专利名称：循环泵中同步电动机的控制方法
技术领域：
本发明是关于一种同步电动机及其控制方法，特别是指一种用于空调系统或家用电器中的液体循环泵中的包括一永磁转子的同步电动机及其控制方法。
背景技术：
通常，安装在制热/空调设施或系统中的液体循环泵被称为循环器。以前的循环器产品几乎完全靠异步电动机运转。最近生产的运用永磁转子技术的循环器才开始获得市场的认可。
洗衣机上也安装有循环器，如利用循环泵使水流在洗衣机内循环。
通常，这种水泵通过异步电动机驱动旋转，其绕组和相位断化产生一些不完美及不连续速变，还会产生各种噪声，如风的流通带来的振动噪声及电机不平衡带来的电子噪声。
为解决上述问题，在洗衣机中利用永磁同步电动机，其包括一置于一套管内的转子，这种电动机有水循环渗透的问题。此种解决方法的优点在于其不需要转子和水流间的密封。
然而，同步电动机由于需要克服一个既定的惯性力矩，特别是在有负载的时候，有不能独立启动的问题。
现有技术提供了几种解决上述问题的方法。一些解决方法是在最初的启动瞬时，在转子和负载间提供一个机械上的连接脱离。另一些是方法是提供复杂的电子控制电路以调节转子加速直至达到同步。
为了生产可靠，耐用，成本低，可量产的由同步电动机驱动的循环泵，必须使同步电动机可以在严峻的负载变动的运转条件下运行，这些条件包括可能导致电动机停转的突然的流率变化。
为达到上述要求，美国专利申请第2003/0034749号揭露了一种自动洗碗机的水泵驱动电路，其中一列可变脉冲的运用为电动机提供一可变平均电压，从而控制旋转速度。
实质上，这种解决方案提供了一种对电动机旋转速度的间接控制。
然而，这种解决方案在突然的负载变动或可能的电动机停转的情况下并非完全有效。而且，由于典型的如BLDC电动机中的齿隙转矩，其本身就有噪音。
本发明中的技术提供一种控制永磁同步电动机的方法，尤其是指用于空调系统或家用电器中的液体循环泵中的永磁同步电动机。本发明通过一个简单而经济的方法克服上述现有技术中存在的缺点，能使电动机在任何运转速度下保持相当的安静度，使电源消耗最小化，且能应付可能的造成同步电动机停转的负载变化的危险情况。
发明内容上述技术问题可通过下述技术方案解决，一种控制一同步电动机的方法，用于空调系统或家用电器中的液体循环泵中的同步电动机，其包括一永磁电动机，所述电动机的每一绕组(L1，L2)应用的既定电压值是已知的，该方法通过一转换控制电路实现，其特征在于所述控制方法包括一对公共电压(Vr)波纹的连续测量；所述电压(Vr)波纹的参考值与所述参考值相关的变化量计算值之间的比较；用于电动机绕组(L1，L2)的所述变化量作用的依次的电压(V)的变化，以获得一被电动机吸收的最少电流。
本发明进一步特征在于所述绕组电压的变化与负载和流率以及泵头的大小有关；当达到限制操作条件时，电动机转动频率通过减少转速而适度调节，但仍能保持同步电动机以一最小性能损耗运转，该最小性能损耗与流率-泵头曲线相关；公共电压(Vr)波纹振幅的量值根据一相应的吸收电流的减少被估计；所述电动机控制是无传感器的，没有传感器有效的检测电动机的位置。
本发明控制一同步电动机的方法的特征和优点将通过后述具体实施方式
的描述结合附图得到说明。
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1是本发明控制一同步电动机的方法的功能模块图。
图2是现有的一同步电动机控制电路中的功率校准电路原理图。
图3是本发明的一同步电动机控制电路中的功率校准电路原理图。
图4是本发明的一同步电动机的控制方法的流程图。
图5是本发明的控制方法的具体步骤流程图。
