開關磁阻驅動系統中的電流斬波的製作方法
2024-03-07 21:47:15
專利名稱：開關磁阻驅動系統中的電流斬波的製作方法
技術領域：
本發明涉及開關磁阻驅動系統。特別是，它涉及控制器能將DC連結電容中的波紋電流最小化這樣的系統。
已經知道許多不同的功率轉換器布局設計，在上面提到的Stephenson的文章中討論了其中幾個。圖2中示出一用於多相系統一單相的一最普通的配置，其中，該機器的位相繞組16和兩個開關器件21和22串聯跨接在母線26和27之間。母線26和27一起被描述為轉換器的「DC連結(DC link)」。當開關21和22打開時，能量恢復二極體23和24連到繞組上，使得繞組電流流回到「DC連結」。電容器25，被稱為是「DC連結電容」跨接DC連結至電源或抑制DC連結電流(即所謂的「波紋電流」)的任一交流成分，該成分不能從電源中抽取或返回電源。在應用上，電容25可包含幾個串聯或並聯的電容，當用並聯時，一些元件可分布在整個轉換器中。該電容的成本和/或尺寸在安裝中是重要的，對驅動成本和/或被驅動器佔據的空間是敏感的，例如，在航空或汽車應用中。
開關磁阻驅動器基本上是一變速系統，以在機器的相繞組中具有的電壓和電流為特性，其完全不同於在傳統正弦激發類型的機器，業已周知開關磁阻系統有兩個基本的工作模式斬波模式和單脈衝模式，兩者在上面提到的Stephenson的文章中都有描述。圖3說明單脈衝控制，這種控制通常用於一典型驅動器速度範圍的中高速。圖3(a)示出一典型地由控制器加到相繞組的電壓波形。在一預置的轉子角度處，通過接通功率轉換器13中的開關加上電壓，以給定的角θc一導電角施加恆定的電壓。如圖3(b)所示出的，電流從零升高，典型地到一峰值，並慢慢地下降。當跨過θc，開關打開，能量恢復二極體給繞組加一負電壓，在機器中產生通量，因此，產生電流，衰減到零。然後，到循環重複出現前，典型地有一零電流期。很清楚該相期間從電源汲取能量，其後將少量的能量返回電源。圖3(c)示出由動力轉換器供給相繞組的電流和在能量返回期間流回到轉換器的電流。業已知道，代之同時打開兩個開關，先後打開這兩個開關有很多好處，使電流沿由閉合開關、相繞組、和二極體之一形成的迴路環流。這被稱為「空轉」(freewheeling)，使用它有多種原因，包括限制峰電流和減少噪聲。
然而，在零速和低速情況下，單脈衝模式不適用，由於會遭受高的峰電流，用斬波模式有效地用於控制相繞組電流，該斬波模式有兩種基本的變形，當電流達到一預置的值時，斬波模式的最簡單的方法是同時打開和相繞組相關聯的兩個開關，即圖2中的開關21和22，這導致能量從機器返回到DC連結。有時這被稱為是「硬斬波」，供選擇的另一方法是只打開一個開關並使「空轉」出現。這被認為是「空轉斬波」或「軟斬波」。在這一控制模式中，除在導電期的終了，當打開兩個開關以最後消除電流時，沒有能量從相繞組返回到DC連結。
藉助任一斬波方案，有一可利用的確定電流高低的方案選擇。在本領域中都知道許多這樣的方案，一常用的方案包括一能在高低電流間斬波的磁滯控制器。圖4(a)示出用於硬斬波的一典型的示意圖。在一選擇的接通角θon(該角常常是這樣一個位置，在該位置相位有最小的電感，但，該角可以是其它位置)，給相繞組加上電壓，使相電流上升直達高磁滯電流Iu。在該點兩個開關都打開，而後電流下降直到它達低電流Il，然後開關再次閉合，重複該斬波循環。圖5(a)示出對於使用空轉的磁滯控制器模式相應的相電流波形，斬波頻率的降低立即看清。
