CN1043395C - 单相感应电动机的控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

利用适当控制方式来控制单相感应电动机，在驱动时，使过调节和正常状态的误差极小，在过度状态中，输出宽的速度输出的单相感应电动机的控制方法和装置。方法包括：算出从由控制电动机的信号输入所设定的标准模式输出的异常位置信号同由位置检测电路从电动机检测出的位置信号的误差；把算出的误差根据适当规则变换成控制系数之后，控制上述电动机。控制装置包括：交流零闭合电路，位置检测电路，存储器，微机，驱动电路。

Description

单相感应电动机的控制方法及装置

本发明涉及主要在家电产品中使用的单相感应电动机的控制方法及装置，特别是涉及通过利用适当的控制方式来对单相感应电动机进行控制、驱动时过调节和正常状态的误差极小、在过度状态输出宽的速度输出的单相感应电动机及装置。

通常，单相感应电动机结构比较简单、价格低廉，而且由于家庭用电源是单相的，故被广泛使用于家电产品。

但是，单相感应电动机在转子停止时，虽然由于定子线圈随交流的交变磁场在转子导条中流过电流，但由于二者的轴是一致的，故不会在转子上产生转矩，所以就必须要强制地产生起动转矩。

单相感应电动机按起动类型一般分为分相起动型、电容起动型、补偿线圈型等。由于强制地产生起动转矩来进行起动，这些电动机非常难于在起动时进行精密控制。特别是与直流电动机相比，存在着非常难于模拟的问题，在低速时就更加难于控制，这对于精密控制来说是个重要的因素。

因此，近来，在家电产品中使用单相感应电动机进行控制时，大多对单相感应电动机使用简单的通/断控制方式或者用于精密控制的PDI控制方式。

为了使产品的性能更好，也把电动机的速度进行相当细致的分割来进行控制。例如在上述PDI控制方式中，通过加速度来求出PDI系数。即使是这样，由于难于在电动机起动时克服过调节以及与其正常状态的误差等，在过度状态中很难进行控制。

因此，本发明的目的是：提供一种以自适应控制方式控制单相感应电动机的方法和装置，即在数学上设定单相感应电动机的理想传递函数作为感应电动机的基准模型，并使电动机的位置(或速度)能跟踪感应电动机的基准模型，从而能把在电动机起动时的过调节和与稳定状态的误差减到最小，在过度状态中得到稳定的速度输出。

根据本发明的一个方面，提供了一种控制单相感应电动机的方法，该方法包括下列步骤：

计算由一个感应电动机的基准模型得到的理想位置信号与在控制电动机时由一个位置检测电路检测到的电动机的实际位置信号之间的误差；

利用一种感应电动机的自适应规则程序将所述计算得到的误差转换为一个控制系数从而如此设置所述控制系数使所述理想位置信号与所述实际位置信号之间的误差为零；

根据所述控制系数控制所述电动机；

其中所述计算误差的步骤包括以下步骤：

输入一个预定的基准速度，

以在所述基准速度输入步骤输入的所述预定的基准速度驱动所述电动机；

在所述电动机驱动步骤判断所述电动机是否旋转；

在所述电动机旋转判断步骤检测每转的时间；

根据检测到的所述每转时间检测电动机的旋转速度并存储所检测的速度；

将在所述速度检测步骤存储的速度与所述基准速度进行比较从而获得其间的差值。

根据本发明的另一个方面，提供了一种控制单相感应电动机的装置，该装置包括：

一个交流零交叉检测电路，用于检测施加到电动机上的交流电压的交叉点；

一个位置检测电路，用于检测电动机的旋转；

一个存储器，用于存储一个根据所述电动机速度特性的感应电动机的自适应规则程序；

一个控制装置，用于根据所述交流零交叉检测电路和所述位置检测电路的输出信号计算电动机的旋转速度，并根据该计算出的速度和存储在所述存储器中的感应电动机的自适应规则程序产生一个相位角控制信号；以及

