CN101711452A - 用于控制同步电动机的稳态旋转的系统 - Google Patents

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Abstract

一种控制系统，包括：开关(TR)，该开关在连接到交流电电源(V)的两个端子(A，B)之间与定子绕组(w)串联；第一检测器电路(2)，该检测器电路能够提供表示在所述绕组(W)中的电流(I)何时为零的信号(Voi)；第二检测器电路(1)，该检测器电路能够提供表示电源电压(V)的幅值的信号(Vw)；以及控制单元(MC)，该控制单元被连接到第一和第二检测器电路(2，1)并且被设计成以导致与电源(V)具有相同频率并且具有交替的正相和负相(11，12)的交流电流(I)通过所述绕组(W)的方式控制开关(TR)，所述正相和负相被电流保持为零的间隔隔开，所述间隔具有持续时间(tp)，该持续时间(tp)根据电源电压(V)的幅值的递增函数而变化。

Description

用于控制同步电动机的稳态旋转的系统
技术领域
本发明涉及用于控制同步型(即，在同步条件下)电动机的转子的稳态旋转的系统，该系统带有或不带有位置传感器。
发明内容
本发明的一个目的在于提供可简单且经济地制造并且操作可靠的控制系统。
该目的以及其他目的将根据本发明通过具有如权利要求1中限定的原理特征的控制系统来实现。
附图说明
根据结合附图提供的以下详细描述，本发明的其他优点和特征将变得清楚，附图仅以非限制性示例的方式提供，附图中：
图1为根据本发明的用于同步电动机的控制系统的电路图，其中部分为框图形式；
图2为电动机的控制系统的局部视图，其中示出定子绕组的等效电路；以及
图3为示出在稳态条件下旋转的情况下(即，以同步速度旋转)图1所示系统中电参数和信号的变化示例的示图。
具体实施方式
在图1中M表示整个同步电动机，例如用于洗碗机的泵的电动机。
电动机M包括具有永磁铁的转子R以及包括有绕组W的定子S。
在电动机的结构方面，电动机M可以是例如在欧洲专利申请EP 0207430A1或欧洲专利EP 0851570B 1中图示并且描述的类型。
被整体标记为CS的控制系统与电动机M关联。
控制系统CS包括电子开关，该电子开关在示例中被示为在两个端子A和B之间与电动机M的绕组W串联的三端双向交流开关(triac)TR，所述端子A和B用于连接到交变电流电压源V，例如普通50(60)Hz配电干线。
三端双向交流开关TR具有与微控制器MC的输出连接的栅极G。
控制系统CS还包括标记为1的第一检测器电路。该电路为电压检测器并且具有与定子绕组W的端部相连接的输入端并且具有与微控制器MC连接的输出端。
如下文将更加清楚地示出的那样，在特定的工作条件下，在电动机M的定子绕组W的端部处的电压由该绕组中产生的反电动势(back-EMF)的幅值来表示，而在其他条件下，该电压对应于电源电压V。
控制系统CS还包括第二检测器电路2，其输入端连接在定子绕组W和三端双向交流开关TR之间，并且其输出端连接到微控制器MC。该检测器能够提供表明在工作条件下所述定子绕组W中流过的电流I何时为零的信号VOI。
在适当情况下，检测器电路1和2可被部分或全部集成在微控制器MC中。
在图1中，PS表示连接在电源端子A和B之间的直流电压源，用于提供直流工作电源电压VCC。电压电源PS在内部形成用于控制系统CS的接地参考GND。
微控制器MC被设计成以使得当电动机M处于工作条件下时三端双向交流开关TR仅当绕组W中流过的电流I的符号或方向以及该绕组W中产生的反电动势的符号或极性满足预定关系时导通的方式控制三端双向交流开关TR。
特别地，假设当电流I沿图1和2中的箭头表示的方向流动时该电流I为正，并且假设当反电动势E的正极出现在电源端子A处时该反电动势E的符号为正，则由微控制器MC提供的控制为：三端双向交流开关TR变为导通，使得电流I的符号与反电动势的符号一致，或者同时有：
I＞0并且E＞0，或者I＜0并且E＜0(1)
在图2中，绕组W以其等效电路(戴维宁(Thevenin)等效电路)示出。在此表示中，RW与LW表示绕组W的阻抗和电感，E表示该绕组中产生的反电动势，且RF表示由于与定子绕组W关联的磁路中的损耗引起的阻抗。
参考图2，若在定子绕组W的端部处的电压(其在图1中被施加到检测器电路1的输入端)由VW表示并且VTR表示三端双向交流开关TR的端子处的电压(当其正极性出现在端子A处时被认为是正的)，则得到如下：
VW＝V-VTR＝RWI+LWdI/dt+E  (2)
根据以上方程(2)，当三端双向交流开关TR未导通、因而电动机M中的电流I为零(I＝0)时，则可得：
VW＝E＝V-VTR  (3)
或者，由微控制器MC通过检测器电路1在这样的条件下获得的电压VW表示反电动势E的幅值。相反，当三端双向交流开关TR导通时，电压VW基本上对应于电源电压V。
