TWI404323B - 同步電動機之控制 - Google Patents

Description

同步電動機之控制

本發明概言之係關於交流驅動同步馬達。

更特定而言，本發明係關於交流(AC)驅動同步馬達之控制。

可將一同步馬達定義為一具有準確地與一AC電源頻率成比例之運轉速度之馬達或一由與該馬達反電動勢同步之電流波驅動之馬達。此後一定義包含至少某些出於效率原因藉由交流電源之電子或其他控制裝置鎖定之交流供電無刷直流馬達。

交流驅動同步馬達係一給需要以一恆定速度驅動之機器以動力之有效且為人們所熟知之方法，乃因該馬達被鎖定至一相依於驅動頻率之旋轉速率。起動該等馬達頗為困難，此乃因除非馬達速度接近同步速度，換言之，除非同步速度較低，否則不存在單向起動扭矩。

通常，此預示著使用一變頻電源以容許以低速起動該馬達、該馬達與另外類型馬達(諸如，一使用至少部分相同繞組之感應馬達)之組合來供應該起始扭矩，或使用某些機械裝置來提供初始運動且繼而容許僅沿一單一方向運動。此後者之實例包含各種離合器及脈衝起動器，但該諸多器件所共有之特徵係難以確定同步馬達之起動方向，而此將在任一旋轉方向上進行同樣有效的鎖定。

在使用一分離起動繞組之美國專利5859513中及使用一機械反向保護之4716325中顯示某些方案。美國專利3529221顯示一以切換繞組來起動馬達之罩極式馬達，其提供起動方向及扭矩之有限控制。該等馬達之效能僅滿足於範圍狹窄之要求不高之應用，且構造頗為複雜。

提供鎖定至電源頻率之馬達之其他方法涉及使用無刷直流馬達及一控制器，該無刷直流馬達通常係具有用以偵測機器轉子旋轉之霍爾效應感測器之多相逆變器驅動機器，該控制器使該馬達以最快速度運行且將該旋轉鎖定至市電電源。驅動及控制該等馬達頗為昂貴。

因而，存在對於提供一將無需過多機械或電複雜性即可起動且將達到並維持一與一交流電源同步之旋轉速度之同步馬達之問題的方案。

本發明為此問題及其他問題提供一方案，該方案提供勝於先前技術之優勢或將至少給公眾提供一有用選擇。

包含此說明書中所引用之任何專利或專利應用在內之所有參考文獻皆藉此以引用方式併入本文。不承認任何參考文獻構成先前技術。參考文獻中之論述陳述其作者所宣稱之內容，且該等申請者保留挑戰所引用文件之精確性及相關性之權力。應清楚地瞭解，雖然本文參考許多先前技術公開案，但在紐西蘭或在任何其他國家此參考並不構成對任何該等文獻構成此技術中通用知識之一部分的承認。

已公認在變化權限下可將術語"包括(comprise)"歸屬為排他或包含之意。出於此說明書之目的，且除非另外注釋，術語"包括(comprise)"將具有一包含意義，亦即，將認為其意指不僅包含其直接提及之所列出之組件且亦包含其他未列出組件或元件。當關於一方法或製程中之一個或多個步驟使用術語"包括(comprised)"或"包括(comprising)"時，亦將使用此基本原理。

本文所用術語"馬達相位"係指施加至馬達之交流電壓與馬達所產生之反電動勢(EMF)之間的相位角。該值通常近似地等價於馬達任一構造之轉子位置與所施加交流電壓之間的相位關係。

在一範例中，本發明存在於一藉由以下步驟起動及控制一含有一具有多個磁極之轉子及一在每一磁極上具有至少一個激勵線圈之定子的交流驅動馬達之方法：以一與交流電源同步之切換方式穿過至少一個激勵線圈將交流電流瞬時供應至該馬達以便沿一旋轉方向起動該馬達；偵測旋轉方向何時有誤且移除該交流電源並容許馬達停止；藉由以下步驟另外控制源電流至該等線圈之連接：偵測若該等激勵線圈中之至少一者受到激勵，則其何時能夠向該轉子供應一加速扭矩；連接一源電流至彼線圈達該週期之至少一部分，在此期間線圈將提供旋轉加速度；加速轉子逼近一同步旋轉速率。

