TW529237B - Device for the electronic commutation of a brushless DC motor - Google Patents

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529237 A7 _____B7 __ 五、發明說明（/ ) ---------I----· I I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明係關於一具有三相繞組且彼此相差120度的無 刷直流電動機的一種電子式換流裝置，裝置由一個六個功 率半導體組成的半導體電橋、一個控制單元的一個轉子旋 轉位置檢測器組成，半導體電橋驅動產生定子旋轉磁場的 相繞組，控制單元相應驅動著各功率半導體，轉子呈永磁 磁輪的形式，轉子旋轉位置檢測器係構成無感測器的測定 裝置，從而可以檢測和測定出旋轉磁輪感應出的電壓，在 各情況下這個電壓可在當不受驅動時的相繞組端測出。 將換流器的直流電動機進行電子式換流時，驅動半導 體電橋的控制單元一般必須給其提供永磁輪子當時相對於 定子旋轉位置的信息以便可以驅動各適當的相繞組使其在 所要求的旋轉方向上產生轉矩，從而產生最佳的定子旋轉 磁場，通常，轉子位置是用轉子位置感測器特別是霍耳感 測借助於轉子永磁磁場測定的。然而，在許多情況下，電 動機及其有關的換流電子線路在空間上必須彼此分開，從 而需要電氣連接線路，通過這些線路一方面給各相繞組供 應電流，另一面將轉子位置感測器的信號傳送給電子控制 線路，然而，連接線路和所需的接線（例如插入式接線） 會使成本開銷特高，特別是生產（裝配）和物料方面的開 銷，而且還提高了發生事故的可能性。 相較之下，在一般裝置中不用感測器檢測轉子的位置 既可以取消（霍耳）感測器又可以取消相應分立的線路接 線’這時，轉子永磁磁場在電動機各繞組中感應出的電壓 (內部電壓或各自的EMF=電動勢），其極性或極性的變 _ 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ' " 529237 A7 _B7____ 五、發明說明（二） 化（零過渡）通過各不受驅動將電流的繞組端檢測並加以 測定。 這類將感測器換流裝置的現有技術有例如歐洲專利EP 0881761A1。在該專利的方案中，電動機三繞組端的電壓由 一個EMF檢測電路檢測，由此產生三個相應的二元輸出信 號，供將感測器轉子的位置確定，這種轉子電氣上每轉一 圏就產生這些輸出信號的六種不同組合，從而可以60度扇 形確定轉子的位置，各組成或各轉子位置扇形分別與電橋 半導體的開關狀態有關（一個半導體以脈寬調制的方式通 上脈衝以調定各開關狀態下的速度）。於是轉子電氣上轉 一圈就有六個不同的開關狀態，各狀態相差60度。在這種 安排中，定子激磁過程（定子磁場）在轉子電氣上每轉一 圈按六步換流，因而這是一六步的換流。 此外，在歐洲專利EP0872948A1、德國專利 DE3934139C2、DE3306642C2 和 DE3602227A1 諸文件中也 介紹了六步換流類似的換流電路。 美國專利US-A5491393中介紹了無刷直流電動機的一 種換流控制，這原則上也是個六步換流，因爲電動機電氣 上每轉一圈定子激磁方向的改變就分成六個基本步驟進行 ，雖然這些基本步驟各個又分成兩部分，但在這兩部分之 間在各情況下以脈寬調制方式通上脈衝的功率半導體只變 化一次，然而，在各步中，功率電橋電路的六個半導體開 關元件中只有兩個在各情況下工作，因而三個繞組端中總 是只有兩個有效地通過開關元件與直流源的正端或負端連 _5____ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 f 529237 A7 ____B7_____ 五、發明說明（3 ) 接，因此，定子的激磁只能有六種不同的方向，因而顯然 這是六步換流。 -----------ΤΓ! & i (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 美國專利US-A5835992中也公開了與美國專利US- A5491393極類似的現有技術，這個現有技術同樣也提出了 6X2個開關狀態或開關組合，但其中定子激磁的方向也只 按六步變化（=6步換流）。 