直流无刷电机驱动的直联式空压机及其控制方法

专利名称：直流无刷电机驱动的直联式空压机及其控制方法
技术领域：
本发明涉及电机和空压机控制领域，特别地，涉及一种直流无刷电 机驱动的直联式空压机及其控制方法。
背景技术：
随着全世界范围能源危机的到来，各国政府都在为经济可持续发展 的目的积极地推广节能降耗技术。空压机是一种将气体压縮从而提高气 体压力或输送气体的机器，在国民经济和国防建设的许多部门中应用极 广，特别是在石油、化工、制药等工业领域中已成为必不可少的关键设 备，是许多工业部门工艺流程中的心脏设备。空压机也是空调、冰箱等 的关键部件，还常常用于为气动工具提供动力源。空压机是高能耗产品， 而且量大面广，总耗电量极其惊人。
出于生产成本的考虑，目前我国的微型空压机绝大部分采用普通的 异步感应电动机驱动，不但成本低，而且可靠稳定，但小功率电机通常
效率低下(65 80%)，能源浪费非常严重。
空压机系统的节能优化有多种方法，包括改善空压机的冷却和润滑、 减少摩擦功耗、变频调速、进气阀控制、余隙控制等，而近年来永磁电 机的快速发展为中小型空压机的节能增添了一种新的途径。采用永磁同 步电机驱动的空压机效率高、零部件少、重量轻、体积小、起动电流小、 节能效果明显，但目前还存在的一些问题限制了这种空压机的推广应用， 其中最严重的是生产成本、空压机特有的转速波动造成的效率损失及由 此带来的噪声和振动等问题。
永磁电机在工业伺服领域已经使用了很多年。由于采用永磁转子， 因而这种电机十分高效，与相同尺寸的感应式电机相比，能够提供高得 多的连续转矩。永磁电机的控制一般通过检测转子磁通的位置及幅值来 控制定子电流或电压，这样，电机的转矩便只和磁通、电流有关，可以
得到很高的电机性能。在传统的永磁电机的控制中，为了得到转子的精 确位置和速度，最常用的方法是在转子轴上安装机械传感器，如光电编 码器、霍耳效应传感器，但是这些传感器增加了系统的成本，降低了系 统的可靠性，而且其应用受到诸如温度、湿度和振动等条件的限制，使 该系统的应用仅仅局限于高端工业驱动领域，不能广泛适用于各种场合。

发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种直流无刷电机驱 动的直联式空压机及其控制方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的 一种直流无刷电机驱 动的直联式空压机，它主要由低压级生成部分、高压级生成部分、储气 罐部分和电机与控制系统部分组成。所述低压级生成部分和高压级生成 部分对置布置于空压机主轴两端。低压级生成部分和高压级生成部分通 过铜管相连，高压级生成部分和储气罐部分通过铜管相连。电机与控制 系统部分的电机轴与空压机主轴同轴。
进一步地，所述低压级部分主要由低压缸盖、低压气阀、低压缸体、 低压活塞、低压连杆和低压偏心轮组成；低压缸盖盖在低压气阀上，低 压缸体与低压气阀相联。低压偏心轮通过低压连杆与低压活塞联接，低 压偏心轮通过平键与与空压机主轴相联。
所述高压级部分主要由高压缸盖、高压气阀、高压活塞、高压缸体、 高压连杆和高压偏心轮组成；高压缸盖盖在高压气阀上，高压缸体与高 压气阀相联。高压偏心轮通过高压连杆与高压活塞联接，高压偏心轮通 过平键与空压机主轴相联。
所述储气罐部分主要由两个储气罐相连，两个储气罐之间通过连接 两储气罐铜管连接。
所述电机与控制系统部分主要由直流无刷电机本体、控制板和压力 传感器组成；直流无刷电机本体与空压机主轴同轴，压力传感器装于储 气罐中，通过信号线与控制板相连。
一种所述直流无刷电机驱动的直联式空压机的控制方法，包括以下 步骤
(1) 通过活塞、连杆与电机轴的安装，确定活塞位置与电机转角之
的相互关系，并计算出在一定排气压力条件下空压机往复一个周期的阻
力矩曲线；
(2) 将空压机的一个周期分解为若干个区域；根据每一个区域对应的平 均阻力矩，确定该区域PWM信号的占空比大小；
(3) 重复步骤1 2，计算出在不同排气压力条件下空压机往复一个周期 的阻力矩曲线，然后根据这些曲线，确定各个排气压力条件下每一个区 域对应的P丽信号占空比，并形成相应的表格；
