專利名稱：控制電動機的方法、控制電動機的系統(tǒng)以及電動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采用電動機的數(shù)字控制方法的控制電動機的系統(tǒng)，具體地說，涉及無刷直流型永磁電動機以及配備數(shù)字控制系統(tǒng)的電動機。
現(xiàn)有技術(shù)說明無刷直流型永磁電動機可在無任何涉及其位置的信息的情況下被驅(qū)動，因此象感應(yīng)電動機那樣工作。但是，為了得到最大轉(zhuǎn)矩和效率，相電流必須與感應(yīng)電壓同步。為此，可以通過將傳感器在物理上耦合到電動機，例如霍爾式、光學(xué)傳感器等來實現(xiàn)，或者可以通過觀測感應(yīng)電壓和/或電流來實現(xiàn)。耦合的傳感器存在如下缺點對電動機設(shè)計添加了額外的部件，大大增加了最終成本。此外，空間限制和電動機所處的環(huán)境本身可能導(dǎo)致此類傳感器的運用不可行。因此，在大多數(shù)情況下采用電壓和/或電流觀測器是最佳選擇。
采用電壓和/或電流觀測器的控制技術(shù)的例子可以在如下文件中找到SCHWARZ等人的巴西專利PI 9904253、WRIGHT的美國專利4162435、LERDMAN的美國專利4169990、GEE等人的美國專利4743815、VUKOSAVIC的美國專利4912378、PLUNKETT等人的美國專利4928043、DUNFIELD的美國專利5028852和SOOD的美國專利5420492，以及如下公開SATOSHI-1991、SHOUSE-1998、ERTUGRUL-1998和BOLOGNANI-1999。
在WRIGHT的專利中，采用一種用于確定換向瞬間的積分技術(shù)。其中對非通電繞組積分而獲得磁通，并與參考值進行比較。當(dāng)積分值超過參考值時，就發(fā)生換向，并且該積分值返回其初始值。這種技術(shù)的缺點在于實現(xiàn)它需要大量的硬件。該解決方案不是微處理的。
在LERDMAN的專利中，采用與WRIGHT的專利中提出的技術(shù)相似的一種技術(shù)。其中對未通電繞組進行積分并與參考值比較。這種技術(shù)的缺點也是需要大量的硬件。該解決方案不是微處理的。
在SWARZ的專利中，采用了一種利用通過網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成并包括電壓比較器、電容器和電阻器的電壓值觀測器的技術(shù)。利用這種觀測器獲得相電壓，因此，如果系統(tǒng)平衡的話，則形成虛中性(零感應(yīng)電壓)。然后將此零值與各相比較，生成超前位置改變的當(dāng)前瞬間30°的信號。然后通過電容網(wǎng)絡(luò)對此超前量補償，以便達到位置改變(換向)的正確瞬間。該解決方案是微處理的，但是需要許多外部元件。
在GEE的專利中，采用一種檢測感應(yīng)電壓的零點(過零點)的技術(shù)，其中將零點當(dāng)作直流母線的電壓值的一半。未通電繞組的電壓與零點進行比較?？偸窃陔x換向瞬間30°處達到零點。這樣，檢測之后尚有一定延遲，以便確定換向瞬間。檢測過程中采用由電阻器、電容器和比較器構(gòu)成的一個循環(huán)。沒有針對電動機速度控制的任何調(diào)制。反而采用控制母線電壓的SCR。該解決方案是微處理的。這種技術(shù)的缺點是需要使用電壓比較器。另一個缺點是，在定子上的槽數(shù)量減少(例如6槽+4極轉(zhuǎn)子、9槽+6極轉(zhuǎn)子)的電動機中，過零點具有一個平面區(qū)，這導(dǎo)致難以確定實際出現(xiàn)過零點的確切瞬間。
在SATOSHI的專利中，還采用一種檢零法。在這種情況中，采用兩個二極管用于檢測。一個二極管連接到一相。當(dāng)一相未通電時，二極管的電流處于監(jiān)視下。二極管的電流消逝的瞬間或該電流開始通過二極管流通的瞬間表示電壓的零點。
在VUKOSAVIC的專利中，通過將各相電壓求和來得到電動機的三次電壓諧波。然后，確定作為三次諧波的相角的函數(shù)的換向瞬間。其優(yōu)點在于，三次諧波的信號在電動機上電壓調(diào)制的情況中不會有任何畸變。缺點則是需要獲得電動機的星形連接的中性點。該解決方案是微處理的，但是另一個缺點是微處理器以外需要大量的硬件。
在PLUNIETT的專利中，正如WRIGHT和LERDMAN的專利一樣，對未通電相電壓進行積分。此積分值表示磁通，與稱為“零點”的參考值進行比較。此點界定電壓信號(電壓的零點)。例如，如果未通電相處于上升階段(趨向于母線電壓)，則零點左邊的電壓值被認(rèn)為是負值，而右邊的值將是正值。在這種情況中，當(dāng)開始對電壓積分的處理時，電壓開始反向增大，直到達到其零點處的最大負值。零點之后，積分的模數(shù)值開始下降，并在積分值達到零時出現(xiàn)換向瞬間。該解決方案不是微處理的。其中一個缺點是需要大量的硬件。
在DUNFIELD的專利中，將高頻信號注入未通電相，并測量所得到的峰值。根據(jù)所測到的值，確定換向瞬間。
在SOOD的專利中，采用與前述方法大不相同的方法。其中，不需要準(zhǔn)備每相中的電壓。僅采用流過直流母線的電流作為信息。電動機起初通過強加電壓來開動。然后根據(jù)讀取電流的波形來調(diào)整換向瞬間。采用微處理器來分析電流格式。
