CN101373946B - 电子换向直流电机的无传感器运行 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电子换向直流电机(11)的无传感器的运行方法和具有该电机(11)、逆变器(12)和控制装置(16)的电子驱动器，其中确定在没有供给电流的各相中由转子的旋转场感生的电压的过零点，检测过零点的出现，预先计算由转子的旋转场感生的电压的下一个过零点的时刻，并且，在预先计算的时刻之后的时间区间(Δt)，至少评估最后检测到的过零点。

Description

电子换向直流电机的无传感器运行

技术领域

本发明涉及用于电子换向直流电机的无传感器运行的方法，其中确定在没有供给电流的各相中由转子的旋转场感生的电压的过零点(zerocrossing)，而且涉及一种具有电子换向直流电机、逆变器和控制装置的电子驱动器，其被配置用于电机的无传感器运行以及确定在没有供给电流的各相中由转子的旋转场感生的电压的过零点。

背景技术

电子换向直流电机正逐渐替代具有机械换向器的传统直流电机，并被用作汽车领域、家用设备以及工业应用的驱动器。电子换向直流电机是关于构造与由控制器或处理器控制的逆变器相关联地获得直流电机的性能的永磁励磁同步电机。在这种情况下，向各相供应方波电流。在三相电机的一个相中，在120°电气角度上流过恒定的电流，接着该相在60°电气角度上无电流，随后在120°上流过具有相反符号的恒定电流并且接着60°的无电流。该三相电相移角度为120°。这样，就产生了旋转的磁场。需要知道转子位置以保持定子和转子的旋转场相对于彼此之间处于最优的位置。然后根据转子位置确定换向时刻。

传感器，例如霍尔(Hall)传感器能用于确定转子位置。然后，也可以在无传感器的方式下运行电子换向直流电机。在这种情况下，转子位置根据电机的电变量间接确定。如上所述，在各相中具有电流间断。然而，即使是在电流间断中，在定子相中也具有由转子的旋转场感生的电压。该感生电压可用于确定转子位置或确定下一个换向时刻。为了评估该感生电压，需要确定该感生电压的过零点。这里存在的问题是由于去磁处理以及由于例如静电放电引起的干扰，产生的过零点并不是该感生电压的相关过零点，因为它们不是由转子的旋转场在定子绕组中感生的，因此也不能用于确定转子位置。因此必须评估检测到的各个过零点以确定是转子位置确定相关的由转子的旋转场在定子绕组中感生的电压的过零点，还是干扰。评估该过零点需要处理时间。现在存在这样的可能性，即能够如此确定处理器能力，以使得能够评估所有过零点。然而处理器能力与相应的成本紧密相关。因此期望减少要评估的过零点的数量。

在网址为“http://www.st.com/stonline/products/literature/an/7209.pdf”的互联网上公开的STMicroelectronics公司的应用指导“ANINTRODUCTION TO SENSORLESS BRUSHLESS DC MOTOR DRIVEAPPLICATIONS WITH ST72141”显示了这种可能。这里，在换向后，首先在去磁的最后检测过零点，然后检测感生电压的过零点。在各个检测过程之前，插入20微秒的停滞时间(dead time)以减轻处理器的压力。换句话说，对于一个总时为40微秒的步长，检测不到过零点。

这种处理方式完全不适用于例如发生在自由端(open-end)纺纱机的转子驱动中的显著大于100,000转每分钟的旋转速度。在该极端的情况下，感生电压的过零点存在于停滞时间中。

