CN1373926A - 用于无刷直流电动机的状态步进控制器的换向电路 - Google Patents

Abstract

用来推进电子换向的无刷直流电动机的换向状态的方法和系统。即将发生的电动机失速是通过测量当前流过电动机线圈的电流进行检测的,以便确定磁饱和状态。在进行这样的检测时,启动计时顺序,如果在该计时顺序内状态的改变尚未发生,则该状态被推进到下一个接替状态。

Description

用于无刷直流电动机的状态步进控制器的换向电路

发明领域

本发明一般地涉及电动机，更具体地说涉及用于无刷直流电动机的换向电路的改进，其中电动机的转矩特性得到增强。

发明背景

无刷直流(BDC)电动机在技术上是众所周知的。为了使电动机旋转完整的一圈，使绕组随着转子位置的变化换向是必不可少的。换向意味着在适当的时间改变适当的线圈中的电流方向；电刷型电动机是通过电刷和换向汇流条的排列来完成该动作的。就BDC电动机而言，电子开关是与转子位置传感器(RPS)一起添加的。

图1至图6图解说明在BDC电动机的电子换向中使用的波形、电路和顺序。这种信息在现有技术中是已知的，并且被包括在此以帮助更好地理解本发明。

图1示意地展示按三相缠绕的典型的无刷电动机和在电动机作为恒速的发电机运行时在相位之间看到的电压。注意：电动机的绕组是为了提供电学上隔开120°的重叠的正弦三相电压而设计的。在这个实例中，电学度数等于机械度数，即，相电压的电间隔对应于转子的物理位置。因为转子具有两个磁极，所以增加磁极的数目将增加用于转子每旋转一周的电周期数目。用于每个绕组的N/S极平衡点发生在电压通过零点并且颠倒极性的地方。创造末端电压的正弦曲线形状即电动机的反电动势(BEMF)的是转子和定子的缠绕方法和类型以及几何形状和物理特征。在给定绕组和实际几何形状的情况下由电动机提供的转矩直接与它在转子受外力驱动时或者在电动机作为发电机使用时产生的电压有关。事实上，电动机的转矩常数K_t和电动机的电压或反电动势常数K_b在K_t用牛顿米/安培表示而K_b用伏特/弧度/秒表示时是相等的，即：

      K_t＝K_b

这不仅适用于厂商的数据单给定的电动机常数，而且适用于遍及换向周期的波形。换言之，如果BEMF波形在示波器上是作为转子位置的函数被看到的，那么当恒定的电流被加到电动机上时，作为转子位置的函数的转矩将按类似的方式变化，与电枢反作用力的效果无关。这种情况是用图2和图3的波形予以图解说明的。

有一种在一般情况下决定何时使无刷电动机换向的合乎逻辑的途径。众所周知，在BEMF波形横越零点处换向不是好的起点，因为无论多少电流被注入该相都不存在合成的转矩。用于电动机运行的每单位电流的峰值转矩是在BEMF波形的峰值位置达到的，而且电动机平滑地运行即在换向周期之间平滑地过渡是符合要求的。

图3中电动机的换向点在图2中被表明在阴影区域的起点。这些换向点以换向区域中BEMF波形的峰值为中心，而且在产生转矩的过程中供电动机诸相均等的分享。

然而，由于这些换向点，电动机在K_t方面的变化对于所展示的BEMF波形是大约50％。这意味着对于恒定的电流输入，在每个换向区域的转矩输出将改变50％。在诸如通风设备或泵之类的一些应用中，这可能是可接受的。为了改善在换向期间转矩的这种变化，即所谓的转矩波动，可以使用图3所示的方案。

在这种情况下，通过利用BEMF波形的负半周以及正半周，换向每转一周发生两次。转矩现在落在峰值下面大约13％。就三相电动机而言，采用所展示的简单的换向方案，这是最好的，它可以用这个特定的电动机的BEMF波形予以实现。

电动机的转矩输出可以作为遵从施加给无刷直流电动机定子线圈的电压的脉动被有效地看见。对于给定的负载，在电动机朝它的极限被驱动(即，将最大的电流施加给定子线圈)时，转子将随着负载的增加有失速的趋势。这种失速通常发生在转矩曲线中转矩最小的点。在现有技术中，这个问题是通过利用比较大的电动机提供更多的转矩来驱动给定的负载或者通过利用更稀有的磁性材料来提高电动机的特性得以解决的。在这两种情况下，为了驱动给定的负载，以此满足必需的负载驱动规范，都将招致额外的成本。

