CN1797932A - 无刷直流电机的相位换向方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种BLDC电机相位换向方法，其中压缩机中的BLDC电机的相位换向时序和位置检测时序被正确地检测以使得压缩机的旋转和RPM稳定，由此最小化噪音和振动。当BLDC电机旋转通过对应一个周期的机械角时，BLDC电机根据其中一个周期的第一相位换向部分中的BLDC电机的操作与在所述周期之前的紧邻的周期的最后的相位换向部分相同的方式被执行的第一方案操作，并且在BLDC电机切换到无传感器模式之后，BLDC电机根据其中一个周期的第一相位换向部分具有等于在所述周期之前的周期的第一相位换向部分的时间间隔的平均值的第三方案来操作。

Description

无刷直流电机的相位换向方法
技术领域
本发明涉及无刷直流(BLDC)电机的相通信方法，具体而言，涉及通过精确控制相通信时间而使得噪音和振动最小化的BLDC电机的相位换向方法。
背景技术
BLDC电机是使用包括切换元件而不是诸如换向器和电刷的整流器电路的电机。BLDC电机的特征在于不需要由于摩擦和噪音的原因而替换电刷，以及电磁干涉水平较低。
BLDC电机典型地使用在诸如洗衣机和用于空调和电冰箱中的压缩机的产品中，其需要较高的性能、可变的速度操作。
为了运行BLDC电机，BLDC电机中的定子通量(flux)必须相对BLDC电机的转子中的永久磁铁中所产生的通量在90度电角或者任何其它合适的电角上被控制。为了实现此，转子的位置必须恒定地被检测以根据所检测的转子的位置确定逆变器(inverter)中的开关元件的切换状态并确定通量被产生的定子的位置。分相器(resolver)、绝对编码器、霍尔传感器等可以被用于检测转子的位置。但是，对于压缩机和空调中的压缩机中的BLDC电机由于诸如温度和压力的环境因素而难于使用传感器，并且因此BLDC电机使用无传感器方法来从施加到电机上的电压和电流来检测转子的位置。
BLDC电机的驱动方法根据施加到电机的相电流的波形可以被分类为矩形电流波形方法以及正弦电流波形方法。
在正弦电流波形驱动方法中，转子位置可以通过检测所有的三相电压和电流来被检测。通常，对应用于电冰箱、空调等的压缩机用的一个周期(即，360度)的机械角的转子位置信息需要10-12比特的分辨率(resolution)。
由于诸如吸气、压缩和释放的制冷剂气体的连续操作，电冰箱、空调等的压缩机的施加到电机的每个旋转的载荷具有较大的变化，这就必须正确确定各相位换向被执行的时间以及位置检测被执行的时间。
但是，传统的BLDC电机相位换向方法没有提供如何有效或者正确地确定当在BLDC电机旋转对应一个旋转(one rotation)的机械角之后执行下一周期的第一相位换向，这样当相位换向方法被用于具有施加到电机的较大变化的载荷的逆变器(inverter)电冰箱等时噪音和振动比较严重。
此外，在传统的相位换向方法中，当BLDC电机在切换到无传感器模式之后稳定地操作时，其用在BLDC电机处于初始启动模式时相同的方式执行相位换向。这样，考虑BLDC电机的不同操作模式的特性传统的相位换向方法不能执行相位换向。
发明内容
本发明的一方面是提供一种BLDC电机相位换向方法，其中压缩机中的BLDC电机的相位换向时间和位置检测时间被正确地检测以使得压缩机的旋转和RPM稳定，由此最小化噪音和振动。
本发明的另外一方面是提供一种BLDC电机相位换向方法，其中不同的相位换向方案(scheme)根据BLDC电机的操作模式而被使用，这样相位换向时间在BLDC电机处于稳定的操作范围中时可以被更为正确地确定。
根据本发明的一方面，提供了一种BLDC电机相位换向方法，其中当BLDC电机在旋转通过对应第一周期的机械角之后执行相位换向，第一周期的下一周期的相位换向部分中的BLDC电机的操作被控制以与第一周期的第一相位换向部分中相同的方式被执行。
