一种确保从马达中的转子位置传感器接收到的传感器信号的合法性的系统和方法

摘要

本发明公开了一种用于确保从马达的转子位置传感器接收到的传感器信号的合法性的系统和方法，包括：查询传感器以确定传感器信号的第一状态，通过对多个第一时间常数求和确定出第一时间延迟，以及启动第一时间延迟。还包括：重新查询传感器以确定传感器信号的第二状态，通过对多个第二时间常数求和以确定第二时间延迟，如果传感器信号的第二状态和传感器信号的第一状态相同则启动第二延迟，重新查询传感器以确定传感器信号的第三状态；并且，如果传感器信号的第三状态和传感器信号的第一、第二状态相同，就认为传感器信号为合法的信号。

说明书

技术领域

本发明一般地涉及一种开关磁阻马达，更具体地说，是涉及一种确保从马达中的光传感组件接收到的传感信号的合法性的系统和方法。

背景技术

开关磁阻马达(switched reluctance motor)是一种包括转子和定子的马达。磁阻马达中的转矩是由转子移动到相对于定子的特定位置的趋势产生的，该位置使得磁路的磁阻最小，即，使得被激励定子绕组的电感最大。在开关磁阻马达里，设置有用于检测转子角位置，以及由此根据转子位置激励定子绕组各相(phase)的电路。

开关磁阻马达为在定子和转子上均设有磁极的双凸极马达，其中只在定子磁极上设有绕组。开关磁阻马达的转子不包括换向器、永磁体或者绕组。开关磁阻马达具有多种用途，包括例如真空清洁器。

可以通过以预定的顺序对与某个相相关的定子磁极的绕组进行激励或者施加电流而产生转矩。定子绕组的激励一般与转子的旋转位置同步。磁吸引力产生于转子磁极和与某个相相关的被激励定子磁极之间，从而使得转子磁极向对准被激励定子磁极的位置移动。

在一般的运转过程中，每当开关磁阻马达的定子绕组被激励的时候，磁通量从与某个相相关的被激励定子磁极，经由定子磁极和转子磁极之间的气隙，然后流通到转子磁极。转子磁极和定子磁极之间的气隙中产生的磁通量在该气隙中产生磁场，该磁场使得转子磁极向对准与某个相相关的被激励定子磁极的位置移动，从而产生转矩。磁通的大小，以及开关磁阻马达产生的转矩的大小决定于很多变量，举例而言，例如转子磁极和定子磁极的材料的磁属性，转子磁极和定子磁极之间的气隙长度。

产生的磁通可以分为生成转矩的主磁通量以及泄漏磁通量。主磁通量是流经转子磁极和被激发定子磁极的磁通量。主磁通量产生在转子上产生转矩，该转矩趋向于将磁通量流经的转子磁极和被激发定子磁极对准。开关磁阻马达里面的泄漏磁通量是不希望的，因为它直接减小转矩的生成。更具体地，泄漏磁通量使得马达产生一个和转子旋转方向相反的转矩，也即制动转矩。众所周知，更改转子极面可能影响开关磁阻马达中的转矩生成。

传统的开关磁阻马达采用微控制器控制马达工作的各个方面。一个普遍的问题是，由马达的机械和机电功能产生的噪声，在马达的电子线路中会产生不期望的噪声。光学转子位置传感组件是噪声问题尤其成为问题的一个地方。噪声在这里是特别不期望的，因为它可能错误地触发施加于某个相绕组的电力的换向。因为噪声很难消除，所以有必要确保从光传感器组件接收到的传感信号的准确性和合法性。采用最少化对微控制器中存储寄存器的使用的方式来实现上述目标也是由帮助的。

附图说明

本发明由实例而不是附图中的限制图示，在附图中相似的标记指示相似的元件，并且在附图中：

图1为包括定子和转子的开关磁阻马达的透视图；

图2为图1所示的马达的截面图；

图3为图1所示的马达的定子铁心的剖视图；

图4为与图1所示的马达的定子相关的多个绕线管的透视图，其中所述绕线管包括位于多个绕线管中的每一个的上部的多个导线保持器；

图5为所述马达的上壳体单元的俯视图，所述马达包括用于承接定子的多个绕线管中的每一个的上部的多个第二安装元件；

图6为图5所示的多个第二安装元件中的一个的放大透视图；

图7为定子和上壳体单元在装配之前的分解透视图；

图8为装配后的安装于上壳体单元的定子的透视图；

图9为图1所示的马达的转子的视图；

图10为置于定子铁心内部区域中的图1所示的马达转子的剖视图；

图11为现有技术的靠近定子磁极的转子磁极的局部放大视图；

图12为图1所示的马达的靠近定子磁极的转子磁极的局部放大视图；

图13A-13B为图1所示的马达的转子磁极在其以顺时针方向靠近定子磁极时的局部视图；

图14为图1所示的马达的下壳体单元的俯视图，根据一个实施例，所述下壳体单元包括用于承接所述定子的多个绕线管中的每一个的下部的多个第一安装元件；

图15为安装于下壳体单元的图1所示的马达的定子的俯透视图；

图16为安装于下壳体单元的图1所示的马达的定子和转子的俯视图；

图17为绝缘构件的透视图，根据另一个实施例，该绝缘构件包括用于承接定子的多个绕线管中的每一个的下部的多个第一安装元件；

图18为图17所示的绝缘构件的俯视图；

图19为图17所示的绝缘构件的仰视图；

图20为图17所示的绝缘构件的侧视图；

图21为图1所示的马达的多个绕线管中的一个的透视图，该绕线管置于图17所示的绝缘构件的多个第一安装元件中的一个内；

图22示出用于开关磁阻马达的控制电路的方框图；

图23示出对应于图22所示的方框图的控制电路的电路图；

图24示出用于图22所示的控制电路的光传感组件的电路图；

图25示出用于图22所示的控制电路的电压调节器的电路图；

图26示出使用图22所示的控制电路来操纵无刷马达的流程图；

图27A和27B示出用来对向定子绕组提供的电力的开关和换向进行同步的一些步骤；

图28示出开关磁阻马达在开始的1.5转时的低速模式中的启动波形；

图29还示出低速模式例行程序下的多个波形；

图30和31示出高速模式例行程序下的波形；

图32示出用于确保接收自开关磁阻马达中转子位置传感器的信号的合法性的某些步骤；

图33示出从开关磁阻马达中的转子位置传感器接收到的三个波形。

具体实施方式

参见图1-2，开关磁阻马达10可以构造为多个子组件的封装或者单元，每个子组件可以单独预装配，然后在制造过程期间再组装到一起。更具体地说，马达10可以包括：上壳体单元12、下壳体单元13、定子14、转子16、驱动组件18、第一端盖20以及第二端盖22。上壳体单元12和下壳体单元13均可以为环形形状，其中第一端盖20和上壳体单元12相连接，第二端盖22和下壳体单元13相连接。如图1-2所示，上壳体单元12、下壳体单元13、定子14、转子16、驱动组件18、第一端盖20和第二端盖22中的每一个都可以被组装成单一的封装或者单元。

