CN1190282A - 无传感器无刷直流电动机的控制电路及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种无传感器无刷直流电动机的控制装置与方法,可有效地滤去噪声干扰。该装置包括测量定子绕组的每相端电压的相电压测量单元、测定所述相电压的极性的相电压极性测定单元和产生比所述相电压极性测定单元所产生的相电压信号滞后90°的信号的数字移相器,该滞后信号用以控制换向单元,数字移相器具有两个计数器,对根据所测相电压形成的换向区间进行计数。

Description

无传感器无刷直流电动机 的控制电路及其方法
本发明涉及一种无传感器无刷直流电动机(下面简称为无传感器BLDC电动机)，它可应用于高温高湿或机内难以安装传感器的环境与场所，特别是涉及一种能很有效地滤去噪声干扰的无传感器无刷直流电动机的控制装置与方法，它具有一由两个计数器组成的数字移相器，在根据测得的相电压所形成的换向信号的一定区间，对每相进行计数而滤去噪声干扰。
根据电子工业器件小型化的要求，直流电动机最基本的一个问题无刷化的研究已在稳步地进行，并开发了一种控制向直流电动机正常供电的无刷电动机，在无刷电动机中最基本的问题是准确测定为供给正确电压所要求的电动机转子的位置。然而由于高温或高湿，位置测定装置的传感器很难正常工作，或又由于如压缩机这类装置，更不可能安置位置测定装置，这样就使得准确测定位置极为困难。此外，由于位置测定装置在BLDC电动机中所占据的空间很大，所以无传感器BLDC电动机也就应运而生。
无传感器BLDC电动机控制向定子绕组的供电是基于在转子没有位置传感器的情况下定子绕组端点的感应电压。
通过测定一个比较输出量波形的边缘来产生个边缘测定信号，该比较输出量是由沿转子旋转方向分布的定子多个绕组的每一个端点处产生的感应电压与一个标准电位(0伏)比较而得的。
同时为了消除当电源通断时形成的尖峰电压Vs引起的输出量的变化，对比较输出量进行了标准化处理。根据标准化后的比较输出量，就能实现对每一个定子绕组电源供电的控制，即实现换向。
然而，即使定子绕组不是处于电源通断状态，同样也能产生边缘信号，这就使得系统不能正确的工作。换句话说，这就使得定子绕组的换向时间变得不准确，因而电动机也就不能平稳地运转。
为了解决上述问题，提出了很多改进的办法。其中之一就是由日本公开专利No.4-317585(1992)所公开的改进技术，下面将详尽予以介绍。
图1是常规的无传感器BLDC电动机控制电路的方框图。图2是说明图1系统中各部分工作时的波形图。参照图1和图2，Lu，Lv与Lw每一个符号代表根据转子旋转方向安排的每一相定子绕组。标号1是换向信号发生电路。标号2，3和4分别表示多相驱动电路，零电位比较电路和边缘测定电路。标号5，6和7又分别代表时间控制电路，边缘测定控制电路和起动振荡电路。标号8和9则是时钟转换电路和控制单元。
根据时钟CK的信号，换向信号发生电路1发出多相控制信号，也就是换向信号，以此来控制每相定子绕组Lu，Lv和Lw上的电源供电。根据基于换向信号的相位，多相驱动电路2就向定子绕组Lu，Lv和Lw供电以实现驱动。零电位比较电路3分别将在定子绕组Lu，Lv和Lw每一个端点产生的感应电压U-N，V-N和W-N与零伏标准电位进行比较。在本系统中，采用了具有预定输入值的磁滞比较电路来作为零电位比较电路3。根据它们的相位，边缘测定电路4测定比较电路3的输出波形的边缘，并将之与每相边缘测定脉冲进行逻辑相加，从而产生换向信号发生电路1的标准时钟CK2。时间控制电路5将由边缘测定电路4产生的标准时钟信号CK2延迟到预定时间t2，并将此延迟后的标准时钟信号CK送往换向信号发生电路1以形成换向信号。
边缘测定控制电路6包括延迟电路61和或逻辑门电路62，它的工作原理是当定子绕组Lu，Lv和Lw已处于与电源接通或切断时，根据显示换向信号发生电路1的运行状态的状态信号，来防止对每一相应相的比较输出波形进行边缘测定。当电动机开始驱动时，振荡电路7产生标准时钟信号CK1。开关电路8接受来自振荡电路7的标准时钟信号CK1，通过时间控制电路5将标准时钟信号CK送往换向信号发生电路1。当电动机驱动后，开关电路8从边缘测定电路4中接受标准时钟信号CK2，通过时间控制电路5来将标准时钟信号CK送往换向信号发生电路1。控制单元9则根据由边缘测定电路4输出的标准时钟信号CK2来控制开关电路8。