发明内容

因此本发明的目的在于改进尤其在高转速时对转子的旋转场感生的电压的过零点的确定。

根据本发明，该任务通过方法权利要求1和设备权利要求13的特征来解决。从属权利要求的主题为本发明有利的改进。

为了实现该目的，检测所述过零点的出现，预先计算由转子的旋转场感生的电压的下一个过零点的时刻，并在所述预先计算的时刻之后的时间区间至少评估最后检测到的过零点。

通过预先计算评估时刻，对最后检测到的过零点的评估已经足够了。然而，为了改进该方法，可以评估恰好在所述评估时刻之前检测到的多个过零点。通过根据本发明的方法，评估所述过零点的观察窗可以自动适应所述电机的转速。在高转速的情况下，换句话说，即在小的步长时间(step time)的情况下，可以实现仅评估有限数量的过零点，而仍然不存在在停滞时间内出现由转子的旋转场感生的电压的相关过零点的危险。在低转速的情况下，即在大的步长时间的情况下，观察窗以预先计算的评估时刻平移，从而相对于现有技术减少了所评估的过零点的数量。

在该情况下，评估时刻是在由转子的旋转场感生的电压的预先计算的下一个过零点的时刻之后的时间区间内，以保证可靠地检测到也可能位于所述预先计算的时刻之后的实际的过零点。

根据本发明的方法的一个优选实施方式，为评估所检测到的过零点，根据所检测到的过零点与最后确定的由转子旋转场感生的电压的过零点之间的时间差计算步长时间。为了评估，然后根据所检测到的过零点计算的步长时间可与最小步长时间比较。在这种情况，当然，将所检测到的过零点的时刻与该时间的下限相比，其值是相等的。在该情况下，该下限正好是在由转子的旋转场感生的电压的过零点的最后时刻之后的最小步长时间。第一变型仅有的优点在于不需要绝对时间测量并且能够采用简单的计时器实现该方法。

如上已经提及的，过零点的评估在预先计算的由所述转子的旋转场感生的电压的过零点的时刻之后的特定时间区间内执行。有利的，在执行评估之后，该时间区间以及最小步长时间或上述下限时间，是根据所述转速或者还有所述转速变化确定的。这使得电子换向直流电机的各运行状态的最优适应成为可能。

根据本发明的方法的一个优选实施方式，如果根据最后检测到的过零点所确定的步长时间大于所述最小步长时间，则将由所述转子的旋转场感生的电压的过零点的时刻设置为等于最后检测到的过零点的时刻。如果满足该条件，检测到的过零点在由评估时刻所确定的时间下限和时间上限之间。这对于最后检测到的过零点以及实际的由所述转子的旋转场感生的电压的过零点，提供了足够的似真性(pluasibility)。

在本发明的一个改进中，也可以评估两个或多个所检测到的过零点，然后由所述转子的旋转场感生的电压的过零点的时刻可根据被评估的过零点的步长时间大于所述最小步长时间的步长时间的平均值求得。

根据本发明，所述过零点首先被检测并且在所述预先计算的时刻之后被集中评估。与直接计算所检测到的过零点相比，这额外地带来了时间上的优势。

如果所评估的过零点的步长时间小于所述最小步长时间，则将由所述转子的旋转场感生的电压的过零点的时刻设置为等于预先计算的时刻。

有利的是，当前步长时间可以根据由所述转子的旋转场感生的电压的最后确定的两个过零点计算得到。为此，该两个时刻仅需要彼此相减。如果由所述转子的旋转场感生的电压的过零点的时刻通过被设置为等于预先计算的过零点而确定，当前步长时间也可以简单地代入上一个步长中的步长时间。在有利的改进中，当前步长时间通过从最后检测到的由转子的旋转场感生的电压的多个过零点形成的平均值计算得到。

根据本发明的一个改进，根据当前步长时间调整所述感生电压的采样频率。因此采样频率可以适应于变化的转速。在大步长时间的情况下，采样频率可相应的减小，从而可以节约处理器的处理能力。在高转速的情况下，换句话说在小步长时间的情况下，采样频率应相应的增大以获得足够的精确度。

有利的是，根据当前步长时间计算得出下一个换向时刻。而且，例如对于上级转速控制环的电机的实际转速可以根据当前步长时间计算。当前步长时间还可以用于在下一个步骤中预先计算由转子的旋转场感生的电压的过零点。

