的積分。
本發(fā)明采用的周期的相關(guān)部分落在最小電感區(qū)域的周?chē)?。這表示在圖8中，其中一臺(tái)典型的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在不對(duì)齊位置(即給定相的轉(zhuǎn)子極相對(duì)于鄰近的定子極的位置為具有最小電感的位置)時(shí)的相繞組電感點(diǎn)繪為電流的函數(shù)。可看到曲線中有一個(gè)明顯的平坦部分(在本例中為從0至約200A)，指示在此范圍內(nèi)電感與電流無(wú)關(guān)，即在此范圍內(nèi)增量電感等于此電感。
根據(jù)本發(fā)明，判斷脈沖注入一個(gè)待用但當(dāng)時(shí)其中仍可能有電流的相繞組中。這些脈沖是固定的磁鏈，但有固定的或可調(diào)的頻率，取決于使用方法的不同。通過(guò)在導(dǎo)通角結(jié)束后在θoff處開(kāi)動(dòng)該相的功率電子開(kāi)關(guān)將脈沖注入待用的相。當(dāng)脈沖的磁鏈按積分器106的輸出確定達(dá)到預(yù)定值時(shí)，記錄待用的相內(nèi)的電流并關(guān)斷開(kāi)關(guān)。從該固定磁鏈的電流檢查表108可讀出轉(zhuǎn)子位置。當(dāng)與判斷脈沖有聯(lián)系的電流衰減至零而只留下主電流時(shí)，可開(kāi)動(dòng)后繼的脈沖從而在相同的判斷周期內(nèi)重復(fù)此過(guò)程。脈沖的重復(fù)速率是由系統(tǒng)設(shè)計(jì)者選擇的事可在固定頻率下注入脈沖，也可在測(cè)量到前一脈沖結(jié)束且電路已準(zhǔn)備開(kāi)始新的測(cè)量時(shí)立即開(kāi)動(dòng)一個(gè)新脈沖。
對(duì)于電動(dòng)運(yùn)行，脈沖定位在電感下降區(qū)域內(nèi)。對(duì)于發(fā)電運(yùn)行，脈沖定位在電感上升的區(qū)域內(nèi)。假定電機(jī)的電感分布是對(duì)稱(chēng)的，由于圍最大或最小的電感角簡(jiǎn)單反映將給出任一方式的正確位置，因此檢查表中只需貯存一組轉(zhuǎn)子位置對(duì)照于電流的數(shù)據(jù)。
圖6中圖示判斷脈沖的注入，其中Induc A、Induc B與Induc C表示三相電機(jī)理想的電感分布，Exc A、Exc B與Exc C表示電動(dòng)運(yùn)行的勵(lì)磁角，而區(qū)域D表示轉(zhuǎn)子角度范圍，在此范圍內(nèi)各相待用而通?？捎糜谂袛噢D(zhuǎn)子位置。由于總有一相不通電，因而總有一個(gè)區(qū)域可用，根據(jù)本發(fā)明可將判斷脈沖定位在此區(qū)域內(nèi)。注意還可利用一個(gè)固定電流頂點(diǎn)的脈沖并讀出與它關(guān)聯(lián)的磁鏈以便從位置νs與磁鏈的對(duì)照表中讀出位置。然而，這不是一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，因?yàn)殡娏鬟_(dá)到要求值所占用的時(shí)間長(zhǎng)度將顯著地改變發(fā)生判斷的角度區(qū)域。這導(dǎo)致不規(guī)則的空間分布。此外，如果兩相一起判斷，脈沖會(huì)在不同時(shí)間達(dá)到它們的峰值。然而在固定磁鏈脈沖的情況下，不存在這些問(wèn)題。
本發(fā)明的意義在于，當(dāng)導(dǎo)通角結(jié)束時(shí)不管相內(nèi)是否流動(dòng)電流，可使用此相來(lái)判斷，因?yàn)殡姼惺蔷€性的因而適用疊加原理。因此，使用合適的測(cè)量電流與電感或磁鏈的方法，可在此區(qū)域內(nèi)可靠地注入判斷脈沖。圖9表示應(yīng)用此原理的電流波形，其中在關(guān)斷角θoff之后與下一個(gè)接通角θon之前注入判斷脈沖P。應(yīng)當(dāng)注意的是在關(guān)斷點(diǎn)電流為高值。當(dāng)角度到達(dá)圖8中的線性區(qū)域時(shí)電流開(kāi)始迅速下降，在電流到達(dá)此值之后允許注入判斷脈沖。
圖10表示一臺(tái)典型電機(jī)的恒定磁鏈的電流與轉(zhuǎn)子角度的對(duì)照曲線。知道此曲線使當(dāng)已知對(duì)應(yīng)于恒定磁鏈的電流時(shí)能確定轉(zhuǎn)子位置。然而應(yīng)認(rèn)識(shí)到，簡(jiǎn)單地讀取比如說(shuō)圖9中關(guān)斷之后的第一個(gè)判斷脈沖的電流然后從圖10中讀取轉(zhuǎn)子位置將給出一個(gè)不正確的結(jié)果，例如位置Y，因?yàn)橛捎诿}沖引起的電流疊加在主尾部電流上。本發(fā)明考慮到疊加原理適用于電感為線性的這些電流值。通過(guò)減去主電流(在沒(méi)有由于判斷脈沖引起的電流時(shí)存在的電流)以給出單獨(dú)由于脈沖引起的增量電流，可從圖10中讀出正確的位置，例如位置X。
