專利名稱：用于控制特別是用于家用電器的同步電動馬達(dá)的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于控制同步電動馬達(dá)的系統(tǒng)和方法，該電動馬達(dá)可 特別地使用在家用電器中，例如用于促動洗碗機(jī)中的液壓泵。
背景技術(shù)：
洗碗機(jī)的洗滌泵典型地由同步型電動馬達(dá)促動，例如在歐洲專利EP 0 207 430-Bl和歐洲專利EP 0 287 984 Bl中所描述的類型。此類載荷。因此，泵具有脈沖型運(yùn)行，且這涉及了噪聲和泵上的大的應(yīng)力 的生成。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是建議用于控制同步電動馬達(dá)的系統(tǒng)和方法，這使 得可以；肖除以上所述的缺點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明的這些目的和其他目的通過其主要特征在附帶的權(quán)利 要求1中限定的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，且使用根據(jù)權(quán)利要求6的控制方法實(shí)現(xiàn)。


本發(fā)明的進(jìn) 一 步的特征和優(yōu)點(diǎn)將參考附圖從完全地通過非限制性 例子提供的如下詳細(xì)描述中變得顯見，各圖為圖1是根據(jù)本發(fā)明的控制系統(tǒng)與其相關(guān)的同步電動馬達(dá)的表示；圖2是根據(jù)圖1的控制系統(tǒng)的更詳細(xì)的接線圖；圖3和圖4是根據(jù)在x軸上記錄的時(shí)間t的展開的圖，該展開例 證了在根據(jù)本發(fā)明的控制系統(tǒng)內(nèi)生成的信號；和圖5是圖示了根據(jù)本發(fā)明的控制系統(tǒng)與其相關(guān)的電動馬達(dá)的功能 特征的圖。
具體實(shí)施方式
在圖1中，M總體上指示了電動馬達(dá)，總體上指示為ECS的電子控 制系統(tǒng)與其相關(guān)。電動馬達(dá)M包括定子S，定子S包括一組大體上具有"U"形形狀 的疊片1,提供有繞組W,且電動馬達(dá)包括帶永i茲體的轉(zhuǎn)子R。與馬達(dá)M相關(guān)的控制系統(tǒng)ECS包括與轉(zhuǎn)子R相關(guān)的電位置傳感器 PS。此傳感器例如是霍爾效應(yīng)傳感器，它在運(yùn)行中可以提供交變電位 置傳感器以典型地方波，例如具有根據(jù)圖3和圖4中由H指示的波形 的展開。傳感器PS以這樣的方式布置到位，使得其在輸出端提供的信號H 在轉(zhuǎn)子到達(dá)預(yù)先確定的角參考位置時(shí)具有電平轉(zhuǎn)換，例如從低電平轉(zhuǎn) 換到高電平。參考圖1,控制系統(tǒng)ECS另外包括整流器電路RC,例如半波雙橋 型，帶有設(shè)計(jì)為連接到例如50或60 Hz的市電電源的交流電源的輸入 端2,以供給預(yù)先確定的直流電壓V"乍為輸出。控制系統(tǒng)ECS另外包括驅(qū)動器電路DC,如在圖2中示出驅(qū)動器電 路DC有利地具有所謂的"H"橋類型。此控制電路連接到整流器電路 RC的輸出端，也連接到定子繞組W,且包括多個(gè)受控電子開關(guān)SW1至 SW4,例如MOSFET型晶體管。所述的開關(guān)SW1至SW4的布置和控制為這樣的方式，使得它們可以允許電流選擇地在一個(gè)方向內(nèi)和在相對的 方向內(nèi)通到定子繞組W內(nèi)。開關(guān)SW1至SW4具有各自的控制輸入端il至i4，它們連接到控制 電路的輸出端，控制電路在圖l和圖2中總體上以CC指示。在通過圖2中的例子圖示的實(shí)施例中，控制電路CC具有輸入端I, 輸入端I設(shè)計(jì)為接收指示了馬達(dá)M的要求轉(zhuǎn)速oo,.ef的信號RS。控制電路CC包括第一處理電路PCl,它將信號RS作為輸入接收且 作為輸出提供了信號T1，信號T1的頻率(周期)與馬達(dá)M的要求轉(zhuǎn)速成比例(成反比)?？