用于检测电动机的位置的电路和方法

用于检测电动机的位置的电路和方法
【专利摘要】一种用于检测电动机位置的电路和方法。所述电路包含用于产生脉冲宽度调制信号的控制电路、高侧晶体管以及低侧晶体管、电阻器以及微控制器。所述高侧晶体管以及所述低侧晶体管产生经配置以驱动所述电动机的电压信号。耦接到所述低侧晶体管的所述电阻器响应于电动机电流以及反电动势信号而产生感测信号。所述微控制器控制所述控制电路。所述脉冲宽度调制信号用以控制所述高侧晶体管以及所述低侧晶体管以用于产生所述电压信号。所述高侧晶体管耦接到输入电源。所述低侧晶体管经由所述电阻器而耦接到接地。所述控制电路根据所述感测信号而决定所述电动机位置。
【专利说明】用于检测电动机的位置的电路和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及永磁(permanent magnet,简称为PM)电动机控制技术,尤其涉及用于检测电动机的位置的电路和方法。
【背景技术】
[0002]无刷永磁同步电动机(PermanentMagnet Synchronous Motors,简称为 PMSM)为一种无传感器永磁电动机，且为由交流(Alternating Current,简称为AC)电输入驱动的电动机。如果可检测到无传感器永磁电动机的启动位置，那么电动机可毫无冲击地启动。
[0003]PMSM包括绕线定子(wound stator)、永磁转子组合件以及用以感测转子位置的装置。感测装置提供用于按恰当序列以电子方式切换定子绕组(stator winding)以维持磁体组合件的旋转的信号(电动机位置)。一般而言，感测装置为霍尔传感器(hall-sensor)。然而，所述霍尔传感器将会增加电动机的成本以及具备可靠性问题。因此，无传感器控制变成对市场上的永磁电动机控制的主要条件。

【发明内容】

[0004]本发明提供一种用于检测电动机的位置的电路和方法。
[0005]本发明提供一种用于检测电动机的位置的电路。所述电路包括用于产生脉冲宽度调制(PWM)信号的控制电路、高侧晶体管以及低侧晶体管、电阻器以及微控制器。所述高侧晶体管以及所述低侧晶体管产生经配置以驱动所述电动机的电压信号。耦接到所述低侧晶体管的所述电阻器响应于电动机电流以及反电动势(back-EMF)信号而产生感测信号。所述微控制器经配置以控制所述控制电路。所述脉冲宽度调制信号经配置以控制所述高侧晶体管以及所述低侧晶体管以用于产生所述电压信号。所述高侧晶体管耦接到输入电源。所述低侧晶体管经由所述电阻器而耦接到接地。所述控制电路经配置以根据所述感测信号而决定电动机位直。
[0006]从另一方面来看，本发明进一步提供一种用于检测电动机的位置的方法。所述方法包括以下步骤:产生脉冲宽度调制信号；通过切换高侧晶体管以及低侧晶体管而产生经配置以驱动所述电动机的电压信号；响应于所述电动机的反电动势信号而产生流经电阻器的感测信号。所述方法更包括:通过利用用于控制所述高侧晶体管以及所述低侧晶体管的所述脉冲宽度调制信号而产生所述电压信号；根据所述感测信号而决定所述电动机的所述位置。
【专利附图】

【附图说明】
[0007]包含附图以提供对本发明的进一步理解，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。所述【专利附图】

