CN110476348B - 电动机的磁场位置检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的课题在于提供一种磁场位置检测方法，利用简单的硬件和软件实现低成本化，并能在启动时按120°通电时的励磁区间单位检测转子位置，而不产生感测音。作为解决方法，MPU(51)根据A/D转换电路(53)测定出的通电相电压利用运算求出中性点电位，此外求出非通电相电压相对于中性点电位的差分，若当前位置为奇数区间则将差分与负侧阈值进行大小比较，若当前位置为偶数区间则将差分与正侧阈值进行大小比较，若差分在离开中性点电位的方向上超过了阈值，则判定为该60°通电区间的终点。

Description

电动机的磁场位置检测方法
技术领域
本发明涉及无刷DC电动机等电动机的静止时及低速时的磁场位置检测方法。
背景技术
以往，小型直流电动机能使用带电刷的DC电动机，但存在电刷声音、电气噪声、耐久性等问题，无刷DC电动机由此登场。并且，最近，从小型化轻量化、牢固化、低成本化等观点出发，不具备位置传感器的无传感器电动机受到关注，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，在家电、车载领域也开始被采用。
作为不具备位置传感器的无传感器电动机的一个示例，在图9中示出三相无刷直流(DC)电动机的结构。在以转子轴1为中心旋转的转子2中，按S极和N极设有一对永磁体3。永磁体磁场的磁极构造(IPM、SPM)或极数等有多种多样。定子4中，在以120°相位差设置的极齿上配置有电枢绕组(线圈)U、V、W，并经由中性点(公共)C进行星形接线。
图10中示出现有无传感器驱动电路例的框图。MOTOR是三相无传感器电动机。MPU51是微控制器(控制单元)。MPU51存储针对三相线圈(U、V、W)的6个通电模式、以及对应于各通电模式的磁场位置信息，并根据来自上位控制器50的旋转指令RUN对输出单元(INV52)进行开关控制来任意切换励磁状态。INV52是三相半桥式结构的逆变器电路(输出单元)。ZERO是过零比较器与虚拟公共生成部。另外，除了以上结构，实际的电路中还需要电源部、主机接口部等，但为了避免复杂化而省略。
图11中，作为三相无刷DC电动机的驱动方式的代表示例，示出120°通电的时序图。区间1中，从U相向V相进行矩形波通电，区间2中，从U相向W相进行矩形波通电，区间3中，从V相向W相进行矩形波通电，区间4中，从V相向U相进行矩形波通电，区间5中，从W相向U相进行矩形波通电，区间6中，从W相向V相进行矩形波通电。虚线是感应电压波形。HU～HW是内置于电动机的霍尔传感器的输出波形，现有的带位置传感器的无刷DC电动机基于该信号进行励磁切换。
无传感器驱动下，根据感应电压检测转子位置，然而，由于在静止时不产生感应电压，因此，在不知道转子位置的情况下无法启动。为了检测静止时的转子位置，存在如下方法：设置线圈电流传感器与电流检测电路，使用逆变器、利用PWM驱动使正弦波状的线圈电流流过线圈，并根据电流响应来推定位置。作为具备电流传感器和电流检测电路来检测线圈电流的现有技术，已知有如下文献。
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
能使用上述所代表的方法，根据电感偏差来检测静止时的转子位置。或者，也可以通过强制整流使转子旋转来确定位置，而不进行位置感测。
然而，一旦启动开始则进行用于旋转的通电，因此，提供感测脉冲并根据电感偏差来检测转子位置的方法较为困难。例如，考虑使高频电流与励磁电流重叠来检测电感偏差，但硬件和软件都将变大。此外，不得不将磁饱和、感应电压的影响也考虑在内，并且，还包含了电动机和驱动电路的固有误差等推定困难的要素。
因此，广泛使用了如下斜坡启动(Ramp Start)法：不进行位置检测，利用固定励磁强制性对转子进行定位，之后取得同步并使转速徐徐上升。然而，该方法中，转子的定位需要较长时间，并且存在反转的问题。此外，由于通过开环控制取得同步，存在加速也需要时间、因负载变动导致同步容易偏离的缺点，为了避免该问题而以大电流启动，效率将变低，DC电源也将大型化。由于负载变动时失步，因此用途被局限，无法使用在往复运动机构或以外力来旋转的用途、粘性负载、负载发生变动的用途等中。
