专利名称：用于驱动三相半波驱动无刷电机的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于驱动三相半波驱动无刷电机的控制技术，特别涉及一种在电机停止位置的检测系统中和电机开始转动时的启动系统中有效的技术。例如，本发明涉及一种在诸如便携式AV(视听)设备等要求制造成本低的设备的主电机中的有效技术。
由于全波驱动系统可以控制无刷电机以高精度被驱动，所以全波驱动系统被用来驱动主轴电机，用以使诸如硬盘装置等磁盘类存储装置的存储介质旋转。
另一方面，虽然半波驱动系统不能向全波驱动系统那样控制无刷电机以高精度被驱动，半波驱动系统在降低制造成本方面是有效的，因为半波驱动系统所需的电路简单而且元件的数量少。
另外，直流无刷电机不只有上述三相直流无刷电机，还有两相直流无刷电机。用于驱动两相直流无刷电机的系统有像三相直流无刷电机那样的半波驱动系统。不过，由于三相半波驱动直流无刷电机并不像两相半波驱动直流无刷电机那样，没有转矩下降，所以三相半波驱动直流无刷电机在更容易改变和控制转换方向方面比两相半波驱动直流无刷电机更有效。
图1是表示一种早期开发的三相12极无刷电机的结构示意图。
图1中，参考标号“1”表示转子磁体，“2”表示转子铁芯，“3a”、“3b”和“3c”表示第一相绕组(如U-相绕组)，“4a”、“4b”和“4c”表示第二相绕组(如V-相绕组)，以及“5a”、“5b”和“5c”表示第三相绕组(如W-相绕组)。由于上述三相无刷电机能够高效率地用于驱动，而且转矩脉动小，所以，这种三相无刷电机多被用作各类与个人计算机关联的磁盘装置的主轴电机、其它OA(办公自动化)装置及AV(视听)装置等的主电机。
某些上面所述的三相无刷电机是灵敏型的，它包含位置检测元件，如霍尔元件等，用于检测转子的位置，以确定载流相位(负荷相位)，另外一些是所谓非灵敏型的，它不包含任何位置检测元件。作为两种类型之间相比，由于在制造方面、制造成本方面以及大小方面，非灵敏类型的都要好于灵敏类型的，所以，近年来对非灵敏型的需求有所增加。
另外，为了驱动非灵敏型三相电机，需要特殊技术，下面两种类型被认为是特殊技术。
第一种类型是一种方法，该法是在驱动电路中产生与转子停止位置无关的旋转场，并在转子按所述旋转场开始转动时，得到无载流相位的反电动势，同时保持转子随着载流相位改变而转动。按照这第一种类型的方法，由于当转子受到驱动时，总是按预先编程的顺序从预定相位开始励磁，而与转子的停止位置无关，所以有50％的几率发生所谓反向运动，其中转子按与所需方向相反的方向转动。于是，由于装置反向运动不仅能够影响电机的驱动时间，还有可能使电机自身或者其它与使用它的相关结构受到致命的伤害，所以必须尽可能避免发生这种反向运动。
第二种类型是一种方法，该法在转子受到驱动的情况下寻找转子停止部分，并根据这种停止部分确定开始励磁的相位。按照这种方法，可以避免发生所述的反向运动。
例如在日本(未审)专利申请公开特开昭63-69489(对应于美国专利US4,876,491)或日本(已审)专利申请公开特开平8-13196(对应于美国专利US5,001,405)中公开了不用检测位置的传感器作为霍尔传感器检测无刷电机转子之停止位置的方法。
按照所有这些方法，利于定子绕组的电感随转子的停止位置而灵敏变化的特点，在短时间内将脉冲电流依序加于定子绕组，而转子并无反应，并根据加给定子绕组电流的上升时间常数的变化确定转子的停止位置。
