CN1185056A - 驱动直流无刷电动机的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种驱动直流无刷电动机的装置,包括有低通滤波器回路的位置检测回路,该低通滤波器回路去掉斩波频率分量,并且在电动机最大转速时有60—90°相位迟后,包括一个转动频率计算部分,以及一个相位校正量计算部分,它根据转动频率计算部分算出的转动频率进行计算,设定使相位迟后落在0°至小于30°范围内的转速范围内产生30°相位迟后的换向时间点,及使相位迟后落在30—90°范围内的转速范围内产生90°相位迟后的换向时间点。

Description

驱动直流无刷电动机的方法和装置

本发明涉及一种驱动直流(DC)无刷电动机的方法和装置，其中励磁电流在占空比控制下被加到驱到绕组，转子的转动位置是根据由于转子转动，在驱动绕组中感应的电压检测出，并且根据检测到的位置进行换向控制。

现有技术包括一个直流无刷电动机驱动装置，由施加根据转子转动在驱动绕组中感应的电压检测到的转子转动位置所要求的换向控制来达到所谓的无探测器运行。还知道一个由改变斩波信号的占空比来调节施于直流无刷电动机的驱动绕组的平均电压的结构。当试图在一个结构中实现无检测器运行时，该结构斩波施加到驱动绕组的电压，但是，无检测器运行由用于斩波的脉冲信号迭加到在驱动绕组中感应的电压上而受到阻碍，日本专利申请公开No.Sho 58-25038(′038)，教导了用于克服这个困难的一种结构，它用滤波器将这两种信号分量分开，从而使可进行无检测器运行，而不受斩波信号的影响。

′038的教导为通过一阶迟后滤波器得到在驱动绕组中的感应电压，去掉与占空比控制相关的斩波频率分量，因此，得到信号，其中在开路的一相中感应的电压电平的极性反转时间为相位迟后90°，并且用这些信号控制加到驱动绕组的驱动电流的换向。

但是，在一个实际的直流无刷电动机驱动装置中，除了由一阶迟后滤波器所产生的相位迟后以外，还存在其它相位迟后的因素。例如，一些时间迟后不依赖转动频率出现，同时，驱动绕组线圈的电感分量延迟了电流切换以后电动机电流的升高。这些相位滞后因素产生换向迟后，力图变成特别显著并且降低电动机在高速区的效率。此外，如′038专利教导的由延迟90°的极性反转的时间来换向导致用前一相位的控制信号换向，该控制对于电动机转动不是最佳的，并且特别是在起动力小的低速区内可能引起振动和扭振噪音。

为了解决这些问题，日本专利申请公开No.Hei 8-80083教导了一种数字控制方法，该方法可使换向控制在延迟30°角的时间进行。由于该数字方法只能当斩波信号通时可以识别驱动绕组中的感应电压，但是它不总能在最佳时间实现换向。为避免这个问题，斩波频率必须可变，但这将要求复杂的费用高的电路。

因此，本发明的一个目的是提供一种驱动直流无刷电动机的方法和装置，它能克服以上所说的现有技术的缺点。

本发明的另一个目的是提供一种驱动直流无刷电动机的方法和装置，使电动机在高转速区内在最佳换向时间达到高效率，并且由实现换向与电动机转动的配合，使在低转速区抑制振动和噪声。

为达到上述目的，本发明提供一种驱动具有磁铁转子和驱动绕组的直流无刷电动机的方法，该方法将根据磁铁转子转动在驱动绕组中感应的电压换向的斩波驱动电流加到驱动绕组来实现，该方法包括得到表示在直流无刷电动机最大转动速度时所感应出的迟后60-90°相位的电压信号的一个步骤。是将该感应电压通过低通滤波器装置抑制由于斩波驱动电流而出现的电压分量，该方法还包括从得到电压信号的步骤中得到的电压信号得出磁铁转子转动位置的数据的一步骤，该方法还包括根据转动位置数据，直流无刷电动机转动速度及低通滤波器装置的相位迟后特性数据，设定斩波驱动电流换向的最佳时间点的一步骤，以及在设定时间点的步骤中设定的时间点上将斩波驱动电流换向的步骤。

