專利名稱：用于電機的控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于電機的控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電機的輸出功率嚴格地依賴于相位勵磁和轉(zhuǎn)子位置的精確同步。因此，電機典型地包括位置傳感器用于確定轉(zhuǎn)子的位置。在電機的裝配之后，存在與位置傳感器相對于轉(zhuǎn)子的對準有關(guān)的容差。對準中的該容差導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的被檢測位置和實際位置之間的相位差。由此，相位勵磁和轉(zhuǎn)子位置不能完美地同步，且由此馬達的功率和效率被犧牲。對于許多電機，傳感器的對準中的容差不被認為是問題。這可能是因為轉(zhuǎn)子的周長相對較大且由此傳感器的對準中的容差導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的被檢測的和實際的位置之間的相位差可忽略。替代地，電機的輸出功率和/或效率并不重要，且由此由傳感器不對準引起的功率損失被認為是可接受的。但是，對于相對較小的電機和/或其中需要相對較高效率的電機，傳感器的對準中的容差是一個重要問題。

發(fā)明內(nèi)容
在第一方面，本發(fā)明提供用于電機的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括位置傳感器和驅(qū)動控制器，該驅(qū)動控制器響應(yīng)由位置傳感器輸出的信號的邊沿而產(chǎn)生一個或多個控制信號用于勵磁電機的繞組，其中控制信號在由位置傳感器偏移量校正過的時間被產(chǎn)生，該偏移量在電機的一運行速度范圍內(nèi)是固定的。該位置傳感器偏移量校正位置傳感器相對于電機的對準中的容差。因此，繞組的勵磁更好地與電機的轉(zhuǎn)子的位置同步，導(dǎo)致更大功率和高效的電機?？刂菩盘柾ǔＴ谙鄬τ谖恢脗鞲衅鞯拿總€邊沿的時間處被產(chǎn)生。這些時間則被位置傳感器偏移量校正。位置傳感器相對于轉(zhuǎn)子的任意不對準導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的被檢測位置(如由信號的邊沿提供的)和轉(zhuǎn)子的實際位置之間的相位差。該相位差，當(dāng)表達為時間間隔時，隨電機的速度而減小。理想地，則驅(qū)動控制器利用隨電機的速度而變化的量校正控制信號被產(chǎn)生的時間。 但是，通過對于位置傳感器偏移量使用固定時間，由驅(qū)動控制器執(zhí)行的計算被大大簡化。特別地，驅(qū)動控制器不必基于電機的速度計算什么時間校正應(yīng)被施加。結(jié)果，由驅(qū)動控制器在每個電半周期上執(zhí)行的指令數(shù)量被大大減少且由此相對簡單和便宜的處理器可被使用。有利地，當(dāng)電機被以該運行速度范圍內(nèi)的速度驅(qū)動時，位置傳感器偏移量對應(yīng)于信號的邊沿和繞組中的反電動勢的過零之間的時間間隔。因此，控制系統(tǒng)對于電機的該運行速度范圍內(nèi)的速度而被優(yōu)化。該運行速度范圍在最小速度和最大速度之間延伸，該最小速度是該最大速度的至少80%。該運行速度范圍由此相對較窄。因此，位置傳感器偏移量和運行范圍的每個端點處的相位差之間的矛盾相對較小，且由此在整個運行范圍上實現(xiàn)了相對較好的性能。優(yōu)選地，運行速度范圍具有大于60krpm的最小速度。更優(yōu)選地，運行速度范圍具有大于SOkrpm的最大速度。在這些速度處，位置傳感器的任意不對準可顯著地影響電機的性能。通過使用固定時間偏移量來校正控制信號的定時，對于高速電機可實現(xiàn)良好的性能。
有利地，當(dāng)電機運行于第一速度范圍內(nèi)時驅(qū)動控制器與這些邊沿同步地產(chǎn)生控制信號，且當(dāng)電機運行于第二較高速度范圍內(nèi)時在相對于這些邊沿的且被位置傳感器偏移量校正過的時間處產(chǎn)生控制信號。電機的所述運行速度范圍則位于第二速度范圍內(nèi)。通過與信號的邊沿同步地產(chǎn)生控制信號，電機在較低速度范圍內(nèi)的控制被簡化。特別地，不需要對控制信號的定時進行校正。在低速時，位置傳感器的信號中的任意相位差不太會在電機的性能上產(chǎn)生顯著影響。附加地，由電機在第一較低速度范圍中花費的時間可能較小，例如， 當(dāng)電機加速至第二速度范圍中時。因此，盡管采用簡化的控制，電機的性能不受到不利影響?？刂葡到y(tǒng)可在多個運行速度范圍的一個中驅(qū)動電機。驅(qū)動控制器于是儲存多個位置傳感器偏移量，每個位置傳感器偏移量對應(yīng)于相應(yīng)的運行速度范圍。響應(yīng)于輸入信號，控制系統(tǒng)在多個運行速度范圍內(nèi)驅(qū)動電機，且驅(qū)動控制器在由相應(yīng)位置傳感器偏移量校正過的時間處產(chǎn)生控制信號?？刂葡到y(tǒng)于是提供用于多個不同運行范圍的優(yōu)化的性能。位置傳感器優(yōu)選是霍爾效應(yīng)傳感器。驅(qū)動控制器可包括非易失性儲存裝置，其儲存位置傳感器偏移量。驅(qū)動控制器可包括逆變器和門驅(qū)動器模塊，驅(qū)動控制器產(chǎn)生一個或多個控制信號以控制繞組的勵磁，門驅(qū)動器模塊響應(yīng)該控制信號控制逆變器的開關(guān)。在第二方面，本發(fā)明提供用于電機的驅(qū)動控制器，該驅(qū)動控制器響應(yīng)輸出信號的邊沿而產(chǎn)生控制信號用于勵磁電機的繞組，其中控制信號在由位置傳感器偏移量校正過的時間被產(chǎn)生，該偏移量在電機的一運行速度范圍內(nèi)是固定的。在第三方面，本發(fā)明提供一種電池供電產(chǎn)品，其包括電馬達和如前述段落中任一個描述的控制系統(tǒng)。優(yōu)選地，電馬達是單相永磁馬達。在第四方面，本發(fā)明提供一種真空吸塵器，其包括電馬達和如前述段落中任一個描述的控制系統(tǒng)。優(yōu)選地，用于真空吸塵器的峰值空氣功率在馬達運行于額定速度時發(fā)生，且當(dāng)馬達運行于額定速度或其附近時位置傳感器偏移量對應(yīng)于信號的邊沿和繞組中的反電動勢的過零之間的時間間隔。因此，控制系統(tǒng)對于真空吸塵器的峰值空氣功率被優(yōu)化。


