CN101005266B - 通用电动机速度控制器 - Google Patents

Abstract

在不需要任何类型的速度传感器的情况下，获得了通用电动机的适度精确的闭合回路速度控制。电动机电枢(电刷两端)电压被感测并被提供到控制电路，以便连同感测的电动机电流和零交叉信息一起处理。电动机电枢电压的积分提供了与电流电动机速度有关的值。通过调整三端双向可控硅开关致动的选通角，电枢电压积分可维持在与所期望电动机速度相关联的期望值上。感测的电动机电流还被积分以提供加到期望值上的速度降低补偿值，并且调整三端双向可控硅开关致动的选通角，以便移动电枢电压积分值从而逼进速度降低补偿值与期望值的和值。

Description

通用电动机速度控制器

优先权要求

本申请要求于2006年1月6日提交的专利号为60/756,970的美国临时申请的优先权，其公开内容合并在此作为引用。

技术领域

本发明涉及通用电动机，并特别地涉及用于受到变动转矩负载影响的通用电动机的速度控制器。

背景技术

通用电动机由于其低成本和通用性而广泛地用于各种应用。但是，在存在变动转矩负载时难以控制通用电动机的速度。

通常，速度传感器附着到电动机，以提供反馈给某种闭合回路控制电路。尽管过去已经如此做了，但是传感器和在电动机上安装的附加成本或多或少地对通用电动机的低成本优点有负面影响。

现有技术的速度控制器如在美国专利No.4,527,101和5,986,417中示出，其公开内容合并在此作为引用。

发明内容

在一个实施例中，一种用于具有电枢的通用电动机的速度控制电路包括，用于感测通用电动机的电枢两端电压的电压传感器、用于响应于控制信号来控制对通用电动机施加电流的开关、和将感测的电压和与所期望电动机速度相关联的参考电压进行比较的电路。该电路调整控制信号以最小化感测电压和参考电压之差，从而控制通用电动机在大约期望的速度上工作。

速度控制电路还包括用于感测穿过通用电动机的电流的电流传感器。该电路根据感测的电流来计算补偿电压并将感测电压与参考电压和补偿电压的和进行比较。该电路调整控制信号以最小化感测电压与参考电压和补偿电压的和之差，从而控制通用电动机在大约期望的速度上工作。

在一个实施例中，一种用于控制具有电枢的通用电动机的速度的方法，包括测量电枢两端表示电动机电流速度的电压值，测量经过电动机的表示电动机上转矩负载存在的电流，根据测量的电流来计算补偿电压，将测量的电压值与补偿的电枢电压目标进行比较，所述补偿的电枢电压目标包括补偿电压和与所期望电动机速度相关联的参考电压的和，并且调整测量电压以逼进补偿的电枢电压目标。

在一个实施例中，一种用于控制具有电枢的通用电动机的速度的方法，包括测量电枢两端表示电动机电流速度的电压值，将测量的电压值和与所期望电动机速度相关联的参考电枢电压进行比较，并且调整测量电压以逼进参考电枢电压。

在一个实施例中，一种电动机系统，包括具有电枢的通用电动机、耦合到电动机的电压传感器，用于测量电枢两端的电压、选择性地将电压施加到通用电动机的开关、和连接的控制电路，用来控制开关和接收电压传感器的输出。控制电路将电枢两端的测量电压和与所期望电动机速度相关联的电枢参考电压进行比较，并且根据该比较来控制开关以调整电枢两端的测量电压，从而逼进电枢参考电压。

电动机系统还包括，耦合的电流传感器，用于测量穿过电动机的电流。控制电路将电枢两端的测量电压与目标电枢电压进行比较，所述目标电枢电压包括从测量电流导出的补偿电压与电枢参考电压的和，并且根据该比较来控制开关以调整电枢两端的测量电压，从而逼进目标电枢电压。

附图说明

参考下面详细说明并结合附图，将获得对本发明的方法和设备的更完整的理解，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的速度控制系统的框图；和

