用于控制开关磁阻机的控制系统、开关磁阻机、装置和方法与流程
本发明涉及一种用于控制开关磁阻机的控制系统，该开关磁阻机包括：包括一个或多个转子极的转子；包括一组或多组定子极的定子，每一组包括包含相绕组的一个或多个定子极，以使得每一相绕组与各组定子极中的相应的一组定子极相关联；其中转子可通过经由为相绕组供电对各组定子极进行顺序供电来相对于定子移动；其中该控制系统被配置成控制对各组定子极的供电。本发明进一步涉及一种控制如上所述的开关磁阻机的方法，该方法包括由控制器控制对各组定子极的供电。本发明进一步涉及一种开关磁阻机以及一种装置，诸如发电机或车辆。
背景技术：
所公开的本发明涉及对开关磁阻(sr)电机的控制，尤其涉及对在连续导通模式中操作的开关磁阻机的控制。在开关磁阻机中，在低速下，转矩主要可通过经由开关功率电子器件控制相电流的幅值来调节。当关断开关元件时，相电流快速降至零。最大转矩取决于相电流极限。在中速下，峰值电流可通过控制接通相的相对转子位置来调节。由于增加的反电动势(emf)，即使开关元件保持活动，电流也将减小。关断该相后电流轨迹较小，这可能会导致产生的转矩较小。当速度增加时，必须使接通角提前才能达到相同的峰值电流。关断该相后的电流轨迹也变得更大。
在上文中，提及‘低速’和‘中速’，这些术语当然没有标识确切的速度范围，其中开关磁阻机根据上述特性来操作。但是，本领域技术人员将理解，适用的速度范围在很大程度上取决于精确的电机设计和因开关磁阻机而异的其他参数。因此，无法将术语‘低速’和‘中速’链接到直接可标识的速度范围。通常，低速和中速范围至少具有以下共同点，即在关断该相后和下一相开始之前，相电流下降并变为零。在开始下一换流之前电流总是达到零的情况称为‘不连续导通模式’。
然而，从一定速度开始，电流轨迹将达到下一换流将开始的角度。减小闭合角(dwellangle)(接通和关断该相之间的夹角)可以避免这种情况，但是随着速度的增加，功率也会降低。另一种可能性是将电机控制在‘连续导通模式’中，也被称为‘连续电流模式’。在该模式中，相电流在换流之间没有变为零。这使得预测由某些点火角(firingangle)产生的相电流波形变得更加困难，因为它取决于先前换流结束时的电流。各种属性，诸如但不限于相电阻和功率电子器件压降，因此对所得相电流波形具有显著影响。在具有固定的点火角且没有其他控制方式的情况下，电流波形乍看似乎在连续导通模式下稳定，但由于环境条件的变化，它将连续变化。例如，在测试台上，可以观察到当电机线圈温度变化时电流波形连续变化，而点火角保持不变。与不连续导通模式相比，点火角的很小变化会对所得波形产生很大影响。这使得在不连续和连续导通模式之间的转换变得困难，尤其是在电机模型的精度不是非常好或者环境条件未被确切知晓的情况下。这例如由于产生不期望的转矩或产生不足的转矩而导致电机的性能不足。
为了在连续导通模式中创建稳定且可预测的电流波形，需要某种反馈控制。在本领域已经提出了各种改进建议。例如，一些解决方案基于对峰值电流的控制以实现对连续导通模式的控制。然而，这需要相当复杂的算法来在换流期间找到峰值电流。
技术实现要素：
本发明的目的是提供允许克服现有技术中的问题并使得能够以有效且相对直接的方式控制连续导通模式中的开关磁阻机的控制系统。
为此，提供了一种用于控制开关磁阻机的控制系统，该开关磁阻机包括：包括一个或多个转子极的转子；包括一组或多组定子极的定子，每一组包括包含相绕组的一个或多个定子极，以使得每一相绕组与各组定子极中的相应的一组定子极相关联；其中转子可通过为各组定子极进行顺序供电来相对于定子移动；其中该控制系统被配置成控制对各组定子极的供电，该控制系统包括或操作地连接到相电流传感器，该相电流传感器被配置成提供各组定子极中的一组或多组定子极的相电流信号，该相电流信号指示各组定子极中的相应的一组定子极中存在的相电流的量；其中该控制系统包括处理器，该处理器被配置成在对各组定子极中的一组或多组定子极供电之际或者在转子相对于定子的预定位置，获取所述相应的一组定子极的相电流信号并基于所获取的相电流信号来确定用于控制对该相应的一组定子极的供电。
