CN101939654A - 用于测量由正弦交流电压供电的通用电机电功率的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于测量由正弦交流电压供电的通用电机电功率的方法和设备。一种测量通过双向晶闸管(7)连接到电子电力电源(6)以及被提供正弦交流电压(V(t))的通用电机(4)的电功率的方法，该方法确定提供给电机(4)的电流(I(t))从零值经过到非零值的第一(ton)时刻和第二(toff)时刻；测量在第一(ton)时刻和第二(toff)时刻之间的第三时刻供给电机(4)的电流；确定近似电流(I(t))的实时图的拟合电流时间图(f(t))，并且其在第一(ton)时刻和第二(toff)时刻具有零值，电流值等于在第三时刻(tin)的采样电流；以及基于拟合电流时间图(f(t))来计算平均电功率。

Description

用于测量由正弦交流电压供电的通用电机电功率的方法和设备

本发明涉及一种用于测量由正弦交流电压供电的通用电机电功率的方法和电子设备。

为了减少生产成本，一些诸如洗衣机的电子家用电器，被配备有被称为“通用”电机的制品，其具有如下重要优点：通过使用双向晶闸管(Triac)的特别简单、低成本电源电路提供交流电流供电，但同时提供像直流电机的相似性能，即，高启动扭矩、体积小、高转速等。

应当指出，在此使用的术语“通用”指示可以根据直流和交流电流操作的绕线定子电机。电机的交变电流操作通过如下的事实而成为可能，由于电源电路，在电机定子和转子中的电流被同时转换以及相对磁场以相同方式工作，生成相同类型的引力或斥力。

众所周知，电器的某些操作参数必须被测量以允许对电器工作进行直接电子控制。更具体地，最新的洗衣机通常包括控制电机的控制设备，该控制设备通过逐时刻调节电机速度去抵消，例如，在快速旋转周期期间在洗衣桶中衣物造成的任何不平衡，并因此降低电器的移动和/或噪音水平。

控制设备的处理基本上基于确定力学量，诸如电机的速度和扭矩。更具体地，电机的速度被安装到驱动轴的速度传感器“直接”确定，而机械扭矩则通过处理电参数，诸如电机的平均电功率而被“间接”确定。

为了计算电功率，许多控制设备计算单元使用的方法基本上包括在每个时期提供给电机的电流和电压的时间图的完全重建，以及虽然能相当准确地确定平均电功率，但是具有特别需要复杂且昂贵并因此极大地增加了电器总生产成本的带有高频率采样速率能力的高计算能力单元的缺点。

本发明的一个目的是提供一种借助少数量操作来测量通用电机的平均电功率的方法，其因此可由简单、低成本的计算单元执行。

根据本发明，提供了一种如在权利要求1和优选但非必需地在直接或间接引用权利要求1的任何一个权利要求中所述的确定通用电机的平均电功率的方法。

根据本发明，还提供了一种如在权利要求7和优选但非必需地在直接或间接引用权利要求7的任何一个权利要求中所述的用于确定电子家用电器的通用电机电功率的电子设备，。

根据本发明，还提供了一种如在权利要求8中所述的电子家用电器。

根据本发明，还提供了一种如在权利要求9中所述的软件产品。

本发明非限制性实施例将通过参考附图的例子进行描述，其中：

图1示出根据本发明的教导，包括通用电机和用于确定电机电功率的电子设备的电子家用电器的部分透视截面图，为了清楚移除了一些部分。

图2示意性示出图1电子家用电器的控制电路；

图3示出通过控制电路供给通用电机交流电压和电流的时间图例子；

图4示出通过电子设备执行以计算图1中通用电机电功率操作的流程图。

在图1中的数字1指示为整个电子家用电器，特别是家用洗衣机，其基本上包括优选但非必需地平行六面体形状的外壳2；和洗衣桶3，其安装在外壳2中以关于旋转轴A自由旋转，并直接朝向形成在外壳2壳壁中的衣物装入/取出开口。

电器1还包括输出轴连接到洗衣桶3并借助传送系统使其关于旋转轴A旋转的通用电机4；和用于通过调节它的供给电流来控制通用电机4速度的控制电路5。

更具体地，参考图2的例子，通用电机4具有连接到电力电源6以接收正弦交流电压V(t)的第一和第二电子端子4a、4b；以及控制电路5包括双向可控硅(SCR)二极管，诸如双向晶闸管7，用于调节供给电机4的电流I(t)。

在图2的例子中，双向晶闸管7基本上包括三个端子，其中两个7a和7b被定义为其阳极并被各自连接到电机的第二端子4b和电源6的一条线路，并且三个端子中的第三个端子7c被定义为其栅极(gate)，并被提供用于开启偏置双向晶闸管7的控制信号Scom。双向晶闸管7的操作是已知的，并因而没有详细描述。

