CN110752794A - 无刷电机及其控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种无刷电机及其控制系统及控制方法。该控制方法包括：根据输入指令获得向电机的功率驱动电路输出的脉宽调制信号所需要的输入占空比；若所述输入占空比大于第一阈值，向电机的功率驱动电路输出具有第一占空比的脉宽调制信号，所述第一占空比为100％。实施本发明，可降低电子开关的功率损耗，以及降低电机的成本。

Description

无刷电机及其控制系统及控制方法

【技术领域】

本发明涉及无刷电机的控制领域，更具体地，涉及无刷电机的控制系统和控制方法。

【背景技术】

无刷电机使用电子开关例如场效应晶体管(Mosfet)实现定子绕组电流的换向。通过脉宽调制(PWM)方法可控制电机的平均电压、平均电流，从而控制电机的输出，例如电机的输出转速、输出功率等。因为电子开关存在电阻，所以存在传导损耗，即，导通时会发热。因为电子开关在开关切换的过程中电压、电流不是突变的，所以存在切换损耗。传导损耗、切换损耗都损耗了能源，且增大了温升。

【发明内容】

有鉴于此，有必要提供一种可降低无刷电机驱动电路的功率损耗的控制系统及控制方法。

本发明的第一方面提供一种无刷电机的控制方法，包括：

根据输入指令获得向电机的功率驱动电路输出的脉宽调制信号所需要的输入占空比；

若所述输入占空比大于第一阈值，向电机的功率驱动电路输出具有第一占空比的脉宽调制信号，所述第一占空比为100％。

进一步地，所述第一阈值小于99％。

进一步地，若所述输入占空比在所述第一阈值与一第二阈值之间，向电机的功率驱动电路输出具有输入占空比的脉宽调制信号，其中，所述第二阈值小于所述第一阈值。

进一步地，若所述输入占空比在所述第二阈值与一第三阈值之间，向电机的功率驱动电路输出具有第二占空比的脉宽调制信号，其中，所述第三阈值小于所述第二阈值，所述第二占空比为0。

进一步地，若所述输入占空比在所述第三阈值与一第四阈值之间，向电机的功率驱动电路输出具有第三占空比的脉宽调制信号，其中，所述第四阈值小于所述第三阈值，所述第三占空比等于或接近100％。

本发明的第二方面提供一种无刷电机的控制系统，包括：

获取模块，用于根据输入指令获得向电机的功率驱动电路输出的脉宽调制信号所需要的输入占空比；

判断模块，用于判断所述输入占空比是否大于第一阈值；

调整模块，若所述输入占空比大于第一阈值，所述调整模块向电机的功率驱动电路输出具有第一占空比的脉宽调制信号，其中，所述第一占空比为100％。

进一步地，所述第一阈值在60％-90％之间。

进一步地，若所述输入占空比在所述第一阈值与一第二阈值之间，所述调整模块向电机的功率驱动电路输出具有输入占空比的脉宽调制信号，其中，所述第二阈值小于所述第一阈值。

进一步地，若所述输入占空比在所述第二阈值与一第三阈值之间，向电机的功率驱动电路输出具有第二占空比的脉宽调制信号，其中，所述第三阈值小于所述第二阈值，所述第二占空比为0。

进一步地，若所述输入占空比在所述第三阈值与一第四阈值之间，向电机的功率驱动电路输出具有第三占空比的脉宽调制信号，其中，所述第四阈值小于所述第三阈值，所述第三占空比等于或接近100％。

本发明的第三方面提供一种存储设备，其中存储有多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行：

根据输入指令获得向电机的功率驱动电路输出的脉宽调制信号所需要的输入占空比；

若所述输入占空比大于第一阈值，向电机的功率驱动电路输出具有第一占空比的脉宽调制信号，所述第一占空比为100％。

本发明的第四方面提供一种无刷电机，包括：

处理器，适于实现各指令；以及

存储设备，其中存储有多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行：

根据输入指令获得向电机的功率驱动电路输出的脉宽调制信号所需要的输入占空比；

若所述输入占空比大于第一阈值，向电机的功率驱动电路输出具有第一占空比的脉宽调制信号，所述第一占空比为100％。

采用本发明的实施例，在输入占空比高于第一阈值时控制电机全速运转，可避开电子开关的高耗能区域，降低电子开关的功率损耗，从而达到电子开关节能的效果，减小电子开关的封装尺寸和散热器尺寸以提高功率密度，降低了电机的成本。