图6是流程图5中的一细节中的操作步骤的模块图。
图7是流程图5中的一第二细节中的操作步骤的模块图。
图8是流程图5中的一第三细节中的操作步骤的模块图。
具体实施方式首先请参照图1和图2，本发明包括一控制电路10，用于控制一永磁同步电动机，特别是指空调系统或家用电器，如洗衣机等的液体循环泵中的永磁同步电动机。
更确切的说，该控制转换电路10包括一功率校准电路20及一电流校准电路30。
该功率校准电路20应用的控制方法为适应式。为获得最低吸收功率值，同步电动机的绕组上的电压与负载及线电压条件相适应。
吸收功率估值是基于“波纹”的最大振幅，即公共电压Vr中的最大振幅。
图1表示一连接一负载R的整流电路。一电源供应22，由一电源供应线驱动，如一220-230V直流电源线，加于一二极管桥式整流器24的两相对终端，该桥式整流器24的两输出终端分别连接一电容器26的两端。
一电阻28代表同等的负载，与该电容器26并联。
被负载吸收的电流振幅由电阻28的阻值(等同于负载)决定。电容器两端电压的变化，特别是其斜率，由该电流值决定。
在高负载的条件下，即在高吸收电流和低模拟电阻28的条件下，电容放电电压检测到非常显著的斜率，同时，公共电压为最小值。
由此决定公共电压上波纹的最高振幅的增加，即，电容充电的最高电压值和最低电压值。
公共电压Vr的波纹与流过的电流Idc成比例，下述为对其关系的描述。
对于非常高的电容C值，电压的降低指数可能为一线性路径。如果用Vr(波纹)指示电容器26的整个放电电压值，可以获得以Vr表示的负载电流及电容器C的功效。
在这一方面，必须考虑非传导的整个时间段Td，在时间段Td中电容释放一部分由于持续放电电流Idc给出的电量Idc Td。
因此，电容器26上的电压变化为Vr＝(Idc Td)/C如果考虑时段Td或多或少与供应电压的一半时段相对应，得出如下关系Td＝T/2＝1/2f，其中f为AC供应电压的频率。因此电压Vr与放电电流Idc最终的关系为Vr＝Idc/2fC上式中C为电容器26的电容，f为供应电压的频率。
将图1中的电阻R替换成一为电动机供电的倒相级，则从公共电容器26流向倒相级的电流Idc为一有效电流且与被电动机吸收的有效功率成比例。
电流Idc与公共电压Vr的波纹值成比例，其依次与有效吸收功率成比例提供给电动机的电压校准因此能根据该有效吸收功率而执行。
同步电动机和相关控制电路10需要达到系统的能量平衡。该系统吸收的能量从而可以通过以下途径分散由于焦耳效应能量分散在电动机绕组上，储存在系统中的电磁能量，机械能量，以及多种耗能。
分散在电动机绕组上的能量具有阻抗特征，因此与供给少反电动势(BEMF)的相同转子的电压成比例。该能量的减少导致由焦耳效应和吸收电流产生的能量分散的减少。
然而，为减少吸收功率的电压减少有一个限制为了保证机械能量达到期望水平，且考虑与之有关的不可避免的耗能，需要一个最小化的电压值。
在这个最小化的电压值下，电流有一个增长的自然倾向。
这种作用也会导致相关的同步电动机的电物理行为。事实上有一个优化的操作点(优化的激发)，在该点上，电动机吸收最低电流，该激发可以由以下的抛物线代表。
一表示同步电动机的吸收电流和反电动势(BEMF)的图表表示有一个最低值的多种“V”形曲线。一连接所有这些最小值的理想的直线代表一cos＝1的直线。
这些特征曲线有一个最小值对应于公共电压Vr的波纹幅度的最小值。
本发明的适应控制方式，由电路10执行，与以下步骤交互操作测量公共电压值Vr的波纹幅度；估计产生吸收电流减少的电压变化类型(正极或负极)；基于上述估计的绕组上的电压变化；应用于绕组的电压变化在每一重复步骤必须十分有限，因为太高的变化会导致系统的不平衡和转子电流的峰值。
