專利名稱：電機的控制的制作方法
電機的控制本發(fā)明涉及電機的控制。當電機的永磁轉子旋轉時，在電機的繞組內感應反電動勢。當轉子加速時，該反電動勢的數(shù)值增加。所以變得越來越難以驅動電流至電機中，由此也越來越難以驅動功率至電機中。因此，在控制電機的功率方面變得越來越困難。第一方面，本發(fā)明提供一種控制電機的方法，此方法包括順序地勵磁電機繞組和使繞組續(xù)流，其中該繞組通過勵磁電壓勵磁且在續(xù)流角范圍內續(xù)流，和響應該勵磁電壓中的變化而改變續(xù)流角。在反電動勢下降的區(qū)域中，對于給定水平的電流可獲得較小的扭矩。因此，通過使繞組在該區(qū)域中續(xù)流，可獲得更高效率的電機。另外，由于繞組中的反電動勢下降，萬一勵磁電壓超過該下降的反電動勢，可能出現(xiàn)電流峰值。通過在下降的反電動勢區(qū)域中使繞組續(xù)流，可避免電流峰值，于是可以獲得更平滑的電流波形。通過響應勵磁電壓的變化改變續(xù)流角，可實現(xiàn)在電機的效率和功率兩方面上的更好控制。例如，通過減小續(xù)流角，可在更長時間段內將電流驅動至繞組內，于是可增加功率。優(yōu)選續(xù)流角響應勵磁電壓的降低而減小。因此，隨著勵磁電壓降低，電流被驅動至繞組更長時間段，由此可補償勵磁電壓的降低。因此，可獲得相同或類似的功率而與勵磁電壓的下降無關。實際上，本方法優(yōu)選包括改變續(xù)流角，致使電機的功率在勵磁電壓的范圍內基本恒定。在這種情況中，基本上恒定的功率應被理解為功率的變化不大于+/_5%。本方法有利地包括改變續(xù)流角，致使電機的效率(即，輸出功率與輸入功率之比) 在勵磁電壓的范圍內是至少75%。因此，在勵磁電壓的范圍內可獲得更高的效率。勵磁電壓的所述范圍可在最小電壓和最大電壓之間延伸，最小電壓小于最大電壓的80%。這表示出可獲得恒定功率和/或較高效率的較寬電壓范圍。因此，電池組可被用作勵磁電源。不因電池由于使用而放電，仍然可獲得恒定的電壓和/或較高效率。本方法可包括儲存用于多個電壓的控制值的功率查找表，根據(jù)勵磁電壓的水平從該功率查找表選擇控制值，和在由該控制值限定的時間段內使繞組續(xù)流。于是，可簡化電機的控制。優(yōu)選每個控制值是與續(xù)流角成比例的時間。通過使用用于每個控制值的時間，可大大簡化電機的控制。有利的是，本方法包括向控制值施加速度校正值。另外，速度校正值隨電機的速度和勵磁電壓的水平兩者變化。當電機的速度變化時，繞組中感應的反電動勢和由此電機的功率也變化。通過校正用于速度的控制值，速度對于功率的影響可較小。但是，校正的理想依賴于勵磁電壓的水平。具體地說，理想的情況時，越低的勵磁電壓需要越大的校正。通過施加隨電機的速度和勵磁電壓水平兩者變化的速度校正值，可獲得對于功率的更好控制。本方法可包括儲存用于多個速度和多個電壓的速度校正值的速度校正查找表，和根據(jù)電機的速度和勵磁電壓的水平從該速度查找表選擇速度校正值。這可簡化電機的控制。優(yōu)選地，本方法包括響應電機的速度變化而改變續(xù)流角。因此，對于電機的速度和勵磁電壓的變化兩者可獲得更好的功率控制。實際上，本方法優(yōu)選包括響應電機速度的增加而減小續(xù)流角。因此，當電機的速度增加且由此繞組中的反電動勢增加時，在更長的時間段中將電流驅動至繞組內。于是，可獲得相同或類似量的功率。本方法可包括在繞組中反電動勢過零之前勵磁該繞組。據(jù)此，可在更早階段將電流驅動至繞組中，以提供增加的功率。有利的是，每個電半周期包括信號驅動時間段和單個續(xù)流時間段。然后，繞組在驅動時間段被勵磁而在續(xù)流時間段中進行續(xù)流。在續(xù)流時間段之后，繞組被換流。第二方面，本發(fā)明提供一種用于電機的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)執(zhí)行如前述任一段中描述的方法。理想的是，控制系統(tǒng)包括位置傳感器，例如霍爾效應傳感器，其輸出代表繞組中的反電動勢的信號?？刂葡到y(tǒng)然后利用該位置傳感器的信號輸出控制繞組的勵磁和續(xù)流?？刂葡到y(tǒng)可包括電流控制器以限制勵磁過程中繞組中的電流。于是，這可防止繞組中形成可能損壞控制系統(tǒng)的部件或使得電機的磁體消磁的過電流?？刂葡到y(tǒng)還可包括逆變器，門驅動模塊和驅動控制器。而驅動控制器產生一個或多個控制信號以控制繞組的勵磁，門驅動器模塊響應該控制系統(tǒng)控制逆變器的開關。