一个驱动电路，用于根据所述控制装置输出的相位角控制信号控制电动机的旋转速度。

下面对照附图详细描述根据本发明的实施例。

图1是表示根据本发明的单相感应电动机的控制装置的方框图；

图2是概要地表示根据本发明的单相感应电动机的自适应控制原理的方框图；

图3是说明本发明的单相感应电动机的控制方法的流程图；

图4是说明根据本发明的单相感应电动机的实际旋转速度与基准模型之间关系的波形图。

如图1所示，本发明的控制装置包括：交流零交叉检测电路20，用于检测加到电动机10上的交流电源的120Hz交叉点；位置检测电路30，检测上述电动机10每转一转的N个输出脉冲；存储器40，用于存储根据上述电动机10的速度特性的自适应规则程序；微机50和驱动电路60。微机50包括一个间断控制器52，它响应上述交流零交叉检测电路20的输出信号于间断发生瞬间在其输出端01输出零交叉信号。间断控制器52响应上述位置检测电路30的输出发生间断，进行间断辅助程序，对位置检测电路30的输出信号进行计数。一但计数为N就在其输出端02输出预定信号。微机50还包括：第一计时器54a，根据上述间断控制器52的02端的输出测定电动机10转一转所需的时间并在输出端01输出；CPU56，根据上述第一计时器54a输出端01的输出的每一转的时间计算电动机10的旋转速度，并根据存储在上述存储器40中的自适应程序对计算出的速度进行自适应过程，产生一个电动机控制信号；第二计时器54b，用于将电动机控制信号换算成一个计数，在间断发生瞬间，响应间断控制器52的交叉信号，经I/O口58向驱动装置60由此计数输出控制信号逻辑“1”。驱动电路60根据上述第二计时器54b输出的控制信号来控制电动机10的旋转速度。

存储在存储器40中的自适应规则程序的作用是使电动机的实际速度适应于根据电动机的速度特性在数学上计算出的基准模型，以便控制电动机的速度。

为了从上述第二计时器54b输出逻辑“1”的信号，外部I/O口58和第二计时器54b通过“或”门连接，这可以根据微机的种类在内部进行，对不能进行内部处理的微机也可以在微机外部进行“或”门处理。

一但将电源加到本发明的控制装置上，微机50就在微机初始化状态接收从位置检测电路30输入的间断信号，然后，响应此间断信号进行间断辅助程序，每1个脉冲进行1次计数。

一但计数达到预定的1转脉冲数N，该间断辅助程序就通知第一计时器54a电动机转了一转。其中，上述电动机10的旋转由霍尔传感器等检测，电动机10转一转所产生的脉冲数N取决于安装在电动机10轴上的能够由霍尔传感器检测的磁体的个数。

上述第一计数器54a检测1转的时间，将其输出给CPU56，上述CPU根据从第一计时器54a输出的1转时间求出电动机10的转速，把转速存储到存储器40中。

然后，上述CPU56根据存储在存储器40中的自适应规则程序执行计算出的速度的自适应过程，把电动机10的实际速度同基准速度相比较，求出速度差，算出用于补偿相对于基准速度的速度差的控制系数，通过驱动电路60来控制电动机10。即，将CPU56计算出的速度差换算成根据第二计时器54b内部频率得到的计数。第二计时器54b将该计数换算成逻辑“1”的相位角控制信号，并通过外部I/O口58和驱动电路60输出给电动机10。

此时，相位角控制信号从I/O口58到驱动电路60的传输是在间断辅助程序的影响下进行的。即，在将交流零交叉检测电路20所产生的间断信号加到间断控制器52上时，将该相位角控制信号经I/O口58传送到驱动电路60。这种传送方式也可以通过内部程序进行。有的微机在驱动电路前端需要一个简单的电路。

换言之，每120Hz所产生的间断信号使按自适应控制方式计算出的一个相位角的延迟时间被送到第二计时器54b中，决定是否传送计数得到的信号或相位角信号。

微机50每120Hz反复进行上述过程，以传送相位角控制信号。因此，如图4所示，在电动机驱动时，起动状态下的过调节和稳定状态的误差被极小化了，在过度状态中能得到平稳的速度输出。在图2中，基准模型100是数学上设定的电动机10的理想传递函数。通过控制电动机10的信号输入由比较器40将从上述设定的基准模型100输出的理想位置信号(或旋转信号)和由电动机10的位置检测电路30检测出的位置信号(或旋转信号)相比较来算出误差。

上述算出的误差或速度差由自适应规则120变换成控制系数130，该控制系数就是控制电动机10的原理。

如图3所示的流程图，本发明的控制方法包括：间断指定步骤S301，在初始化步骤S300之后指定一个间断矢量以响应来自零交叉检测电路20和位置检测电路30输出的间断信号执行间断辅助程序；基准速度输入步骤S302，输入所希望的速度(其中，所希望的速度由用户指定或者由内部程序为该给定环境而适当设定的；电动机驱动步骤S303，由从上述基准速度输入步骤S302输入的所希望的基准速度来驱动电动机；电动机旋转判断步骤S304，响应位置检测电路30的间断信号和由间断辅助程序判断在上述电动机驱动步骤S303中电动机是否旋转了一转；速度判别步骤S305，检测上述电动机在旋转判断步骤S304中旋转一转的时间，根据检测到的旋转时间检测电动机的旋转速度、并储存所检测的速度；速度比较步骤306，把上述速度判别步骤S305所存储的速度和基准速度相比较，算出速度差；控制系数算出步骤S307，算出用于补偿相对于上述速度比较步骤S306中得到的速度差的控制系数；电动机控制步骤S308，根据从上述控制系数算出步骤S307算出的控制系数来控制电动机。

