用于檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的位置的電路和方法
【專利摘要】一種用于檢測(cè)電動(dòng)機(jī)位置的電路和方法。所述電路包含用于產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的控制電路、高側(cè)晶體管以及低側(cè)晶體管、電阻器以及微控制器。所述高側(cè)晶體管以及所述低側(cè)晶體管產(chǎn)生經(jīng)配置以驅(qū)動(dòng)所述電動(dòng)機(jī)的電壓信號(hào)。耦接到所述低側(cè)晶體管的所述電阻器響應(yīng)于電動(dòng)機(jī)電流以及反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)而產(chǎn)生感測(cè)信號(hào)。所述微控制器控制所述控制電路。所述脈沖寬度調(diào)制信號(hào)用以控制所述高側(cè)晶體管以及所述低側(cè)晶體管以用于產(chǎn)生所述電壓信號(hào)。所述高側(cè)晶體管耦接到輸入電源。所述低側(cè)晶體管經(jīng)由所述電阻器而耦接到接地。所述控制電路根據(jù)所述感測(cè)信號(hào)而決定所述電動(dòng)機(jī)位置。
【專利說明】用于檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的位置的電路和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及永磁(permanent magnet,簡(jiǎn)稱為PM)電動(dòng)機(jī)控制技術(shù),尤其涉及用于檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的位置的電路和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]無刷永磁同步電動(dòng)機(jī)(PermanentMagnet Synchronous Motors,簡(jiǎn)稱為 PMSM)為一種無傳感器永磁電動(dòng)機(jī)，且為由交流(Alternating Current,簡(jiǎn)稱為AC)電輸入驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。如果可檢測(cè)到無傳感器永磁電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)位置，那么電動(dòng)機(jī)可毫無沖擊地啟動(dòng)。
[0003]PMSM包括繞線定子(wound stator)、永磁轉(zhuǎn)子組合件以及用以感測(cè)轉(zhuǎn)子位置的裝置。感測(cè)裝置提供用于按恰當(dāng)序列以電子方式切換定子繞組(stator winding)以維持磁體組合件的旋轉(zhuǎn)的信號(hào)(電動(dòng)機(jī)位置)。一般而言，感測(cè)裝置為霍爾傳感器(hall-sensor)。然而，所述霍爾傳感器將會(huì)增加電動(dòng)機(jī)的成本以及具備可靠性問題。因此，無傳感器控制變成對(duì)市場(chǎng)上的永磁電動(dòng)機(jī)控制的主要條件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種用于檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的位置的電路和方法。
[0005]本發(fā)明提供一種用于檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的位置的電路。所述電路包括用于產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)的控制電路、高側(cè)晶體管以及低側(cè)晶體管、電阻器以及微控制器。所述高側(cè)晶體管以及所述低側(cè)晶體管產(chǎn)生經(jīng)配置以驅(qū)動(dòng)所述電動(dòng)機(jī)的電壓信號(hào)。耦接到所述低側(cè)晶體管的所述電阻器響應(yīng)于電動(dòng)機(jī)電流以及反電動(dòng)勢(shì)(back-EMF)信號(hào)而產(chǎn)生感測(cè)信號(hào)。所述微控制器經(jīng)配置以控制所述控制電路。所述脈沖寬度調(diào)制信號(hào)經(jīng)配置以控制所述高側(cè)晶體管以及所述低側(cè)晶體管以用于產(chǎn)生所述電壓信號(hào)。所述高側(cè)晶體管耦接到輸入電源。所述低側(cè)晶體管經(jīng)由所述電阻器而耦接到接地。所述控制電路經(jīng)配置以根據(jù)所述感測(cè)信號(hào)而決定電動(dòng)機(jī)位直。
[0006]從另一方面來看，本發(fā)明進(jìn)一步提供一種用于檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的位置的方法。所述方法包括以下步驟:產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號(hào)；通過切換高側(cè)晶體管以及低側(cè)晶體管而產(chǎn)生經(jīng)配置以驅(qū)動(dòng)所述電動(dòng)機(jī)的電壓信號(hào)；響應(yīng)于所述電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)而產(chǎn)生流經(jīng)電阻器的感測(cè)信號(hào)。所述方法更包括:通過利用用于控制所述高側(cè)晶體管以及所述低側(cè)晶體管的所述脈沖寬度調(diào)制信號(hào)而產(chǎn)生所述電壓信號(hào)；根據(jù)所述感測(cè)信號(hào)而決定所述電動(dòng)機(jī)的所述位置。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]包含附圖以提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，且附圖并入本說明書中并構(gòu)成本說明書的一部分。所述【專利附圖】

