CN103329423A

CN103329423A - 无传感器无刷直流电机的初始位置检测

Info

Publication number: CN103329423A
Application number: CN2012800057348A
Authority: CN
Inventors: X·王
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 2011-01-19
Filing date: 2012-01-19
Publication date: 2013-09-25
Also published as: WO2012100065A3; US20120181963A1; JP2014503170A; WO2012100065A2

Abstract

一种系统（100）具有电机控制器（102）、致动电路（104、106、RSNS）和无传感器无刷DC电机（108）。针对电机（108）的2N对相位生成2N个电压脉冲。针对2N对相位中的每一对相位感测电流，以根据2N对相位中的每一对相位的感测电流确定相位电感。比较确定的相位电感和查找表，以确定电机（108）的初始位置。

Description

无传感器无刷直流电机的初始位置检测

技术领域

本发明总体涉及初始位置检测，更具体地涉及无传感器无刷直流（DC）电机的初始位置检测。

背景技术

对于大多数的大型电机应用（即，车辆），采用霍尔效应传感器来确定转子位置。然而，这些传感器增加了成本并且通常不可靠，所以期望消除这些传感器，类似于小型电机应用（即，硬盘驱动器）所实现的。存在一些与大尺寸（large scale）应用（即，在启动时维持初始位置）关联的问题，这些问题可能使小尺寸（small scale）解决方案的直接应用不适用。因此，需要一种确定电机的初始位置同时维持该初始位置的方法和/或装置。

在美国专利No.5,028,852、7,072,778、5,191,270和7,334,854中描述了常规方法和/或装置的一些示例。

发明内容

示例性实施例提供了一种装置。所述装置包括：感测电路；和具有存储器的微控制器，在存储器上存储有查找表（LUT），其中微控制器为具有N个相位的无传感器无刷直流（DC）电机的2N对相位生成2N个电压脉冲，并且其中微控制器耦合到感测电路，以便确定来自DC电机的2N对相位中的每一对相位的电流的相位电感，并且其中微控制器通过使用来自DC电机的2N对相位中的每一对相位的电流的相位电感，从LUT确定DC电机的初始位置。

一个示例可以进一步包括预驱动器，预驱动器耦合到微控制器，以便输出2N个电压脉冲。

预驱动器可以进一步包括电平移位器，并且所述装置可以进一步包括耦合到微控制器的通信端口。

感测电路可以进一步包括：放大器；以及耦合到放大器和微控制器的模数转换器（ADC），其中ADC数字化DC电机的2N对相位中的每一对相位的电流的测量值。

感测电路可以进一步包括：放大器；耦合到放大器和预驱动器的比较器；以及耦合在比较器和通信端口之间的寄存器，其中寄存器适于提供中断信号到微控制器，以指示DC电机的2N对相位中的每一对相位的电流达到预定阈值，使得微控制器可以确定DC电机的2N对相位中的每一对相位的电流的上升时间。

一个示例可以进一步包括数模转换器（DAC），DAC耦合在通信端口和比较器之间，以便提供参考电压到比较器。

一个示例可以进一步包括比较电路，其耦合到DC电机和微控制器，以便执行反电动势（反EMF）过零检测，从而换向DC电机。

在一个示例性实施例中，N为3。

一个示例也提供一种用于确定具有N个相位的无传感器无刷直流电机的初始位置的方法。所述方法包括：为DC电机的2N对相位提供2N个电压脉冲；感测DC电机的2N对相位中的每一对相位的电流，其中DC电机的2N对相位中的每一对相位的电流足够小，以便维持DC电机的转子的初始位置；确定DC电机的2N对相位中的每一对相位的电流的相位电感；以及比较DC电机的2N对相位中的每一对相位的电流的相位电感和LUT，以确定初始位置。

