具体实施方式
将参照附图详细描述根据本发明的各个实施例。这里,需要注意的是,在附图中,将相同的附图标记赋予基本上具有相同或类似结构和功能的组成部分,并且将省略关于它们的重复描述。
图1图示了根据本发明实施例的单相永磁同步电机的示意性结构图。
如图1所示,根据本发明实施例的单相永磁同步电机包括定子组件和转子组件。所述定子组件包括定子绕组和定子铁芯,所述转子组件包括转子磁极,并且转子磁极可以为永磁磁极。所述转子磁极位于定子铁芯的缺口位置处。
此外,如图1所示,在定子铁芯的左极侧,定子铁芯和转子磁极之间的气隙自上而下逐渐减小;而在定子铁芯的右极侧,定子铁芯和转子磁极之间的气隙自下而上逐渐减小。例如,在定子铁芯的左极侧,所述定子铁芯的缺口形状可以自上而下分段地改变,从而使得定子铁芯和转子磁极之间的气隙自上而下呈阶梯状减小。再例如,在定子铁芯的左极侧,所述定子铁芯的缺口形状可以如图1所示地自上而下平滑地改变,从而使得定子铁芯和转子磁极之间的气隙自上而下线性地或非线性地逐渐减小。
在定子铁芯和转子磁极之间的气隙逐渐从大变小时,磁阻也逐渐从大变小。按照如图1所示的单相永磁同步电机的结构,所述单相永磁同步电机的正常运转方向为逆时针方向。
此外,在图1中示意性地绘制了定子绕组,然而应了解,定子绕组的匝数当然不限于图1所示的具体匝数,而应该根据具体的单相永磁同步电机设计要求设计不同的定子绕组匝数。
图2图示了根据本发明实施例的单相永磁同步电机***的示意图。
如图2所示,单相永磁同步电机***包括:单相永磁同步电机M、开关器件T、电流检测部件11、位置检测模块12、以及控制装置13。
开关器件T可以为双向导通的开关器件,例如,双向可控硅,其在被触发时导通,而在其两端的电压低于维持电压时或者在电流低于维持电流时关断。
位置检测模块12可以为霍尔传感器,其获取转子磁极的位置信息。霍尔传感器检测磁场强度,并且随着转子磁极的旋转,霍尔传感器的输出波形为正弦波。例如,在转子磁极轴线与霍尔传感器重合时,霍尔传感器的输出电平具有最大值,而在转子磁极轴线反向延长线与霍尔传感器重合时,霍尔传感器输出正弦波的最小值。如图3所示,示出了霍尔传感器的输出波形的示意图。
电流检测部件11可以包括电流检测电阻以及信号变换部分。所述信号变换部分可以将所述电流检测电阻采集到的信号进行干扰滤除、放大等处理,然后把处理后的信号提供给所述控制装置13。所述电流检测部件11检测流过所述单相永磁同步电机的定子绕组的电流。例如,所述电流检测电阻检测流过所述单相永磁同步电机的定子绕组的电流;所述信号变换部分可以包括信号放大器,用于对所述电流检测电阻的检测信号进行放大处理。
控制装置13接收位置传感器12输出的转子磁极的位置信息、以及电流检测部件11提供的电流信息,并且根据所述转子磁极的位置信息和电流信息控制所述开关器件的导通。
在单相永磁同步电机的电机结构定型之后,在单相永磁同步电机旋转时其定子绕组的反电动势与转子磁极的位置的关系也相应定型。而且,在单相永磁同步电机的电机结构定型之后,当在单相永磁同步电机的定子铁芯上安装了位置传感器的情况下,通过测量定子绕组的反电动势,并且通过读取位置传感器的转子位置数据,可以预先测量出定子绕组的反电动势与转子磁极的位置关系,即可以预先测量出当转子磁极位于哪些位置时定子绕组的反电动势达到峰值。
根据本发明实施例,利用预先测量出的定子绕组的反电动势与转子磁极的位置关系,确定定子绕组的反电动势的峰值,并且定位出定子绕组的反电动势的峰值所对应的转子磁极的位置(具体地,转子磁极轴线的位置)。
根据本发明实施例,当定子绕组的定子电流与定子绕组的反电动势同相位时,即当定子绕组的定子电流的峰值与定子绕组的反电动势的峰值同时出现时,单相永磁同步电机的运行效率最高。
换句话说,确定定子绕组的反电动势的峰值所对应的转子磁极的位置,并且控制定子绕组的定子电流的峰值出现在所确定的转子磁极轴线的位置处。在所述定子电流的峰值所对应的转子磁极的位置与定子绕组的反电动势的峰值所对应的转子磁极的位置重合(如图8中的a)所示)时,单相永磁同步电机的力矩最大,因此可以认为此时定子绕组的磁场方向与转子励磁磁场正交。
下面将参考图4-12描述根据本发明实施例的控制装置13执行的单相永磁同步电机的控制方法。
图4图示了根据本发明实施例的单相永磁同步电机的各操作阶段的示意图。
如图4所示,根据本发明实施例,单相永磁同步电机的操作可以划分为三个阶段:S1,转子预定位阶段;S2,转子预偏置阶段;S3,磁场定位控制阶段。