然而，由于所述电流上升时间常数的变化非常小，而且也不能直接读取这种电流，因此就须把电流转换成电压。但由于被转换的电压很小，从几十毫伏到几百毫伏，这个电压的缺点在于易受噪声的影响。另外，由于各种电路，比如测量时间的计数器、AD转换器或者用来比较电压的比较器等都需要比较电流上升时间常数的变化，所以就会产生使电路尺寸扩大的不利情况。
本发明的目的在于提供一种驱动三相半波无刷电机的控制技术，其结构简单、不易受噪声影响等，也不需要计数器、AD转换器等，而且能够准确地确定电机转子对定子的停止位置，确定载流开始的绕组，并且在电机受到驱动时沿所要的方向正确地转动转子。
本发明针对的是断开电感时所产生的与转子停止位置有关的反冲电压宽度差，即反冲时间的宽度差。因此，本发明确定反冲时间的长度，从而确定转子的停止位置。
也就是说，按照本发明，将一个短脉冲电流加给三个定子绕组中的任何两个定子绕组，使得在转子停止时转子不受到驱动。这之后，当根据反冲时间差确定转子的停止位置时，根据所确定的转子停止位置确定载流开始的相位，其中所述反冲时间是由随转子停止位置的不同而灵敏改变的所述两个定子绕组的电感差引起的。
具体地说，按照本发明的一个方面，一种通过改变加于每一相定子绕组之电流用以驱动三相半波驱动无刷电机的装置，所述无刷电机包括转子和三相定子绕组，该三相定子绕组的一个接线端与电源电压接线端相连。所述装置包括输出电路，用于选择地给每一相定子绕组提供电流；反电动势检测器，用于检测不加给电流的一相定子绕组中所感应的反电动势，并输出检测信号；控制逻辑单元，用于根据所述反电动势检测器输出的检测信号控制输出电路；以及停止位置检测器，用于在把电流加给每一相定子绕组一段预定的时间之后而转子无反应到电流断开时，比较各相定子绕组所产生的反冲电压的宽度，并确定转子的停止位置；其中所述控制逻辑单元控制所述输出电路，以便根据所述停止位置检测器测得的转子停止位置把电流加给任何一相定子绕组，以驱动所述三相半波驱动无刷电机。
按照本发明这一方面的所述装置，它能检测所述三相半波驱动无刷电机的转子对定子的停止位置，确定最先加给电流的那一相定子绕组，并按所需的方向转动三相半波驱动无刷电机，其中无需霍尔元件，也无需提供诸如计数器、AD转换器等电路。
作为优选，在本发明这一方面的用于驱动三相半波驱动无刷电机的装置中，所述控制逻辑单元控制所述输出电路，以便将电流同时加给所述三相定子绕组中的任何两相定子绕组一段预定的时间，并且所述停止位置检测器根据被加给电流的两相定子绕组中在切断所述电流后所产生的反冲电压的时间差检测转子的停止位置。
于是，当在所述两相绕组中同时产生反冲电压并相互比较它们时，就能在短时间内测定转子对定子的停止位置。也就是说，能够通过将电流分开加给两相定子绕组，相互比较该两相定子绕组分别产生的反冲时间。但由于是同时将电流加给两相定子绕组，所以能够有效地比较反冲时间的长度。
作为优选，在所述用于驱动三相半波驱动无刷电机的装置中，有如上述那样，停止位置检测器根据所述被加给电流一段时间的两相定子绕组的每一种不同组合中在切断段落之后产生的反冲电压的时间差，检测转子的停止位置。
于是，可以精确地检测转子的停止位置。结果，由于根据所测得的停止位置确定最先加给电流的那相定子绕组，就能很快地按所要的方向转动转子。
作为优选，在所述用于驱动三相半波驱动无刷电机中，有如上述那样，所述预定时间比每一相定子绕组的时间常数长，但比转子的反应时间短。
于是，就能够防止转子偏移，并更为精确地检测转子的停止位置。
