控制開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及磁阻電機(jī)中轉(zhuǎn)子位置的無(wú)傳感器監(jiān)測(cè)和控制領(lǐng)域，尤其是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)且更具體地說(shuō)是高速開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]在開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)中，關(guān)于轉(zhuǎn)子位置的相位激勵(lì)的精確定時(shí)可能是獲得最佳性能的重要因素。轉(zhuǎn)子位置傳感器可以廣泛用于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，用于監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子位置。此類監(jiān)測(cè)通?？梢杂砂惭b在定子上的光學(xué)傳感器或磁性傳感器執(zhí)行?？苫谂c轉(zhuǎn)子位置相關(guān)的數(shù)據(jù)對(duì)磁阻電機(jī)中的轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行控制。
[0003]為了避免對(duì)傳感器的依賴，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了無(wú)傳感器監(jiān)測(cè)和控制方法。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的無(wú)傳感器監(jiān)測(cè)方法可以包括信號(hào)注入法和直接相位測(cè)量法。
[0004]信號(hào)注入法可以依賴于診斷通電脈沖，例如非轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的脈沖，所述診斷通電脈沖允許控制器監(jiān)測(cè)診斷電流及因此電感的變化，據(jù)此可以計(jì)算轉(zhuǎn)子位置。一般來(lái)講，信號(hào)注入法可在起始和低運(yùn)轉(zhuǎn)速度時(shí)有用，但是在較高的運(yùn)轉(zhuǎn)速度時(shí)可對(duì)電機(jī)性能造成不利影響。
[0005]直接相位測(cè)量法可以依賴于監(jiān)測(cè)相電流和電壓，以確定轉(zhuǎn)子位置。直接相位測(cè)量法可以采用相電流續(xù)流的概念。將通過(guò)相繞組的電壓設(shè)置成零一段時(shí)間，可以在開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)中產(chǎn)生相電流續(xù)流。在續(xù)流周期內(nèi)，電流可以圍繞繞組循環(huán)，并且通量可以不變。
[0006]EP0780966B1描述了磁阻電機(jī)中無(wú)傳感器轉(zhuǎn)子位置的監(jiān)測(cè)方法。本方法包括確定在特定點(diǎn)處的電流變化率，在該特定點(diǎn)處，繞組中的電流可用來(lái)產(chǎn)生續(xù)流。所述點(diǎn)可以與轉(zhuǎn)子和定子極的對(duì)齊處重合，這樣可以預(yù)測(cè)電流的變化率為零。與預(yù)測(cè)的變化率的任何差異的大小和極性可以表明轉(zhuǎn)子位置未與實(shí)際轉(zhuǎn)子位置對(duì)齊以及轉(zhuǎn)子位置是在預(yù)測(cè)的位置之前還是在預(yù)測(cè)的位置之后。
[0007]本發(fā)明旨在至少部分地改善或克服現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)方面。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]在一個(gè)方面，本發(fā)明描述了控制磁阻電機(jī)中的轉(zhuǎn)子位置的方法，所述磁阻電機(jī)包括定子、相對(duì)于定子可以運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子和耦聯(lián)到定子的至少一個(gè)相繞組。該方法包括以下步驟:使相繞組通電，以使轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子運(yùn)動(dòng)；使續(xù)流電流在續(xù)流周期內(nèi)通過(guò)相繞組；對(duì)相電流變化率和相電流振幅進(jìn)行取樣；使相繞組斷電；以及計(jì)算轉(zhuǎn)子的角位置。
