專利名稱：開關(guān)磁阻電機(jī)中轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及開關(guān)磁阻電機(jī)中轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)，尤其涉及那些不用檢測(cè)器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置來操作的電機(jī)。
一般地說，磁阻電機(jī)是這樣一種電機(jī)，其中借助于其可動(dòng)部件朝向磁路的磁阻最小的位置，即激磁繞組的電感最大的位置運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。在一種磁阻電機(jī)中，配備有電路裝置用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子的角位置并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置向相繞組供電。這種類型的磁阻電機(jī)一般被稱為開關(guān)磁阻電機(jī)。其可以作為電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)來工作。這種開關(guān)磁阻電機(jī)的特性是熟知的，并且例如Stephenson和Blake在PCIM’93，Nurberg，21-24 June 1993的“The characteristics，design andapplication of switched reluctance motors and drives”中描述了，這篇文章被包括在本專利說明中作為參考。這篇文章說明了開關(guān)磁阻電機(jī)的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)還形成相繞組的磁阻被周期地接改變這一特性。


圖1表示一種典型的開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要元件。輸入直流電源11可以是電池或者是被整流并被濾波的交流電源，并且其幅值可以是固定的或者是變化的。由電源11提供的直流電壓在電子控制單元14的控制下通過功率變換器13以開關(guān)方式加到電動(dòng)機(jī)12的相繞組16兩端。其中的開關(guān)操作必須正確地和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度同步，以便正確地進(jìn)行驅(qū)動(dòng)操作。一般使用轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器15提供指示轉(zhuǎn)子的角度位置的信號(hào)。轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器15的輸出也可以用于產(chǎn)生速度反饋信號(hào)。通過電流傳感器18在控制器14中提供電流反饋，電流傳感器18用于采樣一個(gè)或幾個(gè)相繞組中的電流。
轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器15可以采用多種形式，例如可以采取硬件的形式，如圖1示意地表示的。在一些系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器15可以包括轉(zhuǎn)子位置傳感器，每當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到要求功率變換器13中的器件改變其連接接線時(shí)其提供用于改變狀態(tài)的輸出信號(hào)。在另一種系統(tǒng)中，位置檢測(cè)器可以是一種軟件算法，其根據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的其它被監(jiān)測(cè)的參數(shù)計(jì)算還判斷轉(zhuǎn)子位置。這些系統(tǒng)通常被稱為“無位置檢測(cè)器的系統(tǒng)”，因?yàn)槿藗儾皇褂煤娃D(zhuǎn)子相連的用于測(cè)量位置的實(shí)際的傳感器。正如本領(lǐng)域熟知的，為了探求可靠的無檢測(cè)器系統(tǒng)，采用過許多不同的方法。
在開關(guān)磁阻電機(jī)中對(duì)相繞組的供電取決于轉(zhuǎn)子的角位置的檢測(cè)。這可以參照?qǐng)D2和圖3進(jìn)行說明，其中說明了作為電動(dòng)機(jī)操作的磁阻電機(jī)的開關(guān)操作。圖2一般地表示按照箭頭22接近定子25的定子磁極21的具有轉(zhuǎn)子磁極20的轉(zhuǎn)子24。如圖2所示，整個(gè)相繞組16的一部分23被圍繞定子磁極21繞制。當(dāng)圍繞定子磁極21的相繞組16的一部分23被供電時(shí)，就在轉(zhuǎn)子上施加一個(gè)力，試圖拖動(dòng)轉(zhuǎn)子磁極20和定子磁極21對(duì)齊。圖3一般地表示功率變換器13中的用于控制包括繞在定子磁極21上的部分23的相繞組16的供電的典型的開關(guān)電路。當(dāng)開關(guān)31和32閉合時(shí)，相繞組和直流電源相連，因而被供電。許多其它的層疊的幾何結(jié)構(gòu)、繞組布局和開關(guān)電路在本領(lǐng)域中是熟知的其中一些在上面引用的Stephenson&Blake的文章中討論過。當(dāng)開關(guān)磁阻電機(jī)的相繞組以上述方式供電時(shí)，由磁路中的磁通建立的磁場(chǎng)產(chǎn)生一個(gè)如上所述的拖動(dòng)轉(zhuǎn)子磁極和定子磁極對(duì)齊的圓周力。
