CN110063016A - 电动机的励磁位置检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明目的在于，提供一种通过简单的硬件及软件来实现低成本化、并能瞬时地对永磁体励磁位置进行检测的电动机的励磁位置检测的方法。作为解决方法，MPU(51)将三相线圈中、在中性点处成为无分支的一相通电的相作为测定对象相，从6种通电模式依次选择一种对三相线圈进行感测通电，利用计时器(56)来测定电流传感器(53)检测出的线圈电流到达电流阀值为止的脉冲宽度时间，并作为测定数据进行存储。接着对于测定对象相的正向通电模式之后选择反向通电模式来通电，对剩余的二相也通过重复同样的通电模式从而对合计6种通电模式进行通电，并将通电时间作为测定数据进行存储，根据6种通电模式所对应的通电时间的测定数据中成为最小值的通电模式所对应的励磁位置信息来确定永磁体励磁位置。

Description

电动机的励磁位置检测方法
技术领域
本发明涉及对无传感器电动机、线性致动器等的电动机的励磁位置进行检测的方法。
背景技术
以往，现有的小型直流电动机使用带电刷的DC电动机，由于存在电刷音、电噪声、耐久性等问题，出现了无刷DC电动机。并且，最近处于小型轻量化、坚固、低成本化等目的，不带有位置传感器的无传感器电动机正受到瞩目，首先由于信息设备领域的硬盘驱动器等所采用的矢量控制技术的发展，使得家电、车载领域也开始采用。
图8中示出作为不具备位置传感器的无传感器电动机的一个示例的3相无刷直流(DC)电动机的结构。以转子轴1为中心进行旋转的转子2设置有一对S极和N极的永磁体3。永磁体励磁的磁极结构(IPM,SPM)或者极数等为多种多样。电枢绕组(线圈)U,V,W配置在以120°相位差设置在定子4的极齿，经由中性点(共模)C进行星形连接。
图9中示出现有的无传感器驱动电路例的框图。电动机(MOTOR)为3相无传感器电动机。MPU51为微控制器(控制单元)。INV52为3相半桥结构的逆变器电路(输出单元)。RS53为电流传感器。ADC54为将电流值转换为数字值的A/D转换器。另外，实际的电路中除了这些以外还需要有电源部、位置传感器输入部或者过零比较器与假共模(dummy common)生成部、主接口部等，但为了避免复杂化而省略。
图10中示出3相无刷DC电动机的驱动方式的代表示例的120°通电的时序图。区间1从U相向V相，区间2从U相向W相，区间3从V相向W相，区间4从V相向U相，区间5从W相向U相，进行方波通电。虚线为感应电压波形。HU～HW为内藏在电动机内的霍尔传感器的输出波形，现有的带位置传感器的无刷DC电动机基于该信号来对励磁进行切换。
无传感器驱动为通过感应电压对转子位置进行检测，但是速度为零时由于不产生感应电压，因此无法判断定子位置从而无法启动。为了对静止时的转子位置进行检测存在有如下方法：如图9所示那样设置有线圈电流传感器与电流检测电路，利用逆变器通过PWM驱动使得线圈中流过正弦波状的线圈电流，从而根据电流响应来推定位置。作为包括电流传感器以及电流检测电路以对线圈电流进行检测的现有技术可知有以下的文献。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2006－254626号公报
专利文献2：日本专利特开2014－503170号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
由于无传感器驱动下无法对静止时以及低速旋转时的转子位置进行检测，因此广泛采用如下方法：利用固定励磁强制性地定位定子后，以开环的方式使转速上升的设置(setup)启动法。但是该方法必须以大电流进行定位，另外，定位需要过长的时间，从而存在启动缓慢的缺点。另外，由于根据停止位置的不同，在定位时会发生较大的反转，因此用途受限，在往返运动机构或者通过外力来进行旋转的用途下大多无法使用。并且对粘性负载、负载变动较弱，从而存在容易失步的问题。
因此，如上述的背景技术所示那样，提出有为了对转子位置进行检测而施加大电流正弦波等感测脉冲从而根据线圈电流分布来对转子位置进行推定的高频率注入法。但是在该方法中为了生成电流分布，需要3个电流传感器与3相同时采样的超高速A/D转换器，并且为了高精度测定而需要差动放大器等，从而检测电路容易变得复杂。另外，为了位置推定运算而使用数学模型，因此也有要求具有高运算处理能力的MPU(微处理器)。为此该方法以及装置变得复杂化且高成本。并且还存在如下问题：感测电流较大，位置检测需花费数十ms等。
