CN109874390A - 具有无刷dc马达的线性致动器 - Google Patents

Abstract

一种线性致动器，包括无刷DC马达(31)、用于向马达(31)提供多相电压信号的驱动电路(51)，以及用于检测转子位置并依赖于转子位置向驱动电路(51)提供控制信号的控制器(58)。检测器电路(61)检测指示转子速度的信号。控制器(58)被配置为当指示信号指示转子速度未超过预定速度时，控制驱动电路(51)用多相电压信号的第一波形驱动马达；以及当指示信号指示转子速度超过预定速度时，控制驱动电路(51)用多相电压信号的第二波形驱动马达，其中第二波形被选择为以小于当由第一波形驱动时马达的效率的效率驱动马达(31)。

Description

具有无刷DC马达的线性致动器

技术领域

本发明涉及包括无刷DC马达、驱动电路和控制器的线性致动器，涉及包括至少一个线性致动器的致动器系统，以及涉及控制包括无刷DC马达、驱动电路和控制器的线性致动器的方法。本发明还涉及计算机程序和计算机可读介质。

背景技术

线性致动器是用于将通常电马达的旋转移动变换成机械装备的线性移动的设备，并且线性致动器通常包括可逆电马达、通常具有多级的传动装置或减速齿轮、主轴、主轴螺母和激活元件。当主轴被马达旋转时，主轴螺母沿主轴移动，从而将旋转变换为激活元件的线性移动。

不同类型的马达可以被用作线性致动器中的可逆电马达。传统上，由于其设计简单且成本低，并且由于其速度可以由DC电压或脉宽调制电压直接控制，因此有刷型标准DC马达一直是最常用的马达类型。但是，使用无刷DC马达的线性致动器也是已知的。在授予LogicData的US 9093930中描述了示例。由于缺少机械刷并且设计不同，无刷DC马达具有更高的效率、更高的可靠性和降低的电磁干扰。另一方面，其成本较高，并且其需要较复杂的控制电路。

线性致动器系统用在许多不同的应用中，诸如卡车、农业机械、工业自动化装备、医院和护理床、休闲床和椅子、桌子或其它高度可调的家具以及若干其它类似的应用。在这些应用的许多当中，负载要在竖直方向上被移动，并且线性致动器可以用于推动和拉动负载两者，负载可以是动态的也可以是静态的。尤其是对于重负载，提升负载比降低负载需要显著更多的能量。换言之，当向上移动负载时，电马达必须提供比向下移动相同的负载时更高的扭矩。如果致动器的主轴不是自锁的，则，当向下移动负载时，需要制动效果来防止主轴并因此防止负载加速到高于预期速度的速度。

线性致动器的主轴是自锁的还是非自锁的取决于主轴的螺距。如果螺距小于摩擦角，则主轴是自锁的，而如果螺距大于摩擦角，则主轴是非自锁的。在这里要注意的是，摩擦角取决于不同的因素，诸如材料、材料的加工(working)、润滑、温度和动态状况(诸如振动)。另外，静摩擦与动摩擦之间存在差异，其中静摩擦大于动态摩擦。

在线性致动器中，非自锁主轴通常优于自锁主轴。其中一个原因是，非自锁主轴可以比自锁主轴以更高的效率来操作，即，驱动它们的能量密度较低。另一个原因是，由于螺距较大，非自锁主轴可以以较高的速度操作，因此比自锁主轴更快地执行调整。但是，如上面所提到的，使用非自锁主轴的线性致动器必须配备制动装置，以确保不超过调整速度并且可以保持给定的位置。关于调整速度，要注意的是，如果例如制动装置失效，则使用非自锁主轴带来潜在的失控旋转风险。在那种情况下，激活元件上(即，主轴螺母上)的负载将使主轴开始旋转，使得激活元件将以增加的速度朝着主轴的下端移动。在这里，机械制动装置应当确保避免线性致动器和/或其中使用线性致动器的设备的损坏。

用在线性致动器中的不同类型的机械制动装置是已知的。

一种已知类型的制动器包括利用圆柱形弹簧互连的两个圆柱形元件。在两个圆柱形元件之间布置有滚针轴承，并且在两个圆柱形元件中的一个的自由端与固定部分之间存在摩擦盘。在主轴的一个旋转方向上，即，当向上移动负载时，两个圆柱形元件相互脱离并且主轴可以自由旋转。在另一个旋转方向上，即，当向下移动负载时，两个圆柱形元件互连，从而激活摩擦盘以用于主轴的制动。这种制动构造对于这一点来说很好，但它由相对多的部件组成、相对昂贵且占用大量空间。

另一种较简单的制动器简单地包括围绕主轴的端部上的圆柱形元件或传动装置中的齿轮而布置的圆柱形弹簧。在主轴的一个旋转方向上，即，当向上移动负载时，弹簧自己从圆柱形元件松开并且主轴可以自由旋转。这是由于弹簧的角方向被布置成使得其受影响以试图将其自己卷绕离开圆柱形元件，由此弹簧的直径增加。在主轴的另一个旋转方向上，即，当向下移动负载时，弹簧围绕圆柱形元件收紧自己并施加制动力，因此当马达的电力被切断时保持主轴稳定。当激活元件朝着初始位置反向时，制动力被调整成被马达克服。因此，当致动元件朝着初始位置反向时，制动器处于活动状态，即，制动器使激活元件的返回速度降低。在这个制动器中，弹簧用作实际的制动器，即，弹簧自己施加制动力。在授予LINAK A/S的EP 0662573B1中描述了这种制动器。这种制动器是有效的并且相对便宜。

但是，机械式制动器需要附加的机械部件，这是附加的成本并且还导致线性致动器系统的空间需求增加。附加的机械部件也经受附加的机械磨损，这与尤其是制动部件之间的摩擦取决于润滑和温度的事实相结合，常常导致随时间变化的制动力。