一般地說，按下述方式給相繞組供電以便使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)子的第一角位置(稱為“導(dǎo)通角”θON)，控制器14提供開關(guān)信號(hào)使開關(guān)元件31和32導(dǎo)通。當(dāng)開關(guān)元件31和32導(dǎo)通時(shí)，相繞組和直流母線相連，在電機(jī)中建立一個(gè)逐漸增加的磁通。該磁通在氣隙中產(chǎn)生一個(gè)作用在轉(zhuǎn)子磁極上從而產(chǎn)生拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩的磁場(chǎng)。電機(jī)中的磁通由從直流電源通過開關(guān)元件31和32以及相繞組16流動(dòng)的電流提供的磁動(dòng)勢(shì)(mmf)支持。一般使用電流反饋，并且相電流的幅值通過使開關(guān)元件31與/或32中的一個(gè)或兩個(gè)快速地導(dǎo)通與截止對(duì)電流斬波進(jìn)行控制。圖4(a)表示在斬波操作方式下一個(gè)典型的電流波形，其中電流在兩個(gè)固定值之間被斬波。在拖動(dòng)操作時(shí)，導(dǎo)通角θON通常被選擇為這樣一個(gè)轉(zhuǎn)子位置，在此位置轉(zhuǎn)子上的極間間距的中心線和定子磁極的中心線對(duì)齊，但是也可以是其它的角度。
在許多系統(tǒng)中，直到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)達(dá)到被稱為“慣性角”θFW時(shí)一直保持和直流母線的連接(如果使用斬波，則是斷續(xù)地連接)。當(dāng)轉(zhuǎn)子達(dá)到相應(yīng)于慣性角(例如圖2中所示的位置)的角位置時(shí)，一個(gè)開關(guān)例如31被截止。因而，流過相繞組中的電流繼續(xù)流動(dòng)，但是現(xiàn)在只通過兩個(gè)開關(guān)中的一個(gè)開關(guān)(在本例中為32)和二極管33/34中的一個(gè)(在本例中為34)流動(dòng)。在慣性運(yùn)行期間，加于相繞組上的電壓很小，并因而磁通基本保持恒定。電路被保持在這種慣性狀態(tài)，直到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到被稱為“截止角”θOFF的角位置，(例如當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極的中心線和定子磁極的中心線對(duì)齊時(shí))。當(dāng)轉(zhuǎn)子達(dá)到截止角時(shí)，兩個(gè)開關(guān)31和32都截止，相繞組23中的電流開始通過二極管33和34流動(dòng)。此時(shí)，二極管33和34提供和直流母線方向相反的電壓，使電機(jī)中的磁通(因而相電流)減少。在本領(lǐng)域中已知也使用其它的開關(guān)角和其它的電流控制方案。
隨著電機(jī)速度的增加，用于使電流上升到斬波值的時(shí)間減少，因而驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般運(yùn)行在“單脈沖”操作方式下。在這種方式下，導(dǎo)通角、慣性角和截止角例如按照速度和負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行選擇。一些系統(tǒng)不使用慣性角時(shí)間間隔，即開關(guān)31和32被同時(shí)接通和斷開。圖4(b)表示一種典型的單脈沖電流波形，其中慣性角是0。還已知導(dǎo)通角、慣性角和截止角的值可以被預(yù)先確定并按照一些合適的格式被存儲(chǔ)，以便按照需要由控制系統(tǒng)檢索，或者可以被計(jì)算或者實(shí)時(shí)地推導(dǎo)。
在Ray等人在Proc EPE’93 Conerence，Brighton，UK，13-16 Sept93，Vol 6，pp 7-13“Sensorless methods for determining the rotorposition of switched reluctance motors”中回顧了許多無檢測(cè)器位置檢測(cè)系統(tǒng)，并且進(jìn)行了分類，這篇文章在此列為參考。這篇文章得出的結(jié)論是，沒有一種方法在整個(gè)操作范圍內(nèi)是滿意的。在EP-A-0573198(Ray)中描述了一種已知的用于在高速(單脈沖)方式下操作的方法(也在此列為參考)，該方法披露了一種在預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子位置之前測(cè)量磁通和電流的方法。
