高速马达的无传感器速度控制方法

摘要

一种利用反向电动力的高速马达的无传感器控制方法包括:在把高速马达加速到模式转变RPM之后,把矩形波正负载调整到50%;当电压调整到可产生理想的电流波形时,测量矩形波边缘和同步信号间的脉冲差,设置无传感器模式转变条件;利用测量的脉冲差把高速马达转变成传感器模式;及把高速马达转变成无传感器模式并把高速马达的RPM增加到高速以调整矩形波的正负载,因此能够在高速和无传感器模式下稳定地控制马达。

说明书

本发明涉及高速(40,000rpm以上)无刷直流马达(以下称为高速马达)的无传感器的控制，特别涉及不管转动速度如何适于均匀调节由反向电动力产生的矩形信号负载以在高速下提供稳定的马达控制且使无传感器模式可改变的高速马达的无传感器速度控制方法。

一般地，如图1所示，根据反向器方法的高速马达的速度控制设备包括：一个通过可变电阻器或其类似物控制所希望得到的速度的速度控制单元10，一个用高速马达100的反向电动力来测量高速马达的当前转动速度的速度测量器20，一个用来接收通过从速度控制单元10控制的设置速度减去速度测量器20测量到的当前速度得到的速度误差(e)以进行高速马达100的速度控制的比例积分器PI控制器30，一个用来接收PI控制器30的输出和由高速马达100的反向电动力探测到的马达位置信息以控制施加到高速马达100的负载和PWM波形的相位的同步和脉冲宽度调制PWM控制器40，一个根据同步和PWM控制器40的输出驱动高速马达100的反向器驱动器50，一个根据反向器驱动器50的驱动信号输出交替地开、关多个功率晶体管以使转换器(将在后面描述)输出的直流DC电源转变成三相交流AC电源的反向器60，一个探测高速马达100的反向电动力以形成一个信号以便可以探测到转子的转动速度和转子的位置的反向电动力探测器70，以及一个把从电源输入端81输入的AC电源转变成DC电源的转换器80。

如图2所示，反向电动力探测器70由下列元件构成：一个探测高速马达100的反向电动力信号(a，b，c)以使其减小到预定大小的电压分压器71，一个用于产生与由电压分压器71减小了的反向电动力信号具有90度相位延迟的三角形波的积分器73，一个用于比较积分器73的输出和反向电动力的中间电压以产生矩形波的比较器75，以及一个把比较器75的矩形波转变成DC接地电平的隔离单元77，其中，如图3所示，积分器73在电路中采用了可变电阻器(VR)以调整矩形波的负载。

根据三相二激方法，在高速马达的速度控制设备中当高速马达100以预定速度转动时，连接到反向器60的输出端的反向电动探测器70利用高速马达100的反向电动力信号产生矩形波，用来探测转子的位置。

首先，因为反向电动力信号(a，b，c)太大以致积分器73不能处理，所以高速马达100的反向电动力信号(a，b，c)由电压分压器71减小到一适当的值(V_a，V_b，V_b)，如图4所示。

当通过电压分压器71减小的反向电动力信号(V_a，V_b，V_b)通过积分器73时，信号被延迟90度成为具有三角形波形状的信号(V_ai，V_bi，V_ci)，如图4所示。

如图4所示，通过比较器75比较积分器73的输出信号(V_ai，V_bi，V_ci)和反向电动力的中间点电压(V_n)以产生矩形波(S_a，S_b，S_c)，并且同步和PWM控制器40探测矩形波(S_a，S_b，S_c)的上升边缘和下降边缘，以在那个时间控制相位适应于反向电动力波形。

在反向电动力信号产生的矩形波信号(S_a，S_b，S_c)的上升和下降边缘实现高速马达100的相位的变化，这样当矩形波信号(S_a，S_b，S_c)不精确时，很难精确控制马达。

尽管理想的矩形波(S_a，S_b，S_c)的负载为50％，但是由于部件的精确性、硬件的延迟等还存在一些误差，并且这些误差在高速转动比低速转动下产生更大的影响，并且在高速马达100有大量的电极时产生的影响更大。

为了解决上述问题，在现有技术中，如图3所示，在积分器73中使用可变电阻(VR)以把矩形波信号(S_a，S_b，S_c)的负载调整到50％。

然而，根据描述的现有技术在高速马达的矩形波调整方法中一直存在一个问题，即当每分钟的转动RPM增加时，矩形波信号(S_a，S_b，S_c)的正负载却减小。

再者，在低速转动时当矩形波信号(S_a，S_b，S_c)的正负载定在50％时，在高速转动时负载却低于50％(例如48％)，使得马达控制不稳。在高速转动时当矩形波信号(S_a，S_b，S_c)的正负载定在50％时，在低速转动时负载却高于50％，其中在启动高速马达100后，根据矩形波的边缘信号和同步信号之间的宽度，从加速模式到无传感器模式的转变条件应该可以区分，但是由于输入的矩形波不精确，所以很难改变这种模式。