发明内容

因此，本发明的实施例的一个目标是提供一种线性致动器，其在不使用机械制动器的情况下可以提供必要的制动效果，例如，在当向下移动负载时重负载造成非自锁主轴加速到高于预期速度的速度的情况下。以这种方式，可以减少或避免机械制动器的缺点。

根据本发明的实施例，该目标是在包括无刷DC马达的线性致动器中实现的，该无刷DC马达包括：多个定子线圈和永磁体转子；驱动电路，被配置为向所述无刷DC马达的定子线圈提供多相电压信号；以及控制器，用于检测所述永磁体转子的位置并且根据所述转子位置向所述驱动电路提供控制信号。当线性致动器还包括用于检测指示所述永磁体转子的转速的信号的检测器电路时，该目标被实现，并且控制器还被配置为：当所述指示信号指示所述永磁体转子的转速未超过预定速度时，控制驱动电路用所述多相电压信号的第一波形驱动马达的定子线圈；以及当所述指示信号指示所述永磁体转子的转速超过所述预定速度时，控制驱动电路用所述多相电压信号的第二波形驱动马达的定子线圈，其中所述第二波形被选择为以小于当由所述第一波形驱动时马达的效率的效率来驱动马达。

当无刷DC马达在不需要制动效果时以第一波形被驱动，并且在检测到增加的速度时以导致马达效率较低的另一个波形被驱动时，能量在马达中耗散，其结果是可以实现期望的制动效果。

在一些实施例中，所述无刷DC马达是具有梯形反电动势的类型，并且控制器和驱动电路被配置为通过在根据所述转子位置确定的时间在定子线圈之间换向相电流来提供所述多相电压信号的所述第一波形，使得多相电压信号具有与所述永磁体转子的转速对应的频率。

在其它实施例中，所述无刷DC马达是具有正弦反电动势的类型，并且控制器和驱动电路被配置为根据所述转子位置提供所述多相电压信号的所述第一波形作为其频率与所述永磁体转子的转速对应的多相正弦电压信号。

在线性致动器的一个实施例中，控制器和驱动电路还被配置为通过在与根据所述转子位置确定的时间不同的时间换向至少一个相电流来提供所述第二波形。当从一相换到另一相在时间或角位置上延迟或提前时，由马达传递的扭矩降低，因此其效率降低，其结果是实现制动效果。

在线性致动器的另一个实施例中，控制器和驱动电路还被配置为通过在预定时间段内将多相电压信号的频率改变为与对应于所述永磁体转子的转速的频率不同的频率来提供所述第二波形。当多相电压信号的频率改变时，由无刷DC马达的定子线圈产生的旋转磁场将与转子的旋转不同步。这降低了马达的扭矩产生和效率，并且实现了制动效果。

在线性致动器的又一个实施例中，控制器和驱动电路还被配置为通过在多相电压信号上叠加其频率高于与所述永磁体转子的转速对应的频率的信号来提供所述第二波形。

在这个实施例中，控制器和驱动电路还可以被配置为在预定时间段或在根据指示所述永磁体转子的转速的所述信号确定的时间段内将所述较高频率信号叠加。可替代地，控制器和驱动电路还可以被配置为将所述较高频率信号与根据指示所述永磁体转子的转速的所述信号确定的幅度叠加。

致动器系统可以包括如上所述的至少一个线性致动器。以这种方式，致动器系统受益于线性致动器的所述优点。

如所提到的，本发明还涉及一种控制线性致动器的方法，该线性致动器包括无刷DC电马达，该无刷DC电马达包括：多个定子线圈和永磁体转子；驱动电路；以及控制器，所述方法包括以下步骤：从驱动电路向所述无刷DC马达的定子线圈提供多相电压信号；检测所述永磁体转子的位置，并根据所述转子位置向所述驱动电路提供控制信号；检测指示所述永磁体转子的转速的信号，当所述指示信号指示所述永磁体转子的转速未超过预定的速度时，控制驱动电路用所述多相电压信号的第一波形驱动马达的定子线圈；以及当所述指示信号指示所述永磁体转子的转速超过所述预定速度时，控制驱动电路用所述多相电压信号的第二波形驱动马达的定子线圈，其中所述第二波形被选择为以小于当由所述第一波形驱动时马达的效率的效率驱动马达。

当无刷DC马达在不需要制动效果时以第一波形被驱动，并且在检测到增加的速度时以导致马达效率较低的另一个波形被驱动时，能量在马达中耗散，其结果是可以实现期望的制动效果。

本发明还涉及一种包括程序代码装置的计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时用于执行上述方法的步骤，还涉及其上存储有程序代码装置的计算机可读介质，当所述程序代码装置在计算机上运行时用于执行上述方法。