【附圖說明】本發(fā)明的示范性實(shí)施例，且與描述一起用以解釋本發(fā)明的原理。
[0008]圖1為本發(fā)明實(shí)施例一永磁電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0009]圖2為本發(fā)明實(shí)施例另一永磁電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；[0010]圖3為本發(fā)明實(shí)施例的電動(dòng)機(jī)控制設(shè)備的電路圖；
[0011 ]圖4為本發(fā)明實(shí)施例的3相電動(dòng)機(jī)電壓信號(hào)VA、VB以及VC的波形；
[0012]圖5為本發(fā)明實(shí)施例的永磁電動(dòng)機(jī)的等效模型；
[0013]圖6為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的控制電路；
[0014]圖7為本發(fā)明實(shí)施例的一等效電路；
[0015]圖8為本發(fā)明實(shí)施例的反電動(dòng)勢(shì)的波形；
[0016]圖9為本發(fā)明實(shí)施例的反電動(dòng)勢(shì)的波形以及輸出信號(hào)；
[0017]圖10為本發(fā)明實(shí)施例用于檢測(cè)電動(dòng)機(jī)位置的方法。
[0018]附圖標(biāo)記說明:
[0019]10:高側(cè)晶體管；
[0020]15:低側(cè)晶體管；
[0021]20:高側(cè)晶體管；
[0022]25:低側(cè)晶體管；
[0023]30:高側(cè)晶體管；
[0024]35:低側(cè)晶體管；
[0025]40:定子磁鏈；
[0026]45:轉(zhuǎn)子磁鏈；
[0027]50:永磁(PM)電動(dòng)機(jī)；
[0028]70:電阻器；
[0029]80:電阻器；
[0030]90:電阻器
[0031]100:控制電路；
[0032]110:脈沖寬度調(diào)制(PWM)電路；
[0033]150:比較器；
[0034]151:偏壓源；
[0035]160:比較器；
[0036]161:偏壓源；
[0037]170:比較器；
[0038]171:偏壓源；
[0039]190:三態(tài)緩沖器；
[0040]200:微控制器(MCU);
[0041]500:永磁電動(dòng)機(jī)的等效模型；
[0042]S1010:步驟；
[0043]S1020:步驟；
[0044]S1030:步驟；
[0045]S1040:步驟；
[0046]S1050:步驟；
[0047]A:定子繞組；
[0048]ADR_1:地址信號(hào)；[0049]ADR_2:地址信號(hào)；
[0050]ADR_N:地址信號(hào)；
[0051]B:定子繞組；
[0052]C:定子繞組；
[0053]DATA_BUS:數(shù)據(jù)總線；
[0054]EMF，電動(dòng)勢(shì)源；
[0055]EMF_A:反電動(dòng)勢(shì)；
[0056]EMF_B:反電動(dòng)勢(shì)；
[0057]EMF_C:反電動(dòng)勢(shì)；
[0058]Is:電動(dòng)機(jī)相位電流；
[0059]L:繞組電感；
[0060]OA:輸出信號(hào)；
[0061]OB:輸出信號(hào)；
[0062]OC:輸出信號(hào)；
[0063]R:繞組電阻；
[0064]Ra:電阻；
[0065]Rb:電阻；
[0066]Rc:電阻；
[0067]Sa:感測(cè)信號(hào)；
[0068]Sb:感測(cè)信號(hào)；
[0069]Sc:感測(cè)信號(hào)；
[0070]U:脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)；
[0071]V:脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)；
[0072]Va:電壓信號(hào)；
[0073]VB:電壓信號(hào)；
[0074]Vc:電壓信號(hào)；
[0075]VIN:輸入電源；
[0076]Vs:電動(dòng)機(jī)電壓信號(hào)；
[0077]VTA:閾值；
[0078]VTb:閾值；
[0079]VT。:閾值；
[0080]W:脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)；
[0081]X:脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)；
[0082]Y:脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)；
[0083]Z:脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)；
[0084]Θ:相位角。
【具體實(shí)施方式】
[0085]永磁電動(dòng)機(jī)提供高效率、小尺寸、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)、低噪音以及高可靠性等優(yōu)勢(shì)。通常利用磁場(chǎng)定向控制(field oriented control,簡(jiǎn)稱為FOC)以及DQ控制來驅(qū)動(dòng)永磁電動(dòng)機(jī)。
