[发明专利]开关磁阻电机的位置检测

说明书

本发明涉及开关磁阻电机尤其是那些没有检测转子位置的传感器运行的电机的控制。

概括地说，磁阻电机是一种借助它的转动部分转动到磁路的磁阻最小即励磁绕组的电感最大位置的趋向而产生转矩的电机。典型地，它备有检测转子位置角度位置与随转子位置而变化供给各相绕组电流的电路。这类磁阻电机通常称为开关磁阻电机，可作为电动机或发电机运行。这类开关磁阻电机的特征为大家所熟知并介绍于例如Stephenson与Blake的论文“The Characteristics,Design andApplication of Switched Reluctance Motors and Drives”(开关磁阻电动机与驱动装置的特征、设计及应用)，此文刊登于PCIM’93,Nürberg，21-24 June 1993，其内容以引用方式结合在本申请中。此文介绍一起产生特有的周期性变化相绕组电感的开关磁阻电机的一些详细特性。

图1表示一个典型的开关磁阻驱动系统的主要部件。输入直流电源11可以是蓄电池组或经整流与滤波的交流电源，其幅值可以是固定的或是可调的。在一些已知的驱动装置中，电源11包括一个谐振电路，它产生一个在零与某一预定值之间快速变化的直流电压使零电压能开关功率开关。功率转换器13在电子控制装置14的控制下开关跨接在电动机12的相绕组16两端的由直流电源11提供的直流电压。为使驱动装置正确运行开关动作必须与转子的旋转角度正确同步。传统方法使用一个转子位置检测器15以供给指示转子角度位置的信号。转子位置检测器15的输出还可用于产生一个转速反馈信号。

转子位置检测器15可采用许多形式，例如它可采用硬件形式，如图1中示意表示。在某些系统中，转子位置检测器15可包括一个转子位置传感器，它在每次转子转到要求功率转换器13中的装置作不同的开关配置的位置时提供改变状态的输出信号。在其它系统中，位置检测器可以是一个算法软件，它根据驱动系统的其它监测参数计算或估计转子位置。这些系统常称为“无传感器位置检测系统”，因为它们不使用与转子相关联的实际传感器。如同本领域内众所周知，为探索可靠的无传感器系统，采用了许多不同的方法。下面讨论这些方法中的一部分。

开关磁阻电机中各相绕组的通电依赖于转子角位置的检测。这可通过参看图2与图3来解释，这两个图图示说明一台作为电动机运行的磁阻电机的开关机理。图2概括地表示一个转子极20按箭头22方向趋近一个定子极21。如图2中所示，完全的相绕组16的一部分23围绕在定子极21的周围。当相绕组16的围绕定子极21的一部分23通电时，将对转子施加一个力，趋向于将转子极20拉到与定子极21对齐。图3概括地表示功率转换器13中控制相绕组16通电的典型开关电路，包括围绕定子极21的部分23。当开关31与32闭合时，相绕组与直流电源连接而通电。本领域内已知许多其它的分层几何形状绕组布局与开关电路的配置，其中有些在上面提到的Stephenson与Blake的论文中讨论。当一台开关磁阻电机的相绕组以上面描述的方式通电时，由磁路中磁通建立的磁场产生圆周力，这些力如上所述起到把转子极拉到与定子极对齐的作用。

通常，相绕组通电以引起如下转子旋转。在转子的第一角度位置(称为“接通角”，ON)，控制器14提供开关信号以接通开关装置31与32。当开关装置31与32接通时，相绕组与直流母线连接，引起电机中建立一个增加的磁通。此磁通在气隙中产生一个作用在转子极上以产生转矩的磁场。电机中的磁通由从直流电源流过开关31与32及相绕组23的电流提供的磁动势(mmf)支持。通常使用电流反馈并通过快速接通或关断开关31与/或32的一个或两个以斩波电流从而控制相电流的幅值。图4(a)表示一个典型的斩波式运行的电流波形，其中电流斩波在两个固定值之间。在电动运行时，常选择接通角ON为转子极间空间的中心线与定子极的中心线对齐的转子位置，但也可以是一些其它角度。