CN1207842C - 开关磁阻电机的控制 - Google Patents

Abstract

一种开关磁阻驱动***包括一个磁阻电机，一个控制器，多个由控制器起动的电源开关，和一个用于监视各相绕组中电流的电流变换器。控制器通过以斩波方式把电压脉冲注入各相绕组的续流时限，使用无传感器转子位置检测技术。通过改变根据转子速度注入脉冲的频率，抵消了与注入脉冲相关的声频噪声。在一个可选择的实施例中，频率伪随机地变化。

Description

开关磁阻电机的控制

本发明涉及开关磁阻电机的控制，特别涉及那些不用测量转子位置的传感器来操作的电机的控制。

一般来说，磁阻电机是这样一种电机，其中利用它的可动部分趋于移到一个位置，使磁路的磁阻最小，即激励绕组的电感最大，来产生转矩。在一种类型的磁阻电机中，相绕组的激励按控制频率发生。这种类型一般称为同步磁阻电机，并且它可以操作为电动机或发电机。在一种第二类型的磁阻电机中，设有电路，用于检测转子的角位置，并且作为转子位置的函数，激励相绕组。这种第二类型的磁阻电机一般称为开关磁阻电机，并且它可以操作为电动机或发电机。这样的开关磁阻电机的特性为周知，并且例如在“The characteristics，design andapplication of switched reluctance motors and drives”by Stephensonand Blake，PCIM’93，Nürnberg，21-24 June 1993中叙述，在此引入作为参考。该文比较详细地叙述了开关磁阻电机的特点，这种电机共同产生周期地改变相绕组的电感的特性。

图1表示典型开关磁阻驱动***的主要部件，输入DC电源11可以是电池或整流和滤波AC电源，并且幅值可以固定或变化。在一些已知的驱动***中，电源11包括一个谐振电路，它产生一个在零与预定值之间快速变化的DC电压，以允许电源开关的零电压转接。由电源11提供的DC电压在电子控制装置14的控制下，由电源转换器13在电动机12的相绕组16之间转接。为了适当地操作驱动***，转接必须正确地与转子的旋转角度同步。典型地使用一个转子位置检测器15，以供给指示转子的角位置的信号。转子位置检测器15的输出还可以用来产生速度反馈信号。

转子位置检测器15可以取许多形式，例如，它可以取如图1示意所示的硬件形式。在其他***中，位置检测器可以是根据驱动***的其他监视参数来计算或估计位置的软件算法。这些***通常称为“无传感器位置监测***”，因为它们不用与转子联合的测量位置的物理变换器。如本领域所周知，在探求可靠无传感器***中，采用了许多不同的方法。以下讨论这些方法中的某些。

开关磁阻电机中相绕组的激励取决于转子角位置的检测。这一点可以参考图2和图3说明，这两个图说明了操作为电动机的磁阻电机的转接。图2一般地表示在转子磁极20按照箭头22接近定子25的定子磁极21时的转子24。如图2和图3说明，整个相绕组16的一部分23缠绕在定子磁极21周围。当定子磁极21周围的相绕组16的部分23被激励时，将对转子施加一个力，趋于把转子磁极20拉向与定子磁极21直线对准。图3一般地表示电源转换器13中的典型开关电路，该电路控制包括定子磁极21周围的部分23的相绕组16的激励。当开关31和32闭合时，相绕组与DC电源耦合并且激励。许多其他布置的层叠几何、绕组布局和开关电路在本领域已知，这些布置中的有些在以上所述的Stephenson和Blake的文章中讨论。当开关磁阻电机的相绕组按上述方式激励时，由磁路中磁通量建立的磁场产生圆周力，该力如上所述作用为把转子磁极拉为与定子磁极成直线。

一般来说，激励相绕组，使转子旋转如下进行。在转子的第一角位置(称为“接通角”，θ_ON)，控制器14提供开关信号，以使开关装置31和32都接通。当开关装置31和32接通时，相绕组与DC母线耦合，使电机中建立增加磁通量。磁通量在空气间隙中产生磁场，该磁场作用在转子磁极上，产生电动转矩。电机中的磁通量由从DC电源流过开关31和32及相绕组23的电流所提供的磁动势(mmf)来支持。一般使用电流反馈，并且相电流的幅值通过快速接通或断开开关装置31和/或32中的一个或两个，对电流斩波来控制。图4(a)表示在斩波操作方式下的典型电流波形，其中电流在两个固定电平之间斩波。在电动操作下，接通角θ_ON通常选择为这样转子位置，其中转子上的两极间的中心线与定子磁极的中心线对准，但是可以为某个其他角度。

