CN1300933C - 用于驱动无刷电机的装置和控制该电机的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于驱动无刷电机的装置和控制该电机的方法，可根据负载变化主动地改变相位换向信号的输出时间，在过载状态下稳定操作电机，并提高***的操作效率。该装置包括：逆变器、驱动器、反电动势检测器和控制器。逆变器切换提供到多相定子线圈的驱动电压。驱动器驱动逆变器。反电动势检测器检测从未被激励的定子线圈感应的反电动势。控制器在驱动电压断开之后，计算反电动势检测器检测反电动势所需的时间，根据所确定的经过时间，确定相位换向时间点，并在所确定的相位换向时间控制驱动器执行相位换向。控制器根据反电动势确定参考时间点，并将下述时间点确定为相位换向时间点：比所确定的参考时间点早与所确定的经过时间相对应的预定时间的时间点。

Description

用于驱动无刷电机的装置和控制该电机的方法

参照相关申请

本申请要求韩国申请No.2003-42328的优先权，该申请2003年6月27日在韩国知识产权局申请，其披露的内容作为参考被包括进来。

技术领域

本发明涉及一种用于驱动无刷电机的装置和控制该电机的方法，更具体地说，涉及一种基于反电动势(counter-electromotive voltage)检测转子位置的用于驱动无刷电机的装置和控制该电机的方法。

背景技术

一般来说，利用从转子的磁极产生的磁通和定子线圈中流动的电流之间的相互作用力产生无刷电机的输出扭矩。因此，为使输出扭矩最大化，应在处于下列位置附近的相(phase)处把电流施加在定子线圈上，即在该位置处从转子的磁极产生的磁通最大。

但是，由于转子磁极的位置随电机的转动而改变，因此与将应当施加电流的相相对应的定子线圈也频繁地变化。于是，为向与转子磁极的位置相对应的定子线圈的相施加电流，有必要在合适的时间点或时刻执行相位换向(phase commutation)操作。

因此，如图1所示，通过从未被励磁(unexcited)的定子线圈感应的反电动势达到预定的零相交点或零交叉点(zero-crossing point)之后，在经过了预定的延迟时间(一般与30度的电相角或电角度(electricalangle)相对应)的时间点，输出相位换向信号，并向定子线圈的相应相提供电流，则可进行相位换向。

在传统方法中，通常在负载电流为正常值时，进行相位换向。但是，当负载电流大于正常值时，由于电机定子线圈的感应部件使电流不能立即消失。在后者情况下，图1所示的期间To延长，从而使反电动势晚于所希望的时间产生。于是，反电动势达到零相交点所需的时间延长，而且执行相位换向比所希望的晚。因此，在合适的时刻并不向处于下列位置附近的相的定子线圈施加电流，即在该位置从转子磁极产生的磁通最大。结果，电机的输出扭矩降低。在最糟糕的情况下，传统方法的问题在于电机陷入步调不一致(out-of-step)，即不能再对电机进行转动控制的境地，由此使电机停转。

发明内容

因此，本发明的一个方面是提供一种用于驱动无刷电机的装置和控制该电机的方法，即便负载电流改变了，也能在恰当的时间进行相位换向，从而稳定地驱动电机。转子的位置基于从未被励磁的定子线圈感应的反电动势，而不使用用于检测转子位置的传感器确定转子的位置。

可利用用于驱动无刷电机的装置实现本发明的上述和其他方面，该无刷电机为设有多个定子线圈的多极、多相无刷电机。一种驱动装置包括切换提供到多相定子线圈的驱动电压的逆变器、驱动逆变器的驱动器、以及检测从未被激励的定子线圈感应的反电动势的反电动势检测器。控制器确定在驱动电压已经断开之后利用反电动势检测器检测到反电动势所需的经过(elapsed)时间，以根据所确定的经过时间，确定相位换向时间点，并在所确定的相位换向时间点控制驱动器执行相位换向。所述控制器根据反电动势确定参考时间点，并将下述时间点确定为相位换向时间点，即比所确定的参考时间点早与所确定的经过时间相对应的预定时间的时间点。

根据本发明的一个方面，预定时间正比于所确定的经过时间。参考时间点为反电动势已到达预定零相交点之后预定的延迟时间已过去时的时间点。零相交点与相位(phase)交点处的最高电压和最低电压之间的平均电压相对应。

利用控制无刷电机的方法也可实现本发明的上述和其它方面，该无刷电机为设有多个定子线圈的多极、多相无刷电机。该方法包括：确定无刷电机未被激励的状态下从驱动电压下降沿到反电动势上升沿的经过时间；根据计时的时间确定相位换向时间点；以及在所确定的相位换向时间点执行相位换向。

