使用非对称驱动模式确定在低速或零速下的无传感器永磁无刷电机的换向位置的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种用于控制无传感器BLDC电机中的电机切换的系统，所述电机具有三个定子绕组的集合。控制器单元包括控制信号发生器、存储器装置、处理单元、信号采集装置和模数转换器。具有多个开关的功率级接收来自控制信号发生器的控制信号和来自电源的功率信号。功率级用非对称脉冲宽度调制信号驱动三个定子绕组的集合中的两个绕组，并留下三个定子绕组中的一个定子未受驱动。处理单元获得未驱动绕组上的解调制的测量电压。处理单元还与功率级通信以在解调制的测量电压超越阈值时改变三个定子绕组中受驱动的两个绕组。
【专利说明】使用非对称驱动模式确定在低速或零速下的无传感器永磁无刷电机的换向位置
[0001]交叉引用
[0002]本申请案是2013年3月13日申请的标题为“Circuit and Method forSensorless Control of a Permanent Magnet Brushless Motor During Start-up，，的美国申请案第13/800,327号的部分接续申请案，且本申请案请求2012年5月25日申请的标题为 “Circuit and Method for Sensorless Control of a Brushless Motor DuringStart-up”的美国临时申请案第61/651，736号的权益，所述美国临时申请案以全文引用的方式并入本文中。
【技术领域】
[0003]本发明通常涉及电机控制器，且更特定地涉及在启动期间用于永磁无刷电机的无传感器控制的系统和方法。
【背景技术】
[0004]有传感器的无刷电机技术是众所周知的且有益于低速下的最小缺陷控制和可靠旋转。有传感器的系统具有一或多个传感器，所述一或多个传感器与电机控制器连续通信，为所述电机控制器指示转子所处位置、转子的转速及转子是向前转还是反向转。有传感器的系统中的传感器增加成本并提供可损坏或磨损的额外零件，增加耐久性和可靠性问题。无传感器系统可读取电源连接中的电流脉冲来确定旋转和速度。无传感器系统趋向于能够控制较高速度(例如，每分钟转数(“RPM”))下的电机，但可能在极低的启动速度下遭受负载下的“抖动”，导致性能不如有传感器的无刷电机。
[0005]抖动是无传感器无刷电机系统在初始启动速度下所发生的现象且通常在电机已获得足够速度后就不再存在。抖动产生的原因是，在低速或零速下，无传感器的算法没有足够的信息来决定激励哪个绕组及以何种顺序激励绕组。用于启动无传感器系统的一种常见解决方案是激励一个绕组对来将转子锁定在已知位置。随后以预定义速率和PWM占空比换向电机绕组，直到转子达到用于使无传感器控制参与的足够高的速度。然而，尤其在存在随时间变化的负载时，即使是此解决方案也将会在启动期间导致抖动。对于具有最小初始转矩或可预测的初始转矩的负载，可减少抖动或可使抖动难以察觉。然而，一些电机应用/使用情景(例如使电动自行车开始上坡)需要用于启动的显著转矩，并且初始转矩是非常不可预测的。无传感器无刷电机系统的使用有时由于低速高转矩操作而受阻，比如电动车辆/自行车的攀岩或复杂和精细的场地赛，因为在这些困难情境中，可发生显著抖动并可导致电机过早烧毁。
[0006]图1是处于三相功率级的电机控制系统10的方块图，如先前技术中所知。许多三相电机控制系统10包括具有控制信号发生器12的控制器、栅极驱动器14及功率级16。在无传感器控制的情况下，还包括反馈电路，具体是检测网络18和电流感测电路20，所述电流感测电路20利用感测电阻器Rsense。一般来说，无传感器控制的目标是检测电机对施加的脉冲宽度调制(PWM)源电压的响应来识别转子位置和运动。
[0007]类似地，电流感测电路20可用于检测横越被驱动绕组的电机电流的幅值和方向。经常使用低侧分流监控。图1图示用于低侧监控的常用配置。本领域技术人员可易采用替代性电流感测技术，例如监控(包括高侧监控)每个逆变器支路中的相电流，且此替代性技术是本领域一般技术人员所熟知的。
[0008]控制信号发生器12通常从低电压源供电。因此，栅极驱动器14的功能包括将低电压控制信号移位到匹配功率级16的输入要求的电平。功率级16包括半导体开关装置。图1中图示M0SFET,但可使用其他装置,例如绝缘栅极双极型晶体管(insulated gate bipolartransistors; IGBT)。可使控制信号产生来自电源Vpm的梯形(又称为方块或6步换向)或正弦波驱动。脉冲宽度调制通常在无刷DC (BLDC)电机控制中与梯形驱动一起使用。要求较低声频噪音或较低转矩波动的系统得益于正弦波驱动。
[0009]关于PWM驱动技术的领域的技术人员理解产生梯形控制、正弦波控制或其他控制的各种模式。可通过电机相和/或一或多个相电流上的电压检测电机对PWM驱动的响应。
[0010]如图1中所示，对于无刷DC电机控制，驱动功率级16，以使得电流流入第一电机相(例如，U相)中并离开第二电机相(例如，V相)。电机30中的转子(未图示)位置指定驱动哪一相位对来力图实现转子的最大转矩和平滑(无抖动)旋转。反馈控制用于推断转子位置。
[0011]图2是Y形连接电机30的图示说明，如先前技术中所知。所述图示说明中的Y形连接电机30具有单极对永磁转子32，所述单极对永磁转子32经定位以使得所述单极对永磁转子32的南极34接近U相36的绕组。在所述条件下，对本领域技术人员显而易见的是，W相38和V相40是适合驱动以便发起转子32旋转的相位对。永磁转子32的极性确定流经所述相位的电流的方向。因此，功率级16将W相38连接至Vpw并将V相40连接至地面24，导致电流流入W相38中并离开V相40，如用电流箭头所表示。如图2中所示，电流流经线圈W相38和V相40的净效应是电磁体的形成，所述电磁体具有W相38处的北极和V相40处的南极。此电磁体在永磁N极42和形成在W相38处的电磁N极之间产生排斥力，并在永磁N极42和形成在V相38处的电磁S极之间产生吸引力。
