專利名稱：啟動永磁單相同步電機(jī)的方法及實施其的電子裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及一種啟動單相永磁同步電機(jī)的方法及能夠與電機(jī)關(guān)聯(lián)以實施所述啟動方法的電子裝置。具體而言，該方法涉及用在強(qiáng)烈需要降低成本及體積的應(yīng)用中的單相同步電機(jī)的啟動。例如，所述方法涉及用在諸如洗衣機(jī)及洗碗機(jī)的家用電器中的電機(jī)的啟動。
背景技術(shù)：
眾所周知，盡管同步電機(jī)得益于高能源效率及優(yōu)良的運(yùn)行速度穩(wěn)定性，但同步電機(jī)具有與啟動困難有關(guān)的重大缺陷。事實上，在啟動步驟期間，轉(zhuǎn)子必須從零速度提升到與電機(jī)的電源耦合的頻率狀態(tài)。在實際中，為了實現(xiàn)所述頻率耦合，采用機(jī)械和/或電子技術(shù)設(shè)備，當(dāng)然所述機(jī)械和/ 或電子技術(shù)設(shè)備涉及巨大的生產(chǎn)和安裝成本。具體而言，電子系統(tǒng)包括使用由逆變器和斬波器構(gòu)成的電路，逆變器和斬波器使電網(wǎng)電壓的頻率和波幅易改變，在啟動步驟期間改變所述電網(wǎng)電壓的頻率和波幅。另一方面，盡管所述電路非常令人滿意地解決電機(jī)的啟動問題，但其高度復(fù)雜，并因此極大地影響所述裝置的總成本。事實上，它們是針對三相電機(jī)研制并優(yōu)化的，且它們過于麻煩且不適于控制兩相同步電機(jī)、特別是低功耗單相同步電機(jī)。在多相電機(jī)的工作中，與不同相有關(guān)的各個繞組不總是同時由電流供電。因此，通常至少有一個線圈未被供電，在所述至少一個線圈兩端測量所述電機(jī)產(chǎn)生的反電動勢。由于所述測量，即使沒有特定傳感器的幫助，也可能估計到所述轉(zhuǎn)子的位置，這允許利用極低成本的電子系統(tǒng)控制啟動。然而，考慮到當(dāng)相繞組中的電流不為零時，不能在單相電機(jī)上獲得反電動勢，則這樣的解決辦法不能夠在單相電機(jī)上實施。此外，準(zhǔn)確地說，單相電機(jī)，尤其是該實施方式中具有永磁體的單相電機(jī)因其生產(chǎn)成本低而尤其廣泛用于市場中。目前，利用機(jī)械設(shè)備通常有利于所述單相電機(jī)啟動，從而準(zhǔn)確地將電機(jī)成本保持在可接受的極限內(nèi)。然而，用于此目的的機(jī)械設(shè)備帶來了能源效率及噪聲的其它問題。因此，形成本發(fā)明的基礎(chǔ)的技術(shù)問題是發(fā)明一種啟動方法及實施該啟動方法的相應(yīng)電子裝置，所述啟動方法及所述電子裝置允許以低生產(chǎn)及安裝成本來有效啟動使用永磁體的單相同步電機(jī)。

發(fā)明內(nèi)容
上述技術(shù)問題通過一種用于啟動單相同步電機(jī)的方法解決，所述同步電機(jī)包括永磁轉(zhuǎn)子和定子，所述定子設(shè)置有通過開關(guān)連接到電網(wǎng)的繞組。這樣的方法至少包括一個步驟應(yīng)用所述開關(guān)的控制邏輯，所述控制邏輯采用用于接通的兩個條件，目的是確保在繞組中流動的電流的符號基本上(即，大部分時間)和所述電機(jī)產(chǎn)生的反電動勢的符號相同。
下文中我們將簡要解釋為什么這樣的符號保證了電機(jī)的良好的啟動。由繞組中的電流瞬時形成的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩Cm由以下乘積給出Cm =-i(t) · Φ · sin( θ ⑴)其中Φ是繞組中的磁體產(chǎn)生的流量的峰值，及θ是轉(zhuǎn)子的角位移。另一方面，反電動勢為fcem =-Φ Com · sin( θ ⑴)因此Cm · ωω = fcem · i(t)因此，為了獲得與旋轉(zhuǎn)速度ωω—致的轉(zhuǎn)矩值CM，即為了在啟動期間確保驅(qū)動轉(zhuǎn)矩而不是制動轉(zhuǎn)矩，需要按照上文所述的，在繞組中流動的電流和反電動勢的符號相同。當(dāng)檢測到的反電動勢信號的符號和電網(wǎng)電壓信號的符號相同時，驗證關(guān)于接通開關(guān)的第一條件，而當(dāng)所述反電動勢信號的符號和它的一階導(dǎo)數(shù)值的符號相同時，驗證第二條件。上述的控制邏輯還能夠在具有低成本元件的無感測模式下啟動，使單相同步電機(jī)簡單且有效地啟動。實際上，反電動勢信號，例如作為電網(wǎng)電壓和供給繞組的電流為零的時段中的開關(guān)兩端的電壓之間的差，可以在沒有傳感器的幫助下容易地獲得。零電流狀態(tài)可以通過確定所述開關(guān)兩端的電壓完全不同于零或者通過分流電阻來估計。而且，考慮到上述控制邏輯僅控制用于接通開關(guān)的條件，為了實施上述控制邏輯， 所使用的開關(guān)可以是簡單的三端雙向交流(TRIAC)開關(guān)，當(dāng)電流經(jīng)過零時，開關(guān)使電連接斷開。
