无刷电机控制的利记博彩app

专利名称：无刷电机控制的利记博彩app
技术领域：
0001本发明涉及开关无刷电机的控制。本发明具体但不唯一地涉及
开关磁阻电机。
背景技术：
0002开关磁阻电机是一种无刷电机。它包括转子、限定转子磁极、 定子、限定定子磁极以及被设置成与定子磁极相关从而限定一个或者多 于一个独立可通电的相的一套绕组。在磁阻电机中， 一个或者多于一个 相绕组的通电在包括相关定子磁极的电路中建立磁通，促使转子转到最 小磁阻的位置。根据转子位置定时对绕组顺序通电引起转子运动。包括 开关磁阻电机的电驱动器的通常处理方法可以在各种教科书中找到，例 如TJE Miller， Newnes 2001年所写的"Electronic Control of Switched Reluctance Machine (开关磁阻电机的电子控制)"在此并入供参考。 更多的详细内容在1993年6月21-24日德国纽伦堡PC頂，93的会议和 展览上Stephenson禾口 Blake发表的"The Characteristics, Design and Applications of Switched Reluctance Motors and Drives (开关磁阻 电机和驱动器的特性、设计及应用)"的论文中有描述，在此并入供参 考。正如在技术领域公知的，通过改变向相绕组通电的时间这些电机可 以作为电动机或者发电机工作。
0003不同于电流在定子线圈中并且场由在转子上的永磁体产生的常 规感应同步"电磁"机(例如所称的无刷直流电机)，开关磁阻电机是 纯粹的"磁"机。当磁路的磁阻改变时，转矩仅由磁场产生。因而断定 控制这两种类型的电机的方法是完全不同的，因为控制与转矩产生的方 法有关。 一般讲，用于给传统电机提供正弦供电的控制方法不适合于开 关磁阻电机。
0004图1示出典型的开关磁阻电机的横截面。在这个示例中，可磁化的定子10具有六个定子磁极12。可磁化的转子14具有四个转子磁极
16。每个定子磁极承载一个线圈18。在直径方向上相对的磁极上的线圈
串联连接从而提供三个相绕组。为了清楚只示出一个相绕组。开关磁阻 电机的控制可以以该技术领域人员熟知的多种方法实现。如果有关转子 的角位置的信息(例如来自位置传感器)可用，则励磁可作为位置的函 数被施加。这种电机通常称作"转子位置开关电机"。
0005图2示出典型的开关磁阻驱动器。在这个示例中，电机36与图 1所示的电机相对应。三相绕组A、 B以及C通过一套电力电子开关48 轮流与直流电源V接通。开关工作的时刻(也就是转子的位置)由控制 器38决定，控制器可在处理装置(如微控制器或者数字信号处理器)的 硬件或者软件中实现。控制信号通过数据总线46送到开关。通过使用电 流传感器44检测相电流并且反馈与比作需要的电流i。的相电流成比例 的一个信号来提供闭环电流反馈。控制算法通常包括比例(P)，比例积 分(P+I)，时间最优，反馈线性化，比例/积分/微分(PID)函数，或 者如技术中公知的许多其他的算法之一。通过从位置检测器40反馈转子 位置信号来提供位置或者速度的外部控制环也是普遍的。
0006在工作中，与电流需量(current demand) 42相应的信号被提 供到控制器。这个信号根据所采用的特殊控制方案调节绕组中的电流， 从而产生电机的期望输出。
0007开关磁阻电机的性能部分取决于关于转子位置的相通电的精确 时间。转子位置的检测常规上通过使用图2示意性所示的实体的转子位 置传感器(RPT) 40实现，例如，与例如安装在定子上的光的或者磁的 传感器协同工作的安装在电机转子上的旋转齿盘。指示转子相对于定子 的位置的脉冲列被生成并且被提供给处理装置，允许进行准确的相通电。 位置检测的可选择的方法包括所称的"无传感器"方法，该方法没有实 体的位置传感器，并且位置是从电机的一个或者多于一个其他参数的测 量中推出的。
0008由于在绕组中的电流相对容易测量，所以电机的闭环控制常规 上通过监视和控制绕组中的通电电流来完成。然而，电机的期望输出通常是转矩、位置或者速度，电流与所有这些量具有高度的非线性关系。 结果是电流控制技术通常导致输出不准确，例如转矩波动，位置误差和/ 或者速度误差。已经设计出许多电流控制方案来解决这些缺点。所有这 些都增加了复杂性。
0009
一些研究者已经提出在开关磁阻电机中更加基本的控制变量是 相绕组通电时在电机的磁路中建立的磁通。磁通是形成作用于转子上促 使转子转到相对被通电的定子磁极的最小磁阻位置的力的直接原因。
EP-A-1109307和EP-A-1109308 (两者并入在此供参考)公开了使用磁通 作为主要的控制变量的方法。并且驱动器包括磁通控制器。
0010已知有许多不同的功率转换器拓扑，其中的一些在上述引用的 St印henson的论文中有阐述。 一个最普遍的配置在图3的多相系统的单 相中被示出，其中电机的相绕组与横穿母线26和27的两个开关装置21 和22串联连接。母线26和27被总称为转换器的"直流环节"。能量恢 复二极管23和24被连接到绕组从而当开关21和22打开时允许绕组电 流流回直流环节。被称为"直流环节电容器"的电容器25连接到直流环 节的两端，以得到或吸收直流环节电流的任何交流分量(也就是所称的 纹波电流)，该交流分量不能由电源获得或不能返回电源。在实际使用 中，电容器25可以包括以串联和/或者并联方式连接的一些电容器。其 中使用并联连接， 一些元件可以遍及在转换器中。多相系统典型地使用 图3并联连接的若干"相桥臂(phase leg)"，从而独立地对电机的相 通电。
