CN102790565B - 一种电子控制定向旋转单相自起动永磁同步电动机 - Google Patents

Abstract

一种电子控制定向旋转单相自起动永磁同步电动机，包括：定子和永磁转子；电力电子电路，交流电源经该电路向定子输出电压；控制电路。控制电路包括：检测交流电源状态的检测电路；安装于所述转子圆周附近以检测所述永磁转子的状态的位置传感器；按照所述检测电路的输出和所述位置传感器的输出，控制所述电力电子电路。检测电路的输出包括交流电源的瞬时周期时刻；位置传感器的输出包括所述转子磁极掠过位置传感器的次数；当规定次数所述周期内转子磁极掠过位置传感器的次数大于所述周期次数的2倍时，电力电子电路降低向定子输出的电压并保持在规定值。该电动机可以保持较佳的性能，但空载运转振动、噪声和温升明显改善，结构比较简单可靠。

Description

一种电子控制定向旋转单相自起动永磁同步电动机

技术领域

本发明涉及一种电子控制定向旋转单相自起动永磁同步电动机，尤其涉及直接驱动小功率离心式水泵的该电动机，在国际专利分类表中，分类可属于H02P6/00。

背景技术

电子控制定向旋转单相自起动永磁同步电动机见于本发明设计人的在先专利申请CN201110100111.6。该电动机比之前使用的异步电动机明显节能节材，但其在空载运转时振动、噪声较大且温升较高，需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提出一种电子控制定向旋转单相自起动永磁同步电动机，可以保持较佳的性能，但空载运转振动、噪声和温升明显改善，结构比较简单可靠。

本发明解决技术问题的技术方案是，一种电子控制定向旋转单相自起动永磁同步电动机，该电动机包括：

——定子和永磁转子；

——电力电子电路，交流电源经该电路向定子输出电压；

——控制电路；

所述控制电路包括：

——检测所述交流电源的状态的检测电路；

——安装于所述转子圆周附近以检测所述永磁转子的状态的位置传感器；

——按照所述检测电路的输出和所述位置传感器的输出，控制所述电力电子电路；

其特征在于：

——所述检测电路的输出包括所述交流电源的瞬时周期时刻；

——所述位置传感器的输出包括所述转子磁极掠过位置传感器的次数；

——当规定次数所述周期内所述转子磁极掠过位置传感器的次数大于所述周期次数的2倍时，所述电力电子电路降低向定子输出的电压并保持在规定值。

电子控制定向旋转单相自起动永磁同步电动机在向定子输出额定交流电源波形的电压的情况下，空载转速高于同步转速。本技术方案巧妙地利用该特点自动监察电动机的运行状态：一旦检测到规定次数交流电源周期内转子磁极掠过位置传感器的次数即大于所述周期次数的2倍，即断定电动机处于空载运行，随即降低向定子输出的电压并保持在规定值以便自此开始降低旋转磁场产生的转矩，从而纠正超速，使电动机恢复同步转速运行。电动机的空载振动、噪声因而大幅度降低，定子的温升也因供电电压降低而明显改善。该电动机启动时，由于定子的供电电压仍为原有额定交流电源波形的电压，使原有性能得以保持。

本技术方案检测的是规定周期内转子磁极掠过位置传感器的次数，对元件、电路的要求较低且检测控制程序相比其它方法更简单可靠，在原有控制电路基础上对单片机的内部设置和程序稍加调整即可，因而不增加成本；尤其是有利于排除该电动机瞬时速度脉动对检测结果的影响。

本技术方案可进一步设计为：自电动机启动开始，检测每一个交流电源半波内转子磁极掠过位置传感器的次数，累计该次数超过1次的周期数，若该累计数超过规定值，所述电力电子电路降低向定子输出的电压并保持在规定值。该设计更有利于排除该电动机瞬时速度脉动对检测结果的影响，提高稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例电动机电磁基本结构示意图；

图2是本发明实施例电动机控制电路示意图；

图3是本发明实施例电动机霍尔元件输出特性图；

图4是本发明实施例电动机控制信号波形图；

图5是本发明实施例电动机降压控制波形图。

具体实施方式

本发明实施例电动机是在本发明设计人的在先专利申请CN201110100111.6说明书实施例1所述电动机的基础上改进而成。

本发明实施例微型永磁同步电动机电磁基本结构如图1所示，其继承CN201110100111.6说明书中图1，包括：

——定子1，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1线圈串联或并联而成；

——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。

——电动机设定如图示逆时针(沿电动机轴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°；

——霍尔元件3安装于水平轴线113右侧靠近转子2圆周的位置。

本发明实施例微型永磁同步电动机控制电路如图2所示，其继承CN201110100111.6说明书中图2，主要由固定于电动机非轴伸端的印刷电路板组成，该印刷电路板安装有：

