CN1485974A - 无刷直流电机速度控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种无刷直流(BLDC)电机的无传感器速度控制装置和方法。速度检测单元检测BLDC电机各相的磁通，测量被检测磁通变化的周期，并确定BLDC电机的速度。减法器将输入参考速度和从速度检测单元输出的检测到的速度相减，并且输出误差速度。速度控制器输出一个相应于从减法器输出的误差速度的参考电流。基于从速度控制器输出的参考电流，电流控制器输出控制信号去控制逆变器的切换操作。基于从电流控制器输出的控制信号，逆变器施加可变频电流给电机各相，并驱动电机。

Description

无刷直流电机速度控制装置和方法

参见有关申请

该申请要求申请号为2002-50638的韩国申请的保护范围，该韩国申请于2002年8月26提交韩国专利局，将其公开在此作为参考。

技术领域

本发明涉及无传感器的无刷直流(BLDC)电机速度控制装置和方法，特别涉及基于两个被换相的磁通比率变化的周期，检测和控制速度的无传感器BLDC电机速度控制装置和方法。

背景技术

通常，BLDC电机速度控制装置使用霍尔传感器和霍尔传感器驱动器来检测电机转子位置，并根据检测到的位置确定转子速度。

作为无传感器速度控制装置的实例，有一个使用电机反电动势(back EMF)的方法，但它的问题在于其结构复杂。

另一个无传感器速度控制装置的实例(在美国专利号为6,377,018的专利中所公开的一种方法)，它检测电机旋转时发生在绕组上的电-磁通(electro-magneticflux)分量，并计算转子的角速度从而来控制电机速度。

上述专利所公开的速度控制方法虽然用简单的结构得以实现，但它的问题在于其能应用于交流电机，比如感应电机，却并不适用于BLDC电机。

图1为方框图，它示意地表示了使用传感器的3-相BLDC电机的常规速度控制装置的结构。

如图1所示，BLDC电机的常规速度控制装置有传感器102、驱动器104、位置检测器106、速度检测器108、减法器110、速度控制器112、电流控制器114和3-相逆变器116。

传感器102检测电机100的感生电流的相位。驱动器104驱动传感器102，并把感生电流的被检测到的相位输出到位置检测器106。位置检测器106根据从驱动器104输入的感生电流的相位信号检测出电机转子位置，并把检测到的位置输出给速度检测器108和电流控制器114。基于从位置检测器106检测到的电机转子位置信息，速度检测器108检测电机的运行速度。减法器110检测输入参考速度和已检测到的速度之间的误差速度。基于从减法器110输出的误差速度值，速度控制器112输出可调节的参考电流(电流大小可调)。基于从速度控制器112输入的参考电流和从位置检测器106输入的信号，电流控制器114输出控制信号去控制切换时间。基于一个依赖于从电流控制器114输出的切换控制信号的调制信号，3-相逆变器116使用可变频电流来驱动电机100。

BLDC电机速度控制装置如具有使用霍尔传感器和霍尔传感器驱动器那样的结构，引起的一个问题是：这样的装置结构复杂而且制造费用高，此外，当所有三相都有电流流过时，这样的装置不能检测出电机的转子位置。

发明内容

为了解决上述和/或其他问题，本发明的一个方面是要提供能够检测和控制BLDC电机速度而不使用传感器作为其组成部分的装置和方法。

为实现上述和/或其他方面的功能，本发明实施例的BLDC电机速度控制装置包括：

速度确定单元，确定三相BLDC电机驱动电流各相的磁通，测量被确定磁通变化的周期，并且确定BLDC电机的速度；减法器，将输入的参考速度和从速度确定单元输出的经确定的速度相减，并且输出误差速度；速度控制器，输出相应于从减法器输出的误差速度的参考电流；电流控制器，基于从速度控制器输出的参考电流，来输出切换控制信号；逆变器，基于从电流控制器输出的切换控制信号，使用可变频电流来驱动BLDC电机。

根据本发明的一个方面，速度确定单元包括：磁通确定单元，基于相应于BLDC电机各相绕组的感生电压和电流，确定磁通；速度计算单元，测量从磁通确定单元输出的各相磁通的具体周期，并且确定BLDC电机的速度。