本发明是为了解决上述问题而得以完成的，其目的在于提供通过简单的硬件以及软件来实现低成本化，且能够瞬时地对永磁体励磁位置进行检测的电动机的励磁位置检测方法。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明涉及电动机的励磁位置检测方法，该电动机包括：具有永磁体励磁的转子、以及具有星形连接的三相线圈的定子，提供恒压直流电源并进行120°方波通电来启动，该励磁位置检测方法的特征在于，包括：输出单元，该输出单元经由三相半桥型逆变器电路对三相线圈进行通电；控制单元，该控制单元存储有向所述三相线圈正向通电及反向通电的合计6种通电模式、以及指定与各通电模式相对应的120°通电的励磁切换区间的励磁位置信息，该控制单元根据来自上位控制器的旋转指令对所述输出单元进行开关控制从而对励磁状态进行切换；电流检测单元，该电流检测单元与所述输出单元的接地侧端子相连接，对线圈电流进行检测；比较器单元，该比较器单元将与由所述电流检测单元检测出的线圈电流相对应的检测电压与能检测出因励磁极性而产生的磁电阻变化的电流阈值所对应的参考电压进行比较，以检测出所述线圈电流达到电流阀值；以及计时器单元，该计时器单元对从对于所述三相线圈开始进行感测通电到由所述比较器单元检测出的线圈电流达到电流阀值为止的脉冲宽度时间进行测定，该励磁位置检测方法包含如下步骤：断开通电步骤，该断开通电步骤在刚要对于所述三相线圈进行感测通电之前将所述输出单元的所有输出进行截断并将存储于所有线圈中的线圈存储能量进行释放从而设置处于线圈零电流状态的期间；测定步骤，该测定步骤将所述三相线圈中、在中性点处成为无分支的一相通电的相作为测定对象相，所述控制单元从6种通电模式中依次选择一种模式，并将规定的感测通电时间的恒压方波脉冲施加到所述三相线圈，通过所述A/D转换器单元对刚要结束感测通电前的峰值线圈电流值进行测定且作为测定数据进行存储；以及接着对于所述测定对象相的正向通电模式后选择反向通电模式，对剩余二相也在接着正向通电模式后选择反向通电模式，对合计6种通电模式重复进行感测通电及脉冲宽度时间的测定，并重复作为测定数据进行存储的操作的步骤，其中，所述控制单元根据与6种通电模式对应的通电时间的测定数据中成为最小值的通电模式所对应的所述励磁位置信息来确定永磁体励磁位置。
由此，电动机静止状态下，依次将三相感测脉冲(恒压方波脉冲)电压施加到三相线圈，通过对作为测定对象相的线圈的通电时间进行测定能够瞬间地确定永磁体励磁的静止位置。由此，对于静止状态的永磁体励磁位置能够通过120°方波执行二相通电来启动，能够通过简单的驱动电路以及控制软件以低成本通过闭环控制使电动机从静止状态启动。
作为其他的电动机的励磁位置检测方法，其特征在于，包括：输出单元，该输出单元经由三相半桥型逆变器电路对三相线圈进行通电；控制单元，该控制单元存储有向三相线圈进行正向通电及反向通电的合计6种通电模式以及指定与各通电模式相对应的120°通电的励磁切换区间的励磁位置信息，该控制单元根据来自上位控制器的旋转指令来对所述输出单元进行开关控制从而对励磁状态进行切换；电流检测单元，该电流检测单元与所述输出单元的接地侧端子相连接，对线圈电流进行检测；计时器单元，该计时器单元对从对于所述三相线圈开始进行感测通电到达到能够检测因励磁极性产生的磁电阻变化的电流值为止的规定的感测通电时间进行测定；以及A/D转换器单元，该A/D转换器单元能够根据所述电流检测单元的输出对线圈电流值进行测定，该励磁位置检测方法包含如下步骤：断开通电步骤，该断开通电步骤在刚要对所述三相线圈进行感测通电之前将所述输出单元的所有输出截断且将存储于所有线圈中的线圈存储能量进行释放从而处于线圈电流零状态；测定步骤，该测定步骤将所述三相线圈中、在中性点处成为无分支的一相通电的相作为测定对象相，所述控制单元从6种通电模式中依次选择一种模式，将规定的感测通电时间的恒压方波脉冲施加到所述三相线圈，通过所述A/D转换器单元对刚要结束感测通电前的峰值线圈电流值进行测定且作为测定数据进行存储；以及接着对于所述测定对象相的正向通电模式后选择反向通电模式，对剩余二相也在接着正向通电模式后选择反向通电模式，对合计6种通电模式重复进行通电断开及利用感测通电的峰值线圈电流值的测定，对刚要结束各感测通电前的峰值线圈电流值进行测定并作为测定数据进行存储，所述控制单元选择6种通电模式的测定数据中测定值成为最大的通电模式，根据与最大通电模式相对应的所述励磁位置信息来确定永磁体励磁位置。
由此，在电动机静止状态下，依次将三相感测脉冲(横压方波脉冲)电压施加到三相线圈，通过对作为测定对象相的线圈的峰值线圈电流进行测定，能够瞬间地确定永磁体励磁的静止位置。另外，对现有电路的组装较容易，特别地在已包括线圈电流测定单元的电动机驱动电路的情况下，能够通过仅变更程序来组装。
