使用正弦驱动方法及设备的三相无刷dc电动机无传感器控制的制作方法
【专利说明】使用正弦驱动方法及设备的三相无刷DC电动机无传感器 控制
[0001] 相关专利申请案
[0002] 本申请案主张由莱昂内尔耶尔森（LionelYersin)于2013年3月13日提出申 请的标题为"使用正弦驱动方法及设备的三相无刷DC电动机无传感器控制（ThreePhase BrushlessDCMotorSensor-LessControlUsingSinusoidalDriveMethodand Apparatus) "的共同拥有的第61/780, 372号美国临时专利申请案的优先权，且所述美国临 时专利申请案特此出于所有目的而以引用方式并入本文中。
技术领域
[0003] 本发明涉及无刷直流（BLDC)电动机，且更特定来说涉及使用正弦驱动的三相 BLDC电动机无传感器控制。
【背景技术】
[0004] 无刷直流（BLDC)电动机可用于电器、汽车、航空、消费、医疗、工业自动化设备及 仪器应用。BLDC电动机不使用电刷而是使用电子换向来进行换向。BLDC电动机具有优于有 刷DC电动机及感应电动机的优点，例如：较好的速度对扭矩特性、高动态响应、高效率、长 操作寿命、服务之间的较长时间间隔、实质上无噪声操作及较高速度范围。BLDC电动机的更 详细概要可存在于标题为"变得容易的无刷DC电动机控制（BrushlessDCMotorControl MadeEasy)"的微芯片应用注释（MicrochipApplicationNote)AN857及标题为"无刷 DC(BLDC)电动机基本原理（BrushlessDC(BLDC)MotorFundamentals)"的微芯片应用注释 AN885 (所述两个应用注释均在www.microchip,com处）中，且其中所述两者特此出于所有 目的而以引用方式并入本文中。
[0005] 参考图1，描绘在正弦驱动时电动机相电流及反电动势（BEMF)电压的波形图。可 通过监视电动机的每一相（A-B-C)处的反电动势（BEMF)电压来确定BLDC电动机的驱动换 向。此被称为"零交叉"，其中BEMF在每一电循环上在零交叉电压以上及以下变化。BEMF频 率等效于电动机速度。
[0006] -般来说，三相BLDC电动机多半使用梯形驱动，例如，120度或180度驱动。梯形 驱动诱发比纯正弦驱动更多的扭转振动及因此更多声学噪声。与使用正弦驱动相比，使用 梯形驱动的BLDC电动机的效率也更低。参考图2,描绘使用脉冲宽度调制（PWM)来控制三 个高侧电力M0SFET及三个低侧电力M0SFET的典型BLDC电动机驱动的示意性框图。位置 传感器（例如，外部霍尔（Hall)效应传感器）用于转子位置及速度确定。然而，控制BLDC 电动机的趋势是采取无传感器以保持低成本。存在两种主要的BEMF无传感器感测方法， 所述方法在标题为"借助使用多数函数的反EMF滤波的无传感器BLDC控制（Sensorless BLDCControlwithBack-EMFFilteringUsingaMajorityFunction)"的微芯片应用注 释AN1160 (所述应用注释在www.microchip,com处）中更全面地描述，且所述应用注释特 此出于所有目的而以引用方式并入本文中。
[0007] 参考图3,描绘在非驱动相（浮动相）上使用BEMF的无传感器测量的BLDC电动机 的梯形驱动的示意性连接及时序图。关于使用无传感器正弦驱动的问题为需要在电动机正 旋转时感测BEMF电压，此需要断开相以参考共同点（电压）来测量相电压。遗憾地，断开 相在正弦波驱动中形成导致BLDC电动机的机械振动及效率损失的谐波。大多数无传感器 正弦驱动使用需要大量专用硬件以及高计算能力的向量控制。向量控制每电转动使用许多 相电压样本。
