操作开关磁阻电机的方法与流程

本发明一般涉及开关磁阻电机及其操作。更具体地，尽管不是排他性地，本发明涉及使电机中的绝缘故障的检测更容易。

背景技术：

开关磁阻系统的特性和操作在本领域中是众所周知的，并且例如在1993年6月21-24日在纽伦堡举行的pcim'93中由stephenson和blake发表的“thecharacteristics,designandapplicationofswitchedreluctancemotorsanddrives”中进行了描述，该文件通过引用并入本文。图1以示意形式示出了典型的开关磁阻驱动器，其中开关磁阻电机12连接到负载19。直流电源11可以是电池或经整流和滤波的交流市电或一些其他形式的能量存储。由电源11提供的dc电压通过在电子控制单元14的控制下的功率转换器13被切换到电机12的相绕组16两端。为了驱动器的正常工作，该切换必须正确地与转子的旋转角同步，并且通常采用转子位置检测器15来提供对应于转子的角位置的信号。转子位置检测器15可以采取许多形式，包括软件算法的形式，并且其输出也可以用于生成速度反馈信号。位置检测器的存在和对完全取决于转子的瞬时位置的激励策略的使用导致对这些电机采用“转子位置切换”的通用描述。

与其它电机一样，励磁线圈通过包括一层或多层绝缘材料的绝缘系统与电机的框架绝缘。通常，电机的不同部分具有不同类型的绝缘材料，这取决于这些不同部分的电气和热条件。绝缘系统的总体目的是将导电体与电机的框架隔离，出于安全原因，电机通常电接地，使得接触电机的任何人不会暴露于潜在的危险电压。类似地，用于电力电子设备和控制系统的外壳是接地的。在图1中示意性地示出这种接地。

对于这种类型的电机，已知有许多不同的功率转换器拓扑，其中几个在上面提到的stephenson论文中进行了讨论。最常见的配置之一在图2中示出，用于多相系统的单相，其中在母线26和27之间，电机的相绕组16与两个开关装置21和22串联地连接。母线26和27统称为转换器的“直流链路”。能量恢复二极管23和24连接到绕组，以允许在开关21和22断开时绕组电流流回到直流链路。低值电阻器28可以与下方的开关串联连接以充当非隔离的电流感测电阻器。这是对图1所示的隔离电流换能器18的替代布置。多相系统通常使用并联连接的适当数量的图2的相脚以供应整个系统，如图3所示用于三相系统。

被称为“直流链路电容器”的电容器25跨接直流链路，以产生(source)或吸收直流链路电流的不能从电源吸收或返回到电源的所有交流分量(即，所谓的“纹波电流”)。实际上，电容器25可以包括串联和/或并联连接的几个电容器，并且在使用并联连接的情况下，一些元件可以分布在整个转换器中。

通常，相绕组被供电以按如下这样影响转子的旋转。在转子的第一角位置(称为“接通角”，θon)，控制器14提供开关信号以接通两个开关装置21和22。当开关装置21和22接通时，相绕组耦合到直流链路，导致在电机中建立渐增的磁通量。磁通量在气隙中产生磁场，该磁场作用在转子磁极上从而产生马达转矩。电机中的磁通量由从直流电源11流过开关21和22以及相绕组16的电流提供的磁动势(mmf)支持。通常采用电流反馈，并且通过快速断开或闭合开关装置21和/或22中的一个或两个来斩断电流来对相电流进行控制。在马达运行中，通常接通角θon被选择为转子位置，在该位置处转子上的极间空间的中心线与定子极的中心线对齐，但接通角θon也可以是其它角度。

在许多系统中，相绕组保持连接到直流链路(或者如果利用了斩波则间歇地连接)，直到转子旋转到使得转子达到所谓的“续流角”，θfw。当转子到达对应于续流角的角位置时，开关之一，例如21被关断。因此，流过相绕组的电流将继续流动，但现在仅流过开关中的一个(在本示例中为22)并且仅流过二极管23/24中的一个(在本示例中为24)。在续流时间段期间，相绕组上的电压降是小的，并且通量保持基本上恒定。电路保持在该续流状态，直到转子旋转到称为“关断角”，θoff的角位置(例如，当转子极的中心线与定子极的中心线对齐时)。当转子达到关断角时，开关21和22都被关断，相绕组23中的电流开始流过二极管23和24。二极管23和24于是在相反的方向施加来自直流链路的直流电压，导致电机中的磁通量(并因此使相电流)减小。这种情况继续下去，直到电流下降到二极管再次变得反向偏置并且电流停止的水平。

