專利名稱：無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于確定無刷直流(所謂BLDC)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置的方法，無需使用位置傳感器部件。確定的位置信息可以被用來控制電動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù)：
BLDC電動(dòng)機(jī)的控制器包括電子換向器，其根據(jù)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置來確定需要激勵(lì)的不同相位繞組。確定轉(zhuǎn)子位置的經(jīng)典方法是使用將開關(guān)從一種換向狀態(tài)觸發(fā)到另一種狀態(tài)的位置傳感器。使用這種位置傳感器部件提高了價(jià)格，特別是如果在給定應(yīng)用中電動(dòng)機(jī)位于與控制電子設(shè)備分離。
無需使用特殊位置傳感器部件的轉(zhuǎn)子位置確定是基于基本上可以從機(jī)器本身的電磁特性來獲得位置的事實(shí)。
或許最廣泛傳播的方法是反電動(dòng)勢(shì)方法，在該方法中基于旋轉(zhuǎn)所感應(yīng)的電壓函數(shù)來確定轉(zhuǎn)子位置(楞次定律)。該方法的缺點(diǎn)是，在低轉(zhuǎn)速時(shí)感應(yīng)電壓的幅度對(duì)于確定位置而言實(shí)際太低。因此，該方法無法用于啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)。
典型地在停頓和低速期間，額外的激勵(lì)被插入以獲得關(guān)于轉(zhuǎn)子位置的信息。如果它們包括激勵(lì)電動(dòng)機(jī)的僅一個(gè)相位或者若干相位以便計(jì)算位置估計(jì)，則這些方法可以根據(jù)屬性來進(jìn)行一種分類。激勵(lì)電動(dòng)機(jī)的若干或者所有相位的方法具有無需關(guān)于電動(dòng)機(jī)的磁通和/或感應(yīng)率(inductivity)特性的初始信息的優(yōu)點(diǎn)。
一般的預(yù)先假設(shè)只是定子繞組的感應(yīng)率以位置的函數(shù)變化，并且它的周期是360°el(并且不是180°el)。其充分條件是相位繞組的感應(yīng)率是否至少在位置范圍的一部分進(jìn)入特性的非線性(飽和)區(qū)。
專利說明書EP-0251785建議了一種基于激勵(lì)脈沖響應(yīng)中的最大測(cè)量值來決定換向的方法。兩種極性并具有相同固定時(shí)間周期的激勵(lì)脈沖被提供給每個(gè)相位。這里，估計(jì)位置數(shù)據(jù)選自具有180°el/p結(jié)果的離散集，其中，p表示定子相位的數(shù)量。
專利說明書EP-0536113的方法同樣基于2p個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)。這里，通過計(jì)算來自響應(yīng)值的反向離散傅立葉變換的第一諧波的相位來提供連續(xù)位置估計(jì)。計(jì)算出的位置信息被用于確定開始換向命令。在該開始換向命令后，建議通過實(shí)驗(yàn)預(yù)定的換向時(shí)間周期系列來控制換向的改變直至達(dá)到極限速度。達(dá)到極限速度后，使用反電動(dòng)勢(shì)方法來進(jìn)行換向控制。
專利說明書WO-2003052919的基本概念與EP-0251785類似。但是，此處所有測(cè)試脈沖響應(yīng)的最大幅度被固定到相同值，并且測(cè)量達(dá)到極限的必要時(shí)間周期。然后，根據(jù)具有最小時(shí)間周期的相位激勵(lì)來選擇換向。初始測(cè)量后，在此進(jìn)一步建議如果不知道旋轉(zhuǎn)方向，則將測(cè)量脈沖的數(shù)量減少到3，如果知道方向則減少到2。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，提供一種通過簡單計(jì)算來確定轉(zhuǎn)子位置的方法，使用減少的激勵(lì)數(shù)量但仍然導(dǎo)致連續(xù)的估計(jì)，較上面的方法更加有利。
