CN1945960A - 电机中的转子位置检测 - Google Patents

Abstract

一种由物理转子位置传感器和软件位置检测算法的组合所控制的电机。该物理传感器具有减少的传感器，因此它仅仅将在高转速下给出准确的信息。软件算法由低成本处理器执行，该低成本处理器不能在高转速下提供足够的信息。该控制器将来自两个位置检测器的信息混合，从而产生一种在较大的转速范围上操作的经济型驱动器。

Description

电机中的转子位置检测

技术领域

本发明涉及电机中的转子位置检测，更具体而言，涉及开关磁阻电机中的转子位置检测。

背景技术

在多种书本中可以获得多种开关磁阻驱动器的一般处理方法，例如2001年Newnes出版的TJE Miller的“Electronic Control of SwitchedReluctance Machines”，其在此引用作为参考。控制和操作这些系统的进一步的细节在1993年6月21-24日在德国Nurnberg举办的PCIM’93会议和展览会上J.M Stephenson和R.J.Blake发表的“The Characteristics，Design and Applications of Switched Reluctance Motors and Drives”中描述，其在此引用作为参考。在该论文中，描述激励开关磁阻电机的“斩波”和“单脉冲”模式以分别在低速和高速操作电机。

图1示出了一种典型的现有技术驱动器。其包括直流电源11，该直流电源可以例如是电池或者整流和滤波的交流电源。电源11提供的直流电压通过电子控制单元14控制下的电力变换器13开关跨接电动机12的相绕组16。图2中示出了许多已知的变换器拓扑结构之一，其中电机的相绕组16与两个开关装置21和22串联连接以跨接在母线26和27之间。母线26和27统称为变换器的“直流链路”。能量恢复二极管23和24连接到绕组，以便使绕组电流在开关21和22打开时能够流回DC链路。被称为“直流链路电容器”的电容器25跨接DC链路以作为不能来源于或返回电源的DC链路电流的任何交流分量(即，所谓的“波纹电流”)的源或宿。实际上，电容器25可包括几个串联和/或并联的电容器。在使用并联时，某些元件可分布于整个变换器中。电阻器28可以串联到下端开关22，以提供电流反馈信号。多相系统通常使用若干在图2中并联的“相脚”以激励电机各相。

开关磁阻电机的性能大部分取决于相对于转子位置的相激励的准确时序。转子位置的检测常规上通过使用图1中示意性示出的传感器15来实现，该传感器15例如为安装在电机转子上的旋转齿轮，其与安装在定子上的一组光、磁或其它传感器合作。图3示出了利用4极转子的用于3相系统的一种典型结构。如图4所示，指示相对于定子的转子位置的信号由每个传感器产生。这些信号可以如所示那样被结合并且提供给控制电路，从而可以实现精确的相激励。美国专利5652494(Sugden)公开了一种利用这些信号触发数字斜坡的方法，其中用于激励和去激励的准确时刻可以由该数字斜坡确定。该系统简单并且如果转子转速足够高，则在很多应用中都能较好的工作。但是，由于必须提供空间以将每个传感器置于绕圆盘圆周设置的正确的位置，因此每一相对传感器的需要都会使小型系统的机械布置和设计复杂，并且传感器不能小型化而不产生额外的费用。这种设计的另一个缺点是其具有限制的角分辨率，这会导致在低速时产生转矩波纹。

已经提出了多种方法来分配转子位置传感器(“rpt”)以及使用在软件控制器中运行的位置检测算法。在1993年9月13-16日、英国BrightonProceedings of The European Power Electronics Conference，Vol 6，pp7-13中公开的W F Ray和I H Al-Bahadly的“Sensorless Methods forDetermining the Rotor Position of Switched Reluctance Motors”中评论了上述若干方法，其在此引用作为参考。这些方法中的许多方法都使用了测量一相或多相中的相磁链(也就是，施加的电压相对于时间的积分)和电流(例如，从图1中的电流传感器18获得)的测量方法。利用电机中电感随角度和电流的变化来计算位置。该特征可以被存储为磁链/角度/电流表格，并且在图5中曲线示出。该数据的存储是不利的，因为它涉及使用较大的存储阵列和/或另外的系统开支，以在存储点之间插入数据。