無(wú)傳感器位置檢測(cè)系統(tǒng)通常不得不在接近功率開(kāi)關(guān)裝置的電噪聲環(huán)境中運(yùn)行，而這常導(dǎo)致磁鏈與電流測(cè)量的惡化，從而導(dǎo)致計(jì)算出虛假的數(shù)據(jù)。為了改進(jìn)系統(tǒng)的可靠性，可增加一個(gè)合適的檢查計(jì)算的位置數(shù)據(jù)有效性的方法。例如，每次計(jì)算一個(gè)新的位置，可將位置、時(shí)間與轉(zhuǎn)速值貯存起來(lái)。利用最后n個(gè)貯存值，可內(nèi)推一個(gè)預(yù)計(jì)的位置用來(lái)同新計(jì)算的位置比較。如果新計(jì)算值與預(yù)計(jì)值在一個(gè)預(yù)定量值內(nèi)不相符，說(shuō)明誤差值增長(zhǎng)因而使用預(yù)計(jì)值以代替計(jì)算值；如果它們相符，說(shuō)明任何存在的誤差值減小因而使用計(jì)算值。從而，通過(guò)連續(xù)的測(cè)量周期，積累關(guān)于位置信息可靠性的數(shù)據(jù)。如果誤差值超過(guò)一定值表現(xiàn)為比如說(shuō)5次連續(xù)計(jì)算不相符，可確定此控制系統(tǒng)已失去與轉(zhuǎn)子的真實(shí)位置的同步性，應(yīng)在發(fā)生更嚴(yán)重的事件之前停止電機(jī)的勵(lì)磁。可使用任何方便的裝置進(jìn)行測(cè)量值的貯存與推斷，但典型使用存貯單元內(nèi)的數(shù)字貯存。已獲知使用n=8給出一個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性與貯存空間之間的良好折衷方案。
檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置信息的方法可以任何方便的途徑完成但典型在一個(gè)計(jì)算機(jī)裝置例如一個(gè)微處理器或一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器的軟件中完成。圖11表示一個(gè)說(shuō)明合適碼的程序框圖。當(dāng)給出本發(fā)明與圖11程序框圖描述的好處時(shí)，提出適合于特定處理裝置的碼是本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員的例行職責(zé)。此碼貯存在計(jì)算機(jī)程序部件之一的存貯器中。現(xiàn)在將敘述此程序框圖的步驟。
在框120中測(cè)量并記錄關(guān)斷角θoff之后的相電流。此測(cè)量可使用任何方便的方法，典型使用為相繞組的全部電流控制而提供的電流傳感器100。測(cè)量值貯存在控制器104的處理器中的一個(gè)寄存器內(nèi)。在框122中，如果電流在電感為線性的區(qū)域內(nèi)，則進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)處理。如果電流不在該區(qū)域內(nèi)，框123在重新開(kāi)動(dòng)處理之前執(zhí)行一個(gè)延時(shí)。
在框124中電壓積分器106由控制器復(fù)位至零并釋放使運(yùn)行以積分待注入判斷脈沖的待用的相繞組兩端的電壓。積分可通過(guò)模擬硬件或數(shù)字軟件技術(shù)。
在框126中，對(duì)應(yīng)于待判斷的待用的相的功率轉(zhuǎn)換器13的功率開(kāi)關(guān)閉合，使對(duì)該相加上直流耦合電壓，因而加上一個(gè)正電壓以增加該相的磁鏈。
在框128中，處理器等待直至積分器輸出達(dá)到一個(gè)對(duì)應(yīng)于判斷脈沖預(yù)定磁鏈的預(yù)定值，對(duì)此參看貯存在檢查表108內(nèi)的圖10曲線。
在達(dá)到要求的磁鏈值時(shí)，如框130中指示，控制器從電流傳感器100讀取并記錄電流值。在框132中，從第二電流值中減去在脈沖開(kāi)始時(shí)測(cè)量的第一電流值(貯存在框110中)。從總電流中減去主電流得到單獨(dú)由于脈沖引起的增量電流。
應(yīng)認(rèn)識(shí)到此技術(shù)依賴(lài)于在判斷脈沖期間主電流為恒定或接近于恒定。在實(shí)踐中，由于脈沖很小因而電流改變是如此之小，使引入計(jì)算的誤差小到足以可容許。在任何情況下，在首先幾個(gè)脈沖關(guān)斷之后誤差大大減小。如果由于任何理由判斷脈沖必須較大，因而占用較長(zhǎng)時(shí)間以達(dá)到要求的磁鏈，這時(shí)可引入一個(gè)較正，通過(guò)計(jì)算在脈沖峰值時(shí)的主電流值并使用此值計(jì)算由于脈沖引起的增量電流。此計(jì)算可根據(jù)例如對(duì)于開(kāi)始注入脈沖緊前的電流斜率的知識(shí)。
