专利名称：驱动马达用的设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种驱动电动马达的设备和方法，特别涉及需要探测转子位置的驱动电动马达的设备和方法。
本申请是基于在日本提交的专利申请H10-191429号，在此一并公开作为参考。
为了驱动包含一个三相定子绕组(包括分别对应于U、V、W相的三个线圈)的无刷直流(DC)马达，一般通过没有通电流的线圈中(以下称线圈的这种状态为非通电相位)产生的感生电压来探测无刷直流马达中的转子的位置，并且基于探测到的转子的位置通过改变为驱动马达而通电流的线圈(以下称线圈的这种状态为通电相位)来驱动无刷DC马达。然而，在刚启动时，因为无刷DC马达的转动速度比较慢，在非通电相位下的定子线圈中产生的感生电压不够大，因此不能有效地探测到转子的位置。所以，迄今在启动时一直进行“同步动作”，在这过程中在指定时间，不管DC马达的转子位置如何，通过改变通电相位以驱动马达。同样，借助于无刷DC马达的转动速度高于一指定值，进行一“位置探测动作”，其中基于转子的位置通过改变通电相位来驱动无刷DC马达。
然而，同步动作需要一过激动作，并且在无刷DC马达中通大电流这一问题一直存在。同样在同步动作中，流经无刷DC马达的电流也不稳定，这样又引起另一个问题，即无刷DC马达的振动加剧。
本发明的目的正是解决上述问题，并企图提供一种驱动具有三相定子绕组的马达的设备和方法，以减小在启动时流经马达的电流和马达的振动。
在本发明的第一个方面，这种设备包括一个具有开关元件的DC/AC转换器，一个用于探测马达转子位置的位置探测器，和一个为控制DC/AC转换器的开关动作以改变马达的定子绕组通电相位的控制器。DC/AC转换器通过开关元件的开关动作把从直流电源的输出转变成交流电，并且把交流电输给马达。
在马达启动时，控制器控制开关动作以进行位置探测动作。位置探测动作包括以下步骤给马达定子绕组的第一通电相位通一电流使转子定位于一特定位置；给定子绕组的第二通电相位通一电流开始转动转子；以及在转子开始转动后经过一特定时间，基于由位置探测器探测到的转子的位置来改变定子绕组的通电相位。
在这种设备中，在定位之后，控制器可以通过切断定子绕组的电流来控制开关动作，并且给定子绕组的第二通电相位通电流以使转子转动。
在这种设备中，特定时间可以是从转动开始使转子转动到一特定角度例如30℃所需的时间。
在本发明的第二个方面，提供一种驱动马达的方法，这种方法通过探测转子的位置和基于探测到的转子位置来改变定子绕组的通电相位来实现。该方法包括以下步骤a)在马达启动之前，通过给定子绕组第一通电相位通一电流使转子定位于一特定位置，b)切断定子绕组的第一通电相位，b)通过给定子绕组的第二通电相位通电流来转动转子，以及d)在转子开始转动一特定时间之后探测转子的位置，并基于探测到的转子位置来改变通电相位。
根据本发明，在无刷DC马达起动时，在没有进行同步动作时进行位置探测动作，其中在探测到转子位置的情况下改变转子绕组的通电相位。因此，在马达起动时，没有必要进行同步动作，这使在启动时的马达电流和振动减小了。
随着下面结合附图对说明书和权利要求书的描述，更利于全面了解本发明及其它目的和优点。
图1是根据本发明的马达驱动设备的方框图；图2A是驱动信号模式和通电相位的关系表；图2B是解释在无刷DC马达的定子绕组中产生的磁场的图；图3是在马达驱动设备中启动控制的流程图；图4A-4D是解释在启动时无刷DC马达的转子的轨迹图；图5A是说明在启动时无刷DC马达的转子的转动速度变化与时间的关系图；图5B是说明无刷DC马达产生的扭矩变化与时间的关系图；图6A是说明在启动时通电模式的顺序图；图6B是说明在启动时定子绕组在U相感生电压的图。
根据本发明最佳实施例的马达驱动设备在没有同步动作的情况下驱动具有三相定子绕组的无刷DC马达。为了这个目的，在启动之前，马达驱动设备通过给马达定子绕组的第一通电相位通电流来定位马达的转子，然后切断通电相位。之后，该设备通过给马达定子绕组的第二通电相位通电流开始转动无刷DC马达，并且在一预定时间之后基于探测到的位置开始驱动马达，即开始位置探测动作。下面将详细讨论该动作。
图1示出了该实施例的马达驱动设备。该马达驱动设备包括一个DC/AC转换器13，该转换器13把从DC电源11输出的DC电压转换成三相AC电压并把转换后的电压输给包含由分别对应于U、V、W相的三个线圈组成的三相定子绕组12b的无刷DC马达12；一个用于探测马达12的转子12a的位置探测器17；以及一个控制DC/AC转换器13的输出电压的相位和频率的控制器19。
位置探测器17探测无刷DC马达12的定子绕组12b在非通电相位下产生的感生电压的过零点，并且输出基于探测到的过零点的转子12a相对于控制器19的位置信息。
