CN116584031A - 控制无刷永磁电机的方法 - Google Patents

Abstract

一种控制具有相绕组和转子的无刷永磁电机的方法，包括当转子关于停放位置振荡时，向相绕组施加第一和第二相反极性的电压，测量多个第一时间，每个第一时间包括响应于第一极性的施加电压，流过相绕组所花费的时间，以及测量多个第二时间，每个第二时间包括响应于第二极性的施加电压，流过相绕组所花费的时间。该方法包括确定所述多个第一时间的平均幅度和所述多个第二时间的平均幅度中的哪一个具有较小平均幅度，以及确定具有较小平均幅度的所述多个时间的振幅峰值。该方法包括使用振幅峰值来计算时间窗口，在随后确定的振幅峰值处设置对应于该时间窗口的定时器，以及在该时间窗口期间向相绕组施加驱动电压。

Description

控制无刷永磁电机的方法

技术领域

本发明涉及一种控制无刷永磁电机的方法。

背景技术

在无刷永磁电机已经关闭，即在运行期间关闭的一些情况下，可能希望在转子静止在其停放位置之前重新启动电机，例如在转子仍然关于停放位置振荡的情况下。了解停放位置可能是重要的，以便可以将适当极性的电压施加到相绕组以重新启动电机，并且了解相对于停放位置的转子位置可能是重要的，以确定何时将电压施加到相绕组以重新启动电机。在已知的无刷永磁电机中，在没有物理转子位置传感器的情况下，当转子振荡时，不可能检测停放位置和相对于停放位置的转子位置。这意味着，在转子静止之前，电机可能无法在向前方向上安全地重新启动，这可能对包括无刷永磁电机的产品的用户造成被认为不可接受的延迟。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种控制具有相绕组和转子的无刷永磁电机的方法，该方法包括：当转子关于停放位置振荡时，向相绕组施加第一和第二相反极性的电压；测量多个第一时间，每个第一时间包括响应于第一极性的施加电压，流过相绕组的电流超过阈值所花费的时间；测量多个第二时间，每个第二时间包括响应于第二极性的施加电压，流过相绕组的电流超过阈值所花费的时间；确定所述多个第一时间的平均幅度和所述多个第二时间的平均幅度中哪个具有较小平均幅度；确定具有较小平均幅度的所述多个时间的振幅峰值；利用所述振幅峰值计算时间窗口；将对应于所述时间窗口的定时器设置在随后确定的振幅峰值处；以及在所述时间窗口期间向相绕组施加驱动电压。

无刷永磁电机通常具有凸极(saliency)，通常由不对称定子齿设计提供，以使电机总是从静止向前启动。这种凸极导致进入电机绕组的磁链关于转子的停放位置不对称，例如峰值磁链偏离转子的停放位置。本申请的发明人已经发现，通过在转子关于停放位置振荡期间向电机的相绕组施加相反极性的电压，考虑到关于停放位置的不对称磁链，相绕组中的电流上升时间的大小取决于向相绕组施加正电压还是负电压，并且取决于转子围关于其振荡的停放位置而变化。

特别地，对应于具有与转子关于其振荡的停放位置相同极性的施加电压的电流上升时间比对应于具有与转子关于其振荡的停放位置的极性相反的极性的施加电压的电流上升时间具有更大的平均幅度。此外，本申请的发明人已经认识到，由于由电机凸极引起的停放位置两侧的磁链不对称，较小平均幅度的电流上升时间(即对应于具有与转子关于其振荡的停放位置的极性相反的极性的施加电压的电流上升时间)具有不同的峰值，所述不同的峰值出现在转子振荡的边界处，即在离停放位置最远的振荡点处。通过确定对应于具有与转子关于其振荡的停放位置的极性相反的极性的施加电压的电流上升时间的振幅峰值，可以推断转子相对于停放位置的运动方向，并且通过使用振幅峰值可以计算时间窗口，在该时间窗口内，认为所施加的驱动电压将在向前而不是向后的方向上驱动转子。

通过以这种方式推断转子的方向并确定施加的电压何时将沿向前而不是向后方向驱动转子，电机可以在振荡期间重新启动，这可以与例如需要等待直到转子被认为是静止的以便重新启动的电机相比减少重新启动的延迟。

该方法可以包括控制无刷永磁电机的无传感器方法，例如控制不包括位置传感器的无刷永磁电机的方法。

当转子关于停放位置振荡时，向相绕组施加第一极性和第二极性的电压可以包括向相绕组施加第一极性的电压，随后向相绕组施加第二极性的电压，随后向相绕组施加第一极性的电压，随后向相绕组施加第二极性的电压，等等。因此，第一和第二极性电压的施加可以被认为是第一和第二极性电压的顺序施加。

