CN1790892A

CN1790892A - 用于控制电机驱动的方法和装置

Info

Publication number: CN1790892A
Application number: CNA2005101256020A
Authority: CN
Inventors: 原田浩二
Original assignee: Nidec Corp
Current assignee: Nidec Corp
Priority date: 2004-11-24
Filing date: 2005-11-24
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2025-11-24
Also published as: CN100517946C; JP2006149141A; US7141945B2; US20060110140A1

Abstract

在本发明中，以基准脉冲信号的频率产生PWM信号，该PWM信号的脉冲宽度根据用于检测无刷电机速度的FG脉冲信号与目标速度的基准脉冲信号之间的频率差而改变，由PWM信号的N倍频形成用于PWM控制的输出信号，在用于PWM控制的输出信号中，具有分割脉冲宽度的脉冲排布在以PWM信号的每一个周期除以N而得到的各个N分周期中，并且以短于输出信号控制的间隔接通和断开对于无刷电机各相线圈的供电，而不增大基准脉冲信号的频率。因此，改善了无刷电机的速度控制性能，同时避免了装置的尺寸增大和成本增加。

Description

用于控制电机驱动的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于控制电机驱动的方法和装置，其中通过PWM速度控制来驱动无刷电机。

背景技术

常规上，这种以三相无刷电机为代表的无刷电机(也称为无刷直流电机或无刷交流电机)用于驱动各种办公自动化设备，如打印机的纸张送入电机。为了以设定速度精确地驱动无刷电极，PWM速度控制经常用作无刷电机的速度控制。

当通过检测根据无刷电机转速的频率进行PWM速度控制时，使用FG传感器作为用于检测无刷电机转子转速的装置。以基准脉冲信号的频率形成PWM信号，使得由FG传感器得到的表示检测速度的频率脉冲信号(FG脉冲信号)的频率(相位)与表示之前设置的目标速度的基准脉冲信号(时钟信号)的频率(相位)相一致。在PWM信号中，根据频率脉冲信号与基准脉冲信号之间的频率差(相位差)改变脉冲宽度。PWM信号使得构成电机驱动单元中的反相电路的开关器件能够进行开关操作。由此，通过所谓的PWM控制来控制对于电机线圈的供电，并将无刷电机的转速控制在目标速度。

当通过PWM速度控制方法控制无刷电机驱动时，无刷电机各相的线圈电流以PWM信号的周期(即以基准脉冲信号的周期)在接通与断开之间交替。因此，各相的线圈电流倾向于以积分特性增加，并且各相的线圈电流倾向于以微分特性减少。

因此，即使PWM信号的脉冲宽度的占空比为例如20％，但是由于这些相的线圈电流并未被精确控制在20％的量级，因此恐怕无刷电机并不以期望的速度和转矩旋转。

为了解决以上问题，想到通过增大基准脉冲信号的频率，将PWM信号切换到更高的频率，从而以更短的间隔进行各相线圈电流的通断控制。然而，在这种用作办公自动化设备的驱动源的无刷电机中，往往通过由数字信号处理器(DSP)或专用电机控制IC形成的电机驱动控制装置来实现驱动控制。在这种情况下，对于改变基准脉冲信号的频率(周期)这么大的改变，需要升级DSP或电机控制IC，这导致以下问题：装置变得非常昂贵，同时DSP或电机控制IC的电路规模被扩大到显著地增大了装置的规模。因此，这是不实用的。

当无刷电机的转速降低时，为了进行使得在额定负载状态下变成预定速度的设计，并且为了在无负载运行或轻负载运行中保持该预定的速度，需要更精细地控制无刷电机的转速。为了进行这种精细控制，需要采取诸如增大基准脉冲信号频率(周期)的对策。然而，如上所述，对于改变基准脉冲信号的频率(周期)这么大的改变，需要改变时钟频率或寄存器配置、更新处理程序等，从而需要升级DSP或电机控制IC。结果，出现了如下问题：装置变得非常昂贵，同时DSP或电机控制IC的电路规模被扩大到显著地增大了装置的规模。

