CN114513144A - 电机及其减振控制方法和电路 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电机领域，公开了一种电机减振控制方法包括：步骤a，确定电机的实际振动幅度是否超过一预设幅度；步骤b，如果所述电机的实际振动幅度超过所述预设幅度，则确定电机的齿槽转矩的峰值区间和谷值区间，控制所述峰值区间内驱动电机的脉冲信号的占空比高于所述谷值区间内驱动电机的脉冲信号的占空比。本发明的电机减振方法可以降低电机的齿槽转矩波动对电机输出转矩的不良影响，从而降低电机的振动，增长其寿命,减少其噪音。

Description

电机及其减振控制方法和电路
技术领域
本发明属于电机领域，尤其涉及一种电机及其减振控制方法和电路。
背景技术
众所周知，齿槽转矩(cogging torque)是永磁电机特有的问题之一，是高性能永磁电机设计和制造中必须考虑和解决的关键问题。齿槽转矩是永磁电机绕组不通电时永磁体和定子铁心之间相互作用产生的转矩，是由永磁体与电枢齿之间相互作用力的切向分量引起的。所述齿槽转矩会使电机的实际输出转矩产生波动，从而使电机不能平稳运行，产生振动和噪声，影响电机的性能。
在高转速情况下，电动机的惯性和负载可以消除一些齿槽转矩波动的影响。然而，在低转速情况下，齿槽转矩波动对电机的影响比较明显，特别是，当电机的负载是动态的，例如，用于驱动电动卷帘的电机，齿槽转矩的波动幅度会变得更加严重，从而使电机振动更严重和产生更大的噪声。
此外，电机振动会吸引更多的脉冲电流流过电机线圈，导致电机过热，以噪音和热量的形式消耗能量。长时间的电机振动还会引起轴对准问题、轴承问题等，加速电机结构的老化，不利于提高电机使用寿命。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种电机及其减振控制方法和电路，以改善现有技术中电机振动的问题。
本发明提供了一种电机减振控制方法，包括：步骤a，确定电机的实际振动幅度是否超过一预设幅度；步骤b，如果所述实际振动幅度超过所述预设幅度，则确定所述电机的齿槽转矩的峰值区间和谷值区间，控制所述峰值区间内驱动电机的脉冲信号的占空比高于所述谷值区间内驱动电机的脉冲信号的占空比。
本发明还提供了一种电机减振控制方法，包括：步骤a，确定电机的实际振动幅度是否超过一预设幅度；步骤b，如果所述实际振动幅度超过所述预设幅度，则进一步判断所述电机的振动是否由电机本身的齿槽转矩波动引起；步骤c，如果所述电机的振动由电机本身的齿槽转矩波动引起，则确定所述电机的齿槽转矩的峰值区间和谷值区间，控制所述峰值区间内驱动电机的脉冲信号的占空比高于所述谷值区间内驱动电机的脉冲信号的占空比。
本发明还提供了一种电机减振控制电路，包括：振动幅度判断单元，用于根据安装于电机的振动传感器输出的信号确定所述电机的实际振动幅度是否超过一预设幅度；以及占空比调节单元，用于在所述实际振动幅度超过所述预设幅度时，确定所述电机的齿槽转矩的峰值区间和谷值区间，并控制所述峰值区间内驱动电机的脉冲信号的占空比高于所述谷值区间内驱动电机的脉冲信号的占空比。
本发明还提供了一种电机减振控制电路，包括：振动幅度判断单元，用于根据安装于电机的振动传感器输出的信号确定所述电机的实际振动幅度是否超过一预设幅度；分析单元，用于在所述实际振动幅度超过所述预设幅度时，判断所述电机的振动是否由电机本身的齿槽转矩波动引起；以及占空比调节单元，用于在所述电机的振动是由电机本身的齿槽转矩波动引起时，确定所述电机的齿槽转矩的峰值区间和谷值区间，并控制所述峰值区间内驱动电机的脉冲信号的占空比高于所述谷值区间内驱动电机的脉冲信号的占空比。
