專利名稱:開關(guān)磁阻電機的勵磁的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及開關(guān)磁阻電機的勵磁。具體地,本發(fā)明涉及對于特定輸出而使所用電源電流最小化的勵磁。
已知許多不同的功率變換器布局技術(shù),前面引用的Stephenson文章討論了其中幾種。圖2中示出一個最普通的配置,已知它用于多相系統(tǒng)的單相,在附圖中,電機的相繞組16在母線26和27之間與兩個開關(guān)元件21和22串聯(lián)。母線26和27共同描述為變換器的“DC鏈路(link)”。能量恢復(fù)二極管23和24連接到所述繞組,以便當(dāng)開關(guān)21和22都打開時允許繞組電流流回DC鏈路。稱作“DC鏈路電容器”的電容器25在DC鏈路之間連接,發(fā)出或吸收DC鏈路電流(即所謂的“波紋電流”)的任何交變成分,這些交變成分不能從電源產(chǎn)生或流回電源。實際上,電容器25可包括幾個串聯(lián)和/或并聯(lián)的電容器,當(dāng)采用并聯(lián)時,一些元件可以分布在整個變換器內(nèi)。
對于任何系統(tǒng),都要求知道轉(zhuǎn)子相對于定子的位置。當(dāng)使用高分辨率解算器時,這對于大多數(shù)應(yīng)用而言是相對昂貴的且不必要如此復(fù)雜。相反,通常使用相對簡單的轉(zhuǎn)子位置傳感器(rpt),它包括固定到轉(zhuǎn)子上的齒形部件和相對于定子固定的一組檢測器。常規(guī)系統(tǒng)在轉(zhuǎn)子上使用盤狀或杯狀葉輪,同時在定子上使用光學(xué)或磁檢測器,一般一個檢測器對應(yīng)驅(qū)動裝置的一相,葉輪的齒數(shù)與轉(zhuǎn)子極數(shù)相同。
開關(guān)磁阻驅(qū)動裝置基本上是可變的速度系統(tǒng),其特征在于電機相繞組中的電壓和電流與正弦饋送形式的傳統(tǒng)電機中的非常不同。眾所周知,開關(guān)磁阻系統(tǒng)有兩種基本工作模式斬波模式和單脈沖模式,在以上引用的Stephenson文章中都有描述。圖3解釋單脈沖控制。圖3(a)示出一般由控制器施加到相繞組上的電壓波形。在預(yù)定的轉(zhuǎn)子角度,通過切換在功率變換器13內(nèi)的開關(guān)而施加電壓,并且對于特定角度θc,即導(dǎo)通角,施加恒壓。如圖3(b)所示,電流從零開始增加,一般達到峰值后稍微下降。當(dāng)過了θc時,打開開關(guān),能量恢復(fù)二極管的動作使得在繞組上施加負電壓,在電機內(nèi)產(chǎn)生磁通量,因而電流衰減到零。然后,在循環(huán)重復(fù)之前一般有一段零電流的時間。顯然,在θc過程中相繞組從電源獲得能量,并隨后返回更少量的能量給電源。圖3(c)示出已由功率變換器提供給相繞組的電流和在能量恢復(fù)過程中流回變換器的電流。眾所周知,與同時打開兩個開關(guān)相反,分先后打開兩個開關(guān)是有好處的,這使得電流在由閉合的開關(guān)、相繞組和二極管形成的回路中循環(huán)-這稱作“空轉(zhuǎn)”,并用于各種目的,如限制峰值電流和降低聲學(xué)噪聲。單脈沖模式一般用于典型驅(qū)動裝置速度范圍內(nèi)的中、高速度。
然而,在速度為零和為低速時,單脈沖模式因會出現(xiàn)高峰值電流所以是不合適的,故使用斬波模式。斬波模式有兩種主要的派生方法。最簡單的方法是同時打開兩個與相繞組相連的開關(guān),如圖2中的開關(guān)21和22。這使得能量從電機返回DC鏈路。有時這稱為“硬斬波”。另一種方法是只打開其中一個開關(guān)并允許發(fā)生空轉(zhuǎn)這稱作“空轉(zhuǎn)斬波”或“軟斬波”。在此控制方式中,沒有能量從相繞組返回DC鏈路。
