CN1476159A - 开关磁阻驱动装置的控制 - Google Patents

Abstract

一种作为电动机或者发电机操作的开关磁阻驱动装置，能够在电源电压或者电负载的变化情况下的连续电流方式下以稳定的方式被控制。除了使用常规的导通角θ_on和截止角θ_off之外，还使用电流控制参数I_x，这使得能够在连续电流方式下平滑地操作，并能够在操作方式之间平滑地转换。一旦相电流达到预定值I_x，便把相绕组置于续流状态，借以控制相绕组中的稳定电流与/或输出电压。

Description

开关磁阻驱动装置的控制

技术领域

本发明涉及磁阻电机的控制，特别涉及开关磁阻电机的控制。

背景技术

开关磁阻电机的控制和操作在J.M.Stephenson和R.J.Blak在1993年6月在德国Nurnberg举行的PCIM’93会议和展览会上提交的论文“TheCharacteristics，Design and Applications of Switched Reluctance Motorsand Drives”中基本上说明了，该文被包括在此作为参考。在这篇论文中，说明了以“斩波”和“单脉冲”方式激励开关磁阻电机，以便使所述电机分别在低速和高速下运行。

图1示意地示出了一种典型的现有技术的驱动装置。其中包括直流电源11，其可以是电池或者是经过整流和滤波的交流电源。由电源11提供的直流电压在电子控制单元14的控制下由功率变换器13在电动机12的相绕组16上接通和断开。一般提供某种形式的电流传感器18，用于给出相电流反馈。许多已知的变换器拓扑中的一种如图2所示，其中电阻器28和下部开关22串联，用于提供电流反馈信号。

开关磁阻电机的性能部分地和相对于转子位置的相激励的精确定时有关。转子位置的检测一般通过使用传感器15来实现，如图1示意地所示，例如，安装在电机转子上的旋转的有齿的盘，它和安装在定子上的光检测器或磁检测器协同操作。产生表示相对于定子的转子位置的脉冲串，并被提供给控制电路，使得能够进行精确地相激励。其它位置检测方法包括所谓的“无检测器”方法，其中转子位置通过测量电机的其它参数导出。

在低速时，开关磁阻系统一般在电流控制方式或者“斩波”方式下工作，对于电动机基本上如图3所示。通常使用一种利用“硬”斩波的滞后电流控制器。如图3(a)所示。一般地说，在最小电感区域内在角θ_on电压被施加于电动机的相，此时电流快速上升，直到达到上限电流I_u，此时开关断开，由于二极管23，24的作用，使得全部的反向电压加于绕组上，驱动磁通下降，因而使电流下降。当达到下限电流I_l时，开关闭合，电流再次上升。重复所述的循环，直到达到开关截止角θ_off，此时一般处于当转子的磁极和定子磁极完全对准时的最大电感的点。然后利用反向电压强迫电流下降到0。使电流保持为0，直到在角θ_on循环再次开始，因此电流的占空比大约是0.5。

另一种方案被称为“软”斩波，如图3(b)所示，其中当电流达到其上限时只有一个开关(例如：开关21)断开，此时电流通过绕组、第二开关22和一个二极管24下降得慢得多。引起的开关频率的减少通常在减少开关损耗和降低听觉噪声方面是有利的。在现有技术中还已知其它类型的电流控制器，例如，停止时间控制器，恒定频率控制器等，这里不再说明。不过，它们的共同特征是，它们都限制电流到一个安全的值，从而阻止损坏开关与/或电机。

在高速情况下，开关磁阻系统一般在“单脉冲”激励方式下工作。这种方式如图4所示，其中示出了一个相电感周期内的电流和线性化的电感的波形。当在导通角θ_on在相绕组上施加电压时，电流上升，达到峰值，然后当转子磁极开始和定子磁极重合且电感上升时翻转。电流被电路的反电动势自然限制。电压在θ_off下反向，且随着能量返回电源，电流快速下降，并当达到0时停止。然后，在循环重新开始之前是一个0电流间隔。