在市面上，還有一些為控制電動機設(shè)計的微處理器，它們提供了為確定換向瞬間而設(shè)計的外部設(shè)備。例如，可以引用STMicroelectronics的微控制器ST72141和Toshiba的微控制器TMP88PH47、TMP88PH48和TMP88PH49。所有這些微控制器采用檢測零點的方法來確定換向瞬間。
在Toshiba的微控制器中，零點被設(shè)為直流母線的電壓值的一半，但是它需要用于輔助檢測的外部比較器、電阻器和電容器。
在STMicroelectronics的微控制器中，零點是數(shù)字電路的參考本身。它總是需要各相上存在調(diào)制，因為讀取未通電相的電壓應(yīng)當(dāng)在轉(zhuǎn)換器的所有開關(guān)開路時進行。只需要3個電阻器和3個電容器用于輔助檢測。
發(fā)明概述和目的在這里提出的技術(shù)中，對電動機的三相中的電壓進行抽樣，以數(shù)學(xué)方法處理，加上與電動機速度成比例且基本上取決于構(gòu)造該電動機的形式的參數(shù)，以及相互比較。這種比較的結(jié)果確定這些相的換向瞬間?？梢酝ㄟ^軟件只更改所述參數(shù)使換向瞬間提前或延遲。整個位置控制和傳感部分僅由數(shù)字信號處理器或等效電路來實現(xiàn)，這里將其定義為與模-數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器相關(guān)的微控制器的裝置。本發(fā)明的控制系統(tǒng)和方法的目的在于免除用于確定轉(zhuǎn)子位置和尋求在施加到該電動機繞組的電流與電壓之間的正確角度下驅(qū)動電動機的模擬電路，通過插入軟件中的參數(shù)來實現(xiàn)此角度的控制。
本發(fā)明的另一個目的在于使得能夠檢測用于相當(dāng)高功率的轉(zhuǎn)子的位置，即使在與上次換向瞬間成30電角度之后、即未通電相中電壓的過零點瞬間之后、去磁結(jié)束的情況下，也是如此。
本方法和系統(tǒng)還有以下目的接受很寬范圍的轉(zhuǎn)速，允許由最大轉(zhuǎn)速的2％得到的全轉(zhuǎn)矩(低于此值，進入儀表的電壓非常低)。本系統(tǒng)和方法還有以下目的只使用一個數(shù)字信號處理器和三個具有用于讀取電動機各相中電壓的一等RC濾波器的電阻分壓器，而不必進行調(diào)制、例如各相中電壓的PWM(脈寬調(diào)制)。
所提出的方法和系統(tǒng)的另一個目的在于接受具有小于120°的水平線的感應(yīng)電壓的梯形波形，這種波形出現(xiàn)在采用電動機的不同構(gòu)造形式時。
所提出的方法和系統(tǒng)的另一個目的在于接受電動機各相中具有100％周期率的PWM調(diào)制。
所提出的方法和系統(tǒng)的再一個目的在于利用通過對電動機繞組既施加電壓又施加電流的控制技術(shù)來工作。
本發(fā)明的目的之一通過控制N相永磁電動機的方法來實現(xiàn)，其中包括微控制器、一組與所述微控制器相關(guān)聯(lián)的電壓表、一組連接到電壓并且與微控制器相關(guān)聯(lián)的開關(guān)，所述微控制器選擇性地啟動至少一對開關(guān)，向電動機的至少兩相施加電壓，該方法包括如下步驟微控制器通過該組電壓表讀取與電動機各相中饋給電壓對應(yīng)的電壓信號，微控制器將各相電壓相互比較并且與預(yù)先建立的參數(shù)進行比較，只要電壓滿足預(yù)先建立的關(guān)系，就立即啟動至少一對新開關(guān)。
本發(fā)明的另一個目的通過控制N相永磁電動機的系統(tǒng)來實現(xiàn)，其中包括微控制器、一組連接到電壓并且與微控制器相關(guān)聯(lián)的開關(guān)，微控制器選擇性地啟動至少一對開關(guān)，向電動機的至少兩相施加電壓，所述系統(tǒng)包括一組與微控制器相關(guān)聯(lián)的電壓表，這組電壓表連接到電動機各相的饋電輸入端。微控制器包括存儲在其存儲器中的預(yù)先建立的電壓之間的關(guān)系，并且能夠?qū)㈦妷罕頊y得的值與所述預(yù)先建立的關(guān)系進行比較，根據(jù)該組電壓表測得的電壓啟動至少一對新的開關(guān)。
本發(fā)明的再一個目的通過N相永磁電動機來實現(xiàn)，其中包括一種能夠使相電流與感應(yīng)電壓同步的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括微控制器、一組連接到電壓并且與微控制器相關(guān)聯(lián)的開關(guān)，所述微控制器選擇性地啟動至少一對開關(guān)，向與微控制器相關(guān)聯(lián)的至少一組電壓表施加電壓，該組電壓表連接到電動機各相的饋電輸入端。微控制器包括存儲在其存儲器中的預(yù)先建立的電壓之間的關(guān)系，并且能夠?qū)㈦妷罕頊y得的值與所述預(yù)先建立的關(guān)系進行比較，根據(jù)該組電壓表測得的電壓啟動至少一對新的開關(guān)。
