一种不具有整流器的三相同步电机的启动的控制方法与流程

本发明涉及用于小家电设备的电机的一般技术领域。

更具体地，本发明涉及一种不具有整流器的多相同步电机的启动的控制方法和该电机。

背景技术：

不具有整流器的多相同步电机大致包括：

-定子，其包括齿状部，限定定子的电相和磁极的线圈缠绕在所述齿状部上，

-转子，其在所述定子的对面且与所述定子同心地设置，所述转子包括限定所述转子的磁极化的整数对的磁极，和

-包括控制器的电子卡，所述控制器被布置用于在所述定子的不同的相中管理电流的转向，以便限定适合于驱动所述转子旋转的旋转的所述定子的磁极化。

在不具有整流器的多相同步电机中，所述转子以与定子的极化方向相同的角速度旋转。

只要电机力矩与被待驱动的负载施加的力矩相邻，所述转子的旋转和所述定子的极化的旋转被同步。

然而，如果被负载或电机施加的力矩不同并且转向时刻没有被相应地调整，则转子失去同步性。

在失去同步性之后，所述转子通常开始振动，其不能够与定子的可变的极性重新同步，这可导致其组件的毁坏。

为了避免这种情况，所述控制器应能够在每个时刻知晓转子的位置以便如果被负载施加的力矩增大，能够重新调整转向时刻。

更具体地，所述转向时刻在电机的减速阶段期间应被重新调整，如在施加负载时的情况，或所述转向时刻在电机的加速阶段期间应被重新调整，如在电机的启动时的情况。

实际上，在启动电机时，所述控制器应确保逐渐地启动以便加速转子，直到达到电机的转子的旋转额定速度。

因此，定子的线圈的供电电压的转向频率在启动时很低，之后考虑到转子的位置而逐渐地增大，所述转子的位置取决于被负载施加给转子的抵抗力矩。

因此，电转向电机的工作基于转子的位置的检测。

位置的错误信息导致错误的转向，其结果可能是在定子的线圈中的电流的突然增大，这导致电子仪器的应力甚至击穿、转子的去磁、导致工作间歇和颤动的力矩的突然或重复的变化、平均力矩的下降和在持续状态的电机的效率的降低。

为了克服这些缺陷，已知实现一种不具有整流器的多相同步电机，其包括给出转子的绝对位置的唯一的模拟传感器。

然而，该类型的位置传感器的高昂的成本在大规模生产时是不希望的。

还已知使用逻辑类型的位置传感器，尤其是霍尔效应传感器或光学传感器，以便通知控制器转子相对于定子的相对位置。

逻辑类型的位置传感器的成本远远比模拟的位置传感器的成本低廉。

这种逻辑类型的位置传感器设置在转子的对面的预定的位置中，并且用于传输信号至控制器，所述信号包括以下信息：

-转子的磁极化的指向，和

-在转子旋转期间，转子的磁极化的指向翻转成另一个指向的翻转时刻。

典型地，这种逻辑类型的位置传感器产生对应于等于0或1的二进制值的信号。

这些二进制值中的每个值对应于被位置传感器从位置传感器放置的地方读取的转子的磁极化的两个方向中的一个方向。

转子的磁极化的方向翻转到另一个方向的翻转时刻通过一些时刻和另一些时刻被算出，在一些时刻期间，所述位置传感器从等于0的值转换成等于1的值，也被称作升沿，在另一些时刻期间，所述位置传感器从等于1的值转换成等于0的值，也被称作降沿。