所述控制单元也可通过对与所述通电时间成为最小的通电模式相邻的通电模式彼此的测定数据进行大小比较，从而将根据最小的通电模式所确定的60°电气角度的励磁位置信息一分为二，以电气角度30°为单位对永磁体励磁位置进行确定。
或者，所述控制单元也可通过对与所述峰值线圈电流值成为最大的通电模式相邻的通电模式彼此的测定数据进行大小比较，从而将根据最大的通电模式所确定的60°电气角度的励磁位置信息一分为二，以电气角度30°为单位对永磁体励磁位置进行确定。
由此，以60°电气角度来确定的永磁体励磁位置信息的区间中央存在二相线圈的通电时间的交点，其大小关系反转，因此通过将相邻的最小通电模式或者最大通电模式这两者的测定数据进行大小比较，能够以电气角度30°的间隔对转子位置更精细的进行判别。
也可在具有永磁体励磁的转子启动之后，对与当前区间及在旋转方向相邻的区间对应的2个通电模式进行感测，根据两者的测定数据的大小比较来检测接着出现的励磁区间临界点。
也可在具有永磁体励磁的转子启动之后，对与当前区间及在正转方向及反转方向相邻的区间对应的3个通电模式进行感测，根据各个测定数据的大小比较来检测接着出现的励磁区间临界点，并对旋转方向也进行判别。
所述控制单元优选存储如下6个三相通电模式以及指定与各个通电模式相对应的120°通电的励磁切换区间的励磁位置信息，其中，所述6个三相通电模式包括：将W相与正侧电源相连接且将U相及V相与接地侧相连接的通电模式1与励磁位置信息(电气角度30°～90°)、将W相及U相与正侧电源相连接且将V相与接地侧相连接的通电模式2与励磁位置信息(电气角度90°～150°)、将U相与正侧电源相连接且将V相以及W相与接地侧相连接的通电模式3与励磁位置信息(电气角度150°～210°)、将U相及V相与正侧电源相连接且将W相与接地侧相连接的通电模式4与励磁位置信息(电气角度210°～270°)、将V相与正侧电源相连接且将U相及W相与接地侧相连接的通电模式5与励磁位置信息(电气角度270°～330°)、将V相及W相与正侧电源相连接且将U相与接地侧相连接的通电模式6与励磁位置信息(电气角度330°～30°)。
发明效果
若使用电动机的励磁位置检测方法，则在无传感器驱动中能通过闭环控制启动，能够扩大对无传感器电动机、线性致动器等电动机的用途。另外，由于测定原理容易理解，驱动电路也简单，因此容易对现有电路进行组装。
与现有的大电流低频率的正弦波通电相比，本发明由于施加短时间的方波脉冲，因此电流波形为锯齿波，能够抑制投入能量，另外，再此基础上设置急速释放能量的期间，则能将初期位置检测时间大幅度缩短到为1ms左右。
通过对同一相的感测通电连续地执行正向通电、反向通电，从而抵消感测通电所造成的微振动，由此能降低测定误差，进行高精度的测定。
由于检测因永磁体励磁极性而造成的电感变化，因此对于以往不易进行位置检测的、小凸极比、基本没有磁阻变化的表面磁体型电动机、无槽电动机也能够进行位置检测，对于种类宽泛的各种无传感器电动机或者线性致动器，能够以电气角度60°或电气角度30°为单位确定静止时的永磁体励磁位置。
能够与电动机驱动电压无关地在数V的低电压区域中进行测定，测定电路能够由低电压电路构成，也无需复杂的位置推定计算。由此，从硬件、软件两方面都能实现低成本的驱动电路。
并且，通过将本发明适用于启动时的低速旋转区域，从而能通过闭环控制提升至可检测出感应电压为止的转速。另外，即使过负载或者在停止位置静止的情况下，也能继续励磁，能防止失步。并且，由于能够正反旋转，因此即使以往的无传感器驱动无法执行的包含碰撞停止的往复运动也能够使用。
附图说明
图1是电流波形图。
图2是6种通电模式测定时的电流波形图。
图3是小电流通电时的到达时间图。
图4是大电流通电时的到达时间图。
图5是利用第一方法的大电流通电时的到达时间的实测图。
图6是3模式的到达时间图。
图7是第一方法的实施电路图示例。
图8是星形连接的3相无刷DC电动机的结构图。
图9是以往的电动机驱动电路的框图。
图10是120°通电时序图。
图11是利用第二方法的电流值实测图。
图12是第二方法的实施电路图示例。
具体实施方式
以下，针对本发明所涉及的电动机的励磁位置检测方法的实施方式，参照附图进行说明。本发明中作为电动机的一个示例利用在转子具备永磁体励磁，绕组以120°相位差配置于转子并星形连接，且相端与电动机输出单元相连接的无传感器电动机来进行说明。另外，也可适用于通过电动机使致动器进行往返运动的线性致动器。
以下作为一个示例针对3相DC无刷电动机进行无传感器驱动的无传感器电动机的永磁体励磁位置检测方法与无传感器电动机驱动装置的构成一并进行说明。
