专利名称：开关磁阻电机中的电流控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种开关磁阻电机(SRM)中的电流控制装置，特别是，涉及一种开关磁阻电机(SRM)中的电流控制装置，其中该装置可通过将电流命令单元所命令的电流控制信号与实际提供给SRM的电流进行比较来寻找电流误差，然后通过补偿对应于比较电流误差的电流值由命令电流附近的电流来操作SRM，由此减小电机转动时由转矩波动所引起的噪声，并且提高电机的效率。
通常，开关磁阻电机(SRM)是一种磁阻电机，其主要包括多相定子，其可通过绕制电枢线圈产生磁力；转子，其可通过按照齿的相对位置所产生的磁吸力和由定子所产生的磁力而转动；和位置检测单元，其具有位置检测检测单元和传感片，并且可通过随转子位置的变化来分辨预定角度而由传感位置检测脉冲来检测转子的位置。在这里，许多齿是对称地形成在转子上，并且电枢线圈则对称地绕制在每个多相定子上。位置检测检测单元通过检测转子的位置来输出位置检测脉冲，并且与位置检测脉冲同步，由此持续地驱动多相电枢线圈。
提供给电枢线圈的电力可通过开关元件来控制，其中电枢线圈可绕制在多相定子上。此时，通过与位置检测单元的位置检测脉冲同步地将输入脉冲信号提供给开关元件的控制端而持续地改变转子与定子之间的激励状态，会由磁吸力而在转子上产生对应于输入脉冲信号的前向转矩。另外，在不改变特定激励状态的情况下，可能会在预定位置上使转子停止。还有，通过控制所输入脉冲信号的相位，其中所输入脉冲信号基于电感达到最大时的位置提供给开关元件，会产生反向转动力。如上所述，可以将各种方向上的控制操作广泛地应用于洗衣机等。
此时，为了持续地改变每相的激励状态，必需检测转子的位置。
已经公开了许多涉及SRM的现有技术，如USP 4,748,387，“用以精确地控制转子起始位置的DC无刷电机驱动方法和装置”，其于1988年5月授权；USP 4,990,843，“磁阻电机”，其于1991年2月授权；USP 5,111,095,“多相开关磁阻电机”，其于1992年5月授权；USP 5,461,295，“通过电流分布控制来降低开关磁阻电机中的噪声”，其于1995年10月授权；和USP5,539,293，“在可解码角度位置方面具有特征的转子位置编码器”，其于1996年7月授权。
图1是示意图，其表示常规SRM的内部结构。它表示出具有A，B和C三相的SRM。
在常规SRM1中，电枢线圈L绕制在位于转子2周围的定子3的铁芯上。当给电枢线圈L通电时在转子2和定子3铁芯之间的磁化作用，会由磁吸力产生转矩。通过持续地给每相A，B和C电枢线圈L通电，可以获得能够使转子2转动到所需方向上的结构。
另外，在常规SRM1的内部，如图2所示，传感片7连接于转子2上，其中沿同心圆周上形成有许多狭缝6。具有光发射元件和光接收元件的光传感器(未示出)可面向狭缝6定位。因此，由光发射元件发出的光可通过传感片7的狭缝6来传递，然后入射到光接收元件上，由此可产生预定的检测脉冲。因此，就使检测转子的位置成为可能。
如上所述，按照受检转子2的位置，通过控制施加于将要描述的逆变器单元上的开关脉冲可产生前向转矩或逆向转矩。另外，在不改变任何特定激励状态的情况下，可以使转子停在预定位置上。
图3是表示按照转子2与许多定子3铁心中的铁心的相对位置的电感的波形图。在这里，当图1所示转子2以箭头方向转动时，会形成起电信号波形。
如图3所示，当转子2接近定子3铁心中任何相的铁心时，电感L会增加。当转子2与任何相铁心对准时，电感L达到其最大值。另外，当转子2离开具有任何相的铁心时，电感L会降低。通常，可设计开关脉冲在基于电感L增加的时候提前0-7.5度的位置上均匀地输出，其与转速无关。
由于上述操作特性，使人们认识到，SRM具有超耐环境特性，并且在其没有整流限制时可以在高速下产生高转矩。另外，当SRM为无刷时，可以很容易进行修理。然而，在使用开关脉冲控制相位电流不精确的情况下，SRM的操作特性会变得极差。
现将说明阻碍相位电流精确控制的主要因素。当电流命令单元所命令的电流控制信号与实际提供给SRM的电流之间的电流误差超过允许值，并且电流误差累积并散布时，SRM将不会正常操作，并且会产生不均匀的转矩。因此，当常规SRM的电流控制装置不能有效地除去或补偿累积并散布的误差电流时，转矩会衰减并会产生噪声，由此导致SRM整个效率的降低。
