專利名稱：循環(huán)泵中同步電動機的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種同步電動機及其控制方法，特別是指一種用于空調(diào)系統(tǒng)或家用電器中的液體循環(huán)泵中的包括一永磁轉(zhuǎn)子的同步電動機及其控制方法。
背景技術(shù)：
通常，安裝在制熱/空調(diào)設(shè)施或系統(tǒng)中的液體循環(huán)泵被稱為循環(huán)器。以前的循環(huán)器產(chǎn)品幾乎完全靠異步電動機運轉(zhuǎn)。最近生產(chǎn)的運用永磁轉(zhuǎn)子技術(shù)的循環(huán)器才開始獲得市場的認可。
洗衣機上也安裝有循環(huán)器，如利用循環(huán)泵使水流在洗衣機內(nèi)循環(huán)。
通常，這種水泵通過異步電動機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，其繞組和相位斷化產(chǎn)生一些不完美及不連續(xù)速變，還會產(chǎn)生各種噪聲，如風(fēng)的流通帶來的振動噪聲及電機不平衡帶來的電子噪聲。
為解決上述問題，在洗衣機中利用永磁同步電動機，其包括一置于一套管內(nèi)的轉(zhuǎn)子，這種電動機有水循環(huán)滲透的問題。此種解決方法的優(yōu)點在于其不需要轉(zhuǎn)子和水流間的密封。
然而，同步電動機由于需要克服一個既定的慣性力矩，特別是在有負載的時候，有不能獨立啟動的問題。
現(xiàn)有技術(shù)提供了幾種解決上述問題的方法。一些解決方法是在最初的啟動瞬時，在轉(zhuǎn)子和負載間提供一個機械上的連接脫離。另一些是方法是提供復(fù)雜的電子控制電路以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子加速直至達到同步。
為了生產(chǎn)可靠，耐用，成本低，可量產(chǎn)的由同步電動機驅(qū)動的循環(huán)泵，必須使同步電動機可以在嚴峻的負載變動的運轉(zhuǎn)條件下運行，這些條件包括可能導(dǎo)致電動機停轉(zhuǎn)的突然的流率變化。
為達到上述要求，美國專利申請第2003/0034749號揭露了一種自動洗碗機的水泵驅(qū)動電路，其中一列可變脈沖的運用為電動機提供一可變平均電壓，從而控制旋轉(zhuǎn)速度。
實質(zhì)上，這種解決方案提供了一種對電動機旋轉(zhuǎn)速度的間接控制。
然而，這種解決方案在突然的負載變動或可能的電動機停轉(zhuǎn)的情況下并非完全有效。而且，由于典型的如BLDC電動機中的齒隙轉(zhuǎn)矩，其本身就有噪音。
本發(fā)明中的技術(shù)提供一種控制永磁同步電動機的方法，尤其是指用于空調(diào)系統(tǒng)或家用電器中的液體循環(huán)泵中的永磁同步電動機。本發(fā)明通過一個簡單而經(jīng)濟的方法克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點，能使電動機在任何運轉(zhuǎn)速度下保持相當?shù)陌察o度，使電源消耗最小化，且能應(yīng)付可能的造成同步電動機停轉(zhuǎn)的負載變化的危險情況。

發(fā)明內(nèi)容上述技術(shù)問題可通過下述技術(shù)方案解決，一種控制一同步電動機的方法，用于空調(diào)系統(tǒng)或家用電器中的液體循環(huán)泵中的同步電動機，其包括一永磁電動機，所述電動機的每一繞組(L1，L2)應(yīng)用的既定電壓值是已知的，該方法通過一轉(zhuǎn)換控制電路實現(xiàn)，其特征在于所述控制方法包括一對公共電壓(Vr)波紋的連續(xù)測量；所述電壓(Vr)波紋的參考值與所述參考值相關(guān)的變化量計算值之間的比較；用于電動機繞組(L1，L2)的所述變化量作用的依次的電壓(V)的變化，以獲得一被電動機吸收的最少電流。
