控制电机的方法与流程

控制电机的方法
1.本技术是中国发明专利申请(申请号：201710281929.x，申请日：2017年4月26日，发明名称：控制电机的方法)的分案申请。
技术领域
2.本发明涉及一种控制电动机的方法。


背景技术：

3.当电机被切换到关闭时，其可能往往在转子停止旋转之前需要一些时间。在永磁无刷电动机中，当转子达到其中它变得静止的点时，转子中的磁极与定子的极的吸引/相互作用(被称为齿槽转矩)引起转子在进入完全停止之前旋转摆动。这在某些时候被称为抖动阶段。该抖动阶段将通常持续一段时间(其可能取决于一些因素，比如磁体强度和定子极到转子的接近度)。
4.如果企图在转子仍然在该抖动阶段中摆动时重新启动电机，则可能出现问题。例如电机可能意外地以转子沿相反方向旋转而被启动。由此期望当启动电机时在启动例程开始之前首先检测电机是否在抖动阶段中。然而，检测该抖动阶段不一定一直可以。例如,如果电机被提供具有转子位置传感器(比如霍尔传感器)，摆动的程度通常较小，以至于该转子位置传感器不会检测到该摆动。
5.由于不可能检测电机是否在抖动阶段中，因此当电机通电时，在启动例程被执行之前往往较小的时间延迟被内置，以便绝对确保转子在被旋转之前转子是静止的。这个时间延迟将仅仅足够长以确定任何摆动已停止。然而，不期望对于启动电机的任何延迟。


技术实现要素：

6.本发明的第一方面提供一种用于控制具有转子的电机的方法，该方法在电机关闭已发动之后执行，该方法包括：启动电机控制器中的计时器，执行再生制动以从转子捕获动能作为电能，使用从再生制动捕获的电能以将电机控制器供电，且如果电机控制器中的计时器超过预定计时器值，则设置标识在电机控制器中的存储器中以指示电机已停止。
7.结果，当电机下一次被开启时，该标识可充当电机已完全停止的指示，且启动例程可立即开始而在电机启动之前不需要执行延迟。
8.该捕获的电能可被存储在电容器中。因此，捕获的能量不必须被立即使用，并且可被存储直到被需要。
9.该电容器是直流链电容器。结果，不需要额外的部件，并且电机的成本被缩减。
10.该方法可还包括比较跨电容器的电压和最大电压阈值。如果跨电容器的电压超过最大阈值，那么该方法可还包括停止再生制动，且发动续流制动。通过以该方式监控电压，且如果电压太高则停止再生制动，电机的电容器和其他电部件的任何损坏可被避免。
11.该预定计时器值可对应于在电机关闭已发动之后转子完全停止所需的最小时间段。预定计时器值可在0.5至5秒范围内，且可在1至2秒范围内。因此,该电机控制器仅需要
在电机已关闭之后供电可能的最小时间。这帮助最小化需要通过再生制动捕获的能量大小。
12.该标识可被设置在电机控制器的非易失性存储器中，且可被设置在电可擦拭可编程只读存储器(eeprom)中。因此，该标识将在电机已经被关闭之后甚至当功率被移除时保持设置，且一旦电机再次被启动将就绪可用。
13.本发明的第二方面提供一种用于控制电机的方法，该方法在电机的启动被发动之后执行，该方法包括：检查标识是否已被设置在电机控制器的存储器中，该标识为电机已停止的指示，且如果该标识已被设置，则允许电机控制器基本上立即开始电机启动例程，或如果该标识没有被设置，则延迟电机控制器开始电机启动例程预定延迟时间段。
14.结果，电机启动所花的时间被最小化，因为该标识查看比需要在启动例程被执行之前在启动程序中包括延迟更快。
15.如果该标识已被设置，则该方法还包括清除该标识。
16.如果没有标识被设置，则该方法还可包括在预定延迟时间段期间启用制动例程。该制动例程可包括续流制动。这将减少延迟启动例程的开始所需的时间量。
17.该预定延迟周期可对应于在电机已被关闭之后转子完全停止所需的最小时间段，该时间段可在0.5至5秒范围内，或在1至2秒范围内。
18.该方法可被用于启动依照本发明的第一方面描述的方法已被关闭的电机。
19.本发明的第三方面提供了用于永磁电机的再生制动方法，该永磁电机提供了反映电机的电循环的再同步信号，该方法包括：测量再同步信号的再同步周期，在电循环的第一部分中，使用转子的旋转磁场将相电感充电，且在电机的电循环的第二部分中，使用被充电的相电感以随后将电容器充电。