上壳体单元12可包括多个孔24，其用于承接多个紧固件26，从而在装配期间将上壳体单元12固定到定子14。但是可以理解的是，上壳体单元12可以采用任何其它合适的方式固定于定子14，举例而言，例如通过夹具、安装支架/凸缘，或者类似。

参见图3，定子14可以构造为正方形结构，在定子14的四个角处设有斜置部分或者斜切部分27。但是可以理解的是，定子14还可以具有其它的结构，举例而言，例如圆形结构、椭圆形结构、矩形结构，或者类似。

定子14包括一定子铁心(stator core)28、多个等间隔的定子磁极30以及置于定子铁心28上的定子绕组32(图7-8和10)。定子铁心28包括限定中心孔34的内表面。定子铁心28可以通过由诸如钢的铁磁性材料制成的多个叠片或者叠片结构而模压或形成。在定子铁心28中可使用叠片来控制涡流，从而避免定子铁心28过热。定子叠片结构可以以传统的方式叠放并被布置成背对背的结构。

如图3所示，多个等间隔的定子磁极30围绕定子铁心28沿着周界路径布置。可以理解的是，定子磁极30和定子铁心28可以作为一个整体部件形成。在如图3所示的实施例中，定子14包括从定子铁心28朝着中心孔34向内凸出并且沿着周界间隔开的四个定子磁极30a、30b、30c和30d。定子磁极30a-d可以协作以限定向内开口的槽36，每个所述开口槽36在定子绕制操作期间承接导线线圈。每个定子磁极30a-d包括在其向中心孔34突出的端部处的定子极面38。定子极面38可以大致为凸面形状。

定子绕组32是传统的并且例如可以为预绕制成线圈并置于绕线管39(图4)上的涂覆聚酯的导线或者磁性导线。

参见图4，可置于每个定子磁极30上的绕线管39包括前板40a和与前板40a间隔开的后板40b。前板40a和后板40b通过连接构件41连接在一起，从而限定延伸穿过绕线管39的开口42。在定子绕组操作期间，可以围绕多个绕线管39中的每一个的前板40a和后板40b之间的连接构件41来绕制定子绕组32。绕线管39用作定子绕组32和定子铁心28之间的绝缘屏障。然后，包括每定子磁极30大约95匝导线的每个预绕制的绕线管39围绕单独的定子磁极30而放置，从而使每个定子磁极30延伸穿过绕线管39的开口42，同时定子极面38与前板40a的外侧43齐平。结果，多个预绕制的绕线管39中的每一个的前板40a和后板40b的侧面均径向向外延伸进入定子14的槽36。

多个绕线管39中的每一个可以进一步包括位于多个绕线管39中的每一个的后板40b上部处的导线保持器44。如图4所示，每个导线保持器44可包括位于多个绕线管39中的每一个的后板40b上部对侧的叉状结构45。每个叉状结构45包括凹槽46，其用于在定子绕组操作期间，承接置于多个绕线管39的每一个上的定子绕组32的端48。

每个叉状结构45可进一步包括外部分50和置于外部分50之内的内部分52。外部分50可以由举例而言诸如塑料的非导电材料构成。可包括凹槽46的内部分52可以由举例而言诸如金属的导电材料构成。内部分52的导电材料用于在导电的内部分52和置于多个绕线管39中的每一个上的定子绕组38的端头48之间提供电连接。

参照图5-8，示出了马达10的上壳体单元12。上壳体单元12包括置于上壳体单元12的内部区域55中的多个上安装元件54。在装配期间，多个上安装元件54中的每一个与置于定子磁极30上的绕线管39的上部接合。多个上安装元件54用来紧固多个绕线管39中的每一个的上部，以防止其在马达运转期间移位。如图5所示，导线引线56a-d置于多个上安装元件54的每一个中，并通过连接端子57电连接在一起。更具体地说，导线引线56a通过连接端子57连接到导线引线56c。同样地，导线引线56b通过连接端子57连接到导线引线56d。如下面将更为详细讨论的，连接导线引线56a-d的方式使得当定子14在装配期间被安装于上壳体单元12时，置于定子磁极30a上的定子绕组32与置于定子磁极30c上的定子绕组32并联地电连接。同样地，当定子14在装配期间被安装于上壳体单元12时，置于定子磁极30b上的定子绕组32与置于定子磁极30d上的定子绕组32并联地电连接。

参照图6，示出了多个上安装元件54的其中一个的放大透视图。如图6所示，图5中的每一个导线引线56置于上安装元件54的导体砧座58之中，并被牢固地固定于适当位置。导体砧座58在本领域中是众所周知的，所以在此不作进一步的讨论。

图7为定子14和上壳体单元12在装配前的分解透视图。如图7所示，当在装配期间将定子14安装到上壳体单元12时，与置于定子磁极30上的绕线管39相关的多个导线保持器44与多个上安装元件54相接合。更具体地说，当在装配期间将上壳体单元12安装到定子14上时，对于与置于每个定子磁极30上的绕线管39相关的每个导线保持器44，其所关联的叉状结构45适于匹配地与上壳体单元12的多个上安装元件54中的每一个接合。采用这种方式，与绕线管39的每个导线保持器44相关的叉状结构45与多个上安装元件54中的每一个接合，从而紧固绕线管39以防止其在马达运转期间移位，并且由此消除或者减少了在马达运转期间为使绕线管39固定在合适位置而对额外硬件的需要。