此外，也提出了按多个PWM脉冲添加周期波动、并根据其响应性来推定转子位置的空间矢量PWM法，或施加周期性的位置感测脉冲来检测转子位置的方法。然而，上述方法中也均存在产生可听区域的感测音的问题。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供一种磁场位置检测方法，利用简单的硬件和软件实现低成本化，并能在启动时按120°通电时的励磁区间单位检测转子位置，而不产生感测音。
本发明是包括具有永磁体磁场的转子和具有三相线圈的定子、通过提供恒压直流电源并进行120°通电来启动的电动机的磁场位置检测方法，其特征在于，包括：输出单元，该输出单元经由半桥式逆变器电路对线圈进行双向通电；测定单元，该测定单元对线圈电压进行A/D转换并输出至控制单元；以及控制单元，该控制单元根据来自上位控制器的指令对线圈输出进行PWM控制，存储能连续旋转的60°通电区间单位的通电角度信息与通电模式信息，基于此对所述输出单元进行开关控制来切换通电状态，并输入有所述测定单元的测定值来判定所述60°通电区间的终点，在将电气角30°～90°通电区间设为区间编号1、将电气角90°～150°通电区间设为区间编号2、将电气角150°～210°通电区间设为区间编号3、将电气角210°～270°通电区间设为区间编号4、将电气角270°～330°通电区间设为区间编号5、将电气角330°～30°通电区间设为区间编号6时，在所述控制单元中预先设定在不超过非通电相电压的峰值电压或谷值电压的范围内相对于通电相间电压的1/2的中性点电位具有规定的电位差的正侧阈值和负侧阈值，在以所述60°通电区间单位决定所述转子的当前位置与旋转方向时，由所述输出单元以利用2相固定通电进行自励停止的位置与该60°通电区间的起点位置相一致的通电模式周期性地进行包含关断循环的PWM通电，利用所述测定单元以PWM通电的接通循环测定通电相电压和非通电相电压，所述控制单元根据所述测定单元测定出的通电相电压利用运算求出所述中性点电位，若检测到所述非通电相电压穿过中性点则判定为该60°通电区间的起点，求出所述非通电相电压相对于所述中性点电位的差分，若当前位置为奇数区间则将所述差分与所述负侧阈值进行大小比较，若当前位置为偶数区间则将所述差分与所述正侧阈值进行大小比较，若所述差分在离开中性点电位的方向上超过了阈值，则判定为该60°通电区间的终点。
由此，对于位于与设置(setup)位置相邻的峰值部或谷值部的区间终点，能利用预先设定的阈值来检测磁场位置。在非通电相电压超过了阈值的情况下，若在朝旋转角度变大的方向旋转时(CW旋转时)将区间编号+1、在朝旋转角度变小的方向旋转时(CCW旋转时)将区间编号-1，则能连续旋转。
此外，例如，在区间1中利用U-V励磁来进行CW旋转时，若一瞬间切换为W-U励磁来测定非通电相V相电压，则能判定是在电气角30°之前还是通过了电气角30°。若周期性地重复测定直到通过电气角30°为止，则能检测出区间起点、即励磁切换位置。对于CCW旋转时的区间起点90°的检测，也与CW旋转时同样地，进行W-V励磁，并测定非通电相U相电压，由此能检测出90°位置。在设置位置即30°或90°的前后电压变化斜率较陡，正负判定较为容易，相位偏移也较少，因此，能可靠地进行位置检测。
作为其它方法，本发明是包括具有永磁体磁场的转子和具有三相线圈的定子、通过提供恒压直流电源并进行120°通电来启动的电动机的磁场位置检测方法，其特征在于，包括：输出单元，该输出单元经由半桥式逆变器电路对线圈进行双向通电；测定单元，该测定单元对线圈电压进行A/D转换并输出至控制单元；以及控制单元，该控制单元根据来自上位控制器的指令对线圈输出进行PWM控制，存储能连续旋转的60°通电区间单位的通电角度信息与通电模式信息，基于此对所述输出单元进行开关控制来切换通电状态，并输入有所述测定单元的测定值来判定所述60°通电区间的终点，在将电气角30°～90°通电区间设为区间编号1、将电气角90°～150°通电区间设为区间编号2、将电气角150°～210°通电区间设为区间编号3、将电气角210°～270°通电区间设为区间编号4、将电气角270°～330°通电区间设为区间编号5、将电气角330°～30°通电区间设为区间编号6时，在所述控制单元中预先设定在不超过非通电相电压的峰值电压或谷值电压的范围内相对于通电相间电压的1/2的中性点电位具有规定的电位差的正侧阈值和负侧阈值，预先存储电动机的感应电压常数，在旋转时根据区间时间求出转速，并进行如下运算：将转速×感应电压常数×sin30°的运算结果与正侧阈值相加，并对负侧阈值减去转速×感应电压常数×sin30°的运算结果，在按所述60°通电区间单位决定所述转子的当前位置与旋转方向时，由所述输出单元进行包含关断循环的PWM通电，利用所述测定单元以PWM通电的接通循环测定通电相电压和非通电相电压，所述控制单元根据所述测定单元测定出的通电相电压利用运算求出所述中性点电位，此外，求出非通电相电压相对于中性点电位的差分，若当前位置为奇数区间则将所述差分与所述负侧阈值进行大小比较，若当前位置为偶数区间则将所述差分与所述正侧阈值进行大小比较，若所述差分在离开中性点电位的方向上超过了阈值，则判定为该60°通电区间的终点。
