CN106374792B - 无传感器电子控制的单相永磁同步电动机驱动的通风机 - Google Patents

Abstract

无传感器电子控制的单相永磁同步电动机驱动的通风机，叶轮直径250mm以内，电动机定子铁芯和永磁转子间气隙的宽度于各极下沿设定圆周方向收窄；定子绕组以规定绕向经开关接往交流电源；控制电路包括检测电路和按该电路检测到的信号驱动所述开关以控制交流电源输入绕组的电流的内置程序；该内置程序具有使所述电流为零的时段和所述检测包括检测该时段所述绕组的端电压，按该端电压确定所在与电源同频率的正弦波波形的过零点时刻，测量该过零点时刻与电源电压波形过零点时刻之差值，当该差值偏离规定值时，改变所述电流为零的时段的长短，使所述偏离减少。该设计可以实施较好的最佳运行效果控制。

Description

无传感器电子控制的单相永磁同步电动机驱动的通风机

技术领域

本发明涉及无传感器电子控制的单相永磁同步电动机驱动的通风机，尤其涉及其叶轮机械、电磁结构和控制方法的配合；在国际专利分类表中，分类属于F04D25/06或F04D27/00。

背景技术

现有技术无传感器电子控制的单相永磁同步电动机驱动的通风机未能实施较好的最佳运行效果控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种无传感器电子控制的单相永磁同步电动机驱动的通风机，可以实施较好的最佳运行效果控制。

本发明解决技术问题的技术方案是，无传感器电子控制的单相永磁同步电动机驱动的通风机，包括按照预定方向旋转的叶轮和同轴传动所述叶轮的U形铁芯单相永磁同步电动机，该电动机包括：

——永磁转子，为径向两极充磁的圆柱形；

——定子，包括“U”字形的定子铁芯和该铁芯所穿越的定子绕组；该绕组按规定绕向接往交流电源；

——所述“U”字形二臂上部成形为靠往所述永磁转子圆柱面左侧的左极靴和靠往所述永磁转子圆柱面右侧的右极靴，所述极靴与转子间气隙的宽度于每一极下沿设定的旋转方向收窄，因而在自由状态下，转子磁极的轴线以定子的轴线为参照，沿设定的旋转方向偏转一锐角角度；

——具有一开关，交流电源经该开关向电动机定子的绕组供电；

——具有一控制电路，包括检测电路和按该电路检测到的信号驱动所述开关以控制所述交流电源输入所述绕组的电流的内置程序；

其特征在于：叶轮直径为100mm以内；所述控制包括使所述交流电源输入所述绕组的周期电流具有为零且长短可调的时段；所述检测包括：

——所述交流电源电压波形的过零点；

——所述电流为零的时段所述绕组的端电压；

所述内置程序包括如下处理：

——按照所述绕组的端电压确定其所在与所述交流电源同频率的正弦波波形的过零点时刻；

——测量所述正弦波波形的过零点时刻与所述交流电源电压波形过零点时刻之差值，当该差值偏离规定值时，改变所述电流为零的时段的长短，使所述偏离减少。

实验表明，正是该时间差，反映了电动机及其驱动的通风机的工作状态，并且与电动机的转矩具有峰值特性关系，因而由于上述闭环控制，使该通风机达到最佳运行效果。

所述规定值通常按实验统计得到：使具体单相永磁同步电动机驱动的通风机电子控制开环运行于规定状态(如产品标准规定的电源电压和频率、压力和流量等)，调整所述电流为零的时段的长短，直至达致最佳运行效果(如效率和振动噪声等)，以此时按照所述绕组的端电压确定其所在正弦波波形的过零点时刻与所述交流电源电压波形过零点时刻之差为所述规定值。实验表明，对于叶轮直径为250mm以内的通风机，所述规定值为1/6所述交流电源周期，可获得最佳运行效果。

若所述电流为零的时段所述绕组的端电压存在过零点，可直接以该过零点进行控制，否则可按照所测量到的所述电流为零的时段所述绕组的端电压以数学方法推导出其所在正弦波波形的过零点时刻，以该过零点进行控制。

