CN1066589C - 检测开关磁阻电机的位置的装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于检测开关磁阻电机(SRM)的位置的装置，通过沿传感片的不同同心周边形成的同心切口组来探测转子的相对位置，并通过形成在传感片上的补偿切口来补偿转子位置，因此通过限定部分归因于相关位置而产生的位置探测脉冲的失真所造成的不良影响，可有效地阻止该脉冲失真的累积和传播。结果，由于通过限定位置探测脉冲的失真所造成的不良影响而有可能阻止该脉冲失真的累积和传播，故可降低转矩波动和噪声，使SRM的效率到最大。

Description

检测开关磁阻电机的位置的装置
本发明涉及一种用于检测开关磁阻电机(SRM)的位置的装置，尤其涉及一种用于检测这样一开关磁阻电机(SRM)的位置的装置，即该开关磁阻电机通过沿传感片不同的同心边缘形成的同心切口组来探测转子的相对位置，并且通过形成在传感片上的补偿切口来补偿转子的位置。
一般来讲，开关磁阻电机(SRM)为一种主要包括如下器件的磁阻电机：通过捆扎电枢线圈产生磁力的多相定子；一转子，它根据齿(tooth)的相对位置和由定子产生的磁力所产生的磁引力而转动；位置探测单元，它具有位置探测传感单元和传感片，并且在转子的位置变化时由预定的角分辨率(resolution)通过检测位置探测脉冲来探测转子的位置。这里，多个齿对称地形成在转子上，以及电枢线圈对称地捆扎在每一个多相定子上。位置探测传感单元通过探测转子的位置来输出位置探测脉冲，并与位置探测脉冲同步，因此连续驱动多相电枢线圈。
供给与多相定子相联的电枢线圈的电源通过开关元件控制。此时，当输入脉冲信号通过与位置探测单元的位置探测脉冲同步而被施加到开关元件的控制终端时，通过连续改变转子和定子间的激励状态，对应于输入脉冲信号的前向转矩通过磁引力在转子上产生。并且，在特定的激励状态不变的情况下，有可能使转子在预置位置停止转动。此外，通过控制基于感应达到其最大值而施加于开关元件的输入脉冲信号的相位，可产生一个相反的转力。如上所述，有可能在洗衣机等变化方向中广泛使用该控制操作。
此时，为了连续改变每个相位的激励状态，必需检测转子的位置。
已公开了许多涉及到SRM的现有技术，比如：USP 4,748,387(其授予专利权日为1988年5月)的“用于精确控制转子起始位置的直流无刷电机驱动方法和装置(DC brushless motor driving method and apparatus for accuratelycontrolling starting position of rotor)”；USP 4,990,843(其授予专利权日为1991年2月)的“磁阻电机(Reluctance motor)”；USP5,111,095(其授予专利权日为1992年5月)的“多相开关磁阻电机(Polyphase switched reluctance motor)”；USP 5,461,295(其授予专利权日为1995年10月)的“在开关磁阻电机中通过电流分布操作降低噪音(Noise reduction in a switched reluctance motor bycurrent profile manipulation)”；和USP 5,539,293(其授予专利权日为1996年7月)的“具有在可解码角位置中的特征的转子位置编码器(Rotor positionencoder having features in decodable angular position)”。
图1为在常规的SRM中用于检测转子位置的传感片结构示意图。如图所示，在传感片10上有：具有多个切口的第一同心切口组12，这些切口是沿具有第一半径的同心周边以一预置解分辨率被凿孔的，并以转子的转轴11为中心分布；和具有多个切口的第二同心切口组13，这些切口是沿具有小于第一半径的第二半径的同心周边以一预置角分辨被凿孔的，并以转子的转轴11为中心分布。通常，形成第一同心切口组12和第二同心切口组13的切口相互间非准直(misaligned)。因为传感片10位于转子的转轴11的上端，当电机转子转动时传感片与转子一起转动。此处，应用具有多个切口的切口组的原因是为提高用于检测转子位置的角分辨率。
