單相直流無刷電機及其控制設備和控制方法

授權公告號：CN110022100B

授權公告日：2022.04.22

專利權人：博世電動工具（中國）有限公司

發(fā) 明 人：吳健

無刷直流(BLDC)電機利用電子換相器取代了機械電刷和機械換相器，使這種電動機不僅保留了直流電動機的優(yōu)點，而且又具有交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點。因此，無刷直流(BLDC)電機被各種電動工具采用。在各種類型的無刷直流(BLDC)電機中，單相直流無刷電機尤其具有壽命長、加速快、結構簡單、成本低等優(yōu)點。但是，現(xiàn)有的單相直流無刷電機由于其自身的電氣特性而僅能在一個方向上旋轉。這樣一來，采用單相直流無刷電機的電動工具也只能在一個方向上作用。當某一操作工作需要電動工具時而在一個方向上旋轉，時而在另一個相對方向上旋轉時，采用單相直流無刷電機的電動工具就無法滿足這樣的需求了。因此，亟需一種改進的單相無刷直流電機，以克服現(xiàn)有技術中存在的缺陷。

發(fā)明專利“單相直流無刷電機及其控制設備和控制方法”涉及電機及電機控制領域，具體地，涉及單相直流無刷電機、以及單相直流無刷電機的控制設備和控制方法。

發(fā)明內容

發(fā)明提供一種改進的單相無刷直流電機，其具有改進的控制設備，使得單相無刷直流電機能夠以正轉和反轉兩種方式啟動并運轉。為此，根據(jù)發(fā)明的一個方面，提供了一種單相直流無刷電機的控制設備，其中，電機的本體包括有轉子和定子，定子由多個線圈繞組相連構成，轉子由1 對或多對N 極和S 極交替排列的磁極構成，控制設備包括：第一位置檢測裝置，安裝于電機的本體，用于檢測轉子的位置，輸出轉子位置信號；預定角度檢測裝置，用于檢測轉子是否相對于第一位置檢測裝置正向旋轉了預定角度，輸出檢測信號；換相電路裝置，與電機本體相連，用于切換對線圈繞組的通電相序，以控制轉子的旋轉方向及運轉；以及控制裝置，與第一位置檢測裝置、預定角度檢測裝置和換相電路裝置相連，其中，控制裝置被配置為在接收到反轉啟動指令時，根據(jù)從第一位置檢測裝置接收的轉子位置信號控制換相電路裝置給線圈繞組的通電相序，以使得轉子正向旋轉；并被配置為當從預定角度檢測裝置接收的檢測信號指示轉子相對于第一位置檢測裝置正向旋轉了預定角度時，控制換相電路裝置給線圈繞組的通電相序，以使得轉子反向旋轉。在一個實施例中，控制裝置還被配置為：在轉子位置信號的狀態(tài)每次改變時，控制換相電路裝置切換給線圈繞組的通電相序，轉子位置信號的狀態(tài)改變指示與第一位置檢測裝置相對的轉子的磁極改變。