该方法进一步包括：根据反电动势确定参考时间点；以及确定下述时间为相位换向时间点，即比所确定的参考时间点早一段与所确定的经过时间相对应的预定时间的时间。该预定时间正比于所确定的经过时间。

利用控制无刷电机的方法可进一步实现本发明的上述和其它方面，该无刷电机根据从未被激励的定子线圈感应的反电动势确定的参考时间点执行相位换向，该方法包括对从未被激励的驱动电压的下降沿到反电动势的上升沿的时间进行计时；判断反电动势是否到达预定零相交点；以及确定下述时间为相位换向时间点，即比参考时间点早一与反电动势到达预定零相交点时所确定的经过时间相对应的、延迟时间的减少量的时间。

本发明的其它方面和优点将部分体现在下述说明书中，并且可部分地从该说明书中显而易见，或者通过实施本发明而获得教导。

附图说明

通过结合附图，对最佳实施例做如下说明，本发明的这些和/或其它方面和优点将会清晰，而且更容易理解，其中：

图1所示的反电动势波形简图表示用于驱动无刷电机的传统装置中的相位换向方式；

图2为根据本发明的一个方面所述用于驱动无刷电机的装置的控制方框图；

图3所示的波形简图表示各相中的反电动势；

图4所示的放大示意图表示图3所示的一相的反电动势的波形，该图示出了本发明一个方面的原理；

图5所示的曲线图表示检测反电动势所需的时间和相位换向延迟时间的减少量之间的关系；

图6所示的流程图表示根据本发明所述控制无刷电机的方法。

具体实施方式

下面将参照表示在附图中的实例详细说明本发明的具体实施例，全文中的相同参考标记表示相同的部件。下面对实施例的说明是为了参照附图解释本发明。

图2是根据本发明的实施例的用于驱动无刷电机的装置的控制方框图。如图2所示，根据本发明的一个方面的用于驱动无刷电机的装置包括控制器60、驱动器40、逆变器20以及反电动势检测器50。控制器60输出关于控制无刷电机30的相(phase)U、V和W的控制信号。驱动器40接收从控制器60输出的控制信号，并输出驱动无刷电机30的驱动信号。逆变器20包括用于响应于驱动器40的驱动信号切换相U、V和W的多个开关或转换器。反电动势检测器50检测从每一相U、V和W感应出的反电动势。在图2中，参考标记10表示整流器。

无刷电机30包括定子，在该定子中，就像普通3相电机那样，相U、V和W的定子线圈的第一端彼此连接。该电机还包括具有使用永久磁铁的磁极的转子。该无刷电机30连接至负载。

根据本发明的一个方面，相U、V和W之间的差基本上为120度。

如图3所示，通过利用驱动器40驱动逆变器20的开关元件，控制器60可对相U、V和W进行换向。控制器60重复地在与范围为0度至120度电角度相对应的期间转动无刷电机30的转子，在与范围为120度至180度电角度相对应的期间Ts，检测每一反电动势，在与范围为180度至300度电角度相对应的期间，转动无刷电机30的转子，并在与范围为300度至360度电角度相对应的期间，检测反电动势。在此情况下，控制器60基于由反电动势检测器50检测的信号，主动改变依赖于检测反电动势所需的时间的相位换向时间点。在反电动势已达到零相交点，即与相U、V和W相互交叉点处的最高电压V1和最低电压V2之间的平均电压相对应的点之后，在经过预定时间时的时间点，执行这种主动改变，而不执行相位换向。于是，即便负载电流或者无刷电机30的旋转数改变了，也可在希望的时间执行换向。因此，无刷电机30可稳定工作。

下面参照图3至5说明控制器60的工作过程。

图3示出了通过逆变器20(inverter)的开关元件的切换操作而产生的被检测的反电动势信号。

图4示出了从无刷电机30的未被励磁的定子线圈感应出的反电动势。在相应的定子线圈的端子电压已关闭之后，在检测反电动势的上升沿所需的时间为Tf-a或Tf-b(其中Tf-a＜Tf-b)的情况下，在早于与30度的电角度相对应的时间点的时间点执行相位换向。反电动势已到达零相交点之后，该时间分别与减少Tc-a或Tc-b延迟时间相对应。也就是说，在检测反电动势所需的时间为Tf-a的情况下，在反电动势已到达零相交点之后，在与30度的电角度相对应的时间-Tc-a时输出相位换向信号。在检测反电动势所需的时间为Tf-b的情况下，在反电动势已到达零相交点之后，在与30度的电角度相对应的时间-Tc-b时输出相位换向信号。

