專利名稱：：電動機控制器與控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明一般涉及控制電動機轉(zhuǎn)速和/或轉(zhuǎn)矩的裝置與方法。具體地說，本發(fā)明涉及控制單相感應(yīng)電動機轉(zhuǎn)速和/或轉(zhuǎn)矩的裝置與方法。單相感應(yīng)電動機(SPIM)構(gòu)成了當(dāng)今家用電器中的大多數(shù)電動機。SPIM包括固定分相單相電容式(PSC)電動機、分相電動機、家磁同步電動機與屏蔽極電動機。眾所周知，這類電動機本來都是單速電動機，通常應(yīng)用于洗衣機、干衣機、洗碟機、密封壓縮機、風(fēng)扇、泵、排風(fēng)葉輪等等。SPIM一般由50或60Hz、120或230V的交流公用線路供電，功率額定值通常約在5～1500瓦之間。如上所述，當(dāng)由交流公用線路供電時，這類電動機以恒速工作。當(dāng)需要多速時，一般采用不同極數(shù)的多重繞組或抽頭繞組之類的技術(shù)。在某些應(yīng)用中，像風(fēng)扇、吹風(fēng)器或泵等，可通過降低施加給電動機的電壓來降低電動機轉(zhuǎn)速。在工業(yè)應(yīng)用中，通常以三相感應(yīng)電動機取代SPIM，原因是便于應(yīng)用三相電源，而且三相電動機具有更高的輸出能力、更大的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生、更高的效率和更小的沖流。通常運用控制器來提供多轉(zhuǎn)速與多轉(zhuǎn)矩，即控制器以執(zhí)行變速和/或變轉(zhuǎn)矩的方式向電動機提供三相電源。然而，在居民使用的家用電器中寧可采用SPIM，因為使用單相電源更為便利。迄今為止，工業(yè)電動機控制器的設(shè)計在很大程度上影響了SPIM控制器的設(shè)計，其影響范圍包括功率電路的開發(fā)、電動機設(shè)計和控制論。在這方面，工業(yè)領(lǐng)域中常常使用由硬開關(guān)三相逆變器驅(qū)動的變速電動機，特別是感應(yīng)電動機。然而，誠如上面提到的，低成本、高效率、小尺寸和高產(chǎn)量并非是工業(yè)電動機控制器設(shè)計的主要推動力，所以，大多數(shù)工業(yè)電動機控制方法并不適合或匹配于家電行業(yè)。SPIM控制系統(tǒng)經(jīng)常把固定頻率的交流電(例如120V、60Hz)先轉(zhuǎn)換成直流電，再把該直流電逆變?yōu)楹线m的交流頻率電源。下面作為參考的一些專利，揭示了各種各樣驅(qū)動SPIM的裝置與方法美國專利號4,446,706；5,252,905；4,467,257；4,566,289；5,214,367；5,241,257；3,588,650；4,281,276；4,243,927；4,099,108；4,488,102；4,767,976；5,179,336和5,276,392。盡管這些專利揭示了以各種速度驅(qū)動SPIM的各種方案，但是美國專利5,252,905號卻揭示了一種操作SPIM的變頻源，其中向SPIM施加了脈寬調(diào)制(PWM)的正弦波?？刂齐娐钒ㄈ舾砷_關(guān)，在希望用60Hz線路電源操作電動機時用于旁通電子開關(guān)電路。另外，美國專利4,566,289號揭示的一種冷凍機控制系統(tǒng)，包括一個逆變器和若干開關(guān)，前者以變速操作壓縮機電動機，后者在需要時把壓縮機電動機直接接至線路電壓源、最后，美國專利3,588,650號揭示了一種變頻變幅源，以變速操作SPIM。迄今為止，那種先把固定頻率交流電轉(zhuǎn)換成直流電再把該直流電逆變?yōu)樽兎冾l電壓來操作單相感應(yīng)電動機的控制系統(tǒng)，并不能在全量程操作條件下對電動機特性實現(xiàn)最優(yōu)控制，且常常會使控制限制操作條件，從而讓電動機不發(fā)出聽得見的噪聲或不使控制電路元件過熱。這些控制方法常會限制其對線路頻率信號的操作。本發(fā)明提供的新裝置和新方法用于控制單相感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)速和/或轉(zhuǎn)矩。為此，本發(fā)明提供了以額定頻率、低于和高于額定頻率操作SPIM的裝置和方法。因此，本發(fā)明還為家用電器提供一種結(jié)構(gòu)簡單、零件數(shù)少的電動機控制器。特別是，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，可用方波信號有效地驅(qū)動SPIM，且SPIM能容忍方波信號所固有的特種諧波。根據(jù)期望的操作特性，可通過抑制或消除一個或多個諧波分量來形成方波。另外，電動機拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以包括可變電容量、選用交流線路電源或方波、分相或抽頭繞組。再者，整個系統(tǒng)可包括上述特點的任意組合形式。在一實施例中，本發(fā)明提供的電動機控制系統(tǒng)包括單相感應(yīng)電動機和電動機驅(qū)動電路，后者配置成用方波電動機驅(qū)動信號以其額定頻率以外的頻率驅(qū)動該電動機。在一實施例中，本發(fā)明提供的電動機驅(qū)動電路包括可控電源開關(guān)電路和耦接于該電源開關(guān)電路的控制器，控制器控制電源開關(guān)電路中諸開關(guān)的開關(guān)動作以產(chǎn)生方波電動機驅(qū)動信號。