專利名稱：一種單相無刷直流電機(jī)的斷續(xù)角控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及單相無刷直流電機(jī)的控制領(lǐng)域，尤其涉及一種提高單相無刷直流電機(jī)效率的控制方法。
背景技術(shù)：
目前，市場上單相無刷直流電機(jī)的應(yīng)用相對較少，主要原因是由于其相對與三相無刷直流電機(jī)來說運(yùn)行效率較低，但是由于單相無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)及控制電路較為簡單，成本較低，如果在一定程度上提升單相無刷直流電機(jī)的運(yùn)行效率，則其可應(yīng)用性將大為提高。對于現(xiàn)有的單相無刷直流電機(jī)來說，其控制方式主要為轉(zhuǎn)速閉環(huán)、電流閉環(huán)或者外轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)電流環(huán)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，但所有這些控制方式在電機(jī)的整個運(yùn)轉(zhuǎn)過程中電流均是連續(xù) 的，未考慮定位轉(zhuǎn)矩所在電機(jī)運(yùn)行過程中所起到的作用。如果對單相無刷直流電機(jī)的這個特點(diǎn)加以分析和應(yīng)用，將會使得電機(jī)的運(yùn)行效果有較好的提升。由單相無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)所決定，電機(jī)轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)到某些特定位置時(shí)存在定位轉(zhuǎn)矩，而且此定位轉(zhuǎn)矩在定轉(zhuǎn)子極中心線重合的時(shí)候達(dá)到最大值，對于風(fēng)機(jī)等負(fù)載來說，此定位轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩幾乎一致，對于市場上現(xiàn)有的控制策略來說，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)到定位轉(zhuǎn)矩較大的位置時(shí)，依舊對電樞繞組進(jìn)行通電，會使電樞電流在此位置出現(xiàn)一個較大的尖峰值，增大了電機(jī)的損耗，并使電機(jī)的震動加劇。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種單相無刷直流電機(jī)的斷續(xù)角控制方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的一種單相無刷直流電機(jī)的斷續(xù)角控制方法，該方法包括以下步驟
(1)獲取單相無刷直流電機(jī)的空載定位轉(zhuǎn)矩波形通過對單相無刷直流電機(jī)進(jìn)行仿真之后，從空載轉(zhuǎn)矩的仿真波形中可以得到空載定位轉(zhuǎn)矩波形；也可以通過測功機(jī)對單相無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行空載測試，得到不同轉(zhuǎn)子位置上的轉(zhuǎn)矩大小，繪制成圖后即得到空載定位轉(zhuǎn)矩波形；
(2)根據(jù)空載定位轉(zhuǎn)矩波形得到斷續(xù)角度的大小在對定位轉(zhuǎn)矩波形中，找到定位轉(zhuǎn)矩為最大定位轉(zhuǎn)矩10%時(shí)的位置，然后計(jì)算此位置到其旋轉(zhuǎn)方向上將要旋轉(zhuǎn)到的最大定位轉(zhuǎn)矩的位置之間的角度即斷續(xù)角度；
(3)根據(jù)斷續(xù)角度對電機(jī)進(jìn)行斷續(xù)角控制根據(jù)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，可以得到定子極與極之間的機(jī)械角度為4即一個換向周期所占的機(jī)械角度為A當(dāng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速W確定之后，可
以根據(jù)單相無刷直流電機(jī)的極對數(shù)計(jì)算出一個換向周期所需時(shí)間r = /(60x2xP)，從而能夠計(jì)算出從換向到需要采取斷續(xù)角控制的時(shí)間為 = 7χ^-功/5，在對電機(jī)進(jìn)行控制
時(shí)，當(dāng)霍爾元件檢測到換向信號吋，采用控制芯片中的定時(shí)器進(jìn)行 時(shí)間的延時(shí)之后切斷對電機(jī)電樞繞組的通電，即關(guān)斷H橋的四路開關(guān)管，直到霍爾元件檢測到下一次的換向信號后，進(jìn)行換向，恢復(fù)通電，實(shí)現(xiàn)斷續(xù)角控制。本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明可應(yīng)用于冰箱、冷柜中作為風(fēng)機(jī)使用的單相無刷直流電機(jī)的驅(qū)動，應(yīng)用本發(fā)明的方法，可以成功避開電機(jī)換向前所出現(xiàn)的電流尖峰，從而能夠在一定程度上提升電機(jī)運(yùn)行效率，減小振動及噪聲。


