CN108540020A - 无刷直流电动机控制和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制致动器的移动的系统包括：输入电源，其提供输入脉冲宽度(PWM)信号；电动机驱动器，其接收PWM信号并且提供合成的三相驱动信号；无刷直流(BLDC)电动机，其接收驱动信号并且响应于所接收的驱动信号而操作以重新定位致动器；以及控制器，其接收PWM信号。控制器包括检测PWM信号的振幅的振幅检测模块以及检测PWM信号的极性的方向检测模块。

Description

无刷直流电动机控制和方法
技术领域
本发明涉及无刷直流电动机，并且更具体地涉及无刷直流电动机的控制器和控制系统。
背景技术
无刷直流(BLDC)电动机是众所周知的。正如其名称所暗示的，BLDC电动机去除了传统的电刷。随着电刷的去除，这些电动机比电刷式电动机更可靠。另外，BLDC电动机可做得比电刷式电动机更小、更轻，但是功率输出相同。然而，没有电刷意味着BLDC电动机可能需要某种形式的电子管理才能运行。
发明内容
一种用于控制致动器的运动的系统包括输入电源，其提供输入脉冲宽度(PWM)信号；电动机驱动器，其接收PWM信号并且提供合成的三相驱动信号；无刷直流(BLDC)电动机，其接收驱动信号并且响应于所接收的驱动信号而操作以重新定位致动器；以及控制器，其接收PWM信号。控制器包括振幅检测模块，其检测PWM信号的振幅和方向。
一种用于控制由无刷直流(BLDC)电动机驱动的致动器的方法包括将电功率施加至致动器控制系统和致动器移动系统；由处理器确定致动器移动系统的所需运动方向以及将致动器移动至命令信号的所需转矩，该所需转矩包括启动转矩、运行转矩和尾部转矩；由处理器在没有传感器输入的情况下监测被施加至致动器移动系统的驱动信号的施加转矩；并且修改驱动信号的转矩以将致动器移动至命令位置。
一种用于控制BLDC电动机和致动器的系统包括电子控制单元(ECU)，其提供命令以将致动器从当前位置移动至命令位置，其中命令被编码在PWM信号中；控制器，其在没有任何传感器输入的情况下将编码在PWM信号中的命令进行解码并且使用解码命令来控制致动器的移动；以及驱动器，其接收PWM信号并且合成在致动器的移动中使用的三相驱动信号。
附图说明
具体实施方式参考以下附图，其中相同标号指代相同项目，且其中：
图1是说明示例无刷直流(BLDC)电动机和致动器系统的部件的简化框图；
图2说明了在图1的系统中使用的脉宽调制(PWM)波形；
图3A至3E说明了在图1的系统中使用的示例BLDC电动机控制器部件；
图4A至4D说明了用于控制致动器的操作的图1的系统的波形和部件；且
图5A至5C说明了由图1的系统的部件执行的操作。
具体实施方式
无刷直流(BLDC)电动机是众所周知的，并且在可靠性、紧凑尺寸和坚固性是重要的条件下可能是特别有利的。与有刷直流电动机相比，BLDC电动机提供了更高的速度与转矩特性好、动态响应高、效率高、无噪音无干扰操作、速度范围大、体积小、重量轻、使用寿命长。对于连续操作的系统，免维护操作可能特别有价值。
某些BLDC电动机可用于操作线性致动器或旋转致动器。BLDC电动致动器的一个具体应用是在汽车和其它机动车辆中。这样的致动器经电动操作以实现命令位置，从而例如在涡轮增压器或节流阀中操作废气门或叶片。在这些应用中，BLDC电动机在起始位置与最终或命令位置之间操作致动器，并且可能需要是可颠倒的，从而使得致动器能够在两个方向上操作。
为了使致动器执行其功能，其相关联的BLDC电动机可被控制为从停止位置加速、随着接近致动器的命令位置而减速，并且停止在致动器的命令位置处。另外，电动机的旋转方向必须被控制为使致动器在期望方向上操作。为了移动致动器，电动机必须实现某个转矩值，且转矩值在致动器移动期间可能会发生变化。例如，可能需要高转矩来启动电动机，其中转矩产生在致动器移动的期望方向上。在致动器移动结束时，转矩可能与电动机旋转的方向相反以减慢致动器的移动。
为了实现必要的转矩控制，控制电动机线圈中的电流振幅以及相对于电动机磁体的电流相位(即，相对于BLDC电动机的转子的角度)。
图1是说明示例无刷直流电动机和致动器系统的部件的简化框图。在图1中，系统10包括电子控制单元(ECU)20和致动器40。ECU20包括H桥22。致动器40包括无刷直流电动机(BLDC)50、BLDC驱动器60、输出轴位置监测器70和微控制器100。ECU20通过双线接口24将电功率通过H桥22提供给致动器40。H桥22提供致动器40的双向控制。H桥22的操作产生方波脉宽调制(PWM)信号80，其表示参考电流的期望振幅和方向。关于图3A更详细地描述H桥22。BLDC驱动器60合成来自控制器100的输入双线信号62以产生三相信号64以施加至BLDC电动机50。输出轴位置监测器70感测BLDC电动机50的输出轴的位置，并且将电动机输出轴位置信息提供给ECU20，其中ECU20的逻辑(未示出)处理该信息以修改PWM信号80。微控制器100将PWM信号80解码以控制BLDC50以及最终的致动器40的操作。