[0009]在另一個(gè)方面，本發(fā)明描述了控制磁阻電機(jī)中的轉(zhuǎn)子位置的系統(tǒng)，所述磁阻電機(jī)包括定子、相對(duì)于定子可以運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子和耦聯(lián)到定子的至少一個(gè)相繞組。該系統(tǒng)包括:使相繞組通電以使轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子運(yùn)動(dòng)的開(kāi)關(guān)；配置續(xù)流電流在續(xù)流周期內(nèi)通過(guò)相繞組并使相繞組斷電的開(kāi)關(guān)；配置為命令對(duì)相電流變化率和相電流振幅進(jìn)行取樣的點(diǎn)火控制器；和計(jì)算轉(zhuǎn)子的角位置的微處理器。
【附圖說(shuō)明】
[0010]當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時(shí)，根據(jù)以下對(duì)各個(gè)實(shí)施例的說(shuō)明，將會(huì)更全面地理解本發(fā)明的上述及其它特征和優(yōu)點(diǎn)，其中:
[0011]圖1是根據(jù)本發(fā)明的相位通電模式的非對(duì)稱半橋的示意圖；
[0012]圖2是根據(jù)本發(fā)明的續(xù)流模式的非對(duì)稱半橋的示意圖；
[0013]圖3是根據(jù)本發(fā)明的斷電模式的非對(duì)稱半橋的示意圖；
[0014]圖4是根據(jù)本發(fā)明顯示相電流波形的曲線圖；
[0015]圖5是根據(jù)本發(fā)明顯示作為相電流函數(shù)的電流特性變化率的曲線圖；并且
[0016]圖6是根據(jù)本發(fā)明示出控制電路的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]本發(fā)明總體上涉及監(jiān)測(cè)和控制磁阻電機(jī)中轉(zhuǎn)子位置的方法。
[0018]該方法可以在磁阻電機(jī)中實(shí)施以控制轉(zhuǎn)子位置，所述磁阻電機(jī)包括定子、相對(duì)于定子可以運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子和耦聯(lián)到定子的至少一個(gè)相繞組。該方法可以包括以下步驟:使相繞組通電，以使轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子運(yùn)動(dòng)；使續(xù)流電流在續(xù)流周期內(nèi)通過(guò)相繞組；對(duì)相電流變化率和相電流振幅進(jìn)行取樣；使相繞組斷電；以及計(jì)算轉(zhuǎn)子位置的角誤差。
[0019]該方法可以在超高速開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)中使用。超高速開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)可以具有等于或大于100，OOOrpm的旋轉(zhuǎn)速度。
[0020]圖1至圖3示出了具有定子12和轉(zhuǎn)子14的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在三種運(yùn)轉(zhuǎn)模式下的非對(duì)稱半橋功率變換器電路10。相繞組W可以連接在與二極管Dl相關(guān)的開(kāi)關(guān)SI和與二極管D2相關(guān)的開(kāi)關(guān)S2之間。
[0021]參考圖1，通過(guò)閉合電路10中的開(kāi)關(guān)SI和S2，可以從直流電源對(duì)相繞組供電，從而電流可以流過(guò)相繞組W，以使轉(zhuǎn)子14相對(duì)于定子12運(yùn)動(dòng)。當(dāng)開(kāi)關(guān)SI和S2閉合時(shí)，相繞組W可以處于通電狀態(tài)。
[0022]眾所周知，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)中有續(xù)流電流。將通過(guò)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的相繞組的電壓設(shè)置成零，可影響通過(guò)相繞組的續(xù)流電流。在相繞組的端點(diǎn)之間提供短路路徑，可以將電壓設(shè)置成幾乎為零，從而使電流圍繞相繞組循環(huán)。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的方法，電流在對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子14的一部分角運(yùn)動(dòng)的續(xù)流周期內(nèi)續(xù)流通過(guò)相繞組W。參考圖2，當(dāng)開(kāi)關(guān)SI和S2中的任何一個(gè)打開(kāi)時(shí)，相繞組W可以處于續(xù)流狀態(tài)。
