CN1677833A - 无感测无刷直流马达的激活程序 - Google Patents

Abstract

一种激活具有多个定子线组与一转子的马达方法，包括先提供电流给其中二线组以激发出预先定义的相位，并允许线组的其一悬空。接着，监控悬空线组中所感应的反电动势，若悬空线组在最大激活时间内发生反电动势的过零点，则换流到下一相位，其在预定的激磁相位序列中是与第一初始相位相邻。若在悬空线组中在最大激活时间内未发生反向电动势的过零点，则换流至下一相位，而此相位是从预先定义的相位转移二相位间隔。

Description

无感测无刷直流马达的激活程序

技术领域

本发明是关于一种直流无刷(brushless DC，BLDC)马达的激活技术，且特别是关于一种无传感器BLDC马达的激活技术。

背景技术

由于具有稀土元素(rare-earth-element)的永久磁铁的直流无刷马达有着显著优点，例如是高效能、高功率密度以及较佳的可控制性等等，因此直流无刷马达近年来的应用范围愈来愈广泛。BLDC马达是通过逆变器(inverter)以及位置侦测器(position detector)来进行换相。一般是用三个霍尔传感器(Hall sensor)来作为BLDC马达的位置侦测器。然而，这些霍尔组件必须固定在非常精确的位置上，而且传感器本身就是造成高成本与可靠度损失的原因。因此，目前已提出许多无位置侦测器的直流无刷马达驱动器，它可由定子(stator)中所感应出的反电动势(back electromotive forces，BEMF)来确定转子的位置和换相。

然而，所有这类的无传感器马达在激活方面面临一些问题，因为当马达静止时感应的反电动势并不存在，且转子的启始位置为未知。基于这些理由，目前便发展出一些激活程序以克服此技术中的困难。其中一种众所周知的方法称之为三阶段激活程序(3-stage startupprocedure)，包括以下所述的步骤。首先，在预设时间激磁出一个预先定义的初始相位，以将转子推至特定的已知位置。之后依次产生一个连串的同步信号，并在开电路(open-circuit)模式下，通过增加这些同步信号的频率来加速转子。持续加速马达，直到马达到达一个速度使被诱发出的反电动势信号变为有效且可靠的信号。此激活程序的缺点在于其需耗费相当长的时间，且转子可能无法正确地跟随上激磁顺续。

基于这些困难在决定转子的初始位置以及为了防止失步(step-losing)的目的，激活时的电流是大于负载转矩加上摩擦转矩与马达的惯性负载。通常是以两倍比例(或较少)的额定电流被激磁来快速激活马达。若驱动器的激活时间长，且激活电流大，则驱动器会常常导致大量的铜损(copper loss)，最终并导致驱动器过热。因此便需要一种具有快速激活BLDC马达的程序。

以下将简短地叙述三相马达(three-phase motor)的运行原理。图1所示为公知的一种三相马达的示意图。在图1中，三相马达是属于一个星形结构。就是在电相位角(electrical degree)360度中，三相马达具有六个不同的可激磁相位以及六个平衡点。在下述说明中，每一个激磁相位均以两个大写的字母表示。，第一个字母(A，B，C)是表示电流从供应端往星节点(N)流动时所流经的线组。第二个大写字母则附有标号”_”，其表示为电流从星节点(N)往另一个供应端流动时所流经的绕线。

图2所示为马达在不同激磁相位中的转矩曲线，以及三个BEMFs的对应曲线。在图2中的每个激磁相位(例如是AB_)中，转子会最终停止在稳定平衡点t180位置。因此，在六个相位中，电相位角360度就有六个平衡点以及例如是由各个稳定平衡点转移电相位角180度而得的多个力学不稳定平衡点。显然地，当转子是处于静止状态时，激磁相位AB_，会产生正转、反转或静止，如表1所示。转矩的”-”符号是表示此转矩以反方向激活马达。当马达以图2所示的方向转动时，悬空相位C的BEMF的符号也如表1所示。

