CN1260631A - 开关磁阻电机中转子位置的检测 - Google Patents

Abstract

一种多相开关磁阻电机由使用无检测器的位置检测方法的控制系统控制。以高速操作电机的一种方法探测每个第n个相基准点,从而使得具有足够的时间计算位置,其中n是大于1的整数。

Description

开关磁阻电机中中转子位置的检测

本发明涉及开关磁阻电机中转子位置的检测，尤其涉及那些不用检测器检测转子位置来操作的电机。

一般地说，磁阻电机是这样一种电机，其中借助于其可动部件朝向磁路的磁阻最小的位置，即激磁绕组的电感最大的位置运动的趋势产生转矩。在一种磁阻电机中，配备有电路装置用于检测转子的角位置并根据转子的位置向相绕组供电。这种类型的磁阻电机一般被称为开关磁阻电机。其可以作为电动机或发电机来工作。这种开关磁阻电机的特性是熟知的，并且例如Stephenson和Blake在PCIM’93，Nurberg，21-24 June 1993的“The characteristics，design andapplication of switched reluctance motors and drives”中描述了，这篇文章被包括在本专利说明中作为参考。这篇文章说明了开关磁阻电机的特点，这些特点还形成相绕组的磁阻被周期地接改变这一特性。

图1表示一种典型的开关磁阻驱动系统的主要元件。输入直流电源11可以是电池或者是被整流并被滤波的交流电源，并且其幅值可以是固定的或者是变化的。由电源11提供的直流电压在电子控制单元14的控制下通过功率变换器13以开关方式加到电动机12的相绕组16两端。其中的开关操作必须正确地和转子的旋转角度同步，以便正确地进行驱动操作。一般使用转子位置检测器15提供指示转子的角度位置的信号。转子位置检测器15的输出也可以用于产生速度反馈信号。通过电流传感器18在控制器14中提供电流反馈，电流传感器18用于采样一个或几个相绕组中的电流。

转子位置检测器15可以采用多种形式，例如可以采取硬件的形式，如图1示意地表示的。在一些系统中，转子位置检测器15可以包括转子位置传感器，每当转子转动到要求功率变换器13中的器件改变其连接接线时其提供用于改变状态的输出信号。在另一种系统中，位置检测器可以是一种软件算法，其根据驱动系统的其它被监测的参数计算还判断转子位置。这些系统通常被称为“无位置检测器的系统”，因为人们不使用和转子相连的用于测量位置的实际的传感器。正如本领域熟知的，为了探求可靠的无检测器系统，采用过许多不同的方法。

在开关磁阻电机中对相绕组的供电取决于转子的角位置的检测。这可以参照图2和图3进行说明，其中说明了作为电动机操作的磁阻电机的开关操作。图2一般地表示按照箭头22接近定子25的定子磁极21的具有转子磁极20的转子24。如图2所示，整个相绕组16的一部分23被围绕定子磁极21绕制。当围绕定子磁极21的相绕组16的一部分23被供电时，就在转子上施加一个力，试图拖动转子磁极20和定子磁极21对齐。图3一般地表示功率变换器13中的用于控制包括绕在定子磁极21上的部分23的相绕组16的供电的典型的开关电路。当开关31和32闭合时，相绕组和直流电源相连，因而被供电。许多其它的层叠的几何结构、绕组布局和开关电路在本领域中是熟知的：其中一些在上面引用的Stephenson&Blake的文章中讨论过。当开关磁阻电机的相绕组以上述方式供电时，由磁路中的磁通建立的磁场产生一个如上所述的拖动转子磁极和定子磁极对齐的圆周力。

一般地说，按下述方式给相绕组供电以便使转子旋转。在转子的第一角位置(称为“导通角”θ_ON)，控制器14提供开关信号使开关元件31和32导通。当开关元件31和32导通时，相绕组和直流母线相连，在电机中建立一个逐渐增加的磁通。该磁通在气隙中产生一个作用在转子磁极上从而产生拖动转矩的磁场。电机中的磁通由从直流电源通过开关元件31和32以及相绕组16流动的电流提供的磁动势(mmf)支持。一般使用电流反馈，并且相电流的幅值通过使开关元件31与/或32中的一个或两个快速地导通与截止对电流斩波进行控制。图4(a)表示在斩波操作方式下一个典型的电流波形，其中电流在两个固定值之间被斩波。在拖动操作时，导通角θ_ON通常被选择为这样一个转子位置，在此位置转子上的极间间距的中心线和定子磁极的中心线对齐，但是也可以是其它的角度。

