CN108696207A - 高速无刷直流电机的控制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高速无刷直流电机的控制方法、一种高速无刷直流电机的控制系统、一种高速无刷直流电机、一种吸尘装置、一种计算机装置和一种计算机可读存储介质。高速无刷直流电机的控制方法包括：在高速无刷直流电机的转速达到预设转速后，根据霍尔位置传感器的位置信号的周期获取高速无刷直流电机的运转周期；将运转周期六等分，以得到的等分周期作为换相周期；在每个运转周期中，根据预设触发条件发出首个换相周期的首个换相信号，并在余下的每个换相周期开始时分别发出一个换相信号；根据换相信号控制高速无刷直流电机运转。

Description

高速无刷直流电机的控制方法及控制系统

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，具体而言，涉及一种高速无刷直流电机的控制方法、一种高速无刷直流电机的控制系统、一种高速无刷直流电机、一种吸尘装置、一种计算机装置和一种计算机可读存储介质。

背景技术

目前，在相关技术中，传统的三相无刷直流电机通常采用3个霍尔位置传感器作为位置传感器。而使用3个霍尔位置传感器的方法在安装霍尔位置传感器时会产生一定的位置误差，另外由于霍尔传感器元器件的磁滞效应，器件本身正负半周信号会存在一定角度的偏差，这些误差在电机高速运行时，会使电机换相的6个换相区间在周期上存在一定差异，而这种差异也将使电机每个换相区间获得的平均电压不一样，如图1所示，造成电机输出电流不平衡，造成电机控制的效率降低。现有的解决换相区间周期不平衡问题的方法必须在软件中对各区间进行离线校正，该方法会导致系统复杂性大幅增加，且由于校正参数会根据电机的不同、输出需求的不同而导致所需参数也不一样，因此系统的鲁棒性差，生产工艺复杂，还会增加人力成本。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明的第一方面提出一种高速无刷直流电机的控制方法。

本发明的第二方面提出一种高速无刷直流电机的控制系统。

本发明的第三方面提出一种高速无刷直流电机。

本发明的第四方面提出一种吸尘装置。

本发明的第五方面提出一种计算机装置。

本发明的第六方面提出一种计算机可读存储介质。

有鉴于此，本发明的第一方面提供了一种高速无刷直流电机的控制方法，高速无刷直流电机包括一个霍尔位置传感器，控制方法包括：在高速无刷直流电机的转速达到预设转速后，根据霍尔位置传感器的位置信号的周期获取高速无刷直流电机的运转周期；将运转周期六等分，以得到的等分周期作为换相周期；在每个运转周期中，根据预设触发条件发出首个换相周期的首个换相信号，并在余下的每个换相周期开始时分别发出一个换相信号；根据换相信号控制高速无刷直流电机运转。

在该技术方案中，在高速无刷直流电机的转速达到预设转速后，预设转速可优选地设置为60000rpm(对应的转子旋转频率为1kHz)；利用高速无刷直流电机在高转速下，转速不会突变的特性，将获取到的运转周期六等分，得到的单个等分周期就是高速无刷直流电机的换相周期；在每个运转周期中，根据预设的触发条件发出在一个运转周期的六个换相周期中，首个换相周期的首个换相信号，并在余下的多个换相周期中每个换相周期的开始时发出一个换相信号，以控制高速无刷直流电机执行换相，进而控制高速无刷直流电机持续运转。采用本发明提供的技术方案，仅通过单个霍尔位置传感器的位置信号获取三相绕组中任一项的反电势过零点的位置，克服了传统BLDC(Brushless Direct Currentmotor，无刷直流电机)控制方法中三个霍尔位置传感器安装位置差和磁滞效应导致的换相区间在周期上的差异，也避免了霍尔信号正负半周不对称造成的影响，使得电机输出电流平衡，输出扭矩平稳无波动，进而提高电机控制效率，降低电机运行噪音；同时无需通过软件对各个换相区间进行离线矫正，控制系统简单，具有较高的鲁棒性，同时生产工艺简单，节约人力成本。

另外，本发明提供的上述技术方案中的高速无刷直流电机的控制方法还可以具有如下附加技术特征：

在上述技术方案中，优选地，根据换相信号控制高速无刷直流电机运转的步骤，具体为：在发出一个换相信号的同时，发出一个PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)斩波信号；根据PWM斩波信号控制高速无刷直流电机的开关管的导通状态，以控制高速无刷直流电机运转。

在该技术方案中，在发出一个换相信号的同时，发出一个PWM斩波信号，具体地，在电机的控制器接收到换相信号后，确定所需导通相的开关管的同时开启一个PWM斩波信号周期，进而通过PWM斩波信号控制高速无刷直流电机的开关管的导通状态，实现对高速无刷直流电机运转状态的控制。

在上述任一技术方案中，优选地，在每个换相周期内执行周期数大于或等于1的整数次PWM斩波信号。

在该技术方案中，在确定所需导通相的开关管的同时开启一个PWM斩波信号周期，且在每个换相周期内执行周期数大于或等于1的整数次PWM斩波信号，可以使PWM斩波周期与换相周期同步，实现高效、高可靠性的电机控制。