在无刷直流电动机中，必不可少的是使所施加的电压这样换向，以至于为了适当地驱动转子只有所施加的交流多相电压波的峰值被施加到电动机的定子线圈上。为了完成这样的换向，提供了觉察转子位置的装置(通常是霍尔效应器件)和激活适当的开关(通常是晶体管)在适当的时间把电压施加到适当的定子上的装置。传感器装置被定位在转子周围预先按照角度确定的位置上，并且当转子经过传感器位置时，它可以被看作是从不动前进到活动位置，借此提供可以被用来产生用于激活开关的信号的输出。这可以被看作是传感器装置的状态的改变。

一种可以使用的这样的换向形式是用图4、图5和图6的表1予以图解说明的，并且被称为六顺序换向。六顺序换向吸取了图3所示的三相的优势。从左向右看，正的或负的峰值每隔60电度发生在一个相中：A相中的正峰值、C相中的负峰值、B相中的正峰值、A相中的负峰值、C相中的正峰值和B相中的负峰值。然后，这些60度的区间在电动机按同样的方向旋转时被重复。每一相绕组都有正的和负的60电度包含峰值的运行区间。六个区间中每个区间都代表用来把电流施加给那相以产生转矩的最佳转子位置。

颠倒电压和电流的极性进入三个负的运行区间将按与在三个正的运行区间中未被颠倒的电流相同的方向提供转矩。图4A图解说明电流的极性被切换到负的运行区间时的连续的转矩。为了提供连续的转矩，把相电流正确地排顺序成六个运行区间被称之为六顺序换向方法。电流被切换到按这个重复顺序A、-C、B、-A、C、-B指出极性的各自的相。

来自三个霍尔效应器件的转子位置反馈指出相对于绕组相位转子磁体的位置。切换放大器使用这个位置信息控制电源何时按顺序被切换和翻转到下一个相位和运行区间。图4B展示来自三个用传感器A、B、C标注的霍尔器件的输出。所示的霍尔效应器件精确地指出六个转子位置和最佳切换点。各个霍尔效应器件同相，并且以一相的正和负运行区间为中心。

在切换放大器中六个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关(图5)提供用于旋转的电压和电流的反向。霍尔效应器件反馈和换向电路确定六个MOSFETS的切换顺序。图5展示MOSFET的排列，而表1列出用于为各相供电的MOSFET顺序。在任何顺序期间都只有两对开关为一相供电。其余一对MOSFET被关掉。六顺序换向和电动机旋转是用依照表1运行的MOSFETS的这种排列实现的。

对于无刷直流电动机，传感器件的状态的改变也将发生在输出转矩曲线上的转矩最小的点。当电动机通过施加最大的可适用的电流被驱动并且因此处于饱和或者接近饱和，即更多的电流施加给定子绕组将不产生额外的输出转矩时，电动机处于如果试图驱动给定的负载就将失速的条件下。

发明概述

按照本发明，业已发现：如果当电动机处在它的电流极限范围内而换向状态在预定的时间内尚未改变时换向开关是引起跳到下一个接替状态的原因，那么电动机的转矩特性被提高。基本概念是先确定电动机处于这样的条件以至于正在接近失速，然后使定子的通电改变到下一个后续的换向周期以便把附加的转矩应用于转子，借此防止失速。为了实现这一点，提供检测电动机是否处于它的电流极限状态的装置是首要的。在进行这样的检测时，定时器被激活。定时器被激活之后，当它为预定的时间周期计数时，装置还准备检测电动机轴是否已经以这样的方式旋转以至于已经提供换向状态的改变。如果在预定的时间内尚未发生状态的改变，那么换向被推进到下一个接替状态。

