专利名称：用于无传感器无刷电动机的控制电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于无传感器无刷电动机的控制电路。
背景技术：
无刷直流(DC)电动机(电子换向电动机)为本技术领域所熟知。其中各相绕组在适当的时候被顺序激励，以产生一个与永磁转子相关的旋转磁场。该顺序激励的计时是一个与被激励的特定相绕组相关的永磁转子的位置的函数。迄今为止，多种方式已经被应用于传感相对于各相绕组的永磁转子的位置。这些方式包括利用光学传感器和霍耳效应器件向开关逻辑电路馈入一个位置信号，使后者有选择地接通或切断对相应各相绕组的激励。但是，这样的传感器件增加了系统的成本与复杂性，而且有时需要维护以确保持续正常运转。在某些高流量/功率的应用中，诸如哪些工作于350伏的电动机，霍耳传感器是一个普遍的失败点。
于是，传感器器件的缺点导致的一个结果是，注意力一直被集中在无传感器系统，但是这些系统并不是基于任何对转子位置自身的直接传感的。一般而言，无传感器系统被用于测量受到激励的绕组中由转动转子所产生的反电动势(BEMF)的影响。例如，在梯形三相无刷直流电动机(BLDC)中，多相电流被应用为一个双极形式；即，当三相中的两相被驱动，剩下的一相被去激励。相绕组相对于一个中性点的转换确定了(30电角度后)控制电路激励下一对相绕组的时间瞬间。从而，无传感器BLDC电动机的控制电路应该具有关于该电动机相绕组的中性电压的信息。
三相电动机的中性电压可以被直接地或间接地测量。对Y形绕电动机而言，一个中间抽头可以被直接与电动机绕组的中性点相连结(也就是，三相线圈的共用点原理性地被排列成类似字母“Y”)。但是，对于三角形绕电动机而言，由于各相绕组被设定为三角形的排列而不存在中性点。于是，由于可以既适用于三角形绕电动机也可以适用于Y形绕电动机，并且不会因为为Y形绕电动机制造额外的中间抽头而产生额外的成本，直接测量中性电压的方法被普遍选用。这种间接方法的优点在于，在任意给定的时间瞬间中，存在梯形反电动势的无刷电动机的中性电压为三相电压之和除以三。同样地，系统只需要传感三相绕组中每一个上的电压以间接地确定中性电压。
但是，这种反电动势传感技术的一个缺点源于这样的事实，反电动势直接地与电动机的速度成比例。一旦电动机达到足够的速度，所产生的反电动势将达到足够的量值由于电动机的闭合回路控制而被探测到。在此之前，常规的无传感器电动机驱动典型地在开环模式下加速电动机，其中换向信号被以一个速率提供，该速率被设计为近似于一个给定电动机/负载的组合的加速性能。令人遗憾的是，在低速条件下不能精确地探测反电动势的值会导致转子位置不准确，而且甚至可能失去同步。
发明内容
因此，本发明提供一种用于电子换向具有多个与之相关的相绕组的电动机的方法，该方法包括传感由每一个相绕组产生的反电动势(BEMF)；对每一个相绕组，将被传感的反电动势的量值定标为一个标准化的值以产生增益校正反电动势信号；其中所述增益校正反电动势信号被用于确定电动机的一个转子位置。
本发明优选地使得在相对低速条件下精确地换向闭环模式下的无刷机器成为可能。
优选地，本发明提供了一种方法和系统用来改进对无传感器无刷直流电动机的闭环控制。
在一个优选的实施例中，自动增益控制电路被配置用来定标被传感的反电动势值的量值。
该标准化值优选地基于电动机的直流母线电压的约一半值。
优选地，能够确定何时增益校正反电动势信号的量值越过电动机的一个中性电压。进一步，能够基于对所述增益校正反电动势信号越过所述电动机中性电压的确定，向逆变器提供一个控制信号。该逆变器优选地用于有选择地使电流被提供到多个相绕组。
根据一个优选的实施例，被传感的反电动势值是各相绕组所产生的反电动势被衰减后的值。
