用于在啟動期間校準(zhǔn)永磁無刷電機(jī)的無傳感器控制的電路與方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種用于控制無傳感器BLDC中的電機(jī)切換的系統(tǒng)，所述無傳感器BLDC具有有三個定子繞組的定子和永磁轉(zhuǎn)子。系統(tǒng)包括控制器單元，所述控制器單元包含控制信號發(fā)生器、存儲器裝置、處理單元、信號采集裝置和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。通過控制器單元控制的功率級具有多個開關(guān)，并且所述功率級用脈沖寬度調(diào)制信號驅(qū)動三個定子繞組中的兩個繞組并留下三個定子繞組中的一個定子未受驅(qū)動。處理單元獲得未驅(qū)動繞組上的解調(diào)制的測量電壓。處理單元計(jì)算閾值，當(dāng)解調(diào)制的測量的電壓超過閥值時，功率級將在所述閾值下改變?nèi)齻€定子繞組中受驅(qū)動的兩個繞組。
【專利說明】用于在啟動期間校準(zhǔn)永磁無刷電機(jī)的無傳感器控制的電路與方法
[0001]交叉引用
[0002]本申請案是2013年3月13日申請的標(biāo)題為“Circuit and Method forSensorless Control of a Permanent Magnet Brushless Motor During Start-up，，的美國申請案第13/800,327號的部分接續(xù)申請案，且本申請案請求2012年5月25日申請的標(biāo)題為 “Circuit and Method for Sensorless Control of a Brushless Motor DuringStart-up”的美國臨時申請案第61/651，736號以及2012年8月23日申請的標(biāo)題為“Methodfor Estimation of Current Influence on Motor Voltage Response，，的美國臨時申請案第61/692，551號的權(quán)益，所述美國臨時申請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，涉及在啟動期間校準(zhǔn)永磁無刷電機(jī)的無傳感器控制的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0004]有傳感器的無刷電機(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)具有一或多個傳感器，所述一或多個傳感器與電機(jī)控制器連續(xù)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，增加耐久性和可靠性問題。無傳感器系統(tǒng)可讀取電源連接中的電流脈沖來確定旋轉(zhuǎn)和速度。無傳感器系統(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速度下遭受在負(fù)載下的“抖動”，導(dǎo)致性能不如有傳感器的無刷電機(jī)。
[0005]抖動是無傳感器無刷電機(jī)系統(tǒng)在初始啟動速度下發(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。抖動產(chǎn)生的原因是，在低速或零速下，無傳感器算法沒有足夠的信息來決定激勵哪個繞組及以何種順序激勵繞組。用于啟動無傳感器系統(tǒng)的一種常見解決方案是激勵一個繞組對來將轉(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)到用于使無傳感器控制參與的足夠高的速度。然而，尤其在存在隨時間變化的負(fù)載時，即使是此解決方案也將在啟動期間導(dǎo)致抖動。對于具有最小初始轉(zhuǎn)矩或可預(yù)測的初始轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，可減少抖動或使抖動難以察覺。然而，一些電機(jī)應(yīng)用/使用情景(例如使電動自行車開始上坡)需要用于啟動的顯著轉(zhuǎn)矩，并且初始轉(zhuǎn)矩是非常不可預(yù)測的。無傳感器無刷電機(jī)系統(tǒng)的使用有時受阻于低速高轉(zhuǎn)矩操作，例如電動車輛/自行車的攀巖或復(fù)雜和精細(xì)的場地賽，因?yàn)樵谶@些困難情境中，可發(fā)生顯著抖動并可能導(dǎo)致電機(jī)過早燒毀。
[0006]圖1是處于三相功率級的電機(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包括具有控制信號發(fā)生器12的控制器、柵極驅(qū)動器14及功率級16。在無傳感器控制情況下，還包括反饋電路，具體來說，為檢測網(wǎng)絡(luò)18和電流感測電路20，所述電流感測電路20利用感測電阻器Rsense。一般來說，無傳感器控制的目標(biāo)是檢測電機(jī)對施加的脈沖寬度調(diào)制(PWM)源電壓的響應(yīng)來識別轉(zhuǎn)子位置和運(yùn)動。
