CN1306340A - 用于检测无刷直流电动机内的转子位置的装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于检测BLDC电动机内的转子位置的装置,在这种装置中,可以仅利用电动机内的虚拟中性点电压以及单相电流,而检测出转子位置,以便减小转子位置检测所需的电路数目,因而节省了生产成本,并减小了由位置检测电路所占的面积。用于检测BLDC电动机内的转子位置的装置,包括:第一积分器;第二积分器;运算单元;第一比较单元;第二比较单元;位置信号计算器。

Description

用于检测无刷直流电动机内的转子位置的装置

本发明涉及一种无刷直流(BLDC)电动机，尤其涉及用于检测BLDC电动机内转子位置的装置。

BLDC电动机具有较高的效率，且比其它电动机易于控制。在这点上，BLDC电动机通常被用于变速驱动冰箱/空调以及洗衣机的压缩机。

为驱动BLDC电动机，应当对定子的磁通量进行控制，使其与来自转子的永久磁通量的磁通量电子正交，或与其具有一个角度。为此，以这种方式控制电动机的速度，使得总是检测转子的位置，并调节反相器开关元件的开关状态，以依据所检测的转子位置来确定定子的磁通量位置。因此，用于检测转子位置的结构对BLDC电动机的速度控制是必需的。

此外，依据所应用的相电流，将BLDC电动机的驱动模式分为方电流波形以及正弦电流波形。

以下，将参照附图，对用于检测BLDC电动机的转子位置的相关的已有装置进行说明。

图1显示了已有BLDC电动机的速度控制设备。参见图1，速度控制设备包括一个BLDC电动机1、一个转子位置检测器2、一个速度检测器3、一个减法器4、一个速度控制器5、一个电压控制器6、以及一个反相器7。转子位置检测器2检测加在反相器7上的电压的相位，该相位被输出到BLDC电动机，以便检测转子位置。利用由转子位置检测器2所检测的信号，速度检测器3检测BLDC电动机1的驱动速度。减法器4从自驱动控制器(未示出)输入的速度命令中减去自速度检测器3输入的速度检测信号，以获取一个速度误差。速度控制器5输出自减法器4输出的速度误差的电压指令(电压大小)。电压控制器6利用来自转子位置控制器2的信号以及来自速度控制器5的电压命令来确定反相器7的开关时间。反相器7输出作为一个变频电压的直流，以符合由电压控制器6所确定的开关时间。BLDC电动机1由来自反相器7的电压所驱动。

以下，将说明在上述的已有技术中的BLDC电动机的速度控制设备的操作。

在只在120°期间产生电流的双相导电模式中，由减法器4对来自驱动控制器(未示出)输出的速度命令以及由速度检测器3检测的速度检测信号ωr执行减法运算，所得到的值即速度误差被输出到速度控制器5。

利用转子位置检测器2的输出对来自速度检测器3的速度检测信号ωr进行计算。编码器或一个霍尔传感器被用作转子位置检测器2。转子位置检测器2检测BLDC电动机1的转子位置，并将所检测的值输出到速度检测器3以及电压控制器6。

随后，速度控制器5向电压控制器6输出符合从减法器4输出的速度误差的电压信号(电压命令)。

电压控制器6依据从速度控制器5输出的电压信号，来确定反相器7的开关状态，从而控制速度。

此时，编码器或霍尔传感器可被用作转子位置检测器2。在用于冰箱/空调的压缩机的情况下，由于环境因素例如是温度和压力，很难使用该传感器。因此，有必要从加到电动机上的电压或电流中检测出转子的位置。

在驱动波形中，方电流波形允许从未加电压或电流的区域内的相电压中检测出转子位置。换言之，通过检测未加电压或电流的断相的相电压变为零的点，可以每60°的电子角检测一次转子位置。

但是，在正弦电流波形中，不论转子位置如何，电压或电流总是加在A、B和C三相上。因此，以与方电流波形相同的方式，利用断相电压信息，就不能检测到转子位置。这样，可以通过检测A、B和C三相上的所有电压和电流，来检测转子位置。

如图3所示，不使用传感器的用于检测转子位置的转子位置检测器2包括一个电流检测器51、一个电压检测器52、一个第一位置检测器53、一个第二位置检测器54、以及第三位置检测器55。电流检测器51从由反相器7输出的每一个相位的预定交流电压中检测每一个相位的电流。电压检测器52从由反相器输出的每一个相位的预定交流电压中检测每一个相位的电压。第一位置检测器53依据由电流检测器51检测的相位A的电流以及由电压检测器52检测的相位A的电压，来检测转子位置。第二位置检测器54依据由电流检测器51检测的相位B的电流以及由电压检测器52检测的相位B的电压，来检测转子位置。第三位置检测器55依据由电流检测器51检测的相位C的电流以及由电压检测器52检测的相位C的电压，来检测转子位置。

第一到第三位置检测器53、54和55各自包括一个第一积分器71、第二积分器72、混合器73以及比较器74。第一积分器71，用于对从电流检测器51输出的每一个相位的虚拟中性点的电流进行积分。第二积分器72，用于对从电压检测器52输出的每一个相位的虚拟中性点的电压进行积分。混合器73，用于对从第二积分器72输出的信号、从第一积分器71输出的信号与一个比例系数R的一个运算信号、以及从几个相位中的一个相位的电流和与其相应的一个比例系数L的一个运算信号进行混合。比较器74，用于将从混合器73输出的信号与一个预定信号进行比较，并输出所得到的值。

