用于隔離永磁無(wú)刷電機(jī)的未驅(qū)動(dòng)電壓以檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)用于控制驅(qū)動(dòng)多相無(wú)傳感器無(wú)刷永磁DC電機(jī)的定子繞組集合中的循序相切換的系統(tǒng)和方法。電機(jī)控制器控制功率級(jí)，所述功率級(jí)用脈沖寬度調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)中三個(gè)繞組集合中的兩個(gè)繞組。在時(shí)間窗口內(nèi)取樣三個(gè)繞組集合中的未驅(qū)動(dòng)繞組上的多個(gè)電壓值，其中開(kāi)始于激勵(lì)驅(qū)動(dòng)繞組時(shí)且結(jié)束于去激勵(lì)驅(qū)動(dòng)繞組時(shí)的周期包含時(shí)間窗口。處理取樣的電壓值。當(dāng)處理的電壓值超過(guò)閾值時(shí)，電機(jī)控制器改變受驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)繞組。
【專利說(shuō)明】用于隔離永磁無(wú)刷電機(jī)的未驅(qū)動(dòng)電壓以檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的系統(tǒng)和方法
[0001]交叉引用
[0002]本申請(qǐng)案是2013年3月13日申請(qǐng)的標(biāo)題為“Circuit and Method forSensorless Control of a Permanent Magnet Brushless Motor During Start-up，，的美國(guó)申請(qǐng)案第13/800,327號(hào)的部分接續(xù)申請(qǐng)案，且本申請(qǐng)案請(qǐng)求2012年5月25日申請(qǐng)的標(biāo)題為 “Circuit and Method for Sensorless Control of a Brushless Motor DuringStart-up”的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)案第61/651，736號(hào)的權(quán)益，所述美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)案全文以引用的方式并入本文中。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明通常涉及電機(jī)控制器，且更特定而言，涉及在啟動(dòng)期間用于永磁無(wú)刷電機(jī)的無(wú)傳感器控制的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0004]有傳感器的無(wú)刷電機(jī)技術(shù)是眾所周知的且有益于低速下的最小缺陷控制和可靠旋轉(zhuǎn)。有傳感器的系統(tǒng)具有一或多個(gè)傳感器，所述一或多個(gè)傳感器與電機(jī)控制器通信，為所述電機(jī)控制器指示轉(zhuǎn)子所處位置、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子是向前轉(zhuǎn)還是反向轉(zhuǎn)。有傳感器的系統(tǒng)中的傳感器增加成本并提供可破損或磨損的額外零件，增加了耐久性和可靠性問(wèn)題。無(wú)傳感器系統(tǒng)可讀取電源連接中的電流脈沖來(lái)確定旋轉(zhuǎn)和速度。無(wú)傳感器系統(tǒng)趨向于能夠控制在較高速度(例如，每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(“RPM”))下的電機(jī)，但可能在極低的啟動(dòng)速度下可遭受在負(fù)載下的抖動(dòng)，導(dǎo)致性能不如有傳感器的無(wú)刷電機(jī)。
[0005]抖動(dòng)是無(wú)傳感器無(wú)刷電機(jī)系統(tǒng)在初始啟動(dòng)速度下發(fā)生且通常在電機(jī)獲得足夠速度后就不再存在的現(xiàn)象。抖動(dòng)產(chǎn)生的原因是，在低速或零速下，無(wú)傳感器算法沒(méi)有足夠的信息來(lái)決定激勵(lì)哪個(gè)繞組及以何種順序激勵(lì)繞組。用于啟動(dòng)無(wú)傳感器系統(tǒng)的一種常見(jiàn)解決方案是激勵(lì)一個(gè)繞組對(duì)來(lái)將轉(zhuǎn)子鎖定在已知位置。隨后以預(yù)定義速率和PWM占空比換向電機(jī)繞組，直到轉(zhuǎn)子達(dá)到用于使無(wú)傳感器控制參與的足夠高的速度。然而，尤其在存在隨時(shí)間變化的負(fù)載時(shí)，即使是此解決方案也將在啟動(dòng)期間導(dǎo)致抖動(dòng)。對(duì)于具有最小初始轉(zhuǎn)矩或可預(yù)測(cè)的初始轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，可減少抖動(dòng)或使抖動(dòng)難以察覺(jué)。然而，一些電機(jī)應(yīng)用/使用情境(例如啟動(dòng)電動(dòng)自行車開(kāi)始上坡)需要用于啟動(dòng)的顯著轉(zhuǎn)矩，并且初始轉(zhuǎn)矩是非常不可預(yù)測(cè)的。無(wú)傳感器無(wú)刷電機(jī)系統(tǒng)的使用有時(shí)受阻于低速高轉(zhuǎn)矩操作，例如電動(dòng)車輛/自行車的攀巖或復(fù)雜和精細(xì)的場(chǎng)地賽，因?yàn)樵谶@些困難情境中，可發(fā)生顯著抖動(dòng)并可能導(dǎo)致電機(jī)過(guò)早燒毀。