图2中示出了PWM信号80，该信号是可在图1的系统10中处理和使用的示例信号。如本文所公开的，PWM信号80用于两个目的，即将随后被解码的信息编码以控制BLDC电动机50的操作以及供电以操作BLDC电动机50。注意，所说明的PWM信号80不包括正弦基本波形。PWM信号80包括正脉冲80a和负脉冲80b。脉冲80a和80b具有特征脉冲宽度T、如垂直刻度V(t)上所指示的振幅，以及正或负方向。这些特征值可从PWM信号80中提取或解码，且解码值可用于控制BLDC电动机和致动器的操作。
返回至图1，ECU20与致动器40之间的PWM连接24是双线接口。PWM信号80被编码为一根导线与另一根导线之间的电位差(电压)。
图3A至3E说明了系统10的示例部件。ECU20配备有H桥电路22，其使得可在双线接口24上对正信号、负信号和零信号进行编码。图3A说明了可在图1的ECU20中使用的示例H桥。在图3A中，H桥22包括形成H桥结构的四个晶体管22A至22D。H桥22接收输入功率信号并且将PWM信号80提供给致动器40。
在图1的系统10中，PWM信号80不直接驱动BLDC电动机50。相反，PWM信号80由包括控制器100的附加电路处理，该控制器100提取如下信息：提供极性(正或负)作为电动机转矩的期望方向的指示以及提供ac波形的振幅作为期望的电动机转矩大小的指示。致动器40以及更具体地BLDC驱动器60合成三相驱动信号64以驱动BLDC电动机50。关于图4A至4D公开了一种示例合成方法。致动器40还通过功率调节器电路105使用DC电功率来操作致动器控制电子器件并且作为输入来合成三相电动机驱动信号64。
图3B至3D说明了控制器100的示例结构。控制器100用于从PWM信号80确定振幅和方向信息。在某个方面中，控制器100以高频对PWM信号80进行采样，并且使用软件低通滤波器来恢复PWM信号80的平均或“基本”波形。然后使用控制器100中的软件逻辑来在每次执行控制循环时检测基本波形的振幅和方向。图3B说明了控制器100内的这种振幅检测电路110A。在图3B中，振幅检测电路110A包括采样模块112A、滤波器模块114A、比较模块116A和输出模块118A。
图3C说明了基于测量PWM信号80脉冲的导通时间来确定振幅的替代振幅检测电路110B。这是可能的，因为随着脉冲串的导通时间增加，平均或基本波形的振幅增加。该关系并不是完全线性的，而是没有拐点，即，输入与输出之间有1:1的关系。在图3C中，电路110B包括导通时间测量模块111B、查找逻辑115B和查找表117B。导通时间测量模块111B测量PWM信号80的脉冲的导通时间，并且将测量值提供给查找逻辑115B。查找逻辑115B然后将测量值与查找表117B中的值进行比较以确定振幅。导通时间模块111B可使用边沿触发定时器计数器112B或通过使用采样逻辑114B来以大于PWM频率的规则频率进行采样并且确定每个采样时刻的电压并且将用于三个电压电平(正、负或零)的三个计数器116B中的一个递增来测量导通时间。
图3D说明了确定PWM信号80的方向的方向检测部件120A。部件120A接收采样的PWM信号80。极性检测部件121A检测采样的PWM信号80的极性并且提供对应的方向(正或负；上或下)。例如，部件121A对PWM信号80的电压进行采样，并且确定电压的符号(极性)的变化。输出部件123A接收信号方向信息并且提供用于控制BLDC电动机50的对应输出。
图3E说明了示例BLDC驱动器60。在图3E中，BLDC60被视为包含三相合成部件65。在图4B中更详细地示出部件65。该部件包括接收输入功率信号62并且产生输出62'的四二极管桥和电容器结构。合成部件65产生三相功率信号64以驱动BLDC电动机50。
一旦电动机电流振幅和方向参考信息如上所述被解码，那么可合成用于三相BLDC电动机50的三相信号。调制方案用于为三相桥产生开关信号。参考图4A至4D说明一个示例调制装置和对应的方法。
