專利名稱：無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向檢測裝置。
背景技術(shù)：
無刷電機(jī)具有簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的調(diào)控性能，在很多控制系統(tǒng)中得以使用，例如在電動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)中得以使用。為了驅(qū)動這種無刷電機(jī)，無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置使用諸如分相器的旋轉(zhuǎn)位置檢測裝置來進(jìn)行檢測，分相器產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。根據(jù)旋轉(zhuǎn)位置信號，用一個控制系統(tǒng)和三向橋接電路驅(qū)動無刷電機(jī)。旋轉(zhuǎn)位置檢測器同時也檢測無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩的方向以及異常運(yùn)行。
分相器是一個旋轉(zhuǎn)變壓器，具有一對定子繞組和一個轉(zhuǎn)子繞組。該對定子繞組布置在相互呈90°的機(jī)械角度的定子位置。轉(zhuǎn)子繞組和該對定子繞組磁性互連，以產(chǎn)生一個大小為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置函數(shù)或轉(zhuǎn)子相對定子的旋轉(zhuǎn)角度函數(shù)的信號。因此，基于輸入到分相器的場激勵信號，分相器產(chǎn)生通過轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度的正弦函數(shù)和余弦函數(shù)調(diào)制的兩種信號。
JP-A-2003-235285或其對應(yīng)的US-2003-0151383A1提供了一種無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向檢測裝置，其中根據(jù)在合適時序的兩相電流在數(shù)量上的差異，可以確定轉(zhuǎn)矩的方向?；诜窒嗥鞯妮敵鲂盘?，該時序是由無刷電機(jī)的電氣角(electric angle)確定。
當(dāng)向分相器輸入圖3A所示的場激勵信號sinωt時，就會輸出圖3B所示的正弦輸出信號sinθ×sinωt和圖3C所示的余弦輸出信號cosθ×sinωt。如圖3D所示，當(dāng)sinωt變?yōu)?時，正弦信號變?yōu)閟inθ，余弦信號變?yōu)閏osθ。正弦和余弦輸出信號的電氣角的一個周期或360°被分為8個區(qū)域T1-T8。在這些區(qū)域，當(dāng)sinθ為0、cosθ為1時，電氣角設(shè)定為0。
為了將一個周期劃分為圖6B所示的8個時區(qū)，由于產(chǎn)生絕對值，JP-A-2003-235285所提供的轉(zhuǎn)矩方向檢測裝置除了要包括用來提供兩個Bi t信號(如Bit0、Bit1)的比較器31、32以外，還包括至少五個用來提供三個Bit信號中的一個信號(如Bit2)的比較器33-36、47，如圖6A所示。但是，這些電路導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩方向檢測裝置變得復(fù)雜、昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為無刷電機(jī)提供一個簡單、廉價并且精確的轉(zhuǎn)矩方向檢測裝置。
根據(jù)本發(fā)明的特征，無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向檢測裝置包括用于根據(jù)無刷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)提供具有相同周期和相互相差預(yù)定電氣角的相位的兩種正弦信號的分相器；用于由所述兩種正弦信號計算無刷電機(jī)的電氣角的裝置；用于檢測流過電機(jī)相繞組的電機(jī)電流的電流傳感器；以及用于通過比較電氣角預(yù)定區(qū)域中流過兩個相繞組的電機(jī)電流大小來確定無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向的裝置。
因此，無需產(chǎn)生絕對值的電路。
用于確定轉(zhuǎn)矩方向的裝置可以包括用于比較電氣角預(yù)定區(qū)域中流過兩個相繞組的相電流大小、以便在相電流大小之間的差異符合預(yù)定的大小關(guān)系時提供信號的裝置。用于確定轉(zhuǎn)矩方向的裝置還可以包括用于在電氣角處于電氣角的預(yù)定區(qū)域時提供計時信號的裝置；以及用于在所述裝置提供計時信號時提供確定轉(zhuǎn)矩方向的信號的邏輯電路。
