專利名稱：無刷直流電機(jī)的換向方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無刷直流電機(jī)的換向方法，其中轉(zhuǎn)子相對于定子的位置被直接或間接確定，根據(jù)所確定的轉(zhuǎn)子位置，在一個(gè)預(yù)定的換向角上，將外部工作電壓施加到至少一個(gè)電機(jī)線圈上。
背景技術(shù)：
在無刷直流電機(jī)中，電機(jī)電壓或電機(jī)電流在轉(zhuǎn)子的特定位置處進(jìn)行電子換向。在單相電機(jī)中，每一電子轉(zhuǎn)換向兩次。在三相電機(jī)中，每120度(在電氣上)一個(gè)電源開關(guān)切斷而另一個(gè)接通。為確保這種換向過程在正確的位置及時(shí)進(jìn)行，電機(jī)的當(dāng)前位置必須是已知的。對于這樣的電機(jī)，通常是利用霍爾傳感器來記錄電機(jī)的位置。用這些器件來測量永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場。
由于電機(jī)線圈具有相當(dāng)高的感應(yīng)系數(shù)，因此電機(jī)電流的換向需要一定的時(shí)間，這意味著電流被延遲了。為補(bǔ)償這種延遲，進(jìn)行預(yù)換向，也就是換向過程被提前到轉(zhuǎn)子到達(dá)中間位置或理論上的換向位置之前。有兩種實(shí)現(xiàn)方法。一種是將霍爾傳感器不是放置在中間區(qū)域而是放置在稍微偏移一些的位置。但是對于只需要在一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)(如風(fēng)扇)，這僅僅是一種可能。這種方法的缺點(diǎn)是此處的定子電流會(huì)影響其它處的霍爾傳感器的測量信號(hào)，從而造成啟動(dòng)困難。
另一種方法是利用這些電機(jī)及其負(fù)載，尤其是應(yīng)用在風(fēng)扇中時(shí)，具有的高慣性力矩。因?yàn)檫@個(gè)原因，運(yùn)行速度的改變相對較慢，這就是為什么測量霍爾信號(hào)的兩種極性變化間的時(shí)間的原因。如果我們測得接下來的兩種極性變化之間的時(shí)間保持不變，則預(yù)換向可由定時(shí)器元件來控制。該定時(shí)器可以采用硬件元件如一個(gè)微控制器的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器單元的形式，或者也可以軟件的形式來實(shí)現(xiàn)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是霍爾傳感器可放置在中間區(qū)域，因?yàn)閷ΨQ，線圈電流對傳感器的影響很小。缺點(diǎn)是對控制器件的要求稍微增加，如微控制器更復(fù)雜了。
換向定時(shí)也可以不使用通常的霍爾傳感器或位置傳感器來確定。在這些不用傳感器的電機(jī)中，電機(jī)線圈被用作傳感器。這種方法對于具有外部換向電子器件的電機(jī)特別有利，因?yàn)檫@里不僅傳感器及其在電機(jī)中的載體(如果有的話)可以被忽略，而且該傳感器連至外部電子器件及相關(guān)的插件。
不考慮轉(zhuǎn)子位置如何被測量及預(yù)換向如何被實(shí)現(xiàn)，余下的問題是預(yù)換向需要的角度有多大。轉(zhuǎn)矩速度特性和電機(jī)效率都會(huì)受到該角度的影響。在特定情況下，甚至聲學(xué)噪聲在換向角度被適當(dāng)設(shè)定時(shí)也能被改善。
如果沒有速度控制的電機(jī)的預(yù)換向的角度為了優(yōu)化特定的性能如效率而被改變，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩速度特性的改變。以風(fēng)扇為例，然而，這意味著將運(yùn)行于一個(gè)不同的工作點(diǎn)，而不是沒有優(yōu)化，因此其轉(zhuǎn)速及因此的氣流改變。我們常常希望改善電機(jī)的性能，但是不希望改變轉(zhuǎn)矩速度特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種無刷直流電機(jī)的換向方法，其中該方法能夠改善電機(jī)的運(yùn)行特性，而無需顯著改變其轉(zhuǎn)矩速度特性(工作點(diǎn))。
該目的通過根據(jù)本發(fā)明的權(quán)利要求1所披露的方法來實(shí)現(xiàn)。
有益的實(shí)施例及該方法的進(jìn)一步的改進(jìn)在從屬權(quán)利要求中提出。
根據(jù)本發(fā)明，電機(jī)工作于兩種工作模式，最好周期性地在具有最初的預(yù)設(shè)換向角的第一工作模式和具有優(yōu)化的第二換向角的第二工作模式之間來回切換。如果最初的換向角和新的換向角之間的切換造成轉(zhuǎn)速改變，則新的工作點(diǎn)將偏離舊的工作點(diǎn)。為補(bǔ)償這種速度偏移，不僅預(yù)換向角度要改變，而且電機(jī)電壓也要以如下方式改變即使當(dāng)以新的換向角運(yùn)行時(shí)，電機(jī)仍以相同的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，也就是仍處于最初的工作點(diǎn)。