在一實施例中，本發(fā)明提供的控制器是一種可編程控制器。在一實施例中，本發(fā)明提供的控制器有效地產(chǎn)生方波電動機驅(qū)動信號，從而抑制和/或消除了一個或多個諧波。在一實施例中，本發(fā)明提供的控制器配置成按預(yù)定的電壓/頻率比控制方波電動機驅(qū)動信號的電壓。在一實施例中，本發(fā)明提供的控制器配置成控制方波電動機驅(qū)動信號的電壓/頻率比，從而使該比值不固定。在一實施例中，本發(fā)明提供的電動機驅(qū)動電路有選擇地耦接至電動機。在一實施例中，本發(fā)明提供的電動機是多極電動機。在一實施例中，本發(fā)明提供的電動機是固定分相單相電容式電動機。在一實施例中，本發(fā)明提供的控制器配置成至少部分地抑制方波的某一頻率分量。在一實施例中，本發(fā)明提供的控制器配置成以高于和低于額定的頻率驅(qū)動電動機。在一實施例中，本發(fā)明提供的冷凍系統(tǒng)，用上述任意一種系統(tǒng)驅(qū)動其壓縮機。在一實施例中，本發(fā)明提供的洗衣機，用上述任意一種系統(tǒng)驅(qū)動其洗衣桶。在一實施例中，本發(fā)明提供一種控制單相感應(yīng)電動機的方法，其步驟包括a)把電動機連接至電動機驅(qū)動電路；b)用電動機驅(qū)動電路產(chǎn)生方波驅(qū)動信號；c)把電動機驅(qū)動信號施加給電動機以不同于額定的頻率操作電動機。在一實施例中，本發(fā)明還提供了進(jìn)一步的操作步驟，通過控制驅(qū)動信號的產(chǎn)生來抑制方波電動機驅(qū)動信號中的一個或多個諧波。在一實施例中，本發(fā)明提供了降低方波電動機驅(qū)動信號基波分量幅值的步驟。在一實施例中，本發(fā)明提供了在電動機驅(qū)動信號中保持非恒定電壓/頻率比的步驟。在一實施例中，本發(fā)明對單相感應(yīng)電動機提供的電動機控制器包括產(chǎn)生方波電功率信號的裝置；及控制方波電功率信號的成形并把成形控制的方波電功率信號施加給電動機。在一實施例中，本發(fā)明提供的控制方波成形的裝置包括控制方波頻率的裝置。在一實施例中，本發(fā)明提供的控制方波成形的裝置包括控制方波幅值的裝置。在一實施例中，本發(fā)明提供的控制方波的裝置包括抑制方波選定頻率分量的裝置。在一實施例中，本發(fā)明還包括有選擇地把方波或其它電源加到電動機的開關(guān)。在一實施例中，本發(fā)明提供的另一種電源是一種交流電源，用于向方波發(fā)生裝置供電。在一實施例中，本發(fā)明還包括以施加頻率為函數(shù)有選擇地切換繞組電容器，以改善電動機的高轉(zhuǎn)速性能。在一實施例中，本發(fā)明進(jìn)一步包括以施加頻率為函數(shù)有選擇地切換繞組抽頭，以改善電動機的高轉(zhuǎn)速性能。在一實施例中，本發(fā)明還包括選用把電動機振動、聲響噪聲減至最小的合適的電壓波形，并控制過熱。在一實施例中，本發(fā)明還以高于額定的頻率向電動機施加方波，以增大電動機的轉(zhuǎn)矩。下面通過參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明較佳實施例來說明本發(fā)明的上述和其它特性。附圖中圖1是洗衣機的透視圖，部分作了截取。圖2是圖1洗衣機部分的立視圖，露出了單相電動機。圖3是單相感應(yīng)電動機處于靜態(tài)操作時的等效電路模型。圖4是單相運行(即無起動或運行電容器)時SPIM的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性曲線。圖5是作為60Hz或更高電源頻率函數(shù)的SPIM的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性曲線。圖6是作為60Hz或更低電源頻率函數(shù)的SPIM的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性曲線。圖7是一般的分段線性電壓與頻率的關(guān)系曲線，通常用于產(chǎn)生圖6的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性曲線。圖8是SPIM在非恒定V/F比控制下工作于60Hz或更低電源頻率時的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性曲線。圖9表示根據(jù)本發(fā)明原理適于驅(qū)動SPIM的方波信號。圖10表示根據(jù)本發(fā)明原理適于驅(qū)動SPIM且抑制了諧波的方波信號。圖11是根據(jù)本發(fā)明原理適于驅(qū)動/控制SPIM的基本電子線路。圖12～15是軟件流程圖，用于控制圖11一類驅(qū)動電路。圖16表示適于驅(qū)動SPIM且抑制了諧波的方波信號及產(chǎn)生方波信號的門邏輯信號。圖17是能高于額定轉(zhuǎn)速操作的SPIM控制電路。圖18是包括交流線路起動和全變速操作的SPIM控制電路。圖19是包括電子控制起動和全變速操作的SPIM控制電路。圖20是以3000rpm轉(zhuǎn)速處于穩(wěn)態(tài)操作時SPIM相電流曲線。圖21是以1800rpm轉(zhuǎn)速處于穩(wěn)態(tài)操作時SPIM相電流曲線。圖22是起動瞬時的SPIM相電流曲線。圖23是一種SPIM控制電路，用于驅(qū)動冷凍系統(tǒng)密封壓縮機的PSCSPIM。圖24是另一種電路，用于驅(qū)動用額定電容器以高頻作PSC操作的PSCSPIM。