CN108450052A - 用于控制具有永磁体的同步机的方法和相应装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制具有永磁体的同步机(1)的方法，所述同步机包括具有永磁体的转子(4)和三相定子(5)，所述同步机(1)与用于控制同步机(1)的定子(5)的换流器相连，该方法包括：通过设置为具有中央传感器(6a)和两个侧向传感器(6b，6c)的三个霍尔效应传感器(6a，6b，6c)同时进行三个测量，两个侧向传感器(6b，6c)相对于同步机(1)的转子(4)的旋转速度从中央传感器(6a)以120°/p的机械度被放置，其中p是同步机的极的对的数量；从三个所述测量确定转子(4)的位置；根据所确定的转子(4)的位置来控制该控制换流器(2)；在控制该换流器(2)前对三个测量信号施加时间延迟，使得对控制换流器(2)的控制考虑到一可变的期望的滞后角。

Description

用于控制具有永磁体的同步机的方法和相应装置

技术领域

本发明涉及永磁同步机的一般领域，并且更具体地涉及控制用于变速风扇的永磁同步机。

背景技术

变速风扇通常包括换流器和是永磁同步机的电动机。永磁同步机通常通过设置在直流电源与永磁同步机之间的换流器通过直流(DC)电源供电。

为了控制永磁同步机，即为了使电动机能够被自动控制，有必要获得关于其转子位置的信息。

已经存在控制电动机换流器的各种方法，其中最常用的方法如下：

-电动机的换流器的正弦波型控制，它需要以高分辨率获得有关转子位置的连续信息；和

-电动机的换流器的方波型控制，或者实际上是120°或“梯形”控制，关于转子位置的信息只需要是离散的和低分辨率的。

梯形控制，也称为“120°”控制，使用三个霍尔效应传感器来检测转子在六个位置的角度位置。三个传感器用于将具有360°电气持续时间的转子的一个电气周期离散地分离成六个电气扇区，每个电气扇区电气地为60°。梯形控制存在六个工作点，每个工作点对应转子的一个角扇区。知道转子的永久磁铁所在的角扇区，换流器为同步机的定子的两个适当相位供电以获得电动机转矩。

更确切地说，如图1所示，三个霍尔传感器定位在电动机的定子上，以电气地间隔120°，即对于具有两对电极的电动机来说是60°机械的，这给出了一示例性布置用于具有四个电极A1至A4，A1和A3为北磁极且A2和A4为南磁极，的电动机的霍尔效应传感器C1，C2和C3。

霍尔效应传感器对转子磁体的极性敏感。每个传感器提供一逻辑信号，如果北磁体面向传感器，则该逻辑信号可以具有“高的”第一值，或者如果与北磁体相反的极性的南磁体面向传感器，则该逻辑信号是“低的”第二值。

利用这三个霍尔效应传感器传达的信息，可以通过创建对应于由传感器提供的三个信号的各种组合的60°的电气扇区电气地重构电动机的位置，如图2所示。图2是绘制来自对于具有四个电极即两对电极的图1电动机的三个霍尔效应传感器C1至C3的信号的曲线图，其图中每个垂直虚线位于60°的两个电扇区之间。

取决于电气扇区，控制换流器的两个开关以引起电流流动，从而用于提供电动机扭矩。这种控制被称为“120°”控制。

在120°控制下的电动机的操作可以用如图3所示的所谓“菲涅耳”图来表示，其中V是换流器施加到同步机端子的电压，E是同步机的电动势(ems)，它与其转速成正比，I是电动机相电流，R是电动机的绕组的电阻，L是电动机电感，ω是电动机电角频率转速，假设ω可以表示为应用方程式ω＝2πf时电动机旋转的电频率的函数。

