專利名稱：啟動程序的減化的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用節(jié)能方式使與例如壓縮機(jī)操作性連接的無刷電機(jī)、諸 如多相無刷電機(jī)，進(jìn)入最佳角度啟動位置的方法。
背景技術(shù)：
由于轉(zhuǎn)動壓縮機(jī)、并因而轉(zhuǎn)動操作性連接到壓縮機(jī)的多相無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子 所需的轉(zhuǎn)矩與壓縮機(jī)在其壓縮循環(huán)中所處的位置具有很大關(guān)系，因此啟動制冷 壓縮機(jī)會比較困難。因此重要的是，轉(zhuǎn)子位于最佳角度位置，從而使其獲得充 分動量，以克服啟動時的最大轉(zhuǎn)矩。US 5, 206, 567中描述了用于啟動操作性連接到壓縮機(jī)的多相無刷電機(jī)的 方法。在US 5， 206, 567中，通過監(jiān)視每個電機(jī)線圍中產(chǎn)生的反電動勢，來探測 轉(zhuǎn)子i茲極的位置。根據(jù)US 5, 206, 567，使用對準(zhǔn)步驟程序，其中電壓被施加到 一個繞組，引起電流流過該繞組并通過另兩個繞組流出。這將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子到特殊 位置。當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止在該新位置時，進(jìn)行下一定位步驟，第二繞組被以相同方式 供電。再一次，電流流過該繞組，并通過另兩個繞組流出。該第二步驟之后是 第三步驟以及相似步驟。程序確保至少在第三步驟結(jié)束時，轉(zhuǎn)子處于其能夠充 分加速以克服最大轉(zhuǎn)矩的位置。US 5， 206， 567中所教導(dǎo)的方法的缺點在于，相對大量的電功率在啟動過程 期間被注入電機(jī)。在將壓縮氣體提供到下游系統(tǒng)中并不必須使用該功率，因此 會導(dǎo)致高功率損耗。這種損耗很嚴(yán)重，尤其對于電池供電系統(tǒng)。US 5， 206， 567的進(jìn)一步的缺點在于，由于上述啟動程序(start-up sequence) 中轉(zhuǎn)子有限的速度和限制的運動，產(chǎn)生的反電磁力信號極小。轉(zhuǎn)子有限的速度 和限制的運動導(dǎo)致低S/N比，這限制了轉(zhuǎn)子運動的測量精度。因而，啟動程序 可能延長以確保轉(zhuǎn)子實際已停止。從功率消耗的觀點來看，延長的啟動程序是 主要的缺點。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種高效并節(jié)能的方法，其使操作性連接到壓縮機(jī)的 多相無刷電機(jī)到達(dá)要求的角度啟動位置，從而電機(jī)能夠充分加速以克服壓縮機(jī) 循環(huán)的最大轉(zhuǎn)矩。上述目標(biāo)通過以下實現(xiàn)第一方面，提出一種有效地使多相電機(jī)的轉(zhuǎn)子進(jìn) 入需要的角度啟動位置的方法，該方法包括以下步驟 -施加第 一驅(qū)動電壓到電機(jī)的第 一相繞組；-測量所述電機(jī)的另一相繞組中流動的電流，所述電流響應(yīng)于施加到第一 相繞組的第一驅(qū)動電壓而產(chǎn)生；和-當(dāng)所述電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件時，切斷施加的第一驅(qū)動電壓。電機(jī)可以是操作性連接到壓縮機(jī)的多相無刷電機(jī)。如前所述并如以下進(jìn)一 步詳細(xì)描述，電機(jī)需要到達(dá)最佳角度啟動位置，從而電機(jī)可以充分加速以克服 壓縮機(jī)周期的最大轉(zhuǎn)矩。應(yīng)當(dāng)注意，本發(fā)明并不限于壓縮機(jī)相關(guān)的應(yīng)用。因而，本發(fā)明可以應(yīng)用于 大范圍的電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用。