刂齐娐稢C包括具有兩個(gè)輸入端的第二處理電路PC2,在運(yùn)行中將轉(zhuǎn)子位置信號H和指示了馬達(dá)M的要求轉(zhuǎn)速OOw的信號Tl施加到兩個(gè)輸入端。處理電路P2設(shè)計(jì)為提供兩個(gè)信號作為輸出，在圖2中它們分別由H'和P西S指示，它們施加到與型邏輯電路LC的輸入端。如將在后文中更顯見，信號『是用于控制DC橋驅(qū)動器電路的開關(guān) SW1至SW4的方波信號。信號P麗S是具有調(diào)制脈寬(持續(xù)時(shí)間)的信號且用于控制在運(yùn)行 中施加到定子繞組W的電壓的絕對值。邏輯電路LC的輸出端通過邏輯反相器LI連接到開關(guān)SW1和SW4 的控制輸入端il和i4;此輸出端也直接地連接到開關(guān)SW2和SW3的控 制l命入端i2和i3。以上所述的控制系統(tǒng)ECS大體上如下運(yùn)行。當(dāng)電動馬達(dá)M起動時(shí)且直至由位置傳感器PS提供的信號H發(fā)生第 一電平轉(zhuǎn)換，處理電路PC2提供等于H的信號H'作為輸出，即它基于 由與轉(zhuǎn)子相關(guān)的位置傳感器PS提供的信號控制馬達(dá)M的定子W (通過 電路LC、 LI和DC橋電路)。另外，電路PC2提供具有帶預(yù)先確定的值 dcmin的占空比的信號PWMS作為輸出，其方式使得施加到定子繞組W 的電壓大體上等于乘積VBxdcmin,其中Vb是整流器屯路RC的輸出電 壓。這些條件繼續(xù)適用，直至與轉(zhuǎn)子相關(guān)的位置傳感器PS的信號H發(fā) 生第一電平轉(zhuǎn)換。當(dāng)發(fā)生信號H的第一轉(zhuǎn)換時(shí)(在圖3中的瞬時(shí)")，電路PC2內(nèi)的 計(jì)數(shù)器C (圖2 )開始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)例如是增加的且隨時(shí)間t線性地變化， 直至計(jì)數(shù)的值N達(dá)到值該值Nw與馬達(dá)M的要求轉(zhuǎn)速ooref成反比。當(dāng)由計(jì)數(shù)器C達(dá)到的計(jì)數(shù)值N等于閾值Nref時(shí)(圖3),如果信號 H還未改變狀態(tài)或電平，則計(jì)數(shù)器C復(fù)位到零(圖3中的瞬時(shí)t2)。只 要發(fā)生位置信號H的進(jìn)一步的轉(zhuǎn)換(圖3中的瞬時(shí)t3),則由計(jì)數(shù)器C 進(jìn)行的計(jì)數(shù)然后再次開始。在這些情況中，DC橋驅(qū)動器電路的開關(guān)SW1 至SW4的切換單獨(dú)地由信號H確定，即通過轉(zhuǎn)子的角位置信號確定， 其占空比由信號P麗S確定。此情況繼續(xù)適用直至計(jì)數(shù)器C的信號N在 轉(zhuǎn)子的位置信號H的下一次轉(zhuǎn)換前達(dá)到水平Nr6f。如已所述，在起動時(shí)施加到定子繞組W的電壓為VB x dcmin。在運(yùn) 行中在其整個(gè)運(yùn)^亍范圍內(nèi)從不向馬達(dá)M施加^氐于此值的電壓，除非發(fā) 生異常情況，如將在下文中描述。在運(yùn)行中，當(dāng)起動時(shí)，在信號H的第一電平轉(zhuǎn)換(瞬時(shí)后，電路PC2測量信號H的此第一轉(zhuǎn)換和下一次轉(zhuǎn)換之間經(jīng)過的時(shí)間Tf(Tf =t3 - t])。待施加到馬達(dá)的定子繞組W的電壓值Vw因此計(jì)算如下 Vw=max [ ( VB x dcmin ); ( VB x dcmax-KTf) ] =VB del im,其中demax等于 0.99， K是預(yù)先確定的常數(shù)，且dclim是極限電壓的占空比。在圖3和圖4中，Tc指示了其中電路PC2的計(jì)數(shù)器C從計(jì)數(shù)值0 到計(jì)數(shù)值N=N^的時(shí)間。一旦發(fā)生其中Tf S Tc的條件，則在位置信號H的前方不再發(fā)生到 馬達(dá)的定子的繞組W的電壓轉(zhuǎn)換，而是當(dāng)計(jì)數(shù)器的輸出端處的信號N 達(dá)到值Nw時(shí)發(fā)生。