CN107241037A - 一种单相无刷直流电动机恒功率控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电机控制技术领域，尤其是一种单相无刷直流电动机恒功率控制系统及方法，单相无刷直流电动机恒功率控制系统包括检测单元、逻辑控制单元和开关电路，逻辑控制单元用于接收母线电压信号、母线电流信号以及磁极位置信号，逻辑控制单元根据母线电压信号、母线电流信号以及磁极位置信号计算获得单相无刷直流电机在不同电压下恒功率运行时需要的同步导通角度和提前换相角度并制定控制策略，开关电路用于接收逻辑控制单元的控制脉冲，开关电路通过变换电流流向改变转子的磁极位置使转子旋转，同时根据同步导通角度和提前换相角度对单相无刷直流电机控制以实现恒功率控制。

Description

一种单相无刷直流电动机恒功率控制系统及方法
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，尤其是一种单相无刷直流电动机恒功率控制系统及方法。
背景技术
通常单相无刷直流电动机控制系统包括4个功率器件，利用该组功率器件将电源电压逆变成合适的输出电压，驱动电机正常运行。比如当第一组开关Q1Q4闭合时，电机电流从左到右流动，反之当第二组开关Q2Q3闭合时，电机电流从右到左流动，从而实现电机的连续运转，电压信号来源于直流母线，通过电阻分压和低通滤波的方式实现。当电源信号来源于电池时，电池使用一段时间后，电压会下降，采用常见的控制策略时，电机转速会下降。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种单相无刷直流电动机恒功率控制系统及方法，实现单相无刷直流电机在不同电源电压下的恒功率运行。
为了实现本发明的目的，所采用的技术方案是：
本发明的单相无刷直流电动机恒功率控制系统包括：
检测单元，用于检测母线电压、母线电流以及单相无刷直流电机的磁极位置并输出母线电压信号、母线电流信号以及磁极位置信号给逻辑控制单元；
逻辑控制单元，用于接收母线电压信号、母线电流信号以及磁极位置信号，所述逻辑控制单元根据所述母线电压信号、母线电流信号以及磁极位置信号计算获得单相无刷直流电机在不同电压下恒功率运行时需要的同步导通角度和提前换相角度并制定控制策略；
开关电路，用于接收所述逻辑控制单元的控制脉冲，通过变换电流流向改变转子的磁极位置使转子旋转，同时根据同步导通角度和提前换相角度对单相无刷直流电机控制以实现恒功率控制。
本发明所述检测单元包括电压检测模块、电流检测模块和霍尔传感器，所述电压检测模块检测直流母线电压并将母线电压信号发送给所述逻辑控制单元，所述电流检测模块检测直流母线电流并将母线电流信号发送给所述逻辑控制单元，所述霍尔传感器检测单相无刷直流电机的磁极位置并将磁极位置信号发送给所述逻辑控制单元。
本发明所述开关电路包括四个p沟道型MOS管，四个p沟道型MOS管分别为第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管，所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管的栅极分别与所述逻辑控制单元相连，所述第一MOS管的漏极连接于电源的阳极，所述第一MOS管的源极连接于所述单相无刷直流电机的绕组a端，所述第二MOS管的漏极经电阻R连接于电源的阴极，所述第二MOS管的源极连接于所述绕组a端，所述第三MOS管的漏极连接于电源的阳极，所述第三MOS管的源极连接于所述单相无刷直流电机的绕组b端，所述第四MOS管的漏极连接于所述绕组b端，所述第四MOS管的源极经所述电阻R连接于电源的阴极，当第一MOS管和第四MOS管闭合时，电流从绕组a端到绕组b端流动，当第二MOS管和第三MOS管闭合时，电流从绕组b端到绕组a端流动，所述开关电路通过变换电流流向改变转子的磁极位置使转子连续旋转。
