CN1551484A - 开关磁阻电机中的转子位置确定 - Google Patents

Abstract

在不用物理转子位置检测器的情况下控制开关磁阻驱动装置。该控制方法使电流在转子运转时于一个绕组中连续地流动，并通过发现电流波形的波峰或是某种其它特征来检测位置，上述某种其它特征可能唯一地与转子的位置有关。

Description

开关磁阻电机中的转子位置确定

技术领域

本发明涉及磁阻电机中，尤其是但不是唯一的，开关磁阻电机中的无感应器转子位置确定。

背景技术

开关磁阻电机的控制和运行总体上在1993年6月21-24日于德国的Nurnberg举行的PCIM’93会议和展览会上由J M Stephenson和R JBlake所提交的论文“The Characteristics，Design and Applications ofSwitched Reluctance Motors and Drives”中作了说明，上述论文在此引入作为参考。在那篇论文中，说明了开关磁阻电机激励的“斩波”模式和“单脉冲”模式，分别用于电机在低速和高速下的运行。

典型的现有技术驱动装置在图1中示意性示出。这包括一种直流(DC)电源11，上述DC电源11可以是蓄电池，或是经过整流和滤波的交流(AC)电源。由电源11所提供的DC电压在电子控制单元14的控制下，由一个功率转换器13跨过电动机12的相绕组16接通。在图2中示出许多已知转换器拓扑之一，其中电机的相绕组16在母线26和27之间与两个开关器件21和22串联连接。母线26和27统称为转换器的“DC联络线”。能量恢复二极管23和24连接到绕组上，以便当开关21和22断开时，使绕组电流能流回到DC联络线上。将一个称为“DC联络线电容器”的电容器25在DC联络线之间连接以作为DC联络线电流的任何交流分量(亦即所谓的“脉动电流”)的源或宿，上述DC联络线电流的任何交流分量不能从电源引出或返回电源。实际上，电容器25可以包括几个串联和/或并联的电容器，并且，在采用并联连接的地方，其中一部分元件可以分布在整个转换器中。一个电阻器28与下面开关22串联连接，以便提供一个电流反馈信号。一个多相系统通常采用几个图2的“相芯(leg)”，上述几个“相芯”并联连接，以便激励电机的各相。

开关磁阻电机的性能，部分地取决于相激励相对于转子位置的精确定时。转子位置的检测按常规是利用图1示意性示出的传感器15，如安装在电机转子上的一种旋转的带齿盘达到，上述旋转的带齿盘与安装在定子上的一种光学或电磁感应器协同工作。表示转子相对于定子的位置的脉冲序列产生并加到控制电路上，以提供精确的相激励。这种系统简单，并能在许多应用中良好工作。然而，转子位置传感器增加了装置的总成本，将一些额外的电气连接加到电机上，并因此是不可靠性的一种潜在来源。

现已提出了各种方法来省去转子位置传感器。这些方法中的某些方法已由W F Ray和I H Al-Bahadly在“Sensorless Methods for Determiningthe Rotor Position of Switched Reluctance Motors”中作了评述，上述评述发表在英国Brighton1993年9月13日-16日召开的European PowerElectronics Conference会议记录第6卷第7-13行中，该评述在此引入作为参考。

为电气驱动式电机中的常规转子位置估计所提出的这些方法中，许多方法都利用测量一相或多相中的相磁通链(亦即所加电压对时间的积分)和电流。位置利用作为角度和电流的函数的电机中的电感的变化的了解进行计算。这种特性可以作为一种磁通链/角度/电流表存储，并在图3中用曲线图示出。这种数据的存储包括用一种大的存储器阵列和/或另外的系统开销，该开销用于数据在存储点之间的插入。

某些方法在低速下利用这种数据，其中“斩波”电流控制是用于改变产生的转矩的主要控制策略。斩波控制在图4(a)中用曲线图示出，其中示出在一个相电感周期范围内的电流和电感的波形。(注意，电感的变化以理想化的形式示出。)这些方法通常在不产生转矩的相(亦即在一特定时刻不直接由电源激励的那些相)中采用诊断激励脉冲。一种适合于低速运行的方法是由N M Mvungi和J M Stephenson在“Accurate SensorlessRotor Position Detection in an S R Motor”中所提出的方法，其发表在1991年意大利Firenze的European Power Electronics Conference的会议记录的第1卷第390-393行中，在此引入作为参考。这些方法在比较低的速度下工作最佳，其中被一诊断脉冲所占用的时间长度与一个电感周期的整个周期时间相比是小的。当速度上升时，脉冲占据周期的较大部分，并且很快到达可靠位置信息不可得到的那一点。