附图简要说明

图1是三相发电机和输出电压的示意图；

图2是类似于图1的波形示意图，其中图2A图解说明换向位置，而图2B图解说明转矩脉动；

图3类似于图2，但带有正负换向和合成的转矩脉动；

图4展示霍尔效应传感器的开关条件以及如同在图3A中那样展示施加给绕组的电流；

图5是许多对开关的示意图，当它们按预定的顺序被激活的时候将如同在图3和图4中图解说明的那样把电流施加给电动机的绕组；

图6是罗列图5所示的开关为了如同在图3和图4中展示的那样把电流提供给绕组所完成的操作的表；

图7是典型的换向电路的方框图；

图8是按照本发明原理的状态步进控制器换向电路的方框图；

图9是按照本发明的优选实施方案图解说明发生状态步进的方式的流程图；

图10是按照本发明图解说明状态步进换向电路的替代方案的流程图；

图11是图解说明在没有本发明的特点的情况下被驱动到它的最大位置的电动机的转矩和位置的曲线；

图12是类似于图11的曲线，但是由于本发明的应用状态步进得到增强；

图13是利用本发明增强状态步进的系统的方框图。

本发明的详细说明

现在参照图7，图解说明控制器换向电路的典型的方框图。如图所示，三个霍尔传感器信号A、B和C被施加给霍尔到状态发电机10。依据A、B和C数字输入，霍尔到状态发电机提供六种电动机待换向状态之一并且出现在霍尔到状态发电机10的输出端。该信号被应用于状态到电桥逻辑电路12，并且根据状态和电动机受命进入的旋转方向，六晶体管电桥开关(图5)中的那对待激活的晶体管被确定下来。换言之，状态到电桥逻辑电路12已经把电动机的旋转方向(dir)、相绕组的电流极限(Ibim)和工作周期(duty)以及来自霍尔到状态发电机10的电动机状态作为输入信号应用。依据这些信号并且通过应用适当的逻辑，那对待激活的开关被确定下来。例如，参照图4、图5和图6，当A相准备在状态1中有外加的电流时，开关1和6将被闭合。

现在更具体地参照图8，按照本发明的原则用一般的方框图形式图解说明状态步进控制器换向电路。如同图中图解说明的那样，霍尔到状态发电机10和状态到电桥逻辑电路12与图7中展示的那些是同样的。但是，在图8的状态步进控制器换向电路中提供了状态步进逻辑电路14。如同被指出的那样，来自霍尔到状态发电机10的状态1-6被应用于状态步进逻辑电路14。另外，从无刷直流电动机反馈的电流极限以及电动机的旋转方向也得到应用。这两个信息信号都被应用于状态步进逻辑电路14和状态到电桥逻辑电路12两者。通过利用这些信号以及检测来自提供信号A、B和C的传感器的状态变化，无刷直流电动机的状态可以得到推进。另外，如同人们注意到的那样，存在着应用于状态到电桥逻辑电路12的工作周期信号。工作周期是为了以正比于为了获得电动机的输出转矩实际上想要施加在线圈两端的电压的工作周期接通和关闭开关晶体管以大约20千赫或类似的高频率切换的信号。

如同从图4可以看到的那样，当霍尔传感器之一A、B或C改变状态即从高状态移动到低状态或者从低状态移动到高状态的时候，换向如同在图4A中图解说明的那样改变。查看这个的另一条途径是应用于电动机的转子的通电如同在图3A中图解说明的那样依据转子位置改变。例如，如果通电是在ΦAB而传感器B如同在图4B中展示的那样从低状态移动到高状态，那么通过适当地激活和释放图5中展示的开关，通电将从ΦAB变化到ΦAC。同样，当传感器A从高状态变化到低状态的时候，通电将如同在图3A中展示的那样从ΦAC变化到ΦBC。在图4A中，这在转矩脉动曲线上再一次被图解说明。只要传感器的状态变化以有序的方式发生，定子线圈的通电就按适当的顺序被维持，而转子位置则按命令的方向继续改变。然而，业已发现，当转矩曲线处在最小值时，例如，如同在图4上以20表示的那样，如果对定子绕组的电流出口条件是在最大值，那么存在着这样的可能性，即除非施加更大的转矩，使转子离开以20表示的位置，否则电动机将失速。所以，按照本发明的原理，必不可少的是检测电动机什么时候接近失速条件，然后为了增大转矩和维持电动机按预期方向的旋转把这个状态向前推进一个位置(下一个接替状态)。

