用于具有误差补偿的三相电机控制的方法和装置与流程

背景技术：

在电机控制应用中，诸如霍尔传感器的磁场感测元件通常用于感测电机的磁场并提供电机位置反馈。由于电机生产加工的限制，霍尔传感器可能无法安装在精确的位置。另外，磁场在各磁极之间可能不是完全对称的，并且电机绕组在相之间可能不是完全对称的。这些和其他累积误差可能导致对电机的不精确的控制(例如相换向)，这可能使电机电流失真，降低电机效率，并增加操作声学噪声。这种误差在生产期间还可能降低产品一致性，因为累积误差可能因电机而异。

技术实现要素：

本发明提供了根据本发明的说明性实施例的用于具有磁场感测元件误差补偿的三相电机的电机控制系统的方法和装置。在实施例中，该系统可以包括用于检测电机位置的霍尔传感器。通过为诸如霍尔元件的磁场感测元件提供误差补偿，可以控制电机以便于比常规电机控制系统中的电机更有效、安静和流畅地操作。本发明的实施例可以非常适合于用于稳定电机电流并减少远离正弦波形的失真的bldc(无刷dc)电机操作。

在本发明的一个方面中，一种方法包括：操作具有带有多个磁极对的磁体的三相电机并从邻近所述磁体的磁场感测元件检测过零，其中过零对应于磁极对的磁极过渡；确定对应于每个过零的驱动角度；根据驱动角度确定参考角度；顺序地将电机定位为对应于所述磁极过渡中的每一个并将驱动角度设定为参考角度；检查磁场感测元件为每个磁极过渡生成的信号；基于磁场感测元件为相应的磁极过渡所生成的信号，针对每个磁极过渡调整磁场感测元件的补偿水平；以及操作电机并在对应的磁极过渡邻近磁场感测元件时施加针对每个磁极过渡的补偿水平。

该方法还可以包括以下特征中的一个或多个：将磁场感测元件提供为霍尔元件，使用三态比较器检查来自磁场感测元件的信号，磁场感测元件包括霍尔元件，针对每个磁极过渡的补偿水平对应于磁场感测元件的定位误差，沿顺时针和逆时针方向旋转电机以减小滞后误差，过零对应于s到n磁极过渡，采取驱动角度的平均值以确定参考角度，使用粗略搜索和精细搜索来确定参考角度，和/或为每个磁极对过渡存储过零角度、参考角度、误差值和补偿值。

在本发明的另一方面中，一种系统包括用于三相电机的电机控制器，该电机控制器包括：用于误差补偿的装置，其用于操作具有带有多个磁极对的磁体的三相电机并从邻近该磁体的磁场感测元件检测过零，其中过零对应于磁极对的磁极过渡，所述用于误差补偿的装置用于确定对应于每个过零的驱动角度，用于根据驱动角度确定参考角度，用于顺序地将电机定位为对应于磁极过渡中的每一个并且将驱动角度设定为参考角度，用于检查磁场感测元件为每个磁极过渡生成的信号；所述用于误差补偿的装置基于磁场感测元件为相应的磁极过渡所生成的信号，针对每个磁极过渡调整该磁场感测元件的补偿水平；并且所述用于误差补偿的装置操作电机并在对应的磁极过渡邻近磁场感测元件时施加针对每个磁极过渡的补偿水平。

该系统还可以被配置为包括以下特征中的一个或多个：磁场感测元件包括霍尔元件，使用三态比较器检查来自磁场感测元件的信号，磁场感测元件包括霍尔元件，针对每个磁极过渡的补偿水平对应于磁场感应元件的定位误差，沿顺时针和逆时针方向旋转电机以减少滞后误差，过零对应s到n磁极过渡，采取驱动角度的平均值以确定参考角度，使用粗略搜索和精细搜索来确定参考角度，和/或为每个磁极对过渡存储过零角度、参考角度、误差值和补偿值。

