CN1427541A - 转换式磁阻驱动装置的转子位置检测 - Google Patents

Abstract

一种转换式磁阻驱动装置，不用实际的转子位置检测器控制。控制方法估计与相有关的固定磁链，并用这种估计来改善其转子位置估计。方法稳固地工作，而不管电流是连续的还是不连续的。

Description

转换式磁阻驱动装置的转子位置检测

本发明涉及磁阻电机中的无传感器转子位置检测，尤其是转换式磁阻电机中的无传感器转子位置检测。

有关转换式磁阻电机的控制和运行，在J M Stephenson和R J Blake于1993年6月21日-24日在德国Nurnberg举办的PCIM′93会议和展览上发表的论文“转换式磁阻电机和传动装置的特点、设计和应用”(TheCharacteristics，Design and Applications of Switched Reluctance Motorsand Drives)中作了介绍，此处作为参考结合到本文中。在那篇论文中，对于电机分别在低速和高速下运行，介绍了转换式磁阻电机激励的“斩波”和“单脉冲”模式。

图1示意性地示出了一种典型的现有技术驱动装置。它包括一个直流电源11，该直流电源11可以是一个电池组或是经过整流和滤波的交流电源。由电源11所提供的直流电压，在电子控制装置14的控制下，通过电力变换器13，在电机12的相绕组16上转换。图2中示出了许多已知变换器的布局之一，这里电源11设置在供电线路26、27上，该供电线路26、27具有一个电容器25跨接在它们之间，以便满足电流的任何交流分量。相绕组16通过上开关21和下开关22连接到供电线路上。能量返回二极管23，24用常规方式连接。电阻器28与下开关22串联连接，以便提供一个电流反馈信号。多相系统通常用图2的几个“相支线”并联连接，以便激励电机的各相。

转换式磁阻电机的性能部分地取决于相对于转子位置的相激励的精确定时。转子位置的检测，通常是用一种如图1所示意示出的变换器15，如安装在电机转子上的一个旋转式带齿圆盘来实现，该变换器15与安装在定子上的一种光学、磁性或其它传感器相配合。传感器产生一个表示转子相对于定子位置的信号，比如一个脉冲链，并供给控制电路，使得可以进行精确的相激励。这种系统在许多应用中简单而工作良好。然而，转子位置变换器增加了组件的总成本。它还给电机增加额外的电气连接，并因此是一种不安全的潜在来源。

人们已经提出了各种用于省去转子位置变换器的方法。这些方法中的某些方法在W F Ray和I H Al-Bahadly的论文“用于测定转换式磁阻电机转子位置的无传感器法”(Sensorless Methods for Determining the RotorPosition of Switched Reluctance Motors)中作了评述，该论文在Proceedings of the European Power Electronics Conference，Brighton，UK，13-16 Sep 1993，Vol.6，pp7-13，中发表，这里作为参考文献结合近来。

用于转子位置估计所提出的这些方法中，许多方法是采用在单相或多相中相磁链(亦即，施加电压对时间的积分)和电流的测量。利用电机电感随角度和电流而改变的函数计算位置。这种特点可以作为一个磁链/角度/电流表存储，并在图3中用图示出。存储这种数据是个缺点，因为它包括使用一个大存储器阵列和/或附加的系统支出，来进行各存储点之间的数据插补。

在改变扩展转矩的主要控制策略是“斩波”电流控制的情况下，某些方法在低速下利用这种数据。斩波控制在图4(a)中用图示出，其中电流和电感波形在一个相电感周期(注意，电感变化以理想化形状示出)上示出。这些方法通常不产生转矩相中使用诊断脉冲。一种适合于低速运行的方法是由N M Mvungi和J M Stepheson在他们的论文“在SR电机中的精确无传感器转子位置检测”(Accurate Sensorless Rotor Position Detectionin an S R Motor)中提出，该论文在Proceedings of the European PowerElectronics Conference，Firenze，意大利，1991，Vol.1，pp 390-393中发表，此处作为参考结合到本申请中。

