CN1075282C - 用于五相无刷直流电机的控制电路 - Google Patents

用于五相无刷直流电机的控制电路 Download PDF

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Abstract

一种用于五相无刷直流电机(102)的控制系统(100)，所述电机包括具有5个绕组的定子和被安装用于相对于所述绕组(114)旋转的转子(116)。绕组(114)适用于响应转子(116)的旋转位置而被电子换向。控制系统(100)包括检测电路(106)，用于使用光检测器或磁检测器或者检测绕组(114)中的反电动势电压来检测转子(116)的旋转位置。电子开关(112)响应由控制电路响应转子(116)的旋转位置而产生的控制信号控制流经绕组的电流流动。控制电路(110)包括用于启动电机(102)的启动逻辑。如果转子(106)在启动时按错误方向转动，控制电路(110)则激励预先选定的绕组(114)，并等待转子(116)的运动基本上停止，然后按照启动程序激励绕组(114)，从而使转子(116)沿正确方向旋转。一旦转子(116)沿正确方向旋转，控制电路(110)则响应转子(116)的旋转位置对绕组(114)进行电子换向。

Description

用于五相无刷直流电机的控制电路
本申请包括缩微胶片附件，具有一个胶片，35帧。
本专利文件披露的部分包含有受版权保护的内容，版权所有者不反对为专利公开而进行的复制，如出现在在专利商标局专利文件或记录中，然而除此之外保留所有版权。
本发明一般涉及无刷直流(DC)电机的控制系统，尤其涉及用于五相无刷直流电机的控制系统，所述五相无刷直流电机包括具有五个绕组的定子，所述绕组适用于响应被安装而相对于所述绕组旋转的转子的旋转位置进行电子换向。
无刷直流电机也叫自同步电机或电子换向电机，其被用于许多应用中，其中包括陆地上的交通工具和宇航应用。例如，无刷直流电机被用于汽车发动机的冷却以及加热、通风和空调(HVAC)设备中。
无刷直流电机一般包括用绕组或线圈缠绕的定子，以及具有转子安装的永磁体的转子。在被称为换向的过程中，电子控制系统或电子电路在正确的时刻使合适的定子绕组中的电流转换或换向。控制系统按照实时时间响应检测的转子旋转位置，从而对控制通过绕组的电流的电子开关例如晶体管产生控制信号的协调的指令序列。通过每个绕组的电流产生引起转子旋转的产生转矩的磁通。在绕组之间电流按顺序转换产生以同步方式定向的磁通，该磁通在转子上产生转矩并且使转子转动。响应转子的检测的旋转位置而产生的控制信号序列使得在转子上的磁体位置和在定子上的绕组之间维持所需的关系。
在多相无刷直流电机中，每个激励的绕组在相角和转矩之间形成正弦关系，它和其它绕组异相。例如，在典型的三相无刷直流电机中，控制电路利用具有120度电角度的相位差的电压激励三个绕组。虽然三相电机由于其能够提供平衡的功率输出而得到广泛地使用，但是三相电机噪声大，并因为所有流经绕组的电流都流经一个开关例如晶体管而引起每个器件的大的功率消耗因而不适用于高温环境。
可以使用各种技术检测转子的旋转位置。已知的系统通常使用和电机轴相连的检测器，用于检测电机轴的转角。一般地说，这些检测器包括霍耳检测器，光学检测器和分解器。然而，在电机中使用分立的的反馈
检测器可以给体积，成本，复杂性，功率消耗带来不利影响，尤其是霍耳检测器还影响电机的可靠性。
响应和离散检测器有关的问题，一些控制电路检测当电机旋转时在绕组中产生的反电动势(EMF)电压。可以使用反电动势的幅值和频率信息确定转子的旋转位置。然而，反电动势电压信号一般不能在电机启动或开始加速的期间用于控制，因为在转子静止或以低速旋转时没有反电动势信号或者检测不到。
在美国专利US-A-4 678973中公开了一种用于启动无检测器无刷直流电机的电路。这种电路通过检测在启动时的转动方向来启动电机。如果转子以正确的方向旋转，电路就激励绕组使得继续转动。如果转子以错误的方向旋转，则使激励顺序相反以便在再次试图启动之前使转子停止。然而，这种电路以硬件来实现，并且不能控制五相无刷直流电机的启动。
EP-A-0 528046披露了一种高速三相电机，其中可以维持大的转矩和效率。这种电机的三相相互具有120°的相位差。这种电机是磁阻型的电机，其中在磁心中存储的磁能不能返回电源。在每个电枢电路中提供有二极管，用于阻止反向电流，并利用反向电流对电容器充电，从而保持其电压为一个高的值。这使得电枢线圈中的电流快速地减小。在预定的时间间隔之后，下一个电枢线圈被激励，并且存储在电容器上的高电压也施加于线圈，从而使电枢线圈中的电流快速增加。电感线圈可以和电枢线圈结合使用，使得两个线圈被激励，并且当它们被解除激励时，存储在两个线圈中的磁能用来对电容器充电。利用位置检测器使每个电枢线圈实现按照顺序被激励。
