一种输入电压控制方法

授权公告号：CN 113193792 B

授权公告日：2021.09.10

专利权人：江苏东成工具科技有限公司

发明人：黄佳楠

现有的交流无刷电路都采用大电解电容，大电解电容使电机控制相对简单，但大电解电容体积通常比较大，增加了电路板体积，因此，现在常规的方案采用无大电解电容，减小体积，且电路板使用寿命长，但是，这种电路由于没有使用大电解电容，利用小容值的电容，整流后母线电压会随着负载电流的变化而发生变化，通常控制器需采集整流后电压并进行控制，使输入至电机的电压能够稳定，但由于这种变化，影响了无刷电机的控制效果，且由于采用无极性电容，整流后电压波动，容易导致提供给电机的输入电压波动，且容易触发电流保护。

发明专利“一种输入电压控制方法”是一种电机运行稳定且控制效果好的电机输入电压控制方法，以解决上述问题。

发明内容

针对现有技术的不足，发明的目的在于提供一种电机运行稳定且控制效果好的电机控制电路。采用如下技术方案：一种输入电压控制方法，以控制电机的运转，包括：电源，并联于电源正负极之间且对电源进行整流的第一整流电路及第二整流电路，第一整流电路输出端通过驱动电路连接至电机，第二整流电路输出端通过电压检测电路连接至控制器，控制器采集母线电压值U实及母线电流值，控制器存储有目标占空比值D目及目标电压值U目，控制器根据采集的母线电流值确定对应的目标电压值U目，并根据公式：D实＝(U目×D目)/U实，得到输出控制占空比D实来驱动电机，以控制电机的输入电压。

改进方案：电压检测电路包括串联的第一电阻和第二电阻，第一电阻的一端连接第二整流电路的输出端，且第一电阻与第二电阻的连接点连接控制器，第二电阻的另一端接地。

改进方案：第一整流电路输出端通过并联有电容连接至驱动电路，电容一端接地；电容与驱动电路之间设有电流采样电阻，控制器通过采样电阻以采集母线电流值。

改进方案：第一整流电路由4个二极管组成，第二整流电路的两个二极管与第一整流电路中的两个二极管共用。

改进方案：控制器存储有多个电流阈值及多个目标电压值U目，多个电流阈值包括第一电流阈值、小于或等于第一电流阈值的第二电流阈值、小于第一电流阈值及第二电流阈值的电流参考值以及第一平均电流阈值，多个目标电压值 U目包括第一目标电压值、第二目标电压值及第三目标电压值；第一目标电压值大于第二目标电压值，第二目标电压值大于第三目标电压值。

改进方案：控制器通过母线电流值获取母线峰值电流值及母线平均电流值；输入电压的控制方法包括：启动电机，控制器选择目标电压值U目为第一目标电压值；采集母线电流获取母线峰值电流值及母线平均电流值，当母线峰值电流值大于或等于第一电流阈值时，控制器使目标电压值U目从第一目标电压值变为第二目标电压值，根据第二目标电压值计算输出控制占空比D实，以驱动电机；当目标电压值U目为第二目标电压时，采集母线电流获取母线峰值电流值及母线平均电流值，若母线峰值电流值大于或等于第二电流阈值时，控制器使目标电压值U目从第二目标电压值变为第三目标电压值，根据第三目标电压值计算输出控制占空比D实，以驱动电机；若母线峰值电流值在预设时间内小于或等于电流参考值满足预设次数和/或母线平均电流值小于或等于第一平均电流阈值时，控制器使目标电压值U目从第二目标电压值变为第一目标电压值。

改进方案：控制器存储有多个电流阈值及多个目标电压值U目，多个电流阈值包括电流参考值、第一平均电流阈值、大于第一平均电流阈值的第二平均电流阈值，多个目标电压值U目包括第一目标电压值、第二目标电压值及第三目标电压值；第一目标电压值大于第二目标电压值，第二目标电压值大于第三目标电压值。

改进方案：控制器通过母线电流值获取母线峰值电流值及母线平均电流值；输入电压的控制方法包括：启动电机，控制器确定目标电压值U目为第一目标电压值；采集母线电流获取母线峰值电流值及母线平均电流值，当母线平均电流值大于或等于第二平均电流阈值时，控制器使目标电压值U目从第一目标电压值变为第二目标电压值，根据第二目标电压值计算输出控制占空比D实，以驱动电机；当目标电压值U目为第二目标电压时，采集母线电流获取母线峰值电流值及母线平均电流值，若母线平均电流值大于或等于第二平均电流阈值时，控制器使目标电压值U目从第二目标电压值变为第三目标电压值，根据第三目标电压值计算输出控制占空比D实，以驱动电机；若母线峰值电流值在预设时间内小于或等于电流参考值满足预设次数和/或母线平均电流值小于或等于第一平均电流阈值时，控制器使目标电压值U目从第二目标电压值变为第一目标电压值。

