CN1036968C - 电动机调速装置及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种调节电动机(1)的速度的数字装置，它包括一个换向元件、一个快速测距接收器(2)和一个微型控制器(4)，该换向元件在交流配电网的端子上串联安装在电动机上，该快速测距接收器与电动机连接并旨在发射反映电动机的速度的脉冲，该微型控制器包括不同的数据。借助于包含在该微型控制器中的数据，该调节电动机的速度的数字装置计算发送给该电动机的换向元件的校正值，以确保电动机的实际速度的调节。

Description

电动机调速装置及其操作方法

本发明涉及一种调节电动机的速度的数字装置，它包括一个换向元件、一个速度传感器和一个微型控制器，该换向元件(例如是一个三端双向可控硅开关元件)经一个交流配电网的端子串联安装在电动机上，该换向元件的导通角确定了对应于预定参考速度的数值，该快速测距计量器连接于电动机并旨在发射反映电动机的速度的脉冲，该微型控制器包括一个恒定频率信号发生器、一个第一计数器的计数装置、一个存储空间、比较装置、处理由比较装置产生的信息的装置和转换所分析信息的装置，该第一计数器自动增值，其计数依赖于至少一个周期的特征脉冲以计算电动机的实际速度，该存储空间包含包括在最小速度V_MINI与最大速度V_MAXI之间(连同V_MINI和V_MAXI在内)之间的N个期望参考速度值，该比较装置比较电动机的期望参考速度与实际速度，该转换装置旨在控制换向元件的导通角。

在这种公知的数字调速器中，微型控制器比较电动机的实际速度与确定的参考速度的数值，并且如果需要的话，产生对装置的换向元件的导通角的数值的校正，以调节作为电动机的实际速度与所选择的参考速度的数值之间的测量差值的函数的速度。该校正触发对应于确定的参考速度的一个数值的导通角数值的增量或减少并转换成常常在低速时产生显著的冲击或泵激(pumping)现象的速度的变化。此外，当导通角出现大的变化时，电压的突然增加可能会导致电动机的损坏。

本发明的目的是通过实现一种简单的、快速的非常可靠的数字调速装置来弥补上述缺点。

根据本发明，微型控制器的存储空间包括第一区段N个数值，这N个数值用于计算平均斜率P_x，这个平均斜率P_x，一方面，是由电动机端子处的半个周期的交流电压曲线上的预定点处的斜率值K₁至K_N计算出来并对由电动机端子处的另一个半个周期的交流电压曲线进行理论分割获得的N个区进行确定，另一方面，由对应于一个剩余表面(remaining surface)的能量系数A₁确定，微型控制器的存储空间还包括第二区段，其中包含对每一个期望参考速度值确定的一个最大校正范围且对应于电动机的实际速度与期望参考速度之间的一个相对的速度变化的N个数值。

借助于本发明的调节装置，在电动机的整个动作阶段，可以控制和校正电动机的实际速度，以避免可能一方面有损于电动机的寿命另一方面有损于使用者的脑力平静的任何干扰，并确保连续地调节电动机的实际速度。以这种方式，电动机根据与换向元件的导通角相关的能量变化产生反应，该变化是通过一个功率调节实现的(通过引入这样一个概念，即一个能量增量允许处理一个校正Δw/w＝Cste，从而实现功率的调节)，而不是通过一个角度调节(通过给换向元件施加一个确定的导通角从而施加了一个非理想功率)来实现。