另一方面，发明提供了一种用于无传感器无刷电动机的控制电路，它包括控制器，用于接收由电动机的多个相绕组中的每一个所产生的被传感的反电动势(BEMF)；以及自动增益控制电路，用于为每一个相绕组将被传感的反电动势量值定标为一个标准化的值以产生增益校正反电动势信号；其中所述增益校正反电动势信号被所述控制器用来确定电动机的一个转子位置。
优选地，该控制电路包含有一个与各相绕组相连的衰减器。该衰减器优选地产生被传感的反电动势值，即各相绕组所产生的反电动势被衰减后的值。
优选地，该标准化值基于电动机的直流母线电压的约一半值。
优选地，能够确定何时增益校正反电动势信号的量值越过电动机的一个中性电压。优选地，提供一个由控制器供给的控制信号所操作的逆变器。该逆变器优选地用于，基于控制器对所述增益校正反电动势信号越过所述电动机中性电压的确定，有选择地使电流加到多个相绕组。
优选地，该中性电压是利用多个相绕组中每一个相绕组的电压计算出来的。
再一方面，本发明提供了一种无传感器无刷电动机，它包括被直流源激励的多个相绕组；逆变器，用于通过被选择的相绕组，顺序地提供来自所述直流源的相电流；控制器，用于接收由电动机的所述多个相绕组中的每一个所产生的被传感的反电动势(BEMF)，所述控制器提供相应控制信号以控制所述逆变器的开关；以及自动增益控制电路，用于对于所述多个相绕组的每一个，将被传感的反电动势量值定标为一个标准化值以产生增益校正反电动势信号；其中所述增益校正反电动势信号被所述控制器用来确定电动机的一个转子位置。
优选地，该电动机包括一个与各相绕组相连的衰减器。该衰减器优选地有效产生被传感的反电动势值，即各相绕组所产生的反电动势的被衰减后的值。
优选地，该标准化值基于电动机的直流母线电压的约一半值。
优选地，该控制器包括用来确定何时增益校正反电动势信号的量值越过电动机的一个中性电压的装置。进一步优选地，该逆变器由控制器供给的控制信号所操作。该逆变器优选地用于，基于控制器对所述增益校正反电动势信号越过所述电动机中性电压的确定，有选择地使电流被提供给多个相绕组的电流。
优选地，该中性电压是利用所述多个相绕组中每一个相绕组的电压计算出来的。
下面参照附图以例子的方式描述本发明一个优选的实施例图1是一个现有的用于无传感器无刷直流电动机的控制电路的原理图；图2是举例说明反电动势波形和图1中电动机的相应换向状态的时序图；图3是根据发明的一个优选实施例的用于无传感器无刷直流电动机的改进的控制电路的原理图。
具体实施例方式
首先参见图1，图中示出了一个现有的用于无传感器无刷直流电动机12的控制电路10的原理图。如该技术领域所熟知的那样，逆变器14被用于对直流母母线16提供给电动机12的相电流进行电子变向。对于具有三个相绕组的电动机，常用的逆变器14包括了六个独立的受控开关器件，在图1中被指定为Q1到Q6。如例子所示，开关器件是绝缘栅双极晶体管(IGBTs)；但是，也可以使用其他类型的固态开关器件。
绝缘栅双极晶体管Q1、Q3和Q5选择性地将电动机三相的每一相连结到直流母线16的阳边，同时Q2、Q4和Q6选择性地将电动机三相的每一相连结到直流母线16的阴边。每一个绝缘栅双极晶体管由加到其栅极引出线的适当的控制信号所决定，以特定顺序被激励或去激励。包括微处理器的控制器20被用于生成这些用来激励或去激励电动机绕组的控制信号。如前所述，一种精确地确定向无传感器系统中的开关器件提供控制信号的适当时间的方法是监控去激励相的反电动势。如图1所示，相电压在被衰减到适合微处理器逻辑电路的适当电平后被输入到控制器20。如例子所示，分压器22以大约130的因数衰减了电动机12的相电压(峰值相电压约为450伏)，以使得峰值被传感电压约为3.3伏。于是，被衰减的相电压信号24被直接地输入到控制器20。
更具体地，在反电动势传感中，观测去激励相用于中性转换(也就是说，去激励相的电压越过电动机中性电压的值)。这种转换标记了电动机驱动激励下一相对的时间之前30电角度的时间瞬间。于是，控制器20包含了适当的零交叉检测电路，如该技术领域所熟知，用于检测中性电压交叉。控制器20也可以利用软件执行零交叉检测功能。
