电动工具无刷直流电机冲击启动方法及系统与流程

本发明属于无刷直流电机起动控制技术领域，特别是一种不增大元器件功率等级、开关管不易损坏、电机绕组发热量小的电动工具无刷直流电机冲击启动方法及系统。

背景技术：

电动工具大量采用无刷直流电机。

传统的无刷直流电机控制采用定斩波限法，是根据负载特性，拟定电流斩波限，在单一换相周期内，电流保持连续。这种控制方法能产生较为平滑的电磁转矩以驱动负载，正常工作时有较高的效率，较小的转矩脉动。但是，由于电动工具经常出现堵转的情况，就需要电动工具无刷直流电机在启动时有一个超过额定值的转矩。为了使电机能有大扭矩实现启动，克服堵转，需要使电机绕组有瞬时的大电流来产生一个较大的电磁转矩。当此电磁转矩大于堵转转矩时，即可使电机旋转。当电机旋转后，即脱离堵转状态，进入正常工作状态，。上述常规方法会使工作电流超过额定值，带来开关管损坏，电机绕组发热量大等问题。

为避免电机堵转的大电流引起损坏器件，发热量过大的问题，也可采用能耐更大电流的器件。但这会大幅加大产品体积和增加制造成本。

因此，现有技术存在的问题是：由于电动工具无刷直流电机堵转电流大，在不增大元器件的前提下会造成开关管损坏、电机绕组发热量过大的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种电动工具无刷直流电机冲击启动方法，不增大元器件功率等级、开关管不易损坏、电机绕组发热量小。

本发明的另一目的在于提供一种电动工具无刷直流电机冲击启动系统。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种电动工具无刷直流电机冲击启动方法，包括如下步骤：

(10)启动状态确定：根据启动过程中电机转速，判断电机的启动工作状态区是正常启动状态或堵转状态；

(20)恒流启动：当电机处于正常启动状态时，采用一周期内上限恒定的连续电流控制电机启动；

(30)脉冲电流启动：当电机处于堵转状态，则采用分段脉冲电流控制电机启动。

实现本发明另一目的的技术解决方案为：

一种电动工具无刷直流电机冲击启动系统，包括与电机1电连接的逆变器2、置于电机1端盖上的位置传感器3，以及与所述逆变器2和位置传感器3分别电连接的控制器4；

所述位置传感器3用于测定电机转子位置，获得电机转速以区分电机的启动工作状态；

所述控制器4用于根据启动过程中电机转速判断电机的启动工作状态，并根据电机的不同启动状态，，控制逆变器2分别产生一周期内上限恒定的连续电流或分段脉冲电流波形；

所述逆变器2用于根据控制器4的控制信号，产生不同的电机相电流波形，驱动电机1转动。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1、体积不增大：本发明通过脉冲控制，在遇到堵转的情形下，使系统能在保证元器件安全的情况下，产生一个较大的脉冲电流，使电机具有较大的转矩，克服堵转，实现冲击式启动，通过较小定额的器件实现大负载启动，而不用采用能耐更大电流的器件，从而保证原有器件的体，也不会大幅增加制造成本；

2、元件不易损坏：在堵转启动时，采用脉冲电流形式，使电流具有高幅值的脉冲使电机具有较大的电磁转矩，同时有开关管关断使电流为零的时期，使电流平均值或均方值符合各元器件上限，以保护各个元器件不易损坏；针对功率管的保护，可以通过查询生产商提供的数据表得到参数，功率管允许通过的电流值将随导通时间或占空比的减少而增加。根据上述两项参数，计算脉冲电流的幅值与脉冲宽度，即可保证器件安全的情况下的克服堵转，实现脉冲式启动。

3、电机绕组发热量小：当电机堵转时，电机的损耗主要为铜损，即整个电机的发热量主要来源于绕组内阻的发热，其发热功率与电流的平方成正比。使一周期内电流均方根等于额定值即可保证电机绕组的可靠使用。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明电动工具无刷直流电机冲击启动方法的流程图。

图2为恒流启动的波形图。

图3为脉冲电流启动的波形图。

图4为本发明电动工具无刷直流电机冲击启动系统的结构示意图。

图中，1电机，2逆变器，3位置传感器，4控制器。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种电动工具无刷直流电机冲击启动方法，包括如下步骤：