0011开关磁阻电机的相电感周期是连续周期中公共点之间的那相或 每相的电感变化时段(例如当转子磁极和各自相关的定子磁极完全地对 齐时的电感最大值之间)。如上面引用的St印henson的论文所述，最大 感应区域Lmax的中心位于一对转子磁极完全地与一对定子磁极对齐的转 子位置附近。类似地，最小感应区域L^对应于转子上的极间轴线与定 子磁极轴线对齐的位置，如图1所示。
0012低速时，开关磁阻系统通常工作在电流控制或者"斩波"模式。 利用"硬"斩波的磁滞电流控制器被经常使用，如上面提到的St印henson的论文所述。 一个可替代的方式是当电流达到它的上限水平时只有一个 开关打开的"软"斩波。然后电流更缓慢地流经绕组、第二个开关和一 个二极管而衰减。在技术领域中公知的其他类型的电流控制器(离线控
制器，恒定频率控制器)，例如在此并入供参考的EP-A-0769844中所阐 述的那些控制器等等，将不在此阐述。
0013较高速时，开关磁阻系统典型地工作在通电的"单脉冲"模式 而不是斩波模式。这在上面提到的St印henson的论文中也有所说明。
0014因此，系统通常在低速时使用斩波模式而在较高速时使用单脉 冲模式。上限和下限斩波电流水平一般被设置为比单脉冲模式的预期峰 值电流更高的值，以便这些参数不会干扰单脉冲工作。公知的是将上限 电流水平设置到充当"安全裕度(safety net)"的值，以便如果在驱动 器中出现故障状况电流将超过这个上限水平时，使一个或者多于一个开 关装置打开，从而将电流限制到安全值。
0015常规做法是设置一个限度值，在单脉冲模式下超出该限度值不 能获得进一步的输出，并且当相磁通和电流在每个电周期末刚刚达到零 时才达到该限度值。为了在这些假设的约束下再进一步增加转矩，必须 增加电源电压或者减少电机相绕组中的绕线匝数，或者两者都进行。由 于各种原因这些做法是不可行的或者只不过是不希望的。
0016另一种工作模式是所称的"连续电流"模式，这种模式可以产 生大大超过在单脉冲模式中达到"限制条件"所获得的机械输出力矩和 功率。这在美国专利号5469039 (St印henson)中有公开，在此并入供 参考。这个专利公开了在这个模式中以稳定的方式工作以便能达到稳态 的工作的方法。因此与斩波和单脉冲模式不同，相绕组与连续地流经其 中的电流一起工作并且始终通过磁通连接。电流变化是高于"持续
(standing)"值的准正弦量。这己经成为对于必须在工作周期的一些 点产生高电平的过载输出的系统的重要模式。虽然在这种模式中驱动器 的效率下降，但它能达到功率开关装置中需要较大电机或需要增加伏安
(VA)容量才能达到的标准/规格。
0017虽然在上面的阐述中已经说明电动机运行，但是众所周知开关磁阻电机在发电机模式同样工作良好，在发电机模式中电流波形通常反 映电动机波形的图像。
0018在不同的模式中用于控制电机的角度和电流参数通常是速度的 函数，这些参数是实时计算的或者更普遍地存储在可以在适当时间从其 中读取数据的一些形式的数据表中。为了在速度改变时从电机获得平滑 的输出，要仔细地选择参数值。如果储存的值是相对稀少的，使用一些 形式的插值从而给出在中间速度时的适当的参数值。选择斩波模式与单 脉冲模式之间和单脉冲模式与连续电流模式之间的过渡点的值特别困 难，其中不管所需的转矩水平如何，都要求平滑过渡。
0019对于斩波模式与单脉冲模式过渡时产生的这个问题的一个解决
方案是使用电流控制参数作为主要变量。对于整个斩波范围给定的转矩
需量(torque demand)，电流水平相对速度通常保持恒定。然而当速度 上升到单脉冲模式区域，公知的是逐渐提高上限电流水平(有时将下限 电流水平提高相应的量)以便逐渐从斩波模式转换到单脉冲模式。 一旦 电机已经达到相电流未达到上限水平时的速度，电流控制参数被逐渐设 置到高的值以便它们不会引起单脉冲速度范围的剩余部分的斩波。
0020在连续电流模式中以及进入连续电流模式时控制角度的灵敏性 的问题仍然存在。很难实现控制中的快速改变，并且使系统有变得不稳 定的风险，现在阐述其原因。
0021出现在常规工作期间的磁通周期和电流周期之间的"死区时间" 的效应是磁通和电流在每个电周期的初始始终从零开始。当工作在连续 电流模式时，稳态的磁通、电流和转矩由净施加的绕组电压在所有以前 的电周期而不只是当前周期上的时间积分确定的，在传统的"单脉冲" 模式下便是这种情况。结果在连续电流模式中电机输出对控制角度的非 常小的改变十分敏感。这造成使转矩输出相对转矩需量信号线性化的难 度并且也导致对绕组阻抗和在半导体开关中的电压降高度灵敏。由于绕 组阻抗特别是温度的强函数(strong function)，所以当电机温度改变 时(例如由于负载或者周围环境变化)，尝试在连续电流模式中仅通过 控制角度来控制转矩经常导致在输出中的不能接受的变化。0022对开关角的灵敏性的问题能够通过使用前述的控制器控制峰值 电流和磁通两者来改善。在这种情况中，使导通角度比在最坏情况的条 件下(例如在最高的必需的绕组温度时)所需的导通角度稍大。然后电 流控制器的斩波行为自动地提供工作点的稳定性——在稳态通常只需一 个"斩波"将峰值电流截短并控制磁通，以便电力电子中的过多的开关