較佳地，本發明包含在加速後將轉子維持在一同步旋轉速率。

較佳地，本發明包含藉由維持一施加至一線圈或線圈組合之源電流來最初對準轉子直到轉子對準於所形成之磁場。

較佳地，本發明包含藉由向一線圈或線圈組合瞬時地提供一源電流來沿一隨機方向起動馬達。

較佳地，本發明包含當之線圈反向電動勢與所施加之電壓同相時，將該交流電源連接至一線圈或線圈組合達該週期之至少一部分。

較佳地，偵測一個或多個線圈何時可向轉子供應一加速扭矩之步驟包含偵測至少一個線圈或線圈組合上之反電動勢，偵測施加至馬達之交流電壓，偵測所施加之電壓何時具有與反電動勢相同之極性。

較佳地，加速轉子逼近一同步速率之步驟包含當反電動勢與所施加之交流電壓具有相同極性時，將交流電壓連接至該線圈或線圈組合。

較佳地，該開關構件係一三端雙向可控矽器件，且監控三端雙向可控矽器件閘極電壓以確定三端雙向可控矽器件何時不傳導、且根據三端雙向可控矽器件不傳導時其兩端之電壓導出一表示反電動勢之數值。

較佳地，在同步速度時，轉子加速扭矩維持在保持同步性之最小值。

一交流驅動同步馬達控制電路包括：一開關構件，其向一馬達中之至少一個線圈或線圈組合供應交流電流，該馬達具有一含有多個磁極之轉子及一每一磁極均具有至少一個激勵線圈之定子，一偵測構件，其偵測一線圈或線圈組合上之反電動勢何時具有與所施加電壓相同之極性，及一激活構件，其激活該開關構件達該偵測構件所偵測週期之至少一部分。

較佳地，該開關構件分別開關至少兩個鄰近線圈。

較佳地，該等鄰近線圈由磁極線圈以抽頭點組成。

較佳地，該電路開關構件具有一控制電極，且該電路在一開關構件之控制電極處之一量測指示該開關不導電時比較在該開關構件兩側量測之反電動勢。

在閱讀以下詳細說明及檢閱相關圖式後，將顯而易見表徵本發明之該等及其他特徵及優點。

現參照圖1，一同步馬達通常由一具有極片101之轉子及磁體102組成，未顯示主動軸及該轉子之驅動連接。

定子102由係一諸如層壓板鋼等之環面磁性元件之背鐵105及其中該等筒管在該馬達每一磁極上形成一繞組之繞線筒管103、104組成，該等筒管形成一第一筒管繞組103及一第二筒管繞組104，且該等繞組整體上並不對向該定子之整個圓周。每一側上筒管上之繞組通常由一單個導線沿所有四個筒管連續纏繞但延伸至位於筒管頰上之凹槽中之一抽頭點構成。在每一對筒管之間可存在一抽頭點或僅有一個抽頭點可存在於筒管103與104之間。通常，一單相機器之每一磁極上之繞組可呈自120度至135度之對向。

一單相交流電源連接至該馬達每一側上之筒管且經由該繞組不同部分之電流受到相位控制以在該馬達低於同步速度時提供一單向扭矩。此需要偵測轉子速度與交流電源頻率之關係，且對該繞組一部分中之電流之控制相依於同步速度之速度差。可使用該等筒管之許多可行連接來提供所需控制。

可使用如圖2中所顯示之電路，其中一交流源201連接至表示繞組103及104之繞組204及205，其中所有繞組103通常係串行且所有繞組104係串行。204與205之間的繞組抽頭連接至三端雙向可控矽器件207且該等繞組之終連接連接至三端雙向可控矽器件206。

一經由213、214供給且量測所施加交流電壓之微處理器控制212基於該交流電壓相位、經由連接210之抽頭點處之電壓、經由連接211之終點處之電壓及經由連接208、209之每一三端雙向可控矽器件閘極處之電壓以一已知方式在軟體控制下控制該三端雙向可控矽器件之點弧角。

當三端雙向可控矽器件導通時連接210、211監控其兩端之電壓，且當三端雙向可控矽器件斷開時，連接210、211監控該馬達之反電動勢。對反電動勢之偵測容許量測轉子是否因應於所施加之電壓旋轉、旋轉速度如何、及轉子相對於該等繞組之位置。視情況，可在該等三端雙向可控矽器件之閘極電壓指示該三端雙向可控矽器件斷開時量測該反電動勢。

