开关磁阻电机的励磁的制作方法

专利名称：开关磁阻电机的励磁的制作方法
技术领域：
本发明涉及开关磁阻电机的励磁。具体地，本发明涉及对于特定输出而使所用电源电流最小化的励磁。
已知许多不同的功率变换器布局技术，前面引用的Stephenson文章讨论了其中几种。图2中示出一个最普通的配置，已知它用于多相系统的单相，在附图中，电机的相绕组16在母线26和27之间与两个开关元件21和22串联。母线26和27共同描述为变换器的“DC链路(link)”。能量恢复二极管23和24连接到所述绕组，以便当开关21和22都打开时允许绕组电流流回DC链路。称作“DC链路电容器”的电容器25在DC链路之间连接，发出或吸收DC链路电流(即所谓的“波纹电流”)的任何交变成分，这些交变成分不能从电源产生或流回电源。实际上，电容器25可包括几个串联和/或并联的电容器，当采用并联时，一些元件可以分布在整个变换器内。
对于任何系统，都要求知道转子相对于定子的位置。当使用高分辨率解算器时，这对于大多数应用而言是相对昂贵的且不必要如此复杂。相反，通常使用相对简单的转子位置传感器(rpt)，它包括固定到转子上的齿形部件和相对于定子固定的一组检测器。常规系统在转子上使用盘状或杯状叶轮，同时在定子上使用光学或磁检测器，一般一个检测器对应驱动装置的一相，叶轮的齿数与转子极数相同。
开关磁阻驱动装置基本上是可变的速度系统，其特征在于电机相绕组中的电压和电流与正弦馈送形式的传统电机中的非常不同。众所周知，开关磁阻系统有两种基本工作模式斩波模式和单脉冲模式，在以上引用的Stephenson文章中都有描述。图3解释单脉冲控制。图3(a)示出一般由控制器施加到相绕组上的电压波形。在预定的转子角度，通过切换在功率变换器13内的开关而施加电压，并且对于特定角度θc，即导通角，施加恒压。如图3(b)所示，电流从零开始增加，一般达到峰值后稍微下降。当过了θc时，打开开关，能量恢复二极管的动作使得在绕组上施加负电压，在电机内产生磁通量，因而电流衰减到零。然后，在循环重复之前一般有一段零电流的时间。显然，在θc过程中相绕组从电源获得能量，并随后返回更少量的能量给电源。图3(c)示出已由功率变换器提供给相绕组的电流和在能量恢复过程中流回变换器的电流。众所周知，与同时打开两个开关相反，分先后打开两个开关是有好处的，这使得电流在由闭合的开关、相绕组和二极管形成的回路中循环-这称作“空转”，并用于各种目的，如限制峰值电流和降低声学噪声。单脉冲模式一般用于典型驱动装置速度范围内的中、高速度。
然而，在速度为零和为低速时，单脉冲模式因会出现高峰值电流所以是不合适的，故使用斩波模式。斩波模式有两种主要的派生方法。最简单的方法是同时打开两个与相绕组相连的开关，如图2中的开关21和22。这使得能量从电机返回DC链路。有时这称为“硬斩波”。另一种方法是只打开其中一个开关并允许发生空转这称作“空转斩波”或“软斩波”。在此控制方式中，没有能量从相绕组返回DC链路。
对于任何斩波方案，可选择确定所用电流水平的策略。在本领域中知道许多这样的策略。一个普遍采用的方案是使用能在高、低电流之间形成斩波的磁滞控制器。图4示出用于硬斩波的典型方案。在选定的接通角度θon(经常是该相具有最小电感的位置，但也可采用其它位置)，电压作用到相绕组上，并且，允许产生相电流，直至它达到上磁滞电流Iu。在此时两个开关都打开，电流下降，直至它达到下电流Il，随后，开关再次闭合，重复斩波循环。图5示出使用空转的磁滞控制器的对应相电流波形斩波频率的下降很明显。
尽管在这根据电流控制以及电流反馈回控制器而描述开关磁阻电机，但是，本领域中一般技术人员应理解，可对开关磁阻电机采用磁通量控制。相反，磁通量具有与输出转矩或力更直接的关系，因此对基本的电机控制有更准确的特性。
上述方法没有考虑到在分析两相或多相的作用时所发生的情况。在此情形中，增加与单相有关的母线电流，以得到总DC链路电流。