图2和3说明获得电动机电流值的备选方案。

具体实施方式

参考图1，其中示出了根据本发明的一个实施例的速度控制系统10的框图。系统10包括微处理器12，微处理器12通过一组电阻16、18、20连接到AC馈电线14(其为电动机22工作供应AC功率)，使得电动机电流可被感测并且微处理器12的定时可与AC馈电线14上的电压零交叉地同步。更具体地，AC馈电线的第一节点连接到电动机22的第一端，并且AC馈电线的第二节点连接到电阻16和18每一个的第一端。电阻16的第二端连接到微处理器12的第一输入端口并提供电流感测信号，该信号输入到微处理器12并被其接收。电阻器18的第二端连接到接地(公共)24。微处理器12还连接到接地24。电阻器20的第一端连接到AC馈电线14的第一节点。电阻器20的第二端连接到微处理器12的第二输入端口，并提供零交叉同步信号，所述信号输入到微处理器12并被其接收。

AC馈电线14的第一节点还连接到电源电路26，电源电路26还连接到接地24。电源电路26的输出端为微处理器12提供工作DC功率。

微处理器12包括经由电容器30和电阻器32与三端双向可控硅开关28的栅极耦合的输出端口。该输出端口在微处理器12的控制下生成施加到三端双向可控硅开关28栅极端的三端双向可控硅开关选通信号。微处理器12控制三端双向可控硅开关选通信号的生成，使得相对于馈电线零交叉(如通过零交叉同步信号检测的)具有可变延迟而以同步方式将选通脉冲施加到AC馈电线14。三端双向可控硅开关选通信号的可变延迟与以本领域技术人员已知的方式设置电动机22速度有关。

三端双向可控硅开关28的导电端连接到电动机22的第二端和接地24。以这种方式，三端双向可控硅开关28与AC馈电线14、通用电动机22和感测电阻18串联连接。电动机包括以传统串联结构的电枢34和励磁线圈36。以上述方式描述的三端双向可控硅开关28的串联结构允许切换三端双向可控硅开关28，从而控制施加给电动机22的功率。

微处理器12经由第一输入端口和关联的模拟到数字转换器(ADC-未示出)而与电流感测电阻18连接，使得在三端双向可控硅开关(和电动机)中流动的电流可由微处理器12测量。微处理器12还经由第三输入端口和另一ADC(未示出)与差分放大器40的输出端连接。差分放大器40的输入端连接在通用电动机22的电枢(电刷)34的两端，使得电枢两端的电压能被测量。

现有领域中已经用来控制电动机速度的基本方法是改变三端双向可控硅开关28选通信号(触发器)的定时。在根据每个所感测的AC馈电线14的零交叉而测量的时间延迟后的每半个周期中施加一次触发。该时间被称为选通延迟并在0到180度的范围上被测量，其中0表示在零交叉处立即选通且180表示完全的半直线周期延迟。180度的选通延迟施加零功率到电动机并导致零速度。一般地，因为选通延迟下降则电动机速度将增加，而在零选通延迟处获得最大速度。尽管在许多系统中已成功地使用了这项技术，但是其主要的问题在于：对于给定的选通角，甚至电动机转矩负载的适度变化也会导致电动机速度大的变化。

已经发现，如果电动机电枢两端的电压由微处理器(利用差分放大器40)来监视并且被微处理器12(特定地在电流在电动机流动期间的间隔上，即从在施加选通信号时直到电流降至零)数值积分，那么从该积分导出的值对于电动机速度具有的在选通角和速度之间的关系要比现有技术中认识的关系更线性。在本发明的一个实施例中，利用微处理器12来构造调节器，以监视电枢电压积分的结果并通过微处理器12调整(三端双向可控硅开关选通信号的)选通角来将该结果维持在任何期望值上，以便在不匹配的情况下使电压积分值逼进期望值。一般地，选通角减小将使电枢电压积分增加。该调节器操作用来将感测的电枢电压和与期望(或目标)电动机速度相关联的参考电枢电压进行比较，并调整三端双向可控硅开关选通角以便最小化感测的电枢电压和参考电枢电压之差，从而控制通用电动机在大约期望的速度上工作。

一旦已经设立了电枢电压调节，则按照经验来建立应当调节的适当电枢电压值(电枢电压参考)，以得到任何期望的速度。因此，微处理器可存储使在期望的速度范围上的每个速度点与特定电枢电压参考有关的表。微处理器接着调整三端双向可控硅开关选通信号的选通角，直到感测的电枢电压和与期望的电动机速度相关联的所存储电枢电压参考匹配。

