CN108365781A - 电子控制两相无刷交流电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种两相无刷交流电机的控制系统，包括：用于检测所述电机的转子的位置的位置传感器；用于检测所述电机的交流电源极性的极性检测器；分别连接至所述电机的第一和第二相线圈的第一和第二切换电路；用于检测所述第一和第二相线圈的导通情况的电流传感器；以及用于根据所述位置传感器、极性检测器和电流传感器提供的信号控制所述第一和第二切换电路的导通的控制器；所述控制系统内置在所述电机内；所述位置传感器、极性检测器、电流传感器以及第一和第二切换电路均连接至所述控制器；并且所述控制器用于使所述第一切换电路在交流周期的合适时间片导通，并根据所述转子的位置使所述第二切换电路导通以补偿其他时间片。

Description

电子控制两相无刷交流电机
技术领域
本发明涉及无刷交流电机，尤其涉及一种电子控制两相无刷交流电机。
背景技术
现有市场上的交流电动机是有刷型或无刷型。有刷电机效率低并且寿命短。无刷电机通常用在需要长使用寿命和高可靠性的应用场合。分相电容(PSC)电机是无刷电机，因其使用简单且价格便宜而经常被使用。但是PSC电机不能直接控制转动速度，并且其效率通常低于40％。在这类电机里面，最先进的无刷电机是电子控制无刷电机，因其具有可变速度控制并且效率高达80％而被熟知。这些全都是高压直流供电的，称作无刷直流(BLDC)电机、逆变器电机或电子控制异步电机。这些电子换向电机包括用于功率变换的大的散热模块、多个电解直流滤波电容器以及转换电感。所需的这些直流功率变换组件很昂贵并且体积很大。所有这些设计都不能将整个电子电路放在电机盒子内，除了那些低功率的设计之外。
本新发明是实现具有速度可变无刷电机的一种替代方案，其具有比PSC电机更低的价格，但是其性能与BLDC一样高。它是一种高效的并且具有内置电子控制的结构紧凑的电机。
发明内容
本发明的目的是提供一种电子控制两相无刷交流电机，其具有比PSC电机更低的价格，但是其性能与BLDC一样高。
本发明就上述技术问题而提出的技术方案如下：
一方面，本发明提供了一种两相无刷交流电机的控制系统。该控制系统包括：位置传感器，用于检测所述电机的转子的位置；极性检测器，用于检测所述电机的交流电源的极性；第一和第二切换电路，分别连接至所述电机的第一和第二相线圈；电流传感器，用于检测所述第一和第二相线圈的导通情况；以及控制器，用于根据所述位置传感器、极性检测器和电流传感器提供的信号控制所述第一和第二切换电路的导通。所述控制系统内置在所述电机内；所述位置传感器、极性检测器、电流传感器以及第一和第二切换电路均连接至所述控制器；并且所述控制器用于使所述第一切换电路在交流周期的合适时间片导通，并根据所述转子的位置使所述第二切换电路导通以补偿其他时间片。
优选地，所述控制系统进一步包括AC/DC转换器，用于将AC电源转换成DC电源。
优选地，所述位置传感器为霍尔传感器或反电动势检测器。如果采用霍尔传感器，在所述第一和第二相线圈之间插入了两个霍尔传感器。
优选地，所述位置传感器为反电动势检测器，用于检测线圈的反电动势；线圈两端的电压反馈给比较器，并且比较器的正极和负极输入施加2.5V偏压。
优选地，所述极性检测器为比较电路，所述交流电源输入到比较器的正极，并且所述比较器的负极输入恒定电压。
优选地，所述第一和第二切换电路均分别包括双向可控硅开关。
优选地，所述双向可控硅开关的输出信号反馈至所述控制器，用于检测所述第一和第二相线圈的导通。
优选地，所述第一和第二相线圈由同一交流电压供电；所述控制器用于：当所述转子的速度小于最大速度的一半时，使所述第一和第二相线圈在所述交流电压的相反时间周期导通，从而当所述第一相线圈在所述交流电源的正周期导通时，所述第二相线圈在所述交流电源的负周期导通，反之亦反；所述控制器还用于：当所述转子的速度接近最大速度时，使所述第一相线圈在所述交流电源的整个时间周期导通。
优选地，所述控制器用于：当所述转子转动90～180度或270～360度时，使所述第二线圈在所述交流电源的合适时间周期导通。
优选地，引入递延时间来控制所述电机的速度，所述递延时间是从所述双向可控硅开关反馈至所述控制器的两个连续触发脉冲之间的时间间隔；并且所述递延时间越小，所述电机的速度越快。
另一方面，本发明还提供了一种电机系统。该系统包括两相无刷交流电机和上述任意一种控制系统控制系统。
