CN103312245B - 电机控制器及电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电机控制器及电机控制方法，该方法是电机控制器的微控制器接收一设定值，并根据设定值向功率驱动电路输出脉冲宽度调制信号，控制器的电流反馈电路采样流经功率驱动电路的电流信号，并将电流信号转换成电压信号输出至微控制器，控制器的转速反馈电路采样电机的转子的转速信号，并将转速信号输出至微控制器，其中，微控制器根据电压信号与转速信号的比值计算一计算值，并根据计算值与设定值的大小关系调节向功率驱动电路输出的脉冲宽度调制信号的占空比。该控制器是应用上述方法对电机进行控制。本发明能确保电机应用在风机时，风机的出风量保持相对恒定，满足风机不同应用场合的要求。

Description

电机控制器及电机控制方法

技术领域

本发明涉及电机领域，尤其是涉及一种无刷直流电机的控制器以及直流无刷电机的控制方法。

背景技术

无刷直流电机因其具备连续调速、启动转矩大、机械特性好、可控性好等优点，越来越受到人们的青睐，已经广泛应用在各种电器设备中。无刷直流电机除了设置有定子以及转子，还设有控制电机运行的控制器，用于控制无刷直流电机的调速、换向。现在一种无刷直流电机的控制器的电原理框图如图1所示。

现有的控制器具有微控制器11，接收外部输入的调速信号，该信号包含一个设定值。微控制器11接收设定值后，根据设定值生成脉冲宽度调制信号，即PWM信号，并将生成的脉冲宽度调制信号输出至功率驱动电路12。

功率驱动电路12具有六个功率管，六个功率管的通断均由微控制器11控制，用于将向电机M的定子线圈输出驱动信号，由此驱动电机M的转子旋转，向外输出动力。

控制器上还设有电流反馈电路14，采样流经功率驱动电路12的电流信号，并将电流信号转换成电压信号反馈至微控制器11。通常，电流反馈电路14设有采样电阻，流经功率驱动电路12的电流经过采样电阻后，在采样电阻的两端形成电压信号。由于采样电阻两端的电压信号较小，电流反馈电路14将采样电阻两端的电压信号放大后输出至微控制器11。

另外，控制器上还设有转速反馈电路15，用于检测电机M转子的转速。通常，电机M上安装有一个霍尔传感器，用于检测转子的转动速度，将转速转换成电信号后输出至微控制器11，微控制器11接收的信号为转速信号。

控制器还设有电源电路16，用于接收交流电，并将交流电降压、整流后输出直流电，供微控制器11、功率驱动电路12工作。

现有的无刷直流电机的调速方式主要为恒转速控制，即根据设定的转速目标向微控制器11发出设定值，微控制器11根据设定值向功率驱动电路12输出脉冲宽度调制信号。同时，微控制器11还将设定的目标转速与转速反馈电路15反馈的实际转速进行比较，如果目标转速高于实际转速，表明电机M需要提高转速，控制器提高输出到功率驱动电路12的脉冲宽度调制信号的占空比，以提高输入到电机M定子线圈绕组的有效电压，使电机M加速。若微控制器11判断目标转速低于实际转速，则电机M需要降低转速，微控制器11降低输出的脉冲宽度调制信号占空比，以降低电机M输入电压，使电机M转速下降。

电机M实际运行时，外部向控制器给定一个控制信号，电机M的转速也就确定了。因此，恒转速的控制方式适合空调、风扇等转速要求恒定的设备。

但是，随着直流无刷电机在家电领域的应用，尤其是风机上的应用，恒转速的控制方法逐步显现出其弊端，如应用在抽油烟机、风机盘管上时，风机的工作状态易受到设备具体应用场合的影响。设备安装的位置和安装的方式不同，风道的结构特性也不同，风机在同等输入条件下输出风量有较大波动，甚至不能满足基本的风量输出要求。例如，在抽油烟机的使用中，由于设备安装位置的不同，风道的长度和角度也有很大不同，当风阻较大时，在电机转速不变的情况下，风机的输出风量会有所下降，甚至无法保证油烟的及时排出。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种提高适应不同风机应用的电机控制方法。

