用于起动电动机的装置和方法.pdf

一种电动机起动装置100，包括生成开环驱动信号的驱动信号生成单元10和连接到电动机40的驱动电路30。驱动信号生成单元10包括其中存储预定数据的数据存储单元11、对速度数据积分的速度积分单元12、生成相位调节信号的相位调节信号生成单元13、生成三相施加电压的三相驱动信号生成单元14、以及生成电动机40的驱动信号的驱动电路驱动单元15。三相驱动信号生成单元14通过将基于相位调节信号的三相施加电压输出到驱动电路驱动单元15，执行开环驱动。

1.  一种用于起动电动机的装置，包括：
调节单元，其在从静止状态直到稳定状态的起动时段期间，调节施加到电动机的线圈的施加电压的电角的相位，在所述静止状态中，电动机的转子是静止的，在所述稳定状态中，转子加速到预定转速。

2.  如权利要求1所述的装置，还包括：
第一生成单元，其通过在起动时段期间积分速度轮廓数据生成速度积分相位信号，该速度轮廓数据包含电角速度和时间之间的关系；以及
第二生成单元，其基于对调节电角的相位预定义的相位调节时间信息和相位调节值、以及由第一生成单元生成的速度积分相位信号，生成用于调节电角的相位的相位调节信号，并将该相位调节信号输出到调节单元。

3.  如权利要求2所述的装置，其中相位调节信号用于在由相位调节时间信息指示的相位调节时间、将施加电压的电角延迟预定角度值。

4.  如权利要求2或3所述的装置，其中速度轮廓数据包括用于调节施加电压的电角速度的信息。

5.  如权利要求1到4的任一所述的装置，其中施加电压的波形是正弦的。

6.  一种起动电动机的方法，包括：
在从静止状态直到稳定状态的起动时段期间，调节施加到电动机的线圈的施加电压的电角的相位，在所述静止状态中，电动机的转子是静止的，在所述稳定状态中，转子加速到预定转速。