本发明所述逻辑控制单元通过PWM脉冲信号控制所述开关电路，所述开关电路根据接收到的同步导通角度信号和提前换相角度信号对单相无刷直流电机控制以实现恒功率控制。
本发明还提供一种单相无刷直流电动机恒功率控制方法，使用上述的单相无刷直流电动机恒功率控制系统，包括以下步骤：
S101：所述逻辑控制单元根据所述母线电压信号、母线电流信号以及磁极位置信号计算获得单相无刷直流电机在不同电压下恒功率运行时需要的同步导通角度和提前换相角度并制定控制策略；
S102：初始时，所述逻辑控制单元发送提前换相信号给开关电路，所述第二MOS管和第三MOS管闭合，电流从绕组b端到绕组a端流动，当所述逻辑控制单元发送同步导通信号给所述开关电路时，所述第三MOS管关断而所述第二MOS管继续导通同步续流；
S103：当开关电路接收到下一拍提前换相信号时，所述第二MOS管关断同时所述第一MOS管和第四MOS管闭合，电流从绕组a端到绕组b端流动，当所述逻辑控制单元再次发送同步导通信号给所述开关电路时，所述第一MOS管关断而所述第四MOS管继续导通同步续流，然后按照步骤S102-S103循环实现不同电压下的恒功率控制；
S104：若出现过电流信号，则这拍提前结束，直到下一拍提前换相信号，电源电压下降时，逻辑控制单元修改同步导通角度和提前换相角度，实现更大电流注入到绕组保证电机的恒功率运行。
本发明的单相无刷直流电动机恒功率控制系统及方法的有益效果是：本发明的单相无刷直流电动机恒功率控制系统包括检测单元、逻辑控制单元和开关电路，开关电路用于接收逻辑控制单元的控制脉冲，开关电路通过变换电流流向改变转子的磁极位置使转子旋转，同时根据同步导通角度和提前换相角度对单相无刷直流电机控制以实现恒功率控制。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本实施例的单相无刷直流电动机恒功率控制系统的原理框图；
图2是本实施例的单相无刷直流电动机恒功率控制系统的控制逻辑时序图。
其中：电压检测模块11，电流检测模块12，霍尔传感器13；逻辑控制单元2；第一MOS管31，第二MOS管32，第三MOS管33，第四MOS管34；单相无刷直流电机4。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“径向”、“轴向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本实施例的单相无刷直流电动机恒功率控制系统包括检测单元、逻辑控制单元2和开关电路，其中，检测单元用于检测母线电压、母线电流以及单相无刷直流电机4的磁极位置并输出母线电压信号、母线电流信号以及磁极位置信号给逻辑控制单元2；逻辑控制单元2用于接收母线电压信号、母线电流信号以及磁极位置信号，逻辑控制单元2根据母线电压信号、母线电流信号以及磁极位置信号计算获得单相无刷直流电机4在不同电压下恒功率运行时需要的同步导通角度和提前换相角度并制定控制策略；开关电路用于接收逻辑控制单元2的控制脉冲，通过变换电流流向改变转子的磁极位置使转子旋转，同时根据同步导通角度和提前换相角度对单相无刷直流电机4控制以实现恒功率控制。
本实施例中的检测单元包括电压检测模块11、电流检测模块12和霍尔传感器13，电压检测模块11检测直流母线电压并将母线电压信号发送给逻辑控制单元2，电流检测模块12检测直流母线电流并将母线电流信号发送给逻辑控制单元2，霍尔传感器13检测单相无刷直流电机4的磁极位置并将磁极位置信号发送给逻辑控制单元2。
优选的，电压检测模块11和电流检测模块12采用集成式电能计量模块，本实施例中优选为IM1253LDC直流电能计量模块，IM1253LDC直流电能计量模块采用UART口通讯，IM1253LDC直流电能计量模块可以实时采集母线的电压和电流数据并发送给逻辑控制单元2，霍尔传感器13为霍尔传感器PT3601。
本实施例中的逻辑控制单元2包括KS08KA2系列MCU、存储模块、定时器、时钟模块和其他外围电路。