在许多不同的系统中可同时导通两相或多相。尽管在两相系统中通常只是轮流操作各相，但共同转让给本受让人的美国专利5747962公开一种在电机的部分电循环中同时使两相工作的方法。在三相电机中，有可能通过单独激励相A，接着单独激励相B，然后单独激励相C而工作。然而，为了提高电机的最小转矩和平均输出转矩，经常采用每相循环的转矩产生部分叠加这一事实的优点。因而，一般使用激励方式A、AB、B、BC、C、CA、A…。相似地对于四相电机，一般总是在所要求的方向上有两相产生转矩，从而各相可以被成对激励AB、BC、CD、DA、AB…。对于更多的相数采用相应的规则，其中有可能对至少部分电循环使用三相或更多的相。
还已知，改变rpt的标空比(markspace ratio)，以便齿的角宽度对应于相的转矩时段所需的角宽度。以此方式，使用直接来自rpt的信号，可以产生任何所希望的叠加量。然而，此转矩叠加在叠加区域中立即增加电源电流，这是不可接受的。
这些励磁造成电源的负担明显加重。尽管在一些应用中DC链路电流的绝对值对于转矩输出是次要的，但在其它应用中，对DC链路电流是极其敏感的，因为电源的容量受限。典型地，可在具有独立发电设备的场合或在移动情形如汽车、船舶或航空应用中发现这样的系统。因为峰值电流的要求，这些系统不适合使用其中同时导通两相的驱动装置。
本发明利用对后述事实的认知当电流在相绕组中空转时，它可产生输出(如转矩)但不对电源电流产生影响。通过在一相完成其正常励磁时段之后进行空转过程以获得电机输出(如转矩)，这可得到良好的效果。当活动部件(如转子)相对于固定部件(如定子)定位在转矩或力产生区域时，本发明通过在第一相励磁的终点和第二相励磁的起点之间增加空转步骤以获得最小的转矩或力输出而不从电源引电流，从而，有助于电机的转动。
根据本发明的另一实施例，提供一种多相开关磁阻驱动装置，其中包括具有定子、相绕组、活动部件和控制器的磁阻电机，通过后述方法，所述控制器能控制相绕组的激励以便相对于定子而转动所述活动部件，此方法包括激励第一相；接着激励第二相；并且在与第二相中至少一部分激励的同时，空转第一相，其中包括同时启动第一相的空转和第二相的激励。
优选地，通过控制电流或磁通量而控制相的励磁。为了起动电机，准备好第一相，以便在激励第二相之前当电机静止于第一相的空转位置时，通过激励第一相而进行空转。在开关磁阻电机中一般希望使用活动部件相对定子位置的某种形式的反馈。这可从监视电机的特性如相电流而得到，或者它可通过使用位置传感器而得到。在后者情况下，传感器机构也可配置得向控制器提供准备好时间信息。
根据本发明的一个具体形式，提供一种控制具有定子的多相开关磁阻电机输出的方法，此电机包括具有相绕组的定子和活动部件，其中，活动部件的位置确定输出产生区域，所述方法包括在第一输出产生区域中激励第一相；在相应的第二输出产生区域中激励第二相；以及在与第二输出产生区域的至少一部分重合的一部分第一输出产生区域中空转第一相，其中包括同时启动第一相的空转和第二相的激励，从而，第一相的空转增加电机的输出。
根据本发明的另一具体形式，提供一种包括含相绕组的定子和活动部件的多相磁阻电机的开关磁阻传动系统，其中所述活动部件相对于定子的位置确定输出产生区域；用于连接每个相绕组和电源的开关装置；以及控制器，所述控制器能控制所述开关装置以在对应的第一输出产生区域中激励第一相绕组；在相应的第二输出产生区域中激励第二相绕组；在第一输出产生区域的一部分上空转第一相绕组，其中包括同时启动第一相绕组的空转和第二相绕组的激励，第一相绕组的空转增加电机的输出。
图8(a)和8(b)解释三相电机的激励方案；图9示出三相电机的两相的转矩曲线；

图10示出结合图9转矩曲线的方法；图11示出结合图9转矩曲线的第二方法；图12示出结合图9转矩曲线的第三方法；图13示出根据本发明的励磁方式；以及图14示出根据本发明的综合转矩曲线。
图6中示意性地示出图1三相四极驱动装置的典型转子位置传感器(rpt)。示出的三个传感器以120°角机械偏移布置，但也可采用任何等于120°电气角度的偏移布置。此示意图具有单位标空比的齿。实际上，这可稍微有些变化以适应传感器任何不理想的特性，如光学传感器的光束宽度或霍尔效应传感器的边缘通量，从而，rpt的最终信号为或可接受地接近于标空比1。
