CN101247099B - 开关磁阻驱动系统及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在定子和转子上具有凸极的开关磁阻电机。电机的绕组由按一选择的速率提供通电的变流器供电。可以按转子磁极经过定子磁极的速率给电机的绕组通电，或者也可以按照给绕组通电的速率的一小部分操作电机，以与每两个、每三个或每四个转子磁极协作。这可以增加电机的输出。

Description

开关磁阻驱动系统及其操作方法
技术领域
本发明通常涉及控制电机的方法。更具体地，但并不排他地，本发明涉及一种开关磁阻电机的操作。
背景技术
一种形式的开关磁阻电机具有单励磁、双凸极电磁结构，其一般不由硬磁材料制成。转子位置检测器的存在和通电(通常称为“励磁”)策略的应用导致这些电机具有一般描述为“切换的转子位置”的特点，其中通电策略完全取决于转子的瞬时位置。在各种教科书中可以找到对包括这些电机的变速驱动器的通常处理方式，例如，由TJE Miller，Newnes在2001年所著的“Electronic Control of Switched Reluctance Machines”，在此引入作为参考。这些驱动器进一步的特性和运行的细节在，例如，由Stephenson和Blake所著的“The characteristics，design and applicationof switched reluctance motors and drives”(PCIM’93，Nürnberg，1993.6，21-24)一书中被阐述，在此引入作为参考。
附图1以示意图形式示出了典型的开关磁阻驱动器，这里开关磁阻电机12连接到负载19。DC电源11能够从交流供电干线或电池或一些其它形式的电存储器或电源被整流和滤波而得到。由电源11提供的DC电压在电子控制单元14的控制下，由功率变换器13在电机12的相绕组16中间进行切换。为了正确操作驱动器，该切换必须与转子的旋转角度准确地同步，并且典型地应用转子位置检测器15以提供与转子的角位置对应的信号。转子位置检测器15可以采用包括软件算法的多种形式，并且其输出也可以用于产生速度反馈信号。
在上面引用的Stephenson的论文中讨论了已知的许多不同的功率变换器拓扑结构中的几个拓扑结构。附图2示出了一种最普通的多相系统的单相结构。电机的相绕组16与跨接在母线26和27之间的两个开关装置21和22串联连接。母线26和27一起被描述为转换器的“DC环节”。能量恢复二极管23和24与绕组连接，从而当开关21和22被打开时允许绕组电流回流到DC环节中。低阻值电阻器28串连连接于下面的开关，以作为电流检测电阻器。电容器25(称作“DC环节电容器”)跨接在DC环节上以获得或吸收DC环节电流(也称为“纹波电流”(ripple current))的交流分量，它不能从电源获得或者不能返回到电源。
附图3(a)示出了一个典型的3相开关磁阻电机的横截面示意图，其中定子具有三对凸极，且转子具有四极。每个定子磁极上缠有线圈，并且直径上相对的一对线圈或者串联或者并联相互连接，以形成相绕组16。附图3(a)示出了A相的相绕组，其它相绕组也以类似方式形成。每相绕组的电感由于磁结构的凸极性而随着转子的旋转而变化。开关磁阻电机的相电感周期(phase inductance cycle)是该相或每相电感的变化周期，例如当转子磁极和各自相对应的定子磁极对完全对准时的最大值之间的变化周期。
附图3(c)示出了一相电感曲线的理想形式。实际上，由于磁路饱和和磁通边缘的原因，在Lmin和Lmax处的急剧转角是圆的。电感的最大值也将取决于电流。然而，这个曲线可用于解释电机的一般行为。正如在上面所引用的Stephenson的论文中详细解释的那样，当转子的一对磁极完全与缠有绕组的那对定子磁极对准时，相绕组的最大电感区，Lmax的中心位于转子位置周围。这在附图3(a)中已示出。类似的，最小电感区，Lmin对应于转子的中间轴与定子磁极轴对准时的位置，如附图3(b)中所示的A相那样。
