CN1074206C - 无传感器的开关式磁阻电动机驱动装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无传感器的开关式磁阻电动机驱动装置及其方法。通过向未使用的相输入短的脉冲而检测的相电流信号用来临别转子相位是超前还是滞后，以及由此估测电压和换相周期，以精确地检测起通角，而不受电噪声和机械噪声的影响。

Description

无传感器的开关式磁阻 电动机驱动装置 及其方法

本发明涉及一种无传感器的开关式磁阻电动机驱动装置及其方法，没有安装单独的检测位置的传感器，利用每相电流的变化来检测转子的位置，借此驱动电动机。

通常，无传感器的开关式磁阻电动机(下文称为电动机)用于一些压缩机，这些压缩机由于例如温度、湿度等驱动条件、修理和维护费用等原因不能安装位置检测器。

在图1、2、3和4中所示的电动机公开在韩国专利(No.95-15171)中。图1(a)和1(b)是根据现有技术的第一实施例的电动机电路图。按照预定顺序的操作对每相激磁的常规电动机装有：电动机驱动单元10；高通滤波器单元20，其具有用于检测各相电流的电阻(RCA)、(RCB)、(RCC)；高通滤波器(20A-20C)，该高通滤波器适当地进行取微分和放大，以便测量所检测的电流的增加或降低；第一放大单元(30)，用于将高通滤波器单元20输出的各相电压(V1)、(V2)、(V3)放大到适当的电平；第一比较单元40，用于通过将第一放大单元30的输出电压(VA)、(VB)、(VC)与预定的基准电压电平相比较，输出超过基准电压电平的信号；延迟单元50，用于将来自高通滤波器单元20的各相电压(V1)、(V2)、(V3)延迟一预定时间段；第二放大单元60，用于将由延迟单元50输出的电压放大到适当的电平；第二比较单元70，用于通过将第二放大单元6输出的电压(VA^d)、(VB^d)、(VC^d)与预定的基准电压电平相比较，来输出超过基准电压电平的信号；以及“或门”单元80，用于对由该第一和第二比较单元40、70输出的各相电压进行“或”运算。

参照图2、3和4详细介绍按此构成的常规电动机的运行操作。如果由基本驱动单元(未示出)顺序将预定的栅控信号提供到各金属氧化物半导体(MOS)晶体管(M1,M2)、(M3,M4)、(M5,M6)，则电流通过晶体管(M1,M2)、(M3,M4)、(M5,M6)流向线圈(La)、(Lb)、(Lc)。于是，根据转子11的位置变化，各相电感产生变化，如图3(A)、(B)和(C)所示。

同时，随着转子11旋转，在定子12的电路中产生的反电动势使相电流(如图4(A)、(B)、(C)所示)流向相电流检测用电阻(RCA)、(RCB)、(RCC)，在电阻处利用较小数值的电压，以便降低在电阻(RCA)、(RCB)、(RCC)中的损耗。

利用相电流检测电阻(RCA)、(RCB)、(RCC)检测的电流(iA)、(iB)、(iC)按相序利用具有电容、电阻和运算放大器(CA,RA,OP1)、(CB,RB,OP2)、(CC,RC,OP3)的高通滤波器(20A-20C)求微分，再提供到第一放大单元30中的各对应放大器(AMP1)、(AMP2)、(AMP3)，将信号放大到适当的电平，形成如图4(D)、(E)、(F)所示的波形，然后在比较装置(CP1)、(CP2)、(CP3)中与预设的基准电压相比较，仅输出比基准电压(Vref1,Vref2,Vref3)高的电平。

由高通滤波器(20A-20C)输出的电压(-V1)、(-V2)、(-V3)被反相并在延迟装置(RD1,CD1)、(RD2,CD2)、(RD3,CD3)中延迟预定的时间段。此时，该被延迟的信号在第二放大单元60中的放大器(AMP4)、(AMP5)、(AMP6)放大到适当的电平，以按照图4(D)、(E)、(F)所示的信号传输。

