专利名称：电动机、用于控制电动机的设备以及用于起动电动机的方法
技术领域：
本公开涉及电动机、用于控制电动机的设备以及用于起动电动机的方法。
背景技术：
同步电动机是可以基于从电动机控制单元施加的频率而控制其速度的电动机。通 常，同步电动机在对准同步电动机的转子之后起动。然后，通过逐渐提高控制频率来提高同 步电动机的转子速度。图10示出了用于说明对准电动机转子的方法的坐标系。参照图10，U、V以及W表示通过电动机的定子线圈的中心的轴；d表示在随电动机 的转子变化的主磁通方向上定义的轴；以及q表示在正向上与d轴形成90度电角度的轴。 N和S分别表示转子的磁体的N极和S极的位置。配置使得当在d轴方向上施加电流时，电 动机停止，而当在q轴方向上施加电流时，电动机旋转。在上面，UVW坐标系是静止坐标系， 而d_q坐标系是旋转坐标系。在上面定义的坐标系中，当期望在起动电动机之前强制对准电动机转子时，可以 施加对准电流作为在d轴方向上定义的电流矢量。例如，在d轴方向上多次施加脉冲电流矢量。负载可以施加到与电动机的旋转轴相连的对象，或者对象可以在运动中。例如，空 调的室外单元的风扇可以通过风而旋转。在这种情况下，在风扇已经在正向或反向上旋转 的状态下，起动连接到风扇的风扇驱动电动机。因此，在这种情况下，当在d轴方向上瞬间施加对准电流时，风扇会摇摆或振动。 此外，由于风扇的转动惯量，如果对准电流不相应地大，那么风扇驱动电动机的转子无法对 准初始位置。另外，由于对准电流增加，因此功耗增加。
发明内容
技术问题因此，实施例提供了一种电动机、用于控制电动机的设备以及用于起动电动机的 方法，其以如下方式设计尽管诸如强风的扰动施加到电动机，也可以稳定地起动电动机， 其中对于转子的初始对准，功耗较小，以及初始噪声及振动较小。技术方案在一个实施例中，电动机包括围绕其缠绕有线圈的定子、具有与定子间隔预定距 离的永磁体的转子、以及布置于定子处以检测转子的当前位置和当前速度的霍尔传感器， 该电动机的特征在于，电动机还包括电动机控制单元，其中，当转子最初在静止状态中时， 电动机控制单元通过矢量控制方法向线圈施加电流矢量，以便从转子的当前位置在正向上 旋转转子，而与转子的预定起动位置无关。因此，电动机可以以较小的功耗、噪声以及振动 来稳定地起动。
为了正确地检测转子的位置，霍尔传感器的数量可以至少是三个。不管转子的状 态如何，电动机控制单元都可不在预定方向上向线圈施加强制对准电流。当转子最初不在 静止状态中时，电动机控制单元可通过使用矢量控制方法改变电流矢量来将转子基本减速 到静止状态。当转子从静止状态开始旋转时，可向线圈施加阶梯式相电流。在另一实施例中，提供了一种用于控制电动机的设备，所述设备包括速度控制 器，其被配置为基于由与永磁体的磁通量方向平行的d轴和与磁通量方向垂直的q轴定义 的d_q旋转坐标系，生成d轴参考电流Id*和q轴参考电流Iq * ；电流控制器，其被配置为 基于d轴参考电流Id *和q轴参考电流Iq *，生成d轴参考电压Vd*和q轴参考电压Vq * ； 脉冲宽度调制(PWM)计算器，其被配置为基于d轴参考电压Vd*和q轴参考电压Vq*，生成 PWM信号；变流器(inverter)，其被配置为使用PWM信号来生成电流，以将电流施加到电动 机；以及速度/位置检测器，其被配置为检测电动机的转子的速度和位置，其中，当速度/位 置检测器检测到转子在静止状态中时，速度控制器输出参考电流，以使得转子在正向上开 始旋转。当转子不在静止状态中时，可通过矢量控制方法来施加可变电流矢量，以基本停 止转子，然后，可在正向上旋转转子。这里，电流矢量可至少包括d_q旋转坐标系中的q轴分量。在又一实施例中，提供了一种用于起动电动机的方法，所述方法包括检测转子的 位置和速度；以及当转子在静止状态中时，根据矢量控制方法来施加电流矢量，以便使得转 子在正向上从静止位置开始旋转。