在许多系统中，直到转子旋转达到被称为“惯性角”θ_FW时一直保持和直流母线的连接(如果使用斩波，则是断续地连接)。当转子达到相应于惯性角(例如图2中所示的位置)的角位置时，一个开关例如31被截止。因而，流过相绕组中的电流继续流动，但是现在只通过两个开关中的一个开关(在本例中为32)和二极管33/34中的一个(在本例中为34)流动。在惯性运行期间，加于相绕组上的电压很小，并因而磁通基本保持恒定。电路被保持在这种惯性状态，直到转子转动到被称为“截止角”θ_OFF的角位置，(例如当转子磁极的中心线和定子磁极的中心线对齐时)。当转子达到截止角时，两个开关31和32都截止，相绕组23中的电流开始通过二极管33和34流动。此时，二极管33和34提供和直流母线方向相反的电压，使电机中的磁通(因而相电流)减少。在本领域中已知也使用其它的开关角和其它的电流控制方案。

随着电机速度的增加，用于使电流上升到斩波值的时间减少，因而驱动系统一般运行在“单脉冲”操作方式下。在这种方式下，导通角、惯性角和截止角例如按照速度和负载转矩进行选择。一些系统不使用惯性角时间间隔，即开关31和32被同时接通和断开。图4(b)表示一种典型的单脉冲电流波形，其中惯性角是0。还已知导通角、惯性角和截止角的值可以被预先确定并按照一些合适的格式被存储，以便按照需要由控制系统检索，或者可以被计算或者实时地推导。

在Ray等人在Proc EPE’93 Conerence，Brighton，UK，13-16 Sept93，Vol 6，pp 7-13“Sensorless methods for determining the rotorposition of switched reluctance motors”中回顾了许多无检测器位置检测系统，并且进行了分类，这篇文章在此列为参考。这篇文章得出的结论是，没有一种方法在整个操作范围内是满意的。在EP-A-0573198(Ray)中描述了一种已知的用于在高速(单脉冲)方式下操作的方法(也在此列为参考)，该方法披露了一种在预测转子位置之前测量磁通和电流的方法。

对于大多数无检测器位置检测方法的一个共同问题是为了预测转子位置所需的计算需要有限的时间。利用市场上可得到的微处理器和数字信号处理器，这个时间一般比在电机工作在斩波方式下时的一个相周期短。不过，随着电机速度的增加，操作方式变为单脉冲方式，相周期变得更短，并且最终达到不再能够及时地进行计算以便使电机被连续地正确操作的速度。这一困难被一些研究者广泛地报道了，例如在Russa等人发表于PESC98，29th Annual IEEEPower Electronics Specialists Conference，Fukuoka，Japan，17-22May 1998，Vol2，pp1269-1275的文章“A self-tuning controller forswitched reluctance machines”。

本发明的目的在于提供一种可在高速下操作的开关磁阻驱动装置的可靠的经济的无检测器位置检测方法。本发明一般可应用于作为电动机或发电机工作的开关磁阻电机。

按照本发明，提供一种用于开关磁阻电机的转子位置检测的方法，所述开关磁阻电机具有转子、定子、多个相绕组以及用于检测转子速度的装置，其中转子可以按照每个相的磁性能的周期性的改变相对于定子而转动，所述方法包括：确定在磁性能的每个周期变化中转子相对于定子的基准位置；以计算的到达一个基准位置所用的时间采样至少一个电机的特性数据；从采样的特性数据导出转子位置；使转子向前运动超出下一个基准位置并再次采样至少一个特性数据，使得有更多的时间用于下一次转子位置的导出。

