CN110798115A - 与多通道电机有关的改进 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电机装置，包括：具有多个通道的永磁同步电机电路，每个通道包括多个不平衡的相；电流需求电路，其接收具有等于待由电机产生的扭矩的值的扭矩需求信号；电流需求电路为每个通道生成指示待施加到通道的每个相以实现需求扭矩的电流的相应电流需求信号；第一驱动电路，包括选择性地将多个通道中的第一通道的相连接到电源的多个开关，使得对应于需求电流的PWM调制电流在每个相中流动；第二驱动电路，包括选择性地将多个通道中的第二通道的相连接到电源的多个开关，使得对应于需求电流的PWM调制电流在每个相中流动，其中电流需求电路适于修改电流需求信号中的一或两者，使得一或两个通道额外产生施加到电机转子的净值不为零的一组径向力。

Description

与多通道电机有关的改进
技术领域
本发明涉及多通道永磁同步电机的改进。
背景技术
永磁同步电机(PMSM)包括定子，定子包括一组齿，相绕组以限定的样式缠绕在所述齿上。三相是典型的，相的组形成通道。具有一组永磁体的转子围绕定子或在定子内部同心地布置。通过向相施加AC驱动电流，产生将围绕定子旋转的磁场。转子上的永磁体的磁通量与该旋转磁场相互作用，使转子与磁场同步旋转。通过使用脉冲宽度调制技术合成来自DC电源的AC电流，可以小心地控制电机的速度和扭矩。
发明内容
通常通过将电机定子的每个相连接到驱动电路来提供AC电流，该驱动电路包括选择性地将相连接到正或负或接地电源轨的一个或多个开关。开关的打开和关闭由控制电路控制，并且通过选择适当的PWM模式来打开和关闭开关，可以产生所需的旋转磁场。电流控制器接收电流需求信号，并由此产生适当的电流波形，该电流波形被施加到驱动电路的开关。需求信号通过电流需求电路在上游产生，该电流需求电路接收表示电机要求的扭矩的扭矩需求信号。由于电机扭矩与绕组中的电流之间的关系的非线性，通常使用查找表来执行扭矩到电流的转换。
PMSM电机通常用于车辆的电动助力转向系统。在电动助力转向系统中，电机将辅助扭矩施加到转向机构的一部分，该辅助扭矩帮助驾驶员转动方向盘。事实证明，这是一种比传统液压转向系统更高效的系统，并且还带来了额外的好处，例如能够提供额外的驱动辅助功能，并且相对简单地由制造商进行调整，仅使用对软件的修改就可以提供不同的转向感觉。
诸如电动助力转向的应用对安全至关重要，因为转向中的故障导致完全失去转向辅助可能会给驾驶员带来惊吓。因此，已知提供具有多个通道的PMSM电机。在本说明书的上下文中，并且如本领域中通常理解的，通道包括一组相绕组、驱动电路和电流控制器，所述驱动电路通过选择性地将相连接到电源而将电流波形施加到通道的每个相，所述电流控制器响应接收的电流需求信号为驱动电路的开关产生所需的PWM模式。在双通道电机中，有两个通道。
在完全独立的系统中，每个通道具有完全独立于另一个通道的驱动电路和控制电路的驱动电路和控制电路。在另一种布置中，每个通道可以具有其自己的驱动电路，但是两个通道可以共享公共的控制电路。在本说明书的上下文中，两种布置都落入具有多个通道的术语多通道PMSM电机的范围内。双通道电机正在被广泛使用。当然，在两个以上的通道的情况下，存在更高程度的容错性，但是一个通道为一个或多个其他通道提供备用或者能够与其他通道分担扭矩产生的职责的原理保持不变。
具有多个通道的PMSM电机可以以多种不同的方式操作。多个通道的子集可以用于在正常使用中驱动电机，而其他剩余的一个或多个通道不承载电流并且不参与驱动电机。如果正常使用的通道出现故障，可以将该通道关闭，而其他剩余的通道用于驱动电机。在具有两个或更多个通道的电机的替代方案中，所有通道可以在正常使用中被驱动，并且在一个通道发生故障的情况下，电机可以使用剩余的无故障通道继续运行，尽管扭矩水平降低。在正常使用中使用所有通道有一些好处，好处包括能够降低每个通道中开关的额定功率，这是因为在正常操作中，每个通道必须提供的峰值扭矩低于如果要求仅用一个通道来提供的所需的所有扭矩。
