一種輸入電壓控制方法

授權(quán)公告號(hào)：CN 113193792 B

授權(quán)公告日：2021.09.10

專利權(quán)人：江蘇東成工具科技有限公司

發(fā)明人：黃佳楠

現(xiàn)有的交流無刷電路都采用大電解電容，大電解電容使電機(jī)控制相對(duì)簡單，但大電解電容體積通常比較大，增加了電路板體積，因此，現(xiàn)在常規(guī)的方案采用無大電解電容，減小體積，且電路板使用壽命長，但是，這種電路由于沒有使用大電解電容，利用小容值的電容，整流后母線電壓會(huì)隨著負(fù)載電流的變化而發(fā)生變化，通?？刂破餍璨杉骱箅妷翰⑦M(jìn)行控制，使輸入至電機(jī)的電壓能夠穩(wěn)定，但由于這種變化，影響了無刷電機(jī)的控制效果，且由于采用無極性電容，整流后電壓波動(dòng)，容易導(dǎo)致提供給電機(jī)的輸入電壓波動(dòng)，且容易觸發(fā)電流保護(hù)。

發(fā)明專利“一種輸入電壓控制方法”是一種電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定且控制效果好的電機(jī)輸入電壓控制方法，以解決上述問題。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，發(fā)明的目的在于提供一種電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定且控制效果好的電機(jī)控制電路。采用如下技術(shù)方案：一種輸入電壓控制方法，以控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，包括：電源，并聯(lián)于電源正負(fù)極之間且對(duì)電源進(jìn)行整流的第一整流電路及第二整流電路，第一整流電路輸出端通過驅(qū)動(dòng)電路連接至電機(jī)，第二整流電路輸出端通過電壓檢測電路連接至控制器，控制器采集母線電壓值U實(shí)及母線電流值，控制器存儲(chǔ)有目標(biāo)占空比值D目及目標(biāo)電壓值U目，控制器根據(jù)采集的母線電流值確定對(duì)應(yīng)的目標(biāo)電壓值U目，并根據(jù)公式：D實(shí)＝(U目×D目)/U實(shí)，得到輸出控制占空比D實(shí)來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以控制電機(jī)的輸入電壓。

改進(jìn)方案：電壓檢測電路包括串聯(lián)的第一電阻和第二電阻，第一電阻的一端連接第二整流電路的輸出端，且第一電阻與第二電阻的連接點(diǎn)連接控制器，第二電阻的另一端接地。

改進(jìn)方案：第一整流電路輸出端通過并聯(lián)有電容連接至驅(qū)動(dòng)電路，電容一端接地；電容與驅(qū)動(dòng)電路之間設(shè)有電流采樣電阻，控制器通過采樣電阻以采集母線電流值。

改進(jìn)方案：第一整流電路由4個(gè)二極管組成，第二整流電路的兩個(gè)二極管與第一整流電路中的兩個(gè)二極管共用。

改進(jìn)方案：控制器存儲(chǔ)有多個(gè)電流閾值及多個(gè)目標(biāo)電壓值U目，多個(gè)電流閾值包括第一電流閾值、小于或等于第一電流閾值的第二電流閾值、小于第一電流閾值及第二電流閾值的電流參考值以及第一平均電流閾值，多個(gè)目標(biāo)電壓值 U目包括第一目標(biāo)電壓值、第二目標(biāo)電壓值及第三目標(biāo)電壓值；第一目標(biāo)電壓值大于第二目標(biāo)電壓值，第二目標(biāo)電壓值大于第三目標(biāo)電壓值。

改進(jìn)方案：控制器通過母線電流值獲取母線峰值電流值及母線平均電流值；輸入電壓的控制方法包括：啟動(dòng)電機(jī)，控制器選擇目標(biāo)電壓值U目為第一目標(biāo)電壓值；采集母線電流獲取母線峰值電流值及母線平均電流值，當(dāng)母線峰值電流值大于或等于第一電流閾值時(shí)，控制器使目標(biāo)電壓值U目從第一目標(biāo)電壓值變?yōu)榈诙繕?biāo)電壓值，根據(jù)第二目標(biāo)電壓值計(jì)算輸出控制占空比D實(shí)，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)；當(dāng)目標(biāo)電壓值U目為第二目標(biāo)電壓時(shí)，采集母線電流獲取母線峰值電流值及母線平均電流值，若母線峰值電流值大于或等于第二電流閾值時(shí)，控制器使目標(biāo)電壓值U目從第二目標(biāo)電壓值變?yōu)榈谌繕?biāo)電壓值，根據(jù)第三目標(biāo)電壓值計(jì)算輸出控制占空比D實(shí)，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)；若母線峰值電流值在預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)小于或等于電流參考值滿足預(yù)設(shè)次數(shù)和/或母線平均電流值小于或等于第一平均電流閾值時(shí)，控制器使目標(biāo)電壓值U目從第二目標(biāo)電壓值變?yōu)榈谝荒繕?biāo)電壓值。