【附图说明】本发明的示范性实施例，且与描述一起用以解释本发明的原理。
[0008]图1为本发明实施例一永磁电动机的结构示意图；
[0009]图2为本发明实施例另一永磁电动机的结构示意图；[0010]图3为本发明实施例的电动机控制设备的电路图；
[0011 ]图4为本发明实施例的3相电动机电压信号VA、VB以及VC的波形；
[0012]图5为本发明实施例的永磁电动机的等效模型；
[0013]图6为根据本发明实施例的控制电路；
[0014]图7为本发明实施例的一等效电路；
[0015]图8为本发明实施例的反电动势的波形；
[0016]图9为本发明实施例的反电动势的波形以及输出信号；
[0017]图10为本发明实施例用于检测电动机位置的方法。
[0018]附图标记说明:
[0019]10:高侧晶体管；
[0020]15:低侧晶体管；
[0021]20:高侧晶体管；
[0022]25:低侧晶体管；
[0023]30:高侧晶体管；
[0024]35:低侧晶体管；
[0025]40:定子磁链；
[0026]45:转子磁链；
[0027]50:永磁(PM)电动机；
[0028]70:电阻器；
[0029]80:电阻器；
[0030]90:电阻器
[0031]100:控制电路；
[0032]110:脉冲宽度调制(PWM)电路；
[0033]150:比较器；
[0034]151:偏压源；
[0035]160:比较器；
[0036]161:偏压源；
[0037]170:比较器；
[0038]171:偏压源；
[0039]190:三态缓冲器；
[0040]200:微控制器(MCU);
[0041]500:永磁电动机的等效模型；
[0042]S1010:步骤；
[0043]S1020:步骤；
[0044]S1030:步骤；
[0045]S1040:步骤；
[0046]S1050:步骤；
[0047]A:定子绕组；
[0048]ADR_1:地址信号；[0049]ADR_2:地址信号；
[0050]ADR_N:地址信号；
[0051]B:定子绕组；
[0052]C:定子绕组；
[0053]DATA_BUS:数据总线；
[0054]EMF，电动势源；
[0055]EMF_A:反电动势；
[0056]EMF_B:反电动势；
[0057]EMF_C:反电动势；
[0058]Is:电动机相位电流；
[0059]L:绕组电感；
[0060]OA:输出信号；
[0061]OB:输出信号；
[0062]OC:输出信号；
[0063]R:绕组电阻；
[0064]Ra:电阻；
[0065]Rb:电阻；
[0066]Rc:电阻；
[0067]Sa:感测信号；
[0068]Sb:感测信号；
[0069]Sc:感测信号；
[0070]U:脉冲宽度调制(PWM)信号；
[0071]V:脉冲宽度调制(PWM)信号；
[0072]Va:电压信号；
[0073]VB:电压信号；
[0074]Vc:电压信号；
[0075]VIN:输入电源；
[0076]Vs:电动机电压信号；
[0077]VTA:阈值；
[0078]VTb:阈值；
[0079]VT。:阈值；
[0080]W:脉冲宽度调制(PWM)信号；
[0081]X:脉冲宽度调制(PWM)信号；
[0082]Y:脉冲宽度调制(PWM)信号；
[0083]Z:脉冲宽度调制(PWM)信号；
[0084]Θ:相位角。
【具体实施方式】
[0085]永磁电动机提供高效率、小尺寸、快速动态响应、低噪音以及高可靠性等优势。通常利用磁场定向控制(field oriented control,简称为FOC)以及DQ控制来驱动永磁电动机。
[0086]图1为本发明实施例一永磁电动机的结构不意图；图2为本发明实施例另一永磁电动机的结构示意图。参看图1所示，相位角Θ存在于定子磁链(stator flux)40与转子磁链(rotor flux)45之间。为了实现高效无传感器电动机控制，当永磁电动机速度高于特定值时，磁场定向控制(FOC)将相位角Θ调节为约等于90°。需要说明的是，参见图2所不，定子磁场40与转子磁场45为正交的。
[0087]图3为本发明实施例的电动机控制设备的电路图。参见图3所示，电动机控制设备经配置以用于控制永磁(PM)电动机50。电动机控制设备包括控制电路100、高侧晶体管10、高侧晶体管20和高侧晶体管30以及低侧晶体管15、低侧晶体管25和低侧晶体管35、电阻器70、电阻器80和电阻器90以及微控制器(microcontroller ；MCU) 200。永磁(PM)电动机50包括定子绕组A、定子绕组B和定子绕组C。高侧晶体管10、低侧晶体管15、高侧晶体管20、低侧晶体管25、高侧晶体管30和低侧晶体管35形成经配置以分别驱动定子绕组A、定子绕组B和定子绕组C的三相桥式驱动器。高侧晶体管(例如，高侧晶体管10、高侧晶体管20和高侧晶体管30)耦接到输入电源VIN。低侧晶体管(例如，低侧晶体管15、低侧晶体管25和低侧晶体管35)通过电流感测电阻器70、电阻器80和电阻器90而耦接到接地。电流感测电阻器70、电阻器80和电阻器90经配置以检测电动机电流以及反电动势(称为back-EMF)。电阻器70的端子与定子绕组A通过低侧晶体管15而彼此串联耦接。电阻器70的另一端子连接到接地。电阻器80的端子与定子绕组B通过晶体管25而彼此串联耦接。电阻器80的另一端子连接到接地。电阻器90的端子与定子绕组C通过晶体管35而彼此串联耦接。电阻器90的另一端子连接到接地。电阻器70、电阻器80和电阻器90响应于电动机电流以及反电动势信号而分别产生感测信号SA、感测信号SB、感测信号SC。