一些方法在低速时使用该数据，其中“斩波”电流控制是用于改变扩大的转矩的主要控制策略。这些方法通常采用不产生转矩的相中的诊断脉冲。在1991年意大利、Firenze，Proceedings of the European PowerElectronics Conference Vol.1，pp 390-393中公开的N.M.Mvungi和J.M.Stephenson的“Accurate Sensorless Rotor Position Detection in an S RMotor”中提出了一种适于低速操作的方法，其在此引用作为参考。

其它方法在高速下激励的“单脉冲”模式中进行操作。这些方法监测工作电压以及有效相的电流，而不会干扰正常的工作。一种典型的高速方法在国际专利公开WO91/02401中描述，其在此引用作为参考。

为了在没有转子位置传感器的情况下操作，必须存储两维阵列的电机数据，这是明显不利的。已经提出了其它的替代方法，这些方法不需要大量的角度参考信息，而是仅存储一个角度的数据。在欧洲专利申请EP-A-0573198(Ray)中描述了一种这样的方法，该方法在此引用作为参考。该方法的目的是通过根据计算出的与希望的点的偏差来调节诊断点，以检测预定角度的相磁链和电流。通过对施加到相的电压的测量值积分(相对于时间)来估计磁链。在优选实施例中存储两个一维表格，其一是在参考转子角度的磁链和电流，另一个是磁链与转子角度的微分和电流。通过监测相电压和相电流，利用查找表，可以估定与预测参考角的偏差，并且可以相应地调节系统操作。

如果在位置检测算法所需的任何时候，都能够以足够的精确度来确定磁链，则该方法就被证明是可靠的。为了避免磁链积分器偏差(由于系统中不想要的噪音和积分器的不理想性)，当电流下降到零并且相绕组不再链接任何磁通时，即每个导电周期的末尾将其设定为零。该方法是“预测器/校正器”方法，因为它初始时预测转子何时将处于参考位置，当它确定已经达到参考位置时测量电机的参数，并且使用这些测量值的结果以检测预测中的错误，并因此通过对下一个参考位置采用新的预测来进行正确的操作。

虽然目前经常使用这种方法，但是它们通常需要控制器具有相当大的处理能力，这通常由微处理器或者数字信号处理器来提供。提供这种能力的成本通常是控制器的元件成本的主要部分，这是因为在最高速时处理计算结果的循环时间必须明显的小于电机的电感周期的时间。处理器的转速因此限制了驱动器的最高转速，除非采用更快和更昂贵的处理器。

发明内容

因此，需要一种成本上有效的方法，来对电驱动器提供转子位置检测，该电驱动器可以在较宽的转速范围上操作。

本发明由所附独立权利要求限定。在附加权利要求中阐述了一些优选特征。

本发明的实施例提供一种电机系统，该电机系统包括转子、转子位置传感器以及控制装置，其中控制装置被设置为接收来自转子位置传感器的信号，并且可从上述信号或者从转子位置检测算法获得转子位置信息。

本发明是分别在硬件和软件中提供的两种转子位置检测技术的有利的结合。它相对于在只使用转子位置检测算法时所需要的处理功率可以实现明显的节省。

优选的是，硬件转子位置传感器和软件转子位置检测算法的作用被分别分配到电机的较高和较低转速范围中。但是，本发明的另一种形式分离了对多相电机的多个相之间的低速范围的作用。利用该技术，转子位置传感器可以仅仅专门用于一个相，从而可以不需要为该相设置电流传感器。

本发明的实施例在控制装置中使用相对低等级的处理器，这是因为现在可以将对处理器的要求限制到较低转速。这之所以是可以实现的，是因为不再需要提供之前在较高转子转速下所需的这种处理转速，因为在处理器能力不可靠时，将rpt设置成接着进行唯一的转子位置测量。