第三方面，本發(fā)明提供一種電池供電產品，其包括如前述任一段中描述的控制系統(tǒng)和電機?？刂葡到y(tǒng)則利用電池的電壓勵磁繞組?？刂葡到y(tǒng)可響應電池組的電壓變化而改變續(xù)流角。第四方面，本發(fā)明提供一種真空吸塵器，其包括如前述任一段中描述的控制系統(tǒng)和電機。電機優(yōu)選為永磁馬達，且更優(yōu)選為單相永磁馬達。為了更好地理解本發(fā)明，現(xiàn)在將參考附圖通過實例描述本發(fā)明的實施例。附圖中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的產品的方框圖；圖2是圖1的產品的馬達系統(tǒng)的方框圖；圖3是馬達系統(tǒng)的示意圖；圖4是馬達系統(tǒng)電流控制器的示意圖；圖5示出電流控制期間的馬達系統(tǒng)的波形；圖6示出當以高速操作時馬達系統(tǒng)的波形；圖7是提前角和續(xù)流角度對勵磁電壓的圖表；圖8是真空吸塵器形式的本發(fā)明的產品。圖1的產品1包括電源2、用戶接口 3、附件4、和馬達系統(tǒng)5。電源2包括電池組，其供應直流電壓給附件4和馬達系統(tǒng)5。電源2可從產品1拆卸，從而產品1可和不同的電池組一起使用。為了本說明的目的，電源2是提供16. 4V直流供電的四芯電池組或者提供24. 6V直流供電的六芯電池。除了提供電源電壓，電源輸出識別信號(identification signal)，其對于電池組的類型是獨一無二的。該ID信號采取方波信號的形式，該方波信號具有根據(jù)電池組的類型變化的頻率。在本例子中，四芯電池組輸出具有25赫茲頻率的ID信號(20ms脈沖長度)，而六芯電池組輸出具有50赫茲頻率的ID 信號(IOms脈沖長度)。ID信號被電源2持續(xù)輸出直到電源2內檢出故障時，例如電池欠壓或者過溫。如下所述，ID信號被馬達系統(tǒng)5使用以識別電源2的類型和定期地檢查電源運行正確。用戶接口 3包括電源開關6和功率模式選擇開關7。電源開關6被用于將產品1 通電和斷電。響應電源開關6的閉合，閉合電路被形成在電源2和附件4與馬達系統(tǒng)5每一個之間。電源模式選擇開關7被用于控制馬達系統(tǒng)5操作在高功率模式還是低功率模式中。當電源模式選擇開關7被閉合時，邏輯上的高功率模式信號被輸出到馬達系統(tǒng)5。附件4被可去除地附連至產品1。當附連至產品1并且產品1被供電時，附件4從電源2汲取電力并且輸出附件信號給馬達系統(tǒng)5。不是每當附件4被附連并且產品1被供電時連續(xù)地汲取電力，附件4可包括電源開關(未示出)，例如形成用戶接口 3的一部分。 附件4然后只有當附件電源開關被閉合時汲取電力和輸出附件信號?，F(xiàn)在參考圖2和3，馬達系統(tǒng)5包括電馬達8和控制系統(tǒng)9。馬達8包括兩極永磁轉子17，其相對于定子18旋轉，單向繞組19纏繞該定子。定子18是C形狀，其能實現(xiàn)用于繞組19的高填充因數(shù)。相應地，銅損可被減少，藉此改進馬達8的效率?？刂葡到y(tǒng)9包括濾波器模塊10、逆變器(inverter) 11、門驅動器模塊12、位置傳感器13、電流傳感器14、電流控制器15、和驅動控制器16。濾波器模塊10鏈接產品1的電源2至逆變器11，且包括并聯(lián)布置的一對電容器 Cl、C2。濾波器模塊10用于減少鏈接至逆變器11的電壓中的脈動。逆變器11包括四個功率開關Q1-Q4的全橋(full-bridge)，其鏈接電源2至馬達 8的繞組19。每個功率開關Q1-Q4是M0SFET，其提供電源2的電壓范圍上的高速切換和良好的效率。但是其它類型的功率開關可能被使用，例如IGBT或者BJT，特別如果電源2的電壓超過MOSFET的電壓等級時。每一開關Q1-Q4包括反激式二極管(flykick diode)，其在切換期間保護開關不受來自于馬達8的反電動勢的電壓尖峰損害。當?shù)谝粚﹂_關Ql、Q4被閉合時，繞組19被以第一方向勵磁(從左至右的勵磁)， 導致電流沿繞組19以第一方向驅動。當?shù)诙﹂_關Q2、Q3被閉合時，繞組19被以相反方向勵磁(從右至左的勵磁)，導致電流繞繞組19以相反方向驅動。由此，逆變器11的開關 Ql-Q可以被控制以在繞組19中換流。除了勵磁繞組19，逆變器11可被控制以使得繞組19續(xù)流(flywheel)。續(xù)流發(fā)生在繞組19被從電源2提供的勵磁電壓斷開時。