CN1127798C - 电动机控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动机(1)的控制装置(20)，包括：一个转子(6)及连接在三个连接端子之间的至少三个定子绕组(2，3，4)；一个装置(5)，用于对所述连接端子提供三个控制信号(Ua，Ub，Uc)；及一个用于检测所述转子角位置的装置(22)。所述检测装置包括：一个测量装置(24)，用于与电动机相连接，以使该装置与所述绕组形成分别提供具有两个测量频率的两个不同信号(U1，U2)的至少两个振荡电路，这两个测量频率其本身是所述转子的角位置的周期函数；及一个装置(26)，用于计算与这两个测量频率相对应的一个唯一值，该值即为所求的角位置。

Description

电动机控制装置

本发明涉及至少包括三个定子绕组的电动机的领域，更具体地，涉及这种电动机的控制装置，它包括用于检测转子瞬时角位置的检测装置。

在本说明书中我们将“无刷电动机”或“无换向器电动机”定义为一种包括一个设有永磁铁的运动部分(或“转子”)及一个至少设有三个固定极性的绕组的固定部分(或“定子”)的直流电动机。在电动机包括三个定子绕组的情况下，这些定子绕组被布置成彼此位移120°。这种类型的电动机具有其优点，譬如可在一个高压釜中被消毒，这与有刷电动机相反，后者的碳刷在消毒过程中将受损。于是，消毒问题变为首要关注，尤其在需要最佳卫生保健的领域中，如医疗器械的领域中。

图1概要地表示一个设有三个定子绕组2至4的无刷电动机，该电动机受一个传统电压发生器5的控制。为此，每个绕组2至4包括一个连接端子。标记2a，3a及4a分别表示绕组2，3及4的三个连接端子。发生器5包括三个分别与端子2a，3a及4a相连接的连接端子5a，5b及5c，并设置来用于通过端子5a至5c分别对三个绕组2至4提供三个电压Ua至Uc，通过这些电压实现对电动机的控制。

图2表示当图1中电动机被控制时的电压Ua至Uc的三个时序图10至12。应指出，这三个电压的组合构成由周期性方波形成的三相系统，这些信号具有以A表示的相同幅值及以T表示的相同周期，并彼此相移T/3.在图2中，标记t0表示任一起始瞬间。

当图2中电压Ua至Uc施加在图1的各绕组2至4上时，这些绕组将根据六种不同状态被极化。第一状态相应于时刻t0至t0+T/6之间的时间间隔，在此期间电压Ua，Ub及Uc的值分别为A，0及A。第二状态相应于时刻t0+T/6至t0+2T/6之间的时间间隔，并以此类推。这样极化的结果是产生能使电动机转动的旋转磁场，其转子的永磁铁被设置得很靠近绕组2至4。应提醒，其转速倚赖于电压Ua至Uc的幅值。作为例子，当电压幅值A在0及24V之间变化时，转子的转速将在0及40.000转/分钟之间变化。与周期T相对应的频率F0在1及667Hz之间。

该类型控制所遇到的一个问题是必须检测转子的瞬时角位置。事实上，为了使转子转到所需角位置，必须检测在对定子绕组施加控制电压时刻的转子角位置，以使得所施加的电压值在气隙中产生可使转子从这样检测的角位置转动到所需角位置。

对于检测转子角位置问题的第一传统解决方案是对电动机设置一个编码装置，该编码装置连接在转子上并控制施加于定子绕组的电压的转换。例如，通常使用无触点电子传感器来检测转子角位置，所述编码装置包括一个与转子转动的磁铁及固定在定子上并位于该磁铁磁场中的多个霍尔效应元件或传感器，以便在磁场反向时进行转换。应提醒，一个霍尔元件的设置可检测附近磁场的变化。

这样一种方案具有一些缺点。尤其是，霍尔效应元件相对昂贵，及它安装在电动机附近使电动机尺寸增加。此外，除三根电动机电源线外，还要使用两根霍尔元件电源线及三根用于采集由后者提供的信息的导线。不言而谕，设有八根导线的装置将与操作性能、消毒、重量、强度及成本方面的制约相违背，这些制约在工业上、尤其在医疗器械领域是惯用的。

对于检测转子角位置问题的第二传统解决方案在于测量正比于电动机转速的反电动势，由此它可提供关于转子位移并亦关于转子速度的信息。

这种方案的一个缺点是，它不能直接地检测转子的角位置。

该方案的另一缺点在于，该反电势随转子速度一起下降，这使测量变得困难。

该方案的又一缺点在于，转子瞬时位置的检测干扰了电动机的正常工作。事实上，反电势的测量不能与电动机控制电压的供给同时地进行。于是，在每次测量反电势时电动机的工作被中止。

