CN1010645B - 无刷电机的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提示了一种无刷电机控制装置，在控制装置中，电机的反电动势被检测，所检测的值加到锁相环电路。在电机正常工作情况下，锁相环电路输出被用来控制电机驱动变换器的提前控制角，电机负载的突然变化所引起的电机的异常工作将导致反电动势幅度和相位的剧烈的突势变化。锁相环电路的内部电路情况响应于反电动势变化，锁相环电路的内部信号与预定限制电平比较，当内部信号电平超过预定限制电平时，电机驱动变换器停止工作。

Description

本发明涉及无刷电机的控制装置的改进。

无刷电机通常是旋转速度可控的同步电机（常缩写成SM）。在这样的同步电机中，必须检测其转子的位置以实现电枢电流的相位控制。在这样的相位控制下，同步电机能按规定的提前控制角进行运行。

通常地，一机械的位置传感器（缩写成PS）被耦联到电机转子轴的端部以检测转子位置，并以此实现相位控制。否则，通常要用能检测电机及电动势的以实现电枢电流的相位控制的电子位置传感器（常缩写成EPS）。

根据通常的用电子位置传感器的无刷电机，如果电机的负载突然改变，则电机的反电动势相位响应突然的负载变化而突然改变。当这样的突然相位改变发生时，构成逆变器以驱动电机的电力变换部件的提前控制角不能被精确控制，电力变换部件的换向安全角（Commutaton    margin    angle）过度的减小，电力变换部件的换向将会失效。如果同步电机的磁场强度或者其电枢电流突然变化时，将会发生同样的问题（换向失效）。

因此，本发明的一个目的是提供一种能防止驱动电机的逆变器转换失效的无刷电机的控制装置。

为了达到上述目的，在本发明的控制装置中，无刷电机的反电动势被检测。检测得的反电动势被加到锁相环电路上。在电机正常工作的情况下，锁相环电路的输出被用来控制电机驱动逆变器的提前控制角（β）。由于例如电机负载的突然变化所引起的电机的不正常情况会导致反电动势的幅度和相位的较大突然变化。锁相环电路的内部电 路情况响应该反电动势的变化。锁相环电路中产生的信号（例如，在锁相环电路中的相位差检测器所产生的输出信号）可被用来检测反电动势变化。该输出信号被与预定限制电平相比较。当在锁相环电路中的检测到的信号超过预定限制电平时，电机驱动逆变器的工作就被停止或修正，这样，防止了逆变器的换向失效。

图1是根据本发明的一个实施例无刷电机的控制装置的方框图：

图2是根据本发明的另一实施例的无刷电机的控制装置的方框图;

图3是根据本发明的又一实施例的无刷电机的控制装置的方框图;

图4是根据本发明的又一实施例的无刷电机的控制装置的方框图;

图5是根据本发明的再一实施例的无刷电机的控制装置的方框图;

图6是说明如图1所示实施例的工作情况的流程图;

图7是说明如图2所示实施例的工作情况的流程图;以及

图8是说明如图5所示实施例的工作情况的流程图。

下面将参照附图，说明本发明的较佳实施例。

图1是根据本发明的第一实施例的无刷电机的控制装置的方框图。如图所示，控制目标，即同步电机1，被逆变器2所驱动。来自整流器（图中未示）的直流电通过直流电线2A和2B被加到逆变器2上。

当同步电机1工作，带动负载机器1A旋转时，同步电机1产生反电动势以响应其旋转。通过电绝缘型电压变换器3，反电动势被转变成信号E3。

信号E3被输入到相位比较器4中，在比较器4中。E3的信号相位被与交流反馈信号E7的信号相位相比较。表示E3和E7间的相位差的信号E4从比较器4输出。通过低通滤波器5，信号E4中的较高的谐波分量被滤除，接着，信号E4被转换成信号E5。

信号E5控制压控振荡器6，这样压控振荡器6的输出E6的频率按E5的信号电平而变化。压控振荡器6的输出E6（非正弦波）通过 信号发生器7而被转换成交流反馈信号E7（正弦波）。

信号E7通过开关电路12被送到β控制电路8。电路8的输出脉冲E8被加到构成逆变器2的开关元件中（图中未示）。这些开关元件的点火（firing）或触发是根据脉冲E8控制的，并具有给定的提前控制角β。

电路部件4～7构成了所述锁相环电路。该锁相环电路控制β控制电路8以使反电动势信号EMF和E7间的相位差基本为0。

来自锁相环电路中的比较器4的信号E4被加到异常情况检测器11中。检测器11把E4的信号电平（或电压）与给定的限制电平E10相比较。电平E10能通过限制电平设定器10任意确定。

