用于无刷直流电动机的状态步进控制器的换向电路制造技术

用来推进电子换向的无刷直流电动机的换向状态的方法和系统。即将发生的电动机失速是通过测量当前流过电动机线圈的电流进行检测的，以便确定磁饱和状态。在进行这样的检测时，启动计时顺序，如果在该计时顺序内状态的改变尚未发生，则该状态被推进到下一个接替状态。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
用于无刷直流电动机的状态步进控制器的换向电路专利
本专利技术一般地涉及电动机，更具体地说涉及用于无刷直流电动机的换向电路的改进，其中电动机的转矩特性得到增强。专利技术背景无刷直流(BDC)电动机在技术上是众所周知的。为了使电动机旋转完整的一圈，使绕组随着转子位置的变化换向是必不可少的。换向意味着在适当的时间改变适当的线圈中的电流方向；电刷型电动机是通过电刷和换向汇流条的排列来完成该动作的。就BDC电动机而言，电子开关是与转子位置传感器(RPS)一起添加的。图1至图6图解说明在BDC电动机的电子换向中使用的波形、电路和顺序。这种信息在现有技术中是已知的，并且被包括在此以帮助更好地理解本专利技术。图1示意地展示按三相缠绕的典型的无刷电动机和在电动机作为恒速的发电机运行时在相位之间看到的电压。注意：电动机的绕组是为了提供电学上隔开120°的重叠的正弦三相电压而设计的。在这个实例中，电学度数等于机械度数，即，相电压的电间隔对应于转子的物理位置。因为转子具有两个磁极，所以增加磁极的数目将增加用于转子每旋转一周的电周期数目。用于每个绕组的N/S极平衡点发生在电压通过零点并且颠倒极性的地方。创造末端电压的正弦曲线形状即电动机的反电动势(BEMF)的是转子和定子的缠-->绕方法和类型以及几何形状和物理特征。在给定绕组和实际几何形状的情况下由电动机提供的转矩直接与它在转子受外力驱动时或者在电动机作为发电机使用时产生的电压有关。事实上，电动机的转矩常数Kt和电动机的电压或反电动势常数Kb在Kt用牛顿米/安培表示而Kb用伏特/弧度/秒表示时是相等的，即：      Kt＝Kb这不仅适用于厂商的数据单给定的电动机常数，而且适用于遍及换向周期的波形。换言之，如果BEMF波形在示波器上是作为转子位置的函数被看到的，那么当恒定的电流被加到电动机上时，作为转子位置的函数的转矩将按类似的方式变化，与电枢反作用力的效果无关。这种情况是用图2和图3的波形予以图解说明的。有一种在一般情况下决定何时使无刷电动机换向的合乎逻辑的途径。众所周知，在BEMF波形横越零点处换向不是好的起点，因为无论多少电流被注入该相都不存在合成的转矩。用于电动机运行的每单位电流的峰值转矩是在BEMF波形的峰值位置达到的，而且电动机平滑地运行即在换向周期之间平滑地过渡是符合要求的。图3中电动机的换向点在图2中被表明在阴影区域的起点。这些换向点以换向区域中BEMF波形的峰值为中心，而且在产生转矩的过程中供电动机诸相均等的分享。然而，由于这些换向点，电动机在Kt方面的变化对于所展示的BEMF波形是大约50％。这意味着对于恒定的电流输入，在每个换向区域的转矩输出将改变50％。在诸如通风设备或泵之类的一些应用中，这可能是可接受的。为了改善在换向期间转矩的这种变化，即所谓的转矩波动，可以使用图3所示的方案。-->在这种情况下，通过利用BEMF波形的负半周以及正半周，换向每转一周发生两次。转矩现在落在峰值下面大约13％。就三相电动机而言，采用所展示的简单的换向方案，这是最好的，它可以用这个特定的电动机的BEMF波形予以实现。电动机的转矩输出可以作为遵从施加给无刷直流电动机定子线圈的电压的脉动被有效地看见。对于给定的负载，在电动机朝它的极限被驱动(即，将最大的电流施加给定子线圈)时，转子将随着负载的增加有失速的趋势。这种失速通常发生在转矩曲线中转矩最小的点。在现有技术中，这个问题是通过利用比较大的电动机提供更多的转矩来驱动给定的负载或者通过利用更稀有的磁性材料来提高电动机的特性得以解决的。在这两种情况下，为了驱动给定的负载，以此满足必需的负载驱动规范，都将招致额外的成本。在无刷直流电动机中，必不可少的是使所施加的电压这样换向，以至于为了适当地驱动转子只有所施加的交流多相电压波的峰值被施加到电动机的定子线圈上。为了完成这样的换向，提供了觉察转子位置的装置(通常是霍尔效应器件)和激活适当的开关(通常是晶体管)在适当的时间把电压施加到适当的定子上的装置。传感器装置被定位在转子周围预先按照角度确定的位置上，并且当转子经过传感器位置时，它可以被看作是从不动前进到活动位置，借此提供可以被用来产生用于激活开关的信号的输出。这可以被看作是传感器装置的状态的改变。一种可以使用的这样的换向形式是用图4、图5和图6的表1予以图解说明的，并且被称为六顺序换向。