专利名称：电机的控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及电机的控制。
背景技术：
当电机的永磁转子旋转时，其在电机的绕组内感生反电动势。当转子加速时，该反电动势的幅度增加。由此变得越来越难以驱动电流，且由此功率，至电机中。因此，在电机的功率上的控制变得越来越难。
发明内容
在第一方面，本发明提供一种控制电机的方法，包括当电机在第一速度范围运行时，与绕组中的反电动势的过零同步地励磁电机的绕组；当电机在第二速度范围运行时，提前于该过零一固定时间段励磁该绕组；以及当电机在第三速度范围运行时，提前于该过零一随速度变化的时间段励磁该绕组。电机由此根据电机的速度而在三个阶段中受到控制。优选地，第一速度范围低于第二速度范围，且第二速度范围低于第三速度范围。第一速度范围是低速度范围。当电机以相对低的速度运行时，绕组中的反电动势相对较小且不影响驱动电流且由此驱动功率至绕组中的能力。通过与反电动势同步地励磁绕组，在第一速度范围上驱动电机所需的控制相对简单。第二速度范围是中间速度范围。当以该中间速度运行时，反电动势的大小开始影响驱动电流至绕组中的能力。通过提前于反电动势励磁绕组，电流在一较早阶段被驱动至绕组中且由此更多功率被驱动至电机中。而且，通过提前于反电动势一固定时间段励磁绕组，绕组被提前于反电动势一随转子速度增加的角度励磁。具体地，提前角与转子的速度成比例地增加。因此，随着电机加速通过第二速度范围，电流被在越来越早的阶段驱动至绕组中且由此更多功率被驱动至绕组中。附加地，通过使用固定的提前时间，在第二速度范围内驱动电机所需的控制相对简单。第三速度范围是高速度范围。而且，电机主要运行于第三速度范围内。在这些相对高速度下，反电动势的大小显著影响驱动电流至绕组中的能力。 因此，如在第二速度范围时那样，绕组被提前于反电动势励磁，从而电流被在较早的阶段被驱动至绕组中。然而，第三速度范围内的电机速度的变化影响反电动势的大小且由此影响电机的功率。通过响应速度的变化而改变提前时间，在第三速度范围内电机的功率可被更好地控制。第三速度范围优选地跨过至少lOkrpm。因此，马达的功率可被在相对宽的速度范围上受到控制。第二速度范围还优选地跨至少lOkrpm。优选地，该方法包括，在第三速度范围内，提前于该过零一随速度增加的时间段励磁电机。因此，当电机的速度增加，且由此绕组中的反电动势增加时，电流在越来越早的阶段被驱动至绕组内。结果，在第三速度范围内可实现相同或类似的功率。该方法可包括，在第二速度范围内，提前于该过零一固定提前时间励磁绕组，和在第三速度范围内施加速度校正值至该固定提前时间。该速度校正值可于是被选择为使得在第三速度范围内该提前时间随速度增加。而且，速度校正值可被选择，使得跨第三速度范围可实现基本上恒定的功率。该方法可包括储存用于多个速度的速度校正值的查找表，和根据电机的速度从该查找表选择速度校正值。这则简化了电机的控制。特别地，不需要执行在线计算。查找表可储存用于多个速度和多个电压水平的每个的速度校正值。该方法然后包括根据电机的速度和用于励磁绕组的励磁电压的水平从查找表选择速度校正值。当电机的速度变化时，绕组中感生的反电动势变化和由此电机的功率也变化。通过针对速度校正提前时间，速度在功率上的影响可被在第三速度范围上降低。但是，校正的理想程度依赖于励磁电压的水平。特别地，对于越低的励磁电压需要越大的校正。通过施加随电机的速度和励磁电压水平二者变化的速度校正值，在第三速度范围内可实现在功率上的更好控制。优选地，该方法包括在第三速度范围上提前于过零一随用于励磁绕组的励磁电压变化的提前时间来励磁绕组。绕组也可在第二速度范围内提前随励磁电压变化的提前时间而被励磁。更优选地，该提前时间随着励磁电压降低而增加。因此，对于越低的励磁电压， 电流被越提早驱动至绕组内，以对该越低的电压进行补偿。