与换流器施加的电压V和电动机的电动势E之间的角度相对应的相位差称为δ，也称为“滞后”角度。

由于电动势E的相位是由霍尔效应传感器提供的信息推导出的，并且电压V的相位由换流器的控制确定，所以可以控制滞后角δ。

该滞后角δ可以被选择为使扭矩最大化。在这种情况下，如图4的菲涅耳图所示，电动机的一相位中的电动势E和电流I是同相的。

在各种风扇中，已知通过偏置霍尔效应传感器相对于电动机的相位的线圈B1至B3的轴线的机械地确定(即施加)同步电动机的滞后角δ，如图所示如图5所示。换流器因此接收来自传感器的信息，并且一旦检测到扇区的变化就改变其控制信号。

由于滞后角δ是机械确定的，因此各种机械公差会导致此角度的不准确，当电动机的直径较小时，这种不准确性会增加。通常，滞后角δ的色散被发现对于15°电气滞后角位于±5°范围内。

糟糕的是，对于电动机-和-换流器组合以重复的方式动作，特别是从效率、谐波和性能的角度来看，这个滞后角必须具有良好的精度。

具体而言，滞后角δ的值对变频器-和-电动机组合的性能有多重影响。首先，关于在电动机的各相中流动的电流的出现，该相位中的电流的谐波频谱或多或少地丰富，导致电动机的转矩中的更大或更小的纹波。滞后角δ对功率转换的效率(有效功率和无效功率)以及拒绝进入网络的谐波频谱也有影响。

因此，关于滞后角的不准确性会直接影响风扇性能的可重复性。

为了获得和保持期望的精确度，通常存在两个主要问题。

上面已经提到的第一个问题来自这样的事实，即关于机械部件相对于相互的定位的各种公差产生关于非常大的滞后角δ的一公差，特别是当电动机的直径很小时。

第二个主要问题来源于滞后角δ是机械设置的事实，这意味着它仅针对电动机的一个工作点进行了优化，这通常对应于风扇功耗处于最大值的工作点。

对于一恒定的滞后角δ，换流器和电动机形成的组合的性能不可能针对同步电动机的所有操作点，特别是风扇的电动机进行优化。

具体而言，电动势E的模量根据速度而线性地变化，而在例中，对于风扇的同步电动机，电动机电流的模量随着速度的平方而变化。

与优化同步电动机的单个工作点上的滞后角有关的第二个问题可能导致电动机在其他工作点的过量消耗。当电动机的功率增加时，这种现象相应地变得更糟。

发明内容

本发明试图提供一种控制永磁同步机的方法，所述永磁同步机使在同步机的所有操作点处为换流器-和-电动机组合能够获得更好的性能。

在一实施方式中，本发明提供了一种控制具有永磁转子和三相定子的永磁同步机的方法，所述同步机与用于控制同步机的定子的控制换流器相关联，该方法包括：

-通过三个相应的霍尔效应传感器进行三次同时测量，三个传感器设置成具有中央传感器和两个侧向传感器，两个侧向传感器相对于中央传感器以120°/p机械地围绕电动机的旋转轴线放置，其中p是同步机的极对数；

-基于所述三次测量确定转子的位置；

-根据所确定的转子位置来控制该控制换流器。

根据本发明的一般特征，在控制该换流器之前，该方法包括对三个测量信号施加时间延迟，使得控制换流器的控制考虑可变的期望的滞后角。

因此，对于具有两对电极的同步机，由于120°/2＝60°，三个霍尔效应传感器以60°机械地间隔开。

当处理来自霍尔效应传感器的信息时产生和应用可调延迟使得可根据电动机的操作点改变滞后角，即动态地改变同步机的滞后，以便始终具有最佳的滞后角度。因此，所提出的解决方案使得可不是机械地而是以模拟或数字方式基于测量信号和诸如软件装置的处理器装置来控制滞后角，从而改善性能的再现性。

在该控制方法的第一方面中，所施加的延迟的值取决于同步机的转子的旋转速度。

由同步机产生的电动势随着转子的旋转速度线性变化，而给定子线圈供电的电流的模数根据转子旋转速度的平方而变化。因此，调整每个速度值的延迟值使可保存最佳滞后角，以便获得由控制换流器和同步机形成的组合的最佳性能，而与同步机的转子的速度无关。