如果具有優(yōu)化的換向角時(shí)的轉(zhuǎn)速小于具有預(yù)定換向角時(shí)的轉(zhuǎn)速，則當(dāng)以優(yōu)化的換向角運(yùn)行時(shí)，電機(jī)電壓必須增加，例如，通過改變電機(jī)電壓的脈寬率(PWM)。電機(jī)以預(yù)定換向角(參考角度)運(yùn)行時(shí)的時(shí)間周期較之以優(yōu)化換向角運(yùn)行時(shí)的時(shí)間相對較短。這意味著通過周期性的切換不會(huì)明顯影響平均效率或變得更差。然而以預(yù)定角度運(yùn)行的周期必須足夠長，以使得速度的變化能被正確地測量。經(jīng)過一定數(shù)目的轉(zhuǎn)數(shù)或一預(yù)定時(shí)間周期，例如每兩周之后，為了測量轉(zhuǎn)速，例如一轉(zhuǎn)的持續(xù)時(shí)間對于從第二運(yùn)行模式暫時(shí)切換到第一運(yùn)行模式是足夠的，其中轉(zhuǎn)速由于負(fù)載或周圍條件的改變可能已經(jīng)改變。電機(jī)然后可以立即重新切換回第二運(yùn)行模式。
轉(zhuǎn)速可根據(jù)換向信號(hào)(如霍爾信號(hào))來測量，而無需額外的傳感器。為了比較轉(zhuǎn)速，對于測量換向過程中的兩種極性的改變之間的時(shí)間也是足夠的。這些時(shí)間可然后直接進(jìn)行比較，更長的時(shí)間自然意味著更低的轉(zhuǎn)速。
本發(fā)明提出的方法使得電機(jī)的運(yùn)行行為能夠得到多項(xiàng)優(yōu)化，如功率損耗、效率或工作噪聲。同時(shí)，工作點(diǎn)在第二運(yùn)行模式期間保持不變，這樣這種優(yōu)化能夠甚至被引入現(xiàn)有的設(shè)備。很多情況下，這樣的改善可以無需改變硬件，也就是無需增加任何額外的花費(fèi)就能夠?qū)崿F(xiàn)。


本發(fā)明的一個(gè)簡單的實(shí)施例將在下面結(jié)合附圖進(jìn)行解釋。
圖1示出了一個(gè)單相無刷直流電機(jī)的方框圖。
圖2示出了一個(gè)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的直流電機(jī)在換向角改變時(shí)的轉(zhuǎn)矩速度特性。
圖3a，3b，3c示出了一個(gè)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的電機(jī)在各換向角的定子電流的波形。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了一個(gè)簡化的單相無刷直流電機(jī)的方框圖。該電機(jī)包括實(shí)際的電機(jī)1和相關(guān)的電機(jī)控制器2，該控制器2可集成在電機(jī)中或在外部提供。電機(jī)的單個(gè)線圈3每180度電氣角被激勵(lì)一次，也就是說180度之后，電源電壓VDC的極性通過控制器2的三極管T1至T4被切換。使用這種三相無刷直流電機(jī)例如用于驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇。
圖2示出了這樣一個(gè)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的直流電機(jī)的特性。這里，畫出了轉(zhuǎn)矩對轉(zhuǎn)速的曲線。在一個(gè)特定工作電壓處的電機(jī)特性曲線用“10”表示。電機(jī)特性曲線10和風(fēng)扇的相應(yīng)的負(fù)載特性曲線11在代表正式的預(yù)設(shè)工作點(diǎn)12處相交。
圖3a示出了如圖2中的工作點(diǎn)12處的線圈電流的波形。對應(yīng)于電機(jī)1的一轉(zhuǎn)的一個(gè)完整的換向周期被示出?？杀孀R(shí)出選定的工作點(diǎn)12的較大的峰值電流Ip及示出的換向次數(shù)。如果換向時(shí)間也就是換向角度被向前移動(dòng)特定的一段時(shí)間，例如這就強(qiáng)烈影響了定子電流，其波形和有效值及峰值這里都用峰值電流Ip表示。這還將改變電機(jī)特性以及電機(jī)的效率。換向角的前移在圖3b和3c中被示出。
如果假定換向角已經(jīng)改變，則電機(jī)的特性也將改變，電機(jī)的最初特性曲線10移動(dòng)到新的特性曲線20，將在風(fēng)扇的負(fù)載特性曲線11上產(chǎn)生一個(gè)新的工作點(diǎn)21。同時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速減慢，如可從圖2中看出的。根據(jù)本發(fā)明，隨著換向角的周期性改變，也就是在兩個(gè)工作點(diǎn)12和21間切換，這種狀況將被抵消。在每一工作點(diǎn)12或21，電流速度被測量，工作點(diǎn)12的目標(biāo)速度3與工作點(diǎn)的速度相比較。從圖2可以看出，工作點(diǎn)21的速度小于工作點(diǎn)12的速度。為了使得電機(jī)在第二運(yùn)行模式下也可能運(yùn)行于最初的工作點(diǎn)12，也就是當(dāng)換向角改變時(shí)，線圈3的電壓根據(jù)本發(fā)明被增加直到重新達(dá)到相應(yīng)的目標(biāo)速度。