這個(gè)目的可以通過權(quán)利要求1的特征，也就是通過一種確定無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子的角位置的方法來解決，該無刷直流電動(dòng)機(jī)具有具有多相繞組的定子；控制電路，向電動(dòng)機(jī)相位提供相互切換的激勵(lì)，使得激勵(lì)產(chǎn)生處于整個(gè)360°電角度范圍內(nèi)的不同方向的定子磁通矢量；以及測(cè)量電路，遞送對(duì)于相位激勵(lì)的響應(yīng)。通過選擇導(dǎo)致測(cè)量響應(yīng)所示的最小感應(yīng)率的主激勵(lì)定子磁通矢量，并選擇相對(duì)于所述主矢量方向在之前和之后方向上的兩個(gè)其它矢量，以及通過計(jì)算對(duì)于所選定子磁通矢量的測(cè)量響應(yīng)的差值之間的比率，來估計(jì)所述位置。
因此，本發(fā)明的方法從少量測(cè)量數(shù)據(jù)中確定反感應(yīng)率(counterinductivity)特性的非線性曲線的最大值。曲線最大值的位移與轉(zhuǎn)子從該位置的角位移相等，其中，轉(zhuǎn)子磁極按照第一定子磁通矢量的方向排列。
因此，可以通過使用減少的激勵(lì)數(shù)量但導(dǎo)致連續(xù)估計(jì)的簡單計(jì)算來確定轉(zhuǎn)子位置。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，電動(dòng)機(jī)至少在位置范圍的一部分工作于感應(yīng)率特性的非線性(飽和)區(qū)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，測(cè)量的定子相位響應(yīng)與電動(dòng)機(jī)繞組的實(shí)際感應(yīng)率或者反感應(yīng)率成比例。如果響應(yīng)信號(hào)瞬變的時(shí)間周期被測(cè)量直至它達(dá)到固定最大水平，則測(cè)量的響應(yīng)將例如與感應(yīng)率成比例。另一方面，如果對(duì)于具有固定時(shí)間周期的激勵(lì)脈沖來測(cè)量電流響應(yīng)瞬變的最大值，則測(cè)量的響應(yīng)將例如與實(shí)際反感應(yīng)率成比例。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，通過選自2p個(gè)定子磁通矢量的至少3個(gè)定子磁通矢量來激勵(lì)電動(dòng)機(jī)相位，所述2p個(gè)定子磁通矢量處于電角度kπ/p，k＝0，……，2p-1，其中p表示電動(dòng)機(jī)的相位數(shù)量。以選擇至少主矢量和處于之前和之后方向的矢量用于激勵(lì)的方式，來進(jìn)行激勵(lì)方向的選擇。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，如果位置依賴電動(dòng)機(jī)值與繞組的感應(yīng)率成比例，則在被用于進(jìn)一步計(jì)算之前它們被翻轉(zhuǎn)。因此，數(shù)值與繞組的反感應(yīng)率成比例的數(shù)據(jù)集總是被用于位置估計(jì)。與反感應(yīng)率成比例的測(cè)量或者計(jì)算的位置依賴電動(dòng)機(jī)值以{i0，…，i2p-1}來表示。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，通過選擇與{i0，……，i2p-1}中的最大值對(duì)應(yīng)的矢量來完成主激勵(lì)定子磁通矢量的選擇。如果發(fā)現(xiàn)多于一個(gè)的相等最大值，那么它們的下標(biāo)(index)的任何一個(gè)可以被選擇用于主激勵(lì)定子磁通矢量的下標(biāo)。然后所選定子磁通矢量的測(cè)量響應(yīng)的差值之間的比率被計(jì)算為分?jǐn)?shù)，如果iλ大于in，其分子是in減去iλ，其分母是im減去in，如果im不等于iλ，則分母是im減去iλ，否則分母為1，其中，m表示主激勵(lì)方向的下標(biāo)，并且λ、n分別表示主激勵(lì)方向前面和后面的方向的下標(biāo)。最后，獲得估計(jì)的位置為m乘以π除以p加上計(jì)算的所選定子磁通矢量的測(cè)量響應(yīng)的差值之間的比率乘以π除以2p。


基于下列各圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行介紹圖1控制BLDC電動(dòng)機(jī)的方法的方框圖。
圖2換向驅(qū)動(dòng)器和測(cè)量電路的圖。