在電機(jī)具有第二相繞組的情況下，該方法進(jìn)一步可包括以下步驟-施加第二驅(qū)動電壓到電機(jī)的第二相繞組；-測量在所述電機(jī)的另一相繞組中流動的電流，所述電流響應(yīng)于施加到第 二相繞組的第二驅(qū)動電壓而產(chǎn)生；和-當(dāng)所述電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件時，切斷所施加的第二驅(qū)動電壓。相似地，在電機(jī)具有第三相繞組的情況下，該方法可進(jìn)一步包括以下步驟-施加第三驅(qū)動電壓到電機(jī)的第三相繞組；-測量在所述電機(jī)的另一相繞組中流動的電流，所述電流響應(yīng)于施加到第 三相繞組的第三驅(qū)動電壓而產(chǎn)生；和-當(dāng)所述電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件時，切斷所施加的第三驅(qū)動電壓。 施加的第一、第二和第三驅(qū)動電壓可包括基于脈寬調(diào)制(PWM)的驅(qū)動電 壓，其頻率從僅幾kHz到大概數(shù)百kHz。對于壓縮機(jī)應(yīng)用，可以采用的頻率范 圍為3-8kHz,諸如4-7kHz, 5 - 6kHz,諸如大概5.5kHz。選擇性地，第一、 第二和第三驅(qū)動電壓調(diào)制可以具有更高的頻率，諸如頻率范圍在8 - 30kHz中，諸如10 - 25kHz中，諸如15 - 22kHz中，諸如大概20kHz。
選擇地，施加的第一、第二和第三驅(qū)動電壓可以包括經(jīng)過濾波的基于PWM 的驅(qū)動電壓。通過使基于PWM的驅(qū)動電壓通過例如匹配驅(qū)動電壓轉(zhuǎn)換頻率的 帶通濾波器來提供經(jīng)過濾波的基于PWM的驅(qū)動電壓。選擇性地，表示測量電 流的電壓可以在進(jìn)一步處理之前進(jìn)行適當(dāng)?shù)貫V波。對電壓進(jìn)行濾波的合適方法 可包括帶通或者^氐通濾波。
對于確定何時已實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)電流條件的標(biāo)準(zhǔn)的選擇可取決于幾個因素，其又 取決于電機(jī)所連接的裝置，以及使用其的特定應(yīng)用。當(dāng)電流幅度的變化處于穩(wěn) 態(tài)電流的一定百分比內(nèi)、諸如在通過電機(jī)的總電流一半的3%以內(nèi)時，可以認(rèn) 為已達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流條件。這種百分比的選擇可以通過以下確定，即希望在啟動 程序進(jìn)行之前電機(jī)有多接近穩(wěn)態(tài)條件。如果選擇低百分比，那么在進(jìn)行啟動程 序之前電機(jī)要比選擇更大百分比更靠近穩(wěn)態(tài)條件。
原則上，第一、第二和第三驅(qū)動電壓可以具有任意幅度，諸如從幾伏到幾 百伏。本發(fā)明尤其適合于低電壓/高電流的應(yīng)用。這種低電壓/高電流應(yīng)用的實 例是電池驅(qū)動應(yīng)用。例如車輛相關(guān)的電池驅(qū)動應(yīng)用的電壓幅度典型地處于10-30V的范圍內(nèi)，諸如在10 - 14V或者22 - 26V范圍內(nèi)。
第二方面，本發(fā)明涉及一種有效地使多相電機(jī)的轉(zhuǎn)子進(jìn)入要求角度啟動位 置的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括
-用于產(chǎn)生驅(qū)動電壓的裝置，所述驅(qū)動電壓^^皮施加到電^L的相繞組；
-用于測量響應(yīng)于驅(qū)動電壓、在所述電機(jī)的另 一相繞組中流動的電流的裝
置；