對(duì)于大多數(shù)無檢測(cè)器位置檢測(cè)方法的一個(gè)共同問題是為了預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子位置所需的計(jì)算需要有限的時(shí)間。利用市場(chǎng)上可得到的微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器，這個(gè)時(shí)間一般比在電機(jī)工作在斬波方式下時(shí)的一個(gè)相周期短。不過，隨著電機(jī)速度的增加，操作方式變?yōu)閱蚊}沖方式，相周期變得更短，并且最終達(dá)到不再能夠及時(shí)地進(jìn)行計(jì)算以便使電機(jī)被連續(xù)地正確操作的速度。這一困難被一些研究者廣泛地報(bào)道了，例如在Russa等人發(fā)表于PESC98，29th Annual IEEEPower Electronics Specialists Conference，F(xiàn)ukuoka，Japan，17-22May 1998，Vol2，pp1269-1275的文章“A self-tuning controller forswitched reluctance machines”。
本發(fā)明的目的在于提供一種可在高速下操作的開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)裝置的可靠的經(jīng)濟(jì)的無檢測(cè)器位置檢測(cè)方法。本發(fā)明一般可應(yīng)用于作為電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)工作的開關(guān)磁阻電機(jī)。
按照本發(fā)明，提供一種用于開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的方法，所述開關(guān)磁阻電機(jī)具有轉(zhuǎn)子、定子、多個(gè)相繞組以及用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子速度的裝置，其中轉(zhuǎn)子可以按照每個(gè)相的磁性能的周期性的改變相對(duì)于定子而轉(zhuǎn)動(dòng)，所述方法包括確定在磁性能的每個(gè)周期變化中轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的基準(zhǔn)位置；以計(jì)算的到達(dá)一個(gè)基準(zhǔn)位置所用的時(shí)間采樣至少一個(gè)電機(jī)的特性數(shù)據(jù)；從采樣的特性數(shù)據(jù)導(dǎo)出轉(zhuǎn)子位置；使轉(zhuǎn)子向前運(yùn)動(dòng)超出下一個(gè)基準(zhǔn)位置并再次采樣至少一個(gè)特性數(shù)據(jù)，使得有更多的時(shí)間用于下一次轉(zhuǎn)子位置的導(dǎo)出。
基于電機(jī)的磁性能原理的開關(guān)磁阻電機(jī)以轉(zhuǎn)子極距為工作周期。磁性能可通過參考相繞組的電感或由相繞組產(chǎn)生的磁鏈被確定。
本發(fā)明提供跳過一個(gè)或幾個(gè)基準(zhǔn)位置的選擇，因而使得當(dāng)必須導(dǎo)出轉(zhuǎn)子位置時(shí)的時(shí)刻不同。隨著電機(jī)速度的增加，給定的處理能力的范圍可以被擴(kuò)展，因?yàn)樵谳^高的速度下可用于處理的時(shí)間被增加而得到補(bǔ)償。本發(fā)明不必依賴于速度。作為電動(dòng)機(jī)的控制方式的一部分，可以跳過基準(zhǔn)位置而不參考速度。不過，優(yōu)選實(shí)施例包括確定一組轉(zhuǎn)子的速度范圍，包括低速范圍和至少一個(gè)高速范圍；確定轉(zhuǎn)子速度處于哪一個(gè)速度范圍；如果轉(zhuǎn)子速度處于較高的速度范圍，則前進(jìn)超過下一個(gè)基準(zhǔn)位置。
所述前進(jìn)超過的基準(zhǔn)位置的數(shù)量最好是整數(shù)。
速度范圍可以包括第一高速范圍，按照第一高速范圍，下一個(gè)基準(zhǔn)位置的前進(jìn)的值是一個(gè)相電感周期的一部分。例如1/n，其中n可以是相數(shù)。
速度范圍還可以包括第二高速范圍，按照第二高速范圍，下一個(gè)基準(zhǔn)位置的前進(jìn)的值是一個(gè)或幾個(gè)相電感周期。
轉(zhuǎn)子速度可以通過參考采樣的特性數(shù)據(jù)或者和該數(shù)據(jù)無關(guān)地被導(dǎo)出。