参照图8示出本发明所涉及的3相无刷DC电动机的一个实施例。作为一个示例例示出包括2极永磁体转子与设置有3槽的定子4的3相无刷DC电动机。电动机也可为内转子型、也可为外转子型的任何一种。另外，作为永磁体励磁也可为永磁体嵌入式(IPM型)电动机、表面永磁体型(SPM型)电动机的任何一种。
在图8中，转子轴1与转子2设置为一体，作为励磁设置有2极的永磁体3。极齿U，V,W以120°相位差与永磁体3相对地配置于定子4。定子4的各极齿U,V,W设置有绕组u,v,w且相间通过共模C星形连接，从而成为后述的布线于电动机驱动装置的3相无刷DC电动机。另外，由于无需共模线，因此省略。
接着，图7中示出三相无传感器电动机的电动机驱动电路的一个示例。
作为启动时的驱动方式假设为120°通电双极方波励磁。
电动机为三相无传感器电动机。MPU51为微控制器(控制单元)。MPU51存储有对于三相线圈(U,V,W)的6种通电模式、以及指定与各通电模式相对应的120°通电的励磁切换区间(区间1～区间6)的励磁位置信息，且该MPU51根据来自上位控制器50的旋转指令来对输出单元进行开关控制从而任意地对励磁状态进行切换。
逆变器电路52(INV:输出单元)对三相线圈进行通电，且为了对电动机转矩进行控制而进行励磁相切换或者PWM控制等开关动作。逆变器电路52包括与开关元件反并联连接的二极管，且设置有与正极电源线以及接地电源线可任意地进行连接的三相的半桥型开关电路。
逆变器电路52的共通接地侧端子与电流传感器53(RS:电流检测单元)串联连接。电流传感器53与比较器54(COMP:比较器单元)的输入端子相连接。另外，本实施例中作为电流传感器53使用分流电阻r。
另外，分压电路55(REF)产生参考电压(电压基准值)，该参考电压(电压基准值)与可检测出因励磁极性而产生的磁电阻变化的电流阀值相对应。分压电流55的输出端子与比较器54的参考侧输入端子相连接。另外，本实施例中在分压电路使用固定阻抗，也可使用D/A转换器，可设定任意的阀值。
本实施例中为了对转子位置进行感测，需要对于三相线圈同时地进行导通切断通电，检测出峰值电流。因此，在逆变器电路52的共通接地侧端子与接地间设置由一个分流电阻r构成的电流传感器53，以代替对于图9的现有的电动机驱动电路的每个线圈串联插入的电流传感器。由于仅电压下降量相应的数V这样低电压被施加至分流电阻r，因此线圈施加电压为数百V的高电压驱动电路也能够使用。
转换器54将与电流传感器53检测出的线圈电流相对应的检测电压、以及与电流阀值相对应的参考电压进行比较，检测线圈电流是否达到了电流阀值。虽然峰值电流的检测也能够用A/D转换器，而使用能更简单地发挥高性能的转换器54。转换器54的输入端子输入有来自所述电流传感器53输出的检测电压。参考端子输入有分压电流55的输出、即与能检测出由于励磁极性造成的磁电阻变化大小的电流阀值相当的参考电压。转换器54的输出向MPU51的计时器电路56送出，若超过电流阀值则从低电平切换为高电平。
计时器电路56(TMR:计时器单元)对从利用逆变电路52输出的感测脉冲的通电开始到线圈电流达到电流阀值为止的脉冲宽度时间进行测定。计时器电路56内藏在MPU51，且对从感测脉冲通电开始到线圈电流超过电流阀值为止的时间进行测定。作为计时时钟由于可以利用MPU时钟,因此能够以10ns级别进行高精度测定，另外也容易带有24位以上的动态范围。测定数据向MPU51的存储器输出。计时器电路56所测定的脉冲宽度时间由MPU51的复位信号进行复位。
MPU51对来自计时器电路56的各相测定对象线圈的测定数据进行存储从而进行位置检测处理。作为具体的位置检测处理示例，在三相线圈中以经由中性点成为1相通电的相作为测定对象，在正向通电模式后接着选择反向通电模式来进行通电，对于剩余的二相也通过重复同样的通电模式来对共6种通电模式重复执行如下步骤：进行通电，将通电时间作为测定数据进行存储。
并且，MPU51针对三相通电的6种通电模式进行到达时间测定，由最小的测定数据来检测最小模式，将与其对应的事先存储的永磁体励磁位置信息作为转子位置。
在以上的实施例中，以电流阀值为固定并通过计时器电路56对到达时间进行测定的方法进行了阐述，但是替换参数将感测脉冲时间设为固定并通过A/D转换器对峰值电流进行测定也能够获得同样的效果，因此若使测定数据的大小关系反转，通过同样的原理也可对励磁位置进行检测。
在此，针对永磁体励磁位置的检测原理进行说明。
由下式表示对线圈施加恒压脉冲时的电流上升。
I(t)＝(L/R)·(1-e(-t·R/L))
其中，I为线圈电流，L为线圈电感，R为线圈电阻。