这些逻辑类型的位置传感器通常数量为3个，以便电机一启动就具有关于转子的位置的足够精确的信息。

这些逻辑类型的位置传感器的使用允许控制定子的相的供电的转向，并且控制电机的的额定性能和稳定性。

这些传感器可被设置在转子的轴线上或很靠近转子处。

然而，其数量导致成本增加，体积过大和额外的故障风险。

电机的总成本尤其受到被使用的位置传感器的数量的影响，且受到配合的电子卡的成本的影响。

该总成本包括位置传感器的成本也包括连接这些位置传感器和电子卡的线缆的成本，和与全部这些元件的组装相关的工业化成本。

这些电机通常用于小家电设备的批量生产。

因此，能够被实现在电机的成本上的节约可产生对这些小家电设备的生产成本的较大的节约。

为了降低电机的成本，方法之一自然地在于减少逻辑类型的位置传感器的数量。

然而，传输给控制器的信息量被减少并且低速下的控制被影响。

已知文献wo02/50983披露了一种无刷直流电机的启动方法，所述电机使用最多两个逻辑类型的位置传感器。

在唯一的传感器被使用的情况下，定子的预定的第一相首先根据第一极化而被持续供电，而另外两个相轮流地根据与第一相的极化相反的极化被供电。

所述转子于是被驱动旋转，直到传感器传回信号，所述信号给出转子的磁极化的方向向另一个方向的翻转的信息。

从该时刻开始，所述控制器开始这些转向以便加速转子，直到其达到对应于持续状态的工作的速度的阈值。

这种方法是令人满意的，因为其允许使用唯一的逻辑类型的位置传感器而启动电机。

然而，在该时刻，所述转子的位置具有不确定性，其对将来的转向一定产生影响。

此外，转子的速度不被知晓也未被估算。

因此，如果所述转子的速度过高，并且被所述控制器开始的转向在此刻不与转子的极化的方向和指向的相一致，则电机可能不启动或电机的元件可遭到能够直到使其毁坏的应力。

此外，如果电机和其负载的惯性较大或负载需要与额定力矩接近的启动力矩时，该方法不允许确保最优化的力矩，或在电机的启动阶段期间，电机和其负载的启动所必须的力矩。

还已知文献ep1406376a2描述的一种无刷直流电机的启动方法，所述电机使用唯一的逻辑类型的位置传感器。

该方法涉及在定子的线圈中注入小频率的电流并且在预定的时间期间等待转子在速度上同步，所述速度对应于定子的供电频率。

在该同步之后，所述定子的供电频率被提高直到获得转子的新同步。

所述转子因此被一系列的同步逐渐地加速，直到所述转子达到一速度，在所述速度中，所述转子可通过被唯一的位置传感器提供的信息在闭环中工作。

这种方法是令人满意的，其允许通过唯一的逻辑类型的位置传感器而启动电机。

然而，该方法意味着转子立即与定子的磁极化同步，在某些情况中这可能不是如此，尤其如果负载被施加的转子上的情况。

在该情况中，所述方法应通过进一步提高转子的力矩而被重新启动。

最终，还已知设置不具有传感器的电机。

这些类型的电机使用定子的线圈，所述定子的线圈在转向过程中不被供电，以便测量被转子的旋转产生的反电动势(forcecontreélectromotrice)，并且因此演算出用于启动转向的时刻。

该方案允许避免使用逻辑类型的位置传感器，并且因此允许理论上减少电机的制造成本。

然而，这种电机需要与逻辑类型的位置传感器一起使用的电子卡和控制器的全部改造。

此外，在启动时，反电动势过小而不能使用。因此需要使用其他类型的随动装置，用于该类型的不具有传感器的电机。

通常，这些电机通过将定子的相转向成预定的增大的频率，如同步进电机一样地被启动，所述频率足够慢以便电机不脱离。

在该相中的力矩很差，随动环的制备是很困难的，其需要较大的计算能力并且需要过滤方案以便区分被电机产生的干扰电流的反电动势。

此外，这些电机相对于配备有位置传感器的电机具有有限的速度。

实际上，保持电机的性能是困难的，所述电机具有不包括转子的位置信息的强电时间常数，因为其需要施加转向的提前以便弥补电时间常数的延迟。

该转向的提前妨碍合适地实施对于未被供电的定子的相的反电动势的测量。

技术实现要素：

因此，本发明的目的在于全部地或部分地克服上述提及的缺陷，尤其通过一种具有唯一的逻辑类型的位置传感器的电机而实现，所述位置传感器保持简单的电子卡，以便最大程度地减少电机的成本，并且转子的位置在刚启动时就被获知，并且随后通过电机和其负载的参数而被估算，因此允许在刚启动时就施加与最大的力矩的接近的力矩，并且能够达到较高的旋转速度。