由此，能减小因电动机转速而导致的区间终点位置的检测误差。
优选为，在所述控制单元中预先设定比正常启动时的1区间的最长通电时间要长的最大时间，测定从该通电区间的通电开始到区间终点检测为止的时间，当超过所述最大时间也未检测到区间终点时中止该通电，以任意方法进行初始位置检测，并基于该位置重新开始通电和区间终点检测。
由此，能从转轴的反转状态或停止状态中脱离并恢复为正常旋转。
优选为，在所述控制单元中预先设定通电电压的基准值，根据励磁时测定的通电相间电压与所述基准值的比率求出校正值，并对所述阈值乘以校正值来校正该阈值。
由此，通过将线圈施加电压的变动反映到阈值来校正，从而磁场位置的检测精度得以提高。
在所述控制单元中可以预先按每个区间对通电相间电压的1/2的中性点电位设定与区间起点位置的非通电相电压相当的规定的起点阈值，在极低速旋转时，在该区间的非通电相电压的每次测定中将非通电相电压与所述起点阈值进行大小比较，在非通电相电压超过了起点阈值的情况下判定为以反转状态超过了该区间的起点，使通电区间编号向反转方向返回1区间来励磁，由此，产生正转转矩来抑制反转或恢复到正转。
由此，能在驱动励磁状态下检测起点，而不进行特别的磁场位置检测励磁。由此，不会降低通电效率，并且因感测通电而引起的电磁音也不会产生。此外，通过检测起点，从而能从反转状态施加制动来恢复为正转。
发明效果
在静止时及低速旋转时能检测转子位置来进行闭环控制，而不使用位置传感器，因此，能迅速可靠地启动，不会失步。由此，在停止时也能进行产生转矩的失速运行，在过载等停止了的情况下也能继续励磁，即使是包含碰撞停止的往复运行、因外力导致的反转，也能从中启动。
能以闭环启动，因此能抑制启动电流并设为慢启动，此外，无需用于失步防止或强制同步的过大的电流，因此效率较高，能进一步使DC电源小型化。
无需过零比较器、电流检测放大器等，能低成本地构成驱动电路。
使用驱动用的PWM脉冲来进行位置检测，因此无需用于感测的电力，效率较高，此外也没有感测音，能静音运行(反向旋转时除外)。
由于上述优异的特性，能将带霍尔传感器的电动机或带电刷的电动机替换为无传感器电动机，能有助于电动汽车、无人机等移动设备用的电动机的小型轻量化、高效化、低成本化。
附图说明
图1是U-V励磁时的电感及非通电相电压波形图。
图2是U-W励磁时的电感及非通电相电压波形图。
图3是V-W励磁时的电感及非通电相电压波形图。
图4是V-U励磁时的电感及非通电相电压波形图。
图5是W-U励磁时的电感及非通电相电压波形图。
图6是W-V励磁时的电感及非通电相电压波形图。
图7A是转子内置型电动机的非通电相电压的实测波形图，图7B是转子外置型电动机的非通电相电压的实测波形图。
图8是本案所涉及的驱动电路实施例的框图例。
图9是星形接线的三相无刷DC电动机的结构图。
图10是现有的电动机驱动电路的框图。
图11是120°通电时序图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明所涉及的电动机的磁场位置检测方法的实施方式进行说明。本申请发明中，作为电动机的一个示例，使用转子具备永磁体磁场、以120°相位差将绕组配置于定子并进行星形接线、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。
以下，作为一个示例，关于对三相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磁场位置检测方法，与无传感器电动机驱动装置的结构一起进行说明。参照图9，示出本发明所涉及的三相无刷DC电动机的一个实施例。作为一个示例，例示出包括2极永磁体转子与设有3槽的定子4的三相无刷DC电动机。电动机可以是转子内置型，也可以是转子外置型。此外，作为永磁体型磁场，可以是永磁体嵌入型(IPM型)电动机、表面永磁体型(SPM型)电动机中的任一种。