以下，将说明前述转子位置检测器2的操作。

如图2所示，预定交流电压从反相器7被提供给BLDC电动机的定子的相应相位A、B和C。依据从反相器7对每一个相位输出的预定交流电压，在BLDC电动机1内产生预定功率。

转子位置检测器2依据从反相器7对每一个相位输出的预定的交流电压，来检测BLDC电动机1的转子位置，并将所得到的信号输出。

换言之，转子位置检测器15内的电流检测器51，从由反相器7对每一个相位输出的预定交流电压中，检测出每一个相位的电流；电压检测器52，从由反相器7对每一个相位输出的预定交流电压中，检测出每一个相位的电压。

第一位置检测器53依据由电流检测器51检测出的相位A的电流以及由电压检测器52检测出的相位A的电压，来检测转子位置。即，第一位置检测器53内的第一积分器71对从电流检测器51输出的每一个相位的虚拟中性点的电流求积分。第二积分器72对从电压检测器52输出的每一个相位的虚拟中性点的电压求积分。混合器73将从第二积分器72输出的信号、从第一积分器71输出的信号和一个比例系数R的运算信号、以及相位A的电流与比例系数L的运算信号进行混合，并输出所得到的信号。比较器74将从混合器73输出的信号与预定信号进行比较，并输出所得到的信号。

第二位置检测器54依据由电流检测器51检测出的相位B的电流，以及由电压检测器52检测出的相位B的电压，来检测转子位置。即，第二位置检测器54内的第一积分器71对从电流检测器51输出的每一个相位的电流求积分。第二积分器72对从电压检测器52输出的每一个相位的电压求积分。混合器73将从第一积分器71输出的信号和比例系数R的运算信号、从第二积分器72输出的信号、以及相位B的电流与比例系数L的运算信号进行混合，并输出所得到的信号。比较器74将从混合器73输出的信号与预定信号进行比较，并输出所得到的信号。

同样，第三位置检测器55依据由电流检测器51检测出的相位C的电流，以及由电压检测器52检测出的相位C的电压，来检测转子位置。即，第三位置检测器55内的第一积分器71，对从电流检测器51输出的每一个相位的电流进行积分。第二积分器72对从电压检测器52输出的每一个相位的电压进行积分。混合器73将从第一积分器71输出的信号和比例系数R的运算信号、从第二积分器72输出的信号、以及相位C的电流与比例系数L的运算信号进行混合，并输出所得到的信号。比较器74将从混合器73输出的信号与预定信号进行比较，并输出所得到的信号。

用于检测BLDC电动机的转子位置的原理的模型如下： $V_{\mathrm{abc}}=R\·i_{\mathrm{abc}}+L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{abc}}}{\mathrm{dt}}+e_{\mathrm{abc}}$ V_abc=[V_an V_bn V_cn]^Te_abc=[e_a e_b e_c]^ri_abc=[i_a i_b i_c]^T

在上述等式中，V_abc表示三相A、B和C的每一个相位对于中性点的电压，i_abc表示三相A、B和C的相位磁阻矩阵(phase reluctancematrix)，R表示对三相A、B和C的相位磁阻矩阵，L表示三相A、B和C的相位电感矩阵，e_abc表示每个相位内的电压。

在永磁体附着在转子芯上的永磁体表面粘合型BLDC电动机中，磁阻是不随转子位置而变化的。因此，就会得到La=Lb=Lc。

在上述等式中，相电压e_abc与电动机的速度成正比，如以下等式2所示，且该相电压是一个函数，依据转子位置，它被转换为一个正弦波，如图4所示。[等式2]e_a=k_eω_rcos(θ_r) $e_b=k_e{\mathrm{\ω}}_r\cos ({\mathrm{\θ}}_r-\frac{2\mathrm{\π}}{3})$ $e_c=k_e{\mathrm{\ω}}_r\cos ({\mathrm{\θ}}_r+\frac{2\mathrm{\π}}{3})$

由于电压e_abc包含转子位置信息，因此可从该电压信息中检测到转子位置。

但是，在电动机的电流受正弦波控制的情况下，不能检测出电压e_abc。因此，应当从等式1中推断出电压。在等式1中，可以用以下的等式3来表达电压，但是，由于等式3中存在电流的微分项，因此，很难在电路或算法上实现等式3。这样，可通过对以下等式4中所示的两侧同时进行积分，从而获得所述电压。[等式3] $e_{\mathrm{abc}}=V_{\mathrm{abc}}-R\·i_{\mathrm{abc}}-L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{abc}}}{\mathrm{dt}}$ [等式4] ${\∫}_{e_{{\mathrm{abc}}^{\mathrm{dt}}}=\∫(v_{\mathrm{abc}}-R\·i_{\mathrm{abc}}-L\frac{{\mathrm{dl}}_{\mathrm{abc}}}{\mathrm{dt}})\mathrm{dt}}$ $={\∫\mathrm{\ν}}_{\mathrm{abc}}\mathrm{dt}-R\∫i_{\mathrm{abc}}\mathrm{dt}-{\mathrm{Li}}_{\mathrm{abc}}$ $=X_{\mathrm{abc}}\left(t\right)$ 这里，可通过从等式2到以下的等式5，表达出电压的积分值。因此，可以从等式4所得到的电压积分值中检测出转子位置。[等式5] $x_{\mathrm{abc}}\left(t\right)={\∫e}_{\mathrm{abc}}\mathrm{dt}$ $=[k_e\sin \left({\mathrm{\θ}}_r\right)k_e\sin (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})k_e\sin ({\mathrm{\θ}}_r+\frac{2\mathrm{\π}}{3}){]}^T$

