CN102347721A - 以稳态控制永磁同步电机的方法、实现该方法的电子装置及包含该电子装置的电机组件 - Google Patents

Abstract

一种有效且低成本地实施、用于以稳态控制同步电机的方法，所述同步电机包括永磁转子和设有线圈的定子，其通过由处理单元控制的开关连接到电气栅格上，所述方法包括以下步骤：-通过所述处理单元的PWM输出周期性地开启所述开关；-连续校验相对于电机的理想工作条件的偏移；-修改反馈中的开关的开启周期，以接近所述电机的理想工作条件。

Description

以稳态控制永磁同步电机的方法、实现该方法的电子装置及包含该电子装置的电机组件

技术领域

在其最普通的方面，本发明涉及以稳态控制永磁同步电机的方法和能够与用于实现所述启动方法的电机相关联的电子装置。所述发明还涉及包含所述电子装置的电机组件。 

特别地，所述方法涉及以稳态控制同步电机，所述同步电机用于特征在于急需降低成本和体积的应用。例如，其涉及电机(通常是永磁单相型)的控制，用于诸如洗衣机和洗碗机等家用电器中。 

背景技术

同步电机广泛用于范围很广的不同应用中，因其具有高能量效率和优秀的稳态稳定性。 

然而，直到最近，随着对启动这样的电机的问题的低成本技术解决方案的发展，其还被用于要求紧凑和低成本的机器的应用上，类似于诸如洗衣机和洗碗机的排水泵或清洗泵。 

在这种类型的应用中，优选地使用由低成本控制用电子产品管理的永磁同步电机，通常是单相或双相型电机。 

这样的控制用电子产品通常限于管理电机的启动和停止，还检测可能的停机或过热情况；因此电机以正常速度工作时是自调整的。 

这样的解决方案具有各种缺点，其中最严重的是缺乏在各种使用情况下电机的能量最佳化和由振动引起的高工作噪声。 

其他问题可能源于电机有限的稳定性，其不适于响应负荷的快速变化或由定子磁场引起的永磁体的消磁。 

另一方面，更复杂的控制电路，像那些具有通常控制三相同步机器的反相器的控制电路，在用于以上提到的应用时将产生过高的成本。 

因此，构成本发明的基础的技术问题是，设计一种用于以稳态控制永磁同步电机的方法和实现该方法的分别的电子装置，其允许电机的能量最佳化，而不会过多地影响生产和安装成本。 

发明内容

上述技术问题由一种用于以稳态控制同步电机的方法来解决，所述同步电机包括永磁转子和设有线圈的定子，定子通过由处理单元控制的开关连接到电气栅格上，所述方法包括以下步骤： 

-通过所述处理单元的PWM输出而周期性地开启所述开关； 

-连续校验相对于电机的理想工作条件的偏移； 

-修改反馈中的开关的开启周期，以接近所述电机的理想工作条件。 

以上描述的方法有效且低成本地解决了控制电机的问题。 

此外，使用PWM端口，而不是通常的逻辑端口，以允许反馈中的控制的优秀的时间分辨率，确保同步电机的工作稳定性。 

还应注意到所述方法是如何特别适用于控制单相或双相永磁同步电机的。 

理想工作条件出现在由同步电机产生的反电动势信号作为电流函数的零电流平台的中点而变化符号时，即：当反电动势与供给到线圈的电流相位同步时。如果可通过在馈送到线圈的电流是零的期间电气栅格电压和跨过开关的电压之间的差异获得反电动势信号的曲线，这样的条件确保电机的能量最佳化，并还能在无传感器模式中实现。 

可替换地，可考虑传感器模式来实现本方法，其中电机的理想工作条件是负载角δ取参考值δopt(计算其以获得能量最佳化，且因此大幅减少电机的振动)。 

这样的条件可通过测量(由合适的位置传感器取得的)转子的位置信号的前端和栅格同步信号之间的延时来实现：这样的延时真正代表了电机的负载角。 

有利地，用于控制PWM输出的时钟可与电气栅格的电压信号同步。 

上述技术问题还通过一种用于以稳态控制同步电机的电子装置来解决，所述电子装置包括装配有PWM输出的处理单元和用于向受所述PWM输出控制的所述同步电机馈电的开关，所述处理单元被设置为通过修改反馈中的开启周期来周期性地开启所述开关，以接近同步电机的理想工作条件。 