损耗不是问题。这个方法已经在US 6972533中阐述，该专利在此并入供参考。
0023然而主要的困难仍存在。在连续电流模式使用电流控制调节转 矩没有解决进入和退出该模式时获得平滑过渡的难题。连续电流起始出 现的准确点将不仅取决于绕组温度，也会对电源电压和从一个特殊的电 机采样到另一个电机采样的变化敏感。单一控制参数"图"仅在一个电 源电压和绕组温度能够实现平滑的过渡；补偿电压和绕组温度两者的困 难将是不言而喻的，特别是当考虑到在连续电流模式工作时电机输出对 参数变化的高度敏感的时候。

发明内容
0024根据公开的实施例，提供用于具有至少一个相绕组的无刷电机 的控制器，该控制器包括可工作产生控制信号的控制装置，控制信号用 于响应于一个输入信号对相绕组通电，并且该控制器可工作于使用磁通 稳定信号修改输入信号，从而改变由相绕组产生的磁通来稳定电机输出。 本说明书也公开了一种等效方法。通过磁通稳定信号改变输入信号，因 此影响控制装置的输出从而改变电机的磁通。
0025关于无传感器形式的转子位置检测可使用公开的一些实施例。 对于转子位置检测器硬件可使用其他的实施例。在各种实施例中，磁通 稳定信号用于影响启动(initiate)电机相绕组中的磁通衰减的时刻， 启动相绕组的磁通衰减是通过根据设计该相的磁通衰减的时刻来修改控 制装置的输入信号进行的。
0026在一种形式中，磁通稳定信号具有典型地带有线性斜率的锯齿 波形。这个信号可能具有负的斜坡并且与磁通需量(flux demand)信号相结合然后与指示在电机本身中的瞬间磁通的磁通反馈信号相比较。可 替代地，磁通稳定信号的锯齿波形可以具有正的斜坡并且取而代之与磁 通反馈信号相结合。这个结合信号与磁通需量信号相比较。在任何一种 情况下，稳定信号的效应是产生从上升的磁通到下降的磁通的转变。即 使有任何扰动出现也有充足的时间段(角度和时间两者)使磁通在该相 的通电时间段结束之前被稳定地控制。通常稳定信号适于维持磁通的上 升和下降以在电周期上基本相等。
0027磁通稳定信号和磁通反馈信号或者磁通需量信号的结合可以通
过将他们在加法器中相加而得到。
0028控制器可以包括用于产生磁通稳定信号的装置，磁通稳定信号 是随时间可变的信号，它的时间段与相绕组的重复通电的时间段是一致 的。
0029稳定信号的锯齿波形的斜率能够随电机的速度而改变。例如， 当速度增加时斜率能够增加并且电周期的时段被缩短。然而，在一些实 施例中锯齿波形的峰值幅度可以与电机的速度无关，保持不变。
0030在其他的实施例中稳定信号用于修改指示相绕组中的磁通增长 的信号。在这种形式中，由磁通反馈信号所指示的磁通的增长率被修改 以至于视在磁通增长率提高。通过根据修改的磁通反馈信号外推，输入 信号被修改因此能够确定断开点。
0031公开的另一个实施例是一种用于开关磁阻电机的控制器以及用 于对至少一个相绕组通电的开关装置，开关磁阻电机具有转子、至少一 个相绕组的定子，该控制器可工作产生用于使开关装置动作(actuate) 的动作信号(actuation signal)，该控制器包括第一开关装置和第二 开关装置，当至少一个相绕组中的磁通超过磁通需量信号时，第一开关 装置产生控制开关装置的关断信号，第二开关装置根据转子相对于定子 的位置产生控制开关装置的动作信号。
0032这个控制器可以包括被设置成接收第一磁通信号和第二磁通信 号并且当第一磁通信号超过第二磁通信号时产生关断信号的比较器，第 一磁通信号指示至少一个相绕组中的磁通，第二磁通信号指示需要的磁通0
0033当转子到达相对定子的预期位置时第二开关控制器装置可以可 工作地产生接通信号，从而使相绕组中的磁通增加。
0034当转子到达相对定子的惯性运动位置时，第二磁通控制装置还 可以可工作地产生使至少一个相绕组中的电流自由衰降的惯性运动信 号，从而使相绕组中的磁通衰减。
0035当转子到达相对定子的关断位置时，第二开关控制装置还可以 可工作产生关断信号，从而使相绕组中的磁通降低。
0036本发明可以应用到各种无刷电机，例如开关磁阻电机或者无刷 直流电机。


0037本发明可以以各种方式实施，现在通过示例并参考附图阐述其 中的一些实施方式，其中 图1是开关磁阻电机的轴向截面示意图； 图2是用于开关磁阻电机的闭环电流控制器的示意图； 图3是用于开关磁阻电机的功率转换器电路；
图4是并入在此阐述的一个实施例的开关磁阻驱动系统的方框示意图5示出工作在连续电流模式下的电机的电压和磁通波形；
图6示出图4的部分驱动系统的逻辑图7示出在连续电流模式下不稳定工作的磁通图8示出根据在此阐述的实施例的磁通波形；
图9示出实现在此公开的一方面的逻辑图IO示出第二个实施例的波形图；以及
图11是实现图10的实施例的流程图。
具体实施例方式
0038参考图4，开关磁阻驱动系统的第一个实施例包括开关磁阻电 机36，开关磁阻电机36具有承载相绕组A、 B、 C的层压可磁化定子10以及层压可磁化转子14。技术领域的技术人员熟知这个实施例中每个转
