专利名称：永磁马达的控制的制作方法
永磁马达的控制本发明涉及永磁马达的控制。当永磁马达的转子旋转时，在马达的绕组内感应反电动势。当转子加速时，该反电动势的数值增加。所以变得越来越难以驱动电流至电机中，由此也越来越难以驱动功率至电机中。因此，在控制马达功率方面变得越来越困难。第一方面，本发明提供一种控制永磁马达的方法，该方法包括顺序地励磁马达的绕组和使绕组续流，其中该绕组在续流角范围内续流；和响应该马达速度的变化而改变续流角。在反电动势下降的区域中，对于给定水平的电流获得较小的扭矩。因此，通过使绕组在该区域中续流，可获得更高效率的电机。另外，由于绕组中的反电动势下降，万一励磁电压超过该下降的反电动势，可能出现电流峰值。通过在下降的反电动势区域中使绕组续流，可避免电流峰值，于是可以获得更平滑的电流波形。当马达的速度变化时，绕组中感应的反电动势的大小和由此马达的功率也变化。 通过响应速度的变化改变续流角，可实现在电机的效率和功率两方面的更好控制。例如，通过减小续流角，可在更长时间段内将电流驱动至绕组内，于是可增加功率。优选响应马达速度的增加而减小续流角。因此，当马达速度增加，且由此绕组中的反电动势增加时，可在更长的时间段中将电流驱动至绕组内。据此，可获得相同或类似的功率而与反电动势的增加无关。实际上，本方法优选包括改变续流角，致使电机的功率在运行速度的范围内基本恒定。在这种情况中，基本上恒定的功率应被理解为功率的变化不大于 +/-5%。本方法有利地包括改变续流角，致使电机的效率(即，输出功率与输入功率之比) 在运行速度的范围内是至少75%。因此，在马达的运行速度的范围内可获得更高的效率。该运行速度范围可跨越多达lOkrpm。而且，该运行速度范围可具有大于60krpm的最小值和/或大于SOkrpm的最大值。因此，对于一运行速度范围，可获得恒定的功率和/ 或高地效率，通常这可能导致输出功率中的较大差异且对于这种情况效率通常较低。本方法可包括储存用于多个速度的速度控制值的速度查找表，根据马达的速度从该速度查找表选择速度控制值，和在由该控制值限定的时间段内使绕组续流。于是，可简化电机的控制本方法可包括在由速度控制值校正的额定续流时间内使绕组续流。而优选的是， 根据用于励磁绕组的励磁电压的水平选择额定续流时间。例如，本方法可包括储存功率查找表，该表储存用于多个电压的每个的额定续流时间。再根据励磁电压的水平选择额定续流时间。因此，对于不同的励磁电压可获得功率的更好控制。本方法优选地包括根据用于励磁绕组的励磁电压而改变速度控制值。特别理想的是，使速度控制值响应励磁电压的改变而变化。据此，对于不同的励磁电压可获得功率的更好控制。而速度查找表可储存用于多个速度和多个电压的每个的速度控制值。本方法则包括根据马达的速度和励磁电压的水平从速度查找表选择速度控制值。本方法可包括在绕组中的反电动势过零之前励磁绕组。因此，可在更早阶段将电流驱动至绕组中，以提供增加的输出功率。有利的是，每个电半周期包括信号驱动时间段和单个续流时间段。绕组在驱动时间段中被励磁而在续流时间段中进行续流。在续流时间段之后，绕组被换流。第二方面，本发明提供一种用于永磁马达的控制系统，该控制系统执行如前面任一段中描述的方法。理想的是，控制系统包括位置传感器，例如霍尔效应传感器，其输出代表绕组中的反电动势的信号。控制系统然后利用该位置传感器输出的信号来控制绕组的励磁和续流。控制系统可包括电流控制器以限制励磁过程中绕组中的电流。这可防止绕组中形成可损坏控制系统的部件或使得马达的磁体消磁的过电流。控制系统还可包括逆变器，门驱动模块和驱动控制器。而驱动控制器产生一个或多个控制信号以控制绕组的励磁，门驱动器模块响应该控制系统控制逆变器的开关。第三方面，本发明提供一种电池供电产品，其包括永磁马达和如前面任一段中描述的控制系统。此控制系统利用电池的电压励磁绕组。此控制系统响应电池组的电压中的变化而改变续流角。第四方面，本发明提供一种真空吸尘器，其包括永磁马达和如前面任一段中描述的控制系统。马达优选为单相马达。为了本发明可被更容易地理解，现在将参考附图通过实例描述本发明的实施例。 附图中
