CN107154757A - 开窗机驱动器的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种开窗机驱动器的控制方法，该开窗驱动器的驱动电机通过减速机构驱动执行机构，该驱动电机为直流无刷外转子电机，直流无刷外转子电机的控制采用两种模式，启动模式和正常运行模式，所述启动模式是通过三相线圈的电感量的差异，来得到转子的位置，输出正确的驱动电流，启动模式是在零速或低速启动时，通过检测电感脉冲，检测三相线圈的电感量的差异，进而获取转子的位置，然后把正确的驱动电流加载到直流无刷外转子电机上，当转子速度超过设定的阈值后，切换到反动电动势的模式，实现启动模式到正常运行模式。该开窗机驱动器使用寿命长、安装更简便，体积更小、更美观、控制更可靠。

Description

开窗机驱动器的控制方法

技术领域

本发明涉及开窗机领域，具体涉及一种开窗机驱动器的控制方法。

背景技术

现有开窗器的动力源多采用有刷内转子电机，在开窗机领域为了完成开关窗的指令，该类电机通常需要达到50W的有效功率，而内转子电机功率密度相对较低，为了达到50W的功率，尺寸通常为直径3.7cm*长7.7cm，电机直径较粗，长度较长，体积较大。而且该类电机可靠性不高，在需要小尺寸开窗机的场景中无法运用。另外有刷内转子电机还存在工作寿命无法与窗户寿命等同，有刷电机在使用过程中磨损大、成本高。有刷电机在使用较长时间后，换向器容易出现故障。

现有无刷电机开窗机驱动器通常需要三个霍尔传感器，其对磁铁安装的精准性要求很高，操作难度大，而且误差率高。例如在直径28mm的电机上，霍尔传感器的安装精度需要达到±0.1mm，生产效率低、成本高、可靠性差。

另外无传感器技术(sensorless)在开窗机启动时启动力矩小，有抖动现象，在开窗机的使用场景里，经常有较大的启动扭矩需求，普通的基于反电动势的无传感器技术(sensorless)存在抖动或不能启动的风险。

因此，开窗机驱动器的可靠性、使用寿命有待于提高，开窗机驱动器的控制方式有待于进一步改进。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种开窗机驱动器的控制方法，使得开窗机驱动器更可靠、使用寿命更长、体积更小。

由于控制方法的改善，使其具备多重优势，大大缩小了该开窗机驱动器的体积，可以被被广泛应用于酒店、商务中心、体育场馆、火车站、汽车站、飞机场、高端地产等。

本发明技术方案是：一种开窗机驱动器的控制方法，该开窗驱动器包括控制系统、驱动电机、减速机构、执行机构，驱动电机通过减速机构驱动执行机构，该驱动电机为直流无刷外转子电机；其特征在于：直流无刷外转子电机的控制采用两种模式，启动模式和正常运行模式。

进一步，所述启动模式是通过三相线圈的电感量，确定转子的位置，输出正确的驱动电流，使定子的旋转磁场与转子的磁场相切的角度保持力矩输出最大。

进一步，启动模式是在零速或低速启动时，通过检测电机线圈电感脉冲，检测三相线圈的电感量的差异，进而获取转子的位置。

进一步，在电机启动或低速状态时，把正确的驱动电流加载到直流无刷外转子电机上，使其开始加速，并且通过周期性的检测电感脉冲，确定转子位置是否改变，使电机驱动电流始终随转子位置改变而改变。

