CN1822489A - 利用磁极位置检测器的驱动多相电动机的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种电动机驱动装置，包括：电机驱动器，包括多个串联电路并联连接的并联电路，多个串联电路中的每个具有串联的高侧和低侧开关器件；电压检测器，检测第一周期内在多相电动机中点的电压，将测出的电压作为第一检测信号输出，第一周期与并联电路中所有高侧开关器件或/和低侧开关器件都处于导通状态的周期相同或部分相同；定时检测器，检测第一检测信号的电压等于参考电压的时刻，并将测出的时刻作为第二检测信号输出；周期性信号产生器，产生相位基于第二检测信号受控制的周期性信号；驱动信号产生器，利用周期性信号产生多个驱动信号，各驱动信号驱动并联电路中高侧和低侧开关器件之一。

Description

利用磁极位置检测器的驱动多相电动机的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种驱动多相电动机装置和方法，特别是涉及一种通过检测多相电动机的中性点(后面称作中点)电压等于参考电压的时刻，检测磁极位置的检测器，一种包括所述检测器的电动机驱动装置，和一种利用检测器驱动多相电动机的方法。

背景技术

现今无电刷电动机一般用作硬盘、光盘等的主轴电动机，用作空气调节器的风扇电动机，和用作空气调节器的压缩器的驱动电动机。为达到宽范围内可变速度控制和减少功率消耗的目的，无电刷电动机一般通过倒相器利用脉冲宽度调制(称作“PWM”)来驱动。在这种具有例如三相绕组的无电刷电动机中，通常有位置传感器，例如以电气角度为120度间隔安排的霍尔元件，各用来检测转子(磁体)的磁极位置即转子的旋转位置。在无电刷电动机中，构成倒相器的开关器件基于从各位置传感器输出的表征转子旋转位置的信号，以基本正弦波驱动无电刷电动机。

在此期间，开发了多种不使用任何位置传感器的无传感器驱动技术，以降低成本和缩小体积。作为一种为实现这种无传感器驱动方法的示例，有一种方法是以120度导通或宽角度(小于180度)导通，检测在非导通周期期间产生的感应电压的过零点。例如，日本专利公报NO.2000-253692披露使用取样保持电路检测多相电动机的各相在非导通周期产生的感应电压。

下面将用图29和30简要地描述专利公报NO.2000-253692中所描述的发明。图29示出常规电动机驱动装置的完整配置。常规电动机驱动装置201包括电源202、被控制的三相电动机203、电动机驱动器204、电流驱动器205、磁极位置检测器206、导通控制器207、PWM信号产生器208和控制器209。

由三相桥组成的电动机驱动器204根据从导通控制器207发送来的导通控制信号切换，以将由电源202提供的电源提供至三相电动机203的三相绕组Lu、Lv、Lw的每一绕组。连接在电动机驱动器204和地之间的电流检测器205检测流经整个电动机驱动器204的电流，并将检测结果作为电流检测信号输出至PWM信号产生器208。PWM信号产生器208基于电流检测信号和控制器209发送来的控制信号，产生PWM信号Pm，并将PWM信号Pm输出至导通控制器207。因此，三相电动机203是以PWM驱动的。磁极位置检测器203通过取样和保持三相电动机203的中点电压Vc和三相电动机203的三相末端电压Vu、Vv、Vw，检测三相电动机203的磁极位置。然后，磁极位置检测器对通过取样保持中点电压Vc得到的信号和通过取样保持各末端电压得到的信号进行比较，以检测转子的磁极位置，并将检测结果作为位置检测信号输出至导通控制器207。导通控制器207基于位置检测信号产生导通控制信号，用于三相电动机203的无传感器驱动。

磁极位置检测器206包括电阻301A至301D、开关302A至302D、电容303A和303B、比较器305和开关选择器306。图30示出磁极位置检测器206各部件的工作时序图。开关选择器306基于来自导通控制器207输出的导通控制信号，在除开关302D以外的三个开关302A一302C中选择一个接通了的开关，从而在用来检测磁极位置的三相末端电压Vu、Vv、Vw中选择一个末端电压。所选的末端电压对应于处于非导通状态的那一相。基于PWM信号对所选的末端电压进行取样和保持。在取样保持操作中，取样是在PWM信号的导通期间进行的，而保持则在PWM信号的截止期间进行(参考图10)。由电阻和电容组成的低通滤波器(LPF)去除取样和保持电压波形中的阶梯差。电容器35检测各相绕组Lu、Lv、Lw上的感应电压的过零点。

但是，常规电动机驱动装置存在下面一些问题。如日本专利公报NO.2000-253692中所述，常规电动机驱动装置要求在U相、V相和W相各相中存在非导通周期，以检测三相电动机203的磁极位置。这个非导通周期的存在，在三相之间的电导通切换时刻产生振动引起声学的噪声。

另外，磁极位置检测器206需要用于取样和保持各末端电压和中点电压的开关和电容，并且还需要用于选择中点电压Vc和三相末端电压Vu、Vv、Vw之一的开关选择器306，以便检测转子的磁极位置。因此，磁极位置检测器206的电路体积变大，并且还需要一些外部元件例如多元电容器，导致电动机驱动装置201的成本增加。

发明内容

因此本发明的一个目的是提供一种简单配置的磁极位置检测器用来检测转子的磁极位置，而不需要各相存在非导通周期，电动机驱动装置能通过磁极位置检测器用基本正弦波进行无传感器驱动，以及提供一种电动机驱动方法，其能减少振动和声学噪声，以解决上面提出的问题。

根据本发明的驱动多相电动机的电动机驱动装置包括：

电动机驱动器，其包括由多个串联电路并联连接的并联电路，多个串联电路中每个串联电路具有串行连接的高侧开关器件和低侧器件；

电压检测器，其在第一周期中检测在多相电动机的中点的电压，并将所测出的电压作为第一检测信号输出，第一周期与并联电路中所有高侧开关器件和低侧开关器件都处于导通状态的周期相同或部分相同；

第一定时检测器，其检测第一检测信号的电压等于参考电压的时刻，并将所测出的时刻作为第二检测信号输出；

周期性信号产生器，其产生周期性信号，该信号的相位基于第二检测信号而被控制；和

驱动信号产生器，其利用周期性信号产生多个驱动信号，每个驱动信号驱动并联电路中高侧和低侧开关器件中的一个。

根据这种电动机驱动装置，能用简单的配置实现对转子磁极位置进行检测而不需要非导通周期，由此能使基本正弦波无传感器驱动减小因非导通周期的存在而引起的振动和声学噪声。还有，根据本发明的电动机驱动装置，由于用简单配置实现转子磁极位置的检测，相比于常规电动机驱动装置制造成本降低。

本发明驱动多相电动机的方法，所述多相电动机包括：电动机驱动器，其包括多个串联电路并联连接的并联电路，多个串联电路各具有串行连接的高侧开关器件和低侧开关器件，所述方法包括步骤：

检测一个周期中在多相电动机的中点的电压，并将所测出的电压作为第一检测信号输出，该周期与并联电路中所有高侧开关器件和低侧开关器件都处于导通状态的周期相同或部分相同；

检测第一检测信号的电压等于参考电压的时刻，并将所测出的时刻作为第二检测信号输出；

产生周期性信号，其相位基于第二检测信号而被控制；和

利用周期性信号，产生多个驱动信号，每一个驱动信号驱动并联电路的高侧和低侧开关器件中的相应一个。

根据本发明的驱动方法，因为对于转子的磁极位置的检测，非导通周期不是必需的，所以减小了因非导通周期的存在而引起的振动和声学噪声。

一种磁极位置检测器，其通过检测在多相电动机的中点的电压等于参考电压的时刻，检测本发明多相电动机的磁极位置，磁极位置检测器包括：

电动机驱动器，其包括多个串联电路并联连接的并联电路，多个串联电路中的每一个具有串行连接的高侧开关器件和低侧开关器件；

电压检测器，其检测一个周期中多相电动机的中点电压，并将所测出的电压作为检测信号输出，该周期与并联电路中所有高侧开关器件和低侧开关器件都处于导通状态的周期相同或部分相同；和