更復(fù)雜的控制邏輯包括用于當(dāng)電流和反電動勢的符號不同時斷開開關(guān)的條件，該更復(fù)雜的控制邏輯另一方面會需要能夠中斷電流的一開關(guān)，并需要用以吸收分散在定子繞組的電感中的能量的恰當(dāng)電路。這樣的邏輯也同樣需要當(dāng)電流在繞組中流動時通過實施復(fù)雜電路獲得電流信號和估算反電動勢。然而，實際上，根據(jù)本發(fā)明的控制邏輯的第二條件防止發(fā)生定子電流與反電動勢不同的狀況，使開關(guān)的斷開條件多余并實質(zhì)上簡化控制架構(gòu)和控制架構(gòu)的實施。通過對所述反電動勢的方波信號和電網(wǎng)同步信號應(yīng)用異或非(XNOR)邏輯運(yùn)算， 可以容易地實施對所述第一條件的驗證。通過對所述反電動勢的方波信號和所述反電動勢的一階導(dǎo)數(shù)的方波信號應(yīng)用異或非邏輯運(yùn)算，也可以容易地驗證所述第二條件。可替選地，所述第一條件和所述第二條件可以通過在所述電網(wǎng)同步信號和第二方波信號之間應(yīng)用異或非邏輯運(yùn)算來同時驗證，所述第二方波信號得自所述反電動勢信號和適當(dāng)按比例調(diào)整的所述反電動勢信號的一階導(dǎo)數(shù)的信號之和。由于所述反電動勢的一階導(dǎo)數(shù)在所述反電動勢的方波信號之前，則反電動勢信號和所述反電動勢的一階導(dǎo)數(shù)信號的方波和也在剛提到的反電動勢的方波信號之前；所述提前由于所述一階導(dǎo)數(shù)而隨著比例因子的增大而增大；臨界方波值還可能使上升沿延遲并使下降沿提前；因此，可能僅利用兩個參數(shù)來根據(jù)條件要求(慣性矩、液壓機(jī)負(fù)荷、退磁風(fēng)險…)設(shè)定允許接通條件的范圍。
開關(guān)的接通可以相對于控制邏輯的第一條件的出現(xiàn)提前進(jìn)行，且開關(guān)可能略早于以下時刻接通反電動勢改變符號，該符號將要變成和電網(wǎng)電壓相同的符號。考慮到扭矩和轉(zhuǎn)子的方位角的正弦的關(guān)聯(lián)和由定子繞組表示的電阻感應(yīng)電路中的電流信號相對于電壓信號的延時，這樣的解決方法是可能的。方位角始終反向，制動轉(zhuǎn)矩可以被忽略。然而，提前接通為電路提供了允許電流增長的較多時間，以便當(dāng)方位角的正弦基本上不變時利用所述電流。為了避免所述第二條件在因齒槽轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)子負(fù)載造成的局部減速的情況下阻止接通開關(guān)，可能放寬上述第二條件，甚至在盡管反電動勢信號和反電動勢信號的一階導(dǎo)數(shù)值具有不同符號，但是與反電動勢的一階導(dǎo)數(shù)的符號的上一變化一致的反電動勢信號的峰值具有比臨界值低的模數(shù)時，使所述開關(guān)接通。實際上，所述控制邏輯的第二條件想要在轉(zhuǎn)子極靠近定子極時阻止開關(guān)接通，轉(zhuǎn)子極靠近定子極是這樣的情況是反電動勢的符號改變的前兆。然而，上述的局部減速可產(chǎn)生信號的負(fù)一階導(dǎo)數(shù)，而不一定發(fā)生所述嚴(yán)格條件。然而，這樣的情況可以從以下事實識別出在減速本身發(fā)生之前，反電動勢峰值的絕對值具有低值，通常比額定速度下的反電動勢峰值小20%。這是如果所述值未到達(dá)到某臨界而控制邏輯可以有利地使三端雙向交流開關(guān)接通、從而與上述指示相違背的原因。根據(jù)本發(fā)明的所述方法還可包括在應(yīng)用所述控制邏輯步驟之前，為所述定子繞組提供具有相同符號的一系列啟動脈沖的電流以啟動所述轉(zhuǎn)子來克服齒槽轉(zhuǎn)矩的步驟。因此，應(yīng)用所述控制邏輯的隨后步驟僅在已超過反電動勢信號的預(yù)定臨界時開始。