CN1274194A - 控制无刷直流型电动机的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本方法在于从相电压(Va－Vb－Vc)的采样读数中推导来确定有用于切换相电流(Ia－b－c)的转子的角位置,并通过检测插在驱动逆变器的三相星形桥路(PO)的负电源导体上的旁路电阻器(RS)上的电压(Vs)来测量每相的电流,该逆变器产生提供给所述电动机的这组三相电压(Va－Vb－Vc)。

Description

控制无刷直流型电动机的方法和装置

本发明涉及用于控制无刷直流电动机(通常公知缩写为BLDC)的方法和装置，它使得可把所述电动机有利地应用于移动投纬织机的纬纱导纱器中的纬纱卷绕臂。

众所周知，纬纱导纱器包括一固定滚筒，就象钓鱼卷轴一样，纬纱卷绕臂在该滚筒上卷绕多匝纱线，这些纱线构成一纬纱储备(reserve)。在织机需要时，在每个纬纱插入处，解开导纱器上的所述匝纱线，纬纱卷绕臂在监控微处理器的控制下卷绕新的多匝纱线，以恢复纬纱储备。

目前广泛用于移动纬纱卷绕臂的电动机是三相异步型。这一选择是本质上由这些电动机的固有特性所规定的，主要是因为这些电动机结构简单而坚固且完全没有相互滑动接触的元件而提供了低的安装和维修成本。

此外，半导体技术的进步使得可获得这样的控制微处理器，它们集成了能对启动所述电动机的逆变器直接产生控制信号波形的外设，这里术语“逆变器”指能产生一多相正弦电压(其幅度和频率可根据需要而改变)体系的驱动装置。

然而，虽然就性能/成本比而言，所述三相异步电动机产生了令人满意的功效，但它们的某些缺点限制了所述性能，尤其是在用于移动纬纱导纱器的所述纬纱卷绕臂时。

这些缺点中最大的一个是，不可能对电动机所产生的转矩提供有效而简单的控制。为此，实际上必需采用复杂的矢量型控制体系，然而，由于需要大量传感器(至少两个用于相电流控制，一个用于检测旋转速率)及高的计算能力要求，这些体系不适用于在所述纬纱导纱器上以低成本安装。相应地，通常通过对电动机速度调节假设一开环系统，从而留下将由所述电动机跟踪的逆变器设定的同步速度来避免这些昂贵而复杂的矢量型控制体系。

然而，这样不可能从电动机中获得高水平的动态性能，这在所述导纱器的纬纱卷绕臂需要提供高的加速度和减速度(因投纬速度的不断增加而发生得越来越频繁)时是一个严重的缺点。

此外，由此开环调节体系，被电动机所吸收的电流明显地高于实际需要，因此，过度吸收的功率作为热量耗散，从而使电动机及逆变器功率部件的电子元件发生危险的过热。

为了移动所述纬纱导纱器中的纬纱卷绕臂，本发明的目的是通过以以上所述的无刷直流型电动机替代三相异步电动机并提供用于控制所述无刷电动机(尤其适用于满足现代纬纱导纱器的操作需求)的方法和装置来消除这些严重的缺点。

替代三相异步电动机而使用无刷电动机所提供的优点基本上在于，可利用对电流(它循环在切换的定子各相中)的相应控制直接而容易地控制转矩；提高功率/体积(volume)比，结果对于产生的相等功率，相应地从整体上减小电动机及导纱器的尺寸；减小转子的惯量，以允许更好的加速；通过采用沿直径的匝来简化定子绕组。

然而，目前用于驱动无刷电动机的常规装置通常具有监控微处理器、角速度传感器及其一组以步长为60的电角度对转子的角位置进行编码的三个位置传感器。此信息实际上是为了使监控微处理器切换正确的定子各相位，即产生与永磁体所产生的转子磁通量正交的定子磁通量的相电流。

然而，存在的所述角速度和位置传感器使驱动装置的结构明显变得复杂且抵销了以上所列的无刷电动机的大多数典型优点，一个方面是明显地增加了所述电动机的安装成本及其整个尺寸，同样，另一方面是明显地减少了电动机/控制系统的可靠性。

本发明的目标是提供了一种控制无刷电动机的方法和装置，该方法和装置通过消除常规控制系统的缺点，有利于把所述电动机应用于移动纬纱卷绕臂，保持其固有的特性(它们尤其有利于此应用)，及所获得的所有优点。

