CN102739136A - 一种单相无刷直流电机的断续角控制方法 - Google Patents

一种单相无刷直流电机的断续角控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单相无刷直流电机的断续角控制方法，可应用于改进单相无刷直流电机的控制策略，从而达到减小转矩脉动，提高运行效率的目的。该方法主要针对电机运行过程中的控制。此过程的原理是：首先根据所测得或设计得的空载定位转矩波形，获得存在较大的定位转矩位置，从而根据此波形决定对电机进断电控制的时刻，在断电控制过程中依靠电机本身存在的定位转矩驱动电机旋转，即实现断续角的控制，当电机检测到霍尔信号的变化时进行换向，之后的周期依照此过程继续运行。本发明在没有改变电机结构及硬件控制电路的情况下，对控制策略进行了优化，实现起来十分方便，相对于现有的连续通电的控制方法来说，一定程度上提升了电机的运行效率。

Description

一种单相无刷直流电机的断续角控制方法
技术领域
本发明涉及单相无刷直流电机的控制领域，尤其涉及一种提高单相无刷直流电机效率的控制方法。
背景技术
目前，市场上单相无刷直流电机的应用相对较少，主要原因是由于其相对与三相无刷直流电机来说运行效率较低，但是由于单相无刷直流电机的结构及控制电路较为简单，成本较低，如果在一定程度上提升单相无刷直流电机的运行效率，则其可应用性将大为提高。对于现有的单相无刷直流电机来说，其控制方式主要为转速闭环、电流闭环或者外转速环内电流环的双闭环结构，但所有这些控制方式在电机的整个运转过程中电流均是连续的，未考虑定位转矩所在电机运行过程中所起到的作用。如果对单相无刷直流电机的这个特点加以分析和应用，将会使得电机的运行效果有较好的提升。
由单相无刷直流电机的结构所决定，电机转子在旋转到某些特定位置时存在定位转矩，而且此定位转矩在定转子极中心线重合的时候达到最大值，对于风机等负载来说，此定位转矩与额定转矩几乎一致，对于市场上现有的控制策略来说，当电机旋转到定位转矩较大的位置时，依旧对电枢绕组进行通电，会使电枢电流在此位置出现一个较大的尖峰值，增大了电机的损耗，并使电机的震动加剧。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种单相无刷直流电机的断续角控制方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种单相无刷直流电机的断续角控制方法，该方法包括以下步骤：
（1）获取单相无刷直流电机的空载定位转矩波形：通过对单相无刷直流电机进行仿真之后，从空载转矩的仿真波形中可以得到空载定位转矩波形；也可以通过测功机对单相无刷直流电机的转矩进行空载测试，得到不同转子位置上的转矩大小，绘制成图后即得到空载定位转矩波形；
（2）根据空载定位转矩波形得到断续角度的大小：在对定位转矩波形中，找到定位转矩为最大定位转矩10%时的位置，然后计算此位置到其旋转方向上将要旋转到的最大定位转矩的位置之间的角度                                               ，即断续角度；
（3）根据断续角度对电机进行断续角控制：根据电机的结构，可以得到定子极与极之间的机械角度为，即一个换向周期所占的机械角度为
Figure 444084DEST_PATH_IMAGE004
，当电机的额定转速
Figure 2012102362243100002DEST_PATH_IMAGE006
确定之后，可以根据单相无刷直流电机的极对数
Figure 2012102362243100002DEST_PATH_IMAGE008
计算出一个换向周期所需时间
Figure 2012102362243100002DEST_PATH_IMAGE010
，从而能够计算出从换向到需要采取断续角控制的时间为
Figure 2012102362243100002DEST_PATH_IMAGE012
，在对电机进行控制时，当霍尔元件检测到换向信号时，采用控制芯片中的定时器进行
Figure 2012102362243100002DEST_PATH_IMAGE014
时间的延时之后切断对电机电枢绕组的通电，即关断H桥的四路开关管，直到霍尔元件检测到下一次的换向信号后，进行换向，恢复通电，实现断续角控制。
本发明的有益效果是，本发明可应用于冰箱、冷柜中作为风机使用的单相无刷直流电机的驱动，应用本发明的方法，可以成功避开电机换向前所出现的电流尖峰，从而能够在一定程度上提升电机运行效率，减小振动及噪声。