由低通滤波器装置得到的感应电压分量的相位迟后决定于直流无刷电动机的瞬时转动速度。因此，由低通滤波器装置得到的感应电压分量的瞬时相位迟后的值可以从转动速度及低通滤波器装置的相位迟后特性得出，并可根据该数值设定最佳换向时间点。

最佳换向时间点是根据由此所得到的在驱动绕组中产生的感应电压相位迟后的数值来设定的。例如由计算产生30°相位迟后的换向时间，最佳换向时间点可以被设定在相位迟后数值落在0°至小于30°范围内的转速范围内，并且被设定在由计算产生90°相位迟后的换向时间点得到使相位迟后值落在30-90°值范围内的转速范围内。

本发明的另一方面是提供驱动具有磁铁转子和驱动绕组的直流无刷电动机的装置，用输出由磁铁转子转动在驱动绕组中感应的电压而供到驱动绕组中的斩波驱动电流的换向控制用的换向控制信号来实现驱动，该装置包括响应从驱动绕组得到电压的低通滤波器回路，并且有可以抑制与斩波驱动电流相关的电压的电压分量的相位迟后特性，以及输出表示在直流无刷电动机的最高转速下，感应的有60-90°相位迟后的感应电压分量的电压信号，包括一个对应低通滤波器回路输出的脉冲信号输出回路，用于输出表示磁铁转子的转动位置的多个脉冲信号，包括响应脉冲信号输出回路的输出的速度计算装置，用以计算直流无刷电动机的转速，包括换向时间点设定装置，它对应转速计算装置及用于设定最佳时间点，来根据相位迟后特性数据控制换向的脉冲信号输出回路的输出，包括控制信号输出装置，对应换向时间点设定装置的输出，用于输出换向控制信号。

关于在驱动绕组中出现的电压分量，该低通滤波器回路仅输出由磁铁转子转动感应的电压分量。这些感应的电压分量包括相位迟后分量，它是直流无刷电动机的瞬时转速的函数。决定转速和相位迟后之间关系的相位迟后特性的数据是予先知道的。换向时间点设定装置可以用这些数据得到对应由转速计算装置计算的瞬时转速的相位迟后。根据如此得到的在驱动绕组中产生的感应电压的相位迟后的值设定最佳换向时间点。例如该最佳换向时间点可以由计算产生30°相位迟后的换向时间点，被设定在使相位迟后值落在0°至小于30°的范围内的转速范围内，并且由计算产生90°相位迟后的换向时间点，设定在使相位迟后值落在30-90°范围内的转速范围内。

控制信号输出装置输出换向控制信号用以控制对应由换向时间点设定装置设定的换向时间点数值的换向。供到驱动绕组的驱动电流的换向根据这些换向控制信号进行。因此，在低转速区内，相位迟后小，检测到的磁铁转子的转动位置可以很快地被反映到用于换向控制的换向时间点的设定，这使得甚至在低转速时，起动力矩小时，也不会发生转速波动。

图1示出根据本发明的用于驱动直流无刷电动机的装置的总体结构。

图2为示出图1的位置检测回路的详细回路图。

图3A为示出频率对图2中低通滤波器回路的增益特性的关系曲线。

图3B为示出频率对图2中低通滤波器回路的相位特性的关系曲线。

图4为由位置检测回路得到的一组转子位置脉冲信号的波形图。

图5为示出在图1中为处处理转子位置脉冲信号的微计算机中一个结构的函数框图。

图6为示出换向时间点设定程序的流程图，图1中微计算机执行该换向时间点设定程序以设定换向时间点，进行换向控制。

图7为示出换向控制程序的流程图，图1中的微计算机执行该程序，以在由图6中换向时间点设定程序设定的换向时间点上进行换向控制。

如图1所示，一个三相Y接，两极直流无刷电动机10有一个A相驱动绕组11，B相驱动绕组12，C相驱动绕组13，及一个双极永磁铁转子14。由于该直流无刷电动机10为常规结构，在此，将不详细介绍它的结构。

