CN103199781B

CN103199781B - 用于控制无刷直流电机的设备和方法

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Publication number: CN103199781B
Application number: CN201310000564.0A
Authority: CN
Inventors: 卢昌贤
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2012-01-06
Filing date: 2013-01-04
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2033-01-04
Also published as: US9054614B2; US20130175956A1; KR20130081164A; CN103199781A; KR101899014B1

Abstract

在此公开了一种用于控制无刷直流电机的设备和方法，所述设备和方法可精确地检测驱动电流。为此，BLDC电机控制设备包括：BLDC电机；驱动器，用于产生驱动电流以驱动BLDC电机；电流测量器，测量驱动电流；脉宽调制器，改变驱动电压以驱动BLDC电机；控制器，控制BLDC电机。控制器与脉宽调制器的脉宽调制同步地检测驱动电流的量，并将流过多个线圈的电流中的具有因反电动势的变化引起的最小变化的电流确定为驱动电流，从而精确地检测驱动电流。

Description

用于控制无刷直流电机的设备和方法

技术领域

本发明的实施例涉及一种用于控制无刷直流(BLDC)电机的设备和方法，所述设备和方法可检测流过BLDC电机的线圈的驱动电流并且可防止在驱动电流的检测期间发生错误。

背景技术

与永久磁体安装在定子并且线圈安装在转子以及经过换向器(commutator)和电刷(brush)来改变流过线圈的电流的直流(DC)电机不同，以永久磁体安装在转子并且线圈安装在定子以及无需换向器和电刷的方式构造的无刷直流(BLDC)电机通过改变驱动电流而形成的连续旋转场，来旋转包括安装在其上的永久磁体的转子。通常，脉宽调制器用于BLDC电机，以响应于驱动电流的改变而改变驱动电压。

在BLDC电机中用于改变驱动电压的脉宽调制器重复on/off切换操作，其中，在所述on/off切换操作中可发生切换噪声。切换噪声传递到BLDC电机驱动器和BLDC电机。因此，切换噪声被包含在用于驱动BLDC电机的驱动电流中。

通常，用于BLDC电机的控制设备使用电流控制环路以测量输入到BLDC电机的电流并将该电流反馈到控制器，以控制BLDC电机的扭矩。用于驱动BLDC电机的脉宽调制器以及电流控制环路相互独立地操作。在这方面，当电流控制环路在驱动电压被脉宽调制器改变的时间处测量驱动电流时，在测量的驱动电流中发生切换噪声，然后包含切换噪声的驱动电流被检测。

因此，这种传统BLDC电机控制设备不准确地检测电流，导致难以进行精确电流控制以及使控制性能降低。

发明内容

因此，本发明的一方面在于提供一种通过在最小切换噪声发生的时间处检测驱动电流来控制无刷直流(BLDC)电机的设备和方法。

在下面的描述中将部分地阐明本发明其它方面，通过描述其会变得清楚，或者通过实施本发明可以了解。

根据本发明的一方面，一种无刷直流(BLDC)电机控制设备包括：包括霍尔传感器的BLDC电机；电流测量器，测量用于驱动BLDC电机的驱动电流；驱动器，包括逆变器以驱动BLDC电机；脉宽调制器，用于改变驱动电压以驱动BLDC电机；控制器，基于由电流测量器测量的电流的量控制BLDC电机。

BLDC电机是可以3相BLDC电机，并包括：定子，包括三个线圈；转子，布置为针对定子可旋转；霍尔传感器，用于BLDC电机的换向。另外，BLDC电机可将霍尔传感器的输出传送给控制器。

驱动器可接收从脉宽调制器输出的驱动电压，并可产生驱动电流。

电流测量器可包括：电阻器，串联连接在驱动器与BLDC电机的线圈之间；双向差分放大器，具有连接到电阻器的两端的输入端，并且所述电流测量器可测量流过BLDC电机的线圈的电流的量和方向并且可将电流的量和方向传送给控制器。

脉宽调制器可包括：寄存器，存储预定义的第一值和预定义的第二值；计数器(以下，称作向上/向下计数器)，执行向上计数或向下计数；比较器，将预定义的第一值和预定义的第二值与计数器的输出进行比较；输出电路，输出驱动电压。