20.结果，当转子减慢时，来自旋转转子的动能可被捕获且被转变为电能，且该被捕获的能量被存储在电容器中用于使用。
21.电循环的一部分可持续被测量出的再同步周期的预定部分，且该预定部分可为被测量的再同步周期的1/4。这允许优化的能量大小从转子捕获，同时仍然能够监控转子旋转的速度。
22.电循环的第二部分可持续设置的预定值。该设置的预定值可为用于再同步周期的最小值的至少50％至75％，当电机在它的最大速度下运转时，用于再同步周期的最小值为再同步周期的长度。因此，再生制动方法将能够在电机的全部速度范围内工作
23.使用转子的旋转磁场将相电感充电的步骤可包括启用电机的逆变器中的单个开关以允许电流流动通过相绕组。
24.使用被充电的相电感以随后将电容器充电的步骤可包括启用电机的逆变器中的所有开关，且迫使感应电流从电容器的一侧流动到另一侧。
附图说明
25.为了更容易地理解本发明,现在将要参考下列附图通过实例描述本发明的实施例，附图中：
26.图1是概括电机停机程序的步骤的流程图；
27.图2是概括电机启动程序的步骤的流程图；
28.图3示出了电机系统的示意图；
29.图4是示出图3的电机系统的部件的电路图；
30.图5显示了在再生制动期间的波形；
31.图6和图7示出了在图5的再生制动的不同阶段期间图4的电路图的一部分。
32.图8是概括再生制动模式的步骤的流程图；
33.图9示出了包括电机的手持式器具。
具体实施方式
34.由于齿槽转矩，电机刚好在停止之前进入摆动(抖动)阶段。在摆动期间没有来自转子位置传感器的信号，由此软件不能辨别电机是否在摆动或没有。然而，在转子位置传感器信号丢失之后，该抖动阶段将通常持续限定的时间段(在本文中被称为稳定时间段)。该稳定时间段对于每个电机将为不同的，且将取决于数个因素，例如转子磁体强度，空气间隙的尺寸等等。例如，电机可具有约0.6秒的稳定时间段。
35.为了避免启动程序上包含延迟时间段的需要，期望在电机断电时监控是否电机已经静止至少稳定时间段。然而，如果供到电机和电机控制器的功率被断掉，通常情况下这不总是可能的。因此将描述一种方法，在电机停机程序期间，其包含再生制动阶段，该再生制动阶段将电容器充电。该电容器中的功率于是可被用于提供功率到电机控制器中的计时器，该计时器运转以确保稳定时间段已经完成。
36.图1是流程图，其概括电机停机程序的一个实施例中被执行的步骤。
37.1.1电机停机程序被启动。例如，这可能响应于用户关闭它而关闭或在故障检测到后自动关闭。
38.1.2计时器被启动。该计时器被用于确定从电机关闭的点已经经过的时间的长度。计时器阈值可被设置用于电机。这个阈值可被设置为如果该阈值被达到，它可确定自电机停机开始已经经过的至少稳定时间段的时间段。
39.1.3再生制动阶段开始。这个阶段具有两个主要目的：首先它对电机有制动效果，且由此用于当电机已经被关闭时更迅速地减慢电机；第二，它自电机捕获动能且将该动能以电能存储在电容器中，所述电能可被用于在停机之后的这个时间段期间继续运转计时器。
40.1.4查看电容器阈值是否已经被达到。应理解的是，试图驱动太多功率进入电容器可能损坏电容器或电机的其他电部件。例如，该阈值可能是跨电容器的电压测量值。如果该阈值还没有被达到，那么程序回到步骤1.3，再生制动继续。然而，一旦该阈值已达到，那么程序行进到步骤1.5。
41.1.5该电机仍然旋转，但不需要更多能量将电容器充电。然而，电机仍然需要被停止，且由此开始续流制动阶段。续流制动是已知的，且由此将不在这里更详细地描述。
42.1.6查看上述计时器阈值是否已达到。如果该计时器阈值还没有被达到，那么继续步骤1.5的续流制动。如果达到该阈值，那么该方法行进到步骤1.7。
43.1.7设置“电机停止”标识。这个标识是非易失性标识，且可被存储，例如，被存储在eeprom(电可擦拭可编程只读存储器)中。