另外，按照本发明的另一方面，一种用于通过改变加给每一相定子绕组的电流驱动三相半波驱动无刷电机的方法，所述无刷电机包括转子和三相定子绕组，所述三相定子绕组的一个接线端与电源电压接线端相连。所述方法包括如下步骤把电流加给三相定子绕组中的任何两相定子绕组一段预定的时间，这时转子无反应；相互比较所述两相定子绕组中所产生的反冲电压的宽度，并检测转子的停止位置；当根据所述转子的停止位置确定转子停止在一个导电角范围内时，只确定所述三相定子绕组中任何一相定子绕组为最先载流的那相定子绕组；在所述导电角下，只有一相定子绕组具有负转矩常数(或正转矩常数)；以及当根据所述转子的停止位置确定转子停止在一个导电角范围内时，确定所述三相定子绕组中的任何两相定子绕组是最先载流的两相定子绕组，使所述两相定子绕组之一的第一载流时间短于所述两相定子绕组中另一个的第二载流时间；在所述导电角下，两相定子绕组具有负转矩常数(或正转矩常数)。
按照本发明另一方面的这种方法，即使转子停止在任意导电角范围内，也能产生最大转矩，并驱动三相半波驱动无刷电机。
作为优选，按照本发明另一方面所述的方法，第一载流时间比第二载流时间短，它是使转子在60°导电角下稳定转动所需时间的1/4-1/2。
于是，就能防止在被加给电流的另一定子绕组中产生的转矩妨碍在被加给电流的所需定子绕组中产生的转矩，以驱动所述三相半波驱动无刷电机。
图4A、4B和4C是表示三相半波驱动无刷电机的转子停止位置与三相之一和三相中另一相的反冲时间差之间关系的波形图；图5A、5B、5C、5D和5E是表示三相半波驱动无刷电机的转子停止位置与三相中所有两相的反冲时间差之间关系的波形图；图6A、6B、6C、6D、6E、6F和6G是检测三相半波驱动无刷电机的转子停止位置的时间曲线；图7A和7B是表示在电机受到驱动时，控制应用本发明之三相半波驱动无刷电机过程的流程图；图8是表示反冲检测器12和反电动势检测器13一种特定结构的方框图。
图2是表示本发明用于驱动三相半波驱动无刷电机之电路结构之示例方框图。
参考符号“U”、“V”和“W”表示由缠绕在定子铁芯上线圈组成的定子绕组，“Q1”、“Q2”和“Q3”表示输出晶体管，用于将驱动电流提供给所述定子绕组U、V和W，而“ZD1”、“ZD2”和“ZD3”表示齐纳二极管，用于箝位输出电压。另外，在用于驱动三相半波驱动无刷电机的电路中，一个与各定子绕组U、V和W的一个接线端共同连接的中心抽头与电源的电源接线端Vcc相连。
另外，图2中的参考标号“11”表示时钟发生器，用于给要驱动的电路产生所需时钟信号；标号“12”表示反冲检测器，用于检测定子绕组U、V和W被切断时所产生的反冲电压，以确定转子磁体的停止位置；标号“13”表示反电动势检测器，用于根据定子绕组的反电动势零交叉点检测转子磁体的位置；标号“14”表示控制逻辑单元，用于观察和控制整个电路。
此外，譬如为了在把图1所示电路安装成单片集成电路的情况下检测芯片的异乎寻常的温度升高，除了上述电路以外，需要的情况下，还可设置一个温度探测器。
以下将简要说明，由具有本实施例上述结构之电路所驱动的三相半波驱动无刷电机的运动情况。
首先，在同一时刻使输出晶体管Q2和Q3只导通一段很短的时间。于是，在输出晶体管Q2和Q3被截止之后，根据反冲时间确定转子的停止位置，也即在输出晶体管Q2和Q3导通时定子绕组V和W中所存储的能量反向流入电源所经过的时间。
也就是说，在图2所示的电路中，当在同一时刻使输出晶体管Q2和Q3被导通时，从电源给V-相定子绕组和W-相定子绕组提供电流。当在上述状态下使输出晶体管Q2和Q3在同一时刻被截止时，电流保持流过每个定子绕组。
相应地，几乎处于地电位的V-相输出电压和W-相输出电压一起升至齐纳电压。这个状态一直保持到每个定子绕组中存储的全部能量都被用尽。这当中，如果所述定子绕组之间的直流电阻几乎是不变的，则根据它们的电感确定V-相定子绕组和W-相定子绕组的反冲时间。因此，电感越大，反冲时间越长。
