專利名稱：：操作無傳感器無刷馬達的方法
技術領域：
：本發(fā)明總體上涉及無傳感器無刷馬達(sensorlessbrushlessmotors),特別是提供一種用于停止和/或對齊無傳感器無刷多相馬達(sensorlessbrushlesspolyphasemotors)的方法減少達到在隨后的包括機動車輛燃料泵的馬達啟動過程中所需要的最佳操作速度的時間。
背景技術：
：無傳感器無刷多相馬達(簡稱SBPM，S)，尤其是直流馬達(DCmotors)越來越受到消費者和工業(yè)電子領域的歡迎，原因在于它們具有緊湊尺寸、可控性以及高效率。例如，這類馬達包括消除價格昂貴的位置傳感器的無傳感器換相，可降低復雜性，提高可靠性。另外，無傳感器無刷多相馬達(SBPM，S)具有與傳統(tǒng)電刷馬達(brushmotors)相比更長的壽命并且實現(xiàn)減少對馬達和相關結構污染的操作。SBPM's的一個缺點是當啟動馬達時，轉子的位置相對于包括兩個或多個線圈的線圈(定子)來說是未知的，需要復雜且費時的啟動運算法則以確定轉子的位置使得對線圈來說可以發(fā)生電流或電壓的適當同步以達到操作速度。結果，SBPM's會花費比傳統(tǒng)馬達更長的時間達到所需的額定運行速度。例如，Sakumi等人的專利(5,206,567)中，通過在馬達啟動順序過程中對轉子定位而啟動無傳感器無刷直流馬達(例如，用來旋轉磁記錄介質的主軸馬達)交替激活三線圈并且用轉子檢測電路測出轉子振動并在馬達加速到操作速度以前確定轉子的位置。Carobolante等人的專利(5,350,984)提供了一種用于啟動無傳感器無刷直流馬達的方法首先確定轉子的臨界轉速，以確定在馬達加速到操作5速度之前相對于線圈來說的轉子的對齊。Cameron等人的專利(5,572,097)提供了一種用于啟動多相直流馬達的方法和裝置在啟動馬達準備階段讓馬達中的轉子對齊，其中在第一預定時間的第一預定相將第一激發(fā)信號(energizationsignal)施加于馬達的場線圈(fieldcoils),然后具有第二預定相的第二激發(fā)信號在第二預定時間周期施加于場線圈，按預定量取代第一相。Nishimura等人的專利(5,623,37)提供了一種用于磁盤裝置(diskapparatus)的控制馬達啟動的方法在馬達停止后立即執(zhí)行對齊操作，即對齊操作使得轉子旋轉到相對于定子的預定角度位置。停止馬達之后進行對齊，然后在預確定時間周期后發(fā)送加速信號，然后發(fā)送減速信。己有技術并沒有提供在停止操作過程中對齊無傳感器無刷多相馬達使馬達能夠有效對齊并且使隨后馬達的啟動能夠有效且能夠預對齊而不需要在馬達操作的下一個情況下對齊的方法。因此，需要一種對齊無傳感器無刷多相馬達的改良方法，其能在停止操作時使馬達有效對齊并且使隨后馬達的啟動能有效且預對齊而不需要在馬達，包括快速啟動是至關重要的馬達，如機動車輛的燃料泵的馬達，下一次操作的情況下對齊。因此，本發(fā)明的目的是提供一種對齊無傳感器無刷多相馬達的改良方法，其能在停止操作時使馬達有效對齊并且使隨后馬達的啟動能有效且預對齊而不需要在馬達，包括快速啟動是至關重要的馬達，如機動車輛的燃料泵的馬達，下一次操作的情況下對齊。
發(fā)明內容在一個實施例中，對齊無傳感器無刷多相直流馬達的方法包括在上述馬達停機時將轉子與至少一個線圈的已知停止位置對齊，其中在電壓施加步驟的時間順序中將電壓施加到一個或多個線圈；以及從上述已知停止位置啟動上述馬達，其中在電壓施加步驟的時間順序中將電壓施加到一個或多個線圈。本發(fā)明的上述和其它目的、方面和特征將通過本發(fā)明的首選實施例的詳細描述得到更好的理解，以下是結合附圖對優(yōu)選實施例的進一步描述。圖1是根據(jù)本發(fā)明一實施例的具有驅動燃油泵的無傳感器無刷多相直流馬達的混合動力車(HybridElectricVehicle(HEV))的方框圖。圖2是部分示例性無傳感器無刷多相直流馬達的示意圖，圖中所示為根據(jù)本發(fā)明一實施例的轉子和相關的線圈(定子)。圖3A和圖3B是根據(jù)本發(fā)明一實施例的與無傳感器無刷多相直流馬達相關的開關電路(switchingcircuit)的示意圖以及相關的開關位置順序時序表(timingtable)。