因此，本发明涉及一种不具有整流器的三相同步电机的启动的控制方法，所述电机包括：

-定子，其包括齿状部，限定三个电相的线圈缠绕在所述齿状部上，对所述线圈的供电限定所述定子的极化的方向和指向，

-转子，其在所述定子的对面且与所述定子同心地设置，所述转子包括至少一对限定所述转子的磁极化的磁极，和

-包括控制器的电子卡，所述控制器被布置用于在所述定子的不同的相中调节电流的转向，以便限定适合于驱动所述转子旋转的所述定子的磁极化的可变方向，

-唯一的逻辑类型的位置传感器，其设置在所述定子的两个齿状部之间的等分线上，并且用于向所述控制器传输信号，所述信号包括以下信息：

-所述转子的磁极化的指向，和

-在所述转子转动时，转子的磁极化的方向翻转为另一个方向的翻转时刻

所述方法包括转子的磁极化的方向和指向与对齐位置对齐的对齐步骤，所述对齐位置被定子的极化的方向和指向限定，所述定子的极化的方向和指向根据从涉及所述转子的磁极化的指向的位置传感器阅读到的信息而被确定，

所述对齐步骤具有：

-持续时间，在所述持续时间结束后，从所述转子的任意的开始位置开始，所述转子理论上第一次与所述对齐位置对齐，或者

-持续时间，在所述持续时间结束后，从所述转子的任意的开始位置开始，所述转子的围绕所述对齐位置的振幅理论上小于预定的阈值，或者，

-持续时间，在所述持续时间结束后，对于理论上最远离所述对齐位置的开始位置的所述转子的振幅理论上在预定的区间中，

-持续时间，在所述持续时间结束后，从所述转子的任意的开始位置开始，围绕所述对齐位置的所述转子的速度理论上小于预定的阈值，

这些理论上的持续时间中的至少一个持续时间被传输到与控制器连接的存储器中，对于转子不同的开始位置，这些理论上的持续时间从围绕所述转子的所述对齐位置的所述转子的振动行为的理论模型而被演算出来，或者

所述对齐步骤具有预定的持续时间，在所述预定的持续时间结束后，从所述转子的任意的开始位置开始，所述转子围绕所述对齐位置的振幅一定小于预定的阈值，该持续时间经过实验确定并且被传输到存储器中。

使用唯一的逻辑类型的位置传感器允许减少与电子仪器相关的成本，但也允许减少电机的体积。这也允许通过简化围绕磁性零件的罩来最优化位置传感器的集成，这可允许例如增大有用的空气通道以便冷却电机。

该对齐步骤允许立即将转子和定子的固定的磁极化对齐，而无论是否负载施加在转子上。所述对齐步骤基于，当转子的极化方向与定子的极化的预定方向对齐时，转子进行阻尼振动运动，其解答微分方程式，其时间特征不取决于初始位置。

已知所述微分方程式的方案由具有阻尼振动的曲线表示，而这些振动的幅度在确定是持续时间过后一定小于确定的阈值。

转子围绕定子的极化的预定方向的振动运动的阻尼因此允许减小转子的速度直到预定的阈值，其允许更多的精确度以便能够实现之后的转向。

因此，本发明考虑到该阻尼以便限定一时刻，从所述时刻开始，电机的位置和速度被知晓，这允许减小在电机的启动过程中可对电机的元件施加的应力。

在对齐步骤过程中，逻辑类型的位置传感器不必传送关于转子的磁极化的方向翻转的信息至控制器，而一定将被传感器读取的转子的磁极化的方向的信息传送至控制器。

因此，在对齐步骤过程中，转子的位置的不确定是180°，而无论转子的磁极的对数是多少。

此外，该位置传感器允许电机在闭环中工作在很高的速度上，并且对于转向加以提前以便对其保证最优化的控制。

根据所述方法的一种实施方式，所述唯一的逻辑类型的位置传感器设置在所述定子的第一相和第二相之间，并且所述定子的磁极化的方向和指向被确定为使得如果所述位置传感器具有第一值，则定子的第三相根据第一极性被供电，并且如果所述位置传感器具有第二值，则定子的第三相根据第二极性被供电。