在所述的轉(zhuǎn)矩方向檢測裝置中，用于提供計時信號的裝置可以包括比較兩種正弦信號大小的比較器電路和用于檢查電氣角是否處于預(yù)定區(qū)域的電路。用于比較相電流大小的裝置可以僅比較電氣角相差180°的兩個區(qū)域的相電流的大小關(guān)系。
通過研究下述的詳細(xì)描述、所附權(quán)利要求和附圖，本發(fā)明的其他目的、特征以及相關(guān)部分的功能將變得更加清楚。


圖1是無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的方框圖，它包括根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的轉(zhuǎn)矩方向檢測裝置。
圖2是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的轉(zhuǎn)矩方向檢測裝置的時區(qū)檢測單元的示意方框圖。
圖3A-3D是顯示在分相器不同部分的信號的計時圖表。
圖4是顯示在不同時區(qū)T1-T8的信號組合的表格，時區(qū)T1-T8由圖2所示的時區(qū)檢測單元劃分。
圖5A和5B是顯示兩個相電流波形和電氣角之間關(guān)系的圖形。
圖6是現(xiàn)有技術(shù)轉(zhuǎn)矩方向檢測裝置的時區(qū)檢測單元的示意方框圖。
圖7是顯示電機(jī)驅(qū)動的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的示意圖，它采用根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)矩方向檢測裝置。
圖8是顯示傳送比控制系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)采用根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)矩方向檢測裝置。
圖9是圖2所示的時區(qū)檢測單元的一個變化形式的示意方框圖。
具體實施例方式
以下參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的轉(zhuǎn)矩方向檢測裝置。
如圖1所示，無刷電機(jī)控制系統(tǒng)包括無刷電機(jī)1、控制電路2、包括公知的三相換流器的驅(qū)動電路3、電流傳感器4和5、分相器6、轉(zhuǎn)矩方向檢測裝置7和濾波電容器8、場激勵信號發(fā)生器10等等。
控制電路2提供三相選通控制信號。驅(qū)動電路3在三相換流器處接收選通控制信號，并提供供給到無刷電機(jī)1的三相電壓信號。
分相器6包括固定于無刷電機(jī)1轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)子、安裝于轉(zhuǎn)子上的勵磁線圈、定子鐵芯、安裝在定子鐵芯上互成90°電氣角分離位置的一對定子繞組。分相器6的勵磁線圈受到由場激勵信號發(fā)生器10提供的正弦波形電壓(場激勵信號)V×sinωt激勵。這對定子繞組產(chǎn)生正弦輸出信號和余弦輸出信號。也就是說，正弦輸出信號的電壓是Vm×sinωt×sinθ，余弦輸出信號的電壓是Vm×sinωt×cosθ。如果設(shè)Vm為1，則正弦輸出信號sinωt×sinθ和余弦輸出信號sinωt×cosθ與輸出信號的電壓一致。當(dāng)V設(shè)定為1時，場激勵信號也與正弦波形電壓sinωt一致。
場激勵信號由場激勵信號發(fā)生器10提供以獲得一個恰當(dāng)?shù)拇笮〔⒈惶峁┙o分相器6。此外，場激勵信號發(fā)生器10可以并入控制電路2。
控制電路2是一個公知電路，它包括一臺微型計算機(jī)及其周圍的電路?？刂齐娐?可以由硬件邏輯電路或數(shù)字信號處理器構(gòu)成。控制電路2由從電流傳感器4、5提供的兩個相電流信號(即U相和V相電流信號)形成另一相電流信號(即W相電流信號)。基于三相電流、來自于分相器6的旋轉(zhuǎn)角度信號和來自于外部的命令信號，控制電路2提供具有最優(yōu)大小和計時性的六個控制極電壓信號，這些信號將被提供給三相換流器3。
轉(zhuǎn)矩方向檢測裝置7與控制電路2相連。轉(zhuǎn)矩方向檢測裝置7包括時區(qū)檢測電路71、閂鎖電路74和轉(zhuǎn)矩方向檢測電路75。轉(zhuǎn)矩方向檢測電路75是邏輯電路。
時區(qū)檢測電路71包括公知的比較器21、22、23和各自都有三個輸入終端的與電路24、25，如圖2所示。
當(dāng)從場激勵信號發(fā)生器10向分相器6輸入如圖3A所示的具有sinωt特性的場激勵信號時，如圖3B所示的具有sinθ×sinωt特性的正弦輸出信號和如圖3C所示的具有cosθ×sinωt特性的余弦輸出信號從分相器6輸出并被分別輸入到時區(qū)檢測電路71的比較器21-23。