JP-A-60002091披露了一种五相电机，其中驱动线圈以星形连接构成。来自位置检测器的输出信号被供给激励控制逻辑电路。输出电路具有多个晶体管，它们被分为源极侧组和漏极侧组，用于驱动线圈。控制逻辑电路根据来自位置检测器的输出信号同时激励两个或多个晶体管。EP-A-0 433219披露了一种两相电机，其中电机的4个线圈被连接成方形。在方形的相对侧上的线圈构成一个相并被同时激励。电机的两个相相互相差90°的相位。其中还披露了三相和五相电机。
因而，需要提供一种用于五相无刷直流电机的控制电路。还需要提供一种借助于在启动时确定转子的转动方向用于启动五相无刷直流电机的控制系统，如果转子以错误方向旋转，则激励至少两个绕组直到转子的运动基本停止，然后按照启动顺序激励多个绕组，从而使转子按照正确方向转动。还需要提供一种多相无刷直流电机，其中同时激励一个以上的绕组。
按照本发明的一个方面，提供一种用于对适用于由电压源激励的无刷直流电机进行电子换向的控制系统，所述电机包括具有适用于进行电子换向的多个绕组的定子，和被安装用于相对于所述绕组旋转的转子，所述控制系统包括：被构成用于产生相应于转子的旋转位置的信号的检测电路；包括和绕组相连的开关的电子换向电路；以及和检测电路及换向电路相连的控制电路，所述控制电路被构成用于响应转子的旋转位置产生控制信号，并把控制信号提供给换向电路，用于控制流经绕组的电流；其特征在于所述检测电路通过比较在每个绕组中产生的反电动势(EMF)电压来检测转子的旋转位置，并且所述电机构成五相电机，其定子具有5个绕组。
按照本发明的第二方面，提供一种用于五相无刷直流电机的驱动电路，所述电机具有五个绕组和被安装用于相对于所述绕组旋转的转子，所述每个绕组适用于由定时施加的在各个绕组中产生相电流的驱动电压激励，所述驱动电路包括：包括多个位置检测器的至少5个检测器，被构成用于产生关于转子的旋转位置的信号图形；和绕组相连的可被电气控制的开关；以及和位置检测器及可控的开关相连的电机控制器，所述电机控制器被构成用于根据从位置检测器收到的信号的图形产生换向控制信号，并把控制信号提供给可控的开关，可控的开关响应控制信号控制流经绕组的电流；其特征在于所述定时施加的电压在绕组中产生反电动势电压，并且所述位置检测器检测所述反电动势电压。
按照本发明的另一方面，提供一种用于适用于由电压源激励的无刷直流电机的控制系统，所述电机包括具有适用于进行电子换向的多个绕组的定子，和被安装用于相对于所述绕组旋转的转子，所述控制系统包括：被构成用于产生相应于转子的旋转位置的信号的检测电路；包括和绕组相连的开关的电子换向电路；以及和检测电路及换向电路相连的控制电路，所述控制电路被构成用于在启动期间限制流经绕组的电流，并用于确定在启动时转子的转动方向；其特征在于，所述控制电路响应当转子沿错误方向旋转时而激励至少两个绕组，并在以启动程序激励多个绕组从而使转子沿正确方向旋转之前等待转子基本上停止运动，并响应当转子沿正确方向旋转时，响应转子的旋转位置使绕组进行电子换向。
按照本发明的另一方面，提供一种用于对适用于由电压源激励的无刷直流电机进行电子换向的控制系统。所述电机包括具有适用于进行换向的多个绕组的定子，和被安装用于相对于所述绕组旋转的转子，所述控制系统包括：被构成用于产生相应于转子的旋转位置的信号的检测电路；包括和绕组相连的开关的电子换向电路；以及和检测电路及换向电路相连的控制电路，所述控制电路被构成用于响应转子的旋转位置而产生脉宽调制控制信号，并把这些控制信号提供给换向电路；其特征在于，换向电路通过基本上同时激励至少两个绕组来响应控制信号，并且包括至少两个开关，通过所述开关使流经激励的绕组中的电流被分流。
由下面结合附图对本发明的最佳实施例进行的详细说明可以更充分地理解本发明。附图中相同的部件用相同的标号表示，其中：
图1是五相单极无刷直流电机和用于对电机进行电子换向的控制系统的方块图；
图2是图1的电机控制器的方块图；
图3-图7是由图1的电机控制器执行的主程序的示例的流程图；
图8是由图1的电机控制器执行的加速/减速定时器中断子程序的示例的流程图；
图9是由图1的电机控制器执行的比较定时器中断子程序的示例的流程图；
图10是由图1的电机控制器执行的失速处理子程序的示例的流程图；
图11是由图1的电机控制器执行的后运行(afterrun)子程序的示例的流程图；
图12A-12E是图1所示的控制系统的示例的实施例的电路示意图。
