專利名稱：用于無刷直流電動機的狀態(tài)步進控制器的換向電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及電動機，更具體地說涉及用于無刷直流電動機的換向電路的改進，其中電動機的轉矩特性得到增強。
背景技術：
無刷直流(BDC)電動機在技術上是眾所周知的。為了使電動機旋轉完整的一圈，使繞組隨著轉子位置的變化換向是必不可少的。換向意味著在適當?shù)臅r間改變適當?shù)木€圈中的電流方向；電刷型電動機是通過電刷和換向匯流條的排列來完成該動作的。就BDC電動機而言，電子開關是與轉子位置傳感器(RPS)一起添加的。


圖1至圖6圖解說明在BDC電動機的電子換向中使用的波形、電路和順序。這種信息在現(xiàn)有技術中是已知的，并且被包括在此以幫助更好地理解本發(fā)明。
圖1示意地展示按三相纏繞的典型的無刷電動機和在電動機作為恒速的發(fā)電機運行時在相位之間看到的電壓。注意電動機的繞組是為了提供電學上隔開120°的重疊的正弦三相電壓而設計的。在這個實例中，電學度數(shù)等于機械度數(shù)，即，相電壓的電間隔對應于轉子的物理位置。因為轉子具有兩個磁極，所以增加磁極的數(shù)目將增加用于轉子每旋轉一周的電周期數(shù)目。用于每個繞組的N/S極平衡點發(fā)生在電壓通過零點并且顛倒極性的地方。創(chuàng)造末端電壓的正弦曲線形狀即電動機的反電動勢(BEMF)的是轉子和定子的纏繞方法和類型以及幾何形狀和物理特征。在給定繞組和實際幾何形狀的情況下由電動機提供的轉矩直接與它在轉子受外力驅動時或者在電動機作為發(fā)電機使用時產(chǎn)生的電壓有關。事實上，電動機的轉矩常數(shù)Kt和電動機的電壓或反電動勢常數(shù)Kb在Kt用牛頓米/安培表示而Kb用伏特/弧度/秒表示時是相等的，即Kt＝Kb這不僅適用于廠商的數(shù)據(jù)單給定的電動機常數(shù)，而且適用于遍及換向周期的波形。換言之，如果BEMF波形在示波器上是作為轉子位置的函數(shù)被看到的，那么當恒定的電流被加到電動機上時，作為轉子位置的函數(shù)的轉矩將按類似的方式變化，與電樞反作用力的效果無關。這種情況是用圖2和圖3的波形予以圖解說明的。
有一種在一般情況下決定何時使無刷電動機換向的合乎邏輯的途徑。眾所周知，在BEMF波形橫越零點處換向不是好的起點，因為無論多少電流被注入該相都不存在合成的轉矩。用于電動機運行的每單位電流的峰值轉矩是在BEMF波形的峰值位置達到的，而且電動機平滑地運行即在換向周期之間平滑地過渡是符合要求的。
圖3中電動機的換向點在圖2中被表明在陰影區(qū)域的起點。這些換向點以換向區(qū)域中BEMF波形的峰值為中心，而且在產(chǎn)生轉矩的過程中供電動機諸相均等的分享。
然而，由于這些換向點，電動機在Kt方面的變化對于所展示的BEMF波形是大約50％。這意味著對于恒定的電流輸入，在每個換向區(qū)域的轉矩輸出將改變50％。在諸如通風設備或泵之類的一些應用中，這可能是可接受的。為了改善在換向期間轉矩的這種變化，即所謂的轉矩波動，可以使用圖3所示的方案。
在這種情況下，通過利用BEMF波形的負半周以及正半周，換向每轉一周發(fā)生兩次。轉矩現(xiàn)在落在峰值下面大約13％。就三相電動機而言，采用所展示的簡單的換向方案，這是最好的，它可以用這個特定的電動機的BEMF波形予以實現(xiàn)。
電動機的轉矩輸出可以作為遵從施加給無刷直流電動機定子線圈的電壓的脈動被有效地看見。對于給定的負載，在電動機朝它的極限被驅動(即，將最大的電流施加給定子線圈)時，轉子將隨著負載的增加有失速的趨勢。這種失速通常發(fā)生在轉矩曲線中轉矩最小的點。在現(xiàn)有技術中，這個問題是通過利用比較大的電動機提供更多的轉矩來驅動給定的負載或者通過利用更稀有的磁性材料來提高電動機的特性得以解決的。在這兩種情況下，為了驅動給定的負載，以此滿足必需的負載驅動規(guī)范，都將招致額外的成本。