进一步，当转子速度超过设定的阈值后，切换到反电动势模式，实现启动模式过度到正常运行模式。

直流无刷外转子电机的控制包括启动模式和正常运行模式，启动模式时，通过测量电机线圈电感脉冲，得到转子的位置。

进一步，正常运行模式时，根据启动模式得到的转子位置，输出正确的驱动电压或者驱动电流，并且测量浮空相的电压或者电流，达到设定的阈值时，进行换相。

进一步，所述电感量的检测通过电流检测或通过电压检测。

进一步，通过比较不同加载方式的测试数据和电感量的差异来判断转子的位置。

进一步，转子位置确定后采用FOC控制模式或三相六拍控制模式。三相六拍模式时，保证定子转子磁力线夹角大致为60°～120°，达到转矩最大的目的。

一种开窗机驱动器的控制方法，该开窗机驱动器采用无霍尔传感器的方式，该开窗机驱动器的电机为外转子电机。

本发明的开窗机安装时更简便，体积更小、更美观、更耐用、控制更可靠。

附图说明

图1直流无刷外转子电机左视图、主视图、右视图结构示意图；

图2开窗机驱动器结构图；

图3有刷内转子电机截面结构示意图；

图4直流无刷外转子电机截面结构示意图；

图5电机结构剖面示意图；

图6三相六拍六边形回路的磁场示意图；

图7圆形矢量控制驱动示意图；

图8三相线圈的Y形连接方式；

图9三相线圈的三角形连接方式。

图中：1电机输出轴、2定子支架、3定子线圈、4转子、5锁轴螺钉、6安装螺孔、7直流无刷外转子电机、8控制系统、10减速机构、11执行机构、12开窗机、13外转子、14直流无刷外转子电机线圈、15直流无刷外转子电机气隙、17有刷内转子电机线圈、18有刷内转子电机内转子、19有刷内转子电机气隙、20有刷内转子电机、21定子线圈、22磁钢N极、23磁钢S极。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明进一步说明。

图1示出了直流无刷外转子电机结构示意图，包括电机输出轴1、定子支架2、定子线圈3、转子4、锁轴螺钉5、安装螺孔6。

图2示出了开窗机12结构示意图，包括控制系统8、减速机构10、执行机构11、直流无刷外转子电机7，控制系统8控制直流无刷外转子电机7，直流无刷外转子电机7通过减速机构10驱动执行机构11低速直线运动，动作实现窗户的开闭。

参见图3，有刷内转子电机20的线圈17在外，转子18在内。参见图4，直流无刷外转子电机7恰好相反，无刷外转子电机线圈14在电机内，外转子13在电机外。在其它条件固定的情况下，电机的输出功率和电机的气隙的半径的平方成正比。而外转子电机的气隙半径15比内转子电机的气隙的半径19大，转速相同时，直流无刷外转子电机7可以达到更高的功率。电机尺寸相同的情况下，电机功率大大提升。因此本发明的开窗机驱动器选用直流无刷外转子电机7来代替现有内转子有刷电机，提高了工作可靠性。采用无刷电机的方式，将不存在碳刷磨损，延长了开窗机的使用寿命。

现有开窗机采用无传感技术(sensorless)启动时，因不确定转子的具体位置，需增加一个开环的旋转换向的过程，通常线圈换向和转子转动不同步，在扭矩较大情况下，电机就会发生抖动，无法驱动负载。获得转子的位置后，线圈换向和转子转动同步，换向也同步，这样能达到额定转矩。

窗户处于不同的位置上时，需要不同的扭矩进行开、关窗动作。窗户在中间位置需要的力比在垂直或水平位置需要的力大，如果窗户处于半开启状态，现有无传感技术(sensorless)因不知道转子的位置，其运用的是一种开环模式，不能提供足够大的扭矩，有时造成无法启动。

现有无刷内转子电机中通常需要安装三个霍尔传感器作为位置传感器，以感知转子的位置，在开窗机的运用场景里外转子的电机直径、长度都较小，因此对霍尔的精准度要求就比较高，这会导致安装制造的成本大幅提升。本发明的开窗机驱动器的控制不需要霍尔传感器，其包括启动模式、正常运行模式。具体如下：

1、在启动模式中零速或低速启动时，通过检测电感脉冲，检测三相线圈的电感量的差异或由电感量差异造成的其他电参数的变化，进而获取转子的位置；

对于三相线圈的电感量的检测方法是：(1)通过电流检测，(2)通过电压检测。三相线圈排列成Y型或者是三角形(参见图8、图9)。

(1)通过电流检测：参见图8，通过在线圈上施加脉冲电流，检测线圈的电流。加电流时，逆时针方向是A相加正电流，B相加负电流，C相浮空，或B相加正电流，C相加负电流，A相浮空，或C相加正电流，A相加负电流，B相浮空；顺时针方向是A相加正电流，C相加负电流，B相浮空，或C相加正电流，B相加负电流，A相浮空，或B相加正电流，A相加负电流，C相浮空，一共六种加载方法，因为脉冲的宽度相同，电感大时，电流的斜率小，峰值低，电感小时，电流的斜率比较陡峭，峰值高。上述六种加载方法对应六种检测数据，通过比较这六种数据和电感量的差异来判断转子的位置。