本实施例中的开关电路包括四个p沟道型MOS管，四个p沟道型MOS管分别为第一MOS管31、第二MOS管32、第三MOS管33和第四MOS管34，第一MOS管31、第二MOS管32、第三MOS管33和第四MOS管34的栅极分别与逻辑控制单元2相连，第一MOS管31的漏极连接于电源的阳极，第一MOS管31的源极连接于单相无刷直流电机4的绕组a端，第二MOS管32的漏极经电阻R连接于电源的阴极，第二MOS管32的源极连接于绕组a端，第三MOS管33的漏极连接于电源的阳极，第三MOS管33的源极连接于单相无刷直流电机4的绕组b端，第四MOS管34的漏极连接于绕组b端，第四MOS管34的源极经电阻R连接于电源的阴极，当第一MOS管31和第四MOS管34闭合时，电流从绕组a端到绕组b端流动，当第二MOS管32和第三MOS管33闭合时，电流从绕组b端到绕组a端流动，开关电路通过变换电流流向改变转子的磁极位置使转子连续旋转，逻辑控制单元2通过PWM脉冲信号控制开关电路，为了实现恒功率控制，开关电路根据接收到的同步导通角度信号和提前换相角度信号对单相无刷直流电机4控制以实现恒功率控制。
如图2所示，本实施例还提供一种单相无刷直流电动机恒功率控制方法，包括以下步骤：
S101：逻辑控制单元2根据母线电压信号、母线电流信号以及磁极位置信号计算获得单相无刷直流电机4在不同电压下恒功率运行时需要的同步导通角度和提前换相角度并制定控制策略，提前换相信号一般超前霍尔信号固定角度比如30度，可以通过逻辑控制单元2的定时器功能实现，同步导通信号一般滞后霍尔信号固定角度比如40度，也是可以通过逻辑控制单元2的定时器功能实现；
S102：初始时，逻辑控制单元2发送提前换相信号给开关电路，第二MOS管32和第三MOS管33闭合，电流从绕组b端到绕组a端流动，当逻辑控制单元2发送同步导通信号给开关电路时，第三MOS管33关断而第二MOS管32继续导通同步续流；
S103：当开关电路接收到下一拍提前换相信号时，第二MOS管32关断同时第一MOS管31和第四MOS管34闭合，电流从绕组a端到绕组b端流动，当逻辑控制单元2再次发送同步导通信号给开关电路时，第一MOS管31关断而第四MOS管34继续导通同步续流，然后按照步骤S102-S103循环实现不同电压下的恒功率控制；
S104：若出现过电流信号，则这拍提前结束，直到下一拍提前换相信号，电源电压下降时，逻辑控制单元2修改同步导通角度和提前换相角度，实现更大电流注入到绕组保证电机的恒功率运行，逻辑控制单元2的修改策略参照下表1进行。
参见表1并结合图2，下面给出单相无刷直流电动机恒功率控制方法的具体实施方式：逻辑控制单元2根据母线电压信号、母线电流信号以及磁极位置信号计算获得单相无刷直流电机4在不同电压下恒功率运行时需要的同步导通角度和提前换相角度，参见表1，本实施例给出了母线电压为15-24V时对应的同步导通角度和提前换相角度，如果电池电源使用一段时间后，电压由24V下降到15V，则在该过程中逻辑控制单元2通过改变同步导通角度和提前换相角度来保证电机恒功率运行，例如当母线电压下降到24V时，逻辑控制单元2修改同步导通角度和提前换相角度，修改后的同步导通角度和提前换相角度分别为38度和32度，然后逻辑控制单元2将同步导通角度和提前换相角度转换为相应的PWM控制信号发送给开关电路，开关电路按照步骤S102-103定时控制变换电流流向从而使电机恒功率运行。
母线电压 同步导通角度 提前导通角度
24V 38° 32°
23V 39° 32°
22V 40° 32°
21V 40° 33°
20V 41° 33°
19V 42° 33°
18V 43° 33°
17V 43° 34°
16V 44° 34°
15V 45° 34°
表1
应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种单相无刷直流电动机恒功率控制系统，其特征在于：包括：
检测单元，用于检测母线电压、母线电流以及单相无刷直流电机(4)的磁极位置并输出母线电压信号、母线电流信号以及磁极位置信号给逻辑控制单元(2)；