在许多***中，相绕组保持与DC母线连接(或在使用斩波时，间歇地连接)，直到转子旋转为这样，它达到称为“续流角”θ_FW为止。当转子达到与续流角对应的角位置时(例如图2所示位置)，开关中的一个例如31断开。因此，流过相绕组的电流将继续流通，但是现在将仅流过开关中的一个(在本例中32)，并且仅通过二极管33/34中的一个(在本例中34)。在续流期间，相绕组之间的电压降小，并且磁通量保持大致恒定。电路保持在这种续流状态下，直到转子旋转到一个称为“断开角”θ_OFF的角位置为止(例如当转子磁极的中心线与定子磁极的中心线直线对准时)。当转子达到断开角时，两个开关31和32都断开，并且相绕组23中的电流开始流过二极管33和34。二极管33和34然后由DC母线施加相对极性的DC电压，使电机中的磁通量(并且因此使相电流)减小。本领域已知使用其他开关角和其他电流控制方式。

随着电机的速度升高，电流升到斩波电平的时间较短，并且驱动***通常运行在“单脉冲”操作方式。在这种方式下，接通、续流和断开角例如选择为速度和负载转矩的函数。图4(b)表示典型的这样单脉冲电流波形，其中续流角为零。众所周知，接通、续流和断开角的值可以预定，并且以某种适当格式存储，以供控制***需要时检索，或可以实时计算或推断。

在“Sensorless methods for determining the rotor position ofswitched reluctance motors”，Ray et al，Proc EPE’93 Conference，Brighton，UK，13-16 Sept 93，Vol 6，pp 7-13中，对许多无传感器位置监测***进行了综述和分类。作者叙述了适合在斩波方式下或单脉冲方式下操作的方法。适合在斩波方式下操作的大多数方法使用某种分类的诊断脉冲，把它们注入空载相绕组。通过监视这些脉冲的结果，控制***能够估计转子位置，并且因此能够确定何时应该对相绕组施加和消去主激励。

这种方法的一种周知实现在“A new sensorless position detectorsfor SR drives”by Mvungi et al，Proc PEVD Conf.IEE Pub’n No 324，London，17-19 July 1990，pp 249-252中叙述。这种实现使用相为空载时转子循环的区域。脉冲以比转子速度高的频率注入，该文假定对于使用的电源开关，3.3kHz的频率是可能的。这似乎是在开关损失与机会窗口期间希望得到尽可能多的位置信息之间的折衷，此时相不要求促使转矩产生。

然而已经发现，对于这样的***，由与定子存在由脉冲产生的力所引起的畸变，所以在电机中注入脉冲则引起注入频率下的声频噪声。要求的频率典型地在1-4kHz范围内，在这个区域人耳特别敏感。净结果是在这样的无传感器***中，可能有脉冲注入频率下的可听嗡嗡声，这种嗡嗡声可能会发现是不适宜的。

本发明的一个目的是提供一种用于开关磁阻驱动***的无传感器位置检测方法，它具有降低的噪声发射。本发明一般来说适用于操作为电动机或发电机的开关磁阻电机。

根据本发明，提供一种开关磁阻驱动***，它包括一个磁阻电机，具有一个转子，一个定子和至少一个相绕组，一个控制器，用于控制电机的输出，以及在相绕组中至少一个中注入诊断脉冲，以进行转子位置检测的装置，控制器可操作为根据诊断脉冲的效应来确定转子相对定子的位置，并且根据可变频率起动注入装置，以减小从驱动***发射的感觉噪声。

本发明允许与诊断脉冲关联的嗡嗡声隐藏在与磁阻电机的转接所关联的其他事件中。实际上与脉冲关联的能量可能不会减小，但是感觉上它们已被消去。因此，电机的操作变得对人耳没有不适宜。

