[发明专利]跟随参考模型的换向电路及其控制方法

说明书

本发明涉及一种跟随参考模型的换向电路及其控制方法，并更具体地涉及驱动无刷直流电动机用的跟随参考模型的换向电路及其控制方法，它能最佳地控制换向延迟及软转换操作以掩蔽伪过零检测及根据各个应用来优化电动机特性。

在传统的驱动无刷和无传感器的直流(DC)电动机的电路中，通常希望实际反电势过零点处于与换向转换点不同相位上。对于一个典型的三相DC电动机，换向转换点最好处于距过零点30度电角度之处。需要用先进的方法来获取最佳的转换点以便高效地驱动电动机。

此外，多相DC电动机具有感性负载特性，其可用电动机电常数L/R来表示。通常，因为电动机时间常数大于使用在电动机换向控制中的电器件如场效应晶体管(FET)的转换时间，该时间差可引起转换噪音、称为尖峰噪音，也可引起电流再回流到电网。再者，尖峰噪音将不利地使电路中的比较器检测出反电势的误过零点。因此，必需使其掩蔽以免于它的干扰。

另外，必需使用软转换来调整控制换向的晶体管的开通/关断时间及消除由尖峰噪音引起的干扰。如图1A和1B所示，可以对开通/关断时间进行调节，以使得从中心点前的一确定点开始换向并持续进行到该中心点后的一确定点为止，并通过该换向可以执行软转换。换言之，该中心点最好在换向间隔的中途并与中心参考轴对齐，以致在中心参考轴左、右侧上的起始点及延伸点相对中心点对称。

已经具有了用于找到最佳换向转换点及用于对换向产生的噪音所引起的误检测伪过零点进行掩蔽的相关技术。使用三个计数器检测最佳转换点及掩蔽伪检测的技术被公开在1993年6月22日公告的、题为“用于操作多相DC电动机的方法及装置”的美国专利US5,221,881和在1994年5月31日公告的、题为“用于检测多相DC电动机的纺织机电动机的速度分布的方法及装置”的美国专利US5,317,243中。

在用于相关技术的三个计数器中，一个是对过零周期计数的增序计数器(up-counter)。另两个是降值计数器(down-counter)，其中第一个降值计数器向下计数到零以产生一个换向延迟信号；第二个降值计数器在第一个降值计数器完成其计数后开始向下计数以产生一个掩蔽时间。当检测过零点时，增序计数器的计数结果被置入到第一和第二降值计数器两者中，然后使增序计数器停止，直到一新换向周期。

虽然使用在上述技术中的数字计数器是一种先进的方案，但具有四个毫无利益的问题。第一个问题是：增序计数器必须将其计数结果载入到降值计数器中，就可引起加载误差。

第二个问题是：增序计数器需要进行诸如停止，加载，复位及重新开始计数的操作，所有这些操作是耗时的。因而，这些操作是在脱机状态下执行的，而非实时信号的处理以便防止丢失盘中的轨道和提供精确的控制。

第三个问题是：需要四种不同的信号来连续地执行程序。但是它们不能在同一时间进行。如果一种控制信号的脉冲宽度为0.01μs，则从停止计数到重开始计数就需要约0.04μs来发出这些信号。这0.04μs将被浪费掉，而当执行脱机时，可能产生丢失轨道的后果。另外，当周期计数器计过零点时会引起0.04μs的误换向，这就影响了转速。

而第四个问题是：对于电动机很难得到加速率。为此目的，SGS-Thomson对于基于加速率检测的掩蔽及延迟计数器使用了一个附加的N+1位计数器来控制其时钟频率。但是，这在高密度盘驱动(HDD)应用中几乎无用，因为在稳态时，电动机速度被锁到非常稳定，转速的偏差典型地小于0.05％，这实际是可忽略不计的故很难测量。

为了解决这些问题，在1993年8月3日公告的题为“使用模拟定时技术的一种简化无传感器DC电动机换向控制电路”的美国专利US5,233,275中公开了使用包括至少一电阻一电容的延迟部分的传统电路。

但是，如众所周知，一旦阻一容的RC时间常数被设定，就没有办法在电动机工作期间改变该时间常数。该固定的时间常数既不能满足于电动机的低频及高频转速也不适合电动机的动态换向。换句话说，用户必须总是不厌其烦地为他们的电机类型寻找一个最佳值。这包括根据不统一的电动机参数确定一组电阻及电容的值时的困难。