應(yīng)當(dāng)注意，由于啟動步驟是當(dāng)齒槽轉(zhuǎn)矩的后拉力被超過時導(dǎo)致的，則選擇控制參數(shù)的臨界值以在與包括在定子的兩個連續(xù)極間軸之間的角相等的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角內(nèi)開始轉(zhuǎn)變步驟。因此，在具有兩個極的單相電機(jī)的特定情況下，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)第一個180°期間開始控制邏輯。具體而言，有利地建立以下當(dāng)反電動勢超過正常運(yùn)轉(zhuǎn)速度下的反電動勢的峰值的10%與20%之間的臨界值時，應(yīng)用所述邏輯。根據(jù)本發(fā)明的方法還可包括預(yù)備步驟為所述繞組提供具有一系列定位脈沖的電流，所述定位脈沖的符號與用以將所述轉(zhuǎn)子帶到預(yù)定啟動位置的所述啟動脈沖不同。假定轉(zhuǎn)子具有兩個不同的平衡位置，則上述的再對齊操作肯定能夠使連續(xù)的啟動脈沖促進(jìn)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，而不需要使用位置傳感器。因此，所述方法可以有利地包括在提供所述定位脈沖之后和提供所述啟動脈沖之前的等待步驟，所述等待步驟持續(xù)得足夠長以確保所述轉(zhuǎn)子穩(wěn)定，轉(zhuǎn)子在再對齊后可能經(jīng)歷底層振動。啟動脈沖和定位脈沖一樣，可以通過起始角相對于電網(wǎng)電壓的符號改變而延時。有利地，這樣的起始角可以適用于電網(wǎng)電壓、轉(zhuǎn)子的慣性矩和轉(zhuǎn)子的位置以獲得最大加速度且同時防止轉(zhuǎn)子退磁。具體而言，已了解在啟動脈沖系列期間降低起始角是如何有利，因此該系列啟動脈沖的強(qiáng)度逐步增大。上述技術(shù)問題還通過一種啟動同步電機(jī)的電子裝置解決，所述電子裝置包括處理單元、用于對所述處理單元控制的所述同步電機(jī)供電的開關(guān)，所述處理單元接收電網(wǎng)電壓信號和所述開關(guān)兩端的電壓信號，所述電子裝置布置成實施上述方法。如上所述，所述開關(guān)是三端雙向交流類型的開關(guān)。根據(jù)結(jié)合附圖給出并且用于表示目的而非限制目的的優(yōu)選實施方式的以下描述， 本發(fā)明的其它特性和其它優(yōu)勢將更明顯。


圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的利用啟動邏輯控制的同步電機(jī)；圖2示意性地示出了應(yīng)用于圖1的同步電機(jī)的根據(jù)本發(fā)明的電子裝置；圖3示出了說明根據(jù)本發(fā)明的啟動方法的各個步驟的框圖；圖如-如示出了在根據(jù)本發(fā)明的啟動方法的第一步驟期間的與圖1的同步電機(jī)有關(guān)的一些參數(shù)的時間曲線；圖5示出了在根據(jù)本發(fā)明的所述啟動方法的第二步驟期間的與圖1的同步電機(jī)有關(guān)的一些參數(shù)的時間曲線；圖6示出了在根據(jù)本發(fā)明的所述啟動方法的第三步驟期間的與圖1的同步電機(jī)有關(guān)的一些參數(shù)的時間曲線；圖7比較在根據(jù)本發(fā)明的所述啟動方法的兩個可替代實施方式的第三步驟期間產(chǎn)生的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的時間曲線；圖8比較在根據(jù)本發(fā)明的所述啟動方法的兩個可替代實施方式的第三步驟期間的與圖1的同步電機(jī)有關(guān)的一些參數(shù)的時間曲線；圖9示出了用在根據(jù)本發(fā)明的啟動邏輯中的一些信號的時間曲線。