基于电机的磁性能原理的开关磁阻电机以转子极距为工作周期。磁性能可通过参考相绕组的电感或由相绕组产生的磁链被确定。

本发明提供跳过一个或几个基准位置的选择，因而使得当必须导出转子位置时的时刻不同。随着电机速度的增加，给定的处理能力的范围可以被扩展，因为在较高的速度下可用于处理的时间被增加而得到补偿。本发明不必依赖于速度。作为电动机的控制方式的一部分，可以跳过基准位置而不参考速度。不过，优选实施例包括确定一组转子的速度范围，包括低速范围和至少一个高速范围；确定转子速度处于哪一个速度范围；如果转子速度处于较高的速度范围，则前进超过下一个基准位置。

所述前进超过的基准位置的数量最好是整数。

速度范围可以包括第一高速范围，按照第一高速范围，下一个基准位置的前进的值是一个相电感周期的一部分。例如1/n，其中n可以是相数。

速度范围还可以包括第二高速范围，按照第二高速范围，下一个基准位置的前进的值是一个或几个相电感周期。

转子速度可以通过参考采样的特性数据或者和该数据无关地被导出。

本发明还扩展到开关磁阻驱动系统，其包括具有多个相绕组的定子；可相对于定子运动的转子；用于确定转子速度的装置；以及控制器，所述控制器可以按照在电机的每相的磁性能的每个周期的改变中的转子相对于定子的基准位置被编程，其具有用于从至少一个被采样的电机的特性数据导出转子位置的装置；以及以计算的到达一个基准位置所需的时间采样至少一个电机的特性数据的装置，所述控制器还可以操作使转子前进而超出下一个基准位置，并且然后启动用于采样的装置，使得有更多的时间用于转子位置的下一次导出。

按照本发明，还提供一种用于确定开关磁阻电机中的转子位置的方法，所述开关磁阻电机包括定子，转子和多个相绕组，当以单脉冲方式操作时，所述方法包括：确定在电机的磁特性的每个周期改变中的转子相对于定子的基准位置；以计算的到达每个第n个基准点的时间采样至少一个电机的特性数据，其中n等于或大于2；以及从采样的特性数据导出转子位置。

最好n是一个可变的数。其可以按照需要按照转子位置改变，使得可以通过进行基准位置的选择来得到按照转子的速度处理时间所需的时间。

本发明可以用多种方式实施，下面参照附图以举例的方式说明其中一些方式，其中：

图1表示开关磁阻驱动系统的主要部件；

图2表示接近定子磁极的转子磁极的示意图；

图3表示在用于控制图1的电机的相绕组的供电的功率变换器中的一种典型的开关电路；

图4(a)和4(b)分别说明在斩波方式和单脉冲方式下操作的开关磁阻驱动系统的电流波形；

图5表示按照本发明以单脉冲方式操作的电机的理想的电感曲线和可能的基准角位置；

图6是使用本发明的开关磁阻驱动系统的示意地方块图；以及

图7表示按照本发明以单脉冲方式在宽的速度范围内操作的电机的控制流程图。

图6说明使用本发明的开关磁阻驱动系统的示意的电路图。该电路基于图1的电路，并且用相同的标号表示相同的部件。此处不再重复进行相同元件的进一步说明，但是应当注意转子位置检测是无检测器型的，因为电路中没有图1的转子位置传感器15。

控制器14’包括专用集成电路(ASIC)40，其包括微处理器，被可操作地和查阅表42以及A/D转换器44相连。A/D转换器多路传输从电流传感器18和被设置用于监视相绕组16两端的电压的电压检测装置46接收的信号。应当理解，对于每相可以使用单独的A/D转换器处理这些输入信号。

在本实施例中，本发明的方法包括开关磁阻电机的无检测器操作技术，例如由Ray在EP-A-0573198中说明的。在该专利中描述的用于测量磁链和电流的方法是合适的，虽然也可以利用任何其它合适的方法，例如利用非隔离的装置，如通常被用于低成本的驱动系统中的，或者可以利用其它的分析或计算技术测量磁链。显然，本发明同样可以应用于由Ray描述的无检测器技术之外的无检测器技术。本发明能够利用已知的无检测器技术控制较大的速度，其中不同的是对速度的限制由在控制器中处理数据的速度确定。