本发明公开了解决上述问题的方法，并且本发明的一个目的是提供一种高速马达的无传感器速度控制方法，该方法适于在加速模式下加速高速马达以改变RPM，并把矩形波的正负载调整到50％以能够改变无传感器模式。

本发明的另一个目的是提供一种高速马达的无传感器速度控制方法，该方法适于当高速马达达到改变的RPM使其能够改变为无传感器模式时，把高速马达的RPM从无传感器模式下提高到高速并把矩形波的正负载调整到50％，使得在高速下能稳定地控制马达。

根据本发明的目的，利用反向电动力提供一种高速马达的无传感器速度控制方法，该方法包括以下步骤：

在加速模式下，把高速马达加速到一模式改变RPM之后，把由高速马达的反向电动力信号产生的矩形波正负载调整到50％(第一负载调整步骤)；

当把电压调整到允许理想的电流波形成型时，测量矩形波边缘和同步信号之间的脉冲差，以设置无传感器转变条件。

利用在转变条件设置步骤下测量的脉冲差来把高速马达从加速模式转变成无传感器模式；以及

在模式转变步骤时，把高速马达转变成无传感器模式并且使高速马达的RPM增加到高速然后把矩形波的正负载调整到50％。

为了更好地理解本发明的本质和目的，下面将结合附图详细描述本发明。

图1是说明根据已有技术的无刷直流BLDC高速马达的速度控制设备的方框图；

图2是根据已有技术的BLDC高速马达的反向电动力的探测电路图；

图3是图2中的积分器的详细电路图；

图4是说明图2中的反向电动力的探测电路的运行波形图；

图5是说明根据本发明的在高速马达中无传感器模式转变条件的设置方法的流程图；

图6是说明根据本发明的在高速马达的无传感器模式转变和高速转动期间的马达控制运行过程的流程图；

图7是说明根据本发明的在高速马达中无传感器模式转变条件的重新设置方法的流程图。

下面将参照附图详细描述本发明的最佳实施例。

如图1所示，根据本发明高速马达的速度控制设备包括：一个通过可变电阻器或其类似物控制所希望得到的速度的速度控制单元10，一个用高速马达100的反向电动力来测量高速马达的当前转动速度的速度测量器20，一个用来输入通过从速度控制单元10控制的设置速度减去速度测量器20测量到的当前速度得到的速度误差(e)以进行高速马达100的速度控制的比例积分器PI控制器30，一个用来输入PI控制器30的输出和由高速马达100的反向电动力探测到的马达位置信息以控制施加到高速马达100的负载和PWM波形的相位的同步和脉冲宽度调制PWM控制器40，一个根据同步和PWM控制器40的输出驱动高速马达100的反向器驱动器50，一个根据反向器驱动器50的驱动信号输出交替地开、关多个功率晶体管以使转换器(将在后面描述)输出的直流DC电源转变成三相交流AC电源的反向器60，一个探测高速马达100的反向电动力以形成一个信号以便可以探测到转子的转动速度和转子的位置的反向电动力探测器70，以及一个把从电源输入端81输入的AC电源整流和平滑以转变成DC电源的转换器80。

再者，同步和PWM控制器40把高速马达加速到一个转变RPM(适宜于从加速模式转变到无传感器模式的RPM，8000RPM)，然后把矩形波的正负载调整到50％。为了把矩形波的正负载调整到50％，把转变RPM转变成无传感器模式再把RPM升到一高速并控制施加到高速马达100上的PWM波形的负载。

图2和图3中的反向电动力探测器70具有的相同结构，因此将省略多余的描述。

下面，将描述具有这种结构的高速马达的无传感器速度控制方法的运行效果。

首先，如图5所示设置高速马达100的无传感器模式转变条件。

图5是说明根据本发明的高速马达无传感器模式转变条件设置方法的流程图，其中S表示步骤。

在步骤S10，当速度控制单元10设置好高速马达100所期待的一个速度时，为控制施加到高速马达100上的负载和PWM波形的相位，同步和PWM控制器40被用来给反向器驱动器50输出一个反向器驱动PWM信号。

