專利名稱：磁阻電機用滯環(huán)電流控制器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及磁阻電機用的滯環(huán)電流控制器。
開關型磁阻電機是具有可變電感的電負載的一個例子。它包括一個限定定子磁極的定子，和限定轉(zhuǎn)子磁極的轉(zhuǎn)子。激勵繞組繞于定子磁極上。通常成組的繞組作為一相被同時激勵。每一相中繞組通過在一個包括相繞組的相電路中開關電源來控制其激勵。磁阻電機可用作電動機，也可用作發(fā)電機。1993年6月21-24日在德國Nurnberg的PCIM’93Conference and Exhibition上Stephenson和Blake提出的論文“開關型磁阻電機及驅(qū)動器的特性、設計和應用”中描述了開關型磁阻電機和它們的控制。
在低速時，開關型磁阻電機通常通過調(diào)節(jié)相繞組中的電流量來控制其產(chǎn)生的力矩，也即，電機稱為“電流饋給”。通常電壓源是獲得電功率的最實際的設備，因此需要一個電流控制器。電流控制器控制電源開關的狀態(tài)以便在相繞組上加上電壓，從而在相繞組中產(chǎn)生所需電流。不論是在暫態(tài)過程中還是在穩(wěn)態(tài)過程中，電流控制器的技術性能都受到引起相電流的電負載特性的影響。不像直流電機和感應電機，開關型磁阻電機既無不變的電感，又沒有簡單的“轉(zhuǎn)EMF”效應。開關型磁阻電機的電氣特性的數(shù)學表達式可描述如下V=iR+l(i,θ)didt+iw∂L∂θ(i,θ)----(1)]]>其中V是相電壓R是相電阻i是相電流L是相電感l(wèi)是相電感增量ω是旋轉(zhuǎn)速度
θ是相對于定子的轉(zhuǎn)子角度等式1中的三項分別闡述如下第一項(iR)是相繞組中電阻引起的壓降；第二項(l(i，θ)di/dt)正比于相電流的變化率及由相內(nèi)的有效電感所引起，也即，電感增量所引起。由于電感增量是電流和角度兩者的函數(shù)，因此這一項可認為本質(zhì)上是非線性的。

圖1顯示了一個典型開關型磁阻電機的電感增量的變化曲線，圖中是不同相電流值時電感增量與轉(zhuǎn)子角度的關系曲線。這顯示出當電機在很大的電流范圍內(nèi)運行時，例如用作伺眼驅(qū)動器時，電感增量可在10比1的范圍內(nèi)變化；等式1的最后一項(iω L(i，θ)/ θ)可認為正比于旋轉(zhuǎn)速度(ω)，因此有時稱之為“轉(zhuǎn)動EMF”。因為相電感是轉(zhuǎn)子角度的函數(shù)，因此當電機旋轉(zhuǎn)時電感發(fā)生變化，因而產(chǎn)生了這一項。這也是本質(zhì)上非線性的，它決定于在具體相電流和轉(zhuǎn)子角度時相電感如何隨轉(zhuǎn)子角度變化而變化。圖2闡述了在一定速度下和不同相電流值時開關磁阻電機的轉(zhuǎn)動EMF。
常用于控制開關型磁阻電機電流的一種形式是滯環(huán)電流控制。由于它可得到高的帶寬控制和易于實現(xiàn)，因此被廣泛地應用。滯環(huán)電流控制在EP-A-0635931中得到描述。
滯環(huán)電流控制的原理是任何時候當電流到達高于或低于所需電流的閾值電平時，即在電流控制器內(nèi)改變電源開關的導電狀態(tài)。上部和下部閾值之間的間距即稱為滯環(huán)帶。圖3顯示了一個簡單的滯環(huán)電流控制功能。其中所加電壓具有常幅值但有不同極性，用于電源開關的開通和關斷狀態(tài)，以及假定電流以線性方式上升和下降。但實際情況并不如此，這只是用于一般地闡述滯環(huán)斬波形狀，實際電流在上下閾值的限值之間隨意地變化，而當它超越任一閾值時，即被開關切換而受到控制。
開通和關斷時間(圖3中示如ton和toff)的簡化表達式可用于導出下列等式f＝(V2-iav2R2-2iavR ε-ε2)/2lihV(2)其中f是開關頻率