定时检测器，其检测当检测信号的电压等于参考电压时的时刻。

根据本发明的磁极位置检测器，能用简单的配置实现不需要非导通周期的转子磁极位置的检测。

附图说明

本发明的其他目的和优点，通过对优选实施方式所做的详细描述将变得很清楚，参考附图能更好地了解这些实施方式。

图1是根据本发明实施方式1的电动机驱动装置的完整配置示例电路图；

图2是用电动机驱动装置1驱动电动机2的方法流程图；

图3是说明驱动信号产生器8操作的时序图；

图4是三相命令电压sinU、sinV、sinW、三角波信号Vtri、电动机2的中点电压Vc和取样保持信号SH1之间关系的一个示例的时序图；

图5是产生图4所示取样保持信号SH1的取样保持信号产生器12的特定配置示例的电路图；

图6是图5所示的取样保持信号产生器12的操作时序图；

图7是电动机驱动装置1的配置示例方框图，这里取样保持信号产生器12的操作由转矩命令信号EC控制；

图8是图7所示取样保持信号产生器12的配置示例电路图；

图9是图1所示位置检测器6各部件的工作时序图；

图10是说明U相感应电压Eu、取样保持输出信号VcSH1和位置检测信号FG之间关系的波形图；

图11是在电动机2的中点电压Vc被放大的情况下位置检测器6的配置示例电路图；

图12是在取样保持输出信号VcSH1被放大的情况下位置检测器6的配置示例电路图；

图13是位置检测器6的配置示例电路图，这里，可通过检测取样保持输出信号VcSH1的速度变化，来检测各相感应电压在预定相位度数间隔上的位置；

图14是采用空转检测的电动机驱动装置的配置示例方框图；

图15是驱动信号产生器8的特定配置示例的方框图；

图16是第一开关控制信号CH1和第二开关控制信号CH2的时序图；

图17是采用空转检测方式从强迫换向起动，进至无传感器驱动的电动机驱动方法的流程图；

图18是命令电压产生器7配置的修改示例方框图；

图19是根据本发明实施方式2的电动机驱动装置1的完整配置电路图；

图20是图19所示取样保持信号产生器12的特定配置的示例电路图；

图21是取样保持信号产生器12各个部件的工作时序图的一个示例；

图22是位置检测器6各个部件的工作时序图；

图23是根据本发明实施方式3的电动机驱动装置的完整配置电路图；

图24是图23所示取样保持信号产生器12的特定配置方框图；

图25是取样保持信号产生器12各个部件的工作时序图；

图26是在第一延迟时间S1和第二延迟时间S2可根据转矩命令信号EC而变的情况下，电动机驱动装置71的配置示例电路图；

图27是图26所示取样保持信号产生器12的配置示例电路图；

图28是利用电流PWM电动机驱动装置的配置示例电路图；

图29是常规电动机驱动装置的完整配置图；和

图30是图29所示的磁极位置检测器的各个部件的工作时序图。

具体实施方式

下面将参考附图详细地描述本发明的主要实施方式，在不同附图中，以相同的参考号码指示相对应的部件。

(实施方式1)

一种根据本发明实施方式1的电动机驱动装置驱动三相电动机。电动机驱动装置包括由三个串联电路并联连接的并联电路。三个串联电路各包括串行连接的高侧开关器件和低侧开关器件。电动机驱动装置通过检测三相电动机的三相绕组每一相所产生的感应电压的相位，检测转子的磁极位置。为了检测相应于每一相的感应电压，电动机驱动装置在与并联电路中的高侧所有晶体管或/和低侧所有晶体管都处于导通状态的周期相同或部分相同的预定周期中，对在三相电动机的中点的电压取样，并产生一个中点电压信号作为取样的结果。然后，电动机驱动装置检测中点电压信号的电压等于预定电压(例如在中点电压信号的过零点或峰值位置的电压)的时刻，并且产生一个电压定时信号作为检测结果。这里，中点电压信号相应于三相电动机每相绕组上产生的感应电压中包含的第三次谐波分量。因此，基于电压定时信号能够检测出每相绕组产生的感应电压的相位。通常，当流经每相绕组的电流的相位等于相对应的相绕组上产生的感应电压的相位时，电动机得到最有效的驱动。因此，当三相电动机被施加U相、V相和W相的电流使得每一相的电流的相位等于同一相的感应电压的相位时，三相电动机被有效地驱动。

下面将参考图1-10描述根据本发明实施方式1的电动机驱动装置和电动机驱动方法。图1示出根据实施方式1的电动机驱动装置的完整配置示例电路。实施方式1的电动机驱动装置1驱动电动机2。如图1所示，电动机驱动装置1包括电源3、电动机驱动器4、电流检测器5、电动机2的磁极位置检测器(此后称作“位置检测器”)6、命令电压产生器7、驱动信号产生器8、控制器9、差分放大器10、三角波产生器11和取样保持信号产生器12。位置检测器6包括取样保持电路31、低通滤波器(此后称作“LPF”)32，比较器33和电压Vr的直流电源。取样保持电路31包括开关34和电容器35。电流检测器5、控制器9、差分放大器10、三角波产生器11、取样保持信号产生器12、取样保持电路31和低通滤波器32构成电压检测器。取样保持信号产生器12和取样保持电路31构成取样保持单元。比较器33构成第一定时检测器。另外，三角波产生器11构成载波产生器。

将被控制的电动机2由一个具有永久磁体的场磁体(未示)的转子和一个其中三相绕组Lu、Lv、Lw以Y形连接的定子组成。电动机驱动器4安排在提供数值为VM的电源电压的电源3和地之间。电动机驱动器4具有由功率晶体管21至26组成的三相桥。每个功率晶体管21至26基于从驱动信号产生器8输出的驱动信号UU、UL、VU、VL、WU、WL(此后简称为“UU等等”)中的一个信号电平进行开关操作。功率晶体管21至26将电源3的电源提供给电动机2的每相绕组Lu、Lv、Lw。电流检测器5检测流经整个电动机驱动器4的电流值，并将检测结果作为电流检测信号CS输出至差分放大器10。控制器9输出转矩命令信号EC，由该信号确定施加至电动机2的转矩。差分放大器10放大流经电动机驱动器4的由转矩命令信号EC导出的电流值与由电流检测信号CS指示的电流值之间的差，并将放大了的差作为被放大的信号Va输出至命令电压产生器7和取样保持信号产生器12。命令电压产生器7基于从位置检测器6发送来的位置检测信号FG产生正弦波三相电压sinU、sinV、sinW(也称“三相命令电压sinU、sinV、sinW”)，并将它们输出至驱动信号产生器8。三相命令电压sinU、sinV、sinW的幅度各由被放大的信号Va进行控制。驱动信号产生器8用从三角波产生器11发送来的三角波信号Vtri对三相命令电压sinU、sinV、sinW进行脉冲宽度调制，利用经脉冲宽度调制所得的驱动信号对各个功率晶体管21至26进行PWM驱动。

被放大的信号Va和三角波信号Vtri被发送至取样保持信号产生器12。取样保持信号产生器12产生定时脉冲，该定时脉冲指示构成电动机驱动器4下侧支路的所有相功率晶体管24至26都处于导通状态周期，并将这个定时脉冲输出至位置检测器6作为取样保持信号SH1。位置检测器6基于取样保持信号SH1的信号电平对电动机2的中点电压Vc进行取样和保持，以检测转子的磁极位置，也就是检测在每一相产生的感应电压的相位。然后，位置检测器6将检测的结果作为位置检测信号FG输出至命令电压产生器7。在如上配置的电动机驱动装置1中，位置检测器6检测转子的磁极位置，命令电压产生器7产生与所测出的磁极位置相应的正弦波三相命令电压，驱动信号产生器8利用三相命令电压产生驱动信号，由此对电动机驱动器4进行PWM无传感器驱动。

图2示出用电动机驱动装置1驱动电动机2的方法流程。如图2所示，首先，电流检测器5检测流经整个电动机驱动器4的电流值(步骤S1)。差分放大器10放大测出的电流值与从转矩命令信号EC得出的目标电流值之间的差，并产生放大的信号Va(步骤S2)。取样保持信号产生器12根据被放大的信号Va和三角波信号Vtri产生取样保持信号SH1，并将取样保持信号SH1输出至位置检测器6(步骤S3)。位置检测器6基于取样保持信号SH1的信号电平通过取样和保持中点电压Vc产生取样保持输出信号VcSH1(步骤S4)。此后，LPF 32只提取取样保持输出信号VcSH1的预定频带，对其进行平滑，并输出平滑的结果作为信号VcSH2(步骤S5)。然后，比较器33对信号VcSH2的电压和参考电压Vr进行比较，根据比较的结果产生信号电平变化的位置检测信号FG，并将位置检测信号FG输出至命令电压产生器7(步骤S6)。命令电压产生器7产生三相命令电压的各相命令电压，命令电压的相位随位置检测信号FG而变化，幅度随放大的信号Va而变化，并将命令电压输出至驱动信号产生器8(步骤S7)。接着，驱动信号产生器8用三角波信号Vtri对每相命令电压进行脉冲宽度调制，产生并向电动机驱动器4输出驱动信号UU等等(步骤S8)。基于相应的驱动信号UU等，接通/断开每个功率晶体管21至26，使预定的电流流至每相绕组(步骤S9)。当电动机驱动装置1驱动电动机2时，处理再返回到步骤S1，其后，执行如上所述操作步骤2-9。

下面将详细描述根据实施方式1的电动机驱动装置每个部件的工作。电动机驱动器4由形成桥式连接的六个功率晶体管21至26和六个功率二极管d21至d26组成，每个二极管背对背地连接至相应的功率晶体管21至26。在这一电动机驱动器4中，两个功率晶体管21和24串联连接，绕组Lu的一端连接至这两个功率晶体管21和24的连接点上。同样地，两个功率晶体管22和25串联连接，绕组Lv一端连接至这两个功率晶体管22和25的连接点上。还有，功率晶体管23和26串联连接，绕组Lw的一端连接至功率晶体管23和26的连接点上。每个功率晶体管21至26基于从驱动信号产生器8输出的相应的驱动信号UU等的信号电平，进行接通/断开的开关操作，从电源3向电动机2的每相绕组Lu、Lv、Lw提供电源。通过功率晶体管21至26的接通/断开，对电动机2进行PWM驱动。

电动机驱动器4可以具有两种配置，一种是其中每一功率晶体管21至26都是N沟道场效应晶体管，另一种是其中构成上侧支路的每一功率晶体管21至23和构成下侧支路的每一功率晶体管24至26分别是N沟道场效应晶体管和P沟道场效应晶体管。另外，电动机驱动器4可以由双极结晶体管(BJT)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)组成，而不是用场效应晶体管。此外，功率二极管d21至d26可用功率晶体管21至26结构上存在的寄生二极管代替。