具体地，三相无刷直流电机的控制常采用两两导通的控制方式，为了对电机调速需要对输出电压进行PWM斩波控制，传统的两两导通换相控制和PWM斩波控制在相位上是异步的，换相控制决定当前该激励的相序，PWM信号决定了当前该给定的平均电压，最终两者共同决定需导通的开关管及其导通时间实现电机输出控制，但由于两者相位异步，在BLDC换相的6个区间内电机得到的平均电压会有所差异。当电机转速较低，载波比较高时，由于PWM信号的平均效应，这种差异基本不会表现出来；而当电机转速较高，如转子转动频率达到1kHz以上时，换相频率会达到6kHz以上，使用常规PWM频率控制时，由于载波比很低，电机每个换相区间获得的平均电压差异将会突显出来，造成电机输出电流不平衡，从而造成输出转矩波动，振动噪音增加等不好的控制效果。现有的解决各换相区间平均电压不平衡问题的方法，必须提高PWM的载波比，即采用更高的开关频率。而若开关频率增加，一方面会使开关损耗大幅增加，降低驱动器效率，另一方开关功率器件的导流能力与开关频率密切相关，过高的开关频率将限制驱动器输出能力，要保证驱动器高开关频率下的输出能力必须使用更高规格的开关管，因此会导致系统成本增加。而本发明提供的技术方案在发出一个换相信号的同时，发出一个PWM斩波信号，即确定所需导通相的开关管的同时开启一个PWM斩波信号周期，并控制实现在一个换相周期内执行整数次(≥1次)的PWM斩波周期，PWM斩波信号与换相信号同步触发，可以使控制开关管的PWM斩波周期与高速无刷直流电机的换相周期严格同步，进而使每个换相扇区内得到的平均电压近似相等，使电机输出电流更加平衡，因此在电机转速很高的情况下也能得到良好的控制效果，同时由于无需提高开关频率，也就无需更换高规格的开关管，可在不增加系统成本和复杂度的前提下，解决现有技术中输出转矩波动，振动噪音增加等问题，同时得到更高效率、更高可靠性的控制效果。

在上述任一技术方案中，优选地，以预设触发条件发出首个换相信号时，延迟预设角度后发出首个换相信号。

在该技术方案中，延迟一定的预设角度后再发出首个换相信号，预设角度可根据电机的实际应用需要及霍尔位置传感器的安装角度进行调节，可以使电机控制效果更符合实际应用的需要。具体地，以位置信号与过零点位置的角度差为30°的情况举例，预设角度SimAngle与霍尔传感器的上升沿(下降沿)信号的位置关系应满足公式SimAngle＝30°-ADV，其中ADV为高速无刷直流电机的换相超前角。

在上述任一技术方案中，优选地，预设触发条件包括以下任一或其组合：位置信号的上升沿触发；和/或位置信号的下降沿触发。

在该技术方案中，以位置信号的上升沿作为发出首个换相信号的触发条件，在该运转周期内，在其余5个换相周期的开始时分别发出一个换相信号以控制高速无刷直流电机换相；以位置信号的下降沿作为发出首个换相信号的触发条件，在该运转周期内，在其余5个换相周期的开始时分别发出一个换相信号以控制高速无刷直流电机换相；同时以位置信号的上升沿和下降沿作为发出首个换相信号的触发条件，在一个运转周期内，以位置信号的上升沿作为首个换相信号的触发条件，在接下来2个换相周期的开始时分别发出一个换相信号；在第3个换相周期中，以位置信号的下降沿作为下一个首个换相信号的触发条件，并在接下来的再2个换相周期的开始时再分别发出一个换相信号，以控制高速无刷直流电机换相。

在上述任一技术方案中，优选地，位置信号与过零点的角度差为：-15°至30°。

在该技术方案中，霍尔传感器设置于高速无刷直流电机任一项绕组的磁钢附近，根据霍尔传感器设置的实际角度，位置信号与过零点的角度差为：-15°至30°。

在上述任一技术方案中，优选地，在高速无刷直流电机转速大于或等于预设转速前，以预设频率的PWM斩波信号控制高速无刷直流电机运转。

在该技术方案中，在高速无刷直流电机转速升高至预设转速前，以预设频率的PWM斩波信号控制高速无刷直流电机开始运转，直至高速无刷直流电机的转速达到预设转速(优选为60000rpm)。

本发明第二方面提供了一种高速无刷直流电机的控制系统，高速无刷直流电机包括一个霍尔位置传感器，控制系统包括：获取单元、计算单元、信号发送单元和控制单元；获取单元用于在高速无刷直流电机的转速达到预设转速后，根据霍尔位置传感器的位置信号的周期获取高速无刷直流电机的运转周期；计算单元用于将运转周期六等分，以得到的等分周期作为换相周期；信号发送单元用于在每个运转周期中，根据预设触发条件发出首个换相周期的首个换相信号，并在余下的每个换相周期开始时分别发出一个换相信号；控制单元用于根据换相信号控制高速无刷直流电机运转。