因此，对于最小吸收功率的调节非常重要，以使系统操作保持最高可能的效率，运用本发明的同步电动机技术可达到此目的。
在本发明的一较佳实施例中，运用于绕组的电压有一蜂鸣波形。参照图1中的示例，该方框图表示了该发明的步骤的初始状态，其中一参考工作频率fr被从外部运用。
该频率值用于一加法器模块11，接收一控制块C3的负输出值Df2，用以调制电压值以供给电动机。该控制块C3接收作为输入的Vbus电压值。
加法器模块11的输出是一对应于真实工作频率的频率值fr，其用于一后续块12以计算由V/f得到的电压参考值Vref，其中V为用于电动机的真实电压值，f为供应电压的频率。
另一加法器模块13接收后续块12的输出和一控制模块C1的反馈输出DV，该控制模块C1用于调制电动机的功率。
电动机由模块M确认，波纹电压Vr从模块M获得。电压Vr作为输入提供给控制模块C1和C2，其用于一负载调制。
模块C1的输出用于加法器13，其被模块12的输出减去。
该加法器模块13的输出用于另一加法器模块14，该加法器模块14同时接收Vbus和VMV电压之间的负差值，该VMV为中心桥电压。该最后的加法器模块14的输出为一用于电动机M的电压值V。
负载调制模块C2的输出Df1反馈回该第一加法器模块11，其被从获得的真实频率值fr减去。
如图3所示，一电流校准电路30包括若干主动元件，其形成一具有IGBT晶体管的桥结构电路。如前所述，提供给电动机绕组L1，L2的瞬时电压取决于公共电压值Vbus和电桥中心的终端电压VMV，即，在电桥24中央的电压值。
该两电压是相对独立的，实际上公共电压值Vbus有一电容器充电/放电形式，在主导组合频率元件(典型的为100Hz和50Hz的主要功率电源)下。同时，电桥中心的电压VMV根据(在频率上，相位上和振幅上)绕组电流有一较慢的变化，在功率供应频率上强加给电动机。
该用于绕组的两瞬时电压为Vbus-VMVVMV如果不考虑上述变化，对于相同的理论电压参考，如对应相关最大值，用于两绕组的电压是不同的，电流模组在噪声，波纹和扭矩波纹方面有不同的反射，还可能发生散热(倾向于变成不对称)和系统不平衡。
本发明的控制方式考虑为电压参考提供一增加或减少的校正项，利用一PID校准，其参数以实验数据基础设置，该实验数据与用于电动机的负载种类有关。因此，用于绕组的电压通过IGBT晶体管的开或关保持在期望值。
最小波纹Vr的振幅严格由负载决定，因此也由流率和泵头决定。功率因此用作为一负载功能。
在对公共电压Vr的波纹幅度的正确测量的基础上，机械负载水平，尤其是流率，可近似设置。如果流率增加，泵头保持持续的相同的电动机转动频率，电动机达到一个限制操作条件，可能产生损耗或电动机的停转。本发明提供的电动机控制算法在接近限制操作的条件下适度调节电动机旋转频率，减少该频率，以在与流率-泵头曲线相关的低性能损耗的条件下保持同步电动机旋转。
机械负载与波纹Vr振幅以及平均公共电压水平间的关系在一基于每一特殊应用的实验条件的既定表格中给出。
另一种估计机械负载的方法是检测信号Vbus-2*VMV的零交叉点，以及最后信号与电动机绕组所用电压间的相位移。该相位移与负载角成比例。事实上，从相位点得来的正弦形信号与绕组电流和电动机负载角严格相关。
机械负载的增长导致一吸收功率的增长，以及电压和电流在每一相位上的零交叉点的时距减少。机械性能在一既定表格数据的基础上在多个频率值被调制，以获得上述有利条件。
可能由多个理由产生的电动机停转的条件，在Vbus-2*VMV信号调制的基础上，由本发明的控制方法设置。