在操作中，于初始化步骤300使微机50初始化。在间断指定步骤301指定矢量，以便能根据在位置检测电路30中检测到的间断信号执行间断辅助程度。

接着，进入基准速度输入步骤S302，输入电动机10的基准速度；在电动机驱动步骤S303，按基准速度输入步骤S302输入的所希望的基准速度驱动电动机10。在电动机旋转判断步骤S304，当电动机10被驱动时位置检测电路30把由电动机10的旋转得到的脉冲输入到间断控制器52，执行间断辅助程序，对每一脉冲计数一次。

在上述间断辅助程序中，当计数达到与预定的每1转的脉冲数N相同时，间断控制器52通知第一计时器54a电动机10旋转一转。

在速度判别步骤S305中，检测上述电动机旋转判断步骤S304中电动机旋转1转的时间，根据此时间来检测电动机的旋转速度，并储存所检测的速度。

在速度比较步骤S306中，把上述速度判别步骤S305中存储的电动机10的实际速度与基准速度相比较，求出速度差。

然后，在控制系数算出步骤S307中算出用于补偿由上述速度比较步骤S306得到的速度差的控制系数。

即，如前面所提到的，第2计时器54b把由CPU56的电动机控制信号变换成根据其内部频率的计数，并响应由间断控制器52发出的零交叉信号把由此计数得到的相位角控制信号逻辑“1”通过外部I/O口58输出到驱动电路60。

接着，在电动机控制步骤S308中根据从上述控制系数算出步骤S307算出的控制系数来驱动电动机。

此时，在间断辅助程序的影响下执行经外部I/O口58向驱动电路60进行的相位角控制信号的传输。即，在将交流零交叉检测电路20的间断信号加到间断控制器52上时，该相位角控制信号经I/O口58传输到驱动电路60。这一传输方式也可以通过内部程序进行，有的微机驱动电路的前端需要简单的电路。

换言之，该第120Hz产生的间断信号使得由自适应控制方式所计算的相位角表示的延迟时间送入第2计时器54b，决定是否传送该计数的信号或相位角控制信号。

微机50执行上述每120Hz重复的操作以传送该相位角控制信号。

因此，如图4所示，可以把电动机10起动时的过调节和与稳定状态的误差减至极小，在过度状态中产生平稳的速度输出。

为了执行本发明的自适应控制，必须那样设定理想的基准模型100。由于该基准模型100必须具有模拟电动机20的传递函数，所以必须注意到需要对电动机建立模型。

电动机的模拟过程按下面那样执行：

第一、检查电动机在施加120V或220V的状态下达到最高旋转速度的时间。

第二、检查电动机的转速达到最高速度的63％的时间，该时间可由下式表示， $G\left(S\right)=\frac{b}{(S+{\mathrm{\τ}}^{-1})}----\…\…(3-1)$

其中，b是随机常数，是通过检测作为位置检测电路的霍尔传感器得到的脉冲数能迅速地获得的时间常数。

然后，把上式3-1变换成微分方程式。 $\left(\frac{d}{\mathrm{dt}}\right)\mathrm{yd}\left(t\right)+{\mathrm{\τ}}^{-1}\×\mathrm{yd}\left(t\right)=b\·U----\…\…(3-2)$

其中，U是120V或220V的输入电压。求出上式的解，通过设定初始值t=0时yd=0，最终值t=20时yd=到达速度而求出随机常数b。其中，yd表示所希望的速度。

可以看到，该建立模型的公式是根据时间常数和额定速度而简单地得到的。因此，只要知道电动机的规格，就能简单地进行模拟。在不知道电动机各部分的情况下，检查电动机到达最高速度的时间就能容易地进行模拟。

如果假定模拟式为3-1，则该模拟公式可作如下的Z变换： $G\left(Z\right)=\frac{\mathrm{bz}}{(Z-e^{-}{\mathrm{\τ}}^{-1}\mathrm{dt})}=\frac{\mathrm{yd}\left(z\right)}{U}----\…\…(3-3)$

其中，dt是每一转的时间。

应注意到，在这个系统中没有取样间隔，且每一转的时间和每半转的时间是不同的。因此，在这个情况下把dt定义为每一转的时间，而在一般情况下，用取样间隔T替换dt。

通过调节基准时间变化模型的时间常数，能够调节该系统的设定时间。对于yd整理式3-3，可得下式：

yd(k)=e-τ^-1dt·yd(k-1)+b·U……(3-4)

在该公式中，在U为120时，输出时间变化模型的最高速度。通过按比例地减少U，就能减小所希望的最终速度。

通过把基准输入电压U与控制系数Kc的值相乘，获得电动机的控制输入。必须把自适应规则定义为下式，以便误差随Kc的变化与Kc随时间的变化成正比。 $\frac{\mathrm{dKc}}{\mathrm{dt}}=-K.\mathrm{Err}\·\frac{\mathrm{dErr}}{\mathrm{dKc}}-----\…\…(3-5)$