子和定子由适合的钢的叠片构成。转子位置检测器(RPT) 40相对于转 子14被设置以监测位置。如上所述，RPT能够采用各种形式，其中第一 个部件经过传感装置的运动产生一输出，该输出指示转子相对定子的相 对运动。磁通控制器90产生控制信号，该控制信号用于使例如在图3 中所示的相桥臂中配置的电力电子开关48动作，并用于控制与定子10 相关的相绕组A、 B、 C的通电。为了清楚，图中示意性地示出仅连接一 相绕组，但是通过使开关动作(actuate)，每相被独立地通电。在可替 代的实施例中，绕组的通电通过公知类型的放大器提供。
0039给磁通控制器90提供三个反馈信号。首先，磁通控制器从RPT40 接收转子位置信号e。在可替代的实施例中，通过从电机的其他的参数 推算转子位置的算法提供转子的位置信号。在任何一种情况下，信号e 提供位置信息(由此提供定时/时间信号)给磁通控制器90。其次，磁 通控制器90从电流传感器44接收相电流信号i。应该认识到每相绕组 典型地具有与每相绕组相关联的电流传感器44从而产生电流信号i，但 是在此为了清楚仅示出一个传感器。应该注意电流反馈信号不以常规的 电流控制器的方式使用而是，使用它提供对电流的整体监视从而确保 它保持在预期的安全水平内。第三，磁通控制器90接收与每相绕组中的 磁通成比例的磁通信号W。这些信号或者通过直接测量磁通得到，或者 通过本技术领域技术人员公知的磁通估计的一些方法的其中之一种方法 得到。
0040磁通控制器90的输入92是表示电机中产生期望输出的期望的 峰值磁通W。的需量信号。在电机作为电动机工作时，期望输出是转矩、 速度或者位置。电机作为发电机工作时，期望输出是典型的电功率。另 外，磁通控制器90具有在下面更详细阐述的更进一步的磁通稳定输入 94。磁通控制器90产生经过数据总线46传输到控制由电源电压V给相 绕组通电的电力电子开关48中的控制信号。
0041如果相磁通在转子到达导通时段末期之前或者在相电流达到斩 波模式中的预定值之前达到限制值，那么磁通相关的输入提供终止相电压脉冲的方式，在单脉冲模式中在导通时段相开关通常打开。这在图5 示出，图5示出工作在连续电流模式下的电机的波形。需要的峰值磁通
水平w。縮短预期导通角ee，以便磁通周期位于W。值和持续值Ws之间。
Ws值不直接被控制，而是作为需要的峰值磁通V。、电机速度和磁通的 上升和下降率(依次地由电源电压和相绕组中的绕线匝数决定)的结果 自然地增长。
0042发明人己经认识到在单脉冲模式中通常形成的转矩很大程度上
与绕组阻抗无关。由于电机经历负荷改变，所以绕组的温度(由此绕组 阻抗)改变，但是对于大多数系统，电机的输出本质上是独立的，因此 允许使用不受绕组阻抗影响的控制参数。然而，在更加不稳定的连续电 流模式中遇到的困难是对于导通角的某种增加得到的非常大的递增的转 矩。虽然磁通和电流最终将稳定在受控的稳态值上，但是导通角的很小 的递增将引起在持续磁通、电流和平均转矩的非常大的改变。特别是当 相绕组阻抗很小时尤为如此。在实际的驱动系统中，当在连续电流模式 中尝试仅使用换向角调节转矩时很有可能引起转矩控制分辨率的问题。
0043即使能够维持可接受的转矩分辨率，系统级控制(例如速度调 节器)必须能够处理即将从单脉冲模式进入连续电流模式时候的电机的 转矩"增益"的突然增加。更进一步，平均磁通、电流以及由此的转矩 的稳态值现在主要取决于相绕组阻抗，并且取决于在半导体开关内的电 压降。所有这些参数展示出很强的温度依赖性。这意味着不仅在连续电 流模式中实际形成的转矩对元件的温度非常敏感，而且达到该模式所需 的确切的导通角也将依赖于温度。后一点使得使用常规的控制角度"查 询"表或者其他的确定换向角的固定的方法(例如多项式函数)线性化 转矩-控制不连续非常困难。
0044对于克服上述问题的SR电机的换向器的一个示例性实施例展示 在图6中。它形成图4中在总线46上产生开关控制输出的控制器90的
一部分。来自PRT40 (见图4)的输出e与用于接通e。n、惯性运动e"
以及断开e。ff的角度的预定值在各个比较器100、 102和104中比较。磁
通反馈信号^ (可能源自直接反馈或者磁通的估计)与需要的磁通W。在另一个比较器106中比较。
0045将磁通比较器106的输出与断开比较器104的输出一起施加到 或门108。将磁通比较器106的输出与惯性运动比较器102的输出一起 施加到或门110。接通比较器100的输出提供输入到第一置位/复位(SR) 锁存器120的置位(SET)输入。第一锁存器120的复位(RESET)输入 是或门110的输出。接通比较器100的输出也给第二置位/复位(SR)锁 存器122提供置位输入。第二锁存器122的复位输入是或门108的输出。 锁存器的输出是控制器124的输入，控制器124监视相绕组中的电流水 平，并且得出到总线46的控制信号，从而提供给图4中的电力电子开关 48。如上所述控制器是磁通控制器90的一部分。因此，它由在单个处理 装置的子程序构成或者是独立的处理装置。在任何一种情况下，它都是 例如微处理器或者数字信号处理器，它们运行软件来执行用于实现在此 所述的控制技术的已识别的步骤。控制器包括监视电流并且如果电流超 过预期阈值采取适当措施的特性。
0046图6的电路可以工作如下。当转子角度e达到接通角度6 。n的时 候两个SR锁存器120、 122都"置位"。这触发相开关装置(受到随后的 控制器124的全面许可)。在e。Jf始导通之后，由Ws建立相磁通W， 磁通随时间近似线性增长。如果转子位置估计值(或者测量值)在相磁
