电机运行方法及系统的制作方法

专利名称：电机运行方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及多相电机的运行，具体地说，但不限于，涉及多相开关磁阻电机的运行。
背景技术：
开关磁阻系统的特性和运行在本领域中是公知的并且在例如“Thecharacteristics，design and application of switched reluctance motors anddrives”(开关磁阻电机和电机调速系统的特性、设计及应用)(Stephenson和Blake，PCIM’93，Nürnberg，1993年6月21日至24日，在此引入作为参考)中进行了说明。图1以示意图的形式示出了一种典型的开关磁阻电机调速系统，其中开关磁阻电机12拖动负载19。输入直流电源11既可以是电池，也可以是经整流和滤波后的交流电源。由电源11提供的直流电压在电子控制单元14的控制下通过电力变流器13在电机12的相绕组16之间切换。该切换必须与转子的旋转角度正确同步以便电机调速系统正确运行，通常采用转子位置探测器15来提供对应于转子的角位置的信号。
许多不同的电力变流器拓扑是公知的，以上引用的Stephenson的论文中讨论了其中的几种。图2示出了用于多相系统的一个单相的最常用的一种布置，其中电机的相绕组16在母线26和27之间与两个切换装置21和22串联。母线26和27共同称为变流器的“直流联络线”。能量恢复二极管23和24与绕组相连，以便当开关21和22打开时允许绕组电流回流到直流联络线。电阻器28与下面的开关22串联以提供电流反馈信号。直流联络线之间连接有被称为“直流联络线电容器”的电容器25以提供或吸收直流联络线电流的任何交流分量(即所谓的“纹波电流”)，这些交流分量不能从电源流出或返回电源。实际上，电容器25可以包括若干个串联和/或并联的电容器并且，当使用并联时，某些部件可以分布在整个变流器中。
多相系统通常使用若干并联的图2所示的“相脚”(phase legs)来激励电机的各相。由于开关磁阻电机通常具有很低的相间互感，本领域的标准做法是首先考虑一个相的单独运行，然后简单地添加相应于其他相的成分，但每个相延时适当的时间。
图3示出了图2中所示电路的运行周期的典型波形。图3(a)示出了当开关21和22闭合时在导通角θc的持续时间内施加的电压。图3(b)示出了相绕组16中的电流上升至峰值然后稍微下降。在导通周期结束时，开关打开，电流流向二极管，将反向联络线电压置于绕组之间并因此强迫降低了磁通量和使电流降至零。当零电流时，二极管停止导通，电路处于停用状态，直到后续导通周期开始。当开关打开时，直流联络线上的电流反向，如图3(c)所示，并且返回的电流代表返回给电源的能量。电流波形的形状会因电机运行点以及所采用切换策略的不同而有所不同。正如众所周知以及上述Stephenson论文中所描述的那样，低速运行通常使用电流斩波来抑制峰值电流，并且不同时地断开开关给出了一种通常称为“飞轮”(freewheeling)的运行模式。
开关磁阻电机的性能部分取决于根据转子位置准确定时相激励。通常使用如图1所示的、诸如与安装在定子上的光学或磁传感器配合使用的安装在电机转子上的旋转齿形圆盘之类的传感器15来完成转子位置的探测。产生指示相对于定子的转子位置的脉冲序列并将其提供给控制电路，实现准确的激励。此系统很简单并在许多应用中工作良好。但是，转子位置传感器增加了装配的总体成本、添加了到电机的额外电气连接并因此是潜在的不可靠性的来源。
目前已提出多种用于省去转子位置传感器的方法。W F Ray和I HAl-Bahadly的“Sensorless Methods for Determining the Rotor Position ofSwitched Reluctance Motors”(确定开关磁阻电机转子位置的无传感器方法)(发表在1993年9月13日至16日在英国布莱顿召开的欧洲电力电子会议的会议记录第6卷的7至13页，在此引入作为参考)一文中评述了其中的几种方法。