V是DC鏈接電壓iav是平均相電流R是相電阻ε是“轉(zhuǎn)動EMF”l是電感增量ih是滯環(huán)帶寬度等式2假定瞬時相電流將如上所述地線性地上升和下降。雖然這并不完全正確，但如果與電感負載的時間常數(shù)比較開關周期較短(開關型磁阻電機通常是這種情況)，則由于這種線性近似而引起的誤差是相當?shù)匦　?br> 自等式2可以看出，除非相應地調(diào)節(jié)滯環(huán)帶的寬度，開關頻率將隨具體相電路參數(shù)的改變而改變。實際中并不如此做，因為這需要存儲與電機電磁特性有關的相當大量的數(shù)據(jù)。這還要求在感測電流的同時感測轉(zhuǎn)子位置和速度，并且要求實行極快的數(shù)據(jù)處理以確定滯環(huán)帶的正確寬度。因此當使用常規(guī)滯環(huán)電流控制時，其結(jié)果是電源開關頻率變化及出現(xiàn)不希望的音響噪音。
在最簡單的滯環(huán)電流控制形式中，使用一條以所需電流為中心的固定滯環(huán)帶。它如此設置以保證在驅(qū)動器的任何運行情況下電源開關頻率都能使開關損耗不超過最大允許值。例如，當基于開關型磁阻電機的定位伺服驅(qū)動器需要超載運行時，它需要具有一條相對地寬的滯環(huán)帶以配合高電流下遇到的極低電感增量。而這又會引起小平均電流下的明顯的穩(wěn)態(tài)誤差，因為當滯環(huán)帶的下限接近零電流時，距所需電流的正的和負的偏離值將不相等。
本發(fā)明的一個目的是減少由于對具有變化的電源開關頻率的開關型磁阻電機進行控制而引起的音響噪音量。
本發(fā)明的另一個目的是在開關型磁阻電機的滯環(huán)電流控制的一組給定的運行條件下將滯環(huán)帶優(yōu)化。
本發(fā)明在所附獨立的權(quán)利要求中被限定。本發(fā)明的優(yōu)選特征在有關附屬權(quán)利要求中闡述。
根據(jù)本發(fā)明的頻率控制器用于有效地調(diào)節(jié)滯環(huán)帶寬度以便調(diào)節(jié)開關頻率。以此方式，可將開關頻率維持得更接近于優(yōu)選速率。也可能使用本發(fā)明的電流控制器更正確地控制開關型磁阻電機中的相電流，低至較小電流。
為控制電流，需要一個標示電流的信號。這可以是電流的反饋信號或者是自其它標示電流的變量中導出的信號。
本發(fā)明可用不同方式投入應用，現(xiàn)參照附圖通過例子描述其中一些方式，附圖中圖1是不同相電流值時開關型磁阻電機的半周期內(nèi)電感增量與旋轉(zhuǎn)電角度的關系曲線；圖2是不同相電流值時開關型磁阻電機的半周期內(nèi)轉(zhuǎn)動MEF與旋轉(zhuǎn)電角度的關系曲線；圖3是用于闡述滯環(huán)電流閾值之間相電流切換的曲線；圖4是根據(jù)本發(fā)明的電流控制器的一般化原理框圖；圖5是本發(fā)明的控制器第一實施例的更詳細原理框圖；以及圖6是本發(fā)明的控制器第二實施例的更詳細原理框圖。
參照圖4，開關型磁阻驅(qū)動器包括一個滯環(huán)電流控制器，它所包括的第一誤差放大器10提供一個誤差信號Ie，此信號Ie標示電機所需電流信號Id和電機電流反饋信號If之間的差值。信號If用電流傳感器12自開關型磁阻電機28定子繞組中的相電流得出。誤差信號Ie作為輸入量提供給滯環(huán)控制裝置14。裝置14的輸出量是一個開關觸發(fā)信號T，用于選擇性地激勵電機的具體相電路的電源開關，并通過該開關將電壓加至相繞組上。
此實施例中，每一相的相導通的時間分配和相序由控制器22控制，它根據(jù)來自電機28轉(zhuǎn)子的位置信息決定合適的電流。在此實施例中，用位置傳感器25和信號處理器27自轉(zhuǎn)子軸23獲取轉(zhuǎn)子位置信息。本領域技術人員知道可以使用其它轉(zhuǎn)子位置檢測形式，例如美國專利號5,467,025所提到的。圖4只闡述電機28的一相開關電路24。一般而言，電機尚有其它相，每一相都有其自己的開關電路。替代方案是兩個或更多相可分享一個開關電路。開關的時間分配和順序是開關型磁阻電機技術中常規(guī)內(nèi)容，因此這里不再詳細描述。圖4的實施例可在概念上劃分為技術中常規(guī)的電流控制回路和頻率控制回路。本領域技術人員知道，圖4中大部分框可用硬件或軟件實現(xiàn)。