电子装置可实现无传感器的控制，在这种情况下，处理单元接收栅格电压信号和跨过开关的电压信号，且其被设置为从所述信号中计算由同步电机产生的反电动势。 

可替换地，电子装置可实现传感控制，在这种情况下，其包括用于获得同步电机的转子的位置信号并发送所述信号到处理单元的位置传感器。然后，处理单元将被设置为从所述信号获得代表同步电机的负载角δ的值。 

开关可以有利地是TRIAC开关，然而电子装置可包括用于与时钟的栅格同步的部分，所述时钟用于控制PWM输出。 

电机组件也构成本发明的目的，所述电机组件包括使用永磁体的单相同步电机和以上描述类型的电子装置。 

通过以下参考附图进行的、用于说明而非限制目的而给出的两个优选实施例的描述，本发明的其他特征和优点将变得清楚。 

附图说明

图1示意地呈现了根据本发明的由启动逻辑控制的同步电机； 

图2示意地呈现了应用于图1的同步电机的根据本发明第一实施例的电子装置； 

图3示意地呈现了应用于图1的同步电机的根据本发明第二实施例的电子装置； 

图4呈现了概略地示出根据本发明第一实施例的稳态控制方法 的诸步骤的框图； 

图5呈现了概略地示出根据本发明第二实施例的稳态控制方法的诸步骤的框图； 

图6显示了在以图4中的方法实现稳态控制期间，与图1的同步电机有关的一些参数的时间曲线； 

图7显示了在以图4中的方法实现稳态控制期间，与图1的同步电机有关的一些参数的时间曲线。 

具体实施方式

参考所附图1，附图标记1表示使用永磁体的单相同步电机，其包括定子10和可围绕所述定子10旋转的圆柱形转子15。 

定子10限定磁路，所述磁路在定子15上闭合，所述定子15可旋转地布置在定子自身的第一极12a和第二极12b延伸部分之间。定子具有由电子装置20馈电的两个线圈11。 

转子15包括设置为在元件的外围上限定两个完全相反的磁极的永磁体。我们可用术语转子轴线AR来表示位于隔开两极从而被限定的理想平面上的转子的直径。 

极延伸部分12a、12b，其根据定子10的极轴线AR布置，由形态不对称来区分，以使静止中的转子15布置有相对于定子10的极间轴线AI以不对称角θR倾斜的转子轴线AR。这样的不对称被认为是确保同步电机的单向启动的。在本实例中，转子轴线AR相对于极间轴AI倾斜约6°，从而在相同方向上促进转子的启动。 

电子装置20，其优选地采用控制板的形式，可根据图2中示出的第一实施例或图3中可见的第二实施例来制造。为了更清楚地描述，在两个图中，相同的元件用相同的附图标记来表示。 

根据两个实施例的电子装置20具有静态开关21，在这个具体的实例中是TRIAC开关，其被设置为调整提供到定子线圈11的功率，该功率由电气栅格22以交流电提供。 

TRIAC开关21连接到处理单元30的PWM输出33，所述处理单元30优选地采用微处理器的形式。所述处理单元30实现以下描述的用于启动同步电机1的方法。 

根据两个实施例的电子装置20具有用于与栅格35同步的部分，其向处理单元30发送栅格同步信号25，即：当电气栅格的电压是正值时具有单一值且当其呈现负值时具有零值的信号；用于控制PWM输出33的时钟有利地与栅格同步信号同步。 

此外，两个电子装置20都具有用于向处理单元30馈电的部分36，还被设置为向所述单元提供用于电压的参考信号。 

在图2的第一实施例中，处理单元30具有接收栅格电压信号23的第一输入31和在另一方面接收跨过开关的电压信号24的第二输入32。 

通过处理这样的信号，处理单元30能够实现对由同步电机1产生的反电动势的间接测量，这通过电流为零时栅格电压信号23和开关上的电压信号24之间的差异来获得。处理单元30通过评估跨过开关24的电压信号而再次检测所述零电流条件，且特别地确保这样的信号是充分远离零值的。 