在该控制方法的第二方面中，霍尔效应传感器所进行的三次测量优选地相对于同步机的定子的相位的线圈的轴线预先获取。

相对于定子线圈的轴线预先进行测量，因此使得可在控制换流器的控制关系中引入必要的延迟。

在该控制方法的第三方面中，可以使用以下方程式预先计算对于同步机的旋转速度的每个值所应用延迟的值(以秒为单位)：

其中δ_初始是霍尔效应传感器与电动机线圈的轴线之间的角度，用度表示，δ_期望是用度数表示的期望的滞后角，而P是以秒为单位的电气周期。

在该控制方法的第四方面以及该方法的第三方面的一变型中，基于在换流器入口电流的测试平台上进行的测量、换流器入口电压和同步机速度，事先可以基于经验确定要应用于同步机的每个旋转速度的延迟的值。

因此，在测量控制换流器或同步机的入口处的功率消耗的功率和/或谐波的基础上，以自动且优化的方式确定延迟。

功率和/或谐波的测量可以使用测量仪器进行，或者也可以使用控制换流器上可用的测量装置进行。因此，在产品验收测试期间，可以测试多个滞后角以便找到使得可满足关于控制换流器或同步机的入口处的功率和/或谐波所需的准则的角度。

因此，对于是其未来应用特征的同步机的各种速度，可以修改滞后角，直至其满足验收标准，该验收标准可以是：

-最小化换流器入口处的功耗(有关电功率的标准)；或者

-最小限度地拒绝谐波进入网络(有关直流母线的电流的谐波失真的标准)；或者

-这两个标准之间的妥协。

在该控制方法的第五方面中，该方法可包括根据同步机的旋转速度来选择延迟的值，该选择是基于延迟值表根据存储在存储器中的同步机的旋转速度作出的。

本发明还提供了一种用于控制具有永磁体转子和三相定子的永磁同步机的控制***，该同步机与用于控制同步机的定子的控制换流器相关联，并且该***包括三个霍尔效应传感器和控制设备，所述控制设备连接到所述传感器的出口并且被配置为接收由传感器同时获取的三个测量信号，所述三个霍尔效应传感器被安装在同步电动机上，以具有中央传感器和两个侧向传感器，两个侧向传感器相对于中央传感器以120°/p机械地围绕电动机的旋转轴线放置，p是同步机的极对数，并且控制设备被配置为根据所述三次测量结果来确定所述转子，并且根据所确定的转子的位置来控制该控制换流器。

根据该***的总体特征，控制设备包括信号处理器模块，该信号处理器模块适于对三个测量信号施加时间延迟(即时间相位差)，使得控制换流器的控制考虑到可变的期望滞后角度。