-用于確定所述電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件的時間的裝置。 如前所述，電機(jī)可以是操作性連接到壓縮機(jī)的多相無刷電機(jī)。 用于產(chǎn)生驅(qū)動電壓的裝置可以適于產(chǎn)生基于PWM的驅(qū)動電壓。另外，可 以設(shè)置濾波裝置，其用于在施加驅(qū)動電壓到相繞組之前對基于PWM的驅(qū)動電 壓進(jìn)行濾波。選擇性地，可以設(shè)置對表示測量電流的電壓進(jìn)行濾波的濾波裝置。 這種濾波裝置可以包括帶通或者低通濾波器，其分別具有合適的中心頻率或者 截止頻率。


現(xiàn)在參照附圖，進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明，其中
圖1顯示了實現(xiàn)本發(fā)明的系統(tǒng)；
圖2顯示了壓縮機(jī)應(yīng)用中轉(zhuǎn)矩對角度轉(zhuǎn)子位置；
圖3顯示了施加的第一基于PWM的驅(qū)動電壓及其它相位繞組中的相關(guān)電
流;
圖4顯示了施加的第二基于PWM的驅(qū)動電壓及其它相偉繞組中的相關(guān)電
流;
圖5顯示了施加的第三基于PWM的驅(qū)動電壓及其它相位繞組中的相關(guān)電
流;
圖6顯示了本發(fā)明的原理；
圖7顯示了圖示說明本發(fā)明的第一實施例的流程圖；和
圖8顯示了圖示說明本發(fā)明的第二實施例的流程圖。
雖然本發(fā)明允許各種修改和替代方式，本文以圖中實例的方式顯示特定實 施例，并將詳細(xì)描述。然而，應(yīng)當(dāng)理解為，本發(fā)明并不限于所述特殊形式。相 反，本發(fā)明覆蓋所有落入由權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的原理和范圍中的修改、 等同物，及替代物。
具體實施例方式
最廣義上，本發(fā)明涉及一種以高效并節(jié)能的方式、使操作性連接到壓縮機(jī) 的多相無刷電機(jī)到達(dá)需要的角度啟動位置的方法。本發(fā)明的原則是順序地將驅(qū) 動電壓施加到多相無刷電機(jī)的各個相繞組，同時將每一驅(qū)動電壓的持續(xù)時間減 小到絕對極小值。這通過測量轉(zhuǎn)子的兩個未加電相繞組中的電流而實現(xiàn)。當(dāng)這 些電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件時，無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子穩(wěn)定。因而，不同于采用固定且預(yù)定 的周期的已知方法，本發(fā)明涉及僅等待到激勵電機(jī)下一相繞組之前轉(zhuǎn)子穩(wěn)定。 通過采用本發(fā)明的方法，使多相無刷電機(jī)到達(dá)要求的角度啟動位置所需要的總 時間大大縮短，并因此節(jié)約了大量功率。后者對于電池驅(qū)動應(yīng)用很重要。另外， 根據(jù)本發(fā)明的方法將使與驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的元件載荷強度最小，并使壓縮機(jī)上的 機(jī)械應(yīng)力最小。我們認(rèn)為，只要使用無感測電機(jī)啟動算法，即可應(yīng)用本發(fā)明的 方法。
現(xiàn)在參照圖1，描述了用于在相關(guān)的電機(jī)/壓縮機(jī)1執(zhí)行本發(fā)明的系統(tǒng)。如圖，該系統(tǒng)包括電源2,諸如電池；驅(qū)動系統(tǒng)3;和用于測量提供到電機(jī)1 的相繞組的相電流的電流傳感器4。典型地，電源2包括標(biāo)稱電池電壓在10-30V 范圍內(nèi)的電池。然而，也可采用其它電壓范圍。驅(qū)動系統(tǒng)3優(yōu)選地包括多相調(diào) 制器，用于產(chǎn)生PWM驅(qū)動電壓到電機(jī)1的每一個相繞組?？梢赃x擇PWM驅(qū) 動電壓的轉(zhuǎn)換頻率以滿足特定系統(tǒng)要求。對于壓縮機(jī)應(yīng)用，可以有利地使用大 約5.5kHz的PWM轉(zhuǎn)換頻率。如圖1中所示，設(shè)置電流傳感器，用于測量每一 電機(jī)相繞組中的電流。這些電流傳感器可以是任意合適類型的。此外，有利地， 可以設(shè)置電子濾波器、諸如帶通濾波器，用于對來自驅(qū)動系統(tǒng)3的PWM驅(qū)動 電壓進(jìn)行濾波。優(yōu)選地，這種帶通濾波器的中心頻率應(yīng)與驅(qū)動系統(tǒng)3的轉(zhuǎn)換頻 率相匹配。選擇性地，可以采用具有適當(dāng)截止頻率的低通濾波器。
