用于確定同步馬達(dá)轉(zhuǎn)子的位置的方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】
[0001 ] 相關(guān)專利申請案
[0002] 本申請案主張2013年2月20日申請的題為"用于確定同步馬達(dá)轉(zhuǎn)子的位置的方法 及系統(tǒng)（Method and System for Determining the Position of a Synchronous Motor' s R o t o r) "的第61 / 7 6 6，7 6 3號美國臨時(shí)專利申請案的優(yōu)先權(quán)，所述臨時(shí)專利申請案由 Martin Hill共同擁有，且為全部目的而以引用方式并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及同步馬達(dá)的控制，特定地說，本發(fā)明涉及一種用于確定同步馬達(dá)轉(zhuǎn)子 的位置的方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0004] 無刷直流電(BLDC)馬達(dá)用于例如器具、汽車、航空、消費(fèi)者、醫(yī)療、工業(yè)自動化裝備 及儀器的工業(yè)中。BLDC馬達(dá)不使用換向刷，而是使用電子換向。BLDC馬達(dá)具有超越有刷DC馬 達(dá)及感應(yīng)馬達(dá)的優(yōu)勢，例如：更佳速度對扭矩特性、高動態(tài)響應(yīng)、高效率、長運(yùn)行壽命、更長 服務(wù)間的時(shí)間間隔、實(shí)質(zhì)上無噪聲操作及更高速度范圍。無刷馬達(dá)經(jīng)構(gòu)造具有永久磁體轉(zhuǎn) 子及線繞定子極。通過永久磁體轉(zhuǎn)子與卷繞定子極中感應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁場之間的磁吸引力將電 能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。在WWW. microchip, com可獲得的關(guān)于BLDC馬達(dá)的更多詳細(xì)信息可參閱《微 芯片應(yīng)用說明（Microchip Application Notes)》:AN857，題為"無刷DC馬達(dá)實(shí)現(xiàn)簡易的控 制（Brushless DC Motor .Control Made Easy)"（2002) ;AN885,題為"無刷DC(BLDC)馬達(dá)基 本原理(Brushless DC(BLDC)Motor Fundamentals)"（2003) ;AN894,題為"馬達(dá)控制傳感器 反饋電路（Motor Control Sensor Feedback Circuits)"（2003) ;AN901，題為"使用 dsPIC30F進(jìn)行無傳感器BLDC控制（Using the dsPIC30F for Sensorless BLDC Control)" (2004) ;AN970,題為"使用PIC 18F2431進(jìn)行無傳感器BLDC馬達(dá)控制（Using the PIC18F2431for Sensorless BLDC Motor Control)"（2005) ;AN1160,題為"具有使用強(qiáng)函 數(shù)的反EMF濾波進(jìn)行無傳感器BLDC控制（Sensorless BLDC Control with Back-EMF Filtering Using a Majority Function)"（2012);及AN1292,題為"使用PLL估計(jì)器及場弱 化(FW)對永久磁體同步馬達(dá)(PMSM)的無傳感器磁場定向控制（F0C) (Sensorless Field Oriented Control(F0C)for a Permanent Magnet Synchronous Motor(PMSM)Using a PLL Estimator and Field Weakening(FW))"（2011);全部可在www.microship.com/ motorcontrol上獲得，且為全部目的，全部以引用方式并入本文中。