本发明基于以下见解：相应的各组定子极的通电的时刻可被容易地实施以便在每一换流期间在固定时刻或预定位置获得相电流值。事实上，通电可被施加为从接收自相电流传感器的相电流信号中获得相电流值的触发。该值然后可用于控制以下操作的定时：控制相应的一组定子极的供电。以此方式，在检测到相电流积聚的情况下，控制系统可以对此进行控制，例如不同地设置断电定时。另选地或另外地，控制器可以调整在不同的供电模式(例如续流模式)下切换定子极组的定时，如下文在本文中进一步说明的。各种供电模式的定时由此可取决于所需校正来调整。
有利的是，由于无论如何都将由控制系统触发通电，因此这种触发也可以容易地用于执行相电流值的读取。因此，在一些实施例中，开关磁阻机的每一组定子极包括一个或多个相开关，该一个或多个相开关用于使得能够通过操作相开关来激活和停用该组定子极；其中该处理器被配置成向各组定子极中的相应的一组定子极的至少一个相开关提供控制信号，诸如以便激活该组定子极以用于启用所述顺序供电。在这些实施例中的某一些中，控制信号包括用于接通和关断相应的一组定子极的一个或多个相开关的激活信号和停用信号，其中该处理器被配置成在提供用于接通相开关以便诸如为所述相应的一组定子极供电的激活信号的同时获取该组定子极的相电流信号，以及使用相电流信号来确定向该相应的一组定子极的至少一个相开关中的一者或多者提供停用信号的定时。开关的激活信号可被方便地用来触发从相电流信号中获取相电流值。如可以理解的，其他触发信号同样可用于该目的，或替换地可生成专用触发。然而，使用激活信号使得无需生成专用触发，这由此降低了系统的总体复杂性。
作为在为相应的一组定子极供电之际获取该组定子极的相电流信号的替代方案，还可以在预定转子位置测量相电流。该位置例如可以是固定位置、为每一设置点预定的位置、或者调度相开关的位置。为了确定转子相对于定子的位置，各种实现是可能的。例如，控制器可以与传感器协作以确立转子的角位置或者以不同方式获取此类信息。
根据一些实施例，处理器被配置成将所获取的相电流信号与参考相电流值相比较以用于定时的所述确定。与参考值的比较可被实施以检测差异并取决于此来主动控制相应的一组定子极的断电的定时。这一主动控制的各种不同实现是可能的，这取决于要实现的控制策略。在一些实施例中，控制系统被配置成从以下至少一者中获取参考相电流值：存储器、数据储存库、无线数据网络、有线数据网络、或者专用网络，诸如车辆集成数据网络。通常，参考值可以在开关磁阻机的初始化或测试期间获取，并且然后可被存储在查找表中以供在操作开关磁阻机期间使用。
根据一些实施例，为了定时的所述确定，处理器被配置成取决于相电流信号与参考相电流值的所述比较来调整该定时。例如，根据一优选实施例，为了执行调整，处理器被配置成用于以下至少一者：当相电流信号指示相电流值大于相电流参考值时缩短其中相应的一组定子极被供电的历时和/或延长其中相应的一组定子极未被供电的历时，诸如通过使相应的一组定子极的关断的定时提前；以及当相电流信号指示相电流值小于相电流参考值时延长其中相应的一组定子极被供电的历时和/或缩短其中相应的一组定子极未被供电的历时，诸如通过延迟该相应的一组定子极的关断的定时。通过使定时提前，该组定子极中的存在的相电流在下一换流开始之际将变得更低。同样，通过延迟断电的定时，该组定子极将保持被激活更久，由此导致其余相电流在下一换流开始时更高。