每个测量的第一时间可以对应于第一极性电压的单次施加。每个测量的第二时间可以对应于第二极性电压的单次施加。

第一极性和第二极性的电压可以以大于电机振荡频率的频率施加到相绕组。

所述时间窗口可以包括当电机可以在向前方向上启动且在向后方向上启动的风险最小时的时间窗口。在时间窗口期间向相绕组施加驱动电压可以包括向相绕组施加驱动电压以在向前方向上驱动电机，例如使转子脱离振荡。所述时间窗口可以对应于当电机能够在向前方向上启动且在向后方向上启动的风险最小时的转子位置范围。

该方法可以包括确定具有较小平均幅度的多个时间的低振幅峰值，并使用该低振幅峰值来计算时间窗口。该方法可以包括确定具有较小平均幅度的多个时间的两个连续低振幅峰值，并使用这两个连续低振幅峰值来计算时间窗口。低振幅峰值可以指示在关于停放位置的振荡边界处的转子位置，其对应于转子在向后方向上的最大振荡。

该方法可以包括确定具有较小平均幅度的多个时间的高振幅峰值，并使用该高振幅峰值来计算时间窗口。该方法可以包括确定具有较小平均幅度的多个时间的两个连续高振幅峰值，并使用这两个连续高振幅峰值来计算时间窗口。高振幅峰值可以指示在关于停放位置的振荡边界处的转子位置，其对应于转子在向前方向上的最大振荡。

该方法可以包括确定具有较小平均幅度的多个时间的连续低振幅峰值和高振幅峰值，并使用连续低振幅峰值和高振幅峰值之间的时间差来计算时间窗口。该方法可以包括确定具有较小平均幅度的多个时间的两个连续的低振幅峰值和高振幅峰值对，并使用这两个连续的低振幅峰值和高振幅峰值对来计算时间窗口。低振幅峰值可以指示在关于停放位置的振荡边界处的转子位置，其对应于转子在向后方向上的最大振荡，而高振幅峰值可以指示在关于停放位置的振荡边界处的转子位置，其对应于转子在向前方向上的最大振荡。因此，低振幅峰值后接下一个高振幅峰值可以指示转子从转子在向后方向上的最大振荡到转子在向前方向上的最大振荡的运动，并且低振幅峰值后接下一个高振幅峰值之间的时间段可以指示转子从转子在向后方向上的最大振荡移动到转子在向前方向上的最大振荡所花费的时间。因此，这样的时间段可以指示时间窗口，在该时间窗口期间，认为施加到相绕组的适当极性的电压将开始转子在向前方向上的运动，即，使转子脱离振荡。

驱动电压可以在时间窗口的中点处施加到相绕组。时间窗口的中点可以包括对应于停放位置的时间点，并且例如，在这样的时间点向相绕组施加适当极性的电压可以开始转子在向前方向上的运动，即，使转子脱离振荡。

该方法可以包括响应于流过相绕组的电流超过阈值而从相绕组移除第一或第二极性电压，以及在向相绕组施加下一第二或第一极性电压之前等待流过相绕组的电流达到零。这可以确保多个第一和第二时间的测量的准确性。

该方法可以包括当流过相绕组的电流超过阈值时，主动地使流过相绕组的电流为零。与例如采用无源等待周期的相应方法相比，这可以减少执行该方法所花费的时间，在该无源等待周期期间流过相绕组的电流降至零。

该方法可以包括确定转子关于第一停放位置或不同于第一停放位置的第二停放位置振荡，当关于第一停放位置振荡时，多个第一时间的平均幅度大于多个第二时间的平均幅度；当关于第二停放位置振荡时，多个第二时间的平均幅度大于多个第一时间的平均幅度。转子关于其振荡的停放位置的这种确定可以在监测具有较小平均幅度的多个时间之前发生。

当向相绕组施加电压时，产生定子场。随着相电流的增加，定子磁通的密度增加并最终开始饱和。当定子饱和时，相绕组的电感减小，因此相电流以更快的速率增加。取决于施加电压的极性和转子关于其振荡的停放位置，转子磁通将与定子磁通一致或相反。当转子磁通与定子磁通一致时，饱和发生得更快，因此相电流以更快的速率增加。相反，当转子磁通与定子磁通相反时，饱和发生得更慢，因此相电流以更慢的速率增加。

本发明利用这种行为来确定转子关于其振荡的停放位置。具体地，第一电压被施加到相绕组，并测量第一时间。然后将第二电压施加到相绕组，并测量第二时间。这是以顺序的方式重复的。由于第二电压具有与第一电压相反的极性，在两个测量中的一个期间，转子磁通将与定子磁通一致，并且在两个测量中的另一个期间，转子磁通将与定子磁通相反。因此，取决于转子的停放位置，第一时间将小于或大于第二时间。因此，本发明能够通过监测和比较不同施加电压的平均电流上升时间来确定转子关于其振荡的停放位置。

