CN111211729A - 用于检测bldc电机过载的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种用于检测无刷直流(BLDC)电机过载的装置和方法。该用于检测BLDC电机过载的装置包括：测量器，用于测量BLDC电机的电角度；判断器，用于判断测量器测量的电角度和通过施加到BLDC电机的电流估计的BLDC电机的机械角度之间的差是否在预定范围内；以及驱动控制器，用于根据由判断器判断的BLDC电机是否堵转来控制BLDC电机的驱动。

Description

用于检测BLDC电机过载的装置和方法
技术领域
本公开涉及一种用于检测无刷直流(BLDC)电机过载的装置和方法，通过测量BLDC电机的机械角度和电角度之间的差，来判断BLDC电机是否堵转。
背景技术
无刷直流(BLDC)电机是通过在保持DC电机的特性的同时从普通直流(DC)电机移除用作变换器(commutator)的电刷(brush)而产生。BLDC电机被配置成包括定子和转子，该定子包括三相线圈(U相线圈、V相线圈和W相线圈)，并且该转子包括永久磁铁。
BLDC电机被配置成使电流在三相BLDC电机的定子侧的线圈的每个相中流动，并且通过电流在线圈中产生磁场以使转子旋转。在这种情况下，BLDC电机检测转子的磁场强度，并且根据检测到的磁场强度依次接通和断开用于切换在线圈的每个相中流动的电流的方向的开关装置，以使转子向一个方向继续旋转。通常，为了测量转子的位置，使用利用转子位置检测传感器装置(霍尔传感器、编码器等)的方法、利用反电动势(BEMF)方法的无传感器方法或利用矢量控制的无传感器方法。
然而，当使用位置检测传感器装置时，用于检测BLDC电机过载的装置的成本增加。另外，在利用矢量控制的无传感器方法中，即使BLDC电机堵转，电流也在BLDC电机中继续流动，因此难以准确地检测BLDC电机堵转。
发明内容
在一方面，本公开提供一种用于检测无刷直流(BLDC)电机过载的装置和方法，在无单独的转子位置检测传感器的情况下，利用调节角度来判断BLDC电机是否堵转。
在优选实施例中，一种用于检测无刷直流(BLDC)电机过载的装置包括：测量器，用于测量BLDC电机的电角度；判断器，用于判断由测量器测量的电角度和通过施加到BLDC电机的电流估计的BLDC电机的机械角度之间的差是否在预定范围内；以及驱动控制器，用于根据由判断器判断的BLDC电机是否堵转来控制BLDC电机的驱动。
在另一优选实施例中，当电角度和机械角度之间的差超出预定范围时，判断器可以判断BLDC电机中发生错误。
在又一优选实施例中，当通过将发生错误的次数与初始化值相加而获得的值大于预定阈值时，判断器可以判断BLDC电机堵转。
在再一优选实施例中，当在BLDC电机中发生错误时，判断器可以对发生错误的次数进行计数，并且当通过将发生错误的次数与初始化值相加而获得的值等于或小于预定阈值时，判断器可以重复地判断电角度和机械角度之间的差是否超出预定范围。
在其它优选实施例中，当在BLDC电机中未发生错误时，判断器可以从初始化值中减去与预定值对应的发生错误的次数。
在另一其它优选实施例中，当判断器判断BLDC电机堵转时，驱动控制器可以将BLDC电机的速度值控制成0。
在又一其它优选实施例中，预定范围可以基于90度设置，当BLDC电机处于正常状态时，电角度和机械角度之间的差可以保持在90度，并且当BLDC电机处于堵转状态时，电角度和机械角度之间的差可能超出预定范围。
在另一方面，本发明提供一种检测无刷直流(BLDC)电机过载的方法，该方法包括：从施加到BLDC电机的电流值导出BLDC电机的机械角度；测量BLDC电机的电角度；判断机械角度和电角度之间的差是否在预定范围内；对机械角度和电角度之差超出预定范围的发生错误的次数进行计数，以及根据发生错误的次数判断BLDC电机是否堵转。
在另一优选实施例中，根据发生错误的次数判断BLDC电机是否堵转可以包括当发生错误的次数等于或大于预定阈值时，判断BLDC电机堵转。
在又一优选实施例中，判断机械角度和电角度之间的差是否在预定范围内可以包括：当机械角度和电角度之间的差在预定范围内时，判断BLDC电机处于正常状态，并且当机械角度和电角度之间的差超出预定范围时，判断BLDC电机处于堵转状态。
在另一优选实施例中，对机械角度和电角度之差超出预定范围的发生错误的次数进行计数可以包括：当BLDC电机处于正常状态时，从先前错误值减去与预定值对应的发生错误的次数；以及当BLDC电机处于堵转状态时，将与预定值对应的发生错误的次数与先前错误值相加。
