專利名稱：同步電機的控制的制作方法
技術領域：
本發(fā)明 一般涉及交流電驅動的同步電動機。
更具體地，本發(fā)明涉及控制交流電(AC)驅動的同步電動機。
背景技術：
同步電動機可被定義為具有精確地成比例于AC電源頻率的運轉速度 的電動機，或被定義為由與電動機反電動勢(EMF)同步的電流的波形驅 動的電動機。所述的后一定義包括至少一些AC供電的無刷DC電動機， 這些電動機出于效率的原因而由電子控制或其他控制鎖定到AC電源。
AC驅動的同步電動機是對要求恒定速度驅動的機器供以動力的有效 且公知的方法，這是因為電動機被鎖定到依賴于驅動頻率的旋轉速率。因 為除非電動機速度接近于同步速度，換句話說，除非同步速度很低，否則 沒有單向起動轉矩，所以起動這樣的電動機是困難的。
一般地，這表明使用變頻電源以允許以低速度起動電動機，電動機結 合另 一類型的電動機以提供起動轉矩(例如使用至少部分相同的繞組的感 應電動機)，或使用某種機械設備以提供初始運動并隨后允許只單個方向 上的運動。后者的實例包括各種離合器以及沖擊起動器(impulse starter), 盡管許多情況下共有的特征是難于為在任一旋轉方向上將同樣好地鎖定 的同步電動機確定起動方向。
美國專利5859513及4716325中展示了一些解決方案，專利5859513 使用分離的起動繞組，而專利4716325使用機械反向保護。美國專利 3529221展示了具有被轉換(switched)以起動電動機的繞組的罩極電動機， 提供對起動方向和轉矩的有限控制。這些電動機的性能只在不嚴格的應用
4的很窄的范圍令人滿意，且其構造復雜。
提供鎖定到電源頻率的電動機的其他方法包括使用無刷DC電動機，
所述的無刷DC電動機一4殳是多相逆變器驅動的才幾器(multi-phase inverter driven machine),其具有檢測機器轉子的旋轉的霍爾效應傳感器和使電動 機提速并將旋轉鎖定到電網(wǎng)供電的控制器。這樣的電動機的驅動及控制是 昂貴的。
因此，需要用于這種問題的一種解決方案，即提供一種同步電動機， 該同步電動機起動時沒有不適當?shù)臋C械上或電氣上的復雜性，且達到并保 持與AC電源同步的旋轉速度。
本發(fā)明提供了用于此問題以及其他問題的解決方案，所述的解決方案 提供了優(yōu)于現(xiàn)有技術的優(yōu)點或將至少為公眾提供有用的選擇。
所有參考資料，包括在本說明書中引用的任何專利或專利申請在此通 過引用而被并入。沒有承認任何參考資料等同于現(xiàn)有技術。對參考資料的 討論說明這些參考資料的作者聲明的內容，以及申請人保留對引用的文獻 的準確性以及相關性提出質疑的權利。應清楚地理解，盡管在此參考了許 多現(xiàn)有技術出版物，但在新西蘭或在任何其他國家中，此參考資料并不等 同于岸"人這些文獻中的<壬何文獻構成本領域中一4殳常識的部分。
公認的是，術語"包括(comprise)"，在變化的權限下，可歸結為排 他的或包含的含義。對于本說明書的目的，除非另有說明，否則術語"包括" 具有包含的含義一即，該詞應理解為指不只包含其直接提到的所列出的組 件，也包含其他未指定的組件或元件。在涉及方法或過程中的一個或更多 的步驟而使用術語"包括(comprised)"或"包括(comprising)"時，該基本 原理也將被使用。