[0006]圖1是處于三相功率級(jí)的電機(jī)控制系統(tǒng)10的方塊圖，如先前技術(shù)中所知。許多三相電機(jī)控制系統(tǒng)10包括具有控制信號(hào)產(chǎn)生器12的控制器、柵極驅(qū)動(dòng)器14和功率級(jí)16。在無(wú)傳感器控制情況下，還包括反饋電路，具體來(lái)說(shuō)，為檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)18和電流感測(cè)電路20，電流感測(cè)電路20利用感測(cè)電阻器Rsense。一般來(lái)說(shuō)，無(wú)傳感器控制的目標(biāo)是檢測(cè)電機(jī)對(duì)施加的脈沖寬度調(diào)制(PWM)源電壓的響應(yīng)來(lái)識(shí)別轉(zhuǎn)子位置和運(yùn)動(dòng)。
[0007]類似地，電流感測(cè)電路20可用于檢測(cè)橫越受驅(qū)動(dòng)繞組的電機(jī)電流的幅值和方向。經(jīng)常使用低側(cè)分流監(jiān)控。圖1圖示用于低側(cè)監(jiān)控的常用配置。本領(lǐng)域技術(shù)人員可容易采用替代性電流感測(cè)技術(shù)，例如監(jiān)控(包括高側(cè)監(jiān)控)每個(gè)逆變器支路中的相電流，且此替代性技術(shù)是本領(lǐng)域一般技術(shù)人員所熟知的。
[0008]控制信號(hào)產(chǎn)生器12通常由低電壓源供電。因此，柵極驅(qū)動(dòng)器14的功能包括將低電壓控制信號(hào)移位到匹配功率級(jí)16的輸入要求的水平。功率級(jí)16包括半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)裝置。圖1中圖示MOSFET，但可使用其他裝置，例如IGBT?？墒箍刂菩盘?hào)產(chǎn)生來(lái)自電源Vpw的梯形(亦稱方塊或6步換向)或正弦波驅(qū)動(dòng)。脈沖寬度調(diào)制通常在無(wú)刷DC (BLDC)電機(jī)控制中與梯形驅(qū)動(dòng)一起使用。要求較低聲頻噪音或較低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的系統(tǒng)得益于正弦波驅(qū)動(dòng)。 [0009]關(guān)于PWM驅(qū)動(dòng)技術(shù)的本領(lǐng)域技術(shù)人員理解產(chǎn)生梯形控制、正弦波控制或其他控制的各種模式?？赏ㄟ^(guò)電機(jī)相和/或一或多個(gè)相電流上的電壓檢測(cè)電機(jī)對(duì)PWM驅(qū)動(dòng)的響應(yīng)。
[0010]如圖1中所示，對(duì)于無(wú)刷DC電機(jī)控制，驅(qū)動(dòng)功率級(jí)16，以使得電流流入第一電機(jī)相(例如，U相)中并離開(kāi)第二電機(jī)相(例如，V相)。電機(jī)30中的轉(zhuǎn)子(未圖示)位置指定驅(qū)動(dòng)哪個(gè)相位對(duì)來(lái)力圖實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的最大轉(zhuǎn)矩和平滑(無(wú)抖動(dòng))旋轉(zhuǎn)。反饋控制用于推斷轉(zhuǎn)子位置。
[0011]圖2是Y形連接電機(jī)30的圖示說(shuō)明，如先前技術(shù)中所知。此圖示說(shuō)明中的Y形連接電機(jī)30具有單極對(duì)永磁轉(zhuǎn)子32，所述單極對(duì)永磁轉(zhuǎn)子32經(jīng)定位以使得所述單極對(duì)永磁轉(zhuǎn)子32的南極34接近U相36的繞組。在所述條件下，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見(jiàn)的是，W相38和V相40是適合驅(qū)動(dòng)以便發(fā)起轉(zhuǎn)子32旋轉(zhuǎn)的相位對(duì)。永磁轉(zhuǎn)子32的極性確定流經(jīng)相位的電流的方向。因此，功率級(jí)16將W相38連接至Vpw并將V相40連接至地面24，導(dǎo)致電流流入W相38中并離開(kāi)V相40，如用電流箭頭所表示。如圖2中所示，電流流經(jīng)線圈W相38和V相40的凈效應(yīng)是電磁體的形成，所述電磁體具有W相38處的北極和V相40處的南極。此電磁體在永磁N極42和形成在W相38處的電磁N極之間產(chǎn)生排斥力，并在永磁N極42和形成在V相38處的電磁S極之間產(chǎn)生吸引力。
