CN101874346B - 电动机的功率控制 - Google Patents

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Abstract

一种电动机控制电路(MC)包括用以接收整流输入电压(Vrm)的输入端子(IT1，IT2)和用以供应电动机驱动信号(Vm)的输出端子(OT1，OT2)。开关电路(1)交替地处于接通状态(Ton)和关断状态(Toff)，以便将输入端子(IT1，IT2)间歇地耦合到输出端子(OT1，OT2)。控制器(2)控制开关电路(1)：(i)在电动机的磁饱和量小于预定值时在第一时间段(T1)期间处于接通状态(Ton)，以及(ii)在电动机的磁饱和量大于预定值时在第二时间段(T2)期间交替地处于接通状态(Ton)和关断状态(Toff)，以获得对电动机驱动信号(Vm)的脉冲宽度控制。

Description

电动机的功率控制
技术领域
本发明涉及一种电动机控制电路、一种包括该电动机控制电路的电动机系统、一种包括该电动机系统的装置和一种控制电动机功率的方法。
背景技术
众所周知的是利用三端双向可控硅开关元件(triac)来控制交流串激电动机的功率。在WO2006/033085A2中公开了三端双向可控硅开关元件控制电路的例子。利用三端双向可控硅开关元件来控制经过电动机的电流具有电刷寿命减少的弊端。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种使电刷寿命更长的交流电动机功率控制。
本发明的第一方面提供一种如权利要求1所述的电动机控制电路。本发明的第二方面提供一种如权利要求8所述的电动机系统。本发明的第三方面提供一种如权利要求9所述的装置。本发明的第四方面提供一种如权利要求11所述的控制电动机功率的方法。在从属权利要求中限定优选实施方式。
根据本发明第一方面的一种电动机控制电路包括用以接收整流输入电压的输入端子和用以将电动机驱动信号供应给电动机的输出端子。电动机可以由电压或者电流驱动。通常，整流输入电压是未经缓冲的整流正弦形电源电压。
开关电路布置于输入端子与输出端子之间。通过使用PWM(脉冲宽度调制)方法来控制电动机的功率，其中开关电路交替地处于接通状态和关断状态。接通状态与关断状态的持续时间之比确定电动机的功率。如果开关电路处于接通状态，则输入端子耦合到输出端子以将整流输入电压提供给电动机。如果开关电路处于关断状态，则将整流输入电压从电动机去耦合。
控制器控制开关电路在当电动机的磁饱和量小于预定值时的第一时间段期间处于接通状态。因此，只要电动机的定子和/或转子的磁饱和在预定值以下，交流输入电压就持续地耦合到电动机。在当电动机的磁饱和量大于预定值时的第二时间段期间，控制器控制开关电路以交替地处于接通状态和关断状态，以获得对电动机驱动信号的脉冲宽度调制控制。因此，只有电动机的定子和/或转子在预定非零水平以上磁饱和，脉冲宽度调制控制才有效。通常，预定水平依赖于实际电动机类型乃至所用特定电动机。可以通过以连续接通状态改变成PWM阶段时的不同水平进行寿命测试以及检验电刷的相应寿命，来针对特定电动机类型或者特定电动机发现该预定水平。因此，如果使用“充分磁饱和”这一表述，则这意味着达到电刷预期寿命时的电动机饱和水平。
对于定子和/或转子充分磁饱和的串激电动机，作为经过电动机的电流变化的函数的磁通量变化比电动机没有磁饱和时少得多。或者换而言之，经过电动机的特定增量电流在小电流比在大电流造成大得多的增量通量。因而，如果在小电流影响脉冲宽度调制，则获得相对大的通量变化。这些大的通量变化感应出高电压，这些高电压造成经过电刷的高电流，并且缩短电刷的寿命。本发明因此首先将整流输入电压供应给电动机而不进行PWM，以缓慢地建立经过电动机的充分电流，以便在启动PWM之前获得充分高的磁饱和。因此当启动PWM时，由于磁饱和相对较高，所以由经过电动机的电流变化造成的感应电压低得多，并且电刷的寿命更长。