所提出的这些用于电动机中转子位置判断的方法中的某些方法使用一个或多个电机参数的测量值，从这些测量值可以导出其他值。例如，可以监视一个或多个相中的相磁链(即施加的电压对于时间的积分)和电流。已知电机电感的变化，可以计算作为角度和电流的函数的位置。此特性可以存储为磁链/角度/电流表格，图4中图示了该特性。存储此数据需要使用大型存储器阵列和/或用于在存储点间内插数据的额外系统开销。
某些方法在低速情况下(其中“斩波”电流控制是用于改变输出转矩的主要控制策略)利用此数据。图5(a)中图示了斩波控制，其中示出了相电感周期的电流和电感波形。(注意，电感变化以理想形状示出。)这些方法通常在不产生转矩的相(即在特定时刻不直接从电源激励的那些相)中采用诊断激励脉冲。N M Mvungi和J M Stephenson在“AccurateSensorless Rotor Position Detection in an S R Motor”(在开关磁阻电机中准确探测无传感器的转子位置)(发表在1991年在意大利佛罗伦萨召开的欧洲电力电子会议的会议记录第1卷390至393页，在此引入作为参考)一文中提出了一种适合于低速运行的方法。这些方法最适合于速度相对较低的情况，此时诊断脉冲占用的时间长度与电感周期的总周期时间相比是很短的。随着速度的增加，脉冲会占用该周期的更长部分并很快到达无法获得可靠的位置信息的时刻。
在更高速度时，其他方法在“单脉冲”激励模式下运行。该模式在图5(b)中示出，其中示出了相电感周期的电流和电感波形。这些方法可以在不妨碍正常运行的情况下监视工作相的运行电压和电流。国际专利申请WO 91/02401(在此引入作为参考)中描述了一种典型的更高速度的方法。某些情况下，在θon之后的角度θf打开第二个开关(而不是同时打开两个开关)，允许电流在由闭合的开关、相绕组以及二极管组成的环路中循环是有利的。图5(c)中示出了典型的波形。这种技术被称为“飞轮”并基于各种原因(包括限制峰值电流以及减少噪声)而被采用。
开关磁阻电机的相电感周期是该相(或每相)的电感变化周期，例如当转子极与相应定子极完全对齐时最大值之间的周期。图5(a)示出了理想形状的电感形状图，而在实际中，形状图的各角为圆滑的，这是因为磁通量在空气中的发散以及铁磁路径的饱和。
单脉冲模式下的开关磁阻电机的相电流波形的形状与相绕组的电感形状图有关是公知的。具体地说，当相电流在相电感周期中从上升变为下降时，电感形状图上升部分的起始处(这是由于定子极和转子极开始重叠)对应于翻转处。欧洲专利申请EP1109309A(在此引入作为参考)讨论此现象，并将单脉冲运行下电流中的固有峰值用作转子位置探测方法的依据。
在所有这些方法中，转子位置探测所采用的参数的波形幅值必须足够大以使所选的算法可靠地工作。虽然当电机在满载或接近满载时这并不是一个问题，但是，如果电机在无负载或输出很小的情形下以特定速度运行，磁通量或电流(例如)通常如此之小，以致位置探测算法在最好情况下也是易于出错的并且经常彻底失败，于是控制系统会失去对电机的控制。在许多应用中，这是不可接受的。

发明内容
在一种形式中，本发明的一个实施例提供了一种运行多相电机的方法，所述方法包括对于给定输出需求，至少减小一个相的负载；以及对于该给定需求，增加其他一个或多个相的负载以补偿该至少一个相的负载减小，其中各相负载的变化允许例如在低负载时有助于转子位置探测。
相负载是该相对由多个相输出组成的电机总输出的贡献。在理想的正常运行条件下，每相的负载是相等的。本发明的此实施例改变至少一个相中的负载并调整其他相中的输出以进行补偿。与先前认为可能的范围相比，这有助于在更广的系统负载范围内实现可靠、经济的转子位置探测。
优选地，将该至少一个相的负载减小为零。
无论何时，只要达到参数的阈值、或者已经超过该阈值预定时间后或者在预定时间内达到该阈值给定次数，就可以调用本发明的方法。这解决了调用该方法不确定或者回复到传统运行技术的问题。
在无传感器的转子探测技术中，参数(例如，相电流或磁链)可以用于确定电机转子相对于电机定子的位置。因此，本发明在允许增加提供给剩余(多个)相的电流的同时，将参数读数提高到阈值(否则参数读数在该阈值易于出错)之上。
