用于确定同步马达转子的位置的方法及系统的制作方法
【专利说明】
[0001 ] 相关专利申请案
[0002] 本申请案主张2013年2月20日申请的题为"用于确定同步马达转子的位置的方法 及系统（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号美国临时专利申请案的优先权，所述临时专利申请案由 Martin Hill共同拥有，且为全部目的而以引用方式并入本文中。
技术领域
[0003] 本发明涉及同步马达的控制，特定地说，本发明涉及一种用于确定同步马达转子 的位置的方法及系统。
【背景技术】
[0004] 无刷直流电(BLDC)马达用于例如器具、汽车、航空、消费者、医疗、工业自动化装备 及仪器的工业中。BLDC马达不使用换向刷，而是使用电子换向。BLDC马达具有超越有刷DC马 达及感应马达的优势，例如：更佳速度对扭矩特性、高动态响应、高效率、长运行寿命、更长 服务间的时间间隔、实质上无噪声操作及更高速度范围。无刷马达经构造具有永久磁体转 子及线绕定子极。通过永久磁体转子与卷绕定子极中感应的旋转磁场之间的磁吸引力将电 能转换为机械能。在WWW. microchip, com可获得的关于BLDC马达的更多详细信息可参阅《微 芯片应用说明（Microchip Application Notes)》:AN857，题为"无刷DC马达实现简易的控 制（Brushless DC Motor .Control Made Easy)"（2002) ;AN885,题为"无刷DC(BLDC)马达基 本原理(Brushless DC(BLDC)Motor Fundamentals)"（2003) ;AN894,题为"马达控制传感器 反馈电路（Motor Control Sensor Feedback Circuits)"（2003) ;AN901，题为"使用 dsPIC30F进行无传感器BLDC控制（Using the dsPIC30F for Sensorless BLDC Control)" (2004) ;AN970,题为"使用PIC 18F2431进行无传感器BLDC马达控制（Using the PIC18F2431for Sensorless BLDC Motor Control)"（2005) ;AN1160,题为"具有使用强函 数的反EMF滤波进行无传感器BLDC控制（Sensorless BLDC Control with Back-EMF Filtering Using a Majority Function)"（2012);及AN1292,题为"使用PLL估计器及场弱 化(FW)对永久磁体同步马达(PMSM)的无传感器磁场定向控制（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上获得，且为全部目的，全部以引用方式并入本文中。
[0005] BLDC马达控制提供三件事：（1)用以控制马达速度的脉冲宽度调制（PWM)驱动电 压；（2)用以换向BLDC马达的定子的机制；及（3)用以估计或感测BLDC马达的转子位置的方 式。马达速度是直接与外加电压成比例，因此使PWM工作循环从〇 %到100 %线性变动将导致 最大RPM的从0%到100%的线性速度控制。PWM可用以将可变电压提供到BLDC马达的定子绕 组。提供到BLDC马达的定子绕组的有效电压是与PWM工作循环成比例。定子绕组的电感作为 低通滤波器以将PWM脉冲平滑为实质上直流电(DC)。当经适当换向时，BLDC马达的扭矩速度 特性实质上相同于DC马达。PWM产生的可变电压控制马达速度及其可用扭矩。