为了解决发明任务，进一步提出了具有电子换向直流电机、逆变器以及控制装置的电子驱动器，其中，利用该控制装置检测过零点的出现，预先计算由所述转子的旋转场感生的电压的下一个过零点的时刻，以及在预先计算的所述时刻之后的时间区间，至少评估最后检测到的过零点。

控制装置可具有微控制器或类似类型的处理器，其中评估程序以及控制和调节算法以软件实现。

所述微控制器的一个组成部分为计时器，其通过中断至少触发对最后所检测到的过零点的评估。因此，在根据本发明的设备中，在每个步长区间中仅触发一个中断。这会产生时间方面的优点，并且因此与在各个检测到的过零点都触发中断以便对其直接评估相比，降低了微控制器的负荷。

为了检测所述过零点，所述控制装置可具有比较器。该比较器也能够辨别电压是否从负值变化到正值或相反。因此，该比较器信号呈现出正或负边沿。

根据本发明的装置的一个实施方式，该微控制器为了评估检测到的过零点而根据所述检测到的过零点与最后确定的由所述转子的旋转场感生的电压的过零点之间的时间差计算步长时间。在该情况下，为了评估，所述微控制器可将根据所检测到的过零点计算得到的步长时间与最小步长时间进行比较。

根据本发明的一个改进，该微控制器根据转速或转速变化或者转速和转速变化确定所述时间区间和最小步长时间，其中在所述时间区间之后执行所述评估。

根据一个实施方式，如果根据最后所检测到的过零点确定的步长时间比所述最小步长时间大，则所述微控制器将由所述转子的旋转场感生的电压的过零点的时刻设置为等于最后所检测到的过零点的时刻。

根据另一个改进，该微控制器根据至少两个所评估的过零点的步长时间的平均值来确定由所述转子的旋转场感生的电压过零点的时刻，其中该至少两个所评估的过零点的步长时间大于所述最小步长时间。

如果所评估的过零点的步长时间比所述最小步长时间小，则所述微控制器可有利地将由所述转子的旋转场感生的电压的过零点的时刻设置为等于预先计算的时刻。

根据本发明的设备的一个有利的实施方式，所述微控制器根据由所述转子的旋转场感生的电压的最后检测到的两个过零点计算当前步长时间。

根据一个改进，所述微控制器通过从由所述转子的旋转场感生的电压的最后检测到的多个过零点形成的平均值计算当前步长时间。

有利的是，所述微控制器可根据当前步长时间调整所述感生电压的采样频率。

所述微控制器可根据所述当前步长时间计算下一个换向时刻以及所述电机的转速。

附图说明

下面借助于附图中所示的实施方式更加详细地描述本发明，其中：

图1示出了根据本发明的一个电子驱动器的示意结构；

图2示出了所采用的逆变器的示意图；

图3示出了相电压、比较器信号和逆变器开关状态的时间特性；

图4示出了图3中比较器信号的局部放大的细节；

图5示出了具有感生电压的过零点和中断时刻的比较器信号的简化示图；

图6示出了换向顺序的流程图。

具体实施方式

图1示出了具有电子换向直流电机11的根据本发明的电子驱动器的示意图。电机11由定子中的三相电流绕组和永磁励磁转子组成。三相A、B和C的接头连接至逆变器12。逆变器连接至直流电压源。直流电压源在图1中由电容15表示并被连接至逆变器的端子13和14。逆变器由控制单元16控制，逆变器和控制单元通过控制线17相互连接。测量线18连接控制装置16至三相A、B和C以测量感生电压。

图2示出了具有直流电压接头13和14以及相接头A、B和C的逆变器12的原理结构。该逆变器是具有开关T0至T5的三相桥电路。该开关被构造为具有反并联二极管的半导体开关(例如晶体管)。