在图9中，转子2一体设置于转子轴1，作为磁场，设有2极的永磁体3。定子4中，极齿U、V、W以120°相位差面向永磁体3而配置。成为如下三相无刷DC电动机，即：对定子4的各极齿U、V、W设置绕组u、v、w，在相间通过公共C进行星形接线，并在后述的电动机驱动装置中布线。另外，由于无需公共线，因此省略。
接着，在图8中示出本案所涉及的三相dc无刷电动机的驱动电路的一个示例。
作为启动时的驱动方式，假设120°通电双极矩形波励磁。
MOTOR是三相无传感器电动机。MPU51是微控制器(控制单元)。MPU51存储针对三相线圈(U、V、W)的6个通电模式、以及指定对应于各通电模式的120°通电的励磁切换区间(区间1～区间6)的磁场位置信息，并根据来自上位控制器50的旋转指令RUN对输出单元进行开关控制来任意切换励磁状态。
为了对三相线圈进行通电，并控制电动机转矩，逆变器电路52(INV：输出单元)进行励磁相切换或PWM控制等开关动作。逆变器电路52具备与开关元件反向并联连接的二极管，设有3相的可与正极电源线和接地电源线任意连接的半桥式开关电路。
A/D转换电路53(ADC：测定单元)连接有线圈输出端子U、V、W，利用来自MPU51的转换开始信号同时对三相各自的线圈电压进行采样，依次进行模数转换，并将转换结果输出至MPU51。通常，ADC53内置于MPU51，在利用内置ADC53的情况下，由于最大输入电压较低，因此优选设置基于电阻的分压电路。由此，根据本案，驱动电路能非常简单地构成。
(测定波形)
已知转子角度θ所引起的电感变化(空间谐波)近似为ΔL＝-cos(2θ)，且每个电气角具备2周期性。另一方面，本申请的发明人发现了如下情况：若通过矩形波PWM通电进行2相通电，则在非通电相中，根据θ以中性点电位为中心观测到2周期性的电压变动。
图1中，示出利用PWM通电进行U-V励磁并旋转1电气角时的非通电相的电压变化波形ΔVw、U相和V相的电感变化(ΔLu、ΔLv)及2相的合成电感变化ΔLu-v的理论值波形。另外，电压变化波形设为使合成电感变化波形的极性反转后得到的波形，并设为以线圈施加电压的1/2中性点电位为中心正负摆动的波形。
图7A中示出使用了转子内置型电动机的非通电相电压的实测波形。设所述非通电相的电压波形理论值反映出电感并成为相反极性，但可知波形进行了大致近似且假设是正确的。此外，在矩形波通电的情况下，感应电压中产生振铃，但可知实测的结果为振铃时间非常短，在各种电动机中为数μs～数十μs并收敛在测定误差的范围内，即使是电动机驱动用的矩形波PWM通电脉冲，也能高精度地检测感应电压。
接着，对磁饱和的影响进行说明。
若大电流流过线圈则会发生磁饱和、电感不改变，这在小型转子外置型电动机中尤为显著。若发生磁饱和，则2周期性的电感变化波形中，与因2相固定通电而自励停止的设置位置相邻的峰值和谷值残留，但另一个峰值和谷值消失并成为1周期性。
图7B中示出因磁饱和而成为1周期性的电感波形例。测定中所使用的电动机是小型转子外置型电动机，与图7A中所使用的电动机不同。U-V通电时的设置位置为150°，在ΔVw波形中仅能清楚地观测到与设置位置相邻的峰值和谷值。
因2相固定通电而自励停止的设置位置是电感过零点，同时也是感应电压过零点，设置点及相邻的峰值和谷值相对于磁饱和也是稳定的。
由图7A和图7B可知，非通电相的电压变动反映了转子角度θ，并且在区间内确保了单调性，因此，即使在静止时的感应电压不产生的情况下，也能通过使励磁电流流过从而推定转子位置。电压变动幅度为线圈施加电压的10％以上，并且为数伏的数量级，现有方法中，若考虑在启动时检测毫伏数量级的感应电压，则具有压倒性的优势。
如以上所说明的那样，在本案中，使用电动机驱动用的矩形波PWM控制来检测电感变化，并且仅利用设置位置附近的电感变化，由此，能从静止状态跨过低速旋转区域进行稳定的位置检测。由此，感测步骤得以简化，感测中无需电力，功率得以提高，并且也不产生感测音，得以静音化。
下表中总结了120°通电的每个通电区间的角度与通电模式。表中的CW通电是在角度变大的方向上旋转的通电模式，CCW通电是在角度变小的方向上旋转的通电模式。设置通电是以表中框内的()所记载的角度进行自励停止的通电模式，按每个区间记载了起点和终点双方。各通电模式中，将与+电源侧相连接的相记载在前面，并将与GND侧相连接的相记载在连字符之后。
