專利名稱：電動機控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及至少包括三個定子繞組的電動機的領(lǐng)域，更具體地，涉及這種電動機的控制裝置，它包括用于檢測轉(zhuǎn)子瞬時角位置的檢測裝置。
在本說明書中我們將“無刷電動機”或“無換向器電動機”定義為一種包括一個設(shè)有永磁鐵的運動部分(或“轉(zhuǎn)子”)及一個至少設(shè)有三個固定極性的繞組的固定部分(或“定子”)的直流電動機。在電動機包括三個定子繞組的情況下，這些定子繞組被布置成彼此位移120°。這種類型的電動機具有其優(yōu)點，譬如可在一個高壓釜中被消毒，這與有刷電動機相反，后者的碳刷在消毒過程中將受損。于是，消毒問題變?yōu)槭滓P(guān)注，尤其在需要最佳衛(wèi)生保健的領(lǐng)域中，如醫(yī)療器械的領(lǐng)域中。


圖1概要地表示一個設(shè)有三個定子繞組2至4的無刷電動機，該電動機受一個傳統(tǒng)電壓發(fā)生器5的控制。為此，每個繞組2至4包括一個連接端子。標記2a，3a及4a分別表示繞組2，3及4的三個連接端子。發(fā)生器5包括三個分別與端子2a，3a及4a相連接的連接端子5a，5b及5c，并設(shè)置來用于通過端子5a至5c分別對三個繞組2至4提供三個電壓Ua至Uc，通過這些電壓實現(xiàn)對電動機的控制。
圖2表示當圖1中電動機被控制時的電壓Ua至Uc的三個時序圖10至12。應指出，這三個電壓的組合構(gòu)成由周期性方波形成的三相系統(tǒng)，這些信號具有以A表示的相同幅值及以T表示的相同周期，并彼此相移T/3。在圖2中，標記t0表示任一起始瞬間。
當圖2中電壓Ua至Uc施加在圖1的各繞組2至4上時，這些繞組將根據(jù)六種不同狀態(tài)被極化。第一狀態(tài)相應于時刻t0至t0+T/6之間的時間間隔，在此期間電壓Ua，Ub及Uc的值分別為A，0及A。第二狀態(tài)相應于時刻t0+T/6至t0+2T/6之間的時間間隔，并以此類推。這樣極化的結(jié)果是產(chǎn)生能使電動機轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)磁場，其轉(zhuǎn)子的永磁鐵被設(shè)置得很靠近繞組2至4。應提醒，其轉(zhuǎn)速倚賴于電壓Ua至Uc的幅值。作為例子，當電壓幅值A(chǔ)在0及24V之間變化時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速將在0及40.000轉(zhuǎn)/分鐘之間變化。與周期T相對應的頻率F0在1及667Hz之間。
該類型控制所遇到的一個問題是必須檢測轉(zhuǎn)子的瞬時角位置。事實上，為了使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到所需角位置，必須檢測在對定子繞組施加控制電壓時刻的轉(zhuǎn)子角位置，以使得所施加的電壓值在氣隙中產(chǎn)生可使轉(zhuǎn)子從這樣檢測的角位置轉(zhuǎn)動到所需角位置。
對于檢測轉(zhuǎn)子角位置問題的第一傳統(tǒng)解決方案是對電動機設(shè)置一個編碼裝置，該編碼裝置連接在轉(zhuǎn)子上并控制施加于定子繞組的電壓的轉(zhuǎn)換。例如，通常使用無觸點電子傳感器來檢測轉(zhuǎn)子角位置，所述編碼裝置包括一個與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的磁鐵及固定在定子上并位于該磁鐵磁場中的多個霍爾效應元件或傳感器，以便在磁場反向時進行轉(zhuǎn)換。應提醒，一個霍爾元件的設(shè)置可檢測附近磁場的變化。
這樣一種方案具有一些缺點。尤其是，霍爾效應元件相對昂貴，及它安裝在電動機附近使電動機尺寸增加。此外，除三根電動機電源線外，還要使用兩根霍爾元件電源線及三根用于采集由后者提供的信息的導線。不言而諭，設(shè)有八根導線的裝置將與操作性能、消毒、重量、強度及成本方面的制約相違背，這些制約在工業(yè)上、尤其在醫(yī)療器械領(lǐng)域是慣用的。
對于檢測轉(zhuǎn)子角位置問題的第二傳統(tǒng)解決方案在于測量正比于電動機轉(zhuǎn)速的反電動勢，由此它可提供關(guān)于轉(zhuǎn)子位移并亦關(guān)于轉(zhuǎn)子速度的信息。
這種方案的一個缺點是，它不能直接地檢測轉(zhuǎn)子的角位置。
該方案的另一缺點在于，該反電勢隨轉(zhuǎn)子速度一起下降，這使測量變得困難。
該方案的又一缺點在于，轉(zhuǎn)子瞬時位置的檢測干擾了電動機的正常工作。事實上，反電勢的測量不能與電動機控制電壓的供給同時地進行。于是，在每次測量反電勢時電動機的工作被中止。
因此可以看到，現(xiàn)有技術(shù)中用于解決上述問題的所有這些方案不能滿足一方面檢測轉(zhuǎn)子瞬時角位置，另一方面響應特殊應用領(lǐng)域、如在牙科器械中對于無刷電動機控制所提出的制約或要求。作為另一例子，在機器人應用領(lǐng)域中傳統(tǒng)的方案不能使轉(zhuǎn)子在使用少量引線的情況下足夠精確地被控制轉(zhuǎn)動一預定角度。
本發(fā)明的一個目的是提供一種能與無刷電動機連接的控制裝置，該裝置克服了上述問題，尤其是，能檢測電動機轉(zhuǎn)子的瞬時角位置。