在图3中，曲线21、22和23示出了相电压A、B和C的原理特性。曲线31、32和33分别示出了检测到相电压A、B或C的过零点的比较器的输出。并且，示出了开关T0至T5的开关状态。在横坐标上绘出了步长，一个步长对应于60°电气角度。在电子换向直流电机中，总是供给两相电流而第三相不供给电流。在每个步长后，电流从一个供给电流的相换向到一个不供给电流的相。在第一步长中，相A和B被供给电流，相C中的感生电压被评估以确定转子位置。如曲线33中所示的，比较器借助负边沿检测感生电压的过零点。如图中所示的，开关T0和T3在第一步长中被导通。其它开关被关断。当观察图3中的开关状态时，可以看出在一侧示出开关T0、T2和T4的信号而在另一侧以反向逻辑示出开关T1、T3和T5的信号。半桥(T0、T2、T4)的上开关的低电平意味着该开关被导通，而高电平意味着该开关被断开。对于半桥(T1、T3、T5)的下开关则相反。

从第一到第二步长，电流从相B变化到相C。为此，开关T3关断而开关T5导通。在该情况下，相C处于连接点14的电势。流过相B的电流不能随着开关T3的断开而突然中断，而是通过开关T2的反并联二极管续流直到电流衰减，相B暂时取连接点13的电势。在这种情况下，储存在相绕组中的磁化能量减少。因此，在这里也涉及到去磁化。进一步的开关状态和电压过程可在图中看出。

标号34标识了曲线33的一个区域，其表示了与C相相关的比较器信号。该标识34中的区域在图4中放大示出。可以看出，具有换向K的比较器检测到电压的一个过零点。另一个过零点在去磁化的最后E处被检测到。然后相关于确定转子位置的由转子的旋转场感生的电压Z的过零点在图中随后示出。相应地反复执行该结果。实际上，比较器还检测到由干扰引起的其他过零点，在这里未示出。

在图5中，仅示出具有由转子的旋转场感生的电压Z的相关过零点的比较器信号，而与具体是哪个相中出现过零点无关。在时刻t1、t2和t3出现过零点。时刻t2和t1之间的差等于步长时间T。期望的下一个过零点因此可从步长时间T和时刻t2的和而预先计算得出。因此获得对时刻t3的估计值。通过加上与转速相关的时间区间Δt，可获得时刻t4，其紧邻时刻t3之后。然后在时刻t4，通过计时器触发中断，并且评估由比较器最后检测的过零点或恰好在中断被执行之前检测的多个过零点。由此，转子的旋转场感生的电压具有过零点的实际时刻t3可以被确定。在这种情况下，针对所检测到的并且待评估的过零点，通过过零点时刻与最后确定的由转子旋转场感生的电压的过零点相减计算出步长时间。在这种情况下，在本实施方式中，时刻t2是最后确定的由转子旋转场感生的电压的过零点时刻。为了简明，没有示出检测到的并且待评估的过零点。然后将由此确定的步长时间与最小步长时间T_min比较。

图6示出了可能的换向过程的流程图。在本实施方式中所示，在评估时刻或通过中断仅评估最后检测到的过零点。通过触发中断，在控制装置中实现的程序跳到端子41。在语句块42中，最后检测到的过零点从存储器中取出。在语句块43中，根据最后检测的过零点和最后确定的由转子旋转场感生的电压的过零点计算出当前步长时间。在支路44中，当前步长时间与最小步长时间T_min比较。如果当前步长时间小于或者等于最小步长时间，在语句块45中，用先前确定的步长时间替代当前步长时间或从先前确定的过零点重新计算步长时间。程序继续到语句块46中。如果当前步长时间大于最小步长时间，其计算出下一个换向时间的操作46被直接触发。在支路47中询问是否需要使用于对比较器信号进行采样的计时器时钟频率适应于更高的转速。如果需要，则在操作模块48中执行该适应操作。在语句块49中，确定用于下一个换向或检测感生电压的下一个过零点的中断时刻。在下一个步骤50，针对下一个换向重新计算最小步长时间T_min和时间区间Δt以执行对转速情况的适应操作。在模块51中，然后根据最后的步长时间计算出转速。中断程序在端子52结束，继续上级程序。