具體實施例方式參考附圖1，附圖標(biāo)記1表示使用永磁體的單相同步電機(jī)，所述單相同步電機(jī)包括定子10及能夠相對于定子10旋轉(zhuǎn)的鼓形轉(zhuǎn)子15。定子10限定了在轉(zhuǎn)子15上閉合的磁性回路，轉(zhuǎn)子15可旋轉(zhuǎn)地布置在定子本身的第一極性擴(kuò)展1 與第二極性擴(kuò)展12b之間。定子具有由電子裝置20供電的兩個繞組11。轉(zhuǎn)子15包括永磁體，所述永磁體布置成在元件的外圓周上限定徑向相對的兩個磁極。利用術(shù)語轉(zhuǎn)子軸AR，我們將定義位于如此限定的磁極之間的理想分離面上的轉(zhuǎn)子直徑。根據(jù)定子10的極軸AP布置的極性擴(kuò)展12a、12b通過形態(tài)不對稱區(qū)分開，使得轉(zhuǎn)子15靜止時布置成具有轉(zhuǎn)子軸AR，該轉(zhuǎn)子軸AR相對于定子10的極間軸線AI偏斜非對稱角θκ。已知，這樣的非對稱確保同步電機(jī)單向啟動。在本實例中，轉(zhuǎn)子軸AR在逆時針方向上相對于所述極間軸線偏斜約6°，因此以相同方向推動轉(zhuǎn)子啟動。優(yōu)選地采取了控制板形式的電子裝置20具有靜態(tài)開關(guān)21，在此具體例子中為三端雙向交流(TRIAC)開關(guān)，其布置成調(diào)節(jié)以交流形式通過電網(wǎng)22提供給定子繞組11的電力。三端雙向交流開關(guān)21連接到處理單元30的PWM輸出33，處理單元30優(yōu)選地采取微處理器形式。所述處理單元30實施用于啟動下文描述的同步電機(jī)1的方法。
處理單元30具有接收電網(wǎng)電壓信號23的第一輸入31及另一方面接收該開關(guān)上的電壓信號M的第二輸入32。通過處理這些信號，在電流為零的時候，處理單元30能夠進(jìn)行間接測量同步電機(jī) 1產(chǎn)生的反電動勢，該反電動勢為電網(wǎng)電壓信號23與開關(guān)上的電壓信號M的差。控制單元30檢測所述零電流狀態(tài)，同時估計開關(guān)上的電壓信號M且特別是確保此信號遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是零值。根據(jù)零電流期間測量的反電動勢，處理單元30可以估算所述電動勢的時間曲線。 因此，其產(chǎn)生反電動勢的方波信號26，當(dāng)反電動勢為正時，反電動勢的方波信號沈為單一值，其它情況下其為零；且當(dāng)反電動勢的函數(shù)具有正導(dǎo)數(shù)時，反電動勢的一階導(dǎo)數(shù)的方波信號27為單一值，否則其為零。電子裝置20還具有與供電電網(wǎng)同步的部分35，所述部分35獲得電網(wǎng)同步信號 25，即當(dāng)電網(wǎng)電壓具有正值時，電網(wǎng)同步信號25具有單一值，當(dāng)電網(wǎng)電壓為負(fù)值時，電網(wǎng)同步信號25為零，且所述部分35將電網(wǎng)同步信號25發(fā)送到處理單元30。圖9以圖表形式示出與反電動勢的曲線相比較的電網(wǎng)同步信號25的時間曲線、反電動勢的方波信號26的時間曲線及反電動勢的變化率方波信號27的時間曲線。電子裝置20還具有處理單元30的輸入部分36，輸入部分36還布置成將電壓參考信號提供給所述單元。同步電機(jī)1的啟動提供了第一調(diào)整步驟100，該第一調(diào)整步驟100的目的是將轉(zhuǎn)子 15移動到預(yù)定的啟動位置。在靜止?fàn)顟B(tài)下，轉(zhuǎn)子15實際上布置成具有分別面向第一極性擴(kuò)展1 與第二極性擴(kuò)展12b的相反的極性。然而，為了促進(jìn)電機(jī)啟動，優(yōu)選地是確定無疑地了解啟動位置。在本示例中，圖1中示出的這樣的預(yù)定啟動位置可看到轉(zhuǎn)子15的北極面向定子10 的第二極性擴(kuò)展12b。為了得到此結(jié)果，電子裝置20控制三端雙向交流(TRIAC)開關(guān)21，以便向繞組11 提供電網(wǎng)22的電壓信號的一系列電流脈沖，該系列電流脈沖在本文中稱為定位脈沖50、僅在指定的半周期期間產(chǎn)生、正負(fù)根據(jù)選擇的啟動位置而定。因此，在應(yīng)用中，三端雙向交流 (TRIAC)開關(guān)必須僅當(dāng)電網(wǎng)同步信號23為正值(或負(fù)，根據(jù)所選的半周期而定)時才可接
