專利名稱：開關(guān)磁阻電動機的速度控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及開關(guān)磁阻電動機(SR電動機)的速度控制方法，尤其涉及采用響應(yīng)不大的負載情況即機械慣性大的負載時的SR電動機速度控制方法。
通常，SR電動機速度控制方法采用脈寬調(diào)制控制和電流控制。詳細地說，PWM控制方法以與檢測速度的檢測傳感器的輸出值相對應(yīng)的脈沖為基礎(chǔ)，通過將脈寬調(diào)制后的信號應(yīng)用到開關(guān)晶體管來控制SR電動機的運行速度，而電流控制方法通過在對開關(guān)晶體管進行切換的開關(guān)時段內(nèi)設(shè)置電流的滯后帶寬來防止過流流過電動機線圈，以及切換開關(guān)晶體管使得加到電動機線圈上的電流處于已經(jīng)設(shè)置的滯后帶寬內(nèi)。


圖1所示為三相SR電動機的總體剖視圖。如圖所示，10是轉(zhuǎn)子，20是定子，La、Lb、Lc是纏繞定子20的線圈。
圖2所示為控制圖1中SR電動機速度的控制電路的電路圖。如圖所示，控制電路包括逆變器21，逆變器21包括六個開關(guān)晶體管Q1-Q6、飛輪二極管D1-D6和與電源并聯(lián)的直流DC電容器C，檢測傳感器22檢測電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動并依據(jù)檢測結(jié)果輸出信號，速度檢測單元23從檢測傳感器22輸出的信號確定轉(zhuǎn)子的位置，從而輸出檢測脈沖信號ps，速度控制單元24將多個開關(guān)信號cs1-cs6分別輸出到逆變器21的開關(guān)晶體管Q1-Q6的門，上面的三個開關(guān)晶體管Q1-Q3通過線圈La、Lb、Lc與下面的三個開關(guān)晶體管Q4-Q6串聯(lián)。
圖3分別示出了加到開關(guān)晶體管柵極的開關(guān)信號cs1、cs4的波形圖，因此，當以PWM電壓控制方法控制三相SR電動機時，電流ia加到A-相線圈La上。速度檢測單元23由檢測傳感器22提供的信號檢測轉(zhuǎn)子10的當前位置，且只要轉(zhuǎn)子10旋轉(zhuǎn)預定角度，如60°，就將檢測脈沖信號ps1、ps2輸出到速度控制單元24。在接收檢測脈沖信號ps1時，速度控制單元24以高電平將第四開關(guān)信號cs4輸出到開關(guān)晶體管Q4，反復將高態(tài)和低態(tài)的第一開關(guān)信號cs1即脈寬調(diào)制后的信號輸出到第一開關(guān)晶體管Q1。第四開關(guān)晶體管Q4根據(jù)第四開關(guān)信號cs4保持導通狀態(tài)，而第一開關(guān)晶體管Q1根據(jù)第一開關(guān)信號cs1交替地導通和截止。在此，如圖3所示，流入A-相線圈La的電流ia的圖形為大小逐漸增加的鋸齒波形。當轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)時，以三相為例，當轉(zhuǎn)子在產(chǎn)生第二脈沖信號ps1之后旋轉(zhuǎn)60°時，速度檢測單元23將第二檢測脈沖信號ps2輸出到速度控制單元24。因此，速度控制單元24以低態(tài)輸出第一和第四開關(guān)信號cs1、cs4，由此，第一和第四開關(guān)晶體管Q1、Q4截止，流入A-相線圈La的電流開始減少，最終變?yōu)榱?。速度控制單?4以高態(tài)輸出第二和第五信號cs2、cs5，由此，電流流入B-相線圈Lb(未示出)。
在此，當增加第一開關(guān)信號cs1的脈沖占空時，有可能提高電動機的速度。然后，由于第四開關(guān)晶體管Q4導通時用于導通第一開關(guān)晶體管Q1的平均時間增加了，A-相電流ia增大的時段加長，其減小的時段縮短，使得電動機的速度增加。
