CN1302613C - 开关磁阻电机中电流变化率的测量 - Google Patents

Abstract

测量开关磁阻电机中的电流变化率的方法和装置。一个线圈由印刷电路板的两个或多个轨迹42、43构成，并被安排得接近于导体50，以测量导体中的电流变化率。线圈的每匝在平行于导体的方向上位移开与其相邻的匝。线圈的输出可以被用来为开关磁阻驱动装置中的位置探测方案提供探测信号。

Description

开关磁阻电机中电流变化率的测量

技术领域

本发明涉及探测电流波形上的一个点，在该点处电流斜率的符号发生改变。本发明特别适用于控制开关磁阻电机。

背景技术

在J M Stephenson和R J Blake于1993年6月21日至24日在德国纽伦堡举行的PCIM’93 Conference and Exhibition上发表的论文“The Characteristics，Design and Applications of Switched ReluctanceMotors and Drives”中，描述了开关磁阻电机的控制和运行，该文在此处作为参考被引入。在该论文中，分别对于电机在低速和高速下的运行描述了开关磁阻电机激励的“斩波”和“单脉冲”模式。

图1中示意性地表示了现有技术中一个典型的驱动系统。它包括一个直流电源11，该电源可以是电池，也可以是经过整流和滤波的交流源。在电子控制单元14的控制下，电源11提供的直流电压被电源变换器13在电机12的相绕组16上进行转换。通常会采用某种形式的电流传感器18来提供相电流反馈。图2示出了多种已知的转换器拓扑结构中的一个。机器的相绕组16在母线26和27间与两个开关器件21和22串联。母线26和27统称为变换器的“直流链路”。能量恢复二极管与绕组相连以使绕组电流在开关21和22打开时回流到直流链路。一个低阻值的电阻器28与与下部开关22串联，起电流感应电阻的作用并以提供电流反馈信号。一个称为“直流链路电容”的电容器25跨接在直流链路上以吸收直流链路电流的任何交流分量(即所谓的“纹波电流”)，这些交流分量不能被吸收或回到电源。实际上，电容器25可以包括相互串联或并联的几个电容，当使用并联时，一些元件可以分布在变换器中。

在低速下，开关磁阻系统通常运行在电流控制或者斩波模式下，而在较高速时，则通常运行在单脉冲激励模式下。图3示出了这种模式，其中示出在一个相电感周期中线性化的电流和电感波形。当电压在接通角θ_on加在相绕组上时，电流增大，达到一个峰值，之后随着转子极开始与定子极重叠并且电感上升，电流发生翻转。本质上，电流被电路的反电动势所限制。电压在断开角θ_off处反相，在一个导通角θ_c之后，随着能量被返回电源，电流以更快的速度减小，并在电压达到零的时候停止。之后，在循环再次开始之前有一个零电流的时期。在实践中，电感波形由于磁通在空气中的散射而具有圆角，这导致电流波形相应地变圆滑，如图4所示。

一个可替代的开关策略是在θ_off之前的一个时期使用空程(freewheeling)，从而开关电路允许电流在不加电压的情况下在相绕组中再循环。图4显示了这项技术，清楚地表明了在空程期间施加的电压为零的时期。在重复循环之前，电流再一次暂时回落到零。

上面的讨论中已经说明了电机运行过程，众所周知，电机在发电模式下运行得同样好，其中，电流波形通常是电机运行波形镜象图形。

开关磁阻电机的表现部分地取决于与转子位置有关的相激励的精确定时。通常使用位置传感器15来探测转子位置，如图1所示，例如：使用安装在电机转子上的、与安装在定子上的光或磁传感器协同工作的旋转有齿圆盘。生成指示相对于定子的转子位置的脉冲串并提供给控制电路，允许精确的相激励。