了解转子的停放位置可以使得能够确定施加到相绕组的驱动电压的正确极性，以在向前方向上驱动转子。

该方法可以包括基于所确定的第一或第二停放位置确定要施加到相绕组的驱动电压的电压极性。

在时间窗口期间施加到相绕组的驱动电压可以包括与在具有较大平均幅度的多个时间段期间施加的电压的极性对应的极性。

多个第一时间的较大平均幅度可以指示转子关于具有对应于第一极性的施加电压的极性的停放位置振荡。多个第二时间的较大平均幅度可以指示转子关于具有对应于第二极性的施加电压的极性的停放位置振荡。第一极性可以包括正极性，第二极性可以包括负极性。多个第一时间的较大平均幅度可以指示转子关于正停放位置振荡，多个第二时间的较大平均幅度可以指示转子关于负停放位置振荡。

该方法可以包括施加第一极性的驱动电压，其中转子在顺序施加电压期间关于具有对应于第一极性的施加电压的极性的停放位置振荡。该方法可以包括施加第二极性的驱动电压，其中转子在顺序施加电压期间关于具有对应于第二极性的施加电压的极性的停放位置振荡。

根据本发明的第二方面，提供了一种无刷永磁电机，包括定子、围绕定子缠绕的相绕组、能够相对于定子旋转的转子，以及用于执行根据本发明第一方面的方法的控制系统。

控制系统可以包括逆变器、门驱动器模块、控制器和电流传感器，逆变器联接到相绕组，门驱动器模块响应于控制器输出的控制信号驱动逆变器开关的断开和闭合，电流传感器输出提供相绕组中电流测量的信号。

根据本发明的第三方面，提供了一种地板护理设备，包括根据本发明第二方面的无刷永磁电机。

根据本发明的第四方面，提供了一种头发护理器具，包括根据本发明第二方面的无刷永磁电机。

根据本发明的第五方面，提供了一种控制具有相绕组和转子的无刷永磁电机的方法，该方法包括：当转子关于停放位置振荡时，向相绕组施加第一和第二相反极性的电压；测量多个第一时间，每个第一时间包括响应于第一极性的施加电压，流过相绕组的电流超过阈值所花费的时间；测量多个第二时间，每个第二时间包括响应于第二极性的施加电压，流过相绕组的电流超过阈值所花费的时间；确定所述多个第一时间的平均幅度和所述多个第二时间的平均幅度中哪个具有较小平均幅度；确定转子关于第一停放位置或第二停放位置振荡，当围绕第一停放位置振荡时，所述多个第一时间的平均幅度大于所述多个第二时间的平均幅度，当围绕第二停放位置振荡时，所述多个第二时间的平均幅度大于所述多个第一时间的平均幅度；基于所确定的第一或第二停放位置确定要施加到相绕组的驱动电压的电压极性；以及(i)在转子关于第一停放位置振荡的情况下，确定所述多个第二时间的振幅峰值，使用所述多个第二时间的振幅峰值来计算时间窗口，在下一个确定的振幅峰值处设置对应于所述时间窗口的定时器，并且在所述时间窗口期间向相绕组施加确定极性的驱动电压；以及(ii)在转子关于不同于第一停放位置的第二停放位置振荡的情况下，确定所述多个第一时间的振幅峰值，使用所述多个第一时间的振幅峰值来计算时间窗口，在下一个确定的振幅峰值处设置对应于所述时间窗口的定时器，并且在所述时间窗口期间向相绕组施加具有确定极性的驱动电压。

在适当的情况下，本发明的各方面的可选特征可以等同地应用于本发明的其他方面。

附图说明

图1是示出电机系统的第一示意图；

图2是示出电机系统的第二示意图；

图3是表示图1和图2的电机系统的开关状态的表格；

图4是示出图1和2的电机系统的已知停机顺序的曲线图；

图5是图1和图2的电机系统的转子的停放位置的示意图；

图6是示出关于图1和2的电机系统的转子的停放位置的磁链变化的曲线图；

图7是示出在振荡期间施加到图1和2的电机系统的相绕组的电压的图；

图8是示出响应于图7的施加电压的电流上升时间的图；

图9是示出根据本发明的图1和图2的电机系统的停机顺序的曲线图；

图10是示出根据本发明的第一方法的流程图；

图11是示出根据本发明的第二方法的流程图；

图12是根据本公开的地板护理设备的示意图；

图13是根据本公开的头发护理器具的示意图。

具体实施方式

在图1和图2中示出了总体上用10表示的电机系统。电机系统10由DC电源12例如电池供电，并且包括无刷永磁电机14和控制电路16。本领域技术人员将认识到，在对电路进行适当的修改，例如包括整流器的情况下，本发明的方法可以同样适用于由AC电源供电的电机系统。

