CN101120505A - 电动机中转子位置的确定 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于确定电动机中转子位置的装置，包括一个设置在电动机(1)上的、响应转子对一个参考位置的通过的检测器(2)及一个可被同步到检测器的输出信号上的锁相环路(3，4，5，6)，该锁相环路输出一个代表转子位置的输出信号。检测转子多次通过一个参考位置的时间点；使振荡器(5)的周期适配，以致在振荡器(5)的预定相位时发生参考位置的通过；由振荡器(5)的振荡推导出这些参考位置通过之间的转子位置。

Description

电动机中转子位置的确定
本发明涉及用于确定电动机中转子的位置的方法及装置。
对于其转速通过输入的交流电压的频率来确定的无刷电动机的工作，准确地识别转子的位置具有决定性意义，以便无需附加辅助电动机来起动这种电动机及可以在任意可确定的转速中使其运行。用于检测转子位置的传统技术在于：在一个固定在电动机轴上的装有磁铁的测速盘的附近设置多个霍耳传感器，这些霍耳传感器通过一个连续信号的信号脉冲或电平转换来指示测速盘的一个磁铁的北极或南极的扫过。这种测速盘的磁极的数目通常与转子磁极的数目相同。
电动机的能量供给通常通过一个电子逆变器来实现，该逆变器对于电动机中磁场的每360°的转动(相应于在具有n极对的电动机中轴转动360°/n)电地产生60°角度间隔的6个开关状态的序列。这些开关状态的序列在电动机中产生出一个旋转磁场，该旋转磁场以60°的步子从一个开关状态到下个开关状态电地继续转动。当转子相应于磁场转动一整转地进一步转动了360°/n时，一个单个的霍耳传感器仅输出两个脉冲。但因为在磁场旋转过程中更换了6个开关状态，对于磁场的每个整转需要6个开关脉冲，以便启动从一个开关状态向另一开关状态的过渡。为了分别相位正确地产生这些开关脉冲，已公开了：在该测速盘上总是以120°/n的空间角度彼此相对地设置总共三个霍耳传感器。这三个传感器提供开关脉冲以便使逆变器以120°/n的轴角度间隔由一个状态转换到下一状态。
这三个传感器当然是昂贵的，及它们需要时间及尤其是位置来安装，该位置不是必然地总可提供的。另一问题在于，在测速盘上磁铁的布置中的不精确性可能导致，轴转一圈的过程中两个开关脉冲之间的时间间隔周期性地变化，这导致电动机不均匀地转动及由此导致增强的噪音发生。
本发明的任务是，提供一种用于检测电动机中转子位置的方法及装置，它们允许，在低成本及小的位置占用量的情况下、尤其在转子附近，精确地测量位置。
该任务将通过具有权利要求1的特征的方法或具有权利要求10的特征的装置来解决。
通过可调谐的振荡器可代替在转子旁以传统方式设置的所有传感器，除了一个唯一的、被需要来输出参考周期的传感器以外，振荡器可被调谐在该参考周期上。因为振荡器不必设置在转子的紧邻附近，在转子的周围将节省出位置，这使得电动机可紧凑地构成。此外基于与传统的三个检测器相比根据本发明的单个检测器的位置占用量小，该检测器也可直接地设置在转子磁铁处，由此可去消一个测速盘的成本及位置占用量及可避免确定参考位置通过时的误差，该误差归因于测速盘上磁铁布置的不精确度。
根据本发明的方法可用本身公知的锁相环路(PLL电路)来实施，其中当转子每通过参考位置时检测振荡器的相位及借助检测的偏差来校正振荡器的调谐频率。
一个简单的PLL电路，在它锁定在转子频率上及可作为标准频率用于磁场控制的推导前，会需要电动机转动许多圈。这种锁定可通过测量两个参考位置通过之间的持续时间及将一个由该持续时间推导出的时间作为振荡器周期来预给定来大大加速。因此在根据本发明的电动机起动时两次通过参考位置就足以达到周期的有效估计，它可作为继续运行可调谐的振荡器的基础。
在具有n个极对的转子的电动机上制造公差可导致：即使在精确恒定的电动机旋转速度时在两次参考位置通过之间测量的持续时间也会有节律地波动。为了限制该波动的影响，可合乎目的地，在由这些参考位置通过的时间点来推导作为振荡器的周期预给定的时间时包括一个对在分别n个相继的参考位置通过时求得的持续时间求平均值的步骤。