另一方面，在图3的第二实施例中，电子装置20包括位置传感器26，在这个实例中是霍尔效应传感器，其被设置为获得转子15的角度位置信号27。 

位置传感器26连接到处理单元30，处理单元30接收位置信号27，并将其与栅格同步信号25进行比较来获得同步电机1的负载角δ的值。 

根据本发明的方法具有两个可替换的实施例，第一个可通过电子装置20在图2中的第一实施例(无传感器模式)来实现；第二个可通过电子装置20在图3中的第二实施例(传感模式)来实现。 

根据无传感器模式的方法包括初步启动步骤，简略描述如下。 

同步电机1的启动步骤提供第一校准子步骤，目的在于将转子15引入预定的启动位置上。 

为了实现这个结果，电子装置20控制TRIAC开关21，以向线圈11馈送一系列电流脉冲，此处称为校准脉冲，其仅在电气栅格22的电压信号的确定的半周期(根据选定的启动位置为正或负)期间产生。因此，在应用中，TRIAC开关必须仅在栅格同步信号23取正值(或根据选定的半周期为负值)时开启。 

随后为等待步骤，用以允许衰减转子15的可能的振荡。 

由此，在等待步骤的末尾确定转子15停止在预定的启动位置上。 

然后，开始启动子步骤，其提供产生第二系列的强度不断增大(通过改变TRIAC开关21的起始角度α来调整)的电流脉冲，此处称为启动脉冲，其是在与校准脉冲相反的、电子栅格22的电压信号的半周期中产生的脉冲。 

启动子步骤之后是在向正常速度工作过渡的最后子步骤，其可通过例如超出控制阈值的反电动势信号启动。 

在这个最后子步骤中，电子装置20根据特殊的开启逻辑来控制电机，该开启逻辑仅在线圈11中电流的传送确定了沿转子15的旋转方向的驱动转矩时趋于保持TRIAC开关21导通。 

特别地，TRIAC开关21可在同时满足以下两个条件时开启： 

a)估得的反电动势信号必须具有与栅格电压一样的符号； 

b)估得的反电动势信号必须远离零点。 

另一方面，根据传感模式的方法可通过装备有位置传感器(例如在欧洲专利EP0574823中描述)的电机的已知启动技术来实现同步电机1的启动。 

一旦已达到同步电机1的同步条件，就能完成启动，且电机处于稳态。 

然后，开始同步电机的实际的稳态控制步骤，其在无传感器模式 和传感模式下再次存在区别。 

在两种情况下，通过TRIAC开关21，根据在反馈中受控的起始角α，电气栅格22的电压的部分相位补偿(partialisation)逐渐被引入，以优化同步电机1的性能。 

根据本发明的方法的第一实施例中，即无传感器模式中(由图4的框图示出)，通过将由开关21的关闭设置的零电流平台的中间点处的反电动势函数的流经零点识别为电机的理想工作条件而发生的，反馈中的控制发生。 

这样的条件对应于线圈的电源电流和由同步电机1产生的反电动势之间的相移的消除，所述条件被认为是确保了同步电机自身(忽略铁中的损失)的能量效率的最佳化。 

借助于在其内处理的反电动势信号，处理单元30能够评估电机的性能与理想工作条件之间存在怎样的区别，从而校正反馈中的TRIAC开关21的起始角α。 

图6示出了在无传感器模式下受控的同步电机1的正常工作期间的反电动势、栅格电压T、转子的旋转角θ和定子电流i的时间曲线。 

在传感模式下，由图5的框图示出，反馈中的控制出现在负载角δ的值上，为其设置参考值δopt。 

在工作条件中，处理单元30测量位置信号27的前端和栅格同步信号25的前端之间的延时。所述延时代表负载角δ，由此控制趋于使其达到对应于参考值δopt的最佳值τopt。如果测得的延时不同于τopt，则处理单元30因此修改起始角α以获得这样的值。 

