CN105703670A - 驱动无刷电机的方法、对应的设备、电机和计算机程序产品 - Google Patents

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Abstract

一种用于使用PWM调制的驱动信号驱动直流电机的驱动器设备，包括：比较器电路，用于根据反电动势信号高于或低于相应阈值，产生具有第一值和第二值的数字化的反电动势信号；以及逆变器，用于利用所述数字化的反电动势信号按相位关系驱动所述PWM调制的驱动信号。驱动器设备还包括控制器电路，其被配置用于通过最小化在数字化的反电动势信号的两个连续的相反的边沿之间测量的时间与数字化的反电动势信号的两个连续的一致的边沿之间测量的时间的一半之间的误差来控制相应阈值。

Description

驱动无刷电机的方法、对应的设备、电机和计算机程序产品
技术领域
本发明涉及用于驱动无刷电机的技术。一个或多个实施例可以应用于控制无刷直流(BLDC)电机。
背景技术
近年来，无刷直流(BLDC)电机已经越来越受到关注，例如，用于车辆应用。这是由于相比于其“有刷的”直流对应物，BLDC可以具有更高的可靠性/寿命、更低的维护费用以及更安静的操作。在过去的十年间，功率半导体和控制器IC以及永磁无刷电机的生产的持续进步使得其可能针对宽范围的可调速应用制造可靠的、低成本的方案。
BLDC电机被设计或现在被使用的应用包括，例如动力转向装置、发动机冷却风扇、燃料/水泵、空调压缩机、加热器、通风装置和空调(HVAC)鼓风电机。
BLDC电机的“相”可以馈入经受具有可变占空比的脉冲宽度调制(PWM)的电流。BLDC电机的控制可以包含感测反电动势(Back-EMF)，其可以发生在PWM导通时间期间和PWM关断时间期间。
在PWM导通时间期间的反电动势零交叉(zero-cross)检测可能是重要的。
出于该目的的理论上正确的比较阈值对于每个电机相是直流母线电压的一半，即VDC/2。某些因素，例如，通过根据电机转速的低通滤波引入的可变衰减以及在低成本应用中用于分压器的低精度电阻器器的使用，可能导致正确的比较阈值不同于理论值并且可能对每个电机相是不同的。
错误的比较阈值的使用可能导致用于逆变器三相换相的计时误差。这些计时误差可以产生各种缺点，例如在固定电机转速的功率损耗的增加，可听见的噪声的增加以及转速纹波的增加。
因此，在PWM关断时间期间的反电动势感测可能是优选的。然而，在PWM关断时间期间的反电动势感测需要最小PWM“关断”时间必须存在，使得PWM占空比被限制为小于100％。在各种应用中，这可能表示一个不可接受的缺点。
发明内容
在一个具体实施例中，公开了一种通过PWM调制的驱动信号驱动直流电机的方法。方法包括：根据数字化的反电动势信号高于或低于相应阈值，产生具有第一值和第二值的数字化的反电动势信号；以及利用数字化的反电动势信号按相位关系驱动PWM调制的驱动信号。数字化的反电动势信号具有在数字化的反电动势信号的两个连续的一致的边沿之间的第一时间以及在数字化的反电动势信号的两个连续的相反的边沿之间的第二时间。方法还包括通过减小第二时间和第一时间的一部分之间的误差来控制相应阈值。
在另一个具体实施例中，公开了一种由PWM调制的驱动信号驱动直流电机的驱动器设备。驱动器设备包括：多个比较器电路，被配置为根据所述反电动势信号高于或低于相应阈值，产生具有第一值和第二值的数字化的反电动势信号；以及逆变器，被配置为利用所述数字化的反电动势信号按相位关系驱动所述PWM调制的驱动信号。驱动器设备还包括被配置为控制所述相应阈值的控制器电路。
在另一个具体实施例中，公开了一种具有存储指令的非瞬态计算机可读介质的计算机程序产品。指令，当被执行时，被配置为使至少一个处理器：根据数字化的反电动势信号高于或低于相应阈值，产生具有第一值和第二值的所述数字化的反电动势信号；利用所述数字化的反电动势信号按相位关系驱动所述PWM调制的驱动信号，其中数字化的反电动势信号具有在数字化的反电动势信号的两个连续的一致的边沿之间的第一时间以及在数字化的反电动势信号的两个连续的相反的边沿之间的第二时间；以及通过减小所述第二时间和所述第一时间的一部分之间的误差来控制所述相应阈值。
如本文所使用的，对“至少一个处理器设备”的引用意在强调本发明以模块化的和/或分布式的形式实现的可能性。
为了在PWM导通时间期间改善反电动势感测，一个或多个实施例可以提供用于自动地选择用于每个电机相的正确的比较阈值的装置。