所采用的推导方法是：将自交流电源电压波形一过零点开始计时的某一电流为零时段中的2个时刻t₁、t₂所述端电压的瞬时值u₁、u₂构成如下以U_m和Φ为未知数的二元方程组：

u₁＝U_m*sin(2πft₁－Φ)，

u₂＝U_m*sin(2πft₂－Φ)；

式中，f为电源频率；

解该方程组所得Φ即为所述差值。

该测量有较高的准确度，但因需引入三角函数的计算，程序较大。为此，还可以按照如下方法测量：将自交流电源电压波形一过零点开始计时的某一电流为零时段中的2个时刻t₁、t₂所述端电压的瞬时值u₁、u₂构成如下以u和t为未知数的两点式直线方程：

(u-u₁)/(t-t₁)＝(u₂-u₁)/(t₂-t₁)；

令u为零，解该直线方程所得t与在所述t₁、t₂之前且最靠近的所述交流电源电压过零点的时间差即为所述差值。该测量精度稍低，也可满足工程控制的需要，尤其适合电流为零时段不大于电角度π/4的情况。

为提高测量精度，还可以上述另一电流为零时段中的2个时刻所述端电压的瞬时值构成另一个二元方程组或直线方程，对所解结果以平均值处理。

此外，所述某一电流为零时段中的2个时刻t₁、t₂比较方便的是取该时段的2个端点。

附图说明

图1是本发明实施例通风机基本机械结构主视图；

图2是本发明实施例通风机电动机控制电路示意图；

图3是本发明实施例通风机流量较大时的信号波形图；

图4是本发明实施例通风机流量较小时的信号波形图；

图5是本发明实施例通风机针对图4情况自动调整后的信号波形图；

图6是本发明实施例通风机电动机电磁基本结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例通风机结构如图1所示，主要包括固定于机壳3的电动机2和连接于该电动机输出轴的轴流式叶轮1，并且：

——电动机2U形铁芯单相永磁同步电动机；

——叶轮1直径为125mm，具有4个叶片，额定转速1400r/m；也可以按空气性能要求设计为其它转速、直径和3、5或6个叶片，但不要多于9个叶片，直径不要大于250mm；

——机壳3内具有电路板44，外部电网交流电源自传统通风机接线端子板输入后经电路板44向电动机2供电。

上述U形铁芯单相永磁同步电动机的电磁基本结构如图6所示，包括：

——径向两极充磁的圆柱形永磁转子1；

——定子2，包括图示“U”字形的叠片铁芯3和定子绕组12；定子绕组12缠绕于左、右二个塑料线圈架121后被表层塑料122塑封为一整体；铁芯3的左臂31和右臂32分别穿越塑料线圈架121左、右二个内孔后露出的上部形成极面靠往转子1圆柱面左侧和右侧的左极靴311和右极靴316；极面形状为内凹而成阶梯连接的二段与转子1同轴的圆弧面：沿顺时针方向，先是半径较大的圆弧面，然后是半径较小的圆弧面；左极靴311的上、下极尖所在平面和右极靴316的上、下极尖所在平面均与图示“U”字形的对称轴30平行，定子磁场轴线20则与对称轴30垂直。因此，永磁转子1的磁极轴线10即相对于定子磁场轴线20向气隙短即磁阻小的方向即顺时针方向自然偏转一角度β0，构成启动角。该设计可避免在自由状态下转子停留于其轴线与定子凸极的轴线重合而使通电时启动转矩为零的所谓“死点”位置，所形成的磁阻转矩还有利于防止运转中的转子于交流电流过零时不产生转矩而停转。

上述定子结构以图示“U”字形垂直的二臂31、32为极身和底部的水平段33为磁轭，但也有以图示“U”字形底部的水平段为极身和垂直的二臂为磁轭的结构，后者的定子绕组缠绕于极身仅1个线圈架上。