表示与一个脉宽调制周期对应的计数的第一值和表示第一值与驱动电压的脉宽所对应的计数之差的第二值可被存储在寄存器中。

向上/向下计数器可执行向上计数，直到向上/向下计数器的输出达到第一值的一半。当向上/向下计数器的输出达到第一值的一半时，向上/向下计数器可执行向下计数。另外，在向上计数期间，当向上/向下计数器的输出达到第二值的一半时，输出电路可输出驱动电压。在向下计数期间，当向上/向下计数器的输出达到第二值的一半时，输出电路可停止驱动电压的输出。

脉宽调制器可使用上述方法产生驱动电压，并且可将向上/向下计数器的输出达到第一值的一半的时间传送给控制器。

控制器可在向上/向下计数器的输出达到从脉宽调制器输出的第一值的一半的时间处检测由电流测量器测量的流过BLDC电机的线圈的电流。

控制器可基于霍尔传感器的输出将流过BLDC电机的线圈中的特定线圈的电流确定为驱动电流，其中，流过特定线圈的电流具有先前相位相同的相位。

附图说明

通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明的这些和/或其它方面将会变得清楚和更易于理解，其中：

图1是根据本发明的实施例的3相无刷直流(BLDC)电机的示意图；

图2是根据本发明的实施例的BLDC电机控制设备的示意框图；

图3是由脉宽调制器调制的驱动电压以及与该驱动电压对应的BLDC电机的驱动电流的波形图；

图4是根据本发明的实施例的脉宽调制器的示意框图；

图5是根据本发明的实施例的脉宽调制器的驱动电压的波形图；

图6是根据本发明的实施例的驱动器、电流测量器以及BLDC电机的电路图；

图7是示出根据本发明的实施例的3相BLDC电机的霍尔传感器的输出与流过BLDC电机的线圈的电流之间的关系的表；

图8是根据本发明的实施例的流过3相BLDC电机的线圈的电流的波形图；以及

图9是示出根据本发明的实施例的霍尔传感器的输出、具有最小变化的电流流过的线圈以及由控制器对应地检测的电流测量器的输出的表。

具体实施方式

现在将详细描述本发明的实施例，其中，所述实施例的示例示出在附图中，其中，相同的标号始终表示相同部件。

图2是根据本发明的实施例的BLDC电机控制设备的框图。

参照图1，BLDC电机是3相BLDC电机，其包括：定子202，安装有3个线圈211至213；转子，安装有永久磁体；霍尔传感器203。霍尔传感器202包括三个磁场检测器221至223。

参照图2，BLDC电机控制设备包括：3相BLDC电机305；电流测量器304，用于测量流过BLDC电机305的线圈的电流；驱动器303，包括用于驱动BLDC电机305的逆变器(inverter)；脉宽调制器302，用于改变驱动电压以驱动BLDC电机305；控制器301，使用由电流测量器304测量的电流的量来控制BLDC电机305。

控制器301基于BLDC电机305所包括的霍尔传感器203的输出以及由电流测量器304测量的电流的量，检测提供给BLDC电机305的驱动电流，以将控制信号输出给BLDC电机305。

脉宽调制器302响应于由控制器301输出的控制信号而产生驱动电压，并将用于检测有电流测量器304测量的电流的量的时间传送给控制器301。这里，驱动电压是脉冲类型。

驱动器303基于由脉宽调制器302产生的驱动电压提供驱动电流。

电流测量器304测量由驱动器303产生并提供给BLDC电机305的驱动电流的量，并将驱动电流的量传送给控制器301。

图3是由脉宽调制器302调制的驱动电压101以及与该驱动电压101对应的BLDC电机305的驱动电流102的波形图。

如可从图3看出，即使驱动电压101突然增加，驱动电流102也由于BLDC电机305的电感而呈对数增加，并且由于因脉宽调制器302的切换操作，切换噪声包含于BLDC电机305的驱动电流102中。

图4是根据本发明的实施例的脉宽调制器的示意框图。

参照图4，脉宽调制器302包括：寄存器401，用于存储预定义的第一值和预定义的第二值；计数器402，用于执行向上计数和向下计数；比较器403，用于将计数器402的输出与第一值和第二值比较；输出电路404，用于输出驱动电压。

寄存器401存储表示与一个脉宽调制周期对应的计数的第一值以及表示第一值与对应于驱动电压的脉宽的计数之差的第二值。

在计数器402的向上计数期间，当计数器402的输出达到第一值的一半时，计数器402执行向下计数。

在计数器402的向上计数期间，当计数器402的输出达到第二值的一半时，输出电路404输出驱动电压。在计数器402的向下计数期间，当计数器402的输出达到第二值的一半时，输出电路404停止驱动电压的输出。

