專利名稱：用于利用高頻時鐘的轉(zhuǎn)換磁阻式驅(qū)動裝置的角度控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及一種控制系統(tǒng)，具體地說涉及一種用在轉(zhuǎn)換磁阻式驅(qū)動裝置中的控制系統(tǒng)。
通常，磁阻式電機可以是一電動機，其中轉(zhuǎn)短的產(chǎn)生是由于電動機的可動部分趨于運動到磁路的磁阻最小即激磁繞組的電抗達到最大的位置所引起的。
在一種類型的磁阻式電機中，按照受控的頻率進行相繞組的激磁。這些電機可以作為電動機或發(fā)電機運行。它們通常被稱為磁阻式同步電動機。在第二種類型的磁阻式電機中，設(shè)有用于檢測轉(zhuǎn)子的角位置的電路裝置，并且按照轉(zhuǎn)子位置的函數(shù)對相繞組進行激磁。該第二種類型的磁阻式電機也可以是電動機或是發(fā)電機，并且這類電機通常稱為轉(zhuǎn)換磁阻式電機。本發(fā)明總的可適用于轉(zhuǎn)換磁阻式電機，包括按照電動機發(fā)電機運行的轉(zhuǎn)換磁阻式電機。


圖1表示按照電動機運行的轉(zhuǎn)換磁阻式電機的轉(zhuǎn)換磁阻式驅(qū)動系統(tǒng)的主要部件。輸入DC電源11可以是蓄電池、或經(jīng)整波濾波的AC電源。在電子控制裝置14的控制下，由一功率變換器13對加在電動機12的相繞組上的由電源11提供的DC電壓進行開關(guān)轉(zhuǎn)換。為了使驅(qū)動裝置10能良好地運行，必須按這種轉(zhuǎn)換正確地與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角保持同步。正因如此，通常采用一轉(zhuǎn)子位置檢測器15，以便提供與轉(zhuǎn)子角位置相對應的信號。轉(zhuǎn)子位置檢測器15的輸出還可以用來產(chǎn)生速度反饋信號。
轉(zhuǎn)子位置檢測器15可以取很多形式。在某些系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子位置檢測器15可以包含一轉(zhuǎn)子位置傳感器，該傳感器提供的輸出信號當每次轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到在功率變換器13中的各器件需要進行不同的轉(zhuǎn)換狀態(tài)的位置時改變狀態(tài)。在另外一種系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子位置檢測器15可以包含一相對位置編碼裝置，當每次轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)通過一預定角度時該編碼裝置提供時鐘脈沖(或類似信號)。
在轉(zhuǎn)子位置檢測器15包含一轉(zhuǎn)子位置傳感器的各系統(tǒng)中，用于恰當?shù)靥峁┐磙D(zhuǎn)子角位置的輸出信號的轉(zhuǎn)子位置傳感器的失靈可能使功能嚴重劣化，在最壞的情況下使電動機不能運行。在某些情況下，根據(jù)錯誤的轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出試圖控制電機的控制器14可能潛在地損壞電機和控制電路的其余部分。
參閱圖2和圖3可以解釋來自轉(zhuǎn)子位置傳感器15的信號的精確度的重要性。圖2和圖3解釋按照電動機運行的磁阻式電機的轉(zhuǎn)換工況。
圖2概括地表示轉(zhuǎn)子磁極20按照箭頭22接近定子磁極21的情況。如圖2所示，完整的相繞組23的一部分繞在定子磁極21上，如上面討論的，當繞在定子磁極21上的該部分的相繞組23被激磁時，將在轉(zhuǎn)子上作用一個力試圖將轉(zhuǎn)子磁極20拉到與定子磁極21對準的位置上。
圖3概略地表示在功率變換器13中的開關(guān)轉(zhuǎn)換電路，該電路控制該圍繞定子磁極21的相繞組23部分的激磁。當功率開關(guān)器件31和32轉(zhuǎn)換導通(ON)時，將相繞組23連接到DC電源，相繞組被激磁。
概括地說，使相繞組激磁是讓轉(zhuǎn)子按下述方式進行旋轉(zhuǎn)在轉(zhuǎn)子的第一角位置(稱為導道角)，控制器14提供轉(zhuǎn)換信號，使開關(guān)器件31和32兩者都導通。當開關(guān)器件31和32導通(ON)時，相繞組被連接到DC母線上，使在電動機中建立的磁道增加。正是這個磁道拖動轉(zhuǎn)子磁極，產(chǎn)生電動機轉(zhuǎn)矩。在電機中磁道增加時，來自DC電源經(jīng)由DC母線提供的電流流經(jīng)開關(guān)31和32以及相繞組23。在某些控制器中，采用電流反饋，通過使一個或兩個開關(guān)器件31和/或32迅速導通和關(guān)斷進行轉(zhuǎn)換，對電流斬波控制相繞組電流幅值。
