单相永磁同步电机磁场定向控制方法及永磁同步电机系统

技术领域

本发明涉及排水泵技术领域，更具体地，本发明涉及一种家用电器的排 水泵用单相永磁同步电机的磁场定向控制方法、以及单相永磁同步电机系统。

背景技术

目前，单相交流永磁同步电机以其高能量效率和优秀的稳态特性被广泛 应用于洗碗机、洗衣机等家用电器排水泵领域。然而，单相交流永磁同步电 机在启动和运行性能方面有一定的局限性。

例如，在洗衣机排水泵应用中，为了解决排水泵启动时负荷大容易烧毁 电机的问题，需要增设启动装置，该启动装置主要由设有启动筋的联轴器和 设有启动凸台的启动腔组成，在电机启动瞬间，需要先空转一定角度，当启 动筋转到与启动凸台接触后才能带动叶轮转动，从而实现空载启动的效果， 有效地解决了因启动负载大而烧毁电机的问题。由于启动筋与启动凸台接触 时会发出碰撞的噪声，为了减低这种噪声，可在启动筋两侧边或启动凸台两 侧边分别设有减震垫。这种电机结构比较复杂，装配工艺繁琐，且启动腔与 减震垫的增加也使成本大大增加，多次启动后存在减震垫的失效问题。

目前，中国发明专利申请公开说明书CN102751922A已经提出了通过检 测电源电压的极性转换时刻并据此控制开关管的开启的永磁同步电机控制方 法。在永磁同步电机的理想工作状态下，定子绕组的电枢反应磁场与转子励 磁磁场正交，从而使得永磁同步电机的运行效率最高。然而，由于永磁同步 电机的定子绕组存在功率因数角，因此在上述公开的控制方法下永磁同步电 机不能运行在理想工作状态，由此会带来一些振动和噪音的问题，并且如果 电机电磁匹配不恰当，将会造成电机事故，如电机无法正常启动等。

发明内容

为了解决上述技术问题，提出了一种单相永磁同步电机的磁场定向控制 方法及单相永磁同步电机系统，其通过预先测定定子绕组的反电动势峰值所 对应的转子磁极的位置，并且根据反电动势峰值所对应的转子磁极的位置和 定子电流峰值所对应的转子磁极的位置之间的位置关系，来实现磁场定向控 制。

根据本发明一方面，提供了一种磁场定向控制方法，包括：确定定子绕 组的反电动势的峰值所对应的转子磁极的位置；检测流过定子绕组的定子电 流的峰值；检测定子电流的峰值所对应的转子磁极的位置；以及根据所述定 子电流的峰值所对应的转子磁极的位置与定子绕组的反电动势的峰值所对应 的转子磁极的位置，调节用于触发导通开关器件的触发角。

根据本发明实施例，所述磁场定向控制方法还包括：检测流过定子绕组 的定子电流的过零点；以及在定子电流的过零点之后，按照所述触发角触发 导通开关器件。

根据本发明实施例，通过电流检测部件来检测定子绕组的定子电流的峰 值；以及通过位置传感器来检测定子电流的峰值所对应的转子磁极的位置。

根据本发明实施例，在检测定子电流的峰值之前，所述磁场定向控制方 法还包括：确定转子磁极的当前极性位置；将转子磁极预偏置到目标初始位 置；以及在输入电压的相位角达到初始触发角时触发导通所述开关器件。

根据本发明实施例，所述确定转子磁极的当前极性位置包括：触发导通 所述开关器件，以便将输入电压施加到定子绕组两端；以及检测所述转子磁 极的旋转方向。

根据本发明实施例，所述将转子磁极预偏置到目标初始位置包括：根据 所述转子磁极的旋转方向，确定将施加的输入电压的极性；在所述输入电压 的极性为所确定的将施加的输入电压的极性时，在所述输入电压的第一相位 角处触发所述开关器件导通；检测所述转子磁极的当前位置；在所述转子磁 极的当前位置与所述目标初始位置之差大于第一差值阈值时，确定将施加的 输入电压的极性，并且在所述输入电压的极性为所确定的将施加的输入电压 的极性时，在所述输入电压的第一相位角处触发所述开关器件导通；直至所 述转子磁极的当前位置与所述目标初始位置之差不大于第一差值阈值。