本發明是根據製造最初所述的那種裝置之目的而提出 ，藉由本發明可以減少進行和換流時的噪音，同時保持將 感測器的轉子位置檢測開銷不大，不容易出故障。 按照本發明，上述目的是藉由這樣的措施達到的：控 制根據轉子的各位置位助於直流電動機電氣上轉一圏以上 的12步換流以12種不同的開關狀態驅動諸功率半導體， 本發明的這12步以這樣的方式進行，使得這些12種開關 狀態各使定子就其中產生的磁場方向產生不同的激磁狀態 ··禮· 。爲達到此目的，令半導體電橋的兩功率半導體受驅動的 開關狀態和三個功率半導體受驅動的開關狀態連續交替進 行。相較之下，6步換流中的功率半導體都是在必然導致 定子以六種不同的狀態激磁的開關狀態下驅動的。在12步 / 換流中，定子的激磁在各情況下是以各步間的相角比6步 換流小的步驟而換流的，從而產生連續環行的定子磁場。 本發明起初是根據這樣的發現提出的，即採用6步換 流由於換流期間定子的激磁突然變化而致使電動機發出噪 音’即”換流干擾聲”。電動機用作通風機或鼓風機的驅動 部份時，這些換流噪音，特別是在氣流噪音降低的低速的 _____ 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公髮)" " 529237 A7 --—_ B7 五、發明說明（f) 範圍中，是非常明顯和擾人，因而在許多應用場合不能令 人接受，相較之下，本發明（尤其是在外轉子式電動機的 情況下）顯然能減小這些噪音，具體作法是，轉子電氣上 每轉一圏，換流不是以6種開關狀態進行，而是以兩倍電 橋功率半導體的開關狀態數進行，即定子的激磁在360度 旋轉電角內不是以六步而是以十二步換流的。 雖然這種12步換流本來是眾所周知的，但那完全是在 檢測轉子位置的感測器分立的情況下進行的。原因在於， 迄今專家總認爲，在沒有感測器的情況下檢測轉子位置總 是以在各情況下一繞組端設有電流爲先決條件，即一個繞 組端與直流源分隔開以便完全可以用無感測器的測定單元 檢測感應出的內部電壓(EMF)，因而沒有感測器的12步換 流結構是不可能的，然而，與6步換流不同，通常情況會 不適用於12步換流，原因是後者有繞組電流重疊區，使所 有三個繞組端子帶電。 因此’本發明是根據這樣的另一發現而提出的，即12 步換流只有小心內部電壓在相應的繞組端在各情況下與直 流源分隔開從而可用來檢測有關控制量期間(在12步換流 情況下大大地縮短)極性及時變化或及時零過渡才可能實現 〇 實際上要達到上述目的最好由EMF測定單元在各情況 下檢測和測定電動機繞組端與公用基準點之間的內部電壓 。這裡基準點可以是電動機真正的中性點(若電動機繞組是 星形連接可通過導線引出)或等效中性點，當然在這方面應 ______7 ____ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

A7 529237 ____B7 _ 五、發明說明（夂） --------- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 該指出的是，電動機的角形接線可以設想轉換成星形接線 ，按照本發明，因此EMF測定部份實際上檢測的是星形裝 置中相應的相電壓或“相EMF”而不是相至相的“導體 EMF” ，這個導體電動勢可在兩繞組端之間測出，且相比 之下相移了 30度。按照本發明，正是由於這個措施使內部 電壓的零過渡完全可以檢測出來，因爲它們正好是在各情 況下繞組端通常在30度短範圍內沒有電流的步驟中進行的 。相反，12步換流就不適宜檢測和測定各情況下電動機各 繞組端之間的電壓’因爲在這種方案中，感應出的內部電 壓其零過渡總是在所有三個繞組端都傳送電流（即與直流 源連接）時發生的’因而完全不可能檢測。 本發明設計上的其它優點係包含在申請專利範圍之附 屬項內。 現在參閱附圖以舉例的方式更詳細地說明本發明，附 圖中： 圖1示出了本發明換流裝置的基本電路圖； 圖2示出了 EMF測定單元一最佳實施例的電路圖； 圖3示出了用來說明使用本發明的換流裝置各順序的 不同示意圖； 圖4示出了本發明換流裝置控制程序的流程圖； 圖5示出了特別是啓動過程相應的流程圖； 圖6示出了啓動和正常操作的示意圖； 圖7示出了圖6中時域VII的放大圖。 — _8 _______ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 529237 A7 ___Β7___ 五、發明說明（6 ) 圖式元件符號說明 1 三相直流電動機 --------------裝—— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 2 換流裝置 4 半導體電橋 6 控制單元 6a 控制輸入端 8 EMF測定單元 10 直流源 Sl〜S6功率半導體 U，V，W 相繞組 U，V，W 相端子 X 公共基準點 -f 首先，以圖1中可以看到三相直流電動機1由本發明 的換流裝置(換流電子線路)2驅動，電動機1只示出了三相 繞組u，v，w在電氣相位上相差120度的定子，有關的永磁轉 子(磁輪)沒有示出。在所示的實例中，相繞組u，v，w接成星 形，但按照本發明也不難接成三角形，相繞組u，v，w通過 相端子U，V，W與制成半導體電橋4的電源部份連接，半導 體電橋4由六個功率半導體81至S6組成，這些功率半導體 則根據轉子相應的旋轉位置通過控制信號Σ S1至Σ S6由控制 單元6驅動。爲檢測轉子的位置，配備了 EMF測定單元8 與相繞組端子U，V，W連接，以檢測旋轉的轉子在各情況下 在相繞組u，v，w中分別感應出的EMF或”內部電壓”，並分 ___9___ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 529237 A7 ____B7__ 五、發明說明（？） 別測定其極性或零過渡。據此，EMF測定單元8給控制單 元6產生相應的輸出信號ΠΕυ、ΠΕν和nEW，爲產生定子旋 轉磁場，控制單元6產生相位的輸出信號ΠΕυ、ΠΕν和nEW ，爲產生定子旋轉磁場，控制單元6驅動功率半導體Si至 S6，在各情況下這樣周而復始地交替組合；繞組端子 U，V，W不是接直流源10的正機或負機就是在高阻抗下與電 壓源10隔離，電動機相繞組電氣時間常數忽略不計時，若 在繞組端子U,V，W之間測出的EMF其變化和相角與半導體 電橋4在這些端子形成的電壓相同，則電動機1進入高效 率運行狀態，爲達到合適驅動狀態，給控制單元6提供 EMF測定單元8對應於電動機1相繞組u，v，w中感應出的 EMF的極性且分別反映出電動機現時位置的輸出信號ΠΕυ 、Π EV和Π ΕΝ ’此外，還可以通過控制單兀6的控制輸入端 6a提供影響電動機轉速的調整信號Sn。 在三相繞組中兩相接續電直流源10、第三繞組端以高 阻抗方式與電壓源10分隔開的各相中，後者可用來檢測此 相繞組中感應出EMF(內部電壓），EMF測定單元8檢測相 EMF的各極性，並由此產生三個在各情況下分派給一個相 繞組且例如給邏輯1信號提供在相應的相繞組兩端的正電 壓和給邏輯0信號提供負相電壓的二元輸出信號ΠΕυ、ΠΕν 和Π EW。結果，電動機1電氣上每轉一圏就可得出六種毫 不含糊地可與轉子(在60度扇區)的特定位置相關的不同輸 出組合，原則上相當於採用霍耳感測器配置在電動機中的 感測器的方法。 ___10 _ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------------i I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ta· ;# 529237 ΚΙ ^ —__Β7__ 五、發明說明（？） --------------裝—— (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖3的3a示意示出了旋轉的磁輪在各相繞組中感應出 的電壓(EMF)Eu、Ev、Ew圖3b示出了相應在各情況下會在 兩繞組端子之間檢測出的電壓Ευ·ν、Εν·\ν、Ew.u。圖3b還示 出了加到各繞組端子的電壓Um、U^w、Uww和感應電壓重 疊下的真正變化。圖3c示出了 EMF測定單元8在理想狀 態下且作爲星形連接電動機一個例子的輸出信號ΠΕυ、ΠΕν 和 Π EW 0 雖然圖3c中所示輸出信號的狀態在各情況下每60度 電角變化，但按照本發明，控制單元6根據圖3c的輸出信 號通過12步換流(即以12種不同的開關狀態)在轉子電氣 上轉一圈多的情況下驅動半導體電橋4的功率半導體Si至 S6。在這種方案中，六個功率半導體中兩個受驅動、六個 功率半導體中三個受驅動的這兩種狀態交替著。