专利名称：用于转换式磁阻电机的控制回路和系统及其操作方法
技术领域：
本发明涉及用于可做电动机运行，也可做发电机运行的转换式磁阻电机的控制回路。
与转换式磁阻电机连接的控制和转换回路，以及电机本身可统称为转移式磁阻驱动器。它们在该现有技术中是众所周知的。例如，Stephenson和Blake在1993年6月21日纽伦堡PCIM学术会议，第5研计会上的文章“转换式磁阻电机和驱动器的特性、设计和应用”中对比进行了讨论。
用于转换式磁阻电机的典型转换回路包括跨接在与电源相连的输入端之间的一个称之为直流连接电容器。该直流连接电容器的作用是平滑整流的交流输入电压，例如全波整流的欧洲230伏交流电网供电电压或美国120伏交流电网供电电压。
本批量生产的产品中，希望减少元件数量和/或控制回路的尺寸，以便能降低成本及它们所占的空间。
还发现直流连接电容器的存在对转换式磁阻系统的功率因数有负作用，它引起供电电流增大，并因此降低效率。
本发明的目的是为转换式磁阻电机提供一个控制回路，从而避免用直流连接电容器来平滑输入供电电压。
根据本发明，为转换式磁阻电机相提供一个控制回路。该电机由定子，转子以及至少一相绕组组成。该绕组至少与该相的或与每相的定子极联接。控制回路包括第一和第二供电电压输入端子，可以与该绕组的一端连接的第一输入端一个与绕组连接的开关装置，其可操作将绕组与第二输入端连接，以建立主绕组电流通路；电容器及有触发输入的晶闸管，该电容器及晶闸管串联并跨接在绕组及开关装置两端，以形成辅助绕组电流通路；以及一个连通由绕组与开关之间至晶闸管与电容器之间的单向电流器件。晶闸管可由送到触发输入上的触发信号来导通，并在电容器两端电压超过一基准电平时维持导通状态。
当开关装置闭合，本发明采用辅助电流通路使电容器经绕组放电。当电容器完全放电以后，晶闸管停止导通。绕组则由电源供电，在开关被相继打开时，电源重新通过单向电流器件给电容器充电。
本发明也扩展到一个转换式磁阻驱动系统，其组成为具有转子和定子的转换式磁阻电机，分别形成转子和定子的极，与该相或电机每一相联接的相绕组；电源；分别跨接在电源上的第一第二供电电压输入端，第一输入端与绕组的一端连接；与绕组连接的开关装置，操作开关便将绕组与第二输入端连接，以建立主绕组电流通路；电容器；具有触发输入的晶闸管，电容器和晶闸管串联跨接在绕组和开关装置上，以形成辅助绕组电流通路；从绕组和开关装置之间连通到晶闸管和电容器之间的单向电流器件，当开关装置开路时，电容器可以通过绕组及单向电流器件充电到超过由第一和第二端子间的供电电压值，当开关装置和晶闸管相继闭合时，电容器可通过电流通路放电，晶闸管可根据触发输入上的触发信号动作，并且在电容器两端电压大于第一和第二端子间电压时保持导通状态，当电容器两端电压降到低于基准电平时，变为不导通。
此外，本发明还扩展到控制具有转子、定子、一个至少与电机该相的或电机每一相的定子极联接的相绕组、用于检测在相对于定子的导通角内转子位置装置的转换式磁阻电机的方法和上述定义的控制回路，该方法包括使控制回路的开关装置动作，并且晶闸管在该相导通角的起始处导通，使开关装置在该相导通角的末尾处停止导通。
使开关装置和晶闸管重复导通，并且使开关装置对该相或每相的每个导通角停止导通。
本发明可以用不的方式实现，将基准附图的例子来说明其中的一些方式
图1是一个现有的转换式磁阻驱动器的原理图；图2是根据本发明的控制回路图；图3是根据本发明的图2所示回路的动作时序图；图4是图2所示回路交流电源的回路图；图5是本发明其它实施例的图。
图1中示出一个转换式磁阻驱动器。它由单相电机M组成该电机具有构成一对凸极转子极的转子R及构成一对凸极定子极的定子S。控制器C根据转子按已知方式的运动，控制将与定子极联结的绕组14连接到供电电压的开关T。用转子位置编码器E测定转子的位置。
熟悉本技术的人将了解影响转换式磁阻电机旋转所要求的受控转换，在上述基准过的PCIM’93的那篇文章中进行了详细讨论。
对电动机运行而言，该绕组是当一个转子极接近一个定子极时，合上开关T来激励的。通常在转子的极与定子的极对准以前，开关打开，使绕组断电。由于所产生力矩的方向在极对准以后将反向，并且将趋向于阻止转子运动。角度延续到开关T接通，称之接通角，并通常由所需要的输出确定。
对发电机运行而言，其过程是相似的。只是通常绕组是在那些极相互离开时被激励的。于是功率流向是从电机的轴到电源或一些其它换能器(未在图中示出)。