当转子的检测速度是正向或反向速度时，可将转子基本减速到静止状态，然后开 始旋转转子。不论转子是在静止状态中还是转子的速度是正向或反向速度，都可通过矢量 控制方法使转子开始旋转。不管转子的初始状态如何，都可不施加单向强制对准电流。可使用从布置于定子处的至少三个霍尔传感器输出的开/关信号的组合来检测 转子的位置。可以60度的分辨率来检测转子的位置。在下面的附图和描述中阐述一个或多个实施例的细节。根据描述和附图以及根据 权利要求，其它特征将是明显的。有利效果根据本公开，可以以较小的初始功耗、噪声以及振动来更可靠地起动电动机。
图1是示出根据实施例的电动机和用于控制电动机的设备的框图。图2是用于说明根据实施例的用于起动电动机的方法的流程图。图3示出了根据实施例的uvw静止坐标系中一相的电流波形。图4示出了针对从如下初始状态起动电动机的情况的相电流图电动机的转子在
零度位置静止。图5示出了针对从如下状态起动电动机的情况的相电流图电动机的转子的位置 最初偏离15度。
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图6示出了针对从如下状态起动电动机的情况的相电流图电动机的转子最初在 正向上以44rpm(每分钟转数)旋转。图7示出了针对从如下状态起动电动机M的情况的相电流图电动机的转子最初 在正向上以201rpm旋转。图8示出了针对从如下状态起动电动机的情况的相电流图电动机的转子最初在 反向上以57rpm旋转。图9示出了针对从如下状态起动电动机的情况的相电流图电动机的转子最初在 反向上以261rpm旋转。图10示出了用于说明对准电动机转子的方法的坐标系。
具体实施例方式现在将详细参考在附图中示出了其示例的本公开的实施例。图1是示出根据实施例的电动机M和用于控制电动机的设备的框图。参照图1，电动机控制单元40控制输入到电动机M的功率。脉冲宽度调制(PWM) 计算器51从电动机控制单元40接收uvw静止坐标系的信号，并且生成PWM信号。变流器 52接收PWM信号并且直接控制输入到电动机M的功率。电流检测器53检测从变流器52输 出的d轴当前电流Id和q轴当前电流Iq。电动机M包括围绕其缠绕有线圈的定子、以及具有用于通过与线圈的交互作用而 生成电磁力的永磁体的转子。至少一个霍尔传感器可被设置作为用于检测转子的永磁体的 位置以检测转子的位置和速度的装置。电动机控制单元40包括速度/位置检测器42、速度控制器41、电流控制器43以 及坐标变流器44。速度/位置检测器42检测电动机M的转子的速度和旋转位置。速度控 制器41比较速度/位置检测器42检测的转子的当前速度《和参考速度(0 *，并且调整由 与永磁体的通量方向平行的d轴和与永磁体的通量方向垂直的q轴定义的d-q旋转坐标系 上的电流分量(即，当前电流Id和Iq)，以便生成d轴参考电流Id*和q轴参考电流Iq*， 从而使得转子的当前速度《跟随参考速度(0 *。电流控制器43基于速度控制器41生成 的d轴参考电流Id*和q轴参考电流通过使用当前电流Id和Iq执行比例积分(PI) 操作来生成d轴参考电压Vd *和q轴参考电压Vq *。坐标变流器44用于d_q旋转坐标系 与uvw静止坐标系之间的坐标系变换。速度/位置检测器42可使用由例如安装在电动机M处(具体地，在电动机M的定 子处)的三个霍尔传感器检测到的信号来检测电动机M的转子的速度和位置。由于霍尔传 感器可以以每60度的电角度检测转子的位置，因此可以以60度电角度的分辨率来检测转 子的位置。如果霍尔传感器的数目减小，那么检测分辨率降低。虽然检测分辨率降低，电动 机M还是可以工作，但是由于分辨率降低，因此振动和噪声会增加。通过调整旋转坐标系的d轴和q轴电流来控制相电流的上述方法与用于控制电流 矢量的方向的矢量控制方法基本相同。