此外，當(dāng)場激勵信號sinωt變?yōu)?時，正弦信號變?yōu)閟inθ，余弦信號變?yōu)閏osθ，如圖3D所示。正弦和余弦輸出信號的電氣角的一個周期或360°被分為8個時區(qū)T1-T8，以便通過包括多個比較器的電路來比較每個區(qū)域兩個相電流的大小。
當(dāng)正弦信號為正時，比較器21提供H電平信號(或1)；當(dāng)正弦信號為負(fù)時，比較器21提供L電平信號(或0)。當(dāng)余弦信號為正時，比較器22提供H電平信號；當(dāng)余弦信號為負(fù)時，比較器22提供L電平信號。當(dāng)正弦信號大于余弦信號時，比較器23提供H電平信號；當(dāng)正弦信號小于余弦信號時，比較器23提供L電平信號。因此，在每個時區(qū)，比較器提供不同的信號，如圖4所示。除時區(qū)T3、T4、T7和T8外，在時區(qū)T1、T2、T5和T6，電平信號的組合相互不同，所以，在時區(qū)T1、T2、T5和T6可以檢測旋轉(zhuǎn)方向。
當(dāng)車輛的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向右邊(無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向向右)時，U相電流和V相電流供給無刷電機(jī)，如圖5A所示。另一方面，當(dāng)車輛的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向左邊(無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向向左)時，U相電流和V相電流供給無刷電機(jī)，如圖5B所示。應(yīng)該注意到，圖5A和圖5B中的T2和T6時區(qū)具有以下條件每個相電流在時區(qū)內(nèi)都保持正或負(fù)；兩個相電流之間的大小關(guān)系在時區(qū)內(nèi)不變；兩個相電流之間的大小差異非常顯著。
在圖2中，比較器21、22、23和與電路24、25按照如下方式相連。如圖4所示，當(dāng)所有比較器21、22、23在時區(qū)T2都為1時，與電路24為1；另一方面，當(dāng)所有比較器21、22、23在時區(qū)T6都為0時，與電路25為1。此外，比較器21對應(yīng)Bit0；比較器22對應(yīng)Bit1；比較器23對應(yīng)Bit2。因此，可以通過與電路24、25的輸出信號檢測時區(qū)T2和T6。
時區(qū)檢測電路71與閂鎖電路74相連，閂鎖電路74包括公知的D型觸發(fā)器電路26、27，這兩個觸發(fā)器電路都有D終端、CL終端和Q終端，如圖2所示。即，與電路24與觸發(fā)器26的D終端相連；與電路25與觸發(fā)器27的D終端相連。無論何時場激勵信號sinωt變?yōu)?，就會有一個脈沖被輸入觸發(fā)器電路26、27的CL終端。相應(yīng)地，當(dāng)脈沖輸入CL終端時或輸入以后，D型觸發(fā)器會各自在Q終端提供輸出信號。當(dāng)計時處于區(qū)域T2時，觸發(fā)器26的Q終端提供H電平信號直到向其CL終端輸入另一個脈沖為止。另一方面，當(dāng)計時處于區(qū)域T6時，觸發(fā)器27的Q終端提供H電平信號直到向其CL終端輸入另一個脈沖為止。兩個觸發(fā)器26、27都不可能在Q終端提供H電平信號。閂鎖電路74也會收到電流檢測器4、5的輸出信號，這會一直延續(xù)直到場激勵信號sinωt又重新變?yōu)?為止。
閂鎖電路74所收到的信號被送到轉(zhuǎn)矩方向檢測電路75以檢測電機(jī)1的轉(zhuǎn)矩方向。若觸發(fā)器26的Q終端為H電平，并且U相電流大于V相電流，如圖5B的時區(qū)T2所示，則可推斷轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向左邊。另一方面，若觸發(fā)器26的Q終端為H電平，并且U相電流小于V相電流，如圖5A的時區(qū)T2所示，則可推斷轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向右邊。
同樣，若觸發(fā)器27的Q終端為H電平，并且U相電流大于V相電流，如圖5A的時區(qū)T6所示，則可推斷轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向右邊。另一方面，若觸發(fā)器27的Q終端為H電平，并且U相電流小于V相電流，如圖5B的時區(qū)T6所示，則可推斷轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向左邊。