滯環(huán)控制裝置14的輸出量是開關型磁阻電機28一相的觸發(fā)信號。因此，按照每一相導通周期的時間分配，滯環(huán)控制裝置14提供一串觸發(fā)脈沖以控制相繞組兩端的電壓從而調(diào)節(jié)滯環(huán)帶的上部和下部閾值之間的繞組電流。
第二誤差放大器16提供一個用于標示參考開關頻率Fr和頻率反饋信號Ff之間差值的頻率誤差輸出量Fe。信號Fr不必為常量-它可由用戶控制也可編程以按照某些其它事件或周期的事件模式變化。信號Ff用頻率感測器18取自滯環(huán)控制設備14的開關觸發(fā)輸出量。
頻率誤差信號Fe加至頻率控制器20上，后者向滯環(huán)控制設備14提供一個滯環(huán)寬度Ih。
信號Id有一個符號和與所需電流電平成比例的幅值。如果要保持滯環(huán)帶寬度不變，則電流控制器的開關頻率應根據(jù)具體運行點變化(如以上等式2中所定義的)。
根據(jù)本發(fā)明的控制器感測當電流誤差信號Ie越過滯環(huán)閾值中的一個值時引起的開關操作的頻率，即能調(diào)節(jié)上部和/或下部滯環(huán)限值，從而控制平均開關頻率使之接近于預定的參考頻率Fr。
頻率控制器以比相電流控制率慢的速率改變滯環(huán)寬度Ih。用此方式在無論何種具體相運行情況下都調(diào)節(jié)平均開關頻率。下面將對此詳細解釋。
圖5中顯示本發(fā)明的更詳細實施例。開關頻率的控制由鎖相回路(PLL)實現(xiàn)，PLL將滯環(huán)控制設備14用作PLL的壓控振蕩器(VCO)。頻率比較器是一個II型數(shù)字相敏檢測器(PSD)30。使用II型檢測器是因為無論Fr和Ff的占空度如何不同都能正確地運行。還注意到，反饋頻率信號Ff加至檢測器30的非反相輸入端+及參考頻率信號Fr加至檢測器的反相輸入端-。這考慮到滯環(huán)帶寬度和開關頻率間的倒數(shù)關系，也即在具體運行點上當滯環(huán)帶增大時，開關頻率減小。
比例加積分(P+I)補償器32用作頻率控制器。它自PSD30接收誤差頻率信號Fe本領域技術人員知道，由流向開關型磁阻電機的周期性激勵電流的本質(zhì)所決定，任何一相內(nèi)的電流都不是連續(xù)流過的，不同于例如三相感應電機。因此在每一相繞組的激勵周期之間的時間內(nèi)有效地禁止滯環(huán)控制設備14發(fā)揮VCO功能。當所需電流的變化率超過系統(tǒng)能反應斜率限度時也出現(xiàn)這種情況，電源電壓決定激勵電流的變化率。因此，考慮到相激勵電流的間斷特性，希望PLL能在每一個相激勵周期開始時快速地和可靠地鎖斷，這是非常有利的。如果PLL能夠“跨過”能引起PLL失鎖的控制電流中的暫態(tài)干擾從而得到快速的重新鎖定，這也是有利的。下面將描述能實現(xiàn)這點的控制動作。
圖5中通過一個加法器34在來自P+I補償器32的控制信號輸出量上加上一個可調(diào)節(jié)偏差量Io。偏差量Io的值是激勵周期開始時所需滯環(huán)帶的合適寬度的最初估計值。使用此偏差量后，PLL不必自零的滯環(huán)寬度值開始以實現(xiàn)鎖定，其結(jié)果是可以更快地進行搜索。
加法器34的控制輸出量送至限幅器36以使滯環(huán)帶的偏離值限于固定限值之內(nèi)，從而避免回路搜索期間可能出現(xiàn)的過高的開關頻率。PLL控制回路內(nèi)這樣一個非線性元件也有助于鎖定搜索。
該系統(tǒng)也設計用于在所需電流中出現(xiàn)快速波動時協(xié)助PLL實現(xiàn)平滑控制功能。所謂“快速”，即速率如此快以致開關頻率降至零值，而通過電源VDC有限的可用驅(qū)動電壓而限制了相電流斜率。這由電流斜率限制檢測器38實現(xiàn)，它接收電流誤差信號Ie和等于滯環(huán)寬度信號的限幅器輸出量Ih。檢測器38輸出量送至雙輸入與門40的一個輸入端。與門40的另一輸入端是PSD30的輸出端。PSD30輸出量由斜率限制檢測器38選通后即為與門40輸出量，并送至P+I補償器32。當誤差電流信號Ie的變化率大至產(chǎn)生斜率限制時，即禁止PSD30輸出量送至P+I補償器32。一旦任何這樣一種暫態(tài)情況結(jié)束，斜率檢測器38的輸出量改變狀態(tài)以允許PSD 30輸出量送至P+I補償器。當發(fā)生斜率限制而禁止滯環(huán)電流控制器運行時，這防止P+I控制器32對滯環(huán)電流控制器的VCO操作作出反應。由于PLL跨過暫態(tài)狀態(tài)，因而也允許相對快地重新建立鎖定狀態(tài)。