控制系统CS因此可被设计成以例如如下方式获得电动势E：检测器电路3向微控制器MC发信号指出电流I为零的条件满足，并且在该情况下，微控制器MC能够将由检测器电路1提供的信号理解为表示反电动势E。
然而，可使用其他用于获得/确定电动势E的装置，而不使用检测器电路2。
如上所述，反电动势E可在当电流I为零时的时间间隔内获得。如下文将更加清楚地描述的那样，这些时间间隔可通过观察三端双向交流开关TR的端子处的电压VTR而容易地找到。事实上，若VTR在绝对值上大于例如1V，则三端双向交流开关TR断开，并且适用上面所示的方程(3)，否则，若VTR小于1V，则I≠0。
实际上，在I≠0时，反电动势E也能够基本上确定，但在这种情况下，反电动势可例如通过求解如下更复杂的微分方程获得：
LWdI/dt＝VW-E-RWI  (4)
应注意，当在电动机M中的电流I变成零时，三端双向交流开关TR自动断开并且在其端子处的电压VTR几乎瞬时地从大约为±1V的值变为根据方程(3)等于V-E的值。
根据本发明的控制系统CS的操作将特别参考图3中的曲线图来描述。
最初假设电动机M的转子R已采用各种已知方式之一被设置处于沿所需方向旋转，并且过渡阶段已结束，其中在该过渡阶段期间，该转子的角速度从零值变为与电源电压V的频率对应的同步值。
在稳态工作条件下，微控制器MC以使得导致与电源电压V具有相同频率的交流电流I通过定子绕组W的方式控制三端双向交流开关TR。如在图3上部的第二个曲线中可看出，通过绕组W的交流电流I具有部分I1和I2，所述部分I1和I2交替为正和负，被间隔分隔，其中在所述间隔中，电流I保持为零、持续时间tp。
因此，电流I被再分为多个相，这具有使电流I的有效值减小的效果，允许在反电动势E和电流之间重新定相，最终减小铜中的损耗，而效率相应增加。
根据本发明控制系统实现电流I保持为零的间隔的持续时间tp根据测得的或计算出的电源电压V的幅值的递增函数而变化。
微控制器MC使用通过电压检测器电路1获得的干线电压V的读数，结果，相对于前一电流半波变为零时的瞬时控制三端双向交流开关TR再次被触发的时间。
对于具有已知特征的电动机M，并且在知道施加到电动机轴上的负载和电源电压的允许范围的情况下，可以限定电压的最小值，在该最小值之外，电流I保持为零的间隔的持续时间tp关于电源电压的幅值成线性地增加，因而可以确定与这些参数相关的函数关系的斜率。
在限定了电动机M的额定负载的情况下，将电源电压V和时间tp关联在一起的函数关系使得电动机M的效率最大化并且使其独立于电源电压V的值。因此，该控制确保该系统对于电源电压V和机械负载的变化也是稳定的。对于不同于额定值(对于该值，效率是优化的)的负载值，不管电源电压的改变，电动机M仍具有恒定的高效率并且保持功率消耗不变。这是可能的，原因是该系统的、通过改变电源电压V与被定相电流I的第一谐波之间的相位关系而适应负载变化的固有能力。
根据本发明的控制系统的重要特征在于：触发三端双向交流开关TR的时延tp不与电源电压V变为零相关，但与电流I的前一半波变为零的瞬时时间相关，因此可通过改变电源电压V与被定相电流I的第一谐波之间的时延自动调整电源电压和负载的变化。
若触发三端双向交流开关TR的时延tp与电源电压V的过零点有关，如在例如用于控制白炽灯的亮度或PSC电动机的定相、并且具有取决于电源电压的间隔的许多系统中那样，则当机械负载发生变化时，系统会不再处于自动调整的情形，因为不能改变系统的功率因数(被定义为在电压V的过零点和电流I的第一谐波的过零点之间的时延角的余弦，在图3中标记为tg)；事实上，机械负载增加会导致被定相电流I的幅值增加，但不会改变电流保持为零的间隔的持续时间tp(或者改变可以忽略)。
利用根据本发明的控制系统，该限制被缩小并且该系统能够自动适应负载的增加或减小，保证与正常负载条件下获得的最大设计效率的区别很小的高效率。
根据另一选择，微控制器MC可被设计成获取定子绕组W中产生的反电动势E的幅值，然后修改电流I保持为零的间隔的持续时间tp，这也可以与关于反电动势E的幅值的预定函数一致。这种实现控制的方法可以保证产生的转矩一直为正而从不为负，减少操作噪音。此外，在电流保持为零的间隔期间获取反电动势E的幅值使得微控制器MC能够检测转子R是否实际继续旋转。
根据另一选择，可以方便地规定时间tp，使其在电源电压V的单个周期的范围内不变化，而不管该电压和/或反电动势E的幅值(也就是说，使得电流I在正电流半波I1之后保持为零的间隔等于电流在负电流半波I2之后保持为零的时间)；这使得可以避免电流I波形的不期望的不均衡。
被设计用于消除电流I波形的不期望的不均衡的又一选择提出保持三端双向交流开关TR的两个相继的触发(关于电源电压V的同一周期)之间的时间小于或最多等于电源电压V的半个周期(例如，对于以50Hz施加的情况，该半周期对应10ms)。
当然，在保持本发明的原理相同的情况下，实施例的形式和结构的细节可相对于所述和所图示的实施例形式和结构细节(这些仅以示例方式提供)而被广泛地改变，而不脱离如所附权利要求中限定的本发明的范围。

