控制电机的装置和方法 本发明涉及电子换向的电机的控制，其中希望对输出参数整形，例如转矩脉动、噪声或者振动。具体地，但是不是排它地，可用于开关磁阻机。
一般地，磁阻机是二种电机，其中转矩由其可动部件运动到磁路的磁阻最小的位置，即激励绕组的电感最大的位置的倾向产生。典型地，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向相绕组供电。此类的磁阻机一般地称为开关磁阻机并且可以作为电动机或者发电机工作。这种开关磁阻机的特性是公知的并且说明于例如：Stephenson和Black的“The Characteristics，Design and Application of SwitchedReluctance Motors and Drives”PCIM`93，Nürnberg，21-24 june 1993，在本文中引作参考。此论文较详细说明了开关磁阻机的特性，这些特性共同产生相绕组的特征性周期变化的感抗。
公知必须对这种电机设计地某些方面加以特别的注意以控制电机产生的转矩脉动和/或噪声和/或振动和/或电流或电压。例如，US6072260(Randall)和US6093993(McClelland)，两文说明了选择电机的实体尺寸以控制噪声和转矩脉动的方法，两者都收入本文作为参考。
然而也许不可能选择所有的设计参数以给出这些方面的最佳性能，因为在设计上可能有其它的限制。在任何情况下，一旦电机已经建造就不再可能改变这些设计参数了。
修改控制参数以影响电机的运转已经研究了许多年了。例如，US5461295(Horst)和USD5923141(McHugh)使用预定的电流特性曲线减少发出的噪声。这些方法，和类似的方法对具有公知特性的电机是有效的。应用这类方法需要仔细的特性描述以达到最佳效果。电机之间的个体差异可降低这些方法的有效性。
某些研究人员已经使用了交互性技术以推演电机的输入(即相电流)和输出(例如转矩)之间的准确关系。因为对此问题没有解析的解法，人们求助于数值技术，并且解一般地以表格形式给出。这样的一个研究报告于Sahoo等的”Determination of current waveforms for torque rippleminimisation in switched reluctance motors using iteractive learning：aninvestigation”，IEE Proceedings-Electric Power Applications，Vol146，No4，July 99，pp369-377。但是这个方案要求大的计算容量，用相当的时间实施，并且相对地不灵活，因为对一个运转点的解会需要对另一个运转点重新计算。一般地对于使用人工神经网络和神经模糊逻辑的方案也是这样的。
因此有需要有一种控制方法适合用任何电子换向的电机并且不需要预知电机的特性。优选地，所述方法是自动最佳的。
本发明定义在所附独立权利要求中，某些优选实施例陈述在从属权利要求中。
本发明把有关的输出参数分析进两个或者多个谐波分量并且产生输入信号对抗所分析的电机输出中的某些或者全部谐波。
根据本发明的一个实施例，提供有一种闭环的、自动最佳的控制器用于电子换向的电机，所述控制器通过单个地和序列地处理每个谐波调节输入到电机中的幅度和相位使输出参数中的谐波成分最小化。所述序列可以是频率的上升级次。但是通过从具有最大幅度的成分开始，按其幅度排序，可以优于其它频率成分处理参数频谱中的特别重要的成分。优选地，控制器包括一个最佳化例程迭代该组谐波成分以寻求整体上最小的转矩脉动。
对于作为电动机工作的电机，输出参数可以是转矩、振动或者是音响噪声。对于作为发电机工作的电机，输出参数可以是电流、电压、振动或者是音响噪声。
本发明可以用数个方式实施，其中一些现在以举例地方式参照附图加以说明，附图中：
图1示出一种在先技术电机的转矩频谱；
图2示出根据本发明的电动机和控制系统；而
图3示出根据本发明的一个方面的电机运转的转矩频谱。
为了说明的目的，本发明用最小化作为输出的转矩脉动的一个实施进行说明。但是这不应当看成是对控制方法的限制，因为下文会说明它可以如何等效地用于最小化振动和音响噪声。类似地，说明将覆盖起电动机作用的电机。很清楚同样的技术可以用于起发电机作用的电机。在此情况下，输出是电流、电压、振动或音响噪声。
从有关开关磁阻机和无刷直流机的文献上公知，输出的转矩一般地不是对转子角度恒定的，即转矩波形含有周期性的扰动，称为转矩脉动。扰动的频率与电机的速度成正比。如果电机以稳态工作，输出转矩的交变成分可以在频域中分析成一系列的正弦波成分，这里各个频率是电机的激励基频的整倍数。例如有12个定子极和8个转子极三相开关磁阻机有每转子机械运动24脉冲的激励基频。转矩脉动频率(以赫兹为单位)因此是24、48、72...倍电机的速度(以转/秒为单位)。在使用这种运转的典型电流的基本矩形波电流以150转/分(2.5转/秒)在5牛顿米负荷下运转时，它产生可以通过常规的转矩计测量并且可以用标准的方法分析的转矩脉动以给出图1所示的频谱图。此图示出存在于电机的转矩输出中的谐波的幅度。
