CN101273519A - 无电刷直流电动机的操作方法 - Google Patents

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Abstract

用于无电刷DC电动机操作的方法和装置。一种示例方法可以包括采用先前感测的霍耳效应传感器变换预测未来的霍耳效应变换，并将最近的霍耳效应传感器变换和预测的霍耳效应传感器变换之间的时间划分成时间增量。可以通过选择一定数量的时间增量来创建用于相位提前目的的时间偏移，由此利用时间增量实现相位提前。还可以采用时间增量作为虚拟编码器。还讨论了包含用于执行类似方法的控制器和控制电路的装置。

Description

无电刷直流电动机的操作方法
技术领域
本发明涉及电动机领域。更具体而言，本发明涉及无电刷直流(DC)电动机。
背景技术
在带电刷的DC电动机中，电刷与设置在固定到电枢上的换向器上的一组电接触发生机械接触，从而在DC电源和电枢上的线圈绕组之间形成电路。随着电枢在轴上旋转，固定电刷与旋转的换向器的不同部分发生接触。换向器和电刷系统形成了一组电开关，所述电开关按顺序操作，从而使电能通过与定子最近的电枢线圈流动，所述定子内容纳固定磁体，所述固定磁体相对于线圈绕组建立引发旋转的力。
无电刷DC电动机利用控制电路操作代替了电刷和换向器上的电接触的组合的开关。尽管控制回路可能增加无电刷DC电动机的成本，但是去掉电刷和换向器也降低了维护费用，因为不再有与电刷相关的损耗，并且避免了电动机内有可能在换向器经过电刷移动时产生的电弧放电。在某些例子当中，在转子和电枢上设置多个霍耳效应传感器和磁体，其中，采用霍耳效应传感器的输出来控制电流切换。
在图1A-1B中示出了无电刷DC电动机的例子。通过截面图示出的电动机10包括电枢12和转子14，磁体16和17设置在转子14上。将霍耳效应感测元件18设置在电枢12上，用于感测磁体16和17的位置。控制电路20包括耦合至霍耳效应传感器18的霍耳中断探测块22，只要霍耳效应传感器18中的一个发生变换，霍耳中断探测块22就会生成中断或其他信号，其中，所述霍耳效应传感器18之一发生变换表示磁体16、17的旋转。在受到触发时，探测块22与换向器状态电路相互作用，以控制对输出开关26的状态的改变。控制电路20可以利用输出开关26从线路电源28耦合能量，所述能量通常(但未必)通过降压变压器30进入电动机10。
图1B示出了电动机10的不同截面图，其中，转子14上设有磁体16和17，电枢12上设有三个线圈绕组32、34和36。通常，在操作过程中，将启动线圈绕组32和34，而另一个线圈绕组36则接地。图2示出了操作时序。在图2中，将三个电枢线圈绕组表示为A、B和C，并且通过“+”(由电压V驱动)、“-”(接地)或“o”(开路)表示状态。或者，在双电源方案中，“+”是具有第一极性的信号，“-”是具有第二极性的信号，“0”表示绕组接地。在每一霍耳效应传感器中断38处，换向器状态受到改变，并且流经所述线圈绕组中的两个的电流发生变化。在图3中给出了进一步的操作图示，其示出了运行状态当中的操作。如40处所示，控制电路等待霍耳效应传感器中断或触发，如42处所示，探测霍耳效应传感器之一的输出变换，并且如44处所示，改变换向器状态。之后，控制电路返回至40。也可以执行其他任务，图中所示的只是基本步骤。对这一过程进行细化以提高效率并输出传动是合符需要的。
发明内容
在第一示意性实施例中，本发明包括一种无电刷DC电动机的操作方法，所述无电刷DC电动机具有多个用于感测相对于电枢的转子位置的感测元件，所述转子位置发生变化而产生感测事件，所述DC电动机通过经历一系列换向状态而工作。所述示意性方法可以包括利用最近的第一和第二感测事件外插第三感测事件的时间；以及在最近的感测事件和所述第三感测事件的时间之间内插多个时间增量。在某些实施例中，外插和内插步骤提供了用于指示转子位置的虚拟编码器的数据。在一些实施例中，所述方法还包括选择时间偏移，所述时间偏移是若干个时间增量。可以采用所述时间偏移在所述无电刷DC电动机中提供相位提前。