本發(fā)明的另一目的是提供一種能以最少量連接導線與無刷電動機連接的控制裝置，以便能響應操作性能、重量及成本方面的制約，這些制約是工業(yè)上、尤其在醫(yī)療器械領(lǐng)域中慣用的。
本發(fā)明的又一目的是提供一種能與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速無關(guān)地、甚至當轉(zhuǎn)子停止時檢測轉(zhuǎn)子瞬時角位置的控制裝置。
本發(fā)明的又一目的是提供一種能檢測轉(zhuǎn)子瞬時角位置而不干擾電動機正常工作的控制裝置。
本發(fā)明的又一目的是提供一種控制裝置，它能響應消毒及堅固耐用性方面的制約，尤其可應用于醫(yī)療器械領(lǐng)域。
這些目的將通過根據(jù)權(quán)利要求1的控制裝置來實現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明，該裝置包括一個檢測裝置，它能有利地至少提供兩個相應頻率測量信號，它們一起代表轉(zhuǎn)子的角位置，及這些信號的提供與電動機正常工作無關(guān)，尤其是通過電源裝置來控制電動機。
該檢測裝置的另一優(yōu)點在于，它們被連接在使電動機與電源相連接的電源線上，為檢測轉(zhuǎn)子角位置在電動機及該檢測裝置之間無需附加的連接。其結(jié)果是，裝有這種檢測裝置的電動機能響應操作性能、堅固性及重量方面的要求，這些要求是工業(yè)上、尤其是牙科器械領(lǐng)域中慣用的。
根據(jù)本發(fā)明的裝置還包括濾波裝置，它能有利地濾出電源裝置輸出端子上的測量信號，以致能保證這些信號的提供不會干擾電源裝置對電動機的控制。
根據(jù)本發(fā)明的裝置還包括測量裝置，它能有利地提供測量信號，測量信號的頻率高于控制信號的頻率，而其幅值低于控制信號的幅值，以致當電動機受控制時測量信號不會與控制信號相干擾，由此保證了控制信號的供給不會通過電源裝置干擾對電動機的控制。
該檢測裝置的另一優(yōu)點是，它包含的電子元件成本低、復雜性小、體積小，這能響應工業(yè)上通常對價格、合理化及體積的要求。
根據(jù)本發(fā)明的控制裝置的另一優(yōu)點在于，它們尤其當轉(zhuǎn)子已停止時也能檢測轉(zhuǎn)子的瞬時角位置，而不會對電動機氣隙中出現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)磁場的感應分布產(chǎn)生任何影響。事實上，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將注意到，對于轉(zhuǎn)子的任何轉(zhuǎn)速值、尤其當轉(zhuǎn)子停止時可提供在其各個頻率上的測量信號，因為角位置的檢測可從測量頻率的測量中得出，提供的測量頻率與電源裝置對電動機的控制無關(guān)。
根據(jù)本發(fā)明的控制裝置的另一優(yōu)點是，它能以一定的精度等級檢測轉(zhuǎn)子瞬時角位置，這可響應工業(yè)上、尤其在機器人及牙齒種植術(shù)領(lǐng)域中的精度要求。
根據(jù)本發(fā)明的裝置還包括一個處理裝置，它能有利地將計算的角位置與一個比較值相比較，這允許隨時地監(jiān)視角位置的演變。
該處理裝置的另一優(yōu)點在于，它能計算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)數(shù)，及轉(zhuǎn)子的速度和加速度，這允許隨時地監(jiān)視這些參數(shù)的演變。
當閱讀了以下參照附圖對僅以例子給出的本發(fā)明兩個優(yōu)選實施方式的詳細說明，將會對本發(fā)明的這些及其它的目的、特征和優(yōu)點有更清楚的了解，附圖為-圖1概要地表示已列舉過的由傳統(tǒng)電壓發(fā)生器控制的傳統(tǒng)無刷電動機；-圖2概要地表示已列舉過的圖1中電動機的控制電壓的三個時序圖；-圖3以框圖方式表示與圖1中電動機相連接的、根據(jù)本發(fā)明的控制裝置；-圖4表示圖3中裝置的第一實施形式；-圖5及6表示圖4中裝置的兩個電路構(gòu)型；-圖7是表示與圖5中構(gòu)型相關(guān)的、當轉(zhuǎn)子分別在兩個角位置時的測量信號隨時間變化的兩個曲線；-圖8是表示與圖5及6中構(gòu)型相關(guān)的、轉(zhuǎn)子角位置及兩個測量頻率之間關(guān)系的兩個曲線；-圖9以更詳細方式表示與圖4中裝置相關(guān)的計算裝置；-圖10表示用于控制圖5及6中構(gòu)型的圖9的計算裝置所提供的信號的時序圖；及-圖11表示圖3中裝置的第二實施形式。
圖3以框圖方式表示根據(jù)本發(fā)明的控制裝置，該裝置以標記20表示。該裝置被設(shè)計成與一個類似于圖1中電動機1的電動機相連接，以便控制后者。應指出，在圖3上控制裝置20中與參照圖1所述的單元相同的單元用相同的標記表示。
電動機1包括一個設(shè)有永磁鐵7的轉(zhuǎn)子6，該永磁鐵與三個定子繞組2至4磁耦合。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會注意到，根據(jù)本發(fā)明的裝置同樣可被設(shè)計來控制設(shè)有大于三的多個繞組的電動機。在圖3中(也在圖4，5，6及11中)可看到，電動機1是以所謂“星形”連接方式表示的。但是，不言而諭，根據(jù)本發(fā)明的裝置同樣可控制包括以所謂“三角形”連接方式連接的三個定子繞組的電動機。