电流检测器5安排在电动机驱动器4和地之间。例如，电流检测器5由检测电流的电阻和LPF组成。如上所述的结构，电流检测器5能检测流经电动机驱动器4的平均电流形成D.C电压。控制器9输出转矩命令信号EC。对控制器9的配置没有限制，因此，控制器9可以由微机或硬件组成。差分放大器10放大电流检测信号CS的电压与转矩命令信号EC的电压的差，将放大了的电压输出至命令电压产生器7作为被放大的信号Va。差分放大器10也将被放大的信号Va输出至取样保持信号产生器12。下面，将描述有关取样保持信号产生器12的详细操作。

命令电压产生器7基于从位置检测器6发送来的位置检测信号FG产生三相命令电压sinU、sinV、sinW。下面，将描述有关位置检测器6的详细操作。三相命令电压sinU、sinV、sinW的每一相(它们之间存在120度的相位差)具有180度电导通图案的波形。就电动机驱动装置1而言，三相命令电压sinU、sinV、sinW每个都具有正弦波的波形。具体地说，命令电压产生器7检测源自位置检测信号FG的三相感应电压的每一相的过零点，从而检测感应电压的0度相位和180度相位。过零点是以三相感应电压的一相的60度相位为间隔进行检测的。然后，命令电压产生器7产生三相命令电压sinU、sinV、sinW，使流经三相绕组的每一绕组的电流相位等于相应的感应电压的相位。从位置检测信号FG产生三相命令电压的方法的一个例子是测量位置检测信号FG的周期，基于测量结果获得角度信息，并输出与角度信息对应的电压值。具体地说，命令电压产生器7根据位置检测信号FG的脉冲周期T和在一个周期中每一感应电压Eu、Ev、Ew的相位变化量(图10中为120度)，计算为使三相感应电压Eu、Ev、Ew的每相相位变化1度所需要的时间(图10中为T/120)。然后，利用位置检测信号FG的信号电平从高(H)至低(L)的变化时刻和上述计算中导出的时间(T/120)，命令电压产生器7产生并输出每相命令电压sinU、sinV、sinW，它在相位上与对应相感应电压Eu、Ev、Ew的相位相同，所以流经每相绕组的电流Iu、Iv、Iw在相位上与对应相感应电压Eu、Ev、Ew的相位相同。(也就是说，相命令电压sinU、sinV、sinW分别对应于感应电压Eu、Ev、Ew，电流Iu、Iv、Iw分别对应于感应电压Eu、Ev、Ew。)这里，位置检测信号FG的信号电平从高(H)至低(L)的变化点，等于信号VcSH10度相位所对应的过零点。另外，考虑到流经每相绕组的电流Iu、Iv、Iw的相位滞后于相应的相命令电压sinU、sinV、sinW的相位，所以每一相命令电压sinU、sinV、sinW的相位产生时，可使其事先移动一个预定量。正弦波信号不限于完全正弦波的波形，也包括基本正弦波的波形。产生三相命令电压的方法不限于上述方法，而只需要是基于位置检测信号FG产生三相命令电压的方法。三相命令电压sinU、sinV、sinW的幅度受放大的信号Va控制。如果放大的信号Va大的话(也就是说，转矩命令信号EC与电流检测信号CS的差大)，则命令电压sinU、sinV、sinW的幅度就大，如果被放大的信号Va小(也就是说，转矩命令信号EC与电流检测信号CS之差小)，幅度就变小。用这种方法产生的三相命令电压sinU、sinV、sinW被发送至驱动信号产生器8。

驱动信号产生器8利用从三角波产生器11发送来的三角波信号Vtri，对三相命令电压sinU、sinV、sinW进行脉冲宽度调制，产生以PWM驱动各个功率晶体管21至26的驱动信号UU等，并将它们输出至电动机驱动器4。

图3示出说明驱动信号产生器8操作的时序图(仅U相)。在图3中，示出命令电压产生器7产生的U相命令电压sinU与三角波产生器11产生的三角波信号Vtri之间的关系，U相上侧的驱动信号UU是在U相命令电压sinU受脉冲宽度调制时产生的，U相下侧驱动信号UL是在U相命令电压sinU受脉冲宽度调制时产生。由命令电压产生器7产生的U相命令电压sinU由三角波信号Vtri进行PWM。经PWM产生的U相上侧驱动信号UU和U相下侧驱动信号UL，是分别控制U相上侧功率晶体管21栅极和U相下侧功率晶体管24栅极的信号。如果U命令电压sinU大于三角波信号Vtri的电压，则U相上侧驱动信号UU变成“H”电平，U相下侧驱动信号UL变成“L”电平，因此U相上侧功率晶体管21接通而U相下侧功率晶体管24断开。另一方面，如果U相命令电压sinU小于三角波信号Vtri的电压，则U相下侧驱动信号UL变成“H”电平，U相上侧驱动信号UU变成“L”电平，因此U相下侧功率晶体管24接通而U相上侧功率晶体管21断开。如上所述，在根据实施方式1的电动机驱动装置1中，命令电压产生器7产生三相命令电压的各相正弦波电压，驱动信号产生器8对三相命令电压的各相进行PWM以获得驱动信号，电动机驱动器4的各个功率晶体管21至26由各驱动信号以PWM进行驱动。因此，电动机2能用基本正弦波驱动。从命令电压产生器7输出的三相命令电压sinU、sinV、sinW的频率约为几Hz至1kHz，三角波信号Vtri的频率约为20kHz至100kHz。

下面将详细描述取样保持信号产生器12。取样保持信号产生器12产生定时脉冲指示构成电动机驱动器4下侧支路的所有功率晶体管24至26处于导通状态的周期，并将其作为取样保持信号SH1输出至位置检测器6。首先，将参考图4说明取样保持信号SH1。

图4示出电动机2的三相命令电压sinU、sinV、sinW、三角波信号Vtri、中点电压Vc与取样保持信号SH1之间关系的示例时序图。在图4中，示出三相命令电压sinU、sinV、sinW和三角波信号Vtri，中点电压Vc以及取样保持信号SH1。如上所述，电动机驱动器4的每一功率晶体管21和26根据三角波信号Vtri对每相命令电压sinU、sinV、sinW作脉冲宽度调制而得的相应驱动信号，进行开关操作。因此，电动机2的中点电压Vc具有如图4所示的阶梯形状的波形。图4所示的周期X是构成电动机2下侧支路的所有晶体管24至26处于导通状态的周期。在这一周期中，电动机2的中点电压Vc基本上变成地电压电平(也就是说，电压值为0)。图4所示的周期Y是构成电动机驱动器4上侧支路的所有晶体管21至23处于导通状态的周期。在这个周期中，电动机2的中点电压Vc基本上等于电源3的电压值VM。图4中所示的取样保持信号SH1是在周期Z期间变成“H”电平的信号，周期Z是晶体管24至26都处于导通周期X去除周期X的开始和结束时的周期X1和X2的结果。电动机2中点电压Vc的取样和保持操作是由位置检测器6利用这个取样保持信号SH1执行的。在图4中，在进行中点电压Vc的取样和保持操作中，包含在周期X中的周期X1和X2被除去，以使位置检测器6能消除中点电压Vc电压变化时产生的声学噪声。

图5示出用于产生图4所示取样保持信号SH1的取样保持信号产生器12特定配置的示例电路。取样保持信号产生器12包括加法器41、添加电压设置器42和比较器43。如上所述，被放大的信号Va和三角波信号Vtri输出至取样保持信号产生器12。加法器41将添加电压设置器42所设定的添加电压Vx和控制三相命令电压sinU、sinV、sinW幅度的放大的信号Va的电压相加。加法器41的输出电压Vref发送至用作比较器43一个输入端的倒相输入端，三角波信号Vtri发送至另一输入端，也就是非倒相输入端。比较器43将三角波信号Vtri的电压与电压Vref进行比较，并将比较结果作为取样保持信号SH1输出至位置检测器6。

图6示出图5所示的取样保持信号产生器12的操作流程。在图6中，示出有关U相命令电压sinU、三角波信号Vtri、放大的信号Va、加法器42的输出电压Vref和取样保持信号SH1之间的关系。如上所述，在从所有功率晶体管24-26都处于导通状态的周期X中去除周期X1和X2的期间，也就是说，在三角波信号Vtri的电压变成大于三相命令电压sinU、sinV、sinW的每一电压的期间，取样保持信号SH1为H电平。这里假定每一相命令电压的幅度值等于放大的信号Va的电压值VaO，如果电压Vref的值设定为VaO，当三角波信号Vtri的电压大于电压Vref时，也就是说当三角波信号Vtri的电压大于每一相命令电压sinU、sinV、sinW时，取样保持信号SH1变成H电平。另外，如果电压Vref的值能设置在大于VaO和小于三角波信号Vtri电压的最大值范围内时，则周期X1和X2以及从周期X中去除周期X1和X2所得到的周期Z就能任意设定在预定的范围内。也就是说，添加电压Vx用作这样的电压，即与三角波信号Vtri电压相比较，电压Vref的值应设置得比VaO大多少。

当取样保持信号产生器12如上述配置时，被检测的是构成电动机驱动器4下侧支路的所有相功率晶体管24至26都处于导通状态的周期(参考图4所示的周期Z)。图4所示的周期X1和X2能通过控制由添加电压设置器42设置的添加电压Vx进行设置。在这种情况下，周期X1和X2是相同的。

