可变电压补偿的制作方法

专利名称：可变电压补偿的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及电力驱动系统中的直流链路电压偏差的补偿方法和装置。特别的，本发明涉及开关磁阻驱动器的运行方式，该开关磁阻驱动器能周期地读取与某一直流链路电压相对应的一个值，调节一速度指示信号用于补偿在直流链路中出现的电压变化。补偿速度信号被送至一控制器中，在该控制器中，对开关磁阻驱动器线圈中的能量变化做补偿。
开关磁阻电动机在电动机的活动部分(称转子)一般没有绕组或永磁铁。大多数开关磁阻电动机的静止部分(称定子)包括在定子的磁极上缠绕的线圈，其中通有单向电流。在其中一种类型的开关磁阻电动机中，绕在相对定子磁极上的线圈以串联或并联的方式连接以形成实际上是多相的开关磁阻电动机的单向绕组。按事先确定的，即与转子角位置相同步的顺序，对每项绕组加电压产生运动力矩，这样当定子和转子的磁极相接近时就能产生相互吸引的电磁力。同样的，当定子和转子的磁极分开时的周期的某段时间里设置脉冲电压，也可产生作用力。在典型的操作方式中，每次当开关磁阻电机相绕组被激励时，通过相绕组产生磁通量，从而在转子磁极上产生引力。


图1示意性地示出了现有技术中一典型的驱动装置，用于驱动负载19。其中包括一直流电源11，可以是电池或是整流并滤波的交流电源。电源11经一直流链路，以线10所示，输出直流电压。电源转换器13在电子控制单元14的控制下在电动机12的相绕组16之间进行切换。电流传感器18用于向控制器提供电流反馈信号。在本申请中，向开关磁阻电机中输出的直流电压(或来自一电池，整流器或其它)被称为“直流链路电压”。
为保证驱动器正常工作，切换应与转子的旋转角准确地保持同步。开关磁阻电机的性能在一定程度上取决于与转子位置相关的相激励的精确定时。对转子位置的检测通常通过传感器15获得，如图1所示，例如通过安装在电机转子上的旋转齿状盘，与安装在定子上的光学传感器或磁性传感器相配合。产生能指示出转子相对于定子的位置的脉冲序列并将其输出给控制电路14，用于产生精确的相激励。
为维持开关磁阻电机产生的速度和相关转矩，有必要精确控制电压作用在相绕组上的时刻。然而，在交流电压输出中出现的变化以及在驱动系统工作的电力环境中出现的变化，都会造成直流链路电压随时间的变化而变化。由于电源电压的明显变化，因此以忽略电源电压变化的控制方法可明显减弱用户所要求的对电机的控制能力。这是因为，由相绕组产生的磁通量直接与所施加的电压有关。因此，电源电压中的变化就可导致相绕组产生的磁通量多于或少于所希望得到的磁通量。电动机中，磁通量的这种不希望的变化会导致性能的降低。
在众所周知的开关磁阻驱动器中，电动机的速度，所需的转矩和在对相绕组加电压的时间之间的相互关系可通过一被称为是特性化的处理过程凭经验确定，其中，电动机的操作参数是在很宽的工作条件下确定。之后，这些操作参数被存储在一个被称为控制规则表的模拟或数字电路中。
典型地，数字控制规则表只是某种类型存储器中的一系列存储位置，其中每个存储对应于控制图上的一个点。对于此点，典型系统存储有适用于该工作点的启动角、关闭角和可能的自由旋转角。这些参数可存储在表中的相邻位置上。或者，该表可进一步划分并被认为是由一系列的子表组成，每个子表中的值对应于其中一个参数。
控制规则表的一个例子如图2所示。在这个例子中，转矩在任意速度上被离散成128个值，即，在任一个选定的速度上，该速度的100％的转矩对应于第128个存储位置，50％的转矩对应于第64个存储位置，等等。类似的，该速度也被离散，在本例子中，速度被离散为256个值。表中的每个位置上存储了用于使电机产生相应速度和转矩的控制的多个参数A。如上所述，参数A中的每个或是一系列控制参数或是单个的控制参数，并且表中的每个位置还包含有一可指向其他表格的指针，用于搜寻其他的参数。也可以使用在现有技术中已知的用于存储数据的其他方法，如16×16位置的稀疏矩阵以及一些用于实时确定适当参数值的插值方法。
图3和图4是对应于控制规则表的控制图的例子。其中，水平轴代表速度值，最大到256个单位，该值是驱动器所能达到的最大速度。实线代表在任意速度上可得到的最大转矩值。图上任意一点对应于控制规则表上的一个位置，在该位置中，包含有在该点操作所需的参数。图3的例子示出了一个具有相对恒定转矩输出的系统，而图4的例子示出了转矩输出随速度明显变化的系统。