例如，当从大约0至大约100的计数被定义为一个周期(即，第一值被定义为100)并且在上述计数中的与驱动电压的脉宽对应的计数为70(即，第二值被定义为30)时，计数器402执行从0至50的向上计数，然后执行从50至0的向下计数。

在计数器402的向上计数期间，当计数达到15时，输出电路404输出驱动电压。在计数器402的向下计数期间，当计数达到15时，输出电路404停止驱动电压的输出。因此，输出电路404在总共计数70期间输出驱动电压脉冲。

图5是根据本发明的实施例的脉宽调制器302的计数器402的输出502以及由输出电路404对应地输出的驱动电压的波形501的波形图。

可从图5看出，计数器402的输出502增加到50，然后减小，输出电路404仅在计数器402的输出502等于或大于15时输出驱动电压。

根据本实施例，3相BLDC电机具有6相。在这种情况下，当换向(commutation)发生6次时，BLDC电机的转子旋转一次。因此，第一值可以是与BLDC电机的转子的60度的旋转对应的计数，第二值可通过从第一值减去与驱动电压的脉宽对应的计数而获得。

可从图3和图5看出，在与第一值的一半对应的时间处不发生脉宽调制。因此，当脉宽调制器302的计数器402的输出达到第一值的一半时，如果控制器301检测驱动电流，则检测的驱动电流可包含最小切换噪声。因此，根据本发明的实施例，为了使控制器301在切换噪声最小的时间处检测驱动电路，所以计数器402的输出对应于第一值的一半的时间被传送给控制器301。

图6是根据本发明的实施例的驱动器、电流测量器以及3相BLDC电机的电路图。

参照图6，驱动器303包括三个逆变器，其中，三个逆变器包括用于驱动3相BLDC电机305的6个开关601至603以及611至613。

电流测量器304包括：电阻器621至623，每一个电阻器串联连接在驱动器303的对应的一个逆变器的输出端与BLDC电机305的对应的一个输入端之间；多个双向差分放大器631至633，每一个双向差分放大器具有连接到电阻器621至623中的对应的一个的两端的输入端。

电流测量器304通过使用双向差分放大器631至633(其中，每一个双向差分放大器具有连接到电阻器621至623中的对应的一个的两端的输入端)来测量电流的方向和量并将电流的方向和量传送到控制器301。根据本实施例，电流测量器304测量与3相BLDC电机305的线圈的数量对应的电流，因此测量三个电流。

通常，BLDC电机305包括：霍尔传感器230，用于检测旋转场。用于BLDC电机305的控制器301基于霍尔传感器203的输出检测转子201的位置，并根据基于霍尔传感器203的输出检测的转子201的位置，使用脉宽调制器302来改变驱动电流，从而旋转转子201。这样的一系列处理被称作换向(commutation)。

图7是示出根据本发明的实施例的BLDC电机305的霍尔传感器203的输出与流过BLDC电机305的线圈的电流之间的关系的表。霍尔传感器203的输出根据其制造商的标准或设计者的定义而改变。但是，根据本发明的实施例，如图7所示定义霍尔传感器203的输出。

参照图7，根据本实施例，针对顺序1，霍尔传感器203的输出为“001”，开关601和开关613被脉宽调制器302闭合，电流流过线圈641和643。因此，当电流输入到BLDC电机305的方向被定义为正(+)方向时，正(+)电流流过线圈641，电流不流过线圈642，以及负电流流过线圈643。

针对顺序2，霍尔传感器203的输出为“000”，开关601和开关612被脉宽调制器302闭合，并且电流流过线圈641和642。因此，正(+)电流流过线圈641，负(-)电流流过线圈642，以及电流不流过线圈643。

图8是根据本发明的实施例的流过图7的BLDC电机305的线圈的电流的波形图。

可从图8看出，流过特定线圈的电流具有与先前相位相同的相位，这里，因反电动势的变化引起的电流的变化最小。根据本实施例，针对顺序2，具有与先前相位相同相位的电流流过线圈641，并且霍尔传感器203的输出为“000”。因此，当霍尔传感器203的输出为“000”时，流过线圈641的电流是具有因反电动势的变换引起的最小变化的驱动电流。

通过上述方法，针对顺序3，当霍尔传感器203的输出为“100”时，具有最小变化的电流流过线圈642。另外，针对顺序4，当霍尔传感器203的输出为“110”时，流过线圈643的电流是具有最小变化的驱动电流。