其它方法是在较高速度下以“单脉冲”激励模式运行。这种模式在图4(b)中示出，其中电流和电感波形是在一个相电感周期范围内示出。这些方法在不不扰正常运行情况下监视当前相的工作电压和电流。一种典型的较高速度的方法在国际专利申请WO91/02401中作了介绍，其在此引入作为参考。

与同时断开两个开关相反，有一些情况中有利的是比θ_on延迟一个角度θ_f断开第二开关，使得电流绕由闭合的开关、相绕组和一个二极管所形成的环路循环。典型的波形在图4(c)中示出。这种技术称为“惯性运行(freewheeling)”，并且为各种原因而使用，其中包括峰电流限制和噪声减少。

为了在没有位置感应器的情况下运行而必须存储电机数据的二维阵列是一个明显的缺点。已经提出了一些替代的方法，这些方法省去了大多数以角度为参照的信息的需要，而代之以只在一个角度下存储数据。一种这样的方法在欧洲专利申请EP0573198A(Ray)中作了介绍，上述专利申请在此引入作为参考。这种方法目的是通过按照计算出的距所希望点的偏差调节诊断点来确定在一预定角度下的相磁通链和电流。磁通链通过将加到相上的电压测量值(对时间)积分估计。在上述优选实施例中存储两个一维表，其中一个是在作基准的转子角度下的磁通链-电流，而另一个是磁通链相对于转子角度的差分-电流。通过监视相电压和电流，可以借助于查阅表估计距预测角度的偏差，并可以相应地调节系统运行。

当电流降到零且相绕组不再耦合任何磁通量时，为了避免磁通链积分器漂移(由于系统中不希望的噪声和积分器的不理想而引起)，在每个传导周期的结束处将它设定为零。这种方法是一种“预测器/校正器”法，因为它一开始预测何时转子处在基准位置，当它认为已到达了基准位置时，测量电机参数，并利用这些测量结果来检测预测中的误差，从而通过对下一个基准位置采用新的预测而进行校正动作。

开关磁阻电机的相电感周期是对于该相或每一相的电感变化周期，例如在各转子极和有关的各自的定子极完全对准时的极点之间。图4(a)示出理想形式的电感分布图，而实际上分布图的拐角由于在空气中的磁通边缘效应和铁磁通路的饱和而变圆。

已知在单脉冲模式中开关磁阻电机的相电流波形形状与相绕组的电感分布图有关。尤其是，由于定子和转子极之间重叠开始引起的电感分布图上升部分的开始，对应于当相电流在相电感周期中从上升到下降变化时的翻转。在此引入作为参考的EP1109309A讨论了这种现象，并在单脉冲运行中利用电流中的固有的峰作为转子位置检测方法的基础。

然而，如果在绕组上没有激励，例如电机正在惰转，或者由于前面的激励的历史因噪声或机械扰动而不可靠造成激励丢失，则需要位置检测方法，它将估计位置并在不必制动驱动装置的情况下提供到激励的无缝转换。发明人已经了解，需要有一种无感应器控制方法，所述无感应器控制方法可以在不事先知道驱动装置的激励历史的情况下，在很宽的速度范围内运行。

发明内容

本发明的目的是提供一种在不用转子位置传感器的情况下确定转子位置的健壮和成本效益高的方法。

本发明在所附的独立权利要求中限定。某些优选的特征在从属权利要求中描述。

在一种形式中，本发明提供一种方法和系统，所述方法和系统利用在一个相绕组中所产生的连续电流来确定运动转子的位置，上述连续电流具有波形，所述波形包括与电机的相电感周期中的各种重大事件有关的基本时间信息。从这些特征的其中之一，可能得到转子位置信息。

本发明的一个好处是它不需要事先知道电机的电磁分布图，例如，如图3所示。因此，该方法不需要大量存储数据，并可以在波形上存在噪声的情况下很健壮，所述方法从该波形中导出位置。这与上述现有技术相反。

本发明的一个实施例提供一种确定用于电机的转子位置的方法，上述电机具有定子和转子，上述定子具有至少一个相绕组，上述方法包括：当转子运动时形成相绕组中的连续电流，该电流具有与电机的电感分布图有关的波形，所述波形随转子位置周期变化；检测波形周期中的预定特征；及从特征的存在中得到转子位置信息。

优选的是，电机是开关磁阻电机。

优选的是，连续电流是由例如跨相绕组所加的电压脉冲形成的。因为各电压脉冲只用来形成连续电流，各电压脉冲的出现可以是异步的。由于这个原因，它们不必在相电感周期的任何方面参考。加到该相上的电压分布图优选的是电压脉冲，和在各脉冲之间的极性相反的较低幅度的电压。