電動機1與一個電源裝置相連接，該電源裝置形成類似于圖1中發(fā)生器5的供電裝置。應提醒，電壓發(fā)生器5被設(shè)計成用于使繞組2至4相繼地與未示出的電源相連接，以便對繞組2至4供給電壓Ua，Ub及Uc，如圖2中時序圖所示。電壓發(fā)生器5的連接是響應信號U0來實現(xiàn)的，該信號與電壓發(fā)生器5的正確工作相匹配，該信號的供給將在下面描述。
控制裝置20包括一個用于檢測轉(zhuǎn)子角位置θ的裝置22。檢測裝置22包括一個用于測量兩個分開的不同頻率F1及F2的裝置24，該測量裝置24提供具有兩個不同頻率F1及F2的信號U1及U2。檢測裝置22還包括一個裝置26，用于根據(jù)這兩個信號U1及U2計算角位置θ及以信號U0的形式提供該位置。
圖4表示裝置20，尤其是測量裝置24的第一實施形式。
測量裝置24包括轉(zhuǎn)換電路34，該電路包括第一組端子34a至34c，第二組端子34d至34f及一個控制端子34g。轉(zhuǎn)換電路被設(shè)計成可通過端子34g接收控制信號U3，并根據(jù)下面將參照圖5及6所述的兩個電路構(gòu)型Y1及Y2，在響應時，一方面連接端子34a至34c，另一方面連接端子34d至34f。應指出，關(guān)于信號U3的供給將在下面參照圖10更詳細地描述。轉(zhuǎn)換電路34最好使用公知的電子元件構(gòu)成的轉(zhuǎn)換裝置來實現(xiàn)，它用來執(zhí)行電路構(gòu)型Y1及Y2的連接。
測量裝置24還包括一個放大電路35，用于當轉(zhuǎn)換裝置34處于各電路構(gòu)型Y1及Y2時，提供分別具有頻率F1及F2的周期信號U1及U2。在圖4的例中，放大電路35包括一個運算放大器36，它的輸出端通過電容器37連接到端子34d。運算放大器36的非反相輸入端(或端子“+”)一方面通過電容器38連接到端子34e，另一方面通過電阻39連接到裝置的地。運算放大器36的反相輸入端(或端子“-”)一方面通過電容器40連接到端子34f，另一方面通過電阻41連接到裝置的地。
現(xiàn)在將描述轉(zhuǎn)換電路34的兩個構(gòu)型Y1及Y2。圖5及6表示根據(jù)各個構(gòu)型Y1及Y2的、圖4中測量裝置24的電路圖。在以下說明中，標記Y1及Y2也表示根據(jù)轉(zhuǎn)換電路各個構(gòu)型Y1及Y2的、通過轉(zhuǎn)換電路34與電動機1相連接的測量裝置24的電路圖。應指出，在圖5及6上控制裝置20中與參照圖4所述單元相同的單元用相同的標記表示。
在構(gòu)型Y1中，如圖5所示，轉(zhuǎn)換電路34被設(shè)計成使端子34a至34c分別與端子34d至34f相連接。換言之，在構(gòu)型Y1中，運算放大器36的輸出端通過電容器37與電動機1的端子2a相連接，及該放大器的非反相輸入端和反相輸入端分別與端子3a及4a相連接。于是，在構(gòu)型Y1中，測量裝置24(即轉(zhuǎn)換電路34及放大電路35)與繞組2至4構(gòu)成第一振蕩電路，其中運算放大器36的輸出端通過電容器37對繞組2及計算裝置26提供信號U1。
本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員將會注意到，信號U1是周期性的并具有頻率F1，該頻率主要取決于從運算放大器36的端子“+”及端子“-”所“看到”的阻抗。而該阻抗直接取決于繞組2至4的電感。此外，我們知道，一個線圈或繞組的電感不僅取決于其結(jié)構(gòu)，而且也取決于穿過它的磁場強度。因此，在電動機1的情況下，繞組2至4與轉(zhuǎn)子永磁鐵磁耦合，及繞組2至4的每個被由該磁鐵產(chǎn)生的一部分磁場穿過，該部分磁場取決于該磁鐵相對有關(guān)繞組的角位置θ。換言之，頻率F1取決于轉(zhuǎn)子的角位置θ。
圖7僅是以說明的方式表示出兩個曲線50及51，它們表示當轉(zhuǎn)子分別在第一角位置或參考位置θ0及不同于該參考位置的第二角位置θ1時信號U1隨時間的變化。為了展示作為角位置θ函數(shù)的頻率F1的靈敏度，對圖7的曲線50及51進行了試驗性測量。這樣，頻率F1(θ0)被測得等于1.43Mhz，及頻率F1(θ1)等于1.3Mhz，即在角位置θ0及θ1之間的頻率差等于130KHz。
本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員也將注意到，在相應于轉(zhuǎn)子一圈360°除以轉(zhuǎn)子磁鐵極數(shù)的一個周期中，頻率F1隨角位置θ周期性地變化。在目前的例中，該極數(shù)等于2，頻率F1的變化周期等于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動180°。
圖8僅是以說明的方式表示出一個曲線61，它表示頻率F1作為角位置θ的函數(shù)的變化。參量Fmin及Fmax分別表示頻率F1的最小值及最大值。