本發(fā)明進一步特征在于所述繞組電壓的變化與負載和流率以及泵頭的大小有關(guān)；當達到限制操作條件時，電動機轉(zhuǎn)動頻率通過減少轉(zhuǎn)速而適度調(diào)節(jié)，但仍能保持同步電動機以一最小性能損耗運轉(zhuǎn)，該最小性能損耗與流率-泵頭曲線相關(guān)；公共電壓(Vr)波紋振幅的量值根據(jù)一相應(yīng)的吸收電流的減少被估計；所述電動機控制是無傳感器的，沒有傳感器有效的檢測電動機的位置。
本發(fā)明控制一同步電動機的方法的特征和優(yōu)點將通過后述具體實施方式
的描述結(jié)合附圖得到說明。

下面參照附圖結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
圖1是本發(fā)明控制一同步電動機的方法的功能模塊圖。
圖2是現(xiàn)有的一同步電動機控制電路中的功率校準電路原理圖。
圖3是本發(fā)明的一同步電動機控制電路中的功率校準電路原理圖。
圖4是本發(fā)明的一同步電動機的控制方法的流程圖。
圖5是本發(fā)明的控制方法的具體步驟流程圖。
圖6是流程圖5中的一細節(jié)中的操作步驟的模塊圖。
圖7是流程圖5中的一第二細節(jié)中的操作步驟的模塊圖。
圖8是流程圖5中的一第三細節(jié)中的操作步驟的模塊圖。
具體實施方式首先請參照圖1和圖2，本發(fā)明包括一控制電路10，用于控制一永磁同步電動機，特別是指空調(diào)系統(tǒng)或家用電器，如洗衣機等的液體循環(huán)泵中的永磁同步電動機。
更確切的說，該控制轉(zhuǎn)換電路10包括一功率校準電路20及一電流校準電路30。
該功率校準電路20應(yīng)用的控制方法為適應(yīng)式。為獲得最低吸收功率值，同步電動機的繞組上的電壓與負載及線電壓條件相適應(yīng)。
吸收功率估值是基于“波紋”的最大振幅，即公共電壓Vr中的最大振幅。
圖1表示一連接一負載R的整流電路。一電源供應(yīng)22，由一電源供應(yīng)線驅(qū)動，如一220-230V直流電源線，加于一二極管橋式整流器24的兩相對終端，該橋式整流器24的兩輸出終端分別連接一電容器26的兩端。
一電阻28代表同等的負載，與該電容器26并聯(lián)。
被負載吸收的電流振幅由電阻28的阻值(等同于負載)決定。電容器兩端電壓的變化，特別是其斜率，由該電流值決定。
在高負載的條件下，即在高吸收電流和低模擬電阻28的條件下，電容放電電壓檢測到非常顯著的斜率，同時，公共電壓為最小值。
由此決定公共電壓上波紋的最高振幅的增加，即，電容充電的最高電壓值和最低電壓值。
公共電壓Vr的波紋與流過的電流Idc成比例，下述為對其關(guān)系的描述。
對于非常高的電容C值，電壓的降低指數(shù)可能為一線性路徑。如果用Vr(波紋)指示電容器26的整個放電電壓值，可以獲得以Vr表示的負載電流及電容器C的功效。
在這一方面，必須考慮非傳導(dǎo)的整個時間段Td，在時間段Td中電容釋放一部分由于持續(xù)放電電流Idc給出的電量Idc Td。
因此，電容器26上的電壓變化為Vr＝(Idc Td)/C如果考慮時段Td或多或少與供應(yīng)電壓的一半時段相對應(yīng)，得出如下關(guān)系Td＝T/2＝1/2f，其中f為AC供應(yīng)電壓的頻率。因此電壓Vr與放電電流Idc最終的關(guān)系為Vr＝Idc/2fC上式中C為電容器26的電容，f為供應(yīng)電壓的頻率。
