CN108233789B - 超前角控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超前角控制器，包括：位置传感器，配置为检测BLDC电动机的转子的位置；超前角控制单元，配置为基于检测信号确定超前角，并且输出用于超前角的补偿的时间作为超前角控制信号；相电流转换器，配置为基于检测信号和超前角控制信号输出相电流转换信号，其中，相电流转换信号确定BLDC电动机的定子的相电流步长；以及信号保持器，配置为当来自位置传感器的一个检测信号和超前角控制信号改变时，保持检测信号和超前角控制信号，并且在预定时刻将检测信号和超前角控制信号提供至相电流转换器。

Description

超前角控制器

技术领域

本发明涉及一种超前角控制器。

背景技术

本节中的说明仅提供与本发明相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。

通常，在具有电子整流单元的直流电动机中，作为通过替换彼此机械接触的换向器和电刷而形成的电动机的无刷直流(BLDC)电动机具有电磁噪声和机械噪声低、寿命长的优点。随着器件性能的提高、重量和厚度的减小、结构的简化、寿命的延长，并且已经开发了用于半导体技术的部件或材料，无刷直流电动机已经取得了长足的进步，并且被广泛应用于各个领域，例如家用电器、信息通信设备、车辆和医疗设备。

这种无刷直流电动机通常包括作为永磁体的转子和作为固定绕线的定子，特别是三相定子。通过例如霍尔传感器的位置传感器检测转子的位置，并且取决于检测到的转子的位置将电压重复并交替施加至定子，由此操作无刷直流电动机。

当转子旋转并且操作无刷直流电动机时，产生与当线在磁场中移动时相同的效果。并且，在定子中生成作为感应电动势的反电动势，因此电流在定子中流动，电压对应于反电动势与施加电压之间的差值。

因此，对于无刷直流电动机的期望操作，电压应当重复并交替施加至定子，即定子的相位应当与霍尔传感器的信号检测同时改变。然而，与转换定子的相位的时间点相比，由于电动机的线电感的影响，所以相对延迟线电流在定子中流动的时间点。特别地，电感越大，电动机的转速越高，相电流的延迟角越大，这可能导致无刷直流电动机的效率和扭矩的降低。

发明内容

我们已经发现，优选的是，在操作无刷直流电动机时，在转换相位的时间点之前的预定角度α的提前角处转换相电流。角度α称为“超前角”，可基于电动机的电阻、电感和转速来确定α的大小。

为了控制相关技术中的超前角，已经存在如下方法：通过检测输入信号与输出信号之间的相位差来控制超前角，并且取决于电动机的转速通过借助控制压控振荡器将输出信号的频率保持在预定水平的锁相环(PLL)来估计超前角的量，以及存在通过借助曲线拟合来估计超前角以控制与超前角有关的信息的方法。此外，在发明人的韩国专利申请公开第10-2015-0159499号(标题为“超前角控制器”)中已经公开了一个超前角控制器。超前角控制器包括：目标函数导出单元，根据BLDC电动机的转速计算超前角，该超前角用于补偿多个定子的相位转换的相电流转换的延迟；以及编码器，通过对相位转换脉冲的数量进行计数和通过导出超前角脉冲的数量来确定在相位转换步骤中控制超前角的时间点，该相位转换脉冲的数量是在相位转换步骤期间统计的脉冲的数量，该超前角脉冲的数量是与从目标函数计算的超前角对应的脉冲的数量。

相关技术中的超前角控制器通过组合多个霍尔传感器信号和用于补偿超前角的超前角控制信号来确定相电流的转换时间点，但霍尔传感器信号和超前角控制信号不能精确同步，因此生成毛刺(glitch)。该毛刺导致不期望的电动机输出，从而减小电动机的输出扭矩或引起扭矩波动。

本发明提供一种超前角控制器，在霍尔传感器信号和超前角控制信号在电动机的相电流转换(基于用于电动机中转子位置的霍尔传感器信号和用于确定超前角的补偿时间点的超前角控制信号)过程中不精确同步时，该超前角控制器可以抑制毛刺的生成。