另选的是，可以对根据检测到的过零点所确定的比最小步长时间大的步长时间进行平均以确定或求出由转子旋转场感生的电压的过零点所在的时刻t3。而且，可以在多个步长上对步长时间进行平均以补偿均匀性的不足。在这种情况下，优选地在每相区间六个步长上进行平均，这对应于转子一次回转。

Claims (18)

1.一种电子换向直流电机（11）的无传感器的运行方法，其中确定在没有供给电流的各相中由转子的旋转场感生的电压的过零点，其特征在于检测所述过零点的出现，预先计算由所述转子的旋转场感生的电压的下一个过零点的时刻，并且，在所述预先计算的时刻之后的与转速相关的时间区间（Δt）至少评估最后检测到的过零点，其中评估时刻是在由所述转子的所述旋转场感生的电压的预先计算的下一个过零点的时刻之后的所述时间区间（Δt）内，以保证可靠地检测到也可能位于所述预先计算的时刻之后的实际的过零点，并且其中检查是否至少所述最后检测到的过零点在由所述评估时刻所确定的时间下限与时间上限之间。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为评估所检测到的过零点，根据所述检测到的过零点和最后确定的由所述转子的旋转场感生的电压的过零点之间的时间差来计算步长时间。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将根据所检测到的过零点计算得到的步长时间与最小步长时间（T_min）进行比较以进行评估。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于根据转速和/或转速变化确定所述时间区间（Δt）以及所述最小步长时间（T_min），其中在所述时间区间（Δt）之后执行所述评估。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当根据最后所检测到的过零点所确定的步长时间大于所述最小步长时间时，则将由所述转子旋转场感生的电压的过零点的时刻设置为等于最后所检测到的过零点的时刻。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据至少两个被评估的过零点的步长时间的平均值来确定由所述转子的旋转场感生的电压的过零点的时刻，所述至少两个被评估的过零点的步长时间大于所述最小步长时间。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当所评估的过零点的步长时间小于所述最小步长时间时，将由所述转子的旋转场感生的电压的过零点的时刻设置为等于所述预先计算的时刻。

8.根据权利要求5－7中任一项所述的方法，其特征在于，根据两个最后确定的由所述转子的旋转场感生的电压的过零点计算得出当前步长时间。

9.根据权利要求5－7中任一项所述的方法，其特征在于，通过形成多个最后确定的由所述转子的旋转场感生的电压的过零点的平均值计算得出当前步长时间。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，根据所述当前步长时间调整所述感生电压的采样频率。

11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，根据所述当前步长时间计算下一个换向时刻。

12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，根据所述当前步长时间计算所述电机的转速。

13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，根据所述当前步长时间调整所述感生电压的采样频率。

14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，根据所述当前步长时间计算下一个换向时刻。

15.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，根据所述当前步长时间计算所述电机的转速。

16.一种具有电子换向直流电机（11）、逆变器（12）和控制装置（16）的电子驱动器，其被配置为执行根据权利要求1－12中任一项所述的电机（11）的无传感器的运行方法，其确定在没有供给电流的各相中由所述转子的旋转场感生的电压的过零点，其特征在于，所述控制装置（16）被配置为检测所述过零点的出现，预先计算由所述转子的旋转场感生的电压的下一个过零点时刻，并且，在所述预先计算的时刻之后的时间区间（Δt）至少评估最后检测到的过零点。

17.根据权利要求16所述的电子驱动器，其特征在于，所述控制装置（16）具有微控制器。

18.根据权利要求17所述的电子驱动器，其特征在于，所述微控制器具有计时器，其通过中断触发至少对所述最后检测到的过零点的评估。

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