接着，反向器驱动器50把从同步和PWM控制器40输出的PWM信号放大以交替地开、关反向器60中的6个功率晶体管(未示出)和把转换器80输出的DC电源转变成3相(U、V、W相)AC电源以启动高速马达100。

步骤S11，当高速马达100开始转动时，在加速模式下高速马达100被加速到转变RPM(适于从加速模式转变成无传感器模式的一个RPM，8000RPM)，其中利用反向电动力探测器70的积分器73中的可变电阻器(VR)把高速马达100的反向电动力信号产生的矩形波信号(S_a，S_b，S_c)的正负载调整到50％。

在这时，由于过压，通常电流波形并不是理想的形状，这样，在步骤S12，通过滑变电阻器在加速模式下慢慢地降低电压以在某一时刻得到理想的电流波形。接着，在步骤S13，当得到理想波形时，测量矩形波边缘信号和同步信号的脉冲差(ΔP1)，并且设置无传感器模式的转变条件来完成运行。

在这时，尽管在理想情况下脉冲差(ΔP1)应该可以为0，但是实际上还是存在程度的误差。

当用矩形波边缘信号和同步信号的脉冲差(ΔP1)设置无传感器模式的转变条件时，在高速和无传感器模式转变运行下如图6所示执行稳定的马达控制。

图6是说明根据本发明的高速马达的无传感器模式转变和高速转动期间的马达控制运行过程的流程图；

在步骤S20，为控制施加到高速马达100上的PWM波形的相位和负载，同步和PWM控制器40输出一反向驱动PWM信号给反向器驱动器50。接着，反向器驱动器50把同步和PWM控制器40输出的PWM信号放大来操作反向器60，以便把转换器80输出的DC电源转变成3相(U、V、W相)AC电源来启动高速马达100。

在步骤S21，在高速马达100启动后，在加速模式下加速高速马达100，并且判别高速马达100是否达到转变RPM。当高速马达100没有达到转变RPM(在“否”的情况)时，重复执行步骤S21的操作直到高速马达100达到转变RPM。

作为步骤S21判别的结果，如果高速马达100达到转变RPM(在“是”的情况下)，流程进入步骤S22，同步和PWM控制器40自动调整施加到高速马达100上的PWM负载以降低电压。

接着，在步骤S23，当PWM负载被调整时，启动高速马达以测量矩形边缘信号和同步信号的脉冲差(ΔP2)。

在步骤S24，判别PWM负载调整时的脉冲差(ΔP2)是否小于产生理想电流波形时的脉冲差(ΔP1)，如果脉冲差(ΔP2)不小于脉冲差(ΔP1)(即在“否”的情况下)，流程返回步骤S22以重复步骤S22后的操作。

作为步骤S24判别的结果，如果脉冲差(ΔP2)小于脉冲差(ΔP1)(在“是”的情况下)，流程进入步骤S25以转变到无传感器模式。

在步骤26，在高速马达100转变到无传感器模式后，高速马达100的RPM被升高到高速区域(40,000RPM)，利用积分器73中的可变电阻器(VR)把高速马达100的反向电动力信号产生的矩形波信号(S_a，S_b，S_c)的正负载调整到50％，使在高速和无传感器模式转变下能够稳定地控制马达，并结束运行。

在这时，在高速下调整矩形波负载的理由是在高速下需要理想的矩形波脉冲。

在高速区域下当把矩形波的正负载调整到50％以实现高速下的稳定的马达控制时，如图7所示，为改变模式而重新设置的脉冲差的高速马达100的无传感器模式转变条件被重新设置。

图7是说明根据本发明的高速马达的无传感器转变条件的重新设置方法的流程图。

在步骤S30，为控制施加到高速马达100上的负载和PWM相位，同步和PWM控制器40输出一反向器驱动PWM信号给反向器驱动器50。

接着，反向器驱动器50把同步和PWM控制器40输出的PWM信号放大以激励反向器60，以便把转换器80输出的DC电源转变成三相(U、V、W相)AC电源以启动高速马达100。

在启动高速马达100后，在步骤S31，在加速模式下高速马达100被加速到转变RPM，在步骤S32，调整电压以得到一理想的电流波形。

接着，在步骤33，为改变成将来的无传感器模式和完成操作，测量矩形边缘和同步信号脉冲差(ΔP3)以重新设置一模式转变条件。

根据前面的描述，很明显根据本发明在高速马达的无传感器速度控制方法中存在一优点，即高速马达被加速到转变RPM，矩形负载的正负载被调整到50％和高速马达100从转变RPM转变成无传感器模式以把RPM升高到一高速和把矩形波的正负载调整到50％，因此能够在高速和无传感器模式转变下稳定地控制马达。