這可通過斷開逆變器11的所有開關Q1-Q4 而發(fā)生。但是，如果高壓側開關Q1、Q3或者低壓側開關Q2、Q4在續(xù)流期間被閉合，馬達系統(tǒng) 5的效率被改善。通過閉合高壓側開關Q1、Q3或者低壓側開關Q2、Q4，繞組19中的電流能通過開關而不是較少效率的反激式二極管再循環(huán)。用于本說明的目的，續(xù)流通過閉合低壓側開關Q2、Q4兩者實現(xiàn)。但是，應理解續(xù)流可以同樣地通過閉合高壓側開關Ql、3或者斷開所有開關Q1-Q4實現(xiàn)。門驅動器模塊12響應從驅動控制器16接收的控制信號S1-S4驅動逆變器11的開關Q1-Q4的斷開和閉合。門驅動器模塊12包括四個門驅動器20-23，每個門驅動器響應來自于驅動控制器16的控制信號S1-S4驅動各自的開關Q1-Q4。負責高壓側開關Ql、Q3 的門驅動器20、22還附加地響應從電流控制器15接收的過流信號而被驅動。響應該過流信號，門驅動器20、22斷開高壓側開關Q1、Q3。過流信號優(yōu)先于驅動控制器16的控制信號
5Si、S3，從而高壓側開關Ql、Q3響應該過流信號被斷開而不管控制信號Si、S3的狀態(tài)。該水平的控制可通過在高壓側門驅動器20、22處設置NOR門被實現(xiàn)。表1總結了開關Q1-Q4響應驅動控制器16的控制信號S1-S4和電流控制器15的過流信號的允許狀態(tài)。由于NOR門在高壓側門驅動器20、22的輸入上的操作，高壓側開關 91、93被邏輯上低的控制信號31、53閉合。
權利要求
1.一種控制電機的方法，該方法包括順序地勵磁電機的繞組和使繞組續(xù)流，其中該繞組由勵磁電壓勵磁且在續(xù)流角范圍內續(xù)流；和響應該勵磁電壓的變化改變所述續(xù)流角。
2.如權利要求1所述的方法，其中，該方法包括響應勵磁電壓的降低減小續(xù)流角。
3.如權利要求1或2所述的方法，其中，該方法包括改變續(xù)流角，使得電機的功率在一勵磁電壓的范圍內基本恒定。
4.如前述權利要求中任一項所述的方法，其中，該方法包括改變續(xù)流角，致使電機的效率在一勵磁電壓的范圍內是至少75%。
5.如權利要求3或4所述的方法，其中，勵磁電壓在最大電壓和最小電壓之間延伸，且最小電壓小于最大電壓的80%。
6.如前述權利要求中任一項所述的方法，其中，該方法包括儲存用于多個電壓的控制值的查找表，根據(jù)勵磁電壓水平從該查找表選擇控制值，和在由該控制值限定的時間段內使繞組續(xù)流。
7.如權利要求6所述的方法，其中，該方法包括向控制值施加速度校正值，且該速度校正值隨電機速度和勵磁電壓水平兩者變化。
8.如權利要求7所述的方法，其中，該方法包括儲存用于多個速度和多個電壓的速度校正值的速度校正查找表，和根據(jù)電機速度和勵磁電壓水平從該查找表選擇速度校正值。
9.如前述權利要求中任一項所述的方法，其中，該方法包括響應電機速度的變化而改變續(xù)流角。
10.如權利要求9所述的方法，其中，該方法包括響應電機速度的增加而減小續(xù)流角。
11.如前述權利要求中任一項所述的方法，其中，該方法包括在繞組中的反電動勢過零之前勵磁該繞組。
12.如前述權利要求中任一項所述的方法，其中，每個電半周期包括單個驅動時間段和單個續(xù)流時間段，且該方法包括在驅動時間段中勵磁繞組和在續(xù)流時間段中使繞組續(xù)流。
13.一種用于電機的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)執(zhí)行如前述權利要求中任一項所述的方法。
14.一種電池供電產品，包括電機和如權利要求13所述的控制系統(tǒng)。
15.一種真空吸塵器，包括電機和如權利要求13所述的控制系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種控制單相永磁電機的方法，本方法包括順序地勵磁電機的繞組和使繞組續(xù)流，其中該繞組被勵磁電壓勵磁且在續(xù)流角范圍內被續(xù)流；和響應該勵磁電壓的變化而改變續(xù)流角。此外，還公開了一種用于電機的控制系統(tǒng)，和包括該控制系統(tǒng)和電機的真空吸塵器。
文檔編號H02P6/08GK102460940SQ201080024749
公開日2012年5月16日 申請日期2010年3月31日 優(yōu)先權日2009年4月4日
發(fā)明者A.克洛西爾, T.塞里克 申請人:戴森技術有限公司