直流无刷电动机10由根据本发明的直流无刷电动机驱动装置20来驱动。该直流无刷电动机驱动装置20有换向部分21，用于对供到驱动绕组11至13的驱动电流进行换向。如所示，该换向器部分21包括开关晶体管22-27，及二极管28-33，它们按常规方式连结。由微计算机40(以后进行解释)来的换向控制信号U-Z加到开关晶体管22-27基极。开关晶体管22-27由换向控制信号U-Z控制其导通/截止，以便将由直流电源34提供到驱动绕组11-13的驱动电流进行换向，从而转动永磁铁转子14。

该直流无刷电动机驱动装置20还有一个位置检测回路50，它由永磁铁转子14转动在驱动绕组11-13中感应的电压来识别永磁铁转子14的转动位置，并且将检测结果输出到微计算机40，作为位置脉冲信号ZA、ZB、ZC。

图2为位置检测回路50的详细回路图。该位置检测回路50有一个低通滤波器回路51，其输入为由A相驱动绕组11的端子A的电压。在此实施例中，低通滤波器回路51为由运算放大器OP，电阻R1、R2及电容C1、C2，按所示方式连结的二阶迟后有源滤波器。

图3A示出频率对低通滤波器回路51增益特性，图3B示出频率相对于其相位迟后特性的曲线。如图3A中所示，低通滤波器回路51的增益表现出到300Hz时基本上为0dB损失，直流无刷电动机10的转动频率在其最高转速，并且然后以大于300Hz的预定的速率减小。在本实施例中，供到直流无刷电动机驱动装置20的驱动电流的斩波频率被设定在3KHz。低通滤波器回路51的频率对增益的特性完全地足以保证对于3KHz信号分量的衰减。此外，图3B所示低通滤波器回路51的输入—输出相位迟后特性示出直到直流无刷电动机10的中速范围内的转动频率，相位迟后基本上等于零，随后，相位迟后随转速增加而增大，当到达300Hz时为90°，这是直流无刷电动机10在其最高转速下的转动频率。图3A和3B中，表示频率的横座标为对数标尺。

低通滤波器回路51几乎去掉了所有的A相驱动绕组11的A端上出现的电压中的斩波频率分量。因此，可以得到由永磁铁转子14的转动而在A端出现的电压分量中保持在非常低的水平的斩波频率分量。由低通滤波器回路51得到的电压信号VA的相位迟后是直流无刷电动机10的瞬时转速的函数。

出现在B相驱动绕组12的B端上的电压及出现在C相驱动绕组13的C端上的电压被送到低通滤波器回路52及低通滤波器回路53。由于低通滤波器回路52和53的结构与低通滤波器回路51的结构相同，因此，对应于低通滤波器回路51的那些分量也被给于相同的参考符号，并且不再进行解释。低通滤波器回路52得到出现在端B上的电压，并且随永磁铁转子14的转动输出一个电压信号VB。低通滤波器回路53得到在C端上出现的电压，并且随永磁铁转子14的转动输出一个电压信号VC。

电压信号VA被加到一个电压比较器54的负输入端上，电压信号VB被加到电压比较器55的负输入端上，电压信号VC被加到电压比较器56的负输入端上。电压比较器54、55和56的正输入端连接到一起，并且，电压信号VA、VB和VC分别经过电阻57、58和59加到其上。加到电压比较器54、55和56的正输入端上的电压因此为经电阻57、58和59的电压求和所得到的一个虚拟的中性点电压VN。在电压比较器54、55和56上，电压信号VA、VB和VC与该虚拟中性点电压VN相比较，因此，电压比较器54、55和56只有当其负输入端上的电压低于虚拟中性点电压VN时才各输出一个高电平。