因此可以看到，现有技术中用于解决上述问题的所有这些方案不能满足：一方面检测转子瞬时角位置，另一方面响应特殊应用领域、如在牙科器械中对于无刷电动机控制所提出的制约或要求。作为另一例子，在机器人应用领域中传统的方案不能使转子在使用少量引线的情况下足够精确地被控制转动一预定角度。

本发明的一个目的是提供一种能与无刷电动机连接的控制装置，该装置克服了上述问题，尤其是，能检测电动机转子的瞬时角位置。

本发明的另一目的是提供一种能以最少量连接导线与无刷电动机连接的控制装置，以便能响应操作性能、重量及成本方面的制约，这些制约是工业上、尤其在医疗器械领域中惯用的。

本发明的又一目的是提供一种能与转子转速无关地、甚至当转子停止时检测转子瞬时角位置的控制装置。

本发明的又一目的是提供一种能检测转子瞬时角位置而不干扰电动机正常工作的控制装置。

本发明的又一目的是提供一种控制装置，它能响应消毒及坚固耐用性方面的制约，尤其可应用于医疗器械领域。

这些目的将通过根据权利要求1的控制装置来实现。

根据本发明，该装置包括一个检测装置，它能有利地至少提供两个相应频率测量信号，它们一起代表转子的角位置，及这些信号的提供与电动机正常工作无关，尤其是通过电源装置来控制电动机。

该检测装置的另一优点在于，它们被连接在使电动机与电源相连接的电源线上，为检测转子角位置在电动机及该检测装置之间无需附加的连接。其结果是，装有这种检测装置的电动机能响应操作性能、坚固性及重量方面的要求，这些要求是工业上、尤其是牙科器械领域中惯用的。

根据本发明的装置还包括滤波装置，它能有利地滤出电源装置输出端子上的测量信号，以致能保证这些信号的提供不会干扰电源装置对电动机的控制。

根据本发明的装置还包括测量装置，它能有利地提供测量信号，测量信号的频率高于控制信号的频率，而其幅值低于控制信号的幅值，以致当电动机受控制时测量信号不会与控制信号相干扰，由此保证了控制信号的供给不会通过电源装置干扰对电动机的控制。

该检测装置的另一优点是，它包含的电子元件成本低、复杂性小、体积小，这能响应工业上通常对价格、合理化及体积的要求。

根据本发明的控制装置的另一优点在于，它们尤其当转子已停止时也能检测转子的瞬时角位置，而不会对电动机气隙中出现的旋转磁场的感应分布产生任何影响。事实上，本领域的技术人员将注意到，对于转子的任何转速值、尤其当转子停止时可提供在其各个频率上的测量信号，因为角位置的检测可从测量频率的测量中得出，提供的测量频率与电源装置对电动机的控制无关。

根据本发明的控制装置的另一优点是，它能以一定的精度等级检测转子瞬时角位置，这可响应工业上、尤其在机器人及牙齿种植术领域中的精度要求。

根据本发明的装置还包括一个处理装置，它能有利地将计算的角位置与一个比较值相比较，这允许随时地监视角位置的演变。

该处理装置的另一优点在于，它能计算转子转动的转数，及转子的速度和加速度，这允许随时地监视这些参数的演变。

当阅读了以下参照附图对仅以例子给出的本发明两个优选实施方式的详细说明，将会对本发明的这些及其它的目的、特征和优点有更清楚的了解，附图为：

一图1概要地表示已列举过的由传统电压发生器控制的传统无刷电动机；

-图2概要地表示已列举过的图1中电动机的控制电压的三个时序图；

-图3以框图方式表示与图1中电动机相连接的、根据本发明的控制装置；

-图4表示图3中装置的第一实施形式；

-图5及6表示图4中装置的两个电路构型；

-图7是表示与图5中构型相关的、当转子分别在两个角位置时的测量信号随时间变化的两个曲线；

-图8是表示与图5及6中构型相关的、转子角位置及两个测量频率之间关系的两个曲线；

-图9以更详细方式表示与图4中装置相关的计算装置；

-图10表示用于控制图5及6中构型的图9的计算装置所提供的信号的时序图；及

-图11表示图3中装置的第二实施形式。

图3以框图方式表示根据本发明的控制装置，该装置以标记20表示。该装置被设计成与一个类似于图1中电动机1的电动机相连接，以便控制后者。应指出，在图3上控制装置20中与参照图1所述的单元相同的单元用相同的标记表示。

