CN109757125A - 利用电压补偿的无刷直流电机驱动方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及如下的利用电压补偿的无刷直流电机驱动方法及装置：当驱动安装于车辆的无刷直流电机时，通过检测向电机施加的直流电压并补偿与直流电压发生变化的量相同的占空比(Duty Ratio)，使向电机施加的电压维持在规定水平，与直流电压的变化量无关地，可使规定电压向电机施加。本发明的无刷直流电机驱动装置可包括：无刷直流电机，通过接收额定电压进行工作；整流部，为了向上述无刷直流电机供给电源，对交流电源进行整流及平滑来转换为直流电源；变流器，根据脉宽调制控制信号将上述直流电源转换为三相(U、V、W)交流电源，并向上述无刷直流电机供给；电压检测部，对上述直流电源的电压进行检测；电压补偿部，在通过上述电压检测部检测到的电压发生变化的情况下，计算出与所变化的电压相对应的补偿占空比(Duty Ratio)；以及控制部，向上述变流器传递与上述补偿占空比相对应的脉宽调制控制信号。根据本发明，即使向无刷直流电机施加的直流(DC)电压不稳定，也可将向电机施加的三相交流电压维持在规定水平。

Description

利用电压补偿的无刷直流电机驱动方法及装置
技术领域
本发明涉及利用电压补偿的无刷直流电机驱动方法及装置，更详细地，涉及如下的利用电压补偿的无刷直流电机驱动方法及装置：当驱动安装于车辆的无刷直流(BLDC，BrushLess Direct Current)电机时，通过检测向电机施加的直流电压并补偿与直流电压发生变化的量相同的占空比(Duty Ratio)，使向电机施加的电压维持在规定水平，与直流电压的变化量无关地，可使规定电压向电机施加。
背景技术
通常，安装于车辆的无刷直流电机接收交流(AC)电压通过整流电路转换的直流(DC)电压进行工作。
向无刷直流电机输入的电压不稳定的情况较多。若电机的输入电压变得不稳定，电机的输出(电流、旋转速度及扭矩)也变得不稳定。尤其，电流的不稳定可导致电机的损伤，可降低电磁兼容(EMC，Electro Magnetic Compatibility)性能。
无刷直流电机的旋转速度被比例积分(PI，Proportional plus Integral)速度控制器(speed controller)控制。在比例积分速度控制器中，对指令速度与实际速度进行比较，若实际速度低，则提高向电机施加的电压，若实际速度高，则降低向电机施加的电压。
此时，比例积分速度控制器利用脉宽调制(PWM，Pulse Width Modulation)信号提高或降低电压。在所要提高电压的情况下，增加脉宽调制占空(duty)，在所要降低电压的情况下，减少脉宽调制占空。
在从交流电压转换的直流电压(Vdc)骤变的情况下，实际向电机输入的电压也骤变。若向电机输入的电压骤变，则在电机流动的电流也一同骤变。
因此，存在对适用无刷直流电机的产品及其相邻产品产生恶劣影响的问题。
发明内容
技术问题
用于解决如上所述的问题的本发明的目的在于，提供如下的利用电压补偿的无刷直流电机驱动方法及装置：当驱动安装于车辆的无刷直流电机时，通过对向电机施加的直流电压进行检测来补偿与所检测到的直流电压发生变化的量相同的占空比，使向电机施加的电压维持在规定水平，与直流电压的变化量无关地，可使规定电压向电机施加。
解决问题的手段
用于实现上述目的的本发明的无刷直流电机驱动装置可包括：无刷直流电机，通过接收额定电压进行工作；整流部，为了向上述无刷直流电机供给电源，对交流电源进行整流及平滑来转换为直流电源；变流器，根据脉宽调制控制信号将上述直流电源转换为三相(U、V、W)交流电源，并向上述无刷直流电机供给；电压检测部，对上述直流电源的电压进行检测；电压补偿部，在通过上述电压检测部检测到的电压发生变化的情况下，计算出所变化的电压相对应的补偿占空比(Duty Ratio)；以及控制部，向上述变流器传递与上述补偿占空比相对应的脉宽调制控制信号。
并且，上述变流器可向上述无刷直流电机施加与将上述直流电源的电压乘以上述补偿占空比的值相对应的额定电压。
而且，若上述直流电源的电压发生变化，则上述电压补偿部可通过将上述额定电压除以所变化的上述电压来计算上述补偿占空比。
