CN107294432A - 一种电机的控制方法和控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电机的控制方法及系统，包括：（1）当电机以其最大功率运转时，励磁电机的绕组；（2）当电机以小于其最大功率运转时，根据电机转子相对于电机绕组的位置来决定是励磁电机的绕组还是使绕组续流；且当电机绕组中的反电动势到达波峰或波谷之前励磁电机的绕组，当电机绕组中的反电动势处于波峰或波谷时开始使绕组续流。该系统用于执行上述的电机的控制方法。本发明的电机控制方法能够使电机的工作功率处于相对恒定的范围，对电机的冲击小，电机的工作波动小、运行稳定，电机的工作寿命更长，对电机的工作控制有效，电机可以长时间稳定工作。

Description

一种电机的控制方法和控制系统

技术领域

本发明涉及一种电机的控制方法以及用于执行该控制方法的控制系统，还涉及采用该控制方法和控制系统的吸尘器。

背景技术

当电机的转子旋转时，在电机的绕组内感应反电动势。当转子速度增加时，反电动势的数值增加。对电机转子转速产生一个抵抗力，电机难以稳定运转。因此需要对电机增加外来动力，并且要电机在一个稳定的功率范围内工作，需要采用合理的控制方法，将电机的工作功率控制在有个相对恒定的范围。使电机转子保持长时间运转的方法一般包括对电机绕组的励磁或续流，但是励磁或续流的方式不同所带来的电机工作效果也不同，电机的工作寿命也可能不同。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电机的控制方法，来控制电机的工作，使电机的工作功率处于相对恒定的范围，对电机的冲击小，电机的功率波动小、运行稳定，电机的工作寿命更长。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种电机的控制方法，包括：(1)当电机以其最大功率运转时，励磁电机的绕组；(2)当电机以小于其最大功率运转时，根据电机转子相对于电机绕组的位置来决定是励磁电机的绕组还是使绕组续流；且当电机绕组中的反电动势到达波峰或波谷之前励磁电机的绕组一段时间，当电机绕组中的反电动势处于波峰或波谷时开始使绕组续流一段时间。

优选的，当电机以其最大功率开始运转时，以其最大功率励磁电机的绕组。

优选的，当电机以小于其最大功率运转时，在一次或多次励磁电机的绕组或使绕组续流后进行停顿，停止励磁电机的绕组或使绕组续流，然后进行下一次的励磁电机的绕组或使绕组续流。

优选的，停顿的时间为半个反电动势周期的整数倍。

本发明还提供了一种电机的控制系统，该系统用于执行上述的电机的控制方法。

优选的，上述的电机的控制系统包括位置传感器、其输出的信号代表绕组中的反电动势的信号；电流控制器、用于限制励磁过程中绕组中的电流；电机驱动器、控制电机的电流接通或断开；门驱动器模块、用于响应该控制系统控制电机驱动器的开关；驱动控制器、用于产生一个或多个控制信号以控制电机绕组的励磁。

本发明还提供了一种吸尘器，该吸尘器采用上述的电机的控制方法来控制吸尘器中电机的工作。

本发明还提供了一种吸尘器，该吸尘器采用上述的电机的控制系统来控制吸尘器中电机的工作。

与现有技术相比，本发明电机的控制方法的有益效果在于：能够使电机的工作功率处于相对恒定的范围，对电机的冲击小，电机的工作波动小、运行稳定，电机的工作寿命更长，对电机的工作控制有效，电机可以长时间稳定工作。

附图说明

图1是本发明的吸尘器产品进行电机控制的反电动势原理波形图；

图2是本发明的吸尘器产品的方框图；

图3是本发明中电机控制系统的方框图；

图4是本发明中电机的结构图。

图中各标记如下：1、电源；2、吸尘控制器；3、微控制器；4、电机控制器；5、地刷控制器；6、无刷电机；7、地刷；8、矽钢定子；9、位置传感器；10、永磁转子；11、线圈。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

一种电机的控制方法，包括：(1)当电机以其最大功率运转时，励磁电机的绕组；(2)当电机以小于其最大功率运转时，根据电机转子相对于电机绕组的位置来决定是励磁电机的绕组还是使绕组续流；且当电机绕组中的反电动势到达波峰或波谷之前励磁电机的绕组，当电机绕组中的反电动势处于波峰或波谷时开始使绕组续流。