因此，本发明的目的是提供一种开关磁阻电机(SRM)中电流控制装置，用以按照转子对多相定子的相对位置通过可变地转换每相定子的激励状态而产生转矩，其可通过将电流命令单元所发出的电流控制信号与实际提供给SRM的电流进行比较来搜索电流误差，然后通过补偿对应于比较电流误差而由接近于指令电流的电流来操作SRM，由此降低在电机转动和电机效率提高时由转矩波动所引起的噪声。
具有用以可变地转换多相定子每相的激励状态的逆变器单元的SRM电流控制装置产生电流控制信号，使得可以补偿电流命令单元所发出的电流与实际提供给SRM的电流之间的电流误差；并且在接收到电流控制信号以后执行脉宽调制，然后提供给逆变器单元，由此通过最大限度地减小电流误差而有效地提高SRM的操作特性。
附图的简要说明。
通过参照附图对本发明所进行的详细描述，将会对本发明更加全面地理解，并且对其优点更为清楚的认识，其中同样的参考标号表示相同或类似的部分，其中图1是表示常规开关磁阻电机内部结构的示意图；图2是表示用以传感常规开关磁阻电机转子位置的传感片结构的示意图；图3是表示常规开关磁阻电机电感的波形图；图4是表示按照本发明的开关磁阻电机优选实施例的方框图；图5是表示本发明优选实施例的详细电路图；图6是表示能够用于本发明的开关磁阻电机逆变器单元实施例的电路图；图7是表示按照本发明用以传感转子位置的传感片实施例的示意图；和图8A至8G是表示本发明优选实施例中所示主要部分输出的波形图。
优选实施例的详细描述。
通过参照附图对优选实施例的描述，将会更加清楚地理解上述本发明的目的、特征和优点。
图4是表示按照本发明的开关磁阻电机(SRM)优选实施例的方框图；和图5是表示本发明优选实施例的详细电路图。
如图4所示，SRM1的电流控制装置，其具有逆变器单元90，用以可变地转换多相定子每相的激励状态，该装置包括位置检测单元100，用以检测转子与多相定子的相对位置，其会随着转子的转动而以预定角度的分辨率改变；电流命令单元110，用以通过开关脉冲传递电流命令，开关脉冲用以将对应于转子位置的电流提供给绕于定子上的电枢线圈L；数字/模拟变换单元120，用以在接收到电流命令单元110的开关脉冲以后通过进行数字/模拟变换而产生直流(DC)控制电压；电流检测单元130，其可电连接于逆变器单元90上并且可检测实际提供给电枢线圈L上的电流；电流控制单元140，其可在接收到数字/模拟变换单元120和电流检测单元130的输出以后产生电流控制信号，使得由电流命令单元110所传递的电流指令与实际上提供的电流之间的电流误差得到补偿；和脉宽调制单元150，其可通过在接收到电流控制单元140所输出的电流控制信号并然后将其提供给逆变器单元90以后进行脉宽调制而驱动SRM1。
下面将参照附图来说明按照具有上述结构的本发明的SRM1优选实施例的操作。
如上所述，所构成的上述结构，其通过按照转子与多相定子的相对位置可变地转换定子每相激励状态而在所需方向上产生转矩。
此时，逆变器单元90在直接驱动并控制电机方面起着主要作用，其能够使接收脉宽调制单元150输出的操作控制单元91可变地转换多相定子每相的激励状态。
图6是表示能够用于本发明的SRM1逆变器单元90一个实施例的电路图。
SRM1的逆变器单元90，其具有三(3)相，如图6所示，其包括第一驱动单元A，用以在开关元件由所输入的脉冲信号接通时为转子提供正比于第一相磁通的磁力；第二驱动单元B，用以在开关元件由所输入的脉冲信号接通时为转子提供正比于第二相磁通的磁力；和第三驱动单元C，用以在开关元件由所输入的脉冲信号接通时为转子提供正比于第三相磁通的磁力。
在这里，第一驱动单元A包括第一电枢线圈L1，用以产生第一相的磁通；第一开关单元S1，其具有第一晶体管Q1，该晶体管连接于第一电枢线圈L1的一端上，并且可按照通过控制端所输入的输入脉冲信号控制所提供的电源，和第一二极管d1，用以在第一晶体管Q1接通/关断时保护第一晶体管Q1防止第一电枢线圈L1所产生的反电动势；第二开关单元S2，其具有第二晶体管Q2，该晶体管连接于第一电枢线圈L1的另一端上，并且可按照通过控制端所输入的输入脉冲信号控制所提供的电源，和第二二极管d2，用以在第二晶体管Q2接通/关断时保护第二晶体管Q2防止第一电枢线圈L1所产生的反电动势；第一电流反馈二极管D1，其连接于第一电枢线圈L1的一端上，并且可反馈电流；和第二电流反馈二极管D2，其连接于第一电枢线圈L1的另一端上，并且可反馈电流。第二和第三相驱动单元B和C的每个均具有与第一相驱动单元A相同的结构。