本发明还提供了一种电机，所述电机为无刷直流电机，包括缠绕有线圈的定子、永磁转子、安装于所述定子上的振动传感器、连接于所述线圈的逆变电路、以及前述的电机减振控制电路，所述减振控制电路的占空比调节单元用于输出脉冲信号至所述逆变电路，从而驱动所述电机。
相较于现有技术，本发明电机的减振控制方法通过确定电机的齿槽转矩的峰值区间和谷值区间，使所述峰值区间内驱动电机的脉冲信号的占空比高于所述谷值区间内驱动电机的脉冲信号的占空比，降低电机的齿槽转矩波动对电机输出转矩的不良影响，从而降低电机的振动，增长其寿命,减少其噪音。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明第一实施例的电机减振控制方法的流程图；
图2示例性地示出了未执行减振控制的情况下，电机的各个相电流的波形图；
图3(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别示出了减振控制后图2所示的相电流的局部A’的波形图、减振控制前电机的齿槽转矩和实际输出转矩、以及减振控制后电机的实际输出转矩的波形图；
图4为本发明第二实施例的电机减振控制方法的流程图；
图5为本发明第三实施例的电机减振控制方法的流程图；
图6(a)和6(b)示例性的显示了使用所述本发明第三实施例的减振控制方法时，电机在驱动不同负载的情况下，A相电流的局部波形图和对应的驱动电机的脉冲信号的波形图。
图7为本发明第一实施例提供的电机减振控制电路的方框图。
图8为本发明第二实施例提供的电机减振控制电路的方框图。
图9为本发明一较佳实施例的电机的方框示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
图1为本发明第一实施例的电机减振控制方法的流程图，所述第一实施例的电机减振控制方法包括以下步骤：
步骤S101，确定电机的实际振动幅度是否超过一预设幅度。.
所述电机可以为三相BLDC(无刷直流电机)，所述电机的定子，例如壳体或者轴承等位置可以安装一振动传感器。所述步骤S101可以根据所述振动传感器输出的波形来确定。所述振动传感器优选为加速度计，也可以为速度传感器、或者位移传感器等任何可以反映所述电机的实际振动幅度的传感器。所述振动传感器与电机保持良好的接触，检测头可采用磁性底座、焊接或者在电机上打孔，通过螺纹拧接的安装方式。
所述振动传感器可输出周期性的具有波峰和波谷的波形。本实施例中，通过判断所述振动传感器输出的波形的波动幅度是否超过一预设值，来确定电机的实际振动幅度是否超过所述预设幅度。所述振动传感器输出的波形的波动幅度可为波形的幅值、峰峰值或者有效值等任何可以表示其波动幅度的值。所述预设值为对应所述幅值、峰峰值或者有效值等设置的临界值。
也就是说，如果所述振动传感器输出的波形的波动幅度超过所述预设值，则电机的实际振动幅度超过所述预设幅度，电机的振动程度比较严重；反之，则电机的实际振动幅度未超过所述预设幅度，电机的振动程度可以接受。
在其它实施例中，所述步骤S101也可以通过侦测流过电机线圈的实际电流的波形来确定。比如，可以根据统计分析，神经网格训练或者模糊逻辑的方式，预先建立流过电机线圈的电流与电机的振动幅度的对应关系，并预先存储于一查询表中。
步骤S102，如果是，则确定所述电机的齿槽转矩的峰值区间和谷值区间，控制所述峰值区间内驱动电机的脉冲信号的占空比高于所述谷值区间内驱动电机的脉冲信号的占空比。
