CN111130402A - 电机控制方法、系统、电机和吸尘装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电机控制方法、系统、电机和吸尘装置，控制方法包括：当电机的转速值达到第一预设转速值时，在电机的一个换相周期内，对电机的控制信号执行整数次的斩波处理，以使控制信号的周期与电机的换相周期同步；获取电机的母线电压值和母线电流值，根据母线电压值和母线电流值确定电机的控制电压值；根据控制电压值控制电机运转。应用了本发明提供的技术方案，控制电机绕组两两导通的换相控制信号和PWM斩波控制信号在相位上同步，进而保证电机输出电流更加平衡，可以有效地降低电机输出扭矩的波动，同时降低电机损耗，降低电机运行的振动和噪音，滤波时间可更短，检测精度更高，有利于无位置传感器的高速三相无刷电机的控制。

Description

电机控制方法、系统、电机和吸尘装置

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，具体而言，涉及一种电机控制方法，一种电机控制系统，一种电机和一种吸尘装置。

背景技术

目前，在相关技术中，三相无刷直流电机控制常采用两两导通的控制方式，为了对电机调速一般还需对输出电压进行PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)斩波控制，且两两导通换相控制和PWM斩波控制在相位上一般是异步的，换相控制决定当前该激励的相序，PWM决定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。由于两者相位异步，如图1所示，在BLDC(Brushless Direct Currentmotor，无刷直流电机)换相的6个区间内电机得到的平均电压会有所差异，当电机基频低，载波比较高时，由于PWM的平均效应，这种差异基本不会表现出来。而当电机速度很高，比如电机的转速基频达到1kHz以上时，换相周期达到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(包括正负半周的不平衡和三相电流不平衡)，从而使电机输出转矩波动，振动噪音增加。

为了解决上述技术问题，在现有技术中，提高PWM的载波比，即使用更高的开关频率。而开关频率增加，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，高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端的开关管，增加了系统成本。

因此，亟需一种技术方案可以在不增加开关频率和开关管规格的前提下，得到准确的平均控制电压，以解决高速直流电机输出转矩波动，振动噪音增加的问题。

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电机控制方法。

本发明的第二方面提出一种电机控制系统。

本发明的第三方面提出一种电机。

本发明的第四方面提出一种吸尘装置。

有鉴于此，本发明的第一方面提供了一种电机控制方法，用于无位置传感器的高速三相无刷直流电机，控制方法包括：当电机的转速值达到第一预设转速值时，在电机的一个换相周期内，对电机的控制信号执行整数次的斩波处理，以使控制信号的周期与电机的换相周期同步；获取电机的母线电压值和母线电流值，根据母线电压值和母线电流值确定电机的控制电压值；根据控制电压值控制电机运转。

在该技术方案中，当电机的转速较高，转速值达到第一预设转速值时，控制电机的控制信号的周期与换相周期严格同步，即在电机的一个换相周期内，对控制信号进行整数次的斩波处理，此时控制电机绕组两两导通的换相控制信号和PWM斩波控制信号在相位上同步，此时根据采集到的电机的母线电压值和母线电流值，可计算得到准确的电机控制电压，进而对电机进行控制。应用了本发明提供的技术方案，当电机的转速达到一定转速值时，通过在电机的每个换相周期内对电机控制信号执行整数次的PWM斩波，进而使得控制电机绕组两两导通的换相控制信号和PWM斩波控制信号在相位上同步，以使在高速无刷直流电机转子旋转一周的六个换相区间内，每个换相区间中电机得到的控制电压的平均值差异更小，进而保证电机输出电流更加平衡，可以有效地降低电机输出扭矩的波动，同时降低电机损耗，降低电机运行的振动和噪音，在不增加电机的硬件成本的基础上，实现更好的电机控制效果。同时，由于PWM斩波周期与换相周期严格同步，在PWM控制信号关断后，对应过零点检测相在续流结束后即可检测反电势过零点，由于没有了PWM斩波的影响，滤波时间可更短，检测精度更高，有利于无位置传感器的高速三相无刷电机的控制。