在一个示例中，DC电机可以是具有第一相位、第二相位和第三相位的三相电机，并且其中N为3。

在一个示例中，DC电机的N对相位中的每一对相位的电流可以进一步包括第一、第二、第三、第四、第五和第六电流，并且提供的步骤可进一步包括：提供生成第一电流的第一电压脉冲，其中第一电流按顺序经历第一和第二相位；提供生成第二电流的第二电压脉冲，其中第二电流按顺序经历第二和第一相位；提供生成第三电流的第三电压脉冲，其中第三电流按顺序经历第一和第三相位；提供生成第四电流的第四电压脉冲，其中第四电流按顺序经历第三和第一相位；提供生成第五电流的第五电压脉冲，其中第五电流按顺序经历第二和第三相位；以及提供生成第六电流的第六电压脉冲，其中第六电流按顺序经历第三和第二相位。

在一个示例中，N对相位中的每一对相位的电流的相位电感可以进一步包括第一、第二、第三、第四、第五和第六相位电感，它们分别对应于第一、第二、第三、第四、第五和第六电流，并且其中比较的步骤进一步包括比较所述第一、第二、第三、第四、第五和第六相位电感和LUT，以确定初始位置。

在一个示例中，确定的步骤可以进一步包括测量达到第一、第二、第三、第四、第五和第六电流中的每一个电流的阈值的上升时间。

在一个示例中，确定的步骤可以进一步包括对于第一、第二、第三、第四、第五和第六电流中的每一个电流，测量预定时间处的感测电阻器两端的电压。

在一个示例性实施例中，提供了一种装置。所述装置包括：具有N个相位的无传感器无刷DC电机；耦合到DC电机的致动电路；电机控制器，其具有：耦合到致动电路的感测电路；耦合到致动电路的预驱动器；具有存储器的微控制器，存储器在其上存储有LUT，其中微控制器耦合到感测电路和预驱动器，并且其中微控制器：为2N对相位生成2N个电压脉冲，其中2N个电压脉冲是提供预驱动器提供的；确定DC电机的2N对相位中的每一对相位的电流的相位电感；以及通过使用DC电机的2N对相位中的每一对相位的电流的相位电感，从LUT确定DC电机的初始位置。

在一个示例中，N为3，并且电机控制器可以进一步包括：通信端口，其耦合到微控制器；比较电路，其耦合到DC电机和微控制器，以便执行反EMF过零检测，从而换向DC电机；以及DAC，其耦合在通信端口和比较器之间，以便提供参考电压到比较器。

在一个示例中，致动电路可以进一步包括：耦合到预驱动器的驱动器；多个功率晶体管，其中每个功率晶体管耦合到驱动器并由驱动器控制；以及耦合到功率晶体管和放大器中的至少一个的感测电阻器。

在一个示例中，所述装置可以进一步包括耦合在DC电机和比较电路之间的衰减器；以及比较电路可以进一步包括各自耦合到衰减器的多个过零比较器。

附图说明

参照附图描述了示例性实施例，其中：

图1示出根据本发明的示例性实施例的系统；

图2A、图2B和图3示出图1的电机控制器的操作的示例；

图4示出图1的电机控制器的示例；

图5示出图4的感测电路的示例；和

图6示出图4的比较电路的示例。

具体实施方式

图1示出示例性系统100。该系统100总体包括电机控制器102、致动电路（其可以包括驱动器104、功率晶体管106和感测电阻器RSNS）和无传感器无刷直流电机108。当确定电机108的初始位置时，电机控制器102（其可以自己控制，或通过通信信道110进行编程，通信信道110可以使用一个或多个通信架构，例如集成电路间（I²C）总线或通用异步接收器/发送器（UART））生成电压脉冲，该电压脉冲接合（engage）电机108的各对相位。可以用感测电阻器RSNS（例如，可以是500mΩ）感测经历（traverse）电机108的各对相位的电流，并且该电流应该足够小，以便维持初始位置足够大以便进行检测（即，约

持续约1ms）。具体地，电机控制器102可以测量这些电流的上升时间，或测量预定间隔或时间处的电压，以确定相位电感，因为相位电感和电流上升时间之间有相关性（其可以在图2A和图2B中看出）。