在一个实施例中，电动机控制电路还包括用以感测指示电动机磁饱和量的参数值的感测电路。比较器比较参数值与预定值以获得比较值。控制器控制开关电路在比较值指示电动机的饱和量小于预定值时持续地处于接通状态。因而，只要磁饱和量小于预定值，就禁止脉冲宽度调制控制，并且跨接电动机来持续地耦合整流输入电压。
在一个实施例中，感测电路包括用以检测整流输入电压电平的电平检测器。比较器比较这一电平与预定值以获得比较值。控制器控制开关电路在比较值指示整流输入电压的电平值小于预定值时处于接通状态。因此，只要整流输入电压的值在预定值以下，就禁止脉冲宽度调制控制。
在一个实施例中，感测电路包括用以检测整流输入电压的零电平的检测电路。控制器控制开关电路以在已经检测到零电平之后在预定时间段期间处于接通状态。选择预定时间段的持续时间，以使得在这一时间段之后电动机的磁饱和高于预定水平。以相同方式，可以从整流输入电压的前一零电平开始，对其中脉冲宽度调制在整流输入电压的半周期结束时被禁止的时间段的起始时刻进行定时。
在一个实施例中，感测电路包括检测向输出端子供应的驱动电流的变化与跨接输出端子的驱动电压的变化的比值的检测电路。这一比值是对电动机饱和量的测量。控制器控制开关电路在该比值大于预定值时处于接通状态。
在一个实施例中，开关电路包括全桥式电子开关。控制器被构造用于控制该全桥式电子开关以获得交流电动机驱动信号。
这样的电动机控制电路可以有利地使用于包括电动机和电动机控制电路的电动机系统中。电动机系统可以实施于如例如真空吸尘器、洗衣机、剃须刀、搅拌机或者厨房电器这样的装置中。
根据下文描述的实施例将清楚本发明的这些和其它方面，并且将参照下文描述的实施例来阐明这些和其它方面。
附图说明
在附图中：
图1示意地示出了包括电动机控制电路和电动机的电动机系统的一个实施例的电路图，
图2示意地示出了电动机控制电路的感测电路的一个实施例的电路图，
图3示意地示出了电动机控制电路的感测电路的另一实施例的电路图，
图4示意地示出了由电动机控制电路生成的驱动信号的一个实施例，
图5示意地示出了电动机控制电路的开关电路的一个实施例，以及
图6示意地示出了包括电动机和电动机控制电路的真空吸尘器的一个实施例。
应当注意在不同附图中具有相同标号的各项具有相同结构特征和相同功能，或者是相同信号。在已经说明这样的项的功能和/或结构时，没有必要在具体实施方式中重复其说明。
具体实施方式
图1示意地示出了包括电动机控制电路MC和电动机M的电动机系统的一个实施例的电路图。电动机控制电路MC包括用以接收整流输入电压Vrm的输入端子IT1、IT2。优选地，整流输入电压Vrm是未经缓冲的整流电源电压。未经缓冲意味着未由电容器平滑。电动机M耦合于电动机控制电路MC的输出端子OT1、OT2之间。
开关电路1布置于输入端子IT1、IT2与输出端子OT1、OT2之间，以将输出端子OT1、OT2间歇地耦合到输入端子IT1、IT2。如果开关电路1处于接通状态Ton(参考图4来查看关联接通时间段)，则整流输入电压Vrm经由开关电路1耦合到电动机M以将交流驱动电压Vm和驱动电流Im供应到电动机M。如果开关电路1处于关断状态Toff(参考图4来查看关联关断时间段)，则整流输入电压Vrm从输出端子OT1、OT2去耦合，并且电动机M凭惯性运转(freewheeling)或者由开关电路1短路。
