可變電壓補償的製作方法
2023-05-03 05:35:51 1
專利名稱：可變電壓補償的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及電力驅動系統中的直流鏈路電壓偏差的補償方法和裝置。特別的，本發明涉及開關磁阻驅動器的運行方式，該開關磁阻驅動器能周期地讀取與某一直流鏈路電壓相對應的一個值，調節一速度指示信號用於補償在直流鏈路中出現的電壓變化。補償速度信號被送至一控制器中，在該控制器中，對開關磁阻驅動器線圈中的能量變化做補償。
開關磁阻電動機在電動機的活動部分(稱轉子)一般沒有繞組或永磁鐵。大多數開關磁阻電動機的靜止部分(稱定子)包括在定子的磁極上纏繞的線圈，其中通有單向電流。在其中一種類型的開關磁阻電動機中，繞在相對定子磁極上的線圈以串聯或並聯的方式連接以形成實際上是多相的開關磁阻電動機的單向繞組。按事先確定的，即與轉子角位置相同步的順序，對每項繞組加電壓產生運動力矩，這樣當定子和轉子的磁極相接近時就能產生相互吸引的電磁力。同樣的，當定子和轉子的磁極分開時的周期的某段時間裡設置脈衝電壓，也可產生作用力。在典型的操作方式中，每次當開關磁阻電機相繞組被激勵時，通過相繞組產生磁通量，從而在轉子磁極上產生引力。
圖1示意性地示出了現有技術中一典型的驅動裝置，用於驅動負載19。其中包括一直流電源11，可以是電池或是整流並濾波的交流電源。電源11經一直流鏈路，以線10所示，輸出直流電壓。電源轉換器13在電子控制單元14的控制下在電動機12的相繞組16之間進行切換。電流傳感器18用於向控制器提供電流反饋信號。在本申請中，向開關磁阻電機中輸出的直流電壓(或來自一電池，整流器或其它)被稱為「直流鏈路電壓」。
為保證驅動器正常工作，切換應與轉子的旋轉角準確地保持同步。開關磁阻電機的性能在一定程度上取決於與轉子位置相關的相激勵的精確定時。對轉子位置的檢測通常通過傳感器15獲得，如圖1所示，例如通過安裝在電機轉子上的旋轉齒狀盤，與安裝在定子上的光學傳感器或磁性傳感器相配合。產生能指示出轉子相對於定子的位置的脈衝序列並將其輸出給控制電路14，用於產生精確的相激勵。
為維持開關磁阻電機產生的速度和相關轉矩，有必要精確控制電壓作用在相繞組上的時刻。然而，在交流電壓輸出中出現的變化以及在驅動系統工作的電力環境中出現的變化，都會造成直流鏈路電壓隨時間的變化而變化。由於電源電壓的明顯變化，因此以忽略電源電壓變化的控制方法可明顯減弱用戶所要求的對電機的控制能力。這是因為，由相繞組產生的磁通量直接與所施加的電壓有關。因此，電源電壓中的變化就可導致相繞組產生的磁通量多於或少於所希望得到的磁通量。電動機中，磁通量的這種不希望的變化會導致性能的降低。
在眾所周知的開關磁阻驅動器中，電動機的速度，所需的轉矩和在對相繞組加電壓的時間之間的相互關係可通過一被稱為是特性化的處理過程憑經驗確定，其中，電動機的操作參數是在很寬的工作條件下確定。之後，這些操作參數被存儲在一個被稱為控制規則表的模擬或數字電路中。
典型地，數字控制規則表只是某種類型存儲器中的一系列存儲位置，其中每個存儲對應於控制圖上的一個點。對於此點，典型系統存儲有適用於該工作點的啟動角、關閉角和可能的自由旋轉角。這些參數可存儲在表中的相鄰位置上。或者，該表可進一步劃分並被認為是由一系列的子表組成，每個子表中的值對應於其中一個參數。