在構(gòu)型Y2中，如圖6所示，轉(zhuǎn)換電路34被設(shè)計成使端子34a至34c分別與端子34e，34d及34f相連接，這就實現(xiàn)了所述構(gòu)型Y2。換言之，在構(gòu)型Y2中，運算放大器36的輸出端通過電容器37與電動機1的端子3a相連接，及該放大器的非反相輸入端和反相輸入端分別與端子2a及4a相連接。于是，在構(gòu)型Y2中，測量裝置24(即轉(zhuǎn)換電路34及放大電路35)與繞組2至4構(gòu)成第二振蕩電路，其中運算放大器36的輸出端通過電容器37對繞組3及計算裝置26提供信號U2。
圖8中還表示出一個曲線62，它表示頻率F2作為角位置θ的函數(shù)的變化。如該圖中所示，類似于頻率F1，頻率F2在一個最大值及一個最小值之間周期性地變化，其一周期相應于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動180°。不言而諭，在繞組2至4是對稱的并具有相同的圈數(shù)及相同電感的情況下，頻率F2的最大值及最小值分別等于頻率F1的最大值及最小值。此外，應指出，在圖8中與頻率F1相關(guān)的曲線61相對于與頻率F2相關(guān)的曲線相位移動120°。本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員易于理解，該相位移是由電動機中繞組2至4的布置及在該例中轉(zhuǎn)子的雙極磁鐵引起的。
本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員將注意到，設(shè)置具有各頻率F1及F2的信號U1及U2一定不能干擾電動機的正常工作，即不能干擾電壓發(fā)生器5對電動機1的控制。
為此，設(shè)置了，放大器電路35，以使信號U1及U2的幅值明顯低于電壓Ua至Uc的幅值，及頻率F1及F2的最小值明顯大于電壓Ua至Uc的頻率的最大值。此外放大電路35設(shè)計成頻率F1及F2的最大值明顯低于通常尤其在牙科器械領(lǐng)域中進行的電磁兼容性試驗時所使用的信號頻率值，在電磁兼容性試驗時所使用的最小頻率為30Mhz量級。
作為例子，在電壓Ua至Uc幅值從0至24V變化，及這些電壓的頻率F0包括在1至667Hz之間的情況下，信號U1及U2的幅值約為2V，及其頻率F1及F2為幾MHz量級。
相似地，為了避免對控制電壓Ua至Uc供電的干擾，即保證電動機1的正常工作，可分別在電壓發(fā)生器5的輸出端子5a至5c上連接三個濾波器(未示出)，以濾出頻率為幾MHz量級的、與測量相關(guān)的信號(尤其是信號U1及U2)，而不會改變電壓Ua至Uc。最好，所述濾波器使用三個各包括一個線圈及與該線圈相并聯(lián)的電容器的帶阻濾波器來實現(xiàn)，這些濾波器阻止信號U1及U2，它們的頻率分別為F1及F2，屬于所述帶阻濾波器阻止的頻率范圍。作為變型，所述濾波器可使用三個帶通濾波器來實現(xiàn)，它們包括三個分別串聯(lián)在各輸出端子5a，5b及5c和各連接端子2a，2b及2c之間的三個線圈，及分別并聯(lián)在各輸出端子5a，5b及5c和裝置地之間的三個電容器。
對于計算裝置，應提醒，該裝置被設(shè)計來用于從兩個信號U1及U2計算角位置。
圖9表示圖4中控制裝置20的計算裝置26的一種實施方式。應指出，圖9的控制裝置20中與參照以上附圖所描述的單元相同的單元用相同的標記表示。
如圖9所表示地，計算裝置26包括一個頻率-電壓轉(zhuǎn)換器71及一個處理電路72。
頻率-電壓轉(zhuǎn)換器71包括一個輸入端子71a，它連接到圖4中運算放大器36的輸出端；及一個輸出端子71b，它連接到處理電路72。該轉(zhuǎn)換器71被設(shè)計成由端子71a接收信號U1(或U2)及將該信號轉(zhuǎn)換為一個可與處理電路72的工作相匹配的電壓X1(或X2)，這些電壓的幅值正比于頻率F1(或F2)及該頻率中一已知值(例如圖8中值Fmax或Fmin)之差。轉(zhuǎn)換器71還被設(shè)計成由端子71b提供電壓X1(或X2)。最好，該頻率-電壓轉(zhuǎn)換器71用本身公知的鑒頻器來實現(xiàn)。
處理電路72包括一個與轉(zhuǎn)換器71的輸出端子71b相連接的輸入端子72a，及一個輸出端子72b，后者在圖3的例中連接到電壓發(fā)生器5。此外，處理電路72被設(shè)計成由端子72a接收電壓X1及X2并執(zhí)行操作，以便能檢測與由電壓X1及X2代表的頻率F1及F2的頻率對(F1，F(xiàn)2)相對應的角位置的唯一值。
為了更好地理解處理電路72的操作，我們再重新參照圖8。于是，測量的瞬時電壓X1mes在定義上相應于包括在Fmax及Fmin之間的頻率F1的一個值，在圖8中用標記X1mes表示。如該圖所示，電壓X1mes相應于曲線61上包括在0至180°之間的兩個角度值θ2及θ3。類似地，測量的瞬時電壓X2mes相應于曲線62上的兩個角度值θ4及θ5。應指出，在值θ2至θ5之間的兩個值(在目前例中為θ3及θ4)為迭合模180°，這就檢測了在0至180°之間存在一個唯一值。換言之，一個值對(X1mes，X2mes)相應于一個唯一值，它等于與曲線61相關(guān)的值θ3或與曲線62相關(guān)的值θ4，該唯一值即為所求的角位置θ。
實際上，假定圖8中的曲線61及62彼此相同并具有約120°的相位移，處理電路72被編程，以包含電壓X1或X2及角度值θ之間的單一對照表，該表類似于一個傳統(tǒng)的、值A(chǔ)rcsin(θ)及相應角度值θ之間的三角函數(shù)表。處理電路72的編程也用于執(zhí)行以下相繼的操作。第一操作在于，由所述表檢測與被端子72a接收的電壓X1相對應的第一對角度值θ6及θ7，和與電壓X2相對應的第二對角度值θ8及θ9。及第二操作在于，在這些值θ6至θ9中檢測出兩個值，它們的差等于120°，并在這兩個值中檢測出與曲線61相對應的值，該值被考慮作為所求的角位置θ。