在兩個功 率半導體起作用的開關狀態下，三個繞組端子(U，V，W)中的 兩個接直流源10,在三個功率半導體起作用的開關狀態下 ，所有繞組端子接直流源，如果考慮產生於定子的磁場的 轉向，每個開關狀態，正好生成一個不同的定子激發狀態 ，在一個最佳實施例中，爲調定這些開關狀態中的各種狀 態的速度其中一個功率半導體最好以脈寬調制的方式加以 脈衝。 鑒於12步換流必然會導致各相中所有三個繞組端子臨 時處在規定的電位，從而沒有斷開的端子可用來檢測EMF ，因而按照本發明要小心觀察與控制有關的EMF的零過渡 是否在各情況下是在一個繞組端子與直流源隔離的時間。 _________η___ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 529237 A7 _ — _B7__ 五、發明說明（？） 按照圖2，這是特種設計得在各情況下檢測和測定電 動機繞組端子U，V，W與公共基準點X之間的內部電壓 (EMF)的EMF測定部份8達到的。在圖2所示電路的實例 中，基準點X爲電動機的電阻模擬中性點，繞組端子 U，V，W兩端檢測出的電壓用比較器，U1A、U1B、U1C分別 與基準點X的電位比較，在比較器U1A、U1B、U1C的輸 出端產生—^兀輸出信號Π EU、Π EV和Π EW。 從圖3還可以看到，控制單元6從EMF控制單元8的 輸出信號ΠΕυ、ΠΕν和nEW，獲取半導體電橋4的驅動信號 Σδ1至Σ%這種關係可從圖3c和3d以及輔圖3e中看出。 圖3d示出了功率半導體的各驅動信號，圖3e示出了電動 機在各有關激磁狀態下的相繞組，圖3d功率半導體12種 不同的開關狀態冗！至212產生定子12種不同的對加到電動 機繞組端子從而導致定於磁場以12種不同的連續方向形成 的電壓的激磁狀態(圖3e)。現在從狀態Σ i開始說明正常操 作的操作原理。 在狀態，開關S3和36起作用，S3不斷導通，S6 最好以脈寬調制方式加以脈衝以設定以陰影畫出的Σ%部 份表示的轉速，由於只有兩個半導體開關導通，因而可以 在相繞組u中（即在不與直流源10連接的繞組端子U)檢 測EMF，這時相繞組u中沒有電流通過，由於轉子轉動， 因而EMF在此相繞組中在時間U改變其極性，從而使ΠΕυ 信號的電平變化。這個邊沿觸發了開關狀態Σ2。按照12 步換流，開關狀態Σ 2位於一般6步換流供減小換流噪音和 _12_ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------------裝—— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) · •嫌· 529237 A7 ___ B7_ _ 五、發明說明（y ) 電動機運轉噪音的兩個狀態之間。在此情況下，功率半導 體S2，S3和S6導通，即所有繞組端子與直流源10連接， 因而再也不能檢測出EMF 了。因此，換流時間t_根據電 動機當時的轉速和預定轉角計算。此時間t_在時間t2 開始。在過渡到下一個開關狀態Σ3的時間h結束，這時S6 斷開，繞組端子W再也不與直流源10連接，從而可以檢 測出相w中的EMF。這個程序相應地隨著nEW信號在時間 t4的電平變化重複著，如圖3d中所示。 圖4中以更一般流程圖的形式示出了所述的這個控制 程序，由於要說明的組成部分在圖4中都有了，因而這裡 沒有進一步說明的必要。 按照圖3，按照本發明，在以最佳方式提供，以改繞 組有效電壓（即影響轉速）的脈寬調制的情況下，存在下列 通用特點： a) 在各換流步驟中，最多一個功率半導體以脈寬調劑 的方式加上脈衝。 b) 各半導體以脈衝調制的方式以連貫的60度電氣角度 加上脈衝。 c) 在各情況下三個半導體起作用的偶數狀態（Σ2, Σ4 …）轉變到在各情況下兩個半導體起作用的奇數狀態（Ei， Σ3···)的過程中，以脈寬調制方式加以脈衝的半導體不變 。在奇數狀態轉變到偶數狀態的過程中，以脈寬調制方式 加以脈衝的半導體發生變化。 d) 以脈寬調制方式加以脈衝的半導體控制因數，最好 13 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------------裝--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂-- 529237 A7 五、發明說明（（丨） 用於偶數的和用於奇數的不同，具體地說，偶數的比奇數 的小。 --------------裝--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 上面說過，無感測器的12步換流之所以可能是因爲， 在本發明的換流程序中，與例如圖2特殊的EMF測定單元 8有關，EMF總是在相應繞組端子斷開時在一個繞組中改 變極性，因而可用來檢測和測定由磁輪導引的電壓。 實際上，電動機繞組的電性時間常數不爲零，因而繞 組電流與繞組兩端的交流電壓之間的相位有隨頻率或轉速 而移動的現象，從而使電動機的效率下降。爲彌補這一點 ，換流應以在越來越快的速度提前進行。 按照本發明，這是藉由與電動機奇數狀態，Σ3， Σ5’ Σ7’ 19和1”的當時轉速相適應的角0_而完成。 隨著轉速的提高，減小，從而使換流提早進行，這種 最前點火在偶數狀態Σ2, Σ4, Σ6, Σ8，Σ!。和Σ12的情況 下是不可能的，因爲不然再也不能檢測出EMF極性的變化 〇 在本發明有益的一個實施例中，角0_根據轉速使其 與所要求電動機的性能相適應。通常，要求效率儘可能高 ’因此角隨轉速遞減變化。相比之下，偶數狀態Σ 2,， 24至212在EMF極性變化的同時提供。 在另一個有益的方案中，根據電動機固定的轉速niim， 用原先存在的奇數狀態代替偶數狀態。若轉速小於niim，程 序Σ ^，Σ2，Σ 3，…Σ u，Σ 12，Σ i由控制單元6預定。若 相反’轉速較高，程序則爲…Σ i，Σ ^，Σ 3，Σ 3··· Σ u， 14 本紙張尺度適用中國國家標準（CNs)A4規格（210 χ 297公釐） A7 529237 ___B7___ 五、發明說明（（7 ) Σ η，Σ「··。當然，這相應地以相反的次序適用於電動機 的另一轉向。 --------------裳--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 上面我們假設電動機在轉動（正常進行），然而，當 電動機靜止時，繞組中（還）沒有EMF感應出來，從而沒 有關於轉子位置的信息，因此，要有特別的方法專門用於 將感應器的啓動。在本方法中，有這樣的好處，即12步換 流也可用於電動機的啓動過程。具體地說，在此情況下採 用了另外加入與6步換流比較的12步換流的中間步驟。 按照現有技術，轉子在繞組中加入直流電使其處在規 定的位置之後，就將需考慮EMF測定單元的信號(“開路”) 進行一系列啓動電動機的步驟直到進入某一相當高的轉速 爲止即EMF的幅値大得足以檢測其極性，這一連串步驟是 按驅動裝置特定的機械時間常數確定的。改變負荷條件或 不同的轉動慣量時，困難就來了。在此情況下，轉子可能 跟不上這一系列步驟從而啓動不起來。 出於成本的原因，經常採用”自舉電路”來驅動（奇數) 功率半導體义，S3，S5(“上面的一些”如圖1中所示)給有關 的驅動器級供應電壓，然而，這種電路原理具有”上、半導 體開關不能使其導通任意長的時間，或電橋支路不能使其 不起作用任意長的時間，原因在於，不然自舉電容器兩端 的電壓會降到電壓値不足的程度，電動機啓動慢時，驅動 過程中可能有困難。 根據本發明之一較佳啓動方法即旨在淸除上述缺點。 本發明較佳的啓動方法是據於這樣的發現提出的： ______15_ 本紙張尺度適用巾11 H家標準（CNS)A4規格（21G X 297公爱) "" 529237 A7 B7 五、發明說明（6) --------------裝--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) EMF即使在轉速較低的情況下只要所有的繞組不通電也能 可靠地檢測出來，電流流通時，爲了能夠可靠地測定EMF 需要提高轉速時加大EMF的幅値，其中一個原因是脈衝寬 調制情況下開關過程引起的干擾。 圖6和圖7中的放大部份分別示出了 EMF測定單元8 的輸出信號Π EU、Π EV、Π EW和其中一條電動機供線中的電 流變化I，從靜止的啓動過程由下列操作階段組成：階段1 調整，階段II啓動程序和階段III正常進行。階段I的調整 時，往所有的相繞組中通入直流電流，於是轉子使自己調 整到預定的位置。從轉子目前已知的明確位置開始，電流 以適當的方式加到電動機各繞組中直到電動機達到相當高 的轉速爲止，接著，換流按上面並已說明的原理進行，下 面參看圖7更詳細地說明特殊啓動程序π。 