CN1139181C - 电机控制器 - Google Patents

Abstract

电机控制器利用传感器检测电机转子的转速和相对位置，产生一个电压矢量以在达到电压极限前使电机电流与EMF保持同相位计算器。计算器求得近似的实际速度并产生位置信号。实际速度同指令速度相比，任何差别都会产生一个误差信号。比例积分器接收误差信号，为矢量旋转器产生一个校正信号，它对应于取得指令速度必需的垂直电压分量。当达到电压极限后，所希望的速度继续增加可以通过采用其恒定幅度的电压矢量转动实现。

Description

电机控制器

发明领域

本发明涉及一种电机控制器，特别涉及一种高速，无刷直流电机的控制器，能够在以最佳效率将电机速度控制最大和最小速度之间。

国际专利申请号PCT/AU98/00035描述了一种高速无刷直流电机，该电机特别为驱动冷冻剂压缩机或诸如此类的设备而设计。这种电机有一个位于非磁性壳体内稀土磁铁(NdFeB)构成的转子，还有一个电感量极小的定子绕组，在电机的基本速度与最大速度之间能够实现近于1的功率因数。

在毋需运用复杂且较昂贵的控制设备的情况下，本发明能控制上述国际专利申请中所描述类型的电机或同类设计的电机。

为了在期望范围内能采用低成本控制元件控制电机速度，需要设计一种电机控制器，能利用定子绕组的低电感设计。由此，希望提供一种能够控制具有低电感定子绕组的高速直流电机速度的电机控制器。

还希望提供一种为制冷压缩机或类似设备提供必要速度控制的相对低成本但高效的电机控制器。

还希望提供一种可以用在一系列尺寸范围和结构组成的电机的电机控制器。

还希望提供一种能够根据负载要求控制电机速度的电机控制器。

发明内容

根据本发明的一个方面，为高速直流电机配置了一个电机控制器，该电机控制器包括：对电机转子相对位置进行检测的传感器，用于接收传感器发出的位置信号并由此计算转子的相对位置和转速的速度计算器，从速度计算器接收实际速度和位置信号的矢量旋转器，产生对应于指令速度信号和实际速度信号之间任何检测差值的误差信号的误差信号发生器，接收任何误差信号并为矢量旋转器发出信号的比例积分器，该信号对应于取得指令速度必需的电压矢量所希望的垂直分量，以及将矢量旋转器输出放大后供给电机的功率级。

本发明的控制器特别为用在高速电机相关领域而设计，该电机具有低电感定子绕组以在运行速度内保持接近整功率因数。如上述国际专利申请号PCT/AU98/00035描述的这种电机为使用于制冷系统而设计，其中离心式压缩机的转速同负载相关。在较大部分运行时间内，制冷系统在低于全负荷容量下稳定运行。本发明的控制器确保了在压缩机完全运行速度内，电机的功率要求达到最大效率。为此，控制器响应传感器发出一个电压矢量，在到达电压极限之前，基本上保持电机电流与电动势(EMF)同相。在达到电压极限后，所需要的速度继续提高可以在维持幅度恒定的同时转动电压矢量实现。

在一个较佳的本发明实施例中，位置传感器确定转子的转动位置及其瞬时转速。该瞬时转速的确定无法检测到传感器位置之间的加速度，所以计算的转子实际速度可能包括一个近似程度。但是，检测速度与实际速度之间的任何差别对速度计算来说并不重要。

计算的实际速度与速度指令信号相对比以检测任何差别。速度指令信号取自产生对应于检测系统负载的速度信号的制冷系统控制电路。

矢量旋转器发出控制电压，该电压的垂直和水平分量反映出用与检测速度的差值修改的速度指令。

较佳地，为控制器配置一个条件开关以使电压幅度和电压角度维持与指令速度信号相匹配，从而为给定转矩输出保持最小电流。处在一个位置的条件开关向矢量旋转器加上一个实际转子速度作为水平分量、负载指令作为垂直分量的函数。当电压矢量的垂直分量和水平分量满足条件μ² _q+μ_d ²＝1时，开关切换到第二个位置，出现磁场减弱，速度的继续增加引起矢量旋转器以不变的矢量幅度转动电压矢量。以此方式，功率因数保持近于1。

检测转子相对位置的传感器包括三个相互分开成120°的位置传感器。由于传感器检测随转子转动的磁场的瞬时位置，当传感器之间转速变动时，测得的实际转子位置一定大致相近，因为传感器位置之间可能有速度变化。然而，转速在20,000转/分钟与55,000转/分钟之间时，鉴于本发明控制器的目的，该近似可以不考虑。