通达到限度值^D之前达到惯性运动角度e "或者达到断开角度e 。lt，比较
器102或者104的输出改变状态。
0047然后一个或者两个置位/复位锁存器清零或者由来自 一个或者两 个或门108和110的输出"复位"，这两个输出输入到锁存器120/122的R
输入。根据条件也就是惯性运动或者断开，打开一个或者两个相开关 21/22 (图3)。然后如果已经达到惯性运动角并且开关21/22中只有一个
开关已经打开，则相电流和磁通将缓慢衰减；如果已经达到关断角且两
个开关都是打开的，则相电流和磁通将快速衰减。e。n、 e。ff和e"的值 设置为阈值，它们或者是实时计算的或者储存在一些已知形式的存储器 中。这是基于角度的换向。
0048然而如图5所示，相磁通可能在达到关断角(off—angle)之前达到磁通限度W。。在这一点上，两个锁存器都将立即复位，所以迫使相 磁通下降而与预期的导通角无关。电机现在作为它的峰值磁通的函数被 控制。 一个可替代方案在达到磁通限度的时候只打开一个相开关21/22 ——这将启动惯性运动，然后相磁通将只是缓慢地下降直到达到关断角。
0049根据输入到比较器100-106的输入，图6的系统能够在单脉冲 或者连续电流模式中工作。在每个模式中，系统能够作为常规的斩波电 流控制器、角度控制器或者峰值磁通控制器工作。控制器90的所有这些 工作模式是有益的，特别是在连续电流模式中，因为产生的转矩平滑地 并且主要地被WD控制并且对绕组阻抗、电源电压或者控制角度的确切值
不敏感。它也提供了当电机的工作条件改变时单脉冲模式和连续电流模 式之间的平滑且连续的转变的方法。
0050然而，上述控制器的最优工作依赖于在输入和反馈参数中没有 扰动，而工作于连续电流模式则在输入和反馈参数中易于出现扰动。这 种扰动可能由多个来源引起。在电学上不利的环境中工作的驱动器中， 电噪声可能出现在例如电流或者磁通测量值中。在低惯量的驱动器中， 转子可能很快地改变速度或者方向。在"无传感器"转子位置检测的驱 动器中，估计值可能经受随机误差影响，导致供应到控制器的控制角的 抖动。在控制系统中使用数字电路的驱动器可能经受量子化效应的影响。 这些因素的任何一个，或者这些因素的结合可能导致磁通控制器的不稳 定。
0051这种不稳定的示例在图7中示出。这说明磁通在角度达到e。ff
之前达到磁通W。，所以磁通的第一个周期被磁通需量参数W。控制。然
而，在第二个周期在W。中出现短暂的扰动A W，引起磁通上升的提前终 止。虽然磁通需量恢复到期望值，但磁通随后的周期变得不稳定，导致 电机的不稳定的输出。通常非常小的扰动值足以引起不稳定，因为由扰 动引入的误差不会自动衰减。
0052磁通波形的斜率(线性化的)分别标示为图7所示的mu和md。斜 率的单位是韦伯/度，或者如果图是在时间域绘制的，则单位是韦伯/秒。 单位是内部可变换的，因为电机被设置在恒定的速度下旋转。mu的数值是正的而md的数值是负的。通过使用线性代数能够证明如果扰动A W被
引入磁通波形，则仅当mu〉lmdl时这个扰动将按周期衰减。如果这个条件 不满足，引入到波形中的任何误差将按周期增长，造成磁通波形的混乱 的次谐波振荡。本领域的技术人员将知道扰动可能同样已出现在测量的 磁通中或者控制角中。然而，与扰动源无关，磁通的斜率由电机设计和 电源电压决定。
0053在这个实施例中不稳定的问题通过加入负向斜坡形式的与重复 信号的周期同步的稳定信号来解决，如图8所示。斜坡nutab的斜率在角 度域的单位也是韦伯/度并且它的数值是负的。通过线性代数能够证明如 果mu-mstab> 1 md |也就是mu-mstab+md>0，在波形中的误差将衰减为零。
0054图9示出这个过程如何可以在图6的磁通控制器中被执行并且 相同的参考数字代表相同的部件。图9的控制器124具有输入到图4中 的磁通控制器90的输入。磁通需量信号W。被供应到加法器126，在加 法器126中，W。与以图8所示的负向锯齿波形式并且与每个导通周期一 致地重复的磁通稳定信号^^相结合。将两个信号相结合的作用是给出 取决于时间(也就是转子位置)的峰值磁通需量并且现在自动地考虑信 号扰动和/或者参数变化的影响，否则将改变每个电周期中的磁通波形的 上升和下降部分之间的平衡。这个磁通稳定信号的加入产生稳定的系统。
0055应认识到磁通稳定信号W^能够等效地施加到磁通比较器106
的其他的端子，也就是添加到磁通反馈而不是需量参考。在这种情况下， 需要磁通稳定波形mstab的正向斜坡实现同样的效果。使用适当的斜坡波 形(负向或者正向)结合的其他结合当然是可能的，也产生等效的结果。 虽然上面提到磁通稳定信号是线性锯齿波形，但是在每个电周期内，其 他形式的磁通稳定信号是可能的。例如，磁通稳定信号的斜率可以同样 地是指数的或者一些其他的非线性函数。波形的选择将取决于应用。
0056在大型和/或者高压SR电机中，阻抗压降和半导体电压降与直 流环节电压相比一般相对较小。由于高电压值(它是每单位时间磁通变 化率的决定因素)，磁通的斜率md将比磁通的斜率mu稍微陡一些。因此 在这种情况下，通过确保结合的斜率(mu-mstab)比md的斜率更陡，只需要相对小的稳定量来使电机稳定。这实际上引起测量的磁通的上升率大 于下降率。添加磁通稳定信号的结果是引起测量的磁通相对更早地达到 它的阈值，因此留有时间使正在衰减的磁通充分地下降。用这种方式， 磁通稳定信号的影响是通过确保引入到波形中的任何误差随周期衰减来 维持一个电周期中由相绕组产生的磁通的上升和下降基本相等。
