CN107294437A - 一种无刷电机的启动方法和控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无刷电机的启动方法，包括：（1）加电流励磁电机的绕组；（2）检测位置传感器输出的信号，通过采样电阻检测励磁电流或者励磁电压，如果励磁电流或者励磁电压值在预设的阈值范围内随着电流逐渐增大电压逐渐减小并检测到了位置传感器输出的信号变化，则响应该变化电流换向励磁电机的绕组；否则：在励磁电流或者励磁电压值在预设的阈值范围内随着电流逐渐增大电压逐渐减小没有检测到位置传感器输出的信号变化，或者是采样电阻检测到的励磁电流或者励磁电压值超出预设的阈值范围时，则停止原电流励磁，然后电流换向励磁电机的绕组。本发明的电机启动方法对位置传感器的安装位置和转子的加工要求不高，对电机的启动可靠、启动效率高。

Description

一种无刷电机的启动方法和控制系统

技术领域

本发明涉及一种无刷电机的启动方法和控制系统，以及相应的电机组件和吸尘器。

背景技术

图1示出了一种无刷电机1，该无刷电机1包括永久磁体转子4，具有相绕组5的定子和位置传感器3，位置传感器3一般采用霍尔效应传感器。转子4具有四个磁极(标示为N-S-N1-S1)，且定子具有四个驱动极2(绕转子4均匀分布)。该电机1是单向性的，由驱动极2的结构决定其方向，暂且假定转子4的旋转方向是顺时针的(本文中的顺时针方向都是假定，因为也可以是逆时针方向)。启动电机1的传统方法典型地如下进行：当转子4在图1中的停靠位置中时，霍尔传感器3被假设以检测转子磁极N的极性，然后在霍尔传感器3输出准确极性信号的基础上，励磁电流被供应到绕组5，让转子4被顺时针驱动。而如果霍尔传感器3的角度位置比较接近于转子4的相邻磁极的过渡区时，霍尔效应传感器3位置的任何变化可能导致电机1不能启动。例如，当霍尔传感器3的安装位置稍微地向顺时针方向移动。结果，霍尔传感器3不再检测转子磁极N而是检测到了磁极S1，其具有相反极性。这会导致错误的励磁电流供应到绕组5上，这样会导致转子4将被吸引的更紧而无法转动。或者是四个磁极的尺寸与形状加工不标准，霍尔传感器3就会感受到一个不确定的信号或者是错误的信号，结果据此信号给出的绕组励磁电流也是错误的，绕组产生的磁性也是错误的，驱动极2与磁极之间会同性相吸而不是相斥，转子4就动不了。这种霍尔传感器3对磁极检测的不确定性和错误会导致电机不能启动。

在图1中示出的电机启动传统控制方法中，电机1沿顺时针方向被驱动。定子磁极2和转子之间的空气间隙是不对称的。结果，齿槽转矩中的过零点相对于反电动势中的过零点偏移。因此，当转子4静止时，转子4停靠在位置中，对于该位置励磁扭矩非零且由此转子4可被启动。

图3示出了转子4的两个可能停靠位置。每个停靠位置对应于齿槽转矩中的过零点，在图3中标志为A和B。停靠位置B通常指稳定停靠位置，同时停靠位置A指不稳定停靠位置。虽然停靠位置A是不稳定的，然而由于例如转子摩擦，该转子4仍可能停靠在这个位置。霍尔传感器3被定位在槽形开口内以致当转子4停靠在任一位置中时，该霍尔传感器3理想地应该检测转子磁极N的极性。然而由于霍尔传感器3位置的误差，当转子4停靠在位置B时，该传感器可能改为检测转子磁极S1的极性。即检测到了错误的转子极性。

