控制开关磁阻电机的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及磁阻电机中转子位置的无传感器监测和控制领域，尤其是开关磁阻电机且更具体地说是高速开关磁阻电机。
【背景技术】
[0002]在开关磁阻电机中，关于转子位置的相位激励的精确定时可能是获得最佳性能的重要因素。转子位置传感器可以广泛用于开关磁阻电机，用于监测转子位置。此类监测通常可以由安装在定子上的光学传感器或磁性传感器执行。可基于与转子位置相关的数据对磁阻电机中的转子位置进行控制。
[0003]为了避免对传感器的依赖，已经开发出了无传感器监测和控制方法。开关磁阻电机的无传感器监测方法可以包括信号注入法和直接相位测量法。
[0004]信号注入法可以依赖于诊断通电脉冲，例如非转矩产生的脉冲，所述诊断通电脉冲允许控制器监测诊断电流及因此电感的变化，据此可以计算转子位置。一般来讲，信号注入法可在起始和低运转速度时有用，但是在较高的运转速度时可对电机性能造成不利影响。
[0005]直接相位测量法可以依赖于监测相电流和电压，以确定转子位置。直接相位测量法可以采用相电流续流的概念。将通过相绕组的电压设置成零一段时间，可以在开关磁阻电机中产生相电流续流。在续流周期内，电流可以围绕绕组循环，并且通量可以不变。
[0006]EP0780966B1描述了磁阻电机中无传感器转子位置的监测方法。本方法包括确定在特定点处的电流变化率，在该特定点处，绕组中的电流可用来产生续流。所述点可以与转子和定子极的对齐处重合，这样可以预测电流的变化率为零。与预测的变化率的任何差异的大小和极性可以表明转子位置未与实际转子位置对齐以及转子位置是在预测的位置之前还是在预测的位置之后。
[0007]本发明旨在至少部分地改善或克服现有技术系统的一个或多个方面。
【发明内容】
[0008]在一个方面，本发明描述了控制磁阻电机中的转子位置的方法，所述磁阻电机包括定子、相对于定子可以运动的转子和耦联到定子的至少一个相绕组。该方法包括以下步骤:使相绕组通电，以使转子相对于定子运动；使续流电流在续流周期内通过相绕组；对相电流变化率和相电流振幅进行取样；使相绕组断电；以及计算转子的角位置。
[0009]在另一个方面，本发明描述了控制磁阻电机中的转子位置的系统，所述磁阻电机包括定子、相对于定子可以运动的转子和耦联到定子的至少一个相绕组。该系统包括:使相绕组通电以使转子相对于定子运动的开关；配置续流电流在续流周期内通过相绕组并使相绕组断电的开关；配置为命令对相电流变化率和相电流振幅进行取样的点火控制器；和计算转子的角位置的微处理器。
【附图说明】
[0010]当结合附图阅读时，根据以下对各个实施例的说明，将会更全面地理解本发明的上述及其它特征和优点，其中:
[0011]图1是根据本发明的相位通电模式的非对称半桥的示意图；
[0012]图2是根据本发明的续流模式的非对称半桥的示意图；
[0013]图3是根据本发明的断电模式的非对称半桥的示意图；
[0014]图4是根据本发明显示相电流波形的曲线图；
[0015]图5是根据本发明显示作为相电流函数的电流特性变化率的曲线图；并且
[0016]图6是根据本发明示出控制电路的示意图。
【具体实施方式】
[0017]本发明总体上涉及监测和控制磁阻电机中转子位置的方法。
[0018]该方法可以在磁阻电机中实施以控制转子位置，所述磁阻电机包括定子、相对于定子可以运动的转子和耦联到定子的至少一个相绕组。该方法可以包括以下步骤:使相绕组通电，以使转子相对于定子运动；使续流电流在续流周期内通过相绕组；对相电流变化率和相电流振幅进行取样；使相绕组断电；以及计算转子位置的角误差。
[0019]该方法可以在超高速开关磁阻电机中使用。超高速开关磁阻电机可以具有等于或大于100，OOOrpm的旋转速度。
[0020]图1至图3示出了具有定子12和转子14的开关磁阻电机在三种运转模式下的非对称半桥功率变换器电路10。相绕组W可以连接在与二极管Dl相关的开关SI和与二极管D2相关的开关S2之间。
[0021]参考图1，通过闭合电路10中的开关SI和S2，可以从直流电源对相绕组供电，从而电流可以流过相绕组W，以使转子14相对于定子12运动。当开关SI和S2闭合时，相绕组W可以处于通电状态。
[0022]众所周知，开关磁阻电机中有续流电流。将通过开关磁阻电机的相绕组的电压设置成零，可影响通过相绕组的续流电流。在相绕组的端点之间提供短路路径，可以将电压设置成几乎为零，从而使电流围绕相绕组循环。
[0023]根据本发明的方法，电流在对应于转子14的一部分角运动的续流周期内续流通过相绕组W。参考图2，当开关SI和S2中的任何一个打开时，相绕组W可以处于续流状态。
[0024]相电流续流可以在相电感周期的任何部分期间实施。相电感周期可以是开关磁阻电机中电感变化的周期。
[0025]在一个实施例中，续流周期可以在对相电流变化率和相电流振幅取样的步骤之前开始。在一个实施例中，续流周期可以在对相电流变化率和相电流振幅取样的步骤之后结束。