在一个或多个实施例中，为了在PWM导通时间期间改善反电动势感测而不使用额外的外部电路并且具有低计算负荷，可以自动地选择用于每个电机相的正确的比较阈值。
在一个或多个实施例中，控制器的动作可以补偿由于例如根据电机转速由低通滤波引入的可变衰减，用于分压器的低精度电阻器的使用，虚拟中性点的使用，和/或供电电压的变化产生的误差。
附图说明
现将参考附图仅仅借助于非限制性示例来描述一个或多个实施例，其中：
图1是用于无刷直流电机的控制装置的总体框图；
图2是图1的装置的可能细节的框图示例；
图3是图1的装置的可能细节的进一步框图示例；
图4是图1的装置的可能细节的另一个框图示例；以及
图5是图1的装置的可能细节的进一步框图示例。
具体实施方式
在随后的描述中，示出了一个或多个具体细节，目的在于提供实施例的示例的彻底理解。实施例可以在没有一个或多个具体细节的情况下或者采用其它方法、元件、材料等来获得。在其它情况下，未示出或具体描述已知的结构、材料或操作，使得实施例的一些方面不被模糊。
在本说明书的架构中对“实施例”或“一个实施例”的参考意在指出根据实施例的描述的具体构造、结构或特性是包括在至少一个实施例中的。因此，可能存在于本说明书的一个或多个点中的诸如“在实施例中”或“在一个实施例中”之类的短语不一定指同一个实施例。此外，具体构造、结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何适当的方式结合。
本文所使用的标记仅仅用于提供方便，因此不定义保护范围或实施例的范围。
图1是用于由M指示的无刷直流(BLDC)电机的控制装置的总体框图。BLDC电机是具有线性的电流/电压与转矩/转速关系的电子换相的电机。
在图1所例示的具体装置中，BLDC电机(本身不是一个或多个实施例的一部分)可以通过主控制器10经由三相逆变器12驱动，例如，通过采取用于低端应用的六步换相。
在图1所例示的装置中，控制器10可以向逆变器12发送，例如，三个PWM调制的(电流)驱动信号PWMPHASE1，PWMPHASE2和PWMPHASE3(即，一个针对电机“相”A、B、C的每一个)。示例性换相顺序可以是AB-AC-BC-BA-CA-CB，对于每个相具有等于120电角度的导通间隔。在这种结构中，每次只有两个相传导电流，而第三相是浮置的。
为了产生最大的转矩，三相逆变器12每60电角度进行换相，使得每个电机相电流与反电动势同相。换相时间由转子位置决定，其每60电角度通过检测电机的浮置相上的反电动势的零交叉点来确定。
大意是，用于每个相的反电动势信号，即Back-EMFPHASE1、Back-EMFPHASE2、Back-EMFPHASE3可以被检测并反馈至主控制器10。
如图所示，在PWM关断时间期间或在PWM导通时间期间可以检测每个反电动势信号。在PWM关断时间期间，浮置相的端子电压与相的反电动势成正比，而在PWM导通时间期间，其与反电动势电压加上直流母线电压VDC的一半的值成正比。
对于前面所描述的结构上进一步的细节，可以参考文献，例如，IEEETransactionsonIndustryApplications，2006年第42卷第5号的Shao,J发表的文献"AnImprovedMicrocontroller-BasedSensorlessBrushlessDC(BLDC)MotorDriveforAutomotiveApplications"。
在图1所例示的一个或多个实施例中，Back-EMFPHASE1的反电动势信号，Back-EMFPHASE2的反电动势信号，和Back-EMFPHASE3的反电动势信号，可以经由感测电路141、142和143感测，并且可能被适配成执行调节动作，使得感测信号处于期望的电压范围内和/或使重叠的噪声被移除。
图2是可选的的示例，但并非强制性，感测电路141、142和143(分别用于相A、B和C的反电动势)的感测结构，包括具有电阻器R1、R2的分压器和RC低通滤波器，RC低通滤波器馈有来自分压器R1、R2的输出并且包括电阻器R3和电容C1。
在一个电机相中的反电动势零交叉事件针对每个电气“循环”发生两次。第一事件是正向零交叉(PZC)以及第二事件是反向零交叉(NZC)。基于该构想，用于每个电机相的反电动势信号可以被数字化，例如，以在反电动势信号高于比较阈值时假定第一值(例如，高电平或“1”)，以及在在反电动势信号低于比较阈值时假定第二值(例如，低电平或“0”)。