當負載增加時，電動機速度的下降與負載增量成正比，因此，第一檢測脈沖信號ps1和第二檢測脈沖信號ps2之間的時段T加長了。即，機械角的時段T變?yōu)榇笥?0°。在這種情況下，第四開關(guān)晶體管Q4導通的時間加長，第一開關(guān)晶體管Q1的開關(guān)時間加長，從而A-相電流ia增加。此外，當電動機的速度由于負載的突然增加而明顯下降時，時段T突然加長，這意味著第一開關(guān)晶體管Q1的開關(guān)時段T加長，使得A-相電流ia的大小突然增加，從而有可能超過額定電流。這里，額定電流意味著超過某一電平而使電動機和逆變器遭到破壞的電流值。在這種情況下，為了防止由于過流而損壞電動機，需要提供一獨立的電流保護電路來切斷流入系統(tǒng)的過流。為了提供這種電流保護電路，需要一種復雜的電路，因此增加了系統(tǒng)的制造成本。
為了防止過流，應(yīng)用一種預先設(shè)置預定電流滯后帶寬并控制電流值不超出滯后帶寬的控制方法，這種方法稱為電流控制。
圖4所示為分別加到開關(guān)晶體管柵極的開關(guān)信號cs1、cs4的波形圖，因此，當通過電流控制控制三相SR電動機時，電流ia加到A-相線圈La上。
當產(chǎn)生第一檢測脈沖信號ps1時，速度控制單元24以高態(tài)輸出第一和第四開關(guān)信號cs1、cs4，因此A-相電流ia增加。當A-相電流ia的值增加到超過電流滯后帶時，速度控制單元24使第一開關(guān)晶體管Q1截止，從而A-相電流ia開始減小。當A-相電流ia的值減小到低于電流滯后帶寬時，速度控制單元24使第一開關(guān)晶體管導通。這一過程連續(xù)不斷地重復執(zhí)行，直至產(chǎn)生第二檢測脈沖信號ps2。這樣，A-相電流ia不超過滯后帶寬，從而防止過流流入A-相線圈La。
在PWM控制系統(tǒng)和電流控制系統(tǒng)中，開關(guān)頻率為約15-20kHz的射頻，從而防止切換開關(guān)晶體管時產(chǎn)生噪音。但是，為了實現(xiàn)高速切換，需要昂貴的功率開關(guān)設(shè)備，例如集成門雙極型晶體管(IGBT)或場效應(yīng)晶體管(FET)，并且，由于高速切換，所以開關(guān)損耗是不可避免的。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種SR電動機的速度控制方法，該方法克服了現(xiàn)有技術(shù)中的問題和缺陷。
本發(fā)明的目的是提供一種SR電動機的速度控制方法，該方法利用廉價的常規(guī)開關(guān)設(shè)備控制SR電動機而無須采用高速功率開關(guān)設(shè)備。
本發(fā)明的另一目的是提供一種SR電動機的速度控制方法，當以穩(wěn)態(tài)驅(qū)動SR電動機時，該方法在相應(yīng)的開關(guān)時段內(nèi)在預先設(shè)置的預定時間切換特定的開關(guān)晶體管。
為了根據(jù)本發(fā)明的目的獲得這些以及其他優(yōu)點，如概要和概括所描述的，提供了一種SR電動機的速度控制方法，該方法在起動電動機后執(zhí)行PWM以加速以及處于穩(wěn)態(tài)時在預定時間切換逆變器晶體管，從而不管電動機負載如何變化，都有規(guī)則地固定電流流過電動機線圈的時間。
應(yīng)注意，根據(jù)本發(fā)明的SR電動機的速度控制方法僅限于具有大機械慣性的SR電動機的負載，即其響應(yīng)相對不大的負載情況，原因是如果機械慣性小，由于電動機的速度是可變的，所以用保持固定時間導通狀態(tài)的方法準確控制電動機的速度是很困難的。
為了進一步理解本發(fā)明并且作為組成本說明書的一部分，附圖示出了本發(fā)明的實施例，結(jié)合說明書有助于解釋本發(fā)明的原理。
附圖中圖1是三相SR電動機的總體剖視圖；圖2是控制圖1中三相SR電動機速度的電路的電路圖；圖3是以PWM電壓控制方法控制圖1中三相SR電動機時，每個設(shè)備輸出的信號波形的波形圖和流入線圈的電流波形的波形圖；圖4是以電流控制方法控制圖1中三相SR電動機時，每個設(shè)備輸出的信號波形的波形圖和流入線圈的電流波形的波形圖5是根據(jù)本發(fā)明一實施例的SR電動機速度控制方法的流程圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明一實施例的SR電動機速度控制模式的曲線；圖7A至7C是以靜態(tài)控制方法(dwell control method)控制圖1中三相SR電動機時，加到開關(guān)晶體管門的開關(guān)信號波形的波形圖。