现在参见图2，时序图说明了在一个360电角度换向周期下，电动机12每一相的特定反电动势的曲线图。如图所示，以60电角度划分的六个独立换向“状态”，分别对应表示一对特定晶体管中的哪一个被激励以产生在一个相绕组中的定向电流。在所示的例子中，与Q1和Q2相耦合的相绕组被定为A相，与Q3和Q4相耦合的相绕组被定为B相，与Q5和Q6相耦合的相绕组被定为C相。
在30度，晶体管Q1和Q6被激励(状态1)，导致电流经过A相到C相。Q1和Q6的激励计时由B相电压越过中性点的上升变换所触发(如曲线B所示)。在90度，A相电压向下越过中性点，从而触发对Q3和Q6的激励(状态2)并且导致电流经过B相到C相。然后，在150度，C相电压向上越过中性点，触发对Q3和Q2的激励(状态3)，产生电流经过B相到A相。
在210度，B相电压向下越过中性点，于是触发对Q5和Q2的激励(状态4)并且导致电流从C相到A相。接着，在270度，A相电压向上越过中性点，触发对Q5和Q4的激励(状态5)，产生电流从C相到B相。最后，在330度，C相电压向下越过中性点，触发对Q1和Q4的激励(状态6)，产生电流从A相到B相。
如前面所讨论的，图1和2所示的无传感器控制类型存在一个重大的缺陷，即电动机产生的反电动势决定于该电动机的反电动势常数和该电动机的速度。例如，假定电动机12的反电动势常数为100伏/1000转/分，并且需要在该电动机被加速到300转/分时能够执行对该电动机12的闭环回路控制。在此速度下，在相绕组中产生的峰值反电动势电压为大约30伏。被分压器22衰减后，控制器20所见的在电动机转速为300转/分下的实际峰值反电动势电压粗略为230毫伏。
进一步假定，例如，该控制器具有一个10位(bits)的模拟/数字转换(A/D)结果(也就是说，1024个离散电平)，则3.3伏全定标读数的量化因数被换算为每离散电平3.222毫伏。于是，如果峰值反电动势电压只有230毫伏，那么可用的1024个电平中只有230/3.222＝72个离散电平被用于检测反电动势以及由此计算中性电压。那么不出意外地，当在接收相对低振幅的反电动势信号时，用控制器20来计算精确的换向瞬间是存在相当的问题的。结果，常规系统一直依赖开环控制直到电动机被加速到一个足够的速度，使得被传感的反电动势电压的振幅足够大到能够被控制器可靠地用于计算换向瞬间。
因此，根据本发明的一个优选实施例，披露了一种改进的无传感器无刷直流电动机的闭环回路控制方法。简言之，自动增益控制(AGC)在计算中性电压中被用于标准化被传感反电动势的量值，从而为零电压交叉检测电路提供改进的信号完整性。结果，当电动机正工作在较低速度时，可靠的闭环控制可以在较早的时间开始。
现在参见图3，该图所示为用于图1中的无传感器无刷直流电动机的改进的控制电路100。为便于描述，与图1中相同的元件在图3中被标以相同的参考数字。如图所示，每一个来自电动机12的被衰减的反电动势相电压信号24被耦合到一个相应的自动增益控制(AGC)电路102。本领域的技术人员将认识到增益控制电路是这样的电路，它向到达其的输入信号施加连续的可变增益，从而使得从其的输出达到一个预先确定的振幅要求。例如，电视机利用自动增益控制保证图像的色彩和亮度被保持而不受信号振幅的影响。
更具体地说，每一个自动增益控制电路102将一个相关相的被衰减的反电动势相电压信号24作为向其的第一输入，以及一个增益控制信号104作为向其的第二输入。增益控制信号104的值取决于被衰减的反电动势电压信号24的振幅，该信号也是被直接地输入到控制器20。此外，被衰减的反电动势电压信号24的振幅取决于电动机12的速度。如此，增益校正后输出的反电动势信号106的增益被动态控制，使得控制器20所见的反电动势被定标为固定水平。由于控制器20输出的增益控制信号104是作为向自动增益控制电路102输入的反馈，从而自动增益电路102提供了一个增益控制的闭环回路形式。