为了在每相电感的最高限度内连续地操作第一相驱动单元A、第二相驱动单元B和第三相驱动单元C，在向前转动方向上检测转子的位置是必需的。逆变器单元90可根据关于转子与多相定子的相对位置的信息来转换第一、第二和第三相驱动单元A、B和C的电压状态。结果，通过改变每相定子的激励状态，可以使SRM1的转子在所需方向上转动。
另外，当传感片连接于转子的转动轴上并一起转动时，位置检测单元100通过检测由光学地贯穿于同心狭缝组的每个狭缝的光不连续地产生的位置检测脉冲，以预定角度的分辨率检测转子与多相定子的相对位置，所述预定角度是由狭缝的位置决定的。
图7是表示按照本发明用以检测转子位置的传感片一实施例的示意图。参照该附图，可详细地描述位置检测单元100。
如图所示，在传感片10上，具有第一同心狭缝组12，其具有多孔冲切的许多狭缝，从而以转子的转动轴11为中心，沿具有第一半径的同心圆周具有预定角度的分辨率；和第二同心狭缝组13，其具有多孔冲切的许多狭缝，从而以转子的转动轴11为中心，沿具有第二半径的同心圆周具有预定角度的分辨率。通常，构成第一同心狭缝组12和第二同心狭缝组13的狭缝相互错开。当传感片10位于转子转动轴11的上端时，其会在电机转子转动时与转子一起转动。在这里，使用具有许多狭缝的每个狭缝组的原因就是为了提高用以检测转子位置的角度分辨率。
位置检测单元100可通过由光学地贯穿传感片10和在传感片10上所形成的狭缝的光不连续地产生的位置检测脉冲来检测转子位置。
SRM1具有光传感器(未示出)，其中包括面向狭缝6的光发射元件和光接收元件，以便检测位置检测脉冲。当传感片10随转子一起转动时，由光发射元件所发出的光通过贯穿传感片10的狭缝而不连续地入射到光接收元件上。此时，当光接收元件产生并输出预定位置检测脉冲时，位置检测单元100接收所输出的位置检测脉冲，然后估算转子与定子的相对位置。
在常规SRM使用单个光传感器来检测转子位置的情况下，不可能完全获得对于多相控制所必需的转子位置的信息。因此，在SRM1中使用多个光传感器是惯用的。
此后，为了将对应于转子位置的电流提供给绕于定子上的电枢线圈L，电流命令单元110可通过图8A所示开关脉冲来传递电流命令。
图8A至8G是表示按照本发明优选实施例的主要部分输出的波形图。
对于已经公开在许多在先专利中的用以产生电流指令的技术，可以将其视为本发明的现有技术。详细的说明可参见USP5,461,295，1995年授权的“通过电流分布控制来降低开关磁阻电机中的噪声”。
当指令以开关脉冲的形式由电流命令单元110而发出时，数字/模拟变换单元120接收电流命令单元110的输出，然后通过执行数字/模拟变换而产生直流(DC)控制电压。
本发明的数字/模拟变换单元120，如图5所示，其包括第一低频滤波单元121，其通过对电流命令单元110的输出的低频滤波进行数字/模拟变换；和第二低频滤波单元122，其可进行第一低频滤波单元121输出的低频滤波/平滑。
在这里，第一低频滤波单元121包括第一运算放大器OP1，其具有反向输入端，用以通过第一电阻R1接收电流命令单元110的输出，并且其正向输入端接地；第二电阻R2，其一端连接于第一电阻R1与第一运算放大器OP1的反向输入端之间的接点上，而另一端连接于第一运算放大器OP1的输出端上；和第一电容C1，其与第二电阻R2并联连接。按照由第一电阻R1、第二电阻R2和第一电容C1所决定的时间常数，可进行电流命令单元110输出的数字/模拟变换。
当通过第一运算放大器OP1的反向输入端接收电流命令单元110的输出时，如图8B所示，可形成反向的输出波形。根据常规系统的特性，当不能进行理想的平滑处理时，可观察到预定的波动。
另外，第二低频滤波单元122包括第二运算放大器OP2，其具有反向输入端，用以通过第三电阻R3来接收第一低频滤波单元121的输出，并且其正向输入端接地；第四电阻R4，其一端连接于第三电阻R3与第二运算放大器OP2的反向输入端之间的接点上，而另一端连接于第二运算放大器OP2的输出端上；和第二电容C2，其与第四电阻R4的两端并联连接。这里，按照由第三电阻R3、第四电阻R4和第二电容C2所决定的时间常数，可对第一低频滤波单元121的输出进行平滑处理。