在本发明的另一方面，一种物品包括：具有存储的指令的非暂时性存储介质，所述存储的指令使机器能够：操作具有带有多个磁极对的磁体的三相电机并从磁体附近的磁场感测元件检测过零，其中过零对应于磁极对的磁极过渡；确定对应于每个过零的驱动角度；根据驱动角度确定参考角度；顺序地将电机定位为对应于所述磁极过渡中的每个磁极过渡并将驱动角度设定为参考角度；检查磁场感应元件为每个磁极过渡生成的信号；基于磁场感测元件为相应的磁极过渡所生成的信号，针对每个磁极过渡调整磁场感测元件的补偿水平；并且操作电机并在对应的磁极过渡邻近磁场感测元件时施加针对每个磁极过渡的补偿水平。

该物品还可以包括用于以下特征中的一个或多个的指令：磁场感测元件包括霍尔元件，使用三态比较器检查来自磁场感测元件的信号，磁场感测元件包括霍尔元件，针对每个磁极过渡的补偿水平对应于磁场感应元件的定位误差，顺时针和逆时针方向旋转电机以减小滞后误差，过零对应于s到n磁极过渡，采取驱动角度的平均值以确定参考角度，使用粗略搜索和精细搜索来确定参考角度，和/或为每个磁极对过渡存储过零角度、参考角度、误差值和补偿值。

附图说明

从以下附图说明中可以更全面地理解本发明的前述特征以及本发明本身，在附图中：

图1是具有误差补偿的电机控制器的示意图；

图2是包括磁感测元件的电机控制系统的一部分的示意图；

图3是示出作为误差补偿过程的部分的用于确定参考角度的说明性步骤的流程图；

图4是用于接收来自磁场感测元件的差分信号并基于所接收的信号生成输出的比较器的示意图；

图5是用于调整误差补偿水平的电机控制器的一部分的示意图；

图6是示出用于调整误差补偿水平的说明性步骤的流程图；以及

图7是磁极对误差值和误差补偿值的示例性表格表示；

图7a是示出误差补偿信号和电机电流的波形图；

图7b是示出针对现有技术的电机控制器的具有正弦波形失真的电机电流的波形图；以及

图8是可以执行本文描述的处理的至少一部分的说明性计算机的示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的示例性实施例的用于提供磁场感测元件误差补偿的、耦合到电机104的示例性电机控制电路102。在实施例中，对应于可以包括霍尔元件的磁感测元件105的误差被补偿，以增强整个系统的操作效率和声学性能。例如，误差补偿可以包括：传感器未安装在精确位置，磁场在各磁极之间不完全对称，电机绕组在相之间不完全对称，等等。

电机104被示出为包括三个绕组104a、104b、104c，其可以被描绘为具有与电阻器串联并且与反emf(bemf)电压源串联的电感器的相应的等效电路。例如，绕组a104a被示出为包括与电阻器131串联并且与反emf电压源va136串联的电感器130。

电机控制电路102包括速度需求发生器107，其被耦合以从电机控制电路102的外部接收外部速度需求信号106。外部速度需求信号106可以采用各种格式之一。通常，外部速度需求信号106指示从电机控制电路102的外部要求的电机104的速度。

速度需求发生器107被配置为生成速度需求信号107a。脉冲宽度调制(pwm)发生器108被耦合以接收速度需求信号107a，并且pwm发生器108被配置为生成具有由速度需求信号107a控制的占空比的pwm信号。pwm发生器108还被耦合以从调制信号生成模块146接收调制波形。根据该调制波形生成具有调制特性(即，相对时变占空比)的pwm信号。

电机控制电路102还包括栅极驱动器电路110，其被耦合以接收pwm信号，并且栅极驱动器电路110被配置为生成pwm栅极驱动信号110a、110b、110c、110d、110e、110f以驱动被布置为三个半桥电路112/114、116/118、120/122的六个晶体管112、114、116、118、120、122。六个晶体管112、114、116、118、120、122在饱和状态下操作，以分别在节点102d、102c、102b处分别提供三个电机驱动信号vouta124、voutb126、voutc128。应当理解，可以使用任何适当的开关元件配置来提供电机驱动信号。

