开关磁阻电机驱动器的准无传感器自适应控制的方法和装置与流程

本申请要求于2017年6月14日提交的序列号为62/519807的美国临时申请的优先权。该临时申请的公开内容并入本文，如同全文列出一样。

技术领域

本发明一般涉及开关磁阻电机(switched reluctance motor)驱动系统，并且更具体地，涉及基于开关磁阻电机的相位的电感测量的用于转子位置估计的系统。

背景技术：

开关磁阻电机(“SRM”)是一种旋转电机，其中定子和转子两者具有凸极(salient pole)。开关磁阻电机由于其坚固且强健的结构，是各种电机控制应用的可行候选。开关磁阻电机由与给定转子位置耦合的电压冲程而驱动。SRM是在转子和定子两者上具有多个极的无刷电机。不同于未被激励且没有定子的转子，定子具有相绕组。不同于未被激励且其上没有安装绕组或永磁体的转子，定子具有相绕组。相反，SRM的转子由导磁材料(通常是铁)形成，当电流流过定子磁极上的绕组时，该导磁材料吸引由该定子磁极上的绕组产生的磁通量。当对应于转子位置、以顺序方式接通和断开对定子相绕组的激励时，磁引力导致转子旋转。对于SRM，一对径向相对的定子磁极产生转矩，以吸引一对相应的转子磁极与该定子磁极对准。结果，该转矩产生在SRM的转子中的移动。

使用开关磁阻电机驱动器用于工业应用是最近才出现的。SRM驱动器已被认为是对于几种变速驱动器应用中的传统驱动器的可能的替代。在传统SRM中，诸如编码器或分解器(resolver)的轴角传感器(transducer)生成转子位置信号，并且控制器读取该转子位置信号。为了努力在减小尺寸和成本的同时提高可靠性，先前已经提出了各种方案来通过确定参考换向角来去除轴位置传感器。这些方案通过监视电机的端电压和电流来实施间接转子位置感测。开关磁阻电机的性能部分取决于相对于转子位置的相位激发(energization)的精确定时。当至少一个相位被激发且转子在旋转时，这些方法是有用的。

另一方案描述了用于使用有功(active)相电压和电流测量来实现SRM驱动器的无传感器控制的系统和方法。无传感器系统和方法通常依赖于SRM驱动器的动态模型。实时测量有功相电流，并且使用这些测量，通过数值技术求解表示有功相位的动态方程以获得转子位置信息。相位电感由傅里叶级数来表示，系数被表示为相电流的多项式函数，以补偿磁饱和。控制器基本上与驱动系统并行运行观测器(observer)。由于电机的磁特性被精确地表示，由观测器计算的状态变量预期与实际状态变量相匹配。因此，也作为状态变量的转子位置将间接地可用。该系统教导了用于使用从有功相位测量的相位电感来估计转子位置的一般方法。这里，它们向有功相位施加电压并且测量电流响应以测量位置。该电流幅度被保持为低，以最小化在电机的轴上生成的任何负转矩。

另一方案描述了涉及将电压感测脉冲施加到一个未激发的相位的间接电机位置感测的方法。结果是与相位电感的瞬时值成比例的相电流的改变。通过将相电流的变化与参考电流进行比较来确定合适的换向时间，从而将相位激励与转子位置同步。可以通过分别降低或增加阈值来提前或延迟相位激励。由于在较高速度期间无功(inactive)相位的不可用性，利用SRM的无功相位的这种换向方法限于低速。此外，尽管电流和转矩水平在无功相位中相对较小，但是它们将对在这种应用中SRM效率的损失有贡献。

又一方案公开了基于瞬时相位通量和相电流测量的对于SRM的转子位置估计器。以取决于SRM操作的特定象限的预定序列对相位执行相电流和通量感测。对于预定感测序列中的每个相位，在操作期间在一对预定感测区域中进行相位通量和相电流测量，每个预定感测区域定义在转子位置的范围上。转子位置估计是从对于每个相应相位的在其相应感测区域期间的相位通量和相电流测量而得到的。相对于公共参考相位来标准化对每个相位的转子位置估计，并且根据考虑了对于以下事实的方程来计算对SRM的转子位置估计：对于所确定的任何给定转子位置，SRM的转子磁极可以是接近对准或未对准。采样的相电压和相电流被积分以获得相位通量。