另一些方法在高速下以“单脉冲”激励方式操作。这种方式在图4(b)中示出，其中电流和电感波形在一个相电感周期上示出。这些方法在不干扰正常运行情况下监测有源相的工作电压和电流。一种典型的较高速方法在国际专利申请WO91/02401中作了介绍，此处作为参考文献结合到本申请中。

为了在没有位置传感器情况下工作，而必须存储一个二维阵列的电机数据，是一个严重的缺点。人们已经提出了一些可供选择的方法，这些方法省去了大多数涉及角度的信息，而代之以只在一个角度下存储数据。在欧洲专利申请EP-A-0573198(Ray)中介绍了一种这样的方法，此处作为参考文献结合到本申请中。这种方法目的在于通过根据计算的偏离理想点的偏差调节诊断点，来检测一预先规定的角处相磁链和电流。磁链通过将施加到相上的电压测量结果(对时间)积分进行估计。在优选实施例中存储了两个一维表，一个表是在一个基准转子角处的磁链/电流，而另一个是磁链对转子角/电流的微分。通过监测相电压和电流，借助于查找表，可以确定与预定角度的偏差，并因此可以调节系统运行。倘若可以以足够精度随时用位置检测算法测定磁链，则这种方法证明是可靠的。为了避免磁链积分器漂移(由于系统中不希望有的噪音和积分器中的缺陷)，当电流降到零和相绕组不再磁链任何磁力线时，在每个传导周期结束处将磁链积分器设定为零。这种方法是一种“预报器/校正器”法，其中它首先预测转子何时将在一个基准位置处，当确信已达到基准位置时，测量电机的参数，并利用这些测量的结果来检测预报中的误差，并因此通过对下一个基准位置采用新的预报，进行校正。

转换式磁阻电机的特殊运行模式是连续电流模式，如在美国专利US5469039(Ray)中所公开的，此处作为参考结合到本申请中。在这种方式中，绕组在磁力线，及因此电流，在能量返回周期结束时已返回到零之前，重新连接到电源上。因此相绕组在电流连续地流过它们并且总是通过磁力线连接的情况下工作。对一些必须在它们工作周期的某些点处产生高的超负荷输出的系统来说，这是一种重要的方式。尽管传动装置的效率在这种方式中下降，但它能达否则就需要较大电机达到的技术要求。然而，在这种方式中，迄今为止，还不能用任何先有技术方法来进行无传感器转子位置检测，因为在相周期中，没有机会在某个已知的零磁力线和电流的点处使积分器复位，因为这一点并不存在。

为找出对这个问题的解决办法的努力包括一些方案，这些方案使传动装置能以连续电流方式工作，除了当控制系统判断它对重新估计位置很重要的时候之外，在这时退出连续电流方式，估计位置，并将传动装置放回到连续电流方式中。具体地说，可以这样实现，使电机运转在主要是连续电流模式下运行，但以预定的时间间隔退回到不连续电流中。以便能导出位置信息。该技术取决于速度实际上是固定不变，在较高速度(连续电流通常在此速度下应用)下，速度固定不变可能接近真实。尽管如此，脱离连续电流会产生转矩的损失。一种可供选择的方法是，以连续电流运行每个相一给定的周期数，例如10个周期，然后使该相在下一个周期上激励一个较短的时间，以使电流一定降到零，使积分器复位并精确估计磁链。通过使这个“短”周期与其它的以连续电流工作的相交错，减轻了转矩损失的有害影响。

然而，在所有这些方法情况下，转矩损失都可以使电机性能变得不稳定，并且在再次达到稳定性之前需要几个周期，因为电流必须以连续电流形式在一个周期范围内建立。

本发明在所附独立权利要求中限定。某些优选的特点在从属权利要求中列举出。

按照本发明的一个实施例，提供了一种检测磁阻电机中转子位置的方法，该方法包括：在电压施加到那一相的时刻，在第一点处，导出与电机的那一相或至少一相有关的磁链值；在转子的随后一点处导出一个相电流和磁链值；将所导出的各磁链值结合，以便导出该随后的点处一个总磁链值；及从相电流和总磁链值导出转子位置。

