电机转子位置探测 【技术领域】
本发明涉及多相电机的转子位置探测，具体地说，但不限于，涉及多相开关磁阻电机的转子位置探测。
背景技术
开关磁阻系统的特性和运行在本领域中是公知的，并且在例如“Thecharacteristics，design and application of switched reluctance motors anddrives”(开关磁阻电机和电机调速系统的特性、设计及应用)(Stephenson和Blake，PCIM’93，Nürnberg，1993年6月21日至24日，在此引入作为参考)中进行了说明。图1以示意图的形式示出了一种典型的开关磁阻电机调速系统，其中开关磁阻电机12驱动负载19。输入直流电源11既可以是电池，也可以是经整流和滤波后的交流电源。由电源11提供的直流电压在电子控制单元14的控制下通过电力变换器13在电机12的相绕组16之间切换。该切换必须与转子的旋转角度正确同步以便电机调速系统正确运行，通常采用转子位置探测器15来提供对应于转子的角位置的信号。
许多不同的电力变换器拓扑是公知的，以上引用的Stephenson的论文中讨论了其中的几种。图2示出了用于多相系统的一个单相的最常用的一种布置，其中电机的相绕组16在母线26和27之间与两个开关装置21和22串联。母线26和27共同称为变换器的“直流联络线”。能量恢复二极管23和24与绕组相连，以便当开关21和22打开时允许绕组电流回流到直流联络线。电阻器28与下面的开关22串联以提供电流反馈信号。直流联络线之间连接有被称为“直流联络线电容器”地电容器25以提供或吸收直流联络线电流的任何交流分量(即所谓的“纹波电流”)，这些交流分量不能从电源流出或返回电源。实际上，电容器25可以包括若干个串联和/或并联的电容器并且，当使用并联时，某些部件可以分布在整个变换器中。多相系统通常使用若干并联的图2所示的“相脚”(phase legs)来激励电机的各相。
图3示出了图2中所示电路的运行周期的典型波形。图3(a)示出了当开关21和22闭合时在导通角θc的持续时间内施加的电压。图3(b)示出了相绕组16中的电流上升至峰值然后稍微下降。在导通周期结束时，开关打开，电流流向二极管，将反向联络线电压置于绕组之间并因此强迫降低了磁通以及使电流降至零。当零电流时，二极管停止导通，电路处于停用状态，直到后续导通周期开始。当开关打开时，直流联络线上的电流反向，如图3(c)所示，并且返回的电流代表返回给电源的能量。电流波形的形状会因电机运行点以及所采用切换策略的不同而有所不同。正如众所周知以及以上引用的Stephenson论文中所描述的那样，不同时地断开开关给出了一种通常称为“飞轮”(freewheeling)的运行模式，其中电流在由绕组、开关以及二极管组成的回路中循环。这种技术由于各种原因(包括限制峰值电流以及减少噪声)而被采用。
但是，在零速度和低速时，由于将经历较高的峰值电流，单脉冲模式并不适合，将使用斩波模式。至于单脉冲控制，斩波模式有两个主要变型。最简单的方法是同时打开与相绕组关联的两个开关，例如图2中的开关21和22。这会导致能量从电机返回直流联络线。这种方法有时被成为“硬斩波”(hard chopping)。替代方法是仅打开一个开关并允许发生飞轮：这被称为“飞轮斩波”(freewheel chopping)或“软斩波”(soft chopping)。在这种控制模式中，没有能量从相绕组返回直流联络线。