于是，很难采取诸如增大基准脉冲信号频率(周期)的对策，从而常规上无法更精细地控制无刷电机的转速。当不通过DSP或专用电机控制IC形成无刷电机驱动控制装置时，显然也会产生上述问题。

发明内容

根据基准脉冲信号的频率产生PWM信号，该PWM信号的脉冲宽度根据频率脉冲信号与基准脉冲信号之间的频率差而改变，该频率脉冲信号是通过检测转子的转速而得到的，基准脉冲信号是预定的目标速度；通过将PWM信号的每一个周期脉冲宽度除以设置的值N来确定分割脉冲宽度；通过PWM信号的N倍频产生用于PWM控制的输出信号，在用于PWM控制的该输出信号中，具有分割脉冲宽度的脉冲被设置在各N分周期中，该N分周期是通过PWM信号的每一个周期除以N而得到的；并且根据输出信号，进行对于无刷电机线圈的供电的PWM控制。

根据本发明，一个周期的PWM信号被分割成具有N个周期的相同脉冲的N分信号，以形成具有PWM信号的N倍频的输出信号。通过输出信号进行对于线圈的供电的PWM控制，这导致控制状态等价于其中基准脉冲信号的频率增大N倍并且PWM信号的频率增大N倍的情况。在这种情况下，无刷电机各相的电机电流以短于PWM信号控制的间隔接通和断开，并且根据用于PWM控制的输出信号的脉冲宽度的占空比进行精确的控制。

因此，可以通过以期望的速度转动无刷电机来产生期望的转矩。在这种情况下，用于PWM速度控制的基准脉冲信号的频率自身不需要增大，因此可以改善PWM速度控制性能，同时避免装置的尺寸增大和成本增加。

在本发明的电机驱动控制中，还可以与输出信号的各个分割脉冲宽度的脉冲前沿同步地产生具有短于分割脉冲宽度的校正脉冲宽度的脉冲，通过用具有校正脉冲宽度的脉冲对输出信号进行选通的处理使分割脉冲宽度变窄，并且由校正脉冲宽度通过调节将输出信号处理为短于分割脉冲宽度的脉冲宽度，以校正无刷电机的供电。

因此，通过使用具有校正脉冲宽度的脉冲对简单的选通处理进行调节，通过该校正脉冲宽度将输出信号的各个分割脉冲宽度处理为短于分割脉冲宽度的脉冲宽度，这使得可以基于各个分割脉冲宽度，根据供电以与校正脉冲宽度对应的量随意校正对于线圈的供电。因此，与输出信号的控制相比，可以利用简单的结构更精细地控制无刷电机各相的线圈电流，改善了PWM速度控制性能，同时避免装置的尺寸增大和成本增加，并且可以更精细地控制无刷电机的转速。

附图说明

现在参照构成本原始公开的一部分的附图，其中：

图1是示出根据本发明第一实施例的无刷电机的框图；

图2是示出图1的无刷电机的速度检测频率脉冲信号Fg的波形图；

图3是示出图1的无刷电机的速度控制的流程图；

图4是用于解释图1所示的无刷电机的PWM信号形成阶段的操作的波形图；

图5是用于解释图1所示的无刷电机的控制信号输出阶段的操作的波形图；

图6是示出根据本发明第二实施例的无刷电机的框图；

图7是示出图6的无刷电机的速度控制的流程图；

图8是示出图6的无刷电机的输出校正单元的具体框图；以及

图9是用于解释图6所示的无刷电机的输出校正阶段的操作的波形图。

具体实施方式

将参照图1至图5详细描述本发明的第一实施例。图1是示出进行无刷电机的PWM速度控制的电机控制装置的框图。图2是示出无刷电机的速度检测频率脉冲信号的波形图。图3是示出图1的电机驱动控制装置的速度控制的流程图。图4和图5是用于分别解释图1的电机驱动控制装置中各个单元的操作的波形图。