44.1.8该电机已停止。
45.另一步骤可被包括在上述方法中，该步骤检查电机的速度。如果在再生制动步骤被执行之前转子缓慢地旋转，那么可能期望知道电机的速度。在此情况下，减小的计时器阈值可被采用，因为如所知的，与转子从高初始速度开始的情况相比较，转子将采取较短的时间段来停止。这将减少控制器在标识被设置之前由于在较低启动转子速度下能量捕获的较低水平而功率耗尽的可能。
46.该非易失性“电机停止”标识允许在电机接下来启动时检查正常电机启动例程被执行之前是否需要延迟。图2是流程图，其概括了电机启动例程的初始阶段的一个实施例中被执行的步骤：
47.2.1该电机被启动。例如，这可能响应于用户开启电机。
48.2.2查看“电机停止”标识已被设置是否被执行。如果该标识已设置，那么当然电机已经完全停止且立刻重新启动电机是安全的。该例程由此行进到步骤2.3。如果“电机停止”标识没有被设置，那么不确定电机已完全停止，且电机有可能仍然在抖动阶段中。由此，该例程行进到步骤2.4中。
49.2.3在步骤2.2中识别“电机停止”标识已被设置之后，该标识可被清除，且该过程直接行进到步骤2.6，在步骤2.6中用于电机的通常的启动例程被执行。
50.2.4在步骤2.2中识别没有设置“电机停止”标识之后，该电机启用续流制动。如果电机仍然运动，则续流制动将激励它更快地停止
51.2.5一旦续流制动已经被启用,预定时间段的延迟(其在此情况下是1.25秒)在该过程最终行进到步骤2.6之前被执行。
52.2.6该通常的电机启动例程开始。
53.上述1.25秒的示例性预定延迟时间段被计算以使其对应于电机关闭之后转子完全停止所需的最小时间。应理解，该值电机与电机之间各不相同。对于容纳在手持式器具中的电机大部分情况下，该预定延迟时间段例如期望在0.5至5秒范围内。
54.图3示出了电机系统1的示意图，该电机系统1包括电机2，和用于控制电机2的微控制器3。通过交流电源4提供功率到电机系统1。该交流电源4预期为家用电网供电。
55.该电机2是永磁无刷电机，且包括至少一个相绕组。控制系统3包括整流器5，直流链滤波器6，逆变器7，门驱动模块8，微控制器9和再生制动模块10。
56.图4是简化的电路图，其示出了电机系统1的许多部件。整流器5包括四个二极管d1
‑
d4，其被布置为全波桥布置，该全波桥布置将交流电源4的输出整流以提供直流电压。
57.该直流链滤波器6包括链电容器c1和链电感器l1。该链电容器c1作用于平滑相对高频率的纹波，其由逆变器转换引起。如下面更详细地描述，链电容器c1在基本频率下不需要平滑整流过的直流电压。因此，相对较低电容的链电容器可被使用。该链电感器l1用于平滑任何残余电流纹波，其由逆变器转换引起。再次地，由于链电感器l1预期为减少逆变器10的转换频率下的纹波，因此相对低的电感系数的电感器可被使用。
58.逆变器7包括全桥四个电源开关s1
‑
s4，其将直流链电压耦合到相绕组14。每个电源开关s1
‑
s4是igbt，其能够在多数电网电源的典型电压水平下操作。其他类型的电源开关，比如bjt或mosfet，可能替代地被使用，取决于电源开关的等级和交流电源4的电压。每一开关s1
‑
s4包括反激式二极管(flyback diode),其保护开关不受逆变器转换期间上升的电压尖峰损害。
59.门驱动器模块8响应从微控制器9接收的控制信号驱动逆变器7的开关s1
‑
s4的断开和闭合。
60.该微控制器9包括处理器11，存储设备12和多个外设13(举例来说adc，比较器，计时器等等)。储存设备12储存用于由处理器11执行的软件指令。存储设备12还可包括eeprom存储区域，其中标识(比如图1和2的方法中描述的“电机停止”标识)可被设置和清除。
61.关于电机2的控制方案，启动，加速，稳定速度模式可为无刷永磁电机的通常的那些控制方案，无论如何在本发明的范围外，因此将不在本文中更详细地描述。