根据所述方法的一种实施方式，定子的磁极化的方向和指向由三个相的供电实现，所述第一和第二相相对于第三相的极性具有相反的极性。

根据所述方法的一种实施方式，所述预定的阈值等于π/6弧度并且确定的区间包含在围绕所述对齐位置的-π/6至π/6之间。

确定的阈值被选择为最小化转子的位置误差，以便减小该误差对将来的转向的影响。

根据所述方法的一种实施方式，所述对齐步骤的预定的持续时间包含在10微秒至1.50秒之间。

该持续时间被确定以便具有足够小的转子位置误差，以便减小该误差对将来的转向的影响。

根据所述方法的一种实施方式，所述控制方法包括和所述第一对齐步骤连续地实现的所述转子的启动的第二步骤，并且在所述第二步骤中，所述控制器基于所述对齐位置来将所述转子的初始位置限定为靠近的确定误差，来实现连续的转向以便确保对于所述转子的速度的逐渐上升所必须的力矩，所述转向时刻在每次转向后被重新调整以便最小化与理论上的转向时刻的时间偏差，理论上的转向时刻：

-根据被所述逻辑类型的位置传感器传递的信息，在所述转子每转半圈被确定，或

-通过所述转子的理论速度值被确定，所述理论速度值通过估算方法被估算，所述估算方法考虑到所述电机的理论参数和所述电机的负载和被所述电机消耗的电压和电流的测量值，

所述第二启动步骤被实现直到所述电机能够借助于由其唯一的传感器提供的信息而在持续状态工作。

该方法允许确保对应于电机和其负载的理论模型的转向时刻，并且允许纠正和最小化在传感器的极性的转换的每次测量时的转化时刻的误差，被施加的力矩接近于被无刷多相电机施加的力矩，所述无刷多相电机具有等于相数量的传感器的数量。

这些替换例中的一个替换例使用逻辑类型的位置传感器以便知晓转子在每个半圈的精确位置。

根据所述方法的一种实施方式，至少所述第一转向在所述转子的最大力矩时实现。

该设置允许最大地减少转子的第二启动步骤的实施时间。

根据所述方法的一种实施方式，第一步骤和如有必要所述第二步骤的总的持续时间被测量并且与被制表的值比较，或者根如有必要与多个被制表的值比较以便检测不正常的工作状态。

该设置允许检测电机启动时的错误。

本发明还涉及一种用于实施诸如上文所述的方法的电机，所述电机包括与所述控制器连接的存储器，在所述存储器中存储了所述对齐步骤的被制表的持续时间，如有必要存储了所述转子的第二启动步骤的被制表的持续时间。

附图说明

通过阅读以下参照附图以非限定性示例方式给出的本发明的详细的描述，将更好地了解本发明的特征和优点，所述附图全部地或部分地示出根据本发明的电机的启动的控制方法，在附图中：

-图1示出根据本发明的电机的安装视图和分解视图；

-图2是示出转子在围绕对于不同的开始位置的对齐位置的时间过程中的运动的图形。

-图3示出根据本发明的电机在对齐步骤之前的停止时的转子相对于定子的相对位置。

-图4示出在对齐步骤之后，图3的电机的所述转子相对于定子实现的相对运动。

-图5示出根据本发明的启动的控制方法的电机的启动的功能示意图。

具体实施方式

仅示出对本发明的理解所需的元件。

如图1所示，不包含整流器的三相同步电机1包括定子2和转子5，所述定子2包括齿状部3，限定三个电相u，v，w的线圈4围绕所述齿状部3缠绕，对所述三个电相的供电限定所述定子2的极化的方向和指向，并且所述转子5在所述定子2的对面且与所述定子2同心地设置，所述转子5包括多对限定所述转子5的磁极化的磁极n-s(未示出)。

在示出的实施例中，所述不包含整流器的多相同步电机1是具有设置在定子2的内部的转子5的直流无刷的类型。然而，根据本发明的方法也可用于具有设置在定子的外部的转子的直流无刷类型的电机或具有盘的形状的转子和定子的轴向极化的直流无刷类型的电机。