本发明可以安排为随转子速度改变频率，或可以随机地改变。可以使用伪随机频率跳变。脉冲优选地在该相或各相的空载期间注入。脉冲还可以优选地是电压脉冲。

考虑到低速下操作电机的需要，优选地对转子速度设置下限，在该下限下使脉冲频率根据转子速度可变。类似地，还可以希望地对随转子速度变化的脉冲频率设置上限。此外，可以使恒定频率与随转子速度变化的频率之间的转移平缓，以避免两者之间的任何突然变化。

本发明还延伸为一种减小开关磁阻电机发出的噪声的方法，包括：根据转子相对定子的位置，通过激励相绕组，控制电机的输出；在绕组中的至少一个中注入诊断脉冲；根据诊断脉冲的效应，确定转子位置；以及改变脉冲的频率，以减小从电机发出的感觉噪声。

本发明能以若干方式实施，现在将参考附图，通过例子叙述这些方式中的某些。

图1表示常规开关磁阻驱动***的主要部件；

图2表示接近定子磁极的转子磁极的示意图；

图3表示控制图1电机的相绕组的激励的电源转换器中的典型开关电路；

图4(a)和图4(b)分别说明在斩波和单脉冲方式下操作的开关磁阻驱动***的典型电流波形；

图5表示根据本发明操作的电机的理想电感波形和可能脉冲注入区域；

图6(a)和图6(b)表示根据本发明操作的控制***的诊断脉冲频率与转子速度之间的可能关系；

图7表示图6关系的近似，它能容易地用微处理器产生；

图8是本发明的第一实施例的示意方框图；以及

图9是本发明的第二实施例的示意方框图。

如上所述，当开关磁阻电机在非常低速下以斩波方式操作时(或为电动或为发电)，对于循环电感变化的半周期，激励典型地依次施加到各相绕组，对于电动操作，如图5示意表示。当为了按要求方向产生转矩而不激励相时，它处在其所谓的“空载”方式，并且有可能使用这个时间期间，通过注入诊断脉冲并且测量响应的有些参数来询问相。例如，通过使用可用电源开关，控制电机以对各空载相施加电压脉冲，能监视绕组电流。电流是转子磁极相对定子磁极的位置的函数，并且因为这个原因，可以查表得到转子角度。通过简单地闭合该相的主开关，例如图3中的31和32，典型地注入脉冲。

本发明的一个实施例通过选择诊断脉冲的频率是转子速度的倍数，实现电动机的无声运转。在图5中对于A相空载方式，说明了对于给定转子速度以特定频率注入的一系列脉冲40。该图只是说明性的。在各空载方式下各相将优选地包括若干诊断脉冲，以实现转子位置的更完全和规则的估计。以下讨论实现稳定电机控制所要求的脉冲数。显然，诊断脉冲频率的范围有限制。如果转子速度趋于零，并且脉冲重复频率成比例地减小，则信息率将也趋于零，并且将失去***的控制。在该范围的另一方面，如果转子速度非常高，则脉冲所要求的开关速度将超过开关的容量或处理器的处理速度，或关联开关损失将过高。因此优选地仅在预定速度范围上使诊断脉冲频率锁定在转子速度。这种情况在图6(a)中示出，其中诊断脉冲频率在选择的最小与最大界限之间变化，并且在这两个界限之间与转子速度成正比。图6(b)表示这种情况的一种变更，其中脉冲频率在上界频率和下界频率时，从固定频率到随转子速度变化的频率之间有平滑转移，以便在转子通过脉冲频率随转子速度变化的范围的开始和结束时，避免频率的突然变化。这种变更在某些驱动***中可能有利。已经发现下界在实际中更为重要，因为电机在斩波下运转的最高速度一般来说适度。3相电机的优选***使用600Hz的最小频率，混合成一个是400rev/min阈值之上的转子速度的2.5倍的频率。在图6(a)或图6(b)曲线图中随转子速度变化的直线非零速率的部分中，对于具有8磁极的转子和12磁极的定子的3相电机，每单位转子速度的典型脉冲频率将是2.5。

脉冲频率与转子速度之间的可选择关系示于图7。这个关系由表达式得到：

脉冲重复频率＝10⁷/(15000-7.156ω)                (1)

其中ω是取rev/min的转子速度。公式(1)中使用的常数是由3相、12定子磁极/8转子磁极磁阻电机得到。本领域技术人员将会理解，对于其他电机布置可以适当地改变常数。上述表达式的一般性形式为：

脉冲重复频率＝A/(B-Cω)