時區(qū)檢測電路71可被修正為如圖9所示。在該電路中，Bit2信號被轉(zhuǎn)換輸入到與電路24，并且未被轉(zhuǎn)換輸入到與電路25。相應(yīng)地，若與電路24提供1(H電平)，則可推斷電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度處于時區(qū)T1。另一方面，若與電路25提供1(H電平)，則可推斷電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度處于時區(qū)T5。因為U相電流與V相電流之間的關(guān)系相同，轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)方向或電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向就可以用如前面所述的相同方式檢測。
此外，在四個時區(qū)T1、T2、T5和T6也可用上述相同方式檢測轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)方向或電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向。
將參照圖7描述采用上述轉(zhuǎn)矩方向檢測裝置的電機(jī)驅(qū)動的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)101檢測。
電機(jī)驅(qū)動的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)101包括分相器109、轉(zhuǎn)向盤110、轉(zhuǎn)矩傳感器111、上端與轉(zhuǎn)向盤110相連且另一端與轉(zhuǎn)矩傳感器111相連的轉(zhuǎn)向軸112a、上端與轉(zhuǎn)矩傳感器111相連的小齒輪軸112b、轉(zhuǎn)向角傳感器113、驅(qū)動器114、其中設(shè)置有與小齒輪軸112b另一端相連的小齒輪(未示出)的轉(zhuǎn)向齒輪箱116、與小齒輪嚙合的齒桿118、經(jīng)由齒輪(未示出)與小齒輪軸112b連接的電機(jī)115、一對轉(zhuǎn)向拉桿120、固定于車輛的一對前輪上的一對轉(zhuǎn)向節(jié)臂122、和轉(zhuǎn)向控制單元130。此外，電機(jī)115可以配備在一個齒桿118的附近。
轉(zhuǎn)向控制單元130包括公知的中央處理器131、隨機(jī)存儲器132、只讀存儲器133、輸入/輸出接口134和用于電連接這些元件的總線135。中央處理器131按照存儲于只讀存儲器133和隨機(jī)存儲器132的程序和數(shù)據(jù)執(zhí)行控制。只讀存儲器133包括程序存儲區(qū)133a和數(shù)據(jù)存儲區(qū)133b。程序存儲區(qū)133a存儲EPS控制程序133p；數(shù)據(jù)存儲區(qū)133b存儲用于執(zhí)行EPS控制程序133p的數(shù)據(jù)。中央處理器131根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器111檢測的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)向角傳感器113檢測的轉(zhuǎn)向角為電機(jī)115計算指令轉(zhuǎn)矩進(jìn)而輸出。然后，中央處理器131經(jīng)由電機(jī)驅(qū)動器114向電機(jī)115提供一個電壓以獲得合適的轉(zhuǎn)矩。同時，分相器109檢測電機(jī)115的旋轉(zhuǎn)角度，以檢查電機(jī)115是否以計算的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動。
將參照圖8描述采用上述轉(zhuǎn)矩方向檢測裝置的傳遞比控制系統(tǒng)201檢測。
傳遞比控制系統(tǒng)201包括傳遞比控制單元203、轉(zhuǎn)向角傳感器206、轉(zhuǎn)向盤210、轉(zhuǎn)向角傳感器206固定到其上的輸入軸211、傳遞比改變單元212、下端帶有小齒輪(未示出)的輸出軸213、固定于輸出軸213的輸出角傳感器214、容納內(nèi)有小齒輪的轉(zhuǎn)向齒輪箱215和分別與小齒輪嚙合的一對齒條216。轉(zhuǎn)向齒輪箱215內(nèi)還有電機(jī)驅(qū)動的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各種元件。輸出角傳感器206可以設(shè)置在傳遞比改變單元212中。每個齒條都經(jīng)由連桿和臂與車輛的前輪217連接。輸入軸211的轉(zhuǎn)向角和輸出軸213的旋轉(zhuǎn)角分別由轉(zhuǎn)向角傳感器206和輸出角傳感器214測得并被送給傳遞比控制單元203。車輛速度信號、發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)速度信號等也從外部經(jīng)由局域網(wǎng)207被送給傳遞比控制單元203。傳遞比控制單元203根據(jù)上述信號控制傳遞比改變單元212。
