CN1928579B - 一种电动机负载的判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于直流无刷电动机以及具有速度反馈环节的交流电动机的负载判断方法，包括1)设置驱动电压为恒定值，使电动机旋转；2)接收直流无刷电动机的霍尔元件的输入脉冲，或者交流电动机速度反馈的脉冲信号；3)累加一确定时间内的脉冲个数；4)根据获得的脉冲个数，判断负载大小。优选地，所述步骤3)结束后，返回步骤1)，重复步骤1)至步骤3)；并且步骤3)累加的脉冲个数是不断积累的；如此重复预定的次数后，进入步骤4)。本发明提供的方法可以在不增加任何硬件的情况下，实现对负载的模糊判断。适用于家电等需要了解负载大小，但对测量精度要求不高的场合。

Description

一种电动机负载的判断方法

技术领域

本发明涉及电动机，具体地说涉及电动机负载的判断方法。

背景技术

在使用电动机做动力时，经常需要获知负载大小的情况。例如在家电应用中，洗衣机需要根据负载大小(即衣物的多少)来模糊确定用水量、加热时间、烘干时间等。

在普通电动机做动力的情况下，通常会用检测反电动势脉冲个数的方法获得衣服量的模糊参数；此外，还可以采用电流大小来作为判断负载大小的依据。以上方法都需要设置专用电路来处理。这无疑增加了电路的复杂性和成本。

根据电动机的转速随负载增大而降低的关系，可以通过测量电动机的转速获得负载大小的信息。已有若干专利采用这一思路进行负载大小的判断。

例如，专利申请号为：200310120431.3的中国专利，提出一种洗衣机控制方法，其具体内容为：一种洗衣机控制方法，根据在停止对马达的驱动时计算的脉冲宽度调制的平均值和马达靠惯性旋转而停止时的马达转角精确确定洗衣机中的衣物量，包括以下步骤：通过周期性地对马达施加具有预定占空比的脉冲宽度调制(PWM)信号将马达加速到目标转速；通过探测马达转速将与所述加速步骤中施加的信号对应的一组PWM值储存在存储器中；在探测到的马达转速到达目标转速后，输出具有零占空比的PWM信号以允许马达依靠惯性自由转动直到其停止；计算储存的PWM值的平均值；测量当马达依靠惯性自由转动到停止时马达的转角；根据储存的PWM平均值和马达转角计算衣物量估计值；通过比较计算的衣物量估计值和一组储存的衣物量参考值来确定衣物。

此外，中国专利申请号为：200410083800.0的发明专利申请也提出了一种利用转速与负载关系测量洗衣机衣物量的方法，其具体内容是：一种洗衣机及其洗涤循环控制方法，在注水以前，即衣物处于干燥状态时，即可测量衣物量，并且可避免浪费功率消耗和不必要的用水。包括：其中盛放有衣物的滚筒；旋转该滚筒的电动机；以及在向滚筒内注水之前，执行子程序以测量衣物量的控制单元。以及，该子程序包括：在加速阶段的过程中，将斜波驱动电压加到电动机上，以测量在加速阶段的过程中电动机的RPM和驱动电压量的步骤；停止将该斜波驱动电压加到电动机上，以测量减速阶段的电动机的RPM的步骤；以及利用加速阶段的电动机的RPM、加速阶段的驱动电压量、和减速阶段的电动机的RPM来测量衣物量的步骤。

上述专利提出的负载检测方法需要专门的测量电路配合才可能进行。例如，将电动机加速到预定转速，以及测量马达依靠惯性转动的角度；测量RPM(每分钟旋转周数)等均需要依靠专门电路才可能实现。上述方法测量的负载值的精度有一定保证，但实际上，在洗衣机等许多家电的应用中，并不需要获知负载的精确重量，而只需要对负载的大小有大致的估算即可。相反，在这些应用场合，对降低成本，降低复杂程度等有较高要求。上述现有技术显然不符合这种要求。