电机14包括相对于四极定子20旋转的四极永磁转子18。尽管这里示出的是四极永磁转子，但应当理解，本发明可以适用于具有不同极数的电机，例如八极。绕定子20缠绕的导线联接在一起以形成单相绕组22。尽管这里描述为单相电机，但本领域技术人员将认识到，本申请的教导也可以适用于多相电机，例如三相电机。

控制电路16包括滤波器24、逆变器26、门驱动器模块28、电流传感器30、第一电压传感器32、第二电压传感器33和控制器34。

滤波器24包括链路电容器C1，该链路电容器C1平滑由逆变器26的切换产生的相对高频纹波。

逆变器26包括将相绕组22联接到电压轨的四个功率开关Q1-Q4的全桥。开关Q1-Q4中的每一个都包括续流二极管。

门驱动器模块28响应于从控制器34接收的控制信号来驱动开关Q1-Q4的断开和闭合。

电流传感器30包括位于逆变器和零伏轨之间的分流电阻器R1。电流传感器30两端的电压提供相绕组22连接到电源12时对电流的测量。电流传感器30两端的电压作为信号I_SENSE输出到控制器33。应当认识到，在该实施例中，不可能在续流期间测量相绕组22中的电流，但是也可以设想这样做的替代实施例，例如通过使用多个并联电阻器。

第一电压传感器32包括电阻器R2和R3形式的分压器，位于DC电压轨和零伏轨之间。电压传感器向控制器34输出信号V_DC，该信号V_DC表示由电源12提供的电源电压的按比例缩小的测量值。

第二电压传感器33包括由电阻器R4、R5、R6和R7构成的一对分压器，所述电阻器R4、R5、R6和R7连接在相绕组22的两侧。第二电压传感器33向控制器提供指示在相绕组22中感应的反EMF的信号bEMF。

控制器34包括具有处理器、存储器设备和多个外围设备(例如，ADC、比较器、定时器等)的微控制器。在替代实施例中，控制器34可以包括状态机。存储器设备存储用于由处理器执行的指令，以及在操作期间由处理器使用的控制参数。控制器34负责控制电机14的操作，并产生用于控制四个功率开关Q1-Q4中的每一个的四个控制信号S1-S4。控制信号被输出到门驱动器模块28，作为响应，门驱动器模块28驱动开关Q1-Q4的断开和闭合。

在正常操作期间，控制器34通过使用软件来估计指示经由信号V_DC和I_SENSE在相绕组22中感应的反EMF的波形，使用无传感器控制方案，即不使用霍尔传感器等来估计转子18的位置。为了简洁起见，这里将不描述这种控制方案的细节，但是可以在例如GB专利申请No.1904290.2中找到。在公开的PCT专利申请WO2013132247A1中公开了另一种利用硬件部件来估计相绕组22中感应的反EMF的无传感器控制方案。在知道转子18在正常运行中的位置的情况下，控制器34产生控制信号S1-S4。

图3总结了响应于控制器33输出的控制信号S1-S4，开关Q1-Q4的允许状态。以下，术语“设置”和“清除”将分别用于指示信号在逻辑上被拉高和拉低。从图3可以看出，控制器34设置S1和S4，并清除S2和S3，以便从左向右激励相绕组22。相反，控制器34设置S2和S3，并清除S1和S4，以便从右向左激励相绕组22。控制器34清除S1和S3，并设置S2和S4，以便使相绕组22续流。续流使得相绕组22中的电流能够围绕逆变器26的低侧环路再循环。在本实施例中，功率开关Q1-Q4能够在两个方向上导通。因此，控制器34在续流期间闭合两个低侧开关Q2、Q4，使得电流流过开关Q2、Q4，而不是流过效率较低的二极管。

可以想象，逆变器26可以包括仅在单个方向上导通的功率开关。在这种情况下，控制器34将清除S1、S2和S3，并设置S4，以使相绕组22从左向右续流。然后，控制器34将清除S1、S3和S4，并设置S2，以便使相绕组22从右向左续流。然后，逆变器26的低侧环路中的电流向下流过闭合的低侧开关(例如Q4)并向上流过断开的低侧开关(例如Q2)的二极管。