使用其它开关角度和其它电流控制方案在本领域中是已知的。类似地，叠层几何形状、绕组拓扑和开关电路的许多其它配置在本领域中是已知的，其中一些在上面提到的stephenson&blake论文中进行了讨论。

随着电机的速度提高，电流上升到斩波电平的时间减少，并且驱动器通常以“单脉冲”操作模式运行。在该模式中，根据例如速度和负载转矩的函数来选择接通、续流和关断角。一些系统不使用续流的角度周期，即开关21和22被同时接通和关断。众所周知，接通、续流和关断角的值可以预先确定并以某种适当的格式存储，以供控制系统根据需要检索，或者可以实时计算或推导出来。

将注意到，在斩波和单脉冲操作模式中，这些开关磁阻电机的相绕组中的电流是单向的。还将注意到，开关磁阻电机的绕组彼此电隔离。

在电机的许多应用中，需要在电机运行时评估绝缘系统的健康状况。在电机不使用时测量绝缘电阻是相对简单的事情，并且对于该过程存在一个已确立起来的测试方法范围。然而，在电机运行时这样做增加了相当大的难度。

针对感应和同步电机，该问题已经通过利用将这些电机连接成从逆变器驱动的方式来解决。图4示出了连接到三相对称桥式逆变器的感应电机的典型示例。三相绕组x、y、z以三角形方式连接，并且公共点连接到逆变器的三个相脚的中心点。在操作中，开关以成对s1/s4、s3/s6、s5/s2的方式操作，以向绕组施加步进电压波形。该装置的特征在于相电流是双向的，并且在整个周期中每个绕组总是连接到直流链路。

这些驱动系统中的绝缘故障可以通过在直流链路与地端或整个系统的“地(earth)”之间施加相对较小的电压来监视。为了避免链路与地端之间的电容带来的困难，一些系统使用附加在直流链路与地端之间的交流电压。已经开发出各种处理系统来解释测量结果，一些使用统计方法来消除测量噪声的影响。例如，us9069025公开了适合与ac感应马达一起使用的方法，其中电机绕组从对称桥式转换器馈电并且总是经由开关连接到直流链路。

通常，监视技术必须滤除信号中的不需要的噪声，并通过使用相对低频的交流电压和持续了驱动器的几个操作周期的平均算法来实现。因此，这些系统中没有一个适合于与开关磁阻系统一起使用，因为在开关磁阻系统的电气周期中存在相当长的间，而在该电气周期时相绕组未连接到直流链路。绝缘检测系统在斩波和单脉冲模式中“看到”到直流链路的连接和断开的模式，这使得不可能监视系统的绝缘。因此，需要一种开关磁阻系统的操作方法，该操作方法应允许在系统操作时监视绝缘水平。

技术实现要素：

本发明在所附独立权利要求中进行了限定。本发明的优选特征在分别从属于独立权利要求的权利要求中列举出来。

在一些方面中，本发明提供了一种操作用于开关磁阻电机的每相两个开关的功率转换器的方法，这种功率转换器在每个相具有两个开关，各个相绕组的每一侧上的一个开关与一对二极管中的相应二极管、各个相绕组的每一侧上的一个开关并联。该方法包括：使一个相的两个开关在所述相的相周期内的第一时期中保持闭合，以将相绕组连接到直流链路。在所述第一时期之后，在所述相周期内的第二时期中断开所述相的两个开关，并且允许所述相绕组中的任何电流衰减到零。之后，在第三时期中，闭合所述相的开关中的一个开关以将所述绕组连接到所述直流链路，在所述第三时期期间没有电流在所述相绕组中流动。

该操作方法添加了一个时期，在该时期中在断开两个开关之后，即在相绕组断电之后，在电流已经停止流动之后，闭合相的开关之一。这样做不会导致任何电流在相绕组中流动，而是与相绕组重新建立电连接，从而使相绕组的健康状况，特别是绝缘水平能够在相的断电之后被监视到。