ο因此，在該位置不是用于啟動的預(yù)選位置的情況下，由于轉(zhuǎn)子軸AR相對于極間軸線AI具有上述傾斜，則產(chǎn)生的定位脈沖50推動轉(zhuǎn)子15朝啟動位置旋轉(zhuǎn)。另一方面，如果轉(zhuǎn)子已處于啟動位置，則定位脈沖50不改變轉(zhuǎn)子的位置。通過調(diào)整三端雙向交流開關(guān)21的起始角α，即調(diào)整相對于電網(wǎng)22的電壓穿過零點的接通延時，定位脈沖50可以由電子裝置20有利地調(diào)整。具體而言，所述起始角α可以基于電網(wǎng)電壓的實際值、轉(zhuǎn)子的慣性矩和其位置調(diào)整，以防止永磁體的退磁現(xiàn)象，同時還確保轉(zhuǎn)子的最大加速度。出于說明性目的，圖4a4c示出了所述對齊步驟100期間的反電動勢e、電網(wǎng)電壓 T、轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角θ和定子電流i的時間曲線。這三張圖指的是隨著電網(wǎng)電壓的實際值逐步增大的三個實現(xiàn)方式。在本示例中，為了將轉(zhuǎn)子15帶到預(yù)定的啟動位置，電子裝置20產(chǎn)生接通三端雙向交流開關(guān)21的兩個定位脈沖50，該脈沖相對于電網(wǎng)電壓從負(fù)半周期轉(zhuǎn)到正半周期具有起始角α (即，相對于單個電網(wǎng)同步信號25的更新)。應(yīng)當(dāng)注意，接通三端雙向交流開關(guān)21的延時隨電網(wǎng)電壓的實際值增大而適當(dāng)?shù)卦龃蟆．?dāng)已產(chǎn)生將轉(zhuǎn)子帶到啟動位置所需的定位脈沖50，本方法提供了等待步驟200以能夠減弱轉(zhuǎn)子15的可能的振蕩。事實上，在所述脈沖實際上已改變轉(zhuǎn)子15的位置的情況下，轉(zhuǎn)子15將圍繞到達(dá)的與預(yù)選啟動位置重合的新靜止位置振蕩一定時段。優(yōu)選的是，等待該振蕩的減弱，以不危害轉(zhuǎn)子的隨后的啟動步驟。等待時段取決于各種因素，首要取決于摩擦力和轉(zhuǎn)子15的慣性矩。利用小尺寸的永磁體的同步電機(jī)的可能時間在任一情況下約為700ms。因此，在等待步驟結(jié)束時，轉(zhuǎn)子15肯定停在預(yù)定的啟動位置中。本發(fā)明的隨后步驟是啟動步驟300。這樣的步驟提供第二系列電流脈沖的產(chǎn)生，這里稱為啟動脈沖60，啟動脈沖60此刻在電網(wǎng)22的電壓信號的與定位脈沖50的半周期相反的半周期中產(chǎn)生。所產(chǎn)生的啟動脈沖60優(yōu)選地具有增強(qiáng)的強(qiáng)度。和針對定位脈沖50描述的一樣， 總是通過改變?nèi)穗p向交流開關(guān)21的起始角α來調(diào)整該強(qiáng)度?？紤]到轉(zhuǎn)子15的啟動位置，所述啟動脈沖肯定使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)180°。首先且具體而言，在移動的第一個(90+θ R) ° (在本文討論的實施方式中為 96° )中，轉(zhuǎn)子15由趨向于將轉(zhuǎn)子15朝啟動位置帶回的齒槽力制動。因此，根據(jù)以下已知公式，在啟動脈沖60期間增大的反電動勢在每一脈沖結(jié)束時返回零
fcem = —= -Φω , sin(^(i)) dt其中φ是繞組11中的磁體產(chǎn)生的瞬時流量，Φ是此流量的峰值，ωω是轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度及θ是轉(zhuǎn)子的角位移。齒槽力在轉(zhuǎn)子角度為05+ θ R) °時達(dá)到最大值，其中θ R是轉(zhuǎn)子靜止(電流為零) 時的角度，而轉(zhuǎn)矩僅由于電流的影響而隨著正弦曲線到達(dá)90°而增大，且因此超出某角度時，電流脈沖例如克服齒槽力的回拉力且反電動勢顯著增大，超出控制臨界值70，控制臨界值70表示等于正常運(yùn)轉(zhuǎn)中的反電動勢的最大值的10-20%。因此，電子裝置20在一個啟動脈沖60和下一個啟動脈沖之間監(jiān)測反電動勢信號的曲線；當(dāng)所述信號超出控制臨界值70時，電子裝置30轉(zhuǎn)到電機(jī)的新控制邏輯，如下文所述。圖5示出了在所述啟動步驟300期間的反電動勢e、電網(wǎng)電壓T、轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角θ 和定子電流i的時間曲線。因此，根據(jù)本發(fā)明的方法包括應(yīng)用控制邏輯的步驟400，步驟400確定朝電機(jī)1的
正常運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變。在此最后步驟中，電子裝置20控制三端雙向交流開關(guān)21，使三端雙向交流開關(guān)21 僅在同時發(fā)生以下兩個條件時接通