下面继续对上述结构的控制电路的工作进行说明。上面所述的无传感器BLDC电动机的驱动电路根据将定子绕组Lu，Lv和Lw的每一个端点产生的感应电压U-N，V-N和W-N与每一个零伏标准电位进行比较，以及根据比较后输出量的相位对其每一个波形边缘进行测定，而得到用以进行换向的标准时钟信号CK。
与此同时，根据每相定子绕组Lu，Lv和Lw与电源的切换，用比较电路3来测定感应电压上所产生的尖峰电压Vs的影响，这样就可以在边缘测定电路4进行测定之前，通过边缘测定控制电路6来加以有选择地排除。
但是基于控制的实际情况，即使当定子绕组电源未处于接通或断开的条件下，在过渡过程时或处于重载情况下测得的相电压，仍然会产生对边缘测定有影响的噪声。因此即使令感应电压能通过零电压线时中止边缘测定，准确的换向信号的获得仍然会受到干扰。
因此本发明的目的是提供一种不易受到外部环境影响的装置和方法，使之无论在过渡过程和重载情况下都能得到稳定的供电。
本发明的第一方面是无传感器无刷直流(BLDC)电动机的控制电路，藉助于来自换向单元的供电信号控制多个定子绕组的磁化。它包括以下一些单元：测量定子绕组端电压的每相电压的相电压测量单元；测定由所述相电压测量单元测得的相电压的极性的相电压极性测定单元；产生延迟信号的数字移相器，它藉助于所述相电压极性测定单元的信号使所产生的信号比所述相电压滞后达90°，并将此延迟信号送向所述换向单元。
此外，数字移相器中还包含一个第一计数器，它对由相电压极性测定单元测定的信号的设定时间值进行累积计数；一个第二计数器，它对由相电压极性测定单元测定的信号的清零时间值进行累积计数；一个比较单元，它比较第一和第二计数器中一个计数器的值是否等于另一个计数器的半值；一个清零单元，根据比较单元的比较结果，当第一和第二计数器中一个计数器的值等于另一个计数器的半值时，就将另一个计数器中的半值清零，以及一个延迟信号发生单元，当由清零单元将第一计数器清零时，它产生清零信号，而当第二计数器清零时，它产生设定信号。
此外，数字移相器中最好还包含一个设定值比较单元，它将第一和第二计数器的每一个累积值与一预先选定值进行比较；一个设定值保持单元，根据设定值比较单元比较的结果，当每一个累积值大于该预先选定值时，就将该累积值作为预先选定值予以保持。
本发明的另一个方面是无传感器BLDC电动机控制多个定子绕组磁化的控制方法，是由换向单元供给的电源信号来对多个定子绕组的磁化进行控制的，控制步骤有：从每相定子绕组端电压来测量每相电压；由测量相电压步骤中得到的信号来测定相电压的极性；进行数字移相，以产生一个比来自所述相电压极性测定步骤所得的相电压信号滞后达90°的信号，同时将此滞后信号送往换向单元。
而在数字移相步骤中，最好还包括以下步骤：第一计数，对由相电压极性测定步骤中所得的正电压区域内的时间进行累积计数；第二计数，对由相电压极性测定步骤中所得的负电压区域内的时间进行累积计数；将这两个累积值进行比较，确定在第一和第二计数步骤时，其中某一个计数值是否等于另一个计数的半值；根据累积计数值比较步骤的比较结果进计数值清零，即当第一和第二计数器的某一个累积计数值等于另一个计数器的半值时，就将该另一个计数器的值清零；在计数器值清零过程中，如果是将第一计数器清零，则产生一个延迟信号来形成一清零信号，如果是将第二计数器清零，则产生一个设定信号。
有时，数字移相工作步骤也还包含有固定上述累积值的步骤，即将两个计数器的累积值每个都与预先选定值进行比较，看哪一个累积值比该预先选定值为大，当该累积值比该预定值大时将此累积值作为一预定值保持下来。
本发明的再一个方面是无传感器BLDC电动机的控制电路，它包括；阶跃信号发生单元，当电动机由零起动，其转速达到某一预定值时，发出一个阶跃信号；相电压测量单元，它测量电动机定子绕组每相的电压；相电压极性测定单元，它测定由相电压测量单元测得的相电压的极性；数字移相器，它输出一个相位比由相电压极性测定单元所测得的信号相电压的相位滞后90°的信号；模式选择单元，通过比较由阶跃信号发生单元产生的信号与由数字移相器产生的信号来选择一个信号；换向单元，输出该由模式选择单元选取的信号作为定子绕组的电源信号；逆变器，根据该换向单元的电源信号向电动机的定子绕组供给电源。