优选的是，提供了一种方法，其中电压施加到相上的时刻是在磁链开始的这点处。在上述时刻的电流可以是基本为零或是非零。

优选的是，在电压施加到相上的时刻，磁链值是从上述时刻处的电流导出。例如，在上述时刻的磁链是从电流和存储的用于电流纵坐标的电感值导出的。

因此，本发明的实施例在转换式磁阻电机的单脉冲运行方式中特别有用。本发明可以用第一点处的电流值导出磁链值。当电流不连续时，零电流值导致零磁链值。当电流连续时，可以用电流值导出非零磁链值。

优选的是，通过将相电压从上述时刻到随后的点积分，导出来自上述第一点的磁链。上述随后点处的磁链，可以通过将相电压从上述时刻到随后的点积分导出。转子位置可以从存储的参数导出，这些参数具有相电流和磁链的坐标。

根据一个特定实施例所述的本发明方法，测量磁力线开始时在相绕组接通处的电流，并用这个电流值来检索电感表。然后将该表所提供的电感值乘以电流，以便导出相中稳定的磁链的估计。另外在接通时，将一个测量磁力线的积分器设定为零，放入积分方式中。在一预定的后面点处，将积分器所提供的磁链值加到稳定磁链的计算值上，并用所导出的总磁链值来确定转子位置。

由于电感是在开关接通，亦即在相电感周期中磁力线开始处测定，所以该方法不要求大量的存储数据。在波形上有噪音时，它也很稳固，它从波形推断位置。

另外根据本发明，提供了一种方法，其中转子位置是从与多相电机中每一相有关的值导出。

本发明的一个实施例，提供一种稳固而低成本的监测转子位置的方法和一种转子位置检测器，它可以在单脉冲模式中没有转子位置变换器、有或没有连续电流的情况下工作。

本发明可以用许多种方式实现，现在作为例子并参照附图说明其中某些方式，其中：

图1示出一种典型的现有技术转换式磁阻传动装置；

图2示出一种已知的图1变换器中一相的布局；

图3示出典型的以转子位置作为参数的磁链和相电流曲线；

图4(a)示出斩波控制中一种典型的稳步电流(motoring current)波形；

图4(b)示出单脉冲控制中一种典型的稳步电流(motoring current)波形；

图5以示意形式示出一种体现本发明的转换式磁阻传动装置；

图6示出在图5的传动装置中连续电流方式的磁链波形；

图7示出用于图5传动装置的连续电流波形；

图8示出图5中的传动装置不连续电流方式的磁链波形。

转换式磁阻电机的相电感周期，是例如当定子各磁极和相对的对应转子各磁极完全对准时，各最大值之间该相，或每相的电感变化周期。要说明的示例性实施例在稳步模式(motoring mode)中，用一个2相转换式磁阻传动装置，但是1以上的任何相数都可以用，同时传动装置处于稳步模式或发生模式。

图5示出一种用于实施体现本发明的方法的系统。图7图示出用于图5系统的连续电流波形。在这个系统中，电力变换器13通常与图1所示的电力变换器相同，并且在合适的地方采用相同的标号。变换器13如前所述，控制转换式磁阻电机。变换器13本身由一个控制器42控制，在这个实施例中，控制器42包括一个数字信号处理器44，比如2181系列模拟器件之一。一些可供选择的实施例可以包括一种微处理器或其它形式的可编程序装置，如在该技术中众所周知的那些。所示的2相电机具有一个定子30和一个转子32。定子具有4个磁极50，相绕组34/36绕在磁极50上。转子具有转子磁极52，并且，为了帮助启动电机，转子具有一个极面54，该极面54与定子极面一起限定一个阶梯形气隙。本领域的技术人员将会理解，可以使用具有不同相数或磁极组合的电机，因为本发明不是专用于任何特定的电机布局。同样，本发明不限于特定类型的控制技术，并且可以用任何控制器和变换器，只要它适合于可编程序。