a)所估算的反電動勢信號必須具有與電網(wǎng)電壓相同的符號(第一條件)；b)所估算的反電動勢信號必須遠(yuǎn)離零(第二條件)。第一條件由電子裝置20通過對電網(wǎng)同步信號25和反電動勢的方波信號沈進(jìn)行異或非運(yùn)算來實施。第二條件同樣通過在反電動勢的方波信號沈和反電動勢的一階導(dǎo)數(shù)的方波信號 27之間進(jìn)行異或非運(yùn)算而實施。如果兩個運(yùn)算符具有相同的值，S卩，如果一階導(dǎo)數(shù)的符號和函數(shù)的符號相同，則異或非運(yùn)算給出正結(jié)果；分析條件限定該函數(shù)離開零。圖6示出了在所述的應(yīng)用控制邏輯的步驟400期間的反電動勢e、電網(wǎng)電壓T、轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角θ和定子電流i的時間曲線。上述的接通邏輯趨向于只有當(dāng)通過繞組11中的電流的改變確定了沿轉(zhuǎn)子15的旋轉(zhuǎn)方向的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩時才使三端雙向交流開關(guān)21導(dǎo)通，根據(jù)下文公式化的考慮，這將更加清楚。由定子電流形成的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩由以下乘積給出Cm =-i(t) · Φ · sin( θ (t))其中反電動勢為fcem =-Φ Com · sin( θ (t))因此Cm · ωω = fcem · i(t)因此，為了得到驅(qū)動轉(zhuǎn)矩值Cm(與ωω值相同)，在繞組中流動的電流的符號也必須與反電動勢的符號相同。基于這樣的考慮，當(dāng)反電動勢和電網(wǎng)電壓具有相同的符號(實際實施的接通邏輯的第一條件)時，電機(jī)的有利控制邏輯能夠接通饋電開關(guān)，且當(dāng)反電動勢和電流的符號不同時，饋電開關(guān)斷開。如果所使用的開關(guān)能夠使電流幾乎瞬間斷開，則這樣的控制邏輯形成方向沿轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，即不制動。然而，在另一方面，這樣的控制邏輯不能由根據(jù)此處描述的實施方式的電子裝置 30重復(fù)，我們將該控制邏輯稱為接通/斷開邏輯以將其與實際實施的僅接通邏輯區(qū)分開。 事實上，這樣的控制邏輯不向檢測斷開條件所需的電流信號提供輸入，而且還使用不能適當(dāng)執(zhí)行這樣的斷開的三端雙向交流開關(guān)21。僅接通邏輯實際上利用第二接通條件替代了斷開控制。以此方式，在反電動勢的周期曲線已超出其峰值的情況下，三端雙向交流開關(guān)21不接通，因為在這樣的情況下，變量在改變符號的過程中且很快就與接通開關(guān)所產(chǎn)生的電流脈沖不同。換言之，第二條件先驗地避免了這一條件的出現(xiàn)根據(jù)接通/斷開邏輯將導(dǎo)致斷開。因此，由于第二條件，僅接通邏輯避免在同步電機(jī)1的轉(zhuǎn)子15上產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。應(yīng)當(dāng)注意，可以通過在與電網(wǎng)電壓不同的反電動勢處于改變符號的過程中時使開關(guān)21提早接通來調(diào)整僅接通邏輯的第一條件。在此情況下，第一條件允許在反電動勢信號接近零值且具有比預(yù)定臨界低的絕對值時接通開關(guān)21，即使反電動勢信號的符號與電網(wǎng)電壓不同。如果允許的提前行動不過度，則該條件不明顯地影響反電動勢和電流之間的符號匹配，即使考慮到電流相對于電網(wǎng)電壓具有延時的事實。以此方式，電流峰值到來得較早，有助于啟動。圖8比較了在應(yīng)用具有提前啟動或不具有提前啟動的控制邏輯期間的反電動勢 e、定子電流i和轉(zhuǎn)矩C的時間曲線。與提前啟動有關(guān)的值由下標(biāo)1表示，且與非提前啟動有關(guān)的值使用下標(biāo)2。還應(yīng)注意到，僅接通邏輯的第二條件阻止開關(guān)21接通，而且使不對應(yīng)于反電動勢的絕對峰值的轉(zhuǎn)子15降速，例如降速由齒槽轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)子的負(fù)載引起。