使用此資訊，可首先將一未旋轉轉子對準至一已知位置(通常藉由輕度激勵兩個繞組來使轉子在其之間居中)，繼而激勵該繞組之一半以開始轉子沿合意方向之初始旋轉，接著藉由控制線圈之循環激勵以在轉子前方維持一旋轉場來向前移動轉子直至轉子處於同步速度。

可加載一常規同步馬達，直至轉子滯後於旋轉場多達90度，此時馬達提供最大扭矩。超過此點後之任何增加負載之嘗試皆會導致馬達退出同步且停止。使用該兩個繞組之受控場，可滯後超過90度，此乃因感測反電動勢容許偵測轉子之滯後及控制個別繞組以敏感地保持馬達以超過90度之滯後因數同步。

圖3顯示微控制器之流程圖，其基本上由涉及(a)沿正確方向起動馬達之旋轉；(b)使馬達前進至同步速度；(c)在變化負載下維持馬達同步之三個運作區域組成。

當初始接通馬達時，馬達可在任何位置對準；且當激勵線圈時，馬達可以任一方向旋轉。為確保僅允許沿正確方向旋轉，隨後係起始於步驟301處之程序。該程序不同於一需要初始對準至一靜止位置之程序，而是改為隨機沿一方向對系統進行激勵。此使用包括激勵線圈204及205之製程(在流程圖及圖式中分別為B及A，其中AB作為串聯組合)，因而提供一比可單獨供應的圖2中之線圈205高之對準電流。步驟302僅提供一短週期激發，且在步驟303、304量測在線圈205(B)兩端形成之反向電動勢以確定激發方向。

圖4顯示如何實施該量測，其中已給該馬達供應初始推動力，在403處顯示在A兩端相對正規化反電動勢401，且在404處顯示在AB兩端相對規一化反電動勢401。若電壓403之相位超前於404之相位，則馬達以一個方向旋轉。若滯後，則馬達以另一方向旋轉。

可能需要施加幾個電流循環以一足以容許偵測反電動勢之速度旋轉轉子，但是一旦反電動勢可量測，即可確定其係超前抑或滯後，且因而在305處確定旋轉方向。若此方向不正確，則該程式循環回301，且在一短暫等待後實質上隨機又施加一激勵電壓。該過程將最終使得馬達沿正確方向起動。

此時，實施以步驟306開始之程序，其中在306處再次量測B線圈兩端之電動勢，在307處根據所施加電壓與所偵測電壓之間的相位差來計算轉子位置，及在308處根據所施加電壓之連續循環期間轉子位置之差來計算轉子速度。在309處若偵測到位置沒有變化及零速度，則指示馬達已停止，故整個程序自301重新開始；否則，若在311處發現該速度小於同步速度，則在305處重新進入使用A線圈之程序。

圖5顯示一馬達怎樣不同於一常規同步馬達自甚至一低速產生一連續扭矩。該圖顯示對照馬達之機械旋轉繪製之501處之常規化扭矩，馬達之機械旋轉提供504處A繞組之扭矩及503處AB串聯繞組之扭矩。雖然每次旋轉每一繞組之扭矩均經歷兩次零點，但該組合在整個旋轉中產生可感知之扭矩，亦即馬達可自接近於零之旋轉速度起攜帶一負載。

最後，該轉子將達到同步速度且切換至開始於312處之程序，其中同樣根據反向電動勢計算轉子位置及速度，當沒有施加電壓時，可在線圈B兩端或A＋B串聯組合兩端獲得該反向電動勢。根據轉子位置可確定轉子與同步時之合意轉子位置之相位差距。藉由以下方式修改相位誤差：以增加或減小所施加扭矩之方式改變施加至線圈之電壓之點弧角且因此將轉子帶回至合意位置。

以此方式，可以一選擇之輸出速度設定馬達且使其維持在彼速度，而與其實際上是否與所施加之AC同步無關。此外，可至少在一定程度上控制相位超前或滯後以提供最大之可能效率。

在轉子速度低於同步速度下，當該轉子每一旋轉之交流循環數量係一以磁極數量除出之整數時，該轉子最容易由一三端雙向可控矽器件或類似觸發式開關裝置來控制，此乃因三端雙向可控矽器件可隨後在每一連續組循環期間轉子旋轉時之同時被觸發。因而，最易獲得控制之轉子速度約為完全同步速度之1/5、1/4、1/3、2/5、1/2、2/3等。微處理器可經佈置以藉由此一順序逐步增加以使轉子達到全同步速度。