另外一种开关策略使用在θ_off之前的一个角度θ_f内的续流(freewheeling)，从而开关电路使得电流能够在相绕组内重新循环而不施加电压。图5表示这种技术，并清楚地示出了在续流期间的施加电压为0的时间间隔。同样，在循环重复之前的一个时间间隔内，电流下降到0。

因而，系统一般在低速下使用斩波方式，在高速下使用单脉冲方式。参数I_u和I_l(在斩波方式下使用)一般被设置为单脉冲方式的预期的峰值电流以上，使得这些参数不干扰单脉冲操作。已知设置参数I_u的值为一个作为“安全网”的值，使得如果在驱动装置中产生故障状态，电流将达到I_u，并且当不需要时，斩波作用将把相电流限制为一个安全值。

开关磁阻电机的一种特殊的操作方式是连续电流方式，如美国专利5,469,039(Stephenson)中所述，该专利被包括在此作为参考。在这种方式下，在能量返回间隔结束时，在磁通，而后是电流返回0之前绕组再次和电源相连。因此，相绕组总是在连续通过电流的状态下工作，因而总是由磁通链结。虽然以前认为是如此不稳定的，以致于不能使用，但是该专利披露了一种在这个区域内能够以稳定的方式操作的方法，使得稳定状态的操作是可能的。图6表示在电动机方式下的一种稳态电流波形，其中在“固定”值I_s以上电流根据准正弦变化。这是该系统的一种重要的方式，这种方式必须在其操作周期的某些点产生高的过载输出。虽然在这种方式下驱动效率下降，但是它使得能够实现一种否则将需要较大的电机的技术要求。

虽然上面的讨论说明了电动机操作，但是众所周知，电机同样能够在发电方式下操作，此时，电流波形基本上是电动操作的波形的镜像。

参数θ_on，θ_off，I_u，I_l，θ_f等基本上是速度的函数，它们或者被实时地计算，或者更通常地是，被存储在某种形式的表中，然后在合适的时间从所述表中被读出。所述参数值被仔细选择，以便随着速度的改变实现电机的平滑输出。如果存储的值相当稀疏，则使用某种形式的内插给出在中间速度下的参数值。选择在斩波方式和单脉冲方式以及在单脉冲和连续电流方式之间的转换点的值是尤其困难的，其中不管要求的转矩如何，希望实现平滑的转换。

在斩波方式和单脉冲方式之间转换时解决这个问题的一个方案是使用电流控制参数作为主变量。当速度上升到单脉冲方式时，已知逐渐地增加上限I_u(有时增加下限I_l相应的量)，使得波形从图3(a)的波形变为图4的波形时，在整个斩波范围内对于给定的转矩指令，电流值基本上随速度保持恒定。一旦电机达到一个这样的速度，在此速度下电流不会达到其上限，则电流控制参数一般被设置为一个高的值，使得它们对于速度范围的其余部分不再起作用。

从单脉冲方式向连续电流方式转换不能利用这种方案，并且一般依靠仔细地选择参数，以便得到平滑的转换。连续电流方式的特征是，其对于角参数(特别是总的导通角θ_c，其是θ_on和θ_off之间的角度差)的灵敏度比单脉冲方式高得多，因此，在参数值上的小的差别可以引起输出的不希望的大的改变。

大部分可变速的驱动系统必须在电源电压的一个范围内操作，并且在一些情况下(一般在远方操作的或者和电源隔离的那些驱动装置)，所述范围是额定电源电压的一个非常大的部分。虽然这对于斩波方式下的开关磁阻系统不是十分困难的(因为电流控制器一般能够应对改变的电流梯度)，但是在单脉冲和连续电流方式下则成为问题，此时，转矩极大地依赖于电源电压。解决这个问题的已知尝试包括，对于电源电压的一个范围，存储一组完整的控制参数(即在所述一组参数中引入另外一个参数，电源电压)，但这通常产生不能接受的控制器中的存储空间的要求。