为了检测什么时候接近失速条件，提供了确定当前应用于线圈的电流出口条件是否在其极限(即定子线圈当前是否处于磁饱和状态)的装置。一旦获得电流极限信息，定时器就被激活并且被引起运行预定的时间周期。如果在那个时间周期里，图4中展示的传感器A、B和C之一改变状态，则已经存在向下一个后续的通电周期的步进，因此不需要进一步做任何事情。然而，如果在定时器时间到之前的那段运行时间里，在传感器A、B和C中没有状态改变发生，那么假定电动机正在接近它的失速状态。然后，不管传感器A、B或C之一是否改变状态都将生成使出口条件移动到下一个紧接着的通电周期的信号。换言之，通过查看图4，ΦAB转矩曲线如同以20图解说明的那样正在接近它的最小值位置，而用于电动机的电流极限已被达到。如果在定时器的预定时间周期里转子不这样通过某个位置旋转，以至于传感器B从低到高改变状态，那么即使传感器B尚未从低到高改变状态也生成自动引起对转子的出口条件从ΦAB移动到ΦAC的信号。通过这样做，转矩的增加是简单地由于状态已经发生从曲线递减部分上的ΦAB到转矩曲线递增部分上的ΦAC的跳跃引起的。转矩方面的这种增加将克服电动机失速并且使电动机继续按预期的方向旋转，除非电动机确实已经停止。

在某些情况下，即使已经改变或撞击到转矩曲线中的下一个接替状态，转子上的负载是如此之大以至于它不再有能力按预期的方向继续旋转(即，电动机确实已经停止)也是可能的。如果发生这种情况，那么对转子的出口条件返回到最初的状态，换言之，参照图4，从ΦAC回到ΦAB，并且假定电动机确实已经停止而且已经不能使转子进一步旋转。这是通过在第一定时器时间到而且状态变化尚未发生时启动第二定时器完成的，如果第二定时器就其预定的时间周期而言时间到而且没有传感器A、B和C之一的状态改变，那么在那个时刻出口条件返回到刚好在上述状态之前的状态。

虽然用于第一和第二定时器的预定的时间可以是任何已经确定的时间，但是优选的是在电流极限已经达到的检测之后第一定时器的运行时间为大约10毫秒，而第二定时器的工作时间已被确定优选为大约5毫秒。第一定时器在此以及在下文中将予以讨论的流程图中被称为“撞击定时器”，从而表明当这个定时器时间到时，转矩曲线被撞击到下一个接替位置，而第二定时器被称为“脉冲定时器”。

应该承认：如果在撞击定时器或脉冲定时器的暂停周期期间霍尔传感器改变状态，那么定时器被复位并且对下一个状态的撞击被取消。发生这种情况是因为现在已经检测到转子实际上已经越过霍尔传感器改变状态的位置和下一个接替出口条件曲线已经得到应用，因此已经没有必要推进或撞击该状态。

如果脉冲定时器在系统中是不利用的，那么转矩将立即落到在图4中以20表示的水平以下，因而使转子开始按相反的方向旋转直到传感器A、B和C之一的状态改变被检测到为止。在那个时刻，出口条件将在预期的旋转方向上再一次被应用于电动机。然后，电动机将试图向前旋转直到电流极限被达到和电动机失速为止，从那个点开始它再一次向后旋转。这可以被看作是在优选的条件下应该避免的电动机内部的张弛振荡。然而，业已发现：按照本发明采用撞击状态控制器换向电路，电动机的性能得到实质上的提高，即使转子的旋转被允许使它本身反转一两转也是如此。业已发现：即使有这种张弛振荡型的行为，在电动机的转矩和位置旋转方面仍然存在20％的增加，如上所述，这是对没有状态步进或撞击的电动机的本质上的改进。

通常，按照本发明的原理在状态步进控制器换向电路的运行期间将要发生的是定子线圈的出口条件将用于撞击定时器的10毫秒时间期满的末端步进到下一个接替状态，而且它将远在前5毫秒的脉冲定时器时间到之前几乎立即移动到下一个状态。发生这种情况是因为数量充足的附加转矩已经被应用于转子使它加速并且开始非常迅速地移动。因此，它将经过传感器将改变状态的位置，而两个定时器随后被复位。当电动机继续按预期的方向旋转而负载变得越来越大时，在状态方面的撞击变得越来越无用，以至于步进到下一个状态所必需的时间增加得越来越多，直到用于脉冲定时器的5毫秒暂停在没有状态改变的情况下被超越为止，而电动机真正失速以及必须返回其最后的接替状态就在这个点。