應指出，在所述第二操作中引入的值120°相應于圖8中曲線61及62的相位移120°，該相位移在上面已描述。因此，在由所述表(不是由圖8中的曲線61及62)檢測相應于電壓X1mes及X2mes的角度值的情況下，應從數(shù)學上通過各值θ6至θ9之間差值的計算來推導該相位移的存在，它們中的兩個相距120°。
還應指出，使用對照表可能需要一個附加的初始計算，其在于，根據(jù)依賴于裝置組成的電壓X1及X2的峰值使電壓X1mes及X2mes標稱化。
不言而喻，由處理電路72執(zhí)行的計算結(jié)果不能提供精確的值而是近似值。作為改進，例如可通過第三電路構(gòu)型Y3來提供第三個測量頻率F3，這能增加該計算時獲得的角位置θ的精確度。
最好，使用一個傳統(tǒng)的32位微處理機來實施處理電路72。該微處理機被編程，以執(zhí)行尤其是上述操作。
如圖4并結(jié)合圖9所示，處理電路72也可被編程，用于通過端子72c向轉(zhuǎn)換裝置34提供轉(zhuǎn)換信號U3，由此檢測一個被分為三個階段的測量周期，以使得在第一及第二階段中，測量裝置24分別具有構(gòu)型Y1及Y2，以向計算裝置26提供各信號U1及U2，在第三階段中，計算裝置26檢測所求角位置。
僅作為例子，圖10表示信號U3的時序圖91。標記t0表示一個初始時刻，從它開始測量周期的第一階段，標記t1表示該第一階段結(jié)束及同一周期的第二階段開始的時刻，標記t2表示該第二階段結(jié)束及同一周期的第三階段開始的時刻，標記t3表示該第三階段結(jié)束及一個新測量周期開始的時刻。信號U3在第一周期的值為“0”，及在以下的階段為“1”。作為說明，應指出，在時刻t0至t1之間的時間間隔及在時刻t1至t2之間的時間間隔為50及100μs之間，及在時刻t2至t3之間的時間間隔為400及600μs之間。
對于本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員，不言而諭，上述的詳細說明在不偏離本發(fā)明范圍的情況下可受到各種修改、實施變型及改進。
作為變型，根據(jù)本發(fā)明的裝置也可被設(shè)計用于控制具有大于3的多個定子繞組的電動機。在此情況下，電動機及電源裝置之間的連接以及電動機及測量裝置之間的連接被設(shè)計成適合電動機定子繞組的數(shù)目。
同樣作為變型，該裝置的測量裝置可包括一個轉(zhuǎn)換電路，它不受處理電路的控制，但它連接到一個獨立的控制裝置。
同樣作為變型，該測量裝置被設(shè)計來同時測量頻率F1及F2，這不同于圖4中的測量裝置，如上所述，在那里頻率是在一個測量周期中依次進行的。圖11表示根據(jù)本發(fā)明的控制裝置的第二實施形式，該控制裝置用標記99表示，它包括一個檢測裝置100，其中設(shè)有一個如上所述的測量裝置101及計算裝置104。應指出，在圖11上控制裝置99中與參照以上附圖所述的單元相同的單元用相同的標記表示。測量裝置101包括與圖4中放大電路35相同的兩個放大電路102及103。計算裝置104包括與圖9中頻率-電壓轉(zhuǎn)換器71相同的兩個頻率-電壓轉(zhuǎn)換器105及106，及一個也類似于圖9中處理電路72的處理電路107。重要地，應指出，放大電路102的連接是用于實現(xiàn)圖5中構(gòu)型Y1，放大電路103的連接是用于實現(xiàn)圖6中構(gòu)型Y2，由此使信號U1及U2同時提供給計算裝置104。
本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員將注意到，在頻率F1及F2同時提供給計算裝置的情況下，兩個放大電路102及103的每個運算放大器36不能類似于圖4中裝置那樣通過電容器37，38及40連接到電動機1。事實上，如果情況是這樣，測量信號U1及U2將同時出現(xiàn)在兩個電路102及103的運算放大器36的端子上，這是兩個頻率F1及F2的微分所不允許的。為此，三個線圈37a，38a及40a分別與電容器37，38及40相串聯(lián)，以致形成三個調(diào)諧在預定頻率上的帶通濾波器，由此使放大電路102的濾波器調(diào)諧在由電路102提供的信號U1的頻率F1上，及使放大電路103的濾波器調(diào)諧在由電路103提供的信號U2的頻率F2上。
作為改進，處理電路可在同一測量周期中控制轉(zhuǎn)換裝置的至少一個附加構(gòu)型，以便當由所述處理電路檢測轉(zhuǎn)子角位置時為了增加精度而提供第三頻率。
也作為改進，處理電路還可被編程，以便根據(jù)相繼檢測的角位置值來計算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)數(shù)，及該轉(zhuǎn)子的速度及加速度，并在時間過程中監(jiān)視各個參數(shù)的變化。