根据本发明另一方面，提供了单相永磁同步电机系统，包括：单相永磁 同步电机、开关器件、电流检测部件、位置检测模块、以及控制装置。所述 单相永磁同步电机、所述开关器件和所述电流检测部件串联连接，所述电流 检测部件检测流过所述单相永磁同步电机的定子绕组的定子电流；所述位置 检测模块获取转子磁极的位置信息；以及所述控制装置接收位置传感器输出 的转子磁极的位置信息、以及电流检测部件提供的定子电流。所述控制装置 确定定子绕组的反电动势的峰值所对应的转子磁极的位置，确定所述定子电 流的峰值所对应的转子磁极的位置信息，并且根据所述定子电流的峰值所对 应的转子磁极的位置与所述反电动势的峰值所对应的转子磁极的位置，调节 用于触发导通开关器件的触发角。

利用根据本发明实施例的单相永磁同步电机的磁场定向控制方法及单相 永磁同步电机系统，其通过转子预定位和转子预偏置可以实现单相永磁同步 电机的定向启动，通过控制定子电流峰值所对应的转子磁极的位置与预先测 定的定子绕组的反电动势峰值所对应的转子磁极的位置一致，可以实现磁场 定向控制。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说 明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优 点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本 发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1图示了根据本发明实施例的单相永磁同步电机的示意性结构图；

图2图示了根据本发明实施例的单相永磁同步电机系统的示意图；

图3图示了根据本发明实施例的霍尔传感器的输出波形的示意图；

图4图示了根据本发明实施例的单相永磁同步电机的各操作阶段的示意 图；

图5图示了根据本发明实施例的单相永磁同步电机在转子预定位阶段的 几种可能的转子磁极位置的示意性说明图；

图6图示了根据本发明实施例的转子磁极的启动角的示意性说明图；

图7图示了根据本发明实施例的在转子预偏置阶段施加的电压脉冲和电 流脉冲的示意性说明图；

图8图示了根据本发明实施例的位置检测模块的安装位置的示意图；

图9图示了根据本发明实施例的以位置检测模块为坐标零点的定子绕组 的反电动势的示意性波形图；

图10图示了根据本发明实施例的磁场定向控制阶段的磁场定向控制方 法的示意性流程图；

图11图示了期望定子电流i^*与反电动势的对比图；

图12图示了根据本发明实施例的在磁场定向控制阶段的输入电压、定子 电流、以及定子绕组的反电动势的相位关系的示意图。

具体实施方式

将参照附图详细描述根据本发明的各个实施例。这里，需要注意的是， 在附图中，将相同的附图标记赋予基本上具有相同或类似结构和功能的组成 部分，并且将省略关于它们的重复描述。

图1图示了根据本发明实施例的单相永磁同步电机的示意性结构图。

如图1所示，根据本发明实施例的单相永磁同步电机包括定子组件和转 子组件。所述定子组件包括定子绕组和定子铁芯，所述转子组件包括转子磁 极，并且转子磁极可以为永磁磁极。所述转子磁极位于定子铁芯的缺口位置 处。

此外，如图1所示，在定子铁芯的左极侧，定子铁芯和转子磁极之间的 气隙自上而下逐渐减小；而在定子铁芯的右极侧，定子铁芯和转子磁极之间 的气隙自下而上逐渐减小。例如，在定子铁芯的左极侧，所述定子铁芯的缺 口形状可以自上而下分段地改变，从而使得定子铁芯和转子磁极之间的气隙 自上而下呈阶梯状减小。再例如，在定子铁芯的左极侧，所述定子铁芯的缺 口形状可以如图1所示地自上而下平滑地改变，从而使得定子铁芯和转子磁 极之间的气隙自上而下线性地或非线性地逐渐减小。

在定子铁芯和转子磁极之间的气隙逐渐从大变小时，磁阻也逐渐从大变 小。按照如图1所示的单相永磁同步电机的结构，所述单相永磁同步电机的 正常运转方向为逆时针方向。

此外，在图1中示意性地绘制了定子绕组，然而应了解，定子绕组的匝 数当然不限于图1所示的具体匝数，而应该根据具体的单相永磁同步电机设 计要求设计不同的定子绕组匝数。

图2图示了根据本发明实施例的单相永磁同步电机系统的示意图。

如图2所示，单相永磁同步电机系统包括：单相永磁同步电机M、开关 器件T、电流检测部件11、位置检测模块12、以及控制装置13。

开关器件T可以为双向导通的开关器件，例如，双向可控硅，其在被触 发时导通，而在其两端的电压低于维持电压时或者在电流低于维持电流时关 断。

位置检测模块12可以为霍尔传感器，其获取转子磁极的位置信息。霍尔 传感器检测磁场强度，并且随着转子磁极的旋转，霍尔传感器的输出波形为 正弦波。例如，在转子磁极轴线与霍尔传感器重合时，霍尔传感器的输出电 平具有最大值，而在转子磁极轴线反向延长线与霍尔传感器重合时，霍尔传 感器输出正弦波的最小值。如图3所示，示出了霍尔传感器的输出波形的示 意图。