现在更具体地参照图9，它展示状态推进块的逻辑流程图并且将作为关于撞击紧接着的下一个状态或何时两定时器时间到返回到恰好在前面的状态的上述讨论的例证。在按部就班地分析图9所示的流程图之前，应该确认用图9图解说明的程序是以远远高于电动机以其最快的速度旋转时传感器A、B和C可能被激活使状态信号的改变得以产生的最高频率的频率进行连续处理的。通常，这种处理是以大约1兆赫的频率进行运行的。虽然它可能加快几分或减慢几分，但是在电动机中状态改变最快也仅仅是在100微秒的数量级上。因此，人们可以看到由于图9所展示的逻辑路径是以时钟频率(在1兆赫数量级)进行处理的，所以它是以这样的方式处理的，即几乎每逢通过图9所示的流程图时，对几乎每一个询问的答案都将是“否”。作为结果，定时器将不被激活而且撞击在正常的运行状态下将不发生。为了描述的简单明了，下面的讨论将是在不考虑这样的正常频率的条件下给出的。

如同在图9中展示的那样，提供了确定自从最后一次通过流程图处理以来状态是否改变的块40。如果答案是“否”，那么自动推进到下一个确定电动机是否在电流极限的块42。如果对它的答案是“否”，于是自动推进到下一个的块44在流程图中确定撞击定时器的时间是否等于或大于撞击时间，该撞击时间是前面讨论过的并且在图9上被指出优选大约10毫秒。由于在块42中没有检测到电流极限，所以对于块44的问题的答案是“否”，而且在那里将存在直接到赋值语句“状态输入”等于“状态”(“State In”等于“State”)的块46的旁路，这前进到“状态输入”，而且再一次重复全部运行。如同人们看到的那样，在通过图9的流程图所展示的各个块前进导致对所有的询问的答案都为“否”时，可以看到对于所有编号的块都直接归于失败，因此引起该过程在下一个时钟周期立即重复它本身。

如果在处理开始时有信号被应用于块40，对状态改变的答案是“是”，那么如同用块48图解说明的那样，撞击定时器和脉冲定时器两者都被复位。这将自动发生，不管这些定时器事实上是否已被激活。块48的输出随后被应用于块42，以确定电动机是否处在电流极限。如果不是，该过程如同前面描述的那样继续。然而，如果答案是“是”，这表明电动机现在被检测到处在电流极限，那么如同块50所指出的那样，启动撞击定时器。换言之，它被加1，因此使它开始计数。于是，撞击定时器的输出被这样应用于块44的输入，以至于撞击定时器已经起作用的时间的数量被应用于块44并且确定撞击定时器已经运行的时间是否等于或大于撞击时间，即10毫秒。如果答案是“否”，它仅仅如同前面指出的那样前进。然而，如果答案是“是”，那么信号被应用于激活撞击状态的块52，从而引起由下一个接替激发状态外加的激发，如同前面描述的那样。换言之，转矩从它所处的状态被撞击到下一个接替状态。如同在图8中指出的那样，电流极限已被检测，而且方向已被检测，因此撞击状态等于状态加上表示旋转方向的正负号。因而，如果状态是在状态4而且电动机方向是正的，那么下一个状态将是5。

块52的输出被应用于确定脉冲定时器是否小于或等于脉冲时间的块54。由于撞击状态被初始化时脉冲定时器尚未启动，所以对那个问题的答案将是“是”，因此输出将被应用于将激活脉冲定时器的块56。换言之，它将加1并且使它开始起作用。在发生这种情况时，块56的输出被应用于指出电动机当前所处状态是撞击状态的块58。就电动机而论，这将作为输出信号被应用于该状态，换言之，状态输入等于撞击状态(State In等于Bump State)。这种处理现在将遵照各自的时钟顺序继续进行，直到块54检测到脉冲定时器已经通过其大约5毫秒的暂停周期为止。发生这种情况时，对脉冲定时器是否小于或等于脉冲时间的问题的答案将是“否”而且在发生这样的情况时，输出被应用于指出电动机所处状态(State In)是适当的状态的块46，而且这将作为图9所示流程图的输出。因而，将使电动机返回到前一个状态，其中它存在于施加撞击状态信号之前，因而表明电动机确实是失速的。

应该理解：按照本发明和本发明的优选实施方案，只有图4所示的六种状态，即ΦAB、ΦAC、ΦBC、ΦBA、ΦCA和ΦCB。因此，如果电动机正在旋转，例如，按顺时针或正的位置旋转，而撞击信号被应用而且转矩处于状态4(ΦBA)，那么撞击状态将变成状态5(ΦCA)。然而，如果方向处相反的方向，即逆时针或负方向，那么撞击状态将变成状态3(ΦBC)。但是，如果状态是状态6(ΦCB)，那么按正方向下一个状态将变成1(ΦAB)，因为不存在状态7。类似地，如果旋转处于负方向而电动机处在状态1(ΦAB)，那么下一个状态将变成状态6(ΦCB)，因为不存在0状态。