因此，当霍尔传感器203的输出为“001”时，控制器301将用于测量流过电阻器623和线圈643的电流的双向差分放大器633的输出确定为提供给BLDC电机305的驱动电流。当霍尔传感器203的输出为“000”时，控制器301将用于测量流过电阻器621和线圈641的电流的双向差分放大器631的输出确定为驱动电流。当霍尔传感器203的输出为“100”时，控制器301将用于测量流过电阻器622和线圈642的电流的双向差分放大器632的输出确定为驱动电流。

图9是示出根据本发明的实施例的霍尔传感器203的输出、具有因反电动势的变化引起的最小变化的驱动电流流过的线圈以及由控制器301对应地检测的电流测量器304的输出的表。

根据上述方法，通过将流过多个线圈中的具有最小变换的特定线圈的电流选择为驱动电流，来检测驱动电流，从而精确地检测驱动电流。

如从上述描述清楚的，控制器可在由脉宽调制器不发生脉宽调制的时间处检测BLDC电机的驱动电流，因此控制器可在因脉宽调制器引起的切换噪声最小的时间处检测驱动电流。

另外，控制器可将流过多个线圈的电流中的在BLDC电机的换向期间具有与先前相位相同相位的电流确定为驱动电流，因此，控制器可检测具有因反电动势的变化引起的最小变化的电流，其中，所述反电动势的变化因BLDC电机的电感而产生。

虽然已表示和描述了本发明的一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改。

Claims

1.一种电机控制设备，包括：

无刷直流BLDC电机；

脉宽调制器，产生驱动电压的脉冲，以驱动BLDC电机；

驱动器，基于所述脉冲产生驱动电流，以驱动BLDC电机；

电流测量器，测量驱动电流的量；

控制器，与脉宽调制器同步地检测由电流测量器测量的驱动电流的量，

其中，控制器将流过BLDC电机的线圈中的特定线圈的电流确定为驱动电流，其中，流过特定线圈的电流在BLDC电机的换向期间具有与先前相位相同的相位。

2.根据权利要求1所述的电机控制设备，其中，BLDC电机是3相BLDC电机，并包括：

定子，包括三个线圈；

转子，布置为针对定子可旋转；

霍尔传感器，用于BLDC电机的换向。

3.根据权利要求1所述的电机控制设备，其中，脉宽调制器包括：

计数器，执行向上计数或向下计数；

寄存器，存储表示与一个脉宽调制周期对应的计数的第一值和表示第一值与驱动电压的脉宽所对应的计数之差的第二值；

比较器，将存储在寄存器中的第一值和第二值与计数器的输出进行比较；

输出电路，基于比较器的输出产生驱动电压的脉冲。

4.根据权利要求3所述的电机控制设备，其中，当在向上计数期间，计数器的输出达到存储在寄存器中的第一值的一半时，计数器执行向下计数，

其中，输出电路在向上计数期间计数器的输出达到存储在寄存器中的第二值的一半时，输出驱动电压，并且在向下计数期间计数器的输出达到第二值的一半时，停止驱动电压的输出。

5.根据权利要求4所述的电机控制设备，其中，控制器在计数器的输出达到存储在寄存器中的第一值的一半的时间处检测由电流测量器测量的驱动电流。

6.根据权利要求1所述的电机控制设备，其中，电流测量器包括：

电阻器，串联连接在驱动器的输出端与BLDC电机的输入端之间；

双向差分放大器，具有连接到电阻器的两端的输入端。

7.一种用于以脉宽调制方式控制无刷直流BLDC电机的方法，所述方法包括：

将第一值和第二值存储到用于对驱动BLDC电机的驱动电压的脉宽进行调制的脉宽调制器的寄存器中，其中，第一值表示与一个脉宽调制周期对应的计数，第二值表示第一值与驱动电压的脉宽所对应的计数之差；

当在计数器的向上计数期间，脉宽调制器的计数器的输出达到第二值的一半时，脉宽调制器的输出电路输出驱动电压；

当计数器的输出达到第一值的一半时，计数器执行向下计数；

当在计数器的向下计数期间，计数器的输出达到第二值的一半时，停止驱动电压的输出，

其中，所述方法还包括：将流过BLDC电机的线圈中的特定线圈的电流确定为驱动电流，其中，流过特定线圈的电流在BLDC电机的换向期间具有与先前相位相同的相位。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括：当计数器的输出达到第一值的一半时，控制器检测用于驱动BLDC电机的驱动电流。