无刷永磁电机的控制方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及控制无刷永磁电机的方法。
【背景技术】
[0002]对改善无刷永磁电机的效率的需要日益增长。
【发明内容】
[0003 ]本发明提供了一种控制无刷永磁电机的方法，该方法包括当在高于50krpm的速度下操作时，在相对于电机的绕组中的反电动势的过零点延迟的时刻处换向电机的绕组。
[0004]在高于50krpm的速度下，每一个电半周期的长度相对较短，并且反电动势的幅值相对较大。这两个因素都建议必须提前换向，以便于驱动充分的电流且由此功率到相绕组，以便于保持这样的速度。然而，申请人发现，一旦电机处于该速度，电机效率的改善可以通过延迟换向被实现。对于永磁电机，扭矩电流比在相电流的波形与反电动势的波形相匹配时最大。电机效率的改善由此通过成形相电流的波形为使得它更好地匹配反电动势的波形而被实现。在反电动势过零点附近相电流比反电动势更快地升高的情况下，提前换向将使得相电流快速领先于反电动势。通过直到在反电动势过零点之后延迟换向，相电流的升高可以更紧密地跟随反电动势的升高。结果，电机的效率可被改善。
[0005]该方法可包括当操作在跨至少5krpm(更优选地至少1krpm)的速度范围上时在相对于反电动势的过零点延迟的时刻处换向绕组。结果，电机效率的改善可以在相对较大速度范围上实现。
[0006]用于激励绕组的电源电压的变化将影响相电流升高的速率。电机速度的变化将影响电半周期的长度，且由此影响反电动势升高的速率。此外，电机速度的变化将影响反电动势的大小，且由此影响相电流升高的速率。因此，该方法可包括延迟一延迟时段换向，且响应于电源电压和/或电机速度的变化而改变延迟时段。这于是具有当电机在一范围的电源电压和/或电机速度上操作时改善电机效率的益处。此外，驱入到绕组的电流的量且由此功率的量对电源电压和/或电机速度的变化敏感。通过响应于电源电压和/或电机速度的变化而改变延迟时段，对电机的输入或输出功率的更好的控制可以被实现。
[0007]该方法可包括响应于电源电压的升高和/或电机速度的降低而增大延迟时段。当电源电压的大小增大时，相电流以较快的速度升高。当电机速度减小时，反电动势以较低的速率升高。此外，反电动势的大小减小且由此相电流以较快的速度升高。通过响应于电源电压的升高和/或电机速度的降低而增加延迟时段，相电流的波形可以响应于电源电压和/或电机速度的变化而更好地匹配反电动势的波形。结果，当电机在一范围的电源电压和/或电机速度上操作时电机效率可被改善。
[0008]该方法可包括将每个电半周期分为传导时段和随后的续流时段。绕组然后在传导时段期间被激励，且在续流时段期间被续流。此外，该方法可包括将传导时段分为第一激励时段、另一续流时段和第二激励时段，且绕组可在每个激励时段期间被激励，且绕组可在另一续流时段期间被续流。尽管换向被延迟，相电流仍可以比反电动势更快的速率上升。结果，相电流会最终领先于反电动势。次续流时段用于短暂地阻止相电流的升高。因此，在传导时段期间，相电流可更紧密地跟随反电动势的升高，由此改善效率。
[0009]该方法可包括当在第一速度范围上操作时在相对于反电动势的过零点延迟的时刻处换向绕组，且当在第二速度范围上操作时在相对于反电动势的过零点提前的时刻处换向绕组，且第二速度范围高于第一速度范围。当在第一速度范围上操作时，在过零点附近，相电流以比反电动势更快的速率升高。因此，通过延迟换向，电机效率的改善可以被实现。当在第二速度范围上操作时，每个电半周期的长度更短，且由此反电动势以较快的速率升高。此外，反电动势的大小较高且由此相电流以较低的速度升高。因此，反电动势以较高的速率升高，但是相电流以较低的速率升高。结果，相电流可以比反电动势更慢的速率上升。延迟换向于是将仅能够使得电机的效率变差。此外，如果换向被延迟，在第二速度范围上操作时可能不能将充分的电流和功率驱入到绕组中。因此，通过在第一速度范围上使用延迟换向和在第二速度范围上使用提前换向，电机的效率可以在两个速度范围上被改善。