[表1]
区间角度与通电模式
Figure GDA0004126688780000111
(区间终点的检测)
将表1所记载的区间编号变大的旋转方向设为CW，并将变小的旋转方向设为CCW。区间终点位置在CW时为与相邻的+侧区间的边界点，在CCW时为与-侧区间的边界点。例如，区间1的情况下，在CW时为与区间2的边界点90°，在CCW时为与区间6的边界点30°。
图1中，在U-V励磁中，CW方向旋转时的通电区间起点用A点来图示，通电区间终点用B点来图示。设置点为C点，B点所存在的谷值部的相位稳定，能在位置检测中使用。因此，预先设定相对于中性点电位具有规定的电位差的正侧及负侧的阈值Vth，并针对每个测定将非通电相电压ΔVw与阈值Vth进行大小比较，若超过阈值，则能检测出超过了区间终点。
CCW方向旋转时进行V-U通电，因此参照图4。转子从电气角90°侧朝向电气角30°侧旋转。由此，区间终点为电气角30°。设置点是电气角330°，因此电气角30°侧的谷值部的相位稳定，能在位置检测中使用。因此，与CW时同样地，将非通电相W的电压与阈值Vth进行大小比较，由此能检测出区间终点。
在从电气角90°到电气角150°的区间2中，选择U-W励磁。
图2中，示出U-W励磁时的电感变化及非通电相电压的变化。波形是将图1的波形偏移60°并使极性反转后得到的，非通电相为V相，设置位置C点为电气角210°。
在位于区间2并在CW方向上旋转的情况下，非通电相电压必然通过B点，因此，该时刻下转子位置为电气角150°，若检测到B点并切换为区间3，则能连续旋转。
在从电气角150°到电气角210°的区间3中，选择V-W励磁。
图3中，示出V-W励磁时的电感变化及非通电相电压的变化。波形是将图2的波形偏移60°并使极性反转后得到的，非通电相为U相，设置位置C点为电气角270°。
在位于区间3并在CW方向上旋转的情况下，非通电相电压必然通过B点，因此，该时刻下转子位置为电气角210°，若检测到B点并切换为区间4，则能连续旋转。
在从电气角210°到电气角270°的区间4中，选择V-U励磁。
图4中，示出V-U励磁时的电感变化及非通电相电压的变化。波形是将图3的波形偏移60°并使极性反转后得到的，非通电相为W相，设置位置C点为电气角330°。
在位于区间4并在CW方向上旋转的情况下，非通电相电压必然通过B点，因此，该时刻下转子位置为电气角270°，若检测到B点并切换为区间5，则能连续旋转。
在从电气角270°到电气角330°的区间5中，选择W-U励磁。
图5中，示出W-U励磁时的电感变化及非通电相电压的变化。波形是将图4的波形偏移60°并使极性反转后得到的波形，非通电相为V相，设置位置C点为电气角30°。
在位于区间5并在CW方向上旋转的情况下，非通电相电压必然通过B点，因此，该时刻下转子位置为电气角330°，若检测到B点并切换为区间6，则能连续旋转。
在从电气角330°到电气角30°的区间6中，选择W-V励磁。
图6中，示出W-V励磁时的电感变化及非通电相电压的变化。波形是将图5的波形偏移60°并使极性反转后得到的，非通电相为U相，设置位置C点为电气角90°。
在位于区间6并在CW方向上旋转的情况下，非通电相电压必然通过B点，因此，该时刻下转子位置为电气角30°，若检测到B点并切换为区间1，则能连续旋转。
由此，能利用预先设定的阈值来检测位于与设置位置相邻的峰值部或谷值部的区间终点。然后，在非通电相电压超过了阈值的情况下，若在CW时将区间编号+1、在CCW时将区间编号-1，则能连续旋转。
(区间起点的检测)
与上述同样地，将区间编号变大的旋转方向设为CW，并将变小的旋转方向设为CCW。区间起点位置在CW时为与相邻的-(负)侧区间的边界点，在CCW时为与+(正)侧区间的边界点。例如，在通电区间1的情况下，在CW时为与通电区间6的边界点30°，在CCW时为与通电区间2的边界点90°。
图1中，在U-V通电中，CW时的区间起点用A点来图示。由于正常运行下在所希望的旋转方向上旋转，因此无需检测区间起点，然而，在因外力而在与所希望的旋转方向相反的方向上低速旋转的情况下，为了进行正确的励磁切换，需要检测起点。高速旋转时需要进行制动来减速，考虑仅在低速旋转时检测起点位置。
现在，当沿相反方向旋转时，感应电压成为问题。在图1中，非通电相W的感应电压的区间中央的电气角60°的位置为过零点，在沿正转方向旋转的情况下，基于电感变化的斜率与感应电压的斜率一致，能可靠地检测区间终点。然而，在沿相反方向旋转时，两者的斜率相反，基于电感变化的波形被抵消，难以检测区间起点。并且，在因磁饱和而成为单周期性的电动机的情况下，区间起点的检测几乎不可能。