当同步电机1正常工作时，信号E4的电平低于限制电平E10。在该情况下，检测器11没有信号提供给开关电路12。

当负载1A的幅度突然改变时，同步电机1的反电动势EMF的相位对应地突然改变。这样的反电动势改变会引起信号E4的变化。由于该变化，如果E4的信号电平达到或超过限制电平E10的话，检测器11给开关电路12提供信号E11。当电路12接收信号E11时，中断向β控制电路8提供来自发生器7的信号E7，这样推迟或停止逆变器2的工作。

尽管在图1中没有示出，在同步电动机1启动时，β控制电路8响应耦联到同步电机1的转子轴上的位置传感器的输出。在同步电机1的转速达到给定的额定值时，则电路8的输入端被切换以响应来自锁相环电路的信号E7。

另外，异常情况检测器11可由通常的比较器所组成以比较E4的信号电平和限制电平E10。而且，开关电路12可通过由信号E11所控制的电模拟开关所组成。设在电路7和8间的、并具有为接收信号E11的栅极的并具有源-漏通道的结型场效应管可被用做电模拟开关 （12）。

图2是根据本发明的第二实施例的无刷电机的控制装置的方框图。

图2所示的实施例与图1所示的实施例的不同之处在于，在电路7和8之间设置了用以选择信号E7或E13的输入选择器14。信号E13的输出来自耦连到同步电机1的转子轴的位置传感器。

当同步电机1正常工作时，异常情况检测器11没有信号产生，信号E7由选择器14所选择。

当同步电机1受到大的突然的负载变化时，信号E11由检测器11所产生，信号E13由选择器14选择，同步电机1根据信号E13而运行。在该情况下，提前控制角β的值可能增加，负载的幅度可能减小，和/或同步电机1的转速则可能减慢。

但是，如果情况不允许同步电机1继续运行的话，则选择器14响应信号E11而切断给电路8提供信号E7或E13从而逆变器2停止工作。在该情况下，选择器14可以由一电模拟开关或一具有选择E7，E13或无信号功能的继电器电路所构成。

选择信号E7，信号E13或无信号的标准通常根据同步电机1的负载的性质来决定，并且可以预先设定。选择哪个信号（E7，E13或无信号）可根据相位比较器4的相位差信号E4的幅度来决定。

图3是根据本发明的第三实施例的无刷电机的控制装置的方框图。

图3所示的实施例与图2所示的实施例的不同之处在于，低通滤波器5的输出信号E5被微分电路20相对于时间微分，电路20的微分输出在异常情况检测器11中被与限制电平E10作比较。换句话说，信号E5取代了信号E4，被用来检测同步电机1的异常情况。

假定信号EMF和E7间的相位差由△θ所表示，则信号E4或E5对应于相位差△θ，微分输出E20表示了相位差△θ的变化率（ △θ/

t）。

当同步电机1的负载突然变化时，△θ的变化率（

△θ/ t），或者E20的信号电平明显增加。如果E20的信号电平达到或超过限制电平E10，则信号E11加到输入选择器14上，且β控制电路8响应位置传感器13的信号E13而工作。

图4是根据本发明的第四实施例的无刷电机的控制装置的方框图。

图4所示的实施例与图3所示的实施例的不同之处在于，压控振荡器6的输出信号E6的脉冲数由计数器30所计数，电路30输出的计数值E30在异常情况检测器（数字比较器）11N中被与限制值E10N相比较，限制值（数字式数据）是可变的，由限制值设定器10N所产生。在该实施例中，信号E6取代了信号E5被用来检测同步电机1的异常情况。

当同步电机的负载突然变化时，信号E6的频率，或者在固定时间周期内产生的E6的脉冲数目，相应增加，并因此增加计数值E30。如果计数值E30达到或超过限制值E10N，则信号E11被加到输入选择器14上，并且β控制电路根据来自位置传感器13的信号E13而工作。

图5是根据本发明的第五实施例的无刷电机的控制装置的方框图。

图5所示的实施例是通过组合图1和图2的实施例而得到的。更进一步讲，用于控制开关电路12的第一异常情况检测器11A对应于图1中的检测器11，第二异常情况检测器11B对应于图2中的检测器11。检测器11A接收第一限制电平E10A，而检测器11B接收第二限制电平E10B。尽管每个电平E10A和E10B可以任意确定，但在该实施例中，E10A设置的值高于E10B。