[0012]由于N極和S極相互吸引，如果電磁體在此電流流動(dòng)配置中持續(xù)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，那么所得的轉(zhuǎn)矩將使永磁N極42立即移動(dòng)到V相40之后的位置并使永磁S極3位即移動(dòng)到W相之前的位置，且將停止永磁轉(zhuǎn)子32的旋轉(zhuǎn)。為了保持永磁轉(zhuǎn)子32的旋轉(zhuǎn)，必須將功率級(jí)16換向到新的相位對(duì)。最佳換向點(diǎn)是轉(zhuǎn)子位置相對(duì)于未驅(qū)動(dòng)相位(未由Vpwl^K動(dòng)的相位)的線圈的函數(shù)。在圖2中，U相36是未驅(qū)動(dòng)相位。理想情況下，轉(zhuǎn)子角度將相對(duì)于與未驅(qū)動(dòng)相位的線圈的對(duì)準(zhǔn)跨越-30°到+30°。由于此60°的跨度是一次電氣轉(zhuǎn)動(dòng)的六分之一，所以所述60°的跨度通常被稱為一個(gè)六分周。
[0013]圖3是由表1進(jìn)一步定義的6步換向方法，如先前技術(shù)中所知。考慮到圖2中所示的條件，在表1中概述且在圖3中進(jìn)一步圖示通常被稱為6步換向方法的步驟順序的高級(jí)描述。
[0014]表1:用于圖2所示的Y形連接電機(jī)的六步換向順序
[0015]
【權(quán)利要求】
1.一種控制電機(jī)切換的方法，所述方法包含: 在三個(gè)繞組的集合中的兩個(gè)繞組上驅(qū)動(dòng)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)； 在時(shí)間窗口內(nèi)取樣所述三個(gè)繞組集合中的未驅(qū)動(dòng)繞組上的多個(gè)電壓值，其中開(kāi)始于激勵(lì)所述驅(qū)動(dòng)繞組時(shí)且結(jié)束于去激勵(lì)所述驅(qū)動(dòng)繞組時(shí)的周期包含所述時(shí)間窗口； 對(duì)所述取樣的電壓值進(jìn)行信號(hào)處理；及 當(dāng)所述處理的電壓值超過(guò)閾值時(shí)，改變受驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)繞組。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中功率級(jí)中的一組開(kāi)關(guān)控制所述驅(qū)動(dòng)繞組上的所述脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，其中所述時(shí)間窗口開(kāi)始于所述功率級(jí)中的兩個(gè)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)并結(jié)束于所述功率級(jí)中的至少五個(gè)所述開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中功率級(jí)中的一組開(kāi)關(guān)控制所述驅(qū)動(dòng)繞組上的所述脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，其中在所述功率級(jí)中的兩個(gè)開(kāi)關(guān)閉合之后所述時(shí)間窗口開(kāi)始延遲時(shí)間幀并且所述時(shí)間窗口在所述功率級(jí)中的至少五個(gè)所述開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)結(jié)束。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，所述方法進(jìn)一步包含:識(shí)別第一電壓值超過(guò)所述脈沖寬度調(diào)制電源的50%，且所述時(shí)間窗口開(kāi)始于取樣所述第一電壓值時(shí)。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，所述方法進(jìn)一步包含:確定多個(gè)電壓值的偏差并使所述時(shí)間窗口跨越連續(xù)的取樣電壓值，所述連續(xù)的取樣電壓值與所述電壓值的均值的不同小于一閾值百分比，從而隔離更直接歸因于轉(zhuǎn)子位置的所述未驅(qū)動(dòng)繞組上的所述電壓的一部分。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中功率級(jí)中的一組開(kāi)關(guān)控制所述驅(qū)動(dòng)繞組上的所述脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，其中所述時(shí)間窗口結(jié)束于所述功率級(jí)中的至少五個(gè)所述開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，且隨后將所述時(shí)間窗口定義為在結(jié)束所述時(shí)間窗口之前開(kāi)始所確定時(shí)間幀。`
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中將所述時(shí)間幀確定為所述占空比的函數(shù)。