[0026]续流周期可以很长。续流周期可以是基于在给定速度和转矩操作点下的最佳效率性能选择的值。续流周期可以从转子14的大于4°的角运动选择。续流周期可以从转子14的5°至20°范围内的角运动选择。在一个实施例中，续流周期可以从转子14的8°至15°范围内的角运动选择。在一个实施例中，续流周期可以从转子14的10°至12°范围内的角运动选择。
[0027]在超高速应用中，长续流周期可以减少电机低效率的情况并从磁阻电机获得最大功率。长续流周期可以通过最小化铁损耗来提供低电机损耗。
[0028]参考图3，通过断开电路10中的两个开关SI和S2，可以使相绕组W断电，这样没有电流可流过相绕组W。当开关SI和S2断开时，相绕组W可以处于断电状态。在断电状态模式下，电流将通过Dl和D2流过相绕组W，直到电机中的通量降为零为止。
[0029]图4示出了关于转子14的角位置的相电流波形。在一个实施例中，Θ…是在相绕组W的续流阶段和相绕组W的断电阶段之间转换时的基准角。
[0030]根据该方法，对于给定的速度，可以对两个开关SI和S2闭合时转子14的角度和一个开关SI, S2闭合时转子14的角度进行特征描述。通过将两个开关SI和S2打开时的角度提前，并增加电机中通量积聚的时间，可以增加轴功率。在给定的速度下，可以对相绕组W的通电情况进行调整，直到相电流变化率和相电流振幅可以匹配在该速度下所需的关闭角度(两个开关SI和S2关闭时转子14的角度或者一个开关SI，S2关闭时转子14的角度)为止。
[0031]可以对开关磁阻电机进行特征描述，以在开始运转之前基于闭合点建立转子14的基准角位置。基准转子角位置可以用于比较取样的相电流变化率和相电流振幅的角位置。基准转子角位置可以实现对开关磁阻电机的最佳控制。
[0032]可以以瞬时间隔对相电流变化率和相电流振幅进行取样。取样间隔可以为大约一微秒。取样间隔可以由在控制电路中使用的模拟数字转换器确定。模拟数字转换器可以是微控制器(例如TIPicollo32位微控制器)中的外围设备。可以在从相绕组W的续流状态到断电状态转换时进行相电流变化率和相电流振幅的取样。当两个开关SI和S2打开时，可以在取样点进行相电流变化率和相电流振幅的取样。
[0033]在一个实施例中，可以在续流周期结束时或将要结束时进行相电流变化率和相电流振幅的取样。在开始对相绕组W断电之前，可以进行取样。取样可以由栅极信号转换触发。通过栅极驱动电路中的传播延迟，可以降低样本的噪声。在两个开关SI和S2打开之前，可以在取样点进行相电流变化率和相电流振幅的取样。
[0034]在一个实施例中，可以在相绕组W开始断电时或即将开始断电时进行相电流变化率和相电流振幅的取样。在相绕组W开始断电之后，可以立即进行取样。当两个开关SI和S2打开时，可以在取样点进行相电流变化率和相电流振幅的取样。
[0035]可以对相电流变化率和相电流振幅进行取样，以计算转子14的角位置。可以将取样的相电流变化率和相电流振幅与基准相电流变化率和相电流振幅进行比较，以确定转子位置是否存在角误差。
[0036]可以基于对应于能态之间转换(即通电状态与续流状态之间的转换和续流状态与断电状态之间的转换)的转子位置选择取样点。
[0037]可以在优化的开关磁阻电机运行的基础上选择取样点。
[0038]图5示出了作为相电流函数的电流变化率。三条曲线0ref，Θ ref+，0ref_可以指示与预定的相电流基准变化率和相电流基准振幅相关的转子14的角位置。曲线0ref，Θ ref+, 0ref_仅显示可能已绘制的转子14所有可能角位置的曲线图。当转子14与定子12完全对齐时，续流电流斜率可以随着转子14的角位置接近完全对齐位置减小。
[0039]曲线Θ ref可以指示具体的角位置。曲线Θ ref可以指示在相绕组W的续流阶段和相绕组W的断电阶段之间转换时的基准角。
[0040]曲线Θ ref+可以指示大于曲线0ref角位置的角位置。在一个实施例中，曲线Θ ref+可以指示大于曲线Θ ref角位置2°的角位置。
[0041]曲线Θ ref-可以指示小于曲线0ref角位置的角位置。在一个实施例中，曲线Θ ref—可以指示小于曲线Θ ref角位置2°的角位置。
[0042]通过确定与取样的相电流变化率和相电流振幅重合的曲线，可以获得转子14的角位置。如果与取样的相电流变化率和相电流振幅重合的曲线表明角位置和在取样周期内描述的角位置不同，则可能存在角误差。角误差可用于修改定时器，以估计转子14的位置。
[0043]图6是实施监测磁阻电机中转子位置的方法的控制电路20的示意图。控制电路20可以包含在磁阻电机中以控制转子位置，所述磁阻电机包括定子、相对于定子可以运动的转子和耦联到定子的至少一个相绕组。控制电路20可以控制开关S1，S2，开关S1，S2可致动以用于使相绕组W通电，以使转子14相对于定子14运动，使续流电流在续流周期内通过相绕组W，并且使相绕组W断电。
[0044]控制电路20可以具有速度控制器24。速度控制器24可以接收速度需求信号22。可以将速度需求信号22和从线路23获得的反馈信号进行比较。速度控制器24的输出可以是作为输入发送到点火控制器26的速度误差信号。点火控制器26可能不会引入监测周期。点火控制器26可以命令对相电流变化率和相电流振幅进行取样。在从相绕组W的续流状态到断电状态转换时，点火控制器26可以命令对相电流变化率和相电流振幅进行取样。