專利名稱：控制電動機和電氣設(shè)備的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及電動機控制領(lǐng)域，更具體地涉及到控制電動機，特別是控制交流電動機和帶有此類電動機的電氣設(shè)備的方法。
控制可變速交流感應(yīng)電動機的常規(guī)技術(shù)是利用電動機的電壓-頻率特性。在這種常規(guī)技術(shù)中利用了

圖1中所示的圖形。圖中的橫軸表示電動機轉(zhuǎn)子的頻率fST，縱軸表示加于電動機定子繞組上的電壓V。圖1所示的頻率-電壓曲線僅適用于電動機的正常負荷。這類圖通常是由電動機的制造廠家所提供的。它既可以通過測量特性得到，也可以近似地通過計算得到。頻率-電壓曲線1上的所謂基本點B表示在正常負荷下電動機運行的最佳條件。
參考圖2較為詳細地說明圖1所示的頻率-電壓曲線是如何應(yīng)用于現(xiàn)有技術(shù)的電動機控制的。
圖2所示為有定子21和轉(zhuǎn)子22的交流感應(yīng)電動機20。電動機20是由微控制器24控制。
定子21的繞組連接到接在直流供電電壓U上的逆變器26上。微控制器24通過6條線路32連接于逆變器26。6條線路32由3對雙線組成。每一對線分配給電動機20的三相電壓中的一相，在圖2中由三條供電線路27，29和31表示。通過線路32中的每一對線，在逆變器26上加以適當(dāng)?shù)拈_關(guān)信號來控制一相的電壓。通過屬于微控制器24的脈沖寬度調(diào)制單元33產(chǎn)生開關(guān)信號。
微控制器24通過線路34接受輸入信號，它表示電動機22所希望的旋轉(zhuǎn)頻率fdes。通過輸入線路36，微控制器24接收表示電動機22實際旋轉(zhuǎn)速度的速度信號。連接到電動機20及輸入線路36上的測速發(fā)電機38提供這一速度信號。
輸入線路34和36連接到電路40上，它使輸入信號fdes和速度信號相減。
電路40的輸出連接到濾波器42上，這一濾波器通常為比例-積分型或比例-積分-微分型濾濾器，用于平滑動機控制系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)。
濾波器42的輸出經(jīng)過線路43和44分別連接到邏輯電路45和脈沖寬度調(diào)制單元33上。濾波器42傳遞的信號代表所希望的定子頻率fST，并應(yīng)用于脈沖寬度調(diào)制單元33中，產(chǎn)生具有正確頻率的適當(dāng)開關(guān)信號序列，使得出現(xiàn)在供電線路27，29，31上的相電壓各自負擔(dān)了使得電動機20的定子繞組有所希望的定子頻率fST的相電壓。
需要有邏輯電路45來確定相電壓所要求的幅值。參考圖1中所示的圖形來確定相電壓幅值。通常是利用一張查閱表，將這類圖形儲存在邏輯電路45中。這樣一來，便可以確定對應(yīng)于所希望的定子頻率fST所要求的定子電壓或相電壓。
所希望的定子電壓VST由線路46傳遞到脈沖寬度調(diào)制單元33。在脈沖寬度調(diào)制單元33內(nèi)，確定逆變器26的控制工作周期，它對應(yīng)于產(chǎn)生供電線路27，29和31所希望的定子電壓VST。。
這一電動機控制的現(xiàn)有技術(shù)的缺點在于使用了圖1所示的固定型頻率電壓曲線，這條曲線僅僅在正常負荷情況下是最優(yōu)的。當(dāng)負荷非正常時，會降低電動機的效率如果電動機過負荷，電動機的滑差較大，會造成較大的損耗。另一方面，如果負荷小于正常值，電動機便是過激的，它意味著滑差低，但定子電流高，所以損耗仍然高。因而需要改進電動機控制的方法和設(shè)備。
因此，本發(fā)明的重點問題是提供一種改進控制電動機的方法，并且改進包括這類電動機的電氣設(shè)備。
本發(fā)明的問題基本上是通過應(yīng)用獨立權(quán)利要求中所述的特征來解決的。在從屬權(quán)利要求中給出了本發(fā)明的進一步最佳實施例。
本發(fā)明的優(yōu)點特別在于它不但在正常負荷下，而且在大范圍的不同負荷下，提供了高效率的電動機控制。它最好是通過控制電動機來完成，不論負荷情況如何，電動機均能運行在最佳滑差頻率下。其結(jié)果是電動機在寬的負荷范圍內(nèi)有最佳效率，因為最佳滑差頻率是一個固定的電動機特性，它即不取決于施加于定子繞組的頻率，又不取決于實際負荷。