圖25是另一種電路，用于驅(qū)動以高頻作分相操作的PSCSPIM。圖26是又一種電路，用于驅(qū)動以高頻作抽頭繞組操作的PSCSPIM。圖27是另一種電路，用于驅(qū)動用額外電容器以高頻作PSC操作的PSCSPIM。圖28是另一種電路，用于驅(qū)動電動機固定連接至SPIM驅(qū)動電路的PSCSPIM。圖1示出的洗衣機1，里面可采用根據(jù)本發(fā)明原理的SPIM。圖2是洗衣機的側(cè)視圖，為了露出SPIM2，作了局部截取。揭示的主要內(nèi)容就是SPIM2的驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)及其與SPIM2的互連結(jié)構(gòu)。這類洗衣機的其余元件是眾所周知的，故不再特地描述。盡管本發(fā)明以洗衣機作為描述對象，但是本發(fā)明適用于任何SPIM的應(yīng)用。本發(fā)明一般用于指導(dǎo)SPIM控制及其操作，允許把普通的單速SPIM用作變速電動機或多速電動機，尤其在高于額定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速時，無需包括額外的極在內(nèi)的特殊電動機配置。而且，本發(fā)明還利用了這一發(fā)現(xiàn)，即能用方波驅(qū)動信號以高于或低于額定的速度有效地驅(qū)動SPIM，而方波驅(qū)動信號的基頻分別高于或低于電動機的額定頻率。用方波驅(qū)動SPIM，尤其在高于額定速度時，比正弦或成型波形有許多優(yōu)點最主要的理由之一在于，方波的基波分量里比其它波形具有更多的有效電壓，尤其在高于額定的轉(zhuǎn)速操作時，可導(dǎo)致更大的電動機斷損轉(zhuǎn)矩。方波的應(yīng)用保證了可能的最大電壓。由于存在聲響噪聲、發(fā)熱和振動等負(fù)面效應(yīng)，以前一直不用非成形的方波驅(qū)動SPIM。為在低于額定的轉(zhuǎn)速情況下應(yīng)用方波，一直運用脈寬調(diào)制法來成形方波使之更像正弦波形，旨在對付或避免在電動機操作中可能產(chǎn)生的聲響噪聲與振動一類的負(fù)面效應(yīng)。然而，利用PWM降低波形基波分量的最大幅值會導(dǎo)致更低的電壓而減小斷損斷轉(zhuǎn)矩，這在高于額定轉(zhuǎn)速時尤其是個問題。與在低于額定的轉(zhuǎn)速時應(yīng)用方波的結(jié)果恰恰相反，已發(fā)現(xiàn)SIPM具備足夠的內(nèi)在濾波功能而允許在高于額定的頻率時用方波信號作驅(qū)動，無須作PWM控制。圖3是單相感應(yīng)電動機在穩(wěn)態(tài)工作期間的等效電路10。注明的電動機參數(shù)是定子電阻r1，定子漏電抗x1，磁化電抗xm，轉(zhuǎn)子漏電抗x2，轉(zhuǎn)子電阻r2，及滑移s。施加的電動機電壓Vs分成三個分量Ef，Eb和定子阻抗(r1，x1)兩端的壓降。可以理解，SPIM并非是個純電感性電路。電動機產(chǎn)生的平均穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩是滑移值S的函數(shù)，如圖4的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速曲線16所示。SPIM的轉(zhuǎn)矩通過兩個相對的磁場分量(這里稱為正向與反向磁場分量)的互作用產(chǎn)生。圖3的上并聯(lián)支路12模擬正向分量，而下并聯(lián)支路14模擬反向分量。當(dāng)電流通過磁化電感和轉(zhuǎn)子電路循環(huán)流動時，就產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。內(nèi)部電壓Ef與Eb建立了正反向分量的磁化通量，顯然，這些電壓(色度與相位)是電動機操作狀態(tài)的函數(shù)。正向或反向分量中占支配地位的一個分量確立了電動機的轉(zhuǎn)向。在額定的頻率與電壓時，電壓Ef的幅值比電壓Eb的幅值更大，正向磁場支配著反向磁場?；浦荡髸r，兩條支路的阻抗相等，像Ef與Eb相等那樣，由此導(dǎo)致不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的狀態(tài)。然而，隨著應(yīng)用頻率的降低，兩并聯(lián)支路的阻抗以轉(zhuǎn)子電阻為主，因而對一給定的滑移值，由于電壓Ef相對于電壓Eb降低了，電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也小了。若滑移S為零，由于轉(zhuǎn)子電路是開路，即Zrf＝00，所以正向分量為零。然而，對于S＝0，產(chǎn)生一個反向轉(zhuǎn)矩分量(負(fù)值)，因為反向轉(zhuǎn)子電路阻抗Zrb變?yōu)閆rb=0.5r22+j0.5x2=r24+jx22]]>滑移值為1時，正反向兩電路都呈現(xiàn)同一阻抗，以數(shù)學(xué)式表示為Zrf＝Zrb＝0.5r2+j0.5x2這表示兩轉(zhuǎn)矩分量大小相等而符號相反。在S＝1條件下，總合成轉(zhuǎn)矩為零。要著重指出的是隨著滑移由0變?yōu)?而由反向磁場分量對轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的影響。對于小的滑移值，電動機的運行主要受控于正向磁場，這表示電動機在小數(shù)值滑移時的運行狀況接近于三相感應(yīng)電動機的運行狀況，因而SPIM的轉(zhuǎn)速與電源頻率、滑移成函數(shù)關(guān)系。