現(xiàn)在參考附圖中所示的例子來詳細描述本發(fā)明的最佳實施例。
因為實現(xiàn)本發(fā)明SR電動機速度控制方法的電路與圖2所示的現(xiàn)有技術(shù)中的電路結(jié)構(gòu)相同，所以其描述從略。
圖5所示為根據(jù)本發(fā)明一最佳實施例的SR電動機的速度控制方法的流程圖。
如圖中所示，電動機起動后，執(zhí)行PWM控制(S101)，在電動機速度突然增加的瞬態(tài)過程中連續(xù)執(zhí)行PWM控制。
當以脈寬調(diào)制(PWM)控制電動機時，速度檢測單元23根據(jù)從檢測傳感器22輸出的信號輸出檢測脈中信號ps，速度控制單元24根據(jù)檢測信號ps確定電動機的速度是否大于預先設(shè)置的參考速度，以便將電動機速度分為過態(tài)和穩(wěn)態(tài)(S102)。當不滿足步驟S102的條件時，確定電動機處于過態(tài)，從而連續(xù)執(zhí)行PWM，逐漸增加開關(guān)信號的脈沖占空，使電動機速度逐漸增加。在步驟S102中，當確定了逐漸增加的電動機速度保持正常速度時，即當確定了電動機處于穩(wěn)態(tài)時，速度控制單元24暫停執(zhí)行PWM控制。
圖6所示為根據(jù)本發(fā)明實施例的SR電動機的速度控制模式曲線。如圖中所示，第一時段T1表明過態(tài)，在過態(tài)過程中，電動機的速度在起動電動機后迅速增加，第二時段T2表明過態(tài)之后電動機速度變得相對均勻的穩(wěn)態(tài)。具體地說，在穩(wěn)態(tài)T2中，速度控制單元24控制電動機的速度，使得逆變器的開關(guān)晶體管cs1-cs6中上面的三個開關(guān)晶體管cs1-cs3順序地保持預定時間的導通狀態(tài)(S103，S104)。下面將詳細描述步驟S103、S104。
步驟S103，S104的操作(為便于解釋稱之為靜態(tài)控制)與開關(guān)信號切換到高頻相反。換言之，當執(zhí)行PWM時，在圖3所示的時段T中，開關(guān)信號cs1切換到高射頻，例如10kHz至20 kHz，同時在靜態(tài)控制下，開關(guān)信號cs1保持預定時間的導通狀態(tài)。這里，開關(guān)信號cs4也保持同樣適用于PWM控制方法的導通狀態(tài)。
圖7A至7C所示波形圖是當以靜態(tài)控制方法控制圖1中的三相SR電動機時，應(yīng)用于開關(guān)晶體管的柵極Q1-Q3的開關(guān)信號cs1-cs3的波形圖。下面的另三個開關(guān)晶體管cs4-cs6在上面分別與它們串聯(lián)的三個開關(guān)晶體管cs1-cs3導通的時段內(nèi)保持導通狀態(tài)。這種操作與現(xiàn)有技術(shù)相同。
具體地說，圖7A至7C分別示出了電動機以低速、中速和高速運行時的開關(guān)信號cs1、cs2、cs3的圖形。圖7A所示低速時開關(guān)信號cs1的脈沖寬度Tona短于圖7B所示的其中速時的脈沖寬度Tonb，圖7C所示中速時開關(guān)信號cs1的脈沖寬度Tonc長于其中速時的脈沖寬度Tonb。其他開關(guān)信號cs2、cs3同樣適用。開關(guān)信號的每個脈沖寬度Tona、Tonb、Tonc的長度涉及時間概念，且隨著脈沖寬度Tona、Tonb、Tonc即導通時間的增加，因此電流流過相應(yīng)線圈La、Lb、Lc的時間增加，從而轉(zhuǎn)子10的轉(zhuǎn)動更快了。
在速度控制單元24中，與電動機期望的轉(zhuǎn)動速度相對應(yīng)的開關(guān)信號的脈沖寬度Tona、Tonb、Tonc，即開關(guān)信號的導通時間Tona、Tonb、Tonc以表格形式存儲起來。
當在步驟S102確定電動機處于穩(wěn)態(tài)時，速度控制單元24暫停執(zhí)行PWM，從檢測脈沖信號ps確定當前電動機速度，根據(jù)電動機當前速度和期望的控制速度確定開關(guān)信號cs1-cs3的脈沖寬度Tona、Tonb、Tonc(S103)，然后將具有脈沖寬度Tona、Tonb、Tonc的開關(guān)信號cs1-cs3分別應(yīng)用到開關(guān)晶體管Q1-Q3(S104)。
