專利名稱：對無刷直流電機的霍爾傳感器的定位的制作方法
技術領域：
本發明涉及無刷直流(BLDC)電機驅動器，且更特別地涉及一種用于在這樣一個驅動器中確定霍爾傳感器的定位誤差的方法與系統，其有利地用于使霍爾傳感器的位置最優。本申請是基于并要求2004年6月11日提交的美國臨時申請第60/579037號的優先權，其全部內容參考性地合并于此。
背景技術：
無刷直流電機驅動器通常使用霍爾效應傳感器以測定轉子位置。霍爾傳感器感測轉子上的一個磁鐵的磁場，且產生一個表示在6個可能扇區之一中的轉子位置的數字圖像。由于霍爾傳感器和磁鐵的相對的機械位置、傳感器的分辨率和精確度、感測磁鐵的極寬、及感測磁鐵和轉子之間的物理關系而引入了誤差。由于這些潛在的誤差源，由霍爾傳感器測量的位置不能確切地符合真實的轉子位置。這個位置誤差在一給定的電流下能夠促使產生較低轉矩。
發明內容
為了解決和避免這些潛在的誤差源，已經發展了一種技術以確定位于一個無刷直流電機驅動器中的霍爾傳感器位置的定位誤差，該技術優選地當電機處于慣性滑行時通過測量反電動勢(back EMF)波形實現。
該技術的特征在于在已選定的反電動勢(BEMF)波形與已選定的霍爾信號之間計算一個角偏差。優選地每一個相位分別計算這樣的角偏差。可以有利地將所述角偏差存儲在電機控制單元中并使用所述角偏差來調整用于最大轉矩的輸出電機控制信號。
換言之，本發明提供一個用于多相位直流電機的控制系統，包括一個多相位電機驅動電路；一個用于從所述電機驅動電路輸出反電動勢信號的電路；霍爾效應傳感器和一個用于從表示轉子位置的所述傳感器輸出霍爾信號的電路；和一個用于計算霍爾信號和反電動勢信號之間的相位差的計算電路。
本發明還提供一種用于多相位直流電機的控制方法，所述電機具有一個多相位電機驅動電路、一個用于從所述電機驅動電路輸出反電動勢信號的電路、霍爾效應傳感器和一個用于從表示轉子位置的所述傳感器輸出霍爾信號的電路；所述方法包括計算霍爾信號和反電動勢信號之間的相位差的步驟。
該公開的技術已經進行了測試且發現大體上不依賴于速度的改變而獲得好的測試結果。
本發明的其它特征與優點從下面的參考附圖的本發明的實施例的描述中來看將會是明顯的。
圖1是一個用于實施本發明的電路布置的示意性圖表；圖2是一個從總體上闡釋要測量的類型的相位偏差的圖表；圖3是一個闡釋根據本發明的一個實施例的對相位U霍爾信號和相位U反電動勢(BEMF)信號進行分析的圖表；圖4是一個示出了一個相位W霍爾信號和一個相位U BEMF信號的圖表；圖5闡釋了一種能夠在相位W霍爾信號和相位U BEMF信號上使用的計算方法；圖6是一個示出了一個相位W霍爾信號和一個相位W BEMF信號的圖表；和圖7闡釋了一種能夠在相位W霍爾信號和相位W BEMF信號上使用的計算方法。
具體實施例方式
本發明已經發展了一種技術，憑借該技術一個經過測試能夠控制BLDC電機且具有訪問電機相位電壓的入口的外部單元能夠測量和顯示怎樣校正霍爾定位。
在圖1中示出了這樣的布置的一個例子，其包括一個PC10、一個通信轉換器12、一個帶有電子控制單元(ECU)的電機14和一個電源16。在一個測試程序的例子中，PC控制通信轉換器起動霍爾定位。通信轉換器控制ECU以選定的速度運轉電機且進入霍爾定位模式。然后ECU停止電機驅動器，允許電機慣性滑行，且通信轉換器開始感測在線路18和線路CANH/CANL上的霍爾和BEMF信號。如果需要校正霍爾校準誤差，通信轉換器就計算一個相位提前，并且控制ECU將這樣的相位提前存儲在一個EEPROM中，例如將該相位提前用在校正轉子位置信號中以用于控制電機驅動產生最大轉矩。
參見圖2對于該方法的一般闡釋。將一個霍爾傳感器偏移檢測為在霍爾信號H的一個邊緣(這里是下降邊緣)和反EMF信號B的一個局部極小值M之間的相位誤差D。一旦測量到，可以將相位誤差D存儲在電機控制單元中，從而將其用于補償電機控制信號和增加所生成的轉矩。
在該技術的一個實施例中，相位U霍爾信號將與相位U BEMF信號對齊。所有的測量時間反過來參照霍爾信號。見圖3。