改进方案：控制器通过驱动模块连接至驱动电路，驱动电路包括六个开关管，控制开关管的开断以改变电机的输入电压。

与现有技术相比，发明具有如下有益效果：通过设有两个整流电路，且从前侧的整流电路采集母线电压U实，控制器存储有目标占空比值D目及目标电压值U目，并根据公式：D实＝(U目×D目)/U实，得到输出控制占空比D实并驱动电机，使得即使采用无极性电容，也能采集到相对稳定的母线电压，能够在不同负载下，稳定电机的输入电压。

实施方式：

图1所示，一种电机控制电路，电机控制电路包括交流电源，并联于交流电源正负极之间且对交流电源进行整流的第一整流电路1及第二整流电路2，第一整流电路1输出端通过驱动电路3连接至电机4，第二整流电路2输出端连接至控制器5，控制器5通过驱动模块6连接至驱动电路3，以驱动电机4运转。

图1

第一整流电路1为通过整流用的四个二极管D1、D2、D3、D4首尾相连构成的桥接型全波整流电路。交流电源的正极连接到二极管D1的负极和二极管D2的正极，二极管D1的正极和二极管D3的正极相连后连接至驱动电路3，二极管D2的负极和二极管D4的负极相连后连接至驱动电路3，交流电源的负极连接到二极管D3的负极和二极管D4的正极，第一整流电路1输出与驱动电路3之间并联有电容C，且电容C接地，从交流电源输入的电压被第一整流电路1全波整流，该全波整流后的电压经电容C输入给驱动电路3。在电容C与驱动电路3之间的负极母线上串联有电流采样电阻R，在采样电阻R两端连接有母线电流采集单元7，并通过滤波单元8连接至控制器5，通过采样电阻R采集母线电流值。

第二整流电路2包括并联于电源与第一整流电路1之间的二极管D5、D6，二极管D5、D6的负极相连，且通过电压检测电路连接至控制器5。

电压检测电路包括串联的第一电阻R1和第二电阻R2，第一电阻R1的一端连接第二整流电路2的输出端，且第一电阻R1与第二电阻R2的连接点连接控制器5，第二电阻R2的另一端接地。由于电压检测电路及电容C的接地构成等电位，所以第二整流电路2与第一整流电路1的二极管D1、D3共用。实施方式中，第一电阻R1阻值为750KΩ，第二电阻R2阻值为6.8KΩ，即电压检测电路a点采集的电压为第二电阻R2的电压值，使得第二整流电路2输出电压为控制器5能够识别的电压范围。

驱动电路3包括上桥臂和下桥臂，上桥臂包括有开关管Q1、Q2、Q3，下桥臂包括有开关管Q4、Q5、Q6，每一开关管分别反向并联有二极管；电机4为无刷电机，包括三相绕组，三相绕组分别连接至上桥臂与下桥臂的相连点，通过控制开关管Q1至Q6的通断，控制输入至电机4的电压。

通常，为了减小电路板体积，会采用等效电容值小的电容进行滤波，如实施方式中，采用等效电容值为小于15uF的电容C，即当负载变化时，电容C端输出的电压会随着负载的变化而变化，导致波形失真。而通过采集第二整流电路的电压，可得到标准的脉动直流母线电压波形，如图2所示，波形Uac为交流电源的输入电压，波形Udc为第二整流电路2经电压检测电路的输出电压，该波形即对应为实施方式中的母线电压值，该波形不会随负载的变化而变化。控制器5包括运算模块51、连接于运算模块51的存储单元52、计时单元53及PWM生成器54，存储单元52存储有目标电压值U目及目标占空比值D目，运算模块51采样母线电压值及母线电流值，根据母线电流值确定对应的目标电压值U目，并根据公式：D实＝(U目×D目)/U实，得到输出控制占空比D实给PWM生成器54，并驱动电机4，以控制电机4的输入电压。

图2

控制器5存储有多个电流阈值及多个目标电压值U目，多个电流阈值包括第一电流阈值、小于或等于第一电流阈值的第二电流阈值、小于第一电流阈值及第二电流阈值的电流参考值、第一平均电流阈值及大于第一平均电流阈值的第二平均电流阈值，多个目标电压值U目包括第一目标电压值、第二目标电压值及第三目标电压值；第一目标电压值大于第二目标电压值，第二目标电压值大于第三目标电压值。

图3所示，为输入电压控制方法的第一流程图，控制器5通过母线电流值获取母线峰值电流值及母线平均电流值；输入电压的控制方法包括：启动电机4，控制器5选择目标电压值U目为第一目标电压值；继续采集母线电流获取母线峰值电流值及母线平均电流值，当母线峰值电流值大于或等于第一电流阈值时，控制器5使目标电压值U目从第一目标电压值变为第二目标电压值，根据第二目标电压值计算输出控制占空比D实，以驱动电机4；当目标电压值U目为第二目标电压时，采集母线电流获取母线峰值电流值及母线平均电流值，若母线峰值电流值大于或等于第二电流阈值时，控制器使目标电压值U目从第二目标电压值变为第三目标电压值，根据第三目标电压值计算输出控制占空比D实，以驱动电机4；若母线峰值电流值在预设时间内小于或等于电流参考值满足预设次数或母线平均电流值小于或等于第一平均电流阈值时，控制器5使目标电压值U目从第二目标电压值变为第一目标电压值。