对于任何斩波方案，都要选择用于确定要使用的电流级别的策略。在本领域中许多此类策略都是公知的。一种常用的方案是使用可在上限和下限电流之间实现斩波的滞后控制器。图4(a)示出了一种用于硬斩波的典型方案。在选定的接通角θon(其通常是这样的位置：相在该处具有最小电感，但也可以是某些其他位置)，对相绕组施加电压并允许相电流增加，直至其达到上限滞后电流Iu。此时两个开关都打开并且电流下降，直至其达到下限电流I1，然后两个开关再次闭合，重复所述斩波循环。图5(a)示出了使用飞轮的滞后控制器的相应相电流波形：斩波频率的减小立刻很明显。
图4(b)和5(b)分别示出了由于图4(a)和5(a)中的相电流而在直流联络线中流过的电源电流。在每种情况下，直流联络线电容器都提供这些波形的一部分交流分量。本领域的技术人员将理解这些图形被理想化了，因为电容器必须具有零平均电流。实际上，当存在电源阻抗和电容器电阻以及电感时的电流行为是极其复杂的。
开关磁阻电机的相电感周期是该相(或每相)的电感变化周期，例如当转子极与各自相应的定子极完全对齐时最大值之间的周期。图4(a)示出了相的电感曲线的理想化形状。实际上，各锐角将是圆滑的，这是由于磁通发散以及磁路饱和的缘故，并且电感的最大值还将与电流相关。尽管如此，该曲线对于说明电机的一般行为还是很有用的。
开关磁阻电机的性能部分取决于根据转子位置来准确定时相激励。通常使用传感器15(其在图1中简要地示出，诸如安装在电机转子上的旋转齿形盘，与安装在定子上的光学或磁传感器配合使用)来完成转子位置的探测。产生指示相对于定子的转子位置的脉冲序列并将其提供给控制电路，实现准确的相激励。此系统很简单并在许多应用中工作良好。但是，转子位置传感器增加了装配的总体成本，添加了到电机的额外电气连接，并因此是潜在的不可靠性的来源。
已经提出多种用于省去转子位置传感器的方法。W F Ray和I HAl-Bahadly的“Sensorless Methods for Determining the Rotor Position ofSwitched Reluctance Motors”(确定开关磁阻电机转子位置的无传感器方法)(发表在1993年9月13日至16日在英国布莱顿召开的欧洲电力电子会议的会议记录第6卷的7至13页，在此引入作为参考)一文中评述了其中的几种方法。通常，这些方法分为两类：一类适合于低速运行，另一类适合于高速运行。
在“斩波”电流控制是用于改变输出转矩的主要控制策略的情况下，已知的方法通常在不产生转矩的相(即在特定时刻不直接从电源激励的那些相)中采用诊断激励脉冲。例如，N M Mvungi和J M Stephenson在“Accurate Sensorless Rotor Position Detection in an S R Motor”(在开关磁阻电机中准确探测无传感器的转子位置)(发表在1991年在意大利佛罗伦萨召开的欧洲电力电子会议的会议记录第1卷390至393页，在此引入作为参考)一文中提出了一种适合于低速、斩波模式的方法。此类方法最适合于速度相对较低的情况，此时诊断脉冲占用的时间长度与电感周期的总周期时间相比是很短的。随着速度的增加，脉冲会占用该周期的更长部分并很快到达无法获得可靠的位置信息的时刻。