在典型的PMSM电机中，每个通道包括缠绕在围绕电机定子间隔开的齿周围的一组绕组。绕组和齿可以以多种不同方式布置。在平衡的绕组布置中，连续长度的导线的部分所围绕缠绕的齿成对布置，其中所述齿在直径上相对。在不平衡地进行绕组缠绕的电机中，至少有两个齿缠绕有非径向相对的连续长度的导线。图1示出了示例性的不平衡绕组电机。
在平衡电机中，当电流通过相时，施加到转子的径向力的净值为零(net tozero)，这是因为围绕相对齿的每个绕组在转子处产生相反的径向力。在附图中显示了平衡电机的两种不同布置。如果齿数和匝数相同，则这些力将完全抵消。如果所有相都是平衡的，那么无论对相施加什么电流，转子上的径向力的净值总是为零。
在本说明书的上下文中，术语不平衡通道应该被解释为包括这样的一组相的通道，其中通过通道的至少一个相的电流在转子处产生净径向力。
对于如图1所示的不平衡电机，当电流在相绕组中流动时，每个相绕组可在转子上产生净径向力。因为由通道的绕组产生的磁通产生不自相抵消的径向力，因此产生净径向力是可能的。
平衡和不平衡的绕组布置两者都是通常使用的，并且通过仔细选择在给定时间在通道的所有相中流动的电流的组合来使得每个相产生的所有径向力的总和的净值为零，可以使用不平衡布置而不在转子上产生不期望的净径向力。在图1的电机的情况下，例如，用相同的电流波形驱动两个通道将不会在转子上产生净径向力，这是因为径向力全部抵消。
根据本发明的第一方面，提供一种电机装置，其包括：
具有多个通道的永磁同步电机电路，每个通道包括多个不平衡相，
电流需求电路，其接收扭矩需求信号，该扭矩需求信号具有等于待由电机产生的扭矩的数值，所述电流需求电路为每个通道产生指示待被施加到通道的每个相以实现所需的扭矩的电流的相应的电流需求信号，
第一驱动电路，其包括多个开关，所述多个开关选择性地将多个通道中的第一通道的相连接到电源，使得对应于所需电流的PWM调制电流在每个相中流动，
第二驱动电路，其包括多个开关，所述多个开关选择性地将多个通道中的第二通道的相连接到电源，使得对应于所需电流的PWM调制电流在每个相中流动，
其中，电流需求电路适于修改电流需求信号中的一者或两者，使得一个或两个通道额外产生一组径向力，该径向力施加到电机转子并且净值不为零。
在多个通道包括三个或更多个通道的情况下，可以存在额外的驱动电路(每个通道一个)，每个驱动电路包括多个开关，所述多个开关选择性地将多个通道中的相应一个通道的相连接到电源，使得对应于所需电流的PWM调制电流在每个相中流动，并且在这种情况下，电流需求电路可以适于修改一个或多个电流需求信号，使得多个通道中的一个或多个通道额外产生一组径向力，该径向力施加到电机转子并且净值不为零。
申请人已经意识到，在多(两个或更多个)通道电机中，如果每个通道都不平衡，则可以通过向通道中的两个或更多个的相施加差值电流(difference current)来产生径向力。以这种方式，除了标准旋转力之外还可以产生受控的径向力，这可以提供广泛的益处。
本领域技术人员将理解，电机应该被配置成使得两个或更多个电机通道在对每个相以适当电流波形驱动时可以一起工作，以在从最大负扭矩到最大正扭矩的操作范围内产生任何扭矩，而不在转子处产生净径向力。这允许电机在以未修改的电流需求信号驱动时平稳地操作。这可以通过使得两个通道都不平衡、而两个通道配置成在用适当的电流波形驱动时产生相反的径向力从而可以产生所需的径向力来实现。产生不平衡通道的简单规则是在用于通道的定子上提供n-2个极，其中n是转子的极的数量。如果有两个通道，这意味着定子上总共应有2(n-2)个极。
满足前一段所述的要求的示例性电机布局可以包括用于每个通道的三个相A、B和C，其中，缠绕用于第一通道的相A的定子齿的每个均与缠绕用于第二通道的对应相A、B或C的定子齿径向相对。
在最方便的电机布局中，电机是双通道电机，这意味着该电机有两个通道。