另一示意性实施例包括一种无电刷DC电动机，其包括：电枢，具有相对于其设置的电动线圈；转子，相对于所述电枢设置，并且适于响应于提供给所述电动线圈的电信号的换向序列相对于所述电枢旋转；相对于所述转子和所述电枢设置的多个位置传感器，其用于感测所述转子何时处于选定的相对于所述电枢的角位置上；以及控制电路，适于俘获来自所述多个位置传感器的信号，并有选择地控制所述换向序列。所述控制电路可以适于：确定至少一个位置传感器指示转子位置的变化的第一时刻和至少一个位置传感器指示转子位置的下一变化的第二时刻；外插转子位置的下一变化的第三时刻；以及在所述第三时刻和所述第二时刻之间内插多个时间增量。所述控制电路可以采用所述外插的第三时刻以及所述多个时间增量，以起到指示转子位置的虚拟编码器的作用。所述控制电路还可以适于选择或定义时间偏移，所述时间偏移包括若干个时间增量。在某些实施例中，可以采用所述时间偏移提供在所述换向序列内采用的相位提前。
附图说明
图1A示出了典型无电刷DC电动机的各个部分；
图1B以截面图示出了包括磁驱动元件的无电刷DC电动机的转子/电枢的部分；
图2是无电刷DC电动机的时序图；
图3以块的形式示出了无电刷DC电动机的操作方法；
图4是示出了在施加至电动机绕组时电流滞后电压的信号图；
图5是示意性方法实施例的方框图；
图6A是示出了DC无电刷电动机中的未来位置变化的示意性外插法的时序图；
图6B是示出了在示意性方法当中处于未来位置变化的外插之后的时间增量内插的时序图；以及
图6C是示出了示意性方法中相位提前和外插校正的效果的时序图。
具体实施方式
应当参考附图阅读下述详细说明。附图示出了示意性实施例，其目的并非限定本发明的范围，并且附图未必是按比例绘制的。
如上文参考图1-3所述，典型的无电刷DC电动机将利用设置在电枢上的多个绕组生成使转子旋转的磁力。如图4所示，对这样的绕组的信号施加不理想。具体而言，图4是示出了在施加至电动机绕组时电流滞后电压的信号图。由于绕组存在电感，因而电流52将滞后于电压信号50，因而在第一时刻54处施加的电压在后一时刻56之前不会生成预期水平的电流。磁力达到最大值的时刻发生了延迟，而不是在转子和电枢的理想的实际并置处(juxtaposition)得到的。尤其是，在较高的速度下，降低了效率，并且导致了输出功率的降低。
一种针对这一两难问题的解决方案是在所施加的电压中引入相位提前。通过在提前的时间处施加电压可以引入使电枢线圈和转子磁体之间的磁力与更接近理想情况的每一实际位置相吻合的电流。应用相位提前的各种系统从简单到相当复杂不等。
在某些更加复杂(通常价格高昂)的电动机中，将编码器连同用于对编码器进行读取的光学元件一起耦合到轴上。利用编码器，能够随时计算转子位置。此外，编码器的使用允许应用正弦驱动信号，而不是参考图2和图4描述的简单的块信号。
图5是本发明的示意性方法的方框图。在所述示意性方法中出现了换向器状态的变化，如70处所示。当在70处换向器状态被改变之后，如72处所示，重置定时器。之后，估算下一霍耳效应传感器状态变化的时间。例如，假设第一时刻消逝于两个(或更多)最近的霍耳效应传感器状态变化之间，那么可以估计，第二时刻(有时等于第一时刻)将消逝于下一霍耳效应传感器状态变化之前。
接下来，如76所示，将建立多个时间增量。所示时间增量划分了处于最近的霍耳效应传感器状态变化和下一霍耳效应传感器变化的预计时刻之间的时间。在某些实施例中，所述时间增量可以是等长的，但这不是必须的。在一个示范性实例中，建立了8个时间增量。在其他例子中，可以定义4到48个时间增量，但是也可以根据各种因素，例如系统定时器容量和预期分辨率定义其他数量的时间增量。
接下来，如78所示，选择相位提前。在某一示范性实施例中，将所述相位提前选择为时间增量的整数倍，但这不是必须的。相位提前可以根据电动机的速度而发生幅度变化，并且根据电动机自旋(spinning)方向而产生符号变化。例如，下面是针对定义了8个时间增量的系统的举例说明：
对于角速度(AV)＜-1500rpm，相位提前＝-8
对于-1500＜＝AV＜-900rpm，相位提前＝-6
对于-900＜＝AV＜-600rpm，相位提前＝-5
对于-600＜＝AV＜-300rpm，相位提前＝-4