圖3具有位置估計(jì)方法的圖形表示的函數(shù)位置中的相位的感應(yīng)率的一個(gè)周期。
具體實(shí)施例方式
圖1電動(dòng)機(jī)1包括轉(zhuǎn)子2和多相定子3。轉(zhuǎn)子2例如可以是具有永磁體或被直流電激勵(lì)的凸極型(salient pole type)，或者它例如可以是具有表面永磁體的表面型(exterior type)。電動(dòng)機(jī)1被控制設(shè)備5所控制的驅(qū)動(dòng)電路4驅(qū)動(dòng)。
以這樣一種方法來控制電動(dòng)機(jī)1，即，在命令線6上到達(dá)驅(qū)動(dòng)電路4的連續(xù)命令將來自外部電源UB的電流切換到那些建立磁場(chǎng)的定子相位，所述磁場(chǎng)用于提供旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子2的最大轉(zhuǎn)矩。因此，必須與轉(zhuǎn)子2的旋轉(zhuǎn)同步地改變相位的激勵(lì)(通過在換向命令中進(jìn)行切換)，并且其定時(shí)需要轉(zhuǎn)子2的位置信息。
如果轉(zhuǎn)子2已經(jīng)旋轉(zhuǎn)大于某個(gè)速度，則可以從相位電壓7的測(cè)量來獲得換向命令的切換定時(shí)的信息(反電動(dòng)勢(shì)方法)。
如果轉(zhuǎn)子2的速度低于感應(yīng)電壓可被用于定時(shí)換向改變的水平，則換向控制被暫停一段時(shí)間，在此期間從相位的強(qiáng)制激勵(lì)(forcedexcitations)的響應(yīng)中確定轉(zhuǎn)子位置。由測(cè)量部件8來測(cè)量所述響應(yīng)，并且通過反饋信號(hào)9反饋到電動(dòng)機(jī)控制設(shè)備5。電動(dòng)機(jī)控制設(shè)備5從系列反饋值中計(jì)算位置估計(jì)，并因此確定發(fā)送到電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路4的適當(dāng)控制命令。從停頓開始以某一頻率重復(fù)該過程直到電動(dòng)機(jī)1達(dá)到已經(jīng)可以使用反電動(dòng)勢(shì)方法的速度。
圖2對(duì)驅(qū)動(dòng)電路4進(jìn)行了更加詳細(xì)的描述。圖中示出了用于具有以三角形連接的定子繞組31、32、33的三相電動(dòng)機(jī)的所謂半橋電路的例子，但是所述發(fā)明同樣可以用于具有星形連接的電動(dòng)機(jī)，以及除三相外具有不同驅(qū)動(dòng)電路的電動(dòng)機(jī)。在使用半橋型電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的情況下，電動(dòng)機(jī)控制設(shè)備5接通驅(qū)動(dòng)電路4的上側(cè)開關(guān)(SHI，SHZ，SH3)之一和下側(cè)開關(guān)(SLI，SLZ，SL3)之一來激勵(lì)實(shí)際需要的電動(dòng)機(jī)相位。i＝k時(shí)禁止SHi和SLk的同時(shí)切換。允許的其它組合產(chǎn)生6個(gè)可能的定子磁通矢量，相互后移相等的60°電角度距離。換向命令總是選擇適當(dāng)?shù)亩ㄗ哟磐ㄊ噶坑糜诩?lì)，以便提供旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子2的最大轉(zhuǎn)矩。
在停頓期間并且經(jīng)常在低速換向期間，需要位置測(cè)量來啟動(dòng)轉(zhuǎn)子2，而不將其引入初始位置。在后一情況下，正常換向控制被打破，等待時(shí)間周期直到繞組被斷電，并插入測(cè)量過程。
通常，在確定位置的公式中，電動(dòng)機(jī)1的相位數(shù)量用p來表示。測(cè)量與定子繞組的實(shí)際感應(yīng)率或者反感應(yīng)率成比例的電動(dòng)機(jī)值，施加不同方向上的激勵(lì)以便確定轉(zhuǎn)子位置。在優(yōu)選實(shí)施例中，通過電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器2在kπ/p(k＝0，……，2p-1)的電角度上施加短脈沖來激勵(lì)電動(dòng)機(jī)相位。如將在后面看到的，位置一旦被初始確定后，僅三到四個(gè)方向上的激勵(lì)就足夠了。
