專利名稱：：電機控制的制作方法
技術領域：
：本發明涉及電機控制，尤其是開關磁阻式電機，例如開關磁阻電動機。
背景技術：
：近年來，開關磁阻電機已經變得越來越常見。在開關磁阻電動機中，定子具有依次激勵的成組電極，在與每組電極相聯系的磁場影響下，使轉子旋轉成與被激勵的電極對排成一直線。通過在不同電極對之間迅速切換，可以使轉子以非常高的速度旋轉。開關磁阻電動機的近來發展已經導致轉子比迄今為止能實現的轉子具有更高的轉速。但是，在這樣高的轉速下控制轉子可能會成為問題。特別地，需要仔細控制電極被激勵和去激勵的轉子角位置。已經提出了采用控制規律表(controllawtable)，保存在與電機的控制電路相聯的存儲器(memory)中。該控制規律表通常包括查詢表，其在較寬操作條件范圍內將開啟角和關閉角關聯到電機轉速和轉矩。但是，這種控制規律表包括大量數據，從而需要較大的存儲器。
發明內容本發明提供一種用于電機控制器的控制圖譜(map)，其中該電機具有一個轉子和至少一個可電激勵的相位繞組，該控制圖譜包括預定提前角(advanceangle)曲線和角度修正因子，其中預定提前角曲線表示在轉子轉速范圍上相對于轉子角位置的相位繞組激勵，而角度修正因子作用于提前角曲線的預定部分。本發明允許控制電機同時使用比迄今為止所需的存儲器更小的存儲器。而且，因為修正因子補償部件公差，因此本發明允許電動機制造成具有較寬的部件公差變化范圍。本發明還包括一種產生用于電機控制器的控制圖譜的方法，該電機具有一個轉子和至少一個可電激勵的相位繞組，該方法包括下列步驟產生用于表示在轉子轉速范圍上相對于轉子角位置的相位繞組激勵的預定提前角曲線；根據提前角曲線激勵繞組；并產生作用于控制圖譜的預定部分的角度修正因子。由于存儲器僅需要保存提前角曲線和修正因子，因此本發明允許產生需要比迄今為止所需更小的存儲器的控制圖譜。產生包含修正因子的控制圖譜的方法可以在電動機制造過程中完成，其中該控制圖譜保存在控制器的非易失性存儲器中。修正因子可以通過射頻信號發送給控制器，這消除了提供電連接到埋在電機殼體(bucket)中的控制器的需要。下面將參考附圖，通過實施例描述本發明，其中圖1示意性地示出了一種典型的開關磁阻電動機；圖2示出了用于圖1電動機的現有技術控制圖譜；圖3是產生用于圖1電動機的控制圖譜的設備示意圖；圖4示出了在圖1電動機的操作轉速范圍上的期望輸入功率的曲線圖；圖5示出了用于控制圖1電動機的控制圖譜；圖6是產生用于圖1電動機的控制圖譜的可選設備的示意圖；圖7示意性地示出了圖1中的電動機和控制電路；圖8示出了DC鏈電壓的典型波形；圖9示出了所采用DC鏈電壓與轉子角位置修正之間的關系，其中相位繞組在該轉子角位置被激勵；且圖10示出了結合了圖1電動機的旋風真空吸塵器形式的清潔設備。在說明書全文中相同的附圖標記表示相同部件。具體實施例方式圖1是典型的開關磁阻電動機的截面圖。電動機包括轉子1和定子3，其中轉子1安裝在軸2上。轉子1包括軸向層疊的鋼板(steelplates)，它們布置成形成一對電極1a、1b。定子3包括堆疊的鋼板(steellaminations)，在該實施例中，它們被布置成具有四個向內突出的凸極(salientpoles)3a、3b、3c和3d。每個相對的電極3a和3c支撐共同形成第一相位的繞組4a、4b。另一對直徑相對的電極3b和3d同樣容納各自的繞組4c和4d，它們表示第二相位。每個繞組4包括圍繞各自定子電極的多圈(例如，多于50圈)絕緣導線。