为了确定电机108的转子的初始位置，电机控制器102使用电压脉冲（其数目是电机的相位数目的两倍），以便接合各对相位的所有排列。例如，如果假设电机108是三相电机（即，相位A、B和C），则将有六个电压脉冲VAB、VBA、VAC、VCA、VBC和VCB，其中电流按顺序经历各相位。例如，对于脉冲VAB，电流按顺序经历相位A和相位B，而对于脉冲VBA，电流将按顺序经历相位B和相位A。查看图3，可以相对于转子位置查看各对AB、BA、AC、CA、BC和CB的相位电感（分别记为LAB、LBA、LAC、LCA、LBC和LCB），使得可以在60度内确定电机108的初始转子位置。优选地，查找表（LUT）可以用于确定转子位置；其中的一个示例可以在下面的表1中查看。

表1

可以在图4中更详细地看到电机控制器102。电机控制器102通常是耦合到外部部件（即，感测电阻器RSNS）的集成电路或IC，并且电机控制器102通常包括微控制器402（其可以是例如具有存储器的8位精简指令集（RISC）处理器）和接口404。接口404通常包括稳压器406、比较电路408、时钟210（其可以例如提供50MHz时钟信号）、模数转换器（ADC）412、通信端口414（其可以例如通过串联外围接口（SPI）协议向微控制器402提供通信）、预驱动器418（其可以包括电平移位器）、数模转换器（DAC）420、DC-DC转换器424和感测电路422。稳压器406（其可以例如包括一个或多个低压差（LDO）稳压器）可以调节来自DC-DC转换器424的供给电压VCC（其可以在约8V和15V之间，典型电压约12V）。比较电路408（其在下面更详细地描述）和ADC412提供信号到微控制器402，以启动电机108的正常操作。预驱动器418（其可以例如包括一个或多个电平移位器）提供电压信号（即，VAB）到驱动器104，以便启动电机的正常操作，或确定电机108的转子的初始位置。另外，感测电路408和DAC420（其在下面更详细地描述）启动初始位置检测和过电流检测（在正常操作期间）。DC-DC转换器424（其通常是降压转换器）提供来自电源电压VPWR的供给电压VCC（即，在约20V至约100V之间，典型电压约48V）。DC-DC转换器424也可以包括若干外部部件（即，位于IC外部的电感器和电容器）。

图5提供了感测电路402的细节。这个感测电路402可以提供两个功能：在正常操作期间的过电流检测和在启动时确定初始位置的电流感测。另外，存在两种不同的方法，可以采用这两种不同的方法来确定初始位置：上升时间测量和电压测量。感测电路402通常包括放大器502、限流比较器504、多路复用器（MUX）510、寄存器506和ADC508。一般地，放大器502（其结合电阻器R1至R3可以提供约1和约4之间的增益）放大感测电阻器RSNS两端的电压降（其对应于在初始位置检测期间经历电机108的一对相位的电流）。接着，此放大的感测电压可以在启动期间和在正常操作期间使用。

对于在启动时确定初始位置的电压测量，使用ADC508。具体地，ADC508数字化放大的感测电压。由于经历电机108的各对相位的电流与放大的感测电压成比例，因此ADC508在预定时间或间隔处有效地数字化此电流的测量值（如图2B中所示）。然后，通过通信端口414将数字化的测量值提供到微控制器202，使得微控制器202可以直接从电压测量值确定相位电感。基于计算出的相位电感，微控制器202可以如上所述地确定电机108的转子的初始位置。

对于在启动时确定初始位置的上升时间测量，使用比较器504。一般地，放大器502测量电流（类似于上述电压测量），然后通过比较器504比较放大的感测电压（来自于放大器502和电阻器R1至R3）和参考电压。参考电压可以是内部参考电压REF（其可以是约1.2V并且可以例如由带隙电路供应），或由DAC420（其可以由微控制器102设置，以便调节对应于电机108的电流阈值的比较器阈值）通过MUX510提供的电压。通常，内部参考电压REF用于上升时间测量。一旦放大的感测电流变得大于参考电压（其施加到比较器504），比较器输出COMP就在寄存器506中设置过流位（over-current bit），以便生成至微控制器202的中断信号INT。微控制器202（其通常使用精确的时钟）可以从所述中断信号INT确定上升时间，并且因此可以确定相位电感。基于计算出的相位电感，微控制器202可以如上所述地确定电机108的转子的初始位置。