如上所述，转子位置检测器2从对相位A、B和C中每一个相位积分的电压信号中，检测点0，这样，可以检测出转子位置。

但是，用于检测BLDC电动机内转子位置的已有技术装置存在几个问题。

为检测转子位置，必须检测相位A、B和C的电压和电流。在这种情况下，就需要诸如电阻器和绝缘体这样的用于检测相电压和相电流的额外的装置，因而增加了生产成本。

另外，还需要诸如积分电路和比较器这样的设备，以获取对于相位A、B和C的电压和电流信号的积分值。这同样增加了生产成本，以及设备所占的面积。

因此，本发明要说明一种用于检测BLDC电动机内的转子位置的装置，这种装置基本上排除了由于已有技术的局限和缺陷而产生的一个或多个问题。

本发明的一个目的是提供一种用于检测BLDC电动机内的转子位置的装置，其中，仅利用电动机内一个相位的虚拟中性点的电压和电流，就可检测出转子位置。

本发明的另一个目的是提供一种用于检测BLDC电动机内的转子位置的装置，其中，减少了用于转子位置检测所需的电路数目，从而，节省了生产成本，并减少了位置检测电路所占的面积。

将在以下说明书中阐述本发明的附加特征以及优点，其中一部分可通过阅读说明书而显现出来，或可通过对本发明的实践而领悟到。可利用在书面说明以及有关权利要求书同时还有附图中特别指定的结构，来实现并得到本发明的目的和其它优点。

为实现这些以及其它优点，且依据本发明之目的，正如具体的以及广泛的说明那样，一种用于检测BLDC电动机内转子位置的装置包括：第一积分器，用于对通过连接到BLDC电动机上的三相电源线的虚拟中性点输入的信号进行积分；第二积分器，用于对输入到三相电源线中的一相电源线上的信号进行积分；运算单元，用于将从第一积分器输出的信号、从第二积分器输出的信号与比例系数R的运算信号、以及比例系数L和单相电流的运算信号进行混合；第一比较器单元，用于将从运算单元输出的单相信号与预定的第一基准值进行比较；第二比较单元，用于将从运算单元输出的单相信号与预定的第二和第三基准值进行比较；以及一个位置信号计算器，利用从第一和第二比较单元输出的运算信号，来计算出一个位置信号。

应当理解，前述的一般说明以及以下详细的说明都是举例式的以及说明性的，本文打算提供对本发明的进一步的说明，正如权利要求书中所声明的那样。

包含在本说明书内，以提供对本发明的进一步的说明，同时合并入本说明书，构成本说明一部分的附图，显示了本发明的实施例，它与本说明书一起，用于解释发明原理。

在附图中：

图1显示了相关技术中的BLDC电动机的转子位置检测器；

图2显示了在驱动图1的正弦波电流过程中，电压和电流的波形；

图3显示了图1的转子位置检测器的详细结构；

图4显示了图3的相应部件的波形；

图5显示了依据本发明第一实施例的BLDC电动机的转子位置检测器；

图6a到6c显示了图5的第一比较单元、第二比较单元以及位置信号计算器的详细结构；

图7显示了图5的任意角度下的位置检测波形；

图8显示了图5的从60°的角度看到的位置检测波形；

图9显示了图5的取决于转子位置的脉冲宽度调制(PWM)信号的波形；

图10显示了依据本发明第二实施例的BLDC电动机的转子位置检测器；

图11a到11c显示了图10的第一比较单元、第二比较单元以及位置信号计算器的详细结构；

图12显示了图10的任意角度下的位置检测波形；

图13显示了图10的从60°的角度看到的位置检测波形；

图14显示了依据本发明第三实施例的BLDC电动机的转子位置检测器；

图15a到15c显示了图14的第一比较单元、第二比较单元以及位置信号计算器的详细结构；以及

图16显示了图14的位置检测波形。

现在，将要详细说明本发明的最佳实施例，其实例示于附图中。

下面，将参照本发明的最佳实施例，对依据本发明的、用于检测BLDC电动机内的转子位置的装置进行说明。第一实施例

如图5所示，依据本发明第一实施例，用于检测BLDC电动机内的转子位置的装置包括：一个第一积分器210，用于相对三相的虚拟中性点，对单相电压进行积分；第二积分器220，用于对三相中的单相电流进行积分；一个运算单元230，用于将从第一积分器210输出的信号、从第二积分器输出的信号和一个比例系数R的运算信号、以及一个比例系数L和单相电流的运算信号进行混合；第一比较单元240，用于将从运算单元230输出的单相信号与一个预定的第一基准值进行比较；第二比较单元250，用于将从运算单元230输出的单相信号与预定的第二和第三基准值进行比较；一个位置信号计算器260，利用从第一和第二比较单元240和250输出的运算信号，来计算位置信号。