應當注意，如果機器正在發電(generating)而不是驅動(motoring)，相電流在空轉期間可上升。通過在空轉(一個開關打開)和能量返回(兩個開關打開)之間改變供電電路狀態，仍可使用軟斬波。以後描述的技術同樣地應用於發電與驅動工作模式。
圖4(b)和圖5(b)分別示出圖4(a)和圖5(a)中由於相電流而引起在DC連結中流動的供電電流的變化。在每一情形中，DC連結電容提供這些波形的一部分交流成分。(注意這些圖是理想化的，因為電容必須有零平均電流，並且，在實用中，在存在供電電阻，電容阻抗和感抗時電流的行為更為複雜)。在硬斬波情形中的電容電流既有較高的頻率也有較高的均方根(rms)值，在空轉情形中，該電流的頻率和均方根值兩者都減小。相對於電容的額定值這方面的益處在，例如，在US4933621(MacMinn)中討論，這裡引入作為參考。
雖然在電流控制背景下描述了硬斬波和軟斬波模式，但應當注意，它們也能和電壓控制系統一同使用，在電壓控制系統中，可有效地控制加到相繞組的平均電壓。例如，一脈衝寬度調製(PWM)方案可應用於開關21和22，在該領域中這是眾所周知的。
到目前為止討論忽略了當考慮兩個或多個相的貢獻時出現的問題。當兩個或多個相共同工作時，和各個相相聯繫的電流相加以給出總的DC連結電流。
兩個或多個相共同作用的情形可出現在許多不同的系統中。雖然在兩相系統中，通常只去交替操作這些相，US 5747962公開了在機器的一部分電循環上同時操作兩個相的方法，在此引入作為參考，該專利一同轉讓給現受讓人。在三相機器中，有可能通過單獨激發相A，然後相B，然後相C來操作。然而，為改善機器的轉矩輸出，利用這樣的事實，即每一相周期的轉矩產生部分發生交迭，所以，通常使用A，AB，B，BC，C，CA，A…激發模式。類似地，對四相機器，通常總有兩相在要求的方向產生轉矩，這樣，相可成對激勵AB，BC，CD，DA，AB…相應的規則可應用於更高的相數目，在這些當中，有可能對至少電周期的一部分使用三個或更多個相。
當兩個或多個相同時使用時，對電容產生的影響依賴於所採取的斬波控制方案。理想地，在切斷時由一個相返回的能量應引導到新來的第二相，但是，發現用通常的磁滯控制器達到預期的目的是不可能的。例如，圖4(a)和圖5(a)表明，斬波波形的頻率和佔空度在整個導電角都不是恆定的，而是依據相繞組的電感隨轉子的位置變化而變化。顯然，用該類型的控制器在兩電流間無論存在哪一種相差異都不可能取消電容電流。
磁滯控制器是現有的許多「頻率無序」控制器的一例。這些控制器以斬波頻率為代價試圖保持一個參數(這裡是相電流)不變。另一不同類型的斬波控制器是固定頻率控制器，其中，斬波頻率以例如平均相電流為代價理論上保持恆定。一典型的固定頻率控制器有一固定(或至少被控制的)的頻率時鐘，該時鐘在功率轉換器中觸發開關的閉合。當相電流達到目標值時，一個或兩個開關打開，使電流下降直到開關再次關閉以響應時鐘信號。控制來自同一時鐘的第二個相是相對簡單的，但是，一起開關這兩相對電容器產生差不多加倍電流漂移幅度的直接的影響(依賴於佔空度)。
圖6(a)中部分地示出了，由峰電流和固定頻率控制器控制的相繞組的一典型斬波電流波形，通過將相繞組以通常的方式接到直流總線上，初始接通該相繞組。當電流達到一預置峰值時，控制器將線圈轉換到空轉或能量恢復模式，依賴於使用的功率轉換器的能力。(在圖6(a)中空轉用於說明)，電流由所加電壓(如果有)，相繞組的電感變化率，線圈上的電壓降(iR)和二極體和開關上的電壓降所確定的速率下降。假設為驅動操作，在空轉間隔中的電流將下降，這已示出，然後，電流控制器通過閉合開關觸發相繞組重接到DC連結上，強迫電流再升高到峰值，於是循環重複。將能看到，現在開關頻率是恆定的，雖然電流離開峰值的漂移在從激發塊的一端到另一端可能變化。開關頻率周期在圖6(a)中標記為T，佔空度被定義為接通時間對周期的持續時間的比率。
