CN1227012A - 同步永磁电动机的激励和控制方法以及装置 - Google Patents

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Abstract

通过利用由微处理器管理的适当电路提供的方法和相应装置,允许沿着所选旋转方向,以非常高的静转矩,起动同步电动机,而不需要对当前所使用的同步电动机的结构作任何变更。

Description

同步永磁电动机的激励和控制方法以及装置
技术领域
本发明涉及特别用于永磁同步电动机的激励和控制方法，并涉及相应装置。
背景技术
同步电动机是交流电动机，它以固定速率(被称为是同步速率)旋转，这依赖于电源电压的频率及电动机的磁极数。
基本上，一般由转子和定子构成同步电动机，其中转子具有以直流电驱动的磁极环(电感器)，而定子由迭片磁心构成；电枢绕组位于所述磁心的内周边区域中，在其中形成的凹槽内，并通过端子与交流供电线相连。
在永磁电动机的特殊情况下，由永磁铁(一般由铝镍钴合金或磁化铁淦氧制成)构成电感器，而不是由以直流电驱动的磁极构成。
由于小型永磁同步电动机结构简单和成本低，所以当前小型永磁同步电动机被广泛使用，而且一般用于低功率电平。
然而，同步电动机也有一些缺陷。首先，不能预计起始旋转方向；再者，所提供的静转矩基本上很弱，从而即使在负荷相对较小的情况下，有时启动也很困难。
已涉及各种装置，以排除这个缺陷，但是它们却非常复杂，而且很昂贵，因此不能在成本必须适度的电动机中方便地使用，诸如，涉及用于泵或类似设备的电动机。
在多种情况下，对这些系统的使用导致电动机的结构变化，从而使得它们不能用于正常的大批生产之中。
发明概述
本发明的主要目的是允许启动同步电动机以选择较佳旋转方向并提供高静转矩。利用特别简单和经济并运用适当编程的微型控制器的电子设备就能获得这些特性。这些解决方法允许使对分立的外部元件的运用减至最小，并充分利用了电路的简单性、可靠性和成本低的优点。
本发明的优点包括下列特性，通过非限定的例子列出。
运用根据本发明的方法和相应装置，通过频率变化可以改变同步电动机的旋转速率，从电动机旋转速率逐渐转变为预置旋转速率。这可利用经校准的斜坡(ramp)时间(根据电动机的特性)来达到，以保持同步性。
利用在微型控制器(下面，称为μ控制器)的EPROM中预置(preset)的曲线，可以校正在定子上的电感。
可以根据电动机的操作条件(例如，作为负载、达到某一旋转速率所需的时间的函数)等等执行各种曲线，其中由微型控制器通过利用专用软件自动选择各种曲线。
换句话说，μ控制器包括包含限定曲线所需的信息的软件，其中上述曲线最适于电动机的操作条件。
控制电动机定子电流以校正感应曲线，并保护永磁铁。
提供起动(1aunching)过程，并通过利用经调制的直流电预置操作，以避免使电动机磁铁退磁。
通过利用传感器还可以控制电动机的旋转方向和位置。
附图简述
根据上述目标和目的，可以从所附权利要求书的内容清楚地确定本发明的特性，而且通过下面参照附图给出的详细说明，它的优点将显而易见，其中附图示出示范和非限定的实施例，其中：
图1是永磁同步电动机的示意实施例；
图2和3示出根据本发明，与用于激励和控制同步电动机的装置相关的可行电路图；
图4和5示出根据本发明，与用于激励和控制电动机的方法相关的可行流程图；
图6和7分别示出与根据本发明的装置相关的进一步电路图和与可用于控制和驱动电动机的可行波形相关的示图。
执行本发明的方法
图1示意地示出一般用标号1表示的同步电动机。电动机1包括设置在磁极3之间的永磁转子4，其中在上述磁极上设有相应励磁器(exciter)绕组2。为了对转子4执行测量，至少设置一个位置传感器5，例如，霍尔效应(Hall-effect)型传感器。当然，可以设置多个传感器(例如，在图6中标为S1和S2的那两个传感器)，而且上述传感器可以是另一种传感器，假设它们适于检测电动机的位置移动(motion)。