附图说明

本发明可以以多种方式实施，现在将通过示例的方式并且参考附图来描述其中一些方式，其中：

图1示出了一种典型现有技术的开关磁阻驱动器；

图2示出了图1的变换器的一相的已知拓扑结构；

图3示出了3相、4极系统的现有技术的位置传感器；

图4示出了图3的传感器的输出；

图5示出了典型的磁链和相电流曲线，其中转子位置作为一个参数；

图6示出了包含本发明的一方面的驱动系统；

图7示出了适用于本发明的位置传感器；

图8示出了图7的传感器的输出；以及

图9示出了本发明的一方面的状态图。

具体实施方式

开关磁阻电机的相电感周期是相或每一相的电感例如在定子极和相关的各个转子极完全对齐时的最大值之间变化的周期。将描述的示意性实施例使用电动机模式的3相开关磁阻驱动器，但是一个以上的任意相数都是可以使用的，只要驱动器处于电动机或发电机模式。

图6示出了采用本发明的一个方面的一种开关磁阻驱动器。该驱动器是图1所示的发展，并且相同的部分由相同的标记表示。控制器14’具有用于位置检测算法的部分62，该算法可以在电动机12的转速范围的一部分上运行。嵌入部分62中的处理器是一种低成本型号，并且不能足够快地运行来确定电动机12的转速范围上端的转子位置。除了位置检测算法以外，驱动器还具有硬件转子位置传感器60，如图7中更详细的示意性示出。虽然在具有绕叶片72的圆周的四组特征(对应于电机的四个转子极)这点上与图3所示出的基本类似，但是它仅仅具有一个光或磁传感器70(开关的形式)响应于这些特征的移动。与现有技术相比，传感器减少的数量在元件的成本和需要用来容纳传感器的空间方面都有节省。该传感器具有如图8所示的输出，其基于转子角度绘制。

虽然来自图7的传感器的信号包含足够的信息来控制电机三相中的一相，但是没有涉及其它两相的任何信息。如果在未知位置启动电动机，则没有足够的信息来激励正确的相以产生最大转矩。当转子转速较低或者变化较快时出现相同的问题，在高加速或减速条件下，会在传感器输出的半个周期中出现十分明显的速度变化，这将会导致施加到相的开关角错误。

但是，在相对高的转速下，转子和紧密耦合的负载中存储的能量防止转速突然改变，并且然后可以插入到传感器波形的周期中以获得其它相的波形的期望启动点。因此，如果转速足够高，那么整组的传感器输出则可以被合成，其对应于图3所示。如上所述，然后可以使用美国专利5652494(Sugden)中公开的系统来确定相的正确的开关角。

图6的驱动器的操作方法是，在零或相对低的转速(高到一个实施例中的驱动器的转速范围的一半)，转子位置由位置检测算法确定。这可以可选地结合转矩平滑算法来使转矩波纹最小。当转速向与电机的速度相关的预定阈值上升时，控制器检查到硬件传感器通过对硬件和软件转子位置检测方法的结果之间进行比较来提供可靠的转子位置信息，其中在所述预定阈值下，控制器的处理器接近于不能执行电感周期中所有所需的操作。如果比较的结果在可接受的限度内，则控制器改变成单独使用硬件位置检测方法。当转速向最高转速上升时，来自软件检测器的位置信息越来越不可靠，但是这没有关系，因为转子位置检测的任务已经由rpt来进行。当之后转速下降到通过阈值时，控制器返回到使用来自软件检测器的位置信息的情况。

在其它实施例中，在阈值附近引入磁滞，使得两个转子位置检测技术的转速范围重叠。这就避免了控制器在两种模式之间振荡。图9示出了用于实现该技术的控制动作的合适的状态图。通过该方法，控制器将两种类型的检测器混合在一起，并且在转速范围内使用每一种类型的检测器，在所述转速范围内其产生可接受的准确的信息。

在可变转速的驱动器系统中同时提供硬件和软件位置检测是违反常规的。但是，通过使用利用用于低速范围的低成本处理器的软件检测方法以及利用用于高速范围的单个传感器的硬件检测方法，本发明的多个实施例提供了一种与现有技术中的系统相比具有更优越的性能以及更低成本的驱动器。