在無刷直流電動機中，必不可少的是使所施加的電壓這樣換向，以至于為了適當?shù)仳寗愚D子只有所施加的交流多相電壓波的峰值被施加到電動機的定子線圈上。為了完成這樣的換向，提供了覺察轉子位置的裝置(通常是霍爾效應器件)和激活適當?shù)拈_關(通常是晶體管)在適當?shù)臅r間把電壓施加到適當?shù)亩ㄗ由系难b置。傳感器裝置被定位在轉子周圍預先按照角度確定的位置上，并且當轉子經(jīng)過傳感器位置時，它可以被看作是從不動前進到活動位置，借此提供可以被用來產(chǎn)生用于激活開關的信號的輸出。這可以被看作是傳感器裝置的狀態(tài)的改變。
一種可以使用的這樣的換向形式是用圖4、圖5和圖6的表1予以圖解說明的，并且被稱為六順序換向。六順序換向吸取了圖3所示的三相的優(yōu)勢。從左向右看，正的或負的峰值每隔60電度發(fā)生在一個相中A相中的正峰值、C相中的負峰值、B相中的正峰值、A相中的負峰值、C相中的正峰值和B相中的負峰值。然后，這些60度的區(qū)間在電動機按同樣的方向旋轉時被重復。每一相繞組都有正的和負的60電度包含峰值的運行區(qū)間。六個區(qū)間中每個區(qū)間都代表用來把電流施加給那相以產(chǎn)生轉矩的最佳轉子位置。
顛倒電壓和電流的極性進入三個負的運行區(qū)間將按與在三個正的運行區(qū)間中未被顛倒的電流相同的方向提供轉矩。圖4A圖解說明電流的極性被切換到負的運行區(qū)間時的連續(xù)的轉矩。為了提供連續(xù)的轉矩，把相電流正確地排順序成六個運行區(qū)間被稱之為六順序換向方法。電流被切換到按這個重復順序A、-C、B、-A、C、-B指出極性的各自的相。
來自三個霍爾效應器件的轉子位置反饋指出相對于繞組相位轉子磁體的位置。切換放大器使用這個位置信息控制電源何時按順序被切換和翻轉到下一個相位和運行區(qū)間。圖4B展示來自三個用傳感器A、B、C標注的霍爾器件的輸出。所示的霍爾效應器件精確地指出六個轉子位置和最佳切換點。各個霍爾效應器件同相，并且以一相的正和負運行區(qū)間為中心。
在切換放大器中六個金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)開關(圖5)提供用于旋轉的電壓和電流的反向?；魻栃骷答伜蛽Q向電路確定六個MOSFETS的切換順序。圖5展示MOSFET的排列，而表1列出用于為各相供電的MOSFET順序。在任何順序期間都只有兩對開關為一相供電。其余一對MOSFET被關掉。六順序換向和電動機旋轉是用依照表1運行的MOSFETS的這種排列實現(xiàn)的。
對于無刷直流電動機，傳感器件的狀態(tài)的改變也將發(fā)生在輸出轉矩曲線上的轉矩最小的點。當電動機通過施加最大的可適用的電流被驅動并且因此處于飽和或者接近飽和，即更多的電流施加給定子繞組將不產(chǎn)生額外的輸出轉矩時，電動機處于如果試圖驅動給定的負載就將失速的條件下。
發(fā)明概述按照本發(fā)明，業(yè)已發(fā)現(xiàn)如果當電動機處在它的電流極限范圍內而換向狀態(tài)在預定的時間內尚未改變時換向開關是引起跳到下一個接替狀態(tài)的原因，那么電動機的轉矩特性被提高。基本概念是先確定電動機處于這樣的條件以至于正在接近失速，然后使定子的通電改變到下一個后續(xù)的換向周期以便把附加的轉矩應用于轉子，借此防止失速。為了實現(xiàn)這一點，提供檢測電動機是否處于它的電流極限狀態(tài)的裝置是首要的。在進行這樣的檢測時，定時器被激活。定時器被激活之后，當它為預定的時間周期計數(shù)時，裝置還準備檢測電動機軸是否已經(jīng)以這樣的方式旋轉以至于已經(jīng)提供換向狀態(tài)的改變。如果在預定的時間內尚未發(fā)生狀態(tài)的改變，那么換向被推進到下一個接替狀態(tài)。
附圖簡要說明圖1是三相發(fā)電機和輸出電壓的示意圖；圖2是類似于圖1的波形示意圖，其中圖2A圖解說明換向位置，而圖2B圖解說明轉矩脈動；圖3類似于圖2，但帶有正負換向和合成的轉矩脈動；圖4展示霍爾效應傳感器的開關條件以及如同在圖3A中那樣展示施加給繞組的電流；圖5是許多對開關的示意圖，當它們按預定的順序被激活的時候將如同在圖3和圖4中圖解說明的那樣把電流施加給電動機的繞組；圖6是羅列圖5所示的開關為了如同在圖3和圖4中展示的那樣把電流提供給繞組所完成的操作的表；
