本發(fā)明一般涉及開關(guān)磁阻電機(jī)及其操作。更具體地，盡管不是排他性地，本發(fā)明涉及使電機(jī)中的絕緣故障的檢測更容易。

背景技術(shù)：

開關(guān)磁阻系統(tǒng)的特性和操作在本領(lǐng)域中是眾所周知的，并且例如在1993年6月21-24日在紐倫堡舉行的pcim'93中由stephenson和blake發(fā)表的“thecharacteristics,designandapplicationofswitchedreluctancemotorsanddrives”中進(jìn)行了描述，該文件通過引用并入本文。圖1以示意形式示出了典型的開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)器，其中開關(guān)磁阻電機(jī)12連接到負(fù)載19。直流電源11可以是電池或經(jīng)整流和濾波的交流市電或一些其他形式的能量存儲。由電源11提供的dc電壓通過在電子控制單元14的控制下的功率轉(zhuǎn)換器13被切換到電機(jī)12的相繞組16兩端。為了驅(qū)動(dòng)器的正常工作，該切換必須正確地與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角同步，并且通常采用轉(zhuǎn)子位置檢測器15來提供對應(yīng)于轉(zhuǎn)子的角位置的信號。轉(zhuǎn)子位置檢測器15可以采取許多形式，包括軟件算法的形式，并且其輸出也可以用于生成速度反饋信號。位置檢測器的存在和對完全取決于轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)位置的激勵(lì)策略的使用導(dǎo)致對這些電機(jī)采用“轉(zhuǎn)子位置切換”的通用描述。

與其它電機(jī)一樣，勵(lì)磁線圈通過包括一層或多層絕緣材料的絕緣系統(tǒng)與電機(jī)的框架絕緣。通常，電機(jī)的不同部分具有不同類型的絕緣材料，這取決于這些不同部分的電氣和熱條件。絕緣系統(tǒng)的總體目的是將導(dǎo)電體與電機(jī)的框架隔離，出于安全原因，電機(jī)通常電接地，使得接觸電機(jī)的任何人不會暴露于潛在的危險(xiǎn)電壓。類似地，用于電力電子設(shè)備和控制系統(tǒng)的外殼是接地的。在圖1中示意性地示出這種接地。

對于這種類型的電機(jī)，已知有許多不同的功率轉(zhuǎn)換器拓?fù)洌渲袔讉€(gè)在上面提到的stephenson論文中進(jìn)行了討論。最常見的配置之一在圖2中示出，用于多相系統(tǒng)的單相，其中在母線26和27之間，電機(jī)的相繞組16與兩個(gè)開關(guān)裝置21和22串聯(lián)地連接。母線26和27統(tǒng)稱為轉(zhuǎn)換器的“直流鏈路”。能量恢復(fù)二極管23和24連接到繞組，以允許在開關(guān)21和22斷開時(shí)繞組電流流回到直流鏈路。低值電阻器28可以與下方的開關(guān)串聯(lián)連接以充當(dāng)非隔離的電流感測電阻器。這是對圖1所示的隔離電流換能器18的替代布置。多相系統(tǒng)通常使用并聯(lián)連接的適當(dāng)數(shù)量的圖2的相腳以供應(yīng)整個(gè)系統(tǒng)，如圖3所示用于三相系統(tǒng)。

被稱為“直流鏈路電容器”的電容器25跨接直流鏈路，以產(chǎn)生(source)或吸收直流鏈路電流的不能從電源吸收或返回到電源的所有交流分量(即，所謂的“紋波電流”)。實(shí)際上，電容器25可以包括串聯(lián)和/或并聯(lián)連接的幾個(gè)電容器，并且在使用并聯(lián)連接的情況下，一些元件可以分布在整個(gè)轉(zhuǎn)換器中。

