CN208190535U - 一种电机控制系统以及电器设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施方式涉及电机控制技术领域，特别是涉及一种电机控制系统以及电器设备。该系统包括驱动电路；电机，其与驱动电路连接，驱动电路用于驱动电机，电机包括位置传感器；主控制器，其分别与驱动电路和位置传感器连接，主控制器接收位置传感器采集的反馈信号，并根据反馈信号进行计算得到所述电机的提前换相时间，再根据提前换相时间控制驱动电路，以驱动电机换相。主控制器根据位置传感器检测得到的反馈信号，准确跟踪单相无刷直流电机的转子位置，计算出单相无刷直流电机合适的换相时间并控制电机在该换相时间换相，通过在合适的换相时间点换相来抑制电机的转矩脉动，减少电机运行的噪声，并极大的提高电机的输出转矩，提高控制效率。

Description

一种电机控制系统以及电器设备

技术领域

本实用新型实施方式涉及电机控制技术领域，特别是涉及一种电机控制系统以及电器设备。

背景技术

无刷直流电机的诞生，克服了有刷直流电机的先天性缺陷，以电子换向器取代了机械换向器，所以无刷直流电机既具有有刷直流电机良好的调速性能等特点，又具有交流电机结构简单、无换向火花、运行可靠、长寿命，高效率和易于维护等优点，被广泛的应用于汽车电子、航空航天、家用电器、消费电子、医学电子、电动工具、工业自动化等装置和仪表。其中，单相无刷直流电机是无刷直流电机种类中的一种类型电机，由于相比其他三相、四相等多相无刷直流电机，单相无刷直流电机结构要简单，且制造成本、使用材料和驱动控制成本都要低很多，所以在一些对成本要求比较敏感的电子电器、家电、电动工具等产品上被广泛采用和使用。

但是发明人在实现本实用新型的过程中，发现现有技术存在以下技术问题：在现有技术中，单相无刷直流电机在启动和运行时都存在死区，由于现有技术中的控制方法不当或不合理，无法使单相无刷直流电机在合适的换相时间点换相，从而导致输出转矩小、效率低，发热严重等现象发生，因此能够提供一种能提前计算换相时间，并在合适的换相时间点使电机换相的电机控制系统是尤为重要的。

实用新型内容

本实用新型实施方式主要解决的技术问题是提供一种电机控制系统以及电器设备，以驱动电机在合适的换相时间点换相，抑制电机的转矩脉动，减少电机运行的噪声，提高电机的输出转矩，从而提高控制效率。

第一方面，为解决上述技术问题，本实用新型实施方式采用的一个技术方案是：提供一种电机控制系统，包括：

驱动电路；

电机，其与所述驱动电路连接，所述驱动电路用于驱动电机，所述电机包括位置传感器；

主控制器，其分别与所述驱动电路和所述位置传感器连接，所述主控制器接收所述位置传感器采集的反馈信号，并根据所述反馈信号进行计算得到所述电机的提前换相时间，再根据所述提前换相时间控制所述驱动电路，以驱动所述电机换相。

可选的，所述驱动电路包括：

桥臂电路，所述桥臂电路与电机连接；以及

逻辑电路，其分别与所述主控制器和桥臂电路连接，所述逻辑电路用于接收所述主控制器的控制信息，以控制所述桥臂电路驱动所述电机换相。

可选的，所述桥臂电路包括电源、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管；

所述电机包括第一连接端和第二连接端；

其中，所述第一开关管包括第一控制端、第一输入端和第一输出端，所述第二开关管包括第二控制端、第二输入端和第二输出端，所述第三开关管包括第三控制端、第三输入端和第三输出端，所述第四开关管包括第四控制端、第四输入端和第四输出端；所述第一控制端、第二控制端、第三控制端和第四控制端分别与所述逻辑电路连接，所述第一输出端和所述第二输入端分别与所述第一连接端连接，所述第一输入端和所述第三输入端分别与所述电源连接，所述第三输出端和所述第四输入端分别与所述第二连接端连接，所述第二输出端和所述第四输出端连接。

可选的，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管均为MOS管。

可选的，所述电机控制系统还包括：

电流检测电路，其分别与所述主控制器和所述驱动电路连接。

可选的，所述桥臂电路还包括电阻，所述电阻的一端分别与所述第二输出端和所述第四输出端连接，所述电阻的另一端接地，所述电流检测电路的输入端与所述电阻的一端连接，所述电流检测电路的输出端与所述主控制器连接。