在上壳体单元12被安装到定子14之后，置于多个上安装元件54中的导线引线56a-d电连接到置于定子磁极30a-d上的定子绕组32。因为导线引线56a和导线引线56c并联地电连接，置于定子磁极30a上的定子绕组32和置于定子磁极30c上的定子绕组32并联地电连接，以形成一相。同样地，因为导线引线56b和导线引线56d并联地电连接，置于定子磁极30b上的定子绕组32和置于定子磁极30d上的定子绕组32并联地电连接，从而形成另外一相。图8为装配后的安装于定子14的上壳体单元12的透视图。

参见图9-10，转子16可包括转子铁心60和多个等间隔的叠片式转子磁极62。转子铁心60置于中心孔34内并与轴64相连(图1-2)。轴64通过轴承66安装，用于与定子14同心地旋转。轴64延伸穿过转子铁心60并与槽盘71相连接。如下文将更详尽论述的，当槽盘71旋转时，就可以确定转子16的角位置。轴64也连接到负载，例如真空清洁器(未示出)或者其它被驱动设备的扇页。转子铁心60可以由诸如钢的铁磁性材料制成的多个叠片或者叠片结构模压或形成。转子叠片结构可以采用传统的方法叠放在一起并被布置成背对背的结构。

如图9-10所示，多个转子磁极62沿着围绕转子铁心60的周界路径布置。转子磁极62从轴64径向地向外突出，以便于转子16在定子14的中心孔34中旋转。

公知的是，穿过马达10的被激励定子磁极30和转子磁极62之间的气隙而产生的磁通量，导致被激励定子磁极30和转子磁极62之间的吸引力。该吸引力的大小取决于许多变量，举例而言，例如，定子磁极30和转子磁极62的材料的电磁属性，以及被激励定子磁极30和转子磁极62之间的气隙的大小。进一步公知的是，随着由被激励定子磁极30和转子磁极62形成的磁路的磁阻(相当于电阻)减小，被激励定子磁极30和转子磁极62之间的吸引力增大。换句话说，与磁路的气隙相关的低磁导率属性代替了与转子铁心60相关的铁磁材料的高磁导率属性。通过减小被激励定子磁极30和转子磁极62之间的气隙尺寸而减小气隙的磁阻，接着，就可以增大了气隙中的磁通量密度，从而实现产生最优转矩的角度。此外，通过将气隙的一部分(即低磁导率介质)替换为钢(即高磁导率介质)，并保持磁场强度不变，就增加了被激励定子磁极30和转子磁极62之间的气隙的磁通量密度，这是基于以下方程：

B＝Hμ    (方程1)

其中，B为磁通量密度；

H为磁场强度；以及

μ为磁导率属性。

增加气隙中的磁通量密度(也即增大所述力)就增大了转子16的转矩，这是基于以下方程：

转矩＝力×离开轴线的距离    (方程2)

参照图11，示出了现有技术中转子74的转子极面72当其以顺时针方向接近定子磁极30时的局部放大视图。如图11所示，转子极面72可包括第一部分72a和相对于第一部分72a而径向向内形成台阶或者下陷的第二部分72b。在现有技术的转子74旋转期间，台阶状的第二部分72b就在现有技术的转子74的转子极面72和相应的与被激励定子磁极30相关联的定子极面38之间，形成不均匀的或者台阶状的气隙76。转子极面72的第二部分72b相对于第一部分72a的台阶状或者下陷特征，通过增大所期望旋转方向的转距，使得转子10易于沿着一个方向启动。可以理解的是，通过改变台阶状或者下陷部分的朝向，就可以使得马达10易于沿着相反方向启动。例如，如果第一部分72a相对于第二部分72b形成台阶或者下陷，马达10就朝着相反方向启动。

参照图12，示出了根据本公开的转子16的转子磁极62当其以顺时针方向接近定子磁极30时的局部放大视图。如图12所示，转子磁极62包括转子极面78，该转子极面78包括第一部分78a和相对于第一部分78a径向向内形成台阶状或者下陷的第二部分78b。在转子1 6旋转期间，转子极面78的台阶状的或者凹陷的第二部分78b，在转子极面78的第二部分78b和相应的与被激励定子磁极30相关的定子极面38之间，形成不均匀的或者台阶状的气隙。结果是，转子极面78的台阶状或者下陷的第二部分78b与定子极面38之间的气隙80大于转子极面78的第一部分78a和定子极面38之间的气隙80。

因为转子16趋向于朝向使气隙80最小并进而使电感最大的位置转动，因此在马达运转期间，转子极面78的第二部分78b与定子极面38之间的气隙80(大于转子极面78的第一部分78a与定子极面38之间的气隙80)确保了转子极面78的前缘总是被吸引到被激励定子磁极30。

此外，转子极面78的第二部分78b与定子极面38之间的气隙80(大于转子极面78的第一部分78a与定子极面3 8之间的气隙80)确保了转子16只沿一个方向旋转，即，转子16趋向于朝着台阶状或者下陷部分的方向旋转。例如，如果台阶状或者下陷部分位于转子极面78的右侧，转子16将趋向于向右或者沿顺时针方向旋转。另一方面，如果所述台阶状或者下陷部分位于转子极面78的左侧，转子16将趋向于向左或者沿逆时针方向旋转。

转子极面78和定子极面38中的每一个可以限定成弧形，并且转子极面78大约为定子极面38的两倍大。

根据本公开的一方面，凸起82位于转子极面78的第二部分78b的前缘，该凸起82离转子极面78的第一部分78a较远。凸起82使得转子磁极62的第二部分78b的边缘处用于磁通量流动的气隙80最小，从而优化了马达10的转矩特性。凸起82的构成材料和转子16的其余部分相同或者相似，并且凸起82包括第一侧面84和第二侧面86。凸起82的第一侧面84和第二侧面86中的每一个朝着凸起82的端点88渐缩。如图12所示，凸起82的端点88可以和转子极面78的第一部分78a的周界90相切。更具体地说，凸起82的第一侧面84可以朝向端点88渐缩，从而使第一侧面84略微凹进。作为选择地，凸起82的第一侧面84可朝向端点88渐缩，从而使第一侧面84呈大致的直线形。