圖I為兩對極單相無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu) 圖2為兩對極單相無刷直流電機(jī)的空載定位轉(zhuǎn)矩波形 圖3為兩對極單相無刷直流電機(jī)斷續(xù)角控制時(shí)的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的原理是，在對單相無刷直流電機(jī)所存在的定位轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行分析之后，采用斷續(xù)角的控制方式。在控制過程中，為了避免上述尖峰電流的產(chǎn)生，需要選取合適的位置暫時(shí)取消對電樞繞組的通電，僅僅依靠電機(jī)本身存在的定位轉(zhuǎn)矩對電機(jī)進(jìn)行拖動，即實(shí)現(xiàn)電流的斷續(xù)運(yùn)行。由于判斷電機(jī)性能好壞的ー個重要標(biāo)準(zhǔn)是電機(jī)效率的高低，而現(xiàn)有的單相無刷直流電機(jī)的控制策略中均未避開電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩，從而效率很難有進(jìn)一步的提升，若對單相無刷直流電機(jī)本身存在的定位轉(zhuǎn)矩固有特性加以分析，采用本發(fā)明中所提到的新型的斷續(xù)角控制方法，不僅使得控制過程更為簡便，而且最重要的是對單相無刷直流電機(jī)的效率有一定程度的提升。單相無刷直流電機(jī)的定子極與轉(zhuǎn)子極之間存在定位轉(zhuǎn)矩相對較大的位置，而且在電機(jī)的旋轉(zhuǎn)過程中，定位轉(zhuǎn)矩起到的作用不盡相同，在換向之前的一段時(shí)間與驅(qū)動轉(zhuǎn)矩方向相同，在換向之后的一段時(shí)間與驅(qū)動轉(zhuǎn)矩方向相反。根據(jù)上述特性，此發(fā)明所要做的即是，在定位轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動轉(zhuǎn)矩方向相反時(shí)按正常驅(qū)動方式進(jìn)行驅(qū)動，在定位轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動轉(zhuǎn)矩方向相同時(shí)按照斷續(xù)角的控制方式進(jìn)行驅(qū)動。本發(fā)明單相無刷直流電機(jī)的斷續(xù)角控制方法，包括以下步驟
I、獲取單相無刷直流電機(jī)的空載定位轉(zhuǎn)矩波形。此定位轉(zhuǎn)矩可以通過使用Ansoft等電機(jī)設(shè)計(jì)類軟件對單相無刷直流電機(jī)進(jìn)行仿真分析之后，從空載轉(zhuǎn)矩的仿真波形中得到，也可以通過測功機(jī)對單相無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行空載測試，得到不同轉(zhuǎn)子位置上的轉(zhuǎn)矩大小，繪制成圖后即得到空載定位轉(zhuǎn)矩波形。2、根據(jù)空載定位轉(zhuǎn)矩波形得到斷續(xù)角度的大小。在定位轉(zhuǎn)矩波形中，找到定位轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大定位轉(zhuǎn)矩10%時(shí)的位置，計(jì)算此位置到其旋轉(zhuǎn)方向上將要旋轉(zhuǎn)到的最大定位轉(zhuǎn)矩的位置之間的角度《，即斷續(xù)角度。3、根據(jù)斷續(xù)角度對電機(jī)進(jìn)行斷續(xù)角控制。根據(jù)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，可以得到定子極與極之間的機(jī)械角度為5，即ー個換向周期所占的機(jī)械角度為5，當(dāng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速《確定之后，可以根據(jù)單相無刷直流電機(jī)的極對數(shù)
ー計(jì)算出一個換向周期所需時(shí)間ヂ，則可以得到Γ = /(60χ2χΡ)，從而能夠計(jì)算出從換向
T
到需要采取斷續(xù)角控制的時(shí)間為 = Γχ,-αΟ/5，在對電機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，當(dāng)霍爾元件檢測