开关Q1-Q4的适当控制可以用于在正常操作期间，例如在稳态模式下，以高达或超过100krpm的速度驱动转子18。

图4示出了电机14的停机顺序。在时间t0之前，电机以大约100krpm的速度在稳态模式下运行。停机顺序在时间t0开始，并且在时间t0和t1之间，例如通过将适当的电压施加到开关Q1-Q4中的选定的开关，主动制动被施加到电机。这导致电机减速。在时间段t0-t1期间，可以监测转子18的位置。特别地，通过使开关Q1-Q4断开来周期性地监测来自电压传感器33的信号bEMF，并且当电压从负转变为正或正转变为负时，认为发生相电压过零。这允许电机14在需要时在时间段t0-t1期间重新启动。时间段t0-t1可以是大约150-300ms。

在时间t1，转子18的速度已经下降到大约10krpm。在时间t1和t2之间，转子18开始关于转子18的停放位置振荡。在振荡期间，可能不可能确定过零，因此转子18的位置是未知的，并且电机14不能重新启动，因为存在这样的风险，即在不知道转子位置的情况下，试图重新启动可能导致转子18向后旋转。在时间t2之后，振荡被认为足够小，使得电机14可以安全地向前重新启动。

t1和t2之间的时间段通常可以在200-500ms的范围内。尽管例如通过利用开关Q2和Q4的续流来抑制振荡可以减小该时间段，但是用户仍然可以察觉到电机14不能重新启动的时间段。这样的延迟可能给用户一个错误的印象，即电机14容纳在其中的产品出现故障，因此可能是不希望的。

本申请的发明人已经确定了一种在振荡期间监测转子18的位置的方法，使得在停机过程期间，即在转子18关于停放位置振荡期间，电机14可以以最小延迟重新启动。

电机14设置有凸极，以确保转子18停在已知位置，该位置将使转子18能够从静止向前重新启动。这种凸极通常以非对称定子齿设计的形式提供，如图5所示，图5还示出了停放在两个位置之一的转子18，这两个位置可以被认为是正停放位置和负停放位置。虽然称为两个停放位置，但应当理解，转子18具有四个停放位置，但是考虑到转子18的旋转对称性，四个停放位置可以被认为是两个停放位置。

了解转子18关于哪个停放位置振荡使得能够确定要施加的正确极性电压，以便在向前方向上重新启动转子18。

鉴于凸形定子设计，无论转子18的停放位置是正停放位置还是负停放位置，从转子18进入相绕组22的磁链在关于停放位置的振荡期间关于停放位置都是不对称的，如图6所示。磁链中的这种不对称性可以以下描述的方式用于确定转子18关于其振荡的停放位置。

在振荡期间，控制器34设置S1和S4，以便从左向右激励相绕组22，即向相绕组22施加正电压。在设置S1和S4的同时，控制器34启动内部定时器。施加的正电压导致相绕组22中的电流增加。控制器34经由信号I_SENSE监测电流的大小，并且一旦电流达到预定阈值，控制器34清除S1和S4，并停止内部定时器。内部定时器的值对应于相电流从零增加到阈值所需的时间。控制器34将定时器值存储为第一间隔并复位定时器。当S1和S4被清除时，开关Q1-Q4断开，这导致相绕组22中的电流衰减到零。可以理解的是，除了桥断条件之外，S2和S4还可以被设置为允许通过开关Q2和Q4的续流来延迟电流，但是桥断条件可以更快地使电流变为零，从而允许以更高的频率施加正电压和负电压。

一旦相绕组22中的电流衰减到零，控制器设置S2和S3，以便从右向左激励相绕组22，即向相绕组22施加负电压。所施加的负电压与所施加的正电压具有相同的幅度。在设置S2和S3的同时，控制器34启动内部定时器。施加的负电压导致相绕组22中的电流增加。控制器34经由信号I_SENSE监测电流的大小，并且一旦电流达到预定阈值，控制器34清除S2和S3，并停止内部定时器。内部定时器的值对应于相电流从零增加到阈值所需的时间。控制器34将定时器值存储为第二间隔并复位定时器。当S2和S3被清除时，开关Q1-Q4断开，这导致相绕组22中的电流衰减到零。

图7示意性地示出了施加的电压和对应的电流上升时间。

正电压和负电压以上述方式顺序地施加，即，负施加电压跟随正施加电压，正施加电压跟随负施加电压。电压以大于转子18的振荡频率的频率施加，使得转子18的每个振荡周期出现多个施加电压实例。每次施加电压时，控制器34使用内部定时器来记录流过相绕组22的电流达到阈值所花费的时间。总的来说，对应于正施加电压的时间可以被认为是多个第一时间，而对应于负施加电压的时间可以被认为是多个第二时间。

控制器34对多个第一时间和多个第二时间进行平均，并比较这些平均值。具有较大平均幅度的多个时间指示转子18的停放位置，正施加电压的较大平均上升时间指示正停放位置，负施加电压的较大平均上升时间指示负停放位置。