现在基准图2，交流电源10表示了120伏单相电网供电，提供最大电流如12安培。这是典型的美国家用供电。交流电源10以常规方式跨接在二极管桥12的交流输入端，一个低值缓冲电容器13在以常规方式跨接在电源上。二极管桥12产生约110伏全波整流直流输出。这仍是一个整流交流电源的特性波动的课题，对本技术有普通知识的人将会熟悉。
单相转换式磁阻电动机M的电动机绕组14与NPN晶体管16串联跨接在桥12的输出端。晶体管16的集电极与电动机绕组14连接，晶体管16的发射极与该桥直流输出的一侧连接。其它型式的开关装置可以用在该晶体管16的位置上。它们可能是其它基于半导体的类型，诸如大功率金属氧化硅场效应晶体管(MOSFET)、隔离整流栅双极晶体管或机械继电器。
晶闸管整流器(SCR)18及电容器20串联，跨接在绕组14及晶体管16上。SCR18的阳极与电容器20连接，SCR18的阴极通常与绕组14及二极管桥12的正输出端连接。二极管22的阻极接在绕组14及晶体管16的集电极之间，其阳极接在SCR18及电容器20之间。
根据本发明的控制回路安排，没有直流连接电容器跨接在整流桥12的输出上。本发明该实施例的该回路的作用如下当回路第一次被启动，将桥12连接到交流电源10上，电容器20将由电流过绕组14、二极管22及电容器20的电流充电。电容器20充电电压将取决于被整流的电源的峰值、电容器20的参数及这个初始启动允许的时间长度。在理想的情况下，电容器电压可能达到两倍于经整流的电源电压的峰值。
当需要启动电动机时(它可能与初始启动过程几乎同时开始)晶体管16在导通角的起始处导通，因此，电动机绕组14通电。与晶体管16起动的同时，SCR18也导通。电容器20通过由SCR18、绕组14及晶体管16形成的辅助绕组电流通道放电，并为绕通电。
短时间后，电容器20放电到并尔后低于由桥12提供的整流供电电压。当SCR18两端有反向电位差时，它便不再导通。绕组14便通过由绕组14，晶体管16及电源10组成的主绕组电流通路，从桥12取得电流。
在相导通角的末尾，晶体管16变为不导通，以便使绕组14断电。当晶体管16停止导通时，由于绕组的电感性特性，造成连续电流改变方向，由晶体管16经过二极管22去给电容器20充电。在由绕组电感使电流持续流过时，电容器20两端电压将平衡上升到超过供电电压，这会影响绕组断电。并当电流流动停止时，电流降到零，二极管便停止导通。
根据一般教导的转换式磁阻电动机理论，在导通角期间电动机绕组两端电压所建立的磁链将在转子中产生相对于定子的力矩。
根据使电动机旋转所要求的时序，当定子和转子的极下一次抵达对准位置时，晶体管16必须重新导通，用于下一个导通角。对于第二个以及以后循环。回路重复上述介绍的动作顺序。但是，电容器两端的初始电压是由在前一个导通循环的末尾对其充电的电压幅值决定的。
图3示出一个导通循环中波形的时序图。VLoad为绕组两端电压。
ILoad为绕组电流。该绕组电流由对应于在电容器20(Icap)和晶闸管整流器(ISCR)中，通过辅助电流通路的起始部分及对应于在晶体管开断(ITRAD＝0)以前，供电电流升高的后一部分组成。以后，ISupply继续流过二极管(ID)，给电容器充电。
对于本领域技术人员会认识到，在家用电器大规模生产中，例如吸尘器，不用额定电压200伏的1000微法数量级的大容量直流连接电容器，而采用额定直流电压400伏的约20微法的小电容器的优越性，它在空间和元件费用节约方面都有净得效益。
此外，由于取消了直流连接电容器装置，改善了功率因数，便可以用较低的供电电流完成一给定的驱动。根据美国居民供电网的情况，这一点有特别的优越性。否则，相对小的驱动器就可能达到流电网12安培的运行限制。例如，一台输出功率为1KW的家用电器所需的典型电动机驱动器。如果采用常规控制回路运转，可能以电源吸取2KVA以上。本发明的回路的功率因数改善将使1KW转换式磁阻驱动器的伏一安要求为1.4KVA左右。由上述120伏、12安培的供电电源便可满足。
还发现，当按本发明运行时，由电机发出的噪声会有显著降低。除一些其它因素外，这是由于绕组14两端电压变化不那么急骤的缘故。
SCR18是一种类型的晶闸管，它是一种装置的总称，它由点火或触发信号使该装置在一个方向导通，并且将保持导通，直到它被反向加偏压，点火或触发信号的后续状态无关。一旦该装置两端的电位差反向，导通停止，直到晶闸管重新被触发。对于领域技术人员来说，也可以用其它类型的开关来完成这一工作，例如用隔离栅双极晶体管、门关断硅可控整流器及其它类似的开关。