图1是根据本发明的产品的方框图；图2是图1的产品的马达系统的方框图；图3是马达系统的示意图；图4是马达系统电流控制器的示意图；图5示出电流控制期间的马达系统的波形；图6示出当以高速操作时马达系统的波形；图7是提前角和续流角度对励磁电压的图表；图8是真空吸尘器形式的本发明的产品。图1的产品1包括电源2、用户接口 3、附件4、和马达系统5。电源2包括电池组，其供应直流电压给附件4和马达系统5。电源2可从产品1拆卸，从而产品1可和不同的电池组一起使用。为了本说明的目的，电源2是提供16. 4V直流供电的四芯电池组或者提供24. 6V直流供电的六芯电池。除了提供电源电压，电源输出识别信号(identification signal)，其对于电池组的类型是独一无二的。该ID信号采取方波信号的形式，该方波信号具有根据电池组的类型变化的频率。在本例子中，四芯电池组输出具有25赫兹频率的ID信号(20ms脉冲长度)，而六芯电池组输出具有50赫兹频率的ID 信号(IOms脉冲长度)。ID信号被电源2持续输出直到电源2内检出故障时，例如电池欠压或者过温。如下所述，ID信号被马达系统5使用以识别电源2的类型和定期地检查电源运行正确。用户接口 3包括电源开关6和功率模式选择开关7。电源开关6被用于将产品1 通电和断电。响应电源开关6的闭合，闭合电路被形成在电源2和附件4与马达系统5每一个之间。电源模式选择开关7被用于控制马达系统5操作在高功率模式还是低功率模式中。当电源模式选择开关7被闭合时，逻辑上的高功率模式信号被输出到马达系统5。附件4被可去除地附连至产品1。当附连至产品1并且产品1被供电时，附件4从电源2汲取电力并且输出附件信号给马达系统5。不是每当附件4被附连并且产品1被供电时连续地汲取电力，附件4可包括电源开关(未示出)，例如形成用户接口 3的一部分。 附件4然后只有当附件电源开关被闭合时汲取电力和输出附件信号。现在参考图2和3，马达系统5包括电马达8和控制系统9。马达8包括两极永磁转子17，其相对于定子18旋转，单向绕组19缠绕该定子。定子18是C形状，其能实现用于绕组19的高填充因数。相应地，铜损可被减少，藉此改进马达8的效率。控制系统9包括滤波器模块10、逆变器(inverter) 11、门驱动器模块12、位置传感器13、电流传感器14、电流控制器15、和驱动控制器16。滤波器模块10链接产品1的电源2至逆变器11，且包括并联布置的一对电容器 Cl、C2。滤波器模块10用于减少链接至逆变器11的电压中的脉动。逆变器11包括四个功率开关Q1-Q4的全桥(full-bridge)，其链接电源2至马达 8的绕组19。每个功率开关Q1-Q4是M0SFET，其提供电源2的电压范围上的高速切换和良好的效率。但是其它类型的功率开关可能被使用，例如IGBT或者BJT，特别如果电源2的电压超过MOSFET的电压等级时。每一开关Q1-Q4包括反激式二极管(flykick diode)，其在切换期间保护开关不受来自于马达8的反电动势的电压尖峰损害。当第一对开关Ql、Q4被闭合时，绕组19被以第一方向励磁(从左至右的励磁)， 导致电流沿绕组19以第一方向驱动。当第二对开关Q2、Q3被闭合时，绕组19被以相反方向励磁(从右至左的励磁)，导致电流绕绕组19以相反方向驱动。由此，逆变器11的开关 Ql-Q可以被控制以在绕组19中换流。除了励磁绕组19，逆变器11可被控制以使得绕组19续流(flywheel)。续流发生在绕组19被从电源2提供的励磁电压断开时。这可通过断开逆变器11的所有开关Q1-Q4 而发生。但是，如果高压侧开关Q1、Q3或者低压侧开关Q2、Q4在续流期间被闭合，马达系统 5的效率被改善。通过闭合高压侧开关Q1、Q3或者低压侧开关Q2、Q4，绕组19中的电流能通过开关而不是较少效率的反激式二极管再循环。