CN1078401C - 磁阻电机用滞环电流控制器 - Google Patents

Abstract

一个滞环电流控制器，包括一个具有可调节滞环带的滞环电流控制设备。一个表示负载中电流的反馈信号与所需电流信号相比较以产生一个将由滞环控制设备接收的误差信号。对滞环控制设备的开关输出量进行监测以引取一个表示其频率的信号，该信号在控制回路中用于改变滞环带以便将开关频率基本上保持不变。

Description

磁阻电机用滞环电流控制器

本发明涉及磁阻电机用的滞环电流控制器。

开关型磁阻电机是具有可变电感的电负载的一个例子。它包括一个限定定子磁极的定子，和限定转子磁极的转子。激励绕组绕于定子磁极上。通常成组的绕组作为一相被同时激励。每一相中绕组通过在一个包括相绕组的相电路中开关电源来控制其激励。磁阻电机可用作电动机，也可用作发电机。1993年6月21-24日在德国Nurnberg的PCIM’93Conference and Exhibition上Stephenson和Blake提出的论文“开关型磁阻电机及驱动器的特性、设计和应用”中描述了开关型磁阻电机和它们的控制。

在低速时，开关型磁阻电机通常通过调节相绕组中的电流量来控制其产生的力矩，也即，电机称为“电流馈给”。通常电压源是获得电功率的最实际的设备，因此需要一个电流控制器。电流控制器控制电源开关的状态以便在相绕组上加上电压，从而在相绕组中产生所需电流。不论是在暂态过程中还是在稳态过程中，电流控制器的技术性能都受到引起相电流的电负载特性的影响。不像直流电机和感应电机，开关型磁阻电机既无不变的电感，又没有简单的“转EMF”效应。开关型磁阻电机的电气特性的数学表达式可描述如下： $V=\mathrm{iR}+l(i,\mathrm{\θ})\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{iw}\frac{\∂L}{\∂\mathrm{\θ}}(i,\mathrm{\θ})---\left(1\right)$

其中：

V是相电压

R是相电阻

i是相电流

L是相电感

l是相电感增量

ω是旋转速度

θ是相对于定子的转子角度

等式1中的三项分别阐述如下：

第一项(iR)是相绕组中电阻引起的压降；

第二项(l(i，θ)di/dt)正比于相电流的变化率及由相内的有效电感所引起，也即，电感增量所引起。由于电感增量是电流和角度两者的函数，因此这一项可认为本质上是非线性的。图1显示了一个典型开关型磁阻电机的电感增量的变化曲线，图中是不同相电流值时电感增量与转子角度的关系曲线。这显示出当电机在很大的电流范围内运行时，例如用作伺眼驱动器时，电感增量可在10比1的范围内变化；

等式1的最后一项(iωL(i，θ)/θ)可认为正比于旋转速度(ω)，因此有时称之为“转动EMF”。因为相电感是转子角度的函数，因此当电机旋转时电感发生变化，因而产生了这一项。这也是本质上非线性的，它决定于在具体相电流和转子角度时相电感如何随转子角度变化而变化。图2阐述了在一定速度下和不同相电流值时开关磁阻电机的转动EMF。

常用于控制开关型磁阻电机电流的一种形式是滞环电流控制。由于它可得到高的带宽控制和易于实现，因此被广泛地应用。滞环电流控制在EP-A-0635931中得到描述。

滞环电流控制的原理是任何时候当电流到达高于或低于所需电流的阈值电平时，即在电流控制器内改变电源开关的导电状态。上部和下部阈值之间的间距即称为滞环带。图3显示了一个简单的滞环电流控制功能。其中所加电压具有常幅值但有不同极性，用于电源开关的开通和关断状态，以及假定电流以线性方式上升和下降。但实际情况并不如此，这只是用于一般地阐述滞环斩波形状，实际电流在上下阈值的限值之间随意地变化，而当它超越任一阈值时，即被开关切换而受到控制。

开通和关断时间(图3中示如t_on和t_off)的简化表达式可用于导出下列等式：

f＝(V²-i_av ²R²-2i_avRε-ε²)/2li_hV    (2)

其中：

f是开关频率

V是DC链接电压

i_av是平均相电流

R是相电阻

ε是“转动EMF”

l是电感增量

i_h是滞环带宽度

等式2假定瞬时相电流将如上所述地线性地上升和下降。虽然这并不完全正确，但如果与电感负载的时间常数比较开关周期较短(开关型磁阻电机通常是这种情况)，则由于这种线性近似而引起的误差是相当地小。