在该技术方案中，在高速无刷直流电机的转速达到预设转速后，预设转速可优选地设置为60000rpm(对应的转子旋转频率为1kHz)；利用高速无刷直流电机在高转速下，转速不会突变的特性，将获取到的运转周期六等分，得到的单个等分周期就是高速无刷直流电机的换相周期；在每个运转周期中，根据预设的触发条件发出在一个运转周期的六个换相周期中，首个换相周期的首个换相信号，并在余下的多个换相周期中每个换相周期的开始时发出一个换相信号，以控制高速无刷直流电机执行换相，进而控制高速无刷直流电机持续运转。采用本发明提供的技术方案，仅通过单个霍尔位置传感器的位置信号获取三相绕组中任一项的反电势过零点的位置，克服了传统BLDC(Brushless Direct Currentmotor，无刷直流电机)控制方法中三个霍尔位置传感器安装位置差和磁滞效应导致的换相区间在周期上的差异，也避免了霍尔信号正负半周不对称造成的影响，使得电机输出电流平衡，输出扭矩平稳无波动，进而提高电机控制效率，降低电机运行噪音；同时无需通过软件对各个换相区间进行离线矫正，控制系统简单，具有较高的鲁棒性，同时生产工艺简单，节约人力成本。

在上述技术方案中，优选地，控制单元具体用于：在发出一个换相信号的同时，发出一个PWM斩波信号；根据PWM斩波信号控制高速无刷直流电机的开关管的导通状态，以控制高速无刷直流电机运转。

在该技术方案中，在发出一个换相信号的同时，发出一个PWM斩波信号，具体地，在电机的控制器接收到换相信号后，确定所需导通相的开关管的同时开启一个PWM斩波信号周期，进而通过PWM斩波信号控制高速无刷直流电机的开关管的导通状态，实现对高速无刷直流电机运转状态的控制。

在上述任一技术方案中，优选地，在每个换相周期内执行周期数大于或等于1的整数次PWM斩波信号。

在该技术方案中，在确定所需导通相的开关管的同时开启一个PWM斩波信号周期，且在每个换相周期内执行周期数大于或等于1的整数次PWM斩波信号，可以使PWM斩波周期与换相周期同步，实现高效、高可靠性的电机控制。

在上述任一技术方案中，优选地，以预设触发条件发出首个换相信号时，延迟预设角度后发出首个换相信号。

在该技术方案中，延迟一定的预设角度后再发出首个换相信号，预设角度可根据电机的实际应用需要及霍尔位置传感器的安装角度进行调节，可以使电机控制效果更符合实际应用的需要。具体地，以位置信号与过零点位置的角度差为30°的情况举例，预设角度SimAngle与霍尔传感器的上升沿(下降沿)信号的位置关系应满足公式SimAngle＝30°-ADV，其中ADV为高速无刷直流电机的换相超前角。

在上述任一技术方案中，优选地，预设触发条件包括以下任一或其组合：位置信号的上升沿触发；和/或位置信号的下降沿触发。

在该技术方案中，以位置信号的上升沿作为发出首个换相信号的触发条件，在该运转周期内，在其余5个换相周期的开始时分别发出一个换相信号以控制高速无刷直流电机换相；以位置信号的下降沿作为发出首个换相信号的触发条件，在该运转周期内，在其余5个换相周期的开始时分别发出一个换相信号以控制高速无刷直流电机换相；同时以位置信号的上升沿和下降沿作为发出首个换相信号的触发条件，在一个运转周期内，以位置信号的上升沿作为首个换相信号的触发条件，在接下来2个换相周期的开始时分别发出一个换相信号；在第3个换相周期中，以位置信号的下降沿作为下一个首个换相信号的触发条件，并在接下来的再2个换相周期的开始时再分别发出一个换相信号，以控制高速无刷直流电机换相。

在上述任一技术方案中，优选地，位置信号与过零点的角度差为：-15°至30°。

在该技术方案中，霍尔传感器设置于高速无刷直流电机任一项绕组的磁钢附近，根据霍尔传感器设置的实际角度，位置信号与过零点的角度差为：-15°至30°。

在上述任一技术方案中，优选地，在高速无刷直流电机转速大于或等于预设转速前，以预设频率的PWM斩波信号控制高速无刷直流电机运转。

在该技术方案中，在高速无刷直流电机转速升高至预设转速前，以预设频率的PWM斩波信号控制高速无刷直流电机开始运转，直至高速无刷直流电机的转速达到预设转速(优选为60000rpm)。

本发明第三方面提供了一种高速无刷直流电机，该高速无刷直流电机包括如上述任一技术方案所述的高速无刷直流电机的控制系统，因此，该高速无刷直流电机包括如上述任一技术方案所述的高速无刷直流电机的控制系统的全部有益效果。

本发明第四方面提供了一种吸尘装置，该吸尘装置包括如上述任一技术方案所述的高速无刷直流电机，或如上述任一技术方案所述的高速无刷直流电机的控制系统，因此，该吸尘装置包括如上述任一技术方案所述的高速无刷直流电机和上述任一技术方案所述的高速无刷直流电机的控制系统的全部有益效果。

本发明第五方面提供了一种计算机装置，该计算机装置包括处理器，处理器用于执行存储器中存储的计算机程序时实现如上述任一技术方案所述的高速无刷直流电机的控制方法，因此，该计算器装置包括如上述任一技术方案所述的高速无刷直流电机的控制方法的全部有益效果。