参照图13A-13B，示出了图9中的转子16的转子磁极62在一个相位周期中处于多个角位置时的局部视图。更具体地说，图13A-13B表示当转子磁极62以箭头92所示的顺时针方向接近定子磁极30时，转子16的转子磁极62的局部视图。为了便于讨论，图13A-13B示出了定子磁极参照线93。

图13A表示处于相位周期起始点附近的转子16的位置。如图13A所示，在该位置处，位于转子极面78的第二部分78b边缘处的凸起82和定子极面38之间的气隙80，小于转子极面78的第二部分78b的其余部分与定子极面38之间的气隙。结果是，凸起82和定子极面38之间的气隙80处的磁通量密度在该位置处具有最大值，从而导致转子16沿箭头92所指的方向被拉向被激励定子磁极30。

磁通量寻求具有最小磁阻的路径。所以，由于转子磁极62由磁阻低于空气的铁磁性材料构成，因此磁通量流经转子磁极62和定子磁极30比流经气隙80更加容易。

图13B示出了，当转子16已经沿箭头92所指的方向旋转从而使凸起82的端点88对准定子磁极参照线93时，转子16的位置。在凸起82经过定子磁极参照线93之后，转子16将趋向于被拉向相反的旋转方向，即本实施例中的逆时针方向。但是，转子磁极78的第一部分78a产生的正电动转矩(positive motoring torque)抵消了这种沿相反旋转方向的拉动。因此，转子16继续被沿箭头92所指的方向拉向被激励定子磁极30。

参照图14，示出了马达10的下壳体单元13的俯视图。如上所述，下壳体单元13具有大致的圆形形状。但是可以理解的是，下壳体单元13可以呈其它形状，举例而言，例如矩形、正方形或者类似。下壳体单元13包括环形结构87以及多个下安装元件96。环形结构87位于下壳体单元13的内区域98中。如图14所示，环形结构87可沿着下壳体单元13的周界走行。

根据一个实施例，当定子14被安装到下壳体单元13时，多个下安装元件96的每一个接合一个绕线管39的底部。多个下安装元件96中的每一个用于紧固绕线管39的底部，以防止其在马达运转时移位。

图15为安装于下壳体单元13的定子14的俯视透视图。图16为安装于下壳体单元13的定子14的俯视图，定子14包括带有预绕制的定子绕组32的绕线管39。图16进一步示出了置于定子14的中心孔34中的转子16。

参照图17-21，示出了一个作为替代的实施例，其中示出了多个下安装元件96置于绝缘构件100之中。在本实施例中，绝缘构件100安装于下壳体单元13。如图所示，绝缘构件100包括环形的环状结构102，该环状结构102具有从其底侧延伸的支件104。但是可以理解的是，环状结构102还可以具有其它结构，举例而言，例如正方形结构、矩形结构之类。环状结构102的每一个支件104在装配期间接合与下壳体单元13相关联的插座(未示出)。装配后，每个下安装元件96接合绕线管39的底部，从而紧固绕线管39的底部以防止其在马达运转期间移位。

控制电路的运转

用于驱动马达10的驱动组件18包括控制电路500，下文中将在图22中对其予以进一步叙述。更具体地，图22图示了控制电路500的方框图，该控制电路500用于通过控制向定子绕组32的电力供给来控制马达10的运行。控制电路500包括将AC输入功率转换为未经调节的DC功率V1的整流器电路502，如下所述，该DC功率V1通过开关器件518馈入定子绕组32。该DC功率V1还被馈入降压电路504。所述降压电路通过光传感组件508向电压调节器电路506以及微控制器512提供未经调节的电压V2。

光传感组件508和随着转子16一起旋转的槽盘71协同工作，从而监控马达10的转速。光传感组件508产生被微控制器512用来测量转子16速度的转子位置信号。微控制器512包括一个或者多个熟知的部件，例如存储器、CPU、多个寄存器、多个计时器等等。

电压调节器506产生经过调节的输出电压V4，其被输入到控制开关器件518的开关器件驱动器514和516。开关器件518用于控制向定子绕组32输入的电压。开关器件518可以由多种电子开关机制实现，例如晶体管、晶闸管等。下文中，图23进一步详细地图示了采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)实现开关器件518。开关器件518接收来自于整流器电路502的功率V1，并且根据从开关器件驱动器514和516接收的控制信号向定子绕组32进行电力供给。开关器件518的控制定子绕组32的功能对本领域的技术人员是众所周知的。下文中，图23进一步详细地图示了控制电路500的不同部件，同时图25进一步详细地阐释了电压调节器506的运转。

虽然控制电路500接收120V的AC输入功率，但是在作为替代的实现中，也可以选择不同电平的输入功率。整流器电路502可以是将AC输入功率转换为未经调节的DC输出功率的任何一种常用类型的整流器电路，比如桥式整流器。

降压电路504是传统的，并可以采用一组降压电阻器、齐纳二极管和电容器来实现。降压电路504的输出V2连接到电压调节器506，并且通过光传感电路508连接到微控制器512。因为所述降压电路的输出V2是未经调节的，可以使用另外一个常见的电压调节器(未示出)将所述未经调节的电压V2转换为输入到微控制器512的经调节的电压。微控制器512可以采用多种微控制器集成电路中的任何一种实现，比如Z86型的集成电路。

电压调节器506产生15V的DC输出电压，用来驱动开关器件驱动器514和516。通过光传感组件508获得(source)降压电路504的输出。采用这种方式，流向光传感组件508的供给电流不直接消耗在降压电路504的降压电阻中。因此，光传感组件508还用作最终被输入到微控制器512的电流的导体。

图23图示了控制电路500的一个实现形式，其中开关器件518由IGBT562-568来实现。IGBT 562-568控制流过定子绕组32的第一相580和第二相582的电流。IGBT 562和564分别连接于第一相580和第二相582的高压端，并被称为高压侧IGBT，而IGBT 566和568分别连接于第一相580和第二相582的低压端，并被称为低压侧IGBT。IGBT 562-568各自接收来自于开关器件驱动器514和516的控制输入信号AHG、ALG、BLG和BHG。在采用IGBT 562-568实现开关器件518的控制电路的实现中，开关器件驱动器514和516可以通过采用多种众所周知的集成IGBT驱动电路中的一种来实现，比如International Rectifiers，Inc生产的IR2101S集成电路。

