用於控制無刷直流電機的設備和方法
2023-11-02 21:48:52 4
專利名稱：用於控制無刷直流電機的設備和方法
技術領域：
本發明的實施例涉及一種用於控制無刷直流(BLDC)電機的設備和方法，所述設備和方法可檢測流過BLDC電機的線圈的驅動電流並且可防止在驅動電流的檢測期間發生錯誤。
背景技術：
與永久磁體安裝在定子並且線圈安裝在轉子以及經過換向器(commutator)和電刷(brush)來改變流過線圈的電流的直流(DC)電機不同，以永久磁體安裝在轉子並且線圈安裝在定子以及無需換向器和電刷的方式構造的無刷直流(BLDC)電機通過改變驅動電流而形成的連續旋轉場，來旋轉包括安裝在其上的永久磁體的轉子。通常，脈寬調製器用於BLDC電機，以響應於驅動電流的改變而改變驅動電壓。在BLDC電機中用於改變驅動電壓的脈寬調製器重複on/off切換操作，其中，在所述on/off切換操作中可發生切換噪聲。切換噪聲傳遞到BLDC電機驅動器和BLDC電機。因此，切換噪聲被包含在用於驅動BLDC電機的驅動電流中。通常，用於BLDC電機的控制設備使用電流控制環路以測量輸入到BLDC電機的電流並將該電流反饋到控制器，以控制BLDC電機的扭矩。用於驅動BLDC電機的脈寬調製器以及電流控制環路相互獨立地操作。在這方面，當電流控制環路在驅動電壓被脈寬調製器改變的時間處測量驅動電流時，在測量的驅動電流中發生切換噪聲，然後包含切換噪聲的驅動電流被檢測。因此，這種傳統BLDC電機控制設備不準確地檢測電流，導致難以進行精確電流控制以及使控制性能降低。
發明內容
因此，本發明的一方面在於提供一種通過在最小切換噪聲發生的時間處檢測驅動電流來控制無刷直流(BLDC)電機的設備和方法。在下面的描述中將部分地闡明本發明其它方面，通過描述其會變得清楚，或者通過實施本發明可以了解。根據本發明的一方面，一種無刷直流(BLDC)電機控制設備包括:包括霍爾傳感器的BLDC電機；電流測量器，測量用於驅動BLDC電機的驅動電流；驅動器，包括逆變器以驅動BLDC電機；脈寬調製器，用於改變驅動電壓以驅動BLDC電機；控制器，基於由電流測量器測量的電流的量控制BLDC電機。BLDC電機是可以3相BLDC電機，並包括:定子，包括三個線圈；轉子，布置為針對定子可旋轉；霍爾傳感器，用於BLDC電機的換向。另外，BLDC電機可將霍爾傳感器的輸出傳送給控制器。驅動器可接收從脈寬調製器輸出的驅動電壓，並可產生驅動電流。電流測量器可包括:電阻器，串聯連接在驅動器與BLDC電機的線圈之間；雙向差分放大器，具有連接到電阻器的兩端的輸入端，並且所述電流測量器可測量流過BLDC電機的線圈的電流的量和方向並且可將電流的量和方向傳送給控制器。脈寬調製器可包括:寄存器，存儲預定義的第一值和預定義的第二值；計數器(以下，稱作向上/向下計數器)，執行向上計數或向下計數；比較器，將預定義的第一值和預定義的第二值與計數器的輸出進行比較；輸出電路，輸出驅動電壓。表不與一個脈寬調製周期對應的計數的第一值和表不第一值與驅動電壓的脈寬所對應的計數之差的第二值可被存儲在寄存器中。向上/向下計數器可執行向上計數，直到向上/向下計數器的輸出達到第一值的一半。當向上/向下計數器的輸出達到第一值的一半時，向上/向下計數器可執行向下計數。另外，在向上計數期間，當向上/向下計數器的輸出達到第二值的一半時，輸出電路可輸出驅動電壓。在向下計數期間，當向上/向下計數器的輸出達到第二值的一半時，輸出電路可停止驅動電壓的輸出。脈寬調製器可使用上述方法產生驅動電壓，並且可將向上/向下計數器的輸出達到第一值的一半的時間傳送給控制器。控制器可在向上/向下計數器的輸出達到從脈寬調製器輸出的第一值的一半的時間處檢測由電流測量器測量的流過BLDC電機的線圈的電流。控制器可基於霍爾傳感器的輸出將流過BLDC電機的線圈中的特定線圈的電流確定為驅動電流，其中，流過特定線圈的電流具有先前相位相同的相位。