附图说明

现在将参考附图在下面更完整地描述本发明的实施例，其中：

图1a和1b示出了使用致动器系统的机械装备，

图2示意性地示出了线性致动器的示例，

图3示出了从前方透视看到的线性致动器的另一个示例，

图4示出了通过图3的致动器的纵向截面，

图5示出了三相无刷DC马达的示例的示意性结构，

图6示出了用于无刷DC马达的驱动电路和控制电路，

图7示出了三相无刷DC马达的梯形反电动势的示例，

图8示出了如何通过梯形反电动势和由马达产生的扭矩在三相无刷DC马达的三相之间切换马达电流，

图9和10图示了在图5的无刷DC马达中如何控制马达电流的换向，

图11示出了三相无刷DC马达的正弦反电动势的示例，

图12示出了如何用正弦反电动势和由马达产生的扭矩在三相无刷DC马达的三相之间切换马达电流，

图13示出了驱动电路和控制电路，具有用于无刷DC马达的速度检测器，

图14图示了在无刷DC电马达中从一相换到另一相可以如何在与由霍尔效应传感器建议的角位置不同的角位置处进行以降低马达的效率，

图15图示了可以如何通过在短时间内将所施加的三相电压的频率改变到较高频率来修改施加到无刷DC马达的波形以降低马达的效率，

图16图示了可以如何通过在一段时间内根据降低马达效率所需的制动效果而在正常施加的三相电压上叠加较高频率的信号来修改施加到无刷DC马达的波形，

图17图示了可以如何通过以根据降低马达效率所需的制动效果而确定的幅度在通常施加的三相电压上叠加较高频率的信号来修改施加到无刷DC马达的波形，以及

图18示出了图示用无刷DC马达控制线性致动器以降低马达效率的流程图。

具体实施方式

图1a和1b图示了使用其中可以利用本发明的致动器系统的机械装备1。装备1可以表示几种不同应用中的任何一种，诸如卡车、农业机械、工业自动化装备、医院和护理床、休闲床和椅子、桌子或其它高度可调的家具以及若干其它类似的应用。装备1包括布置在基座4和其上示出负载6的承载元件5之间的线性致动器2。可替代地，装备1还可以包括两个或更多个线性致动器。虽然这种致动器也可以用于在水平方向上移动负载或元件，但是本说明书涉及负载要在竖直方向上或至少在非水平方向上移动的应用。在这些情况下，线性致动器可以用于推动和拉动负载两者，负载可以是动态的也可以是静态的。要注意的是，为了在竖直方向上移动负载，线性致动器不需要如图1a和1b所示那样竖直布置。通过使用连杆，负载的竖直移动可以从布置在其它位置(例如，水平)的线性致动器获得。

在图1a中，承载元件5和负载6在较低的位置被示出，而在图1b中，承载元件5和负载6已经被线性致动器2提升到升高的位置。

图2示意性地示出了与图1a和1b中所示的线性致动器2对应的线性致动器10的示例。线性致动器10包括可逆电马达12、通常具有若干级的传动装置或减速齿轮13、具有螺纹15的主轴14、接合螺纹15的主轴螺母16以及管状激活元件17。在激活元件17的端部，放置用于将线性致动器10安装到例如承载元件的安装支架18。当马达12旋转主轴14时，主轴螺母16沿着主轴14移动，从而将旋转变换为激活元件17的线性移动。要注意的是，对于一些马达类型，可逆电马达12可以直接驱动主轴14，使得可以避免传动装置13。

尤其是对于重负载，提升负载比降低负载需要显著更多的能量。换言之，当向上移动负载时，电马达12必须提供比向下移动相同的负载时更高的扭矩。当向上移动负载时，马达向系统供给能量，并且当向下移动负载时，该能量必须再次被释放。如果主轴不是自锁的，则当向下移动负载时，需要制动效果来防止主轴14并因此防止负载加速到高于预期速度的速度。

线性致动器10的主轴是自锁的还是非自锁的取决于主轴14的螺距。如果螺距小于摩擦角，则主轴是自锁的，而如果螺距大于摩擦角，则主轴是非自锁的。

图3和4更详细地示出了线性致动器20的另一个示例。致动器20的主要部件是机柜21、可逆电马达22、具有若干级的减速齿轮23、主轴24、主轴螺母26、管状活塞形式的激活元件27(也称为内管)、其导向件28(也称为外管)、安装支架29以及最后的后底座30。

目前为止，线性致动器中最常用的马达类型是传统的有刷类型的DC马达。这种马达类型的设计简单、成本低，并且其速度可以直接由DC电压或脉宽调制电压来控制。但是，在一些情况下，所谓的无刷DC马达已经用于线性致动器中。无刷DC马达具有更高的效率、更高的可靠性和更低的电磁干扰。另一方面，它们的成本较高，并且它们需要较复杂的控制电路。

普通的有刷DC马达使用布置在转子周围的定子，定子具有永磁条，转子具有缠绕在旋转的芯上的电磁体。电刷(例如石墨或其它材料)被用来在转子旋转期间将到线圈的电压切换或换向，使得维持转子运动。

在无刷DC马达中，通过在转子上安装永磁体并且在定子上安装绕组，将这一原理翻转。这消除了与将电流连接到移动的电枢相关联的问题。代替有刷DC马达的电刷或换向器组件的电子控制电路持续地切换到绕组的相位，以保持马达转动。控制器通过使用固态电路而非电刷或换向器系统来执行类似于有刷DC马达的定时功率分配。

实际上，无刷DC电马达是AC同步马达，它的通过提供AC电信号来驱动马达的控制电路由DC电源供电。AC电信号不一定具有正弦波形。它只是指双向电流，而对其波形没有任何限制。

转子上的永磁体创建转子磁通，并且通电的定子绕组创建电磁极。可以被认为等同于一个或多个条形磁体的转子被通电的定子相吸引。通过使用适当的顺序向定子相供电，在定子上创建并维持旋转的场。转子的追逐定子上的电磁极的这种动作是同步永磁体马达中使用的基本动作。

必须控制转子与旋转磁场之间的距离以产生扭矩，并且这种同步意味着了解转子的位置。换言之，控制器需要确定转子相对于定子线圈的朝向和位置的某种手段。一些设计使用霍尔效应传感器或旋转编码器来直接测量转子的位置。其它设计测量未被驱动的线圈中的反电动势(EMF)以推断转子位置，由此消除了对单独的霍尔效应传感器的需要，因此这种控制器常常被称为无传感器控制器。

