CN1219799A

CN1219799A - 整流控制器

Info

Publication number: CN1219799A
Application number: CN98117085A
Authority: CN
Inventors: 戴维·马克·苏登
Original assignee: Switched Reluctance Drives Ltd
Current assignee: Nidec SR Drives Ltd
Priority date: 1997-12-12
Filing date: 1998-12-11
Publication date: 1999-06-16
Anticipated expiration: 2018-12-11
Also published as: DE69831786D1; JPH11252971A; KR100572164B1; CN1088284C; BR9805337A; KR19990062920A; US6008615A; EP0923191A1; DE69831786T2; GB9726397D0; EP0923191B1; JP3355141B2

Abstract

一种开关磁阻电机的整流控制器,该开关磁阻电机带有独立定时器电路,用来确定电动机和发电机模式的起始信号。每个定时器电路包括一个斜坡生成器和两个比较器,当斜坡输出通过提供给比较器的预置阈值时,这两个比较器标记ON角和OFF角。多路转换器根据机器工作模式从电动机和发电机定时器之一选择输出。通过独立和连续生成电动机和发电机模式的定时信号,可以顺利地实现电动机和发电机模式转换而不会出现定时差错。

Description

整流控制器

本发明一般涉及电子整流电机的整流控制器，尤其涉及开关磁阻电机的控制系统。

磁阻电机一般是这样一种电机：靠其可移动部分向磁路磁阻减小的位置，即激磁绕组的电感最大处移动的倾向来产生转矩。在一种磁阻电机中，以控制频率激励相位绕组。这种类型一般称作异步磁阻电机。它可以用作电动机或发电机。在第二种磁阻电机类型中，设置了检测转子角位置，并以转子位置函数的形式激励相位绕组的电路。第二种类型磁阻电机通常称作开关磁阻电机。它也可以是电动机或发电机。这种开关磁阻电机的特性众所周知，在例如Stephenson和Blake于1993年6月21-24日Nurnberg的PCIM’93上的“The characteristics,design andapplication of switched reluctance motors and drives”中描述。

图1示出了典型的开关磁阻系统10的主要部件。输入DC电源11可以是电池或者整流并滤波的AC干线。功率转换器13在电子控制单元14控制下，开关电源11提供的跨过机器16的相位绕组12的DC电压。为了保证开关磁阻系统10的工作正常，开关必须与转子转动角正确同步。转子位置检测器15一般用于提供对应于转子角位置的信号。转子位置检测器15的输出也可以用于生成速度反馈信号。

转子位置检测器15可以有多种形式，例如它可以通过硬件实现，这在图1中示意地示出，它也可以由根据驱动系统其他监控参数计算位置的软件算法来实现，该算法例如在EP-A-0573198(Ray)中描述。在某些系统中，转子位置检测器15可以包括一个转子位置传感器，每当转子转动到特定位置，需要实施功率转换器13中设备的不同开关方案时，该转子位置传感器提供改变状态的输出信号。

开关磁阻电机中相位绕组激励定时很大程度上取决于转子角位置的精确检测。来自转子位置传感器15的精确信号的重要性可以通过图2和图3来解释，这两张图解释了磁阻电机用作电动机时的开关过程。

图2一般性地示出了转子电极20按照箭头22接近定子电极21。如图2所示，全相位绕组12的一部分23缠绕在定子电极21上。前面已讨论过，当相位绕组缠绕定子电极21的那一部分23被激励时，会产生施加在转子上的力，试图拖动转子电极20，使之与定子电极21对正。图3一般性地示出了功率转换器13中典型的开关电路，它控制着相位绕组12缠绕定子电极21的那一部分23的激励。该电路包括第一和第二开关31/32，以及每个开关一个返回二极管33和34。当开关31和32闭合时，相位绕组12耦合到DC电源，相位绕组被激励。在本领域中，开关电路的许多不同配置众所周知，其中一些在Stephenson和Blake的前述论文中讨论。

一般而言，以下述方式激励相位绕组以影响转子的转动。在转子的第一角度位置(称作接通角，θ_ON)，控制器14提供开关信号以接通两个开关器件31和32。在开关器件31和32接通的情况下，相位绕组耦合到DC电源，导致机器中的磁通增长。正是这些磁通施加在转子电极上生成了电机转矩。随着机器中的磁通增加，电流从DC电源流经开关31和32以及相位绕组。在某些控制器中，采用电流反馈，通过快速切换开关器件31和/或32之一或者这两个开关通断，可以对电流进行斩波，从而控制相电流的振幅。在电机操作中，通常把接通角选成这样的转子位置，其中转子电极间空间的中心线与定子电极中心线对正，但是它可以是其他角度。