可选的，位置传感器包括霍尔传感器。

可选的，所述主控制器包括微控制单元。

可选的，所述电机包括单相无刷直流电机。

第二方面，为解决上述技术问题，本实用新型实施方式采用的另一个技术方案是：提供一种电器设备，其特征在于，包括上述的电机控制系统。

本实用新型实施方式的有益效果是：区别于现有技术的情况，本实用新型实施方式的一种电机控制系统，包括驱动电路；电机，其与所述驱动电路连接，所述驱动电路用于驱动电机，所述电机包括位置传感器；主控制器，其分别与所述驱动电路和所述位置传感器连接，所述主控制器接收所述位置传感器采集的反馈信号，并根据所述反馈信号进行计算得到所述电机的提前换相时间，再根据所述提前换相时间控制所述驱动电路，以驱动所述电机换相。其中，主控制器根据位置传感器检测得到的反馈信号，准确的跟踪单相无刷直流电机的转子位置，计算出单相无刷直流电机合适的换相时间并控制电机在该换相时间换相，通过在合适的换相时间点换相来抑制电机的转矩脉动，减少电机运行的噪声，并且极大的提高电机的输出转矩，提高控制效率。

附图说明

一个或多个实施方式通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施方式的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本实用新型电机控制系统一实施方式的结构示意图；

图2是本实用新型电机控制系统另一实施方式的结构示意图；

图3是本实用新型电机控制系统一实施方式的电路结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本实用新型。本说明书所使用的术语“和/ 或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1至图3，本实用新型实施方式提供一种电机控制系统 100，包括：驱动电路10、电机20和主控制器30，驱动电路10分别与电机20和主控制器30连接，电机20中的位置传感器201和主控制器30连接，其中，所述主控制器30接收所述位置传感器201采集的反馈信号，并根据所述反馈信号进行计算得到电机的提前换相时间，再根据所述提前换相时间控制所述驱动电路10，以驱动所述电机20 换相。

驱动电路10用于接收和响应主控制器30的控制信号，并根据该控制信号控制电机20，以实现主控制器30对电机20的控制。其中，驱动电路10包括桥臂电路101和逻辑电路102，桥臂电路101与电机20连接，逻辑电路102分别与主控制器30和桥臂电路101连接，逻辑电路102用于接收主控制器30的控制信息，以控制桥臂电路101 驱动电机20进行换相。

具体的，桥臂电路101包括电源VDD、第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管V3、第四开关管V4和电阻R1；其中，第一开关管V1包括第一控制端(V1的栅极)、第一输入端(V1的漏极)和第一输出端(V1的源极)，第二开关管V2包括第二控制端(V2的栅极)、第二输入端(V2的漏极)和第二输出端(V2的源极)，第三开关管 V3包括第三控制端(V3的栅极)、第三输入端(V3的漏极)和第三输出端(V3的源极)，第四开关管V4包括第四控制端(V4的栅极)、第四输入端(V4的漏极)和第四输出端(V4的源极)；第一控制端、第二控制端、第三控制端和第四控制端分别与逻辑电路102连接，第一输出端和第二输入端分别与电机20连接，第一输入端和第三输入端分别与电源VDD连接，第三输出端和第四输入端分别与电机20连接，第二输出端和第四输出端连接，电阻R1的一端分别与第二输出端和第四输出端连接，电阻R1的另一端接地。可选的，第一开关管 V1、第二开关管V2、第三开关管V3和第四开关管V4均为MOS管。值得说明的是，逻辑电路102根据主控制器30的控制信息，控制桥臂电路101中各个开关管的通断，保证系统的正常运行。