电动机1包括一个设有永磁铁7的转子6，该永磁铁与三个定子绕组2至4磁耦合。本领域的技术人员将会注意到，根据本发明的装置同样可被设计来控制设有大于三的多个绕组的电动机。在图3中(也在图4，5，6及11中)可看到，电动机1是以所谓“星形”连接方式表示的。但是，不言而谕，根据本发明的装置同样可控制包括以所谓“三角形”连接方式连接的三个定子绕组的电动机。

电动机1与一个电源装置相连接，该电源装置形成类似于图1中发生器5的供电装置。应提醒，电压发生器5被设计成用于使绕组2至4相继地与未示出的电源相连接，以便对绕组2至4供给电压Ua，Ub及Uc，如图2中时序图所示。电压发生器5的连接是响应信号U0来实现的，该信号与电压发生器5的正确工作相匹配，该信号的供给将在下面描述。

控制装置20包括一个用于检测转子角位置θ的装置22。检测装置22包括一个用于测量两个分开的不同频率F1及F2的装置24，该测量装置24提供具有两个不同频率F1及F2的信号U1及U2。检测装置22还包括一个装置26，用于根据这两个信号U1及U2计算角位置θ及以信号U0的形式提供该位置。

图4表示装置20，尤其是测量装置24的第一实施形式。

测量装置24包括转换电路34，该电路包括第一组端子34a至34c，第二组端子34d至34f及一个控制端子34g。转换电路被设计成可通过端子34g接收控制信号U3，并根据下面将参照图5及6所述的两个电路构型Y1及Y2，在响应时，一方面连接端子34a至34c，另一方面连接端子34d至34f。应指出，关于信号U3的供给将在下面参照图10更详细地描述。转换电路34最好使用公知的电子元件构成的转换装置来实现，它用来执行电路构型Y1及Y2的连接。

测量装置24还包括一个放大电路35，用于当转换装置34处于各电路构型Y1及Y2时，提供分别具有频率F1及F2的周期信号U1及U2。在图4的例中，放大电路35包括一个运算放大器36，它的输出端通过电容器37连接到端子34d。运算放大器36的非反相输入端(或端子“+”)一方面通过电容器38连接到端子34e，另一方面通过电阻39连接到装置的地。运算放大器36的反相输入端(或端子“-”)一方面通过电容器40连接到端子34f，另一方面通过电阻41连接到装置的地。

现在将描述转换电路34的两个构型Y1及Y2。图5及6表示根据各个构型Y1及Y2的、图4中测量装置24的电路图。在以下说明中，标记Y1及Y2也表示根据转换电路各个构型Y1及Y2的、通过转换电路34与电动机1相连接的测量装置24的电路图。应指出，在图5及6上控制装置20中与参照图4所述单元相同的单元用相同的标记表示。

在构型Y1中，如图5所示，转换电路34被设计成使端子34a至34c分别与端子34d至34f相连接。换言之，在构型Y1中，运算放大器36的输出端通过电容器37与电动机1的端子2a相连接，及该放大器的非反相输入端和反相输入端分别与端子3a及4a相连接。于是，在构型Y1中，测量装置24(即转换电路34及放大电路35)与绕组2至4构成第一振荡电路，其中运算放大器36的输出端通过电容器37对绕组2及计算装置26提供信号U1。

本领域的熟练技术人员将会注意到，信号U1是周期性的并具有频率F1，该频率主要取决于从运算放大器36的端子“+”及端子“-”所“看到”的阻抗。而该阻抗直接取决于绕组2至4的电感。此外，我们知道，一个线圈或绕组的电感不仅取决于其结构，而且也取决于穿过它的磁场强度。因此，在电动机1的情况下，绕组2至4与转子永磁铁磁耦合，及绕组2至4的每个被由该磁铁产生的一部分磁场穿过，该部分磁场取决于该磁铁相对有关绕组的角位置θ。换言之，频率F1取决于转子的角位置θ。

图7仅是以说明的方式表示出两个曲线50及51，它们表示当转子分别在第一角位置或参考位置θ0及不同于该参考位置的第二角位置θ1时信号U1随时间的变化。为了展示作为角位置θ函数的频率F1的灵敏度，对图7的曲线50及51进行了试验性测量。这样，频率F1(θ0)被测得等于1.43Mhz，及频率F1(θ1)等于1.3Mhz，即在角位置θ0及θ1之间的频率差等于130KHz。

