[发明专利]用于在低速或零速下的无传感器永磁无刷电机的不同类型操作之间切换以决定转子位置的方法及系统

说明书

交叉引用

本申请案是2013年3月13日申请的标题为“Circuit and Method for Sensorless Control of a Permanent Magnet Brushless Motor During Start-up”的美国申请案第13/800,327号的部分接续申请案，且本申请案请求2012年5月25日申请的标题为“Circuit and Method for Sensorless Control of a Brushless Motor During Start-up”的美国临时申请案第61/651,736号的权益，所述美国临时申请案以全文引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明通常涉及电机控制器，且更特定地涉及在启动期间用于永磁无刷电机的无传感器控制的系统和方法。

背景技术

有传感器的无刷电机技术是众所周知的且有益于低速下的最小缺陷控制和可靠旋转。有传感器的系统具有一个或多个传感器，所述一个或多个传感器与电机控制器连续通信，为所述电机控制器指示转子所处位置、转子的转速及转子是向前转还是反向转。有传感器的系统中的传感器增加成本并提供可损坏或磨损的额外零件，增加了耐久性和可靠性问题。无传感器系统可读取电源连接中的电流脉冲来确定旋转和速度。无传感器系统趋向于能够控制较高速度（例如，每分钟转数（“RPM”））下的电机，但可能在极低的启动速度下遭受负载下的抖动，导致性能不如有传感器的无刷电机。

抖动是无传感器无刷电机系统在初始启动速度下所发生的现象且通常在电机已获得足够速度后就不再存在。抖动产生的原因是，在低速或零速下，无传感器的算法没有足够的信息来决定激励哪个绕组及以何种顺序激励绕组。用于启动无传感器系统的一种常见解决方案是激励一个绕组对来将转子锁定在已知位置。随后以预定义速率和PWM占空比换向电机绕组，直到转子达到用于使无传感器控制参与的足够高的速度。然而，尤其在存在随时间变化的负载时，即使是此解决方案也将会在启动期间导致抖动。对于具有最小初始转矩或可预测的初始转矩的负载，可减少抖动或可使抖动难以察觉。然而，一些电机应用/使用情景（例如使电动自行车开始上坡）需要用于启动的显著转矩，并且初始转矩是非常不可预测的。无传感器无刷电机系统的使用有时由于低速高转矩操作而受阻，比如电动车辆/自行车的攀岩或复杂和精细的场地赛，因为在这些困难情境中，可发生显著抖动并可导致电机过早烧毁。

图1是处于三相功率级的电机控制系统10的方块图，如先前技术中所知。许多三相电机控制系统10包括具有控制信号发生器12的控制器发生器、栅极驱动器14和功率级16。在无传感器控制的情况下，还包括反馈电路，具体是检测网络18和电流感测电路20，所述电流感测电路20利用感测电阻器R_SENSE。一般来说，无传感器控制的目标是检测电机对施加的脉冲宽度调制（PWM）源电压的响应来识别转子位置和运动。

类似地，电流感测电路20可用于检测横越被驱动绕组的电机电流的幅值和方向。经常使用低侧分流监控。图1图示用于低侧监控的常用配置。本领域技术人员可易采用替代性电流感测技术，例如监控（包括高侧监控）每个逆变器支路中的相电流，且此替代性技术是本领域一般技术人员所熟知的。

控制信号发生器12通常从低电压源供电。因此，栅极驱动器14的功能包括将低电压控制信号移位到匹配功率级16的输入要求的电平。功率级16包括半导体开关装置。图1中图示MOSFET，但可使用其他装置，例如绝缘栅极双极型晶体管（insulated gate bipolar transistors;IGBT。可使控制信号产生来自电源Vpwr的梯形（又称为方块或6步换向）或正弦波驱动。脉冲宽度调制通常在无刷DC（BLDC）电机控制中与梯形驱动一起使用。要求较低声频噪音或较低转矩波动的系统得益于正弦波驱动。

关于PWM驱动技术的领域的技术人员理解产生梯形控制、正弦波控制或其他控制的各种模式。可通过电机相和/或相电流上的电压检测电机对PWM驱动的响应。

如图1所示，对于无刷DC电机控制，驱动功率级16，以使得电流流入第一电机相（例如，U相）中并离开第二电机相（例如，V相）。电机30中的转子（未图示）位置指定驱动哪一相位对来力图实现转子的最大转矩和平滑（无抖动）旋转。反馈控制用于推断转子位置。