DC/AC转换器13具有六个高速开、关的开关元件13u-13w，3x-13z。通过这些开关元件13u-13w，13x-13z的开关动作，来自DC电源11的DC电压被转变成三相AC电压并且传输给无刷DC马达12。
控制器19通过DC/AC转换器13的控制开关元件13u-13w，13x-13z的开关动作，改变反馈给无刷DC马达12的AC电压的大小。在该动作中，控制器19通过改变定子绕组12b的通电相位来控制无刷DC马达12的频率。这种改变通过基于由位置探测器17探测到的转子12a的位置信息控制DC/AC转换器13的开关元件13u-13w，13x-13z的开/关动作来完成。
DC/AC转换器13的开关元件13u-13w，13x-13z由从控制器19输出的驱动信号来驱动。驱动信号有6种模式PTN1-PTN6，并且这些模式是顺序输出的。结果，定子绕组12b的通电相位相应于这些模式PTN1-PTN6而改变。
图2A是说明这些驱动信号模式PTN1-PTN6与对应于这些驱动模式PTN1-PTN6的定子绕组12b的通电相位以及在定子绕组12b中产生的磁场B1-B6之间的关系图。如图所示，对于模式PTN1，U相的上臂开关元件13u和V相的下臂开关元件13y接通以给对应于U相位和V相位的线圈通电。对于模式PTN2，U相的上臂开关元件13u和W相的下臂开关元件13z接通。对于模式PTN3，V相的上臂开关元件13v和W相的下臂开关元件13z接通。对于模式PTN4，V相的上臂开关元件13v和U相的下臂开关元件13x接通。对于模式PTN5，W相的上臂开关元件13w和U相的下臂开关元件13x接通。对于模式PTN6，W相的上臂开关元件13w和V相的下臂开关元件13y接通。
图2B示出了当开关元件13u-13w，13x-13z被上面的模式PTN1-PTN6驱动时产生的磁场B1-B6变化。如图所示，随着模式PTN1-PTN6的改变，磁场B1-B6也一个一个顺序的产生。在图2B中，箭头的方向表示磁场的方向。
基于由位置探测器17得到的非通电定子绕组12的感生电压，上面的模式由控制器19来改变。即，在感生电压的过零点或从过零点延迟一预定时间的时间点，改变模式。
下面参照图3的流程图来描述在启动时通过马达驱动设备中的控制器19的控制动作。
为启动无刷DC马达12，首先，固定转子12a，再通过第一特定模式给定子绕组通电使转子定位于一特定位置(S1)。例如，在启动之前当转子12a处于图4A所示的位置时，具有模式PTN4的通电产生磁场B4，使转子12a定位于图4B所示的位置。
然而，也可以用两种模式来实现转子12a的定位。例如，可以通过模式PTN3影响通电再通过模式PTN4影响通电，来完成定位。在这种连接中，如果仅用一种模式来定位，将存在转子12a被定位于不能启动的一个位置(死点)的情况，例如图4B所示的转子的磁电极被反转的情况。因此，用两个模式来定位可以避免使转子定位于死点位置。
在定位之后，用第一特定模式给定子绕组12b的通电被切断(S2)。这样做的目的是防止上臂开关元件和下臂开关元件同时合上而引起短路。此时如后所述为定位和启动转子12a的通电继续受影响。
接下来，通过用区别于第一特定模式的第二特定模式来通电定子绕组，使转子12a开始转动(S3)。例如，通过图4C所示的模式PTN6产生磁场B6，使转子12a转动起来。类似地，在定位之后用于启动转子12a的第二模式可最好设置为紧挨着已被用作定位的第一模式的第二模式，以便使开始转动的扭矩最大。
之后，确定自转子12a的转动开始后时间是否达到或超过特定时间ΔT(S4)。当自转动开始后还没有经过特定时间ΔT，即当转子12a还没有转到特定角度θ0，程序流程回到步骤S4。当自转动开始后已经过特定时间ΔT，即当转子12a已经转到特定角度θ0或超过θ0，则开始转子12a的位置探测(S5)。
如上所述，在特定时间ΔT内控制器19并没有探测转子12a的位置。这是为了在产生稳定的电压之前禁止探测转子位置来防止任何的误探测，因为在转子12a开始转动的前几步内转动速度太低以致不能产生足够大的感生电压。例如，特定时间ΔT可以被设置为从转子12a开始转动到转到一特定角度θ0所需的时间。作为一个例子，时间可以设置成从转子12a开始转动到转子12a转到磁场和转子12a磁电极方向正好彼此垂直(此处探测感生电压的过零点)即30℃所需的时间。
在这之后，开始位置探测动作(S6)(参照图4D)，在这过程中根据探测到的转子12a的位置相应地改变通电相位(模式PTN1-PTN6)。在为启动控制动作中，时间和无刷DC马达12的转动速度的关系以及时间和在无刷DC马达中产生的扭矩的关系分别如图5A、图5B所示。