根据一种特定的形式，所述方法包括读出电机的参数；判定该参数何时超过预定的阈值；以及减小所述至少一个相的负载以进行响应。
可以当例如参数信号电平中的一组阈值中的每一个阈值被超过时逐步减小相负载。可替代地，可以当这样一组阈值中的每一个阈值被超过时依次减小每个相的负载。


本发明可以以多种方式实现，现在将通过实例的方式并参考附图对其中的某些方法进行说明，这些附图是图1示出了典型的现有技术的开关磁阻电动机调速系统；图2示出了图1的变流器的一个相的已知拓扑；图3(a)示出了开关磁阻电机的电压波形；图3(b)示出了相应的相电流波形；图3(c)示出了相应的电源电流波形；图4示出了典型的磁链和相电流的曲线，使用转子位置作为参数；图5(a)示出了斩波控制中典型的电动机运行电流波形；图5(b)示出了单脉冲控制中典型的电动机运行电流波形；图5(c)示出了使用飞轮的单脉冲控制中典型的电动机运行电流波形；图6示出了电机在满载运行下的相电流波形；图7示出了同一电机在减小的负载下运行的相电流波形；图8示出了同一电机在进一步减小的负载下运行的相电流波形；图9示出了根据本发明的一个实施例运行的同一电机的相电流波形；图10示出了一个其中可以实现本发明的电机调速系统；
图11示出了实现一个实施例的计算机程序的流程图；以及图12示出了实现还一实施例的计算机程序的另一流程图。
具体实施例方式
将要说明的示例性实施例使用处于电动机运行模式的3相开关磁阻电机调速系统，但是无论该调速系统在电动机运行模式还是在发电模式，任何相数大于1的开关磁阻电机都可以使用。
当平衡的多相电机在稳态下运行时，所有相对于电机输出的贡献均相同并且输入相数也相同。例如，如果电机处于电动机运行模式，则输出为机械能，输入为平衡的相电流。如果电机运行在发电模式下，则输出为平衡的相电流形式的电能，输入为提供给转子的机械能。在这些情况下，可以说电机在各相之间平均分配提供所需输出的负载。
图6示出了示例性三相开关磁阻电机以4000转/分在接近其满载22KW运行时测量的相电流波形。正如预期的那样，电流处于平衡状态。相电流的大小(峰值约为78A)足以使控制器以令人满意的方式使用位置探测程序来确定转子位置。
图7示出了运行在2％满载转矩且相电流峰值约为5A的同一电机的相电流波形。虽然电流仍接近于平衡，但是，负载中相对较小的扰动会引起电流中显著的瞬态失衡。电流的大小现在已经下降到这样的程度以致位置探测程序不能可靠地工作。图8示出了需求再稍微减小的效应，其导致控制器失去控制并停止正确地换相。虽然已知程序可以从这样的状况恢复，但不可避免会对电机的输出产生干扰，其对于用户而言可能是无法接受的。
本发明可以在达到该点之前实施。使电机以比电机中总相数更少的相来运行。对于给定的负载需求，这使电机在仍然运行的相中工作得更费力，从而增大了这些相中的电流。在此图中，电机仅使用三相中的一相运行。图9示出了该相的电流波形，其中速度和输出转矩与图7中的速度和转矩相同。峰值电流已从5A上升至15A，使位置探测算法能够以大得多的安全裕度运行。在这种情况下，现在负载单独作用在各相中的一个相上，因为剩余相的负载被减小为零。
这种运行方法极大地增加了位置探测算法的可靠性，并使算法能够在比可能的范围更广的负载需求范围内成功运行。虽然由于只有一个相而不是三个相对输出作出贡献，转矩脉动将增加，但这优于如果换相失败(由于无传感器算法无法跟踪位置)造成的突然失去转矩。
本发明可以响应于触发器事件来实现。所述事件可以是例如负载需求下降到预定水平以下或者相电流下降到预定水平以下、或者是与其稳定运行区域边缘附近的位置探测算法相关的某些其他事件。在下面所述的实例中，为相电流设置了阈值。在电机调速系统的其他实例中，测量相电流可能是不方便的或不可能的，因此可以使用(比如说)负载需求的阈值。
图10示出了一种用于实现其中包含本发明的一种形式的方法的系统。在所述系统中，提供了电力变流器13(通常与图1中所示的电力变流器相同)用于控制开关磁阻电机。控制变流器13的是控制器140，其在此实施例中包括处理器(具体地说，例如Analog Devices 2181系列中的一种的数字信号处理器144)以及关联的程序和数据存储器146。替代实施例可以包括本领域中公知的微处理器或其他形式的可编程装置。所述处理器根据存储器146中存储的程序代码以传统方式运行来执行本发明的所述方法。