在单脉冲方式中，研发了应对所述电源电压变化的电压补偿方法。例如，美国专利5,724,477(Webster)披露了一种修改速度信号，使得获得能够有效地产生指令转矩的一组控制参数的方法。该方法被结合在此作为参考。还已知一些在单脉冲方式下使用的电压补偿的其它方法。

不过，在连续电流方式下，这些方法是极少令人满意的。例如，如果电机正在上述的从单脉冲方式转换到连续电流方式下操作，然后电源电压升高，则使用例如US 5,724,477披露的电压补偿方法可能产生使得连续电流方式下的电机的输出立即下降的控制参数。此时产生的转矩立即下降，因而导致速度的下降。如果驱动装置处于速度控制下，则转矩误差快速上升，以便进行补偿，然后产生新的控制参数，强迫系统返回连续电流方式。这个序列对转矩输出产生严重干扰，这可能导致振荡的增大和/或其它的不稳定性。

在单脉冲方式下，产生的转矩在很大程度上独立于绕组的电阻(或许除了在最小的电机中或者在非常低的电压下操作的电机中)。当电机的负载改变时，绕组温度，因而绕组电阻改变，但是电机的输出实际上是独立的，因而使得能够利用不受绕组电阻的影响的控制参数。不过，在连续电流方式下，电流非常依赖于系统电阻，因此，对于给定的控制参数，输出随绕组的热状态而变化。即使可以用合适的成本从绕组得到可靠的热反馈，提供用于补偿温度的控制参数将对控制器的存储器施加不能接受的负担。

因此，显然需要一种在连续电流方式下的控制方法，它能够补偿变化的电源电压和变化的绕组温度，并且能够提供和单脉冲方式之间的平滑的转换。

发明概述

根据本发明的第一方面，提供一种在连续电流操作方式下控制开关磁阻电机的方法，所述开关磁阻电机包括具有多个磁极的转子，具有多个磁极以及至少一个相绕组的定子，所述方法包括：

当转子达到第一预定位置时，产生第一信号，所述第一信号使电压被施加到相绕组上，以及

当相绕组中的相电流达到第一预定值时，产生第二信号，所述第二信号使相绕组续流，借以控制所述电机的输出。

这样，在相绕组的导通角的剩余部分的至少一部分期间，相绕组续流。在电动机方式下，这使得能够控制相绕组中的稳定电流，并且在发电方式下，这使得能够控制电机的输出电压。

所述方法还可包括产生第三信号，所述第三信号引起相绕组上的电压反向。所述第三信号可以在转子达到第二预定位置时被产生，或者当相绕组中的相电流达到大于第一预定值的第二预定值时被产生。另一种方案是，可以在以下两个条件的第一个条件被满足时，产生第三信号：转子达到第二预定位置，或者相绕组中的相电流达到大于所述第一预定值的第二预定值。

优选地，在相绕组中的相电流的第一预定值被设置在否则将要发生的相绕组的预期的峰值电流以下，和/或相电流的第二预定值被设置在相绕组的预期的峰值电流以上。

根据本发明的另一方面，提供一种用于控制开关磁阻电机的操作的控制装置，所述开关磁阻电机包括具有多个磁极的转子，具有多个磁极以及至少一个相绕组的定子，所述装置包括：

用于接收来自位置检测装置的角位置信号的输入端，所述角位置信号表示所述转子相对于定子的角位置，

用于接收表示相绕组中的电流的相电流信号的输入端，

用于向一个开关装置输出控制信号的输出端，以及

被设置用于监视在输入端接收的信号并用于产生控制信号的处理器，

其中所述处理器被设置用于

当所述角位置信号表示转子处于第一预定位置时，产生第一控制信号，所述第一信号使电压被施加到相绕组上，以及

当所述相电流信号表示相绕组中的相电流为第一预定值时，产生第二控制信号，所述第二信号使相绕组续流，借以控制所述电机的输出。

优选地，所述处理器还被设置用于产生第三信号，所述第三信号引起相绕组上的电压反向。所述第三信号可以在转子达到第二预定位置时被产生，或者当相绕组中的相电流达到大于第一预定值的第二预定值时被产生。另一种方案是，所述处理器可以在以下的两个条件的第一个条件被满足时，产生第三信号，所述第三信号使得在相绕组上的电压反向：转子达到第二预定位置，或者相绕组中的相电流达到大于所述第一预定值的第二预定值。