电机控制电路102还可以包括信号处理模块143和误差补偿模块147，其接收来自磁场感测元件(例如，霍尔传感器)105的反馈。如下面更全面地描述的，可以通过例如调整霍尔元件的偏移来识别并补偿误差。

信号处理模块143可以被配置为接收(多个)反emf信号(例如，可以被耦合以接收电机驱动信号124、126、128中的一个或多个，电机驱动信号124、126、128包括在电机绕组104a、104b、104c不被驱动且相应绕组电流为零时可以间或直接观察到的反emf信号)。

信号处理模块143被配置为生成指示电机104的旋转参考位置的位置参考信号。调制信号生成模块146被耦合以接收位置参考信号，并且调制信号生成模块146被配置为改变提供应pwm发生器108的调制波形的相位。

电机控制电路102可以被耦合以在节点102a处接收电机电压vmot(或简称为vm)，在上部晶体管112、116、120导通的时间期间，电机电压vmot通过晶体管112、116、120被供应到电机。应当理解，当晶体管112、116、120导通并向电机104供应电流时，可以存在通过晶体管112、116、120的小的电压降(例如，0.1伏特)。

图2示出了与相a、相b和相c有关的三相电机的磁体200的说明性实施例，其中霍尔传感器202相对于相a、b和c绕组被定位在特定位置。在所示实施例中，磁体200具有多个磁极对，示出为五个磁极对。当磁体相对于霍尔传感器202旋转时，存在多个磁极过渡n-s和s-n。

应当理解，对于五磁极对电机，一个机械循环表示五个电循环，并且一个机械度表示五个电度。在以下描述中，除非另有说明，否则使用电循环和电度。

在第一模式中，电机被沿顺时针方向驱动，如箭头所示，以用于定位电机。电机在一个方向上缓慢旋转一个机械循环(五个电循环)，这对应于所示实施例中的五个电循环。在旋转期间，对于霍尔传感器202从s磁极到n磁极的过零发生五次，每个磁极对一次。在所示实施例中，霍尔传感器202位于s-n磁极过渡中的第一个s-n磁极过渡处。在霍尔传感器信息过零时记录每个s-n磁极过渡的五个驱动角度。五个驱动角度可以用于导出参考角度。在实施例中，对五个角度的平均值进行平均以生成霍尔传感器的参考角度。如下面将进一步描述的，参考角度可以用于针对每个磁极对对霍尔传感器进行误差补偿。

应当理解，驱动角度可以以任何实际方式组合以满足特定应用的需要。应当理解，可以去除一个或多个值，包括使用适当的标准。在实施例中，磁体旋转可以以顺时针和逆时针的任何实际组合进行旋转。在实施例中，可以使用s-n和n-s磁极过渡的任何组合以满足特定应用的需要。在实施例中，霍尔传感器可以相对于磁体移动。

