用于在启动期间校准永磁无刷电机的无传感器控制的电路与方法
【专利摘要】本发明公开一种用于控制无传感器BLDC中的电机切换的系统，所述无传感器BLDC具有有三个定子绕组的定子和永磁转子。系统包括控制器单元，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。通过控制器单元控制的功率级具有多个开关，并且所述功率级用脉冲宽度调制信号驱动三个定子绕组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。处理单元计算阈值，当解调制的测量的电压超过阀值时，功率级将在所述阈值下改变三个定子绕组中受驱动的两个绕组。
【专利说明】用于在启动期间校准永磁无刷电机的无传感器控制的电路与方法
[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号以及2012年8月23日申请的标题为“Methodfor Estimation of Current Influence on Motor Voltage Response，，的美国临时申请案第61/692，551号的权益，所述美国临时申请案全文以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，且更特定而言，涉及在启动期间校准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破损或磨损的额外零件，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在较高速度(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在负载下的“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发生且通常在电机获得足够速度后就不再存在的现象。抖动产生的原因是，在低速或零速下，无传感器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受阻于低速高转矩操作，例如电动车辆/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能导致电机过早烧毁。
[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。在无传感器控制情况下，还包括反馈电路，具体来说，为检测网络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可用于检测横越受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。本领域技术人员可容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]控制信号产生器12通常由低电压源供电。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驱动技术的本领域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)位置指定驱动哪个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，对本领域技术人员而言显而易见的是，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，那么所得的转矩将使永磁N极42立即移动到V相40之后的位置并使永磁S极3位即移动到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，必须将功率级16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Vpwl^K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1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1中概述且在图3中进一步图示通常被称为6步换向方法的步骤顺序的高级描述。
[0014]表1:用于图2中所示的Y形连接电机的六步换向顺序图2
[0015]
【权利要求】
1.一种控制在无传感器BLDC电机中的电机切换的方法，所述方法包含以下步骤: 获得未驱动绕组上的解调制的测量电压；以及设定阈值，当所述解调制测量的电压超过所述阈值时，电机将在所述阈值下切换三个绕组的集合中的受驱动的两个绕组。
2.根据权利要求1所述的方法，其中获得所述未驱动相位上的所述解调制的测量电压进一步包含模型化所述电机。
3.根据权利要求1所述的方法，其中获得所述未驱动相位上的所述解调制的测量电压进一步包含: 在三个绕组的集合中的两个绕组上驱动脉冲宽度调制信号； 测量三个绕组的所述集合中的所述未驱动绕组的电压；以及 解调制所述测量电压。
4.根据权利要求3所述的方法，其中获得所述解调制的测量电压进一步包含:在所述电机开始施加转矩时，获得所述解调制的测量电压。
5.根据权利要求3所述的方法，其中获得所述解调制的测量电压进一步包含:在每一所述电机开始施加转矩的实例中，获得所述解调制的测量电压。
6.根据权利要求3所述的方法，其中获得所述解调制的测量电压进一步包含:在所述电机由用户使用时，实时获得所述解调制的测量电压。
7.根据权利要求3所述的方法，其中获得所述解调制的测量电压进一步包含:在所述转子保持实质上静止时，获得所述解调制的测量电压。
8.根据权利要求7所述`的方法，其中绕组的所述集合正向所述转子施加近似零的转矩。
9.根据权利要求3所述的方法，其中针对多达六个六分周的集合获得所述解调制的测量电压，并且其中非连续的六分周经驱动以获得所述解调制的测量电压。
10.根据权利要求9所述的方法，其中针对六个六分周的集合获得所述解调制的测量电压，并且所述阈值经计算为近似所述解调制的测量电压的平方的和的平方根。
11.根据权利要求3所述的方法，所述方法进一步包含:校准基于通过所述两个绕组的电流的补偿模型，其中所述补偿模型修改所述解调制的测量电压。
12.根据权利要求11所述的方法，其中针对至少一个六分周获得所述解调制的测量电压，所述六分周具有通过所述两个绕组的至少两个不同电流强度。
13.根据权利要求3所述的方法，所述方法进一步包含:校准基于通过所述两个绕组的电流的补偿模型，其中所述补偿模型修改所述阈值。
14.根据权利要求3所述的方法，其中所述脉冲宽度调制信号具有50%的占空比。
15.根据权利要求3所述的方法，其中获得所述解调制的测量电压进一步包含:当所述转子以一速度旋转时，获得所述解调制的测量电压，所述速度低于反EMF可用于六分周识别的速度。
16.根据权利要求15所述的方法，所述方法进一步包含:校准基于通过所述两个绕组的电流的补偿模型，其中所述补偿模型修改所述解调制的测量电压。
17.根据权利要求15所述的方法，所述方法进一步包含:校准基于通过所述两个绕组的电流的补偿模型，其中所述补偿模型修改所述阈值。
18.根据权利要求3所述的方法，所述方法进一步包含:识别绕组对以驱动最大化在所述所需旋转方向上的可得转矩。
19.根据权利要求1所述的方法，其中所述电机为三相永磁电机。
20.—种用于控制无传感器BLDC电机中的电机切换的系统,所述电机包含具有三个定子绕组的定子和永磁转子，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所述三个定子绕组中的两个绕组，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的测量电压；以及 其中所述处理单元计算阈值，当所述解调制的测量的电压超过所述阀值时，所述功率级将在所述阈值下改变所述三个定子绕组中的受驱动的两个绕组。
21.根据权利要求20所述的系统，其中所述控制器单元附接到所述电机。
22.根据权利要求20所述的系统，所述系统进一步包含储存在所述电机存储器中的补偿模型，其中所述补偿模型将所述阈值和所述解调制的测量电压中的至少一个修改为电机特性和操作条件中的至少一个的函数。
23.根据权利要求20所述的系统，所述系统进一步包含闸，在所述功率级驱动所述两个绕组时，所述闸将所述转子保持在实质上静止的位置中。
24.根据权利要求20所述的系统，其中在启动后程序化所述控制器单元以将所述受驱动绕组以非循序顺序换向直到计`算所述阈值，从而在电机启动期间最小化所述转子的运动。
【文档编号】H02P6/18GK103780172SQ201310199335
【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】斯蒂芬·詹姆斯·桑切斯, 马尔科·约翰·科博伊希, 布拉尼斯拉夫·彼特, 约翰·L·梅兰森 申请人:凌云逻辑公司