用于检测常规SRM的位置的装置包括传感片10和通过位置探测脉冲来检测转子位置的探测传感单元，而该位置探测脉冲是由光学上透过在传感片10上形成的切口的光离散产生的。
为探测该位置探测脉冲，SRM包括具有光发射元件(未示出)和光接收元件(未示出)的光传感器的位置探测传感单元。当传感片10沿转子转动时，从光发射元件发射的光通过透过传感片10的切口不连续地投射在光接收元件上。此时，光接收元件产生并输出一个预置的位置探测脉冲。
通过接收从位置探测传感单元输出的位置探测脉冲，微机(未示出)推测转子的位置。此后，通过控制施加到电机驱动单元的开关单元控制终端的输入脉冲信号的相位，微机可使转子前向和反向转动或在特定位置停止转动。
在常规的SRM中的位置探测传感单元包括一个单个位置传感器的情况下，由于它很难充分得到对于多相控制所必需的转子的位置上的信息，故SRM一般使用多个位置探测传感单元。
如上所述，当用于探测转子位置的位置传感单元在转子位置变化时通过预置的角分辨率来输出位置探测脉冲时，电枢线圈处于通电(turned on)的位置与位置探测脉冲同步。此时，当每个电枢线圈处于通电时的时间决定性地影响SRM的功能。
然而，在用于检测常规SRM的位置的装置中，当从第一同心切口组12和第二同心切口组13检测到的位置探测脉冲失真或变得无规则或这种失真被累积时，它将对SRM的操作造成不利的影响。
换言之，位置探测脉冲的失真导致相对大的转矩波动。此外，它减小转矩并引起噪声。结果是，它降低了SRM的效率。
因此，本发明的一个目的是提供一个用于检测开关磁阻电(SRM)的位置的装置，而该开关磁阻电机通过沿传感片不同的同心边缘形成的同心切口组来探测转子的相对位置，并且通过形成在传感片上的补偿切口来补偿转子的位置，因此，通过限定部分归因于相对关位置而产生的位置探测脉冲的失真所造成的不好影响，可有效地阻止位置探测脉冲失真的累积和传播。
为达到上述目的，用以检测具有开关控制单元的SRM的位置的装置，该开关控制单元根据转子与多相定子的相对位置而可变地切换定子的每一相位的激励状态，该装置包括：传感片；位置探测传感单元；位置补偿传感单元和位置探测补偿单元。这里，穿过该传感片，一个具有多个穿凿切口以具有沿同心周边的预置角分辨率的同心切口组，与至少一个具有多个沿不同的同心周边形成的切口的切口组非准直。此外，用于补偿转子位置的补偿切口位于传感片的不同的同心周边上的一点。当传感片被附到转子的转轴上时，位置探测传感单元被转动，故通过光学上穿过同心切口组的每一个切口的光不连续地产生位置探测脉冲。当位置补偿传感单元检测到一个通过光学上穿过补偿切口的光不连续地产生的位置补偿脉冲时，位置探测补偿单元通过接收位置探测脉冲来探测的转子的位置，以及基于位置补偿脉冲在每一预置转动周被检测的位置来补偿转子的位置。后此，补偿位置被提供给开关控制单元，因此使SRM的效率达到最大。
通过参考下面结合附图的详细描述，将更全面地了解本发明及其伴随的优点，同时将更容易地理解本发明，附图中相同的符号表示相同或类似的元件，附图中：
图1是在常规的开关磁阻电机(SRM)中用于检测转子位置的传感片结构的示意图；
图2是常规SRM的内部结构的示意图；
图3是表示具有三相的SRM的驱动电路单元的一部分的电路图；
图4是根据本发明的SRM的传感片示意图；和
图5是根据本发明用于检测SRM的位置的装置的一个优选实施例的框图。
通过参考附图的优选实施例，上述发明的目的、特征和优点将得到更为清晰的理解。
为便于理解根据本发明用于检测开关磁阻电机(SRM)的位置的装置，下面将首先解释常规SRM的全部结构。
图2是描述常规的SRM的内部结构的一个例子。SRM装有一个具有A、B和C三相的定子。如图所示，常规的SRM被做成具有多相并且控制施加到每一相的电枢线圈的电流的相位。SRM通过根据转子及其相对位置所产生的磁引力可前向和反向转动转子。