根据一些实施例，该控制系统进一步包括或者操作地连接到位置传感器，该位置传感器被配置成向处理器提供指示转子相对于定子的角位置的位置信号。这使得控制系统能够控制断电位置，即其中该相应的一组定子极被断电或关断的角位置。例如，为了确定所述定时，处理器被配置成基于相电流信号来确定转子的参考角位置，该控制系统被配置成在转子到达该参考位置之际使相应的一组定子极断电。
根据第二方面，提供了一种开关磁阻机，包括如前述权利要求中的一项或多项所述的控制系统。又根据第三方面，提供了一种装置，包括如权利要求10所述的开关磁阻机，该装置是发电机、车辆、或电机驱动式设备中的至少一者。
根据本发明的第四方面，本发明涉及一种控制开关磁阻机的方法，该开关磁阻机包括：包括一个或多个转子极的转子；包括一组或多组定子极的定子，每一组包括包含相绕组的一个或多个定子极，以使得每一相绕组与各组定子极中的相应的一组定子极相关联；其中该转子可通过对各组定子极进行顺序供电来相对于该定子移动；其中该方法包括：由控制器控制对各组定子极的供电；以及从相电流传感器获取关于各组定子极中的一组或多组定子极的相电流信号，该相电流信号指示各组定子极中的相应的一组定子极中存在的相电流的量；该方法进一步包括：在对各组定子极中的一组或多组定子极供电之际，获取所述相应的一组定子极的相电流信号；以及基于所获取的相电流信号来确定该相应的一组定子极的断电的定时。
附图说明
参照附图，通过对本发明的一些具体实施方式的描述将进一步阐明本发明。具体实施方式提供了本发明的可能实施方式的示例，但是不应被视为描述了落入该范围内的仅有实施例。本发明的范围由权利要求书限定，并且本说明书应被认为是说明性的，而不是对本发明的限制。在附图中：
图1示意性地用横截面示出了4相16/12开关磁阻电机的转子和定子；
图2示出了用于四相开关磁阻机的典型逆变器的示意性电路拓扑；
图3a提供了多相开关磁阻机在低转子速度下的操作特性；
图3b提供了多相开关磁阻机在中转子速度下的操作特性；
图3c提供了多相开关磁阻机在高转子速度下的操作特性；
图4提供了常规控制的多相开关磁阻机在仅使用不连续导通模式时的典型性能特性转矩对转子转速；
图5示意性地示出了使用本发明的控制系统和/或方法来操作的多相开关磁阻机的相电流特性；
图6提供了常规控制的多相开关磁阻机在也使用连续导通模式时的典型性能特性转矩对转子转速；
图7示意性地示出了根据本发明的一实施例的方法。
具体实施方式
图1示意性地示出了多相开关磁阻机(srm或sr机器)，具体而言是多相开关磁阻机电机1。电机1包括定子2，定子2包括多个线圈6和定子极7。在图1中，电机1以及定子2的线圈6在围绕芯8的横截面中示意性地示出。由此，在图1中，每一线圈6的绕组在芯8的两侧可见。定子极7形成线圈6的芯8。
电机1进一步包括转子3，转子3包括用于与定子极7相互作用的多个反极10。转子3可以例如通过轴4来相对于定子2转动。定子2的线圈6与电机1的相阶12、13、14和15相关联，使得定子2的多个线圈中的每个线圈6分别与相阶12-15之一相关联。在该附图中，相阶12-15也由相阶号
在图1中，相阶
图1中示出的电机是4相16/12开关磁阻电机，其由4个可开关相阶组成，其中每一相阶包括跨一整圈分布的4个定子极7以及12个转子极。本发明的校准方法的应用不限于这种类型的电机，而是可应用于其他类型的开关磁阻电机，例如2相4/2、4相8/6、3相6/4、3相12/8、5相10/8、6相12/10、7相14/12、8相16/14或任何其他配置。此外，即使本文描述的许多实施例将本发明解释为应用于径向磁通电机，但本发明的教导不限于此并且可同样应用于轴向磁通电机。图2示出了用于控制sr机器的逆变器18的最常用拓扑。尽管相的相关联的开关级数可能不同，但用于具有不同相数的sr机器的逆变器可能相似。在图2中，sr机器的相a的一开关级已被大体标记为i。每一相都有两个开关元件和四个二极管，其中两个二极管在使该相断电时钳位在-udc电压电平。对于相a已经对此进行了图示，元件24示意性地示出了相a的定子极的线圈。半导体型开关元件22和23使得能够开关该相，诸如以便使线圈24通电和断电以及将该相切换成续流(freewheeling)状态，如以下解释的。在使相a断电之际，钳位二极管27和28使得能够将该线圈钳位在-udc电压电平。