具体地，在无位置传感器的高速三相无刷直流电机的运行中，实时获取电机的转速，在电机的转速值达到第一预设转速值，具体当转速达到60000rpm时，电机控制器切换至高速运行切换阶段，在电机的每个换相周期内，根据换相信号的下降沿触发一个PWM斩波控制信号，以保证在每一个换相周期内执行一次PWM斩波，即换相控制信号和PWM斩波控制信号在相位上同步。获取换相控制信号和PWM斩波控制信号在相位上同步后，电机的母线电压和母线电流，根据获取到的母线电压和母线电流确定电机目前所需的控制电压值，可以得到更加准确地控制电压值，根据该控制电压值控制无位置传感器的高速三相无刷直流电机高速运行。

另外，本发明提供的上述技术方案中的电机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，进一步地，根据母线电压值和母线电流值确定电机的控制电压值的步骤，具体为：根据母线电压值和母线电流值计算电机的实际功率；根据实际功率和电机的目标运行功率计算目标运行功率对应的控制电流值；根据控制电流值和母线电流值计算控制电压值。

在该技术方案中，在换相控制信号和PWM斩波控制信号在相位上同步的基础上，采集得到母线电压值和母线电流值，由于电机的实际功率满足：P(实际功率)＝Vdc(母线电压值)×Idc(母线电流值)，因此可直接通过母线电压值和母线电流值计算得到实际功率；之后，比较电机的实际功率和设定的目标运行功率，根据实际功率和设定的目标运行功率之间的差，通过PI控制算法进一步计算使电机运行于目标运行功率所需要的控制电流值，进而可以根据采集到的母线电流值和控制电流值的差计算得到控制电机运行于目标运行功率所对对应的控制电压值，进而得到准确的控制电压值，使得每个换相区间中电机得到的控制电压的平均值差异更小，进而保证电机输出电流更加平衡，可以有效地降低电机输出扭矩的波动，同时降低电机损耗，降低电机运行的振动和噪音，在不增加电机的硬件成本的基础上，实现更好的电机控制效果。

在上述任一技术方案中，进一步地，在当电机的转速值达到第一预设转速值时，在电机的一个换相周期内，对电机的控制信号执行整数次的斩波处理，以使控制信号的周期与电机的换相周期同步的步骤之前，控制方法还包括：获取电机的端电压检测信号；根据端电压检测信号获取电机的各相反电势过零点的位置信号；根据相邻的两个位置信号确定转速。

在该技术方案中，在电机的运行过程中需要对电机的转速进行采集，对于无位置传感器的高速三相无刷直流电机，无法通过霍尔传感器来采集转子的位置以计算电机的转速，因此采集电机的端电压检测信号，根据端电压检测信号进一步确定电机的各相反电势过零点的位置信号，由于电机的转子在旋转一周的过程中，电机需要执行六次换相，而每次反电势过零点的位置信号对应着一次换相过程，因此相邻的两个反电势过零点的位置信号的时间差即电机转子旋转周期的六分之一，进而根据相邻的两个位置信号可以确定电机的当前转速。

在上述任一技术方案中，进一步地，控制方法还包括：当转速值未达到第一预设转速值时，判断电机是否已经启动；若电机未启动，向电机发送一个直流定位信号，以使电机的转子定位在预设位置；向电机发送一个激励信号以启动电机，并控制电机提高转速，直至转速值达到第二预设转速值；当转速值达到第二预设转速值后，通过预设控制信号控制电机进一步提高转速，直至转速值达到第一预设转速值。

在该技术方案中，在电机转速达到第一预设转速值之前，即达到高速运行阶段之前，电机还包括启动阶段和加速阶段，在电机还没有启动时，通过外部向电机发送直流定位信号，通过直流定位信号将电机的转子旋转并定位在一个已知的预设位置，在将转子旋转至已知位置后，采用I/F控制方式给定子一个外部激励，以使电机启动。待电机在外部激励拖动下转速达到第二预设转速值后，电机各相反电势过零点的检测信号趋向稳定，此时根据电机三相反电势过零点的位置，延迟30°发出换相信号执行换相，并采用预设的固定PWM频率的控制信号进行电压控制，此时电机进入Sensorless控制阶段，使电机自同步加速，使电机的转速提高，直至转速值达到第一预设转速值。

本发明的第二方面提供了一种电机控制系统，用于无位置传感器的高速三相无刷直流电机，其特征在于，控制系统包括：存储器和处理器；存储器用于存储计算机程序；处理器用于执行计算机程序以实现：当电机的转速值达到第一预设转速值时，在电机的一个换相周期内，对电机的控制信号执行整数次的斩波处理，以使控制信号的周期与电机的换相周期同步；获取电机的母线电压值和母线电流值，根据母线电压值和母线电流值确定电机的控制电压值；根据控制电压值控制电机运转。

