CN109496391A - 用于操作电动机的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

提供了操作电动机的装置和方法，包括依次激励多个定子线圈以旋转转子。每个所述线圈用至少包括第一部分和第二部分的重复脉冲序列来激励，第一部分和第二部分交替地重复以形成该重复脉冲序列。第一部分包括第一脉冲模式，第一脉冲模式中的每个脉冲具有第一极性或第二极性，并且第一脉冲模式中的至少两个连续脉冲具有相同的极性。第二部分包括第二脉冲模式，第二脉冲模式具有与所述第一脉冲模式相同的模式，但具有相对于所述第一脉冲模式相反的极性。

Description

用于操作电动机的方法和装置
技术领域
本技术一般涉及电动机。具体地，本技术涉及用于控制电动机的方法和装置。
背景技术
已知一种开关磁阻电动机系统，其具有某些不期望的特性，例如，由转子材料中的滞后或昂贵的低滞后钢的使用引起的规则能量损耗。本公开试图提供用于改进的电动机系统的技术。
发明内容
根据第一种技术，提供了一种操作电动机的方法，包括：
依次激励多个定子线圈以旋转转子，每个所述线圈用至少包括第一部分和第二部分的重复脉冲序列来激励，所述第一部分和第二部分交替地重复以形成所述重复脉冲序列，其中
第一部分包括第一脉冲模式，第一模式中的每个脉冲具有第一极性或第二极性，第一模式中的至少两个连续脉冲具有相同的极性，并且
第二部分包括第二脉冲模式，第二脉冲模式具有与所述第一脉冲模式相同的模式，但具有相对于所述第一脉冲模式相反的极性。
根据第二种技术，提供了一种用于电动机的控制电路，包括：
驱动电路，用于激励多个定子线圈中的每一个；以及
控制电路，用于使得所述驱动电路用至少包括第一部分和第二部分的重复脉冲序列来激励每个所述定子线圈，所述第一部分和第二部分交替地重复以形成所述重复脉冲序列，其中
第一部分包括第一脉冲模式，第一模式中的每个脉冲具有第一极性或第二极性，第一模式中的至少两个连续脉冲具有相同的极性，并且
第二部分包括第二脉冲模式，第二脉冲模式具有与所述第一脉冲模式相同的模式，但具有相对于所述第一脉冲模式相反的极性。
根据第三种技术，提供了一种电动机，包括：
定子，具有安装在其上的多个定子线圈；
转子，被布置成在所述定子内旋转；
控制电路，用于依次激励所述多个定子线圈以使转子旋转，控制电路被配置为用至少包括第一部分和第二部分的重复脉冲序列来激励每个所述定子线圈，所述第一部分和第二部分交替地重复以形成所述重复脉冲序列，其中：
第一部分包括第一脉冲模式，第一模式中的每个脉冲具有第一极性或第二极性，第一模式中的至少两个连续脉冲具有相同的极性，并且
第二部分包括第二脉冲模式，第二脉冲模式具有与所述第一脉冲模式相同的模式，但具有相对于所述第一脉冲模式相反的极性。
附图说明
仅通过举例的方式，参考附图中所示的实施例进一步描述本技术，其中：
图1示出了根据实施例的开关磁阻电动机系统；
图2示意性地示出了根据实施例的驱动电路的示例部分；
图3示出了根据实施例的驱动电路部分的示例操作；
图4示出了根据实施例的示例布置，其中两个驱动电路部分被成对布置；
图5示出了根据实施例的转子和定子的径向视图；
图6a、6b和6c示出了在示例性电动机系统的操作期间一组定子齿和相邻转子齿的近视径向视图；
图7通过图表示出了定子线圈的激励序列；
图8通过图表示出了定子线圈的替代激励序列；以及
图9通过图表示出了根据实施例的定子线圈的激励序列。
具体实施方式
图1示出了根据实施例的开关磁阻电动机系统100。电动机包括转子102和定子104。转子102被布置成在定子104内旋转。转子102包括多个转子齿106。转子齿106包括从转子102径向向外延伸的突起。在图1描绘的实施例中，每个转子齿106沿转子102的长度延伸。在图1描绘的实施例中，转子102具有16个转子齿106。在替代实施例中，定子可以具有多于或少于16个转子齿106。