在此情況下，考慮到所產(chǎn)生的電流脈沖將在轉(zhuǎn)子15上形成驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，證明該條件是過分限制性的。除了可能使用發(fā)明內(nèi)容中提到的、目的是限制這樣的缺點的預(yù)防措施以外，我們還要注意，在任一情況下該第二條件(盡管有不期望的抑制)如何大大地提高電機(jī)在啟動方面的性能。關(guān)于這一點我們考慮圖7，圖7比較只應(yīng)用接通邏輯的第一條件形成的轉(zhuǎn)矩Ca 和應(yīng)用該邏輯的兩個條件形成的轉(zhuǎn)矩Cab。當(dāng)達(dá)到同步電機(jī)1的同步條件時，完成啟動且電機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)速度中。所述方法和裝置使以下成為可能啟動保持低啟動電壓、在正常運(yùn)轉(zhuǎn)速度下效率高和降低有源部件的成本的同步電機(jī)。鑒于所述方法和裝置能夠使用于定子繞組的活性材料的效益或量降低，這可以轉(zhuǎn)變?yōu)楹艽蟮慕?jīng)濟(jì)優(yōu)勢。而且，定子組片的厚度較低，這意味著降低成本和體積。所述的方法和裝置的其它優(yōu)勢得自以下事實它們使啟動使用永磁體的單相同步電機(jī)所需的啟動電壓降低。實際上，在此類型的機(jī)器中，啟動電壓通常大于正常的工作電壓，這使效率優(yōu)化。這樣的限制迫使設(shè)計者提供數(shù)目低得多的線圈以確保啟動，但對效率不利。因此，所需的啟動轉(zhuǎn)矩的降低使得可能增大繞組的線圈數(shù)目以對效率和熱飄移有幫助。上述的啟動邏輯的另一優(yōu)勢得自以下事實該啟動邏輯防止轉(zhuǎn)子的永磁體的退磁現(xiàn)象。這樣的現(xiàn)象可以發(fā)生在高定子磁場對抗永磁體的磁場時，即當(dāng)轉(zhuǎn)子與極軸對齊或幾乎對齊并且在定子繞組中流動的電流高時。在上述方法中，在對齊步驟期間，通過以下事實防止這樣的狀況起始角α準(zhǔn)確地使接近可能危險的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電流延時接通。在轉(zhuǎn)變步驟中，控制邏輯可以在反電動勢的符號將要改變時接通開關(guān)，其對應(yīng)于與轉(zhuǎn)子的極軸對齊的嚴(yán)格位置。然而，在電流達(dá)到危險級所需的時間期間，轉(zhuǎn)子移動得距離對齊位置非常遠(yuǎn)。而且因此在此情況下，永磁體沒有退磁的風(fēng)險。當(dāng)然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對上述的方法和洗衣機(jī)采用大量改動和變動，以滿足依情況而定且特定的需求，所述改動和變動全部由以下權(quán)利要求限定的本發(fā)明的保護(hù)范
圍涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種用于啟動單相同步電機(jī)(1)的方法，所述同步電機(jī)(1)包括永磁轉(zhuǎn)子(1 和定子(10)，定子(10)設(shè)置有通過開關(guān)連接到電網(wǎng)02)的繞組(11)；所述方法至少包括一個步驟應(yīng)用所述開關(guān)的控制邏輯，所述控制邏輯提供用于接通所述開關(guān)的第一條件和第二條件，所述第一條件和第二條件的作用是在應(yīng)用所述控制邏輯期間，確保在所述繞組(11)中流動的電流的符號基本上與所述電機(jī)(1)產(chǎn)生的反電動勢的符號相同；當(dāng)檢測到的反電動勢信號具有與電網(wǎng)電壓信號相同的符號時，所述第一條件被證實；當(dāng)所述反電動勢信號與它的一階導(dǎo)數(shù)值的符號相同時，所述第二條件被證實。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中用于接通所述開關(guān)的所述第一條件通過對所述反電動勢的方波信號06)和電網(wǎng)同步信號0 應(yīng)用異或非邏輯運(yùn)算來驗證。