本领域的熟练技术人员也将注意到，在相应于转子一圈360°除以转子磁铁极数的一个周期中，频率F1随角位置θ周期性地变化。在目前的例中，该极数等于2，频率F1的变化周期等于转子转动180°。

图8仅是以说明的方式表示出一个曲线61，它表示频率F1作为角位置θ的函数的变化。参量Fmin及Fmax分别表示频率F1的最小值及最大值。

在构型Y2中，如图6所示，转换电路34被设计成使端子34a至34c分别与端子34e，34d及34f相连接，这就实现了所述构型Y2。换言之，在构型Y2中，运算放大器36的输出端通过电容器37与电动机1的端子3a相连接，及该放大器的非反相输入端和反相输入端分别与端子2a及4a相连接。于是，在构型Y2中，测量装置24(即转换电路34及放大电路35)与绕组2至4构成第二振荡电路，其中运算放大器36的输出端通过电容器37对绕组3及计算装置26提供信号U2。

图8中还表示出一个曲线62，它表示频率F2作为角位置θ的函数的变化。如该图中所示，类似于频率F1，频率F2在一个最大值及一个最小值之间周期性地变化，其一周期相应于转子转动180°。不言而谕，在绕组2至4是对称的并具有相同的圈数及相同电感的情况下，频率F2的最大值及最小值分别等于频率F1的最大值及最小值。此外，应指出，在图8中与频率F1相关的曲线61相对于与频率F2相关的曲线相位移动120°。本领域的熟练技术人员易于理解，该相位移是由电动机中绕组2至4的布置及在该例中转子的双极磁铁引起的。

本领域的熟练技术人员将注意到，设置具有各频率F1及F2的信号U1及U2一定不能干扰电动机的正常工作，即不能干扰电压发生器5对电动机1的控制。

为此，设置了，放大器电路35，以使信号U1及U2的幅值明显低于电压Ua至Uc的幅值，及频率F1及F2的最小值明显大于电压Ua至Uc的频率的最大值。此外放大电路35设计成频率F1及F2的最大值明显低于通常尤其在牙科器械领域中进行的电磁兼容性试验时所使用的信号频率值，在电磁兼容性试验时所使用的最小频率为30Mhz量级。

作为例子，在电压Ua至Uc幅值从0至24V变化，及这些电压的频率F0包括在1至667Hz之间的情况下，信号U1及U2的幅值约为2V，及其频率F1及F2为几MHz量级。

相似地，为了避免对控制电压Ua至Uc供电的干扰，即保证电动机1的正常工作，可分别在电压发生器5的输出端子5a至5c上连接三个滤波器(未示出)，以滤出频率为几MHz量级的、与测量相关的信号(尤其是信号U1及U2)，，而不会改变电压Ua至Uc。最好，所述滤波器使用三个各包括一个线圈及与该线圈相并联的电容器的带阻滤波器来实现，这些滤波器阻止信号U1及U2，它们的频率分别为F1及F2，属于所述带阻滤波器阻止的频率范围。作为变型，所述滤波器可使用三个带通滤波器来实现，它们包括三个分别串联在各输出端子5a，5b及5c和各连接端子2a，2b及2c之间的三个线圈，及分别并联在各输出端子5a，5b及5c和装置地之间的三个电容器。

对于计算装置，应提醒，该装置被设计来用于从两个信号U1及U2计算角位置。

图9表示图4中控制装置20的计算装置26的一种实施方式。应指出，图9的控制装置20中与参照以上附图所描述的单元相同的单元用相同的标记表示。

如图9所表示地，计算装置26包括一个频率-电压转换器71及一个处理电路72。

频率-电压转换器71包括：一个输入端子71a，它连接到图4中运算放大器36的输出端；及一个输出端子71b，它连接到处理电路72。该转换器71被设计成由端子71a接收信号U1(或U2)及将该信号转换为一个可与处理电路72的工作相匹配的电压X1(或X2)，这些电压的幅值正比于：频率F1(或F2)及该频率中一已知值(例如图8中值Fmax或Fmin)之差。转换器71还被设计成由端子71b提供电压X1(或X2)。最好，该频率-电压转换器71用本身公知的鉴频器来实现。