从所示实施例中可以看出，对于给定时间，当电机顺时针缓慢旋转时，霍尔传感器202经历上升边缘(s磁极到n磁极)，并且驱动角度(电角度)是0度。

在一个实施例中，s磁极到n磁极边缘的五个驱动角度应该彼此相对接近并且大约为零度。示例性角度可以是：

·0度

·3度

·358度

·5度

·359度

这些角度的平均值可以通过下式计算：

(0+3-2+5-1)/5＝1

可以采取1度作为霍尔传感器的参考角度。

应当理解，磁体可以包括任何实际数量的磁极对以满足特定应用的需要。还应当理解，取决于霍尔传感器的安装，平均参考角度量可以是0到360度的任何位置。

图3示出了用于确定霍尔传感器的参考角度的示例性步骤序列，可以结合图2中的五磁极对磁体和霍尔传感器来理解该示例性步骤序列，图2示出了一组3相绕组，在围绕圆的定子中存在其他4组(12个绕组)的绕组(未示出)。在实施例中，通过利用生成电流矢量的相应的预定电流驱动三相来定位电机。转子被定位在对应于驱动角度的矢量方向上。在所示实施例中，转子的n磁极被定位在3点钟位置(水平向右)，这对应于霍尔传感器处的s-n磁极过渡的零度驱动角度。在所示实施例中，对于顺时针旋转驱动角度增大，并且对于逆时针旋转驱动角度减小。

应该注意，在图3的说明性实施例中，可选的粗略搜索和精细搜索加速处理。在其他实施例中，可以在没有粗略搜索和精细搜索的情况下找到参考角度。应进一步注意，对于每个感兴趣的磁极过渡，可以来回驱动电机以去除滞后误差。

在步骤300，指示器将电机位置设定为零度角度。在让电机稳定在适当位置例如两秒的时间之后，在步骤302，确定霍尔比较器(见图4)的输出是否为零。如果不是，则在步骤304中，将电机旋转半个电循环(180度)将导致霍尔比较器输出零。电机旋转180度并且在一段时间(例如500ms)之后，在步骤306中输出将为零。

在步骤308中，电机位置顺时针移动5度，并且在步骤310中，确定霍尔比较器输出是否为一。如果不是，则重新定位电机，并且再次检查霍尔比较器输出为输出一。如果不是，返回步骤308，电机再移动5度，直到找到一的霍尔比较器输出。如果找到霍尔输出一，则在步骤312中，电机例如逆时针移动一度，并且在步骤314中确定霍尔比较器输出是否为零。如果不是，则在步骤312中再次移动电机，并且在步骤314中再次检查霍尔比较器输出为零。如果输出为零，则记录第一指示器p0值。在步骤318中，例如，通过将指示器递增一度来顺时针移动电机。在步骤320中，检查霍尔输出比较器值为一值。如果不是，则在步骤318中通过将指示器递增一来再次移动电机，并且在步骤320中再次检查霍尔比较器输出为一。如果霍尔比较器输出为一，则记录第二指示器值p1。在步骤324中，对指示器值p0、p1进行平均。通过这种布置，从顺时针和逆时针电机旋转评估过零，以减小滞后误差。

在其他实施例中，可以评估霍尔比较器输出为-1值(参见图4)。应当理解，可以使用任何粒度的电机定位，例如小于一度，以满足特定应用的需要。可以发生旋转和反电机旋转，以将霍尔比较器的零输出的位置建立到期望的分辨率水平。如上所述，还可以调整定义霍尔比较器的零输出的输入范围，以满足特定应用的需要。

在确定霍尔传感器的参考角度之后，如上所述，可以通过调整霍尔比较器hc的偏移来确定针对磁极对的补偿，如下所述。

图4示出了霍尔比较器hc的示例性实施例，其包括用于调整补偿水平的三态比较器。霍尔元件输出差分信号，该差分信号作为第一输入i1和第二输入i2被提供到霍尔比较器hc。如果i1高于i2，则霍尔比较器hc的输出为1。如果i1低于i2，则输出为-1。如果i1和i2相对接近(例如，输入i1、i2之间的差值将影响小于1度的霍尔位置)，则霍尔比较器输出为0。

在实施例中，霍尔比较器hc包括转移输入过零水平的可调整偏移。也就是说，可以调整导致霍尔比较器输出为0的输入i1和i2之间的差值的大小。

图5示出了具有五个磁极对的磁体，其中霍尔传感器被定位为邻近该磁体。差分霍尔输出被提供到霍尔比较器504，霍尔比较器504的输出被提供到误差补偿控制器506，误差补偿控制器506可以形成图1的误差补偿模块147的一部分。误差补偿控制器506的输出被提供到为霍尔比较器504提供偏移调整的数模(dac)模块508。如上所述，该偏移调整确定了差分霍尔输出之间的差值何时由霍尔比较器504生成零输出。

