專利名稱：無電刷直流電動機的電子式換向系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三相繞組電氣上彼此相差120度的無電刷直流電動機的一種電子式換向系統(tǒng)，系統(tǒng)由一個六個功率半導(dǎo)體組成的半導(dǎo)體電橋、一個控制部分和一個轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置檢測器組成，半導(dǎo)體電橋驅(qū)動產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁場的相繞組，控制部分相應(yīng)驅(qū)動著各功率半導(dǎo)體，轉(zhuǎn)子呈永磁磁輪的形式，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置檢測器構(gòu)成無傳感器的測定裝置，從而可以檢測和測定出旋轉(zhuǎn)磁輪感應(yīng)出的電壓，在各情況下這個電壓可在當(dāng)時不受驅(qū)動的相繞組端測出。
無換向器的直流電動機進行電子式換向時，驅(qū)動半導(dǎo)體電橋的控制部分一般必須給其提供永磁轉(zhuǎn)子當(dāng)時相對于定子旋轉(zhuǎn)位置的信息以便可以驅(qū)動各適當(dāng)?shù)南嗬@組使其在所要求的旋轉(zhuǎn)方向上產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，從而產(chǎn)生最佳的定子旋轉(zhuǎn)磁場。通常，轉(zhuǎn)子位置是用轉(zhuǎn)子位置傳感器特別是霍耳傳感器借助于轉(zhuǎn)子永磁磁場測定的。然而，在許多情況下，電動機及其有關(guān)的換向電子線路在空間上必須彼此分開，從而需要電氣連接線路，通過這些線路一方面給各相繞組供應(yīng)電流，另一面將轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號傳送給電子控制線路。然而，連接線路和所需的接線(例如插入式接線)會使成本開銷特高，特別是生產(chǎn)(裝配)和物料方面的開銷，而且還提高了發(fā)生事故的可能性。
相比之下，在一般系統(tǒng)中不用傳感器檢測轉(zhuǎn)子的位置既可以取消(霍耳)傳感器又可以取消相應(yīng)分立的線路接線。這時，轉(zhuǎn)子永磁磁場在電動機各繞組中感應(yīng)出的電壓(內(nèi)部電壓或各自的EMF=電動勢)，其極性或極性的變化(零過渡)通過各不受驅(qū)動無電流的繞組端檢測并加以測定。
這類無傳感器換向系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)有例如歐洲專利EP0 881 761A1。在該專利的方案中，電動機三繞組端的電壓由一個EMF檢測電路檢測，由此產(chǎn)生三個相應(yīng)的二元輸出信號，供無傳感器轉(zhuǎn)子的位置確定。這樣轉(zhuǎn)子電氣上每轉(zhuǎn)一圈就產(chǎn)生這些輸出信號的六種不同組合，從而可以60度扇形確定轉(zhuǎn)子的位置。各組合或各轉(zhuǎn)子位置扇形分別與電橋半導(dǎo)體的開關(guān)狀態(tài)有關(guān)(一個半導(dǎo)體以脈寬調(diào)制的方式通上脈沖以調(diào)定各開關(guān)狀態(tài)下的速度)。于是轉(zhuǎn)子電氣上轉(zhuǎn)一圈就有六個不同的開關(guān)狀態(tài)，各狀態(tài)相差60度。在這種方案中，定子勵磁過程(定子磁場)在轉(zhuǎn)子電氣上每轉(zhuǎn)一圈按六步換向，因而這是六步換向。
此外，在歐洲專利EP082948A1、德國專利DE3934139C2、DE3306642C2和DE3602227A1諸文件中也介紹了六步換向類似的換向電路。
美國專利US-A 5491393中介紹了無電刷直流電動機的一種換向控制，這原則上也是個六步換向，因為電動機電氣上每轉(zhuǎn)一圈定子勵磁方向的改變就分成基本的六步進行。雖然這些基本步驟各個又分成兩部分，但在這兩部分之間在各情況下以脈寬調(diào)制方式通上脈沖的功率半導(dǎo)體只變化一次。然而，在各步中，功率電橋電路的六個半導(dǎo)體開關(guān)元件中只有兩個在各情況下工作，因而三個繞組端中總是只有兩個有效地通過開關(guān)元件與直流源的正端或負端連接。因此，定子的勵磁只能有六種不同的方向，因而顯然這是六步換向。