特别地，当电压被施加到相绕组22时，产生定子场。随着相电流的增加，定子磁通的密度增加并最终开始饱和。当定子饱和时，相绕组22的电感减小，因此相电流以更快的速率增加。取决于所施加电压的极性和转子18关于其振荡的停放位置，转子磁通将与定子磁通一致或相反。当转子磁通与定子磁通一致时，饱和发生得更快，因此相电流以更快的速率增加。相反，当转子磁通与定子磁通相反时，饱和发生得更慢，因此相电流以更慢的速率增加。

本发明利用这种特性来确定转子18关于其振荡的停放位置。在两个施加电压中的一个期间，转子磁通将与定子磁通一致，并且在两个施加电压中的另一个期间，转子磁通将与定子磁通相反。因此，取决于转子18的停放位置，第一时间将小于或大于第二时间。因此，本发明能够通过监测和比较不同施加电压的平均电流上升时间来确定转子18在振荡期间的停放位置。

然后，控制器34使用对转子18的停放位置的了解来确定施加哪个极性的驱动电压，以便在向前方向上驱动转子18，从而从振荡中重新启动电机14。

除了知道施加哪个极性的电压之外，知道转子18相对于停放位置的位置也是重要的。本申请的发明人还认识到，上述电流上升时间可以用于确定转子18相对于停放位置的位置。

特别地，通过监测具有较小平均幅度的多个时间，可以观察到电流上升时间峰值中的图案。这可以在图8中看到，其中对应于正施加电压的电流上升时间具有较小平均幅度，因此转子18被确定为关于负停放位置振荡。

由于由电机凸极引起的停放位置两侧的磁链不对称，较小平均幅度的电流上升时间(即对应于具有与转子关于其振荡的停放位置的极性相反的极性的施加电压的电流上升时间)具有不同的峰值，所述峰值出现在转子振荡的边界处，即在离停放位置最远的振荡点处。通过确定对应于施加电压的电流上升时间的振幅峰值，可以推断转子18相对于停放位置的运动方向，施加电压具有与转子18关于其振荡的停放位置的极性相反的极性。

参见图8，我们可以看到，对于对应于正施加电压的电流上升时间，存在高振幅峰值和低振幅峰值(图8中标记为S1S4)。考虑到由非对称定子齿设计所赋予的凸极引起的关于停放位置的磁链不对称，电流上升时间根据在正电压施加到相绕组22时转子18相对于停放位置的位置而变化。当转子18处于对应于转子向前方向的振荡边界时，电流上升时间中的高振幅峰值出现，而当转子18处于对应于转子18向后方向的振荡边界时，电流上升时间中的低振幅峰值出现。

因此，可以推断，当电流上升时间从低振幅峰值变化到高振幅峰值时，转子18向前移动。利用该知识，可以根据当前上升时间推断转子18相对于停放位置的位置。

为了确定何时向相绕组22施加驱动电压，控制器34计算具有较小平均幅度的上升时间的低振幅峰值(例如图8中标记为38的峰值)和高振幅峰值(例如图8中标记为40的峰值)之间的时间，该时间对应于可以向相绕组22施加驱动电压以沿向前方向驱动转子18脱离振荡的时间窗口。尽管这里描述为利用低振幅峰值和高振幅峰值之间的时间来计算时间窗口，但是应当理解，峰的其他组合，例如两个低振幅峰值之间的时间或两个高振幅峰值之间的时间，也可以用于计算必要的时间窗口。

一旦时间窗口已知，控制器34等待下一个确定的低振幅峰值，例如图8中标记为42的峰值，并设置对应于时间窗口的定时器。控制器34考虑到所确定的负停放位置，在图8的情况下设置相关开关S2和S3，以在时间窗口中间的时间施加驱动电压，该时间对应于在转子18振荡期间转子18处于停放位置的时间。

以上述方式，控制器34确定转子18关于其振荡的停放位置，确定要施加到相绕组22以沿向前方向驱动转子18脱离振荡的驱动电压的正确极性，确定转子18与停放位置的相对位置，并计算可以施加驱动电压以沿向前方向驱动转子18脱离振荡的时间窗口。

因此，本发明使得电机14能够在振荡期间安全地重新启动。图9示出了根据本发明的修改的停机顺序。

在时间t0之前，电机以大约100krpm的速度在稳态模式下运行。停机顺序在时间t0开始，并且在时间t0和t1之间，例如通过将适当的电压施加到开关Q1-Q4中的选定的开关，主动制动被施加到电机。这导致电机减速。在时间段t0-t1期间，可以监测转子18的位置。特别地，通过使开关Q1-Q4断开来周期性地监测来自电压传感器33的信号bEMF，并且当电压从负转变为正或正转变为负时，认为发生相电压过零。这允许电机14在需要时在时间段t0-t1期间重新启动。时间段t0-t1可以是大约150-300ms。