图2是用于说明根据实施例的起动电动机的方法的流程图。参照图2，当电动机开始工作时，通过使用从霍尔传感器输出的开_关信号，以60 度的分辨率来检测电动机的转子的当前位置。可以基于从霍尔传感器输出的开-关信号的变化，检测转子的速度和旋转方向(操作S1)。例如，在顺序布置的第一到第三传感器(没有示出)当中，如果第一霍尔传感器从 开状态改变为关状态，并且第二霍尔传感器从关状态改变为开状态，那么可以确定转子旋 转了 60度的电角度。霍尔传感器的布置可以以许多方式改变，因此，可根据转子的永磁体 和霍尔传感器的布置来改变检测转子的速度和旋转方向的方法。例如，可根据永磁体和霍 尔传感器的布置，以预定顺序确定从霍尔传感器输出的开-关信号的排列状态。然而，可以 以60度电角度的分辨率来检测转子的速度和旋转方向。在使用从霍尔传感器输出的开_关信号检测转子的旋转状态和旋转方向之后，确 定转子是否旋转(操作S2)。可以基于从霍尔传感器输出的信号的变化来执行该确定。如 果确定转子旋转，那么强制使转子停止(操作S3)，并且如果确定转子不旋转，那么以斜坡 形式提高参考速度《 * (操作S4)。如果在操作S3中转子的速度接近零，那么过程转到操作S4，从而以斜坡形式提高 转子的速度。在用于使转子的速度为零的操作S3中，如果转子接近静止状态，那么过程转到操 作S4，从而以斜坡形式提高转子的速度。在电动机起动方法中，现在将参考图1中示出的电动机M和控制设备来更详细地 描述用于使转子的速度为零的操作S3。如果转子最初在静止状态中，那么通过矢量控制方 法在正向上以逐渐提高的速度旋转转子。将省略转子最初在静止状态中的情况的详细描 述。速度/位置检测器42连续估计并检测转子的当前速度《，并且将当前速度(0输 出到速度控制器41。然后，速度控制器41使用当前速度(0和参考速度(0 *来执行PI操 作。在速度控制器41中，对当前速度《执行减法，并且对参考速度《 *执行加法。也就是 说，如果转子最初在反向上旋转，那么参考速度《 *与当前速度《之间的差是正的(在用 于使转子的速度为零的该操作中，参考速度《 *可为零)，因此控制转子以使得转子的速度 在正向上提高。如果转子最初在正向旋转状态中，那么参考速度《 *与当前速度03之间的 差是负的(这里，参考速度《 *也可为零)，因此使转子减速。速度控制器41根据转子的速度和旋转方向，输出d_q旋转坐标系的d轴参考电流 Id*和q轴参考电流IcT。这里，如上面说明的那样，输出参考电流Id*和IcT以停止转子。 将参考电流Id *和Iq *输入到电流控制器43，其中将参考电流Id *和IcT与用于执行PI控 制操作的d_q旋转坐标系的当前电流Id和Iq进行比较。这里，当前电流Id和Iq是如下 电流其从变流器52输出、由电流检测器53检测并且由坐标变流器44变换。然后，电流控 制器43输出d_q旋转坐标系的参考电压Vd *和Vq *。通过坐标变流器44将从电流控制器43输出的参考电压Vd*和Vq*变换成uvw静 止坐标系的参考电压，并且将其输入到PWM计算器51。基于转子的当前角度，坐标变流器 44输出适合于转子的当前状态的uvw静止坐标系的参考电压。PWM计算器51生成与输入参考电压对应的PWM信号，并且将PWM信号输出到变流 器52，并且变流器52的晶体管(例如，六个晶体管)接通/切断输入到电动机M的功率以 操作电动机M。因此，转子的当前速度《逐渐接近参考速度《 \并且最终，转子停止。继续上述操作，直到转子的速度接近零。换句话说，根据矢量控制方法，通过控制d_q旋转坐标系的电流矢量，使转子的速度减小到零。如下所述，在当前实施例中，强制转子基本在静止状态中，特别地，即使当转子由 于任何扰动而在正向上旋转时，也强制转子在静止状态中。