在再一优选实施例中，基于发生错误的次数判断BLDC电机是否堵转可以包括：判断通过将与预定值对应的发生错误的次数与先前错误值相加或从先前错误值减去与预定值对应的发生错误的次数而获得的当前错误值是否等于或大于预定阈值。
在其它优选实施例中，当当前错误值等于或小于预定阈值时，重复测量电角度和机械角度之间的差是否超出预定范围。
在另一其它优选实施例中，方法进一步可以包括在基于发生错误的次数判断BLDC电机堵转时将BLDC电机的速度控制成0。
附图说明
现在将参照附图中示出的本公开的上述和其它特征来详细描述本公开的上述和其它特征，附图在下文中仅以说明的方式给出，因此不是对本公开的限制，其中：
图1是示出根据本公开的示例性实施例的无传感器矢量控制系统的示图；
图2是根据本公开的示例性实施例的无刷直流(BLDC)电机过载检测装置的框图；
图3是用于说明根据本公开的示例性实施例的BLDC电机的调节角度的示图；
图4是用于说明根据本公开的示例性实施例的BLDC电机过载检测方法的流程图；以及
图5是示出根据本公开的示例性实施例的检测BLDC电机的堵转的波形的示图。
具体实施方式
参考用于说明本公开的示例性实施例的附图，以便充分理解本公开，本公开的优点以及通过实施本公开而实现的目的。然而，本公开可以以许多不同的形式实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了使本公开彻底且完整，并且将本公开的构思完全传达给本领域普通技术人员。同时，本文使用的术语是为了描述特定实施例的目的，而不是为了限制本公开。附图中相同的附图标记表示相同的组件。
此外，附图中诸如表示说明书中“～单元”的术语是指可以通过硬件、软件或其组合来实施的用于处理至少一个功能或操作的单元。
另外，用于描述本公开的组件的诸如第一和第二的术语仅用于将一组件与另一组件区分开，并且本公开不限于以下描述中的顺序。
本公开的详细描述是为了例示本公开。另外，关于本公开的示例性实施例描述了本公开的详细描述，并且可以以各种其他组合、修改和环境下使用本公开。也就是说，可以在本公开的构思范围、本公开的等同范围和/或本公开所属的领域或知识的范围内修改或改变本公开。本公开用于描述用于体现本公开的技术构思的最佳状态，并且可以以详细的应用领域和用途中所需的各种形式进行修改。因此，本公开的详细描述不旨在限制本公开。另外，应该解释为所附权利要求包含其它示例性实施例。
图1是示出根据本公开的示例性实施例的无传感器矢量控制系统的示图。
参照图1，无传感器矢量控制系统1可以包括微控制器(MCU)100、逆变器单元180和无刷直流(BLDC)电机200。无传感器矢量控制系统1可以用于检测BLDC电机200是否堵转而无需转子位置检测传感器，例如霍尔传感器。矢量控制是指通过将施加到定子的电流分成转矩分流电流iq和磁通分流电流id并控制的方法来控制速度和转矩的方法。由于无传感器矢量控制系统1不包括速度控制检测传感器，因此无传感器矢量控制系统1不能接收BLDC电机200的实际速度作为反馈，通过利用BLDC电机200的相电流(Phase Current)估计速度的运算操作来估计与实际速度近似的值，并且可以通过补偿近似的值来控制速度和转矩。
MCU 100可以控制施加到BLDC电机200的电流以直接控制BLDC电机200的速度和转矩。
速度控制器10可以控制转矩分流电流iq*的速度。在矢量控制中，可以恒定地控制磁通分流电流id*，并且由此速度控制器10可以仅控制转矩分流电流iq*。
为了估计定子的角度和转子的位置，可以使用BLDC电机200的反电动势，并且可以由第一矢量运算器20来运算。第一矢量运算器20可以通过从逆变器单元180施加到BLDC电机200的电流估计磁通角度。另外，第一矢量运算器20可以测量施加到BLDC电机200的电流以估计BLDC电机200的机械角度。估计机械角度是指估计转子位置。关于通过第一矢量运算器20估计的磁通角度和电角度的信息可以被传送到转矩分流电流控制器30a和磁通分流电流控制器30b。