开关磁阻电机的性能部分取决于相通电关于转子位置的准确时间。通常，转子位置的检测通过采用如附图4(a)中所示的转换器15获得，例如安装在电机转子上的旋转齿盘41，其与安装在定子上的光学或者电磁传感器42，43，44一起工作。表示转子与定子相对位置的脉冲列被生成，并被应用于控制电路，允许进行准确的相通电。一般，单个传感器用于1相或2相系统；3个传感器用于3相系统；2个或4个传感器用于4相系统。通常，该圆盘具有和转子磁极相同数目的城堡形突起(castellation)，并且该圆盘是成比例的以使得在传感器的输出端有相等的线圈间隙因数/占空系数(mark：space ratio)。
传感器以与每相电感轮廓布置的角度对应的角度布置在叶片的周围，且典型地相对于定子磁极设置从而使输出波形的上升沿和下降沿分别出现在Lmin和Lmax。这导致了如附图4(b)所示的来自彼此关联的传感器的信号。传感器输出一个二进制信号，该信号的周期为电机的电感周期，并且每个周期进行两次转换。因此这些转换表示在电机的这个电感周期中所发生的事件，控制动作可以相对于这些事件产生。这些信号典型地被控制系统用于产生对电机绕组通电的正确瞬间。附图4(b)中示出的合成信号表示在任一单个波形中上升沿或者下降沿的发生，并且可用于确定何时需要控制动作。
附图5显示了当附图3中的电机以电动机运行状态单脉冲模式工作时，附图2中示出的电路的操作周期的典型波形图。当术语“给…通电(energising)”和“通电(energisation)”与绕组连用时，该术语表示电压被施加给绕组以产生与绕组相关的磁链/全磁通的增加。同样，“给…去励磁(de-energising)”和“去励磁(de-energisation)”表示施加的反向电压以产生磁链/全磁通的减小。附图5(a)示出当开关21和22闭合时，“导通角”为θon、导通角θc持续时间所施加的电压，从而给其中的一相通电。耦合线圈的磁通是电压对时间的积分，对于绕组电阻为零的理想情况，磁通线性上升，如图所示。附图5(b)示出相绕组16中上升到尖峰然后下降的对应电流。
在导通角的末端，达到“关闭角度”θoff，开关被打开并且电流转移到二极管，在绕组两端施加反相连接/耦合电压(link voltage)，从而迫使磁通、电流降低为零。在零磁通和零电流时，二极管停止导通并且电路直到随后的导通周期开始后才工作。由于相绕组中的电流是单向流动的，当开关打开时DC环节上的电流反向，如附图5(c)所示，并且该返回的电流表示返回到电源的能量。
由于这个励磁过程一般被应用在驱动器的速度范围中的较高速度下，所以电流波形形状根据操作点和采用的开关策略而变化，尽管该三角形磁通波形基本上是不变化的。
例如，正像众所公知的和上面Stephenson的论文中所描述的那样，通常低速运行包括使用包含峰值电流的电流斩波，且非同步地关断开关提供一种通常公知的称为“惯性滑行”的工作模式。
UK专利GB 2302222(Samsung)公开了一种通过改变作为速度的函数的电机的相的通电顺序，驱动开关磁阻电动机的方法。
US专利4942345(Horst)公开了一种采用全相绕组起动电机并且超过某一速度后继续在单相绕组上运行的方法。
现有技术并没有考虑不改变电机运行中给各相通电的顺序而操作电机的这种方式的进步。