(4) 驱动空压机的直流无刷电机采用三相六拍、上桥臂PWM调制的方法运 行，逆变器由控制系统输出的信号驱动，单片机在实际控制过程中，先通 过压力传感器确定当前空压机的排气压力，然后査表确定该排气压力当前 区域的P^1信号的占空比，最后将占空比合适的P^1信号调节电压通过驱动 电路驱动电机的运转。
本发明的有益效果是本发明的直流无刷电机驱动的直联式空压机 整机效率高，重量轻、体积小，便于携带，生产成本低。本发明的控制 方法省去了电机转角和转速的测量，省略了常见的PI控制，在大大简化 控制系统、降低成本的同时，还可以使电机的转速更加平稳，从而进一 步提高电机的效率，并降低由转速波动引起的噪音。


图1是本发明直流无刷电机驱动的直联式空压机的结构剖视图； 图2 (a)是现有对动方式布置的空压机气缸布置示意图，图2 (b)
是本发明对置布置的空压机气缸布置示意图3是现有对动方式布置的空压机和本发明对置布置的空压机的负
载图4是本发明的变占空比的控制方法的原理图5是现有占空比恒定与本发明变占空比的控制方法的转速波动对 比示意图中，l-低压缸盖、2-低压气阀、3-低压缸体、4-低压活塞、5_低 压连杆、6-低压偏心轮、7-配重、8-高压偏心轮、9-高压连杆、10-连接 低压缸与高压缸铜管、11-高压缸体、12-高压活塞、13-高压气阀、14-高压缸盖、15-连接高压缸与储气罐铜管、16-储气罐、17-压力传感器、
18-连接压力传感器与电路板电线、19-控制板、20-连接电机与电路板电 线、21直流无刷电机、22-连接两储气罐铜管。
具体实施例方式
如图1所示，为了提高空压机的整机效率，降低其重量和体积，本 发明采用直流无刷电机驱动。本发明的直流无刷电机驱动的直联式空压 机包括四部分低压级生成部分、高压级生成部分、储气罐部分、电机 与控制系统部分。
低压级部分，低压缸盖1盖在低压气阀2上，低压缸体3与低压气 阀2相联。低压偏心轮6通过轴承与低压连杆5联接，低压偏心轮6通 过平键与空压机主轴相联。低压偏心轮6旋转带动低压连杆5摆动，低 压连杆5摆动带动低压活塞4在低压缸体3里上下移动。产生低压气体 通过连接低压缸与高压缸铜管IO进入高压端。
高压级部分，高压缸盖14盖在高压气阀13上，高压缸体ll与高压 气阀11相联。高压偏心轮8通过轴承与高压连杆9联接，高压偏心轮6 通过平键与空压机主轴相联。高压偏心轮8旋转带动高压连杆9摆动， 高压连杆9摆动带动高压活塞12在高压缸体11里上下移动。
储气罐部分，产生高压气体通过连接高压缸与储气罐铜管15进入储 气罐16。两个储气罐通过连接两储气罐铜管22连接。
电机与控制系统部分，直流无刷电机本体21与空压机同轴，拖动空 压机转动。控制板19发生控制信号通过连接电机与电路板电线20控制 电机运转。压力传感器17将储气罐16中的压力信号通过信号线18传给 控制板19，控制板19包括单片机、驱动电路及保护电路，单片机通过査 表的方式确定合适的电机有效电压及相应的占空比。
结构普通的两级活塞式空压机的两个气缸，通常布置成对动的形式 如图2 (a)所示，23为高压缸，24为低压缸。其往复惯性力可以互相抵 消，空压机振动较小。本项发明为了改善直流无刷电机的工作条件，提 出将两个气缸布置成对置的形式，即两个气缸分别布置在电机轴的两侧， 而两个活塞在同一时刻向同一方向运动，如图2(b)所示，25为高压缸， 26为低压缸。这样，当一个气缸在压縮空气的时候，另一个气缸在吸入 气体，由此形成的空压机阻力矩曲线在一个周期内有两个峰值，如图3实线所示，但其峰值远小于气缸按传统对动方式布置的空压机阻力矩峰
值，如图3虚线所示，从而降低了对电机最大输出扭矩的要求，更重要 的是可以减小电机的转速波动，从而降低噪音，提高效率。
在确定空压机气缸布置形式的基础上，本项发明提出了一种更简单 的直流无刷电机的控制方法。首先去掉了直流无刷电机的位置传感器， 采用无传感器控制方式，以降低空压机的成本和体积，同时增加了空压 机在恶劣环境下的工作可靠性。空压机的转速是基本确定的(可以是高、 低二档，也可以是高中低三档转速)，因此直流无刷电机所需有效电压仅 与空压机排气压力有关，通过标定可以确定二者的相互关系，工作时先 测量空压机的排气压力，然后通过查表确定电机的有效电压，并进而确 定P丽信号的占空比，由此简化了电机的控制系统。
考虑到空压机阻力矩曲线与电机转角以及空压机排气压力都有着特 定不变的关系，为了进一步降低由负载力矩引起的电机转速的波动，本 项发明还提出了一种变占空比控制方法。