数字移相器还可以包括：两个积分单元，分别对相电压极性测定单元的不同极性的区域进行积分，并将此两个积分单元中的一个积分单元的值与另一个积分单元的半值进行比较，确定其是否相等；当一个积分单元的值等于另一个积分单元的值时，就由延迟信号发生单元发出一个延迟信号。
本发明的上述目的与优点还可以通过附图与其相应的说明得到更清晰的了解：
图1是说明常规无传感器BLDC电动机的控制电路的方框图；
图2是说明图1中各部分运行状态的波形图；
图3是用于本发明一实施例中的控制电路的方框图；
图4是说明图3方框图中各部分的波形图；
图5是进一步说明图4的数字移相器的电路图；
图6是说明由数字移相器形成的信号滞后90°过程的流程图；
图7是说明信号H1，H2和H3以及开关元件上下限的驱动信号的波形图。
通过附图以及各优选实施例的说明可以更清楚地对本发明的目的，特征及优点有所了解。
图3是应用于本发明一实施例的控制电路的方框图。图4是图3方框图中各个部分的波形图。为了简略，与图1中作用相同的部分就不再重复了。
图3中，标号110表示起动信号发生单元，它产生阶跃信号H1′，H2′和H3′直到电动机170由起动达到预定的速度。120表示相电压测量单元，它用以从每一个端点电压Va，Vb及Vc计算相电压，同时测定每一个相电压的极性。130则是一个数字移相器，它产生一个比由相电压测量单元测得的相电压的输入波形相位滞后90°的信号。140是模式选择单元，用以确定在起动阶段中电动机170是否达到预定转速。150是换向单元，它根据来自数字移相器130的信号或来自起动信号发生单元110的信号提供电源供电信号。160则是一个逆变器，它根据数字移相器130提供的转速信息与脉冲宽度调制器来的电压指令来加速电动机170。170则是由逆变器指令控制的无传感器BLCD电动机。此外，100表示一台微型计算机，它包括了起动信号发生单元110，模式选择单元140，换向单元150以及数字移相器130。
相电压测定单元120从由电动机170定子端点得到的端点电压Va，Vb及Vc来测取线间电压，如下式所示
Vab＝Va-Vb，Vbc＝Vb-Vc，以及Vca＝Vc-Va
利用公式Vn＝(Va+Vb+Vc)/3，由中点电压Vn可以求得如下式所示的各相电压。
Van＝Va-Vn＝(2Va-Vb-Vc)/3＝(2Vab+Vbc)/3
Vbn＝Vb-Vn＝(2Vb-Vc-Va)/3＝(2Vbc+Vca)/3
及Vcn＝Vc-Vn＝-Van-Vbn
相电压极性Sa，Sb及Sc通过用一个低通滤波器(LPF)从相电压Van，Vbn及Vcn中降低脉宽调制频率分量后，用磁滞比较器来获取。
如图4所示，相电压Van描述了通过低通滤波器后的输出波形，该输出通过一个运算单元完成上述公式的运算。所述相电压通过磁滞比较器后，它的极性以Sa示于图中。当感应电压Van值高于电压零线时，相电压极性信号Sa呈许多直边区段状。
数字移相器130根据通过正值计数器和负值计数器中的每一个符号，在每一次取样周期内，计算由相电压测量单元120测取的相电压的极性。
与此同时，无论正值还是负值计数器，当一个计数器的计数达到另一个计数器的半数时，该另一个计数器就被清零。两个计数器交替清零。如此操作，输出量处于设定值或复位值，从而产生了前述的相位比基波相位滞后多达90°的输出信号。
图5是进一步说明图4数字移相器130的电路图。数字移相器130由第一数字移相器130a，第二数字移相器130b和第三数字移相器130c组成。每一个数字移相器通过接受分别来自相电压测定单元120的相电压极性信号Sa，Sb及Sc而产生一信号相移。在这些数字移相器中，除了信号输入和输出外，都具有相同的产生信号相移的处理过程，因此我们仅以第一数字移相器130a为例来详尽进行说明。
当a相相电压极性信号Sa是正值时，正值计数器(以下简称Pa计数器)131a进行计数。相反，当a相相电压信号Sa是负值时，负值计数器(以下简称Na计数器)132a进行计数。
正值极性比较器134a将Pa计数器131a的数值与通过第一除法器133a除以2以后的Na计数器132a的数值进行比较，比较结果，当Pa计数器131a的数值与相应于Na计数器132a的一半数值的第一除法器133a的输出数值相同时，Na计数器132a的数值被清零。逻辑低电位的输出就转换成逻辑高电位。该逻辑高电位的输出一直保持到Pa计数器131a的数值小于第一除法器133a的输出值，或者它由Na计数器132a的值来清零。