图11示出了概述在控制器140中实现本发明一个实施例的控制方法的流程图。在步骤150，所述控制器通过公知的方法(例如通过检查来自电流传感器18的输出)对相电流进行采样。在步骤152，所述控制器执行测试以检查峰值相电流是否已下降到设置的阈值以下。对于任何电机调速系统，该阈值可以是固定的，或者可以是速度的函数。如果测试结果为不满足条件，控制器正常运行，使用所有的相；如果测试结果满足条件，则表明电机应该以减少的相数运行，然后将工作相数设置成预定数目。当然，减少的相数必须包括涉及布置电流传感器18的相。在优选的形式中，工作相数减小为1，从而最大限度地增加剩余相的数量。
在判定相电流何时达到阈值的基本技术的进一步发展中，在电机以减少的相数继续运行之前，系统要求一系列电流值等于或低于所述阈值。这避免了在出现虚假读数的情况下对控制策略进行不适当的改变。类似地，在已经达到阈值后，可以对相同端使用在给定周期上对相电流的评估，以便避免控制策略出现不可接受的不稳定变化。
一种更复杂的办法(在图12中以示意形式示出)是连续地减少运行相数，这样对于任何负载均可保持最大运行相数。随着负载进一步减小并且电流再次降至所述阈值，运行相数再次被减少。因此，例如当负载逐渐减小时，一个4相系统可以以3相、2相以及1相运行。在这种情况下，可建立一组阈值并在阈值处判定是移除还是重新引入一个相。再一次地，通过只有在电流在给定周期下降到阈值以下或在给定周期内下降到阈值以下若干次时才采取行动，可以解决当电流达到或高于给定阈值时移除和重新引入相的不稳定性。
在图12中，在155执行进一步测试以判定电流是否已低于一组阈值中的下一个阈值。如果测试结果满足条件，控制循环回154，在154，进一步减少相数(如果可能)。当运行相数已确定时，控制如以前那样传递到步骤156并实现所选的无传感器算法以确定转子位置，然后在步骤158控制以传统方式继续。
图11或12的程序可以在每个电气周期执行，或定期执行，无论哪种都适合所述电机调速系统的规范。
示出的电机具有三相，但本领域的技术人员将认识到可以使用具有不同相数或磁极组合的电机，因为本发明并非专用于任何特定的电机拓扑。例如，一台具有8个定子极和6个转子极的四相电机可以以一个相(比如说A相)运行，或以两个相(比如说A相和B相或者A相和C相)运行。后者具有可以提供更平滑的转矩输出的优点。
所述方法可应用于作为电动机或发电机运行的电机和任何使用与相有关的参数进行转子位置探测的电机并具有相同的益处。该方法并非专用于一种类型的位置控制算法。
本领域的技术人员将理解，可以在不偏离本发明的情况下对公开的布置进行更改，特别是在控制器中实现算法的细节。还显而易见的是，虽然以开关磁阻电机对所述技术进行了描述，但是所述技术可用于任何具有独立供电相的电机。
进而，本文所述的每个相的负载既可以全部转为电机输出(电的或机械的)，也可以完全从运行移除。在某些情况下和/或某些类型的电机中，只减轻一个相的某些负载以增加用于从剩余(多个)相探测转子位置的参数值，避免完全取消对(多个)标称相的激励是有利的。因此，仅部分减小其他相中的负载以及补偿连接有参数传感器的剩余相中负载的减小可以充分增加可用于读出的信号。
此外，虽然根据旋转电机描述了本发明，但本发明同样适用于具有轨道形式的定子和在其上运动的运动部件的线性电机。在本领域中使用的“转子”一词同时指旋转电机和线性电机的可运动部件并且在本文中也应按照这种方式理解。因此，以上通过实例方式对若干实施例进行了描述并且并非出于限制目的。对本领域的技术人员显而易见的是，可以对所述控制方法做出细微修改而不显著更改上述操作。本发明旨在仅由以下权利要求的范围来限制。
权利要求
1.一种运行多相电机的方法，所述方法包括从所述电机的参数导出转子位置的值；对于给定输出需求，减小至少一相的负载；以及对于所述给定输出需求，增加一个或多个其他相的负载以补偿所述至少一相的负载减小，从而有益地改变用于转子位置探测的参数的值。