[0012]由于N极和S极相互吸引，如果电磁体在此电流流动配置中持续足够长的时间，那么所得转矩将使永磁N极42立即移动到V相40之后的位置并使永磁S极34立即移动到W相之前的位置，且将停止永磁转子32的旋转。为了保持永磁转子32的旋转，功率级16必须换向到新的相位对。最佳换向点是转子位置相对于未驱动相位(未由Vpw驱动的相位)的线圈的函数。在图2中，U相36是未驱动相位。理想情况下，转子角度将相对于与未驱动相位的线圈的对准跨越-30°到+30°。由于此60°的跨度是一次电气转动的六分之一，所以所述60°的跨度通常被称为一个六分周。
[0013]图3是由表I进一步定义的6步换向方法，如先前技术中所知。考虑到图2中所示的条件，在表I中概述且在图3中进一步说明通常被称为6步换向方法的步骤的顺序的闻级描述。
[0014]表1:用于图2中所示的Y形连接电机的六步换向顺序
[0015]
【权利要求】
1.一种控制电机切换的方法，所述方法包含以下步骤: 在三个绕组的集合中的两个绕组上驱动非对称脉冲宽度调制信号； 测量三个绕组的所述集合中的未驱动绕组的电压； 解调制所述测量的电压；以及 在所述解调制的测量电压超过阈值时，改变受驱动的两个绕组。
2.根据权利要求1所述的方法，其中改变受驱动的两个绕组的所述步骤进一步包含:在所述解调制的测量电压已超过所述阈值达设定时段之后改变受驱动的相位。
3.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包含:将所述阈值设定为所述脉冲宽度调制信号的函数。
4.根据权利要求3所述的方法，其中预定所述阈值并修改所述阈值作为所述脉冲宽度调制信号的函数。
5.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包含:修改所述解调制的测量电压作为所述脉冲宽度调制信号的函数。
6.根据权利要求5所述的方法，其中修改所述解调制的测量电压的所述步骤进一步包含:调节所述解调制的测量电压。
7.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包含:修改所述解调制的测量电压作为通过所述驱动绕组的电流的函数。
8.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包含:修改所述阈值作为通过所述驱动绕组的电流的函数。
9.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包含:使用基于所述电机的特性和所述电机的操作条件中的至少一者的补偿模型修改所述解调制的测量电压，其中所述补偿模型为由以下各者组成的群组中的至少一者:多项式、样条、对数曲线和三角式。
10.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包含:使用基于所述电机的特性和所述电机的操作条件中的至少一者的补偿模型修改所述阈值，其中所述补偿模型为由以下各者组成的群组中的至少一者:多项式、样条、对数曲线和三角式。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包含多个补偿模型，其中将所述补偿模型中的每一者分配到所述驱动绕组的不同对。
12.根据权利要求1所述的方法，其中解调制所述测量电压的步骤进一步包含:分出在激励所述驱动绕组时测量的所述测量电压的一部分。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述电机为三相永磁转子。
14.一种用于控制无传感器BLDC电机中的电机切换的系统,所述电机具有三个定子绕组的集合，所述系统包含: 控制器单元，所述控制器单元包含控制信号发生器、存储器装置、处理单元、信号采集装置和模数转换器； 功率级，所述功率级具有多个开关，其中所述功率级接收来自所述控制信号发生器的控制信号和来自电源的功率信号，其中所述功率级驱动用非对称脉冲宽度调制信号驱动三个定子绕组的所述集合中的两个绕组，并留下所述三个定子绕组中的一个定子未受驱动； 其中所述处理单元获得所述未驱动绕组上的解调制测量电压；以及 其中所述处理单元与所述功率级通信以在所述解调制的测量电压超过阈值时改变所述三个定子绕组中受驱动的两个绕组。
15.根据权利要求14所述的系统，所述系统进一步包含电压感测电路，所述电压感测电路连接到所述三个绕组中的至少一个绕组并连接到所述控制器单元，其中所述电压感测电路测量在所述未驱动绕组上的电压。
16.根据权利要求14所述的系统，其中所述处理单元修改所述阈值作为在所述信号采集装置上感测的电流的函数。
17.根据权利要求14所述的系统，所述系统进一步包含补偿模型，所述补偿模型储存在所述存储器装置中，其中所述补偿模型基于所述电机的特性和所述电机的操作条件中的至少一者，并且所述补偿模型由所述处理单元使用以修改所述阈值和所述解调制的测量电压中的至少一者。
18.根据权利要求16所述的系统，其中所述信号采集装置和所述模数转换器向所述处理单元提供横跨所 述驱动绕组的平均电流。
【文档编号】H02P27/08GK103780170SQ201310199108
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年5月24日 优先权日:2012年5月25日
【发明者】杰森·威廉·劳伦斯, 马尔科·约翰·科博伊希, 斯蒂芬·詹姆斯·桑切斯, 约翰·L·梅兰森, 米罗斯拉夫·奥利亚恰 申请人:凌云逻辑公司