优选地，在相绕组中的相电流的第一预定值被设置在相绕组的预期的峰值电流以下，和/或相电流的第二预定值被设置在相绕组的预期的峰值电流以上。

根据本发明的第三方面，提供一种用于开关磁阻电机的控制系统，所述开关磁阻电机包括具有多个磁极的转子，具有多个磁极以及至少一个相绕组的定子，所述控制系统包括：

一个开关装置，

位置检测装置，用于产生表示所述转子相对于定子的角位置的角位置信号，

电流检测器，用于产生表示相绕组中的电流的相电流信号，以及

控制装置，其在操作上和所述开关装置、位置检测装置以及电流检测器相连，并被设置用于接收所述角位置信号和相电流信号，并向所述开关装置输出一个控制信号，

其中所述控制装置被设置用于在连续电流操作方式下当所述角位置信号表示转子处于第一预定位置时，产生第一控制信号，所述第一信号使电压被施加到相绕组上，以及

当所述相电流信号表示相绕组中的相电流达到一个预定门限时，产生第二控制信号，用于启动所述开关装置，使得相绕组续流，借以控制所述相绕组中的稳定电流。

附图说明

本发明可以用许多方式来实施，下面参照附图以举例方式说明其中的一些实施方式，其中：

图1表示一种典型的现有技术的开关磁阻驱动装置；

图2表示图1的变换器的一相的一种已知的拓扑；

图3(a)和图3(b)表示一种典型的斩波控制波形；

图4表示在单脉冲控制中的一种典型的电流波形；

图5表示在使用续流的单脉冲控制中的一种典型的电流波形；

图6表示在连续电流方式下的一种典型的电流波形；

图7表示根据本发明的一个方面操作的电机的电流波形；

图8表示根据本发明的另一个方面操作的电机的电流波形；以及

图9表示遭受卸载的发电机的恢复时间。

具体实施方式

开关磁阻电机的相电感周期是每相的电感的变化周期，例如，是当转子磁极和相关的各定子磁极完全对准时具有最大的电感值之间的时间间隔。要说明的所示实施例利用三相开关磁阻驱动装置，但是可以利用任何相数的驱动装置，所示电机可以处于电动方式或者发电方式。

所述的控制方法使用导通角、截止角和电流值的组合，来引起一个可选择的用于控制相中的稳定电流I_s的续流周期。和以前的连续电流方式下的控制方法不同，这种方法使得能够进行稳定电流值的平滑的控制，不会发生连续电流的突然下降。

图7表示根据本发明选择的一组典型的控制参数。在操作时，每相以通常的方式在θ_on导通。选择电流值I_x，其值略低于所述相的自然峰值电流。控制系统被这样设置，使得当相电流达到I_x时，使所述相进行续流，直到达到截止角θ_off为止(即该相的导通角的其余部分)，在该点上控制变为常规控制，两个开关都截止。和预期的相反，这未引起峰值电流或波形的形状的大的改变。而是使得能够控制稳定电流的值：通过改变电流I_x一个小的量便能得到相应的I_s的改变。

这个未预料到的结果对于控制具有大的好处。如果现在电源电压增加或者由于温度下降而使绕组电阻减小，则相电流较快地上升，因而较快地达到I_x，这实际上使得具有较短的导通时间和较长的续流时间，因而阻止稳定电流I_s的增加，从而使系统稳定。与此相反，电源电压的降低或者电阻的增加使得电流上升较慢，使得导通时间增加和续流时间减少，因而阻止稳定电流下降。正是角度和电流参数的组合使得能够达到这个结果。