相电流用一个电流传感器38检测，该电流传感器相对于每个相绕组安装。表示每一相中的电流的输出信号被馈送到控制器42。储存转子角相位电感的查找表46也与控制器42连接。尽管示出了用于每一相的电流传感器，但根据本发明，可以监测一相或选定的一组相的相电流。

利用控制器42中所示的积分器40，通过将电压传感器43所提供的绕组的相电压V积分来导出磁力线测量。为了导出更大的精度，绕组的电压降(IR)可以作为公因子从积分值提出，由于电源电压对每一相是公用的，图5中只示出一个电压传感器43。应该理解，每一相都可以具有各自的电压传感器。尽管积分器作为一个分立器件40示出，但优选的是在微处理器44内以软件运行的方式实施。

根据本发明这个实施例所述的方法运行如下。假定电机是以连续电流模式运转，并且已知转子位置足以让绕组被激励。在接通点处，当在该相加正电压时，电流值由变换器38测量并由控制器42保持。若已知接通角，则查询相电感与角度关系查找表46，以便复原相应于转子角的相电感。将电感值乘以所储存的电流值，以便导出该相在接通点处的磁链。将此值存储起来。当转子转动时，积分器40运行，以便将相绕组的电压积分。当控制系统确定，估计后面的预定位置已经达到时，则变换器38测量有源相电流，并把积分器40中的磁链估计值加到表46中的存储值上，以便导出在那个位置处该相中的磁链总值。然后利用这个总值，与电流相结合，来求出实际位置，必要时，可以用此实际位置来校正前面的估计。

预计的转子位置θ_m和基准转子位置θ_r之间的角度差Δθ，可以由处理器42按下式计算： $\mathrm{\Δ\θ}=\frac{\{\∂\mathrm{\θ}\}}{{\∂\mathrm{\ψ}}_m}\·\mathrm{\Δ\ψ}---\left(1\right)$ 为了确定预计位置(在此处进行磁力线和电流测量)和基准位置之间的角度差，因此这个实施例的还有一个特点是对于基准位置，在处理器中存储偏导数θ/ψ(或它的倒数ψ/θ)值，用于一组相电流值i。

由于已知基准转子位置θ_r，所以在预计的瞬间处的转子实际位置可以由Δθ按下式计算：

              θ_m＝θ_r+Δθ       (2)

然后可以用已知的转子速度值估计达到下一个转子位置的预期时间。在加速或减速条件下，可能必须对电机速度进行校正。

如果所有相都用于测量，则下一个转子基准位置将是相2的基准位置(或诸如此类按顺序是下一相)。对于一个具有p个转子极的n相电机，到达这个位置的旋转角将是(360/np)°-Δθ，并且通过将这个角除以速度，可以估计出达到这下一个位置所需的时间。

如果只有一相用于测量，则下一个转子基准位置将是在旋转(360/p)°-θ之后，并且通过将这个角度除以速度，可以估计出到达这个位置所需的时间。

然后用一高频时钟(未示出)，通过已知的方法算出预计到下一个基准位置的时间，并在这个时间已过的瞬间处，对相应的相进一步进行磁力线ψ_m和电流I_m的测量。由于速度上的变化，及储存数据和计算上的允许差，预计的位置θ_m将不等同于基准位置θ_r。可以用方程(1)和(2)及上述步骤再次进行计算角度差θ_r-θ_m。

将一相一相地预测转子位置并在每个测量瞬间处测量实际转子位置的方法重复，以便提供转子位置的增量指示，作为现有光学或电磁转子位置传感器的直接代替物。

在再生条件下单脉冲运行情况的步骤与上述情况相同，不过对相应典型的基准转子位置来说，图6中所示的θ/ψ值将是负值(而不是正值)。

可以用各种装置来测量磁力线。任何已知形式的磁通传感器都可以用。然而，测量优选的是利用模拟或数字电子可复位积分器(它将相电压对时间t积分)，与用于补偿相绕组中电阻性电压降的装置一起进行。