在框134中，利用增量電流從圖10中表示的電流/角度檢查表讀出轉(zhuǎn)子位置。此曲線的數(shù)據(jù)可以任何方便的形式例如按在電流固定增量點(diǎn)的轉(zhuǎn)子角度值貯存?？墒褂脙?nèi)推法(例如線性?xún)?nèi)推、二次式內(nèi)推、多項(xiàng)式內(nèi)推)以得到居于那些貯存點(diǎn)之間的點(diǎn)的結(jié)果。
在框136中，將讀出的轉(zhuǎn)子位置同從可由控制器104得到的關(guān)于以前的轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速信息中取得的預(yù)計(jì)值進(jìn)行比較。在框138中，如果比較要求次數(shù)超出給定范圍，則停止電機(jī)工作。然后可使用同樣一個(gè)待用的相或下一個(gè)待用的相重復(fù)此程序以測(cè)定下一個(gè)轉(zhuǎn)子位置。以此方法測(cè)定的每個(gè)轉(zhuǎn)子位置讀數(shù)然后可用于以常規(guī)方法控制用作電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。
本發(fā)明可用于取代前面討論的判斷脈沖技術(shù)。本發(fā)明利用以下認(rèn)識(shí)有一個(gè)非零的電流范圍，在此范圍內(nèi)電感基本上與電流無(wú)關(guān)。由于在判斷周期內(nèi)存在一個(gè)尾部電流因而如同所述要求減去初始測(cè)量的尾部電流。當(dāng)沒(méi)有電流時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的程序?qū)呐袛嘀芷诮Y(jié)束時(shí)的電流讀數(shù)中簡(jiǎn)單地減去零。
應(yīng)認(rèn)識(shí)到，盡管上面描述的例子相對(duì)于三相電機(jī)，本發(fā)明可應(yīng)用于有任何極數(shù)與任何相數(shù)的任何開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。同樣，本發(fā)明可用于運(yùn)動(dòng)部分(通常稱(chēng)為“轉(zhuǎn)子”)直線運(yùn)動(dòng)的直線電機(jī)。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)懂得不背離本發(fā)明可變更已公開(kāi)的配置。相應(yīng)地，上面描述的幾個(gè)實(shí)施例是通過(guò)例子方式而不是為了限制目的而提出的。本發(fā)明是只受下列權(quán)利要求的限制。
權(quán)利要求
1．一種確定包括一個(gè)轉(zhuǎn)子、一個(gè)定子與至少一個(gè)相繞組的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)中轉(zhuǎn)子位置的方法，此方法包括在相繞組不通電的待用期間測(cè)量此相繞組內(nèi)的主電流或主磁通；將一個(gè)具有預(yù)定的最大電流值或最大磁鏈值的判斷脈沖注入此待用的相繞組；在脈沖結(jié)束時(shí)測(cè)量相繞組內(nèi)的總電流或總磁鏈；根據(jù)總電流與主電流之間或總磁鏈與主磁鏈之間的差別得到一個(gè)由于注入判斷脈沖而引起的電流或磁鏈值；與根據(jù)此電流或磁鏈值同對(duì)于其它電流與磁鏈值的轉(zhuǎn)子角度的相互關(guān)系獲得轉(zhuǎn)子位置。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中當(dāng)相電流降至低于一個(gè)預(yù)定值到達(dá)一個(gè)電感基本上與電流無(wú)關(guān)的范圍內(nèi)時(shí)注入判斷脈沖。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中脈沖具有預(yù)定的磁鏈并通過(guò)積分相繞組兩端的電壓加以測(cè)量。
4．根據(jù)權(quán)利要求1、2或3的方法，其中判斷脈沖通過(guò)切換相繞組兩端的電源電壓而注入。
5．根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一的方法，包括將獲得的轉(zhuǎn)子位置同轉(zhuǎn)子位置的預(yù)計(jì)值作比較；與在獲得值與預(yù)計(jì)值之間選擇一個(gè)作為確定的轉(zhuǎn)子位置。