电机可包括十二个齿，其中第一通道包括围绕一半齿的绕组，并且第二通道包括围绕另一半齿的绕组。每个相可以包括围绕不径向相对的两个齿缠绕的连续导线。
第一通道可包括围绕位于电机的一半中的齿的绕组，并且第二通道可包括围绕位于电机的另一半中的齿的绕组。电机的一半是指电机定子的围绕定子周长延伸大约180度的部分。
第一通道的绕组和齿的组可以具有与第二通道的绕组和齿的组相同的特性，使得对于相中的给定组的驱动电流，每个通道将产生相同的扭矩，但是每个通道的齿和绕组的相对位置必须如上所述偏置，使得每个通道产生相同但偏置的径向力。以这种方式，如果每个通道的电流需求的值相同，则来自两个通道的径向力的净值将为零。因为只需要为每个通道产生一个电流需求值，简化了电流需求电路的设计，因此这很方便。
电流需求电路可以接收至少一个径向力需求信号，并且可以根据径向力需求信号修改电流需求信号。
电流需求电路可以接收两个径向力需求信号，一个对应于沿X轴所需的径向力，另一个对应于沿正交于X轴的Y轴所需的径向力。在该参照系中，Z轴可以沿着电机转子的旋转轴线放置。
提供一种能够在不改变电机的扭矩特性的情况下向转子增加径向力的电机装置能够提供一系列有益的电机电路功能。
在一种布置中，电流需求电路可以接收调制的径向力需求信号，该径向力需求信号使得电流需求设备修改电流需求信号，使得转子以10Hz至1khz的频率振动并且振幅为对于与电机或与附接至转子的部件接触的人来说可察觉。例如，这可以是其中电机用于施加辅助扭矩的电动助力转向设备的方向盘。
电机装置可以配置成使得径向振动在电机处产生声学噪声。同样，这可以在人能听到的范围内，例如20Hz到40KHz。
电流需求电路可以通过为每个相产生与未修改的电流需求信号相加的径向力需求信号来修改电流需求信号。
电流需求信号和径向力需求信号可以包括电机的dq参考系中的信号。
电流需求电路可以布置成使得在电机的正常操作期间，电流需求信号将使得两个通道在电机扭矩需求信号非零的任何时候向电机施加扭矩。如扭矩需求信号所指示，每个通道可以在任何时候贡献电机所需扭矩的一半。即从相应的通道以相同形式施加相等扭矩。
在有两个以上的通道的情况下，每个通道可产生不到一半的扭矩。例如，对于三个通道，每个通道可以始终贡献所需扭矩的三分之一。
在两个通道(或多通道电机的两个以上的通道)在正常操作期间贡献扭矩的情况下，电流需求电路可以修改第一通道的电流需求信号，使得第一通道在电机中产生一扭矩量，该扭矩量相对于第二通道产生的扭矩量的增加量相等且相反地减少一减少量。这确保了对电流需求信号的修改对产生的总体的电机扭矩没有影响。可归因于通道的扭矩变化是使用该通道产生径向力的不可避免的副作用。
在方便的布置中，电流需求电路产生单个径向力需求信号，该径向力需求信号被添加到第一电流需求信号并从第二电流需求信号中减去。
或者，可以产生一对径向力需求信号，一个用于沿X轴的径向力，另一个用于沿Y轴的径向力，并且该对径向力需求信号可以被添加到第一电流需求信号并从第二电流需求信号中减去。
除了产生触觉或听觉信号之外，电机装置还可以设置成减少由电机的径向振动引起的不想要的电机噪声。如果电机损坏，或者连接到电机的负载不平衡，则可能会发生这种情况。电机通常连接到齿轮箱，如果齿轮损坏，齿轮箱可能径向振动。
因此，电机装置可以包括检测转子的径向运动的检测设备，控制电路修改电流需求信号，使得通过在通道中流动的电流将力施加到转子，该电流部分地或完全地抵消所检测到的径向运动。这可以检测径向运动的方向和大小。
检测设备可包括安装在转子上的加速度计，或检测电机的转子与定子或电机的一些其他固定部分的相对位置的位置传感器。
检测设备可包括麦克风，其检测与电机的振动相关的噪声。
在优选的布置中，代替设置增加成本的物理传感器，检测设备可以包括电子电路，该电子电路使用无传感器控制技术确定每个通道的电感，以产生每个通道的位置估算。这些技术是本领域技术人员公知的。