選擇性地，可以采用帶通或低通濾波器，用于對表示測量電流的電壓進(jìn)行 濾波。
現(xiàn)在參照圖2，描繪了壓縮機(jī)應(yīng)用的需要的轉(zhuǎn)矩對角度轉(zhuǎn)子位置。如所示， 要求的電機(jī)轉(zhuǎn)矩每360度轉(zhuǎn)子周期達(dá)到一次峰值。為了克服啟動期間的最大轉(zhuǎn) 矩，電機(jī)需要獲得充分的動量。參照220和600度之間的完全轉(zhuǎn)子周期，優(yōu)選 地，電機(jī)應(yīng)在啟動之前靠近220度標(biāo)記，從而獲得需要的動量。
現(xiàn)在參照圖3,第一PWM驅(qū)動電壓5已施加到三個相繞組中的一個。第 一 PWM驅(qū)動電壓的持續(xù)時間為200ms，且其平均幅度為大約20A。應(yīng)當(dāng)注意， PWM驅(qū)動電壓的持續(xù)時間及其平均幅度可以顯著不同于以上值。
第一PWM驅(qū)動電壓的振蕩特性歸因于第一驅(qū)動電壓的PWM性質(zhì)。PWM 轉(zhuǎn)換頻率是5.5kHz。在應(yīng)用第一PWM驅(qū)動電壓5期間，電流6、 7隨PWM轉(zhuǎn) 換頻率在整個200ms的完全周期振蕩。除高頻振蕩，電流6、 7還呈現(xiàn)頻率低 得多的阻尼振蕩特性。阻尼振蕩特性源自轉(zhuǎn)子振動，當(dāng)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定在新位置中時， 該轉(zhuǎn)子振動在大約100ms后逐漸消失。
圖4描繪了第二 PWM驅(qū)動電壓8，及電機(jī)另兩個繞組中測得的相關(guān)電流9、 10。同樣，第二PWM驅(qū)動電壓的持續(xù)周期是200ms,其平均幅度是大約20A， 且PWM轉(zhuǎn)換頻率是5.5kHz。另外，由于轉(zhuǎn)子振動，電流9、 10呈現(xiàn)阻尼振蕩 特性。轉(zhuǎn)子振動產(chǎn)生的振蕩在大約100ms后逐漸消失，即，當(dāng)轉(zhuǎn)子已穩(wěn)定在新 位置中時。
圖5描繪了第三PWM驅(qū)動電壓11，及電機(jī)的另兩個繞組中測得的相關(guān)電流12、 13。如前，第三PWM驅(qū)動電壓的持續(xù)時間是200ms,其平均幅度是大 約20A，且PWM轉(zhuǎn)換頻率是5.5kHz。由于轉(zhuǎn)子振動，電流12、 13呈現(xiàn)阻尼振 蕩特性。轉(zhuǎn)子振動產(chǎn)生的振蕩在大約100ms后逐漸消失，即，當(dāng)轉(zhuǎn)子已穩(wěn)定在 新位置中時。
從圖3-5中所示的視圖可見，明顯地，如果PWM驅(qū)動電壓的持續(xù)時間縮 短，那么可以節(jié)省大量功率。因而，代替采用200ms的固定持續(xù)時間，僅在電 流6、 7和9、 10以及12、 13振蕩時，即，^f又轉(zhuǎn)子振動時，施加PWM驅(qū)動電 壓，這可以縮短PWM驅(qū)動電壓的持續(xù)時間。 一旦轉(zhuǎn)子已穩(wěn)定在新位置中時， 相關(guān)的PWM驅(qū)動電壓^皮切斷。
因而，如圖6中所示，1義在它們相關(guān)的電流呈現(xiàn)動態(tài)特性時施加PWM驅(qū) 動電壓14、 15、 16。這意味著，當(dāng)電流17、 18進(jìn)入穩(wěn)態(tài)條件時，PWM驅(qū)動電 壓14被切斷，且PWM驅(qū)動電壓15被打開。當(dāng)電流19、 20進(jìn)入穩(wěn)態(tài)條件時， PWM驅(qū)動電壓15切斷而PWM驅(qū)動電壓16打開。當(dāng)電流21、 22進(jìn)入穩(wěn)態(tài)條 件時，PWM驅(qū)動電壓16被切斷，且本發(fā)明的啟動程序已完成。通過施加本發(fā) 明的啟動程序，可以節(jié)省大量功率，因為本發(fā)明的啟動程序包括在大大縮短的 時間周期內(nèi)將功率提供到電機(jī)。從圖6可以推導(dǎo)出，完成啟動程序所需的功率 可以減小到現(xiàn)有技術(shù)啟動程序中需要功率的大約 一半。