下一周期的相位换向部分中的相位换向时间和位置检测时间可以被控制以等于第一周期的第一相位换向部分中的相位换向时间和位置检测时间。
下一周期的相位换向部分中的BLDC电机的反电动势(EMF)的零交叉点的周期可以被控制以等于第一周期的第一相位换向方法中的ZCP的周期。
根据本发明的另外一方面，提供了一种BLDC电机相位换向方法，其中当BLDC电机旋转通过对应一个周期的机械角时，所述周期的第一相位换向部分的时间间隔被设置等于在所述周期之前的周期的第一相位换向部分的时间间隔的平均值。
相位换向部分的时间间隔可以是ZCP信号从BLDC电机的反向EMF信号所发生的时间间隔，每个ZCP信号在反向EMF信号与零相相交(cross)时发生。
根据本发明的另外一方面，提供了一种BLDC电机相位换向方法，其中当BLDC电机旋转通过对应一个周期的机械角时，BLDC电机根据其中一个周期的第一相位换向部分中的BLDC电机的操作与在所述周期之前的紧邻的一个周期的最后相位换向部分相同的方式被执行的第一方案操作，并且在BLDC电机切换到无传感器模式之后，BLDC电机根据其中一个周期的第一相位换向部分具有等于在所述周期之前的周期的第一相位换向部分的时间间隔的平均值的第三方案来操作。
当BLDC电机旋转一个周期时，如果所述周期的相位换向部分的时间间隔的最大值和最小值之间的差异小于或者等于预定的值时，BLDC电机可以切换到无传感器模式。
如果BLDC电机的速度在BLDC电机根据第一方案操作之后进入预定的范围，BLDC电机可以根据其中一个周期的第一相位换向部分具有等于在所述周期之前紧邻的周期的所有的相位换向部分的时间间隔的平均值的时间间隔的第二方案而操作。
根据本发明的另外一方面，提供了一种BLDC电机相位换向方法，其中当BLDC电机在旋转通过对应第一周期的机械角之后，BLDC电机根据其中一个周期的第一相位换向部分具有等于在所述周期之前紧邻的一个周期的所有的相位换向部分的时间间隔的平均值的时间间隔的第二方案而操作，并且在BLDC电机切换到无传感器模式之后，BLDC电机根据其中一个周期的第一相位换向部分具有等于在所述周期之前的周期的第一相位换向部分的时间间隔的平均值的时间间隔的第三方案操作。
当BLDC电机旋转一个周期时，如果所述周期的相位换向部分的时间间隔的最大值和最小值之间的差异小于或者等于预定的值时，BLDC电机可以切换到无传感器模式。
相位换向部分的时间间隔可以是在ZCP信号从BLDC电机的反向EMF信号所发生的时间间隔，各ZCP信号在反向EMF信号与零相位相交时发生。
附图说明
本发明的这些和/或者其它方面和特征将从实施例的下述说明并结合附图而详细了解到，其中：
图1是根据本发明的典型实施例的BLDC电机控制装置的方框图；
图2是在如图1所示的BLDC电机旋转通过对应一个周期的机械角时说明典型相位换向方法的示意图；
图3是显示根据本发明的典型实施例在如图1中所示的BLDC电机的第三方案的相位换向方法的示意图；
图4是根据本发明的典型实施例在根据如图1所示的BLDC电机的操作状态所施加的不同的相位换向方案的视图；
图5是根据本发明的典型实施例的如图1所示的BLDC电机的相位换向方法的流程图。
具体实施方式
下面将参照本发明的实施例来进行详细说明，其中附图中说明了示例，其中相似的引用数字表示相似的部件。下述的实施例通过参照附图来说明。
如图1所示，根据本发明的典型实施例的BLDC电机控制装置包括电源10、AC-DC电源换流器30、逆变器(inverter)50、位置/速度检测器90、电流传感器110以及控制器100。电源10供给商用AC电源，换流器30将AC电源转换为DC电源。逆变器50将来自换流器30的DC电源输出通过交替地打开和关闭多个电源晶体管而转换为三相(U、V和W)AC电源以旋转BLDC电机70。位置/速度检测器90检测BLDC电机70的反向EMF以检测转子位置信号。电流传感器110检测换流器30和逆变器50之间的电流。控制器100基于转子位置而控制BLDC电机70的旋转速度，其通过位置/速度检测器使用BLDC电机70的反向EMF而检测。逆变器50产生逆变器控制信号以控制各相的电流和来自逆变器50的三相AC电源输出的相位换向时序，由此允许BLDC电机70根据来自控制器100的控制信号而旋转。