图1的无刷电机包括电机单元1，并且电机单元1包括其中缠绕有线圈的定子和具有圆形转子磁体的转子。无刷电机是用于各种办公自动化设备(诸如打印机的纸张送入电机)的典型三相无刷电机，并且通过PWM速度控制使无刷电机以大约5000rpm旋转。

为了检测电机单元1的转子转速，例如在电机单元1的转子附近设置多个用于检测位置的霍尔器件传感器2(图1中3个传感器)。在附接到转子的圆形转子磁体的圆周方向上交替排布不同的磁极。霍尔器件传感器2基于转子的转动，检测与转子磁体的磁极运动有关的磁通量的改变，并且霍尔器件传感器2产生其中频率与转速成正比变化的交流检测信号。也可以代替霍尔器件传感器2设置解算器或编码器。在这种情况下，也可以得到相似的检测信号。

将霍尔器件传感器2的检测信号送入在无刷电机中设置的电机驱动电路板3中的输入和输出处理单元4的传感器信号处理单元4a，并且传感器信号处理单元4a进行波形整形等。例如，如图2中所示，通过波形整形产生速度检测频率脉冲信号，即FG脉冲信号Fg。由霍尔器件传感器2和传感器信号处理单元4a形成速度检测装置。例如，由电机单元1的转子的每一转18个脉冲产生FG脉冲信号Fg，并且根据转子转速改变频率和脉冲宽度。

然后，将FG脉冲信号Fg送入由包括数字信号处理器(DSP)的微计算机形成的控制单元6。控制单元6基于图3的预定PWM速度控制程序来运行，并且控制单元6包括以下装置。

(a)由PWM信号形成单元7构成的PWM信号产生装置

PWM信号产生装置与常规使用的相同，并且PWM信号产生装置以基准脉冲信号Fref的频率形成三相PWM信号Pwma。在三相PWM信号Pwma中，根据FG脉冲信号Fg与目标速度的基准脉冲信号Fref之间的频率差(相位差)改变脉冲宽度。

当在图3的步骤S1中将FG脉冲信号Fg送入PWM信号产生单元7中时，进行步骤S2的处理。在步骤S2中，通过对来自例如装置中振荡器的基本时钟的频率进行分割，来以FG脉冲信号Fg的频率产生根据目标速度设置的基准脉冲信号Fref。将基准脉冲信号Fref的脉冲宽度设置为基准脉冲宽度Tref，并且将FG脉冲信号Fg的各个周期的脉冲宽度设置为检测脉冲宽度Tfg。例如，如图4中所示，反复检测检测脉冲宽度Tfg的后沿与基准脉冲宽度Tref的后沿之间的下降沿之差(相位差)ΔT，作为FG脉冲信号Fg与基准脉冲信号Fref之间的频率差。

在PWM信号产生单元7的各相中准备可重写的临时存储寄存器或计数器。在该寄存器或计数器中，例如与基准脉冲信号Fref同步地进行读写。在该临时存储寄存器或计数器中，具有占空比为50％的基准脉冲信号Fref的一个周期的比特串的连续数据(例如，通脉冲间隔中的“1”和断脉冲间隔中的“0”)被初始设置为具有PWM信号Pwma的一个周期的数据。无刷电机启动后，通过改变所检测的相位差ΔT的极性来更新临时存储寄存器或计数器中的存储数据的脉冲宽度。

然后，与基准脉冲信号Fref同步地读取临时存储寄存器或计数器中的存储数据，并且如图5所示在各相中产生PWM信号Pwma。此时，考虑到控制单元6的处理负载等，将存储数据中的增大或减小的可变单位量(增益调节量)设置为一个周期长度/(2的幂)的适当值，例如1/256周期长度或1/1024周期长度。

