使用正弦驅(qū)動方法及設(shè)備的三相無刷dc電動機無傳感器控制的制作方法
【專利說明】使用正弦驅(qū)動方法及設(shè)備的三相無刷DC電動機無傳感器 控制
[0001] 相關(guān)專利申請案
[0002] 本申請案主張由萊昂內(nèi)爾耶爾森（LionelYersin)于2013年3月13日提出申 請的標(biāo)題為"使用正弦驅(qū)動方法及設(shè)備的三相無刷DC電動機無傳感器控制（ThreePhase BrushlessDCMotorSensor-LessControlUsingSinusoidalDriveMethodand Apparatus) "的共同擁有的第61/780, 372號美國臨時專利申請案的優(yōu)先權(quán)，且所述美國臨 時專利申請案特此出于所有目的而以引用方式并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及無刷直流（BLDC)電動機，且更特定來說涉及使用正弦驅(qū)動的三相 BLDC電動機無傳感器控制。
【背景技術(shù)】
[0004] 無刷直流（BLDC)電動機可用于電器、汽車、航空、消費、醫(yī)療、工業(yè)自動化設(shè)備及 儀器應(yīng)用。BLDC電動機不使用電刷而是使用電子換向來進行換向。BLDC電動機具有優(yōu)于有 刷DC電動機及感應(yīng)電動機的優(yōu)點，例如：較好的速度對扭矩特性、高動態(tài)響應(yīng)、高效率、長 操作壽命、服務(wù)之間的較長時間間隔、實質(zhì)上無噪聲操作及較高速度范圍。BLDC電動機的更 詳細(xì)概要可存在于標(biāo)題為"變得容易的無刷DC電動機控制（BrushlessDCMotorControl MadeEasy)"的微芯片應(yīng)用注釋（MicrochipApplicationNote)AN857及標(biāo)題為"無刷 DC(BLDC)電動機基本原理（BrushlessDC(BLDC)MotorFundamentals)"的微芯片應(yīng)用注釋 AN885 (所述兩個應(yīng)用注釋均在www.microchip,com處）中，且其中所述兩者特此出于所有 目的而以引用方式并入本文中。
[0005] 參考圖1，描繪在正弦驅(qū)動時電動機相電流及反電動勢（BEMF)電壓的波形圖?？?通過監(jiān)視電動機的每一相（A-B-C)處的反電動勢（BEMF)電壓來確定BLDC電動機的驅(qū)動換 向。此被稱為"零交叉"，其中BEMF在每一電循環(huán)上在零交叉電壓以上及以下變化。BEMF頻 率等效于電動機速度。
[0006] -般來說，三相BLDC電動機多半使用梯形驅(qū)動，例如，120度或180度驅(qū)動。梯形 驅(qū)動誘發(fā)比純正弦驅(qū)動更多的扭轉(zhuǎn)振動及因此更多聲學(xué)噪聲。與使用正弦驅(qū)動相比，使用 梯形驅(qū)動的BLDC電動機的效率也更低。參考圖2,描繪使用脈沖寬度調(diào)制（PWM)來控制三 個高側(cè)電力M0SFET及三個低側(cè)電力M0SFET的典型BLDC電動機驅(qū)動的示意性框圖。位置 傳感器（例如，外部霍爾（Hall)效應(yīng)傳感器）用于轉(zhuǎn)子位置及速度確定。然而，控制BLDC 電動機的趨勢是采取無傳感器以保持低成本。存在兩種主要的BEMF無傳感器感測方法， 所述方法在標(biāo)題為"借助使用多數(shù)函數(shù)的反EMF濾波的無傳感器BLDC控制（Sensorless BLDCControlwithBack-EMFFilteringUsingaMajorityFunction)"的微芯片應(yīng)用注 釋AN1160 (所述應(yīng)用注釋在www.microchip,com處）中更全面地描述，且所述應(yīng)用注釋特 此出于所有目的而以引用方式并入本文中。
[0007] 參考圖3,描繪在非驅(qū)動相（浮動相）上使用BEMF的無傳感器測量的BLDC電動機 的梯形驅(qū)動的示意性連接及時序圖。關(guān)于使用無傳感器正弦驅(qū)動的問題為需要在電動機正 旋轉(zhuǎn)時感測BEMF電壓，此需要斷開相以參考共同點（電壓）來測量相電壓。遺憾地，斷開 相在正弦波驅(qū)動中形成導(dǎo)致BLDC電動機的機械振動及效率損失的諧波。大多數(shù)無傳感器 正弦驅(qū)動使用需要大量專用硬件以及高計算能力的向量控制。向量控制每電轉(zhuǎn)動使用許多 相電壓樣本。