当要向上或向下调节电动机转速时，在两次参考位置通过之间测量到的持续时间不是恒定的，而是连续地下降或上升。这可在确定转子位置时简单地考虑，其方式是当转子每次通过参考位置时求得自在先通过所经过的持续时间，计算该持续时间与一个在先通过时所求得的持续时间之间的差值及将作为振荡器周期推导出的时间通过加上一个由正系数加权的差值来校正。该系数最好被选择在大致0.5上。
推导的转子位置可合乎目的地被利用，以便控制在电动机的多个相上施加的电源电压随时间的变化。该控制最好在于，在电动机的各相上施加以检测周期周期性地重复的、由多个离散开关状态的一个序列组成的模式，其中分别在一个预给定的转子位置时从这些状态的一个向接着的下一个状态转换。
本发明的一个优选应用领域是用于家用电器、尤其是用于洗衣机的电动机。
本发明的其它特征及优点可由以下参照附图对实施例的说明得知。附图表示：
图1：根据本发明的用于转子位置检测的装置及借助该装置控制的一个电动机的极其简化的示图；
图2：在图1的装置中使用的一个逆变器的示意性电路图；
图3；在电动机上周期性重复出现的电路状态随时间的变化；及
图4：用于转子位置检测的装置及借助该装置控制的一个电动机的一个优选构型的电路框图。
在图1的框图中用1指示一个无刷直流电动机，它的转子具有n＝4个极对。该直流电动机1由一个逆变器7供电，该逆变器的开关周期交变地由一个控制电路6置于6个不同的、与电动机1中彼此各电相位移60°的磁场相应的状态。一个霍耳传感器2被设置在紧邻转子的附近，以便检测转子的每个单个的经过它的极的磁场。该霍耳传感器2输出一个输出信号，该信号总是在一个第一极性类型经过时具有一个上升沿及在另一极性类型经过时具有一个下降沿。因此霍耳传感器2的输出信号的频率f为电动机1的旋转频率的n倍。
霍耳传感器2的输出信号连接到一个相位比较器3的一个第一输入端上，该比较器的第二输入端被供给一个比较信号，对它的形成还将说明。该相位比较器3例如可通过一个电子计数器来构成，该计数器总是在霍耳传感器2的一个下降信号沿输入时开始对一个时钟信号的脉冲计数，该时钟信号的频率是频率f的多倍，直至在第二信号输入端上接收到一个下降信号沿为止，及该计数结果作为两个信号之间的相位差的测量值输出。通过一个低通滤波器4滤平的、相位比较器3的输出信号控制一个电压控制的振荡器5。在稳态模式中该振荡器输出具有频率f的比较信号。
根据一个第一构型，该比较信号具有一个波形，它允许在任何时间从该信号电平推出该相位，如锯齿形、三角形或正弦形。控制电路6接收振荡器5的比较信号及将它与一系列的参考电平、例如与0°，60°，120°，...，300°的相位相应的参考电平相比较，以便这样检测相应的相位及在这些相位上改变逆变器7的开关的状态。
根据一个第二构型，振荡器5在稳态模式中产生具有频率6f的主振荡及具有一个分频器，该分频器由该主振荡产生具有频率f的比较信号。因此主振荡的每个周期表示转子的60°的转动。借助这样确定的转子位置，控制电路随着主振荡的每个周期从逆变器的一个电路状态转换到另一电路状态。
图2概要地表示逆变器7，它包括6个开关SU1，SV1，SW1，SU2，SV2，SW2，其中开关SU1，SV1，SW1各被设置在一个正电源端子(+)与电动机1的一个相U，V或W之间及开关SU2，SV2，SW2各被设置在这三个相位中的一个与一个负电源端子(-)之间。这些开关以本身公知的方式可以是具有并联连接的自振荡二极管的IGBTs。
在图3的时间波形图中用VCO指示电压控制的振荡器5的主振荡，控制电路6对其上升沿作出响应，其方式是，它总是从6个周期地相继产生的开关状态a，b，c，d，e，f中的一个转换到下一个。