在许多系统中，相位绕组一直连接到DC总线(或者在采用斩波时与斩波相连)，直至转子转动到称为“自由轮角”θ_FW的位置。当转子到达对应于自由轮角的角位置(例如图2所示位置)时，切断一个开关，例如31。因此，流经相位绕组的电流继续流动，但是现在仅流经一个开关(在该例中为32)，并仅通过一个返回二极管(在该例中为34)。在自由轮周期期间，跨过相位绕组的电压降较小，磁通基本保持恒定。电路保持在这种自由轮状态，直至转子转动到称为“切断角”θ_OFF的角位置(例如在转子电极中心线与定子电极中心线对正时)。像接通角一样，切断角可以选择某个其他位置。

当转子到达切断角时，开关31和32被切断，相位绕组12中的电流开始流经二极管33和34。然后，二极管33和34以相反方式施加来自DC总线的DC电压，导致机器中磁通减少(因而相电流也随之减少)。

图4(a)示出了斩波操作模式下典型的电流波形，其中电流在两个固定电平之间斩波。随着机器转速的升高，电流上升到斩波电平的时间越来越少，驱动正常运行于“单脉冲”工作模式。在该模式下，根据例如转速度和负载转矩选择接通角、自由轮角和切断角。图4(b)示出了自由轮角为零时的典型单脉冲电流波形。

众所周知，可以预定不同电动机转速的接通角、自由轮角和切断角的值，并存储成某种适当的格式，例如查询表，供控制系统在需要时进行检索，也可以实时计算或推导。在这两种情况下，都需要检测适当的转子角位置，使得能够实现所需的开关操作。这一般要求位置检测器自身足够考究，能够生成精细的位置分辨率，或者可以以某种方式插补转子位置检测器信号，提供精细分辨率的位置信息。第一种情况涉及相对复杂和昂贵的位置编码器的使用。第二种情况的一个例子在EP-A-0735664(Sugden)中描述，它采用了一个高频时钟生成数字斜坡，根据该斜坡可以插补适当的角位置。

在图5中，说明了转子位置传感器(RPT)15，它采用了与旋转叶片44协调工作的光传感器42，其上具有截光的角度隔开的片段。叶片44与电机转子一起旋转，这在图1中示意地示出，导致传感器在片段掠过每个传感器时生成或高或低的输出。应当理解，在该例中，每个传感器的输出用于控制机器绕组各相位的激励。还已知一些传感器的数量大于或小于相位数量的其他方案。

图1的控制器14能够接收一组来自RPT的输出信号，利用这些信号控制功率器件的开关，从而控制开关磁阻电机相位绕组的激励。这是通过观察叶片旋转时图5传感器所生成的脉冲序列来完成的。图6示出了叶片以恒定转速旋转时图5的三个传感器所生成的信号。图6也示出了这三个传感器信号经过简单逻辑门组合后生成的一个信号，以便每当三个信号中的一个变化时能够生成一个上升或下降沿。

图7a)示出了图1所示机器的一个相位(例如相位A)的理想电感波形。熟悉磁阻电机的技术人员应当理解它是周期性的，其周期由转子电极节距来界定。实际上，电感波形转角受第二级影响，例如漏磁而变成圆角，但是这种影响对机器的工作而言并不重要。图7b)示出了图6的RPT_A信号和电感波形的关系。传感器42已经与定子电极对正(旋转叶片已经与转子电极对正)，从而在最大和最小电感区的中心提供输出信号电平的转变。这些转变可以用来，例如像在前述EP-A-0735664(Sugden)中描述那样，控制电子整流机的整流定时。如果以电压值或者数字字形式适当指定了控制角θ_ON和θ_OFF，则对到达这些适当值或字的点的检测可以用来生成所需开关器件的起始信号，下面予以描述。

图7c)说明了相位A的电动机斜坡，包括随转子角度线性上升的电压值。斜坡在每个RPT信号下降沿重置。对应于激励相位，之后去激励的角度θ_ON和θ_OFF设置了两个阈值。当斜坡通过θ_ON阈值时，θ_ON引发了起始脉冲。维持起始脉冲，一直到同一斜坡通过θ_OFF阈值。通过调整θ_ON阈值，可以改变电动机起始脉冲的开始时刻。类似地，通过调整θ_OFF阈值，可以改变起始脉冲的持续时间。图7d)说明了电动机起始脉冲，它可以看成由斜坡经过θ_ON和θ_OFF阈值的变化而生成的。

