[发明专利]使用正弦驱动方法及设备的三相无刷DC电动机无传感器控制

说明书

相关专利申请案

本申请案主张由莱昂内尔耶尔森(Lionel Yersin)于2013年3月13日提出申请的标题为“使用正弦驱动方法及设备的三相无刷DC电动机无传感器控制(Three Phase Brushless DC Motor Sensor-Less Control Using Sinusoidal Drive Method and Apparatus)”的共同拥有的第61/780,372号美国临时专利申请案的优先权，且所述美国临时专利申请案特此出于所有目的而以引用方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及无刷直流(BLDC)电动机，且更特定来说涉及使用正弦驱动的三相BLDC电动机无传感器控制。

背景技术

无刷直流(BLDC)电动机可用于电器、汽车、航空、消费、医疗、工业自动化设备及仪器应用。BLDC电动机不使用电刷而是使用电子换向来进行换向。BLDC电动机具有优于有刷DC电动机及感应电动机的优点，例如：较好的速度对扭矩特性、高动态响应、高效率、长操作寿命、服务之间的较长时间间隔、实质上无噪声操作及较高速度范围。BLDC电动机的更详细概要可存在于标题为“变得容易的无刷DC电动机控制(Brushless DC Motor Control Made Easy)”的微芯片应用注释(Microchip Application Note)AN857及标题为“无刷DC(BLDC)电动机基本原理(Brushless DC(BLDC)Motor Fundamentals)”的微芯片应用注释AN885(所述两个应用注释均在www.microchip.com处)中，且其中所述两者特此出于所有目的而以引用方式并入本文中。

参考图1，描绘在正弦驱动时电动机相电流及反电动势(BEMF)电压的波形图。可通过监视电动机的每一相(A-B-C)处的反电动势(BEMF)电压来确定BLDC电动机的驱动换向。此被称为“零交叉”，其中BEMF在每一电循环上在零交叉电压以上及以下变化。BEMF频率等效于电动机速度。

一般来说，三相BLDC电动机多半使用梯形驱动，例如，120度或180度驱动。梯形驱动诱发比纯正弦驱动更多的扭转振动及因此更多声学噪声。与使用正弦驱动相比，使用梯形驱动的BLDC电动机的效率也更低。参考图2，描绘使用脉冲宽度调制(PWM)来控制三个高侧电力MOSFET及三个低侧电力MOSFET的典型BLDC电动机驱动的示意性框图。位置传感器(例如，外部霍尔(Hall)效应传感器)用于转子位置及速度确定。然而，控制BLDC电动机的趋势是采取无传感器以保持低成本。存在两种主要的BEMF无传感器感测方法，所述方法在标题为“借助使用多数函数的反EMF滤波的无传感器BLDC控制(Sensorless BLDC Control with Back-EMF Filtering Using a Majority Function)”的微芯片应用注释AN1160(所述应用注释在www.microchip.com处)中更全面地描述，且所述应用注释特此出于所有目的而以引用方式并入本文中。

参考图3，描绘在非驱动相(浮动相)上使用BEMF的无传感器测量的BLDC电动机的梯形驱动的示意性连接及时序图。关于使用无传感器正弦驱动的问题为需要在电动机正旋转时感测BEMF电压，此需要断开相以参考共同点(电压)来测量相电压。遗憾地，断开相在正弦波驱动中形成导致BLDC电动机的机械振动及效率损失的谐波。大多数无传感器正弦驱动使用需要大量专用硬件以及高计算能力的向量控制。向量控制每电转动使用许多相电压样本。

存在使用其中总是驱动三个相且不存在浮动相的无传感器正弦驱动技术的一种BLDC控制方法。正弦驱动控制的优点为较低噪声、较低机械振动及较高效率。然而，缺陷为：较高驱动逻辑复杂性；驱动速度取决于BLDC电动机类型而为有限的；驱动八极电动机是不可能的；及电动机失速检测的弱点。参考图4，描绘用于获得近似BEMF(图4中所展示的水平线)的电流零交叉信息的波形图。需要至少两个零交叉(图4中所展示的水平线上的圆圈)，此在使用BLDC电动机BEMF感测及控制的此方法时形成限制及弱点。

发明内容

因此，需要可以最小硬件及软件计算要求来实施感测无传感器正弦逆变器驱动BLDC电动机的BEMF。