CN101711453B - 用于同步电动机的不带有位置传感器的控制*** - Google Patents

用于同步电动机的不带有位置传感器的控制*** Download PDF

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Abstract

一种控制***，包括：开关(TR)，该开关在两个端子(A，B)之间与电动机(M)的绕组(W)串联，所述两个端子(A，B)连接到交流电压电源(V)；第一检测器电路(1)，适于提供表明所述交流电源电压(V)的符号和过零点的信号(VZC)；第二检测器装置(2，3)，适于提供表明在所述定子绕组(W)中产生的BEMF的符号和过零点的信号；以及控制单元(MC)，被布置成根据包括下述步骤的过程使得转子(R)从初始位置(θ0)开始旋转：a)以使得第一电流脉冲(I1)通过所述绕组(W)的方式驱动所述开关(TR)，所述第一电流脉冲(I1)以相对于紧挨着的所述电源电压(V)前一过零点的第一时延(t1)开始；b)检验所述绕组(W)中因此产生的BEMF(E)在预定时段(T)内是否具有第一过零点，该时段(T)在所述第一电流脉冲(I1)开始之后紧挨着处于电压(V)的第三过零点之前；c)当上述检验的结果为正面的时，以使得第二电流脉冲(I2)通过绕组(W)的方式驱动所述开关(TR)，所述第二电流脉冲(I2)具有与所述第一电流脉冲(I1)相反的符号或方向，相对于所述电压(V)的第三过零点具有第二预定时延(t2)，然后向所述绕组(W)施加具有所述电源的频率的电压；以及d)当检验的结果为否定的时，从开始重复开始于步骤a)的过程，若BEMF(E)的第一过零点发生在所述时段(T)之后，则缩短所述第一时延(t1)的持续时间；若BEMF(E)的第一过零点发生在所述时段(T)之前，则增加所述第一延时(t1)的持续时间。

Description

用于同步电动机的不带有位置传感器的控制***
技术领域
本发明涉及一种用于控制同步电动机转子的旋转的、不带有位置传感器的***。
发明内容
本发明的目的是提供这种可简单且廉价地生产并且运行可靠的控制***。
根据本发明，通过用于同步旋转电动机的不带有位置传感器的控制***实现所述目的以及其他的目的，该控制***的主要特征在权利要求1中限定。
附图说明
通过下面参考附图以仅仅非限制性示例的方式给出的详细描述，容易理解本发明的其他特征和优点，在附图中：
图1为根据本发明的用于同步电动机的控制***的电路图(部分以框图形式示出)；
图2为电动机的控制***的局部图，该局部图清楚地示出了转子绕组的等效电路；
图3为示出在电动机的转子的初始定位阶段中图1所示***中的电量曲线的示例的曲线图；
图4示意性示出电动机的转子的初始位置；
图5为示出在转子运动的初始阶段中图1所示电动机内的电流的曲线的另一示例的曲线图；以及
图6为一系列曲线图，该系列曲线图示出了在根据本发明的控制***的控制下、在电动机旋转开始的阶段产生的电量和机械量的曲线以及信号的曲线。
具体实施方式
在图1中，同步电动机，例如用于洗碗机泵的电动机，通常以M标记。
电动机M包括具有永磁铁的转子R以及包括绕组W的定子S。
在结构上，电动机M可为例如在欧洲专利申请EP 0 207 430 A1中或在欧洲专利EP 0 851 570 B1中图示和描述的类型。
通常以CS标记的控制***与电动机M关联。特别地，该***不具有与电动机M的转子R关联的位置传感器。
在所示实施例中，控制***CS包括电子开关，该电子开关是三端双向交流开关TR，该三端双向交流开关TR在两个端子A和B之间与电动机M的绕组W串联，所述两个端子A和B用于连接到交流电压电源V，例如连接到普通的50(60)Hz配电网。
三端双向交流开关TR具有连接到微控制器MC的输出的栅极G。
控制***CS还包括第一检测器电路1，该第一检测器电路1适于为微控制器MC提供表明电源电压V的符号和过零点的信号。电源电压的符号表示电源电压的极性，该极性当端子A的电位高于端子B的电位时通常假设为正。