對于任何斬波方案,可選擇確定所用電流水平的策略。在本領(lǐng)域中知道許多這樣的策略。一個普遍采用的方案是使用能在高、低電流之間形成斬波的磁滯控制器。圖4示出用于硬斬波的典型方案。在選定的接通角度θon(經(jīng)常是該相具有最小電感的位置,但也可采用其它位置),電壓作用到相繞組上,并且,允許產(chǎn)生相電流,直至它達到上磁滯電流Iu。在此時兩個開關(guān)都打開,電流下降,直至它達到下電流Il,隨后,開關(guān)再次閉合,重復(fù)斬波循環(huán)。圖5示出使用空轉(zhuǎn)的磁滯控制器的對應(yīng)相電流波形斬波頻率的下降很明顯。
盡管在這根據(jù)電流控制以及電流反饋回控制器而描述開關(guān)磁阻電機,但是,本領(lǐng)域中一般技術(shù)人員應(yīng)理解,可對開關(guān)磁阻電機采用磁通量控制。相反,磁通量具有與輸出轉(zhuǎn)矩或力更直接的關(guān)系,因此對基本的電機控制有更準(zhǔn)確的特性。
上述方法沒有考慮到在分析兩相或多相的作用時所發(fā)生的情況。在此情形中,增加與單相有關(guān)的母線電流,以得到總DC鏈路電流。
在許多不同的系統(tǒng)中可同時導(dǎo)通兩相或多相。盡管在兩相系統(tǒng)中通常只是輪流操作各相,但共同轉(zhuǎn)讓給本受讓人的美國專利5747962公開一種在電機的部分電循環(huán)中同時使兩相工作的方法。在三相電機中,有可能通過單獨激勵相A,接著單獨激勵相B,然后單獨激勵相C而工作。然而,為了提高電機的最小轉(zhuǎn)矩和平均輸出轉(zhuǎn)矩,經(jīng)常采用每相循環(huán)的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生部分疊加這一事實的優(yōu)點。因而,一般使用激勵方式A、AB、B、BC、C、CA、A…。相似地對于四相電機,一般總是在所要求的方向上有兩相產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,從而各相可以被成對激勵A(yù)B、BC、CD、DA、AB…。對于更多的相數(shù)采用相應(yīng)的規(guī)則,其中有可能對至少部分電循環(huán)使用三相或更多的相。
還已知,改變rpt的標(biāo)空比(markspace ratio),以便齒的角寬度對應(yīng)于相的轉(zhuǎn)矩時段所需的角寬度。以此方式,使用直接來自rpt的信號,可以產(chǎn)生任何所希望的疊加量。然而,此轉(zhuǎn)矩疊加在疊加區(qū)域中立即增加電源電流,這是不可接受的。
這些勵磁造成電源的負擔(dān)明顯加重。盡管在一些應(yīng)用中DC鏈路電流的絕對值對于轉(zhuǎn)矩輸出是次要的,但在其它應(yīng)用中,對DC鏈路電流是極其敏感的,因為電源的容量受限。典型地,可在具有獨立發(fā)電設(shè)備的場合或在移動情形如汽車、船舶或航空應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)這樣的系統(tǒng)。因為峰值電流的要求,這些系統(tǒng)不適合使用其中同時導(dǎo)通兩相的驅(qū)動裝置。
本發(fā)明利用對后述事實的認(rèn)知當(dāng)電流在相繞組中空轉(zhuǎn)時,它可產(chǎn)生輸出(如轉(zhuǎn)矩)但不對電源電流產(chǎn)生影響。通過在一相完成其正常勵磁時段之后進行空轉(zhuǎn)過程以獲得電機輸出(如轉(zhuǎn)矩),這可得到良好的效果。當(dāng)活動部件(如轉(zhuǎn)子)相對于固定部件(如定子)定位在轉(zhuǎn)矩或力產(chǎn)生區(qū)域時,本發(fā)明通過在第一相勵磁的終點和第二相勵磁的起點之間增加空轉(zhuǎn)步驟以獲得最小的轉(zhuǎn)矩或力輸出而不從電源引電流,從而,有助于電機的轉(zhuǎn)動。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例,提供一種多相開關(guān)磁阻驅(qū)動裝置,其中包括具有定子、相繞組、活動部件和控制器的磁阻電機,通過后述方法,所述控制器能控制相繞組的激勵以便相對于定子而轉(zhuǎn)動所述活動部件,此方法包括激勵第一相;接著激勵第二相;并且在與第二相中至少一部分激勵的同時,空轉(zhuǎn)第一相,其中包括同時啟動第一相的空轉(zhuǎn)和第二相的激勵。