[0007]類似地，電流感測電路20可用于檢測橫越受驅(qū)動繞組的電機(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技術(shù)，例如監(jiān)控(包括高側(cè)監(jiān)控)每個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]控制信號產(chǎn)生器12通常由低電壓源供電。因此，柵極驅(qū)動器14的功能包括將低電壓控制信號移位到匹配功率級16的輸入要求的電平。功率級16包括半導(dǎo)體開關(guān)裝置。圖1中圖示M0SFET,但可使用其他裝置,例如絕緣柵極雙極型晶體管(insulated gate bipolartransistors ;IGBT)。可使控制信號產(chǎn)生來自電源Vpm的梯形(又稱為方塊或6步換向)或正弦波驅(qū)動。脈沖寬度調(diào)制通常在無刷DC (BLDC)電機(jī)控制中與梯形驅(qū)動一起使用。要求較低聲頻噪音或較低轉(zhuǎn)矩波動的系統(tǒng)得益于正弦波驅(qū)動。
[0009]關(guān)于PWM驅(qū)動技術(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^電機(jī)相和/或一或多個相電流上的電壓檢測電機(jī)對PWM驅(qū)動的響應(yīng)。
[0010]如圖1中所示，對于無刷DC電機(jī)控制，驅(qū)動功率級16，以使得電流流入第一電機(jī)相(例如，U相)中并離開第二電機(jī)相(例如，V相)。電機(jī)30中的轉(zhuǎn)子(未圖示)位置指定驅(qū)動哪個相位對來力圖實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的最大轉(zhuǎn)矩和平滑(無抖動)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的圖示說明，如先前技術(shù)中所知。所述圖示說明中的Y形連接電機(jī)30具有單極對永磁轉(zhuǎn)子32，所述單極對永磁轉(zhuǎn)子32經(jīng)定位以使得所述單極對永磁轉(zhuǎn)子32的南極34接近U相36的繞組。在所述條件下，對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的是，W相38和V相40是適合驅(qū)動以便發(fā)起轉(zhuǎn)子32旋轉(zhuǎn)的相位對。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配置中持續(xù)足夠長的時間，那么所得的轉(zhuǎn)矩將使永磁N極42立即移動到V相40之后的位置并使永磁S極3位即移動到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16換向到新的相位對。最佳換向點(diǎn)是轉(zhuǎn)子位置相對于未驅(qū)動相位(未由Vpwl^K動的相位)的線圈的函數(shù)。在圖2中，U相36是未驅(qū)動相位。理想情況下，轉(zhuǎn)子角度將相對于與未驅(qū)動相位的線圈的對準(zhǔn)跨越-30°到+30°。由于此60°的跨度是一次電氣轉(zhuǎn)動的六分之一，所以所述60°的跨度通常被稱為一個六分周。
[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描述。
[0014]表1:用于圖2中所示的Y形連接電機(jī)的六步換向順序圖2
[0015]
【權(quán)利要求】
1.一種控制在無傳感器BLDC電機(jī)中的電機(jī)切換的方法，所述方法包含以下步驟: 獲得未驅(qū)動繞組上的解調(diào)制的測量電壓；以及設(shè)定閾值，當(dāng)所述解調(diào)制測量的電壓超過所述閾值時，電機(jī)將在所述閾值下切換三個繞組的集合中的受驅(qū)動的兩個繞組。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中獲得所述未驅(qū)動相位上的所述解調(diào)制的測量電壓進(jìn)一步包含模型化所述電機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中獲得所述未驅(qū)動相位上的所述解調(diào)制的測量電壓進(jìn)一步包含: 在三個繞組的集合中的兩個繞組上驅(qū)動脈沖寬度調(diào)制信號； 測量三個繞組的所述集合中的所述未驅(qū)動繞組的電壓；以及 解調(diào)制所述測量電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中獲得所述解調(diào)制的測量電壓進(jìn)一步包含:在所述電機(jī)開始施加轉(zhuǎn)矩時，獲得所述解調(diào)制的測量電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中獲得所述解調(diào)制的測量電壓進(jìn)一步包含:在每一所述電機(jī)開始施加轉(zhuǎn)矩的實(shí)例中，獲得所述解調(diào)制的測量電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中獲得所述解調(diào)制的測量電壓進(jìn)一步包含:在所述電機(jī)由用戶使用時，實(shí)時獲得所述解調(diào)制的測量電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中獲得所述解調(diào)制的測量電壓進(jìn)一步包含:在所述轉(zhuǎn)子保持實(shí)質(zhì)上靜止時，獲得所述解調(diào)制的測量電壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述`的方法，其中繞組的所述集合正向所述轉(zhuǎn)子施加近似零的轉(zhuǎn)矩。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中針對多達(dá)六個六分周的集合獲得所述解調(diào)制的測量電壓，并且其中非連續(xù)的六分周經(jīng)驅(qū)動以獲得所述解調(diào)制的測量電壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中針對六個六分周的集合獲得所述解調(diào)制的測量電壓，并且所述閾值經(jīng)計(jì)算為近似所述解調(diào)制的測量電壓的平方的和的平方根。