預定角度檢測裝置是第二位置檢測裝置，用于檢測轉子的位置并輸出轉子位置信號，第二檢測裝置(220’)相對于第一位置檢測裝置(210)位于轉子(110)的正轉方向上，第二檢測裝置(220’)與第一位置檢測裝置(210)中間的偏離角度對應于預定角度，轉子(110)正向旋轉了預定角度時，第二位置檢測裝置輸出的轉子位置信號的狀態(tài)變化。第二位置檢測裝置被設置為與第一位置檢測裝置和述定子的同一線圈繞組相對，第二位置檢測裝置與第一位置檢測裝置之間的偏離角度以及第一位置檢測裝置相對于與其相對的線圈繞組起始點的偏離角度之和小于一個線圈繞組的機械角度。第一位置檢測裝置和第二位置傳感器分別采用霍爾傳感器、軸角傳感器或光電傳感器中的一種。預定角度檢測裝置是定時器，控制裝置被配置為在所述轉子正向旋轉的同時使能定時器，定時器的計數(shù)值達到預定計數(shù)值表示轉子正向旋轉了預定角度?？刂圃O備還包括驅動裝置，驅動裝置與控制裝置和換相電路裝置相連，用于根據(jù)控制裝置的輸出而輸出相應的驅動信號。換相電路裝置采用H 橋式電路，由4 個功率邏輯開關兩兩連接成的2 個半橋組成，各半橋的輸出端分別與線圈繞組相連，驅動信號使得各功率邏輯開關導通或關斷，以控制線圈繞組的通電相序?？刂圃O備還包括信號處理裝置，與第一位置檢測裝置、預定角度檢測裝置和控制裝置相連，用于對第一位置信號和檢測信號進行信號處理，將經(jīng)處理的信號輸出給控制裝置?？刂蒲b置采用單片機或DSP 或ARM。

根據(jù)發(fā)明的另一個方面，提供了一種單相直流無刷電機的控制方法，其中，電機的本體包括有轉子和定子，定子由多個線圈繞組相連構成，轉子由一對或多對N 極和S 極交替排列的磁極構成，控制方法包括：獲取反轉啟動指令；根據(jù)由第一位置檢測裝置所檢測的轉子位置信號控制對線圈繞組的通電相序，以使得轉子正向旋轉；判斷轉子是否相對于第一位置檢測裝置正向旋轉了預定角度；以及如果判定為轉子正向旋轉了預定角度，則線圈繞組的通電相序被切換，以使得轉子反向旋轉?？刂品椒ㄟ€包括：在每次檢測到轉子位置信號的狀態(tài)變化時，給線圈繞組的通電相序被切換，其中轉子位置信號的狀態(tài)變化表示與第一位置檢測裝置相對的轉子的磁極變化。判斷轉子是否相對于第一位置檢測裝置旋轉了預定角度包括：判斷由第二位置檢測裝置所檢測的轉子位置信號的狀態(tài)是否變化，第二位置檢測裝置所檢測的轉子位置信號的狀態(tài)變化表示轉子正向旋轉了預定角度。判斷轉子是否相對于第一位置檢測裝置旋轉了預定角度包括：在轉子正向旋轉的同時使能定時器；以及判斷定時器的計數(shù)值是否達到預定計數(shù)值，定時器的計數(shù)值達到預定計數(shù)值表示轉子正向旋轉了預定角度。

根據(jù)發(fā)明的又一個發(fā)面，提供了一種單相直流無刷電機，其包括：本體，具有轉子和定子，定子由多個線圈繞組相連構成，轉子由一對或多對N 極和S 極交替排列的磁極構成； 與本體相連的控制設備，控制設備包括：第一位置檢測裝置，安裝于電機的本體相連，用于檢測轉子的位置，輸出轉子位置信號；預定角度檢測裝置，用于檢測轉子是否相對于第一位置檢測裝置正向旋轉了預定角度，輸出檢測信號；換相電路裝置，與電機本體相連，用于切換對線圈繞組的通電相序，以控制轉子的旋轉方向及運轉；以及控制裝置，與第一位置檢測裝置、預定角度檢測裝置和換相電路裝置相連，其中，控制裝置被配置為在接收到反轉啟動指令時，根據(jù)從第一位置檢測裝置接收的轉子位置信號控制換相電路裝置給線圈繞組的通電相序，以使得轉子正向旋轉；并被配置為當從預定角度檢測裝置接收的檢測信號指示轉子相對于第一位置檢測裝置正向旋轉了預定角度時，控制換相電路裝置給線圈繞組的通電相序，以使得轉子反向旋轉。根據(jù)發(fā)明的單相直流無刷電機其本身適用性更廣，尤其是能夠應用于兩個方向旋轉的電動工具。