又一方面，本发明还提供了一种控制两相无刷交流电机的方法。该方法包括：检测所述电机的转子的位置；检测所述电机的交流电源的极性；检测所述电机的第一和第二相线圈的导通情况；以及根据所述位置、极性和导通情况信号控制所述第一和第二相线圈的导通；其中，使所述第一相线圈在交流周期的合适时间片导通，并且根据所述转子的位置，使所述第二相线圈导通以补偿其他时间片或使所述第二相线圈维持断开状态。
优选地，所述方法进一步包括当所述转子的速度低于最大速度的一半时，使所述第一和第二相线圈在所述交流电源的相反时间周期导通，从而当所述第一相线圈在所述交流电源的正周期导通时，所述第二相线圈在所述交流电源的负周期导通，反之亦反；并且，当所述转子的速度接近最大速度时，使所述第一相线圈在所述交流电源的整个时间周期导通。
优选地，所述方法进一步包括当所述转子转动90～180度或270～360度时，使所述第二线圈在所述交流电源的合适时间周期导通。
优选地，引入递延时间来控制所述电机的速度，所述递延时间是从所述双向可控硅开关反馈至所述控制器的两个连续触发脉冲之间的时间间隔；并且所述递延时间越小，所述电机的速度越快。
本发明是一个直接交流电机。它可避免AC/DC功率转换损耗并且其所需要的元器件是非常少的，这使其可内置到电机内部。它具有与BLDC相似的优点。它具有很高的效率，可变的速度，无刷并且寿命长。而且，与BLDC相比，它价格更低并且尺寸更小。本发明是至今为止的第一个电子内置无刷电机，适合于从低功率到高功率的应用场合。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图，以举例的方式，对本发明的实施例进行介绍，其中：
图1是本发明提供的电机系统结构框图；
图2a～2d示出了具有不同数量电极的两相无刷交流电机的结构；
图3a～3c示出了线圈QA和线圈QB的导通周期；
图4a是当线圈QA导通时电机的剖视图；
图4b示出了当图4a中的电机的线圈QA导通时的正周期；
图5a是当线圈QB导通时电机的剖视图；
图5b示出了当图5a中的电机的线圈QB导通时的负周期；
图6a是当线圈QA导通时电机的剖视图；
图6b示出了当图6a中的电机的线圈QA导通时的负周期；
图7a是当线圈QB导通时电机的剖视图；
图7b示出了当图7a中的电机的线圈QB导通时的正周期；
图8a是当线圈QA导通时电机的剖视图；
图8b示出了当图8a中的电机的线圈QA导通时的正周期；
图9是极性检测器的电路结构；
图10是本发明一个实施例的位置传感器的电路图；
图11是本发明另一个实施例的位置传感器的结构示意图；
图12是电流传感器的电路图；
图13示出了两个连续触发脉冲之间的递延时间Td；
图14是两相无刷交流电机的控制方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，以举例的方式，对本发明进行更加详细的介绍。应理解，附图是为了更好地理解本发明，而不是为了限制本发明。图中示出的元器件的尺寸和特性是根据方便和表述清晰来选择的，并不是根据比例示出的。
在附图中，如果存在的话，相同的编号表示相同的部件。在本说明书及权利要求书中，除非文本中明确指出，“一”、“一种”和“所述”包括复数情况。同样，正如在本说明书和权利要求中所使用的，除非文本中明确指出，“在…中”包括“在…中”和“在…上”。而且，为了方便读者，本说明书中可能使用标题或子标题，这对本公开文本的范围没有任何影响。
正如本文所用的，“大约”、“约”、“接近”或“近似地”应理解为给定值或范围20％内，优选10％内，更优选5％内。
正如本文所用的，“多个”是指两个及以上。
正如本文所用的，术语“包括”、“包含”、“带有”、“具有”、“含有”等词应理解为开放式，即包括但不限于。
参考图1-3，电机系统包括控制系统1以及两相无刷交流电极2。电机系统1是由交流电源3供电的。交流电源3原本为家用市电电源，尽管其他可提供替代电压的供电电源也是可同等使用的。
如图2a～2d所示，电机2可包括相对于定子22转动的两极或四极转子21。定子22是一个整体，包围转子21。定子槽的数量是转子电极数量的两倍。导线绕定子22缠绕，并连接形成两相线圈(绕组)QA和QB。可理解地，转子电极的数量还可以为六极、八极或其他合适的数量。