发明人已经提到上面描述的常规操作的两个特殊方面。首先，每相被通电的重复速率恰好与转子磁极通过任意给定定子磁极的速率一致。例如，假如考虑附图3(a)中的磁极A，为了产生电动机运行动作(motoringaction)，A相绕组在每次转子磁极到达的时间被通电。另一种描述这个动作的方法是定子磁极轮流吸引(pull on)经过的每个转子磁极。产生发电机运行动作(generating action)时也作类似考虑(已作必要的修正)。
第二，各相的操作顺序很重要。参考附图3所示对于ABCABC的励磁顺序(例如绕定子逆时针)，当每对转子磁极到达每相依次被通电以吸引转子的位置时，转子按顺时针旋转。这完全与具有旋转磁场的电磁机相反，此时转子通常以与磁场相同的方向运动。对于相反的顺序ACBACB，转子逆时针旋转。相同的过程适用于更多相数的相，例如，对于一个四相系统，顺序ABCD提供了一个方向的旋转，而相反的顺序ADCB提供了一个相反方向的旋转。
发明内容
本发明由所附的独立权利要求所限定。本发明的一些优选特征在独立权利要求各自的从属权利要求中被列举。
根据各实施例，提供了一种操作电机的方法，该电机具有限定定子磁极的定子，限定转子磁极的转子，转子相对于定子可运动以使得转子磁极可以相继与定子磁极对准，该电机还具有可独立通电的相绕组，每个相绕组都与至少一对定子磁极相关并且具有由转子磁极通过定子磁极的通路决定的电感周期，该方法包括：在第一操作模式中，以预定顺序并且依次在每相的连续电感周期内启动(initiate)对相绕组的通电；在第二操作模式下，以相同的顺序启动对相绕组的通电，其中启动每个相绕组的通电之后接着没有启动通电的至少一个该相的电感周期。
根据另一个实施例，提供了一种操作电机的方法，该电机具有限定定子磁极的定子，限定转子磁极的转子，转子相对于定子可运动以使得转子磁极可以相继与定子磁极对准，该电机还具有可独立通电的相绕组，每个相绕组都与至少一对定子磁极相关并且具有由转子磁极通过定子磁极的通路决定的电感周期，该方法包括：在第一操作模式中，以预定顺序启动对相绕组的通电，其中启动通电的速率等于转子磁极与给定的定子磁极一致的速率，在第二操作模式中，以相同的顺序启动对相绕组的通电，其中启动对相绕组的通电的速率小于转子磁极与给定的定子磁极一致的速率。
通过选择在哪些相电感周期开始对相绕组通电，可以在下一次通电开始之前增加每相磁通的增长或者衰减间隔。
通过在连续出现的相电感周期中对相邻相依次开始通电，之后接多个不通电的连续电感周期，可以使同一相的各次通电之间的间隔增加。例如，多个电感周期包括相电感周期出现的数目，该数目等于相数或相数的整数倍。在该特定的方式中，在对各相通电的“脉冲串(burst)”中，该顺序被保持，各相通电的“脉冲串(burst)”接不进行通电的一组或多组相电感周期。
可选地，通过以该顺序对各相的第一相开始通电周期，之后接多个不通电的连续电感周期，之后以该顺序对第二相开始通电周期，以此类推可以使同一相的各次通电之间的间隔增加。通电一直持续到转子位置和定子位置被设置成以该顺序进行下一相的下一次通电，以此类推。因此，给定相的多个连续的未通电的电感周期等于电机中相数的整数倍。
本发明的各个实施例也具有降低控制器和发电机自身总体开关频率的优点。这对电机运行效率具有有益意义。
本发明的各个实施例也扩展到电机驱动器系统，该系统包括：限定定子磁极的定子；限定转子磁极的转子，转子相对于定子可旋转以使得转子磁极相继与任意一个定子磁极对准；可独立通电的相绕组，每个绕组与至少一对定子磁极相连接；控制器，其按预定顺序可操作以启动对相绕组的通电，在第一操作模式中，启动对相绕组的通电依次发生在绕组的连续电感周期的某些部分上，且在第二操作模式中，以相同的顺序启动对相绕组的通电，其中启动对每个相绕组的通电之后接着不启动通电的至少一个相电感周期。
在第二模式中，启动对相绕组的通电可包括对相绕组连续通电之后接不通电的多个连续电感周期的顺序。