美國專利US-A5 835 992中也公開了與美國專利US-A5 491393極其類似的現(xiàn)有技術(shù)，這個現(xiàn)有技術(shù)同樣也提出了6×2個開關(guān)狀態(tài)或開關(guān)組合，但其中定子勵磁的方向也只按六步變化(=6步換向)。
本發(fā)明是根據(jù)制造開頭所述的那種系統(tǒng)的目的提出的，通過本發(fā)明可以減少運行和換向時的噪音，同時保持無傳感器的轉(zhuǎn)子位置檢測開銷不大，不容易出故障。
按照本發(fā)明，上述目的是通過這樣的措施達到的控制部分根據(jù)轉(zhuǎn)子的各位置借助于直流電動機電氣上轉(zhuǎn)一圈以上的12步換向以12種不同的開關(guān)狀態(tài)驅(qū)動諸功率半導(dǎo)體。本發(fā)明的這12步以這樣的方式進行，使得這些12種開關(guān)狀態(tài)各使定子就其中產(chǎn)生的磁場方向產(chǎn)生不同的勵磁狀態(tài)。為達到此目的，令半導(dǎo)體電橋的兩功率半導(dǎo)體受驅(qū)動的開關(guān)狀態(tài)和三個功率半導(dǎo)體受驅(qū)動的開關(guān)狀態(tài)連續(xù)交替進行。相比之下，6步換向中的功率半導(dǎo)體都是在必然導(dǎo)致定子以六種不同的狀態(tài)勵磁的開關(guān)狀態(tài)下驅(qū)動的。在12步換向中，定子的勵磁在各情況下是以各步間的相角比6步換向小的步驟換向的，從而產(chǎn)生連續(xù)環(huán)行的定子磁場。
本發(fā)明起初是根據(jù)這樣的發(fā)現(xiàn)提出的，即采用6步換向由于換向期間定子的勵磁突然變化而致使電動機發(fā)出噪音，即“換向干擾聲”。電動機用作通風(fēng)機或鼓風(fēng)機的驅(qū)動部分時，這些換向噪音，特別是在氣流噪音降低的低速的范圍中，是非常明顯和擾人，因而在許多應(yīng)用場合不能令人接受。相比之下，本發(fā)明(尤其是在外轉(zhuǎn)子式電動機的情況下)顯然能減小這些噪音，具體作法是，轉(zhuǎn)子電氣上每轉(zhuǎn)一圈，換向不是以6種開關(guān)狀態(tài)進行，而是以兩倍電橋功率半導(dǎo)體的開關(guān)狀態(tài)數(shù)進行，即定子的勵磁在360度旋轉(zhuǎn)電角內(nèi)不是以六步而是以十二步換向的。
雖然這種12步換向本來是眾所周知的，但那完全是在檢測轉(zhuǎn)子位置的傳感器分立的情況下進行的。原因在于，迄今專家總認為，在沒有傳感器的情況下檢測轉(zhuǎn)子位置總是以在各情況下一繞組端沒有電流為先決條件，即一個繞組端與直流源分隔開以便完全可以用無傳感器的測定部分檢測感應(yīng)出的內(nèi)部電壓(EMF)，因而沒有傳感器的12步換向結(jié)構(gòu)是不可能的。然而，與6步換向不同，通常情況會不適用于12步換向，原因是后者有繞組電流重疊區(qū)，使所有三個繞組端子帶電。
因此，本發(fā)明是根據(jù)這樣的另一發(fā)現(xiàn)提出的，即12步換向只有小心使內(nèi)部電壓在相應(yīng)的繞組端在各情況下與直流源分隔開從而可用來檢測有關(guān)控制量期間(在12步換向情況下大大地縮短)極性及時變化或及時零過渡才可能實現(xiàn)。
實際上要達到上述目的最好由EMF測定部分在各情況下檢測和測定電動機繞組端與公用基準(zhǔn)點之間的內(nèi)壓。這里基準(zhǔn)點可以是電動機真正的中性點(若電動機繞組是星形連接可通過導(dǎo)線引出)或等效中性點。當(dāng)然在這方面應(yīng)該指出的是，電動機的三角形接線可以設(shè)想轉(zhuǎn)換成星形接線。按照本發(fā)明，因此EMF測定部分實際上檢測的是星形系統(tǒng)中相應(yīng)的相電壓或“相EMF”而不是相間的“線EMF”，這個線電動勢可在兩繞組端之間測出，且相比之下相移了30度。按照本發(fā)明，正是由于這個措施使內(nèi)部電壓的零過渡完全可以檢測出來，因為它們正好是在各情況下繞組端通常在30度短范圍內(nèi)沒有電流的步驟中進行的。相反，12步換向就不適宜檢測和測定各情況下電動機各繞組端之間的電壓，因為在這種方案中，感應(yīng)出的內(nèi)部電壓其零過渡總是在所有三個繞組端都傳送電流(即與直流源連接)時發(fā)生的，因而完全不可能檢測。
本發(fā)明設(shè)計上的其它優(yōu)點見從屬權(quán)利要求。
現(xiàn)在參閱附圖以舉例的方式更詳細地說明本發(fā)明。附圖中

圖1示出了本發(fā)明換向系統(tǒng)的基本電路圖；圖2示出了EMF測定部分一最佳實施例的電路圖；圖3示出了用來說明使用本發(fā)明的換向系統(tǒng)時各順序的不同示意圖；圖4示出了本發(fā)明換向系統(tǒng)控制程序的流程圖；圖5示出了特別是啟動過程相應(yīng)的流程圖；圖6示出了啟動和正常操作的示意圖；圖7示出了圖6時域Ⅶ的放大圖。
