[发明专利]无刷电机的控制

说明书

技术领域

本发明涉及无刷电机的控制。本发明尤其，但不排他地，涉及开关磁阻电机（switched reluctance machine）。

背景技术

开关磁阻电机是一种无刷电机。它包括转子、限定转子磁极、定子、限定定子磁极，以及与定子磁极相关布置以限定出一个或多个可单独激励的相的一组绕组。在磁阻电机中，对一个或多个相绕组的激励在包括相关定子磁极的电路中产生磁通量，促使转子到达使该电路的磁阻最小（且相关联的相绕组的电感最大）的位置。在电动机操作中，根据转子位置适时地按顺序激励绕组引起转子的运动。对结合开关磁阻电机的电驱动的一般处理可在多种教科书中找到，例如TJE Miller所著的“Electronic Control of Switched Reluctance Machines”，Newnes，2001，在此并入本文作为参考。在1993年6月21日至24日德国Nurnberg召开的PCIM’93Conference and Exhibition 中由Stephenson和Blake发表的论文‘The Characteristics,Design and Applications of Switched Reluctance Motors and Drives’中提供了更多的细节，在此并入本文作为参考。如本领域中已知的，可通过改变对相绕组施加激励的时序，而像电动机或发电机那样操作这些机器。

不同于常规电感和同步“电磁”机器，例如，所谓的无刷直流电机，在其中电流在定子线圈中，并且场由转子上的永磁体产生，开关磁阻电机是纯“磁性”机器。随着磁性电路的磁阻改变，完全通过磁场产生转矩。由此可见，控制这两种机器的方法有很大的不同，这是由于这种控制与转矩产生的方式有关。在一般情况下，用于正弦馈给常规机器的控制方法并不适合用于开关磁阻电机。

图1示出了典型的开关磁阻电机的横截面图。在该示例中，铁磁定子10具有六个定子磁极12。铁磁转子14具有四个转子磁极16。每一个定子磁极带有线圈18。在沿直径相对的磁极上的这些线圈串联连接以提供三相绕组。为了清楚起见仅示出了一个相绕组。对开关磁阻电机的控制可通过本领域技术人员所熟知的多种方式进行。如果可从例如位置传感器得到关于转子的角位置的信息，则可按照位置的函数来施加激励。这样的机器通常被称为“转子位置开关机器”。

在图2中示出了一种典型的开关磁阻驱动，在该示例中，机器36与图1中示出的对应。三个相绕组A、B和C通过一组电源电子开关48依次被接通至DC电源V。操作开关的时刻（即，转子位置）是由控制器38确定的，该控制器38可在硬件中或在诸如微控制器或数字信号处理器的处理装置的软件中实施。这些控制信号经由数据总线46被发送至开关。通过使用电流传感器44感应相电流，并反馈与所需电流iD相当的相电流成正比的信号，来提供闭环电流反馈。这些控制算法可包括比例（P）、比例加积分（P+I）、时间优化、反馈线性化、比例/积分/微分（PID）函数，或如本领域熟知的许多其它算法中的一种。通过从位置检测器40反馈转子位置信号来提供位置或速度的外环控制也是普遍使用的。

操作中，向控制器提供与电流需求（demand）42相对应的信号。这依据所采用的特定控制方案调整绕组中的电流，以由该机器产生期望的输出。

开关磁阻电机的性能部分地取决于相对于转子位置进行相激励的准确定时。对转子位置的检测常规地是通过使用实体的转子位置传感器（RPT）40实现的，如图2中示意性示出的，诸如被安装在机器转子上的转动齿盘，其与例如被安装在定子上的光或磁传感器协同工作。生成指示转子相对于定子的位置的脉冲列，并将其供应给处理装置，以能够进行准确的相激励。位置检测的备选方法包括所谓的“无传感器”方法，该方法中没有实体的位置传感器，而位置是由对机器的一个或多个其它参数的测量推导出的。

由于绕组中的电流相对容易测量出，对机器的闭环控制常规上是通过监测和控制绕组中的激励电流完成的。但是，所期望的机器的输出通常是转矩、位置或速度，并且电流与它们全都具有高度的非线性关系。因此电流控制技术通常导致输出不准确，例如转矩脉动（torque ripple）、位置误差和/或速度误差。现已提出了许多电流控制方案来解决这些缺点，正如在下面将进一步讨论的。