具有永磁体的AC同步马达可以通过其反EMF曲线(即，反EMF的形状)来分类。在这里要注意的是，当手动旋转无刷DC马达的转子时，它变成发电机，并且所生成的电压是反EMF。在这里可以提到两种马达类型，它们都是在转子上具有永磁体的同步电马达，但是通量分布和反EMF曲线不同。它们之间的区别在于感应电压的形状，这是由两种不同的定子线圈布线方式造成的。一种类型具有梯形反EMF，而另一种具有正弦反EMF。有时关于具有梯形反EMF的马达使用术语无刷DC(BLDC)马达，而具有正弦反EMF的马达被称为永磁体同步马达(PMSM)。在这里，这两种类型都将被视为无刷DC马达。具有梯形反EMF和矩形定子电流的马达得到了广泛使用，因为当马达具有纯梯形反EMF并且定子相的换向过程准确时，由马达产生的机械扭矩是恒定的。

当驱动电压与来自马达的反EMF电压匹配时，无刷DC马达的效率最高。这意味着对于具有梯形反EMF的马达，通过使用对应的梯形驱动电压获得最佳效率，并且相应地，对于具有正弦反EMF的马达，通过使用正弦驱动电压获得最佳效率。

以下将使用具有一个永磁体对极转子的三相同步电马达作为示例来更详细地描述电子换向过程的示例。要注意的是，在定子侧，三相马达是最常见的，因为它们在精确控制与控制定子电流所需的功率电子设备的数量之间提供了良好的折衷。但是，在转子侧，常常使用数量更多的极，因为它们通常对于相同的电流电平产生更大的扭矩。也使用多于三相的马达。

图5图示了具有转子32的三相无刷DC马达31的示例的示意性结构，其中转子32具有一个永磁体。在这个示例中，定子由六个电磁体33、34、35、36、37和38组成，每个电磁体具有缠绕在芯上的定子绕组或定子线圈。如可以看出的，定子线圈被标记为A、B、C和也被称为相A、B、C和定子线圈A和串联连接并缠绕在它们的芯上，使得当通过线圈的电流在相A中生成生磁北极时，该电流将在相中生成南极，反之亦然。这同样分别适用于相B和以及相C和线圈 和的自由端连接到公共点(也称为中性点)。换言之，马达的绕组以星形(Y)配置连接。图5还示出了用于检测转子位置的三个霍尔效应传感器39、40和41，如下面将描述的。

线圈A、B和C的自由端可以由驱动电路51驱动，如图6中所图示的。驱动电路51包括六个电子开关52、53、54、55、56和57，从而允许每个线圈连接到正电源电压或接地端子(或负电源电压)。驱动电路51也被称为三相逆变器，并且它在马达相中生成DC电流。开关52、53、54、55、56和57可以是任何类型的电子受控开关，诸如场效应晶体管(FET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或双极型晶体管，并且它们由控制器58接通和关断，如将在下面进一步详细描述的。用于使DC电压平滑的电容器59连接在正电源电压和接地端子之间。

为了能够在正确的时间接通和关断开关晶体管52、53、54、55、56和57并且因此接通和关断马达相中的电流，控制器58需要关于转子相对于定子线圈的朝向和位置的信息。在这个示例中，使用霍尔效应传感器。霍尔效应传感器单元60包括三个布置在马达上的单独的霍尔效应传感器39、40和41，它们之间的角度为120°。三个霍尔效应传感器39、40和41提供三个重叠的信号，从而给出60°宽的位置范围。基于来自这些传感器的信号，控制器58可以确定转子32的当前位置并因此确定将电流从一个定子线圈切换到另一个的适当时间。如果相电流没有在适当的时间在定子线圈之间换向，则马达的效率将会降低。

图7图示了这个示例中的马达31被设计为具有梯形反EMF。对于转子上的一次完整旋转(对应于360°)，单独示出三个定子相位A、B和C中的每一个的反EMF。

图8图示了如何在控制器58的控制下由开关52、53、54、55、56和57在三相A、B和C之间切换马达电流。原理是，在反EMF对于一相处于高正电平的间隔中，该相由开关52、54或56中的一个连接到正电源电压，从而在对应定子线圈中导致正电流。相应地，在反EMF处于高负电平的间隔中，相通过开关53、55或57中的一个连接到地(或负电源电压)，从而在定子线圈中导致负电流。以这种方式，所施加的电压与反EMF匹配。在相的反EMF改变方向的间隔中，该相被断开。

在图9中图示了与图5对应的情况，其中转子32与定子线圈A和成直线，即，其中角位置θ₀为0°。为了使转子32顺时针方向旋转，相C通过开关56连接到正电压，以实现线圈C和中的正定子电流，而相B通过开关55接地，以实现线圈B和中的负定子电流。这些电流值也在图8中示出。结果是磁北极在电磁体和C处生成，并且磁南极在电磁体和B处生成。因此，转子的磁北极被相的南极吸引并且被相的北极推开。类似地，转子的磁南极被相C的北极吸引并被相B的南极推开。因此，获得转子的顺时针旋转。

当转子32的角位置达到等于30°的θ₁时，即，转子的北极位于电磁体A和之间的中间时，这由霍尔效应传感器检测，通过关断开关56并接通开关52，正电流从相C切换(换向)到相A。图10示出了这种情况，并且电流的换向也在图8中图示。

图8示出了在转子顺时针旋转期间这种换向过程如何继续。在θ₂(＝90°)时，通过关断开关55并接通开关57，负电流从相B换向到相C，等等。在任何时候，转子32的每个极都被其前方的电磁体吸引并被其后面的电磁体推开。霍尔效应传感器39、40和41确保每次换向可以由控制器58正确地定时。原理是在任何时候都激励可以产生最高扭矩的相对。因此，如果换向不在与转子位置对应的正确时间发生，则产生较低的扭矩，从而导致马达的效率降低。