在正常操作期间，通过比较器504提供过流检测。比较器504和寄存器506以类似于上述上升时间测量的方法的方式操作。然而，对于正常操作，通常通过DAC420设置比较器504的阈值。接着，当比较器输出COMP反映是否已经超过比较器504的阈值（其指示过流条件）时，在寄存器506中设置过流位。当过流位被设置时，寄存器506接着可以提供中断信号INT到微控制器202。在大约相同的时间，比较器输出COMP（其反映过流条件）关闭预驱动器218，以便“跳过”脉冲宽度调制（PWM）脉冲，直到电机108降至电流阈值（其由DAC420设置，或内部设置）以下。

图6示出比较电路408的示例的细节。因为电机108是无传感器电机（即，不包括霍尔传感器），所以比较电路408使用反电动势（反-EMF）过零检测来控制电机换向。如图6的示例中所示，电机108具有三个相位，并且相应地，比较电路408使用三个过零比较器602、604和606。这些比较器602、604和606使用来自电机108的相位的电压确定电机108的“状态”，但耦合在比较器602、604和606与电机108之间的是衰减电路608（其通常包括电阻器R4至R9），该衰减电路可以用于衰减来自电机108的电压。基于比较器602、604和606的输出，微控制器202可以控制电机108的换向。

本发明涉及的本领域技术人员将理解，在本发明的范围内，可以对所描述的示例以及所实现的其他实施例进行修改。

Claims

1.一种装置，其包括：

感测电路；和

具有存储器的微控制器，在所述存储器上存储有查找表即LUT，其中所述微控制器为具有N个相位的无传感器无刷直流即DC电机的2N对相位生成2N个电压脉冲，并且其中所述微控制器耦合到所述感测电路，以便根据所述DC电机的所述2N对相位中的每一对相位的电流确定相位电感，并且其中所述微控制器通过使用来自所述DC电机的所述2N对相位中的每一对相位的电流的相位电感，从所述LUT确定所述DC电机的初始位置。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置进一步包括预驱动器，所述预驱动器耦合到所述微控制器，以便输出所述2N个电压脉冲。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述预驱动器进一步包括电平移位器，并且其中所述装置进一步包括耦合到所述微控制器的通信端口。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述感测电路进一步包括放大器以及耦合到所述放大器和所述微控制器的模数转换器即ADC，其中所述ADC数字化所述DC电机的所述2N对相位中的每一对相位的电流的测量值。

5.根据权利要求3所述的装置，其中所述感测电路进一步包括：

放大器；

耦合到所述放大器和所述预驱动器的比较器；和

耦合在所述比较器和所述通信端口之间的寄存器，其中所述寄存器适于提供中断信号到所述微控制器，以指示所述DC电机的所述2N对相位中的每一对相位的电流达到预定阈值，使得所述微控制器能够确定所述DC电机的所述2N对相位中的每一对相位的电流的上升时间。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述装置进一步包括数模转换器即DAC，所述DAC耦合在所述通信端口和所述比较器之间，以便提供参考电压到所述比较器。

7.根据权利要求3所述的装置，其中所述装置进一步包括比较电路，所述比较电路耦合到所述DC电机和所述微控制器，以便执行反电动势即反EMF过零检测，以换向所述DC电机。