在现有技术中，诊断脉冲技术通常应用于每次只激励一个相的系统。虽然这是传统且最简单的运行方法，但它不一定能提供电机的最高特定输出。在尝试产生最高的可能输出时，某些高级系统使用同时导电的两相或更多相。在2相系统中，通常交替运行各相。但是，US 5747962(共同受让给当前受让人并在此引入作为参考)披露了一种在电机的部分电气周期上同时运行两相的方法。在3相电机中，可以通过先后单独激励相A、相B以及相C来运行。但是，为了提高电机的最小瞬时转矩以及平均转矩输出两者，通常利用这样的事实：每个相周期的转矩产生部分是重叠的。因此，已知可以使用激励模式A、AB、B、BC、C、CA、A...。同样对于4相电机，通常始终有两相在所需方向上产生转矩，因此可以成对激励相：AB、BC、CD、DA、AB...。对于更高的相数，相应的规则也适用，其中对于至少部分电气周期，可以使用三相或更多相。
虽然此类方案提高了电机的可用输出，但它们对任何使用诊断脉冲的无传感器位置探测方案都具有不利的影响，因为此时电机的磁路除了承载与第三相中诊断脉冲关联的磁通之外，还承载来自至少两个工作相的磁通。由于磁路在其磁通/电流关系中通常为非线性，因此，从诊断脉冲收集的信息是失真的，并且这会导致在估计转子位置时出现错误。
因此，当在预定的转子角度上激励多个相时，在例如低速斩波模式中需要一种可靠的转子位置探测方法。
【发明内容】
本发明提供了对空闲相中漏磁通的补偿。这尤其出现在同时激励两相或更多其他相时。在一种形式中，本发明的一个实施例提供了一种在可以单独激励各相的多相电机中确定转子位置的方法，所述方法包括：将诊断脉冲施加到空闲相；对所述空闲相中所述施加的电压积分以导出与所述空闲相磁链关联的值；测量所述空闲相电流以产生测量的电流值；为由于所述空闲相中漏磁通引起的电流补偿所述测量的电流值；以及根据所述补偿的电流和所述相磁链来导出转子位置。
补偿由于漏磁通引起的电流可以包括：与施加所述诊断脉冲基本同时地测量所述空闲相中的电流，以导出指示由于漏磁通引起的电流的值，并从所述测量的电流值中减去所述由于漏磁通引起的电流的值以导出所述补偿的电流。
可替代地，所述补偿由于漏磁通引起的电流可以包括为转子位置的值存储预先描述的电流值，该电流值代表由于相磁链引起的电流以及由于漏磁通引起的电流；以及通过访问针对所述测量电流值的已存储的转子位置值来导出所述转子位置。
针对转子位置的已存储的电流值可以根据经验来确定或者根据使用例如有限元分析的理论来确定。
各实施例还扩展到其中所述诊断脉冲具有基本恒定磁通的系统。
本发明还扩展到加载有用于实现本发明的方法的程序的计算机可读介质。
【附图说明】
本发明可以以多种方式实现，现在将通过实例的方式并参考附图对其中的某些方式进行说明，这些附图是：
图1示出了典型的现有技术的开关磁阻电机调速系统；
图2示出了图1的变换器的一个相的已知拓扑；
图3(a)示出了开关磁阻电机的电压波形；
图3(b)示出了相应的相电流波形；
图3(c)示出了相应的电源电流波形；
图4(a)示出了典型的硬斩波电流波形；
图4(b)示出了相应的电源电流波形；
图5(a)示出了典型的软斩波电流波形；
图5(b)示出了相应的电源电流波形；
图6示出了3相开关磁阻电机的电感波形以及激励模式；
图7示出了带有诊断脉冲的斩波电流波形；
图8示出了磁阻电机中的示意磁通路径；
图9示出了一个包括本发明的一个方面的系统；
图10示出了一个包括本发明的一个方面的流程图；
图11示出了恒定漏磁通的脉冲电流与转子位置之间的关系；以及
图12示出了一个包括本发明的另一个方面的流程图。
【具体实施方式】
将要说明的示例性实施例使用处于电机模式的3相开关磁阻电机调速系统，但是无论该调速系统处于电机模式还是发电模式(即分别产生作为转矩或力或作为电功率的输出)，任何相数大于2的开关磁阻电机都可以使用。