通过以下参照附图的举例方式描述，可以理解本发明的特征和优点，其中：

图1表示了根据本发明的一个电动机的调速的数字装置的一个示意框图；

图2表示了根据本发明的出现于电动机端子处的半个周期的交流电压曲线的分割；

图3和图4表示了根据本发明所作的计算之后获得的校正线，这些校正线用于确定使电动机的实际速度趋向于期望参考速度的校正值。

参看图1，一个旨在配备于例如一个家用设备的电动机1由一个交流配电网(未示出)供电并由一个串联于该电动机的换向元件驱动。该电动机以不同的速度转动，这些速度是要完成的任务的函数，一般来说这些速度是可由使用者选择的。以这种方式，电动机经受可能损害其寿命的剧裂变化。为了改善电动机的功能并调节其速度，一个电动机数字调速器控制换向元件(例如一个三端双向可控硅开关元件)的导通角引起该电动机1的实际速度的变化。这样一个调节装置包括一个速度传感器2，它连接于电动机并旨在向一个接口3发射反映电动机的速度的脉冲，该接口3将该脉冲传输给一个微型控制器4。微型控制器4例如是INTEL公司的8051微型控制器。该微型控制器包括一个恒定频率信号发生器(例如频率为1兆赫兹)和一个存储空间6，该存储空间基本包含一个包括在一个最小速度V_MINI与一个最大速度V_MAXI之间(连同V_MINI和V_MAXI在内)的第一区段的N个期望参考速度值，和用于计算平均斜率P_x的N个数值。该平均斜率P_x的值，一方面，是由电动机端子处的半个周期的交流电压的余弦曲线上的预定点处的斜率值计算出来的并对由电动机端子处的半个周期的交流电压的正弦曲线进行理论分割得到的N个区进行确定，每一个分割成的区Z₁至Z_N是在其两个端点B₁和B₂之间确定的，B₁和B₂分别对应于换向元件的导通角的一个确定的数值，分别表示期望参考速度的数值V_P和V_P+1；另一方面，平均斜率P_x的值是由正比于电动机端子处的交流电压的正弦曲线的由一个区的一个端点B₁与正弦曲线的零交叉点确定的剩余表面的能量系数A₁计算出来。也可以由电动机端子处的交流电压的半个周期的正弦曲线确定斜率K₁至K_N，但是，因为符号问题，我们采用电动机的交流电压的半个周期的余弦曲线。这种分割的情况示意地表示于图2中。在每一个考虑的区中，斜率K₁至K_N的数值由电动机端子处的交流电压的半个周期的余弦曲线上的预定点确定。微型控制器还包括计数装置，计数装置包括一个第一计数器5，它自动增值，其计数依赖于至少一个周期的表示电动机速度的脉冲以计算电动机的实际速度，该第一计数器5给出一个数值V，该数值V作为至少一个或多个表示电动机速度的脉冲的函数用于检测从速度传感器2发送的脉冲，并且所考虑的周期的数目包含在微型控制器的存储空间6中并对应于参考速度的一个确定的数值。从第一计数器5发送的数值V例如以十六进制形式表示，并且包括一个包含较多个有效位的第一部分和一个包含较少个有效位的第二部分。第一计数器5例如是一个16位计数器，以这种方式确定了一个从最小值0000至最大值FFFF的十六进制数。微型控制器4还包括一个积分器(未示出)，用于计算作为斜率值K₁至K_N的函数和能量系数A₁的函数的平均斜率P_X。以这种方式，例如对于相应的斜率K₁和K₂的两个连续的区Z₁和Z₂，积分器将输出对应于区Z₁和Z₂平均斜率的一个数值P₁，给出的这个例子是非限制性的。微型控制器4控制电动机数字调速装置1的动作。借助于一个第一微分器7，微型控制器计算由使用者选择并包含在存储空间6中的参考速度与由第一计数器5发出的数值V的第一部分之间的差值。将该差值取作校正Pc的范围。在计算校正Pc的范围之后，一个第一测试器8确定该校正范围的符号。如果这个范围的符号是负的，表示电动机转动太快，于是给该电动机发送一个对应于能量的一个最小变化的校正，它引起激发换向元件的触发器的一个时间延迟TR_MAXI。一个第二计数器9将该时间延迟引入操作过程，该第二计数器9具有一个最大值和被驱动至一个由校正最小值的计算确定的装入值。因此这个时间延迟等于第二计数器的最大值与对应于该计数器9的装入值的计算校正值之间的差值。依赖于一个超过最大值的信号的触发的第二计数器9的输出受到了控制。该超过最大值的信号存储在一个存储器(未画出)中，该超过最在值的信号，一方面，起动微型控制器4的主操作程序的中断，另一方面，起动一个第二程序的运行，例如由一个接口10发送一个起动脉冲至换向元件的触发器以校正(如果需要的话)电动机的速度。在这样一个实施例中，第二计数器9例如是一个16位计数器。该计数器9例如装入至其最大值FFFF，从中减去一个十六进制数××××，产生的差值小于E900并对应于时间延迟TR_MAXI。在操作中，第二计数器从数值FFFF-××××开始，然后计数器增值并在从最大值FFFF转变至最小值0000时，该第二计数器9发出，例如，一个中断位，它中断主操作程序并起动该第二程序(发送一个对应于一个最小功率的脉冲)。在每一个起动脉冲之后，电动机以一个确定的实际速度转动，在作为期望参考速度的一个函数的每半个周期的动作中重新计算该实际速度。在作为期望速度的一个函数的每半个周期的动作中也重新计算该时间延迟。从第二计数器9的值FFFF中减去新的时间延迟，并且重复同样的步骤。也可以采用其它类型的计数器以及研究合适的计算方法来获得相同的结果。

