CN1365182A - 用来确定在开关磁阻机械中的转子位置的一种方法和系统 - Google Patents

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Abstract

不使用物理转子位置探测器控制一种开关磁阻机械。通过把已知数值的电流同时注入到两个相位中确定在启动时的转子位置。测量电流上升时间,并且用来对于已知电流级查询相对于转子角度的上升时间存储表。这由每个上升时间产生两个可能转子位置。比较角度而产生实际位置。

Description

用来确定在开关磁阻机械中的转子位置的一种方法和系统
技术领域
本发明涉及确定在开关磁阻机械中的转子位置。
背景技术
开关磁阻机械的控制和操作一般在由J M Stephenson和R J Blake在德国Nurnberg于1993年6月21-24日召开的PCIM”93 Conferenc和Exhibition上递交的论文“开关磁阻转子和驱动器的特性、设计和应用(The Characteristics，Design and Applications of SwitchedReluctanc Motors and Drives)”中描述，该论文包括在这里以例对比。在该论文中，对于机械在低和高速度下的操作分别描述了开关磁阻机械激励的“斩波”和“单脉冲”模式。一种典型先有技术驱动器示意表示在图1中，并且多种已知转换器布局之一表示在图2中，其中一个电阻器16与下面的开关22串联连接以提供一个电流反馈信号。
开关磁阻机械的性能部分取决于相位激励相对于转子位置的准确计时。按常规通过使用机械转子轴相关安装的一个换能器实现转子位置的探测，如示意表示在图1中的那样，其中一个转动盘安装在机械转子轴上，该轴与一个固定光学或磁性传感器共同操作。产生指示相对于定子的转子位置一个脉冲序列，并且供给到控制电路，允许准确的相位激励。这样一种设备的显著性质在于，它在零转子速度下起作用，允许控制电路辨别要激励的正确相位以在希望方向上提供转矩。
该系统简单并且在多种用途中工作良好。然而，转子位置换能器增大组件的整体成本，对于机械添加额外电气连接，并因此是一个不可靠的潜在源。已经提出了用来省去转子位置换能器的各种方法，并且这些方法的几种由WF Ray和IH A1-Bahadly的、出版在Proceedings of TheEuropean Power Electronics Conference，Brighton，UK，1993年9月13-16日，Vol.6，pp 7-13中的“用来确定开关磁阻电机的转子位置的无传感器方法(Sensorless Methods for Determing the RotorPosition of Switched Reluctance Motors)”中回顾，该文章包括在这里以例对比。
为转子位置估计提出的这些方法许多是使用相位磁链(即，施加电压相对于时间的积分)和在一个或多个相位中的电流的测量。使用机械电感变化作为角度和电流的函数的知识计算位置。这种特性能存储为一个磁链/角度/电流的表格，并且以图形描绘在图3中。
一般，这些方法要求机械转动以便使确定位置的算法正确地起作用。从静止开始一般需要一种十分不同的技术以把机械运行到某一适当速度，从而诸算法能起作用。例如，包括在这里作为对比文件的EP-A-1014556(Green)描述了一种把磁链的预定脉冲注入到两个相位中的方法，以便把足够的数据编译成查询电流和转子角度的存储表格。该方法需要一个具有捕获电流读数的足够容量和集成施加电压的能力的控制系统。
类似地，US 6107772(Dana)公开了一种把电流注入到多相位机械的三个相位中并且对于对在两个预定级之间穿过的三个电流进行的时间测量结果进行一系列比较的方法。该方法需要相当大的计算能力和存储中间步骤结果的能力。
发明内容
本发明在附属的独立权利要求中定义。在从属权利要求中叙述一些最佳特征。