本發(fā)明再一個目的通過控制N相永磁電動機的轉(zhuǎn)子位置的方法來實現(xiàn)，所述電動機通過由微控制器選擇性地換向的一組開關(guān)來饋電，所述方法包括在比較各相以確定電動機開關(guān)的最大組合的換向瞬間的過程中，利用與電動機的結(jié)構(gòu)因子成比例、與電動機的轉(zhuǎn)速成比例以及與電壓表的換算系數(shù)成比例的稱為H(r)的參數(shù)作為調(diào)整系數(shù)。
本發(fā)明再一個目的通過控制N相永磁電動機的方法來實現(xiàn)，所述電動機通過由微控制器選擇性地換向的一組開關(guān)來饋電，所述方法包括利用數(shù)字濾波技術(shù)，以便在電動機的各相中消除由電壓調(diào)制、例如PWM型的調(diào)制所導(dǎo)致的畸變。該濾波技術(shù)存在于與調(diào)制頻率同步的所測電壓的最后k個樣值的算術(shù)平均值。抽樣率等于調(diào)制頻率的整數(shù)倍k。
附圖簡介現(xiàn)在參考附圖中所示的實施例對本發(fā)明進行更詳細的說明。


圖1表示(a)用水平線為120電角度的梯形電壓激勵永磁無刷直流型的4極三相電動機的系統(tǒng)的框圖以及(b)各時間圖；圖2表示具有梯形和120電角度的水平線的各相感應(yīng)電壓(EN)和理想無刷直流型永磁電動機的公共點(VCOMMON)處的電壓的重疊；圖3表示電壓VN和圖1所示的電動機的公共點(Vcommon)處的電壓的重疊，在圖7中對應(yīng)于感應(yīng)電壓(EN)為具有120電角度的水平線的梯形的情況；圖4表示具有梯形和低于120電角度的水平線的各相感應(yīng)電壓(EN)和無刷直流型電動機的公共點(VCOMMON)處的電壓的重疊，該圖還標(biāo)出參數(shù)H(r)的獲取(obtention)；圖5表示電壓VN和圖1所示公共點(VCOMMON)處的電壓的重疊，在圖7中對應(yīng)于感應(yīng)電壓(VN)為具有低于120電角度的水平線的梯形的情況；圖6表示開關(guān)SW2N至各個位置的命令信號，電動機各相輸入處的電壓(FN)，并且指示位置2至位置3的換向瞬間以及從位置3到位置4的換向瞬間；圖7表示本發(fā)明所采用的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)由整流裝置(40)、整流濾波器(50)、一組連接在電位VBARR和地線GND之間的開關(guān)SW2N、永磁無刷直流型電動機(20)、一組電壓表DN、數(shù)字信號處理器(10+(30)；圖8表示根據(jù)本發(fā)明系統(tǒng)的開關(guān)SW2N的命令信號、電動機各相之一上的電壓FN、要抽樣的電壓fN、電動機的對應(yīng)繞組中的電壓VN以及樣值的數(shù)學(xué)處理結(jié)果 (AVERAGEfN)；當(dāng)采用PWM激勵時，還指示電壓fN的抽樣瞬間；圖9詳細地表示對于在電動機各相上的電壓施以PWM調(diào)制的系統(tǒng)，電動機各相之一中電壓fn的抽樣瞬間，以及電壓fN樣值的數(shù)學(xué)處理結(jié)果 圖10表示(a)電動機的實驗波形，該電動機具有集中繞組6槽定子-三相并且具有4極，以及(b)放大圖示，表示相A的抽樣瞬間和樣值數(shù)學(xué)處理所得的平均值。
附圖詳細說明圖1(a)表示轉(zhuǎn)換器的基本配置和(b)當(dāng)驅(qū)動無刷直流型永磁三相4極電動機時梯形波中存在的理想波形。在正常工作中，控制器分析電壓和/或電流觀測器的輸入并根據(jù)所檢測的位置按圖1所示的順序啟動開關(guān)SW1，…SW6。如果根據(jù)電流觀測器的指示，發(fā)生過電流的情況，則開關(guān)全部斷開以保護系統(tǒng)。
參考圖7，本發(fā)明的控制系統(tǒng)完全由微控制器(10)、配有至少3個輸入端的A/D轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)，其中所述至少3個輸入端用于讀取各相中電壓(FN)所對應(yīng)的電壓表(Dn)中的電壓(fN)。顯然，微控制器(10)可以由等效裝置替代，所述等效裝置與和外設(shè)相關(guān)聯(lián)的微控制器或數(shù)字信號處理器具有相同的特征。
圖2表示對于無刷直流型三相4極永磁電動機所感生的理想疊加波形，它具有梯形電壓和120電角度的水平線。這里水平線定義為感應(yīng)電壓保持在較高值(正電平)或較低值(負電平)并且近似恒定時以電角度計的角度。在此圖中可以看到，對于60電角度的各個步長(位置)，相電壓之間的關(guān)系如下位置1EA≥Ec＞EB位置2EA＞EB≥Ec
位置3EB≥EA＞Ec位置4EB＞Ec≥EA位置5Ec≥EB＞EA位置6Ec＞EA≥EB表1-電動機中感應(yīng)電壓之間的關(guān)系由此，可以看到各個位置給出了電動機各相中感應(yīng)電壓之間的明確關(guān)系。例如，如果實際位置處于位置1，則位置2應(yīng)該在相C中的感應(yīng)電壓(Ec)等于相B中的感應(yīng)電壓(EB)(參見圖2)且低于相A中的感應(yīng)電壓(EA)時開始。同樣，位置3應(yīng)該在相B的感應(yīng)電壓(EB)等于相A中的感應(yīng)電壓(EA)且高于相C中的感應(yīng)電壓(Ec)時開始。