7.  如权利要求6所述的方法，还包括：
调节施加电压的电角速度。

8.  如权利要求6或7所述的方法，其中施加电压的波形是正弦的。

用于起动电动机的装置和方法
技术领域
本发明涉及用于起动例如包括多相线圈的无电刷电动机的装置和方法。
背景技术
无电刷电动机广泛用于包括家用电器和办公自动化设备的各种应用中。在无电刷电动机中，提供检测电动机的转子的位置的单元以获取何时对施加到每个线圈的电流换向(commutate)的定时。例如，如霍耳设备的传感器典型地用作用于该目的的单元。然而，使用这样的传感器将在降低电动机的大小和成本上造成困难。因此，可用这样的方法，其使得可能基于在电动机的线圈中生成的反电动势(反EMF)来检测转子的位置，而不用任何传感器。
然而，利用基于反EMF的方法，当转子处于静止状态(即，电动机静止)时、或当电动机从静止状态加速到预定转速时，不能检测反EMF，因此不能获取对电流进行换向的定时。为了处理该问题，可用另一种方法，其中旋转转子，直到可以检测反EMF的一定速度(例如，参见日本专利No.3586628和日本专利申请公开No.H9-233885)。
日本专利No.3586628公开了一种起动电动机的方法。更具体地，在该方法中，对施加到线圈的电流的相位换向，而不管转子位置，并且重复地执行相位的换向，直到检测到生成的反EMF。
另一方面，日本专利申请公开No.H9-233885公开了另一种起动电动机的方法。更具体地，在该方法中，当电动机处于静止状态时，电流暂时施加到一定线圈，从而将转子偏移到一定位置。然后，对施加的电流顺序换向，以将转子加速到可以检测反EMF的一定速度。
然而，在日本专利No.3586628中公开的起动方法中，因为从电动机起动时直到检测到反EMF，重复换向施加的电流的相位，所以不能减少起动电动机所需的时间。
此外，在日本专利申请公开No.H9-233885中公开的起动方法中，因为将转子偏移到一定位置、然后顺序执行施加的电流的相位的换向、直到可以检测反EMF的一定速度，所以不能减少起动电动机所需的时间。
本发明贯注于解决这些现有技术的问题。本发明目的在于提供一种电动机起动装置和起动电动机的方法，其减少起动电动机所需的时间。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种电动机起动装置，包括：调节单元，其在从静止状态直到稳定状态的起动时段期间，调节施加到电动机的线圈的施加电压的电角的相位，在所述静止状态中，电动机的转子是静止的，在所述稳定状态中，转子加速到预定转速。
利用该配置，根据本发明的电动机起动装置可通过在起动时段期间调节施加到线圈的电压的电角的相位，将施加电压的电角(转子等效)和转子的相位之间的相位差设置为一定值，在该值可加速转子。因此，根据本发明的电动机起动装置可平滑地起动电动机，结果，可缩短起动电动机所需的时间。
此外，根据本发明的另一方面，该电动机起动装置还包括：第一生成单元，其通过在起动时段期间积分速度轮廓数据生成速度积分相位信号，该速度轮廓数据包含电角速度和时间之间的关系；以及第二生成单元，其基于对调节电角的相位预定义的相位调节时间信息和相位调节值、以及由第一生成单元生成的速度积分相位信号，生成用于调节电角的相位的相位调节信号，并将该相位调节信号输出到调节单元。
利用该配置，根据本发明的电动机起动装置可通过使用生成的相位调节信号，将施加电压的电角(转子等效)和转子的相位之间的相位差设置为一定值，在该值可加速转子。因此，根据本发明的电动机起动装置可平滑地起动电动机，结果，可缩短起动电动机所需的时间。
此外，根据本发明的另一方面，相位调节信号用于在由相位调节时间信息指示的相位调节时间、将施加电压的电角延迟预定角度值。
利用该配置，根据本发明的电动机起动装置可通过使得施加电压的电角的相位滞后预定量，将施加电压的电角(转子等效)和转子的相位之间的相位差设置为一定值，在该值可加速转子。因此，根据本发明的电动机起动装置可平滑地起动电动机，结果，可缩短起动电动机所需的时间。
此外，根据本发明的另一方面，速度轮廓数据包括用于调节施加电压的电角速度的信息。
