CN114287105B

CN114287105B - 用于启动无传感器单相电动机的方法和无传感器单相电动机

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Publication number: CN114287105B
Application number: CN201980099421.5A
Authority: CN
Inventors: O.萨里奥; F.伍贝尔斯; M.博斯科夫斯基; O.芬格尔
Original assignee: Pierburg Pump Technology GmbH
Current assignee: Pierburg Pump Technology GmbH
Priority date: 2019-08-21
Filing date: 2019-08-21
Publication date: 2024-10-01
Anticipated expiration: 2039-08-21
Also published as: US11764712B2; WO2021032302A1; EP4018541B1; JP2022546285A; CN114287105A; US20220294370A1; EP4018541A1

Abstract

本发明涉及一种用于启动无传感器单相电动机(10)的方法，该电动机包括(10)：‑永磁马达转子(24)；‑具有定子线圈(16)的电磁马达定子(12)；‑用于激励定子线圈(16)的电力电子设备(26)；‑用于测量在定子线圈(16)中流动的电流(I)的电流传感器(32)；和‑用于控制电力电子设备(26)的控制电子设备(28)，该控制马达电子设备(28)与电流传感器(32)连接，所述方法包括：‑用交流驱动电压(Vd)激励定子线圈(16)；‑监测定子线圈(16)中通过驱动电压(Vd)产生的驱动电流(Id)；并且‑每当驱动电流(Id)达到预定的正电流阈值(Itp)或预定的负电流阈值(Itn)时，对驱动电压(Vd)进行换向。根据本发明的方法提供无传感器单相电动机(10)的快速且可靠的启动。

Description

用于启动无传感器单相电动机的方法和无传感器单相电动机

本发明涉及一种用于启动无传感器单相电动机的方法和一种无传感器单相电动机。

无传感器单相电动机不包括用于检测当前马达转子位置的任何位置传感器，例如霍尔传感器。因此，必须间接检测当前转子位置，例如，通过分析由旋转的永磁马达转子引起的反电动势(CEMF)的极性转变。然而，本领域已知的间接无传感器转子位置检测方法通常需要马达转子至少以最小速度旋转以允许可靠的转子位置检测。因此，需要特定的加速过程来将马达转子加速到该最小速度。

专利文献US2014/0111127 A1公开了一种用于启动无传感器单相电动机的方法，其中通过用定义的定位电流激励定子线圈使马达转子最初移动到定义的转子静止位置。随后，马达转子在加速驱动模式下加速，其中定子线圈被提供有预定占空比的脉冲交流电流激励(或者说通电)，以便可以在脉冲电流的关闭阶段、即当定子线圈未被激励时，分析CEMF。然而，脉冲驱动电流的必要的关闭阶段(off-phases)限制了提供给定子线圈的有效驱动能量，使得脉冲驱动电流仅允许相对较慢的马达转子加速。马达转子的相对较慢的初始定位额外减缓了电动机的启动。

本发明所要解决的技术问题是提供无传感器单相电动机的快速且可靠的启动。

该技术问题通过具有权利要求1的特征的用于启动无传感器单相电动机的方法以及通过具有权利要求6的特征的无传感器单相电动机来解决。

根据本发明的无传感器单相电动机设有永磁马达转子。马达转子可以是被永磁化的单块的转子主体，或者可以是具有至少一个附接的永磁体的典型铁磁转子主体。通常，单相电动机的马达转子设有正好两个相反的磁极。

根据本发明的无传感器单相电动机还设有带有定子线圈的马达定子。优选地，马达定子包括大致U形的铁磁定子主体，该定子主体限定两个相对的磁极。通常，单相电动机设有与U形定子主体的开口端相对的单个定子线圈。优选地，马达定子设有叠片的定子主体，即定子主体由铁磁金属片的堆叠体制成。

由于永磁马达转子和铁磁定子的相互作用，如果马达定子未被激励，则马达转子移动到两个定义的静态的静止位置之一。如果定子线圈以定义的电压被激励，则马达转子朝向两个驱动位置之一被加速，这取决于电磁定子场的磁定向并且因此取决于所提供电压的极性。

根据本发明的马达定子和马达转子设计为使得马达转子的两个静止位置位于与两个驱动位置不同的旋转位置。这允许可靠地启动静止的马达转子。

根据本发明的无传感器单相电动机还设有电力电子设备，用于以定义的馈电电压激励定子线圈。通常，电力电子设备包括若干用于对馈电电压进行换向的半导体开关。

根据本发明的无传感器单相电动机还设有用于测量在定子线圈中流动的电流的电流传感器。优选地，电流传感器包括与定子线圈串联电连接的简单的感测电阻器。然而，电流传感器可以是允许测量在定子线圈中流动的当前电流的任何装置。