假定電機以恒定的速度W(RPM)旋轉，那么霍爾信號將具有一個由下面公式給出的頻率f(Hz)f＝3×w/60 (1)通常，一個周期的信號能夠表述為一個傅立葉數列G(t)＝a0/2+a1cos(2лf×t)+b1sin(2лf×t)+a2cos(4лf×t)+b2sin(4лf×t)+…(2)假定我們已經定義時刻＝0是在霍爾信號的上升邊緣處，那么霍爾信號的傅立葉數列能夠表示為G(t)＝a0/2+b1sin(2лf×t)+b2sin(4лf×t)+b3sin(6лf×t)+…(3)如果我們忽視或者假定直流分量是0，即a0＝0，那么G(t)＝b1sin(2лf×t)+b2sin(4лf×t)+b3sin(6лf×t)+… (4)且當t＝n/f時(其中n＝0，1，2，3，…)，那么G(t)＝0 (5)可選地，通過僅考慮基本頻率我們能寫為當sin(2лf×t)＝0時G(t)＝0 (6)2лf×t＝n×2л(7)
f×t-n＝0 (8)方程式(8)是最重要的方程式。我們不能假定f是恒定的，即Δf＝df/dt≠0。然而，我們將假定d2f/dt2＝0，即加速度是恒定的。
頻率實際上是時間的函數，也就是F(t)＝f-Δf×t (9)當電機慣性滑行時電機將具有一個衰退頻率，因此可用F(t)取代f代入方程式(4)中，我們得到G(t)＝b1sin(2л(f-Δf×t)×t)+b2sin(4л(f-Δf×t)×t)+b3sin(6л(f-Δf×t)×t)+…(10)方程式(6)-(8)可以再寫為下面的方程式當sin(2л(f-Δf×t)×t)＝0時G(t)＝0(11)2л(f-Δf×t)×t＝n×2л (12)(f-Δf×t)×t-n＝0 (13)Δf×t2-f×t+n＝0 (14)在圖1中，能夠看到時刻＝T1表示第一個零點即當n＝1時和時刻＝T1+T2表示第二個零點即當n＝2時。
因此，能夠將這些代入方程式(14)Δf×T12-f×T1+1＝0 (15)Δf×(T1+T2)2-f×(T1+T2)+2＝0 (16)在實踐中，使用DSP我們能夠精確地測量時刻T1和T2。我們能夠把這些時間代入方程式(15)和(16)且能夠對于兩個未知數f和Δf解這兩個方程式。通常，f和Δf的解答能夠被表示如下f＝(T22+2×T1×T2-T12)/(T1×T2×(T1+T2)) (17)Δf＝(f×T1-1)/T12(18)測定相位定位誤差中的下一個步驟中是關于霍爾信號尋找在該處產生BEMF的局部極小值的時間/角度。理想地這個局部最小值將在л/6弧度或者60度處發生。
盡管能夠使用DSP跟蹤BEMF且直接測定局部最小值的時刻，實際上對這個時刻的測量由于噪音將受到誤差的影響。一個可選的更加免受誤差影響的方法是設置一個用于BEMF波形的任意閾值電壓。當信號上升超過這個閾值電壓時，將時刻/角度識別為時刻＝B1，且當信號下降至低于這個閾值電壓時，時刻/角度是時刻＝B2。通過基于一個移動平均數的輸出來設置這個閾值能夠進一步減少噪音誤差。在這種情況下，將時刻＝B1設置在形成移動平均數第一次等于或者超過該閾值的最后采樣時刻處。將時刻＝B2設置在形成移動平均數為第一次等于或者小于該閾值的第一采樣時刻處。
時刻B1表示自第一霍爾信號邊緣開始的時間，并且該時刻在霍爾信號內能夠轉換成一個角度2л(f-Δf×t)×t＝θ(弧度)(19)360(f-Δf×t)×t＝θ(度) (20)360(f-Δf×TB1)×TB1＝θB1(度)(21)對于時間B2360(f-Δf×TB2)×TB2＝θB2(度)(22)對在該處發生局部最小值的角的一個精確估計簡單地是這兩個角的平均值，即θB＝θB2+θB1/2 (23)最后的定位誤差現在能夠計算為定位誤差＝(θB2+θB1)/2-420度已經研究了前述技術上的變形且發現是有用的。如圖4所示，例如可以對照相位W霍爾信號測量相位U BEMF。理想地，霍爾W信號的下降邊緣應該與相位U BEMF中的局部最小值重合。參見圖5，為了計算霍爾定位因數，首先要找出時間T1、B1、B2和H(參見圖2和圖5)。其次計算(B2-B1)/2以測定B(圖2)。最后，將度數中的霍爾定位因數確定為(B-H)×360/T1。
在第三實施例中，相位W BEMF與相位W霍爾信號相關。
理想地，霍爾W信號的上升邊緣在BEMF波形中的局部最小值的前面精確地為60度。參見圖6。