利用该配置，根据本发明的电动机起动装置可通过在起动时段期间调节施加电压的电角速度和电角相位，将施加电压的电角(转子等效)和转子的相位之间的相位差设置为一定值，在该值可加速转子。此外，施加电压的电角(转子等效)和其转子的相位之间的速度差设置为一定值，在该值可加速转子。因此，根据本发明的电动机起动装置可平滑地起动电动机，结果，可缩短起动电动机所需的时间。
此外，根据本发明的另一方面，施加电压的波形是正弦的。
利用该配置，根据本发明的电动机起动装置可通过使得施加到线圈的电压的波形是正弦形状的(其比矩形波形更连续并且更平滑)，以比当通过矩形波形起动转子时更少的振动旋转转子。
此外，根据本发明的另一方面，提供了一种电动机起动方法，包括：在从静止状态直到稳定状态的起动时段期间，调节施加到电动机的线圈的施加电压的电角的相位，在所述静止状态中，电动机的转子是静止的，在所述稳定状态中，转子加速到预定转速。
利用该配置，通过在起动时段期间调节施加到其线圈的电压的电角的相位，可将施加电压的电角(转子等效)和其转子的相位之间的相位差设置为一定值，在该值可加速转子。因此，通过根据本发明的电动机起动方法，可平滑地起动电动机，结果，可缩短起动电动机所需的时间。
此外，根据本发明的另一方面，根据本发明的电动机起动方法还包括调节施加电压的电角速度。
利用该配置，通过在起动时段期间调节施加电压的电角和电角速度，可将施加电压的电角(转子等效)和其转子的相位之间的相位差设置为一定值，在该值可加速转子。此外，可将施加电压的电角速度(转子等效)和其转子的速度之间的速度差设置为一定值，在该值可加速转子。因此，通过根据本发明的电动机起动方法，可平滑地起动电动机，结果，可缩短起动电动机所需的时间。
此外，根据本发明的另一方面，施加电压的波形是正弦的。
利用该配置，通过使得施加到线圈的电压的波形是正弦形状的(其比矩形波形更连续并且更平滑)，可以以比当基于矩形波形起动转子时更少的振动旋转转子。
本发明可以提供在减少起动电动机所需的时间方面有效的电动机起动装置和起动电动机的方法。
附图说明
图1是根据本发明的电动机起动装置的第一实施例的配置的框图。
图2A和2B是根据本发明的电动机起动装置的第一实施例的速度轮廓数据、速度积分相位信号、以及相位调节信号的图。图2A是根据第一实施例的速度轮廓数据的图。图2B是根据第一实施例的速度积分相位信号。图2C是根据第一实施例的相位调节信号。
图3是根据本发明的电动机起动装置的第一实施例的、正弦形状的参考施加电压波形的图。
图4A和4B是根据本发明的电动机起动装置的第一实施例的、通过仿真获得的速度差和相位差之间的关系的图。图4A是当不执行相位调节时的相位差和速度差之间的关系的图。图4B是当执行相位调节时的相位差和速度差之间的关系的图。
图5A和5B是根据本发明的电动机起动装置的第一实施例的、通过仿真获得的转子速度的图。图5A是当不执行相位调节时的转子速度的图。图5B是当执行相位调节时的转子速度的图。
图6是根据本发明的电动机起动装置的第一实施例的、当执行相位调节时的线圈端子之间的电压的波形的示例的图。
图7是根据本发明的电动机起动装置的第一实施例的、当参考施加电压波形是矩形形状时的参考施加电压波形的示例的图。
图8A和8B是根据本发明的电动机起动装置的第一实施例的、当参考施加电压波形是矩形形状时和当参考施加电压波形是正弦形状时的转子速度的仿真结果的图。图8A是当参考施加电压波形是矩形形状时的转子速度的图。图8B是当参考施加电压波形是正弦形状时的转子速度的图。
图9A和9B是根据本发明的电动机起动装置的第二实施例的、速度调节信号和相位调节信号的图。图9A是包括根据第二实施例的速度调节值的速度轮廓数据的图。图9B是根据第二实施例的相位调节信号的图。
图10A和10B是根据本发明的电动机起动装置的第二实施例的、通过仿真获得的相位差和速度差之间的关系的图。图10A是当不执行相位调节和速度调节时的相位差和速度差之间的关系的图。图10B是当仅执行相位调节时的相位差和速度差之间的关系的图。图10C是当执行相位调节和速度调节两者时的相位差和速度差之间的关系的图。
图11A和11B是根据本发明的电动机起动装置的第二实施例的、通过仿真获得的转子速度的图。图11A是当不执行相位调节和速度调节时的转子速度的图。图11B是当仅执行相位调节时的转子速度的图。图11C是当执行相位调节和速度调节两者时的转子速度的图。