6．根據(jù)權(quán)利要求5的方法，包括如果獲得的轉(zhuǎn)子位置與預(yù)計(jì)的轉(zhuǎn)子位置相差一個(gè)預(yù)定值時(shí)選擇轉(zhuǎn)子位置的預(yù)計(jì)值。
7．根據(jù)權(quán)利要求5的方法，包括如果對(duì)于多次連續(xù)的轉(zhuǎn)子位置測(cè)定的轉(zhuǎn)子位置與預(yù)計(jì)的轉(zhuǎn)子位置之間的誤差相差一個(gè)第二預(yù)定值時(shí)改變電機(jī)的控制。
8．根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一的方法，包括將測(cè)量的主電流值同對(duì)應(yīng)于線性電感區(qū)域的預(yù)定值作比較，如果主電流低于預(yù)定值，繼續(xù)進(jìn)行本方法。
9．一種用于包括一臺(tái)電機(jī)的開(kāi)關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器，該電機(jī)帶有一個(gè)轉(zhuǎn)子、一個(gè)定子、至少一個(gè)相繞組與可開(kāi)動(dòng)給各相繞組通電的開(kāi)關(guān)裝置，此轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器包括用于測(cè)量相繞組中的主電流或主磁鏈的測(cè)量裝置；用于使測(cè)量裝置在相繞組內(nèi)不通電的待用期間測(cè)量此相繞組內(nèi)的主電流或主磁鏈的裝置；用于將一個(gè)具有預(yù)定的電流值或磁鏈值的判斷脈沖注入待用的相的注入裝置；用于使測(cè)量裝置在脈沖結(jié)束時(shí)測(cè)量此相內(nèi)的電流或磁鏈的裝置；用于根據(jù)總電流與主電流之間或總磁鏈與主磁鏈之間的差別獲得由于注入判斷脈沖而引起的電流或磁鏈值的裝置；與用于根據(jù)此電流或磁鏈值同對(duì)于其它的電流、磁鏈值的轉(zhuǎn)子角度的相互關(guān)系得出轉(zhuǎn)子位置的裝置。
10．根據(jù)權(quán)利要求9的檢測(cè)器，包括用于監(jiān)測(cè)相電流與用于使注入裝置在相電流降至低于一個(gè)預(yù)定值到達(dá)一個(gè)電感基本上與電流無(wú)關(guān)的范圍內(nèi)時(shí)注入判斷脈沖的裝置。
11．根據(jù)權(quán)利要求9或10的檢測(cè)器，其中脈沖具有預(yù)定的磁鏈，此檢測(cè)器包括一個(gè)積分相繞組兩端電壓以測(cè)量磁鏈的積分器。
12．根據(jù)權(quán)利要求9、10或11的檢測(cè)器，其中注入裝置包括開(kāi)關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)裝置的開(kāi)關(guān)裝置。
13．根據(jù)權(quán)利要求9至12中任一的檢測(cè)器，其中用于比較獲得的轉(zhuǎn)子位置與預(yù)計(jì)的轉(zhuǎn)子位置的比較裝置與用于在獲得值與預(yù)計(jì)值之間進(jìn)行選擇的裝置。
14．根據(jù)權(quán)利要求13的檢測(cè)器，其中用于選擇的裝置當(dāng)獲得值與預(yù)計(jì)值相差一個(gè)預(yù)定值時(shí)可在讀出值與預(yù)計(jì)值之間進(jìn)行選擇。
15．根據(jù)權(quán)利要求13的檢測(cè)器，其中用于選擇的裝置可用于如果對(duì)于多次連續(xù)的轉(zhuǎn)子位置測(cè)定得到的獲得值與預(yù)計(jì)值相差一個(gè)預(yù)定值時(shí)在讀出值與預(yù)計(jì)值之間進(jìn)行選擇。
16．一個(gè)計(jì)算機(jī)程序部件，包括使計(jì)算機(jī)執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一的方法的計(jì)算機(jī)程序碼裝置。
全文摘要
一種多相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)由一個(gè)使用無(wú)傳感器位置檢測(cè)的控制系統(tǒng)控制?？刂破髂陀每煽坎⑦\(yùn)行在電機(jī)的全部電流斬波范圍內(nèi)。具有預(yù)定磁鏈的判斷脈沖被注入一個(gè)相繞組,不管此相繞組中是否有剩余電流。
文檔編號(hào)H02K19/02GK1319945SQ0111201
公開(kāi)日2001年10月31日 申請(qǐng)日期2001年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月27日
發(fā)明者彼得·理查德·梅耶斯 申請(qǐng)人:開(kāi)關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)有限公司