在驱动器工作过程中，控制系统向控制规则表输入表征电动机速度的信号和所需要的转矩，以寻找出适合此操作状态的触发角。这些触发角用于对切换进行控制，进而实现对相绕组激励的控制。采用具有控制规则表的电动机控制器已被广泛熟知，在此不再详细描述。
为最小化特性化的处理过程的工作量，通常的做法是在该过程中保持直流链路电压恒定。考虑到当把驱动系统安装于一工作环境中时，直流链路电压的变化较有代表性，因此，特性化常是在假设直流电压处于最低期望值时获得的。换句话说，特性化是在假设直流链路电压工作在最差的情况下获得的。这种类型的特性化在一定程度上是不合乎需要的，因为其是在假定最坏的场合下(而这种假定场合是很少发生的)而不是在所需要的最佳直流链路值的情况下做出的对开关磁阻驱动器的特性化，而驱动效率在所需最佳链路值的情况下将达到最高。此外，工作电压的增加会导致所得转矩和电流的增加，从而导致驱动器的零部件过热或失效。对于有些驱动器，可在其处于最佳直流链路电压时进行特性化，但对于此类驱动器，必须在运转过程中对直流链路电压发生的变化给予补偿，否则驱动器性能会减弱，特别是在低电源电压情况下。
一些开关磁阻驱动器使用模拟系统对直流链路电压的变化进行补偿。总的来说，这些系统是通过调节输入到控制规则表中的速度信号来对直流链路电压变化进行补偿的，因此输入到控制器中的速度信号不是电动机的实际速度而是由代表直流链路电压的一个信号对实际速度信号进行修正而得到的一个修正速度信号。有些驱动装置采用一些数字方法对电压变化进行补偿。例如，在美国专利US 5724477(Webster等)中(其已转让给本申请人，在此引述作为参考)，公开了一种直流链路补偿方法，其通过一模数转换器ADC对直流链路电压进行数字采样来检测电压的变化。
图5是Webster提出的开关磁阻驱动器的模型，其中通过ADC17对直流链路电压进行采样，采样电压反馈给控制中14，在控制器14中，特性化电压与测量的工作电压之间的比率用于修正实际转子速度以产生一补偿速度参数，用此补偿速度参数对控制规则表进行询问，这意味着与所测得的直流链路电压10相反地调节补偿速度信号。举例来说，直流链路电压的增加会得到一较小的估计补偿速度信号，而当直流链路电压降低时则会得到一较大的估计补偿速度信号。补偿速度信号进而被控制器14使用，作为控制规则表的索引并用于选择适当的触发角。
作为Webster所提方法的一个应用实例，假设特性化的处理过程是在直流链路电压为560V时完成的，并且驱动器一直以227单位表示的速度工作在538V电压上，之后对速度信号进行线形换算，[即(560/538)×227]，获得236单位的补偿速度。该补偿速度用于询问控制规则表以获得何种转矩水平是所需的。在这个例子中，电压变化相对较小，(大约是4％的特性化电压)。如果转矩/速度曲线在工作区内相对平坦，如图3所示，综合这些因素可知，实际速度和补偿速度之间的转矩变化也小。举例来说，如果所需转矩为80％(那么使用存储位置为80/100×128＝102中的触发角)，在该补偿速度上的存储位置102中触发角所对应的转矩值将非常接近于80％，以致于其之间的差距可以忽略不计。相比之下，如果转矩速度曲线的斜率大，如图4所示，则在该补偿速度对应于存储位置中的转矩值会极大地区别于未补偿速度时的转矩值。图4示出了在电压变化40％时在转矩上出现的误差。这使得现有技术中补偿方法在很多场合下是不适合的。
以上所描述的系统在有限范围的电压变化情况下能正常工作取决于转矩/速度曲线的形状，但当遇到电压的广泛变化时，上述系统不能给出好的性能。此类情形常尤其出现在那些不能与公共设施相连的系统但电压变化又常超过50％的系统中，如航空，海运或机动环境。尽管，这些变化可以通过对系统在不同电压值时进行特性化处理来局部改善，但这个方法耗时，需要控制系统有相当大的存储空间，使得读取控制规则表更困难，最多只能对特定电压进行精确补偿。
随附的独立权利要求是对本发明的限定。从属权利要求是对本发明的其他一些优选特征的描述。
具体实施例方式
