CN103155398B - 电动机和电动机控制 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电动机和电动机控制。本发明公开了电动机以及用于电动机的电子控制的各种实施例。一种示例性电动机包括单相无电刷永磁体电动机。在示例性实施例中，所述电子电动机控制被配置成在不同于线路频率的频率下对电动机换向、执行脉冲宽度调制以及利用接近电动机的反电动势的驱动波形来驱动电动机。

Description

电动机和电动机控制
技术领域
本发明总体上涉及电动机和电动机控制的领域。更具体来说，本发明涉及无电刷电动机的电子换向。
背景技术
许多应用需要低成本、低功率的电动机。示例性的应用包括例如洗碗机之类的小型电器以及用于水疗和游泳池的泵浦。在这样的应用中，常常使用下面的电动机类型：永磁体（“PM”）同步电动机、三相无电刷永磁体（BPM）电动机以及感应式电动机。
这些电动机类型存在许多缺点。举例来说，PM同步电动机限于以与AC线路输入相同的频率（例如在美国是60Hz，在欧洲是50Hz）进行换向。这就导致可听噪声，因为人耳对这些频率（和/或这些频率的谐波）下或其附近的振动敏感。此外，PM同步电动机通常受限于单一速度。
两相或三相BPM电动机可以产生少于PM同步电动机的可听噪声，并且可以以可变速度工作。但是两相和三相BPM电动机的缺点包括更高的成本和复杂度。
单相BPM电动机的优点包括相对于两相或三相BPM电动机的更低成本和更低的复杂度。但是由于两个主要问题，业内在许多应用（包括洗碗机）中都避免使用单相BPM电动机：（1）与基频（例如50Hz或60Hz）有关的噪声，以及（2）由于转矩波动导致的噪声。本发明的发明人开发出了用于克服单相BPM电动机中的这些问题当中的每一个的新颖技术。
发明内容
这里所公开的示例性实施例包括一种新颖的单相电动机，其可以以不同于AC线路输入频率的频率进行电子换向。举例来说，这里所公开的示例性系统包括在50Hz或更低频率下电子换向的单相BPM电动机。在一个示例性实施例中，所述电动机在38Hz下电子换向。这种新颖技术的一个优点是在电动机操作期间减少了人类可听见的噪声。
这里所公开的示例性实施例包括用于对为电动机供电的驱动波形进行整形以便接近电动机的反电动势的新颖技术。这种波整形技术的优点包括提高了的电动机效率，从而在给定电功率水平下得到更高转矩（每安培转矩），并且降低了人类可听见的噪声水平。这种波整形技术的优点还包括减少了由于转矩波动而导致的振动。
附图说明
图1描绘出一个示例性实施例的方框图。
图2描绘出一个示例性实施例中的主要流程控制。
图3描绘出一个示例性实施例中的驱动波形生成流程控制。
图4A描绘出一个示例性电动机中的转子和定子的示例性剖面。
图4B-4D描绘出一个示例性实施例中的电动机内的转子位置。
图5A-5B描绘出示例性实施例中的用于驱动电动机的波形。
图6描绘出一个示例性实施例中的用于驱动电动机的驱动波形。
图7A-7B描绘出一个示例性驱动波形查找表。
具体实施方式
图1描绘出用于控制电动机的示例性系统的方框图。所述电动机控制系统可以被布置在与电动机相同的外壳内、布置为与电动机分开、或者与用于装置或电器的主控制系统集成在一起。电动机包括一个或更多绕组109。主微控制器101执行电动机控制软件程序，以便控制递送到电动机的（一个或多个）绕组109的功率。主微控制器101接收来自Hall（霍尔）传感器103的位置数据。正如本领域内所熟知的那样，Hall传感器被设计成检测磁极的邻近度，并且常常被用在电动机中以检测包括永磁体的转子的位置。电动机控制软件包括用于根据所接收到的输入数据（包括接收自Hall传感器103的位置数据）来控制电动机的例程。电动机控制软件生成将被施加到（一个或多个）电动机绕组109的驱动波形。驱动器集成电路105包括用于放大接收自主微控制器101的驱动波形的电压的放大电路。经过放大后的电压被施加到供电电路107。供电电路107可以包括本领域内所熟知的分离轨拓扑。驱动波形被施加到（一个或多个）电动机绕组109。正如本领域内所熟知的那样，主微控制器101优选地包括用于生成一系列驱动脉冲的脉冲宽度调制（下文中称作PWM）例程。
在一个示例性实施例中，主微控制器101存储BEMF（反电动势）查找表，其包含与电动机相关联的反电动势的数字表示。BEMF查找表可以通过人工旋转电动机轴并且记录所得到的BEMF波形而生成。这可以利用能够将数据记录到例如USB闪存驱动器之类的计算机可读介质的可以买到的示波器来实现。BEMF查找表包含“n”个数据点。每一个数据点包括转子位置索引和相应的占空比百分比值。在一个示例性实施例中，BEMF查找表包括256个数据点。在图7A-7B中示出了包括64个数据点的示例性BEMF查找表。