六顺序换向吸取了图3所示的三相的优势。从左向右看，正的或负的峰值每隔60电度发生在一个相中：A相中的正峰值、C相中的负峰值、B相中的正峰值、A相中的负峰值、C相中的正峰值和B相中的负峰值。然后，这些60度的区间在电动机按同样的方向旋转时被重复。每一相绕-->组都有正的和负的60电度包含峰值的运行区间。六个区间中每个区间都代表用来把电流施加给那相以产生转矩的最佳转子位置。颠倒电压和电流的极性进入三个负的运行区间将按与在三个正的运行区间中未被颠倒的电流相同的方向提供转矩。图4A图解说明电流的极性被切换到负的运行区间时的连续的转矩。为了提供连续的转矩，把相电流正确地排顺序成六个运行区间被称之为六顺序换向方法。电流被切换到按这个重复顺序A、-C、B、-A、C、-B指出极性的各自的相。来自三个霍尔效应器件的转子位置反馈指出相对于绕组相位转子磁体的位置。切换放大器使用这个位置信息控制电源何时按顺序被切换和翻转到下一个相位和运行区间。图4B展示来自三个用传感器A、B、C标注的霍尔器件的输出。所示的霍尔效应器件精确地指出六个转子位置和最佳切换点。各个霍尔效应器件同相，并且以一相的正和负运行区间为中心。在切换放大器中六个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关(图5)提供用于旋转的电压和电流的反向。霍尔效应器件反馈和换向电路确定六个MOSFETS的切换顺序。图5展示MOSFET的排列，而表1列出用于为各相供电的MOSFET顺序。在任何顺序期间都只有两对开关为一相供电。其余一对MOSFET被关掉。六顺序换向和电动机旋转是用依照表1运行的MOSFETS的这种排列实现的。对于无刷直流电动机，传感器件的状态的改变也将发生在输出转矩曲线上的转矩最小的点。当电动机通过施加最大的可适用的电流被驱动并且因此处于饱和或者接近饱和，即更多的电流施加给定子绕组将不产生额外的输出转矩时，电动机处于如果试图驱动给定的负载就将失速的条件下。-->专利技术概述按照本专利技术，业已发现：如果当电动机处在它的电流极限范围内而换向状态在预定的时间内尚未改变时换向开关是引起跳到下一个接替状态的原因，那么电动机的转矩特性被提高。基本概念是先确定电动机处于这样的条件以至于正在接近失速，然后使定子的通电改变到下一个后续的换向周期以便把附加的转矩应用于转子，借此防止失速。为了实现这一点，提供检测电动机是否处于它的电流极限状态的装置是首要的。在进行这样的检测时，定时器被激活。定时器被激活之后，当它为预定的时间周期计数时，装置还准备检测电动机轴是否已经以这样的方式旋转以至于已经提供换向状态的改变。如果在预定的时间内尚未发生状态的改变，那么换向被推进到下一个接替状态。附图简要说明图1是三相发电机和输出电压的示意图；图2是类似于图1的波形示意图，其中图2A图解说明换向位置，而图2B图解说明转矩脉动；图3类本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用来改进电子换向的无刷直流电动机的运行特性的方法，包括：（ａ）检测电动机的运行何时接近失速条件；（ｂ）作为对检测到的接近失速条件的响应启动预定时间的计时顺序；（ｃ）在该计时顺序期间检测换向状态是否已经改变；以及（ｄ）在计 时顺序的预定时间里换向状态缺乏变化时把换向状态推进到下一个接替状态。

【技术特征摘要】
US 1999-10-5 09/412,5461.一种用来改进电子换向的无刷直流电动机的运行特性的方法，包括：(a)检测电动机的运行何时接近失速条件；(b)作为对检测到的接近失速条件的响应启动预定时间的计时顺序；(c)在该计时顺序期间检测换向状态是否已经改变；以及(d)在计时顺序的预定时间里换向状态缺乏变化时把换向状态推进到下一个接替状态。2.根据权利要求1所述的用来改进无刷直流电动机的运行特性的方法，其中所述的检测接近电动机失速的步骤包括测量施加于电动机的电流。3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括确定电流是否达到电动机的磁饱和点。4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在检测到换向状态发生变化时把计时顺序复位到零的步骤。5.根据权利要求1所述的方法，进一步包...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗纳德S博，罗伯特W德勒，罗伯特C赫吉，
申请(专利权)人：HR泰斯特朗有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]