[0005] BLDC馬達(dá)控制提供三件事：（1)用以控制馬達(dá)速度的脈沖寬度調(diào)制（PWM)驅(qū)動電 壓；（2)用以換向BLDC馬達(dá)的定子的機(jī)制；及（3)用以估計(jì)或感測BLDC馬達(dá)的轉(zhuǎn)子位置的方 式。馬達(dá)速度是直接與外加電壓成比例，因此使PWM工作循環(huán)從〇 %到100 %線性變動將導(dǎo)致 最大RPM的從0%到100%的線性速度控制。PWM可用以將可變電壓提供到BLDC馬達(dá)的定子繞 組。提供到BLDC馬達(dá)的定子繞組的有效電壓是與PWM工作循環(huán)成比例。定子繞組的電感作為 低通濾波器以將PWM脈沖平滑為實(shí)質(zhì)上直流電(DC)。當(dāng)經(jīng)適當(dāng)換向時(shí)，BLDC馬達(dá)的扭矩速度 特性實(shí)質(zhì)上相同于DC馬達(dá)。PWM產(chǎn)生的可變電壓控制馬達(dá)速度及其可用扭矩。
[0006] 三相BLDC馬達(dá)通常在六步進(jìn)中以每個(gè)步進(jìn)60電角度完成電循環(huán)，即，360電角度旋 轉(zhuǎn)。在每60電角度處同步地更新繞組相電流切換(換向）。然而，一次電循環(huán)不一定對應(yīng)于馬 達(dá)轉(zhuǎn)子的一次機(jī)械回轉(zhuǎn)(360機(jī)械角度）。待重復(fù)以完成一次機(jī)械回轉(zhuǎn)的電循環(huán)的數(shù)目取決 于轉(zhuǎn)子極對的數(shù)目。
[0007] BLDC馬達(dá)是非自我換向且因此其控制更復(fù)雜。BLDC馬達(dá)控制需要知道馬達(dá)轉(zhuǎn)子位 置及用以換向BLDC馬達(dá)定子繞組的機(jī)制。針對BLDC馬達(dá)的閉環(huán)速度控制，存在兩個(gè)額外要 求:測量旋轉(zhuǎn)速度及脈沖寬度調(diào)制(PWM)驅(qū)動信號以控制馬達(dá)速度及由此而來的功率。
[0008] 為了在同步馬達(dá)(例如，無刷DC(BLDC)馬達(dá)或永久磁體同步馬達(dá)(PMSM))中產(chǎn)生馬 達(dá)扭矩，需要確定轉(zhuǎn)子位置。舉例來說，此可使用霍爾效應(yīng)(Hall Effect)傳感器以提供絕 對轉(zhuǎn)子位置感測而完成。然而，霍爾效應(yīng)傳感器增加BLDC馬達(dá)或PMSM的成本及復(fù)雜性。無傳 感器BLDC或PMSM控制通過監(jiān)測馬達(dá)的每一相(A-B-C)處的反電動勢(BEMF)電壓以確定驅(qū)動 換向而消除針對霍爾效應(yīng)傳感器的需要。在換向周期的中間未驅(qū)動相的BEMF與馬達(dá)供應(yīng)電 壓的一半交越時(shí)，驅(qū)動換向與馬達(dá)同步。此稱為"零交越"，其中在每一次電循環(huán)期間，BEMF 在零交越電壓上下變動。當(dāng)驅(qū)動電壓施加到驅(qū)動相時(shí)，只可在未驅(qū)動相上檢測零交越。所以 在將驅(qū)動電壓施加到三相BLDC馬達(dá)或PMSM的兩個(gè)驅(qū)動相期間，可使用未驅(qū)動相上的BEMF從 小于馬達(dá)供應(yīng)電壓的一半到大于馬達(dá)供應(yīng)電壓的一半的改變的檢測。
[0009] 用于BLDC馬達(dá)或PMSM的控制的最簡單方法中的一者是六步進(jìn)(梯形)換向。取決于 轉(zhuǎn)子位置，（例如)使用功率晶體管的切換(換向）供能給三相BLDC馬達(dá)或PMSM的適當(dāng)兩個(gè)定 子繞組。第三繞組保持不與電源連接。在轉(zhuǎn)子電流旋轉(zhuǎn)期間，定子繞組電流中的兩者在量值 上相等，且第三未連接定子繞組電流為零(針對WYE形連接定子繞組）。在搭配三相BLDC馬達(dá) 或PMSM使用此方法的情況下，只存在六個(gè)不同空間矢量方向，且當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時(shí)，每60度電旋 轉(zhuǎn)而電切換(換向）通過定子繞組(WYE形連接定子繞組）中的兩者的電流，使得電流空間矢 量總在正交方向的最近30度內(nèi)。針對每一繞組的電流波形因此是從零到正電流到零及接著 到負(fù)電流的梯狀。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時(shí)，此隨其步入六個(gè)不同方向中而產(chǎn)生接近平滑旋轉(zhuǎn)的電流 空間矢量。梯形電流驅(qū)動BLDC馬達(dá)或PMSM因其控制簡單而流行，但其遭受比正弦驅(qū)動更高 的扭矩漣波及比正弦驅(qū)動更低的效率。