图3对于开关状态a至f的每一个示出逆变器7的这些开关的状态及由此产生的在电动机1的这些相U，V，W上的电压。在状态a中这些开关SU1，SW1闭合。开关SU2，SW2，SV1打开，及开关SV2脉冲控制地打开及闭合。根据开关SV2的脉冲占空系数电流流过电动机的相U，V或W，V，并且，产生的磁场叠加成一个空间矢量ua。在下一开关状态b中开关SV2，SW2闭合，SU2，SV1，SW1打开及SU1被脉冲宽度调制；电流相应地流过相U，V及U，W，及产生一个空间矢量ub，该矢量相对ua在逆时针方向上转动了60°。对于状态c，d，e，f，开关的状态闭合、打开、脉宽调制及由此产生的电流分布及空间矢量可从图3中看出及这里无需详细地说明。重要的是，信号VCO的6个周期产生360°的一个空间矢量旋转。
当然由控制电路6控制的、逆变器7的状态也可不同于图3所示的，尤其是可以、尽管不是太优选地、考虑一个状态模式，其中电动机1的每个相U，V，W分别在一个状态期间通过两个所属开关的打开保持无电流，然后在两个状态期间与正电源电压连接，接着又在一个状态期间保持无电流及最后在两个状态期间与负电源端子相连接并且这三个相分别彼此相位移了两个状态。
图1的装置可靠地表示在一个均匀旋转的电动机中转子的一些位置，在这些位置中需要电动机中的空间矢量的继续转换，但也可能出现问题，即在当转速改变导致相位耦合的失去，或当电动机起动期间必需首先建立相位耦合时。
在图4中表示出一个可避免这个及其它问题的进一步改进的构型。图4中与参照图1所述部分相应的装置部分标有相同的参考标号及不再重新说明。
这里，相位比较器3的输出信号构成一个差分放大器8的非反相的输入信号，在其反相输入端上由外部输入一个代表所需相位移的信号“Soll”。借助该外部信号可调节电动机1的转子与在电动机中旋转的磁场之间的任意跟随角度。
这里低通滤波器4被构成为比例/积分调节器，它具有：一个加权部件9，该加权部件使差分放大器8的输出信号与一个预给定的加权系数相乘；及一个用于差分放大器8的输出信号的积分的积分器10。加权部件9与积分器10的加法叠加的输出信号被与另外的一些在加法器11中加上的量值一起作为频率控制信号输入到电压控制的振荡器5。
在霍耳传感器2的输出端上，除相位比较器3外还连接有一个周期测量电路12，该周期测量电路分别测量霍耳传感器2的信号的两个相继的下降沿之间的持续时间及作为输出信号输送给平均值电路13及一个第一移位寄存器14。在第一移位寄存器的输出端上连接第二移位寄存器15的输入端及平均值电路13的第二输入端；在第二移位寄存器的输出端上连接着一个第三移位寄存器16及平均值电路13的一个第三输入端，及在第三移位寄存器的输出端上连接着平均值电路13的第四输入端。由测量电路12输出的每个新的周期测量值来触发移位寄存器14，15，16，以使得它们各在其输入端上接收施加的测量值及输出。因此在平均值电路13的这些输入端上总是出现霍耳传感器信号的周期持续时间的四个最新的测量值。平均值电路13在其输出端上输出这些测量值的平均值。(通常在转子极对数为n的情况下总是设有n个输入端及n-1个移位寄存器，由此在相当于转子转一整圈的、霍耳传感器信号的n个周期上求平均值。)因此，会由于转子的4个极对布置的不匀称性产生的周期持续时间的周期性波动在平均值电路13的输出信号中被排除。该输出信号对电压控制的振荡器5的输入电压提供了一个主要的份额。因此在转子的两个参考位置通过后在振荡器5上出现一个输入电压，该输入电压离在稳态中会调节出的输入电压不远。振荡器的频率可很快地锁定在转子的频率上。
平均值电路13的输出端还一方面直接地连接及另一方面通过第四移位寄存器17连接到一个差分电路18上，第四移位寄存器以与移位寄存器14至16相同的方式被触发，以使得差分电路18以输出信号输出霍耳传感器信号的两个彼此相继求平均值的周期之间的差值。故差分电路18的输出信号相应于周期持续时间的平均改变及指示电动机1的一个加速或减速的运行。这种加速或减速的运行应被考虑，其方式是差分电路18的输出信号，在一个加权部件19中用系数0.5加权，在加法器11中加到已经说明的到振荡器5的输入信号的那些量值。因此振荡器5的振荡已考虑到周期持续时间的改变，它虽然用对过去的外插来预料，但至今还不被测量。电动机通过控制电路6及逆变器7的控制与图1中的情况相同，其中图4中仅表示出1∶6的分频器20作为与控制电路6的其它部分分立的电路部分，该分频器输出用于相位比较器3的比较信号。