在图2所示的电路中，当开关元件22和23两者都被闭合时，相电压是+udc。相a被通电(‘on’)，并且导通路径是从开关元件22经由线圈(或诸线圈)24至开关元件23。当只有一个开关元件(可以是开关元件22或开关元件23)被闭合时，相电压接近0v。该相正在‘续流’(‘fw’)，且电流被允许自由地流经该相(续流)。当开关元件22和23两者被打开时，所施加的相电压是-udc(如果有任何电流流经该相)。该相正在断电(‘off’)。导通路径是从二极管27经由线圈(或诸线圈)24至二极管28。
对低转子速度、中转子速度和高转子速度，在图3a到3c中示出了sr机器的操作特性。对于低转子速度考虑图3a，曲线29示出了相电流i，其取决于针对sr机器的一个相阶的转子的角位置。所产生的转矩t被示为曲线35，而曲线36示出了磁链ψ。在磁链对相电流图37中，曲线38跨越的表面40指示由该相阶的单个换流所传递的做功量。类似地，图3b和3c示出了针对中转子速度和高转子速度的这些特性。在图3b中，对于中转子速度，曲线53示出了相电流i，其取决于针对相应的相阶的转子的角位置。所产生的转矩t被示为曲线55，而曲线56示出了磁链ψ。在磁链对相电流图57中，曲线59跨越的表面58指示由该相阶的单个换流所传递的做功量。在图3c中，对于高转子速度，曲线63示出了相电流i，其取决于针对相应的相阶的转子的角位置。所产生的转矩t被示为曲线65，而曲线66示出了磁链ψ。在磁链对相电流图67中，曲线69跨越的表面68指示由该相阶的单个换流所传递的做功量。
参照图3a，在转子3的低速下，转矩t35主要可通过经由开关功率电子器件控制相电流i29的幅值来调节。相阶在接通角30处供电，相电流i29之后在该相阶中快速积聚。当在角位置31处关断开关元件22和23时，相电流i快速降至零。在换流期间产生的最大转矩取决于相电流极限。
参照图3b，在中速下，峰值电流53可通过控制接通该相的相对转子位置51来调节。由于反电动势(反emf)的增加，即使开关元件在关断角52之前保持活动，电流53也将减小。在52关断该相后电流轨迹较小，这可能会导致产生的转矩t较小，如可以在55中看到的。当速度增大时，必须使接通角51提前(在图中左移)才能达到相同的峰值电流53。在52关断该相后的电流轨迹也变得更大(其端点在曲线53中进一步向右移动)。
在某一速度下，电流轨迹将达到下一换流将开始的角度。这是高转子速度区域开始的地方，其在图3c中可见。减小闭合角(在位置61和62之间的、相接通和关断之间的角度)可以避免这种情况，但是也随着速度的增大降低功率并减少做功w。在开始下一换流之前电流总是达到零的情况称为‘不连续导通模式’。在高速区域中，电机1可被控制在‘连续导通模式’中，也被称为‘连续电流模式’。
在该连续导通模式中，相电流63在换流之间没有变为零。这使得预测由某些点火角61和62产生的相电流波形变得更加困难，因为它取决于先前换流结束时的电流i。因此，诸如相电阻、功率电子器件压降之类的属性对所得相电流波形具有重大影响。在具有固定的点火角61和62且没有其他控制方式的情况下，电流波形乍看似乎在连续导通模式下稳定，但由于环境条件的变化，它将连续变化。例如，在测试台上，可以观察到当电机线圈温度变化时电流波形连续变化，而点火角61和62保持不变。与不连续导通模式相比，点火角的很小变化会对所得波形产生很大影响。这使得在不连续和连续导通模式之间的转换变得困难，尤其是在电机模型的精度不是非常好或者环境条件未被确切知晓的情况下。