在此使用的術語"電動機相位"指施加到電動機的AC電壓與由電動機 產生的反電動勢(EME)之間的相角。對于電動機的任一結構，此值通常 接近地等于轉子位置和所施加的AC電壓之間的相位關系
發(fā)明內容
在一個示例中，本發(fā)明在于一種起動并控制交流電驅動的電動機的方 法，所述電動機包含具有磁極的轉子以及定子，所述定子對每一磁極都具 有至少一個激勵線圈，所述方法包括
通過至少一個激勵線圏，以與交流電電源同步的轉換方式，向所述電
動機瞬變地提供交流電，以在旋轉方向上起動所述電動機；
-險測何時所述旋轉方向錯誤，除去所述交流電電源并允許所述電動機
停止；
否則，通過下述步驟控制電源電流到所述線圈的連接
檢測所述激勵線圈中的至少 一個激勵線圈在被激勵時，何時可將加速 的轉矩提供給所述轉子；
在所述線圈將提供旋轉加速度的周期的至少一部分期間，將電源電流 連接到所述線圏；
加速所述轉子接近同步的旋轉速度。
優(yōu)選地，本發(fā)明包括一旦所述轉子被加速，使所述轉子保持在同步的 旋轉速度。
優(yōu)選地，本發(fā)明包括通過保持被施加到線圈或線圈的組合上的電源電 流，來最初調整所述轉子，直到所述轉子與生成的^f茲場一致為止。
優(yōu)選地，本發(fā)明包括通過向線圈或線圏組合瞬變地提供電源電流，而 在任意方向上起動所述電動機。
優(yōu)選地，本發(fā)明包括在所述線圏的反電動勢和所施加的電壓同相時的 周期的至少 一部分期間，將所述交流電電源連接到線圈或線圈組合。
優(yōu)選地，檢測線圈何時可將加速的轉矩提供給所述轉子的步驟包括檢 測至少一個線圏或線圈的組合上的反EMF、檢測被施加到所述轉子上的交 流電電壓，4全測所施加的所述電壓何時與所述反EMF具有相同的極性。
優(yōu)選地，加速所述轉子接近同步速度的步驟包括當反EMF和所施加 的AC電壓極性相同時，將AC電壓連接到線圈或線圏的組合。
優(yōu)選地，開關裝置是三端雙向可控硅開關元件，并且所述三端雙向可控硅開關元件的柵極電壓被監(jiān)測以確定所述三端雙向可控硅開關元件何 時是非導通的，以及當所述三端雙向可控硅開關元件是非導通時，確定表 示從所述三端雙向可控硅開關元件上的電壓得到的反電動勢的值。
優(yōu)選地，在處于同步速度時，所述轉子的加速度被保持在將維持同步 的最小值。
一種交流電驅動的同步電動機控制電路，其包括
開關裝置，其向具有轉子和定子的電動機中的至少一個線圈或線圏的 組合提供交流電，所述轉子具有多個磁極，并且所述定子對每一磁極都具
有至少一個激勵線圏；
檢測裝置，其檢測線圈或線圈組合上的反EMF何時與所施加的電壓 具有相同的極性；以及
觸發(fā)裝置，其在由所述檢測裝置檢測到的周期的至少一部分期間，觸 發(fā)所述開關裝置。
優(yōu)選地，所述開關裝置分別地轉換至少兩個相鄰的線圈。
優(yōu)選地，所述相鄰的線圏由具有抽頭接觸點的磁極線圈構成。
優(yōu)選地，所述電路的開關裝置具有控制電極，以及當開關裝置的所述 控制電極處的測量結果指示所述開關非導通時，所述電路比較在所述開關 裝置上測量到的反EMF。
在閱讀下面詳細的描述并查看相關附圖時，描述本發(fā)明的特征的這些 以及其他的特征連同優(yōu)點將變得明顯。
附圖簡迷


圖1是電動機布局的總體透視圖。
圖2是用于與圖1的電動機一起使用的電路的框圖。
圖3是適合于圖2的電路驅動的流程圖。
圖4顯示了用于方向確定的繞組反EMF的比較。圖5顯示了由繞組產生的轉矩。
圖6顯示了低速下對電動機電流的控制。