優(yōu)選地,通過控制電流或磁通量而控制相的勵磁。為了起動電機,準(zhǔn)備好第一相,以便在激勵第二相之前當(dāng)電機靜止于第一相的空轉(zhuǎn)位置時,通過激勵第一相而進行空轉(zhuǎn)。在開關(guān)磁阻電機中一般希望使用活動部件相對定子位置的某種形式的反饋。這可從監(jiān)視電機的特性如相電流而得到,或者它可通過使用位置傳感器而得到。在后者情況下,傳感器機構(gòu)也可配置得向控制器提供準(zhǔn)備好時間信息。
根據(jù)本發(fā)明的一個具體形式,提供一種控制具有定子的多相開關(guān)磁阻電機輸出的方法,此電機包括具有相繞組的定子和活動部件,其中,活動部件的位置確定輸出產(chǎn)生區(qū)域,所述方法包括在第一輸出產(chǎn)生區(qū)域中激勵第一相;在相應(yīng)的第二輸出產(chǎn)生區(qū)域中激勵第二相;以及在與第二輸出產(chǎn)生區(qū)域的至少一部分重合的一部分第一輸出產(chǎn)生區(qū)域中空轉(zhuǎn)第一相,其中包括同時啟動第一相的空轉(zhuǎn)和第二相的激勵,從而,第一相的空轉(zhuǎn)增加電機的輸出。
根據(jù)本發(fā)明的另一具體形式,提供一種包括含相繞組的定子和活動部件的多相磁阻電機的開關(guān)磁阻傳動系統(tǒng),其中所述活動部件相對于定子的位置確定輸出產(chǎn)生區(qū)域;用于連接每個相繞組和電源的開關(guān)裝置;以及控制器,所述控制器能控制所述開關(guān)裝置以在對應(yīng)的第一輸出產(chǎn)生區(qū)域中激勵第一相繞組;在相應(yīng)的第二輸出產(chǎn)生區(qū)域中激勵第二相繞組;在第一輸出產(chǎn)生區(qū)域的一部分上空轉(zhuǎn)第一相繞組,其中包括同時啟動第一相繞組的空轉(zhuǎn)和第二相繞組的激勵,第一相繞組的空轉(zhuǎn)增加電機的輸出。
圖8(a)和8(b)解釋三相電機的激勵方案;圖9示出三相電機的兩相的轉(zhuǎn)矩曲線;
圖10示出結(jié)合圖9轉(zhuǎn)矩曲線的方法;圖11示出結(jié)合圖9轉(zhuǎn)矩曲線的第二方法;圖12示出結(jié)合圖9轉(zhuǎn)矩曲線的第三方法;圖13示出根據(jù)本發(fā)明的勵磁方式;以及圖14示出根據(jù)本發(fā)明的綜合轉(zhuǎn)矩曲線。
圖6中示意性地示出圖1三相四極驅(qū)動裝置的典型轉(zhuǎn)子位置傳感器(rpt)。示出的三個傳感器以120°角機械偏移布置,但也可采用任何等于120°電氣角度的偏移布置。此示意圖具有單位標(biāo)空比的齒。實際上,這可稍微有些變化以適應(yīng)傳感器任何不理想的特性,如光學(xué)傳感器的光束寬度或霍爾效應(yīng)傳感器的邊緣通量,從而,rpt的最終信號為或可接受地接近于標(biāo)空比1。
圖6的rpt的輸出在圖7中示出,其中可看到每個rpt信號具有等于電機一個電循環(huán)的過程。一般地,葉輪和傳感器相對于定子對準(zhǔn),以便相信號中的轉(zhuǎn)變對應(yīng)于此相中的最小位置和最大電感。然后,有可能以低速在這些轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)上直接建立電機的換向,例如,對于三相電機,當(dāng)rpt輸出為1時此相可被激勵并且當(dāng)rpt輸出為0時被解除激勵,得到前述的勵磁方式A、AB、B、BC、…。在現(xiàn)有領(lǐng)域中此方式還可變地描述為50%導(dǎo)通和1相導(dǎo)通。