电子电路可以通过将由无传感器技术确定的第一通道的估算位置与由无传感器技术确定的第二通道的估算位置进行比较来确定电机转子相对于定子的径向位置。在估算相同的情况下，信号处理电路可以确定在X或Y轴上没有作用在转子上的净径向力。在估算不同的情况下，信号处理电路可以确定在X或Y轴上或在X/Y轴两者上的力不为零。
电机装置可以包括存储器，该存储器包括查找表，该查找表将成对的位置估算值与转子的XY径向位置进行制表。
电子电路可以包括由信号处理器实现的信号处理电路，该信号处理器接收一个或多个输入信号，所述输入信号来自每个通道的反电动势(back emf)、或电感、或反电动势和电感两者。
在一个优选布置中，电流需求电路可以修改电流需求信号以在转子处产生抵消电机的振动的额外的径向力，或者可以用于向操作电机的人员或者连接到电机的机构提供触觉或声学反馈信号。
根据第二方面，本发明提供了一种驱动具有多个通道的永磁同步电机的方法，包括：
产生用于每个通道的电流需求信号，该信号取决于待由电机产生的扭矩；为至少两个通道修改电流需求信号，使得两个通道产生施加到电机的转子上的净值不为零的一组径向力，并且由所述两个通道产生的扭矩之和对应于如果电流需求信号不被修改时将被产生的径向力；并且
根据修改的电流需求信号将电流波形施加到所述两个通道。
该方法可以包括修改电流需求信号，使得由一个或多个通道施加的扭矩增加，并且由其他通道中的一个或多个施加的扭矩减小相等且相反的量。
该方法可以包括驱动电机，使得在正常使用中，所有通道都对电机产生的总扭矩有贡献。
该方法可以包括产生至少一个径向力需求信号并将该至少一个径向力需求信号与电流需求信号结合以修改电流需求信号。
可以针对X方向上的力产生径向力需求信号，并且可以针对Y方向上的力产生径向力需求信号。在这种情况下，针对X方向上的力产生的径向力需求信号和针对Y方向上的力产生的径向力需求信号两者都可以与电流需求信号组合以产生修改的需求信号。
可以通过减去一个或多个径向力需求信号来修改来自一个通道的电流需求信号，并且可以通过添加一个或多个径向力需求信号来修改另一个通道的电流需求信号。
电机可以包括如关于本发明的第一方面所描述的电机电路的一部分。
根据第三方面，本发明提供了一种检测电机电路中的径向振动或由具有多个通道的永磁同步电机驱动的机械负载的方法，其中电机的每个通道均为不平衡的，该方法包括：
对至少两个通道使用无传感器位置测量技术来估算转子的角位置，以生成转子位置的相应的独立估算；并根据估算值之间的差异估算电机的径向位置；并监测转子的所估算的径向位置的随时间的变化，以识别振动。
可以为电机的每个通道生成位置估算。
众所周知，电机或负载(例如变速箱)中的故障通常会表现为电机转子的振动。申请人已经意识到通过使用多通道电机、尤其是相对简单的双通道电机并且比较来自每个通道的角位置估算，可以监测转子的径向运动并且由此检测作为故障的特征的振动。
因此，该方法可以包括通过将识别的振动与对应于负载处的故障的已知的振动特征模式相关联的附加步骤，来识别附接到电机的转子的负载中的故障。
申请人已经意识到，有故障的部件可能产生具有独特特征的振动，特别是对应于有故障的负载的一部分的共振频率，并且通过识别特征振动，负载的处于故障的精确部分可以被识别出。
该方法可以包括使用任何已知的无传感器位置测量技术。在简单的技术中，可以在电机的每个通道的DC链路路径中设置分流电阻器，并且可以在预定的采样时间测量流过分流电阻器的电流，其中每个通道的相中的电流模式满足特定标准。
根据在分流电阻器处测量的电流，可以估算电机的电感，并且由于已知电感随转子位置变化，因此可以确定转子位置。在存在两个通道的情况下，任何径向运动将导致每个通道的估算值的差异变化，该差异变化可以被检测为差异。
在替代方案中，可以测量每个通道的反电动势而不是电感。
该方法可以包括针对两个通道生成对应于基本相同的时刻的角位置估算。
为了检测+Y轴中的运动，可以在第一通道的从Y轴成角度地偏移的第一相和第二通道的相似地从Y轴偏移并且与第一通道的第一相径向相对的第一相之间比较反电动势或相电感。因为相是径向相对的，所以+Y轴上的偏移将差异地影响每个相。
