专利名称：同步磁阻电机的控制装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种同步磁阻电机的控制装置及其控制方法，特别涉及一种利用控制集成电路(IC)和霍尔传感器控制同步磁阻电机的装置及方法。
背景技术：
图1为方块图，示出同步磁阻电机的现有驱动装置的构造。图1中示出的现有装置包括交流(AC)电单元11，输出交流电；整流器12，将交流电转换为直流(DC)电；DC-DC转换器13，提高或降低整流器12输出的直流电；以及逆变器14，将DC-DC转换器13输出的直流电转换为驱动同步磁阻电机15的交流电。该装置还包括电流传感器16，检测电机15的电流；以及微机17，接收来自电流传感器16的多个电流检测值，根据该多个电流检测值估算电机15的转子的位置，同时根据该转子的估算位置，通过向逆变器14输出用以控制逆变器14所输出的交流电的脉冲宽度调制(PWM)信号来控制电机15的转速，微机17存储有软件程序，这使得它能够根据电流测量值对该转子的位置进行估算。
图1所示的现有驱动装置的其中一个缺点是，电流传感器16和微机17都相对比较昂贵，另外，如果电机构造有所改变，则必须对微机17中软件程序的某个复杂控制算法进行调整。更有甚者，为了给微机17装载控制算法，还需要单独的仿真器。
发明内容
本发明的一个特征是提供一种经济的控制装置，用以控制同步磁阻电机。
为至少实现这个特征，本发明提供一种电机驱动装置，包括整流器，将输入交流电整流；电源转换器，将整流后的交流电转换成直流电；逆变器，将该直流电转换为预定频率的交流电以驱动电机；位置检测器，通过检测自所述电机的转子发出的磁通量，来检测所述转子相对于所述电机的定子的位置；以及控制器，根据检测到的所述转子的位置，来控制所述逆变器，以控制所述电机的驱动。
所述位置检测器可以包括感测磁体，设置在产生磁通量的转子的轴(shaft)上；以及至少一个霍尔传感器，检测所产生的磁通量以测量该感测磁体的相对位置。
所述感测磁体可以固定在该轴上，使得其位置相对转子固定，该至少一个霍尔传感器可以包括以120°的间隔设置在所述定子周围的多个霍尔传感器。该至少一个霍尔传感器可以输出高电平和低电平信号其中之一，这取决于其感测的磁通量是来自所述感测磁体的N极和S极的其中之一。
所述控制器可以根据检测到的转子的D轴的位置来控制所述逆变器。该控制器可以包括控制集成电路(IC)，用以基于位置检测器输出的信号来输出电压。该控制器可以输出120°的两相脉冲宽度调制(PWM)电压以启动所述电机。
所述至少一个霍尔传感器可以位于所述定子的线圈轴(axis)的中心，从所述感测磁体发出的磁通量的矢量中心可以与所述转子的D轴对齐。当所述转子的D轴与所述电机的电流矢量之间呈大约45°夹角时，所述电机的扭矩可以达到最大值。该电机可以是永磁协助同步磁阻电机(permanent magnetassisted synchronous reluctance motor)。
本发明还提供一种电机驱动方法，包括将输入的交流电整流；将整流后的交流电转换为直流电；将该直流电转换为预定频率的交流电；通过检测自所述电机的转子发出的磁通量，来检测所述转子相对所述电机的定子的位置；以及根据所检测到的转子的位置控制所述逆变器，以驱动所述电机。
可以根据所检测到的转子的D轴的位置对所述逆变器进行控制。霍尔传感器可以设置在所述定子的线圈轴的中心，自所述感测磁体发出的磁通量的矢量的中心可以与所述转子的D轴对齐。
下面结合附图对本发明所进行的详细描述，可以使本发明的上述和其它目的、特征、方式和优点更加清晰。
附图用以提供对本发明的进一步理解，它被包括进本说明书内并构成其一部分，对本发明的实施例进行描述，并与说明书一起阐述本发明的原理。
在附图中图1为方块图，示出同步磁阻电机的现有驱动装置的构造；图2为方块图，示出根据本发明一个实施例同步磁阻电机的控制装置的构造；图3为方块图，示出根据本发明一个实施例的转子、霍尔传感器、感测磁体和控制器的构造；图4示出磁通量矢量图，用以描述根据本发明的一个实施例的永磁协助同步磁阻电机的磁通量矢量；图5为图3所示转子、轴和感测磁体的剖视图；图6为根据本发明一个实施例的转子的剖视图；图7为根据本发明一个实施例同步磁阻电机的控制方法的流程图。
具体实施例方式