本发明的方面提供一种超前角控制器，包括：位置传感器，配置为检测无刷直流(BLDC)电动机的转子的位置；超前角控制单元，配置为基于来自位置传感器的检测信号确定超前角，并且输出用于超前角的补偿的时间作为超前角控制信号；相电流转换器，配置为基于来自位置传感器的检测信号和超前角控制信号输出用于确定无刷直流电动机的定子的相电流步长(step)的相电流转换信号；以及信号保持器，用于当来自位置传感器的多个检测信号中的一个检测信号和超前角控制信号改变时，保持来自位置传感器的先前的检测信号和先前的超前角控制信号，然后在预定时刻将来自位置传感器的检测信号和超前角控制信号提供至相电流转换器。

信号保持器可为触发器，配置为输入位置传感器的检测信号和超前角控制信号，并且将由控制脉冲输入的值保持预定时间。

触发器可为D触发器，配置为输出并保持在具有预定频率的控制脉冲的上升沿或下降沿处输入的值。

位置传感器可为霍尔传感器，配置为感测无刷直流电动机的转子上的S极或N极。

相电流转换器可基于位置传感器的检测信号和超前角控制信号将用于确定预先设定的相电流步长的相电流转换信号输出至向无刷直流电动机提供相电流的逆变器。

本发明的另一方面提供一种超前角控制器，包括：位置传感器，配置为检测无刷直流(BLDC)电动机的转子的位置；超前角控制单元，配置为基于来自位置传感器的检测信号确定超前角，并且输出用于超前角的补偿的时间作为超前角控制信号；相电流转换器，基于来自位置传感器的检测信号和超前角控制信号，输出用于确定无刷直流电动机的定子的相电流步长的相电流转换信号；以及触发器，配置为输入位置传感器的检测信号和超前角控制信号，以在具有预定频率的控制脉冲的上升沿和下降沿中的一个处输出至相电流转换器的输入，并保持先前的输出，直到在控制脉冲中生成随后的上升沿或下降沿。

利用超前角控制器，能够使转子位置检测信号和作为相电流转换的参考的BLDC电动机的超前角控制信号同步，因此能够抑制毛刺。

另外，利用超前角控制器，由于毛刺被抑制，所以能够消除提供至BLDC电动机的相电流和BLDC电动机的反电动势的失真。因此，改善表示为反电动势和电流的倍数的BLDC电动机的扭矩波形，这可以有助于减少扭矩波动并提高行驶稳定性。

此外，利用超前角控制器，随着扭矩波动减少，可以减少BLDC电动机的噪声和振动，并且可以通过增强扭矩性能来提高BLDC电动机的效率。

根据本文提供的描述，其它适用范围将变得显而易见。应当理解，描述和具体示例仅旨在用于说明的目的，并不旨在限制本发明的范围。

附图说明

为了可很好地理解本发明，现在将参考附图来描述以示例的方式给出的本发明的各个实施方式，其中：

图1是示意性地示出超前角控制器的框图；

图2和图3是示出当产生可由超前角控制器去除的毛刺时的示例的视图；

图4是比较超前角控制器与相关技术的超前角控制器的操作的时序图；

图5是示出归因于不具有去除毛刺的方法的超前角控制器的BLDC电动机的特性的波形图；以及

图6是示出归因于超前角控制器的BLDC电动机的特性的波形图，其中通过该超前角控制器去除毛刺。

这里描述的附图仅用于说明的目的，并不旨在以任何方式限制本发明的范围。

具体实施方式

以下描述在本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明、应用或用途。应当理解，在整个附图中，对应的附图标记指示相同或对应的部件和特征。

图1是示意性地示出本发明的一些实施方式中的超前角控制器的框图。

参考图1，本发明的一些实施方式中的超前角控制器可包括：位置传感器11，检测无刷直流(BLDC)电动机10的转子的位置；超前角控制单元30，基于来自位置传感器11的检测信号确定超前角，并输出确定的超前角的补偿的时间点作为超前角控制信号；相电流转换器50，基于来自位置传感器11的检测信号和超前角控制信号，输出用于确定无刷直流电动机10的定子的相电流步长的相电流转换信号；以及信号保持器，当来自位置传感器的检测信号和超前角控制信号中的至少一个改变时，保持来自位置传感器的先前的检测信号和先前的超前角控制信号，然后在预定时间点处将来自位置传感器的检测信号和超前角控制信号提供至相电流转换器50。