如图6所示，在上部曲线图中示出电源电压V的曲线，在其下方紧接着的曲线图中示出由检测器电路1提供的信号Vzc的相应曲线。简单地说，当Vzc为“高”电平(+5V)时，电源电压V为正。此外，VZC从“高”电平到“低”电平(0V)的转变以及与此相反的电平转变对应于电源电压V的过零点。
控制***CS还可以包括第二检测器电路，由2标记。该电路为电压检测器，并且其输入连接到定子绕组W的端子，其输出连接到微控制器MC。
如根据以下描述将更加清楚的那样，在某些工作条件下，电动机M的定子绕组W的端子处的电压代表在该绕组中产生的反电动势(BEMF)的强度，然而在其他条件下，该电压对应于电源电压V。
控制***CS还包括第三检测器电路3，该第三检测器电路3的输入连接在定子绕组W与三端双向交流开关TR之间且其输出连接到微控制器MC。该检测器能够提供表明什么时候定子绕组W中在操作时(operatively)流过的电流I为零的信号。
检测器电路1、2和3可以任选地被部分或全部集成在微控制器MC内。
最后，在图1中以PS标记的直流电源连接在电源端子A和B之间，以使得直流电源电压VCC在操作时可用。电源PS在内部产生关于控制***CS的接地参考GND。
微控制器MC被布置成以使得当电动机M以稳定运行状态工作时、仅当在绕组W中流过的电流I的符号或方向以及在绕组W中产生的反电动势的符号或极性例如满足预定关系时才使三端双向交流开关TR导通的方式驱动三端双向交流开关TR。
特别地，当假设电流I在图1和图2中箭头所示的方向上流动时为正，以及假设当反电动势E的正极性指向电源端子A时反电动势E的符号为正时，由微控制器MC执行的控制为：以使得电流I的符号与反电动势E的符号相同的方式使三端双向交流开关TR导通，即同时使得：
I＞0且E＞0，或I＜0且E＜0      (1)
在图2中，绕组W由其等效电路(戴维宁(Thevenin)等效电路)表示。在该表示中，RW与LW表示绕组W的电阻和电感，E表示在该绕组中产生的反电动势，RF表示由与定子绕组W关联的磁路中的损耗引起的电阻。
参照图2，若VW表示在定子绕组W的端子处的电压(该电压被施加到图1所示的检测器电路2的输入)，并且VTR表示在三端双向交流开关TR的端子处的电压(当该电压的正极性指向端子A时，认为该电压为正)，则可得到：
VW＝V-VTR＝RWI+LWdI/dt+E     (2)
由上面给出的方程式(2)可以看出，当三端双向交流开关TR未导通、因此电动机M中的电流I为零(I＝0)时，可得到：
VW＝E＝V-VTR                (3)
即，在这种情况下由微控制器MC通过检测器电路2获得的电压VW表示反电动势E的强度。另一方面，当三端双向交流开关TR导通时，电压VW实质上对应于电源电压V。
因此，控制***CS可例如以下述方式布置来获得电动势E：检测器电路3向微控制器MC指示已出现电流I为零的情况，并且在此情况下，微控制器MC能够将由检测器电路2提供的信号理解为表示反电动势E。
然而，也可使用其他获得/确定电动势E的方法，而不使用检测器电路3。
如上所述，反电动势E可在电流I为零的时段内获得。如通过以下描述将更加清楚的那样，这些时段可容易地通过对在三端双向交流开关TR的端子处的电压VTR的观察而推出：事实上，根据绝对值，若VTR大于例如1V，则三端双向交流开关TR被关断并且上面给出的方程式(3)可适用；否则，若VTR小于1V，则得到I≠0。
事实上，当I≠0时，理论上也可推导出反电动势E，但在这种情况下，可例如通过更复杂的解下述微分方程式得到：
LWdI/dt＝VW-E-RWI          (4)。
应当注意，当电动机M中的电流I被抵消时，三端双向交流开关TR被自动关断并且在其端子处的电压VTR几乎瞬时从大约±1V的值变为根据方程式(3)为V-E的值。
下面描述根据本发明的控制***CS的操作。
从电动机M的静止状态开始，其向稳定运行状态的转换，即转换到对应于与电源电压V的频率同步的旋转速率，基本上由下述连续步骤组成：
-用于预先确定转子R的旋转方向的初始预定位阶段；