為了本發(fā)明可被更容易地理解，本發(fā)明的實施例現(xiàn)在將要參考附圖通過實例而被描述，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的產(chǎn)品的方框圖；圖2是圖1的產(chǎn)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)的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(dāng)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；以及圖8是真空吸塵器形式的本發(fā)明的產(chǎn)品。
具體實施例方式圖1的產(chǎn)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(yīng)直流電壓給附件4和馬達系統(tǒng)5。電源2可從產(chǎn)品1拆卸，從而產(chǎn)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4芯電池組或者提供24. 6V直流供電的6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，4芯電池組輸出具有25赫茲頻率的ID信號(20ms脈沖長度)，而6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(nèi)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(guān)6和功率模式選擇開關(guān)7。電源開關(guān)6被用于將產(chǎn)品1 通電和斷電。響應(yīng)電源開關(guān)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(guān)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(dāng)電源模式選擇開關(guān)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(chǎn)品1。當(dāng)附連至產(chǎn)品1并且產(chǎn)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(dāng)附件4被附連并且產(chǎn)品1被供電時連續(xù)地汲取電力，附件4可包括電源開關(guān)(未示出)，例如形成用戶接口 3的一部分。 附件4然后只有當(dāng)附件電源開關(guān)被閉合時汲取電力和輸出附件信號。現(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包括二極永磁轉(zhuǎn)子17，其相對于定子18旋轉(zhuǎn)，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(yīng)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(qū)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(qū)動控制器16。濾波器模塊10鏈接產(chǎn)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(guān)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(guān)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(guān)可能被使用，例如I GBT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(guān)Q1-Q4包括反激式二極管(flyback diode)，其在切換期間保護開關(guān)不受來自于馬達8的反電動勢的電壓尖峰損害。當(dāng)?shù)谝粚﹂_關(guān)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(dǎo)致電流沿繞組19以第一方向驅(qū)動。當(dāng)?shù)诙﹂_關(guān)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(dǎo)致電流繞繞組19以相反方向驅(qū)動。由此，逆變器11的開關(guān) 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(guān)Q1-Q4 而發(fā)生。但是，如果高壓側(cè)開關(guān)Q1、Q3或者低壓側(cè)開關(guān)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(cè)開關(guān)Q1、Q3或者低壓側(cè)開關(guān)Q2、Q4，繞組19中的電流能通過開關(guān)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(cè)開關(guān)Q2、Q4 二者實現(xiàn)。但是，應(yīng)理解續(xù)流可以同樣地通過閉合高壓側(cè)開關(guān)Ql、3或者斷開所有開關(guān)Q1-Q4實現(xiàn)。