在单脉冲方式下，数据一般在每个相的电感周期被采集一次，因为在多相电机中，相电感周期重叠。因而，对于给定的电感周期，每个相依次被探测。角基准点被预先确定，当预测转子处于这一位置时测量电流和磁链。测量的磁链和预计的磁链之间的误差用于导出位置误差，因而得到修正的位置估计。这一位置估计可用作计算速度或加速度的基础。这个方法示意地示于图5，其中LA，LB，和LC三相电机的理想的电感曲线，并且Ref A，Ref B和Ref C代表对于三相用于监视操作的基准角。通过使用电机磁特性的对称性可以提供电动机操作和发电机操作，使得只需要存储相应于半个电感曲线的数据。此外，对于两种方式，数据可以被显示地存储。

图7更详细地说明单脉冲方法，图7表示本发明的方法基于微处理器实施时使用的步骤的流程图。具体的实施使用低成本的微处理器，但是本领域技术人员将会理解该方法可以用稍微不同的步骤实施而可以产生相同的效果，或者可以利用其它的控制装置实施，例如利用数字信号处理器等等。此外，也可以使用实施该方法的等效的模拟电路。步51使控制系统可以等待直到收到表示希望转子处于一个预定的基准角的中断为止。步52在转子被认为处于基准角位置时采样磁链和电流并存储这些值供以下的计算使用。磁链Ψ_m可以通过对施加于相绕组的emf积分方便地计算：

Ψ_m＝∫(V-iR)  (1)

其中V是除去任何器件压降的电源电压，i是瞬时相电流，R是相电阻。此外，可以通过积分直流线路电压并使用已知的开关状态控制积分器进行计算。电流可以利用已知类型的隔离电流传感器进行测量，或者通过测量电路中的元件(例如电阻、开关元件等)上的电压降进行测量。这些值通过A/D转换器44被转换成数字形式并被存储在寄存器中。

步53使用电流的测量值查找磁链的期望值Ψ_ref和在基准角下的角度对磁链的导数dθ/dΨ。将合适的值保存在一个或几个查阅表中并以常规分方式被读出。步54计算在读出时刻的角度和基准位置之间的角度误差Δθ：

Δθ＝dθ/dΨ(Ψ_m-Ψ_ref)    (2)

然后这一角度误差可以在步55用于计算转子角度的真值：

θ＝θ_ref±Δθ(3)

其中对于电动机操作取正号，对于发电机操作取负号。

无检测器位置检测系统一般必须在接近功率开关元件的电气噪声环境下操作，这经常导致磁链和电流测量的不准确，导致计算出位置数据。为了改进系统的健壮性，已经提出了一种用于检查计算的位置数据的有效性的方法。这技术在步56进行。每计算出一个新的位置，便可以存储位置、时间和速度值。使用最后存储的n个值，可以推定一个预测的位置，用于和新的计算值比较。如果新的计算值和预测值在一个预定的量内不一致，则增加误差计数，并使用预测值代替新的计算值：如果它们一致，则减少现有的误差计数，并使用计算出的值。因而，经过多个连续的测量周期，则建立起位置数据的可靠性曲线。如果误差计数超过某个值，例如5次相继的计算不一致，则控制系统决定已经和转子的实际位置失去同步，并在发生严重的事故之前关闭电机的激磁。值的存储和推断可以利用任何常规的装置进行，但是一般利用在存储器位置中的数字存储。已经发现，使用n＝8能够给出在系统的稳定性和存储容量的要求之间的好的折中。在另一个实施例中，8个存储值用于位置，64个存储值用于速度。

步57确定下一个参考位置，即在进行下一组测量的相上的位置。按照现有技术，以可接受的精度确定转子的角位置之后，并从过去的时间得知位置和速度之后，步58则应当计算在下一个相上的下一个参考位置应当达到的时间。这个时间被存储，并且控制器返回步51等待，直到经过存储的时间，在下一个参考位置进行测量。

可以看出，通过按照现有技术的程序，在相邻的参考点进行相继的测量。例如，参见图5，如果在相A上的测量刚好在转子角度Ref A完成，则图7中的步57设Ref B作为下一个参考位置。将会认识到，磁链和电流的测量必须在足够接近参考角的条件下进行，使得位置误差较小，否则系统便不稳定因而失去控制。