圖7顯示了較高速度下對電動機電流的控制。
圖8顯示了同步時的電^f各電流和電壓。
圖9顯示了電源轉矩對比負載轉矩的曲線圖。
具體實施例方式
現(xiàn)參考圖1，同步電動機一般包括具有極靴(pole piece) 101和磁體 102的轉子，轉子的半軸(axle shaft)及驅動連接沒有被示出。
定子102由護鐵105以及線繞式線圈管103、 104組成，所述的護鐵 105是例如層壓鋼(laminated steel)的環(huán)面的磁性元件，而在所述線繞式 線圈管103、 104處，線圈管在電動機的各極上形成繞組，線圏管形成線 圈管103的第一繞組和線圏管104的第二繞組，且這些繞組整體上不對著 (subtend)定子的整個圓周。在各側上的、在線圈管上的繞組一般由沿著 所有四個線圈管連續(xù)地纏繞的單根線組成，但是該單根線延伸到位于線圈 管頰板(cheek)上的凹槽中的抽頭接觸點(tappoint)。在線圈管的每一對 之間可以有抽頭接觸點，或者只有一個抽頭接觸點可以存在，位于線圏管 103、 104之間。 一般地，單相電動機的各極上的繞組可對著120度到135 度。
單相AC電源被連接到電動機的各側上的線圈管，通過繞組的不同部 分的電流被控制相位，以在電動機低于同步的速度時提供單向轉矩。這要 求檢測轉子的速度對AC電源頻率，并依賴于與同步速度的速度差對繞組 的一部分中的電流進行控制?？梢允褂迷S多可能的繞組的連接以提供所需 要的控制。
可使用例如圖2中顯示的電路，其中交流電源201連接到繞組204和 205，繞組204和205代表繞組103和104,其中所有的繞組103 —般是串 聯(lián)的且所有的繞組104是串聯(lián)的。204和205之間的繞組抽頭連接到三端雙向可控石圭開關元件207,且繞組的端部連接到三端雙向可控石圭開關元件
206。
微處理器控制212通過連接213、 214由所施加的AC電壓供電，并測 量所施加的AC電壓，其以已知的方式，在軟件控制下，基于AC電壓的 相位、通過連接210在抽頭接觸點的電壓、通過連接211在端點處的電壓 以及通過連接208、 209在各三端雙向可控石圭開關元件的柵極的電壓，來 控制三端雙向可控硅開關元件的觸發(fā)角(firing angle )。
連4妻210、 211在三端雙向可控石圭開關元件4妄通時，監(jiān)測三端雙向可控 硅開關元件上的電壓，而當三端雙向可控硅開關元件斷開時，監(jiān)測電動機 的反EMF。反EMF的檢測允許測量轉子是否響應于所施加的電壓旋轉、 旋轉速度以及相對于繞組的轉子位置。可選地，在三端雙向可控硅開關元 件的柵極電壓指示三端雙向可控硅開關元件斷開時，可測量反EMF。
利用此信息，有可能首先將非旋轉的轉子調整到已知位置(通常通過 少量地激勵兩繞組以使轉子集中在兩繞組之間)，然后激勵一半繞組以在 期望的方向上開始初始的轉子旋轉，接著通過控制線圈的周期性激勵以保 持先于轉子的旋轉磁場，來加速轉子，直到轉子處于同步的速度為止。
普通的同步電動機可直到轉子滯后旋轉磁場90度時才被加載負荷， 在此位置處其提供最大轉矩。超過該位置后增加負荷的任何嘗試都將導致 電動機脫離同步并停止。使用兩個繞組的受控的場，有可能超過90度的 滯后，這是因為對反EMF進行的感測允許對轉子滯后進行檢測并允許對 單獨的繞組進行控制，以在滯后因子大于卯度時保持轉子合理地同步。
