專利名稱：無刷直流電機的相位換向方法
技術領域：
本發明涉及無刷直流(BLDC)電機的相通信方法，具體而言，涉及通過精確控制相通信時間而使得噪音和振動最小化的BLDC電機的相位換向方法。
背景技術：
BLDC電機是使用包括切換元件而不是諸如換向器和電刷的整流器電路的電機。BLDC電機的特征在于不需要由于摩擦和噪音的原因而替換電刷，以及電磁干涉水平較低。
BLDC電機典型地使用在諸如洗衣機和用于空調和電冰箱中的壓縮機的產品中，其需要較高的性能、可變的速度操作。
為了運行BLDC電機，BLDC電機中的定子通量(flux)必須相對BLDC電機的轉子中的永久磁鐵中所產生的通量在90度電角或者任何其它合適的電角上被控制。為了實現此，轉子的位置必須恒定地被檢測以根據所檢測的轉子的位置確定逆變器(inverter)中的開關元件的切換狀態并確定通量被產生的定子的位置。分相器(resolver)、絕對編碼器、霍爾傳感器等可以被用于檢測轉子的位置。但是，對于壓縮機和空調中的壓縮機中的BLDC電機由于諸如溫度和壓力的環境因素而難于使用傳感器，并且因此BLDC電機使用無傳感器方法來從施加到電機上的電壓和電流來檢測轉子的位置。
BLDC電機的驅動方法根據施加到電機的相電流的波形可以被分類為矩形電流波形方法以及正弦電流波形方法。
在正弦電流波形驅動方法中，轉子位置可以通過檢測所有的三相電壓和電流來被檢測。通常，對應用于電冰箱、空調等的壓縮機用的一個周期(即，360度)的機械角的轉子位置信息需要10-12比特的分辨率(resolution)。
由于諸如吸氣、壓縮和釋放的制冷劑氣體的連續操作，電冰箱、空調等的壓縮機的施加到電機的每個旋轉的載荷具有較大的變化，這就必須正確確定各相位換向被執行的時間以及位置檢測被執行的時間。
但是，傳統的BLDC電機相位換向方法沒有提供如何有效或者正確地確定當在BLDC電機旋轉對應一個旋轉(one rotation)的機械角之后執行下一周期的第一相位換向，這樣當相位換向方法被用于具有施加到電機的較大變化的載荷的逆變器(inverter)電冰箱等時噪音和振動比較嚴重。
此外，在傳統的相位換向方法中，當BLDC電機在切換到無傳感器模式之后穩定地操作時，其用在BLDC電機處于初始啟動模式時相同的方式執行相位換向。這樣，考慮BLDC電機的不同操作模式的特性傳統的相位換向方法不能執行相位換向。
發明內容
本發明的一方面是提供一種BLDC電機相位換向方法，其中壓縮機中的BLDC電機的相位換向時間和位置檢測時間被正確地檢測以使得壓縮機的旋轉和RPM穩定，由此最小化噪音和振動。
本發明的另外一方面是提供一種BLDC電機相位換向方法，其中不同的相位換向方案(scheme)根據BLDC電機的操作模式而被使用，這樣相位換向時間在BLDC電機處于穩定的操作范圍中時可以被更為正確地確定。
根據本發明的一方面，提供了一種BLDC電機相位換向方法，其中當BLDC電機在旋轉通過對應第一周期的機械角之后執行相位換向，第一周期的下一周期的相位換向部分中的BLDC電機的操作被控制以與第一周期的第一相位換向部分中相同的方式被執行。
下一周期的相位換向部分中的相位換向時間和位置檢測時間可以被控制以等于第一周期的第一相位換向部分中的相位換向時間和位置檢測時間。
下一周期的相位換向部分中的BLDC電機的反電動勢(EMF)的零交叉點的周期可以被控制以等于第一周期的第一相位換向方法中的ZCP的周期。
根據本發明的另外一方面，提供了一種BLDC電機相位換向方法，其中當BLDC電機旋轉通過對應一個周期的機械角時，所述周期的第一相位換向部分的時間間隔被設置等于在所述周期之前的周期的第一相位換向部分的時間間隔的平均值。
相位換向部分的時間間隔可以是ZCP信號從BLDC電機的反向EMF信號所發生的時間間隔，每個ZCP信號在反向EMF信號與零相相交(cross)時發生。
