專利名稱：電機轉子位置探測的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及多相電機的轉子位置探測，具體地說，但不限于，涉及多相開關磁阻電機的轉子位置探測。
背景技術：
開關磁阻系統(tǒng)的特性和運行在本領域中是公知的，并且在例如“Thecharacteristics，design and application of switched reluctance motors anddrives”(開關磁阻電機和電機調速系統(tǒng)的特性、設計及應用)(Stephenson和Blake，PCIM’93，Nürnberg，1993年6月21日至24日，在此引入作為參考)中進行了說明。圖1以示意圖的形式示出了一種典型的開關磁阻電機調速系統(tǒng)，其中開關磁阻電機12驅動負載19。輸入直流電源11既可以是電池，也可以是經整流和濾波后的交流電源。由電源11提供的直流電壓在電子控制單元14的控制下通過電力變換器13在電機12的相繞組16之間切換。該切換必須與轉子的旋轉角度正確同步以便電機調速系統(tǒng)正確運行，通常采用轉子位置探測器15來提供對應于轉子的角位置的信號。
許多不同的電力變換器拓撲是公知的，以上引用的Stephenson的論文中討論了其中的幾種。圖2示出了用于多相系統(tǒng)的一個單相的最常用的一種布置，其中電機的相繞組16在母線26和27之間與兩個開關裝置21和22串聯。母線26和27共同稱為變換器的“直流聯絡線”。能量恢復二極管23和24與繞組相連，以便當開關21和22打開時允許繞組電流回流到直流聯絡線。電阻器28與下面的開關22串聯以提供電流反饋信號。直流聯絡線之間連接有被稱為“直流聯絡線電容器”的電容器25以提供或吸收直流聯絡線電流的任何交流分量(即所謂的“紋波電流”)，這些交流分量不能從電源流出或返回電源。實際上，電容器25可以包括若干個串聯和/或并聯的電容器并且，當使用并聯時，某些部件可以分布在整個變換器中。多相系統(tǒng)通常使用若干并聯的圖2所示的“相腳”(phase legs)來激勵電機的各相。
圖3示出了圖2中所示電路的運行周期的典型波形。圖3(a)示出了當開關21和22閉合時在導通角θc的持續(xù)時間內施加的電壓。圖3(b)示出了相繞組16中的電流上升至峰值然后稍微下降。在導通周期結束時，開關打開，電流流向二極管，將反向聯絡線電壓置于繞組之間并因此強迫降低了磁通以及使電流降至零。當零電流時，二極管停止導通，電路處于停用狀態(tài)，直到后續(xù)導通周期開始。當開關打開時，直流聯絡線上的電流反向，如圖3(c)所示，并且返回的電流代表返回給電源的能量。電流波形的形狀會因電機運行點以及所采用切換策略的不同而有所不同。正如眾所周知以及以上引用的Stephenson論文中所描述的那樣，不同時地斷開開關給出了一種通常稱為“飛輪”(freewheeling)的運行模式，其中電流在由繞組、開關以及二極管組成的回路中循環(huán)。這種技術由于各種原因(包括限制峰值電流以及減少噪聲)而被采用。
但是，在零速度和低速時，由于將經歷較高的峰值電流，單脈沖模式并不適合，將使用斬波模式。至于單脈沖控制，斬波模式有兩個主要變型。最簡單的方法是同時打開與相繞組關聯的兩個開關，例如圖2中的開關21和22。這會導致能量從電機返回直流聯絡線。這種方法有時被成為“硬斬波”(hard chopping)。替代方法是僅打開一個開關并允許發(fā)生飛輪這被稱為“飛輪斬波”(freewheel chopping)或“軟斬波”(soft chopping)。在這種控制模式中，沒有能量從相繞組返回直流聯絡線。