如图6a所示，第一比较单元240包括第一比较器241，用于将从运算单元230输出的单相信号与预定的第一基准值进行比较。如图6b所示，第二比较单元250包括一个第二比较器251，用于将从运算单元230输出的单相信号与预定的第二基准值进行比较；以及一个第三比较器252，用于将从运算单元230输出的单相信号与预定的第三基准值进行比较。同样，如图6c所示，位置信号计算器260包括：第一与门261，对从第一比较器241输出的信号和从第二比较器251输出的信号执行逻辑与运算；以及第一或门262，对从第一与门261输出的信号和从第三比较器252输出的信号执行逻辑或运算。

在本发明的上述实施例中，仅通过三相A、B和C中的任意单相的电压，来检测出转子位置。例如，可以用以下等式6来表达相位A的模型方程。从等式6中，可以得到电压ea，之后，如以下等式7所示，可通过对电压ea积分，从而获得随位置而不随速度变化的相位A的信息。[等式6] $v_{\mathrm{an}}=R\·i_a+L\frac{{\mathrm{di}}_a}{\mathrm{dt}}+e_a$ [等式7] $\∫e_a\mathrm{dt}=\∫({\mathrm{\ν}}_{\mathrm{an}}-R\·i_a-L\frac{d{i}_a}{\mathrm{dt}})\mathrm{dt}$ $={{\∫}_{\mathrm{\ν}}}_{\mathrm{an}}\mathrm{dt}-R\∫i_a\mathrm{dt}-L\·i_a$ $=X_a\left(t\right)$ $=k_e\sin \left({\mathrm{\θ}}_r\right)$

第一积分器210对虚拟中性点的电压进行积分，并输出所得到的信号。

第二积分器220对单相电流进行积分，并输出所得到的信号。

运算单元230将从第一积分器输出的信号、从第二积分器输出的信号和比例系数R的运算信号、以及比例系数L和单相电流的运算信号进行混合。之后，如图7所示，运算单元230输出k_esin(θ_r)。

第一比较单元240将从运算单元230输出的单相信号与第一基准值进行比较，并输出所得到的信号S1。也就是说，第一比较单元240的第一比较器241，将从运算单元230输出的单相信号与由一个下拉电阻确定的零电位的第一基准值进行比较。然后，第一比较器241输出所得到的信号S1。

此外，第二比较单元250将从运算单元230输出的单相信号分别与第二和第二基准值进行比较。这样，第二比较单元250就输出如图7中所示的所得到的信号S2和S3。也就是说，第二比较单元250的第二比较器251将从运算单元230输出的单相信号与第二基准值进行比较，第二基准值是由R1和R2的分压而确定的。之后，第二比较器251输出所得到的信号S2。同样，第二比较单元250的第三比较器252将从运算单元230输出的单相信号与第三基准值进行比较，第三基准值是由电阻器R3和R4的分压而确定的。之后，第三比较器252输出所得到的信号S3。

如果第二和第三基准值为V_γ1和-V_γ2，交叉角(cross angle)α₁和α₂是如以下等式8得到的，则基准值V_γ1和-V_γ2应比电压常数k_e小。[等式8] ${\mathrm{\α}}_1={\sin }^{-1}\left(\frac{V_{\mathrm{\γ}1}}{K_e}\right)$ $\mathrm{\α}2=\mathrm{si}{n}^{-1}\left(\frac{{\mathrm{V\γ}}_2}{K_e}\right)$

如果第二比较单元250的基准电压值为V_γ1和-V_γ2，对于一个周期(360°的电子角)，电学上可得到6个位置数据。

换言之，第一比较单元240的输出，0°和180°的信号S1，第二比较单元250的输出，α₁和180-α₁的信号S2以及180+α₂和360-α₂的信号S3是可获得的。通过对α₁和α₂的选择，可用各种PWM方法来控制BLDC电动机14的速度。

同时，在实际应用中，为便于取决于转子位置的均匀的位置信息检测以及PWM控制算法，有必要调节第二比较单元250的基准电压。换言之，假设 $V_{\mathrm{\γ}1}=V_{\mathrm{\γ}2}=V_{\mathrm{\γ}}=\sqrt{3}{k}_e/2$ ，电压积分值x_a(t)中的交叉角α，以及第二比较单元250的基准电压V_γ1和-V_γ2可以表示如下：[等式9] $\mathrm{\α}={\sin }^{-1}(\frac{\sqrt{3}}{2}{k}_e/k_e)$

在这种情况下，位置信号计算器260运用从第一和第二比较单元240和250输出的信号，来计算位置信号，以便输出所得到的信号S4。

换言之，位置信号计算器260的第一与门261对从第一比较单元240输出的信号以及从第二比较单元250输出的信号执行逻辑与运算，并输出所得到的信号。之后，位置信号计算器260的第一或门262对从第一与门261输出的信号以及从第二比较单元250输出的信号执行逻辑或运算，并输出所得到的信号S4。

此外，如图8所示，位置信号计算器260以每60°为一个单元，检测一次加到BLDC电动机14上的转子位置信号。依据每60°一次所检测到的转子位置信息，可以提供用于控制BLDC电动机的相电流从而获取一个正弦波的各种PWM方法。举个例子，可以提供图9中所示的PWM方法。