圖7是典型的換向電路的方框圖；圖8是按照本發(fā)明原理的狀態(tài)步進控制器換向電路的方框圖；圖9是按照本發(fā)明的優(yōu)選實施方案圖解說明發(fā)生狀態(tài)步進的方式的流程圖；圖10是按照本發(fā)明圖解說明狀態(tài)步進換向電路的替代方案的流程圖；圖11是圖解說明在沒有本發(fā)明的特點的情況下被驅動到它的最大位置的電動機的轉矩和位置的曲線；圖12是類似于圖11的曲線，但是由于本發(fā)明的應用狀態(tài)步進得到增強；圖13是利用本發(fā)明增強狀態(tài)步進的系統(tǒng)的方框圖。
本發(fā)明的詳細說明現(xiàn)在參照圖7，圖解說明控制器換向電路的典型的方框圖。如圖所示，三個霍爾傳感器信號A、B和C被施加給霍爾到狀態(tài)發(fā)電機10。依據(jù)A、B和C數(shù)字輸入，霍爾到狀態(tài)發(fā)電機提供六種電動機待換向狀態(tài)之一并且出現(xiàn)在霍爾到狀態(tài)發(fā)電機10的輸出端。該信號被應用于狀態(tài)到電橋邏輯電路12，并且根據(jù)狀態(tài)和電動機受命進入的旋轉方向，六晶體管電橋開關(圖5)中的那對待激活的晶體管被確定下來。換言之，狀態(tài)到電橋邏輯電路12已經(jīng)把電動機的旋轉方向(dir)、相繞組的電流極限(Ibim)和工作周期(duty)以及來自霍爾到狀態(tài)發(fā)電機10的電動機狀態(tài)作為輸入信號應用。依據(jù)這些信號并且通過應用適當?shù)倪壿?，那對待激活的開關被確定下來。例如，參照圖4、圖5和圖6，當A相準備在狀態(tài)1中有外加的電流時，開關1和6將被閉合。
現(xiàn)在更具體地參照圖8，按照本發(fā)明的原則用一般的方框圖形式圖解說明狀態(tài)步進控制器換向電路。如同圖中圖解說明的那樣，霍爾到狀態(tài)發(fā)電機10和狀態(tài)到電橋邏輯電路12與圖7中展示的那些是同樣的。但是，在圖8的狀態(tài)步進控制器換向電路中提供了狀態(tài)步進邏輯電路14。如同被指出的那樣，來自霍爾到狀態(tài)發(fā)電機10的狀態(tài)1-6被應用于狀態(tài)步進邏輯電路14。另外，從無刷直流電動機反饋的電流極限以及電動機的旋轉方向也得到應用。這兩個信息信號都被應用于狀態(tài)步進邏輯電路14和狀態(tài)到電橋邏輯電路12兩者。通過利用這些信號以及檢測來自提供信號A、B和C的傳感器的狀態(tài)變化，無刷直流電動機的狀態(tài)可以得到推進。另外，如同人們注意到的那樣，存在著應用于狀態(tài)到電橋邏輯電路12的工作周期信號。工作周期是為了以正比于為了獲得電動機的輸出轉矩實際上想要施加在線圈兩端的電壓的工作周期接通和關閉開關晶體管以大約20千赫或類似的高頻率切換的信號。
如同從圖4可以看到的那樣，當霍爾傳感器之一A、B或C改變狀態(tài)即從高狀態(tài)移動到低狀態(tài)或者從低狀態(tài)移動到高狀態(tài)的時候，換向如同在圖4A中圖解說明的那樣改變。查看這個的另一條途徑是應用于電動機的轉子的通電如同在圖3A中圖解說明的那樣依據(jù)轉子位置改變。例如，如果通電是在ΦAB而傳感器B如同在圖4B中展示的那樣從低狀態(tài)移動到高狀態(tài)，那么通過適當?shù)丶せ詈歪尫艌D5中展示的開關，通電將從ΦAB變化到ΦAC。同樣，當傳感器A從高狀態(tài)變化到低狀態(tài)的時候，通電將如同在圖3A中展示的那樣從ΦAC變化到ΦBC。在圖4A中，這在轉矩脈動曲線上再一次被圖解說明。只要傳感器的狀態(tài)變化以有序的方式發(fā)生，定子線圈的通電就按適當?shù)捻樞虮痪S持，而轉子位置則按命令的方向繼續(xù)改變。然而，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，當轉矩曲線處在最小值時，例如，如同在圖4上以20表示的那樣，如果對定子繞組的電流出口條件是在最大值，那么存在著這樣的可能性，即除非施加更大的轉矩，使轉子離開以20表示的位置，否則電動機將失速。所以，按照本發(fā)明的原理，必不可少的是檢測電動機什么時候接近失速條件，然后為了增大轉矩和維持電動機按預期方向的旋轉把這個狀態(tài)向前推進一個位置(下一個接替狀態(tài))。