使用中，為了實現轉子的旋轉，控制相位繞組的激勵。從而，必須強調的是，已知相對于相位繞組的轉子旋轉位置。因此，在該情況下，位置測試裝置被提供為編碼盤5、光源6和光學傳感器(未表示)形式。編碼盤5布置在光源6和探測器(detector)之間，編碼盤平面大致垂直于光輻射方向。盤中的孔允許來自光源的光發射到傳感器。隨著編碼盤5與轉子組件1的軸2一起旋轉，來自光源的光被間歇中斷。這樣，光學傳感器接收脈沖光信號。來自于光學傳感器的信號被發送給控制器。在低速時，控制施加于相位繞組的電壓相對簡單。通常，通過脈寬調制(PWM)進行，以下將作進一步討論。但是，隨著轉速的增大，電壓施加于繞組的轉子角位置(開啟角)必須提前，電壓停止施加的角位置(關閉角)也一樣必須提前。開啟角必須提前以便使得在電感隨著電極的接近而開始上升前，繞組中的通量從零升為期望值。這公知為開啟提前角(on-advanceangle)。同樣地，關閉角必須提前以便使得在電感隨著電極的分開而開始減小前，通量能下降為零。這公知為關閉提前角(off-advanceangle)。在用于開關磁阻電動機的典型控制器中，控制規律圖譜采用查詢表形式。這種表的例子如圖2中所示。該表包括一連串保存在存儲器中的存儲位置。該表繪制出電動機轉速與由該電動機所產生的期望轉矩之間的關系。在該表的每個位置中存儲有用于控制電機產生相應轉速和轉矩的控制參數。通常，這些控制參數包括開啟提前角和關閉提前角。在電動機的運行過程中，轉速和運動(motoring)力矩被測量并輸入到控制系統，控制系統采用查詢表找出合適的起動(firing)角來控制相位繞組的激勵，以實現期望的轉速和轉矩。但是，這種控制圖譜的缺點是它占用了大量內存。而且，如果該控制圖譜用于制造一批電動機，則為了得到恒定的結果，這些電動機必須具有相同的性能特點。因此，電動機必須用具有恒定和規定公差的物理和電氣部件制造。自然，這將顯著增加電動機的總成本。可選地，可以為每個電動機重新產生查詢表，這種建議非常費時并且成本也很高。產生控制圖譜下面將結合圖3-5描述克服上述問題的控制圖譜以及產生該控制圖譜的方法。一種適于產生依據本發明的控制圖譜的設備示意圖如圖3中所示。電動機一般用附圖標記7表示，并與電控板9一起位于電動機殼體8中。該構造包括DC電源形式的電壓源10，電壓源10可以是電池或者是被整流和過濾的AC電源線。由電源10提供的DC電壓被提供通過DC鏈，并由電控板9切換通過電動機7的相位繞組。在該應用中，提供給開關磁阻電機的DC電壓(無論是來自于電池、整流器或者其它)被稱為“DC鏈電壓”。電控板9連接到電動機7的每個相位繞組，并通過使相位繞組依次激勵而控制電動機的運行。功率表11連接到DC鏈，以測量輸入功率。來自于功率表11的信號被輸入到測試(test)控制器12，然后控制器12向電控板9發送數據。圖4示出了在很寬的運轉速度范圍上的期望輸入功率曲線。這種曲線可以通過建模軟件(modellingsoftware)預先確定，并且可以為了電動機的特定應用而生成。例如，已經產生用于真空吸塵器電動機的圖4曲線。該曲線示出了功率隨著轉速穩定增大，直到在80,000-100,000rpm之間的非常高的轉速上實現最大功率。在超過這一限制的轉速下，電動機布置成功率下降以避免部件的過渡磨損。圖5示出了額定(nominal)提前角圖譜形式的相應預定曲線。該曲線表示理想的運行情況。由附圖標記13標示的線表示關閉提前角隨著轉子轉速的增大而變化。由附圖標記14標示的線表示開啟提前角與轉子轉速之間的關系。