向数字的反电动势信号的变换可以涉及，例如，阈值比较器。因此，三个示例性比较器模块151、152和153在图1中示出，分别馈有来自用于相A、B和C的模块141、142和143的输出信号。
在一个或多个实施例中，在比较器模块151、152和153中产生的数字化的反电动势值可以被发送至主控制器10，以在产生用于电机M的相A、B和C的驱动信号PWMPHASE1、PWMPHASE2和PWMPHASE3时在主控制器10中使用。
本领域技术人员可以理解的是，虽然本文中可以结合例如正向零交叉(PZC)和反向零交叉(NZC)事件使用普通名称“零交叉”，但是本文中考虑的事件可以与正向和负向上的零交叉有关，阈值可以是非零的(例如，VDC/2，CTHX)。例如，用于检测正向和负向“零交叉”事件的理论上的比较阈值，在PWM导通时间期间，可以被设置为用于每个电机相的直流母线电压的一半，即VDC/2。
正确的比较阈值，即适用于保证电机的正确操作的比较阈值可以不同于理论值以及对每个电机相是不同的。如图所示，这可能是由于各种因素，例如，根据电机转速通过低通滤波引入的可变衰减、由于用于分压器的低精度电阻器的使用而产生的误差、和/或由于电源电压的变化而产生的误差。
在一个或多个实施例中，用于比较器模块151、152和153(分别用于相A、B和C)的比较阈值可以不是固定的而是可变的(例如，可编程的)。这在图3中示意性地示出，其中所示的比较器模块151、152和153的任一个的模块示例除了接收来自主控制器10的PWM触发信号以外，还接收由控制器模块161、162和163产生的可变阈值，PWM触发信号使能比较器模块以标识PWM导通时间，在PWM导通时间期间感测反电动势，。
控制器模块161、162和163分别依次对来自测量模块171、172和173相A、B和C的输出信号敏感。
在图1的示例性代表中，为了简单起见，示出了用于相A、B和C的三个单独的处理链141、151、161、171；142、152、162、172；以及143、153、163、173。
在一个或多个实施例中，这些链可以被整体地或部分地包含到被适配成处理相A、B和C(例如，在分时处理装置中)的单个处理实体中。即，一个或多个实施例可以包括三个独立控制器(一个用于每个电机相)或用于所有三个电机相的单个控制器。在一个或多个实施例中，通过决定仅仅补偿例如通过使用虚拟中性点或通过电源引入的那些误差，或平等地影响所有三相的那些误差，通过忽略其它类型的误差，可以将单个比较阈值用于所有相。
图4和图5是来自比较器151、152、153中的一个的在相应测量电路171、172、173中被处理的DIGITALBack-EMFX信号的原理图，以产生两个信号DBack-EMFX和TBack-EMFX，这两个信号馈入相应控制器模块161、162、163，控制器模块161、162、163依次产生分别用于比较器151、152、153的阈值控制信号CTHX。在此，X是标识三相的索引，例如，X＝1、2和3分别用于相A、B和C。
即，在图1所例示的一个或多个实施例中，
在测量电路171中处理来自比较器151的DIGITALBack-EMF1信号，以产生馈入模块161的两个信号DBack-EMF1和TBack-EMF1，以产生用于比较器151的阈值控制信号CTH1；
在测量电路172中处理来自比较器152的DIGITALBack-EMF2信号，以产生馈入模块162的两个信号DBack-EMF2和TBack-EMF2，以产生用于比较器152的阈值控制信号CTH2；以及
在测量电路173中处理来自比较器153的DIGITALBack-EMF3信号，以产生馈入模块163的两个信号DBack-EMF3和TBack-EMF3，以产生用于比较器153的阈值控制信号CTH3。
在一个或多个实施例中，通过与PWM“导通”时间同步的PWM触发信号触发比较器模块151、152、153中的比较，比较结果(低电平信号或高电平信号)被保持直至下一次比较。
数字化的反电动势信号，即用于每个电机相的DIGITALBack-EMFX可以因此为具有等于一个PZC和下一个PZC的发生之间的时间的周期TBack-EMFX的PWM信号，以及“占空比”信号，其可以等于，例如，一个PZC和紧接着的NZC的发生之间的时间DBack-EMFX(即信号是“高”的时间)或者一个NZC和紧接着的PZC的发生之间的时间(即信号是“低”的时间)。
再一次地，可以理解的是，所谈的“零交叉”事件(PZC、NZC)实际上将相对于与通常是非零阈值的阈值而发生。此外，把信号DBack-EMFX称作“占空比”信号考虑了，这种信号的值(例如，该信号与周期TBack-EMFX的比例)标识相关信号的占空比。