本發(fā)明還擴(kuò)展到開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其包括具有多個(gè)相繞組的定子；可相對(duì)于定子運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子；用于確定轉(zhuǎn)子速度的裝置；以及控制器，所述控制器可以按照在電機(jī)的每相的磁性能的每個(gè)周期的改變中的轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的基準(zhǔn)位置被編程，其具有用于從至少一個(gè)被采樣的電機(jī)的特性數(shù)據(jù)導(dǎo)出轉(zhuǎn)子位置的裝置；以及以計(jì)算的到達(dá)一個(gè)基準(zhǔn)位置所需的時(shí)間采樣至少一個(gè)電機(jī)的特性數(shù)據(jù)的裝置，所述控制器還可以操作使轉(zhuǎn)子前進(jìn)而超出下一個(gè)基準(zhǔn)位置，并且然后啟動(dòng)用于采樣的裝置，使得有更多的時(shí)間用于轉(zhuǎn)子位置的下一次導(dǎo)出。
按照本發(fā)明，還提供一種用于確定開關(guān)磁阻電機(jī)中的轉(zhuǎn)子位置的方法，所述開關(guān)磁阻電機(jī)包括定子，轉(zhuǎn)子和多個(gè)相繞組，當(dāng)以單脈沖方式操作時(shí)，所述方法包括確定在電機(jī)的磁特性的每個(gè)周期改變中的轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的基準(zhǔn)位置；以計(jì)算的到達(dá)每個(gè)第n個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的時(shí)間采樣至少一個(gè)電機(jī)的特性數(shù)據(jù)，其中n等于或大于2；以及從采樣的特性數(shù)據(jù)導(dǎo)出轉(zhuǎn)子位置。
最好n是一個(gè)可變的數(shù)。其可以按照需要按照轉(zhuǎn)子位置改變，使得可以通過進(jìn)行基準(zhǔn)位置的選擇來得到按照轉(zhuǎn)子的速度處理時(shí)間所需的時(shí)間。
本發(fā)明可以用多種方式實(shí)施，下面參照附圖以舉例的方式說明其中一些方式，其中圖1表示開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要部件；圖2表示接近定子磁極的轉(zhuǎn)子磁極的示意圖；圖3表示在用于控制圖1的電機(jī)的相繞組的供電的功率變換器中的一種典型的開關(guān)電路；圖4(a)和4(b)分別說明在斬波方式和單脈沖方式下操作的開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電流波形；圖5表示按照本發(fā)明以單脈沖方式操作的電機(jī)的理想的電感曲線和可能的基準(zhǔn)角位置；圖6是使用本發(fā)明的開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的示意地方塊圖；以及圖7表示按照本發(fā)明以單脈沖方式在寬的速度范圍內(nèi)操作的電機(jī)的控制流程圖。
圖6說明使用本發(fā)明的開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的示意的電路圖。該電路基于圖1的電路，并且用相同的標(biāo)號(hào)表示相同的部件。此處不再重復(fù)進(jìn)行相同元件的進(jìn)一步說明，但是應(yīng)當(dāng)注意轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)是無檢測(cè)器型的，因?yàn)殡娐分袥]有圖1的轉(zhuǎn)子位置傳感器15。
控制器14’包括專用集成電路(ASIC)40，其包括微處理器，被可操作地和查閱表42以及A/D轉(zhuǎn)換器44相連。A/D轉(zhuǎn)換器多路傳輸從電流傳感器18和被設(shè)置用于監(jiān)視相繞組16兩端的電壓的電壓檢測(cè)裝置46接收的信號(hào)。應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)于每相可以使用單獨(dú)的A/D轉(zhuǎn)換器處理這些輸入信號(hào)。
在本實(shí)施例中，本發(fā)明的方法包括開關(guān)磁阻電機(jī)的無檢測(cè)器操作技術(shù)，例如由Ray在EP-A-0573198中說明的。在該專利中描述的用于測(cè)量磁鏈和電流的方法是合適的，雖然也可以利用任何其它合適的方法，例如利用非隔離的裝置，如通常被用于低成本的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的，或者可以利用其它的分析或計(jì)算技術(shù)測(cè)量磁鏈。顯然，本發(fā)明同樣可以應(yīng)用于由Ray描述的無檢測(cè)器技術(shù)之外的無檢測(cè)器技術(shù)。本發(fā)明能夠利用已知的無檢測(cè)器技術(shù)控制較大的速度，其中不同的是對(duì)速度的限制由在控制器中處理數(shù)據(jù)的速度確定。