估计转子位置所基于的一种方便的特征是与相电感分布图中上升的电感的开始一致的电流翻转。

本发明尤其适用于惰转电机，因为在单相绕组中所感生的比较小的电流具有波形，所述波形包括确定转子位置所需的所有信息，上述信息另外还可以当电机运行时在等效电流波形中看到。

附图说明

本发明可以用许多方式付诸实践，其中一些方式现在将当作实例并参照附图进行说明，其中：

图1示出一种典型的现有技术开关磁阻驱动装置；

图2示出图1中的转换器的一相的已知拓扑；

图3示出在转子位置作为一个参数的情况下，典型的磁通链和相电流的曲线；

图4(a)示出在斩波控制中的一种典型电动机运行电流波形；

图4(b)示出在单脉冲控制中的一种典型电动机运行电流波形；

图4(c)示出在利用惯性运行的单脉冲控制中一种典型的电动机运行电流波形；

图5以示意图形式示出体现本发明的开关磁阻驱动装置；

图6示出一种按照本发明的一个方面所述的电流波形；及

图7示出一种按照本发明的一个方面所述的相电压波形。

具体实施方式

待说明的示例性实施例采用一种在电动机运行模式下的2相开关磁阻驱动装置，但可以使用任何相数，驱动装置可以在电动机运行模式下，也可以在发电模式下。

图5示出一种系统，所述系统用于实施本发明，其中体现了本发明的一种形式。其中，提供一个功率转换器13，用于控制开关磁阻电机，上述功率转换器13通常与图1中所示的功率转换器相同。控制转换器13的是一个控制器42，在本实施例中，上述控制器42包括：一处理器，尤其是一种数字信号处理器44，比如Analog Devices2181系列的其中之一；及相关的程序和数据存储器46。一些可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器件，这在本技术领域中是众所周知的。处理器按照存储器46中所存储的程序代码以常规方法运行，以便执行本发明的方法。所示出的2相电机具有一个定子30和一个转子32。定子具有4个极50，在上述4个极上缠绕相绕组34/36。转子具有转子极52，并且为了帮助启动电机，转子具有一个阶梯气隙54。阶梯气隙不是重要的：每个转子极的端面可以具有一种常规的弧形轮廓。本领域技术人员会意识到，可以用一种具有不同相数或极组合的电机，因为本发明不是特定于任何特定的电机拓扑。

按照本发明的一个实施例，通过主动地将一个电压注入一个单相绕组，且随后使上述电压所感生的电流在整个相周期的剩余部分惯性运行，从旋转电机中得到数据流，上述电压比通常跨过绕组所加的激励电压小。电压分布图，和尤其是电压脉冲，如此选定以使相绕组中保持一个连续的电流。通过注入作为脉冲的小电压，在结果周期相电流中产生确定转子相对于定子的位置所需的信息，上述结果周期相电流以图6的迹线示出。将本发明的方法用在一个电机上，所述电机正在运转(比如旋转)，但不一定通过激励相绕组来电气驱动。这称为“惰转”。这种情况由于它的动态性质而在以前就认为是在其中确定转子位置的一种特别困难的情况。然而，正如在图6中可看到的，所注入的电压产生一个周期性的相电流波形，所述相电流波形呈现出转子位置可从中确定的特征。

对所考虑的特定驱动装置，注入电压大小必须小心选定，但上述注入电压大小通常具有一个平均值，所述平均值低于为驱动电机所加的额定激励电压的10％。电压优选地通过将脉冲宽度调制(PWM)加到一相的总线开关上从主母线提供。或者，可以将一个分开的低压电源(脉冲式或不随时间变化)连接到一个指定的相上。在两种情况下，加上正电压使相绕组的磁通链以一种由电压大小所决定的速率上升。当去除电压时，由跨绕组电阻、二极管和开关的电压降之和所产生的负电压降使磁通量以较低的速率下降。电流回复成稳定的图形，所述稳定的图形总是正的并随绕组的电感分布图周期变化，如图6中的迹线所示，图6中的迹线下面更详细地考虑。

应该注意，当电压总线的全负电压加到绕组上时，没有周期部分，这与电机正常运转时不同。电压在短突发的高的正电压和长期间的低得多的负惯性运行电压之间交替，如图7所示。在绕组中有很小的连续磁通量；所产生的电流比正常运行时的电流小；及转子上的有效转矩为零。因此，理论提出，只要有效转矩为零，各电压脉冲的大小和持续时间就没有上限。然而，如果脉冲上升到高电平，则注入电压脉冲的断续性质将变得有防碍。防碍可能例如产生转矩脉动或噪声，上述转矩脉动或噪声在某些应用中可能是不能接受的。电压的下限是能保持相中的连续电流的电压。