通常，相繞組被供電以按如下這樣影響轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)子的第一角位置(稱為“接通角”，θon)，控制器14提供開關(guān)信號以接通兩個(gè)開關(guān)裝置21和22。當(dāng)開關(guān)裝置21和22接通時(shí)，相繞組耦合到直流鏈路，導(dǎo)致在電機(jī)中建立漸增的磁通量。磁通量在氣隙中產(chǎn)生磁場，該磁場作用在轉(zhuǎn)子磁極上從而產(chǎn)生馬達(dá)轉(zhuǎn)矩。電機(jī)中的磁通量由從直流電源11流過開關(guān)21和22以及相繞組16的電流提供的磁動(dòng)勢(mmf)支持。通常采用電流反饋，并且通過快速斷開或閉合開關(guān)裝置21和/或22中的一個(gè)或兩個(gè)來斬?cái)嚯娏鱽韺ο嚯娏鬟M(jìn)行控制。在馬達(dá)運(yùn)行中，通常接通角θon被選擇為轉(zhuǎn)子位置，在該位置處轉(zhuǎn)子上的極間空間的中心線與定子極的中心線對齊，但接通角θon也可以是其它角度。

在許多系統(tǒng)中，相繞組保持連接到直流鏈路(或者如果利用了斬波則間歇地連接)，直到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到使得轉(zhuǎn)子達(dá)到所謂的“續(xù)流角”，θfw。當(dāng)轉(zhuǎn)子到達(dá)對應(yīng)于續(xù)流角的角位置時(shí)，開關(guān)之一，例如21被關(guān)斷。因此，流過相繞組的電流將繼續(xù)流動(dòng)，但現(xiàn)在僅流過開關(guān)中的一個(gè)(在本示例中為22)并且僅流過二極管23/24中的一個(gè)(在本示例中為24)。在續(xù)流時(shí)間段期間，相繞組上的電壓降是小的，并且通量保持基本上恒定。電路保持在該續(xù)流狀態(tài)，直到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到稱為“關(guān)斷角”，θoff的角位置(例如，當(dāng)轉(zhuǎn)子極的中心線與定子極的中心線對齊時(shí))。當(dāng)轉(zhuǎn)子達(dá)到關(guān)斷角時(shí)，開關(guān)21和22都被關(guān)斷，相繞組23中的電流開始流過二極管23和24。二極管23和24于是在相反的方向施加來自直流鏈路的直流電壓，導(dǎo)致電機(jī)中的磁通量(并因此使相電流)減小。這種情況繼續(xù)下去，直到電流下降到二極管再次變得反向偏置并且電流停止的水平。

使用其它開關(guān)角度和其它電流控制方案在本領(lǐng)域中是已知的。類似地，疊層幾何形狀、繞組拓?fù)浜烷_關(guān)電路的許多其它配置在本領(lǐng)域中是已知的，其中一些在上面提到的stephenson&blake論文中進(jìn)行了討論。

隨著電機(jī)的速度提高，電流上升到斬波電平的時(shí)間減少，并且驅(qū)動(dòng)器通常以“單脈沖”操作模式運(yùn)行。在該模式中，根據(jù)例如速度和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的函數(shù)來選擇接通、續(xù)流和關(guān)斷角。一些系統(tǒng)不使用續(xù)流的角度周期，即開關(guān)21和22被同時(shí)接通和關(guān)斷。眾所周知，接通、續(xù)流和關(guān)斷角的值可以預(yù)先確定并以某種適當(dāng)?shù)母袷酱鎯?，以供控制系統(tǒng)根據(jù)需要檢索，或者可以實(shí)時(shí)計(jì)算或推導(dǎo)出來。

將注意到，在斬波和單脈沖操作模式中，這些開關(guān)磁阻電機(jī)的相繞組中的電流是單向的。還將注意到，開關(guān)磁阻電機(jī)的繞組彼此電隔離。

在電機(jī)的許多應(yīng)用中，需要在電機(jī)運(yùn)行時(shí)評估絕緣系統(tǒng)的健康狀況。在電機(jī)不使用時(shí)測量絕緣電阻是相對簡單的事情，并且對于該過程存在一個(gè)已確立起來的測試方法范圍。然而，在電機(jī)運(yùn)行時(shí)這樣做增加了相當(dāng)大的難度。