仍然需要一种使用相位电感之间的关系的唯一序列以增强转子位置估计的精度的开关磁阻电机驱动器的准无传感器自适应控制的方法。这种方法以每转多达30次更新来非常严密地监视速度，因此，这将提供比目前使用的几种无传感器方案更高的分解力(resolution)。这种所需的方法自动地适应电机到电机或工艺的变化，因为它不会假定所有制造的机器之间的完全一致性。此外，这种方法将创建不需要对于所有电机规格和额定功率被校准的控制算法。此外，这种方法将能够自然地将控制算法校准到正被测试的机器的电感分布(profile)。这种系统将不要求控制算法的任何调整，并且也将不要求电机的制造规格的任何先验知识，这将进一步减小机器制造者的结构细节负担。该方案将使用它自己的一组步骤以用于自动校准任何机器的电感分布，并且因此将节省在工业设置中机器的设置和测试所涉及的时间和资源。最后，该方法是可靠的、强健的、完全可缩放的，并且将提供一种积极寻求将模型校准到所制造的每台机器的明确技术。本实施例通过实现这些关键目标来克服本领域中的不足。

技术实现要素：

为了最小化在现有系统和方法中发现的限制，并且最小化在阅读本说明书后将显而易见的其它限制，本发明的优选实施例提供了用于高转子磁极开关磁阻电机(HRSRM)的准无传感器自适应控制的方法和装置。

该方法包括以下步骤：使用HRSRM的相位电感之间的关系的唯一序列来估计HRSRM的转子的初始位置，然后相对于该初始位置对准转子以从已知相位开始并且提供在正确方向上的旋转。电流被施加到有功相绕组以旋转电机，并且通过估计电感分布使用在初始旋转期间的无功相绕组上的诊断脉冲来估计位置。电压脉冲被施加到无功相绕组，并且测量每个无功相位中的电流响应。接下来，系统将多个诊断脉冲施加到无功相位以标识下一相位，并且为磁传感器上的软件控制模块建立牢固的时基(time base)。接下来，系统计算速度，并且通过从磁传感器生成电机索引脉冲来更新时基。电机的轴速度被校准，这又校准软件编码器以在时基上操作。该方法取消了磁传感器的开关阈值(switching threshold)，并且监视有功相位中的电流波形的斜率以从编码器软件精细调谐点火(firing)角。基于估计的时基和轴速度的脉冲时间ton被调整以跟踪任何监视的速度改变。基于轴速度的闭合角(dwell angle)被固定。

用于高转子磁极开关磁阻电机(HRSRM)的准无传感器控制的设备包括：开关磁阻电机，具有定子和转子；三相逆变器，由连接到该开关磁阻电机的处理器控制；负载以及转换器。该转子包括多个沿圆周间隔的转子磁极，并且与具有磁传感器的电机轴旋转地相关。该三相逆变器适于充当该开关磁阻电机的电源，该处理器具有软件控制模块和软件编码器。该负载经由直列式(inline)转矩计连接到开关磁阻电机，并且该转换器连接到该负载。

本发明的第一目标是提供一种开关磁阻电机驱动的准无传感器自适应控制的方法，其采用相位电感之间的关系的唯一序列以增强转子位置估计的准确性。

本发明的第二目标是提供一种监视计算的轴速度并且如果检测到速度的任何改变则持续更新的方法。

本发明的第三目标是提供一种创建控制算法的方法，该控制算法需要对所有电机规格和额定功率的校准。

本发明的第四目标是提供一种将控制算法自然地校准到正被测试的机器的电感分布的方法。

本发明的另一目标是提供一种方法和装置，其不需要对控制算法的任何调整或电机的制造规格的任何先验知识，这消除了机器制造者所需要的结构细节。

本发明的另一目标是提供一种自动校准任何机器的电感分布并且从而节省在工业设置中机器的表征和测试的时间和资源的方法。

本发明的又一目标是提供一种可靠、强健和可缩放并且提供积极寻求将模型校准到所制造的每台机器的明确技术的方法。

本发明的这些和其它优点和特征被具体描述，以使本领域普通技术人员可理解本发明。

附图说明

为了加强它们的清楚性并提高对本发明的这些各种元素和实施例的理解，附图中的元素不是必须按比例绘制。此外，为了提供本发明的各种实施例的清晰视图，没有被认为是描绘业内人士公知的和很好理解的元素，因此为了清楚和简明起见，附图在形式上被概括。

图1示出了根据本发明的用于控制高转子磁极开关磁阻电机(HRSRM)的方法的流程图；

图2是示出根据本发明的根据三相SRM的相位改变的电感分布的曲线图；

图3示出了根据本发明的用于控制高转子磁极开关磁阻电机(HRSRM)的装置的框图；

图4A是示出根据本发明的在特定负载下三相SRM的电流波形的曲线图；

图4B是示出根据本发明的在另一负载下三相SRM的电流波形的曲线图；以及

图4C是示出根据本发明的在又一负载下三相SRM的电流波形的曲线图。

具体实施方式

在针对本发明的多个实施例和应用的以下讨论中，参考附图，附图形成该讨论的一部分，并且附图中通过说明性的方式示出了可以实践本发明的具体实施例。将理解，可以利用其它实施例，并且可以进行改变而不脱离本发明的范围。