首先，從圖1中可以看到三相直流電動機1由本發(fā)明的換向系統(tǒng)(換向電子線路)2驅(qū)動，電動機1只示出了三相繞組u,v,w在電氣相位上相差120度的定子，有關(guān)的永磁轉(zhuǎn)子(磁輪)沒有示出。在所示的實例中，相繞組u,v,w接成星形，但按照本發(fā)明也不難接成三角形。相繞組u,v,w通過相端子U,V,W與制成半導(dǎo)體電橋4的電源部分連接。半導(dǎo)體電橋4由六個功率半導(dǎo)體S1至S6組成，這些功率半導(dǎo)體則根據(jù)轉(zhuǎn)子相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)位置通過控制信號∑S1至∑S6由控制部分6驅(qū)動。為檢測轉(zhuǎn)子的位置，配備了EMF測定部分8與相繞組端子U,V,W連接，以檢測旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子在各情況下在相繞組u,v,w中分別感應(yīng)出的EMF或“內(nèi)部電壓”，并分別測定其極性或零過渡。據(jù)此，EMF測定部分8給控制部分6產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信號ⅡEU、ⅡEV和ⅡEW。為產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁場，控制部分6驅(qū)動功率半導(dǎo)體S1至S6，在各情況下這樣周而復(fù)始地交替組合繞組端子U,V,W不是接直流源10的正極或負極就是在高阻抗下與電壓源10隔離。電動機相繞組的電氣時間常數(shù)忽略不計時，若在繞組端子U,V,W之間測出的EMF其變化和相角與半導(dǎo)體電橋4在這些端子形成的電壓相同，則電動機1進入高效率運行狀態(tài)。為達到合適的驅(qū)動狀態(tài)，給控制部分6提供EMF測定部分8對應(yīng)于電動機1相繞組u,v,w中感應(yīng)出的EMF的極性且分別反映出電動機現(xiàn)時位置的輸出信號ⅡEU、ⅡEV和ⅡEN。此外，還可以通過控制部分6的控制輸入端6a提供影響電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)整信號SD。
在三相繞組中兩相接饋電直流源10、第三繞組端以高阻抗方式與電壓源10分隔開的各相中，后者可用來檢測此相繞組中感應(yīng)出的EMF(內(nèi)部電壓)。EMF測定部分8檢測相EMF的各極性，并由此產(chǎn)生三個在各情況下分派給一個相繞組且例如給邏輯1信號提供在相應(yīng)的相繞組兩端的正電壓和給邏輯0信號提供負相電壓的二元輸出信號ⅡEU、ⅡEV和ⅡEW。結(jié)果，電動機1電氣上每轉(zhuǎn)一圈就可得出六種毫不含糊地可與轉(zhuǎn)子(在60度扇區(qū))的特定位置相關(guān)的不同輸出組合，原則上相當(dāng)于采用霍耳傳感器配置在電動機中的傳感器的方法。
圖3的3a示意示出了旋轉(zhuǎn)的磁輪在各相繞組中感應(yīng)出的電壓(EMF)EU、EV、EW。圖3b示出了相應(yīng)在各情況下會在兩繞組端子之間檢測出的電壓EU-V、EV-W、EW-U。此外，圖3b還示出了加到各繞組端子的電壓Un-v、Uv-w、Uw-u和感應(yīng)電壓重疊下的真正變化。圖3C示出了EMF測定部分8在理想狀態(tài)下且作為星形連接電動機一個例子的輸出信號ⅡEU、ⅡEV和ⅡEW。
雖然圖3c中所示輸出信號的狀態(tài)在各情況下每60度電角變化，但按照本發(fā)明，控制部分6根據(jù)圖3c的輸出信號通過12步換向(即以12種不同的開關(guān)狀態(tài))在轉(zhuǎn)子電氣上轉(zhuǎn)一圈多的情況下驅(qū)動半導(dǎo)體電橋4的功率半導(dǎo)體S1至S6。在這種方案中，六個功率半導(dǎo)體中兩個受驅(qū)動、六個功率半導(dǎo)體中三個受驅(qū)動的這兩種狀態(tài)交替著。在兩個功率半導(dǎo)體起作用的開關(guān)狀態(tài)下，三個繞組端子(U,V,W)中的兩個接直流源10。在三個功率半導(dǎo)體起作用的開關(guān)狀態(tài)下，所有繞組端子接直流源。如果考慮產(chǎn)生于定子的磁場的轉(zhuǎn)向，每個開關(guān)狀態(tài)，正好生成一個不同的定子激發(fā)狀態(tài)。在一個最佳實施例中，為調(diào)定這些開關(guān)狀態(tài)中的各種狀態(tài)的速度其中一個功率半導(dǎo)體最好以脈寬調(diào)制的方式加以脈沖。