相反，负值极性比较器136a将Na计数器132a的数值与通过第二除法器135a除以2以后的Pa计数器131a的数值进行比较，比较结果，当Na计数器132a的值与相应于Pa计数器131a的一半数值的第二除法器135a的输出数值相同时，Pa计数器131a的数值被清零。以上过程请参见图4。
图6是说明由数字移相器130形成一相位最大延迟90°的信号的过程流程图。
首先确定a相相电压Sa是否1(S1)。如果相电压Sa是1，具有起始值为零的Pa计数器的值就增加1(S2)，如果相电压Sa不是1，具有起始值为零的Na计数器的值就增加1(S3)。然后确定计数器Pa和Na的每一次数值是否小于预定值M(S4与S5)。预定值M是一个非常大的数值，因而它可防止每一个计数器数值的溢出。当执行到确定步骤S4时，当计数器Pa的值小于预定值M时，则确定计数器Pa的值是否等于计数器Na的半值(S7)。当计数器Pa的值大于预定值M时，就把计数器Pa的数值设定为M值(Sb)，然后再确定计数器Pa的数值与是否相当于计数器Na的半值(S7)。在步骤S7中，当计数器Pa的数值等于计数器Na的半值时，计数器Na恢复为零值，同时移相器输出Sao设定为1。在步骤S7中，如果计数器Pa的值不等于计数器Na的半值，工作结束。此外，在确定计数器Na的值是否小于预定值M的步骤S5中，当计数器Na的值小于预定值M，那就进一步确定计数器Na的值是否等于计数器Pa的半值(S8)。当计数器Na的值不是小于预定值M，计数器Na的数值就被设定为预定值M，然后再确定计数器Na的值是否等于计数器Pa的半值(S8)。在确定步骤S8中，当计数器Na的值等于计数器Pa的半值，计数器Pa的值被初始化为零，同时移相器输出Sao清除为0。在确定步骤S8中，当计数器Na的值不等于计数器Pa的半值，工作结束。
如图所示(参见图4)，在t0到t6区间内，当相电压Van是正值(+)，a相相电压极性信号Sa具有1值。t6区间以后，根据电流的快速变化，相电压进入负值(-)区域，同时在t5到t5峰值电压Vs区间内其值为零。同样，在t6到t12区间内，当相电压是负值时，相电压极性信号Sa具有0值。但由于电流快速变化而产生峰值电压Vs，因而相电压极性信号在相电压的值在正值区域时变为1。
如上所述，根据相电压极性信号Sa，在Sa的值为1的区域内，计数器Pa的值线性增加，而在Sa的值为0的区域内，计数器Na的值线性增加。同时，比较器比较某一计数器的值是否等于另一计数器的半值。当某一计数器的值达到另一计数器的半值，另一计数器的值就被清零。例如计数器Pa的值由零起始，当在t3时，其值达到计数器Na的半值，此时，计数器Na被清零。同样，当计数器Na在t5时其值由零线性增加，当在t9时，其值达到计数器Pa的半值。因而计数器Pa的值被清为零。在t3时，当计数器Pa的值等于计数器Na的半值时，移相器输出Sao被设定为1，而当在t9时，当计数器Na的值等于计数器Pa的半值时，它又被清为零。同时，Sao输出波形比信号Sa的波形相位滞后达90°。利用上述方法，也可以求得移相输出的其它两相Sbo与Sco的波形。将上述信号反向，形成了换向信号H1，H2和H3。
图7展示了信号H1，H2与H3以及开关元件上下限的驱动信号的波形图。换向信号H1，H2与H3分别相应于与相移信号Sbo，Sco及Sao反向的信号。相应地引入了开关元件上下限的驱动信号。同时，换向信号H1与H2之间形成120°的相位差，同理，H2与H3之间也存在在120°的相位差。图7中显示的波形A+，B+，C+，A-，B-与C-都加到逆变器160的开关元件上下限上，这样就接通了电源。
如上所述，数字移相器累积了各测定的相电压信号并滤去在测量相电压过程中噪声的影响。因而获得了不受过载或任何外部噪声影响的非常稳定和准确的换向信号。此外即使在重载情况下，这个系统也能使电流的过渡时间导前于换向时间，同时补偿电流滞后响应，因而提高了系统的效率。
虽然为了说明本发明我们公开了上述本发明的优选实施例，但本领域技术人员清楚地了解，在不超出和不违背由权利要求所限定的本发明的范围和精神实质的情况下，是可以进行修改，补充和替代的。