该表达式例如可以由电机的控制***中的微处理器容易地估计，并且结果送给脉冲发生电路。

图8说明了开关磁阻驱动***的一个例子，其中能实现本发明的这些实施例中的任何一个。那些和图1中常规驱动***具有相同部分的部件用同样标号给定。它们将不在这里进一步叙述。由于该驱动***使用无传感器转子位置检测，所以将会注意到，图1的转子位置变换器已被移去。

电流变换器18向控制器50提供绕组16中一个的电流的读数。在实际电机上将装设相对3相其他绕组安排的类似变换器。

作为控制方式的一部分，当电机运行时，控制器50将根据转子位置信息常规地计算转子速度的值。当注入了诊断脉冲的下一相(例如A相)被确定为处在它的空载方式下时，控制器50向脉冲频率发生器52施加当前转子速度值，脉冲频率发生器52根据图6(a)、图6(b)或图7，对该速度的脉冲频率值作出响应。脉冲频率发生器可以取若干形式中的任何一种，但是在本实施例中为查表，其中用转子速度作纵坐标对脉冲频率值寻址。另一种形式是基于处理器的实时计算。脉冲频率值由控制器50使用，以根据该脉冲频率构成脉冲发生器的输出。脉冲发生器的输出确定脉冲之间的时限，并且在这样确定的时间点，控制器起动适合于A相的开关，以向A相绕组注入诊断脉冲。结果产生的电流由电流变换器18检测，然后由控制器使用查表56参考以上所述，计算转子位置，其中对于电流和磁通量的坐标系，存储转子角度值。

图8中控制器和功能发生器表示为离散部件。本领域技术人员将会理解，本实施例的方便实现将是为了相同目的，用软件结合各种这些功能的专用电路(ASIC)或微处理器的形式。

在上述本发明的实施例中，诊断脉冲仍然是现有技术***所使用的幅值，并且虽然由于这些脉冲所引起的定子变形将和先前一样，但是把脉冲发生的定时与循环中主噪声产生事件连接(例如，使脉冲的频率是这些事件的频率的倍数)具有掩蔽与诊断脉冲关联的噪声的作用。净结果是电机感觉为相当安静。

本发明的一个替换实施例应用对诊断脉冲的频率实行伪随机调制。通过选择基频，例如约2.5kHz，可以调制连续脉冲之间的时限，因此没有恒定频率的声频噪声呈现给观察者。这是带宽之间的频率跳跃形式。脉冲频率可以用若干方式调制，但是对于经济的解决办法，所包含的计算应该相对简单和快速。满足这些要求的一个具体实施例利用一个提供范围之内的伪随机数的数学函数：

随机数＝(随机数*A+B)/C                            (2)

这个函数取自“Numerical Recipes in C”by Press et al，publishedby Cambridge University Press，1988第209页。对常数使用适当的值(例如A＝967，B＝3041，C＝14406)，则该函数产生在0到14405范围内随时间均匀分布的整数。

然后应用这些随机数，对连续脉冲之间的时限进行调制：

时限＝随机数/D+E                            (3)

对整数D和E适当地选择值，将改变相对基频的时限。例如在基频为2.67kHz下，用D＝8和E＝2850，则有效频率从2.15kHz到3.51kHz改变，而用D＝16和E＝2850则产生2.67kHz到3.51kHz的较高频带。本领域技术人员将会理解，可用的五个整数A到E提供一种非常灵活的***，它能非常容易地适合具体应用。

图9说明开关磁阻驱动***的一个例子，其中能实施本发明的伪随机变化脉冲频率实施例。如图1和图8那样，相同部件用同样标号给定。

控制器50通过起动各相的开关，控制相绕组的激励。在这些相中一相的空载方式下，控制器访问产生时限数值的随机数发生器58，利用该值，电压的诊断脉冲将随机地隔开。如先前那样，由各脉冲结果产生的电流被电流变换器18检测，由此控制器能够确定转子位置。

对于任何旋转电机，速度波动很可能在低速下(因为随速度增加，转子惯性起一个越来越有效的阻尼器的作用)。因此，在本发明最适用的低速下，最好尽可能多地取得读数，以使所用的转子位置检测技术的精度最大。因此，理想地用脉冲尽可能地填满空载方式，并且依次使用各相的各空载方式。所用的转子位置检测技术可以从以上引用的文章中所述的许多技术中选择一种。通常，虽然不是唯一地，这些技术将包含具有矩形形状的已知电压脉冲的注入。然而，可以替代地使用电流或通量脉冲。类似地，脉冲的形状虽然特征上为矩形，但是可以为其他形状，例如三角形。