图5-图8分别图示了根据本发明实施例的S1-S3阶段的示意性说明图。
下面将参考图5-图8具体地描述根据本发明实施例的单相永磁同步电机的控制方法。
在单相永磁同步电机启动之前,转子磁极的初始位置未知,因此为了准确地控制单相永磁同步电机的运行,需要首先确定转子磁极的初始位置。
根据本发明实施例,控制装置13向开关器件T输出触发信号,以便向单相永磁同步电机的定子绕组施加交流电压的至多半个周期,然后检测所述转子磁极的旋转方向。如前所述,在单相永磁同步电机的结构定型之后,其期望旋转方向也相应确定,即从大气隙向小气隙的旋转方向为期望旋转方向。因此,根据所述转子磁极的旋转方向,可以确定当前施加的交流电压的极性与当前的转子磁极的位置是否匹配。简言之,在所述转子磁极的旋转方向为从大气隙到小气隙时(例如逆时针方向)时,可以确定当前施加的交流电压的极性与当前的转子磁极的位置匹配。反之,在所述转子磁极的旋转方向为从小气隙到大气隙时(例如顺时针方向)时,可以确定当前施加的交流电压的极性与当前的转子磁极的位置不匹配。
如图5所示,示出了在单相永磁同步电机启动之前转子磁极的几种可能初始位置。
例如,在施加交流电压的正半周的情况下,定子铁芯的左极侧为S极,定子铁芯的右极侧为N极,如图5中的a)到f)所示。反之,在施加交流电压的负半周的情况下,定子铁芯的左极侧为N极,定子铁芯的右极侧为S极,在图中未示出。
在施加交流电压的正半周时,在转子磁极位置如图5中的a)到c)所示的情况下,单相永磁同步电机的转子磁极顺时针旋转;在转子磁极位置如图4中的d)到f)所示的情况下,单相永磁同步电机的转子磁极逆时针旋转。
因此,根据在该转子预定位阶段转子磁极的旋转方向(顺时针还是逆时针),可以确定出转子磁极的当前极性位置,并且还可以确定出当前施加的交流电压的极性与当前的转子磁极的位置是否匹配。即,可以确定出转子磁极位置属于图5中的a)到c)的情况还是属于图5中的d)到f)的情况。
根据在该转子预定位阶段转子磁极的旋转方向,不仅可以确定出转子磁极的当前极性位置,还可以判断出为了驱动转子磁极沿着预期旋转方向(例如,上述逆时针方向)旋转下次需要施加的交流电压的极性。例如,在确定出转子磁极位置属于图5中的a)到c)的情况下,判断下次需要施加的交流电压的极性为负极性(负半周);而在确定出转子磁极位置属于图5中的d)到f)的情况下,则判断下次需要施加的交流电压的极性为正极性(正半周)。
接下来,参考图6-7描述根据本发明实施例的单相永磁同步电机的磁场定向控制方法的转子预偏置阶段。
在单相永磁同步电机启动时,需要使得转子磁极轴线相对于定子磁场轴线向气隙小的方向偏转一定角度,以便构成启动角θ。如图6所示,在启动角θ处,转子磁极轴线方向与定子磁场轴线相反,且转子磁场轴线方向与定子磁场轴线方向相比更接近于小气隙。
在根据本发明实施例的单相永磁同步电机的磁场定向控制方法的转子预偏置阶段中,根据在转子预定位阶段所确定的下次需要施加的交流电压的极性,向定子绕组施加所确定的极性的交流电压的小脉冲。
如图7所示,当在转子预定位阶段所确定的下次需要施加的交流电压的极性为正极性时,控制装置13在所述输入电压的第一相位角θA处触发开关器件T导通,在交流电压过零点附近,开关器件T关断。因此,向定子绕组施加了电压脉冲。可选地,第一相位角θA大于120°。优选地,第一相位角θA在140°-160°之间。
在转子预偏置阶段,控制装置13在所述输入电压的第一相位角θA处触发开关器件T导通向定子绕组施加了电压脉冲之后,所述位置检测模块12检测所述转子磁极的位置,以确定所述转子磁极轴线是否被偏置到启动角θ的位置。在所述转子磁极轴线尚未被偏置到启动角θ的情况下,控制装置13继续在所述输入电压的第一相位角θA处触发开关器件T导通向定子绕组施加电压脉冲,直至所述转子磁极轴线被偏置到所述启动角θ。
可选地,可以设置第一差值阈值,在所述转子磁场轴线的当前位置与所述启动角θ之差大于第一差值阈值时,确定将施加的输入电压的极性,并且在所述输入电压的极性为所确定的将施加的输入电压的极性时,在所述输入电压的第一相位角θA处触发所述开关器件导通;直至所述转子磁极的当前位置与所述启动角θ之差不大于第一差值阈值。所述第一差值阈值为小的误差允许范围,并且根据设计精度例如可以为5°,8°或10°等,本发明不受其具体取值的限制。
在如图5中的d)和e)所示的情况下,向单相永磁同步电机的定子绕组施加正极性的电压脉冲(未示出),直至所述转子磁极轴线被偏置到图6中的a)所示的启动位置。