在很多系統(tǒng)中，一直到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)達到一被稱為轉(zhuǎn)子“惰轉(zhuǎn)角”(Freewheeling angle)之前，相繞組維持連接在DC母線線路上(或者假如采用斬波，則與斬波電路相連)。當轉(zhuǎn)子達到一與該惰轉(zhuǎn)角對應的角位置(在圖2中的位置24)時，其中一個開關(guān)例如31被關(guān)斷。接著，流經(jīng)相繞組的電流將繼續(xù)流動，不過現(xiàn)在將只流經(jīng)其中一個開關(guān)(在這一實例中為32)和僅流經(jīng)其中一個回流二極管(在這一實例中為34)。在惰轉(zhuǎn)期間，在相繞組兩端只有很小的電壓差，磁通基本上維持恒定。直到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到一稱為“關(guān)斷角”的位置(在圖2中用位置25表示)之前，電動機系統(tǒng)維持這種惰轉(zhuǎn)狀態(tài)。當轉(zhuǎn)子達到關(guān)斷角時，兩個開關(guān)31和32被關(guān)斷，相繞組23中的電流開始流經(jīng)二極管33和34。二極管33和34則受到沿反向的來自DC母線的DC電壓的作用，引起電機中的磁通(因此引起相電流)的下降。
在轉(zhuǎn)換磁阻式電動機中的相繞組的激磁密切地取決于對轉(zhuǎn)子角位置的精確檢測。
用于轉(zhuǎn)換磁阻式驅(qū)動裝置的公知的編碼系統(tǒng)經(jīng)常受到限制，這是因為為使相繞組激磁發(fā)生在適當?shù)臅r間，需要對由增量式位置編碼裝置提供的數(shù)字信號進行快速處理的電子裝置成本是很高的。在一些公知的系統(tǒng)中，可以采用對轉(zhuǎn)子的每一完整旋轉(zhuǎn)能提供相當大量的數(shù)字時鐘脈沖的增量式位置編碼裝置。在沒有采用價高的電子電路或高速微處理機的系統(tǒng)中，為了使用相繞組的激磁與轉(zhuǎn)子的角位置適當?shù)赝剑獙τ稍隽渴骄幋a裝置提供的大量數(shù)字脈沖經(jīng)常是很困難和高耗費的。
本發(fā)明是按照所提各獨立權(quán)利要求限定的。在其各自的從屬權(quán)利要求中表述了本發(fā)明的優(yōu)選特征。
本發(fā)明力圖提供一種用于轉(zhuǎn)換磁阻式驅(qū)動裝置的低成本，高效控制系統(tǒng)，其由位置編碼裝置產(chǎn)生高分辨力的增量式脈沖序列。還公開了使用這一控制系統(tǒng)的方法和用于這一系統(tǒng)的電路，來產(chǎn)生可用于轉(zhuǎn)換磁阻式驅(qū)動裝置的觸發(fā)信號控制的高分辨力位置信號。這一控制系統(tǒng)使得無需快速的微處理器就能以低成本高效的方式控制轉(zhuǎn)換磁阻式驅(qū)動裝置。
通過參照附圖和閱讀對示例性的各實施例的如下詳細介紹，會使本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點變得更加明顯，其中圖1表示轉(zhuǎn)換磁阻式驅(qū)動系統(tǒng)的主要部件；圖2表示接近定子磁極的轉(zhuǎn)子磁極和與定子磁極相關(guān)的相繞組部分的換向點；圖3概略表示在功率變換器中的開關(guān)轉(zhuǎn)換電路，其控制與圖2所示定子磁極相差的相繞組部分的激磁；圖4表示用于控制一轉(zhuǎn)換磁阻式驅(qū)動裝置運行的改進的控制系統(tǒng)和位置編碼裝置；圖5a-5c更詳細地表示圖4所示編碼裝置的結(jié)構(gòu)；圖6a-6b提供可用于實現(xiàn)圖4所示的倍頻器的電路結(jié)構(gòu)；以及圖7a和7b概略表示可用于實現(xiàn)圖4所示的角度控制器的電路結(jié)構(gòu)的一實例以及發(fā)送到角度控制器和由角度控制器產(chǎn)生的信號；遍及各個附圖，相似的參照符號表示相似的部分。
下面介紹可以實施對轉(zhuǎn)換磁阻式驅(qū)動裝置控制的本發(fā)明的一些說明性的實施例。為了簡明清楚，在這一說明部分沒有介紹實際實施方案的所有特征。
概括地說，本發(fā)明包含如圖4概略表示的用于控制轉(zhuǎn)換磁阻式電機運行的改進控制系統(tǒng)和位置編碼裝置。參閱圖4，該系統(tǒng)包含控制器40，其接收與由轉(zhuǎn)子位置編碼裝置42輸出的與轉(zhuǎn)子角位置對應的信號。響應于來自編碼裝置42的信號，控制器40產(chǎn)生確定功率開關(guān)器件(在圖4中來表示)的轉(zhuǎn)換狀態(tài)的轉(zhuǎn)換信號(或觸發(fā)信號)，以控制相繞組的激磁。