因为计算占用有限的时间，显然，使用这种方法对于操作速度具有限制。例如，对于具有12个定子磁极和8个转子磁极的三相电机，在转子的一转中具有8个相电感周期。使用例如适用于家用设备或者汽车的廉价的微处理器，计算周期的时间大约是0.3毫秒，这相应于0.9毫秒的每相周期时间。在4000转/分的速度下，相电感的周期应当是1.88毫秒。为了保证稳定运行，在这两个周期时间之间要求具有大的差，这使得一般把速度限制在3000和3500转/分之间，以便阻止误操作。以前这被认为是对这种无检测器位置检测系统操作的限制。虽然可以升高具有较少的转子磁极的(因而具有较长的相电感周期)这种电机的速度限制，但是这种方法是不可行的，因为电机规范的其它部分需要较大的磁极数。另一种方法是使用较快的处理器，但是这增加了控制器的成本。

本发明允许在较高的速度下操作而不管转子的磁极数。在完成步骤57之后，在步59检测速度，以便得知其处于几个预定范围中的哪一个。这在处理器中通过比较在步56确定的速度值和几种合适的速度范围来确定。在本例中，电机具有3个相，转子具有8个磁极，有3个速度范围可以选择。这些范围可以是＜3500转/分，3500-7000转/分，以及＞7000转/分。对于其它具有不同相数和极数的电机，可以选择不同的范围。对于可以包括的不同范围的数量没有理论的限制。也可以发现在步59中引入一些滞后效果是合适的，使得这些范围实际上相互重叠，以便对付在速度范围之间的边界上的速度波动。

如果在步59确定速度处于范围1，则控制和以前一样直接进入步58，使得在Ref A之后的下一个基准位置是Ref B，依此类推。如果确定速度处于下一个较高的范围，则控制执行步60，对基准位置加上一个周期的1/3。由图5可见，这使新的基准点移到相C上的Ref C。这有效地使用于计算新位置的时间增加一倍，并对于给定的处理速度使速度限制增加一倍。由于被加于每个基准位置的1/3的相角，可以看出，在相继的周期，基准位置在相A，相C，相B，相A...，即在每个第二相上，同时电机速度保持在范围2。虽然这些相都被用于探测，但是探测的顺序和频率和相被激励的顺序和频率不同。

如果速度仍然较高并被确定处于范围3，则执行步61，使基准位置增加一个完整的周期，即代替Ref B而成为图5中的Ref B2。这具有移动到一个基准点的效果，其可以得到4倍的偏移的转子角度，因而得到4倍的计算时间。这使速度限制增加了3倍。在这种操作方式下，基准点的顺序是A相，B相，C相...，但频率是原来的1/4。不过，所有的相被按照其被激励的顺序探测。

应当理解，由步60和61可以在基准点上加上其它的量。所述的量取决于有关电机的特性数据，如下所述。

如果在查阅表42中存储的特性数据是针对在电机中预期的平均值，则依次探测每一相将是合适的。例如，加上两个完整的周期将将使速度限制增加6倍。不过，优选实施例中对n相电机增加1/n周期(其中n是非零的正整数)，或者增加整个周期，因为这是引起所有的相被依次探测的附加量，因而可以平衡相间参数改变的影响，并得到可靠的位置表示。

当存储的特性数据仅仅针对电机的特定相时，则只探测那些相是合适的。在这种情况下，只把整个周期加于基准点。

一般地说，计算被跳过的基准位置的数量P的公式是：

P＝Cn+m

其中n＝电机的相数

m是小于n的正整数

C是表示电感的整个周期的整数≥0。

例如

m＝1  C＝0  n＝3  跳过一个位置，例如A至C

m＝2  C＝0  n＝3  跳过两个位置，例如A至A

m＝0  C＝1  n＝3  跳过3个位置，例如A至B2

因而，显然，本发明基本上可以应用于所有的控制方式和相数。

本发明的上述实施例利用在每相导通周期中的一个固定基准点，从而可以参照同一个角度基准而不需要参照相邻的相便可以确定转子位置。不过，可以在同一相中建立一个以上的基准位置，使得有多个等级的基准位置可被选择，在这些基准位置可以可靠地确定转子的位置。