要計算霍爾定位，可以應用下面的步驟步驟1找出時間T1、B1、B2和H(參見圖7)步驟2計算B＝(B2-B1)/2步驟3計算霍爾定位(度)＝(B-(H-T1/6))×360/T1盡管根據本發明的特別實施例已經描述了本發明，但是對于本領域的那些熟練技術員來說許多其它的變化和更改以及其它的應用將是明顯的。因此，本發明不由其中的具體公開來限定。
權利要求
1.一個用于多相位直流電機的控制系統，包括一個多相位電機驅動電路；一個用于從所述電機驅動電路輸出反電動勢信號的電路；霍爾效應傳感器和一個用于從表示轉子位置的所述傳感器輸出霍爾信號的電路；和一個用于計算霍爾信號和反電動勢信號之間的相位差的計算電路。
2.根據權利要求1的控制系統，在所述電機驅動電路中進一步包括一個存儲電路，該存儲電路存儲所述相位差且根據所述相位差通過校正所述輸出霍爾信號從而校正所述轉子位置。
3.根據權利要求1的控制系統，包括用于所述電機的每一個相位的各自的霍爾信號和反電動勢信號；和其中所述計算電路計算用于所述相位中的每一個的相應的相位差。
4.根據權利要求3的控制系統，在所述電機驅動電路中進一步包括一個存儲電路，該存儲電路存儲所述相位差且根據所述相位差通過校正所述輸出霍爾信號從而校正所述轉子位置。
5.根據權利要求1的控制系統，其中所述計算電路計算相位U霍爾信號和相位U反電動勢信號之間的相位差。
6.根據權利要求1的控制系統，其中所述計算電路計算相位W霍爾信號和相位U反電動勢信號之間的相位差。
7.根據權利要求1的控制系統，其中所述計算電路計算相位W霍爾信號和相位W反電動勢信號之間的相位差。
8.根據權利要求1的控制系統，其中所述計算電路計算所述霍爾信號的上升或者下降邊緣和所述反電動勢信號的局部最小值之間的所述相位差。
9.根據權利要求8的控制系統，其中所述計算電路通過在所述反電動勢信號的上升和下降邊緣之間進行插值來計算所述反電動勢信號的局部最小值。
10.根據權利要求9的控制系統，其中所述計算電路在所述反電動勢信號的所述上升和下降邊緣越過預定閾值的點之間進行插值。
11.一種用于多相位直流電機的控制方法，所述電機具有一個多相位電機驅動電路、一個用于從所述電機驅動電路輸出反電動勢信號的電路、霍爾效應傳感器和一個用于從表示轉子位置的所述傳感器輸出霍爾信號的電路；所述方法包括計算霍爾信號和反電動勢信號之間的相位差的步驟。
12.根據權利要求11的控制方法，進一步包括存儲所述相位差并根據所述相位差通過校正所述輸出霍爾信號從而校正所述轉子位置的步驟。
13.根據權利要求11的控制方法，其中存在用于所述電機的每一個相位的各自的霍爾信號和反電動勢信號；和其中所述計算電路計算用于所述相位中的每一個的相應的相位差。
14.根據權利要求13的控制方法，進一步包括存儲所述相位差，和根據所述相位差通過校正所述輸出霍爾信號從而校正所述轉子位置的步驟。
15.根據權利要求11的控制方法，其中所述計算電路計算相位U霍爾信號和相位U反電動勢信號之間的相位差。
16.根據權利要求11的控制方法，其中所述計算電路計算相位W霍爾信號和相位U反電動勢信號之間的相位差。
17.根據權利要求11的控制方法，其中所述計算電路計算相位W霍爾信號和相位W反電動勢信號之間的相位差。
18.根據權利要求11的控制方法，其中所述計算電路計算所述霍爾信號的上升或者下降邊緣和所述反電動勢信號的局部最小值之間的所述相位差。
19.根據權利要求18的控制方法，其中所述計算電路通過在所述反電動勢信號的上升和下降邊緣之間進行插值來計算所述反電動勢信號的局部最小值。
20.根據權利要求19的控制方法，其中所述計算電路在所述反電動勢信號的所述上升和下降邊緣越過預定閾值的點之間進行插值。
全文摘要
一種用于確定位于無刷直流電機驅動器中的霍爾傳感器的定位誤差的技術，該技術優選地當電機慣性滑行時通過測量反EMF波形實現。根據本技術，在選定的BEMF波形和選定的霍爾信號之間計算一個角偏差。優選地分別為每一個相位計算這樣的偏差。該偏差可以有利地存儲在電機控制單元中，并且使用該偏差以調整用于最大轉矩的輸出電機控制信號。
文檔編號H02P6/14GK1728534SQ20051007700
公開日2006年2月1日 申請日期2005年6月13日 優先權日2004年6月11日
發明者L·伯爾特 申請人:國際整流器公司