在该技术方案中，当电机的转速较高，转速值达到第一预设转速值时，控制电机的控制信号的周期与换相周期严格同步，即在电机的一个换相周期内，对控制信号进行整数次的斩波处理，此时控制电机绕组两两导通的换相控制信号和PWM斩波控制信号在相位上同步，此时根据采集到的电机的母线电压值和母线电流值，可计算得到准确的电机控制电压，进而对电机进行控制。应用了本发明提供的技术方案，当电机的转速达到一定转速值时，通过在电机的每个换相周期内对电机控制信号执行整数次的PWM斩波，进而使得控制电机绕组两两导通的换相控制信号和PWM斩波控制信号在相位上同步，以使在高速无刷直流电机转子旋转一周的六个换相区间内，每个换相区间中电机得到的控制电压的平均值差异更小，进而保证电机输出电流更加平衡，可以有效地降低电机输出扭矩的波动，同时降低电机损耗，降低电机运行的振动和噪音，在不增加电机的硬件成本的基础上，实现更好的电机控制效果。同时，由于PWM斩波周期与换相周期严格同步，在PWM控制信号关断后，对应过零点检测相在续流结束后即可检测反电势过零点，由于没有了PWM斩波的影响，滤波时间可更短，检测精度更高，有利于无位置传感器的高速三相无刷电机的控制。

在上述技术方案中，进一步地，处理器还用于行计算机程序以实现：根据母线电压值和母线电流值计算电机的实际功率；根据实际功率和电机的目标运行功率计算目标运行功率对应的控制电流值；根据控制电流值和母线电流值计算控制电压值。

在该技术方案中，在换相控制信号和PWM斩波控制信号在相位上同步的基础上，采集得到母线电压值和母线电流值，由于电机的实际功率满足：P(实际功率)＝Vdc(母线电压值)×Idc(母线电流值)，因此可直接通过母线电压值和母线电流值计算得到实际功率；之后，比较电机的实际功率和设定的目标运行功率，根据实际功率和设定的目标运行功率之间的差，通过PI控制算法进一步计算使电机运行于目标运行功率所需要的控制电流值，进而可以根据采集到的母线电流值和控制电流值的差计算得到控制电机运行于目标运行功率所对对应的控制电压值，进而得到准确的控制电压值，使得每个换相区间中电机得到的控制电压的平均值差异更小，进而保证电机输出电流更加平衡，可以有效地降低电机输出扭矩的波动，同时降低电机损耗，降低电机运行的振动和噪音，在不增加电机的硬件成本的基础上，实现更好的电机控制效果。

在上述任一技术方案中，进一步地，处理器还用于行计算机程序以实现：获取电机的端电压检测信号；根据端电压检测信号获取电机的各相反电势过零点的位置信号；根据相邻的两个位置信号确定转速。

在该技术方案中，在电机的运行过程中需要对电机的转速进行采集，对于无位置传感器的高速三相无刷直流电机，无法通过霍尔传感器来采集转子的位置以计算电机的转速，因此采集电机的端电压检测信号，根据端电压检测信号进一步确定电机的各相反电势过零点的位置信号，由于电机的转子在旋转一周的过程中，电机需要执行六次换相，而每次反电势过零点的位置信号对应着一次换相过程，因此相邻的两个反电势过零点的位置信号的时间差即电机转子旋转周期的六分之一，进而根据相邻的两个位置信号可以确定电机的当前转速。

在上述任一技术方案中，进一步地，处理器还用于行计算机程序以实现：当转速值未达到第一预设转速值时，判断电机是否已经启动；若电机未启动，向电机发送一个直流定位信号，以使电机的转子定位在预设位置；向电机发送一个激励信号以启动电机，并控制电机提高转速，直至转速值达到第二预设转速值；当转速值达到第二预设转速值后，通过预设控制信号控制电机进一步提高转速，直至转速值达到第一预设转速值。