我們來考慮一下對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)數(shù)的計算。處理電路72，107可被編程，以存儲在第一測量周期結(jié)束時檢測的角位置(或第一值)，及在下一測量周期(或第二周期)結(jié)束時檢測的角位置(或第二值)，及計算第二值與第一值之間的差，該差值提供了轉(zhuǎn)子在第二周期中轉(zhuǎn)動的位移值，也即所求的轉(zhuǎn)數(shù)。
現(xiàn)在來考慮轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的計算。該處理電路可被編程，以便如上所述地計算在第一及第二執(zhí)行測量周期結(jié)束時測量的兩個角位置之差，及計算該差值對一個測量周期時間的比值，該比值提供了在所述第二周期中轉(zhuǎn)子的速度值。
同樣地，對于計算轉(zhuǎn)子加速度，該處理電路可被編程，以便如上所述地計算在第一及第二相繼測量周期結(jié)束時測量的兩個轉(zhuǎn)子速度之差，及計算該差值對一個測量周期時間的比值，該比值提供了在所述第二周期中轉(zhuǎn)子的加速度值。
現(xiàn)在來考慮對各個參數(shù)的監(jiān)視。該處理電路可被編程，以便將角位置θ、轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)子的速度或加速度與一個預定比較值相比較。
作為例子，角位置θ可與代表理想同步狀態(tài)的理論值相比較。在這方面應提醒，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動速度等于磁場轉(zhuǎn)動速度時，電動機定子及轉(zhuǎn)子之間的傳動稱為“同步”。還應提醒，在該傳動過程中，施加在轉(zhuǎn)子上阻力矩的增加將引起轉(zhuǎn)子磁位置及旋轉(zhuǎn)磁場位置之間角偏移的增加，當其超過一定的值θd時，轉(zhuǎn)子將失步。
同樣作為一個例子，角位置θ的比較值可相應于偏離同步值θs的一個角位置，該偏離角能使電動機產(chǎn)生足夠轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動預定負載。
同樣作為一個例子，角位置θ也可與失步值θd相比較，以便驗證該偏離值小于失步值θd，即驗證電動機未失步。
權(quán)利要求
1.一種電動機(1)的控制裝置(20；99)，該電動機設(shè)有一個轉(zhuǎn)子(6)，該轉(zhuǎn)子裝有永磁鐵(7)，該永磁鐵與連接到第一、第二及第三連接端子(2a，3a，4a)的至少第一、第二及第三定子繞組(2，3，4)磁耦合，該裝置包括-一個裝置(5)，用于通過第一、第二及第三輸出端子(5a，5b，5c)將第一、第二及第三控制信號(Ua，Ub，Uc)分別供給所述電動機的第一、第二及第三連接端子，這些信號是具有控制頻率(F0)的周期信號；及-一個用于檢測轉(zhuǎn)子角位置(θ)的檢測裝置，該控制裝置的特征在于，該檢測裝置(22；100)包括-一個測量裝置(24；101)，用于與所述第一、第二及第三連接端子相連接，以使該裝置與所述第一、第二及第三定子繞組形成分別具有第一及第二不同電路構(gòu)型(Y1，Y2)的至少第一及第二振蕩電路，并使得第一及第二振蕩電路能分別提供具有第一及第二頻率(F1，F(xiàn)2)的第一及第二周期性測量信號(U1，U2)，后者本身是所述轉(zhuǎn)子的角位置(θ)的周期函數(shù)，其周期相應于轉(zhuǎn)子一整圈除以所述永磁鐵的極數(shù)；及-一個計算裝置(26；104)，用于接收第一及第二測量信號(U1，U2)，根據(jù)由這些信號的第一及第二頻率形成的頻率對計算所述角位置，并輸出該值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的控制裝置，其特征在于所述第一及第二測量信號(U1，U2)的所述第一及第二頻率(F1，F(xiàn)2)明顯大于所述控制頻率(F0)，及這些信號的幅值明顯小于所述控制信號的幅值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的控制裝置，其特征在于它還包括至少第一、第二及第三濾波裝置，這些濾波裝置分別連接在以第一、第二及第三輸出端子(5a，5b，5c)為一方及以第一、第二及第三連接端子(2a，3a，4a)為另一方之間，以使得第一及第二測量信號(U1，U2)不會干擾電動機的正常工作。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的控制裝置，其特征在于所述每個濾波裝置包括一個帶阻濾波器。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的控制裝置，其特征在于所述每個濾波裝置包括一個低通濾波器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的控制裝置，其特征在于，測量裝置(24)包括-一個轉(zhuǎn)換電路(34)，用于接收控制信號(U3)，及響應該信號并根據(jù)所述第一及第二電路構(gòu)型(Y1，Y2)使測量裝置依次地連接到所述連接端子(2a，3a，4a)；及-一個放大電路(35)，用于當所述轉(zhuǎn)換電路分別形成所述第一及第二電路構(gòu)型時，提供分別具有第一及第二頻率的第一及第二測量信號(U1，U2)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