根據本發明的另外一方面，提供了一種BLDC電機相位換向方法，其中當BLDC電機旋轉通過對應一個周期的機械角時，BLDC電機根據其中一個周期的第一相位換向部分中的BLDC電機的操作與在所述周期之前的緊鄰的一個周期的最后相位換向部分相同的方式被執行的第一方案操作，并且在BLDC電機切換到無傳感器模式之后，BLDC電機根據其中一個周期的第一相位換向部分具有等于在所述周期之前的周期的第一相位換向部分的時間間隔的平均值的第三方案來操作。
當BLDC電機旋轉一個周期時，如果所述周期的相位換向部分的時間間隔的最大值和最小值之間的差異小于或者等于預定的值時，BLDC電機可以切換到無傳感器模式。
如果BLDC電機的速度在BLDC電機根據第一方案操作之后進入預定的范圍，BLDC電機可以根據其中一個周期的第一相位換向部分具有等于在所述周期之前緊鄰的周期的所有的相位換向部分的時間間隔的平均值的時間間隔的第二方案而操作。
根據本發明的另外一方面，提供了一種BLDC電機相位換向方法，其中當BLDC電機在旋轉通過對應第一周期的機械角之后，BLDC電機根據其中一個周期的第一相位換向部分具有等于在所述周期之前緊鄰的一個周期的所有的相位換向部分的時間間隔的平均值的時間間隔的第二方案而操作，并且在BLDC電機切換到無傳感器模式之后，BLDC電機根據其中一個周期的第一相位換向部分具有等于在所述周期之前的周期的第一相位換向部分的時間間隔的平均值的時間間隔的第三方案操作。
當BLDC電機旋轉一個周期時，如果所述周期的相位換向部分的時間間隔的最大值和最小值之間的差異小于或者等于預定的值時，BLDC電機可以切換到無傳感器模式。
相位換向部分的時間間隔可以是在ZCP信號從BLDC電機的反向EMF信號所發生的時間間隔，各ZCP信號在反向EMF信號與零相位相交時發生。
本發明的這些和/或者其它方面和特征將從實施例的下述說明并結合附圖而詳細了解到，其中圖1是根據本發明的典型實施例的BLDC電機控制裝置的方框圖；圖2是在如圖1所示的BLDC電機旋轉通過對應一個周期的機械角時說明典型相位換向方法的示意圖；圖3是顯示根據本發明的典型實施例在如圖1中所示的BLDC電機的第三方案的相位換向方法的示意圖；圖4是根據本發明的典型實施例在根據如圖1所示的BLDC電機的操作狀態所施加的不同的相位換向方案的視圖；圖5是根據本發明的典型實施例的如圖1所示的BLDC電機的相位換向方法的流程圖。
具體實施例方式
下面將參照本發明的實施例來進行詳細說明，其中附圖中說明了示例，其中相似的引用數字表示相似的部件。下述的實施例通過參照附圖來說明。
如圖1所示，根據本發明的典型實施例的BLDC電機控制裝置包括電源10、AC-DC電源換流器30、逆變器(inverter)50、位置/速度檢測器90、電流傳感器110以及控制器100。電源10供給商用AC電源，換流器30將AC電源轉換為DC電源。逆變器50將來自換流器30的DC電源輸出通過交替地打開和關閉多個電源晶體管而轉換為三相(U、V和W)AC電源以旋轉BLDC電機70。位置/速度檢測器90檢測BLDC電機70的反向EMF以檢測轉子位置信號。電流傳感器110檢測換流器30和逆變器50之間的電流。控制器100基于轉子位置而控制BLDC電機70的旋轉速度，其通過位置/速度檢測器使用BLDC電機70的反向EMF而檢測。逆變器50產生逆變器控制信號以控制各相的電流和來自逆變器50的三相AC電源輸出的相位換向時序，由此允許BLDC電機70根據來自控制器100的控制信號而旋轉。
當BLDC電機70旋轉時，反向EMF在各線圈中被產生。用于控制電機的控制器100每次反向EMF交叉電機的公共點(common point)的零相位時產生零交叉點(ZCP)，并將電壓根據ZCP信號施加到各線圈。ZCP信號指示反向EMF信號的零交叉點，其周期根據BLDC電機70的旋轉速度而變化。
為了穩定BLDC電機70的操作，就必須將精確的三相電壓在反向EMF的ZCP信號輸出到另外的線圈上時施加到一個線圈上。因此，反向EMF的零交叉點的準確檢測對于電機的穩定操作是必須的。