到換向信號吋，采用控制芯片中的定時(shí)器進(jìn)行 時(shí)間的延時(shí)之后切斷對電機(jī)電樞繞組的通電，即關(guān)斷H橋的四路開關(guān)管，直到霍爾元件檢測到下一次的換向信號后，進(jìn)行換向，恢復(fù)通電，實(shí)現(xiàn)斷續(xù)角控制。以下結(jié)合附圖及實(shí)際實(shí)驗(yàn)中所測得的實(shí)際數(shù)據(jù)，對依據(jù)本發(fā)明提出的單相無刷直流電機(jī)的斷續(xù)角控制策略的具體控制方法，操作步驟，特征及功效進(jìn)行詳細(xì)的說明。圖I中所示的單相無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，圖中包含了霍爾元件的位置1，即在 電機(jī)的幾何中心線上，此時(shí)轉(zhuǎn)子磁極N、S與定子磁極的中心線剛好重合，且定位轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值，即平衡位置，同時(shí)轉(zhuǎn)子磁極N、S的分界線剛好處在霍爾元件的位置I處，即為換向位置。圖2為測試所得到的單相無刷直流電機(jī)控制定位轉(zhuǎn)矩的波形圖，圖中0°和90°的位置為平衡位置，從圖中得到在平衡位置附近的定位轉(zhuǎn)矩非常大，且上升速度很快。找到定位轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩10%時(shí)的位置，可以計(jì)算出此位置到平衡位置所占的機(jī)械角度為cr = 7.Z ,即斷續(xù)角度。由于電機(jī)為兩對極結(jié)構(gòu)，則ー個換向周期所占的機(jī)械角度為5=90°。根據(jù)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速> 汁算出一個換向周期所需時(shí)間T以及從換向到需要采取斷續(xù)角控制的時(shí)間 。斷續(xù)角的機(jī)械角度7. 2。對應(yīng)到電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置上來，如圖3所示，圖中的轉(zhuǎn)子位置，即為改變控制策略實(shí)現(xiàn)斷續(xù)時(shí)刻的位置，即轉(zhuǎn)子的物理中心線與定子的物理中心線相差7. 2。左右的時(shí)刻，當(dāng)轉(zhuǎn)子還未旋轉(zhuǎn)到此位置時(shí)，即中心線相差大于7. 2°時(shí)，定位轉(zhuǎn)矩對于電機(jī)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩影響較小，所以此階段過程中需對電機(jī)進(jìn)行通電運(yùn)行，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到此位置吋，即中心線相差小于7. 2°時(shí)，定位轉(zhuǎn)矩突然增大起來，此時(shí)定位轉(zhuǎn)矩對電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的影響就不能忽略不計(jì)了，若此階段繼續(xù)進(jìn)行通電控制，則電樞電流波形會在平衡位置附近出現(xiàn)一個較大的尖峰。而本發(fā)明在此階段進(jìn)行斷續(xù)控制，即在中心線相差小于7. 2°的階段里采用斷續(xù)角控制方法，不對電機(jī)的電樞繞組進(jìn)行通電，僅僅依靠定位轉(zhuǎn)矩對電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，在對電機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，當(dāng)霍爾元件檢測到換向信號吋，采用控制芯片中的定時(shí)器進(jìn)行I時(shí)間的延時(shí)之后切斷對電機(jī)電樞繞組的通電，即關(guān)斷H橋的四路開關(guān)管，直到霍爾元件檢測到下一次的換向信號后，進(jìn)行換向，恢復(fù)通電，實(shí)現(xiàn)斷續(xù)角控制。根據(jù)以上的敘述過程，對此控制策略進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。如果不考慮定位轉(zhuǎn)矩對電機(jī)運(yùn)行過程中的影響，整個過程中均采用連續(xù)通電控制，在換向位置附近轉(zhuǎn)矩波動較大，從電樞繞組的電流波形來看，在換向前的一段時(shí)間里，電流會出現(xiàn)ー個較大的尖峰值，使得電樞繞組的平均電流較大，此尖峰首先影響到電機(jī)運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性，可以明顯感覺到電機(jī)的噪聲増大，影響運(yùn)行效率。若采用本發(fā)明中的控制方法，即斷續(xù)角控制方法，從電樞電流的波形可以發(fā)現(xiàn)，在換向的前的一段時(shí)間里，不對電樞進(jìn)行通電，電流斷續(xù)，僅僅依靠定位轉(zhuǎn)矩的作用來進(jìn)行驅(qū)動，則可以避開換向前出現(xiàn)的電流尖峰，從而使得整個周期里電流的平均值較小。在實(shí)際運(yùn)行過程中，也可以明顯的發(fā)現(xiàn)單相無刷直流電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性有一定的提升，噪聲有一定程度的減小。