电流检测部件11可以包括电流检测电阻以及信号变换部分。所述信号变 换部分可以将所述电流检测电阻采集到的信号进行干扰滤除、放大等处理， 然后把处理后的信号提供给所述控制装置13。所述电流检测部件11检测流 过所述单相永磁同步电机的定子绕组的电流。例如，所述电流检测电阻检测 流过所述单相永磁同步电机的定子绕组的电流；所述信号变换部分可以包括 信号放大器，用于对所述电流检测电阻的检测信号进行放大处理。

控制装置13接收位置传感器12输出的转子磁极的位置信息、以及电流 检测部件11提供的电流信息，并且根据所述转子磁极的位置信息和电流信息 控制所述开关器件的导通。

在单相永磁同步电机的电机结构定型之后，在单相永磁同步电机旋转时 其定子绕组的反电动势与转子磁极的位置的关系也相应定型。而且，在单相 永磁同步电机的电机结构定型之后，当在单相永磁同步电机的定子铁芯上安 装了位置传感器的情况下，通过测量定子绕组的反电动势，并且通过读取位 置传感器的转子位置数据，可以预先测量出定子绕组的反电动势与转子磁极 的位置关系，即可以预先测量出当转子磁极位于哪些位置时定子绕组的反电 动势达到峰值。

根据本发明实施例，利用预先测量出的定子绕组的反电动势与转子磁极 的位置关系，确定定子绕组的反电动势的峰值，并且定位出定子绕组的反电 动势的峰值所对应的转子磁极的位置(具体地，转子磁极轴线的位置)。

根据本发明实施例，当定子绕组的定子电流与定子绕组的反电动势同相 位时，即当定子绕组的定子电流的峰值与定子绕组的反电动势的峰值同时出 现时，单相永磁同步电机的运行效率最高。

换句话说，确定定子绕组的反电动势的峰值所对应的转子磁极的位置， 并且控制定子绕组的定子电流的峰值出现在所确定的转子磁极轴线的位置 处。在所述定子电流的峰值所对应的转子磁极的位置与定子绕组的反电动势 的峰值所对应的转子磁极的位置重合(如图8中的a)所示)时，单相永磁同 步电机的力矩最大，因此可以认为此时定子绕组的磁场方向与转子励磁磁场 正交。

下面将参考图4－12描述根据本发明实施例的控制装置13执行的单相永 磁同步电机的控制方法。

图4图示了根据本发明实施例的单相永磁同步电机的各操作阶段的示意 图。

如图4所示，根据本发明实施例，单相永磁同步电机的操作可以划分为 三个阶段：S1，转子预定位阶段；S2，转子预偏置阶段；S3，磁场定位控制 阶段。

图5－图8分别图示了根据本发明实施例的S1－S3阶段的示意性说明 图。

下面将参考图5－图8具体地描述根据本发明实施例的单相永磁同步电 机的控制方法。

在单相永磁同步电机启动之前，转子磁极的初始位置未知，因此为了准 确地控制单相永磁同步电机的运行，需要首先确定转子磁极的初始位置。

根据本发明实施例，控制装置13向开关器件T输出触发信号，以便向 单相永磁同步电机的定子绕组施加交流电压的至多半个周期，然后检测所述 转子磁极的旋转方向。如前所述，在单相永磁同步电机的结构定型之后，其 期望旋转方向也相应确定，即从大气隙向小气隙的旋转方向为期望旋转方向。 因此，根据所述转子磁极的旋转方向，可以确定当前施加的交流电压的极性 与当前的转子磁极的位置是否匹配。简言之，在所述转子磁极的旋转方向为 从大气隙到小气隙时(例如逆时针方向)时，可以确定当前施加的交流电压 的极性与当前的转子磁极的位置匹配。反之，在所述转子磁极的旋转方向为 从小气隙到大气隙时(例如顺时针方向)时，可以确定当前施加的交流电压 的极性与当前的转子磁极的位置不匹配。