對于特定的相電流,此勵磁方式產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)矩,因為它在半周期上激勵該相,在此半周期中產(chǎn)生所需極性的轉(zhuǎn)矩。然而,在這么做時,此勵磁方式在其轉(zhuǎn)矩曲線產(chǎn)生較小轉(zhuǎn)矩的部分上激勵該相。因此,當(dāng)此勵磁方式產(chǎn)生最大可能的轉(zhuǎn)矩時,DC鏈路電流的利用相對較差,當(dāng)導(dǎo)通兩相時DC鏈路電流具有峰值。為了避免此問題,有時采用一次只使用一相的簡單策略,還可變地稱為33%導(dǎo)通和1-相導(dǎo)通。
在對電機應(yīng)用此勵磁策略時,從圖7顯而易見,如果使用標(biāo)準(zhǔn)rpt信號,就必須決定是使用所述時段的第一2/3或第二2/3,因為只知道轉(zhuǎn)變點在所述時段的1/3和2/3。這些可選方案分別在圖8(a)和8(b)中示出。這兩個可選方案得不到相同的效果,因為在實際的電機中,在部分疊加多極的區(qū)域中,轉(zhuǎn)矩曲線不與角度成線性關(guān)系,如現(xiàn)在所示。
圖9示出對于三相電機的典型轉(zhuǎn)矩-角度曲線,此電機在其滿負荷定額時提供恒定的相電流。盡管準(zhǔn)確的形狀取決于電機具體的磁幾何和所提供的電流水平,但所示曲線是通常使用形狀的特性。曲線A示出相A在一個周期上的完全曲線;曲線B示出相鄰相B的曲線的一部分。注意,曲線關(guān)于相的最大電感Lmax位置是對稱的。圖10示出通過使用第一2/3方式即在最小電感位置轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的三相的綜合轉(zhuǎn)矩曲線。在轉(zhuǎn)變點附近有明顯的迅速下落。為了比較,圖11示出使用第二2/3方式即在最大電感位置斷開所獲得的改進曲線,它有更窄的下落。圖12示出更進一步的明顯改進,在此,通過移動轉(zhuǎn)變點δ角到相鄰相曲線的交叉點,產(chǎn)生最小的下落。轉(zhuǎn)變點的此種移動通過移動rpt傳感器切換點的校準(zhǔn)δ角即可簡單地實現(xiàn),并且是在開關(guān)磁阻電機中普遍使用的技術(shù)。
盡管移動rpt切換點δ角的技術(shù)對于給定的電流在每個角度位置都產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)矩,但綜合轉(zhuǎn)矩曲線在切換點附近仍然有下落。因此,需要一種增加獲得的轉(zhuǎn)矩而同時不增加從電源獲得的電流的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例,所用的勵磁方式,即圖8(a)和10中的第一2/3方式是一般最少受歡迎的方式。這允許用電源電流激勵轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生區(qū)域的第一2/3部分和用空轉(zhuǎn)電流激勵最后的1/3部分。這在圖13中示意性地示出。這是根據(jù)本發(fā)明此實施例而編程在圖1控制器14中的切換策略。
電流在空轉(zhuǎn)時的衰減速率(在前圖5中解釋)不受驅(qū)動裝置的直接控制,因為它取決于空轉(zhuǎn)路徑中的旋轉(zhuǎn)速度和電壓降(例如,對于圖2中所示電路,這些是繞組的IR降以及二極管和開關(guān)的向前電壓降)。在很低的速度時,電壓降占主導(dǎo);在更高的速度下,繞組電感變化的速率具有主導(dǎo)效應(yīng)。然而,由于驅(qū)動裝置的機械慣量的平滑效應(yīng),隨著速度的增加,“填充”轉(zhuǎn)矩下落的需要降低,因而,此種技術(shù)隨著速度增加而減小的好處不會損害它的效用。