对于-300＜＝AV＜-150rpm，相位提前＝-2
对于-150＜＝AV＜150rpm，相位提前＝0
对于150＜＝AV＜300rpm，相位提前＝2
对于300＜＝AV＜600rpm，相位提前＝4
对于600＜＝AV＜900rpm，相位提前＝5
对于900＜＝AV＜1500rpm，相位提前＝6
对于1500＜＝AV，相位提前＝8
具体的数值可以根据具体的装置尺寸、结构和性能而变化。在选择相位提前之后，所述方法等待预计变化时刻减去由相位提前计算出的时间偏移所得到的时刻，如80所标注的。在到达所述变化时刻减去所述时间偏移所得到的时刻时，所述方法通过如70所示改变换向器状态而进行循环。或者，在如82所示存在霍耳效应传感器变化时，所述方法可以包括提供中断。例如，如果由于所施加的电压增大而使电动机加速，就可能发生这一情况。
图6A是示出了DC无电刷电动机中的未来位置变化的示意性外插法的时序图。针对霍耳效应传感器A、B和C示出了输出，其中，该图考虑了当前时刻t1，并且示出了过去的时刻t2。之所以定义时刻t1和t2，是因为霍耳效应传感器A和C分别在所述时刻改变输出。图中还示出了下一霍耳效应传感器变换的预计时刻te。如图所示，所述推算或预计时刻te出现在一定时间长度X之后，在这一示意性实例中，所述时间长度X等于时刻t1和t2之间的长度。如果电动机加速或减速，那么通过可以缩短X(如果加速)或增大X(如果减速)来调整时间长度X，由此将所述加速或减速考虑在内。
图6B是示出了在示意性方法当中处于未来位置变化的外插之后的时间增量内插的时序图。可以看出，已经将图6A的时间长度X划分成了若干个时间增量102。所示时间增量102可以是等长度的，但这不是必须的。虽然在图6B中示出了12个时间增量102，但是也可以定义其他适当数量的时间增量。
图6C是示出了示意性方法中相位提前和外插校正的效果的时间图。在104处示出了若干个时间增量，所述时间增量一直引导至下一霍耳效应传感器变换的预计时刻te。选择若干个时间增量106作为时间偏移，以提供相位提前。从电压信号110可以看出，在较te提前选定时间增量106的时刻，施加至相关电动机中采用的一个或多个线圈的电压被改变了。由线112示出了结果，其以示意性的方式给出了滞后于电压110的电流。由于相位提前的原因，电流112大约在te处达到其最高水平。
te是下一霍耳效应传感器变换的预计时间，但是在108处可以看到所述变换的实际时间。变换预计时间的使用可能引入某些误差。但是，如上文中在图5的示范性方法中所指出的，可以在换向序列中的每一步骤之后以新的基于前面的感测变换的下一霍耳效应传感器变换的预计时间重新开始，由此将误差重置为零。
使用外插和内插的作用在于实现虚拟编码器。具体地，转子位置可以在很多位置上是“已知的”或者是可估算的，而不仅仅是六个换向周期位置。之后，可以采用这一额外的数据提供正弦驱动信号，同时又不会因添加编码器以及光学或其他编码器读取器而导致额外的费用和机械困难。
本领域技术人员将认识到，除了文中描述和设想的具体实施例之外，还可以通过各种其他形式表现本发明。因此，在不背离由权利要求限定的本发明的范围和精神的情况下，可以做出各种形式和细节上的变化。

Claims (20)

1.一种无电刷DC电动机的操作方法，所述无电刷DC电动机具有多个用于感测相对于电枢的转子位置的感测元件，所述转子位置发生变化而产生感测事件，所述DC电动机通过经历一系列换向状态而工作，所述方法包括：
利用最近的第一和第二感测事件外插第三感测事件的时间；以及
在最近的感测事件和所述第三感测事件的时间之间内插多个时间增量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，当设置在转子上的第一磁元件从第一位置通往第二位置时，发生感测事件，在所述第一位置上，所述第一磁元件与设置在所述电枢上的第一线圈相邻，在所述第二位置上，所述第一磁元件与所述第一线圈不再彼此相邻设置。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括通过选择多个时间增量来选择时间偏移。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括利用所述时间偏移在通过所述换向状态序列推进的过程中执行相位提前。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，通过执行选择时间偏移的步骤使得在较高的电动机速度上选择较大的时间偏移。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括利用内插的时间增量来起到虚拟编码器的作用，并将正弦驱动信号施加到无电刷DC电动机上。