Claims (8)

1.无传感器无刷直流(BLDC)电动机的控制电路，利用换向单元供给的电源信号对多个定子绕组的磁化进行控制，该电路包括以下部分：
测量所述各相定子绕组端电压的每相电压的相电压测量单元；
测定由所述相电压测量单元测量所得的相电压极性的相电压极性测定单元；
产生滞后信号并将该滞后信号送至所述换向单元的数字移相器，该滞后信号比由所述相电压极性测定单元所测定的相电压相位滞后多达90°。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述数字移相器包括：
第一计数器，累积由所述相电压极性测定单元测定的信号设定时间值；
第二计数器，累积由所述相电压极性测定单元测定的信号清除时间值；
比较装置，用以比较第一和第二计数器中的一个计数器的值是否等于另一个计数器的半数值；
清零装置，根据所述比较装置的比较结果，当第一和第二计数器中的一个计数器的值等于另一个计数器的半数值时，该清零装置清除该另一个计数器的计数值；
滞后信号发生装置，当由所述清零装置对所述第一计数器清零时，产生一个清零信号；而当所述第二计数器清零时，产生一个设定信号。
3.根据权利要求2所述的电路，其中所述数字移相器包括：
设定值比较装置，它将所述第一和第二计数器的每一个累积值与一预先设定值进行比较；
设定值保持装置，当每一个累积值大于所述预先设定值，根据所述设定值比较装置的比较结果，该设定值保持装置将每个已累积值作为预先设定值来保持。
4.无传感器无刷(BLDC)电动机的控制方法，利用换向单元提供的电源供电信号对多个定子绕组的磁化进行控制，包括下述步骤：
从定子每相端电压测量每相电压；
由所述测量相电压步骤中测量得到的信号来测定相电压的极性；
进行数字相移以产生一滞后信号，该滞后信号比由所述的相电压极性测定步骤中所得的相电压信号的相位滞后多达90°，同时向所述换向单元输出该滞后信号。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述数字相移步骤还包括以下步骤：
第一累积计数，对来自所述相电压极性测定步骤的正电压区间的时间进行累积计数；
第二累计数，对来自所述相电压极性测定步骤的负电压区间的时间进行累积计数；
比较所述累积值，用以确定所述第一和第二计数步骤中的一个计数步骤中的值是否等于另一个计数步骤所得的半值；
清除计数器的数值，根据所述比较累积值步骤的比较结果，当所述第一和第二计数器中的一个计数器的累积值等于另一个计数器的半值时，将该另一个计数器的值清零；以及
产生一个滞后信号，当在所述清除计数器数值的步骤中将所述第一计数器清零时产生一清零信号，而当所述第二计数器清零时产生一设定信号。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述数字相移步骤还包括以下步骤：
固定累积值，用于比较所述计数器的每一个累积值是否大于一预先选定值，并当每一个累积值大于该预先选定值时，将此累积值作为一预定值予以保持。
7.无传感器无刷直流(BLDC)电动机的控制装置，包括以下部分：
阶跃信号发生单元，当电机由起动达到预定转速时产生一个阶跃信号；
相电压测量单元，用以测量所述电机每相定子绕组的电压；
相电压极性测定单元，用以测定由上述相电压测量单元测量的相电压的极性；
数字移相器，输出一个比由所述相电压极性测定单元测定的相电压信号的相位滞后达90°的信号；
模式选择单元，通过比较从所述阶跃信号发生单元产生的信号与从所述数字移相器产生的信号，来选取一个信号；
换向单元，用于输出该由所述模式选择单元选定的信号，将其作为定子绕组的电源供电信号；
逆变器，根据所述换向单元的电源供电信号向所述电动机的定子绕组输送电功率。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述数字移相器包括：
两个积分单元，用于对所述相电压极性测定单元的具有不同极性的区间进行积分；
比较器，用以比较所述两个积分单元中的一个积分单元的值是否等于另一个积分单元的半数；以及
滞后信号发生装置，用于当一个积分单元的值与另一个积分单元的相当时发出一个滞后信号。
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