[0010] 正弦換向用隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動而平滑變動的三個(gè)電流驅(qū)動BLDC馬達(dá)或PMSM的三個(gè)定子 繞組。這些電流的相對相位經(jīng)選定(例如，120度分開)使得其提供平滑旋轉(zhuǎn)電流空間矢量， 所述電流空間矢量總在相對于轉(zhuǎn)子的正交方向中且具有恒定量值。此消除了與梯形換向相 關(guān)聯(lián)的扭矩漣波及換向尖峰。然而，正弦換向驅(qū)動系統(tǒng)通常比梯形換向驅(qū)動系統(tǒng)更復(fù)雜且 曰蟲 印貝〇
[0011]此類無傳感器確定應(yīng)用依賴于由馬達(dá)產(chǎn)生的反電磁力（EMF)感測或估計(jì)。因此， EMF與速度成比例且信號隨旋轉(zhuǎn)速度縮減而降低，所以最終存在無法借此檢測轉(zhuǎn)子的位置 的速度。此限制了低速度性能且阻止馬達(dá)從靜置最佳地?fù)Q向。在同步馬達(dá)中，例如高頻注入 的其它方法分別使用阻抗/電感變動以確定馬達(dá)位置。因此，需要用于同步馬達(dá)的改進(jìn)馬達(dá) 位置檢測方法及系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]因此，需要在低旋轉(zhuǎn)速度期間或當(dāng)處于靜置(無旋轉(zhuǎn))時(shí)確定BLDC馬達(dá)或PMSM轉(zhuǎn)子 位置而不必使用位置傳感器(例如，霍爾效應(yīng)傳感器）。
[0013] 根據(jù)實(shí)施例，一種用于確定同步三相馬達(dá)中的轉(zhuǎn)子位置的方法可包括以下步驟： 將三個(gè)定子繞組中的兩者的組合耦合到第一電壓;將所述三個(gè)定子繞組中的第三者耦合到 第二電壓；測量使通過所述三個(gè)定子繞組的全部組合的電流等于參考電流的第一時(shí)間；及 從所述經(jīng)測量第一時(shí)間確定轉(zhuǎn)子位置。
[0014] 根據(jù)所述方法的另外實(shí)施例，還可包括以下步驟:將所述三個(gè)定子繞組中的所述 兩者的組合耦合到所述第二電壓;將所述三個(gè)定子繞組中的所述第三者耦合到所述第一電 壓；測量使通過所述三個(gè)定子繞組的全部組合的電流等于所述參考電流的第二時(shí)間；及從 所述經(jīng)測量第一時(shí)間及所述經(jīng)測量第二時(shí)間確定所述轉(zhuǎn)子位置。根據(jù)所述方法的另外實(shí)施 例，用于所述三個(gè)定子繞組中的所述第三者中的每一者的所述經(jīng)測量第一時(shí)間及所述經(jīng)測 量第二時(shí)間可為相時(shí)間測量對。根據(jù)所述方法的另外實(shí)施例，所述相時(shí)間測量對具有所述 相時(shí)間測量對的所述第一時(shí)間與所述第二時(shí)間之間的差的最大絕對值，且其正負(fù)號表示所 述轉(zhuǎn)子位置。根據(jù)所述方法的另外實(shí)施例，所述轉(zhuǎn)子位置可在與具有其間的差的所述最大 絕對值的所述相時(shí)間測量對相關(guān)聯(lián)的電扇區(qū)內(nèi)。根據(jù)所述方法的另外實(shí)施例，所述電扇區(qū) 包括60電角度且可為包括360電角度的六個(gè)電扇區(qū)中的一者。
