CN101238636A - 用于控制特别是用于家用电器的同步电动马达的系统和方法 - Google Patents

Abstract

系统(ECS)包括整流器电路(RC)以供给直流电压(V_B)作为输出；连接到整流器电路(RC)且包括多个受控开关(SW1至SW4)的驱动器电路(DC)，受控开关(SW1至SW4)可选择地在一个方向和一个相对的方向上允许电流通到定子绕组(W)内；可供给指示了转子(R)的角位置的信号(H)的传感器(PS)；和设计为接收指示了马达(M)的要求转速(ω_ref)的信号(RS)且连接到位置传感器(PS)的控制电路(CC)。控制电路设计为从转子(R)通过预先确定的位置而生成作为时间(t)的函数的计数信号(N)，且当此计数信号(N)达到对应于马达(M)的要求转速(ω_ref)的预先确定的参考值(N_ref)时将此计数信号(N)复位；且然后当马达(M)的转速(ω)分别低于和高于要求转速(ω_ref)时选择地基于转子的位置信号(H)或基于计数信号(N)控制驱动器电路(DC)。

Description

用于控制特别是用于家用电器的同步电动马达的系统和方法

技术领域

本发明涉及用于控制同步电动马达的系统和方法，该电动马达可特别地使用在家用电器中，例如用于促动洗碗机中的液压泵。

背景技术

洗碗机的洗涤泵典型地由同步型电动马达促动，例如在欧洲专利EP 0 207 430-B1和欧洲专利EP 0 287 984 B1中所描述的类型。此类型的用于洗碗机的液压洗涤泵在运行中具有典型地周期性变化的液压载荷。因此，泵具有脉冲型运行，且这涉及了噪声和泵上的大的应力的生成。

发明内容

本发明的目的是建议用于控制同步电动马达的系统和方法，这使得可以消除以上所述的缺点。

根据本发明的这些目的和其他目的通过其主要特征在附带的权利要求1中限定的控制系统实现，且使用根据权利要求6的控制方法实现。

附图说明

本发明的进一步的特征和优点将参考附图从完全地通过非限制性例子提供的如下详细描述中变得显见，各图为：

图1是根据本发明的控制系统与其相关的同步电动马达的表示；

图2是根据图1的控制系统的更详细的接线图；

图3和图4是根据在x轴上记录的时间t的展开的图，该展开例证了在根据本发明的控制系统内生成的信号；和

图5是图示了根据本发明的控制系统与其相关的电动马达的功能特征的图。

具体实施方式

在图1中，M总体上指示了电动马达，总体上指示为ECS的电子控制系统与其相关。

电动马达M包括定子S，定子S包括一组大体上具有“U”形形状的叠片1，提供有绕组W，且电动马达包括带永磁体的转子R。

与马达M相关的控制系统ECS包括与转子R相关的电位置传感器PS。此传感器例如是霍尔效应传感器，它在运行中可以提供交变电位置传感器以典型地方波，例如具有根据图3和图4中由H指示的波形的展开。

传感器PS以这样的方式布置到位，使得其在输出端提供的信号H在转子到达预先确定的角参考位置时具有电平转换，例如从低电平转换到高电平。

参考图1，控制系统ECS另外包括整流器电路RC，例如半波双桥型，带有设计为连接到例如50或60Hz的市电电源的交流电源的输入端2，以供给预先确定的直流电压V_B作为输出。

控制系统ECS另外包括驱动器电路DC，如在图2中示出驱动器电路DC有利地具有所谓的“H”桥类型。此控制电路连接到整流器电路RC的输出端，也连接到定子绕组W，且包括多个受控电子开关SW1至SW4，例如MOSFET型晶体管。所述的开关SW1至SW4的布置和控制为这样的方式，使得它们可以允许电流选择地在一个方向内和在相对的方向内通到定子绕组W内。

开关SW1至SW4具有各自的控制输入端i1至i4，它们连接到控制电路的输出端，控制电路在图1和图2中总体上以CC指示。

在通过图2中的例子图示的实施例中，控制电路CC具有输入端I，输入端I设计为接收指示了马达M的要求转速ω_ref的信号RS。

控制电路CC包括第一处理电路PC1，它将信号RS作为输入接收且作为输出提供了信号T1，信号T1的频率(周期)与马达M的要求转速ω_ref成比例(成反比)。

控制电路CC包括具有两个输入端的第二处理电路PC2，在运行中将转子位置信号H和指示了马达M的要求转速ω_ref的信号T1施加到两个输入端。

处理电路P2设计为提供两个信号作为输出，在图2中它们分别由H′和PWMS指示，它们施加到与型逻辑电路LC的输入端。

如将在后文中更显见，信号H′是用于控制DC桥驱动器电路的开关SW1至SW4的方波信号。

信号PWMS是具有调制脉宽(持续时间)的信号且用于控制在运行中施加到定子绕组W的电压的绝对值。

逻辑电路LC的输出端通过逻辑反相器LI连接到开关SW1和SW4的控制输入端i1和i4；此输出端也直接地连接到开关SW2和SW3的控制输入端i2和i3。

以上所述的控制系统ECS大体上如下运行。

当电动马达M起动时且直至由位置传感器PS提供的信号H发生第一电平转换，处理电路PC2提供等于H的信号H′作为输出，即它基于由与转子相关的位置传感器PS提供的信号控制马达M的定子W(通过电路LC、LI和DC桥电路)。另外，电路PC2提供具有带预先确定的值dcmin的占空比的信号PWMS作为输出，其方式使得施加到定子绕组W的电压大体上等于乘积V_B×dcmin，其中V_B是整流器电路RC的输出电压。