控制电路5还包括电流探测设备8，例如图2中的分流器，其被连接在双向晶闸管7和电源6的一条线路之间以提供指示供给电机4瞬时电流值的输出信号I(t)；和速度测量设备9，例如速度计发电机，其位于电机4的输出轴并提供指示通用电机4的角速度的输出信号。

控制电路5还包括具有优选但非必需地通过电流信号放大器11连接到电流探测设备8输出的第一输入端子的过零模块10；和输出端子，其提供指示供给电机4的交流电流I(t)是0：I(t)＝0(图3)的时刻的过零信号Stzc。

关于图2，控制电路5还包括用于计算电机4功率的计算单元12，其包括优选但非必需地通过电压放大器13连接到电源6两条线路的输入端子12a，来接收供给电机4的电压V(t)；连接到过零模块10的输出以接收过零信号Stzc的输入端12b；连接到电流放大器11的输出以接收信号I(t)的输入端12c；以及提供供给给电机4的电功率平均值Pe的输出端12d。

控制电路5还包括控制单元15，其用于控制电机4和生成控制信号Scom，该控制信号根据电机4需要的速度在电机4的控制期间开启双向晶闸管7。

图4示出被计算单元12使用以确定提供给电机4电功率平均值的方法。

更具体地，从双向晶闸管7被开启的时刻ton(图3)到双向晶闸管7被关闭从而切断供给电机4电流的时刻toff，在正弦电压V(t)的每半周期T/2期间进行测量。

首先，该方法提供采样电压V(t)(块100)以确定供给电机4电压的峰值Vmax。

接着该方法确定电流从零值经过到不同于零的值的起始时刻ton(块110)。更具体地，起始时刻ton可以相应于控制电机4的控制单元15开启晶闸管7的时刻，即供给电机4的端子4a和4b的电流I(t)从零值经过到不同于零的值的时刻。

在这时，借助于电流探测设备8，该方法在起始时刻ton和最终时刻toff之间的中间时刻tin采样电流I(t)的值Ic。

更具体地，在图3的例子中，中间时刻tin相应于电压V(t)假定为零值以及电流I(t)常规上假定为大约在它的最大峰值Imax的值Ic的过零时刻(块120)。

在这时，该方法确定在半周期T/2内电流从不同于零的值经过到零值的最终时刻toff(块130)。通过检查例如由过零模块10提供的过零信号Stzc，当双向晶闸管7被完全关闭时，最终时刻toff可以被确定。

在这时(块140)，该方法估计与在起始时刻ton和最终时刻toff之间的时间间隔内由双向晶闸管7供给电机4的电流I(t)的实时图相近似的拟合电流时间图f(t)。该估计的拟合电流时间图在起始时刻ton和最终时刻toff具有零电流值，并且在中间时刻tin具有与采样电流值Ic相等的电流值。

在这个阶段，该方法由此估计由拟合电流时间图f(t)定义的波形，其指示供给电机4的电流图I(t)，其在时刻ton和toff具有零值并在中间时刻tin具有采样值Ic。

更具体地，与拟合电流时间图相关的函数f(t)常规上可以相应于例如具有通过在时刻ton、tin和toff的电流值I(t)相关的三个点的抛物线时间图的二次函数。

更具体地，并例如，一旦与实电流时间图相关的三个点被确定，即P1(ton，I(t)＝0)，P2(tin，I(t)＝Ic)和P3(toff，I(t)＝0)，那么通过这三个点的单个抛物线曲线能够被确定。

在这个阶段，借助于在中间时刻tin实际上供给电机4的电流I(t)的单个采样操作，该方法因而能确定例如与实际上供给电机4的电流I(t)的时间图相近似的函数f(t)定义的抛物曲线(如图3中虚线所示)。

在这时，该方法根据预先确定的等式Pe(Vmax，Ic)，基于电压Vmax、采样电流Ic、ton、toff、tin来计算平均电功率Pe。

应该指出，该预先确定的等式Pe(Vmax，Ic)可以通过根据如下等式求瞬时电功率P(t)的积分而得到：

$\mathrm{Pe}(V\max ,\mathrm{Ic})=\frac{2}{T}\underset{\mathrm{ton}}{\overset{\mathrm{toff}}{\∫}}P\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{2}{T}\underset{\mathrm{ton}}{\overset{\mathrm{toff}}{\∫}}V\left(t\right).I\left(t\right).\mathrm{dt}---a)$

其中P(t)是瞬时电功率，并且它通过电流I(t)与电压V(t)相乘而得到。

应该指出，平均电功率Pe可以通过使V(t)近似于与在ton与toff之间部分的图对应的基本上线性的函数g(t)而有利地得到。瞬时功率P(t)因而可以根据等式而确定，并得到下面的关系：