在激勵(lì)脈沖處于任何選定方向的情況下，電流流經(jīng)分流電阻51。在優(yōu)選實(shí)施例中，建議了兩種方案來提供用于電動(dòng)機(jī)控制設(shè)備5的反饋信號(hào)以計(jì)算位置估計(jì)。該電阻的任一內(nèi)置電壓瞬變可以被放大并且隨后反饋到電動(dòng)機(jī)控制設(shè)備5。因此，反饋信號(hào)與激勵(lì)繞組的實(shí)際反感應(yīng)率成比例。電動(dòng)機(jī)控制設(shè)備5在從激勵(lì)脈沖開始的恒定延遲之后但在其結(jié)束之前對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行采樣。因而反饋電路52包括放大器和可能的過濾。另一個(gè)解決方案是將放大后的電壓與預(yù)先選擇的固定參考電壓進(jìn)行比較，并且比較器的輸出被反饋到電動(dòng)機(jī)控制設(shè)備5。隨后激勵(lì)脈沖被保持直到比較器的輸出改變，并且測(cè)量的脈沖結(jié)果周期與感應(yīng)率成比例。因而反饋電路52包括可能的放大器和過濾、比較器以及參考電壓電源或輸入。在測(cè)量感應(yīng)率或者反感應(yīng)率的這些或其它可能情況的任何一種中，測(cè)量的數(shù)值最終被轉(zhuǎn)換為與電動(dòng)機(jī)控制設(shè)備5內(nèi)的反感應(yīng)率成比例。
在定子磁通矢量的每個(gè)選擇的方向上重復(fù)這種測(cè)量方法產(chǎn)生數(shù)值與反感應(yīng)率成比例的數(shù)據(jù)集{ik，k＝0，……，2p-1}。(將在后面討論減少測(cè)量數(shù)量。)在每次測(cè)量后存儲(chǔ)測(cè)量的數(shù)值，并且在完成測(cè)量序列后啟動(dòng)位置估計(jì)算法。
可以使用圖3描述的幾何運(yùn)算來導(dǎo)出從與反感應(yīng)率成比例的數(shù)據(jù)集{ik，k＝0，……，2p-1}中確定轉(zhuǎn)子位置的優(yōu)選算法。非線性曲線91代表與轉(zhuǎn)子位置與所選定子磁通矢量的函數(shù)中的反感應(yīng)率特性成比例的示范函數(shù)。曲線91的最大值示出了轉(zhuǎn)子2從所述位置的角位移，其中轉(zhuǎn)子磁極按照第一定子磁通矢量的方向排列(0方向)。在測(cè)量過程中，該曲線的離散點(diǎn)(92，93，……，97)被測(cè)量(假設(shè)不同相位的特性對(duì)稱)。
可以用下列公式給出用于確定轉(zhuǎn)子角位置的算法A.在數(shù)據(jù)集中搜索最大值。以m表示其下標(biāo)(注意下標(biāo)從0到2p-1)。
B.計(jì)算數(shù)據(jù)集中的下列比率其中，λ＝{m-1，如果m＞0，2p-1如果m＝0，以及n＝{m+1，如果m＜2p-1，0如果m＝2p-1C.位置被估計(jì)為θ＝(m+r/2)π/p。
可以看到，步驟A(選擇最大值)之后，使用僅三個(gè)方向上的激勵(lì)的響應(yīng)值來計(jì)算位置信息。如果給出了之前的位置估計(jì)，則相同三個(gè)方向上的測(cè)量值可以被用來計(jì)算新的估計(jì)直到中間一個(gè)是它們中的最大值。如果早于之前的最大值的具有π/p電角度的那一個(gè)變?yōu)樾碌淖畲笾?，則早于之前的最大值的額外激勵(lì)2π/p應(yīng)該被采用以便接收計(jì)算實(shí)際位置所需的新值。同樣地，如果晚于之前的最大值的具有π/p電角度的那一個(gè)變?yōu)樾碌淖畲笾?，則晚于之前的最大值的額外激勵(lì)2π/p應(yīng)該被采用以便接收計(jì)算實(shí)際位置所需的新值。即，在位置一旦被初始確定后，僅三到四個(gè)激勵(lì)脈沖就足夠了，結(jié)果減少了用于測(cè)量過程的總時(shí)間周期。
權(quán)利要求
1.一種確定無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子角位置的方法，該無刷直流電動(dòng)機(jī)具有具有多相繞組的定子；控制電路，向電動(dòng)機(jī)相位提供相互切換的激勵(lì)，使得激勵(lì)產(chǎn)生處于整個(gè)360°電角度范圍內(nèi)的不同方向的定子磁通矢量；以及遞送相位激勵(lì)的響應(yīng)的測(cè)量電路，其特征在于，通過選擇導(dǎo)致測(cè)量的響應(yīng)所示的最小感應(yīng)率的主激勵(lì)定子磁通矢量，和選擇相對(duì)于主矢量方向在之前和之后方向上的兩個(gè)其它矢量，以及通過計(jì)算對(duì)于所選定子磁通矢量的測(cè)量響應(yīng)的差值之間的比率，來估計(jì)所述位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述電動(dòng)機(jī)至少在所述位置范圍的一部分工作于感應(yīng)率特性的非線性(飽和)區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述測(cè)量響應(yīng)與電動(dòng)機(jī)繞組的實(shí)際感應(yīng)率或反感應(yīng)率成比例。
