專利名稱：無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子位置檢測的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于確定無刷直流(所謂BLDC)電動機的轉(zhuǎn)子位置的方法，無需使用位置傳感器部件。確定的位置信息可以被用來控制電動機。
背景技術(shù)：
BLDC電動機的控制器包括電子換向器，其根據(jù)轉(zhuǎn)子的實際位置來確定需要激勵的不同相位繞組。確定轉(zhuǎn)子位置的經(jīng)典方法是使用將開關(guān)從一種換向狀態(tài)觸發(fā)到另一種狀態(tài)的位置傳感器。使用這種位置傳感器部件提高了價格，特別是如果在給定應(yīng)用中電動機位于與控制電子設(shè)備分離。
無需使用特殊位置傳感器部件的轉(zhuǎn)子位置確定是基于基本上可以從機器本身的電磁特性來獲得位置的事實。
或許最廣泛傳播的方法是反電動勢方法，在該方法中基于旋轉(zhuǎn)所感應(yīng)的電壓函數(shù)來確定轉(zhuǎn)子位置(楞次定律)。該方法的缺點是，在低轉(zhuǎn)速時感應(yīng)電壓的幅度對于確定位置而言實際太低。因此，該方法無法用于啟動電動機。
典型地在停頓和低速期間，額外的激勵被插入以獲得關(guān)于轉(zhuǎn)子位置的信息。如果它們包括激勵電動機的僅一個相位或者若干相位以便計算位置估計，則這些方法可以根據(jù)屬性來進行一種分類。激勵電動機的若干或者所有相位的方法具有無需關(guān)于電動機的磁通和/或感應(yīng)率(inductivity)特性的初始信息的優(yōu)點。
一般的預(yù)先假設(shè)只是定子繞組的感應(yīng)率以位置的函數(shù)變化，并且它的周期是360°el(并且不是180°el)。其充分條件是相位繞組的感應(yīng)率是否至少在位置范圍的一部分進入特性的非線性(飽和)區(qū)。
專利說明書EP-0251785建議了一種基于激勵脈沖響應(yīng)中的最大測量值來決定換向的方法。兩種極性并具有相同固定時間周期的激勵脈沖被提供給每個相位。這里，估計位置數(shù)據(jù)選自具有180°el/p結(jié)果的離散集，其中，p表示定子相位的數(shù)量。
專利說明書EP-0536113的方法同樣基于2p個測量數(shù)據(jù)。這里，通過計算來自響應(yīng)值的反向離散傅立葉變換的第一諧波的相位來提供連續(xù)位置估計。計算出的位置信息被用于確定開始換向命令。在該開始換向命令后，建議通過實驗預(yù)定的換向時間周期系列來控制換向的改變直至達到極限速度。達到極限速度后，使用反電動勢方法來進行換向控制。
專利說明書WO-2003052919的基本概念與EP-0251785類似。但是，此處所有測試脈沖響應(yīng)的最大幅度被固定到相同值，并且測量達到極限的必要時間周期。然后，根據(jù)具有最小時間周期的相位激勵來選擇換向。初始測量后，在此進一步建議如果不知道旋轉(zhuǎn)方向，則將測量脈沖的數(shù)量減少到3，如果知道方向則減少到2。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，提供一種通過簡單計算來確定轉(zhuǎn)子位置的方法，使用減少的激勵數(shù)量但仍然導(dǎo)致連續(xù)的估計，較上面的方法更加有利。
這個目的可以通過權(quán)利要求1的特征，也就是通過一種確定無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子的角位置的方法來解決，該無刷直流電動機具有具有多相繞組的定子；控制電路，向電動機相位提供相互切換的激勵，使得激勵產(chǎn)生處于整個360°電角度范圍內(nèi)的不同方向的定子磁通矢量；以及測量電路，遞送對于相位激勵的響應(yīng)。通過選擇導(dǎo)致測量響應(yīng)所示的最小感應(yīng)率的主激勵定子磁通矢量，并選擇相對于所述主矢量方向在之前和之后方向上的兩個其它矢量，以及通過計算對于所選定子磁通矢量的測量響應(yīng)的差值之間的比率，來估計所述位置。
因此，本發(fā)明的方法從少量測量數(shù)據(jù)中確定反感應(yīng)率(counterinductivity)特性的非線性曲線的最大值。曲線最大值的位移與轉(zhuǎn)子從該位置的角位移相等，其中，轉(zhuǎn)子磁極按照第一定子磁通矢量的方向排列。