另一方面，用于实现上述目的的本发明的无刷直流电机驱动方法通过接收额定电压进行工作，上述无刷直流电机驱动方法可包括：步骤(a)，整流部对交流电源进行整流及平滑来转换为直流电源；步骤(b)，电压检测部对上述直流电源的电压进行检测；步骤(c)，在电源补偿部所检测到的上述电压发生变化的情况下，计算出所变化的电压相对应的补偿占空比；步骤(d)，控制部向变流器传递与上述补偿占空比相对应的脉宽调制控制信号；以及步骤(e)，变流器根据上述脉宽调制控制信号将上述直流电源转换为与上述补偿占空比相对应的三相交流电压并向上述无刷直流电机供给。
并且，在上述步骤(e)中，上述变流器可向上述无刷直流电机供给与将上述直流电源的电压乘以上述补偿占空比的值相对应的额定电压。
而且，在上述步骤(c)中，若上述直流电源的电压发生变化，则的上述电压补偿部可通过将上述额定电压除以所变化的上述电压来计算上述补偿占空比。
发明的效果
根据本发明，即使向无刷直流电机施加的直流电压不稳定，也可将向电机施加的三相交流电压维持在规定水平。由此，无刷直流电机可稳定地进行工作。
并且，可通过稳定地控制无刷直流电机来提高整体车辆系统的稳定度。
而且，稳定的电机控制不产生不必要地噪音。
附图说明
图1为简要示出本发明实施例的无刷直流电机驱动装置的结构的结构图。
图2为示出本发明实施例的无刷直流电机驱动装置的电路结构例的图。
图3为示出用于说明本发明实施例的利用电压补偿的无刷直流电机驱动方法的动作流程图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施例进行详细说明，以使本发明所属技术领域的普通技术人员容易实施。本发明可由各种不同的方式实现，并不限定于在此说明的实施例。
为了明确地说明本发明，省略了与说明无关的部分，在说明书全文中，对相同或类似的结构要素赋予了相同的附图标记。
在说明书全文中，当提出一个部分与另一个部分“相连接”时，不仅包括“直接连接”的情况，还包括中间隔着其他元件“电连接”的情况。并且，当提出一个部分“包括”一种结构要素时，除非具有特别反对的记载，意味着并不排除其他结构要素，而是还可包括其他结构要素。
当提出一个部分位于另一部分“上”时，可直接位于其他部分上，还可在两者之间介入其他部分。作为对照，当提出一个部分“直接”位于另一部分“上”时，两者之间并不介入其他部分。
第一、第二及第三等的术语为了说明各种部分、成分、区域、层和/或区间而使用，单并不限定于此。这些术语仅用于将一个部分、成分、区域、层或区间区分于另一部分、成分、区域、层或区间。因此，在不超过本发明的范围内，以下所述的第一部分、成分、区域、层或区间可说明为第二部分、成分、区域、层或区间。
在此使用的专门术语仅用于提及特定实施例，并不限定本发明。除非句子明确地表达与此相反的含义，在此使用的单数形态包括复数形态。说明书中使用的“包括”的含义使特定特性、区域、整数、步骤、动作、要素和/或成分具体化，并不排除另一特性、区域、整数、步骤、动作、要素和/或成分的存在或附加。
“下”、“上”等的表示相对空间的术语为了更加简单地说明图中所示的一部分与另一部分有关的关系而使用。这种术语包括图中所示的含义和同时使用中的装置的其他含义或动作。例如，若翻转图中的装置，则说明为位于另一部分“下”的一个部分说明为位于另一部分“上”。因此，成为“下”的例示性术语包括上下2种方向。装置能够以90度进行旋转或以其他角度进行旋转，表示相对空间的术语也由此进行解释。
虽未另行定义，在此使用的包括技术术语及科学术语的所有术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义。被通常所使用的词典定义的术语具有符合相关技术文献和在此所公开的内容的含义，除非进行定义，不应解释为理想或非常公式性的含义。
以下，参照附图对本发明的实施例进行详细说明，以使本发明所属技术领域的普通技术人员容易实施。但是，本发明可由各种不同的方式实现，并不限定于在此说明的实施例。
图1为简要示出本发明实施例的无刷直流电机驱动装置的结构的结构图。
参照图1，本发明的无刷直流电机驱动装置100包括无刷直流电机110、变流器120、控制部130、整流部140、电压检测部150以及电压补偿部160。
无刷直流电机110通过接收额定电压执行旋转工作。为此，在无刷直流电机110设置有转子(Rotor)，从变流器120接收三相(U、V、W)交流电源使转子进行旋转来提供旋转力。
其中，无刷直流电机110包括将产生自感成分的线圈作为三相的绕组。即，无刷直流电机为没有用于传递电的如碳刷的绝缘导体的结构，在电机轴附着有磁铁，在电机外壳的内部壁面具有线圈。若向上述线圈供给电源，则使磁铁进行旋转，由此，随着附着有磁铁的电机轴进行旋转，无需刷(Brush)。