在此情況中，計(jì)數(shù)器C的信號N以三角波的形式在 零和Nref之間振蕩，且與轉(zhuǎn)子R的位置信號H相比延遲了時(shí)間Td。電路PC2設(shè)計(jì)為驗(yàn)證延遲時(shí)間Td是否比最小預(yù)先確定的值Tdmin 短在此情況中，施加到馬達(dá)M的定子繞組W的電壓在一般的步長N 中保持不變；否則，如果Td比Tdmin長，則繞組W上的電壓降^氐量△ Vs,以使Td是比Tdmin短的值。因此，待施加到繞組W的電壓在此情 況中將為vw=vw-vs其中V^I:AVs; ( AVSn=bSn—"AVs)。如果延遲Td改變符號，即如果位置信號H與計(jì)數(shù)器C的信號N相 比被延遲(圖3,左側(cè))，則電壓Vs降低AVs的量，其次數(shù)與Td返回(帶 有其自己的符號)到Tdmin的次數(shù)相同。如果這不發(fā)生，則Vs降低A Vs,直至達(dá)到VfO，且施加到定子繞組W的電壓等于Vw。對以上的信息進(jìn)行總結(jié)，電子控制電^各ECS設(shè)計(jì)為，當(dāng)馬達(dá)M起 動時(shí)，基于轉(zhuǎn)子的位置信號H控制DC橋電路，且導(dǎo)致向定子繞組W施 加其值與整流器電路RC的輸出電壓值VB相比降低預(yù)先確定的量 (dcmin )的電壓。隨后，從轉(zhuǎn)子R第一次通過預(yù)先確定的角位置開始，控制電路CC 生成根據(jù)時(shí)間t的線性函數(shù)變化的計(jì)數(shù)信號N,且當(dāng)此計(jì)數(shù)信號達(dá)到對 應(yīng)于馬達(dá)M的要求轉(zhuǎn)速ww的預(yù)先確定的參考值(Nref)時(shí)將此計(jì)數(shù)信 號N復(fù)位。分別根據(jù)轉(zhuǎn)速oo小于要求轉(zhuǎn)速w w還是大于要求轉(zhuǎn)速oo ref,控制電 路CC因此選擇地基于轉(zhuǎn)子的位置信號H或基于所述的計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)信 號N控制了 DC橋驅(qū)動器電路。最后，控制電路cc設(shè)計(jì)為控制橋驅(qū)動器電路，以向定子繞組w施加電壓，該電壓的絕對值在轉(zhuǎn)子R的轉(zhuǎn)速co增加時(shí)根據(jù)預(yù)先確定的函 數(shù)增加，直至預(yù)先確定的值。根據(jù)前述描述，根據(jù)本發(fā)明的控制系統(tǒng)作為常規(guī)的無刷馬達(dá)來起 動電動馬達(dá)M, ^旦向它施加有限的電壓，以降〗氐所謂的突入電流且降4氐 起動時(shí)的加速噪聲。圖5示出了由根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)控制的同步馬達(dá)的功能特征。在 圖5中的圖內(nèi)，x軸示出了馬達(dá)M的轉(zhuǎn)速w且y軸示出了由馬達(dá)M形成 的轉(zhuǎn)矩。在此圖中，曲線Cl代表了特征轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速，這對于同步馬達(dá) 是典型的。點(diǎn)劃線的曲線C2代表了馬達(dá)的載荷的運(yùn)行條件。彎曲部分A1示出了馬達(dá)起動的階段，其中馬達(dá)作為常規(guī)無刷馬達(dá) 但以有限電壓起動。彎曲部分A2表示了其中同步馬達(dá)作為常規(guī)的帶有 永磁體的無刷馬達(dá)運(yùn)行的階段，直至要求的轉(zhuǎn)速w ref 。當(dāng)已達(dá)到要求轉(zhuǎn)速COref時(shí)，馬達(dá)M以這樣的方式被控制，使其真正作為同步馬達(dá)以極為穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速且不需要外環(huán)來測量轉(zhuǎn)速來運(yùn)行。此情況由圖5中的彎曲部分A3指示。運(yùn)行地施加到馬達(dá)的電壓可以才艮據(jù)載荷要求而降低，以降4氐運(yùn)行 噪聲和振動。