图1中示出向线圈施加恒压方波脉冲时的电流波形示意图。
在此，若线圈电阻R为恒定，峰值电流值I(t)设为规定值，则从通电开始t0到达到峰值电流值I(t)为止的到达时间t反映电感L。或者，若脉冲时间t设为规定值，则峰值电流值I(t)反映电感L。
另外，三相电动机的三相通电模式为如下的6种。
[表1]
模式编号 电源正侧连接相 接地侧连接相
1 U V,W
2 V,W U
3 V W,U
4 W,U V
5 W U,V
6 U,V W
图2中示出对三相线圈设置输出截止期间，设为线圈零电流状态并依次选择上述6个三相通电模式，施加高频恒压方波脉冲时的电流波形。存在如下根据上述感测脉冲对转子位置进行检测的方法：将峰值电流值设为规定的固定值来对脉冲时间t进行测定的第一方法、以及将脉冲时间t设为规定的固定值来对峰值电流值进行测定的第二方法。
首先说明将峰值电流值设为固定值来对脉冲时间进行测定的第一方法。在达到较小的固定电流值为止的时间t1～t6由于磁阻的影响而根据永磁体励磁位置进行变化。对于永磁体励磁位置的到达时间变化具有2周期性，关于1相能以下式进行近似。
Δta＝-cos2θ,-cos(2θ+π)(其中θ＝励磁位置)
针对其他的2相，对θ+120°、－120°则能获得。
图3中示出对于小电流时的励磁位置的到达时间变化的近似值波形。
并且，达到较大的固定电流值为止的时间t1～t6由于励磁极性而磁电阻发生变化并根据励磁位置而变化。由于对于励磁位置的到达时间变化具有1周期性从而关于1相能够以下式大致进行近似。
Δtb＝-cos2θ,-cos(2θ+π)(其中，θ＝励磁位置：θ设为0～π/2以及3π/2～2π为Δtb＝1)
针对其他的2相，对θ+120°、-120°则能获得。
图4中示出对于大电流时的励磁位置的到达时间变化的近似值波形。
由于考虑大电流时既反映磁阻变化又反映磁电阻变化，因此将到达时间变化近似为Δt＝Δta+Δtb。
图5中示出大电流时的到达时间变化的实测波形。针对每1°对6个三相通电模式分别测定到达规定电流为止的到达时间，从而绘制出合计2160个数据。图中的下划线标记表示为反向通电相。本示例为对硬盘驱动器的主轴电动机进行测定的示例，由于相比根据磁阻的变化，磁电阻变化具有优势，2周期性分量几乎不表现出。虽未图示，但IPM电动机或者无槽电动机等磁电阻变化相对较少的电动机则是磁阻变化的2周期性具有优势，但是由于重叠有磁电阻变化的1周期性分量，因此最大值峰值必定有1处，能进行位置检测。
如图4以及图5所示那样，到达时间最小的通电模式以120°通电的励磁区间即以60°间隔进行切换。因此，若可知到达时间最小的通电模式则能够唯一地确定转子位置，能够以120°方波通电来启动。
最小通电模式与永磁体励磁位置信息的关系如下的表2所示。另外，最小通电模式的标记为例如在W相与正侧电源相连接、而U相以及V相与接地侧(负侧)相连接的情况下以[W-UV]来标记。另外，作为参考，另外示出对应的120°通电方式的励磁模式。若以所记载的励磁模式对二相进行通电则正转，若使通电方向相反则反转。
[表2]
最小通电模式 励磁位置信息(电气角度) 120°励磁模式
W-UV 30°～90° U-V(区间1)
UW-V 90°～150° U-W(区间2)
U-VW 150°～210° V-W(区间3)
VU-W 210°～270° V-U(区间4)
V-WU 270°～330° W-U(区间5)
WV-U 330°～30° W-V(区间6)
利用表2对确定转子位置的具体方法进行说明。
静止时对三相通电的6种模式分别进行通电，测定达到固定电流为止的时间。通电模式的顺序基于表1。其结果是，例如若U-VW通电时的到达时间为最小，则根据表2判定励磁位于电气角度150°～210°的区间内。并且以120°方波通电方式将V相与正侧电源相连接且将W相与接地侧相连接、即实施V-W励磁，则转子在正转方向上启动，若实施反向的W-V励磁则转子反转。由此根据本发明能极为容易地进行位置检测。
接着对将脉冲时间t设为规定值而对峰值电流进行测定的第二方法进行说明。电感较小的位置则电流增加率较大，电感较大的位置则电流增加率较小。由此，根据转子位置的电流变化与将所述峰值电流设为恒定时的脉冲时间变化相反。提供短时间脉冲时的峰值电流值I 1～I6由于磁阻的影响而根据励磁位置发生变化。对于励磁位置的峰值电流变化具有2周期性，关于1相能够以下式近似。
ΔIa＝-cos2θ、cos(2θ+π)(其中θ＝励磁位置)
针对其他的2相，对θ+120°、-120°则能获得。
提供更长时间的脉冲时的峰值电流I 1～I6由于励磁极性而磁电阻变化，根据励磁位置而变化。由于对于励磁位置的电流变化为1周期性，关于1相能够以下式大致近似。