第三矢量运算器60可以从逆变器单元180输出的三相电流中选择两个电流以产生坐标变换的电流Iα和Iβ。αβ坐标系是以α轴和β轴为轴的二维固定坐标系。α轴和β轴彼此正交，β轴比α轴超前90°。α轴对应于与U相绕组对应的轴(U轴)。第三矢量运算器60可以使用诸如施加到BLDC电机200的三相交流(AC)电流以及估计的磁通角度对坐标变换的电流Iα和Iβ执行矢量运算以产生检测的电流值(iq，id)。dq坐标系是基于旋转轴d和q的二维旋转坐标系。在以与BLDC电机200的永久磁铁形成的磁通的转速相同的速度旋转的旋转坐标系中，基于永久磁铁形成的磁通的方向的轴是d轴，并且从d轴相位超前90°的轴是q轴。
转矩分流电流控制器30a可以输出通过从转矩分流电流iq*中减去由第三矢量运算器60运算的检测的电流值iq而获得的新转矩分流电流。磁通分流电流控制器30b可以输出通过从磁通分流电流id*中减去由第一矢量运算器20运算的检测的电流值id而获得的新磁通分流电流。
第二矢量运算器40可以基于从转矩分流电流控制器30a和磁通分流电流控制器30b传送的新转矩分流电流和新磁通分流电流以及由第一矢量运算器20导出的估计速度值等导出d轴的电压和q轴的电压。第二矢量运算器40可以基于d轴的电压、q轴的电压和估计的磁通角度输出三相AC电压。
脉冲宽度调制单元(PWM)50可以基于第二矢量运算器40传送的三相AC电压执行空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)，以输出用于接通/断开构成逆变器单元180的开关装置(未示出)的门信号。
逆变器单元180可以将从DC电源(未示出)供应的DC电压转换为三相AC电压，并且可以将三相AC电压供应到BLDC电机200。例如，DC电源(未示出)可以是汽车的12V或24V电池。逆变器单元180供应给BLDC电机200的三相AC电压可以包括表示施加到U相电枢绕组、V相电枢绕组和W相电枢绕组的电压的U相电压、V相电压和W相电压。
BLDC电机200可以包括转子和定子。转子可以包括永久磁铁，定子可以包括线圈(电磁铁)。BLDC电机200可以根据从逆变器单元180传送的三相电压使转子以预定的角速度旋转。转子的角速度ω通过连接到转子的编码器(未示出)测量，并且可以被传送到第一矢量运算器20。
图2是根据本公开的示例性实施例的BLDC电机过载检测装置的框图。图3是用于说明根据本公开的示例性实施例的BLDC电机的调节角度的示图。
参照图2和图3，BLDC电机过载检测装置2可以包括MCU 100和由MCU 100控制的BLDC电机200，该MCU 100包括测量器110、判断器130和驱动控制器150。在这种情况下，测量器110、判断器130和驱动控制器150被定义为通过根据MCU 100的功能进行区分。BLDC电机过载检测装置2可以应用于各种电机，例如车辆的电动涡轮增压器、电动增压器、涡轮发电机用超高速电机和电动水泵。
测量器110可以测量BLDC电机200的电角度。电角度可以通过施加到BLDC电机200的三相电流的大小和相位比较来导出。例如，测量器110可以是一种电流/电压检测器。通常，电角度可以与机械角度保持90度，以保持BLDC电机200的最大转矩。然而，当BLDC电机200堵转时，电角度相对于机械角度的差可能不是90度。机械角度可以是测量施加到BLDC电机200的电流以估计转子位置的角度。为了保持BLDC电机200的最大转矩，电角度可以具有比机械角度超前90度的相位。电角度和机械角度之间的这种差可以定义为调节角度(regulator angle)。
判断器130可以判断电角度和机械角度之间的差(调节角度)是否在预定范围内。预定范围可以指基于用于保持BLDC电机200的最大转矩的调节角度设置的上限和下限。也就是说，预定范围可以指基于90度设置的上限和下限。预定范围可以是由设计者改变的值。当电角度和机械角度之间的差超出预定范围时，判断器130可以判断BLDC电机200中发生错误。然而，如果在BLDC电机200中发生单个错误，则判断器130可以不判断BLDC电机200堵转(stall)。此处，BLDC电机200的堵转可以指向BLDC电机200施加过大负载，例如，可以表示BLDC电机200由于故障而不输出最大转矩的情况。
例如，测量器110可以重复测量BLDC电机200的电角度，并且当通过将初始化值与发生错误的次数相加而获得的值大于预定阈值时，判断器130可以判断BLDC电机200堵转。初始化值可以指甚至一次都不发生错误的情况的值。例如，初始化值可以指0。