對于任何斬波方案，都要選擇用于確定要使用的電流級別的策略。在本領域中許多此類策略都是公知的。一種常用的方案是使用可在上限和下限電流之間實現斬波的滯后控制器。圖4(a)示出了一種用于硬斬波的典型方案。在選定的接通角θon(其通常是這樣的位置相在該處具有最小電感，但也可以是某些其他位置)，對相繞組施加電壓并允許相電流增加，直至其達到上限滯后電流Iu。此時兩個開關都打開并且電流下降，直至其達到下限電流I1，然后兩個開關再次閉合，重復所述斬波循環(huán)。圖5(a)示出了使用飛輪的滯后控制器的相應相電流波形斬波頻率的減小立刻很明顯。
圖4(b)和5(b)分別示出了由于圖4(a)和5(a)中的相電流而在直流聯絡線中流過的電源電流。在每種情況下，直流聯絡線電容器都提供這些波形的一部分交流分量。本領域的技術人員將理解這些圖形被理想化了，因為電容器必須具有零平均電流。實際上，當存在電源阻抗和電容器電阻以及電感時的電流行為是極其復雜的。
開關磁阻電機的相電感周期是該相(或每相)的電感變化周期，例如當轉子極與各自相應的定子極完全對齊時最大值之間的周期。圖4(a)示出了相的電感曲線的理想化形狀。實際上，各銳角將是圓滑的，這是由于磁通發(fā)散以及磁路飽和的緣故，并且電感的最大值還將與電流相關。盡管如此，該曲線對于說明電機的一般行為還是很有用的。
開關磁阻電機的性能部分取決于根據轉子位置來準確定時相激勵。通常使用傳感器15(其在圖1中簡要地示出，諸如安裝在電機轉子上的旋轉齒形盤，與安裝在定子上的光學或磁傳感器配合使用)來完成轉子位置的探測。產生指示相對于定子的轉子位置的脈沖序列并將其提供給控制電路，實現準確的相激勵。此系統(tǒng)很簡單并在許多應用中工作良好。但是，轉子位置傳感器增加了裝配的總體成本，添加了到電機的額外電氣連接，并因此是潛在的不可靠性的來源。
已經提出多種用于省去轉子位置傳感器的方法。W F Ray和I HAl-Bahadly的“Sensorless Methods for Determining the Rotor Position ofSwitched Reluctance Motors”(確定開關磁阻電機轉子位置的無傳感器方法)(發(fā)表在1993年9月13日至16日在英國布萊頓召開的歐洲電力電子會議的會議記錄第6卷的7至13頁，在此引入作為參考)一文中評述了其中的幾種方法。通常，這些方法分為兩類一類適合于低速運行，另一類適合于高速運行。
在“斬波”電流控制是用于改變輸出轉矩的主要控制策略的情況下，已知的方法通常在不產生轉矩的相(即在特定時刻不直接從電源激勵的那些相)中采用診斷激勵脈沖。例如，N M Mvungi和J M Stephenson在“Accurate Sensorless Rotor Position Detection in an S R Motor”(在開關磁阻電機中準確探測無傳感器的轉子位置)(發(fā)表在1991年在意大利佛羅倫薩召開的歐洲電力電子會議的會議記錄第1卷390至393頁，在此引入作為參考)一文中提出了一種適合于低速、斬波模式的方法。此類方法最適合于速度相對較低的情況，此時診斷脈沖占用的時間長度與電感周期的總周期時間相比是很短的。隨著速度的增加，脈沖會占用該周期的更長部分并很快到達無法獲得可靠的位置信息的時刻。
在現有技術中，診斷脈沖技術通常應用于每次只激勵一個相的系統(tǒng)。雖然這是傳統(tǒng)且最簡單的運行方法，但它不一定能提供電機的最高特定輸出。在嘗試產生最高的可能輸出時，某些高級系統(tǒng)使用同時導電的兩相或更多相。在2相系統(tǒng)中，通常交替運行各相。但是，US 5747962(共同受讓給當前受讓人并在此引入作為參考)披露了一種在電機的部分電氣周期上同時運行兩相的方法。在3相電機中，可以通過先后單獨激勵相A、相B以及相C來運行。但是，為了提高電機的最小瞬時轉矩以及平均轉矩輸出兩者，通常利用這樣的事實每個相周期的轉矩產生部分是重疊的。因此，已知可以使用激勵模式A、AB、B、BC、C、CA、A...。同樣對于4相電機，通常始終有兩相在所需方向上產生轉矩，因此可以成對激勵相AB、BC、CD、DA、AB...。對于更高的相數，相應的規(guī)則也適用，其中對于至少部分電氣周期，可以使用三相或更多相。