在控制***的第一方面中，定子具有线圈，并且三个霍尔效应传感器中的每一个相对于同步机的定子的各个相的线圈的轴线预先定位。

在控制***的第二方面，包括适于根据同步机的旋转速度存储延迟值表的存储器，控制设备包括选择器模块，该选择器模块适于根据电动机转速选择将被应用的延迟值。

本发明还提供了一种变速风扇，所述风扇包括永磁同步机和与该同步机相关联的控制换流器并且包括如上定义的控制***。

附图说明

通过阅读以非限制性指示给出的以下描述并参考附图可以更好地理解本发明，其中：

-上面描述的图1示出了用于具有四个电极的电动机的霍尔效应传感器的示例性布置；

-上面描述的图2是示出来自图1的四极电动机的霍尔效应传感器的信号的曲线图；

-上面描述的图3是永磁同步机的菲涅耳图；

-上面描述的图4是用于永磁同步机的菲涅尔图，为了消除由换流器输送给同步电动机的电源电流与由电动机输送的电动势之间的相位差，优化了滞后角，用于同步机；

-上面描述的图5是示出具有被定位以便机械地确定滞后角的霍尔效应传感器的现有技术同步机的配置的示意图；以及

-图6是示出具有用于根据本发明的实施方式控制同步机的***的永磁体同步机的图。

具体实施方式

图6是示出配备有根据本发明一实施例的用于控制一永磁体同步机的***的永磁体同步机的示意图。

永磁同步机1由换流器2控制，换流器2的输入与电源3相连。

在该例中，换流器2是具有三个顶臂和三个底臂的三相换流器。该换流器的每个臂均具有至少一个开关，例如，一绝缘栅极双极晶体管。

同步机1具有由两个北极N和两个南极S组成的四极永磁体转子4以及具有三相位的定子5，每个定子5均与换流器2的相应臂相连，每个相均具有两个在直径上对置的绕组5a，5b或5c。

转子4的角扇区由定子的六个绕组5a，5b，5c限定。换流器2的每个臂均与转子4的一角扇区相连，使得转子4因此行过六个扇区。

为了确定转子4存在的角扇区，使用霍尔效应传感器6a，6b和6c，每个霍尔效应传感器6a，6b和6c均相对于其他的以120°电气地，即以60°机械地设置。这些传感器6a至6c可以确定转子4何时进入扇区。

为了控制换流器2的开关，一控制***设置有霍尔效应传感器6a，6b和6c，以及连接到换流器2的控制设备7。该控制设备7可以通过机载计算设备，例如在现场可编程门阵列(FPGA)类型的可编程微电路内运行。

设备7连接到安装在同步机1上的霍尔效应传感器6a，6b和6c，并且其被配置为恢复由霍尔效应传感器6a至6c传送的关于转子4的位置的测量信号。

控制设备7具有信号处理器模块8，该信号处理器模块8适于对三个测量信号施加一时间延迟，即时间相位差，使得该控制换流器以考虑所期望的可变滞后角的方式被控制，特别是根据同步机1的操作速度，即根据转子4的旋转速度被控制。

为了能够对来自霍尔效应传感器6a至6c的测量信号施加延迟，三个霍尔效应传感器6a至6c中的每一个相对于转子4的旋转方向并相对于同步机1的定子5的各相的线圈5a，5b，5c中的一个线圈的轴线事先定位。换句话说，为了使转子4沿顺时针方向旋转，形成在转子4的旋转轴线与霍尔效应传感器中的一个，例如6a之间的半径相对于由转子4的旋转轴线和与传感器相关联的线圈5a形成的轴线沿逆时针方向偏移一角度。

为了通过使用控制换流器2优化同步机1的控制，三个霍尔效应传感器6a至6c进行三次同时测量。测量信号被传送到控制设备7，使得其根据所述三个测量结果确定转子4的位置。

在确定转子4的位置之前，信号处理器模块8对每个接收信号施加一角度相位差，该相位差与取决于转子4的旋转速度的值的时间延迟对应。所施加的时间相位差因此用于根据一期望的滞后角来修改控制换流器2的控制。由于该滞后角可根据转子4的旋转速度而修改，因此总是可以在最佳条件下控制同步机的控制换流器2。

根据速度来施加的延迟值是在设置同步机的前一阶段期间或者在测试台上基于测量换流器的入口处的测量电流、换流器的入口处的电压和同步机的速度，或者根据使用以下方程进行的在先计算来确定，该方程以秒为单位给出施加到同步机每个转速值的延迟值：

其中δ_初始是用度表示的霍尔效应传感器与电动机线圈的轴线之间的角度，δ_期望是用度数表示的期望的滞后角，P是用秒表示的电周期。

控制设备7还具有存储器9，该存储器9设置为根据同步机1的旋转速度存储以此方式确定的延迟值的表。

在一种变化中，存储器9可以在控制设备7的外部。

控制设备7还具有选择器模块10，该选择器模块10用于在同步机1运行时根据转子4的旋转速度选择要应用到所接收的测量信号的延迟值，以便以获得最佳效率的方式控制该控制换流器2。