例如，当对BLDC电机200中发生错误的次数进行计数并且通过将初始化值与发生错误的次数相加而获得的值等于或小于预定阈值时，测量器110可以重复测量电角度。因此，判断器130可以重复地判断电角度和机械角度之间的差，以判断BLDC电机200是否堵转。
驱动控制器150可以控制BLDC电机200的驱动。当判断器130判断BLDC电机200堵转时，驱动控制器150可以执行控制，使得BLDC电机200的速度值为0。
根据本公开的示例性实施例，在无单独的转子位置检测传感器的情况下，可以测量施加到BLDC电机200的三相电流以导出BLDC电机200的机械角度，并且可以测量电角度以导出调节角度。BLDC电机过载检测装置2可以重复测量调节角度的值，以确认BLDC电机200是否堵转。
图4是用于说明根据本公开的示例性实施例的BLDC电机过载检测方法的流程图。为了简化描述，省略了重复的描述部分。
参照图4，可以基于BLDC电机不堵转的状态来初始化发生错误的次数。也就是说，发生错误的次数可以设置为0(S100)。
测量器可以测量BLDC电机的电角度以导出调节角度。调节角度可以是BLDC电机的电角度和机械角度之间的差，并且机械角度可以通过施加到BLDC电机的三相电流的大小和相位差来估计(S200)。
判断器可以判断调节角度是否具有在预定范围内的值。预定范围可以指基于90度设置的上限和下限(S300)。
当调节角度具有在预定范围内的值时，判断器可以判断在BLDC电机中没有发生错误。调节角度具有在预定范围内的值的情况可以被定义为BLDC电机处于正常状态的情况。在这种情况下，判断器可以将通过从错误的初始化值减去预定值而获得的值设置为当前错误值。当存在先前判断的错误值时，判断器可以将通过从先前错误值减去预定值而获得的值设置为当前错误值。在这种情况下，设计者可以改变预定值(S410)。
当调节角度具有超出预定范围的值时，判断器可以判断BLDC电机中发生错误。调节角度具有超出预定角度的值的情况可以被定义为BLDC电机处于堵转状态的情况。堵转状态可以表示BLDC电机中发生错误，而不表示BLDC电机堵转。在这种情况下，判断器可以将通过将错误的初始化值与预定值相加而获得的值设置为当前错误值。当存在先前判断的错误值时，判断器可以将通过将先前错误值与预定值相加而获得的值设置为当前错误值(S430)。
当前错误值可以根据调节角度的值而改变。判断器可以判断当前错误值是否大于阈值。在当前错误值等于或小于阈值时，测量器可以重新测量调节角度。也就是说，在当前错误值等于或小于阈值时，即使在BLDC电机中发生错误，判断器也不会判断BLDC电机堵转。另外，在当前错误值大于阈值之前，测量器可以重复测量调节角度。在这种情况下，可以不停止BLDC电机的驱动(S500)。
在当前错误值大于阈值时，判断器可以判断BLDC马达堵转(S600)。当判断器判断BLDC电机堵转时，驱动控制器可以将BLDC电机的速度控制成0(S700)。
图5是示出根据本公开的示例性实施例的检测BLDC电机的堵转的波形的示图。在图5中，(a)是指施加到BLDC电机的三相电流，(b)是指调节角度，(c)是指作为BLDC电机的每分钟的转速的每分钟转数(RPM)，(d)是指BLDC电机中发生错误的次数，(e)是指BLDC电机是否堵转。
参照图2和图5，当BLDC电机200堵转时，施加到BLDC电机200的相电流值改变。随着相电流值的宽度增加，调节角度改变而可以测量超出预定范围的调节角度。在BLDC电机200堵转之前，调节角度可以保持在90度。当发生调节角度超出预定范围的错误的次数大于阈值时，判断器130可以判断BLDC电机200堵转。因此，驱动控制器150可以将BLDC电机200的RPM控制成0。参照线(c)，(d)和(e)，当BLDC电机200堵转时，可以降低BLDC电机200的RPM。并且当发生错误的次数大于阈值时，BLDC电机200的RPM可以被控制成0。
根据本公开的示例性实施例，在无单独的转子位置检测传感器的情况下，可以测量施加到BLDC电机的三相电流以导出BLDC电机的机械角度，并且可以测量电角度以导出调节角度。BLDC电机过载检测装置可以重复测量调节角度的值，以确认BLDC电机是否堵转。
已经参照本公开的优选实施例详细描述了本公开。然而，本领域技术人员将理解的是，在不脱离本公开的原理和思想的情况下，可以对这些实施例进行改变，本公开的范围由所附权利要求及其等同方案限定。

Claims (14)

1.一种检测无刷直流电机即BLDC电机过载的装置，包括：
测量器，用于测量所述BLDC电机的电角度；