图6示出相电流波形在这些条件下的实际示波迹线。关于这个迹线可以注意几个特征。首先，有相当大的噪声在信号上存在。尽管其中一部分可能是绕组中电流的真实指示，但其中一部分是测量误差，所述测量误差由比如附近的开关动作对电流测量值的干扰引起。尽管如此，本发明的位置检测对于防止这些现象来说是健壮的，并且通常不需要专门滤波。其次，电流峰不均匀。这可能是由于各种因素引起，上述因素包括电源总线上的脉动。另外，本方法对这些变化来说是健壮的，因为与绝对电流电平是不可比的。

按照本发明的一个实施例，连续的转子位置信息可通过检测主动注入电压脉冲所产生的相电流的波峰的存在来得到。各种检测电流波形波峰的方法都是可以的。按照本发明的一个优选实施例，最简单的形式是将处理器44编程以便对来自传感器38的电流采连续流的样，并将最近期的样本与先前的样本比较。如果两个样本相等，则电流波形的大小没有改变。因此，达到相电流随时间变化(di/dt)为零速率的点，如EP1109309A中所述，上述点认定是极重叠的点。然而，尽管检测零di/dt似乎象是对无感应器问题的一种理想解决方案，但实际上它有限制，并且可能不可靠，主要是由于测得的电流波形上的噪声引起的。

一种更健壮的方法是利用一种斜率检测的方法，所述斜率检测的方法检测达到峰电流之后向下斜率的开始。尽管这在检测极重叠的点时不可避免地插入延迟，但该延迟实际上是恒定的，并且这可以在控制器中补偿。因此控制器可以精确地预测何时遇到下一个极重叠点。

在这个实施例中，为了进行斜率检测，微处理器44包括一种将样本与前一个样本进行比较(如上述执行中一样)的算法。然而，与查找两个相等样本相反，它忽略了大于或等于前一个样本的所有样本(即当波形增加或平坦的时候)。一旦达到当前样本小于前一个样本的点，可以认定波峰(0di/dt)点已经过，并且电流现在正在以一负斜率下降。这种技术产生一个通常是在实际波峰之后两个样本的无感应器检测脉冲，采样时间是固定的已知量。然后可以在角度控制软件中补偿两个样本周期的这种已知时间。

通过修改编程到处理器中来检测在一些样本之上的连续负斜率的算法，而不是认定所计算出的第一负斜率是电流波形波峰之后的实际第一样本，可以实现改进的性能。比如说，通过从样本中查找两个或多个负斜率结果并忽略任何零变化结果(由于比如在低速下的缓慢变化速率和不良的模拟/数字(A/D)分辨率)，可以很安全地认定斜率明确地正在下降。检测脉冲在0di/dt点之后还延迟最少3个样本，但因为它是已知的时间量，这可以在控制器42中补偿。

因为甚至不需要近似地了解转子位置以实施本发明(不象许多其它的位置检测方法那样)，所以可以在电感周期中的任何点处施加电压的PWM脉冲，亦即它们可以与电流波形异步，使得能在不了解转子速度的情况下实施该方法。严格检查图6可以看出，异步加PWM脉冲在迹线上标有A，B和C的点处发生。因为点C是在进行斜率检测的区域中，所以在此处加电压脉冲可能会在斜率检测时产生一种假结果。这可以通过限制将脉冲加到电流波形中的那些区域加以避免，在上述那些区域中电流小于峰值的比如说50％。这个值不是严格的，而是只用作一个粗略滤波器，以便给斜率检测算法提供更清晰的波形。

从上述说明可以看出，只需要使电流在一相中流动，以便检测位置。该方法与其它相中由于任何原因而是否存在电流无关。然而，将该方法同时应用于两相或多相，因此而增加转子位置检测的速率，可能是有利的。如果转子的速度无论是向上或是向下快速改变，则这可能具有特殊的优点。

可以认识到，为了用图7的电压脉冲形成例如图6的连续电流，需要一个有限的时间量。如果要求更快地形成电流，则电压脉冲的工作周期起初可以增加，而然后当达到电流的所需水平时，减少到一个产生足够伏秒以使电流保持在所需水平的宽度。