积分器执行下列方程： $\mathrm{\ψ}=\underset{t_o}{\overset{t_m}{\∫}}(V-\mathrm{iR})\mathrm{dt}---\left(3\right)$ 式中：V是相电压

  i是相电流

  R是相电阻

  t_m是测量瞬间

积分器开始时间t_o安排成每次相激励时对该相施加电压的瞬间(用于较高速度方式)。电子控制器用一个控制接口(未示出)通知数字处理器将电压施加到该相的瞬间。在每次进行磁力线读出之后，积分器由数字处理器复位。

在直接电源电压V与电力变换器中半导体开关上的压降相比较大的一些应用中，可以测量和积分直接电源电压代替单个的相电压。这样做的优点是只需测量一个电压。

然后按下式测量磁力线： $\mathrm{\ψ}=\underset{t_o}{\overset{t_m}{\∫}}(V-\mathrm{iR})\mathrm{dt}---\left(4\right)$

作为使用分开的电子积分器的一种可供选择的方案，可以使用数字处理器一步一步地用时间乘以直接电源(相)电压。这样做的缺点是数字处理器十分忙碌并且可能必需是一个分开的器件。

然而，倘若电源电压基本上恒定，并且比电阻性电压iR大，则可以进行各种近似。例如：

           ψ_m＝(V-ki_mR)(t_m-t_o)     (5)

式中K是常数，通常K＝0.5，因此： ${\mathrm{ki}}_m(t_m-t_o)\≈\underset{t}{\overset{t_m}{\∫}}\mathrm{idt}$

作为另一个实施例，在电源电压V与电阻性电压iR相比较大的情况下，通过使用存储数据中磁力线修改值或完全忽略iR，可以免除补偿电阻性电压降。

在这种情况下，存储在数字处理器中特定电流I和特定转子位置θ的相磁链值ψ，被电压二次积分值ψ′代替，对转子位置θ产生相电流1所需的电压二次积分值ψ′由下式给出：

              ψ′＝∫νdt

在试验电机以形成ψ′和θ/ψ′数值表时，为方便起见，V可以保持恒定(倘若V比较大)，并且优选的是等于电源电压。转子位置测量步骤与这个应用中已说明的步骤相同，不过测量的磁力线ψ_m和预期的磁力线ψ_e及偏导数(θ/ψ)，分别用ψ_m′、ψ_e′和ψ/ψ′代替，此处ψ_e′和(θ/ψ′)如上所述从图4和6所代表的存储数据中导出，并且此处磁力线ψ_m′用下式测量：

            ψ_m′＝V(t_m-t_o)           (6)

方程(3)，(4)，(5)和(6)代表不同的估计相磁链的方法，用于识别转子位置的目的，并且这些方程代表不同的技术执行程序。

上述各种实施例全都是基于在一预计的转子位置处测量磁力线ψ_m和电流I_m，对相应于基准转子位置的测得电流i_m查找预期的磁力线ψ_c，并按照下面方程计算基准转子位置和预期转子位置之间的差值Δθ： $\mathrm{\Δ\θ}={\left\{\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂\mathrm{\ψ}}\right\}}_m\·({\mathrm{\ψ}}_m-{\mathrm{\ψ}}_e)---\left(7\right)$

图6以图示的方式示出本发明的方法。锯齿波形ψ_a代表电机处于连续电流方式时与相有关的实际磁链。磁链值ψ_s是极小值，或在在循环过程中是“固定”值。锯齿波形ψ_i代表由积分器输出所指示的磁链。相在角度θ_on处接通，在接通之前，已经由来自处理器44的信号使积分器在一段时间R保持复位。这段时间R长到足以使积分器输出回到零。在θ_on处，测量电流(见图7)，并查阅电感查找表46，以便找出那个转子角度的相电感。用处理器44计算电流和电感的乘积。这个乘积给出ψ_s的估计值，然后将该ψ_s用控制器42存储。在θ_on之后，相中的实际磁链以一个受施加电压控制的速率增加，并被积分器的输出跟踪，同时偏移ψ_s。在某一点处(对这个讨论无关紧要)，相被断开，并且磁链开始向下倾斜。当控制系统确定转子是在预定的位置θ_ref处时，对来自积分器的输出和相电流值进行取样并保持。将存储的ψ_s估计值加到ψ_i值上，以便导出一个ψ_a估计值。然后可以用电流和ψ_a按照上述方法和Ray在EP-A-0573198中所述的方法，求出实际转子角。

