高转子磁极开关磁阻电动机的制造敏感控制的制作方法

本公开总体上涉及用于控制开关磁阻电机(srm)的方法，并且更具体地，涉及用于控制srm的方法和系统，以使得能够在宽范围的速度和载荷上进行自适应脉冲定位。

背景技术：

开关磁阻电机(srm)是一类通过磁阻转矩操作的简单电动机。srm包括凸极转子和定子磁极。在定子上存在集中绕组，但在转子上不存在绕组或永磁铁。这些特征使得srm相对于常规的非srm电动机能够实现非常高的速度。由于在转子中不存在绕组，因此功率仅被传递到在定子中的绕组，而不是在转子中的绕组，并且由于这种简单的机械结构，srm相对于常规电动机提供了更低的维护成本。当电流通过定子绕组时，转矩是由转子磁极与受激励的定子磁极对准的趋势而生成的。通过将每个相位的激励与转子位置同步可以生成持续的转矩。准确的转子位置信息对于控制电动机的转矩是关键的。

已经提出了几种使用有源或无源相位电感进行位置估计的技术。在大多数方法中，利用受控制的信号，并且受控制的信号可以被施加到相位绕组以估计电感，并因此在不使用位置编码器的情况下确定转子位置。某些其他方法描述了电动机的自动校准。一种这样的方法描述了一种无传感器转子位置测量系统，该系统具有数字处理器，其接收来自与电机的相位绕组相关联的电流和磁通的电流和磁通传感器的信号。电流和磁通的测量能够在预测的参考转子位置进行。每次通电循环仅对电流和磁通进行一次采样。该方法基于位置估计方法，其无法提供绝对的转子位置信息。

另一种方法描述了用于通过对在开关磁阻电动机内的转子位置的间接感测来控制开关磁阻电动机的电路。该方法测量用于电流在两个预定等级之间上升的时间。测量的电流上升时间可以与期望的电流上升时间进行比较，以确定在电动机相位中的传导间隔是否与转子的位置同相或者是否滞后或领先于转子的位置。然而，该方法使用复杂的算法来计算电流上升时间。

用于控制开关磁阻电机的另一种方法包括一种开关磁阻电机，其具有：生成并发射指示操作特性的传感器信号的传感器，与开关磁阻电动机和传感器可操作地耦合的控制器，以及控制器执行方法。此处，srm的无传感器控制是通过在相位中注入电压脉冲并测量合成电流来实现的。然而，这种方法注入额外的电压脉冲用于控制开关磁阻电机。

因此需要一种用于控制开关磁阻电机的方法来实现自适应脉冲定位。这样的方法将减少在电机中的制造缺陷和老化效应。此外，这样的方法将针对每个单独的电机调整控制参数，而不是针对整批制造的电机调整控制参数。此外，这样的方法将提供准确的转子位置信息。这样的方法将利用简单的算法来计算电流上升时间。此外，这样的方法将不会针对控制开关磁阻电机注入额外的电压脉冲。这些和其他目标由本实施例实现。

技术实现要素：

为了最小化被发现在现有技术中的限制，并且最小化基于阅读本说明书将变得明显的其他限制，本发明的优选实施例提供了一种控制开关磁阻电动机(srm)的srm控制系统，并使得能够在宽范围的速度和载荷上进行自适应脉冲定位。srm控制系统包括初始化模块，以利用初始化机制为srm提供初始转子位置。在srm控制系统中的点定义模块在电流波形的初始电流上升阶段期间的相电流波形上定义钉扎点。定义的钉扎点相对于srm的基本电感值是静态的。

优选地，存在两个选项以确定新的钉扎点，以便处置在操作条件和载荷扭矩分布中的变化。第一选项取决于用于新操作条件或可以被计算的该电流的电感值的知识。并且第二选项是如果在控制方法中的简化允许，则只需要在基于此电感的固定时段上的电流分布(期望的电流上升)的斜率。在波形达到钉扎的电流水平时，电流(上升)的斜率被测量。