改進(jìn)方案：控制器存儲(chǔ)有多個(gè)電流閾值及多個(gè)目標(biāo)電壓值U目，多個(gè)電流閾值包括電流參考值、第一平均電流閾值、大于第一平均電流閾值的第二平均電流閾值，多個(gè)目標(biāo)電壓值U目包括第一目標(biāo)電壓值、第二目標(biāo)電壓值及第三目標(biāo)電壓值；第一目標(biāo)電壓值大于第二目標(biāo)電壓值，第二目標(biāo)電壓值大于第三目標(biāo)電壓值。

改進(jìn)方案：控制器通過母線電流值獲取母線峰值電流值及母線平均電流值；輸入電壓的控制方法包括：啟動(dòng)電機(jī)，控制器確定目標(biāo)電壓值U目為第一目標(biāo)電壓值；采集母線電流獲取母線峰值電流值及母線平均電流值，當(dāng)母線平均電流值大于或等于第二平均電流閾值時(shí)，控制器使目標(biāo)電壓值U目從第一目標(biāo)電壓值變?yōu)榈诙繕?biāo)電壓值，根據(jù)第二目標(biāo)電壓值計(jì)算輸出控制占空比D實(shí)，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)；當(dāng)目標(biāo)電壓值U目為第二目標(biāo)電壓時(shí)，采集母線電流獲取母線峰值電流值及母線平均電流值，若母線平均電流值大于或等于第二平均電流閾值時(shí)，控制器使目標(biāo)電壓值U目從第二目標(biāo)電壓值變?yōu)榈谌繕?biāo)電壓值，根據(jù)第三目標(biāo)電壓值計(jì)算輸出控制占空比D實(shí)，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)；若母線峰值電流值在預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)小于或等于電流參考值滿足預(yù)設(shè)次數(shù)和/或母線平均電流值小于或等于第一平均電流閾值時(shí)，控制器使目標(biāo)電壓值U目從第二目標(biāo)電壓值變?yōu)榈谝荒繕?biāo)電壓值。

改進(jìn)方案：控制器通過驅(qū)動(dòng)模塊連接至驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路包括六個(gè)開關(guān)管，控制開關(guān)管的開斷以改變電機(jī)的輸入電壓。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，發(fā)明具有如下有益效果：通過設(shè)有兩個(gè)整流電路，且從前側(cè)的整流電路采集母線電壓U實(shí)，控制器存儲(chǔ)有目標(biāo)占空比值D目及目標(biāo)電壓值U目，并根據(jù)公式：D實(shí)＝(U目×D目)/U實(shí)，得到輸出控制占空比D實(shí)并驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使得即使采用無極性電容，也能采集到相對(duì)穩(wěn)定的母線電壓，能夠在不同負(fù)載下，穩(wěn)定電機(jī)的輸入電壓。

實(shí)施方式：

圖1所示，一種電機(jī)控制電路，電機(jī)控制電路包括交流電源，并聯(lián)于交流電源正負(fù)極之間且對(duì)交流電源進(jìn)行整流的第一整流電路1及第二整流電路2，第一整流電路1輸出端通過驅(qū)動(dòng)電路3連接至電機(jī)4，第二整流電路2輸出端連接至控制器5，控制器5通過驅(qū)動(dòng)模塊6連接至驅(qū)動(dòng)電路3，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)4運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1