图2描绘出一个示例性实施例中的用于主控制例程的流程控制。在阶段201中，系统主微控制器初始化电动机控制软件程序。在阶段203中，系统决定将要执行哪一个速度分布图（speed profile）。分布图选择可以根据接收自外部来源（比如主电器控制电路）的控制命令来执行。控制命令的传送可以利用本领域内熟知的任何通信技术来实现。在与本申请同一天2010年8月6日提交的标题为“Method and Apparatus for Motor Control（用于电动机控制的方法和设备）”的共同未决美国专利申请序列号12/852,134中公开了一种基于电力循环的示例性通信技术，其全部内容被合并在此以作参考。
在阶段205，系统决定用于电动机操作的适当阶段。如果系统正在等待运行电动机的命令，则流程前进到驱动发起（等待）阶段207。如果系统已经接收到运行电动机的命令，并且电动机当前停止，则流程前进到调准脉冲阶段209。如果系统已经执行了调准脉冲阶段209，则流程前进到准备电动机变速阶段211。如果系统已经对于当前速度设定点执行了电动机变速阶段211和215，则流程前进到准备正常运行阶段213。在一个示例性实施例中，每当速度设定点增大时，系统都将执行电动机变速阶段211和215。
在驱动发起阶段207中，系统等待进一步指令。
在调准脉冲阶段209中，系统向电动机递送调准脉冲。调准脉冲可以包括单极性脉冲宽度调制（PWM）突发。在图5B中示出了示例性调准脉冲507。调准脉冲将电动机转子403置于起始位置，正如图4B中所示出的那样。
在准备电动机变速阶段211中，系统计算向上变速（ramp up）RPM和电压。该计算取决于先前选择的速度分布图。
在电动机变速阶段215中，系统递送具有逐渐增大的换向频率的向上变速驱动波形。向上变速驱动波形可以包括以交替极性并且以逐渐增大的频率递送的多个脉冲宽度调制（PWM）突发。在图5B中示出了示例性向上变速驱动波形509。
在准备正常运行阶段213中，系统基于所选择的速度分布图和所测量的电动机速度来计算电压。在一个示例性实施例，系统采用本领域内熟知的PID（比例、积分、导数）控制方法。所选择的速度分布图决定比例、积分、导数（PID）子例程的设定点。在这样的实施例中，系统将速度误差计算为所选速度分布图中的速度设定点与所测电动机速度之间的差。速度误差被用作计算所期望的驱动电压幅度的PID控制例程的输入。可以由电动机制造商根据应用来选择PID常数。
在正常运行阶段217中，系统递送具有稳定换向频率的正常运行驱动波形。在图5B中示出了示例性运行驱动波形511。
在阶段211中，系统检查AC线路输入的功率损耗。如果功率损耗了，则流程前进到阶段223。如果功率处于可接受范围内，则流程前进到阶段225。
在阶段223中，系统检查DC总线电压。如果DC总线电压处于可接受范围之外，则流程前进到步骤225。如果DC总线电压可接受，则流程前进到阶段205。
在阶段225中，系统记录故障状况，并且禁止向电动机提供驱动功率。
图3描绘出根据一个示例性实施例的用于驱动波形生成的电动机控制中断服务例程的流程控制。在图3的示例性实施例中，电动机控制软件程序通过脉冲宽度调制（PWM）产生驱动波形。在阶段301中，系统开始利用PWM驱动波形为电动机供电。在步骤303中，系统检查过电流或过电压状况。如果检测到故障状况，则流程前进到阶段305。否则，流程前进到阶段307。在阶段307中，系统接收来自Hall传感器（例如Hall传感器103）的位置信息。系统确定是否检测到磁极的转变。Hall传感器可以被配置在锁存配置下，其中Hall传感器在检测到磁极之后将输出“1”，并且在检测到不同的磁极之后将输出“0”。当Hall传感器从“0”转变到“1”时，这被视为“上升”沿，当Hall传感器从“1”转变到“0”时，这被视为“下降”沿。如图3中所示，如果检测到上升沿，则流程前进到阶段311，如果检测到下降沿，则流程前进到阶段315，如果没有检测到边沿（Hall传感器输出与前一次重复（iteration）相同），则流程前进到阶段309。在阶段311和315中，系统基于最近一次检测到的Hall边沿之间的时间确定每分钟轴旋转（“RPM”）。