通過下面結合附圖對實施例進行的描述，本發明的這些和/或其它方面將會變得清楚和更易於理解，其中:圖1是根據本發明的實施例的3相無刷直流(BLDC)電機的示意圖；圖2是根據本發明的實施例的BLDC電機控制設備的示意框圖；圖3是由脈寬調製器調製的驅動電壓以及與該驅動電壓對應的BLDC電機的驅動電流的波形圖；圖4是根據本發明的實施例的脈寬調製器的示意框圖；圖5是根據本發明的實施例的脈寬調製器的驅動電壓的波形圖；圖6是根據本發明的實施例的驅動器、電流測量器以及BLDC電機的電路圖；圖7是示出根據本發明的實施例的3相BLDC電機的霍爾傳感器的輸出與流過BLDC電機的線圈的電流之間的關係的表；圖8是根據本發明的實施例的流過3相BLDC電機的線圈的電流的波形圖；以及圖9是示出根據本發明的實施例的霍爾傳感器的輸出、具有最小變化的電流流過的線圈以及由控制器對應地檢測的電流測量器的輸出的表。
具體實施例方式現在將詳細描述本發明的實施例，其中，所述實施例的示例示出在附圖中，其中，相同的標號始終表不相同部件。圖1是根據本發明的實施例的3相無刷直流(BLDC)電機的示意圖2是根據本發明的實施例的BLDC電機控制設備的框圖。參照圖1，BLDC電機是3相BLDC電機，其包括:定子202，安裝有3個線圈211至213 ;轉子，安裝有永久磁體；霍爾傳感器203。霍爾傳感器202包括三個磁場檢測器221至223。參照圖2，BLDC電機控制設備包括:3相BLDC電機305 ；電流測量器304，用於測量流過BLDC電機305的線圈的電流；驅動器303，包括用於驅動BLDC電機305的逆變器(inverter);脈寬調製器302，用於改變驅動電壓以驅動BLDC電機305 ;控制器301，使用由電流測量器304測量的電流的量來控制BLDC電機305。控制器301基於BLDC電機305所包括的霍爾傳感器203的輸出以及由電流測量器304測量的電流的量，檢測提供給BLDC電機305的驅動電流，以將控制信號輸出給BLDC電機305。脈寬調製器302響應於由控制器301輸出的控制信號而產生驅動電壓，並將用於檢測有電流測量器304測量的電流的量的時間傳送給控制器301。這裡，驅動電壓是脈衝類型。驅動器303基於由脈寬調製器302產生的驅動電壓提供驅動電流。電流測量器304測量由驅動器303產生並提供給BLDC電機305的驅動電流的量，並將驅動電流的量傳送給控制器301。圖3是由脈寬調製器302調製的驅動電壓101以及與該驅動電壓101對應的BLDC電機305的驅動電流102的波形圖。如可從圖3看出，即使驅動電壓101突然增加，驅動電流102也由於BLDC電機305的電感而呈對數增加，並且由於因脈寬調製器302的切換操作，切換噪聲包含於BLDC電機305的驅動電流102中。圖4是根據本發明的實施例的脈寬調製器的示意框圖。參照圖4，脈寬調製器302包括:寄存器401，用於存儲預定義的第一值和預定義的第二值；計數器402，用於執行向上計數和向下計數；比較器403，用於將計數器402的輸出與第一值和第二值比較；輸出電路404,用於輸出驅動電壓。寄存器401存儲表示與一個脈寬調製周期對應的計數的第一值以及表示第一值與對應於驅動電壓的脈寬的計數之差的第二值。在計數器402的向上計數期間，當計數器402的輸出達到第一值的一半時，計數器402執行向下計數。在計數器402的向上計數期間，當計數器402的輸出達到第二值的一半時，輸出電路404輸出驅動電壓。在計數器402的向下計數期間，當計數器402的輸出達到第二值的一半時，輸出電路404停止驅動電壓的輸出。例如，當從大約O至大約100的計數被定義為一個周期(即，第一值被定義為100)並且在上述計數中的與驅動電壓的脈寬對應的計數為70 ( S卩，第二值被定義為30)時，計數器402執行從O至50的向上計數，然後執行從50至O的向下計數。在計數器402的向上計數期間，當計數達到15時，輸出電路404輸出驅動電壓。在計數器402的向下計數期間，當計數達到15時，輸出電路404停止驅動電壓的輸出。因此，輸出電路404在總共計數70期間輸出驅動電壓脈衝。