现在参照图10，它展示本发明的替代实施方案，其中不管是否存在状态的改变一旦电动机处于电流极限而且撞击定时器已被激活并且已暂停，就有固定的撞击脉冲或信号。用图10予以图解说明的流程图将再一次按照比电动机的状态变化频率高许多倍的时钟频率进行处理。

如图10所示，关于状态变化的信息被应用于确定脉冲标记是否已在系统中设置的块60。如果“否”，那么信号被应用于询问状态的改变是否已经发生的块62。如果答案是“否”，那么信号被应用于确定电动机是否处于电流极限的块64。如果答案是“否”，那么如同块66所展示的那样具有等于或超过撞击时间的撞击定时器，由于在这个点撞击定时器尚未加1，所以答案将是“否”。这将直接转到用68表示的赋值语句“状态输入＝状态”，处理将在时钟脉冲下一次递增时如同前面描述的那样再一次开始。

假定状态如同在62处表示的那样确实改变了，于是信号将是“是”。然后，这将被应用于撞击定时器复位的块70。因此，如同在前一个实施方案中那样，每逢状态改变，撞击定时器都被复位。现在假定当信号被应用于块64时，答案是电动机处于电流极限。这随后将被应用于将引起撞击定时器加1的块72。当撞击定时器的输出随后被应用于块66时，由于它刚刚被启动，所以处在这样的境遇中，以至于定时器不等于或大于撞击时间，即前面提及的10毫秒。事实既然如此，输出将是“否”，从而落到块68，处理将再一次开始。假定该过程已持续充分的时钟脉冲数，直到撞击定时器现在超过撞击时间(即10毫秒)。于是，输出将是“是”，而且这将被应用于将激活撞击的块74，而撞击状态将是状态加上用正负表示的方向符号，以至于对转子的激发被推进到下一个接替状态，或正或负取决于旋转方向。在发生这种情况时，信号被应用于将脉冲定时器复位并且设置脉冲标记的块76。然后，输出被应用于块68，处理将再一次开始。当处理在下一个时钟脉冲开始并且被应用于询问是否设置了脉冲标记的块60时，于是这次将被回答“是”并且将被应用于将使脉冲定时器加1的块78。然后如同前面指出的那样，这将被应用于询问脉冲定时器是否等于或小于脉冲时间(即5毫秒)的块80。由于脉冲定时器刚刚被加1，所以答案将是“是”。脉冲定时器小于5毫秒，然后信号将被应用于指出电动机目前所处状态是撞击状态的块82，而其输出将被应用于使撞击定时器复位的块84，因为它在这个点不再运行并且已经超过撞击时间。这将持续处理用于脉冲定时器的5毫秒暂停周期。在发生这种情况的时候，信号被应用于询问脉冲定时器是否小于或等于脉冲时间的块80时，答案将是“否”，因为它在这个点超过脉冲时间。在发生这样的情况时，输出被应用于清除脉冲标记的块86，而输出信号将被应用于块82并且随后被应用于指出电动机处在撞击状态的块84。由于脉冲标记已被清除、撞击定时器已被复位，所以处理现在将如同前面描述的那样再一次开始重复。由此可见，一旦脉冲定时器已被加1，撞击状态就不顾关于状态改变发生了什么都保持。这简单地发生，因为关于状态改变的询问已通过设置脉冲标记被回避。一旦脉冲定时器时间到，于是状态变化将变成适当的询问。

现在更具体地参照图11和12，这两个图举例说明电动机的性能，在图11中没有状态跳跃，而在图12中有状态跳跃，以便比较当本发明的状态步进控制器换向电路在电动机中被实现时电动机的性能的改进。

如同在图11中图解说明的那样，曲线112代表驱动电动机通过齿轮传动链与扭力棒对抗直至发生失速所产生的转矩量。曲线114代表为实现失速条件转子的旋转量或位置。可以看出，在曲线112和114所展示的第一方向上受控时，电动机达到旋转大约18.62度的位置并且产生787.9磅英寸转矩。在这个点，电动机的方向受命逆转，因此，转矩现在出现在曲线的下半部分112A上，而转动位置在曲线的上半部分114A上，并且如同在逆转位置可以看到的那样，在21.42度最终产生的转矩是大约943磅英寸。