表1

转子位置	转矩	线组C的BEMF	转动方向
				0-t1	+	+	正转
t1-t180	+	-	正转
				t180-t4	-	-	反转
t4-0	-	+	反转
				t180	0	-	静止

以下将依据前述的三相马达的基本特性，而说明种以具有较佳效能的激活程序来激活无传感器直流无刷马达的方法。

发明内容

本发明提供种无感测无刷直流马达的激活程序，以便于快速激活。

本发明还提供种激活马达的方法，此马达包括多个定子线组以及一个转子。此方法包括先在这些线组其中之二中提供电流以激磁预先定义相位，并使这些线组的一个为悬空状态。然后，监测此悬空线组中所感应出来的反电动势。若悬空线组中的反电动势的过零点(zero-crossing point)发生在最大激活时间(maximum startup time)内，则换流至在激磁相位的预定序列中与第一个初始相位相邻的相位。若在最大激活时间内，悬空线组中的反电动势没有发生过零点，则换流至从预先定义相位转移两个相位间隔的相位。

另一个实施例中，在提供两线组电流的步骤及监测反向电动势的步骤间，包括以足够长的时间进行屏蔽，进而避免侦测到反电动势的寄生过零点(parasitic zero-crossing point)。

附图说明

图1所示为公知星状结构的三相马达的示意图。

图2所示为图1所示的马达相对于不同激磁相位且与三个反电动势相符的转矩曲线图。

图3所示为本发明的转子位置侦测电路的方块示意图。

图4所示为本发明的一个实施实例中的激活程序流程图。

图5至图8所示为依照本发明的一个较佳实施例，如何在转子不同的初始静止位置中进行激活程序。

图9是依照本发明的较佳实施例而绘制的一个时序图，用以说明本发明与时间的关系特征。

图号说明

30：转子位置探测电路     100：激磁相位AB_

101：时间T0是否够长      102：是否侦测到负向过零点Zc

103：换流至AC_           104：是否侦测到正向过零点ZB

105：换流至BC_

106：是否超过时间Ts

107：换流至BC_

108：是否侦测到负向过零点ZA

109：换流至BA_

110：离开激活程序

Va、Vb、Vc：悬空绕线的端电压

ZA、ZB、ZC：过零点

BEMF：反电动势

具体实施方式

在提出本发明的激活程序前，必须先考虑些运行特征。图3所示为本发明的转子位置侦测电路(rotor position detection circuit)的方块示意图。如图3所示，由转子的转动所感应出的BEMFs的过零点ZA、ZB以及ZC是分别从悬空线组的端电压Va、Vb以及Vc而通过转子位置侦测电路30测得。每一个过零点ZA、ZB以及ZC均包括正向过零以及负向过零，因此在下次的换流中就可完成马达的激活，如表2所示。

表2

目前的激磁相位	悬空线组	过零点	下一个激磁相位
				AB_	C	负向ZC	AC_
AC_	B	正向ZB	BC_
				BC_	A	负向ZA	BA_
BA_	C	正向ZC	CA_
				CA_	B	负向ZB	CB_
CB_	A	正向ZA	AB_

当马达改变转动方向时，BEMF将因此而改变其正负号。此就意味着反向转动时将会产生一个伪过零点(pseudo zero-crossing point)，而此伪过零点是有利于本发明的方法的激活算法，以下将做更完整的说明。