應(yīng)當(dāng)注意的是，不必測量所有三個電機(jī)相電流。通常，僅需要兩個電機(jī)相 電流?？梢允褂没鶢柣舴螂娏鞫捎嬎愕谌姍C(jī)相電流。另外，測量的電機(jī)電 流信號可以選擇性地進(jìn)行濾波，諸如進(jìn)行帶通濾波，從而抑制開關(guān)噪聲。
圖7和8均以流程圖形式圖示說明了本發(fā)明的啟動程序。
參照圖7的流程圖，包括應(yīng)用PWM驅(qū)動電壓的第一定位步驟還包括以適 當(dāng)次數(shù)測量相電流。次數(shù)的選擇將由幾個因素決定，諸如可獲得的處理功率， 電流測量系統(tǒng)的分辨率，和采取定位步驟的期望周期。應(yīng)當(dāng)進(jìn)行至少一次測量， 但優(yōu)選的是，應(yīng)進(jìn)行數(shù)次諸如10次或100次測量。
通過數(shù)次測量確定相電流的振蕩是否少于特定幅度、或者相電流的幅度是 否在特定界限內(nèi)(諸如通過電^L相繞組的總電流的一半的3%)，可以確定相 電流是否達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件。如果確定相電流已達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件，通過切斷施加的 PWM驅(qū)動電壓，第一定位步驟終止。在開始第二定位步驟之前，引入中止， 從而避免電機(jī)相繞組的交叉?zhèn)鲗?dǎo)。在相電流尚未達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件的情況下，必須確定執(zhí)行第一定位步驟的最大 允許時間是否已結(jié)束。最大允許時間取決于系統(tǒng)中的機(jī)械常數(shù)。例如，對于控 制壓縮機(jī)、諸如家庭壓縮機(jī)的電機(jī)的單一定位步驟，該最大允許時間可以是區(qū)
間60ms-300ms。如果已達(dá)到該最大允許時間，或者已超過，第一定位步驟終 止。如果最大允許時間尚未到達(dá)，多次測量相電流，從而確定是否已到達(dá)穩(wěn)態(tài) 條件。如果穩(wěn)態(tài)條件已到達(dá)，第一定位步驟終止，如果否，執(zhí)行另外的重復(fù)操 作。
優(yōu)選地，對于電^/L每一可獲得相繞組，重復(fù)上述定位步驟。因而，如果電 機(jī)具有三個相繞組，啟動程序包括三個步驟，從而使電機(jī)到達(dá)要求位置。
圖8顯示了與圖7相似的流程圖，除了測得的電流信號被進(jìn)行濾波從而抑 制開關(guān)噪聲。
權(quán)利要求
1.一種有效地使多相電機(jī)的轉(zhuǎn)子進(jìn)入要求的角度啟動位置的方法，所述方法包括以下步驟施加第一驅(qū)動電壓到電機(jī)的第一相繞組；測量所述電機(jī)的另一相繞組中流動的電流，所述電流是響應(yīng)于施加到該第一相繞組的第一驅(qū)動電壓而產(chǎn)生的；和當(dāng)所述電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件時，切斷施加的第一驅(qū)動電壓。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟 施加第二驅(qū)動電壓到電機(jī)的第二相繞組；測量在所述電機(jī)的另 一相繞組中流動的電流，所述電流是響應(yīng)于施加到第 二相繞組的第二驅(qū)動電壓而產(chǎn)生的；和當(dāng)所迷電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件時，切斷所施加的第二驅(qū)動電壓。