这些条件继续适用，直至与转子相关的位置传感器PS的信号H发生第一电平转换。

当发生信号H的第一转换时(在图3中的瞬时t₁)，电路PC2内的计数器C(图2)开始计数，计数例如是增加的且随时间t线性地变化，直至计数的值N达到值N_ref，该值N_ref与马达M的要求转速ω_ref成反比。

当由计数器C达到的计数值N等于阈值Nref时(图3)，如果信号H还未改变状态或电平，则计数器C复位到零(图3中的瞬时t₂)。只要发生位置信号H的进一步的转换(图3中的瞬时t₃)，则由计数器C进行的计数然后再次开始。在这些情况中，DC桥驱动器电路的开关SW1至SW4的切换单独地由信号H确定，即通过转子的角位置信号确定，其占空比由信号PWMS确定。此情况继续适用直至计数器C的信号N在转子的位置信号H的下一次转换前达到水平N_ref。

如已所述，在起动时施加到定子绕组W的电压为V_B×dcmin。在运行中在其整个运行范围内从不向马达M施加低于此值的电压，除非发生异常情况，如将在下文中描述。

在运行中，当起动时，在信号H的第一电平转换(瞬时t₁)后，电路PC2测量信号H的此第一转换和下一次转换之间经过的时间T_f(T_f＝t₃-t₁)。待施加到马达的定子绕组W的电压值V_W因此计算如下：V_W＝max[(V_B×dcmin)；(V_B×dcmax-KT_f)]＝V_B·dclim，其中dcmax等于0.99，K是预先确定的常数，且dclim是极限电压的占空比。

在图3和图4中，Tc指示了其中电路PC2的计数器C从计数值0到计数值N＝N_ref的时间。

一旦发生其中T_f≤Tc的条件，则在位置信号H的前方不再发生到马达的定子的绕组W的电压转换，而是当计数器的输出端处的信号N达到值N_ref时发生。在此情况中，计数器C的信号N以三角波的形式在零和N_ref之间振荡，且与转子R的位置信号H相比延迟了时间Td。

电路PC2设计为验证延迟时间Td是否比最小预先确定的值Tdmin短：在此情况中，施加到马达M的定子绕组W的电压在一般的步长N中保持不变；否则，如果Td比Tdmin长，则绕组W上的电压降低量ΔV_S，以使Td是比Tdmin短的值。因此，待施加到绕组W的电压在此情况中将为：

V_W＝V_W-V_S

其中V_S＝∑ΔV_S；(ΔV_Sn＝b_Sn-1+ΔV_S)。

如果延迟Td改变符号，即如果位置信号H与计数器C的信号N相比被延迟(图3，左侧)，则电压V_S降低ΔV_S的量，其次数与Td返回(带有其自己的符号)到Tdmin的次数相同。如果这不发生，则V_S降低ΔV_S，直至达到V_S＝0，且施加到定子绕组W的电压等于V_W。

对以上的信息进行总结，电子控制电路ECS设计为，当马达M起动时，基于转子的位置信号H控制DC桥电路，且导致向定子绕组W施加其值与整流器电路RC的输出电压值V_B相比降低预先确定的量(dcmin)的电压。

随后，从转子R第一次通过预先确定的角位置开始，控制电路CC生成根据时间t的线性函数变化的计数信号N，且当此计数信号达到对应于马达M的要求转速ω_ref的预先确定的参考值(N_ref)时将此计数信号N复位。

分别根据转速ω小于要求转速ω_ref还是大于要求转速ω_ref，控制电路CC因此选择地基于转子的位置信号H或基于所述的计数器的计数信号N控制了DC桥驱动器电路。

最后，控制电路CC设计为控制桥驱动器电路，以向定子绕组W施加电压，该电压的绝对值在转子R的转速ω增加时根据预先确定的函数增加，直至预先确定的值。

根据前述描述，根据本发明的控制系统作为常规的无刷马达来起动电动马达M，但向它施加有限的电压，以降低所谓的突入电流且降低起动时的加速噪声。

图5示出了由根据本发明的系统控制的同步马达的功能特征。在图5中的图内，x轴示出了马达M的转速ω且y轴示出了由马达M形成的转矩。在此图中，曲线C1代表了特征转矩/转速，这对于同步马达是典型的。点划线的曲线C2代表了马达的载荷的运行条件。

弯曲部分A1示出了马达起动的阶段，其中马达作为常规无刷马达但以有限电压起动。弯曲部分A2表示了其中同步马达作为常规的带有永磁体的无刷马达运行的阶段，直至要求的转速ω_ref。