將帶有根據(jù)本發(fā)明的控制方法的控制電路的電動機安裝到電氣設(shè)備中是有好處的，由于優(yōu)良的電動機性能使電氣設(shè)備的總效率得到提高。由于根據(jù)本發(fā)明的電動機控制器可以用低成本來實現(xiàn)，本發(fā)明的一個特別應(yīng)用領(lǐng)域是用于高價值的生活產(chǎn)品，諸如洗碗機，洗衣機或者汽車的動力轉(zhuǎn)向裝置。
圖1所示為電動機的頻率-電壓曲線圖；圖2所示為現(xiàn)有電動機控制系統(tǒng)的方塊圖；圖3所示為電動機滑差和電動機效率之間的相互關(guān)系；圖4所示為本發(fā)明的電氣設(shè)備最佳實施例的方塊圖；圖5所示為本發(fā)明方法實施例的流程圖。
圖3所示為電動機的典型滑差-效率曲線2。圖3所示圖形的橫軸為滑差S，它是出現(xiàn)在定子繞組上的電動機電壓頻率與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率之間的頻率差。圖3所示圖形的縱軸為效率E。效率E表示加在電動機上的電能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子機械運動的百分數(shù)。當(dāng)電動機運行于它的最佳滑差頻率Sopt時，效率E達到它的最大值EMAX。
現(xiàn)在參考圖4，對應(yīng)于本發(fā)明的一個實施例詳細說明電動機是如何根據(jù)本發(fā)明來控制的，使它能在寬的負荷范圍內(nèi)運行在它的最佳滑差頻率下。
圖4的電氣設(shè)備55帶有電動機20。以下將采用相同的參考標(biāo)號表示圖2和圖4中的相同元件。
如同參考圖2的說明，電動機20從由脈沖寬度調(diào)制單元33所控制的逆變器26供電。
電氣設(shè)備55進而包括有一個微控制器50。微控制器50通過線路34接受到表示電動機20的轉(zhuǎn)子22所希望的旋轉(zhuǎn)頻率的輸入信號。微控制器50也接受到表示轉(zhuǎn)子22實際旋轉(zhuǎn)頻率的信號，這一信號是由測速度電動機38所產(chǎn)生，通過電路40，從通過輸入線路34所接受的輸入信號中減去。如同現(xiàn)有技術(shù)，由電路40輸出的差信號由濾波器42濾波。所得到的信號表示了所希望的定子電壓VST的幅值。
不采用圖1所示的頻率-電壓型曲線來產(chǎn)生表示所希望的定子頻率fST的信號。取而代之的是利用電路41，將輸入線路34上的信號與由存儲器52送來的表示電動機20最佳滑差頻率Sopt的信號相加。典型的滑差頻率是4Hz。
存儲器52可以是能夠貯存最佳滑差頻率Sopt值的任何類型的存儲元件。
最佳滑差頻率Sopt與轉(zhuǎn)子22所希望的旋轉(zhuǎn)頻率相加的結(jié)果是一個信號，它表示了用于電動機20最佳運行的定子21的定子繞組所希望的定子頻率，該信號通過線路56供給脈沖寬度調(diào)制單元33。在該輸入的基礎(chǔ)上，脈沖寬度調(diào)制單元33確定控制逆變器26的切換頻率。結(jié)果，電動機20的定子頻率為轉(zhuǎn)子22所希望的旋轉(zhuǎn)頻率加上最佳滑差頻率Sopt。
其優(yōu)點是不論負荷條件如何，最佳滑差頻率Sopt總是加到轉(zhuǎn)子22所希望的旋轉(zhuǎn)頻率上，這樣一來，可以控制電動機20以最佳滑差，或者換言之以與負荷無關(guān)的最佳效率運行。
圖5所示為根據(jù)本發(fā)明方法的一個實施例。在步驟60中，將電動機的最佳滑差頻率Sopt與表示轉(zhuǎn)子所希望的旋轉(zhuǎn)頻率的輸入值相加，來確定所希望的定子電壓頻率。對應(yīng)于圖4所示的實施例，它由電路41執(zhí)行，將出現(xiàn)在輸入線路34上的輸入信號與存貯器52中表示最佳滑差頻率Sopt的信號相加。
在步驟62中，確定轉(zhuǎn)子的實際旋轉(zhuǎn)頻率。
仍然參考圖4，它由測速發(fā)電機38測量旋轉(zhuǎn)頻率完成。也可以利用其它測量技術(shù)，或者從可以測量的電動機的其它電氣或物理特性推導(dǎo)出旋轉(zhuǎn)頻率。
在步驟64中，利用定子電壓控制參數(shù)確定定子電壓的幅值，或者換言之定子電壓的幅度。從所希望的旋轉(zhuǎn)頻率減去轉(zhuǎn)子實際旋轉(zhuǎn)頻率來確定定子電壓控制參數(shù)。所得到的表示定子電壓控制參數(shù)的差信號被濾波，以確定定子電壓幅值。合適的濾波器是比例-積分或比例-積分-微分型濾波器。
參考圖4，由電路40確定定子電壓控制參數(shù)，由濾波器42對電路40的輸出信號進行濾波，確定所得到的定子電壓幅值。