雖然此類方案提高了電機的可用輸出，但它們對任何使用診斷脈沖的無傳感器位置探測方案都具有不利的影響，因為此時電機的磁路除了承載與第三相中診斷脈沖關聯的磁通之外，還承載來自至少兩個工作相的磁通。由于磁路在其磁通/電流關系中通常為非線性，因此，從診斷脈沖收集的信息是失真的，并且這會導致在估計轉子位置時出現錯誤。
因此，當在預定的轉子角度上激勵多個相時，在例如低速斬波模式中需要一種可靠的轉子位置探測方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了對空閑相中漏磁通的補償。這尤其出現在同時激勵兩相或更多其他相時。在一種形式中，本發(fā)明的一個實施例提供了一種在可以單獨激勵各相的多相電機中確定轉子位置的方法，所述方法包括將診斷脈沖施加到空閑相；對所述空閑相中所述施加的電壓積分以導出與所述空閑相磁鏈關聯的值；測量所述空閑相電流以產生測量的電流值；為由于所述空閑相中漏磁通引起的電流補償所述測量的電流值；以及根據所述補償的電流和所述相磁鏈來導出轉子位置。
補償由于漏磁通引起的電流可以包括與施加所述診斷脈沖基本同時地測量所述空閑相中的電流，以導出指示由于漏磁通引起的電流的值，并從所述測量的電流值中減去所述由于漏磁通引起的電流的值以導出所述補償的電流。
可替代地，所述補償由于漏磁通引起的電流可以包括為轉子位置的值存儲預先描述的電流值，該電流值代表由于相磁鏈引起的電流以及由于漏磁通引起的電流；以及通過訪問針對所述測量電流值的已存儲的轉子位置值來導出所述轉子位置。
針對轉子位置的已存儲的電流值可以根據經驗來確定或者根據使用例如有限元分析的理論來確定。
各實施例還擴展到其中所述診斷脈沖具有基本恒定磁通的系統(tǒng)。
本發(fā)明還擴展到加載有用于實現本發(fā)明的方法的程序的計算機可讀介質。


本發(fā)明可以以多種方式實現，現在將通過實例的方式并參考附圖對其中的某些方式進行說明，這些附圖是圖1示出了典型的現有技術的開關磁阻電機調速系統(tǒng)；圖2示出了圖1的變換器的一個相的已知拓撲；圖3(a)示出了開關磁阻電機的電壓波形；
圖3(b)示出了相應的相電流波形；圖3(c)示出了相應的電源電流波形；圖4(a)示出了典型的硬斬波電流波形；圖4(b)示出了相應的電源電流波形；圖5(a)示出了典型的軟斬波電流波形；圖5(b)示出了相應的電源電流波形；圖6示出了3相開關磁阻電機的電感波形以及激勵模式；圖7示出了帶有診斷脈沖的斬波電流波形；圖8示出了磁阻電機中的示意磁通路徑；圖9示出了一個包括本發(fā)明的一個方面的系統(tǒng)；圖10示出了一個包括本發(fā)明的一個方面的流程圖；圖11示出了恒定漏磁通的脈沖電流與轉子位置之間的關系；以及圖12示出了一個包括本發(fā)明的另一個方面的流程圖。
具體實施例方式
將要說明的示例性實施例使用處于電機模式的3相開關磁阻電機調速系統(tǒng)，但是無論該調速系統(tǒng)處于電機模式還是發(fā)電模式(即分別產生作為轉矩或力或作為電功率的輸出)，任何相數大于2的開關磁阻電機都可以使用。
圖6示出了三相開關磁阻電機各相的電感波形。正如以上引用的Stephenson等人的論文中說明的那樣，當電感曲線隨轉子角度增加而上升時將產生正轉矩，因此，激勵模式Exc A、Exc B以及Exc C中的正區(qū)顯示何時可從這些相獲得正轉矩。如果采用簡單的1相工作(1-phase-on)模式，則在Exc A與Exc B之間存在重疊時的任何時刻可以發(fā)生比如從相A到相B的轉換。使用傳統(tǒng)的轉子位置傳感器布置，這通常在其中一種模式的上升或下降邊沿完成。
