CN1074208C - 用于无刷电机启动的装置与方法 - Google Patents

Abstract

为启动无刷电机提供的一种便于可靠启动和防止电机启动过电流的启动装置和启动方法。电机启动前，首先通过一相对另一相(或另二相)的电流供给使水磁转子定位，根据检测永磁转子磁极位置的磁场传感器霍尔集成电路的输出信号控制逆变器开关器件的开关操作而使电机启动。这样，电机启动前的转子定位保证了霍尔集成电路信号的稳定输出，使得电机的启动不受电噪声或启磁转子轻微振动的影响。

Description

用于无刷电机启动的装置与方法

本申请基于日本专利申请平10-58981，在此引用其部分内容以资参考。

本发明涉及一种用于带有用于检测永磁转子磁极位置的磁场传感器的无刷电机启动的装置与方法。

无刷电机现在已被广泛应用于家用电器和电子设备之中，以提供具有较长使用寿命、高可靠性的产品。采用无刷电机作为压缩机电机和风扇电机的空调已经开发出来，并推上市场。

作为风扇电机使用的无刷电机特别具有霍尔集成电路等这类的磁-电转换装置或磁场传感器，以检测电机中永磁转子的磁极位置。磁电转换装置的输出信号可用于检测转子的位置或转速，或用于控制逆变器中开关装置开/关操作的驱动信号。

用于具有磁电转换装置的无刷电机驱动控制的相关技术典型方法叙述如下。

图15表明一种典型的无刷电机驱动装置。无刷电机1带有霍尔集成电路1d、1e和1f作为磁电转换装置。霍尔集成电路1d、1e和1f分别向控制器6’输出信号。

根据霍尔集成电路1d-1f的输出信号产生驱动信号，以控制逆变器4中开关装置4a-4f的开关操作，并由控制器6’进行输出。驱动信号控制无刷电机1的端电压。因此可使电流流过定子1a、1b和1c的绕组，从而无刷电机1启动运转。

其次叙述带有磁电转换装置的无刷电机的一般启动方法。

为便于讨论，假定霍尔集成电路1d、1e和1f在位于组成转子1g的永磁体的N极附近时输出“高位”信号，当它们处于S极附近时的输出为“低”。同时假定，在逆变器4较高支路上的开关装置4a、4b和4c接通而且电流从定子绕组1a、1b或1c流到中性点(不带电点)，绕组面向启磁转子的一侧为N；并当逆变器较低支路上的开关装置4d、4e或4f接通而且电流由中性点流向绕组时，绕组面对转子1g的一侧为S。

当转子1g相对于霍尔集成电路1d-1f的位置如图16所示时，霍尔集成电路1d的输出信号为低、霍尔集成电路1e和1f的输出信号为高。显然，根据霍尔集成电路的输出信号可以确定转子1g的位置。

在根据霍尔集成电路的输出信号确定转子1g停止于图16所示的位置之后，至U相的较高支路的开关装置4a和至W相的较低支路的开关装置4f被接通。结果，U相绕组1a面向转子1g的一侧被磁化为N，W相绕组1c面向转子1g的一侧被磁化为S。U相绕组1a和转子1g相互吸引，W相绕组1c和转子1g相互排斥。这就使得转子1g开始转动。以后，逆变器的开关装置根据霍尔集成电路的输出信号反复进行开和关的操作，绕组与永磁转子之间的吸引-排斥关系交替变化。这样，磁转子与交变磁场的相互作用驱动无刷电机运转。

传统的无刷电机控制方法有以下问题。启动前，当某些霍尔集成电路位于转子1g磁极之间的边界附近和转子1g因某些原因而产生振动时，霍尔集成电路的输出信号可能会不稳定。这种不稳定的信号将输入到微处理器和被用做控制开关装置的驱动。但是，不稳定的信号使微处理器难于确定逆变器的哪些开关装置应当被开通，从而会妨碍正常的启动过程。