第一整流電路1為通過整流用的四個(gè)二極管D1、D2、D3、D4首尾相連構(gòu)成的橋接型全波整流電路。交流電源的正極連接到二極管D1的負(fù)極和二極管D2的正極，二極管D1的正極和二極管D3的正極相連后連接至驅(qū)動(dòng)電路3，二極管D2的負(fù)極和二極管D4的負(fù)極相連后連接至驅(qū)動(dòng)電路3，交流電源的負(fù)極連接到二極管D3的負(fù)極和二極管D4的正極，第一整流電路1輸出與驅(qū)動(dòng)電路3之間并聯(lián)有電容C，且電容C接地，從交流電源輸入的電壓被第一整流電路1全波整流，該全波整流后的電壓經(jīng)電容C輸入給驅(qū)動(dòng)電路3。在電容C與驅(qū)動(dòng)電路3之間的負(fù)極母線上串聯(lián)有電流采樣電阻R，在采樣電阻R兩端連接有母線電流采集單元7，并通過濾波單元8連接至控制器5，通過采樣電阻R采集母線電流值。

第二整流電路2包括并聯(lián)于電源與第一整流電路1之間的二極管D5、D6，二極管D5、D6的負(fù)極相連，且通過電壓檢測電路連接至控制器5。

電壓檢測電路包括串聯(lián)的第一電阻R1和第二電阻R2，第一電阻R1的一端連接第二整流電路2的輸出端，且第一電阻R1與第二電阻R2的連接點(diǎn)連接控制器5，第二電阻R2的另一端接地。由于電壓檢測電路及電容C的接地構(gòu)成等電位，所以第二整流電路2與第一整流電路1的二極管D1、D3共用。實(shí)施方式中，第一電阻R1阻值為750KΩ，第二電阻R2阻值為6.8KΩ，即電壓檢測電路a點(diǎn)采集的電壓為第二電阻R2的電壓值，使得第二整流電路2輸出電壓為控制器5能夠識(shí)別的電壓范圍。

驅(qū)動(dòng)電路3包括上橋臂和下橋臂，上橋臂包括有開關(guān)管Q1、Q2、Q3，下橋臂包括有開關(guān)管Q4、Q5、Q6，每一開關(guān)管分別反向并聯(lián)有二極管；電機(jī)4為無刷電機(jī)，包括三相繞組，三相繞組分別連接至上橋臂與下橋臂的相連點(diǎn)，通過控制開關(guān)管Q1至Q6的通斷，控制輸入至電機(jī)4的電壓。

通常，為了減小電路板體積，會(huì)采用等效電容值小的電容進(jìn)行濾波，如實(shí)施方式中，采用等效電容值為小于15uF的電容C，即當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，電容C端輸出的電壓會(huì)隨著負(fù)載的變化而變化，導(dǎo)致波形失真。而通過采集第二整流電路的電壓，可得到標(biāo)準(zhǔn)的脈動(dòng)直流母線電壓波形，如圖2所示，波形Uac為交流電源的輸入電壓，波形Udc為第二整流電路2經(jīng)電壓檢測電路的輸出電壓，該波形即對(duì)應(yīng)為實(shí)施方式中的母線電壓值，該波形不會(huì)隨負(fù)載的變化而變化。控制器5包括運(yùn)算模塊51、連接于運(yùn)算模塊51的存儲(chǔ)單元52、計(jì)時(shí)單元53及PWM生成器54，存儲(chǔ)單元52存儲(chǔ)有目標(biāo)電壓值U目及目標(biāo)占空比值D目，運(yùn)算模塊51采樣母線電壓值及母線電流值，根據(jù)母線電流值確定對(duì)應(yīng)的目標(biāo)電壓值U目，并根據(jù)公式：D實(shí)＝(U目×D目)/U實(shí)，得到輸出控制占空比D實(shí)給PWM生成器54，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)4，以控制電機(jī)4的輸入電壓。

圖2

控制器5存儲(chǔ)有多個(gè)電流閾值及多個(gè)目標(biāo)電壓值U目，多個(gè)電流閾值包括第一電流閾值、小于或等于第一電流閾值的第二電流閾值、小于第一電流閾值及第二電流閾值的電流參考值、第一平均電流閾值及大于第一平均電流閾值的第二平均電流閾值，多個(gè)目標(biāo)電壓值U目包括第一目標(biāo)電壓值、第二目標(biāo)電壓值及第三目標(biāo)電壓值；第一目標(biāo)電壓值大于第二目標(biāo)電壓值，第二目標(biāo)電壓值大于第三目標(biāo)電壓值。