在單脈沖方式下，數(shù)據(jù)一般在每個(gè)相的電感周期被采集一次，因?yàn)樵诙嘞嚯姍C(jī)中，相電感周期重疊。因而，對(duì)于給定的電感周期，每個(gè)相依次被探測(cè)。角基準(zhǔn)點(diǎn)被預(yù)先確定，當(dāng)預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子處于這一位置時(shí)測(cè)量電流和磁鏈。測(cè)量的磁鏈和預(yù)計(jì)的磁鏈之間的誤差用于導(dǎo)出位置誤差，因而得到修正的位置估計(jì)。這一位置估計(jì)可用作計(jì)算速度或加速度的基礎(chǔ)。這個(gè)方法示意地示于圖5，其中LA，LB，和LC三相電機(jī)的理想的電感曲線，并且Ref A，Ref B和Ref C代表對(duì)于三相用于監(jiān)視操作的基準(zhǔn)角。通過使用電機(jī)磁特性的對(duì)稱性可以提供電動(dòng)機(jī)操作和發(fā)電機(jī)操作，使得只需要存儲(chǔ)相應(yīng)于半個(gè)電感曲線的數(shù)據(jù)。此外，對(duì)于兩種方式，數(shù)據(jù)可以被顯示地存儲(chǔ)。
圖7更詳細(xì)地說明單脈沖方法，圖7表示本發(fā)明的方法基于微處理器實(shí)施時(shí)使用的步驟的流程圖。具體的實(shí)施使用低成本的微處理器，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解該方法可以用稍微不同的步驟實(shí)施而可以產(chǎn)生相同的效果，或者可以利用其它的控制裝置實(shí)施，例如利用數(shù)字信號(hào)處理器等等。此外，也可以使用實(shí)施該方法的等效的模擬電路。步51使控制系統(tǒng)可以等待直到收到表示希望轉(zhuǎn)子處于一個(gè)預(yù)定的基準(zhǔn)角的中斷為止。步52在轉(zhuǎn)子被認(rèn)為處于基準(zhǔn)角位置時(shí)采樣磁鏈和電流并存儲(chǔ)這些值供以下的計(jì)算使用。磁鏈Ψm可以通過對(duì)施加于相繞組的emf積分方便地計(jì)算Ψm＝∫(V-iR) (1)其中V是除去任何器件壓降的電源電壓，i是瞬時(shí)相電流，R是相電阻。此外，可以通過積分直流線路電壓并使用已知的開關(guān)狀態(tài)控制積分器進(jìn)行計(jì)算。電流可以利用已知類型的隔離電流傳感器進(jìn)行測(cè)量，或者通過測(cè)量電路中的元件(例如電阻、開關(guān)元件等)上的電壓降進(jìn)行測(cè)量。這些值通過A/D轉(zhuǎn)換器44被轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式并被存儲(chǔ)在寄存器中。
步53使用電流的測(cè)量值查找磁鏈的期望值Ψref和在基準(zhǔn)角下的角度對(duì)磁鏈的導(dǎo)數(shù)dθ/dΨ。將合適的值保存在一個(gè)或幾個(gè)查閱表中并以常規(guī)分方式被讀出。步54計(jì)算在讀出時(shí)刻的角度和基準(zhǔn)位置之間的角度誤差ΔθΔθ＝dθ/dΨ(Ψm-Ψref)(2)然后這一角度誤差可以在步55用于計(jì)算轉(zhuǎn)子角度的真值θ＝θref±Δθ(3)其中對(duì)于電動(dòng)機(jī)操作取正號(hào)，對(duì)于發(fā)電機(jī)操作取負(fù)號(hào)。
無檢測(cè)器位置檢測(cè)系統(tǒng)一般必須在接近功率開關(guān)元件的電氣噪聲環(huán)境下操作，這經(jīng)常導(dǎo)致磁鏈和電流測(cè)量的不準(zhǔn)確，導(dǎo)致計(jì)算出位置數(shù)據(jù)。為了改進(jìn)系統(tǒng)的健壯性，已經(jīng)提出了一種用于檢查計(jì)算的位置數(shù)據(jù)的有效性的方法。這技術(shù)在步56進(jìn)行。每計(jì)算出一個(gè)新的位置，便可以存儲(chǔ)位置、時(shí)間和速度值。使用最后存儲(chǔ)的n個(gè)值，可以推定一個(gè)預(yù)測(cè)的位置，用于和新的計(jì)算值比較。如果新的計(jì)算值和預(yù)測(cè)值在一個(gè)預(yù)定的量?jī)?nèi)不一致，則增加誤差計(jì)數(shù)，并使用預(yù)測(cè)值代替新的計(jì)算值如果它們一致，則減少現(xiàn)有的誤差計(jì)數(shù)，并使用計(jì)算出的值。因而，經(jīng)過多個(gè)連續(xù)的測(cè)量周期，則建立起位置數(shù)據(jù)的可靠性曲線。如果誤差計(jì)數(shù)超過某個(gè)值，例如5次相繼的計(jì)算不一致，則控制系統(tǒng)決定已經(jīng)和轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置失去同步，并在發(fā)生嚴(yán)重的事故之前關(guān)閉電機(jī)的激磁。值的存儲(chǔ)和推斷可以利用任何常規(guī)的裝置進(jìn)行，但是一般利用在存儲(chǔ)器位置中的數(shù)字存儲(chǔ)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用n＝8能夠給出在系統(tǒng)的穩(wěn)定性和存儲(chǔ)容量的要求之間的好的折中。在另一個(gè)實(shí)施例中，8個(gè)存儲(chǔ)值用于位置，64個(gè)存儲(chǔ)值用于速度。