参见图1，其中所示控制系统100用于无刷直流电机102的电子换向。控制系统100包括电机电源104，保护与转子位置检测电路106，控制器电源108，电机控制器110和功率级112。电机102包括电机绕组114和电机转子116。控制系统100和电机102可以装在一起或者分开。此外，除去功率级112之外，控制系统100的元件可以与功率级112分开封装而把电机102和功率级112封装在一起。
电机电源104通过电源线118和120接收来自电源(未示出)的直流电压。一般地说，电源是提供12V信号的电池。此外，电源可以是从对交流电压源整流并滤波的电源调节电路输出的直流电压。和电源相连的线路滤波器122限制进行的RFI发射。线路滤波器122可以包括无源LC滤波器网络，其包括和电源引线118,120串联连接的电感124和126,以及和电源引线118,120并联连接的电容128和130。用于电抗器的平衡-不平衡变换器或珠形扼流圈可以使封装简化，因为和传统的棒状扼流圈相比具有较高的电感/体积比。电机电源104可以包括用于限制电源电流脉动的低值元件和电解电容器。来自电机电源104的被调整的直流电压输出132向控制系统100的其它元件以及电机102供电。在一个实施例中，电机102的功率范围为100-500W。
除去线路滤波器122之外，还可以提供其它用于抑制RFI的装置。例如，辐射的RFI可以通过屏蔽控制系统100与/或整个或部分地使用屏蔽材料的电机绕组114来进行抑制。此外，可以使来自控制系统100的输入/输出引线通过抑制噪声的金属孔眼。作为另一个例子，在如下所述的功率级112中使用的用于放大控制信号的MOSFET驱动器芯片的电源端子之间设置薄膜电容器可以减少传导的EMI发射。
电机电源104包括反向电压保护电路134，用于阻止在反向电压状态期间(即当在电源线118和120之间的电压反向时)电流通过控制系统100。反向电压保护电路134包括开关136和二极管138。开关136一般是MOSFET晶体管，其只有控制极电压为正时才通过电流。在反向电压状态期间，在MOSFET控制极上的电压是负的，因而MOSFET不导通，借以阻止电流流过控制系统100因而保护其元件。开关136可以包括多个并联的MOSFET。此外，开关136可以是肖特基二极管来代替MOSFET。不过，电机效率可能受到不利影响，这是因为肖特基二极管比MOSFET具有较大的正向电压降。
电机电源104可以包括用于提供突然断载保护的元件。例如利用压敏电阻(图12B中所示为RV1)保护控制系统100不受瞬变电压的冲击。压敏电阻例如可以是CU2220K30AUTOG自放压敏电阻。压敏电阻的额定值的选择决定电压瞬变冲击的截止电平。
检测电路106包括用于检测参数并且产生供电机控制器110用来保护控制系统100和电机102的信号的电路，如下所述。所述信号通过线路140提供给电机控制器110。过压/欠压电路根据调整的电压输出132产生信号。过流电路根据流过控制系统100的电流产生信号。此外，可以使用过温电路根据检测的温度产生信号。在每种情况下，检测的信号最好是定标在电机控制器110内的A/D转换器的电压范围内的电压的模拟电压。如下所述，使用模拟信号可以使得利用软件设置故障保护极限。不过，每个信号也可以是指示是否发生故障状态的逻辑信号(例如0或5V)。电机控制器110可以查询故障状态，或者当故障状态发生时可以中断。
在一个实施例中，过压/欠压电路使用电压分压器由调整的电压输出132产生0-5V的模拟信号。过流电路通过检测在图12B中表示为R56的检测电阻上的电压降来产生0-5V的模拟信号。或者，过流电路可以检测一般和电流成比例的RFI扼流圈126上的电压降，并且可以检测扼流圈126的温度用来补偿在硬件或软件中检测的电压。作为另一种方案，过流电路可以检测反向保护MOSFET 136上的电压降或在功率级112内开关上的电压降。如果使用过温电路，则该电路最好使用齐纳二极管，半导体温度检测器，RTD或反向保护MOSFET 136产生0-5V的模拟信号。如果使用MOSFET 136，则MOSFET 136的RDSon可以通过测量其上的电压降来间接地测量。在每种情况下，电机控制器110把检测的模拟信号转换为数字值，并把该数字值和门限值或范围进行比较，从而确定是否发生故障。如果发生故障，则电机控制器110调用如下所述的故障处理程序。
检测电路106还包括用于检测电机转子116的旋转位置并产生和旋转位置相应的信号的电路。电机控制器110使用旋转位置信号来控制电机102的启动，换向和速度，并保护以防止失速或减速状态。这些信号也通过导线140提供给电机控制器110。在一个实施例中，电机102具有200-5000rpm的运行速度。