如圖2所示，相位換向四極BLDC電機70在執行了12個相位換向時旋轉360機械角度。即，當第一-第12相位換向(①-)被執行時，BLDC電機70機械地旋轉一轉。參照圖2中的第一相位換向部分①，可以看出一個相位換向部分對應從反向EMF的ZCP信號被輸出的時間到反向EMF的下一個ZCP信號被輸出時的時間的時間間隔7。相位換向部分的一部分是在相位換向被實際執行的過程中的時間間隔1，以及另外一部分是轉子位置檢測被執行的過程中的時間間隔5。第一相位換向部分①的相位換向被實際執行直到第一相位換向部分①中的時間3。
各相位換向部分的實際相位換向過程1、位置檢測間隔5和ZCP至ZCP間隔7同時BLDC電機70旋轉對應一轉的機械角度根據BLDC電機70的載荷扭矩而變化。如果電冰箱中的制冷劑被認為是圖2的示例中的載荷，可以看出BLDC電機70的扭矩隨著載荷扭矩逐漸增加而與載荷扭矩中的變化成比例變化，然后在一個周期中減小。這是由于這樣的現實如果制冷劑被用作電冰箱中的載荷，對于各旋轉施加到電機中的載荷發生較大變化。電機扭矩中的增加指示電機的旋轉速度的增加。可以從圖2看出，ZCP至ZCP時間間隔7隨著電機扭矩增加而增加，并且這樣旋轉速度增加。同樣，在電機的旋轉速度增加時，相位換向部分持續時間1減小。
如果BLDC電機70旋轉通過對應一轉的機械角，這樣12個相位換向被執行，完成一個周期，BLDC電機70進入下一個周期，并且再次旋轉通過對應一轉的機械角度。根據本發明的典型實施例，在第一周期的第12相位換向完成之后具有用于執行第二周期的第一相位換向(即，第13相位換向)的不同方案。
在第一方案中，第13相位換向與第12相位換向部分的執行方式相同。當BLDC電機70在初始起始上具有較大的速度時，此方案典型地用于檢測相位換向時序和位置檢測時序。
在第二方案中，第一至第12相位換向部分的ZCP至ZCP時間間隔值7被存儲在存儲器中，同時BLDC電機70旋轉通過對應一個周期的機械角度，如果第12相位換向被完成，被存儲的ZCP至ZCP時間間隔值7被計算，被計算的平均值被設置作為第13相位換向部分的ZCP至ZCP時間間隔7。此相位換向方案在BLDC電機70的速度到達一定的水平時被使用。
在第三方案中，如圖3所示，第13相位換向部分的ZCP至ZCP時間間隔7被設置等于第一相位換向部分①的ZCP至ZCP時間間隔7，以及是第三周期的第一相位換向部分的第25相位換向部分 的ZCP至ZCP時間間隔7被設置等于第一和第13相位換向部分①和的ZCP至ZCP時間間隔7的平均。此相位換向方案在BLDC電機70穩定操作時被使用，其方式是前面的周期的對應的相位換向部分的ZCP至ZCP時間間隔的平均被計算并且所述周期的下一周期的對應的相位換向部分的ZCP至ZCP時間間隔被設置等于被計算的平均值。BLDC電機70是否在穩定的操作范圍中的確定基于所有相位換向部分的最大和最小ZCP至ZCP時間間隔之間的差異同時電機旋轉通過對應一個周期的機械角度。特別地，如果一個周期的最大和最小ZCP至ZCP時間間隔之間的差異在根據其中BLDC電機70被使用的產品的規范所設置的范圍中，確定BLDC電機70處于穩定的操作范圍中。
如圖4所示，在開始起始時，BLDC電機70根據第一方案執行相位換向。如果BLDC電機70的速度升高到特定的水平，BLDC電機70切換相位換向方法至第二方案并根據第二方案執行相位換向。如果BLDC電機70進入穩定的操作范圍，BLDC電機70將相位換向方法切換到第三方案并根據第三方案執行相位換向。特別地，BLDC電機70在其處于起始模式時根據第一和第二方案執行相位換向，并且當其進入無傳感器模式時根據第三方案執行相位換向。
相位換向方法沒有必要通過第一和第二方案被切換到第三方案3。例如，BLDC電機70也可以根據第三換向執行相位換向，如果BLDC電機70進入穩定的范圍同時其根據BLDC電機70的操作條件或者其它條件或者BLDC電機70的設計而根據第一和第二方案之一來執行相位換向。
根據本發明的典型實施例的BLDC電機相位換向方法將參照圖5進行說明。