自等式2可以看出，除非相应地调节滞环带的宽度，开关频率将随具体相电路参数的改变而改变。实际中并不如此做，因为这需要存储与电机电磁特性有关的相当大量的数据。这还要求在感测电流的同时感测转子位置和速度，并且要求实行极快的数据处理以确定滞环带的正确宽度。因此当使用常规滞环电流控制时，其结果是电源开关频率变化及出现不希望的音响噪音。

在最简单的滞环电流控制形式中，使用一条以所需电流为中心的固定滞环带。它如此设置以保证在驱动器的任何运行情况下电源开关频率都能使开关损耗不超过最大允许值。例如，当基于开关型磁阻电机的定位伺服驱动器需要超载运行时，它需要具有一条相对地宽的滞环带以配合高电流下遇到的极低电感增量。而这又会引起小平均电流下的明显的稳态误差，因为当滞环带的下限接近零电流时，距所需电流的正的和负的偏离值将不相等。

本发明的一个目的是减少由于对具有变化的电源开关频率的开关型磁阻电机进行控制而引起的音响噪音量。

本发明的另一个目的是在开关型磁阻电机的滞环电流控制的一组给定的运行条件下将滞环带优化。

本发明在所附独立的权利要求中被限定。本发明的优选特征在有关附属权利要求中阐述。

根据本发明的频率控制器用于有效地调节滞环带宽度以便调节开关频率。以此方式，可将开关频率维持得更接近于优选速率。也可能使用本发明的电流控制器更正确地控制开关型磁阻电机中的相电流，低至较小电流。

为控制电流，需要一个表示电流的信号。这可以是电流的反馈信号或者是自其它表示电流的变量中导出的信号。

本发明可用不同方式投入应用，现参照附图通过例子描述其中一些方式，附图中：

图1是不同相电流值时开关型磁阻电机的半周期内电感增量与旋转电角度的关系曲线；

图2是不同相电流值时开关型磁阻电机的半周期内转动MEF与旋转电角度的关系曲线；

图3是用于阐述滞环电流阈值之间相电流切换的曲线；

图4是根据本发明的电流控制器的一般化原理框图；

图5是本发明的控制器第一实施例的更详细原理框图；以及

图6是本发明的控制器第二实施例的更详细原理框图。

参照图4，开关型磁阻驱动器包括一个滞环电流控制器，它所包括的第一误差放大器10提供一个误差信号I_e，此信号I_e表示电机所需电流信号I_d和电机电流反馈信号I_f之间的差值。信号I_f用电流传感器12自开关型磁阻电机28定子绕组中的相电流得出。误差信号I_e作为输入量提供给滞环控制装置14。装置14的输出量是一个开关触发信号T，用于选择性地激励电机的具体相电路的电源开关，并通过该开关将电压加至相绕组上。

此实施例中，每一相的相导通的时间分配和相序由控制器22控制，它根据来自电机28转子的位置信息决定合适的电流。在此实施例中，用位置传感器25和信号处理器27自转子轴23获取转子位置信息。本领域技术人员知道可以使用其它转子位置检测形式，例如美国专利号5,467,025所提到的。图4只阐述电机28的一相开关电路24。一般而言，电机尚有其它相，每一相都有其自己的开关电路。替代方案是两个或更多相可分享一个开关电路。开关的时间分配和顺序是开关型磁阻电机技术中常规内容，因此这里不再详细描述。图4的实施例可在概念上划分为技术中常规的电流控制回路和频率控制回路。本领域技术人员知道，图4中大部分框可用硬件或软件实现。

滞环控制装置14的输出量是开关型磁阻电机28一相的触发信号。因此，按照每一相导通周期的时间分配，滞环控制装置14提供一串触发脉冲以控制相绕组两端的电压从而调节滞环带的上部和下部阈值之间的绕组电流。

第二误差放大器16提供一个用于表示参考开关频率F_r和频率反馈信号F_f之间差值的频率误差输出量F_e。信号F_r不必为常量-它可由用户控制也可编程以按照某些其它事件或周期的事件模式变化。信号F_f用频率感测器18取自滞环控制设备14的开关触发输出量。

频率误差信号F_e加至频率控制器20上，后者向滞环控制设备14提供一个滞环宽度I_h。

信号I_d有一个符号和与所需电流电平成比例的幅值。如果要保持滞环带宽度不变，则电流控制器的开关频率应根据具体运行点变化(如以上等式2中所定义的)。

根据本发明的控制器感测当电流误差信号I_e越过滞环阈值中的一个值时引起的开关操作的频率，即能调节上部和/或下部滞环限值，从而控制平均开关频率使之接近于预定的参考频率F_r。