鑒于12步換向必然會導(dǎo)致各相中所有三個繞組端子臨時處在規(guī)定的電位，從而沒有斷開的端子可用來檢測EMF，因而按照本發(fā)明要小心觀察與控制有關(guān)的EMF的零過渡是否在各情況下是在一個繞組端子與直流源隔離的時間。
按照圖2，這是用特種設(shè)計得在各情況下檢測和測定電動機繞組端子U,V,W與公共基準(zhǔn)點X.之間的內(nèi)部電壓(EMF)的EMF測定部分8達到的。在圖2所示電路的實例中，基準(zhǔn)點X為電動機的電阻模擬中性點。繞組端子U,V,W兩端檢測出的電壓用比較器，U1A,U1B,U1C分別與基準(zhǔn)點X的電位比較，在比較器U1A,U1B,U1C的輸出端產(chǎn)生二元輸出信號ⅡEU、ⅡEV和ⅡEW。
從圖3還可以看到，控制部分6從EMF控制部分8的輸出信號ⅡEU、ⅡEV、ⅡEW獲取半導(dǎo)體電橋4的驅(qū)動信號∑s1至∑s6這種關(guān)系可從圖3c和3d以及輔圖3e中看出。圖3d示出了功率半導(dǎo)體的各驅(qū)動信號，圖3e示出了電動機在各有關(guān)勵磁狀態(tài)下的相繞組。圖3d功率半導(dǎo)體12種不同的開關(guān)狀態(tài)∑1至∑12產(chǎn)生定子12種不同的對加到電動機繞組端子從而導(dǎo)致定子磁場以12種不同的連續(xù)方向形成的電壓的勵磁狀態(tài)(圖3e)。現(xiàn)在從狀態(tài)∑1開始說明正常操作的操作原理。
在狀態(tài)∑1下，開關(guān)S3和S6起作用。S3不斷導(dǎo)通，S6最好以脈寬調(diào)制方式加以脈沖以設(shè)定以陰影畫出的∑S6部分表示的轉(zhuǎn)速。由于只有兩個半導(dǎo)體開關(guān)導(dǎo)通，因而可以在相繞組u中(即在不與直流源10連接的繞組端子U)檢測EMF，這時相繞組u中沒有電流流過。由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，因而EMF在此相繞組中在時間t2改變其極性，從而使ⅡEU信號的電平變化。這個邊沿觸發(fā)了開關(guān)狀態(tài)∑2。按照12步換向，開關(guān)狀態(tài)∑2位于一般6步換向供減小換向噪音和電動機運轉(zhuǎn)噪音的兩個狀態(tài)之間。在此情況下，功率半導(dǎo)體S2,S3和S6導(dǎo)通，即所有繞組端子與直流源10連接，因而再也不能檢測出EMF了。因此，換向時間tcom根據(jù)電動機當(dāng)時的轉(zhuǎn)速和預(yù)定轉(zhuǎn)角φcom計算。此時間tcom在時間t2開始，在過渡到下一個開關(guān)狀態(tài)∑3的時間t3結(jié)束，這時S6斷開。繞組端子W再也不與直流源10連接，從而可以檢測出相w中的EMF。這個程序相應(yīng)地隨著ⅡEW信號在時間t4的電平變化重復(fù)著，如圖3d中所示。
圖4中以更一般流程圖的形式示出了所述的這個控制程序。由于要說明的組成部分在圖4中都有了，因而這里沒有進一步說明的必要。
按照圖3，按照本發(fā)明，在以最佳方式提供改變繞組有效電壓(即影響轉(zhuǎn)速)的脈寬調(diào)制的情況下，存在下列通用特點a)在各換向步驟中，最多一個功率半導(dǎo)體以脈寬調(diào)制的方式加上脈沖。
b)各半導(dǎo)體以脈沖調(diào)制的方式以連貫的60度電氣角度加上脈沖。
c)在各情況下三個半導(dǎo)體起作用的偶數(shù)狀態(tài)(∑2,∑4…)轉(zhuǎn)變到在各情況下兩個半導(dǎo)體起作用的奇數(shù)狀態(tài)(∑1,∑3…)的過程中，以脈寬調(diào)制方式加上脈沖的半導(dǎo)體不變。在奇數(shù)狀態(tài)轉(zhuǎn)變到偶數(shù)狀態(tài)的過程中，以脈寬調(diào)制方式加上脈沖的半導(dǎo)體發(fā)生變化。
d)以脈寬調(diào)制方式加上脈沖的半導(dǎo)體控制因數(shù)，最好用于偶數(shù)的和用于奇數(shù)的不同，具體地說，偶數(shù)狀態(tài)的比狀態(tài)奇數(shù)的小。
上面說過，無傳感器的12步換向之所以可能是因為，在本發(fā)明的換向程序中，與例如圖2特定的EMF測定部分8有關(guān)，EMF總是在相應(yīng)繞組端子斷開時在一個繞組中改變極性，因而可用來檢測和測定由磁輪感應(yīng)的電壓。
實際上，電動機繞組的電氣時間常數(shù)不為零，因而繞組電流與繞組兩端的交流電壓之間的相位有隨頻率或轉(zhuǎn)速而移動的現(xiàn)象，從而使電動機的效率下降。為彌補這一點，換向應(yīng)以在越來越快的速度提前進行。