具体地，可以通过所述振动传感器输出的波形来确定电机的齿槽转矩的峰值区间和谷值区间。优选地，当安装于电机的振动传感器为加速度计时，所述加速度计可输出与电机的齿槽转矩的波形同相或者反相的波形，这取决于加速度计的类型。
所述峰值区间是指电机的齿槽转矩大于一第一预设值的时间段，所述谷值区间是指电机的齿槽转矩小于一第二预设值的时间段。所述第一预设值大于或者等于所述第二预设值。
相较于现有技术，本发明电机的减振控制方法通过确定电机的齿槽转矩的峰值区间和谷值区间，使所述峰值区间内驱动电机的脉冲信号的占空比高于所述谷值区间内驱动电机的脉冲信号的占空比，降低电机的齿槽转矩波动对电机输出转矩的不良影响，从而降低电机的振动，增长其寿命,减少其噪音。
下面以一安装有加速计的三相直流无刷电机为例，说明如何调节驱动电机的脉冲信号的占空比。图2示例性地示出了未执行减振控制的情况下，电机的各个相电流的波形图，其中Ia、Ib、Ic分别表示A相、B相和C相的电流。图3(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别示出了减振控制后图2所示的相电流的局部A’的波形图、减振控制前电机的齿槽转矩F和实际输出转矩Ta、以及减振控制后电机的实际输出转矩Tb的波形图。
参阅图3(d)，假设上述步骤S102中的第一预设值和第二预设值为零，以t1-t6时段内相电流的变化为例进行说明。t1时刻，电机的齿槽转矩开始增大，t1-t2时间段为所述齿槽转矩的峰值区间，此区间内，增大驱动电机的脉冲信号的占空比，使所述A相电流和C相电流的电流大小分别高于减震控制前的电流值Ia和Ic；t2时刻，电机的齿槽转矩开始减小，t2-t3时间段为所述齿槽转矩的谷值区间，此区间内，降低驱动电机的脉冲信号的占空比，使所述A相电流和C相电流的电流大小的分别低于减震控制前的电流值Ia和Ic；t3时刻，电机的齿槽转矩又开始增大，t3-t4时间段为所述齿槽转矩的峰值区间，此区间内，增大驱动电机的脉冲信号的占空比，使所述A相电流和B相电流的电流大小分别高于减震控制前的电流值Ib和Ic；t4时刻，电机的齿槽转矩又开始减小，t4-t5时间段为所述齿槽转矩的谷值区间，此区间内，降低驱动电机的脉冲信号的占空比，使所述A相电流和B相电流的电流大小的分别低于减震控制前的电流值Ia和Ib；t5时刻，电机的齿槽转矩又开始增大，t5-t6时间段为所述齿槽转矩的峰值区间，此区间内，增大驱动电机的脉冲信号的占空比，使所述B相电流和C相电流的电流大小分别高于减震控制前的电流值Ib和Ic，后续控制可参见波形图3，不再赘述。
对比图3(e)和图3(f)可以看出，调节所述脉冲信号后，所述电机的输出转矩Tb的波动变得平稳，因此电机的振动情况得以改善。
请参阅附图4，其为本发明第二实施例的电机减振控制方法的流程图。本实施例的电机减振控制方法包括以下步骤：
步骤S201，确定电机的实际振动幅度是否超过一预设幅度。
所述步骤S201与前述电机控制方法的步骤S101相同，不再赘述。
步骤S202，如果是，则进一步判断电机的振动是否由电机本身的齿槽转矩波动引起。
优选地，所述步骤S202还包括如下步骤：如果所述实际振动幅度未超过所述预设幅度，则回到步骤S201。
所述步骤S202中，可以通过确定电机的实际振动频率F与一预设频率Ft是否匹配，来判断电机的振动是否由电机本身的齿槽转矩波动引起。具体地，如果电机的实际振动频率F与所述预设频率Ft匹配，则电机的振动是由电机齿槽转矩波动引起的。反之，则电机的振动可能是因机械损坏或者老化等其他因素引起的。