在停转条件下，信号发生一迅速的振幅增长。通过设置方便的门限，该门限在绕组电流频率和电压平均值基础上可变，以执行在正常操作条件和停转条件之间的判断。
当前同步电动机的应用问题在于在负载增加时的瞬时停转(路程损耗)或供应电压的变化。
本发明的控制方法设置了一真实负载正常条件下的供应电源的最小门限。
对模块图4，5，6和图7将进行细节分析，通过无限制的例子，本发明的控制方法的应用可以更好的表现。
图4-8中的每一流程表呈现本发明控制方法的一阶段。
波纹电压Vr被估值，以得到一最小功率控制，从而校准用于电动机绕组的电压。
波纹电压Vr也被估值，检测不被接受负载，以得到一可能的频率校准，或停止电动机。
电压值Vbus在电压值太低时被估值，因而提供一频率校准。
图1中在控制模块C1和C3间的清楚的响应在图7中呈现。
本发明的控制方法执行的功能是功率校准，正弦电流校准，根据所需水力负载的校准，检测电动机的停转条件，
根据线电压调制水力性能。
该控制一同步电动机的方法和电路的主要优点在于使电动机的操作异常的安静。该方法和电路特别用于空调系统或家用电器中的液体循环泵中的同步电动机。
本发明的控制电路，利用一两相同步电动机，其类型在欧洲专利申请第1105961和第1281229号中有所描述。其电流总是相同或有90度的相位移，原因在于电流校准电路和操作时间变化的软件的版本。
本发明的控制电路和方法的另一个优点在于当温度和流率变化时性能的稳定性，且其允许的温度和流率变化的范围比现有技术更广。
本发明的控制电路和算法的另一优点在于其不需要传感器有效的检测电动机位置，而是一典型的无传感器电动机控制。
本发明的优点还在于该电动机由变化的绕组电压频率驱动，该电压频率包括一正弦波形。
权利要求
1.一种循环泵中同步电动机的控制方法，用于空调系统或家用电器中的液体循环泵中的同步电动机，其包括一永磁电动机，所述电动机的每一绕组(L1，L2)应用的既定电压值是已知的，该方法通过一转换控制电路实现，其特征在于所述控制方法包括一对公共电压(Vr)波纹的连续测量；所述电压(Vr)波纹的参考值与所述参考值相关的变化量计算值之间的比较；用于电动机绕组(L1，L2)的所述变化量作用的依次的电压(V)的变化，以获得一被电动机吸收的最少电流。
2.如权利要求1所述的循环泵中同步电动机的控制方法，其特征在于所述绕组电压的变化与负载和流率以及泵头的大小有关。
3.如权利要求1所述的循环泵中同步电动机的控制方法，其特征在于当达到限制操作条件时，电动机转动频率通过减少转速而适度调节，但仍能保持同步电动机以一最小性能损耗运转，该最小性能损耗与流率-泵头曲线相关。
4.如权利要求1所述的循环泵中同步电动机的控制方法，其特征在于公共电压(Vr)波纹振幅的量值根据一相应的吸收电流的减少被估计。
5.如权利要求1所述的循环泵中同步电动机的控制方法，其特征在于所述电动机控制是无传感器的，没有传感器有效的检测电动机的位置。
全文摘要
一种循环泵中同步电动机的控制方法，用于空调系统或家用电器中的液体循环泵中的同步电动机，其中所述电动机的每一绕组(L1，L2)应用的既定电压值是已知的，该方法通过一转换控制电路(10)实现。所述方法包括一对公共电压(Vr)波纹的连续测量，及与一参考值之间的比较，如一平均公共电压水平，根据比较结果，所述电动机通过包括一正弦波形的绕组电压的变化驱动。
文档编号H02P6/10GK1830136SQ200480021807
公开日2006年9月6日 申请日期2004年6月24日 优先权日2003年6月24日
发明者艾利欧·马瑞奥尼 申请人:阿斯克尔控股责任有限公司