本发明第六方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述任一技术方案所述的高速无刷直流电机的控制方法，因此，该计算机可读存储介质包括如上述任一技术方案所述的高速无刷直流电机的控制方法的全部有益效果。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1示出了现有技术中传统PWM控制方式的每个换相区间内平均电压的示意图；

图2示出了根据本发明的一个实施例所述的高速无刷直流电机的控制方法的流程图；

图3示出了根据本发明的另一个实施例所述的高速无刷直流电机的控制方法的流程图；

图4示出了根据本发明的一个实施例所述的高速无刷直流电机的控制系统的框图；

图5示出了根据本发明的一个实施例的手持式吸尘器的控制系统的功能模块示意图；

图6示出了根据本发明的一个实施例的手持式吸尘器的控制系统及高速无刷直流电机结构示意图；

图7示出了根据本发明的一个实施例的手持式吸尘器的高速无刷直流电机的控制信号示意图；

图8示出了根据本发明的一个实施例的手持式吸尘器的高速无刷直流电机的控制效果的波形图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面参照图2至图8描述根据本发明一些实施例所述高速无刷直流电机的控制方法、高速无刷直流电机的控制系统、高速无刷直流电机、吸尘装置、计算机装置和计算机可读存储介质。

如图2所示，在本发明第一方面的实施例中，提供了一种高速无刷直流电机的控制方法，高速无刷直流电机包括一个霍尔位置传感器，控制方法包括：

S202，在高速无刷直流电机的转速达到预设转速后，根据霍尔位置传感器的位置信号的周期获取高速无刷直流电机的运转周期；

S204，将运转周期六等分，以得到的等分周期作为换相周期；

S206，在每个运转周期中，根据预设触发条件发出首个换相周期的首个换相信号，并在余下的每个换相周期开始时分别发出一个换相信号；

S208，根据换相信号控制高速无刷直流电机运转。

在该实施例中，在高速无刷直流电机的转速达到预设转速后，预设转速可优选地设置为60000rpm(对应的转子旋转频率为1kHz)；利用高速无刷直流电机在高转速下，转速不会突变的特性，将获取到的运转周期六等分，得到的单个等分周期就是高速无刷直流电机的换相周期；在每个运转周期中，根据预设的触发条件发出在一个运转周期的六个换相周期中，首个换相周期的首个换相信号，并在余下的多个换相周期中每个换相周期的开始时发出一个换相信号，以控制高速无刷直流电机执行换相，进而控制高速无刷直流电机持续运转。采用本发明提供的技术方案，仅通过单个霍尔位置传感器的位置信号获取三相绕组中任一项的反电势过零点的位置，克服了传统BLDC(Brushless Direct Current motor，无刷直流电机)控制方法中三个霍尔位置传感器安装位置差和磁滞效应导致的换相区间在周期上的差异，也避免了霍尔信号正负半周不对称造成的影响，使得电机输出电流平衡，输出扭矩平稳无波动，进而提高电机控制效率，降低电机运行噪音；同时无需通过软件对各个换相区间进行离线矫正，控制系统简单，具有较高的鲁棒性，同时生产工艺简单，节约人力成本。

具体地，在高速无刷直流电机的转速达到60000rpm时，获取到高速无刷直流电机的转速的运转周期为1×10^-3s，则可得换相周期为0.167×10^-3s；实时获取位置信号，在检测到位置信号的上升沿的同时，发出当前运转周期中，首个换相周期的首个换相信号，并在间隔0.167×10^-3s后发出下一个换相周期的换相信号，持续以0.167×10^-3s的时间间隔发出换相信号，直至当前运转周期结束。

在本发明的一个实施例中，优选地，如图3所示，高速无刷直流电机的控制方法包括：

S302，在高速无刷直流电机的转速达到预设转速后，根据霍尔位置传感器的位置信号的周期获取高速无刷直流电机的运转周期；

S304，将运转周期六等分，以得到的等分周期作为换相周期；

S306，在每个运转周期中，根据预设触发条件发出首个换相周期的首个换相信号，并在余下的每个换相周期开始时分别发出一个换相信号；

S308，在发出一个换相信号的同时，发出一个PWM斩波信号；

S310，根据PWM斩波信号控制高速无刷直流电机的开关管的导通状态，以控制高速无刷直流电机运转。

在该实施例中，在发出一个换相信号的同时，发出一个PWM斩波信号，具体地，在电机的控制器接收到换相信号后，确定所需导通相的开关管的同时开启一个PWM斩波信号周期，进而通过PWM斩波信号控制高速无刷直流电机的开关管的导通状态，实现对高速无刷直流电机运转状态的控制。

在本发明的一个实施例中，优选地，在每个换相周期内执行周期数大于或等于1的整数次PWM斩波信号。

在该实施例中，在确定所需导通相的开关管的同时开启一个PWM斩波信号周期，且在每个换相周期内执行周期数大于或等于1的整数次PWM斩波信号，可以使PWM斩波周期与换相周期同步，实现高效、高可靠性的电机控制。