參考圖3和圖7，可以發(fā)現(xiàn)相對于電路的地(GND)，在電動機公共點VCOMMON處的電壓VA、VB和Vc為(1)VA＝EA+VCOMMON(2)VB＝EB+VCOMMON(3)Vc＝Ec+VCOMMON對于具有120度水平線的梯形電壓的情況，電動機公共點(VCOMMON)處的電壓為母線電壓值的一半。
(4)VCOMMON＝VBARR/2因此，電壓VA、VB和Vc對稱地分布在母線電壓(VBARR)和地(GND)之間。如果電動機速度的改變是通過直接改變母線電壓(VBARR)來實現(xiàn)的，即沒有采用PWM調(diào)制，以及如果電動機空轉(zhuǎn)，則這些電壓將具有等于母線電壓(VBARR)的正電平值和等于地值(GND)的負電平值，如圖3所示。在此圖中可以看到，電壓VA、VB和Vc之間的關(guān)系等同于表1所示的感應(yīng)電壓EA、EB、Ec之間的關(guān)系。那么就可以寫出下表位置1VA≥Vc＞VB位置2VA＞VB≥Vc位置3VB≥VA＞Vc位置4VB＞Vc≥VA
位置5Vc≥VB＞VA位置6Vc＞VA≥VB表2-電動機各相中電壓VN之間的關(guān)系對實際系統(tǒng)來說，具有120度水平線的感應(yīng)電壓的獲取對電動機的設(shè)計和建設(shè)有很大的限制。所以，參考圖4，可以考慮普通電壓波形(小于120度的水平線)。在本例中，表2所示的各個位置的感應(yīng)電壓之間的關(guān)系仍然成立。但是，應(yīng)當(dāng)指出，就120度的水平線的情況來說，在換向瞬間(特征為兩相的相等)，這種相等出現(xiàn)時，兩相同時處于最大值(正電平)或者最小值(負電平)。另一方面，就低于120度的水平線的情況來說，任兩相之間的相等(換向瞬間)始終出現(xiàn)在正或負電平的電壓差2H處。
在圖5中，可以看到在小于120度的水平線的情況下電壓VA、VB和Vc。表2的關(guān)系在此情況中仍舊成立。應(yīng)當(dāng)指出，電動機的公共點(VCOMMON)處的電壓不再是保持固定在母線電壓的一半(VBARR/2)。減少的水平線會導(dǎo)致在此值(VBARR/2)附近的振幅波動H。電動機的公共點(VCOMMON)處的電壓的畸變導(dǎo)致波形(VN)與感應(yīng)電壓(EN)的波形有差異。在本例中，電壓VN中的兩個之間的相等(換向瞬間)始終出現(xiàn)在與正或負電平的差為H處，而不是如感應(yīng)電壓EN的情況中的2H處。
對于電動機的驅(qū)動，無法同時直接獲得N個感應(yīng)電壓EN。因此，直接采用表1的關(guān)系是不可能的。此外，為了讀取這些電壓，可能需要獲得電動機的公共點，這使得感測電路、以及使電動機的設(shè)計成本昂貴。
由于電動機繞組的電感(LN)和電阻(RN)(參見圖7)的原因，甚至無法同時獲得參照地(GND)的電壓VN。因此，表2的關(guān)系也無法直接運用。本發(fā)明中所用的感測點是電動機各相的饋電輸入(FN)(參見圖7)。為了理解利用這些輸入的感測方法，應(yīng)該觀察圖6。該圖說明對于電動機感應(yīng)電壓的水平線少于120度的情況所獲得的在輸入FN處的波形。這里考慮電動機空轉(zhuǎn)并且未對母線電壓(VBARR)進行調(diào)制。作為實例，分析從位置2至位置3的換向當(dāng)電動機在位置2驅(qū)動時，開關(guān)SW1將輸入FA連接到母線電壓VBARR，開關(guān)SW6將輸入Fc連接到地GND。輸入FB斷開。因此，此繞組的電阻(RB)和電感(LB)中沒有電流循環(huán)，而將電壓VB作為該輸入處的電壓值?？傊?，在位置2，具有FA＝VBARRFB＝VBFc＝0(GND)換向至位置3的瞬間應(yīng)該發(fā)生在電壓VB等于電壓VA時。但是，觀察圖6，可以看到，在換向瞬間，VA等于VBARR-H(假定電動機實際在空轉(zhuǎn))，由此，可以寫下從位置2至位置3的換向瞬間要滿足的如下關(guān)系換向2→3FB≥FA-H＞Fc然后在位置3FA＝VAFB＝VBARRFc＝0(GND)換向至位置4的瞬間應(yīng)該發(fā)生在電壓VA等于電壓Vc時。觀察圖6，可以看到在換向瞬間，Vc、GND+H是有效的(假定電動機實際在空轉(zhuǎn))。因此，可以寫下從位置3到位置4的換向瞬間要滿足的如下關(guān)系換向3→4 FB＞Fc+H≥FA將相同的推理擴展到其它換向，得到如下的表換向6→1FA≥Fc-H＞FB換向1→2FA＞FB+H≥Fc換向2→3FB≥FA-H＞Fc換向3→4FB＞Fc+H≥FA換向4→5Fc≥FB-H＞FA