[0086]圖1為本發(fā)明實(shí)施例一永磁電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)不意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例另一永磁電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。參看圖1所示，相位角Θ存在于定子磁鏈(stator flux)40與轉(zhuǎn)子磁鏈(rotor flux)45之間。為了實(shí)現(xiàn)高效無傳感器電動(dòng)機(jī)控制，當(dāng)永磁電動(dòng)機(jī)速度高于特定值時(shí)，磁場(chǎng)定向控制(FOC)將相位角Θ調(diào)節(jié)為約等于90°。需要說明的是，參見圖2所不，定子磁場(chǎng)40與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)45為正交的。
[0087]圖3為本發(fā)明實(shí)施例的電動(dòng)機(jī)控制設(shè)備的電路圖。參見圖3所示，電動(dòng)機(jī)控制設(shè)備經(jīng)配置以用于控制永磁(PM)電動(dòng)機(jī)50。電動(dòng)機(jī)控制設(shè)備包括控制電路100、高側(cè)晶體管10、高側(cè)晶體管20和高側(cè)晶體管30以及低側(cè)晶體管15、低側(cè)晶體管25和低側(cè)晶體管35、電阻器70、電阻器80和電阻器90以及微控制器(microcontroller ；MCU) 200。永磁(PM)電動(dòng)機(jī)50包括定子繞組A、定子繞組B和定子繞組C。高側(cè)晶體管10、低側(cè)晶體管15、高側(cè)晶體管20、低側(cè)晶體管25、高側(cè)晶體管30和低側(cè)晶體管35形成經(jīng)配置以分別驅(qū)動(dòng)定子繞組A、定子繞組B和定子繞組C的三相橋式驅(qū)動(dòng)器。高側(cè)晶體管(例如，高側(cè)晶體管10、高側(cè)晶體管20和高側(cè)晶體管30)耦接到輸入電源VIN。低側(cè)晶體管(例如，低側(cè)晶體管15、低側(cè)晶體管25和低側(cè)晶體管35)通過電流感測(cè)電阻器70、電阻器80和電阻器90而耦接到接地。電流感測(cè)電阻器70、電阻器80和電阻器90經(jīng)配置以檢測(cè)電動(dòng)機(jī)電流以及反電動(dòng)勢(shì)(稱為back-EMF)。電阻器70的端子與定子繞組A通過低側(cè)晶體管15而彼此串聯(lián)耦接。電阻器70的另一端子連接到接地。電阻器80的端子與定子繞組B通過晶體管25而彼此串聯(lián)耦接。電阻器80的另一端子連接到接地。電阻器90的端子與定子繞組C通過晶體管35而彼此串聯(lián)耦接。電阻器90的另一端子連接到接地。電阻器70、電阻器80和電阻器90響應(yīng)于電動(dòng)機(jī)電流以及反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)而分別產(chǎn)生感測(cè)信號(hào)SA、感測(cè)信號(hào)SB、感測(cè)信號(hào)SC。
[0088]控制電路100產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，簡(jiǎn)稱為PWM)信號(hào)U、脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)X、脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)V、脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)Y、脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)W和脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)Z，所述PWM信號(hào)經(jīng)配置以分別驅(qū)動(dòng)/控制高側(cè)晶體管10、低側(cè)晶體管15、高側(cè)晶體管20、低側(cè)PWM信號(hào)晶體管25、高側(cè)晶體管30和低側(cè)晶體管35。PWM信號(hào)U、PWM信號(hào)X、PWM信號(hào)V、PWM信號(hào)Y、PWM信號(hào)W和PWM信號(hào)Z經(jīng)配置以控制高側(cè)晶體管10、高側(cè)晶體管20和高側(cè)晶體管30以及低側(cè)晶體管15、低側(cè)晶體管25和低側(cè)晶體管35，以用于產(chǎn)生感測(cè)信號(hào)(例如，感測(cè)信號(hào)Sa、感測(cè)信號(hào)Sb和感測(cè)信號(hào)S。)/電壓信號(hào)(例如，電壓信號(hào)Va、電壓信號(hào)Vb和電壓信號(hào)V。)。微控制器(MCU) 200通過數(shù)據(jù)總線DATA_BUS以及地址信號(hào)ADR_N來控制所述控制電路100。微控制器200包括程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及用于運(yùn)行程序指令的振蕩器。圖4為本發(fā)明實(shí)施例的3相電動(dòng)機(jī)電壓信號(hào)\、Vb以及V。的波形，參見圖4所示，根據(jù)微控制器200的程序指令，控制電路100將產(chǎn)生PWM信號(hào)U、PWM信號(hào)X、PWM信號(hào)V、PWM信號(hào)Y、PWM信號(hào)W和PWM信號(hào)Z，以產(chǎn)生用于驅(qū)動(dòng)永磁(PM)電動(dòng)機(jī)50的3相電動(dòng)機(jī)電壓信號(hào)\、電壓信號(hào)Vb和電壓信號(hào)V。。PWM信號(hào)U、PWM信號(hào)X、PWM信號(hào)V、PWM信號(hào)Y、PWM信號(hào)W和PWM信號(hào)Z是根據(jù)圖4所示的元素“責(zé)任(Duty)”以及ΘΧ而產(chǎn)生。