可选择地，在第二模式中，启动对相绕组的通电可包括按该顺序开始对第一相绕组的通电周期之后接不开始通电周期的多个电感周期，以及之后按该顺序对第二相绕组通电。
通常，多个连续未通电的电感周期对应于电机的相数，也可能为相数的整数倍。
根据其它实施例，提供一种操作电机的方法，电机具有：限定定子磁极的定子；限定转子磁极的转子；可独立通电的相绕组，每个相绕组与至少一对定子磁极相连接，转子磁极可运动地经过至少一对定子磁极的每一个以当相绕组被通电时产生电机输出，该方法包括：按一固定的顺序连续地对相绕组通电，其中相的通电周期的开始被一个间隔分开，在该间隔中转子磁极与相的定子磁极对准的次数等于电机的相数的整数倍。
根据其它的实施例，提供一种操作电机的方法，该电机具有限定定子磁极的定子；限定转子磁极的转子；可独立通电的相绕组，每个相绕组与至少一对定子磁极相连接，转子可运动地经过至少每对定子磁极以当相绕组被通电时以产生电机输出，该方法包括：以固定的顺序对相绕组通电，其中一个相绕组通电周期的开始与本顺序的下一次通电隔开一个间隔，在该间隔中转子磁极与相的定子磁极对准的次数等于电机的相数的整数倍。
附图说明
本发明的其它方面和优点可以通过阅读下面对本发明实施方式的详细描述以及参考相应的附图得到，其中：
附图1为现有技术中开关磁阻驱动器作为电动机工作的示意图；
附图2为现有技术中针对附图1中开关磁阻电机的一相的通电/励磁电路；
附图3(a)示出了开关磁阻电机的横截面图；
附图3(b)示出了附图3(a)中转子在不同位置时的电机的另一个横截面图；
附图3(c)示出了针对相绕组的电感波形；
附图4(a)示出了带三个传感器的转子位置转换器的示意图；
附图4(b)示出了附图4(a)中传感器的输出波形；
附图5(a)示出了电压和磁通的波形；
附图5(b)示出了对应于附图5(a)的相电流波形；
附图5(c)示出了对应于附图5(b)的源电流波形；
附图6示出了针对3相电机的通电模式；
附图7示出了根据本发明的一个实施例的通电模式；
附图8示出了针对4相电机的通电模式；
附图9示出了根据本发明的一个实施例的通电模式；
附图10示出了针对3相电机的通电模式；
附图11示出了根据本发明的一个实施例的通电模式；
附图12示出了针对一相绕组的通电模式；
附图13示出了限制通电模式；
附图14示出了根据本发明的实施例的通电模式；和
附图15示出了实施所公开的实施例的开关磁阻驱动器的示意图。
具体实施方式
附图6示出叠加了三角形相磁通波形的附图4(b)的传感器输出的矩形波形。选取任意一点作为系统的运行点以用于解释在传感器波形(例如，典型地Lmin)的上升沿开关接通和在四分之一周期后开关关断。这里目的在于解释。开关接通以开始通电且驱动磁通增加的运行点和开关关断以驱动磁通减少的运行点是变化的。该电机的相以预定的顺序ABC被通电。
附图7以图形的方式示出一个实施例。电机仍然以与附图6中相同的速度运行。从而转子磁极经过定子磁极的速率是相同的。因此，传感器波形的周期是相同的。然而，现在每一相以一个较低的速率通电，在该案例中为原来速率的一半。当转子磁极到达该相时，该相不是运行在每一对转子磁极上，而是运行在接近该相的定子磁极的第三对转子磁极上。对相位启动通电的预定顺序不变，因为该顺序仍然是ABC且可以表示为ABC000ABC000。在连续出现两个ABC模式之间，在第二个ABC模式之前存在一个间隙，即按顺序给相的连续通电后接着等于电机相数的几个连续相电感周期，在这些相电感周期中没有对任何相通电。对相通电的速率现在是转子磁极经过定子磁极的速率的一半。
通过观察附图7可以注意到，通电速率可以被正好降低到原来的三分之一(通过操作每三对通过的磁极)或者原来的四分之一(通过操作每四对通过的磁极)。在每种情况下，对相启动通电的预定顺序保持不变。