[0008] 存在使用其中总是驱动三个相且不存在浮动相的无传感器正弦驱动技术的一种 BLDC控制方法。正弦驱动控制的优点为较低噪声、较低机械振动及较高效率。然而，缺陷 为：较高驱动逻辑复杂性；驱动速度取决于BLDC电动机类型而为有限的；驱动八极电动机 是不可能的；及电动机失速检测的弱点。参考图4,描绘用于获得近似BEMF(图4中所展示 的水平线）的电流零交叉信息的波形图。需要至少两个零交叉（图4中所展示的水平线上 的圆圈），此在使用BLDC电动机BEMF感测及控制的此方法时形成限制及弱点。
【发明内容】
[0009] 因此，需要可以最小硬件及软件计算要求来实施感测无传感器正弦逆变器驱动 BLDC电动机的BEMF。
[0010] 根据一实施例，一种用于确定无刷直流（BLDC)电动机的反电动势（BEMF)的方法 可包括以下步骤：在所述BLDC电动机的至少一个相中检测实质上零电流；当可在所述BLDC 电动机的所述至少一个相中检测到所述实质上零电流时计算所述BLDC电动机的每一相电 压；将所述所计算相电压求平均；及从其中检测到所述实质上零电流的所述至少一个相的 所述所计算相电压减去所述平均的所计算相电压，其中其差可为所述至少一个相的所述
[0011] 根据所述方法的又一实施例，计算所述BLDC电动机的旋转速度的步骤可包括将 所述BEMF乘以电动机常数K。根据所述方法的又一实施例，调整所述BLDC电动机的所述 旋转速度的步骤可包括实质上匹配所请求旋转速度。根据所述方法的又一实施例，所述调 整所述BLDC电动机的所述旋转速度的步骤可运用比例-微分（PD)控制器来完成。根据所 述方法的又一实施例，所述调整所述BLDC电动机的所述旋转速度的步骤可运用比例-积 分-微分（PID)控制器来完成。
[0012] 根据所述方法的又一实施例，可从在所述BLDC电动机的多个相中的多个所检测 零电流期间所计算的所述相电压来确定将多个所述BEMF求平均的步骤。根据所述方法的 又一实施例，所述调整所述BLDC电动机的旋转速度的所述步骤可包括使用多个时间序列 BEMF的步骤。根据所述方法的又一实施例，所述BLDC电动机可为三相BLDC电动机。根据 所述方法的又一实施例，所述计算所述BLDC电动机的每一相电压的步骤可包括将电源的 直流电压乘以对所述BLDC电动机的每一相的脉冲宽度调制（PWM)驱动的工作循环的步骤。
[0013] 根据另一实施例，一种用于确定无刷直流（BLDC)电动机的反电动势（BEMF)的方 法可包括：在所述BLDC电动机的每一相中检测实质上零电流；当可检测到所述实质上零电 流时计算所述BLDC电动机的每一相电压；将所述所计算相电压求平均；及从其中检测到所 述实质上零电流的所述相的所述相电压减去所述平均的所计算相电压，其中其差可为所述 相应相的BHMF。
[0014] 根据所述方法的又一实施例，计算所述BLDC电动机的旋转速度的步骤可包括将 所述BEMF乘以电动机常数K。根据所述方法的又一实施例，所述计算所述BLDC电动机的旋 转速度的步骤可包括将所述BLDC电动机的每一相的所述BEMF-起求平均且将所述平均的 BEMF乘以电动机常数K。根据所述方法的又一实施例，调整所述BLDC电动机的所述旋转速 度的步骤可包括实质上匹配所请求旋转速度。根据所述方法的又一实施例，所述调整所述 BLDC电动机的所述旋转速度的步骤可包括实质上匹配所请求旋转速度。根据所述方法的又 一实施例，所述调整所述BLDC电动机的所述旋转速度的步骤可包括实质上匹配所请求旋 转速度。根据所述方法的又一实施例，调整所述BLDC电动机的所述旋转速度的所述步骤可 运用比例-微分（PD)控制器来完成。根据所述方法的又一实施例，所述调整所述BLDC电 动机的所述旋转速度的步骤可运用比例-积分-微分（PID)控制器来完成。
[0015] 根据所述方法的又一实施例，可从在所述BLDC电动机的多个相中的多个所检测 零电流期间所计算的所述相电压来确定将多个所述BEMF求平均的步骤。根据所述方法的 又一实施例，所述调整所述BLDC电动机的所述旋转速度的步骤可包括使用多个时间序列 BEMF的步骤。根据所述方法的又一实施例，所述BLDC电动机可为三相BLDC电动机。根据 所述方法的又一实施例，所述计算所述BLDC电动机的每一相电压的步骤可包括将电源的 直流电压乘以对所述BLDC电动机的每一相的脉冲宽度调制（PWM)