用于無刷直流電動機的經(jīng)正弦修改的梯形驅(qū)動的制作方法
【專利說明】用于無刷直流電動機的經(jīng)正弦修改的梯形驅(qū)動
[0001]相關(guān)專利串請案
[0002]本申請案主張沃德R.布朗(Ward R.Brown)及霍華德.亨德里克斯(HowardHendricks)共同擁有的序號為61/784，606的美國臨時專利申請案的優(yōu)先權(quán)，其在2013年3月14日申請；標題為“用于無刷直流電動機的經(jīng)正弦修改的梯形驅(qū)動(Sine ModifiedTrapezoidal Drive for Brushless DC Motors) ”;且為了所有目的而以引用的方式并入本文中。
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，涉及生成到BLDC電動機的經(jīng)正弦修改的梯形驅(qū)動。
【背景技術(shù)】
[0004]無刷直流(BLDC)電動機用于例如電器、汽車、航天、消費型、醫(yī)療、工業(yè)自動化設(shè)備及儀器的行業(yè)中。BLDC電動機不使用電刷來換向，而是使用電子換向。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，更好的速度對轉(zhuǎn)矩特性、高動態(tài)響應(yīng)、高效率、長工作壽命、更長的維修時間間隔、實質(zhì)上無噪音操作及更高速范圍。BLDC電動機的更詳細概述可見于Microchip Applicat1n Note AN857，標題為“易于進行無刷DC電動機控制(Brushless DC Motor Control Made Easy)”;及Microchip Applicat1n Note AN8859，標題為“無刷 DC(BLDC)電動機基本原理(Brushless DC(BLDC)Motor Fundamentals) ” ；兩者的網(wǎng)址皆為www.microchip, com，且其中兩者為了所有目的而以引用的方式并入本文中。
[0005]BLDC電動機控制提供三個事項:⑴用于控制電動機速度的脈寬調(diào)制(PWM)驅(qū)動電壓，(2)用于使BLDC電動機的定子換向的機制，及(3)估計BLDC電動機的轉(zhuǎn)子位置的方式。PffM可用于提供可變電壓到BLDC電動機的定子繞組。提供到其上的有效電壓與PWM工作周期成比例。定子線圈的電感充當?shù)屯V波器以使PWM脈沖平滑為實質(zhì)上直流(DC)電壓。當經(jīng)適當換向時，BLDC電動機的轉(zhuǎn)矩-速度特性實質(zhì)上等同于DC電動機。可變電壓控制電動機的速度及可用轉(zhuǎn)矩。
[0006]三相BLDC電動機以六個步進完成電循環(huán)，S卩，360電角度的旋轉(zhuǎn)，每個步進為60電角度。與在每每60電角度處同步，繞組相位電流切換被更新(換向)。然而，一個電循環(huán)可能不對應(yīng)于電動機轉(zhuǎn)子的一個機械回轉(zhuǎn)(360機械角度)。待重復(fù)以完成一個機械回轉(zhuǎn)的電循環(huán)的數(shù)目取決于轉(zhuǎn)子極對的數(shù)目。
[0007]BLDC電動機為非自換向的且因此其控制更復(fù)雜。BLDC電動機控制需要知道電動機轉(zhuǎn)子位置及用于使BLDC電動機定子繞組換向的機制。針對BLDC電動機的閉合回路速度控制，存在兩個額外要求:轉(zhuǎn)速的測量，及用于從其中控制電動機速度及電源的脈寬調(diào)制(PMff)驅(qū)動信號。
[0008]為了感測BLDC電動機的轉(zhuǎn)子位置，霍爾效應(yīng)傳感器可用于提供絕對轉(zhuǎn)子位置感測。但是，霍爾效應(yīng)傳感器增加BLDC電動機的成本及復(fù)雜性。無傳感器BLDC控制通過在電動機的每一相(A-B-C)上監(jiān)測反電動勢(BEMF)電壓以確定驅(qū)動換向而免除對霍爾效應(yīng)傳感器的需要。當未被驅(qū)動相的BEMF在換向周期中間與電動機供應(yīng)電壓的一半交叉時，驅(qū)動換向與電動機同步。此被稱作“零交叉”，其中BEMF在每一電循環(huán)中變化為高于及低于零交叉電壓。僅當驅(qū)動電壓被施加到被驅(qū)動相時可在未被驅(qū)動相上檢測到零交叉。因此，檢測未被驅(qū)動相上的BEMF從小于電動機供應(yīng)電壓的一半到大于電動機供應(yīng)電壓的一半的變化可在施加驅(qū)動電壓到三相BLDC電動機的兩個被驅(qū)動相期間使用。