具体地，如果所述电机的实际振动频率F在所述预设频率Ft的15％的波动范围内，也就是(1-15％)Ft≤F≤(1+15％)Ft，则视为两者匹配。
所述电机的实际振动频率F可以为安装于所述电机的振动传感器输出的波形所呈现的频率。所述预设频率Ft可以为电机出厂时安装于所述电机或者同批次电机的振动传感器输出的波形所呈现的频率。用于获取上述实际振动频率F的振动传感器和用于获取所述预设频率Ft的振动传感器优选相同的振动传感器，或者可以输出同相或者反相的波形的振动传感器。例如，获取所述实际振动频率F的振动传感器为加速度计时，获取所述预设频率Ft的振动传感器优选为加速度计或者扭矩计；获取所述实际振动频率F的振动传感器为位移传感器或者速度传感器时，获取所述预设频率Ft的振动传感器优选为相应的位移传感器或者速度传感器。
在其它实施例中，所述步骤S202也可以通过确定电机在一预定时段内实际振动的峰波次数、谷波次数或两者之和与对应的预设峰波次数、预设谷波次数或者预设的两者之和是否匹配，来判断电机的振动是否由电机本身的齿槽转矩波动引起。具体地，如果匹配，则电机的振动是由电机齿槽转矩波动引起的。反之，则电机的振动可能是因机械损坏或者老化等其他因素引起的。
具体地，如果所述振动传感器输出的波形在所述预定时段内实际振动的峰波次数a、谷波次数b或两者之和c在对应的预设峰波次数a1、预设谷波次数b1、预设的峰波次数和谷波次数之和c1的15％的波动范围内，也就是(1-15％)a1≤a≤(1+15％)a1、(1-15％)b1≤b≤(1+15％)b1或者(1-15％)c1≤c≤(1+15％)c1，则视为两者匹配。
所述预定时段可以是但不限于所述电机的一个电气周期的时长。当所述电机为无刷直流电机时，所述电机的一个完整的机械周期是一个电气周期的n倍，n＝转子极数的一半。
所述实际振动的峰波次数a、谷波次数b或两者之和c可以为安装于电机的振动传感器输出的波形在所述预定时段内的所呈现的峰波次数、谷波次数或两者之和。所述对应的预设峰波次数a1、预设谷波次数b1、预设的峰波次数和谷波次数之和c1可以为电机出厂时安装于所述电机或者同批次电机的振动传感器输出的波形在所述预定时段内的所呈现的峰波次数、谷波次数或两者之和。同样的，用于获取上述实际振动的峰波次数a、谷波次数b或两者之和c的振动传感器和用于获取所述预设峰波次数a1、预设谷波次数b1、预设的峰波次数和谷波次数之和c1的振动传感器优选相同的振动传感器，或者可以输出同相或者反相的波形的振动传感器。
可以理解，所述步骤S202的判断方式并不限于上述实施例所述，也可以通过侦测流过电机线圈的实际电流的频率等方式确定。比如，根据统计分析，神经网格训练或者模糊逻辑的方式，预先建立流过电机线圈的电流的频率与电机的振动频率的对应关系，并预先存储于一查询表中。
步骤S203，如果电机的振动是由电机本身的齿槽转矩波动引起，则确定电机的齿槽转矩的峰值区间和谷值区间，控制所述峰值区间内驱动电机的脉冲信号的占空比高于所述谷值区间内驱动电机的脉冲信号的占空比。
所述步骤S203与前述电机控制方法的步骤S301相同，不再赘述。
优选地，所述步骤S203进一步包括如下步骤：如果电机的振动不是由电机本身的齿槽转矩波动引起，则停止电机的供电或者提示电机已无法正常工作。
所述第二实施例的电机减振控制方法进一步引入了步骤S202，在电机的振动是由电机本身的齿槽转矩波动引起的情况下，调节上述脉冲信号的占空比来改善电机的振动，以避免无效的去调节脉冲信号的占空比。