[0015] 根據(jù)所述方法的另外實(shí)施例，所述三個(gè)定子繞組可由相A、相B及相C表示；用于相A 定子繞組的所述經(jīng)測量第一時(shí)間可為Ta+;用于相A定子繞組的所述經(jīng)測量第二時(shí)間可為 Ta_;用于相B定子繞組的所述經(jīng)測量第一時(shí)間可為Tb+;用于相B定子繞組的所述經(jīng)測量第 二時(shí)間可為Tb_;用于相C定子繞組的所述經(jīng)測量第一時(shí)間可為Tc+;用于相C定子繞組的所 述經(jīng)測量第二時(shí)間可為Tc-;且所述電扇區(qū)可由以下各者確定
[0017] 根據(jù)所述方法的另外實(shí)施例，所述第二電壓可比所述第一電壓更偏正。根據(jù)所述 方法的另外實(shí)施例，所述第一電壓可比所述第二電壓更偏正。根據(jù)所述方法的另外實(shí)施例， 可將所述電流轉(zhuǎn)換為電壓，且所述經(jīng)測量第一時(shí)間及所述經(jīng)測量第二時(shí)間可為所述經(jīng)轉(zhuǎn)換 電壓等于參考電壓時(shí)的時(shí)間。根據(jù)所述方法的另外實(shí)施例，可使用充電時(shí)間測量單元 (CTMU)來測量所述第一時(shí)間及所述第二時(shí)間。根據(jù)所述方法的另外實(shí)施例，所述CTMU產(chǎn)生 與所述經(jīng)測量第一時(shí)間及所述經(jīng)測量第二時(shí)間成比例的定時(shí)電壓。根據(jù)所述方法的另外實(shí) 施例，可使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將與所述第一經(jīng)測量時(shí)間及所述第二經(jīng)測量時(shí)間成比例的 所述CTMU產(chǎn)生的定時(shí)電壓轉(zhuǎn)換為其數(shù)字表示。根據(jù)所述方法的另外實(shí)施例，可在數(shù)字處理 器中處理與所述第一經(jīng)測量時(shí)間及所述第二經(jīng)測量時(shí)間成比例的所述數(shù)字表示以確定所 述轉(zhuǎn)子位置。根據(jù)所述方法的另外實(shí)施例，可在微控制器中提供所述CTMU、所述ADC及所述 數(shù)字處理器。根據(jù)所述方法的另外實(shí)施例，所述同步三相馬達(dá)可為無刷直流電(BLDC)馬達(dá)。
[0018] 根據(jù)所述方法的另外實(shí)施例，所述同步三相馬達(dá)可為永久磁體同步馬達(dá)(PMSM)。 根據(jù)所述方法的另外實(shí)施例，當(dāng)功率脈沖未耦合到所述定子繞組時(shí)可測量所述第一時(shí)間及 所述第二時(shí)間。根據(jù)所述方法的另外實(shí)施例，所述經(jīng)測量第一時(shí)間可比所述三個(gè)定子繞組 中的所述第三者可耦合到所述第二電壓的時(shí)間短。根據(jù)所述方法的另外實(shí)施例，所述經(jīng)測 量第二時(shí)間可比所述三個(gè)定子繞組中的所述第三者可耦合到所述第一電壓的時(shí)間短。
[0019] 根據(jù)另一實(shí)施例，一種用于確定同步多相馬達(dá)中的轉(zhuǎn)子位置的方法可包括以下步 驟:將多個(gè)定子繞組中的除一者外的全部的組合耦合到第一電壓;將所述多個(gè)定子繞組中 的剩余者耦合到第二電壓;測量使通過所述多個(gè)定子繞組的全部組合的電流等于參考電流 的第一時(shí)間;及從所述經(jīng)測量第一時(shí)間確定轉(zhuǎn)子位置。
[0020] 根據(jù)所述方法的另外實(shí)施例，還可包括以下步驟:將所述多個(gè)定子繞組中的所述 除一者外的全部的組合耦合到所述第二電壓;將所述多個(gè)定子繞組中的所述剩余者耦合到 所述第一電壓;測量使通過所述多個(gè)定子繞組的全部組合的電流等于所述參考電流的第二 時(shí)間；及從所述經(jīng)測量第一時(shí)間及所述經(jīng)測量第二時(shí)間確定所述轉(zhuǎn)子位置。根據(jù)所述方法 的另外實(shí)施例，用于所述多個(gè)定子繞組中的所述剩余者中的每一者的所述經(jīng)測量第一時(shí)間 及所述經(jīng)測量第二時(shí)間可為相時(shí)間測量對。根據(jù)所述方法的另外實(shí)施例，所述相時(shí)間測量 對具有所述相時(shí)間測量對的所述經(jīng)