图4中示出一个转子位置脉冲信号ZA、ZB和ZC的波形的例子。这些波形的数值变化点表明永磁铁转子14来到相对于相应驱动绕组的时间点。换句话说，转子位置脉冲信号ZA、ZB和ZC包含了永磁铁转子14的转动位置的信息(数据)。这些转子位置脉冲信号ZA、ZB和ZC被输入到微计算机40。微计算机40根据由转子位置脉冲信号ZA、ZB和ZC所携带的关于永磁铁转子转动位置的数据，与永磁铁转子14的转速相关的转动频率数据及图3B中的相位迟后特性来设定最佳换向时间点。微计算机40在如上方法所设定的最佳换向时间点上输出一组换向控制信号U-Z。

图5示出微计算机中处理转子位置脉冲信号ZA、ZB和ZC的一个结构的功能框图。转子位置脉冲信号ZA、ZB和ZC被输入到一个转动频率计算部分41，该部分负责计算永磁铁转子14的瞬时转动速度。由计算得到的转速得出的转动频率数据被设定到一个换向时间点设定部分42中。

换向时间点设定部分42包括一个相位校正量计算部分43，它根据从转动频率计算部分41来的转动频率数据及转子位置脉冲信号ZA、ZB和ZC，用于根据永磁铁转子14的瞬时转动速度校正转子位置脉冲信号ZA、ZB和ZC的数值水平变化时间点。

为相位校正量计算部分43提供了一个相位迟后计算部分43B和一个用于储存对应图3B所示频率对相位特性的存储器43A。相位迟后计算部分43B从转动频率计算部分41得到转动频率数据，并且根据这些数据以及从存储器43A读出的数据来计算在低通滤波器回路51-53中的瞬时相位迟后。

表示相位迟后计算部分43B的计算结果的数据被送到一个较正部分43C，该校正部分43C还接收转子位置脉冲信号ZA、ZB和ZC。当由相位迟后计算部分43B算出的相位迟后小于30°时，校正部分43C校正转子位置脉冲信号ZA、ZB和ZC的显著数值变化时间点，因此，换向时间点变为迟后于在低通滤波器回路51-53的输入上的转子位置脉冲信号ZA、ZB和ZC的显著的数值变化点30°的时间点。根据这个校正的结果设定换向时间点。当由相位迟后计算部分43B算出的相位迟后在30°至小于90°之间时，校正部分43C校正转子位置脉冲信号ZA、ZB和ZC的显著的数值变化时间点，使得换向时间点变为迟后于低通滤波器回路51-53的输入上的转子位置脉冲信号ZA、ZB和ZC的显著数值变化点90°的时间点，根据这个校正结果设定换向时间点。

换句话说，当由图3B中所示相位迟后特性及直流无刷电动机10的瞬时转动频率发现转子位置脉冲信号ZA、ZB和ZC的相位迟后小于30°时，该相位校正量计算部分43设定换向时间点为转子位置脉冲信号ZA、ZB和ZC的显著数值变化时间点以后迟后30°，同时，当发现转子位置脉冲信号ZA、ZB和ZC的相位迟后在30°至小于90°范围内时，相位校正量计算部分43设定换向时间点为在转子位置脉冲信号ZA、ZB和ZC的显著数值变化时间点以后迟后90°。

相位校正量计算部分43将表明设定的换向时间点的换向时间点数据送到一个换向指令部分44，该部分将表明换向时间的时间数据输出到换向器驱动部分45。

负载率指令部分46产生并输送指定为斩波驱动电流的斩波信号的负载率的负载率指令数据到换向器驱动部分45，以便调整施于绕组11、12和13的平均电压。换向驱动部分45根据负载率指令数据及由换向指令部分44来的时间数据输出换向控制信号U、V、W、X、Y、Z。

根据图5中的功能块，由使微计算机40执行为此目的的程序来完成。由于示于图1中的微计算机40的硬件结构是众所周知的，在此将不对它们做详细解释。

图6示出由微计算机40执行进行换向时间点设置程序的流程图。图6所示换向时间点设定程序是由输入的转子位置脉冲信号ZA、ZB和ZC中的一个发生数值变化而启动执行。首先在步骤61，从转子位置脉冲信号ZA、ZB和ZC的数值变化之间的时间间隔，计算出直流无刷电动机10的转动频率。在步骤61进行的计算对应于图5中的转动频率计算部分41中的计算。下一步，在步骤62，检查是否换向时间点已经被设定。