本发明的另一目的是提供一种使电机根据风机的应用情况自适应调节转速的电机控制器。

为实现本发明的主要目的，本发明提供的电机控制方法包括电机控制器的微控制器接收一设定值，并根据设定值向功率驱动电路输出脉冲宽度调制信号，控制器的电流反馈电路采样流经功率驱动电路的电流信号，并将电流信号转换成电压信号输出至微控制器，控制器的转速反馈电路采样电机的转子的转速信号，并将转速信号输出至微控制器，其中，微控制器根据电压信号与转速信号的比值计算一计算值，并根据计算值与设定值的大小关系调节向功率驱动电路输出的脉冲宽度调制信号的占空比。

由上述方案可见，微控制器并不是根据反馈的转速信号控制输出的脉冲宽度调制信号的占空比，而是根据电流反馈电路的电压信号与转速信号的比值计算的计算值与设定值的大小关系来调节脉冲宽度调制信号的占空比。由于风机的出风量跟电流反馈电路反馈的电压信号与电机的转速的比值有关，因此，根据电压信号与转速信号的比值来调节脉冲宽度调制信号的占空比，能够实现出风量的恒定，满足不同风机的工作要求。

一个优选的方案是，微控制器调节脉冲宽度调制信号的占空比的步骤是：微控制器判断计算值大于设定值时，降低脉冲宽度调制信号的占空比，微控制器判断计算值小于设定值时，提高脉冲宽度调制信号的占空比。

由此可见，微控制器判断计算值过小时，提高脉冲宽度调制信号的占空比，从而提高输出到定子线圈绕组的有效电压，转子的转速增加，出风量也增加，若计算值过大，则降低脉冲宽度调制信号的占空比，降低输出到定子线圈绕组的有效电压，转子的转速降低，使出风量减小。

进一步的方案是，计算上述的计算值的步骤是：计算电压信号与转速信号的比值后，计算比值与设定系数的乘积。

可见，设计者可以根据电机实际的使用情况，如电机的类型、风机的安装位置与安装方式等，选取合适的设定系数，满足对电机控制的要求。

为实现本发明的另一目的，本发明提供的电机控制器具有定子以及转子，并设有控制器，控制器具有微控制器，向功率驱动电路输出脉冲宽度调制信号，功率驱动电路根据脉冲宽度调制信号向定子输出驱动信号，并设有电流反馈电路，采样流经功率驱动电路的电流信号，并将电流信号转换成电压信号输出至微控制器，还设有转速反馈电路，采样转子的转速信号，并将转速信号输出至微控制器，其中，微控制器具有计算模块，根据电压信号与转速信号的比值计算一计算值，还设有比较执行模块，比较计算值与收的设定值的大小，并根据计算值与设定值的大小关系调节向功率驱动电路输出的脉冲宽度调制信号的占空比。

由上述方案可见，微控制器根据电流反馈电路反馈的电压信号以及转速反馈电路反馈的转速信号计算一个计算值，计算值跟电压信号与转速信号的比值成正比。由于风机的出风量跟输出至电机的电流、电机的转速成比例，微控制器根据计算值与设定值的关系调节输出至功率驱动电路的脉冲宽度调制信号的占空比，能够确保风机出风量的稳定，实现出风量的自适应调节。

附图说明

图1是现有电机控制器的电原理框图。

图2是本发明电机控制器实施例的电原理框图。

图3是本发明电机控制方法实施例的流程图。

图4是本发明电机控制方法实施例中计算值的变化曲线图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

本实施例的单相直流无刷电机应用在诸如抽油烟机、风机盘管等电器设备上，其具有一个壳体，在壳体内安装有定子以及转子，转子的中部安装有转子轴。在电机上还设有用于控制单相直流无刷电机运行的控制器，控制器控制向定子线圈绕组加载的电流，从而控制转子的转速，由此控制风机的出风量。

参见图2，本实用新型的电机控制器具有微控制器20、功率驱动电路24、电流反馈电路25、转速反馈电路26以及电源电路27。其中，微控制器21为单片机，其接收外部输入的控制信号，控制信号包含有设定值。微控制器20接收设定值后，根据设定值生成脉冲宽度调制信号，即PWM信号，并将生成的脉冲宽度调制信号输出至功率驱动电路24。并且，微控制器20内设有计算模块21、比较执行模块22以及存储器23。