[0024]相電流續(xù)流可以在相電感周期的任何部分期間實(shí)施。相電感周期可以是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)中電感變化的周期。
[0025]在一個(gè)實(shí)施例中，續(xù)流周期可以在對(duì)相電流變化率和相電流振幅取樣的步驟之前開(kāi)始。在一個(gè)實(shí)施例中，續(xù)流周期可以在對(duì)相電流變化率和相電流振幅取樣的步驟之后結(jié)束。
[0026]續(xù)流周期可以很長(zhǎng)。續(xù)流周期可以是基于在給定速度和轉(zhuǎn)矩操作點(diǎn)下的最佳效率性能選擇的值。續(xù)流周期可以從轉(zhuǎn)子14的大于4°的角運(yùn)動(dòng)選擇。續(xù)流周期可以從轉(zhuǎn)子14的5°至20°范圍內(nèi)的角運(yùn)動(dòng)選擇。在一個(gè)實(shí)施例中，續(xù)流周期可以從轉(zhuǎn)子14的8°至15°范圍內(nèi)的角運(yùn)動(dòng)選擇。在一個(gè)實(shí)施例中，續(xù)流周期可以從轉(zhuǎn)子14的10°至12°范圍內(nèi)的角運(yùn)動(dòng)選擇。
[0027]在超高速應(yīng)用中，長(zhǎng)續(xù)流周期可以減少電機(jī)低效率的情況并從磁阻電機(jī)獲得最大功率。長(zhǎng)續(xù)流周期可以通過(guò)最小化鐵損耗來(lái)提供低電機(jī)損耗。
[0028]參考圖3，通過(guò)斷開(kāi)電路10中的兩個(gè)開(kāi)關(guān)SI和S2，可以使相繞組W斷電，這樣沒(méi)有電流可流過(guò)相繞組W。當(dāng)開(kāi)關(guān)SI和S2斷開(kāi)時(shí)，相繞組W可以處于斷電狀態(tài)。在斷電狀態(tài)模式下，電流將通過(guò)Dl和D2流過(guò)相繞組W，直到電機(jī)中的通量降為零為止。
[0029]圖4示出了關(guān)于轉(zhuǎn)子14的角位置的相電流波形。在一個(gè)實(shí)施例中，Θ…是在相繞組W的續(xù)流階段和相繞組W的斷電階段之間轉(zhuǎn)換時(shí)的基準(zhǔn)角。
[0030]根據(jù)該方法，對(duì)于給定的速度，可以對(duì)兩個(gè)開(kāi)關(guān)SI和S2閉合時(shí)轉(zhuǎn)子14的角度和一個(gè)開(kāi)關(guān)SI, S2閉合時(shí)轉(zhuǎn)子14的角度進(jìn)行特征描述。通過(guò)將兩個(gè)開(kāi)關(guān)SI和S2打開(kāi)時(shí)的角度提前，并增加電機(jī)中通量積聚的時(shí)間，可以增加軸功率。在給定的速度下，可以對(duì)相繞組W的通電情況進(jìn)行調(diào)整，直到相電流變化率和相電流振幅可以匹配在該速度下所需的關(guān)閉角度(兩個(gè)開(kāi)關(guān)SI和S2關(guān)閉時(shí)轉(zhuǎn)子14的角度或者一個(gè)開(kāi)關(guān)SI，S2關(guān)閉時(shí)轉(zhuǎn)子14的角度)為止。
[0031]可以對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行特征描述，以在開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)之前基于閉合點(diǎn)建立轉(zhuǎn)子14的基準(zhǔn)角位置?；鶞?zhǔn)轉(zhuǎn)子角位置可以用于比較取樣的相電流變化率和相電流振幅的角位置?；鶞?zhǔn)轉(zhuǎn)子角位置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的最佳控制。
[0032]可以以瞬時(shí)間隔對(duì)相電流變化率和相電流振幅進(jìn)行取樣。取樣間隔可以為大約一微秒。取樣間隔可以由在控制電路中使用的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器確定。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以是微控制器(例如TIPicollo32位微控制器)中的外圍設(shè)備?？梢栽趶南嗬@組W的續(xù)流狀態(tài)到斷電狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)進(jìn)行相電流變化率和相電流振幅的取樣。當(dāng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)SI和S2打開(kāi)時(shí)，可以在取樣點(diǎn)進(jìn)行相電流變化率和相電流振幅的取樣。