為了檢測什么時候接近失速條件，提供了確定當前應用于線圈的電流出口條件是否在其極限(即定子線圈當前是否處于磁飽和狀態(tài))的裝置。一旦獲得電流極限信息，定時器就被激活并且被引起運行預定的時間周期。如果在那個時間周期里，圖4中展示的傳感器A、B和C之一改變狀態(tài)，則已經(jīng)存在向下一個后續(xù)的通電周期的步進，因此不需要進一步做任何事情。然而，如果在定時器時間到之前的那段運行時間里，在傳感器A、B和C中沒有狀態(tài)改變發(fā)生，那么假定電動機正在接近它的失速狀態(tài)。然后，不管傳感器A、B或C之一是否改變狀態(tài)都將生成使出口條件移動到下一個緊接著的通電周期的信號。換言之，通過查看圖4，ΦAB轉矩曲線如同以20圖解說明的那樣正在接近它的最小值位置，而用于電動機的電流極限已被達到。如果在定時器的預定時間周期里轉子不這樣通過某個位置旋轉，以至于傳感器B從低到高改變狀態(tài)，那么即使傳感器B尚未從低到高改變狀態(tài)也生成自動引起對轉子的出口條件從ΦAB移動到ΦAC的信號。通過這樣做，轉矩的增加是簡單地由于狀態(tài)已經(jīng)發(fā)生從曲線遞減部分上的ΦAB到轉矩曲線遞增部分上的ΦAC的跳躍引起的。轉矩方面的這種增加將克服電動機失速并且使電動機繼續(xù)按預期的方向旋轉，除非電動機確實已經(jīng)停止。
在某些情況下，即使已經(jīng)改變或撞擊到轉矩曲線中的下一個接替狀態(tài)，轉子上的負載是如此之大以至于它不再有能力按預期的方向繼續(xù)旋轉(即，電動機確實已經(jīng)停止)也是可能的。如果發(fā)生這種情況，那么對轉子的出口條件返回到最初的狀態(tài)，換言之，參照圖4，從ΦAC回到ΦAB，并且假定電動機確實已經(jīng)停止而且已經(jīng)不能使轉子進一步旋轉。這是通過在第一定時器時間到而且狀態(tài)變化尚未發(fā)生時啟動第二定時器完成的，如果第二定時器就其預定的時間周期而言時間到而且沒有傳感器A、B和C之一的狀態(tài)改變，那么在那個時刻出口條件返回到剛好在上述狀態(tài)之前的狀態(tài)。
雖然用于第一和第二定時器的預定的時間可以是任何已經(jīng)確定的時間，但是優(yōu)選的是在電流極限已經(jīng)達到的檢測之后第一定時器的運行時間為大約10毫秒，而第二定時器的工作時間已被確定優(yōu)選為大約5毫秒。第一定時器在此以及在下文中將予以討論的流程圖中被稱為“撞擊定時器”，從而表明當這個定時器時間到時，轉矩曲線被撞擊到下一個接替位置，而第二定時器被稱為“脈沖定時器”。
應該承認如果在撞擊定時器或脈沖定時器的暫停周期期間霍爾傳感器改變狀態(tài)，那么定時器被復位并且對下一個狀態(tài)的撞擊被取消。發(fā)生這種情況是因為現(xiàn)在已經(jīng)檢測到轉子實際上已經(jīng)越過霍爾傳感器改變狀態(tài)的位置和下一個接替出口條件曲線已經(jīng)得到應用，因此已經(jīng)沒有必要推進或撞擊該狀態(tài)。
如果脈沖定時器在系統(tǒng)中是不利用的，那么轉矩將立即落到在圖4中以20表示的水平以下，因而使轉子開始按相反的方向旋轉直到傳感器A、B和C之一的狀態(tài)改變被檢測到為止。在那個時刻，出口條件將在預期的旋轉方向上再一次被應用于電動機。然后，電動機將試圖向前旋轉直到電流極限被達到和電動機失速為止，從那個點開始它再一次向后旋轉。這可以被看作是在優(yōu)選的條件下應該避免的電動機內部的張弛振蕩。然而，業(yè)已發(fā)現(xiàn)按照本發(fā)明采用撞擊狀態(tài)控制器換向電路，電動機的性能得到實質上的提高，即使轉子的旋轉被允許使它本身反轉一兩轉也是如此。業(yè)已發(fā)現(xiàn)即使有這種張弛振蕩型的行為，在電動機的轉矩和位置旋轉方面仍然存在20％的增加，如上所述，這是對沒有狀態(tài)步進或撞擊的電動機的本質上的改進。