ΔIb＝-cos2θ、-cos(2θ+π)(其中θ＝励磁位置：θ为0～π/2以及3π/2～2π为ΔIb＝-1)
针对其他的2相，对θ的值+120°、-120°则能获得。
由于考虑到施加长时间的脉冲时，既反映磁阻变化，又反映磁电阻变化，因此电流变化近似为ΔI＝ΔIa+ΔIb。
图11示出施加长时间的脉冲时的电流变化的实测波形。针对每1°分别对6个三相通电模式施加规定时间的脉冲，测定峰值电流，绘制出合计2160个数据。所使用的电动机为与图5相同的硬盘驱动器的主轴电动机。
如图11所示那样，峰值电流值最大的通电模式以120°通电的励磁区间即60°间隔进行切换。因此，若可知峰值电流值最大的通电模式则能唯一地确定转子位置，能够以120°通电来启动。最大峰值电流通电模式与励磁位置信息的关系与表2的最小通电模式相同，表2的最小通电模式也能通过替换为最大峰值电流模式来进行判断。
利用表2对确定永磁体励磁位置(转子位置)的具体的方法进行说明。
静止时对六个模式的三相通电分别进行固定时间的通电并对峰值电流进行测定。通电模式的顺序基于表1。
其结果是，例如若U-VW通电时的峰值电流值为最大，则根据表2判定励磁位于电气角150°～210°的区间内。并且，在120°通电方式下，若将V相与电源+侧相连接且将W相与接地侧相连接、即实施V-W励磁，则在正转方向上启动，若实施反向的W-V励磁则反转。
此外，也可以以电气角度30°间隔进行转子位置检测。
图6中仅记载了根据第一方法的最小通电模式与前后区间的最小通电模式的3个波形，示出省略剩余3个波形后的波形。若确定励磁位置则从表2判定相邻区间的最小通电模式。例如测定结果为：在W-UV模式为最小值的情况下，转子位于30°～90°的区间，前方区间电气角度330°～30°的最小通电模式为WV-U，后方区间电气角度90°～150°的最小通电模式为UW-V。
因此，若对该前后区间的最小通电模式的到达时间进行比较，则与当前区间的中央即电气角度60°处有交点，且大小关系反转(图6的圆圈部分)。由此，通过对相邻的最小通电模式两者的测定数据进行大小比较，从而能够以电气角度30°间隔对转子位置进行更细的判别。由于已获取到必要的测定数据，因此无需新的测定。另外根据第二方法的情况也如图11所示那样，若对前后相邻的最大通电模式两者的测定数据进行大小比较，则与第一方法相同地能够以30°间隔进行判别。
另外，本发明不仅能够对静止时也能够对低速旋转时的励磁位置进行检测。由于旋转时已知转子位置，因此无需对6个模式进行感测，仅对接着出现的励磁切换点进行检测就能够继续旋转。到励磁切换点为止持续当前的通电状态，在检测出励磁切换点之后，前进至励磁程序即可。
另外，测定数据的分布在励磁切换点相交。由此励磁切换点的检测周期性地以当前区间以及在旋转方向上相邻的区间的2个通电模式进行感测，通过对获得的2个测定数据彼此进行大小比较从而能够检测。图6中，例如转子位于30°～90°的区间1的情况下，根据表2能够判定当前区间的通电模式为W-UV通电。另外，若旋转方向的相邻区间的通电模式为正转方向则也可判定区间2为UW-V通电。若以该2个模式进行感测，则转子超过90°的时刻，测定数据的大小互换。由此，能够检测到转子旋转至区间2为止，在该时刻前进至励磁模式即可。同样接连地对励磁区间的切换点进行检测，只要前进至励磁模式就能够从静止时无缝地启动，或者能够持续产生低速旋转、堵转转矩。
旋转时需要尽可能缩短感测时间，若使用上述感测方法则静止时的6种通电模式变为2种通电模式，测定时间能够缩短为1/3。测定时间根据电动机与驱动电路的条件来增加减少，大致为300us左右。
并且，若针对3种通电模式进行测定则也能够判别旋转方向。针对当前区间以及在正转方向及反转方向上相邻的区间所对应的3个通电模式进行周期性感测，通过对各个测定数据的大小进行比较从而检测出下次出现的正转方向或反转方向的励磁区间临界点，能根据先检测出哪个励磁临界点来判别旋转方向。
图6中例如若转子位于30°～90°区间1中，则正转方向的励磁临界点为90°，成为W-UV通电模式与UW-V通电模式的交点。同样地反转方向的励磁临界点为30°，成为W-UV通电模式与WV-U通电模式的交点。若比反转侧的30°交点先检测出正转侧的90°交点，则判定转子为正转。同样地若比90°交点先检测出30°交点，则判定转子为反转。由此，若以当前区间与前后的相邻区间的3种通电模式进行周期性感测，则可知励磁区间临界点及旋转方向。
由此，旋转方向的限制消失，无论正转或反转均可旋转。另外，即使在由于外力而强制性地进行旋转的情况下也能进行位置检测从而在任意的方向上产生转矩。另外，若利用上述感测方法则静止时的6种模式成为3种模式，从而能够将测定时间缩短为1/2。