[0033]在一個(gè)實(shí)施例中，可以在續(xù)流周期結(jié)束時(shí)或?qū)⒁Y(jié)束時(shí)進(jìn)行相電流變化率和相電流振幅的取樣。在開(kāi)始對(duì)相繞組W斷電之前，可以進(jìn)行取樣。取樣可以由柵極信號(hào)轉(zhuǎn)換觸發(fā)。通過(guò)柵極驅(qū)動(dòng)電路中的傳播延遲，可以降低樣本的噪聲。在兩個(gè)開(kāi)關(guān)SI和S2打開(kāi)之前，可以在取樣點(diǎn)進(jìn)行相電流變化率和相電流振幅的取樣。
[0034]在一個(gè)實(shí)施例中，可以在相繞組W開(kāi)始斷電時(shí)或即將開(kāi)始斷電時(shí)進(jìn)行相電流變化率和相電流振幅的取樣。在相繞組W開(kāi)始斷電之后，可以立即進(jìn)行取樣。當(dāng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)SI和S2打開(kāi)時(shí)，可以在取樣點(diǎn)進(jìn)行相電流變化率和相電流振幅的取樣。
[0035]可以對(duì)相電流變化率和相電流振幅進(jìn)行取樣，以計(jì)算轉(zhuǎn)子14的角位置?？梢詫⑷拥南嚯娏髯兓屎拖嚯娏髡穹c基準(zhǔn)相電流變化率和相電流振幅進(jìn)行比較，以確定轉(zhuǎn)子位置是否存在角誤差。
[0036]可以基于對(duì)應(yīng)于能態(tài)之間轉(zhuǎn)換(即通電狀態(tài)與續(xù)流狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換和續(xù)流狀態(tài)與斷電狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換)的轉(zhuǎn)子位置選擇取樣點(diǎn)。
[0037]可以在優(yōu)化的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行的基礎(chǔ)上選擇取樣點(diǎn)。
[0038]圖5示出了作為相電流函數(shù)的電流變化率。三條曲線0ref，Θ ref+，0ref_可以指示與預(yù)定的相電流基準(zhǔn)變化率和相電流基準(zhǔn)振幅相關(guān)的轉(zhuǎn)子14的角位置。曲線0ref，Θ ref+, 0ref_僅顯示可能已繪制的轉(zhuǎn)子14所有可能角位置的曲線圖。當(dāng)轉(zhuǎn)子14與定子12完全對(duì)齊時(shí)，續(xù)流電流斜率可以隨著轉(zhuǎn)子14的角位置接近完全對(duì)齊位置減小。
[0039]曲線Θ ref可以指示具體的角位置。曲線Θ ref可以指示在相繞組W的續(xù)流階段和相繞組W的斷電階段之間轉(zhuǎn)換時(shí)的基準(zhǔn)角。
[0040]曲線Θ ref+可以指示大于曲線0ref角位置的角位置。在一個(gè)實(shí)施例中，曲線Θ ref+可以指示大于曲線Θ ref角位置2°的角位置。
[0041]曲線Θ ref-可以指示小于曲線0ref角位置的角位置。在一個(gè)實(shí)施例中，曲線Θ ref—可以指示小于曲線Θ ref角位置2°的角位置。
[0042]通過(guò)確定與取樣的相電流變化率和相電流振幅重合的曲線，可以獲得轉(zhuǎn)子14的角位置。如果與取樣的相電流變化率和相電流振幅重合的曲線表明角位置和在取樣周期內(nèi)描述的角位置不同，則可能存在角誤差。角誤差可用于修改定時(shí)器，以估計(jì)轉(zhuǎn)子14的位置。
[0043]圖6是實(shí)施監(jiān)測(cè)磁阻電機(jī)中轉(zhuǎn)子位置的方法的控制電路20的示意圖?？刂齐娐?0可以包含在磁阻電機(jī)中以控制轉(zhuǎn)子位置，所述磁阻電機(jī)包括定子、相對(duì)于定子可以運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子和耦聯(lián)到定子的至少一個(gè)相繞組?？刂齐娐?0可以控制開(kāi)關(guān)S1，S2，開(kāi)關(guān)S1，S2可致動(dòng)以用于使相繞組W通電，以使轉(zhuǎn)子14相對(duì)于定子14運(yùn)動(dòng)，使續(xù)流電流在續(xù)流周期內(nèi)通過(guò)相繞組W，并且使相繞組W斷電。
[0044]控制電路20可以具有速度控制器24。速度控制器24可以接收速度需求信號(hào)22?？梢詫⑺俣刃枨笮盘?hào)22和從線路23獲得的反饋信號(hào)進(jìn)行比較。速度控制器24的輸出可以是作為輸入發(fā)送到點(diǎn)火控制器26的速度誤差信號(hào)。點(diǎn)火控制器26可能不會(huì)引入監(jiān)測(cè)周期。點(diǎn)火控制器26可以命令對(duì)相電流變化率和相電流振幅進(jìn)行取樣。在從相繞組W的續(xù)流狀態(tài)到斷電狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，點(diǎn)火控制器26可以命令對(duì)相電流變化率和相電流振幅進(jìn)行取樣。