使用無傳感器位置探測系統(tǒng)時，在基本空閑相的電感形狀的電感下降部分對該相施加診斷脈沖。激勵區(qū)之間的陰影線部分示出了如何為任意轉子角度選擇滿意的位置。圖7示出了將固定磁鏈(即恒定的電壓-時間乘積)的診斷脈沖插入到主要的、產生轉矩的電流之間的間隙內的斬波波形。當然，該診斷脈沖也產生轉矩(盡管在相反的方向)，但電流卻小得多，所以通常不會引起較大的干擾。
通過對適當的相施加診斷脈沖并對所施加的電壓積分，可以估計與該相關聯的磁鏈。所述積分通過硬件積分器或者通過軟件來執(zhí)行。當積分器的輸出(即磁鏈)已經達到預定水平時，將測量空閑相中的電流。然后該相被斷開，將跨該相的電壓反向并施加負電壓，該負電壓將磁鏈(以及因此電流)減小至零。然后使用測量的電流值來索引已針對磁鏈的該預定水平存儲的位置向量。通過這種方式，可以從各相中的相繼診斷脈沖獲得連續(xù)的位置信息流。
假如每次只使用一相來產生轉矩，則上述方法通常足夠準確。但是，當同時使用比如相A和B來產生轉矩時，電機磁路的某些部件會變得負載過重，從而導致非線性行為。當特定影響涉及任何電機的特定磁性幾何形狀時，圖8示出了具有以虛線顯示的理想化磁通路徑的3相6/4電機。可以看到，例如，許多定子和轉子背鐵(back-iron)現在都承載來自兩個相的磁通。通常，這會導致磁路的這些部件工作在非線性區(qū)并強制磁通進入包括非激勵相的泄漏路徑。此類漏磁通可能鏈接用于轉子位置信息的空閑相。
因此，如果現在對第三相施加診斷脈沖，有兩種影響變得很重要，它們聯合使從所述脈沖獲得的信息失真，如下所述。首先，由于系統(tǒng)對相電壓積分以估計磁鏈，因此診斷脈沖將存在已知的持續(xù)時間。但是，已經存在鏈接該相的線圈的(漏)磁通，因此當閉合(多個)開關以施加診斷脈沖時，電流將立即達到支持此磁通的值，與當診斷脈沖正在建立時建立的電流無關。由此可知，當積分器輸出(磁鏈)達到其預定水平時，測量的電流將高于對應于正確轉子位置的值。其次，加入診斷脈沖的過程進一步增加了將在背鐵中承載的磁通，導致磁路的這些部件的磁導率減小。實際上，現在診斷脈沖已失去了其標度，因為為該脈沖存儲的預先描述的信息已不再準確。
當激勵模式從某一相數變成其他相數時，這些影響的組合導致了估計轉子位置的不連續(xù)性并且在控制系統(tǒng)中產生了干擾。
本發(fā)明的諸實施例通過補償由于漏磁通引起的電流來克服這些困難。這可以通過從在診斷脈沖末端測量的電流中減去上述電流，或者通過當描述電機特性時在漏磁通中乘以系數來實現。
圖9示出了根據一個實施例用于實現本發(fā)明的系統(tǒng)。電流傳感器30布置在每一相上。另外，就硬件而言，圖9是圖1的電機調速系統(tǒng)的無傳感器形式。圖10是根據本發(fā)明的此實施例用于運行圖9的基于處理器的控制器32的流程圖。圖10說明了電機模式的運行。對本領域的技術人員顯而易見的是，可以導出用于發(fā)電模式的等效流程圖。
補償式無傳感器轉子位置探測基于上述與圖6和圖7有關的技術。首先，在步驟40，控制器判定是否根據斬波模式來控制電機。其次，在步驟42和44，控制器判定是否有兩相為工作相以及電機的輸出是否高于預定水平，從而由于漏磁通而在用于診斷脈沖的相中導致電流量的顯著增加。
如果滿足這些條件，則根據空閑相是否處于可以在其中施加診斷脈沖的不產生轉矩的區(qū)域(即該相中的電感是否如步驟46中所述的那樣降低)來評估該相。如果否，則控制器循環(huán)返回。如果該相處于適當的區(qū)域，則在步驟48通過使電力變換器13的適當相開關動作來由控制器對該空閑相施加診斷脈沖。同時測量相電流。這是上面提到的由于該空閑相中的漏磁通而引起的電流。