处理电路72包括一个与转换器71的输出端子71b相连接的输入端子72a，及一个输出端子72b，后者在图3的例中连接到电压发生器5。此外，处理电路72被设计成由端子72a接收电压X1及X2并执行操作，以便能检测与由电压X1及X2代表的频率F1及F2的频率对(F1，F2)相对应的角位置的唯一值。

为了更好地理解处理电路72的操作，我们再重新参照图8。于是，测量的瞬时电压X1mes在定义上相应于包括在Fmax及Fmin之间的频率F1的一个值，在图8中用标记X1mes表示。如该图所示，电压X1mes相应于曲线61上包括在0至180°之间的两个角度值θ2及θ3。类似地，测量的瞬时电压X2mes相应于曲线62上的两个角度值θ4及θ5。应指出，在值θ2至θ5之间的两个值(在目前例中为θ3及θ4)为迭合模180°，这就检测了在0至180°之间存在一个唯一值。换言之，一个值对(X1mes，X2mes)相应于一个唯一值，它等于与曲线61相关的值θ3或与曲线62相关的值θ4，该唯一值即为所求的角位置θ。

实际上，假定图8中的曲线61及62彼此相同并具有约120°的相位移，处理电路72被编程，以包含电压X1或X2及角度值θ之间的单一对照表，该表类似于一个传统的、值Arcsin(θ)及相应角度值θ之间的三角函数表。处理电路72的编程也用于执行以下相继的操作。第一操作在于，由所述表检测与被端子72a接收的电压X1相对应的第一对角度值θ6及θ7，和与电压X2相对应的第二对角度值θ8及θ9。及第二操作在于，在这些值θ6至θ9中检测出两个值，它们的差等于120°，并在这两个值中检测出与曲线61相对应的值，该值被考虑作为所求的角位置θ。

应指出，在所述第二操作中引入的值120°相应于图8中曲线61及62的相位移120°，该相位移在上面已描述。因此，在由所述表(不是由图8中的曲线61及62)检测相应于电压X1mes及X2mes的角度值的情况下，应从数学上通过各值θ6至θ9之间差值的计算来推导该相位移的存在，它们中的两个相距120°。

还应指出，使用对照表可能需要一个附加的初始计算，其在于，根据依赖于装置组成的电压X1及X2的峰值使电压X1mes及X2mes标称化。

不言而喻，由处理电路72执行的计算结果不能提供精确的值而是近似值。作为改进，例如可通过第三电路构型Y3来提供第三个测量频率F3，这能增加该计算时获得的角位置θ的精确度。

最好，使用一个传统的32位微处理机来实施处理电路72。该微处理机被编程，以执行尤其是上述操作。

如图4并结合图9所示，处理电路72也可被编程，用于通过端子72c向转换装置34提供转换信号U3，由此检测一个被分为三个阶段的测量周期，以使得在第一及第二阶段中，测量装置24分别具有构型Y1及Y2，以向计算装置26提供各信号U1及U2，在第三阶段中，计算装置26检测所求角位置。

仅作为例子，图10表示信号U3的时序图91。标记t0表示一个初始时刻，从它开始测量周期的第一阶段，标记t1表示该第一阶段结束及同一周期的第二阶段开始的时刻，标记t2表示该第二阶段结束及同一周期的第三阶段开始的时刻，标记t3表示该第三阶段结束及一个新测量周期开始的时刻。信号U3在第一周期的值为“0”，及在以下的阶段为“1”。作为说明，应指出，在时刻t0至t1之间的时间间隔及在时刻t1至t2之间的时间间隔为50及100μs之间，及在时刻t2至t3之间的时间间隔为400及600μs之间。

对于本领域熟练技术人员，不言而谕，上述的详细说明在不偏离本发明范围的情况下可受到各种修改、实施变型及改进。

作为变型，根据本发明的装置也可被设计用于控制具有大于3的多个定子绕组的电动机。在此情况下，电动机及电源装置之间的连接以及电动机及测量装置之间的连接被设计成适合电动机定子绕组的数目。

同样作为变型，该装置的测量装置可包括一个转换电路，它不受处理电路的控制，但它连接到一个独立的控制装置。

同样作为变型，该测量装置被设计来同时测量频率F1及F2，这不同于图4中的测量装置，如上所述，在那里频率是在一个测量周期中依次进行的。图11表示根据本发明的控制装置的第二实施形式，该控制装置用标记99表示，它包括一个检测装置100，其中设有一个如上所述的测量装置101及计算装置104。应指出，在图11上控制装置99中与参照以上附图所述的单元相同的单元用相同的标记表示。测量装置101包括与图4中放大电路35相同的两个放大电路102及103。计算装置104包括与图9中频率-电压转换器71相同的两个频率-电压转换器105及106，及一个也类似于图9中处理电路72的处理电路107。重要地，应指出，放大电路102的连接是用于实现图5中构型Y1，放大电路103的连接是用于实现图6中构型Y2，由此使信号U1及U2同时提供给计算装置104。