图3是描述具有三相的SRM的驱动电路单元的一部分。如图所示，具有三相的常规SRM的驱动电路包括：第一驱动单元A，用于当一个开关元件被一个输入脉冲信号开启对，对转子提供与第一相的磁通量成比例的磁力；第二驱动单元B，用于当该开关元件被该输入脉冲信号开启时，对转子提供与第二相的磁通量成比例的磁力；第三驱动单元C，用于当该开关元件被该输入脉冲信号开启时，对转子提供与第三相的磁通量成比例的磁力。此处，第一驱动单元A包括：第一电枢线圈L1，用于产生第一相磁通量；第一开关单元S1，它具有第一三极管Q1和第一二极管d1，该第一三极管Q1用于连接第一电枢线圈L1的一端并且根据通过控制端输入的输入脉冲信号控制供电，该第一二极管d1用于当第一三极管Q1被开启/关闭时，保护第一三极管Q1不受由第一电枢线圈L1产生的反电动势的破坏；第二开关单元S2，它具有第二三极管Q2和第二二极管d2，该第二三极管Q2连接第一电枢线圈L1的另一端并且根据通过控制端输入的输入脉冲信号控制供电，该第二二极管d2用于当第二三极管Q2被开启/关闭时，保护第二二极管Q2不受由第一电枢线圈L1产生的反电动势的破坏；第一电流反馈二极管D1，它连接于第一电枢线圈L1的一端并反馈电流；以及第二电流反馈二极管D2，它连接第一电枢线圈L1的另一端并反馈电流。第二和第三相驱动单元B和C中的每一个部有着与该第一相驱动单元A相同的结构。
为了在每一相感应的最大峰值限度之内以前向转动的方向连续操作第一相驱动单元A、第二相驱动单元B和第三相驱动单元C，关键是检测转子的位置。基于有关转子对多相定子的相对位置的信息，开关控制单元切换第一、第二和第三相驱动单元A、B和C的电压状态。结果，通过改变定子每一相的激励状态，有可能使SRM的转子向理想方向转动。
如上所述，由于转子相对于多相定子的位置的信息的精确性是决定SRM的操作特征的基本参数，故提供用于检测SRM的位置的装置以防止转子的位置信息的失真和失真信息的累积。
图4是SRM传感片的示意图；以及图5是根据本发明用于检测SRM的位置的装置的一个优选实施例的框图。
在本发明的优选实施例中，用于检测SRM的位置的装置包括一个传感片，具有多个切口穿凿于其中以具有沿同心周边的预置角分辨率的一个同心切口组与至少一个具有多个沿不同的同心周边形成的切口的切口组非准直。此外用于补偿转子位置的补偿切口位于传感片的不同同心周边上的一点。
图4是两个同心切口组的示意图。如图所示，在传感片100上，有：第一同心切口组102，它具有多个穿凿切口，以具有沿具有第一半径的同心周边的预置角分辨率，并以转子的转轴101为中心分布；第二同心切口组103，它具有多个穿凿切口，以具有沿具有小于第一半径的第二半径的同心周边的预置角分辨率，并以转子的转轴101为中心分布；和补偿切口104，用于在以转轴101为中心的具有第三半径的不同的同心周边的一点上补偿转子位置。通常，包括第一同心切口组102和第二同心切口组103的切口组相互非准直。
此处，每一切口组具有多个切口的原因是为提高用于检测转子位置的角分辨率。正如在常规的SRM中，因为传感片100位于转子的转轴101上端，当电机转子转动时传感片与转子一起转动。
当传感片100与转子的转轴101连结然后转动时，位置探测传感单元110检测由光学上穿过第一和第二同心切口组102和103的切口的光离散产生的位置探测脉冲。
在本发明的优选实施例中，建议采用两个同心切口组。然而，穿过传感片100所形成的至少一个同心切口组是足够的。太多的同心切口组使得系统复杂化并且不会有助于增加实际的角分辩率。因此，考虑到SRM的应用领域、技术水平、期望的精确度和用于设计SRM的费用，要适当决定同心切口组的数量。
还有，沿同心周边穿凿并且形成同心切口组的切口数量可根据期望的角分辨率来决定，以及穿凿位置可根据设计目的来决定。
位置补偿传感单元120检测通过光学上穿过补偿切口104的光离散产生的补偿脉冲。
在本发明的优选实施例中，仅仅提供了一个位于以转子转轴101为中心的具有第三半径的同心周边上的任一点的补偿切口104。然而，设置多个补偿切口同样是可能的。通过在位于以转子的转轴101为中心的具有第四半径的同心周边上的任一点穿凿另一补偿切口以及进一步包括位置补偿传感单元，有可能增加用于补偿位置的分辨率。此处，第三半径和第四半径可以大于或小于第一半径和第二半径。或者，它们可大于第二半径和小于第一半径。