当已达到要求转速ω_ref时，马达M以这样的方式被控制，使其真正作为同步马达以极为稳定的转速且不需要外环来测量转速来运行。此情况由图5中的弯曲部分A3指示。

运行地施加到马达的电压可以根据载荷要求而降低，以降低运行噪声和振动。

将认识到的是，不改变本发明的原理，实施例和细节与以上仅通过非限制性例子的方式的描述和图示相比可以宽泛地变化而不偏离如在附带的权利要求书中限定的本发明的范围。

Claims (10)

1.用于同步电动马达(M)的控制系统(ECS)，该同步电动马达(M)包括带有至少一个绕组(W)的定子(S)和带有永磁体的转子(R)；

该系统(ECS)包括：

带有设计为连接到交流电源的输入端(2)的整流器电路(RC)，以供给预先确定的直流电压(V_B)作为输出；

连接到整流器电路(RC)的输出端且连接到定子绕组(W)的驱动器电路(DC)，且驱动器电路(DC)包括多个受控开关(SW1至SW4)，受控开关(SW1至SW4)布置为选择地在一个方向和一个相对的方向上允许电流通到定子绕组(W)内；

用于供给交变的位置信号(H)的位置传感器装置(PS)，位置信号(H)指示了转子(R)的角位置；和

控制电路(CC)，带有设计为接收指示了马达(M)的要求转速(ω_ref)的信号(RS)的第一输入端，和连接到所述的位置传感器装置(PS)的第二输入端；该控制电路设计为：

-当马达(M)起动时，基于转子的位置信号(H)控制驱动器电路(DC)且导致向定子绕组(W)施加其绝对值与整流器电路(RC)的输出电压(V_B)相比降低预先确定的量(dcmin)的电压；

-然后，从转子(R)转变到预先确定的角位置开始，生成根据线性时间函数(t)变化的计数信号(N)，且当此计数信号(N)达到对应于马达(M)的要求转速(ω_ref)的预先确定的参考值(N_ref)时，将此计数信号(N)复位；

-然后，当马达(M)的转速(ω)分别低于和高于要求转速(ω_ref)时，选择地基于转子的位置信号(H)或基于所述的计数信号(N)控制驱动器电路(DC)；和

-控制驱动器电路(DC)，以向定子绕组(W)施加电压，该电压的绝对值因此在转子(R)的转速(ω)增加时根据预先确定的函数增加，直至预先确定的值。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其中控制电路(CC)设计为通过带有调制脉宽(PWMS)的方波控制信号控制施加到定子绕组(W)上的电压。

3.根据权利要求2所述的控制系统，其中控制电路(CC)包括逻辑型电路装置(LC)，其可以以与模式将所述的控制信号(PWMS)和转子的位置信号(H)或所述的计数信号(N)组合。

4.根据前述权利要求的任何项所述的控制系统，其中驱动器电路是“H”形式的桥电路。

5.根据权利要求4所述的控制系统，其中具有“H”形式的桥电路包括多个MOSFET型晶体管(SW1至SW4)。

6.用于控制同步电动马达(M)的方法，该同步电动马达(M)包括带有至少一个绕组(W)的定子(S)和带有永磁体的转子(R)；

该方法包括如下操作：

提供预先确定的直流电压(V_B)；

将所述的直流电压(V_B)施加到驱动器电路(DC)，驱动器电路(DC)连接到所述的定子绕组(W)且包括多个受控开关(SW1至SW4)，受控开关(SW1至SW4)适合于选择地在一个方向和一个相对的方向上允许电流通到定子绕组(W)内；

生成指示了转子(R)的角位置的交变电位置信号(H)；

基于转子位置信号(H)控制驱动器电路，且导致向定子绕组(W)施加其绝对值与所述的直流电压(V_B)相比降低到预先确定的程度的电压；

然后，基于转子(R)转变到预先确定的角位置生成根据线性时间函数(t)变化的计数信号(N)，且当此计数信号(N)达到对应于马达(M)的要求转速(ω_ref)的预先确定的参考值(N_ref)时，将此计数信号(N)复位；

然后，当马达(M)的转速(ω)分别低于和高于要求转速(ω_ref)时，选择地基于转子(R)的位置信号(H)或基于所述的计数信号(N)控制驱动器电路(DC)；和

以这样的方式控制驱动器电路(DC)，使得向定子绕组(W)施加电压，该电压的绝对值因此在转子(R)的转速(ω)增加时根据预先确定的函数增加，直至预先确定的值。

7.根据权利要求6所述的方法，其中施加到定子绕组(W)的电压通过带有调制脉宽(PWMS)的方波信号控制。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述的控制信号(PWMS)以逻辑模式与转子(R)的位置信号(H)或所述的计数信号(N)组合。

9.根据权利要求6至8的任何项所述的方法，其中使用了H-桥驱动器电路。

10.根据权利要求9所述的方法，其中使用了包括多个MOSFET型晶体管(SW1至SW4)的H-桥驱动器电路。

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