本发明的这个实施例的特别有利之处在于，在相电流不连续，亦即，在常规的单脉冲模式中，它同样能顺利工作。这在图8中以图形的方式示出。因为在θ_on之前电流就为零，所以与电感值的乘积导出零固定磁链的校正结果。因此，在控制器42中，可以将同一程序代码用于不连续电流和连续电流二者。

上述方法提供一种将连续电流运行和无传感器位置检测相结合的简单而高效的方法，同时在电机性能上没有任何不希望有的下降。

本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明情况下，对所公开的装置，尤其是在控制器中算法执行程序的细节上，进行各种改变是可能的。另外，转子位置检测所依据的诊断，可以只在多相电机的其中一相中进行。因此，上述几个实施例的说明仅仅是作当例子，而没有限制的目的。对本领域的技术人员来说，显然，在对上述操作没有显著变化的情况下，可以对传动电路可以进行局部修改。本发明打算只由下述权利要求书的范围限制。

Claims (18)

1.一种检测磁阻电机中转子位置的方法，包括：

在一第一点处，在将电压加到某一相或至少其中一相上的时刻，导出与电机的该相有关的磁链值；

在转子的随后一点处，导出一个相电流和相磁链值；

在随后的点处将导出的磁链值结合，以便给出一个总磁链值；和

从相电流和总磁链值导出转子位置。

2.如权利要求1所述的方法，其中上述时刻是在磁链增长开始时的点处。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中在上述时刻处的电流是非零的。

4.如权利要求1或2所述的方法，其中在上述时刻处的电流为零。

5.如权利要求1-4之一所述的方法，其中在正电压施加到相上的时刻，磁链值从上述时刻处的电流导出。

6.如权利要求5所述的方法，其中在上述时刻处的磁链由电流和存储的电感值导出。

7.如权利要求1-6之一所述的方法，其中在上述随后的点处的磁链，通过将从上述时刻到随后点的相电压积分导出。

8.权利要求7所述的方法，其中上述时刻是最小磁链的点，并且积分是在上述时刻处开始。

9.如权利要求1-8之一所述的方法，其中转子位置是从存储的相电流和磁链的参数中导出。

10.如权利要求1-9之一所述的方法，其中转子位置是从与多相电机中每一相有关的值中导出。

11.如权利要求1-9之一所述的方法，其中转子位置是从与多相电机其中一相有关的值中导出。

12.一种磁阻电机的转子位置检测器，包括：

用于在一第一点处，在加电压到相或至少一相的时刻，确定与该相有关的磁链值的装置；

用于在转子的随后一点处，导出相电流和相磁链值的装置；

用于将所导出的磁链值结合，以便在随后点处给出一个总磁链值的装置；和

用于从相电流和总磁链值导出转子位置的装置。

13.权利要求12所述的检测器，包括一个存储用于相电流值的电感值的查找表。

14.权利要求12或13所述的检测器，其中用于导出随后点的磁链值的装置包括一个积分器，用于将从上述时刻到随后点的相电压积分。

15.权利要求14所述的检测器，包括复位装置，对于上述时刻它可以将积分器复位。

16.如权利要求12、13、14或15所述的检测器，包括处理器装置，它可以确定当磁链增长开始时的磁链值。

17.如权利要求16所述的检测器，其中处理器装置可以从上述时刻处的电流导出磁链值。

18.如权利要求12-17之一所述的检测器，其中用于导出转子位置的装置包括存储装置，用于存储对于相电流和磁链值的转子位置值。

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