換向5→6Fc＞FA+H≥FB表3-換向瞬間的電壓FN之間的關(guān)系比較表2和表3，可以看到，不同之處在于，電壓VN被電壓FN替代以及包括了參數(shù)H。當(dāng)電動機的轉(zhuǎn)速變化時，感應(yīng)電壓的振幅也成比例地變化，結(jié)果導(dǎo)致發(fā)生參數(shù)H的變化。因此，一旦得到對應(yīng)于轉(zhuǎn)速ro的參數(shù)H(H(ro)，就可根據(jù)公式得到它對應(yīng)于任意轉(zhuǎn)速r的值(5)H(ro).H(ro)可以非常簡單的方式完成電動機的參數(shù)H的獲取a)將轉(zhuǎn)速ro施加于電動機，同時保持所有開關(guān)SW2N斷開；b)讀取感應(yīng)電壓En；因為沒有電流通過繞組的電阻(RN)和電感(LN)，所以在這種情況中這是可行的；c)將參數(shù)H(ro)讀作感應(yīng)電壓的峰值(EP)與電壓E*之差的一半，其中電壓E*對應(yīng)于兩相中降低的電壓模數(shù)彼此相等處的電壓(參見圖4)；(6)H(ro)＝(EP-E*)/2d)使用公式(5)得到任何轉(zhuǎn)速r的H(r)。
迄今為止，總是考慮電動機在空轉(zhuǎn)。在電動機正常工作時，繞組中存在電流而產(chǎn)生感應(yīng)電壓EN，因此在相同轉(zhuǎn)速r下電壓VN會振幅減小。這樣，電壓VN的最大振幅低于母線電壓(VBARR)而它們的最小振幅高于地(GND)電壓。因此，應(yīng)當(dāng)增大H(r)的值以便補償這種電流變化。此增量應(yīng)該與電流值成比例。如果不希望在控制算法中利用電流值，可以在獲取參數(shù)(H(r))期間在上述補償電流變化的步驟d中乘以常數(shù)因子ki＞1。則得到(6)H(r)＝(r/ro).H(r).Ki這樣，在電動機空轉(zhuǎn)的情況下，總是使換向瞬間相對于正確的瞬間稍稍超前。隨著電動機電流的增加，換向瞬間產(chǎn)生延遲。可以根據(jù)經(jīng)驗調(diào)整Ki的值，以便確保最大電流情況下電動機的良好運行。作為初始建議，可以采用Ki＝1.3。
如果Ki被調(diào)整為低于1的值，則值H(r)會減小，從而在換向瞬間上會有延遲。因此，除用于對電流增量進行補償之外，此常量還可用于實現(xiàn)換向瞬間的超前和延遲。
為了感測算法，必須考慮圖7中所示的采集系統(tǒng)的換算系數(shù)。電壓表DN提供按如下公式給出的換算系數(shù)KD(7)KD＝R1/(R1+R2)這樣，在A/D轉(zhuǎn)換器(30)的輸入處，連接由如下公式確定的電壓fN(8)fN＝KD.FN參數(shù)H(r)也應(yīng)該按系數(shù)KD來編排(echeloned)。通過將換算系數(shù)KD加到表3中并且以H(r)置換H，可得到如下用于控制算法的表換向6→1fa≥fc-KD.H(R)＞fb換向1→2fa＞fb+KD.H(r)≥fc換向2→3fb≥fa-KD.H(r)＞fc換向3→4fb＞fc+K(r)≥fa換向4→5fc≥fb-KD.H(r)＞fa換向5→6fc＞fa+KD.H≥fb表4-為感測位置在微控制器中測試的關(guān)系在最終應(yīng)用中，可以通過直接改變電壓VBARR(參見圖4)或通過開關(guān)SW1、SW2、…SW6調(diào)制加至電動機的電壓來實現(xiàn)電動機的轉(zhuǎn)速變化。
例如，在通過開關(guān)SW1、SW3和SW5進行調(diào)制的情況中，相A的電壓(以及其它相的電壓)將具有圖8所示的波形。
DN中的濾波器R1C(參見圖4)使該相的電壓變化緩和。這樣，可得到類似于圖6所示fa的波形。
這里，為了在各相中觀測的電壓之間進行比較，根據(jù)表4，需要完全過濾掉fa、fb和fc中存在的調(diào)制。為此，計算各個調(diào)制周期(T)中電壓的平均值。應(yīng)該使用于測量電壓fN的抽樣頻率與調(diào)制頻率(F)同步。
在每個調(diào)制周期中，總是抽取各相的相等間隔的k個值，即按如下公式得到抽樣頻率(9)FS＝k.F這k個值之和除以抽樣數(shù)量k表示調(diào)制周期T中電壓的近似平均值。此運算在每次對電壓fN抽樣時進行，從而可在每個電壓fN的抽樣周期、即按電動機各相電壓的調(diào)制周期PWM的k倍的頻率，得到平均值 (AVERAGEfN)。
為了避免需要等待一個完整周期T才能獲得平均值，采用了如下處理過程在每個抽樣周期TS＝1FS，將抽樣值加上前面的k-1個樣值，并將結(jié)果除以k。簡言之，為確定 的值提出的技術(shù)包括最后k個樣值的算術(shù)平均值。
在確定電動機的正確換向瞬間中，該技術(shù)帶來最佳的解決方案，即使對于相對較低的切換頻率PWM也是有效的。
例如，圖9表示圖8所示細節(jié)的放大。在該實例中，考慮每個調(diào)制周期5個樣值(k＝5)。調(diào)制周期n的第五個樣值之后，得到如下平均值(11)---faMEDIO5(n)fa5(n)+fa4(n)+fa3(n)+fa2(n)+fa1(n)5]]>代入調(diào)制周期n+1，faMEDIO的最大值為(12)---faMEDIO1(n+1)=fa1(n+1)+fa5(n)+fa4(n)+fa3(n)+fa2(n)5]]>則(13)---faMEDIO2(n+1)=fa2(n+1)+fa1(n+1)+fa5(n)+fa4(n)+fa3(n)5]]>這樣，在每個抽樣周期TS，都可得到值。
特別要注意的是，濾波器R1C的截止頻率應(yīng)該低于抽樣頻率的一半(Fc＜Fs/2)，由此按照尼奎斯特準(zhǔn)則。根據(jù)較好的估算，可以采用該抽樣頻率的1/4以下。對于抽樣頻率，可以采用例如4*F或更大，以便得到較好的平均值。因此，建議