由于繞組電阻的變化和器件損失,從本發(fā)明獲得的轉(zhuǎn)矩增加對于不同的驅(qū)動裝置是不同的,但是如果這些變化和損失相對較小,那么,電流衰減緩慢并且增加的轉(zhuǎn)矩接近于圖10中曲線的“丟失”部分。如圖14所示,當(dāng)結(jié)合rpt的偏移角δ時(圖9),這事實上使先前的最小轉(zhuǎn)矩翻倍。
一個考慮是驅(qū)動裝置的起始條件。使用空轉(zhuǎn)的上述方法只有當(dāng)相在進入空轉(zhuǎn)時段之前已導(dǎo)通時才能執(zhí)行。如果驅(qū)動裝置在圖13的區(qū)域110中停止移動時,那么簡單地接通相A中的一個開關(guān)就不會有效果。在此情形中,由相B單獨產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩對于帶動負荷是不夠的。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例,起動程序包含在控制器14中以增加起動轉(zhuǎn)矩,其中,采取控制動作以確定驅(qū)動裝置是否位于一般在一相中發(fā)生空轉(zhuǎn)的區(qū)域內(nèi)。這可通過控制器14檢查rpt信號和作出適當(dāng)?shù)臎Q定來進行。例如在具有圖13切換策略的所示三相驅(qū)動裝置中,根據(jù)本發(fā)明,任何具有兩個高rpt信號(即=1)的區(qū)域是一個在一相中發(fā)生空轉(zhuǎn)的區(qū)域。本領(lǐng)域中一般技術(shù)人員容易理解,可對具有不同相數(shù)的驅(qū)動裝置的控制器14進行相應(yīng)測試。如果測試表明需要空轉(zhuǎn),控制器14通過操作相開關(guān)21和22使圖2變換器電路處于通常的ON(接通)狀態(tài)而引入電流,由此“準(zhǔn)備好”該相??删S持對該相的勵磁,直到獲得電流的常規(guī)整定值為止,于是電流控制器14被編程,以允許在準(zhǔn)備好的此相空轉(zhuǎn)的同時在該相的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生區(qū)域中激勵其它適當(dāng)?shù)南啵瑥亩M行根據(jù)本發(fā)明的操作??商鎿Q地,進行預(yù)定時間的勵磁,此時間產(chǎn)生可接受的電流值。只要達到適當(dāng)?shù)碾娏魉?,就把此相投入空轉(zhuǎn),然后使相鄰相處于ON狀態(tài)。隨后,電機勵磁結(jié)合圖13按照上述進行。
盡管已根據(jù)一個方向的旋轉(zhuǎn)作了以上描述,本領(lǐng)域一般技術(shù)人員應(yīng)該意識到,通過使用適當(dāng)?shù)膭畲彭樞蚩色@得雙向操作。本發(fā)明可應(yīng)用于任何多相系統(tǒng)以及任何能空轉(zhuǎn)每相的轉(zhuǎn)換電路。在旋轉(zhuǎn)布置中電機的輸出是轉(zhuǎn)矩,但是在線性磁阻電機中輸出可以是力。技術(shù)人員將理解,只要不偏離本發(fā)明,有可能改變所述布置。相應(yīng)地,以上通過實例來描述幾個實施例,但本發(fā)明并不受所述實例的限制。技術(shù)人員清楚,只要不顯著改變上述操作,可對所述布置作較小的變化。本發(fā)明只受后附權(quán)利要求的精神和范圍的限制。
權(quán)利要求
1.一種控制多相開關(guān)磁阻電機的方法,其中包括激勵第一相;接著激勵第二相;以及在與第二相激勵過程中至少一部分的同時,空轉(zhuǎn)第一相,其中包括同時啟動第一相的空轉(zhuǎn)和第二相的激勵。
2.如權(quán)利要求1所述的方法,其中,根據(jù)電流或磁通量控制激勵相。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法,其中包括通過準(zhǔn)備好第一相,以便在電機靜止于第一相的空轉(zhuǎn)位置時激勵第一相而起動電機。
