一种单相自起动永磁同步电动机的定向起动控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种单相自起动永磁同步电动机的定向起动控制方法，尤其涉及无单独的转子位置检测元件的电子控制的该电动机的定向起动控制方法，在国际专利分类表中，分类可属于H02P6/18。
【背景技术】
[0002]现有技术无单独转子位置检测元件的电子控制的单相自起动永磁同步电动机通过检测绕组电流为零时的反电动势进行预定转向的起动控制，可见在先申请CN102904510A等。实验表明，该方法对元器件的快速响应及其布置的抗干扰能力要求较高，因而成本较高且产品质量欠稳定。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是:提出一种单相自起动永磁同步电动机的定向起动控制方法，其可避免【背景技术】所述问题，检测控制比较简单，因而更稳定可靠而降低成本。
[0004]本发明解决技术问题的技术方案是一种单相自起动永磁同步电动机的定向起动控制方法，所述电动机包括:
[0005]—一同样极数的定子和永磁转子；所述定子与转子间气隙的宽度于每一极下沿设定的圆周方向收窄，因而在自由状态下，转子各极轴线以最靠近的定子一极的轴线为参照，沿设定的圆周方向偏转一锐角角度；
[0006]—一开关；所述定子的绕组具有规定绕向，经该开关接往交流电源；
[0007]—一控制电路；包括检测电路和内置程序，该内置程序含按检测到的信号驱动所述开关以控制所述交流电源输入所述绕组的电流的起动控制方法；
[0008]其特征在于，所述起动控制方法包括以下步骤:
[0009]a)接通所述开关，使所述交流电源I个半波电压按规定导通角施加于所述绕组，并检测因此在所述绕组产生的电流；
[0010]b)若所述电流符合规定，所述开关随即持续按所述交流电源周期和规定导通角接通，电动机进入同步运行；否则，经一足以使所述转子可靠停止的时间后，从步骤a)开始重复上述过程。
[0011]所述电子控制定向旋转单相自起动永磁同步电动机的起动，可设计在主磁通轴线的相反方向与永磁磁通轴线相交为所述锐角角度时接通此时的交流电源半波，转子磁极即被与其最靠近的定子磁极沿设定旋转方向推斥，因而使电动机按设定的旋转方向起动，这正是产品所需要的。若此时改为接通相反极性的交流电源半波，主磁通轴线的方向即调反，直接与永磁磁通轴线相交为所述锐角角度，转子磁极即改为被与其最靠近的定子磁极沿设定旋转方向的相反方向吸引，因而使电动机按设定的旋转方向的相反方向起动，这是产品所不希望的。对上述情况，本技术方案基于铁磁饱和原理，巧妙地发现和利用永磁磁通与主磁通方向相同时对铁磁路增磁使电动机电感下降以至电流增加和反之则电流减少该现象，以此电流差异判断、调整该电动机牵入同步运行的准备状态，达到定向起动。
[0012]本技术方案无需使用现有技术的反电动势检测法，降低了起动控制程序的复杂性和对元器件的快速响应性能及电路布置的电磁兼容要求，因而成本降低且产品性能更稳定。
[0013]本技术方案“所述电流符合规定”即以所述“电流差异”为基础，通过在线检测判定或以实验统计确定的规定值判定。对于在线检测，所述步骤具体为:
[0014]—一接通所述开关使所述交流电源至少2个半波电压按规定导通角施加于所述绕组，所述各个半波电压间隔一足以使所述转子可靠停止的时间；检测因此在所述绕组产生的各个电流，在各个电流的数值呈现明显的大小之分和再次出现较小的电流后，即所述电流符合规定，所述开关随即持续按所述交流电源周期和规定导通角接通，电动机进入同步运行。
[0015]所述步骤进一步具体为:
[0016]接通所述开关，使所述交流电源第I个半波电压按规定导通角施加于所述绕组，并检测因此在所述绕组产生的第I电流，经一足以使所述转子可靠停止的时间后，所述交流电源另I个半波电压按规定导通角施加于所述绕组，并检测因此在所述绕组产生的第2电流；
[0017]—一若第2电流明显小于第I电流，即所述电流符合规定，所述开关随即持续按所述交流电源周期和规定导通角接通，电动机进入同步运行；
[0018]—一否则，经一足以使所述转子可靠停止的时间后，使所述交流电源再I个半波电压按规定导通角施加于所述绕组，并检测因此在所述绕组产生的第3电流；
[0019]—一若第3电流明显小于之前各电流或接近之前各电流中的较小者，即所述电流符合规定，所述开关随即持续按所述交流电源周期和规定导通角接通，电动机进入同步运行；
[0020]一一否则，经一足以使所述转子可靠停止的时间后，使所述交流电源再I个半波电压按规定导通角施加于所述绕组，并检测因此在所述绕组产生的第4电流；