因此，若着眼于图5的W-U励磁的设置位置C点，则C点通过电气角30°，因此将中性点电位与非通电相V相电压ΔVv进行大小比较，在ΔVv比中性点电位要小的情况下，能检测到超过电气角30°，向区间6侧旋转。
因此，在区间1中进行U-V励磁时，若一瞬间切换为W-U励磁来测定非通电相V相电压，则能判定是在电气角30°之前还是通过了电气角30°。若周期性地重复测定直到通过电气角30°为止，则能检测出区间起点、即励磁切换位置。
对于CCW方向旋转时的区间起点电气角90°的检测，也与CW方向旋转时同样地，参照图6进行W-V励磁，并测定非通电相U相电压，由此能检测出电气角90°位置。
在设置位置即电气角30°或电气角90°的前后电压变化斜率较陡，正负判定较为容易，相位偏移也较少，因此，能可靠地进行位置检测。虽然较少，但也为了进行感测而消耗功率，因此，希望延长感测周期。
关于通电区间2～6也相同，若选择成为设置点的通电模式，并周期性地检测电感过零点，则能检测出区间起点。在检测出起点的情况下沿反方向旋转，因此，若使区间编号沿反方向返回，则能连续旋转。
(极低速旋转时的起点检测)
在转子因外力沿与所希望的旋转方向相反的方向以极低速反转的情况下等，为了恢复正转，需要检测区间起点来进行励磁切换，对于区间起点，能设定起点阈值来进行检测。
例如，在图1中，在位于区间1的情况下，将A点电位设为起点阈值即可。对于图2～6的区间2～6也相同，将各个区间的A点电位设为起点阈值即可。因此，预先设定相对于中性点电位具有规定的电位差的起点阈值Vth2，并针对每个测定将非通电相电压ΔV与起点阈值Vth2进行大小比较，若超过起点阈值，则能检测出超过了区间起点。此外，也能判定非通电相电压ΔV的斜率，若斜率变为与正转时相反，则能检测出处于反转状态。
因此，若在转子的反转状态下检测起点并使励磁区间返回1区间来进行励磁，则能使正转转矩产生、即能施加制动来抑制反转，并恢复为正转。
然而，反转时的感应电压的极性与正转时相反，因此，区间起点处的非通电相电压ΔV比正转时要小，不超过起点阈值Vth2。该情况下，也能通过运算来推定感应电压，并校正起点阈值Vth2。或者，起点检测也可以仅限于能无视感应电压所引起的误差的程度的极低速旋转时。
根据该方法，能在驱动励磁状态下检测起点，而不进行特别的磁场位置检测励磁。由此，不会降低通电效率，并且因感测通电而引起的电磁音也不产生。此外，通过检测起点，从而能从反转状态施加制动来恢复为正转。
(区间终点未检测出时的对策：因产生声音而不使用起点检测的情况)
在通电区间起点侧电感几乎没有变化的电动机的情况下，无法进行反转检测。此外，在因外力或惯性旋转而沿反方向旋转的情况下，若检测感应电压则能检测出反转，但在以极低速反转的情况下不产生感应电压，因此无法检测出反转。即，存在如下可能性：无论是通过电感还是通过感应电压，都无法检测出反转。因此，利用时间轴。
正常启动时的1区间的最长的通电时间可以根据使用条件来预先预测。因此，在与最长通电时间相比充分长的时间内未检测出区间终点的情况下，能判定为因外力而停止或反转。或者，也存在如下情况：因某些原因而在设置位置处自励停止。
因此，预先设定比通常的1区间的最长通电时间要充分长的最大时间，测定该区间的通电时间，在超过最大时间也未检测到区间终点的情况下中止通电，若以任意方法重新进行初始位置检测并基于此决定通电区间、进行再次通电和区间终点位置检测，则能从所述反转或停止状态中脱离并恢复为正常旋转。
在碰撞停止状态时，能以所述最大时间周期性地进行初始位置检测来进行失速运行。在因外力或惯性行驶而高速反转的情况下，若施加制动来回落到低速旋转并进行区间时间的判定，则能判定出反转或停止。在即使进行制动通电也不能在1区间内消除反转的情况下，反转至相邻区间也超过上述最大时间，因此再次启动并产生制动转矩，在对其进行重复的过程中恢复到正转。
假设在反转速度较快、并在经过最大时间前反转了电气角240°～300°的情况下，从正常时的相反方向检测区间终点，那么若使区间步进，则成为正确的位置并产生制动转矩。此外，在反转转矩与正转转矩在几乎相等的条件下反转的情况下，有时也成为在设置位置自励停止的所谓的锁死状态，在从该状态经过最大时间的情况下也能恢复到正常旋转。