圖5是在電源頻率范圍為額定的60Hz～90Hz情況下SPIM工作于單相(即不用運行電容器)的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速曲線。隨著頻率的升高，電動機電壓幅值保持在其額定值上不變(在60Hz時規(guī)定)?？梢钥闯?，對一給定的轉(zhuǎn)矩，電動機轉(zhuǎn)速是電源頻率的函數(shù)。還可以看出，對一不變的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，滑移將隨著電源頻率升高而增大?，F(xiàn)在參照圖6，這是SPIM工作于單相的另一條轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速曲線，電源頻率范圍為額定的60Hz降至20Hz。施加的電壓幅值的降低與頻率成比例關(guān)系，因而電壓/Hz比保持不變，以防磁飽和并避免電動機的過量損耗與性能劣化。電壓隨著電源頻率下降而減低的作用是保持恒定的磁通量。在本發(fā)明中，最好讓施加的電動機電壓遵循分段線性函數(shù)，其中的每一段函數(shù)由常量V/F限定(圖7)。每個線性段用兩個常量限定，可表示為V＝K1*頻率+K2，例如頻率值在0和f1之間。如圖5所示，最大有效轉(zhuǎn)矩(即斷損轉(zhuǎn)矩)隨著頻率升高而減小。三相感應(yīng)電動機里也能見到斷損轉(zhuǎn)矩有較少的減小，原因在于定子阻抗的壓降。但在單相電動機情況下，除了定子阻抗的壓降之外，反向分量也感應(yīng)出反電壓，結(jié)果正向分量的有效電壓小了，因而轉(zhuǎn)矩也小了。所以問題在于隨著電源頻率升高要提供合適的轉(zhuǎn)矩。為此，考慮到上述的Ep相對于Eb因電源頻率升高而相對減小的情況，根據(jù)本發(fā)明原理提供了非恒定的施加電壓對電源頻率的控制，以保持Ef不變，并使有效的最大電動機轉(zhuǎn)矩盡量高些。圖8的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速曲線表示SPIM在非恒定電壓/頻率控制下工作于額定的或更低頻率時的特性，其額定頻率為60Hz。在此情況下，電壓是頻率的函數(shù)Vs＝0.67f+80，電壓以Vvms測得，頻率以Hz測量。一般而言，當(dāng)SPIM工作于低于額定轉(zhuǎn)速時，為補償正向磁場的減弱，必須應(yīng)用這種函數(shù)類型V＝K1*f+K2。常量K1與K2的值取決于電動機設(shè)計與性能要求。例如像圖8那樣，可調(diào)節(jié)(選擇)這些值，以保持作為轉(zhuǎn)速的函數(shù)的斷損轉(zhuǎn)矩不變。調(diào)節(jié)(選擇)這些常數(shù)的另一些判據(jù)可以是保持作為應(yīng)用頻率函數(shù)的磁化電流或損耗不變。由于精密的模型難以分析SPIM，所以可用計算機模型與仿真來求出這些常量。實踐中，常把這些常量存入計算機存儲器里，然后求解作為頻率的函數(shù)的上述電壓方程。通?？刹捎萌舾梢阎恼颐}寬調(diào)制技術(shù)(如前面的專利所揭示的)之一來實施加給電動機的電壓作為頻率的函數(shù)的控制。然而，根據(jù)本發(fā)明的原理，若工作于低于額定轉(zhuǎn)速，則可用帶方波的諧波抑制技術(shù)取代PWM正弦技術(shù)。這種諧波抑制技術(shù)允許作簡單的電壓控制，而控制電路或微機軟硬件無須作過量的內(nèi)務(wù)操作。所考慮的諧波抑制技術(shù)，可通過在波形中引入合適的陷波來控制(即減小甚至消除)給定時基的波形。如上所述，準(zhǔn)備加給電動機的方波(純方波或者陷波)總是由下述的SPIM驅(qū)動電路產(chǎn)生的。如上所述，電動機電流是電動機阻抗與內(nèi)部電壓的函數(shù)。方波電壓波形可用已知幅值與相位的頻率諧波的無窮級數(shù)來表示Vm(t)=4&pi;Vdc(sinwot+13sin3wot+15sin5wot+&hellip;&hellip;)]]>方波如圖9所示。給出一個電壓幅值為Vdc的方波，可以認(rèn)為，基波分量的幅值大于Vdc(約是Vdc的127％)，其余諸諧波所占的百分比較小，最終相加而構(gòu)成該方波。當(dāng)如圖10那樣在方波中引入寬度為α2-α1的陷波時，由于所有諧波分量的能量作了重新分布，所以其幅值將被改變。注意，方波的波形仍保持著對稱。第n次諧波新的幅值A(chǔ)(n)變?yōu)锳(n)=4&pi;Vdc(1-2cos(n&alpha;1)+2cos(n&alpha;2)n)]]>在引入了由兩個角度限定的一個陷波后，就可以控制兩個諧波分量的幅值了。例如，在n＝3和5時使上式強制為零，可減小三次和五次諧波。此時，A(3)＝1-2cos(3α1)+2cos(3α2)＝0A(5)＝1-2cos(5α1)+2cos(5α2)＝0這兩個方程的系統(tǒng)之解為α1＝23.62°及α1＝33.30°。為了有選擇地消除更高次諧波，可在方波中引入多個陷波。這種處理方法可消除能激發(fā)電動機和/或家用電器自然振動模式的特定分量。應(yīng)認(rèn)識到，對一特定應(yīng)用而言，并非要求減小所有的諧波，這一點很重要。例如，若某種應(yīng)用對振動或聲響噪聲很敏感，就只需減小與此有關(guān)的諧波。而且，還可通過減小諧波來改進(jìn)電動機與功率電路的性能。例如，可以減小基波和消除三次諧波而不消除三次和五次諧波，此時五次諧波就不會減小。