励磁绕组的时间加上绕组续流的时间等于半个反电动势周期(励磁绕组和续流绕组是相对的，由于在反电动势下降的区域中对于相同电流的情况下，获得的力矩较小，因此在此时段用于续流可以增大电机的效率)。在半个反电动势周期内，如果励磁的时段与反电动势的位置相对固定的情况下，且其他外界条件(励磁电压，电机负载)不变的条件下，此时电机的效率基本固定。通过响应励磁电压的变化而打开或者关掉励磁电机的绕组和使绕组续流，可实现电机功率方面的更好的控制。通过增加励磁电机绕组和使绕组续流的时间长度，从而增加电机的功率，同样，通过增加关掉励磁绕组和续流绕组的时间，从而减小电机的功率。例如，如图一所示，在短箭头时间段中进行励磁绕组，在长箭头时间段中进行续流绕组，假设此时电机的功率为200W，如果要控制电机的功率在100W左右，那么只需要减掉一半的续流与励磁时间段，即一半的时间停止续流与励磁，即可使电机达到需要的功率。因为如果连续一段时间内都一直励磁与续流的话，电机的电流会持续上升到一个高位，这样会对元器件产生很大的的电流冲击，不利于电机的稳定工作，影响电机的工作寿命。为了尽量的避免此种情况发生，以半个反电动势周期为单位，那么图1中在时段1-2励磁续流，在时段3-4停止励磁续流，如此循环即可使电机得到100W的功率，而且电流的波动相对较小。

同样的，想得到其他的功率可以先算出功率的比值，然后约掉分子和分母中的公约数，假如最后得到的值为2/5，那么就对电机连续励磁续流两次，再停掉3次，这样电机电流的波动幅度就会相对较小，同时还能达到控制电机功率的目的，这种控制方式命名为“分时启停控制”，即让电机的工作时段内既包括对电机的励磁和续流时间也包括停止励磁或续流的停顿时间。另外实际操作中，如果功率比值越小，实际得到的功率误差会越大，因此可利用调节励磁时间先将电机的工作分为多个功率段，然后分别在每个功率段中用分时启停控制进行调节，即可得到比较精准的实际功率(误差不大于3％)。

本发明的电机控制系统理想地包括位置传感器，例如霍尔效应传感器，其输出代表统组中的反电动势的信号。控制系统然后利用该位置传感器的信号输出控制绕组的励磁和续流。控制系统还包括电流控制器以限制励磁过程中绕组中的电流。这可防止绕组中形成可损坏控制系统的部件或使得电机的磁体消磁的过电流。控制系统还可包括电机驱动器，门驱动模块和驱动控制器。驱动控制器产生一个或多个控制信号以控制绕组的励磁，门驱动器模块响应该控制系统控制电机驱动器的开关。

电机优选为永磁马达，且更优选为单相永磁马达。

图2中电源1包括电池组和保护板，其供应直流电压给吸尘控制器2。电源1可从产品中拆卸，从而产品可和不同的电池组一起使用。为了本说明的目的，电源1是提供四芯锂电池组或者五芯,六芯电池以及其他电压的电源。吸尘控制器2包含MCU微控制器3，无刷电机控制器4，地刷控制器5以及用户接口按钮。用户按钮用于控制功率模式以及吸尘器的启停。

其中电机控制器4也是本发明的电机控制系统如图3所示，图3中包含MCU微控制器3；门驱动器GATE DRIVER；电机驱动器功率开关Q1、Q2、Q3、Q4；位置传感器H；无刷电机绕组及转子M。其中Q1、Q2、Q3、Q4形成H桥，以提供电机绕组需要的励磁电流，以及使绕组续流。当Q1、Q4闭合且Q2、Q3断开时，H桥给绕组提供正向励磁电流(从左往右)，当Q2、Q3闭合且Q1、Q4断开时，H桥给绕组提供反向励磁电流(从右往左)，当Q3、Q4闭合且Q1、Q2断开时，H桥使绕组续流，当电机驱动器功率开关Q1、Q2、Q3、Q4都断开时，H桥使电机开关断开电机断电。门驱动器GATE DRIVER可以控制四个功率开关Q1、Q2、Q3、Q4的闭合与断开，真值表关系如下：

位置传感器H采用霍尔传感器，其输出代表永磁转子的位置信号。该信号是数字方波，其每个边缘表示转子的极性改变的位置。由位置传感器H输出的信号被传送至MCU微控制器3，MCU微控制器3根据位置信号将控制信号传给门驱动器GATE DRIVER，产生与之对应的控制信号S1-S4给功率开关，最后将电力输送给电机励磁绕组，产生动力。

图4中，包含矽钢定子8，位置传感器9，永磁转子10，线圈11。当旋转时，永磁转子10在线圈11中感生反电动势。该反电动势的极性随着转子10的极性改变。因此位置传感器信号不仅提供转子10的磁极位置的测量，而且提供线圈11中的反电动势的测量。位置传感器9相对于转子10对准，使得位置传感器信号的边缘与反电动势的过零是同步的。这样就便于微控制器3更好的控制电机。