因此，可以通過使用減少的激勵數(shù)量但導(dǎo)致連續(xù)估計的簡單計算來確定轉(zhuǎn)子位置。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，電動機至少在位置范圍的一部分工作于感應(yīng)率特性的非線性(飽和)區(qū)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，測量的定子相位響應(yīng)與電動機繞組的實際感應(yīng)率或者反感應(yīng)率成比例。如果響應(yīng)信號瞬變的時間周期被測量直至它達到固定最大水平，則測量的響應(yīng)將例如與感應(yīng)率成比例。另一方面，如果對于具有固定時間周期的激勵脈沖來測量電流響應(yīng)瞬變的最大值，則測量的響應(yīng)將例如與實際反感應(yīng)率成比例。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，通過選自2p個定子磁通矢量的至少3個定子磁通矢量來激勵電動機相位，所述2p個定子磁通矢量處于電角度kπ/p，k＝0，……，2p-1，其中p表示電動機的相位數(shù)量。以選擇至少主矢量和處于之前和之后方向的矢量用于激勵的方式，來進行激勵方向的選擇。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，如果位置依賴電動機值與繞組的感應(yīng)率成比例，則在被用于進一步計算之前它們被翻轉(zhuǎn)。因此，數(shù)值與繞組的反感應(yīng)率成比例的數(shù)據(jù)集總是被用于位置估計。與反感應(yīng)率成比例的測量或者計算的位置依賴電動機值以{i0，…，i2p-1}來表示。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，通過選擇與{i0，……，i2p-1}中的最大值對應(yīng)的矢量來完成主激勵定子磁通矢量的選擇。如果發(fā)現(xiàn)多于一個的相等最大值，那么它們的下標(index)的任何一個可以被選擇用于主激勵定子磁通矢量的下標。然后所選定子磁通矢量的測量響應(yīng)的差值之間的比率被計算為分數(shù)，如果iλ大于in，其分子是in減去iλ，其分母是im減去in，如果im不等于iλ，則分母是im減去iλ，否則分母為1，其中，m表示主激勵方向的下標，并且λ、n分別表示主激勵方向前面和后面的方向的下標。最后，獲得估計的位置為m乘以π除以p加上計算的所選定子磁通矢量的測量響應(yīng)的差值之間的比率乘以π除以2p。


基于下列各圖對本發(fā)明進行介紹圖1控制BLDC電動機的方法的方框圖。
圖2換向驅(qū)動器和測量電路的圖。
圖3具有位置估計方法的圖形表示的函數(shù)位置中的相位的感應(yīng)率的一個周期。
具體實施例方式
圖1電動機1包括轉(zhuǎn)子2和多相定子3。轉(zhuǎn)子2例如可以是具有永磁體或被直流電激勵的凸極型(salient pole type)，或者它例如可以是具有表面永磁體的表面型(exterior type)。電動機1被控制設(shè)備5所控制的驅(qū)動電路4驅(qū)動。
以這樣一種方法來控制電動機1，即，在命令線6上到達驅(qū)動電路4的連續(xù)命令將來自外部電源UB的電流切換到那些建立磁場的定子相位，所述磁場用于提供旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子2的最大轉(zhuǎn)矩。因此，必須與轉(zhuǎn)子2的旋轉(zhuǎn)同步地改變相位的激勵(通過在換向命令中進行切換)，并且其定時需要轉(zhuǎn)子2的位置信息。
如果轉(zhuǎn)子2已經(jīng)旋轉(zhuǎn)大于某個速度，則可以從相位電壓7的測量來獲得換向命令的切換定時的信息(反電動勢方法)。
如果轉(zhuǎn)子2的速度低于感應(yīng)電壓可被用于定時換向改變的水平，則換向控制被暫停一段時間，在此期間從相位的強制激勵(forcedexcitations)的響應(yīng)中確定轉(zhuǎn)子位置。由測量部件8來測量所述響應(yīng)，并且通過反饋信號9反饋到電動機控制設(shè)備5。電動機控制設(shè)備5從系列反饋值中計算位置估計，并因此確定發(fā)送到電動機驅(qū)動電路4的適當(dāng)控制命令。從停頓開始以某一頻率重復(fù)該過程直到電動機1達到已經(jīng)可以使用反電動勢方法的速度。