BLDC电动机10可包括定子和转子。例如，定子可为三相(U、V、W)定子，可以120度的间隔布置，并且取决于电流在定子中流动的方向，可操作为磁极(即N极或S极)。这里，BLDC电动机可以两相激励方式使转子旋转，即以三相(U、V、W)中只有两相被激励而其余一相不被激励的方式。也就是说，BLDC电动机10可以按照选择性地生成三相(U、V、W)定子中的两相定子的电位差的6步相位转换方式使转子旋转。

尽管在以上描述中，BLDC电动机包括三相(U、V、W)，并且根据三相(U、V、W)定子的激励类型(U+、U-、V+、V-、W+、W-)以六步来转换相位，但是可根据定子的数量来改变定子的相位转换步骤。例如，在设置6个以上相位定子的情况下，可以12步来转换定子的相位。

如上所述，BLDC电动机10可以通过转换定子的相位来使转子旋转，但是BLDC电动机10必须根据转子的旋转状态来激励三相(U、V、W)定子中的两相定子，因此期望使与转子的旋转状态有关的信息清楚。

例如，在没有精确定位在通过相位转换步骤在+电位处激励的U相定子和在-电位处激励的W相定子之间的转子的S极的情况下，当定子被转换至接下来的相位转换步骤时，转子可显示不规则的旋转，或者可在其旋转时反向旋转。因此，通过精确地找出转子的旋转类型，BLDC电动机10可以通过将转子的相位转换至转子停止旋转后的接下来的步骤来保持转子旋转。

如上所述，BLDC电动机10可必要地包括位置传感器，用于检测转子的旋转状态并基于旋转状态实现转子的精确旋转。位置传感器不受特别限制，只要其能够确定转子的旋转状态，例如，通常可使用能够感测转子的S极或N极的刺激的霍尔传感器11。

霍尔传感器11可以将从转子感测的刺激信号转换为电信号，并将电信号发送至向定子施加电流的逆变器。霍尔传感器11可被设计为感测转子的极中的N极或S极，并且它可为能够由霍尔传感器11的设计者自由改变的可变状态，但是为了便于描述本发明，这里示出霍尔传感器11被设计为感测转子的N极。特别地，霍尔传感器11可设置在三相(U、V、W)定子之间，这里例示有三相(U、V、W)定子，并且霍尔传感器设置在三相(U、V、W)定子之间。

可以通过转换三相(U、V、W)定子的相位来旋转转子，并且在这种情况下，位于面向旋转转子的N极的位置处的霍尔传感器11可以感测转子的N极。例如，在相位转换步骤中，可在V相定子的两侧通过霍尔传感器感测转子的N极，并且在接下来的相位转换步骤中通过定位在V相定子与W相定子之间的霍尔传感器来感测转子的N极。

如上所述，可通过霍尔传感器11来感测转子的N极，并且通过霍尔传感器11检测转子的N极的信号可转换为电信号并发送至逆变器20。逆变器20可向定子施加电流，以根据发送的电信号来激励定子。因此，通过从逆变器施加的电流来转换定子的相电流，由此使转子旋转。

通过霍尔传感器11检测转子的N极可理解为多个定子的相位转换的完成。在每一个相位转换步骤中，通过三相(U、V、W)定子的相位转换使转子旋转，并且当通过霍尔传感器11感测到旋转转子的N极时，可以理解，转子的旋转在对应的相位转换步骤中结束，然后将相位转换步骤改变为另一相位转换步骤，从而再次转换定子的相位，并且可保持转子的旋转。因此，通过霍尔传感器11对转子的N极的检测被理解为定子的相位转换的完成。

此外，霍尔传感器11可检测BLDC电动机10的转速。详细地，霍尔传感器11可在定子的每一个相位转换步骤中感测转子的旋转类型，因此霍尔传感器11可通过导出转子的旋转和所需的旋转时间来简单地感测转子的转速，即BLDC电动机10的转速。

相关领域中公知关于使用霍尔传感器11感测转子的转速所描述的技术，因此不再详细描述。

为了保持转子旋转，即保持BLDC电动机10工作，需要逆变器20基于来自霍尔传感器11的电信号连续转换定子的相电流，并且为此，逆变器20从霍尔传感器11接收电信号，即定子的相位转换完成信号，并且将电流施加至将要通过相位转换激励的定子，这可以被认为是BLDC电动机10的期望的操作。