在一个实施例中，本发明提供一种通过对相位中的电流升至预定级的计时确定在零速度下的转子位置的方法。相电流的升高时间与用于该相位的磁路的电感和转子位置直接相关，因为对于该相位由转子磁极相对于定子磁极确定电感。本发明把电流同时注入到两个相位。一张存储对于时间坐标的转子角度的简单查阅表能用来允许根据用于基本一致的每个读数通过比较可能的转子位置确定转子位置。
每个相位具有一个相位电感周期。因而两个相位具有移相的这种周期。根据本发明通过比较计时电流升高的结果，在两个电感周期中的两点之间而不是在别处有基本一致。由来自测量结果的这种基本一致，能导出转子位置。
本发明的一种形式提供一种无传感器控制方法，该方法能与在零转子速度下的任何功率转换器电路工作，不需要大量的存储数据或昂贵的电流反馈，而在由其导出位置的波形上的存在噪声的情况下可能是稳定性好的。本发明不需要一般浪费存储器空间的任何存储磁链数据。
为了能够使相电流达到阈值的时间直接等同，需要把相同的电压施加到两个相位上。如果施加的电压与用来提供由其把电流升高时间等同到转子角度的基础数据的电压不同，则由电压的比率能换算监视时间。
附图说明
本发明能以各种方式付诸实用，参照附图通过例子现在将描述其中某些方式，在附图中：
图1表示一种典型的先有技术开关磁阻驱动器；
图2表示图1转换器的一个相位的一种已知布局；
图3表示刻画一种开关磁阻机械的磁性行为的磁链相对于电流的曲线；
图4表示一种根据本发明的开关磁阻机械；
图5表示一个相位绕组的电流升高时间对转子角度的表格；
图6表示电流升高时间相对于转子角度的曲线；
图7表示根据本发明的流程图；及
图8表示一个理想、2相位机械的电感轮廓。
具体实施方式
专业人员知道，开关磁阻机械的相位电感循环是对于该或每个相位的电感变化周期，例如当转子磁极与定子磁极完全对齐时在最大值之间。所述的最佳实施例使用一个2相位开关磁阻驱动器，但能使用任何更大的相位数量。
图4表示根据本发明的开关磁阻驱动器。它基于图1中的驱动器，并且类似部件已经给出类似标号。机械本身包括一个定子30、一个装在定子内转动的转子32、及经开关电路13连接到电压源11上的两个相绕组34/36。在该实施例中，一个电流传感器38相对于两个相绕组34/36的每一个放置以提供指示用来确定转子相对于定子的位置的电流的信号。电流的升高速率取决于相位电路的电感，该电感又取决于转子位置。
每个电流传感器38的输出分别连接到一个阈值探测器40上，探测器40每个被控制，由一个控制器42复位。一个计时器44连接为由控制器致动，并且由其有关阈值探测器40的输出去激励。一个可寻址查阅表46连接到控制器42上。查阅表46包含根据相电感对于电流达到阈值的时间坐标的转子位置的值。上述许多部件可以作为微处理器或专用集成电路(ASIC)的部分实现。例如，计时器44和查阅表46可以不是分离实体。图4是用于表明本发明目的的放大示意图。
当希望启动驱动器时，把相同电压施加到两个相位34/36，因而注入电流。例如，如果驱动器使用图2的功率电路布局，则每相的两个开关由控制器42同时闭合，从而两个相位暴露于供给电压。一个阈值电流级事前设置在阈值探测器40中。例如，该级可能近似地是在驱动器正常操作期间使用的波峰电流，或可能是某个其它适当的级。当在相位之一中由电流传感器38检测的电流根据电流的升高速率达到预定阈值级时，其阈值探测器40使计时器44，停止记录从当首先施加供给电压时的零电流得到的时间。同时，用于该相位的开关由控制器42打开。对于其它相位当其其电流达到相同阈值时，发生相同操作。
控制器42也连接到查阅表46上，其中存储对于预定阈值电流的转子位置对上升时间的值。对于3.3安培的电流值用于一种典型小型机器的这样一种表格能从图5中表示的测量数据导出。该机器具有4个定子磁极50和2个转子磁极52。转子具有一个与定子磁极表面一起限定一个阶梯气隙54的磁极表面轮廓。当激励相位之一时，在气隙中的台阶允许启动转矩。