針對感應(yīng)和同步電機(jī)，該問題已經(jīng)通過利用將這些電機(jī)連接成從逆變器驅(qū)動(dòng)的方式來解決。圖4示出了連接到三相對稱橋式逆變器的感應(yīng)電機(jī)的典型示例。三相繞組x、y、z以三角形方式連接，并且公共點(diǎn)連接到逆變器的三個(gè)相腳的中心點(diǎn)。在操作中，開關(guān)以成對s1/s4、s3/s6、s5/s2的方式操作，以向繞組施加步進(jìn)電壓波形。該裝置的特征在于相電流是雙向的，并且在整個(gè)周期中每個(gè)繞組總是連接到直流鏈路。

這些驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的絕緣故障可以通過在直流鏈路與地端或整個(gè)系統(tǒng)的“地(earth)”之間施加相對較小的電壓來監(jiān)視。為了避免鏈路與地端之間的電容帶來的困難，一些系統(tǒng)使用附加在直流鏈路與地端之間的交流電壓。已經(jīng)開發(fā)出各種處理系統(tǒng)來解釋測量結(jié)果，一些使用統(tǒng)計(jì)方法來消除測量噪聲的影響。例如，us9069025公開了適合與ac感應(yīng)馬達(dá)一起使用的方法，其中電機(jī)繞組從對稱橋式轉(zhuǎn)換器饋電并且總是經(jīng)由開關(guān)連接到直流鏈路。

通常，監(jiān)視技術(shù)必須濾除信號中的不需要的噪聲，并通過使用相對低頻的交流電壓和持續(xù)了驅(qū)動(dòng)器的幾個(gè)操作周期的平均算法來實(shí)現(xiàn)。因此，這些系統(tǒng)中沒有一個(gè)適合于與開關(guān)磁阻系統(tǒng)一起使用，因?yàn)樵陂_關(guān)磁阻系統(tǒng)的電氣周期中存在相當(dāng)長的間，而在該電氣周期時(shí)相繞組未連接到直流鏈路。絕緣檢測系統(tǒng)在斬波和單脈沖模式中“看到”到直流鏈路的連接和斷開的模式，這使得不可能監(jiān)視系統(tǒng)的絕緣。因此，需要一種開關(guān)磁阻系統(tǒng)的操作方法，該操作方法應(yīng)允許在系統(tǒng)操作時(shí)監(jiān)視絕緣水平。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明在所附獨(dú)立權(quán)利要求中進(jìn)行了限定。本發(fā)明的優(yōu)選特征在分別從屬于獨(dú)立權(quán)利要求的權(quán)利要求中列舉出來。

在一些方面中，本發(fā)明提供了一種操作用于開關(guān)磁阻電機(jī)的每相兩個(gè)開關(guān)的功率轉(zhuǎn)換器的方法，這種功率轉(zhuǎn)換器在每個(gè)相具有兩個(gè)開關(guān)，各個(gè)相繞組的每一側(cè)上的一個(gè)開關(guān)與一對二極管中的相應(yīng)二極管、各個(gè)相繞組的每一側(cè)上的一個(gè)開關(guān)并聯(lián)。該方法包括：使一個(gè)相的兩個(gè)開關(guān)在所述相的相周期內(nèi)的第一時(shí)期中保持閉合，以將相繞組連接到直流鏈路。在所述第一時(shí)期之后，在所述相周期內(nèi)的第二時(shí)期中斷開所述相的兩個(gè)開關(guān)，并且允許所述相繞組中的任何電流衰減到零。之后，在第三時(shí)期中，閉合所述相的開關(guān)中的一個(gè)開關(guān)以將所述繞組連接到所述直流鏈路，在所述第三時(shí)期期間沒有電流在所述相繞組中流動(dòng)。

該操作方法添加了一個(gè)時(shí)期，在該時(shí)期中在斷開兩個(gè)開關(guān)之后，即在相繞組斷電之后，在電流已經(jīng)停止流動(dòng)之后，閉合相的開關(guān)之一。這樣做不會導(dǎo)致任何電流在相繞組中流動(dòng)，而是與相繞組重新建立電連接，從而使相繞組的健康狀況，特別是絕緣水平能夠在相的斷電之后被監(jiān)視到。