[0009]BLDC電動機的最簡單控制方法中的一者為梯形換向。切換(換向)(例如，使用功率晶體管)取決于轉(zhuǎn)子位置而給三相BLDC電動機的適當兩個定子繞組供能。第三繞組保持與電源斷開。在轉(zhuǎn)子電流旋轉(zhuǎn)期間，定子繞組的兩者的量值相同且第三未連接定子繞組電流為零(針對Y形連接的定子繞組)。就三相BLDC電動機來說，僅存在六個不同的空間矢量方向，且當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，穿過定子繞組(Y形連接的定子繞組)的兩者的電流每60度的電旋轉(zhuǎn)被電切換(換向)，使得電流空間矢量總是在正交方向的最靠近的30度內(nèi)。每一繞組的電流波形因此為從零到正電流到零且隨后到負電流的階梯。此產(chǎn)生電流空間矢量，當其在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時在六個不同方向之間步進時為近似平滑旋轉(zhuǎn)。梯形電流驅(qū)動的BLDC電動機因控制簡單而流行，但遭受比正弦驅(qū)動高的轉(zhuǎn)矩漣波及比其低的效率。
[0010]正弦換向使用在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時可平滑地變化的三個電流來驅(qū)動BLDC電動機的三個定子繞組。這些電流的相對相被選擇為例如分開120度，使得其提供平滑旋轉(zhuǎn)的電流空間矢量，所述矢量總是在相對于轉(zhuǎn)子的正交方向上且具有恒定量值。此消除與梯形換向相關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)矩漣波及換向尖峰。但是，正弦換向驅(qū)動系統(tǒng)與梯形換向驅(qū)動系統(tǒng)相比更復(fù)雜及昂蟲貝ο

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]因此，需要在驅(qū)動BLDC電動機時以更低電路復(fù)雜性及成本減小轉(zhuǎn)矩漣波且改進效率。
[0012]根據(jù)實施例，一種用于修改到無刷直流(BLDC)電動機的梯形驅(qū)動的方法可包括下列步驟:開始換向驅(qū)動周期；將換向驅(qū)動周期劃分為N個時間區(qū)段；將~個時間區(qū)段關(guān)聯(lián)為N個度數(shù)區(qū)段，其中N個時間區(qū)段中間的N個度數(shù)區(qū)段中的一者可為實質(zhì)上零(O)度；確定N個度數(shù)區(qū)段中的每一者的余弦值；及在換向驅(qū)動周期期間的適當時間用余弦值修改到BLDC電動機的脈寬調(diào)制(PffM)驅(qū)動的工作周期。
[0013]根據(jù)所述方法的另一實施例，BLDC電動機為三相且具有第一、第二及第三電動機端子。根據(jù)所述方法的另一實施例，開始換向驅(qū)動周期的步驟可包括以下步驟:將第一電動機端子耦合到電源共點；將第二電動機端子耦合到由PWM驅(qū)動控制的電源電壓；確定何時反電動勢(BEMF)電壓可在第三電動機端子處實質(zhì)上為零，其中第三電動機端子可能未連接到電源共點或電壓；及從實質(zhì)上零伏BEMF電壓與前一個實質(zhì)上零伏BEMF電壓之間的時間來確定換向驅(qū)動周期。
[0014]根據(jù)所述方法的另一實施例，每六十￠0)電角度旋轉(zhuǎn)可存在六個換向驅(qū)動周期，且六個換向驅(qū)動周期中的每一者具有電動機端子的不同連接配置。根據(jù)所述方法的另一實施例，N個度數(shù)區(qū)段可為從大約負三十(-30)度到大約正三十(+30)度。根據(jù)所述方法的另一實施例，PWM驅(qū)動的工作周期可能在零(O)度的度數(shù)區(qū)段處最大。根據(jù)所述方法的另一實施例，三相BLDC電動機可具有三個定子極對繞組。根據(jù)所述方法的另一實施例，三個定子極對繞組可為Y形連接。根據(jù)所述方法的另一實施例，三個定子極對繞組可為三角形連接。根據(jù)所述方法的另一實施例，三相BLDC電動機每相可具有一個極對繞組。根據(jù)所述方法的另一實施例，三相BLDC電動機每相可具有至少兩個極對繞組。根據(jù)所述方法的另一實施例，確定