应当注意，可设置负载角的参考值δopt和相对应的延时最佳值τopt，以获得电机的能量最佳化并从而减少工作期间的振动。 

位置信号27的监控还允许待检测电机的可能的节距损失或停机。 

图7示出了本方法在无传感器模式下的应用过程中的速度ω、转 矩C、和由同步电机1吸收的功率W的时间曲线。可以观察到，根据以上描述的逻辑，电流偏移逐步引入，这促进了吸收功率的降低以及速度和转矩值的振荡的吸收(因此减少了振动)。 

应当注意，最小功率与最小转矩和速度振荡之间具有轻微的暂时分离。 

这样的分离允许假定：最佳能量效率条件与电机振动的最大降低不一致，因此传感模式下的控制方法能够可替换地致力于优化效率或振动条件。 

以上描述的方法和装置具有以下列出的一系列优点。 

首先，特别地，由于使用了允许对TRIAC开关的开启延时进行精细调整(分辨率为数μs)的PWM输出，以上描述的方法和装置允许控制的实质稳定性，并由此允许电机的实质稳定性。 

特别地，这样的方面确保了响应于电压和充电变化的良好的反应性和精确度，所述电压和充电变化在电泵的应用实例中可以由期望的腔室中的气泡或异物的存在而引起。 

在给定的能够用于校正控制的反应性下，其还能接近限定角而工作(在超出所述限定角时电机将停止)。 

这还包括这样的优点：能够在整个工作电压范围上以最佳条件工作，提高了装置的效率。 

此外，考虑到实现的控制带来如下结果：消除了电流和反电动势之间的相差，系统具有与电机工作的工作点无关的自适应的优点。 

在放电电泵的应用实例中，系统带来如下结果：与放电管的安装高度无关，在由机器制造商预定的限制内实现能量最佳化。 

当然，本领域的技术人员可对以上描述的方法和清洗机进行多种修改和变换，以满足可能发生的和具体的需求，所有这些都包含在由随附权利要求书限定的本发明的保护范围内。 

Claims (13)

1.一种用于以稳态控制同步电机的方法，所述同步电机包括永磁转子和设有线圈的定子，其通过由处理单元控制的开关连接到电气栅格上，所述方法包括以下步骤：

-通过所述处理单元的PWM输出而周期性地开启所述开关；

-连续校验相对于所述电机的理想工作条件的偏移；

-修改反馈中的所述开关的开启周期，以接近所述电机的所述理想工作条件。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述电机的理想工作条件是：由所述同步电机产生的反电动势信号在馈送到所述线圈的电流的函数的零电流平台的中点处改变符号。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述相对于所述电机的理想工作条件的偏移通过以下方式校验：由在馈送到所述线圈的电流为零期间电气栅格电压和跨过所述开关的电压之间的差异来获得所述反电动势信号的曲线。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述电机的理想工作条件是负载角(δ)取参考值(δ_opt)。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述电机的理想工作条件是通过测量由合适的位置传感器获取的所述转子的位置信号的前端和栅格同步信号之间的延时来校验的。

6.如权利要求4所述的方法，其中，计算所述负载角的参考值(δ_opt)，以获得能量最佳化并从而减少所述同步电机的振动。

7.如权利要求1所述的方法，其中，用于控制所述PWM输出的时钟与所述电气栅格的电压信号同步。

8.一种用于在稳态下控制同步电机的电子装置，包括装配有PWM输出的处理单元和向由所述PWM输出控制的所述同步电机馈电的开关，所述处理单元被设置为修改反馈中的开启周期而周期性地开启所述开关，以接近所述同步电机的理想工作条件。

9.如权利要求8所述的电子装置，其中，所述处理单元接收栅格电压信号和跨过所述开关的电压信号，且其被设置为从所述信号中计算由所述同步电机产生的反电动势。

10.如权利要求8所述的电子装置，还包括被设置为获得所述同步电机的转子的位置信号并发送所述信号到处理单元的位置传感器，所述处理单元被设置为从所述信号获得代表所述同步电机的负载角(δ)的值。

11.如权利要求8所述的电子装置，其中，所述开关是TRIAC开关。

12.如权利要求8所述的电子装置，包括用于与用于控制所述PWM输出的时钟的栅格同步的部分。

13.一种电机组件，其包括使用永磁体的单相同步电机和如权利要求8所述的电子控制装置。

Images