在一些實(shí)施例中，該方法包括：在所述第三時(shí)期結(jié)束時(shí)使所述開關(guān)中的一個(gè)保持閉合，并且在下一個(gè)相周期的第一時(shí)期的開始處閉合所述開關(guān)中的另一個(gè)，由此在所述第三時(shí)期結(jié)束時(shí)立即開始下一個(gè)相周期的第一時(shí)期。例如，所述第三時(shí)期可以基本上填滿所述第二時(shí)期與所述下一個(gè)相周期的第一時(shí)期之間的間隔。

在一些實(shí)施例中，該方法包括：在所述第一和第二時(shí)期之間的第四周期中續(xù)流所述相。各個(gè)時(shí)期(第一、第二和第三或第一、第二、第三和第四，視情況而定)可以基本上填滿所述相周期。

在一些實(shí)施例中，該方法包括在各個(gè)時(shí)期期間監(jiān)視所述相的絕緣完整性。

在一些方面，本發(fā)明提供了一種開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其包括開關(guān)磁阻電機(jī)、控制器、和耦合到所述開關(guān)磁阻電機(jī)的一個(gè)或多個(gè)相繞組的每相兩個(gè)開關(guān)的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述控制器耦合到所述功率轉(zhuǎn)換器以控制被供應(yīng)給所述一個(gè)或多個(gè)相繞組的功率，并且其中所述控制器被配置為實(shí)施上述實(shí)施例的方法。

附圖說明

通過閱讀本發(fā)明的示例性實(shí)施例的以下詳細(xì)描述并參考附圖，本發(fā)明的這些和其他方面和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見，其中：

圖1示出了開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要部件；

圖2示出了用于功率轉(zhuǎn)換器的典型開關(guān)電路，其控制圖1的電機(jī)的相繞組的通電；

圖3示出了用于功率轉(zhuǎn)換器的典型的三相開關(guān)電路；

圖4示出了連接到三相對稱橋式逆變器的感應(yīng)電機(jī)的典型示例；

圖5a、5b和5c示出了在單脈沖模式下開關(guān)磁阻電機(jī)的相繞組的電壓和電流波形；

圖6a和6b示出了在斬波模式下開關(guān)磁阻電機(jī)的相繞組的電流波形；

圖7示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要部件；和

圖8示出了描述根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的操作開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

圖5示出了如在以上stephenson和blake的論文中描述的用于開關(guān)磁阻電機(jī)的單脈沖操作的典型通電方案。通過閉合兩個(gè)開關(guān)21、22，在圖5(b)中所示的預(yù)定轉(zhuǎn)子角度θon處施加直流鏈路電壓。在導(dǎo)通角θc期間該施加操作繼續(xù)下去，直至關(guān)斷角θoff，在關(guān)斷角θoff時(shí)開關(guān)被斷開并且電流流過二極管23、24返回到直流鏈路。在衰減電流的這個(gè)時(shí)期期間，能量返回到直流鏈路。雖然相繞組中的電流是單向的，如圖5(b)所示，直流鏈路中的電流是雙向的。電流繼續(xù)衰減，直至二極管23、24變?yōu)榉聪蚱貌⑶译娏髟讦萯dle處停止。然后是這樣一個(gè)時(shí)期，如圖5(b)所示，在這個(gè)時(shí)期中沒有電流流動(dòng)，并且繞組與直流鏈路隔離。

圖6示出了斬波模式中的對應(yīng)操作。如圖6(a)所示，通常導(dǎo)通在最小電感區(qū)域的中心處的θon處開始并且在最大電感區(qū)域的中心處的θoff處結(jié)束。在這兩個(gè)點(diǎn)之間，允許電流在上(upper)和下(lower)滯后電平iu、il之間循環(huán)。從直流鏈路斷開的時(shí)段通常接近整個(gè)周期的50％。直流鏈路電流如圖6(b)所示。如圖5a和圖5b中所示，在θidle與θon之間相不連接到直流鏈路的時(shí)期中存在相當(dāng)長的時(shí)間。