在步驟52，對所施加的電壓積分以導出與該相關聯的磁鏈的值。在步驟54，控制器檢查磁鏈(積分器的輸出)是否已達到適當的預定水平。如果尚未達到，則系統(tǒng)循環(huán)返回步驟52繼續(xù)進行積分。如果已達到該水平，則停止積分并在步驟56測量電流。在步驟60，通過從在步驟56進行的電流測量中減去由于漏磁通而引起的電流來除去該電流。然后在步驟62，使用現在已補償了漏磁通影響的電流值來索引針對磁鏈水平(在該處測量電流)存儲的轉子位置向量。
雖然以上說明使用了處于斬波模式的電機調速系統(tǒng)的步驟40的測試，但也可以使用任何其他適合的準則，例如，速度是否通過預定的閾值。
替代實施例預先描述了漏磁通和電流，并以補償漏磁通對診斷脈沖的影響的方式使用該信息。預先描述可以通過經驗地測量電機或為電機建模(例如通過有限元分析)來完成。這會產生圖11中所示的結果。圖11示出了3相電機的特性信息，其中使用了具有20mWbT峰值的磁鏈的診斷脈沖。曲線X示出了當相A或相B承載100A時診斷脈沖電流與相C的轉子位置之間的關系。曲線Y示出了當A和B均工作并且均在100A斬波時的脈沖電流。
在一個實施例中，曲線X被存儲為相對于電流的位置向量，以便在不減去由于漏磁通而引起的電流的情況下，同樣可以從測量的脈沖電流中讀出位置。得益于曲線Y(以及指示曲線Y何時適用的開關狀態(tài)的知識)，可以建立第二個表或向量，以便測量的電流現在可以給出真實轉子位置。
圖12說明了圖10的流程圖的修改后的形式，其中使用了模型化的電流/漏磁通。在本發(fā)明的這種形式中，修改了圖10中的步驟48并省略了步驟60。另外，圖12中的步驟40至62與圖10中的那些步驟相同。在步驟62，將測量的相電流應用到曲線Y的查找表以直接導出轉子位置。
如果電機調速系統(tǒng)并非始終以相同水平的斬波電流運行，則或者可以為每一曲線X和Y存儲一系列向量，或者可以將某種形式的常規(guī)插值用于任一曲線或全部曲線。本領域的技術人員將理解，主要當電機以高轉矩水平運行并因此飽和時才存在補償的必要性。
因此在運行中，當只有一相斬波并對另一相施加診斷脈沖時(測量的脈沖電流被用于根據曲線X來確定轉子位置)，電機調速系統(tǒng)的控制系統(tǒng)以常規(guī)方式運行。當轉子處于使用兩相來產生轉矩的位置時，使用曲線Y(或其插值形式)來校正增加的漏磁通量以及正確地確定轉子位置。
所述方法可以以同等益處應用于作為電機或發(fā)電機運行的電機以及使用與相有關的參數進行轉子位置探測的任何電機。所述方法并不專用于某一類位置控制算法。例如，如上所述，其可以應用于使用基本恒定電流的診斷脈沖(而不是基本恒定磁鏈的脈沖)的方案。
本領域的技術人員將理解，可以在不偏離本發(fā)明的情況下改變所披露的布置，特別是在控制器中實現所述算法的細節(jié)。還顯而易見的是，雖然根據開關磁阻電機描述了所述技術，但該技術還可以用于具有單獨供電的相的任何電機。
此外，雖然根據旋轉電機描述了本發(fā)明，但本發(fā)明同樣適用于具有軌道形式的定子和在其上運動的運動部件的線性電機。在本領域中使用的“轉子”一詞同時指旋轉電機和線性電機的可運動部件并且在本文中也應按照這種方式理解。因此，以上通過實例方式對若干實施例進行了描述并且并非出于限制目的。對本領域的技術人員顯而易見的是，可以對所述控制方法做出細微修改而不顯著更改上述操作。本發(fā)明旨在僅由以下權利要求的范圍來限定。
權利要求
1.一種在可以單獨激勵各相的多相電機中確定轉子位置的方法，所述方法包括將診斷脈沖施加到空閑相；對所述空閑相中所述施加的電壓積分以導出與所述空閑相磁鏈關聯的值；測量所述空閑相電流以產生測量的電流值；為由于所述空閑相中漏磁通引起的電流補償所述測量的電流值；以及根據所述補償的電流和所述相磁鏈來導出轉子位置。