在步驟66中，具有在步驟60中確定的所希望定子電壓頻率和在步驟64中確定的所希望定子電壓幅值的定子電壓供給電動機。
權(quán)利要求
1.一種控制帶有轉(zhuǎn)子的電動機的方法，該方法的特征在于以下步驟a).將所述電動機的最佳滑差頻率與所述轉(zhuǎn)子的所希望的旋轉(zhuǎn)頻率相加，以確定定子電壓頻率；b).確定所述轉(zhuǎn)子的實際旋轉(zhuǎn)頻率；c).利用定子電壓控制參數(shù)確定定子電壓幅值，所述希望的旋轉(zhuǎn)頻率減去所述實際旋轉(zhuǎn)頻率來確定所述定子電壓控制參數(shù)；以及d).以具有所述定子電壓頻率和所述定子電壓幅值的定子電壓向所述電動機供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述確定定子電壓幅值的步驟包括將所述定子電壓控制參數(shù)濾波的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，所述濾波步驟的特征在于所述定子電壓控制參數(shù)的比例-積分或比例-積分-微分濾波。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述定子電壓向所述電動機供電的步驟的特征在于根據(jù)所述定子電壓頻率和所述定子電壓幅值，控制所述電動機的脈沖寬度調(diào)制單元。
5.一種包括電動機和電動機控制裝置的電氣設(shè)備，所述電動機控制裝置的特征在于a).將所述電動機的最佳滑差頻率和所述轉(zhuǎn)子的所希望旋轉(zhuǎn)頻率相加以確定定子電壓頻率的裝置；b).確定所述轉(zhuǎn)子的實際旋轉(zhuǎn)頻率的裝置；c).利用定子電壓控制參數(shù)確定定子電壓幅值的裝置，從所述希望的旋轉(zhuǎn)頻率減去所述實際旋轉(zhuǎn)頻率確定所述定子電壓控制參數(shù)；以及d).以具有所述定子電壓頻率和所述定子電壓幅值的定子電壓向所述電動機供電的裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電氣設(shè)備，用以確定定子電壓幅值的所述裝置的特征在于將所述定子電壓控制參數(shù)濾波的裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電氣設(shè)備，所述濾波裝置的特征在于所述定子電壓控制參數(shù)的比例-積分或比例-積分-微分濾波裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電氣設(shè)備，將定子電壓向所述電動機供電的所述裝置的特征在于根據(jù)所述定子電壓頻率和所述定子電壓幅值，控制所述電動機的脈沖寬度調(diào)制單元的裝置。
9.具有執(zhí)行控制方法的控制裝置的電動機，所述控制方法的特征在于以下步驟a).將所述電動機的最佳滑差頻率與所述轉(zhuǎn)子所希望旋轉(zhuǎn)頻率相加，確定定子電壓頻率；b).確定所述轉(zhuǎn)子的實際旋轉(zhuǎn)頻率；c).利用定子電壓控制參數(shù)確定定子電壓幅值，從所述希望的旋轉(zhuǎn)頻率減去所述實際旋轉(zhuǎn)頻率，確定所述定子電壓控制參數(shù)；以及d).以具有所述定子電壓頻率和所述定子電壓幅值的定子電壓向所述電動機供電。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電動機，所述確定定子電壓幅值的步驟的特征在于對所述定子電壓控制參數(shù)濾波的步驟。
全文摘要
一種控制電動機的方法,其中將電動機的最佳滑差頻率與轉(zhuǎn)子所希望的旋轉(zhuǎn)頻率相加以確定電動機定子電壓頻率。將實際旋轉(zhuǎn)頻率與轉(zhuǎn)子所希望的旋轉(zhuǎn)頻率相減確定定子電壓幅值。所希望的定子電壓頻率和幅值輸入到脈沖寬度調(diào)制單元,去控制逆變器,以適當(dāng)?shù)碾妷合螂妱訖C供電。有最佳滑差的電動機運行的優(yōu)點在于不論負荷大小,均有最佳效率。
文檔編號H02P27/06GK1179029SQ9711952
公開日1998年4月15日 申請日期1997年9月22日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月23日
發(fā)明者拉蒂姆·威辛卡 申請人:摩托羅拉公司