門驅(qū)動器模塊12響應(yīng)從驅(qū)動控制器16接收的控制信號S1-S4驅(qū)動逆變器11的開關(guān)Q1-Q4的斷開和閉合。門驅(qū)動器模塊12包括四個門驅(qū)動器20-23，每個門驅(qū)動器響應(yīng)來自于驅(qū)動控制器16的控制信號S1-S4驅(qū)動各自的開關(guān)Q1-Q4。負責(zé)高壓側(cè)開關(guān)Ql、Q3 的門驅(qū)動器20、22還附加地響應(yīng)從電流控制器15接收的過流信號而被驅(qū)動。響應(yīng)該過流信號，門驅(qū)動器20、22斷開高壓側(cè)開關(guān)Q1、Q3。過流信號優(yōu)先于驅(qū)動控制器16的控制信號 Si、S3，從而高壓側(cè)開關(guān)Ql、Q3響應(yīng)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(cè)門驅(qū)動器20、22處設(shè)置NOR門被實現(xiàn)。表1總結(jié)了開關(guān)Q1-Q4響應(yīng)驅(qū)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(cè)門驅(qū)動器20、22的輸入上的操作，高壓側(cè)開關(guān) 91、93被邏輯上低的控制信號31、53閉合。
權(quán)利要求
1.一種用于電機的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括位置傳感器和驅(qū)動控制器，該驅(qū)動控制器響應(yīng)由位置傳感器輸出的信號的邊沿而產(chǎn)生一個或多個控制信號用于勵磁電機的繞組， 其中控制信號在由位置傳感器偏移量校正過的時間被產(chǎn)生，該偏移量在電機的一運行速度范圍內(nèi)是固定的。
2.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中當(dāng)電機被以該運行速度范圍內(nèi)的速度驅(qū)動時， 位置傳感器偏移量對應(yīng)于信號的邊沿和繞組中的反電動勢的過零之間的時間間隔。
3.如權(quán)利要求1或2所述的控制系統(tǒng)，其中運行速度范圍在最小速度和最大速度之間延伸，且最小速度不小于最大速度的80%。
4.如前述權(quán)利要求中任一項所述的控制系統(tǒng)，其中運行速度范圍具有大于60krpm的最小速度。
5.如前述權(quán)利要求中任一項所述的控制系統(tǒng)，其中運行速度范圍具有大于SOkrpm的最大速度。
6.如前述權(quán)利要求中任一項所述的控制系統(tǒng)，其中當(dāng)電機運行于第一速度范圍內(nèi)時驅(qū)動控制器與這些邊沿同步地產(chǎn)生控制信號，且當(dāng)電機運行于第二速度范圍內(nèi)時在相對于這些邊沿的且被位置傳感器偏移量校正過的時間處產(chǎn)生控制信號。
7.如前述權(quán)利要求中任一項所述的控制系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)在多個運行速度范圍的一個中驅(qū)動電機，驅(qū)動控制器儲存多個位置傳感器偏移量，每個位置傳感器偏移量對應(yīng)于相應(yīng)的運行速度范圍，且響應(yīng)于輸入信號，控制系統(tǒng)在多個運行速度范圍的一個內(nèi)驅(qū)動電機， 且驅(qū)動控制器在由相應(yīng)位置傳感器偏移量校正過的時間產(chǎn)生控制信號。
8.如前述權(quán)利要求中任一項所述的控制系統(tǒng)，其中位置傳感器是霍爾效應(yīng)傳感器。
9.如前述權(quán)利要求中任一項所述的控制系統(tǒng)，其中驅(qū)動控制器包括儲存位置傳感器偏移量的非易失性儲存裝置。
10.如前述權(quán)利要求任一項所述的控制系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)可包括逆變器和門驅(qū)動器模塊，驅(qū)動控制器產(chǎn)生一個或多個控制信號以控制繞組的勵磁，門驅(qū)動器模塊響應(yīng)該控制信號控制逆變器的開關(guān)。
11.一種用于電機的驅(qū)動控制器，該驅(qū)動控制器響應(yīng)輸出信號的邊沿而產(chǎn)生控制信號用于勵磁電機的繞組，其中控制信號在由位置傳感器偏移量校正過的時間被產(chǎn)生，該偏移量在電機的一運行速度范圍內(nèi)是固定的。
12.—種電池供電產(chǎn)品，包括電馬達和如權(quán)利要求1-10中任一項所述的控制系統(tǒng)。
13.一種真空吸塵器，包括電馬達和如權(quán)利要求1-10中任一項所述的控制系統(tǒng)。
14.如權(quán)利要求13所述的真空吸塵器，其中用于真空吸塵器的峰值空氣功率在馬達運行于額定速度時發(fā)生，且當(dāng)馬達運行于額定速度或額定速度附近時位置傳感器偏移量對應(yīng)于信號的邊沿和繞組中的反電動勢的過零之間的時間間隔。
全文摘要
一種用于單相永磁電機的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括位置傳感器和驅(qū)動控制器。驅(qū)動控制器響應(yīng)由位置傳感器輸出的信號的邊沿而產(chǎn)生一個或多個控制信號用于勵磁電機的繞組。控制信號被驅(qū)動控制器產(chǎn)生的時間被位置傳感器偏移量校正，該偏移量在電機的一運行速度范圍內(nèi)是固定的。
文檔編號H02P6/14GK102460943SQ201080024790
公開日2012年5月16日 申請日期2010年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月4日
發(fā)明者T.塞里克 申請人:戴森技術(shù)有限公司