在此目标的范围内，本发明的一个目的是提供一种简单、便宜且高度有效和可靠的调节方法和装置。

依据本发明，通过具有附加权利要求书中所述特定特征的无刷型电动机的控制方法和装置来实现这些和其它目的，它们将在以下变得更加明显起来。

基本上，本发明基于省去控制系统中的角速度传感器和一组对转子的角位置进行编码的三个传感器，以及通过对电动机相电压的采样读数的推导来确定所述速度和位置，从而给监控微处理器提供有用于定子相切换的相应信息。此外，依据本发明，利用插在三相电源桥路的负导体上的旁路(shunt)电阻来测量每个相位的电流，因为一次只有一个电流在无刷电动机中循环。

提供了非限制性举例，从以下详细描述并参考附图将使依据本发明的控制方法和装置的进一步特性和优点变得明显起来，其中：

图1a、1b和1c从整体上形成依据本发明的控制装置的电气图；

图2是驱动图1a-c的装置的控制微处理器的图，其中集成了相应外设；

图3是由图1的控制装置所控制的电动机的定子绕组的电气图；

图4是绘出图3的定子绕组中所产生的反电动势的图。

在图1中，PO一般指本质上为公知类型的驱动逆变器的星形桥路，它产生一组三相电压Va-Vb-Vc，在所示的例子中把该组电压加到无刷电动机BLDC。

以本质上公知的方式，由六个MOSFET或IGBT型功率晶体管Q1...Q6来构成桥路PO，每个晶体管都设有加上各个切换信号G1...G6的控制电极(栅极)，且每个晶体管都具有与晶体管并联排列成一体的回流二极管。把DC电压V馈送到所述桥路，并把它加到正导体Cp及接地的负导体Cn之间。

如以下详细所述，依据本发明，由图1b所示的相应检测电路CL来检测相电压Va-Vb-Vc中的每一个，并由所述电路把它们发送到模拟-数字转换器A/D的相应通道(channel)Ch(它构成监控微处理器MC的集成外设)，以给所述微处理器提供有用于切换定子各相的信号。

每个电路CL包括把各个相电压(所示例子中的Va)衰减到与转换器A/D的输入相适配的值的分压器R1-R2，接着是设计成把所示电阻器R1-R2与在转换器A/D的所述相应通道上直接发送的信号去耦合的放大器A1。

依据本发明的另一个特征，检测在各相中切换的电流，以利用旁路电阻器RS转换成电压Vs而把相应的有用信号提供给微处理器MC，该电流在负导体Cn上循环以对桥路PO供电。为了限制旁路电阻器RS上的耗散，必需把电压Vs选择得较低，从而便于在如图1c所示的相应检测电路LS中进行处理，该检测电路LS是由包括放大器A2(由电阻性分压器R4-R5的电压反馈)的网络形成的；所述网络引入了等于1+R4/R5的放大因子。在低通滤波器R3-C1中对放大器A2的输出进行滤波，这消除了信号Vs中所存在的高频噪声(由功率晶体管Q的快速切换而产生)，把经滤波的信号发送到转换器A/D的一相应通道Ch(它也是微处理器MC的一个集成外设)。相应地，外设A/D具有专用于读取相电压的至少三个通道Ch1-2-3及专用于读取依据相应的电压Vs而表示的相电流的附加通道Ch4。

也集成在微处理器MC中的附加外设WFG(波形发生器)产生逻辑信号GL1-GL6，随后的电路块GD(栅极驱动器)把所述信号转换成用于控制功率晶体管Q1-Q6的电极G1-G6的真实信号。

现在参考图3和4来描述依据本发明的无传感器切换方法。

众所周知，在BLDC电动机中，随着电角度的变化，由相电流(图3)在相应的绕组中感应出的反电动势Ea-Eb-Ec具有如图4的图所示的梯形性状。所述图还绘出以各个相A-B-C循环的电流Ia-b-c。该图示出在切换在所考虑的绕组中循环的相应电流Ix前和后普通反电动势Ex过零30度电角度。