图5所示的实施例的工作情况是如下进行的。

当同步电机1正常运转时，信号E3（或EMF）和E7间的相位差是很小的（几乎为0），并有关系式：E10A＞E10B＞E4。在该情况下，信号E7通过输入选择器14和开关电路12被送到β控制电路 8。

当同步电机1受到突然增加的负载时，相位比较器4输出的信号E4相应增加。如果，在关系式E10A＞E4＞E10B仍然保持的情况下，则检测器11B产生信号E11B，这样来自位置传感器13的信号E13被选择器14所选择，接着，被选择的信号被加到β控制电路8中。在该情况下。同步电机1的工作情况根据位置传感器13的输出而连续下去。

当同步电机1受到突然的大幅度增加的负载时，来自相位比较器4的信号E4明显增加。如果此时存在关系式E4＞E10A＞E10B，则检测器11A产生信号E11A，并且由选择器14所选择的信号E13不加到β控制电路8中。在该情况下，同步电机1的运转停止。

图6是说明图1所示实施例的工作情况的流程图，此时该实施例由微机所控制。在该说明中，限制电平E10被预先调整在对应于具有5度的提前控制角（β）的水平上。

当同步电机正常运转时，微机（图中未示）控制了图1中的电路部件2～8。这样，E3和E7间的相位差成为最小（或零）。当微机检测到相位差（E4）达到或者超过5度时（在第ST61步中是），微机使检测器11产生信号E11，这样开关电路12切断发生器7和β控制电路8间的信号连接（第ST62步）。接着，电路8使脉冲E8产生，并且逆变器2停止同步电机1的运转（第ST63步）。

图7是说明图2所示的实施例的工作情况的流程图，此时该实施例由微机所控制。在该说明中，限制值被预先调整在对应于具有5度的提前控制角（β）的水平上。

当同步电机1正常运转时，微机（图中未示）控制图2中的电路部件2～8，这样以使E3和E7间的相位差成为最小（或零）。当微机检测到相位差（E4）达到或超过5度时（第ST71步中是），微机使 检测器11产生信号E11，这样输入选择器14选择信号E13而取代了信号E7，并给β控制电路8提供被选择信号（E13）。接着，电路8改变或修正脉冲E8的产生模式（第ST72步），逆变器2以修正条件驱动同步电机1（第ST73步）。

图8是说明如图5所示的实施例的工作情况的流程图，此时该实施例同样被微机所控制。在该说明中，限制值E10A被预先调整在对应于具有5°的提前控制角（β）的水平上，而限制值E10B被预先调整在对应于具有3°的提前控制角（β）的水平上。

在正常情况下（在第ST81和ST84中为否），微机控制图5所示的电路部件2～8，这样，E3和E7间的相位差成为零，同步电机1正常运转（第ST87步）。

当微机检测到相位差（E4）达到或超过5度时（在第ST81步中为是），微机使检测器11A产生信号E11A，这样开关电路12切断发生器7和β控制电路8间的信号连接，接着，电路8使产生脉冲E8（第ST82步），逆变器2停止同步电机1的工作（第ST83步）。

当微机检测到相位差（E4）小于5°（第ST81步中否）但大于3°（第ST84步中是）时，微机使检测器11B产生信号E11B，这样输入选择器14选择信号E13取代了信号E7（第ST85步），并给β控制电路8提供被选择的信号（E13）。接着，电路8增加提前控制角β的值（例如，从40°增加到45°），或降低同步电机1的转速（例如，降低预先速度的5%）（第ST86步），逆变器2以修正的控制角（β＝45°）或以降低后的速度（预先速度95%）来驱动同步电机1。

尽管本发明已经通过目前认为是最实际的和较佳的实施例来加以说明，但是应该理解到本发明并不局限于所述的实施例，相反，它能包括如权利要求范围内的各种变体和等效装置，该范围能符合最大范围的解释而能包括所有变体和等效装置。

Claims (15)

1、一种无刷电机的控制装置，包括：

给无刷电机(1)供电的逆变器装置(2)；

根据内部控制信号(E7)控制所述逆变器装置(2)工作的β控制装置(8)；

用于检测所述无刷电机(1)所产生的反电动势(EMF)并产生表示所述反电动势的反电动势信号(E3)的检测装置(3)；以及

用于比较所述反电动势信号(E3)和内部控制信号(E7)相位的、并由所述内部控制信号(E7)控制所述β控制装置(8)以使所述内部控制信号(E7)和所述反电动势信号(E3)间的相位差(E4)为最小的锁相环装置(4～7)，