轉子調到一定的位置後，例如開關狀態Σ 2由控制部分 6通過控制信號Συ至Σ4與圖3比較），在時間L進行狀 態16，從而使定子磁場轉向，於是轉子加速到所要求的旋 轉方向。這個狀態保持一定的時間t26，直到半導體電橋4 的所有半導體在時間t2不導通爲止。結果，相繞組都沒有 通電，從而儘管轉速仍然較低(這從信號nEU上升的知道)在 時間t3可以可靠地檢測出EMF在u相極性的變化。這之後 ，令進入其後的狀態Σ8，歷時ΪΣ8在時間t4不導通之後不 得電的繞組使EMF在w相從信號ΠΕυ的邊緣在時間t5下降 得知的極性變化得以可靠地檢測出來。這個邊緣使狀態開 始進入Σ π)。這個程序相應地重複著直到固定量的狀態Νς ’ _16_ __ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A7 529237 ___B7 _ 五、發明說明（作’） 輸出出去或超過固定的轉速nmin爲止。若果真如此’就過 渡到正常運行狀態，即應用12步換流的上述原理。 圖5進一步示出了以一般的流程圖說明的啓動過程基 本原理的程序。 上述方法確定性的優點在於，它是個閉合回路，即 EMF的變化總是從轉子定位之後的第一加速階段包括入控 制程序中的。與不可能檢測EMF的開路啓動程序比較，本 發明由於開始時線圏連續激磁，因而啓動特性好得多，即 使電動機必須在較大的負荷下啓動，由於EMF也包括在內 ，因換流總是在恰當的時間進行。 按照本發明，起動程序Π (實例中爲Σ2，Σ6，Σ8，Σ nr··)僅僅是爲達到12步換流而插入的換流步驟，在這些步 驟中，所有三個繞組端子都與直流源10連接，即在各情況 下，三個功率半導體總是起作用。爲限制繞組電流，圖1 半導體電橋4的”上”(奇數)功率半導體都以脈寬調制方式加 上脈沖。本方法的好處在於，自舉電容器的電荷得以保留 ，這在現有技術的解決辦法中就不總是如此，原因在於， 這裡繞組端子在啓動過程中可以長時間斷開，且屬於半導 體電橋有關分支的自舉電容器可以使其放電所致，另一個 也是相當重要的優點在於，本發明在啓動程序Π期間預定 的狀態開始時與EMF極性的變化一致，從而與現有技術相 比之下0_可以將需要位移。在啓動過程中，完全沒有關 於電動機轉速的可靠訊息，這正是爲何所要求的延遲時間 t_根據4的計算機爲關鍵的原因。 ________17__ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------I---I I I I ___ •3^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· · 529237 A7 ____B7___________ 五、發明說明（0 ) I----I I I I I · I I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖7的時間ΪΣ6，ΪΣ8，ΪΣ1()…與最小的機械負荷和轉動 部分的最小可能有的轉動慣量有關，可以簡單從運動方程 計算出來，或憑經驗確定。 在本方法的另一有益的實施例中，電橋4的半導體開 關截止之後的時間At(這裡再與圖7比較)舉例說是在時間 h直到時間b檢測出相繞組u中EMF極性的變化爲止，測 定由控制單元6進行。At用作電動機加速多快的量度，即 機械裝置時間常數是多少。視乎狀態Σ,之後測出的時間八 ti而定，其後狀態的時間其使適宜達到最大的加速度 ，若△1大，時間ΪΣί+1的增加，反之減小。 --線· 下面看看如何運用上述原理，在由連續狀態（例如Σ2 ，Σ6，Σ8，Σκ.·.)組成的固定啓動程序，各種機械裝置時 間常數有關的時間U2，U6，，ΐΣ1。…根據運動程計算出 來或憑經驗確定之後存入控制單兀6中’在啓動程序各步 驟之後，檢測一下At，看看預定的時間與最佳時間差別有 多大，從而從所存儲的時間選擇其後狀態的適當時間，這 樣，這種方法自動適應一定極限範圍內機械裝置的時間常 數，由於這種自動適應的方法，在範圍寬闊的不同負荷情 況和不同的轉動慣量下達到了優良的啓動特性。 上述原理經過進一步改進發展成了一種若例如想使同 樣的電子線路與不同的電動機一起工作適用於各連接好電 動機的自我學習的方法，然而，這種方法的先決條件是裝 置的負荷條件和轉動慣量在各啓動過程中不會顯著變化， 這通常在例如通風領域中是會這樣的，啓動時，再次規定 __18 ___ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 529237 A7 __B7____ 五、發明說明（丨b) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 上面說明過的預定啓動程序。