值DBack-EMFX和TBack-EMFX可以因此通过测量电路171、172、173(例如参加附图4)测量。
在一个或多个实施例中，这种测量包括，例如，计时器/计数器，以测量数字化的反电动势信号DIGITALBack-EMFX的两个连续的上升沿之间的时间TBack-EMFX和相同信号的上升沿和紧接着的下降沿之间的时间DBack-EMFX。
在一个或多个实施例中，用于测量时间TBack-EMFX的一致的连续边沿可以是，数字化的反电动势信号DIGITALBack-EMFX的两个连续的下降沿，替代相同信号的两个连续的上升沿。
同样地，在一个或多个实施例中，用于测量时间DBack-EMFX的相反的连续的边沿可以是数字化的反电动势信号的下降沿和紧接着的上升沿，替代相同信号的上升沿和紧接着的下降沿。
在一个或多个实施例中，正确的比较阈值将导致占空比信号DBack-EMFX的值等于周期信号TBack-EMFX的值的一半，即DBack-EMFX＝TBack-EMFX/2(针对所有三相，即，对于相A、B和C分别具有X＝1、2、3)。
反之，通过假定信号DBack-EMFX被定义为“高电平”时间：
如果选择的比较阈值高于正确的比较阈值，占空比信号DBack-EMFX的值将低于周期信号TBack-EMFX的值的一半(DBack-EMFX<TBack-EMFX/2),
如果选择的比较阈值低于正确的比较阈值，占空比信号DBack-EMFX的值将高于周期信号TBack-EMFX的值的一半(DBack-EMFX>TBack-EMFX/2)。
如果信号DBack-EMFX被定义为“低电平”时间，可以应用互补的关系。
在一个或多个实施例中，对于每个电机相A、B和C，可以测量占空比信号DBack-EMFX和周期信号TBack-EMFX并且实现控制器161、162、163(例如，参考附图5)，以便选择相关的比较阈值的正确的值。
在一个或多个实施例中，控制器可以是，例如，PID控制器(以用于该目的的任何已知方式实现)，其中参考是信号TBack-EMFX，输入是信号DBack-EMFX，以及输出是相关的比较阈值CTHX的值。
在这种情况下，PID控制器将选择正确的比较阈值CTH值，以便最小化定义为E＝DBack-EMFX-TBack-EMFX/2的误差，以及相关的选择的比较阈值的初始值可以被设置为理论值VDC/2。
在一个或多个实施例中，如前面所例示的，例如，经由通过DIGITALBack-EMFX信号的连续的边沿(一致的，例如，对于TBack-EMFX，两个都是上升沿或下降沿，或者相反的，例如，对于DBack-EMFX，一个是上升沿且另一个是下降沿，反之亦然)触发的计时器/计数器，可以获得DBack-EMFX和TBack-EMFX的值。
在一个或多个实施例中，例如，通过测量反电动势信号Back-EMFPHASE1、Back-EMFPHASE2、Back-EMFPHASE3的两个连续的阈值零交叉事件之间的时间，可以在其转换为数字之前从传递等价信息的其它信号得到DBack-EMFX和TBack-EMFX的值。再一次地，这些阈值零交叉事件可以是一致的零交叉事件(例如，都在正方向或都在反方向)，或者是相反的(例如，一个在正方向且另一个在反方向，反之亦然)，分别针对TBack-EMFX和DBack-EMFX。
在一个或多个实施例中，还可以从通过任何已知方式感测的电机转速(周期是旋转频率的倒数)获得TBack-EMFX的值。
在一个或多个实施例中，控制器的输出还可以是比较阈值CTHX的正确值，例如，正确的比较阈值CTHX可以被定义为控制器输出和理论值VDC/2的总和。
在一个或多个实施例中，控制器可以以固定数量的电气循环执行其活动。
在一个或多个实施例中，在取决于控制器特性和/或控制器执行频率的暂态时间之后，比较阈值(CTHX)的值可以设置为用于每个电机相的正确的值，其中控制器被关断以减小计算负荷。
在不违反基本原则的情况下，可以相对于本文中纯粹通过非限制性示例的方式说明的实施例改变细节和实施例，甚至是较大地改变，而不因此脱离保护范围。

Claims (11)

1.一种通过在PWM调制的驱动信号(PWMPHASE1，PWMPHASE2和PWMPHASE3)的导通时间期间感测反电动势信号来用所述PWM调制的驱动信号驱动直流电机的方法，所述方法包括：