在低于額定頻率工作時控制電壓/頻率比的設(shè)計方案中，只作參照抑制而并不消除基頻分量的做法起著特殊的作用。圖11是驅(qū)動SPIM102的電路100。功率晶體管S1與S2用于控制電動機電流，其柵極由柵驅(qū)動電路104供電。該電路在低壓微機電路106和功率晶體管S1與S2的柵極之間充當(dāng)一個接口，即對功率晶體管S1與S2提供合適的選通波形并作必要的電壓電平偏置。微機06對柵極驅(qū)動電路104提供方波或諧波抑制波形。采用的微機106的邏輯輸出有兩個，即功率晶體管S1與S2的柵極各用一個輸出。微機106執(zhí)行貯存于其存儲器里的軟件，操作條件由用戶接口電路108確定。該接口108可以是模擬的(如電位器)，或者是數(shù)字的(如鍵板輸入、旋轉(zhuǎn)開關(guān)等等)，它通過選用貯存在微機存儲器里的有關(guān)查找表，命令微機軟件產(chǎn)生具有期望頻率與電壓的輸出波形。過流保持電路110提供過流保護(hù)，當(dāng)測出的電動機電流高于基準(zhǔn)值時，就中斷微機106。低壓電源112用來向所有這些電路提供合適的電源。當(dāng)然，本領(lǐng)域的熟練人員可考慮用許多不同的元件構(gòu)制像電路100那樣的電路。然而，motorloa的微機MC68HC705P9已成功地被用作微機106，而柵極驅(qū)動器芯片IR2112正成功地被用作柵極驅(qū)動電路104。圖12～15所示的簡化流程圖是這類SPIM驅(qū)動電路的軟件，由這種流程圖代表的軟件已同供給電動機的電壓輸出波形樣式一起貯存于微機存儲器里?？刂栖浖闹饕康氖歉鶕?jù)預(yù)定的電壓波形向功率晶體管S1與S2產(chǎn)生選通信號。期望的輸出波形以小間隔呈離散狀，其值被歸一化為1或0，這樣就能被貯存于微機存儲器。例如，應(yīng)用圖10所示的諧波抑制波形，產(chǎn)生此類波形所需的選通信號如圖16所示。此時可按下述的選通信號的邏輯狀態(tài)來限定貯存于微機的表格100100010001</table></tables>參見圖12～15流程圖第一部分，當(dāng)輸入復(fù)位時，微機開始執(zhí)行軟件控制，即把系統(tǒng)和控制變量初始化到預(yù)定值，同時清除微機輸出。接著，軟件等待用戶接口電路輸入開始命令。微機的內(nèi)部定時器產(chǎn)生的中斷(溢出和定時器比較)就是軟件主控任務(wù)。在流程圖的A點，執(zhí)行一次檢查以驗證出現(xiàn)的是定時器比較還是定時器溢出中斷。該軟件被設(shè)計成以比定時器比較更低的速率出現(xiàn)定時器溢出中斷。若檢測出是定時器比較中斷，則把控制移到E點。若不是這樣，則讀出用戶接口，并執(zhí)行檢查以驗證系統(tǒng)開始是否結(jié)束。用戶接口輸入微機產(chǎn)生并送給功率晶體管柵極的電壓波形期望電壓輸出頻率值fe。通過測試驗證選擇的頻率值fe位于哪一頻段或范圍。此時，流程圖示出由任意頻率值f1～f5限定的五個頻段，根據(jù)頻率范圍選擇包含輸出電壓波形的有關(guān)表格的位置。從D點開始的流程表示頻率值fe是怎樣達(dá)到其最大值與最小值的。為避免電動機工作于不希望的頻率上，這一流程是必需的。在從E點開始的流程圖部分，讀出含輸出波形的表格。定時器比較寄存器里載有頻率值fe的倒數(shù)，因而定時器的中斷速率隨著頻率而增大，所以波形表是高速讀出的。由表讀出的值被載入用硬線接至柵極驅(qū)動器的微機數(shù)字輸出里。接著，軟件由中斷返回主回路。這里應(yīng)用了兩個術(shù)語，在此作一說明。這些術(shù)語是全SPIM驅(qū)動和減SPIM驅(qū)動。前一術(shù)語有關(guān)具體實施這里確立的本發(fā)明原理的SPIM驅(qū)動，其特征是SPIM總是連接至SPIM驅(qū)動電路，即電動機永不通過直接接交流電源而驅(qū)動。后一術(shù)語參照的結(jié)構(gòu)特點是有選擇地把電動機直接耦接至交流電源或SPIM驅(qū)動電路。圖11是全SPIM驅(qū)動結(jié)構(gòu)，下面介紹的圖17是減SPIM結(jié)構(gòu)。圖17中示出了實施本發(fā)明原理的單相感應(yīng)電動機控制方案。圖17示出了SPIM200。電動機200擁有4極主繞組202、6極主繞組204和輔助繞組206。然而，應(yīng)該理解，本發(fā)明原理適用于任意極數(shù)和極組合的任何一種SPIM。如上所述，耦接在電動機200與60Hz120V電源之間的是這里所稱的SPIM驅(qū)動轉(zhuǎn)換開關(guān)208。SPIM驅(qū)動轉(zhuǎn)換開關(guān)208用于根據(jù)本發(fā)明原理對電動機200提供功率信號。為此，開關(guān)208包括適當(dāng)耦接的功率晶體管S1與S2、二極管DS1與DS2。電容器C1與C2及二極管D1與D2，用于提供方波輸出信號并把它提供給電動機200。開關(guān)SW1、SW2和SW3分別適當(dāng)?shù)伛罱釉赟PIM驅(qū)動轉(zhuǎn)換開關(guān)208和繞組202、204、206之間，從而能有選擇地把輸出信號施加給諸繞組，可以理解，在示例結(jié)構(gòu)中，輔助繞組206只用于起動目的，在電動機200達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速后用開關(guān)SW2(最好是種離心斷路開關(guān))斷開。