本发明并不限于三相系统。附图8示出了按ABCD通电顺序操作的常规四相系统。附图9示出了以相的通电速率等于附图8中的一半运行的电机，即，操作每两对通过的磁极以形成ABCD0000ABCD0000模式。对相通电的起始顺序不变。以类似方式，可分别通过操作每三对、每四对或者每五对通过的转子磁极，使电机操作在原来速率的三分之一、四分之一或五分之一的重复速率上。
现在描述另一个实施例。附图10示出了三相电机通常的运行，如前面附图6中所示的。如果在启动对连续相的通电之前插入一个完整的电感周期，可以得到附图11的模式。该模式可以描述为A000B000C000，即依次对每相的通电被等于电机的相数的多个连续的相电感周期所隔开。每个相绕组都在每五对磁极上运行，但是获得的通电比上面描述的实施例获得的通电更均匀地展开。相绕组的预定通电顺序保持不变。相应的四相模式应当为A0000B0000C0000D0000，即在每六个转子磁极上操作。
上述实施列的优点之一在于，对于给定速度，可以极大地延长形成和降低磁通的周期。针对如附图12中所示的三相系统的通常操作，显示出用于形成磁通波形的间隔。根据通常的教导，相位励磁的关断角可以被延长以从电机产生更多的输出，直到形成附图13中所示的磁通三角波50。对间隔的常规限制用来在一个电流周期内使磁通返回零点。不进入磁通在连续周期上是连续的区域时，不可能对间隔进一步延长。尽管可能存在将控制维持在“连续电流”模式的方案，但由于在电流周期的末端的非零磁通导致接下来的周期内磁通进一步增长，其仍是固有不稳定的区域。然而，通过根据本发明的方式操作，磁通三角波52可以被极大地延长，例如附图14中所示，从而增大了电机的输出。
附图14是在电机阻抗为零的理想状态下绘制的，实际上电机是有阻抗的，导致磁通轨迹为非线性并且磁通增长部分比磁通衰减部分长。在这种情况下，如果磁通和电流不是连续的，通电周期可以略微大于去励磁周期。由于在一个电感周期启动通电且在下一个周期不启动通电，正如前所述，从而本发明的工作不受此影响。
同样地，本发明可以运行在开关磁阻电机的“连续电流”模式，其中电流不会达到零，但是通过控制施加到绕组上的次级电压避免运行在不稳定方式。这在US-A-5563488中已有描述，在此将其引入作为参考。在该连续电流模式中，按顺序对每一相启动通电是关于单脉冲运行模式的，如上描述，但是当然，电流将不会在一个电感周期内返回零。
如前所述，仅仅解释了将电源电压施加到附图12-14中的绕组的各个点。准确时刻将取决于电机设计的各种因素、负荷的性质以及电机运行的工作方式(duty)。从而，关于描述的实施例，在同一相的通电之间增加的周期中所示的增加的磁通理论上表示潜在存在的额外磁通。在对相启动通电时转子相对于定子的角度根据运行需要选择。同样地，电压施加在相绕组上的导通角的持续时间也根据需要选择。
根据所描述实施例的另一个运行优点在于：可以显著地降低电子控制器和电机的开关频率，这将使相关损耗降低，从而提高驱动系统的效率。
所公开的实施例实现了对相选择性地通电，使得在给定电机顺序下的相电感周期的出现用于“吸引”转子旋转，但是并非给相通电。电机通常(例如)运转在低速状态和/或从启动开始运行，启动时通过驱动器的控制装置和开关装置更容易操控开关占空比(switching duty)。对于高速运行，本发明可以被用于减轻开关任务并且在不改变相的运行顺序的情况下获得效率。可选择地，可以根据给相绕组以固定顺序通电的所公开的任何一种实施例专门操作电机。