將圖1中的電阻R替換成一為電動機供電的倒相級，則從公共電容器26流向倒相級的電流Idc為一有效電流且與被電動機吸收的有效功率成比例。
電流Idc與公共電壓Vr的波紋值成比例，其依次與有效吸收功率成比例提供給電動機的電壓校準因此能根據(jù)該有效吸收功率而執(zhí)行。
同步電動機和相關(guān)控制電路10需要達到系統(tǒng)的能量平衡。該系統(tǒng)吸收的能量從而可以通過以下途徑分散由于焦耳效應(yīng)能量分散在電動機繞組上，儲存在系統(tǒng)中的電磁能量，機械能量，以及多種耗能。
分散在電動機繞組上的能量具有阻抗特征，因此與供給少反電動勢(BEMF)的相同轉(zhuǎn)子的電壓成比例。該能量的減少導(dǎo)致由焦耳效應(yīng)和吸收電流產(chǎn)生的能量分散的減少。
然而，為減少吸收功率的電壓減少有一個限制為了保證機械能量達到期望水平，且考慮與之有關(guān)的不可避免的耗能，需要一個最小化的電壓值。
在這個最小化的電壓值下，電流有一個增長的自然傾向。
這種作用也會導(dǎo)致相關(guān)的同步電動機的電物理行為。事實上有一個優(yōu)化的操作點(優(yōu)化的激發(fā))，在該點上，電動機吸收最低電流，該激發(fā)可以由以下的拋物線代表。
一表示同步電動機的吸收電流和反電動勢(BEMF)的圖表表示有一個最低值的多種“V”形曲線。一連接所有這些最小值的理想的直線代表一cos＝1的直線。
這些特征曲線有一個最小值對應(yīng)于公共電壓Vr的波紋幅度的最小值。
本發(fā)明的適應(yīng)控制方式，由電路10執(zhí)行，與以下步驟交互操作測量公共電壓值Vr的波紋幅度；估計產(chǎn)生吸收電流減少的電壓變化類型(正極或負極)；基于上述估計的繞組上的電壓變化；應(yīng)用于繞組的電壓變化在每一重復(fù)步驟必須十分有限，因為太高的變化會導(dǎo)致系統(tǒng)的不平衡和轉(zhuǎn)子電流的峰值。
因此，對于最小吸收功率的調(diào)節(jié)非常重要，以使系統(tǒng)操作保持最高可能的效率，運用本發(fā)明的同步電動機技術(shù)可達到此目的。
在本發(fā)明的一較佳實施例中，運用于繞組的電壓有一蜂鳴波形。參照圖1中的示例，該方框圖表示了該發(fā)明的步驟的初始狀態(tài)，其中一參考工作頻率fr被從外部運用。
該頻率值用于一加法器模塊11，接收一控制塊C3的負輸出值Df2，用以調(diào)制電壓值以供給電動機。該控制塊C3接收作為輸入的Vbus電壓值。
加法器模塊11的輸出是一對應(yīng)于真實工作頻率的頻率值fr，其用于一后續(xù)塊12以計算由V/f得到的電壓參考值Vref，其中V為用于電動機的真實電壓值，f為供應(yīng)電壓的頻率。
另一加法器模塊13接收后續(xù)塊12的輸出和一控制模塊C1的反饋輸出DV，該控制模塊C1用于調(diào)制電動機的功率。
電動機由模塊M確認，波紋電壓Vr從模塊M獲得。電壓Vr作為輸入提供給控制模塊C1和C2，其用于一負載調(diào)制。
模塊C1的輸出用于加法器13，其被模塊12的輸出減去。
該加法器模塊13的輸出用于另一加法器模塊14，該加法器模塊14同時接收Vbus和VMV電壓之間的負差值，該VMV為中心橋電壓。該最后的加法器模塊14的輸出為一用于電動機M的電壓值V。
負載調(diào)制模塊C2的輸出Df1反饋回該第一加法器模塊11，其被從獲得的真實頻率值fr減去。
如圖3所示，一電流校準電路30包括若干主動元件，其形成一具有IGBT晶體管的橋結(jié)構(gòu)電路。如前所述，提供給電動機繞組L1，L2的瞬時電壓取決于公共電壓值Vbus和電橋中心的終端電壓VMV，即，在電橋24中央的電壓值。