如果控制器100傳輸信號至各元件，所述信號請求BLDC電機70的啟動，AC電源從電源10供給，AC電源通過換流器30被轉換為DC電源，DC電源然后通過逆變器50轉換為三相AC電源。三相AC電源導致BLDC電機70旋轉。當未逆變相電流以此方式被供給到BLDC電機70，BLDC電機70開始操作(S100)。
如果BLDC電機70開始操作，其可以使用轉子位置信息確定相位換向是否被執行。如果相位換向被開始，BLDC電機70根據第一方案執行相位換向(S110和S120)。即，第13相位換向在12個相位換向被執行同時BLDC電機70旋轉通過對應一個周期的機械角度的假設下與第12相位換向部分相同的方式被執行。
當根據第一方案執行相位換向時，BLDC電機70確定BLDC電機70的速度誤差是否進入特定的范圍(S130)。特別地，在開始啟動之后，BLDC電機70確定BLDC電機70是否被加速進入到根據規范所預定的速度范圍中。BLDC電機70根據第一方案執行相位換向直到速度誤差進入預定的范圍中。
如果速度誤差在預定的范圍之內，BLDC電機70切換相位換向方法至第二方案并根據第二方案執行相位換向(S140)。第一至第12相位換向部分①-的ZCP至ZCP時間間隔被存儲在存儲器中同時電機旋轉通過對應一個周期的機械角度。如果第12相位換向被完成，被存儲的ZCP至ZCP時間間隔值的平均被計算，被計算的平均值被設置為第13相位換向部分的ZCP至ZCP時間間隔。
當相位換向根據第二方案被執行時，所有的相位換向部分的最大和最小ZCP至ZCP時間間隔同時電機旋轉對應一個周期的機械角度被確定，并且確定所確定的最大和最小值之間的差異是否小于預定的參考值(S150)。
如果最大和最小值之間的差異小于預定的參考值，確定BLDC電機70進入穩定的操作范圍，并且這樣相位換向根據第三方案來執行(S160)。在穩定的操作范圍中，相位換向部分的各ZCP至ZCP時間間隔以及電機旋轉對應一個周期的機械角度的可以被考慮認為相對不變。因此，根據第三方案，對應前面的周期的相位換向部分的ZCP至ZCP時間間隔值7的平均被設置為所述周期的下一個周期的對應相位換向部分。
上述方法可以有效地應用到諸如電冰箱或者空調的裝置中，在所述裝置中，電機的載荷扭矩周期地隨著電機旋轉一轉而變化。
從上述描述明顯可見，根據本發明的典型實施例的BLDC電機相位換向方法具有下述優點。
壓縮機中的BLDC電機的相位換向時序和位置檢測時序被正確地檢測以穩定壓縮機的旋轉和RPM，由此使得噪音和振動最小化。
此外，不同的相位換向方案根據BLDC電機的操作模式而被使用，這樣相位換向時序可以在BLDC電機處于穩定的操作范圍中時被更為準確地確定。
盡管對本發明的優選實施例進行了說明，但是普通技術人員可以理解，在不背離本發明的精神和實質的情況下，可以對本發明進行修改，其范圍由權利要求書及其等同限定。
權利要求
1.一種無刷直流(BLDC)電機相位換向方法，包括當BLDC電機在旋轉通過對應第一周期的機械角之后執行相位換向，第一周期的下一周期的相位換向部分中的BLDC電機的控制操作將被以與第一周期的第一相位換向部分中相同的方式執行。
2.根據權利要求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個周期的相位換向部分中的相位換向時間和位置檢測時間等于第一周期的第一相位換向部分中的相位換向時間和位置檢測時間。
3.根據權利要求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個周期的相位換向部分中的BLDC電機的反向電動勢(EMF)的零交叉點(ZCP)的周期等于第一周期的第一相位換向部分中的ZCP的周期。