该方法不需要特别进行信号测定，进行MPU51内的计时器处理即可，因此，程序较为简单，不依赖于检测信号，因而能进行稳定且可靠的动作，并且不产生感测音，在各种异常状况下能进行对应，在这点较为优异。此外，若恰当地选择最大时间，则能使检测延迟减小，并能在实际使用时没有不适感的情况下从反转或静止状态恢复到正转。
(阈值的校正)
非通电相电压的变化在静止时基于电感，但在旋转时如上述那样重叠有感应电压。因此，希望将感应电压与阈值相加来进行校正。由此，能减小因转速而导致的区间终点位置的检测误差。感应电压能通过VE＝KE·N·sinθ来求出。其中，KE＝感应电压常数，N＝转速，θ＝30°。因此，关于感应电压，在对阈值进行校正的情况下，需要使MPU51(控制单元)预先存储KE(感应电压常数)。转速始终可以通过测定区间时间来求出。
此外，非通电相电压变化的振幅与线圈施加电压大致成比例。因此，需要以恒压电源进行驱动，并决定成为基准的线圈施加电压。在线圈施加电压大幅度变动的情况下，希望将线圈施加电压的变动反映到阈值来进行校正。例如，将测定时的线圈施加电压/基准线圈施加电压的比率与阈值相乘即可。
以下，对MPU51所进行的启动时的磁场位置检测动作例进行说明。首先，对正转时的检测动作进行阐述。预先适当设定阈值Vth。测定初始速度与旋转方向。通常，对静止进行检测。若旋转，则转移至旋转动作，从本案动作中脱离。若静止，则利用任意的方法检测初始位置。其结果是，例如，设为位于区间1。选择适合通电区间1的CW旋转的励磁模式U-V通电。
由逆变器电路52利用PWM控制进行1脉冲的U-V通电，并在接通循环时利用ADC53对三相的线圈电压进行A/D转换。MPU51通过(U相电压+V相电压)/2来求出中性点电位。接着，判定非通电相W相电压-中性点电位是否超过了Vth。在未超过的情况下返回PWM控制，并重复通电和测定。若已超过，则为区间结束点，因此使区间编号步进。之后，与通电区间1同样地选择励磁模式，并通过PWM控制重复通电来进行连续旋转。
接着，对因外力反转而启动的情况下的MPU51所进行的磁场位置检测动作例进行说明。预先适当设定阈值Vth。测定初始速度与旋转方向。检测反转。若高速反转，则以任意方法施加制动来降低速度。利用任意方法检测低速反转状态的初始位置。其结果是，例如，设为位于区间1。选择适合通电区间1的CW旋转的励磁模式U-V通电。若反转，则CW旋转转矩成为制动转矩。
由逆变器电路52利用PWM控制进行1脉冲的U-V通电，并在接通循环时利用ADC53对三相的线圈电压进行A/D转换。MPU51通过(U相电压+V相电压)/2来求出中性点电位。接着，判定非通电相W相电压-中性点电位是否超过了Vth。由于正在反转，因此不会超过，但若假设超过则判定为正转，并使区间步进。在未超过的情况下返回PWM控制，并重复通电和测定。此时，以规定周期进行短时间的适合通电区间5的W-U通电，并判定非通电相电压是否超过了中性点。若超过了中性点，则成为超过了区间开始点并进行反转，因此，使区间编号返回1个，设为通电区间6。以下，与通电区间1同样地选择励磁模式，并重复PWM控制来进行连续旋转。若正转转矩比反转转矩要大，则最终成为正转并启动。
另外，可以考虑各种电动机驱动电路的结构、控制程序结构，并不局限于本实施例所公开的方式，当然也包含在不脱离本案主旨的范围内电子线路技术人员或程序员(本领域技术人员)可以进行的电路结构的变更、程序结构的变更。

Claims (5)

1.一种电动机的磁场位置检测方法，是包括具有永磁体磁场的转子和具有三相线圈的定子、通过提供恒压直流电源并进行120°通电来启动的电动机的磁场位置检测方法，其特征在于，包括：
输出单元，该输出单元经由半桥式逆变器电路对线圈进行双向通电；
测定单元，该测定单元对线圈电压进行A/D转换并输出至控制单元；以及
控制单元，该控制单元根据来自上位控制器的指令对线圈输出进行PWM控制，存储能连续旋转的60°通电区间单位的通电角度信息与通电模式信息，基于此对所述输出单元进行开关控制来切换通电状态，并输入有所述测定单元的测定值来判定所述60°通电区间的终点，
在将电气角30°～90°通电区间设为区间编号1、将电气角90°～150°通电区间设为区间编号2、将电气角150°～210°通电区间设为区间编号3、将电气角210°～270°通电区间设为区间编号4、将电气角270°～330°通电区间设为区间编号5、将电气角330°～30°通电区间设为区间编号6时，在所述控制单元中预先设定在不超过非通电相电压的峰值电压或谷值电压的范围内相对于通电相间电压的1/2的中性点电位具有规定的电位差的正侧阈值和负侧阈值，