尽管主要针对120伏变流电源供电已经介绍了本发明的控制回路，它也可以用到其它供电电源，但是，该电路特别适用于较低的供电电压，因为用常规容易的元件可以承受电容器20上所施加的电压。
对本领域技术人员来说，显然本发明也可以用到多相转换式磁阻电机的每一相。同时，尽管已经针对整流交流电源的情况介绍了本发明，如图4所示的直流电源24和阻塞二极管26形式的电源也同样地适用。
另一实施例示于图5，其中，图2中的整流桥已由一个二极管28取代，它与电容器13一起，形成一个半波整流器。二极管28的连接使电容器13向绕组14导通。电容器13如图2中那样跨接在电源10的两端。同样的数字用以表示图2和图5中相同的元件。如图2中所介绍的回路那样，该回路在正的半波中运行。在负的半周中，开关16的点火可能被阻止，并且驱动器由于惯性漂移(coast)，直到供电电压重新变为正值。
由于转换式磁阻电机的绕组是电感性负载的形式，对于本领域技术人员而言，很显然，本发明也同样可用于需要转换直流输入电压供电的其它电感性负载。
尽管已经用上面讨论的示意实施例介绍了本发明，本领域技术人员认识到可以做许多不同的变化，并不脱离本发明。相应地，上述几个实施例的介绍是用示例的方式，并且不是为了限制。本发明只受下述权利要求的精神和范围的限制。
权利要求
1.用于转换式磁阻电机的控制回路，电机由定子及至少与该相或每一相的定子极相联接的至少一相绕组组成，控制回路包括第一和第二供电电压输入端，第一输入端与绕组的一端连接；与绕组连接，并可动作，将绕组与第二输入端连接，建立主绕组电流通路的开关装置；电容器；有触发输入的晶闸管，电容器与晶闸管串联并跨接到绕组和开关两侧，形成辅助电流通路；单向电流器件，连通从绕组和开关装置之间到晶闸管与电容器之间；送到触发输入上的触发信号导通晶闸管，并当电容器两端电压超过某一基准电平时保持导通。
2.根据权利要求1的回路，其中，在电容器两端电压超过供电电压时，晶闸管保持导通状态。
3.根据权利要求1或2的回路，其中，开关装置包括一个晶体管。
4.根据权利要求1、2或3的回路，其中，单向电流器件是一个二极管。
5.根据权利要求1、2、3或4的回路，其中，电源包括可从交流电源得到整流电压的整流器。
6.根据权利要求5的回路，其中，整流器是一个二极管桥形全波整流器。
7.一个转换式磁阻驱动系统，包括有转子和定子的转换式磁阻电机，分别形成转子和定子的极，与该相或电机每一相联接的相绕组；电源；分别跨接在该电源上的第一和第二供电电压输入端，第一输入端与绕组的一端连接；与绕组连接的开关装置，操作开关便将绕组与第二输入端连接，以建立主绕组电流通路；电容器；具有触发输入的晶闸管，电容器与晶闸管串联，跨接在绕组的开关装置上，以形成辅助绕组电流通路；连通从绕组和开关装置之间到晶闸管和电容器之间的单向电流器件，当开关装置开路时，电容器可以通过绕组和单向电流器件充电到超过由第一和第二端间的电源供电电压值；当开关装置和晶闸管相继闭合时，电容器可通过辅助电流通路放电。晶闸管可根据触发输入上的触发信号动作导通，并且在电容器两端电压大于第一和第二端之间的电压时，保持导通状态，当电容器两端电压降低到低于某一基准电平时，变为不导通。
8.根据权利要求7的系统，其中晶闸管的安排使电容器两端电压超过供电电压时，保持导通状态。
9.根据权利要求7或8的系统，其中开关装置包括一个晶体管。
10.根据权利要求7、8或9的系统，其中单向电流器件是一个二极管。
11.根据权利要求7、8、9或10的系统，其中电源包括可操作从交流电源得到整流电压的整流器。
12.根据权利要求11的系统，其中整流器是一个二极管桥型全波整流器。
13.根据权利要求7至12的系统，还包括测定转子相对于定子的位置的装置。
14.一种根据权利要求7至13中任何一个系统的控制方法，该方法包括启动控制回路的开关装置，及使晶闸管导通角的起始导通，以及使开关装置在导通角的末尾停止导通。
全文摘要
用于转换式磁阻电机的控制回路包括与跨接整流的交流电源两端的电机绕组连接的开关。该开关控制在主电流通路中流过的电流。一个晶闸管整流器及电容器串联并跨接在电源两端。一个二极管从绕组和开关的中间点连到晶闸管和电容器的中间点。在静态情况下，每当开关打开时，电窜器便被充电，开关和晶闸管被同时启动，因此，电容器通过晶闸管和绕组放电，直到电容器放电到低于供电电压。此后，晶闸管停止导通，并且从电源吸收能量。
文档编号H02P25/08GK1137195SQ9610454
公开日1996年12月4日 申请日期1996年4月11日 优先权日1995年4月11日
发明者P·D·沃伯斯特 申请人:开关磁阻驱动有限公司