在啓動過程中，不斷檢測時 間Ati，有關的時間則按校正値改變，使得Ab在電 動機下一次啓動期間會趨向零，校正値tEi永遠存入控制單 元例如EEPROM中。有了這種方法，電動機的啓動特性每 次啓動時都有所提高。經過幾次起動之後最後達到在既定 負荷情況下的最佳啓動或分別達到既定的轉動慣量。通過 這個程序還可以有利地補償負荷情況或轉動慣量的蠕變， 從而始終可以使啓動達到永恒的最佳狀態。 前面以舉例的方式說明且成爲本發明基礎的控制功能 是在控制單元6中以組合順序邏輯的形式，最好通過微處 理器，微控制器或可編程邏輯集成電路實施的。 最後，下面總結一下本發明比起現有技術的一些主要 優點。 從噪音的角度看，本發明的方法是對三相永激的三角 形或星形連接的電動機進行換流的一個花費不大，無需要 使用感測器和有益的方法。 由於12步換流，因而電動機電流的波形接近正弦波的 形狀’抑制噪音的效果非常顯著，特別是在外轉子式電動 機的場合’外轉子式電動機的轉動慣量大，因而其動態範 圍受到限制’所以外轉子式電動機特別適宜應用本發明的 將感測器的12步換流法，主要原因在於，按照本發明，必 須計算出時間，這些必須從Emf測定的上一次零過渡 信息之間的時間獲取。用簡單的具充分精確度的設施可做 到這一點’特別是若電動機的轉速變化得不太快更是如此 _____19 紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公f ) " 529237 A7 ______Β7_______ 五、發明說明（（Ί ) ，這一點使外轉子特別適用。 這是應用另外加入12步換流中與EMF極性的變化同 相的中間狀態之無感測器啓動的一個粗略方法。 EMF在啓動過程中在各繞組不得電的狀態下測出，從 而使EMF即使在轉速較低的情況下也可以可靠地測定出來 ，結果，使閉合回路也可以在啓動過程中使用，即可把 EMF測定的信息納入啓動程序中。這提高了啓動特性，且 使其更能承受負荷和轉動慣量的變化。 這是通過檢測繞組不得電狀態下的EMF和其後換流時 間與機械裝置時間常數的適應情況比較預定換流時間和理 想換流時間^自適應啓動方法。 本發明並不侷限於以上列舉和說明的實施例，它還包 括所有以相同方式按本發明的意識作用的實施例，此外， 本發明也並不侷限於目前申請專利範圍第1項中所述諸特 徵的組合而是同樣可以用已全部公開的所有各特徵的組合 加以限定，就是說，實際上，申請專利範圍第1項的任何 個別特徵可加以刪除或用申請中另一方面公開的起碼一個 個別特徵來代替，在這方面，申請專利範圍第1項須理解 爲僅僅是提出本發明的第一種嘗試。 -—-----2〇 本紙張尺賴用中國國家標準（CNS)A4規格（21Q χ挪公楚） ----------------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂·

Claims (1)

1. 529237 as B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1. 一種三相繞組(U，V，W)且電性上彼此相差120度的 無刷直流電動機（1)之電子式換流裝置，其包括一個半導體 電橋(4)、一個控制單元⑹和一個轉子旋轉位置檢測器，半 導體電橋(4)由六個功率半導體❿至S6)組成，驅動著相繞 組(u，v，w)以產生一定子旋轉磁場，控制單元(6)相應驅動著 功率半導體(Sl至S6)，轉子呈永磁磁輪的形式，轉子位置 檢測器構成無感測器的測定單元(8)，供測定旋轉的磁輪感 應出的可在電動機當不受驅動時的繞組端子上所測出之電 壓，該裝置之特徵在於：控制單元⑹用12步換流以不同 的12種開關狀態在直流電動機（1)電性上每轉一圏根據轉 子的位置驅動功率半導體⑸至S6)。 2. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其特徵在於： 由於功率半導體(Si至&)的12種不同開關狀態，電動機(1) 的定子磁場通過繞組(u，v，w)預定爲12種在磁場方向上 不同的激磁狀態，其中具體地說，兩個功率半導體受驅動 的開關狀態和三個功率半導體受驅動的開關狀態連續交替 進行。 