的控制裝置，其特征在于所述放大電路(35)包括一個運算放大器(36)，它的輸出端子用于通過第一電容器(37)與所述第一、第二及第三連接端子(2a，3a，4a)中的一個及計算裝置(26)相連接，該放大器的非反相輸入端(“+”)用于通過第二電容器(38)與兩個剩余連接端子中的一個相連接，而該運算放大器(36)的反相輸入端(“-”)用于通過第三電容器(40)與所述另一剩余連接端子相連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的控制裝置，其特征在于所述轉(zhuǎn)換電路(34)形成所述第一構(gòu)型(Y1)，以使所述運算放大器(36)的輸出端子通過所述第一電容器(37)連接到所述第一連接端子(2a)，該放大器的非反相輸入端(“+”)通過所述第二電容器(38)連接到所述第二連接端子(3a)，及該放大器的反相輸入端(“-”)通過所述第三電容器(40)連接到所述第三連接端子(4a)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的控制裝置，其特征在于所述轉(zhuǎn)換電路(34)形成所述第一構(gòu)型(Y2)，以使所述運算放大器(36)的輸出端子通過所述第一電容器(37)連接到所述第二連接端子(3a)，該放大器的非反相輸入端(“+”)通過所述第二電容器(38)連接到所述第一連接端子(2a)，及該放大器的反相輸入端(“-”)通過所述第三電容器(40)連接到所述第三連接端子(4a)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的控制裝置，其特征在于所述計算裝置(26)包括-一個頻率-電壓轉(zhuǎn)換器(71)，用于接收所述第一及第二測量信號(U1，U2)，將這些信號轉(zhuǎn)換成代表所述第一及第二頻率(F1，F(xiàn)2)的第一及第二電壓(X1，X2)，及輸出這些電壓；-一個處理電路(72)，用于接收所述第一及第二電壓(X1，X2)；執(zhí)行允許對應于由分別包括在所述第一及第二電壓(X1，X2)中的所述第一及第二頻率(F1，F(xiàn)2)所形成的頻率對偶聯(lián)的一個唯一值被確定的操作；及提供該唯一值作為所求的所述角位置(θ)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的控制裝置，其特征在于所述處理電路(72)用于將所述控制信號(U3)提供給所述轉(zhuǎn)換電路(34)，以便檢測一個測量周期，在該周期的第一階段所述測量裝置(24)具有所述第一構(gòu)型(Y1)，及在該周期的第二階段所述測量裝置(24)具有所述第二構(gòu)型(Y2)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的控制裝置，其特征在于，所述測量裝置(101)包括-第一放大電路(102)，其包括一個運算放大器(36)，它的輸出端子用于通過第一電容器(37)及和該電容器并聯(lián)的第一線圈(37a)與所述第一連接端子(2a)及計算裝置(104)相連接，該放大器的非反相輸入端(“+”)通過第二電容器(38)及和該電容器并聯(lián)的第二線圈(38a)與所述第二連接端子(3a)相連接，而該運算放大器(36)的反相輸入端(“-”)用于通過第三電容器(40)及和該電容器并聯(lián)的第三線圈(40a)與所述第三連接端子(4a)相連接；及-第二放大電路(103)，其包括一個運算放大器(36)，它的輸出端子用于通過第一電容器(37)及和該電容器并聯(lián)的第一線圈(37a)與所述第二連接端子(3a)及計算裝置(104)相連接，該放大器的非反相輸入端(“+”)通過第二電容器(38)及和該電容器并聯(lián)的第二線圈(38a)與所述第一連接端子(2a)相連接，而該運算放大器(36)的反相輸入端(“-”)用于通過第三電容器(40)及和該電容器并聯(lián)的第三線圈(40a)與所述第三連接端子(4a)相連接。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的控制裝置，其特征在于，所述計算裝置(104)包括-第一頻率-電壓轉(zhuǎn)換器(105)，用于接收所述第一測量信號(U1)，將該信號轉(zhuǎn)換成代表所述第一頻率(F1)的第一電壓(X1)，及輸出這些電壓；-第二頻率-電壓轉(zhuǎn)換器(106)，用于接收所述第二測量信號(U2)，將該信號轉(zhuǎn)換成代表所述第二頻率(F2)的第二電壓(X2)，及輸出這些電壓；及-一個處理電路(107)，用于從所述第一及第二頻率-電壓轉(zhuǎn)換器(105，106)接收所述第一及第二電壓(X1，X2)；執(zhí)行允許對應于由分別包括在所述第一及第二電壓(X1，X2)中的所述第一及第二頻率(F1，F(xiàn)2)所形成的頻率對的一個唯一值被確定的操作；及提供該唯一值作為所求的所述角位置(θ)。