通常，按照本發(fā)明的原理在狀態(tài)步進控制器換向電路的運行期間將要發(fā)生的是定子線圈的出口條件將用于撞擊定時器的10毫秒時間期滿的末端步進到下一個接替狀態(tài)，而且它將遠在前5毫秒的脈沖定時器時間到之前幾乎立即移動到下一個狀態(tài)。發(fā)生這種情況是因為數(shù)量充足的附加轉矩已經(jīng)被應用于轉子使它加速并且開始非常迅速地移動。因此，它將經(jīng)過傳感器將改變狀態(tài)的位置，而兩個定時器隨后被復位。當電動機繼續(xù)按預期的方向旋轉而負載變得越來越大時，在狀態(tài)方面的撞擊變得越來越無用，以至于步進到下一個狀態(tài)所必需的時間增加得越來越多，直到用于脈沖定時器的5毫秒暫停在沒有狀態(tài)改變的情況下被超越為止，而電動機真正失速以及必須返回其最后的接替狀態(tài)就在這個點。
現(xiàn)在更具體地參照圖9，它展示狀態(tài)推進塊的邏輯流程圖并且將作為關于撞擊緊接著的下一個狀態(tài)或何時兩定時器時間到返回到恰好在前面的狀態(tài)的上述討論的例證。在按部就班地分析圖9所示的流程圖之前，應該確認用圖9圖解說明的程序是以遠遠高于電動機以其最快的速度旋轉時傳感器A、B和C可能被激活使狀態(tài)信號的改變得以產(chǎn)生的最高頻率的頻率進行連續(xù)處理的。通常，這種處理是以大約1兆赫的頻率進行運行的。雖然它可能加快幾分或減慢幾分，但是在電動機中狀態(tài)改變最快也僅僅是在100微秒的數(shù)量級上。因此，人們可以看到由于圖9所展示的邏輯路徑是以時鐘頻率(在1兆赫數(shù)量級)進行處理的，所以它是以這樣的方式處理的，即幾乎每逢通過圖9所示的流程圖時，對幾乎每一個詢問的答案都將是“否”。作為結果，定時器將不被激活而且撞擊在正常的運行狀態(tài)下將不發(fā)生。為了描述的簡單明了，下面的討論將是在不考慮這樣的正常頻率的條件下給出的。
如同在圖9中展示的那樣，提供了確定自從最后一次通過流程圖處理以來狀態(tài)是否改變的塊40。如果答案是“否”，那么自動推進到下一個確定電動機是否在電流極限的塊42。如果對它的答案是“否”，于是自動推進到下一個的塊44在流程圖中確定撞擊定時器的時間是否等于或大于撞擊時間，該撞擊時間是前面討論過的并且在圖9上被指出優(yōu)選大約10毫秒。由于在塊42中沒有檢測到電流極限，所以對于塊44的問題的答案是“否”，而且在那里將存在直接到賦值語句“狀態(tài)輸入”等于“狀態(tài)”(“State In”等于“State”)的塊46的旁路，這前進到“狀態(tài)輸入”，而且再一次重復全部運行。如同人們看到的那樣，在通過圖9的流程圖所展示的各個塊前進導致對所有的詢問的答案都為“否”時，可以看到對于所有編號的塊都直接歸于失敗，因此引起該過程在下一個時鐘周期立即重復它本身。
如果在處理開始時有信號被應用于塊40，對狀態(tài)改變的答案是“是”，那么如同用塊48圖解說明的那樣，撞擊定時器和脈沖定時器兩者都被復位。這將自動發(fā)生，不管這些定時器事實上是否已被激活。塊48的輸出隨后被應用于塊42，以確定電動機是否處在電流極限。如果不是，該過程如同前面描述的那樣繼續(xù)。然而，如果答案是“是”，這表明電動機現(xiàn)在被檢測到處在電流極限，那么如同塊50所指出的那樣，啟動撞擊定時器。換言之，它被加1，因此使它開始計數(shù)。于是，撞擊定時器的輸出被這樣應用于塊44的輸入，以至于撞擊定時器已經(jīng)起作用的時間的數(shù)量被應用于塊44并且確定撞擊定時器已經(jīng)運行的時間是否等于或大于撞擊時間，即10毫秒。如果答案是“否”，它僅僅如同前面指出的那樣前進。然而，如果答案是“是”，那么信號被應用于激活撞擊狀態(tài)的塊52，從而引起由下一個接替激發(fā)狀態(tài)外加的激發(fā)，如同前面描述的那樣。換言之，轉矩從它所處的狀態(tài)被撞擊到下一個接替狀態(tài)。如同在圖8中指出的那樣，電流極限已被檢測，而且方向已被檢測，因此撞擊狀態(tài)等于狀態(tài)加上表示旋轉方向的正負號。因而，如果狀態(tài)是在狀態(tài)4而且電動機方向是正的，那么下一個狀態(tài)將是5。