如图2所示，本发明的一个可行的实施例提供以供基于微处理器7(在本说明书中还被称为微型控制器或μ控制器7)的电路使用，其中在相应的连接点9和电源6的下行处，上述微处理器7与电动机(在图2和3中标为M)的电源电路8电气连接。
在示例例子中，微处理器7与霍尔效应位置传感器5和TRIAC元件10电气连接，例如，上述TRIAC元件10与定子绕组串联。微型控制器7可以具有开关(未图示)或者与其相连，以预置旋转方向。
在图3的例子中，提供多个MOSFET类的元件11作为TRIAC装置的另一种形式。
可以将用于激励和控制同步电动机的方法示意地分成起动过程和转矩控制过程。
还可将由图4的流程图(特别是，在上述流程的第一部分中)示意表示的起动过程用作独立于后来处理的处理，即，沿着所选旋转方向起动电动机。在这个过程中，通过利用表征为直流分量的50Hz交流电压给定子供电，它的有效电压使转子位于沿着所选方向。直流分量的极性取决于所选旋转方向。位置传感器5能够向微型控制器7报告已校准转子4，从而及时施加对称的同相50Hz交流电压，从而开始沿着所选方向旋转。
一旦结束起动过程，就可以运作，以提高同步电动机的固有弱转矩。上述位置传感器5以每180°的旋转测量转子的相移，其中转子相对于主频率朝着同步旋转速率加速。
与所述相移成正比，微型控制器7把多个具有适当极性的直流成分的非对称波送到定子(应参考图4的流程图)。通过这种方法，获得非常高的静转矩，它是正常同步转矩的1.5～2倍。
特别参照图4，因此该方法可以包括第一步骤，其中执行位置控制，而且注入与所选旋转方向相对应的非对称成分。于是，根据移动控制(如图4的判定符号所示)，注入与旋转方向相对应的半波，作为另一判断结果，可以再注入与旋转方向相对于的非对称成分。
对于需要更高起动转矩的特定应用，可以使用固态开关来代替TRIAC11，其中所述固态开关被表征为完美地限定所加的波列极性的可能性，从而达到10倍于正常同步转矩的值。利用这最近的结构，通过调制直流电压(如在图5中所示)来代替通过主交流电压进行工作，微型控制器7还能够按照指令改变同步速率，生成适当频率的交流电压。用于这种方法，通过在任一电动机的机械极限内进行改变，可以调节所述电动机的转矩和旋转速率值，即使在负载变化的情况下。
在起动过程期间和在非同步速率下旋转期间，定子吸收的电流是正常电流的1.5～2倍。因此，在堵塞(jam)或延长在非同步速率下的操作的情况下，由微型控制器用具有预置值占空因数间歇地控制电动机，从而避免使定子绕组超出它的温度额定值。
特别参照图5的流程图，第一处理过程涉及位置控制，同时选择选择速率和方向。于是，注入直流电，其中根据测得值选择直流电的极性。于是，根据移动控制的结果，注入具有低于所选频率的正弦波，或者重复注入前一步骤的直流电。
在低于所选频率的频率下注入正弦波的步骤之后是电动机堵塞控制运作；在堵塞情况下，降低电动机的动力消耗并起动使电动机在预置时间内(例如，10秒，如流程图所示)保持这个结构的定时器；如果不发生堵塞，那么执行位置控制。如果位置控制产生否定结果，那么以减小的幅度重复所选的正弦波；如果控制的结果是肯定的，那么注入后一个正弦波，它的频率上升直至达到所选频率。
换句话说，根据本发明提供的装置运用与装置位置传感器5相结合的可编程的微型控制器7(即，其中设有专用常驻软件)。微型控制器7通过提供直流成分，能够调整交流主电压以校正转子4的磁校准，以允许它沿着较佳方向起动。至少利用一个固态开关给定子绕组供电，其中固态开关与主电压串联并直接由微型控制器7驱动。作为替代，可以在转子4处提供TRIAC类10或者MOSFET类11或者其它类(例如，IGBT类或者双极晶体管)的元件。
通过施加于定子绕组和叠加在主交流电压上的适当极性的适当波列，本装置(和相应方法)允许增加转矩，同时达到同步选择速率。