[0008] 存在使用其中總是驅(qū)動三個相且不存在浮動相的無傳感器正弦驅(qū)動技術(shù)的一種 BLDC控制方法。正弦驅(qū)動控制的優(yōu)點為較低噪聲、較低機械振動及較高效率。然而，缺陷 為：較高驅(qū)動邏輯復(fù)雜性；驅(qū)動速度取決于BLDC電動機類型而為有限的；驅(qū)動八極電動機 是不可能的；及電動機失速檢測的弱點。參考圖4,描繪用于獲得近似BEMF(圖4中所展示 的水平線）的電流零交叉信息的波形圖。需要至少兩個零交叉（圖4中所展示的水平線上 的圓圈），此在使用BLDC電動機BEMF感測及控制的此方法時形成限制及弱點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 因此，需要可以最小硬件及軟件計算要求來實施感測無傳感器正弦逆變器驅(qū)動 BLDC電動機的BEMF。
[0010] 根據(jù)一實施例，一種用于確定無刷直流（BLDC)電動機的反電動勢（BEMF)的方法 可包括以下步驟：在所述BLDC電動機的至少一個相中檢測實質(zhì)上零電流；當(dāng)可在所述BLDC 電動機的所述至少一個相中檢測到所述實質(zhì)上零電流時計算所述BLDC電動機的每一相電 壓；將所述所計算相電壓求平均；及從其中檢測到所述實質(zhì)上零電流的所述至少一個相的 所述所計算相電壓減去所述平均的所計算相電壓，其中其差可為所述至少一個相的所述
[0011] 根據(jù)所述方法的又一實施例，計算所述BLDC電動機的旋轉(zhuǎn)速度的步驟可包括將 所述BEMF乘以電動機常數(shù)K。根據(jù)所述方法的又一實施例，調(diào)整所述BLDC電動機的所述 旋轉(zhuǎn)速度的步驟可包括實質(zhì)上匹配所請求旋轉(zhuǎn)速度。根據(jù)所述方法的又一實施例，所述調(diào) 整所述BLDC電動機的所述旋轉(zhuǎn)速度的步驟可運用比例-微分（PD)控制器來完成。根據(jù)所 述方法的又一實施例，所述調(diào)整所述BLDC電動機的所述旋轉(zhuǎn)速度的步驟可運用比例-積 分-微分（PID)控制器來完成。
[0012] 根據(jù)所述方法的又一實施例，可從在所述BLDC電動機的多個相中的多個所檢測 零電流期間所計算的所述相電壓來確定將多個所述BEMF求平均的步驟。根據(jù)所述方法的 又一實施例，所述調(diào)整所述BLDC電動機的旋轉(zhuǎn)速度的所述步驟可包括使用多個時間序列 BEMF的步驟。根據(jù)所述方法的又一實施例，所述BLDC電動機可為三相BLDC電動機。根據(jù) 所述方法的又一實施例，所述計算所述BLDC電動機的每一相電壓的步驟可包括將電源的 直流電壓乘以對所述BLDC電動機的每一相的脈沖寬度調(diào)制（PWM)驅(qū)動的工作循環(huán)的步驟。
[0013] 根據(jù)另一實施例，一種用于確定無刷直流（BLDC)電動機的反電動勢（BEMF)的方 法可包括：在所述BLDC電動機的每一相中檢測實質(zhì)上零電流；當(dāng)可檢測到所述實質(zhì)上零電 流時計算所述BLDC電動機的每一相電壓；將所述所計算相電壓求平均；及從其中檢測到所 述實質(zhì)上零電流的所述相的所述相電壓減去所述平均的所計算相電壓，其中其差可為所述 相應(yīng)相的BHMF。
[0014] 根據(jù)所述方法的又一實施例，計算所述BLDC電動機的旋轉(zhuǎn)速度的步驟可包括將 所述BEMF乘以電動機常數(shù)K。根據(jù)所述方法的又一實施例，所述計算所述BLDC電動機的旋 轉(zhuǎn)速度的步驟可包括將所述BLDC電動機的每一相的所述BEMF-起求平均且將所述平均的 BEMF乘以電動機常數(shù)K。根據(jù)所述方法的又一實施例，調(diào)整所述BLDC電動機的所述旋轉(zhuǎn)速 度的步驟可包括實質(zhì)上匹配所請求旋轉(zhuǎn)速度。根據(jù)所述方法的又一實施例，所述調(diào)整所述 BLDC電動機的所述旋轉(zhuǎn)速度的步驟可包括實質(zhì)上匹配所請求旋轉(zhuǎn)速度。根據(jù)所述方法的又 一實施例，所述調(diào)整所述BLDC電動機的所述旋轉(zhuǎn)速度的步驟可包括實質(zhì)上匹配所請求旋 轉(zhuǎn)速度。根據(jù)所述方法的又一實施例，調(diào)整所述BLDC電動機的所述旋轉(zhuǎn)速度的所述步驟可 運用比例-微分（PD)控制器來完成。根據(jù)所述方法的又一實施例，所述調(diào)整所述BLDC電 動機的所述旋轉(zhuǎn)速度的步驟可運用比例-積分-微分（PID)控制器來完成。
[0015] 根據(jù)所述方法的又一實施例，可從在所述BLDC電動機的多個相中的多個所檢測 零電流期間所計算的所述相電壓來確定將多個所述BEMF求平均的步驟。根據(jù)所述方法的 又一實施例，所述調(diào)整所述BLDC電動機的所述旋轉(zhuǎn)速度的步驟可包括使用多個時間序列 BEMF的步驟。根據(jù)所述方法的又一實施例，所述BLDC電動機可為三相BLDC電動機。根據(jù) 所述方法的又一實施例，所述計算所述BLDC電動機的每一相電壓的步驟可包括將電源的 直流電壓乘以對所述BLDC電動機的每一相的脈沖寬度調(diào)制（PWM)