開啟提前角根本不變化，直到電動機到達超過60,000rpm的轉速。在低速時，繞組的激勵主要由PWM控制。圖上的線15表示PWM控制，并示出了每個周期中電壓施加于相位繞組的百分比。例如，在5,000rpm的低轉速下，電壓脈沖僅施加了大約10％的占空比。電壓脈沖寬度隨著轉速上升而增大，直到在大約50,000rpm轉速下，全寬電壓脈沖施加于繞組。為了產生控制圖譜，電壓源10布置成通過電控板9向電動機7提供恒定電壓。所施加的恒定電壓值被選擇成與典型工作電壓一致，其中典型工作電壓在使用中通過DC鏈提供給電機。在該用于真空吸塵器的電動機實施例中，恒定電壓被選擇成代表典型家用干線供電電壓，例如，230V。轉速被選擇成符合來自于功率轉速曲線的預定輸入功率。在該實施例中，適宜(convenient)轉速為80,000rpm，因為已知該電動機將在該轉速下以全功率運轉。為了使轉子轉速增大，電控板9布置成根據圖5的額定提前角曲線向繞組施加電壓脈沖。根據存儲在額定提前角曲線中的開啟提前角和關閉提前角施加脈沖。功率表11測量輸入功率，并將其作為信號發送給測試控制器12。該控制器12將所測量的輸入功率與由圖4的功率曲線所表示的期望輸入功率進行比較。如果存在差異，則測試控制器向開啟提前角和關閉提前角施加增大的變化，然后再次測量輸入功率。又，如果所測量的輸入功率與期望輸入功率之間仍然存在差異，則通過另一個增量改變開啟和關閉提前角。典型增量角度變化為0.7°的大小。繼續該過程，直到所測量的輸入功率與期望輸入功率大致相同。當這一點實現時，將提前角的總變化儲存在存儲器中作為修正因子。在使用中，該修正因子被應用于額定提前角曲線的預定部分，優選地為開啟提前角開始作用的部分。所考慮的具有典型修正因子的提前角曲線由圖5中的虛線表示。加入了修正因子的關閉提前角由線16標示。加入了修正因子的開啟提前角由線17標示。可選地，提前角可以被增大修正，直到所測量的輸入功率相對于預定輸入功率處于一定的數值范圍內。額定提前角曲線和修正因子被永久地保存在與電控板相聯的非易失性存儲器的位置中。存儲的數據量通常等于由查詢表組成的現有技術控制圖譜中的一行數據。這樣，控制圖譜允許采用更小的存儲器，從而降低了電機成本。可選地，額外的、未使用的存儲器可以用于其它應用場合。另一可選方案在圖6中示意性示出。在該構造中，測試控制器18布置成通過射頻(rf)發射器與電控板19通信。在該實施例中，修正因子通過rf信號發送給電控板19的存儲器。這種構造有利地消除了對測試控制器與電控板之間物理電連接的需要，其中電控板隱藏在電動機殼體8中。電壓補償上述控制圖譜，與現有技術控制圖譜一樣，假設施加到繞組的電壓恒定。但是，在使用中，DC鏈電壓不同于控制圖譜的導出電壓。所涉及的圖7-9示出了用于補償變化DC鏈電壓的方法。圖7是示出了使用開關磁阻電動機25的簡化示意圖。在該圖中，功率轉換設備大致由附圖標記20標示。在使用中，功率轉換設備20連接到干線供電線上，并布置成提供經過過濾和整流的DC鏈電壓。在我們的共同待審專利申請GB0229873.5中描述了合適的功率轉換設備。實際DC鏈電壓的例子如圖8中的線21所示。電壓信號隨著時間快速波動。為了提供DC鏈電壓的平滑平均值，DC鏈電壓在圖7的過濾電路22中采樣。典型的平均DC鏈電壓如圖8中的23標示。該平均DC鏈電壓值被提供給控制器24，其中控制器24中存儲有電壓補償圖譜，例如圖9中所示。該圖譜繪制了提前角與平均DC鏈電壓之間的關系。該圖譜可以通過實驗獲得，或通過建模軟件產生。