圖6(b)示出對一個相繞組的供電電流，圖6(c)示出第二相的供電電流。如果兩相的接通點同時，供電電流將相加以給出等於2*Ipk的峰值電流，在斬波頻率的相應的電容波紋電流將升高。
眾所周知，尤其對兩相總是一起被激發的四相系統，使用單一時鐘信號，具有一標記空間比(space ratio)，從時鐘信號的上升邊起動一個相的接通，從下降邊啟動另一個相。這以固定方式交織兩相電流，導致電容波紋電流的某種減小。然而，隨著一相相對於其它相佔空度的變化，電容電流增加，因此不是完全成功的。相電流的交錯是固定的，並且不能應付這樣的變動。這需要增加電容的額定值，這樣導致增加成本和/或尺寸。另外，電容中能量的損失可以代表在一些系統中全部能量損失的一大部分，尤其是低電壓，高電流系統，致使驅動效率的明顯減小。
因而，需要解決這樣的問題，即對用任意數目的相和任意的激發模式的系統，使電容的波紋電流最小，在這些模式中兩個相或多個相可同時激發。
本發明限定在隨附的獨立權利要求中，在從屬權利要求中列舉出一些優選的特徵。
在一具體的形式中，本發明包括動態地調整一開關磁阻機器的到來的相繞組的開關轉換，以便將電容電流最小化，這可以通過動態地選擇相對於已斬波的相的到來相的斬波時鐘的相角完成。本發明可以多種方式執行，這些方式一般地分屬於開環和閉環執行兩個類。
產生於兩相同時激發的斬波波形，通過將一相移置於控制這兩相的斬波時鐘信號間，可用於將電流波紋最小化。
相移的設置可以預置或它可以是動態地開環或閉環。如果在開環或閉環控制下它是可變的，相移值可基於機器的一參數。例如，一需求量和速度可用於開環控制，對閉環控制，代表該電流波紋的一個信號本身可用於得到一相移值，該值將最小化該電容的電流波紋。
本發明可以多種途徑實現，它的幾個實施方案將通過關於附圖的例子描述，其中
圖1示出一已知開關磁阻系統的概略圖；圖2示出一相繞組和功率轉換器的連接；圖3示出已知的單脈衝工作模式的電壓，相電流和電容電流的波形；圖4示出已知的硬斬波工作模式的相電流和供電電流波形；圖5示出已知的空轉斬波工作模式的相電流和供電電流波形；圖6示出和固定頻率電流控制器聯繫在一起的相電流和供電電流波形；圖7示出根據本發明的一個方面，和一固定頻率電流控制器聯繫在一起的相電流和供電電流波形；圖8示出可以執行本發明的一實施方案的一電路圖；圖9示出可以執行本發明的一實施方案的另一電路圖；圖10示出可以執行本發明的一實施方案的更進一步的電路圖；圖11示出提供電容電流反饋的一電路圖；圖12示出提供電容電流反饋的又一可供選擇的電路圖。
本發明圖示的第一組實施方案使用開環技術用於減小電容電流波紋。圖7示出和圖6的相同的波形，但其中，相對於第一相選擇第二相繞組的電流相位。相的差別由時間Δt確定，已示出。通過考察圖7(b)和圖7(c)，將看到相對於第一相的第二相電流波形的位置變動(即延遲Δt)用作改變兩相電流的結合方式。將會看清，當Δt為零或為斬波波形周期T時，兩相電流的相加將產生最大波紋電流，這樣，在Δt的某中間值，有一最大電容波紋電流值。因而，由此得出結論系統可「調諧」成使電容額定值最小化。
注意如果改變斬波時鐘頻率(例如，以偽隨機方式以降低聲噪音)，那麼，時間間隔Δt也必須以適當的方式改變。作為選擇，可將延遲定義為一固定的相角，該相角能自動地轉化為Δt的正確值。