步57確定下一個(gè)參考位置，即在進(jìn)行下一組測(cè)量的相上的位置。按照現(xiàn)有技術(shù)，以可接受的精度確定轉(zhuǎn)子的角位置之后，并從過去的時(shí)間得知位置和速度之后，步58則應(yīng)當(dāng)計(jì)算在下一個(gè)相上的下一個(gè)參考位置應(yīng)當(dāng)達(dá)到的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間被存儲(chǔ)，并且控制器返回步51等待，直到經(jīng)過存儲(chǔ)的時(shí)間，在下一個(gè)參考位置進(jìn)行測(cè)量。
可以看出，通過按照現(xiàn)有技術(shù)的程序，在相鄰的參考點(diǎn)進(jìn)行相繼的測(cè)量。例如，參見圖5，如果在相A上的測(cè)量剛好在轉(zhuǎn)子角度Ref A完成，則圖7中的步57設(shè)Ref B作為下一個(gè)參考位置。將會(huì)認(rèn)識(shí)到，磁鏈和電流的測(cè)量必須在足夠接近參考角的條件下進(jìn)行，使得位置誤差較小，否則系統(tǒng)便不穩(wěn)定因而失去控制。
因?yàn)橛?jì)算占用有限的時(shí)間，顯然，使用這種方法對(duì)于操作速度具有限制。例如，對(duì)于具有12個(gè)定子磁極和8個(gè)轉(zhuǎn)子磁極的三相電機(jī)，在轉(zhuǎn)子的一轉(zhuǎn)中具有8個(gè)相電感周期。使用例如適用于家用設(shè)備或者汽車的廉價(jià)的微處理器，計(jì)算周期的時(shí)間大約是0.3毫秒，這相應(yīng)于0.9毫秒的每相周期時(shí)間。在4000轉(zhuǎn)/分的速度下，相電感的周期應(yīng)當(dāng)是1.88毫秒。為了保證穩(wěn)定運(yùn)行，在這兩個(gè)周期時(shí)間之間要求具有大的差，這使得一般把速度限制在3000和3500轉(zhuǎn)/分之間，以便阻止誤操作。以前這被認(rèn)為是對(duì)這種無檢測(cè)器位置檢測(cè)系統(tǒng)操作的限制。雖然可以升高具有較少的轉(zhuǎn)子磁極的(因而具有較長(zhǎng)的相電感周期)這種電機(jī)的速度限制，但是這種方法是不可行的，因?yàn)殡姍C(jī)規(guī)范的其它部分需要較大的磁極數(shù)。另一種方法是使用較快的處理器，但是這增加了控制器的成本。
本發(fā)明允許在較高的速度下操作而不管轉(zhuǎn)子的磁極數(shù)。在完成步驟57之后，在步59檢測(cè)速度，以便得知其處于幾個(gè)預(yù)定范圍中的哪一個(gè)。這在處理器中通過比較在步56確定的速度值和幾種合適的速度范圍來確定。在本例中，電機(jī)具有3個(gè)相，轉(zhuǎn)子具有8個(gè)磁極，有3個(gè)速度范圍可以選擇。這些范圍可以是＜3500轉(zhuǎn)/分，3500-7000轉(zhuǎn)/分，以及＞7000轉(zhuǎn)/分。對(duì)于其它具有不同相數(shù)和極數(shù)的電機(jī)，可以選擇不同的范圍。對(duì)于可以包括的不同范圍的數(shù)量沒有理論的限制。也可以發(fā)現(xiàn)在步59中引入一些滯后效果是合適的，使得這些范圍實(shí)際上相互重疊，以便對(duì)付在速度范圍之間的邊界上的速度波動(dòng)。
如果在步59確定速度處于范圍1，則控制和以前一樣直接進(jìn)入步58，使得在Ref A之后的下一個(gè)基準(zhǔn)位置是Ref B，依此類推。如果確定速度處于下一個(gè)較高的范圍，則控制執(zhí)行步60，對(duì)基準(zhǔn)位置加上一個(gè)周期的1/3。由圖5可見，這使新的基準(zhǔn)點(diǎn)移到相C上的Ref C。這有效地使用于計(jì)算新位置的時(shí)間增加一倍，并對(duì)于給定的處理速度使速度限制增加一倍。由于被加于每個(gè)基準(zhǔn)位置的1/3的相角，可以看出，在相繼的周期，基準(zhǔn)位置在相A，相C，相B，相A...，即在每個(gè)第二相上，同時(shí)電機(jī)速度保持在范圍2。雖然這些相都被用于探測(cè)，但是探測(cè)的順序和頻率和相被激勵(lì)的順序和頻率不同。
如果速度仍然較高并被確定處于范圍3，則執(zhí)行步61，使基準(zhǔn)位置增加一個(gè)完整的周期，即代替Ref B而成為圖5中的Ref B2。這具有移動(dòng)到一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的效果，其可以得到4倍的偏移的轉(zhuǎn)子角度，因而得到4倍的計(jì)算時(shí)間。這使速度限制增加了3倍。在這種操作方式下，基準(zhǔn)點(diǎn)的順序是A相，B相，C相...，但頻率是原來的1/4。不過，所有的相被按照其被激勵(lì)的順序探測(cè)。
應(yīng)當(dāng)理解，由步60和61可以在基準(zhǔn)點(diǎn)上加上其它的量。所述的量取決于有關(guān)電機(jī)的特性數(shù)據(jù)，如下所述。