功率驱动电路24具有六个功率管，六个功率管在微控制器20输出的脉冲宽度调制信号下导通或关断。并且，六个功率管构成全桥逆变电路，与电机M相连，六个功率管的导通或关断使电流在电机M流动，使电机M的定子线圈上形成交变的磁场，推动转子转动，转子轴随转子转动并向外输出动力。

电流反馈电路25用于检测流经功率驱动电路24的电流信号，并将电流信号转换成电压信号输出至微控制器20。电流反馈电路25内设有采样电阻以及与采样电阻连接的放大电路，流经功率驱动电路24的电流流经采样电阻后，在采样电阻的两端形成初始电压信号，初始电压信号经过放大电路后形成电压信号，电流反馈电路25将放大后的电压信号输出至微控制器20。

转速反馈电路26用于检测电机转子的转速，其包括安装在电机上的霍尔传感器，检测转子的转速并产生电信号，转速反馈电路26将电信号反馈至微控制器20。

电源电路27用于将交流电经过整流、稳压后转换成稳定的直流电，并向微控制器20、功率驱动电路24输出直流电。

风机工作时，电机的功率P、风机的出风量Q和转子的转速N之间有以下关系：

(式1)

(式2)

其中，T1、T2是与风阻有关的系数，风阻越大，系数越小，风阻越小，系数越大。

根据式1与式2，可以得到以下公式：

(式3)

因此，风机安装位置不同，电机在相同的工作状态下，风机的出风量也不相同。当风机的风道较短、弯曲角度不大时，在一定转速和功率下出风量能满足要求。但如果风道较长、弯曲角度较大时，由于风阻增大，同样的转速和功率，输出风量会有很大的下降。因此，微控制器20需要根据电流反馈电路25的电压信号与转速反馈电路26的比值来调节电机的转速，以确保风机出风量的恒定。

下面结合图3说明电机控制器控制电机工作的方法。首先，微控制器20接收外部输入的控制信号，该控制信号包含有一个设定值K1，微控制器20根据设定值K1生产脉冲宽度调制信号，并将生成的脉冲宽度调制信号输出至功率驱动电路24，即执行步骤S1。

功率驱动电路24的六个功率管在脉冲宽度调制信号的控制下导通与关断，并由此向电机M输出驱动信号，驱动电机运行。与此同时，电流反馈电路25检测流经功率驱动电路24的电流信号，并将电流信号转换成电压信号输出至微控制器20，即执行步骤S2。

本实施例中，流经功率驱动电路24的电流流经电流反馈电路25的采样电阻后，在采样电阻的两端形成初始电压信号，初始电压信号经过放大电路的放大后，形成输出至微控制器20的电压信号V。

转速反馈电路26采样转子的转速信号N，并将转速信号N输出至微控制器20，即执行步骤S3。

然后，微控制器20的计算模块21根据电压信号V、转速信号N计算一个计算值K2：

(式4)

其中，C是预先写入到微控制器20的存储器23内的设定系数，设定系数C需要根据电机的类型、风机的安装位置、风道的设计确定。

然后，微控制器20的比较执行模块22将设定值K1与计算值K2进行比较，判断设定值K1与计算值K2的大小，即执行步骤S5，判断计算值K2是否大于设定值K1，如是，表示电机的转速过高。

根据式3，若电机的转速N不变，风阻增大时，风阻系数T1、T2 减小，出风量Q和电机的功率P减小。若电机的输入电压保持恒定，则输入电流减小，通过电流反馈电路25输出的电压信号V减小，计算值K2也减小。

因此，若计算值K2大于设定值K1,微控制器20的比较执行模块22执行步骤S6，降低输出脉冲宽度调制信号的占空比，从而降低电机的功率和转速。

步骤S5中，若判断计算值K2不大于设定值K1，则执行步骤S7，判断计算值K2是否小于设定值K1，如是，执行步骤S8，提高脉冲宽度调制信号的占空比。最后，微控制器20判断风机是否停止运行，如是，则停止输出脉冲宽度调制信号，否则，返回执行步骤S2。