这种控制方法的进一步的优点在于，其减小了对导通角的精细的分辨率的要求。以前，为了在连续电流方式下进行成功的控制，一直需要导通角的非常精细的分辨率，这是因为在这种方式下，输出对于导通角的灵敏度是高的。不过，这可以用高的成本来实现，例如，位置分解器的成本和其分辨率非常相关。的确，在一些系统中，可以使用的连续电流的量受到可利用的角度参数的控制程度的严重限制。然而，本发明能够使用容易利用精细的分辨率控制的电流参数，从而有效地“填充”在角参数间距之间的负载点。

本方法的一种改型是使用两个电流参数，如图8所示。第二个参数I_y被设置在I_x和预期的峰值电流的上方。在操作时，如果电流在续流时大大增加(即在达到I_x之后)，例如由于发生发电，则可以使用I_y使第二开关截止，有效地提前θ_off参数。这样，所述相便不会在该相的导通角的整个其余部分内续流。该相在其导通角的其余部分的一部分期间续流。

在实施本发明时，一般在额定电压和平均温升下表征电机是有利的。这使得能够选择I_x，以便适应电压和温度的升高和降低。表征在进入连续电流方式之前的点也是有利的，其中把I_x设置为略高于自然峰值电流，使得当电压上升，因而电机将突然进入连续电流方式时，存在的电流控制I_x将减慢所述的进入，因而使系统稳定。

下面说明本发明的另一个实施例，当电机在发电方式下运行时，该实施例是尤其有用的。当在发电方式下运行时，电机的速度基本上是恒定的，或者至少只有缓慢的改变，这是因为电机装置的惯性通常由原动机支配。除非系统正在“硬的”电源上发电，电压主要由电负载和直流连接电容器(即图2中的电容器25)的额定值确定。如果电负载发生突然改变，例如所谓的“卸载”情况，此时，至少一部分负载被突然切断，此时，除非控制系统反应迅速，在直流线路上将出现相应的电压摆动。从剩下的负载的观点看来，这是不希望的，并且如果发生直流连接电容器的向上的电压摆动，则在电容器上造成灾难性的过电压。如果电机在斩波或者单脉冲方式下运行，则通过修改控制角，控制系统的带宽一般足够控制瞬变。不过，如果电机在连续电流方式下运行，则响应必然慢得多，这是因为，需要许多周期才能使稳定电流达到新的稳态值。

这种情况如图9所示，该图表示在3600rmp的速度下运行的额定功率为10KW的开关磁阻发电机的输出。在t＝0之前，发电机向负载提供10KW的功率，并且电压稳定在其额定电压340V。在t＝0，负载突然被除去，在常规的P+I控制下，电压摆动达到428V(即+19％)，并用200毫秒才恢复。虽然增加控制器的增益可以帮助减少这个偏移，但是太高的增益本身将导致不稳定。

通过控制导通角和电流参数把本发明应用于这种情况，则立刻表现出如图9所示的优点，其中把过压减少到385V，恢复时间减少到12毫秒。应当理解，瞬变中的能量被减少到以前情况下的大约4％，大大降低了不希望的副作用。

应当理解，同样的原理可以用于由负载的较小的改变引起的较小的瞬变。它们也适用于负载的突然的增加，这将导致输出电压的不利的振荡。

本领域的技术人员应当理解，不脱离本发明的构思的情况下，可以对所披露的实施例作出改变，尤其是关于执行微处理器中的算法的细节。因而，上面的几个实施例的说明是以举例方式给出的，并不用于限制本发明。显然，本领域的技术人员可以对驱动电路进行微小的改变，而使上述的操作没有大的改变。本发明旨在只由下面的权利要求所限定。

Claims (13)