附图5的装置用于实现电压补偿的改进方法。示出了一开关磁阻电机12，用于驱动负载19。电压源11给驱动器供电，其可以是一直流电源，也可以是整流交流电源。直流链路以连线10代表，并通过切换装置13切换到在开关磁阻电机12的相绕组16，控制器14确定转换装置13上的触发角。还包括一转子位置传感器15(RPT)，响应于通过随开关磁阻电机12的转子一同旋转的一个元件，用于产生代表转子位置的转子位置传感器输出信号。可知，位置信息可以通过各种方法得到，如采用对电动机的电流、电压和/或电感进行估计该信息的软件算法。相绕组中的电流一传统类型的电流传感器18测得，并输出适当的信号给控制系统14。
与直流链路电压相连的是一模拟数字转换器(ADC)17，其对直流链路电压10采样，之后将采信号转化为能代表直流链路电压的电压幅度的数字输出。ADC将该数据输入到控制系统14。在一实施例中，ADC输出包括8个数据比特，可代表256不同电压值。
通过在给定时间周期内监测转子位置的变化，可以确定电机12的速度。控制器14接收转子位置传感器输出信号并产生对应于转子实际旋转速度的实际速度信号。这种速度测量块的结构对领域的技术人员是显而易见的，并取决于特定转子位置传感器的选择。电动机控制领域的技术人员知道实际速度信号可以传统方式用于电动机控制的其它方面(在此不做详述)。
在控制器14中有一数字微控制器，其可以是一个来自Motorola的MC68HC11系列的微控制器，用于实现该改进的直流链路电压补偿方法。同样的微控制器可用于实现电动机控制器14的其它控制功能。这样做的优点在于对直流链路电压的补偿的同时，无须明显增加实现电动机控制器14所需的额外电路。
电动机的控制通过一补偿速度信号和一改进的换算方法来完成，该补偿速度信号用于确定来自一控制规则表的电机操作参数，而该改进的换算方法包括将换算速度以确定补偿速度并在该补偿速度下换算转矩以恢复原来所需的转矩。有大量的方法可以用来实现这一目的。所有这些方法中，第一个步骤是使用ADC17周期地读取代表直流链路电压的信号和实际转子速度。每个读入值被转换为数字表达形式用于随后的处理过程。在实际工作中，在一预先设定的时间周期内，对直流链路电压和转子速度中的每个进行多次检测然后取其在该时间段中的均值。采取这种方式，系统不会对测量电压或转子速度中出现的较小波动而对于敏感。
在第一个例子中，速度和转矩均可通过下面的比率进行换算Vc/Va其中Vc是特性化电压，Va是通过ADC17采样获得的实际工作电压。
为实现这一方法，微处理器中的软件计算Vc/Va的比率，然后将计算结果与实际速度信号和实际转矩需求相乘，获得补偿速度和补偿转矩值。之后，这些补偿值被用来对控制规则表进行询问以确定操作参数。一旦该步骤完成，这些选定的操作参数将有选择地用将直流链路电压加到定子绕组中。该简化的方法在很多场合下都很有效，并特别适合于具有恒定电源特性的驱动器中。
当转矩/速度曲线具有特殊形状时，上述描述的第一方法将不适用。为了在此种情况下获得良好的性能，应对用作索引控制规则表的转矩值进行重新设定以使重新设定的值更接近于没有补偿速度时的实际转矩需求。在实际操作中，这一步骤是通过重新定义控制规则表中转矩值的位来实现的，即，使重新定义的转矩值位置上的转矩值更接近于在未有补偿速度时的转矩需求。这一做法的优点在于，不论驱动器的转矩/速度曲线的形状如何，都能得到正确的补偿。应当注意，补偿速度采取与第一个例子相同的计算方法，即用实际速度乘以Vc/Va。
然而，该方法需要知道在每个速度时刻上代表100％转矩需求的转矩绝对值。该信息可以附加线的形式存储在控制规则表中或采用其它适宜存储的方法存储。这允许要选择的补偿速度值处的转矩位置数大致对应于工作在实际速度时的转矩需求的绝对值。在实际工作中，转矩需求值在控制规则表中是线性分布的，因此补偿速度所对应的位置数可通过下式给出
Lc＝|Lu*TMu/TMc|其中，Lc是对应于补偿速度上的补偿转矩需求的位置数，Lu是对应于未补偿速度上的实际转矩需求的位置数，TMu是在未补偿速度时的最大转矩需求，TMc是在补偿速度时的最大转矩需求。
补偿速度和转矩需求值进而被用于对控制规则表进行询问，以确定所需的操作参数。一旦获得操作参数，这些操作参数将有选择地用于将直流链路电压加到定子绕组中。
