CN1574596A - 无刷直流电机的换向方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无刷直流电机换向方法，其中转子相对于定子的位置被直接或间接确定，根据所确定的转子的位置，在一个预定的换向角，将一个外部工作电压施加到至少一个电机线圈上。根据本发明，电机最好周期性地在第二优化换向角和第一最初的预设换向角之间来回切换。如果换向角之间的切换产生转速的变化，则新的工作点将偏离旧的工作点。为了补偿速度上的这种差异，不仅预设的换向角要改变，电机电压也要改变。

Description

无刷直流电机的换向方法
技术领域
本发明涉及一种无刷直流电机的换向方法，其中转子相对于定子的位置被直接或间接确定，根据所确定的转子位置，在一个预定的换向角上，将外部工作电压施加到至少一个电机线圈上。
背景技术
在无刷直流电机中，电机电压或电机电流在转子的特定位置处进行电子换向。在单相电机中，每一电子转换向两次。在三相电机中，每120度(在电气上)一个电源开关切断而另一个接通。为确保这种换向过程在正确的位置及时进行，电机的当前位置必须是已知的。对于这样的电机，通常是利用霍尔传感器来记录电机的位置。用这些器件来测量永磁转子产生的磁场。
由于电机线圈具有相当高的感应系数，因此电机电流的换向需要一定的时间，这意味着电流被延迟了。为补偿这种延迟，进行预换向，也就是换向过程被提前到转子到达中间位置或理论上的换向位置之前。有两种实现方法。一种是将霍尔传感器不是放置在中间区域而是放置在稍微偏移一些的位置。但是对于只需要在一个方向转动的电机(如风扇)，这仅仅是一种可能。这种方法的缺点是此处的定子电流会影响其它处的霍尔传感器的测量信号，从而造成启动困难。
另一种方法是利用这些电机及其负载，尤其是应用在风扇中时，具有的高惯性力矩。因为这个原因，运行速度的改变相对较慢，这就是为什么测量霍尔信号的两种极性变化间的时间的原因。如果我们测得接下来的两种极性变化之间的时间保持不变，则预换向可由定时器元件来控制。该定时器可以采用硬件元件如一个微控制器的计数器/定时器单元的形式，或者也可以软件的形式来实现。这种方法的优点是霍尔传感器可放置在中间区域，因为对称，线圈电流对传感器的影响很小。缺点是对控制器件的要求稍微增加，如微控制器更复杂了。
换向定时也可以不使用通常的霍尔传感器或位置传感器来确定。在这些不用传感器的电机中，电机线圈被用作传感器。这种方法对于具有外部换向电子器件的电机特别有利，因为这里不仅传感器及其在电机中的载体(如果有的话)可以被忽略，而且该传感器连至外部电子器件及相关的插件。
不考虑转子位置如何被测量及预换向如何被实现，余下的问题是预换向需要的角度有多大。转矩速度特性和电机效率都会受到该角度的影响。在特定情况下，甚至声学噪声在换向角度被适当设定时也能被改善。
如果没有速度控制的电机的预换向的角度为了优化特定的性能如效率而被改变，将导致转矩速度特性的改变。以风扇为例，然而，这意味着将运行于一个不同的工作点，而不是没有优化，因此其转速及因此的气流改变。我们常常希望改善电机的性能，但是不希望改变转矩速度特性。
发明内容
本发明的目的是提供一种无刷直流电机的换向方法，其中该方法能够改善电机的运行特性，而无需显著改变其转矩速度特性(工作点)。
该目的通过根据本发明的权利要求1所披露的方法来实现。
有益的实施例及该方法的进一步的改进在从属权利要求中提出。
根据本发明，电机工作于两种工作模式，最好周期性地在具有最初的预设换向角的第一工作模式和具有优化的第二换向角的第二工作模式之间来回切换。如果最初的换向角和新的换向角之间的切换造成转速改变，则新的工作点将偏离旧的工作点。为补偿这种速度偏移，不仅预换向角度要改变，而且电机电压也要以如下方式改变：即使当以新的换向角运行时，电机仍以相同的转速运行，也就是仍处于最初的工作点。
如果具有优化的换向角时的转速小于具有预定换向角时的转速，则当以优化的换向角运行时，电机电压必须增加，例如，通过改变电机电压的脉宽率(PWM)。电机以预定换向角(参考角度)运行时的时间周期较之以优化换向角运行时的时间相对较短。这意味着通过周期性的切换不会明显影响平均效率或变得更差。然而以预定角度运行的周期必须足够长，以使得速度的变化能被正确地测量。经过一定数目的转数或一预定时间周期，例如每两周之后，为了测量转速，例如一转的持续时间对于从第二运行模式暂时切换到第一运行模式是足够的，其中转速由于负载或周围条件的改变可能已经改变。电机然后可以立即重新切换回第二运行模式。
转速可根据换向信号(如霍尔信号)来测量，而无需额外的传感器。为了比较转速，对于测量换向过程中的两种极性的改变之间的时间也是足够的。这些时间可然后直接进行比较，更长的时间自然意味着更低的转速。
本发明提出的方法使得电机的运行行为能够得到多项优化，如功率损耗、效率或工作噪声。同时，工作点在第二运行模式期间保持不变，这样这种优化能够甚至被引入现有的设备。很多情况下，这样的改善可以无需改变硬件，也就是无需增加任何额外的花费就能够实现。
附图说明
本发明的一个简单的实施例将在下面结合附图进行解释。
图1示出了一个单相无刷直流电机的方框图。
图2示出了一个驱动风扇的直流电机在换向角改变时的转矩速度特性。
图3a，3b，3c示出了一个驱动风扇的电机在各换向角的定子电流的波形。
图4示出了根据本发明的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了一个简化的单相无刷直流电机的方框图。该电机包括实际的电机1和相关的电机控制器2，该控制器2可集成在电机中或在外部提供。电机的单个线圈3每180度电气角被激励一次，也就是说180度之后，电源电压VDC的极性通过控制器2的三极管T1至T4被切换。使用这种三相无刷直流电机例如用于驱动风扇。
图2示出了这样一个驱动风扇的直流电机的特性。这里，画出了转矩对转速的曲线。在一个特定工作电压处的电机特性曲线用“10”表示。电机特性曲线10和风扇的相应的负载特性曲线11在代表正式的预设工作点12处相交。
图3a示出了如图2中的工作点12处的线圈电流的波形。对应于电机1的一转的一个完整的换向周期被示出。可辨识出选定的工作点12的较大的峰值电流Ip及示出的换向次数。如果换向时间也就是换向角度被向前移动特定的一段时间，例如这就强烈影响了定子电流，其波形和有效值及峰值这里都用峰值电流Ip表示。这还将改变电机特性以及电机的效率。换向角的前移在图3b和3c中被示出。
如果假定换向角已经改变，则电机的特性也将改变，电机的最初特性曲线10移动到新的特性曲线20，将在风扇的负载特性曲线11上产生一个新的工作点21。同时，电机的转速减慢，如可从图2中看出的。根据本发明，随着换向角的周期性改变，也就是在两个工作点12和21间切换，这种状况将被抵消。在每一工作点12或21，电流速度被测量，工作点12的目标速度3与工作点的速度相比较。从图2可以看出，工作点21的速度小于工作点12的速度。为了使得电机在第二运行模式下也可能运行于最初的工作点12，也就是当换向角改变时，线圈3的电压根据本发明被增加直到重新达到相应的目标速度。
图4示出了可由电机控制器2执行的本发明提出的方法的流程图。电机最初在对应于第一换向角和第一工作电压的第一工作模式下启动，接下来，电机速度D1被测量。然后切换至对应于第二换向角的第二工作模式。在第二工作模式下的当前速度D2被重新测量。将所测量的速度D1和D2进行比较。如果D2小于D1，增加工作电压直到两个速度匹配。如果D2大于D1，减小工作电压直到两个速度匹配。然后，电机在第二工作模式下，也就是以第二换向角和当前工作电压运行一段设定的时间，直到再次切换到第一工作模式，该过程从头重新开始。