当BLDC电机70旋转时，反向EMF在各线圈中被产生。用于控制电机的控制器100每次反向EMF交叉电机的公共点(common point)的零相位时产生零交叉点(ZCP)，并将电压根据ZCP信号施加到各线圈。ZCP信号指示反向EMF信号的零交叉点，其周期根据BLDC电机70的旋转速度而变化。
为了稳定BLDC电机70的操作，就必须将精确的三相电压在反向EMF的ZCP信号输出到另外的线圈上时施加到一个线圈上。因此，反向EMF的零交叉点的准确检测对于电机的稳定操作是必须的。
如图2所示，相位换向四极BLDC电机70在执行了12个相位换向时旋转360机械角度。即，当第一-第12相位换向(①-)被执行时，BLDC电机70机械地旋转一转。参照图2中的第一相位换向部分①，可以看出一个相位换向部分对应从反向EMF的ZCP信号被输出的时间到反向EMF的下一个ZCP信号被输出时的时间的时间间隔7。相位换向部分的一部分是在相位换向被实际执行的过程中的时间间隔1，以及另外一部分是转子位置检测被执行的过程中的时间间隔5。第一相位换向部分①的相位换向被实际执行直到第一相位换向部分①中的时间3。
各相位换向部分的实际相位换向过程1、位置检测间隔5和ZCP至ZCP间隔7同时BLDC电机70旋转对应一转的机械角度根据BLDC电机70的载荷扭矩而变化。如果电冰箱中的制冷剂被认为是图2的示例中的载荷，可以看出BLDC电机70的扭矩随着载荷扭矩逐渐增加而与载荷扭矩中的变化成比例变化，然后在一个周期中减小。这是由于这样的现实：如果制冷剂被用作电冰箱中的载荷，对于各旋转施加到电机中的载荷发生较大变化。电机扭矩中的增加指示电机的旋转速度的增加。可以从图2看出，ZCP至ZCP时间间隔7随着电机扭矩增加而增加，并且这样旋转速度增加。同样，在电机的旋转速度增加时，相位换向部分持续时间1减小。
如果BLDC电机70旋转通过对应一转的机械角，这样12个相位换向被执行，完成一个周期，BLDC电机70进入下一个周期，并且再次旋转通过对应一转的机械角度。根据本发明的典型实施例，在第一周期的第12相位换向完成之后具有用于执行第二周期的第一相位换向(即，第13相位换向)的不同方案。
在第一方案中，第13相位换向与第12相位换向部分的执行方式相同。当BLDC电机70在初始起始上具有较大的速度时，此方案典型地用于检测相位换向时序和位置检测时序。
在第二方案中，第一至第12相位换向部分的ZCP至ZCP时间间隔值7被存储在存储器中，同时BLDC电机70旋转通过对应一个周期的机械角度，如果第12相位换向被完成，被存储的ZCP至ZCP时间间隔值7被计算，被计算的平均值被设置作为第13相位换向部分的ZCP至ZCP时间间隔7。此相位换向方案在BLDC电机70的速度到达一定的水平时被使用。
在第三方案中，如图3所示，第13相位换向部分的ZCP至ZCP时间间隔7被设置等于第一相位换向部分①的ZCP至ZCP时间间隔7，以及是第三周期的第一相位换向部分的第25相位换向部分 的ZCP至ZCP时间间隔7被设置等于第一和第13相位换向部分①和的ZCP至ZCP时间间隔7的平均。此相位换向方案在BLDC电机70稳定操作时被使用，其方式是前面的周期的对应的相位换向部分的ZCP至ZCP时间间隔的平均被计算并且所述周期的下一周期的对应的相位换向部分的ZCP至ZCP时间间隔被设置等于被计算的平均值。BLDC电机70是否在稳定的操作范围中的确定基于所有相位换向部分的最大和最小ZCP至ZCP时间间隔之间的差异同时电机旋转通过对应一个周期的机械角度。特别地，如果一个周期的最大和最小ZCP至ZCP时间间隔之间的差异在根据其中BLDC电机70被使用的产品的规范所设置的范围中，确定BLDC电机70处于稳定的操作范围中。