圖6顯示一遠遠低於同步速度之速度產生之扭矩，且顯示601處所量測之施加電壓602、藉由接通經由繞組A之電流所產生之603處繞組A兩端之反電動勢及604處所量測之扭矩605。在給出即時施加電壓及即時反電動勢之情況下，當可獲得一處於正確方向之扭矩時，該控制三端雙向可控矽器件206、207之處理器將導通一個合適的三端雙向可控矽器件。因而，儘管由於使用零交叉開關，實際接通時間將低於理論最大值，但只要所施加電壓與反電動勢具有相同極性，即可有益地導通相關線圈之三端雙向可控矽器件。

要不是將馬達旋轉速度加倍為2000 RPM，圖7顯示與圖6中之相同讀數。由於所施加之交流與反電動勢較長時間地保持異相，因而產生扭矩之機會明顯減小。因而，隨著馬達之加速，此將導致相比於啟動扭矩之扭矩減小。

圖8顯示處於同步之典型波形，其中將量測於501且顯示於502之交流電源施加至馬達且經由繞組AB產生一滯後於所施加電壓之反電動勢503，與其中反電動勢超前於所施加電壓之標準同步馬達不同。現在藉由控制點弧時間來控制經由三端雙向可控矽器件之電流以提供維持馬達處於同步所需之扭矩，此乃因可高於同步速度運行馬達。一有價值之運作特徵係以一其中自電源線獲得最小功率來維持馬達與交流電源同步之模式來維持馬達。與將在滯後於施加電壓90度之相位處提供最大扭矩及效率，且若該負載增加則退出同步以要求重新啟動之典型同步馬達相比，本發明之馬達將僅需要在負載增加時控制退回至同步速度且可為了效率維持在任何所需之相位超前或滯後。該波形顯示該具有一超前相位角之波形。

圖9顯示一典型風扇負載之馬達扭矩相對於負載扭矩之典型變化。901處，以牛頓米為單位顯示之扭矩係針對903處之繞組A及904處之繞組B，其顯示該兩個繞組之扭矩均隨著旋轉速度902增加而減小。905顯示負載風扇所吸收之扭矩，其中所施加扭矩與所吸收扭矩之間的平衡最終提供一穩定運作速度。

當所示馬達為一兩極馬達時，該技術可應用於多極馬達，僅需要一具有更多開關裝置之控制器來增加抽頭點數目。不需要控制所有繞組，此乃因端視應用，若起動繞組極低，則可能僅需將一單一磁極或磁極對上一線圈之一單一部分設定為一起動繞組。

雖然該說明涉及一攜帶受控線圈之定子，但此構造可同等地應用於一攜帶此控制電路系統及受控線圈之轉子。

應理解，雖然在先前說明中已闡述本發明多種實施例之諸多特徵及優點連同本發明多種實施例之結構及機能細節，但此解釋內容僅為闡釋性，且只要本發明之機能不受到有害影響即可在細節上進行改變。舉例而言，特定元件(諸如馬達之極數量)可端視使用該等特定元件之特定應用而改變，此並不改變本發明之精神及範疇。

此外，雖然本文所述之較佳實施例係關於供用於諸如低功率流體幫浦等系統之交流同步馬達，但熟悉此項技術者應理解本發明之教示可應用於諸如工業風扇馬達等其他系統而不會背離本發明之範疇及精神。

工業應用

本發明之馬達用於電氣工業且通常將例如作為流體幫浦或風扇馬達用於民用白色陶瓷工業。因而，本發明係工業可應用。

101．．．極片

102．．．磁體/定子

103．．．繞線筒管

104．．．繞線筒管

105．．．背鐵

201．．．交流源

204．．．線圈

205．．．線圈

206．．．三端雙向可控矽器件

207．．．三端雙向可控矽器件

208．．．連接

209．．．連接

210．．．連接

211．．．連接

212．．．微處理器控制

圖1係一馬達佈局之總體透視圖。

圖2係一與圖1之馬達一起使用之電路的方塊圖。

圖3係一適於圖2之電路驅動之流程圖。

圖4顯示為確定方向繞組反電動勢之一比較。

圖5顯示由該等繞組產生之扭矩。

圖6顯示在低速時對馬達電流之控制。

圖7顯示在較高速度時對馬達電流之控制。

圖8顯示同時時之電路電流及電壓。

圖9顯示電源扭矩與負載扭矩之關係的一圖表。

(無元件符號說明)

Claims (11)