正如本领域内所熟知的那样，可以基于所确定的轴RPM计算超前角。超前角随着RPM的增大而增大，并且被用来克服电动机内部阻抗和随着RPM增大的反电动势（BEMF）。
在阶段313中，系统将波形角（θ）设定为零度加上超前角，正如等式（1）中所示。
等式（1）：θ=0+Advance_Angle
在阶段317中，系统将波形角（θ）设定为180度加上超前角，正如等式（2）中所示。
等式（2）：θ=180+Advance_Angle
在阶段309中，系统将波形角设定为等于前一个波形角加上转子自从前一次重复之后的估计旋转。可以基于电动机速度设定点来计算转子的估计旋转，正如等式（3）中所示。
等式（3）：δ-θ=设定点_PRM/(360*δ-时间)
随后可以如等式（4）中所示地计算新的波形角（θ）。
等式（4）：θ=θ_先前+δ-θ
在阶段319中，系统使用所计算的波形角（θ）作为驱动波形查找表的索引以获取表值。如前所述，驱动波形查找表可以是具有“n”个数据点的BEMF查找表。在一个示例性实施例中，360度的转子位置被均匀地映射到BEMF查找表的“n”个数据点。举例来说，如果BEMF查找表包括256个数据点，则转子的360度旋转将被均匀地分配到256个索引值。
在阶段321中，系统使用所获取的表值来确定对应于驱动波形的PWM占空比。因此，驱动波形生成中断服务例程的结果是单一PWM占空比。
在阶段323中，中断服务例程结束。在一个示例性实施例中，在16kHz的频率下执行中断服务例程。
图4A描绘出示例性电动机中的转子和定子的示例性剖面。电动机在转子与定子之间具有偏心气隙，从而在大气隙402和404与小气隙406和408的长度之间存在差异。
图4B描绘出当把调准脉冲（alignment pulse）施加到（一个或多个）电动机绕组时的转子403的示例性起始位置。定子401可以包括本领域内熟知的分层铁叠层。转子403包括永磁体，其具有至少一个南北极对（即至少两个极）。转子403可以包括多个极对（例如4个极或6个极）。
图4C描绘出当去除调准脉冲时的转子403的示例性制动位置。当去除调准脉冲时，转子与定子之间的偏心气隙将总是摆动到使磁极与定子之间的气隙最小的位置。在此阶段中，转子具有将趋向于在逆时针方向上推动电动机的角动量。因此，通过施加及去除调准脉冲，可以在优选的起动方向上可靠地起动电动机。在图4B-4D的示例性实施例中，优选的起动方向是如图所示的逆时针方向。
图4D描绘出随着转子继续逆时针旋转在起动序列之后的正常操作期间转子403的示例性位置。
图5A描绘出示例性BEMF波形505。脉冲宽度调制（PWM）脉冲501和503被设计成接近BEMF波形505。从图中可以看到，PWM脉冲501和503的中点分别与BEMF波形的最大值和最小值同时发生。因此正如前面所描述的那样，PWM波形近似电动机的反电动势。
图5B描绘出对应于起动序列的示例性驱动波形，其包括调准脉冲507、向上变速周期509和正常运行周期511。y轴代表施加到电动机绕组的驱动电压“V+”或“V-”，x轴代表时间“t”。
图6描绘出示例性反电动势601和驱动电流幅度603的曲线图。x轴代表以RPM单位的频率，y轴代表作为百分比的占空比。从图中可以看到，驱动波形603紧密地接近BEMF波形601。
图7A-7B描绘出具有64个数据点的示例性BEMF查找表。每一个数据点包括索引和占空比值（作为百分比）。
虽然前面详细描述了本发明的具体实施例，但是本领域技术人员将认识到，根据本公开内容的总体教导可以发展出针对这些细节的各种修改和替换方案。因此，这里所公开的具体设置仅仅意图说明而非限制本发明的范围，应当为本发明的范围给出所附权利要求书及其任意和所有等效表述的完全范围。应当理解的是，这里所公开的实施例包括这里所公开的以及/或者在任何从属权利要求中所描述的任意和所有特征组合。

Claims (24)

1.一种用于泵浦液体的系统，包括：
叶轮；
叶轮驻留在其中的蜗壳；
被配置成驱动叶轮的湿转子型电动机，所述电动机包括定子、转子、永磁体和绕组；
单相供电电路，其被配置成接收具有第一频率的交变电流并且为电动机提供电力；以及
包括处理器和存储器的电动机控制器，所述电动机控制器被配置成控制所述单相供电电路；
其中，所述处理器被配置成执行电动机控制软件；并且
其中，所述电动机控制软件被配置成：(a)接收表明转子位置的位置数据；以及(b)基于所接收到的位置数据以第二频率对电动机进行电子换向，其中第二频率不等于第一频率，所述存储器包括存储有与电动机相关联的反电动势波形的数字表示的查找表，所述数字表示包括所述反电动势波形的三角波形近似。