为了检测+X轴上的运动，可以在第一通道的从X轴成角度地偏移的第一相和第二通道的相似地从X轴偏移并且与第一通道的第一相径向相对的第一相之间比较反电动势或相电感。因为相是径向相对的，所以+X轴上的偏移将差异地影响每个相。
其他相组合也将使得能够检测径向位置。例如，可以将第一通道的一对相的反电动势与第二通道的一对相的反电动势进行比较。主要目的是比较电机两个通道的相变量。
附图说明
现在将仅通过举例的方式参考附图描述本发明的两个实施例，如附图所示：
图1是根据本发明的至少一个方面的可以形成电机装置的一部分的双通道PMSM电机的透视图；
图2是根据本发明的至少一个方面的并入了图1所示类型的PMSM的电机电路的控制框图；
图3(a)和(b)是矢量图，显示了如何从每个通道将扭矩和径向力施加到双通道电机的转子，其中径向力净值为非零值，但径向力不会改变所产生的净扭矩；
图4示出了在电机转子处于0度时如何沿X轴产生径向力；
图5示出了在电机转子顺时针旋转15度时如何沿X轴产生径向力；
图6示出了在电机转子处于0度时如何沿Y轴产生径向力；
图7示出了在电机转子顺时针旋转15度时如何沿Y轴产生径向力；
图8示出了在图1的示例性电机中，电机在y方向上的最大径向力能力小于在x方向上的最大径向力能力；
图9是根据本发明的至少一个方面的并入了图1所示类型的PMSM的电机装置的第二实施例的控制框图；
图10示出了图1的电机的电机转子和定子的磁极以及x和y轴与定子齿的相对位置；
图11是仅具有两个定子磁极的电机的径向力产生原理的图示，其中转子与x轴对齐；和
图12是对应于图11的图示，其中转子顺时针旋转15度。
具体实施方式
如图1所示，可用于本发明实施例的双通道PMSM电机100包括围绕公共轴线同心布置的定子110和转子120。如图所示，转子120位于定子110的内部，但是转子可以围绕定子的外侧定位。电机也在图10中示意性地示出。本发明可以应用于具有多于两个通道的电机，因此，该示例的双通道电机的选择不应该被解释为限制本发明的范围。
转子120包括其中嵌入有多个永磁体130的载体。如图所示，每个磁体130位于转子载体中的槽中，在示例性电机中总共具有8个磁体。
定子110包括围绕定子间隔开的多个齿140，每个齿由多匝电线150围绕。总共有12个齿。每个齿由对应于电机通道的单个相的线缠绕，其中通道包括三相。在图示的电机中，每相的线缠绕在定子的两个齿上。
每个通道的绕组的位置是重要的，所示的电机100具有不平衡的绕组。电机是不平衡的，因为每个通道都有(n-2)个极，其中n是转子极数。每个通道具有三个相，A、B和C，其中第一通道的相用1表示，例如A1，第二通道的相用2表示，例如A2。可以看出，第一通道的所有相绕组都位于电机定子的左下半部分，第二通道的所有相绕组都位于电机的右上半部分。这很重要，因为这确保了对于给定的相，例如对于A1，绕组缠绕在不形成直径相对的齿对的齿上。在单通道电机中，这是不可接受的，但是对于双通道电机，其中两个通道同时被驱动，每个通道将施加于转子的所得径向力被来自另一通道的力抵消。
当然，在本发明的范围内可以使用其他布置以及其他数量的齿和相来提供不平衡的通道。例如，为了更大的容错性，可存在多于2个通道，例如：4个通道。每个通道可能有超过3个的相，例如5相电机。可以存在任何数量的相，其中每个齿由单独的H桥控制。在整个说明书中，图1的电机作为示例性电机使用，并且在以下段落中对相和通道的参考指的是图1的电机中所示的相。
图2是根据本发明第一方面的电机装置200的第一实施例的控制框图。
电流需求电路
如图所示，电机装置包括电流需求电路210，该电流需求电路具有扭矩需求信号Tz*的输入，其具有等于待由电机产生的扭矩的值。在某些实施例中，该电流需求电路可以被认为不是电机装置的一部分，因为可以远离电机装置产生扭矩需求值。