在以上两个例子中，控制器在考虑到所需转矩水平的情况下，采用了一种新的方法来选择用于补偿直流链路电压变化时所需的正确操作参数。该方法通过一补偿转矩值和一补偿速度值来实现以提供对直流链路电压中出现的波动进行补偿的改进方法。这是有利的。
总的来说，系统进行特性化所选的电压可在系统工作范围内任何地点进行选择。但应当知道，当实际工作电压高于特性化电压时，补偿速度总是低于实际速度(参考附图4)。同样的，如果工作电压低于特性化电压，补偿速度将高于实际速度。在这种情况下，当实际速度接近于最大工作速度时，有可能不会有足够的数据可以利用来得到补偿速度值，这取决于特性化电压和工作电压之差。除非，在实际操作中，有其它额外的数据能被用来获得超过最大速度的补偿速度值，否则最大补偿速度值应限于最大速度。因此，优选地，驱动器应工作在最低工作电压上，这样，补偿速度就不会超过实际速度，从而避免了没有足够特性化数据使用的情形出现。
在不脱离本发明的情况下，有经验的人员应当知道对本发明公开的内容所做的改变有多种方法。因此，通过举例的方法而对本发明几个实施例的描述不以限制本发明为目的。有经验的技术人员在对上述描述的方法不做明显改变的情况下，可以很容易地对本发明步骤做些小的修改。本发明仅以下述权利要求范围为限。
权利要求
1.一种在电力驱动系统中对实际直流链路电压与一参考直流链路电压的偏差进行补偿的方法，所述的电力驱动系统包括一电机控制器，其根据转矩需求信号控制电机，所述的电机包括一转子和一带有绕组的定子，在该电机工作的过程中，转子以实际转子速度旋转，其中电机控制器有选择地将实际直流链路电压加到定子绕组中，该方法包括步骤对所述的实际直流链路电压进行采样；对所述的实际转子速度进行采样；根据实际直流链路电压确定补偿速度信号；根据实际直流链路电压确定补偿转矩需求信号；以及根据所得到的补偿速度和补偿转矩需求信号对施加在定子绕组上的实际直流链路电压进行控制。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的确定补偿速度信号的步骤包括产生一速度补偿因子和对实际速度进行修正的步骤，例如，用实际速度与所述的速度补偿因子相乘来实际速度进行修正。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述的速度补偿因子对应于参考直流链路电压和实际直流链路电压之间的比率。
4.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于所述的确定补偿转矩需求信号的步骤包括产生一转矩补偿因子和对实际转矩需求信号进行修正的步骤，例如，用实际转矩需求信号与所述的转矩补偿因子相乘来对实际转矩需求信号进行修正。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于所述的转矩补偿因子对应于参考直流链路电压与实际直流链路电压之间的比率。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于所述的转矩补偿因子取决于在未补偿速度时所允许的最大转矩需求和在补偿速度时所允许的最大转矩需求之间的比率。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于作为速度函数的电机的转矩需求值被存储在一控制规则表中，该控制规则表包括多个位置，表中的每个位置对应于预先确定的转矩需求值，其中所述的通过转矩补偿因子对实际转矩需求进行修正的步骤被通过转矩补偿因子对实际转矩需求的控制表位置进行修正的步骤所代替，由此确定在补偿速度时补偿转矩需求值的控制表位置。