上述实施例检测极重叠的开始，并由此推导转子位置。本发明的另一些实施例检测电感分布图上的其它点。例如，通过检测电流波形中波谷的中部，可以检测最大电感(Lmax)的位置，亦即转子极与定子极完全对准的点。电流波形上与电感分布图有关系的其它点同样可以检测。还应该理解，该特征在波形的一个周期中发生。因此，为了进行检测，只需要在一个周期形成电流。同样，可以认识到，周期本身不需要连续，比如，它可以包括一些分开的部分，上述各分开的部分由控制器观察，以便检测特征，。

上述方法可以同等有利地应用于作为电动机或作为发电机工作的电机。

本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的情况下，尤其是在实施控制器中的算法的细节上，所公开的装置的各种变形都是可能的。还显而易见的是，尽管上述技术已经关于一种开关磁阻电机作了说明，但它可用于任何具有周期性电感分布图的电机。本方法可应用于一相而不管是否有激励加到电机中可能存在的任何其它相上。另外，尽管本发明按照旋转电机进行了说明，但本发明同等地可适用于直线电机，上述直线电机具有轨道形式的定子和在其上移动的移动部件。在本技术领域中用词语“转子”来指代旋转电机和直线电机二者的活动部件，并在此以这种方式解释。因此，上面一些实施例的说明是当作实例而没有限制的目的。本领域技术人员显而易见在不对上述操作进行重大改变的情况下，可以对驱动电路进行微小修改。本发明打算仅由下面权利要求书的范围进行限定。

Claims (22)

1.一种确定电机的运动转子位置的方法，上述电机具有定子，上述定子具有至少一个相绕组，上述方法包括：

加电压到相绕组上，该电压波形具有周期，所述周期与转子的运动周期无关，上述电压在相绕组中形成电流，该电流波形随转子的运动周期变化；

检测电流波形周期中预定的特征；及

从特征的存在中得到转子的位置。

2.如权利要求1所述的方法，其中电流在周期中是连续的。

3.如权利要求2所述的方法，其中连续的电流形成于多个周期。

4.如权利要求1-3其中之一所述的方法，其中电机是开关磁阻电机。

5.如权利要求1-4其中之一所述的方法，其中电流是由跨相绕组所加的电压脉冲形成。

6.如权利要求5所述的方法，其中电压脉冲具有一个极性，而在各脉冲之间跨相绕组的电压是非零的并具有相反的极性。

7.如权利要求1-6其中之一所述的方法，其中电流基本上处于稳态。

8.如权利要求1-7其中之一所述的方法，其中波形周期中的特征基本上与电流波形梯度变化一致。

9.如权利要求1-8其中之一所述的方法，其中电流波形周期中的特征与电机电感分布图中上升的电感的开始一致。

10.如权利要求1-7其中之一所述的方法，其中电流波形周期中的特征与电机相的最小电感的位置一致。

11.如权利要求1-7其中之一所述的方法，其中电流波形周期中的特征与电机相的最大电感的位置一致。

12.如权利要求1-11其中之一所述的方法，其中转子当该方法开始时惰转。

13.一种用于电机的运动转子的位置确定系统，上述电机具有定子，上述定子具有至少一个相绕组，上述系统包括：

用于将电压加到相绕组上的装置，该电压波形具有周期，所述周期与转子的运动周期无关，上述电压在相绕组中形成电流，该电流波形随转子的运动周期变化；

用于检测电流波形周期中的预定特征的装置；及

用于从特征的存在中得到转子位置的装置。

14.如权利要求13所述的系统，其中用于形成的装置可操作以形成周期中的连续电流。

15.如权利要求14所述的系统，其中用于形成的装置可操作以形成在多个周期中连续的电流。

16.如权利要求13-15其中之一所述的系统，其中电机是开关磁阻电机。

17.如权利要求13-16其中之一所述的系统，其中用于加电压的装置可操作以产生具有一个极性的电压脉冲，并且在各脉冲之间跨相绕组的电压是非零的，并具有相反的极性。

18.如权利要求13-17其中之一所述的系统，其中用于检测预定特征的装置可操作以检测电流波形梯度的变化。

19.如权利要求13-17其中之一所述的系统，其中用于检测的装置可操作以检测电流波形中与电机的电感分布图中上升的电感的开始位置一致的点。

20.如权利要求13-17其中之一所述的系统，其中用于检测预定特征的装置可操作以检测与电机相中最大电感的位置一致的点。

21.如权利要求13-17其中之一所述的系统，其中用于检测预定特征的装置可操作以检测与电机相中最小电感的位置一致的点。

22.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品当加载在处理器上时，用来执行权利要求1-12其中之一所述的方法。

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