控制規則表的一個例子如圖2所示。在這個例子中，轉矩在任意速度上被離散成128個值，即，在任一個選定的速度上，該速度的100％的轉矩對應於第128個存儲位置，50％的轉矩對應於第64個存儲位置，等等。類似的，該速度也被離散，在本例子中，速度被離散為256個值。表中的每個位置上存儲了用於使電機產生相應速度和轉矩的控制的多個參數A。如上所述，參數A中的每個或是一系列控制參數或是單個的控制參數，並且表中的每個位置還包含有一可指向其他表格的指針，用於搜尋其他的參數。也可以使用在現有技術中已知的用於存儲數據的其他方法，如16×16位置的稀疏矩陣以及一些用於實時確定適當參數值的插值方法。
圖3和圖4是對應於控制規則表的控制圖的例子。其中，水平軸代表速度值，最大到256個單位，該值是驅動器所能達到的最大速度。實線代表在任意速度上可得到的最大轉矩值。圖上任意一點對應於控制規則表上的一個位置，在該位置中，包含有在該點操作所需的參數。圖3的例子示出了一個具有相對恆定轉矩輸出的系統，而圖4的例子示出了轉矩輸出隨速度明顯變化的系統。
在驅動器工作過程中，控制系統向控制規則表輸入表徵電動機速度的信號和所需要的轉矩，以尋找出適合此操作狀態的觸發角。這些觸發角用於對切換進行控制，進而實現對相繞組激勵的控制。採用具有控制規則表的電動機控制器已被廣泛熟知，在此不再詳細描述。
為最小化特性化的處理過程的工作量，通常的做法是在該過程中保持直流鏈路電壓恆定。考慮到當把驅動系統安裝於一工作環境中時，直流鏈路電壓的變化較有代表性，因此，特性化常是在假設直流電壓處於最低期望值時獲得的。換句話說，特性化是在假設直流鏈路電壓工作在最差的情況下獲得的。這種類型的特性化在一定程度上是不合乎需要的，因為其是在假定最壞的場合下(而這種假定場合是很少發生的)而不是在所需要的最佳直流鏈路值的情況下做出的對開關磁阻驅動器的特性化，而驅動效率在所需最佳鏈路值的情況下將達到最高。此外，工作電壓的增加會導致所得轉矩和電流的增加，從而導致驅動器的零部件過熱或失效。對於有些驅動器，可在其處於最佳直流鏈路電壓時進行特性化，但對於此類驅動器，必須在運轉過程中對直流鏈路電壓發生的變化給予補償，否則驅動器性能會減弱，特別是在低電源電壓情況下。
一些開關磁阻驅動器使用模擬系統對直流鏈路電壓的變化進行補償。總的來說，這些系統是通過調節輸入到控制規則表中的速度信號來對直流鏈路電壓變化進行補償的，因此輸入到控制器中的速度信號不是電動機的實際速度而是由代表直流鏈路電壓的一個信號對實際速度信號進行修正而得到的一個修正速度信號。有些驅動裝置採用一些數字方法對電壓變化進行補償。例如，在美國專利US 5724477(Webster等)中(其已轉讓給本申請人，在此引述作為參考)，公開了一種直流鏈路補償方法，其通過一模數轉換器ADC對直流鏈路電壓進行數字採樣來檢測電壓的變化。
圖5是Webster提出的開關磁阻驅動器的模型，其中通過ADC17對直流鏈路電壓進行採樣，採樣電壓反饋給控制中14，在控制器14中，特性化電壓與測量的工作電壓之間的比率用於修正實際轉子速度以產生一補償速度參數，用此補償速度參數對控制規則表進行詢問，這意味著與所測得的直流鏈路電壓10相反地調節補償速度信號。舉例來說，直流鏈路電壓的增加會得到一較小的估計補償速度信號，而當直流鏈路電壓降低時則會得到一較大的估計補償速度信號。補償速度信號進而被控制器14使用，作為控制規則表的索引並用於選擇適當的觸發角。