另外，由添加电压设置器42设置的添加电压Vx可根据转矩命令信号EC而变化。图7示出这种情况下的电动机驱动装置1配置示例方框图。图8示出图7所示取样保持信号产生器12的配置的示例电路。如图7和8所示，转矩命令信号EC发送至取样保持信号产生器12的添加电压设置器42。当转矩命令信号EC的电压小时，添加电压设置器42设置小的电压Vx，使电压Vref变小，当转矩命令信号EC的电压大时，设置大的电压Vx，使电压Vref变大。取样保持信号产生器12只需要有产生指示所有功率晶体管24至26都处于导通状态的周期的定时脉冲的配置，但不限于上述配置。因此，取样保持信号产生器12可用多种方式修改，这些修改的配置无疑都在本发明范围之内。

下面将对位置检测器6进行描述。位置检测器6基于取样保持信号SH1的信号电平对电动机2的中点电压Vc进行取样和保持，以检测转子的磁极位置。下面将说明位置检测器6的详细操作。图9示出位置检测器6每个部件工作的时序图。在图9中，示出电动机2的中点电压Vc、取样保持信号SH1、作为取样保持电路31的输出信号的取样保持输出信号VcSH1和LPF 32的输出信号VcSH2之间的关系。与图4所示的中点电压Vc波形相比，图9所示的中点电压Vc波形特别表明了地电压附近的细节，开关34基于取样保持信号SH1的信号电平打开和闭合。当取样保持信号SH1的信号电平为1电平时，开关34闭合引起电气短路，于是电动机2的中点电压Vc由电容35检测(取样操作)。此后，当取样保持信号SH1的信号电平为L电平时，开关34打开成为开路状态，于是取样的电压由电容35保持(保持操作)。因此取样保持电路31基于取样保持信号SH1的信号电平对中点电压Vc进行取样和保持操作，并将取样保持的结果作为取样保持输出信号VcSH1输出。取样保持输出信号VcSH1发送至LPF 32。LPF 32去除取样保持输出信号VcSH1中的阶梯差别以使信号VcSH1平滑，并将已去除阶梯差别的信号VcSH2输出至比较器33。

在所有功率晶体管24至26都处于导通状态的周期中，对电动机2的中点电压Vc进行取样和保持所得的取样保持输出信号VcSH1电压，由于下面给出的理由，是叠加了各相感应电压所含有的第3N(“N”是正整数)次谐波分量的电压。下面将描述为什么要从电动机2的中点电压Vc检测包含在各相感应电压中的第3N次谐波分量的理由。设定三相绕组Lu、Lv、Lw的绕线电阻都相同为R(Ω)，它们的电感也都相同为L(mH)，从电动机驱动器4侧流向电动机2侧的电流为Iu、Iv、Iw(A)，以及三相感应电压为Eu、Ev、Ew(V)，则末端电压Vu、Vv、Vw和电动机2的中点电压Vc之间的关系表示为下面等式(1)：

Vu-Vc＝R·Iu+L·dIu/dt+Eu；

Vv-Vc＝R·Iv+L·dIv/dt+Ev；

Vw-Vc＝R·Iw+L·dIw/dt+Ew.                      (1)

由于从克希霍夫定律已知Iu+Iv+Iw＝0，所以等式(1)能修改为等式(2)：

Vu+Vv+Vw-3·Vc＝Eu+Ev+Ew.                  (2)

由于在电动机驱动装置1中，电动机2的中点电压Vc是在构成电动机驱动器4下侧支路的所有相功率晶体管24至26都处于导通状态的周期中被取样和保持，假定功率晶体管24至26具有相同的Ron(Ω)，则下面的等式(3)成立：

Vu＝-Ron·Iu；

Vv＝-Ron·Iv；

Vw＝-Ron·Iw.                              (3)

根据克希霍夫定律等式(3)可以改变为等式(4)

Vu+Vv+Vw＝0.                               (4)

这里，可以从等式(2)和(4)推导出等式(5)

-3·Vc＝Eu+Ev+Ew.                          (5)

进一步，假定谐波分量叠加在每一感应电压Eu、Ev、Ew中，如等式(6)所示：

Eu＝A·sinθ+A·B·sin2θ+A·C·sin3θ+A·D·sin4θ+A·E·sin5θ+A·F·sin6θ+…；

Ev＝A·sin(θ-2π/3)+A·B·sin2(θ-2π/3)+A·C·sin3(θ-2π/3)+A·D·sin4(θ-2π/3)+A·E·sin5(θ-2π/3)+A·F·sin6(θ-2π/3)+…；和

Ew＝A·sin(θ-4π/3)+A·B·sin2(θ-4π/3)+A·C·sin3(θ-4π/3)+A·D·sin4(θ-4π/3)+A·E·sin5(θ-4π/3)+A·F·sin6(θ-4π/3)+…；         (6)

这里，“A”表示感应电压的基波幅度，“B”、“C”、“D”、“E”和“F”分别表示第二、第三、第四、第五、和第六次谐波分量的含量比率。

从等式(5)和(6)，只推导第3N次谐波分量，则实现下面的关系式：

-3·Vc＝3·(A·C·sin3θ+A·F·sin6θ+…).            (7)

等式(7)可写成一般形式，

Vc＝-∑A·G(3N)·sin3Nθ.                             (8)

这里，G(3N)表示第3N次谐波分量的含量比率。

如上所述，如果在构成电动机驱动器4下侧支路的所有功率晶体管24至26都处于导通状态的周期中对电动机2的中点电压Vc进行取样和保持，则可以检测出包含在各相感应电压中叠加了第3N次谐波分量的电压。

图10示出各相感应电压Eu、Ev、Ew(只表示其基波)、取样保持输出信号VcSH1和位置检测信号FG之间的关系。假定在等式(8)中N＝1，也就是说，假定N≥2的谐波分量是非常小的，则信号VcSH1仅由包含在各相感应电压Eu、Ev、Ew中的第三次谐波分量组成。被检测的取样保持输出信号VcSH1的幅度Na由各相感应电压Eu、Ev、Ew的基波幅度A和第三次谐波分量的含量比率C相乘而得到，如Na＝A·C所示。取样保持输出信号VcSH1发送至LPF 32。LPF 32的输出信号VcSH2发送至比较器33的一个输入端。比较器33的另一输入端为参考电压Vr。在根据实施方式1的电动机驱动装置中，参考电压Vr设置为Vr＝0。因此，比较器33的输出信号FG变成脉冲信号，其边沿在取样保持输出信号VcSH1的0度和180度相位的各个过零点。也就是说，信号FG变成在以每相感应电压Eu、Ev、Ew 180度相位为间隔的过零点有一个边沿的脉冲信号。因此，转子的磁极位置能以60度的电角度间隔进行检测。从比较器33将该脉冲信号发送至命令电压产生器7作为位置检测信号FG。

取样保持输出信号VcSH1的幅度取决于各相感应电压的幅度和各相感应电压中第三次谐波分量的含量比率。因此，当各相感应电压因电动机2的低速旋转而变小时，或者当第三次谐波的含量比率在各相感应电压中非常小时，取样保持输出信号VcSH1的幅度可能变小，因此，转子的磁极位置的检测精度可能变差。作为一种避免差的检测精度的方法，例如采用放大器的方式放大电动机2的中点电压Vc，然后取样和保持被放大的信号，并且放大取样保持输出信号VcSH1。图11示出在放大中点电压Vc的情况下位置检测器6的配置示例电路，图12示出放大取样保持输出信号VcSH1的情况下位置检测器6的配置示例电路。在如图11所示的放大中点电压Vc的情况下，位置检测器6包括放大器45，用于在取样保持电路31的预放级放大中点电压Vc。在如图12所示的放大取样保持输出信号VcSH1的情况下，位置检测器6包括处于取样保持电路31和LPF 32之间的放大器45。但是，位置检测器6的配置不限于图11和12所示的例子。在不背离本发明目的的情况下，可对位置检测器6配置进行多种修改，这些修改配置无疑都在本发明范围之内。另外，位置检测器6可以有不包括LPF 32的配置。当包括LPF 32时，位置检测器6最好具有由LPF 32引起的相位延迟量在命令电压产生器7中得到校正这样的配置。

在根据实施方式1的电动机驱动装置中，各相感应电压的过零点采用比较器33将取样保持输出信号VcSH1的电压与参考电压比较的方法，以各相感应电压的180度相位为间隔进行检测，但以各相感应电压的90度或270度相位为间隔的位置可通过检测取样保持输出信号VcSH1的速率变化来进行检测。图13是在这种情况下位置检测器6的配置示例电路图。如图13所示，位置检测器6包括处于LPF 32与比较器33之间的变化速率检测器48，用于检测信号VcSH2的变化速率。由于信号VcSH2的变化速率在各相感应电压的相位是90度和270度时的位置上变成0，所以比较器33输出在各相感应电压的相位是90度和270度的时刻其信号电平改变的位置检测信号FG。在这种情况下，位置检测信号FG电平改变的点的电角度从各相感应电压过零点移动90度。因此，当检测各相感应电压的相位为90度的位置或为270度的位置时，相位移动量可以在命令电压产生器7中进行校正。各相感应电压的预定相位位置的检测不限于通过检测各相感应电压的过零点和检测各相感应电压的90度相位或270度相位来实现，也可以通过检测与各相感应电压的预定相位位置对应的取样保持信号VcSH1的任何电压而实现。