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟 施加第三驅(qū)動電壓到電;^幾的第三相繞組；測量在所述電機(jī)的另一相繞組中流動的電流，所述電流是響應(yīng)于施加到第 三相繞組的第三驅(qū)動電壓而產(chǎn)生的；和當(dāng)所迷電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件時，切斷所施加的第三驅(qū)動電壓。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的方法，其中，當(dāng)電流幅度的振蕩 保持在總電機(jī)電流除以未驅(qū)動相個數(shù)的商的+/-3%以內(nèi)時，認(rèn)為達(dá)到所述穩(wěn) 態(tài)電流條件。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的方法，其中，所述第一、第二和 第三驅(qū)動電壓的幅度在10-30V的范圍內(nèi)，諸如在10 - 14V范圍內(nèi)或22-26V 范圍 內(nèi)。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的方法，其中，所述第一、第二和 第三驅(qū)動電壓由電池提供。
7. —種有效地使多相電機(jī)的轉(zhuǎn)子進(jìn)入需要的角度啟動位置的系統(tǒng)，該系 統(tǒng)包括用于產(chǎn)生驅(qū)動電壓的裝置，所述驅(qū)動電壓被施加到電機(jī)的相繞組； 用于測量響應(yīng)于驅(qū)動電壓在所述電機(jī)的另一相繞組中流動的電流的裝置；用于確定所述電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件的時間的裝置。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括用于對表示測量電流的電 壓進(jìn)行濾波的濾波裝置。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，所述濾波裝置包括低通濾波器。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7-9中的任意一項所述的系統(tǒng)，其中，所述驅(qū)動電壓 的幅度在10-30V范圍內(nèi)，諸如在10-14V范圍內(nèi)或者22-26V范圍內(nèi)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求7-10中的任意一項所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括適于提 供驅(qū)動電壓的電池。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種以節(jié)能方式使操作性地連接到例如壓縮機(jī)的無刷電機(jī)、如多相無刷電機(jī)進(jìn)入最佳角度啟動位置的方法，該方法包括以下步驟施加第一驅(qū)動電壓到電機(jī)的第一相繞組；和測量在所述電機(jī)的另一相繞組中流動的電流，所述電流響應(yīng)于施加到第一相繞組的第一驅(qū)動電壓而產(chǎn)生。該方法進(jìn)一步包括以下步驟當(dāng)所述電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件時，切斷施加的第一驅(qū)動電壓。通過應(yīng)用本發(fā)明的方法，可以節(jié)省大量功率。本發(fā)明進(jìn)一步涉及用于執(zhí)行本發(fā)明的系統(tǒng)。
文檔編號H02P6/20GK101656505SQ200910166650
公開日2010年2月24日 申請日期2009年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月22日
發(fā)明者尼爾斯·佩德森, 魯內(nèi)·湯姆森 申請人:丹佛斯壓縮機(jī)有限責(zé)任公司