定子104包括多个定子齿108。定子齿108包括从定子104径向向内延伸的突起。在图1描绘的实施例中，每个定子齿沿定子104的长度延伸。在图1描绘的实施例中，定子104具有24个定子齿108。在替代实施例中，定子可以具有多于或少于24个定子齿。每个定子齿被构造成具有安装在其上的定子线圈110。例如，每个定子线圈110可以缠绕在相应的定子齿108上。每个定子线圈通常可以包括大量的匝数，例如，200。
在图1描绘的实施例中，为了清楚起见，仅示出了安装有定子线圈110的单个定子齿。然而，在实践中，定子齿中的许多或全部可以具有这种安装在其上的定子线圈。在图1描绘的实施例中，未示出安装在转子齿106上的线圈。在替代实施例(未示出)中，转子线圈可以以类似的方式安装到每个转子齿106上。
电动机系统100还包括用于激励相应的定子线圈110的驱动电路112以及用于控制驱动电路112并从而控制供应给定子线圈110的电力的控制电路114。在一些实施例中，控制电路114可以被认为包括驱动电路112。
图2示意性地示出了根据实施例的用于向给定定子线圈110供电的驱动电路112的示例部分200。在图2中，给定定子线圈被示意性地表示为电感202。驱动电路200可以被视为包括电压升压部分和电压降压部分的混合开关电感电压转换器。驱动电路200的电压升压部分包括升压二极管204和升压开关206。驱动电路200的电压降压部分包括降压开关208和降压二极管210。驱动电路200的电压升压部分和电压降压部分两者都利用存储电容器212。
升压开关206和降压开关208可由控制电路114分别通过升压控制信号216和降压控制信号218电子地控制。在实施例中，升压开关206和降压开关208可以各自包括基于晶体管的开关元件。在操作中，升压控制信号216和降压控制信号218互斥地断言以使得定子线圈202以双极方式被供电，其中电流被使得首先沿一个方向流过定子线圈(即，在升压操作期间)，然后沿相反方向流过定子线圈(即，在降压操作期间)。
在升压操作期间，使用驱动电路200的电压升压部分。当升压控制信号216被断言时，升压开关206被使得导通(即，闭合)，并且电源电压被施加在由电感202表示的定子线圈上。这使得电流从电源流过定子线圈，从而在定子线圈处产生磁场。当升压控制信号216被关断(即，未被断言)时，升压开关206停止导通(即，断开)。然而，由于定子线圈的电感202，电流将继续流过定子线圈一段时间。在这段时间期间，流过定子线圈的电流经由升压二极管204流入存储电容器212。因此，在这段时间期间从定子线圈消耗的能量由存储电容器212收集。这将存储电容器212升压到关断定子线圈中的电流的电压电平。此后，存储在存储电容器212中的电荷可用于在驱动电路200的降压操作期间沿相反方向激励定子线圈。
在降压操作期间，使用驱动电路200的电压降压部分。当降压控制信号218被断言时，降压开关208被使得导通(即，闭合)并且存储电容器212的电压被施加到定子线圈。这使得电流沿相反方向从存储电容器212流过定子线圈，从而在相反极性的定子线圈处产生磁场。当降压控制信号218被关断(即，未被断言)时，降压开关208停止导通(即，断开)。同样，由于定子线圈的电感202，电流将继续流过定子线圈一段时间。在这段时间期间流过定子线圈的电流经由降压二极管210流入电源。
图3示出了驱动电路部分200的示例操作以及通过相应定子线圈110产生的结果电流。图300示出了升压控制信号216随时间的电压(标记为VBOOST)。图301示出了降压控制信号218随时间的电压(标记为VBUCK)。图304示出了在相同的时间段内在相应的定子线圈110中产生的结果电流(标记为ICOIL)。如前所述，升压控制信号216和降压控制信号218由控制电路114互斥地断言。在实施例中，控制电路114被配置为仅在定子线圈中的电流归零(或接近零)时对升压控制信号216和降压控制信号218进行断言。以这种方式，驱动电路部分200中的电压仅在电流低时才被切换，并且定子线圈中的电流仅在电压低时才被切换。这具有确保升压开关206和降压开关208的功耗要求较小的效果，这意味着可以使用相对低成本的开关元件(例如，MOSFET)(代替例如更昂贵的高功率IGBT)。