圖3顯示了微控制器的流程圖，所述微控制器實質上由包括三個操作 領域組成，這三個操作領域涉及(a)在正確的方向上起動電動機的旋轉； (b)使電動機提升到同步的速度；(c)在變化的負載下保持電動機處于同步。
在電動機最初被接通時，其可調整到任何位置，且在線圈激勵時，可 在任一方向旋轉。為保證只允許在正確的方向上的旋轉，接著的是以步驟 301開始的過程。此過程不同于要求最初調整到靜態(tài)位置的過程，而是在一個方向上隨機地激勵系統(tǒng)。這利用由激勵線圈204和205 (流程圖中分 別是B和A,而在附圖中以AB作為串聯(lián)組合)組成的進程，因而提供比 圖2中的線圈205可單獨提供的電流更高的調整電流(alignment current )。 在步驟302只提供了短的周期性的激勵，且在303、 304測量線圏205 (B) 上生成的反EMF以確定激勵的方向。
圖4顯示了該測量如何進行，其中，隨著初始動力提供給電動機，A 上的相對歸一化的反EMF401以403表示，且組合AB上的相對歸一化的 反EMF以404表示。如果電壓403的相位超前404的相位，則電動機以 一種方式旋轉。如果電壓403的相位滯后，則電動機以另一方式旋轉。
可要求幾個周期的所施加的電流，從而以足夠允許檢測反EMF的速 度旋轉轉子，而一旦反EMF是可測量的，則就有可能確定其超前還是滯 后，從而在305確定旋轉方向。如果方向不正確，則程序返回到301并在 短暫的等待后，再次實質上隨機地施加激勵電壓。此進程將最終導致電動 才幾在正確的方向上起動。
這時，進行以步驟306開始的過程，其中在306再次測量B線圈上的 EMF,在307根據(jù)所施加的電壓和檢測到的電壓之間的相位差計算轉子位 置，且在308 一艮據(jù)轉子在所施加的電壓的連續(xù)周期的位置差計算轉子的速 度。在309,檢測到位置無變化且速度為零指示電動機已停轉，這樣整個 過程從301重新開始，否則，如果在311發(fā)現(xiàn)速度低于同步的速度，則使 用線圈A的過程在305重新加入。
連續(xù)的轉矩。附圖顯示了在501繪出的相對電動機的機械旋轉的歸一化的 轉矩，以504表示A繞組的轉矩貢獻，并且以503表示AB串聯(lián)繞組的轉 矩貢獻。當各繞組的轉矩每次旋轉通過兩個零點時，這種組合在整個旋轉 中產生可測量的轉矩，意味著電動機可以從接近零的旋轉速度承載負載。
最終轉子將達到同步的速度并轉換到在312開始的過程，在該過程中 轉子的位置和速度再次根據(jù)反EMF來計算，所述反EMF可當沒有施加電 壓時在線圏B上獲得或在A+B的串聯(lián)組合上獲得。根據(jù)轉子位置可以確 定轉子與同步時所期望的轉子位置的相位差有多少。此相位^^正量通過改
10變施加到線圈的電壓的觸發(fā)角來校正，以這樣的方式來增大或減小所施加 的轉矩并因此使轉子回到期望的位置。
用這種方式，電動機可被設定為選定的輸出速度并保持在該速度，而 與其是否實際上與所施加的AC同步無關。另外，可以至少在一定程度上 控制相位的超前或滯后以提供最大可能的效率。
轉子轉速小于同步的速度時，當轉子的每次旋轉的交流電周期的數(shù)量 為一整數(shù)除以極數(shù)時，轉子很容易由三端雙向可控硅開關元件或類似觸發(fā) 的開關設備控制，這是因為三端雙向可控硅開關元件可隨后在每一個連續(xù) 的周期組中，在轉子的旋轉中的相同的點被觸發(fā)。因此，轉子轉速(約為