如果根据检测反电动势所需的时间，利用相位换向延迟时间的减少量改变相位换向信号的输出时间，则如图5所示，相位换向信号的输出时间与所需时间成比例而变早。也就是说，由于相位换向信号的输出时间与检测反电动势所需的时间成比例而变早，因此当处于过载状态时，无刷电机30稳定地工作。在此情况下，Tf-max为在无刷电机30的当前转速范围内检测零相交点所需的最长时间。与Tf-max成比例的延迟时间的最大减少量Tc-max小于或者等于对应于30度，最大电角度的时间。

图6所示的流程图表示根据本发明的一个方面，控制无刷电机30的方法。参照图6，在操作步骤100中，在驱动电压断开的未被激励状态下，控制器60检测端子电压的下降沿。

在操作步骤110中，控制器60在检测下降沿之后确定过去的时间。

之后，控制器60在操作步骤120中判断是否检测到由未被激励的定子线圈感应的反电动势的上升沿。一旦在操作步骤120中确定了没有检测到反电动势的上升沿，就再次尝试进行检测。

但是，如果在操作步骤120中确定了检测到反电动势的上升沿，控制器60就在操作步骤130中停止对经过时间的计时。之后，根据所确定的、从端子电压的下降沿到反电动势的上升沿的经过时间Tf，确定端子电压施加到下一相的相位换向时间点。

根据本发明的一个方面，在操作步骤140中，为确定所确定的经过时间Tf的范围，将所确定的经过时间Tf与预定的最小检测时间Tf-a和最大检测时间Tsense-max进行比较。

作为操作步骤140的结果，一旦确定了所确定的经过时间Tf小于最小检测时间Tf-a，就确定电机30将处于负载非常小的欠载状态下。于是，提供延迟时间的最小减少量。这种情况类似于下列情况，即已检测到零相交点之后，在与30度的电角度相对应的时间已经过去时的时间执行相位换向的情况。于是，在操作步骤150中，把下列时间点确定为用于相位换向的时间点，即已检测到零相交点之后，与30度的电角度相对应的时间已过去的时间点。在操作步骤151中，检测到零相交点之后，一旦确定了与30度的电角度相对应的时间已过去(操作步骤152)，就输出相位换向信号，并从而在操作步骤180中，执行相位换向，向下一相提供驱动电压。

在操作步骤140中，一旦确定了所确定的经过时间Tf等于或大于最小检测时间Tf-a、并小于最大检测时间Tsense-max，就在操作步骤160中确定延迟时间的减少量Tc，该减少量是对应于所确定的经过时间Tf的预定值、并与所确定的经过时间成比例。之后，在操作步骤161中，把下列时间确定为用于相位换向时间点的时间，该时间对应于已检测到零相交点之后经过的与30度的电角度相对应的时间-Tc。在操作步骤162中，检测到零相交点之后，一旦在操作步骤163中确定了与30度的电角度相对应的时间-Tc已过去，就输出相位换向信号。于是，在操作步骤180中，执行相位换向，把驱动电压提供到相应的相。也就是说，主动地改变延迟时间的减少量Tc，从而使其与所确定的经过时间Tf成比列或正比。这样电机30可在过载状态下稳定地工作。

另外，由于电机30处于负载非常大的过载状态，因此一旦在操作步骤140中确定了所确定的经过时间等于或大于最大检测时间Tsense-max，就提供延迟时间的最大减少量Tc-max，尽快地得出相位换向时间点。于是，在操作步骤170中，当检测到零相交点之后，与30度的电角度相对应的时间-Tc-max已过去时的时间点确定为相位换向时间点。

在操作步骤171中，检测到零相交点之后，一旦在操作步骤172中确定了与30度的电角度相对应的时间-Tc-max已过去，就输出相位换向信号。在操作步骤180中执行相位换向，把驱动电压提供到相应的相。

根据本发明的一个方面，确认在预定的时间内是否检测到反电动势。将在操作步骤110中确定经过的所确定的经过时间Tf与最大检测时间Tf-max相比较，在该最大检测时间最大地延迟检测反电动势的检测。一旦确定了所确定的经过时间Tf大于用于检测反电动势的最大检测时间Tf-max，就不再继续检测反电动势，并强制执行相位换向，并在预定延迟时间之后，把端子电压提供到下一相。