2.权利要求1的系统，其中，第二频率大于第一频率。
3.权利要求1的系统，其中，第二频率小于第一频率。
4.权利要求1的系统，其中，第二频率小于线路频率。
5.权利要求1的系统，其中，所述单相供电电路包括脉冲宽度调制电路；并且
其中，所述电动机控制软件还被配置成：(c)基于所接收到的位置数据产生查找表的索引；(d)在所产生的索引下获取存储在查找表中的值；以及(e)基于所获取的值控制脉冲宽度调制电路，从而利用与反电动势波形基本上相似的驱动波形来驱动电动机。
6.权利要求5的系统，其中，将所述电动机控制软件配置成产生查找表的索引包括：计算波形角与超前角的和。
7.权利要求6的系统，还包括Hall传感器；
其中，所述位置数据包括上升沿和下降沿之一；并且
其中，所述波形角对于上升沿是0度，对于下降沿是180度。
8.权利要求1的系统，其中，所述电动机控制软件还被配置成：(f)在预定起动方向上起动电动机。
9.权利要求8的系统，其中，所述电动机控制软件包括脉冲宽度调制例程；并且
其中，所述电动机控制软件被配置成通过执行起动序列而在预定起动方向上起动电动机，所述起动序列包括利用调准脉冲来驱动电动机，所述调准脉冲包括单极性脉冲宽度调制突发。
10.权利要求9的系统，其中，所述起动序列还包括通过向绕组施加频率逐渐增大的脉冲宽度调制脉冲在向上变速模式下驱动所起动的电动机。
11.权利要求1的系统，其中，所述永磁体包括恰好两个极或恰好四个极。
12.权利要求1的系统，其中，所述单相供电电路还包括分离轨电路。
13.权利要求1的系统，其中，所述定子是“c”芯类型定子。
14.权利要求1的系统，其中，所述湿转子型电动机包括恰好一个绕组。
15.权利要求1的系统，其中，所述湿转子型电动机包括恰好两个绕组。
16.权利要求1的系统，其中，所述湿转子型电动机被配置成具有低于80瓦特的轴功率。
17.一种用于泵浦液体的系统，包括：
叶轮；
叶轮驻留在其中的蜗壳；
被配置成驱动叶轮的湿转子型电动机，所述电动机包括定子、转子、两极永磁体和绕组；
被配置成感测永磁体的位置并且生成表明转子位置的位置数据的Hall传感器；
单相供电电路，其被配置成接收具有第一频率的交变电流并且为电动机提供电力，其中所述单相供电电路包括分离轨电路；
被配置成控制所述单相供电电路的电动机控制器，其中所述电动机控制器包括存储器和处理器；
其中，所述存储器包括存储有与电动机相关联的反电动势波形的数字表示的查找表，其中所述数字表示包括所述反电动势的三角波形近似；
其中，所述处理器被配置成执行电动机控制软件，所述电动机控制软件被配置成：(a)接收表明转子位置的位置数据；(b)基于所接收到的位置数据以第二频率对电动机进行电子换向，其中第二频率小于线路频率并且不等于第一频率；(c)基于所接收到的位置数据，通过计算波形角与超前角的和，产生查找表的索引；(d)在所产生的索引下获取存储在查找表中的值；(e)基于所获取的值执行脉冲宽度调制例程，从而利用与反电动势波形基本上相似的驱动波形来驱动电动机；(f)通过执行起动序列而在预定起动方向上起动电动机，所述起动序列包括(i)利用包括单极性脉冲宽度调制突发的调准脉冲来驱动电动机，以及(ii)通过向绕组施加频率逐渐增大的脉冲宽度调制脉冲而在向上变速模式下驱动所起动的电动机；并且
其中，所述转子位置数据包括上升沿和下降沿之一，并且其中波形角对于上升沿是0度，对于下降沿是180度，所述存储器包括存储有与电动机相关联的反电动势波形的数字表示的查找表，所述数字表示包括所述反电动势波形的三角波形近似。
18.权利要求17的系统，其中，所述系统还包括外壳，所述湿转子型电动机、单相供电电路、电动机控制器和Hall传感器被布置在所述外壳内。
19.权利要求4的系统，其中，第二频率小于50Hz。
20.权利要求1的系统，其中，所述电动机控制系统与电动机分开。
21.权利要求20的系统，其中，所述系统是装置或电器的一部分，并且所述电动机控制系统与用于所述装置或电器的主控制系统集成在一起。
22.权利要求17的系统，其中，第二频率小于50Hz。
23.权利要求17的系统，其中，所述电动机控制系统与电动机分开。
24.权利要求23的系统，其中，所述系统是装置或电器的一部分，并且所述电动机控制系统与用于所述装置或电器的主控制系统集成在一起。
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