例如，在使用激發順序A，AB，B，BC…的一三相系統(ABC)中，該調諧在於在對已斬波相的前一次觸發之前或之後一個預定的時間Δt上觸發到來的相。在這一情形中，可在相A後Δt觸發相B以將電容電流波紋最小化。在適當的轉子角度，相A的激發會停止而相B的觸發將單獨進行。在一另外的轉子角度，引進相C，使用相對於斬波時鐘的零相移(給出一相對於相B為-Δt的有效相移)。一旦相B的激發已經完成而相C已單獨被激發，相A以相對於相C的為Δt的一相角再次引進，相C的引進相對於它的先前的關於斬波時鐘的位置也是Δt。
圖8示出根據本發明一實施方案的一控制器。在線41上示出代表斬波時鐘的信號，這一信號通過塊42，塊42加一延遲Δt。開關46被控制系統鎖定以選擇要饋送到觸發器44的SET輸入口的一適當信號，來自比較器43的信號饋送到復位輸入口(RESET)，比較電路確定電流的需要量比相繞組中的實際電流是高還是低。連同常規角轉換信息一起，使用線45上的觸發器的輸出為功率轉換器中的一相繞組去觸發一個或多個開關。能夠理解，示於圖8中的電路會被複製用於驅動系統其它相。
能夠理解，這一安排的一特殊情況是Δt＝T/2(這裡T是斬波時鐘周期)，即相延遲是180°。在這一情形中，可使用有單一標記空間比的時鐘信號，並且每一到來的相由上升沿或下降沿的下一個驅動。這產生電流的交錯(interleaving)，這一點現在將描述。如果斬波序列起始於由時鐘上升沿控制的相A，到來的相B必須由下降沿控制。當轉子轉到相C被激發的位置時，它必須由上升沿控制以正確地和相B交錯，下面當需要相A時，它必須由下降沿控制(而相A早先是由上升沿控制)。
另一開環方法使用一Δt變值，這樣對各種負載點，速度，轉矩，電流等，可將電容電流波紋最小化。這些Δt值或者由設計和模擬確定，使用一機器模型，該模型足夠準確，以可靠地計算電容電流，或在驅動的起始測試期間通過實驗測量。這些值被特徵化為，例如，速度和/或負載和/或轉子角度的函數，並以存儲接通角和關閉角同樣的方式儲存在一查閱表中。對一相繞組在斬波周期的開始或在適於控制系統的其它時間，可從表中讀出適當的值。這一實施方案尤其適用於數字控制系統。執行這一技術的一電路示於圖9中，在圖9中，表48維持Δt的適當值，並由需要的電流和/或轉子角度和/或速度索引標記。除這一點，圖9中的電路和圖8中的電路相同，相同的標記數字用於類似的部分。送到查閱表48中的速度信號可以在該領域中已知的各種方式得到，諸如從上述轉子位置傳感器的輸出。
一進一步的開環方法是，在相繞組中每次斬波開始時計算Δt的適當的值。這可通過諸如圖10中示出的電路得到。在這一具體圖示中，計算方塊49有電流需求量和/或速度需求值和/或轉子角度的輸入值，並給出輸出量Δt。這一實施方案對模擬控制電路和基於微處理器的系統兩者都適合。圖10的電路，除用計算方框49取代查閱表48，和圖9的電路相同。其他相同的標記數字用於相似的部分。
圖10示出含有速度，轉子位置和電流需要量的計算方框49。可以使用其它的參數或變量。例如，已知，電容器中的電流波紋的大小是運行的相中的電流大小和電流佔空度，以及它們之間相角的函數。因此，有可能使用電流大小的輸入和計算或測量的佔空度求得Δt的值，該值將使電容波紋電流最小化。這樣，本發明的另一實施方案能使用輸入到方框49的相電流大小和佔空度以產生Δt適當的值。