如图3所示，驱动电路在此时间段期间的操作可以在概念上分为四个阶段。在阶段1期间，升压控制信号216被断言，使得电流在第一方向上流过定子线圈(示出为图304上的正电流)。在阶段2期间，升压控制信号216被移除。然而，由于定子线圈的电感，电流继续在第一方向上流过线圈一段时间，给存储电容器212充电。在阶段3期间，降压控制信号218被断言，使得电流在第二(相反)方向上流过定子线圈(示出为图304上的负电流)，给存储电容器212放电。在阶段4期间，降压控制信号218被移除。然而，由于定子线圈的电感，电流继续在第二方向上流过线圈一段时间，流入电源。
如图1所述，电动机系统100的定子104包括多个定子齿108，每个定子齿108具有安装在其上的定子线圈110。在实施例中，电动机系统100的驱动电路112包括多个驱动电路部分200，每个驱动电路部分200被布置成驱动定子线圈110中的不同的一个定子线圈或定子线圈110的子集。
图4示出了示例布置，其中，两个驱动电路部分200a、200b成对地与共享电源302布置，以分别驱动定子线圈110a和110b。通过这样成对地布置驱动电路部分200a、200b，控制电路114可以被配置为调度提供给每个驱动电路200的升压控制信号216和降压控制信号218，使得由驱动电路部分200a、200b中的一个从共享电源302吸取的电力被该对中的另一个驱动电路部分200a、200b返回给电源的电力抵消。例如，控制电路114可以对该对中的一个驱动电路部分200a、200b断言升压控制信号，同时对该对中的另一个驱动电路部分200a、200b断言降压控制信号。以这种方式，在操作期间由两个驱动电路从电源吸取的净电力被显著降低。
例如，当驱动电路部分200a处于升压操作时，使电流从共享电源302流入定子线圈100a，并最终对驱动电路部分200a的存储电容器充电。同时，驱动电路部分200b处于降压操作；电流从驱动电路部分200b的存储电容器流出，并被使得经由定子线圈100b以相反方向流回共享电源302。类似地，当驱动电路部分200b处于升压操作时，使电流从共享电源302流入定子线圈100b，并最终对驱动电路部分200b的存储电容器充电。同时，驱动电路部分200a处于降压操作；电流从驱动电路部分200a的存储电容器流出，并经由定子线圈100a以相反方向流回共享电源302。该对驱动电路部分200a、200b的这种平衡操作的净效应是共享电源302上显著减小的电源电流负载。
图5示出了示例性电动机系统100的转子102和定子104的径向视图。可以看出的是，由于转子齿106的数目与定子齿108的数目的比率(在该示例中为2：3)，所以每三个定子齿可以同时与转子齿对准，而每两个转子齿与定子齿对准。为了在转子102中引起运动，安装在电动机的定子齿108上的各个定子线圈110被依次激励，以吸引相邻或附近的转子齿106朝向该定子齿的位置。
可以看出的是，由于图5中描绘的示例性电动机系统100的旋转对称性，所以每三个定子齿108相对于其最近的转子齿106处于相同的位置。换句话说，在图3中被标记为“A”的每个定子齿108相对于其最近的转子齿106处于相同的位置。类似地，被标记为“B”的每个定子齿108相对于其最近的转子齿106处于相同的位置，并且被标记为“C”每个定子齿108相对于其最近的转子齿106处于相同的位置。因此，可以看出的是，在电动机系统100的正常操作期间，每第三个定子齿108的定子线圈110应大约同时被激励，以便促进转子102的旋转。
为了提供上述的成对布置，选择安装在定子齿108上的成对的定子线圈110，其中定子齿108是三个分开的齿的倍数(即，它们在图5中用相同的字母标记)。对于其中转子齿106的数目与定子齿108的数目的比率不是2：3的电动机系统，需要不同的齿选择布置。例如，可以选择使得定子齿108是邻近的成对的定子线圈110。替代地，可以选择其中定子齿108是相对的或者是某种其他布置的成对的定子线圈110。