0057另一个考虑是速度变化，这是因为显然导通周期的时间段随速
度增加而縮短。为了维持稳定效应，m^需要是速度的适当的函数。
0058给定电机所需要的稳定度不直接依赖于磁通需量水平，除非电 机的每单位的阻抗是高的，因此引起mu和md之间较大的差异。实际上， 典型的电机的低阻抗意味着当电机上的负载增加时每个mu和md的斜率将 仅变化很小的量以便有效地使斜率mu和md基本恒定而与负载无关。然而，
在一些实例中，直流环节电压中的纹波可能引入需要通过稳定解决的不 确定因素，也就是需要增加稳定从而迎合由于纹波动在mu和md中的扰动。
0059通过一个示例，假设开关磁阻电机具有750V的直流环节电压， 控制器的电力半导体开关两端的电压降为3V， 二极管两端的电压降为 1.7V，绕组阻抗(iR)电压降为5V。
0060为了在电周期中使磁通提高，可用的电压是
750-(2x3)-5=739V
也就是电源电压减去经过动作的开关两端以及绕组两端的电压降。
0061为了在电周期中使磁通降低，可用的电压是
750+(2x1. 7)+5=758. 4V
也就是将电源电压提高了由逆流二极管(recirculating diode)和绕组 两端的电路中感应的电压。
0062然后
磁通的最大上升率是739/60=12. 32韦伯每秒。 磁通的最大下降率是758. 4/60=12. 64韦伯每秒。
0063这样，稳定需要足以使磁通的视在上升率提高两个数字之间差 值的幅度，即0.32韦伯每秒0064为了说明的目的，使用以5000转/分运转并且具有一个八极转 子的电机，导通周期的电时段是1.5兆秒。由此nwb的幅值需要为至少 0. 32x0. 015=0. 48兆韦伯——是参考值的2%。在幅值中并入更进一步的 数量值从而迎合系统中的其他扰动可能是必要的，例如如上所述的纹波 电压。
0065在实际的情况中，连续电流模式工作所需要的速度范围经常是 相当有限的。这样， 一个可能是使用跨越速度范围的固定的初始稳定幅 值。在较高速度时电机的动态响应在理论上将受到不利的影响，但是在 许多应用中这不太可能达到不能接受的程度。
0066稳定的最困难区域出现在最大相电流处，在最大相电流中绕组 两端的欧姆电压降最大并且合成的阻抗磁通波形变成非线性的。对于非 线性磁通上升和下降的理想的解决方法是具有稳定曲线，该稳定曲线的 时间段与相绕组(如上所述)通电的重复时间段一致，但其非线性轮廓 适合于磁通波形。如果需要，可以以更复杂的电路和/或者算法作为代价 来实现该解决方法。
0067磁通稳定信号的性质可能随电机的工作条件变化而动态地改变。 也应该注意到上述磁通控制方案，虽然对于连续电流模式的控制特别地 有利，但是并不仅限于在连续电流模式中使用它同样可应用于较低转 矩和速度时不连续的磁通工作中。当被用在连续电流模式的控制时，己 经发现在连续电流模式起始之前逐渐地达到磁通限度是有益的，所以存 在不连续和连续电流/磁通模式之间的无缝隙过渡。
0068通常，所公开的实施例使用周期与电机的导通周期一致的磁通 稳定信号。磁通波形叠加在磁通需量信号或者测量的磁通信号的值之上 以便在相中的增长磁通变化到下降磁通时的有效值位于相导通周期之 内。实际上，系统中的任何扰动导致的磁通剧烈增加或不稳定输出是通 过改变上升磁通变化为下降磁通时的值来补偿的，使得导通周期中有足 够部分(因此是较大的时间段)用来由开关的动作稳定地控制磁通。
0069图8和9中所示的实施例利用连续可用的磁通测量值或者估计 值。在许多与无传感器位置检测一起工作的系统中，这个信号已经呈现并因此能够用于磁通稳定的更进一步的目的。然而如果系统从上述的实 体位置传感器获取位置信息，磁通信号可能不可用并且可能需要产生专 门用于磁通稳定的信号。典型地，这些可以通过对相电压的积分实现， 相电压积分需要能够产生可信赖的信号的重要处理能力。另一个实施例 在图10中示出，并且当被设置根据来自实体转子位置传感器的信号控制 电机10时，它可以在图4的控制器90中实现。这避免了对在所需的处 理功率中必然减少的连续磁通信息的需要。
0070这个实施例提供在特殊时刻磁通的瞬态图并且然后外推找到适 当的断开时间，而不使用相磁通的连续导出。在图10中假定来自转子位
置传感器(或者一些等效的函数)的信号可用于允许相绕组在t。时被通 电。电流能够被记录并且它的值被存储，如果电机处在单脉冲模式，则 该值为零，如果电机处在连续电流模式，则该值为非零。由于获知这个 电流和断开点t。，所以能够从电机的磁特性确定磁通。这个磁通值被存 储。定时器被设置从t。运行并且随后的步骤将根据在图11中所示的这 个实施例执行。
0071当达到Li。时(当转子位置传感器发出信号时)，电流被再次 测量并且磁通被估计。由于Un的电流与磁通差不多成线性，如果需要 可以使用简单的计算，而不使用磁特性的查询表。这样建立磁通值f^。 磁通稳定值fs加上这个值得到点f,。通过从t。外推至f"与磁通需量的
交点被确定在t2，将t2作为该相的断开点。