图4A说明了由图1的系统的部件使用来通过合成三相信号来控制致动器40的操作的波形120。在图4A中，使用三角载波110与三个正弦调制波A、B和C的交点来确定三相开关的开关时刻。如上所述，三个调制波A、B和C彼此偏移120度，且它们的相位与由控制器100确定的参考相位同步。这种“正弦三角”调制技术是众所周知的。这种技术的不同实施方案是众所周知的，包括锯齿载波替换三角形载波。使用各种采样技术的这种技术也有很多实施方案。这种调制技术的变化是众所周知的，其可修改输出波形的谐波频谱以实现特定的设计目标。
图4B说明了使用一系列开关A.sup.+、A.sup.-、B.sup.+、B.sup.-、C.sup.+和C.sup.-来产生三个电压V.sub.AB、V.sub.BC和V.sub.AC以驱动BLDC电动机50的示例逆变器63(在BLDC驱动器60中)。控制开关使得在任何时间两个开关均不会处于同一支路导通状态，这可通过支路内开关的互补操作来实施；例如，如果A+导通，那么A-断开，且反之亦然。如图4C和图4D中所见，这导致逆变器的八个可能的开关向量：V0至V7具有六个有效开关向量和两个零向量。开关配置有效的时间长度确定所得电流向量，且这被控制以便与BLDC电动机50的旋转以及限定的振幅和相位同步。这种技术被称为空间向量调制。空间向量调制的许多实施方案是众所周知的，但是此处不会描述，因为它们不形成本发明的关键部分。也称为六步或准方波调制的梯形调制也可用于驱动BLDC电动机50。
图5A是说明BLDC电动机方法200的流程图。在图5A中，当将电功率施加至BLDC电动机和致动器系统10(参见图1)时，方法200在框210中开始。所施加的电功率用于激励系统10的控制部件。在框220中，将命令信号提供给致动器40以命令致动器移动至命令位置。在框230中，控制器确定BLDC电动机50的所需运动方向以及所需的启动转矩、运行转矩和尾部转矩，使得致动器在没有任何过冲的情况下到达命令位置并且减速以到达命令位置。在框240中，控制器100执行例程以引导所需方向上的所需转矩的施加。在框250中，系统10的部件监测所施加的PWM信号80的振幅和方向以驱动BLDC电动机50，并且调整控制大小和方向以将致动器40移动至命令位置。在框260中，系统10的部件确定致动器40到达命令位置，且从BLDC电动机50中除去PWM信号80的施加。
图5B更详细地说明框250的方法。在图5B中，控制器100以及系统10的其它部件用于从PWM信号80确定振幅和方向信息。在框251中，控制器100以高频对PWM信号80进行采样，并且使用软件滤波器来恢复PWM信号80的基本波形。即，控制器100确定所需的转矩大小和施加方向(例如，顺时针或逆时针)。在框253中，执行控制器100中的软件逻辑以检测基本波形的振幅，且在框255中，比较来自每个样本的正弦波形以确定哪个正弦波形更大。通过该比较过程，控制器100确定PWM信号80的振幅。在框257中，控制器100确定恢复波形的方向。
图5C说明了替代振幅检测过程250'。在图5C的框251'中，振幅检测电路110A测量PWM信号80的脉冲的导通时间，且在框253'中将测量值提供给查找逻辑115B。在框255'中，查找逻辑115B然后将测量值与查找表117B中的值进行比较以确定振幅。
本文所公开的实施例可以数字电子电路或计算机软件、固件或硬件(包括此处公开的结构和其等价物)来实施。一些实施例可被实施为编码在计算机存储介质上以供一个或多个处理器执行的一个或多个计算机程序，即，计算机程序指令的一个或多个模块。计算机存储介质可为计算机可读存储装置、计算机可读存储基板或随机或串行存取存储器或可被包括在其中。计算机存储介质也可为一个或多个单独的物理部件或介质(诸如多个CD、磁盘或其它存储装置)或可被包括在其中。计算机可读存储介质不包括暂时信号。
本文公开的系统可以用于解码的集成电路来实施，或可包括用于解码的集成电路。在上面的框图中，集成电路被示为控制器，但是其也可为诸如专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)等替代类型的集成电路。
虽然已经结合一个或多个实施例描述了本发明，但是应当理解的是，已经描述的特定机构和技术仅仅是对本发明的原理的说明，可对所描述的方法和设备进行多种修改而不脱离随附权利要求所限定的本发明的精神和范围。

Claims (15)

1.一种用于控制致动器的移动的系统，包括：
输入电源，其提供输入脉冲宽度(PWM)信号；
电动机驱动器，其接收所述PWM信号并且提供合成的三相驱动信号；
无刷直流(BLDC)电动机，其接收所述驱动信号并且响应于所接收的驱动信号而操作以重新定位所述致动器；
接收所述PWM信号的控制器，所述控制器包括：
振幅检测模块，其检测所述PWM信号的振幅和方向，以及
方向检测模块，其在没有传感器输入的情况下检测所述PWM信号的极性；以及