再者，示例控制系統(tǒng)將以例如應(yīng)用某種起動或起動/運轉(zhuǎn)電容器結(jié)構(gòu)的任一其它起動方式操作。還要指出，可以使用任何一種適應(yīng)該環(huán)境的開關(guān)實現(xiàn)本發(fā)明目的。再次參照SPIM驅(qū)動轉(zhuǎn)換開關(guān)208，輸入級包括二極管D1與D2及電容器C1與C2并構(gòu)成一倍壓器，使SPIM驅(qū)動轉(zhuǎn)換開關(guān)208施加給電動機200的有效電壓相當(dāng)于交流線路供電電壓的有效電壓。這樣，額定為120V、60Hz(或230V、50Hz)交流線路的電動機可配用SPIM驅(qū)動轉(zhuǎn)換開關(guān)208。如上所述(提出了柵極驅(qū)動器、微機等等)，功率晶體管S1與S2由低壓電子線路210選通、接通和關(guān)閉。如圖17所示，把電動機定子繞組某一公共點接至交流線路的輸入端之一，定子繞組的另一邊經(jīng)開關(guān)SW3由開關(guān)SW1接至交流線路。此時，開關(guān)SW3起著極選擇開關(guān)的作用。當(dāng)開關(guān)SW1處于示出的A位置時，電動機200直接用交流線路工作，在此特定場合下，根據(jù)極切換開關(guān)SW3可產(chǎn)生兩種操作速度。當(dāng)開關(guān)SW1處于B位置時，把定子接至電子切換電路208，對電動機200提供可變頻率、恒定電壓的受控方波。在圖示控制結(jié)構(gòu)中，電動機200由60Hz交流線路電源起動運轉(zhuǎn)。例如，若電動機200裝在洗衣機里，就以清洗循環(huán)起動。若期望高速操作，則把開關(guān)SW1切換到B位置。參照洗衣機的例子，在高速旋轉(zhuǎn)循環(huán)期間會出現(xiàn)這一狀況。在出現(xiàn)這種情況時，就對4極繞組202提供恒定電壓可變頻率的方波。所以，在圖示控制結(jié)構(gòu)中，電動機200在大多數(shù)清洗旋轉(zhuǎn)循環(huán)中用60Hz交流線路操作，只有在期望高速旋轉(zhuǎn)的少部分旋轉(zhuǎn)循環(huán)期間，才把開關(guān)SW1切換成將電動機200接到SPIM驅(qū)動轉(zhuǎn)換開關(guān)電路208。當(dāng)然，開關(guān)SW3也能對雙速操作提供4極或6極繞組的選擇。圖18是實施本發(fā)明原理的另一種減SPIM驅(qū)動控制方案。如圖所示，圖18與17控制方案的主要差別在于，圖18的電動機300只是在起動期間由交流線路供電，在電動機300達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后，開關(guān)SW2斷開，開關(guān)SW1把定子接到SPIM驅(qū)動轉(zhuǎn)換開關(guān)電路308，基本上同接到SPIM驅(qū)動轉(zhuǎn)換開關(guān)208一樣。施加給電動機300的電壓具有變頻與可變基波電壓幅值，電動機300能以不同速度運轉(zhuǎn)。接著應(yīng)用諧波抑制方案控制施加給電動機300的電功率信號。在這方面，可用正弦調(diào)制法減少電流諧波，從而降低SPIM驅(qū)動轉(zhuǎn)換開關(guān)308的總電流要求。應(yīng)當(dāng)理解，由于電動機300可作變速操作，所以在圖18控制方案中不需配雙速電動機。對于高速操作，像圖17描述的方案一樣，電動機300用等幅變頻方波驅(qū)動。圖19是圖18控制方案的變型。圖19中取消了開關(guān)SW1，此時即便在起動期間也是完全用SPIM驅(qū)動轉(zhuǎn)換開關(guān)308控制電動機300的。當(dāng)電動機要高速操作時，需對變速運轉(zhuǎn)采取PWM控制并提供非調(diào)制的方波?？梢钥闯?，圖17的控制方案的優(yōu)越性在于其簡潔性，故優(yōu)點很多。由于不要求PWM，所以電子控制電路很簡單。而且在起動期間系統(tǒng)無沖流通過SPIM驅(qū)動轉(zhuǎn)換開關(guān)，從而降低了功率晶體管器件的電流要求(及成本)。再者，SPIM驅(qū)動轉(zhuǎn)換開關(guān)208以短循環(huán)操作，這樣可轉(zhuǎn)化成更佳的熱學(xué)管理和改進(jìn)的可靠性，這對洗衣機、洗碟機一類特定循環(huán)的家用電器尤其如此。當(dāng)然，圖示控制方案的一個缺點是只能通過改變定子繞組極來實現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速。與此相同，圖18和19的控制方案既能實現(xiàn)變速操作，又能簡化電動機定子繞組結(jié)構(gòu)。同圖17結(jié)構(gòu)要求二個或更多個繞組相比，它只需一個繞組。參照圖18方案，SPIM驅(qū)動轉(zhuǎn)換開關(guān)308不提供起動電流，這樣有利于降低功率晶體管的電流要求，這意味著功率晶體管可以是小功率和低成本的。當(dāng)然，圖18方案要求對產(chǎn)生諧波抑制作更復(fù)雜的控制。圖20～22示出了實施上述系統(tǒng)所得出的實驗結(jié)果。圖20的曲線A表示圖17系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)操作期間的電動機主繞組電流，電動機選擇4極繞組202，卸載運行于約3000rpm。曲線B表示加到SPIM驅(qū)動轉(zhuǎn)換開關(guān)208的功率晶體管之一的選通信號。