CN1327606C - 无刷电机的转矩方向检测装置 - Google Patents

Abstract

无刷电机(1)的转矩方向检测装置包括：分相器(6)，它提供一对sinθ信号和cosθ信号，电气角θ根据无刷电机的旋转由0°变化到360°；电路(7、71)，它可以由sinθ信号和cosθ信号计算出无刷电机的电气角；电流传感器(4、5)，它检测流过相绕组的相电流；电路(71)，它根据sinθ信号和cosθ信号之间的大小关系将360°的电气角分为8个时区并提供sinθ信号和cosθ信号与0的比较；电路(75)，它确定无刷电机的转矩方向，如果在两个指定的时区中的一个区域内所测相电流的大小符合预定的大小关系，且这两个时区都有大小关系与sinθ信号和cosθ信号的比较的特定组合。

Description

无刷电机的转矩方向检测装置

技术领域

本发明涉及一种无刷电机的转矩方向检测装置。

背景技术

无刷电机具有简单的机械结构、优良的调控性能，在很多控制系统中得以使用，例如在电动转向控制系统中得以使用。为了驱动这种无刷电机，无刷电机转子的旋转位置使用诸如分相器的旋转位置检测装置来进行检测，分相器产生旋转磁场。根据旋转位置信号，用一个控制系统和三向桥接电路驱动无刷电机。旋转位置检测器同时也检测无刷电机转子转矩的方向以及异常运行。

分相器是一个旋转变压器，具有一对定子绕组和一个转子绕组。该对定子绕组布置在相互呈90°的机械角度的定子位置。转子绕组和该对定子绕组磁性互连，以产生一个大小为转子的旋转位置函数或转子相对定子的旋转角度函数的信号。因此，基于输入到分相器的场激励信号，分相器产生通过转子的旋转角度的正弦函数和余弦函数调制的两种信号。

JP-A-2003-235285或其对应的US-2003-0151383A1提供了一种无刷电机的转矩方向检测装置，其中根据在合适时序的两相电流在数量上的差异，可以确定转矩的方向。基于分相器的输出信号，该时序是由无刷电机的电气角(electric angle)确定。

当向分相器输入图3A所示的场激励信号sinωt时，就会输出图3B所示的正弦输出信号sinθ×sinωt和图3C所示的余弦输出信号cosθ×sinωt。如图3D所示，当sinωt变为1时，正弦信号变为sinθ，余弦信号变为cosθ。正弦和余弦输出信号的电气角的一个周期或360°被分为8个区域T1-T8。在这些区域，当sinθ为0、cosθ为1时，电气角设定为0。

为了将一个周期划分为图6B所示的8个时区，由于产生绝对值，JP-A-2003-235285所提供的转矩方向检测装置除了要包括用来提供两个Bit信号(如Bit0、Bit1)的比较器31、32以外，还包括至少五个用来提供三个Bit信号中的一个信号(如Bit2)的比较器33-36、47，如图6A所示。但是，这些电路导致转矩方向检测装置变得复杂、昂贵。

发明内容

本发明的目的是为无刷电机提供一个简单、廉价并且精确的转矩方向检测装置。

根据本发明的特征，无刷电机的转矩方向检测装置包括：用于提供SIN正弦信号和COS正弦信号的分相器，SIN正弦信号和COS正弦信号根据无刷电机的旋转具有相同周期和相互相差预定电气角的相位；

用于检测流过相绕组的电流的电流传感器；以及

用于通过比较电气角预定区域中流过两个相绕组的相电流大小来确定无刷电机的转矩方向的装置；

其中，用于确定转矩方向的所述装置包括用于比较流过两个相绕组的相电流大小、以便在相电流之间的大小差异符合电气角的预定区域中预定的大小关系时提供确定转矩方向的信号的第一装置；用于在电气角处于电气角的预定区域时给第一装置提供计时信号的第二装置；

其中，所述第二装置包括用于检查SIN正弦信号为正或负的第一比较器、用于检查COS正弦信号为正或负的第二比较器、用于比较SIN正弦信号和COS正弦信号大小的第三比较器、以及用于当第一、第二和第三比较器的输出信号对应于预定组合时提供计时信号的一对与电路。