现在参照图12，它图解说明同样的电动机，但是本发明提高的状态发明被应用。如同在曲线116和118上可以看到的那样，电动机在分别以曲线116和118表示的第一方向上受控时能够产生972.76磅英寸的转矩和达到23.31度的位置。在分别以曲线116A和118A表示的逆转方向上受控时，在26.18度的位置产生990磅英寸的转矩。如同通过比较电动机性能可以看到的那样，比先前多出几乎185磅英寸的转矩这一实质性的改进是在第一方向上产生的，并多旋转4.69度。因而可以看到依照本发明的原理通过利用状态步进控制器换向电路可以有实质性的改进。

虽然在前面讨论中始终把霍尔传感器称作检测状态变化的器件，但是熟悉这项技术的人将承认其它器件也可以被用于同样的目的。例如，RVDT、分解器、电位计、或其它的位置传感器都可被利用，例如，与模数转换器、比较仪、或类似的东西结合使用。

现在具体参照图13，它展示依照本发明原理的与状态步进控制器换向电路合并的无刷直流电动机的方框图。如同在图中图解说明的那样，电动机90包括上述的优选为状态计数的霍尔效应传感器结构的激励位置传感器92。但是，它可以是电位计、LVDT、RVDT或分解器。激励换向传感器的输出如同用导线94表示的那样被反馈到回路闭合和补偿电路96。该电路有与它连接用来接收命令信号的命令接口98。另外，连接到它上面的是换向传感器100，该传感器也可以是为功率放大级102提供适当换向的霍尔效应器件、分解器或同步器。连接到换向传感器100上的是作为对回路闭合和补偿的补充输入的状态步进控制器104。图14揭示的电动机结构在与状态步进控制器合并时与没有状态步进控制器的情况相比在可用的转矩方面提供突出的改进。

作为对前面讨论的状态步进控制器的补充修改是检测何时电动机事实上已进入失速状态并开始打滑或按相反的方向旋转的途径。一种途径可以在与受控方向相反的方向上检测多样的状态改变和利用那个作为引起控制器撞击状态的信号。速度门限检测装置也可以被用来完成同样的事情和在电动机确实已经失速的事件中清除状态步进。补充的变更是一旦电流极限被检测到，就可以撞击该状态，然后只要没有状态改变就逗留在那个条件下。

至此已经揭示了状态步进控制器换向电路，它可以与无刷直流电动机一起使用，以便对于给定的负载提高其转矩和位置特性。

Claims (8)

1.一种用来改进电子换向的无刷直流电动机的运行特性的方法，包括：

(a)检测电动机的运行何时接近失速条件；

(b)作为对检测到的接近失速条件的响应启动预定时间的计时顺序；

(c)在该计时顺序期间检测换向状态是否已经改变；以及

(d)在计时顺序的预定时间里换向状态缺乏变化时把换向状态推进到下一个接替状态。

2.根据权利要求1所述的用来改进无刷直流电动机的运行特性的方法，其中所述的检测接近电动机失速的步骤包括测量施加于电动机的电流。

3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括确定电流是否达到电动机的磁饱和点。

4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在检测到换向状态发生变化时把计时顺序复位到零的步骤。

5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括如下步骤：

在所述的预定时间期满之后并且缺乏换向状态变化时启动第二预定时间的第二计时顺序；以及

在所述的第二预定时间里缺乏换向状态变化时使所述电动机返回到刚好在所述的推进之前存在的换向状态。

6.一种电子换向无刷直流电动机状态步进控制器，包括：

用来检测所述电动机的接近失速条件的装置；

用来检测所述电动机的换向状态变化的装置；

一个定时器；

在检测到所述失速条件时用来激活所述定时器的装置；以及

一个在所述定时器被激活但缺乏状态变化时用来把换向状态推进到下一个后续状态的控制器。

7.根据权利要求6所述的电子换向无刷直流电动机状态步进控制器，其中，所述的用来检测失速条件的装置包括用来测量通过所述电动机的电流的装置。

8.根据权利要求6所述的电子换向无刷直流电动机状态步进控制器，其中，所述用来检测状态变化的装置包括一个霍尔效应装置。

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