发明内容

针对上述缺陷，本发明解决的技术问题在于，针对直流无刷电动机和有速度反馈环节的交流电动机，提出一种简单易行的负载模糊判断方法，该方法无需设置专用的测量电路，适用于洗衣机等需要获得负载大小信息，但对测量精度要求不高的场合。

本发明提供的用于直流无刷电动机或具有速度反馈环节的交流电动机的负载判断方法，包括以下步骤：

1)设置驱动电压为恒定值，使电动机旋转；

2)接收直流无刷电动机的霍尔元件的输入脉冲，或者交流电动机速度反馈的脉冲信号；

3)累加一确定时间内的脉冲个数，停机时间T1，判断重复次数是否达到预定次数，如果是，进入4)；如果否，返回1)；其中，所述时间T1应当足以使电动机完全停止旋转；

4)根据累加的脉冲个数，确定负载档，并将负载档与对应的累加脉冲个数的关系存放在存储器中供查询；

所述负载档是对负载大小的分级；所述累加的脉冲个数与负载档的关系根据实验获得；所述累加的脉冲个数越多，所述负载档越小；所述累加的脉冲个数越少，所述负载档越大。

优选地，所述停机时间T1的同时，继续累加脉冲个数。

优选地，所述步骤4)之前，将累加获得的脉冲数保存到一特定的寄存器。

优选地，进行所述步骤2)之前先等待时间T2，然后进行步骤2)；该时间T2应足以使电动机运转进入稳定状态。

本发明的基本思路是，利用电压一定情况下，电动机负载与转速的负相关性，通过测量一定条件下的电动机转速，获得电动机负载大小的模糊判断。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、不需要增加电路。本发明完全采用直流无刷电动机或者具有反馈环节的交流电动机的已有信号，获得一定条件下的转速信息，从而判断负载大小，无需设置任何特殊电路，降低了电路复杂性，无需增加硬件成本。

2、获得的负载大小判断结果能够满足许多场合下的应用需求。由于在家用电器等应用中，对负载大小通常只需要大致的判断即可，本发明的方法可以适用于这些场合，具有广泛的应用价值。

3、该方法简单易行，无需复杂的操作，可以完全自动运行。

附图说明

图1是本发明第一实施例的流程图。

具体实施方式

请参看图1，为本发明第一实施例的流程图。该实施例中的电动机为具有霍尔元件的直流无刷电动机。为清楚的说明本发明，以下对具有霍尔元件的直流无刷电动机的原理作一简要说明。直流无刷电机是目前家用电器中广泛使用的一种电动机，并且又大多使用霍尔元件作为控制定子各相电压通断的位置传感器。

直流无刷电机使用永磁转子，在定子的适当位置放置所需数量的霍尔器件，它们的输出和相应的定子绕组的供电电路相连。当转子经过霍尔器件附近时，永磁转子的磁场令已通电的霍尔器件输出一个电压，使定子绕组供电电路导通，给相应的定子绕组供电，产生和转子磁场极性相同的磁场，该磁场推斥转子继续转动。当转子旋转到下一位置，前一位置的霍尔器件停止工作，下一位置的霍尔器件导通，使下一绕组通电，推斥转子继续转动。如此循环，电动机既可旋转工作。

由上可知，霍尔器件起位置传感器的作用，检测转子磁极的位置，它的输出使定子绕组供电电路通断，又起开关作用，当转子磁极离去时，令上一个霍尔器件停止工作，下一个器件开始工作，使转子磁极总是面对推斥磁场，霍尔器件又起定子电流的换向作用。同时，根据霍尔元件在单位时间中输出的脉冲信号，也可以获得电动机的转速信息。

本实施例根据霍尔元件在直流无刷电动机中的作用，进行负载检测。以使用单片机作为核心控制器件的控制电路为例，直流无刷电机的霍尔元件信号输入单片机，由单片机根据霍尔元件发出的信号控制电动机的定子线圈的通断，由于该信号的频率与电动机转速成正比，因此，利用直流无刷电机中任意一相的霍尔元件产生的信号，即可获得电动机的转速信息，并进一步利用该转速信息对负载大小做出判断。所述对负载大小的判断，是对负载大小的模糊判断，例如判断负载很小、小、中等、大、很大等。作出这些判断，对于洗衣机、烘干机等应用场合，已经足以满足控制需要。当然还可以根据需要对负载大小划分更多的档次。