眾所周知，如以上和在stephenson中描述的，通常出于噪聲或轉(zhuǎn)矩波動(dòng)控制的原因，在θon與θoff之間(即在導(dǎo)通周期與能量返回周期之間)插入在續(xù)流角θfw開始的短時(shí)期的續(xù)流。該技術(shù)雖然對于改善這些問題是有效的，但是該技術(shù)不能幫助對絕緣故障的檢測，因?yàn)槔@組仍然在很長時(shí)期中沒有連接到直流鏈路。

對圖2中所示的不對稱橋接電路的審視表明，如果相繞組沒有電流流入其中，則可以閉合例如下方的開關(guān)22(保持上方開關(guān)21仍然斷開)而不引起任何電流流動(dòng)。這是因?yàn)樯戏降拈_關(guān)21斷開并且二極管被反向偏置。然而，繞組現(xiàn)在連接到直流鏈路，因此這時(shí)可以監(jiān)視絕緣的完整性。當(dāng)然，同樣適用于在保持下方的開關(guān)22斷開的同時(shí)閉合上方的開關(guān)21。

因此，原則上，繞組可以在整個(gè)電氣周期中，或者在導(dǎo)通時(shí)期中通過開關(guān)，在能量返回時(shí)期期間通過二極管或者在空轉(zhuǎn)時(shí)期期間(在電流到達(dá)零時(shí)的角θidle處與下一次通電時(shí)的θon處之間)通過單個(gè)開關(guān)，連續(xù)地連接到直流鏈路。在實(shí)踐中，可以謹(jǐn)慎地在能量返回時(shí)期之后插入非常短的間隙，以確保在閉合開關(guān)之前所有相電流已經(jīng)衰減到零，但是間隙可以與整個(gè)周期相比是小的，并且具有的影響可以忽略不計(jì)。

因此，可以修改開關(guān)磁阻電機(jī)控制器的傳統(tǒng)操作，使得通過將原本會斷開的開關(guān)閉合，可以使系統(tǒng)的絕緣的完整性能被監(jiān)視到。這種監(jiān)視可以以任何已知的方式進(jìn)行，例如如us9069025中所述。

參考圖7，根據(jù)實(shí)施例的開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括具有絕緣完整性監(jiān)視模塊14a和開關(guān)模塊14b的控制器14'，該絕緣完整性監(jiān)視模塊14a和開關(guān)模塊14b適于使對系統(tǒng)的絕緣完整性的監(jiān)視更方便。否則，系統(tǒng)配置成如以上參照圖1所述的那樣。具體而言，機(jī)器12配置成如以上參考圖2所述的那樣，在相繞組16與電壓軌26和27之間的任一側(cè)上具有開關(guān)21和22以及電流返回二極管24和23。如上所述，絕緣完整性監(jiān)視模塊14a適于通過在直流鏈路25與地端之間施加小電流(交流的或直流的)來監(jiān)視系統(tǒng)的絕緣的完整性。

在一些特定實(shí)施例中，模塊14a被配置為實(shí)施如us9069025中所描述的監(jiān)視方法，us9069025作為參考全文并入本文中。在其他實(shí)施例中，模塊14a可以放置在遠(yuǎn)離控制器14’的其他部件處。

參考圖8，現(xiàn)在來進(jìn)一步詳細(xì)地描述開關(guān)模塊14b。開關(guān)模塊14b被配置為如下那樣操作開關(guān)21、22。