該兩電壓是相對獨立的，實際上公共電壓值Vbus有一電容器充電/放電形式，在主導(dǎo)組合頻率元件(典型的為100Hz和50Hz的主要功率電源)下。同時，電橋中心的電壓VMV根據(jù)(在頻率上，相位上和振幅上)繞組電流有一較慢的變化，在功率供應(yīng)頻率上強加給電動機。
該用于繞組的兩瞬時電壓為Vbus-VMVVMV如果不考慮上述變化，對于相同的理論電壓參考，如對應(yīng)相關(guān)最大值，用于兩繞組的電壓是不同的，電流模組在噪聲，波紋和扭矩波紋方面有不同的反射，還可能發(fā)生散熱(傾向于變成不對稱)和系統(tǒng)不平衡。
本發(fā)明的控制方式考慮為電壓參考提供一增加或減少的校正項，利用一PID校準，其參數(shù)以實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)置，該實驗數(shù)據(jù)與用于電動機的負載種類有關(guān)。因此，用于繞組的電壓通過IGBT晶體管的開或關(guān)保持在期望值。
最小波紋Vr的振幅嚴格由負載決定，因此也由流率和泵頭決定。功率因此用作為一負載功能。
在對公共電壓Vr的波紋幅度的正確測量的基礎(chǔ)上，機械負載水平，尤其是流率，可近似設(shè)置。如果流率增加，泵頭保持持續(xù)的相同的電動機轉(zhuǎn)動頻率，電動機達到一個限制操作條件，可能產(chǎn)生損耗或電動機的停轉(zhuǎn)。本發(fā)明提供的電動機控制算法在接近限制操作的條件下適度調(diào)節(jié)電動機旋轉(zhuǎn)頻率，減少該頻率，以在與流率-泵頭曲線相關(guān)的低性能損耗的條件下保持同步電動機旋轉(zhuǎn)。
機械負載與波紋Vr振幅以及平均公共電壓水平間的關(guān)系在一基于每一特殊應(yīng)用的實驗條件的既定表格中給出。
另一種估計機械負載的方法是檢測信號Vbus-2*VMV的零交叉點，以及最后信號與電動機繞組所用電壓間的相位移。該相位移與負載角成比例。事實上，從相位點得來的正弦形信號與繞組電流和電動機負載角嚴格相關(guān)。
機械負載的增長導(dǎo)致一吸收功率的增長，以及電壓和電流在每一相位上的零交叉點的時距減少。機械性能在一既定表格數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上在多個頻率值被調(diào)制，以獲得上述有利條件。
可能由多個理由產(chǎn)生的電動機停轉(zhuǎn)的條件，在Vbus-2*VMV信號調(diào)制的基礎(chǔ)上，由本發(fā)明的控制方法設(shè)置。
在停轉(zhuǎn)條件下，信號發(fā)生一迅速的振幅增長。通過設(shè)置方便的門限，該門限在繞組電流頻率和電壓平均值基礎(chǔ)上可變，以執(zhí)行在正常操作條件和停轉(zhuǎn)條件之間的判斷。
當前同步電動機的應(yīng)用問題在于在負載增加時的瞬時停轉(zhuǎn)(路程損耗)或供應(yīng)電壓的變化。
本發(fā)明的控制方法設(shè)置了一真實負載正常條件下的供應(yīng)電源的最小門限。
對模塊圖4，5，6和圖7將進行細節(jié)分析，通過無限制的例子，本發(fā)明的控制方法的應(yīng)用可以更好的表現(xiàn)。
圖4-8中的每一流程表呈現(xiàn)本發(fā)明控制方法的一階段。
波紋電壓Vr被估值，以得到一最小功率控制，從而校準用于電動機繞組的電壓。
波紋電壓Vr也被估值，檢測不被接受負載，以得到一可能的頻率校準，或停止電動機。
電壓值Vbus在電壓值太低時被估值，因而提供一頻率校準。