圖4A和圖4B所示為根據(jù)本發(fā)明一實施例的對齊和未對齊的無傳感器無刷多相直流馬達的啟動速度與時間的關系。圖5為根據(jù)本發(fā)明的一實施例的對齊無傳感器無刷多相直流馬達的方法的流程圖。具體實施例方式本發(fā)明通過提供在SBPM的停止操作過程中讓無傳感器無刷多相直流馬達(SBPM)的轉子與相關的線圈對齊的方法來實現(xiàn)前述目的、方面和特征其中電壓施加步驟的順序由通過開關電路的控制器控制，在馬達停止操作過程中，為了對齊SBPM，該控制器對經選擇的SBPM中的一個或多個線圈以步驟式的方式有選擇地控制電壓的施加，使得在SBPM停止的時刻以及隨后的SBPM馬達的啟動時刻轉子的位置是己知的，因此馬達隨后的啟動操作能夠具有改進的啟動時間。應該認識到盡管本發(fā)明以混合動力車輛(HEV)中的SBPM燃料泵為例的方式實施，但本發(fā)明的方法可以應用到包括其它類型車輛配件的SBPM馬達，例如抽水泵(waterpump)、發(fā)動機冷卻風扇(enginecoolingfan)、HVAC風扇、壓縮機馬達等的其它類型SBPM馬達，并且可以應用到其它類型的機動車輛。此外，應該認識到本發(fā)明的方法可以應用到任何包括兩個或多個線圈和相關轉子的SBPM。參照圖1所示的HEV12的方框圖，其包括可以與燃料消耗和驅動馬達(fUelconsuminganddrivenmotor)16電連接(如14A、14B)并且與中央HEV控制器26電連接(如26C)的高壓(HV)電壓源14，例如電池。該燃料驅動馬達16可以從燃料源18(如通過燃料管道18A供應)由無傳感器無刷直流馬達(SBPM)驅動的燃料泵16供應燃料(如從燃料導管16A)。應該認識到HEV12包括傳統(tǒng)特征，如除燃料驅動馬達6外，包括連接到(高壓)電壓源14的驅動輪(圖中沒有顯示出來)的傳動系(drivetrain)。燃料泵控制器20與電壓施加電路(voltageapplicationcircuit)22電連接，與燃料泵16分離或構成整體。電壓施加電路22與燃料泵16的整體組成部分SBPM24電連接。SBPM可以包括兩個或多個線圈以形成多相直流馬達，并且以下示例性實施例中所示為三相直流馬達。應該認識到電壓施加電路是本
技術領域：
公知的，并且任何可以可對控制器20的輸出做出響應，根據(jù)程序化的時間順序選擇性地控制SBPM馬達24中一個或多個線圈的電壓的電壓施加電路均可使用。電壓施加電路最好具有至少毫秒數(shù)量級的電壓施加時間分辨率(開關速度)，例如至少1-1000毫秒。電壓施加電路22可以是選擇性地將電壓施加到三個線圈中的一個或多個的開關電路，并且可以通過電壓供給線，如21A，連接到控制器20以對馬達24中的相關線圈供電。該燃料泵控制器20可以是包括執(zhí)行程序化指令的中央處理器并且具有存儲數(shù)據(jù)和程序化指令的存貯器的傳統(tǒng)可編程控制器。在一個實施例中，電壓施加電路22可以包括轉子位置檢測電路，該電路包括電連接線圈和控制器20的信號線，如21B，當轉子臂(rotorarm)的反電動勢(backelectromotiveforce(BEMF))通過各個線圈的最大感應系數(shù)位置時，其被檢測電路檢測到。這樣的BEMF檢測電路在本
技術領域：
是公知的。然后檢測到的BEMF信號提供到控制器20，接著該控制器可以計算出轉子的位置作為時間及/或轉子的基于來自一個或多個線圈的至少兩個信號之間所用時間的加速度/減速度的函數(shù)(也就是速度)。燃料泵控制器20可以與可以發(fā)送指示燃料驅動馬達HEV12停止的信號(如，關閉點火開關)的中心HEV控制器26電連接(如，雙向連接線26A)。當停止HEV12，包括燃料驅動馬達16時，燃料泵控制器20可以通過包括在變壓器28(voltagetransformer)(如，符合供電線路20A和20B)中的時鐘電路(timercircuit)從高壓源14供給電能用以持續(xù)操作，時鐘電路設定或編程為在停止高壓源14的時刻外的選擇時間里，或者直到接收到來自燃料泵控制器20的燃料泵停止并且對齊的信號的時間將操作電壓持續(xù)地提供到控制器(關閉點火開關)。時鐘電路可以與中心控制器26以及控制器20電連接(如，連接線26B)。可選擇地，包括時鐘電路的單獨的電壓源，例如車輛操作過程中由高壓源14充電的電容器或超級電容器可以用來提供SBPM車輛熄火之后的停止/對齊過程中操作控制器20所必需的電壓。