本领域的熟练技术人员将注意到，在频率F1及F2同时提供给计算装置的情况下，两个放大电路102及103的每个运算放大器36不能类似于图4中装置那样通过电容器37，38及40连接到电动机1。事实上，如果情况是这样，测量信号U1及U2将同时出现在两个电路102及103的运算放大器36的端子上，这是两个频率F1及F2的微分所不允许的。为此，三个线圈37a，38a及40a分别与电容器37，38及40相串联，以致形成三个调谐在预定频率上的带通滤波器，由此使放大电路102的滤波器调谐在由电路102提供的信号U1的频率F1上，及使放大电路103的滤波器调谐在由电路103提供的信号U2的频率F2上。

作为改进，处理电路可在同一测量周期中控制转换装置的至少一个附加构型，以便当由所述处理电路检测转子角位置时为了增加精度而提供第三频率。

也作为改进，处理电路还可被编程，以便根据相继检测的角位置值来计算转子转动的转数，及该转子的速度及加速度，并在时间过程中监视各个参数的变化。

我们来考虑一下对转子转动转数的计算。处理电路72，107可被编程，以存储在第一测量周期结束时检测的角位置(或第一值)，及在下一测量周期(或第二周期)结束时检测的角位置(或第二值)，及计算第二值与第一值之间的差，该差值提供了转子在第二周期中转动的位移值，也即所求的转数。

现在来考虑转子转速的计算。该处理电路可被编程，以便如上所述地计算在第一及第二执行测量周期结束时测量的两个角位置之差，及计算该差值对一个测量周期时间的比值，该比值提供了在所述第二周期中转子的速度值。

同样地，对于计算转子加速度，该处理电路可被编程，以便如上所述地计算在第一及第二相继测量周期结束时测量的两个转子速度之差，及计算该差值对一个测量周期时间的比值，该比值提供了在所述第二周期中转子的加速度值。

现在来考虑对各个参数的监视。该处理电路可被编程，以便将角位置θ、转动的转数、转子的速度或加速度与一个预定比较值相比较。

作为例子，角位置θ可与代表理想同步状态的理论值相比较。在这方面应提醒，当转子转动速度等于磁场转动速度时，电动机定子及转子之间的传动称为“同步”。还应提醒，在该传动过程中，施加在转子上阻力矩的增加将引起转子磁位置及旋转磁场位置之间角偏移的增加，当其超过一定的值θd时，转子将失步。

同样作为一个例子，角位置θ的比较值可相应于偏离同步值θs的一个角位置，该偏离角能使电动机产生足够转矩以驱动预定负载。

同样作为一个例子，角位置θ也可与失步值θd相比较，以便验证该偏离值小于失步值θd，即验证电动机未失步。

Claims (24)

1.一种电动机(1)的控制装置(20；99)，该电动机设有一个转子(6)，该转子装有永磁铁(7)，该永磁铁与连接到第一、第二及第三连接端子(2a，3a，4a)的至少第一、第二及第三定子绕组(2，3，4)磁耦合，该装置包括：

-一个装置(5)，用于通过第一、第二及第三输出端子(5a，5b，5c)将第一、第二及第三控制信号(Ua，Ub，Uc)分别供给所述电动机的第一、第二及第三连接端子，这些信号是周期信号；及

-一个用于检测转子角位置(θ)的检测装置，

该控制装置的特征在于，该检测装置(22；100)包括：

-一个测量装置(24；101)，用于与所述第一、第二及第三连接端子相连接，以使该装置与所述第一、第二及第三定子绕组形成分别具有第一及第二不同电路构型(Y1，Y2)的至少第一及第二振荡电路，并使得第一及第二振荡电路能分别提供具有第一及第二频率(F1，F2)的第一及第二周期性测量信号(U1，U2)，后者本身是所述转子的角位置(θ)的周期函数，其周期相应于转子一整圈除以所述永磁铁的极数；及