[0088]控制电路100产生脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，简称为PWM)信号U、脉冲宽度调制(PWM)信号X、脉冲宽度调制(PWM)信号V、脉冲宽度调制(PWM)信号Y、脉冲宽度调制(PWM)信号W和脉冲宽度调制(PWM)信号Z，所述PWM信号经配置以分别驱动/控制高侧晶体管10、低侧晶体管15、高侧晶体管20、低侧PWM信号晶体管25、高侧晶体管30和低侧晶体管35。PWM信号U、PWM信号X、PWM信号V、PWM信号Y、PWM信号W和PWM信号Z经配置以控制高侧晶体管10、高侧晶体管20和高侧晶体管30以及低侧晶体管15、低侧晶体管25和低侧晶体管35，以用于产生感测信号(例如，感测信号Sa、感测信号Sb和感测信号S。)/电压信号(例如，电压信号Va、电压信号Vb和电压信号V。)。微控制器(MCU) 200通过数据总线DATA_BUS以及地址信号ADR_N来控制所述控制电路100。微控制器200包括程序存储器、数据存储器以及用于运行程序指令的振荡器。图4为本发明实施例的3相电动机电压信号\、Vb以及V。的波形，参见图4所示，根据微控制器200的程序指令，控制电路100将产生PWM信号U、PWM信号X、PWM信号V、PWM信号Y、PWM信号W和PWM信号Z，以产生用于驱动永磁(PM)电动机50的3相电动机电压信号\、电压信号Vb和电压信号V。。PWM信号U、PWM信号X、PWM信号V、PWM信号Y、PWM信号W和PWM信号Z是根据图4所示的元素“責任(Duty)”以及ΘΧ而产生。
[0089]参见图4所示，3相电动机电压信号VA、Vb以及V。的振幅由元件Duty编程。3相电动机电压信号\、电压信号Vb以及电压信号V。的角度由兀素θ X决定。[0090]图5为本发明实施例的永磁电动机的等效模型。永磁电动机的等效模型500包括用于产生电动机电压信号Vs的电动机电压信号源、绕组电阻R、绕组电感L以及电动势源EMF(例如，反电动势)。施加电动机电压信号Vs以驱动永磁电动机。电动机相位电流Is、绕组电感L、绕组电阻R、电动机电压信号Vs与EMF之间的关系可表达为方程式(I)。
【权利要求】
1.一种用于检测电动机位置的电路，其特征在于，包括: 控制电路，产生脉冲宽度调制信号； 高侧晶体管以及低侧晶体管，产生经配置以驱动所述电动机的电压信号； 电阻器，耦接到所述低侧晶体管，用于响应于电动机电流以及反电动势信号而产生感测信号； 微控制器，经配置以控制所述控制电路； 其中所述脉冲宽度调制信号经配置以控制所述高侧晶体管以及所述低侧晶体管，以用于产生所述电压信号；高侧晶体管耦接到输入电源；所述低侧晶体管经由所述电阻器而耦接到接地；所述控制电路经配置以根据所述感测信号而决定电动机位置。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述感测信号是响应于所述电动机的所述反电动势信号而产生，用于决定所述电动机位置。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述感测信号是通过在所述高侧晶体管切断且所述低侧晶体管接通时，检测所述电动机的所述反电动势信号而产生。
4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述控制电路包括: 比较器，经配置以检测所述感测信号， 其中所述微控制器经配置以接收所述比较器的输出信号。
5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述微控制器包括程序存储器、数据存储器以及振荡器。
6.一种用于检测电动机的位置的方法，其特征在于，包括: 产生脉冲宽度调制信号； 通过切换高侧晶体管以及低侧晶体管而产生经配置以驱动所述电动机的电压信号；以及 响应于所述电动机的反电动势信号而产生流经电阻器的感测信号； 通过利用控制所述高侧晶体管以及所述低侧晶体管的所述脉冲宽度调制信号而产生所述电压信号；以及 根据所述感测信号而决定所述电动机的所述位置。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电阻器耦接到所述低侧晶体管，以用于检测电动机电流。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述脉冲宽度调制信号由控制电路产生；所述控制电路由微控制器控制。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述感测信号是通过在所述高侧晶体管切断且所述低侧晶体管接通时，检测所述电动机的所述反电动势信号而产生。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述控制电路包括: 比较器，经配置以检测所述感测信号， 其中所述微控制器经耦接以接收所述比较器的输出信号。
【文档编号】H02P6/18GK103701373SQ201310488203
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年10月17日 优先权日:2012年10月17日
【发明者】林奕圻, 吴永盛 申请人:崇贸科技股份有限公司, 快捷半导体(苏州)有限公司