如图5所示，示出了在单相永磁同步电机启动之前转子磁极的几种可能 初始位置。

例如，在施加交流电压的正半周的情况下，定子铁芯的左极侧为S极， 定子铁芯的右极侧为N极，如图5中的a)到f)所示。反之，在施加交流电 压的负半周的情况下，定子铁芯的左极侧为N极，定子铁芯的右极侧为S极， 在图中未示出。

在施加交流电压的正半周时，在转子磁极位置如图5中的a)到c)所示 的情况下，单相永磁同步电机的转子磁极顺时针旋转；在转子磁极位置如图 4中的d)到f)所示的情况下，单相永磁同步电机的转子磁极逆时针旋转。

因此，根据在该转子预定位阶段转子磁极的旋转方向(顺时针还是逆时 针)，可以确定出转子磁极的当前极性位置，并且还可以确定出当前施加的交 流电压的极性与当前的转子磁极的位置是否匹配。即，可以确定出转子磁极 位置属于图5中的a)到c)的情况还是属于图5中的d)到f)的情况。

根据在该转子预定位阶段转子磁极的旋转方向，不仅可以确定出转子磁 极的当前极性位置，还可以判断出为了驱动转子磁极沿着预期旋转方向(例 如，上述逆时针方向)旋转下次需要施加的交流电压的极性。例如，在确定 出转子磁极位置属于图5中的a)到c)的情况下，判断下次需要施加的交流 电压的极性为负极性(负半周)；而在确定出转子磁极位置属于图5中的d) 到f)的情况下，则判断下次需要施加的交流电压的极性为正极性(正半周)。

接下来，参考图6－7描述根据本发明实施例的单相永磁同步电机的磁场 定向控制方法的转子预偏置阶段。

在单相永磁同步电机启动时，需要使得转子磁极轴线相对于定子磁场轴 线向气隙小的方向偏转一定角度，以便构成启动角θ。如图6所示，在启动 角θ处，转子磁极轴线方向与定子磁场轴线相反，且转子磁场轴线方向与定 子磁场轴线方向相比更接近于小气隙。

在根据本发明实施例的单相永磁同步电机的磁场定向控制方法的转子预 偏置阶段中，根据在转子预定位阶段所确定的下次需要施加的交流电压的极 性，向定子绕组施加所确定的极性的交流电压的小脉冲。

如图7所示，当在转子预定位阶段所确定的下次需要施加的交流电压的 极性为正极性时，控制装置13在所述输入电压的第一相位角θ_A处触发开关 器件T导通，在交流电压过零点附近，开关器件T关断。因此，向定子绕组 施加了电压脉冲。可选地，第一相位角θ_A大于120°。优选地，第一相位角θ _A在140°－160°之间。

在转子预偏置阶段，控制装置13在所述输入电压的第一相位角θ_A处触 发开关器件T导通向定子绕组施加了电压脉冲之后，所述位置检测模块12 检测所述转子磁极的位置，以确定所述转子磁极轴线是否被偏置到启动角θ 的位置。在所述转子磁极轴线尚未被偏置到启动角θ的情况下，控制装置13 继续在所述输入电压的第一相位角θ_A处触发开关器件T导通向定子绕组施 加电压脉冲，直至所述转子磁极轴线被偏置到所述启动角θ。

可选地，可以设置第一差值阈值，在所述转子磁场轴线的当前位置与所 述启动角θ之差大于第一差值阈值时，确定将施加的输入电压的极性，并且 在所述输入电压的极性为所确定的将施加的输入电压的极性时，在所述输入 电压的第一相位角θ_A处触发所述开关器件导通；直至所述转子磁极的当前位 置与所述启动角θ之差不大于第一差值阈值。所述第一差值阈值为小的误差 允许范围，并且根据设计精度例如可以为5°，8°或10°等，本发明不受其具 体取值的限制。

在如图5中的d)和e)所示的情况下，向单相永磁同步电机的定子绕组 施加正极性的电压脉冲(未示出)，直至所述转子磁极轴线被偏置到图6中的 a)所示的启动位置。

在如图5中的a)和b)所示的情况下，向单相永磁同步电机的定子绕组 施加负极性的电压脉冲(未示出)，直至所述转子磁极轴线被偏置到图6中的 b)所示的启动位置。

应了解，在将单相永磁同步电机的转子磁极旋转到图6中的a)和b)所 示的启动位置之前，可能需要施加多个电压脉冲。

通过上述的预定位阶段和预偏置阶段，根据本发明实施例的单相永磁同 步电机可以实现定向启动。

图8图示了根据本发明实施例的位置检测模块12的安装位置示意图。下 面，以霍尔传感器为例来描述位置检测模块12。图9图示了根据本发明实施 例的以位置检测模块12为坐标零点的反电动势的示意性波形图。