具体地，三相无刷直流电机的控制常采用两两导通的控制方式，为了对电机调速需要对输出电压进行PWM斩波控制，传统的两两导通换相控制和PWM斩波控制在相位上是异步的，换相控制决定当前该激励的相序，PWM信号决定了当前该给定的平均电压，最终两者共同决定需导通的开关管及其导通时间实现电机输出控制，但由于两者相位异步，在BLDC换相的6个区间内电机得到的平均电压会有所差异，效果如图1所示。当电机转速较低，载波比较高时，由于PWM信号的平均效应，这种差异基本不会表现出来；而当电机转速较高，如转子转动频率达到1kHz以上时，换相频率会达到6kHz以上，使用常规PWM频率控制时，由于载波比很低，电机每个换相区间获得的平均电压差异将会突显出来，造成电机输出电流不平衡，从而造成输出转矩波动，振动噪音增加等不好的控制效果。现有的解决各换相区间平均电压不平衡问题的方法，必须提高PWM的载波比，即采用更高的开关频率。而若开关频率增加，一方面会使开关损耗大幅增加，降低驱动器效率，另一方开关功率器件的导流能力与开关频率密切相关，过高的开关频率将限制驱动器输出能力，要保证驱动器高开关频率下的输出能力必须使用更高规格的开关管，因此会导致系统成本增加。而本发明提供的技术方案在发出一个换相信号的同时，发出一个PWM斩波信号，即确定所需导通相的开关管的同时开启一个PWM斩波信号周期，并控制实现在一个换相周期内执行整数次(≥1次)的PWM斩波周期，PWM斩波信号与换相信号同步触发，可以使控制开关管的PWM斩波周期与高速无刷直流电机的换相周期严格同步，进而使每个换相扇区内得到的平均电压近似相等，使电机输出电流更加平衡，因此在电机转速很高的情况下也能得到良好的控制效果，同时由于无需提高开关频率，也就无需更换高规格的开关管，可在不增加系统成本和复杂度的前提下，解决现有技术中输出转矩波动，振动噪音增加等问题，同时得到更高效率、更高可靠性的控制效果。

在本发明的一个实施例中，优选地，以预设触发条件发出首个换相信号时，延迟预设角度后发出首个换相信号。

在该实施例中，延迟一定的预设角度后再发出首个换相信号，预设角度可根据电机的实际应用需要及霍尔位置传感器的安装角度进行调节，可以使电机控制效果更符合实际应用的需要。

优选地，位置信号与过零点位置的角度差为30°，高速无刷直流电机的换相超前角ADV为15°，则根据预设角度SimAngle与霍尔传感器的上升沿(下降沿)信号的位置关系应满足公式SimAngle＝30°-ADV，计算得到预设角度SimAngle＝15°。

在本发明的一个实施例中，优选地，预设触发条件包括以下任一或其组合：位置信号的上升沿触发；和/或位置信号的下降沿触发。

在该实施例中，优选地，以位置信号的上升沿作为发出首个换相信号的触发条件，在该运转周期内，在其余5个换相周期的开始时分别发出一个换相信号以控制高速无刷直流电机换相；

或优选地，以位置信号的下降沿作为发出首个换相信号的触发条件，在该运转周期内，在其余5个换相周期的开始时分别发出一个换相信号以控制高速无刷直流电机换相；

或优选地，同时以位置信号的上升沿和下降沿作为发出首个换相信号的触发条件，在一个运转周期内，以位置信号的上升沿作为首个换相信号的触发条件，在接下来2个换相周期的开始时分别发出一个换相信号；在第3个换相周期中，以位置信号的下降沿作为下一个首个换相信号的触发条件，并在接下来的再2个换相周期的开始时再分别发出一个换相信号，以控制高速无刷直流电机换相。

在本发明的一个实施例中，优选地，位置信号与过零点的角度差为：-15°至30°。

在该实施例中，霍尔传感器设置于高速无刷直流电机任一项绕组的磁钢附近，根据霍尔传感器设置的实际角度，位置信号与过零点的角度差为：-15°至30°。

在本发明的一个实施例中，优选地，在高速无刷直流电机转速大于或等于预设转速前，以预设频率的PWM斩波信号控制高速无刷直流电机运转。

在该实施例中，在高速无刷直流电机转速升高至预设转速前，以预设频率的PWM斩波信号控制高速无刷直流电机开始运转，直至高速无刷直流电机的转速达到预设转速(优选为60000rpm)。

如图4所示，在本发明第二发面的实施例中，提供了一种高速无刷直流电机的控制系统400，高速无刷直流电机包括一个霍尔位置传感器，高速无刷直流电机的控制系统400包括：获取单元402、计算单元404、信号发送单元406和控制单元408；获取单元402用于在高速无刷直流电机的转速达到预设转速后，根据霍尔位置传感器的位置信号的周期获取高速无刷直流电机的运转周期；计算单元404用于将运转周期六等分，以得到的等分周期作为换相周期；信号发送单元406用于在每个运转周期中，根据预设触发条件发出首个换相周期的首个换相信号，并在余下的每个换相周期开始时分别发出一个换相信号；控制单元408用于根据换相信号控制高速无刷直流电机运转。