图4是将设定系数C设定为262140时，电流反馈电路25反馈的电压信号V的值与转速反馈电路26反馈的转速信号N的值的曲线图，计算值K2相当于该曲线的斜率。从图4可见，曲线的斜率不断变化，利用这一特性，可以将计算值K2与设定值K1进行比较，并由此控制输出至功率驱动电路24的脉冲宽度调制信号的占空比。

占空比的调节可以是每次按照预定的幅度进行调节，也可以是根据设定值K1与计算值K2差值的幅度进行调节。

可见，风机安装位置不同，风道风阻不同，风机的电机控制器根据上述原理自动调节转速，保持风机的出风量的相对稳定，满足不同电器设备的使用要求。

微控制器20的计算模块21与比较执行模块22既可以由硬件构成，也可以是通过编程实现的计算机程序，利用硬件构成计算模块21时，可以使用乘法器实现，比较执行模块22可以利用比较器等实现，微控制器20可以简单地实现。

当然，上述实施例仅是本发明优选的实施方式，实际应用时还可以有更多的改变，例如，转速反馈电路可以使用光电编码器等实现；或者，使用其他的开关器件，如晶闸管等替代场效应管作为功率管，这些改变并不会影响本发明的实施。

最后需要强调的是，本发明不限于上述实施方式，如设定系数的改变、占空比调节幅度的改变等变化也应该包括在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.电机控制方法，包括

电机控制器的微控制器接收一设定值，并根据所述设定值向功率驱动电路输出脉冲宽度调制信号；

所述控制器的电流反馈电路采样流经所述功率驱动电路的电流信号，并将所述电流信号转换成电压信号输出至所述微控制器；

所述控制器的转速反馈电路采样电机的转子的转速信号，并将所述转速信号输出至所述微控制器；

其特征在于：

所述微控制器根据所述电压信号与所述转速信号的比值计算一计算值，并根据所述计算值与所述设定值的大小关系调节向所述功率驱动电路输出的所述脉冲宽度调制信号的占空比，对所述占空比的调节为每次按照预定的幅度进行调节或者根据所述设定值与所述计算值的差值的幅度进行调节；

计算所述计算值的步骤是：计算所述电压信号与所述转速信号的比值后，计算所述比值与设定系数的乘积，所述设定系数为预先写入所述微控制器的数值。

2.根据权利要求1所述的电机控制方法，其特征在于：

所述微控制器调节所述脉冲宽度调制信号的占空比的步骤是：所述微控制器判断所述计算值大于所述设定值时，降低所述脉冲宽度调制信号的占空比；所述微控制器判断所述计算值小于所述设定值时，提高所述脉冲宽度调制信号的占空比。

3.根据权利要求1或2所述的电机控制方法，其特征在于：

所述电流反馈电路采样所述电流信号后，将所述电流信号转换成初始电压信号，并将所述初始电压信号放大后形成所述电压信号。

4.电机控制器，包括

定子以及转子，并设有控制器，所述控制器具有

微控制器，向功率驱动电路输出脉冲宽度调制信号，所述功率驱动电路根据所述脉冲宽度调制信号向所述定子输出驱动信号；

电流反馈电路，采样流经所述功率驱动电路的电流信号，并将所述电流信号转换成电压信号输出至所述微控制器；

转速反馈电路，采样所述转子的转速信号，并将所述转速信号输出至所述微控制器；

其特征在于：

所述微控制器具有

计算模块，根据所述电压信号与所述转速信号的比值计算一计算值，所述计算值为所述电压信号与所述转速信号的比值与设定系数的乘积，所述设定系数存储在所述微控制器的存储器内；

比较执行模块，比较所述计算值与所接收的设定值的大小，并根据所述计算值与所述设定值的大小关系调节向所述功率驱动电路输出的所述脉冲宽度调制信号的占空比，对所述占空比的调节为每次按照预定的幅度进行调节或者根据所述设定值与所述计算值的差值的幅度进行调节。

5.根据权利要求4所述的电机控制器，其特征在于：

所述微控制器判断所述计算值大于所述设定值时，降低所述脉冲宽度调制信号的占空比；所述微控制器判断所述计算值小于所述设定值时，提高所述脉冲宽度调制信号的占空比。

6.根据权利要求4或5所述的电机控制器，其特征在于：

所述电流反馈电路具有采样电阻以及与所述采样电阻电连接的放大电路。