尽管在电动机转矩负载变化存在时使用电枢电压调节将会把恒定速度维持得比依赖于固定的选通角更精确，但是电动机速度将仍然随负载转矩的增加而下降(速度降低)。换句话说，随着电动机上转矩增加，速度降低。已经发现，在任何给定的速度上，随着电动机负载转矩增加，电枢电压积分由于附加的电压项而增加，所述附加的电压项与流动的附加电动机电流的大小成比例(以支持增加的负载)。因此，为了在转矩增加存在时维持速度(即停留在期望或目标速度上)，选通角必须变化并且感测的电枢电压将响应于此而增加。电压项的大小可通过使微处理器12在导通角(与电枢电压积分所使用的相同的时间间隔)上对电动机电流(由电阻器18感测的)进行数值积分并且将积分的电动机电流值乘以按经验确定的比例常数来估计。这个值提供了补偿项。如果该确定的补偿项接着被加到电枢电压参考(即应当调节的适当电枢电压值)，则获得目标补偿电枢电压。因此可通过相比于目标补偿电枢电压对电枢电压积分进行估算而使由于电动机转矩负载增加而遭受的速度降低非常显著地减小。更具体地，调节器还将补偿项和电枢电压参考的和与感测的积分电枢电压比较并调整选通角，以便最小化差值。

通过如下的考虑本发明的操作可被更好地理解：假设电动机22中磁通量的恒定等级(如果电动机电流在场磁铁电路的饱和等级之上，则是这样的情况)。在该情况下，在电动机电枢(电刷)34处生成的电动机反电动势(BEMF)电压与电动机速度成正比。电动机的比例常数通常被表示为Kv并且一般用Volt/RPM的单位来表达。电动机电枢绕组也具有通常用R表示并用0hm(Volt/Amp)来表达的电阻。如果我们将测量的电枢电压表示为V(伏特)、将电动机电流表示为I(安培)以及将电动机速度表示为W(RPM)，则我们得到：V＝Kv*W+R*I。如果知道了期望的速度(W)、知道了电阻(R，其对于给定的电动机来说是常数)并知道了I(通过电流发送操作而由微处理器12恒定测量的电动机电流值)，那么就可计算V，其是在这种条件下期望的电枢电压。微处理器12用作为通过调整三端双向可控硅开关28来调节选通角以便得到该电压V。通过利用差分放大器40不断测量电压V，微处理器可不断调整三端双向可控硅开关28选通角，这将保证电动机在期望的速度上工作。

回顾前面的内容，以下的过程流程由微处理器来实现：首先，等待要选通的三端双向可控硅开关。在微处理器的控制下进行三端双向可控硅开关选通，因此监视定时很容易。选通角被设置为得到期望的速度，其中期望的速度具有前面所知的相关联的电枢参考电压。接着，在选通之后并且在电流仍然流经电动机的同时(即，在导通角期间)，测量并积分感测的电枢电压和感测的回路。接着，将电流积分与一个常数(与电阻有关)相乘以产生电压补偿值。该电压补偿接着被加到已知的电枢参考电压(对于期望速度)，以产生补偿的电枢电压目标。接着，通过确定电枢电压目标和感测的电枢电压积分之差来计算调节器误差。接下来，执行调节器计算，以为三端双向可控硅开关计算新的选通角，从而最小化所计算的调节器误差。接着，循环返回并重复下一个三端双向可控硅开关选通周期的过程。

现在参考图2和3，可预想若干图1的用于获得电动机电流信号的可替换方案。在图2中，AC变流器50被用作为电流感测设备。在图3中，提供霍尔电流传感器60。

对于使用图2中的AC变流器50，当AC电流在变流器50的初级线圈中流动时，电流将会聚以便在与初级电流成正比的次级线圈中流动。由初级线圈的线匝与次级线圈的线匝的比率来确定比例常数。次级线圈的一端连接到控制电路接地参考24，并且其另一端通过精确电阻18返回到那个相同的参考点。该电路将次级线圈中已知的电流转换成可由微处理器12的模拟到数字转换器轻松读取的比例电压。变流器50的初级绕组承载所测量的总电路电流。