按照本發(fā)明，這是通過與電動機奇數(shù)狀態(tài)∑1,∑3,∑5,∑7,∑9和∑11的當(dāng)時轉(zhuǎn)速相適應(yīng)的角φcom進行的。隨著轉(zhuǎn)速的提高，φcom減小，從而使換向提早進行。這種預(yù)點火在偶數(shù)狀態(tài)∑2,∑4,∑6,∑8,∑10和∑12的情況下是不可能的，因為不然再也不能檢測出EMF極性的變化。
在本發(fā)明有益的一個實施例中，角φcom根據(jù)轉(zhuǎn)速使其與所要求電動機的性能相適應(yīng)。通常，要求效率盡可能高，因此角φcom隨轉(zhuǎn)速遞減變化。相比之下，偶數(shù)狀態(tài)∑2,∑4至∑12在EMF極性變化的同時提供。
在另一個有益的方案中，根據(jù)電動機固定的轉(zhuǎn)速nlim，用原先存在的奇數(shù)狀態(tài)代替偶數(shù)狀態(tài)。若轉(zhuǎn)速小于nlim，程序∑1,∑2,∑3,…∑11,∑12,∑1由控制部分6預(yù)定。若相反，轉(zhuǎn)速較高，程序則為…∑1,∑1,∑3,∑3,…∑11,∑11,∑1…。當(dāng)然，這相應(yīng)地以相反的次序適用于電動機的另一轉(zhuǎn)向。
上面我們假設(shè)電動機在轉(zhuǎn)動(正常運行)。然而，當(dāng)電動機靜止時，繞組中(還)沒有EMF感應(yīng)出來，從而沒有關(guān)于轉(zhuǎn)子位置的信息。因此，要有特別的方法專門用于無感應(yīng)器式的啟動。在本方法中，有這樣的好處，即12步換向也可用于電動機的啟動過程。具體地說，在此情況下采用了另外加入與6步換向比較的12步換向的中間步驟。
按照現(xiàn)有技術(shù)，轉(zhuǎn)子在繞組中加入直流電使其處在規(guī)定的位置之后，就無需考慮EMF測定部分的信號(“開環(huán)”)進行一系列啟動電動機的步驟直到進入某一相當(dāng)高的轉(zhuǎn)速為止即EMF的幅值大得足以檢測其極性。這一連串步驟是按驅(qū)動系統(tǒng)特定的機械時間常數(shù)確定的。改變負荷條件或不同的轉(zhuǎn)動慣量時，困難就來了。在此情況下，轉(zhuǎn)子可能跟不上這一系列步驟從而啟動不起來。
出于成本的原因，，經(jīng)常采用“自舉電路”來驅(qū)動(奇數(shù))功率半導(dǎo)體S1,S3,S5(如圖1中所示的“上面的一些”)給有關(guān)的驅(qū)動器級供應(yīng)電壓。然而，這種電路原理具有“上”半導(dǎo)體開關(guān)不能使其導(dǎo)通任意長的時間，或電橋支路不能使其不起作用任意長的時間，原因在于，不然自舉電容器兩端的電壓會降到電壓值不足的程度。電動機啟動慢時，驅(qū)動過程中可能有困難。
本發(fā)明優(yōu)先的啟動方法即旨在清除上述缺點。
本發(fā)明優(yōu)先的啟動方法是據(jù)于這樣的發(fā)現(xiàn)提出的EMF即使在轉(zhuǎn)速較低的情況下只要所有的繞組不通電也能可靠地檢測出來。電流流通時，為了能夠可靠地測定EMF需要提高轉(zhuǎn)速即加大EMF的幅值，其中一個原因是脈寬調(diào)制情況下開關(guān)過程引起的干擾。
圖6和圖7中的放大部分分別示出了EMF測定部分8的輸出信號ⅡEU、ⅡEV和ⅡEW和其中一條電動機饋線中的電流變化i。從靜止的啟動過程由下列操作階段組成階段Ⅰ調(diào)整，階段Ⅱ啟動程序和階段Ⅲ正常運行。階段Ⅰ的調(diào)整時，往所有的相繞組中通入直流電流，于是轉(zhuǎn)子使自己調(diào)整到預(yù)定的位置。從轉(zhuǎn)子目前已知的明確位置起動，電流以適當(dāng)?shù)姆绞郊拥诫妱訖C各繞組中直到電動機達到足夠高的轉(zhuǎn)速為止。接著，換向按上面業(yè)已說明的原理進行。下面參看圖7更詳細地說明特殊啟動程序Ⅱ。
轉(zhuǎn)子調(diào)到一定的位置后，例如開關(guān)狀態(tài)∑2由控制部分6通過控制信號∑S1至∑S6(與圖3比較)產(chǎn)生，在時間t1進行狀態(tài)∑6，從而使定子磁場換向，于是轉(zhuǎn)子加速到所要求的旋轉(zhuǎn)方向。這個狀態(tài)保持一定的時間t∑6直到半導(dǎo)體電橋4的所有半導(dǎo)體在時間t2不導(dǎo)通為止。結(jié)果，相繞組都沒有通電，從而盡管轉(zhuǎn)速仍然較低(這從信號ⅡEU上升的知道)在時間t3可以可靠地檢測出EMF在u相極性的變化。這之后，令進入其后的狀態(tài)∑8，歷時t∑8。在時間t4不導(dǎo)通之后不得電的繞組使EMF在w相從信號ⅡEU的邊緣在時間t5下降得知的極性變化得以可靠地檢測出來。這個邊緣使?fàn)顟B(tài)開始進入∑10。這個程序相應(yīng)地重復(fù)著直到固定量的狀態(tài)N∑輸出出去或超過固定的轉(zhuǎn)速nmin為止。若果真如此，就過渡到正常運行狀態(tài)，即應(yīng)用12步換向的上述原理。