图6表示对于图形形式的相位A与转子位置相关的上升时间。x轴为机械上的度，并且由于定子具有2个磁极对，所以180°与一个相电感循环相对应。对于具有更大数量相位的机器，在一个较短角度跨度内将重复上升时间单位值。对于一种给定情形，对于单位时间值坐标的角度条目的数量是在存储器空间与精度之间的平衡。y轴是在控制器中对于存储介质便利的时间单位，并且这里每个单位对应于0.00003秒。标记相为B的曲线与对于由移动90°的相A的曲线相对应。两个样本时间T1和T2在图6中由虚线指示。T1指示对于相位A的两个可能位置，即29°和143°；T2类似地指示对于相位B的两个可能位置，即29°和131°。通过在控制器42中的寄存器(未表示)中执行比较，这把转子位置定义为29°，因为在任何时间只有一个转子位置能存在。如果在上升时间测量期间没有转子的显著运动，则该方法是可靠和准确的。然而，对于比较的结果最好识别在来自一个相位的可能位置与来自另一个的那些之间的‘一致’性，因为包括关于在最密切匹配之间的差的上和下限。
如果用来驱动机器的电压与用来收集用在查阅表46中且表示在图5中的数据的电压不同，则将引入误差，因为不同的电压将产生不同的相电流上升速率，这种情况下，意味着到达在探测器40中设置的阈值的不同时间。通过用施加电压与用来产生查阅表数据的特征化电压的比简单地定标测量上升时间能消除或至少大大地减小这些误差。这能通过使用标准乘和除例行程序的控制系统直接实现。如果需要更准确的结果，可使用例如补偿磁性非线性的非线性定标。
为了参照对开关磁阻机械的这种确定方法在图7的流程图中概括根据本发明的用来确定转子位置的方法。本发明也适用于启动后的转子位置确定。
在步骤60，通过零化用于两个相电流的计时器44开始该过程，这两个相电流借助于换能器38监视。在步骤62，闭合通过其跨过两相每一个施加供给电压的开关21/22，使每相中的电流向预定阈值升高。在步骤64上升的电流由阈值探测器40监视。当通过在一相中的电流达到阈值时，在步骤66断开其开关。因为转子位置相对于监视电流的相位的差，由于两个相电路的不同主要电感，在不同时间达到阈值电流。
一旦两个相电流已经达到阈值，并且两个有关开关对21/22已经断开，就在步骤68补偿达到阈值的时间。这考虑到在用来确定在查阅表46中的电流值的电压与跨过相位施加的供给电压之间的任何差别。这是基于两个电压比值的简单定标操作。
在步骤70，访问查阅表46以便对于达到阈值的补偿时间取出与图6中曲线中的两点相对应的可能转子位置的值。在步骤72，由控制器42对每个相位的可能转子位置的两个值彼此进行比较，以从每个集辨别两个最近值。如果在用于转子位置的两个最好匹配值之间有任何偏差，但偏差在可接收极限内，则控制器拾取从首先到达电流阈值的相位导出的值作为指定转子位置。这基于到达阈值越快，由于噪声注入失真的机会越小。其他技术，如在两个最好匹配读数之间取平均值，能用于类似效果。如果偏差不在可接收极限内，则从步骤60重复该方法。
在图7的流程图中反映本发明的一种可选择形式，其中在步骤74进行比较结果的可靠性估计。这是一个在某些情况下能有利采用的可选择步骤。在用于图6中的两个相位的曲线上有一些区域，在噪声存在时对于产生用于转子位置的模糊读数比其它区域敏感。在其特性曲线表示在图6中的机械的方面，这些发生在两条曲线的交叉处在约40°和125°处。特别是在这些区域中，噪声能影响在可能转子位置的失真，从而值的错误集能显得是最好匹配。在图6中的曲线的情况下，这能导致错约85°的转子位置的确定。如果可能转子位置值落在这些点周围的预定义区域中(比如在约+或-5°内)，则在任何情况下都认为读数是不可靠的，并且从步骤60重新开始用来确定转子位置的过程。为了避免在根据本发明的实施例建立转子位置时在第二偿试中问题的重复，把一串电流脉冲施加到相位之一上，以便对于要取的后续读数及时相对于定子移动转子远离模糊区域。这在下面更详细地描述。
专业人员将认识到，如果相位A和B在机械中是对称的，则对于他们不必存储独立的曲线：与相位之间的物理相移相对应的数据的简单偏移正是所需要的。处理在上升时间测量中的噪声的标准方法和存储数据的量化能用来消除否则会出现的较小误差。类似地，各种常规方法的任一种能用来从信息表格读的角度信息：例如，数据能作为两个小表格保持，一个具有从最小到最大电感值的角度，而另一个从最大到最小电感值-这样一种布置允许存储在存储器系统中的数据的快速存取。