输出轴位置监测器，其提供输出轴位置信息以修改所述PWM信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述振幅检测模块包括：
PWM信号采样模块，其对所述PWM信号进行采样，
滤波器模块，其恢复所述PWM信号的平均波形；以及
比较模块，其用于检测所恢复波形的所述振幅。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述振幅检测模块包括：
导通时间测量模块，其测量所述PWM信号的多个脉冲中的每一个的所述导通时间；以及
查找逻辑，其将所述导通时间测量值与查找表中的数据进行比较以确定所述振幅；并且可选的
其中所述导通时间测量模块包括对脉冲的边沿进行计数的边沿触发定时器计数器。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的系统，其中所述方向检测模块包括电压采样模块，所述电压采样模块对所述PWM信号的电压进行采样并且确定所述电压的符号的变化；并且可选的
其中所述电压采样模块测量从正电压和零电压中的一个至负电压的变化。
5.一种用于控制由无刷直流(BLDC)电动机驱动的致动器的无传感器方法，包括：
将电功率施加至致动器控制系统和致动器移动系统；
由处理器确定所述致动器移动系统的所需运动方向以及将所述致动器移动至命令信号的所需转矩，所述所需转矩包括启动转矩、运行转矩和尾部转矩；
由所述处理器监测被施加至所述致动器移动系统的所述驱动信号的施加转矩和相位；以及
修改所述驱动信号的所述转矩和相位以将所述致动器移动至所述命令位置。
6.根据权利要求5所述的方法，其中监测所述施加的转矩包括：
对所述驱动信号进行采样，
恢复所述驱动信号的平均波形；以及
将所述采样驱动信号与所述恢复波形进行比较以检测所述驱动信号的振幅。
7.根据权利要求5所述的方法，其中监测所述施加的转矩包括：
测量所述驱动信号的多个脉冲中的每一个的导通时间；以及
将所述测量导通时间与查找表中的信息进行比较以确定所述驱动信号的振幅。
8.根据权利要求5至7中任意一项所述的方法，其中监测所述驱动信号的所述方向包括确定所述驱动信号的电压从正值和零值中的一个至负值的变化。
9.根据权利要求5至7中任意一项所述的方法，进一步包括：
从所述驱动信号合成三相信号；以及
施加所述三相信号以将所述致动器移动至所述命令位置；并且可选的
其中施加所述三相信号以将所述致动器移动至所述命令位置包括将所述驱动信号施加至联接至所述致动器的无刷直流电动机。
10.一种用于控制BLDC电动机和致动器的系统，包括：
电子控制单元(ECU)，其提供命令以将所述致动器从当前位置移动至命令位置，其中所述命令被编码在PWM信号中；
控制器，其在没有任何传感器输入的情况下将编码在所述PWM信号中的所述命令进行解码并且使用所述解码命令来控制所述致动器的移动；
驱动器，其接收所述PWM信号并且合成在所述致动器的移动中使用的三相驱动信号；
BLDC电动机输出轴位置监测器，其向所述ECU提供输出轴位置信息；且
所述ECU使用所述轴位置信息来修改所述PWM信号。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述控制器包括：
振幅检测模块，其确定所述PWM信号的振幅；以及
极性检测模块，其确定所述PWM信号的方向。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述振幅检测模块包括：
PWM信号采样模块，其对所述PWM信号进行采样，
滤波器模块，其恢复所述PWM信号的平均波形；以及
比较模块，其检测所述振幅并且将所述恢复波形与所述PWM信号的所述样本进行比较；或
其中所述振幅检测模块包括：
导通时间测量模块，其测量所述PWM信号的多个脉冲中的每一个的所述导通时间；以及
查找逻辑，其将所述导通时间测量值与查找表中的数据进行比较以确定所述振幅；并且可选的
其中所述导通时间测量模块包括对脉冲的边沿进行计数的边沿触发定时器计数器。
13.根据权利要求11或12所述的系统，其中所述极性检测模块包括电压采样模块，其对PWM信号的电压进行采样并确定电压符号的变化。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述电压采样模块测量从正电压和零电压中的一个电压到负电压的变化。
15.根据权利要求11或12所述的系统，其中所述三相驱动信号被施加到无刷直流电动机。
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