图7e)说明了RPT信号上升沿以发电机模式初始化的斜坡。斜坡经过θ_ON和θ_OFF阈值的变化确定了发电机起始脉冲的开始时刻和持续时间。这些脉冲在图7(f)中示出。

基于该原理的系统在元件上较为经济，并且在稳态工作良好。但是，如果进行从电动机到发电机的转换，或者从发电机到电动机的转换，可能最初会将起始脉冲错置，这会导致机器中出现随机定位的转矩脉冲，会引起噪声并导致高故障电流。一种选择是检测从一种模式转换到另一种模式时起始脉冲被错置的情况，同时忽略该脉冲。然后，仅在序列中的下一阶段着手选出的模式中的控制。这样做的结果是，因为临时性延长了不激励任何相位的时间，所以产生了转矩的较大干扰。

一种可选方案是禁止与初始模式相关联的斜坡，在模式间转换的时刻启动第二模式的第一斜坡。这在图7(g)中说明。在角位置T，从电动机到发电机模式的转换命令取消了电动机斜坡，立即继以发电机斜坡。但是，因为转换发生在发电机斜坡的明显正确启动与发电机起始脉冲的明显正确结束之间，所以发电机斜坡并没有在与RPT信号上升沿一致的正确位置启动。如图7(h)所示，结果因为给定转子位置处斜坡的错误幅度，第一发电机起始脉冲被延迟，并且时长较短。这与图7(i)所示转换之后的第一发电机起始脉冲的想要的位置和时长不同。

本发明的目的是提供一种成本效益高的方法，在稳态和瞬态条件下得到角位置信息，为电子整流电机生成可靠的起始脉冲。

按照本发明，提供了一种电子整流电机的整流控制电路，该电子整流电机带有一个转子和一个定子，该控制电路包括：提供指示转子相对于定子位置的信号的装置；响应于该信号，为机器的电动机模式生成起始脉冲的电动机定时器；响应于该信号，为机器的发电机模式生成起始脉冲的发电机定时器；以及在电动机和发电机定时器的起始脉冲之间选择以生成选定模式下整流机器的整流信号的装置。

因为电动机和发电机模式定时器彼此独立工作，所以本发明提供了正确的整流。因此，不论模式转换出现在转子周期中的哪一位置，选定模式中的整流都不会受前一模式的影响。

本发明还扩展到开关磁阻系统，包括：带有转子、定子和至少一个相位绕组的磁阻电机；用于控制该相位绕组或每个相位绕组的激励的开关装置；用于操作开关装置的控制器，该控制器包括一个前述整流控制电路，响应于电路的整流信号，激励该相位绕组或每个相位绕组的开关装置。