为了检测电机转子116的旋转位置，检测电路106可以检测来自和电机102的轴相连的光或磁检测器的信号，从而检测轴的旋转角度。光检测器可以使用和电机轴机械相连的齿轮，以这样的方式，例如用光开关的遮断代表正的或负的反电动势极性，光开关的接通代表负的或正的反电动势极性，使得在电机绕组114中的反电动势和齿同步。可以用和光开关相同的方式使用具有各自的磁轮的磁检测器，或者从电机磁体本身获得位置信息。检测电路106也可以使用来自分解器或霍耳检测器的信号。
检测电路106也可以当电机102转动时检测在电机绕组114中产生的反电动势电压。反电动势信号可以相互进行比较，或和参考电压进行比较，参考电压的大小可以是固定的，或者是根据电机速度或负载而变化的。电机控制器110根据反电动势信号确定电机转子116的位置。在一个实施例中，来自五对绕组的反电动势被比较，从而产生五个离散的位置信号。
控制器电源108包括一个电压调节器，其接收来自电机电源104的调整的电压输出132，并提供一个较低的电压源供检测电路106和电机控制器110使用。调节后的电压一般为5V，并分别通过导线142和144送给检测电路106和电机控制器110。
如上所述，电机控制器110接收来自检测电路106的基于检测的参数和电机转子116的旋转位置的信号，并接收来自控制器电源108的稳压电源。电机控制器110还接收速度调整点信号146。速度调整点信号146被电机控制器110用来设置电机102的所需速度或参考速度。速度调整点信号146可以是模拟电压或电流，或者是来自串行或并行通信接口的数字信号。例如，速度调整点信号146可以利用汽车发动机控制单元(ECU)传递给电机控制器110，并且可以是控制电机102的速度与工作时间的通信数据流的一部分。在HVAC应用中，速度调整点信号146可以由操作者控制的电子电路例如模拟电位器或具有键盘输入装置的数字电位器(未示出)产生。
电机控制器110产生用于电机绕组114的控制信号，这些控制信号通过导线148施加于功率级112。功率级112放大逻辑电平控制信号并使用放大的信号使和电机绕组114相连的电子开关导通。在一个实施例中，电子开关是和电机绕组114串联连接的MOSFET功率晶体管，具有连接在电机的每个相的底部150的一个开关，电机的每个相的顶部152和调整的电压输出132相连。当开关由来自电机控制器110的控制信号导通时，电流由电压输出132经过各自的电机绕组114，经过各自的开关，然后通过公共返回路径154返回。
电机控制器110提供音频范围以上(例如在20和40KHz之间)的脉宽调制(PWM)的控制信号。PWM信号的占空度可以在0-100％之间改变，这代表在0和最大速度之间的电机102的速度。PWM信号被多路复用，用于根据电机转子116的旋转位置控制不同的开关。电机控制器110还能够把速度调整点信号146转变为可用于使电机绕组114换向的可变的持续时间块(即换向块)。这样，电机控制器110通过改变控制信号的占空度和将控制信号多路传输给功率级112来控制电机102的启动，换向和速度。此外，电机控制器110可以使用线性控制来驱动通过绕组114的电流。不过，使用PWM控制信号能够使绕组中的功率消耗最小，因而更适用于高温环境中。
电机控制器110还通过根据检测的参数和转子位置而修改控制信号来提供对电机绕组114以及功率级112内的开关的保护，如下所述。
电机102包括电机绕组114和电机转子116。五相无刷直流电机包括绕有5个绕组114的定子。电机转子116以可以相对于绕组114旋转的方式安装。图1所示的电机102是一种单极电机，其包括产生一个北极156和一个南极158的永磁体。不过，电机102也可以包括一对以上的极。
参见图2，电机控制器110可以是模拟的，数字的或者模拟和数字相结合的电路。在一个实施例中，电机控制器110包括和时钟202相连的微处理器或微控制器200，非易失性存储器204，例如只读存储器(ROM)，用于存储由微处理器200执行的程序指令，易失性存储器206，例如随机存取存储器(RAM)，模数转换器(A/D)208，和数字输入/输出接口210。微控制器200可以是具有内装存储器的80517微控制器。此外，非易失性存储器204可以是EPROM,EEPROM，或在微处理器200外部的快闪存储器，易失存储器206可以是外部的RAM器件。使用快闪与/或EEPROM作为非易失存储器204使得用户能够利用软件修改或按要求规定电机102的性能，故障处理和通信接口。非易失存储器204也可以包括在电机102的生产期间利用考虑电机与电机的偏差和特殊用户要求的的数据编程的单独的快闪或EEPROM存储器。