0072虽然这个实施例使用L^的便利的位置，任何其他的转子的预 定位置可以用于达到相同结果。例如，实际上，有时需要通过提前或者 延迟RPT使其'偏斜，以考虑工作或电机特性。这样，例如RPT输出可 能实际上与一个事件例如L,不一致。为了这个发明这将仍然是便利的 预定位置的转子位置。
0073在磁通增长是线性的情况下(也就是绕组的iR下降，对于大型 高压电机一般为这种情况)，线性外推是足够的。对于其他的情况，可 以采用适合的非线性外推程序，例如二次外推。
0074图10示出加入到在图8中示出的方法上的这个方法，并且证明了两个实施例的等效。在这个实施例中，将稳定项添加到计算的磁通， 而不从磁通需量信号中减去稳定项。如上所述，这个实施例的益处是省 去为了产生磁通估计值对所施加的相电压的连续积分的需要。只需要一 个定时器和简单的储存器以及计算过程。
0075图11示出执行这个实施例过程的示例性流程图。应理解除非另
有说明，该过程是在适当编程的控制器(在图4中标记为90)中执行的， 来自硬件转子位置传感器(RPT)的信号以基本传统的方式提供给控制器。 该过程开始于步骤110，步骤110根据来自PRT的信号测试相通电点t。 是否已经达到。如果没有，控制环回到程序的起始。如果已经达到，并 如果有电流，则步骤112使用如图4所示的电流传感器44采样该相中已 存在的电流。然后那个值和对应于t。的转子角度相加以用于估计磁通。 启动控制器中的定时器功能，并且通过在功率转换器48中的开关将控制 器连接到电源电压来对相通电。在步骤113，测试被建立从而判断使感 应位置L,最小的转子位置传感器(或者等效物)信号何时已经达到。 当己经达到时，在步骤114中，电流再次被采样并且被储存，并且磁通 被估计。磁通稳定项也被添加到计算的磁通上从而给出磁通f,的值。
0076步骤115选取在t。的磁通值和t值并且根据选择的外推方法外 推以找到期望磁通达到所需磁通水平的时间点t2。定时器继续运行，并 且步骤116判断定时器何时达到t2。步骤117断开该相以便磁通、并且 由此的电流衰减至零。控制循环回118处以开始下一个循环。
0077本发明在其各种实施例中提供用于各种类型的电子开关无刷电机 的磁通控制技术，并且特别适合于开关磁阻电机。它在电机的磁路中产生 实时磁通信号，该实时磁通信号与磁通的参考值进行比较以便在出现电噪 声和其它扰动时以稳定方式控制电机输出。所公开的实施例说明重大的益 处，因为附加控制方案经微小改动、而不必重新定义现有控制数据组(在 连续电流模式之外保持有效)即可并入现有的SR控制系统中。目前可以 得到上述磁通控制的益处，另一个益处是每个电周期仍仅有两个换向事件
(一个接通事件和一个断开事件)——常规的角度控制便是这种情况。对 于熟练技术人员显然，在不违背该发明的情况下能够对具体公开的实施例进行各种修改和变化。本发明仅由所附的权利要求限制。
权利要求
1. 一种用于具有至少一相绕组的无刷电机的控制器，所述控制器包括控制装置，该控制装置响应输入信号产生给所述相绕组通电的控制信号，该控制装置使用磁通稳定信号修改所述输入信号，因此改变由所述相绕组产生的磁通从而使所述电机的输出稳定。
2. 如权利要求1所述的控制器，其中所述磁通稳定信号被设置成影响根据所述输入信号启动所述相绕组中的磁通衰减的时刻。
3. 如权利要求1或者2所述的控制器，包括用于产生作为可变信号 的所述磁通稳定信号的装置，所述磁通稳定信号的周期与所述相绕组通 电的重复周期是一致的。
4. 如权利要求3所述的控制器，其中所述磁通稳定信号是随时间可 变的。
5. 如权利要求3所述的控制器，其中所述磁通稳定信号是随转子角 度可变的。
6. 如权利要求3至5中任意一项权利要求所述的控制器，其中用于 产生所述磁通稳定信号的所述装置可工作产生锯齿波形。
7. 如权利要求6所述的控制器，其中所述锯齿波形限定变化的阈值 输入信号，在该阈值输入信号出现时启动磁通衰减。
8. 如权利要求1至6中任意一项权利要求所述的控制器，包括用于 接收磁通反馈信号、磁通需量信号和所述磁通稳定信号从而产生所述输 入信号的装置。
9. 如权利要求8所述的控制器，其中用于接收的所述装置包括被设 置接收所述磁通反馈信号作为第一输入，所述磁通需量信号和所述磁通 稳定信号的结合作为第二输入的比较器。
10. 如权利要求8所述的控制器，其中用于接收的所述装置包括被设置接收所述磁通需量信号作为第一输入，所述磁通反馈信号和所述磁通 稳定信号的结合作为第二输入的比较器。
11. 如权利要求9所述的控制器，当从属于权利要求6或者7时，其 中所述锯齿波形的斜率是负的。
12. 如权利要求10所述的控制器，当从属于权利要求6或者7时， 其中所述锯齿波形的斜率是正的。
13. 如权利要求11或者12所述的控制器，其中所述斜率在整个周期 是恒定值。
14. 如权利要求1至13中任意一项权利要求所述的控制器，其中所 述磁通稳定信号适于保持由所述相绕组在一个电周期产生的所述磁通的 上升和下降的幅值基本相等。
15. 如权利要求1或者2所述的控制器，包括用于确定达到相通电周 期中的一点的时刻并且启动计时到预期的转子位置的装置、用于从指示 所述位置处的所述相绕组的磁通的信号中得出所述输入信号的装置、用 于将所述磁通稳定信号和所述输入信号相加的装置、从修改的输入信号 外插至磁通需量的预定阈值从而确定所述相绕组中的磁通衰减被启动的 时刻的装置。