电流需求电路210为标记为通道1和通道2的每个通道产生相应的电流需求信号，该电流需求信号指示待施加到通道的每个相以实现由扭矩需求信号设定的要求扭矩的电流。电流需求电路210接收扭矩需求信号。查找表LUT1用于为电流需求信号生成适当的值。这可以将电机速度和转子位置考虑在内。然后将该值转换至dq轴作为dq轴电流需求信号。
由于两个通道是相同的，除了相绕其缠绕的定子齿的位置之外，相同的电流需求信号用于两个通道以产生电机扭矩，每个通道标称地产生电机扭矩的一半。然而，如下所述，电流需求电路可以修改提供给每个通道的电流需求信号，以将净径向力施加至电机转子而不改变扭矩。
为了理解本发明如何实现这种效果，在图11中示出了仅具有两个定子极的简单电机。该图中显示了一个简单的起始位置，其中x、y轴与定子参考系对齐，u、v轴与转子参考系对齐。转子和定子磁极产生相互作用的磁通模式，所述磁通模式在+v方向上产生径向力。
当转子由于施加的扭矩而旋转时，定子电流被整流(commutated)，使得在+v轴上产生径向力的N&S极保持与转子同步并围绕定子旋转到如图12所示的新位置。
定子磁极与v轴对齐，因此+v轴上的径向力保持恒定。
通常希望控制x和y轴上(即在固定的参照系中)的力。这可以通过调节u轴和v轴来实现，使得：
u*＝x*cos(theta)+Y*sin(theta)
v*＝-x*sin(theta)+Y*cos(theta)
其中*表示要求的力，theta是转子电角度。
当然，对于具有更多定子极的电机，效果更复杂，但图11和12中所示的原理是本发明的基础。
电机驱动电路
提供两个电机驱动电路220、230，每个电机驱动电路用于电机装置200的每个通道。两个电机驱动电路具有相同的功能并且可以实际上为相同的。第一驱动电路包括多个开关225，该多个开关选择性地将两个通道中的第一个的相A1、B1、C1连接到电源，使得对应于所需电流的PWM调制电流在每个相中流动。第二驱动电路230包括多个开关235，该多个开关选择性地将两个通道中的第二个的相连接到电源，使得对应于所需电流的PWM调制电流在每个相中流动。在每个驱动电路之前是电流控制器，该电流控制器接收需求信号并产生用于调制开关的一组电机相电流波形。设置这种电流控制器和电机驱动电路的布置在本领域中是公知的。
电流需求电路200修改电流需求信号以为每个通道产生相应修改的电流需求信号。该修改使每个通道能够产生径向力。该修改是响应于两个力需求信号而做出的，一个用于x轴上的力(Fx*)，一个用于y轴上的力(Fy*)，所述两个力需求信号被输入到电流需求电路200。
每个力需求信号的值用于使用两个查找表LUT2和LUT3确定用于X轴和Y轴上的力的电流需求修改值。然后将得到的值转换为d-q轴电流需求值，以与电流需求信号组合。
通过组合三组电流需求信号——扭矩信号和两个径向力信号，产生d-q轴上的施加到两个通道的实际的修改电流需求信号。d/q轴中的两个径向力值在框SUM 1处被加到电流需求信号以产生用于第一通道的修改电流需求信号，并在框SUM2处从电流需求信号中被减去以产生用于第二通道的修改电流需求信号。
因此，被加到通道1的电流的角度和大小从通道2被减去，使得由这些产生径向力的电流所产生的净扭矩为零。以这种方式，可以独立于产生扭矩的电流来控制产生径向力的电流。为避免产生扭矩波动，αβ框架中径向力电流的矢量和必须相加为零。图3(a)和(b)示出了两个通道的示例。
因此，施加到每个通道的电流需求是产生径向力和产生扭矩的αβ电流需求的总和。图4示出了转子在0度时x轴上的力是如何产生的。每个通道中径向电流的矢量和为零，因此不产生净电机扭矩。图5示出了转子在顺时针旋转15度时x轴上的力是如何产生的。每个通道中径向电流的矢量和为零，因此不产生净电机扭矩。
图6示出了转子在0度时如何在y轴上产生力。每个通道中径向电流的矢量和为零，因此不产生净电机扭矩。
可以看出，在y轴上产生力的径向电流矢量与在x轴上产生力所需的电流矢量成90度(电气角度)。可以看出，这是对于任何转子位置的总体规则。图7示出了转子在顺时针旋转15度时如何在y轴上产生力。每个通道中径向电流的矢量和为零，因此不产生净电机扭矩。