图8还示出了在三相A、B和C中的每一相中产生的扭矩T_A、T_B和T_C。除了扭矩对于正相电流和负相电流为正之外，每一相中的扭矩产生几乎与相电流成正比。可以看出，由马达产生的总扭矩T(即，在三相中产生的扭矩的总和)随着时间的推移几乎是恒定的。但是，实际上，电流不能在马达相中立即建立，如也在图8中图示的。因此，在每次60°相位换向时存在小的扭矩波纹。

要注意的是，在图8中，相电流和产生的扭矩被示为转子32的角位置θ的函数。但是，当马达以恒定速度运行时，x轴也可以示出时间t，使得可以看到图示相电流和产生的扭矩作为时间的函数的相同的曲线。

马达的反EMF与马达速度成正比，并且由于反EMF与施加的电压相匹配，这意味着可以通过调整所施加的DC电压电平来控制马达速度。因此，如果马达转速应当增加，则向马达施加更高的DC电压并且速度将相应地增加。霍尔效应传感器确保换向被同步到更高的速度。可替代地，可以使用脉宽调制(PWM)。在该情况下，使用恒定的DC电压并且代替地通过调整脉宽调制的占空比来控制马达速度。

如上面所提到的，无刷DC马达也可以被设计为具有正弦反EMF，并且在那种情况下，通过用正弦驱动电压驱动马达来实现最高的效率。图11图示了这种马达的反EMF。三个定子相A、B和C中的每一个的反EMF在转子上的一次完整旋转(对应于360°)中单独示出。

类似于图8，图12图示了当正弦驱动电压被施加到马达时三相A、B和C中的马达电流。如图6中所示，这仍然可以用六个晶体管52、53、54、55、56和57完成，但是现在在控制器58的控制下将晶体管驱动为放大器而非如上面的情况中的开关。同样地，所施加的电压与反EMF相匹配，并且来自霍尔效应传感器39、40和41的信号使得控制器58能够使正弦驱动电压与转子的旋转同步。

图12还示出了在三相A、B和C中的每一相中产生的扭矩T_A、T_B和T_C。在这里，除了扭矩对于正相电流和负相电流为正之外，每一相中的扭矩产生也几乎与相电流成正比。可以看出，由马达产生的总扭矩T(即，在三相中产生的扭矩的总和)随着时间的推移基本是恒定的。因此，在这种情况下，不存在扭矩纹波。

在这种情况下，马达速度可以通过调整所施加的正弦电压的幅度来控制，或者可以如上使用脉宽调制。

要注意的是，上面所述并且在图5中示出的无刷DC马达是常规的或所谓的内转子(inrunner)配置，其中转子的永磁体被定子绕组包围。无刷DC马达也以所谓的外转子或外部转子配置存在，其中线圈与磁体之间的径向关系反转，使得定子线圈形成马达的中心(芯)，而永磁体布置在围绕芯的外悬(overhanging)转子内。关于本发明，两种配置都可以使用。

如上面所提到的，当线性致动器的主轴不是自锁的，需要制动效果以当在向下方向上移动负载时防止主轴并因此防止负载加速到高于预期速度的速度。

下面示出了可以如何控制无刷DC马达以提供所需的制动效果。

在图13中图示的本发明的实施例中，控制器58包括速度检测器61，其可以检测无刷DC马达31何时加速到高于预期速度的速度。可以以不同方式检测马达的实际速度。一种可能性是由三个霍尔效应传感器39、40和41检测实际的马达速度。基于来自这些传感器的信号，速度检测器61可以确定转子32的当前速度，并且将结果与表示预计或预期速度的参考值进行比较。如果超过预期速度，则速度检测器61向控制器58提供信号，从而使其为马达提供制动效果，如下面将要描述的。

代替于使用霍尔效应传感器39、40和41，速度检测器61还可以通过测量由马达生成的反EMF的频率来检测马达的实际速度。同样地，可以将结果与表示预计或预期速度的参考值进行比较。如果超过预期速度，则速度检测器61向控制器58提供信号，从而使其为马达提供制动效果。

检测无刷DC马达31加速到高于预期速度的速度的另一种可能性是测量马达电流，这可以通过将小电阻器插入到六个开关晶体管52、53、54、55、56和57的供电线中并测量电阻两端的电压降来实现。如前面所提到的，马达电流与马达所需的扭矩成比例，并且当线性致动器的负载在向下方向上加速时，马达需要极小的扭矩或不需要扭矩，这意味着马达电流会降到非常低的值。因此，如果马达电流降到预定极限以下，则这指示无刷DC马达31正在加速到高于预期速度的速度，并且速度检测器61可以向控制器58提供信号，从而使其向马达提供制动效果。

检测无刷DC马达31加速到高于预期速度的速度的另一种可能性是测量到六个开关晶体管52、53、54、55、56和57的电源电压。当线性致动器的负载在向下方向上加速时，使得马达至少部分地用作发电机，这意味着电源电压将增加，因为所生成的电压被加到现有的电源电压上。因此，如果检测到电源电压的增加，则这指示无刷DC马达31正在加速到高于预期速度的速度，并且速度检测器61可以向控制器58提供信号，从而使其向马达提供制动效果。

当控制器58从速度检测器61接收到指示无刷DC马达31正在加速到高于预期速度的速度的信号时，其被配置为修改到晶体管52、53、54、55、56和57的控制信号，使得施加到马达的相电压和相电流也被修改，以实现制动效果。

如上面所提到的，当驱动电压与来自马达的反EMF电压匹配时，无刷DC马达的效率最高。对于具有梯形反EMF的马达，通过使用对应的梯形驱动电压获得最佳效率，并且相应地，对于具有正弦反EMF的马达，通过使用正弦驱动电压获得最佳效率。而且如上面所提到的，如果定子线圈之间的相电流的换向没有在由霍尔效应传感器39、40和41限定的正确时间进行，则马达的效率降低。这意味着可以通过修改所施加的波形和/或改变换向时间来有意降低马达的效率。以这种方式，能量被马达耗散，结果是实现了制动效果。