[0010]该方法可包括当在第一速度范围和第二速度范围上操作时，将电机的每个电半周期分为传导时段和随后的续流时段，绕组在传导时段期间被激励且在续流时段期间被续流。
[0011 ]该方法可包括在第一速度范围和第二速度范围上以恒定功率(为输入功率或输出功率)驱动电机。电机在第一速度范围上的功率于是低于在第二速度范围上的功率。
[0012]该方法可包括当电机在第一速度范围上操作时以一延迟时段延迟换向，且当电机在第二速度范围上操作时以一提前时段提前换向。恒定功率可以通过响应于电机速度的变化而改变延迟时段和提前时段而被实现。此外，或替代地，恒定功率可以通过响应于电机速度的变化而改变传导时段的长度而被实现。
[0013]第一速度范围和第二速度范围每个可至少跨过5krpm，且更优选地至少lOkrpm。结果，电机效率的改善可以在相对较大速度范围上实现。
[0014]本发明还提供了一种控制电路，该控制电路被配置为执行前述任一段落所述的方法，以及一种电机组件，其包括无刷永磁电机和所述控制电路。
[0015]控制电路可包括逆变器，用于联接到电机绕组、门驱动器模块和控制器。门驱动器模块于是响应于从控制器接收的控制信号控制逆变器的开关，且控制器产生控制信号以换向绕组。更特别地，当电机速度高于50krpm时，控制器产生控制信号以在相对于反电动势的过零点延迟的时刻处换向绕组。
【附图说明】
[0016]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:
[0017]图1是根据本发明的电机组件的框图；
[0018]图2是电机组件的示意图；
[0019]图3详细说明了逆变器响应于由电机组件的控制器发出的控制信号的允许状态；
[0020]图4示出在加速模式中操作时的电机组件的各种波形；
[0021]图5示出在高功率模式中操作时的电机组件的各种波形；以及
[0022]图6示出在低功率模式中操作时的电机组件的各种波形。
【具体实施方式】
[0023]图1和2的电机组件I由DC电源2供电，并且包括无刷电机3和控制电路4。
[0024]电机3包括四极永磁转子5，其相对于四极定子6旋转。围绕定子6缠绕的导线联接在一起以形成单相绕组7。
[0025]控制电路4包括滤波器8、逆变器9、门驱动器模块10、电流传感器11、电压传感器12、位置传感器13和控制器14。
[0026]滤波器8包括链电容Cl，其平滑由于逆变器9切换造成的相对高频波动。
[0027]逆变器9包括将相绕组7联接电压轨的四个功率开关Q1-Q4的全桥。开关Q1-Q4中的每一个包括续流二极管。
[0028]门驱动器模块10响应于从控制器14接收的控制信号驱动开关Q1-Q4的断开和闭入口 ο
[0029]电流传感器11包括定位在逆变器和零电压轨之间的分流电阻器R1。跨电流传感器11的电压提供连接到电源2时相绕组7中的电流的测量值。跨电流传感器11的电压被作为信号I_PHASE输出至控制器14。
[0030]电压传感器12包括定位在DC电压轨和零电压轨之间的分压器R2、R3。电压传感器输出信号乂_0(:到控制器14，其表示由电源2提供的电源电压的缩小比例的测量值。
[0031]位置传感器13包括定位在定子6的槽状开口中的霍尔效应传感器。传感器13输出数字信号HALL，其取决于穿过传感器13的磁通的方向而为逻辑高或低。HALL信号由此提供转子5的角度位置的测量值。
[0032]控制器14包括微控制器，微控制器具有处理器、存储装置和多个外设(例如ADC、比较器、计时器等)。存储设备存储用于执行处理器的指令，以及在电机组件的操作期间由处理器使用的控制参数和查找表。控制器14负责控制电机3的操作且产生用于控制四个功率开关Q1-Q4每个的控制信号S1-S4。控制信号被输出到门驱动器模块10，门驱动器模块10作为回应驱动开关Q1-Q4的断开和闭合。
[0033]图3总结了开关Q1