4.根據(jù)權(quán)利要求1和3所述的方法，其特征在于，與所述感應(yīng)率成比例的測(cè)量響應(yīng)是激勵(lì)脈沖到達(dá)定子相位直到響應(yīng)信號(hào)瞬變達(dá)到固定最大水平的時(shí)間周期。
5.根據(jù)權(quán)利要求1和3所述的方法，其特征在于，與所述反感應(yīng)率成比例的測(cè)量響應(yīng)是定子相位對(duì)于固定時(shí)間周期的激勵(lì)脈沖的電流響應(yīng)瞬變的最大值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過選自2p個(gè)定子磁通矢量的至少3個(gè)定子磁通矢量來激勵(lì)所述電動(dòng)機(jī)相位，所述2p個(gè)定子磁通矢量處于kπ/p電角度，k＝0，……，2p-1，其中p表示電動(dòng)機(jī)的相位數(shù)量，以至少選擇主矢量和處于之前和之后方向上的矢量用于激勵(lì)的方式來進(jìn)行所述選擇。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、3和6所述的方法，其特征在于，如果所述位置依賴電動(dòng)機(jī)值與繞組的感應(yīng)率成比例，則在被用于進(jìn)一步計(jì)算之前它們被翻轉(zhuǎn)；測(cè)量或者計(jì)算的與繞組的反感應(yīng)率成比例的位置依賴電動(dòng)機(jī)值以{i0，……，i2p-1}來表示。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、6和7所述的方法，其特征在于，通過選擇對(duì)應(yīng)于{i0，……，i2p-1}中的最大值的矢量來完成所述主激勵(lì)定子磁通矢量的選擇，其中，如果發(fā)現(xiàn)多于一個(gè)的相等最大值，則它們的下標(biāo)的任何一個(gè)可以被選擇用于所述主激勵(lì)定子磁通矢量的下標(biāo)；對(duì)于選擇的定子磁通矢量的測(cè)量響應(yīng)的差值之間的比率被計(jì)算為一個(gè)分?jǐn)?shù)，如果iλ大于in，其分子是in減去iλ，其分母是im減去in，如果im不等于iλ，則分母是im減去iλ，否則分母為1，其中，m表示主激勵(lì)方向的下標(biāo)，以及λ、n分別表示主激勵(lì)方向前面和后面的方向的下標(biāo)，獲得估計(jì)的位置為m乘以π除以p加上計(jì)算的對(duì)于所選定子磁通矢量的測(cè)量響應(yīng)的差值之間的比率乘以π除以2p。
全文摘要
一種確定無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子的角位置的方法，該無刷直流電動(dòng)機(jī)具有具有多相繞組的定子；向電動(dòng)機(jī)相位提供相互切換的激勵(lì)使得激勵(lì)產(chǎn)生處于整個(gè)360°電角度范圍內(nèi)的不同方向的定子磁通矢量的控制電路；以及遞送對(duì)于相位激勵(lì)的響應(yīng)的測(cè)量電路，其特征在于，通過選擇導(dǎo)致測(cè)量的響應(yīng)所示的最小感應(yīng)率的主激勵(lì)定子磁通矢量，和選擇相對(duì)于主矢量方向在之前和之后方向上的兩個(gè)其它矢量，以及通過計(jì)算對(duì)于選擇的定子磁通矢量的測(cè)量響應(yīng)的差值之間的比率，來估計(jì)所述位置。
文檔編號(hào)H02P6/18GK1951001SQ200580007990
公開日2007年4月18日 申請(qǐng)日期2005年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月12日
發(fā)明者拉斯羅·賈農(nóng)內(nèi) 申請(qǐng)人:克諾爾商用車制動(dòng)系統(tǒng)有限公司