3.如以上權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其中所述第二條件通過對所述反電動勢的方波信號06)和所述反電動勢的所述一階導(dǎo)數(shù)的方波信號(XT)應(yīng)用異或非運(yùn)算來驗證。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中通過對所述電網(wǎng)同步信號0 和第二方波信號應(yīng)用異或非運(yùn)算來同時驗證所述第一條件和所述第二條件，所述第二方波信號得自所述反電動勢信號和所述反電動勢信號的適當(dāng)按比例調(diào)整的一階導(dǎo)數(shù)的信號之和。
5.如以上權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其中，在應(yīng)用所述控制邏輯期間，在所述第一條件發(fā)生之前接通所述開關(guān)01)。
6.如以上權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其中，當(dāng)即使所述反電動勢信號具有與所述反電動勢信號的一階導(dǎo)數(shù)值不同的符號，但與所述反電動勢信號的一階導(dǎo)數(shù)的符號的上一變化一致的所述反電動勢信號的峰值具有比臨界值低的絕對值時，所述第二條件也被證實。
7.如以上權(quán)利要求中的任一項所述的方法，所述方法還包括以下步驟在應(yīng)用所述控制邏輯步驟之前，為所述定子繞組(11)提供具有相同符號、用以啟動所述轉(zhuǎn)子來克服齒槽轉(zhuǎn)矩的一系列啟動脈沖(60)的電流。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述啟動脈沖(60)的強(qiáng)度逐步增大。
9.如權(quán)利要求7或8所述的方法，其中當(dāng)已超過所述反電動勢信號的預(yù)定控制臨界值 (70)時，開始應(yīng)用所述控制邏輯的步驟。
10.如權(quán)利要求7到9中的任一項所述的方法，所述方法還包括預(yù)備步驟為所述繞組 (11)提供具有相對于所述啟動脈沖的不同的符號的一系列定位脈沖(50)的電流，用于將所述轉(zhuǎn)子(1 帶到預(yù)定啟動位置。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，所述方法包括在提供所述定位脈沖(50)之后和在提供所述啟動脈沖(60)之前的等待步驟，所述等待步驟持續(xù)足夠長的時間以確保所述轉(zhuǎn)子 (15)穩(wěn)定。
12.如以上權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其中所述反電動勢信號作為所述電網(wǎng)電壓0 和在供給到所述繞組(11)的電流為零的時段中所述開關(guān)兩端的電壓之差而被得到。
13.如以上權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其中所述開關(guān)是三端雙向交流開關(guān)。
14.一種用于啟動同步電機(jī)(1)的電子裝置(20)，所述電子裝置OO)包括處理單元(30)、被所述處理單元(30)控制的用于對所述同步電機(jī)(1)供電的開關(guān)(21)，所述處理單元接收電網(wǎng)電壓信號和所述開關(guān)兩端的電壓信號(M)，所述電子裝置00)被布置成實施上述權(quán)利要求中任一項所述的方法。
15.如權(quán)利要求14所述的電子裝置(20)，其中所述開關(guān)是三端雙向交流類型的開關(guān)。
全文摘要
本發(fā)明涉及啟動永磁單相同步電機(jī)的方法及實施其的電子裝置，所述方法包括應(yīng)用所述開關(guān)的控制邏輯的步驟，所述控制邏輯提供關(guān)于接通的第一條件和第二條件當(dāng)檢測到的反電動勢信號具有和電網(wǎng)電壓信號相同的符號時，驗證所述第一條件；當(dāng)所述反電動勢信號和它的一階導(dǎo)數(shù)值的符號相同時，驗證所述第二條件。用于啟動試驗永磁體的單相同步電機(jī)的方法簡單且成本效益高。
文檔編號H02P6/20GK102347723SQ20111020933
公開日2012年2月8日 申請日期2011年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月23日
發(fā)明者埃里奧·馬里奧尼 申請人:阿思科爾控股責(zé)任有限公司