如果换向时间点还没有被设定，步骤62的结果为“否”，并且控制程序去执行步骤63。步骤63根据转子位置脉冲信号ZA、ZB或ZC的数值变化时间点，由在步骤61中计算出的转动频率及由低通滤波器回路51-53的相位迟后特性计算出的相位校正量来计算并设定换向时间点。由于当步骤62发现没有设定换向时间点，才去执行步骤63，步骤63中的计算完成设置具有90°相位迟后的换向时间点的设定。计算是按照图5中相位校正量计算部分43的方式来解释的。一旦当根据计算结果设定了换向时间，步骤63的执行中止，并接下去进行其它的处理。

当步骤62中的检查结果为“是”，则控制程序去执行步骤64。步骤64计算具有90°相位迟后的换向时间点，并且根据计算结果存储换向时间点。接下去的步骤65则计算具有30°相位迟后的换向时间点。计算30°相位迟后的换向时间点是按照图5中相位校正量计算部分43的方式来解释的。

下一步骤66中，在步骤65计算的有30°相位迟后的换向时间点T30与当前的时间点TN相比较，并且进行判断，确定换向时间点T30是否已经通过。如果换向时间点T30已经通过，步骤66的结果为“是”，并且程序转为去其它的处理，而不设定在步骤65中计算出的换向时间点。如果换向时间点T30还未通过，步骤66的结果为“否”，并控制程序去执行步骤67。步骤67将步骤65中算出的具有相位迟后30°的换向时间点做为新的换向时间点设定到在步骤64中计算并存储的具有90°相位迟后的换向时间点的位置上，然后程序转去执行其它处理过程。

当根据图6的流程图达到了换向时间设定，进行换向控制。这个处理过程将参考图7的流程图来解释。示于图7中的换向控制程序当由图6的流程图设定的换向时间点到来时被启动执行。首先，在步骤71，在换向信号发生程序(未示出)的控制下，发出换向指令，输出一组换向控制信号U、V、W、X、Y、Z。

在下一步骤72，检查在存储器中是否存了一个具有90°相位迟后的换向时间点。如果具有90°相位迟后的换向时间点已经被存到存储器中，步骤72的结果为“是”，并且控制转到步骤73，在那里根据存储的换向时间点来设定换向时间点。接下去程序转到其它处理。当步骤72的结果为“否”，不进行换向时间点的设定，并且程序转到其它处理。

在前面所解释的结构中，在每个从位置检测回路50(步骤62)得到的转子位置脉冲信号ZA、ZB和ZC中任一个的每个数值变化点上，均检查是/否存在换向时间点，并且当没有设定换向时间点时，进行具有90°相位迟后的换向时间点的计算和设定。另外，当设定了一个换向时间点后，分别为具有90°相位迟后和具有30°相位迟后的两个换向时间点被计算(步骤64、65)，并且，如果在步骤65计算的具有30°相位迟后的换向时间点还没有通过，在步骤65中得到的具有30°相位迟后的换向时间点被设定为在现有设定的换向时间点位置上的新的的换向时间点。

低通滤波回路51-53完全地阻断了斩波频率分量，并且其中的相位迟后是直流无刷电动机10的瞬时转动频率的函数。当尚无换向时间点被设定时，根据在低通滤波器回路51-53中的相位迟后，计算出两个换向时间点，一个做为带有30°相位迟后的换向时间点，另一个做为带有90°相位迟后的换向时间点，因此直流无刷电动机10有可能根据其瞬时转速，利用具有30°相位迟后的换向时间点，在到达换向时间点T30以前计算出换向时间点来，从而能运转在最佳换向时间点。

本发明的效果包括(a)由于确保大的斩波频率分量衰减，因此，位置检测信号的相位延迟不受负载率不同的影响，(b)电动机电流增大的延迟被校正，便于换向时间提前，即便于为了降低相位校正量的提前控制，(c)在斩波过程中，可以在任何时间进行位置检测，因此，可容易实现稳定运行，甚至在低负载情况下，当工作周期短，并且当微计算机带有最小负荷情况下也能稳定运行。