8.—種控制電機(jī)切換的方法，所述方法包含: 在三個(gè)繞組的集合中的兩個(gè)繞組上驅(qū)動(dòng)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)； 在第一時(shí)間窗口內(nèi)取樣所述三個(gè)繞組集合中的未驅(qū)動(dòng)繞組上的第一多個(gè)電壓值，其中開(kāi)始于激勵(lì)所述驅(qū)動(dòng)繞組時(shí)并結(jié)束于去激勵(lì)所述驅(qū)動(dòng)繞組時(shí)的周期包含所述第一時(shí)間窗Π ； 在第二時(shí)間窗口中取樣所述三個(gè)繞組集合中的所述未驅(qū)動(dòng)繞組上的第二多個(gè)電壓值，其中開(kāi)始于去激勵(lì)所述驅(qū)動(dòng)繞組時(shí)并結(jié)束于激勵(lì)所述驅(qū)動(dòng)繞組時(shí)的周期包含所述第二時(shí)間窗口 ； 對(duì)所述第一取樣電壓值和所述第二電壓值進(jìn)行信號(hào)處理；及 每當(dāng)所述處理電壓值超過(guò)閾值時(shí)，改變受驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)繞組。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中將所述第一多個(gè)電壓值處理成第一濾波電壓值并將所述第二多個(gè)電壓值處理成第二濾波電壓值，并且所述處理的電壓值是所述第一濾波電壓值和所述第二濾波電壓值的差。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中對(duì)所述取樣電壓進(jìn)行所述信號(hào)處理進(jìn)一步包含將每個(gè)所述取樣電壓乘以加權(quán)函數(shù)并將乘積求和。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述加權(quán)函數(shù)是與所述PWM信號(hào)同步的隨時(shí)間改變的周期函數(shù)。
12.如權(quán)利要求8所述的方法，其中對(duì)所述取樣的電壓進(jìn)行所述信號(hào)處理進(jìn)一步包含將每個(gè)所述取樣電壓乘以加權(quán)函數(shù)，并將所述先前信號(hào)處理輸出值的子集乘以函數(shù)并且將所得乘積求和。
13.如權(quán)利要求8所述的方法，其中在所述取樣步驟之前發(fā)起所述信號(hào)處理。
14.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述脈沖寬度調(diào)制信號(hào)具有50%的占空比并且用正弦波和余弦波過(guò)濾所述多個(gè)電壓，其中將所述正弦波濾波乘以所述多個(gè)電壓并求和，且其中所述窗口定義正弦波濾波的和為零的周期。
15.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述加權(quán)函數(shù)是與所述PWM信號(hào)同步的隨時(shí)間改變的周期函數(shù)。
16.如權(quán)利要求8所述的方法，其中由含有至少一個(gè)三角積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信號(hào)處理電路執(zhí)行所述信號(hào)處理步驟。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述至少一個(gè)三角積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有為所述PWM頻率的至少十六倍的取樣率。
18.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述信號(hào)處理進(jìn)一步包含利用至少兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
19.如權(quán)利要求8所述的方法，其中模擬求和網(wǎng)絡(luò)獲得所述處理電壓值，通過(guò)針對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入測(cè)量所述未驅(qū)動(dòng)繞組和所述兩個(gè)驅(qū)動(dòng)繞組的平均值之間的差來(lái)進(jìn)一步計(jì)算所述處理電壓值。
20.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述電機(jī)為三相永磁電機(jī)。`