根据本发明的无传感器单相电动机还设有用于控制电力电子设备的控制电子设备。控制电子设备与电流传感器电连接，从而控制电子设备可以评估由电流传感器测量的电流。控制电子设备通常包括微控制器。

根据本发明的用于启动无传感器单相电动机的方法包括以下步骤：

-用交流驱动电压激励定子线圈；

-监测定子线圈中通过驱动电压产生的驱动电流；并且

-每当驱动电流达到预定的正电流阈值或预定的负电流阈值时，对驱动电压进行换向。

定子线圈以交流驱动电压被激励，该交流驱动电压具有定义的有效电压幅值。被激励的定子线圈产生电磁定子场，该电磁定子场根据驱动电压的当前电极性将马达转子加速离开其静态的静止位置并且朝向两个驱动位置之一，在该驱动位置中，永磁转子场平行于电磁定子场，即马达转子北极位于马达定子南极附近，并且马达转子南极位于马达定子北极附近。

定子线圈中产生的驱动电流取决于马达转子的磁定向、即永磁转子场相对于电磁定子场的定向。如果马达转子北极与马达定子南极相邻，并且马达转子南极与马达定子北极相邻，则永磁转子场平行于电磁定子场，从而永磁转子场加强了总的有效定子场。这导致相对高的驱动电流，其中定子场加强和因此驱动电流在驱动位置处最大。因此，如果马达转子朝驱动位置移动，则定子电流持续增加。

根据本发明，每当驱动电流达到预定义的正电流阈值或负电流阈值时，驱动电压被换向、即驱动电压的电极性被反转，其中两个电流阈值被定义为低于当马达转子位于两个驱动位置之一时定子线圈中产生的最大驱动电流。因此，驱动电压总是在马达转子到达驱动位置之前被换向，其中电机在换向点的特定定向可以通过电流阈值来定义。通常，正电流阈值和负电流阈值相等。然而，如果马达转子和/或马达定子不是完全对称的，这两个电流阈值也可以定义为不同的。在任何情况下，正电流阈值和负电流阈值如此定义，使得驱动电压基本上对称地换向以便提供马达转子的有效启动。

根据本发明的方法提供了在没有直接的转子位置反馈的情况下的转子位置控制的换向。此外，根据本发明的方法允许对定子线圈的基本上连续的激励而不需要任何明显的关闭时间来确定当前转子位置。因此，根据本发明的方法提供了无传感器单相电动机的高效、快速且可靠的启动。

通常，驱动电压是基于脉宽调制的驱动信号生成，即驱动电压以定义的开关频率不断开启和关闭，其中有效驱动电压幅值由脉宽调制的驱动信号的占空比、即开启-时间比来定义。脉宽调制提供了对馈入定子线圈的有效驱动能量的相对简单的调整。优选地，在斜坡阶段期间，驱动信号的占空比连续增加到预定的设定占空比。因此，有效驱动能量在斜坡阶段持续增加，由于基于电流阈值的换向，这导致驱动电压交替频率的持续增加。这确保了永磁马达转子可以“跟随”产生的电磁定子场，从而确保电动机的可靠启动。

在本发明的优选实施例中，该方法包括具有以下步骤的初始磁定向检测过程：

-用具有正极性的正检测电压脉冲激励定子线圈；

-用具有负极性的负检测电压脉冲激励定子线圈；

-测量在定子线圈中通过正检测电压脉冲产生的正检测电流脉冲；

-测量在定子线圈中通过负检测电压脉冲产生的负检测电流脉冲；

-通过评估正检测电流脉冲来确定第一检测参数；

-通过评估负检测电流脉冲来确定第二检测参数；并且

-通过比较第一检测参数和第二检测参数来确定静止马达转子的磁定向。

如上所述，如果转子场平行于定子场，即如果每个磁转子极与具有相反磁极的定子磁定子极相邻，则永磁转子场加强总的有效定子场，这引起相对较高的定子电流。相反地，如果转子场与定子场反平行，即如果每个磁转子极与具有相同磁极的磁定子极相邻，则永磁转子场削弱总的有效定子场。这引起相对较低的定子电流。