下面将简要地描述从开始至稳定旋转的操作。根据实施方式1的电动机驱动装置具有检测包含在各相感应电压中的第三次谐波的配置，因此，如果各相感应电压小，因此在电动机的停止状态和低速旋转期间取样保持输出信号VcSH1的幅度小的话，转子的磁极位置不能检测或检测精度变差。因此，必须将转子的旋转速度加速至能通过某种方法检测磁极位置的速度。通常，用于无传感器起动的方法，例如初始位置估算法或强迫换向法等多种方法已被开发，而不限于根据实施方式1的电动机驱动装置1的特定方法。这种方法只需将转子的旋转速度加速至能够检测转子的磁极位置的速度。在经过适当的方法将转子加速至这样的旋转速度之后，该方法进行至无传感器驱动，无传感器驱动用基本正弦波进行。

在根据实施方式1的电动机驱动装置1中，位置检测信号FG通过以各相感应电压的180度相位为间隔检测过零点而获得，但是，不能从位置检测信号FG中测出哪个下降边沿与U相感应电压的0度相位(以后称作“绝对位置”)过零点相对应。因此，在进入无传感器驱动之前，需要检测位置检测信号FG的哪个下降边沿与绝对位置相对应。作为检测感应电压的绝对位置的方法，有空转检测法。下面将详细描述空转检测法。空转检测法是一种通过使电动机驱动器4的相功率晶体管21至26断开来直接检测出现在三相末端电压Vu、Vv、Vw的三相感应电压的方法。根据这种方法，在空转检测期间通过监测U相末端电压Vu，能够检测例如U相感应电压Eu，也就是说，能够检测U相感应电压的绝对位置。下面将参考图14至17描述使用空转检测法的电动机驱动装置。

图14是使用空转检测法的电动机驱动装置的配置示例方框图。如图14所示，电动机驱动装置51具有将空转检测器52加入图1所示电动机驱动装置1中的配置。空转检测器52在空转检测期间将U相末端电压Vu和电动机2的中点电压Vc进行比较，产生信号FGU，它指示出现在U相末端电压Vu中的U相感应电压Eu的0相位过零点的时刻。

图15是驱动信号产生器8的特定配置的示例方框图。如图15所示，驱动信号产生器8包括强迫换向信号产生器56、第一开关部分57、驱动信号产生单元58、空转信号产生器59、第二开关部分60和开关控制器61。开关控制器61分别将第一开关控制信号CH1和第二开关控制信号CH2发送至第一开关部分57和第二开关部分60。强迫换向信号产生器56产生并输出强迫换向信号，例如在电动机驱动装置51开始时产生预定频率的三相正弦波信号。第一开关部分57基于第一开关信号CH1选择并输出从强迫换向信号产生器56输出的三相正弦波信号或选择并输出从命令电压产生器7输出的三相命令电压(电压sinU、sinV、sinW)。驱动信号产生单元58用三角波信号Vtri对第一开关部分57所选择的信号进行脉冲宽度调制，并且将脉冲宽度调制的结果输出至第二开关部分60作为驱动信号用于控制电动机驱动器4的各相功率晶体管21至26的驱动。空转信号产生器59产生并输出驱动信号(也称作“空转信号”)用于断开所有相位功率晶体管21至26。第二开关部分60选择从驱动信号产生单元58接收的信号或选择从空转信号产生器59接收的信号，并将所选的信号发送至电动机驱动器4。强迫换向信号产生器56构成强迫周期信号产生器，驱动信号产生单元58构成第一产生器，空转信号产生器59构成第二产生器。第一开关部分57和第二开关部分60分别构成第一选择器和第二选择器。此外，开关控制器61构成选择控制器。这里，“强迫换向信号”也称作“强迫周期信号”。

下面将参考图16描述驱动信号产生器8的操作。图16是第一和第二开关控制信号CH1和CH2的时序图。当收到来自电动机驱动装置51外部部件的起动信号START时，开关控制器61发送信号电平是L电平的第一和第二开关控制信号CH1和CH2。在这种情况下，第一开关部分57选择强迫换向信号产生器56的输出信号，并将它发送至驱动信号产生单元58。驱动信号产生单元58用三角波信号Vtri对三相正弦波信号进行脉冲宽度调制，产生驱动信号，也就是用来控制电动机驱动器4的功率晶体管21至26的驱动的电导通控制信号。由于第二开关控制信号CH2是L电平，所以第二开关部分60选择从驱动信号产生单元58接收的信号，并且将这个信号发送至电动机驱动器4。因此，在电动机驱动装置51起动之后，基于预定频率和强迫换向信号在第一和第二控制信号CH1和CH2都处于L电平周期(图16中所示的“强迫换向驱动周期”)，电动机2被强迫驱动。强迫换向信号的预定频率不限于固定频率，可以是随时间增加而变化的频率。

开关控制器61使第一开关控制信号CH1为H电平，同时使第二开关控制信号CH2为H电平。由于第一控制信号CH1为H电平，第一开关部分57选择从命令电压产生器7接收的三相命令电压信号，并将它发送至驱动信号产生器58。驱动信号产生器58用三角波信号Vtri对三相命令电压信号进行脉冲宽度调制，产生驱动信号控制电动机驱动器4的功率晶体管21至26的驱动。由于第二开关控制信号CH2为H电平，所以第二开关部分60选择并输出从空转信号产生器59发送来的空转信号。因为空转信号如上所述是使所有功率晶体管21至26断开的信号，所以功率晶体管21至26在第二开关控制信号CH2为H电平的周期(图16所示“空转周期”)中处于断开状态，而电动机2处于惯性旋转状态。在这种状态下，三相感应电压Eu、Ev、Ew分别为三相末端电压Vu、Vv、Vw。这里，如果在空转状态通过空转检测器52对U相末端电压Vu和电动机2的中点电压Vc进行比较，那么就能检测出感应电压Eu 0度相位的过零点。具体地说，电动机2的中点电压Vc在空转状态基本上是VM/2电压值的恒定值。同时，正弦波形的U相末端电压Vu在0度和180度的相位具有VM/2电压值。因此，在U相末端电压Vu增加时，在感应电压Eu的0度相位的过零点就是U相末端电压Vu等于电动机2的中点电压Vc那一点。空转检测器52产生定时信号FGU，该定时信号表示在U相末端电压Vu增加时U相末端电压Vu等于电动机2的中点电压Vc的时刻，也就是在感应电压Eu的0度相位的过零点的时刻。空转检测器52将定时信号FGU发送至命令电压产生器7。

然后，开关控制器61将第二开关控制信号CH2从H电平改变为L电平。第二开关部分60选择从驱动信号产生单元58接收的各个驱动信号。因此，电动机2基于由命令电压产生器7产生的三相命令电压sinU、sinV、sinW而被驱动。

在电动机驱动装置51中，命令电压产生器7产生U相命令电压sinU，U相命令电压sinU在定时信FGU所表示的时刻有在其0度相位的过零点。V相和W相命令电压sinV、sinW在U相命令电压产生时通过简单地将U相命令电压sinU的相位向前和向后移动120度产生。根据这个方法，因为感应电压是为电导通控制直接检测的，所以能够确定与U相感应电压的绝对位置对应的位置检测信号FG的下降边沿。

在电动机驱动装置51中，空转检测器52具有只接收U相末端电压Vu的配置，但是也可以具有这样一种配置，其接收V相和W相末端电压Vv和Vw以检测各相感应电压0度相位过零点的时刻。在上述例子中，检测的是在感应电压Eu的0度相位的过零点的时刻，即在感应电压Eu增加时过零点的时刻，而且它的180度相位过零点的时刻，即在其减小时过零点的时刻也可以检测。另外，感应电压Eu的0度相位和其180度相位的两个过零点的时刻可以用不同的方法检测。

第一和第二开关控制信号CH1和CH2的信号电平，可由开关控制器61根据电动机2的旋转速度(也就是转子的旋转速度)进行切换，或者在从电动机驱动装置51起动经历预定时间以后(例如在从电动机驱动装置51起动经历时间t1以后以及经历时间t2以后，如图16所示)进行切换。当基于转子的旋转速度确定开关定时时，体现转子旋转速度的控制信号IN2可从电动机驱动装置51的外部部件发送至开关控制部61。同时，空转检测器52只在空转信号产生器59输出空转信号时操作。因此，空转检测器52可在与开关控制器61保持第一和第二开关控制信号CH1和CH2为H电平的周期相同的周期中，通过接收起动信号START和控制信号IN2操作。

图17示出在强迫换向驱动开始以后和进至无传感器驱动以前，通过空转检测来操作的起动方法流程图。首先，在强迫换向驱动中，功率晶体管21至26被基于从强迫换向信号产生器56输出的预定的三相正弦波信号产生的预定驱动信号强迫驱动(步骤S11)。接着，关断所有功率晶体管21至26进行空转检测(步骤S12)。U相末端电压Vu和电动机2的中点电压Vc在空转状态下进行比较，以检测在感应电压Eu的0度相位的过零点的时刻，并产生检测结果作为信号FGU(步骤S13)。