21.—種用于控制無(wú)傳感器BLDC電機(jī)中的電機(jī)切換的系統(tǒng),所述電機(jī)具有三個(gè)定子繞組的集合，所述系統(tǒng)包含: 控制器單元，所述控制器單元包含控制信號(hào)產(chǎn)生器、存儲(chǔ)器裝置、處理單元、信號(hào)采集裝置和模數(shù)轉(zhuǎn)換器； 功率級(jí)，所述功率級(jí)具有多個(gè)開(kāi)關(guān)，其中所述功率級(jí)接收來(lái)自所述控制信號(hào)產(chǎn)生器的控制信號(hào)和來(lái)自電源的功率信號(hào)，其中所述功率級(jí)驅(qū)動(dòng)用脈沖寬度調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)三個(gè)定子繞組的所述集合中的兩個(gè)繞組，并留下所述三個(gè)定子繞組中的一個(gè)定子未受驅(qū)動(dòng)； 其中所述信號(hào)采集裝置在每個(gè)脈沖寬度調(diào)制循環(huán)的激勵(lì)狀態(tài)期間接收所述未驅(qū)動(dòng)繞組上的電壓的多個(gè)樣本，由此用于采集所述多個(gè)樣本的時(shí)間間隔為時(shí)間窗口 ； 其中所述處理單元解調(diào)制所述未驅(qū)動(dòng)繞組上的所述電壓；及 其中所述處理單元與所述功率級(jí)通信以在所述解調(diào)制的測(cè)量電壓超過(guò)閾值時(shí)改變所述三個(gè)定子繞組中受驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)繞組。
22.如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述時(shí)間窗口在所述脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的所述激勵(lì)狀態(tài)的近似第二半時(shí)期間跨越所述未驅(qū)動(dòng)電壓的一部分，從而隔離更直接歸因于轉(zhuǎn)子位置的所述未驅(qū)動(dòng)繞組上的所述電壓的一部分。
23.如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述處理單元確定所述多個(gè)樣本的偏差并將所述時(shí)間窗口定義為跨越所述樣本的一組連續(xù)的取樣電壓，所述連續(xù)的取樣電壓與所述樣本的均值的不同小于一閾值百分比。
24.—種用于控制無(wú)傳感器BLDC電機(jī)中的電機(jī)切換的系統(tǒng),所述電機(jī)具有三個(gè)定子繞組的集合，所述系統(tǒng)包含:控制器單元，所述控制器單元包含控制信號(hào)產(chǎn)生器、存儲(chǔ)器裝置、處理單元、信號(hào)采集裝置和模數(shù)轉(zhuǎn)換器； 功率級(jí)，所述功率級(jí)具有多個(gè)開(kāi)關(guān)，其中所述功率級(jí)接收來(lái)自所述控制信號(hào)產(chǎn)生器的控制信號(hào)和來(lái)自電源的功率信號(hào)，其中所述功率級(jí)驅(qū)動(dòng)具有脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的三個(gè)定子繞組的所述集合中的兩個(gè)繞組，并留下所述三個(gè)定子繞組中的一個(gè)定子未受驅(qū)動(dòng)； 其中所述信號(hào)采集裝置在每個(gè)脈沖寬度調(diào)制循環(huán)的激勵(lì)狀態(tài)期間接收所述未驅(qū)動(dòng)繞組上的電壓的第一多個(gè)樣本，由此用于采集所述多個(gè)樣本的時(shí)間間隔為第一時(shí)間窗口 ；其中所述信號(hào)采集裝置在每個(gè)脈沖寬度調(diào)制周期的激勵(lì)狀態(tài)期間接收所述未驅(qū)動(dòng)繞組上的電壓的第二多個(gè)樣本，由此用于采集所述多個(gè)樣本的時(shí)間間隔是第二時(shí)間窗口 ；其中所述處理單元至少通過(guò)計(jì)算所述第一多個(gè)樣本和所述第二多個(gè)樣本之間的差來(lái)解調(diào)制所述未驅(qū)動(dòng)繞組上的所述電壓；及 其中所述處理單元與所述功率級(jí)通信以在所述解調(diào)制的測(cè)量電壓超過(guò)閾值時(shí)改變所述三個(gè)定子繞組中受驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)繞組。
25.如權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中所述控制器單元用至少一個(gè)三角積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器過(guò)濾所述第一多個(gè)樣本和所述第二多個(gè)樣本。
26.如權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)三角積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有為所述PWM頻率的至少十六倍的取樣率。`
【文檔編號(hào)】H02P6/18GK103780166SQ201310198862
【公開(kāi)日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2013年5月24日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月25日
【發(fā)明者】馬爾科·約翰·科博伊希, 杰森·威廉·勞倫斯, 斯蒂芬·詹姆斯·桑切斯, 約翰·L·梅蘭森, 米羅斯拉夫·奧利亞恰 申請(qǐng)人:凌云邏輯公司