CN1392665A - 开关磁阻驱动系统的控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开关磁阻驱动系统的控制策略，其中开关磁阻驱动器由电源提供并具有一个DC线路，DC线路两端有一个DC线路电容器。该电机的相由一个控制连接每相绕组和DC线路的开关的控制器控制。该控制器依次切断每相开关，使出现在DC线路电容器上的峰值电压最小化，从而降低电容器的电压额定值。

Description

开关磁阻驱动系统的控制策略

技术领域

本发明涉及降低开关磁阻驱动系统内瞬态电压的方法。

背景技术

开关磁阻系统的特征和工作在本领域是公知的，例如已经被描述于Stephenson和Blake的论文“开关磁阻电机和驱动器的特征、设计、和应用”中，PCIM’93，Nurnberg，21-24 June 1993，该论文在此引入作为参考。图1示意表示出一种常规开关磁阻驱动器，其中该开关磁阻电动机12驱动一个负载19。输入DC电源11可以是一个电池或整流和滤波后的AC电源。由电源11提供的DC电压在电子控制单元14的控制下通过一个功率变换器13被转换到电动机12的相绕组16两端。为使驱动器工作，该转换必须与转子转动角度正好同步。转子位置探测器15通常用于提供有关转子角位置的信号。转子位置探测器15可以采取很多形式，包括软件算法。其输出也可以用于产生一个速度反馈信号。电流反馈由该相或每相绕组的电流传感器17提供。如上述Stephenson的论文中所论述的那样，磁阻电机可以以电动回转或发电模式工作。输出命令18可以是电动回转的扭矩或速度命令，也可以是发电的电流或电压命令。

很多种功率变换器都是公知的，其中几种在上述Stephenson的论文中已经被讨论过了。一种最普通的构造表示在图2中，其中表示了多相系统中的一相，其中该电机的相绕组16与两个开关装置21和22串联连接在母线26和27之间。母线26和27被统称为转换器的“DC线路(link)”。能量恢复二极管23和24被连接到该绕组，当开关21和22断开时允许绕组电流流回该DC线路。电容器25，即公知的“DC线路电容器”连接在该DC线路之间，输送或汇集不能够从该电源输出或回到该电源的DC线路电流的任何其它交流成分(即所谓的“波纹电流”)。实际上，电容器25可以包括几个串联和/或并联连接的电容器，其中在采用并联连接的地方，一些元件可以分布在整个变换器上。电容器的成本和/或尺寸在安装时是非常重要的，例如在宇航和自动化应用中，对驱动器的成本和/或驱动器占用的空间十分敏感。

开关磁阻驱动器实质上是一种变速系统，其特征是电机相绕组中的电压和电流十分不同于输入交变电流的传统型电机中的电压和电流。众所周知，开关磁阻系统有两种基本工作模式：单脉冲模式和斩波模式，两种模式都描述于上述Stephenson的论文中。这些在下面将要被简要描述。

在预定的转子转角下，通过接通功率变换器13内的开关和提供给定导通角θc的恒定电压，将电压提供给相绕组。当θc已经被变换时，开关断开，能量返回二极管的工作使一个负压施加在该绕组上，引起电机内的磁通量，因此使电流衰减到零。因此通常有一个零电流周期，直到该循环被重复。显然该相在θc时从电源中提取能量，之后将少量的能量返回电源。如图3(a)所示。该模式通常是公知的单脉冲模式，因为在相周期内只有一个电压脉冲提供给该相。单脉冲模式通常用于常规驱动器的中高速度范围。除了同时断开两个开关，还优选在第一开关断开θf角度之后断开第二开关，使电流在闭合开关、相绕组和二极管形成的回路中循环。该技术被称为“空程”，并出于几种理由而被使用，包括峰值电流限制和噪音减少。空程的范围表示在图3(b)中。空程可以被使用于很宽的速度范围。空程的开始计时和其周期取决于速度。