为了继续误差补偿示例，电机被定位在第一磁极对，并且驱动角度被设定为1度，如上所述进行计算。霍尔传感器502的输出被提供到比较器504。当s-n过渡与霍尔传感器502对准时，如图所示，比较器504的输出预期为零。在示例中，由于霍尔传感器误差，假设比较器504输出不为零。ec控制器506控制dac508以调整对霍尔比较器504的偏移，直到该比较器输出变为零。针对每个磁极对重复该过程。然后，通过控制比较器偏移调整，可以利用霍尔传感器误差补偿来运行电机，以提供增强的操作特性，例如稳定的电机电流、提高的效率和降低的声学噪声。

图6示出了确定比较器的磁极对偏移调整的说明性实施方式。在步骤600中，电机被定位在所述磁极对中的第一磁极对。使用先前确定的参考角度，在步骤602中，将电机移动到该参考角度。在上面的示例中，参考角度被确定为1度。在步骤604中，在一段时间内，例如在两秒内，系统等待电机停止。在步骤606中，确定霍尔比较器输出是否大于零。如果是，则在步骤608中，增加对霍尔比较器的偏移，并在步骤606中再次评估比较器输出。当发现比较器输出不大于零时，在步骤610中，确定比较器输出是否小于零，例如-1。如果是，则在步骤612中，例如通过ec控制器506增加对霍尔比较器的偏移，并且在步骤606中继续处理。如果不是，在比较器输出为零的情况下，在步骤614中，将电机定位在下一磁极对，并且针对该磁极对，在步骤602处理继续进行。处理继续进行直到确定针对每个磁极对的偏移补偿值。

应当理解，霍尔比较器以及其他部件和模块可以以任何实际的硬件、软件、处理器或其组合来实施，这对于上面的普通技术人员来说是显而易见的。

图7示出了表格，其列出了如上所计算的过零角度、参考角度、霍尔误差的每个磁极对示例值、以及可以作为对比较器的偏移调整而提供的对应误差补偿值(参见图5的504)。在说明性实施例中，过零角度对应于上述示例，并且针对每个磁极对，参考角度是一，如在以上示例中计算的。确定第一磁极对具有的误差为-1，并且误差补偿值为2。确定过零角度为3的第二磁极对具有的误差值为2，其对应于误差补偿值-4，等等。

图7a示出了用于霍尔比较器的偏移调整信号(例如，图5中的offset_adj)，该偏移调整信号提供图7的表格中所示的误差补偿。可以看出，与常规系统相比，电机电流mc是具有通过霍尔传感器误差补偿减少的失真的正弦波形。图7b示出了与图7a的波形相比具有失真的没有霍尔传感器误差补偿的常规电机电流波形。

虽然结合包括霍尔元件的磁场感测元件示出并描述了本发明的说明性实施例，但应当理解，可以使用任何适当类型的磁场感测元件。

如本文所用，术语“磁场感测元件”用于描述可以感测磁场的各种电子元件。磁场感测元件可以是但不限于霍尔效应元件、磁阻元件或磁晶体管。众所周知，存在不同类型的霍尔效应元件，例如，平面霍尔元件、垂直霍尔元件和圆形垂直霍尔(cvh)元件。众所周知，存在不同类型的磁阻元件，例如，诸如锑化铟(insb)的半导体磁阻元件、巨磁阻(gmr)元件(例如自旋阀)、各向异性磁阻元件(amr)、隧穿磁阻(tmr)元件和磁隧道结(mtj)。磁场感测元件可以是单个元件，或替代地，磁场感测元件可以包括以各种配置(例如半桥或全(惠斯通)桥)布置的两个或更多个磁场感测元件。取决于器件类型和其他应用要求，磁场感测元件可以是由诸如硅(si)或锗(ge)的iv型半导体材料制成的器件，或者诸如砷化镓(gaas)或铟化合物(例如锑化铟(insb))的iii-v型半导体材料。