-用于开始沿预先确定的方向旋转并加速旋转到同步状态的阶段。
现在针对以上定义的各阶段，特别参考图3至图6的曲线图描述控制的执行过程。
预定位阶段
如上所述，该阶段的目的是预先确定电动机的旋转方向。在该阶段中，所述控制必须：
*将转子R布置在预先确定的角位置θ0(图4)，并且
*确定被施加给电动机的电压的值。
因此，通过微控制器实现的预定位过程提供：
*对用以开始该过程的电源电压V的符号或极性(正或负)的选择；参考图3的曲线图，假设电压V的符号在该过程开始时为正；
-当电压V的符号对应于预先选择的符号(在所示示例中为正)时，在从电压V的第一正过零点(即从负到正)开始的持续时间段ta(图3)之后，微控制器MC以使得向电动机M给予在相同方向上的一系列na个电流脉冲的方式驱动三端双向交流开关TR；举例而言，图3所示的曲线图定性地示出了具有na＝3个同向脉冲的电流I的曲线，但na的值是不受限定的。
当预定位阶段完成时，也就是说，当na个电流脉冲完成时，转子R被预定位在预先确定的参考角位置θ0(图4)且电源电压V的幅度也已知。
为了实现上述预定位阶段，关于特定电动机的电压V的最有利的符号、时段ta的持续时间以及电流脉冲的数量na容易根据实验预先确定。
在电动机转子R的初始预定位阶段之前，可有利地检验该转子的可自由移动状态。参考图5，这可以下述方式实现：
-已预先选择了电源电压V的符号或极性(例如，如图5所示的正符号)后，在从电源电压V的第一正过零点(即从负值到正值)开始的持续时间段ta之后，微控制器MC以使得向电动机M给予在相同方向上的一系列np个电流脉冲的方式驱动三端双向交流开关TR；
-然后，紧接np个同向脉冲的最后一个脉冲后，以相对于电压V的从正到负的过零点测量的预先确定的时延td，将符号(方向)与前面的脉冲相反的脉冲Itest1施加给电动机M(图5)；脉冲Itest1的幅度以及时延td的持续时间以使得防止转子R消磁(即使在最不利的情况下)的方式选择(取决于电源电压V的幅度)。
由于将脉冲Itest1施加给电动机的结果，若检测器电路2检测到产生反电动势，则转子R显然可以自由旋转。
可以通过向电动机施加另一与初始np个脉冲相反符号(方向)的nq个脉冲的序列(图5)(其中，nq优选是等于np)，并且随后在时延te(优选是等于td并且是在紧接nq个同向脉冲的最后一个脉冲后相对于电压V的从负到正的过零点测量的)后施加与nq个脉冲相反符号(方向)的另一检验脉冲Itest2，在相反角位置的区域内任选地重复对转子旋转的自由度的检验。由于将脉冲Itest2施加给电动机的结果，若再次检测到在定子绕组W中产生电动势，则转子R在整个360度的范围内很可能自由旋转。
开始阶段
在转子R已经被预定位后，就可知致使转子R沿期望方向开始运动所需的电动机中电流I的方向。
开始阶段分为两个步骤：
*开始旋转以及初始加速，以及
*最终加速直到达到同步状态。
开始旋转的步骤以如下方式实现。在该步骤中，向电动机M施加在图6中以I1标记的第一电流脉冲(符号或方向与na个定位脉冲相反)。
该第一电流脉冲I1以相对于紧挨着的电源电压V前一过零点的预先确定的时延t1开始，该前一过零点也就是在先的、电压VZC从电平“1”(例如对应于+5V电压)向电平“0”的转换。
施加给定子绕组W的第一电流脉冲I1导致产生电磁转矩，使得转子旋转，因此，在该绕组中产生反电动势E；该反电动势E的曲线在图6的第四个曲线图中被定性地示为在横坐标上给出的时间t的函数。反电动势E的绝对值或幅度从零值开始增大到最大值，然后在电源电压V的、在电流脉冲I1所开始的负半波后的第一负半波的区域内又开始减小。
该初始电流脉冲I1的目的在于使转子R从初始位置θ0移动，使得其角速度从零值变为接近同步速度的一半的值。因此，例如，若电源电压V具有50Hz的频率并且同步电动机为两极电动机，则稳定状态下的同步速度为3000转/分钟，因此初始脉冲I1旨在使转子R达到大约1500转/分钟的速度。