——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；

——单片机6，其输出电路63接往双向晶闸管4的触发极41；

——由电阻7和二极管10、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，其输出(以下记述为“输出B”)在交流电源端子5的电压极性为正半波时为1而负半波时为0，该极性转换的时刻为交流电源瞬时周期过零的时刻。输出B接往单片机6的输入电路61；

——霍尔元件3的输出接往单片机6的输入电路62。霍尔元件3的输出特性为线性，因而霍尔元件3的输出电平与转子永磁磁通轴线方向的关系为正弦波特性，永磁磁通轴线方向以水平轴线113自左向右的方向为零度时，该特性如图3所示。该特性也就是转子旋转一周其永磁极掠过霍尔元件3的输出特性。可见，霍尔元件3的输出电平在永磁磁通轴线方向为0°时最高——5V，180°时最低——1V。此外，在自由状态下，转子永磁磁通轴线沿逆时针方向偏转10°，当转子永磁N极朝向霍尔元件3时，霍尔元件3的输出电平为4.97V；或当转子永磁S极朝向霍尔元件3时，霍尔元件3的输出电平为1.03V。该特性存储于单片机6中。

按照右手螺旋法则对绕组12的绕向及其往交流电源端子5的连接设计为:交流电源端子5的电压半波为正时，穿越气隙的主磁通轴线的方向于水平轴线113自右向左；半波为负时则自左向右。

因此，在电动机启动时，交流电源端子5的电压半波为正和霍尔元件输出为4.97V，或者半波为负和霍尔元件输出为1.03V时，主磁通轴线的反向与永磁磁通轴线方向相交为10°；在电动机运转时，交流电源端子5的电压半波为正和霍尔元件输出为5V，或者半波为负和霍尔元件输出为1V时，主磁通轴线的反向与永磁磁通轴线方向相交为0°。

单片机6内置的软件或硬件控制包括：

a)对输入电路62的电平与所储存的霍尔元件3的输出特性进行比较、判别和输出的程序，其输出A当该电平为4.97V和电动机启动时或者到达5V和电动机运转时变为1，当该电平为1.03V和电动机启动时或者到达1V和电动机运转时时变为0；

b)以上述输出A和输出B二者为输入的同或门逻辑控制的输出L与A、B的逻辑关系，如下表；

c)上述L为1时，单片机6的输出电路63向双向晶闸管4的触发极输出电压脉冲，并且该脉冲于所述电压极性半波结束之前下降为零，即其宽度不超出所述电压极性再次转换时刻。

各信号的波形如图4所示：51为交流电源端子5的波形，52为整形电路输出B即单片机输入电路61的波形，31为霍尔元件3的输出电平的波形，32为单片机6内置的软件或硬件对霍尔元件3的输出电平与所述储存的霍尔元件3输出特性比较后的输出A的波形，64为单片机6的输出电路63向双向晶闸管4的触发极输出的电压脉冲的波形。

双向晶闸管4获得上述脉冲后随即导通，交流电源端子5即向绕组12供电，使转子2启动或继续旋转。由于双向晶闸管4的触发极获得的电压脉冲的宽度不超出电压极性再次转换时刻，双向晶闸管4此次半波导通至该半波过零时截止，然后在紧接着的下一半波再次按检测结果进行控制：符合所述条件，即L为1时，将再次导通，否则截止。