(14)Fs＜＝4F(15)Fc＜＝2Fs在圖8中，虛線表示利用所提出的技術(shù)得到的平均值 注意，圖6中的 的波形與圖6中的FA相同，其中在電動機各相上沒有對電壓進行調(diào)制PWM。
然后會發(fā)現(xiàn)，利用所提出的技術(shù)，PWM調(diào)制對各相的電壓的影響在整體上被有效地過濾掉，而不會在實際平均值和計算值之間有顯著缺陷，由此可以采用表4所示的關(guān)系，其中則采用平均值(參見表5)來確定電動機換向的增量。換向6→1 ≥FcMEDIO-KD.H(R)＞fbMEDIO換向1→2faMEDIO＞fbMEDIO+KD.H(r)≥fcMEDIO換向2→3fbMEDIO≥faMEDIO-KD.H(r)＞fcMEDIO換向3→4fbMEDIO＞fcMEDIO+K(r)≥faMEDIO換向4→5fcMEDIO≥fbMEDIO-KD.H(r)＞faMEDIO換向5→6fcMEDIO＞faMEDIO+KD.H≥fbMEDIO表5-算法中所用的最后一個比較表采用所提出的濾波技術(shù)來觀測電動機各相的感應(yīng)電壓的要點在于，此處理可在對電動機各相施加的電壓的每個調(diào)制周期PWM中監(jiān)視轉(zhuǎn)子位置k次。由此，即使在采用低調(diào)制頻率(如1kHz或更低)的情況下，在感測轉(zhuǎn)子位置和適當(dāng)換向瞬間期間仍得到較好的分辨率。
以圖10A為例。此圖表示控制無刷直流型6槽4極永磁電動機時得到的實驗結(jié)果，其中F＝1.2KHz、Fc＝3.3KHz、Fs＝16*F＝19.2KHz。轉(zhuǎn)速為1500rpm。在圖10b中，得到2個周期的PWM的放大圖示，還指出fa的抽樣瞬間。如上所述，雖然調(diào)制頻率較低，但是這里提出的數(shù)學(xué)濾波技術(shù)可以在每個周期T監(jiān)視位置改變16次。由此，就感測位置而言，可以得到很好的分辨率。特別要注意的是，圖10a所示的信號振幅是不同比例的，只用于定性參考。
參考圖10，換向5→之后在相A中觀測到電壓峰值以及在換向2→3之后沒有電壓，這構(gòu)成該相去磁期間的特征。去磁是在該相中施加電流的過程完成之后，即，在從位置x到下一個位置x+1的換向之后，所確定相中流通的電流的消除所需的時期。去磁會導(dǎo)致在電動機端子觀測到的電壓波形的畸變。為了防止畸變影響對位置的檢測，在每次換向之后都有一定的延遲時期TD，其間電壓FN之間的換向尚未進行。與檢測感應(yīng)電壓的零點的常規(guī)方法相比，本發(fā)明的方法的一個優(yōu)點在于，在檢測零點的方法中，去磁時期無法超過30電角度，因為在此情況中無法檢測30度之后確切出現(xiàn)的零點。本發(fā)明的方法中，去磁可以超過30度，而完全不會導(dǎo)致感測方面的問題，就此目的而言，足以方便地調(diào)整延遲時期TD。
特別要注意的是，濾波器R1C和平均值的數(shù)學(xué)計算過程都會導(dǎo)致結(jié)果的延遲。但是，即使此延遲很短且影響很小，都可以通過只調(diào)整參數(shù)H(r)來進行補償。
如果調(diào)制PWM是100％，則電壓VBARR將是連續(xù)性的，不必進行抽樣；在此特定情況中，可以只通過觀測各相中電壓，然后根據(jù)表4比較這些值來實現(xiàn)位置檢測。在抽樣小于100％的情況中，抽樣率應(yīng)該足夠高，以確保在電動機最大轉(zhuǎn)速中得到良好的分辨率。在此轉(zhuǎn)速下，電動機的電頻率將由如下公式得出(16)---FEL=n·p60=4500·260=150Hz,]]>其中n＝電動機的轉(zhuǎn)速(單位是rpm)；以及p＝極對數(shù)。
因為每個電周期具有6個不同位置，該電動機的每個位置的最小周期為(17)---MINIMUMTPOS=16.150Hz=1.11ms]]>因此，最大轉(zhuǎn)速下保持好的分辨率要采用的值是每個位置10個樣值。然后得到如下的抽樣頻率值(18)---Fs=10MINIMUMTPOS=9.09kHz]]>顯然，本發(fā)明的目的適用于結(jié)構(gòu)類似于永磁電動機且具有任何極數(shù)和相數(shù)的電動機，只需使其符合特定應(yīng)用即可。
雖然已經(jīng)描述了最佳實施例，但是應(yīng)該理解，本發(fā)明的范圍涵蓋其它可能的變化，僅由所附權(quán)利要求的內(nèi)容來限制，其中包括可能的等效物。
權(quán)利要求