附图说明
图1为两对极单相无刷直流电机的结构图；
图2为两对极单相无刷直流电机的空载定位转矩波形图；
图3为两对极单相无刷直流电机断续角控制时的结构图。 
具体实施方式
本发明的原理是，在对单相无刷直流电机所存在的定位转矩特性进行分析之后，采用断续角的控制方式。在控制过程中，为了避免上述尖峰电流的产生，需要选取合适的位置暂时取消对电枢绕组的通电，仅仅依靠电机本身存在的定位转矩对电机进行拖动，即实现电流的断续运行。
由于判断电机性能好坏的一个重要标准是电机效率的高低，而现有的单相无刷直流电机的控制策略中均未避开电机的定位转矩，从而效率很难有进一步的提升，若对单相无刷直流电机本身存在的定位转矩固有特性加以分析，采用本发明中所提到的新型的断续角控制方法，不仅使得控制过程更为简便，而且最重要的是对单相无刷直流电机的效率有一定程度的提升。
单相无刷直流电机的定子极与转子极之间存在定位转矩相对较大的位置，而且在电机的旋转过程中，定位转矩起到的作用不尽相同，在换向之前的一段时间与驱动转矩方向相同，在换向之后的一段时间与驱动转矩方向相反。根据上述特性，此发明所要做的即是，在定位转矩与驱动转矩方向相反时按正常驱动方式进行驱动，在定位转矩与驱动转矩方向相同时按照断续角的控制方式进行驱动。
本发明单相无刷直流电机的断续角控制方法，包括以下步骤：
1、获取单相无刷直流电机的空载定位转矩波形。
此定位转矩可以通过使用Ansoft等电机设计类软件对单相无刷直流电机进行仿真分析之后，从空载转矩的仿真波形中得到，也可以通过测功机对单相无刷直流电机的转矩进行空载测试，得到不同转子位置上的转矩大小，绘制成图后即得到空载定位转矩波形。
2、根据空载定位转矩波形得到断续角度的大小。
在定位转矩波形中，找到定位转矩达到最大定位转矩10%时的位置，计算此位置到其旋转方向上将要旋转到的最大定位转矩的位置之间的角度
Figure 410772DEST_PATH_IMAGE002
，即断续角度。
3、根据断续角度对电机进行断续角控制。
根据电机的结构，可以得到定子极与极之间的机械角度为
Figure 805981DEST_PATH_IMAGE004
，即一个换向周期所占的机械角度为，当电机的额定转速
Figure 2012102362243100002DEST_PATH_IMAGE016
确定之后，可以根据单相无刷直流电机的极对数
Figure 502203DEST_PATH_IMAGE008
计算出一个换向周期所需时间
Figure 2012102362243100002DEST_PATH_IMAGE018
，则可以得到
Figure 831553DEST_PATH_IMAGE010
，从而能够计算出从换向到需要采取断续角控制的时间为
Figure 92770DEST_PATH_IMAGE012
，在对电机进行控制时，当霍尔元件检测到换向信号时，采用控制芯片中的定时器进行
Figure 761649DEST_PATH_IMAGE014
时间的延时之后切断对电机电枢绕组的通电，即关断H桥的四路开关管，直到霍尔元件检测到下一次的换向信号后，进行换向，恢复通电，实现断续角控制。
以下结合附图及实际实验中所测得的实际数据，对依据本发明提出的单相无刷直流电机的断续角控制策略的具体控制方法，操作步骤，特征及功效进行详细的说明。
图1中所示的单相无刷直流电机的转子位置，图中包含了霍尔元件的位置1，即在电机的几何中心线上，此时转子磁极N、S与定子磁极的中心线刚好重合，且定位转矩达到最大值，即平衡位置，同时转子磁极N、S的分界线刚好处在霍尔元件的位置1处，即为换向位置。
图2为测试所得到的单相无刷直流电机控制定位转矩的波形图，图中0°和90°的位置为平衡位置，从图中得到在平衡位置附近的定位转矩非常大，且上升速度很快。找到定位转矩达到最大转矩10%时的位置，可以计算出此位置到平衡位置所占的机械角度为
Figure 2012102362243100002DEST_PATH_IMAGE020
，即断续角度。
由于电机为两对极结构，则一个换向周期所占的机械角度为
Figure 2012102362243100002DEST_PATH_IMAGE022
。根据电机的额定转速
Figure 817330DEST_PATH_IMAGE016
计算出一个换向周期所需时间
Figure 633976DEST_PATH_IMAGE018