根据本发明的一个方面，磁通确定单元包括：电流检测器，检测相应于驱动BLDC电机的电流的各相的感生电压和电流；相位转换器，将各相的感生电压和电流转换为第一和第二换相后的感生电压和电流；磁通确定器，基于从相位转换器输出的第一和第二被换相的感生电压和电流，确定磁通。

根据本发明的一个方面，速度计算单元包括：计时器，它测量从磁通确定器输出的第一和第二换相后的磁通变成预定值的周期；速度确定器，基于从计时器输出的周期，它确定BLDC电机的旋转速度。

为了完成上述和/或其他方面的功能，本发明实施例的无刷直流(BLDC)电机速度控制方法包括：基于驱动BLDC电机的电流的各相磁通值变为某个特定值的周期，确定BLDC电机的速度；基于输入参考速度和已确定的速度，确定误差速度；输出一个相应于已确定误差速度的参考电流；基于输出的参考电流，输出切换控制信号以驱动电机；以及基于切换控制信号，使用可变频电流来驱动电机。

本发明的更多方面和优点将在接下来的描述中被部分地阐明，并且，在某种程度上，通过以下的描述它们将显而易见，我们也许还可以从本发明的实践中了解到它们。

附图说明

通过结合附图对本发明的实施例进行描述，本发明的这些和/或其它方面以及优点将会变得清晰和更容易理解，其中：

图1是示意地表示了3-相BLDC电机的常规速度控制装置的结构的方框图；

图2是示意地表示了本发明实施例的3-相BLDC电机速度控制装置的结构的方框图；

图3是表示了从图2中的磁通确定单元输出的各相绕组中的磁通变化的波形图(用弧度表示)；

图4是说明了本发明实施例的3-相BLDC电机速度控制装置的运行的流程图；

图5是更详细地说明了图4中的速度检测操作的运行的流程图。

具体实施方式

通过结合附图说明实施例，涉及本发明实施例的有关部分将得到详细地阐明，其中相同的附图标记表示相同的单元。下面参照附图来阐述该实施例以说明本发明。

图2为方框图，它示意地表示了本发明实施例的3-相BLDC电机速度控制装置的结构。

如图2所示，本发明有速度确定单元200、减法器110、速度控制器112、电流控制器114和3-相逆变器116。

速度确定单元200根据从3-相逆变器116输出到BLDC电机100的感生电流和电压检测各相绕组的磁通，测量被检测磁通的具体周期，并且还检测BLDC电机100转子的角速度。

减法器110执行输入参考速度与从速度确定单元200检测到的速度之间的减法，并输出误差速度。

速度控制器112输出一个相应于从减法器110输出的误差速度的参考电流。

基于从速度控制器112输出的参考电流，电流控制器114输出切换控制信号来控制3-相逆变器116的切换操作。

基于从电流控制器114输出的切换控制信号，3-相逆变器116施加可变频电流给直流电机各相，并驱动BLDC电机100。

在下文，会详细地描述速度确定单元200的运行。

速度确定单元200装备有磁通确定单元210，以便基于BLDC电机100各相的感生电流和电压，来确定磁通；还有速度计算单元220，用于测量从磁通确定单元210输出的各相磁通的具体周期，并计算BLDC电机100的速度。

磁通确定单元210具有电流检测器212，以便检测相应于BLDC电机100三相中的两相感生电压和电流；相位转换器214，用于将该两相感生电流和电压转换为2-相感生电压和电流；还有磁通确定器216，基于从相位转换器214输出的第一和第二相的感生电压和电流，来确定各相的磁通。

更进一步，速度计算单元220具有计时器224，用于测量从磁通确定单元210输出的每相磁通变成某个特定值的周期；和速度确定器222，用于基于从计时器224输出的周期值，来确定BLDC电机100的旋转速度。

假如磁通确定单元210中的电流检测器212输出相应于BLDC电机100的两相的感生电流I_a、I_b和电压V_a、V_b，那么相位转换器214基于如下所示的公式1执行2-相转换。