关于U形铁芯单相永磁同步电动机更详细的资料可见机械工业出版社2009年版《小功率永磁电机原理、设计及应用》。

本发明实施例通风机电动机控制电路如图2所示，主要由固定于电动机非轴伸端或电动机外部的印刷电路板组成，该印刷电路板安装有：

——双向晶闸管4，其主电极与绕组12串联后接往交流电源端子5；

——单片机6，其输出电路63接往双向晶闸管4的触发极41，若输出脉冲即触发双向晶闸管4导通，此时的交流电源半波电压即开始施加于输入绕组12直至该半波过零结束，与该电压相应(同步和有所滞后)的脉冲电流输入绕组12；

——由电阻7和二极管8、9以及5V直流电源VDD组成的整形电路，其输入接往交流电源端子5，输出B在交流电源端子5的电压极性正半波时为1而负半波时为0，且输出B由1变为0或由0变为1的时刻即交流电源电压过零点。输出B接往单片机6的输入电路61；

——绕组12经电阻13接公共地，该电阻是检测通过绕组12的电流的取样电阻；绕组12与电阻13的连接点经转换电路621接往单片机的输入电路62，用于检查通过绕组12的电流在电阻13的电压降。电阻13也可以由电感、电流互感器或其它电路代替，以降低功率损耗；

——双向晶闸管4的主电极与绕组12的连接点与公共地之间跨接电阻10、19串联的分压电路，电阻10、19的串联连接点经转换电路681接往单片机的输入电路68；以输入反映绕组12电流为零时的端电压。

上述转换电路621、681可设计为变压器隔离钳位电路：

——1：1变压器初级连接被测交流电压，次级叠加一个高于被测交流电压峰值的恒定直流电压，从而使被测交流电压转换为单极性波动电压输入单片机的输入电路，在单片机内经A/D转换即可得到测交流电压的瞬时值。

当然，也可选用含上述功能和单片机的芯片代替单片机6和转换电路621、681。

单片机6内置程序主要按照设定步骤检查输入电路61、62和68的电平，经测量、比较、判别，由输出电路63输出触发晶闸管4的脉冲。

本发明实施例电动机运行各信号波形如图3～图5所示：

——51为交流电源端子5的电压波形；

——52为整形电路输出B的波形；

——531、531’、531”为施加于绕组12的电压的波形；

——54a、54a’、54a”为绕组12的电流的波形；

——54b(流量较大时)、54b’(流量较小时)、54b”(流量较小自动调整后)为永磁转子旋转磁场在绕组12中产生端电压的波形，其中的虚线段该波形为被交流电源电压淹没而不能测量的部分；粗实线段为可测量到部分，即绕组12的电流为零时检测到的绕组12的端电压。图中同时显示交流电源端子5的电压波形51，用于与54b、54b’、54b”比较相位，且其中的虚线段表示绕组12的电流为零时，交流电源电压被已关断的晶闸管4所阻断，未能施加于绕组12的端子；

——551、551’、551”为单片机6输出电路63向晶闸管4的触发极41输出的电压脉冲波形。

内置程序中的基本设定为：一旦输入电路62的电平恢复为所述钳位的直流电压，认定输入绕组12的电流为零，输入电路68的电平被用于确定绕组12的端电压。

本实施例交流电源频率为50Hz时的2π周期为20ms，内置程序所实施的步骤使电动机按如下方式工作：

——电动机启动完成后，自交流电源电压每一过零点起延时约1/3π,单片机6的输出电路63向晶闸管4的触发极41各输出一电压脉冲——如图3中551的k1、k2、k3……，使晶闸管4导通，使交流电源各半波电压以2/3π导通角施加于绕组12——如图3中531的v1、v2、v3……，产生电流如图3的54a中的i1、i2、i3……。在上述电流为零的时段，如图3的54b，由于交流电源电压51被已截止的晶闸管4所阻断(即图中交流电源电压51正弦波形的虚线段)，检测到绕组12的端电压e0、e1、e2、e3……。e0、e1、e2、e3……是由永磁转子旋转磁场在绕组12中产生，其在电流不为零的时段，淹没在施加于绕组12的交流电源电压51中，即其中的虚线段。可见，e0、e1、e2、e3……落在与交流电源电压51频率相同的正弦波形中，该正弦波形于时间轴具有过零点d1、d2……，且分别相应落后各自最靠近的交流电源电压51正弦波形的过零点O₁、O₂……时间差约电角度75°(相应于图3中54b时间轴上的线段O₁d1或O₂d2)，泵此时处于流量较大的工作状态，按照通风机的特性，轴机械转矩也较大。