下文描述了每个可以彼此独立地使用或者与其它特征结合使用的各个发明特征。然而，任何单个发明特征可能不解决上面讨论的任何问题，或者仅解决上面讨论的问题之一。此外，上面讨论的一个或多个问题可以不由下面描述的任何特征完全解决。

如本文所用，除非上下文另外明确指示，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代物。除非另外明确说明，否则本文使用的“和”与“或”可互换使用。如本文所用，术语“约”表示所叙述参数的+/-5％。除非上下文另外明确指示，否则本发明的任何方面的所有实施例可以组合使用。

除非上下文另外明确要求，否则贯穿说明书和权利要求，词语“包括(comprise)”、“包括(comprising)”等将以包含性意义来解释，与排他性的或穷尽性的含义相反；也就是说，以“包括但不限于”含义。使用单数或复数的单词也分别包括复数和单数。另外，当在本申请中使用时，词语“在此”、“其中”、“然而”、“上面”和“下面”以及具有类似含义的词语将指代整个本申请，而不是本申请的任何特定部分。

本公开的实施例的描述并不意图是穷举的或将本公开限制为所公开的准确形式。虽然本文出于说明性目的描述了本公开的具体实施例和示例，但是在本公开的范围内，各种等效修改是可能的，如相关领域的技术人员将认识到的。

参照图1至图2，根据本发明的用于控制高转子磁极开关磁阻电机(HRSRM)100的方法的流程图在图1中示出。本实施例中描述的方法100增强了估计转子位置的准确性，并且还允许SRM的至少一个相位从以顺时针或逆时针方向旋转而定位在完全对准的位置。方法100允许对开关磁阻电机中的速度的准无传感器控制，并创建与SRM的电感分布自然地校准的控制算法。为了SRM的恰当开关操作，重要的是使定子相位激励与转子位置同步。

方法100包括以下步骤：使用HRSRM的相位电感之间的关系的唯一序列来估计HRSRM的转子的初始位置，如块102所示。

当旋转转子时，随着每个转子磁极变成与定子磁极对准和非对准，转子在每个定子磁极中产生电感分布。三相SRM的电感分布如图2所示。例如，为了估计初始转子位置，在电感分布中定义六个启动区域，如图2所示，其中相位电感的值具有固定的关系。令La、Lb和Lc分别是相位A、B和C的电感。根据电感关系，可以标识需要激励哪个相位或哪些相位来将电机驱动到完全对准的位置。通过将电压脉冲依次施加到每个相绕组并测量得到的相电流达到预设限制所需的时间来确定初始位置。

为了确定初始位置，将电压脉冲依次施加到每个相绕组，并测量得到的相电流达到预设限制所需的时间。电流斜升时间是相位电感和电压脉冲幅度的函数，由以下方程给出：

E＝L*di/dt

其中E是施加的电压参考幅度，L是相位电感，并且i是相电流。

电感值越大，电流上升到参考限制的时间越长。对于零的初始相电流和参考电流Iref，到参考的时间Tp由以下给出；

Tp＝L*Iref/E

从测量的电流斜升时间标识初始位置。

基于初始位置，设置硬对准，以便从已知相位开始，并在正确的方向上旋转，如块104所示。电流被施加到有功相绕组以旋转电机，如块106所示。有功相位实质上是具有与最接近的对准位置最靠近的转子磁极的相位。在初始旋转期间，通过在无功相绕组上施加诊断脉冲并通过估计电感分布来估计位置，如块108所示。SRM的电感分布指示当转子处于对准位置时，电感最大，且当转子处于未对准位置时，出现最小电感。下一步骤是将电压脉冲施加到无功相绕组，并测量每个无功相位中的电流响应，如块110所示。将多个诊断脉冲施加到无功相位以标识何时下一相位必须被点火，如块112所示，并且为磁传感器上的软件控制模块建立牢固的时基，如块114所示。磁传感器从磁传感器生成索引脉冲(每转20个边沿)，以计算速度并持续更新时基。多个诊断脉冲可以被施加达10次旋转，以为软件控制模块点火下一相位建立牢固的时基。10次旋转后，软件定时接管，不再需要无功相位来维持操作。通过从磁传感器生成电机索引脉冲来计算电机速度并且更新时基，如块116所示。每转子磁极生成三个信号。换句话说，对于具有10个转子磁极的电机，电机的轴速度被校准30次。此步骤重复10转(或者为了更高的准确性而更多转)，并被用来校准软件编码器以在此时基上操作。如块118所示，电机的轴速度被校准，并且软件编码器被校准以在该时基上操作。建立时基以避免速度的计算值的任何偏移(slip)。本发明的方法还取消了磁传感器的开关阈值，如块120所示。这确保了在控制算法中牢固地建立时基，以避免计算的值的任何偏移。监视有功相位中的电流波形的斜率，以从编码器软件精细调谐点火角，如块122所示。电流的斜率被评估达固定的持续时间，以从编码器软件精细调谐点火角。计算的轴速度在一个周期内更新30次，以持续跟踪速度的任何改变。