作為Webster所提方法的一個應用實例，假設特性化的處理過程是在直流鏈路電壓為560V時完成的，並且驅動器一直以227單位表示的速度工作在538V電壓上，之後對速度信號進行線形換算，[即(560/538)×227]，獲得236單位的補償速度。該補償速度用於詢問控制規則表以獲得何種轉矩水平是所需的。在這個例子中，電壓變化相對較小，(大約是4％的特性化電壓)。如果轉矩/速度曲線在工作區內相對平坦，如圖3所示，綜合這些因素可知，實際速度和補償速度之間的轉矩變化也小。舉例來說，如果所需轉矩為80％(那麼使用存儲位置為80/100×128＝102中的觸發角)，在該補償速度上的存儲位置102中觸發角所對應的轉矩值將非常接近於80％，以致於其之間的差距可以忽略不計。相比之下，如果轉矩速度曲線的斜率大，如圖4所示，則在該補償速度對應於存儲位置中的轉矩值會極大地區別於未補償速度時的轉矩值。圖4示出了在電壓變化40％時在轉矩上出現的誤差。這使得現有技術中補償方法在很多場合下是不適合的。
以上所描述的系統在有限範圍的電壓變化情況下能正常工作取決於轉矩/速度曲線的形狀，但當遇到電壓的廣泛變化時，上述系統不能給出好的性能。此類情形常尤其出現在那些不能與公共設施相連的系統但電壓變化又常超過50％的系統中，如航空，海運或機動環境。儘管，這些變化可以通過對系統在不同電壓值時進行特性化處理來局部改善，但這個方法耗時，需要控制系統有相當大的存儲空間，使得讀取控制規則表更困難，最多只能對特定電壓進行精確補償。
隨附的獨立權利要求是對本發明的限定。從屬權利要求是對本發明的其他一些優選特徵的描述。
具體實施例方式
附圖5的裝置用於實現電壓補償的改進方法。示出了一開關磁阻電機12，用於驅動負載19。電壓源11給驅動器供電，其可以是一直流電源，也可以是整流交流電源。直流鏈路以連線10代表，並通過切換裝置13切換到在開關磁阻電機12的相繞組16，控制器14確定轉換裝置13上的觸發角。還包括一轉子位置傳感器15(RPT)，響應於通過隨開關磁阻電機12的轉子一同旋轉的一個元件，用於產生代表轉子位置的轉子位置傳感器輸出信號。可知，位置信息可以通過各種方法得到，如採用對電動機的電流、電壓和/或電感進行估計該信息的軟體算法。相繞組中的電流一傳統類型的電流傳感器18測得，並輸出適當的信號給控制系統14。
與直流鏈路電壓相連的是一模擬數字轉換器(ADC)17，其對直流鏈路電壓10採樣，之後將採信號轉化為能代表直流鏈路電壓的電壓幅度的數字輸出。ADC將該數據輸入到控制系統14。在一實施例中，ADC輸出包括8個數據比特，可代表256不同電壓值。
通過在給定時間周期內監測轉子位置的變化，可以確定電機12的速度。控制器14接收轉子位置傳感器輸出信號並產生對應於轉子實際旋轉速度的實際速度信號。這種速度測量塊的結構對領域的技術人員是顯而易見的，並取決於特定轉子位置傳感器的選擇。電動機控制領域的技術人員知道實際速度信號可以傳統方式用於電動機控制的其它方面(在此不做詳述)。
在控制器14中有一數字微控制器，其可以是一個來自Motorola的MC68HC11系列的微控制器，用於實現該改進的直流鏈路電壓補償方法。同樣的微控制器可用於實現電動機控制器14的其它控制功能。這樣做的優點在於對直流鏈路電壓的補償的同時，無須明顯增加實現電動機控制器14所需的額外電路。