燃料泵16可以根據(jù)包括從控制器20通過電壓施加電路22到一個或多個線圈的電壓施加步驟的時間順序的預程序化的指令停止以實現(xiàn)制動操作，從而停止SBPM燃料泵馬達，并/或在相對于馬達停止過程中對齊操作中的相關線圈(定子)的已知停止位置定位轉子臂。應該認識到控制器還根據(jù)通過電壓施加電路22傳遞到一個或多個線圈的電壓施加步驟的預程序化時間順序，以操作速度(角速度或每分鐘轉數(shù))操控SBPM。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，可以預程序化控制器20以執(zhí)行指令使電壓施加電路22供給電壓到步驟時間順序中的一個或多個線圈，在時間的預確定周期的程序化時間間隔執(zhí)行每一個步驟以對齊SBPM(轉子)的活動部件直到馬達(轉子)的完全或部分減速之后的停止位置。轉子與已知的停止位置對齊，在該位置轉子的至少一個轉子臂的位置對至少一個線圈來說是已知的。應該認識到一個轉子臂相對于一個線圈的已知停止位置將決定其余轉子臂相對于其余線圈的位置。之后轉子可以從己知停止位置啟動而不需要任何必要的對齊過程以在隨后的車輛啟動過程中從已知的停止轉子的位置開始啟動燃料泵SBPM。該轉子的已知停止位置還可以存儲在控制器中的存貯器中并且隨后從存貯器中取出以在隨后的車輛啟動過程中從己知的停止轉子的位置開始啟動燃料泵SBPM。應該認識到如果己知的停止位置被馬達(燃料泵)的停機之后但早于啟動的一些不相關的外力對錯(misalignment),該控制器可以包括預程序化指令重新對齊轉子到啟動前的新的已知停止位置。例如，在啟動過程中，控制器可以通過監(jiān)測轉子位置檢測電路21B檢測對錯，此時可以進行重新對齊，或可以由控制器選擇電壓施加步驟的不同設置以達到操作馬達速度。轉子可以在轉子只在操作角方向運行(如，順時針方向或逆時針方向)時對齊，或者可以包括與操作角方向相反的運動以到達最終的已知停止位置。轉子可以達到最終的已知停止位置，在該位置，一個或多個轉子臂被定位在各個線圈(定子)之間，或者一個或多個轉子臂與線圈(定子)實質上對齊。例如，通過實質上對齊的方法使得轉子臂在感應系數(shù)最大的位置或者在感應系數(shù)最大的位置附近，例如，至少一個轉子臂邊緣的至少一半與至少一個定子直接相鄰。在一個實施例中，最好至少一個轉子臂與定子實質上對齊或者處于最終的已知停止位置中感應系數(shù)最大的位置。例如參照圖2，其所示為包括具有4個轉子臂，例如34的4臂轉子32(包括旋轉軸30)的示例性SBPM3-相直流馬達，各轉子臂也稱作電極(pole)。三個定子或線圈36(如，間隔120度)也可稱作電極，分布在轉子32的旋轉半徑37的邊緣。其中一個轉子臂，例如34圖中所示與一個定子(線圈)對齊，即在感應系數(shù)最大的位置，而其余轉子臂不與其余定子(線圈)對齊。應該認識到，根據(jù)本發(fā)明，定子可以包括不止一個線圈繞組(coilwinding)而且在適當?shù)腟BPM中可以是多定子和多轉子。在另一個實施例中，控制器根據(jù)確定的轉子角速度閾值(angularvelocitythreshold)產生一系列對齊電壓施加步驟(電壓施加到一個或多個線圈)，該確定的轉子角速度閾值包括確定轉子已經完全停止或者小于預確定的速度閾值。例如，包括零角速度在內的角速度可以由控制器通過確定對于至少一個線圈(定子)在已知時刻產生的至少兩個BEMF信號來確定。在另一個實施例中，控制器確定馬達停止過程中馬達(如，轉子)的角速度(angularvelocity(speed))，當控制器確定角速度小于包括零角速度的預確定速度閾值時，控制器依靠確定的速度或減速率從一系列預程序化電壓施加步驟中選擇，將轉子對齊到對于至少一個定子(線圈)來說己知的停止位置。應該認識到對齊步驟可以包括完全停止轉子，或控制器可以產生一系列電壓施加對齊步驟對確定轉子已經完全停止做出響應。控制器可以要么通過接收來自包括在電壓施加電路22中的轉子位置檢測電路21B的BEMF信號，要么通過等待接收到機動車輛的熄火指示信號之后的時間的預確定周期來確定完全停止已經發(fā)生。