同样地，本说明书基于一种转子5，所述转子5包括一对磁极n-s。然而，另一个数目的磁极n-s对可被使用而不脱离本发明的范围。

这些对磁极被固定在转子5的主体上的永久磁铁产生。

所述转子5的磁极化与所述转子5本质地相关，并且在从其永久磁铁的南极朝向北极的方向上被定向。

同样地，被示出的所述定子2包括三个相u，v，w，所述三个相u，v，w限定与所述转子相同的磁极对的数量。

实际上，这三个相u，v，w可被正向供电或可被反向供电。

然而，所述定子2可具有更多的相和磁极，而不超出本发明的范围。

尤其地，所述定子2的相可各自具有彼此相对地设置的一对磁极，并且所述一对磁极具有当所述相被供电时的相反的极化方向。

该配置由于线圈围绕所述定子2的齿状部3缠绕而用于相同的相u，v，w。

此外，所述电机1包括电子卡(未示出)，所述电子卡包括未示出的控制器，所述控制器被布置用于在定子2的不同的相中产生电流转向，以便限定定子2的磁极化的可变方向，所述可变方向适合于驱动转子5旋转，也被称为旋转场。

在持续状态中，所述定子2的相u，v，w的合适的转向允许将定子2的极化的方向翻转并且允许驱动所述转子5进行速度恒定的旋转运动。

为此，所述定子2的极化的方向倾向于保持相对于所述转子5的极化方向的90°的提前量，以便使转子5具有最大力矩地运动。

为了获知转子5的位置，电机1包括唯一的逻辑类型的位置传感器6，所述位置传感器6设置在定子2的两个齿状部之间的等分线上并且用于将信号传输至控制器，所述信号包括以下信息：

-所述转子的磁极化的指向，和

-在所述转子转动时，转子的磁极化的方向翻转为另一个方向的翻转时刻。

所述逻辑类型的位置传感器6例如是霍尔元件，其输出等于1或等于0的逻辑值val。

根据本发明的方法涉及电机1的启动。

当为电机1通电时，被唯一的逻辑类型的位置传感器6传输的信息不允许控制器足够精确地确定转子5的位置，但允许知晓被该传感器阅读到的转子的磁场的极化方向。所述电机也是低速的。仅仅极化的改变时刻对于转子的位置提供更精确的信息。

对于具有p对磁极的电机，在启动时的位置的不确定等于180°。

然而，可正确地控制电机1，以便通过确保最大的力矩而将所述电机对齐在定子2的确定的相上。

因此，根据本发明的启动的控制方法包括转子5的磁极化的方向和指向与对齐位置pa的对齐的第一步骤，所述对齐位置pa被所述定子2的极化的方向和指向定义。

在图3所示的实施例中，唯一的位置传感器6设置在定子2的相u和相v之间，并且所述转子5的初始位置p0具有转子5的极化方向，所述极化方向穿过相v的齿状部并且在所述相u和w的齿状部之间通过。

在该配置中，所述控制器从所述传感器6发送给控制器的信号的值开始能够确定转子5的最佳的对齐位置pa，也就是说，对于该最佳对齐位置，所述转子5的位置的180°不确定性被减小到在第一旋转方向中的90°的不确定性和在转子5的第二旋转方向中的90°的不确定性。

如图4所示，在示出的实施例中，该对齐位置pa穿过传感器6和相w。

所述控制器将实现所述定子2的三个相u，v，w的转向，以便产生定义所述定子2的极化的方向和指向的固定的场。

在该固定的场的作用下，所述转子5将产生从初始位置p0朝向对齐位置pa的旋转运动，以便所述转子5的磁极化倾向于与所述定子2的固定的场对齐。

如图2所示，所述转子5被驱动在围绕所述对齐位置pa进行阻尼的振动运动。

在该对齐位置pa中，被所述定子2的磁场选定的方向穿过所述定子2的相w的极的齿状部。

如图2所示，所述转子5在时间上围绕该对齐位置pa对应于不同的初始位置p0的运动，具有阻尼的振动运动，其解答微分方程式。

此外，注意到该附图中，所述转子5从控制时刻t0开始使用相同的持续时间ta以便第一次越过对齐位置pa，而无论转子5的初始位置p0为何。

图2所示的该理论上的模型因此提供一个持续时间ta，在该持续时间结束后，从转子5的任意的初始位置p0开始，转子5理论上第一次与对齐位置pa对齐。

该理论上的模型也提供一个持续时间，在该持续时间结束后，从转子5的任意的初始位置p0开始，转子5围绕对齐位置pa的振幅理论上小于预定的阈值，或者该理论上的模型也提供一个持续时间，在所述持续时间结束后，对于最远离对齐位置pa的理论上的初始位置p0，转子5的振幅理论上位于预定的区间中，或在一持续时间中，在所述持续时间结束后，从所述转子5的任意的初始位置开始，转子5围绕所述对齐位置pa的速度理论上小于预定的阈值。