1) 通过活塞、连杆与电机轴的安装，确定活塞位置与电机转角之 间的相互关系，从而可以计算出如图3、图4所示的在某排气压力条件下 空压机往复一个周期的阻力矩曲线。
2) 将空压机的一个周期分解为若干个区域，例如，针对2对极直流 无刷电机驱动的2级压缩空压机，可以将其往复运动的一个周期分解为 12个等间隔区域，如图4所示，每个区域对应三相六拍电机的一个拍。 当然，根据需要可以有多种不同的区域分隔方法，如分隔成6个区域、 24个区域等。
3) 由于空压机的阻力矩曲线是已知的，因此每一个区域的平均阻力 矩也是确定的，根据每一个区域对应的平均阻力矩，可以确定该区域PWM
(Pulse Width Modulator脉宽调制)信号的占空比大小。对平均阻力矩 较大的区域，如空压机的排气阶段，P丽信号的占空比也较大，使电机 的输出转矩也随之增大，反之，在空压机的吸气和膨胀过程，阻力矩较 小，P丽信号的占空比就减少，电机的输出转矩也相应减小。
4) 类似步骤1和步骤3，计算出在不同排气压力条件下空压机往复 一个周期的阻力矩曲线，然后根据这些曲线，确定各个排气压力条件下 每一个区域对应的P丽信号占空比，并形成相应的表格。
5) 驱动空压机的直流无刷电机采用三相六拍、上桥臂PWM调制的方 法运行，由控制系统(单片机)输出的信号驱动。单片机在实际控制过 程中，先通过压力传感器确定当前空压机的排气压力，然后査表确定该
排气压力当前区域的P丽信号的占空比，最后将占空比合适的PWM信号 调节电压通过驱动电路驱动电机的运转。
如附图l所示，空压机低压缸直接从大气中吸气经压縮产生低压气 体，经级间连通管路IO到高压缸进一步压縮，产生的高压气体经排气管 15储存到储气罐16中。压力传感器17将储气罐中的压力信号传给单片 机，单片机通过査表的方式确定合适的电机有效电压及相应的占空比。 空压机的二个气缸采用对置布置的方式，如附图2 (b)所示，由此产生 的空压机阻力矩曲线如附图4所示。
实施例1
直流无刷电机选用二对极的电机，电机运行采用三相六拍的方式，通 过测定电机反电动势的过零点，确定每一拍的换相时间。这样空压机的一 个周期对应控制系统的二个周期(二个六拍)，将空压机的一个周期均匀划 分为十二个区域，如附图4所示，每一个区域对应控制系统的一拍，从附图 4中可以看到，空压机前半个周期的阻力矩曲线和后半个周期的阻力矩曲线 有些相似，即对应每个控制周期(六拍)空压机阻力矩都基本相同，由此 可以确定控制周期每一拍的占空比，如图4所示，第一、二拍的占空比最小， 电机的输出力矩也最小，第五拍的占空比设置成最大，电机的输出力矩也 最大，这样控制的结果就可以使电机转速的波动降到最低。当排气压力一 定时，每个周期相应拍的占空比也是一定的，因此控制系统的设计非常简 单，所需单片机资源极少。
为了确定储气罐中的压力，单片机每隔一段时间会检测一次压力传感 器的信号大小，当单片机感应到储气罐中的压力变化时，会根据所测压力 通过査表确定该条件下各拍的占空比。空压机处于运行状态时，如果储气 罐中的压力大于设定值的上限，单片机会发出指令，停止电机的运转。空 压机处于停止状态时，如果储气罐中的压力小于设定值的下限，单片机会 发出指令，起动电机，并使其在设定转速下运行。
为了进一步说明本项发明的优点，我们比较了二种控制方法， 一种 是常见的通过测量反电动势确定换相时间，每一拍的占空比都相同，另 一种方法也是通过测量反电动势确定换相时间，但每一拍的占空比都不
同，附图5给出了二种控制方法下电机转动速度的波动情况，很明显， 在本项发明提出的变占空比控制条件下，电机的转动更加平稳。 实施案例2
直流无刷电机选用四对极的电机，电机运行采用三相六拍的方式，通 过测定电机反电动势的过零点，确定每一拍的换相时间。这样空压机的一 个周期对应控制系统的四个周期(四个六拍)，将空压机的一个周期均匀划 分为二十四个区域，每一个区域对应控制系统的l拍，第一、第三个控制周 期的阻力矩曲线形状基本相似，根据阻力矩曲线确定第一个控制周期每一 拍的占空比，第三个控制周期每一拍的占空比与第一个控制周期相应拍的 占空比相同。同样，第二、第四个控制周期的阻力矩曲线形状也基本相似， 相应拍的占空比也可以设置成同样大小。