根据所述反电动势信号高于或低于相应阈值(CTHX)，产生具有第一值和第二值的数字化的反电动势信号(DIGITALBack-EMFX)，
利用所述数字化的反电动势信号(DIGITALBack-EMFX)按相位关系驱动所述PWM调制的驱动信号(PWMPHASE1，PWMPHASE2以及PWMPHASE3)，
其中所述数字化的反电动势信号(DIGITALBack-EMFX)具有在所述数字化的反电动势信号(DIGITALBack-EMFX)的两个连续的一致的边沿之间的第一时间(TBack-EMFX)和在所述数字化的反电动势信号(DIGITALBack-EMFX)的两个连续的相反的边沿之间的第二时间(DBack-EMFX)，所述方法包括通过最小化所述第二时间(DBack-EMFX)与一半所述第一时间(TBack-EMFX/2)之间的误差来控制所述相应阈值(CTHX)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中控制所述相应阈值(CTHX)包括实现控制器(61、162、163)，优选为PID控制器，其中参考是所述第一时间(TBack-EMFX)，输入是所述第二时间(DBack-EMFX)以及输出是用于所述相应阈值(CTHX)的值。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，包括：产生在所述数字化的反电动势信号(DIGITALBack-EMFX)的两个一致的边沿之间的第一时间量以测量所述第一时间(TBack-EMFX)，以及产生在所述数字化的反电动势信号(DIGITALBack-EMFX)的两个连续的相反的边沿之间的第二时间量以测量所述第二时间(DBack-EMFX)。
4.根据任一前述权利要求所述的方法，包括：设置所述相应阈值(CTHX)的初始值为VDC/2，其中VDC是用于每个电机相的直流母线电压。
5.根据任一前述权利要求所述的方法，包括：通过为所述相应阈值产生作为控制的输出和参考值的总和的控制的值，来控制所述相应阈值(CTHX)，其中所述参考值优选设置为VDC/2，其中VDC是用于每个电机相的直流母线电压。
6.根据任一前述权利要求所述的方法，包括以下项中的至少一项：
通过所述反电动势信号从所述相应阈值的两个连续的一致的交叉事件之间的时间获得所述第一时间(TBack-EMFX)，
从电机转速获得所述第一时间(TBack-EMFX)，以及
通过所述反电动势信号从所述相应阈值的两个连续的相反的交叉事件之间的时间获得所述第二时间(DBack-EMFX)。
7.根据任一前述权利要求所述的方法，包括以下项中的至少一项：
针对所驱动的电机(M)的固定数目的电循环，控制所述相应阈值(CTHX)一次，
中断控制所述相应阈值(CTHX)以减少与其相关联的计算负荷。
8.一种用于通过在PWM调制的驱动信号(PWMPHASE1，PWMPHASE2和PWMPHASE3)的导通时间期间感测反电动势信号来用所述PWM调制的驱动信号驱动直流电机的驱动器设备，所述设备包括：
比较器电路(151、152、153)，用于根据所述反电动势信号高于或低于相应阈值(CTHX)，产生具有第一值和第二值的数字化的反电动势信号(DIGITALBack-EMFX)，
逆变器(12)，用于利用所述数字化的反电动势信号(DIGITALBack-EMFX)按相位关系驱动所述PWM调制的驱动信号(PWMPHASE1，PWMPHASE2以及PWMPHASE3)，
控制器电路(161、162、163；171、172、173)，被配置用于根据权利要求1至8中的任一项所述的方法来控制所述相应阈值(CTHX)。
9.根据权利要求8所述的驱动器设备，包括用于所述反电动势信号的调节电路(141、142、143)，所述调节电路(141、142、143)优选地包括分压器(R1、R2)和噪声移除低通滤波器(R3、C1)中的至少一个。
10.一种直流电机(M)，优选地为装配有根据权利要求8或权利要求9所述的驱动器设备的无刷直流电机，用于通过感测来自所述电机(M)的反电动势信号来产生所述PWM调制的驱动信号(PWMPHASE1，PWMPHASE2以及PWMPHASE3)。
11.一种计算机程序产品，可加载至少一个处理器设备的存储器，并且包括软件代码部分，所述软件代码部分用于当所述产品在至少一个处理器设备上运行时，执行根据权利要求1至8中的任一项所述的方法的步骤。
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