常规控制的sr机器的性能特性在图4中用转矩对速度图示出。在低速下，所递送的转矩t的量由通过线圈的电流极限来确定并因此是恒定值(区域70)。在中速下，转矩的量将随着转子速度的增大而减小。该减小将与1/ω成比例，如在区域71中示出的。在高转子速度下，在区域72中，减小闭合角以控制相阶中的相电流导致转矩t减小，该减小与1/ω2成比例。
图5示出了根据本发明的原理的sr机器控制的行为。在图5中，示出了相电流对时间。当在该附图中的附图标记73处的t＝0处接通相阶之际，相电流在该相阶的定子极中快速积聚，如曲线75所示。在73接通相阶的同时，将该相阶中的相电流与参考相电流78相比较。基于接通时的实际相电流和参考相电流78之间的差74，控制系统的处理器确定如何调整相阶(即与该相阶相关联的一组定子极)的on状态，诸如以便在下一换流开始(即接通角位置)之际接近参考相电流电平78。on状态通过调整off角和/或fw角中的一者或多者来调整。在此，off角是相阶被切换至off状态的角位置；参照图2，这是其中开关元件22和23两者都被关断的状态。此外，fw角是相阶被切换至续流状态的角位置；参照图2，这是其中开关元件22或23中的一个元件被关断，而另一元件被接通的状态。
如将理解的，处理器仅在角位置(并因此换流内的时间)方面具有一定的预算，以延长相阶的on状态的长度。这是因为要防止由于例如产生干扰下一相阶的操作的反转矩而导致的次优性能。然而，在该预算内，处理器计算弥合接通时的相电流与下一换流开始时的参考电平78之间的差距所需的on状态调整δ1(附图标记76)。
在第一换流75期间，将on状态的最大延长δ1增加至该第一换流。根据本发明，on状态的这一调整可通过推迟相阶断电的关断时刻，换言之通过移位相阶关断的角位置(off角)来实现。这将使续流状态延长历时δ1。另选地或另外地，根据本发明的实施例，调整下一换流的接通时的相电流还可通过调整fw角来达成。这将影响on状态期间的相电流电平，并由此还影响关断后的其余相电流。
在第一换流期间，最大调整由处理器实现，并且尽管接通时间79处的相电流与参考电平78之间的差距80在第二换流开始之际是较小的，但仍存在相对较大的差距。在79，在第二换流期间接通相阶之际，处理器再次从开关磁阻机中的相电流传感器获取实际相电流并将其与参考相电流78相比较。on状态的调整由处理器计算，并且on状态通过在稍后角位置关断以推迟关断时刻来调整。这再次在续流状态期间调整相阶的on状态达量δ2(附图标记82)。如同δ1，δ2类似于该换流期间的最大调整量。如果转子速度尚未在第一换流和第二换流之间改变，则调整δ282大致等于调整δ176。在83关断后，相电流下降，并且在88接通之际，由处理器获得实际相电流的度量以计算与参考相电流78的差89。在第三换流期间，只需要on状态的短延长，从而导致如图5所示的调整δ3。
接通时间78处的参考相电流电平被设置成使得在给定转子速度下且在给定操作条件(温度、所需转矩等)下，通过获得在给定条件下逼近安全电平90的峰值相电流91来产生最大转矩量。参考相电流78和安全电平90两者都可以在开关磁阻机的测试运行或模拟期间确定，例如在工厂测试期间确定。这些值例如可被存储在查找表中，该查找表可以从控制系统中的存储器获得。可任选地，这一查找表还可存储on状态的所需调整或δ，所需调整或δ取决于在接通相阶之际测得的相电流差。这些调整可被存储为对off角或fw角或者绝对或相对off角和/或fw角中的一者或多者的各个体调整。如可以理解的，在操作期间从查找表中获取这些值可提供更灵活的控制可能性。