请参阅附图5，其为本发明第三实施例的电机减振控制方法的流程图。本实施例的电机减振控制方法专门适用于电机驱动动态负载的场合。例如，当电机驱动的负载为卷闸门时，负载是变化的。本实施例的减振控制方法包括如下步骤：
步骤S301，确定电机的实际振动幅度是否超过一预设幅度。
步骤S302，如果是，则进一步判断电机的振动是否由电机本身的齿槽转矩波动引起；反之，则回到步骤S301。
步骤S303，如果电机的振动是由电机本身的齿槽转矩波动引起，则确定电机的齿槽转矩的峰值区间和谷值区间，控制所述峰值区间内驱动电机的脉冲信号的占空比高于所述谷值区间内驱动电机的脉冲信号的占空比；并且在电机驱动的负载增加时增大驱动电机的脉冲信号的占空比；在电机驱动的负载减小时降低驱动电机的脉冲信号的占空比。
可以理解，所述减振控制方法也可以不包括步骤S302，在电机的实际振动幅度超过所述预设幅度时，直接进入步骤S303去确定电机的齿槽转矩的峰值区间和谷值区间，并执行后续的控制。
请参阅附图6(a)和6(b)，其示例性的显示了使用所述本发明第三实施例的减振控制方法时，电机在驱动不同的负载的情况下，A相电流的局部波形图和对应的驱动电机的脉冲信号的波形图。
图6(a)和6(b)的脉冲信号均具有两个区间，区间T1对应前述的齿槽转矩的峰值区间，区间T2对应前述的齿槽转矩的谷值区间。区间T1内的脉冲信号的占空比高于区间T2内的脉冲信号的占空比。附图6(a)显示的是负载较大的情况，附图6(b)显示的是负载较小的情况。可以看出，附图6(b)的脉冲信号的区间T1和T2的占空比分别低于附图6(a)的脉冲信号的区间T1和T2的占空比，因此附图6(b)的电流在电流值Ib上下波动，附图6(a)的电流在高于Ib的电流值Ia上下波动。
本实施例的电机减振控制方法可以在电机的负载动态变化时，相应的调整驱动电机的脉冲信号的占空比，从而进一步避免因负载的变化而引起的电机振动。
请参阅图7，其为本发明第一实施例提供的电机减振控制电路的电路方框图。所述电机减振控制电路包括：
振动幅度判断单元601，用于根据安装于电机的振动传感器输出的信号确定所述电机的实际振动幅度是否超过一预设幅度；和
占空比调节单元603，用于在所述电机的实际振动幅度超过所述预设幅度时，确定电机的齿槽转矩的峰值区间和谷值区间，并控制所述峰值区间内驱动电机的脉冲信号的占空比高于所述谷值区间内驱动电机的脉冲信号的占空比。
请参阅图8，其为本发明第二实施例提供的电机减振控制电路的电路方框图。所述电机减振控制电路包括：
振动幅度判断单元701，用于根据安装于电机的振动传感器输出的信号确定所述电机的实际振动幅度是否超过一预设幅度；
分析单元702，用于在所述电机的实际振动幅度超过所述预设幅度时，判断电机的振动是否由电机本身的齿槽转矩波动引起；和
占空比调节单元703，用于在所述电机的振动是由电机本身的齿槽转矩波动引起时，确定电机的齿槽转矩的峰值区间和谷值区间，并控制所述峰值区间内驱动电机的脉冲信号的占空比高于所述谷值区间内驱动电机的脉冲信号的占空比。
请参阅图9，本发明还提供一种无刷直流电机，所述电机M包括缠绕有线圈的定子(图未示)、永磁转子(图未示)、安装于所述定子上的振动传感器(图未示)、连接于所述线圈的逆变电路、以及如上述图6或者图7所述的减振控制电路。所述减振控制电路的占空比调节单元603或者703用于输出脉冲信号至所述逆变电路，从而驱动所述无刷直流电机。所述无刷直流电机可为三相无刷直流电机。