对于具有正弦反EMF的无刷DC马达，有意降低马达效率的一种方式是使用梯形驱动电压，即，根据图8而不是图12来驱动马达。这将导致产生的扭矩值与图12相比降低，并且其不是恒定的，而是由正弦波的部分组成。降低的扭矩产生给出了降低的效率，因此实现了制动效果。

对于具有梯形反EMF的无刷DC马达，在图14中图示了降低马达效率的另一个示例。在这里，通过在与由霍尔效应传感器39、40和41建议的角位置或时间不同的角位置或时间处从一相换向到另一相来降低效率。在正常状况下(即，当不需要制动时)，如图8中图示的，在转子的角位置θ₃处正电流应当已经从相A换向到相C。但是，当控制器58从速度检测器61接收到指示无刷DC马达31正在加速到高于预期速度的速度的信号时，控制器58可以将换向推迟到如图14中所示的转子的角位置θ₄(即，稍后的时间)。因此，在从角位置θ₃到角位置θ₄的间隔中，由于不存在电流，因此在相B中不会产生扭矩，并且在相A中扭矩将随着转子接近它与相A的线圈相符的位置而逐渐减小。当经过该位置时(即，在θ₄之前不久)，扭矩甚至会变成负值，因为A相的电磁体现在将尝试将转子拉回到该位置。因此，总扭矩降低，如图14中所示。同样地，降低的扭矩产生导致制动效果。

根据由速度检测器61检测到的所实现的制动效果，换向的推迟可能必须重复若干次和/或可能必须根据实现的效果来调整推迟的量。作为如图14中所示的推迟换向的可替代方案，它还可以在由霍尔效应传感器39、40和41建议的角位置或时间之前提前发生。

这种降低马达效率的方案也可以用于具有正弦反EMF的无刷DC马达。在该情况下，正弦波形将取决于所施加的延迟量或提前量而失真。

图15示出了在无刷DC马达正加速到高于预期速度的速度的情况下可以如何有意降低无刷DC马达的效率以获得制动效果的另一个示例。这个示例是针对具有正弦反EMF的无刷DC马达说明的，但同样的方案也可以用于具有梯形反EMF的无刷DC马达。当控制器58从速度检测器61接收到指示无刷DC马达31正在加速到高于预期速度的速度的信号时，控制器58被配置为通过在短时间内将所施加的三相电压的频率改变到更高的频率来修改所施加的波形。这意味着，在此期间，由无刷DC马达的定子线圈创建的磁场将比转子能够跟随的快得多地旋转，并且在这段时间的相当大的一部分当中，各相中的至少一相中产生的扭矩将是负的。这在图15中图示。当相中的电流与根据转子位置所预期的方向相反时，在该相中产生负扭矩。以这种方式，实现了制动效果。

在图15中，在控制器返回到使用与预期转速对应的正常频率之前，在较高频率的一个周期内(即，在从转子的角位置θ₅到角位置θ₆的间隔中)维持该频率。但是，根据该情况所需的制动量，较高频率可以维持更短或更长的时间。频率也可以变化。在图15中，较高频率被示为比对应于预期转速的正常频率高大约六倍，但是在实际实现中，这个因子通常会更高。两个频率彼此越接近，获得的制动效果将越高。作为示例，当来自速度检测器61的信号指示无刷DC马达31正在加速到高于预期速度的速度时，控制器58可以开始使用比正常频率高20倍的频率。如果来自速度检测器61的信号然后指示需要更多的制动，则控制器可以继续使用比正常频率高10倍的频率。如果这还不够，则控制器可以使用比正常频率高5倍的频率。

代替于通过在短时间内将所施加的三相电压的频率改变到更高的频率来修改所施加的波形，在可替代实施例中，控制器58可以被配置为通过在短时间内将所施加的三相电压的频率改变到较低的频率来修改所施加的波形。同样地，在这种情况下，由无刷DC马达的定子线圈创建的旋转磁场将与转子不同步，其结果是实现了制动效果。

在图16中示出了为了获得制动效果可以如何有意降低无刷DC马达的效率的又一个示例。这个示例是针对具有正弦反EMF的无刷DC马达说明的。当控制器58从速度检测器61接收到指示无刷DC马达31正在加速到高于预期速度的速度的信号时，控制器58被配置为通过在取决于所需制动效果的时间内在正常施加的三相电压上叠加较高频率的信号来修改所施加的波形。在图16中，这个较高的频率的信号在从转子的角位置θ₇到角位置θ₈的间隔中叠加。叠加的信号可以被认为是噪声信号或调制信号。同样地，叠加信号的效果是马达的扭矩产生被降低，从而实现了制动效果。

叠加频率的持续时间可以根据所需的制动效果来选择。如果来自速度检测器61的信号指示所实现的制动效果不足，则可以延长持续时间，或者可以增加叠加信号的幅度。

在该方案的可替代实施例中，永久地叠加较高频率的信号，并且代替地，根据所需的制动效果而改变其幅度。当不需要制动效果时(即，在正常状况下)，幅度被设置为零或接近零，并且当来自速度检测器61的信号指示需要制动效果时，可以将幅度增加到预选的值。如果来自速度检测器61的信号然后指示实现的制动效果不足，则可以增加幅度。如果速度检测器61指示实现的制动效果过高，则可以代替地将幅度降低到较低的值。

图17中图示了这种情况。在转子的角位置θ₉之前，该图图示了不需要制动效果的情况，因此叠加的频率信号的幅度被设置为零。但是，在转子的角位置θ₉处，速度检测器61指示需要制动效果，并且幅度增加到预选的值。也可以检测转子的实际速度与预期速度之间的差，然后根据该差来选择叠加信号的幅度。以这种方式，可以根据需要自动调整制动效果。