最后，PLL能夠達到鎖定的速度借助于P+I補償器32的復位輸入量Ir，任何時候當系統(tǒng)控制中沒有相激勵時輸入量Ir即將積分項復位至零，也即此復位信號定時地在相導通周期以外移去積分項。
本發(fā)明的這個實施例中使用的鎖相回路將滯環(huán)控制設備用作壓控振蕩器(VCO)。PLL的VCO增益根據(jù)具體運行情況在相當大的范圍內(nèi)變化。這使PLL的動態(tài)響應根據(jù)運行情況變化，而不是向相開關提供觸發(fā)信號的電流調(diào)節(jié)回路的響應。本發(fā)明披露以下事實所需開關頻率的信號(或是數(shù)字或是模擬的)可用作反饋控制回路的輸入量，以便響應于被監(jiān)視的開關頻率而調(diào)節(jié)滯環(huán)帶。
頻率PLL控制的帶寬最好明顯地小于電流控制回路的帶寬。例如，認為使PLL帶寬比電流控制回路窄10倍是實際的。用于控制頻率的PLL的響應是基于開關頻率的一系列周期的平均值。如果PLL響應過快，則會出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定的風險，因為一個控制回路會試圖對其它回路中的變化作出反應。
圖6顯示本發(fā)明的另一替代形式，它是更完全數(shù)字化地檢測開關周期而不是頻率的實施例。開關觸發(fā)信號T送至周期測量設備40。在對應于開關動作周期被允許的周期內(nèi)該設備將數(shù)字高頻時鐘42的轉(zhuǎn)變次數(shù)計數(shù)，從而確定開關動作周期Pf，數(shù)字減法器44獲取測量設備40輸出量Pf與參考開關周期信號Pr之差值。該減法操作可用眾所周知的二進制補碼加法器完成。
數(shù)字加法器48將偏差量Io加至數(shù)字P+I補償器46輸出量上。數(shù)字限幅器50確定滯環(huán)帶的最大和最小寬度。數(shù)模轉(zhuǎn)換器52接收限幅器50的數(shù)字輸出量以產(chǎn)生模擬滯環(huán)帶控制信號Ih。
在其它方面，圖6的實施例等效于圖5。在這兩種情況下，所需開關頻率由電流控制回路以外的回路控制。實際中，此實施例大部分可由軟件實現(xiàn)。
雖然本發(fā)明結(jié)合以上討論過的闡述性實施例被描述過，但本領域技術人員知道，可在不背離本發(fā)明的情況下做出很多改動。雖然上面描述了模擬的和數(shù)字的鎖相回路，很明顯也可使用控制系統(tǒng)技術中熟知的其它形式的控制回路，還有，可使用以上描述的比例加積分操作以外的其它控制方式。例如，可用極點零點迫近法。本領域技術人員知道一部分電路可用數(shù)字、模擬或軟件形式實現(xiàn)。因此，以上實施例的描述使用例子而并沒有限制的目的。本發(fā)明只由下列權(quán)利要求書的實質(zhì)和范圍所限制。
權(quán)利要求
1.一種用于控制具有至少一個繞組的開關型磁阻電機中電流的方法，該方法包括以下步驟引取一個標示電流的電流信號；設置一個圍繞一個標示所需電流的電平的滯環(huán)帶；當電流信號標示出電流已超越滯環(huán)帶的一個限值時切換電流以使電流回至滯環(huán)帶內(nèi)；以及通過調(diào)節(jié)滯環(huán)寬度來調(diào)節(jié)開關頻率。
2.如權(quán)利要求1中所述的方法，包括對所監(jiān)測頻率作出響應，通過調(diào)節(jié)滯環(huán)帶寬度以監(jiān)控開關頻率的步驟。
3.如權(quán)利要求2中所述的方法，其中對所監(jiān)測頻率作出響應，調(diào)節(jié)滯環(huán)帶以將開關頻率基本上保持于所需速率上。