减少转矩脉动方法包含向基本的矩形电流基准中加入一系列谐波电流，其目的是产生与原脉动转矩波形等量而相反的转矩成分。加入的注入电流将具有公式1的形式：i(θ)=Σn=1mansin(knθ+φn)---(1)]]>
式中i(θ)是代表输入电流的信号，
n是整数，
m是考虑的谐波数，
θ是转子的机械角，
K是每转的基本脉冲数，
φ是角偏移。
在同样电机发电的模式中，此公式基本上是相同的，除了输入项i(θ)用代表输入转矩的信号T(θ)代替之外。
达到此电流波形的一个控制器示于图2中。输入的直流电源11可以是电池或者整流滤波的交流供电，并且幅度可以是固定也可以是可变的。在某些公知的驱动器中，电源11包括一个谐振电路产生快速地从零到预定值变化的直流电压，以能够达到电源开关的零电压切换。电源11提供的直流电压在电流控制器14控制下由电力转换器13跨电机12的相绕组切换。电机12示出联接到负荷20上，在电机起电动机作用时负荷20可以是能量转换器而在电机起发电机作用时可以是能源。绕组16的切换必须与转子的旋转角同步以正确地操作驱动。传统上用转子位置检测器15提供指示转子角位置的信号。转子位置检测器15还可以用于产生速度反馈信号。
转子位置检测器15可以采取许多形式，例如可以采取图2示意的硬件的形式，也可以含有一个软件算法，软件算法从监测的驱动系统的其它参数计算或者估计位置。这些系统往往称为“无传感器检测系统”，因为它们不使用测量位置的与转子关联的实体换能器。
电流控制器14也从控制算法24和正弦波波发生器22接收输入。控制算法24接收一个指示转子速度的信号，从该信号它可以推演(通过微分)出引起速度变化的转矩脉动。变通地，可以从比方监视电机的转矩的转矩换能器得到转矩脉动信号。然后控制算法计算此脉动的频谱的谐波(相应于图1)并且每次向电流控制器反馈一个关于每个谐波的幅度信号。同时，正弦波波发生器22受指示产生正确相位角和正确频率的正弦波波成分。把这些成分送往电流控制器14，缩放到适当的幅度然后加到常规电流基准信号作为反馈，以产生一个产生减少了谐波含量的转矩的电流基准。
例如其转矩频谱示出在图1中的电机，算法24从图1的运转点推演出对于公式1的n＝1项的理想值是：
i(θ)＝0.23Sin(24θ+0.70) [A] (2)
然后把这一个成分加到标准的电流基准上产生图3中所示的新的转矩频谱。
如所期望，这得到60赫兹成分的大幅减少，肯定这个基础研究的有效性。应当注意到，尽管这个系统的非线性，对频谱中的其它谐波影响非常小，在180赫兹处保留了较小的减少。注意到因为其非线性分析开关磁阻系统的公知的困难，这个结果是有些令人吃惊的。它使发明人认识到可以在电机以稳态运转时顺序地处理谐波频谱中的成分，从而可以在一个短的时间内使转矩脉动最小化。
此研究通过以10牛顿米输出并且算法24推演注入的谐波电流的最佳值得到证实。这示出应当是：
i(θ)＝1.26Sin(24θ+5.96) [A] (3)
并且示出把60赫兹转矩脉动最小化而对较高次成分没有任何显著的改变。
现在考虑较高次谐波的问题。很清楚，必须决定要加以考虑的谐波数。很清楚非常大量的项数是不现实的，并且无论如何，在改进转矩脉动方面起的作用是递减速的。为了说明的目的，在此选择五个谐波项作为要作用的实际量。领域内的一般技术人员会认识到可以增加项数以改善性能或者减少项数以降低成本但是也减少对转矩脉动的改善。
在示意的7.5牛顿米负荷和150转/分钟，把算法24设定到顺序推演出公式1的头五项的系数。它们给出为：
i(θ)＝0.8Sin(24θ+5.93)+0.2Sin(48θ+0.85)+0.16Sin(72θ+
2.44)+0.12Sin(96θ+3.43)+0.03Sin(120θ+4.00)[A](4)
随着变到五个谐波成分，需要更加复杂的估计转矩波形的改善的方式，而不是简单地注意频谱的某部分的幅度下降。已经示出达到此的良好方法是从理想(即完全平稳的)水平计算转矩的变化。这是脉动控制领域完全公知的方法。在此情况下，原始转矩波形的变化是0.590，而用五项修改的波形，即如公式4，是0.022，即降低系数几乎是27。(如在公式3中只用一项，给出4左右的降低系数。)
通过迭代法，即通过让算法24顺序地产生头(比如)五项的系数然后重复轮流使每项最小的行动同时保持其它项为常数可以找到进一步的小改进。
上面的说明覆盖本发明把输出转矩脉动最小化的一个实施。但是会清楚，此系统可以适用于控制其它的输出质量。例如，通过馈回指示振动的信号，可以推演出含在该信号中的谐波和计算出修正电流波形的正确的幅度和相位角。谐波项的系数可以由所述用于最小化转矩的完全相同的算法24得出。
类似地可以馈回指示音响噪声的信号，从而可以把在频谱中的谐波最小化，给出电机发出的噪声的总体下降。
领域内的一般技术人员将理解，本发明可以用最初的驱动，或者用作激励驱动中翻新项，因为它不依赖于必须加入到驱动设计中的特定的零部件。
领域内的一般技术人员会理解，本公开的安排的不脱离本发明的变形是可能。因此，几个实施的以上说明是是举例的方式作出的而不是用作限定的目的。就把电机运转为发电机而不是电动机而言，一般技术人员会清楚，可以对上述的设备作小的修改。本发明打算仅由下面的权利要求书精神和范围限制。