4.一種無刷直流(BLDC)電機相位換向方法，包括當BLDC電機旋轉通過對應一個周期的機械角時，所述周期的第一相位換向部分的時間間隔被設置等于在所述周期之前的周期的第一相位換向部分的時間間隔的平均值。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，相位換向部分的時間間隔是零交叉點(ZCP)信號從BLDC電機的反向電動勢(EMF)信號所發生的時間間隔，每個ZCP信號在反向EMF信號與零相位相交時發生。
6.一種無刷直流(BLDC)電機相位換向方法，包括(a)當BLDC電機旋轉通過對應一個周期的機械角時，根據其中一個周期的第一相位換向部分中的BLDC電機的操作與在第一周期之前緊鄰的周期的最后的相位換向部分相同的方式被執行的第一方案操作BLDC電機；以及(b)在BLDC電機切換到無傳感器模式之后，根據其中第一周期的后續的第二周期的第一相位換向部分具有等于在所述第二周期之前的周期的第一相位換向部分的時間間隔的平均的第二方案來操作BLDC電機。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，(b)包括如果一個周期的相位換向部分的時間間隔的最大值和最小值之間的差異小于或者等于預定的值時，將BLDC電機切換到無傳感器模式。
8.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，還包括(c)如果BLDC電機的速度在BLDC電機根據第一方案操作之后進入預定的范圍，BLDC電機根據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換向部分具有等于在所述第三周期之前緊鄰的周期的所有的相位換向部分的時間間隔的平均的第三方案操作。
9.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，相位換向部分的時間間隔是零交叉點(ZCP)信號從BLDC電機的反向電動勢(EMF)信號所發生的時間間隔，每個ZCP信號在反向EMF信號與零相位相交時發生。
10.一種無刷直流(BLDC)電機相位換向方法，包括(a)當BLDC電機旋轉通過對應一個周期的機械角時，根據其中第一周期的第一相位換向部分的時間間隔等于與所述第一周期之前緊鄰的一個周期的所有的相位換向部分的時間間隔的平均的第一方案操作BLDC電機，以及(b)在BLDC電機切換到無傳感器模式之后，根據其中第一周期的后續的第二周期的第一相位換向部分具有等于在所述第二周期之前的周期的第一相位換向部分的時間間隔的平均的第二方案操作BLDC電機。
11.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，(b)包括如果一個周期的相位換向部分的時間間隔的最大值和最小值之間的差異小于或者等于預定的值時，將BLDC電機切換到無傳感器模式。
12.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，相位換向部分的時間間隔是零交叉點(ZCP)信號從BLDC電機的反向電動勢(EMF)信號所發生的時間間隔，各ZCP信號在反向EMF信號與零相位相交時發生。
全文摘要
提供了一種BLDC電機相位換向方法，其中壓縮機中的BLDC電機的相位換向時序和位置檢測時序被正確地檢測以使得壓縮機的旋轉和RPM穩定，由此最小化噪音和振動。當BLDC電機旋轉通過對應一個周期的機械角時，BLDC電機根據其中一個周期的第一相位換向部分中的BLDC電機的操作與在所述周期之前的緊鄰的周期的最后的相位換向部分相同的方式被執行的第一方案操作，并且在BLDC電機切換到無傳感器模式之后，BLDC電機根據其中一個周期的第一相位換向部分具有等于在所述周期之前的周期的第一相位換向部分的時間間隔的平均值的第三方案來操作。
文檔編號H02P6/18GK1797932SQ20051010716
公開日2006年7月5日 申請日期2005年9月28日 優先權日2004年12月28日
發明者樸平基, 浜岡孝二, 俞漢周, 徐廷昊, 裴憲曄, 金允正, 吳光教 申請人:三星電子株式會社