在圖4所示實施例中，由編碼裝置42向控制器40提供的信號包含兩組第一組42a和第二組42b。包含第一組42a的信號具有與轉(zhuǎn)子的絕對位置相對應的第一分辨力，其中來自該組42a的信號可以用于在360電角度的范圍內(nèi)確定實際的轉(zhuǎn)子位置。該包含第二組42b的信號具有與增量式位置對應的第二分辨力，其中包含第二組42b的信號提供每次回轉(zhuǎn)的整數(shù)個脈沖，其表示轉(zhuǎn)子的相對運動而不表示絕對位置。在圖4所示實施例中，第一組的分辨力小于第二組的分辨力，并且來自編碼裝置42的包含第一和第二組42a-b的輸出信號包含一系列的數(shù)字脈沖。
圖5a-5c表示編碼裝置42的更詳細的結(jié)構(gòu)。圖5a-5c所示的實施例中，編碼裝置42包含一杯狀齒片輪50和各傳感器51a、51b和51c以及52a和52b。圖5a為杯狀齒片輪50的透視圖。圖5b和5c更詳細地表示杯狀齒片輪50，并表示按照本發(fā)明的各傳感器51a-c和52a-b的位置關(guān)系。
參閱圖5b，杯狀齒片輪50是具有雙分辨力的杯狀齒片輪，其包括兩組齒53和56。第一組齒53包括8個伸出的齒53a-h，它們限定了與齒53a-h對應的8個擋光區(qū)(本文稱為“標志”區(qū))以及8個透光區(qū)54a-h(本文稱為“間隔”區(qū))。在圖5所示實施例中，齒53a-h全部具有相同的寬度，并且其尺寸設(shè)置使標志區(qū)的角度等于間隔區(qū)的角度范圍。
圖5b和5c表示第一組齒53怎樣可以用于提供作為具有第一分辨力的數(shù)字編碼裝置，它所提供的信號表示轉(zhuǎn)子相對于定子的絕對位置。參閱圖5b，3個傳感器51a-51c用于與杯狀齒片輪50結(jié)合提供第一組數(shù)字信號。在圖5a-5c所示實施例中，3個傳感器51a-51c包含縫隙狀的光傳感器，它們的位置隔開15°，如圖15c所示。光傳感器51a-51c還形成這樣的位置關(guān)系，即它們可擋住8個齒53a-h。在運行時，3個傳感器51a-51c中的每個傳感器，當齒53a-h中的一個齒處在與該傳感器相關(guān)的縫隙中時，產(chǎn)生具有第一邏輯電平(例如邏輯“1”)的數(shù)字信號，而當與該傳感器相關(guān)的縫隙是空洞的時候，產(chǎn)生具有第二邏輯電平(例如邏輯“0”)的數(shù)字信號。因此，當齒53a-h旋轉(zhuǎn)通過傳感器51a-51c時，由各傳感器的各輸出一起提供了表示轉(zhuǎn)子絕對位置的信息。
反過來參閱圖5b，杯狀齒片輪50還包括第二組齒56。在圖5a-5c所示的實施例中，第二組齒56包含具有相等寬度的120個齒，其尺寸設(shè)置使得能提供120個擋光區(qū)(稱為“標志”區(qū))和120個透光區(qū)(稱為“間隔”區(qū))。
圖5b和5c表示第二組56怎樣可以用于提供作為具有第二分辨力的數(shù)字編碼裝置，提供的信號表示轉(zhuǎn)子的增量式位置。參閱圖5b，兩個傳感器52a和52b與杯狀齒片輪50結(jié)合使用，以便提供第二組數(shù)字信號。在圖5a-5c所示的實施例中)兩個傳感器52a-52b包含帶縫隙的光傳感器，其位置關(guān)系為間隔0.75°，如圖5c所示。光傳感器52a-52b還具有這樣的位置關(guān)系，以便可以擋住構(gòu)成第二組齒56的120齒。傳感器52a和52b的工作方式與上述的傳感器51a-51b相似，通過按照下文介紹的方式監(jiān)測傳感器52a和52b的輸出，對于轉(zhuǎn)子每次旋轉(zhuǎn)能夠產(chǎn)生經(jīng)過0.75°的高分辨力的旋轉(zhuǎn)增量的數(shù)字脈沖。通過監(jiān)測傳感器52a和52b得到的數(shù)字脈沖構(gòu)成為具有第二分辨力的第二組信號。