實施方式：

發(fā)明總體上涉及單相直流無刷電機，其包括電機本體和與電機本體相連的控制設備。電機本體包括定子和轉子。單相直流無刷電機在結構上會對定子的齒槽進行不對稱處理，以產生不對稱的氣隙磁阻，從而克服電磁轉矩死點。也就是說，對于單相直流無刷電機，在不通電的狀態(tài)下，轉子的磁路中心線偏離定子中心線(圖1a 中的AA’、BB’)一定角度。將偏離定子中心線的方向定義為電機轉子的正轉向，另一個方向則為電機轉子的反轉向。例如，參照圖1a 中例示的不對稱結構，逆時針方向為正方向。應當理解，對于單相直流無刷電機，也可以在結構上設計為與圖1a 中的不對稱結構相反的樣式，則相應地，順時針方向為正方向。使得電機轉子正向旋轉的通電相序定義為正相序(或第一相序)，使得電機轉子反向旋轉的通電相序定義為反相序(或第二相序)。當然，正向和反向是相對的概念，以其他適合的方式來限定電機轉子的轉向與通電相序的對應性也是可以的。單相直流無刷電機基于其在結構上的不對稱設計，在正轉啟動時能夠越過電磁轉 矩死點，順利進入加速狀態(tài)。

圖1a

發(fā)明的技術方案使得單相直流無刷電機能夠反轉啟動的控制設備以及控制方法。圖1a 示出了根據(jù)發(fā)明的一個實施方式的單相直流無刷電機的控制設備的方框圖。圖1b 是圖1a 中例示的單相直流無刷電機的本體和控制設備的示意圖，其中，電機本體100 包括轉子110 和定子120。定子120 具有多個線圈繞組，這些線圈繞組相連成單相的結構。轉子110 具有1 對或多對磁極，這些磁極被排列為N 磁極和S 磁極交替布置。在圖1b 中，示出了定子由4 個線圈繞組相連構成的例子，但發(fā)明不限于此，線圈繞組的個數(shù)和排列方式可以以其他的適合方式來實現(xiàn)。在圖1b 中，示出了轉子由4個(2 對)磁極構成的例子，但是發(fā)明不限于此，磁極的對數(shù)可以為其他的數(shù)量。如圖1a 所示，根據(jù)本發(fā)明的單相直流無刷電機的控制設備200 包括：第一位置檢測裝置210、預定角度檢測裝置220、換相電路裝置230 和控制裝置240。第一位置檢測裝置210 與電機本體100 相連，用于檢測轉子110 的位置，輸出轉子位置信號。在圖1b 中，示出了第一位置檢測裝置210 位于定子槽中心線AA’上，但是不限于此。第一位置檢測裝置210 可以設置在其他的任何適當位置。預定角度檢測裝置220 與電機本體100 相連，用于檢測轉子110 是否相對于第一位置檢測裝置110 正向旋轉了預定角度α，輸出檢測信號。換相電路裝置230 與電機本體100 相連，用于切換對線圈繞組的通電相序，以控制轉子110 的旋轉方向?？刂蒲b置240 與第一位置檢測裝置210、預定角度檢測裝置220 和換相電路裝置230 相連。控制裝置240 接收第一位置檢測裝置110 輸出的轉子位置信號和預定角度檢測裝置220 輸出的檢測信號，并根據(jù)轉子位置信號和檢測信號來控制換相電路裝置230 給線圈繞組的通電相序。第一位置檢測裝置210 例如是霍爾傳感器，根據(jù)與其相對的是轉子的N 磁極還是S 磁極而輸出高電平信號或低電平信號。例如，N 磁極對應于高電平信號，S 磁極對應于低電平信號，或者反過來也是可以的。當控制裝置240 監(jiān)測到轉子位置信號的狀態(tài)變化時，即高低電平的變化(例如，高電平變?yōu)榈碗娖交虻碗娖阶優(yōu)楦唠娖?，也就是與第一位置檢測裝置210 相對的轉子磁極變化時，控制裝置240 控制換相電路裝置230 切換對線圈繞組的通電相序。預定角度檢測裝置220 例如是角度傳感器，對轉子110 相對于第一位置檢測裝置110 的旋轉角度進行檢測。當控制裝置240 監(jiān)測到角度傳感器輸出的檢測信號表示轉子110 相對于第一位置檢測裝置110 正向旋轉了預定角度α 時，控制換相電路裝置230 切換對線圈繞組的通電相序。