將認(rèn)識到的是，不改變本發(fā)明的原理，實(shí)施例和細(xì)節(jié)與以上僅通 過非限制性例子的方式的描述和圖示相比可以寬泛地變化而不偏離如 在附帶的權(quán)利要求書中限定的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.用于同步電動馬達(dá)(M)的控制系統(tǒng)(ECS)，該同步電動馬達(dá)(M)包括帶有至少一個(gè)繞組(W)的定子(S)和帶有永磁體的轉(zhuǎn)子(R)；該系統(tǒng)(ECS)包括帶有設(shè)計(jì)為連接到交流電源的輸入端(2)的整流器電路(RC)，以供給預(yù)先確定的直流電壓(VB)作為輸出；連接到整流器電路(RC)的輸出端且連接到定子繞組(W)的驅(qū)動器電路(DC)，且驅(qū)動器電路(DC)包括多個(gè)受控開關(guān)(SW1至SW4)，受控開關(guān)(SW1至SW4)布置為選擇地在一個(gè)方向和一個(gè)相對的方向上允許電流通到定子繞組(W)內(nèi)；用于供給交變的位置信號(H)的位置傳感器裝置(PS)，位置信號(H)指示了轉(zhuǎn)子(R)的角位置；和控制電路(CC)，帶有設(shè)計(jì)為接收指示了馬達(dá)(M)的要求轉(zhuǎn)速(ωref)的信號(RS)的第一輸入端，和連接到所述的位置傳感器裝置(PS)的第二輸入端；該控制電路設(shè)計(jì)為-當(dāng)馬達(dá)(M)起動時(shí)，基于轉(zhuǎn)子的位置信號(H)控制驅(qū)動器電路(DC)且導(dǎo)致向定子繞組(W)施加其絕對值與整流器電路(RC)的輸出電壓(VB)相比降低預(yù)先確定的量(dcmin)的電壓；-然后，從轉(zhuǎn)子(R)轉(zhuǎn)變到預(yù)先確定的角位置開始，生成根據(jù)線性時(shí)間函數(shù)(t)變化的計(jì)數(shù)信號(N)，且當(dāng)此計(jì)數(shù)信號(N)達(dá)到對應(yīng)于馬達(dá)(M)的要求轉(zhuǎn)速(ωref)的預(yù)先確定的參考值(Nref)時(shí)，將此計(jì)數(shù)信號(N)復(fù)位；-然后，當(dāng)馬達(dá)(M)的轉(zhuǎn)速(ω)分別低于和高于要求轉(zhuǎn)速(ωref)時(shí)，選擇地基于轉(zhuǎn)子的位置信號(H)或基于所述的計(jì)數(shù)信號(N)控制驅(qū)動器電路(DC)；和-控制驅(qū)動器電路(DC)，以向定子繞組(W)施加電壓，該電壓的絕對值因此在轉(zhuǎn)子(R)的轉(zhuǎn)速(ω)增加時(shí)根據(jù)預(yù)先確定的函數(shù)增加，直至預(yù)先確定的值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中控制電路(CC)設(shè)計(jì) 為通過帶有調(diào)制脈寬(PWMS)的方波控制信號控制施加到定子繞組(W) 上的電壓。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制系統(tǒng)，其中控制電路(CC)包括邏輯型電路裝置(LC),其可以以與沖莫式將所述的控制信號(PWMS)和 轉(zhuǎn)子的位置信號(H)或所述的計(jì)數(shù)信號(N)組合。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求的任何項(xiàng)所述的控制系統(tǒng)，其中驅(qū)動器電 路是"H"形式的橋電路。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的控制系統(tǒng)，其中具有"H"形式的橋電 路包括多個(gè)MOSFET型晶體管(SW1至SW4)。