在如图5中的a)和b)所示的情况下,向单相永磁同步电机的定子绕组施加负极性的电压脉冲(未示出),直至所述转子磁极轴线被偏置到图6中的b)所示的启动位置。
应了解,在将单相永磁同步电机的转子磁极旋转到图6中的a)和b)所示的启动位置之前,可能需要施加多个电压脉冲。
通过上述的预定位阶段和预偏置阶段,根据本发明实施例的单相永磁同步电机可以实现定向启动。
图8图示了根据本发明实施例的位置检测模块12的安装位置示意图。下面,以霍尔传感器为例来描述位置检测模块12。图9图示了根据本发明实施例的以位置检测模块12为坐标零点的反电动势的示意性波形图。
如图8中的a)所示,位置检测模块12安装在定子铁芯的交轴位置(q轴),在此情况下,如图9中的a)所示,反电动势峰值出现在从位置检测模块12沿逆时针方向旋转90°的位置处,即此时转子磁极轴线沿逆时针方向比该位置检测模块12超前90°。
如图8中的b)所示,位置检测模块12安装在定子铁芯开口部分的中央位置,在此情况下,如图9中的b)所示,反电动势峰值出现在从位置检测模块12沿逆时针方向旋转θ1的位置处,即此时转子磁极轴线沿逆时针方向比该位置检测模块12超前θ1。
如图8中的c)所示,位置检测模块12安装在定子铁芯的直轴位置(d轴),在此情况下,如图9中的c)所示,反电动势峰值出现在位置检测模块12的位置处,即此时转子磁极轴线与该位置检测模块12重合。
如图8中的d)所示,位置检测模块12安装在定子铁芯左极侧的中央位置,在此情况下,如图9中的d)所示,反电动势峰值出现在从位置检测模块12沿顺时针方向旋转θ2的位置处,即此时转子磁极轴线沿逆时针方向比该位置检测模块12超前θ2。
为了描述方便,下面将以图8中的a)和图9中的a)为例来描述根据本发明实施例的单相永磁同步电机的磁场定向控制方法的磁场定向控制阶段。
图10图示了根据本发明实施例的磁场定向控制阶段的磁场定向控制方法1000的示意性流程图。
在步骤S1010,首先确定定子绕组的反电动势峰值所对应的转子磁极的位置。
如前所述,在所述单相永磁同步电机的电机结构定型之后,预先测量出定子绕组的反电动势与转子磁极的位置关系,即可以预先测量出当转子磁极位于哪些位置时定子绕组的反电动势达到峰值。假设测量出的定子绕组的反电动势与转子磁极的位置关系如图9中的a)所示。
在图9中的a)所示的情况下,定子绕组的反电动势峰值所对应的转子磁极的位置近似如图8中的a)所示,换句话说,反电动势峰值对应于气隙最小的位置。图11示出了在此情况下的期望定子电流i*的波形示意图。如图11所示,期望定子电流i*的峰值点与反电动势的峰值点同时出现。
在步骤S1020,判断是否检测到流过定子绕组的定子电流的峰值点。例如,可以通过检测流过定子绕组的定子电流来直接检测定子绕组的定子电流的峰值。
当检测到定子绕组的定子电流的峰值点的情况下,在步骤S1030,检测定子电流的峰值所对应的转子磁极的位置。
在步骤S1040,判断定子电流的峰值所对应的转子磁极的位置与在步骤S1010中所确定的转子磁极的位置的差值是否在预定阈值之内。
当所述差值不在预定阈值之内时,在步骤S1050,调节用于触发导通开关器件的触发角。
在步骤S1060,判断是否检测到流过定子绕组的定子电流的过零点。
当检测到定子绕组的定子电流的过零点的情况下,在步骤S1070,在所述输入电压的触发角处触发导通开关器件,以便将输入电压施加到定子绕组两端。
如图12所示,示出了在磁场定向控制阶段的输入电压Vin、定子电流i、以及定子绕组的反电动势的相位关系的示意图。
根据本发明实施例的单相永磁同步电机的磁场定向控制方法,通过控制定子电流的峰值点出现的时刻,使得保证定子电流的峰值点与定子绕组的反电动势的峰值点的几何位置一致,从而使得定子磁场与转子磁场正交,以实现单相永磁同步电机的磁场定向控制。
已经参考图1-图12描述了根据本发明实施例的单相永磁同步电机的控制方法及单相永磁同步电机***,其通过转子预定位和转子预偏置可以实现单相永磁同步电机的定向启动,通过控制定子电流峰值所对应的转子磁极的位置与预先测定的定子绕组的反电动势峰值所对应的转子磁极的位置一致,可以实现磁场定向控制。
在上面详细描述了本发明的各个实施例。然而,本领域技术人员应该理解,在不脱离本发明的原理和精神的情况下,可对这些实施例进行各种修改,组合或子组合,并且这样的修改应落入本发明的范围内。