其中，K是自适应增益、Err代表yd-yp。

如上所述，本发明的单相感应电动机，由位置检测电路根据感应电动机的速度检测速度信号，把该测得的信号在数学上设定为模拟电动机的理想传递函数，通过跟踪基准模型所进行的自适应控制方式的微机来控制电动机的速度或位置，使起始状态下的过调节以及在正常状态下的误差极小，从而能得到平稳的速度输出。

虽然上面对本发明涉及的具体实施例进行了说明，但应该明白可以在不超出该发明的范围内进行种种变型。

Claims (8)

1．一种单相感应电动机的控制方法，其特征在于包括下列步骤：

计算由一个感应电动机的基准模型得到的理想位置信号与在控制电动机时由一个位置检测电路检测到的电动机的实际位置信号之间的误差；

利用一种感应电动机的自适应规则程序将所述计算得到的误差转换为一个控制系数从而如此设置所述控制系数使所述理想位置信号与所述实际位置信号之间的误差为零；

根据所述控制系数控制所述电动机；

其中所述计算误差的步骤包括以下步骤：

输入一个预定的基准速度，

以在所述基准速度输入步骤输入的所述预定的基准速度驱动所述电动机；

在所述电动机驱动步骤判断所述电动机是否旋转；

在所述电动机旋转判断步骤检测每转的时间；

根据检测到的所述每转时间检测电动机的旋转速度并存储所检测的速度；

将在所述速度检测步骤存储的速度与所述基准速度进行比较从而获得其间的差值。

2．根据权利要求1所述的单相感应电动机的控制方法，其特征在于所述感应电动机的基准模型在数学上设定为一种模拟电动机传递函数的传递函数。

3．根据权利要求1或2所述的单相感应电动机的控制方法，其特征在于所述计算误差的步骤进一步包括以下步骤：

指定一个间断矢量，以便响应于来自位置检测电路的一个间断信号执行一个间断服务例行程序；其中

在所述电动机驱动步骤判断所述电动机是否旋转的所述判断步骤通过响应于来自所述位置检测电路的间断信号并通过所述间断服务例行程序来完成。

4．根据权利要求3所述的单相感应电动机的控制方法，其特征在于所述方法由一个微计算机实现并且所述计算误差的步骤进一步包括以下步骤：

在所述指定步骤之前，初始化所述微计算机。

5．根据权利要求3所述的单相感应电动机的控制方法，其特征在于所述转换误差的步骤包括以下步骤：

获得用于补偿在所述速度比较步骤得到的所述速度差的控制系数；

根据在所述控制系数获得步骤获得的控制系数控制所述电动机。

6．一种单相感应电动机的控制装置，其特征在于包括：

一个交流零交叉检测电路，用于检测施加到电动机上的交流电压的交叉点；

一个位置检测电路，用于检测电动机的旋转；

一个存储器，用于存储一个根据所述电动机速度特性的感应电动机的自适应规则程序；

一个控制装置，用于根据所述交流零交叉检测电路和所述位置检测电路的输出信号计算电动机的旋转速度，并根据该计算出的速度和存储在所述存储器中的感应电动机的自适应规则程序产生一个相位角控制信号；以及

一个驱动电路，用于根据所述控制装置输出的相位角控制信号控制电动机的旋转速度。

7．根据权利要求6所述的单相感应电动机的控制装置，其特征在于所述控制装置包括：

一个间断控制器，用于在间断发生时根据所述交流零交叉检测电路的输出信号输出一个零交叉信号，在每次发生间断时，按照所述位置检测电路的输出信号执行一个间断服务例行程序以便对所述位置检测电路的输出信号进行计数，一但计数达到预定值，就输出一个预定的信号；

一个第一计时器，用于根据所述间断控制器输出的预定信号输出电动机的旋转时间；

一个CPU，用于根据从所述第1计时器输出的旋转时间来计算电动机的旋转速度，并根据存储在存储器中的感应电动机的自适应规则程序通过执行一个所计算速度的自适应过程产生一个电动机控制信号，从而补偿实际速度与预定基准速度之间的差值；

一个第2计时器，用于将来自CPU的所述电动机控制信号换算成一个计数，并且根据来自所述间断控制器的零交叉信号，通过计数将逻辑“1”的相位角控制信号经一个I/O端口输出到所述驱动电路。

8．根据权利要求6或7所述的单相感应电动机的控制装置，其特征在于，存储在所述存储器中的感应电动机的自适应规则程序的作用是使电动机的实际速度适应于根据电动机的速度特性在数学上设置的感应电动机的基准模型，以便进行电动机的速度控制。

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