在该实施例中，在高速无刷直流电机的转速达到预设转速后，预设转速可优选地设置为60000rpm(对应的转子旋转频率为1kHz)；利用高速无刷直流电机在高转速下，转速不会突变的特性，将获取到的运转周期六等分，得到的单个等分周期就是高速无刷直流电机的换相周期；在每个运转周期中，根据预设的触发条件发出在一个运转周期的六个换相周期中，首个换相周期的首个换相信号，并在余下的多个换相周期中每个换相周期的开始时发出一个换相信号，以控制高速无刷直流电机执行换相，进而控制高速无刷直流电机持续运转。采用本发明提供的技术方案，仅通过单个霍尔位置传感器的位置信号获取三相绕组中任一项的反电势过零点的位置，克服了传统BLDC(Brushless Direct Current motor，无刷直流电机)控制方法中三个霍尔位置传感器安装位置差和磁滞效应导致的换相区间在周期上的差异，也避免了霍尔信号正负半周不对称造成的影响，使得电机输出电流平衡，输出扭矩平稳无波动，进而提高电机控制效率，降低电机运行噪音；同时无需通过软件对各个换相区间进行离线矫正，控制系统简单，具有较高的鲁棒性，同时生产工艺简单，节约人力成本。

在本发明的一个实施例中，优选地，控制单元具体用于：在发出一个换相信号的同时，发出一个PWM斩波信号；根据PWM斩波信号控制高速无刷直流电机的开关管的导通状态，以控制高速无刷直流电机运转。

在该实施例中，在发出一个换相信号的同时，发出一个PWM斩波信号，具体地，在电机的控制器接收到换相信号后，确定所需导通相的开关管的同时开启一个PWM斩波信号周期，进而通过PWM斩波信号控制高速无刷直流电机的开关管的导通状态，实现对高速无刷直流电机运转状态的控制。

在本发明的一个实施例中，优选地，在每个换相周期内执行周期数大于或等于1的整数次PWM斩波信号。

在该实施例中，在确定所需导通相的开关管的同时开启一个PWM斩波信号周期，且在每个换相周期内执行周期数大于或等于1的整数次PWM斩波信号，可以使PWM斩波周期与换相周期同步，实现高效、高可靠性的电机控制。

在本发明的一个实施例中，优选地，以预设触发条件发出首个换相信号时，延迟预设角度后发出首个换相信号。

在该实施例中，延迟一定的预设角度后再发出首个换相信号，预设角度可根据电机的实际应用需要及霍尔位置传感器的安装角度进行调节，可以使电机控制效果更符合实际应用的需要。具体地，以位置信号与过零点位置的角度差为30°的情况举例，预设角度SimAngle与霍尔传感器的上升沿(下降沿)信号的位置关系应满足公式SimAngle＝30°-ADV，其中ADV为高速无刷直流电机的换相超前角。

在本发明的一个实施例中，优选地，预设触发条件包括以下任一或其组合：位置信号的上升沿触发；和/或位置信号的下降沿触发。

在该实施例中，优选地，以位置信号的上升沿作为发出首个换相信号的触发条件，在该运转周期内，在其余5个换相周期的开始时分别发出一个换相信号以控制高速无刷直流电机换相；

或优选地，以位置信号的下降沿作为发出首个换相信号的触发条件，在该运转周期内，在其余5个换相周期的开始时分别发出一个换相信号以控制高速无刷直流电机换相；

或优选地，同时以位置信号的上升沿和下降沿作为发出首个换相信号的触发条件，在一个运转周期内，以位置信号的上升沿作为首个换相信号的触发条件，在接下来2个换相周期的开始时分别发出一个换相信号；在第3个换相周期中，以位置信号的下降沿作为下一个首个换相信号的触发条件，并在接下来的再2个换相周期的开始时再分别发出一个换相信号，以控制高速无刷直流电机换相。

在本发明的一个实施例中，优选地，位置信号与过零点的角度差为：-15°至30°。

在该实施例中，霍尔传感器设置于高速无刷直流电机任一项绕组的磁钢附近，根据霍尔传感器设置的实际角度，位置信号与过零点的角度差为：-15°至30°。

在本发明的一个实施例中，优选地，在高速无刷直流电机转速大于或等于预设转速前，以预设频率的PWM斩波信号控制高速无刷直流电机运转。

在该实施例中，在高速无刷直流电机转速升高至预设转速前，以预设频率的PWM斩波信号控制高速无刷直流电机开始运转，直至高速无刷直流电机的转速达到预设转速(优选为60000rpm)。

在本发明第三方面的实施例中，提供了一种高速无刷直流电机，该高速无刷直流电机包括如上述任一实施例所述的高速无刷直流电机的控制系统，因此，该高速无刷直流电机包括如上述任一实施例所述的高速无刷直流电机的控制系统的全部有益效果。

在本发明第四方面的实施例中，提供了一种吸尘装置，该吸尘装置包括如上述任一实施例所述的高速无刷直流电机，或如上述任一实施例所述的高速无刷直流电机的控制系统，因此，该吸尘装置包括如上述任一实施例所述的高速无刷直流电机和上述任一实施例所述的高速无刷直流电机的控制系统的全部有益效果。