用于本说明的目的，续流通过闭合低压侧开关Q2、Q4两者实现。但是，应理解续流可以同样地通过闭合高压侧开关Ql、3或者断开所有开关Q1-Q4实现。门驱动器模块12响应从驱动控制器16接收的控制信号S1-S4驱动逆变器11的开关Q1-Q4的断开和闭合。门驱动器模块12包括四个门驱动器20-23，每个门驱动器响应来自于驱动控制器16的控制信号S1-S4驱动各自的开关Q1-Q4。负责高压侧开关Ql、Q3 的门驱动器20、22还附加地响应从电流控制器15接收的过流信号而被驱动。响应该过流信号，门驱动器20、22断开高压侧开关Q1、Q3。过流信号优先于驱动控制器16的控制信号 Si、S3，从而高压侧开关Ql、Q3响应该过流信号被断开而不管控制信号Si、S3的状态。该水平的控制可通过在高压侧门驱动器20、22处设置NOR门被实现。表1总结了开关Q1-Q4响应驱动控制器16的控制信号S1-S4和电流控制器15的过流信号的允许状态。由于NOR门在高压侧门驱动器20、22的输入上的操作，高压侧开关91、93被逻辑上低的控制信号31、53闭合。
权利要求
1.一种控制永磁马达的方法，该方法包括顺序地励磁马达的绕组和使绕组续流，其中该绕组在一续流角范围内被续流；和响应马达的速度变化而改变所述续流角。
2.如权利要求1所述的方法，其中，该方法包括响应速度的增加而减小续流角。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，该方法包括改变续流角，使得马达的功率在一运行速度范围内基本上恒定。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该方法包括改变续流角，使得马达的效率在一运行速度范围内是至少75 %。
5.如权利要求3或4所述的方法，其中，所述运行速度范围跨越至少lOkrpm。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该方法包括储存用于多个速度的速度控制值的查找表，根据马达的速度从该查找表选择速度控制值，和在由该速度控制值限定的时间段内使绕组续流。
7.如权利要求6所述的方法，其中，该方法包括在由速度控制值校正过的额定续流时间内使绕组续流。
8.如权利要求7所述的方法，其中，该方法包括根据励磁电压改变额定续流时间。
9.如权利要求6至8中任一项所述的方法，其中，该方法包括根据励磁电压改变速度控制值。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述查找表包括储存用于多个速度和多个电压的每个的速度控制值，该方法包括根据马达的速度和励磁电压的水平从该查找表选择速度控制值。
11.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该方法包括在绕组中的反电动势过零之前励磁该绕组。
12.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，每个电半周期包括单个驱动时间段和单个续流时间段，且该方法包括在驱动时间段中励磁绕组和在续流时间段中使绕组续流。
13.一种用于永磁马达的控制系统，该控制系统执行如前面权利要求中任一项所述的方法。
14.一种电池供电产品，包括如权利要求13所述的控制系统和永磁马达。
15.一种真空吸尘器，包括如权利要求13所述的控制系统和永磁马达。
全文摘要
本发明公开了一种控制单相永磁马达的方法，该方法包括顺序地励磁马达的绕组和使绕组续流，其中该绕组在续流角范围内被续流；和响应该马达的速度变化而改变续流角。附加地，还公开了一种用于永磁马达的控制系统，和包括该控制系统和马达的真空吸尘器。
文档编号H02P6/08GK102460944SQ201080024821
公开日2012年5月16日 申请日期2010年3月31日 优先权日2009年4月4日
发明者A.克洛西尔, T.塞里克, 陈宇 申请人:戴森技术有限公司