此外，可以布置定子线圈110的群组，其包含安装到每个相对位置的定子齿108的定子线圈对(即，标记为“A”的对、标记为“B”的对、和标记为“C”的对)。例如，在图5中，布置了定子线圈110的四个群组(被标记为群组1-4)，其中每个群组包含与每个相对位置的定子齿108相对应的一对定子线圈。每个群组中的定子线圈可以用在共享电路板上提供的控制电路和/或驱动电路来控制，或者使用共享电源。使用这种布置，可以有效地平衡由每个群组吸取的电流。这种布置还允许针对每个群组的控制序列在其他群组上被重复。在图5描绘的实施例中，群组1-4包括安装到相邻定子齿108的定子线圈110。在替代实施例中，可以使用不同的定子线圈选择。可能的替代选择包括其中成对的定子线圈被安装到定子104上彼此相对的定子齿的上述布置，或者选择其中每个群组中的定子线圈110更均匀地围绕定子104分布的群组。
图6a、图6b、和6c示出了在示例性电动机系统100的操作期间群组1中的定子齿108和相邻转子齿106的近视径向视图。群组1的六个定子齿108已标记有数字1至6以在以下描述中便于参考。为了引起转子102的旋转，安装在电动机的定子齿108上的各个定子线圈110的升压和降压操作的时序相对于彼此偏移，如下面进一步描述的。
在图6a中描绘的初始位置中，转子齿106与群组1中标记为1和4的定子齿对准。为了引起转子的逆时针旋转，安装到被标记为3和6的定子齿108的一对定子线圈110被控制电路112和相应的驱动电路114激励。这在相应的定子线圈110中建立磁场，如图6a所示。在被标记为3的定子齿中感应的磁场被定向为径向向内为北(N)，而在被标记为6的定子齿中感应的磁场被定向为径向向内为南(S)。这是由于该对中的一个线圈在升压模式下被驱动而该对中的另一个线圈在降压模式下被驱动。由于在被标记为3和6的定子齿108中感应的磁场，磁力将最近的转子齿106吸引到这两个定子齿中的每一个，如图6a中的箭头所示。
由于这些力，转子齿被吸引朝向与被标记为3和6的定子齿108对准，如图6b所示。为了引起转子的进一步旋转，安装到被标记为2和5的定子齿108的一对定子线圈110然后被激励。这在相应的定子线圈110中建立磁场，如图6b所示。由于在被标记为2和5的定子齿108中感应的磁场，磁力将最近的转子齿106吸引到这两个定子齿中的每一个，如图6b中的箭头所示。
由于这些力，转子齿被吸引朝向与被标记为2和5的定子齿108对准，如图6c所示。为了引起转子的进一步旋转，安装到被标记为1和4的定子齿108的一对定子线圈110然后被激励。这在相应的定子线圈110中建立磁场，如图6c所示。由于在被标记为1和4的定子齿108中感应的磁场，磁力将最近的转子齿106吸引到这两个定子齿中的每一个，如图6c中的箭头所示。由于这些力，转子齿被吸引朝向与被标记为1和4的定子齿108对准。
这使转子102移动到与图6a中描绘的位置等同的位置，但每个转子齿106都逆时针移位了一个位置。因此，可以重复定子线圈110的这种激励模式以继续转子102的旋转。类似地，可以在电动机系统中定子线圈110的其他群组上重复相同的激励模式。
虽然在图6a、6b和6c中在定子齿108中感应的磁场以特定的极性(即，南北方向)示出，但这可以不同地布置。例如，选择哪个定子线圈110来用升压或降压操作供电可以与图6a、6b或6c中任一个所示的布置相反。在一些实施例中，一些定子线圈110上的绕组方向可以相反，从而允许成对的两个线圈产生相同的磁极性，一个是使用降压操作产生的，一个是使用升压操作产生的。在一些实施例中，每个磁场的极性还可以随着激励序列的迭代而变化。例如，在每个序列之后，每个磁场的极性可以反转以用于下一个序列。