2.如权利要求1中所述的方法，其中所述一个或多个其他相为单相。
3.如权利要求1或2中所述的方法，其中在所述至少一相中将所述负载减小为零。
4.如权利要求1、2或3中所述的方法，包括判定所述参数何时经过预定阈值；以及减小所述至少一相的负载进行响应。
5.如权利要求4中所述的方法，包括判定所述参数何时经过多个阈值中的每一个阈值；以及随着经过每个阈值顺序地增加所述一个或多个其他相的负载。
6.如权利要求4中所述的方法，包括判定所述参数何时经过多个阈值中的每一个阈值；以及随着经过每个阈值将递增的相数的负载减小为零。
7.如权利要求4至6中任一权利要求所述的方法，其中当所述参数经过所述阈值预定时间时减小所述至少一相的负载。
8.如权利要求4至6中任一权利要求所述的方法，其中当所述参数在预定时间内经过所述阈值预定次数时减小所述至少一相的负载。
9.如权利要求1至8中任一权利要求所述的方法，其中所述参数为相电流。
10.如权利要求9中所述的方法，其中所述参数为相电流的峰值。
11.如权利要求1至8中任一权利要求所述的方法，其中所述参数为相磁链。
12.如权利要求1至11中任一权利要求所述的方法，其中所述电机是作为发电机或电动机运行的开关磁阻电机。
13.一种用于运行多相电机的系统，所述系统包括用于控制所述多个相中的每个相的激励的切换装置；用于从所述电机的参数导出转子位置的值的装置；以及在操作上连接到所述切换装置以控制对所述电机的输出做出贡献的所述多个相中每个相的负载的控制装置，对于给定输出需求，所述控制装置在操作上可以减小至少一相的负载，并且对于该给定输出需求，可以增加所述一个或多个其他相的负载以补偿所述至少一相的负载减小。
14.如权利要求13中所述的系统，其中所述控制装置在操作上可以增加单个其他相的负载。
15.如权利要求13或14中所述的系统，其中所述控制装置在操作上可以将所述至少一相的所述负载减小为零。
16.如权利要求13、14或15中所述的系统，所述系统包括用于读出所述电机的参数的装置，当所述参数经过预定阈值时，所述控制装置响应所述读出的参数以减小所述至少一相的负载。
17.如权利要求16中所述的系统，所述系统包括用于判定所述参数何时经过多个阈值中的每一个阈值的装置，随着经过每个阈值，所述控制装置在操作上可以将递增的相数的负载减小为零。
18.如权利要求16中所述的系统，所述系统包括用于判定所述参数何时经过多个阈值中的每一个阈值的装置，随着经过每个阈值，所述控制装置在操作上可以顺序地减小所述至少一相的负载。
19.如权利要求16至18中任一权利要求所述的系统，其中所述控制装置在操作上可以减小所述至少一相的负载以响应所述参数经过所述阈值预定时间。
20.如权利要求16至19中任一权利要求所述的系统，其中所述控制装置在操作上可以减小所述至少一相的负载以响应所述参数经过所述阈值预定时间。
21.如权利要求13至20中任一权利要求所述的系统，其中所述电机是作为发电机或电动机运行的开关磁阻电机。
22.如权利要求16至21中任一权利要求所述的系统，其中所述参数为电流。
23.如权利要求22中所述的系统，其中所述参数为相电流的峰值。
24.如权利要求13至21中任一权利要求所述的系统，其中所述参数为相磁链。
25.一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储安排成当被加载到计算机时执行权利要求1至12中任一权利要求所述的方法的计算机程序。
全文摘要
一种电机运行方法，可以不使用物理的转子位置探测器对电机进行控制。当需求转矩输出较低时，所述控制方法使电机以比全部相更少的相运行，从而增加相电流并改进位置探测算法的分辨能力。本发明的方法可以包括采样所述电机的相电流、判定所述相电流是否高于预定阈值、减少工作相的数目以及从剩余相中增加的相电流导出转子位置的值。
文档编号H02P6/14GK1614870SQ200410086859
公开日2005年5月11日 申请日期2004年11月2日 优先权日2003年11月6日
发明者R·A·诺曼 申请人:开关磁阻驱动有限公司