驱动控制器MCU负责启动和驱动电机。通常，该控制器MCU可能尝试以下面的方法启动电机1。首先，控制器MCU检测霍尔信号。不考虑转子4停靠在位置B还是位置A，该控制器MCU假设该霍尔传感器3检测转子磁极N的极性。在HALL信号的基础上，该控制器MCU沿适于产生正励磁扭矩的方向加电流励磁绕组5。当转子4被停靠在位置A中时，霍尔传感器3不考虑霍尔传感器3的位置误差检测转子磁极A的极性。因此，当转子4被停靠在位置A中时，励磁扭矩的极性是对的且转子4被顺时针驱动。与此相反，当转子4停靠在位置B中时，霍尔传感器3可检测转子磁极N或转子磁极S1的极性。如果霍尔传感器3检测转子磁极N，励磁扭矩的极性是对的且转子4被顺时针驱动。在另一方面，如果霍尔传感器3检测转子磁极S1的极性，励磁扭矩的极性是错的且转子4被吸住导致不转。如果转子4被吸住，转子4将停在对齐位置处，此时，励磁扭矩平衡齿槽转矩也就是说励磁扭矩的大小与齿槽转矩的大小相等的。由于转子4随后不再运动，霍尔传感器3将不能检测到在转子4的极性中的任何进一步的位置改变，由此控制器MCU将判定为故障已发生。

启动电机1的传统方法由此出现的问题，对霍尔传感器3的安装位置要求就会非常严苛，对磁极的加工要求也非常高，增加了操作难度和出错概率以及生产成本，使电机的启动不可靠、启动效率不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无刷电机的启动方法，该启动方法对位置传感器的安装位置和转子的加工要求不高，对电机的启动可靠、启动效率高。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种无刷电机的启动方法，包括：(1)加电流励磁电机的绕组；

(2)检测位置传感器输出的信号，通过采样电阻检测励磁电流或者励磁电压，如果励磁电流或者励磁电压值在预设的阈值范围内随着电流逐渐增大电压逐渐减小并检测到了位置传感器输出的信号变化，则响应该变化电流换向励磁电机的绕组；否则：在励磁电流或者励磁电压值在预设的阈值范围内随着电流逐渐增大电压逐渐减小没有检测到位置传感器输出的信号变化，或者是采样电阻检测到的励磁电流或者励磁电压值超出预设的阈值范围时，则停止原电流励磁，然后电流换向励磁电机的绕组。

优选的，所述位置传感器为霍尔传感器。

优选的，步骤(2)中在励磁电流或者励磁电压值在预设的阈值范围内随着电流逐渐增大电压逐渐减小没有检测到位置传感器输出的信号变化，或者是采样电阻检测到的励磁电流或者励磁电压值超出预设的阈值范围时，电流换向励磁绕组，之后在位置传感器输出信号的连续两个边缘的第二个边缘时换向励磁绕组，然后响应位置传感器的信号进行励磁绕组，使电机转子持续旋转。

优选的，位置传感器输出信号出现连续两个边缘的的时间是转子转过90度机械角度的时间。

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无刷电机的启动方法。

优选的，上述的电机的控制系统包括包括位置传感器、其输出的信号代表电机中转子的位置；采样电阻、用于检测励磁电流或者励磁电压；功率开关、用于控制电机的电流接通或断开；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；门驱动器模块、用于响应来自驱动控制器的控制信号并驱动功率开关的断开和闭合。

本发明还提供了一种吸尘器，该吸尘器采用上述的无刷电机的启动方法来控制吸尘器中电机的启动。

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。

本发明还提供了一种电机组件，该电机组件包括无刷电机和上述的控制系统。

与现有技术相比，本发明无刷电机的启动方法对位置传感器的安装位置偏差和转子的加工质量要求不高，只需要考虑励磁电流电压与位置传感器输出信号变化的对应关系，对电机的启动可靠、启动效率高。

附图说明

图1是本发明中无刷电机的剖视结构图；

图2是本发明中电机控制系统的示意图；

图3是本发明中电机组件的转子的两个停靠位置示意图；

图4是本发明中电机启动方法的逻辑框图。

图中各标记如下：1、电机；2、驱动极；3、位置传感器；4、转子；5、绕组。

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。

一种无刷电机的启动方法，包括：(1)加电流励磁电机的绕组；(2)检测位置传感器输出的信号，通过采样电阻检测励磁电流或者励磁电压，如果励磁电流或者励磁电压值在预设的阈值范围内随着电流逐渐增大电压逐渐减小并检测到了位置传感器输出的信号变化，则电流换向励磁电机的绕组；否则：在励磁电流或者励磁电压值在预设的阈值范围内随着电流逐渐增大电压逐渐减小没有检测到位置传感器输出的信号变化，或者是采样电阻检测到的励磁电流或者励磁电压值超出预设的阈值范围时，则停止原电流励磁，然后电流换向励磁电机的绕组。