可选择的位置探测方法包括所谓的“无传感器”法，其中位置从电机的另一个参数的测量中导出。这种方法的好处是电机上不需要专门的位置传感器，因此降低了成本并增加了可靠性。在“Review of sensorlesscontrol methods in switched reluctance motor drives”(Fahimi等，IAS2000，Thirty-fifth Annual Meeting and World Conference onIndustrial Applications of Electrical Energy，2000年10月8日至12日，意大利罗马，Vol 3，pp 1850-1857)中，给出了许多已知的无传感器法的概括。在已知的方法中，包括那些使用在不饱和相电流波形下的性能的方法，其中峰值电流与转子和定子极之间开始交叠在同时出现，如图3所示。这些技术在论文“A New Indirect Rotor Position DetectionMethod For Switched Reluctance Drives”(Kjaer等，ProcInternational Conference on Electrical Machines，1994年9月5日至8日，巴黎，Vol 2，pp 555-560)中进行了一些详尽讨论，在此处作为参考引入。在EPA 1109309(Moriarty)中公开了探测极交叠开始的一种特别方法，此处作为参考引入。

所有这些技术都需要精确地了解相电流，特别是当需要电流的导数时，因为微分的过程会自动地加重任何错误。精确地电流检测可以通过霍尔效应电流传感器来完成，它也提供与相电流的电绝缘，但是成本很高，并且在低功率驱动器中耗费相当大的空间。在低成本应用中，经常使用电流传感电阻器，如图2所示，但是这些电阻器不提供绝缘，并且，在低功率应用中，电阻器上出现的额外电压降经常引起不可接受的性能下降。

近年来，人们又重新开始使用罗高夫斯基线圈，在Viana等的一篇最近的论文“Voltage Profiles and Closures on Rogowski Coils”(Viana等，Proc IEE，Electric Power Applications，Vol 149 No3，2002年5月，pp 223-227)中，详细描述了在系统准确性方面的最新研究。罗高夫斯基线圈测量环绕导体的电场，并给出与感应电流变化率成比例的电压。之后，该电压通过特别设计的电路进行积分，以给出电流的测量值。积分器的设计以及系统的校准决不是无关紧要的。尽管当设计完好时，这样的系统可以在很宽的带宽范围内得到很高的精确度，但他们通常被认为是高成本的实验室设备，而并不适用于低成本、大量生产的应用。已经有人尝试过制造更为廉价的形式，并且不过于严重地损害精确性，例如US 5414400(Gris)中所讨论的那些产品，此处作为参考引入，但是需要将导体放在印刷电路板中会导致重大的装配问题。

美国专利6380727中公开了一种使用印刷电路板(PCB)轨迹环(trace loop)的电流传感器。电流传感器和导体都作为PCB板上的PCB铜轨迹。导体中的电流与线圈的轴正交。

因此，在开关磁阻电机中，就需要低成本的电流测量系统，以监测相电流的变化率并探测何时出现电流的翻转。

发明概述

根据本发明，提供了一种电流变化率传感器，它包括一个用来耦合来自导体的磁通的线圈，线圈中的电流变化率有待检测，线圈包括多匝，每匝都是印刷电路板上的轨迹，每匝都在平行于导体的方向上与其相邻匝位移开。

这样，就增加了导体和线圈之间的磁通链接。

印刷电路板最好至少具有第一层和第二层，每匝包括在第一层上的第一部分和在第二层上的第二部分，匝的第一和第二部分通过延伸过印刷电路板的通路连接。

这些匝可以是任何合适的形状，例如，长方形、环形或者六边形。每匝线圈的尺寸最好都和其他匝相同。

可以在印刷电路板上设置用于将导体相对于线圈定位的装置。导体可以在印刷电路板的一个层上形成，或者也可以包括印刷电路板的一层。导体可以是具有至少两个分支的分裂的导体，其中每个分支与线圈的任一侧的通路相接近。

在优选实施例中，在印刷电路板上提供了两个线圈，而导体在两个线圈间延伸。

在本发明的第二个方面中，提供了一种开关磁阻驱动装置，它包括一个电机，该电机具有定义了多个转子极的转子、定义了多个定子极的定子，以及至少一个相绕组，用来激发两个或多个极；开关磁阻驱动装置还包括根据本发明的传感器，该传感器被连接以探测相绕组中的电流变化率。