[0021]—一若第4电流明显小于之前各电流或接近之前各电流中的较小者，即所述电流符合规定，所述开关随即持续按所述交流电源周期和规定导通角接通，电动机进入同步运行；
[0022]……，如此重复，直至因此在所述绕组产生的电流明显小于之前各电流或接近之前各电流中的较小者，即所述电流符合规定，所述开关随即持续按所述交流电源周期和规定导通角接通，电动机进入同步运行。
[0023]以在线检测进行控制，可降低对产品及其所带负载一致性的要求。
[0024]上述技术方案的进一步设计之一是:所述电流为电源各周期中相同规定时刻的瞬时值，且该规定时刻最好不大于所述交流电源1/8周期。转子由于其惯性通常在所述开关接通后交流电源1/8周期周期该短时间内未明显改变位置，因而保持对铁磁路饱和以至电流差异的影响，且可以有更快的响应，更好地实施定向起动控制。
[0025]上述技术方案的进一步设计之二是:所述各交流电源半波电压均为同极性。该设计有利于避免转子磁极一致性的影响。
[0026]本发明的技术方案和效果将在【具体实施方式】中结合附图作进一步的说明。
【附图说明】
[0027]图1是本发明实施例电动机电磁基本结构示意图；
[0028]图2是本发明实施例电动机控制电路示意图；
[0029]图3是本发明实施例电动机a、c起动情况信号波形示意图；
[0030]图4是本发明实施例电动机d、b起动情况信号波形示意图；
[0031]图5是本发明实施例电动机e起动情况信号波形示意图。
【具体实施方式】
[0032]本发明实施例电动机电磁基本结构如图1所示，其包括:
[0033]——定子I，主要由U形铁芯11和绕组12组成；铁芯11上方成形为包围转子2的左右二极——左极111和右极112 ;绕组12由穿入铁芯11轭部左臂、右臂各I线圈串联或并联而成；
[0034]——转子2为永磁转子，径向对称正弦波充磁为N、S 二极，插入铁芯11的左极111和右极112之间，并支撑于轴承旋转。
[0035]——电动机设定如图示逆时针(沿相反方向观察则为顺时针)旋转，左极111与转子2间的气隙的宽度自上而下呈阶梯状收窄，右极112与转子2间气隙的宽度自下而上呈阶梯状收窄，因此在图示自由状态下，转子2 二极磁通的轴线21以定子二极的水平轴线113为参照，沿逆时针方向偏转约10°。
[0036]该电动机也称为U型铁芯单相自起动永磁同步电机，可参见2005年哈尔滨工业大学付敏博士论文《U型铁芯单相自起动永磁同步电机的机理和特性分析》。
[0037]本发明实施例电动机控制电路如图2所示，主要包括:
[0038]—一双向晶闸管4，其主电极与绕组12串联后接往交流电源端子5 ;
[0039]--单片机6，其输出电路63接往双向晶闸管4的触发极41，若输出脉冲即触发晶闸管4导通，此时的交流电源半波电压即开始施加于输入绕组12直至该半波过零结束，与该电压同步和有所滞后的脉冲电流输入绕组12。
[0040]一一由电阻7和二极管8、9以及5V直流电源VDD组成的整形电路，其输入接往交流电源端子5，输出B在交流电源端子5的电压极性正半波时为I而负半波时为0，且输出B由I变为O或由O变为I的时刻即交流电源电压过零点。输出B接往单片机6的输入电路61，向其提供交流电源过零点信号。
[0041]一一绕组12经电阻13接公共地，该电阻是检测通过绕组12的电流的取样电阻；绕组12与电阻13的连接点经转换电路621接往单片机的输入电路62，用于检查在电阻13的电压降并以此确定通过绕组12的电流。转换电路621可设计为隔离钳位电路一一取样变压器初级连接被测交流电压，次级叠加一个高于被测交流电压峰值的恒定直流电压后输入单片机，经A/D转换即可确定交流电压的瞬时值。当然，也可选用含上述功能和单片机的芯片代替单片机6和转换电路621。此外，也可以电流互感器取代电阻13和取样变压器获得通过绕组12的电流的取样，可因此减少检测电路的功率消耗。
[0042]单片机6内置程序主要按照设定步骤检查输入电路61、62的电平，经测量、比较、判别，由输出电路63输出触发晶闸管4的脉冲。
[0043]本发明实施例电动机5种起动情况各信号波形如图3、图4所示:
[0044]一一51为交流电源端子5的电压波形；
[0045]—一 52为整形电路输出B的波形；
[0046]——531、532、533为相应起动情况施加于绕组12的电压的波形；
[0047]——54a?e为绕组12的电流的波形；
[0048]——551、552、553为单片机6输出电路63向晶闸管4的触发极41输出的电压脉冲波形。
[0049]本实施例交流电源频率为50Hz时的周期为20ms，内置程序包括实施如下步骤:
[0050]自交流电源电压第I个正过