62.再生制动模块10为了图3的目的被示出为与微控制器9分开，但应理解为它可形成微控制器9的一部分，特别地为分开的软件指令，其被存储在存储设备12中，且由处理器11执行以实施再生制动，如图1的步骤1.3中描述的。现将参考图5至8描述再生制动及如何执行再生制动。
63.再生制动在供应到电机的功率已关闭之后被执行。图5示出了电机系统在再生制动模式期间的波形。再同步信号(其提供转子位置的指示)被提供到再生制动模块10和/或控制系统3。在一些实施例中，这个再同步信号可使用转子位置传感器(例如霍尔传感器)检测。该再同步周期由此指示电机的电周期，且完整的再同步周期等同于完整的电周期。替代地，该再同步信号可使用无传感器方案被产生在软件中，例如，如gb2501370中描述的。该再同步信号具有再同步周期t_resync，其被用于再生制动期间涉及的工作时间，其将在下文中描述。
64.图5中的波形分成阶段a至c，其为重复的。在阶段a中，所有开关s1
‑
s4是关闭的，且在微控制器9等待再同步信号的前沿时，相绕组14中没有相电流。一旦再同步信号中的前沿被检测到，阶段b开始。
65.在阶段b中，开关s4启用(开启)，且由于转子仍然旋转，相电流被产生在相绕组中，相绕组充当电感器。图6示出了图4的电路图的一部分，以及在再生制动波形的阶段b期间所发生的。在本文中，产生在相绕组中的电流能够流动通过开关s4(其被设置为开)，且由此通过开关s2处的反激式二极管。该相电流由此围绕逆变器7的底部一半循环，如箭头b所指示的。由此，在阶段b期间，可被认为相电感被充电，且转子的动能被转变为通过感应相电流产生的磁场形式的磁能量。附加地，这个感应的磁场在其与转子的永磁体磁场相反作用时帮助减慢转子。阶段b持续再同步周期的预定比例。根据电机的要求和在再生制动期间需要重新捕获的能量水平，阶段b的比例长度可被调整。然而，再同步周期的1/4周期已被发现特别有效和有利，也就是说：
66.t_b＝(t_resync)/4
67.一旦阶段b结束，该开关s4被禁止(关闭)，被存储在感应磁场中的磁能量被转变为电能，该电能用于将直流链电容器c1充电。图7示出了图6的电路的变化，其已进入阶段c中。现在，在s4关闭的情况下，当磁场衰竭时，存储在相感应磁场中的能量被转变为电能。感应电流(其不再能通过s4)通过s2和s3二极管两者，如图7中的箭头c所示，且将直流链电容器充电。
68.图5中的相电流波形下方的阴影线区域代表再生制动获得的功率。一旦阶段c已经完成，重复阶段a，且系统等待检测到再同步信号中的下一个前沿。
69.阶段c持续预定时间段t_c。t_c的长度是折衷的。它需要足够长以允许相电流回到
零，但还需要在甚至最高转子速度下足够短，它不跨过再同步信号的下一个前沿。这在无传感器系统(其中没有使用霍尔传感器确定转子位置)中是特别重要的。如果在无传感器系统中t_c太长，那么存在再同步信号的下一个前沿可能被丢失的可能性，且控制方案将失败。在电机具有120krpm最高速度的一个特定实施例中，其中t_b＝1/4t_resync，则时间段t_c被设置在150微秒(1.5*10
‑
4秒)。最短可能的再同步周期t_resync_min是当电机在其最大速度下旋转时。在上述的特定实施例中，当电机在最大速度120krpm下旋转时，t_resync_min是250微秒，且由此t_b+t_c在最大速度处为212.5微秒，其小于t_resync_min。因此，软件甚至在最大转子速度下将仍然能够检测到再同步信号中的下一个前沿。应理解，t_c的长度将取决于数个因素，包括电机的最大速度和t_b的期望的长度。然而，优选地t_c的长度是在(1/2x t_resync_min)至(3/4x t_resync_min)范围内。
70.当转子减慢时，t_b的长度将随t_resync改变而明显地改变。为了简化该方案，且保持系统存储和功率需求低，上述方法提出具有固定长度的t_c。然而，在替代实施例中，可能期望在转子减慢时还变化t_c的值以导致较长的t_resync周期。例如，用于不同的t_resync值的t_c的值可被保留在查找表中且被采用。