因此，相似的功率可被实现而不管励磁电压。该方法可包括储存用于多个电压水平的控制值的查找表，根据励磁电压的水平从该查找表选择控制值，和提前过零一由该控制值限定的时间励磁绕组。这则简化了电机的控制。在第二和第三速度范围内，该方法可包括励磁绕组，监视表示绕组内的反电动势的信号，和响应检测到该信号的边缘而持续励磁绕组一驱走时间(drive-Off time)，其中该驱走时间与该提前时间成比例。该方法优选地包括在第二和第三速度范围内顺序地励磁绕组和使其续流。在下降反电动势的区域中，对于给定水平的电流，较少的扭矩被实现。因此，通过使得绕组在该区域中续流，可实现更有效的电机。附件地，由于绕组中的反电动势下降，如果励磁电压超过该下降的反电动势，可出现电流尖峰。通过在下降的反电动势区域中使得绕组续流，电流尖峰可被避免且由此更平滑的电流波形可被实现。该方法可包括在第二速度范围内使得绕组续流一固定时间段。通过在第二速度范围内固定续流时间，电机的控制被简化。该方法可包括在第三速度范围内使得绕组续流一随速度变化的时间段。通过在第三速度范围内响应速度中的变化而改变续流时间，电机的功率可被更好地控制。优选地，该方法包括在第三速度范围内使得绕组续流一随速度增加而减少的时间段。因此，当电机的速度增加，且由此绕组中的反电动势增加时，电流被在更长的时间段中被驱动至绕组内用于补偿。该方法可包括在第三速度范围上使得绕组续流一随用于励磁绕组的励磁电压而变化的续流时间。该方法还可在第二速度范围内使得绕组续流一随该励磁电压而变化的时间。更优选地，续流时间随着励磁电压降低而降低。因此，对于越低的励磁电压，电流被在更长时间段中驱动至绕组内，以对该越低的电压进行补偿。因此，相似的功率可被实现而不管励磁电压的水平。有利地，在第二和/或第三速度范围内每个电半周期包括单个驱动时间段和单个
4续流时间段。绕组于是在驱动时间段中被励磁而在续流时间段中进行续流。在续流时间段之后，绕组于是被换流。在第二方面，本发明提供一种用于电机的控制系统，该控制系统执行如前述段落中任一个描述的方法。控制系统理想地包括位置传感器，例如霍尔效应传感器，其输出代表绕组中的反电动势的信号。控制系统然后使用该位置传感器输出的信号来控制绕组的励磁。控制系统可包括电流控制器以限制励磁过程中绕组中的电流。这则防止了绕组中形成过度的电流，其否则可损坏控制系统的部件或使得电机的磁体消磁。控制系统还可包括逆变器，门驱动模块和驱动控制器。驱动控制器于是产生一个或多个控制信号用于控制绕组的励磁，门驱动器模块响应该控制信号控制逆变器的开关。在第三方面，本发明提供一种电池供电产品，其包括电机和如前述段落中任一个描述的控制系统。控制系统则利用电池的电压励磁绕组。而且，控制系统可响应电池的电压中的变化而改变提前时间和/或续流时间。在第四方面，本发明提供一种真空吸尘器，其包括电机和如前述段落中任一个描述的控制系统。电机优选地为永磁马达，且更优选地为单相永磁马达。
为了本发明可被更容易地理解，本发明的实施例现在将要参考附图通过实例而被描述，其中图1是根据本发明的产品的方框图；图2是图1的产品的马达系统的方框图；图3是马达系统的示意图；图4是马达系统的电流控制器的示意图；图5示出电流控制期间的马达系统的波形；图6示出当以高速操作时马达系统的波形；图7是提前角和续流角度对励磁电压的图表；以及图8是真空吸尘器形式的本发明的产品。