在启动时，因为电机的速度很低，对应的电半周期的时间就很长，因此不能直接打开电机控制器4持续的给线圈11提供电流，以免烧坏电机控制器4中的功率开关，此时应使用PWM脉宽调制来启动电机，随着电机的速度增加，绕组中感生的反电动势增加，电半周期的时间变短。当电机转速大于40Krpm时，应用“分时启停控制”方式来控制电机的加减速，此时电流的变化相对较小，对功率开关的冲击也降低。此时如图3，MCU微控制器3通过电阻R2、R3得到母线电压，然后根据电压的变化微调“分时启停控制”的时间，达到控制电机的功率基本恒定的目的。

电机控制的实验数据如下：

一、9个周期励磁，一个周期停止即9启一停的实验数据：

二、2个周期励磁，一个周期停止即2启一停的实验数据：

三、一般控制即所有周期都励磁、不停止的实验数据：

在同样励磁占比(励磁脉宽/电半周期)的情况下将上面三种方法表格中的功率提取出来得到如下表格：

不停的功率	2启一停功率	功率占比	9启一停	功率占比
					17.4	16.2	93.1	17.2	98.85
20.4	17.8	87.25	19.8	97.06
					22.6	20.4	90.27	21.8	96.46
26.4	22.4	84.85	24.4	92.42
					29.2	24.6	84.25	27.4	93.84
33	27.6	83.64	30.2	91.52
					36.8	30	81.52	33.8	91.85
41.2	33.2	80.58	37.2	90.29
					45.6	35.8	78.51	41	89.91
49.6	39.4	79.44	45.4	91.53
					54.6	42.4	77.66	49.2	90.11
59.8	46	76.92	54.2	90.64
					65.2	49.2	75.46	59.2	90.8
70.8	53.2	75.14	64	90.4
					75.8	56.8	74.93	68.6	90.5
82	61	74.39	73.6	89.76
					88	64.8	73.64	79.6	90.45
94.4	69	73.09	85.2	90.25
					100.6	73.4	72.96	90.4	89.86
107.4	78	72.63	96.6	89.94
					115.4	82	71.06	103.2	89.43
122.4	86.8	70.92	109.2	89.22
					130.6	92.2	70.6	116	88.82
137.2	97.4	70.99	123	89.65
					144.4	103	71.33	129.4	89.61
152.2	107.6	70.7	136.2	89.49
					161	113	70.19	143	88.82
168.2	118.6	70.51	150	89.18
					176	123.8	70.34	157.2	89.32
184	129.6	70.43	164	89.13
					192.4	135.4	70.37	171	88.88
200	141	70.5	179.4	89.7

2启一停功率理论上应该是不停功率的66.7％，9启一停功率理论上应该是不停功率的90％，实际上从上表中能看出要想得到功率占比比较低的功率，分时启停的理论值和实际偏差就比较大，所以最终实际操作就是将电机用励磁占比分为多个功率段，然后对每个功率段进行时分启停控制调节，有励磁绕组和续流绕组时间，也有停止励磁绕组和续流绕组的停顿时间，从而得到想要的输入功率。并且电机的功率波动小、运行稳定，电机的工作寿命更长。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种电机的控制方法，其特征在于，包括：

（1）当电机以其最大功率运转时，励磁电机的绕组；

（2）当电机以小于其最大功率运转时，根据电机转子相对于电机绕组的位置来决定是励磁电机的绕组还是使绕组续流；且当电机绕组中的反电动势到达波峰或波谷之前励磁电机的绕组一段时间，当电机绕组中的反电动势处于波峰或波谷时开始使绕组续流一段时间。

2.如权利要求1所述的电机的控制方法，其特征在于，当电机以其最大功率开始运转时，以其最大功率励磁电机的绕组。

3.如权利要求1所述的电机的控制方法，其特征在于，当电机以小于其最大功率运转时，在一次或多次励磁电机的绕组或使绕组续流后进行停顿，停止励磁电机的绕组或使绕组续流，然后进行下一次的励磁电机的绕组或使绕组续流。

4.如权利要求3所述的电机的控制方法，其特征在于，停顿的时间为半个反电动势周期的整数倍。

5.一种电机的控制系统，其特征在于，该系统用于执行权利要求1-4中任一项所述的电机的控制方法。

6.如权利要求5所述的电机的控制系统，其特征在于，包括位置传感器、其输出的信号代表绕组中的反电动势的信号；电流控制器、用于限制励磁过程中绕组中的电流；电机驱动器、控制电机的电流接通或断开；门驱动器模块、用于响应该控制系统控制电机驱动器的开关；驱动控制器、用于产生一个或多个控制信号以控制电机绕组的励磁。

7.一种吸尘器，其特征在于，该吸尘器采用权利要求1-4中任一项所述的电机的控制方法控制吸尘器中电机的工作。

8.一种吸尘器，其特征在于，该吸尘器采用权利要求5-6中任一项所述的电机的控制系统来控制吸尘器中电机的工作。