以下，参照图7的电动机驱动电路图以及图2的电流波形图，对MPU51的转子位置检测步骤的一个示例进行说明。
事先将6个三相通电模式与永磁体励磁位置信息存储在存储器中。电流阀值通过分压电路55的电阻值(r1,r2)来事先设定。根据上位控制器50的旋转指令等开始位置检测。开始位置检测时，三相线圈所有的输出截止，等候规定时间。由此，线圈电流成为零状态(通电截止步骤)。
接着，以三相通电的规定模式开始从逆变器电路52对三相线圈进行恒压方波通电，并通过计时器电路56开始测定。线圈电流开始流动。比较器54对输出进行监视且直到达到电流阀值为止进行等候。线圈电流增加且在转换器54检测出超过阀值后，计时器电路56对测定数据进行存储(测定步骤)。另外，在逆变器电路52截断对三相线圈的通电，则开始释放线圈积蓄的能量。
接着对测定对象的正向通电模式之后，选择反向通电模式来通电，针对剩余的二相也在接着正向通电模式之后，选择反向通电模式，对合计6种通电模式重复进行恒压方波通电以及计时器电路56的测定动作(参照图2)。若MPU51测定结束，则从6个测定数据中找出最小通电模式。以最小通电模式的励磁位置信息作为转子位置，从而结束转子位置检测。
MPU51能够根据来自上位控制器50的旋转指令，通过逆变器电路52对三相线圈以二相120°方波通电来开始启动。逆变器电路52从三相线圈中选择二相来进行通电以使得对转子的旋转方向作用。
接着，在图12中示出利用施加规定时间的脉冲并对线圈的峰值电流值进行测定的所述第二方法来实现本发明的无传感器电动机驱动电路例。针对与图7相同的电路结构标注相同标号且沿用图7的说明。
电流传感器53(电流检测单元)的输出向为A/D转换器57(ADC:Analog-to-DigitalConverter、模拟-数字转换电路，A/D转换单元)进行输送。A/D转换器57根据来自电流传感器53的输出测定线圈电流值。另外，设置有对感测脉冲的通电时间进行测定的计时器56(TMR:计时器单元)。计时器56对感测脉冲的规定通过时间的经过进行测定。A/D转换器57与计时器56无需为高性能的器件，只要是内藏于低成本的MPU51的器件就能使用。例如，12位、数据获取时间为1us，转换时间为20us左右的ADC搭载于普通的通用MPU微处理器单元，这对于本发明的目的而言就已足够。另外，关于计时器56也能够使用10MHz左右的低速的MPU时钟。通过以上的结构对三相通电的6种通电模式进行峰值线圈电流值测定，根据最大的测定数据来检测最大模式，将与此相对应的事先存储在MPU51中的励磁位置信息确定作为转子位置。
以下，对实际测定的步骤进行简单说明。首先截断三相所有的通电且直到线圈电流成为零为止等待。接着，基于表1从6种通电模式依次选择一个模式对三相线圈施加恒压方波脉冲，开始感测通电并利用计时器56等待规定时间。经过规定时间后，通过A/D转换器57根据电流传感器53的输出对线圈峰值电流值进行测定，从而作为测定数据进行存储。再次截断三相所有的通电，且直到线圈电流成为零为止等待。
接着对于测定对象相的正向通电模式之后，选择反向通电模式，针对剩余的二相也在接着正向通电模式之后，选择反向通电模式，且针对表1中示出的合计6种模式重复进行截断通电以及通过感测通电的峰值线圈电流值的测定。MPU51从所测定的6个数据中选择最大值的通电模式。接着，基于表2将与最大通电模式相对应的励磁位置信息确定为永磁体励磁位置。
另外，电动机驱动电路的结构、控制程序的结构考虑有多种，不限于本实施例所公开的方式，在不脱离本发明主旨的范围内电子电路技术人员或者程序员(本领域技术人员)理所应当地所获取的电路结构的变更、程序结构的变更也包含在内。

Claims (6)

1.一种电动机的励磁位置检测方法，该电动机包括：具有永磁体励磁的转子、以及具有星形连接的三相线圈的定子，提供恒压直流电源，从而通过120°方波通电来启动，该电动机的励磁位置检测方法的特征在于，包括如下单元：
输出单元，该输出单元经由三相半桥型逆变器电路对三相线圈进行通电；
控制单元，该控制单元存储有向所述三相线圈进行正向通电及反向通电的合计6种通电模式、及指定与各通电模式相对应的120°通电的励磁切换区间的励磁位置信息，该控制单元根据来自上位控制器的旋转指令来对所述输出单元进行开关控制，从而对励磁状态进行切换；
电流检测单元，该电流检测单元与所述输出单元的接地侧端子相连接，对线圈电流进行检测；
比较器单元，该比较器单元将由所述电流检测单元检测出的线圈电流所对应的检测电压与能检测出因励磁极性而产生的磁电阻变化的电流阈值所对应的参考电压进行比较，以检测所述线圈电流达到电流阀值；以及