在本发明的一个实施例中，优选地，如图5所示，手持式吸尘器用本发明提供的高速无刷直流电机控制系统，该系统中所使用的高速无刷直流电机的额定转速为80000rpm，其控制系统如图5和图6所示，由下位机控制模块1、逆变器单元2、执行机构3、上位机控制模块4、电池系统5组成；该控制系统中，控制器主要包括由上位机与用户输入界面构成的上位机控制模块4与由控制器单元构成的下位机控制模块1。上位机控制模块4负责根据用户发出的功率速度等需求指令生成控制指令；下位机控制模块1接受上位机的控制指令控制逆变器单元2和执行机构3以实现用户需求。

如图5所示，下位机控制模块1可分为电流指令生成模块，根据用户功率指令值和功率反馈值计算每一时刻控制电流指令值并传给电流控制器进行控制；功率反馈模块，根据驱动器采样的电流电压及速度值计算出目前实际输入功率水平，并配合电流指令生成模块实现用户所需的恒定功率控制；电流控制器模块，根据计算得来的电流指令和采样电流实现电流闭环控制，控制生成电机所需平均电压指令值；位置处理模块；速度计算模块；换相逻辑模块，该模块根据当前电流指令推算出该时刻控制超前角角度，由位置信号和计算电气周期，推算出该时刻控制扇区号，并发出PWM斩波信号与换相信号；PWM控制器根据此时需求超前角度和平均电压指令计算出斩波控制占空比，并根据同步信号和控制扇区号控制PWM斩波信号与换相信号同步。

具体实现过程为：

步骤1，上位机控制模块4发出功率指令后，下位机控制模块1接收功率指令。

步骤2，逆变器单元通过阻性原件检测母线电压Udc与母线电流Idc。

功率反馈单元根据检测的电压值和电流指令值计算出计算功率，并根据当前电机转速进行修正得到实际功率。

其中，输入功率P满足如下关系：

P＝Udc×Idc；

其中，电流指令计算模块根据功率指令与功率反馈，得到电流指令值，具体可以通过PI控制计算得到，也可以通过查表得到。

此时，电流控制器模块根据当前电流指令值与电流反馈值计算出电机控制所需平均电压。

步骤3，位置检测模块接受霍尔位置传感器检测的位置信号，利用位置信号的上升沿确定电机转子位置，具体地，位置信号的上升沿反应高速无刷直流电机A相反电势过零点的位置。

步骤4，速度计算模块根据连续相邻的两个位置信号的上升沿确定电机的运转周期与电机的转速。

步骤5，利用换相逻辑模块，首先根据当前电流指令值确定电机控制所需超前角度，根据电机运转周期，将运转周期平分为6个换相周期，每一换相周期对应发出一个换相信号，并以位置信号的上升沿作为触发首个换相信号的触发条件，在该运转周期中的另外5个换相信号由计算的换相周期决定。

其中，第一个换相信号与位置信号的上升沿(即A相反电势过零点的位置)位置关系满足：SimAngle＝30°-ADV，其中，SimAngle为第一个换相信号与位置信号的上升沿(反电势过零点)的滞后角度，ADV为电机换相的超前角。

步骤6，PWM模块根据逆变器母线电压、当前所需平均电压和电机换相超前角计算出当前控制占空比，并根据换相信号将PWM斩波周期与换相周期同步，即每一个换相周期内执行大于等于1的整数次PWM斩波周期，本实施例中执行PWM斩波周期的次数为1次。当每次检测到换相信号时启动换相，同时开启下一次PWM斩波周期，进而实现对电机的控制。

优选地，对高速无刷直流电机的具体控制过程如图7所示，在检测到位置信号的上升沿后，根据平均转速将下一个运转周期的360°运转区间分为30°至90°，90°至150°，150°至210°，210°至270°，270°至330°，330°至390°共6个换相区间，每个换相区间对应一个换相周期，通过控制开关管的导通时间，达到对电压调制的目的。

具体控制信号如图7所示，其中，HallA为位置信号，该信号代表电机A相反电势过零点30°的位置，当检测到HallA信号的上升沿，即HallA信号跳变为高电平时，表示检测到A相反电势过零点30°，此时控制器根据该信号计算出高速无刷直流电机的运行周期，并将其6等分设置为定时器T2周期，即换相周期。根据计算PWM斩波信号的占空比与周期值计算出T2比较器比较值，在检测到HallA上升沿时进入CAP中断，此时设置A相上管VT1和B相下管VT6导通，T2_1PWM比较器中断时VT6关断，VT1继续导通；T2_1周期中断时换相VT2、VT1导通，T2_2PWM比较器中断时VT1关断，VT2继续导通；T2_2周期中断时换相VT3、VT2导通，T2_3PWM比较器中断时VT2关断，VT3继续导通；当T2_3周期中断时换相VT4、VT3导通，T2_4PWM比较器中断时VT3关断，VT4继续导通作续流；T2_4周期中断时换相VT5、VT4导通，T2_5PWM比较器中断时VT4关断，VT6、VT5导通，T2_6PWM比较器中断时VT5关断，VT6继续导通作续流。在下一个运转周期开始后，以HallA的下一个上升沿作为触发信号启动下一周期CAP中断进行换相VT6，VT1导通，进入下一个控制循环。该高速无刷直流电机的控制方法的具体的控制效果的波形图如图8所示。