逻辑控制单元(2)，用于接收母线电压信号、母线电流信号以及磁极位置信号，所述逻辑控制单元(2)根据所述母线电压信号、母线电流信号以及磁极位置信号计算获得单相无刷直流电机(4)在不同电压下恒功率运行时需要的同步导通角度和提前换相角度并制定控制策略；
开关电路，用于接收所述逻辑控制单元(2)的控制脉冲，通过变换电流流向改变转子的磁极位置使转子旋转，同时根据同步导通角度和提前换相角度对单相无刷直流电机(4)控制以实现恒功率控制。
2.根据权利要求1所述的单相无刷直流电动机恒功率控制系统，其特征在于：所述检测单元包括电压检测模块(11)、电流检测模块(12)和霍尔传感器(13)，所述电压检测模块(11)检测直流母线电压并将母线电压信号发送给所述逻辑控制单元(2)，所述电流检测模块(12)检测直流母线电流并将母线电流信号发送给所述逻辑控制单元(2)，所述霍尔传感器(13)检测单相无刷直流电机(4)的磁极位置并将磁极位置信号发送给所述逻辑控制单元(2)。
3.根据权利要求2所述的单相无刷直流电动机恒功率控制系统，其特征在于：所述开关电路包括四个p沟道型MOS管，四个p沟道型MOS管分别为第一MOS管(31)、第二MOS管(32)、第三MOS管(33)和第四MOS管(34)，所述第一MOS管(31)、第二MOS管(32)、第三MOS管(33)和第四MOS管(34)的栅极分别与所述逻辑控制单元(2)相连，所述第一MOS管(31)的漏极连接于电源的阳极，所述第一MOS管(31)的源极连接于所述单相无刷直流电机(4)的绕组a端，所述第二MOS管(32)的漏极经电阻R连接于电源的阴极，所述第二MOS管(32)的源极连接于所述绕组a端，所述第三MOS管(33)的漏极连接于电源的阳极，所述第三MOS管(33)的源极连接于所述单相无刷直流电机(4)的绕组b端，所述第四MOS管(34)的漏极连接于所述绕组b端，所述第四MOS管(34)的源极经所述电阻R连接于电源的阴极，当第一MOS管(31)和第四MOS管(34)闭合时，电流从绕组a端到绕组b端流动，当第二MOS管(32)和第三MOS管(33)闭合时，电流从绕组b端到绕组a端流动，所述开关电路通过变换电流流向改变转子的磁极位置使转子连续旋转。
4.根据权利要求3所述的单相无刷直流电动机恒功率控制系统，其特征在于：所述逻辑控制单元(2)通过PWM脉冲信号控制所述开关电路，所述开关电路根据接收到的同步导通角度信号和提前换相角度信号对单相无刷直流电机(4)控制以实现恒功率控制。
5.一种单相无刷直流电动机恒功率控制方法，使用如权利要求4所述的单相无刷直流电动机恒功率控制系统，其特征在于：包括以下步骤：
S101：所述逻辑控制单元(2)根据所述母线电压信号、母线电流信号以及磁极位置信号计算获得单相无刷直流电机(4)在不同电压下恒功率运行时需要的同步导通角度和提前换相角度并制定控制策略；
S102：初始时，所述逻辑控制单元(2)发送提前换相信号给开关电路，所述第二MOS管(32)和第三MOS管(33)闭合，电流从绕组b端到绕组a端流动，当所述逻辑控制单元(2)发送同步导通信号给所述开关电路时，所述第三MOS管(33)关断而所述第二MOS管(32)继续导通同步续流；
S103：当开关电路接收到下一拍提前换相信号时，所述第二MOS管(32)关断同时所述第一MOS管(31)和第四MOS管(34)闭合，电流从绕组a端到绕组b端流动，当所述逻辑控制单元(2)再次发送同步导通信号给所述开关电路时，所述第一MOS管(31)关断而所述第四MOS管(34)继续导通同步续流，然后按照步骤S102-S103循环实现不同电压下的恒功率控制；
S104：若出现过电流信号，则这拍提前结束，直到下一拍提前换相信号，电源电压下降时，逻辑控制单元(2)修改同步导通角度和提前换相角度，实现更大电流注入到绕组保证电机的恒功率运行。
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