图6A是说明在启动控制时驱动信号的模式变化图。图6B是结合图6A说明无刷DC马达的定子绕组12b在U相位感生电压的变化图。另外，在图6A和6B中，驱动信号模式(即通电相位)不仅在定子绕组12b的感生电压的过零点改变，而且在从过零点延迟一预定时间(相位延迟ΔΦ)时也改变。
在图6A中，在T0到T1时间内通过模式PTN4确定转子12a的位置，并且在T1到T2时间内切断通电。在T2时刻通过模式PTN6使转子12a开始转动。此时，控制器19并不用模式PTN6探测从转子12a开始转动的一特定时间ΔT内产生的感生电压以防止任何误探测。即，在转子12a开始转动到转过30℃之前控制器并不探测感生电压。同样，在图6A和6B中，当刚经过特定时间ΔT时探测感生电压的过零点，并且在时间从过零点延迟ΔΦ时(时间T3)改变模式。从时间Tz一直继续位置探测动作。
如图6A和图6B所示，特定时间ΔT可以设置为短于时间ΔT的时间ΔT′，只要该时间和得到定子绕组12b中的稳定的感生电压所需的时间一样长。另外，当一直保持模式PTN6时，为了使无刷DC马达12加速到这样一个频率，即在下面的位置动作中能够在定子绕组12b中得到足够大的感生电压所需的频率，必须在较大的启动负载比下驱动无刷DC马达12。
如上所述，在本实施例中，在启动无刷DC马达12之前进行转子12a的定位，并且在定位之后转子开始转动。在这个时间点，因为已经确定了转子12a的位置，所以为产生磁场以得到最大扭矩的特定通电相位被确定。当给这种通电相位通电时，无刷DC马达12可以在短时间内加速到一足够大的频率以产生用来探测转子位置所需的感生电压。因此可以在转子12a开始转动之后开关位置探测动作，在不需要进行同步动作(需要过激动作)的情况下启动无刷DC马达12。因此可以减小启动时的马达电流，且抑制马达振动。
尽管参照附图结合最佳实施例对本发明进行了描述，但应注意，本领域技术熟练人员可作出一些变化和修改，这些变化和修改都不脱离由随附的权利要求书所限定的本发明达范围。
权利要求
1.一种驱动具有三相定子绕组的马达的设备，其特征在于，它包括一个具有开关元件的DC/AC转换器，所述DC/AC转换器通过开关元件的开关动作把来自DC电源的输出转变成交流电，并且把交流电输给马达；一个探测马达转子位置的位置探测器；一个控制DC/AC转换器的开关动作以改变马达定子绕组的通电相位的控制器，其中在马达启动时，控制器控制开关动作以进行位置探测动作，所述位置探测动作包括以下步骤通过给马达定子绕组的第一通电相位通电流来使转子定位于一特定的位置；通过给定子绕组的第二通电相位通电流使转子开始转动；以及在从转子开始转动经过一特定时间后基于由位置探测器探测到的转子的位置来改变定子绕组的通电相位。
2.根据权利要求1所述的驱动马达的设备，其特征在于，在定位之后，通过切断定子绕组的通电，控制器控制开关动作，并且给定子绕组的第二通电相位通电流使转子转动。
3.根据权利要求1所述的驱动马达的设备，其特征在于，特定时间是自转子开始转动到转子转到一预定角度所需的时间。
4.根据权利要求2所述的驱动马达的设备，其特征在于，特定时间是自转子开始转动到转子转到一预定角度所需的时间。
5.根据权利要求3所述的驱动马达的设备，其特征在于，特定角度是30℃。
6.根据权利要求4所述的驱动马达的设备，其特征在于，特定角度是30℃。
7.根据权利要求1所述的驱动马达的设备，其特征在于，转子的定位是通过给定子绕组的两个不同通电相位通电流来进行的。
8.根据权利要求2所述的驱动马达的设备，其特征在于，转子的定位是通过给定子绕组的两个不同通电相位通电流来进行的。
9.一种通过探测马达转子位置和基于探测到的转子的位置改变马达定子绕组通电相位来驱动具有三相定子绕组的马达的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤a)在马达启动之前，通过给定子绕组第一通电相位通电流使转子定位于一特定位置；b)切断定子绕组的第一通电相位；c)通过给定子绕组的第二通电相位通电流来转动转子；d)在转子开始转动一特定时间之后探测转子的位置，并基于探测到的转子位置来改变通电相位。
全文摘要
本发明提供了在启动时减小电流和马达振动的驱动马达的设备和方法。马达驱动设备包括一探测转子位置的位置探测器,一把DC电源输出的DC电压转变成交流电压的DC/AC转换器,和一控制马达定子绕组的通电的控制器。为启动马达,控制器通过给定子绕组的第一通电相位通电流来定位转子,随后切断通电。之后,通过给定子绕组的第二通电相位通电流控制器控制DC/AC转换器使转子转动,并且在自转动开始后过一特定时间开始位置探测动作。
文档编号H02P6/20GK1241064SQ99109538
公开日2000年1月12日 申请日期1999年7月7日 优先权日1998年7月7日
发明者东光英, 佐野洁, 小川正则 申请人:松下电器产业株式会社