8.一种在电力驱动系统中对实际直流链路电压与一参考直流链路电压的偏差进行补偿的系统，所述的电力驱动系统包括一电机控制器，其根据速度信号控制电机，所述的电机包括一转子和一带有绕组的定子，在工作过程中，转子以实际转子速度旋转，其中电机控制器有选择地将实际直流链路电压加到定子绕组中，该系统包括用于对所述的实际直流链路电压进行采样的装置；用于对所述的实际转子速度进行采样的装置；根据所述的实际直流链路电压确定补偿速度信号的装置；根据所述的实际直流链路电压确定补偿转矩需求信号的装置；用于将所述的补偿速度信号和所述的补偿转矩需求信号发送到电机控制器的装置；和使用所述的补偿速度信号和转矩需求信号控制施加于定子绕组上的直流链路电压的装置。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于所述的确定补偿速度信号的装置包括产生一速度补偿因子的和通过所述的速度补偿因子对实际速度进行修正的装置。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于所述的速度补偿因子对应于参考直流链路电压和实际直流链路电压之间的比率。
11.如权利要求8-10中任一项所述的系统，其特征在于所述的确定补偿转矩需求信号的装置包括产生一转矩补偿因子的装置和对实际转矩需求进行修正的装置，如采用将实际转矩需求与所述的转矩补偿因子相乘。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于所述的转矩补偿因子对应于参考直流链路电压和实际直流链路电压之间的比率。
13.如权利要求11所述的系统，其特征在于所述的转矩补偿因子取决于在未补偿速度时的转矩需求的最大值和在补偿速度时的转矩需求的最大值之间的比率。
14.如权利要求13所述的系统，其特征在于还包括将作为速度的函数的电机的转矩需求值存储在一控制规则表中的装置，该控制规则表包括多个位置，表中的每个位置对应于预先设定的转矩需求值，其中所述的通过转矩补偿因子对实际转矩需求进行修正的装置可通过用转矩补偿因子对实际转矩需求的控制表位置进行修正，由此在补偿速度时确定对补偿转矩需求值的控制表位置。
15.优选在计算机可读取介质中的计算机程序，用于在电力驱动系统中对实际直流链路电压与一参考直流链路电压的偏差进行补偿的系统中，所述的电力驱动系统包括一电机控制器，其根据速度信号控制电机，所述的电机包括一转子和一带有绕组的定子，在工作过程中，转子以实际转子速度旋转，其中电机控制器有选择地将实际直流链路电压加到定子绕组中，该电机进一步包括对实际直流链路电压进行采样的装置和对实际转子速度进行采样的装置，其中计算机程序包含下述指令根据所述的实际直流链路电压确定补偿速度信号；根据所述的实际直流链路电压确定补偿转矩需求信号；和根据所述的补偿速度和转矩需求信号控制施加于定子绕组上的直流链路电压。
16.如权利要求15所述的计算机程序，其特征在于确定补偿速度信号的指令包含产生一速度补偿因子的指令和通过所述的速度补偿因子对实际速度进行修正的指令。
17.如权利要求16所述的计算机程序，其特征在于速度补偿因子对应于参考直流链路电压和实际直流链路电压之间的比率。
18.如权利要求15-17中任一项所述的计算机程序，其特征在于所述的确定补偿转矩需求信号的指令包括产生一转矩补偿因子的指令和对实际转矩进行修正的指令，优选采用将实际转矩与所述的转矩补偿因子相乘。
19.如权利要求18所述的计算机程序，其特征在于所述的转矩补偿因子对应于参考直流链路电压和实际直流链路电压之间的比率。
20.如权利要求18所述的计算机程序，其特征在于所述的转矩补偿因子取决于在未补偿速度时的转矩需求的最大值和在补偿速度时的转矩需求的最大值之间的比率。
21.如权利要求20所述的计算机程序，其特征在于作为速度的函数的电机的转矩需求值被存储在一控制规则表中，该控制规则表包括多个位置，表中的每个位置对应于预先确定的转矩需求值，其中通过转矩补偿因子对实际转矩需求进行修正的指令而是可操作的以通过转矩补偿因子对实际转矩需求的控制表位置进行修正，由此在补偿速度时确定对补偿转矩需求值的控制表位置。
全文摘要
本发明涉及可变电压补偿,其中一开关磁阻驱动器由一电压源供电,该电压源与确定的用于驱动器控制规则的电压不同。控制系统通过同时对速度和转矩值进行修正来对上述不同进行补偿,其中速度和转矩值被用来确定驱动所要求的负载的正确触发角。该系统可工作于出现有较宽电压变化范围的环境中并与驱动器的转矩/速度曲线的形状无关。
文档编号H02P25/08GK1374750SQ0210684
公开日2002年10月16日 申请日期2002年3月6日 优先权日2001年3月6日
发明者米切尔·L·麦克莱兰德, 乔纳森·R·奎恩 申请人:开关磁阻驱动有限公司