[發明專利]無傳感器無刷直流馬達中用于減少零交叉粒度的可變脈寬調制

有效

• 申請號: 201080045320.9
• 申請日: 2010-10-05
• 公開（公告）號: CN102577086A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 沃德·R·布朗
• 申請（專利權）人: 密克羅奇普技術公司
• 主分類號: H02P6/18
• 分類號: H02P6/18
• 代理公司: 北京律盟知識產權代理有限責任公司 11287
• 代理人: 沈錦華

技術領域

本發明涉及無傳感器無刷直流(BLDC)馬達，且更特定來說，涉及在驅動無傳感器BLDC馬達時使用可變脈寬調制(PWM)以實現減少的零交叉檢測粒度。

背景技術

在例如電氣設備、汽車、航空太空、消費者、醫學、工業自動化設備及儀表設備的工業中使用無刷直流(BLDC)馬達。BLDC馬達不使用電刷進行換向，而是改為使用電子換向。與有刷DC馬達及感應馬達相比，BLDC馬達具有若干優點，例如：較好的速度對扭矩特性、高動態響應、高效率、長操作壽命、維修之間的較長時間間隔、實質上無噪聲操作，及較高速度范圍。可在微芯片應用筆記(Microchip?Application?Note)：AN857，題為“無刷DC馬達控制簡化(Brushless?DC?Motor?Control?Made?Easy)”(2002)；AN885，題為“無刷DC(BLDC)馬達基礎(Brushless?DC(BLDC)Motor?Fundamentals)”(2003)；AN894，題為“馬達控制傳感器反饋電路(Motor?Control?Sensor?FeedbackCircuits)”(2003)；AN901，題為“使用dsPIC30F用于無傳感器BLDC控制(Using?thedsPIC30F?for?Sensorless?BLDC?Control)”(2004)；及AN970，題為“使用PIC18F2431用于無傳感器BLDC馬達控制(Using?the?PIC18F2431?for?Sensorless?BLDC?MotorControl)”(2005)中找到關于BLDC馬達的更詳細信息，為了所有目的，所述文獻在此全部以引用的方式并入本文中。

三相BLDC馬達以六個步驟(每步驟60電度)完成電循環(即，360電度的旋轉)。在每60電度處同步地更新相電流切換(換向)。然而，一個電循環可能不對應于馬達轉子的一個機械回轉(360機械度)。為了完成一個機械回轉要重復的電循環的數目取決于轉子極對的數目。舉例來說，四極BLDC馬達將需要兩個電循環來完成馬達轉子的一個機械回轉(參看圖3)。

可通過監視在馬達的每一相(A-B-C)處的反電動勢(EMF)電壓來確定BLDC馬達的驅動換向。在換向周期期間當未經驅動的相的反EMF越過馬達供電電壓的一半時，驅動換向與馬達同步。此被稱作“零交叉”，其中反EMF在每一電循環中在零交叉電壓上方及下方變化。在將驅動電壓施加到經驅動的相時，在未經驅動的相上檢測到零交叉。在未經驅動的相上的反EMF關于零交叉電壓的電壓極性改變也可用于檢測零交叉事件(例如，在特定限制內在將驅動電壓施加到經驅動的相期間從正改變到負或從負改變到正)。

當驅動無傳感器無刷DC馬達時，在高馬達旋轉速度及50％或小于50％的PWM工作循環下，驅動電壓中出現大的間隙。當零交叉檢測的不確定性達到約20％時，PWM驅動控制算法變得不穩定。驅動電壓中的間隙在零交叉檢測中產生定時誤差，且高PWM頻率為效率低的且歸因于場效應晶體管(FET)功率驅動器的過熱而導致功率FET故障。

當未經驅動的相的反電動勢(BEMF)在換向周期中間越過馬達供電電壓的一半時，驅動換向與無傳感器BLDC馬達同步。此有時被稱作零交叉。零交叉僅在將驅動電壓施加到其它兩個相時為有效的。通過對整個驅動電壓進行脈寬調制而使驅動電壓變化。因此，在PWM驅動關斷周期期間，無法檢測到零交叉。當PWM頻率為低的且馬達速度為高的時，低(關斷)PWM周期可占換向周期的相當大的百分比，且借此可在零交叉檢測中引起間隙。當這些間隙為換向周期的百分之20以上時，其將引起控制算法的不穩定性。可通過增加PWM頻率來減少間隙百分比，而代價是增大的且不合需要的切換損耗。

發明內容

上述問題得以解決，且通過僅在預期到將出現“零交叉”的短時間內增加PWM頻率來實現其它及另外益處，在獲得較好零交叉檢測分辨率的優點的同時，仍可維持較低平均PWM頻率的效率。在預期到零交叉事件的短時間內增加PWM頻率將改進零交叉事件的檢測分辨率。

先前技術通過快速模/數轉換器(ADC)測量零交叉電壓。這要求在進行ADC電壓俘獲(取得電壓樣本)的同時有穩定的驅動周期。這些先前技術解決方案迫使馬達驅動器(motor?drive)在ADC電壓俘獲期間開啟。然而，通過使用比較器來檢測零交叉事件，不要求穩定的電壓俘獲，且根據本發明的教示，其改為由在反電動勢(BEMF)電壓上升超過(或低于)零交叉閾值時立即出現的事件來替換。