6. 用于控制同步電動馬達(dá)(M)的方法，該同步電動馬達(dá)(M) 包括帶有至少一個(gè)繞組(W)的定子(S)和帶有永磁體的轉(zhuǎn)子(R);該方法包括如下操作 提供預(yù)先確定的直流電壓(VB);將所述的直流電壓(VB)施加到驅(qū)動器電路(DC ),驅(qū)動器電路(DC ) 連接到所述的定子繞組(W)且包括多個(gè)受控開關(guān)(SW1至SW4)，受控 開關(guān)(SW1至SW4)適合于選擇地在一個(gè)方向和一個(gè)相對的方向上允許 電流通到定子繞組(W)內(nèi)；生成指示了轉(zhuǎn)子(R)的角位置的交變電位置信號(H);基于轉(zhuǎn)子位置信號(H)控制驅(qū)動器電路，且導(dǎo)致向定子繞組(W) 施加其絕對值與所述的直流電壓(VB)相比降低到預(yù)先確定的程度的電 壓；然后，基于轉(zhuǎn)子(R)轉(zhuǎn)變到預(yù)先確定的角位置生成根據(jù)線性時(shí)間 函數(shù)(t)變化的計(jì)數(shù)信號(N)，且當(dāng)此計(jì)數(shù)信號(N)達(dá)到對應(yīng)于馬 達(dá)(M)的要求轉(zhuǎn)速(w^)的預(yù)先確定的參考值(Nw)時(shí)，將此計(jì)數(shù) 信號(N)復(fù)位；然后，當(dāng)馬達(dá)(M)的轉(zhuǎn)速(co )分別低于和高于要求轉(zhuǎn)速(cor6f) 時(shí)，選擇地基于轉(zhuǎn)子(R)的位置信號(H)或基于所述的計(jì)數(shù)信號(N) 控制驅(qū)動器電路(DC);和以這樣的方式控制驅(qū)動器電路(DC),使得向定子繞組(W)施加 電壓，該電壓的絕對值因此在轉(zhuǎn)子(R)的轉(zhuǎn)速(w )增加時(shí)根據(jù)預(yù)先 確定的函數(shù)增加，直至預(yù)先確定的<1。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中施加到定子繞組(W)的電 壓通過帶有調(diào)制脈寬(PWMS)的方波信號控制。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述的控制信號(PWMS) 以邏輯模式與轉(zhuǎn)子(R)的位置信號(H)或所述的計(jì)數(shù)信號(N)組合。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6至8的任何項(xiàng)所述的方法，其中使用了 H-橋 驅(qū)動器電路。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中使用了包括多個(gè)MOSFET型 晶體管(SW1至SW4)的H-橋驅(qū)動器電路。
全文摘要
系統(tǒng)(ECS)包括整流器電路(RC)以供給直流電壓(V_B)作為輸出；連接到整流器電路(RC)且包括多個(gè)受控開關(guān)(SW1至SW4)的驅(qū)動器電路(DC)，受控開關(guān)(SW1至SW4)可選擇地在一個(gè)方向和一個(gè)相對的方向上允許電流通到定子繞組(W)內(nèi)；可供給指示了轉(zhuǎn)子(R)的角位置的信號(H)的傳感器(PS)；和設(shè)計(jì)為接收指示了馬達(dá)(M)的要求轉(zhuǎn)速(ω_ref)的信號(RS)且連接到位置傳感器(PS)的控制電路(CC)?？刂齐娐吩O(shè)計(jì)為從轉(zhuǎn)子(R)通過預(yù)先確定的位置而生成作為時(shí)間(t)的函數(shù)的計(jì)數(shù)信號(N)，且當(dāng)此計(jì)數(shù)信號(N)達(dá)到對應(yīng)于馬達(dá)(M)的要求轉(zhuǎn)速(ω_ref)的預(yù)先確定的參考值(N_ref)時(shí)將此計(jì)數(shù)信號(N)復(fù)位；且然后當(dāng)馬達(dá)(M)的轉(zhuǎn)速(ω)分別低于和高于要求轉(zhuǎn)速(ω_ref)時(shí)選擇地基于轉(zhuǎn)子的位置信號(H)或基于計(jì)數(shù)信號(N)控制驅(qū)動器電路(DC)。
文檔編號H02P6/20GK101238636SQ200680027093
公開日2008年8月6日 申請日期2006年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月25日
發(fā)明者S·阿奎維瓦 申請人:埃默森發(fā)動機(jī)設(shè)備歐洲有限責(zé)任公司