圖1中在控制模塊C1和C3間的清楚的響應(yīng)在圖7中呈現(xiàn)。
本發(fā)明的控制方法執(zhí)行的功能是功率校準，正弦電流校準，根據(jù)所需水力負載的校準，檢測電動機的停轉(zhuǎn)條件，
根據(jù)線電壓調(diào)制水力性能。
該控制一同步電動機的方法和電路的主要優(yōu)點在于使電動機的操作異常的安靜。該方法和電路特別用于空調(diào)系統(tǒng)或家用電器中的液體循環(huán)泵中的同步電動機。
本發(fā)明的控制電路，利用一兩相同步電動機，其類型在歐洲專利申請第1105961和第1281229號中有所描述。其電流總是相同或有90度的相位移，原因在于電流校準電路和操作時間變化的軟件的版本。
本發(fā)明的控制電路和方法的另一個優(yōu)點在于當溫度和流率變化時性能的穩(wěn)定性，且其允許的溫度和流率變化的范圍比現(xiàn)有技術(shù)更廣。
本發(fā)明的控制電路和算法的另一優(yōu)點在于其不需要傳感器有效的檢測電動機位置，而是一典型的無傳感器電動機控制。
本發(fā)明的優(yōu)點還在于該電動機由變化的繞組電壓頻率驅(qū)動，該電壓頻率包括一正弦波形。
權(quán)利要求
1.一種循環(huán)泵中同步電動機的控制方法，用于空調(diào)系統(tǒng)或家用電器中的液體循環(huán)泵中的同步電動機，其包括一永磁電動機，所述電動機的每一繞組(L1，L2)應(yīng)用的既定電壓值是已知的，該方法通過一轉(zhuǎn)換控制電路實現(xiàn)，其特征在于所述控制方法包括一對公共電壓(Vr)波紋的連續(xù)測量；所述電壓(Vr)波紋的參考值與所述參考值相關(guān)的變化量計算值之間的比較；用于電動機繞組(L1，L2)的所述變化量作用的依次的電壓(V)的變化，以獲得一被電動機吸收的最少電流。
2.如權(quán)利要求1所述的循環(huán)泵中同步電動機的控制方法，其特征在于所述繞組電壓的變化與負載和流率以及泵頭的大小有關(guān)。
3.如權(quán)利要求1所述的循環(huán)泵中同步電動機的控制方法，其特征在于當達到限制操作條件時，電動機轉(zhuǎn)動頻率通過減少轉(zhuǎn)速而適度調(diào)節(jié)，但仍能保持同步電動機以一最小性能損耗運轉(zhuǎn)，該最小性能損耗與流率-泵頭曲線相關(guān)。
4.如權(quán)利要求1所述的循環(huán)泵中同步電動機的控制方法，其特征在于公共電壓(Vr)波紋振幅的量值根據(jù)一相應(yīng)的吸收電流的減少被估計。
5.如權(quán)利要求1所述的循環(huán)泵中同步電動機的控制方法，其特征在于所述電動機控制是無傳感器的，沒有傳感器有效的檢測電動機的位置。
全文摘要
一種循環(huán)泵中同步電動機的控制方法，用于空調(diào)系統(tǒng)或家用電器中的液體循環(huán)泵中的同步電動機，其中所述電動機的每一繞組(L1，L2)應(yīng)用的既定電壓值是已知的，該方法通過一轉(zhuǎn)換控制電路(10)實現(xiàn)。所述方法包括一對公共電壓(Vr)波紋的連續(xù)測量，及與一參考值之間的比較，如一平均公共電壓水平，根據(jù)比較結(jié)果，所述電動機通過包括一正弦波形的繞組電壓的變化驅(qū)動。
文檔編號H02P6/10GK1830136SQ200480021807
公開日2006年9月6日 申請日期2004年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月24日
發(fā)明者艾利歐·馬瑞奧尼 申請人:阿斯克爾控股責(zé)任有限公司