該圖譜永久地保存在與控制器24相聯的非易失性存儲器中。在該實施例中，提前角在230V時為零。這是因為，控制圖譜被導出并同時向繞組施加230V的恒定電壓脈沖。從而，該控制圖譜給出了該電壓下的電動機精確控制。在該實施例中，提前角布置成隨著DC鏈電壓的增大而減小，反之亦然。為了得出施加于相位被起動的提前角的修正因子，當DC鏈電壓從濾波器采樣時，控制器24尋址保存在存儲器中的電壓關系。例如，如果測量的DC鏈電壓為207V，則控制器向開啟和關閉提前角均施加2.1°的提前角修正。從而，以簡單的方式控制相位的起動，并減少對用于測量電動機特性(如轉矩、轉速)的傳感器的需要。電壓和角度修正之間的關系不需要以圖9中的圖譜形式存儲。例如，如果該關系是線性關系，則使控制器為每一伏特或伏特分量向提前角施加預定修正因子，其中所施加DC鏈電壓被伏特分量改變，處于本領域技術人員的能力范圍內。上述電壓補償方法可以連續、周期或簡單地應用于例如起動電動機的預定事件。已經發現，當電動機與電源相連、但沒有運轉時，DC鏈電壓通常高于期望的DC鏈電壓，因為電流沒有從電路中流出。從而，在電動機起動時，修正因子可以被完全存儲以修正起動角因子。這可以僅通過用預定電壓值改變角度補償因子(factor)而實現。例如，在起動時，315V的DC鏈電壓可以具有1.4°的相應提前角調整。另一種改進是采用滯后控制。如果測量的DC鏈電壓在兩個值之間迅速波動，則提前角修正因子將趨向于相應地波動。控制器可以如此布置以使電壓的變化在控制器施加新值給提前角修正之前，必須大于預定增量，從而提前角的改變滯后于電壓的改變。例如，如果DC鏈電壓從230V升到232V，則控制器可以配置成在向提前角進行修正前等待，直到電壓已經上升到234V。本發明可用于開關磁阻電機，尤其是可用于在比方說100,000rpm的高轉速下運轉的電機。圖10示出了一個真空吸塵器30的例子，其中真空吸塵器30采用了開關磁阻電動機。該電動機布置成在非常高的轉速下驅動葉輪。通過吸嘴31和管及棒組件32，葉輪的泵吸作用將臟空氣吸入吸塵器。臟空氣進入用于從臟空氣中分離污物和灰塵的分離器33。分離器33可以是如這里所示的旋風分離器，或某一其它類分離器(例如集塵袋)。凈化過的空氣在進入位于吸塵器主體34中的電動機殼體之前，離開分離器33。電動機前過濾器通常位于葉輪前方的空氣流通道中，以過濾任何未被分離器33分離的細小灰塵顆粒。電動機后過濾器可以位于空氣流通道中。然而，提供的無刷電動機降低了對這種過濾器的需求。然后，凈化過的空氣通過合適的出口從吸塵器排到大氣中。所述實施例的變形對于本領域技術人員而言是顯而易見的，并被認為落入本發明的范圍。例如，雖然已經描述了四極定子、兩極轉子的電機，但本發明同樣可以用于具有定子和轉子的電極數量為其它數目的以及具有其它尺寸電動機的電機。本發明同樣可以用于電動機和發電機，不必是開關磁阻式，還可以用在除了家用真空吸塵器以外的設備中，例如割草機、空調、干手器和水泵。權利要求1.一種用于電機控制器的控制圖譜，該電機具有一個轉子和至少一個可電激勵的相位繞組，該控制圖譜包括預定提前角曲線和角度修正因子，其中預定提前角曲線表示在一定轉子轉速范圍上相對于轉子角位置的相位繞組激勵，而角度修正因子作用于提前角曲線的預定部分。2.根據權利要求1所述的控制圖譜，其中所述提前角曲線包括用于轉子轉速預定范圍的開啟提前角數據。3.根據權利要求2所述的控制圖譜，其中所述角度修正因子被施加于開啟提前角。4.