圖21的曲線C表示以較低轉(zhuǎn)速1800rpm作穩(wěn)態(tài)操作期間的電動機繞組電流，而曲線D表示SPIM驅(qū)動轉(zhuǎn)換開關(guān)電路的控制電路加給功率晶體管的選通信號。圖22的曲線E表示圖19控制方案的電動機起動電流，采用正弦選擇性諧波抑制法來控制施加到根據(jù)本發(fā)明原理的電動機的電壓。圖23～27表示另一些減SPIM驅(qū)動控制方案。圖23是一密封壓縮機400，其泵401由PSC單相感應(yīng)電動機402驅(qū)動，電動機402連接至其運行電容器403和交流線路。當(dāng)選擇開關(guān)SW1404在位置A時，直接把PSC電動機402接至交流線路，此時電動機402用正弦交流線路電源以單速運轉(zhuǎn)，保證有最大電動機頻率。對于這種操作，可根據(jù)期望的壓縮機操作容量與排量設(shè)計一種二極或四極的PSC電動機。針對最大系統(tǒng)效率設(shè)計熱力學(xué)系統(tǒng)，使壓縮機操作的大部分時間直接由交流線路驅(qū)動。當(dāng)在壓低(pulldown)或速凍時希望壓縮機高速操作時，則把選擇開關(guān)404從位置A移至B。此時，根據(jù)本文所述的原理，SPIM驅(qū)動控制406必須以變頻變壓方式向電動機402供電。當(dāng)壓縮機以恒溫控制器408選擇的低速操作時，選擇開關(guān)404移回到位置A。根據(jù)制品恒溫控制的要求，加給壓縮機400’的電功率可以在交流線路與SPIM驅(qū)動406輸出之間交替切換，從而在壓縮機400分別用交流線路或SPIM驅(qū)動電路406操作時實現(xiàn)最大系統(tǒng)效率和高能力。還有若干其它方案可根據(jù)操作頻率與速度范圍把電動機繞組連接到SPIM驅(qū)動電路406和外接電動機電容器。下面對此作一介紹。如圖24所示，當(dāng)用交流線路供電時，壓縮機電動機402能以其額定電容器值工作于常規(guī)的PSC模式。若希望高頻操作，可用開關(guān)SW1把電動機繞組接至SPIM驅(qū)動輸出。工作于該模式要求有合適的SPIM驅(qū)動輸出電壓和頻率控制，以防電容器電抗隨著頻率升高而減小，因而采用電壓控制方案較妥當(dāng)。圖25表示SPIM驅(qū)動406和PSC電動機402的另一種連接方案。當(dāng)工作于高頻時，用第二開關(guān)SW2斷開PSC電動機輔助繞組402b，這樣電動機402就對高頻作為分相感應(yīng)電動機而操作。為保證在電動機斷損轉(zhuǎn)矩極限范圍內(nèi)的高速操作，必須對SPIM驅(qū)動輸出電壓與頻率作適當(dāng)控制。圖26的方案可實現(xiàn)更寬的速度范圍，除了引入另一只開關(guān)SW3外，它同圖25方案極相似。高頻操作時，用開關(guān)SW1把SPIM驅(qū)動轉(zhuǎn)換開關(guān)406接至主繞組402a的抽頭420。當(dāng)SW2與SW3閉合SW1斷開時，電動機402直接接至交流線路以額定轉(zhuǎn)速與頻率像PSC電動機那樣操作。當(dāng)SPIM驅(qū)動控制命令作高頻(高速)操作時，則開關(guān)SW1閉合而SW2與SW3斷開。圖27的方案也類似于圖25的方案，只是在輔助繞組電路中增設(shè)了同電容器403與開關(guān)SW2并聯(lián)的一只以上的電容器422。當(dāng)開關(guān)SW2閉合時，兩電容器并聯(lián)，等效電容為兩電容之和，即C等效＝C1+C2，其中C1是電容器422的電容，C2是電容器403的電容。這樣，該電動機就像PSC電動機那樣工作，此時，SW2閉合，SW1接至交流線路。電容器403與422的值選成使其等效電容為PSC電動機402的額定電容值。若希望工作于高頻，則開關(guān)SW1把SPIM驅(qū)動406接至電動機402，SW2斷開，在輔助繞組電路中只剩下電容422。電容器422選用合適的值，使電動機402像PSC電動機那樣以設(shè)計的性能工作于高頻。運用這種接法，可實現(xiàn)最優(yōu)電動機性能的最寬轉(zhuǎn)速范圍。圖28的方案把SPIM驅(qū)動506永久連接至PSC電動機502，不需要圖27中的開關(guān)SW1，這是一種全SPIM驅(qū)動結(jié)構(gòu)。另一種方法是包括一起動開關(guān)SW3552，它用于通過起動應(yīng)用高阻輔助繞組的電動機來增大起動轉(zhuǎn)矩，起動后斷開開關(guān)SW3，電動機像PSC電動機那樣用一只電容器(總電容為C1+C2)操作。希望作高速操作時，就斷開開關(guān)SW2。SW2斷開后，電動機總電容就減為C1，可通過SPIM驅(qū)動轉(zhuǎn)換開關(guān)對電動機施加更高的頻率。總之，如圖27與28方案指出的那樣，為保持電動機在高頻操作時的性能，減小電動機電容器尺寸是重要的。合適的電容器尺寸由電動機設(shè)計、系統(tǒng)模擬或通過實驗限定。為使電動機工作于板高頻或極高速(4～6倍于額定頻率)，可以并聯(lián)兩個以上的電容器。概括地說，本發(fā)明提供的裝置和方法用于使單相感應(yīng)電動機工作于非額定的速度。對于高頻操作(即高于額定速度)，可采用三種不同的方案。在第一種方案中，可把不作調(diào)制的方波直接施加給要驅(qū)動的SPIM，因而(a)提供比基頻更高的電壓(電壓約大27％)，(b)提供比基頻更大的斷損轉(zhuǎn)矩，及(c)提供比正弦PWM調(diào)制更寬的轉(zhuǎn)速范圍。