在srm控制系统中的斜率确定模块在电流波形达到钉扎点时确定电流上升的斜率。在系统中的换相模块被设计为接收频率输入信号和来自斜率确定模块的电流上升的斜率。srm控制系统还包括误差计算模块以计算错误信号。srm控制系统被设计为利用基本电感或测量的电流上升以计算误差信号。在一种配置中，利用电流上升的斜率42以计算被用于计算来自期望电感的误差信号的基本电感。在另一种配置中，srm控制系统被设计为利用在固定时间段上测量的电流上升来计算来自期望电流上升的误差信号。来自计算的电感或电流斜率的误差信号被用作在srm控制系统中的控制回路的输入。时间确定模块确定发射下一脉冲的最佳时间。

优选的方法描述了srm控制系统的整体控制架构。根据这种控制架构，参考速度或扭矩作为输入被提供给系统。当电流波形达到钉扎点并被馈送到换相模块时，计算电流上升的斜率。利用电流上升的斜率计算基本电感值。频率输入信号是被提供给换相模块的另一个输入，频率输入信号给出轴速度的数字估计。利用电流上升斜率和频率输入信号计算当前速度。在参考速度和当前速度之间的误差生成器通过生成命令电流的调节器单元处理。调节器单元可以是比例积分(pi)调节器。通过在srm控制系统中的内部电流回路比较命令电流与测量的电流。此后，生成脉冲宽度调制(pwm)信号以创建多个换相角度，用于利用时间信号ton、toff将srm的多个开关转至接通和断开状态。

优选实施例包括用于利用srm控制系统来控制srm的方法。该方法通过提供srm控制系统开始。接下来，利用初始化机制将初始转子位置提供给srm。然后，在电流波形的初始电流上升阶段期间的相电流波形上定义钉扎点。此后，当电流波形达到钉扎点时，确定电流上升的斜率。然后该斜率被馈送到换相模块。此后，来自计算的电感或电流斜率的误差信号被用作在srm控制系统中的控制回路的输入。最后，时间确定模块确定最佳时间信号以发射下一脉冲。最佳时间信号被馈送至srm，以用于将多个srm开关转至接通和断开状态。

当电流波形的钉扎点接近电流波形的初始上升的顶部，并且在电感分布上钉扎的点接近用于电机的该相位的电感上升的开始时，获得srm的最佳效率和最大载荷能力。

本发明的第一目的是提供能够在无传感器环境中进行准确地脉冲定位的srm控制系统。

本发明的第二目的是提供用于控制srm的srm控制系统，使得在电机中减少制造缺陷和老化效应。

本发明的第三目的是提供可适配于针对每个单独的电机，而不是针对整批的制造的电机来调整控制参数的srm控制系统。

本发明的额外目的是提供利用用于计算电流上升时间的简单算法的srm控制系统。

本发明的又一额外目的是提供针对控制开关磁阻电机不注入额外电压脉冲的srm控制系统。

针对本发明的这些和其他的优点和特征进行了详细描述，以使本领域普通技术人员能够理解本发明。

附图说明

为了改善对本发明的各种元件和实施例的理解和增强其清晰度，在图中的元件不必须被绘制出。此外，为了提供本发明的各种实施例的清晰的视图，未描绘为行业中的技术人员已知且众所周知的元件。因此，为了清晰和简洁，附图在形式上被概括了。

图1图示了根据本发明的优选实施例的开关磁阻电机(srm)控制系统的框图；

图2图示了根据本发明的优选实施例的示出相对于在电角度中的变化的在电感分布中的变化的图形表示；

图3图示了根据本发明的优选实施例的具有速度和电流回路的srm控制系统的整体控制架构；

图4图示了根据本发明的优选实施例的用于利用srm控制系统控制srm的方法的流程图；

图5图示了根据本发明的优选实施例的用于控制srm的相电流的非对称桥接配置；以及

图6图示了根据本发明的优选实施例的在三相srm的电流波形处的钉扎点。

具体实施方式

在叙述本发明的多个实施例和应用的以下讨论中，参考形成本发明一部分的附图，并通过说明可以实践本发明的具体实施例的方式来示出附图。应当理解的是，可以利用其他实施例，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下做出改变。

下面描述了各种发明性特征，这些发明性特征各自可以被彼此独立地使用，也可以被与其他特征结合使用。然而，任何单一的发明性特征都不能解决上文讨论的任何问题，或者只能解决上文所讨论的问题的一个问题。此外，上文讨论的一个或多个问题可能无法通过下文所描述的任何特性完全解决。