本发明的特征在于，它还进一步包括：

耦联到所述锁相环装置(4～7)和所述β控制装置(8)上的、以检测所述内部控制信号(E7)和所述反电动势信号(E3)间的相位差数量的检测装置(10～14)，当所述相位差的检测得的值(E4)达到或超过预定量(E10)时，修止所述β控制装置(8)的工作情况以防止所述逆变器装置(2)换向失效。

2、如权利要求1所述的控制装置，其特征在于所述检测装置（10～14）包括：

响应给定限制电平（E10）和所述检测得的值（E4），以比较所述检测得的值（E4）和所述限制电平（E10）的比较装置（11），并当所述检测得的值（E4）达到或超过所述限制电平（E10）时，产生一条件控制信号（E11）;以及

设在所述锁相环装置（4～7）和所述β控制装置（8）之间并耦联到所述比较装置（11）上的开关装置（12），用以当条件控制信号（E11）产生时中断向所述β控制装置（8）提供来自所述锁相环装置（4～7）的内部控制信号（E7）。

3、如权利要求1所述的控制装置，其特征在于所述检测装置（10～14）包括：

响应给定限定电平（E10）和所述检测到的值（E4）的、以比较所检测得的值（E4）的信号电平和所述限制电平（E10）的比较装置（11），并当所述检测到的值（E4）达到或超过所述限制电平（E4）时，产生一条件控制信号（E11）;以及，

耦联到所述无刷电机上的、用以检测其转子位置并提供位置信号（E13）的传感装置（13）;

设在所述锁相环装置（4～7）和所述β控制装置（8）之间并耦联到所述比较器装置（11）和所述传感器装置（13）上的选择器装置（14），以选择所述内部控制信号（E7）和所述位置信号（E13）中的一个，以当比较器装置（11）不产生信号时，所述内部控制信号（E7）被提供到所述β控制装置（8）上，并且当所述条件控制信号（E11）产生时，所述位置信号（E13）被提供到所述β控制装置（8）上。

4、如权利要求1所述的控制装置，其特征在于所述检测装置（10～14）包括：

响应给定第一限制电平（E10A）和所述检测得的值（E4）的、以比较所检测得的值（E4）的信号电平和所述第一限制电平（E10A）的第一比较器装置（11A），当所述检测得的值（E4）达到或超过所述第一限制电平（E10A）时，产生第一条件控制信号（E11A）;

设在所述锁相环装置（4～7）和所述β控制装置（8）之间的、并耦联到第一比较器装置（11A）上的开关装置（12），当所述第一条件控制信号（E11A）产生时，中断向所述的β控制装置（8）提供来自锁相环装置（4～7）的内部控制信号（E7）;

响应一给定第二限制电平（E10B）和所述检测得值（E4）的，用以比较所检测得的值（E4）的信号电平和第二限制电平（E10B）的第二比较器装置（11B），当所述检测得的值（E4）达到或超过所述第二限制电平（E10B）时，产生第二条件控制信号（E11B）;以及，

耦联到所述无刷电机（1）上的、以检测其转子位置并提供位置信号（E13）的传感器装置（13）;

设在所述锁相环装置（4～7）和所述β控制装置（8）之间并耦联到所述第二比较装置（11B）和所述传感器装置（13）上的选择器装置（14），以选择内部控制信号（E7）和所述位置信号（E13）中的一个，以当第二比较器装置（11B）没有信号产生时，所述内部控制信号（E7）被加到β控制装置（8）上，并当所述第二条件控制信号（E11B）产生时，所述位置信号（E13）被提供到所述β控制装置（8）。

5、如权利要求4所述的控制装置，其特征在于所述第一限制电平（E10A）高于第二限制电平（E10B）。

6、如权利要求4所述的控制装置，其特征在于所述开关装置（12）与所述选择器装置（14）相串联，所述开关装置（12）和所述选择器装置（14）的串联电路设在锁相环装置（4～7）和β控制装置（8）之间。

7、如权利要求1～6之一所述的控制装置，其特征在于所述锁相环装置（4～7）包括：

用以比较所述EMF信号（E3）和内部控制信号（E7）的相位并产生表示检测得值（E4）的相位差的相位比较器（4）;