图7通过图表700示出了先前在图6中描绘的定子线圈的激励序列。图表700的水平轴示出了群组中的六个齿108中的每个齿的定子线圈110，被标记为C1至C6。时间被示出为沿着图表700的垂直轴向下增加。从图表700的每列向下看，每个线圈都用交替的极性来激励。换句话说，每个定子线圈通过完全双极性操作来激励。通过观察图表的对角切片可以看出每个转子齿106被吸引的极性序列，例如如框702所示。利用图7中所描绘的激励序列，可以看出每个转子齿也被交替的极性吸引，即，第一定子线圈用假想的(notional)N极性来吸引转子齿，下一个定子线圈用S等来吸引同一转子齿。因此，这首先在定子齿中引入一个假想的S极性，之后是N极性等。
由于铁的磁滞，这种双极性通常会引起所谓的滞后损耗，其中在反转磁场的极性时消耗能量。损耗量取决于具体材料以及切换频率。传统的电动机可以通过利用低滞后钢和低切换频率来减轻滞后损耗的影响。然而，由于与传统电动机系统相比，本文所描述的电动机系统中的齿数相对较大，因此需要相对较高的切换频率。此外，低滞后钢是昂贵的，因此不期望依赖于其。
图8通过图表800示出了定子线圈110的替代激励序列。在图8所描绘的激励序列中，序列已被调整以减小每个转子齿106所看到的极性变化的频率。如切片802所示，使用第一极性吸引转子齿106三次，然后使用相反极性吸引转子齿106三次。虽然这种方法减少了转子中的滞后损耗，但在定子中仍然会产生显著的损耗。
根据实施例，定子线圈被激励的序列被配置为使得极性不经常被反转。这是通过在每次双极性切换之前执行一系列单极性切换来实现的。
图9通过图表900示出了根据实施例的定子线圈110的激励序列。在图9所描绘的激励序列中，每个定子线圈110被以第一极性激励两次，然后被以相反极性激励两次。该重复脉冲序列被应用于多个定子线圈110中的每一个。以这种方式激励定子线圈相当于将每个定子线圈110的双向切换频率减小两倍。此外，可以从切片902看出，该激励序列进一步减少了每个转子齿106所经历的极性变化。然而，该方案确实增加了存储在存储电容器212中的峰值电荷，这是两次连续升压操作以及之后的两次连续降压操作的结果。
根据这些实施例的激励每个定子线圈110的重复脉冲序列的特征在于具有交替重复以形成重复脉冲序列的第一部分和第二部分。在图9所描绘的实施例中，第一部分包括两个第一极性的脉冲，并且第二部分包括两个相反极性的脉冲。在其他实施例中，第一和第二部分可以具有更长或更复杂的脉冲序列。根据实施例，为了实现所描述的双极性切换频率的减小，第一部分具有包括至少两个相同极性的连续脉冲的脉冲模式。此外，根据实施例，为了平衡系统，第二部分具有相对于第一部分中的等效脉冲相反的极性的脉冲模式。
根据一些实施例，重复脉冲序列的第一部分包括具有相同极性的预定数目的脉冲的模式。在这些实施例中，重复脉冲序列的第二部分包括具有相反极性的相同预定数目的脉冲的模式。在图9所描绘的实施例中，该预定数目是2。在替代实施例中，该预定数目可以大于2。
在一些实施例中，可以使用计数器来确定每个脉冲的所需极性，从而实现该激励序列。例如，计数器可以在每次脉冲被生成时被递增。当计数器达到预定阈值时，可以修改极性状态指示符的值。该极性状态指示符可以被存储在寄存器等中。一旦达到预定阈值，就可以重置计数器。因此，当生成给定脉冲时，可以读取极性状态指示符以确定应生成的脉冲的极性。这确保了预定数目的脉冲以一个极性来生成，之后预定数目的脉冲以相反极性来生成。在一些实施例中，预定阈值是第一部分中的脉冲数目。在等效实施例中，替代地，计数器可以在每次脉冲被生成时递减，一旦计数器达到零，极性状态指示符就被修改，并且计数器被重置为预定数目。
尽管上面已经描述了相对简单的脉冲模式，其中第一部分中的所有脉冲都是一个极性，并且第二部分中的所有脉冲都是相反的极性，但是也设想了更复杂的脉冲模式。例如，已经发现如下的模式是有效的：第一部分包括模式N-S-N-N-S-N，第二部分包括相反模式S-N-S-S-N-S。此外，取决于模式，一个或多个平衡脉冲可以在重复脉冲序列的第一部分和第二部分之间交错。