此轉子轉速時，很容易地被獲得實現(xiàn)控制)為全同步速度的1/5、 1/4、 1/3、 2/5、 1/2、 2/3等。微處理器可設置為通過這樣的順序逐步提高以使轉子達 到全同步速度。
圖6顯示了速度大大低于同步速度時產生的轉矩，以及顯示了在601 測量到的所施加的電壓602、在603的繞組A上的反EMF以及在604測 量到的轉矩605，其借助于接通通過繞組A的電流產生。給定瞬時施加的 電壓和瞬時反EMF的情況下，當可獲得正確方向上的轉矩時，控制三端 雙向可控硅開關元件206、 207的處理器將接通適當?shù)囊粋€三端雙向可控 硅開關元件。因此，每當施加的電壓以及反EMF具有相同的極性時，與 線圈相關的三端雙向可控硅開關元件就可被有效地接通，因為盡管使用了 過零轉換，但是實際的接通時間將低于理論最大值。
圖7顯示了與圖6相同的讀數(shù)，只是加倍了電動機旋轉速度，旋轉速 度為2000RPM。值得注意的是產生轉矩的機會被減少了，因為所施加的 AC及反EMF保持異相達相對較長的時間。因此這將導致與起動轉矩相比， 電動4幾加速時的轉矩減小。
圖8顯示了同步時的典型波形，其中在501測量到并在502顯示的AC 電源被施加到電動機，并通過繞組AB產生反EMF 503,該反EMF滯后 所施加的電壓，與反EMF超前所施加的電壓的標準同步電動機相反。因 為有可能運轉電動機超過同步的速度，所以現(xiàn)在通過控制觸發(fā)時間來控制 通過三端雙向可控硅開關元件的電流，以提供保持電動機同步所要求的轉矩。有價值的運轉特征是電動機可保持這種模式中，即其中在從供電線路 獲得最小功率來保持電動機與AC電源同步。與典型的同步電動機相比，
該典型的同步電動機在滯后于所施加的電壓90度相位時提供最大轉矩和
效率并且如果增加負載則退出同步而需要重新啟動，所發(fā)明的電動機將在 負載增加時只要求控制返回到同步速度，且考慮到效率，可保持在任何需 要的超前或滯后的相位。波形顯示具有超前的相角的電動機。
化。以401表示以牛頓米計量的轉矩，以403表示用繞組A的轉矩和以404 表示的繞組B的轉矩，顯示兩者都隨著增加的旋轉速度402而減小。由負 載風扇吸收的轉矩以405表示，施加的轉矩和吸收的轉矩之間的平衡最終 提供穩(wěn)定的運轉速度。
盡管顯示的電動機是兩極電動機，但此技術可應用于多級電動機，只
要求具有用于增加數(shù)量的抽頭的更多開關設備的控制器。不必要控制所有
的繞組，因為依賴于應用，只有在單極或極對上的線圈的單個部分可能需 要在起動轉矩非常低時被設定為起動繞組。
盡管描述提到承載受控線圈的定子，但是此結構同樣可應用于承載線 路和受控線圈的轉子。
應理解，盡管連同本發(fā)明的各種實施方式的結構和功能的細節(jié)一起， 在前面的描述中已陳述了本發(fā)明的各種實施方式的許多特征和優(yōu)點，但此 公開的內容只是例證性的，且只要本發(fā)明的功能沒有受反向的影響，在細 節(jié)上可作出改變。舉例來說，特定的元件，諸如電動機的極數(shù)可依賴于具 體的應用而變化，對于該具體的應用其在沒有改變本發(fā)明的精神和范圍的 情況下使用。