接下去在同一时刻使输出晶体管Q3和Q1只被导通一段很短的时间。在输出晶体管Q3和Q1被截止之后，互相比较W-相定子绕组与U-相定子绕组的反冲时间。继而，此后再在同一时刻使输出晶体管Q1和Q2只被导通一段很短的时间。在输出晶体管Q1和Q2被截止之后，互相比较U-相定子绕组与V-相定子绕组的反冲时间。于是，通过三次比较反冲时间，能够对约60°的导电角确定转子的停止位置。
在按上述方法能够确定转子的停止位置的情况下，使电流按预定的转动方向被加给所述相位的定子绕组。与此同时，反电动势检测器13观察在无载流相位中所产生的反电动势。然后，在反电动势检测器13沿预定的转动方向检测反电动势的零交叉点时，载流的相位被改变。与此同时，为防止反电动势检测器13误检测反冲电压，控制逻辑单元14给反电动势检测器13输出一个时标信号。
如上所述，即使在反电动势检测器13检测所述零交叉点时，由于载流的相位改变，也能保持转子的转动。
接下去将参照图3A至3F说明在将本发明应用于驱动三相12极无刷电机之控制电路的情况下检测转子停止位置的原理。
图3A至3F是三相12极无刷电机的示意图。在图3A至3F中，参考标号“1”表示转子磁体，标号“2a”至“2i”表示定子磁极。
首先，考虑图2所示电路中输出晶体管Q2和Q3被导通的情况。在这种情况下，V-相定子磁极2b、2e和2h以及W-相定子磁极2c、2f和2i被磁化成彼此同极性的磁极。例如，在电流沿图3A中箭号所示方向在每个磁极内流动的情况下，V-相定子磁极2b、2e和2h以及W-相定子磁极2c、2f和2i被磁化成S极。
图3A表示转子磁体的S极在每个U相定子磁极2a、2d和2g正前方的情况，也即导电角为0°的情况。另外，图3B、3C、3D、3E和3F表示转子磁体沿反时针方向每次转过60°角的情况。
如图3A至3F所示，即使转子的位置改变而定子绕组载流不变，定子磁极的极性也不会改变。
在转子和定子处于图3A所示位置关系，也即转子磁体的S极在每个U-相定子磁极正前方，导电角为0°的情况下，转子N极所产生的磁通量的大约2/3和转子S极所产生的磁通量的大约1/3通过每个V-相定子磁极和W-相定子磁极。因此，在V-相定子绕组的电感与W-定子绕组的电感之间不存在差。相应地，当输出晶体管Q2和Q3同时被截止时，只在两个定子绕组的电感和直流电阻的最初易变化范围内，在V-相定子绕组的反冲时间与W-定子绕组的反冲时间之间存在差。通常，所述反冲时间之间的差在2％之内。
在转子与定子处于图3D所示的位置关系，也即转子磁体的N极在每个U-相定子磁极正前方，导电角为180°的情况下，与图3A的情况相反，转子S极所产生的磁通量的大约2/3和转子N极所产生的磁通量的大约1/3通过每个V-相定子磁极和W-定子磁极。相应地，在V-相定子绕组的反冲时间与W-定子绕组的反冲时间之间不会存在差。
在转子与定子处于图3B所示的位置关系，也即导电角为60°的情况下，转子磁体的N极在每个W-相定子磁极正前方，并且转子磁体S极的大约2/3和转子磁体N极的大约1/3在每个V-相定子磁极前方。
因此，在每个W-相定子磁极中，由于W-相定子绕组产生的磁通量和转子所产生的磁通量彼此叠加，所以W-相定子磁极变成磁饱和。相应地，W-相定子绕组的电感减小。
另一方面，在每个V-相定子磁极中，由于转子的S极对V-相定子绕组的影响较大，所以V-相定子绕组产生的磁通量和转子产生的磁通量沿负方向相互影响，并且V-相定子磁极变成与磁饱和相反的状态。于是V-相定子绕组的电感增大。
结果，当输出晶体管Q2和Q3被截止时，V-相定子绕组的反冲时间长于W-相定子绕组的反冲时间。