附图15示出了类似于附图1所示的开关磁阻电机驱动器，且相同的参考标记用于表示对应部件。上面所描述的实施例通过从控制器14传送到功率变换器13的命令而执行。根据存储为软件、固件或者硬件的程序而产生开关命令。在这个实施例中控制器14在只读存储器(ROM)20中被编程以执行对功率变换器13的开关的控制。控制器14接收转子位置信息和其它电机参数反馈以在启动和低速状态下基本实现对电机(电动机运行状态或发电机运行状态)的常规控制。控制器14也根据上面所公开的实施例被编程以在较高速度下转换到对电机的控制。转换也可能受到影响，原因是因为减少开关频率是有利的或者因为在每次开始通电时有更多的时间用于磁通的增加和随后的衰减是有利的，如上面描述的那样。
本领域技术人员将在不脱离本发明的前提下理解到所公开的布置的可能的变化。例如，转子可能具有多于两对(例如为三对或四对)为磁凸极的转子磁极。而且，不光公开的具体实施例是关于磁阻电机的，并且可以理解到本发明可以应用于任何具有凸极磁极和可独立通电相绕组的电机。同样地，本发明同样应用于任何不管是作为电动机还是作为发电机的可切换电机。此外，本发明也同等应用于旋转式和直线电机。直线电机的可动部分经常被本领域技术人员称作转子。相应地，上面所描述的几个实施例是用于举例而非限制目的的。本发明旨在仅由所附权利要求的范围限定。

Claims (11)

1.一种操作电机的方法，该电机具有：限定定子磁极的定子；限定转子磁极的转子，该转子相对于所述定子可运动，使得所述转子磁极可相继与任何一个定子磁极对准；以及可独立地通电的相绕组，每个相绕组至少与一对定子磁极相连接，且具有由所述转子磁极经过所述定子磁极的通路所决定的电感周期，所述方法包括：
在第一操作模式，以预定顺序并依次在每相连续的电感周期内启动对所述相绕组的通电；和
在第二操作模式，以相同的顺序启动对所述相绕组的通电，其中启动每个相绕组的通电之后接着为没有启动通电的至少一个该相的电感周期。
2.如权利要求1所述的方法，其中在所述第二操作模式中，所述相绕组的通电包括连续地启动对所述顺序的相绕组的通电，之后接着为没有启动通电的多个连续电感周期。
3.如权利要求1所述的方法，其中在所述第二操作模式中，所述相绕组的通电包括按所述顺序启动对第一相绕组的通电，之后接着为没有启动通电的多个连续电感周期，并且其后按所述顺序启动对第二相绕组的通电。
4.如权利要求2或3所述的方法，其中所述多个连续电感周期对应于所述电机中相绕组的数目。
5.如权利要求1到3中任一项权利要求所述的方法，其中所述电机具有三个或四个相绕组。
6.如权利要求1到3中任一项权利要求所述的方法，其中所述电机为开关磁阻电机。
7.一种电机驱动系统，其包括电机和控制器，其中所述电机包括：
限定定子磁极的定子；
限定转子磁极的转子，该转子相对于所述定子可运动，使得所述转子磁极相继与任何一个定子磁极对准；以及
可独立通电的相绕组，每个相绕组与至少一对定子磁极相连接，且具有由所述转子磁极经过所述定子磁极的通路所决定的电感周期；
并且其中所述控制器按预定顺序操作以启动对所述相绕组的通电，在第一操作模式中，启动对所述相绕组的通电依次发生在绕组的连续电感周期的某些部分，并且在第二操作模式中，所述相绕组的通电以相同顺序被启动，其中启动每个相绕组的通电之后接着为没有启动通电的该相的至少一个电感周期。
8.如权利要求7所述的系统，其中在所述第二操作模式中，所述控制器可操作以启动对所述相绕组的通电，使得所述相绕组按顺序连续地被通电，之后接着为没有启动通电的多个连续电感周期。
9.如权利要求7所述的系统，其中所述控制器可操作以按所述顺序启动对第一相绕组的通电，之后接着为没有启动通电的多个连续电感周期，并且之后按所述顺序对第二相绕组通电。
10.如权利要求8或9所述的系统，其中没有启动通电的所述多个连续电感周期对应于所述电机中的相数。
11.如权利要求7到9中任何一项权利要求所述的系统，其中所述电机为开关磁阻电机。
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