将由放大器(AMP4)、(AMP5)、(AMP6)输出的电压(VA^d)、(VB^d)、(VC^d)在比较装置(CP4)、(CP5)、(CP6)与预定的基准电压(Vref4,Vref5,Vref5)相比较，仅输出比基准电压(Vref4,Vref5,Vref6)高的电压电平。然后，将这些电压与由比较装置(CP4)、(CP5)、(CP6)输出的电压在“或”门(OR1)、(OR2)、(OR3)进行“或”逻辑运算，传输图4(G)、(H)、(I)所示的波形，用于检测转子11的位置。

然而，在常规电动机中存在的问题是，由于转子的角位置是利用滤波器单元或延迟单元的特性检测的，因此进行可变速控制时使转子的起通角位置变化。

此外，在常规的电动机中存在的另一个问题是，由于滤波器单元的高通特性引起的噪声的高的频率对其输出产生影响，由于从受噪声影响的信号产生的起通角信号不适当，因此，可能使电动机停机。

此外，存在的再一个问题是，由于外部机械噪声引起电流波形改变，因此，使得在通过滤波器单元后在比较装置的输出处可能产生颤动现象。

本发明的提出是为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种无传感器的开关式磁阻电动机(SRM)驱动装置及其方法，能抵抗电噪声和外部机械噪声。

此外，本发明的另一个目的是提供一种无传感器的SRM驱动装置及其方法，能克服在检测起通角时的误差以实现精确确定。

为了实现本发明的目的，提供一种无传感器的磁阻电动机驱动装置，该装置包含：

主控制装置，用于输出用于SRM的起动或停止指令信号和确定其转速的速度指令信号；

相位检测电路，用于输出在测量输送到SRM的相电流之后的相电流信号；

数字式起通角估测单元，用于如果已输入调整(arrangement)指令信号，则输出转子相位信号，以便向特定相提供电流，以及用于当SRM已经旋转之后，随着向先前激磁的相提供脉冲信号，通过将相电流信号和基准换相周期信号相比较，在测量SRM起通角之后输出转子相位信号；

速度控制单元，用于如果由主控制单元输入运行起动信号，则向数字式起通角估测单元发送调整指令信号，用于根据来自相位控制单元的速度指令信号和来自数字式起通角周期估测单元的换相周期信号，输出电压指令信号，以便控制SRM转速，以及产生并向数字式起通角估测单元发送基准换相周期信号；

逆变器(inverter)驱动单元，用于根据从速度控制单元输入的电压指令信号产生脉冲宽度变化信号，以及用于对该脉冲宽度变化信号和由数字式起通角估测单元输入的转子相位信号进行逻辑组合，以便发送SRM相位激磁信号；以及

逆变器，用于根据来自逆变器驱动单元的相位激磁信号向SRM输送电压。

为了实现本发明的目的，还提供运行无传感器的SRM驱动装置的方法，该方法包含以下步骤：

输入速度指令信号，用于输入SRM运行指令信号和速度指令信号，以选择SRM速度；

如果输入运行指令信号，则通过向特定定子相提供电流来调整转子；

当持续向未使用的相输出脉冲信号时运行SRM，直到SRM速度达到预定SRM速度，以便估测起通角，以及按照估测的起通角进行换相；

当检测转子相位时加速SRM，直到SRM达到预定转速，因此调节电压指令和顺序降低换相周期；以及

按照转子相位测定结果通过调节电压指令和换相周期将SRM维持在选择的转速上。

为了更全面地理解本发明的实质和各个目的，需结合附图参照如下详细说明来了解，其中：

图1(a)和1(b)是根据现有技术的一个实施例的无传感器的SRM的电路图；

图2是一般的SRM的简图；

图3(A)、3(B)和3(C)是用于说明在常规的SRM中的每相的电感变化的示意图；

图4表示根据图1(a)和1(b)中所示的现有技术的一个实施例的无传感器的SRM中的每一部分处的波形；

图5是根据本发明的无传感器的SRM驱动装置的简要方块示意图；

图6是在图5中所示的相位检测电路的详细电路图；以及

图7表示根据本发明的无传感器的SRM驱动装置的运行顺序。

下面参照附图详细介绍本发明的一优选实施例。图5是根据本发明的无传感器的SRM驱动装置的简要方块示意图；图是图5中所示的相位检测电路的详细电路图。根据本发明的SRM驱动装置包含一主控制单元100、相位检测电路110、速度控制单元120、数字式起通角估测单元130、逆变器驱动单元140和逆变器150。