虽然在诊断(空载)期间可能发生的脉冲数显然依赖于转子的速度，但是为了稳定控制，必须对任何一个诊断期间所用的脉冲数设置最小限制。典型地，对于在约1400rev/min下操作的3相电机，要求3个脉冲的最小值。这是用以上给定的说明值实现的。

在本实施例中确定脉冲频率的过程不必定取决于转子速度。然而，可能有利地把频率变化安排成各个频带，在各频带之内，变化是随机的。各频带于是适合于转子速度的一个范围，该频带的中心频率随转子速度增加。

本发明的各种实施例的叙述是根据电机运行时进行的。起动是另外一个问题。例如在以上引用的Ray和Al-Bahadly的文章中作了叙述。在他们所述的技术中，通过激励多相电机中的一对相，并且从两相诊断结果之间的相关性得出适当的激励相，确定初始转子位置。

将会认识到，虽然上述例子是关于三相电机叙述的，但是本发明能应用于具有任何数目的磁极，并且以电动或发电任何一种方式操作的任何多相开关磁阻电机。类似地，本发明可以应用于直线电机，其中可动部件(通常称为“转子”)直线移动。因此，本领域技术人员将会理解，在不违反本发明的范围下，可能改变公开的布置。因此，以上叙述的几个实施例作为例子给出，并不是为了限制目的。本发明打算仅由以下权利要求的精神和范围来限定。

Claims (19)

1.一种开关磁阻驱动***，包括一个磁阻电机，具有一个转子，一个定子和至少一相绕组；一个控制器，用于控制电机的输出；以及用于转子位置检测而把诊断脉冲注入至少一相绕组的装置，控制器可操作为根据诊断脉冲的效应，确定转子相对定子的位置，并且根据可变频率，起动用于注入的装置，以减小从驱动***发出的感觉噪声。

2.如权利要求1所述的驱动***，其中控制器可操作为随转子速度改变脉冲的频率。

3.如权利要求2所述的驱动***，其中控制器可操作为与转子速度成正比地改变频率。

4.如权利要求1至3中任何一项所述的驱动***，其中控制器可操作为在转子速度的下限之上改变脉冲的频率。

5.如权利要求4所述的驱动***，其中控制器可操作为在转子速度的上限之下改变脉冲的频率。

6.如权利要求2所述的驱动***，其中转子可操作为根据如下公式改变频率：

脉冲频率＝A/(B-Cω)

其中ω是转子角速度，A、B和C是常数。

7.如权利要求1所述的驱动***，其中控制器可操作为伪随机地改变脉冲的频率。

8.如权利要求7所述的驱动***，其中控制器可操作为在频率上限与下限之间改变脉冲的频率。

9.如权利要求1所述的驱动***，其中控制器安排为在空载时限期间把多个脉冲注入绕组。

10.如权利要求1所述的驱动***，其中用于注入的装置可操作为注入电压脉冲。

11.一种减小从磁阻电机发出的噪声的方法，包括：

根据转子相对定子的位置，通过激励至少一相绕组，控制电机的输出；

把诊断脉冲注入至少一个绕组；

根据诊断脉冲的效应，确定转子位置；以及

改变脉冲的频率，以减小从电机发出的感觉噪声。

12.如权利要求11所述的方法，其中脉冲的频率随转子速度改变。

13.如权利要求12所述的方法，其中脉冲的频率与转子速度成正比地改变。

14.如权利要求13所述的方法，其中脉冲的频率根据如下公式改变：

脉冲频率＝A/(B-Cω)

其中ω是转子角速度，A、B和C是常数。

15.如权利要求11至14中任何一项所述的方法，其中脉冲频率在转子速度的预定下限之上变化。

16.如权利要求15所述的方法，其中脉冲频率在转子速度的预定上限之下变化。

17.如权利要求11所述的方法，其中脉冲频率伪随机地变化。

18.如权利要求17所述的方法，其中脉冲频率在上限与下限频率之间变化。

19.如权利要求11所述的方法，其中在空载时限期间把多个脉冲注入绕组。

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