在该技术方案中，在电机转速达到第一预设转速值之前，即达到高速运行阶段之前，电机还包括启动阶段和加速阶段，在电机还没有启动时，通过外部向电机发送直流定位信号，通过直流定位信号将电机的转子旋转并定位在一个已知的预设位置，在将转子旋转至已知位置后，采用I/F控制方式给定子一个外部激励，以使电机启动。待电机在外部激励拖动下转速达到第二预设转速值后，电机各相反电势过零点的检测信号趋向稳定，此时根据电机三相反电势过零点的位置，延迟30°发出换相信号执行换相，并采用预设的固定PWM频率的控制信号进行电压控制，此时电机进入Sensorless(无传感器)控制阶段，使电机自同步加速，使电机的转速提高，直至转速值达到第一预设转速值。

本发明的第三方面提供了一种电机，该电机为无位置传感器的高速三相无刷直流电机，电机包括如上述任一技术方案中所述的电机控制系统，因此，该电机包括如上述任一技术方案中所述的电机控制系统的全部有益效果。

本发明的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中所述的电机；或如上述任一技术方案中所述的电机控制系统，因此，该吸尘装置包括如上述任一技术方案中所述的电机控制系统和电机的全部有益效果。

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电机控制方法的流程图；

图3示出了根据本发明的另一个实施例所述的电机控制方法的流程图；

图4示出了根据本发明的又一个实施例所述的电机控制方法的流程图；

图5示出了根据本发明的再一个实施例所述的电机控制方法的流程图；

图6示出了根据本发明的一个实施例所述的电机控制系统的框图；

图7示出了根据本发明的一个实施例所述的手持式吸尘器的控制系统的功能模块示意图；

图8示出了根据本发明的一个实施例所述的手持式吸尘器的控制系统及电机结构示意图；

图9示出了根据本发明的一个实施例所述的手持式吸尘器的电机控制中三相的换相信号与PWM控制信号的示意图；

图10示出了根据本发明的另一个实施例所述的手持式吸尘器的电机控制中三相的换相信号与PWM控制信号的示意图；

图11示出了根据本发明的一个实施例所述的手持式吸尘器的电机控制信号的示意图。

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11描述根据本发明一些实施例所述电机控制方法、电机控制系统、电机和吸尘装置。

如图2所示，在本发明第一方面的实施例中，提供了一种电机控制方法，用于无位置传感器的高速三相无刷直流电机，控制方法包括：

S202，当电机的转速值达到第一预设转速值时，在电机的一个换相周期内，对电机的控制信号执行整数次的斩波处理，以使控制信号的周期与电机的换相周期同步；

S204，获取电机的母线电压值和母线电流值，根据母线电压值和母线电流值确定电机的控制电压值；

S206，根据控制电压值控制电机运转。

在该实施例中，当电机的转速较高，转速值达到第一预设转速值时，控制电机的控制信号的周期与换相周期严格同步，即在电机的一个换相周期内，对控制信号进行整数次的斩波处理，此时控制电机绕组两两导通的换相控制信号和PWM斩波控制信号在相位上同步，此时根据采集到的电机的母线电压值和母线电流值，可计算得到准确的电机控制电压，进而对电机进行控制。应用了本发明提供的技术方案，当电机的转速达到一定转速值时，通过在电机的每个换相周期内对电机控制信号执行整数次的PWM斩波，进而使得控制电机绕组两两导通的换相控制信号和PWM斩波控制信号在相位上同步，以使在高速无刷直流电机转子旋转一周的六个换相区间内，每个换相区间中电机得到的控制电压的平均值差异更小，进而保证电机输出电流更加平衡，可以有效地降低电机输出扭矩的波动，同时降低电机损耗，降低电机运行的振动和噪音，在不增加电机的硬件成本的基础上，实现更好的电机控制效果。同时，由于PWM斩波周期与换相周期严格同步，在PWM控制信号关断后，对应过零点检测相在续流结束后即可检测反电势过零点，由于没有了PWM斩波的影响，滤波时间可更短，检测精度更高，有利于无位置传感器的高速三相无刷电机的控制。

具体地，在无位置传感器的高速三相无刷直流电机的运行中，实时获取电机的转速，在电机的转速值达到第一预设转速值，具体当转速达到60000rpm时，电机控制器切换至高速运行切换阶段，在电机的每个换相周期内，根据换相信号的下降沿触发一个PWM斩波控制信号，以保证在每一个换相周期内执行一次PWM斩波，即换相控制信号和PWM斩波控制信号在相位上同步。获取换相控制信号和PWM斩波控制信号在相位上同步后，电机的母线电压和母线电流，根据获取到的母线电压和母线电流确定电机目前所需的控制电压值，可以得到更加准确地控制电压值，根据该控制电压值控制无位置传感器的高速三相无刷直流电机高速运行。

