[发明专利]无传感器无刷直流马达中用于减少零交叉粒度的可变脉宽调制

说明书

技术领域

本发明涉及无传感器无刷直流(BLDC)马达，且更特定来说，涉及在驱动无传感器BLDC马达时使用可变脉宽调制(PWM)以实现减少的零交叉检测粒度。

背景技术

在例如电气设备、汽车、航空太空、消费者、医学、工业自动化设备及仪表设备的工业中使用无刷直流(BLDC)马达。BLDC马达不使用电刷进行换向，而是改为使用电子换向。与有刷DC马达及感应马达相比，BLDC马达具有若干优点，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、维修之间的较长时间间隔、实质上无噪声操作，及较高速度范围。可在微芯片应用笔记(Microchip Application Note)：AN857，题为“无刷DC马达控制简化(Brushless DC Motor Control Made Easy)”(2002)；AN885，题为“无刷DC(BLDC)马达基础(Brushless DC(BLDC)Motor Fundamentals)”(2003)；AN894，题为“马达控制传感器反馈电路(Motor Control Sensor FeedbackCircuits)”(2003)；AN901，题为“使用dsPIC30F用于无传感器BLDC控制(Using thedsPIC30F for Sensorless BLDC Control)”(2004)；及AN970，题为“使用PIC18F2431用于无传感器BLDC马达控制(Using the PIC18F2431 for Sensorless BLDC MotorControl)”(2005)中找到关于BLDC马达的更详细信息，为了所有目的，所述文献在此全部以引用的方式并入本文中。

三相BLDC马达以六个步骤(每步骤60电度)完成电循环(即，360电度的旋转)。在每60电度处同步地更新相电流切换(换向)。然而，一个电循环可能不对应于马达转子的一个机械回转(360机械度)。为了完成一个机械回转要重复的电循环的数目取决于转子极对的数目。举例来说，四极BLDC马达将需要两个电循环来完成马达转子的一个机械回转(参看图3)。

可通过监视在马达的每一相(A-B-C)处的反电动势(EMF)电压来确定BLDC马达的驱动换向。在换向周期期间当未经驱动的相的反EMF越过马达供电电压的一半时，驱动换向与马达同步。此被称作“零交叉”，其中反EMF在每一电循环中在零交叉电压上方及下方变化。在将驱动电压施加到经驱动的相时，在未经驱动的相上检测到零交叉。在未经驱动的相上的反EMF关于零交叉电压的电压极性改变也可用于检测零交叉事件(例如，在特定限制内在将驱动电压施加到经驱动的相期间从正改变到负或从负改变到正)。

当驱动无传感器无刷DC马达时，在高马达旋转速度及50％或小于50％的PWM工作循环下，驱动电压中出现大的间隙。当零交叉检测的不确定性达到约20％时，PWM驱动控制算法变得不稳定。驱动电压中的间隙在零交叉检测中产生定时误差，且高PWM频率为效率低的且归因于场效应晶体管(FET)功率驱动器的过热而导致功率FET故障。

当未经驱动的相的反电动势(BEMF)在换向周期中间越过马达供电电压的一半时，驱动换向与无传感器BLDC马达同步。此有时被称作零交叉。零交叉仅在将驱动电压施加到其它两个相时为有效的。通过对整个驱动电压进行脉宽调制而使驱动电压变化。因此，在PWM驱动关断周期期间，无法检测到零交叉。当PWM频率为低的且马达速度为高的时，低(关断)PWM周期可占换向周期的相当大的百分比，且借此可在零交叉检测中引起间隙。当这些间隙为换向周期的百分之20以上时，其将引起控制算法的不稳定性。可通过增加PWM频率来减少间隙百分比，而代价是增大的且不合需要的切换损耗。

发明内容

上述问题得以解决，且通过仅在预期到将出现“零交叉”的短时间内增加PWM频率来实现其它及另外益处，在获得较好零交叉检测分辨率的优点的同时，仍可维持较低平均PWM频率的效率。在预期到零交叉事件的短时间内增加PWM频率将改进零交叉事件的检测分辨率。

先前技术通过快速模/数转换器(ADC)测量零交叉电压。这要求在进行ADC电压俘获(取得电压样本)的同时有稳定的驱动周期。这些先前技术解决方案迫使马达驱动器(motor drive)在ADC电压俘获期间开启。然而，通过使用比较器来检测零交叉事件，不要求稳定的电压俘获，且根据本发明的教示，其改为由在反电动势(BEMF)电压上升超过(或低于)零交叉阈值时立即出现的事件来替换。