A/D转换器208接收来自过电压/欠电压电路、过流电路、过温电路(如果使用的话)和速度调整点接口(如果是模拟的)的模拟电压信号，如上所述。数字输入/输出接口210接收来自检测电路106的电机转子116的位置信号，并向功率级112的MOSFET驱动器发送控制信号。
电机控制器110还可以包括模拟或数字接口，例如RS-232串行接口，用于和外部设备例如ECU通信。通过使用这种接口，电机控制器110可以接收来自外部装置的控制参数(例如速度调整点信号146)并向外部设备发送操作参数和性能数据(例如速度或温度)以及诊断数据(例如故障)。这种接口也可以用于调整目的和下载程序信息。
在最佳实施例中，电机控制器110包括接收来自ECU的PWM信号的PWM接口。在正常操作期间，ECU向电机控制器110发送300Hz的PWM信号，它具有代表速度调整点信号146的占空度。ECU还可以通过把PWM信号转换为在车辆停止状态下的10Hz信号命令电机控制器110转换为操作的后运行方式。在后运行方式中，电机控制器110使电机102运行一段时间间隔，用于在车辆停止之后冷却发动机室，借以防止过量的热积聚。PWM信号的占空度设置这一持续时间和电机102的速度。
参见图3到图7，其中示例的流程图表示由电机控制器110在电机102的操作期间执行的主程序。所示的逻辑假定控制系统100包括检测电路106，其检测在电机绕组114中产生的反电动势电压，从而确定转子116的旋转位置，并且电机控制器110接收来自外部设备例如ECU的PWM指令信号。所示的流程图可以改变为适合于本发明的其它实施例的形式。
在步300和302，当电源加于控制系统100时，例如汽车点火被接通时，电机控制器110执行初始化逻辑。在步304和306，电机控制器110检查速度调整点信号146，并且如果调整点不在预定的范围内则禁止电机102启动。在一个实施例中，提供速度调整点信号的PWM信号具有在10％和90％之间的占空度范围。在步308，系统通过对由过压/欠压电路检测的模拟电压信号进行数字化来检查电池电压。当检测的电压超过一个上限时，检测到过电压状态，当检测的电压小于一个下限时，检测到欠电压状态。范围限制可以由用户在软件中规定，在最佳实施例中被设置为大约9和16V。这些限制和一般12V的电池电压以及8和19V之间的操作范围相匹配。如果电压值是不能接受的，则禁止启动。
在步310，电机控制器110通过检查来自检测电路106的转子位置信号检查转子116的旋转方向。如果当加上电源时转子116是静止的或是沿错误方向运动的，则系统使电机102制动，并把转子116移动到一个固定位置，如步314到330所示。在最佳实施例中，电机控制器110在一个时间间隔内激励电机102的一个绕组(例如A相)然后激励两个绕组(例如A相和B相)，直到转子116处于固定位置为止。在步324到330的制动程序期间施加于绕组的电流被调整一个调整点的值。在运动停止之后，或者在相A和相B被激励一个时间间隔之后，电机控制器110在步332执行启动程序。
参看图5和图6所示的步332到362，电机控制器110按照开环启动程序按顺序控制绕组114，从而使转子116沿正确方向旋转并保持足以产生可检测的反电动势信号的速度。在一个实施例中，启动程序按4步激励绕组114。首先，激励E相，直到由检测器E检测到下降沿信号(图12A到12E示出了绕组114和检测器106是如何编号的)。第二，激励D相，直到由检测器D检测到下降沿信号。第三，激励C相，直到由检测器C检测到下降沿信号。第四，在步346降低电流之后，C相和D相被激励一个时间间隔。在此之后，转子116应当以足以使检测电路106检测到适用于闭环控制的反电动势信号的速度沿正确方向转动。如步352到362所示，施加于电机绕组114的电流在启动程序的前三步中被限制到调整点的值，以便防止破坏绕组114与/或功率级112。
如图6步364所示，一旦转子116沿正确方向转动，电机控制器110便根据转子的旋转位置使电机绕组114换向。电机控制器110根据从位置检测器接收的二进制图形产生使电机绕组114换向的PWM控制信号。为了得到更多的关于换向算法的信息，请参看缩微胶片附件中的软件表。