本发明实施例电动机对CN201110100111.6说明书实施例1所述电动机的改进主要是单片机6内置还包括计数器1和计数器2，其内置的程序还包括如下步骤：

步骤1：电动机接通电源，计数器1和计数器2清零；

步骤2：输入电路61由1变为0后开始观察输入电路62电平的变化；

步骤3：输入电路62电平由升高变为降低或者由降低变为升高，计数器1加1；

步骤4：直至输入电路61由0变为1，若计数器1累计数超过1，则计数器2加1；

步骤5：输入电路61由0变为1后，随即对计数器1清零，继续观察输入电路62电平的变化；

步骤6：输入电路62电平由升高变为降低或者由降低变为升高，计数器1加1；

步骤7：直至输入电路61由1变为0，若计数器1累计数超过1，则计数器2加1；

步骤8：输入电路61由1变为0后，随即对计数器1清零，继续观察输入电路62电平的变化；

步骤9：重复步骤3～步骤8的过程，直至计数器2累计数达到300。输出电路63输出的电压脉冲波形的前沿改变为延迟1/4周期，如图5中波形65所示。

步骤9完成后，双向晶闸管4向绕组12输出电压的波形改变为如图5中的缺损正弦波66，该电压平均值相比交流电源端子5上的电压的完整正弦波形51降低约一半。

该实施例中，通过依次测定交流电源瞬时周期过零的时刻确定交流电源瞬时周期次数，也可以通过依次测定交流电源瞬时周期某一非零电平的时刻确定交流电源瞬时周期次数，但以前者比较简单可靠。

该实施例中，判断电动机空载的规定数为300以及因此降低电压的移相角为1/4周期，根据不同功率的电动机及其驱动的负载的情况，可有所增加或减少。但判断电动机空载的规定数不宜过小，以免受速度脉动的影响；降低电压的移相角不宜过大，以免电动机失步。

该实施例中使用的电力电子元件为一双向晶闸管，也可以改为IGBT和功率型MOSFET等元件，但以前者价格最低且工作也比较可靠。双向晶闸管也可以由一直流端正向连接一单向可控硅的单相桥式整流器的组件代替，整流器的交流端代替双向晶闸管的主电极，单相可控硅的触发极代替双向晶闸管的触发极。

该实施例单片机6内置硬、软件的处理，同样可用于CN201110100111.6说明书中实施例2～3所述电动机的改进。

Claims (2)

1.一种电子控制定向旋转单相自起动永磁同步电动机，该电动机包括：

——定子和永磁转子；

——电力电子开关电路，交流电源经该电路向定子输出电压；

——控制电路；

所述控制电路包括：

——检测所述交流电源的状态的检测电路；

——安装于所述转子圆周附近以检测所述永磁转子的状态的位置传感器；

——按照所述检测电路的输出和所述位置传感器的输出而输出电压脉冲的输出电路，所输出的电压脉冲控制所述电力电子开关电路；

其特征在于：

——所述检测电路的输出包括所述交流电源的瞬时周期时刻,在所述交流电源的电压极性为正半波时为1而负半波时为0；

——所述位置传感器的输出包括所述转子磁极掠过位置传感器的次数；

——当规定次数所述交流电源半波周期内所述转子磁极掠过位置传感器的次数大于所述交流电源半波周期次数时，所述电力电子开关电路降低向定子输出的电压并保持在规定值；并且，自电动机启动开始，检测每一个交流电源半波内转子磁极掠过位置传感器的次数，累计该次数超过1次的交流电源半波周期数，若该累计数超过规定值，所述电力电子开关电路降低向定子输出的电压并保持在规定值；

进一步的具体设计为：

所述电力电子开关电路为双向晶闸管，所述控制电路包括单片机，单片机具有：

——第1输入电路，连接所述检测电路的输出；

——第2输入电路，连接所述位置传感器的输出；

内置第1计数器和第2计数器，内置的程序包括如下步骤：

步骤1：电动机接通电源，第1计数器和第2计数器清零；

步骤2：第1输入电路由1变为0后开始观察第2输入电路电平的变化；

步骤3：第2输入电路电平由升高变为降低或者由降低变为升高，第1计数器加1；

步骤4：直至第1输入电路由0变为1，若第1计数器累计数超过1，则第2计数器加1；

步骤5：第1输入电路由0变为1后，随即对第1计数器清零，继续观察第2输入电路电平的变化；

步骤6：第2输入电路电平由升高变为降低或者由降低变为升高，第1计数器加1；

步骤7：直至第1输入电路由1变为0，若第1计数器累计数超过1，则第2计数器加1；

步骤8：第1输入电路由1变为0后，随即对第1计数器清零，继续观察第2输入电路电平的变化；

步骤9：重复步骤3～步骤8的过程，直至第2计数器累计数达到规定数；所述电压脉冲波形的前沿延迟规定时间。

2.按照权利要求1所述电动机，其特征在于，所述第2计数器累计数达到的规定数为300以及电压脉冲波形的前沿延迟的规定时间为交流电源1/4周期。