【附图说明】

图1为本发明第一实施例提供的一种无刷电机的控制方法的流程示意图；

图2为本发明第二实施例提供的无刷电机的控制方法的流程示意图；

图3为Mosfet的功率损耗与PWM的占空比的关系曲线图；

图4为本发明第三实施例提供的无刷电机的控制方法的流程示意图；

图5是图4所示实施例的电机转速与输入占空比的关系示意图；

图6为本发明第四实施例提供的无刷电机的控制方法的流程示意图；

图7是图6所示实施例的电机转速与输入占空比的关系示意图；

图8为本发明一实施例提供的无刷电机的控制系统的原理框图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

本发明的控制系统适用于控制无刷电机，例如三相无刷直流电机，该无刷电机可适用于泵、风扇、引擎冷却模组等。电机的功率驱动电路通常包括多个半导体开关元件，如4个，6个等，在控制器的控制下将来自电源的电压转换为交流电提供给电机以驱动电机运转。

参考图1，为本发明提供的一种无刷电机的控制方法的第一实施例的流程图。该控制方法包括：

步骤S101，根据输入指令获得向电机的功率驱动电路输出的脉宽调制信号所需要的输入占空比。

本领域技术人员可以理解，所述输入指令根据无刷电机应用的设备不同可以具有不同的形式，比如，当所述无刷电机用于驱动风扇时，所述输入指令可以是风扇的风速或风速档位。当所述无刷电机适用于引擎的冷却模组时，所述输入指令可以对应引擎的温度。

步骤S103，当输入占空比大于第一阈值时，向电机的功率驱动电路输出具有第一占空比的脉宽调制信号。所述第一占空比大于所述输入占空比，优选的，所述第一占空比为100％。当无刷电机以第一占空比的脉宽调制信号驱动时，无刷电机全速运转。替换地，所述第一占空比接近100％，本说明书和权利要求书中，“接近100％”是指以下情形：在99％至100％(含)之间，如99％，99.5％，99.9％等。

本发明中，第一阈值根据电机应用的环境设置，可以为小于99％的任意值，例如通常可以为60％-90％间的任意值，如60％，65％，70％，75％，80％，85％或90％等，当然其它适合的值，如40％，50％也是可能的。本实施例中，以第一阈值为70％为例进行说明。

图2为本发明提供的无刷电机的控制方法的第二实施例的流程图。该控制方法包括步骤S201、S202、S203和S205，其中，步骤S201与图1所示方法的步骤S101相同，即，根据输入指令获得向电机的功率驱动电路输出的脉宽调制信号所需要的输入占空比。

步骤S202，判断输入占空比是否大于第一阈值，若所述输入占空比大于第一阈值，则流程进入步骤S203；否则，流程进入步骤S205。

步骤S203，向电机的功率驱动电路输出具有第一占空比的脉宽调制信号。优选的，所述第一占空比为100％。当无刷电机以第一占空比的脉宽调制信号驱动时，无刷电机全速运转。

步骤S205，向电机的功率驱动电路输出具有输入占空比的脉宽调制信号。

图3示出了Mosfet的功率损耗与向电机的功率驱动电路输出的脉宽调制信号(PWM)的占空比的关系，其中，横轴表示脉宽调制信号的占空比，纵轴表示Mosfet的功率损耗，曲线Lc表示Mosfet的传导损耗，曲线Ls表示Mosfet的切换损耗，曲线Lt表示Mosfet的传导损耗与切换损耗的总和。

从图3中可以看出，实施本发明，当输入占空比大于第一阈值(如70％)时，因为使用第一占空比(例如100％)驱动无刷电机，Mosfet的切换损耗Ls接近为0，Mosfet的整体功率损耗Lt基本等于Mosfet的传导损耗Lc，从而避开Mosfet的高耗能区域(占空比范围大于70％小于100％的区域)，降低电子开关的功率损耗。

从图3中还可以看出，通过实施本发明，在电机的转速所需要的占空比大于第一阈值时，因为实际占空比调整为100％(即，第一占空比)，导致能量损耗小于占空比为第一阈值时的能量损耗。

图4为本发明提供的无刷电机的控制方法的第三实施例的流程图。该控制方法包括：

步骤S301、S302、S303、S304、S305以及步骤S307，其中，步骤S301、S302、S303，S305分别与图2所示的步骤S201、S202、S203和S205相同，这里不再赘述。步骤S302中，判断输入占空比是否大于第一阈值，若所述输入占空比大于第一阈值，则流程进入步骤S303；否则，流程进入步骤S304。