在一个实施例中，两个电机绕组114被同时换向，此时两个电机绕组基本上被同时接通和断开。使用多个开关(例如晶体管，继电器，SCR等)激励多个绕组可以通过提供总电流的并联路径来减少通过每个开关的电流。例如，如果两相被激励，则控制流经绕组的电流的两个开关的每一个通过的电流为总电流的一半。和一次只激励一个绕组的系统相比，每个开关消耗的功率较小，因而运行温度较低，这是因为每个开关只通过总电流的一部分。减小通过每个开关的电流以及使用PWM驱动器，使得绕组114的功率消耗最小，使得电机102可以在高温环境中可靠地工作。
当流经绕组的电流被切断时，在绕组中存储的电感能量被释放。因而，同时接通和断开两个绕组可以引起在切断期间释放大的能量。在线圈截止期间能量的释放可以通过使用交流斩波而被减小。交流斩波在一段时间内分配从两个绕组释放的能量，因而使能量释放的幅值较小，借以减少传导的和辐射的噪声发射。
有源阻尼而不是无源阻尼可以用来传导在截止期间在绕组中存储的能量，使其快速而高效率地返回正轨迹。使用有源阻尼可以抑制在截止期间的寄生振荡和减幅振荡，使导通的MOSFET漏极上的电压为最小，从而阻止器件的雪崩击穿。如果在MOSFET中存储的能量被快速地向正轨迹释放，则在线圈中存储的能量不会使阻尼器电路发热，因而可以减少电机内部的温升。
此外，可以使用平面阻尼器电路而不使用离散元件的阻尼器。平面阻尼器使其电阻和电容沿其电路的长度和宽度分布，并具有较小的封装尺寸和较低的辐射的RFI。
在步366，电机控制器110确定PWM输入信号的频率是否表示在命令执行后运行方式时的频率。300Hz的频率表示正常方式，10Hz的频率表示后运行方式。如果命令执行后运行方式，则在步368设置后运行方式位，并且电机控制器110在步370跳到后运行逻辑(下面参照图11说明)。
在步372，电机控制器110检测速度调整点信号146是否发生改变。如果是，则系统在步374设置加速/减速计时器，并等待中断。如果不是，则系统在步376计算速度和换向延迟。
参看图7所示的步378到388，电机控制器110监测电池电压和速度调整点信号146。如果电池电压不在范围内，或者如果速度调整点信号146在最小值以下(例如占空度小于10％)，则通过切断供给功率级112的控制信号来禁止电机102运行。电机102保持禁止状态并继续停机直到电压或速度故障消失，此时，系统重新启动。
在步390，系统通过转换由上述的过流电路产生的模拟电压信号检测流经控制系统100的电流。如果该电流超过由用户在软件中规定的一个门限(例如33A)，则在步392通过减小PWM控制信号的占空度使施加于电机102的电流被限制。也可以根据来自过压/欠压电路的反馈来限制电流。这样，电池电压和负载的变化便被考虑进去。例如，流经电机绕组114的电流可以被限制为较高的电压，从而确保在电压调节器故障的情况下可以利用除霜功能。然后，在步364重复上述逻辑。
电机控制器也可以被构成用于通过转换由过温电路产生的模拟电压信号检测过温状态。当检测的温度超过用户规定的门限温度时，则存在过温状态。对于不同的功率值可以规定不同的门限温度。当检测到过温状态时，系统应该限制控制信号的脉冲宽度，使得电机102工作在较低的速度。例如，如果高的环境温度引起过温状态，并且电机102正在带动发动机冷却风扇转动，则电机102不应该完全断电，以便继续提供冷却气流而防止发动机过热。在温度下降为门限值以前不应该恢复所需的全部电机速度和功率。
参看图8，如果在步374响应速度调整点信号146的改变而设置加速/减速计时器而所述的改变尚未实现时，电机控制器110执行加速/减速计时器中断程序，以便改变电机102的速度。步400到406以预定的速率改变PWM的占空度，直到达到所需的占空度为止。占空度改变的速率被在软件中设置，用于控制电机102的加速和减速的速率。一旦PWM的占空度改变完成，则在步408停止加速/减速计时器，并且逻辑返回。
系统可以通过比较由测量转子116的连续旋转位置之间的时间而确定的转子116的实际速度和从调整点信号146得到的所需速度来设置电机102的速度。控制信号的占空度被改变，以便提供闭环的速度控制。可以使用各种算法以闭环方式控制速度，例如比例-积分-微分(PID)或模糊逻辑。闭环速度控制可以在不同条件下保证电机的性能，例如电池电压改变时。
参看图9，电机控制器110在步410执行比较计时器中断程序。在步412，读新的转子位置。在步414和416，如果新的状态不等于旧的状态，则开始换向延迟。在步418和420，电机控制器110在换向延迟经过之后加载新的转子位置。在步422，利用占空度信息加载比较通道寄存器。在步424到428，如果某个位置已经达到(例如位置5)而速度尚未读出则读出速度。进一步细节可从程序表中看到。