應當指出，在圖5a-5c中所示的特定編碼裝置42僅是示例性的，本發(fā)明可適用于其它形式和結(jié)構(gòu)的齒片輪、傳感器，適用于其它形式的位置編碼裝置。例如，每組的齒數(shù)可以改變，正像傳感器的數(shù)量和位置可以改變一樣，都沒有超出本發(fā)明的范圍。應當認識到圖5c中的傳感器的間隔配置使得它們的輸出遵循特定的順序，正像通過各標志區(qū)和間隔一樣。假若，在限定的角度范圍內(nèi)分布所有的或兩個傳感器沒有形成足夠的間隔，很明顯，每個傳感器可以位于各自的位置上，但是一些傳感器位置相對接近，這樣在相應的時間方面就會受到單個標志/間隔的影響。假如考慮到這一點，各標志區(qū)具有一節(jié)距圓周直徑(PCD)，在一PCD上的一個傳感器的位置可以改變一或多個標志/間隔節(jié)距，但沒有改變由各傳感器產(chǎn)生的波形的時間關(guān)系。此外，所使用的杯狀齒片輪或者齒片輪形成的擋光部分和透光部分都不是必不可少的?？梢圆捎闷渌问降凝X片輪和傳感器。例如，齒片輪可以由磁性標志區(qū)和非磁性間隔區(qū)構(gòu)成，而傳感器可以包含霍爾效應器件。與之相似，齒片輪可以包含鐵磁材料的齒，每個傳感器可以由磁阻式傳感器構(gòu)式。產(chǎn)生數(shù)字信號的其它裝置包括變化的電容或電感區(qū)以及檢測這種變化的適當傳感器。還有可以采用老的反射變化代替透光性的區(qū)域變化。因而，本發(fā)明并不限于在圖5a-5c中所示的特定編碼裝置，而是可以適用于其它的編碼裝置，只要它們能產(chǎn)生具有第一分辨力的第一組信號。還適用于能附加產(chǎn)生具有第二分辨力的第二組信號。
參閱圖4，本發(fā)明的控制器40接收來自編碼裝置42的兩組輸出信號并利用這些信號來控制功率器件的開關(guān)轉(zhuǎn)換，從而控制轉(zhuǎn)換磁阻式電機的相繞組的激磁。要指出，來自編碼裝置42的第二組數(shù)字輸出信號42b是提供到倍頻器44的，倍頻器44接收來自編碼裝置42的具有第二分辨力的第二組信號，并產(chǎn)生由角度控制器46采用的高頻時鐘信號(HF時鐘)，以便控制電機相繞的激磁。雖然在圖4上沒有表示，可聯(lián)想一些實施例，其中倍頻器44接收來自編碼裝置42的第一組信號，并由第一組信號產(chǎn)生HF時鐘。
圖6a-6b提供的電路結(jié)構(gòu)的實例可以實現(xiàn)圖4所示的倍頻器44。圖6a表示當來自編碼裝置42的第二組信號被提供到倍頻器44時可以采用的電路結(jié)構(gòu)。圖6b表示當來自編碼裝置42的第一組信號被提供到倍頻器44時可以采用的電路結(jié)構(gòu)。
參閱圖6a，第二組數(shù)字信號42b被提供到一增量式檢測器60，該檢測器監(jiān)測來自傳感器52a和52b的信號，并且當轉(zhuǎn)子已經(jīng)旋轉(zhuǎn)了一預定高分辨力的旋轉(zhuǎn)增量時，產(chǎn)生一改變狀態(tài)的信號。在圖6所示的實施例中，增量檢測器60包含一異議(XOR)門。增量檢測器60的輸出是一系列時鐘脈沖，每個時鐘脈沖對應于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的一個高分辨力增量。該來自增量檢測器60的系列時鐘脈沖提供到8位上升計數(shù)器61的復位(Reset)端。因此，上升計數(shù)器61接收來自傳感器52a和52b產(chǎn)生的且由對于轉(zhuǎn)子的每次完整旋轉(zhuǎn)由預定數(shù)量的脈沖組成的系列數(shù)字脈沖。8位上升計數(shù)器61的時鐘輸入端經(jīng)過一÷N除法器63連接到系統(tǒng)時鐘，其中N是一整數(shù)，在這一實例中數(shù)值為4。系統(tǒng)時鐘相對于該包含由編碼裝置42提供的第二組數(shù)字信號的數(shù)字脈沖的頻率可以具有很高的頻率。在運行過程中，在由編碼裝置42提供的第二組數(shù)字信號中每次產(chǎn)生的脈沖上升沿或下降沿使上升計數(shù)器61復位。上升計數(shù)器61然后響應于經(jīng)整除的系統(tǒng)時鐘進行上升計數(shù)，以提供與轉(zhuǎn)子角速度對應的經(jīng)時鐘控制的輸出。例如，假若轉(zhuǎn)子按照第一速度旋轉(zhuǎn)(例如相對低的速度)，計數(shù)器61將相對不頻繁地復位，因此，計數(shù)器61的最大計數(shù)值則相對高。假如轉(zhuǎn)子的角速度增加到第二速度，計數(shù)器61將根據(jù)更頻率的基準復位。因此，計數(shù)器61的最大輸出值將相對低。概括地說，計數(shù)器61的輸出將是一與電動機速度反比的對應的8位最大計數(shù)值。響應于由編碼裝置42提供的第二組數(shù)字信號中的一個脈沖可以將計數(shù)器61的最大輸出提供到可編程除法器62。
來自上升計數(shù)器61的8位數(shù)字輸出施加到可編程除法器62的控制輸入端C。正如本技術(shù)領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會理解的那樣，可編程除法器62具有標準結(jié)構(gòu)，提供的輸出時鐘信號的頻率為施加到它的時鐘端的信號頻率的某一百分值。在圖6a-6b的實施例中，可編程除法器是這樣一種類型的，其中輸出時鐘頻率等于用在控制(Control)輸入端處接收8位數(shù)字字(Word)代表的數(shù)相除的輸入時鐘頻率。因而，可編程除法器62提供的高頻數(shù)字的時鐘信號(HF時鐘)具有的頻率與包含的來自編碼裝置42的第二組信號的數(shù)字脈沖的頻率成比例變化。由于包含來自編碼裝置42的第二組信號的數(shù)字脈沖的頻率與電動機的速度成比例變化，故HF時鐘信號具有的頻率與電動機的速度成比例變化。