最好采用多路转换器进行模式选择。

最好位置检测信号具有上升和下降沿，电动机和发电机定时器分别响应于上升和下降沿之一，以上升信号值或计数值的形式开始一个斜坡，各起始脉冲的启动和终止都基于该值。

按照本发明，还提供了一种在带有转子和定子的电机中定时电动机模式或发电机模式的整流的方法，该方法包括：

生成指示转子相对于定子位置的位置检测信号；

响应于该位置检测信号，为电动机模式下机器的工作产生电动机起始脉冲；

响应于该位置检测信号，为发电机模式下机器的工作产生发电机起始脉冲；以及

在电动机和发电机模式的起始脉冲之间选择以在选定模式下运行该机器。

该方法可以包括在产生发电机起始脉冲连续序列的同时，产生电动机起始脉冲连续序列。

位置检测信号可以用于表示起始信号启动和终止时转子相对于定子的预定位置。要不然，开始的起始脉冲可以在延迟一段时间之后终止。

本发明可以用来为开关磁阻驱动的电动机和发电机模式提供一种低成本、高效的控制系统。这种控制系统能够在瞬态条件下进行开关磁阻驱动的成本效益高的控制。

本发明可以通过许多方式投入实用，下面结合附图，通过例子来描述其中的一些方式。在附图中：

图1示出了开关磁阻系统的主要部件；

图2示出了磁阻电机中转子电极接近定子电极的情况的示意图；

图3示出了功率转换器中典型开关电路，它控制与图2定子电极相关联的相位绕组部分的激励；

图4(a)和4(b)分别图示了开关磁阻系统工作在斩波模式和单脉冲模式下的典型电流波形；

图5图示了控制开关磁阻驱动工作的转子位置传感器；

图6图示了图5转子位置传感器所生成的信号；

图7示出了在已知控制系统中生成的波形；

图8示出了按照本发明的控制系统的示意图；以及

图9示出了按照本发明的控制系统中的波形。

参看图8，开关磁阻电机一个相位的整流控制电路包括电动机斜坡计数器60和发电机斜坡计数器62。每个计数器60/62计数来自高频(HF)时钟61/63的脉冲。计数器60由三个相位A、B和C中每个相位的RPT 15(见图9(a))的一个输出的下降沿重置。计数器62由反相器64通过对RPT 15的输出进行反相来重置。

RPT 15在图5中图示。应当指出，特定RPT仅是示例性的，本发明可以应用于其他类型和配置的叶片、传感器以及其他形式的位置编码器。例如，可以改变传感器的数量和位置以适合特定应用。并且，叶片不一定要界定阻光和通光部分。可以采用其他类型的叶片和传感器。例如叶片可以由磁特性区域和非磁空白区域构成，传感器可以包括霍尔效应器件。类似地，叶片可以包括铁磁性材料的叶齿，每个传感器可以是磁阻传感器的形式。此外，在所图示的例子中，RPT输出中的磁特性和空白之间的转换与每个机器相位周期中的最大和最小电感区域的中心一致。RPT信号中的磁特性和空白之间的转换的其他定位可以用于同等效应，这对技术人员而言显而易见。

整流器可以作为图1控制器14的一部分实现。这样，本发明扩展到采用了该整流器的开关磁阻系统。

为了便于描述，本发明的整流器可以方便地划分成两个部分。电动机部分与计数器60相连。发电机部分与计数器62相连。对电动机部分而言，来自计数器60的8比特输出字作为ON角和OFF角电动机比较器65和66的输入B。在针对来自计数器60的字的大小的不同情况，每个比较器还接收A处的需量输入，需要根据它切换所控制相位激励的通断。这些ON角和OFF角相当于图4b)中说明的θON和θOFF位置。比较器的输出在‘与’门68中组合，生成适合机器相位绕组的开关的起始脉冲。产生的电动机脉冲在图9c)中示出，其中起始脉冲的上升和下降沿与计数器输出通过两个阈值的点相一致。

在控制器的发电机部分，RPT信号的逆变信号施加于计数器62，计数器62以HF时钟输入的速率生成自身的斜坡输出。发电机斜坡在RPT信号的上升沿启动。来自计数器62的增长的8比特字施加于ON角和OFF角比较器72/74的每一个，其方式类似于前面针对控制器电动机部分所描述的方式。

图9d)图示了在图9a)RPT信号上升沿启动的发电机斜坡。像电动机情况一样，这些值所设置的阈值施加于比较器72/74，斜坡的斜率决定了发电机的θ_ON和θ_OFF。产生的发电机起始脉冲由‘与’门76生成，如图9e)所示。

应当理解，在工作中，‘与’门68和‘与’门76生成起始脉冲的连续流。必须选择使用哪一个。在多路转换器70中由图1的控制器14按照线路78上转矩标记信号，根据机器想要作为电动机还是发电机运行，从‘与’门68/76中的一个选择起始脉冲，从而选定电动机还是发电机。适当的起始脉冲在线路79处输出。

通过连续生成任何时候都正确同步的电动机和发电机斜坡，并且使用在线路78上的转矩标记信号来决定系统应当是电动机还是发电机，从而从适当的斜坡中选择起始脉冲，本发明所生成的起始脉冲总是位于正确的角位置，而与电动机和发电机转换发生点无关。

为了说明，图9f)示出了两个正确定时的电动和发电机斜坡。在T点前这两者之间的重叠部分是现有技术中发电机脉冲被延迟的时长，如图7所描述的那样。

图9g)图示了所需脉冲在点T从电动机变换到发电机。图9h)图示了这些正确定时的电动机和发电机起始脉冲按照本发明的生成过程。因为彼此独立生成，来自多路转换器70的发电机模式起始脉冲斜坡不受前一电动机模式起始脉冲斜坡的影响。当需要转换时(在点T)，转矩标记的变化保证了电动机脉冲的终止和选择发电机脉冲，为所要求的发电机起始脉冲提供正确的角位置。