上面描述的開環實施方案產生電容電流波紋的有用的減少。在本發明的一實施方案中可以採用在一導通周期期間交錯波形的變化，它使用閉環控制以動態地選擇Δt的最優值，這樣進一步將電容電流的波紋最小化。根據若干已知的求最小值函數之一，可進行該最小化。這是上面描述的開環系統的改進，因為，不管這兩相的佔空度間的差異有多大，求最小值函數對波紋電流的最小值將找到該相角。這有進一步的優點。不要求根據事先的特徵化或數據存儲，引入一控制迴路，該迴路含有固定的零電容電流波紋要求量，實際電容電流波紋的信號指示和合適的過濾器，使得只有電容電流斬波頻率成分影響控制器(例如，由於來自SR機器中的電源供給和/或基本的相對相轉換的整流波紋，在電容電流中也有低頻成分)。現在將描述提供必要反饋的各種方式。
圖11示出一含有與DC連結電容25串聯的電流測量支路50系統。跨接在支路上的電壓通過帶通濾波器52饋送以產生電容波紋電流的信號指示。在直流電容器中的波紋電流的特點基本上是含有在基礎斬波頻率和最初幾個諧波中集中它的大部分能量的矩形波。帶通寬度是在尋找一定的頻率範圍和去除噪音之間的折中值，在該頻率範圍在DC連結電容中出現波紋能量，噪音是由於太寬的帶通造成的。
通過將頻帶限制在波紋電流的一適當的諧波數，同樣地不通過過分的噪音也可取得最大效果。
帶通濾波器52的輸出供給一控制調節器54。這一調節器可取幾種形式，這對熟悉控制系統的人將是清楚的。在它的最簡單的形式中，它可以是經仔細選擇的固定增益的比例控制器。一較好的解決辦法是使用一最小化的控制器，它將主動尋找當Δt值變化時波紋的最小值。一般來說，對電流和佔空度的所有的值達到零波紋是不可能的，但最小化控制器將尋找給出最小穩定誤差的條件。
調節器54的輸出傳遞到一限制方框56。重要的是Δt決不大於時鐘周期T的周期，對Δt施以擺動的限制以在控制迴路保持穩定性也是重要的。這兩個限制可通過限制方框56執行。代之圖10的計算方框49，限制方框56的輸出是方框42′的輸入。
圖12示出一跨接在DC連結上的電阻分壓器，它通過使用關係i＝Cdv/dt推算電容電流。在這一情形中，帶通濾波器類似地布置以通過在上面的斬波頻率和幾個諧波成分。再者，使用調節器54和限制器56為圖10中的變量延遲42′產生一控制信號。
可以使用其它測量電容波紋電流的裝置，例如，霍爾效應電流探測器或交流電流互感器。如果知道電容25的電阻抗，有可能通過測量跨接電容器的電壓波紋並使用關係式I＝Vripple/2πfrippleC去估計波紋電流，這裡fripple是波紋頻率，C是法拉第電容量。提供反饋信號的另一方法是利用該事實功率轉換器將典型地在現場具有換能器，以測量各個相繞組的電流。如果已知開關狀態(在功率轉換器中也能得到)，有可能計算出相繞組中的電流是否貢獻給從電容器中發出的電流(接通)或進入電容器的電流(斷開)。這可有效地用於再造電容波形的突出部分和給電流波紋減小控制器提供一信號。這一方法的特別的優點是供電電路中需要更少的元件，並且出現的波形來自相對高質的電流換能器，並且其中應該有很少的噪音，尤其是出自整流器和基本的相轉換的任意的低頻成分。這一實行方案可能最適於基於微處理或基於ASIC的有快速數字計算能力的系統。
雖然已參照驅動操作模式描述了上面的實施方案，本發明同樣適於發電操作模式，並引起電容電流波紋的同樣的減小。
技術人員將意識到，在不背離本發明的情況下，變更公開的配置是可能的。從而，通過實例作出幾個實施方案的以上的描述，不是為限制性目的。技術人員將會清楚，可以對這些配置作出微小的更改，對上面描述的操作沒有大的改變。想把本發明僅由權利要求的精神和範圍所限制。
權利要求