本发明的目的是提供一种可使无刷电机方便可靠启动的装置，并且在无刷电机启动时不产生过电流。

为克服以住技术的缺陷，提供了一种用于具有多个成预定相的定子绕组、一永磁转子和多个用于检测转子磁极位置的磁场传感器的无刷电机启动装置。

该启动装置包括一逆变器和一个控制器。逆变器具有多个向无刷电机供给电流的桥式连接的开关器件。控制器根据磁场传感器的输出信号产生和输出控制逆变器开关器件操作的控制信号。在无刷电机启动前，控制器通过至少在定子绕组的两相之间提供电流以定位转子，然后根据磁场传感器的输出信号输出控制信号以启动无刷电机。结果，不管电机的永磁转子在启动前的位置如何，都可获得稳定的磁场传感器的输出信号，使电机能够可靠启动。

在每个磁场传感器输出信号的电平换向点与定子感生电压的过零点成±15°电角度的范围内，控制器通过由定子绕组的一相向另一相供给电流而使转子定位。

在磁场传感器输出信号的电平换向点与定子感生电压的过零点成+15°至+45°电角度的范围内，控制器也可通过由定子绕组的一相向另二相供给电流而使转子定位。这就使得永磁转子在控制器对其定位点附近稍有偏转的情况下也可限制转子定位所需求的最大电流。

此外，在对转子定位之前，控制器可通过向桥接的较低支路上的开关装置供电而使转子停止转动。

还有，控制器可根据磁场传感器的输出信号检测无刷电机的转速，并使转子刹车直到检测出的转速低于预定水平时为止。

本发明还为具有多个定子绕组、一永磁转子和多个用于检测转子磁极位置的磁场传感器的无刷电机提供了一种启动方法，该方法包括通过向预定相的定子绕组供给电流而使转子定位于磁场传感器信号能被可靠输出的启动位置和启动无刷电机等步骤。

参照附图阅读以下描述和权利要求，将会对本发明的其它目标和优点有个更全面的了解和感受。

图1为按本发明第一实施例的无刷电机驱动装置的原理图。

图2为表明第一实施例的无刷电机驱动装置中逆变器开关器件驱动信号、定子绕组感生电压和霍尔集成电路输出信号之间关系的示意图。

图3为第一实施例中无刷电机驱动装置启动电机的流程图。

图4为表明霍尔集成电路输出信号与被接通逆变器开关装置之间相互关系的表。

图5为表明第一实施例无刷电机驱动装置中转子定位前在电机中位置的示意图。

图6为表明第一实施例无刷电机驱动装置中转子定位后在电机中转子位置的原理图。

图7为表明第一实施例无刷电机驱动装置中转子定位后加有驱动信号时在电机中转子位置的示意图。

图8为表明第二实施例的无刷电机驱动装置的原理图。

图9为表明第二实施例无刷电机驱动装置中逆变器开关器件驱动信号，定子绕组感生电压和霍尔集成电路输出信号之间关系的示意图。

图10为表明第二实施例无刷电机驱动装置中转子定位前在电机内磁化状态的示意图。

图11为表明第二实施例无刷电机驱动装置中转子定位后瞬间在电机内转子位置的示意图。

图12为表明第二实施例无刷电机驱动装置中转子定位后施加驱信号时在电机内转子位置的示意图。

图13为按本发明第三实施例的无刷电机驱动装置启动电机的流程图。

图14为按本发明第四实施例的无刷电机驱动装置启动电机的流程图。

图15为按以往相关技术的无刷电机驱动装置的示意图。

图16为表明在采用霍尔集成电路检测转子位置时在电机内转子位置的示意图。

以下参阅附图描述根据本发明的电机驱动装置的最佳实施例。以下描述的每种装置在电机启动前都至少可向预定相的定子绕组中的两个绕组供给电流，藉此首先使电机转子定位于能可靠检测的适当位置。然后，该装置对转子位置进行检测和供给电流以启动电机。结果，不论转子在电机启动前停于何处，都能使电机可靠启动。