判断器，用于判断由所述测量器测量的所述电角度和通过施加到所述BLDC电机的电流估计的所述BLDC电机的机械角度之间的差是否在预定范围内；以及
驱动控制器，用于根据由所述判断器判断的所述BLDC电机是否堵转来控制所述BLDC电机的驱动。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，
当所述电角度和所述机械角度之间的差超出所述预定范围时，所述判断器判断所述BLDC电机中发生错误。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，
当通过将发生错误的次数与初始化值相加而获得的值大于预定阈值时，所述判断器判断所述BLDC电机堵转。
4.根据权利要求2所述的装置，其中，
当在所述BLDC电机中发生错误时，所述判断器对发生错误的次数进行计数，并且
当通过将发生错误的次数与初始化值相加而获得的值等于或小于预定阈值时，所述判断器重复地判断所述电角度和所述机械角度之间的差是否超出所述预定范围。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，
当在所述BLDC电机中未发生错误时，所述判断器从所述初始化值中减去与预定值对应的发生错误的次数。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，
当所述判断器判断所述BLDC电机堵转时，所述驱动控制器将所述BLDC电机的速度值控制成0。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，
所述预定范围基于90度设置；
当所述BLDC电机处于正常状态时，所述电角度和所述机械角度之间的差保持在90度；并且
当所述BLDC电机处于堵转状态时，所述电角度和所述机械角度之间的差超出所述预定范围。
8.一种检测无刷直流电机即BLDC电机过载的方法，所述方法包括：
从施加到所述BLDC电机的电流值导出所述BLDC电机的机械角度；
测量所述BLDC电机的电角度；
判断所述机械角度和所述电角度之间的差是否在预定范围内；
对所述机械角度和所述电角度之差超出所述预定范围的发生错误的次数进行计数，以及
基于所述发生错误的次数判断所述BLDC电机是否堵转。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，
根据所述发生错误的次数判断所述BLDC电机是否堵转包括当所述发生错误的次数等于或大于预定阈值时，判断所述BLDC电机堵转。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，
判断所述机械角度和所述电角度之间的差是否在预定范围内包括：
当所述机械角度和所述电角度之间的差在所述预定范围内时，判断所述BLDC电机处于正常状态，并且当所述机械角度和所述电角度之间的差超出所述预定范围时，判断所述BLDC电机处于堵转状态。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，
对所述机械角度和所述电角度之差超出所述预定范围的发生错误的次数进行计数包括：
当所述BLDC电机处于所述正常状态时，从先前错误值减去与预定值对应的所述发生错误的次数；以及
当所述BLDC电机处于所述堵转状态时，将与所述预定值对应的所述发生错误的次数与所述先前错误值相加。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，
基于所述发生错误的次数判断所述BLDC电机是否堵转包括：
判断通过将与预定值对应的所述发生错误的次数与先前错误值相加或从所述先前错误值减去与所述预定值对应的发生错误的次数而获得的当前错误值是否等于或大于预定阈值。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，
当所述当前错误值等于或小于预定阈值时，重复测量所述电角度和所述机械角度之间的差是否超出所述预定范围。
14.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：
在基于所述发生错误的次数判断所述BLDC电机堵转时将所述BLDC电机的速度控制成0。
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