在步驟81，開關(guān)模塊14b使一個(gè)相的兩個(gè)開關(guān)在該相的接通角θon處被通電。于是，如以上描述的那樣以斬波或單脈沖模式使相位通電。隨后，在一些實(shí)施例中，在可選步驟82處，開關(guān)模塊14b使得開關(guān)中的一個(gè)斷開，以便從續(xù)流角θfw開始為該相續(xù)流。隨后(或者在沒有續(xù)流的實(shí)施例中，緊接在從θon開始的導(dǎo)通時(shí)期之后)，切換模塊14b使兩個(gè)開關(guān)在關(guān)斷角θoff處斷開以返回電流(步驟83)。兩個(gè)開關(guān)保持?jǐn)嚅_，直至電流有效地衰減到零。隨后，在θidle處，兩個(gè)開關(guān)中的一個(gè)再次閉合，這導(dǎo)致所討論的相再次連接到電壓源，而沒有引起任何電流流動(dòng)(步驟85)。最后，開關(guān)模塊14b循環(huán)回到步驟81，并且在下一個(gè)相周期的θon處(步驟81)兩個(gè)開關(guān)均閉合(即，在步驟85處斷開的開關(guān)也被閉合)。

在一些實(shí)施例中，θidle，即在能量返回之后一個(gè)開關(guān)被閉合時(shí)所處的角度，根據(jù)驅(qū)動(dòng)器的工作條件的函數(shù)，針對給定工作條件以與θon和θoff(以及在使用續(xù)流的實(shí)施例中的θfw)相類似的方式被固定，使得電流將在θidle處有效地衰減到零。在此確定過程中可以使用的參數(shù)可以包括轉(zhuǎn)子速度、相電流、相電壓、相通量、電流或轉(zhuǎn)矩命令等中的一個(gè)或多個(gè)。在其他實(shí)施例中，使用固定值的θidle，該固定值被選擇成使得對于驅(qū)動(dòng)器的額定工作條件范圍在那一點(diǎn)處在相中電流將衰減到零。在又另外的實(shí)施例中，在步驟83與85之間插入附加的可選步驟84，在步驟84相電流被監(jiān)視以確定相周期中電流實(shí)際衰減到零(或基本上為零)時(shí)的點(diǎn)，并且響應(yīng)于檢測器14c的輸出閉合其中一個(gè)開關(guān)，因此實(shí)際上動(dòng)態(tài)地設(shè)置θidle。

應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)上述實(shí)施例，基本上在從電流衰減到零并且二極管23和24變?yōu)榉聪蚱脮r(shí)開始直至開關(guān)在角度θon處再次閉合為止的整個(gè)時(shí)期中，即，基本上在從θoff處開始的能量返回周期與從θon處開始的下一個(gè)導(dǎo)通周期之間的全部時(shí)間，相繞組會連接到直流鏈路。因此，基本上在相導(dǎo)通時(shí)期、續(xù)流時(shí)期(被使用的情況下)、能量返回時(shí)期和從θidle開始的空閑時(shí)期期間的整個(gè)相周期中，相會連接到直流鏈路，從而使絕緣完整性監(jiān)視模塊14a能夠在基本上整個(gè)相周期中監(jiān)視絕緣的完整性。類似地，當(dāng)電流基本上衰減到零時(shí)，空閑時(shí)期開始，使得可能存在的任何剩余電流，例如與任何相應(yīng)的剩余轉(zhuǎn)矩相關(guān)聯(lián)的明顯的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)或噪聲不會對機(jī)器性能造成不良影響。

盡管在監(jiān)視相繞組的絕緣的完整性的上下文中做出了上述描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，可以存在其它情況，其中在基本上整個(gè)相周期中維持直流鏈路與相繞組之間的連接可能是有用的。同樣地，應(yīng)當(dāng)理解，在能量返回之后一個(gè)開關(guān)斷開并且一個(gè)開關(guān)閉合的空閑時(shí)期將相繞組到直流鏈路的連接時(shí)期延長成超過現(xiàn)有技術(shù)的方法，而不將該連接時(shí)期延長成超過整個(gè)相周期的情況下，例如在兩個(gè)開關(guān)在下一個(gè)接通角θon之前再次斷開的情況下，所公開的發(fā)明的益處還會增加。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在不脫離本發(fā)明的情況下，所公開的布置的變型是可能的。因此，實(shí)施例的上述描述是通過示例的方式進(jìn)行的，而不是為了限制的目的。本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚，可以對這些布置進(jìn)行微小的修改而不對上述操作進(jìn)行顯著改變。本發(fā)明旨在僅由所附權(quán)利要求的范圍限制。