然而，当通过逆变器20向将要通过相位转换激励的定子施加电流时，在定子中生成干扰接收电流的定子周围或通过该定子的磁通量变化(即电感)的动作。因此，要施加到待激励的定子的电流，即相电流转换被延迟。电流频率越高，电感越大。这导致相对于定子的相位转换点的相电流的增加的延迟，并且相电流的延迟可能导致BLDC电动机10的效率和扭矩性能的降低。

因此，当操作BLDC电动机以防止由于定子的相位转换的相电流转换的延迟而引起的BLDC电动机10的性能劣化时，期望一种控制超前角的方法。

在施加电流以操作BLDC电动机10的时间点处设定超前角，并且当操作BLDC电动机10时，能够借助超前角的控制，通过控制定子的相电流转换时间点来充分补偿定子的相位转换的相电流的延迟。

在发明人的韩国专利申请公开第10-2015-0159499号(标题为“超前角控制器”)中已经公开了一种超前角控制器。超前角控制器包括：目标函数导出单元，根据BLDC电动机的转速计算超前角，该超前角用于补偿多个定子的相位转换的相电流转换的延迟；以及编码器，通过对相位转换脉冲的数量进行计数和通过导出超前角脉冲的数量来确定在相位转换步骤中控制超前角的时间点，该相位转换脉冲的数量是在相位转换步骤期间统计的脉冲的数量，该超前角脉冲的数量是与从目标函数计算的超前角对应的脉冲的数量。

在本发明的一些实施方式中，超前角控制单元30可理解为包括韩国专利申请公开第10-2015-0159499号中公开的目标函数导出单元和编码器的概念。此外，使用除了在韩国专利申请公开第10-2015-0159499号中公开的控制超前角的方法之外的导出超前角的方法来导出超前角并输出超前角的补偿时间的所有其它类型的超前角控制器可用作本发明的超前角控制单元30。

相电流转换器50可通过控制施加至将要通过BLDC电动机10的相位转换激励的定子的电流来控制定子的相电流转换。相电流转换器50可基于从超前角控制单元30提供的超前角控制信号和来自BLDC电动机10上的位置传感器11(即，霍尔传感器)的信号来控制相电流转换。

例如，相电流转换器50可通过组合来自位置传感器11的信号和超前角控制信号，将用于确定相电流步长(预先确定)的相电流转换信号输出至逆变器20。逆变器20可包括用于产生每一相的电流的多个开关装置，并且可针对每一相提供两个开关装置，因此可通过交替接通/断开每一相的两个开关装置来确定相电流。为每一相的两个开关装置中的每一个提供的相电流转换信号可表示为U+、U-、V+、V-、W+和W-。

相电流转换器50可从信号保持器40接收位置传感器11的检测信号和超前角控制信号。

当位置传感器11的检测信号和超前角信号没有改变时，信号保持器40将位置传感器的先前的检测信号和先前的超前角信号保持预定时间，并在预定时间处将改变的位置传感器检测信号和改变的超前角控制信号提供至相电流转换器50。

也就是说，即使位置传感器11的检测信号和超前角控制信号不同步但部分变化，信号保持器40也保持并将位置传感器11的先前的检测信号和先前的超前角控制信号输出至相电流转换器50，使得相电流步长不变，并且在预定量的时间之后，位置传感器11的检测信号和超前角控制信号同时输出至相电流转换器50。因此，本发明的一些实施方式中的超前角控制器可减少由于不能使位置传感器11的检测信号与超前角控制信号同步而引起的毛刺。

图2和图3是示出当在本发明的一些实施方式中生成可由超前角控制器去除的毛刺时的示例的视图。

在图2和图3中，“相位”表示相电流步长，“PDC”表示超前角控制信号，“霍尔传感器”表示从多个霍尔传感器输出的BLDC电动机的旋转角度检测信号，“相位顺序”表示基于超前角控制信号和位置检测信号确定的相电流转换信号。此外，信号“0”和“1”分别表示信号的禁用状态和使能状态。