參照圖3A和圖3B，圖3A和圖3B是根據(jù)本發(fā)明操作SBPM的電壓施加電路22的示例性邏輯示意圖以及相關時序表，圖中所示為線圈Cl、C2、C3，例如，互相間隔120度，還有三個可以通過在時間步驟順序(如，圖3B中所示的時序表中的12-17)中的開啟(關閉)或者關閉(V+或者GRD)開關Sl-S6，施加到一個或多個線圈的電壓信號輸入V+，使轉子到已知停止對齊位置(如，II)或者將轉子從已知停止對齊位置(如，II)啟動到馬達的操作速度。例如，在如圖3B所示的時序表的時間順序中，順序時間步驟12-17可以在預確定的時間順序中執(zhí)行使轉子停止從而對齊到已知停止位置，如II中的開關位置所反映的。同樣地，順序時間步驟12-17可以在預確定的時間順序中執(zhí)行使轉子達到操作速度而不需要從先前已知的對齊停止位置(II)對齊。應該認識到開關位置步驟12到17可以在所示的順序中或者在不同的順序或者其它包括可以用來停止及/或對齊轉子到不同于II的己知停止位置或者從(相對于轉子位置的)已知停止位置啟動馬達的開關位置的步驟中重復執(zhí)行。在示例性操作中，當通過控制器20接收到馬達停機信號時，開關Sl-S6的停止位置(II)以及停止/對齊步驟(12-17)的順序通過控制器20在時間順序中輸出?？刂破?0選擇順序或者從存貯器中使用對齊步驟(如，12到n)的預程序化順序以對齊馬達(如，轉子)，該過程可以包括使轉子完全停止到已知的最終位置(11)。或者，控制器20可以根據(jù)通過包括在電壓施加電路22中的可選擇的檢測電路可選擇地接收來自至少一個線圈的至少兩個超過時間間隔的BEMF信號得到馬達角速度的確定值小于速度閾值，通過選擇順序中的一個或多個步驟，產生步驟順序。接著，當通過控制器20接收到馬達發(fā)動信號時，SBPM馬達從已知停止位置(如，II)啟動，控制器20輸出定時開關位置步驟(如，12-17)的預程序化順序以加速馬達到操作速度而不需要任何對齊操作。正如前面提到的，在SBPM馬達由于任何原因從其先前的已知停止位置被對錯的情況下，這樣的情況可以被控制器檢測到并且馬達可以在啟動順序過程中或者早于啟動順序被重新對齊，或者可以用電壓施加步驟(開關位置步驟)的不同啟動順序來加速馬達到操作速度。參照圖4A和圖4B，圖4A和圖4B是SBPM馬達的示例性啟動順序，所示為每分鐘轉數(shù)(RPM)對時間(秒)的馬達操作速度。圖4B所示為根據(jù)的本發(fā)明馬達停機以后馬達的啟動操作和對齊操作，與之相比較，圖4A是根據(jù)本法明的沒有對齊操作的馬達停機以后馬達的啟動操作。馬達的啟動操作包括達到被稱為"閉環(huán)(closedloop)"操作的恒定馬達操作速度之前的被稱為"開環(huán)(openloop)"的馬達加速周期。比較圖4A和圖4B可以發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明，在馬達停機時的對齊馬達到已知停止位置的操作的結果是在根據(jù)本發(fā)明沒有進行對齊/停止操作的馬達停機后的馬達啟動過程中，通過避免必要對齊操作，使得從已知停止位置啟動的時間減少。參照圖5，圖中所示為根據(jù)本發(fā)明的示例性流程步驟。在步驟501中，接收到馬達停機信號之后，選擇電壓施加步驟的時間順序，例如，通過控制器。在步驟503中，將電壓施加步驟的時間順序施加到(如，通過開關電路由控制器控制)無傳感器無刷多相直流馬達(SBPM)(—個或多個線圈)以在已知停止位置對齊馬達(如，對線圈來說是轉子)。在步驟505中，SBPM從己知停止位置重新啟動。12盡管圖中和前面所描述的實施例目前是優(yōu)選的，但應該知道的是這些實施例僅僅只是通過例子的形式給出。本發(fā)明沒有局限于特定的實施例，而是延伸到不同的修改、結合以及組合，這些對本領域技術人員來說，也將落入本發(fā)明權利要求的范圍內。權利要求1、一種對齊無傳感器無刷多相直流馬達的方法包含在上述馬達停機時，將構成上述馬達的轉子與構成上述馬達的至少一個線圈的已知停止位置對齊，其中在電壓施加步驟的時間順序中將電壓施加到構成上述馬達的一個或多個線圈；以及，從上述已知停止位置啟動上述轉子，其中在電壓施加步驟的時間順序中將電壓施加到的構成上述馬達的一個或多個線圈。2、根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，上述電壓施加步驟的順序通過控制器供給上述馬達。