電動機的控制通過一補償速度信號和一改進的換算方法來完成，該補償速度信號用於確定來自一控制規則表的電機操作參數，而該改進的換算方法包括將換算速度以確定補償速度並在該補償速度下換算轉矩以恢復原來所需的轉矩。有大量的方法可以用來實現這一目的。所有這些方法中，第一個步驟是使用ADC17周期地讀取代表直流鏈路電壓的信號和實際轉子速度。每個讀入值被轉換為數字表達形式用於隨後的處理過程。在實際工作中，在一預先設定的時間周期內，對直流鏈路電壓和轉子速度中的每個進行多次檢測然後取其在該時間段中的均值。採取這種方式，系統不會對測量電壓或轉子速度中出現的較小波動而對於敏感。
在第一個例子中，速度和轉矩均可通過下面的比率進行換算Vc/Va其中Vc是特性化電壓，Va是通過ADC17採樣獲得的實際工作電壓。
為實現這一方法，微處理器中的軟體計算Vc/Va的比率，然後將計算結果與實際速度信號和實際轉矩需求相乘，獲得補償速度和補償轉矩值。之後，這些補償值被用來對控制規則表進行詢問以確定操作參數。一旦該步驟完成，這些選定的操作參數將有選擇地用將直流鏈路電壓加到定子繞組中。該簡化的方法在很多場合下都很有效，並特別適合於具有恆定電源特性的驅動器中。
當轉矩/速度曲線具有特殊形狀時，上述描述的第一方法將不適用。為了在此種情況下獲得良好的性能，應對用作索引控制規則表的轉矩值進行重新設定以使重新設定的值更接近於沒有補償速度時的實際轉矩需求。在實際操作中，這一步驟是通過重新定義控制規則表中轉矩值的位來實現的，即，使重新定義的轉矩值位置上的轉矩值更接近於在未有補償速度時的轉矩需求。這一做法的優點在於，不論驅動器的轉矩/速度曲線的形狀如何，都能得到正確的補償。應當注意，補償速度採取與第一個例子相同的計算方法，即用實際速度乘以Vc/Va。
然而，該方法需要知道在每個速度時刻上代表100％轉矩需求的轉矩絕對值。該信息可以附加線的形式存儲在控制規則表中或採用其它適宜存儲的方法存儲。這允許要選擇的補償速度值處的轉矩位置數大致對應於工作在實際速度時的轉矩需求的絕對值。在實際工作中，轉矩需求值在控制規則表中是線性分布的，因此補償速度所對應的位置數可通過下式給出
Lc＝|Lu*TMu/TMc|其中，Lc是對應於補償速度上的補償轉矩需求的位置數，Lu是對應於未補償速度上的實際轉矩需求的位置數，TMu是在未補償速度時的最大轉矩需求，TMc是在補償速度時的最大轉矩需求。
補償速度和轉矩需求值進而被用於對控制規則表進行詢問，以確定所需的操作參數。一旦獲得操作參數，這些操作參數將有選擇地用於將直流鏈路電壓加到定子繞組中。
在以上兩個例子中，控制器在考慮到所需轉矩水平的情況下，採用了一種新的方法來選擇用於補償直流鏈路電壓變化時所需的正確操作參數。該方法通過一補償轉矩值和一補償速度值來實現以提供對直流鏈路電壓中出現的波動進行補償的改進方法。這是有利的。
總的來說，系統進行特性化所選的電壓可在系統工作範圍內任何地點進行選擇。但應當知道，當實際工作電壓高於特性化電壓時，補償速度總是低於實際速度(參考附圖4)。同樣的，如果工作電壓低於特性化電壓，補償速度將高於實際速度。在這種情況下，當實際速度接近於最大工作速度時，有可能不會有足夠的數據可以利用來得到補償速度值，這取決於特性化電壓和工作電壓之差。除非，在實際操作中，有其它額外的數據能被用來獲得超過最大速度的補償速度值，否則最大補償速度值應限於最大速度。因此，優選地，驅動器應工作在最低工作電壓上，這樣，補償速度就不會超過實際速度，從而避免了沒有足夠特性化數據使用的情形出現。
在不脫離本發明的情況下，有經驗的人員應當知道對本發明公開的內容所做的改變有多種方法。因此，通過舉例的方法而對本發明幾個實施例的描述不以限制本發明為目的。有經驗的技術人員在對上述描述的方法不做明顯改變的情況下，可以很容易地對本發明步驟做些小的修改。本發明僅以下述權利要求範圍為限。