利用以下事实的优势可以进一步节省成本，即，一相中的硬件rpt的存在可以仅通过该相的rpt来进行位置检测，并且因此可以取消该相的电流传感器。这是本发明的一种混合形式，其中硬件或软件都对低速范围的电机周期中的转子位置检测负责。例如，3相系统具有与一相(例如，相A)相关的硬件rpt和其它两相(例如，相B和C)上的电流传感器，其中电流传感器用于将信息提供给用于这两相的软件位置检测算法。电机的启动和低速运行使用来自不同相的硬件和软件系统的信息。在高速运行、控制器的处理器不能处理时，如前所述，rpt的输出被多路化以用于其它相。本领域的技术人员将理解，在多相系统上可以对硬件和软件检测器进行不同的组合。

虽然已经基于根据开关磁阻电机的驱动器进行了上述描述，但是应当理解，本发明并不限于这种类型的电机，而对于任意的电子驱动器都可以施加以获得等同的优点，这些电子驱动器可以利用硬件或软件检测方法来操作，所述电子驱动器例如为基于电感的驱动器、同步或永久磁铁电机。

本领域的技术人员还应当理解，在不脱离本发明下可以对所公开的配置作出各种变化，尤其在执行控制器中的算法的细节方面。因此，上述的几个实施例通过示例的方式作出而不是进行限制。本领域的技术人员应当清楚，不明显改变上述的操作可以对驱动器作较小的改动。例如，该方法可以应用于线性电机和旋转电机。本发明旨在仅由所附权利要求书的范围限定。

Claims (18)

1.一种电机系统，其包括转子、转子位置传感器以及控制装置，所述控制装置被设置成接收来自所述转子位置传感器的信号、并且作用以从所述信号或者转子位置检测算法获得转子位置信息。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述控制装置作用以从电机转速的第一范围的信号获得转子位置信息、并且从电机转速的第二范围的转子位置检测算法获得转子位置信息。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述电机具有至少两相，其中所述控制装置作用以从电机转速的第一范围的信号获得转子位置信息、并且同时从至少一相的信号以及电机转速的第二范围的电机的剩余相的转子位置检测算法获得转子位置信息。

4.如权利要求2或3所述的系统，其中所述转速范围部分重叠。

5.如权利要求2、3或4所述的系统，其中所述第一转速范围是较高的转速范围，并且所述第二转速范围是较低的转速范围。

6.如权利要求3所述的电机，其中所述转子位置传感器包括单个传感器，其响应于转子的移动而产生指示电机的单相的转子位置的所述信号。

7.如权利要求6所述的系统，其中电流传感器被设置在除所述电机的所述单相之外的每一相，以检测相电流。

8.如前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述控制装置包括处理器装置，该处理器装置不能从来自在较高的转速范围内的位置检测算法的信号获得转子位置信息。

9.如权利要求1至8中任一项所述的系统，其中所述电机是可变磁阻电机。

10.一种获得电机中的转子位置信息的方法，该电机包括转子、转子位置传感器以及控制装置，该控制装置接收来自所述转子位置传感器的信号，并且从上述信号或者转子位置检测算法获得转子位置信息。

11.一种如权利要求10所述的方法，其中所述控制装置用于从电机转速的第一范围的信号获得转子位置信息，并且从电机转速的第二范围的转子位置检测算法获得转子位置信息。

12.如权利要求10所述的方法，其中所述电机具有至少两相，其中所述控制装置从电机转速的第一范围的信号获得转子位置信息，并且同时从至少一相的信号以及电机转速的第二范围的电机的剩余相的转子位置检测算法获得转子位置信息。

13.如权利要求11或12所述的方法，其中所述转速范围部分重叠。

14.如权利要求11、12或13所述的系统，其中所述第一转速范围是较高的转速范围，并且所述第二转速范围是较低的转速范围。

15.如权利要求10、11或12所述的方法，其中所述转子位置检测器包括单个传感器，其响应于转子的移动而产生指示电机的单相的转子位置的所述信号。

16.如权利要求15所述的方法，其中电流传感器被设置在除电机的所述单相之外的每一相，以检测相电流。

17.如权利要求10至16中任一项所述的方法，其中所述控制装置包括处理器，该处理器装置不能从来自在较高的转速范围内的转子位置检测算法的信号获得转子位置信息。

18.如权利要求10至17中任一项所述的方法，其用于可变磁阻电机中。

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