该时间差可反映电动机工作状态进一步以图4说明。如图4中551’中单片机6的输出电路63向晶闸管4的触发极41输出的电压脉冲k1’、k2’、k3’……与图3中551的k1、k2、k3……相同，并因而如图4中531’施加于绕组12的电压v1’、v2’、v3’……与图3的531中的v1、v2、v3……也相同，产生如图4中54a’电流i1’、i2’、i3’……与图3中54a的i1、i2、i3……也相同，但由于流量较小，泵轴机械转矩也较小，所检测到如图4中54b’绕组12的端电压e0’、e1’、e2’、e3’……所在正弦波形于时间轴的过零点d1’、d2’……分别相应落后各自最靠近的交流电源电压51正弦波形的过零点O₁、O₂……的时间差减少，约为电角度40°(相应于图4中54b’时间轴上的线段O₁d1’或O₂d2’)，显著偏离规定值——电角度60°。

也正是根据该时间差的改变，为了使电动机有最佳的工作状态，针对如图4的负载过轻的情况，按照所述时间差电角度40°负偏离规定值电角度60°的情况，如图5的551”中单片机6的输出电路63向晶闸管4的触发极41输出的电压脉冲的k1”、k2”、k3”……相比图4的551’中的k1’、k2’、k3’……增大移相角即电流为零的时段，并因而如图5中531”施加于绕组12的电压v1”、v2”、v3”……相比图4中531’的v1’、v2’、v3’……减小导通角即有效值，产生如图5中54a”的电流i1”、i2”、i3”……相比图4中54a’的i1’、i2’、i3’……因而减少。该闭环自动调整的最后，所检测到如图5中54b”的绕组12的端电压e0”、e1”、e2”、e3”……所在正弦波形于时间轴的过零点d1”、d2”……分别相应落后各自最靠近的交流电源电压51正弦波形的过零点O₁、O₂……的时间差(相应于图5中54b”时间轴上的线段O₁d1”或O₂d2”)得以重新接近规定值——电角度60°。

针对如图3所述泵流量较大以至时间差约电角度75°正偏离规定值——电角度60°的自动调整，是减少单片机6的输出电路63向晶闸管4的触发极41输出的电压脉冲的的移相角即电流为零的时段，并因而使施加于绕组12的电压增大导通角即有效值，产生的电流也因而增大。该闭环自动调整的最后，所检测到绕组12的端电压所在正弦波形于时间轴的过零点分别相应落后各自最靠近的交流电源电压51正弦波形的过零点的时间差也得以重新接近规定值——电角度60°。上述自动调整后的信号波形图可类似于图5作出，已省略。

图3中，e0、e1、e2、e3……落在与交流电源电压51频率相同的正弦波形于时间轴的过零点d1、d2……，是依据所测得的e0、e1、e2、e3……各自的端点的值(如e1的端点c和n各自的数值u₁、u₂和所在时刻t₁、t₂)，构成如下以U_m和Φ为未知数的二元三角函数方程组：

u₁＝U_m*sin(314t₁－Φ)，

u₂＝U_m*sin(314t₂－Φ)。

解该方程组所得Φ即为所述过零点d1、d2……分别落后过零点O₁、O₂……的时间差值。

同理，在图4和图5中，过零点d1’、d2’……和d1”、d2”……分别落后过零点O₁、O₂……的时间差值，也可分别依据所测得的电流为零时段的绕组12的各电压的端点c’和n’或c”和n”各自的数值u₁、u₂和所在时刻t₁、t₂构成以U_m和Φ为未知数的二元方程组解得。