作为根据位置检测信号FG产生三相命令信号的特定方法的例子，也有一种产生三个预定的正弦波信号的方法，然后使所产生的各个正弦波信号的0度相位与位置检测信号FG的下降边沿相一致。图18是用于执行这种操作的命令电压产生器7的配置示例方框图。如图18所示，命令电压产生器7包括正弦波产生器62和相位调整器63。正弦波产生器62产生具有预定的周期三个正弦波信号，并将它们顺序地输出。然后，相位调整器63对三个正弦波信号的相位进行调整，以使三个正弦波信号的三个连续0度相位与位置检测信号FG的三个连续下降边沿相符合，并将所调整的三个正弦波信号输出至外部作为三相命令电压sinU、sinV、sinW。

如上所述，从起动开始，基于正弦波强迫换向信号驱动电动机2。因此，有可能由非导通周期所引起的、从起动至正常操作逐渐减小的振动和声学噪声来驱动电动机。在上面的描述中，强迫换向信号是正弦波形的信号，但也可以是如现有技术中所述的具有非导通周期的180度电导通波形或宽角度电导通波形。另外，起动方法只要是在以空转检测驱动进行强迫换向驱动以后进至无传感器驱动，就不限于上面所述，在起动方法中可做出多种修改。这类修改的方法当然包含在本发明之中。

如上所述，当基于测出的U相感应电压的绝对位置而产生U相命令电压，然后脱离空转检测进至正常无传感器驱动时，能检测与U相感应电压相应的位置检测信号FG的下降边沿。也就是说，利用空转检测的方式，通过从电动机驱动装置51的起动进至正常无传感器驱动，能检测与在U相感应电压0度相位的过零点相对应的位置检测信号FG的下降边沿。当电动机驱动装置51起动时用基本正弦波进行强迫换向驱动时，总能用基本正弦波驱动电动机2。

作为检测感应电压的绝对位置的另一方法，需要用常规方法代表的非导通周期的无传感器驱动仅能在起动电动机驱动装置51时进行。按照这种无传感器驱动，感应电压的绝对位置能继续不断地检测直至变换为基本正弦波无传感器驱动。作为检测感应电压的绝对位置的又一种方法，是用基本正弦波进行强迫换向驱动，并估算从电流强迫换向时刻起的强迫驱动期间测出的位置检测信号FG(过零点)。具体地说，就强迫换向驱动期间检测的0度相位过零点而言，如果电流导通时刻是至U相的电导通时刻，则将检测出的0度相位过零点考虑为U相感应电压的0度相位的过零点。如上所述，采用这种从起动至无传感器驱动期间检测感应电压绝对位置的配置，能从起动至稳定旋转以正弦波无传感器驱动电动机2。

如上所述，根据实施方式1和电动机驱动装置1，通过在构成电动机驱动器4下侧支路的功率晶体管24至26都处于导通状态的周期中对电动机2的中点电压Vc进行取样和保持，检测转子的磁极位置，从而进行无传感器驱动。因此，根据实施方式1的电动机驱动装置检测三相感应电压各相的过零点，不需要为检测转子的磁极位置所用的非导通周期，与此不同，常规电动机驱动装置是通过在驱动电流为0的非导通周期中，将各相末端电压与电动机2的中点电压进行比较来检测三相感应电压的各个过零点，实现无传感器驱动的。也就是说，根据实施方式1的电动机驱动装置，能够利用非导通周期的存在所引起的减小的振动和声学噪声，实现基本正弦波无传感器驱动。进一步说，电动机驱动装置1的位置检测器6只对电动机2的中点电压Vc进行取样和保持。因此，与取样和保持所有末端电压的常规电动机驱动装置不同，那些为选择非导通相的一个末端电压以进行位置检测的取样保持电路或开关电路是不需要的。因此，位置检测器能以较简单的配置实现，从而能达到减少电动机驱动装置成本的目的。

(实施方式2)

下面将利用图19至22描述根据实施方式2的电动机驱动装置和电动机驱动方法，特别是，将描述有关取样保持信号产生器12的改动和产生取样保持信号的方法。图19示出根据本发明实施方式2的电动机驱动装置1的完整配置电路。与根据实施方式1的电动机驱动装置1不同之处是取样保持信号产生器12的内部配置。其他配置和操作与实施方式1中说明的相同，所以省略对它们的说明。

取样保持信号产生器12产生指示构成电动机驱动器4上侧支路的晶体管21至23处于导通状态的周期的定时脉冲，并将它输出至位置检测器6作为取样保持信号SH2。图20示出取样保持信号产生器12的特定配置的电路。与根据实施方式1的电动机驱动装置1的取样保持信号产生器12不同之处在于新安排了一个倒相器64。被放大的信号Va和三角波信号Vtri输入至取样保持信号产生器12。倒相器64将三角波信号Vtri的相位倒相180度，并输出反相的结果作为倒相三角波信号VtriN。加法器41将添加电压设置器42设置的添加电压Vx和放大的信号Va电压相加。加法器41的输出电压Vref输入至比较器43的倒相输入端，倒相的三角波信号VtriN输入至它的非倒相输入端。比较器43将倒相三角波信号VtriN和电压Vref进行比较，并将比较的结果输出至位置检测器6作为取样保持信号SH2。图21示出取样保持信号产生器12各部件工作的示例时序图。图21示出U相命令电压sinU、倒相三角波信号VtriN、放大的信号Va、加法器的输出电压Vref和取样保持信号SH2之间的关系。取样保持信号产生器12在这种情况下的操作与实施方式1说明的操作相同，所以省略对它们的说明。根据这一配置，能够得到构成电动机驱动器4上侧支路的功率晶体管21至23都处于导通状态的周期。取样保持信号产生器12不限于上述配置，可以做出多种修改，只要产生指示功率晶体管21至23都处于导通状态的周期的定时脉冲。在不背离本发明目的的情况下，也可做出其他不同的修改，而这些修改无疑是包含在本发明的范围之中。

位置检测器6的取样保持电路31基于取样保持信号SH2对电动机2的中点电压Vc进行取样保持。图22示出位置检测器6各部件的时序图。这里，图22示出电动机2的中点电压Vc、取样保持信号SH2、从取样保持电路31输出的取样保持输出信号VcSH1和LPF 32的输出信号VcSH2之间的关系。与图4所示的中点电压Vc波形相比，图22所示的中点电压Vc波形特别表明在电源3(VM)的电压附近的细节。开关34基于取样保持信号SH2打开和闭合。当取样保持信号SH2为“H”电平时，开关34闭合而处于短路状态，电动机2的中点电压Vc由电容35检测(取样操作)。往后，当取样保持信号SH2的信号电平为“L”电平时，开关34打开而处于开路状态，取样的电压由容35保持(保持操作)。由此取样保持电路31基于取样保持信号SH2进行对中点电压Vc的取样和保持操作，并输出取样保持的结果作为取样保持输出信号VcSH1。取样保持输出信号VcSH1输入至LPF 32。LPF 32去除取样保持输出信号VcSH1中的阶梯差别，并将去除阶梯差别的信号VcSH2输出至比较器33。

在构成电动机驱动器4上侧支路的所有功率晶体管21至23都处于导通状态的周期中，通过取样和保持电动机2的中点电压Vc所得到的取样保持输出信号VcSH1具有与包含在各相感应电压中的第3N次谐波分量叠加的电压。取样保持输出信号VcSH1的电压值为电源3的电压值(VM)的中间值。如果N≥2的谐波分量非常小，则仅测出感应电压中的第三次谐波分量，类似于实施方式1。

取样保持输出信号VcSH1通过LPF 32输入至比较器33的一个输入端，参考电压Vr加至比较器33的另一个输入端。由于在本实施方式中参考电压设置为Vr＝VM(电源3的电压值)，所以比较器33输出具有在各相感应电压的过零点的边沿脉冲信号。利用这个信号，转子的磁极位置能以60度电角度为间隔进行检测。

在根据实施方式2的电动机驱动装置1中，转子的磁极位置是通过在构成电动机驱动器4上侧支路的所有功率晶体管21至23都处于导通状态的周期中取样和保持中点电压Vc的方法检测，以便进行无传感器驱动。因此，根据实施方式1的电动机驱动装置检测三相感应电压各相的过零点，不需要用于检测转子的磁极位置的非导通周期，与此不同，常规电动机驱动装置是通过在驱动电流为0的非导通周期中，将各相末端电压与电动机2的中线电压进行比较来检测过零点，进行无传感器驱动。也就是说，根据实施方式1的电动机驱动装置，能够利用非导通周期存在所引起的减小的振动和声学噪声实现基本正弦波无传感器驱动。进一步说，电动机驱动装置1的位置检测器6只对电动机2的中点电压Vc进行取样和保持。因此，与对所有末端电压取样和保持的常规电动机驱动装置不同，为选择非导通相的一个末端电压以进行位置检测的取样保持电路或开关选择电路是不需要的。因此，位置检测器能以比较简单的配置实现，从而达到减少电动机驱动装置成本的目的。

(实施方式3)

下面将参考图23至25描述根据实施方式3的电动机驱动装置和方法。将描述取样保持信号产生器12的进一步变形和产生取样保持信号的方法。图23是根据本发明实施方式3的完整配置的示例电路图。根据本实施方式的电动机驱动装置71与根据实施方式1的电动机驱动装置差别在于产生取样保持信号SH3的方法、取样保持信号产生器12的安排和取样保持信号产生器12的内部配置。其他配置和操作与实施方式1说明的相同，所以省略对它们的说明。