2相电机具有在空间移动180°的相位(电气)，所以电感轮廓彼此相对地对称放置。如果转子磁极几何形状也是对称的，那么电感轮廓也具有一根对称轴线，如对于没有任何边缘路径的理想机械在图8中所示。这些轮廓产生类似对称的上升时间轮廓，并且虚线指示在接收转子位置现在有模糊性，因为两条曲线指示相同的可能位置。正是把非对称引入到电感轮廓(并因此引入到上升时间曲线中)产生允许不正确转子角度的消除的信息。具体地说，正是在上升时间曲线的上升与下降部分之间的斜率差提供必要的非对称，并且这自然出现在带有一个用来产生启动转矩的阶梯气隙2相位机械中。然而，由此得出，如果有其中斜率没有什么非对称的曲线区域，那么分辨可能位置的模糊性的能力将受到限制。当包括由于在电流上升时间中和在特征化机械中的误差造成的不确定性时，能有其中一个或多个角区域不产生可靠位置确定的情形。
通过简单地把转子移动一个小角度量能克服这种不确定性，例如通过借助于跨过相位施加一个较大电压把较大数值的电流脉冲射到一个相位中以产生转矩，并且然后使用相等电压进行新位置估计。一种一般最佳的可选择方法是使用在相位电感周期中的串中的多个诊断脉冲，从而施加到转子上的平均转矩增大，并且转子缓慢地运动到一个新位置。在该周期期间，控制器能解释来自每个的结果或诊断脉冲的一种选择，从而它具有一个几乎连续的数据流，这改进可靠性，因为转子运动离开不确定区域。把控制器能编程成施加这些额外脉冲一个预定时间或者根据结果一致的重复性决定数据何时足够可靠，并且以通常方式进行。
将认识到只有2相位机械才有对称问题。对于定子相位对称布置的任何较高相位数量，总有不相互对称的至少一对。例如，在一个3相位机械中，相邻相位分开120°；在4相位机械中，尽管每隔一个相位分开180°，但相邻相位分开90°；在5相位机械中任何两个相位都是适当的。因而，在具有3或更多相位的机械中，该问题因为在相位之间的相对移动不会产生，或者能选择适当的相邻相位以避免模糊对。
以上讨论的例子中，假定一个电流传感器用于每个相位腿。该技术不限制于这样一种配置。如果电流波形是这样的，从而配置成检测所有相位的组合电流的一个电流传感器提供一个能唯一辨别各电流的信号，那么本发明能应用于这种配置。而且，就其中每个相位电流必须达到的阈值是相同的实施例，以上已经描述了本发明。能设置不同的阈值，只要此后定标为每个相电流上升记录的时间以考虑差别，或者只要根据适当阈值特征化用于每个相位的查阅表。
专业人员将认识到，在不脱离本发明的情形下所公开的配置可以有变化，特别是在微处理器中算法实施的细节方面。因而，几个实施例的以上描述通过例子进行的，而不是为了限制目的。对于本专业人员显然，对于驱动电路能进行微小修改而不显著改变上述操作。本发明仅以如下权利要求书的精神和范围为限。

Claims (26)

1.一种用来确定多相位开关磁阻机械的转子相对于定子的位置的方法，该方法包括：
同时激励至少两个相位；
监视在相位每个中的电流至一个预定阈值的上升时间；
把在每个相位中的电流上升时间等同于对于转子位置由在每个相位中电感的循环变化造成的转子可能位置；及
比较对于他们之间基本一致的转子可能位置以导出实际转子位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中可能转子位置的值存储在存储装置中作为电流上升时间值的坐标。
3.根据权利要求2所述的方法，其中用于相位的电感的循环变化是类似的，该方法进一步包括：
把一组值和对于单个数据相位电感循环的对应坐标存储在存储装置中；及
对于对应于与数据有关的该相位配置的相位的一个或两个，把相位移动施加于可能转子位置，以便对于该相位等同可能转子位置。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中把值存储在两个或多个表中。