同样地，已知所述振动运动是阻尼的，而可通过实验确定预定的持续时间，在所述预定的持续时间结束后，从转子5的任意的初始位置p0开始，所述转子5围绕所述对齐位置pa的振幅一定小于预定的阈值。

这些持续时间中的至少一个持续时间被存储在设置在所述电子卡上且与所述控制器连接的非易失存储器(未示出)中。

如图5所示，只要所述预定的阈值没有被超过，或者只要振幅不在预定的区间中，所述控制器简单地等待。

所述预定的阈值例如等于π/6弧度，并且确定的区间包含在围绕所述对齐位置pa的-π/6至π/6弧度之间。

典型地，对于这种确定的阈值或区间的对齐步骤的预定的持续时间介于10微秒至1.50秒之间。

在该时刻，所述转子5的角度位置的不确定性减小到围绕所述对齐位置pa的π/3的弧度区间中。

因此，可以轻微的误差控制在最大力矩下的电机1，以便将其转换到希望的旋转方向中并且具有最佳的力矩。

如图5所示，在由超过预定的阈值或进入到预定的区间中表示的第一步骤结束时，转子5的第二启动步骤被实现。

在该第二步骤期间，所述控制器通过基于对齐位置pa将转子5的初始位置pi限定在靠近的确定误差，来实现连续的转向以便逐渐提高所述转子5的速度。

这些转向：

-根据被所述逻辑类型的位置传感器6传递的信息，在所述转子5的每转半圈时被执行，或

-通过所述转子5的理论速度值被执行，所述理论速度值通过估算方法被估算，所述估算方法考虑到所述电机1的理论参数、被所述电机消耗的电压和电流的测量值。

这种估算方法可例如基于使用电机1的状态估算器，或基于使用卡尔曼滤波器或基于简单地使用被制表的延时值。

如图5所示，对于使用转向时刻的估算的变型例，这些转向被实施直到阅读到霍尔信号。如果霍尔信号未在安全时间之前被读到，则电机被考虑停止并且启动停止。

当霍尔信号被读到，其确定地指示转子的位置，并且允许重置电机1的状态的估算器并且修正转向时刻以便减小误差的风险。

然而，当逻辑类型的位置传感器6检测期间，所述转子5的旋转方向和精确的位置被知晓但转子的速度不被知晓。

通过基于该位置估算器，控制器根据希望的力矩加速转子5，直到其达到一个速度，在该速度中，所述电机1可通过逻辑类型的位置传感器6提供给控制器的仅有的信息而在闭环中工作。

力矩取决于在定子2的线圈中的电流，并且典型地通过调节脉冲宽度(pwm)和转向时刻被调节。

转向误差应一直保持最小，这使得知道转子5的位置。

为了在希望的力矩下控制电机，两个方法是可选的。

第一种方法在于，通过对电机1的使用的制表的转向时刻而确定转向时刻。

第二种方法在于，通过转子5的速度的估算来确定转向时刻，所述转子5的速度的估算通过基于在定子2的线圈中的电压和电流的测量值的估算方法而确定，并且通过唯一的位置传感器6的信号而修改。

该第二种方法允许以更大精度估算电机的速度。

因此，精确地知道传感器6的上一次转向时的转子的位置，任何时刻的位置可被控制器计算。

因此，可知道转子5在任何时刻的位置，并且因此以至少等于配备有三个位置传感器的电机的精确度来控制加速。

如图5所示，该加速被实现直到通过被逻辑类型的位置传感器6传递给控制器的信息演算出的速度代表预设的阈值速度。

该预设的阈值速度可对应于电机的额定速度或对应于被使用者通过调节器而选择的速度。

尽管本发明已通过具体的实施例而描述，很显然，本发明不限于这些实施例。

在不超出本发明的保护范围的情况下可进行更改，尤其在不同元件的布置和构成方面或者通过技术等价替换。