圖5是根據本發明的實施例的脈寬調製器302的計數器402的輸出502以及由輸出電路404對應地輸出的驅動電壓的波形501的波形圖。可從圖5看出，計數器402的輸出502增加到50，然後減小，輸出電路404僅在計數器402的輸出502等於或大於15時輸出驅動電壓。根據本實施例,3相BLDC電機具有6相。在這種情況下，當換向(commutation)發生6次時，BLDC電機的轉子旋轉一次。因此，第一值可以是與BLDC電機的轉子的60度的旋轉對應的計數，第二值可通過從第一值減去與驅動電壓的脈寬對應的計數而獲得。可從圖3和圖5看出，在與第一值的一半對應的時間處不發生脈寬調製。因此，當脈寬調製器302的計數器402的輸出達到第一值的一半時，如果控制器301檢測驅動電流，則檢測的驅動電流可包含最小切換噪聲。因此，根據本發明的實施例，為了使控制器301在切換噪聲最小的時間處檢測驅動電路，所以計數器402的輸出對應於第一值的一半的時間被傳送給控制器301。圖6是根據本發明的實施例的驅動器、電流測量器以及3相BLDC電機的電路圖。參照圖6，驅動器303包括三個逆變器，其中，三個逆變器包括用於驅動3相BLDC電機305的6個開關601至603以及611至613。電流測量器304包括:電阻器621至623，每一個電阻器串聯連接在驅動器303的對應的一個逆變器的輸出端與BLDC電機305的對應的一個輸入端之間；多個雙向差分放大器631至633，每一個雙向差分放大器具有連接到電阻器621至623中的對應的一個的兩端的輸入端。電流測量器304通過使用雙向差分放大器631至633 (其中，每一個雙向差分放大器具有連接到電阻器621至623中的對應的一個的兩端的輸入端)來測量電流的方向和量並將電流的方向和量傳送到控制器301。根據本實施例，電流測量器304測量與3相BLDC電機305的線圈的數量對應的電流，因此測量三個電流。通常，BLDC電機305包括:霍爾傳感器230，用於檢測旋轉場。用於BLDC電機305的控制器301基於霍爾傳感器203的輸出檢測轉子201的位置，並根據基於霍爾傳感器203的輸出檢測的轉子201的位置，使用脈寬調製器302來改變驅動電流，從而旋轉轉子201。這樣的一系列處理被稱作換向(commutation)。圖7是示出根據本發明的實施例的BLDC電機305的霍爾傳感器203的輸出與流過BLDC電機305的線圈的電流之間的關係的表。霍爾傳感器203的輸出根據其製造商的標準或設計者的定義而改變。但是，根據本發明的實施例，如圖7所示定義霍爾傳感器203的輸出。參照圖7，根據本實施例，針對順序I，霍爾傳感器203的輸出為「001」，開關601和開關613被脈寬調製器302閉合，電流流過線圈641和643。因此，當電流輸入到BLDC電機305的方向被定義為正(+)方向時，正(+)電流流過線圈641，電流不流過線圈642，以及負電流流過線圈643。針對順序2，霍爾傳感器203的輸出為「000」，開關601和開關612被脈寬調製器302閉合，並且電流流過線圈641和642。因此，正(+)電流流過線圈641，負(-)電流流過線圈642，以及電流不流過線圈643。圖8是根據本發明的實施例的流過圖7的BLDC電機305的線圈的電流的波形圖。
可從圖8看出，流過特定線圈的電流具有與先前相位相同的相位，這裡，因反電動勢的變化引起的電流的變化最小。根據本實施例，針對順序2，具有與先前相位相同相位的電流流過線圈641，並且霍爾傳感器203的輸出為「000」。因此，當霍爾傳感器203的輸出為「000」時，流過線圈641的電流是具有因反電動勢的變換引起的最小變化的驅動電流。通過上述方法，針對順序3，當霍爾傳感器203的輸出為「100」時，具有最小變化的電流流過線圈642。另外，針對順序4，當霍爾傳感器203的輸出為「110」時，流過線圈643的電流是具有最小變化的驅動電流。因此，當霍爾傳感器203的輸出為「001」時，控制器301將用於測量流過電阻器623和線圈643的電流的雙向差分放大器633的輸出確定為提供給BLDC電機305的驅動電流。當霍爾傳感器203的輸出為「000」時，控制器301將用於測量流過電阻器621和線圈641的電流的雙向差分放大器631的輸出確定為驅動電流。當霍爾傳感器203的輸出為「100」時，控制器301將用於測量流過電阻器622和線圈642的電流的雙向差分放大器632的輸出確定為驅動電流。圖9是示出根據本發明的實施例的霍爾傳感器203的輸出、具有因反電動勢的變化引起的最小變化的驅動電流流過的線圈以及由控制器301對應地檢測的電流測量器304的輸出的表。