圖2對驅(qū)動電路4進行了更加詳細的描述。圖中示出了用于具有以三角形連接的定子繞組31、32、33的三相電動機的所謂半橋電路的例子，但是所述發(fā)明同樣可以用于具有星形連接的電動機，以及除三相外具有不同驅(qū)動電路的電動機。在使用半橋型電動機驅(qū)動器的情況下，電動機控制設(shè)備5接通驅(qū)動電路4的上側(cè)開關(guān)(SHI，SHZ，SH3)之一和下側(cè)開關(guān)(SLI，SLZ，SL3)之一來激勵實際需要的電動機相位。i＝k時禁止SHi和SLk的同時切換。允許的其它組合產(chǎn)生6個可能的定子磁通矢量，相互后移相等的60°電角度距離。換向命令總是選擇適當(dāng)?shù)亩ㄗ哟磐ㄊ噶坑糜诩?，以便提供旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子2的最大轉(zhuǎn)矩。
在停頓期間并且經(jīng)常在低速換向期間，需要位置測量來啟動轉(zhuǎn)子2，而不將其引入初始位置。在后一情況下，正常換向控制被打破，等待時間周期直到繞組被斷電，并插入測量過程。
通常，在確定位置的公式中，電動機1的相位數(shù)量用p來表示。測量與定子繞組的實際感應(yīng)率或者反感應(yīng)率成比例的電動機值，施加不同方向上的激勵以便確定轉(zhuǎn)子位置。在優(yōu)選實施例中，通過電動機驅(qū)動器2在kπ/p(k＝0，……，2p-1)的電角度上施加短脈沖來激勵電動機相位。如將在后面看到的，位置一旦被初始確定后，僅三到四個方向上的激勵就足夠了。
在激勵脈沖處于任何選定方向的情況下，電流流經(jīng)分流電阻51。在優(yōu)選實施例中，建議了兩種方案來提供用于電動機控制設(shè)備5的反饋信號以計算位置估計。該電阻的任一內(nèi)置電壓瞬變可以被放大并且隨后反饋到電動機控制設(shè)備5。因此，反饋信號與激勵繞組的實際反感應(yīng)率成比例。電動機控制設(shè)備5在從激勵脈沖開始的恒定延遲之后但在其結(jié)束之前對反饋信號進行采樣。因而反饋電路52包括放大器和可能的過濾。另一個解決方案是將放大后的電壓與預(yù)先選擇的固定參考電壓進行比較，并且比較器的輸出被反饋到電動機控制設(shè)備5。隨后激勵脈沖被保持直到比較器的輸出改變，并且測量的脈沖結(jié)果周期與感應(yīng)率成比例。因而反饋電路52包括可能的放大器和過濾、比較器以及參考電壓電源或輸入。在測量感應(yīng)率或者反感應(yīng)率的這些或其它可能情況的任何一種中，測量的數(shù)值最終被轉(zhuǎn)換為與電動機控制設(shè)備5內(nèi)的反感應(yīng)率成比例。
在定子磁通矢量的每個選擇的方向上重復(fù)這種測量方法產(chǎn)生數(shù)值與反感應(yīng)率成比例的數(shù)據(jù)集{ik，k＝0，……，2p-1}。(將在后面討論減少測量數(shù)量。)在每次測量后存儲測量的數(shù)值，并且在完成測量序列后啟動位置估計算法。
可以使用圖3描述的幾何運算來導(dǎo)出從與反感應(yīng)率成比例的數(shù)據(jù)集{ik，k＝0，……，2p-1}中確定轉(zhuǎn)子位置的優(yōu)選算法。非線性曲線91代表與轉(zhuǎn)子位置與所選定子磁通矢量的函數(shù)中的反感應(yīng)率特性成比例的示范函數(shù)。曲線91的最大值示出了轉(zhuǎn)子2從所述位置的角位移，其中轉(zhuǎn)子磁極按照第一定子磁通矢量的方向排列(0方向)。在測量過程中，該曲線的離散點(92，93，……，97)被測量(假設(shè)不同相位的特性對稱)。
可以用下列公式給出用于確定轉(zhuǎn)子角位置的算法A.在數(shù)據(jù)集中搜索最大值。以m表示其下標(注意下標從0到2p-1)。
B.計算數(shù)據(jù)集中的下列比率其中，λ＝{m-1，如果m＞0，2p-1如果m＝0，以及n＝{m+1，如果m＜2p-1，0如果m＝2p-1C.位置被估計為θ＝(m+r/2)π/p。
可以看到，步驟A(選擇最大值)之后，使用僅三個方向上的激勵的響應(yīng)值來計算位置信息。如果給出了之前的位置估計，則相同三個方向上的測量值可以被用來計算新的估計直到中間一個是它們中的最大值。如果早于之前的最大值的具有π/p電角度的那一個變?yōu)樾碌淖畲笾?，則早于之前的最大值的額外激勵2π/p應(yīng)該被采用以便接收計算實際位置所需的新值。同樣地，如果晚于之前的最大值的具有π/p電角度的那一個變?yōu)樾碌淖畲笾?，則晚于之前的最大值的額外激勵2π/p應(yīng)該被采用以便接收計算實際位置所需的新值。即，在位置一旦被初始確定后，僅三到四個激勵脈沖就足夠了，結(jié)果減少了用于測量過程的總時間周期。