另外，盡管在此描述的優(yōu)選的實施方式是針對于在系統(tǒng)中使用的，例 如在低功耗液壓泵中使用的交流電同步電動機，但本領域技術人員應認識 到本發(fā)明的教導可應用于其他的系統(tǒng)，例如應用于工業(yè)上的風扇電動機， 而不偏離本發(fā)明的范圍和精神。本發(fā)明的電動機用于電氣工業(yè)中，且一般應用于家用白瓷工業(yè)，例如 作為液壓泵或風扇電動機。因此本發(fā)明具有工業(yè)上的應用性。
權利要求
1. 一種起動并控制交流電驅動的電動機的方法，所述電動機包含具有磁極的轉子以及定子，所述定子對每一磁極都具有至少一個激勵線圈，所述方法包括通過至少一個激勵線圈，以與交流電電源同步的轉換方式，向所述電動機瞬變地提供交流電，以在旋轉方向上起動所述電動機；檢測何時所述旋轉方向錯誤，除去所述交流電電源并允許所述電動機停止；否則，通過下述步驟控制電源電流到所述線圈的連接檢測所述激勵線圈中的至少一個激勵線圈在被激勵時，何時可將加速的轉矩提供給所述轉子；在所述線圈將提供旋轉加速度的周期的至少一部分期間，將電源電流連接到所述線圈；加速所述轉子接近同步的旋轉速度。
2. 如權利要求1所述的方法，其包括一旦所述轉子被加速，使所述 轉子保持在同步的旋轉速度。
3. 如權利要求1所述的方法，其包括通過保持被施加到線圈或線圈 的組合上的電源電流，來最初調整所述轉子，直到所述轉子與生成的磁場 一致為止。
4. 如權利要求1所述的方法，其包括在所述線圏的反電動勢和所施 加的電壓同相時的周期的至少一部分時間期間，將所述交流電電源連接到 線圏或線圏組合。
5. 如權利要求1所述的方法，其中檢測線圈何時可將加速的轉矩提 供給所述轉子的步驟包括檢測至少 一 個線圈或線圏的組合上的反電動勢、 檢測被施加到所述電動機上的交流電電壓，檢測所施加的所述電壓何時與 所述反電動勢具有相同的極性。
6. 如權利要求1所述的方法，其中開關裝置是三端雙向可控硅開關元件，并且所述三端雙向可控硅開關元件的柵極電壓被監(jiān)測以確定所述三 端雙向可控硅開關元件何時是非導通的，以及當所述三端雙向可控硅開關 元件是非導通時，確定表示從所述三端雙向可控硅開關元件上的電壓得到 的反電動勢的值。
7. 如權利要求1所述的方法，其中在處于同步速度時，所述轉子的 加速度被保持在將維持同步的最小值。
8. —種交流電驅動的同步電動機控制電路，其包括開關裝置，其向具有轉子和定子的電動機中的至少一個線圈或線圈的 組合提供交流電，所述轉子具有多個磁極，并且所述定子對每一磁極都具有至少一個激勵線圈；檢測裝置，其檢測線圏或線圈組合上的反電動勢何時與所施加的電壓 具有相同的才及性；以及觸發(fā)裝置，其在由所述^r測裝置檢測到的周期的至少一部分期間，觸 發(fā)所述開關裝置。
9. 如權利要求8所述的交流電驅動的同步電動機控制電路，其中所 述開關裝置分別地轉換至少兩個相鄰的線圈。
10. 如權利要求8所述的交流電驅動的同步電動機控制電路，其中所 述電路的開關裝置具有控制電極，以及當開關裝置的所述控制電極處的測 量結果指示所述開關非導通時，所述電路比較在所述開關裝置上測量到的 反電動勢。
全文摘要
一種具有相繞組的同步電動機，所述的相繞組是分離的或帶抽頭的，以及其中施加的交流電的導通角在一個或更多的抽頭處變化以允許電動機在受控的方向上起動并通過受控的轉矩來達到同步的速度。
文檔編號H02P6/22GK101512893SQ200780032786
公開日2009年8月19日 申請日期2007年9月3日 優(yōu)先權日2006年9月4日
發(fā)明者杰米·喬恩·奧朗伊·威爾金森 申請人:威靈頓傳動技術有限公司