Claims (10)

1.一种控制具有永磁转子(4)和三相定子(5)的永磁同步机(1)的120°控制方法，所述同步机(1)与用于控制所述同步机(1)的定子(5)的控制换流器(2)相连，该方法包括：

-通过三个相应的霍尔效应传感器(6a，6b，6c)进行三个同时的测量，所述三个传感器(6a，6b，6c)的设置方式为具有中央传感器(6a)和两个侧向传感器(6b，6c)，所述两个侧向传感器(6b，6c)设置为相对于所述同步机(1)的转子(4)的旋转轴线以120°/p的机械角远离所述中央传感器(6a)，其中p是所述同步机的极的对的数量；

-基于所述三个测量来确定所述转子(4)的位置；以及

-根据所确定的转子(4)的位置来控制所述控制换流器(2)；

其特征在于，在控制所述换流器(2)之前，包括对三个测量信号应用时间延迟，使得对所述控制换流器(2)的控制考虑一可变的期望的滞后角。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所应用的延迟的值取决于所述同步机(1)的转子(4)的旋转速度。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，由所述霍尔效应传感器(6a，6b，6c)进行的三个测量相对于所述同步机(1)的定子(5)的相位的线圈(5a，5b，5c)的轴线预先进行。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，对于所述同步机(1)的旋转速度的每个值施加的所述延迟的秒数值预先使用以下方程式计算：

其中δ_初始是用度表示的所述霍尔效应传感器(6a，6b，6c)与所述同步机(1)的线圈(5a，5b，5c)的轴线之间的角度，δ_期望是以度表示的所期望的滞后角，P是以秒表示的电周期。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中对于所述同步机(1)的每个旋转速度所应用的所述延迟的值根据经验基于在所述换流器(2)的入口电流、所述换流器(2)的入口电压和所述同步机(1)的速度的一测试台上进行的测量预先确定。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，该方法包括根据所述同步机器(1)的旋转速度选择所述延迟的值，所述选择基于根据存储在一存储器(9)中的所述同步机(1)的旋转速度的延迟值的表格进行。

7.一种用于控制具有永磁转子(4)和三相定子(5)的永磁同步机(1)的120°控制***，所述同步机(1)与一用于控制所述同步机(1)的定子(5)的控制换流器(2)相连，所述***包括三个霍尔效应传感器(6a，6b，6c)和控制设备(7)，所述控制设备(7)连接到所述传感器(6a，6b，6c)的出口，并设置为接收由所述传感器(6a，6b，6c)同时发出的三个测量信号，三个所述霍尔效应传感器(6a，6b，6c)安装在所述同步电动机(1)上，以便具有一中央传感器(6a)和两个侧向传感器(6b，6c)，两个所述侧向传感器(6b，6c)设置为相对于所述同步机(1)的旋转轴线以120°/p的机械角远离所述中央传感器(6a)，p是所述同步机的极的对的数量，

其特征在于，所述控制设备(7)包括一信号处理器模块(8)，该信号处理器模块适于对三个测量信号应用时间延迟，以使所述控制换流器(2)的控制考虑一可变的期望的滞后角。

8.根据权利要求7所述的控制***，其中所述定子具有线圈(5a，5b，5c)，三个所述霍尔效应传感器(6a，6b，6c)中的每一个均相对于所述同步机(1)的定子(5)的相位的线圈(5a，5b，5c)的各自一个的轴线事先被定位。

9.根据权利要求7或8所述的控制***，包括一存储器(9)，该存储器适于根据所述同步机(1)的旋转速度存储延迟值的一表格，所述控制设备(7)包括一选择器模块(10)，该选择器模块(10)适于根据所述同步机(1)的旋转速度来选择所应用的所述延迟值。

10.一种包括永磁同步机(1)和与所述同步机(1)相连的控制换流器(2)的变速风扇，其特征在于，它包括根据权利要求7至9中任一项所述的控制***。