在转子和定子处于图3C所示位置关系，也即导电角为120°的情况下，转子磁体的S极在每个V-相定子磁极正前方，并且转子磁体N极的大约2/3和转子磁体S极的大约1/3在每个W-相定子磁极的前方。
于是，像图3B所示情况一样，W-相定子绕组的的电感减小，而V-相定子绕组的电感增大。因而，当输出晶体管Q2和Q3被截止时，V-相定子绕组的反冲时间长于W-相定子绕组的反冲时间。
在转子和定子处于图3E所示位置关系，也即导电角为240°的情况下，与图3B所示的情况相反，转子磁体的S极在每个W-相定子磁极正前方，并且转子磁体N极的大约2/3和转子磁体S极的大约1/3在每个V-相定子磁极的前方。
因此，在每个W-相定子磁极中，由于W-相定子绕组产生的磁通量和转子产生的磁通量沿负方向相互影响，所以W-相定子磁极变成与磁饱和相反的状态。于是，W-相定子绕组的电感增大。
另一方面，在每个V-相定子磁极中，由于转子的N极对V-相定子绕组的影响较大，所以V-相定子绕组产生的磁通量和转子产生的磁通量相互叠加，并且V-相定子磁极变成磁饱和。于是V-相定子绕组的电感减小。
结果，当输出晶体管Q2和Q3被截止时，V-相定子绕组的反冲时间短于W-相定子绕组的反冲时间。
在转子和定子处于图3F所示位置关系，也即导电角为300°的情况下，与图3C所示的情况相反，转子磁体的N极在每个V-相定子磁极正前方，并且转子磁体S极的大约2/3和转子磁体N极的大约1/3在每个W-相定子磁极的前方。
于是，像图3E所示情况一样，W-相定子绕组的的电感增大，而V-相定子绕组的电感减小。因而，当输出晶体管Q2和Q3被截止时，V-相定子绕组的反冲时间短于W-相定子绕组的反冲时间。
图4A至4C是表示在输出晶体管Q2和Q3导通时、电流只是短时间地流向V-相和W-相时，以及输出晶体管Q2和Q3截止时，按照转子的停止位置从0°导电角变到360°，有关V-相与W-相之间反冲时间差(tv-tw)观察结果的波形图。
图4A是表示当电流流过每个定子绕组时所产生的转矩常数曲线波形图。在半波驱动系统的情况下，电流只加给具有正转矩常数和负转矩常数的定子绕组。图4B是表示V-相与W-相之间反冲时间差的波形图，也即从V-相反冲时间减去W-相反冲时间所得到的结果。图4C是表示通过按二进制系统表示所述反冲时间差所得值的波形图；当V-相反冲时间长于W-相反冲时间时，示为“H(1)”，而当V-相反冲时间短于W-相反冲时间时，示为“L(0)”。
可以由比如按照反冲检测器12所产生的反冲脉冲信号驱动的D型双稳态多谐振荡器，很容易地产生这种按二进制表示的值。
图4A至4C中示出从0°至180°导电角，V-相反冲时间长于W-相反冲时间，而从180°至360°导电角，W-相反冲时间长于V-相反冲时间。另外可以理解，表示V-相与W-相之间反冲时间差的波形具有相同的相位，就如表示U-相定子绕组的转矩常数的波形那样。
除图4A至4C所示的结果外，图5A至5E是表示在输出晶体管Q3和Q1被导通时和被截止之后，同时产生的关于W-相与U-相之间反冲时间差观察结果的波形图，并且电流只流到W-相与U-相一段很短的时间；以及在输出晶体管Q1和Q2被导通时和被截止之后，同时产生的关于U-相与V-相之间反冲时间差观察结果的波形图。
如图5A至5E所示，当在三个时间按照定子绕组的不同相位组合使所述输出晶体管被导通和被截止时，可以理解能够得到三个有关转子停止位置的二进制数据。于是，就能够根据所得的三个二进制数据对每隔60°导电角确定转子的停止位置。
图6A至6G是检测转子停止位置的示例时间图。