傳遞比改變單元212包括公知的無刷電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)。在傳遞比控制單元203的控制下，傳遞比改變單元212驅(qū)動無刷電機(jī)來改變輸出軸213的旋轉(zhuǎn)角度。具體地說，當(dāng)車輛速度信號和發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)速度信號經(jīng)由局域網(wǎng)207被輸入傳遞比控制單元203時，傳遞比控制單元203就由輸入信號計算出輸出軸213的指令旋轉(zhuǎn)角度并提供送往傳遞比改變單元212的脈寬調(diào)制信號。因此，無刷電機(jī)向車輛的前輪217提供與輸出軸213的指令旋轉(zhuǎn)角度總和對應(yīng)的轉(zhuǎn)向角度和轉(zhuǎn)向盤210的旋轉(zhuǎn)角度。前輪的轉(zhuǎn)向角度由輸出角傳感器214測得、并反饋給傳遞比控制單元203以對其反饋控制。
在本發(fā)明的以上描述中，參照其具體實施例公開了本發(fā)明。在不脫離本發(fā)明權(quán)利要求范圍的情況下，可對本發(fā)明的具體實施例進(jìn)行各種改進(jìn)和改變。本發(fā)明的描述也只是解說性的，而不具有限制意義。
權(quán)利要求
1.一種無刷電機(jī)(1)的轉(zhuǎn)矩方向檢測裝置，無刷電機(jī)具有多個相繞組，所述轉(zhuǎn)矩方向檢測裝置包括用于根據(jù)無刷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)提供具有相同周期和相互相差預(yù)定電氣角的相位的兩種正弦信號的分相器(6)；用于從所述兩種正弦信號計算無刷電機(jī)的電氣角的裝置(7、71)；用于檢測流過相繞組的電流的電流傳感器(4、5)；以及用于通過比較電氣角預(yù)定區(qū)域中流過兩個相繞組的相電流大小來確定無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向的裝置(74、75)。
2.檢測如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)矩方向檢測裝置，其特征在于，用于確定轉(zhuǎn)矩方向的所述裝置(74、75)包括用于比較電氣角預(yù)定區(qū)域中流過兩個相繞組的相電流大小、以便在相電流之間的大小差異符合預(yù)定的大小關(guān)系時提供信號的裝置。
3.檢測如權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)矩方向檢測裝置，其特征在于，用于確定轉(zhuǎn)矩方向的所述裝置(74、75)還包括用于在電氣角處于電氣角的預(yù)定區(qū)域時提供計時信號的裝置(71)；以及用于在所述裝置提供計時信號時提供確定轉(zhuǎn)矩方向的信號的邏輯電路(75)。
4.檢測如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)矩方向檢測裝置，其特征在于，用于提供計時信號的所述裝置(71)包括比較兩種正弦信號大小的比較器電路(21-23)和用于檢查電氣角是否處于預(yù)定區(qū)域的電路(24、25)。
5.檢測如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)矩方向檢測裝置，其特征在于，用于確定轉(zhuǎn)矩方向的所述裝置(74、75)比較電氣角相差180°的兩個區(qū)域的相電流的大小關(guān)系。
全文摘要
無刷電機(jī)(1)的轉(zhuǎn)矩方向檢測裝置包括分相器(6)，它提供一對sinθ信號和cosθ信號，電氣角θ根據(jù)無刷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)由0°變化到360°；電路(7、71)，它可以由sinθ信號和cosθ信號計算出無刷電機(jī)的電氣角；電流傳感器(4、5)，它檢測流過相繞組的相電流；電路(71)，它根據(jù)sinθ信號和cosθ信號之間的大小關(guān)系將360°的電氣角分為8個時區(qū)并提供sinθ信號和cosθ信號與0的比較；電路(75)，它確定無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向，如果在兩個指定的時區(qū)中的一個區(qū)域內(nèi)所測相電流的大小符合預(yù)定的大小關(guān)系，且這兩個時區(qū)都有大小關(guān)系與sinθ信號和cosθ信號的比較的特定組合。
文檔編號H02P6/16GK1652451SQ200510006280
公開日2005年8月10日 申請日期2005年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月2日
發(fā)明者山本敏久 申請人:株式會社電裝