3、根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，上述電壓施加步驟的順序是預程序化的并且存儲在構成上述控制器的存貯器中。4、根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，上述電壓施加步驟的順序由上述控制器響應上述控制器對包括零角速度的上述轉子的角速度的確定而確定。5、根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于，上述角速度不為零且小于預先確定的角速度。6、根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，上述已知停止位置存儲在構成上述控制器的存貯器中并且由上述控制器在啟動步驟之前取出。7、根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，轉子停止之后，立即應用上述電壓施加步驟的時間順序。8、根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，上述轉子沒有進行任何額外的對齊而從上述已知停止位置啟動而達到上述已知停止位置。9、根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，上述轉子進行額外對齊而從上述己知停止位置啟動再次達到上述已知停止位置。10、根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，上述電壓施加步驟的時間順序在至少一個上述馬達操作方向以及與上述馬達操作方向相反的方向上移動轉子。11、根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，上述己知停止位置包含上述轉子相對于感應系數(shù)最大的位置中的至少一個上述線圈所處的位置。12、根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，上述馬達構成機動車輛的馬達驅動裝置。13、根據(jù)權利要求12所述的方法，其特征在于，上述馬達驅動裝置構成燃料泵。14、根據(jù)權利要求13所述的方法，其特征在于，上述機動車輛包含混合動力車輛(HEV)。15、一種對齊包含機動車輛無傳感器無刷多相直流馬達的燃料泵的方法，上述方法包含在上述無傳感器無刷多相直流馬達停機時，將構成上述無傳感器無刷多相直流馬達的轉子與構成上述無傳感器無刷多相直流馬達的至少一個線圈的已知停止位置對齊，其中在電壓施加步驟的時間順序中將電壓施加到構成上述馬達的一個或多個線圈，通過控制器提供到上述一個或多個線從上述已知位置啟動上述轉子，其中在電壓施加步驟的時間順序中將電壓施加到構成上述馬達的一個或多個線圈，通過上述控制器提供到上述一個或多個線圈。16、根據(jù)權利要求15所述的方法，其特征在于，上述電壓施加步驟的順序由上述控制器響應上述控制器對包括零角速度的上述轉子的角速度的確定而確定。17、根據(jù)權利要求16所述的方法，其特征在于，上述角速度不為零且小于預先確定的角速度。18、根據(jù)權利要求15所述的方法，其特征在于，上述已知停止位置存儲在構成上述控制器的存貯器中并且由上述控制器在啟動步驟之前取出。19、根據(jù)權利要求15所述的方法，其特征在于，上述電壓施加步驟的時間順序在至少一個上述馬達操作方向以及與上述馬達操作方向相反的方向上移動轉子。20、根據(jù)權利15所述的方法，其特征在于，上述已知停止位置包含上述轉子相對于感應系數(shù)最大的位置中的至少一個上述線圈所處的位置。全文摘要一種對齊無傳感器無刷多相直流馬達的方法，包含在上述馬達停機時，將構成上述馬達的轉子與構成上述馬達的至少一個線圈的已知停止位置對齊，其中在電壓施加步驟的時間順序中將電壓施加到構成上述馬達的一個或多個線圈；以及，從上述已知停止位置啟動上述轉子，其中在電壓施加步驟的時間順序中將電壓施加到的構成上述馬達的一個或多個線圈。文檔編號H02P6/24GK101562421SQ20091013008公開日2009年10月21日申請日期2009年4月14日優(yōu)先權日2008年4月15日發(fā)明者思琪-申·夏,詹姆斯·L·湯普森申請人:福特全球技術公司