如果在查閱表42中存儲(chǔ)的特性數(shù)據(jù)是針對(duì)在電機(jī)中預(yù)期的平均值，則依次探測(cè)每一相將是合適的。例如，加上兩個(gè)完整的周期將將使速度限制增加6倍。不過，優(yōu)選實(shí)施例中對(duì)n相電機(jī)增加1/n周期(其中n是非零的正整數(shù))，或者增加整個(gè)周期，因?yàn)檫@是引起所有的相被依次探測(cè)的附加量，因而可以平衡相間參數(shù)改變的影響，并得到可靠的位置表示。
當(dāng)存儲(chǔ)的特性數(shù)據(jù)僅僅針對(duì)電機(jī)的特定相時(shí)，則只探測(cè)那些相是合適的。在這種情況下，只把整個(gè)周期加于基準(zhǔn)點(diǎn)。
一般地說，計(jì)算被跳過的基準(zhǔn)位置的數(shù)量P的公式是P＝Cn+m其中n＝電機(jī)的相數(shù)m是小于n的正整數(shù)C是表示電感的整個(gè)周期的整數(shù)≥0。
例如m＝1 C＝0 n＝3 跳過一個(gè)位置，例如A至Cm＝2 C＝0 n＝3 跳過兩個(gè)位置，例如A至Am＝0 C＝1 n＝3 跳過3個(gè)位置，例如A至B2因而，顯然，本發(fā)明基本上可以應(yīng)用于所有的控制方式和相數(shù)。
本發(fā)明的上述實(shí)施例利用在每相導(dǎo)通周期中的一個(gè)固定基準(zhǔn)點(diǎn)，從而可以參照同一個(gè)角度基準(zhǔn)而不需要參照相鄰的相便可以確定轉(zhuǎn)子位置。不過，可以在同一相中建立一個(gè)以上的基準(zhǔn)位置，使得有多個(gè)等級(jí)的基準(zhǔn)位置可被選擇，在這些基準(zhǔn)位置可以可靠地確定轉(zhuǎn)子的位置。
可以理解，雖然上述實(shí)施例參照3相電機(jī)進(jìn)行了說明，但是本發(fā)明可以應(yīng)用于具有任何數(shù)量的磁極的多相開關(guān)磁阻電機(jī)。類似地，本發(fā)明也應(yīng)用于其中運(yùn)動(dòng)部件(通常叫做“轉(zhuǎn)子”)作直線運(yùn)動(dòng)的直線電機(jī)。因而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，不脫離本發(fā)明的構(gòu)思，可以作出各種改型。因而，上述的實(shí)施例是以舉例方式給出的，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。本發(fā)明的范圍和構(gòu)思由下面的權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種用于開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的方法，所述開關(guān)磁阻電機(jī)具有轉(zhuǎn)子、定子和多個(gè)相繞組，其中轉(zhuǎn)子可以按照每個(gè)相的磁性能的周期性的改變相對(duì)于定子而轉(zhuǎn)動(dòng)，所述方法包括確定在磁性能的每個(gè)周期性的變化中轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的基準(zhǔn)位置；以計(jì)算的到達(dá)一個(gè)基準(zhǔn)位置的所用的時(shí)間采樣至少一個(gè)電機(jī)的特性數(shù)據(jù)；從采樣的特性數(shù)據(jù)導(dǎo)出轉(zhuǎn)子位置；使轉(zhuǎn)子向前運(yùn)動(dòng)超出下一個(gè)基準(zhǔn)位置并再次采樣至少一個(gè)特性數(shù)據(jù)，使得有更多的時(shí)間用于下一次轉(zhuǎn)子位置的導(dǎo)出。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述前進(jìn)的量是基準(zhǔn)位置的整數(shù)倍。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，包括確定轉(zhuǎn)子的一組速度范圍，其包括一個(gè)低速范圍和至少一個(gè)第一高速范圍；確定轉(zhuǎn)子速度處于哪一個(gè)速度范圍；以及如果轉(zhuǎn)子速度處于低速范圍之外，則使轉(zhuǎn)子前進(jìn)超過相繼的基準(zhǔn)位置。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述超過相繼的基準(zhǔn)位置而前進(jìn)的量是一個(gè)相電感周期的一部分。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述的一部分是m/n，其中n是相數(shù)，m是小于n的整數(shù)。
6.如權(quán)利要求3，4或5所述的方法，其中一組速度范圍包括第二高速范圍，前進(jìn)而超過下一個(gè)基準(zhǔn)位置的值是一個(gè)或幾個(gè)相電感周期。
7.如前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的方法，其中被采樣的特性數(shù)據(jù)被用于提供代表相應(yīng)的相繞組中的相電流和磁鏈的信號(hào)。