4.如權(quán)利要求3所述的方法,其中,電機包括其上安裝有每相繞組的定子以及相對定子轉(zhuǎn)動的活動部件,所述方法進一步包括根據(jù)指示活動部件相對于定子的位置的信息,確定繞組激勵的時間。
5.如權(quán)利要求4所述的方法,其中,從確定每相的激勵過程和空轉(zhuǎn)過程的位置傳感器得到指示位置的信息。
6.如權(quán)利要求1-5中任一項所述的方法,其中,第一和第二相的激勵由斬波控制。
7.一種多相開關(guān)磁阻驅(qū)動裝置,其中包括具有定子、相繞組、活動部件和控制器的電感電機,通過后述方法,所述控制器能控制相繞組的激勵以便相對于定子而轉(zhuǎn)動所述活動部件,此方法包括激勵第一相;接著激勵第二相;并且在與第二相激勵中至少一部分的同時,空轉(zhuǎn)第一相,其中包括同時啟動第一相的空轉(zhuǎn)和第二相的激勵。
8.如權(quán)利要求7所述的驅(qū)動裝置,其中包括用于得到電流反饋信號的反饋裝置;布置得接收指示電機輸出的反饋信號以控制電流的控制器。
9.如權(quán)利要求7所述的驅(qū)動裝置,其中包括用于得到磁通量反饋信號的反饋裝置;布置得接收指示電機輸出的反饋信號以控制磁通量的控制器。
10.如權(quán)利要求8或9所述的驅(qū)動裝置,其中,反饋裝置還包括位置傳感器,此傳感器提供指示活動部件相對于定子的位置的信號
11.如權(quán)利要求7-10任一項所述的驅(qū)動裝置,其中,控制器布置得,通過準(zhǔn)備好第一相,在電機靜止于第一相的空轉(zhuǎn)位置中時激勵第一相而起動電機。
12.一種控制具有含相繞組的定子和活動部件的多相開關(guān)磁阻電機輸出的方法,其中,活動部件的位置確定輸出產(chǎn)生區(qū)域,所述方法包括在第一輸出產(chǎn)生區(qū)域中激勵第一相;在相應(yīng)的第二輸出產(chǎn)生區(qū)域中激勵第二相;以及在與第二輸出產(chǎn)生區(qū)域的至少一部分重合的一部分第一輸出產(chǎn)生區(qū)域中空轉(zhuǎn)第一相,其中包括同時啟動第一相的空轉(zhuǎn)和第二相的激勵,從而,第一相的空轉(zhuǎn)增加電機的輸出。
13.一種包括含相繞組的定子和活動部件的多相磁阻電機的開關(guān)磁阻傳動系統(tǒng),其中所述活動部件相對于定子的位置確定輸出產(chǎn)生區(qū)域;用于連接每個相繞組和電源的開關(guān)裝置;以及控制器,所述控制器能控制所述開關(guān)裝置以在對應(yīng)的第一輸出產(chǎn)生區(qū)域中激勵第一相繞組;在相應(yīng)的第二輸出產(chǎn)生區(qū)域中激勵第二相繞組;在與第二輸出產(chǎn)生區(qū)域的至少一部分重合的一部分第一輸出產(chǎn)生區(qū)域中空轉(zhuǎn)第一相繞組,其中包括同時啟動第一相繞組的空轉(zhuǎn)和第二相繞組的激勵,第一相繞組的空轉(zhuǎn)增加電機的輸出。
全文摘要
本發(fā)明涉及開關(guān)磁阻電機的勵磁,其中開關(guān)磁阻驅(qū)動裝置由電源供電。電機的相由電流斬波控制器控制,所述控制器采用一種使為特定輸出產(chǎn)生的電源電流最小化的勵磁策略。此策略允許輸出相空轉(zhuǎn),只要它在輸入相被激勵的同時產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩就行。
文檔編號H02P25/02GK1389978SQ0211840
公開日2003年1月8日 申請日期2002年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月6日
發(fā)明者查爾斯·R·埃略特, 伊恩·喬迪森 申請人:開關(guān)磁阻驅(qū)動有限公司