首先参考图2，在步长(step)1中，当使能超前角控制信号并使能霍尔传感器的H2时，从相电流转换器50输出的相电流转换信号为分别用于U+、U-、V+、V-、W+和W-的0、0、0、1、1和0。在这种情况下，即使霍尔传感器信号维持在步长1中指定的霍尔传感器信号，超前角控制单元30也使能超前角控制信号，以便在步长2中首先输出相电流转换信号以补偿超前角，步长2为步长1之后的步长。

在期望的操作中，当进入步长2时，图2所示的表的最下一行中，禁用超前角控制信号，使能霍尔传感器的H2和H1，并且假设从相电流转换器50顺序输出用于U+、U-、V+、V-、W+和W-的0、0、0、1、1和0的相电流转换信号，如在步长1中使能超前角控制信号时一样。然而，当不进行期望的操作时，首先禁用从超前角控制单元30输出的超前角控制信号，并且霍尔传感器信号维持为步长1中的霍尔传感器信号，相电流转换器50产生不期望的输出，即，输出当禁用超前角控制信号并且仅使能来自霍尔传感器H2的信号时输出的相电流转换信号。超前角控制器的这种操作导致毛刺。

图3示出当首先改变霍尔传感器信号或使能步长1中的超前角控制信号，之后禁用超前角控制信号时的情况。在这种情况下，相电流转换器50仍然在步长1和步长2之间输出导致毛刺的不期望的相电流转换信号。

如上所述，以本发明的各种实施方式提供信号保持器40，以消除毛刺的起因。

如上所述，即使位置传感器11的检测信号与超前角控制信号不同步但部分变化，信号保持器40也保持并将位置传感器11的先前的检测信号和先前的超前角控制信号发送至相电流转换器50，使得相电流步长不变，并且在预定量的时间之后，位置传感器11的检测信号和超前角控制信号同时输出至相电流转换器50。也就是说，即使位置传感器11的检测信号(多个霍尔传感器信号)和超前角信号中的至少一个首先改变，也不会立即反映出来，并且将先前的信号保持预定时间，然后将经过预定量的时间后输入的位置传感器11的检测信号和超前角控制信号提供至相电流转换器50。也就是说，信号保持器40将先前的位置传感器检测信号和先前的超前角控制信号保持延迟时间，使得可改变相电流转换器50输出相电流转换信号所需的所有信号。此外，在经过延迟时间之后，信号保持器40同时将位置传感器11的检测信号和超前角信号的全部改变值提供至相电流转换器50，从而能够减少由于不能使位置传感器11的检测信号与超前角控制信号同步而引起的毛刺。

在本发明的一些实施方式中，信号保持器40可为触发器。特别地，信号保持器40可包括针对位置传感器11的多个检测信号和超前角控制信号中的每一个提供的多个D触发器，并且可通过共用控制脉冲(CP)来操作D触发器。

D触发器为用于使用控制脉冲将输入保持预定时间的装置，并且可由多个逻辑装置组成。也就是说，D触发器为输出在控制脉冲的上升沿(或下降沿)处输入的数据的装置。D触发器为本领域公知的装置，因此即使未参考附图进行描述，本领域技术人员也能够充分理解以实现本发明。

图4是比较本发明的一些实施方式中的超前角控制器与相关技术的超前角控制器的操作的时序图。

参考图4，当在第一步长的相电流状态改变为第二步长的相电流状态的同时将位置传感器的检测信号和超前角控制信号输入相电流转换器50时，在第一步长与第二步长之间生成毛刺。

相反，在本发明的一些实施方式中，即使在来自位置传感器11的检测信号和超前角控制信号中的至少一个改变的时间点T1处，也可维持第一步长的相电流，并且在时间点T1之后的D触发器的控制脉冲CP中示出第一上升沿的时间点T3处，可通过作为D触发器的信号保持器40将位置传感器11的检测信号和超前角控制信号提供至相电流转换器50。也就是说，信号保持器40保持在先前的第一步长中提供至相电流转换器50的位置传感器11的检测信号和超前角控制信号，而在相关技术中生成毛刺，并且该信号保持器为位置传感器11的检测信号和超前角控制信号中的全部在时间点T1至T3内变化提供足够的时间。结果，位置传感器11的检测信号和超前角控制信号中的全部均改变然后同时发送至相电流转换器50。