图6示出了三相开关磁阻电机各相的电感波形。正如以上引用的Stephenson等人的论文中说明的那样，当电感曲线随转子角度增加而上升时将产生正转矩，因此，激励模式Exc A、Exc B以及Exc C中的正区显示何时可从这些相获得正转矩。如果采用简单的1相工作(1-phase-on)模式，则在Exc A与Exc B之间存在重叠时的任何时刻可以发生比如从相A到相B的转换。使用传统的转子位置传感器布置，这通常在其中一种模式的上升或下降边沿完成。
使用无传感器位置探测系统时，在基本空闲相的电感形状的电感下降部分对该相施加诊断脉冲。激励区之间的阴影线部分示出了如何为任意转子角度选择满意的位置。图7示出了将固定磁链(即恒定的电压-时间乘积)的诊断脉冲插入到主要的、产生转矩的电流之间的间隙内的斩波波形。当然，该诊断脉冲也产生转矩(尽管在相反的方向)，但电流却小得多，所以通常不会引起较大的干扰。
通过对适当的相施加诊断脉冲并对所施加的电压积分，可以估计与该相关联的磁链。所述积分通过硬件积分器或者通过软件来执行。当积分器的输出(即磁链)已经达到预定水平时，将测量空闲相中的电流。然后该相被断开，将跨该相的电压反向并施加负电压，该负电压将磁链(以及因此电流)减小至零。然后使用测量的电流值来索引已针对磁链的该预定水平存储的位置向量。通过这种方式，可以从各相中的相继诊断脉冲获得连续的位置信息流。
假如每次只使用一相来产生转矩，则上述方法通常足够准确。但是，当同时使用比如相A和B来产生转矩时，电机磁路的某些部件会变得负载过重，从而导致非线性行为。当特定影响涉及任何电机的特定磁性几何形状时，图8示出了具有以虚线显示的理想化磁通路径的3相6/4电机。可以看到，例如，许多定子和转子背铁(back-iron)现在都承载来自两个相的磁通。通常，这会导致磁路的这些部件工作在非线性区并强制磁通进入包括非激励相的泄漏路径。此类漏磁通可能链接用于转子位置信息的空闲相。
因此，如果现在对第三相施加诊断脉冲，有两种影响变得很重要，它们联合使从所述脉冲获得的信息失真，如下所述。首先，由于系统对相电压积分以估计磁链，因此诊断脉冲将存在已知的持续时间。但是，已经存在链接该相的线圈的(漏)磁通，因此当闭合(多个)开关以施加诊断脉冲时，电流将立即达到支持此磁通的值，与当诊断脉冲正在建立时建立的电流无关。由此可知，当积分器输出(磁链)达到其预定水平时，测量的电流将高于对应于正确转子位置的值。其次，加入诊断脉冲的过程进一步增加了将在背铁中承载的磁通，导致磁路的这些部件的磁导率减小。实际上，现在诊断脉冲已失去了其标度，因为为该脉冲存储的预先描述的信息已不再准确。
当激励模式从某一相数变成其他相数时，这些影响的组合导致了估计转子位置的不连续性并且在控制系统中产生了干扰。
本发明的诸实施例通过补偿由于漏磁通引起的电流来克服这些困难。这可以通过从在诊断脉冲末端测量的电流中减去上述电流，或者通过当描述电机特性时在漏磁通中乘以系数来实现。
图9示出了根据一个实施例用于实现本发明的系统。电流传感器30布置在每一相上。另外，就硬件而言，图9是图1的电机调速系统的无传感器形式。图10是根据本发明的此实施例用于运行图9的基于处理器的控制器32的流程图。图10说明了电机模式的运行。对本领域的技术人员显而易见的是，可以导出用于发电模式的等效流程图。
补偿式无传感器转子位置探测基于上述与图6和图7有关的技术。首先，在步骤40，控制器判定是否根据斩波模式来控制电机。其次，在步骤42和44，控制器判定是否有两相为工作相以及电机的输出是否高于预定水平，从而由于漏磁通而在用于诊断脉冲的相中导致电流量的显著增加。