由PWM信号产生单元7产生的PWM信号Pwma是基准脉冲信号Fref的每一个周期Tref中的一个脉冲信号。当通过PWM信号Pwma接通和断开无刷电机各相的线圈电流时，各相的线圈电流倾向于以积分特性增加，并且各相的线圈电流倾向于以微分特性减小。因此，有时候不依赖于频率进行通过PWM信号Pwma的脉冲宽度Wa设置的所要供电，并且在无刷电机中无法以高精度进行稳定的速度控制。

因此，在第一实施例中，控制单元6包括以下控制信号输出装置。

(b)由控制信号输出单元8形成的控制信号输出装置

控制信号输出装置将PWM信号Pwma的每一个周期的脉冲宽度Wa除以N(N是设定值，优选为大于1的整数)来确定分割脉冲宽度Wa/n。如图6所示，控制信号输出装置还形成用于PWM控制的输出信号Pwmb(PWM信号Pwma的N倍频)。在输出信号Pwmb中，具有分割脉冲宽度Wa/n的脉冲被设置在通过PWM控制信号Pwma的每一个周期Ta除以N而得到的每个N分周期Ta/n中。通过电机驱动电路板3中的输入和输出处理单元4的前级驱动器单元4b将各相的输出信号Pwmb提供给无刷电机的供电驱动单元5。

然后，进行步骤S3的处理。例如，当N被设置为8时，每当用最近一个周期的数据更新临时存储寄存器或计数器时，根据“1”的数据长度(比特长度)检测脉冲宽度Wa，并根据临时存储寄存器或计数器的一个周期的整个数据长度(比特长度)检测PWM控制信号Pwma的一个周期Ta。分别根据计算1/8(＝1/N)来确定分割脉冲宽度Wa/n和N分(8分)周期Ta/n。

此外，将N分周期Ta/n设置为一个周期的数据长度，并且在将分割脉冲宽度Wa/n的前端的比特设置为“1”的同时产生输出信号Pwmb的一个周期的连续数据。将该输出信号Pwmb的一个周期的连续数据可重写地保持在单独准备的临时存储寄存器或计数器中。然后，进行步骤S4的处理。与基准脉冲信号Fref同步地8(＝N)次读出单独准备的临时存储寄存器或计数器的一个周期的连续数据，以形成用于PWM控制的、具有PWM信号Pwma的8倍(N倍)频的输出信号Pwmb。

在这种情况下，单独准备的临时存储寄存器或计数器的与基准脉冲信号Fref同步的读写速度并未特别提高，因此与使用PWM信号Pwma进行控制的情况相比，可以通过简单的程序改变来产生用于PWM控制的输出信号Pwmb，而无需进行增大基准脉冲信号Fref的频率(周期)这么大的改变。因此，在装置中不需要进行时钟频率或寄存器配置的改变、处理程序的显著更新等。此外，不需要升级DSP或电机控制IC，因此装置不会变贵也不会使装置尺寸变大。

供电驱动单元5包括例如具有FET开关器件的三相全桥反相电路。通过各相的输出信号Pwmb接通和断开各个开关器件，这导致控制状态等价于其中基准脉冲信号Fref的频率增大N倍且PWM信号Pwma的频率增大N倍的状态。这种控制状态使得无刷电机各相的线圈电流能够根据各相的输出信号Pwmb的占空比来接通和断开。在这种情况下，通过以PWM信号Pwma的1/N短的间隔接通和断开线圈电流来控制各相的线圈电流，即，通过在常规频率的N倍频的PWM控制下接通和断开线圈电流来控制各相的线圈电流，从而根据用于PWM控制的输出信号Pwmb的脉冲宽度Wa/n的占空比精确地控制各相的线圈电流，并且与基于PWM信号Pwma的常规控制相比，更精确和稳定地进行无刷电机的速度控制。