具体实施例方式图1的产品1包括电源2、用户接口 3、附件4、和马达系统5。电源2包括电池组，其供应直流电压给附件4和马达系统5。电源2可从产品1拆卸，从而产品1可和不同的电池组一起使用。为了本说明的目的，电源2是提供16. 4V直流供电的4芯电池组或者提供24. 6V直流供电的6芯电池。除了提供电源电压，电源输出识别信号(identification signal)，其对于电池组的类型是独一无二的。该ID信号采取方波信号的形式，该方波信号具有根据电池组的类型变化的频率。在本例子中，4芯电池组输出具有25赫兹频率的ID信号(20ms脉冲长度)，而6芯电池组输出具有50赫兹频率的ID 信号(IOms脉冲长度)。ID信号被电源2持续输出直到电源2内检出故障时，例如电池欠压或者过温。如下所述，ID信号被马达系统5使用以识别电源2的类型和定期地检查电源运行正确。用户接口 3包括电源开关6和功率模式选择开关7。电源开关6被用于将产品1 通电和断电。响应电源开关6的闭合，闭合电路被形成在电源2和附件4与马达系统5每一个之间。电源模式选择开关7被用于控制马达系统5操作在高功率模式还是低功率模式中。当电源模式选择开关7被闭合时，逻辑上的高功率模式信号被输出到马达系统5。附件4被可去除地附连至产品1。当附连至产品1并且产品1被供电时，附件4从电源2汲取电力并且输出附件信号给马达系统5。不是每当附件4被附连并且产品1被供电时连续地汲取电力，附件4可包括电源开关(未示出)，例如形成用户接口 3的一部分。 附件4然后只有当附件电源开关被闭合时汲取电力和输出附件信号。现在参考图2和3，马达系统5包括电马达8和控制系统9。马达8包括二极永磁转子17，其相对于定子18旋转，单向绕组19缠绕该定子。定子18是C形状，其能实现用于绕组19的高填充因数。相应地，铜损可被减少，藉此改进马达8的效率。控制系统9包括滤波器模块10、逆变器(inverter) 11、门驱动器模块12、位置传感器13、电流传感器14、电流控制器15、和驱动控制器16。滤波器模块10链接产品1的电源2至逆变器11，且包括并联布置的一对电容器 Cl、C2。滤波器模块10用于减少链接至逆变器11的电压中的脉动。逆变器11包括四个功率开关Q1-Q4的全桥(full-bridge)，其链接电源2至马达 8的绕组19。每个功率开关Q1-Q4是M0SFET，其提供电源2的电压范围上的高速切换和良好的效率。但是其它类型的功率开关可能被使用，例如IGBT或者BJT，特别如果电源2的电压超过MOSFET的电压等级时。每一开关Q1-Q4包括反激式二极管(flykick diode)，其在切换期间保护开关不受来自于马达8的反电动势的电压尖峰损害。当第一对开关Ql、Q4被闭合时，绕组19被以第一方向励磁(从左至右的励磁)， 导致电流沿绕组19以第一方向驱动。当第二对开关Q2、Q3被闭合时，绕组19被以相反方向励磁(从右至左的励磁)，导致电流绕绕组19以相反方向驱动。由此，逆变器11的开关 Ql-Q可以被控制以在绕组19中换流。除了励磁绕组19，逆变器11可被控制以使得绕组19续流(flywheel)。续流发生在绕组19被从电源2提供的励磁电压断开时。这可通过断开逆变器11的所有开关Q1-Q4 而发生。但是，如果高压侧开关Q1、Q3或者低压侧开关Q2、Q4在续流期间被闭合，马达系统 5的效率被改善。通过闭合高压侧开关Q1、Q3或者低压侧开关Q2、Q4，绕组19中的电流能通过开关而不是较少效率的反激式二极管再循环。用于本说明的目的，续流通过闭合低压侧开关Q2、Q4 二者实现。但是，应理解续流可以同样地通过闭合高压侧开关Ql、3或者断开所有开关Q1-Q4实现。门驱动器模块12响应从驱动控制器16接收的控制信号S1-S4驱动逆变器11的开关Q1-Q4的断开和闭合。门驱动器模块12包括四个门驱动器20-23，每个门驱动器响应来自于驱动控制器16的控制信号S1-S4驱动各自的开关Q1-Q4。负责高压侧开关Ql、Q3 的门驱动器20、22还附加地响应从电流控制器15接收的过流信号而被驱动。响应该过流信号，门驱动器20、22断开高压侧开关Q1、Q3。过流信号优先于驱动控制器16的控制信号 Si、S3，从而高压侧开关Ql、Q3响应该过流信号被断开而不管控制信号Si、S3的状态。该水平的控制可通过在高压侧门驱动器20、22处设置NOR门被实现。表1总结了开关Q1-Q4响应驱动控制器16的控制信号S1-S4和电流控制器15的过流信号的允许状态。由于NOR门在高压侧门驱动器20、22的输入上的操作，高压侧开关 91、93被逻辑上低的控制信号31、53闭合。