圖5進一步示出了以一般的流程圖說明的啟動過程基本原理的程序。
上述方法的決定性優(yōu)點在于，它是個閉合回路，即EMF的變化總是從轉(zhuǎn)子定位之后的第一加速階段包括入控制程序中的。與不可能檢測EMF的開環(huán)啟動程序比較，本發(fā)明由于開始時繞組連續(xù)勵磁，因而啟動特性好得多。即使電動機必須在較大的負荷下啟動，由于EMF也包括在內(nèi)，因而換向總是在恰當(dāng)?shù)臅r間進行。
按照本發(fā)明，起動程序Ⅱ(實例中為∑2,∑6,∑8,∑10…)過程中的預(yù)定狀態(tài)僅僅是為達到12步換向而插入的換向步驟，在這些步驟中，所有三個繞組端子都與直流源10連接，即在各情況下，三個功率半導(dǎo)體總是起作用。為限制繞組電流，圖1半導(dǎo)體電橋4的“上”(奇數(shù))功率半導(dǎo)體都以脈寬調(diào)制方式加上脈沖。本方法的好處在于，自舉電容器的電荷得以保留，這在現(xiàn)有技術(shù)的解決辦法中就不總是如此，原因在于，這里繞組端子在啟動過程中可以長時間斷開，且屬于半導(dǎo)體電橋有關(guān)分支的自舉電容器可以使其放電所致。一個也是相當(dāng)重要的優(yōu)點在于，本發(fā)明在啟動程序Ⅱ期間預(yù)定的狀態(tài)開始時與EMF極性的變化一致，從而與現(xiàn)有技術(shù)相比之下φcom可以無需位移。在啟動過程中，完全沒有關(guān)于電動機轉(zhuǎn)速的可靠信息，這正是為何所要求的延遲時間tcom根據(jù)φcom的計算極為關(guān)鍵的原因。
圖7的時間t∑6,t∑8,t∑10…與最小的極械負荷和轉(zhuǎn)動部分的最小可能有的轉(zhuǎn)動慣量有關(guān)，可以簡單從運動方程計算出來，或憑經(jīng)驗確定。
在本方法的另一有益的實施例中，電橋4的半導(dǎo)體開關(guān)截止之后的時間Δt(這里再與圖7比較)舉例說是在時間t2直到在時間t3檢測出相繞組u中EMF極性的變化為止，測定由控制部分6進行。Δt用作電動機加速多快的量度，即機械系統(tǒng)時間常數(shù)是多少。視乎狀態(tài)∑i之后測出的時間Δti而定，其后狀態(tài)t∑i+1的時間使其適宜達到最大的加速度。若Δti大，時間t∑i+1增加，反之減小。
下面看看如何運用上述原理。在由連續(xù)狀態(tài)(例如∑2,∑6,∑8,∑10,…)組成的固定啟動程序，各種機械系統(tǒng)時間常數(shù)有關(guān)的時間t∑2,t∑6,t∑8,t∑10,…根據(jù)運動方程計算出來或憑經(jīng)驗確定之后存入控制部分6中。在啟動程序各步驟之后，檢驗一下Δt，看看預(yù)定的時間與最佳時間差別有多大，從而從所存儲的時間選擇其后狀態(tài)的適當(dāng)時間。這樣，這種方法自動適應(yīng)一定極限范圍內(nèi)機械系統(tǒng)的時間常數(shù)。由于這種自適應(yīng)的方法，在范圍寬闊的不同負荷情況和不同的轉(zhuǎn)動慣量下達到了優(yōu)良的啟動特性。
上述原理經(jīng)過進一步改進發(fā)展成了一種若例如想使同樣的電子線路與不同的電動機一起工作適用于各連接好的電動機的自我學(xué)習(xí)的方法。然而，這種方法的先決條件是系統(tǒng)的負荷條件和轉(zhuǎn)動慣量在各啟動過程中不會顯著變化，這通常在例如通風(fēng)領(lǐng)域中是會這樣的。啟動時，再次規(guī)定上面說明過的預(yù)定啟動程序。在啟動過程中，不斷檢測時間Δti，有關(guān)的時間t∑i則按校正值Δt∑i改變，使得Δti在電動機下一次啟動期間會趨向零。校正值Δt∑i永久存入控制部6例如EEPROM中。有了這種方法，電動機的啟動特性每次啟動時都有所提高。經(jīng)過幾次起動之后最后達到在既定負荷情況下的最佳啟動或分別達到既定的轉(zhuǎn)動慣量，且立即可用于以后的啟動過程。通過這個程序還可以有利地補償系統(tǒng)的負荷情況或轉(zhuǎn)動慣量的蠕變，從而始終可以使啟動達到永恒的最佳狀態(tài)。
前文以舉例的方式說明且成為本發(fā)明基礎(chǔ)的控制功能是在控制部分6中以組合順序邏輯的形式、最好通過微處理器，微控制器或可編程邏輯集成電路實施的。