Claims (8)

1.一种无刷直流电机换向方法，其中转子相对于定子的位置被直接或间接确定，根据所确定的转子的位置，在一个预定的换向角，将一个外部工作电压施加到至少一个电机线圈上，其特征在于，
该电机最初运行于具有一个预设的换向角和第一工作电压的第一工作模式，电机的转速被测量，
从第一工作模式切换至具有一个改变了的换向角的第二工作模式，电机的转速被测量，并与在第一工作模式下测量的转速相比较，
如果两种转速间有差异，改变工作电压以使得第二工作模式下的工作电压与第一工作模式下的工作电压相匹配。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于预定数目的电机转数或预定的时间周期之后，电机被暂时切换至第一工作模式，以再次测量电机的转速。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于第二工作模式的运行长度是第一工作模式下的运行长度的很多倍。
4.如权利要求1或3所述的方法，其特征在于如果在第二工作模式下检测到转速减慢，则增加电机的电压。
5.如权利要求1或3所述的方法，其特征在于如果在第二工作模式下检测到转速加快，则减小电机的电压。
6.如权利要求1或5所述的方法，其特征在于电机的各转速根据两次换向时间之间的时间差来确定。
7.如权利要求1或6所述的方法，其特征在于该方法用在风扇驱动中。
8.一种用于执行如权利要求1至7所述的方法的无刷直流电机的换向电子控制的设备，包括：
切换装置，用于将电机从对应于第一换向角的第一工作模式切换到对应于第二换向角的第二工作模式，或者进行相反的切换，
测量装置，用于分别在电机运行于第一和第二工作模式时测量电机的转速，
比较装置，用于比较所测量的两个转速，
补偿装置，通过改变施加于电机线圈的工作电压补偿发生在第二工作模式期间的转速的变化。
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