图12是根据本发明的电动机起动装置的第二实施例的、当执行相位调节和速度调节两者时的线圈端子之间的电压的波形示例的图。
具体实施方式
以下，将通过将本发明的电动机起动装置应用到三相无电刷电动机的起动装置的示例，参照附图在描述本发明的示例性实施例。在下面的描述中，起动转子的方法被称为“开环起动”，通过该“开环起动”，起动电动机而不检测任何转子位置。更具体地，在“开环起动”中，通过向三相无电刷电动机的线圈端子施加根据一定波形的电压，从静止状态(即，转子处于静止的状态)起动转子。
首先，将描述根据本发明的电动机起动装置的第一实施例的配置。
如图1所示，根据第一实施例的电动机起动装置100包括生成开环驱动信号的驱动信号生成单元10、和连接到三相无电刷电动机(以下，简称为“电动机”)40的驱动电路30。
驱动信号生成单元10包括：其中存储一定数据的数据存储单元11、积分速度数据的速度积分单元12、生成相位调节信号的相位调节信号生成单元13、生成三相驱动信号的三相驱动信号生成单元14、以及驱动驱动电路30的驱动电路驱动单元15。
电动机40包括由U、V和W相组成的线圈、以及由通过每个线圈生成的磁场旋转的转子(未示出)。电动机40的每个线圈以如图1所示的Y(星)形方式相互连接。其间以120的角度安排各线圈。
预定电压(以下，“线圈端子之间的电压”)通过驱动电路30施加到与每个线圈连接的每个线圈端子(未示出)之间。转子由磁体形成，使得N磁极和S磁极相对线圈交替安排。下面的“极点对数”表示在转子中有多少对S磁极和N磁极。当根据例如通过使用霍耳设备检测的换向定时驱动转子时，在有关本发明的电动机起动装置的值之间存在一定关系。更具体地，线圈端子之间的电压的电角除以极点对数等于转子的相位，并且线圈端子之间的电压的电角速度除以极点对数等于转子的速度。另一方面，在开环起动中，该关系不一定有效。因此，在开环起动中，电角除以极点对数被称为电角(转子等效)，并且电角速度除以极点对数被称为电角速度(转子等效)。电角速度可称为电角频率。
数据存储单元11由例如其上可电子地重写存储数据的半导体存储器组成。数据存储单元11在其中存储速度轮廓数据、相位调节定时数据、以及相位调节值数据。
首先，速度轮廓数据表示在起动时段期间(即，在电动机40的转子从其静止状态加速直到转子以预定转速旋转时)、各线圈端子之间的电压的电角速度(转子等效)和时间之间的关系。根据本实施例的速度轮廓数据在图2A中示出的数据模式中示出。
在图2A中，横轴是时间轴，并且时间0对应于当起动电动机40时。另一方面，纵轴显示线圈端子之间的电压的电角速度(转子等效)。图2A是从时间0到时间t2的速度轮廓数据的示例，并且在时间t1和时间t2处的电角速度(转子等效)分别为f1和f2。在时间t1和时间tch之间的时段期间，电角速度(转子等效)保持在f1，或电角速度(转子等效)恒定。电角速度维持在恒定值，这是因为保持恒定电角速度对于在其起动后不久就稳定转子是有利的。然而，本发明不限于此。
相位调节定时数据表示在起动时段期间、何时执行在各线圈端子之间的电压的电角的相位调节。在本实施例中，相位调节定时是图2A所示的时间tch。相位调节值数据表示用于在起动时段期间调节线圈端子之间的电压的电角(转子等效)和转子的相位之间的相位差的电角(转子等效)的相位调节值。相位调节值在下面通过dθ表示。
速度积分单元12从数据存储单元11读出速度轮廓数据，通过对读出的速度轮廓数据积分生成速度积分相位信号“a”，并且将速度积分相位信号“a”输出到相位调节信号生成单元13。更具体地，如图2B所示，通过对图2A所示的速度轮廓数据积分获得速度积分相位信号“a”。速度积分单元12对应于本发明的速度积分相位信号生成单元。
相位调节信号生成单元13从数据存储单元11读出相位调节定时数据和相位调节值数据。此外，相位调节信号生成单元13基于从数据存储单元11读出的相位调节定时数据和相位调节值数据、和通过速度积分单元12生成的速度积分相位信号“a”，生成相位调节信号“b”。相位调节信号生成单元13对应于本发明的相位调节信号生成单元。