最后，下面總結(jié)一下本發(fā)明比起現(xiàn)有技術(shù)的一些主要優(yōu)點。
從噪音的角度看，本發(fā)明的方法是對三相永激的三角形或星形連接的電動機進行換向的一個花費不大、無需使用傳感器和有益的方法。
由于12步換向，因而電動機電流的波形接近正弦波的形狀。抑制噪音的效果非常顯著，特別是在外轉(zhuǎn)子式電動機的場合。外轉(zhuǎn)子式電動機的轉(zhuǎn)動慣量大，因而其動態(tài)范圍受到限制，所以外轉(zhuǎn)子式電動機特別適宜應(yīng)用本發(fā)明的無傳感器的12步換向法。主要原因在于，按照本發(fā)明，必須計算出時間tcom。這些必須從EMF測定的前面的零過渡信息之間的時間獲取。用簡單的具有充分精確度的設(shè)施可做到這一點，特別是若電動機的轉(zhuǎn)速變化得不太快更是如此。這一點使外轉(zhuǎn)子特別適用。
這是應(yīng)用另外加入12步換向中與EMF極性的變化同相的中間狀態(tài)無傳感器啟動的一個實用方法。
EMF在啟動過程中在各繞組不得電的狀態(tài)下測出，從而使EMF即使在轉(zhuǎn)速較低的情況下也可以可靠地測定出來。結(jié)果，使閉合回路也可以在啟動過程中使用，即可把EMF測定的信息納入啟動程序中。這提高了啟動特性，且使其更能承受負荷和轉(zhuǎn)動慣量的變化。
這是通過檢測繞組不得電狀態(tài)下的EMF和其后換向時間與機械系統(tǒng)時間常數(shù)的適應(yīng)情況比較預(yù)定換向時間和理想換向時間的自適應(yīng)啟動方法。
本發(fā)明并不局限于以上列舉和說明的實施例，它還包括所有以相同方式按本發(fā)明的意識工作的實施例。此外，本發(fā)明也并不局限于目前權(quán)利要求1中所述諸特征的組合而是同樣可以用已全部公開的所有各特征的組合加以限定。就是說，實際上，權(quán)利要求1的任何個別特征可加以刪除或用申請中另一方面公開的至少個別特征來代替。在這方面，權(quán)利要求1須理解為僅僅是提出本發(fā)明的第一種嘗試。
權(quán)利要求
1．三相繞組(u,v,w)相位上彼此電氣上相差120度的無電刷直流電動機(1)的一種電子式換向系統(tǒng)，包括一個半導(dǎo)體電橋(4)、一個控制部分(6)和一個轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置檢測器，半導(dǎo)體電橋(4)由六個功率半導(dǎo)體(S1至S6)組成，驅(qū)動著相繞組(u,v,w)以產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁場，控制部分(6)相應(yīng)驅(qū)動著功率半導(dǎo)體(S1至S6)，轉(zhuǎn)子呈永磁磁輪的形式，轉(zhuǎn)子位置檢測器構(gòu)成無傳感器的測定部分(8)，供測定旋轉(zhuǎn)的磁輪感應(yīng)出的可在電動機當(dāng)時不受驅(qū)動的繞組端子上的測出的電壓，所述系統(tǒng)的特征在于，控制部分(6)用12步換向以不同的12種開關(guān)狀態(tài)在直流電動機(1)電氣上每轉(zhuǎn)一圈根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置驅(qū)動功率半導(dǎo)體(S1至S6)。
2．如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，由于功率半導(dǎo)體(S1至S6)的12種不同開關(guān)狀態(tài)，電動機(1)的定子磁場通過繞組(u,v,w)預(yù)定為12種在磁場方向上不同的勵磁狀態(tài)，其中具體地說，兩個功率半導(dǎo)體受驅(qū)動的開關(guān)狀態(tài)和三個功率半導(dǎo)體受驅(qū)動的開關(guān)狀態(tài)連續(xù)交替進行。
3．如權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，測定部分(8)在各情況下檢測和測定電動機繞組端子(u,v,w,)與公用基準(zhǔn)點(x)之間的電壓。
4．如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，公用基準(zhǔn)點(x)確定得使測出的電壓在相位上擴展到旋轉(zhuǎn)磁輪在星形連接的相繞組中感應(yīng)出的電壓或與三角形連接轉(zhuǎn)換成等效的星形連接時得出的虛擬相電壓同相。
5．如權(quán)利要求3或4所述的系統(tǒng)，其特征在于，基準(zhǔn)點(x)直接從電動機的實際繞組中性點得出。