盡管在圖6a-6b中沒有表示，在被除的系統(tǒng)時鐘的頻率是這樣的即很可能使上升計數(shù)器61在來自編碼裝置42的各順序時鐘脈沖之間發(fā)生溢出的情況下，上升計數(shù)器61的位數(shù)可能相應增加。
圖6b表示當來自編碼裝置42的第一組信號42a提供到倍頻器44時的用于實現(xiàn)倍頻器44的電路結(jié)構(gòu)。圖6b中的電路結(jié)構(gòu)運行方式，只是除了計數(shù)器61每次轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)經(jīng)過由信號42a反映的旋轉(zhuǎn)增量時被復位以外，基本上與對圖6a所述的上述方式相似。
三輸入異邏輯門64接收各信號42a，并且當其中任一信號42a每次改變狀態(tài)時，提供一改變狀態(tài)的輸出信號。當采用圖6b所示的電路結(jié)構(gòu)時，對于一般運行的驅(qū)動裝置，來自編碼裝置42的高分辨力脈沖系列42b不是必須的。在這一實施例中可以采用僅提供一個脈沖系列的簡單RPT。
反過來參閱圖4，來自倍頻器44的HF時鐘信號被提供到角度控制電路46斬波控制電流47。概括地說，角度控制電路46和斬波控制電路47響應于HF時鐘和來自編碼裝置42的信號，提供用于功率器件的開關(guān)轉(zhuǎn)換信號。當斬波方法用于控制相繞組中的電流時，斬波控制器47可以用在相對低的角速度下，當電機的速度相對高和斬波控制無效時，可以使用角度控制器46。概括地說，角度控制器46和斬波控制器47接收由編碼裝置42產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子位置數(shù)字信號，并且將來自編碼裝置42的轉(zhuǎn)子位置數(shù)字信號，并且將來自編碼裝置42的轉(zhuǎn)子位置信號和與預期運行狀態(tài)下的導通角和關(guān)斷角相對應的信號相比較。當相應控制器確定轉(zhuǎn)子處在與導通角對應的位置下時，產(chǎn)生用于相應功率器件的開關(guān)轉(zhuǎn)換信號，以便對相應的相繞組的激磁。當由編碼裝置42產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子位置信號表明轉(zhuǎn)子處在與關(guān)斷角對應的位置下時，相應的控制器產(chǎn)生開關(guān)轉(zhuǎn)換信號，以便關(guān)斷相應的開關(guān)器件并切除對相應相繞組的激磁。假如采用斬波控制，控制器47可以產(chǎn)生在由導通角和關(guān)斷角限定的時間段之間的斬波信號，以便控制相繞組中的電流。這些技術(shù)對于轉(zhuǎn)換磁阻式驅(qū)動裝置技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員是很熟悉的。
在圖4所示實施例中，導通和關(guān)斷信息是由控制規(guī)則表48提供的，該表按照它的輸入信號包括表述轉(zhuǎn)矩一需求和實際電機速度的信息。在圖4所示實施例中，該控制規(guī)則表48可以包含一查閱表，該查閱表在一對于幾種速度/轉(zhuǎn)矩一需求綜合方案的包含相應導通和關(guān)斷數(shù)據(jù)的EPROM中包含一預先內(nèi)插的矩陣。導通和關(guān)斷數(shù)據(jù)可以根據(jù)經(jīng)驗產(chǎn)生或計算得到?？梢圆捎昧硗獾膶嵤├?，其中控制規(guī)則表48包含一稀疏的矩陣，以及一微處理機或ASIC用來以實時方式計算適當?shù)膶ń呛完P(guān)斷角。
圖79概括地表示可用于實現(xiàn)圖4中的角度控制器46的電路結(jié)構(gòu)一個實例。如在圖7a中所示，角度控制器46可以包含一8位上升計數(shù)器70，該計數(shù)器接收該結(jié)合圖6上面討論的HF時鐘信號作為它的時鐘輸入。正如已經(jīng)指出的，HF時鐘信號包括一系列按照與電動機角速度成比例的頻率產(chǎn)生的時鐘脈沖。連接上升計數(shù)器70的Reset(復位)輸入端，以便接收來自第一組信號中的至少一個信號，在圖7a所示實施例中該信號是來自傳感器51a的脈沖系列。