图3

图4所示，为输入电压控制方法的第二流程图，控制器5通过母线电流值获取母线峰值电流值及母线平均电流值；输入电压的控制方法包括：启动电机4，控制器5确定目标电压值U目为第一目标电压值；继续采集母线电流获取母线峰值电流值及母线平均电流值，当母线平均电流值大于或等于第二平均电流阈值时，控制器5使目标电压值U目从第一目标电压值变为第二目标电压值，根据第二目标电压值计算输出控制占空比D实，以驱动电机4；当目标电压值U目为第二目标电压时，采集母线电流获取母线峰值电流值及母线平均电流值，若母线平均电流值大于或等于第二平均电流阈值时，控制器5使目标电压值U目从第二目标电压值变为第三目标电压值，根据第三目标电压值计算输出控制占空比D实，以驱动电机4；若母线峰值电流值在预设时间内小于或等于电流参考值满足预设次数或母线平均电流值小于或等于第一平均电流阈值时，控制器5使目标电压值U目从第二目标电压值变为第一目标电压值。

图4

例如，实施方式中，交流电源输入电压为220V，目标占空比值D目设为100%，第一电流阈值为45A，第二电流阈值为44A，第一平均电流阈值为7A，第二平均电流阈值为12A，电流参考值为28A，第一目标电压值为310V，第二目标电压值为280V及第三目标电压值为260V。由于工具工作时负载会变化，通过采集母线峰值电流及母线平均电流进行控制，使控制更准确。当电机4启动，即负载为空载或轻载时，控制器5确定目标电压值U目为第一目标电压值设为310V，即根据公式D实＝(U目×D目)/U实，由母线电压值对应输出控制占空比D实；当重载时，母线电流急剧升高，若母线峰值电流值大于或等于第一电流阈值，如大于或等于45A时，或母线平均电流值大于或等于第二平均电流阈值，如大于或等于12A时,控制器使目标电压值U目变为第二目标电压值280V，即根据公式D实＝(U目×D目)/U实，由母线电压值对应输出控制占空比D实，其他实施方式中，也可以将上述母线峰值电流值及母线平均电流值同时满足再改变目标电压值U目；当继续加载时，若母线峰值电流值大于或等于第二电流阈值，如大于或等于44A时，或母线平均电流值大于或等于第二平均电流阈值，如大于或等于12A时，控制器5使目标电压值U目从第二目标电压值280V变为第三目标电压值260V，根据第三目标电压值计算输出控制占空比D实，其他实施方式中，也可以将上述母线峰值电流值及母线平均电流值同时满足再改变目标电压值U目，以驱动电机5；若母线峰值电流值在预设时间内小于或等于电流参考值满足预设次数，如小于或等于28A时，或母线平均电流值小于或等于第一平均电流阈值，如小于或等于7A时，控制器使目标电压值U目从第二目标电压值280V变为第一目标电压值310V，其他实施方式中，也可以将上述电流参考值及母线平均电流值同时满足再改变目标电压值U目，以驱动电机5。其他改进的实施方式中，多个电流阈值还包括第三电流阈值、第四电流阈值……第N电流阈值及对应的第四目标电压值、第五目标电压值……第N目标电压值，其以上述控制方式进行依次循环控制，当电流阈值接近电流参考值时，电流参考值可逐渐减小。实施例为角磨机的工作特性，当负载增加时，使目标电压值逐渐减小，即逐渐减小电机的功率，保证电流不会急剧增大，防止正常情况下触发电流保护，影响工况体验。通过使电机处于不同负载时，驱动电路3的输出具有稳定的输出电压值，因此电机4的三相绕组具有稳定的输入电压，以保证电机4具有稳定的转速，可防止电流突然上升触发电流保护，且通过采集第二整流电路2的输出电压，该电压不受负载影响，提高了电机控制的准确性。

母线电流峰值采样方式如下：图5所示，为半个周期的母线电压及母线电流波形。在半个周期内的每PWM周期的特定位置，例如起始或结束处，或者每个换相瞬间，采集母线峰值电流值，如图5锯齿的最高点为母线峰值电流值(如a、b、c、d、e点处)，并每将采样到的母线峰值电流值与控制器5存储的电流阈值比较。母线平均电流值采样方式如下：通过等时间间隔采样母线电流，如图5中t1 ,t2....，然后做软件滤波处理，如，平均滤波，滑动滤波等，获得母线平均电流值。

图5

发明电机输入电压控制方法通过设有两个整流电路，且从前侧的整流电路采集母线电压U实，控制器存储有目标占空比值D目及目标电压值U目，并根据公式：D实＝(U目×D目)/U实，得到输出控制占空比D实并驱动电机，使得即使采用无极性电容，也能采集到相对稳定的母线电压，能够在不同负载下，稳定电机的输入电压。

在不脱离发明原理和范畴的前提下，输入电压控制方法还有其他很多的替代方案。发明的保护范围以权利要求书的内容为准。