用以滤波所述相位差信号（E4）以提供滤波后的信号（E5）的低通滤波器（5）;以及

根据所述滤波后的信号（E5）的信号电平而产生内部控制信号（E7）的振荡电路（6，7）。

8、如权利要求2或3所述的控制装置，其特征在于所述锁相环装置（4～7）包括：

用以比较所述EMF信号（E3）和内部控制信号（E7）的相位，并产生相位差信号（E4）的相位比较器（4）;

用以滤波相位差信号（E4）以提供表示检测得的值（E4）的滤波后的信号（E5）的低通滤波器（5）;

用以根据所述滤波后的信号（E5）的信号电平而产生内部控制信号（E7）的振荡电路（6，7），

并且所述检测装置（10～14）包括：

使滤波后的信号（E5）相对于时间微分并产生微分信号（E20）的微分电路（20）;以及，

响应给定限制电平（E10）和所述微分信号（E20）的用于比较微分信号（E20）的信号电平和所述限制电平（E10）的比较器（11），当所述微分信号（E20）达到或超过所述限制电平（E10）时，产生所述条件控制信号（E11）。

9、如权利要求2或3所述的控制装置，其特征在于所述锁相环装置（4～7）包括：

用以比较EMF信号（E3）和内部控制信号（E7）的相位并产生相位差信号（E4）的相位比较器（4）;

用以滤波所述相位差信号（E4）并提供滤波后的信号（E5）的低通滤波器（5）;以及，

用以根据所述滤波后的信号（E5）的信号电平产生表示所述检测得的值（E4）的压控信号（E6）的压控振荡器（6）;以及，

根据所述压控信号（E6）而产生具有正弦波形的内部控制信号（E7）的信号发生器（7），

并且所述检测装置（10～14）包括：

用以计数在一定时间周期内压控信号（E6）重复的数目并提供计数值（E30）的计数器（30）;以及

用以比较所述计数值（E30）和给定限制数目（E10N）的比较器（11N），当所述计数值等于或超过所述限制数目（E10N）时，产生条件控制信号（E11）

10、一种控制无刷电机的方法，其特征在于包括：

用逆变器（2）给无刷电机（1）供电;

根据内部控制信号（E7）通过β控制器（8）控制所述逆变器（2）的工作情况;

检测由电机（1）所产生的反电动势，并提供表示该反电动势的EMF信号（E3）;

比较所述EMF信号（E3）和内部控制信号（E7）的相位、并根据所述内部控制信号（E7）控制β控制器（8），使内部控制信号（E7）和所述EMF信号（E3）的相位差成为最小;以及

检测所述内部控制信号（E7）和所述的EMF信号（E3）间的相位差的数量，并当相位差的检测值（E4）达到或超过预定限制电平（E10）时，修正β控制器（8）的工作情况以防止所述逆变器（2）的换向失效。

11、如权利要求10所述的方法，其特征在于所述检测步骤包括：

比较检测值（E4）的信号电平和所述限制电平（E10），当所述检测得的值（E4）达到或超过所述限制电平（E10）时，产生条件控制信号（E11）;以及，

当所述条件控制信号（E11）产生时，中断提供到β控制器（8）的内部控制信号（E7）。

12、如权利要求11所述的方法，其特征在于所述检测步骤进一步包括：

比较所检测得的值（E4）的信号电平和第二限制电平（E10B），并当所述检测得的值（E4）达到或超过第二限制电平（E10B）时，产生第二条件控制信号（E11B）;

检测所述电机（1）的转子位置并提供位置信号（E13）;

选择内部控制信号（E7）和位置信号（E13）中的一个，这样当第二条件控制信号（E11B）产生时，位置信号（E13）被加到β控制器（8），当条件控制信号没有产生时，所述内部控制信号（E7）被加到β控制器（8）。

13、如权利要求12所述的方法，其特征在于对β控制器（8）的控制是当第二条件控制信号（E11B）产生时，逆变器（2）的提前控制角（β）增大预定的数量。

14、如权利要求12所述的方法，其特征在于对β控制器（8）的控制是当第二条件控制信号（E11B）产生时，电机（1）的转速从原先速度中减少预定的数量。

15、如权利要求10所述的方法，其特征在于所述检测步骤包括：

比较所检测得的量（E4）的信号电平和限制电平（E10），当所述检测得的量（E4）达到或超过限制电平（E10）时，产生条件控制信号（E11）;

检测电机（1）的转子位置并提供位置信号（E13）;

选择内部控制信号（E7）和位置信号（E13）中的一个，以当条件控制信号（E11）产生时，位置信号（E13）被加到β控制器（8），并当条件控制信号（E11）没有产生时，内部控制信号（E7）被加到β控制器（8）。

Images