传感器的输出最好被馈至探测电流变化率过零的点的线圈。传感器的输出可以被用于提供转子位置信息。

本发明由所附的独立权利要求限定。在附属权利要求中列举了一些优选的性能。

附图说明

本发明可以通过几种方法实现，现在将通过举例并参考附图来描述其中的一些方法。附图中，

图1是现有技术中典型的开关磁阻驱动装置；

图2是附图1转换器的一相的已知的拓扑结构；

图3是在单脉冲控制中的理想的电流波形；

附图4是在使用空程的单脉冲控制中的典型的电流波形；

图5是根据本发明的一个方面的线圈；

图6是根据本发明的另一个方面的线圈；

图7是根据本发明的再一个方面的线圈；

图8是线圈的典型输出波形；

附图9是示范性的过零检测电路。

具体实施方式

图5示出了本发明的一个实施例，其中导体50带有待探测的电流。在开关磁阻电机领域中，典型地，此导体通向开关磁阻电机的相绕组。导体和印刷电路板(PCB)平行排列，并可以通过固定装置52被保持在位，其中固定装置52采取PCB上的部件的形式，通常使用夹子或者其它紧固件。PCB可以专门用于电流探测，如图5所示，或者也可以带有部分或者全部控制系统以及电源转换器，以控制电机。例如，它可以包括部件13和14的部分或全部，以控制如图1所示的开关磁阻电机。

通过在PCB上布置导电轨迹，通常为铜，而在PCB上制造平面线圈，这在本专业是已知的。图5显示了排列在PCB的上面(实线)和下面(虚线)的线圈，线圈的每匝的侧面以通常的方式通过通路连接。线圈开始于通路46，轨迹42构成了第一匝的第一部分。这部分通过通路44连接到位于电路板的另一面的第一匝的第二部分43。第一匝的第二部分通过通路47连接到下一匝的第一部分，线圈以这种方式继续下去，直到最后一匝的第二部分终止于通路48。线圈的输出电压出现在通路46和48之间。

线圈的匝数是一个变量，受待探测的电流的大小、电路板上面可利用的面积、所需要的精确度，以及其它因素的影响。导体50中的电流i在线圈中产生的电压由以下公式得出：

V_c＝A di/dt                                      (1)

其中A为一个常数，其值以一种复杂的方法依赖于线圈的几何结构、匝数以及导体相对于线圈的位置。它最好由实验确定。在图5中，导体靠近位于线圈一侧的通路。如果将导体从线圈旁边移开，由于线圈和包围线圈的磁场之间的链接减少，A的值以及随之的Vc值都会下降。如果将导体移向线圈的中心，A的值首先会上升一点，随后，由于导体右侧的磁场开始与线圈链接并且抵消了原来的磁场，A值下降。当导体位于线圈的中心时，输出实际上降到零。

由图5可以看出，线圈的每一匝都在平行于导体的方向，特别是导体中的电流的方向上，与其相邻匝移开一点。这样，线圈的第二匝沿着线A-A移开第一匝，线圈的第三匝沿着线A-A移开第二匝，线圈中剩下的匝都是这样。线圈的排列增加了在导体50和线圈之间的磁通链接。这也可以看作是导体被设置成与由线圈各匝的轴形成的直线相平行。在图5中，各匝的轴与页面正交。

图5示出了一个六边形线圈，这对于PCB的制造来说很方便，尽管也可以采用其它的形状，如：矩形或者环形。作为替代，可以通过在三个或者更多的层上沉积轨迹并将之适当地互相联接来制造线圈。导体50可以由在PCB的一层上面的一条或多条轨迹组成。