第一开关器件驱动器514产生高压侧输出AHG和低压侧输出ALG以驱动第一相580。更具体地说，高压侧输出AHG用来驱动高压侧IGBT 562，而低压侧输出ALG用来驱动低压侧IGBT 566。第二开关器件驱动器516产生高压侧输出BHG和低压侧输出BLG以驱动第二相582。更具体地说，高压侧输出BHG用来驱动高压侧IGBT 564，而低压侧输出BLG用来驱动低压侧IGBT 568。

在控制电路的实现形式中，控制IGBT 562-568的导通和截止的方式允许定子绕组32中由于定子绕组32的磁场衰减引起的电流有足够的时间释放掉。例如，对于第一相580来说，当IGBT 562截止时，IGBT 566仍然要保持足够时间期间的导通以允许第一相580中的磁场衰减引起的感应电流通过IGBT 566释放到地，而不是让IGBT 562和566同时截止。类似地，对于第二相582，当IGBT 564截止时，IGBT 568仍然要保持足够时间周期的导通以允许第二相582中的磁场衰减引起的感应电流通过IGBT 568释放到地而不是让IGBT 564和568同时截止。

输出526包含AC纹波，其优选在被施加到定子绕组32之前被滤波。因此，如图23所示，输出526的第一支路被施加于DC总线滤波网络560。滤波网络560包括二极管DS1、DS2、DS3以及电容器C1A和C1B。滤波网络560从输出功率526的第一支路的正电压和负电压返回支路滤出AC纹波。滤波网络560输出的经过滤波的作为结果的电压在负载情况下为120V，并且可以提供大约15安培的持续电流。

如图23所示，从滤波网络560输出的作为结果的DC总线电压被直接施加于系列开关(series switching)IGBT 562和564的集电极以及IGBT 566和568的发射极上。IGBT 562-568接收其各自的来自开关器件驱动器514和516的栅极输入。

图24图示光传感组件508的电路原理图，光传感组件508可以由传统的光传感器组件实现，比如Honeywell，Inc生产的Honeywell P/N HOA1887-011或者Optek，Inc生产的Optek P/N OPB830W11。光传感器组件508包括发光二极管(LED)602和硅光电晶体管604，其中LED602接收来自于降压电路504的DC输出电压。LED 602和光电晶体管604被放置于槽盘71的相反两侧，该槽盘71与转子16相连接并因此以转子16的转速旋转。

每次当槽盘71的边缘穿过LED 602和光电晶体管604之间的时候，光电晶体管604产生的信号就从一个电平或状态变化到另外一个电平或状态。从光电晶体管604输出的信号被输入到微控制器512。微控制器512基于计算出的周期计算转子16的速度和位置。利用转子每转动一周的时间周期来计算转子速度是很常见的，在此不作进一步的描述。

图25图示了电压调节器506的一个示例性的实现，在该图示中，电压调节器506采用Philips Semiconductor生产的集成电路TDA3661来实现，不过在作为替代的实现中，也可以采用其它类似的电压调节器。电压调节器506被供给的电压来自于降压电路504的输出。电压调节器506的输出电压可以通过由电阻器612和614组成的外部电阻分压器予以调节。

由于马达10的运行以及控制电路500的持续工作，控制电路500的温度非常可能大幅升高。为了避免对控制电路500及其上的各个部件的任何损坏，控制电路500设计有过热关断特性(thermal shutdown feature)。电压调节器506包括过热保护装置616，其测量电压调节器506的温度，并且当温度一旦达到诸如150℃的门限水平时就关断电压调节器506的输出电压。

为了利用电压调节器506的主动过热关断特性，采用一个圆形铜针将电压调节器506的衬底和控制电路500的电路板热连接。这样，电压调节器506的衬底密切地跟踪控制电路500的温度。IGBT 562-568能够在高达175℃的温度下工作。为了防止过热，它们被放置得使得它们可以被由马达10循环的空气所冷却。但是，如果由于某种原因，例如阻塞、壳体损坏等，流向IGBT 562-568的冷却空气丧失，则控制电路的温度就可能升高到150℃。在这种情况下，电压调节器506就将在过热保护装置616的作用下截止。一旦电压调节器506被热关断，给IGBT驱动器514和516的功率被关断，从而给定子绕组32的功率也被关断。但是，如下所述，给微控制器512的功率仍然保持导通。

图26的流程图650进一步阐释了在这种过热关断的情况下马达10的重启动。方框652和654表示由过热保护装置616对电压调节器506的衬底温度进行的持续监控。只要门限温度低于门限水平，过热保护装置616就不间断地监控该温度。

当检测到电压调节器506的衬底温度处于或者高于门限水平时，过热保护装置616就关断电压调节器506，进而关断马达10。一般来说，如果马达10的供电开关保持导通，则一旦过热保护装置616检测到电压调节器506的衬底温度低于门限时，马达10就可以不期望地重启动。但是，在本系统中，因为微控制器512从未关断，微控制器512将不会处于正确的启动模式，从而造成马达10的这种不期望的重启动。

为了防止马达10的这种不期望的重启动，微控制器512持续地监控马达10的速度，并且如果微控制器512检测到马达10的速度不期望地降低，就指示出现了过热关断，那么在方框658中，微控制器512产生一关断错误例行程序。接下来，在方框660中，微控制器512停止向开关器件驱动器提供输出信号。在方框662中，微控制器512产生故障诊断错误代码，以供马达10的制造商或者操作人员随后进行故障诊断。接下来，如方框664所示，直到马达10的整个运行进入下一循环，即马达10的开启/关闭开关先被关闭再被接通，微控制器512才重新启动。在方框666，一旦检测到马达10进入下一循环，微控制器512就以正常的启动模式恢复马达10的工作，这将在下文中予以进一步的详细描述。