该主控制单元100产生用于SRM的运行起动和停机指令信号，以及产生要输送到速度控制单元120的用于选择SRM160的转速的速度指令信号。

相位检测电路110包含滤波器单元111、施密特触发器单元113和输出单元115，用于测量提供到SRM160的相应电流和向数字式起通角估测单元130输送对应的电流信号(i1,i2,i3)。

滤波器单元111具有运算放大器(OP1)、电阻(R1,R2)和电容(C1)，以便除去由相电流检测用电阻(未示出)检测到的高频噪声。

施密特触发器113包含运算放大器(OP2,OP3)、电阻(R3,R4,R5)和比较装置(COMP1)，以便除去保留在由滤波器单元111输出的对应的相电流信号中的噪声。

输出单元115包含晶体管(TR1)、电阻(R6)和电容(C2)，以便将来自施密特触发器单元113的相电流信号输送到数字式起通角估测单元130。

如果由该主控制单元100输出运行指令信号，速度控制单元120向数字式起通角估测单元130输送调整指令信号，并响应于来自相位检测单元110的速度指令信号和来自数字式起通角估测单元130的换相周期信号，向逆变器驱动单元140输送用于控制SRM速度的电压指令信号。

速度控制单元120产生用于换相的基准换相周期信号，并输出到数字式起通角估测单元130。此时，速度控制单元120利用数字计数器来产生基准换相周期信号。

如果数字式起通角估测单元130收到来自速度控制单元120的调整指令信号，则用于向特定相提供电流的转子相位信号输送到逆变器驱动单元140，以此调整转子。各脉冲信号持续地输送到先前已激磁的各相，直到SRM160转速达到预定的数值。然后利用由相位检测电路110输入的已激磁的相电流信号来鉴别转子是否到达换相位置。如果转子达到换相周期，用以换相的转子相位信号输入到逆变器驱动单元140。

此外，如果SRM160达到预定的转速，数字式起通角估测单元130向先前激磁的相发出一短脉冲。将来自相位检测电路110先前激磁的相电流信号与来自速度控制单元120的基准换相周期信号相比较，以便估测SRM160的起通角，以此，将所估测的转子相位信号输出到逆变器驱动单元140，并由相位检测电路110输入对应的相电流信号，以便将换相周期信号输送到速度控制单元120。

逆变器驱动单元140响应于由速度控制单元120输入的电压指令信号产生脉冲宽度产生信号。通过利用脉冲宽度变化信号和来自数字式起通角估测单元130的转子相位信号进行逻辑组合，将SRM160的对应相位激磁信号(sw1,sw2,sw3)输送到逆变器150。

逆变器150按照逆变器驱动单元140输出的对应的激磁信号(sw1,sw2,sw3)向SRM160提供电压。

参照图7详细介绍运行过程和运行效果。

如果由该主控制单元100输入运行指令信号和速度指令信号，速度控制单元120将用于调整转子的调整指令信号输送到数字式起通角估测单元130，其再根据调整指令信号调整SRM160的转子。

换句话说，如果由速度控制单元120输入调整指令信号，数字式起通角估测单元130输出转子相位信号，以便通过逆变器驱动单元140向SRM160的特定相提供电流，该单元对根据来自数字式起通角估测单元130的转子信号自身产生的脉冲宽度变化信号和来自速度控制单元120的电压指令信号进行逻辑组合，并向逆变器150输出相位激磁信号。逆变器150根据逆变器驱动单元140输入的相位激磁信号向SRM160的特定转子相位提供电流，以便调整该转子。(S1,S2)

假如在转子已经被调整之后已过了一预定时间段，数字式起通角估测单元130持续地向先前激磁的相发送脉冲信号。由相位检测电路110输入的先前激磁的相的相电流信号鉴别转子是否达到起通角。如果转子到达起通角，用于实现换相的转子相位信号输送到逆变器驱动单元140。然后，重复上述过程，直到SRM速度到达其预定速度。(S3,S4,S5)