然后，控制转子在正向上旋转。 这里，术语转子的“基本静止状态”包括确定转子基本停止的情况。换句话说，在当前实施 例中，由于电动机控制单元40使用PI控制器操作，因此考虑PI控制器的响应特性，从而可 以确定虽然转子的速度不精确为零，但是转子基本停止。因此，只有当转子基本停止时，才 施加电流矢量以在正向上旋转转子。此后，使用相同的矢量控制方法继续控制电动机M。在以下描述中，当表达转子在静止状态中或停止时，表达的意思包括使用PI控制 器确定转子停止的情况以及通过PI控制器使转子基本停止的情况。如上所述，与在预设位置施加脉冲电流的方法不同，以如下方式执行本公开的电 动机起动方法根据转子的变化的当前位置来控制转子，以便将转子移到预定位置。因此， 虽然存在诸如强风的扰动，也可以稳定地起动电动机M，其中对于电动机M转子的初始对 准，功耗、噪声以及振动较小。现在将更详细地描述以斜坡形式提高参考速度的操作S4。图3示出了 uvw静止坐标系中一相的电流波形。在图3中，下面的电流波形是上 面的电流波形的初始部分的放大波形。参照图3，如上所述，由于设置了三个霍尔传感器，因此可以以60度的分辨率来检 测转子的位置。因此，在正向或反向上，转子的检测位置的最大检测误差是30度。类似地， 当d-q旋转坐标系的d轴置于永磁体上时，在正向或反向上最大误差是30度。当向转子施加旋转磁场时，转子开始旋转，并且在转子开始旋转之后，可连续施加 用于生成旋转磁场的电流矢量，以向转子连续提供旋转力，也就是说，可施加正向电流矢 量。如果转子的永磁体最初置于d轴上，那么可向偏离q轴+15度的位置施加初始电流矢 量。如上所述，由于第一霍尔传感器的最大检测误差是30度并且必须考虑转子最初 在正向上旋转的情况，因此根据转子的检测位置，以如下方式施加电流矢量向偏离理想位 置+15度的位置施加电流矢量。因此，例如，当d轴具有零度的角度时，可向偏离d轴+105 度的位置施加初始电流矢量。然而，本公开的电动机起动方法不限于此。例如，当d轴具有 零度的角度时，可向偏离d轴45度到165度的范围的位置施加初始电流矢量。在从45度 到165度的范围中，总是向转子施加正向转矩。参照图10可充分理解这点；为此，在图10 中，d轴必须移到零度线。此后，根据霍尔传感器以60度的频率检测到的转子位置信息，以阶梯形式改变电 流矢量的方向和幅度。参照图3，在一个周期期间生成六个电流值。在图3中，虽然由于诸如电流传感器 的检测误差的误差，在垂直方向上出现少量噪声，但是该噪声可忽略。沿着行进方向参照图 3中的电流波形，可以理解，用于强制对准的对准电流没有集中在一相上。在短暂的初始阶段之后，出现了与初始阶段具有细微差别的下一阶段。由于转子 位于下一霍尔传感器附近，因此迅速出现下一阶段。在360度的周期之后，电动机M的速度 提高，误差降低，电流矢量的形状变为正弦波形，并且电流矢量的频率逐渐提高。显然，转子 的速度与电流矢量的频率成比例提高。
在当前实施例的电动机起动方法中，基于使用霍尔传感器检测到的信息而不利用 强制对准操作，逐渐提高转子的速度(即，以斜坡形式提高转子的速度)。图4到图9示出了针对上述实施例中转子的各种初始速度和方向的检测到的相电 流曲线。现在将参照图4到9进行进一步详细说明。图4示出了针对从如下初始状态起动电动机的情况的相电流图电动机的转子在