对于图3中霍尔传感器60的使用，电压输出霍尔电流传感器60与变换的电流类似，尽管可在变流器具有低截止频率的同时其自始至终地操作直到DC。一个或多个匝的初级绕组放置在磁心上(如在电流变换的情况下)，这使在磁心中流动的磁通量与初级电流成比例。磁心通常包含空气间隙，并且霍尔传感器被插入在该间隙中。霍尔传感器是半导体器件，其在被适当偏置时将生成与其所放置在的磁场的强度成比例的输出电压。由于，磁场强度与初级电流成比例，则所生成的电压将与该电流成比例，并且可由微处理器12的模拟到数字转换器读取。

现在参考图1-3，尽管示出微处理器12，用于处理感测的电枢电压并基于其(以及从零交叉输入和感测电流的角度)输出三端双向可控硅开关选通的选通信号，将会理解，可用任何适当设计的用来产生必要信号处理操作并生成必要控制信号的电路来代替微处理器。例如，具有数字逻辑的模拟电路可用来替换微处理器。并且，可实现除微处理器之外的可替换完全数字解决方案，比如微控制器、数字信号处理器、数字逻辑器件、专用集成电路等等。

尽管本发明的方法和设备的优选实施例已经在附图中说明和在前面的具体实施方式中描述，但是将理解的是，本发明不限于所公开的实施例，而能够在不偏离由随后权利要求叙述和限定的本发明的精神的情况下进行各种重新设置、修改和替换。

Claims (8)

1.一种用于具有电枢的通用电动机的速度控制器，包括：

用于感测通用电动机的电枢两端电压的电压传感器；

用于响应于控制信号来控制对通用电动机施加功率的开关；

用于将感测电压和与所期望电动机速度相关联的参考电压进行比较的电路，并且该电路调整控制信号以最小化感测电压和参考电压之差，从而控制通用电动机在期望的速度上工作，其中所述电路在一时间周期上对感测电压进行积分，在所述时间周期内所述开关被控制用来施加功率到通用电动机；和

用于感测流经通用电动机的电流的电流传感器；

其中所述电路根据感测的电流来计算补偿电压并将感测电压与参考电压和补偿电压的和进行比较，并且调整控制信号以最小化积分的感测电压与参考电压和补偿电压的和之差，从而控制通用电动机在期望的速度上工作。

2.权利要求1的速度控制器，其中开关是三端双向可控硅开关，并且控制信号是具有选通角的三端双向可控硅开关选通信号，并且其中选通角由所述电路调整，以便最小化感测电压和参考电压之差。

3.权利要求1的速度控制器，其中开关是三端双向可控硅开关，并且控制信号是具有选通角的三端双向可控硅开关选通信号，并且其中选通角由所述电路调整，以便最小化积分的感测电压与参考电压和补偿电压的和之差。

4.权利要求1的速度控制器，其中所述电路在一时间周期上对感测电流进行积分，在所述时间周期内所述开关被控制用来施加功率到通用电动机。

5.一种用于控制具有电枢的通用电动机的速度的方法，包括：

感测通用电动机的电枢两端的电压；

响应于控制信号来控制对通用电动机施加功率；

将感测电压和与所期望电动机速度相关联的参考电压进行比较，

调整控制信号以最小化感测电压和参考电压之差，从而控制通用电动机在期望的速度上工作，其中感测电压还包括在一时间周期上积分所述感测电压，在所述时间周期内电流被施加到通用电动机，

感测流经通用电动机的电流；并且

根据感测电流来计算补偿电压；

其中比较包括将感测电压与参考电压和补偿电压的和进行比较，并且

其中调整包括调整控制信号以最小化积分的感测电压与参考电压和补偿电压的和之差，从而控制通用电动机在期望的速度上工作。

6.权利要求5的方法，其中调整包括调整三端双向可控硅开关的选通角，以便最小化积分的感测电压和参考电压之差。

7.权利要求5的方法，其中调整包括调整三端双向可控硅开关的选通角，以便最小化积分的感测电压与参考电压和补偿电压的和之差。

8.权利要求5的方法，其中感测电流包括在一个时间周期上对感测电流进行积分，在所述时间周期内开关被控制用来施加功率到通用电动机。

Images