控制系统1包括用于检测电机2的转子21的位置的位置传感器11，用于检测电机2的交流电源3极性的极性检测器，用于检测第一和第二切换电路15和16的导通情况的电流传感器13，控制器14，以及第一和第二切换电流15和16。如图1所示，在一个实施例中，控制器14可为MCU，尽管还可同等地使用其他控制器。两个切换电路15和16可为两个双向可控硅开关电路，尽管还可同等地使用其他可在交流输入下切换的切换电路。控制系统1内置在电极2中。位置传感器11、极性检测器12、电流传感器13以及第一和第二切换电路15和16连接至控制器14。控制器14用于使第一切换电路15在交流周期的合适时间片导通，并根据转子21的位置使第二切换电路16导通以补偿时间片。
在一个实施例中，如图10所示，位置传感器11可为比较电路，用于感应线圈反电动势。线圈QA或QB两端的电压分别通过电阻R2和R3反馈至比较器111，并且比较器的正极和负极输入偏置2.5V。
在另一个实施例中，如图11所示，位置传感器11还可为霍尔传感器112。两个霍尔传感器插入在第一和第二相线圈QA和QB之间。
极性检测器12还可为比较电路。如图9所示，交流电源通过电阻R1输入至比较器的正输入端，并且比较器的负输入端输入恒定电压。极性检测器12和位置传感器11可共用同一个比较器111。例如，运算放大器LM(德州仪器公司，墨西哥)可用作比较器111。例如，恒定电压可为2.5V，尽管可根据比较器同等使用其他合适的值。
第一和第二切换电路15和16可彼此相同，因此为了简便，本发明只提供一个电路用来讨论第一和第二切换电路15和16。如图12所示，第一和第二切换电路15和16均分别包括双向可控硅开关(TRIAC)。图12示出了触发双向可控硅开关的驱动器。为了检测第一和第二切换电路15和16的导通情况(即线圈QA和QB的导通情况)，分别将QA或QB的TRIAC端口信号IA或IB通过电阻R5反馈至控制器14。当IA(或IB)＝逻辑“0”时，TRIAC断开。因此没有电流流过线圈QA(或QB)。否则，线圈QA(或QB)导通，电流从其间流过。因此，将电阻R5连接在TRIAC和控制器之间的电路作为电流传感器13。而现有技术使用4个H桥连接的IGBT/MOSFET。输入功率是整流过的，并且该系统实际上是带有PWM占空比控制的U型电机。这与本发明非常接近，其区别在于本发明更加简单。本发明带有通常使用在单相同步电机上的TRIAC控制电路。它通过控制输入到两相绕组上的交流电流来使速度可变。由于本发明很简单，它很容易扩展到大功率应用场合，并作为PSC电机的低成本替代品。
在一个优选实施例中，控制系统还可包括AC/DC转换器，用于将交流电源转换成直流电源。直流电源可为5V、3.3V或1.8V，并且根据实际需求，还可同等地使用其他合适的值。
电机运行
下面将介绍电机系统从静止状态加速到运行速度的工作原理。为了便于制造，本发明的电机的绕组(线圈)与典型的BLDC电机或步进电极的相同。但是它们的工作原理完全不同。正如其名字所暗示的，两相电机包括两个独立的绕组线圈。因此，定子包括缠绕成4n个槽和2n个电极结构的2个线圈。典型的电机的槽与电极的比例可为4：2、8：4、16：8等。因为电机是由交流电源驱动的，速度极限由交流同步电机方程决定：RPM＝120*f/p。也就是说，使用50Hz市电，2电极转子不能超过3000rpm(或者是60Hz市电不超过3600rpm)。相似地，4电极转子不能超过1500rpm(或者是60Hz市电不超过1800rpm)。电子控制类似于汽车内燃机的点火器。通过感应转子的位置，MCU开启TRIAC从而将足够的电流传输给定子绕组，以产生推动转子的电机力。两相设计可使电机平滑运行。想象一下，第一相绕组推动转子转动90度，接着第二相绕组使转子继续转动下一个90度。当电机低于最大速度运行时，两相设计是必须的。
在本发明中，线圈QA和线圈QB必须在交流电源的不同时间周期工作。线圈QA和QB由同一个交流电源供电，但是它们翻转了180度。如图3a～3c所示，其被设计为，如果线圈QA工作在交流电源的正周期(阴影线)，那么线圈QB将会工作在负周期，反之亦反。同样地，如果线圈工作在整个交流周期，那么线圈QB则根本不需要工作。关键点为这两个线圈不会同时工作。不管在任何时间片，要么线圈QA导通电流，要么线圈QB导通电流。这是必须的，以确保转子在任何速度下都有供电，并且不会发生任何自由转动的情况。