塊52的輸出被應用于確定脈沖定時器是否小于或等于脈沖時間的塊54。由于撞擊狀態(tài)被初始化時脈沖定時器尚未啟動，所以對那個問題的答案將是“是”，因此輸出將被應用于將激活脈沖定時器的塊56。換言之，它將加1并且使它開始起作用。在發(fā)生這種情況時，塊56的輸出被應用于指出電動機當前所處狀態(tài)是撞擊狀態(tài)的塊58。就電動機而論，這將作為輸出信號被應用于該狀態(tài)，換言之，狀態(tài)輸入等于撞擊狀態(tài)(State In等于Bump State)。這種處理現(xiàn)在將遵照各自的時鐘順序繼續(xù)進行，直到塊54檢測到脈沖定時器已經(jīng)通過其大約5毫秒的暫停周期為止。發(fā)生這種情況時，對脈沖定時器是否小于或等于脈沖時間的問題的答案將是“否”而且在發(fā)生這樣的情況時，輸出被應用于指出電動機所處狀態(tài)(State In)是適當?shù)臓顟B(tài)的塊46，而且這將作為圖9所示流程圖的輸出。因而，將使電動機返回到前一個狀態(tài)，其中它存在于施加撞擊狀態(tài)信號之前，因而表明電動機確實是失速的。
應該理解按照本發(fā)明和本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，只有圖4所示的六種狀態(tài)，即ΦAB、ΦAC、ΦBC、ΦBA、ΦCA和ΦCB。因此，如果電動機正在旋轉，例如，按順時針或正的位置旋轉，而撞擊信號被應用而且轉矩處于狀態(tài)4(ΦBA)，那么撞擊狀態(tài)將變成狀態(tài)5(ΦCA)。然而，如果方向處相反的方向，即逆時針或負方向，那么撞擊狀態(tài)將變成狀態(tài)3(ΦBC)。但是，如果狀態(tài)是狀態(tài)6(ΦCB)，那么按正方向下一個狀態(tài)將變成1(ΦAB)，因為不存在狀態(tài)7。類似地，如果旋轉處于負方向而電動機處在狀態(tài)1(ΦAB)，那么下一個狀態(tài)將變成狀態(tài)6(ΦCB)，因為不存在0狀態(tài)。
現(xiàn)在參照圖10，它展示本發(fā)明的替代實施方案，其中不管是否存在狀態(tài)的改變一旦電動機處于電流極限而且撞擊定時器已被激活并且已暫停，就有固定的撞擊脈沖或信號。用圖10予以圖解說明的流程圖將再一次按照比電動機的狀態(tài)變化頻率高許多倍的時鐘頻率進行處理。
如圖10所示，關于狀態(tài)變化的信息被應用于確定脈沖標記是否已在系統(tǒng)中設置的塊60。如果“否”，那么信號被應用于詢問狀態(tài)的改變是否已經(jīng)發(fā)生的塊62。如果答案是“否”，那么信號被應用于確定電動機是否處于電流極限的塊64。如果答案是“否”，那么如同塊66所展示的那樣具有等于或超過撞擊時間的撞擊定時器，由于在這個點撞擊定時器尚未加1，所以答案將是“否”。這將直接轉到用68表示的賦值語句“狀態(tài)輸入＝狀態(tài)”，處理將在時鐘脈沖下一次遞增時如同前面描述的那樣再一次開始。
假定狀態(tài)如同在62處表示的那樣確實改變了，于是信號將是“是”。然后，這將被應用于撞擊定時器復位的塊70。因此，如同在前一個實施方案中那樣，每逢狀態(tài)改變，撞擊定時器都被復位?，F(xiàn)在假定當信號被應用于塊64時，答案是電動機處于電流極限。這隨后將被應用于將引起撞擊定時器加1的塊72。當撞擊定時器的輸出隨后被應用于塊66時，由于它剛剛被啟動，所以處在這樣的境遇中，以至于定時器不等于或大于撞擊時間，即前面提及的10毫秒。事實既然如此，輸出將是“否”，從而落到塊68，處理將再一次開始。假定該過程已持續(xù)充分的時鐘脈沖數(shù)，直到撞擊定時器現(xiàn)在超過撞擊時間(即10毫秒)。