通过连续生成任何时候都正确同步的电动机和发电机斜坡，并且使用转矩标记信号来决定系统应当是电动机还是发电机，从而从适当的斜坡中选择起始脉冲，起始脉冲总是位于正确的角位置，而与转换发生点无关。当需要电动机到发电机的转换时，去选择电动机脉冲，选择发电机脉冲。

虽然图8示出了可以用来以数字形式实现本发明控制的逻辑部件，应当理解本发明可以以模拟形式实现相同效果，或者可以有不同的数字实现。

应当理解，图8所示电路可以复制用于驱动系统的每个相位。在多相位系统情况下，技术人员显然明白图8的一些部件，例如HF时钟可以共用于所有相位。

如果需要将自由轮周期引入导通周期(如上所述)，对本领域技术人员而言，这显然可以通过在图8中简单增加逻辑部件以适当修改启动脉冲79来完成。

本领域中一般技术人员应当理解，本发明可以有不同的改进和变化。同样地，一个比较器可以轮流用于比较电动机和发电机斜坡的ON角和OFF角，将结果存储在多路转换器可以访问的锁存器。还可以采用以预定值开始、随时间不断减小的斜坡，或者以非零值开始、随时间增长或减小的斜坡。在任何一种上述情况中，都将适当改变θ_ON和θ_OFF的阈值。类似地，因为可以选择其他参考点，所以来自RPT的信号不一定与电感的最大和最小值对正。前述描述通过例子提供，但并不受其限制。本发明仅受后附权利要求书的精神和范围限制。

Claims

1．一种电子整流电机的整流控制电路，该电子整流电机带有一个转子和一个定子，该控制电路包括：

提供指示转子相对于定子位置的位置检测信号的位置检测装置；

响应于该位置检测信号，为机器的电动机模式生成电动机起始脉冲的电动机定时器；

响应于该位置检测信号，为机器的发电机模式产生发电机起始脉冲的发电机定时器；以及

在电动机和发电机定时器的起始脉冲之间选择以生成电动机或发电机模式下整流机器的起始信号的装置。

2．根据权利要求1的电路，其中选择装置包括一个多路转换器，响应于选择信号，在电动机和发电机起始脉冲之间进行选择。

3．根据权利要求1或2的电路，其中电动机定时器和发电机定时器中的至少一个响应于位置检测信号以启动各自的起始脉冲，并且还响应于位置检测信号以终止各自的起始脉冲。

4．根据权利要求1、2或3的电路，其中电动机定时器包括一个斜坡生成器，用来在转子相对于定子的第一预定位置响应位置检测信号，启动斜坡输出，电动机比较器装置可用来在斜坡输出通过电动机接通阈值时启动电动机起始脉冲，还用来以后终止电动机起始脉冲。

5．根据权利要求4的电路，其中电动机比较器装置用来在斜坡输出通过电动机切断阈值时终止电动机起始脉冲。

6．根据权利要求3、4或5的电路，其中发电机定时器包括一个斜坡生成器，用来在转子相对于定子的第二预定位置响应位置检测信号，启动斜坡输出，发电机比较器装置可用来在斜坡输出通过发电机接通阈值时启动发电机起始脉冲，还用来以后终止发电机起始脉冲。

7．根据权利要求6的电路，其中发电机比较器装置用来在斜坡输出通过发电机切断阈值时终止发电机起始脉冲。

8．一种开关磁阻系统，包括：

带有转子、定子和至少一个相位绕组的磁阻电机；

用来控制该相位绕组或每个相位绕组的激励的开关装置；

用来操作开关装置的控制器，该控制器包括一个任一前述权利要求中声明的整流控制电路，开关装置响应于整流控制电路的电动机和发电机起始脉冲，按照选择的电动机或发电机模式激励该相位绕组或每个相位绕组的开关装置。

9．一种在带有转子和定子的电机中定时电动机模式或发电机模式的整流的方法，该方法包括：

生成指示转子相对于定子位置的位置检测信号；

同时响应于该位置检测信号，为发电机模式下机器的工作产生发电机起始脉冲；以及

10．根据权利要求9的方法，包括在产生电动机起始脉冲连续序列的同时，产生发电机起始脉冲连续序列。

11．根据权利要求9或10的方法，其中电动机和发电机模式起始脉冲的生成还包括在第一预定转子位置启动起始脉冲。

12．根据权利要求9的方法，其中电动机和/或发电机模式起始脉冲的生成还包括在第二预定转子位置终止起始脉冲。