具体的通过转速测量判断负载大小的原理是：当使用恒定的驱动电压驱动直流无刷电机时，由于电动机转速随负载大小而变化，所述霍尔元件在确定时间内产生的脉冲个数也因此发生变化，即：在恒定电压驱动的情况下，负载越大，电机实际转速越低，产生的脉冲个数越少。据此，统计规定条件下的所述霍尔元件的脉冲个数，既可作为负载大小的判断数据。

下面结合图1，对负载判断方法的流程进行说明。该负载判断方法包括：

步骤S101，准备。

步骤S102，设置驱动电压为恒定，使电动机旋转。

直流电动机的转速受驱动电压的影响，为了确保负载大小判断所获得数据的一致性，首先应确定进行负载大小判断时的电压，并始终使用此电压作为负载判断时的驱动电压。

步骤S103，接收霍尔元件的输入脉冲。

所述霍尔元件在直流无刷电机中作为位置传感器。以三相直流无刷电机为例，当转子旋转到某一相位置时，霍尔元件由于检测到磁性转子，因此产生脉冲，该脉冲输入到单片机，单片机控制该相定子线圈通电，使该相线圈产生与转子相同极性的磁场，推斥转子继续旋转。由以上过程可知，在单位时间内该霍尔元件产生的脉冲个数与其转速成正比，统计单位时间内的脉冲数即可获知该电动机的转速信息。所述霍尔元件的脉冲是某一相的霍尔元件的输入脉冲。

对于使用能够霍尔元件的直流无刷电动机，电动机每旋转一周，每相霍尔传感器会产生2×P个脉冲，P为电动机极对数，即极数的一半。例如4极电机，P为2。

电机转速与产生的每相的脉冲个数关系为：Pls＝V*2*P

式中：P1s为脉冲个数(个/分)；P为电机极对数；V为转速(转/分)。

可见，电动机转速与脉冲个数成正比，使用脉冲个数即可准确反映电动机转速。

所述霍尔元件输入脉冲的接收电路，是直流无刷电机控制电路本身带有的，无需另外增加输入电路。

步骤S104，累加脉冲个数。

本步骤使用累加器或其它方式，累加接收到的所述脉冲个数。

为了获得更为准确的测量结果，可以旋转一段时间后，开始累加。其目的是避免起动时电动机尚未稳定运行对测量结果产生的影响。

同样为了获得较为准确的测量结果，可以在电动机停止一段时间后，才停止脉冲累加。此时测量的是惯性情况，因为负载越大，电机在一定时间内达到的最高转速越低，由于惯性产生的脉冲个数越少。此时的脉冲个数能够较为准确地反映负载的大小。

步骤S105，判断是否达到转动时间；若是，则进入步骤S106；若否，则返回步骤S103。

该步骤用于确定累加脉冲的时间。

步骤S106，电动机停止时间T1。

由于进行一次测量获得的值可能不准确，因此需要多次测试以获得准确的负载大小判断。为使相邻的两次测试之间不会产生相互影响，在一次测试完毕后，应该停止一段时间，该段时间应足以使电动机完全停止转动，以保证每次测量的独立性。

步骤S107，判断循环次数是否达到；若是，则进入步骤S108；若否，则返回步骤S102。

该步骤用于控制检测次数，以便将若干次检测的结果累加，获得更为准确的测量结果。

步骤S108，累加的脉冲个数送负载大小保存计数器供检索。

上述若干次的检测获得的总的脉冲个数，就是负载测量的最终结果。将该结果作为负载大小判断的依据，可以避免一次测量可能产生的偏差。

具体的负载大小的判断可以根据如下公式获得：

N＝K×p/L

式中：

N：脉冲个数；

K：系数，与应用情况有关，通常是常数；

p：电机极数；

L：负载大小。

由于脉冲个数已经获得，而所述的系数、电机极数都可由电动机本身的性质确定，因此，负载大小L可以确定。

步骤S109，完成。

根据累加获得的脉冲个数，已经足以对电动机负载的大小作出判断。实际应用中，可以根据实验，将不同的脉冲数值对应于不同的负载档，并将负载档与对应的累加脉冲数的关系存放在存储器中供查阅。上述关系的大致情况是：累加获得的脉冲个数越多，则负载越小；相反，则负载越大。