参见图10，在步430系统检测失速或减速状态。在应该实施例中，电机控制器110每当检测到不同的转子位置时则启动计时器或积分器。如果转子位置在一个大于在正常操作条件下以最低的运行速度(例如32rpm)改变位置所需的时间的时间保持相同，则检测到失速/减速故障。此外，电机控制器110可以每当转子116转过一周启动一次计时器或积分器。如果转子116在规定的时间内达到相同的位置，则重置计时器或积分器。不过，如果计时器时间到或者积分器输出信号达到一个门限值，则检测到故障状态。电机控制器110也可以通过根据转子位置的时间导数来确定转子116的速度，并且比较该速度和用户规定的失速/减速速度值来检测失速/减速状态。在另一种方案中，系统可以根据检测的电流的超过的值来检测失速。不过，电流检测可能是不理想的，因为如果电机102在很低的速度下失速可能不会发生过量的失速电流。
在步434，如果检测到失速或减速状态，则切断电机102的电源，以便在转子116的转动有障碍时保护电机102和功率级112。如步436到步442所示，电机控制器110在检测到失速之后试图重新启动电机102。系统根据检测的失速的数量在再启动尝试之间等待一个预定的时间量。如步444到448所示，一旦检测到一个预定的失速数，系统就设置诊断错误位，延迟一个时间间隔，清除失速计数器并重新启动电机102。此外，在检测到失速状态时，电机控制器10可以禁止使用电机102，并等待按周期改变的电源(例如通过使触发截止而后再接通)，以便重新启动系统。
参见图11，电机控制器110在收到后运行指令时则执行后运行方式。在步452，电机控制器110确定输入的PWM的占空度。如果占空度是15％，则在步454系统设置电机102的控制信号的所需的PWM占空度(最大为35％)，在步456启动加速/减速计时器，并在步458和460以所需的速度控制电机102，直到后运行时间过去或要求正常速度控制时为止。对于不同的占空度值重复执行步452到460。
参看图12A到12E，其中的电路原理图表示被用于控制五相无刷直流电机的控制系统100的一个示例的实施例。所示的集成电路包括TLE4262G电压调节器(U1),MC4423 MOSFET驱动器(U2-U4),LM2904放大器(U5)，包括内存储器的80517微控制器(U6),LM2901比较器(U9,U10),74HC193计数器(U11-U14)，以及MC3456双计时器(U15)。标号U7和U8未被使用。反向电压保护和相驱动器MOSFET是BUZ342(Q1-Q7)。这些元件的连接如图12A到12E所示。
此外，由图12A-12E所示的各个元件完成的功能可以由一片集成电路完成。例如，微处理器U6，计数器U11-U14，和双计时器U15可被组合在一片集成电路中，借以增加可靠性和降低成本。
虽然在附图和以上的说明中说明的实施例目前是最佳的，但是应该理解，这些实施例只是以举例的方式提供的。例如，上述的故障处理程序根据用户要求可以完成其它功能。作为另一个例子，虽然上面的说明是参照用于驱动车辆发动机冷却风扇的无刷直流电机进行的，但是这种电机可以用于其它的应用中，例如用于HVAC设备中。本发明不限制于任何特定的实施例，而是包括落在所附权利要求之内的各种改型。

Claims (20)

1一种用于对适用于由电压源(118,120)激励的无刷直流电机(102,114,116)进行电子换向的控制系统(100)，所述电机(102,114,116)包括具有适用于进行电子换向的多个绕组的定子(114)，和被安装用于相对于所述绕组旋转的转子(116)，所述控制系统包括：
被构成用于产生相应于转子(116)的旋转位置的信号的检测电路(106)；
包括和绕组相连的开关的电子换向电路(112)；以及
和检测电路(106)及换向电路(112)相连的控制电路(110)，所述控制电路被构成用于响应转子(116)的旋转位置而产生控制信号，并把控制信号提供给换向电路(112)，用于控制流经绕组的电流；
其特征在于，所述检测电路(106)通过比较在每个绕组中产生的反电动势(EMF)电压来检测转子(116)的旋转位置，并且所述电机(102)包括五相电机，其定子(116)具有5个绕组。
2如权利要求1所述的控制系统，其中检测电路(106)包括5个比较器，用于比较在5对绕组中的反电动势电压，从而检测转子(116)的旋转位置。
3如权利要求1所述的控制系统，其中检测电路(106)比较绕组中的反电动势电压和参考电压，以便检测转子(116)的旋转位置。
4如权利要求1到3所述的控制系统，其中检测电路(106)根据来自至少一个检测器的信号检测转子(106)的旋转位置。
5如权利要求4所述的控制系统，其中所述每个检测器包括和电机轴相连的光检测器。