当通过第二运算放大器OP2的反向输入端接收到第一低频滤单元121的输出时，如图8C所示，可以观察到正向的输出波形，其中波动几乎被消除。
参照图5可以对电流检测单元130的结构进行说明。
与逆变器单元90电连接并可检测提供给电枢线圈的电流的电流检测单元130包括电流分配电阻单元131和差动放大器132。
这里，电流分配电阻单元131包括第一电流分配电阻Rd1，其一端接地，而另一端与用以产生正向磁通的闭合电路串联连接；第二电流分配电阻Rd2，其一端接地，而另一端与用以反馈反电动势的闭合电路串联连接。
差动放大器132包括第三运算放大器OP3，其具有反向输入端，用以通过第五电阻R5接收第一电流分配电阻Rd1另一端的输出，及正向输入端，用以通过第六电阻R6接收第二分配电阻Rd2另一端的输出，并且通过第九电阻R9输出所接收的输出；第七电阻R7，其一端连接于第五电阻R5与第三运算放大器OP3反向输入端之间的接点上，而另一端连接于第三运算放大器OP3的输出端上；第三电容C3，其与第七电阻R7的两端并联连接；第四电容C4，其一端连接于第六电阻R6与第三运算放大器OP3的正向输入端之间的接点上，而另一端接地；第八电阻R8，其一端连接于第六电阻R6与第三运算放大器OP3的正向输入端之间的接点上，而另一端接地；和第十电阻R10，其一端与负电源-Vcc串联连接，而另一端连接于第九电阻R9。所接收的输出通过第九和第十电阻R9和R10之间的接点而输出给差动放大器132。
通过放大对应于由第一电流分配电阻Rd1所分配电流的电压与对应于由第二电流分配电阻Rd2所分配电流的电压之间的差分电压，就可以以电压的形式检测实际提供给电枢线圈的电流上的信息。
另外，电流控制单元140接收数字/模拟变换单元120和电流检测单元130的输出，并且产生电流控制信号，如图8D所示，使得可以补偿由电流命令单元110所发出的电流指令与实际所提供的电流之间的电流误差。
电流控制单元140的电路结构将参照图5加以说明。如图中所示，电流控制单元140包括第四运算放大器OP4，其具有反向输入端，用以通过第十一电阻R11接收第二低频滤波单元122的输出和差动放大器132的输出，而其正向输入端接地；和第十二电阻R12、第四电容C4和第五电容C5，它们并联连接于第四运算放大器OP4的反向输入端和输出端上。这里，产生电流控制信号，使得可以补偿电流命令单元110所发出的电流指令与实际所提供的电流之间的电流误差。
脉宽调制单元150包括三角波发生单元151，其产生三角波，用以调制电流控制信号的脉宽；和电压比较器152，其在通过正向端接收三角波发生单元151的输出和通过反向端接收电流控制单元140的输出以后，将电流控制单元140的输出与三角波发生单元151的输出进行比较，并且按照比较结果产生各具有不同占空比的比较后输出。结果，通过对电流控制单元140和三角波发生单元151的输出进行脉宽调制并然后将其提供给逆变器单元90，可有效地驱动SRM1。
这里，三角波发生单元151通过使用第五运算放大器OP5和第六运算放大器OP6反馈通过电阻元件和电容元件的输出而产生所需的三角波，如图8E所示。电压比较器152在正向端输出大于反向端输出的情况下通过比较器OP7产生高状态输出。在正向端输出小于反向端的情况下，产生低状态输出。结果，产生脉宽调制信号，如图8F所示。
在通过由电流命令单元110所发出的电流指令而提供给电枢线圈的波形w为理想电流波形的情况下，如图8G所示，可以补偿实际所提供的电流，其高于由电流命令单元110所发出的电流指令如由点划线表示的w1，或低于由电流命令单元110所发出的电流指令如由点划线表示的w2，使得实际所提供的电流接近于用实线表示的波形w。
对于说明书中所述的术语可根据在本发明中的功能来确定，并且它们可以按照技术人员的想法或通常的实际而加以改变，而术语应考虑到本发明说明书的整个内容。