參閱圖7a，8位計數(shù)器70每當輸出脈沖系列產(chǎn)生一個變化邊沿時被復位。在圖7a的實施例中，上升計數(shù)器70在每個上升沿被復位，當然可設(shè)想有按照下降沿使計數(shù)器70復位的實施例。由于計數(shù)器70在一與轉(zhuǎn)子磁極相對定子磁極的絕對位置對應的點上被復位，以及因為利用與電動機速度成比例變化的HF時鐘信號使計數(shù)器70進行計時，上升計數(shù)器70產(chǎn)生的輸出將是隨時間增加的數(shù)字字，其中數(shù)字字的數(shù)值對應于轉(zhuǎn)子的位置。這一點利用圖7b的角度控制斜波信號可以表示。
參閱圖7b，利用角度控制斜波表示上升計數(shù)器70的輸出。如圖7b所示，在To時間點，計數(shù)器70將接收到信號51a的上升沿。這一上升沿將使計數(shù)器70復位，使其輸出下降到0。正如上面討論的，這一上升沿的產(chǎn)生代表轉(zhuǎn)子磁極已經(jīng)達到相對定子磁極的一個絕對。在計數(shù)器70被復位以后，它的輸出響應于每個HF時鐘脈沖而增加，一直到來自脈沖系列51a的上升沿在時間t4下一次出現(xiàn)為止。由于HF時鐘脈沖按照一與電動機速度成比例的速率產(chǎn)生的計數(shù)器70的輸出將對應于輪子的位置。
反過來參閱圖7a，來自計數(shù)器的且與轉(zhuǎn)子位置相對應的數(shù)字輸出可用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)換信號或觸發(fā)信號，以便控制功率器件對相關(guān)的相繞組進行激磁或解除激磁。確切地說在圖7a中，當轉(zhuǎn)子已經(jīng)過到導通角位置時，8位比較器72用于檢測判斷，以使適當?shù)拈_關(guān)器件可以導道。如在圖7a中所表示的，比較器72在它的A輸入端接收來自控制規(guī)則表48的與預期導通點對應的8位字。比較器72在它的B輸入接收來自計數(shù)器70的連續(xù)輸出。在圖7a的實施例中，無論何時當它的A輸入端的量超過B輸入端時，比較器72提供一個高的邏輯電平輸出。因而，無論何時當與預期的導通角對應的信號超過計數(shù)器70的連續(xù)時，比較器72的輸出將為高邏輯電平(“1”)，其它所有時間內(nèi)為低邏輯電平(“0”)。利用一反相器使這一信號反相，即當計數(shù)器70的連續(xù)輸出超過代表導通角的信號時，提供的數(shù)字信號為高邏輯電平。
按照類似的方式，比較器74在它的A輸入端接收來自控制規(guī)則表48的與預期的關(guān)斷角對應的一個數(shù)字字而在它的B輸入端接收計數(shù)器70的連續(xù)輸出。與比較器72相似，當在其A輸入端A的字的數(shù)值超過在其B輸入端的字的數(shù)值時，比較器74產(chǎn)生的輸出信號的高邏輯電平(“1”)。因此，當來自計數(shù)器70的輸出超過與關(guān)斷角對應的信號時，比較器74產(chǎn)生的數(shù)字信號為低邏輯電平(“0”)。
比較器72的經(jīng)反相的輸出和比較器74的輸出兩者提供到AND門75°。因此，僅當計數(shù)器70的連續(xù)輸出大于代表導通角的信號而小于代表關(guān)斷角的信號時，AND門75將提供一為高邏輯電平的數(shù)字信號。AND門75的這一輸出信號可用于利用一在圖7a中沒有表示的電路來控制相應相繞組的激磁。在圖7b中表示了比較器72和74以及AND門的總的工作方式，其中AND門75的輸出代表一系列的可用于控制電機激磁的脈沖。
正如本技術(shù)領(lǐng)域中的熟練人員會理解的，圖7a的示例性的控制系統(tǒng)僅是基本原理性的，并沒有包括用于實現(xiàn)更復雜的控制功能，例如惰轉(zhuǎn)控制的電路。在不脫離本發(fā)明構(gòu)思和保護范圍的情況下，可以容易地將這些附加功能增加到圖7a的電路中(例如通過增加另一比較器)。此外，圖7a僅表示單相的控制電路。對于電動機的每一相，通常重復該電路結(jié)構(gòu)，以及需要附加電路(未表出)，以便當驅(qū)動裝置由電動機方式進入發(fā)電機方式時，改變使角度控制斜波復位到0的變化邊沿，由根據(jù)上升沿復位到根據(jù)下降沿復位。例如，圖7a的電路結(jié)構(gòu)可重復具有上升計數(shù)器70，或者利用來自傳感器51b或者利用來自傳感器51c的脈沖系列進行復位。利用本文公開的內(nèi)容，對于本技術(shù)領(lǐng)域的一般熟練人員而言，用于將圖7a中的控制器7a擴展到用于多相電動機的技術(shù)和電路結(jié)構(gòu)是顯而易見的?？刂破骺梢早溥M包括一斬波電路，該電路將在相繞組中的實際電流與預期的電流在導通角和關(guān)斷角間的間隔期間進行比較，當實際電流達到或超過預期的電流時，對相電流進行斬波。