变流器120将从整流部140供给的直流电源转换为具有任意可变频率的脉冲形态的三相(U、V、W)交流电源来向无刷直流电机110供给。即，变流器120将直流电压转变为三相交流电压来向无刷直流电机110供给。
此时，如图2所示，变流器120使三相(U、V、W)的绕组与各自的电用开关元件Q1～Q6相连接。即，变流器120包括三相的开关元件，例如，可包括上端的三相场效应晶体管(FET)和下端的三相场效应晶体管。
并且，变流器120可根据以下数学式1向无刷直流电机110供给与将直流电源的电压(VDC)乘以占空比(rD)的值相对应的额定电压(Vz)。
数学式1：VZ＝VDC×rD
在数学式1中，Vz表示额定电压，VDC表示直流电源的电压，rD表示占空比
为了供给无刷直流电机110的工作所需的电源，整流部140对交流电源进行整流及平滑来转换为直流电源。
电压检测部150对通过整流部140转换的直流电源的电压进行检测。
在通过电压检测部150检测到的电压发生变化的情况下，电压补偿部160计算出与所变化的电压相对应的补偿占空比。
即，为了使向无刷直流电机110施加的电压维持在规定水平，若直流电源的电压稍有变化，则电压补偿部160利用数学式1将额定电压除以所变化的电压来计算补偿占空比。
控制部130向变流器120传递与补偿占空比相对应的脉宽调制控制信号来以向无刷直流电机110施加的电压维持在规定水平的方式进行控制。
并且，在无刷直流电机110处于停止状态的情况下，控制部130可通过将转子向预定的特定位置移动的排列过程、在排列有转子的电机生成旋转磁场来强制驱动电机的强制驱动过程以及若在强制驱动的电机中产生逆电动势，则利用逆电动势获取转子的位置信息来以无传感器的方式控制电机的无传感器控制过程对无刷直流电机110的工作进行控制。
而且，控制部130可通过开启(ON)所有位于变流器120的上端的三相开关或开启所有位于变流器120的下端的三相开关来使零载体向无刷直流电机110施加。
本发明的实施方式
图2为示出本发明实施例的无刷直流电机驱动装置的电路结构例的图。
参照图2，在本发明的无刷直流电机驱动装置100中，变流器120使三相(U、V、W)的绕组与各自的电用开关元件场效应晶体管Q1～Q6相连接。即，变流器120可利用由6个开关元件Q1～Q6和二极管构成的常规开关电路。
并且，虽未图示，本发明还可包括从向无刷直流电机110供给的三相交流电源对各相(U、V、W)的端子电压进行检测来向控制部130输入的端子电压检测部(未图示)。
控制部130可根据从端子电压检测部检测到的各相(U、V、W)的端子电压对逆电动势的过零点(ZCP)进行检测来获取转子的位置信息。
并且，为了对施加时点进行控制来不向无刷直流电机110供给过电流，控制部130可由对向变流器120供给的脉宽调制信号的模式进行控制的微处理器实现。
脉宽调制信号产生部132通过控制部130的控制生成与补偿占空比相对应的脉宽调制信号并向变流器120供给。
此时，可在变流器120与无刷直流电机110的三相绕组之间的连接线上分别并联连接功率因数补偿电容器(未图示)。即，三个功率因数补偿电容器C可分别并联连接在位于变流器120的输出端的三相中的U相与V相之间、V相与W相之间、W相与U相之间。而且，可将功率因数补偿电容器C的容量大小设置为维持在与无刷直流电机110的自感成分的大小相同的水平。
控制部130向变流器120施加各自的电用开关元件Q1～Q6的开关驱动信号。即，控制部130根据使用人员的操作控制变流器120的各开关元件Q1～Q6的开关动作来控制无刷直流电机110的启动、运转及速度，生成用于对各开关元件Q1～Q6进行开关动作的开关驱动信号并向变流器120施加。
图3为用于说明本发明实施例的利用电压补偿的无刷直流电机驱动方法的工作流程图。
参照图3，在本发明的无刷直流电机驱动装置100中，首先，整流部140对交流电源进行整流及平滑来转换为直流电源(步骤S310)。
接着，电压检测部150对直流电源的电压进行检测并向电压补偿部160传递(步骤S320)。
此时，在所检测到的直流电源的电压发生变化的情况下，电压补偿部160计算出与所变化的电压相对应的补偿占空比(Compensation Duty Ratio)(步骤S330)。
即，在电压补偿部160中，为了使向无刷直流电机110施加的三相交流电压维持在规定水平，若直流电源的电压稍有变化，则利用数学式1将额定电压除以所变化的电压来计算补偿占空比。
例如，若额定电压(Vz)为3V且直流电源的电压(VDC)为10V，则补偿占空比(rD)为30％(0.3)。即，若从外部向交流电源施加并通过整流电路转换的直流电源的电压(VDC)为10V且占空比(rD)为30％(0.3)，则向无刷直流电机110施加的额定电压(Vz)为3V。