Claims (4)

1.一种用于控制同步型电动机(M)的稳态旋转的系统，包括：
电子开关(TR)，在用于连接到交流电压源(V)的第一端子和第二端子(A，B)之间，该开关串联连接到所述电动机(M)的定子绕组(W)；
第一检测器装置(2)，该第一检测装置能够提供指示所述绕组(W)中的电流(I)何时为零时的信号(VOI)；
第二检测器装置(1)，该第二检测器装置能够提供指示电源(V)的幅值的信号(VW)；
控制装置(MC)，该控制装置被连接到第一检测器装置和第二检测器装置(2；1)，并且被设计成以使得导致与电源(V)具有相同的频率且具有交替为正和负的部分(11，12)的交流电流(I)通过所述定子绕组(W)的方式控制电子开关(TR)，所述交替为正和负的部分被电流保持为零的时段隔开，所述时段具有持续时间(tp)，该持续时间(tp)根据电源(V)的幅值的递增函数变化。
2.根据权利要求1所述的控制系统，包括检测器装置(1)，该检测器装置能够提供表示所述绕组(W)中产生的反电动势(E)的幅值的信号(VW)，并且，其中所述控制装置(MC)被设计成：
-改变所述定子绕组(W)中的电流(I)保持为零的间隔的持续时间(tp)，这也可与所述反电动势(E)的幅值的预定函数一致，并且
-检查电动机(M)中的同步性的损失。
3.根据权利要求1或2所述的控制系统，其中，控制装置(MC)被设计成改变所述绕组(W)中的电流(I)保持为零的间隔的持续时间(tp)，使得所述间隔(tp)在电源电压(V)的单一周期内不发生变化，而不管所述电压(V)和/或反电动势(E)的幅值。
4.根据权利要求1或2所述的控制系统，其中，控制装置(MC)被设计成以使得保证在关于电源电压(V)的给定周期的、电子开关(TR)的两次相继触发之间的时间少于或最大等于电源电压(V)的半个周期的方式改变所述绕组(W)中的电流(I)保持为零的间隔的持续时间(tp)。
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