圖4中的控制器用于高效地控制轉(zhuǎn)換磁阻式電機，絕對位置編碼裝置或處理電路成本不同。因此，由圖4代表的本發(fā)明的控制器提供了一種價廉高效的控制系統(tǒng)。
應當指出，在圖5a-5c所示的特定編碼裝置42僅是示例性的，本發(fā)明還適用于其它類型和結(jié)構(gòu)的齒片輪，傳感器以及其它形式的位置編碼裝置。例如，每組齒數(shù)可以改變，正像傳感器的數(shù)量和位置可改變一樣，都沒有超出本發(fā)明的保護范圍。
可以還有采用具有不同分辨力的兩個增量式編碼裝置或具有不同分辨力的兩個絕對位置編碼裝置的另外的實施例。此外，盡管本發(fā)明上述實施例為包括一邏輯電路、一ASIC或微處理機，本技術(shù)領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員會理解，利用適當?shù)目删幊涛⑻幚砥?、專用邏輯電路或模擬電路也可以實現(xiàn)本發(fā)明。
盡管是根據(jù)旋轉(zhuǎn)電機介紹本發(fā)明的，熟練人員將會認識到相同的工作原理可以應用到直線的位置編碼裝置，作用是等效的。例如熟練人員將會認識到磁阻式電機(按照其它類型的電機)可以構(gòu)成為一直線電動機。直線電動機的運動部件在本技術(shù)領(lǐng)域中看作為一個轉(zhuǎn)子。術(shù)語“轉(zhuǎn)子”用在本文還包含直線電動機的運動部件。
因而對于和用上述實例和說明已公開的本發(fā)明的原理，可以利用各種不同的電路形式和配置來實施。本技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員將易于認識到，在并非嚴格遵循本文已述的示例性應用以及在不脫離由如下權(quán)利要求所述的本發(fā)明的保護范圍的情況下，可以對本發(fā)明進行各種不同的其它改進和變化。
權(quán)利要求
1.一種用于轉(zhuǎn)換磁阻式電機的控制系統(tǒng)，該電機包含轉(zhuǎn)子、定子和至少一個相繞組，該控制系統(tǒng)包含-轉(zhuǎn)子位置編碼裝置，可運轉(zhuǎn)以產(chǎn)生代表轉(zhuǎn)子相對定子的位置的輸出信號；-倍頻器，其配置用于接收來自編碼裝置的第一輸出信號，并可起動以產(chǎn)生其頻率與第一輸出信號頻率成比例的時鐘信號；以及角度控制裝置，響應于該時鐘信號和編碼裝置的第二輸出信號，用以產(chǎn)生控制至少一個相繞組激磁的轉(zhuǎn)換信號。
2.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中的倍頻器包含-增量式檢測器，其配置用以接收第一輸出信號，該增量式檢測器可運行以產(chǎn)生一系列的時鐘脈沖，每個時鐘脈沖是由第一輸出信號的輸出信號狀態(tài)改變限定的；一計數(shù)器，它的復位輸入端接收系列的時鐘脈沖，響應于由增量式檢測器產(chǎn)生的每個時鐘脈沖可以使計數(shù)器復位。計數(shù)器具有一連接到系統(tǒng)時鐘的時鐘輸入端，計數(shù)器可起動，以便提供一輸出，該輸出與來自增量式檢測器的系列時鐘脈沖的頻率成比例變化；以及-可編程除法器，其接收計數(shù)器的輸出和系統(tǒng)時鐘，該可編程除法器可起動以便在它的輸出端提供高頻時鐘信號，該高頻時鐘信號的頻率是系統(tǒng)時鐘頻率的一百分值，其中高頻時鐘信號頻率對系統(tǒng)時鐘頻率的相互關(guān)系由計數(shù)器的輸出控制。
3.如權(quán)利要求2所述的控制系統(tǒng)，其中的增量式檢測器包含一異或門。
4.如權(quán)利要求2或3所述的控制系統(tǒng)，其中的高頻時鐘信號的頻率等于系統(tǒng)時鐘用計數(shù)器的輸出值相除得到的頻率。
5.如權(quán)利要求1至4中任何一個權(quán)利要求所述的控制系統(tǒng)，其中的角度控制器包含-計數(shù)器，具有時鐘輸入端和復位輸入端，時鐘輸入端的連接用以接收高頻時鐘信號，復位輸入端的連接用以接收第一輸出信號，該計數(shù)器可起動，以便在向計數(shù)器復位輸入端施加一脈沖后提供一個代表向計數(shù)器時鐘輸入端施加的脈沖數(shù)的計數(shù)器輸出；-第一比較器，其連接用以接收計數(shù)器輸出和一導通信號，該導通信號具有的數(shù)值對應于一轉(zhuǎn)子位置，在該位置下應當對相繞組激磁，當計數(shù)器輸出的值超過導通信號的值時，第一比較器提供一處于第一邏輯電平的輸出信號；-第二比較器，其連接用以接收計數(shù)器輸出和一關(guān)斷信號，該關(guān)斷信號具有的數(shù)值對應于一轉(zhuǎn)子位置，在該位置下應當對相繞組切除激磁，當計數(shù)器輸出超過關(guān)斷信號的值時，第二比較器產(chǎn)生一處在預定邏輯電平的輸出信號；以及邏輯裝置，響應于第一和第二比較器的輸出信號，當二比較器的輸出信號表明計數(shù)器的輸出大于導通信號的值而小于關(guān)斷信號的值時，產(chǎn)生觸發(fā)信號，以便對相繞組激磁。