实施例1

图1表明按本发明第一实施例的电机驱动装置的结构。如图1所示，该电机驱动装置包括一直流电源3，一个将直流电源3的输出电压变换为可驱动无刷电机1的电力的电压逆变器4，和一个用于控制逆变器4工作的控制器6。

无刷电机1包括：定子绕组1a、1b和1c，分别形成U、V和W相；作为磁场传感器或磁-电变换器的霍尔集成电路1d、1e和1f，用于检测U、V或W相绕组的感生电压，并输出与被检测电压相应的信号；以及一个由两极永磁体构成的转子1g。

逆变器4由连接U、V和W相的较高支路上的开关器件4a、4b和4c及连接U、V和W相较低支路上的开关器件4d、4e和4f所组成。

如图1所示，本实施例无刷电机1的转子1g按顺时针方向转动。霍尔集成电路1d的配置超前于U相绕组1a 90度。与此类似，霍尔集成电路1e和1f分别配置于超前绕组1b和1c 90度。

图2表明在无刷电机1中各相绕组1a、1b和1c上感生的电压E_U、E_V和E_W与霍尔集成电路的输出信号H_u、H_V和H_W及用于驱动逆变器4中开关器件4a-4f开关操作的驱动信号之间的相互关系，无刷电机1包括的霍尔集成电路1a、1e和1f如上所述进行配置。当霍尔集成电路如图1所示相对于各绕组超前90度配置时，霍尔集成电路的输出信号H_U、H_V和H_W在无刷电机1转动时感生电压E_U、E_V和E_W的过零点倒转。更具体地说，霍尔集成电路的输出信号在与各相感生电压的过零点成0°电角度时产生倒相。如图2所示，无刷电机的运转受开关器件4a-4f根据来自霍尔集成电路1d-1f的输出信号而进行开和关操作所控制。

图3为按本实施例对无刷电机的启动进行控制的流程图。启动过程如图1所示的控制器6控制进行。

无刷电机启动之前，控制器6首先将无刷电机1的永磁转子1g置定于其位置便于检测的启动位置(步骤11)。通过向电机1中一对相应于预定相的绕组供给电流而实现转子1g在启动位置的定位。也就是说，通过绕组1a-1c中的一个绕组向绕组1a-1c中另一个供给电流，而使转子1g置定在启动位置。以下将此称之为“一相对一相电流供给”。

然后，控制器6输入霍尔集成电路1d-1f的输出信号(步骤12)，并将输入信号作为第一数据存储在存储器的预定区域(步骤S13)。控制器6再输入霍尔集成电路1d-1f的输出信号(步骤S14)，将输入信号作为第二数据存储在存储器的预定区域(步骤S15)。然后，比较步骤S12和步骤S14输入的信号第一数据和第二数据是否相同(步骤S16)。再次或多次输入霍尔集成电路的信号，是为了避免可能的噪声影响，以改善可靠性。当信号不相匹配时，程序返回步骤S11，再次重复该流程。信号若相互匹配，根据存储的信号(第一数据和第二数据)可检测和确定永磁转子(1g)的位置(步骤S17)，然后逆变器4的开关器件4a-4f根据所确定的转子位置开始开关操作(步骤S18)。

控制器6根据来自霍尔集成电路1d-1f的位置检测信号确定哪些开磁器件开始进行开关操作。由图4表中给出的信息可以看出如何根据来自霍尔集成电路的位置检测信号确定开关器件的操作。例如，当霍尔集成电路的输出信号H_U、H_V和H_W分别为低、高和低时，在起始定位后，U相的较高支路(即开关器件4a)和V相的较低支路(即开关器件4e)将会被开通。