若转子在第一脉冲I1之后达到的速度接近同步速度的一半，则所述反电动势E将在图6所示的时段T内的某一时刻处使其符号从负翻转为正。该反电动势E为零的时刻取决于转子的机械惯性以及作用于转子的机械负荷，因此该时刻被认为是加速和同步阶段。
通过向定子绕组W施加图6中以I2标记的与第一脉冲I1相反符号或方向的另一电流脉冲，实现转子R随后加速到同步速度。第二脉冲I2在电源电压V的、紧随在第一电流脉冲I1结束的正半波之后的正半波期间给予(即开始)。相对于电压V的相应的正半波，电流脉冲I2的开始被延迟时间t2(图6)，按照可以预先确定的关系，所述时间t2取决于电压V的值以及图6中的时段tb的持续时间。
为使该第二电流脉冲I2将转子R加速到同步速度，在该第二脉冲I2之前，反电动势E的过零点必须发生在紧挨着位于电源电压V的第三过零点之前(在脉冲I1开始后)的预先确定的时段T(图6)内。该情形在图6中示出。
为检验该状况被有效地满足，微控制器MC被布置成通过检测器电路2和3基于提供给它的信号检测反电动势E的过零点。
若检验的结果为正面的，也就是说，如果反电动势E在所述时段T内改变符号或通过零点，则微控制器MC以使得第二电流脉冲I2通过绕组W的方式驱动三端双向交流开关TR。另一方面，若检验的结果为否定的，则微控制器MC被布置成中断进行中的开始过程以及从头开始重复该过程，再次从初始定位阶段开始，第一电流脉冲I1紧随其后，其中，若反电动势E的第一过零点在前一次的(被中止的)开始过程中发生在时段T之后，则将第一电流脉冲I1的、相对于紧挨着的电压V前一过零点的时延t1缩短；另一方面，若反电动势E的第一过零点在前一次的开始过程中发生在时段T之前，则增加第一电流脉冲I1的时延t1。
由于改变第一脉冲I1的时延t1的原因，若反电动势E的过零点的上述条件满足，则微控制器MC如上所述以使得将第二电流脉冲I2施加到定子绕组的方式驱动三端双向交流开关TR。
在这种情况下，于是以使得交流电流通过绕组W的方式驱动三端双向交流开关TR，该交流电流与电源电压V等频，且具有在图6中以I-和I+标记的负正交替部分，所述负正交替部分由预先确定的持续时间t3(零或非零)分隔，在该持续时间t3内交流电流保持为零。
时延t1和t2的持续时间是根据电源电压V的(检测出或计算出的)瞬时值的相应的预设递增函数而有利地确定的。第二时延t2的延续时间有利地还根据反电动势E首次通过零点时相对于紧挨着的电源电压V前一过零点的时延的预先确定的函数确定。该时延在图6中以tb标记。
电流I保持为零的时段t3(当它们存在时)也具有一持续时间，该持续时间有利地为电源电压V(测量出的或计算出的)和负载的瞬时值的预定的递增函数。
当然，在本发明的原理保持不变的情况下，相对于这些仅通过非限制性示例方式描述和说明的实施例，可以广泛地改变实施例的形式以及构造的细节，而不脱离所附权利要求中限定的本发明的范围。

Claims (12)

1.一种用于同步旋转电动机(M)的不带有位置传感器的控制***(CS)，包括：
电子开关(TR)，该电子开关在第一端子和第二端子(A，B)之间与所述电动机(M)的定子绕组(W)在操作时串联连接，所述第一端子和第二端子(A，B)用于连接到交流电压电源(V)；
第一检测器装置(1)，该第一检测器装置(1)适于提供表明所述交流电源电压(V)的符号和过零点的电信号(VZC)；
第二检测器装置(2，3)，该第二检测器装置(2，3)适于提供表明在工作中在所述定子绕组(W)中产生的反电动势的符号和过零点的信号；以及
控制装置(MC)，该控制装置(MC)连接到所述电子开关(TR)以及连接到所述第一检测器装置和第二检测器装置(1；2，3)，并且被布置成根据包括下述步骤的过程使得转子(R)从预定初始位置(θ0)开始旋转：
a)以使得第一电流脉冲(I1)通过所述定子绕组(W)的方式驱动所述电子开关(TR)，所述第一电流脉冲(I1)以相对于紧挨着的所述电源电压(V)前一过零点的第一预定时延(t1)开始；
b)检验所述定子绕组(W)中因此产生的反电动势(E)在预定时段(T)内是否具有第一过零点，该预定时段(T)在所述第一电流脉冲(I1)开始之后紧位于电源电压(V)的第三过零点之前；