图2示出了根据本发明同步磁阻电机控制装置的一个实施例。图2中所示装置包括交流(AC)电单元21，输出交流电；整流器22，将从交流电单元21输出的交流电转换为直流电；DC-DC转换器23，提高或降低从整流器22输出的直流电；以及逆变器24，将DC-DC转换器23输出的直流电转换为具有预定频率的交流电以驱动同步磁阻电机25。所述装置还包括位置检测器26，用以检测电机25的转子的位置；以及控制器29，通过根据所检测到的转子的位置来控制逆变器24的输出，以控制电机25的驱动。位置检测器26包括感测磁体27，设置在转子的轴上；以及霍尔传感器28，通过检测磁通量来测量感测磁体27的位置。
下面更详细地描述本发明的一个实施例。感测磁体27相对于霍尔传感器28的位置，由此还有转子相对于定子的位置，可以根据电压与磁通量之间的关系、电压与电流之间的关系、以及电流与转子的D轴之间的关系而确定，如下面的公式1和2所定义的 公式1
T=32·P2·(Ld-Lq)·Is2·sin2θi2]]>公式2其中E表示电压，Φ表示磁通量，T表示扭矩，P表示极数，Ld和Lq分别表示同步d轴和q轴电感，Is表示电流，而θi表示转子的D轴与电流之间的电流角。
控制器29可以用相对廉价的控制集成电路IC 30来实现，而不需要进行复杂的电流检测处理或用到复杂的电流检测传感器。
图3是方块图，示出根据本发明一个实施例的转子、霍尔传感器、感测磁体和控制器的构造。图4是磁通量矢量图，用以描述根据本发明一个实施例的永磁协助同步磁阻电机的磁通量矢量。
控制器29向逆变器24输出120°的两相PWM电压，以启动电机25。如图3所示，多个霍尔传感器Ha 33、Hb 34和Hc 32被固定在电机25的定子36上，感测磁体35被固定在电机25的转子上。当电机25被启动后，霍尔传感器Ha 33与感测磁体35的S极对齐，霍尔传感器Hb 34和Hc 32则与感测磁体35的N极对齐，并且三相电压中的两相电压Vu+和Vw-被施加于电机25上。
图4示出的是合成电压矢量Vs，即电压矢量Vu+与Vw-之和。如图4所示，以及如公式1所示，电压矢量Vu、Vv、Vw与磁通量矢量λu、λv、λw的相位差为90°。因为功率因数在低速时相对较高，所以合成电压矢量Vs与对应的电流矢量Is之间的相位差大约为35°到45°。
如公式2所示，当转子的D轴与电流矢量Is之间的电流角θi是45°时，同步磁阻电机的扭矩达到最大值。
控制IC 30根据一个或多个霍尔传感器所输出的信号来输出电压。施加于电机上的电压矢量会一直保持恒定，直到转子的D轴完成大致60°的旋转。如果在该电压矢量的旋转方向上，该D轴以45°滞后于电流矢量Is，并且该转子随后旋转60°，电流角θi将变为大约-15°，并由此而产生负值扭矩。因此，为了防止产生负值扭矩，转子的D轴应设定成与电流矢量Is的夹角为大约75°。
在与旋转方向相反的方向上，当转子D轴与合成电压矢量Vs的夹角处于大约110°到大约120°之间的范围时，该同步磁阻电机可以被稳定地启动和驱动。
图5为转子、轴和感测磁体的剖视图。如图3所示，U相线圈轴31与U相绕组的中心相对应，U相为定子36的三相之一。如图5所示，感测磁体35被附设在轴51上，因此其位置实际上相对于转子52固定。
霍尔传感器Ha 33、Hb 34和Hc 32以120°的角度间隔被物理地设置在定子36周围，并根据它们所感测的磁通量是来自感测磁体35的N极还是S极而输出高电平或低电平信号。
图6是本发明一个实施例中转子的剖视图，示出该转子的D轴。
图7所示为根据本发明一个实施例同步磁阻电机的控制方法的流程图。该方法包括步骤S11，将输入交流电整流；步骤S12，将整流后的交流电转换为直流电；步骤S13，将该直流电转换为预定频率的交流电；步骤S14，基于电压和磁通量来检测转子与定子的相对位置；以及步骤S15，根据所检测到的相对位置来控制逆变器，以控制电机的驱动。
在此，控制逆变器的步骤S15包括根据霍尔传感器对感测磁体的磁极的检测，来控制转子相对于定子的位置。
为控制逆变器，该霍尔传感器被设置在所述定子的线圈轴的中心，而自感测磁体发出的磁通量的矢量中心与所述转子的D轴对齐。
上述实施例和优点仅仅为示例性的，而不应被认为是用来限制本发明的。本发明的技术可以很容易地应用于其它类型的装置上。本发明的说明书是举例说明性的，而不是限制权利要求的范围。对本领域技术人员而言，诸多替代、改进和变更都是显而易见的。
对此处描述的实施例的举例说明用以提供对不同实施例结构的一般理解。对于使用此处所描述的结构和方法的装置和系统，该举例说明并非针对其所有元素和特征的穷尽性说明，本领域技术人员通过查阅此处的公开内容很容易获得诸多其它实施例。根据本公开内容可以应用和获得其它实施例，在不偏离本公开的范围的情形下完全可进行对结构和逻辑的置换和更动。因此，上述公开内容和附图均被认为是说明性的而不是限制性的。