计时器单元，该计时器单元测定从对所述三相线圈开始进行感测通电到由所述比较器单元检测出的线圈电流达到电流阀值为止的脉冲宽度时间，
该励磁位置检测方法包含如下步骤：
断开通电步骤，该断开通电步骤在刚要对所述三相线圈进行感测通电之前将所述输出单元的所有输出截断，将存储于所有线圈中的线圈存储能量进行释放，以设置处于线圈零电流状态的期间；
测定步骤，该测定步骤将所述三相线圈中、在中性点处成为无分支的一相通电的相作为测定对象相，所述控制单元从6种通电模式中依次选择一种模式，从所述输出单元将感测用的恒压方波脉冲电压施加到所述三相线圈，通过所述计时器单元对由所述电流检测单元检测出的线圈电流达到所述电流阀值为止的脉冲宽度时间进行测定，并作为测定数据进行存储；以及
接着对于所述测定对象相的正向通电模式后，选择反向通电模式来进行通电，对剩余二相也在接着正向通电模式后选择反向通电模式，对合计6种通电模式重复进行感测通电及脉冲宽度时间的测定，并重复进行作为测定数据进行存储的操作的步骤，
所述控制单元根据与6种通电模式对应的通电时间的测定数据中成为最小值的通电模式所对应的所述励磁位置信息来确定永磁体励磁位置。
2.如权利要求1所述的电动机的励磁位置检测方法，其特征在于，
所述控制单元通过对与所述通电时间成为最小的通电模式相邻的通电模式彼此的测定数据进行大小比较，从而将根据最小的通电模式确定的60°电气角度的励磁位置信息一分为二，以电气角度30°为单位对永磁体励磁位置进行确定。
3.一种电动机的励磁位置检测方法，
该电动机包括：具有永磁体励磁的转子、以及具有星形连接的三相线圈的定子，提供恒压直流电源，通过120°方波通电来启动，该电动机的励磁位置检测方法的特征在于，包括如下单元：
输出单元，该输出单元经由三相半桥型逆变器电路对三相线圈进行通电；
控制单元，该控制单元存储有向三相线圈进行正向通电及反向通电的合计6种通电模式以及指定与各通电模式相对应的120°通电的励磁切换区间的励磁位置信息，该控制单元根据来自上位控制器的旋转指令来对所述输出单元进行开关控制，从而对励磁状态进行切换；
电流检测单元，该电流检测单元与所述输出单元的接地侧端子相连接，对线圈电流进行检测；
计时器单元，该计时器单元对从对于所述三相线圈开始进行感测通电到达到能检测因励磁极性而产生的磁电阻变化的电流值为止的规定的感测通电时间进行测定；以及
A/D转换器单元，该A/D转换器单元能够根据所述电流检测单元的输出对线圈电流值进行测定，
该励磁位置检测方法包含如下步骤：
断开通电步骤，该断开通电步骤在刚要对所述三相线圈进行感测通电之前，将所述输出单元的所有输出截断，将存储于所有线圈中的线圈存储能量进行释放，从而处于线圈零电流状态；
测定步骤，该测定步骤将所述三相线圈中、在中性点处成为无分支的一相通电的相作为测定对象相，所述控制单元从6种通电模式中依次选择一种模式，将规定感测通电时间的恒压方波脉冲施加到所述三相线圈，通过所述A/D转换器单元对刚要结束感测通电前的峰值线圈电流值进行测定且作为测定数据进行存储；以及
接着对于所述测定对象相的正向通电模式后，选择反向通电模式，对剩余二相也在接着正向通电模式后，选择反向通电模式，对合计6种通电模式重复进行通电断开及利用感测通电的峰值线圈电流值的测定，从而对刚要结束各感测通电前的峰值线圈电流值进行测定并作为测定数据进行存储的步骤，
所述控制单元选择6种通电模式的测定数据中、测定值成为最大的通电模式，根据与最大通电模式相对应的所述励磁位置信息来对永磁体励磁位置进行确定。
4.如权利要求3所述的电动机的励磁位置检测方法，其特征在于，
所述控制单元通过对与所述峰值线圈电流值成为最大的通电模式相邻的通电模式彼此的测定数据进行大小比较，从而将根据最大的通电模式确定的60°电气角度的励磁位置信息一分为二，以电气角度30°为单位对永磁体励磁位置进行确定。
5.如权利要求1至4的任一项所述的电动机的励磁位置检测方法，其特征在于，
在具有永磁体励磁的转子启动之后，对与当前区间及在旋转方向相邻的区间相对应的2个通电模式进行感测，通过两者的测定数据的大小比较来检测接着出现的励磁区间临界点。
6.如权利要求1至4的任一项所述的电动机的励磁位置检测方法，其特征在于，
在具有永磁体励磁的转子启动之后，对与当前区间及在正转方向及反转方向相邻的区间相对应的3个通电模式进行感测，根据各个测定数据的大小比较来检测接着出现的励磁区间临界点并对旋转方向也进行判别。
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