使用本发明的控制方法获得的性能提升在图6中示出。在图6中，示出了取决于转子速度的可递送转矩，其用于使用根据本发明的控制系统或控制方法来对开关磁阻机进行控制。曲线70’、71’、72’示出了低转子速度范围、中转子速度范围和高转子速度范围内的转矩。这些曲线部分70’、71’、72’相当于图4中的曲线的对应部分(70、71和72)。本发明的控制系统和控制方法的优点在高速区域、连续导通模式中获得。这由高转子速度区域的曲线72’与使用常规控制方法获得的对应曲线72之间的区域92来示出。显然，可以在高速范围72’内传递的转矩量大于常规控制方法下的转矩量。事实上，中速范围72’内的与1/ω成比例的转矩t的减小在高速区域72’内以速率1/ω继续。由此，与常规控制方法相比，所增加的转矩量相当大。
根据本发明的控制方法在图7中示意性地示出。在图7的方法中的第一步骤100中，处理器从存储在存储器中的查找表中获取控制参数。这些控制参数例如基于所请求的转矩和转子速度的量，如上所示。例如，可以从查找表中获取参考相电流电平和安全电平。如可以理解的，从查找表中获取安全电平并非必需，而仅仅是可选的。本领域技术人员将理解，根据查找表提供的参考相电流值以及接通时间的所得调整将导致该系统在该安全电平内操作。因此，获得电流相的安全电平(图5中的附图标记90)可纯粹有利于监视目的，例如为了检测开关磁阻机是否发生故障。
在步骤102中，在换流开始之际，接通相阶的开关元件，诸如以便在on角为该相阶供电。同时，由相电流传感器测量相电流并且由处理器获取实际相电流值。接着，在步骤104中，将所获取的相电流值与在步骤100中从存储器中获取的参考相电流值相比较。从查找表或者从获取自网络或其他数据储存库的不同算法或数据，处理器确定on状态的所需调整以便在下一换流开始时接近参考相电流值。
在步骤106中，处理器可移位续流角和off角以延长或缩短该相阶的通电状态的历时。该操作的效果例如在如以上讨论的图5中示出。在步骤108中，将由处理器在经调整的角度执行换流期间的至续流状态和off状态的实际切换。
已根据本发明的某些特定实施例描述了本发明。将明白，附图中示出并在本文描述的实施例旨在仅用于解说目的，并且决不旨在是对本发明的限制。可以相信，本发明的操作和构造将从前述说明和所附附图变得明显。本领域技术人员将明白，本发明不限于本文描述的任何实施例，并且修改是可能的，这样当被认为是在所附权利要求书的范围内。同样，运动学倒置被认为是固有地公开的且在本发明的范围内。此外，所公开的各实施例的组件和元件中的任一者在认为必要、合需或优选时可以组合或可被合并到其他实施例，而不背离权利要求书中限定的本发明的范围。
在权利要求书中，任何附图标记不应被解释为限制权利要求。术语‘包括’和‘包含’当用在本说明书或所附权利要求书中时应当不在排他性或穷举性的意义上解释，而是要在包含性的意义上解释。因而，本文中使用的表达语‘包括’不排除任何权利要求中列出的元件或步骤之外的其他元件或步骤的存在。此外，词语‘一’和‘一个’不应被解释为限于‘仅一个’，而是被用来意指‘至少一个’，并且不排除多个。没有被具体或明确描述或要求保护的特征可附加地包括在本发明的结构中在其范围内。诸如“用于……的装置”等表达语应被读作“配置成用于……的组件”或“构造成用于……的构件”，并且应当被解释为包括所公开的结构的等效方案。诸如“关键”、“优选”、“尤其优选”等表达语的使用不旨在限制本发明。本领域技术人员眼界内的添加、删除和更改一般可以作出而不背离本发明的由权利要求书确定的精神和范围。本发明能以本文具体描述的方式以外的其他方式来实施，并且仅由所附权利要求书来限定。
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