(2)通过电压检测：在线圈上施加脉冲电压，检测浮空相的电压响应，施加脉冲电压后，电感量不同，所以浮空相上检测到的电压也不同。电压电感量相等时，例如在A相，B相上加电压例如1V、C相分出1/2V的电压；电感量不同，电感分压不同，电感量大时，所分电压多，电感量小时，所分电压少，随着电感量的不同，B相上的电压就偏离了1/2V。类似上述的电流施加方式共有六种加电压加载方式，对应得到六种数据，通过对这种六种数据和电感量的差异来判断转子的位置。

2、把合适的驱动电流加载到电机上，让电机开始加速，并且通过周期性的检测电感，确定转子位置是否改变，是否需要换相。

转子位置确定后采用FOC控制模式或三相六拍控制模式：

(1)FOC磁场定向控制，又称“矢量控制”，是通过控制变频器输出电压的幅值和频率控制三相交流电机的一种变频驱动控制方法，通过测量和控制电机的定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对电机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而将三相交流电机等效为直流电机控制。FOC模式的优点是扭矩稳定，输出力矩变化小，启动平稳，容易控制，噪音小。

(2)三相六拍控制模式，三相指的是电机绕组按三相绕组的方式来布置的，六拍是指电机转子经过六拍的控制节奏才能旋转一周。该控制模式的定子与转子磁力线的夹角始终在60°～120°转换，保持最大的扭矩，由于夹角角度起伏变化较大，得到的力矩波动也较大，因此会产生噪音。三相六拍模式的优点是扭矩大。

把正确的换向电流加到电机上是指：当定子、转子磁力线夹角为60°时，三相绕组中的某两相的功率管导通，转过60°后，其中一相的功率管关断，另一相的功率管导通。这样，保证定子、转子磁力线夹角为60°～120°，达到转矩最大的目的。三相线圈有六种通电模式，用三相六拍方波的模式，两相通电，一相浮空。(如图6)

转子的N极和S极磁钢的磁场形成磁力线回路(参见图5)，当线圈产生的磁力线与磁钢的磁力线保持60度至120度之间的夹角，产生最大的推力，推动磁钢。线圈的六种加载模式，某一种状态下，定子线圈磁场方向是固定的，而转子磁钢是转动的，磁钢和定子线圈产生的磁力线的交角是变化的，随着该交角变化推力不断变化，推力随着转子转动而衰减，为保证对转子磁钢的持续作用，需要通过跟随转子磁钢换相(如图6电流从H进I出)，使得定子线圈的磁力线方向又与转子磁钢的磁力线保持60度至120度之间的夹角，达到最大的推力作用于转子磁钢，使之转动。为了使磁钢持续转动，需要通过持续换相给转子施加最大的推力作用。六种有效的加载模式持续换相，形成一个三相六拍六边形回路的磁场(如图6)。

三相线圈通电后，有六种有效状态，形成一个六边形回路的磁场，不能时刻使定子产生的磁场与转子磁钢的磁力线保持90度正交，无法始终给转子加载最大的推力。如果合成圆形的矢量(如图7)，让磁力线的时刻保持与圆相切，当转子磁钢转动时，磁力线也跟着转动，如转子的位置在0度，把定子的磁力线变成90度，保持和转子的磁力线正交，转子一直受到最大的推力作用。在GHI三相上通电，每相之间相差120度，就可以合成出随着定子位置变化而变化的旋转磁场。测量出转子的位置后，GHI三相之间相差120度，通过计算，在GHI三相上加合适的电流，使定子所产生的磁力线和转子的磁力线始终成接近90度正交，这样保持力矩最大，转子始终保持转动，这就是矢量控制。

3、当转子速度超过设定的阈值后，切换到反电动势的模式，实现启动模式到正常运行模式。

下面介绍窗户的具体开闭控制过程：

当控制器接收到动作指令，控制系统先进行初使化：读取窗户当前的位置、输入电压、并确定运行方向。

接收到关窗指令后，窗户若已经处于关闭状态，控制系统就不再执行指令。当接收到开窗指令，窗户若已经处于打开到最大角度时，控制系统就不再执行指令。

a.窗户打开过程：当控制系统读取窗户当前的位置和运行方向后，判定窗户可以动作后，准备启动电机，首先发送电感测量脉冲，确定转子的位置，输出正确的驱动电流，电机转动，周期性的通过电感检测脉冲，检测转子位置的变化，如果开窗机动作正常，在闭环状态下转子的速度会越来越快，施加正确的换相电流后，转子按照正确的方向转动，如果出现长时间固定在某一位置上，说明窗户已经卡死，控制系统将进入过载保护状态，以免发生不可恢复的变形或造成人身伤害。