开关电路1可以包括全桥式电子开关器件SD1至SD4，它们分别由控制信号CS1至CS4控制，以将整流输入电压Vrm转换成交流驱动电压。电子开关器件SD1至SD4可以是分别包括开关路径S1至S4并且分别包括内部并联二极管D1至D4的MOSFET或者IGBT。
如果所有开关器件SD1至SD4处于非导通状态(或者换而言之，对应开关S1至S4断开)，如果开关器件SD1和SD2两者为非导通，或者如果开关器件SD3和SD4两者为非导通，则开关电路1处于关断状态Toff。控制器2可以控制全桥，从而电动机M在关断状态Toff期间短路。例如假设开关器件SD1和SD4在关断状态Toff之前的接通状态期间导通(关联开关S1和S4闭合)。在关断状态开始时，开关S1断开而开关S4保持闭合。驱动电流Im现在于由闭合的开关S4和二极管D3形成的闭合回路中流动。
在开关电路1的接通状态期间，控制器2可以控制全桥，以使得至电动机M的驱动电压Vm是在整流输入电压Vrm的连续半周期期间具有相反极性的交流电压。例如，在整流输入电压Vrm的第一半周期期间，开关S1和S4闭合而开关S2和S3断开，这些第一半周期与具有第一极性的电源电压半周期关联。然后，在整流输入电压Vrm的第二半周期期间，开关S1和S4断开而开关S2和S3闭合，这些第二半周期与具有与第一极性相反的第二极性的电源电压半周期关联。
取而代之(未示出)，具有续流二极管的单个开关器件可以用来间歇地跨接电动机M耦合整流输入电压Vrm。这样的简易开关电路1具有电动机由直流电压驱动的弊端，这可能恶化电刷的寿命。
控制器2控制开关电路1，以使得只要电动机M的磁饱和在预定水平以下，就禁止PWM控制。电动机M的磁饱和意味着电动机M的定子和转子材料的磁饱和。定子和转子材料可以是叠层的可磁化材料，如例如铁。在电动机M未充分磁化的时间段期间，控制器2控制开关电路1跨接电动机来耦合整流输入电压Vrm。由于整流输入电压Vrm具有整流正弦波形，所以驱动电流Im缓慢地增加，而电动机M中的通量变化相对低。一旦驱动电流Im充分高，电动机M将充分磁饱和，并且可以启动PWM控制。由于电动机M磁饱和，所以驱动电压Vm的大变化造成电动机M中的相对小的通量，而经过电刷的电流将相对小。因而，在这样的电动机驱动系统(其中在电动机未充分磁饱和的时间段期间禁止PWM控制)中，电刷由于PWM功率控制所致的寿命退化将相对较小。
可以用诸多方式进行对电动机M是否充分磁饱和的感测。
在图1中所示实施例中，感测电路3包括电平检测器30，该检测器接收整流输入电压Vrm，并且供应代表整流输入电压Vrm的实际电平的电平信号PV。例如，电平检测器30可以包括用以将整流输入电压Vrm分接(tap-in)成适合比较器4的电平的电阻器分接头。比较器4比较电平信号PV与预定值RV，并且将比较器信号CV供应给控制器2。只要整流输入电压Vrm具有使电平信号PV在预定值RV以下的电平，比较器信号CV就处于第一逻辑状态，该状态指示控制器2控制开关电路1将整流输入电压Vrm持续地供应给电动机M。只要整流输入电压Vrm具有使电平信号PV高于预定值RV的电平，控制信号CV就处于第二逻辑状态，该状态指示控制电路1对开关电路1进行PWM控制。
代替感测整流输入电压Vrm的实际电平，还可以代之以感测驱动电流Im并且将其与预定值做比较。只要驱动电流Im在预定值以下，控制器2就控制开关电路1将整流输入电压Vrm持续地供应给电动机M，由此禁止对开关电路1的PWM控制，直至驱动电流Im大于预定值RV。
参照图2和图3讨论感测电路的更多替代实施例。