16. —种无刷电机系统，其包括无刷电机、如权利要求1至15中任 意一项权利要求所述的控制器以及与所述相绕组可工作地连接并且响应所述控制信号使所述相通电的开关装置。
17. 如权利要求16所述的系统，当从属于权利要求6至12中任意一项权利要求时，其中所述锯齿波形的所述斜率根据所述电机的速度是可 变的。
18. 如权利要求16所述的系统，当从属于权利要求6、 7、 11、 12或 者17中任意一项权利要求时，其中所述锯齿波形具有不随所述电机的所 述速度改变的固定的峰值幅值。
19. 如权利要求16至18中任意一项权利要求所述的系统，其中所述 电机是磁阻电机或者无刷直流电机。
20. —种使具有至少一相绕组的无刷电机的输出稳定的方法，所述方法包括产生用于响应输入信号使所述相绕组通电的控制信号； 使用磁通稳定信号修改所述输入信号，其中修改的输入信号引起由 所述相绕组产生的磁通被改变从而使所述电机的输出稳定。
21. 如权利要求20所述的方法，其中所述磁通稳定信号影响根据所 述输入信号启动所述相绕组中的磁通衰减的时刻。
22. 如权利要求20或者21所述的方法，包括产生作为可变信号的所 述稳定信号，所述稳定信号的周期与所述相绕组通电的重复周期一致。
23. 如权利要求22所述的方法，其中所述磁通稳定信号是随时间可 变的。
24. 如权利要求22所述的方法，其中所述磁通稳定信号是随转子角 度可变的。
25. 如权利要求22至24中任意一项权利要求所述的方法，其中所述 磁通稳定信号具有锯齿波形。
26. 如权利要求25所述的方法，其中所述锯齿波形限定启动磁通衰 减的阈值输入信号。
27. 如权利要求20至26中任意一项权利要求所述的方法，包括从磁 通反馈信号、磁通需量信号和所述磁通稳定信号产生所述输入信号。
28. 如权利要求27所述的方法，包括将所述磁通反馈信号与所述磁 通需量信号和所述磁通稳定信号的结合相比较。
29. 如权利要求27所述的方法，包括将所述磁通需量信号与所述磁 通反馈信号和所述磁通稳定信号的结合相比较。
30. 如权利要求28所述的方法，当从属于权利要求25或者26时， 其中所述锯齿波形的斜率是负的。
31. 如权利要求29所述的方法，当从属于权利要求25或者26时， 其中所述锯齿波形的斜率是正的。
32. 如权利要求30或者31所述的方法，其中所述斜率在整个周期是 恒定值。
33. 如权利要求20至32中任意一项权利要求所述的方法，其中所述 磁通稳定信号保持由所述相绕组在一个电周期产生的磁通的上升和下降 基本相等。
34. 如权利要求20或者21所述的方法，包括确定达到相通电周期中的一点的时刻；启动计时到预定的转子位置；从指示在所述位置处所述 相绕组的磁通的信号中得到所述输入信号；将所述磁通稳定信号和所述 输入信号相加；以及从修改的输入信号外插至磁通需量的预定阈值从而 确定启动所述相绕组中的磁通衰减的时刻。
35. 如权利要求25至31中任意一项权利要求所述的方法，其中所述 锯齿波形的斜率根据所述电机的速度变化。
36. 如权利要求25至35中任意一项权利要求所述的方法，其中所述 锯齿波形具有不随所述电机的所述速度改变的固定的峰值幅值。
37. 如权利要求20至36中任意一项权利要求所述的方法，其被应用 到磁阻电机或者无刷直流电机。
38. —种用于开关磁阻电机的控制器，开关磁阻电机具有转子、带有 至少一个相绕组的定子以及用于给所述至少一个相绕组通电的开关装 置，所述控制器可工作产生用于使所述开关装置动作的动作信号，所述 控制器包括第一开关控制装置和第二开关控制装置，当所述至少一个相 绕组中的磁通超过磁通需量信号时，所述第一开关控制装置产生控制所 述开关装置的关断信号，所述第二开关控制装置根据所述转子相对于所 述定子的位置产生控制所述开关装置的动作信号。
39. 如权利要求28所述的控制器，进一步包括一比较器，该比较器 被设置接收指示所述至少一个相绕组中的磁通的第一磁通信号与指示所 需要的磁通的第二磁通信号，并且当所述第一磁通信号超过所述第二磁 通信号时产生关断信号。
40. 如权利要求38或者39所述的控制器，其中当所述转子到达相 对所述定子的预定位置时所述第二开关控制装置可工作产生接通信号， 从而增加所述相绕组中的磁通。
41. 如权利要求40所述的控制器，其中当所述转子到达相对所述定 子的惯性运动位置时，所述第二开关控制装置可工作产生使在所述至少 一个相绕组中的电流自由衰降的惯性运动信号，从而允许所述相绕组中 的磁通衰减。
42. 如权利要求38至41中任意一项权利要求所述的控制器，其中当 所述转子到达相对所述定子的关断位置时，所述第二开关控制装置可工 作产生关断信号，从而使所述相绕组中的所述磁通降低。
全文摘要
一种无刷电机，其具有至少在电机中产生磁通的一相绕组。控制器根据所需的磁通和稳定信号控制电机中的磁通，所需磁通和稳定信号的结合能够使控制器在输入或者控制器的参数中有干扰的情况下以稳定的方式工作。控制器能够与硬件的转子位置检测器或者无传感器的位置算法一起工作。
文档编号H02P6/14GK101299583SQ20081009607
公开日2008年11月5日 申请日期2008年4月30日 优先权日2007年5月4日
发明者M·J·特纳, P·R·梅耶斯 申请人:开关磁阻驱动有限公司