[0006] 三相BLDC马达通常在六步进中以每个步进60电角度完成电循环，即，360电角度旋 转。在每60电角度处同步地更新绕组相电流切换(换向）。然而，一次电循环不一定对应于马 达转子的一次机械回转(360机械角度）。待重复以完成一次机械回转的电循环的数目取决 于转子极对的数目。
[0007] BLDC马达是非自我换向且因此其控制更复杂。BLDC马达控制需要知道马达转子位 置及用以换向BLDC马达定子绕组的机制。针对BLDC马达的闭环速度控制，存在两个额外要 求:测量旋转速度及脉冲宽度调制(PWM)驱动信号以控制马达速度及由此而来的功率。
[0008] 为了在同步马达(例如，无刷DC(BLDC)马达或永久磁体同步马达(PMSM))中产生马 达扭矩，需要确定转子位置。举例来说，此可使用霍尔效应(Hall Effect)传感器以提供绝 对转子位置感测而完成。然而，霍尔效应传感器增加BLDC马达或PMSM的成本及复杂性。无传 感器BLDC或PMSM控制通过监测马达的每一相(A-B-C)处的反电动势(BEMF)电压以确定驱动 换向而消除针对霍尔效应传感器的需要。在换向周期的中间未驱动相的BEMF与马达供应电 压的一半交越时，驱动换向与马达同步。此称为"零交越"，其中在每一次电循环期间，BEMF 在零交越电压上下变动。当驱动电压施加到驱动相时，只可在未驱动相上检测零交越。所以 在将驱动电压施加到三相BLDC马达或PMSM的两个驱动相期间，可使用未驱动相上的BEMF从 小于马达供应电压的一半到大于马达供应电压的一半的改变的检测。
[0009] 用于BLDC马达或PMSM的控制的最简单方法中的一者是六步进(梯形)换向。取决于 转子位置，（例如)使用功率晶体管的切换(换向）供能给三相BLDC马达或PMSM的适当两个定 子绕组。第三绕组保持不与电源连接。在转子电流旋转期间，定子绕组电流中的两者在量值 上相等，且第三未连接定子绕组电流为零(针对WYE形连接定子绕组）。在搭配三相BLDC马达 或PMSM使用此方法的情况下，只存在六个不同空间矢量方向，且当转子转动时，每60度电旋 转而电切换(换向）通过定子绕组(WYE形连接定子绕组）中的两者的电流，使得电流空间矢 量总在正交方向的最近30度内。针对每一绕组的电流波形因此是从零到正电流到零及接着 到负电流的梯状。当转子转动时，此随其步入六个不同方向中而产生接近平滑旋转的电流 空间矢量。梯形电流驱动BLDC马达或PMSM因其控制简单而流行，但其遭受比正弦驱动更高 的扭矩涟波及比正弦驱动更低的效率。
[0010] 正弦换向用随转子转动而平滑变动的三个电流驱动BLDC马达或PMSM的三个定子 绕组。这些电流的相对相位经选定(例如，120度分开)使得其提供平滑旋转电流空间矢量， 所述电流空间矢量总在相对于转子的正交方向中且具有恒定量值。此消除了与梯形换向相 关联的扭矩涟波及换向尖峰。然而，正弦换向驱动系统通常比梯形换向驱动系统更复杂且 曰虫 印贝〇
[0011]此类无传感器确定应用依赖于由马达产生的反电磁力（EMF)感测或估计。因此， EMF与速度成比例且信号随旋转速度缩减而降低，所以最终存在无法借此检测转子的位置 的速度。此限制了低速度性能且阻止马达从静置最佳地换向。在同步马达中，例如高频注入 的其它方法分别使用阻抗/电感变动以确定马达位置。因此，需要用于同步马达的改进马达 位置检测方法及系统。
【发明内容】
[0012]因此，需要在低旋转速度期间或当处于静置(无旋转)时确定BLDC马达或PMSM转子 位置而不必使用位置传感器(例如，霍尔效应传感器）。
[0013] 根据实施例，一种用于确定同步三相马达中的转子位置的方法可包括以下步骤： 将三个定子绕组中的两者的组合耦合到第一电压;将所述三个定子绕组中的第三者耦合到 第二电压；测量使通过所述三个定子绕组的全部组合的电流等于参考电流的第一时间；及 从所述经测量第一时间确定转子位置。