(10)启动状态确定：根据启动过程中电机转速，判断电机的启动工作状态区是正常启动状态或堵转状态；

当电机转速低于转速1000rpm时，确定电机处于堵转状态。

当电机转速达到1000rpm及以上时，确定电机处于正常启动状态。

通过电机转子的速度或者位置是否改变来判断其工作状态：若转速过低或者位置几乎未改变则判断为堵转状态，反之若转速正常抬升或达到稳定则判断其处于正常工作状态。

所述(10)状态测定步骤中，当测得电机转子转速低于预期转速1000rpm，或者在0.1s内电机转子圆周上点的位置改变小于120°电角度时，确定电机处于堵转状态。

(20)恒流启动：当电机处于正常启动状态时，采用一周期内上限恒定的连续电流控制电机启动；

对于正常工作状态，则采用恒定电流工作模式，即定电流限斩波控制，使一换相周期内电流连续，脉动较小，工作平稳。

(30)脉冲电流启动：当电机处于堵转状态，则采用分段脉冲电流控制电机启动。

所述(30)脉冲电流启动步骤具体为，采用使无刷电机的相电流上限恒定的脉冲电流来控制电机的启动转矩，从而控制电机启动。所述脉冲电流，是指将相周期内恒定的电流波形改为多个分段的脉冲电流波形。

所述脉冲电流的幅值与脉冲时间宽度根据无刷电机系统的功率元器件电流保护阈值或电动工具堵住转矩值确定，或根据绕组发热相同原则，脉冲电流幅值和脉冲宽度的均方根等于恒定电流的幅值。

优选地，

所述(30)脉冲电流启动步骤中，脉冲电流形式控制是使电机采用脉冲电流驱动，脉冲电流一周期均方根等于额定值。

优选地，

所述脉冲电流的幅值与脉冲宽度根据系统预设的元器件电流保护值确定。

对于堵转状态，驱动器将控制电机采用脉冲电流工作模式，以克服堵转力矩。根据系统预设的元器件电流保护值，决定其电流脉冲的幅值与脉冲的宽度，使电机具有较大的脉冲转矩，实现冲击式启动。

本发明方法控制简单，可以通过较小定额的器件实现大负载启动，减少成本，减小体积

图2为恒流启动的波形图。

图3为脉冲电流启动的波形图。

在额定工作状态时，采用定斩波限法，使电机绕组在一个换相周期内保持连续平滑，以使正常工作时有较高的效率，较小的转矩脉动；而在启动时，采用脉冲电流形式，使电流具有高幅值的脉冲使电机具有较大的电磁转矩，同时有开关管关断使电流为零的时期，使电流平均值或均方值符合各元器件上限，以保护各个元器件。

当电机堵转时，电机的损耗主要为铜损，即整个电机的发热量主要来源于绕组内阻的发热，其发热功率与电流的平方成正比。设置控制方式，使一周期内电流均方根等于额定值即可保证电机绕组的可靠使用。针对功率管的保护，可以通过查询生产商提供的数据表得到参数，功率管允许通过的电流值将随导通时间或占空比的减少而增加。根据上述两项参数，计算脉冲电流的幅值与脉冲宽度，即可保证器件安全的情况下的克服堵转，实现脉冲式启动。

如图4所示，本发明电动工具无刷直流电机冲击启动系统，包括与电机1电连接的逆变器2、置于电机1端盖上的位置传感器3，以及与所述逆变器2和位置传感器3分别电连接的控制器4；

所述位置传感器3用于测定电机转子位置，获得电机转速以区分电机的启动工作状态；

所述控制器4用于根据启动过程中电机转速判断电机的启动工作状态，并根据电机的不同启动状态，，控制逆变器2分别产生一周期内上限恒定的连续电流或分段脉冲电流波形；

所述逆变器2用于根据控制器4的控制信号，产生不同的电机相电流波形，驱动电机1转动。

所述电机的启动工作状态分为正常启动状态和堵转状态；

当电机转速低于转速1000rpm时，确定电机处于堵转状态；

当电机转速达到1000rpm及以上时，确定电机处于正常启动状态。

通常，逆变器2会外接直流电源，此为本专业常识，不再赘述。