8.根据权利要求7所述的装置，其中N为3。

9.一种用于确定具有N个相位的无传感器无刷DC电机的初始位置的方法，所述方法包括：

为所述DC电机的2N对相位提供2N个电压脉冲；

感测所述DC电机的所述2N对相位中的每一对相位的电流，其中所述DC电机的所述2N对相位中的每一对相位的电流足够小，以便维持所述DC电机的转子的初始位置；

确定所述DC电机的所述2N对相位中的每一对相位的电流的相位电感；和

比较所述DC电机的所述2N对相位中的每一对相位的电流的相位电感和LUT，以确定所述初始位置。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述DC电机是具有第一相位、第二相位和第三相位的三相电机，并且其中N为3。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述DC电机的所述N对相位中的每一对相位的电流进一步包括第一、第二、第三、第四、第五和第六电流，并且其中提供的步骤进一步包括：

提供生成所述第一电流的第一电压脉冲，其中所述第一电流按顺序经历所述第一和第二相位；

提供生成所述第二电流的第二电压脉冲，其中所述第二电流按顺序经历所述第二和第一相位；

提供生成所述第三电流的第三电压脉冲，其中所述第三电流按顺序经历所述第一和第三相位；

提供生成所述第四电流的第四电压脉冲，其中所述第四电流按顺序经历所述第三和第一相位；

提供生成所述第五电流的第五电压脉冲，其中所述第五电流按顺序经历所述第二和第三相位；和

提供生成所述第六电流的第六电压脉冲，其中所述第六电流按顺序经历所述第三和第二相位。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述N对相位中的每一对相位的电流的相位电感进一步包括第一、第二、第三、第四、第五和第六相位电感，它们分别对应于所述第一、第二、第三、第四、第五和第六电流，并且其中比较的步骤进一步包括比较所述第一、第二、第三、第四、第五和第六相位电感和所述LUT，以确定所述初始位置。

13.根据权利要求12所述的方法，其中确定的步骤进一步包括测量达到所述第一、第二、第三、第四、第五和第六电流中的每一个电流的阈值的上升时间。

14.根据权利要求12所述的方法，其中确定的步骤进一步包括针对所述第一、第二、第三、第四、第五和第六电流中的每一个电流，测量预定时间处的感测电阻器两端的电压。

15.一种装置，其包括：

具有N个相位的无传感器无刷直流电机；

耦合到所述DC电机的致动电路；和

电机控制器，其具有：

耦合到所述致动电路的感测电路；

耦合到所述致动电路的预驱动器；和

具有存储器的微控制器，在所述存储器上存储有LUT，其中所述微控制器耦合到所述感测电路和所述预驱动器，并且其中所述微控制器：

为2N对相位生成2N个电压脉冲，其中所述2N个电压脉冲通过所述预驱动器提供；

通过使用所述DC电机的所述2N对相位中的每一对相位的电流的相位电感，从所述LUT确定所述DC电机的初始位置。

16.根据权利要求15所述的装置，其中N为3，并且其中所述电机控制器进一步包括：

通信端口，其耦合到所述微控制器；

比较电路，其耦合到所述DC电机和所述微控制器，以便执行反EMF过零检测，从而换向所述DC电机；和

DAC，其耦合在所述通信端口和所述比较器之间，以便提供参考电压到所述比较器。

17.根据权利要求16所述的装置，其中所述感测电路进一步包括：放大器；以及耦合到所述放大器和所述微控制器的ADC，其中所述ADC数字化所述DC电机的所述2N对相位中的每一对相位的电流的测量值。

18.根据权利要求16所述的装置，其中所述感测电路进一步包括：

放大器；

耦合到所述放大器和所述预驱动器的比较器；和

19.根据权利要求18所述的装置，其中所述致动电路进一步包括：

耦合到所述预驱动器的驱动器；

多个功率晶体管，其中每个功率晶体管耦合到所述驱动器并由所述驱动器控制；和

耦合到所述功率晶体管和所述放大器中的至少一个的感测电阻器。

20.根据权利要求19所述的装置，其中所述装置进一步包括耦合在所述DC电机和所述比较电路之间的衰减器，并且其中所述比较电路进一步包括多个过零比较器，所述多个过零比较器各自耦合到所述衰减器。