图2示意地示出了电动机控制电路MC的感测电路3的一个实施例的电路图。感测电路3包括零电平检测器31，该检测器检测整流输入电压Vrm具有零电平或者具有很接近于零的值的时刻。接近于零的电压可能例如是由于为了检测整流输入电压Vrm的非零电平而可能需要的二极管正向电压造成的。零电平检测器31的输出信号CV直接地馈送到控制器2。因此，在这一实施例中，在感测电路3与控制器2之间不存在图1中所示比较器4。事实上，零电平电路31可以是比较整流输入电压Vrm与零电平的比较器。控制器2现在进行定时器操作以禁止开关电路1的PWM控制，直至检测到整流输入电压Vrm的零电平之后的预定时间段。
必须注意，如果整流输入电压Vrm是整流交流电源电压，则可能检测到交流电源电压过零而不是整流输入电压Vrm的零电平。
图3示意地示出了电动机控制电路MC的感测电路3的另一实施例的电路图。感测电路3现在接收代表驱动电压Vm的信号Vm’和代表驱动电流Im的信号Im’，而不是整流输入电压Vrm。信号Vm’可以是驱动电压Vm的分接版本。信号Im’可以由电流互感器获得，或者作为跨接与电动机M串联的小电阻器的电压来获得。检测电路32确定驱动电流Im与驱动电压Vm的变化的比值。只要该比值大于预定值RV，控制器2禁止对开关电路1的PWM控制。
图4示意地示出了由电动机控制电路MC生成的驱动信号Vm的一个实施例。在对图1的电动机控制电路MC如何操作的以下说明中，假设开关电路1在关断状态期间将电动机M短路。
图4示出了交流驱动电压Vm的两个半周期。驱动电压Vm在从时刻t0持续到时刻t3的第一半周期TH1期间具有正极性。驱动电压Vm在从时刻t3持续到t6的第二半周期TH2期间具有负极性。驱动电压Vm的包络与整流输入电压Vrm大致相同。开关电路1中的电压降造成小差异。
在T1所示时间段期间，正弦形整流输入电压Vrm具有低电平，电动机M的磁饱和仍然低，并且开关电路1持续地处于接通状态，以跨接电动机M耦合整流输入电压Vrm。在T2所示时间段期间，电动机M的磁饱和高得足以允许控制器2对开关电路1进行PWM控制。
根据从t2持续到t4的时间段可见，开关电路1在时刻t0之前已经跨接电动机M耦合整流输入电压Vrm。因此，在开关电路1仍然跨接电动机M耦合整流输入电压Vrm的时刻t0，驱动电压Vm达到零电平。开关电路1处于接通状态Ton直至时刻t1。在时刻t1，电动机M的磁饱和充分高，并且控制器2开始对开关电路1进行PWM控制。控制器2在电动机M的磁饱和降至预期量以下的时刻t2结束PWM控制。在从时刻t2持续到t4的时间段期间，再次禁止PWM控制，并且开关电路1持续地处于它的接通状态Ton。在图4中所示实施例中，这一时间段以整流输入电压Vrm的零电平为中心。必须注意，在时刻t3之前，另一对开关然后在这一时刻之后有效。例如，开关S1和S4从时刻t2到t3闭合，而开关S2和S3从时刻t3到t4闭合。在从时刻t4持续到t5的时间段T2期间，PWM控制再次有效，而在从时刻t5持续到t6的时间段T1期间，再次禁止PWM控制。
在时间段T2期间，PWM控制是有效的，并且控制器2通过控制接通时间段Ton与关断时间段Toff之比来控制电动机M的功率。图4中示出的驱动电压Vm对于全桥式切换电路1是正确的。全桥允许将直流整流输入电压Vrm转换成交流驱动电压Vm。另外，全桥允许在关断时间段Toff期间将电动机M短路。
图5示意地示出了电动机控制电路的开关电路的一个实施例。开关电路1现在包括具有内部二极管D5的单个电子开关S5。开关S5和二极管D5的并联布置被布置成与电动机M串联，以接收整流电压Vrm。
图6示意地示出了包括电动机M和电动机控制电路MC的真空吸尘器的一个实施例。真空吸尘器包括壳H以及轮子W1和W2。电动机M将空气吸入到空气流入AI中并且在体积V中存储残渣。空气经由排气口AV离开壳H。电动机控制电路MC控制电动机M。电动机控制电路MC如前文讨论的那样控制电动机M的功率并部分地禁止PWM控制。电动机控制电路MC可以接收指示所需功率设置的用户输入。