在相同電機(jī)結(jié)構(gòu)，僅改變控制策略采用本發(fā)明中的斷續(xù)角控制方法的單相無刷直流電機(jī)與市場上存在的電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制策略的單相無刷直流電機(jī)進(jìn)行比較之后，本方法對于效率的提升約為3%左右。以上描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征以及本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，上述僅是本發(fā)明的較佳實(shí)例而已，并非對本發(fā)明做任何形式上的限制，對于應(yīng)用于其他極對數(shù)的單相無刷直 流電機(jī)中的斷續(xù)角控制策略來說也屬于本發(fā)明的范圍之內(nèi)。任何熟悉本技術(shù)的人員可能對本發(fā)明中的方法進(jìn)行變更或修飾來達(dá)到相同的效果，凡是未脫離本發(fā)明的任何變化的，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種單相無刷直流電機(jī)的一種斷續(xù)角控制方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 (1)獲取單相無刷直流電機(jī)的空載定位轉(zhuǎn)矩波形通過對單相無刷直流電機(jī)進(jìn)行仿真之后，從空載轉(zhuǎn)矩的仿真波形中可以得到空載定位轉(zhuǎn)矩波形；也可以通過測功機(jī)對單相無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行空載測試，得到不同轉(zhuǎn)子位置上的轉(zhuǎn)矩大小，繪制成圖后即得到空載定位轉(zhuǎn)矩波形； (2)根據(jù)空載定位轉(zhuǎn)矩波形得到斷續(xù)角度的大小在對定位轉(zhuǎn)矩波形中，找到定位轉(zhuǎn)矩為最大定位轉(zhuǎn)矩10%時(shí)的位置，然后計(jì)算此位置到其旋轉(zhuǎn)方向上將要旋轉(zhuǎn)到的最大定位轉(zhuǎn)矩的位置之間的角度江，即斷續(xù)角度； (3)根據(jù)斷續(xù)角度對電機(jī)進(jìn)行斷續(xù)角控制根據(jù)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，可以得到定子極與極之間的機(jī)械角度為4即一個換向周期所占的機(jī)械角度為5，當(dāng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速；確定之后，可以根據(jù)單相無刷直流電機(jī)的極對數(shù) 計(jì)算出一個換向周期所需時(shí)間T = /(60x2xP)，從 F而能夠計(jì)算出從換向到需要采取斷續(xù)角控制的時(shí)間為e = rx(0-呦/6，在對電機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，當(dāng)霍爾元件檢測到換向信號時(shí)，采用控制芯片中的定時(shí)器進(jìn)行f時(shí)間的延時(shí)之后切斷對電機(jī)電樞繞組的通電，即關(guān)斷H橋的四路開關(guān)管，直到霍爾元件檢測到下一次的換向信號后，進(jìn)行換向，恢復(fù)通電，實(shí)現(xiàn)斷續(xù)角控制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單相無刷直流電機(jī)的斷續(xù)角控制方法，可應(yīng)用于改進(jìn)單相無刷直流電機(jī)的控制策略，從而達(dá)到減小轉(zhuǎn)矩脈動，提高運(yùn)行效率的目的。該方法主要針對電機(jī)運(yùn)行過程中的控制。此過程的原理是首先根據(jù)所測得或設(shè)計(jì)得的空載定位轉(zhuǎn)矩波形，獲得存在較大的定位轉(zhuǎn)矩位置，從而根據(jù)此波形決定對電機(jī)進(jìn)斷電控制的時(shí)刻，在斷電控制過程中依靠電機(jī)本身存在的定位轉(zhuǎn)矩驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)，即實(shí)現(xiàn)斷續(xù)角的控制，當(dāng)電機(jī)檢測到霍爾信號的變化時(shí)進(jìn)行換向，之后的周期依照此過程繼續(xù)運(yùn)行。本發(fā)明在沒有改變電機(jī)結(jié)構(gòu)及硬件控制電路的情況下，對控制策略進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)起來十分方便，相對于現(xiàn)有的連續(xù)通電的控制方法來說，一定程度上提升了電機(jī)的運(yùn)行效率。
文檔編號H02P6/10GK102739136SQ20121023622
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月10日
發(fā)明者張楠, 章瑋 申請人:浙江大學(xué)