14.根據(jù)權(quán)利要求10或13的控制裝置，其特征在于所述處理電路(72；107)被編程，以包括第一多個頻率值及第二多個角位置值之間的對照表，所述第一及第二多個值根據(jù)對所述周期的所述周期函數(shù)之一彼此相關(guān)，該周期相應于轉(zhuǎn)子的一整圈除以所述永磁鐵的極數(shù)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的控制裝置，其特征在于，所述處理電路(72；107)的所述操作在一個測量周期中包括根據(jù)所述對照表檢測與包含在所述第一電壓(X1)中的所述第一頻率(F1)相對應的第一及第二角位置值(θ2，θ3)、及與包含在所述第二電壓(X2)中的所述第二頻率(F2)相對應的第三及第四角位置值(θ4，θ5)；檢測由所述第一及第二值中的一個和所述第三及第四值中的一個形成的唯一值對，以使得這兩個值之差等于所述電動機兩個相繼定子繞組之間的位移；及輸出該唯一值對的所述第一及第二值作為所述唯一值的值。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的控制裝置，其特征在于所述處理電路(72；107)被編程，以便將一個預定比較值與在所述操作結(jié)束時獲得的所述角位置(θ)相比較，由此在時間過程中監(jiān)視所述轉(zhuǎn)子角位置的變化。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的控制裝置，其特征在于所述比較值等于代表理想同步狀態(tài)的值。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的控制裝置，其特征在于所述比較值等于能夠引起電動機足夠轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動加在轉(zhuǎn)子上的負載的值。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的控制裝置，其特征在于所述比較值是代表電動機失步的值。
20.根據(jù)權(quán)利要求15的控制裝置，其特征在于所述處理電路(72；107)被編程，以便存儲作為第一位置的一個參考角位置或在第一測量周期結(jié)束時計算的角位置，及存儲作為第二位置的在下一或第二測量周期結(jié)束時計算的角位置；計算所述第二位置及所述第一位置之差，該差值提供了在所述第二周期期間轉(zhuǎn)子的角位移值；及將該位移值與一個預定比較值相比較，由此監(jiān)視在時間過程中所述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)數(shù)的變化。
21.根據(jù)權(quán)利要求15的控制裝置，其特征在于所述處理電路(72；107)被編程，以便存儲作為第一位置的一個參考角位置或在第一測量周期結(jié)束時計算的角位置，及存儲作為第二位置的在下一或第二測量周期結(jié)束時計算的角位置，計算所述第二位置及所述第一位置之差對測量周期時間的比值，該比值提供了在所述第二周期期間轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，及將該速度與一個預定比較值相比較；由此監(jiān)視在時間過程中所述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)速的變化。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的控制裝置，其特征在于所述處理電路(72；107)被編程，以便存儲作為第一速度的在所述第二測量周期結(jié)束時計算的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，及存儲作為第二轉(zhuǎn)速的在下一或第三測量周期結(jié)束時計算的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；計算所述第二速度及所述第一速度之差對測量周期時間的比值，該比值提供了在所述第三周期期間轉(zhuǎn)子的加速度；及將該加速度與一個預定比較值相比較，由此監(jiān)視在時間過程中所述轉(zhuǎn)子加速度的變化。
23.根據(jù)權(quán)利要求10或13的控制裝置，其特征在于每個頻率-電壓轉(zhuǎn)換器(71；105；106)包括一個鑒頻器。
24.根據(jù)權(quán)利要求10或13的控制裝置，其特征在于處理電路(72；107)包括一個32位的微處理機。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電動機(1)的控制裝置(20),包括:一個轉(zhuǎn)子(6)及連接在三個連接端子之間的至少三個定子繞組(2,3,4);一個裝置(5),用于對所述連接端子提供三個控制信號(Ua,Ub,Uc);及一個用于檢測所述轉(zhuǎn)子角位置的裝置(22)。所述檢測裝置包括:一個測量裝置(24),用于與電動機相連接,以使該裝置與所述繞組形成分別提供具有兩個測量頻率的兩個不同信號(U1,U2)的至少兩個振蕩電路,這兩個測量頻率其本身是所述轉(zhuǎn)子的角位置的周期函數(shù);及一個裝置(26),用于計算與這兩個測量頻率相對應的一個唯一值,該值即為所求的角位置。
文檔編號H02P6/18GK1277751SQ99801614
公開日2000年12月20日 申請日期1999年7月7日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月17日
發(fā)明者J·P·沃伊拉特 申請人:比恩－空氣有限公司