当电机转速越来越快，速度达到5％-10％额定转速的阂值时，切换到基于反电动势的senserless模式，通过测量定子电流，得到转子位置，形成闭环，让电机持续运行。

在正常运行过程中，控制系统记录电机运转圈数和方向、电机的换相次数，根据减速装置得到窗户运行的位置，或者通过记录电机运转圈数得到窗户的位置。从窗户关闭位置开到最大的位置，可以计算出电机需要旋转的圈数。控制系统还会监测运行数据，包括执行机构的力和窗户的位置，当达到指令信号所要求的位置时，关闭电机，窗户动作停止。

b.窗户关闭过程同理：读取窗户当前的位置、输入电压、并确定运行方向。启动电机，测量转子位置，加载合适的换向信号，电机开始转动，周期性测量电感，在正确的时候换相，如果是FOC控制模式，测量电感以后给出正确的矢量方向，电机开始加速。若在启动的过程中，发现电机无法旋转，无法达到下一拍，说明窗户被卡住，卡住一段时间后进入过载保护状态。正常状态下，电机转速越来越高，控制系统持续记录电机运转圈数，测量电机运行电流的大小，如果电流没有超过安全值，电机会继续运行。

窗户闭合状态可以通过如下方式设定：(1)、因为减速比固定，达到预先设定的圈数时，停止动作。(2)通过过载保护闭合，窗户完全关闭时，窗户不再运行，电机会持续加电流，力量变大，当电流达到设定的值时，进入过载保护模式，自动停止。(3)设置行程开关，到达相应位置时，行程开关被触发，电机停止。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (12)

1.开窗机驱动器的控制方法，该开窗驱动器包括控制系统、驱动电机、减速机构、执行机构，驱动电机通过减速机构驱动执行机构，该驱动电机为直流无传感器无刷外转子电机；其特征在于：直流无刷外转子电机的控制包括两种模式，启动模式和正常运行模式。

2.根据权利要求1所述的开窗机驱动器的控制方法，其特征在于：所述启动模式是通过三相线圈的电感量，确定转子的位置，输出正确的驱动电流，使定子的旋转磁场与转子的磁场相切的角度保持力矩输出最大。

3.根据权利要求1所述的开窗机驱动器的控制方法，其特征在于：启动模式是在零速或低速启动时，通过检测电机线圈电感脉冲，检测三相线圈的电感量的差异，进而获取转子的位置。

4.根据权利要求3所述的开窗机驱动器的控制方法，其特征在于：在电机启动或低速状态时，把正确的驱动电流加载到直流无刷外转子电机上，使其开始加速，并且通过周期性的检测电感脉冲，确定转子位置是否改变，使电机驱动电流始终随转子位置改变而改变。

5.根据权利要求4所述的开窗机驱动器的控制方法，其特征在于：当转子速度超过设定的阈值后，切换到反电动势模式，实现启动模式过度到正常运行模式。

6.根据权利要求1所述的开窗机驱动器的控制方法，其特征在于：直流无刷外转子电机的控制包括启动模式和正常运行模式，启动模式时，通过测量电机线圈电感脉冲，得到转子的位置。

7.根据权利要求1所述的开窗机驱动器的控制方法，其特征在于：正常运行模式时，根据启动模式得到的转子位置，输出正确的驱动电压或者驱动电流，并且测量浮空相的电压或者电流，达到设定的阈值时，进行换相。

8.根据权利要求3所述的开窗机驱动器的控制方法，其特征在于：所述电感量的检测通过电流检测或通过电压检测。

9.根据权利要求8所述的开窗机驱动器的控制方法，其特征在于：通过比较不同加载方式的测试数据和电感量的差异来判断转子的位置。

10.根据权利要求3所述的开窗机驱动器的控制方法，其特征在于：转子位置确定后采用FOC控制模式或三相六拍控制模式。

11.一种开窗机驱动器的控制方法，其特征在于，该开窗机驱动器采用无传感器的方式，该开窗机驱动器的电机为外转子电机。

12.一种开窗机驱动器的控制方法，该开窗机驱动器采用无传感器的方式，其特征在于，该开窗机驱动器的电机为包括两种模式，启动模式和正常运行模式。