如图23所示，取样保持信号产生器12接收由驱动信号产生器8产生的下侧驱动信号UL、VL、WL，并产生取样保持信号SH3。图24是取样保持信号产生器12的特定示例的方框图。如图24所示，取样保持信号产生器12包括“与”电路75、第一延迟电路76、第二延迟电路77、延迟时间设置器78和脉冲产生器79。图25是取样保持信号产生器12各部件的工作时序图。图25示出三相命令电压sinU、sinV、sinW、三角波信号Vtri、U相下侧驱动信号UL、V相下侧驱动信号VL、W相下侧驱动信号WL、”与”电路75的输出信号AL、第一延迟电路76的输出信号d1、第二延迟电路77的输出信号d2和取样保持信号SH3之间的关系。驱动信号产生器8以三角波信号Vtri对从命令电压产生器7输出的三相命令电压sinU、sinV、sinW进行PWM，产生下侧驱动信号UL、VL、WL，每一下侧驱动信号在其处于“H”电平时使功率晶体管24至26中的相应一个导通。下侧驱动信号UL、VL、WL输入至“与”电路75。“与”电路75对各输入信号进行逻辑”与”操作，然后输出逻辑”与”操作的结果。特别是，当下侧驱动信号UL、VL、WL全为H电平时，”与”电路75输出H电平的信号，当下侧驱动信号UL、VL、WL中至少一个为L电平时，输出L电平的信号。因此，经过逻辑”与”操作得到的信号AL代表构成电动机驱动器4下侧支路的所有功率晶体管24至26都处于导通状态的周期。第一延迟电路76接收信号AL。第一延迟电路76将信号AL延迟由延迟时间设置器78设置的第一延迟时间S1，并将延迟的结果作为第一延迟信号d1输出至第二延迟电路77和脉冲产生器79。第二延迟电路77将第一延迟信号d1延迟由延迟时间设置78设置的延迟时间S2，并将延迟的结果作为第二延迟信号d2输出至脉冲产生器79。这里，第一延迟时间S1和第二延迟时间S2相同，由延迟时间设置器78设置。脉冲产生器79对第一延迟信号d1和第二延迟信号d2的反相信号进行逻辑“与”操作，并将操作的结果输出至位置检测器6作为取样保持信号SH3。具体说，在第一延迟信号d1和第二延迟信号d2的反相信号两者为H电平时，也就是说，当第一延迟信号d1为H电平并且第二延迟信号d2为L电平时，取样保持信号SH3为H电平。

如上所述，取样保持信号产生器12利用驱动信号产生器8产生的下侧驱动信号UL、VL、WL，确定构成电动机驱动器4下侧支路的所有功率晶体管24至26都处于导通状态的周期。进一步，取样保持信号产生器12以延迟时间设置器78所设置的第一和第二延迟时间S1、S2控制取样保持信号SH3的脉冲宽度，输出取样保持信号SH3。转子的磁极位置基于如上所述产生的取样保持信号SH3，通过取样和保持电动机2的中点电压Vc来检测。这一系列的操作与实施方式1相同，因此省略对它们的说明。“与”电路75构成第一导通周期检测器，脉冲产生器79构成第二导通周期检测器。

在实施方式3中，取样保持信号SH3由驱动信号产生器8产生的下侧驱动信号UL、VL、WL数字化地产生，因此，取样保持信号SH3以比实施方式1所说明的取样保持信号SH1更好的精度控制它们的定时。

在实施方式3中，取样保持信号SH3在构成电动机驱动器4的下侧支路的所有功率晶体管24至26都处于导通状态的周期中产生，但它可以在构成电动机驱动器4的上侧支路的所有功率晶体管21至23都处于导通状态的周期中产生。在这种情况下，取样保持信号产生器12接收由驱动信号产生器8产生的上侧支路驱动信号UU、VU、WU。这里，位置检测器6采用的参考电压Vr的值必须设置为VM。

基于放大的信号Va对命令电压产生器7产生的三相命令电压sinU、sinV、sinW的各相幅度进行控制，而被放大的信号Va基于来自控制器9的转矩命令信号EC而起伏。因此，从“与”电路75输出的依赖于三相命令电压各相幅度的Al信号的脉冲宽度取决于转矩命令信号EC。在这种情况下，如果不通过延迟时间设置器78适当地设置第一延迟时间S1和第二延迟时间S2，就不能确定构成电动机驱动器4下侧支路的功率晶体管24至26都处于导通状态的周期。所以，当由延迟时间设置器78设置的第一延迟时间S1和第二延迟时间S2基于转矩命令信号EC变化时，能以更好的精度产生取样保持信号SH3。图26是这种情况下电动机驱动装置71配置的示例方框图，图27是图26所示取样保持信号产生器12的配置的示例电路图。如图26和27所示，取样保持信号产生器12的延迟时间设置器78接收从控制器9输出的转矩命令信号EC，以便能基于转矩命令信号EC改变第一延迟时间S1和第二延迟时间S2。此外，可基于三相命令电压各可采取的最大幅度预先设置第一延迟时间S1和第二延迟时间S2。取样保持信号产生器12不限于上述配置而可以做出多种修改，只要它具有使用由驱动信号产生器8产生的下侧驱动信号UL、VL、WL在构成电动机驱动器4下侧支路的功率晶体管24至26都处于导通状态的周期中产生取样保持信号SH3的配置。这些修改的配置无疑是包含在本发明的范围之中。

根据实施方式3的电动机驱动装置71将三相命令电压各与三角波信号的电压进行比较，进行PWM驱动。电动机驱动装置71可以具有一种配置，其中当电流检测器5测出的电流值达到流经电动机驱动器4路径的最大可能电流值时，停止路径中电流的导通(此后，称作“电流PWM”)。这里，流经电动机驱动器4的最大可能电流是由与该路径对应的三相命令电压之一来表示的。下面将描述使用这一“电流PWM”驱动电动机2的方法。图28是使用电流PWM的驱动电动机2的电动机驱动装置配置的示例电路图。图28所示的电动机驱动装置81与图23所示的电动机驱动装置71的不同在于：差分放大器10和三角波产生器11被省略；控制器9的输出信号直接输入命令电压产生器7；电流检测器5的输出信号直接输入到驱动信号产生器8；和增加振荡器85。由命令电压产生器7产生的三相命令电压的各个值指示流经电动机驱动器4的对应相电流的值(即对应相的最大可能电流值)(以后称作“命令值”)。当电流检测信号CS的值达到三相电流的命令值中任何一个值时，电流检测信号CS值达到的命令值的相电流被停止流动(PWM断开)。相电流的停止，是通过在相电流流过的各相中断开电动机驱动器4的晶体管实现的。振荡器85在预定的周期对电动机驱动器4进行PWM操作，使三相电流的各相电流基于相命令值(电流PWM)而被控制。因此，三相电流的各相电流具有其峰值被相应命令值控制的波形。驱动信号产生器8产生控制电动机驱动器4的功率晶体管21至26的驱动信号UU等，以此进行上述操作。下面将对此进行特别说明。假定电流从U相流至V相和W相。当U相电流值达到U相电流的命令值时，U相上侧功率晶体管21断开(PWM断开：停止U相电流流动路径中的电流流动)。此后，在与振荡器85所产生的振荡信号Vp的预定频率同步的时刻，U相上侧功率晶体管21再一次接通。因此，通过重复在U相电流达到U相电流的电流命令值时断开U相上侧功率晶体管21，和接通在与振荡信号Vp的预定频率同步的时刻断开的U相上侧功率晶体管21的操作，使受U相电流命令值控制的U相电流的峰值基本上是恒定的。对V相和W相进行类似的操作。

根据本发明的电动机驱动装置和方法以简单的配置达到不需要非导通周期而检测转子磁极位置的目的，具有利用减小的非导通周期的存在所引起的振动和声学噪声进行基本正弦波无传感器驱动的优点。根据本发明的电动机驱动装置和方法，作为进行无传感器驱动的电动机驱动装置和驱动方法等是有效的。

很明显，对于熟悉技术的人员来说，从上面对本发明的优选实施方式所进行的详述中可以做出许多修改。因此，本发明的范围应由后面的权利要求确定。

Claims (25)

1.一种驱动多相电动机的电动机驱动装置，其中包括：

电动机驱动器，其包括由多个串联电路并联连接的并联电路，多个串联电路中的每个串联电路具有串行连接的高侧开关器件和低侧开关器件；

电压检测器，其检测在第一周期期间在多相电动机的中点的电压，并将所测出的电压作为第一检测信号输出，第一周期与并联电路中所有高侧开关器件或/和低侧开关器件都处于导通状态的周期相同或部分相同；

第一定时检测器，其检测第一检测信号的电压等于参考电压的时刻，并将所测出的时刻作为第二检测信号输出；

周期性信号产生器，其产生周期性信号，该信号的相位基于第二检测信号而被控制；

驱动信号产生器，其利用周期性信号产生多个驱动信号，每个驱动信号驱动并联电路中高侧和低侧开关器件中的一个。

2.根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于：所述周期性信号产生器产生正弦波信号。

3.根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于所述电压检测器包括：

中点电压检测器，其检测在第一周期期间在多相电动机的中点的电压，并将所测出的电压作为第三检测信号输出；和

滤波器，其只抽取第三检测信号的预定频带，并将所抽取的频带信号作为第一检测信号输出。

4.根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于所述第一定时检测器包括：比较器，其将第一检测信号的电压与第一参考电压进行比较，并将比较的结果作为第二检测信号输出。