对于0度的转子位置，可以看出，在y轴上产生力的径向电流矢量与在x轴上产生力所需的电流矢量成90度(电气角度)。y方向上所能产生的最大力小于x方向上所能产生的最大力。这是因为来自转子的位于y轴上的两个北极的对抗力在-y方向上产生相反的力(如红色力矢量所示)。
如图8所示，y方向上所能产生的最大力小于x方向上所能产生的最大力。这是因为来自转子的位于y轴上的两个北极的对抗力在-y方向上产生相反的力(如图8中的力矢量所示)。在y轴上能够产生的力的大小取决于转子极的数量。转子极的数量越高，产生相对于期望方向的力的总转子周长越小。在y轴上能够产生的力的大小还取决于转子旋转时由单个齿产生的径向力与切向力之比，这取决于电磁设计、SPM vs IPM等。
通过适当选择径向力需求信号，可以以各种方式使用图2的装置。这种径向力控制具有许多潜在的应用。在一个应用中，在本发明的第一方面的范围内的装置可以被配置为通过径向地振动电机来产生对用户的触觉反馈。根据本发明第一方面的装置可以附加地或替代地配置成对用户产生受控的声学反馈。在另一种布置中，根据本发明第一方面的装置可以配置成在电机中提供振动/声学噪声的主动消除。
电机装置300的第二实施例被示为图9中的控制框图。在部件与图2的实施例相同的情况下，为清楚起见使用相同的附图标记。然而，第二实施例的电机装置包括附加的信号处理电路，以用于产生使得电机装置能够检测转子的径向位置的所需的径向力输入值Fx和Fy。
为了检测转子位置，在通道1和通道2中的相之间检测差值反电动势或差值电感。
为了检测图10中所示的示例性电机的+Y轴上的运动，在相B2(通道2中的相B)和相B1(通道1中的相B)之间比较反电动势或相电感，因为这些相将受到+Y轴上运动的差别影响，其中一者随着另一者的减少而增加。
为了检测+X轴的运动，比较一方面的C2(通道2中的相C)与A1(通道1中的相A)的组合与另一方面的C1(通道1中的相C)与A2(通道2中的相A)的组合之间的反电动势或相电感。同样，反电动势或相电感将受到X轴上的运动的差别影响，并且对于该示例性电机来说，该组合将对该运动具有最高灵敏度。
其他组合也将能够检测径向位置——主要目的是比较来自电机两个通道的相位变量。
在低速时，信号处理装置可以比较相电感。在高速时，信号处理装置可以比较反电动势。
检测反电动势或相电感
为了检测反电动势或相电感，可以采用文献中的标准无传感器技术来估算两个通道中的反电动势或相电感。通过以与径向力控制相同的方式组合来自两个通道的该信息，可以确定x和y方向上的位移。在简单的布置中，可以提供两个无传感器位置测量电路310、320，每个无传感器位置测量电路用于一个通道。然后可以在差值框330中比较所生成的位置估算，并且差值用于从查找表LTU4读出径向位置值。该表可以存储成对的X径向位置值和Y径向位置值，该X径向位置值和Y径向位置值用于生成提供给电流需求电路200的所需Fx*和Fy*径向力需求值。注意，生成随后被馈送到查找表LUT2和LUT3的Fx*和Fy*值的中间步骤可以省略，并且替代地，LUT4可以直接输出所需的电流需求值。
读者将理解，图3的电机装置可以用作预测故障监测系统的一部分。由于可以测量径向移动，因此可以执行以下一项或多项操作：
-检测由于机械部件退化引起的外部扰动所导致的扭转和/或径向振动。这假设所述退化导致传递到转子的振动特征大到足以被检测到。这取代了用于故障状态监测的加速度计或类似传感器的需要。
如果径向振动是噪声源，则图3所示的装置也可用于提供声学噪声消除。通过检测径向运动，该装置可以产生适当的径向力需求信号，该径向力需求信号使得待被施加到转子的径向力与引起振动的噪声反向，以抵消该噪声。
这对于抵消来自外部扰动(例如当电机驱动皮带时的皮带噪声)的径向振动特别有益。

Claims (14)

1.一种电机装置，所述电机装置包括：
具有多个通道的永磁同步电机电路，每个通道包括多个不平衡的相，