步骤S304，判断输入占空比是否在第二阈值和第一阈值之间，其中，第二阈值小于第一阈值。如是，则流程进入S305，即，向电机的功率驱动电路输出具有输入占空比的脉宽调制信号；如输入占空比小于第二阈值，流程进入步骤S307，向电机的功率驱动电路输出具有第二占空比的脉宽调制信号。优选地，第二占空比为0。当无刷电机以第二占空比的脉宽调制信号驱动时，无刷电机停止运转。本实施例中，占空比小于第二阈值的区间为电机提供了一种停止模式，只有输入占空比大于第二阈值，电机才启动，本实施方式中，电机的启动速度为25％，其他实施方式中，电机的启动速度还可以为其他合适的值，如20％，30％等。

该实施例中，电机转速与输入占空比的关系如图5所示。

参考图5，当输入占空比小于第二阈值时，向电机的功率驱动电路输出具有第二占空比(即0)的脉宽调制信号，此时，电机转速为0。当第一占空在第二阈值与第一阈值之间时，向电机的功率驱动电路输出具有输入占空比的脉宽调制信号，此时，电机转速随着输入占空比的改变而改变。当输入占空比大于第一阈值时，向电机的功率驱动电路输出具有第一占空比(即100％)的脉宽调制信号，此时，电机为全速转动。

图6为本发明提供的无刷电机的控制方法的第四实施例的流程图。该控制方法包括以下步骤：

步骤S401-S407以及步骤S409，其中，步骤S401-S405、S407分别与图4所示步骤S301-S305、S307相同，这里不再赘述。步骤S404，判断输入占空比是否在第二阈值和第一阈值之间，其中，第二阈值小于第一阈值。如是，则流程进入S405；如否，流程进入步骤S406。

步骤S406，判断输入占空比是否在第三阈值和第二阈值之间，其中，第三阈值小于第二阈值。如是，则流程进入步骤S407。否则，流程进入步骤S409。

步骤S409，向电机的功率驱动电路输出具有第三占空比的脉宽调制信号。优选地，第三占空比为100％，当无刷电机以第三占空比的脉宽调制信号驱动时，无刷电机全速运转。输入占空比小于第三阈值的区间为电机提供了一种紧急模式，例如，一旦电机的控制信号与地短路，将控制电机以最大转速旋转。

该实施例中，电机转速与输入占空比的关系如图7所示。

图7中，横轴表示根据输入指令获得向电机的功率驱动电路输出的脉宽调制信号所需要的输入占空比，纵轴表示实施本发明的控制方法后的电机转速。输入占空比和无刷电机的转速都用百分数来表示。

可以看出，当输入占空比大于第一阈值时，向电机的功率驱动电路输出为100％的第一占空比的脉宽调制信号，无刷电机以第一占空比的脉宽调制信号驱动。此时无刷电机全速运转，如此电子开关的切换损耗将趋向于0，电子开关的整体功率损耗基本等于传导损耗，就可避开电子开关的高耗能区域，降低电子开关和电机驱动电路的功率损耗。

当输入占空比在第二阈值与第一阈值之间时，向电机的功率驱动电路输出具有输入占空比的脉宽调制信号，无刷电机以输入占空比的脉宽调制信号驱动。随着输入占空比的增加，电机的转速也增加，随着输入占空比的降低，电机的转速也降低。

当输入占空比在第三阈值与第二阈值之间时，向电机的功率驱动电路输出第二占空比(占空比为0)的脉宽调制信号，无刷电机不转。

当输入占空比小于第三阈值时，此时向电机的功率驱动电路输出值为100％的第三占空比的脉宽调制信号，无刷电机以第三占空比的脉宽调制信号驱动，电机全速转动。

实施本发明，可避开电子开关的高耗能区域，降低电子开关的功率损耗，从而达到电子开关节能的效果，因为电子开关功率损耗的降低，可以减小电子开关的封装尺寸，也可选用价格更低廉的电子开关，而且电机中散热器的尺寸也可适当减小，进一步降低电机的成本，并提高电机的功率密度。

参考图8，本发明实施例提供的一种无刷电机的控制系统100包括获取模块10、判断模块30和调整模块50。控制系统100相当于指令执行机构，能够接收输入指令并执行该输入指令，从而实现根据输入指令控制电机的运转，例如启动、停止、转速调节等。该输入指令可由电机外部的控制总成产生，例如，引擎冷却模组中，输入指令由引擎控制单元(ECU)产生，该输入指令包含着所期待的电机状态数据，例如期望转速范围或者电机运行档位等。

获取模块10用于根据输入指令获得向电机的功率驱动电路输出的脉宽调制信号所需要的输入占空比。

判断模块30用于判断输入占空比与预设阈值的大小关系。预设阈值与电子开关(例如Mosfet)的类型和/或电机的应用场景有关。本实施例中，预设阈值包括第一阈值、第二阈值、第三阈值和第四阈值。