在时间t1，转子18的速度已经下降到大约10krpm。在时间t1和t2之间，转子18开始关于转子18的停放位置振荡。在时间段t1-t2期间，电机14的任何可能重新启动由于进入振荡而被延迟，但是t1-t2的时间段相对较小，通常在50ms的范围内，并且可以通过制动来最小化，例如通过向开关Q1-Q4中的选定的开关施加适当的电压。在时间t2和t3之间，转子18关于停放位置振荡，并且控制器34能够以上述方式确定安全重新启动条件。t2-t3的时间段通常在2s的范围内。

应当理解，上述方法依赖于能够区分上升时间中的峰值。因此，使用这些方法的能力可能受到传感器分辨率的限制，例如受到来自分流电流和定时器的电压测量的限制。例如，当振幅峰值之间的差异为0.4μs或更大时，实际限制可能是准确区分上升时间内的振幅峰值。当转子18的振荡很小，但不小到能够安全地重新启动时，可能不可能区分电流上升时间中的振幅峰值，因此可能不可能重新启动电机14，直到振荡小到能够安全地重新启动。该时间段由图9中的时间段t3-t4表示，通常小于200ms。在时间t4之后，振荡被认为足够小，使得电机14可以安全地向前重新启动。

如将理解的，通过使用根据本发明的方法，在停机期间可以在比现有技术中已知的先前电机更长的时间段内实现电机14在向前方向上的安全重新启动。这可以降低当用户请求重新启动时延迟的风险，这可以增强用户体验。

虽然上述方法响应于振荡期间施加的电压而使用电流上升时间来确定转子18关于其振荡的停放位置，但是应当理解，可以存在确定转子停放位置的其他方法，这些方法可以与使用电流上升时间来确定转子18相对于停放位置的位置一起使用。例如，可以监测振荡期间在相绕组22中感应的反EMF，并使用该反EMF来确定转子的停放位置。

根据本发明的控制电机14的第一方法100示出于图10的流程图中。

方法100包括当转子18关于停放位置振荡时，向相绕组22施加102第一极性和第二相反极性的电压。方法100包括测量104多个第一时间和多个第二时间，每个第一时间包括响应于第一极性的施加电压，流过相绕组22的电流超过阈值所花费的时间，每个第二时间包括响应于第二极性的施加电压，流过相绕组22的电流超过阈值所花费的时间。

方法100包括确定106所述多个第一时间的平均幅度和所述多个第二时间的平均幅度中的哪一个具有较小平均幅度，以及确定108具有较小平均幅度的所述多个时间的振幅峰值。方法100包括使用110振幅峰值来计算时间窗口，在随后确定的振幅峰值处设置112对应于时间窗口的定时器；以及在时间窗口期间向相绕组施加114驱动电压。

通过确定对应于具有与转子18关于其振荡的停放位置的极性相反的极性的施加电压的电流上升时间的振幅峰值，可以推断转子18相对于停放位置的运动方向，并且通过使用振幅峰值可以计算时间窗口，在该时间窗口内，认为所施加的驱动电压将在向前而不是向后的方向上驱动转子18。

通过以这种方式推断转子18的方向并确定施加的电压何时在向前方向而不是向后方向上驱动转子18，电机14可以在振荡期间重新启动，这可以与例如需要等待直到转子被认为是静止的以便重新启动的电机相比减少重新启动的延迟。

根据本发明的控制电机14的第二方法200示出于图11的流程图中。图11的方法200包括与图10的方法100类似的步骤，但也包括确定转子18关于两个停放位置中的哪一个振荡的步骤。

方法200包括当转子18关于停放位置振荡时，向相绕组施加202第一极性和第二相反极性的电压。方法200包括测量204多个第一时间和多个第二时间，每个第一时间包括响应于第一极性的施加电压，流过相绕组22的电流超过阈值所花费的时间，每个第二时间包括响应于第二极性的施加电压，流过相绕组22的电流超过阈值所花费的时间。方法200包括确定206所述多个第一时间的平均幅度和所述多个第二时间的平均幅度中哪个具有较小平均幅度。

方法200包括确定208转子关于第一停放位置或第二停放位置振荡，当关于第一停放位置振荡时，所述多个第一时间的平均幅度大于所述多个第二时间的平均幅度，当关于第二停放位置振荡时，所述多个第二时间的平均幅度大于所述多个第一时间的平均幅度。方法200包括基于所确定的第一或第二停放位置确定210要施加到相绕组22的驱动电压的电压极性。