可以理解，虽然上述实施例参照3相电机进行了说明，但是本发明可以应用于具有任何数量的磁极的多相开关磁阻电机。类似地，本发明也应用于其中运动部件(通常叫做“转子”)作直线运动的直线电机。因而，本领域的技术人员应当理解，不脱离本发明的构思，可以作出各种改型。因而，上述的实施例是以举例方式给出的，并不构成对本发明的限制。本发明的范围和构思由下面的权利要求限定。

Claims (19)

1.一种用于开关磁阻电机的转子位置检测的方法，所述开关磁阻电机具有转子、定子和多个相绕组，其中转子可以按照每个相的磁性能的周期性的改变相对于定子而转动，所述方法包括：

确定在磁性能的每个周期性的变化中转子相对于定子的基准位置；

以计算的到达一个基准位置的所用的时间采样至少一个电机的特性数据；

从采样的特性数据导出转子位置；

使转子向前运动超出下一个基准位置并再次采样至少一个特性数据，使得有更多的时间用于下一次转子位置的导出。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述前进的量是基准位置的整数倍。

3.如权利要求1或2所述的方法，包括：

确定转子的一组速度范围，其包括一个低速范围和至少一个第一高速范围；

确定转子速度处于哪一个速度范围；以及

如果转子速度处于低速范围之外，则使转子前进超过相继的基准位置。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述超过相继的基准位置而前进的量是一个相电感周期的一部分。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述的一部分是m/n，其中n是相数，m是小于n的整数。

6.如权利要求3，4或5所述的方法，其中一组速度范围包括第二高速范围，前进而超过下一个基准位置的值是一个或几个相电感周期。

7.如前面任何一个权利要求所述的方法，其中被采样的特性数据被用于提供代表相应的相绕组中的相电流和磁链的信号。

8.如前面任何一个权利要求所述的方法，其中被采样的特性数据是施加于相应的绕组中的相电流和电压。

9.如前面任何一个权利要求所述的方法，包括由采样的特性数据检测转子速度。

10.一种开关磁阻驱动系统，其包括：

具有多个相绕组的定子；

可相对于定子运动的转子；以及

控制器，所述控制器可以按照在电机的每相的磁性能的每个周期性的改变中的转子相对于定子的基准位置被编程，其具有用于从至少一个被采样的电机的特性数据导出转子位置的装置；以及

以计算的到达一个基准位置所用的时间采样至少一个电机的特性数据的装置，所述控制器还能够操作使转子前进而超出下一个基准位置，并且然后启动用于采样的装置，使得有更多的时间用于转子位置的下一次导出。

11.如权利要求10所述的系统，其中包括用于确定转子速度处于低速范围和至少一个第一高速范围中的哪一个范围的装置，如果转子速度处于低速范围之外时，所述控制器能够操作使得转子前进而超过相继的基准位置。

12.如权利要求11所述的系统，其中用于确定的装置能够把确定的转子速度分配在第一高速范围，所述控制器能够操作使得转子前进而超过相继的基准位置一个相电感周期的一部分。

13.如权利要求12所述的系统，其中所述的一部分是m/n，其中n是相数，m是小于n的正整数。

14.如权利要求11，12，或13所述的系统，其中用于确定的装置能够通过操作把确定的转子速度分配在第二高速范围，所述控制器能够通过操作使得转子前进而超过相继的基准位置一个或几个相电感周期。

15.如权利要求10到14任何一个所述的系统，包括用于从采样的特性数据导出转子速度的装置。

16.一种用于确定开关磁阻电机中的转子位置的方法，所述开关磁阻电机包括定子，转子和多个相绕组，当以单脉冲方式操作时，所述方法包括：

确定在电机的磁特性的每个周期性的改变中的转子相对于定子的基准位置；

以计算的到达每个第n个基准点的时间采样至少一个电机的特性数据，其中n等于或大于2；以及

从采样的特性数据导出转子位置。

17.如权利要求16所述的方法，其中n是一个可变的数。

18.如权利要求17所述的方法，其中n的值按照转子相对于定子的速度被确定。

19.如权利要求16，17或18所述的方法，其中采样的特性数据被用于提供代表相应的相绕组内的相电流和磁链的信号。

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