在这时，利用在数学公式1中所示的电流的特性，由相位检测电路110输出的数字相电流信号得到转子已通过的位置的信息，该数字公式1为： $\frac{\mathrm{\ΔI}}{\mathrm{\Δt}}\≅\frac{1}{L\left(\mathrm{\θ}\right)}(V-\mathrm{Ri}-\frac{\mathrm{dL}}{\mathrm{d\θ}}\mathrm{\θ}\′i)$

其中，t为时间，I为电流值，V为额定电压，R为电阻，L为电感。

因此，因为相电流变化率根据转子相位是不同的，所以利用相电流信号估测转子位置。数字式起通角检测单元130持续地向逆变器驱动单元140发送相位信号，以便鉴别转子是否达到起通角。如果为是，重复该向逆变器驱动单元140输入转子相位信号的运行过程，用以换相，因此使SRM速度达到预定速度。

如果SRM速度超过预定转速，数字式起通角估测单元130向逆变器驱动单元140输送换相用的相位信号，以此实现换相和估测转子的相位。

然后，数字式起通角估测单元130向先前激磁的相输出一短脉冲信号，相位检测电路110检测先前激磁的相电流，并将相电流信号输入到数字式起通角估测单元130。数字式起通角估测单元130将由相位检测电路110输入的相电流信号与由速度控制单元120输入的基准换相信号相比较，以此估测转子的相位。(S6)

在这时，如果来自相位检测电路110的相电流信号超前来自速度控制单元120的基准换相周期信号，数字式起通角估测单元130减小该换相周期，以便向逆变器驱动单元140输送转子相位信号，并向速度控制单元120输送该超前信号，速度控制单元120再向逆变器驱动单元140输出电压指令信号。(S7,S8)

如果检测的相电流信号滞后基准换相周期信号，速度控制单元120由数字式起通角检测单元130接收滞后信号，以便向逆变器驱动单元140输出电压指令。数字式起通角估测单元130增加换相周期，以便向逆变器驱动单元140发送转子相位信号。(S9,S10)

然后，在为了加速将换相周期降低一预定值之后，重复S6之后的操作过程，直到SRM160达到由该主控制单元100预置的转速。因此，SRM160加速并转入运行。(S11,S12)

如果SRM160旋转超过预置的转速，数字式起通角检测单元130向逆变器驱动单元140输入转子相位信号用以进行换相，由此，实现换相和检测转子相位。

然后，数字式起通角检测单元130向先前激磁的相输出一短脉冲信号，相位检测电路110检测先前激磁的相电流，以便输入到数字式起通角检测单元130，数字起通角检测单元130将来自速度控制单元120的基准换相信号与来自相位检测电路110的相电流信号相比较，以此估测转子的相位。

在这时，如果检测的相电流信号超前基准换相周期信号，速度控制单元120减少并向逆变器驱动单元140输入该电压指令。数字式起通角检测单元130减少并且向逆变器驱动单元140输入换相周期。(S14,S15)

如果检测的相电流信号滞后基准换相周期信号，速度控制单元120增加和向逆变器驱动单元140输出电压指令。数字式起通角检测单元130增加换相周期，以便向逆变器140输入转子相位信号。(S16,S17)

相应地，重复S13之后的操作过程，使SRM以预定速度旋转，直到由该主控制单元100输入停机指令信号。(S18)

如上所述，本发明的无传感器的SRM驱动装置的优点是，通过向未使用的相输入短脉冲而检测的相电流信号，来鉴别转子相位是超前还是滞后，以此估测电压和换相周期，以便精确检测SRM的起通角，而不受电噪声和机械噪声的影响。

Claims (8)

1．一种无传感器的磁阻电动机(SRM)驱动装置，包含：

一主控制装置，用于输出用于SRM的起动或停机指令信号和确定其转速的速度指令信号；

数字式起通角估测单元；

速度控制单元；

逆变器驱动单元，用于根据从速度控制单元输入的电压指令信号产生脉冲宽度变化信号，以及用于实现脉冲宽度变化信号和由数字式起通角估测单元输入的转子相位信号的逻辑组合，以发送SRM相位激磁信号；以及