5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，包括同时激励至少两个相绕组的每一个，方法是通过跨过他们施加一个预定数值的电压，并在把用于每个相位的上升时间看作转子的可能位置之前根据预定电压定标监视电流上升时间。
6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，包括由可能转子位置确定转子是否在预定区域中，其中相电感循环由比较可以给出对于转子位置的模糊结果。
7.根据权利要求1至6任一项所述的方法，包括用不同电压数值激励至少两个相位的每一个，从而使转子相对于定子运动，并且此后同时激励至少两个相位。
8.根据权利要求6所述的方法，其中用不同电压数值激励至少两个相位的每一个，从而使转子相对于定子运动，并且此后当转子在所述预定区域中时，同时激励至少两个相位。
9.根据权利要求1至8任一项所述的方法，在相位电感周期中重复激励至少两个相位以允许实际转子位置的重复导出。
10.根据权利要求9所述的方法，其中激励为脉冲形式。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中重复激励达预定时间。
12.根据权利要求10所述的方法，其中预定在相位电感周期中施加的脉冲数量。
13.一种根据权利要求1至12任一项所述的用来确定多相位开关磁阻机械在启动时转子相对于定子的位置的方法。
14.一种用来确定多相位开关磁阻机械的转子相对于定子的位置的系统，该系统包括：
用来同时激励至少两个相位的装置；
用来监视在相位每个中的电流至一个预定阈值的上升时间的装置；
用来把在每个相位中的电流上升时间等同于对于转子位置由在每个相位中电感的循环变化造成的转子可能位置的装置；及
用来比较对于他们之间基本一致的转子可能位置以导出实际转子位置的装置。
15.根据权利要求14所述的系统，包括用来把可能转子位置的值存储为电流上升时间值的坐标的存储装置，用来等同的装置包括用来根据在相位中的监视上升时间寻址存储装置的装置。
16.根据权利要求15所述的系统，其中在机械的一个单数据相位电感循环期间，存储装置存储对于电流上升时间值的坐标的可能转子位置的值，用来等同的装置进一步包括这样的装置，对于对应于与数据有关的该相位布置的相位的一个或两个，把相位移动施加于可能转子位置，以便对于该相位等同可能转子位置。
17.根据权利要求15或16所述的系统，其中把可能转子位置的值存储在存储装置中的两个分开的表格中。
18.一种开关磁阻驱动系统，包括根据权利要求14至17任一项所述的用来确定转子位置的系统，并且进一步包括用来激励至少两个相绕组的装置。
19.根据权利要求18所述的系统，其中用来激励的装置跨过至少两个相绕组施加一个预定电压，该系统进一步包括在把用于每个相位的电流上升时间看作转子的可能位置之前根据预定电压定标监视电流上升时间的装置。
20.根据权利要求14至19任一项所述的系统，包括由可能转子位置来确定转子是否在预定区域中，其中相电感循环由比较可以给出对于转子位置的模糊结果。
21.根据权利要求20所述的系统，用来激励的装置是可操作的，以便跨过至少两个相绕组施加不同数值的电压，从而使转子相对于定子运动，并且此后是可操作的，以便同时激励至少两个相绕组。
22.根据权利要求20所述的系统，其中用来激励的装置是可操作的以便跨过至少两个相绕组施加不同数值的电压，从而使转子相对于定子运动，并且此后当转子在所述预定区域中时，是可操作的以便同时激励至少两个相绕组。
23.根据权利要求19至22任一项所述的系统，其中用来激励的装置是可操作的，以便在相位电感周期中重复激励至少两个相位。
24.根据权利要求23所述的系统，其中用来激励的装置是可操作的，以便跨过至少两个相绕组的每一个以脉冲形式施加一个电压。
25.根据权利要求23或24所述的系统，其中用来激励的装置是可操作的，以便重复激励一个预定时间。
26.根据权利要求24所述的系统，其中用来激励的装置是可操作的，以便跨过至少两个相绕组以预定数量脉冲的形式施加电压。
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