-一个计算装置(26；104)，用于接收第一及第二测量信号(U1，U2)，根据由这些信号的第一及第二频率形成的频率对计算所述角位置，并输出该值。

2.根据权利要求1的控制装置，其特征在于：所述第一及第二测量信号(U1，U2)的所述第一及第二频率(F1，F2)明显大于所述控制信号的频率(F0)，及这些信号的幅值明显小于所述控制信号的幅值。

3.根据权利要求1的控制装置，其特征在于：它还包括至少第一、第二及第三滤波装置，这些滤波装置分别连接在以第一、第二及第三输出端子(5a，5b，5c)为一方及以第一、第二及第三连接端子(2a，3a，4a)为另一方之间，以使得第一及第二测量信号(U1，U2)不会干扰电动机的正常工作。

4.根据权利要求3的控制装置，其特征在于：所述每个滤波装置包括一个带阻滤波器。

5.根据权利要求3的控制装置，其特征在于：所述每个滤波装置包括一个低通滤波器。

6.根据权利要求1的控制装置，其特征在于，测量装置(24)包括：

-一个转换电路(34)，用于接收控制信号(U3)，及响应该信号并根据所述第一及第二电路构型(Y1，Y2)使测量装置依次地连接到所述连接端子(2a，3a，4a)；及

-一个放大电路(3 5)，用于当所述转换电路分别形成所述第一及第二电路构型时，提供分别具有第一及第二频率的第一及第二测量信号(U1，U2)。

7.根据权利要求6的控制装置，其特征在于：所述放大电路(35)包括一个运算放大器(36)，它的输出端子用于通过第一电容器(37)与所述第一、第二及第三连接端子(2a，3a，4a)中的一个及计算装置(26)相连接，该放大器的非反相输入端(“+”)用于通过第二电容器(38)与两个剩余连接端子中的一个相连接，而该运算放大器(36)的反相输入端(“-”)用于通过第三电容器(40)与所述另一剩余连接端子相连接。

8.根据权利要求7的控制装置，其特征在于：所述转换电路(34)形成所述第一构型(Y1)，以使所述运算放大器(36)的输出端子通过所述第一电容器(37)连接到所述第一连接端子(2a)，该放大器的非反相输入端(“+”)通过所述第二电容器(38)连接到所述第二连接端子(3a)，及该放大器的反相输入端(“-”)通过所述第三电容器(40)连接到所述第三连接端子(4a)。

9.根据权利要求7的控制装置，其特征在于：所述转换电路(34)形成所述第一构型(Y2)，以使所述运算放大器(36)的输出端子通过所述第一电容器(37)连接到所述第二连接端子(3a)，该放大器的非反相输入端(“+”)通过所述第二电容器(38)连接到所述第一连接端子(2a)，及该放大器的反相输入端(“-”)通过所述第三电容器(40)连接到所述第三连接端子(4a)。

10.根据权利要求7的控制装置，其特征在于：所述计算装置(26)包括：

-一个频率-电压转换器(71)，用于接收所述第一及第二测量信号(U1，U2)，将这些信号转换成代表所述第一及第二频率(F1，F2)的第一及第二电压(X1，X2)，及输出这些电压；

-一个处理电路(72)，用于：接收所述第一及第二电压(X1，X2)；执行允许对应于由分别包括在所述第一及第二电压(X1，X2)中的所述第一及第二频率(F1，F2)所形成的频率对偶联的一个唯一值被确定的操作；及提供该唯一值作为所求的所述角位置(θ)。

11.根据权利要求10的控制装置，其特征在于：所述处理电路(72)用于将所述控制信号(U3)提供给所述转换电路(34)，以便检测一个测量周期，在该周期的第一阶段所述测量装置(24)具有所述第一构型(Y1)，及在该周期的第二阶段所述测量装置(24)具有所述第二构型(Y2)。

12.根据权利要求1的控制装置，其特征在于，所述测量装置(101)包括：

-第一放大电路(102)，其包括一个运算放大器(36)，它的输出端子用于通过第一电容器(37)及和该电容器并联的第一线圈(37a)与所述第一连接端子(2a)及计算装置(104)相连接，该放大器的非反相输入端(“+”)通过第二电容器(38)及和该电容器并联的第二线圈(38a)与所述第二连接端子(3a)相连接，而该运算放大器(36)的反相输入端(“-”)用于通过第三电容器(40)及和该电容器并联的第三线圈(40a)与所述第三连接端子(4a)相连接；及