依据本发明的一个较佳实施例所述，本发明的激活过程的演算形式例如是如图4所示的流程。

如图4所示，此程序是通过激磁两个预先定义相位(如步骤100)而开始。在此，预先定义相位并不是特别指定的。然而，在下述说明与实例中均是以相位AB_为例做说明。步骤100是将会使转子转向图2所示的平衡点t180。步骤101是确认屏蔽时间T0是否足够长以避免伪侦测，其中屏蔽时间T0的长短是与系统的惯性特性有关。若屏蔽时间T0为可接受的，则进行步骤102以确认是否已侦测到悬空线组C中的BEMF的负向过零点(ZC)。若未侦测到负向过零点(ZC)，则进行步骤106。若悬空线组C的第一个过零点(包括伪过零点)被检测到由正到负，则在步骤103中立就切换至下一个相位AC_。此处是假设当转子为静止或是速度太慢而无法侦测到BEMF时，BEMF的过零点的侦测为负值。在步骤104中，确认是否侦测到悬空线组B的正向过零点ZB。若有侦测到正向过零点ZB，则换流至相位BC_(如步骤105)。之后，此激活程序实际上在步骤110中结束，而此时就可以用任何适当的技术来控制马达。

在步骤102中若是判断出未侦测到负向过零点ZC，则此程序移至步骤106。在步骤106中确认实际时间是否已超过最大激活时间Ts，其中最大激活时间Ts的长短是决定于系统的惯性特性。若实际时间尚未超过最大激活时间Ts，则此程序回到步骤102以侦测负向过零点ZC。若实际时间已超过最大激活时间Ts，此情况表示转子的初始静止位置就是在预先定义的相位AB_的平衡点t180。在步骤107中，待激发的相位是能够在正转中获得最大转矩的相位，比如BC_，它是由预先定义的相位AB_移位120度而得。接着，在步骤108中以BEMF量测器量测A线组，并确认是否侦测到负向过零点ZA。若有侦测到负向过零点ZA，则进行步骤109以换流至相位BA_。之后，在步骤110中跳出此激活程序。

以下将详细地说明依照表1，转子处在不同的初始位置时，根据此激活程序，以及马达的不同激活情况。

(1)转子初始静止的位置处在0至t1间时的激活：

如图5所示，转子初始静止的位置处在0至t1间。通过将相位AB_激磁一个预设时间T0，则会因正转矩而使马达往正方向加速转动，且相位C的BEMF为悬空且为正。在过了预设时间T0之后，就可开始侦测BEMF的过零点ZCP。当转子到达t1时，可以侦测到负向过零点ZC，且立就切换至下一个相位AC_。此转子将续在往正方向加速。但在t2时侦测到第二BEMF的过零点ZB，则可立即换相至相位BC_。之后，激活程序实际上已结束，而此后可以用任何适当的技术来控制马达。

(2)转子初始静止的位置处在t1至t180时的激活：

如图6所示，转子初始静止的位置处在t1至t180间。通过将相位AB_激磁一个预设时间T0，则会因正转矩而使马达往正方向加速转动，且相位C的BEMF为悬空且为负。在过了预设时间T0之后，就可以开始侦测BEMF的过零点ZCP，且在转子到达平衡点t180的前并无过零点ZCP。由于马达的惯性及负载，转子并不会静止于平衡点t180。一旦转子通过平衡点t180，由电流AB-所产生的转矩将变成负转矩。因此，马达会先停止，然后再变换转动方向。在转子变换转动方向后，相关的BEMF也会变换其极性。此时会出现伪过零点，而相位C的BEMF会变成正的。之后，转子会往反方向转动直到其再次通过平衡点t180。由于正转矩的关系，当转子再次通过平衡点t180时，转子会先停止，之后再变换转动方向。相位C的伪过零点是在正到负之间被侦测到，并进行换流以切换至下一个相位AC_。此时马达在往正方向加速。一旦侦测到的悬空相位B的BEMF为正时，则切换至下一个相位BC_。之后，激活程序实际上已结束，而此后可以用任何适当的技术来控制马达。