如图4所示，在开始起始时，BLDC电机70根据第一方案执行相位换向。如果BLDC电机70的速度升高到特定的水平，BLDC电机70切换相位换向方法至第二方案并根据第二方案执行相位换向。如果BLDC电机70进入稳定的操作范围，BLDC电机70将相位换向方法切换到第三方案并根据第三方案执行相位换向。特别地，BLDC电机70在其处于起始模式时根据第一和第二方案执行相位换向，并且当其进入无传感器模式时根据第三方案执行相位换向。
相位换向方法没有必要通过第一和第二方案被切换到第三方案3。例如，BLDC电机70也可以根据第三换向执行相位换向，如果BLDC电机70进入稳定的范围同时其根据BLDC电机70的操作条件或者其它条件或者BLDC电机70的设计而根据第一和第二方案之一来执行相位换向。
根据本发明的典型实施例的BLDC电机相位换向方法将参照图5进行说明。
如果控制器100传输信号至各元件，所述信号请求BLDC电机70的启动，AC电源从电源10供给，AC电源通过换流器30被转换为DC电源，DC电源然后通过逆变器50转换为三相AC电源。三相AC电源导致BLDC电机70旋转。当未逆变相电流以此方式被供给到BLDC电机70，BLDC电机70开始操作(S100)。
如果BLDC电机70开始操作，其可以使用转子位置信息确定相位换向是否被执行。如果相位换向被开始，BLDC电机70根据第一方案执行相位换向(S110和S120)。即，第13相位换向在12个相位换向被执行同时BLDC电机70旋转通过对应一个周期的机械角度的假设下与第12相位换向部分相同的方式被执行。
当根据第一方案执行相位换向时，BLDC电机70确定BLDC电机70的速度误差是否进入特定的范围(S130)。特别地，在开始启动之后，BLDC电机70确定BLDC电机70是否被加速进入到根据规范所预定的速度范围中。BLDC电机70根据第一方案执行相位换向直到速度误差进入预定的范围中。
如果速度误差在预定的范围之内，BLDC电机70切换相位换向方法至第二方案并根据第二方案执行相位换向(S140)。第一至第12相位换向部分①-的ZCP至ZCP时间间隔被存储在存储器中同时电机旋转通过对应一个周期的机械角度。如果第12相位换向被完成，被存储的ZCP至ZCP时间间隔值的平均被计算，被计算的平均值被设置为第13相位换向部分的ZCP至ZCP时间间隔。
当相位换向根据第二方案被执行时，所有的相位换向部分的最大和最小ZCP至ZCP时间间隔同时电机旋转对应一个周期的机械角度被确定，并且确定所确定的最大和最小值之间的差异是否小于预定的参考值(S150)。
如果最大和最小值之间的差异小于预定的参考值，确定BLDC电机70进入稳定的操作范围，并且这样相位换向根据第三方案来执行(S160)。在稳定的操作范围中，相位换向部分的各ZCP至ZCP时间间隔以及电机旋转对应一个周期的机械角度的可以被考虑认为相对不变。因此，根据第三方案，对应前面的周期的相位换向部分的ZCP至ZCP时间间隔值7的平均被设置为所述周期的下一个周期的对应相位换向部分。
上述方法可以有效地应用到诸如电冰箱或者空调的装置中，在所述装置中，电机的载荷扭矩周期地随着电机旋转一转而变化。
从上述描述明显可见，根据本发明的典型实施例的BLDC电机相位换向方法具有下述优点。
压缩机中的BLDC电机的相位换向时序和位置检测时序被正确地检测以稳定压缩机的旋转和RPM，由此使得噪音和振动最小化。
此外，不同的相位换向方案根据BLDC电机的操作模式而被使用，这样相位换向时序可以在BLDC电机处于稳定的操作范围中时被更为准确地确定。
尽管对本发明的优选实施例进行了说明，但是普通技术人员可以理解，在不背离本发明的精神和实质的情况下，可以对本发明进行修改，其范围由权利要求书及其等同限定。

Claims (12)