如上所述，SRM1的电流控制装置，其具有逆变器单元，用以可变地转换多相定子的每相激励状态，该装置产生电流控制信号，使得可以补偿由电流命令单元控制的电流与实际提供给SRM1的电流之间的电流误差；并且该装置在接收到电流控制信号以后进行脉宽调制，然后将其提供给逆变器单元，由此通过使电流误差最小而有效地提高SRM的操作特性。另外，在SRM中的电流控制装置，其通过将电流命令单元所发出的电流控制信号与实际对SRM所提供的电流进行比较来搜索电流误差，然后通过补偿对应于经比较电流误差的电流值而由与指令电流相邻的电流来操作SRM，由此降低在电机转动时由转矩波动所引起的噪声，并提高电机效率。
当对本发明优选实施例进行了描述和说明的同时，将会理解，本技术领域的普通专业人员可以进行各种改变和变形，并且可以用等价物来进行替换，但其均不会脱离本发明的真正范围。另外，在本发明的教导下可以使许多改形适用于特定场合，但其不会脱离本发明的保护范围。因此，本发明不限于为实施本发明所作出的优选实施例所公开的特定实例，而且本发明的所有实施例均落入了本发明后附权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种开关磁阻电机(SRM)的电流控制装置，其具有逆变器单元，用以可变地转换多相定子每相的激励状态，该装置包括位置检测单元，用以检测转子与多相定子的相对位置，其随所述转子的转动而以预定角度的分辨率改变；电流命令单元，用以通过开关脉冲来发出电流指令，以便将对应于所述转子位置的电流提供给绕于所述定子上的电枢线圈；电流检测单元，其电连接于所述逆变器单元上，并检测实际提供给电枢线圈的电流；数字/模拟变换单元，用以在接收到来自所述电流命令单元的开关脉冲以后，通过进行数字/模拟变换而产生直流(DC)控制电压；电流控制单元，其在接收到所述数字/模拟变换单元和所述电流检测单元的输出以后产生电流控制信号，使得可以补偿由所述电流命令单元所发出的电流指令与实际所提供的电流之间的电流误差；和脉宽调制单元，其在接收到由所述电流控制单元所输出的电流控制信号然后将其提供给所述逆变器单元以后，通过进行脉宽调制来驱动SRM。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述数字/模拟变换单元包括第一低频滤波单元，其通过对所述电流命令单元的输出低频滤波来进行数字/模拟变换；和第二低频滤波单元，其进行对所述第一低频滤波单元输出的低频滤波/平滑。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述电流检测单元包括电流分配电阻单元，包括第一电流分配电阻，其一端接地而另一端串联连接于用以产生正向磁通的闭合电路，和第二电流分配电阻，其一端接地，而另一端串联连接于用以反馈反电动势的闭合电路；和差动放大器，其接收所述第一和第二电流分配电阻的输出，然后进行输出的差动放大。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述电流控制单元包括运算放大器，具有反向输入端，用以接收所述数字/模拟变换单元和所述电流检测单元的输出，并且其正向输入端接地；和第一电阻、第一电容和第二电容，它们并联连接于所述运算放大器的输入/输出两端上，产生电流控制信号，使得可补偿由所述电流命令单元所发出的电流与实际所提供的电流之间的电流误差。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述脉宽调制单元包括三角波发生单元，其产生三角波，以便调制所述电流控制信号的脉宽；和电压比较器，其通过正向端接收到所述三角波发生单元的输出和通过反向端接收到所述电流控制单元的输出以后，将所述电流控制单元的输出与所述三角波发生单元的输出进行比较，并且按照比较结果产生经比较的输出，每个输出具有不同的占空比，以便提供给所述逆变器单元。
全文摘要
所公开的是一种开关磁阻电机(SRM)的电流控制装置,其具有逆变器单元,用以可变地转换多相定子每相的激励状态,该装置产生电流控制信号,使得可补偿由电流命令单元控制的电流与实际提供给SRM的电流之间的电流误差;并在接收到电流控制信号后进行脉宽调制,然后提供给逆变器单元,由此通过最大限度减小电流误差,有效地提高SRM的操作特性。结果,能够降低在电机转动时由转矩波动所引起的噪声,并可提高电机的效率。
文档编号H02P25/02GK1195921SQ9810800
公开日1998年10月14日 申请日期1998年3月20日 优先权日1997年3月20日
发明者金性烈, 金坁显 申请人:三星电子株式会社