圖4示出了可由電機(jī)控制器2執(zhí)行的本發(fā)明提出的方法的流程圖。電機(jī)最初在對應(yīng)于第一換向角和第一工作電壓的第一工作模式下啟動(dòng)，接下來，電機(jī)速度D1被測量。然后切換至對應(yīng)于第二換向角的第二工作模式。在第二工作模式下的當(dāng)前速度D2被重新測量。將所測量的速度D1和D2進(jìn)行比較。如果D2小于D1，增加工作電壓直到兩個(gè)速度匹配。如果D2大于D1，減小工作電壓直到兩個(gè)速度匹配。然后，電機(jī)在第二工作模式下，也就是以第二換向角和當(dāng)前工作電壓運(yùn)行一段設(shè)定的時(shí)間，直到再次切換到第一工作模式，該過程從頭重新開始。
權(quán)利要求
1.一種無刷直流電機(jī)換向方法，其中轉(zhuǎn)子相對于定子的位置被直接或間接確定，根據(jù)所確定的轉(zhuǎn)子的位置，在一個(gè)預(yù)定的換向角，將一個(gè)外部工作電壓施加到至少一個(gè)電機(jī)線圈上，其特征在于，該電機(jī)最初運(yùn)行于具有一個(gè)預(yù)設(shè)的換向角和第一工作電壓的第一工作模式，電機(jī)的轉(zhuǎn)速被測量，從第一工作模式切換至具有一個(gè)改變了的換向角的第二工作模式，電機(jī)的轉(zhuǎn)速被測量，并與在第一工作模式下測量的轉(zhuǎn)速相比較，如果兩種轉(zhuǎn)速間有差異，改變工作電壓以使得第二工作模式下的工作電壓與第一工作模式下的工作電壓相匹配。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于預(yù)定數(shù)目的電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)或預(yù)定的時(shí)間周期之后，電機(jī)被暫時(shí)切換至第一工作模式，以再次測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于第二工作模式的運(yùn)行長度是第一工作模式下的運(yùn)行長度的很多倍。
4.如權(quán)利要求1或3所述的方法，其特征在于如果在第二工作模式下檢測到轉(zhuǎn)速減慢，則增加電機(jī)的電壓。
5.如權(quán)利要求1或3所述的方法，其特征在于如果在第二工作模式下檢測到轉(zhuǎn)速加快，則減小電機(jī)的電壓。
6.如權(quán)利要求1或5所述的方法，其特征在于電機(jī)的各轉(zhuǎn)速根據(jù)兩次換向時(shí)間之間的時(shí)間差來確定。
7.如權(quán)利要求1或6所述的方法，其特征在于該方法用在風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)中。
8.一種用于執(zhí)行如權(quán)利要求1至7所述的方法的無刷直流電機(jī)的換向電子控制的設(shè)備，包括切換裝置，用于將電機(jī)從對應(yīng)于第一換向角的第一工作模式切換到對應(yīng)于第二換向角的第二工作模式，或者進(jìn)行相反的切換，測量裝置，用于分別在電機(jī)運(yùn)行于第一和第二工作模式時(shí)測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，比較裝置，用于比較所測量的兩個(gè)轉(zhuǎn)速，補(bǔ)償裝置，通過改變施加于電機(jī)線圈的工作電壓補(bǔ)償發(fā)生在第二工作模式期間的轉(zhuǎn)速的變化。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無刷直流電機(jī)換向方法，其中轉(zhuǎn)子相對于定子的位置被直接或間接確定，根據(jù)所確定的轉(zhuǎn)子的位置，在一個(gè)預(yù)定的換向角，將一個(gè)外部工作電壓施加到至少一個(gè)電機(jī)線圈上。根據(jù)本發(fā)明，電機(jī)最好周期性地在第二優(yōu)化換向角和第一最初的預(yù)設(shè)換向角之間來回切換。如果換向角之間的切換產(chǎn)生轉(zhuǎn)速的變化，則新的工作點(diǎn)將偏離舊的工作點(diǎn)。為了補(bǔ)償速度上的這種差異，不僅預(yù)設(shè)的換向角要改變，電機(jī)電壓也要改變。
文檔編號(hào)H02P6/06GK1574596SQ20041004907
公開日2005年2月2日 申請日期2004年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月13日
發(fā)明者安德拉斯·萊爾凱什 申請人:美蓓亞株式會(huì)社