11.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，所述方法進(jìn)一步包含:校準(zhǔn)基于通過所述兩個繞組的電流的補(bǔ)償模型，其中所述補(bǔ)償模型修改所述解調(diào)制的測量電壓。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中針對至少一個六分周獲得所述解調(diào)制的測量電壓，所述六分周具有通過所述兩個繞組的至少兩個不同電流強(qiáng)度。
13.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，所述方法進(jìn)一步包含:校準(zhǔn)基于通過所述兩個繞組的電流的補(bǔ)償模型，其中所述補(bǔ)償模型修改所述閾值。
14.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述脈沖寬度調(diào)制信號具有50%的占空比。
15.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中獲得所述解調(diào)制的測量電壓進(jìn)一步包含:當(dāng)所述轉(zhuǎn)子以一速度旋轉(zhuǎn)時，獲得所述解調(diào)制的測量電壓，所述速度低于反EMF可用于六分周識別的速度。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，所述方法進(jìn)一步包含:校準(zhǔn)基于通過所述兩個繞組的電流的補(bǔ)償模型，其中所述補(bǔ)償模型修改所述解調(diào)制的測量電壓。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，所述方法進(jìn)一步包含:校準(zhǔn)基于通過所述兩個繞組的電流的補(bǔ)償模型，其中所述補(bǔ)償模型修改所述閾值。
18.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，所述方法進(jìn)一步包含:識別繞組對以驅(qū)動最大化在所述所需旋轉(zhuǎn)方向上的可得轉(zhuǎn)矩。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電機(jī)為三相永磁電機(jī)。
20.—種用于控制無傳感器BLDC電機(jī)中的電機(jī)切換的系統(tǒng),所述電機(jī)包含具有三個定子繞組的定子和永磁轉(zhuǎn)子，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發(fā)生器、存儲器裝置、處理單元、信號采集裝置和模數(shù)轉(zhuǎn)換器； 功率級，所述功率級具有多個開關(guān)，其中所述功率級接收來自所述控制信號發(fā)生器的控制信號和來自電源的功率信號，其中所述功率級驅(qū)動所述三個定子繞組中的兩個繞組，并留下所述三個定子繞組中的一個定子未受驅(qū)動； 其中所述處理單元獲得所述未驅(qū)動繞組上的解調(diào)制的測量電壓；以及 其中所述處理單元計(jì)算閾值，當(dāng)所述解調(diào)制的測量的電壓超過所述閥值時，所述功率級將在所述閾值下改變所述三個定子繞組中的受驅(qū)動的兩個繞組。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述控制器單元附接到所述電機(jī)。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包含儲存在所述電機(jī)存儲器中的補(bǔ)償模型，其中所述補(bǔ)償模型將所述閾值和所述解調(diào)制的測量電壓中的至少一個修改為電機(jī)特性和操作條件中的至少一個的函數(shù)。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包含閘，在所述功率級驅(qū)動所述兩個繞組時，所述閘將所述轉(zhuǎn)子保持在實(shí)質(zhì)上靜止的位置中。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中在啟動后程序化所述控制器單元以將所述受驅(qū)動繞組以非循序順序換向直到計(jì)`算所述閾值，從而在電機(jī)啟動期間最小化所述轉(zhuǎn)子的運(yùn)動。
【文檔編號】H02P6/18GK103780172SQ201310199335
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年5月24日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月25日
【發(fā)明者】斯蒂芬·詹姆斯·桑切斯, 馬爾科·約翰·科博伊希, 布拉尼斯拉夫·彼特, 約翰·L·梅蘭森 申請人:凌云邏輯公司