此时，在直流电源的电压(VDC)从10V骤变为15V的情况下，电压补偿部160利用数学式1将3V的额定电压(Vz)除以15V的直流电源的电压(VDC)来计算得出20％(0.2)的补偿占空比(rD)。
接着，控制部130向变流器120传递与补偿占空比相对应的脉宽调制控制信号(步骤S340)。
因此，变流器120根据脉宽调制控制信号向无刷直流电机110供给与补偿占空比相对应的三相交流电压的电源(步骤S350)。
即，变流器120根据脉宽调制控制信号向无刷直流电机110供给与对15V的直流电源的电压(VDC)乘以20％(0.2)的补偿占空比(rD)的值相对应的3V的额定电压(Vz)。
此时，控制部130对过零点进行检测并根据过零点信息执行对相转换及无刷直流电机110的旋转速度进行控制的无传感器运转模式。
本发明实施例的电压补偿逻辑可与向电机施加的直流电源的变化无关地实现稳定的电机控制。因此，这种电压补偿逻辑与仅去除噪声成分的电源稳定化电路具有差异。例如，输入电压从10V急速上升为12V之后，仅通过电源稳定化电路无法维持12V的电压。在此情况下，若利用本发明实施例的无刷直流电机驱动装置及方法，则即使电机的输入电压发生变化，也可向无刷直流电机一直只施加规定的额定电压。
因此，根据本发明，即使输入电压不稳定，向电机施加的电压一直维持在规定水平，从而可稳定地控制电机。并且，可稳定地控制电机来提高整体车辆系统的稳定度。而且，稳定的电机控制算法不产生不必要的噪音。
如上所述，根据本发明，可实现如下的利用电压补偿的无刷直流电机驱动方法及装置：当驱动安装于车辆的无刷直流电机时，通过对向电机施加的直流电压进行检测来补偿与所检测到的直流电压发生变化的量相同的占空比，使向电机施加的电压维持在规定水平，与直流电压的变化量无关地，可使规定电压向电机施加。
需要理解的是，本发明所属技术领域的普通技术人员在不变更本发明的技术思想或必要特征的情况下以其他具体方式实施，以上所记述的实施例在所有方面用于例示，而不是限定本发明。本发明的范围通过发明要求保护范围呈现，而不是通过详细说明呈现，发明要求保护范围的含义、范围以及其的等价概念导出的所有变更或所变形的方式均包括于本发明的范围内。
产业上的可利用性
本发明可用于制造安装有无刷直流电机的车辆的产业。

Claims (6)

1.一种无刷直流电机驱动装置，其特征在于，包括：
无刷直流电机，通过接收额定电压进行工作；
整流部，为了向上述无刷直流电机供给电源，对交流电源进行整流及平滑来转换为直流电源；
变流器，根据脉宽调制控制信号将上述直流电源转换为三相(U、V、W)交流电源，并向上述无刷直流电机供给；
电压检测部，对上述直流电源的电压进行检测；
电压补偿部，在通过上述电压检测部检测到的电压发生变化的情况下，计算出与所变化的电压相对应的补偿占空比；以及
控制部，向上述变流器传递与上述补偿占空比相对应的脉宽调制控制信号。
2.根据权利要求1所述的无刷直流电机驱动装置，其特征在于，
上述变流器向上述无刷直流电机施加与将上述直流电源的电压乘以上述补偿占空比的值相对应的额定电压。
3.根据权利要求1所述的无刷直流电机驱动装置，其特征在于，
若上述直流电源的电压发生变化，则上述电压补偿部通过将上述额定电压除以所变化的上述电压来计算上述补偿占空比。
4.一种无刷直流电机驱动方法，通过接收额定电压进行工作，其特征在于，包括：
步骤(a)，整流部对交流电源进行整流及平滑来转换为直流电源；
步骤(b)，电压检测部对上述直流电源的电压进行检测；
步骤(c)，在电压补偿部所检测到的上述电压发生变化的情况下，计算出与所变化的电压相对应的补偿占空比；
步骤(d)，控制部向变流器传递与上述补偿占空比相对应的脉宽调制控制信号；以及
步骤(e)，变流器根据上述脉宽调制控制信号将上述直流电源转换为与上述补偿占空比相对应的三相交流电压并向上述无刷直流电机供给。
5.根据权利要求4所述的无刷直流电机驱动方法，其特征在于，
在上述步骤(e)中，上述变流器向上述无刷直流电机供给与将上述直流电源的电压乘以上述补偿占空比的值相对应的额定电压。
6.根据权利要求4所述的无刷直流电机驱动方法，其特征在于，
在上述步骤(c)中，若上述直流电源的电压发生变化，则上述电压补偿部通过将上述额定电压除以所变化的上述电压来计算上述补偿占空比。
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