应当注意，上文提到的实施例用以说明而不是限制本发明，并且本领域技术人员将能够设计诸多替代实施例而不脱离所附权利要求书的范围。
在权利要求中，置于括号之间的任何参考标号不应理解为限制权利要求。对动词“包括”及其变化形式的使用并不排除存在除了权利要求中声明的单元或者步骤之外的单元或者步骤。在单元之前的冠词“一/一种”并不排除存在多个这样的单元。本发明可以借助包括数个不同单元的硬件并且借助适当编程的计算机来实施。在列举若干装置的设备权利要求中，这些装置中的数个装置可以由同一项硬件实现。在互不相同的从属权利要求中记载某些措施的这唯一事实并不表明不能有利地使用这些措施的组合。

Claims (7)

1.一种包括具有电刷的交流串激电动机(M)和电动机控制电路(MC)的电动机系统，所述电动机控制电路包括：
输入端子(IT1，IT2)，用于接收整流输入电压(Vrm)，
输出端子(OT1，OT2)，用于供应交流电动机驱动信号(Vm)给所述交流串激电动机(M)的输入端子，
开关电路(1)，交替地处于接通状态(Ton)和关断状态(Toff)，以便将所述输入端子(IT1，IT2)间歇地耦合到所述输出端子(OT1，OT2)，其中所述开关电路(1)包括全桥式电子开关(S1，S2，S3，S4)，以及
控制器(2)，用于控制所述全桥式电子开关(S1，S2，S3，S4)以获得所述交流电动机驱动信号(Vm)，并且用于控制所述开关电路(1)：
(i)在当所述交流串激电动机的磁饱和量小于预定值时的第一时间段(T1)期间处于接通状态(Ton)，以及
(ii)在当所述交流串激电动机的磁饱和量大于所述预定值时的第二时间段(T2)期间交替地处于接通状态(Ton)和关断状态(Toff)，以获得对所述电动机驱动信号(Vm)的脉冲宽度控制。
2.如权利要求1所述的电动机系统，还包括：
感测电路(3)，用于感测用于指示磁饱和量的参数值(PV)，以及
比较器(4)，用于比较所述参数值(PV)与预定值(RV)以获得比较值(CV)，以及其中所述控制器(2)被构造用于控制所述开关电路(1)在所述比较值(CV)指示所述电动机的磁饱和量小于所述预定值(RV)时处于接通状态(Ton)。
3.如权利要求2所述的电动机系统，其中所述感测电路(3)包括用于检测所述整流输入电压(Vrm)的电平的电平检测器(30)，以及其中所述控制器(2)被构造用于控制所述开关电路(1)在所述比较值(CV)指示所述整流输入电压(Vrm)的电平值小于所述预定值(RV)时处于接通状态(Ton)。
4.如权利要求2所述的电动机系统，其中所述感测电路(3)包括用于检测所述整流输入电压(Vrm)的零电平的检测电路(31)，以及其中所述控制器(2)被构造用于控制所述开关电路(1)在已经检测到所述零电平之后在预定时间段(T1)期间处于接通状态(Ton)。
5.如权利要求2所述的电动机系统，其中所述感测电路(3)包括检测电路(32)，用于检测向所述输出端子(OT1，OT2)供应的驱动电流(Im)的变化与跨接所述输出端子(OT1，OT2)的驱动电压(Vm)的变化的比值，以及其中所述控制器(2)被构造用于控制所述开关电路(1)在所述比值大于所述预定值(RV)时处于接通状态(Ton)。
6.一种装置，包括如前面任一项权利要求所述的电动机系统。
7.如权利要求6所述的装置，其中所述装置是真空吸尘器、洗衣机、剃须刀、搅拌器、厨房电器之一。
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