换言之，为控制相A的电流以获取正弦波，要将一个周期(360°)期间的相A的基准电压与一个三角波进行比较。这样，就可以依据转子位置，事先计算出与相A相应的反相器7的晶体管通/断信号，并将其存储在查找表内，以产生一个PWM信号。另外，也可以通过从依赖于对基准转矩的转子位置的PWM信号的等式中，直接计算晶体管通/断信号，从而产生出PWM信号。

但是，尽管位置信号计算器260可以每60°检测一次转子位置，但不能检测60°内的转子位置。也就是说，如果转子与基准位置呈0°和60°，则位置信号计算器260可以检测到转子位置信号。但是，位置信号计算器260不能检测在0°和60°之间，例如20°或35°的转子位置。

但是，如图9所示，由于0°和60°之间的位置角的信息需要产生真实的PWM信号，所以位置信号计算器260从转子的驱动速度中，近似地计算出位于0°和60°之间的位置角。

换言之，如以下等式10所示，位置信号计算器260为0°之前的固定时间计算转子速度ω_γ(t₀)。之后，假定转子以恒定速度从0°转到60°，来计算转子位置 $\widehat{{\mathrm{\θ}}_r}\left(t\right)$ [等式10]

当转子位置为60°时，位置信号计算器260检测转子位置信息。因此，通过将从转子速度计算出的位置校正到所检测的位置信息，以相同的方式计算出从60°到120°的详细的位置。第二实施例

如图10所示，依据本发明第二实施例，用于检测BLDC电动机内的转子位置的装置包括：第一积分器310，用于对三相的虚拟中性点的电压进行积分；第二积分器320，用于对三相中的一相电流进行积分；运算单元330，用于将从第一积分器输出的信号、从第二积分器输出的信号和一个比例系数R的运算信号、以及一个比例系数L和单相电流的运算信号进行混合；第一比较单元340，用于将从运算单元330输出的单相信号与预定的第一基准值进行比较；一个整流器350，用于对从运算单元330输出的单相信号进行整流；第二比较单元250，用于将经过整流器350整流的单相信号与预定的第二基准值进行比较；以及位置信号计算器370，利用从第一和第二比较单元340和360输出的运算信号，计算出位置信号。

如图11a所示，第一比较单元340包括第一比较器341，用于将从运算单元330输出的单相信号与预定的第一基准值进行比较。第二比较单元360包括一个第二比较器361，用于将经过整流器350整流的单相信号与所述第二基准值进行比较。同样，如图11c所示，位置信号计算器370包括一个第一反相器371，用于使从第一比较器341输出的信号反相；第一与门372，用于对经过第一反相器371反相的信号和从第二比较器361输出的信号执行逻辑与运算；第二反相器373，用于将从第二比较器361输出的信号反相；第二与门374，用于对从第一比较器341输出的信号和经过第二反相器373反相的信号执行逻辑与运算；以及一个或门375，用于对从第一和第二与门372和374输出的信号执行逻辑或运算。

在本发明的上述实施例中，仅利用了三相A、B和C中的任意一相电压，就能检测出转子位置。例如，可以用等式6来表达相A的模型方程。从等式6中，可获得电压ea，之后，可通过如等式7所示，对电压ea进行积分，从而获得取决于位置而不是速度的相A的信息。

第一积分器310对虚拟中性点的单相电流进行积分，并输出所得到的信号。

第二积分器320对单相电流进行积分，并输出所得到的信号。

运算单元320将从第一积分器输出的信号、从第二积分器输出的信号和比例系数R的运算信号、以及比例系数L和单相电流的运算信号进行混合。之后，如图13所示，运算单元330输出k_esin(θ_r)。

第一比较单元340将从运算单元330输出的单相信号与第一基准值进行比较，并输出所得到的信号S1，如图12所示。也就是说，第一比较单元340的第一比较器341将从运算单元330输出的单相信号与第一基准值进行比较，该第一第一基准值是由一个上拉电阻器所确定的零电位。之后，第一比较器341输出所得到的信号S1。

此外，整流器350对从运算单元330输出的单相信号进行整流。

之后，第二比较单元360将经过整流器350整流的单相信号与第二基准值进行比较。此后，第二比较单元360输出所得到的如图12所示的信号S2。也就是说，第二比较单元360的第二比较器361将从运算单元330输出的单相信号与第二基准信号值进行比较，该第二基准信号值是由电阻器R1和R2的分压而确定的。之后，第二比较器361输出所得到的信号S2。

如果第二基准电压为V_γ1，则可从以下等式11得到交叉角α₁，则基准值V_γ1应当比电压常量k_e要小。[等式11] ${\mathrm{\α}}_1=\mathrm{si}{n}^{-1}\left(\frac{V_{\mathrm{\γ}1}}{K_e}\right)$

如果第二比较单元360的基准电压值为V_γ1，则对于一个周期(360°的电子角)，可以在电学上得到6个位置数据。

换言之，可得到第一比较单元340的输出，0°到180°的信号S1，第二比较单元360的输出，α₁、180-α₁、180+α₁、以及360-α₁的信号S2。可通过选择α₁，利用各种PWM方法来控制BLDC电动机14的速度。