图6示出了另一个实施例，其中导体50放在两个线圈61和62之间，每个线圈的构成都与附图5中的线圈相似，这样，通过适当地连接两个线圈，可以增加输出的灵敏度。

图7中示出了另外一个实施例，其中布置了两个线圈和一个分裂的导体，以使系统的灵敏度最大化。导体由可以在PCB的一个或多个层上提供的轨迹形成。这种安排可以如以前一样方便地布置，即线圈侧位于顶层和底层，而导体轨迹位于中间层。导体轨迹具有焊盘或终端72和74，以允许连接到外部电路。如果电流在，比如74，之中流动，则它向上流经分支76，随后分为分支77和78。这种分裂避免了通路连接线圈侧。随后电流沿着分支79、80回到底部分支70，在72流出电路。这样的安排允许每个线圈61、62被来自两个分支的电流影响，这样就最大化了灵敏度。

注意图7中的电源导体轨迹是为了看起来清晰而排列的，在实际应用中，分支77和78可以与导体侧面连接更加接近，而外部分支可以与外部连接更加接近。

导体50可能形成与开关22和相绕组16相连接的母线的一部分。作为替代，开关22也可以安装在PCB上，并通过导体50连接到线圈和相绕组。参见图7，相绕组可以直接连接到终端72和74。

如图5、6和7中所示的线圈的输出有赖于电流波形的形状。图8示出了由图3电流根据等式1产生的波形的类型。线圈的输出被用于为开关磁阻驱动装置中的位置探测方案提供探测信号。为了用线圈的输出来探测电流翻转点，必须探测到线圈输出过零的点。这可以采用任何方便的方法做到，这是本领域技术人员所熟知的。图9给出了一个示范性的电路。线圈90连接到差分放大器92，差分放大器92向施密特比较器94提供输出。输出96可被用于以已知方式驱动微处理器的中断。然后，微处理器可以编程设定无传感器位置探测算法，例如，如同EPA 119039中所描述的。

注意，由于重要的是过零位置，而不是波形的大小，因此没有必要知道线圈输出的确切大小(即，知道等式1中常数A的值)。输出只需要足够大，以便可靠地驱动探测电路就可以了。

本领域的技术人员会意识到，在不偏离本发明的情况下，所公开的这些安排可以有各种变化。因此，上述对于几个实施例的描述采取了举例的方式，而不是为了限制的目的。本领域的技术人员会很清楚，在不对上文所描述的运行方式做出明显改变的情况下，可以对其进行一些小的修改。本发明仅受所附权利要求的范围限制。

Claims (11)

1.一种电流变化率传感器，包括用于耦合来自导体的磁通的线圈，所述导体中的电流变化率有待探测，所述线圈包括多匝，每匝都是印刷电路板上的一条轨迹，并且每匝与其相邻匝在平行于导体的方向上隔开。

2.根据权利要求1的传感器，其中所述印刷电路板至少具有一第一层和一第二层，每匝包括在所述第一层上的一第一部分和在所述第二层上的一第二部分，匝的第一和第二部分被延伸通过印刷电路板的通路连接。

3.根据权利要求1或2的传感器，其中所述匝的形状是矩形、环形或者六边形。

4.根据权利要求1的传感器，其中所述印刷电路板具有这样的特征，其将所述导体相对于所述线圈固定。

5.如权利要求1的传感器，其中所述导体被附接在所述印刷电路板的一层上，或者所述导体包括所述印刷电路板的一层。

6.根据权利要求1的传感器，其中导体是分裂导体，具有至少两个分支，每个分支接近于线圈任一侧的通路。

7.根据权利要求1的传感器，其中两个线圈被设置在所述印刷电路板上，所述导体在两个线圈中间延伸。

8.根据权利要求1的传感器，其中所述线圈的每匝与其余匝具有相同的尺寸。

9.一种开关磁阻驱动装置，包括一电机，该电机具有定义了多个转子极的转子、定义了多个定子极的定子，以及至少一个相绕组，用来激励两个或多个极；还包括一个权利要求1-8中任一项所要求的传感器，被连接以探测在至少一个相绕组内的电流变化率。

10.根据权利要求9的开关磁阻驱动装置，其中所述传感器的输出被馈入一个探测电流变化率过零点的电路中。

11.根据权利要求10的开关磁阻驱动装置，其中传感器的输出用于提供转子位置信息。

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