2.如權利要求1中所述的方法，其中所述補償由于漏磁通引起的電流包括與施加所述診斷脈沖基本同時地測量所述空閑相中的電流以導出指示由于漏磁通引起的電流的值；以及從所述測量的電流值中減去所述由于漏磁通引起的電流的值以導出所述補償的電流。
3.如權利要求1中所述的方法，其中所述補償由于漏磁通引起的電流包括為轉子位置的值存儲預先描述的電流值，該電流值代表由于相磁鏈引起的電流以及由于漏磁通引起的電流；以及通過訪問針對所述測量電流值的已存儲的轉子位置值來導出所述轉子位置。
4.如權利要求3中所述的方法，其中所述電流值根據經驗導出。
5.如權利要求3中所述的方法，其中所述電流值通過電機的有限元分析導出。
6.如權利要求1至5中任一權利要求所述的方法，其中所述診斷脈沖具有基本恒定的磁通。
7.如權利要求1至6中任一權利要求所述的方法，包括當同時激勵至少兩個其他相時將所述診斷脈沖施加到所述空閑相。
8.一種用于在可以單獨激勵各相的多相電機中確定轉子位置的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括用于將診斷脈沖施加到空閑相的裝置；用于對所述空閑相中所述施加的電壓積分以導出與所述空閑相磁鏈關聯的值的裝置；用于測量所述空閑相電流以產生測量的電流值的裝置；用于為由于所述空閑相中漏磁通引起的電流補償所述測量的電流值的裝置；以及用于根據所述補償的電流和所述相磁鏈來導出轉子位置的裝置。
9.如權利要求8中所述的系統(tǒng)，其中所述用于補償由于漏磁通引起的電流的裝置包括用于與施加所述診斷脈沖基本同時地測量所述空閑相中的電流以導出指示由于漏磁通引起的電流的值的裝置；以及用于從所述測量的電流值中減去所述由于漏磁通引起的電流的值以導出所述補償的電流的裝置。
10.如權利要求8中所述的系統(tǒng)，其中所述用于補償由于漏磁通引起的電流的裝置包括為轉子位置的值存儲預先描述的電流值的裝置，該電流值代表由于相磁鏈引起的電流以及由于漏磁通引起的電流；以及用于通過訪問針對所述測量電流值的已存儲的轉子位置值來導出所述轉子位置的裝置。
11.如權利要求1至7中任一權利要求所述的方法，或者如權利要求8至10中任一權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述電機是作為電機或發(fā)電機工作的開關磁阻電機。
12.如權利要求8至11中任一權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述用于施加的裝置可以施加具有預定大小磁鏈的診斷脈沖。
13.如權利要求8至12中任一權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述用于施加的裝置被安排成當同時激勵至少兩個其他相時將所述診斷脈沖施加到所述空閑相。
14.一種計算機可讀介質，加載有可以執(zhí)行權利要求1至7或11中任一權利要求的方法的步驟的程序。
全文摘要
一種電機轉子位置探測的方法和系統(tǒng)，可以不使用物理的轉子探測器對電機進行控制。當同時使用多個相來為應用產生足夠的轉矩時，磁路部件的增加的漏磁通以及減小的磁導率使從診斷脈沖收集的信息失真。通過存儲多組適合于所使用相數的特性數據，控制系統(tǒng)能夠更準確地確定轉子位置。
文檔編號H02P6/18GK1638259SQ20041010167
公開日2005年7月13日 申請日期2004年12月20日 優(yōu)先權日2004年1月9日
發(fā)明者R·A·諾曼, M·L·麥克萊蘭 申請人:開關磁阻驅動有限公司