图6的rpt的输出在图7中示出，其中可看到每个rpt信号具有等于电机一个电循环的过程。一般地，叶轮和传感器相对于定子对准，以便相信号中的转变对应于此相中的最小位置和最大电感。然后，有可能以低速在这些转变的基础上直接建立电机的换向，例如，对于三相电机，当rpt输出为1时此相可被激励并且当rpt输出为0时被解除激励，得到前述的励磁方式A、AB、B、BC、…。在现有领域中此方式还可变地描述为50％导通和1相导通。
对于特定的相电流，此励磁方式产生最大的转矩，因为它在半周期上激励该相，在此半周期中产生所需极性的转矩。然而，在这么做时，此励磁方式在其转矩曲线产生较小转矩的部分上激励该相。因此，当此励磁方式产生最大可能的转矩时，DC链路电流的利用相对较差，当导通两相时DC链路电流具有峰值。为了避免此问题，有时采用一次只使用一相的简单策略，还可变地称为33％导通和1-相导通。
在对电机应用此励磁策略时，从图7显而易见，如果使用标准rpt信号，就必须决定是使用所述时段的第一2/3或第二2/3，因为只知道转变点在所述时段的1/3和2/3。这些可选方案分别在图8(a)和8(b)中示出。这两个可选方案得不到相同的效果，因为在实际的电机中，在部分叠加多极的区域中，转矩曲线不与角度成线性关系，如现在所示。
图9示出对于三相电机的典型转矩-角度曲线，此电机在其满负荷定额时提供恒定的相电流。尽管准确的形状取决于电机具体的磁几何和所提供的电流水平，但所示曲线是通常使用形状的特性。曲线A示出相A在一个周期上的完全曲线；曲线B示出相邻相B的曲线的一部分。注意，曲线关于相的最大电感Lmax位置是对称的。图10示出通过使用第一2/3方式即在最小电感位置转换所产生的三相的综合转矩曲线。在转变点附近有明显的迅速下落。为了比较，图11示出使用第二2/3方式即在最大电感位置断开所获得的改进曲线，它有更窄的下落。图12示出更进一步的明显改进，在此，通过移动转变点δ角到相邻相曲线的交叉点，产生最小的下落。转变点的此种移动通过移动rpt传感器切换点的校准δ角即可简单地实现，并且是在开关磁阻电机中普遍使用的技术。
尽管移动rpt切换点δ角的技术对于给定的电流在每个角度位置都产生最大的转矩，但综合转矩曲线在切换点附近仍然有下落。因此，需要一种增加获得的转矩而同时不增加从电源获得的电流的方法。
根据本发明的一个实施例，所用的励磁方式，即图8(a)和10中的第一2/3方式是一般最少受欢迎的方式。这允许用电源电流激励转矩产生区域的第一2/3部分和用空转电流激励最后的1/3部分。这在图13中示意性地示出。这是根据本发明此实施例而编程在图1控制器14中的切换策略。
电流在空转时的衰减速率(在前图5中解释)不受驱动装置的直接控制，因为它取决于空转路径中的旋转速度和电压降(例如，对于图2中所示电路，这些是绕组的IR降以及二极管和开关的向前电压降)。在很低的速度时，电压降占主导；在更高的速度下，绕组电感变化的速率具有主导效应。然而，由于驱动装置的机械惯量的平滑效应，随着速度的增加，“填充”转矩下落的需要降低，因而，此种技术随着速度增加而减小的好处不会损害它的效用。
由于绕组电阻的变化和器件损失，从本发明获得的转矩增加对于不同的驱动装置是不同的，但是如果这些变化和损失相对较小，那么，电流衰减缓慢并且增加的转矩接近于图10中曲线的“丢失”部分。如图14所示，当结合rpt的偏移角δ时(图9)，这事实上使先前的最小转矩翻倍。
一个考虑是驱动装置的起始条件。使用空转的上述方法只有当相在进入空转时段之前已导通时才能执行。如果驱动装置在图13的区域110中停止移动时，那么简单地接通相A中的一个开关就不会有效果。在此情形中，由相B单独产生的转矩对于带动负荷是不够的。
根据本发明的另一实施例，起动程序包含在控制器14中以增加起动转矩，其中，采取控制动作以确定驱动装置是否位于一般在一相中发生空转的区域内。这可通过控制器14检查rpt信号和作出适当的决定来进行。例如在具有图13切换策略的所示三相驱动装置中，根据本发明，任何具有两个高rpt信号(即＝1)的区域是一个在一相中发生空转的区域。本领域中一般技术人员容易理解，可对具有不同相数的驱动装置的控制器14进行相应测试。如果测试表明需要空转，控制器14通过操作相开关21和22使图2变换器电路处于通常的ON(接通)状态而引入电流，由此“准备好”该相。可维持对该相的励磁，直到获得电流的常规整定值为止，于是电流控制器14被编程，以允许在准备好的此相空转的同时在该相的转矩产生区域中激励其它适当的相，从而进行根据本发明的操作。可替换地，进行预定时间的励磁，此时间产生可接受的电流值。只要达到适当的电流水平，就把此相投入空转，然后使相邻相处于ON状态。随后，电机励磁结合图13按照上述进行。