当速度大于最大速度的一半时，线圈既可在交流电压的正周期导通电流，又可以在负周期导通电流。尤其是在最大速度时，转子会转动足够快从而辅助线圈(第二线圈)则没有机会导通电流。因此在这种情况下，仅仅只有一个线圈会导通电流。这就如同单相同步电机。不确定性是最大速度一半与最大速度之间的电机速度。在这个范围内，我们需要避免线圈电流在相同时间片上重叠，因为实质上线圈会产生相反的磁场。因此，如果两个线圈同时工作，能量将会被消耗，因为电磁力彼此抵消，并且不会产生任何有用的机械力矩。下面将例举详细的规则，每一个完整的转动包括4步：
步骤1：
如图4a和4b所示，转动始于线圈QA在交流电源的正周期导通电流。此时转子会被推动并沿着设定的方向转动。可理解地，线圈QA还可设计为在交流电源的负周期导通电流。
步骤2：
如图5a和5b所示，取决于转子的位置，如果转子转动大于90度但小于180度，并且落入供电电源的下一个负周期，QB将会导通并保持转子继续转动。
然而，如图6a和6b所示，如果转子转动足够快(大于最大速度的一半)并转动到180度，线圈QA会在交流电源的负周期导通。那时，QB就错过了。也就是说，只有线圈QA导通来以电机转动。
步骤3：
如图7a和7b所示，如果转子的位置在270度和360度之间，线圈QB将会在交流电源的反向负周期导通。
然而，如图8a和8b所示，如果转子转动足够快(大于最大速度的一半)并转动到360度，线圈QA会在交流电源的正周期导通。那么这时就回到了步骤1。那时，线圈QB就错过了。也就是说，只有线圈QA导通来以电机转动。
控制方法
下面将介绍控制电机以不同速度运行的方法。如图14所示，该两相无刷交流电机的控制方法包括以下步骤：
S102，检测所述电机的转子的位置；
S104，检测所述电机的交流电源的极性；
S106，检测所述电机的第一和第二相线圈的导通情况；以及
S108，根据所述位置、极性和导通情况信号控制所述第一和第二相线圈的导通；其中，使所述第一相线圈在交流周期的合适时间片导通，并且根据所述转子的位置，使所述第二相线圈导通以补偿其他时间片或使所述第二相线圈维持断开状态。
在本发明的一个实施例中，步骤S102～S106可并行执行。然而，在本发明的另一个实施例中，步骤S102～S106可串行执行。
在本发明的一个优选实施例中，所述方法进一步包括当所述转子的速度低于最大速度的一半时，使所述第一和第二相线圈在所述交流电源的相反时间周期导通，从而当所述第一相线圈在所述交流电源的正周期导通时，所述第二相线圈在所述交流电源的负周期导通，反之亦反；并且，当所述转子的速度接近最大速度时，使所述第一相线圈在所述交流电源的整个时间周期导通。
具体地，所述方法进一步包括当所述转子转动90～180度或270～360度时，使所述第二线圈在所述交流电源的合适时间周期导通。
具体地，如图13所示，引入递延时间Td来控制所述电机的速度，所述递延时间Td是从所述双向可控硅开关反馈至所述控制器的两个连续触发脉冲之间的时间间隔。Td是线圈电流回到零后的无电流最小时间。Td的引入是为了调节传输至线圈的功率。换句话说，所述递延时间Td越小，传输至线圈的功率越多，电机的速度越快。
首先定义线圈QA导通电流的区域。线圈QA导通电流的3个条件为：
1.(AC极性)异或(位置传感器A)＝1；
2.IB＝0；
3.不在Td间隔内(无电流导通)。
相似地，线圈QB导通电流的3个条件为：
1.[非(AC极性)]异或(位置传感器B)＝1；
2.IA＝0；
3.不在Td间隔内(无电流导通)。
其中，“AC极性”是指线圈QA或QB的处于其导通的交流电源的正确时间周期，并且“位置传感器”是指线圈QA或QB的转动是处于上述段落描述的其合适的度数范围内。
当精确控制交流电流的注入时，本发明可保持转子在所需的速度并以所需的方向转动。本发明是两相系统。当然，现有技术中有很多两相电机设计。这包括BLDC电机、CPU风扇电机、PSC电机或同步电机等。但是它们都与本发明不同。关键的不同为：
1.本发明是由交流供电电源驱动的。本发明不包括任何H桥结构或PWM机制。因此，其与BLDC及其衍生物不一样。
2.在两相PSC电机或两相同步电机中，第二线圈是用于帮助电机启动。而本发明用第二线圈主要用于速度和方向控制。
3.在本发明中，电机的两个线圈在不同的时间域工作。最大的优势就是电机没有BDLC或PSC型电机的“死亡区域”或启动困难。

Claims (15)

1.一种两相无刷交流电机的控制系统，其特征在于，包括：
位置传感器，用于检测所述电机的转子的位置；
极性检测器，用于检测所述电机的交流电源的极性；
第一和第二切换电路，分别连接至所述电机的第一和第二相线圈；
电流传感器，用于检测所述第一和第二相线圈的导通情况；以及