依据本发明的方法在于取把反电动势Ex的过零作为确定相应电流Ix的切换时间的时间基准。此外，微处理器从同一时刻各个相电压Vx的值中推导出普通反电动势Ex的过零。

参考图4的标记，I指电流，R和L指每相的电阻和电感，Vn指桥路PO对地的中央-星形(center-star)电压，事实上以下公式成立：

1)Va＝Ea+Vn

2)Vb＝Eb+RI+LdI/dt+Vn

3)Vc＝Ec-RI-LdI/dt-Vn

在Ea＝0的时刻，存在：

4)Va＝Vn及Eb＝-Ec

5)Vb+Vc＝2Vn＝2Va，相应地 $\mathrm{Va}=\frac{\mathrm{Vb}+\mathrm{Vc}}{2}$

更一般的是

6) $\mathrm{Vx}=\frac{\mathrm{Vy}+\mathrm{Vz}}{2}$

这意味着，未被供电的相(本例中的相A)的反电动势在该相的电压Va等于另外两个相电压的算术平均时过零。

相应地，依据本发明，微处理器MC被编程到以足够高的速率来采样相电压Va-Vb-Vc，并通过对每相检测各个反电动势变为零的相应电压值，从检测到所述值的时刻开始计算在其结尾处必需把驱动逆变器的桥路PO切换到随后的状态的时间Tc。

相应地，用于三个反电动相位的过零均等地隔开60°的电角度及60°p的机械角度(这里p为BLDC电动机的磁极(pole)数)，所以微处理器MC通过测量两个(或多个)连续过零之间的间隔来推导转子处的角速度。

相对于通过非限制性举例所描述和示出的内容，可对执行控制方法和进行该方法的装置的实施例进行大量变化，而不改变本发明的内容，从而保持本发明的范围。

Claims (8)

1.一种无刷直流(BLDC)电动机的控制方法，尤其用于移动投纬织机的纬纱导纱器中的纬纱卷绕臂，该方法的特征在于从相电压(Va-Vb-Vc)的采样读数中推导来确定有用于切换相电流(Ia-b-c)的转子的角位置，并通过检测插在驱动逆变器的三相星形桥路(PO)的负电源导体上的旁路电阻器(RS)上的电压(Vs)来测量每相的电流，所述逆变器产生提供给所述电动机的这组三相电压(Va-Vb-Vc)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述三相星形桥路(PO)的状态切换是在时间(Tc)的结尾处启动的，所述时间(Tc)是从未被供电的相的反电动势(Ex)变为零的时刻开始计算得到的，所述时刻与所述未被供电的相的电压(Vx)相应于其它两个相的电压的算术平均

的时刻相符。

3.一种用于执行如权利要求1和2所述的控制方法的装置，其特征在于包括一星形桥路(PO)的驱动逆变器，所述逆变器产生加到无刷电动机(BLDC)的一组三相电压(Va-Vb-Vc)，所述桥路(PO)包括六个功率晶体管(Q1...Q6)，给所述晶体管提供加在正导体(Cp)与负接地导体(Cn)之间的DC电压；所述功率晶体管(Q1...Q6)设有加上相应切换信号(G1-G6)的各个电极，所述信号是由控制微处理器(MC)的集成外设(WFG)所产生的。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于包括用于检测所述相电压(Va-Vb-Vc)的各个电路(LC)，每个检测电路(LC)的输出连到模拟/数字转换器(A/D)的相应通道(Ch1...3)，所述通道构成所述控制微处理器(MC)的另一个集成外设。

5.如权利要求3和4所述的装置，其特征在于星形桥路(PO)的所述负电源导体(Cn)包括产生相应于在桥路中循环的相电流(Ia-b-c)的电压(Vs)的旁路电阻器(RS)，由相应的检测电路(LS)来处理所述旁路电阻器(RS)测得的电压(Vs)，并从那里把所述电压直接发送到所述微处理器的转换器(A/D)的相应通道(Ch4)。

6.如权利要求4所述的装置，其特征在于用于检测相电压(Va-Vb-Vc)的每个电路(LC)包括一电阻性衰减分压器(R1-R2)及一把所述分压器的电阻器与发送到转换器(A/D)的相应通道(Ch)的信号去耦合的放大器(A1)。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于用于读取旁路电阻器(RS)所产生的电压(Vs)的电路包括一放大网络，所述网络具有由电阻性分压器(R4-R5)的电压反馈的放大器(A2)及适用于滤除从驱动桥路(PO)到达的切换噪声的低通滤波器(R3-C1)。

8.如权利要求3到7所述的装置，其特征在于所述微处理器(MC)被如此编程，从而以高的速率采样驱动桥路所产生的相电压(Va-Vb-Vc)，并在时间(Tc)的结尾处产生所述桥路(PO)的状态切换，所述时间(Tc)是所述微处理器证实未被供电的相(Ex＝0)的电压(Vx)等于其它相的算术平均的时刻计算得到的。

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