零度位置静止。参照图4，参考标号101、102以及103分别表示起动参考曲线、速度/位置检测器 42计算的速度曲线、以及相电流曲线。当输入起动信号时，施加与由霍尔传感器检测的相 所对应的相电流，以旋转电动机的转子。例如，如果检测到转子在d轴上，那么向偏离d轴 +105度的位置施加电流矢量。此后，根据霍尔传感器检测到的转子位置信息来改变相电流。在时间T1之后，转子以略稳定的速度旋转。然后，根据速度/位置检测器42估计 的转子位置和速度信息，进一步旋转转子。图5示出了针对从如下状态起动电动机M的情况的相电流图电动机M的转子的 位置最初偏离15度。参照图5，参考标号111、112以及113分别表示起动参考曲线、速度/位置检测器 42计算的速度曲线、以及相电流曲线。除了电动机稳定旋转所需要的时间T2比图4的图的 时间T1长之外，图5的相电流图与图4的相电流图基本相同。由于转子的初始位置偏离转 子的期望初始起动位置，因此转子的初始驱动需要较长时间。图6示出了针对从如下状态起动电动机M的情况的相电流图电动机M的转子最 初在正向上以44rpm旋转。参照图6，参考标号121、122以及123分别表示起动参考曲线、速度/位置检测器 42计算的速度曲线、以及相电流曲线。除了施加初始相电流以将正向旋转的转子减速到静 止状态的事实之外，图6的相电流图与图4的相电流图基本相同。初始相电流是在反向上 施加的、用于将正向旋转的转子减速到静止状态的电流矢量。此后，与图4的情况相似，施 加正向相电流，以便在正向上旋转转子。在时间T3之后，转子以预定速度稳定地旋转。图7示出了针对从如下状态起动电动机M的情况的相电流图电动机M的转子最 初在正向上以201rpm旋转。参照图7，参考标号131、132以及133分别表示起动参考曲线、速度/位置检测器 42计算的速度曲线、以及相电流曲线。除了施加相对大的初始相电流以将正向旋转的转子 减速到静止状态的事实之外，图7的相电流图与图6的相电流图基本相同。由于转子以相 对高的速度在正向上旋转，因此需要更多能量以将转子减速到静止状态。虽然当使转子减 速时可能出现下冲(undershoot)，但是下冲不会显著影响减速操作。在时间T4之后，转子以预定速度稳定地旋转。图8示出了针对从如下状态起动电动机M的情况的相电流图电动机M的转子最 初在反向上以57rpm旋转。参照图8，参考标号141、142以及143分别表示起动参考曲线、速度/位置检测器 42计算的速度曲线、以及相电流曲线。除了施加初始相电流以将反向旋转的转子减速到静 止状态的事实之外，图8的相电流图与图4的相电流图基本相同。初始相电流是在与转子的旋转方向相反方向上施加的、用于将反向旋转的转子减速到静止状态的电流矢量。在时间T5之后，转子以预定速度稳定地旋转。图9示出了针对从如下状态起动电动机M的情况的相电流图电动机M的转子最 初在反向上以26Irpm旋转。参照图9，参考标号151、152以及153分别表示起动参考曲线、速度/位置检测器 42计算的速度曲线、以及相电流曲线。除了施加相对大的初始相电流以将反向旋转的转子 减速到静止状态的事实之外，图9的相电流图与图8的相电流图基本相同。由于转子以相 对高的速度在反向上旋转，因此需要更多能量以将转子减速到静止状态。虽然当使转子减 速时可能出现过冲(overshoot)，但是过冲不会显著影响减速操作。在时间T6之后，转子以预定速度稳定地旋转。虽然参照其多个说明性实施例描述了实施例，但是应该理解的是，可以由本领域 技术人员设计的许多其他修改和实施例将落入本公开的原理的精神和范围内。更具体地， 在本公开、附图以及所附权利要求的范围内，可以对主题组合布置的组成部分和/或布置 进行各种变化和修改。除组成部分和/或布置的变化和修改之外，对于本领域的技术人员 来说，替代使用也将是明显的。工业适用性根据本公开，可以以较小的功耗、噪声以及振动来可靠地起动电动机。此外，在电 动机在变化较大的负载条件下工作的情况下，可以稳定地操作电动机。具体地，该电动机可 适合用于空调的室外单元的风扇。
权利要求
一种电动机，包括围绕其缠绕有线圈的定子、具有与所述定子间隔预定距离的永磁体的转子以及布置于所述定子处以检测所述转子的当前位置和当前速度的霍尔传感器，其特征在于所述电动机还包括电动机控制单元，其中，当所述转子最初在静止状态中时，所述电动机控制单元通过矢量控制方法向所述线圈施加电流矢量，以便从所述转子的当前位置在正向上旋转所述转子，而与所述转子的预定起动位置无关。