更具体地，如图2C所示，相位调节信号生成单元13基于在时间0到时间tch之间的时段期间从速度积分单元12输入的速度积分相位信号“a”，生成相位调节信号“b”，并将相位调节信号“b”输出到三相驱动信号生成单元14。此外，在时间tch之后，相位调节信号生成单元13通过使用从相位调节值数据获得的相位调节值dθ校正速度积分相位信号“a”，生成相位调节信号“b”，并将相位调节信号“b”输出到三相驱动信号生成单元14。因此，速度积分相位信号“a”是沿时间轴连续改变的信号。相反，相位调节信号“b”是其中在时间tch、电角的值急剧改变的信号。
三相驱动信号生成单元14通过将相位调节信号“b”乘以电动机40的极点对数，计算电角，并通过将从计算的电角和周期性变化的参考施加电压波形获得的幅度乘以预定施加电压幅度，生成三相施加电压信号Vu。除了三相施加电压信号Vu外，三相驱动信号生成单元14还生成三相施加电压信号Vv和Vw，使得Vu、Vv和Vw具有相互120度的电角相差，并将所有Vu、Vv和Vw输出到驱动电路驱动单元15。参考施加电压波形是正弦形状的，即，使得其幅度规范化的形状，例如如图3所示。参考施加电压波形的数据存储在数据存储单元11中(未示出)。正弦形状的波形不限于图3所示的波形，而是还包括通过例如以阶梯状方式变化矩形形状波形的幅度由正弦波逼近的波形。三相驱动信号生成单元14对应于本发明的电角相位调节单元。
驱动电路驱动单元15基于例如电平移位系统或脉宽调制(PWM)系统的逻辑，通过使用三相施加电压信号Vu、Vv和Vw，生成切换设备驱动信号UH、VH、WH、UL、VL和WL，并且将切换设备驱动信号UH、VH、WH、UL、VL和WL输出到驱动电路30。
驱动电路30包括上臂和下臂。更具体地，每个具有三个切换设备和三个二极管的上臂和下臂通过桥连接。切换设备驱动信号UH、VH和WH输入到下臂，并且切换设备驱动信号UL、VL和WL输入到下臂。驱动电路30通过基于切换设备驱动信号UH、VH、WH、UL、VL和WL进行切换来驱动电动机40。
接下来，将详细描述相位调节值dθ的计算方法。相位调节值dθ通过例如计算机仿真来计算。将通过加速转子使得通过开环起动、转子在时间t2处比目标速度x赫兹更快地旋转的示例，使用下述参数作为用于开环起动中的仿真的参数，来更具体地描述计算方法。目标速度x设为5.5赫兹。线圈端子之间的电压设为正弦形状，并且其幅度设置为3.15伏(恒定)。
有关电动机40的参数如下。
惯量：9.91×10^-5kg·m2
绕组电阻：0.76欧姆
绕组电感：0.34×10^-3赫兹
极点对数：8
链接磁通：0.0047韦伯
最大静摩擦力矩：6×10^-2N·m
负载力矩(包括动摩擦)：5×10^-2N·m
粘滞阻力系数：4×10^-4N·m·s
图2A中示出的时间t1、tch和t2以及频率f1和f2如下。
t1：0.02秒
tch：0.04秒
t2：0.08秒
f1：2赫兹
f2：8赫兹
首先，使用上述参数，将获得加速转子、使得在时间t2转子旋转得比目标速度x赫兹更快所需的条件。在下面的描述中，从速度轮廓数据(见图2A)获得的电角速度(转子等效)以及时间tch处的转子速度之间的差称为“速度差”，并且通过积分速度轮廓数据(见图2)获得的相位调节信号“b”和转子的相位之间的差称为“相位差”。速度差或相位差的负号表示转子滞后，并且速度差或相位差的正号表示转子超前。
在其横轴表示相位差并且其纵轴表示速度差的曲线图中，如图4A所示，通过由仿真在曲线图中的整个区域中搜索下述值，可以获得在时间t2处、转子加速到或快于目标速度x赫兹的区域(以下，“可加速区域”)，所述值允许在时间tch处改变相位差和速度差的值的同时、转子在时间t2处加速到或快于目标速度x赫兹。在图4A中，由实线围绕的区域对应于可加速区域。实线表示可加速区域的边界，并且通过描绘在时间tch处曲线图上的可加速点、并包含填充有所描的点的整个区域来获得。
将考虑到起动时间的相位差(以下，“初始相位差”)来描述仿真。如上所述，可加速区域是可加速转子、使得在时间t2处转子旋转得比目标速度x赫兹更快的区域。因此，即使由于初始相位差的值而出现在时间tch处相位差和速度差的值的变化，只要相位差和速度差的值在可加速区域内，电动机起动装置100也可平滑地起动电动机40。
在考虑了初始相位差的情况下由仿真获得的六个数据在图4A上描绘为三角形点。在表1中，示出了每个数据。表1还包括下述图4B的每个数据(在最右栏)。
[表1]