可以通过修改控制器58中的控制程序来实现用于有意降低无刷DC马达的效率以获得制动效果的上面提到的实施例中的任何一个。如图13中所示，控制器58可以包括被配置为以控制器58可读的格式存储控制程序或计算机程序的存储器62。存储器62可以是可移除的，使得可以通过根据期望实施例将存储器62(其被认为是计算机可读介质)替换为另一个来从上述实施例中的一个变换到另一个。

如果发生了到系统的电力无意地中断的情况，则上述实施例至少在一定程度上仍然能够防止线性致动器上的负载在向下方向上失控加速。当电力断开时，只要电容器59可以供给足够的电压，控制器58和驱动电路51就将继续工作。当这种情况不再发生时，马达将保持在没有任何施加电压的状态，并且在重负载的情况下，将开始不受控制的向下加速。但是，当发生这种情况时，马达将作为发电机开始工作，并且所生成的电压将向电容器59充电。一旦电容器59被充电到足够的电压电平，它就可以再次向控制器58和驱动电路51供给电压，并且它们将再次开始工作并通过如上所述提供制动效果来重新获得对马达的控制。当然，然后电容器59再次被放电，但是然后该过程将以与不存在制动效果的情况相比可以显著降低的速度自己重复，直到负载达到其较低位置。

图18示出了流程图100，其图示使用具有驱动电路51和控制器58的无刷DC马达31来控制线性致动器以提供如上所述的制动效果的方法。在步骤101中，从驱动电路51向无刷DC马达31的定子线圈提供多相电压信号，以使其转子32旋转。在步骤102中，例如，借助于霍尔效应传感器39、40和41检测转子32的当前位置，并且根据该位置在步骤103中从控制器58向驱动电路51提供控制信号，以确保旋转磁场与转子之间的同步。在步骤104中，在速度检测器61中检测指示转子的当前速度的信号。如上所述，该信号可以例如根据霍尔效应传感器39、40和41、马达电流或电源电压得出。然后在步骤105中将该信号与表示预期或预定速度的信号进行比较。如果信号指示没有超过预期速度，则在步骤106中控制驱动电路以利用多相电压信号的波形驱动马达，这确保马达的正常和预期效率。另一方面，如果信号指示超过了预期速度，则替代地在步骤107中控制驱动电路利用如上所述修改的多相电压信号的波形来驱动马达，以确保马达的较低效率，其结果是实现了期望的制动效果。

换言之，公开了一种包括无刷DC马达的线性致动器，该无刷DC马达包括：多个定子线圈和永磁体转子；驱动电路，被配置为向所述无刷DC马达的定子线圈提供多相电压信号；以及控制器，用于检测所述永磁体转子的位置并根据所述转子位置向所述驱动电路提供控制信号。该线性致动器还包括用于检测指示所述永磁体转子的转速的信号的检测器电路，并且控制器还被配置为：当所述指示信号指示所述永磁体转子的转速未超过预定速度时，控制驱动电路用所述多相电压信号的第一波形驱动马达的定子线圈；以及当所述指示信号指示所述永磁体转子的转速超过所述预定速度时，控制驱动电路用所述多相电压信号的第二波形驱动马达的定子线圈，其中所述第二波形被选择为以小于当由所述第一波形驱动时马达的效率的效率驱动马达。

当无刷DC马达在不需要制动效果时以第一波形被驱动，并且在检测到增加的速度时以导致马达效率较低的另一个波形被驱动时，能量在马达中耗散，其结果是可以实现期望的制动效果。

在一些实施例中，所述无刷DC马达是具有梯形反电动势的类型，并且控制器和驱动电路被配置为通过在根据所述转子位置确定的时间在定子线圈之间换向相电流来提供所述多相电压信号的所述第一波形，使得多相电压信号具有与所述永磁体转子的转速对应的频率。

在其它实施例中，所述无刷DC马达是具有正弦反电动势的类型，并且控制器和驱动电路被配置为根据所述转子位置提供所述多相电压信号的所述第一波形作为具有与所述永磁体转子的转速对应的频率的多相正弦电压信号。

在线性致动器的实施例中，控制器和驱动电路还被配置为通过在与根据所述转子位置确定的时间不同的时间换向至少一个相电流来提供所述第二波形。当从一相换到另一相在时间或角位置上延迟或提前时，由马达传递的扭矩降低，因此其效率降低，其结果是实现制动效果。

在线性致动器的另一个实施例中，控制器和驱动电路还被配置为通过在预定时间段内将多相电压信号的频率改变为与对应于所述永磁体转子的转速的频率不同的频率来提供所述第二波形。当多相电压信号的频率改变时，由无刷DC马达的定子线圈产生的旋转磁场将与转子的旋转不同步。这降低了马达的扭矩产生和效率，并且实现了制动效果。

在线性致动器的又一个实施例中，控制器和驱动电路还被配置为通过在多相电压信号上叠加其频率高于与所述永磁体转子的转速对应的频率的信号来提供所述第二波形。

在这个实施例中，控制器和驱动电路还可以被配置为在预定时间段或根据指示所述永磁体转子的转速的所述信号确定的时间段内叠加所述较高频率信号。可替代地，控制器和驱动电路还可以被配置为将所述较高频率信号与根据指示所述永磁体转子的转速的所述信号确定的幅度叠加。