同时，在实际应用中，为方便均匀的位置信息检测，以及依据转子位置的PEM控制算法，有必要调节第二比较单元360的基准电压。换言之，假定 $V_{\mathrm{\γ}1}=V_{\mathrm{\γ}}=\sqrt{3}{k}_e/2$ ，可以用等式9来表示电压积分值x_a(t)中的交叉角α，以及第二比较单元360的基准电压V_γ1。

在这种情况下，位置信号计算器370利用从第一和第二比较单元340和360输出的信号，计算位置信号，从而输出所得到的信号S3。

换言之，位置信号计算器370的第一反相器371将从第一比较器340输出的信号反相。之后，第一与门372对经过反相器371反相的信号以及从第二比较单元360输出的信号执行逻辑与运算，并输出所得到的信号。此外，第二反相器373将从第二比较单元360输出的信号反相。之后，第二与门374对从第一比较器340输出的信号以及经过第二反相器373反相的信号执行逻辑与运算，并输出所得到的信号。这样，或门375对从第一和第二与门372和374输出的信号执行逻辑或运算，并输出所得到的如图13所示的信号S3。

另外，位置信号计算器370每60°为一个单元，检测一次加到BLDC电动机14上的转子位置信号。依据每60°一次所检测到的转子位置信息，可以按照与第一实施例相同的方式，提供用正弦波驱动BLDC电动机的相电流的各种PWM方法。

同时，可以提供整流器350，以便对运算单元330的输出信号进行整流，并向第一和第二比较器340和360输出经整流的信号。第三实施例

如图14所示，依据本发明的第三实施例，用于检测BLDC电动机内的转子位置的装置包括：一个第一积分器410，用于对虚拟中性点的电压进行积分；第二积分器420，用于对一相的电流进行积分；一个运算单元430，用于将从第一积分器输出的信号、从第二积分器输出的信号以及一个比例系数R的运算信号、以及一个比例系数L以及单相电流的运算信号进行混合；第一比较单元440，用于将从运算单元430输出的单相信号与预定的第一基准值进行比较；第三积分器450，用于对从运算单元430输出的单相信号进行积分；第二比较单元460，用于将经过第三积分器450积分的单相信号与预定的第二基准值进行比较；以及一个位置信号计算器470，利用从第一和第二比较单元440和460输出的运算信号，计算出一个位置信号。

如图15a所示，第一比较单元440包括一个第一比较器441，用于将从运算单元430输出的单相信号与预定的第一基准值进行比较。如图15b所示，第二比较单元460包括一个第二比较器461，用于将经过第三积分器450积分的单相信号与预定的第二基准值进行比较。同样，如图15c所示，位置信号计算器470包括第一反相器471，用于将从第一比较器441输出的信号反相；第一与门472，用于对经过第一反相器471反相的信号和从第二比较器461输出的信号执行逻辑与运算；第二反相器473，用于将从第二比较器461输出的信号反相；第二与门374，用于对从第一比较器441输出的信号和经过第二反相器473反相的信号执行逻辑与运算；以及一个或门475，用于对从第一和第二与门472和474输出的信号执行逻辑或运算。

在本发明的上述实施例中，仅利用三相A、B和C中的任意一相电压，就可检测出转子位置。例如，可以由等式6来表达相A的模型方程。从等式6中，可获得电压ea，之后，可通过如等式7所示，对电压ea进行积分，从而获得取决于位置而不是速度的相A的信息。

如图14所示，第一积分器410对虚拟中性点的电压进行积分，并输出所得到的信号。

第二积分器420对单相电流进行积分，并输出所得到的信号。

运算单元430将从第一积分器输出的信号、从第二积分器输出的信号与比例系数R的运算信号、以及比例系数L和单相电流的运算信号进行混合。这样如图16所示，运算单元430输出k_esin(θ_r)。

第一比较单元440将从运算单元430输出的单相信号与第一基准值进行比较，并输出所得到的如图16所示的信号S1。也就是说，第一比较单元440的第一比较器441将从运算单元430输出的单相信号与第一基准值进行比较，该第一基准值是由一个上拉电阻器所确定的零电位。之后，第一比较器441输出所得到的信号S1。

所得到的信号S1是一个180°间隔，例如是0°、180°以及360°的位置数据。

之后，第二比较单元460将经过第三积分器450积分的单相信号与第二基准值进行比较。之后，第二比较单元460输出所得到的如图16所示的信号S2。也就是说，第二比较单元460的第二比较器461将从运算单元430输出的单相信号与第二基准值进行比较，所述第二基准值是由电阻器R1和R2的分压而确定的。之后，第二比较器461输出所得到的信号S2。所得到的信号S2是90°和270°的位置数据。

这里，如果对等式7的x_a(t)进行积分，如以下等式12所示，积分值x_ai(t)具有一个比x_a(t)落后90°的电子角的波形。这样，可以获得电子角90°和270°的信息。如果第二基准值为V_γ1，则如以下等式11，可得到交叉角α₁，且基准值V_γ1应小于电压常数k_e。[等式12] $X_{\mathrm{ai}}\left(t\right)={\∫}_{x_a\left(t\right)\mathrm{dt}}$ $=-\frac{k_e}{{\mathrm{\ω}}_r}\cos \left({\mathrm{\θ}}_r\right)$