众所周知，上述磁场感测元件中的一些磁场感测元件倾向于具有平行于支撑该磁场感测元件的衬底的最大灵敏度轴，并且上述磁场感测元件中的其他元件倾向于具有垂直于支撑磁场感测元件的衬底的最大灵敏度轴。特别地，平面霍尔元件倾向于具有垂直于衬底的灵敏度轴，而金属基或金属磁阻元件(例如，gmr、tmr、amr)和垂直霍尔元件倾向于具有平行于衬底的灵敏度轴。

如本文所用，术语“磁场传感器”用于描述使用磁场感测元件的电路，其通常与其他电路组合。磁场传感器用于各种应用，包括但不限于：感测磁场方向的角度的角度传感器，感测由电流-承载导体承载的电流生成的磁场的电流传感器，感测铁磁物体的邻近的磁开关，感测通过的铁磁物品的旋转检测器，例如环形磁体或铁磁目标(例如齿轮齿)的磁畴，其中磁场传感器与背向偏置或其他磁体、以及感测磁场的磁场密度的磁场传感器结合使用。

图8示出了可以执行本文描述的处理的至少部分的示例性计算机800。计算机800包括处理器802、易失性存储器804、非易失性存储器806(例如，硬盘)、输出设备807和图形用户界面(gui)808(例如，鼠标、键盘、显示器)。非易失性存储器806存储计算机指令812、操作系统816和数据818。在一个示例中，计算机指令812由处理器802从易失性存储器804中执行。在一个实施例中，物品820包括非暂时性计算机可读指令。

处理可以用硬件、软件或两者的组合来实施。处理可以采用在可编程计算机/机器上执行的计算机程序来实施，每个可编程计算机/机器包括处理器、存储介质或处理器可读的其他制品(包括易失性和非易失性存储器和/或存储元件)、至少一个输入设备、以及一个或多个输出设备。程序代码可以应用于使用输入设备输入的数据以执行处理并生成输出信息。

该系统可以至少部分地经由计算机程序产品(例如，在机器可读存储设备中)执行处理，以由数据处理装置(例如，可编程处理器、一个或多个计算机)执行或控制数据处理装置(例如，可编程处理器、一个或多个计算机)的操作。每个这样的程序可以用高级过程或面向对象的编程语言来实施，以与计算机系统通信。然而，可以用汇编语言或机器语言来实施所述程序。所述语言可以是编译语言或解释语言，并且可以以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、部件、子例程或适合在计算环境中使用的其他单元。计算机程序可以被部署以在一个计算机上或在一个站点或分布在多个站点并通过通信网络互连的多个计算机上执行。计算机程序可以存储在可以由通用或专用可编程计算机读取的存储介质或设备(例如，cd-rom、硬盘或磁盘)上，以用于在该存储介质或设备由计算机读取时对计算机进行配置和操作。处理还可以实施为配置有计算机程序的机器可读存储介质，其中在执行时，计算机程序中的指令使计算机进行操作。

处理可以由执行一个或多个计算机程序的一个或多个可编程处理器执行以执行该系统的功能。该系统的全部或部分可以实施为专用逻辑电路(例如，fpga(现场可编程门阵列)和/或asic(专用集成电路))。

已经描述了本发明的示例性实施例，对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，也可以使用并入其构思的其他实施例。本文中包含的实施例不应限于所公开的实施例，而应仅受所附权利要求的精神和范围的限制。本文引用的所有出版物和参考文献的全文都通过引用的方式被明确地并入本文。

可以组合本文描述的不同实施例的要素以形成上面没有具体阐述的其他实施例。在单个实施例的上下文中描述的各种要素也可以单独提供或以任何适当的子组合提供。本文未具体描述的其他实施例也在以下权利要求的范围内。