6如权利要求6所述的控制系统，其中所述每个检测器包括磁检测器。
7如前面任何一个权利要求所述的控制系统，其中控制电路(110)在启动时确定转子(116)的旋转方向，如果转子(116)沿错误方向旋转，则激励预先选定的绕组，并等待转子(116)基本上停止运动，然后，按照启动程序激励电机的绕组，使得转子(116)沿正确方向旋转，并且，当转子(116)沿正确方向旋转时，响应转子(116)的旋转位置对绕组进行电子换向。
8如权利要求7所述的控制系统，其中在电机(102)启动期间通过绕组的电流被限制。
9如前面任何一个权利要求所述的控制系统，其中检测电路(106)产生关于转子(116)的旋转位置的信号的图形，并且控制电路(110)根据从检测电路(106)收到的信号的图形对绕组进行换向。
10如前面任何一个权利要求所述的控制系统，还包括速度参考输入信号(146)，控制电路(110)根据速度参考输入信号(146)和由转子位置的时间导数而确定的转子(116)的速度之间的比较来修正控制信号。
11如权利要求10所述的控制系统，其中控制信号是脉宽调制(PWM)信号，并且通过改变控制信号的占空度来改变转子(116)的速度。
12如前面任何一个权利要求所述的控制系统，其中控制电路(106)包括可编程控制器。
13一种用于五相无刷直流电机(102,114,116)的驱动电路，所述电机具有五个绕组和被安装用于相对于所述绕组旋转的转子(116)，所述每个绕组适用于由定时施加的在各个绕组中产生相电流的驱动电压激励，所述驱动电路包括：
包括多个位置检测器的至少5个检测器，被构成用于产生关于转子(116)的旋转位置的信号的图形；
和绕组相连的可被电气控制的开关；以及
和位置检测器及可控的开关相连的电机控制器，所述电机控制器被构成用于根据从位置检测器收到的信号的图形产生换向控制信号，并把控制信号提供给可控的开关，可控的开关响应控制信号控制流经绕组的电流；
其特征在于所述定时施加的电压在绕组中产生反电动势电压，并且所述位置检测器检测所述反电动势电压。
14如权利要求13所述的驱动电路，还包括速度参考输入信号(146)，电机控制器(110)根据速度参考输入信号(146)和从转子位置的时间导数而确定的电机的速度之间的比较来修改控制信号。
15一种用于适用于由电压源(118,120)激励的无刷直流电机(102,114,116)的控制系统(100)，所述电机(102,114,116)包括具有适用于进行电子换向的多个绕组的定子(114)，和被安装用于相对于所述绕组旋转的转子(116)，所述控制系统包括：
被构成用于产生相应于转子(116)的旋转位置的信号的检测电路(106)；
包括和绕组相连的开关的电子换向电路(112)；以及
和检测电路(106)及换向电路(112)相连的控制电路(110)，所述控制电路被构成用于在启动期间限制流经绕组的电流，并用于确定在启动时转子(116)的转动方向；
其特征在于，所述控制电路(110)响应转子(116)沿错误方向旋转而激励至少两个绕组，并在以启动程序激励多个绕组从而使转子沿正确方向旋转之前等待转子(116)基本上停止运动；并且所述控制电路(110)响应转子(116)沿正确方向旋转，响应转子(116)的旋转位置使绕组进行电子换向。
16如权利要求15所述的控制系统，其中电机(102,114,116)具有5个绕组。
17如权利要求15或16所述的控制系统，其中控制信号是脉宽调制信号。
18如权利要求15-17所述的控制系统，其中控制电路(110)包括可编程控制器。
19一种用于对适用于由电压源(118,120)激励的无刷直流电机进行电子换向的控制系统(100)，所述电机(102,114,116)包括具有适用于进行换向的多个绕组的定子(114)，和被安装用于相对于所述绕组旋转的转子(116)，所述控制系统包括：
被构成用于产生相应于转子(116)的旋转位置的信号的检测电路(106)；
包括和绕组相连的开关的电子换向电路(112)；以及
和检测电路(106)及换向电路(112)相连的控制电路(110)，所述控制电路被构成用于响应转子(116)的旋转位置而产生脉宽调制控制信号，并把这些控制信号提供给换向电路(112)；
其特征在于，换向电路(112)通过基本上同时激励至少两个绕组来响应所述控制信号，并且包括至少两个开关，通过所述开关使流经激励的绕组中的电流被分流。
20如权利要求19所述的控制系统，其中所述至少两个基本上同时激励的绕组经过一个时间间隔之后被解除激励。
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