在本发明第五方面的实施例中，提供了一种计算机装置，该计算机装置包括处理器，处理器用于执行存储器中存储的计算机程序时实现如上述任一实施例所述的高速无刷直流电机的控制方法，因此，该计算器装置包括如上述任一实施例所述的高速无刷直流电机的控制方法的全部有益效果。

在本发明第六方面的实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述任一实施例所述的高速无刷直流电机的控制方法，因此，该计算机可读存储介质包括如上述任一实施例所述的高速无刷直流电机的控制方法的全部有益效果。

在本发明的描述中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定，术语“上”、“下”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；术语“连接”、“安装”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。

在本发明的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本发明中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种高速无刷直流电机的控制方法，其特征在于，所述高速无刷直流电机包括一个霍尔位置传感器，所述控制方法包括：

在所述高速无刷直流电机的转速达到预设转速后，根据所述霍尔位置传感器的位置信号的周期获取所述高速无刷直流电机的运转周期；

将所述运转周期六等分，以得到的等分周期作为换相周期；

在每个所述运转周期中，根据预设触发条件发出首个换相周期的首个换相信号，并在余下的每个所述换相周期开始时分别发出一个换相信号；

根据所述换相信号控制所述高速无刷直流电机运转。

2.根据权利要求1所述的高速无刷直流电机的控制方法，其特征在于，所述根据所述换相信号控制所述高速无刷直流电机运转的步骤，具体为：

在发出一个所述换相信号的同时，发出一个PWM斩波信号；

根据所述PWM斩波信号控制所述高速无刷直流电机的开关管的导通状态，以控制所述高速无刷直流电机运转。

3.根据权利要求2所述的高速无刷直流电机的控制方法，其特征在于，在每个所述换相周期内执行周期数大于或等于1的整数次PWM斩波信号。

4.根据权利要求1所述的高速无刷直流电机的控制方法，其特征在于，以所述预设触发条件发出所述首个换相信号时，延迟预设角度后发出所述首个换相信号。

5.根据权利要求1至4所述的高速无刷直流电机的控制方法，其特征在于，所述预设触发条件包括以下任一或其组合：

所述位置信号的上升沿触发；和/或

所述位置信号的下降沿触发。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的高速无刷直流电机的控制方法，其特征在于，所述位置信号与过零点的角度差为：-15°至30°。

7.根据权利要求1所述的高速无刷直流电机的控制方法，其特征在于，在所述高速无刷直流电机转速大于或等于预设转速前，以预设频率的PWM斩波信号控制所述高速无刷直流电机运转。

8.一种高速无刷直流电机的控制系统，其特征在于，所述高速无刷直流电机包括一个霍尔位置传感器，所述控制系统包括：

获取单元，用于在所述高速无刷直流电机的转速达到预设转速后，根据所述霍尔位置传感器的位置信号的周期获取所述高速无刷直流电机的运转周期；

计算单元，用于将所述运转周期六等分，以得到的等分周期作为换相周期；

信号发送单元，用于在每个所述运转周期中，根据预设触发条件发出首个换相周期的首个换相信号，并在余下的每个所述换相周期开始时分别发出一个换相信号；

控制单元，用于根据所述换相信号控制所述高速无刷直流电机运转。

9.根据权利要求8所述的高速无刷直流电机的控制系统，其特征在于，所述控制单元，具体用于：

在发出一个所述换相信号的同时，发出一个PWM斩波信号；

根据所述PWM斩波信号控制所述高速无刷直流电机的开关管的导通状态，以控制所述高速无刷直流电机运转。

10.根据权利要求9所述的高速无刷直流电机的控制系统，其特征在于，在每个所述换相周期内执行周期数大于或等于1的整数次PWM斩波信号。

11.根据权利要求8所述的高速无刷直流电机的控制系统，其特征在于，以所述预设触发条件发出所述首个换相信号时，延迟预设角度后发出所述首个换相信号。

12.根据权利要求8至11所述的高速无刷直流电机的控制系统，其特征在于，所述预设触发条件包括以下任一或其组合：

所述位置信号的上升沿触发；和/或

所述位置信号的下降沿触发。

13.根据权利要求8至11中任一项所述的高速无刷直流电机的控制系统，其特征在于，所述位置信号与过零点的角度差为：-15°至30°。

14.根据权利要求8所述的高速无刷直流电机的控制系统，其特征在于，在所述高速无刷直流电机转速大于或等于预设转速前，以预设频率的PWM斩波信号控制所述高速无刷直流电机运转。

15.一种高速无刷直流电机，其特征在于，所述高速无刷直流电机包括如权利要求8至14中任一项所述的高速无刷直流电机的控制系统。

16.一种吸尘装置，其特征在于，所述吸尘装置包括：

如权利要求15所述的高速无刷直流电机；或

如权利要求8至14中任一项所述的高速无刷直流电机的控制系统。

17.一种计算机装置，其特征在于，所述计算机装置包括处理器，所述处理器用于执行存储器中存储的计算机程序时实现如权利要求1至7中任一项所述的高速无刷直流电机的控制方法。

18.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的高速无刷直流电机的控制方法。