6．如權(quán)利要求3或4所述的系統(tǒng)，其特征在于，基準(zhǔn)點(x)為電動機繞組中性點的外部模擬點。
7．如權(quán)利要求1至6中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，測定部分(8)設(shè)計得使其就極性特別是零過渡方面檢測分別感應(yīng)出的內(nèi)部電壓(Eu,Ev,Ew)。并根據(jù)檢測結(jié)果產(chǎn)生二元輸出信號(ⅡEu,ⅡEv,ⅡEw)作為控制部分(6)的控制輸入信號。
8．如權(quán)利要求1至7中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，控制部分(6)為調(diào)定電動機(1)的轉(zhuǎn)速在各情況下根據(jù)控制輸入端(6a)提供的轉(zhuǎn)速調(diào)定信號(SD)驅(qū)動功率半導(dǎo)體(S1至S6)的其中一個以脈寬調(diào)制方式加上脈沖的功率半導(dǎo)體。
9．如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，在各轉(zhuǎn)動狀態(tài)下，最多只有其中一個功率半導(dǎo)體(S1至S6)以脈寬調(diào)制的方式加上脈沖，特別是在各情況下是在相關(guān)的60度電氣角度下進行。
10．如權(quán)利要求1至9任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，其隨轉(zhuǎn)速而變化的換向，換向最好在12換向步驟的起碼一個輔助步驟特別是各第二換向步驟中進行，在各情況下在轉(zhuǎn)速提高的情況下提早進行。
11．如權(quán)利要求1至10中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，在各情況下，兩繞組端子得電、一繞組端子斷路的奇數(shù)狀態(tài)(∑1,∑3,…∑11)和所有繞組端子(U,V,W)都得電的偶數(shù)狀態(tài)(∑2,∑4,…∑12)在轉(zhuǎn)子電氣旋轉(zhuǎn)上交替出現(xiàn)，偶數(shù)狀態(tài)時間(tcom)的長短根據(jù)相應(yīng)的轉(zhuǎn)速和換向的預(yù)定的換向角(φcom)通過數(shù)學(xué)計算確定。
12．如權(quán)利要求10或11所述的系統(tǒng)，其特征在于，提供的換向角(φcom)最好隨與轉(zhuǎn)速有關(guān)的換向的速度特別是上升的速度遞減變化。
13．如權(quán)利要求1至12中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，從靜止?fàn)顟B(tài)啟動電動機(1)時，先是往相繞組(u,v,w)通入恒定的直流電使轉(zhuǎn)子進入規(guī)定的旋轉(zhuǎn)位置。
14．如權(quán)利要求1至13中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，即使在電動機(1)啟動的過程中換向也通過EMF測定部分(8)檢測出的轉(zhuǎn)子位置進行。
15．如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，在電動機(1)起動階段(Ⅱ)期間，為更好地檢測由于轉(zhuǎn)速仍然較低而仍然較弱的EMF，控制部分(6)臨時使所有的相繞組(u,v,w)不得電。
16．如權(quán)利要求1至15中任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，其自適應(yīng)的啟動換向控制，這時換向時間根據(jù)運轉(zhuǎn)特性或驅(qū)動系統(tǒng)的機械時間常數(shù)，特別是根據(jù)轉(zhuǎn)動部分的負載轉(zhuǎn)矩和/或轉(zhuǎn)動慣量分別自動適應(yīng)。
全文摘要
三相繞組(u,v,w)相位上彼此相差120度的無電刷直流電動機(1)的一種電子式換向系統(tǒng),系統(tǒng)由一個半導(dǎo)體電橋(4)、一個控制部分(6)和一個轉(zhuǎn)子放置位置檢測器組成。半導(dǎo)體電橋由六個功率半導(dǎo)體(S
文檔編號H02P6/14GK1324142SQ0111691
公開日2001年11月28日 申請日期2001年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月12日
發(fā)明者J·克羅特施, T·基利安 申請人:埃布姆工廠股份有限兩合公司