电机20与驱动电路10连接，驱动电路10用于驱动电机20，进一步的，电机20包括位置传感器201、第一连接端J1和第二连接端 J2，桥臂电路101中第一开关管V1的第一输出端和第二开关管V2的第二输入端分别与第一连接端J1连接，第三开关管V3的第三输出端和第四开关管V4的第四输入端分别与第二连接端J2连接，即第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管V3和第四开关管V4四者连接组成一H桥电路；可选的，电机20包括单相无刷直流电机，位置传感器201包括霍尔传感器；进一步的，以下以电机20为单相无刷直流电机，位置传感器201为霍尔传感器对本实用新型实施方式进行阐述，电机20的转子由磁钢和铁心组成，定子由铁心和电枢绕组组成，霍尔传感器用于检测电机20的转子位置，当电机20的转子位置发生变化时，霍尔传感器输出变化中对应的逻辑电平信号，并将该逻辑电平信号作为反馈信号传输给主控制器30，通常情况下，若电机20的转子上的磁钢磁极为N，当其转到靠近霍尔传感器时，霍尔传感器输出逻辑高电平信号，而若电机20转子上的磁钢磁极为S，当其转到靠近霍尔传感器时，霍尔传感器输出逻辑低电平信号，电机20的电枢绕组流过的电流的方向是与电机转子的磁极位置有着一一对应的关系。

具体的，以下对现有技术中单相无刷直流电机的工作原理做简要说明：当主控制器30通过逻辑电路102控制第二开关管V2和第三开关管V3导通且第一开关管V1和第四开关管V4关闭时，此时电流是从第二连接端J2流入电机20，再从第一连接端J1流出，第二连接端J2至第一连接端J1流向的电流在转子磁极磁场作用下产生电磁转矩，使转子发生转动，当转子的N极中心线转动到定子某个位置后，即转子转动电角度180°后，主控制器30读到霍尔传感器的反馈信号发生改变，主控制器30根据反馈信号判断得到的是要求控制第一开关管V1和第四开关管V4导通，而第二开关管V2和第三开关管V3 关闭，此时电流是从第一连接端J1流入电机20，再从第二连接端J2 流出，第一连接端J1至第二连接端J2流向的电流在转子磁极磁场作用下产生电磁转矩，使转子继续发生转动，直到转子的N极中心线转动到电机20的位置信号又发生改变后，即转子转动电角度180°后，再切换至上面第二开关管V2和第三开关管V3导通且第一开关管V1 和第四开关管V4关闭的状态，从而进行电机20换相，如此反复的循环工作下去，让电机20顺畅的转动起来。需要说明的是，主控制器 30采用一定频率的PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制) 调制方式控制各个开关管，PWM的频率值根据电机20的电参数和系统参数来设定，且PWM的频率值是可以调整的。主控制器30通过改变PWM输出的占空比值，占空比值范围为0—100％，可以改变电机绕组的平均电压值，从而改变单相无刷电机的转速，实现变频调速功能。

主控制器30，其分别与驱动电路10和霍尔传感器连接，主控制器30接收霍尔传感器的反馈信号，并根据反馈信号进行计算得到提前换相时间，再根据提前换相时间控制驱动电路10，以驱动电机20 换相。可选的，主控制器30包括MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)。

具体的，以下对本实用新型实施方式中主控制器30的工作过程作进一步说明：电机控制系统100运行时，霍尔传感器的反馈信号通过主控制器30的外部引脚输入到主控制器30中，主控制器30内还包括一捕获定时器，用于获取当前电机换相的时间和电机换相之间的时间差，进一步具体的，主控制器30根据反馈信号进行计算得到提前换相时间的公式如下：

T2＝T1+T0×(n/180)；

其中，T2为提前换相时间，即下一次提前换相的时间，T1为主控制器30中捕获定时器所获取的当前电机20换相的时间，T0为捕获定时器所获取的换相之间的时间差，n为预设的需要提前换相的电角度，由于电机20原本换相的电角度为180，故n/180为得到的提前换相的电角度的百分比，n/180小于1。

将计算得到的提前换相时间T2送入主控制器30的另一个定时器中，该定时器称为换相定时器，当该换相定时器的计时达到提前换相时间T2时会产生中断，通知主控制器30进行电机20提前换相的处理工作，接着主控制器30将立即控制电机20进行换相，对电机20的电枢绕组进行切换。

进一步的说明，主控制器30中的捕获定时器将根据霍尔传感器的反馈信号继续获取当前电机20换相的时间T1，主控制器30继续计算出下一次提前换相时间T2，再送入换相定时器中，如此周而复始地计算电机20的提前换相时间,当换相定时器产生中断响应后，即为电机转子达到设定的需要提前的换相时间点，主控制器30便立即响应输出控制信号，驱动电路10根据该控制信号控制电机20换相。由此准确的跟踪电机20的转子位置，计算出电机20合适的提前换相时间，通过在合适的换相时间点换相来抑制电机20的转矩脉动，减少电机20运行的噪声，并且极大的提高电机20的输出转矩，从而提高控制效率。