1.一种在连续电流操作方式下控制开关磁阻电机的方法，所述开关磁阻电机包括转子，和具有至少一个相绕组的定子，所述方法包括：

当转子达到第一预定位置时产生第一信号，所述第一信号使电压被施加到相绕组上，以及

当相绕组中的相电流达到第一预定值时产生第二信号，所述第二信号使相绕组续流，借以控制所述电机的输出。

2.根据权利要求1的方法，还包括：

在转子达到第二预定位置时，产生第三信号，所述第三信号引起相绕组上的电压反向。

3.根据权利要求1的方法，还包括：

当相绕组中的相电流达到大于第一预定值的第二预定值时，产生第三信号，所述第三信号引起相绕组上的电压反向。

4.根据权利要求1的方法，还包括：

当以下的两个条件的第一个条件被满足时，产生第三信号：转子达到第二预定位置，或者相绕组中的相电流达到大于所述第一预定值的第二预定值，所述第三信号引起相绕组上的电压反向。

5.根据前面任何一个权利要求所述的方法，其中在相绕组中的相电流的第一预定值被设置在相绕组的预期的峰值电流以下。

6.根据权利要求3，4或5的方法，其中所述相电流的第二预定值被设置在相绕组的预期的峰值电流以上。

7.一种用于在连续电流操作方式下控制开关磁阻电机的运行的控制装置，所述开关磁阻电机包括转子，以及具有至少一个相绕组的定子，所述控制装置包括：

用于接收来自位置检测装置的角位置信号的输入端，所述角位置信号表示所述转子相对于定子的角位置，

用于接收表示相绕组中的电流的相电流信号的输入端，

用于向一个开关装置输出控制信号的输出端，以及

被设置用于监视在输入端接收的信号并用于产生控制信号的处理器，

其中所述处理器被设置用于

当所述角位置信号表示转子处于第一预定位置时产生第一控制信号，所述第一信号使电压被施加到相绕组上，以及

当所述相电流信号表示相绕组中的相电流为第一预定值时产生第二控制信号，所述第二信号使相绕组续流，借以控制所述电机的输出。

8.根据权利要求7的控制装置，其中所述处理器还被设置用于在转子达到第二预定位置时产生第三信号，所述第三信号引起相绕组上的电压反向。

9.根据权利要求7的控制装置，其中所述处理器还被设置用于当相绕组中的相电流达到大于第一预定值的第二预定值时产生第三信号，所述第三信号引起相绕组上的电压反向。

10.根据权利要求7的控制装置，其中所述处理器还被设置用于当以下的两个条件的第一个条件被满足时，产生第三信号：转子达到第二预定位置，或者相绕组中的相电流达到大于所述第一预定值的第二预定值，所述第三信号使得在相绕组上的电压反向。

11.根据权利要求7-10中任何一个的控制装置，其中在相绕组中的相电流的第一预定值被设置在相绕组的预期的峰值电流以下。

12.根据权利要求9，10，或11中任何一个的控制装置，其中相电流的第二预定值被设置在相绕组的预期的峰值电流以上。

13.一种用于开关磁阻电机的控制系统，所述开关磁阻电机包括转子，具有至少一个相绕组的定子，所述控制系统包括：

一个开关装置，

位置检测装置，用于产生表示所述转子相对于定子的角位置的角位置信号，

电流检测器，用于产生表示相绕组中的电流的相电流信号，以及

控制装置，其在操作上和所述开关装置、位置检测装置以及电流检测器相连，并被设置用于接收所述角位置信号和相电流信号，并向所述开关装置输出一个控制信号，

其中所述控制装置被设置用于在连续电流操作方式下当所述角位置信号表示转子处于第一预定位置时产生第一控制信号，所述第一信号使电压被施加到相绕组上，以及

当所述相电流信号表示相绕组中的相电流达到一个预定门限时产生第二控制信号，用于启动所述开关装置，使得相绕组续流，借以控制所述相绕组中的稳定电流。

Images