考虑到本案例中，相邻两个控制周期对应拍的占空比是不同的，在升 速过程或其它干扰下有可能产生混淆，因此设置了相关的模糊控制环节， 通过反电动势的测量或相电流的测量，通过模糊算法，确定是否发生混淆， 一旦出现混淆，及时调整相邻周期的占空比。
在本案例中，其余的控制与案例l相同。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本
发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变， 都落入本发明的保护范围。
权利要求
1.一种直流无刷电机驱动的直联式空压机，其特征在于，它主要由低压级生成部分、高压级生成部分、储气罐部分和电机与控制系统部分组成。所述低压级生成部分和高压级生成部分对置布置于空压机主轴两端。低压级生成部分和高压级生成部分通过铜管相连，高压级生成部分和储气罐部分通过铜管相连。电机与控制系统部分的电机轴与空压机主轴同轴。
2. 根据权利要求1所述的直流无刷电机驱动的直联式空压机，其特征在 于，所述低压级部分主要由低压缸盖(1)、低压气阀(2)、低压缸体(3)、低压活塞(4)、低压连杆(5)和低压偏心轮(6)组成；低压 缸盖(1)盖在低压气阀(2)上，低压缸体(3)与低压气阀(2)相 联。低压偏心轮(6)通过低压连杆(5)与低压活塞(4)联接，低压 偏心轮(6)通过平键与与空压机主轴相联。
3. 根据权利要求1所述的直流无刷电机驱动的直联式空压机，其特征在 于，所述高压级部分主要由高压缸盖(14)、高压气阀(13)、高压活 塞(12)、高压缸体(11)、高压连杆(9)和高压偏心轮(6)组成； 高压缸盖(14)盖在高压气阀(13)上，高压缸体(11)与高压气阀(13)相联。高压偏心轮(8)通过高压连杆(9)与高压活塞(12) 联接，高压偏心轮(6)通过平键与空压机主轴相联。
4. 根据权利要求1所述的直流无刷电机驱动的直联式空压机，其特征在 于，所述储气罐部分主要由两个储气罐(16)相连，两个储气罐(16) 之间通过连接两储气罐铜管(22)连接。
5. 根据权利要求1所述的直流无刷电机驱动的直联式空压机，其特征在 于，所述电机与控制系统部分主要由直流无刷电机本体(21)、控制板(19)和压力传感器(17)组成；直流无刷电机本体(21)与空压机 主轴同轴，压力传感器(17)装于储气罐(16)中，通过信号线(18) 与控制板(19)相连。
6. —种权利要求1所述直流无刷电机驱动的直联式空压机的控制方法。 其特征在于，包括以下步骤(1)通过活塞、连杆与电机轴的安装，确定活塞位置与电机转角之间的 相互关系，并计算出在一定排气压力条件下空压机往复一个周期的阻力 矩曲线。(2) 将空压机的一个周期分解为若干个区域；根据每一个区域对应的平 均阻力矩，确定该区域PWM信号的占空比大小。(3) 重复步骤1 2，计算出在不同排气压力条件下空压机往复一个周期 的阻力矩曲线，然后根据这些曲线，确定各个排气压力条件下每一个区 域对应的PWM信号占空比，并形成相应的表格。(4) 驱动空压机的直流无刷电机采用三相六拍、上桥臂PWM调制的方法 运行，逆变器由控制系统输出的信号驱动。单片机在实际控制过程中， 先通过压力传感器确定当前空压机的排气压力，然后査表确定该排气压 力当前区域的PWM信号的占空比，最后将占空比合适的PWM信号调节电 压通过驱动电路驱动电机的运转。
全文摘要
本发明公开了一种直流无刷电机驱动的直联式空压机及其控制方法，它主要由低压级生成部分、高压级生成部分、储气罐部分和电机与控制系统部分组成。所述低压级生成部分和高压级生成部分对置布置于空压机主轴两端。低压级生成部分和高压级生成部分通过铜管相连，高压级生成部分和储气罐部分通过铜管相连。电机与控制系统部分的电机轴与空压机主轴同轴。本发明的直流无刷电机驱动的直联式空压机整机效率高，重量轻、体积小，便于携带，生产成本低。本发明的控制方法省去了电机转角和转速的测量，省略了常见的PI控制，在大大简化控制系统、降低成本的同时，还可以使电机的转速更加平稳，从而进一步提高电机的效率，并降低由转速波动引起的噪音。
文档编号F04B35/00GK101354024SQ20081006187
公开日2009年1月28日 申请日期2008年6月4日 优先权日2008年6月4日
发明者李志海, 潘晓弘, 郑水英, 钟美鹏 申请人:浙江大学