但是在零速和低速下，由于可能会经历高峰电流，单脉冲模式是不适当的，而使用斩波模式，其中在整个导通周期，峰值电流被限制到某一预定值。至于单脉冲控制，斩波模式有两种主要变型。最简单的方法是同时断开与一相绕组有关的两个开关，例如图2中的开关21和22。这使得能量从该电机返回到DC线路，这有时被称为“硬斩波”。采用任何斩波方案都可以选择确定将要被使用的电流水平的策略。很多这样的策略在本领域是公知的。一种方案是使用一个滞后控制器，其能够在上和下电流水平之间进行斩波。一个常规的方案表示在图4(a)的硬斩波中。在选出的转换角度θon(通常是相具有最小电感的位置，但是也可以是其它一些位置)下，电压被提供给该相绕组，使相电流升高，直到它达到上滞后电流Iu。在该点，两个开关都断开，电流衰减，直到达到低电流I_l，这些开关再次闭合，重复该斩波循环。另一种方法是只断开一个开关，使空程发生，并被公称为“空程斩波”或“软斩波”。图4(b)表示使用空程或软斩波的滞后控制器的相电流波形。

US4933621(MacMinn)提出使用空程斩波，通过降低转换频率来减少转换装置损失，和降低电容器的波纹电流额定值。US5942865(Kim)描述了一种在一系列PWM脉冲结束时的空程系统，该延时时间被选择用于减少定子上的径向力从而减少发出的噪音。一种类似的方法描述于EP700945(Wu)中，其中空程周期根据定子的共振频率来选择，  目的是积极消除具有反作用等值脉冲的定子振动。WO90/16111(Hedlund)和US5760565(Randall)中已经提出了使用更长周期的空程，以便减少峰值磁通量，从而减少高速的相关铁耗。

现有技术中没有使用空程来降低DC线路电容器的电压额定值。电容器的成本受到几种要求的影响，如工作温度、寿命要求、波纹电流额定值、内部阻抗等，但是最重要的是电压额定值。该额定值不是由DC线路的名义值确定，而是由出现在该线路上的瞬态电压和有一个高于最高期望瞬态安全界限需求来确定。尤其在以24V或48V电池工作的低压系统中，电容器的成本非常依赖瞬态电压规格。

发明内容

根据本发明，提供了一种降低开关磁阻驱动系统中瞬态电压的方法，该系统包括一个具有含有至少一个相绕组的一个定子和一个可相对于该定子移动的移动部分的磁阻电机；几个连接该相或每相绕组的开关装置，这些装置可以形成一种激励模式，其中相绕组在相导通周期内通过来自电源的开关装置激励，一个空程模式，其中没有提供电压、电流在绕组内再循环，和一个断电模式，其中加在至少一相绕组上的电压被逆转；以及一个连接在开关装置电源侧两端的DC线路电容器，该方法包括：在至少一相绕组的相导通周期开始时开始激励模式；开始空程模式，使第一瞬态电压尖峰加在该电容器两端；及在开始该空程模式之后的一个预定周期内开始去激励模式，使第二瞬态电压尖峰加在该电容器两端。

传统上认为开关磁阻驱动器的转换时间应该尽可能短。在高速时这显然尤其必要。引入空程步骤从而降低瞬态电压基本与该理解相冲突。开始空程和去激励模式之间的预定时间的选择优选根据整个转换操作占用的时间折衷选择。显然转换操作可用的时间随电机速度的提高而减少。到目前为止，使用空程步骤降低DC线路电容器的瞬态电压负担的可能性还没有被认识到。

第二瞬态电压尖峰的大小将部分地依赖于DC线路电容器的电压衰减程度。根据本发明的一个最佳方式，去激励模式的进入点被选择为不高于或达到与DC线路电压衰减重合点，在该点，第二电压尖峰的增加将不超过第一尖峰。这表示在尖峰大小之间和从空程转换到去激励之间的时间的折衷选择。

根据本发明的一个最佳实施例，该预定周期根据第一瞬态电压的时间的衰减固定。

根据本发明的一种特定形式，提供了一种降低开关磁阻驱动系统内瞬态电压大小的方法，该系统包括一个具有含有至少一个相绕组的定子和一个可相对于该定子移动的移动部分的磁阻电机；几个连接在该相或每个绕组两端的开关装置，这些装置可以构成一种激励模式，其中在一相导通周期内相绕组通过来自电源的开关装置激励，一个空程模式，其中当加在该绕组上的电压衰减时，在绕组内没有提供电压、电流的再循环，及一个去激励模式，其中至少一相绕阻两端的电压被逆转；以及一个DC线路电容器，连接在开关装置电源侧两端，该方法包括：在至少一相绕组的相导通周期开始时开始该激励模式；开始该空程模式，引起电容器两端的第一瞬态电压尖峰；在开始该空程模式之后开始该去激励模式，引起该电容器两端的第二瞬态电压尖峰；及调节第一和第二瞬态电压尖峰之间的周期，使该绕组去激励占用的时间与第二瞬态电压尖峰的大小相平衡。