权利要求
1.一种控制电机的方法，包括当电机在第一速度范围运行时，与绕组中的反电动势的过零同步地励磁电机的绕组；当电机在第二速度范围运行时，提前于该过零一固定时间段励磁该绕组；以及当电机在第三速度范围运行时，提前于该过零一随速度变化的时间段励磁该绕组。
2.如权利要求1所述的方法，其中第一速度范围低于第二速度范围，且第二速度范围低于第三速度范围。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中第三速度范围跨越至少lOkrpm。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中第二速度范围跨至少lOkrpm。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中该方法包括，在第三速度范围内，提前于该过零一随速度增加的时间段励磁绕组。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中该方法包括，在第二速度范围内，提前于该过零一固定提前时间励磁绕组，和在第三速度范围内施加速度校正值至该固定提前时间。
7.如权利要求6所述的方法，其中该方法包括储存用于多个速度的速度校正值的查找表，和根据电机的速度从该查找表选择速度校正值。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中该方法包括，在第三速度范围内，提前于该过零一随励磁电压变化的提前时间段励磁绕组。
9.如权利要求8所述的方法，其中该方法包括，在第三速度范围内，提前于该过零一随励磁电压降低而增加的提前时间段励磁绕组。
10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中该方法包括在第二和第三速度范围内顺序地励磁绕组和使其续流。
11.如权利要求10所述的方法，其中该方法包括在第二速度范围内使得绕组续流一固定时间段。
12.如权利要求10或11所述的方法，其中该方法包括在第三速度范围内使得绕组续流一随速度变化的时间段。
13.如权利要求12所述的方法，其中该方法包括在第三速度范围内使得绕组续流一随速度增加而减少的时间段。
14.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中在第三速度范围内每个电半周期包括单个驱动时间段和单个续流时间段，且该方法包括在驱动时间段中励磁绕组和在续流时间段中使得绕组续流。
15.一种用于电机的控制系统，该控制系统执行如前述权利要求中任一项所述的方法。
16.一种电池供电产品，包括电机和如权利要求15所述的控制系统。
17.一种真空吸尘器，包括电机和如权利要求15所述的控制系统。
全文摘要
一种控制单相永磁电机的方法，包括当电机在第一速度范围运行时，与绕组中的反电动势的过零同步地励磁电机的绕组；当电机在第二速度范围运行时，提前于该过零一固定时间段励磁该绕组；以及当电机在第三速度范围运行时，提前于该过零一随速度变化的时间段励磁该绕组。附加地，一种用于电机的控制系统，和包括该控制系统和电机的真空吸尘器。
文档编号H02P6/14GK102460941SQ201080024785
公开日2012年5月16日 申请日期2010年3月31日 优先权日2009年4月4日
发明者A.克洛西尔, R.道, T.塞里克 申请人:戴森技术有限公司