(3)转子初始静止的位置处在t180至t4时的激活：

如图7所示，转子初始静止的位置处在t180至t4间。通过将相位AB_激磁一个预设时间T0，则会因负转矩而使马达往反方向加速转动，且相位C的BEMF为悬空且为正。在过了预设时间T0之后，就就可进行侦测BEMF的过零点ZCP，且在转子到达平衡点t180之前并无过零点ZCP。由于马达的惯性及负载转子并不会静止于平衡点t180。一旦转子通过平衡点t180，由电流AB-所产生的转矩将变成正转矩。因此，马达会先停止，然后再变换转动方向而往正方向转动。在转子变换转动方向后，相关的BEMF也会变换其极性。此时会出现伪过零点ZCP，而相位C的BEMF会变成负的，并立就切换至下一个相位BC_。之后，激活程序实际上已结束，而此后可以用任何适当的技术来控制马达。

(4)转子初始静止的位置处在t4至0时的激活：

如图8所示，转子初始静止的位置在t4至0间。通过将相位AB_激磁一个预设时间T0，则会因负转矩而使马达往反方向加速转动，且相位C的BEMF为悬空且为负。在过了预设时间T0之后，就就可进行侦测BEMF的过零点ZCP。当转子到达t4时就可以侦测到由负到正的过零点ZCP。忽略此过零点ZCP，则导通的相位仍为AB_。在转子到达平衡点t180之前并无过零点ZCP。由于马达的惯性及负载，转子并不会静止于平衡点t180。一旦转子通过平衡点t180，由电流AB-所产生的转矩将变成正的。因此，马达会先停止，然后再变换转动方向以正方向转动。在转子变换转动方向后，相关的BEMF也会变换其极性。此时会出现伪过零点，而相位C的BEMF会变成负的。然后立就切换至下一个相位AC_，而转子则往正方向加速。一旦侦测到的浮置相位B的BEMF为正，则切换至下一个相位BC_。之后，激活程序实际上已结束，而此后可以用任何适当的技术来控制马达。

(5)转子初始静止的位置处在t180时的激活：

如前述的说明，转子是静止于激磁相位AB_的平衡点t180，且由于此处所施加的转矩为零，因此转子不会获得任何加速。这种特别的情形可将其视为在过了最大激活时间Ts后，仍未产生过零点。如图7所示，为了在往前的方向中获得最大的转矩，新相位会被激磁出，例如是由当时的相位移位120度而得的相位(也就是相位BC_)。一旦侦测到悬空相位A的BEMF的负向反电动势，就切换至下一个相位BA_。之后，激活程序实际上已结束，而此时可以用任何适当的技术来控制马达。

明显地，转子在t1至0之间的初始静止位置在激活的瞬间具有往反方向的转动。实际上，在不理想的情况下，转子向反方向转动的最大值会有电相位180度。

图9所示出本发明的另一个方面的特征。如图9所示，具有箭头的时刻表示进行侦测的时刻。BEMF具有高电准位以及低电准位。在侦测第一个过零点ZCP时侦测的是电准位的变化。然而，在侦测第二过零点ZCP时并不需要侦测电准位的变化。在实例1中，在第一个侦测期之内发生电准位的变化，且第二侦测期内也有发生电准位变化。在实例2中，在第一个侦测期之内发生电准位的变化，而第二侦测期内则没有发生电准位变化。

过零点ZCP可以是正向过零点，也可以是负向过零点，其是取决于实际的运行顺序。前面的叙述仅是用以说明本发明的例子。熟悉此技术者可以知道，本说明书所揭露的创新的观念可广泛地应用在各种不同的条件下。而且也可以利用多种不同的方式来修改此较佳实施方法。另外，熟悉此技术者也应该了解，前述及以下的修正与变化仅为说明性的建议。这些实例是用以说明本发明观念的范围，但这些实例并未详尽此新观念变化的所有范围。