在驱动无刷电机时，流程从步骤S4经由步骤S5回到步骤S1，并且从步骤S1开始重复处理。

这样，在第一实施例中，通过提供控制信号输出装置(控制信号输出单元7)，用简单的程序改变来形成用于PWM控制的输出信号Pwmb，同时不进行DSP或电机控制IC的升级，并且可以在等价于其中基准脉冲信号Fref的频率增大N倍且PWM信号Pwma的频率增大N倍的状态的控制状态下进行无刷电机的速度控制。因此，与基于PWM信号Pwma的常规控制相比，可以更精确和稳定地将无刷电机控制在设定的速度，同时，装置并不变贵也不增大装置的尺寸。

接下来，将参照图6至图9详细描述本发明的第二实施例。

图6是示出进行无刷电机的PWM速度控制的电机驱动控制装置的框图。图7是示出图6的无刷电机的速度控制的流程图。图8是示出输出校正装置的详细框图。图9是用于解释图8的输出校正装置的操作的波形图。

在第二实施例中，进一步改进了图1的第一实施例的控制单元6。在图6和图7中，由与图1和图3相同的标记指示的组件应为相同或相应的组件，并且将不进行详细说明。

当与第一实施例的无刷电机相比，无刷电机的设定速度降低时，通过增益调节量设置速度控制。例如，期望以单位比1/256周期长度或1/1024周期长度更细小的分辨力(resolution)进行设定和控制。

因此，在第二实施例中，无刷电机的控制单元60除了PWM控制信号产生装置和控制信号输出装置外，还包括由输出校正单元9(例如通过软件配置)形成的输出校正装置。例如，通过提供图8所示的单稳态多谐振荡器(下文称为单多谐振荡器)9a和信号选通装置9b来形成输出校正装置。

(c)单多谐振荡器9a

例如，基于图7的步骤S4a的处理，在用于PWM控制的输出信号Pwmb的分割脉冲宽度Wa/n的各个脉冲前沿启动单多谐振荡器9a，并且单多谐振荡器9a形成如图9所示设置的具有校正脉冲宽度Wd的脉冲Pd。

(d)信号选通装置9b

信号选通装置9b基于步骤S4b的处理对用于PWM控制的输出信号Pwmb进行选通，以使分割脉冲宽度Wa/n减小该校正脉冲宽度Wd。如图9所示，通过调节将输出信号Pwmb处理为输出信号Pwmc。输出信号Pwmc具有脉冲宽度Wa/n^*，该脉冲宽度Wa/n^*比分割脉冲宽度Wa/n短校正脉冲宽度Wd。然后，通过输出信号Pwmc校正无刷电机的供电。

在这种情况下，通过设定和调节单多谐振荡器9a的时间常数来随意设定校正脉冲宽度Wd，以形成具有期望脉冲宽度Wa/n^*的各相输出信号Pwmc。结果，当以输出信号Pwmc的每一个周期中的期望脉冲宽度Wa/n^*的占空比接通和断开各相的线圈电流时，可以例如以1/256周期长度与1/1024周期长度之间的1/500周期长度单位来控制无刷电机的速度。基于具有分割脉冲宽度Wa/n的输出信号Pwmb不能进行具有1/500周期长度的速度控制。因此，可以进一步提高无刷电机速度控制的分辨力，从而实现以更细小单位来进行速度设定和控制。

此外，通过加入包括单多谐振荡器9a和信号选通装置9b的输出校正装置的极其简单的结构，可以实现高精度的速度设定和控制。在这种情况下，不需要处理程序等的显著更新，也不需要DSP或电机控制IC的升级。因此，显然装置不会变贵也不会增大装置的尺寸。

由于提高了无刷电机的PWM速度控制的分辨力，因此当与常规无刷电机相比无刷电机的速度降低时，与具有分割脉冲宽度Wa/n的输出信号Pwmb的控制相比，可以以更高的精度将无刷电机1控制在期望的速度。对于各种实验，例如即使在具有脉冲宽度Wa的输出信号Pwma中设置为大约5000rpm的无刷电机1的速度降低到大约3400rpm，也可以确定通过使用具有脉冲宽度Wa/n^*的输出信号Pwmc可以以高精度稳定地进行PWM速度控制。