马达代码的运行

传统的开关磁阻马达采用微控制器来控制提供给定子绕组的电力的换向，一旦电路上电，该马达都会执行同样的启动例行程序。但是，如果在马达正在高速旋转的时候切断马达电力，然后再快速返回上电状态(即，快速循环)，则执行同样的启动例行程序经常会损坏马达中的电气部件。典型地，如果在转速降低到门限转速之前，马达没有被允许惯性滑行一段时间，电路中的IGBT就非常容易损坏。下面将叙述一种运行重启动例行程序，该例行程序检测上述电力的快速循环，并允许转子惯性滑行直到转速降到低于门限速度，以防止损坏IGBT。

如前所述，开关磁阻马达的运行是基于转子16运动到这样一个位置的趋势，在该位置一个或多个被激励定子绕组32的电感最大。换句话说，转子16将趋向于朝着磁路最完整的位置运动。转子16没有换向器和绕组，仅仅由具有多个不同极性的极面的一叠电学钢片组成。但是，有必要知道转子的位置，以接下来用开关直流电(DC)激励子绕组32的各相，从而产生旋转和扭矩。

为了使马达10正确运转，开关动作应当准确地和转子16的旋转角度同步。开关磁阻马达的性能部分地取决于相位激励相对于转子位置的精确定时。在本实施例中，采用光传感组件或者光学断续器508形式的转子位置传感器来检测转子位置。

下面结合图27和32描述示例性系统的一种可能的工作方式，图27和32代表一个或者更多个计算机程序的多个部分或者例行程序。用于实现这些例行程序的软件的主要部分被存储到控制器5 12的一个或者多个存储器中，并且可以采用诸如C、C++、C#、Java等任何高级语言、或者任何低级的汇编或机器语言书写。通过将计算机程序部分存储于存储器中，存储器的各个部分在物理上和/或结构上根据计算机程序指令予以配置。但是软件的各部分可以在分开的存储位置被存储并运行。由于执行这些步骤的精确位置可以变化而不超出本发明的范围，所以下面的附图没有提到执行相同功能的计算机。

图27A和27B为流程图700的两个部分，该流程图700描述用于同步供给定子绕组32的电力的开关或者换向的某些步骤。流程图700所示的某些或者所有步骤可以被存储到控制器512的存储器中。

参见图27A，流程图700可以在控制电路上电(方框702)之时开始。接着启动初始化阶段，其中包括初始化硬件、固件和启动定时器(方框704)。更具体地说，初始化包括每次上电时执行的一系列内嵌初始化指令。初始化可以进一步可以分为硬件初始化、变量初始化和上电延迟。

一旦上电，则从控制器512内的某个特定存储器位置开始执行程序。一般说来，硬件初始化包括一系列指令，这些指令通过分配和配置I/O，定位处理器堆栈、配置中断的数量并且启动多个周期定时器来配置控制器512。变量初始化包括将合理的默认值赋值给多个变量，所述变量中的一个为由速度决定的校正变量。此外还存在100ms的上电延迟(方框706)，目的是在驱动器开通之前给多个电源电容器提供充电的时间。这防止IGBT驱动器514和516在启动期间将低压电源拉低。在该时间延迟期间，IGBT驱动器的低压侧被开通并且给自举电容器充电(方框710)。

在运行中，控制器512使用三个不同的速度例行程序，即低速模式、高速跃变模式和高速模式。但是，一旦初始化完成，控制器512将通过查询光传感组件508来确定转子16的转速，以便判断在激活低速模式之前是否需要运行重启动例行程序(方框712)。如果在方框714中测定出转子速度大于预定值S1，举例而言，例如6800 RPM，则例行程序700将跳转到运行重启动模式，该模式用于防止在供给马达10的电流快速循环变化后损坏IGBT驱动器。给马达10的电力的快速循环变化实质上是在马达10正在运转之时的快速截止/导通(off/on)。运行重启动例行程序用来防止损坏IGBT驱动器514、516，因为以高于某个速度对电力进行循环可能使得低速模式例行程序发生混乱(下面将予以叙述)，并可能烧毁一个或者多个IGBT 514、516。运行重启动例行程序用于在电力的快速循环之后开始一段延迟，这段延迟允许马达的转速降低到由控制器512计算出的触发角度(firing angle)为固定的那一点，。

从运行重启动例行程序开始，如果在上电之后在方框714中确定速度大于6800RMP，则例如设置重试计数器(方框716)。应该注意到的是，作为替换地，可以在初始化时设置重试计数器，或者可以在运行重启动例行程序的另一点处设置重试计数器。接着，可以启动诸如500mS的预定时间延迟(方框720)。然后转子16的转速被重新采样(方框722)。如果在方框724中确定转子16的转速仍大于预定门限S1，那么例行程序将在方框730中检查以确定重试计数器的值。

如果在方框730中确定重试计数器不大于1，则可以产生一错误信号(方框732)，并且系统可以被关断。换句话说，当重试计数器已经依序地从20向下计数到1，将会发生上述情况。这表明已经经过了预定的时间周期。如果在方框730中确认重试计数器大于1，则重试计数器将被递减(方框734)，并且例行程序返回方框720，在该处开始另一段延迟。

如果方框724测定出转子16的转速低于门限S1，那么例行程序将跳转以激活低速模式例行程序(方框740)。换句话说，在所公开的实施例中，如果转子16的转速持续超过门限S1，那么在一段预定的时间内转子16的转速被持续地重采样。本领域的普通技术人员很容易理解的是，可以实现作为替换的检查方法，以确保在向低速模式跳转之前转子16的转速已经降低到了安全的水平。例如，可以执行较长的延迟，在该较长延迟中没有必要使用重试计数器。也可以采用其它各种技术。

当在方框740中激活低速模式例行程序时，控制器512在启动期间提供脉宽调制(PWM)使得定子绕组32的相总是位于转子极面48前面，从而避免随着转子16的提速而产生大的电流尖峰。一般来说，从来自于编码器/光传感器510的信号的状态就可以得知启动时的转子位置。有效地，提供给定子绕组32的每个电流脉冲被斩波为许多短(持续时间)的电流脉冲，直到转子速度达到预定速度。在该点处，完整的脉冲被施加于定子绕组32。在经过之前的跃变后，光传感器跃变在最短的时间周期内被查询、三次去抖(triple debounced)并失效，以便减小输出信号上产生噪声的机会。这种技术将参照图32将予以更加详尽的描述。