[0089]參見圖4所示，3相電動(dòng)機(jī)電壓信號(hào)VA、Vb以及V。的振幅由元件Duty編程。3相電動(dòng)機(jī)電壓信號(hào)\、電壓信號(hào)Vb以及電壓信號(hào)V。的角度由兀素θ X決定。[0090]圖5為本發(fā)明實(shí)施例的永磁電動(dòng)機(jī)的等效模型。永磁電動(dòng)機(jī)的等效模型500包括用于產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)電壓信號(hào)Vs的電動(dòng)機(jī)電壓信號(hào)源、繞組電阻R、繞組電感L以及電動(dòng)勢(shì)源EMF(例如，反電動(dòng)勢(shì))。施加電動(dòng)機(jī)電壓信號(hào)Vs以驅(qū)動(dòng)永磁電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)相位電流Is、繞組電感L、繞組電阻R、電動(dòng)機(jī)電壓信號(hào)Vs與EMF之間的關(guān)系可表達(dá)為方程式(I)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于檢測(cè)電動(dòng)機(jī)位置的電路，其特征在于，包括: 控制電路，產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號(hào)； 高側(cè)晶體管以及低側(cè)晶體管，產(chǎn)生經(jīng)配置以驅(qū)動(dòng)所述電動(dòng)機(jī)的電壓信號(hào)； 電阻器，耦接到所述低側(cè)晶體管，用于響應(yīng)于電動(dòng)機(jī)電流以及反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)而產(chǎn)生感測(cè)信號(hào)； 微控制器，經(jīng)配置以控制所述控制電路； 其中所述脈沖寬度調(diào)制信號(hào)經(jīng)配置以控制所述高側(cè)晶體管以及所述低側(cè)晶體管，以用于產(chǎn)生所述電壓信號(hào)；高側(cè)晶體管耦接到輸入電源；所述低側(cè)晶體管經(jīng)由所述電阻器而耦接到接地；所述控制電路經(jīng)配置以根據(jù)所述感測(cè)信號(hào)而決定電動(dòng)機(jī)位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于，所述感測(cè)信號(hào)是響應(yīng)于所述電動(dòng)機(jī)的所述反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)而產(chǎn)生，用于決定所述電動(dòng)機(jī)位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于，所述感測(cè)信號(hào)是通過在所述高側(cè)晶體管切斷且所述低側(cè)晶體管接通時(shí)，檢測(cè)所述電動(dòng)機(jī)的所述反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)而產(chǎn)生。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于，所述控制電路包括: 比較器，經(jīng)配置以檢測(cè)所述感測(cè)信號(hào)， 其中所述微控制器經(jīng)配置以接收所述比較器的輸出信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于，所述微控制器包括程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及振蕩器。
6.一種用于檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的位置的方法，其特征在于，包括: 產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號(hào)； 通過切換高側(cè)晶體管以及低側(cè)晶體管而產(chǎn)生經(jīng)配置以驅(qū)動(dòng)所述電動(dòng)機(jī)的電壓信號(hào)；以及 響應(yīng)于所述電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)而產(chǎn)生流經(jīng)電阻器的感測(cè)信號(hào)； 通過利用控制所述高側(cè)晶體管以及所述低側(cè)晶體管的所述脈沖寬度調(diào)制信號(hào)而產(chǎn)生所述電壓信號(hào)；以及 根據(jù)所述感測(cè)信號(hào)而決定所述電動(dòng)機(jī)的所述位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述電阻器耦接到所述低側(cè)晶體管，以用于檢測(cè)電動(dòng)機(jī)電流。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述脈沖寬度調(diào)制信號(hào)由控制電路產(chǎn)生；所述控制電路由微控制器控制。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述感測(cè)信號(hào)是通過在所述高側(cè)晶體管切斷且所述低側(cè)晶體管接通時(shí)，檢測(cè)所述電動(dòng)機(jī)的所述反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)而產(chǎn)生。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述控制電路包括: 比較器，經(jīng)配置以檢測(cè)所述感測(cè)信號(hào)， 其中所述微控制器經(jīng)耦接以接收所述比較器的輸出信號(hào)。
【文檔編號(hào)】H02P6/18GK103701373SQ201310488203
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月17日
【發(fā)明者】林奕圻, 吳永盛 申請(qǐng)人:崇貿(mào)科技股份有限公司, 快捷半導(dǎo)體(蘇州)有限公司