在本发明的一个实施例中，进一步地，如图3所示，控制方法包括：

S302，当电机的转速值达到第一预设转速值时，在电机的一个换相周期内，对电机的控制信号执行整数次的斩波处理，以使控制信号的周期与电机的换相周期同步；

S304，获取电机的母线电压值和母线电流值；

S306，根据母线电压值和母线电流值计算电机的实际功率；

S308，根据实际功率和电机的目标运行功率计算目标运行功率对应的控制电流值；

S310，根据控制电流值和母线电流值计算控制电压值；

S312，根据控制电压值控制电机运转。

在该实施例中，在换相控制信号和PWM斩波控制信号在相位上同步的基础上，采集得到母线电压值和母线电流值，由于电机的实际功率满足：P(实际功率)＝Vdc(母线电压值)×Idc(母线电流值)，因此可直接通过母线电压值和母线电流值计算得到实际功率；之后，比较电机的实际功率和设定的目标运行功率，根据实际功率和设定的目标运行功率之间的差，通过PI控制算法进一步计算使电机运行于目标运行功率所需要的控制电流值，进而可以根据采集到的母线电流值和控制电流值的差计算得到控制电机运行于目标运行功率所对对应的控制电压值，进而得到准确的控制电压值，使得每个换相区间中电机得到的控制电压的平均值差异更小，进而保证电机输出电流更加平衡，可以有效地降低电机输出扭矩的波动，同时降低电机损耗，降低电机运行的振动和噪音，在不增加电机的硬件成本的基础上，实现更好的电机控制效果。

在本发明的一个实施例中，进一步地，如图4所示，控制方法包括：

S402，获取电机的端电压检测信号；

S404，根据端电压检测信号获取电机的各相反电势过零点的位置信号；根据相邻的两个位置信号确定转速；

S406，当电机的转速值达到第一预设转速值时，在电机的一个换相周期内，对电机的控制信号执行整数次的斩波处理，以使控制信号的周期与电机的换相周期同步；

S408，获取电机的母线电压值和母线电流值，根据母线电压值和母线电流值确定电机的控制电压值；

S410，根据控制电压值控制电机运转。

在该实施例中，在电机的运行过程中需要对电机的转速进行采集，对于无位置传感器的高速三相无刷直流电机，无法通过霍尔传感器来采集转子的位置以计算电机的转速，因此采集电机的端电压检测信号，根据端电压检测信号进一步确定电机的各相反电势过零点的位置信号，由于电机的转子在旋转一周的过程中，电机需要执行六次换相，而每次反电势过零点的位置信号对应着一次换相过程，因此相邻的两个反电势过零点的位置信号的时间差即电机转子旋转周期的六分之一，进而根据相邻的两个位置信号可以确定电机的当前转速。

在本发明的一个实施例中，进一步地，如图5所示，控制方法包括：

S502，当转速值未达到第一预设转速值时，判断电机是否已经启动；

S504，若电机未启动，向电机发送一个直流定位信号，以使电机的转子定位在预设位置；

S506，向电机发送一个激励信号以启动电机，并控制电机提高转速，直至转速值达到第二预设转速值；

S508，当转速值达到第二预设转速值后，通过预设控制信号控制电机进一步提高转速，直至转速值达到第一预设转速值。

在该实施例中，在电机转速达到第一预设转速值之前，即达到高速运行阶段之前，电机还包括启动阶段和加速阶段，在电机还没有启动时，通过外部向电机发送直流定位信号，通过直流定位信号将电机的转子旋转并定位在一个已知的预设位置，在将转子旋转至已知位置后，采用I/F控制方式给定子一个外部激励，以使电机启动。待电机在外部激励拖动下转速达到第二预设转速值后，电机各相反电势过零点的检测信号趋向稳定，此时根据电机三相反电势过零点的位置，延迟30°发出换相信号执行换相，并采用预设的固定PWM频率的控制信号进行电压控制，此时电机进入Sensorless控制阶段，使电机自同步加速，使电机的转速提高，直至转速值达到第一预设转速值。