2.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述霍尔传感器的数量至少是三个。
3.根据权利要求1所述的电动机，其中，当所述转子最初不在静止状态中时，所述电动 机控制单元通过矢量控制方法来将所述转子基本减速到静止状态。
4.根据权利要求1所述的电动机，其中，当所述转子从静止状态开始旋转时，向所述线 圈施加阶梯式相电流。
5.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述电动机控制单元施加电流矢量，而不在预 定方向上向所述线圈施加强制对准电流。
6.一种用于控制电动机的设备，其包括速度控制器，其被配置为基于由与永磁体的磁通量方向平行的d轴和与所述磁通量方 向垂直的q轴定义的d_q旋转坐标系，生成d轴参考电流Id *和q轴参考电流Iq * ；电流控制器，其被配置为基于所述d轴参考电流Id *和所述q轴参考电流Iq \生成d 轴参考电压Vd*和q轴参考电压Vq* ；脉冲宽度调制PWM计算器，其被配置为基于所述d轴参考电压Vd*和所述q轴参考电 压Vq*，生成PWM信号；变流器，其被配置为使用所述PWM信号来生成电流，以将所述电流施加到所述电动机；以及速度/位置检测器，其被配置为检测所述电动机的转子的速度和位置，其中，当所述速度/位置检测器检测到所述转子在静止状态中时，所述速度控制器输 出参考电流，以使得所述转子在正向上开始旋转。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，当所述转子不在静止状态中时，通过矢量控制方 法施加可变电流矢量，以基本停止所述转子，然后，使所述转子在正向上旋转。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述电流矢量至少包括所述d_q旋转坐标系中的 q轴分量。
9.一种用于起动电动机的方法，其包括检测转子的位置和速度；以及当所述转子在静止状态中时，根据矢量控制方法施加电流矢量，以便使得所述转子在 正向上从静止位置开始旋转。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，以60度的分辨率来检测所述转子的位置。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，当所述转子的检测速度是正向或反向速度时， 使所述转子基本减速到静止状态，然后使所述转子开始旋转。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，不论所述转子是在静止状态中还是所述转子 的速度是正向或反向速度，都通过所述矢量控制方法使所述转子开始旋转。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，不管所述转子的初始状态如何，都不施加单向 强制对准电流。
14.根据权利要求9所述的方法，其中，使用从布置于定子处的至少三个霍尔传感器输 出的开/关信号的组合来检测所述转子的位置。
全文摘要
当确定转子最初在静止状态中时，通过矢量控制方法向线圈施加电流矢量，以便从转子的当前位置在正向上旋转转子，而与转子的预定起动位置无关。因此，可以以较小的功耗和噪声/振动来稳定地起动电动机。
文档编号H02P1/18GK101933220SQ200880126043
公开日2010年12月29日 申请日期2008年9月24日 优先权日2008年1月31日
发明者郑志然 申请人:Lg电子株式会社