频率控制器以比相电流控制率慢的速率改变滞环宽度I_h。用此方式在无论何种具体相运行情况下都调节平均开关频率。下面将对此详细解释。

图5中显示本发明的更详细实施例。开关频率的控制由锁相回路(PLL)实现，PLL将滞环控制设备14用作PLL的压控振荡器(VCO)。频率比较器是一个II型数字相敏检测器(PSD)30。使用II型检测器是因为无论F_r和F_f的占空度如何不同都能正确地运行。还注意到，反馈频率信号F_f加至检测器30的非反相输入端+及参考频率信号F_r加至检测器的反相输入端-。这考虑到滞环带宽度和开关频率间的倒数关系，也即在具体运行点上当滞环带增大时，开关频率减小。

比例加积分(P＋I)补偿器32用作频率控制器。它自PSD30接收误差频率信号F_e本领域技术人员知道，由流向开关型磁阻电机的周期性激励电流的本质所决定，任何一相内的电流都不是连续流过的，不同于例如三相感应电机。因此在每一相绕组的激励周期之间的时间内有效地禁止滞环控制设备14发挥VCO功能。当所需电流的变化率超过系统能反应斜率限度时也出现这种情况，电源电压决定激励电流的变化率。因此，考虑到相激励电流的间断特性，希望PLL能在每一个相激励周期开始时快速地和可靠地锁断，这是非常有利的。如果PLL能够“跨过”能引起PLL失锁的控制电流中的暂态干扰从而得到快速的重新锁定，这也是有利的。下面将描述能实现这点的控制动作。

图5中通过一个加法器34在来自P＋I补偿器32的控制信号输出量上加上一个可调节偏差量I_o。偏差量I_o的值是激励周期开始时所需滞环带的合适宽度的最初估计值。使用此偏差量后，PLL不必自零的滞环宽度值开始以实现锁定，其结果是可以更快地进行搜索。

加法器34的控制输出量送至限幅器36以使滞环带的偏离值限于固定限值之内，从而避免回路搜索期间可能出现的过高的开关频率。PLL控制回路内这样一个非线性元件也有助于锁定搜索。

该系统也设计用于在所需电流中出现快速波动时协助PLL实现平滑控制功能。所谓“快速”，即速率如此快以致开关频率降至零值，而通过电源V_Dc有限的可用驱动电压而限制了相电流斜率。这由电流斜率限制检测器38实现，它接收电流误差信号I_e和等于滞环宽度信号的限幅器输出量I_h。检测器38输出量送至双输入与门40的一个输入端。与门40的另一输入端是PSD30的输出端。PSD30输出量由斜率限制检测器38选通后即为与门40输出量，并送至P＋I补偿器32。当误差电流信号I_e的变化率大至产生斜率限制时，即禁止PSD30输出量送至P＋I补偿器32。一旦任何这样一种暂态情况结束，斜率检测器38的输出量改变状态以允许PSD30输出量送至P＋I补偿器。当发生斜率限制而禁止滞环电流控制器运行时，这防止P＋I控制器32对滞环电流控制器的VCO操作作出反应。由于PLL跨过暂态状态，因而也允许相对快地重新建立锁定状态。

最后，PLL能够达到锁定的速度借助于P＋I补偿器32的复位输入量I_r，任何时候当系统控制中没有相激励时输入量I_r即将积分项复位至零，也即此复位信号定时地在相导通周期以外移去积分项。

本发明的这个实施例中使用的锁相回路将滞环控制设备用作压控振荡器(VCO)。PLL的VCO增益根据具体运行情况在相当大的范围内变化。这使PLL的动态响应根据运行情况变化，而不是向相开关提供触发信号的电流调节回路的响应。本发明披露以下事实：所需开关频率的信号(或是数字或是模拟的)可用作反馈控制回路的输入量，以便响应于被监视的开关频率而调节滞环带。

频率PLL控制的带宽最好明显地小于电流控制回路的带宽。例如，认为使PLL带宽比电流控制回路窄10倍是实际的。用于控制频率的PLL的响应是基于开关频率的一系列周期的平均值。如果PLL响应过快，则会出现系统不稳定的风险，因为一个控制回路会试图对其它回路中的变化作出反应。

图6显示本发明的另一替代形式，它是更完全数字化地检测开关周期而不是频率的实施例。开关触发信号T送至周期测量设备40。在对应于开关动作周期被允许的周期内该设备将数字高频时钟42的转变次数计数，从而确定开关动作周期P_f，数字减法器44获取测量设备40输出量P_f与参考开关周期信号P_r之差值。该减法操作可用众所周知的二进制补码加法器完成。