如本文所使用的，除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一”、“一个”和“所述”包括复数参考词。除非另有明确说明，否则本文使用的“和(and)”可以与“或(or)”互换使用。如本文中所使用的，术语‘大约’意味着所述参数的±5％。除非上下文另有明确指示，否则本发明的任何方面的所有实施例都可以被结合使用。

除非上下文另有明确要求，否则贯穿说明书和权利要求书的词语‘包括’、‘包括了’等被解释为包括性意义而不是排除性或详尽性意义的；换言之，在“包括但不限于”的意义中。使用单数或复数的量词也分别包括复数和单数量词。此外，当在本申请中被使用时，词语“本文”、“其中”、“然而”、“上文”、“下文”等意义相近的词应指代本申请的整体，而不是指本申请的任何特定部分。

本公开的实施例的描述并非旨在是详尽地或将本公开限制为所公开的精确形式。虽然本公开的具体实施例和用于本公开的示例在本文中用于说明性目的而被描述，但是如在相关领域中的技术人员将认识到的，在本公开的范围内可以进行各种等效的修改。

图1图示了用于控制开关磁阻电机(srm)26的srm控制系统10的框图。srm控制系统10使得能够在宽范围的速度和载荷上实现自适应脉冲定位。srm控制系统10包括初始化模块12，以利用初始化机制将初始转子位置提供给srm26。在优选实施例中，初始化机制被适配于实现如硬对准或任何其他数学方式的几种方式。在srm控制系统10中的点定义模块14在电流波形的初始电流上升阶段期间的相电流波形上定义钉扎点。相对于srm26的基本电感值是期望操作点的函数，定义的钉扎点是静态的。用于速度回路的pi控制器控制从x(钉扎点)到下一相位的接通的时间的总量。如果针对速度的需求改变，则针对电流的需求也改变。这意味着斜率不同，并且在钉扎点需要改变。在初始电流上升的稳态电流的50％到100％的之间，特别是在操作条件(载荷转矩)突然改变时，在特定选定的电流幅度处定义了钉扎点。当我们进入单脉冲模式时，这也有助于改善准确度，并且当波形接近对准位置时，电流波形开始趋于平稳。目标是使钉扎点足够低于或足够远离于弯曲的电流分布。

优选地，存在两个选项以确定新的钉扎点，以便处置在操作条件和载荷扭矩分布中的变化。第一选项取决于用于新操作条件或可以被计算的该电流的电感值的知识。并且第二选项是如果在控制方法中的简化允许，则只需要在基于此电感的固定时段上的电流分布(期望的电流上升)的斜率。

当电流波形达到钉扎点时，斜率确定模块16确定电流上升的斜率42(参见图3)。当波形达到针扎的电流水平时，电流的斜率(上升)被测量。如在图2中的图形表示所示出的，如果我们改变电流值，电感分布也随之改变。这意味着必须改变与针扎的位置对应的角度，直到到达与先前情况相同的斜率为止。

换相模块18被设计为从斜率确定模块16接收电流上升的斜率42。srm控制系统10还包括误差计算模块20以计算误差信号。srm控制系统10被设计为利用基本电感或测量的电流上升来计算误差信号。在一种配置中，利用电流上升的斜率42以计算用于计算来自期望电感的误差信号的基本电感。在另一种配置中，srm控制系统10被设计为利用在固定时间段上测量的电流上升来计算来自期望电流上升的误差信号。来自计算的电感或电流斜率的误差信号被用作在srm控制系统10中的控制回路22的输入。最后，时间确定模块24确定最佳时间ton、toff40(参见图3)以发射下一脉冲。最佳时间ton、toff40将srm26的多个开关转至接通和断开状态。在优选实施例的一种配置中，确定位置以发射下一脉冲。

图3示出了具有速度和电流回路的srm控制系统10的整体控制架构。此处，参考速度(refspeed)32或扭矩被作为输入提供给系统10。优选地，所提出的用于控制srm26的方法利用电流反馈。当电流波形达到钉扎点并且被馈送到换相模块18时，电流上升的斜率42被计算。利用电流上升的斜率42来计算基本电感值。频率输入信号tp44是被提供给换相模块18的另一个输入，给出轴速度的数字估计。利用电流上升的斜率42和频率输入信号tp44来计算当前速度36。在参考速度32和当前速度36之间的误差生成器通过生成命令电流(iced)34的调节器单元30处理。调节器单元30可以是比例积分(pi)调节器。通过在srm控制系统10中的内部电流回路比较命令电流34与测量的电流(iphase)38，以生成脉冲宽度调制(pwm)信号。pwm信号利用时间信号ton、toff40创建多个换相角度，用于将srm26的多个开关转至接通和断开状态。