于是，輸出將是“是”，而且這將被應用于將激活撞擊的塊74，而撞擊狀態(tài)將是狀態(tài)加上用正負表示的方向符號，以至于對轉子的激發(fā)被推進到下一個接替狀態(tài)，或正或負取決于旋轉方向。在發(fā)生這種情況時，信號被應用于將脈沖定時器復位并且設置脈沖標記的塊76。然后，輸出被應用于塊68，處理將再一次開始。當處理在下一個時鐘脈沖開始并且被應用于詢問是否設置了脈沖標記的塊60時，于是這次將被回答“是”并且將被應用于將使脈沖定時器加1的塊78。然后如同前面指出的那樣，這將被應用于詢問脈沖定時器是否等于或小于脈沖時間(即5毫秒)的塊80。由于脈沖定時器剛剛被加1，所以答案將是“是”。脈沖定時器小于5毫秒，然后信號將被應用于指出電動機目前所處狀態(tài)是撞擊狀態(tài)的塊82，而其輸出將被應用于使撞擊定時器復位的塊84，因為它在這個點不再運行并且已經(jīng)超過撞擊時間。這將持續(xù)處理用于脈沖定時器的5毫秒暫停周期。在發(fā)生這種情況的時候，信號被應用于詢問脈沖定時器是否小于或等于脈沖時間的塊80時，答案將是“否”，因為它在這個點超過脈沖時間。在發(fā)生這樣的情況時，輸出被應用于清除脈沖標記的塊86，而輸出信號將被應用于塊82并且隨后被應用于指出電動機處在撞擊狀態(tài)的塊84。由于脈沖標記已被清除、撞擊定時器已被復位，所以處理現(xiàn)在將如同前面描述的那樣再一次開始重復。由此可見，一旦脈沖定時器已被加1，撞擊狀態(tài)就不顧關于狀態(tài)改變發(fā)生了什么都保持。這簡單地發(fā)生，因為關于狀態(tài)改變的詢問已通過設置脈沖標記被回避。一旦脈沖定時器時間到，于是狀態(tài)變化將變成適當?shù)脑儐枴?br> 現(xiàn)在更具體地參照圖11和12，這兩個圖舉例說明電動機的性能，在圖11中沒有狀態(tài)跳躍，而在圖12中有狀態(tài)跳躍，以便比較當本發(fā)明的狀態(tài)步進控制器換向電路在電動機中被實現(xiàn)時電動機的性能的改進。
如同在圖11中圖解說明的那樣，曲線112代表驅動電動機通過齒輪傳動鏈與扭力棒對抗直至發(fā)生失速所產(chǎn)生的轉矩量。曲線114代表為實現(xiàn)失速條件轉子的旋轉量或位置?？梢钥闯觯谇€112和114所展示的第一方向上受控時，電動機達到旋轉大約18.62度的位置并且產(chǎn)生787.9磅英寸轉矩。在這個點，電動機的方向受命逆轉，因此，轉矩現(xiàn)在出現(xiàn)在曲線的下半部分112A上，而轉動位置在曲線的上半部分114A上，并且如同在逆轉位置可以看到的那樣，在21.42度最終產(chǎn)生的轉矩是大約943磅英寸。
現(xiàn)在參照圖12，它圖解說明同樣的電動機，但是本發(fā)明提高的狀態(tài)發(fā)明被應用。如同在曲線116和118上可以看到的那樣，電動機在分別以曲線116和118表示的第一方向上受控時能夠產(chǎn)生972.76磅英寸的轉矩和達到23.31度的位置。在分別以曲線116A和118A表示的逆轉方向上受控時，在26.18度的位置產(chǎn)生990磅英寸的轉矩。如同通過比較電動機性能可以看到的那樣，比先前多出幾乎185磅英寸的轉矩這一實質性的改進是在第一方向上產(chǎn)生的，并多旋轉4.69度。因而可以看到依照本發(fā)明的原理通過利用狀態(tài)步進控制器換向電路可以有實質性的改進。
雖然在前面討論中始終把霍爾傳感器稱作檢測狀態(tài)變化的器件，但是熟悉這項技術的人將承認其它器件也可以被用于同樣的目的。例如，RVDT、分解器、電位計、或其它的位置傳感器都可被利用，例如，與模數(shù)轉換器、比較儀、或類似的東西結合使用。