从上面的说明中可以清楚，本发明的方案提供一种驱动无刷电机的装置和控制该电机的方法，可根据负载变化，主动地改变相位换向信号的输出时间。因此，在过载状态下电机可稳定地工作，提高了包括该电机的***的工作效率。

尽管图示并说明了本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员可以理解，不偏离本发明的原理和精神实质、限定在随附权利要求书中的本发明的保护范围及其等同替换，还可以对这些实施例作出改变。

Claims (16)

1、一种用于驱动多极无刷电机的装置，该无刷电机具有多个多相定子线圈，该驱动装置包括：

切换提供到多相定子线圈的驱动电压的逆变器；

驱动逆变器的驱动器；

检测从未被激励的定子线圈感应的反电动势的反电动势检测器；以及

控制器，该控制器确定在驱动电压断开之后利用反电动势检测器检测到反电动势所需的经过时间以根据所确定的经过时间，确定相位换向时间点，并在所确定的相位换向时间点控制驱动器执行相位换向，

其中所述控制器根据反电动势确定参考时间点，并将下述时间点确定为相位换向时间点，即比所确定的参考时间点早与所确定的经过时间相对应的预定时间的时间点。

2、如权利要求1所述的装置，其中所述预定时间与所确定的经过时间成比例。

3、如权利要求1所述的装置，其中所述参考时间点为反电动势已到达预定零相交点之后预定的延迟时间已过去时的时间点。

4、如权利要求3所述的装置，其中所述零相交点与相彼此交叉处的最高电压和最低电压之间的平均电压相对应。

5、如权利要求1所述的装置，其中所述多个多相定子线圈中的第一相和第二相之间的差值基本上为120度。

6、一种控制多极无刷电机的方法，该无刷电机设有多个多相定子线圈，该方法包括：

确定从驱动电压下降沿到无刷电机未被激励的状态下反电动势上升沿的经过时间；

根据所确定的经过时间确定相位换向时间点；以及

在所确定的相位换向时间点执行相位换向。

7、如权利要求6所述的方法，进一步包括：

根据反电动势确定参考时间；以及

确定下述时间为相位换向时间，即比所确定的参考时间早与所确定的经过时间相对应的预定时间的时间。

8、如权利要求7所述的方法，其中所述预定时间与所确定的经过时间成比例。

9、一种控制无刷电机的方法，在根据从未被激励的定子线圈感应的反电动势确定的参考时间执行相位换向，该方法包括：

确定从未被激励的驱动电压的下降沿到反电动势的上升沿的经过时间；

判断反电动势是否到达预定点；以及

反电动势到达预定点时，确定下述时间为相位换向时间点，即比参考时间点早与所确定的经过时间相对应的延迟时间的减少量的时间。

10、如权利要求9所述的方法，其中所述延迟时间的减少量与所确定的经过时间成比例。

11、如权利要求9所述的方法，其中所述预定点为预定零相交点。

12、一种控制无刷电机的方法，包括：

在驱动电压断开的未被激励的状态下，检测端子电压的下降沿；

一旦检测到反电动势的上升沿，就确定检测到端子电压的下降沿之后经过时间；以及

根据所确定的经过时间执行相位换向。

13、如权利要求12所述的控制无刷电机的方法，其中执行相位换向包括：

将所确定的经过时间与预定的最小检测时间和预定的最大检测时间进行比较。

14、如权利要求13所述的控制无刷电机的方法，其中执行相位换向进一步包括：

一旦确定经比较的所确定的经过时间小于最小检测时间，就设定用于相位换向的时间点为在检测到零相交点之后经过的与30度的电角度相对应的时间，

检测零相交点，

确定与30度的电角度相对应的时间已过去，

输出相位换向信号，以及

把驱动电压施加到下一相。

15、如权利要求13所述的控制无刷电机的方法，其中执行相位换向进一步包括：

一旦确定所确定的经过时间等于或大于最小检测时间、并小于最大检测时间，就确定与所确定的经过时间成比例的延迟时间，

设定用于相位换向的时间点为检测到零相交点之后经过的与30度的电角度相对应的时间-所确定的延迟时间，

输出相位换向信号，以及

把驱动电压施加到下一相。

16、如权利要求13所述的控制无刷电机的方法，其中执行相位换向进一步包括：

一旦确定所确定的经过时间大于或等于最大检测时间，就设定用于相位换向的时间点为检测到零相交点之后经过的与30度的电角度相对应的时间-最大延迟时间，

输出相位换向信号，以及

把驱动电压施加到下一相。

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