可选的，电机控制系统100还包括：

电流检测电路40，其分别与主控制器30和驱动电路10连接，进一步的，电流检测电路40的输入端与电阻R1的一端连接，电流检测电路40的输出端与主控制器30连接。其中，在主控制器30控制电机20换相之后，主控制器30将PWM的占空比设定为100％，主控制器30通过电流检测电路40实时采集电机相电流的值，当监测到电机相电流值达到换相前的电流值时，主控制器30就立即恢复PWM原来的占空比，这样在主控制器30的双重控制下将大大减少电机20换相带来的转矩脉动，增大电机20输出转矩，从而提高电机20的输出功率，大大提升电机20的运行效率。

在本使用新型实施方式中，主控制器30根据位置传感器201检测得到的反馈信号，准确的跟踪电机20的转子位置，计算出电机20 的提前换相时间，再控制电机20在提前换相时间点换相，减小电机 20的相电流的滞后时间，当电机的20相反电动势升高时，电机20 的相电流就能迅速升高，从而改善电机20的输出转矩，极大的提高电机20的输出转矩，并减少电机20运行的噪声，提高了控制效率。

为解决上述技术问题，本实用新型实施方式采用的另一个技术方案是：提供一种电器设备，包括上述的电机控制系统100。可选的，电器设备包括冰箱、空调、洗衣机和角摩机等。本实用新型实施方式中的电机控制系统100对电机20的控制更加可靠、合理，改善了电机20的输出转矩，极大的提高电机20的输出转矩，并减少电机20 运行的噪声，提高了控制效率。

以上所述仅为本实用新型的实施方式，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种电机控制系统，其特征在于，包括：

驱动电路；

电机，其与所述驱动电路连接，所述驱动电路用于驱动电机，所述电机包括位置传感器；

主控制器，其分别与所述驱动电路和所述位置传感器连接，所述主控制器接收所述位置传感器采集的反馈信号，并根据所述反馈信号进行计算得到所述电机的提前换相时间，再根据所述提前换相时间控制所述驱动电路，以驱动所述电机换相。

2.根据权利要求1所述的电机控制系统，其特征在于，

所述驱动电路包括：

桥臂电路，所述桥臂电路与电机连接；以及

逻辑电路，其分别与所述主控制器和桥臂电路连接，所述逻辑电路用于接收所述主控制器的控制信息，以控制所述桥臂电路驱动所述电机换相。

3.根据权利要求2所述的电机控制系统，其特征在于，

所述桥臂电路包括电源、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管；

所述电机包括第一连接端和第二连接端；

其中，所述第一开关管包括第一控制端、第一输入端和第一输出端，所述第二开关管包括第二控制端、第二输入端和第二输出端，所述第三开关管包括第三控制端、第三输入端和第三输出端，所述第四开关管包括第四控制端、第四输入端和第四输出端；所述第一控制端、第二控制端、第三控制端和第四控制端分别与所述逻辑电路连接，所述第一输出端和所述第二输入端分别与所述第一连接端连接，所述第一输入端和所述第三输入端分别与所述电源连接，所述第三输出端和所述第四输入端分别与所述第二连接端连接，所述第二输出端和所述第四输出端连接。

4.根据权利要求3所述的电机控制系统，其特征在于，

所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管均为MOS管。

5.根据权利要求3所述的电机控制系统，其特征在于，所述电机控制系统还包括：

电流检测电路，其分别与所述主控制器和所述驱动电路连接。

6.根据权利要求5所述的电机控制系统，其特征在于，

所述桥臂电路还包括电阻，所述电阻的一端分别与所述第二输出端、所述第四输出端和所述电流检测电路的输入端连接，所述电阻的另一端接地，所述电流检测电路的输出端与所述主控制器连接。

7.根据权利要求1所述的电机控制系统，其特征在于，

所述位置传感器包括霍尔传感器。

8.根据权利要求1所述的电机控制系统，其特征在于，

所述主控制器包括微控制单元。

9.根据权利要求1所述的电机控制系统，其特征在于，

所述电机包括单相无刷直流电机。

10.一种电器设备，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的电机控制系统。