如图6所示，在本发明第二方面的实施例中，提供了一种电机控制系统600，用于无位置传感器的高速三相无刷直流电机，其特征在于，控制系统包括600：存储器602和处理器604；存储器602用于存储计算机程序；处理器604用于执行计算机程序以实现：当电机的转速值达到第一预设转速值时，在电机的一个换相周期内，对电机的控制信号执行整数次的斩波处理，以使控制信号的周期与电机的换相周期同步；获取电机的母线电压值和母线电流值，根据母线电压值和母线电流值确定电机的控制电压值；根据控制电压值控制电机运转。

在该实施例中，当电机的转速较高，转速值达到第一预设转速值时，控制电机的控制信号的周期与换相周期严格同步，即在电机的一个换相周期内，对控制信号进行整数次的斩波处理，此时控制电机绕组两两导通的换相控制信号和PWM斩波控制信号在相位上同步，此时根据采集到的电机的母线电压值和母线电流值，可计算得到准确的电机控制电压，进而对电机进行控制。应用了本发明提供的技术方案，当电机的转速达到一定转速值时，通过在电机的每个换相周期内对电机控制信号执行整数次的PWM斩波，进而使得控制电机绕组两两导通的换相控制信号和PWM斩波控制信号在相位上同步，以使在高速无刷直流电机转子旋转一周的六个换相区间内，每个换相区间中电机得到的控制电压的平均值差异更小，进而保证电机输出电流更加平衡，可以有效地降低电机输出扭矩的波动，同时降低电机损耗，降低电机运行的振动和噪音，在不增加电机的硬件成本的基础上，实现更好的电机控制效果。同时，由于PWM斩波周期与换相周期严格同步，在PWM控制信号关断后，对应过零点检测相在续流结束后即可检测反电势过零点，由于没有了PWM斩波的影响，滤波时间可更短，检测精度更高，有利于无位置传感器的高速三相无刷电机的控制。

在本发明的一个实施例中，进一步地，处理器还用于行计算机程序以实现：根据母线电压值和母线电流值计算电机的实际功率；根据实际功率和电机的目标运行功率计算目标运行功率对应的控制电流值；根据控制电流值和母线电流值计算控制电压值。

在该实施例中，在换相控制信号和PWM斩波控制信号在相位上同步的基础上，采集得到母线电压值和母线电流值，由于电机的实际功率满足：P(实际功率)＝Vdc(母线电压值)×Idc(母线电流值)，因此可直接通过母线电压值和母线电流值计算得到实际功率；之后，比较电机的实际功率和设定的目标运行功率，根据实际功率和设定的目标运行功率之间的差，通过PI控制算法进一步计算使电机运行于目标运行功率所需要的控制电流值，进而可以根据采集到的母线电流值和控制电流值的差计算得到控制电机运行于目标运行功率所对对应的控制电压值，进而得到准确的控制电压值，使得每个换相区间中电机得到的控制电压的平均值差异更小，进而保证电机输出电流更加平衡，可以有效地降低电机输出扭矩的波动，同时降低电机损耗，降低电机运行的振动和噪音，在不增加电机的硬件成本的基础上，实现更好的电机控制效果。

在本发明的一个实施例中，进一步地，处理器还用于行计算机程序以实现：获取电机的端电压检测信号；根据端电压检测信号获取电机的各相反电势过零点的位置信号；根据相邻的两个位置信号确定转速。

在该实施例中，在电机的运行过程中需要对电机的转速进行采集，对于无位置传感器的高速三相无刷直流电机，无法通过霍尔传感器来采集转子的位置以计算电机的转速，因此采集电机的端电压检测信号，根据端电压检测信号进一步确定电机的各相反电势过零点的位置信号，由于电机的转子在旋转一周的过程中，电机需要执行六次换相，而每次反电势过零点的位置信号对应着一次换相过程，因此相邻的两个反电势过零点的位置信号的时间差即电机转子旋转周期的六分之一，进而根据相邻的两个位置信号可以确定电机的当前转速。

在本发明的一个实施例中，进一步地，处理器还用于行计算机程序以实现：当转速值未达到第一预设转速值时，判断电机是否已经启动；若电机未启动，向电机发送一个直流定位信号，以使电机的转子定位在预设位置；向电机发送一个激励信号以启动电机，并控制电机提高转速，直至转速值达到第二预设转速值；当转速值达到第二预设转速值后，通过预设控制信号控制电机进一步提高转速，直至转速值达到第一预设转速值。