在驱动无刷电机时，流程从图7的步骤S4b经由步骤S5返回步骤S1，并从步骤S1开始重复处理。

于是，在第二实施例中，与第一实施例类似，通过简单的程序改变来产生用于PWM控制的输出信号Pwmb，同时不进行DSP或电机控制IC的升级，并且可在与其中基准脉冲信号Fref的频率增大N倍且PWM信号Pwma的频率增大N倍的状态等价的控制状态下进行无刷电机的速度控制。结果，与基于PWM信号Pwma的常规控制相比，可以更精确和稳定地将无刷电机控制在设定速度，同时装置不会变贵也不会增大装置的尺寸。

此外，在第二实施例中，通过在控制单元60中设置输出校正装置，可以将来自控制信号输出装置的输出信号Pwmb简单地校正为具有对于期望速度的脉冲宽度Wa/n^*的输出信号Pwmc，以提高速度控制分辨力。例如，当与常规无刷电机相比无刷电机的速度降低时，可以通过更精细的设定以期望的速度精确稳定地进行无刷电机的PWM控制。

因此，当无刷电机用作各种办公自动化设备的电机(诸如打印机的纸张送入电机)时，可以精确稳定地进行速度控制，同时不增大装置的尺寸，也不产生成本增加。

本发明不限于以上实施例，而是可以不偏离本发明范围而进行各种修改。例如，根据无刷电机的使用，显然可以由硬件电路形成构成输出校正装置的单多谐振荡器9a和信号选通装置9b。

显然本发明可应用于各种用途的无刷电机的速度控制。

Claims

1、一种用于无刷电机的控制方法，其中通过PWM速度控制方法驱动包括多个线圈的无刷电机，所述电机控制方法包括：

第一步骤，以基准脉冲信号的频率产生PWM信号，该PWM信号的频率等于当电机以目标速度转动时由转速检测器产生的信号的频率，根据转速检测器的信号与基准信号之间的频率差变化PWM信号的脉冲宽度；

第二步骤，在所述第一步骤之后，通过将所述PWM信号的脉冲宽度除以预定数N来确定分割脉冲宽度；

第三步骤，在所述第二步骤之后执行，产生用于PWM控制的输出信号，在该输出信号中具有所述分割脉冲宽度的脉冲以所述PWM信号的一周的N分周期的间隔排布；以及

第四步骤，在所述第三步骤之后执行，通过所述输出信号开关供电单元以驱动所述线圈。

2、根据权利要求1所述的电机控制方法，其中：

产生校正脉冲信号，该校正脉冲的前沿与所述输出信号的各个脉冲的前沿同步；以及

在将用于PWM控制的所述输出信号用于所述第四步骤之前对其进行选通处理，在该选通处理中当存在所述校正脉冲时将信号强制为零。

3、一种用于具有供电单元的无刷电机的控制装置，包括：

速度检测装置，用于产生脉冲信号，该脉冲信号的频率根据所述无刷电机的转速变化；

PWM信号产生装置，用于产生PWM信号，该PWM信号的各个脉冲宽度根据所述速度检测装置的所述脉冲信号与基准脉冲信号之间的频率差而变化；以及

控制信号输出装置，用于产生用于PWM控制的输出信号，通过将所述PWM信号的脉冲宽度除以预定的数N来确定输出信号的脉冲宽度，该输出信号中的脉冲以所述PWM信号的一周的N分周期的间隔排布，该控制信号输出装置将该输出信号提供给所述无刷电机的所述供电单元。

4、根据权利要求3所述的用于具有供电单元的无刷电机的控制装置，还包括：

单稳态多谐振荡器，其被触发以在所述输出信号的各个脉冲的前沿产生校正脉冲，该校正脉冲的宽度是比所述输出信号的脉冲窄的预定宽度；以及

选通装置，当存在所述校正脉冲时将所述输出信号强制为零，以减小所述输出信号的各个脉冲的宽度。