逆变器，用于根据来自逆变器驱动单元的分相激磁信号向SRM输送电压，

其特征在于还包括：

相位检测电路，用于在测量输送到SRM的相电流之后输出相电流信号，

其中，所述数字式起通角估测单元用于如果输入调整指令信号，则输出转子相位信号，以便向特定的相提供电流，以及用于当SRM已经旋转时，随着向先前激磁的相提供脉冲信号，通过将相电流信号和基准换相周期信号相比较，在测量SRM起通角之后输出转子相位信号；

其中，所述速度控制单元用于如果由主控制单元输入运行起动信号，则向数字式起通角估测单元发送调整指令信号，用于输出电压指令信号，以便响应于来自主控制单元的速度指令信号和来自数字式起通角周期估测单元的换相周期信号，控制SRM转速，以及产生并向数字式起通角估测单元输入基准换相周期信号。

2．如权利要求1所述的装置，其中数字式起通角估测单元持续地向先前激磁的相提供脉冲信号，直到SRM转速达到预定值，以便利用由相位检测电路输入的已激磁的相电流信号来鉴别转子的换相位置，以及如果转子达到换相周期，则输出转子相位信号以便实现换相，以及向先前激磁的相提供一短脉冲，如果SRM转速超过预定转速，将由相位检测电路输入的先前激磁的相电流信号与来自速度控制单元的基准换相周期信号相比较，以检测SRM起通角和输出转子相位信号。

3．如权利要求1所述的装置，其中速度控制单元利用数字计数器来产生基准换相周期信号。

4．如权利要求1所述的装置，其中相位检测电路包含：

滤波器单元，用于除去相电流检测用电阻检测到的高频噪声；

施密特触发器单元，用于除去在滤波器单元输出的相电流信号上保留的噪声；

输出单元，用于将来自施密特触发器单元的相电流信号输送到数字式起通角估测单元。

5．一种运行无传感器的SRM驱动装置的方法，该方法包含以下步骤：

输入速度指令信号，用以输入SRM运行指令信号和速度指令信号，以便设定SRM转速；

如果已输入运行指令信号，则通过向特定定子相提供电流来调整转子；以及

按照转子相位的检测结果，通过调节电压指令和换相周期，将SRM维持在选择的转速上，直到输入SRM的停机指令，

特征在于号包括步骤：

随着将脉冲信号持续地输出到未使用的相，使SRM运转直到SRM速度达到预定SRM速度，以便估测起通角，并按照估测的起通角实现换相；以及

随着检测转子相位加速SRM，直到SRM达到预定转速，以此调节电压指令和顺序降低换相周期。

6．如权利要求5所述的方法，其中所述方法包含的使SRM运行的步骤包含以下步骤：

为了驱动SRM进行换相；

当脉冲信号已持续地向先前激磁的相输送时，根据由相位检测电路输出的相电流信号，鉴别SRM是否达到起通角；以及

7．如权利要求5所述的方法，其中所述方法包含的使SRM加速的步骤包含以下步骤：

如果转子转速超过预定转速，当换相时，以及当向先前激磁的相输送脉冲信号时，根据由相位检测电路输出的相电流信号估测相位；

如果相电流信号超前基准换相周期信号，则降低来自速度控制单元的电压指令信号和随后的换相周期，以及如果相电流信号滞后基准换相周期信号，则增加所述电压指令信号和随后的换相周期；

为了加速SRM，将换相周期降低到预定周期；以及

重复估测相位的步骤，直到SRM按照预定的转速旋转。

8．如权利要求5所述的方法，其中所述方法包含的维持SRM运行的步骤包含以下步骤：

如果转子转速超过预定转速，当换相时和当向先前激磁的相输送脉冲信号时，根据由相位检测电路输出的相电流信号检测相位；

如果相电流信号超前基准换相周期信号，则降低来自速度控制单元的电压指令信号和随后的换相周期，以及如果相电流信号滞后基准换相周期信号，则增加该电压指令信号和随后的换相周期；以及

重复估测相位的步骤，直到输入SRM运行停机信号。

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