[0014] 根据所述方法的另外实施例，还可包括以下步骤:将所述三个定子绕组中的所述 两者的组合耦合到所述第二电压;将所述三个定子绕组中的所述第三者耦合到所述第一电 压；测量使通过所述三个定子绕组的全部组合的电流等于所述参考电流的第二时间；及从 所述经测量第一时间及所述经测量第二时间确定所述转子位置。根据所述方法的另外实施 例，用于所述三个定子绕组中的所述第三者中的每一者的所述经测量第一时间及所述经测 量第二时间可为相时间测量对。根据所述方法的另外实施例，所述相时间测量对具有所述 相时间测量对的所述第一时间与所述第二时间之间的差的最大绝对值，且其正负号表示所 述转子位置。根据所述方法的另外实施例，所述转子位置可在与具有其间的差的所述最大 绝对值的所述相时间测量对相关联的电扇区内。根据所述方法的另外实施例，所述电扇区 包括60电角度且可为包括360电角度的六个电扇区中的一者。
[0015] 根据所述方法的另外实施例，所述三个定子绕组可由相A、相B及相C表示；用于相A 定子绕组的所述经测量第一时间可为Ta+;用于相A定子绕组的所述经测量第二时间可为 Ta_;用于相B定子绕组的所述经测量第一时间可为Tb+;用于相B定子绕组的所述经测量第 二时间可为Tb_;用于相C定子绕组的所述经测量第一时间可为Tc+;用于相C定子绕组的所 述经测量第二时间可为Tc-;且所述电扇区可由以下各者确定
[0017] 根据所述方法的另外实施例，所述第二电压可比所述第一电压更偏正。根据所述 方法的另外实施例，所述第一电压可比所述第二电压更偏正。根据所述方法的另外实施例， 可将所述电流转换为电压，且所述经测量第一时间及所述经测量第二时间可为所述经转换 电压等于参考电压时的时间。根据所述方法的另外实施例，可使用充电时间测量单元 (CTMU)来测量所述第一时间及所述第二时间。根据所述方法的另外实施例，所述CTMU产生 与所述经测量第一时间及所述经测量第二时间成比例的定时电压。根据所述方法的另外实 施例，可使用模数转换器(ADC)将与所述第一经测量时间及所述第二经测量时间成比例的 所述CTMU产生的定时电压转换为其数字表示。根据所述方法的另外实施例，可在数字处理 器中处理与所述第一经测量时间及所述第二经测量时间成比例的所述数字表示以确定所 述转子位置。根据所述方法的另外实施例，可在微控制器中提供所述CTMU、所述ADC及所述 数字处理器。根据所述方法的另外实施例，所述同步三相马达可为无刷直流电(BLDC)马达。
[0018] 根据所述方法的另外实施例，所述同步三相马达可为永久磁体同步马达(PMSM)。 根据所述方法的另外实施例，当功率脉冲未耦合到所述定子绕组时可测量所述第一时间及 所述第二时间。根据所述方法的另外实施例，所述经测量第一时间可比所述三个定子绕组 中的所述第三者可耦合到所述第二电压的时间短。根据所述方法的另外实施例，所述经测 量第二时间可比所述三个定子绕组中的所述第三者可耦合到所述第一电压的时间短。
[0019] 根据另一实施例，一种用于确定同步多相马达中的转子位置的方法可包括以下步 骤:将多个定子绕组中的除一者外的全部的组合耦合到第一电压;将所述多个定子绕组中 的剩余者耦合到第二电压;测量使通过所述多个定子绕组的全部组合的电流等于参考电流 的第一时间;及从所述经测量第一时间确定转子位置。
[0020] 根据所述方法的另外实施例，还可包括以下步骤:将所述多个定子绕组中的所述 除一者外的全部的组合耦合到所述第二电压;将所述多个定子绕组中的所述剩余者耦合到 所述第一电压;测量使通过所述多个定子绕组的全部组合的电流等于所述参考电流的第二 时间；及从所述经测量第一时间及所述经测量第二时间确定所述转子位置。根据所述方法 的另外实施例，用于所述多个定子绕组中的所述剩余者中的每一者的所述经测量第一时间 及所述经测量第二时间可为相时间测量对。根据所述方法的另外实施例，所述相时间测量 对具有所述相时间测量对的所述经