以上所述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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电机减振控制方法，其特征在于，所述电机减振控制方法包括：
步骤a，确定电机的实际振动幅度是否超过一预设幅度；
步骤b，如果所述实际振动幅度超过所述预设幅度，则确定所述电机的齿槽转矩的峰值区间和谷值区间，控制所述峰值区间内驱动电机的脉冲信号的占空比高于所述谷值区间内驱动电机的脉冲信号的占空比。
2.根据权利要求1所述的电机减振控制方法，其特征在于，所述步骤b进一步包括在所述电机驱动的负载增加时增大驱动电机的脉冲信号的占空比，在所述电机驱动的负载减小时降低驱动电机的脉冲信号的占空比。
3.一种电机减振控制方法，其特征在于，所述电机减振控制方法包括：
步骤a，确定电机的实际振动幅度是否超过一预设幅度；
步骤b，如果所述实际振动幅度超过所述预设幅度，则进一步判断所述电机的振动是否由电机本身的齿槽转矩波动引起；
步骤c，如果所述电机的振动由电机本身的齿槽转矩波动引起，则确定所述电机的齿槽转矩的峰值区间和谷值区间，控制所述峰值区间内驱动电机的脉冲信号的占空比高于所述谷值区间内驱动电机的脉冲信号的占空比。
4.根据权利要求1或3所述的电机减振控制方法，其特征在于，所述步骤a中，通过判断安装于电机的振动传感器输出的波形的波动幅度是否超过一预设值，来确定所述实际振动幅度是否超过所述预设幅度。
5.根据权利要求3所述的电机减振控制方法，其特征在于，所述步骤c进一步包括在所述电机驱动的负载增加时增大驱动电机的脉冲信号的占空比，在所述电机驱动的负载减小时降低驱动电机的脉冲信号的占空比。
6.根据权利要求3所述的电机减振控制方法，其特征在于，所述步骤b中，通过确定所述电机的实际振动频率与一预设频率是否匹配，来判断所述电机的振动是否由电机本身的齿槽转矩波动引起。
7.根据权利要求3所述的电机减振控制方法，其特征在于，所述步骤b中，通过确定所述电机在一预定时段内实际振动的峰波次数、谷波次数或两者之和与对应的预设峰波次数、预设谷波次数或者预设的两者之和是否匹配，来判断所述电机的振动是否由电机本身的齿槽转矩波动引起。
8.一种电机减振控制电路，其特征在于，所述电机减振电路包括：
振动幅度判断单元，用于根据安装于电机的振动传感器输出的信号确定所述电机的实际振动幅度是否超过一预设幅度；和
占空比调节单元，用于在所述实际振动幅度超过所述预设幅度时，确定所述电机的齿槽转矩的峰值区间和谷值区间，并控制所述峰值区间内驱动电机的脉冲信号的占空比高于所述谷值区间内驱动电机的脉冲信号的占空比。
9.一种电机减振控制电路，其特征在于，所述电机减振电路包括：
振动幅度判断单元，用于根据安装于电机的振动传感器输出的信号确定所述电机的实际振动幅度是否超过一预设幅度；
分析单元，用于在所述实际振动幅度超过所述预设幅度时，判断所述电机的振动是否由电机本身的齿槽转矩波动引起；和
占空比调节单元，用于在所述电机的振动是由电机本身的齿槽转矩波动引起时，确定所述电机的齿槽转矩的峰值区间和谷值区间，并控制所述峰值区间内驱动电机的脉冲信号的占空比高于所述谷值区间内驱动电机的脉冲信号的占空比。
10.一种电机，所述电机为无刷直流电机，包括缠绕有线圈的定子、永磁转子、安装于所述定子上的振动传感器、连接于所述线圈的逆变电路、以及如权利要求8或9所述的电机减振控制电路，所述减振控制电路的占空比调节单元用于输出脉冲信号至所述逆变电路，从而驱动所述电机。
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