致动器系统可以包括如上所述的至少一个线性致动器。以这种方式，致动器系统受益于线性致动器的所述优点。

在控制线性致动器的方法中，其中线性致动器包括无刷DC马达，该无刷DC马达包括：多个定子线圈和永磁体转子；驱动电路；以及控制器，所述方法包括以下步骤：从驱动电路向所述无刷DC马达的定子线圈提供多相电压信号；检测所述永磁体转子的位置，并根据所述转子位置向所述驱动电路提供控制信号；检测指示所述永磁体转子的转速的信号，当所述指示信号指示所述永磁体转子的转速未超过预定速度时，控制驱动电路用所述多相电压信号的第一波形驱动马达的定子线圈；以及当所述指示信号指示所述永磁体转子的转速超过所述预定速度时，控制驱动电路用所述多相电压信号的第二波形驱动马达的定子线圈，其中所述第二波形被选择为以小于当由所述第一波形驱动时马达的效率的效率驱动马达。

当无刷DC马达在不需要制动效果时以第一波形被驱动，并且在检测到增加的速度时以导致马达效率较低的另一个波形被驱动时，能量在马达中耗散，其结果是可以实现期望的制动效果。

还公开了一种包括程序代码装置的计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时用于执行上述方法的步骤，还公开了一种其上存储有程序代码装置的计算机可读介质，当所述程序代码装置在计算机上运行时用于执行上述方法。

虽然已经描述和示出了本发明的各种实施例，但是本发明不限于此，而是还可以在以下权利要求中限定的主题的范围内以其它方式来实现。

Claims (13)

1.一种线性致动器(2，3；10；20)，包括：

·无刷DC马达(31)，包括多个定子线圈(A，B，C，)和永磁体转子(32)；

·驱动电路(51)，被配置为向所述无刷DC马达(31)的定子线圈提供多相电压信号；以及

·控制器(58)，用于检测所述永磁体转子(32)的位置，并且根据所述转子位置向所述驱动电路(51)提供控制信号，

其特征在于，

线性致动器(2，3；10；20)还包括用于检测指示所述永磁体转子(32)的转速的信号的检测器电路(61)，并且

控制器(58)还被配置为

·当所述指示信号指示所述永磁体转子(32)的转速未超过预定速度时，控制驱动电路(51)用所述多相电压信号的第一波形驱动马达的定子线圈；以及

·当所述指示信号指示所述永磁体转子(32)的转速超过所述预定速度时，控制驱动电路(51)用所述多相电压信号的第二波形驱动马达的定子线圈，

其中所述第二波形被选择为以小于当由所述第一波形驱动时马达的效率的效率驱动马达(31)。

2.如权利要求1所述的线性致动器，其特征在于所述无刷DC马达(31)是具有梯形反电动势的类型，并且控制器(58)和驱动电路(51)被配置为通过在根据所述转子位置确定的时间在定子线圈之间换向相电流来提供所述多相电压信号的所述第一波形，使得多相电压信号具有与所述永磁体转子的转速对应的频率。

3.如权利要求1所述的线性致动器，其特征在于所述无刷DC马达(31)是具有正弦反电动势的类型，并且控制器(58)和驱动电路(51)被配置为根据所述转子位置提供所述多相电压信号的所述第一波形作为具有与所述永磁体转子的转速对应的频率的多相正弦电压信号。

4.如权利要求2所述的线性致动器，其特征在于控制器(58)和驱动电路(51)还被配置为通过在与根据所述转子位置确定的时间不同的时间换向至少一个相电流来提供所述第二波形。

5.如权利要求2或3所述的线性致动器，其特征在于控制器(58)和驱动电路(51)还被配置为通过在预定时间段内将多相电压信号的频率改变为与对应于所述永磁体转子(32)的转速的频率不同的频率来提供所述第二波形。

6.如权利要求3所述的线性致动器，其特征在于控制器(58)和驱动电路(51)还被配置为通过在多相电压信号上叠加其频率高于与所述永磁体转子(32)的转速对应的频率的信号来提供所述第二波形。

7.如权利要求6所述的线性致动器，其特征在于控制器(58)和驱动电路(51)还被配置为在预定时间段内叠加所述较高频率信号。

8.如权利要求6所述的线性致动器，其特征在于控制器(58)和驱动电路(51)还被配置为在根据指示所述永磁体转子(32)的转速的所述信号确定的时间段内叠加所述较高频率信号。

9.如权利要求6所述的线性致动器，其特征在于控制器(58)和驱动电路(51)还被配置为叠加具有根据指示所述永磁体转子(32)的转速的所述信号确定的幅度的所述较高频率信号。

10.一种致动器系统，包括至少一个如权利要求1至9中任一项所述的线性致动器。

11.一种控制线性致动器(2，3；10；20)的方法，所述线性致动器包括：

·无刷DC马达(31)，包括多个定子线圈(A，B，C，)和永磁体转子(32)；

·驱动电路(51)；以及

·控制器(58)，

所述方法包括以下步骤：

·从驱动电路(51)向所述无刷DC马达(31)的定子线圈提供(101)多相电压信号；

·检测(102)所述永磁体转子(32)的位置并且根据所述转子位置向所述驱动电路(51)提供(103)控制信号；

·检测(104)指示所述永磁体转子(32)的转速的信号；

·当所述指示信号指示所述永磁体转子(32)的转速未超过预定速度时，控制(106)驱动电路(51)用所述多相电压信号的第一波形驱动马达的定子线圈；以及

·当所述指示信号指示所述永磁体转子(32)的转速超过所述预定速度时，控制(107)驱动电路(51)用所述多相电压信号的第二波形驱动马达的定子线圈，

其中所述第二波形被选择为以小于当由所述第一波形驱动时马达的效率的效率驱动马达(31)。

12.一种包括程序代码装置的计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时所述用于执行如权利要求11所述的步骤。

13.一种其上存储有程序代码装置的计算机可读介质，当所述程序代码装置在计算机上运行时用于执行如权利要求11所述的方法。