数字加法器48将偏差量I_o加至数字P＋I补偿器46输出量上。数字限幅器50确定滞环带的最大和最小宽度。数模转换器52接收限幅器50的数字输出量以产生模拟滞环带控制信号I_h。

在其它方面，图6的实施例等效于图5。在这两种情况下，所需开关频率由电流控制回路以外的回路控制。实际中，此实施例大部分可由软件实现。

虽然本发明结合以上讨论过的阐述性实施例被描述过，但本领域技术人员知道，可在不背离本发明的情况下做出很多改动。虽然上面描述了模拟的和数字的锁相回路，很明显也可使用控制系统技术中熟知的其它形式的控制回路，还有，可使用以上描述的比例加积分操作以外的其它控制方式。例如，可用极点零点迫近法。本领域技术人员知道一部分电路可用数字、模拟或软件形式实现。因此，以上实施例的描述使用例子而并没有限制的目的。本发明只由下列权利要求书的实质和范围所限制。

Claims (20)

1.一种用于控制具有至少一个绕组的开关型磁阻电机中电流的方法，该方法包括以下步骤：

引取一个表示电流的电流信号；

设置一个围绕一个表示所需电流的电平的滞环带；

当电流信号表示出电流已超越滞环带的一个限值时切换电流以使电流回至滞环带内；以及

通过调节滞环宽度来调节开关频率。

2.如权利要求1中所述的方法，包括对所监测频率作出响应，通过调节滞环带宽度以监控开关频率的步骤。

3.如权利要求2中所述的方法，其中对所监测频率作出响应，调节滞环带以将开关频率基本上保持于所需速率上。

4.如权利要求1、2或3中所述的方法，包括将所监测频率与参考频率进行比较以产生一个频率误差信号以及根据频率误差信号和控制功能产生一个控制信号的步骤。

5.如权利要求4所述的方法，其中控制功能是一个比例加积分控制功能。

6.如权利要求5中所述的方法，其中当绕组中没有电流流过时控制功能的积分项被清零。

7.如权利要求4至6中任何一项所述的方法，其中一个偏差量加至控制信号中。

8.如权利要求1至7中任何一项所述的方法，包括限定滞环带的最小和/或最大宽度的步骤。

9.如权利要求2至8中任何一项所述的方法，包括引取表示电流斜率的信号及当斜率超过预定速率时禁止控制信号的步骤。

10.如权利要求1至9中任何一项所述的方法，包括将所需电流电平信号与电流信号进行比较以引取一个电流误差信号的步骤，该滞环带围绕零电流误差而设置。

11.如权利要求1中所述的方法，其中电流信号是一个反馈信号。

12.一种包括开关型磁阻电机的开关型磁阻电机系统，该开关型磁阻电机具有一个定子，一个转子和至少一个相绕组，该系统包括：

用于引取表示绕组电流的电流信号的装置；

可操纵以便将电压加至绕组上的开关装置；

用于将电流信号与表示所需电流的信号进行比较以产生一个误差信号的误差检测装置；

配置以接收误差信号并可操作以便当误差信号超过上部或下部滞环阈值时操纵该开关装置以使电流回至滞环带内的滞环控制装置；以及

可操作以调节滞环带宽度从而调节开关频率的频率控制装置。

13.如权利要求12中所述的系统，包括用于监测开关频率以产生一个输出量的监测装置，该频率控制装置可操作以根据所述输出量产生一个频率控制信号，该滞环控制装置对频率控制信号作出响应而调节滞环带宽度。

14.如权利要求13中所述的系统，其中该滞环控制装置对频率控制信号作出响应以调节滞环带从而将开关频率基本上保持在所需速率上。

15.如权利要求14中所述的系统，其中误差检测装置被配置以便根据监测装置输出量与所需速率之间之差产生一个频率误差信号。

16.如权利要求15中所述的系统，其中频率控制装置包括一个比例加积分控制器。

17.如权利要求13至16中任何一项所述的系统，包括配置以将偏差量加至频率控制信号上的偏差量装置。

18.如权利要求13至17中任何一项所述的系统，包括可操作以监测绕组中电流的斜率并当电流斜率超过预定速率时禁止控制信号的斜率监控装置。

19.如权利要求12至17中任何一项所述的系统，包括当绕组中没有电流流过时将控制器的积分控制项清零的装置。

20.如权利要求13至19中任何一项所述的系统，包括一个装置以限定滞环带的最小和/或最大宽度的限幅器。

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