图3中的无刷电机1与图1中所示的相同且包括永磁转子4，具有相绕组5的定子和位置传感器3，位置传感器3选用霍尔传感器。

该转子4具有四个磁极(标示为N-S-N1-S1)，且定子具有四个驱动极2(绕转子4均匀分布)。该位置传感器3被定位于定子的槽形开口内且对转子4的磁场敏感，能够输出霍尔信号。该位置传感器3输出数字霍尔信号，该数字霍尔信号是逻辑上的高位或低位，取决于穿过位置传感器3的磁通量的方向。该霍尔信号的每个边缘都对应着转子4的极性的改变，也即霍尔传感器输出的信号变化。

本发明中用到执行上述启动方法的控制系统，如图2所示，该控制系统包括H桥功率开关(Q1，Q2，Q3，Q4)，门驱动器模块GATE DRIVER和控制器MCU。门驱动器模块GATEDRIVER响应来自控制器MCU的控制信号驱动开关Q1-Q4的断开和闭合。

该控制器MCU输出两个控制信号到门驱动器模块GATE DRIVER。门驱动器GATEDRIVER可以控制四个功率开关的闭合与断开，真值表关系如下：

上表格中正向励磁是电流从左往右穿过绕组5，相反，反向励磁是电流从右往左穿过绕组5。

现在将参考图4描述避免传统启动电机1问题的方法。

控制器MCU首先检测霍尔信号。在霍尔信号的基础上控制器MCU产生顺时针励磁扭矩的方式励磁绕组5。所以，例如，当霍尔信号是逻辑上的高位时，该绕组5可从左到右被励磁，且当霍尔信号是逻辑上的低位时，该绕组5可从右到左被励磁。该控制器MCU在励磁期间继续检测霍尔信号，随着时间的推移励磁电流会逐步增加，励磁电压会逐步降低(增加和减少的幅度取决于电源和电机本身的特性)。如果霍尔信号的边缘在预设的励磁电流或者电压阈值以内出现，则控制器MCU响应该边缘换向励磁绕组5。当励磁扭矩是顺时针时，且励磁电流在足够用于转子4从静止旋转通过至少90机械度(取决于转子磁极数N，机械角度为360/N)的角度的时间之后终止。当顺时针旋转时，通过至少90机械角度的旋转，霍尔传感器3将检测到转子4的极性中的转变。因此，如果控制器MCU在励磁电流或者电压阈值以内检测到霍尔信号的边缘，转子4被假设为顺时针旋转。该控制器MCU由此响应霍尔边缘信号换向励磁绕组5，以便保持顺时针的励磁扭矩且由此保持顺时针驱动转子4。

如果没有霍尔信号的边缘在励磁电流或者电压阈值以内被检测到，或者是采样电阻检测到的励磁电流或者励磁电压值超出预设的阈值范围时，控制器MCU执行下列步骤：首先，该控制器MCU在励磁电流或者电压阈值处停止励磁5ms(断掉励磁电流以便绕组的励磁电流和电压回到安全范围内)，然后换向励磁绕组5。该控制器MCU于是检测到霍尔信号。在霍尔信号的第一个边缘，该控制器控制电流沿顺时针的方向(没有换向励磁)继续励磁绕组5。在霍尔信号的第二个边缘，该控制器MCU换向励磁绕组5。如果控制器MCU在励磁电流或者电压阈值以内未能检测到霍尔信号的边缘，该控制器MCU判定电机产生故障且断开所有功率开关Q1-Q4。

转子4从静止旋转通过90机械度的角度所需的励磁电流或者电压阈值根本上取决于电机1的设计，也就是转子4的直径、重量、马达的磁通链路特性、供电电源等等。某种程度上还取决于电机1内位置传感器3的安装误差，也就是霍尔传感器3的位置以及转子磁极的磁化强度的平衡等。因此励磁电流或者电压的阈值将取决于电机1的设计、安装误差和电源。