如果满足这些条件，则根据空闲相是否处于可以在其中施加诊断脉冲的不产生转矩的区域(即该相中的电感是否如步骤46中所述的那样降低)来评估该相。如果否，则控制器循环返回。如果该相处于适当的区域，则在步骤48通过使电力变换器13的适当相开关动作来由控制器对该空闲相施加诊断脉冲。同时测量相电流。这是上面提到的由于该空闲相中的漏磁通而引起的电流。
在步骤52，对所施加的电压积分以导出与该相关联的磁链的值。在步骤54，控制器检查磁链(积分器的输出)是否已达到适当的预定水平。如果尚未达到，则系统循环返回步骤52继续进行积分。如果已达到该水平，则停止积分并在步骤56测量电流。在步骤60，通过从在步骤56进行的电流测量中减去由于漏磁通而引起的电流来除去该电流。然后在步骤62，使用现在已补偿了漏磁通影响的电流值来索引针对磁链水平(在该处测量电流)存储的转子位置向量。
虽然以上说明使用了处于斩波模式的电机调速系统的步骤40的测试，但也可以使用任何其他适合的准则，例如，速度是否通过预定的阈值。
替代实施例预先描述了漏磁通和电流，并以补偿漏磁通对诊断脉冲的影响的方式使用该信息。预先描述可以通过经验地测量电机或为电机建模(例如通过有限元分析)来完成。这会产生图11中所示的结果。图11示出了3相电机的特性信息，其中使用了具有20mWbT峰值的磁链的诊断脉冲。曲线X示出了当相A或相B承载100A时诊断脉冲电流与相C的转子位置之间的关系。曲线Y示出了当A和B均工作并且均在100A斩波时的脉冲电流。
在一个实施例中，曲线X被存储为相对于电流的位置向量，以便在不减去由于漏磁通而引起的电流的情况下，同样可以从测量的脉冲电流中读出位置。得益于曲线Y(以及指示曲线Y何时适用的开关状态的知识)，可以建立第二个表或向量，以便测量的电流现在可以给出真实转子位置。
图12说明了图10的流程图的修改后的形式，其中使用了模型化的电流/漏磁通。在本发明的这种形式中，修改了图10中的步骤48并省略了步骤60。另外，图12中的步骤40至62与图10中的那些步骤相同。在步骤62，将测量的相电流应用到曲线Y的查找表以直接导出转子位置。
如果电机调速系统并非始终以相同水平的斩波电流运行，则或者可以为每一曲线X和Y存储一系列向量，或者可以将某种形式的常规插值用于任一曲线或全部曲线。本领域的技术人员将理解，主要当电机以高转矩水平运行并因此饱和时才存在补偿的必要性。
因此在运行中，当只有一相斩波并对另一相施加诊断脉冲时(测量的脉冲电流被用于根据曲线X来确定转子位置)，电机调速系统的控制系统以常规方式运行。当转子处于使用两相来产生转矩的位置时，使用曲线Y(或其插值形式)来校正增加的漏磁通量以及正确地确定转子位置。
所述方法可以以同等益处应用于作为电机或发电机运行的电机以及使用与相有关的参数进行转子位置探测的任何电机。所述方法并不专用于某一类位置控制算法。例如，如上所述，其可以应用于使用基本恒定电流的诊断脉冲(而不是基本恒定磁链的脉冲)的方案。
本领域的技术人员将理解，可以在不偏离本发明的情况下改变所披露的布置，特别是在控制器中实现所述算法的细节。还显而易见的是，虽然根据开关磁阻电机描述了所述技术，但该技术还可以用于具有单独供电的相的任何电机。
此外，虽然根据旋转电机描述了本发明，但本发明同样适用于具有轨道形式的定子和在其上运动的运动部件的线性电机。在本领域中使用的“转子”一词同时指旋转电机和线性电机的可运动部件并且在本文中也应按照这种方式理解。因此，以上通过实例方式对若干实施例进行了描述并且并非出于限制目的。对本领域的技术人员显而易见的是，可以对所述控制方法做出细微修改而不显著更改上述操作。本发明旨在仅由以下权利要求的范围来限定。