根据本发明，随后用正检测电压脉冲和负检测电压脉冲激励定子线圈。正检测电压脉冲产生正定子场，并且负检测电压脉冲产生具有相反磁定向的负定子场。提供的两个检测电压脉冲都低且短，使得静止的马达转子不明显被两个检测电压脉冲移动。

对于每个检测电压脉冲，测量在定子线圈中产生的作为结果的检测电流脉冲。通过评估正检测电流脉冲来确定第一检测参数，并且通过评估负检测电流脉冲来确定第二检测参数。例如，这些检测参数可以是各个检测电流脉冲的最大值、平均值或积分值。

如果永磁转子场具有平行于正定子场的分量，则第一检测参数高于第二检测参数。如果永磁转子场具有平行于相反的负定子场的分量，则第一检测参数高于第二检测参数。

因此，通过将第一检测参数与第二检测参数进行比较，可以以简单的方式确定静止马达转子的磁定向，即静止马达转子的当前静止位置。

根据本发明的磁定向检测过程提供了对当前磁定向的可靠检测，即使用相对短的检测电压脉冲。因此，根据本发明的磁定向检测过程允许无传感器单相电动机的非常快速且可靠的启动。

所描述的转子定向检测过程可以独立于随后用于驱动马达转子的方法用于确定马达转子的当前磁定向。因此，所描述的转子定向检测过程代表一项独立的发明。

正检测电流脉冲和负检测电流脉冲之差通常相对较小。因此，优选用至少三个正检测电压脉冲和至少三个负检测电压脉冲激励定子线圈。每个检测电压脉冲具有基本上相同的有效幅值和持续时间，其中所有检测电压脉冲都那么低且那么短以至于马达转子不被所产生的电磁定子场显著移动。优选地，正负检测电压脉冲交替地提供给定子线圈，使得由正负检测电压脉冲引起的轻微转子运动相互补偿。

对于每个检测电压脉冲，测量得到的检测电流脉冲，从而测量至少三个正检测电流脉冲和至少三个负检测电流脉冲。第一检测参数通过将所有正检测电流脉冲的最大绝对值相加来确定，并且第二检测参数通过将所有负检测电流脉冲的最大绝对值相加来确定。因此，与仅评估两个相反的检测电压脉冲相比，第一检测参数和第二检测参数之差明显增强。对于每个检测电压极性，例如通过将所有测得的检测电流脉冲的平均值或积分值相加来实现相同的技术效果。这提供了对静止马达转子的磁定向的非常可靠的检测。

在本发明的优选实施例中，驱动电压被提供有定义的初始电极性，该定义的初始电极性基于静止马达转子的所确定磁定向来定义。例如，如果马达转子静止在第一静止位置，则驱动电压被提供有正的初始极性，并且如果马达转子静止在第二静止位置，则驱动电压被提供有负的初始极性，反之亦然。在任何情况下，以这样的方式提供初始电极性，使得马达转子以定义的旋转方向与其当前磁定向无关地被可靠地加速。这提供了具有定义的旋转方向的电动机的可靠启动。

本发明所要解决的技术问题还通过如上所述的无传感器单相电动机来解决，其中，控制电子设备配置为执行根据本发明的上述方法之一。

在此参照附图描述本发明的实施例，其中：

图1示出根据本发明的无传感器单相电动机的示意图，其中，马达转子定向在第一静止位置；

图2示出在初始转子定向检测过程期间的a)馈电电压、b)馈电电流和c)第一检测参数和第二检测参数的时间历程；和

图3示出在转子加速过程中a)馈电电压和b)馈电电流的时间历程。

图1示出无传感器单相电动机10，其包括电磁马达定子12，该马达定子具有铁磁定子主体14和单个定子线圈16。定子主体设计为所谓的叠片的定子主体，即定子主体14由铁磁金属片的堆叠体制成。定子主体14设置为大致呈U形，其中，第一极腿18限定第一定子极，并且相对的第二极腿20限定第二定子极。定子线圈16卫星状地在桥接部22处布置为在机械和磁性上连接两个极腿18、20。

电动机10还包括可旋转的永磁马达转子24。马达被径向磁化，从而定义了磁北极N和磁南极S。

电动机10还包括电力电子设备26和控制电子设备28。电力电子设备26通过定子连接线30与定子线圈16电连接，用于以定义的有效馈电电压V激励定子线圈16。电力电子设备26由控制电子设备28通过脉宽调制的驱动信号PWM来控制，其中馈电电压V的有效幅值通过驱动信号PWM的占空比D、即开启-时间比来控制。控制电子设备28还配置为控制馈电电压V的电极性。