c)当上述检验的结果为正面的时，以使得第二电流脉冲(I2)通过定子绕组(W)的方式驱动所述电子开关(TR)，所述第二电流脉冲(I2)具有与所述第一电流脉冲(I1)相反的符号或方向，相对于所述电源电压(V)的第三过零点具有第二预定时延(t2)，然后向所述绕组(W)施加具有所述电源的频率的电压；以及
d)当检验的结果为否定的时，从开始重复上面给出的步骤a)的过程，若反电动势(E)的第一过零点发生在所述时段(T)之后，则缩短所述第一预定时延(t1)的持续时间；若反电动势(E)的第一过零点发生在所述时段(T)之前，则增加所述第一预定时延(t1)的持续时间。
2.根据权利要求1所述的控制***，其中，所述控制装置(MC)还被布置成在所述第二电流脉冲(I2)之后以使得交流电流通过所述定子绕组(W)的方式驱动所述电子开关(TR)，所述交流电流与电源电压(V)等频并且具有被预定持续时间(t3)隔开的交替的正部分(I+)和负部分(I-)，在该预定持续时间(t3)内所述电流保持为零。
3.根据权利要求2所述的控制***，其中所述预定持续时间(t3)为零。
4.根据权利要求1或2所述的控制***，其中，所述第一预定时延(t1)和第二预定时延(t2)是根据电源电压(V)的检测出或计算出的瞬时值的预定递增函数确定的。
5.根据权利要求4所述的控制***，其中，所述第二时延(t2)是根据反电动势(E)的第一过零点相对于紧挨着的所述电源电压(V)前一过零点的时延的预定递增函数确定的。
6.根据权利要求2所述的控制***，其中，所述电流(I)保持为零的时段具有预定持续时间(t3)，该预定持续时间(t3)为电源电压(V)和负载的检测出或计算出的瞬时值的预定递增函数。
7.根据权利要求1所述的控制***，其中，所述第二检测器装置(2，3)包括：第一检测器电路(2)，该第一检测器电路(2)适于提供表明在工作中存在于所述绕组(W)的端子之间的电压(VW)的信号；以及第二检测器电路(3)，该第二检测器电路(3)适于提供表明什么时候所述绕组中流过的所述电流(I)为零的信号。
8.根据权利要求1所述的控制***，其中，所述控制装置(MC)还被布置成在所述转子(R)开始旋转之前实现将该转子(R)预定位在预定初始角位置(θ0)的过程，并且，其中在所述过程开始时，所述电源电压(V)以预定初始极性或符号被施加，然后，在过去预定时段之后，所述电子开关(TR)被反复接通预定次数(na)，每次在所述电压(V)的朝向预定极性或符号的上一个过零点之后具有预定时延(ta)，同时所述电压(V)具有所述预定极性或符号，使得向所述绕组(W)提供相应数量(na)的、都具有相同符号或方向的电流脉冲。
9.根据权利要求8所述的控制***，其中，所述控制装置(MC)被布置成在所述转子(R)的预定位过程之前实现用于检验所述转子(R)自由旋转的过程或阶段。
10.根据权利要求9所述的控制***，其中，在用于检验所述转子(R)自由旋转的过程或阶段中，所述控制装置(MC)向所述定子绕组(W)施加一系列(np)个单向电流脉冲，其后跟随着与在先脉冲具有相反符号或方向的第一检验电流脉冲(Itest1)，相对于所述电源电压(V)的上一个过零点具有预定时延(td)。
11.根据权利要求10所述的控制***，其中，在用于检验所述转子(R)自由旋转的过程或阶段中，在所述第一检验电流脉冲(Itest1)之后，所述控制装置(MC)向所述定子绕组(W)施加与所述第一检验电流脉冲(Itest1)具有相同符号或方向的另一数量(nq)的电流脉冲，然后，以另一预定时延(te)施加与第一检验电流脉冲(Itest1)具有相反符号或方向的最终检验电流脉冲(Itest2)。
12.根据权利要求10或11所述的控制***，其中，所述控制装置(MC)被布置成通过所述第二检测器装置(2，3)检验在所述定子绕组(W)中是否由于第一检验电流脉冲(Itest1)和最终检验电流脉冲(Itest2)的原因而产生反电动势(E)。
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