8.如前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的方法，其中被采樣的特性數(shù)據(jù)是施加于相應(yīng)的繞組中的相電流和電壓。
9.如前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的方法，包括由采樣的特性數(shù)據(jù)檢測(cè)轉(zhuǎn)子速度。
10.一種開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其包括具有多個(gè)相繞組的定子；可相對(duì)于定子運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子；以及控制器，所述控制器可以按照在電機(jī)的每相的磁性能的每個(gè)周期性的改變中的轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的基準(zhǔn)位置被編程，其具有用于從至少一個(gè)被采樣的電機(jī)的特性數(shù)據(jù)導(dǎo)出轉(zhuǎn)子位置的裝置；以及以計(jì)算的到達(dá)一個(gè)基準(zhǔn)位置所用的時(shí)間采樣至少一個(gè)電機(jī)的特性數(shù)據(jù)的裝置，所述控制器還能夠操作使轉(zhuǎn)子前進(jìn)而超出下一個(gè)基準(zhǔn)位置，并且然后啟動(dòng)用于采樣的裝置，使得有更多的時(shí)間用于轉(zhuǎn)子位置的下一次導(dǎo)出。
11.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中包括用于確定轉(zhuǎn)子速度處于低速范圍和至少一個(gè)第一高速范圍中的哪一個(gè)范圍的裝置，如果轉(zhuǎn)子速度處于低速范圍之外時(shí)，所述控制器能夠操作使得轉(zhuǎn)子前進(jìn)而超過相繼的基準(zhǔn)位置。
12.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中用于確定的裝置能夠把確定的轉(zhuǎn)子速度分配在第一高速范圍，所述控制器能夠操作使得轉(zhuǎn)子前進(jìn)而超過相繼的基準(zhǔn)位置一個(gè)相電感周期的一部分。
13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述的一部分是m/n，其中n是相數(shù)，m是小于n的正整數(shù)。
14.如權(quán)利要求11，12，或13所述的系統(tǒng)，其中用于確定的裝置能夠通過操作把確定的轉(zhuǎn)子速度分配在第二高速范圍，所述控制器能夠通過操作使得轉(zhuǎn)子前進(jìn)而超過相繼的基準(zhǔn)位置一個(gè)或幾個(gè)相電感周期。
15.如權(quán)利要求10到14任何一個(gè)所述的系統(tǒng)，包括用于從采樣的特性數(shù)據(jù)導(dǎo)出轉(zhuǎn)子速度的裝置。
16.一種用于確定開關(guān)磁阻電機(jī)中的轉(zhuǎn)子位置的方法，所述開關(guān)磁阻電機(jī)包括定子，轉(zhuǎn)子和多個(gè)相繞組，當(dāng)以單脈沖方式操作時(shí)，所述方法包括確定在電機(jī)的磁特性的每個(gè)周期性的改變中的轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的基準(zhǔn)位置；以計(jì)算的到達(dá)每個(gè)第n個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的時(shí)間采樣至少一個(gè)電機(jī)的特性數(shù)據(jù)，其中n等于或大于2；以及從采樣的特性數(shù)據(jù)導(dǎo)出轉(zhuǎn)子位置。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中n是一個(gè)可變的數(shù)。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中n的值按照轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的速度被確定。
19.如權(quán)利要求16，17或18所述的方法，其中采樣的特性數(shù)據(jù)被用于提供代表相應(yīng)的相繞組內(nèi)的相電流和磁鏈的信號(hào)。
全文摘要
一種多相開關(guān)磁阻電機(jī)由使用無檢測(cè)器的位置檢測(cè)方法的控制系統(tǒng)控制。以高速操作電機(jī)的一種方法探測(cè)每個(gè)第n個(gè)相基準(zhǔn)點(diǎn),從而使得具有足夠的時(shí)間計(jì)算位置,其中n是大于1的整數(shù)。
文檔編號(hào)H02P6/14GK1260631SQ0010095
公開日2000年7月19日 申請(qǐng)日期2000年1月11日 優(yōu)先權(quán)日1999年1月11日
發(fā)明者查爾斯·愛德華·布蘭登·格林 申請(qǐng)人:開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)有限公司