可用直流电压对定子绕组2供电，其中利用可以调整起动旋转方向以及同步电动机的转矩和同步速率值的单极固态开关适当地调制直流电压。
为了检测转子4的位置，可以使用(如上所述)两个位置传感器，如此设置这两个位置传感器，从而即使在同步速率下旋转期间瞬间堵塞的情况下也能精确地确定转子的位置；这对于利用叠加在交流电源电压上的适当直流成分沿着相同方向正确地重新起动旋转特别有用。
在起动过程或在非同步速率下旋转期间，通过对所加波的占空系数作适当调制，还可以限制由定子4吸收的最大电流，以阻止定子绕组2过载。
参照图6和7的例子，设有四个MOSFET类的元件，在主图中标为标号11，通过相应的驱动器逻辑单元，由μ控制器7控制它们。因此，设有四个驱动器，标为标号A、B、C和D。图6中圆圈中的元件可代替MOSFET这些元件，诸如，晶体管类11’和IGBT类11”的元件。
在驱动器A、B、C和D和μ控制器7之间(在图6的下部分中)，设有表示支持驱动器逻辑单元的元件的块7’。
标号71表示在电动机的电路和μ控制器7之间的电流反馈连接；这种对定子电流的控制允许校正感应曲线并保护电动机的磁铁。
最好，根据在附图7中所示的波形，驱动定子开关，它示出由各种驱动器和由驱动器逻辑单元送出的波形，作为电动机的旋转速率的函数。
电流值与旋转速率并不以线性关系相关连，而是以存储在μ控制器7的EPROM中的特定曲线使它们关连；实际上，专用软件常驻在μ控制器7中并包括多根曲线，它们与受控并由据本发明的装置激励的可行电动机的不同操作条件相关。
总之，根据本发明的装置允许关于旋转方向、转矩和同步速率，对同步电动机进行全控制；可以根据应用独立、分开地调节这些值，从而使同步电动机具有较宽的应用范围，而这在当前是不可能的，并同时保持简单性、经济性和可靠性特征，这些是所述电动机的技术特征。
可认为可对本发明的结构特征和与流程图相关的步骤次序进行各种变更和变化，而这些又落在相同的发明构思中。还可用其它技术等效元件来代替所有细节。

Claims (17)

1．一种用于激励和控制电动机的方法，特别是用于永磁同步电动机的方法，其中通过由供电装置(8)提供的交流电对所述永磁同步电动机供电，而且所述永磁同步电动机还包括永磁转子(4)和设有相应励磁器绕组(2)的定子(3)，其特征在于，所述方法通过微处理器(7)向主交流电压提供直流成分，对于所述定子(3)的电源提供对主交流电压的调制，从而校正所述转子(4)的磁校准。
2．如权利要求1所述的用于激励和控制电动机的方法，其特征在于，它包括下列步骤：
在所述电动机的加速，从而达到所述同步速率期间，相对于所述主频率检测所述转子(4)的相移；
运用设有开关装置或与其相连的微处理器(7)，向所述定子(3)的所述绕组(2)提供多个预先调整极性的非对称波或波列，从而在加电之前预先调整所选的旋转方向。
3．如权利要求1所述的用于激励和控制电动机的方法，其特征在于，它包括下列步骤：
a)通过设置在所述转子(4)并在该位置上运作的传感器(5)，控制所述转子(4)的位置；
b)注入与所述所选旋转方向相对应的非对称成分；
c)控制所述转子(4)的移动，在肯定结果的情况下移到下一个步骤，而在否定结果的情况下回到步骤b)；
d)注入与所述旋转方法相对应的连续半波。
4．如权利要求1所述的用于激励和控制电动机的方法，其特征在于，它包括下列步骤：
a)控制所述转子(4)的位置并选择所述旋转速率和方向；
b)注入直流成分，其中所述直流成分具有在前一个步骤的控制期间，根据所检测的值选择的极性；
c)控制所述转子(4)的移动，在肯定结果的情况下移到下一个步骤，而在否定结果的情况下回到步骤b)；
d)在低于在步骤a)中所选频率的频率下注入正弦波；
e)验证所述转子(4)的操作，即，控制它的任何堵塞，如果发生堵塞则移到下一个步骤f)，而如果不发生堵塞则移到步骤g)；