用本发明的电机启动方法，控制器MCU能够不考虑转子4的停靠位置且不考虑霍尔传感器3的位置中的公差启动电机1，只需要考虑励磁电流电压与位置输出信号变化的对应关系，一旦电机1已经正常启动且转子4准确地顺时针旋转，该控制器MCU也可使用传统方法用于加速或其他方式驱动电机1。例如，在启动电机1后，该控制器MCU可与霍尔信号的边缘同步地换向励磁绕组5以便加速电机1。

在所述实施例中，转子4的位置使用霍尔传感器3检测。然而，其他类型的传感器可能同样地被使用于检测转子4的位置。例如，传感器可采取光学编码器的形式，包括被安装到转子4的编码器圆盘和光学传感器。该编码器圆盘可包括四个段，每个与转子2的磁极相对应。该光学传感器于是输出数字信号，该数字信号随着编码器圆盘的每个段改变。

由于不同于霍尔效应传感器的传感器可被用于检测转子4的位置，结果就是转子4不需要包括永久磁体。因此，该电机可为具有非永久磁体转子的磁阻马达。

迄今所参考的无刷电机1具有单个相绕组5，四个转子磁极N-S-N1-S1和四个定子磁极。然而，上述方法可能同样地被用于启动具有多个相绕组和/或更少或更多数量的转子和定子磁极的电机。在该电机包括多个相绕组的情况下，应该理解为不是所有的相绕组在任何同一时间被励磁。

本发明无刷电机的启动方法对位置传感器的安装位置偏差和转子的加工质量要求不高，只需要考虑励磁电流电压与位置传感器输出信号变化的对应关系，对电机的启动可靠、启动效率高，对电机启动的适用领域广。

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 (9)

1.一种无刷电机的启动方法，所述电机包括转子、具有至少一个相绕组的定子和侦测转子位置变化的位置传感器，其特征在于，该方法包括：

（1）加电流励磁电机的绕组；

（2）检测位置传感器输出的信号，通过采样电阻检测励磁电流或者励磁电压，如果励磁电流或者励磁电压值在预设的阈值范围内随着电流逐渐增大电压逐渐减小并检测到了位置传感器输出的信号变化，则响应该变化电流换向励磁电机的绕组；否则：在励磁电流或者励磁电压值在预设的阈值范围内随着电流逐渐增大电压逐渐减小没有检测到位置传感器输出的信号变化，或者是采样电阻检测到的励磁电流或者励磁电压值超出预设的阈值范围时，则停止原电流励磁，然后电流换向励磁电机的绕组。

2.如权利要求1所述的无刷电机的启动方法，其特征在于，所述位置传感器为霍尔传感器。

3.如权利要求1所述的无刷电机的启动方法，其特征在于，步骤（2）中在励磁电流或者励磁电压值在预设的阈值范围内随着电流逐渐增大电压逐渐减小没有检测到位置传感器输出的信号变化，或者是采样电阻检测到的励磁电流或者励磁电压值超出预设的阈值范围时，电流换向励磁绕组，之后在位置传感器输出信号的连续两个边缘的第二个边缘时换向励磁绕组，然后响应位置传感器的信号进行励磁绕组，使电机转子持续旋转。

4.如权利要求1所述的无刷电机的启动方法，其特征在于，位置传感器输出信号出现连续两个边缘的的时间是转子转过90 度机械角度的时间。

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中任一项所述的无刷电机的启动方法。

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、其输出的信号代表电机中转子的位置；采样电阻、用于检测励磁电流或者励磁电压；功率开关、用于控制电机的电流接通或断开；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；门驱动器模块、用于响应来自驱动控制器的控制信号并驱动功率开关的断开和闭合。

7.一种电机组件，其特征在于，该电机组件包括无刷电机和权利要求5-6中任一项所述的控制系统。

8.一种吸尘器，其特征在于，该吸尘器采用权利要求1-4中任一项所述的无刷电机的启动方法控制吸尘器中电机的启动。

9.一种吸尘器，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启动。