6.如權(quán)利要求5所述的控制系統(tǒng)，其中的第一邏輯電平是一低的邏輯電平，該預定的邏輯電平是一低的邏輯電平，以及其中響應于第一和第二比較器的輸出信號的邏輯裝置包含一及相器，其連接到第一比較器的輸出端，用以使第一比較器的輸出反相，以及一AND門，其第一輸入端的連接用以接收反相器的輸出以及其第二輸入端的連接用以接收第二比較器的輸出。
7.如前述各權(quán)利要求中的任一權(quán)利要求所述的控制系統(tǒng)，其中的具有第一分辨力的第一輸出信號對應于轉(zhuǎn)子的絕對位置，具有第二分辨力的第二輸出信號對應于轉(zhuǎn)子的增量位置，第二分辨力大于第一分辨力。
8.如權(quán)利要求7所述的控制系統(tǒng)，其中的轉(zhuǎn)子位置編碼裝置包含一具有第一組特征和第二組特征的部件，第一組傳感器，其配置用以產(chǎn)生表示該部件運動經(jīng)過第一組傳感器的輸出信號，以及第二組傳感器，其配置用以產(chǎn)生表示該部件運動經(jīng)過第二組傳感器的輸出信號，其中來自第一組傳感器的輸出信號包含該第一輸出信號以及來自第二組傳感器的輸出信號包含該第二輸出信號。
9.如權(quán)利要求1至6中任一權(quán)利要求所述的控制系統(tǒng)，其中的轉(zhuǎn)子位置編碼裝置包含一具有一組特征的部件、一組傳感器其可以產(chǎn)生代表該部件運動經(jīng)過該組傳感器的輸出信號，該第一和第二輸出信號是相同的信號。
10.如權(quán)利要求8至9所述的控制系統(tǒng)，其中的特征限定為擋光區(qū)和透光區(qū)，并且其中的構(gòu)成各組傳感器的傳感器是光傳感器。
11.如權(quán)利要求10所述的控制系統(tǒng)，其中的擋光區(qū)和透光區(qū)限定角度范圍，并且其中的透光區(qū)和擋區(qū)的角度范圍是相等的，這些區(qū)是由第一組特征中的特征限定的。
12.一種用于控制轉(zhuǎn)換磁阻式電機的方法，該電機具有轉(zhuǎn)子、定子、至少一個相繞組以及一個轉(zhuǎn)子位置編碼裝置，該編碼裝置提供與轉(zhuǎn)子相對定子的絕對位置對應的信號，該方法包含的步驟是監(jiān)測一組信號并產(chǎn)生高頻時鐘信號，該信號的頻率與該組信號狀態(tài)變化的頻率成比例；根據(jù)該組信號的狀態(tài)變化起動一計數(shù)器，對高頻時鐘信號的狀態(tài)變化進行計數(shù)；當計數(shù)值達到第一預定值時對至少一個相繞組進行激磁；以及當計數(shù)值達到第二預定值時對至少一個相繞組切除激磁。
13.一種用于控制轉(zhuǎn)換磁阻式電機的方法，該電機具有轉(zhuǎn)子、定子、至少一個相繞組以及轉(zhuǎn)子位置編碼裝置，該編碼裝置提供具有第一分辨力的與轉(zhuǎn)子相對定子的絕對位置對應的第一組信呈和具有第二分辨力的與轉(zhuǎn)子的位置增量對應的第二組信號，其中第二分辨力大于第一分辨力，該方法包含的步驟是監(jiān)測二組信號并產(chǎn)生高頻時鐘信號，該高頻信號的頻率與第二組信號狀態(tài)變化的頻率成比例；根據(jù)第一組信號的狀態(tài)變化起動一計數(shù)器，對高頻時鐘信號的狀態(tài)變化進行計數(shù)；當計數(shù)值達到第一預定值時對至少一個相繞組進行激磁；以及當計數(shù)值達到第二預定值時對至少一個相繞組切除激磁。
全文摘要
一種用于控制轉(zhuǎn)換磁阻式驅(qū)動裝置的電路和方法，該裝置具有至少一個相繞組和一轉(zhuǎn)子位置編碼裝置，該編碼裝置提供一組與轉(zhuǎn)子相對定子的絕對位置對應的信號。該電路監(jiān)測該組信號并產(chǎn)生其頻率與該組信號狀態(tài)變化的頻率成比例的高頻時鐘信號。高頻時鐘信號為來自轉(zhuǎn)子位置傳感器的脈沖數(shù)的整數(shù)倍并且對應于轉(zhuǎn)子的位置增量。將高頻時鐘信號提供到計數(shù)器上。
文檔編號H02P6/14GK1153423SQ9610298
公開日1997年7月2日 申請日期1996年3月28日 優(yōu)先權(quán)日1995年3月28日
發(fā)明者戴維德·馬克·勞格登 申請人:開關(guān)磁阻驅(qū)動有限公司