Claims (13)

1.一种驱动具有磁铁转子和驱动绕组的直流无刷电动机的方法，其是将基于由磁铁转子转动在驱动绕组中感应的电压换向的斩波驱动电流供到驱动绕组，该方法包括：

得到表示在直流无刷电动机的最高转速，相位迟后60-90°的感应电压的电压信号的步骤，将感应的电压通过低通滤波器装置以阻碍由于斩波驱动电流而出现的电压分量，

由得到电压信号的一个步骤得到的电压信号取得关于磁铁转子转动位置数据的步骤，

根据转动位置数据，直流无刷电动机的转速及低通滤波器装置的相位迟后特性数据设定斩波驱动电流的最佳换向时间点的步骤，以及，

在设定步骤中设定的时间点上进行斩波驱动电流换向的步骤。

2.权利要求1中的方法，其中设定步骤包括得到直流无刷电动机转动速度的数据，并且根据转动速度数据，转动位置数据及低通滤波器装置的相位迟后特性数据设定最佳换向时间的步骤。

3.权利要求2中的方法，其中设定步骤由转速数据及相位迟后特性数据计算低通滤波装置中瞬时相位迟后，并且根据计算出的相位迟后和转动位置数据设定换向时间点。

4.权利要求3中的方法，其中换向时间点设定到使相位迟后落在0°到小于30°范围内的转速范围内能产生30°相位迟后，并使相位迟后落在30-90°范围内的转速范围内能产生90°相位迟后。

5.一种用于驱动具有磁铁转子和驱动绕组的直流无刷电动机的装置，由输出换向控制信号来控制斩波驱动电流换向，斩波驱动电流是由磁铁转子转动在驱动绕组中感应的电压提供的，该装置包括：

针对由驱动绕组得到的电压的低通滤波器回路，并且有相位迟后特性，可以抑制与斩波驱动电流相关的电压的电压分量，并且输出电压信号表示在直流无刷电动机的最高转速下感应的相位迟后60-90°的电压分量，

一个脉冲信号输出回路，它响应低通滤波器回路的输出，用以输出表示磁铁转子转动位置数据的多个脉冲信号，

速度计算装置，响应脉冲信号输出回路的一个输出，用于计算直流无刷电动机的转速，

换向时间点设定装置，响应速度计算装置及脉冲信号输出回路的输出，以设定一个最佳时间点，根据相位迟后特性数据来控制换向，以及

控制信号输出装置，响应换向时间点设定装置的输出，用以输出换向控制信号。

6.权利要求5中的装置，其中换向时间点设定装置包括存储器装置，用于对应于存储相位迟后特性的数据，包括相位迟后计算装置，响应转速计算装置和存储装置，以计算由驱动绕组输入到低通滤波器回路的电压的瞬时相位迟后，还包括校正装置，由校正根据多个脉冲信号及由相位迟后计算装置计算的相位迟后的多个脉冲信号携带的转动位置信息，设定最佳换向时间点。

7.权利要求6中的装置，其中校正装置设定使相位迟后落在0°至小于30°范围内的转速范围内产生30°相位迟后的换向时间，以及使相位迟后值落在30-90°范围内的转速范围内产生90°相位迟后的换向时间点。

8.权利要求5中的装置，其中，换向时间点设定装置进一步包括一个换向指令部分，它响应校正装置，根据最佳换向时间点输出表示供到驱动绕组的斩波驱动电流的换向时间的时间数据。

9.权利要求8中的装置，其中，根据时间数据输出换向控制信号。

10.权利要求9中的装置，其中，供到驱动绕组的电压的平均值，可以用换向控制信号的占空比调整。

11.权利要求6中的装置，其中，换向时间点设定装置进一步包括一个换向指令部分，它响应校正装置，根据最佳换向时间点输出表示供到驱动绕组的斩波驱动电流的换向时间的时间数据。

12.权利要求11中的装置，其中换向控制信号根据时间数据输出。

13.权利要求12中的装置，其中供到驱动绕组的电压的平均值可以由调整换向控制信号的占空比来进行调整。

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