这样，按本实施例的无刷电机驱动装置在电机启动前首先通过“一相对一相的电流供给”而使永磁转子初始定位，即将转子(1g)置于其位置能被可靠检测出来的适当位置。

例如，当永磁转子1g在启动前处于图5所示的位置时，控制器6不能检测或确定转子1g的位置，因为霍尔集成电路1e的输出信号可能为高或者为低，即不确定。因此，要通过“一相对一相电流供给”开通U相较高支路和V相较低支路、使磁转子1g定位。这使U相绕组1a面对永磁转子的一侧磁化为N极，V相绕组1b面对永磁转子的一侧磁化为S极，永磁转子的定位如图6所示。因此，霍尔集成电路1d和1e的输出信号稳定为低。而霍尔集成电路1f的输出信号稳定为高。根据霍尔集成电路的位置检测信号和图4所示霍尔集成电路的输出状态表，V相较高支路和W相较低支路将被开通。这将导致V相绕组1b的N极与磁转子1g的N极之间的相互排斥和W相绕组1c的S极与磁转子1g的N极之间相互吸引。这样，磁1g如图7所示开始转动。在此示范性实施例中，U相较高支路和V相较低支路开通以使转子定位；与此类似，也可使其它相的较高支路和较低支路开通来实现转子的定位。

如上所述，按本发明这种最佳实施例的无刷电机驱动装置在无刷电机启动前可向某相供给电流，从而可使无刷电机置定在某永磁转子的位置能被可靠检测的适当位置。因此，这就保证了无刷电机的可靠启动，而不论永磁转子在启动位置设置之前处于何种装置。

在所描述的这种最佳实施例中，霍尔集成电路配置在相应绕组成90±15°角的范围内，通过一相对一相电流供给的定位方法可以可靠地检测出霍尔集成电路与相应绕组成90°角配置时的输出信号。也就是说，当霍尔集成电路与相应绕组成105°(=90°+15°)角配置时，每个霍尔集成电路的输出信号在电角与绕组感生电压过零点成-15°角时反转；当霍尔集成电路与相应绕组成75°(=90°-15°)角配置时，每个霍尔集成电路的输出信号在与绕组感生电压过零点成+15°电角度时反转。因而，电机可通过一相对一相电流供给的方法进行定位，从而使霍尔集成电路的输出信号即使在电角与绕组感生电压过零点成±15°的范围内产生反转时也能够稳定。

(实施例2)

图8表明按本发明第二实施例的无刷电机驱动装置。本实施例无刷电机驱动装置与第一实施例中装置的不同之处在于霍尔集成电路1a、1e和1f与绕组1a、1b和1c之间的相对位置不一样。如图8所示，永磁转子1g按顺时针方向转动，霍尔集成电路1d的配置超前于U相绕组1a 60°角。类似地，霍尔集成电路1e和1f分别按超前于绕组1b和1c 60°角进行配置。

在第一实施例中，永磁转子1g通过一相对一相的电流供给进行定位，转子1g的一个磁极边界移动到与一个绕组成60°角的位置(如图6所示)。然而在本实施例中，当将一相对一相的电流供给方法应用于无刷电机驱动装置时，永磁转子1g的一个磁极边界也处于霍尔集成电路1d-1f其中之一的位置，这就不能检测出霍尔集成电路的输出信号。因此，本实施例中的无刷电机驱动装置采用由一相向另外两相供给电流(一相对二相的电流供给)方法来激励定子绕组，以使永磁转子1g的位置被可靠地检测出来。下边将对此做更详细的描述。

如图9所示，在电机运转时，本实施例无刷电机1’中霍尔集成电路的输出信号在与每相绕组感生电压的过零点成+30°电角度时转向。在转子初始定位之后，本示例的无刷电机驱动装置根据霍尔集成电路的输出信号通过从图4表中选择的开关器件的开关操作以驱动无刷电机1’。