因此，无需产生绝对值的电路。

在所述的转矩方向检测装置中，用于比较相电流大小的装置可以仅比较电气角相差180°的两个区域的相电流的大小关系。

通过研究下述的详细描述、所附权利要求和附图，本发明的其他目的、特征以及相关部分的功能将变得更加清楚。

附图说明

图1是无刷电机控制系统的方框图，它包括根据本发明优选实施例的转矩方向检测装置。

图2是根据本发明优选实施例的转矩方向检测装置的时区检测单元的示意方框图。

图3A-3D是显示在分相器不同部分的信号的计时图表。

图4是显示在不同时区T1-T8的信号组合的表格，时区T1-T8由图2所示的时区检测单元划分。

图5A和5B是显示两个相电流波形和电气角之间关系的图形。

图6是现有技术转矩方向检测装置的时区检测单元的示意方框图。

图7是显示电机驱动的动力转向系统的示意图，它采用根据本发明的转矩方向检测装置。

图8是显示传送比控制系统的示意图，该系统采用根据本发明的转矩方向检测装置。

图9是图2所示的时区检测单元的一个变化形式的示意方框图。

具体实施方式

以下参照附图描述根据本发明优选实施例的转矩方向检测装置。

如图1所示，无刷电机控制系统包括无刷电机1、控制电路2、包括公知的三相换流器的驱动电路3、电流传感器4和5、分相器6、转矩方向检测装置7和滤波电容器8、场激励信号发生器10等等。

控制电路2提供三相选通控制信号。驱动电路3在三相换流器处接收选通控制信号，并提供供给到无刷电机1的三相电压信号。

分相器6包括固定于无刷电机1转轴上的转子、安装于转子上的励磁线圈、定子铁芯、安装在定子铁芯上互成90°电气角分离位置的一对定子绕组。分相器6的励磁线圈受到由场激励信号发生器10提供的正弦波形电压(场激励信号)V×sinωt激励。这对定子绕组产生正弦输出信号和余弦输出信号。也就是说，正弦输出信号的电压是Vm×sinωt×sinθ，余弦输出信号的电压是Vm×sinωt×cosθ。如果设Vm为1，则正弦输出信号sinωt×sinθ和余弦输出信号sinωt×cosθ与输出信号的电压一致。当V设定为1时，场激励信号也与正弦波形电压sinωt一致。

场激励信号由场激励信号发生器10提供以获得一个恰当的大小并被提供给分相器6。此外，场激励信号发生器10可以并入控制电路2。

控制电路2是一个公知电路，它包括一台微型计算机及其周围的电路。控制电路2可以由硬件逻辑电路或数字信号处理器构成。控制电路2由从电流传感器4、5提供的两个相电流信号(即U相和V相电流信号)形成另一相电流信号(即W相电流信号)。基于三相电流、来自于分相器6的旋转角度信号和来自于外部的命令信号，控制电路2提供具有最优大小和计时性的六个控制极电压信号，这些信号将被提供给三相换流器3。

转矩方向检测装置7与控制电路2相连。转矩方向检测装置7包括时区检测电路71、闩锁电路74和转矩方向检测电路75。转矩方向检测电路75是逻辑电路。

时区检测电路71包括公知的比较器21、22、23和各自都有三个输入终端的与电路24、25，如图2所示。

当从场激励信号发生器10向分相器6输入如图3A所示的具有sinωt特性的场激励信号时，如图3B所示的具有sinθ×sinωt特性的正弦输出信号和如图3C所示的具有cosθ×sinωt特性的余弦输出信号从分相器6输出并被分别输入到时区检测电路71的比较器21-23。

此外，当场激励信号sinωt变为1时，正弦信号变为sinθ，余弦信号变为cosθ，如图3D所示。正弦和余弦输出信号的电气角的一个周期或360°被分为8个时区T1-T8，以便通过包括多个比较器的电路来比较每个区域两个相电流的大小。