附图说明

本发明可以以各种方式实施，现在将通过实例参照附图描述其中的一些方式，其中：

图1表示一种公知的开关磁阻系统的示意图；

图2表示一相绕组连接到该功率变换器上；

图3(a)表示电压的波形，以及无空程的公知单脉冲工作模式的相电流；

图3(b)表示有空程的公知单脉冲工作模式的电压的波形以及相电流；

图4(a)表示公知的硬斩波工作模式的相电流；

图4(b)表示公知的空程斩波工作模式的相电流；

图5(a)表示一种理想电路的DC线路电压的波形；

图5(b)表示一个实际电路的DC线路电压的波形；

图6(a)表示根据本发明一个方面工作的一个电路的DC线路电压的波形；

图6(b)表示根据本发明一个最佳实施例工作的一个电路的DC线路电压的波形；

图7表示实施本发明的一种改进的电路。

具体实施方式

本发明可以通过如图1所示的一个驱动系统内的第一实施例来实施，其中具有几个用于图2所示每一相的开关电路。根据本发明，该控制策略适合使用通过控制器14编程的开关电路的空程配置。

图5(a)表示当图2中电路的一相以常规方式工作而产生图3(a)的相电流波形时，DC线路电容器25终端的电压波形(即DC线路电压)。该图是在电压源11和DC线路电容器具有最小电感的理想条件下画出的。可见该DC线路电压实际上是常数，在该相被断开的点具有短期的非常小的尖峰。

但是在实际的电路中，该源具有电阻和电感，该电容器及其连接导线还将有一些附加电感。这些电感的综合作用是在开关装置21和22断开时引起DC线路电压突然上升。这表示在图5(b)中，其中当开关在点X断开时，瞬态电压上升到标称DC线路电压的136％。在该图的区域Y内，电压曲线的下降是由流过源阻抗的相电流引起的。

根据本发明，该瞬态电压被时间周期非常短的空程降低，该周期与切断第一开关而产生的瞬态电压脉冲宽度有关。在图6(a)中，名义源电压是13.5V，电源、电容器、开关和绕组的参数与图5中的相同。该第一电压尖峰，标记为A，是由于第一开关断开，使该相空程，以致该绕组16中的电流再循环，并相对逐渐衰减。该第二电压尖峰，标记为B，是由于该第二开关22断开，使该绕组去激励，向下驱动磁通量并因此驱动该相电流。该第二电压尖峰B小于第一电压尖峰，因为该相绕组电流在其空程时的脉冲之间的间隔内已经衰减了，因此该比较小的电流产生一个比较小的尖峰。可见，该电压过调量现在被降低到116％，即，几乎是传统工作产生的过调量的一半。

根据本发明的另一个实施例，该第二开关22在第一开关21断开之后的预定时间断开，以便在绕组去激励开始点处正在衰减的第一尖峰和较小的第二尖峰的增加基本等于第一脉冲的峰值。这表示在图6(b)中，其中波形内的这两个峰值基本相等。对于上述使用的部分值和一个六定子磁极/四转子磁极开关磁阻电机，开关启动之间的时间是36μsec。这是电容器上的瞬态电压尽可能保持低和整个变换工作在尽可能短的周期内完成的情况。本发明利用额外的转换步骤。这与快速转换的基本要求相冲突。但是，这两个步骤的计时靠的足够近，对整个转换不会产生明显的恶化效果。注意，延时对任何驱动器都是固定的，不依赖驱动器的速度或用于控制该驱动器的控制规则。在某些情况下，不可使转换步骤之间的预定时间足够长，足以使电压衰减，使电压尖峰具有相等的大小。在这种情况下，当该能量仍然被分布在两个步骤上时，该第二瞬态电压尖峰超过第一瞬态电压尖峰将仍然代表消除该DC线路电容器承受的瞬态电压尖峰负担。