公式1

V_α＝V_a

$V_{\mathrm{\β}}=\frac{{2V}_b+V_a}{\sqrt{3}}$

I_α＝I_a

$I_{\mathrm{\β}}=\frac{2I_b+I_a}{\sqrt{3}}$

式中，V_α和V_β分别表示相应于被转换的两相感生电压，I_α和I_β分别表示相应于被转换的两相感生电流，V_a和V_b分别表示BLDC电机三相中的两相感生电压，I_a和I_b分别表示电机三相中的两相感生电流。

更进一步，磁通确定单元210中的磁通确定器216基于如下所示公式2来确定相应于每相的电-磁通量，它依赖于从相位转换器214输入的感生的两相电压V_α、V_β和电流I_α、I_β。

公式2

ψ_α＝∫(V_α-R_sI_α)dt

ψ_β＝∫(V_β-R_sI_β)dt

式中，ψ_α表示第一相的磁通，ψ_β表示第二相的磁通，V_α表示第一相的感生电压，V_β表示第二相的感生电压，R_s表示电机的绕组电阻，I_α表示第一相的感生电流，I_β表示第二相的感生电流。

速度计算单元220测量当从磁通确定单元210输出的两相磁通中的每一个分别变成‘0’的时刻之间的时间间隔，并且基于测量出的时间间隔检测BLDC电机100的速度。

参照图3，详细地描述了速度计算单元220的运行。

图3描绘了用弧度表示的波形图，来说明从图2磁通确定单元210输出的各相的磁通变化。

如图3所示，从磁通确定单元210输出的ψ_α和ψ_β表示相位差为90°的两个正弦波形。

速度计算单元220中的计时器224测量ψ_α或ψ_β变为‘0’的各个时刻之间的时间间隔。如图3所示，ψ_α在t₀、t₂、t₄变成‘0’，ψ_β在t₁、t₃、t₅变成‘0’。因此，ψ_α或ψ_β变成‘0’的最小时间间隔T₀为t_n-t_(n-1)。

基于如下所示公式3，速度计算单元220中的速度确定器222根据从计时器224输出的T₀和ψ_α、ψ_β确定BLDC电机100的角速度。

公式3

式中，T₀表示两相磁通分别变成‘0’的时间间隔，ω表示BLDC电机转子的角速度。

在下文，参照图4和图5描述了本发明的BLDC电机速度控制方法。图4是流程图，它说明了本发明实施例的3-相BLDC电机的速度控制装置的运行。

首先，在操作S300中，速度确定单元200根据从3-相逆变器116输出到BLDC电机100的感生电流和电压确定各相的磁通，测量被确定磁通的具体周期，并且确定BLDC电机100转子的角速度。

然后，在操作S310中，减法器110将输入参考速度和从速度确定单元200输出的已检测到的速度相减，并且输出误差速度。

在操作S320中，速度控制器112输出一个相应于从减法器110输出的误差速度的参考电流。

接下来，在操作S330中，基于从速度控制器112输出的参考电流，电流控制器114输出控制信号去控制3-相转换器116的切换操作。

最后，在操作S340中，基于从电流控制器114输出的控制信号，3-相逆变器116施加可变频电流给电机以驱动BLDC电机100。

图5是流程图，它更详细地说明了图4中速度检测操作(S300)的运行。

首先，在操作S400中，基于相应于BLDC电机100各相的感生电压和电流，磁通确定单元210确定磁通。

接下来，在操作S410中，速度计算单元220测量相应于从磁通确定单元210输出的各相的磁通变化的具体周期，并计算BLDC电机100的速度。

磁通确定操作S400包括以下操作。

首先，在操作S402中，电流检测器212检测相应于BLDC电机100三相中的两相的感生电压和电流。

然后，在操作S404中，通过基于公式1的2-相转换操作，相位转换器214将两相的感生电压和电流转换为感生的2-相电压和电流。

最后，在操作406中，基于公式2，根据从相位转换器214输出的第一和第二相的感生电压和电流，磁通确定器216确定各相的磁通。

速度确定操作S410包括以下操作。

首先，在操作S408和S412中，速度计算单元220中的计时器224测量从磁通确定单元210所输出的各相磁通变成特定值的周期。也就是，计时器224测量当ψ_α和ψ_β变成‘0’的时刻之间的时间间隔。如图3所示，ψ_α变成‘0’的时刻是t₀、t₂、t₄，ψ_β变成‘0’的时刻是t₁、t₃、t₅。因此，当ψ_α和ψ_β变成‘0’的时刻之间的最小时间间隔T₀是t_n-t_(n-1)。