当正弦信号为正时，比较器21提供H电平信号(或1)；当正弦信号为负时，比较器21提供L电平信号(或0)。当余弦信号为正时，比较器22提供H电平信号；当余弦信号为负时，比较器22提供L电平信号。当正弦信号大于余弦信号时，比较器23提供H电平信号；当正弦信号小于余弦信号时，比较器23提供L电平信号。因此，在每个时区，比较器提供不同的信号，如图4所示。除时区T3、T4、T7和T8外，在时区T1、T2、T5和T6，电平信号的组合相互不同，所以，在时区T1、T2、T5和T6可以检测旋转方向。

当车辆的转向盘转向右边(无刷电机的转矩方向向右)时，U相电流和V相电流供给无刷电机，如图5A所示。另一方面，当车辆的转向盘转向左边(无刷电机的转矩方向向左)时，U相电流和V相电流供给无刷电机，如图5B所示。应该注意到，图5A和图5B中的T2和T6时区具有以下条件：每个相电流在时区内都保持正或负；两个相电流之间的大小关系在时区内不变；两个相电流之间的大小差异非常显著。

在图2中，比较器21、22、23和与电路24、25按照如下方式相连。如图4所示，当所有比较器21、22、23在时区T2都为1时，与电路24为1；另一方面，当所有比较器21、22、23在时区T6都为0时，与电路25为1。此外，比较器21对应Bit0；比较器22对应Bit1；比较器23对应Bit2。因此，可以通过与电路24、25的输出信号检测时区T2和T6。

时区检测电路71与闩锁电路74相连，闩锁电路74包括公知的D型触发器电路26、27，这两个触发器电路都有D终端、CL终端和Q终端，如图2所示。即，与电路24与触发器26的D终端相连；与电路25与触发器27的D终端相连。无论何时场激励信号sinωt变为1，就会有一个脉冲被输入触发器电路26、27的CL终端。相应地，当脉冲输入CL终端时或输入以后，D型触发器会各自在Q终端提供输出信号。当计时处于区域T2时，触发器26的Q终端提供H电平信号直到向其CL终端输入另一个脉冲为止。另一方面，当计时处于区域T6时，触发器27的Q终端提供H电平信号直到向其CL终端输入另一个脉冲为止。两个触发器26、27都不可能在Q终端提供H电平信号。闩锁电路74也会收到电流检测器4、5的输出信号，这会一直延续直到场激励信号sinωt又重新变为1为止。

闩锁电路74所收到的信号被送到转矩方向检测电路75以检测电机1的转矩方向。若触发器26的Q终端为H电平，并且U相电流大于V相电流，如图5B的时区T2所示，则可推断转向盘转向左边。另一方面，若触发器26的Q终端为H电平，并且U相电流小于V相电流，如图5A的时区T2所示，则可推断转向盘转向右边。

同样，若触发器27的Q终端为H电平，并且U相电流大于V相电流，如图5A的时区T6所示，则可推断转向盘转向右边。另一方面，若触发器27的Q终端为H电平，并且U相电流小于V相电流，如图5B的时区T6所示，则可推断转向盘转向左边。

时区检测电路71可被修正为如图9所示。在该电路中，Bit2信号被转换输入到与电路24，并且未被转换输入到与电路25。相应地，若与电路24提供1(H电平)，则可推断电机旋转角度处于时区T1。另一方面，若与电路25提供1(H电平)，则可推断电机旋转角度处于时区T5。因为U相电流与V相电流之间的关系相同，转向盘的旋转方向或电机的转矩方向就可以用如前面所述的相同方式检测。

此外，在四个时区T1、T2、T5和T6也可用上述相同方式检测转向盘的旋转方向或电机的转矩方向。

将参照图7描述采用上述转矩方向检测装置的电机驱动的动力转向系统101检测。

电机驱动的动力转向系统101包括：分相器109、转向盘110、转矩传感器111、上端与转向盘110相连且另一端与转矩传感器111相连的转向轴112a、上端与转矩传感器111相连的小齿轮轴112b、转向角传感器113、驱动器114、其中设置有与小齿轮轴112b另一端相连的小齿轮(未示出)的转向齿轮箱116、与小齿轮啮合的齿杆118、经由齿轮(未示出)与小齿轮轴112b连接的电机115、一对转向拉杆120、固定于车辆的一对前轮上的一对转向节臂122、和转向控制单元130。此外，电机115可以配备在一个齿杆118的附近。