第二，可應(yīng)用選擇性的諧波抑制或消除方案。這類方案用于減少/消除不要的諧波，從而減小聲響噪聲或損失。這種方案可實現(xiàn)成本比正弦PWM技術(shù)更低的結(jié)構(gòu)。另外，該方案由于提高了基頻的幅值，故可提供更大的轉(zhuǎn)矩。第三，對于不同的操作，可用這些方案的任意一種配置電動機。在這方面，可對電動機配備多個電容器以適應(yīng)不同的操作條件，或像上述那樣給繞組配抽頭。最后，可以提供上述諸方案的任意組合方案。對于低頻操作，即低于額定轉(zhuǎn)速，也可應(yīng)用若干不同的方案。第一方案可以是選擇性諧波抑制或消除方案。第二方案是控制一次諧波的幅值，以在較低速度時提供增大的轉(zhuǎn)矩。第三方案是像上述那樣控制電壓/頻率比，以達(dá)到期望的效果。最后一個方案是配置(即選擇)電動機，采用上述任一種方案提供最佳操作，即選用固定分相單相電容式電動機、分相電動機或分相帶抽頭繞組的電動機。盡管本領(lǐng)域的熟練人員可提出各種改進(jìn)與變化，本發(fā)明的目的正是為了實施本發(fā)明并確保對其的所有變化與改進(jìn)合理地保持在改進(jìn)本技術(shù)的范圍內(nèi)。此外，雖然就洗衣機與冷凍系統(tǒng)描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明適用于所有應(yīng)用變速的產(chǎn)品，無論是節(jié)能、改善生產(chǎn)操作性能還是增加產(chǎn)品的變異特征、此類其它產(chǎn)品包括垂直軸洗衣機、水平軸洗衣機、空調(diào)器等等。權(quán)利要求1.一種用于控制單相感應(yīng)電動機的電動機控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)的可控電動機驅(qū)動電路被配置成耦接在交流電源與單相感應(yīng)電動機之間；其控制器耦接到可控電動機驅(qū)動電路，所述系統(tǒng)的特征在于可控電動機驅(qū)動電路配置成產(chǎn)生方波電動機驅(qū)動信號；及控制器工作時控制可控電動機驅(qū)動電路，讓它產(chǎn)生方波電動機驅(qū)動信號以驅(qū)動以其額定頻率以外頻率工作的電動機。2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，控制器是一種可編程控制器。3.如上述任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，控制器有效地產(chǎn)生方波電動機驅(qū)動信號，從而抑制和/或消除了一個或多個諧波。4.如上述任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，控制器配置成按預(yù)定的電壓/頻率比控制方波電動機驅(qū)動信號的電壓。5.如上述任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，預(yù)先選擇方波信號驅(qū)動電動機高于其額定的轉(zhuǎn)速。6.如上述任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，電動機是一種多極電動機。7.如上述任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，電動機是一種固定分相單相電容式電動機。8.如上述任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，控制器配置成至少局部抑制方波的基波分量。9.如上述任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器控制方波驅(qū)動信號的成形。10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于所述控制器包括為控制方波成形所提供的裝置，它包括用于至少控制方波的頻率和幅值之一的裝置。11.如上述任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于所述控制器包括一只有選擇地把方波或另一種電源施加給電動機的開關(guān)。12.如上述任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，可控電動機驅(qū)動電路包括一個交流/直流轉(zhuǎn)換器電路和一個直流/交流逆變器電路，后者為可控地產(chǎn)生方波電動機驅(qū)動信號。13.如上述任一權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其特征在于，控制器操作時配置成產(chǎn)生帶陷波的方波電動機驅(qū)動信號，以抑制方波電動機驅(qū)動信號的諧波分量。全文摘要一種單相感應(yīng)電動機(SPIM)的電動機控制器,其特征在是以高于或低于額定頻率的方波驅(qū)動SPIM?？赏ㄟ^引入一個或多個陷波成型方波,以消除或抑制不要的諧波,降低基波分量的幅值,提供期望的電壓控制或電壓/頻率控制。控制結(jié)構(gòu)可包括開關(guān)、主繞組抽頭與可切換電容器,以適應(yīng)線路驅(qū)動與方波驅(qū)動的選擇、電容量瞬時增大等。文檔編號H02P25/04GK1169620SQ9711360公開日1998年1月7日申請日期1997年6月13日優(yōu)先權(quán)日1996年6月14日發(fā)明者J·C·莫瑞拉申請人:惠爾普爾公司