本发明第二实施例是一个具有反馈环节的交流电动机进行负载判断的例子。交流电动机是使用最广泛的电动机，随着自动化水平的提高，在家电领域，许多交流电动机已采用变频调速的方法进行转速控制，并且具备反馈环节。

变频驱动的交流电动机，其负载大小与转速的关系为：在驱动电压一定的情况下，负载越大，转速越低，负载越小，转速越高。虽然上述关系并非线形关系，但这一负相关关系是明确的。因此，根据一定驱动电压下的转速信息，可以判断负载的大小。

对于具有反馈环节的交流电动机，由于其具有速度反馈信号，可以方便的获得转速信息，进而使用本发明提出的方法进行负载大小的判断。

交流电动机的速度反馈电路一般采用测速电机或者霍尔元件作为测速元件。对于具有上述反馈环节的交流电动机，电动机实际转速与测速元件输出脉冲个数关系为：

P1s＝K×V；

该公式中，P1s为脉冲个数，K为常数，根据传感器不同而不同，V为电机转速。根据该公式，可以利用获得的测速元件的脉冲个数，获得转速信息。

与第一实施例的直流无刷电动机相似，与负载大小有关的单位时间每相脉冲个数的计算公式为：

N＝K×p/L

式中：

N：脉冲个数；

K：系数，与应用情况有关，通常是常数；

p：使用测试电机速度反馈方式中测速电机极数，在使用HALL传感器方式中，则是电机的极数或安装的磁石的极数；

L：负载大小，

所述常数K的大小可以通过试验确定，在K已知的情况下，我们就可以根据上述公式计算出当前的负载的大小。

根据以上所述的原理，利用输入到单片机的速度反馈信号，可以获得负载大小的判断。具体的判断方法的流程与第一实施例相同，但其中的脉冲信号是从反馈电路获得，另外，为保持电压恒定，在使用变频调速的交流电动机中，采用恒定的占空比获得稳定的电压。具体的实现步骤不再赘述。

本发明提供的技术方案的基本思路是：通过一定条件下的电动机转速信息，对该电动机的负载大小进行模糊判断。具体而言，是利用直流无刷电机的霍尔元件信号，以及具有速度反馈环节的交流电动机的速度反馈信号，对一定电压下的一定时间内的脉冲进行累加，根据累加的脉冲数判断负载大小。若脉冲累加数多，则负载小；若脉冲累加数少，则负载大。由于所需要的测量信号都可通过已有电路获得，因此不需要增加电路，只需在单片机中设置相关的软件程序即可实现本发明。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于直流无刷电动机或具有速度反馈环节的交流电动机的负载判断方法，其特征在于，包括：

1)设置驱动电压为恒定值，使电动机旋转；

2)接收直流无刷电动机的霍尔元件的输入脉冲，或者交流电动机速度反馈的脉冲信号；

3)累加一确定时间内的脉冲个数，停机时间T1，判断重复次数是否达到预定次数，如果是，进入4)；如果否，返回1)；其中，所述时间T1应当足以使电动机完全停止旋转；

4)根据累加的脉冲个数，确定负载档，并将负载档与对应的累加脉冲个数的关系存放在存储器中供查询；

所述负载档是对负载大小的分级；所述累加的脉冲个数与负载档的关系根据实验获得；所述累加的脉冲个数越多，所述负载档越小；所述累加的脉冲个数越少，所述负载档越大。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述停机时间T1的同时，继续累加脉冲个数。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤4)之前，将累加获得的脉冲数保存到一特定的寄存器。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，进行所述步骤2)之前先等待时间T2，然后进行步骤2)；该时间T2应足以使电动机运转进入稳定状态。

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