尽管已根据一个方向的旋转作了以上描述，本领域一般技术人员应该意识到，通过使用适当的励磁顺序可获得双向操作。本发明可应用于任何多相系统以及任何能空转每相的转换电路。在旋转布置中电机的输出是转矩，但是在线性磁阻电机中输出可以是力。技术人员将理解，只要不偏离本发明，有可能改变所述布置。相应地，以上通过实例来描述几个实施例，但本发明并不受所述实例的限制。技术人员清楚，只要不显著改变上述操作，可对所述布置作较小的变化。本发明只受后附权利要求的精神和范围的限制。
权利要求
1.一种控制多相开关磁阻电机的方法，其中包括激励第一相；接着激励第二相；以及在与第二相激励过程中至少一部分的同时，空转第一相，其中包括同时启动第一相的空转和第二相的激励。
2.如权利要求1所述的方法，其中，根据电流或磁通量控制激励相。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中包括通过准备好第一相，以便在电机静止于第一相的空转位置时激励第一相而起动电机。
4.如权利要求3所述的方法，其中，电机包括其上安装有每相绕组的定子以及相对定子转动的活动部件，所述方法进一步包括根据指示活动部件相对于定子的位置的信息，确定绕组激励的时间。
5.如权利要求4所述的方法，其中，从确定每相的激励过程和空转过程的位置传感器得到指示位置的信息。
6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，第一和第二相的激励由斩波控制。
7.一种多相开关磁阻驱动装置，其中包括具有定子、相绕组、活动部件和控制器的电感电机，通过后述方法，所述控制器能控制相绕组的激励以便相对于定子而转动所述活动部件，此方法包括激励第一相；接着激励第二相；并且在与第二相激励中至少一部分的同时，空转第一相，其中包括同时启动第一相的空转和第二相的激励。
8.如权利要求7所述的驱动装置，其中包括用于得到电流反馈信号的反馈装置；布置得接收指示电机输出的反馈信号以控制电流的控制器。
9.如权利要求7所述的驱动装置，其中包括用于得到磁通量反馈信号的反馈装置；布置得接收指示电机输出的反馈信号以控制磁通量的控制器。
10.如权利要求8或9所述的驱动装置，其中，反馈装置还包括位置传感器，此传感器提供指示活动部件相对于定子的位置的信号
11.如权利要求7-10任一项所述的驱动装置，其中，控制器布置得，通过准备好第一相，在电机静止于第一相的空转位置中时激励第一相而起动电机。
12.一种控制具有含相绕组的定子和活动部件的多相开关磁阻电机输出的方法，其中，活动部件的位置确定输出产生区域，所述方法包括在第一输出产生区域中激励第一相；在相应的第二输出产生区域中激励第二相；以及在与第二输出产生区域的至少一部分重合的一部分第一输出产生区域中空转第一相，其中包括同时启动第一相的空转和第二相的激励，从而，第一相的空转增加电机的输出。
13.一种包括含相绕组的定子和活动部件的多相磁阻电机的开关磁阻传动系统，其中所述活动部件相对于定子的位置确定输出产生区域；用于连接每个相绕组和电源的开关装置；以及控制器，所述控制器能控制所述开关装置以在对应的第一输出产生区域中激励第一相绕组；在相应的第二输出产生区域中激励第二相绕组；在与第二输出产生区域的至少一部分重合的一部分第一输出产生区域中空转第一相绕组，其中包括同时启动第一相绕组的空转和第二相绕组的激励，第一相绕组的空转增加电机的输出。
全文摘要
本发明涉及开关磁阻电机的励磁,其中开关磁阻驱动装置由电源供电。电机的相由电流斩波控制器控制,所述控制器采用一种使为特定输出产生的电源电流最小化的励磁策略。此策略允许输出相空转,只要它在输入相被激励的同时产生正转矩就行。
文档编号H02P25/02GK1389978SQ0211840
公开日2003年1月8日 申请日期2002年4月24日 优先权日2001年6月6日
发明者查尔斯·R·埃略特, 伊恩·乔迪森 申请人:开关磁阻驱动有限公司