图4示出了利用srm控制系统10控制srm26的方法的流程图。如在框50中示出的，提供了具有换相模块的srm控制系统。接下来，如在框52中示出的，利用初始化机制将初始转子位置提供给srm。然后，如在框54中指示的，在电流波形的初始电流上升阶段期间的相电流波形上定义钉扎点。此后，当电流波形到达如在框56中示出的钉扎点时，电流上升的斜率被确定。然后斜率被馈送到换相模块。此后，如在框58中示出的，来自计算的电感或电流斜率的误差信号被用作在srm控制系统中的控制回路的输入。最后，如在框60处指出的，时间确定模块确定最佳时间信号以发射下一脉冲。最佳时间信号被馈送至srm，以用于将多个srm开关转至接通和断开状态。

图5示出了通常用于控制srm26的非对称桥接配置。这种配置使每个相位被连接在两个开关t1、t2之间，从而允许独立控制，并确保反相器不会具有直通故障。在图3中的接通和关断信号40用于控制开关t1和t2。

图6示出了针对三相电机的三个电流波形。在该示例中，“x”是在电机的相位a中的电流波形的钉扎点。此处，钉扎点大约是针对操作条件的稳态电流的80％。当电流波形的钉扎点接近电流波形的初始上升的顶部，并且在电感分布上钉扎的点接近用于电机的该相位的电感上升的开始时，获得srm的最佳效率和最大载荷能力。

在当前实施例中，来自一个换相脉冲的反馈被用于下一脉冲的定位。作为替代，来自该脉冲的反馈可以被用于调整在相同相位中的下一脉冲的位置、下一次特定定子转子磁极组合所达到的位置、或在其间的任何位置。

使用每个脉冲仅修改相同相位的脉冲的益处是，由于在每个相位上的电感不均匀，因此允许独立地调整相位；然而，位置反馈被减慢电机中的相位数目的倍数。这可以通过使用电流脉冲的误差来输入两个控制回路来克服。在两个控制回路中间，一个控制回路调整当前相位，另一个控制回路调整所有相位，以允许在相位之间进行小调整并且同时仍然实现对主控制方法的快速反馈二者。

使用每个脉冲仅修改相同的定子转子磁极组合具有的益处是，其允许调整非均匀磁极位置、气隙和电感；然而该位置反馈被减慢相位的数目乘以转子磁极数目的倍数。与先前方法相似的方法可以被用于引入额外的自由度，并同时仍保持快速反馈。

在当前实施例中，利用基于事件的控制回路。基于期望电感(或期望电流上升)和测量电感(或测量电流上升)之间的误差操作的任何形式的控制回路满足优选实施例的意图。

在当前实施例中，电流被钉扎在脉冲的初始上升沿上；然而，沿着任意波形的任何点可以被用作钉扎点。

在当前实施例中，电流上升被用在电流上升上的特定点处；然而，在期望的波形位置处，相位可以被关断或放纵(freewheeled)，并且在该点处的电流下降/衰减可以在相同的方式中被使用以控制位置。

在当前实施例中，控制回路的输出是在脉冲之间的期望时间，并且当达到距最后一个脉冲的时间被，发射下一个脉冲。控制回路的输出也可以被调谐，以使其处于软件编码器上被期望的位置，该软件编码器基于速度估计被持续更新。这种方法引入额外的误差，这是因为软件编码器容易由于在速度测量中的误差而漂移，但这种方法将实现同样的效果。类似地，可以使用硬件编码器，并且这种方法可以相对于硬件编码器定位脉冲。

该方法可以被进一步扩展，以允许基于速度、载荷或所期望的优化来调整所期望的电感(或所期望的电流上升)。这些调整可以根据基于当前操作点的查找表而被应用，也可以基于调整公式而被实时计算。

已经出于说明和描述的目的呈现了本发明的优选实施例的前述描述。其并不旨在穷举或将本发明限制为所公开的精确形式。根据上述教导，许多修改和变型是可能的。意图是，本发明的范围不由本具体实施方式限制，而是由本发明所附的权利要求以及这些权利要求的等同物限制。