电流需求电路，所述电流需求电路接收扭矩需求信号，所述扭矩需求信号具有等于待由电机产生的扭矩的值，所述电流需求电路为每个通道生成指示待施加到通道的每个相以实现需求扭矩的电流的相应电流需求信号，
第一驱动电路，所述第一驱动电路包括多个开关，所述多个开关选择性地将多个通道中的第一通道的相连接到电源，使得对应于需求电流的PWM调制电流在每个相中流动，
第二驱动电路，所述第二驱动电路包括多个开关，所述多个开关选择性地将多个通道中的第二通道的相连接到电源，使得对应于需求电流的PWM调制电流在每个相中流动，
其中，所述电流需求电路适于修改所述电流需求信号中的一者或两者，使得一个或两个通道额外产生施加到电机的转子的一组径向力，所述一组径向力的净值不为零。
2.如权利要求1所述的电机装置，其特征在于，所述第一通道包括围绕位于电机的一半中的齿的绕组，而所述第二通道包括围绕位于电机的另一半中的齿的绕组。
3.如权利要求1或2所述的电机装置，其特征在于，所述电流需求电路接收至少一个径向力需求信号，并根据所述径向力需求信号修改所述电流需求信号。
4.如权利要求3所述的电机装置，其特征在于，所述电流需求电路接收两个径向力需求信号，一个所述径向力需求信号对应于所需的沿X轴的径向力，另一个所述径向力需求信号对应于所需的沿正交于X轴的Y轴的径向力。
5.如前述权利要求中任一项所述的电机装置，其特征在于，所述电流需求电路接收调制的径向力需求信号，所述调制的径向力需求信号使电流需求设备修改所述电流需求信号，使转子以10Hz至1khz的范围内的频率振动。
6.如前述权利要求中任一项所述的电机装置，其特征在于，所述电机装置被配置为使得所述电机随着在所述电机处产生声学噪声的径向振动而运动，同样，所述声学噪声能够在人能够听到的范围内，例如20Hz到40KHz的范围内。
7.如前述权利要求中任一项所述的电机装置，其特征在于，所述电机装置还包括检测转子的径向运动的检测设备，控制电路修改所述电流需求信号，使得通过在通道中流动的电流将部分地或完全地抵消所检测到的径向运动的力施加到转子上。
8.如权利要求7所述的电机装置，其特征在于，所述检测设备包括安装在转子上的加速度计或用于检测转子与电机的定子或电机的一些其它固定部分的相对位置的位置传感器。
9.如权利要求7所述的电机装置，其特征在于，所述检测设备包括麦克风，所述麦克风检测与电机的振动有关的噪声。
10.如权利要求7所述的电机装置，其特征在于，所述检测设备包括电子电路，所述电子电路使用无传感器控制技术确定每个通道的电感，以产生每个通道的位置估算。
11.一种驱动具有多个通道的永磁同步电机的方法，所述方法包括：
为每个通道产生电流需求信号，所述电流需求信号取决于待由电机产生的扭矩；修改所述通道中的至少两个通道的电流需求信号，使得所述至少两个通道产生施加到电机的转子的一组径向力，所述一组径向力的净值不为零，并且所述至少两个通道产生的扭矩之和对应于所述电流需求信号未被修改时将被生成的扭矩；以及
根据修改的电流需求信号将电流波形施加到所述至少两个通道。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法包括修改所述电流需求信号，使得由一个或多个通道施加的扭矩增加，并且由一个或多个其他通道施加的扭矩减小相等且相反的量。
13.一种检测由具有多个通道的类型的永磁同步电机驱动的电机电路或机械负载中的径向振动的方法，其中，所述电机的每个通道是不平衡的，所述方法包括：
使用无传感器位置测量技术针对至少两个通道估算转子的角位置，以生成转子位置的相应的独立估算；根据所述估算之间的差异估算电机的径向位置；并监测转子的估算径向位置随时间的变化，以识别振动。
14.如权利要求13所述的方法，所述方法包括通过将所识别的振动与对应于负载处的故障的振动的已知特征模式相关联的附加步骤来识别附接到电机的转子的负载中的故障。
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