7.一种估算具有电枢和转子的无电刷DC电动机的旋转元件的位置的方法，所述方法包括：
提供多个用于感测转子的位置的传感器，所述传感器感测所述传感器和一个或多个受感测元件之间的相对运动，其中，所述多个传感器或者所述一个或多个受感测元件中的一者相对于所述转子设置，另一者相对于所述电枢设置；
观察所述转子处于由改变所述多个传感器中的至少一个的输出所指示的相对于所述电枢的位置的第一时刻；
观察处于所述第一时刻之后的，所述转子处于由改变所述多个传感器中的至少一个的输出所指示的相对于所述电枢的位置的第二时刻；
从所述转子在所述第一时刻和所述第二时刻所处的位置外插所述转子在第三时刻的可能的位置；以及
在所述第三时刻和所述第二时刻之间定义多个时间增量，其中，通过参考所述多个时间增量估算所述第二时刻和所述第三时刻之间的转子位置。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述电动机利用换向序列工作，并且通过计算所述第三时刻，使得所述的转子的可能的位置是相对于所述换向序列产生了变化的位置。
9.根据权利要求7所述的方法，还包括在所述第三时刻执行所述换向序列中的步骤。
10.根据权利要求7所述的方法，还包括选择时间偏移，所述时间偏移是多个时间增量。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括利用所述时间偏移执行所述换向序列中的步骤，以提供相位提前功能。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，在所述转子具有较大的角速度时，所述时间偏移所包括的时间增量的数量要比所述转子具有较低的角速度时所包括的时间增量的数量多。
13.根据权利要求7所述的方法，还包括利用多个用于估算转子位置的时间增量作为虚拟编码器，由此提供正弦驱动电压。
14.一种无电刷DC电动机，包括：
电枢，具有相对于其设置的电动线圈；
转子，相对于所述电枢设置，并且适于响应于提供给所述电动线圈的电信号的换向序列相对于所述电枢旋转；
相对于所述转子和所述电枢设置的多个位置传感器，其用于感测所述转子何时处于选定的相对于所述电枢的角位置上；以及
控制电路，其适于俘获来自所述多个位置传感器的信号，并有选择地控制所述换向序列；
其中，所述控制电路适于：
确定至少一个位置传感器指示转子位置的变化的第一时刻和至少一个位置传感器指示转子位置的下一变化的第二时刻；
外插转子位置的下一变化的第三时刻；以及
在所述第三时刻和所述第二时刻之间内插多个时间增量。
15.根据权利要求14所述的电动机，其中，所述控制电路还适于选择包括多个时间增量的时间偏移。
16.根据权利要求15所述的电动机，其中，在所述转子以较大的角速度运动时，所述时间偏移所包括的时间增量的数量高于在所述转子以较低的角速度运动时所包括的时间增量的数量。
17.根据权利要求16所述的电动机，其中，所述控制电路在与所述第三时刻相隔所述时间偏移的时间处执行使所述换向序列提前的步骤。
18.根据权利要求16所述的电动机，其中，所述控制电路执行采用所述时间偏移执行相位提前功能的步骤。
19.根据权利要求15所述的电动机，其中，所述控制电路在与所述第三时刻相隔所述时间偏移的时间处执行使所述换向序列提前的步骤。
20.根据权利要求14所述的电动机，其中，所述控制电路适于采用所定义的时间增量执行所述转子位置的虚拟编码，并提供正弦驱动信号。
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