Claims (14)

1.用于确定电动机(1)中转子位置的方法，具有以下步骤：a)检测转子通过一个参考位置的多个时间点；使一个可调谐的振荡器(5)的周期适配，以致在振荡器(5)的预定相位时发生参考位置的通过；由振荡器(5)的振荡推导出这些参考位置通过之间的转子位置。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于：在转子每次通过参考位置时检测振荡器的相位及借助检测的偏差来校正振荡器的调谐频率。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：测量两个参考位置通过之间的持续时间及将一个由该持续时间推导出的时间作为振荡器周期来预给定。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于：转子具有n个极对及参考位置总是相应于每个极对的一个极在一个检测器(2)处的通过；及作为振荡器(5)的周期预给定的时间的推导包括一个对由分别n个相继的参考位置通过求得的持续时间求平均值的步骤。
5.根据权利要求3或4的方法，其特征在于：当转子每次通过参考位置时求得自在先通过所经过的持续时间，计算该持续时间与一个在先通过时所求得的持续时间之间的差值及推导出的时间通过加上一个由一个正系数加权的差值来校正。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于：该系数在0.3与0.7之间。
7.根据以上权利要求中一项的方法，其特征在于：借助推导出的转子位置来控制在电动机(1)的多个相上施加的电源电压随时间的变化。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于：这些电源电压根据一个以检测周期周期性地重复的、由多个离散状态的一个序列组成的模式来控制，其中总是在一个预给定的转子位置时从这些状态的一个向接着的下一个转换。
9.根据以上权利要求中一项的方法，其特征在于：该方法被使用在一个家用电器、尤其是一个洗衣机的电动机上。
10.用于确定电动机中转子位置的装置，具有一个设置在电动机(1)上的、响应转子对一个参考位置的通过的检测器(2)及一个可被同步到检测器的输出信号上的锁相环路(3，4，5，6)，该锁相环路输出一个代表转子位置的输出信号。
11.根据权利要求10的装置，其特征在于：检测器(2)被设置在转子的磁场中。
12.根据权利要求10或11的装置，其特征在于：锁相环路包括：一个可调谐的振荡器(5)；一个相位比较器(3)，用于输出一个代表检测器的输出信号与可调谐的振荡器(5)的输出信号之间的相位差的校正信号；一个用于校正信号的低通滤波器(4；9，10)；一个时间测量电路(12-19)，用于求得转子两次通过参考位置之间的周期持续时间；及一个叠加电路(11)，用于将时间测量电路的一个代表求得的周期持续时间的输出信号与低通滤波的校正信号相叠加成一个用于振荡器(5)的调谐信号。
13.根据权利要求12的装置，其特征在于：时间测量电路(12-19)包括一个平均值电路(13)，用于形成转子对参考位置的n个相继的通过之间的这些时间间隔的平均值。
14.根据权利要求12或13的装置，其特征在于：时间测量电路(12-19)在转子每次通过参考位置时求得自在先的通过所经过的持续时间，计算该持续时间与一个在先通过时求得的持续时间之间的差值，及对所求得的周期持续时间通过加上用一个正系数加权的差值来校正。
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