1.一种无刷直流(BLDC)电机相位换向方法，包括当BLDC电机在旋转通过对应第一周期的机械角之后执行相位换向，第一周期的下一周期的相位换向部分中的BLDC电机的控制操作将被以与第一周期的第一相位换向部分中相同的方式执行。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，控制操作包括控制第一周期的下一个周期的相位换向部分中的相位换向时间和位置检测时间等于第一周期的第一相位换向部分中的相位换向时间和位置检测时间。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，控制操作包括控制第一周期的下一个周期的相位换向部分中的BLDC电机的反向电动势(EMF)的零交叉点(ZCP)的周期等于第一周期的第一相位换向部分中的ZCP的周期。
4.一种无刷直流(BLDC)电机相位换向方法，包括：当BLDC电机旋转通过对应一个周期的机械角时，所述周期的第一相位换向部分的时间间隔被设置等于在所述周期之前的周期的第一相位换向部分的时间间隔的平均值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，相位换向部分的时间间隔是零交叉点(ZCP)信号从BLDC电机的反向电动势(EMF)信号所发生的时间间隔，每个ZCP信号在反向EMF信号与零相位相交时发生。
6.一种无刷直流(BLDC)电机相位换向方法，包括：
(a)当BLDC电机旋转通过对应一个周期的机械角时，根据其中一个周期的第一相位换向部分中的BLDC电机的操作与在第一周期之前紧邻的周期的最后的相位换向部分相同的方式被执行的第一方案操作BLDC电机；以及
(b)在BLDC电机切换到无传感器模式之后，根据其中第一周期的后续的第二周期的第一相位换向部分具有等于在所述第二周期之前的周期的第一相位换向部分的时间间隔的平均的第二方案来操作BLDC电机。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，(b)包括如果一个周期的相位换向部分的时间间隔的最大值和最小值之间的差异小于或者等于预定的值时，将BLDC电机切换到无传感器模式。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括(c)如果BLDC电机的速度在BLDC电机根据第一方案操作之后进入预定的范围，BLDC电机根据其中第一周期之后和第二周期之前的第三周期的第一相位换向部分具有等于在所述第三周期之前紧邻的周期的所有的相位换向部分的时间间隔的平均的第三方案操作。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，相位换向部分的时间间隔是零交叉点(ZCP)信号从BLDC电机的反向电动势(EMF)信号所发生的时间间隔，每个ZCP信号在反向EMF信号与零相位相交时发生。
10.一种无刷直流(BLDC)电机相位换向方法，包括：
(a)当BLDC电机旋转通过对应一个周期的机械角时，根据其中第一周期的第一相位换向部分的时间间隔等于与所述第一周期之前紧邻的一个周期的所有的相位换向部分的时间间隔的平均的第一方案操作BLDC电机，以及
(b)在BLDC电机切换到无传感器模式之后，根据其中第一周期的后续的第二周期的第一相位换向部分具有等于在所述第二周期之前的周期的第一相位换向部分的时间间隔的平均的第二方案操作BLDC电机。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，(b)包括如果一个周期的相位换向部分的时间间隔的最大值和最小值之间的差异小于或者等于预定的值时，将BLDC电机切换到无传感器模式。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，相位换向部分的时间间隔是零交叉点(ZCP)信号从BLDC电机的反向电动势(EMF)信号所发生的时间间隔，各ZCP信号在反向EMF信号与零相位相交时发生。
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