如图8中的a)所示，位置检测模块12安装在定子铁芯的交轴位置(q 轴)，在此情况下，如图9中的a)所示，反电动势峰值出现在从位置检测模 块12沿逆时针方向旋转90°的位置处，即此时转子磁极轴线沿逆时针方向比 该位置检测模块12超前90°。

如图8中的b)所示，位置检测模块12安装在定子铁芯开口部分的中央 位置，在此情况下，如图9中的b)所示，反电动势峰值出现在从位置检测 模块12沿逆时针方向旋转θ₁的位置处，即此时转子磁极轴线沿逆时针方向 比该位置检测模块12超前θ₁。

如图8中的c)所示，位置检测模块12安装在定子铁芯的直轴位置(d 轴)，在此情况下，如图9中的c)所示，反电动势峰值出现在位置检测模块 12的位置处，即此时转子磁极轴线与该位置检测模块12重合。

如图8中的d)所示，位置检测模块12安装在定子铁芯左极侧的中央位 置，在此情况下，如图9中的d)所示，反电动势峰值出现在从位置检测模 块12沿顺时针方向旋转θ₂的位置处，即此时转子磁极轴线沿逆时针方向比 该位置检测模块12超前θ₂。

为了描述方便，下面将以图8中的a)和图9中的a)为例来描述根据本 发明实施例的单相永磁同步电机的磁场定向控制方法的磁场定向控制阶段。

图10图示了根据本发明实施例的磁场定向控制阶段的磁场定向控制方 法1000的示意性流程图。

在步骤S1010，首先确定定子绕组的反电动势峰值所对应的转子磁极的 位置。

如前所述，在所述单相永磁同步电机的电机结构定型之后，预先测量出 定子绕组的反电动势与转子磁极的位置关系，即可以预先测量出当转子磁极 位于哪些位置时定子绕组的反电动势达到峰值。假设测量出的定子绕组的反 电动势与转子磁极的位置关系如图9中的a)所示。

在图9中的a)所示的情况下，定子绕组的反电动势峰值所对应的转子 磁极的位置近似如图8中的a)所示，换句话说，反电动势峰值对应于气隙最 小的位置。图11示出了在此情况下的期望定子电流i^*的波形示意图。如图11 所示，期望定子电流i^*的峰值点与反电动势的峰值点同时出现。

在步骤S1020，判断是否检测到流过定子绕组的定子电流的峰值点。例 如，可以通过检测流过定子绕组的定子电流来直接检测定子绕组的定子电流 的峰值。

当检测到定子绕组的定子电流的峰值点的情况下，在步骤S1030，检测 定子电流的峰值所对应的转子磁极的位置。

在步骤S1040，判断定子电流的峰值所对应的转子磁极的位置与在步骤 S1010中所确定的转子磁极的位置的差值是否在预定阈值之内。

当所述差值不在预定阈值之内时，在步骤S1050，调节用于触发导通开 关器件的触发角。

在步骤S1060，判断是否检测到流过定子绕组的定子电流的过零点。

当检测到定子绕组的定子电流的过零点的情况下，在步骤S1070，在所 述输入电压的触发角处触发导通开关器件，以便将输入电压施加到定子绕组 两端。

如图12所示，示出了在磁场定向控制阶段的输入电压V_in、定子电流i、 以及定子绕组的反电动势的相位关系的示意图。

根据本发明实施例的单相永磁同步电机的磁场定向控制方法，通过控制 定子电流的峰值点出现的时刻，使得保证定子电流的峰值点与定子绕组的反 电动势的峰值点的几何位置一致，从而使得定子磁场与转子磁场正交，以实 现单相永磁同步电机的磁场定向控制。

已经参考图1－图12描述了根据本发明实施例的单相永磁同步电机的控 制方法及单相永磁同步电机系统，其通过转子预定位和转子预偏置可以实现 单相永磁同步电机的定向启动，通过控制定子电流峰值所对应的转子磁极的 位置与预先测定的定子绕组的反电动势峰值所对应的转子磁极的位置一致， 可以实现磁场定向控制。

在上面详细描述了本发明的各个实施例。然而，本领域技术人员应该理 解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可对这些实施例进行各种修改， 组合或子组合，并且这样的修改应落入本发明的范围内。