为了使本发明更易于理解，参考附图对实施例进行说明。

附图说明

图1是表示根据本发明的一种形式的电机控制器框图。

较佳实施例的说明

本实施例的电机控制器采取通过功率级14控制电机12的微控制器11的形式。电机控制器在图1中表示出来，其中：

ω＝实际速度

ω^*＝指令速度

μ_q＝电压矢量的垂直分量

μ_d＝电压矢量的水平分量

θ＝转子位置

转子的相对位置和近似速度可以通过三个位置传感器33检测，位置传感器位于转子附近相互分散成120°。位置传感器33发出三个与转子位置同相的脉冲链，在一定的近似范围内，根据传感器位置之间是否发生速度变化，位置和速度计算器34用这些脉冲链来计算给定时间转子的实际速度ω和转子位置θ。误差信号发生器36将实际速度ω与指令速度ω^*进行比较，确定实际速度ω与指令速度ω^*之间的任何差别。如果检测出差别，误差信号发生器36发出误差信号e。

误差信号e被比例积分器37用来计算用于控制矢量旋转器31的电压矢量的垂直分量μ_q。除了接收到位置和速度计算器34的转子位置θ外，矢量旋转器31也接收到实际速度信号ω。矢量旋转器31产生三个控制电压V1、V2和V3，这些都是垂直矢量μ_q的函数，而且被功率级14放大后提供给电机12。

微控制器11还包括一个可在位置a和位置b之间切换的条件开关39。当μ² _q+μ_d ²＜1时，该开关处于a位置，当μ² _q+μ_d ²＝1时，该开关处于b位置。乘法器41将实际转子速度ω乘以相关系数K，该速度由位置和速度计算器34确定。当条件开关39处于a位置时，该计算之积输入矢量旋转器31，给出电压矢量的水平分量。以此方式，控制器可以改变电压幅度和角度与指令速度ω^*相匹配，在达到电压极限前，为给定转矩输出保持电流为最小值。

相关系数K是一个与速度相关的常数，可在电机的基本速度和最大速度之间变化。该相关系数K在电机各种运行速度下经测试而产生，从而确定在这些变化速度时电机状况的最优K值。测试结果常用来形成一条曲线，例如一个多项式，常用来决定电机任何给定速度的系数K。

当μ² _q+μ_d ²＝1时，开关39切换到b位置。出现这种情况时，发生磁场减弱，而且要求继续增速会引起电压矢量转动。比例积分器37产生的电压矢量的垂直分量加到决定水平分量μ_q的计算器42，该计算器由下式确定水平分量μ_q： $\sqrt{1-{\mathrm{\μ}}_q^2}$ 通过开关39的b位置将分量μ_d提供给矢量旋转器31。矢量旋转器为功率级14产生必要的电压矢量。

在本发明的上述形式中，在示例性实施例中使用的微控制器11是一个AnalogDevices公司的数字信号处理器ADMC330。当然，其他处理器也可以用在本发明的这一运用中。

本发明的电机控制器能将电压矢量的垂直和水平分量可以用于控制电机速度，在最大电压下，当需要继续增大速度时，磁场减弱导致电压矢量转动。

Claims (7)

1.为高速直流电动机提供的电机控制器，其特征在于，包括检测电机转子相对位置的传感器，用于接收传感器发出的位置信号并据此计算大致的相对位置以及转子转速的速度计算器，从速度计算器接收实际速度和位置信号的矢量旋转器，产生对应于任何检测到的指令速度信号和实际速度信号之间的差别的误差信号的误差信号发生器，接收任何误差信号并为矢量旋转器产生一个对应于实现指令速度需要的电压矢量垂直分量的信号的比例积分器，以及用于放大矢量旋转器输出以供给电机的功率级。

2.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，检测转子相对位置的所述传感器包括三个位置传感器，它们围绕转子相互分开120°设置。

3.如权利要求2所述的控制器，其特征在于，传感器检测同转子一并转动的磁场的瞬时位置并产生与转子位置同相位的三个脉冲链，位置和速度计算器根据传感器位置之间是否发生速度变化，用这些脉冲链来计算实际速度ω和近似位置θ。

4.根据上述任何一项权利要求的控制器，其特征在于，进一步包括一个向矢量旋转器提供输入信号的条件开关，该输入信号或者是传感器检测的电机实际转速的函数，或者是垂直电压分量的函数。

5.如权利要求4所述的控制器，其特征在于，当开关处于第一位置时，接收乘法器的输出，该乘法器将实际速度乘上一个相关系数K产生矢量旋转器输入信号。

6.如权利要求5所述的控制器，其特征在于，当达到最大电压时(当水平分量的平方加上垂直分量的平方等于1时)，开关从第一位置切换到第二位置，在第二位置，磁场减弱，需要速度继续增加引起电压矢量转动。

7.如权利要求6所述的控制器，其特征在于，将比例积分器产生的电压矢量的垂直分量加到决定水平电压分量μ_d的计算器： $\sqrt{1-{\mathrm{\μ}}_q^2}$

其中μ_q＝电压矢量的垂直分量

    μ_d＝电压矢量的水平分量