權(quán)利要求
1.一種確定無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子角位置的方法，該無刷直流電動機具有具有多相繞組的定子；控制電路，向電動機相位提供相互切換的激勵，使得激勵產(chǎn)生處于整個360°電角度范圍內(nèi)的不同方向的定子磁通矢量；以及遞送相位激勵的響應(yīng)的測量電路，其特征在于，通過選擇導(dǎo)致測量的響應(yīng)所示的最小感應(yīng)率的主激勵定子磁通矢量，和選擇相對于主矢量方向在之前和之后方向上的兩個其它矢量，以及通過計算對于所選定子磁通矢量的測量響應(yīng)的差值之間的比率，來估計所述位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述電動機至少在所述位置范圍的一部分工作于感應(yīng)率特性的非線性(飽和)區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述測量響應(yīng)與電動機繞組的實際感應(yīng)率或反感應(yīng)率成比例。
4.根據(jù)權(quán)利要求1和3所述的方法，其特征在于，與所述感應(yīng)率成比例的測量響應(yīng)是激勵脈沖到達定子相位直到響應(yīng)信號瞬變達到固定最大水平的時間周期。
5.根據(jù)權(quán)利要求1和3所述的方法，其特征在于，與所述反感應(yīng)率成比例的測量響應(yīng)是定子相位對于固定時間周期的激勵脈沖的電流響應(yīng)瞬變的最大值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過選自2p個定子磁通矢量的至少3個定子磁通矢量來激勵所述電動機相位，所述2p個定子磁通矢量處于kπ/p電角度，k＝0，……，2p-1，其中p表示電動機的相位數(shù)量，以至少選擇主矢量和處于之前和之后方向上的矢量用于激勵的方式來進行所述選擇。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、3和6所述的方法，其特征在于，如果所述位置依賴電動機值與繞組的感應(yīng)率成比例，則在被用于進一步計算之前它們被翻轉(zhuǎn)；測量或者計算的與繞組的反感應(yīng)率成比例的位置依賴電動機值以{i0，……，i2p-1}來表示。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、6和7所述的方法，其特征在于，通過選擇對應(yīng)于{i0，……，i2p-1}中的最大值的矢量來完成所述主激勵定子磁通矢量的選擇，其中，如果發(fā)現(xiàn)多于一個的相等最大值，則它們的下標的任何一個可以被選擇用于所述主激勵定子磁通矢量的下標；對于選擇的定子磁通矢量的測量響應(yīng)的差值之間的比率被計算為一個分數(shù)，如果iλ大于in，其分子是in減去iλ，其分母是im減去in，如果im不等于iλ，則分母是im減去iλ，否則分母為1，其中，m表示主激勵方向的下標，以及λ、n分別表示主激勵方向前面和后面的方向的下標，獲得估計的位置為m乘以π除以p加上計算的對于所選定子磁通矢量的測量響應(yīng)的差值之間的比率乘以π除以2p。
全文摘要
一種確定無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子的角位置的方法，該無刷直流電動機具有具有多相繞組的定子；向電動機相位提供相互切換的激勵使得激勵產(chǎn)生處于整個360°電角度范圍內(nèi)的不同方向的定子磁通矢量的控制電路；以及遞送對于相位激勵的響應(yīng)的測量電路，其特征在于，通過選擇導(dǎo)致測量的響應(yīng)所示的最小感應(yīng)率的主激勵定子磁通矢量，和選擇相對于主矢量方向在之前和之后方向上的兩個其它矢量，以及通過計算對于選擇的定子磁通矢量的測量響應(yīng)的差值之間的比率，來估計所述位置。
文檔編號H02P6/18GK1951001SQ200580007990
公開日2007年4月18日 申請日期2005年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月12日
發(fā)明者拉斯羅·賈農(nóng)內(nèi) 申請人:克諾爾商用車制動系統(tǒng)有限公司