圖1b

以下，具體說明采用本發(fā)明的控制裝置200 來控制單相直流無刷電機反轉的過程?？刂蒲b置240 在接收到反轉啟動指令時，根據(jù)從第一位置檢測裝置210 接收的轉子位置信號控制換相電路裝置230 給線圈繞組的通電相序，以使得轉子110 正向旋轉?？刂蒲b置240 監(jiān)測從預定角度檢測裝置220 輸出的檢測信號。當控制裝置240 判定為該檢測信號指示轉子110 相對于第一位置檢測裝置210 正向旋轉了預定角度α 時，控制換相電路裝置230 給線圈繞組的通電相序，以使得轉子110 反向旋轉。在控制裝置240 監(jiān)測到第一位置檢測裝置210 輸出的轉子位置信號的狀態(tài)每次改變時，控制換相電路裝置230 切換給線圈繞組的通電相序。第一位置檢測裝置210 輸出的轉子位置信號的狀態(tài)改變表示與第一位置檢測裝置210 相對的轉子磁極變化。也就是說，在每次與第一位置檢測裝置210 相對的磁極改變時，切換對線圈繞組的通電相序，以維持電機轉子110 始終朝著希望方向旋轉?？刂蒲b置240 采用單片機或DSP 或ARM。應當理解，控制裝置240也可以采用其他適合的方式來實現(xiàn)，不限于此。

繼續(xù)參見圖1a，根據(jù)發(fā)明的單相直流無刷電機的控制設備200 還包括驅動裝置250 和信號處理裝置260。驅動裝置250 與控制裝置240 和換相電路裝置230 相連，用于根據(jù)控制裝置240 輸出的控制信號來輸出相應的驅動信號，以驅動換相電路裝置230。信號處理裝置260 連接在第一位置檢測裝置210 的輸出端和預定角度檢測裝置220 的輸出端與控制裝置240 的輸入端之間。信號處理裝置260 對第一位置檢測裝置210 輸出的轉子位置信號和預定角度檢測裝置220 輸出的檢測信號進行信號處理，例如濾波處理和/或整形處理，并將經(jīng)處理的信號輸出給控制裝置240。換相電路裝置230采用H 橋式電路，由4 個功率邏輯開關Q1、Q2、Q3 和Q4 兩兩連接成的2 個半橋(Q1-Q2 和Q3-Q4)組成，各半橋的輸出端分別與線圈繞組相連。驅動裝置250 輸出的驅動信號使得各功率邏輯開關Q1、Q2、Q3 和Q4 導通或關斷，以控制線圈繞組的通電相序。例如，當對線圈繞組進行第一相序通電時，Q1 和Q3 導通，且Q2 和Q4 關斷。當對線圈繞組進行第二相序通電時，Q1 和Q3 關斷，且Q2 和Q4 導通。當然，通電相序與各功率邏輯開關的導通或關斷的對應性也可以以其他方式來限定。功率邏輯開關Q1、Q2、 Q3 和Q4 均為功率金屬場效應管。預定計數(shù)值與預定角度α 相對應。定時器220”輸出的計數(shù)值達到該預定計數(shù)值表示轉子110 正向旋轉了預定角度α。當控制裝置240 判定為定時器220”輸出的計數(shù)值達到預定計數(shù)值時，控制換相電路裝置230 給線圈繞組的通電相序，以使得電機轉子反向旋轉。

圖2a

圖2b

圖3

圖4