在转子18关于第一停放位置振荡的情况下，方法200包括确定212所述多个第二时间的振幅峰值，以及使用214所述多个第二时间的振幅峰值来计算时间窗口。方法200包括在下一个确定的振幅峰值处设置216对应于时间窗口的定时器，以及在时间窗口期间向相绕组22施加218确定极性的驱动电压。

在转子18关于第二停放位置振荡的情况下，方法200包括确定220多个第一时间的振幅峰值，并使用222多个第一时间的振幅峰值来计算时间窗口。方法200包括在下一个确定的振幅峰值处设置224对应于时间窗口的定时器，以及在时间窗口期间向相绕组22施加226具有确定极性的驱动电压。

方法200允许通过监测和比较不同施加电压的平均电流上升时间来确定转子18关于其振荡的停放位置。了解转子18关于其振荡的停放位置可以使得能够确定施加到相绕组22的驱动电压的正确极性，以在向前方向上驱动转子18。于是，通过确定对应于具有与转子18关于其振荡的停放位置的极性相反的极性的施加电压的电流上升时间的振幅峰值，可以推断转子18相对于停放位置的运动方向，并且通过使用振幅峰值可以计算时间窗口，在该时间窗口内，认为所施加的驱动电压将在向前而不是向后的方向上驱动转子18。

通过以这种方式推断转子18的方向并确定施加的电压何时在向前方向而不是向后方向上驱动转子，电机14可以在振荡期间重新启动，这可以与例如需要等待直到转子被认为是静止的以便重新启动的电机相比减少重新启动的延迟。

图12示意性地示出了结合了根据本发明的电机系统10的真空吸尘器300，而图13示意性地示出了结合了根据本发明的电机系统10的头发护理器具400。

Claims (14)

1.一种控制具有相绕组和转子的无刷永磁电机的方法，所述方法包括：

当所述转子关于停放位置振荡时，向所述相绕组施加第一和第二相反极性的电压；

测量多个第一时间，每个第一时间包括响应于第一极性的施加电压，流过所述相绕组的电流超过阈值所花费的时间；

测量多个第二时间，每个第二时间包括响应于第二极性的施加电压，流过所述相绕组的电流超过阈值所花费的时间；

确定所述多个第一时间的平均幅度和所述多个第二时间的平均幅度中哪个具有较小平均幅度；

确定具有较小平均幅度的所述多个时间的振幅峰值；

利用所述振幅峰值计算时间窗口；

在随后确定的振幅峰值处设置对应于所述时间窗口的定时器；以及

在所述时间窗口期间向所述相绕组施加驱动电压。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括确定具有较小平均幅度的所述多个时间的低振幅峰值，并使用所述低振幅峰值来计算时间窗口。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述方法包括确定具有较小平均幅度的所述多个时间的高振幅峰值，并使用所述高振幅峰值来计算时间窗口。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法包括确定具有较小平均幅度的所述多个时间的连续低振幅峰值和高振幅峰值，并使用所述低振幅峰值和所述高振幅峰值之间的时间差来计算时间窗口。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述时间窗口的中点将驱动电压施加到所述相绕组。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法包括响应于流过所述相绕组的电流超过所述阈值而从所述相绕组移除第一或第二极性电压，并且在向所述相绕组施加下一第二或第一极性电压之前，等待流过所述相绕组的电流达到零。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法包括当流过所述相绕组的电流超过所述阈值时，主动地使流过所述相绕组的电流为零。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法包括确定所述转子关于第一停放位置振荡还是关于不同于第一停放位置的第二停放位置振荡，当关于所述第一停放位置振荡时，所述多个第一时间的平均幅度大于所述多个第二时间的平均幅度，当关于所述第二停放位置振荡时，所述多个第二时间的平均幅度大于所述多个第一时间的平均幅度。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述方法包括基于所确定的第一或第二停放位置确定施加到所述相绕组的驱动电压的电压极性。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述时间窗口期间施加到所述相绕组的驱动电压包括与在具有较大平均幅度的多个时间段期间施加的电压的极性对应的极性。

11.一种无刷永磁电机，包括定子、绕定子缠绕的相绕组、能够相对于定子旋转的转子、以及用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的控制系统。

12.根据权利要求11所述的无刷永磁电机，其中，所述控制系统包括逆变器、门驱动器模块、控制器和电流传感器，所述逆变器联接到所述相绕组，所述门驱动器模块响应于所述控制器输出的控制信号驱动所述逆变器的开关的断开和闭合，所述电流传感器输出提供所述相绕组中电流测量的信号。

13.一种地板护理设备，包括根据权利要求11或12所述的无刷永磁电机。

14.一种头发护理器具，包括根据权利要求11或12所述的无刷永磁电机。