最后，在操作S414中，基于从计时器224输出的T₀以及公式3，速度计算单元220中的速度确定器222根据ψ_α和ψ_β确定BLDC电机100的角速度。

参照其它BLDC电机的速度控制装置，本发明实施例的BLDC电机速度控制装置和方法在结构上是能够得到简化的，在不使用速度传感器及其驱动器的情况下，能够确定和控制BLDC电机的速度。

尽管我们描述了本发明的几个实施例，但本领域的技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行修改。

Claims (21)

1.一种无刷直流(BLDC)电机的速度控制装置，包括：

速度确定单元，确定三相BLDC电机驱动电流各相的磁通，测量被确定磁通变化的周期，并且确定BLDC电机的速度；

减法器，将输入的参考速度和从速度确定单元输出的经确定的速度相减，并且输出误差速度；

速度控制器，输出相应于从减法器输出的误差速度的参考电流；

电流控制器，基于从速度控制器输出的参考电流，来输出切换控制信号；

逆变器，基于从电流控制器输出的切换控制信号，使用可变频电流来驱动BLDC电机。

2.如权利要求1所述的装置，其中速度确定单元包括：

磁通确定单元，基于相应于BLDC电机各相绕组的感生电压和电流，确定磁通；

速度计算单元，测量从磁通确定单元输出的各相磁通的具体周期，并且确定BLDC电机的速度。

3.如权利要求2所述的装置，其中磁通确定单元包括：

电流检测器，检测相应于驱动BLDC电机的电流的各相的感生电压和电流；

相位转换器，将各相的感生电压和电流转换为第一和第二换相后的感生电压和电流；

磁通确定器，基于从相位转换器输出的第一和第二被换相的感生电压和电流，确定磁通。

4.如权利要求3所述的装置，其中：

相位转换器使用如下公式将BLDC电机的三相转换为两相：

V_α＝V_a

$V_{\mathrm{\β}}=\frac{{2V}_b+V_a}{\sqrt{3}}$

I_α＝I_a

$I_{\mathrm{\β}}=\frac{{2I}_b+I_a}{\sqrt{3}}$

式中，V_α和V_β分别表示相应于第一和第二换相后的感生电压，I_α和I_β分别表示相应于第一和第二换相后的感生电流，V_a和V_b分别表示BLDC电机三相中的两相中的感生电压，I_a和I_b分别表示电机三相中的两相中的感生电流。

5.如权利要求3所述的装置，其中

磁通确定器使用如下公式确定关于第一和第二换相后的磁通：

ψ_α＝∫(V_α-R_sI_α)dt

ψ_β＝∫(V_β-R_sI_β)dt

式中，ψ_α表示第一被换相后的磁通，ψ_β表示第二换相后的磁通，V_α表示第一换相后的感生电压，V_β表示第二换相后的感生电压，R_s表示电机的绕组电阻，I_α表示第一换相后的感生电流，I_β表示第二换相后的感生电流。