转向控制单元130包括公知的中央处理器131、随机存储器132、只读存储器133、输入/输出接口134和用于电连接这些元件的总线135。中央处理器131按照存储于只读存储器133和随机存储器132的程序和数据执行控制。只读存储器133包括程序存储区133a和数据存储区133b。程序存储区133a存储EPS控制程序133p；数据存储区133b存储用于执行EPS控制程序133p的数据。中央处理器131根据转矩传感器111检测的转矩和转向角传感器113检测的转向角为电机115计算指令转矩进而输出。然后，中央处理器131经由电机驱动器114向电机115提供一个电压以获得合适的转矩。同时，分相器109检测电机115的旋转角度，以检查电机115是否以计算的转矩转动。

将参照图8描述采用上述转矩方向检测装置的传递比控制系统201检测。

传递比控制系统201包括：传递比控制单元203、转向角传感器206、转向盘210、转向角传感器206固定到其上的输入轴211、传递比改变单元212、下端带有小齿轮(未示出)的输出轴213、固定于输出轴213的输出角传感器214、容纳内有小齿轮的转向齿轮箱215和分别与小齿轮啮合的一对齿条216。转向齿轮箱215内还有电机驱动的转向系统的各种元件。输出角传感器206可以设置在传递比改变单元212中。每个齿条都经由连杆和臂与车辆的前轮217连接。输入轴211的转向角和输出轴213的旋转角分别由转向角传感器206和输出角传感器214测得并被送给传递比控制单元203。车辆速度信号、发动机旋转速度信号等也从外部经由局域网207被送给传递比控制单元203。传递比控制单元203根据上述信号控制传递比改变单元212。

传递比改变单元212包括公知的无刷电机和减速机构。在传递比控制单元203的控制下，传递比改变单元212驱动无刷电机来改变输出轴213的旋转角度。具体地说，当车辆速度信号和发动机旋转速度信号经由局域网207被输入传递比控制单元203时，传递比控制单元203就由输入信号计算出输出轴213的指令旋转角度并提供送往传递比改变单元212的脉宽调制信号。因此，无刷电机向车辆的前轮217提供与输出轴213的指令旋转角度总和对应的转向角度和转向盘210的旋转角度。前轮的转向角度由输出角传感器214测得、并反馈给传递比控制单元203以对其反馈控制。

在本发明的以上描述中，参照其具体实施例公开了本发明。在不脱离本发明权利要求范围的情况下，可对本发明的具体实施例进行各种改进和改变。本发明的描述也只是解说性的，而不具有限制意义。

Claims (2)

1、一种无刷电机(1)的转矩方向检测装置，无刷电机具有多个相绕组，所述转矩方向检测装置包括：

用于提供SIN正弦信号和COS正弦信号的分相器(6)，SIN正弦信号和COS正弦信号根据无刷电机的旋转具有相同周期和相互相差预定电气角的相位；

用于检测流过相绕组的电流的电流传感器(4、5)；以及

用于通过比较电气角预定区域中流过两个相绕组的相电流大小来确定无刷电机(1)的转矩方向的装置(71、74、75)；

其中，用于确定转矩方向的所述装置(71、74、75)包括用于比较流过两个相绕组的相电流大小、以便在相电流之间的大小差异符合电气角的预定区域中预定的大小关系时提供确定转矩方向的信号的第一装置(74、75)；用于在电气角处于电气角的预定区域时给第一装置提供计时信号的第二装置(71)；

其中，所述第二装置(71)包括用于检查SIN正弦信号为正或负的第一比较器(21)、用于检查COS正弦信号为正或负的第二比较器(22)、用于比较SIN正弦信号和COS正弦信号大小的第三比较器(23)、以及用于当第一、第二和第三比较器的输出信号对应于预定组合时提供计时信号的一对与电路。

2、如权利要求1所述的转矩方向检测装置，其特征在于，用于确定转矩方向的所述装置(71、74、75)比较电气角相差180°的两个区域的相电流的大小关系。

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