在此，本公开的一个或多个实施例可以用术语“发明”分别和/或概括地指代，这样做仅仅是为了表达的便利，而不是企图将本发明申请的范围主动限制到任何特定发明或发明概念。此外，虽然这里给出并描述了特定的实施例，应认识到，任何设计用以实现同样或类似目的的后继的方案均可取代此处示出的特定实施例。本公开内容应覆盖所有后继的针对不同实施例所进行的调整和变更。对本领域技术人员而言，通过查阅本说明书，易于实现对上述实施例、以及此处没有特别描述的其它实施例的组合。
上述公开的主题内容被认为是说明性而非限制性的，并且所附权利要求是用来涵盖那些落在本发明实际精神和范围内的所有改进方案、强化方案和其它实施例的。因此，在法律允许的最大保护范围内，本发明的范围是由所附权利要求和其等同方案所允许的最大解释范围确定的，而不是被上述具体描述约束或限制的。
虽然已参考若干说明性的实施例描述了本发明，但应理解，本说明书所用的文字都是描述性和说明性的，而不是限制性的。因为本发明可以在不偏离其精神和基本特征的情形下以多种方式实施，应理解，除非有其它特别说明，上述实施例不应该被限制于上述说明书的任何具体细节。反之，在由权利要求限定的本发明的精神和范围内，上述实施例应该获得更广义的解释。因此，正如当前所指出和纠正的那样，在所附权利要求的边界和范围内可以作一些改动，而不会偏离本发明技术方案的精神和范围。
权利要求
1.一种电机的驱动装置，包括整流器，将输入交流电整流；电源转换器，将整流后的交流电转换为直流电；逆变器，将所述直流电转换为预定频率的交流电以驱动所述电机；位置检测器，通过检测自所述电机的转子发出的磁通量，检测所述转子相对于所述电机的定子的位置；以及控制器，根据所检测到的所述转子的位置，来控制所述逆变器，以控制所述电机的驱动。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述位置检测器包括感测磁体，设置在产生磁通量的所述转子的轴上；以及至少一个霍尔传感器，检测所产生的磁通量以测量所述感测磁体的相对位置。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述感测磁体是固定在所述轴上的，使得所述感测磁体的位置相对于所述转子固定。
4.如权利要求2所述的装置，其中所述至少一个霍尔传感器包括以120°的间隔设置在所述定子周围的多个霍尔传感器。
5.如权利要求2所述的装置，其中所述至少一个霍尔传感器根据其是否从所述感测磁体的N极和S极的其中之一感测到磁通量，输出高电平信号和低电平信号其中之一。
6.如权利要求2所述的装置，其中所述至少一个霍尔传感器位于所述定子的线圈轴的中心，从所述感测磁体发出的磁通量的矢量中心与所述转子的D轴对齐。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述控制器基于所检测到的所述转子的D轴的位置来控制所述逆变器。
8.如权利要求1所述的装置，其中所述控制器包括控制集成电路，用以基于所述位置检测器输出的信号来输出电压。
9.如权利要求1所述的装置，其中所述控制器输出120°的两相脉冲宽度调制电压以启动所述电机。
10.如权利要求1所述的装置，其中当所述转子的D轴与所述电机的电流矢量之间呈大约45°夹角时，所述电机的扭矩达到最大值。
11.如权利要求1所述的装置，其中所述电机是永磁协助同步磁阻电机。
12.一种电机驱动方法，包括将输入的交流电整流；将整流后的交流电转换为直流电；将所述直流电转换为预定频率的交流电；通过检测自所述电机的转子发出的磁通量，来检测所述转子相对于所述电机的定子的位置；以及根据所检测到的所述转子的位置，控制逆变器以驱动所述电机。
13.如权利要求12所述的方法，其中基于检测到的转子的D轴的位置，来控制所述逆变器。
14.如权利要求12所述的方法，其中所述霍尔传感器位于所述定子的线圈轴的中心，自所述感测磁体发出的磁通量的矢量中心与所述转子的D轴对齐。
全文摘要
一种电机驱动装置，包括整流器，将输入交流(AC)电整流；电源转换器，将整流后的交流(AC)电转换成直流(DC)电；逆变器，将所述直流电转换为预定频率的交流电以驱动所述电机；位置检测器，通过检测自所述电机的转子发出的磁通量，来检测所述转子相对于所述电机的定子的位置；以及控制器，根据所检测到的转子的位置控制逆变器，以控制所述电机的驱动。
文档编号H02P6/14GK101068102SQ20071010242
公开日2007年11月7日 申请日期2007年5月8日 优先权日2006年5月4日
发明者元俊喜, 郑达浩, 吴在胤 申请人:Lg电子株式会社