3. 如申請專利範圍第1或2項所述的裝置，其特徵在 於：測定單元(8)在各情況下檢測和測定電動機繞組端子(U ，V，W)與公用基準點(X)之間的電壓。 4. 如申請專利範圍第3項所述的裝置，其特徵在於： 公用基準點(X)係被建立以使得測出的電壓在相位上擴展到 旋轉磁輪在星形連接的相繞組中感應出的電壓，或相位上 與三角形連接轉換成等效的星形連接時得出的虛擬相電壓 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) :裝 529237 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 係同相。 5·如申請專利範圍第3項所述的裝置，其特徵在於： 基準點(X)直接以電動機的實際線組中性點得出。 6.如申請專利範圍第3項所述的裝置，其特徵在於： 基準點(X)爲電動機繞組中性點的外部模擬點。 7 ·如申旨靑專利朝圍弟1項所述的裝置，其特徵在於： 測定單元(8)係被設計以使其就極性特別是零過渡方面檢測 分別感應出的內部電壓(Eu，Ev，Ew)，並根據檢測結果產生 一兀輸出信號（IIeu，Πευ，nEw)作爲控制單元(6)的控制 輸入信號。 8.如申請專利範圍第1項所述的裝置，其特徵在於： 控制單元(6)爲調定電動機（1)的轉速在各情況下根據控制輸 入端(6a)提供的轉速調定信號(SD)驅動功率半導體(s!至s6) 的其中一個以脈寬調制方式而施加脈衝至該功率半導體。 9 ·如申g靑專利範圍弟8項所述的裝置，其特徵在於： 在各轉動狀態下，最多只有其中一個功率半導體⑶至S6) 以脈寬調制的方式被施加脈衝，特別是在各情況下是在相 關的60度電性角度下進行。 10. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其特徵在於： 其隨轉速而變化的換流，換流最好在12換流步驟的至少一 個子集合步驟’特別是各第二換流步驟中進行，在各情況 且轉速提高的情況下提早進行。 11. 如申g靑專利軺圍弟1項所述的裝置，其特徵在於： 在各情況下’兩繞組端子得電、一繞組端子斷路的奇數狀 (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) :裝 -一口 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公釐） 529237 A8 B8 C8 D8 TT、申請專利範圍 態（Σ i，Σ ν Σ η)和所有繞組端子(u，V，W)都得電的偶 數狀態（Σ2，Σ4.·· Ση)在轉子電性旋轉上交替出現，偶數 狀態時間(t_)的長短根據相應的轉速和換流的預定換流角( 0_)通過數學計算確定。 12. 如申請專利範圍第10項所述的裝置，其特徵在於 :提供的換流角（0_)最好係與轉速有關的換流的速度， 特別是上升的速度而遞減變化。 13. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其特徵在於： 從靜止狀態啓動電動機(1)時，先是藉由施加一恒定的直流 電至該相繞組(U、V，W)而使轉子被定位進入規定的旋轉位 置。 14. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其特徵在於： 即使在電動機（1)啓動的過程中換流也藉由EMF測定單元 (8)檢測出轉子位置而得以進行。 15. 如申請利範圍第14項所述的裝置’其特徵在於： 在電動機（1)起動階段（Π)期間，爲更好地檢測由於轉速仍 然較低而仍然弱的EMF，控制單元(6)臨時使所有的相繞組 (U、V，W)不得電。 16. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其特徵在於： 其自適應的啓動換流控制，這時換流控制時間係依運轉特 性或驅動裝置的機械時間常數而定，特別是依轉動部份的 負載轉矩及/或轉動部份之慣量轉矩而定。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公D (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 裝