这里，x_ai(t)是BLDC电动机14的速度ω_γ的函数。因此，如果BLDE电动机14的速度比基准速度要低，则不对x_ai(t)进行积分。只有在BLDC电动机14的速度比基准速度高时，才对x_ai(t)进行积分。结果，可以得到积分结果的可靠性。

如果第二比较单元460的基准电压值为V_γ1，对一个周期(360°的电子角)，可以获取四个电位置数据。

换言之，可以得到第一比较单元440的输出，0°和180°的信号S1，以及第二比较单元460的输出，90°和270°的信号S2。由于每90°，所述转子位置数据被校正并被补充一次，所以，可基于适当的PWM方法利用正弦波电流驱动方法，来控制BLDC电动机14的速度。

在这种情况下，位置信号计算器470运用从第一和第二比较单元440和460输出的信号，来计算出位置信号，以便输出所得到的信号S3。

换言之，位置信号计算器470的第一反相器471将从第一比较器440输出的信号反相。之后，第一与门472对经过反相器471反相的信号和从第二比较单元460输出的信号执行逻辑与运算，并输出所得到的信号。而且，第二反相器473将从第二比较单元460输出的信号反相。之后，第二与门474对从第一比较器440输出的信号和经过第二反相器473反相的信号执行逻辑与操作，并输出所得到的信号。这样，或门475对从第一和第二与门472和474输出的信号执行逻辑或运算，并输出所得到的如图16所示的信号S3。

换言之，为利用正弦波控制相A的电流，将一个周期(360°)期间相A的基准电压与一个三角波进行比较。这样，可依据转子位置，事先计算出与相A相应的反相器7的晶体管通/断信号，并将其存储在查找表内，以便产生一个PWM信号。另外，也可以依据对基准转矩的转子位置，通过直接从PWM信号的简要等式中计算出晶体管通/断信号，从而产生PWM信号。

但是，如图16所示，虽然位置信号计算器470可以以90°为一个单位，检测一次转子位置，但不能检测90°以内的转子位置。但是，如图16所示，由于0°到90°之间的位置信息需要产生实际的PWM信号，所以位置信号计算器470从转子的驱动速度中，近似计算0°到90°之间的位置角。

换言之，如以下等式13所示，位置信号计算器470对0°之前的固定时间计算转子速度ω_γ(t₀)。这样，假定转子以恒定速度从0°转到90°，来计算转子位置 $\widehat{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\γ}}}\left(t\right)$ [等式13]

当转子位置为90°时，位置信号计算器470检测转子位置信息。因此，可以按照相同的方式通过将从转子速度计算出的位置校正到所检测的位置信息，计算出从90°到180°的详细的位置。

如上所述，依据本发明，用于检测BLDC电动机的转子位置的装置具有以下优点。

由于是利用虚拟中性点的电压以及单相电流来检测转子位置，因此，可以减少用于位置检测所需的电路部件的数目，因此，节省了生产成本。此外，可以通过减少位置检测电路所占的面积来提供小型电路。

前述实施例仅仅是示范性的，并不构成对本发明的限定。本发明也可很容易地被应用于其它类型的装置。本发明的说明书被定为说明性的，并不会限定权利要求书的范围。许多替代、修正和改变对本领域人员来说都是显而易见的。

Claims (24)

1．一种用于检测BLDC电动机内的转子位置的装置，包括：

第一积分器，用于对通过与BLDC电动机相连的三相电源线的虚拟中性点输入的信号进行积分；

第二积分器，用于对输入到三相电源线中的单相电源线的信号进行积分；

运算单元，用于对从第一积分器输出的信号、从第二积分器输出的信号和一个比例系数R的运算信号、和一个比例系数L和单相电流的运算信号进行混合；

第一比较单元，用于将从运算单元输出的单相信号与一个预定的第一基准值进行比较；

第二比较单元，用于将从运算单元输出的单相信号与预定的第二和第三基准值进行比较；以及

位置信号计算器，通过运用从第一和第二比较单元输出的信号，来计算出一个位置信号。

2．如权利要求1所述的装置，其中所述第一比较单元包括一个第一比较器，用于将从运算单元输出的单相信号与所述预定的第一基准值进行比较。

3．如权利要求2所述的装置，其中所述第一基准值是由一个下拉电阻器所设定的零电位。

4．如权利要求1所述的装置，其中，所述第二比较单元包括一个第二比较器，用于将从运算单元输出的单相信号与预定的第二基准值进行比较，第二比较单元还包括一个第三比较器，用于将从运算单元输出的单相信号与预定的第三基准值进行比较。

5．如权利要求4所述的装置，其中所述第二和第三基准值都是由分压而分别设定的。

6．如权利要求1所述的装置，其中所述位置信号计算器包括一个与门，用于对从第一比较器输出的信号以及从第二比较器输出的信号执行逻辑与运算，所述位置信号计算器还包括一个或门，用于对从与门输出的信号以及从第二比较器输出的信号执行逻辑或运算。