現(xiàn)在具體參照圖13，它展示依照本發(fā)明原理的與狀態(tài)步進控制器換向電路合并的無刷直流電動機的方框圖。如同在圖中圖解說明的那樣，電動機90包括上述的優(yōu)選為狀態(tài)計數(shù)的霍爾效應傳感器結構的激勵位置傳感器92。但是，它可以是電位計、LVDT、RVDT或分解器。激勵換向傳感器的輸出如同用導線94表示的那樣被反饋到回路閉合和補償電路96。該電路有與它連接用來接收命令信號的命令接口98。另外，連接到它上面的是換向傳感器100，該傳感器也可以是為功率放大級102提供適當換向的霍爾效應器件、分解器或同步器。連接到換向傳感器100上的是作為對回路閉合和補償?shù)难a充輸入的狀態(tài)步進控制器104。圖14揭示的電動機結構在與狀態(tài)步進控制器合并時與沒有狀態(tài)步進控制器的情況相比在可用的轉矩方面提供突出的改進。
作為對前面討論的狀態(tài)步進控制器的補充修改是檢測何時電動機事實上已進入失速狀態(tài)并開始打滑或按相反的方向旋轉的途徑。一種途徑可以在與受控方向相反的方向上檢測多樣的狀態(tài)改變和利用那個作為引起控制器撞擊狀態(tài)的信號。速度門限檢測裝置也可以被用來完成同樣的事情和在電動機確實已經(jīng)失速的事件中清除狀態(tài)步進。補充的變更是一旦電流極限被檢測到，就可以撞擊該狀態(tài)，然后只要沒有狀態(tài)改變就逗留在那個條件下。
至此已經(jīng)揭示了狀態(tài)步進控制器換向電路，它可以與無刷直流電動機一起使用，以便對于給定的負載提高其轉矩和位置特性。
權利要求
1.一種用來改進電子換向的無刷直流電動機的運行特性的方法，包括(a)檢測電動機的運行何時接近失速條件；(b)作為對檢測到的接近失速條件的響應啟動預定時間的計時順序；(c)在該計時順序期間檢測換向狀態(tài)是否已經(jīng)改變；以及(d)在計時順序的預定時間里換向狀態(tài)缺乏變化時把換向狀態(tài)推進到下一個接替狀態(tài)。
2.根據(jù)權利要求1所述的用來改進無刷直流電動機的運行特性的方法，其中所述的檢測接近電動機失速的步驟包括測量施加于電動機的電流。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，進一步包括確定電流是否達到電動機的磁飽和點。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，進一步包括在檢測到換向狀態(tài)發(fā)生變化時把計時順序復位到零的步驟。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，進一步包括如下步驟在所述的預定時間期滿之后并且缺乏換向狀態(tài)變化時啟動第二預定時間的第二計時順序；以及在所述的第二預定時間里缺乏換向狀態(tài)變化時使所述電動機返回到剛好在所述的推進之前存在的換向狀態(tài)。
6.一種電子換向無刷直流電動機狀態(tài)步進控制器，包括用來檢測所述電動機的接近失速條件的裝置；用來檢測所述電動機的換向狀態(tài)變化的裝置；一個定時器；在檢測到所述失速條件時用來激活所述定時器的裝置；以及一個在所述定時器被激活但缺乏狀態(tài)變化時用來把換向狀態(tài)推進到下一個后續(xù)狀態(tài)的控制器。
7.根據(jù)權利要求6所述的電子換向無刷直流電動機狀態(tài)步進控制器，其中，所述的用來檢測失速條件的裝置包括用來測量通過所述電動機的電流的裝置。
8.根據(jù)權利要求6所述的電子換向無刷直流電動機狀態(tài)步進控制器，其中，所述用來檢測狀態(tài)變化的裝置包括一個霍爾效應裝置。
全文摘要
用來推進電子換向的無刷直流電動機的換向狀態(tài)的方法和系統(tǒng)。即將發(fā)生的電動機失速是通過測量當前流過電動機線圈的電流進行檢測的,以便確定磁飽和狀態(tài)。在進行這樣的檢測時,啟動計時順序,如果在該計時順序內狀態(tài)的改變尚未發(fā)生,則該狀態(tài)被推進到下一個接替狀態(tài)。
文檔編號H02P6/14GK1373926SQ99816936
公開日2002年10月9日 申請日期1999年10月13日 優(yōu)先權日1999年10月5日
發(fā)明者羅納德·S·博, 羅伯特·W·德勒, 羅伯特·C·赫吉 申請人:Hr泰斯特朗有限公司