如果校正范围的符号是正的或零，微型控制器4借助于一个第二微分器10′，将该微型控制器计算的校正范围与在存储空间6中获得的一个最大校正范围Pcm进行比较，该最大校正范围Pcm对每一个期望参考速度是固定的并且对应于电动机的实际速度与期望参考速度之间的速度差值，该差值是一个相对变化量。第二微分器10′以这种方式给出一个称为校正模式Mc的数值，由一个第二测试器11对Mc的数值进行符号测试。如果校正模式Mc的符号是负的或零，意味着电动机转动太慢，于是给该电动机发送一个对应于一个最大功率变化的校正。

该校正与施加于换向元件的时间延迟TR_MANI相关，并且随后进行与上述针对时间延迟TR_MANI的同样的步骤。在这个特殊的例子中，对应于时间延迟TR_MANI的十六进制数值是FFFF-FBOO。如果校正模式Mc的符号是正的，意味着电动机以一个接近期望参考速度的速度转动，于是进行校正值的计算，将该校正值施加于电动机的实际速度使之以期望参考速度动作。

为了获得这个校正值，一个乘法器12将与确定的参考速度相关的平均斜率值P_x乘以由第一微分器计算的校正范围的数值，第一加法器13将乘法器12这样获得的乘积与一个初始值相加，装备一个电动机的装置低于该初始值的情况下不能有效地工作并且在我们的例子中该初始值对应于一个十六进制数值E9，借助于一个第二加法器14将第一加法器13的结果与由乘法器15在与期望参考速度相关的平均斜度和与第一计数器5相关的数值V的第二部分之间计算的乘积相加。由加法器14计算的该校正值施加于该第二计数器9。

也可以由表示于图3和图4中的校正线图解求得校正值。参看图3和图4，作为说明性的示例，按照不同的位置点(A，B，C，…F)表示了不同的校正线(D_A，…nD_F)。的确，图3中的校正线D_A至D_F，一方面是按照横轴，另一方面是按照纵轴确定的，横车表示了由第一计数器5产生的电动机的实际速度的数值V，纵轴表示了包含在存储空间6中的参考速度的数值。每一条校正线都有一个确定的平均斜率值P₁至P_N，它们按照不同的动作点(A，B，C，…F)是不同的，不同的动作点意味着相应的不同的期望参考速度。具有A动作点的校正线对应于一个小数值的参考速度和一个极高数值V的电动机的实际速度，这个校正线具有一个非常平缓的平均斜率。对于较高的参考速度和低的V值，校正线具有一个陡的平均斜率。图4的校正线具有与图3中表示的校正线相同的平均斜率，但是刻度比例有所变化，以改善难以分析的随小速度差的变化而进行的校正。校正线表示在一个坐标系中，横轴表示电动机的实际速度与参考速度之间的相对变化，纵轴表示与时间延迟相关的数值，该数值已被转换成例如十六进制形式。每一条校正线在说明性的例子中都表示成第一部分I、一个弯折点H和第二部分II，第一部分I对所有校正线是共同的并对应于当电动机快速转动时获得的一个范围，弯折点H对所有校正线是共同的，这些校正线的第二部分II的平均斜率随期望参考速度的变化而变化。按照期望参考速度的数值，并控制电动机速度的相对变化，借助于根据期望参考速度相关的平均斜率的变化确定的校正线来确定正比于时间延迟的一个数值V₁(例如，以十六进制形式)。该数值V₁然后传输给第二计数器9，第二计数器9触发如前描述的动作过程。

以这种方式，本发明确保了正比于校正线的平均斜率的计算值的能量校正。

本发明可以用于由于使用时变化的转矩而以大速度变化动作的所有类型的电动机，尤其是对食品进行斩切、敲打、离心分离或挤压的食品处理机用的电动机，其速度变化很大。本发明也可以用于所有的家用设备，例如，真空吸尘器。

Claims (10)