圖3所示，為輸入電壓控制方法的第一流程圖，控制器5通過母線電流值獲取母線峰值電流值及母線平均電流值；輸入電壓的控制方法包括：啟動(dòng)電機(jī)4，控制器5選擇目標(biāo)電壓值U目為第一目標(biāo)電壓值；繼續(xù)采集母線電流獲取母線峰值電流值及母線平均電流值，當(dāng)母線峰值電流值大于或等于第一電流閾值時(shí)，控制器5使目標(biāo)電壓值U目從第一目標(biāo)電壓值變?yōu)榈诙繕?biāo)電壓值，根據(jù)第二目標(biāo)電壓值計(jì)算輸出控制占空比D實(shí)，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)4；當(dāng)目標(biāo)電壓值U目為第二目標(biāo)電壓時(shí)，采集母線電流獲取母線峰值電流值及母線平均電流值，若母線峰值電流值大于或等于第二電流閾值時(shí)，控制器使目標(biāo)電壓值U目從第二目標(biāo)電壓值變?yōu)榈谌繕?biāo)電壓值，根據(jù)第三目標(biāo)電壓值計(jì)算輸出控制占空比D實(shí)，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)4；若母線峰值電流值在預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)小于或等于電流參考值滿足預(yù)設(shè)次數(shù)或母線平均電流值小于或等于第一平均電流閾值時(shí)，控制器5使目標(biāo)電壓值U目從第二目標(biāo)電壓值變?yōu)榈谝荒繕?biāo)電壓值。

圖3

圖4所示，為輸入電壓控制方法的第二流程圖，控制器5通過母線電流值獲取母線峰值電流值及母線平均電流值；輸入電壓的控制方法包括：啟動(dòng)電機(jī)4，控制器5確定目標(biāo)電壓值U目為第一目標(biāo)電壓值；繼續(xù)采集母線電流獲取母線峰值電流值及母線平均電流值，當(dāng)母線平均電流值大于或等于第二平均電流閾值時(shí)，控制器5使目標(biāo)電壓值U目從第一目標(biāo)電壓值變?yōu)榈诙繕?biāo)電壓值，根據(jù)第二目標(biāo)電壓值計(jì)算輸出控制占空比D實(shí)，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)4；當(dāng)目標(biāo)電壓值U目為第二目標(biāo)電壓時(shí)，采集母線電流獲取母線峰值電流值及母線平均電流值，若母線平均電流值大于或等于第二平均電流閾值時(shí)，控制器5使目標(biāo)電壓值U目從第二目標(biāo)電壓值變?yōu)榈谌繕?biāo)電壓值，根據(jù)第三目標(biāo)電壓值計(jì)算輸出控制占空比D實(shí)，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)4；若母線峰值電流值在預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)小于或等于電流參考值滿足預(yù)設(shè)次數(shù)或母線平均電流值小于或等于第一平均電流閾值時(shí)，控制器5使目標(biāo)電壓值U目從第二目標(biāo)電壓值變?yōu)榈谝荒繕?biāo)電壓值。