此后，位置探测补偿单元130从位置探测传感单元110接收位置探测脉冲并探测转子的位置。而且，位置探测补偿单元130从位置补偿传感单元120接收位置探测补偿脉冲，然后基于位置补偿脉冲在每一预置周期所检测的转子的位置来补偿转子的位置，由此提供补偿的位置信息给开关控制单元140。
当从位置探测补偿单元130接收到补偿后的转子的位置信息时，基于转子对于多相定子的相对位置的信息，开关控制单元140切换图3中第一、第二和第三驱动单元A、B和C的电压状态。结果，通过改变定子每一相的激励状态，可使SRM的转子向需要方向转动。
根据本发明的功能可决定后述项目并且它们可根据技术人员的期望或通常的实践被改变，项目的决定应当考虑到本发明说明书的全部内容。
如上所述，用以检测具有开关控制单元的SRM的位置的装置，该开关控制单元用于根据转子与多相定子的相对位置而变化地切换定子每一相的激励状态，该装置包括传感片、位置探测传感单元、位置补偿传感单元和位置探测补偿单元。这里，穿过该传感片，一个具有多个穿凿切口以具有沿同心周边的预置角分辨率的同心切口组，与至少一个具有多个沿不同的同心周边形成的切口的切口组非准直。此外，用于补偿转子位置的补偿切口位于传感片的不同的同心周边上的一点。当传感片被附到转子的转轴上时，位置探测传感单元被转动，故通过光学上穿过同心切口组的每一个切口的光不连续地产生位置探测脉冲。当位置补偿传感单元检测到一个通过光学上穿过补偿切口的光不连续地产生的位置补偿脉冲时，位置探测补偿单元通过接收位置探测脉冲来探测转子的位置，以及基于位置补偿脉冲在每一预置转动周被检测的位置来补偿转子的位置。此后，补偿位置被提供给开关控制单元。结果，因为通过限定部分归因于相关位置而产生的位置探测脉冲的失真所造成的不好影响，有可能防止位置探测脉冲失真的累积和传播，使得转矩波动和噪声被降低，因此使SRM的效率达到最大。
虽然图示和描述了所认为的本发明的优选实施例，但本领域的技术人员应当明白，在不偏离本发明的实质范围的情况下可对本发明做许多改变和修改，并可用等效物来代替其元件。另外，在不背离本发明的中心范围的情况下，可做出许多的修改，以适应本发明的教示的特定情况。因此，本发明并不限于在此作为实施本发明的最佳模式的特定实施例，但是本发明包括落在所附权利要求书内的所有实施例。

Claims (3)

1．一种用于检测开关磁阻电机(SRM)的位置的装置，它具有一开关控制单元，该开关控制单元用于根据转子对多相定子的相对位置而变化地切换一定子的每一相的激励状态，其特征在于，所述装置包括：
传感片，穿过该传感片，一个具有多个穿凿切口以具有沿同心周边的预置角分辨率的同心切口组，与至少一个具有多个沿不同的同心周边形成的切口的切口组非准直，以及，穿过该传感片，用于补偿所述转子的位置的补偿切口位于不同同心周边的一个点上；
一个位置探测传感单元，用于检测通过光学上穿过所述同心切口组的切口的光不连续地产生的位置探测脉冲，而所述传感片被附到所述转子的转轴上然后被转动；
一个位置补偿传感单元，用于检测通过光学上穿过所述补偿切口的光不连续地产生的位置补偿脉冲；以及
一个位置探测补偿单元，用于通过接收所述位置探测脉冲来探测该转子位置、基于所述位置补偿脉中在所述转子的每一预置转动周被检测的位置来补偿所述转子的位置、然后提供该补偿信息给所述开关控制单元。
2．根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传感片包括：
第一同心切口组，它具有多个穿凿切口，以具有沿具有第一半径的同心周边的预置角分辨率，并且以所述转子的转轴为中心分布；
第二同心切口组，它具有多个穿凿切口，以具有沿具有小于所述第一半径的第二半径的同心周边的预置角分辨率，并且以所述转子的转轴为中心分布；和
一个补偿切口，用于在以所述转子转轴为中心的具有第三半径的不同的同心周边的一点上补偿所述转子位置。
3．根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述预置转动周为1周。
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