7．用于检测BLDC电动机内的转子位置的装置，包括：

第一积分器，用于对通过与BLDC电动机相连的三相电源线的虚拟中性点输入的信号进行积分；

第二积分器，用于对输入到加到BLDC电动机上的三相中的一相电源线的信号进行积分；

运算单元，用于对从第一积分器输出的信号、从第二积分器输出的信号和一个比例系数R的运算信号、一个比例系数L和单相电流的运算信号进行混合；

第一比较单元，用于将从运算单元输出的单相信号与一个预定的第一基准值进行比较；

整流器，用于对从运算单元输出的单相信号进行整流；

第二比较单元，用于将经过整流器整流的单相信号与预定的第二基准值进行比较；以及

位置信号计算器，通过运用从第一和第二比较单元输出的信号，来计算出一个位置信号。

8．依据权利要求7所述的装置，其中所述第一比较单元包括一个第一比较器，用于将从运算单元输出的单相信号与所述预定的第一基准值进行比较。

9．依据权利要求8所述的装置，其中所述第一基准值是由一个下拉电阻器所设定的零电位。

10．依据权利要求7所述的装置，其中，所述第二比较单元包括一个第二比较器，用于将经过整流器整流的单相信号与所述预定的第二基准值进行比较。

11．依据权利要求10所述的装置，其中所述第二基准值是由分压而设定的。

12．依据权利要求7所述的装置，其中，所述位置信号计算器包括：一个第一反相器，用于将从第一比较器输出的信号反相；一个第一与门，用于对经过第一反相器反相的信号以及从第二比较器输出的信号执行逻辑与运算；第二反相器，用于将从第二比较器输出的信号反相；一个第二与门，用于对从所述第一比较器输出的信号以及经过第二反相器反相的信号执行逻辑与运算；一个或门，用于对从第一和第二与门输出的信号执行逻辑或运算。

13．用于检测BLDC电动机内转子位置的装置，包括：

第一积分器，用于对通过与BLDC电动机相连的三相电源线的虚拟中性点输入的信号进行积分；

第二积分器，用于对输入到加到BLDC电动机上的三相中的一相电源线的信号进行积分；

运算单元，用于对从第一积分器输出的信号、从第二积分器输出的信号和一个比例系数R的运算信号、一个比例系数L和单相电流的运算信号进行混合；

整流器，用于对从运算单元输出的单相信号进行整流；

第一比较单元，用于将从整流器输出的信号与一个预定的第一基准值进行比较；

第二比较单元，用于将经过整流器整流的单相信号与预定的第二基准值进行比较；以及

位置信号计算器，通过运用从第一和第二比较单元输出的信号，来计算出一个位置信号。

14．如权利要求13所述的装置，其中，所述第一比较单元包括一个第一比较器，用于将从运算单元输出的单相信号与所述预定的第一基准值进行比较。

15．如权利要求14所述的装置，其中，所述第一基准值是由一个下拉电阻器所设定的零电位。

16．如权利要求13所述的装置，其中，所述第二比较单元包括一个第二比较器，用于将经过整流器整流的单相信号与所述预定的第二基准值进行比较。

17．如权利要求16所述的装置，其中，所述第二基准值是通过分压而设定的。

18．如权利要求13所述的装置，其中，所述位置信号计算器包括一个第一反相器，用于将从第一比较器输出的信号反相；一个第一与门，用于对经过第一反相器反相的信号以及从第二比较器输出的信号执行逻辑与运算；第二反相器，用于将从第二比较器输出的信号反相；一个第二与门，用于对从所述第一比较器输出的信号以及经过第二反相器反相的信号执行逻辑与运算；一个或门，用于对从第一和第二与门输出的信号执行逻辑或运算。

19．用于检测BLDC电动机内转子位置的装置，包括：

第一积分器，用于对通过与BLDC电动机相连的三相电源线的虚拟中性点输入的信号进行积分；

第二积分器，用于对输入到加到BLDC电动机上的三相中的一相电源线的信号进行积分；

运算单元，用于对从第一积分器输出的信号、从第二积分器输出的信号和一个比例系数R的运算信号、一个比例系数L和单相电流的运算信号进行混合；

第一比较单元，用于将从运算单元输出的单相信号与一个预定的第一基准值进行比较；

第三积分器，用于对从所述运算单元输出的单相信号进行积分；

第二比较单元，用于将经过第三积分器积分的单相信号与预定的第二基准值进行比较；以及

位置信号计算器，通过运用从第一和第二比较单元输出的信号，来计算出一个位置信号。

20．如权利要求19所述的装置，其中，所述第一比较单元包括一个第一比较器，用于将从运算单元输出的单相信号与所述预定的第一基准值进行比较。

21．如权利要求20所述的装置，其中，所述第一基准值是由一个下拉电阻器所设定的零电位。

22．如权利要求19所述的装置，其中，所述第二比较单元包括一个第二比较器，用于将经过积分器积分的单相信号与所述预定的第二基准值进行比较。

23．如权利要求22所述的装置，其中所述第二基准值是通过分压而设定的。

24．如权利要求19所述的装置，其中，所述位置信号计算器包括：一个第一反相器，用于将从第一比较器输出的信号反相；一个第一与门，用于对经过第一反相器反相的信号以及从第二比较器输出的信号执行逻辑与运算；第二反相器，用于将从第二比较器输出的信号反相；一个第二与门，用于对从所述第一比较器输出的信号以及经过第二反相器反相的信号执行逻辑与运算；一个或门，用于对从第一和第二与门输出的信号执行逻辑或运算。

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