1.一多相轉換磁阻機器的控制器，包括根據要求的輸入產生第一和第二斬波信號的裝置，該第一和第二信號用於依次激發該機器的第一和第二相，以及當兩相同時激發時，相對於用於第一相的斬波信號相移用於第二相的第二斬波信號的裝置。
2.根據權利要求1的控制器，包括時鐘裝置、延遲裝置和選擇裝置，斬波信號來自時鐘信號輸出並可在時鐘信號輸出和來自延遲裝置的延遲的時鐘信號輸出之間轉換，配置選擇裝置以在時鐘信號輸出和延遲的時鐘信號輸出之間進行選擇，用於相移一個相的斬波信號。
3.根據權利要求2的控制器，包括一查尋裝置，該裝置存儲機器的一個或多個監控參數變化的延遲值，可操作以根據來自查尋裝置的輸出而改變相移的相移裝置，該輸出對應於基於監控參數的延遲值，由此設定一斬波信號相對於其它斬波信號的相移。
4.根據權利要求2的控制器，包括基於機器的一個或多個參數設立延遲值的計算裝置，該計算裝置可操作以給延遲裝置輸出延遲值，以設定延遲的電流斬波信號的相移。
5.根據權利要求3或4的控制器，其中機器的監控參數選自一個組，該組包括要求電流，相電流幅度，相電流佔空度，轉子角度和機器速度。
6.根據權利要求4的控制器，其中該或其中一個監控參數是機器的DC連結中的電流波紋。
7.根據權利要求6的控制器，包括一配置以產生控制輸出的調節器，用於計算來自控制參數的電流波紋，相移裝置根據調節器的輸出而變化，用於對一相設定斬波信號的相移，以減小DC連結中的電流波紋。
8.根據權利要求7的控制器，包括一為調節器產生電流波紋信號的帶通濾波器，該信號來自DC連結中的電流波紋。
9.根據權利要求7或8的控制器，其中調節器產生一比例控制輸出。
10.根據權利要求7，8，9中任一個的控制器，進一步包括一限制器，用於對第二電流斬波信號的相移的預置的最大值限制控制輸出。
11.一轉換磁阻驅動系統，包括在權利要求1到10中任一權利要求中要求的控制器。
12.在多相轉換磁阻驅動器的DC連結中減小電流波紋的方法，包括根據要求的輸入，產生依次激發電機第一和第二相的第一和第二斬波信號；和當兩相同時激發時，相對於第一相的斬波信號相移第二相的第二斬波信號。
13.根據權利要求12的方法，其中，當兩相同時激發時，通過在至少第一和第二斬波信號間選擇，對一相實行相移。
14.根據權利要求12或13的方法，包括存儲和驅動器的至少一監控參數相聯繫的延遲值；和根據存儲的延遲值設置第二斬波信號的相移。
15.根據權利要求12或13的方法，包括計算來自驅動器的至少一監控參數的相移值；和根據計算值設置第二斬波信號的相移。
16.根據權利要求14或15的方法，其中驅動器的監控參數是要求的電流，相電流的幅度，相電流佔空度，轉子角度和機器速度。
17.根據權利要求14或15的方法，其中監控參數是驅動器中的DC連結中的電流波紋。
18.根據權利要求17的方法，包括自監控參數產生一控制輸出，用於計算電流波紋；並且根據控制輸出改變第二斬波信號的相移，去設置第二電流斬波信號的相移以減小DC連結中的電流波紋。
19.根據權利要求17或18的方法，其中指示電流波紋的信號被帶通濾波。
全文摘要
一開關磁阻驅動器由一功率電源供電且有一DC連結電容器。該機器的相位由電流斬波控制器控制,在相傳導重疊期間,該控制器控制第二相中斬波的啟動,以便最小化從電容器抽取的電流,從而使電容器的額定值減小。
文檔編號H02P25/08GK1356765SQ0113941
公開日2002年7月3日 申請日期2001年11月23日 優先權日2000年11月24日
發明者麥可·詹姆斯·特納, 查爾斯·理察·埃略特 申請人:開關磁阻驅動有限公司