例如，速度控制單元24根據(jù)第一檢測脈沖信號ps1的輸入輸出脈沖寬度為Tona的開關(guān)信號cs1，且輸出脈沖寬度為T的開關(guān)信號cs4。因此，在接通時間Tona區(qū)間內(nèi)導通開關(guān)晶體管Q1，通過A-相線圈將開關(guān)晶體管Q4與開關(guān)晶體管Q1串聯(lián)，從而電流在接通時間Tona流入A-相線圈La。當接通時間過去時，流過A-相線圈La的電流開始減小。
在輸入第一檢測脈沖信號ps1之后，當預定時間T已經(jīng)過去時，輸入第二檢測脈沖信號ps2，速度控制單元24輸出脈沖寬度為Tona的開關(guān)信號cs2和脈沖寬度為時間T的開關(guān)信號cs5，使得電流在接通時間Tona期間流過B-相線圈Lb。因此，可以通過重復執(zhí)行上述過程控制電動機。
當電動機的速度由于負載突然增加而快速下降時，圖7a、7b和7c所示的時段T增加，開關(guān)信號cs3-cs6的導通時段T也加長，從而，下面的三個開關(guān)晶體管Q4-Q6的導通時間也因此加長。
由于開關(guān)信號cs1-cs3的接通時間Tona已經(jīng)確定，所以即使負載突然增加，上面三個開關(guān)晶體管Q1-Q3的接通時間也不會改變。因此，由于流入每相線圈La、Lb、Lc的電流量不變，所以盡管電動機速度由于負載突然增加而突然下降，也不會有過流流入電動機線圈和開關(guān)設(shè)備，從而使保護操作能防止燒毀電動機線圈和開關(guān)設(shè)備。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的SR電動機速度控制方法預先設(shè)置開關(guān)信號的接通時間，使得即使電動機負載突然增加時也總是提供均勻的電流。因此，優(yōu)點就在于甚至在電動機負載突然增加時也不損壞電動機。
同時，當由于過載而削弱了電動機的速度控制時，為電動機加電的時段減小，這導致了加到電動機的電源量降低。此外，當速度降低時，速度控制單元24不輸出開關(guān)信號cs1-cs6，從而暫停執(zhí)行電動機的驅(qū)動(S105)?？梢愿鶕?jù)電動機的說明書來確定過載。
根據(jù)本發(fā)明，為便于解釋，所做說明考慮到開關(guān)信號cs1-cs3中的每一個包括在預定時間Tona期間以時段T導通的單個脈沖，直到在輸出第一檢測脈沖信號ps1之后輸出第二檢測脈沖信號ps2，但它與在預定時間Tona期間開關(guān)信號cs1-cs3中的每一個開關(guān)信號由多少脈沖組成無關(guān)，而是關(guān)系到預先設(shè)置預定時間Tona和通過預定時間Tona設(shè)置脈沖輸出時間。在預定時間Tona內(nèi)接通的開關(guān)脈沖的數(shù)量涉及電動機轉(zhuǎn)矩的模式，以便當根據(jù)負載類型確定適當?shù)霓D(zhuǎn)矩模式時，可以根據(jù)確定的轉(zhuǎn)矩模式確定開關(guān)脈沖的數(shù)量。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的SR電動機速度控制方法在電動機處于過態(tài)時應(yīng)用PWM而處于穩(wěn)態(tài)時應(yīng)用靜態(tài)控制，從而在過態(tài)和穩(wěn)態(tài)過程中，與現(xiàn)有技術(shù)中應(yīng)用的PWM相比，開關(guān)晶體管的開關(guān)頻率顯著降低，從而能采用普通的開關(guān)設(shè)備而無須使用昂貴的功率開關(guān)設(shè)備。再者，由于流過電動機線圈上的電流不突然增加，因此不需要獨立的電流保護電路。此外，通過根據(jù)本發(fā)明開關(guān)頻率降低減小了開關(guān)松動，從而提高了電動機系統(tǒng)的效率，并且由于有可能預期負載中電動機相對于時間的旋轉(zhuǎn)角，所述負載與以正常速度長時間運行的風扇相同，根據(jù)本發(fā)明的SR電動機的速度控制方法變得更為有用。
顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明主題和范圍的情況下對本發(fā)明的SR電動機的速度控制方法作出修改和變形。因此，本發(fā)明將其修改和變形限制在權(quán)利要求及其等同物的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種使用大機械慣性負載的SR電動機的速度控制方法，所述SR電動機的速度控制方法包括的步驟有以PWM運行電動機且增加電動機的速度；檢查電動機的速度，從而確定電動機是否處于穩(wěn)態(tài)；以及當電動機處于穩(wěn)態(tài)或閉合時在預先設(shè)置的時間切換逆變器開關(guān)晶體管，從而不管電動機負載如何變化，不變地固定電流流過電動機線圈的時間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，通過將電動機的當前速度與預先設(shè)置的參考速度相比較來確定電動機的穩(wěn)態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，預先設(shè)置的時間由期望的電動機速度來確定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，開關(guān)晶體管在預先設(shè)置的時間至少開關(guān)一次。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括當電動機過載時暫時停止驅(qū)動電動機，這樣電動機的速度變?yōu)榈陀陬A先設(shè)置的速度，從而電動機在沒有電流傳感器的情況下具有對過載和穩(wěn)定性。
6.一種使用大機械慣性負載的SR電動機的速度控制方法，它包括檢測傳感器，用于檢測電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動；速度檢測單元，用于根據(jù)檢測傳感器提供的信號確定轉(zhuǎn)子的位置和根據(jù)確定結(jié)果輸出檢測脈沖信號；以及速度控制單元，用于分別向多個逆變器開關(guān)晶體管輸出開關(guān)信號， SR電動機的速度控制方法包括的步驟有以PWM運行電動機且增加電動機的速度；檢查電動機的速度，從而確定電動機是否處于穩(wěn)態(tài)；以及當確定電動機處于穩(wěn)態(tài)時，在輸入檢測脈沖信號之后向其中一個開關(guān)晶體管輸出通態(tài)開關(guān)信號，并向與上述開關(guān)晶體管串聯(lián)的另一對應(yīng)的開關(guān)晶體管輸出在預先設(shè)置的預定時間保持通態(tài)的開關(guān)信號，從而均勻地固定電流流過與兩個開關(guān)晶體管連接的電動機線圈的時間。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，通過將電動機的當前速度與預先設(shè)置的參考速度相比較來確定電動機的穩(wěn)態(tài)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，預先設(shè)置的時間由期望的電動機速度來確定。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，另一對應(yīng)的開關(guān)晶體管在預先設(shè)置的時間至少開關(guān)一次。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，還包括當電動機過載時暫時停止驅(qū)動電動機，這樣電動機的速度變?yōu)榈陀陬A先設(shè)置的速度，從而電動機在沒有電流傳感器的情況下具有對過載的穩(wěn)定性。
全文摘要
一種在加速狀態(tài)執(zhí)行PWM的使用大機械慣性負載的SR電動機的速度控制方法,其中,在其速度變成勻速的穩(wěn)態(tài)過程中,電動機的速度突然改變且在預定時間切換逆變器晶體管,從而有規(guī)則地固定電流流入與開關(guān)晶體管相連接的電動機線圈的時間。
文檔編號H02P25/02GK1262553SQ99123370
公開日2000年8月9日 申請日期1999年10月26日 優(yōu)先權(quán)日1999年2月1日
發(fā)明者林俊榮 申請人:Lg電子株式會社