5.根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于所述电压检测器包括：

中点电压检测器，其检测在第一周期期间在多相电动机的中点的电压，并将所测出的电压作为第三检测信号输出；和

滤波器，其只抽取第三检测信号的预定频带，并将所抽取的频带信号作为第一检测信号输出，

其中，所述第一定时检测器包括：

速率检测器，其检测第一检测信号的变化速率，并将所测出的速率作为第四检测信号输出，和

比较器，其将第四检测信号的电压与第二参考电压进行比较，并将比较的结果作为第二检测信号输出。

6.根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于所述电压检测器包括：

中点电压检测器，其检测在第一周期期间在多相电动机的中点的电压，并将所测出的电压作为第三检测信号输出；和

放大器，其放大第三检测信号，并将所放大的信号作为第一检测信号输出。

7.根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于所述电压检测器包括取样和保持单元，其在第一周期的期间对在所述多相电动机的中点的电压进行取样和保持，并将取样保持电压作为第一检测信号输出。

8.根据权利要求7所述的电动机驱动装置，其特征在于所述电压检测器进一步包括产生载波的载波产生器，

所述周期性信号产生器产生多个周期性信号，每一周期性信号对应于所述多相电动机的一相，

所述取样保持单元在与所述第一周期相对应的载波电压大于所有多个周期性信号中的每一个的电压的周期期间，对在所述多相电动机的所述中点的电压进行取样和保持，和

所述驱动信号产生器通过将多个周期性信号与载波调制而产生多个驱动信号。

9.根据权利要求8所述的电动机驱动装置，其特征在于所述周期性信号产生器包括：

电流检测器，其检测流经整个并联电路的电流，并将所测出的电流值作为电流检测信号输出；

差分放大器，其放大所述电流检测信号和第三参考电压之间的差电压，并输出被放大的差电压，

其中所述周期性信号产生器产生多个周期性信号，所述多个周期性信号中的每一个具有与被放大的差电压相对应的幅度。

10.根据权利要求9所述的电动机驱动装置，其特征在于：所述周期性信号产生器产生多个周期性信号，所述多个周期性信号中的每一个具有等于被放大的差电压的幅度，和

所述取样保持单元在与所述第一周期相对应的载波电压大于被放大的差电压的周期期间，对在多相电动机的中点的电压进行取样和保持。

11.根据权利要求10所述的电动机驱动装置，其特征在于所述取样保持单元包括加法器，其将被放大的差电压与预定的正电压相加，并将相加的结果作为相加电压输出，

其中，取样保持单元在与所述第一周期相对应的所述载波电压大于所述相加电压的周期期间对在所述多相电动机的中点的电压进行取样和保持，并输出取样和保持电压作为所述第一检测电压。

12.根据权利要求11所述的电动机驱动装置，其特征在于所述取样和保持单元进一步包括倒相器，其将载波的相位颠倒，并输出已倒相的载波，

其中，所述取样保持单元在与所述第一周期相对应的已倒相载波的电压大于所述相加电压的周期期间，对在多相电动机的中点的电压进行取样和保持。

13.根据权利要求7所述的电动机驱动装置，其特征在于：所述取样保持单元包括第一导通周期检测器，其从所述驱动信号产生器产生的多个驱动信号中，检测并联电路中所有高侧开关器件或/和所有低侧开关器件都处于导电状态的周期作为第一导通周期，并将所测出的第一导通周期作为第一导通周期检测信号输出，和

其中，所述取样保持单元在第一周期期间，对在所述多相电动机的中点的电压进行取样和保持，并将取样保持电压作为第一检测信号输出，第一周期与第一导通周期相同或部分相同。

14.根据权利要求13所述的电动机驱动电路，其特征在于：所述第一导通检测器输出第一导通周期检测信号，第一导通周期检测信号是二进制信号，其电平在第一导通周期和别的周期之间是不同的，

所述取样保持单元还包括：

第一延迟电路，其将第一导通周期检测信号延迟第一延迟时间，并将所延迟的信号作第一延迟信号输出；

第二延迟电路，其将第一延迟信号延迟第二延迟时间，并将所延迟的信号作为第二延迟信号输出；和

第二导通周期检测器，其利用第一和第二延迟信号，检测在第一延迟信号以预定方式改变电平的时刻以后的第二延迟时间，作为第一周期；

其中，所述取样保持单元在第一周期期间，对在所述多相电动机的中点的电压进行取样和保持。

15.根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于进一步包括：

电流检测器，其检测流经整个并联电路的电流，并将所测出的电流值作为电流检测信号输出；和

振荡器，其输出预定频率的振荡信号；

其中，所述电动机驱动器包括多个串联电路，多个串联电路中的每一个对应于多相电动机的一相，

所述周期性信号产生器产生多个周期性信号，多个周期性信号中的每一个周期性信号对应于多相电动机的一相，每一个周期性信号指示流经与多相电动机的一相相对应的串联电路的高侧开关器件或低侧开关器件的最大可能的电流值，和

所述驱动信号产生器产生多个驱动信号，当在高侧和低侧开关器件中的每一个中流过的并由电流检测信号指示的电流，大于由相应的周期信号指示的最大可能电流时，断开所述高侧和低侧开关器件，然后在与振荡信号的预定频率同步的时刻，接通被断开的开关器件。

16.根据权利要求15所述的电动机驱动装置，其特征在于所述电压检测器包括：取样保持单元，其在第一周期对在多相电动机的中点电压进行取样和保持，并将取样保持电压作为第一检测信号输出。

17.根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于进一步包括第二定时检测器，

其中所述电动机驱动器包括多个串联电路，它们各具有连接其高侧和低侧开关器件的连接点，

所述第二定时检测器在空转周期期间，检测至少一个连接点上的感应电压的过零点时刻，并将所测出的时刻作为定时信号输出，空转周期是并联电路中所有高侧和低侧开关器件都处于断开状态的周期，和

所述周期性信号产生器基于所述第二检测信号和所述定时信号产生其相位被控制的周期性信号。

18.根据权利要求17所述的电动机驱动装置，其特征在于：所述第二定时检测器检测与所述至少一个感应电压相对应的连接点电压等于在多相电动机的中点的电压的时刻，作为过零点的时刻。

19.根据权利要求17所述的电动机驱动装置，其特征在于进一步包括产生载波的载波产生器，其中所述驱动信号产生器包括：

强迫周期信号产生器，其产生频率恒定的或以预定速率变化的强迫周期信号，

第一选择器，其在所述强迫周期信号和由所述周期性信号产生器产生的所述周期性信号之间选择一个，

第一产生器，其将由所述第一选择器所选的参考信号或周期性信号与载波进行调制，产生多个第一驱动信号，

第二产生器，其产生多个第二驱动信号，多个第二驱动信号用于断开所有高侧和低侧开关器件，

第二选择器，其选择第一驱动信号或第二驱动信号，

选择控制器，其控制所述第一和第二选择器的操作，

其中，所述定时检测器在所述第二选择器选择第二驱动信号时，检测过零点的时刻。

20.根据权利要求19所述的电动机驱动装置，其特征在于：所述选择控制器基于从起动开始的时间长度，控制所述第一和第二选择器的操作。

21.根据权利要求19所述的电动机驱动装置，其特征在于：所述选择控制器基于多相电动机的旋转速度，控制所述第一和第二选择器的操作。

22.一种磁极位置检测器，其用于通过检测在多相电动机的中点的电压等于参考电压的时刻，检测多相电动机的磁极位置，其中磁极位置检测器包括：

电动机驱动器，其包括由多个串联电路并联连接的并联电路，所述多个串联电路中的每一个具有串行连接的高侧开关器件和低侧开关器件；

电压检测器，其检测在一个周期期间在多相电动机的中点的电压，并将所测出的电压作为检测信号输出，该周期与并联电路中所有高侧开关器件或/和低侧开关器件都处于导通状态的周期相同或部分相同；和

定时检测器，其检测所述检测信号的电压等于参考电压的时刻。

23.一种驱动多相电动机的方法，所述多相电动机包括：电动机驱动器，其包括由多个串联电路并联连接的并联电路，所述多个串联电路中的每一个具有串行连接的高侧开关器件和低侧开关器件，其中所述方法包括步骤：

检测在一个周期期间在多相电动机的中点的电压，并将所测出的电压作为第一检测信号输出，该周期与并联电路中所有高侧开关器件或/和低侧开关器件都处于导通状态的周期相同或部分相同；

检测所述第一检测信号的电压等于参考电压的时刻，并将所测出的时刻作为第二检测信号输出；

产生其相位基于第二检测信号控制的周期性信号；和

利用周期性信号产生多个驱动信号，利用多个驱动信号中的每一个驱动并联电路的高侧和低侧开关器件中的相对应的一个。

24.根据权利要求23所述的驱动多相电动机的方法，其中所述电动机驱动器包括多个串联电路，多个串联电路中的每一个具有连接高侧和低侧开关器件的连接点，其特征在于该方法在检测电压的步骤之前进一步包括步骤：

强迫驱动并联电路中各高侧和低侧开关器件；

断开并联电路中所有高侧和低侧开关器件；

在并联电路中所有高侧和低侧开关器件都处于断开状态时，检测所述连接点上的至少一个感应电压的过零点的时刻，并将所测出的时刻作为第三检测信号输出；其中产生其相位基于第二检测信号和所述定时信号被控制的周期性信号。

25.根据权利要求24所述的驱动多相电动机的方法，其特征在于：在检测过零点的时刻的步骤中，检测与所述至少一个感应电压相对应的连接点的电压等于在多相电动机的中点的电压的时刻，作为过零点的时刻。

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