在一些实施例中，该方法包括：在所述第三时期结束时使所述开关中的一个保持闭合，并且在下一个相周期的第一时期的开始处闭合所述开关中的另一个，由此在所述第三时期结束时立即开始下一个相周期的第一时期。例如，所述第三时期可以基本上填满所述第二时期与所述下一个相周期的第一时期之间的间隔。

在一些实施例中，该方法包括：在所述第一和第二时期之间的第四周期中续流所述相。各个时期(第一、第二和第三或第一、第二、第三和第四，视情况而定)可以基本上填满所述相周期。

在一些实施例中，该方法包括在各个时期期间监视所述相的绝缘完整性。

在一些方面，本发明提供了一种开关磁阻驱动系统，其包括开关磁阻电机、控制器、和耦合到所述开关磁阻电机的一个或多个相绕组的每相两个开关的功率转换器，其中所述控制器耦合到所述功率转换器以控制被供应给所述一个或多个相绕组的功率，并且其中所述控制器被配置为实施上述实施例的方法。

附图说明

通过阅读本发明的示例性实施例的以下详细描述并参考附图，本发明的这些和其他方面和优点将变得显而易见，其中：

图1示出了开关磁阻驱动系统的主要部件；

图2示出了用于功率转换器的典型开关电路，其控制图1的电机的相绕组的通电；

图3示出了用于功率转换器的典型的三相开关电路；

图4示出了连接到三相对称桥式逆变器的感应电机的典型示例；

图5a、5b和5c示出了在单脉冲模式下开关磁阻电机的相绕组的电压和电流波形；

图6a和6b示出了在斩波模式下开关磁阻电机的相绕组的电流波形；

图7示出了根据一个实施例的开关磁阻驱动系统的主要部件；和

图8示出了描述根据一个实施例的操作开关磁阻驱动系统的方法的流程图。

具体实施方式

图5示出了如在以上stephenson和blake的论文中描述的用于开关磁阻电机的单脉冲操作的典型通电方案。通过闭合两个开关21、22，在图5(b)中所示的预定转子角度θon处施加直流链路电压。在导通角θc期间该施加操作继续下去，直至关断角θoff，在关断角θoff时开关被断开并且电流流过二极管23、24返回到直流链路。在衰减电流的这个时期期间，能量返回到直流链路。虽然相绕组中的电流是单向的，如图5(b)所示，直流链路中的电流是双向的。电流继续衰减，直至二极管23、24变为反向偏置并且电流在θidle处停止。然后是这样一个时期，如图5(b)所示，在这个时期中没有电流流动，并且绕组与直流链路隔离。

图6示出了斩波模式中的对应操作。如图6(a)所示，通常导通在最小电感区域的中心处的θon处开始并且在最大电感区域的中心处的θoff处结束。在这两个点之间，允许电流在上(upper)和下(lower)滞后电平iu、il之间循环。从直流链路断开的时段通常接近整个周期的50％。直流链路电流如图6(b)所示。如图5a和图5b中所示，在θidle与θon之间相不连接到直流链路的时期中存在相当长的时间。

众所周知，如以上和在stephenson中描述的，通常出于噪声或转矩波动控制的原因，在θon与θoff之间(即在导通周期与能量返回周期之间)插入在续流角θfw开始的短时期的续流。该技术虽然对于改善这些问题是有效的，但是该技术不能帮助对绝缘故障的检测，因为绕组仍然在很长时期中没有连接到直流链路。

对图2中所示的不对称桥接电路的审视表明，如果相绕组没有电流流入其中，则可以闭合例如下方的开关22(保持上方开关21仍然断开)而不引起任何电流流动。这是因为上方的开关21断开并且二极管被反向偏置。然而，绕组现在连接到直流链路，因此这时可以监视绝缘的完整性。当然，同样适用于在保持下方的开关22断开的同时闭合上方的开关21。

因此，原则上，绕组可以在整个电气周期中，或者在导通时期中通过开关，在能量返回时期期间通过二极管或者在空转时期期间(在电流到达零时的角θidle处与下一次通电时的θon处之间)通过单个开关，连续地连接到直流链路。在实践中，可以谨慎地在能量返回时期之后插入非常短的间隙，以确保在闭合开关之前所有相电流已经衰减到零，但是间隙可以与整个周期相比是小的，并且具有的影响可以忽略不计。

因此，可以修改开关磁阻电机控制器的传统操作，使得通过将原本会断开的开关闭合，可以使系统的绝缘的完整性能被监视到。这种监视可以以任何已知的方式进行，例如如us9069025中所述。