1.一種控制n相(FN)電動機的方法，該電動機包括微控制器(10)；與所述微控制器(10)相關(guān)聯(lián)的一組電壓表(DN)；連接電壓(VBARR)并且與所述微控制器(10)相關(guān)聯(lián)的一組開關(guān)(SW2N)；所述微控制器(10)選擇性地啟動至少一對開關(guān)(SW2N)，對所述電動機(20)的至少兩相(FN)施加電壓(VBARR)，該方法的特征在于包括如下步驟所述微控制器(10)通過所述這組電壓表(DN)讀取所述電動機(20)的所述相(FN)中饋給電壓所對應(yīng)的電壓(fN)的信號；以及所述微控制器(10)將所述相(FN)中的電壓所對應(yīng)的電壓(fN)與預(yù)先建立的參數(shù)進行比較，并且一旦所述電壓(fN)達到所述預(yù)先建立的參數(shù)就立即啟動所述開關(guān)(SW2N)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述讀取電壓(fN)的步驟之前，這些值由A/D轉(zhuǎn)換器(30)進行轉(zhuǎn)換。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在所述比較電壓(fN)的步驟之前，根據(jù)按抽樣周期(Ts)獲得的均勻分布在時間周期(T)內(nèi)的(fN)值的平均值得到平均值
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述比較步驟包括將每個電壓表(DN)中抽樣的電壓值(fN)的平均值 與其它各個電壓表(DN)中抽樣的電壓值的平均值 進行比較，這些相其中之一的平均值 被加上、減去與所述電動機(20)的轉(zhuǎn)速成比例的參數(shù)(H(r))。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項所述的方法，其特征在于所述開關(guān)(SW2N)包括開關(guān)(SW1)至(SW6)，所述電壓表(DN)包括電壓表(DA)至(DC)，以及所述比較各相(FN)中的電壓所對應(yīng)的電壓(fN)的步驟；開關(guān)(SW1)和(SW4)的第一組合在如下條件滿足時啟動電壓表(DA)中電壓的平均值 高于或等于電壓表(DC)中電壓的平均值 減參數(shù)(h(r))，而且電壓表(DC)中電壓的平均值 減參數(shù)(h(r))高于電壓表(DB)中電壓的平均值 開關(guān)(SW1)和(SW6)的第二組合在如下條件滿足時啟動電壓表(DA)中電壓的平均值 高于電壓表(DB)中電壓的平均值 加參數(shù)(h(r))，而且電壓表(DB)中電壓的平均值 加參數(shù)(h(r))高于或等于電壓表(DC)中電壓的平均值 開關(guān)(SW3)和(SW6)的第三組合在如下條件滿足時啟動電壓表(DB)中電壓的平均值 高于或等于電壓表(DA)中電壓的平均值 減參數(shù)(h(r))，而且電壓表(DA)中電壓的平均值 減參數(shù)(h(r))高于電壓表(DC)中電壓的平均值 開關(guān)(SW2)和(SW3)的第四組合在如下條件滿足時啟動電壓表(DB)中電壓的平均值 高于電壓表(DC)中電壓的平均值 加參數(shù)(h(r))，而且電壓表(DC)中電壓的平均值 加參數(shù)(h(r))高于或等于電壓表(DA)中電壓的平均值 開關(guān)(SW2)和(SW5)的第五組合在如下條件滿足時啟動電壓表(DC)中電壓的平均值 高于或等于電壓表(DB)中電壓的平均值 減參數(shù)(h(r))，而且電壓表(DB)中電壓的平均值 減參數(shù)(h(r))高于電壓表(DA)中電壓的平均值 開關(guān)(SW4)和(SW5)的第六組合在如下條件滿足時啟動電壓表(DC)中電壓的平均值 高于電壓表(DA)中電壓的平均值 加參數(shù)(h(r))，而電壓表(DA)中電壓的平均值 加參數(shù)(h(r))高于或等于電壓表(DB)中電壓的平均值
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，當(dāng)開關(guān)(SW1至(SW6)的組合被啟動時，參數(shù)(h(r))是參數(shù)(H(r))乘以比例系數(shù)(KD)得到的結(jié)果。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，將每個電壓表(DN)中抽樣的電壓值(fN)的平均值 與其它各個電壓表(DN)中抽樣的電壓值的平均值 進行比較的所述步驟是在電壓表(DN)中電壓(fN)的每個抽樣周期(Ts)中執(zhí)行的。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在周期時間T內(nèi)執(zhí)行k次對所述電動機的各相(FN)中電壓所對應(yīng)的電壓表(DN)中電壓(fN)的抽樣。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，當(dāng)應(yīng)用調(diào)制PWM時，所述周期時間T等于所述電動機各相中調(diào)制PWM的周期。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述電動機的各相電壓在各電壓表(DN)中抽樣的電壓(fN)的平均值 是通過計算最后k個樣值的算術(shù)平均值得到的。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，值(H(ro))是在電動機(20)的給定轉(zhuǎn)速(ro)下、在一相中觀測的感應(yīng)電壓的最大值(Ep)與當(dāng)兩相中感應(yīng)電壓(EN)的值相等時在所述兩相中觀測的電壓(E*)之差的一半。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，要在其中一相的電壓的電壓表(DN)中抽樣電壓的平均值 中加上或減去的參數(shù)(H(r))等于任何轉(zhuǎn)速(r)與轉(zhuǎn)速(ro)之比乘以在所述轉(zhuǎn)速(ro)測得的值(H(ro))再乘以調(diào)整常數(shù)(ki)。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，參數(shù)(H(r)的使用與轉(zhuǎn)速(r)成比例，從而使新開關(guān)組合(SW2N)的啟動瞬間移相。