例如，当永磁转子1g在电机1’启动前如图10所示定位时，霍尔集成电路1e位于永磁转子1g的一个磁极边界之内。其输出信号因而是不稳定的，控制器不能确定信号是高还是低。因此要供给电流以开通U相的较高支路和V相及W相的较低支路。这种电流供给方法称之为“一相对二相的电流供给”。这样，如图11所示，通过供给电流，U相绕组1a面向磁体转子1g的一侧被磁化为N极，V相绕组1b面向永磁转子的一侧被磁化为S极，W相绕组1c面向永磁转子1g的一侧被磁化为S极。然后，永磁转子1g移动到如图所示的位置。霍尔集成电路1d和1e的输出稳定为低，霍尔集成电路1f的输出稳定为高，且这些输出信号能被可靠检出。参照图4中的表和根据霍尔集成电路1d-1f的输出信号，V相较高支路和W相较低支路被开通。这就产生了V相绕组1b和永磁转子1g之间的N-N排斥和W相绕组1c和永磁转子1g之间的N-S相互吸引，使得永磁转子如图12所示开始运转。显然，对具有本技术领域知识和技能的人来说，本实施例中通过开通U相较高支路和V相及W相的较低支路来实现转子定位，类似地开通其它相位组合的有关支路亦可进行转子的定位。

即使霍尔集成电路的输出信号在采用了一相对一相的电流供给方法使转子定位之后仍不稳定，一相对两相的电流供给仍可提供一个稳定的信号。使转子运动到可使霍尔集成电路输出信号稳定化的适当位置，从而使得电机可靠启动。

本发明的这一实施例描述了霍尔集成电路与相应的绕组成60°角配置的情况。然而，在霍尔集成电路位于这一60°角±15°的范围之内时，采用一相对二相的电流供给方法也可使霍尔集成电路的输出信号能被可靠地检测出来。也就是说，在霍尔集成电路的输出信号在与绕组感生电压过零点成+15°到+45°电角的范围内转向时，也可采用一相对二相供给电流的方法使电机定位，使霍尔集成电路的输出信号稳定。

(实施例3)

按本发明第三实施例的无刷电机驱动装置可在转子定位前采用一个对一相或一相对二相的电流供给方法通过开通较低支路上的开关器件而使永磁转子制动。图13为本实施例无刷电机启动装置的启动过程流程图。

参阅图13，这种启动过程是以开通与低压端相连接的较低支路上的开关器件使永磁转子1g制动来开始(步骤S21)。然后，通过一相对一相或一相对二相的电流供给使永磁转子1g定位(步骤S22)。然后控制器6输入各个霍尔集成电路1d-1f的输出信号(步骤S23)，并将其作为第一数据存储在存储器的预定区域(步骤24)。控制器6再次输入霍尔集成电路1d-1f的输出信号(步骤S25)，并将其作为第二数据存储在存储器的预定区域(步骤S26)。确定在步骤S24和步骤S26中存储的信号(第一数据和第二数据)是否相同(步骤S27)。当信号不相一致时，程序返回到步骤S23，依次重复。若信号相互一致，根据存储的信号(第一数据和第二数据)确定转子1g的位置(步骤S28)，按确定的位置开始逆变器4开关器件4a-4f的开关操作(步骤S29)。

这样，在转子定位前先使永磁转子制动，按本实施例的无刷电机驱动装置即使在电机启动前由于风等原因而使转子有轻微运动的情况下，仍可防止由于一相对一相或一相对二相的电流供给所可能产生的过电流。

(实施例4)

按本发明的第四实施例的无刷电机驱动装置在启动过程中转子定位前可以检测无刷电机(转子)的转速。当根据检测出的转速决定启动无刷电机时，永磁转子1g受到制动，直到转速下降到低于预定阈值。

图14为按第四实施例无刷电机驱动装置的启动过程流程图。

参照图14，控制器6首先开通桥接较低支路上的开关器件使磁转子1g制动(步骤S31)，然后根据霍尔集成电路1d-1f的输出信号检测和计算永磁转子1g的转速(步骤S32)。确定检测出的转速是否低于某一预定值(例如1000rpm(转/每分钟)(步骤S33)。当检测出的转速等于或大于预定阈值(1000rpm)时，启动程序返回步骤S31。重复进行步骤S31-步骤S33，直至转速下降到低于预定阈值转速。