根據上述權利要求中任意一項所述的控制圖譜，其中預定曲線包括用于轉子轉速預定范圍的關閉提前角數據。5.根據權利要求4所述的控制圖譜，其中所述角度修正因子被施加于關閉提前角。6.根據上述權利要求中任意一項所述的控制圖譜，其中角度修正因子取決于在輸入到機器的測量輸入功率與預定轉子轉速下的預定輸入功率之間的差異。7.根據權利要求6所述的控制圖譜，其中所述角度修正因子包括將預定輸入功率與測量輸入功率之間的差異減小到預定范圍內所需的角度變化。8.一種控制電機的方法，該電機具有一個轉子和至少一個可電激勵的相位繞組，該方法包括采用如權利要求1-7中任意一項所述的控制圖譜。9.一種產生用于電機控制器的控制圖譜的方法，該電機具有一個轉子和至少一個可電激勵的相位繞組，該方法包括下列步驟產生預定提前角曲線，其表示在一定轉子轉速范圍內相對于轉子角位置的相位繞組激勵；根據提前角曲線激勵繞組；并產生作用于控制圖譜預定部分的角度修正因子。10.根據權利要求9所述的方法，其中繞組根據提前角曲線在預定轉速下被激勵，該轉速與預定輸入功率相關，該方法還包括以下步驟測量輸入功率，并根據測量功率與預定功率之間的差異產生角度修正因子。11.根據權利要求10所述的方法，其中產生角度修正因子的步驟包括將預定增量變化作用于提前角曲線，在每次增量變化后測量輸入功率，和將測量輸入功率與預定輸入功率進行比較。12.根據權利要求10或11所述的方法，其中角度修正因子包括將預定輸入功率與測量輸入功率之間的差異減小到預定范圍內所需的角度變化。13.根據權利要求9-12中任意一項所述的方法，還包括在與控制器相聯的存儲器中存儲角度修正因子的步驟。14.根據權利要求9-13中任意一項所述的方法，還包括通過射頻信號將角度修正因子發送給控制器的步驟。15.根據權利要求9-14中任意一項所述的方法，其中作用于相位繞組的輸入電壓大致恒定。16.一種用于根據權利要求9-15中任意一項所述的方法控制機器的計算機程序。17.一種用于機器的控制圖譜，如通過根據權利要求9-15中任意一項所述的方法所產生的控制圖譜。18.一種結合了如權利要求1-7中任意一項或權利要求17所述的控制圖譜的電機。19.根據權利要求18所述的電機，采用開關磁阻電動機的形式。20.一種結合了如權利要求17或18所述的電機的清潔設備。21.一種用于電機控制器的控制圖譜，該電機具有一個轉子和至少一個可電激勵的相位繞組，大致如此前所述，參考附圖，或如附圖中所示。22.一種產生用于機器控制器的控制圖譜的方法，該機器具有一個轉子和至少一個可電激勵的相位繞組，大致如此前所述，參考附圖，或如附圖中所示。23.一種控制機器的方法，該機器具有一個轉子和至少一個可電激勵的相位繞組，大致如此前所述，參考附圖，或如附圖中所示。24.一種電機，開關磁阻電動機或清潔設備，大致此前所述，參考附圖，或如附圖中所示。全文摘要一種電機，例如開關磁阻電動機(7)，其具有一個轉子和至少一個可電激勵的相位繞組。一種在制造過程中導出的控制圖譜，包括表示在一定轉子轉速范圍內相對于轉子角位置的相位繞組激勵的預定提前角曲線。它與作用于提前角曲線預定部分的角度修正因子一起儲存在控制器(9)中的存儲器中。該角度修正因子補償期望輸入功率與測量輸入功率之間的差異。該修正因子可以通過射頻信號發送給控制器。文檔編號H02P6/14GK1938936SQ200580009938公開日2007年3月28日申請日期2005年1月27日優先權日2004年2月5日發明者A·C·克洛西爾,S·格里塔姆,H·戴申請人:戴森技術有限公司