参考图7，根据实施例的开关磁阻驱动系统包括具有绝缘完整性监视模块14a和开关模块14b的控制器14'，该绝缘完整性监视模块14a和开关模块14b适于使对系统的绝缘完整性的监视更方便。否则，系统配置成如以上参照图1所述的那样。具体而言，机器12配置成如以上参考图2所述的那样，在相绕组16与电压轨26和27之间的任一侧上具有开关21和22以及电流返回二极管24和23。如上所述，绝缘完整性监视模块14a适于通过在直流链路25与地端之间施加小电流(交流的或直流的)来监视系统的绝缘的完整性。

在一些特定实施例中，模块14a被配置为实施如us9069025中所描述的监视方法，us9069025作为参考全文并入本文中。在其他实施例中，模块14a可以放置在远离控制器14’的其他部件处。

参考图8，现在来进一步详细地描述开关模块14b。开关模块14b被配置为如下那样操作开关21、22。

在步骤81，开关模块14b使一个相的两个开关在该相的接通角θon处被通电。于是，如以上描述的那样以斩波或单脉冲模式使相位通电。随后，在一些实施例中，在可选步骤82处，开关模块14b使得开关中的一个断开，以便从续流角θfw开始为该相续流。随后(或者在没有续流的实施例中，紧接在从θon开始的导通时期之后)，切换模块14b使两个开关在关断角θoff处断开以返回电流(步骤83)。两个开关保持断开，直至电流有效地衰减到零。随后，在θidle处，两个开关中的一个再次闭合，这导致所讨论的相再次连接到电压源，而没有引起任何电流流动(步骤85)。最后，开关模块14b循环回到步骤81，并且在下一个相周期的θon处(步骤81)两个开关均闭合(即，在步骤85处断开的开关也被闭合)。

在一些实施例中，θidle，即在能量返回之后一个开关被闭合时所处的角度，根据驱动器的工作条件的函数，针对给定工作条件以与θon和θoff(以及在使用续流的实施例中的θfw)相类似的方式被固定，使得电流将在θidle处有效地衰减到零。在此确定过程中可以使用的参数可以包括转子速度、相电流、相电压、相通量、电流或转矩命令等中的一个或多个。在其他实施例中，使用固定值的θidle，该固定值被选择成使得对于驱动器的额定工作条件范围在那一点处在相中电流将衰减到零。在又另外的实施例中，在步骤83与85之间插入附加的可选步骤84，在步骤84相电流被监视以确定相周期中电流实际衰减到零(或基本上为零)时的点，并且响应于检测器14c的输出闭合其中一个开关，因此实际上动态地设置θidle。

应当理解，根据上述实施例，基本上在从电流衰减到零并且二极管23和24变为反向偏置时开始直至开关在角度θon处再次闭合为止的整个时期中，即，基本上在从θoff处开始的能量返回周期与从θon处开始的下一个导通周期之间的全部时间，相绕组会连接到直流链路。因此，基本上在相导通时期、续流时期(被使用的情况下)、能量返回时期和从θidle开始的空闲时期期间的整个相周期中，相会连接到直流链路，从而使绝缘完整性监视模块14a能够在基本上整个相周期中监视绝缘的完整性。类似地，当电流基本上衰减到零时，空闲时期开始，使得可能存在的任何剩余电流，例如与任何相应的剩余转矩相关联的明显的转矩波动或噪声不会对机器性能造成不良影响。

尽管在监视相绕组的绝缘的完整性的上下文中做出了上述描述，但是应当理解，可以存在其它情况，其中在基本上整个相周期中维持直流链路与相绕组之间的连接可能是有用的。同样地，应当理解，在能量返回之后一个开关断开并且一个开关闭合的空闲时期将相绕组到直流链路的连接时期延长成超过现有技术的方法，而不将该连接时期延长成超过整个相周期的情况下，例如在两个开关在下一个接通角θon之前再次断开的情况下，所公开的发明的益处还会增加。

本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的情况下，所公开的布置的变型是可能的。因此，实施例的上述描述是通过示例的方式进行的，而不是为了限制的目的。本领域技术人员将清楚，可以对这些布置进行微小的修改而不对上述操作进行显著改变。本发明旨在仅由所附权利要求的范围限制。