如果定子线圈16未被激励，则马达转子24移动到两个静态的静止位置RP1、RP2之一中，这两个静止位置具有马达转子24的相反的磁定向。马达转子24的两个静止位置RP1、RP2在图1中由分别代表第一静止位置RP1和第二静止位置RP2的磁北极N的定向的箭头示意性地示出。如图1中可见，马达转子24的北极N在第一静止位置RP1指向第一极腿18并且在第二静止位置RP2指向第二极腿20。

如果定子线圈16以正馈电电压V被激励，则产生正的电磁场，其中第一极腿18提供磁北极，并且第二极腿20提供磁南极。如果定子线圈16以负馈电电压V被激励，则产生负的电磁场，其中第一极腿18提供磁南极，并且第二极腿20提供磁北极。

正的电磁场使马达转子24朝向第一驱动位置DP1加速，其中马达转子24的北极N指向第二极腿20。负的电磁场将马达转子24加速朝向第二驱动位置DP2，在该位置中马达转子24的北极N指向第一极腿18。两个驱动位置DP1、DP2在图1中由分别代表马达转子24的第一驱动位置DP1和第二驱动位置DP2的磁北极N的定向的箭头示意性地示出。

电动机10还包括布置在定子连接线30中的电流传感器32，用于测量流过定子连接线30并因此流过定子线圈16的馈电电流I。电流传感器32与控制电子设备28以这样的方式连接，即当前的馈电电流I可以由控制电子设备28评估。

马达电子设备28配置为执行初始转子定向检测过程。在转子定向检测过程中，电力电子设备26由控制电子设备28控制以便交替地用三个正检测电压脉冲Vp和三个负检测电压脉冲Vn激励定子线圈16，如图2a)示意性地示出的。每个正检测电压脉冲Vp具有正极性并且产生正电磁检测场。每个负检测电压脉冲Vn具有负极性并且产生相反的负电磁检测场。

所得馈电电流I由控制电子设备28通过电流传感器32监控。如图2b)所示，三个正检测电压脉冲Vp产生三个正检测电流脉冲Ip，并且三个负检测电压脉冲Vn产生三个负检测电流脉冲In。每个正检测电流脉冲Ip具有大约为I1的最大绝对值，并且每个负检测电流脉冲In具有大约为I2的最大绝对值，I2大于I1。

控制电子设备28通过评估所有正检测电流脉冲Ip、尤其通过将三个正检测电流脉冲Ip的最大绝对值相加来确定第一检测参数P1。控制电子设备28通过评估所有负检测电流脉冲Ip、尤其通过将三个负检测电流脉冲In的最大绝对值相加来确定第二检测参数P2。

控制电子设备28比较所确定的第一检测参数P1和第二检测参数P2，以便确定静止马达转子24的当前磁定向、即当前静态转子静止位置。

如果马达转子24定向在第一静止位置RP1，即磁转子北极N位于第一极腿18附近，则产生的正电磁场被减弱，并且产生的负电磁场被马达转子24的永磁场加强。如果马达转子24被定向在第二静止位置RP2，即磁转子北极N位于第二极腿20附近，则产生的正电磁场被加强，并且产生的负电磁场被马达转子24的永磁场减弱。因此，如果马达转子24定向在第一静止位置RP1，则所确定的第二检测参数P2高于所确定的第一检测参数P1，并且如果马达转子24定向在第二静止位置RP2，则所确定的第一检测参数P1高于所确定的第二检测参数P2。

如图2c)中示意性地示出的，所确定的第二检测参数P2与所确定的第一检测参数P1相比明显更高。因此，在所描述的情况下，静止马达转子24被定向在图1所示的第一静止位置RP1。

控制电子设备28配置为随后执行加速过程以便加速静止的马达转子24。在加速过程中，控制电子设备28控制电力电子设备26以便用交流驱动电压Vd来激励定子线圈16，其中驱动电压的初始电极性基于所确定的静止马达转子24的磁定向来定义。

如果静止马达转子24被定向在第一静止位置RP1，则驱动电压Vd被提供有正的初始电极性，从而最初产生正的电磁场，正的电磁场将静止马达转子24加速离开第一静止位置RP1并且朝向第一驱动位置DP1。如果静止马达转子24被定向在第二静止位置RP2，则驱动电压Vd被提供有负的初始电极性，从而最初产生负的电磁场，负的电磁场将静止马达转子24加速离开第二静止位置RP2朝向第二驱动位置DP2。如图3a)中可见，在当前情况下，驱动电压Vd被提供有正的初始电极性，因为静止马达转子24被定向在第一静止位置RP1。