以及从换向到需要采取断续角控制的时间。断续角的机械角度7.2°对应到电机的转子位置上来，如图3所示，图中的转子位置，即为改变控制策略实现断续时刻的位置，即转子的物理中心线与定子的物理中心线相差7.2°左右的时刻，当转子还未旋转到此位置时，即中心线相差大于7.2°时，定位转矩对于电机的驱动转矩影响较小，所以此阶段过程中需对电机进行通电运行，当转子旋转到此位置时，即中心线相差小于7.2°时，定位转矩突然增大起来，此时定位转矩对电机驱动转矩的影响就不能忽略不计了，若此阶段继续进行通电控制，则电枢电流波形会在平衡位置附近出现一个较大的尖峰。而本发明在此阶段进行断续控制，即在中心线相差小于7.2°的阶段里采用断续角控制方法，不对电机的电枢绕组进行通电，仅仅依靠定位转矩对电机进行驱动，在对电机进行控制时，当霍尔元件检测到换向信号时，采用控制芯片中的定时器进行
Figure 19007DEST_PATH_IMAGE014
时间的延时之后切断对电机电枢绕组的通电，即关断H桥的四路开关管，直到霍尔元件检测到下一次的换向信号后，进行换向，恢复通电，实现断续角控制。
根据以上的叙述过程，对此控制策略进行了实验测试。如果不考虑定位转矩对电机运行过程中的影响，整个过程中均采用连续通电控制，在换向位置附近转矩波动较大，从电枢绕组的电流波形来看，在换向前的一段时间里，电流会出现一个较大的尖峰值，使得电枢绕组的平均电流较大，此尖峰首先影响到电机运行时的平稳性，可以明显感觉到电机的噪声增大，影响运行效率。
若采用本发明中的控制方法，即断续角控制方法，从电枢电流的波形可以发现，在换向的前的一段时间里，不对电枢进行通电，电流断续，仅仅依靠定位转矩的作用来进行驱动，则可以避开换向前出现的电流尖峰，从而使得整个周期里电流的平均值较小。在实际运行过程中，也可以明显的发现单相无刷直流电机运行的平稳性有一定的提升，噪声有一定程度的减小。
在相同电机结构，仅改变控制策略采用本发明中的断续角控制方法的单相无刷直流电机与市场上存在的电流、转速双闭环控制策略的单相无刷直流电机进行比较之后，本方法对于效率的提升约为3%左右。
以上描述了本发明的基本原理、主要特征以及本发明的优点，上述仅是本发明的较佳实例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，对于应用于其他极对数的单相无刷直流电机中的断续角控制策略来说也属于本发明的范围之内。任何熟悉本技术的人员可能对本发明中的方法进行变更或修饰来达到相同的效果，凡是未脱离本发明的任何变化的，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种单相无刷直流电机的一种断续角控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）获取单相无刷直流电机的空载定位转矩波形：通过对单相无刷直流电机进行仿真之后，从空载转矩的仿真波形中可以得到空载定位转矩波形；也可以通过测功机对单相无刷直流电机的转矩进行空载测试，得到不同转子位置上的转矩大小，绘制成图后即得到空载定位转矩波形；
（2）根据空载定位转矩波形得到断续角度的大小：在对定位转矩波形中，找到定位转矩为最大定位转矩10%时的位置，然后计算此位置到其旋转方向上将要旋转到的最大定位转矩的位置之间的角度                                               
Figure 2012102362243100001DEST_PATH_IMAGE002
，即断续角度；
（3）根据断续角度对电机进行断续角控制：根据电机的结构，可以得到定子极与极之间的机械角度为
Figure 2012102362243100001DEST_PATH_IMAGE004
，即一个换向周期所占的机械角度为，当电机的额定转速
Figure 2012102362243100001DEST_PATH_IMAGE006
确定之后，可以根据单相无刷直流电机的极对数
Figure 2012102362243100001DEST_PATH_IMAGE008
计算出一个换向周期所需时间
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，从而能够计算出从换向到需要采取断续角控制的时间为
Figure 2012102362243100001DEST_PATH_IMAGE012
，在对电机进行控制时，当霍尔元件检测到换向信号时，采用控制芯片中的定时器进行
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