在低速模式中，电流输入是按照一定的占空比循环的，从而在所有情况下限制最大IGBT导通时间(maximum IGBT on time)。此外，存在两种独特的换向状态来反映光传感器的当前状态。

图28描述了在低速模式下针对转子最初1.5转的启动波形。波形802表示了来自于光传感器510的信号。波形804表示相‘A’的高压侧，波形806表示相‘A’的低压侧。波形810表示相‘B’的高压侧，波形812表示相‘B’的低压侧。图上进一步描述了了在点814处，给马达10的电力被接通。图27A中的方框706描述的预定的上电延迟在时刻814和818之间示出。如波形所见，在电力接通的点814处，相‘A’和相‘B’的低压侧均被导通从而向自举电容充电。应该注意的是，只有在给定相位的低压侧和高压侧均被导通的时候，才向相应的定子绕组供给全部电流。

图29也表示了低速模式例行程序下的多个波形。和图28类似，波形822表示来自光传感组件508的输出。波形822表示相‘A’的高压侧，波形826表示相‘A’的低压侧。波形830表示相‘B’的高压侧，波形832表示相‘B’的低压侧。图29也表示当某相的电力接通时，实际上接通的是一个占空比为36％的脉宽调制信号。同时调制高压侧和低压侧开关被称为硬斩波。软斩波为两侧中的其中一个的切换。在所公开的实施例中，硬斩波被用来最小化上电时的电流突变。从图29也可以看出，波形的周期长度由于加速而减小。

返回图27A，在方框740中启动低速模式例行程序之后，该例行程序接着将检查以观察光跃变是否已经发生(方框742)。如果还没有记录光跃变，那么产生一个指示启动问题的错误(方框744)。如果在方框742中确定光跃变已经发生，则所述例行程序可以检查转子16的转速(方框746)。如果在方框748中确定转子16的转速低于预定门限S1，则所述例行程序返回方框740以继续执行低速模式例行程序。但是，如果在方框748中确定转子16的转速大于预定门限S1，则如图27B所示的例行程序将移动以激活高速跃变模式例行程序(方框750)。

在所公开的实施例中，预定的速度门限S1大约为7000 RMP。通过保持和低速模式一致的相导通时间，但是以包括相的预触发在内的方式进行切换，高速跃变例行程序就完成了从低速到高速的跃变。加速由于预触发而持续进行，但是由于固定的导通时间而趋缓，在所公开的实施例中该固定的导通时间大约800uS。截止时间是根据速度可变的。因为转子16由于预触发而不断加速，所以截止时间变得越来越短，从而产生占空比更大的周期，这又接着加剧了加速。最终的结果是，由于加速在缓缓进行，所以失控情况得到控制，同时电流尖峰和转矩尖峰即使没有消除，也被降低到最小程度。

在方框750中的高速跃变模式之后，所述例行程序然后可以检查转子16的转速(方框752)。如果在方框754中确定转子16的转速低于第二预定速度门限S2，则所述例行程序将返回方框750，在该处继续执行高速跃变模式。如果在方框754中确定转子16的转速大于预定速度门限S2，所述例行程序将激活高速模式例行程序(方框760)。

图30和31示出了描述高速模式例行程序的波形。高速模式例行程序通过预触发算法而被分类，以获得最大的转速。预触发值可以从经验中获得，从而在不同的负载和速度情况下，针对给定的最大目标电流提供最大的RPM，例如针对120V AC输入处的13.8安培。高速模式中的预触发算法可包括一查询表，该查询表包含针对三级光传感器盘超前(three level opticalsensor disk advance)，其有助于启动的校正。

高速模式例行程序和高速跃变模式之间的基本区别在于高速跃变模式限制相导通时间，在本公开实施例中大约为800uS。但是，在高速模式中，相导通时间保持为整个周期，其可能到达大约830uS。切换到100％的占空比引起进一步的加速，其不受检查并且有可能导致失控。但是存在两个明显的稳定因素。首先，在高速下难以泵浦和移除通过定子绕组32的电流，从而限制了电力向转子16传递。绕组充电时间开始成为周期中的主要部分。其次，负载随着转子速度的立方而增大。这对缓和失控状况具有显著的效果。所以，当高速模式被激活时，只有极小的速度提升或者波动。

图30示出了与上文所讨论的预触发所对应的波形。波形840表示从光传感组件508接收到的信号。波形842表示相‘A’，波形844表示相‘B’。如图30进一步所示，中断846产生在光传感器的下降沿上，并持续大约200到300uS。图30中的由850代表的时间可以通过取决于速度的查询表(SDT)再加一个预触发值获得。时间周期850还可以代表所谓的相定时超前。SDT优化了应用中的全程负载条件下的转矩。

图31表示了在高速模式下的高压侧和低压侧的开关事件的详细情况。和图29相似，波形860表示从光传感组件508接收到的信号。波形862表示相‘A’的高压侧，波形864表示相‘A’的低压侧。波形866表示相‘B’的高压侧，波形870表示相‘B’的低压侧。如图30所示，时间间隔850代表相定时超前。图31还图示了时间周期852，在该时间周期中，低压侧开关保持开通一段额外的时间，以易于从定子绕组释放在电流关断之时由定子绕组的磁场衰减产生的电流。在本示例性的实施例中，时间周期852大约为41uS。如图31所示，在相‘A’和相‘B’中，低压侧开关都保持开通一个额外的时间周期852。

在微控制器设计的背景当中，中断是一个非同步的事件，它使得用户程序从其当前的执行回路中立即转换至中断服务例行程序(ISR)。中断的目的在于提供对外部事件进行快速且确定的响应，而无需不断地查询主前台程序例行程序。ISR相当于操作指令的带有一个例外的普通子例行程序。也就是说，因为ISR几乎可以在任何时候被访问或者调用，而不依赖于当前前台执行回路，所以应该特别注意保证它不会反过来影响主程序。

如图31所示，一旦接收到来自于光传感组件508的信号的下降沿，周期计时器可以结合中断例行程序使用。在所公开的实施例中，周期计时器是一个8位的倒数计时器，其从0(256)计数到1，并且自动重载。计时器的分辨率对应于中央处理单元582的晶振，近似为10MHz晶振。周期计时器中的一个可以为标志计时器1(T1)，它为8位倒数计时器，从％FF(255)计数到1，然后停止。T1通过一个64位的预定标器初始化。这样，其分辨率为51.2uS。表1表示了周期定时器值的一部分。