4.如權(quán)利要求1、2或3中所述的方法，包括將所監(jiān)測頻率與參考頻率進行比較以產(chǎn)生一個頻率誤差信號以及根據(jù)頻率誤差信號和控制功能產(chǎn)生一個控制信號的步驟。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中控制功能是一個比例加積分控制功能。
6.如權(quán)利要求5中所述的方法，其中當繞組中沒有電流流過時控制功能的積分項被清零。
7.如權(quán)利要求4至6中任何一項所述的方法，其中一個偏差量加至控制信號中。
8.如權(quán)利要求1至7中任何一項所述的方法，包括限定滯環(huán)帶的最小和/或最大寬度的步驟。
9.如權(quán)利要求2至8中任何一項所述的方法，包括引取標示電流斜率的信號及當斜率超過預定速率時禁止控制信號的步驟。
10.如權(quán)利要求1至9中任何一項所述的方法，包括將所需電流電平信號與電流信號進行比較以引取一個電流誤差信號的步驟，該滯環(huán)帶圍繞零電流誤差而設置。
11.如權(quán)利要求1中所述的方法，其中電流信號是一個反饋信號。
12.一種包括開關型磁阻電機的開關型磁阻電機系統(tǒng)，該開關型磁阻電機具有一個定子，一個轉(zhuǎn)子和至少一個相繞組，該系統(tǒng)包括用于引取標示繞組電流的電流信號的裝置；可操縱以便將電壓加至繞組上的開關裝置；用于將電流信號與標示所需電流的信號進行比較以產(chǎn)生一個誤差信號的誤差檢測裝置；配置以接收誤差信號并可操作以便當誤差信號超過上部或下部滯環(huán)閾值時操縱該開關裝置以使電流回至滯環(huán)帶內(nèi)的滯環(huán)控制裝置；以及可操作以調(diào)節(jié)滯環(huán)帶寬度從而調(diào)節(jié)開關頻率的頻率控制裝置。
13.如權(quán)利要求12中所述的系統(tǒng)，包括用于監(jiān)測開關頻率以產(chǎn)生一個輸出量的監(jiān)測裝置，該頻率控制裝置可操作以根據(jù)所述輸出量產(chǎn)生一個頻率控制信號，該滯環(huán)控制裝置對頻率控制信號作出響應而調(diào)節(jié)滯環(huán)帶寬度。
14.如權(quán)利要求13中所述的系統(tǒng)，其中該滯環(huán)控制裝置對頻率控制信號作出響應以調(diào)節(jié)滯環(huán)帶從而將開關頻率基本上保持在所需速率上。
15.如權(quán)利要求14中所述的系統(tǒng)，其中誤差檢測裝置被配置以便根據(jù)監(jiān)測裝置輸出量與所需速率之間之差產(chǎn)生一個頻率誤差信號。
16.如權(quán)利要求15中所述的系統(tǒng)，其中頻率控制裝置包括一個比例加積分控制器。
17.如權(quán)利要求13至16中任何一項所述的系統(tǒng)，包括配置以將偏差量加至頻率控制信號上的偏差量裝置。
18.如權(quán)利要求13至17中任何一項所述的系統(tǒng)，包括可操作以監(jiān)測繞組中電流的斜率并當電流斜率超過預定速率時禁止控制信號的斜率監(jiān)控裝置。
19.如權(quán)利要求12至17中任何一項所述的系統(tǒng)，包括當繞組中沒有電流流過時將控制器的積分控制項清零的裝置。
20.如權(quán)利要求13至19中任何一項所述的系統(tǒng)，包括一個裝置以限定滯環(huán)帶的最小和/或最大寬度的限幅器。
全文摘要
一個滯環(huán)電流控制器,包括一個具有可調(diào)節(jié)滯環(huán)帶的滯環(huán)電流控制設備。一個標示負載中電流的反饋信號與所需電流信號相比較以產(chǎn)生一個將由滯環(huán)控制設備接收的誤差信號。對滯環(huán)控制設備的開關輸出量進行監(jiān)測以引取一個標示其頻率的信號,該信號在控制回路中用于改變滯環(huán)帶以便將開關頻率基本上保持不變。
文檔編號H02P25/08GK1185055SQ9712545
公開日1998年6月17日 申請日期1997年12月11日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月12日
發(fā)明者查爾斯·理查德·埃里奧特 申請人:開關磁阻驅(qū)動有限公司