1. 一種藉由以下步驟起動及控制一包含一具有多個磁極之轉子及一定子的可同步操作之單相交流驅動馬達之方法，該定子之每一磁極均具有至少一個激勵線圈繞組：以一與交流電源同步之切換方式穿過一個別於其他磁極激勵線圈繞組之磁極激勵線圈繞組之至少一部分將自一交流電源之切換正弦曲線之單相交流電流供應至該馬達，以便沿一旋轉方向起動該馬達；偵測該旋轉方向何時有誤且移除該交流電源並容許該馬達停止；接連測定相對一合意轉子位置之所需轉子位置藉由以下步驟控制源電流至該等磁極激勵線圈或磁極激勵線圈之部分之連接：偵測若該等磁極激勵線圈或線圈部份中之至少一者受到激勵，則其何時能夠向該轉子供應一加速扭矩以帶動該轉子逼近該合意位置；加速該轉子逼近一合意轉子位置或保持該馬達在對應一經選擇之旋轉速率之一合意轉子位置經由連接自該交流電源之一源電流至可供應一加速扭矩之該磁極激勵線圈或線圈部份且連接該源電流達該週期之至少一部分，在此期間其可提供一加速扭矩；加速該轉子逼近一同步旋轉速率；其中該馬達之扭矩係藉由控制該切換交流電源至個別於其他各磁極激勵線圈之各磁極激勵線圈部分及至該完 整磁極激勵線圈而被控制，如此以使得該部分在一與該完整磁極激勵線圈之轉子位置不同之轉子位置處提供一扭矩。
2. 如請求項1之方法，其中當該轉子轉動時，一磁極激勵線圈之不同部分係在不同向位角處提供反電動勢。
3. 如請求項1之方法，其包含藉由維持一施加至一磁極激勵線圈或線圈部份之源電流來最初對準該轉子直到該轉子對準於所形成之磁場。
4. 如請求項1之方法，其包含當線圈反向電動勢與該交流源電流之電壓同相時，將交流電源連接至一磁極激勵線圈或線圈組合達該週期之至少一部分，該週期之該部分係相依於該馬達速度、該合意馬達速度、該轉子位置及該合意轉子位置。
5. 如請求項1之方法，其中偵測一個或多個線圈何時可供應一加速扭矩至該轉子之該步驟包含偵測至少一個磁極激勵線圈或線圈組合上之反電動勢，偵測施加至該馬達之該交流源電流之電壓及偵測該交流源電流之電壓何時具有與該反電動勢相同之極性。
6. 如請求項1之方法，其中該交流源電流係以一切換方式被施加通過一開關構件，而開關構件係一三端雙向可控矽器件，且監控該三端雙向可控矽器件閘極電壓以確定該三端雙向可控矽器件何時不傳導、且根據當該三端雙向可控矽器件不傳導時，自該三端雙向可控矽器件兩端之電壓導出之一表示該反電動勢之數值係自該三端雙向 可控矽器件閘得出。
7. 如請求項1之方法，其中當該馬達相對該交流源電流在同步速度下，將該轉子之加速度維持在將保持同步之最小值。
8. 如請求項1之方法，其中該等激勵線圈繞組部份係藉由在該相同激勵線圈繞組之不同筒管上被區別。
9. 一用於一具有一轉子之馬達之單相交流同步馬達控制，該馬達具有至少一電極，該電極具有一由至少二分離線圈繞組部份組成之激勵線圈繞組，該單相交流同步馬達控制包含：一用於激勵線圈繞組之控制開關與一用於該線圈繞組之至少一線圈繞組部份之控制開關；及一控制器，其經組態以：測定自該馬達之該轉子位置與控制操作電壓及電流；測定在該轉子位置自該合意轉子位置之差異與藉由具有正弦曲線的單相交流電流之該控制開關控制該線圈繞組或該等線圈繞組部份之該循環激勵以供給一扭矩至該轉子以帶動該轉子逼近一合意位置，其特徵在於穿過一激勵線圈繞組之各控制開關之該電流可產生一扭矩，該扭矩係與在一自一用於分離線圈繞組部分之一控制開關之至少轉子位置之扭矩不同。
10. 如請求項9之單相交流同步馬達控制，其中該等控制開關分別地切換至少二相鄰線圈。
11. 如請求項9之單相交流同步馬達控制，其中該等控制開關具有一控制連接，且當一控制開關之一之該控制連接 處之一量測只是開控制開關不導電時，該控制器比較在通過該等控制開關量測之反電動勢。