在该实施例中，在电机转速达到第一预设转速值之前，即达到高速运行阶段之前，电机还包括启动阶段和加速阶段，在电机还没有启动时，通过外部向电机发送直流定位信号，通过直流定位信号将电机的转子旋转并定位在一个已知的预设位置，在将转子旋转至已知位置后，采用I/F控制方式给定子一个外部激励，以使电机启动。待电机在外部激励拖动下转速达到第二预设转速值后，电机各相反电势过零点的检测信号趋向稳定，此时根据电机三相反电势过零点的位置，延迟30°发出换相信号执行换相，并采用预设的固定PWM频率的控制信号进行电压控制，此时电机进入Sensorless控制阶段，使电机自同步加速，使电机的转速提高，直至转速值达到第一预设转速值。

在本发明的第三方面的实施例中，提供了一种电机，该电机为无位置传感器的高速三相无刷直流电机，电机包括如上述任一实施例中所述的电机控制系统，因此，该电机包括如上述任一实施例中所述的电机控制系统的全部有益效果。

本发明的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中所述的电机；或如上述任一实施例中所述的电机控制系统，因此，该吸尘装置包括如上述任一实施例中所述的电机控制系统和电机的全部有益效果。

如图7和图8所示，在本发明的一个实施例中，一种手持式吸尘器应用了本发明提供的电机及本发明提供的电机控制系统，电机具体为无位置传感器的高速三相无刷直流电机，额定转速为80000rpm，其控制系统如图8所示，具体由下位机控制模块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7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，并根据同步信号和换相控制对应的扇区控制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，功率P满足如下关系：

P＝Vdc×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。

具体地，电机的换相的超前角为0°，电机在反电势过零点30°的位置执行换相，以及电机的PWM控制信号在每个换相周期内斩波1次。

如图9和图10所示，当电机控制系统检测到反电势过零信号后，计算当前电机的转速与换相区间周期，并依次更新PWM斩波占空比，在反电势过零点且延迟30°后，执行换相，同时启动一个新的PWM控制信号周期，该次PWM控制信号周期延续到下一反电势过零点的位置并延迟30°的位置。其中，延迟30°角度也可以是其他角度调节超前角控制，超前角度根据控制算法可以单独控制。

图11为具体实施过程中控制信号的示意图，在反电势过零检测电路检测到过零点信号后，如检测到A相反电势由负变正过的零点信号，控制器进入捕获中断，在捕获中断的过程中启动换相延时定时器T1，更新换相周期和PWM控制信号占空比值，换相延时T1到达后，执行换相操作，设置A相上管VT1和B相下管VT6导通，同时清零与重启下一次PWM定时器T2，当T2触发PWM比较中断时VT6关断，VT1继续导通；

当检测到C相反电势由正变负过零点信号时，控制器进入中断，启动换相延时定时器T1，更新换相周期和PWM控制信号占空比值，换相延时T1到达设定值后，执行换相操作，设置VT1、VT2导通，同时计时器清零并重启下一次PWM控制定时器T2，当T2触发PWM控制信号比较中断时VT1关断，VT2继续导通；

当检测到B相反电势由负变正过零点信号时，控制器进入中断，启动换相延时定时器T1，更新换相周期和PWM控制信号占空比值，换相延时T1到达设定值后，执行换相操作，设置VT2、VT3导通，同时计时器清零与重启下一次PWM控制定时器T2，当T2触发PWM控制信号比较中断时VT2关断，VT3继续导通；

当检测到A相反电势由正变负过零点信号时，控制器进入中断，启动换相延时定时器T1，更新换相周期和PWM控制信号占空比值，换相延时T1到达设定值后，执行换相操作，设置VT3、VT4导通，同时计时器清零与重启下一次PWM控制定时器T2，当T2触发PWM控制信号比较中断时VT3关断，VT4继续导通；

当检测到C相反电势由负变正过零点信号时，控制器进入中断，启动换相延时定时器T1，更新换相周期和PWM控制信号占空比值，换相延时T1到达设定值后，执行换相操作，设置VT4、VT5导通，同时计时器清零与重启下一次PWM控制定时器T2，当T2触发PWM控制信号比较中断时VT4关断，VT5继续导通；