71.图8是流程图，其概括在图1中的步骤1.3的再生制动模式期间被执行的步骤。该流程图还显示了该步骤如何与上述的阶段a至c互相关联。
72.8.1电机进入再生制动模式，如图1的流程图的步骤1.3，。
73.8.2该再同步周期被测量。这通过测量再同步信号中的两个再同步前沿事件之间的计时器而被执行。
74.8.3从前述确定的再同步周期计算t_b。在上述实施例中，这为刚测得的再同步周期的四分之一。开关s4被启用，且相电流开始上升，如图5的波形中所示。计时器(本文中被称为重生计时器)被启动。该重生计时器被用于测量上述阶段b和c的长度，也就是t_b和t_c。这里描述了单个重生计时器，其测量这两个周期，但分开的计时器可被用于测量t_b和t_c。
75.8.4进行查看以确保直流链电压不在设置的阈值之上。如前所述，如果直流链电容器c1被过度充电，则该直流链电容器c1可能被损坏。该阈值由此用于防护电容器和其他电部件。如果直流链电压在阈值之上，那么该过程直接行进到步骤8.8。如果直流链电压在阈值之下，那么该过程行进到步骤8.5。
76.8.5一旦确定直流链电压在阈值之下，查看步骤8.3中启动的重生计时器是否溢出在步骤8.3中计算的t_b周期。如果该计时器还没有溢出t_b周期，那么该过程重复步骤8.5直到该计时器溢出。当这发生时，该过程行进到步骤8.6。
77.8.6这个步骤对应于阶段c。该开关s4被禁止，且存储在磁场内的能量被转变为电能，该电能于是被存储在直流链电容器中。一旦开关s4被关闭，那么存在延期预定时间段(也就是t_c)的延迟。该延迟可由重生计时器测量。在已经经过预定时间段(t_c)之后，阶段c已经完成，且该过程行进到步骤8.7。
78.8.7该阶段代表阶段a的重复。该系统等待检测到再同步信号中的下一个前沿事件。一旦这已经被检测到，可计算更新的再同步周期，然后该过程循环回到步骤8.3。该转子随时间减慢，且由此再同步周期有规律地更新以确保t_b的长度适于当前再同步周期的长度t_resync是非常重要的。
79.8.8续流制动模式被启用，且代替再生制动。
80.续流制动是已知的，且由此将不在这里更详细地描述。然而，总的来说，续流制动包括启用s2和s4两者(s2和s4被开启)。以这种方式，相绕组感应的电流围绕逆变器的底部一半续流且作为响应，电动势产生，该电动力作用于抵抗转子的旋转，由此将转子减慢。该开关s2和s4在整个续流制动周期期间保持开启。
81.用于执行上述的再生制动的方法涉及在阶段b期间开启开关s4，且在阶段c期间关闭开关s4。然而，替代方法将使用开关s2代替s4。在这个替代方法中，电流流动通过相绕组的方向相反。在该替代中，在阶段c中，该电流将流动通过开关s4和s1中的二极管而不是图7中所示的s2和s3中的。
82.应理解，用于电机关闭，电机驱动和本文中描述的再生制动的方案可被应用于任何电机。然而，当被使用在消费品中的电机的控制方案时它们是特别有利的，其中当将产品打开时关于产品的启动的任何延迟可能被消费者感受为不方便或产品可能故障的指示。图9显示了包括电机20的手持式器具20的实施例。图9中所示的手持式器具20是干发器，然而电机2还可能被用于其他产品和器具中，例如其他头发护理产品，真空吸尘器，风扇，烘手机等等。
83.虽然特定实施例迄今为止已被描述，但是应理解，各种修改可在不脱离权利要求限定的本发明的范围的情况下被做出。
84.例如，在上述实施例中，再生制动将直流链电容器c1充电。然而，在替代实施例中，分开的电容器或电量保持设备可被使用于存储再生制动期间捕获的能量。然而，通过使用直流链电容器，不需要额外的部件，这用于保持电机系统成本低。
85.上述实施例示出了由交流电源供电的电机。然而，上述的电机停机，电机启动和再生制动方案中的一个或多个还可被用在电池供电电动机的控制中。在此情况下，电池供电电机将不具有用以充电的直流链电容器，然而，分开的电容器或其他充量保持设备反而可被使用。替代地，由再生制动方案捕获的能量可被存储回在电机操作期间被用于给电机供电的主电池组中。