基于估计的时基，对每个相位单独调整脉冲时间ton，如块124所示。通过这一步，对每个相位单独调整脉冲ton，等于每机械转的30次校正。该方法然后监视轴速度以跟踪速度的任何改变，并且基于轴速度固定闭合角，如块126所示。可以非常严密地监视速度，在示例中，每转更新多达30次，从而提供比目前使用的几种无传感器方法更好的分辨率。

基于速度来固定闭合。建立电流带，如果命令电流低于较低的带，则该电流带减小闭合，并且如果命令电流高于较高的带，则该电流带增加闭合。如果命令电流低于较低的带，则闭合角减小，如果命令电流高于较高的带，则闭合角增大。这具有在较低功率水平下增加相电流的效果，从而在较高饱和水平下操作SRM。对于给定的功率输出，减小闭合将命令较低的相电流。

图3表示用于高转子磁极开关磁阻电机(HRSRM)的准无传感器控制的装置200，该装置200包括具有定子和转子的开关磁阻电机202。转子包括多个沿圆周间隔的转子磁极，并且与电机轴旋转地相关，该电机轴具有磁传感器。HRSRM还包括经由直列式转矩计206连接到开关磁阻电机202的输出的可编程无刷直流负载204、以及连接到该负载的转换器208。软件编码器定位在控制处理器210中，该软件编码器基于磁传感器建立牢固的时基。当旋转转子时，随着每个转子磁极变成与定子磁极对准和未对准，转子在每个定子磁极中产生电感分布。每个转子磁极生成至少三个信号，以便校准电机的轴速度。由控制处理器210控制的三相逆变器212连接到开关磁阻电机202。该逆变器212适于充当开关磁阻电机202的电源，该控制处理器210具有软件控制模块和软件编码器。

高转子磁极开关磁阻电机(HRSRM)202的准无传感器控制将控制算法自然地校准到正被测试的开关磁阻电机202的电感分布。开关磁阻电机202可缩放到所有功率水平，并且控制算法的创建不是必须针对于所有电机规格和额定功率而被校准。开关磁阻电机202可以自动地适应电机到电机或工艺的变化。

在一个实施例中，该系统包括用于控制高转子磁极开关磁阻电机(HRSRM)的方法，该方法包括以下步骤：使用HRSRM的相位电感之间的关系的唯一序列来估计HRSRM的转子的初始位置；将电流施加到有功相绕组以旋转电机；将电压脉冲施加到无功相绕组；测量无功相位中的电流响应；将多个诊断脉冲施加到无功相位以标识下一相位；为磁传感器上的软件控制模块建立牢固的时基；通过从磁传感器生成电机索引脉冲来更新时基；计算电机的轴速度并校准软件编码器以在该时基上操作；取消磁传感器的开关阈值；监视有功相位中的电流波形的斜率以从编码器软件精细调谐点火角；基于估计的时基调整脉冲时间ton；监视轴速度以跟踪速度的任何改变；以及基于轴速度和电流调整闭合角。

参考图4A至图4C，示出了根据本发明在不同负载下三相SRM的电流波形。在具有速度900RPM和1Nm的轻负载下的三相SRM的电流波形示出图4A中，在具有速度1200RPM和6Nm的部分负载下的三相SRM的电流波形示出在图4B中。图4C示出了具有速度1800RPM和6Nm的全负载下的三相SRM的电流波形。本发明的方法监视电流波形的斜率，以从编码器软件精细调谐点火角。图4A至图4C示出了根据负载变化的闭合角的变化。响应于负载或命令的电流改变，具有软件控制模块的处理器提前或延迟电流波形的定时。选择提前量或延迟量以将电流斜率维持到恒定的参考值。

出于说明和描述的目的，已经呈现了本发明优选实施例的以上描述。不意图穷举或将本发明限制在所公开的准确形式。根据上述教导，许多修改和变化是可能的。意图是本发明的范围不受该详细描述的限制，而是由权利要求和所附权利要求的等同物来限制。