当检测到B相反电势由正变负过零点信号时，控制器进入中断，启动换相延时定时器T1，更新换相周期和PWM控制信号占空比值，换相延时T1到达设定值后，执行换相操作，设置VT5、VT6导通，同时计时器清零与重启下一次PWM控制定时器T2，当T2触发PWM控制信号比较中断时VT5关断，VT6继续导通；

当前周期结束，进入下一循环周期。

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述的方位或位置关系，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 (10)

1.一种电机控制方法，用于无位置传感器的高速三相无刷直流电机，其特征在于，所述控制方法包括：

当电机的转速值达到第一预设转速值时，在所述电机的一个换相周期内，对所述电机的控制信号执行整数次的斩波处理，以使所述控制信号的周期与所述电机的换相周期同步；

获取所述电机的母线电压值和母线电流值，根据所述母线电压值和所述母线电流值确定所述电机的控制电压值；

根据所述控制电压值控制所述电机运转。

2.根据权利要求1所述的电机控制方法，其特征在于，所述根据所述母线电压值和所述母线电流值确定所述电机的控制电压值的步骤，具体为：

根据所述母线电压值和所述母线电流值计算所述电机的实际功率；

根据所述实际功率和所述电机的目标运行功率计算所述目标运行功率对应的控制电流值；

根据所述控制电流值和所述母线电流值计算所述控制电压值。

3.根据权利要求1所述的电机控制方法，其特征在于，在所述当电机的转速值达到第一预设转速值时，在所述电机的一个换相周期内，对所述电机的控制信号执行整数次的斩波处理，以使所述控制信号的周期与所述电机的换相周期同步的步骤之前，所述控制方法还包括：

获取所述电机的端电压检测信号；

根据所述端电压检测信号获取所述电机的各相反电势过零点的位置信号；

根据相邻的两个所述位置信号确定所述转速。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电机控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：

当所述转速值未达到所述第一预设转速值时，判断所述电机是否已经启动；

若所述电机未启动，向所述电机发送一个直流定位信号，以使所述电机的转子定位在预设位置；

向所述电机发送一个激励信号以启动所述电机，并控制所述电机提高转速，直至所述转速值达到第二预设转速值；

当所述转速值达到所述第二预设转速值后，通过预设控制信号控制所述电机进一步提高转速，直至所述转速值达到所述第一预设转速值。

5.一种电机控制系统，用于无位置传感器的高速三相无刷直流电机，其特征在于，所述控制系统包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序以实现：

当电机的转速值达到第一预设转速值时，在所述电机的一个换相周期内，对所述电机的控制信号执行整数次的斩波处理，以使所述控制信号的周期与所述电机的换相周期同步；

获取所述电机的母线电压值和母线电流值，根据所述母线电压值和所述母线电流值确定所述电机的控制电压值；

根据所述控制电压值控制所述电机运转。

6.根据权利要求5所述的电机控制系统，其特征在于，所述处理器还用于行所述计算机程序以实现：

根据所述母线电压值和所述母线电流值计算所述电机的实际功率；

根据所述实际功率和所述电机的目标运行功率计算所述目标运行功率对应的控制电流值；

根据所述控制电流值和所述母线电流值计算所述控制电压值。

7.根据权利要求5所述的电机控制系统，其特征在于，所述处理器还用于行所述计算机程序以实现：

获取所述电机的端电压检测信号；

根据所述端电压检测信号获取所述电机的各相反电势过零点的位置信号；

根据相邻的两个所述位置信号确定所述转速。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的电机控制系统，其特征在于，所述处理器还用于行所述计算机程序以实现：

向所述电机发送一个直流定位信号，以使所述电机的转子定位在预设位置；

当所述转速值未达到所述第一预设转速值时，判断所述电机是否已经启动；

向所述电机发送一个激励信号以启动所述电机，并控制所述电机提高转速，直至所述转速值达到第二预设转速值；

当所述转速值达到所述第二预设转速值后，通过预设控制信号控制所述电机进一步提高转速，直至所述转速值达到所述第一预设转速值。

9.一种电机，其特征在于，所述电机为无位置传感器的高速三相无刷直流电机；以及

所述电机包括如权利要求5至8中任一项所述的电机控制系统。

10.一种吸尘装置，其特征在于，所述吸尘装置包括：

如权利要求9中所述的电机；或

如权利要求5至8中任一项所述的电机控制系统。

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