權利要求
1.一種在電力驅動系統中對實際直流鏈路電壓與一參考直流鏈路電壓的偏差進行補償的方法，所述的電力驅動系統包括一電機控制器，其根據轉矩需求信號控制電機，所述的電機包括一轉子和一帶有繞組的定子，在該電機工作的過程中，轉子以實際轉子速度旋轉，其中電機控制器有選擇地將實際直流鏈路電壓加到定子繞組中，該方法包括步驟對所述的實際直流鏈路電壓進行採樣；對所述的實際轉子速度進行採樣；根據實際直流鏈路電壓確定補償速度信號；根據實際直流鏈路電壓確定補償轉矩需求信號；以及根據所得到的補償速度和補償轉矩需求信號對施加在定子繞組上的實際直流鏈路電壓進行控制。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的確定補償速度信號的步驟包括產生一速度補償因子和對實際速度進行修正的步驟，例如，用實際速度與所述的速度補償因子相乘來實際速度進行修正。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於所述的速度補償因子對應於參考直流鏈路電壓和實際直流鏈路電壓之間的比率。
4.如前述權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於所述的確定補償轉矩需求信號的步驟包括產生一轉矩補償因子和對實際轉矩需求信號進行修正的步驟，例如，用實際轉矩需求信號與所述的轉矩補償因子相乘來對實際轉矩需求信號進行修正。
5.如權利要求4所述的方法，其特徵在於所述的轉矩補償因子對應於參考直流鏈路電壓與實際直流鏈路電壓之間的比率。
6.如權利要求4所述的方法，其特徵在於所述的轉矩補償因子取決於在未補償速度時所允許的最大轉矩需求和在補償速度時所允許的最大轉矩需求之間的比率。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於作為速度函數的電機的轉矩需求值被存儲在一控制規則表中，該控制規則表包括多個位置，表中的每個位置對應於預先確定的轉矩需求值，其中所述的通過轉矩補償因子對實際轉矩需求進行修正的步驟被通過轉矩補償因子對實際轉矩需求的控制表位置進行修正的步驟所代替，由此確定在補償速度時補償轉矩需求值的控制表位置。
8.一種在電力驅動系統中對實際直流鏈路電壓與一參考直流鏈路電壓的偏差進行補償的系統，所述的電力驅動系統包括一電機控制器，其根據速度信號控制電機，所述的電機包括一轉子和一帶有繞組的定子，在工作過程中，轉子以實際轉子速度旋轉，其中電機控制器有選擇地將實際直流鏈路電壓加到定子繞組中，該系統包括用於對所述的實際直流鏈路電壓進行採樣的裝置；用於對所述的實際轉子速度進行採樣的裝置；根據所述的實際直流鏈路電壓確定補償速度信號的裝置；根據所述的實際直流鏈路電壓確定補償轉矩需求信號的裝置；用於將所述的補償速度信號和所述的補償轉矩需求信號發送到電機控制器的裝置；和使用所述的補償速度信號和轉矩需求信號控制施加於定子繞組上的直流鏈路電壓的裝置。
9.如權利要求8所述的系統，其特徵在於所述的確定補償速度信號的裝置包括產生一速度補償因子的和通過所述的速度補償因子對實際速度進行修正的裝置。
10.如權利要求9所述的系統，其特徵在於所述的速度補償因子對應於參考直流鏈路電壓和實際直流鏈路電壓之間的比率。