除按上述构成以U_m和Φ为未知数的二元三角函数方程组求解外，也可以直线插值的方法，即以所述二个端点各自的数值u₁、u₂和所在时刻t₁、t₂构成直线方程：

(u-u₁)/(t-t₁)＝(u₂-u₁)/(t₂-t₁)

求取所述过零点所在时刻，即令u为零，解该直线方程所得t，将其与在所述t₁、t₂之前且最靠近的所述交流电源电压过零点的时间差即为所述差值。直线插值占用较少单片机内存，虽然精度略低，也可满足工程控制的需要，尤其适合电流为零时段不大于电角度π/4的情况。

以上是利用e1的端点c和n各自的数值u₁、u₂和所在时刻t₁、t₂求取过零点所在时刻及分别与各自最靠近落后的交流电源电压51正弦波形的过零点的时间差，其实也可以利用e0、e2、e3……各自的端点的值求取，甚至多点均求取所述时间差，然后取平均值，可提高精度，但需要较多单片机资源。

本实施例通风机电动机为2极，但其基本控制原理与极数无关，同样适用采用4、6极电动机的通风机。

Claims (5)

1.无传感器电子控制的单相永磁同步电动机驱动的通风机，包括按照预定方向旋转的离心式叶轮和同轴传动所述叶轮的U形铁芯单相永磁同步电动机，该电动机包括：

——永磁转子，为径向两极充磁的圆柱形；

——定子，包括“U”字形的定子铁芯和该铁芯所穿越的定子绕组；该绕组按规定绕向接往交流电源；

——所述“U”字形二臂上部成形为靠往所述永磁转子圆柱面左侧的左极靴和靠往所述永磁转子圆柱面右侧的右极靴，所述极靴与转子间气隙的宽度于每一极下沿设定的旋转方向收窄，因而在自由状态下，转子磁极的轴线以定子的轴线为参照，沿设定的旋转方向偏转一锐角角度；

——具有一开关，交流电源经该开关向电动机定子的绕组供电；

——具有一控制电路，包括检测电路和按该电路检测到的信号驱动所述开关以控制所述交流电源输入所述绕组的电流的内置程序；

其特征在于：叶轮直径为250mm以内；所述控制包括使所述交流电源输入所述绕组的周期电流具有为零且长短可调的时段；所述检测包括：

——所述交流电源电压波形的过零点；

——所述电流为零的时段所述绕组的端电压；

所述内置程序包括如下处理：

——按照所述绕组的端电压确定其所在与所述交流电源同频率的正弦波波形的过零点时刻；

——测量所述正弦波波形的过零点时刻与所述交流电源电压波形过零点时刻之差值，当该差值偏离规定值时，改变所述电流为零的时段的长短，使所述偏离减少。

2.按照权利要求1所述通风机，其特征在于，所述差值按照如下方法测量：将自交流电源电压波形一过零点开始计时的某一电流为零时段中的2个时刻t₁、t₂所述端电压的瞬时值u₁、u₂构成如下以U_m和Φ为未知数的二元方程组：

u₁＝U_msin(2πft₁－Φ)，

u₂＝U_msin(2πft₂－Φ)；

式中，f为所述交流电源频率，U_m为所述端电压的最大值；

解该方程组所得Φ即为所述差值。

3.按照权利要求1所述通风机，其特征在于，所述差值按照如下方法测量：将自交流电源电压波形一过零点开始计时的某一电流为零时段中的2个时刻t₁、t₂所述端电压的瞬时值u₁、u₂构成如下以u和t为未知数的两点式直线方程：

(u-u₁)/(t-t₁)＝(u₂-u₁)/(t₂-t₁)；

令u为零，解该直线方程所得t与在所述t₁、t₂之前且最靠近的所述交流电源电压过零点的时间差即为所述差值。

4.按照权利要求2所述通风机，其特征在于，所述某一电流为零时段中的2个时刻t₁、t₂取该时段的2个端点。

5.按照权利要求1或权利要求2或权利要求3所述通风机，其特征在于，所述叶轮直径为100～150mm，所述规定值为(1/6)T，T为所述交流电源周期。