$\mathrm{Pe}(V\max ,\mathrm{Ic})\≅\frac{2}{T}\underset{\mathrm{ton}}{\overset{\mathrm{toff}}{\∫}}g\left(t\right).f\left(t\right).\mathrm{dt}---b)$

求解上述等式Pe(Vmax，Ic)，并基于起始时刻ton、最终时刻toff、中间时刻tin、采样值Ic和Vmax，该方法能确定平均电功率。在确定了由拟合电流时间图f(t)定义的波形后，因而可以求解上述等式b)Pe(Vmax，Ic)，从而得到单独作为电压值Vmax、采样电流Ic、ton、toff和tin的函数用于计算电功率平均值Pe的简单公式。在估计由拟合电流时间图f(t)定义的波形后，因而可以确定求解Pe(Vmax，Ic)的公式，其由计算单元12执行并单独作为峰值电压Vmax、采样电流Ic、ton、toff和tin的函数提供确定平均电功率Pe。

为了更准确地测量平均电功率，在间隔ton和toff之间执行的采样操作数量也明显地比1大但比10小，以便于维持计算单元12执行的有限操作数量。

一旦电功率平均值Pe被确定，借助于已知的没有详细描述的算法，该方法可以有利地确定电机的其他机械参数，诸如机械动力、扭矩或惯量，以及处理它们去控制例如洗衣机的不平衡。

已描述的设备和方法具有极其简单因而便宜地去执行的优点。更具体地，该方法提供借助于基本上包括在半周期内对供给电机电流的仅仅一个采样操作的电流近似值而确定电功率平均值，以及同时在半周期内确定两个零电流时刻。假设包括低采样速度，因而仅有适度计算能力的极其简单因而成本低的计算单元可以被使用。当直接计算瞬时功率时，通过在所考虑的ton-toff间隔内交流电压时间图的线性近似，这也变得可行。

明显地，可以对在此描述的设备、方法和电子家用电器1进行改变，而不脱离在附随的权利要求中定义的本发明的范围。

Claims (9)

1.一种测量通过切换装置(7)连接到电子电力电源(6)的通用电机(4)的电功率的方法；所述电子电力电源(6)将基本上正弦的交流电压(V(t))提供给所述电机(4)；在所述电压(V(t))的每半周期，所述切换装置(7)在第一时刻(ton)被开启并在第二时刻(toff)被关闭，其被建立为提供给所述电机(4)的电流(I(t))的函数；以及所述方法特征在于包括步骤：

在所述第一和所述第二时刻之间的至少第三时刻(tin)，采样提供给所述电机(4)的电流(I(t))以确定相应的采样电流值(Ic)；

估计在所述第一(ton)和所述第二(toff)时刻具有零电流值的拟合电流时间图(f(t))，以及电流值(I(tin))等于在所述至少第三时刻(tin)的所述采样电流值(Ic)；

基于该估计的所述拟合电流时间图(f(t))来计算所述电功率平均值(Pe)；

2.如权利要求1所述的方法，其中所述至少第三时刻(tin)相应于所述电压(V(t))具有零值的时刻。

3.如权利要求1或2所述的方法，并且包括测量所述电压(V(t))的峰值(Vmax)的步骤。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述电功率平均值(Pe)基于所述拟合电流时间图(f(t))和所述电压(V(t))的峰值(VMax)被计算。

5.如前述权利要求任一项所述的方法，其中所述拟合电流时间图(f(t))相应于多项式函数。

6.如前述权利要求任一项所述的方法，其中所述切换装置(7)至少包括一个双向晶闸管。

7.一种用于测量通过切换装置(7)连接到电子电力电源(6)的通用电机(4)的电功率的电子设备(12)；所述电子电力电源(6)将基本上正弦的交流电压(V(t))提供给所述电机(4)；在所述电压(V(t))的每半周期，所述切换装置(7)在第一时刻(ton)被开启并在第二时刻(toff)被关闭，其被建立为提供给所述电机(4)的电流(I(t))的函数；以及所述电子设备特征在于包括执行如前述权利要求任一项所述方法的计算装置。

8.一种包括外壳(2)、被安装在外壳(2)内关于纵向旋转轴(A)自由旋转的洗衣桶(3)、以及用于使所述洗衣桶(3)关于所述旋转轴(A)旋转的通用电机(4)的电子家用电器；所述通用电机通过切换装置(7)连接到电子电力电源(6)；所述电子电力电源(6)将基本上正弦的交流电压(V(t))提供给所述通用电机(4)；在所述电压(V(t))的每半周期，所述切换装置(7)在第一时刻(ton)被开启并在第二时刻(toff)被关闭，其被建立为提供给所述电机(4)的电流(I(t))的函数；以及所述电子家用电器特征在于包括如权利要求7所述的用于测量所述通用电机(4)的电功率的电子设备(12)。

9.一种可装载入电子计算装置(12)的存储器并当被执行时被设计为实施如权利要求1-6中任一项所述方法的软件产品。

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