考虑到位置传感器11的检测信号和超前角控制信号改变的时间点的误差，可适当地确定控制脉冲CP。此外，考虑到在BLDC电动机中实际改变检测信号和超前角控制信号的时间点的误差非常短，通过为控制脉冲CP设定大频率，能够增强去除毛刺和补偿超前角的效果。

图5是示出由于超前角控制不具有去除毛刺的方法而导致的BLDC电动机的特性的波形图，图6是示出由于超前角控制器通过本发明的一些实施方式中的超前角控制器去除毛刺而得到的BLDC电动机的特性的波形图。

比较图5和图6，可以看出，在去除毛刺的方法(图5)期间，提供至BLDC电动机的相电流和BLDC的反电动势的波形严重失真。然而，当应用去除毛刺的方法(图6)时，可以看出，提供至BLDC电动机的相电流和BLDC的反电动势的波形的失真显着减少。BLDC电动机的扭矩可表示为反电动势和电流的倍数，因此扭矩波形得到改善，这有助于减少扭矩波动并提高行驶稳定性。此外，随着扭矩波动减少，可减少BLDC电动机的噪声和振动，并且可通过提高扭矩性能来提高BLDC电动机的效率。

本发明的描述在本质上仅仅是示例性的，因此，不脱离本发明内容的变化旨在包括在本发明的范围内。不认为这样的变化脱离本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种超前角控制器，包括：

位置传感器，配置为检测无刷直流电动机的转子的位置；

超前角控制单元，配置为基于来自所述位置传感器的检测信号确定超前角，并且输出用于所述超前角的补偿的时间作为超前角控制信号；

相电流转换器，配置为基于来自所述位置传感器的检测信号和所述超前角控制信号来输出相电流转换信号，其中，所述相电流转换信号确定所述无刷直流电动机的定子的相电流步长；以及

信号保持器，配置为：

当来自所述位置传感器的多个检测信号中的一个检测信号和所述超前角控制信号改变时，将来自所述位置传感器的先前的检测信号和先前的超前角控制信号保持预定时间；并且

在预定时刻将来自所述位置传感器的检测信号和所述超前角控制信号提供至所述相电流转换器。

2.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述信号保持器为触发器，配置为输入所述位置传感器的检测信号和所述超前角控制信号，并且将由控制脉冲输入的值保持预定时间。

3.根据权利要求2所述的控制器，其中，所述触发器为D触发器，配置为输出并保持在具有预定频率的控制脉冲的上升沿或下降沿处输入的值。

4.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述位置传感器为霍尔传感器，配置为感测所述无刷直流电动机的转子上的S极或N极。

5.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述相电流转换器配置为向逆变器输出用于确定预定相电流步长的相电流转换信号，其中，所述逆变器配置为基于所述位置传感器的检测信号和所述超前角控制信号向所述无刷直流电动机提供相电流。

6.一种超前角控制器，包括：

位置传感器，配置为检测无刷直流电动机的转子的位置；

超前角控制单元，配置为基于来自所述位置传感器的检测信号确定超前角，并且输出用于所述超前角的补偿的时间作为超前角控制信号；

相电流转换器，配置为基于来自所述位置传感器的检测信号和所述超前角控制信号输出相电流转换信号，其中，所述相电流转换信号配置为确定所述无刷直流电动机的定子的相电流步长；以及

触发器，配置为：

输入所述位置传感器的检测信号和所述超前角控制信号；

在具有预定频率的控制脉冲的上升沿或下降沿处将输入的信号输出至所述相电流转换器，其中，所述输入的信号为所述位置传感器的检测信号和所述超前角控制信号；并且

保持先前的输出，直到所述控制脉冲中生成随后的上升沿或下降沿。

7.根据权利要求6所述的控制器，其中，所述位置传感器为霍尔传感器，配置为感测所述无刷直流电动机的转子上的S极或N极。

8.根据权利要求6所述的控制器，其中，所述相电流转换器配置为向逆变器输出用于确定预定相电流步长的相电流转换信号，其中，所述逆变器配置为基于所述位置传感器的检测信号和所述超前角控制信号向所述无刷直流电动机提供相电流。

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