在以所述60°通电区间单位决定所述转子的当前位置与旋转方向时，由所述输出单元以利用2相固定通电进行自励停止的位置与该60°通电区间的起点位置相一致的通电模式周期性地进行包含关断循环的PWM通电，利用所述测定单元以PWM通电的接通循环测定通电相电压和非通电相电压，所述控制单元根据所述测定单元测定出的通电相电压利用运算求出所述中性点电位，若检测到所述非通电相电压穿过中性点则判定为该60°通电区间的起点，求出所述非通电相电压相对于所述中性点电位的差分，若当前位置为奇数区间则将所述差分与所述负侧阈值进行大小比较，若当前位置为偶数区间则将所述差分与所述正侧阈值进行大小比较，若所述差分在离开中性点电位的方向上超过了阈值，则判定为该60°通电区间的终点，
在所述控制单元中预先设定比正常启动时的1区间的最长通电时间要长的最大时间，测定从该通电区间的通电开始到区间终点检测为止的时间，当超过所述最大时间也未检测到区间终点时中止该通电，以任意方法进行初始位置检测，并基于该初始位置重新开始通电和区间终点检测。
2.一种电动机的磁场位置检测方法，是包括具有永磁体磁场的转子和具有三相线圈的定子、通过提供恒压直流电源并进行120°通电来启动的电动机的磁场位置检测方法，其特征在于，包括：
输出单元，该输出单元经由半桥式逆变器电路对线圈进行双向通电；
测定单元，该测定单元对线圈电压进行A/D转换并输出至控制单元；以及
控制单元，该控制单元根据来自上位控制器的指令对线圈输出进行PWM控制，存储能连续旋转的60°通电区间单位的通电角度信息与通电模式信息，基于此对所述输出单元进行开关控制来切换通电状态，并输入有所述测定单元的测定值来判定所述60°通电区间的终点，
在将电气角30°～90°通电区间设为区间编号1、将电气角90°～150°通电区间设为区间编号2、将电气角150°～210°通电区间设为区间编号3、将电气角210°～270°通电区间设为区间编号4、将电气角270°～330°通电区间设为区间编号5、将电气角330°～30°通电区间设为区间编号6时，在所述控制单元中预先设定在不超过非通电相电压的峰值电压或谷值电压的范围内相对于通电相间电压的1/2的中性点电位具有规定的电位差的正侧阈值和负侧阈值，预先存储电动机的感应电压常数，在旋转时根据区间时间求出转速，并进行如下运算：将转速×感应电压常数×sin30°的运算结果与正侧阈值相加，并对负侧阈值减去转速×感应电压常数×sin30°的运算结果，
在按所述60°通电区间单位决定所述转子的当前位置与旋转方向时，由所述输出单元进行包含关断循环的PWM通电，利用所述测定单元以PWM通电的接通循环测定通电相电压和非通电相电压，所述控制单元根据所述测定单元测定出的通电相电压利用运算求出所述中性点电位，此外，求出非通电相电压相对于中性点电位的差分，若当前位置为奇数区间则将所述差分与所述负侧阈值进行大小比较，若当前位置为偶数区间则将所述差分与所述正侧阈值进行大小比较，若所述差分在离开中性点电位的方向上超过了阈值，则判定为该60°通电区间的终点。
3.如权利要求2所述的电动机的磁场位置检测方法，其特征在于，
在所述控制单元中预先设定比正常启动时的1区间的最长通电时间要长的最大时间，测定从该通电区间的通电开始到区间终点检测为止的时间，当超过所述最大时间也未检测到区间终点时中止该通电，以任意方法进行初始位置检测，并基于该初始位置重新开始通电和区间终点检测。
4.如权利要求1或2所述的电动机的磁场位置检测方法，其特征在于，
在所述控制单元中预先设定通电电压的基准值，根据励磁时测定的通电相间电压与所述基准值的比率求出校正值，并对所述阈值乘以校正值来校正该阈值。
5.如权利要求1或2所述的电动机的磁场位置检测方法，其特征在于，
在所述控制单元中预先按每个区间对通电相间电压的1/2的中性点电位设定与区间起点位置的非通电相电压相当的规定的起点阈值，
在极低速旋转时，在该区间的非通电相电压的每次测定中将非通电相电压与所述起点阈值进行大小比较，在非通电相电压超过了起点阈值的情况下判定为以反转状态超过了该区间的起点，使通电区间编号向反转方向返回1区间来励磁，由此，产生正转转矩来抑制反转或恢复到正转。
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