因为相同的增益被同时加到所有三相的线上，中性电压(三相电压之和除以三)的换向保持不受影响。尽管反电动势值的标准化能够被定标为任何预先确定的数值，但优选地是将自动增益电路被编程为迫使所需要的任何增益将中性电压定标为大约一半直流母线16电压。
这样配置后，由于电动机驱动起始参数很少为电动机速度/负载所决定，具有自动增益控制的控制电路100允许在较低的电动机速度下进行对中性相电压的检测。随着被定标的中性电平被限制在一个预先确定的水平，由于使用了所有可用分辨率，控制器20之中的数据获取系统能够获得最大精确度。结果，能较少考虑各电动机的特殊性而起动各种电动机，所述电动机的特殊性取决于特定负载/电动机组合。另外，由于此处所述的技术对于脉冲宽度调制(PWM)信号的重建很有效，具有自动增益控制的控制电路特别适用于电动机的脉冲宽度调制控制。不过，本发明实施例的原理也同样适用于那些线性系统控制下的电动机。
权利要求
1.一种用于电子换向具有多个与之相关的相绕组的电动机的方法，所述方法包括传感由每一个相绕组产生的反电动势信号(BEMF)；对于每一个相绕组，将被传感的反电动势的量值定标为一个标准化的值，以产生增益校正反电动势信号；其中所述增益校正反电动势信号被用于确定电动机的一个转子位置。
2.如权利要求1所述的方法，还包括为所述定标被传感的反电动势的量值配置一个自动增益控制电路。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述标准化值基于电动机的直流母线电压的约一半值。
4.如权利要求2所述的方法，进一步包括确定何时所述增益校正反电动势信号的量值越过电动机的一个中性电压；基于对所述增益校正反电动势信号越过所述电动机中性电压的确定，向一个逆变器提供控制信号，所述逆变器用于有选择地使电流被提供给多个相绕组。
5.一种用于无传感器无刷电动机的控制电路，包括控制器，用于接收由电动机的多个相绕组中的每一个所产生的被传感的反电动势(BEMF)；自动增益控制电路，用于为每一个相绕组将被传感的反电动势的量值定标为一个标准化的值以产生增益校正反电动势信号；其中所述增益校正反电动势信号被所述控制器用来确定电动机的一个转子位置。
6.如权利要求5所述的控制电路，进一步包括一个与各相绕组相连的衰减器，所述衰减器产生反电动势值，它们是由相绕组产生的被传感的反电动势被衰减后的值。
7.如权利要求6所述的控制电路，其中所述标准化值基于电动机直流母线电压的约一半值。
8.如权利要求6所述的控制电路，进一步包括用于确定何时所述增益校正反电动势信号的量值越过电动机的一个中性电压的装置；由所述控制器供给的控制信号操作的逆变器，所述逆变器用于，基于所述控制器对所述增益校正反电动势信号越过所述电动机中性电压的确定，有选择地使电流被提供给多个相绕组。
9.如权利要求8所述的控制电路，其中所述中性电压是利用所述多个相绕组中每一个相绕组的电压计算出来的。
10.一种无传感器无刷电动机，包括被直流源激励的多个相绕组；用于通过所选择的相绕组从所述直流源顺序地提供相电流的逆变器；以及权利要求5、6或7中所述的控制电路，该控制电路的控制器提供相应控制信号以控制所述逆变器的开关。
全文摘要
一种用于电子换向具有多个与之相关的相绕组的电动机的方法。在一个典型的实施例中，该方法包括传感由每一个相绕组产生的反电动势信号(BEMF)，并对于每一个相绕组，将被传感的反电动势的量值定标为一个标准化的值以产生增益校正反电动势信号。该增益校正反电动势信号被用于确定电动机的转子位置。
文档编号H02P6/14GK1633744SQ03804073
公开日2005年6月29日 申请日期2003年5月29日 优先权日2002年6月21日
发明者T·特里菲洛 申请人:国际商业机器公司