调整模块50用于根据判断模块30的判断结果进行相应的处理，例如根据判断结果调整向电机的功率驱动电路输出的脉宽调制信号所需要的占空比。

具体地，获取模块10根据输入指令获得向电机的功率驱动电路输出的脉宽调制信号所需要的输入占空比。

当判断模块30判断输入占空比大于第一阈值时，调整模块50调整向电机的功率驱动电路输出的脉宽调制信号所需要的占空比为第一占空比，优选地，第一占空比大于输入占空比，且第一占空比为100％。此时，无刷电机全速运转。

当判断模块30判断输入占空比在第二阈值与第一阈值之间时，调整模块50调整向电机的功率驱动电路输出的脉宽调制信号所需要的占空比为输入占空比，此时无刷电机以对应输入占空比的脉宽调制信号运转。

当判断模块30判断输入占空比在第三阈值与第二阈值之间时，调整模块50调整向电机的功率驱动电路输出的脉宽调制信号所需要的占空比为第二占空比，优选地，第二占空比为0。此时，无刷电机对应停止模式，不运转。

当判断模块30判断输入占空比在第四阈值与第三阈值之间时，调整模块50向电机的功率驱动电路输出的脉宽调制信号所需要的占空比为第三占空比，优选地，第三占空比为100％，此时，无刷电机全速运转。此时无刷电机对应紧急模式，全速运转。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个单元中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的模块如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一处理器执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1.一种无刷电机的控制方法，其特征在于，包括：

根据输入指令获得向电机的功率驱动电路输出的脉宽调制信号所需要的输入占空比；

若所述输入占空比大于第一阈值，向电机的功率驱动电路输出具有第一占空比的脉宽调制信号，所述第一占空比为100％。

2.根据权利要求1所述的无刷电机的控制方法，其特征在于，所述第一阈值小于99％。

3.根据权利要求1所述的无刷电机的控制方法，其特征在于，若所述输入占空比在所述第一阈值与一第二阈值之间，向电机的功率驱动电路输出具有输入占空比的脉宽调制信号，其中，所述第二阈值小于所述第一阈值。

4.根据权利要求3所述的无刷电机的控制方法，其特征在于，若所述输入占空比在所述第二阈值与一第三阈值之间，向电机的功率驱动电路输出具有第二占空比的脉宽调制信号，其中，所述第三阈值小于所述第二阈值，所述第二占空比为0。

5.根据权利要求4所述的无刷电机的控制方法，其特征在于，若所述输入占空比在所述第三阈值与一第四阈值之间，向电机的功率驱动电路输出具有第三占空比的脉宽调制信号，其中，所述第四阈值小于所述第三阈值，所述第三占空比等于或接近100％。

6.一种无刷电机的控制系统，其特征在于，包括：

获取模块，用于根据输入指令获得向电机的功率驱动电路输出的脉宽调制信号所需要的输入占空比；

判断模块，用于判断所述输入占空比是否大于第一阈值；

调整模块，若所述输入占空比大于第一阈值，所述调整模块向电机的功率驱动电路输出具有第一占空比的脉宽调制信号，其中，所述第一占空比为100％。

7.根据权利要求6所述的无刷电机的控制系统，其特征在于，所述第一阈值小于99％。

8.根据权利要求7所述的无刷电机的控制系统，其特征在于，若所述输入占空比在所述第一阈值与一第二阈值之间，所述调整模块向电机的功率驱动电路输出具有输入占空比的脉宽调制信号，其中，所述第二阈值小于所述第一阈值。

9.根据权利要求7所述的无刷电机的控制系统，其特征在于，若所述输入占空比在所述第二阈值与一第三阈值之间，向电机的功率驱动电路输出具有第二占空比的脉宽调制信号，其中，所述第三阈值小于所述第二阈值，所述第二占空比为0。

10.根据权利要求9所述的无刷电机的控制系统，其特征在于，若所述输入占空比在所述第三阈值与一第四阈值之间，向电机的功率驱动电路输出具有第三占空比的脉宽调制信号，其中，所述第四阈值小于所述第三阈值，所述第三占空比等于或接近100％。

11.一种存储设备，其中存储有多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行：

根据输入指令获得向电机的功率驱动电路输出的脉宽调制信号所需要的输入占空比；

若所述输入占空比大于第一阈值，向电机的功率驱动电路输出具有第一占空比的脉宽调制信号，所述第一占空比为100％。

12.一种无刷电机，包括：

处理器，适于实现各指令；以及

存储设备，其中存储有多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行：

根据输入指令获得向电机的功率驱动电路输出的脉宽调制信号所需要的输入占空比；

若所述输入占空比大于第一阈值，向电机的功率驱动电路输出具有第一占空比的脉宽调制信号，所述第一占空比为100％。

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