1.一种调节电动机(1)的速度的数字装置，包括一个换向元件、一个速度传感器(2)和一个微型控制器(4)，该换向元件例如是一个三端双向可控硅开关元件，该换向元件经一个交流配电网的端子串联安装在该电动机上并且该换向元件的导通角确定了对应于一个预定参考速度的数值，该速度传感器与该电动机连接并旨在发射反映该电动机的速度的脉冲，该微型控制器包括一个恒定频率信号发生器、一个第一计数器(5)的计数装置、一个存储空间(6)、比较装置、处理由该比较装置产生的信息的装置、和转换如此处理的信息的装置，该第一计数器自动增值且其计数依赖于至少一个周期的表示电动机速度的脉冲以计算该电动机的实际速度，该存储空间包含包括在一个最小速度(V_MINI)与一个最大速度(V_MAXI)之间、连同最小速度(V_MINI)和最大速度(V_MAXI)在内的N个期望参考速度值，该比较装置比较该电动机的期望参考速度与实际速度，该转换装置旨在控制该换向元件的导通角，其特征在于：该微型控制器(4)的存储空间(6)在一个第一区段中包含N个用于计算平均斜率(P_x)的数值，该平均斜率(P_x)，一方面，由该电动机端子处的半个周期的交流电压曲线上的预定点处的斜率值(K₁至K_N)确定并对由该电动机端子处的半个周期的交流电压曲线的理论分割得到的N个区(Z₁至Z_N)进行确定，另一方面，由正比于该交流电压的曲线的一个剩余表面的能量系数(A₁)确定，该微型控制器的存储空间在第二区段中包含N个用于确定每一个期望参考速度并且对应于该电动机的实际速度与期望参考速度之间的速度差的最大校正范围的数值(P_CM)。

2.根据权利要求1所述的调节电动机的速度的数字装置，其特征在于：在所述电动机端子处的交流电压的半个周期的余弦曲线上确定所述斜率值(K₁至K_N)，并且由该交流电压的半个周期的正弦曲线确定所述N个区。

3.根据权利要求1所述的调节电动机的速度的数字装置，其特征在于：所述微型控制器(4)的存储空间(6)对每N个参考速度值包括所述待测表示电动机速度的脉冲的一个确定数目的周期。

4.根据权利要求1所述的调节电动机的速度的数字装置，其特征在于：所述存储空间(6)存储着一个数值(V)，它正比于所述电动机的实际速度并且包括一个包含较少个有效位的第一部分和一个包含较多个有效位的第二部分。

5.根据权利要求4所述的调节电动机的速度的数字装置，其特征在于：所述正比于所述电动机的实际速度的数值(V)是以十六进制形式确定的。

6.根据上述的任何一个权利要求所述的数字装置，其特征在于：所述微型控制器(4)包括一个第二计数器(9)，包含所述平均斜率(P_x)的N个数值、所述最大校正范围(P_CM)的N个数值以及包含在所述存储空间(6)内的所述表示电动机速度的脉冲的周期的一个确定数目，该第二计数器计算输给所述换向元件的所述校正值。

7.根据上述的任何一个权利要求所述的数字调节装置，其特征在于：所述第一计数器(5)和所述第二计数器(9)是16位计数器。

8.根据上述的任何一个权利要求所述的数字调节装置，其特征在于：它旨在装备一个家用设备的电动机，该家用设备例如是一个具有例如斩切、分割、挤压水果、离心分离水果、搅拌几种功能的食品处理机或一个真空吸尘器。

9.调节根据权利要求4至6所述的电动机的速度的数字装置的操作方法，其特征在于：计算由使用者选择的参考速度与第一计数器(5)产生的数值(V)的第一部分之间的差值确定的校正(Pc)的范围，对该校正(Pc)范围的符号进行测试，并给所述换向元件的导通角施加一个校正，该校正是由第二计数器(9)中介物作为该范围(Pc)的符号的函数确定的。

10.根据权利要求9所述的调节电动机的速度的数字装置的操作方法，其特征在于：如果所述校正范围的符号是负的，就发送一个对应于一个最小能量变化的最小校正，如果该校正范围的符号是正的或零，将所述微型控制器(4)计算的校正(Pc)的范围与包含在所述存储空间(6)中的最大校正范围(P_CM)进行比较，由此减小校正(M_c)的数值；测试该校正(M_c)的模式的符号，如该校正模式的符号是负的或零，就施加一个对应于一个最大能量变化的最大校正，如果该校正(M_c)的模式的符号是正的，就计算与所述确定参考速度相关的平均斜率(P_x)的数值与由该微型控制器(4)计算的校正(Pc)的范围的数值的乘积；将所获得的乘积加到一个确定的初始值上；将这个结果加到该平均斜率(P_x)与所述第一计数器(5)产生的数值(V)的第二部分的乘积上。

11.调节根据权利要求5所述的电动机的速度的数字装置的操作方法，其特征在于：将数字式的所述确定了的校正装入所述第二计数器(9)；触发该第二计数器(9)的动作；达到该第二计数器(9)的最大值；根据从该最大值至该第二计数器(9)的最小值的转变，利用该计数器(9)的一个进位位触发所述微型控制器(4)的主操作程序的中断并起动一个第二程序，向所述换向元件的触发器发送一个起动脉冲。

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