圖4

例如，實(shí)施方式中，交流電源輸入電壓為220V，目標(biāo)占空比值D目設(shè)為100%，第一電流閾值為45A，第二電流閾值為44A，第一平均電流閾值為7A，第二平均電流閾值為12A，電流參考值為28A，第一目標(biāo)電壓值為310V，第二目標(biāo)電壓值為280V及第三目標(biāo)電壓值為260V。由于工具工作時(shí)負(fù)載會(huì)變化，通過采集母線峰值電流及母線平均電流進(jìn)行控制，使控制更準(zhǔn)確。當(dāng)電機(jī)4啟動(dòng)，即負(fù)載為空載或輕載時(shí)，控制器5確定目標(biāo)電壓值U目為第一目標(biāo)電壓值設(shè)為310V，即根據(jù)公式D實(shí)＝(U目×D目)/U實(shí)，由母線電壓值對(duì)應(yīng)輸出控制占空比D實(shí)；當(dāng)重載時(shí)，母線電流急劇升高，若母線峰值電流值大于或等于第一電流閾值，如大于或等于45A時(shí)，或母線平均電流值大于或等于第二平均電流閾值，如大于或等于12A時(shí),控制器使目標(biāo)電壓值U目變?yōu)榈诙繕?biāo)電壓值280V，即根據(jù)公式D實(shí)＝(U目×D目)/U實(shí)，由母線電壓值對(duì)應(yīng)輸出控制占空比D實(shí)，其他實(shí)施方式中，也可以將上述母線峰值電流值及母線平均電流值同時(shí)滿足再改變目標(biāo)電壓值U目；當(dāng)繼續(xù)加載時(shí)，若母線峰值電流值大于或等于第二電流閾值，如大于或等于44A時(shí)，或母線平均電流值大于或等于第二平均電流閾值，如大于或等于12A時(shí)，控制器5使目標(biāo)電壓值U目從第二目標(biāo)電壓值280V變?yōu)榈谌繕?biāo)電壓值260V，根據(jù)第三目標(biāo)電壓值計(jì)算輸出控制占空比D實(shí)，其他實(shí)施方式中，也可以將上述母線峰值電流值及母線平均電流值同時(shí)滿足再改變目標(biāo)電壓值U目，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)5；若母線峰值電流值在預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)小于或等于電流參考值滿足預(yù)設(shè)次數(shù)，如小于或等于28A時(shí)，或母線平均電流值小于或等于第一平均電流閾值，如小于或等于7A時(shí)，控制器使目標(biāo)電壓值U目從第二目標(biāo)電壓值280V變?yōu)榈谝荒繕?biāo)電壓值310V，其他實(shí)施方式中，也可以將上述電流參考值及母線平均電流值同時(shí)滿足再改變目標(biāo)電壓值U目，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)5。其他改進(jìn)的實(shí)施方式中，多個(gè)電流閾值還包括第三電流閾值、第四電流閾值……第N電流閾值及對(duì)應(yīng)的第四目標(biāo)電壓值、第五目標(biāo)電壓值……第N目標(biāo)電壓值，其以上述控制方式進(jìn)行依次循環(huán)控制，當(dāng)電流閾值接近電流參考值時(shí)，電流參考值可逐漸減小。實(shí)施例為角磨機(jī)的工作特性，當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，使目標(biāo)電壓值逐漸減小，即逐漸減小電機(jī)的功率，保證電流不會(huì)急劇增大，防止正常情況下觸發(fā)電流保護(hù)，影響工況體驗(yàn)。通過使電機(jī)處于不同負(fù)載時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路3的輸出具有穩(wěn)定的輸出電壓值，因此電機(jī)4的三相繞組具有穩(wěn)定的輸入電壓，以保證電機(jī)4具有穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，可防止電流突然上升觸發(fā)電流保護(hù)，且通過采集第二整流電路2的輸出電壓，該電壓不受負(fù)載影響，提高了電機(jī)控制的準(zhǔn)確性。

母線電流峰值采樣方式如下：圖5所示，為半個(gè)周期的母線電壓及母線電流波形。在半個(gè)周期內(nèi)的每PWM周期的特定位置，例如起始或結(jié)束處，或者每個(gè)換相瞬間，采集母線峰值電流值，如圖5鋸齒的最高點(diǎn)為母線峰值電流值(如a、b、c、d、e點(diǎn)處)，并每將采樣到的母線峰值電流值與控制器5存儲(chǔ)的電流閾值比較。母線平均電流值采樣方式如下：通過等時(shí)間間隔采樣母線電流，如圖5中t1 ,t2....，然后做軟件濾波處理，如，平均濾波，滑動(dòng)濾波等，獲得母線平均電流值。

圖5

發(fā)明電機(jī)輸入電壓控制方法通過設(shè)有兩個(gè)整流電路，且從前側(cè)的整流電路采集母線電壓U實(shí)，控制器存儲(chǔ)有目標(biāo)占空比值D目及目標(biāo)電壓值U目，并根據(jù)公式：D實(shí)＝(U目×D目)/U實(shí)，得到輸出控制占空比D實(shí)并驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使得即使采用無極性電容，也能采集到相對(duì)穩(wěn)定的母線電壓，能夠在不同負(fù)載下，穩(wěn)定電機(jī)的輸入電壓。

在不脫離發(fā)明原理和范疇的前提下，輸入電壓控制方法還有其他很多的替代方案。發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書的內(nèi)容為準(zhǔn)。