控制器14可以以不同形式实现。通常它是一种可编程或专用的装置，例如一个特定应用的集成电路(ASIC)。开关的计时是编程的一部分。为设置两步转换工作所需要的装置的基本再编程是本领域的普通技术人员公知的。此外，计时可能由如图7所示的一个辅助计数器电路实现。在该实施例中，控制器14设置成能够根据电流传感器17和rpt15反馈回的信息和输入指令18产生控制信号30。这些控制信号30由一个定序器32接收，该定序器首先通过断开开关21/22之一从而立即开始该转换器13的空程模式。同时，计数器34启动，在通过断开剩下的开关进入转换器13的去激励配置之前，它循环预定时间(例如36μs)。该计数器34接着归零，准备下一相或该单相的下一个循环。

为了清楚起见，图5和6的波形只表示出了一相。如果在一个电机中还有其它相，那么正如本领域的普通技术人员所公知的那样，它们对波形的贡献将被引入。

虽然已经参考电动回转工作模式对上述实施例进行了说明，但是很显然，本发明也可以等效使用于发电工作模式，并使电容器电压产生逐渐衰减。这种情况下，第二脉冲大体将比两倍还高(因为电流在发电的空程期间大体上升)，因此最好的策略是使脉冲不重叠，而一直等待，直到在断开第二开关之前该第一开关实际上衰减到零。

虽然上述描述已经使用了一套特定的电路参数，但是可以理解，本发明不限于相数目、电机布局、部件、电路电压或电机布局的任何特定值。唯一的要求是电机的转换电路在选择的预定时间内能够空程。

本领域的普通技术人员可以理解，公开的方案可以有变型，但是不脱离本发明。因此，上述几个实施例的描述是通过实例的方式进行的，并非为了进行限制。本领域的普通技术人员很清楚，可以对上述方案进行改进，但是不会对上述的工作有显著的改变。本发明只受到下面的权利要求书的保护范围的限制。

Claims (6)

1.一种降低开关磁阻驱动系统内瞬态电压大小的方法，该系统包括一个具有含有至少一个相绕组的一个定子和一个可相对于该定子移动的移动部分的磁阻电机；几个连接在该相或每相绕组两端的开关装置，其可以形成一种激励模式，其中相绕组在相导通周期内通过来自电源的开关装置激励，一个空程模式，其中在绕组内没有提供电压、电流再循环，及一个去激励模式，其中加在至少一相绕组上的电压被逆转；以及一个连接开关装置的电源侧的直流线路电容器，该方法包括：

在至少一个相绕组的相导通周期开始时开始激励模式；

开始空程模式，使第一瞬态电压尖峰加在该电容器上；以及

在开始该空程模式之后的一个预定周期内开始去激励模式，使第二瞬态电压尖峰加在该电容器上。

2.如权利要求1所述的方法，其中第二瞬态电压尖峰的大小不超过第一瞬态电压尖峰的大小。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中在预定时间周期之后开始去激励模式，该周期根据第一瞬态电压尖峰的衰减固定。

4.如权利要求3的方法，其中预定周期是固定的，使第二电压尖峰的大小基本等于第一瞬态电压尖峰的大小。

5.一种降低开关磁阻驱动系统内瞬态电压大小的方法，该系统包括一个具有含有至少一个相绕组的定子和一个可相对于该定子移动的移动部分的磁阻电机；几个连接在该相或每相绕组两端的开关装置，其可以构成一种激励模式，其中在一个相导通周期内相绕组通过来自电源的开关装置被激励，一个空程模式，其中当加在该绕组上的电压衰减时没有提供电压、电流在绕组内再循环，及一个去激励模式，其中加在至少一相绕组上的电压被逆转；以及一个连接在开关装置电源侧两端的直流线路电容器，该方法包括：

在至少一相绕组的相导通周期开始时开始该激励模式；

开始该空程模式，引起电容器上的第一瞬态电压尖峰；

在开始该空程模式之后开始该去激励模式，引起该电容器上的一个第二瞬态电压尖峰；以及

调节第一和第二瞬态电压尖峰之间的周期，使该绕组去激励占用的时间与第二瞬态电压尖峰的大小相平衡。

6.如权利要求5所述的方法，其中该周期可以调节，使第一和第二瞬态电压尖峰的大小基本相等。

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