    T1    T0    时间(uS)  uS@8MHZ    REF    FF    00    0    FF    FF    0.8    1    FF    FE    1.6    2    ·    ·    FF    C1    50.4    63    FE    C0    51.2    64    FE    BF    52    65    ·    ·    FC    01    204    255    FB    00    204.8    256    FB    FF    205.6    257    ·    ·

表1

还应该注意的是，周期定时器是递减计数，而不是递增的。此外，T0的前两位含有冗余信息。两个8位值被合并或者交迭以产生一个真正的14位周期。应该理解的是，为了计算周期，T0中的“00”相当于256，而不是0。所以最大的计数大约为13,107uS。计时器有几毫秒是不运行的，这个时间在计算周期的时候应该被考虑进去。

在针对开关磁阻马达的控制电路中存在一个共同的问题，即，噪音被引入电子部件。噪声问题特别严重的一个地方是在光传感组件508中。在这里，噪声是非常不希望出现的，因为它可以导致错误地触发对供给相绕组的电力进行换向。因为噪声很难消除，因此有必要确保从光传感组件508接收到的跃变信号的精确性和合法性。

图32表示的流程图900描述了确保从马达10中的转子位置传感器510接收到的信号的合法性的一些步骤。流程图900所示的某些步骤可以存储到控制器512的存储器584中。例行程序900可以用于上述任何速度模式中。

参见图32，在开启换向电路中的控制器512和其它任何元件以后，例行程序900可能激活低速模式、高速跃变模式或高速模式中的任意一种(方框901)。例行程序900接下来可以查询转子位置传感器(方框902)以确定转子位置传感器的第一状态。如果方框904中确定转子位置传感器510的状态为真(即，高亮/清晰)，那么就可以启动时间延迟(方框906)。通过从存储器584中提取一个或者多个时间常数可以实现该时间延迟。所述一个或者多个时间常数中的每一个代表不同数量的单位，并且每个单位代表一个预定的时间值。在所公开的实施例中，每个时间单位大约25uS。时间常数TD1-TD7如表2所示：

TD1为20个单位

TD2为32个单位

TD3为28个单位

TD4为1个单位

TD5为26个单位

TD6为32个单位

TD7为29个单位

表2

再次参见图32，在方框906中启动时间延迟之后，例行程序900查询转子位置传感器或者光传感组件508(方框910)。如果在方框912中确定转子位置传感器508为假，所述例行程序将返回方框901中当前正在运行的速度例行程序。如果方框912中确定转子位置512的状态为真，就可以启动另外一个延迟(方框914)。接下来，所述例行程序可以查询转子位置传感器508(方框916)。如果在方框920中确定转子位置传感器的第三个状态为假，所述例行程序返回方框900并返回活动的速度例行程序。

但是，如果在方框920中确定转子位置传感器920的第三个状态为真，那么所述例行程序将认为转子位置传感器的真值状态为合法的真值信号(方框922)。所述例行程序将使相‘A’导通，使相‘B’关断(方框924)。接下来，活动的速度例行程序将继续运行，并检查转子16的转速(方框926)。还应该注意的是，在前面的防抖跃变被识别(recognize)之后，在时间TD1+TD2+TD3期间所产生的所有光信号的变化都被忽略。这给了光传感器508时间，从而在另外一个传感信号被识别之前完全改变状态。所有最终被识别的跃变均经过三次防抖。这个强制性的防抖算法的结果是限制了上电重启速度，该速度通过之前讨论过的运行重启动算法而被修正。

如果在方框904中确定转子位置传感器的第一状态为假，则在光传感器被重新查询(方框932)之前可以启动一个延迟(方框930)。如果在方框934中确定转子位置传感器在第一延迟之后的状态为真，流程图900将返回方框901曾经启动的一个速度例行程序。如果在方框934中确定转子位置传感器的状态为假，所述例行程序将启动第二延迟(方框936)。然后，转子位置传感器508被第三次查询(方框940)。如果确定转子位置传感器的第三状态为真，所述例行程序将返回方框901中的活动的速度例行程序。

但是，如果确定转子位置传感器的第三状态为假，所述例行程序将认为转子位置传感器的假状态为合法的假信号(方框944)。接着，定子绕组32的相‘A’将被关断，定子绕组32的相‘B’将被导通(方框946)。然后，活动的速度例行程序将继续运行，并可以检测转子16的转速(方框926)。

图33表示了从转子位置传感器508接收到的三个波形。波形950表示光电路上的乱真的电噪声尖峰。波形952表示没有防抖例行程序的相‘A’和相‘B’的相信号。波形954表示具有防抖例行程序的相‘A’和相‘B’的相信号。

如波形950所示，控制器512记录多个噪声峰值956。在波形952中，在958处图示了多个不期望的相触发。发生这种情况的原因是防抖例行程序未被激活，或者没有和该相信号一起使用。相反地，波形954图示了没有受到来自波形950的、光电路上的噪声冲击的干净的相信号，这是图32中描述的防抖例行程序作用的结果。

图32所示的防抖例行程序900帮助确保任何感测事件不包含任何已经被施加于传感器电路的乱真的电噪声尖峰。噪声尖峰一般来说在长度上比三次传感器读取的完整周期要短得多，这样消除了在不止一个读取事件中读取到的噪声。如流程图900所示，必须连续检测到三次真(TRUE)读取或者三次假(FALSE)读取，控制器512才能认为所读取的状态为合法的。

虽然上述文字详尽地叙述了本发明的若干不同的实施例，但是应该理解的是，本发明的范围由本专利末尾所阐述的权利要求书限定。这里的详尽叙述仅仅是示例性的，并不代表本发明所有可能的实施例，因为描述所有的实施例即使不是不可能也是不现实的。或者采用本技术，或者采用本专利提交日之后新发展的技术，可以实施多个作为替代的实施例，这仍然有可能会落入本发明限定的权利要求书的范围。

因此，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可以采用在此描述和图示的技术和结构来进行多种改造和变化。相应地，可以理解的是，这里描述的方法和装置只是用于示例，而并非意在限制本发明的范围。