f)在预先调整期间，关闭所述电动机(1)，接着移到步骤a)；
g)控制所述转子(4)的位置，即，控制已达到预期位置，如果所述位置是正确的，那么移到下一个步骤，而在位置不正确的情况下，重复注入幅度减小的所选正弦波；
h)注入频率增加的下一个正弦波，直至达到所选频率。
5．如权利要求1所述的用于激励和控制电动机的方法，其特征在于，利用具有适当极性的适当波列增加转矩，同时达到所述同步速率，其中将所述波列施于所述定子绕组(2)并叠加在所述交流主电压上。
6．如权利要求1所述的用于激励并控制电动机的方法，其特征在于，它将通过单极固态开关适当调制的直流电压用于所述定子绕组(2)的电源，其中所述开关能够根据命令调节起动旋转方向以及所述同步电动机(1)的所述转矩和同步速率。
7．如权利要求1所述的用于激励和控制电动机的方法，其特征在于，它将两个传感器用于所设置的所述转子(4)的位置，从而即使在以所述同步速率下旋转期间瞬间堵塞的情况下，也允许确定所述转子的位置，从而利用叠加在所述交流电源电压上的适当直流成分，沿着相同方向能够正确地重新起动旋转。
8．如权利要求1所述的用于激励和控制电动机的方法，其特征在于，在起动过程和/或在非同步速率下旋转期间，通过对应用的波的占空系数进行适当调制，它提供对由所述定子(3)吸收的所述最大电流的限制，从而阻止所述定子绕组(2)超负载。
9．如权利要求1所述的用于激励并控制电动机的方法，其特征在于，所述微处理器(7)包括专用软件，它适于根据所述电动机的操作条件，自动选择可在向所述定子(3)供电的过程中用到的曲线。
10．一种用于激励和控制电动机的装置，特别用于永磁同步电动机(1)的装置，其中由电源装置(8)所提供的交替电压对所述永磁同步电动机供电，而且它包括永磁转子(4)和设有相应励磁器绕组(2)的定子(3)，其特征在于，所述装置由在所述转子(4)上运作的位置传感器(5)和设置在所述装置(8)和所述定子(3)之间并与所述位置传感器(5)相连的可编程控制装置(7)构成，其中所述装置适于通过将直流成分施于交流主电压来调制所述交流主电压，从而根据所述直流成分的极性，沿着预先设置的方向开始旋转。
11．如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述位置传感器(5)是霍尔效应类的。
12．如权利要求10所述的装置，其特征在于，它包括设置在所述基于微处理器的控制装置(7)和所述电动机(M)之间并在它们之间起作用的至少一个TRIAC类元件(10)。
13．如权利要求10所述的装置，其特征在于，它包括设置在所述基于微处理器的控制装置(7)和所述电动机(M)之间并在它们之间起作用的至少一个MOSFET类元件(11)。
14．如权利要求10所述的装置，其特征在于，它包括设置在所述基于微处理器的控制装置(7)和所述电动机(M)之间并在它们之间起作用的至少一个IGBT类元件。
15．如权利要求10所述的装置，其特征在于，它包括设置在所述基于微处理器的控制装置(7)和所述电动机(M)之间并在它们之间起作用的至少一个双极晶体管类元件。
16．如权利要求13所述的装置，其特征在于，它包括设置四个MOSFET类元件(11)，其中所述四个MOSFET类元件在所述基于微处理器的控制装置(7)和所述电动机(M)之间并在它们之间起作用，而且利用驱动器逻辑支持元件(7’)与所述基于微处理器的控制装置(7)相连和/或受其控制。
17．如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述基于微处理器的控制装置(7)设有包括专用软件的EPROM类存储器，其中所述专用软件包含用于驱动在所述电动机(M)上起作用的固态开关(11)的多根曲线。
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