举例来说，在一个较佳实施例中，当转子为静止或是速度太慢而无法侦测到BEMF时，BEMF的过零点的侦测输出为负。然而，BEMF的过零点的侦测初始输出可以为正。

在另一个实例中，若BEMF的过零点的侦测电路具有太大的偏移量(offsest)，则预设的屏蔽时间T0之间隔将变得不重要。

在另一个实例中，本说明书所述的马达仅具有三个线组，且其转子为永久性磁铁。然而，本发明的观念还可以应用在包括有三个或更多线组的马达中。

在另一个实例中，马达的线组并非限定为星状结构，虽然星状结构是为通用且有效地排列，但本发明也可以应用于线组以三角形排列的马达中。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与修饰，因此本发明的保护范围当根据权利要求中所界定的为准。

Claims (11)

1.一种激活马达的方法，其特征在于：该马达包括若干个定子线组以及一个转子，而这种激活马达的方法包括：

提供一个电流在这些线组其中之二，以激活出一个预先定义的初始相位，并悬空这些绕线其中之一；

监测悬空绕线中所感应的一个反电动势；

当悬空线组的反电动势在悬空线组的一个最大激活时间时内发生一个过零点，换流至一个随后相位，随后相位是在一个激磁相位的预定序列中与该预先定义初始相位相邻；以及

当该悬空线组的该反电动势在该悬空线组于该最大激活时间时内未发生过零点，则换流至一个移位随后相位，该移位随后相位是由预先定义初始相位移位二相位间隔。

2.如权利要求1所述的激活马达的方法，其特征在于：在提供该电流的步骤后与监测反电动势的步骤前，还还包括在一个间隔时间内进行屏蔽步骤，且间隔时间是足够长以避免一个寄生反电动势的侦测。

3.如权利要求1所述的激活马达的方法，其特征在于：换流至该移位的随后相位后，还还包括在预定的序列中继续提供电流给连续相位的这些线组，以维持转子的转动。

4.如权利要求1所述的激活马达的方法，其特征在于：预先定义初始相位是选自由AB_、AC_、BC_、BA_、CA_以及CB_所组成的族群其中的一个的激磁相位。

5.如权利要求4所述的激活马达的方法，其特征在于：换流至随后相位的步骤中，也同时侦测到反电动势的一个电准位变化。

6.一种激活马达的方法，其特征在于：该马达包括多个定子线组以及一个转子，而激活马达的方法包括：

提供电流在一个第线组以及一个第二线组，以激出一个预先定义初始相位，并悬空一个第三线组；

屏蔽一个间隔时间，以达到具有降低的寄生侦测的状态；

当第三线组的反电动势在该第三线组的一最大激活时间时内发生一个过零点，则换流至下个第激磁相位，该下个第激磁相位是在一个激磁相位的预定序列中与预先定义初始相位相邻；

在换流至下个第激磁相位后，当侦测到第二线组的反电动势的一个过零点时，再换流至下个第二激磁相位；

当第三线组的反电动势在第三线组内未发生过零点的一个最大激活时间时，换流至下个第三激磁相位，下一个第三激磁相位是由预先定义初始相位移位二相位间隔；以及

在换流至下一个第三激磁相位后，当侦测到第一个线组的反电动势的一个过零点时，再换流至下个第四激磁相位。

7.如权利要求6所述的激活马达的方法，其特征在于：在换流至该下一个第一个激磁相位的步骤中，还包括侦测反电动势的一个电准位变化。

8.如权利要求6所述的激活马达的方法，其特征在于：在换流至下一个第四激磁相位的步骤中，过零点为一个负向过零点。

9.如权利要求6所述的激活马达的方法，其特征在于：第绕线、第二绕线以及第三绕线分别表示为A、B以及C，而预先定义初始相位为激磁相位AB_。

10.如权利要求9所述的激活马达的方法，其特征在于：在完成换流至第二激磁相位的步骤或是换流至第四激磁相位的步骤后，跳出该激活马达的方法。

11.如权利要求9所述的激活马达的方法，其特征在于：初始预先定义相位为AB_，下一个第一个激磁相位为AC_，下一个第二激磁相位为BC_，下一个第三激磁相位为BC_，下一个第四激磁相位为BA_。

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