根據上述方法，通過將流過多個線圈中的具有最小變換的特定線圈的電流選擇為驅動電流，來檢測驅動電流，從而精確地檢測驅動電流。如從上述描述清楚的，控制器可在由脈寬調製器不發生脈寬調製的時間處檢測BLDC電機的驅動電流，因此控制器可在因脈寬調製器引起的切換噪聲最小的時間處檢測驅動電流。另外，控制器可將流過多個線圈的電流中的在BLDC電機的換向期間具有與先前相位相同相位的電流確定為驅動電流，因此，控制器可檢測具有因反電動勢的變化引起的最小變化的電流，其中，所述反電動勢的變化因BLDC電機的電感而產生。雖然已表示和描述了本發明的一些實施例，但本領域技術人員應該理解，在不脫離由權利要求及其等同物限定其範圍的本發明的原理和精神的情況下，可以對這些實施例進行修改。
權利要求
1.一種電機控制設備,包括: 無刷直流BLDC電機； 脈寬調製器，產生驅動電壓的脈衝，以驅動BLDC電機； 驅動器，基於所述脈衝產生驅動電流，以驅動BLDC電機； 電流測量器，測量驅動電流的量； 控制器，與脈寬調製器同步地檢測由電流測量器測量的驅動電流的量。
2.根據權利要求1所述的電機控制設備，其中，控制器將流過BLDC電機的線圈中的特定線圈的電流確定為驅動電流，其中，流過特定線圈的電流在BLDC電機的換向期間具有與先前相位相同的相位。
3.根據權利要求2所述的電機控制設備，其中，BLDC電機是3相BLDC電機，並包括: 定子，包括三個線圈； 轉子，布置為針對定子可旋轉； 霍爾傳感器，用於BLDC電機的換向。
4.根據權利要求2所述的電機控制設備，其中，脈寬調製器包括: 計數器，執行向上計數或向下計數； 寄存器，存儲表示與一個脈寬調製周期對應的計數的第一值和表示第一值與驅動電壓的脈寬所對應的計數之差的第二值； 比較器，將存儲在寄存器中的第一值和第二值與計數器的輸出進行比較； 輸出電路，基於比較器的輸出產生驅動電壓的脈衝。
5.根據權利要求4所述的電機控制設備，其中，當在向上計數期間，計數器的輸出達到存儲在寄存器中的第一值的一半時，計數器執行向下計數， 其中，輸出電路在向上計數期間計數器的輸出達到存儲在寄存器中的第二值的一半時，輸出驅動電壓，並且在向下計數期間計數器的輸出達到第二值的一半時，停止驅動電壓的輸出。
6.根據權利要求5所述的電機控制設備，其中，控制器在計數器的輸出達到存儲在寄存器中的第一值的一半的時間處檢測由電流測量器測量的驅動電流。
7.根據權利要求2所述的電機控制設備，其中，電流測量器包括: 電阻器，串聯連接在驅動器的輸出端與BLDC電機的輸入端之間； 雙向差分放大器，具有連接到電阻器的兩端的輸入端。
8.一種用於以脈寬調製方式控制無刷直流BLDC電機的方法，所述方法包括: 將第一值和第二值存儲到用於對驅動BLDC電機的驅動電壓的脈寬進行調製的脈寬調製器的寄存器中，其中，第一值表不與一個脈寬調製周期對應的計數，第二值表不第一值與驅動電壓的脈寬所對應的計數之差； 當在計數器的向上計數期間，脈寬調製器的計數器的輸出達到第二值的一半時，脈寬調製器的輸出電路輸出驅動電壓； 當計數器的輸出達到第一值的一半時，計數器執行向下計數； 當在計數器的向下計數期間，計數器的輸出達到第二值的一半時，停止驅動電壓的輸出。
9.根據權利要求8所述的方法，還包括:當計數器的輸出達到第一值的一半時，控制器檢測用於驅動BLDC電機的驅動電流。
10.根據權利要求9所述的方法，還包括:控制器將流過BLDC電機的線圈中的特定線圈的電流確定為驅動電流，其中，流過特定線圈的電流在BLDC電機的換向期間具有與先前相位相同的相位 。
全文摘要
在此公開了一種用於控制無刷直流電機的設備和方法，所述設備和方法可精確地檢測驅動電流。為此，BLDC電機控制設備包括BLDC電機；驅動器，用於產生驅動電流以驅動BLDC電機；電流測量器，測量驅動電流；脈寬調製器，改變驅動電壓以驅動BLDC電機；控制器，控制BLDC電機。控制器與脈寬調製器的脈寬調製同步地檢測驅動電流的量，並將流過多個線圈的電流中的具有因反電動勢的變化引起的最小變化的電流確定為驅動電流，從而精確地檢測驅動電流。
文檔編號H02P7/18GK103199781SQ20131000056
公開日2013年7月10日 申請日期2013年1月4日 優先權日2012年1月6日
發明者盧昌賢 申請人:三星電子株式會社