当检测出的转速低于阈值转速时，控制器6通过一相对一相或一相对二相的电流供给使转子1g定位在转子位置能被可靠检测的适当位置(步骤S34)。然后，控制器6输入各霍尔集成电路1d-1f的输出信号，检测磁转子1g的位置，以图3和图13所述的方式开始逆变器开关器件的开关操作(步骤S35-41)，以启动电机。

如上所述，当要对转速超过阈值的无刷电机进行启动时，本实施例中的无刷电机驱动装置先对磁转子1g进行制动，直至使其转速低于预定阈值。这样，在采用一相对一相或一相对二相的电流供给进行转子1g定位时，便可使电流局限在某一预定值之下。用于转子定位的电流因而可以进行调节。

例如，当无刷电机驱动装置用于空调系统户外设备中的风扇电机和天然风使与风扇电机相连的风扇产生转动时，采用一相对一相或一相对二相的电流供给进行定位中的最大电流会得到限制。这就为生产设计中选择逆变器的开关器件提供了更大的灵活性。

显然，对于具有本技术领域知识和技能的人来说，虽然为简化起见上述对本发明的描述针对的是两个磁极的永磁转子，对具有四个或更多磁极的磁转子也可进行同样的操作和获得同样的优点。

尽管以上参照附图并结合最佳实施例对本发明进行了描述，但具有本技术领域知识和技能的人清楚了解，对它可进行许多修改，可有各种变型，对此不得不提请注意。如在后面权利要求中所提出的，这些修改和变型应被理解为包括在本发明的范围之内，除非它们与所提出的要求毫不相关。

Claims (10)

1．一种用于启动具有多个成预定相的定子绕组、一永磁转子及多个检测转子磁极位置的磁场传感器的无刷电机的启动装置，其特征在于包括：

一个由多个桥接的、用于向无刷电机供给电流的开关器件所组成的逆变器；以及

一个根据磁场传感器的输出信号而产生和输出用于控制逆变器开关器件开关操作的控制信号的控制器，

控制器通过向定子绕组的至少两相之间进行电流供给而使转子定位，之后，根据磁场传感器的输出信号输出控制信号以启动无刷电机。

2．如权利要求1所述的启动装置，其特征在于：在磁场传感器输出信号的电平转向点在与定子绕组感生电压的过零点成±15°的电角度范围内，控制器通过由定子绕组的一相向另一相供给电流而使转子定位。

3．如权利要求1所述的启动装置，其特征在于：在磁场传感器输出信号的电平转向点在与定子绕组感生的过零点成+15°至+45°角的电角度范围内，控制器通过由定子绕组的一相向另外两相供给电流而使转子定位。

4．如权利要求1所述的启动装置，其特征在于：在转子定位之前，控制器通过向在桥接较低支路上的开关器件供给电流而使转子制动。

5．如权利要求4所述的启动装置，其特征在于：控制器根据磁场传感器的输出信号检测无刷电机的转速并对转子进行制动，直至检测出的转速低于预定水平为止。

6．一种用于启动具有多个成预定相的定子绕组、一永磁转子及多个用于检测转子磁极位置的磁场传感器的无刷电机的启动方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

通过向至少两相定子绕组之间供给电流而使转子定位于磁场传感器信号能被可靠检测出来的启动位置；及启动无刷电机。

7．如权利要求6所述的启动装置，其特征在于定位步骤包括：在磁场传感器输出信号的电平转向点在与定子绕组感生电压的过零点成±15°电角度的范围内，从电机的定子的一相向另一相提供电流的步骤。

8．如权利要求6所述的启动方法，其特征在于定位步骤包括：在磁场传感器输出信号的电平转向点在与定子绕组感生的过零点成+15°至+45°电角度的范围内，从电机定子的一相向另二相提供电流的步骤。

9．如权利要求6所述的启动方法，其特征在于所提方法还包括：在转子定位之前，向较低支路上的开关器件供给电流而使转子制动的步骤。

10．如权利要求9所述的启动方法，其特征在于还进一步包括：根据磁场传感器的输出信号检测无刷电机的转速的步骤，其中的转子受到制动直至检测的转速低于预定水平为止。

Images