-第二放大电路(103)，其包括一个运算放大器(36)，它的输出端子用于通过第一电容器(37)及和该电容器并联的第一线圈(37a)与所述第二连接端子(3a)及计算装置(104)相连接，该放大器的非反相输入端(“+”)通过第二电容器(38)及和该电容器并联的第二线圈(38a)与所述第一连接端子(2a)相连接，而该运算放大器(36)的反相输入端(“-”)用于通过第三电容器(40)及和该电容器并联的第三线圈(40a)与所述第三连接端子(4a)相连接。

13.根据权利要求12的控制装置，其特征在于，所述计算装置(104)包括：

-第一频率-电压转换器(105)，用于接收所述第一测量信号(U1)，将该信号转换成代表所述第一频率(F1)的第一电压(X1)，及输出这些电压；

-第二频率-电压转换器(106)，用于接收所述第二测量信号(U2)，将该信号转换成代表所述第二频率(F2)的第二电压(X2)，及输出这些电压；及

-一个处理电路(107)，用于：从所述第一及第二频率-电压转换器(105，106)接收所述第一及第二电压(X1，X2)；执行允许对应于由分别包括在所述第一及第二电压(X1，X2)中的所述第一及第二频率(F1，F2)所形成的频率对的一个唯一值被确定的操作；及提供该唯一值作为所求的所述角位置(θ)。

14.根据权利要求10或13的控制装置，其特征在于：所述处理电路(72；107)被编程，以包括第一多个频率值及第二多个角位置值之间的对照表，所述第一及第二多个值根据对所述周期的所述周期函数之一彼此相关，该周期相应于转子的一整圈除以所述永磁铁的极数。

15.根据权利要求14的控制装置，其特征在于，所述处理电路(72；107)的所述操作在一个测量周期中包括：根据所述对照表检测与包含在所述第一电压(X1)中的所述第一频率(F1)相对应的第一及第二角位置值(θ2，θ3)、及与包含在所述第二电压(X2)中的所述第二频率(F2)相对应的第三及第四角位置值(θ4，θ5)；检测由所述第一及第二值中的一个和所述第三及第四值中的一个形成的唯一值对，以使得这两个值之差等于所述电动机两个相继定子绕组之间的位移；及输出该唯一值对的所述第一及第二值作为所述唯一值的值。

16.根据权利要求15的控制装置，其特征在于：所述处理电路(72；107)被编程，以便将一个预定比较值与在所述操作结束时获得的所述角位置(θ)相比较，由此在时间过程中监视所述转子角位置的变化。

17.根据权利要求16的控制装置，其特征在于：所述比较值等于代表理想同步状态的值。

18.根据权利要求16的控制装置，其特征在于：所述比较值等于能够引起电动机足够转矩以驱动加在转子上的负载的值。

19.根据权利要求16的控制装置，其特征在于：所述比较值是代表电动机失步的值。

20.根据权利要求15的控制装置，其特征在于：所述处理电路(72；107)被编程，以便：存储作为第一位置的一个参考角位置或在第一测量周期结束时计算的角位置，及存储作为第二位置的在下一或第二测量周期结束时计算的角位置；计算所述第二位置及所述第一位置之差，该差值提供了在所述第二周期期间转子的角位移值；及将该位移值与一个预定比较值相比较，由此监视在时间过程中所述转子转动的转数的变化。

21.根据权利要求15的控制装置，其特征在于：所述处理电路(72；107)被编程，以便：存储作为第一位置的一个参考角位置或在第一测量周期结束时计算的角位置，及存储作为第二位置的在下一或第二测量周期结束时计算的角位置，计算所述第二位置及所述第一位置之差对测量周期时间的比值，该比值提供了在所述第二周期期间转子的转速，及将该速度与一个预定比较值相比较；由此监视在时间过程中所述转子转动的转速的变化。

22.根据权利要求21的控制装置，其特征在于：所述处理电路(72；107)被编程，以便：存储作为第一速度的在所述第二测量周期结束时计算的转子转速，及存储作为第二转速的在下一或第三测量周期结束时计算的转子转速；计算所述第二速度及所述第一速度之差对测量周期时间的比值，该比值提供了在所述第三周期期间转子的加速度；及将该加速度与一个预定比较值相比较，由此监视在时间过程中所述转子加速度的变化。

23.根据权利要求10或13的控制装置，其特征在于：每个频率-电压转换器(71；105；106)包括一个鉴频器。

24.根据权利要求10或13的控制装置，其特征在于：处理电路(72；107)包括一个32位的微处理机。

Images