11.如權利要求8-10中任一項所述的系統，其特徵在於所述的確定補償轉矩需求信號的裝置包括產生一轉矩補償因子的裝置和對實際轉矩需求進行修正的裝置，如採用將實際轉矩需求與所述的轉矩補償因子相乘。
12.如權利要求11所述的系統，其特徵在於所述的轉矩補償因子對應於參考直流鏈路電壓和實際直流鏈路電壓之間的比率。
13.如權利要求11所述的系統，其特徵在於所述的轉矩補償因子取決於在未補償速度時的轉矩需求的最大值和在補償速度時的轉矩需求的最大值之間的比率。
14.如權利要求13所述的系統，其特徵在於還包括將作為速度的函數的電機的轉矩需求值存儲在一控制規則表中的裝置，該控制規則表包括多個位置，表中的每個位置對應於預先設定的轉矩需求值，其中所述的通過轉矩補償因子對實際轉矩需求進行修正的裝置可通過用轉矩補償因子對實際轉矩需求的控制表位置進行修正，由此在補償速度時確定對補償轉矩需求值的控制表位置。
15.優選在計算機可讀取介質中的電腦程式，用於在電力驅動系統中對實際直流鏈路電壓與一參考直流鏈路電壓的偏差進行補償的系統中，所述的電力驅動系統包括一電機控制器，其根據速度信號控制電機，所述的電機包括一轉子和一帶有繞組的定子，在工作過程中，轉子以實際轉子速度旋轉，其中電機控制器有選擇地將實際直流鏈路電壓加到定子繞組中，該電機進一步包括對實際直流鏈路電壓進行採樣的裝置和對實際轉子速度進行採樣的裝置，其中電腦程式包含下述指令根據所述的實際直流鏈路電壓確定補償速度信號；根據所述的實際直流鏈路電壓確定補償轉矩需求信號；和根據所述的補償速度和轉矩需求信號控制施加於定子繞組上的直流鏈路電壓。
16.如權利要求15所述的電腦程式，其特徵在於確定補償速度信號的指令包含產生一速度補償因子的指令和通過所述的速度補償因子對實際速度進行修正的指令。
17.如權利要求16所述的電腦程式，其特徵在於速度補償因子對應於參考直流鏈路電壓和實際直流鏈路電壓之間的比率。
18.如權利要求15-17中任一項所述的電腦程式，其特徵在於所述的確定補償轉矩需求信號的指令包括產生一轉矩補償因子的指令和對實際轉矩進行修正的指令，優選採用將實際轉矩與所述的轉矩補償因子相乘。
19.如權利要求18所述的電腦程式，其特徵在於所述的轉矩補償因子對應於參考直流鏈路電壓和實際直流鏈路電壓之間的比率。
20.如權利要求18所述的電腦程式，其特徵在於所述的轉矩補償因子取決於在未補償速度時的轉矩需求的最大值和在補償速度時的轉矩需求的最大值之間的比率。
21.如權利要求20所述的電腦程式，其特徵在於作為速度的函數的電機的轉矩需求值被存儲在一控制規則表中，該控制規則表包括多個位置，表中的每個位置對應於預先確定的轉矩需求值，其中通過轉矩補償因子對實際轉矩需求進行修正的指令而是可操作的以通過轉矩補償因子對實際轉矩需求的控制表位置進行修正，由此在補償速度時確定對補償轉矩需求值的控制表位置。
全文摘要
本發明涉及可變電壓補償,其中一開關磁阻驅動器由一電壓源供電,該電壓源與確定的用於驅動器控制規則的電壓不同。控制系統通過同時對速度和轉矩值進行修正來對上述不同進行補償,其中速度和轉矩值被用來確定驅動所要求的負載的正確觸發角。該系統可工作於出現有較寬電壓變化範圍的環境中並與驅動器的轉矩/速度曲線的形狀無關。
文檔編號H02P25/08GK1374750SQ0210684
公開日2002年10月16日 申請日期2002年3月6日 優先權日2001年3月6日
發明者米切爾·L·麥克萊蘭德, 喬納森·R·奎恩 申請人:開關磁阻驅動有限公司