控制电子设备28被配置为通过电流传感器32连续监测由交流驱动电压Vd在定子线圈16中产生的驱动电流Id。如图3中可见，控制电子设备28配置为每当测量的驱动电流Id达到预定的正电流阈值Itp或预定的负电流阈值Itn时对驱动电压Vd进行换向。因为驱动电流Id的有效值取决于马达转子24的当前旋转位置，因此所描述的换向方案提供了对驱动电压Vd的间接地转子位置控制的换向。

如图3a)中可见，控制电子设备28还配置为在初始斜坡阶段R期间连续增加脉宽调制驱动信号PWM的占空比D直到预定义的设定占空比Ds，从而连续增加有效驱动电压Vd的幅值直到预定义的设定有效电压幅值Vs。由于驱动电压Vd的电流阈值控制的换向，这也提供了驱动电压Vd的连续增加的交替频率。

附图标记列表

10 无传感器单相电动机

12 马达定子

14 定子主体

16 定子线圈

18 第一极腿

20 第二极腿

22 桥接部

24 马达转子

26 电力电子设备

28 控制电子设备

30 定子连接线

32 电流传感器

D 占空比

DP1 第一驱动位置

DP2 第二驱动位置

Ds 设定占空比

I 电馈电流

In 负检测电流脉冲

Ip 正检测电流脉冲

Itn 负电流阈值

Itp 正电流阈值

N 磁北极

P1 第一检测参数

P2 第二检测参数

PWM 脉宽调制的驱动信号

R 斜坡阶段

RP1 第一静止位置

RP2 第二静止位置

S 磁南极

t 时间

V 有效馈电电压

Vd 交流驱动电压

Vn 负检测电压脉冲

Vp 正检测电压脉冲

Vs 设定有效驱动电压幅值

Claims

1.一种用于启动无传感器单相电动机(10)的方法，该电动机包括(10)：

-永磁马达转子(24)；

-具有定子线圈(16)的电磁马达定子(12)；

-用于激励定子线圈(16)的电力电子设备(26)；

-用于测量在定子线圈(16)中流动的电流(I)的电流传感器(32)；和

-用于控制电力电子设备(26)的控制电子设备(28)，该控制电子设备(28)与电流传感器(32)连接，

所述方法包括：

-用交流驱动电压(Vd)激励定子线圈(16)；

-监测定子线圈(16)中通过驱动电压(Vd)产生的驱动电流(Id)；并且

-每当驱动电流(Id)达到预定的正电流阈值(Itp)或预定的负电流阈值(Itn)时，对驱动电压(Vd)进行换向。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述驱动电压(Vd)是基于脉宽调制驱动信号(PWM)产生的，并且其中，所述驱动信号(PWM)的占空比(D)在斜坡阶段(R)期间连续增加至预定义的设定占空比(Ds)。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法包括具有以下步骤的初始转子定向检测过程：

-用具有正极性的正检测电压脉冲(Vp)激励定子线圈(16)；

-用具有负极性的负检测电压脉冲(Vn)激励定子线圈(16)；

-测量在定子线圈(16)中通过正检测电压脉冲(Vp)产生的正检测电流脉冲(Ip)；

-测量在定子线圈(16)中通过负检测电压脉冲(Vn)产生的负检测电流脉冲(In)；

-通过评估正检测电流脉冲(Ip)来确定第一检测参数(P1)；

-通过评估负检测电流脉冲(In)来确定第二检测参数(P2)；并且

-通过比较第一检测参数(P1)和第二检测参数(P2)来确定静止马达转子(24)的磁定向(RP1、RP2)。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述定子线圈(16)由至少三个正检测电压脉冲(Vp)和至少三个负检测电压脉冲(Vn)激励，其中，至少三个正检测电流脉冲(Ip)和至少三个负检测电流脉冲(In)被测量，其中，第一检测参数(P1)通过将所有正检测电流脉冲(Ip)的最大绝对值相加来确定，并且其中，第二检测参数(P2)通过将所有负检测电流脉冲(In)的最大绝对值相加来确定。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述驱动电压(Vd)被提供有基于所确定的静止马达转子(24)的磁定向(RP1、RP2)定义的初始电极性。

6.一种无传感器单相电动机(10)，包括：

-永磁马达转子(24)；

-具有定子线圈(16)的电磁马达定子(12)；

-用于激励定子线圈(16)的电力电子设备(26)；

其中，控制电子设备(28)配置为执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。