6.如权利要求5所述的装置，其中速度计算单元包括：

计时器，它测量从磁通确定器输出的第一和第二换相后的磁通变成预定值的周期；

速度确定器，基于从计时器输出的周期，它确定BLDC电机的旋转速度。

7.如权利要求6所述的装置，其中：

速度确定器测量第一和第二换相后的磁通两者变为‘0’的时间间隔。

8.如权利要求7所述的装置，其中速度确定器使用如下公式确定速度：

式中，T₀表示第一和第二换相后的磁通两者变成‘0’的时间间隔，ω表示BLDC电机的角速度。

9.一种无刷直流(BLDC)电机的速度控制方法，包括：

基于驱动BLDC电机的电流的各相磁通值变为某个特定值的周期，确定BLDC电机的速度；

基于输入参考速度和已确定的速度，确定误差速度；

输出一个相应于已确定误差速度的参考电流；

基于输出的参考电流，输出切换控制信号以驱动电机；以及

基于切换控制信号，使用可变频电流来驱动电机。

10.如权利要求9所描述的方法，其中基于驱动BLDC电机的电流各相的磁通值变成特定值的周期来确定BLDC电机的速度包括：

确定相应于驱动BLDC电机的电流的各相磁通；

基于被确定磁通两者分别变成‘0’的时间间隔来确定BLDC电机的速度。

11.如权利要求10所描述的方法，其中确定相应于驱动BLDC电机的电流各相磁通包括：

确定感生于BLDC电机三相中两相的电压和电流；

将经确定的、该感生于两相中的电压和电流转换为第一和第二换相后的电压和电流；

确定第一和第二换相后的磁通。

12.如权利要求11所描述的方法，其中：

使用如下公式将经确定的、该感生于两相中的电压和电流转换为第一和第二换相后的电压和电流：

V_α＝V_a

$V_{\mathrm{\β}}=\frac{{2V}_b+V_a}{\sqrt{3}}$

I_α＝I_a

$I_{\mathrm{\β}}=\frac{{2I}_b+I_a}{\sqrt{3}}$

式中，V_α和V_β分别表示相应于两换相后的感生电压，I_α和I_β分别表示相应于两换相后的感生电流，V_a和V_b分别表示感生于BLDC电机三相中两相的电压，I_a和I_b分别表示感生于电机三相中两相的电流。

13.如权利要求12所描述的方法，其中：

使用如下公式来确定第一和第二换相后的磁通：

ψ_α＝∫(V_α-R_sI_α)dt

ψ_β＝∫(V_β-R_sI_β)dt

式中，ψ_α表示第一换相后的磁通，ψ_β表示第二换相后的磁通，V_α表示第一换相后的感生电压，V_β表示第二换相后的感生电压，R_s表示电机的绕组电阻，I_α表示第一换相后的感生电流，I_β表示第二换相后的感生电流。

14.如权利要求13所描述的方法，其中：

使用如下公式确定BLDC电机的速度：

式中，T₀表示两换相后的磁通分别变成‘0’的时间间隔，ω表示BLDC电机的角速度。

15.一种无刷直流(BLDC)电机速度控制装置的速度确定单元，包括：

磁通确定单元，基于相应于BLDC电机三相中两相的绕组感生电压和电流，确定磁通；

速度计算单元，确定从磁通确定单元输出的各相磁通的具体周期，并计算BLDC电机的速度。

16.如权利要求15所描述的装置，其中磁通确定单元包括：

电流检测器，检测相应于驱动BLDC电机的电流三相中两相的感生电压和电流；

相位转换器，将两相感生电压和电流转换为第一和第二换相后的感生电压和电流；

磁通确定器，基于从相位转换器输出的第一和第二换相后的感生电压和电流，确定第一和第二换相后的磁通。

17.如权利要求16所描述的装置，其中速度计算单元包括：

计时器，确定当第一换相后的磁通变成特定值的时刻和第二换相后的磁通变成特定值的时刻之间的周期；

速度确定器，基于计时器所确定的周期，确定电机的旋转速度。

18.如权利要求17所描述的装置，其中该特定值是‘0’。

19.一种无刷直流(BLDC)电机速度控制装置的速度确定单元，包括：

电流检测器，检测相应于BLDC电机驱动电流三相中两相的感生电压和电流；

相位转换器，将三相中两相的感生电压和电流转换为第一和第二换相后的感生电压和电流；

磁通确定器，基于从相位转换器输出的第一和第二换相后的感生电压和电流，确定第一和第二换相后的磁通；

计时器，确定当第一换相后的磁通变成特定值的时刻和当第二换相后的磁通变成特定值的时刻之间的周期；

速度确定器，基于计时器所确定的周期，确定电机的旋转速度。

20.如权利要求19所描述的装置，其中该特定值为‘0’。

21.一种无刷直流(BLDC)电机速度控制装置的速度确定单元，其中：

在不使用速度传感器和速度传感器驱动器的情况下，速度确定装置确定和控制BLDC电机的速度。

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