14.一種用于控制N相電動機的系統(tǒng)，它包括微控制器(10)、一組連接到電壓(VBARR)并且與所述微控制器(10)相關(guān)聯(lián)的開關(guān)(SW2N)；所述微控制器(10)選擇性地啟動至少一對開關(guān)(SW2N)，對電動機(20)的至少兩相(FN)施加電壓(VBARR)，所述系統(tǒng)的特征在于它包括一組與所述微控制器(10)相關(guān)聯(lián)的電壓表(DN)，所述這組電壓表(DN)連接到所述電動機(20)的各相(FN)的饋電輸入端；所述微控制器(10)包括存儲在其存儲器中的電壓(fN)之間的預(yù)先建立的關(guān)系，并且能夠?qū)⑺鲭妷罕?DN)測得的值與所述這組電壓表(DN)測得的電壓(fN)的所述預(yù)先建立的關(guān)系進行比較。
15.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，A/D轉(zhuǎn)換器(30)與所述微控制器(10)相關(guān)聯(lián)，用以轉(zhuǎn)換所述這組電壓表(DN)讀取的信號。
16.如權(quán)利要求14或15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述這組電壓表(DN)包括與電容器相關(guān)聯(lián)的電阻分壓器，以便構(gòu)成RC濾波器，所述RC濾波器提供所述電壓(fN)和該相(FN)中電壓之間關(guān)系的比例系數(shù)(KD)。
17.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于，微控制器(10)按照等于調(diào)制頻率PWM的k倍的抽樣頻率(Ts)讀取電壓(fN)的值。
18.一種N相電動機(20)，其特征在于包括一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠使相電流與感應(yīng)電壓同步，其中包括微控制器(10)、一組連接到電壓(VBARR)并且與所述微控制器(10)相關(guān)聯(lián)的開關(guān)(SW2N)；所述微控制器(10)選擇性地啟動至少一對開關(guān)(SW2N)，對所述電動機(20)的至少兩相(FN)施加電壓(VBARR)，所述電動機包括一組與所述微控制器(10)相關(guān)聯(lián)的電壓表(DN)，所述這組電壓表(DN)連接到電動機(20)的各相(FN)的饋電輸入端。所述微控制器(10)包括存儲在其存儲器中的電壓(fN)之間的預(yù)先建立的關(guān)系，并且能夠?qū)⑺鲭妷罕?DN)測得的值與所述預(yù)先建立的關(guān)系進行比較，并且根據(jù)所述這組電壓表(DN)測得的電壓(fN))的關(guān)系啟動至少一對新的開關(guān)(SW2N)。
全文摘要
描述一種控制電動機的系統(tǒng)、控制電動機的數(shù)字方法和電動機?？刂芅相電動機的系統(tǒng)包括微控制器(10)、與所述微控制器(10)相聯(lián)的A/C轉(zhuǎn)換器(30)、一組與A/D轉(zhuǎn)換器(30)相聯(lián)的電壓表(DN)以及一組連接到電壓(VBARR)且與微控制器(30)相聯(lián)的開關(guān)(SW2N)，微控制器(30)選擇性地在時間周期(TPOS)期間通過至少兩個開關(guān)(SW2N)將電壓(VBARR)饋給電動機(20)的兩相(FN)，電動機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生電壓(EN)，該組電壓表(DN)測量電壓(fN)的信號并將這些電壓相互比較以確定時間周期(TPOS)。還描述稱為H(r)的參數(shù)的計算，該參數(shù)用于根據(jù)電動機的結(jié)構(gòu)類型調(diào)整換向瞬間。該參數(shù)取決于電動機轉(zhuǎn)速。還提到使用數(shù)字濾波技術(shù)來消除調(diào)制對控制方法的影響。該濾波的特征在于各個平均電壓(fN)的最后k個樣值的算術(shù)平均值，這些樣值與調(diào)制周期同步。
文檔編號H02P6/18GK1473390SQ0181843
公開日2004年2月4日 申請日期2001年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月8日
發(fā)明者M·G·施瓦茨, R·安德里希, M G 施瓦茨, 呂鏘 申請人:巴西壓縮機股份有限公司