控制器，用于根据所述位置传感器、极性检测器和电流传感器提供的信号控制所述第一和第二切换电路的导通；
所述控制系统内置在所述电机内；所述位置传感器、极性检测器、电流传感器以及第一和第二切换电路均连接至所述控制器；并且所述控制器用于使所述第一切换电路在交流周期的合适时间片导通，并根据所述转子的位置使所述第二切换电路导通以补偿其他时间片。
2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统进一步包括AC/DC转换器，用于将AC电源转换成DC电源。
3.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述位置传感器为霍尔传感器，并且在所述第一和第二相线圈之间插入了两个霍尔传感器。
4.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述位置传感器为反电动势检测器，用于检测线圈的反电动势；线圈两端的电压反馈给比较器，并且比较器的正极和负极输入施加2.5V偏压。
5.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述极性检测器为比较电路，所述交流电源输入到比较器的正极，并且所述比较器的负极输入恒定电压。
6.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述第一和第二切换电路均分别包括双向可控硅开关。
7.如权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述双向可控硅开关的输出信号反馈至所述控制器，用于检测所述第一和第二相线圈的导通。
8.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述第一和第二相线圈由同一交流电压供电；所述控制器用于：当所述转子的速度小于最大速度的一半时，使所述第一和第二相线圈在所述交流电压的相反时间周期导通，从而当所述第一相线圈在所述交流电源的正周期导通时，所述第二相线圈在所述交流电源的负周期导通，反之亦反；所述控制器还用于：当所述转子的速度接近最大速度时，使所述第一相线圈在所述交流电源的整个时间周期导通。
9.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述控制器用于：当所述转子转动90～180度或270～360度时，使所述第二线圈在所述交流电源的合适时间周期导通。
10.如权利要求7所述的控制系统，其特征在于，引入递延时间来控制所述电机的速度，所述递延时间是从所述双向可控硅开关反馈至所述控制器的两个连续触发脉冲之间的时间间隔；并且所述递延时间越小，所述电机的速度越快。
11.一种电机系统，其特征在于，包括两相无刷交流电机和如权利要求1所述的控制系统。
12.一种控制两相无刷交流电机的方法，其特征在于，包括：
检测所述电机的转子的位置；
检测所述电机的交流电源的极性；
检测所述电机的第一和第二相线圈的导通情况；以及
根据所述位置、极性和导通情况信号控制所述第一和第二相线圈的导通；其中，使所述第一相线圈在交流周期的合适时间片导通，并且根据所述转子的位置，使所述第二相线圈导通以补偿其他时间片或使所述第二相线圈维持断开状态。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括当所述转子的速度低于最大速度的一半时，使所述第一和第二相线圈在所述交流电源的相反时间周期导通，从而当所述第一相线圈在所述交流电源的正周期导通时，所述第二相线圈在所述交流电源的负周期导通，反之亦反；并且，当所述转子的速度接近最大速度时，使所述第一相线圈在所述交流电源的整个时间周期导通。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括当所述转子转动90～180度或270～360度时，使所述第二线圈在所述交流电源的合适时间周期导通。
15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，引入递延时间来控制所述电机的速度，所述递延时间是从所述双向可控硅开关反馈至所述控制器的两个连续触发脉冲之间的时间间隔；并且所述递延时间越小，所述电机的速度越快。
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