然而，在上文中，已经关于单个定子线圈110或定子线圈110的群组描述了激励序列，但实际上，由于转子102和定子104中的旋转对称(如前所述)，这些序列可以并行地应用于所有定子线圈110的群组。这允许稍微简化控制电路114。
在一些实施例中，可以提供被配置为使得控制电路根据前述方法控制电动机的计算机软件。这种计算机软件可以以计算机程序产品的形式来提供，包括非暂态存储介质。

Claims (12)

1.一种操作电动机的方法，包括：
依次激励多个定子线圈以旋转转子，每个所述线圈用至少包括第一部分和第二部分的重复脉冲序列来激励，所述第一部分和所述第二部分交替地重复以形成所述重复脉冲序列，其中，
所述第一部分包括第一脉冲模式，第一脉冲模式中的每个脉冲具有第一极性或第二极性，第一脉冲模式中的至少两个连续脉冲具有相同的极性，并且
所述第二部分包括第二脉冲模式，所述第二脉冲模式具有与所述第一脉冲模式相同的模式，但具有相对于所述第一脉冲模式相反的极性。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一脉冲模式是预定数目的具有相同极性的脉冲。
3.根据权利要求1或2所述的方法，包括：
使用电压升压电路生成第一极性的每个所述脉冲，以及
使用电压降压电路生成第二极性的每个所述脉冲。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，包括：
当生成第一极性的给定所述脉冲时，将能量存储在存储电容器中，以及
当生成第二极性的相应所述脉冲时，从所述存储电容器释放能量。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，包括：每次在所述第一部分或所述第二部分中的给定一个期间生成脉冲时，递增计数器。
6.根据权利要求5所述的方法，包括：响应于所述计数器达到预定阈值，修改极性状态指示符的值。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括：响应于所述计数器达到所述预定阈值，重置所述计数器。
8.根据权利要求5或6所述的方法，其中，所述预定阈值包括所述第一部分中的脉冲数。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，一个或多个另外的脉冲在所述重复脉冲序列的所述第一部分和所述第二部分之间交错。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，第一极性的脉冲产生与磁北相对应的磁场，并且第二极性的脉冲产生与磁南相对应的磁场。
11.一种用于电动机的控制电路，包括：
驱动电路，用于激励多个定子线圈中的每一个；以及
控制电路，用于使所述驱动电路用至少包括第一部分和第二部分的重复脉冲序列来激励每个所述定子线圈，所述第一部分和所述第二部分交替地重复以形成所述重复脉冲序列，其中，
所述第一部分包括第一脉冲模式，第一脉冲模式中的每个脉冲具有第一极性或第二极性，第一脉冲模式中的至少两个连续脉冲具有相同的极性，并且
所述第二部分包括第二脉冲模式，所述第二脉冲模式具有与所述第一脉冲模式相同的模式，但具有相对于所述第一脉冲模式相反的极性。
12.一种电动机，包括：
定子，具有安装在其上的多个定子线圈；
转子，被布置成在所述定子内旋转；
控制电路，用于依次激励所述多个定子线圈以使所述转子旋转，所述控制电路被配置为用至少包括第一部分和第二部分的重复脉冲序列来激励每个所述定子线圈，所述第一部分和所述第二部分交替地重复以形成所述重复脉冲序列，其中：
所述第一部分包括第一脉冲模式，第一脉冲模式中的每个脉冲具有第一极性或第二极性，第一脉冲模式中的至少两个连续脉冲具有相同的极性，并且
所述第二部分包括第二脉冲模式，所述第二脉冲模式具有与所述第一脉冲模式相同的模式，但具有相对于所述第一脉冲模式相反的极性。
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