图6A是时钟信号的时间图，图6B是U-相输出电压的时间图，图6C是V-相输出电压的时间图，图6D是W-相输出电压的时间图，图6E是测得的U-相反冲脉冲的时间图，图6F是测得的V-相反冲脉冲的时间图，而图6G是测得的W-相反冲脉冲的时间图。
在步骤T1使输出晶体管Q2和Q3被导通之后，它们在步骤T2被截止。于是，由于在V-相输出端和W-相输出端分别产生反冲电压KBv和反冲电压KBw，所以确定测得反冲电压KBv的时间tv1和测得反冲电压KBw的时间tw1何者更长。
继而，在步骤T3使输出晶体管Q1和Q3被导通之后，它们在步骤T4被截止。于是，由于在U-相输出端和W-相输出端分别产生反冲电压KBu和反冲电压KBw，所以确定测得反冲电压KBu的时间tu2和测得反冲电压KBw的时间tw2何者更长。
此后，在步骤T5使输出晶体管Q1和Q2被导通之后，它们在步骤T6被截止。于是，由于在U-相输出端和V-相输出端分别产生反冲电压KBu和反冲电压KBv，所以确定测得反冲电压KBu的时间tu3和测得反冲电压KBv的时间tv3何者更长。
因此，可以根据通过比较在三个时间测得脉冲的时间所得的结果，对每隔60°导电角确定转子的停止位置。
在转动并改变载流相位的同时检测定子绕组反电动势的控制系统中，由于输出晶体管Q1至Q3被导通及被截止，每相定子绕组都产生反冲电压。因此，如果反电动势检测器确定上述反冲电压，并将检测信号输出给所述控制逻辑单元，则所述控制逻辑单元会误改变载流相位。因此，就须防止所述反电动势检测器检测所述反冲电压。于是，在图2所示的电路中，由控制逻辑单元14给反电动势检测器13提供一个时标信号。
为了检测所述反冲电压，所述电路中设置三个比较器，其中每个比较器都有两个输入端。在每个比较器中，把任何一相定子绕组的输出端电压输入到它的两个输入端中之一，并将电压“(Vcc+Vz)/2”作为电源电压Vcc与齐纳电压Vz平均值输入到它的另一输入端，以其为参考电压。于是，当该比较器将所述定子绕组输出端电压与该参考电压相比较时，该比较器就能从它的一个输出端输出测得的脉冲。
图8是表示反冲检测器12和反电动势检测器13的一个特殊示例的方框图。
图8中的参考符号“U”、“V”和“W”表示各定子绕组，“Q1”、“Q2”和“Q3”表示输出晶体管，“COMP1”、“COMP2”和“COMP3”表示检测反冲的比较器，“COMP11”、“COMP12”和“COMP13”表示检测反电动势的比较器，而“AS1”、“AS2”和“AS3”表示标识模拟开关。另外，参考符号“L1”、“L2”和“L3”表示从用于检测反冲之比较器COMP1、COMP2和COMP3输出的反冲检测输出，“A1”、“A2”和“A3”表示从用于检测反电动势之比较器COMP11、COMP12和COMP13输出的检测输出，而“MSK”表示从控制逻辑单元14加给各模拟开关AS1、AS2和AS3的标识(mask)信号。
把比较器COMP1、COMP2和COMP3的阈值电压，也即加给比较器COMP1、COMP2和COMP3之倒相输入端的参考电压确定为是电压“(Vz+Vcc)/2”，即齐纳电压Vz与电源电压Vcc的平均值。当在定子绕组U、V和W产生反冲电压时，从比较器COMP1、COMP2和COMP3输出的反冲检测输出L1、L2和L3示为“H”(高电平)。把比较器COMP11、COMP12和COMP13的阈值电压确定为是三相定子绕组之中心抽头的电压“Vcc”。另外，本电路中使用具有磁滞特性的比较器COMP11、COMP12和COMP13。
于是，当接通模拟开关AS1、AS2和AS3时，用于检测反电动势的比较器COMP11、COMP12和COMP13的输入端保持相同的电平。相应地，当接通模拟开关AS1、AS2和AS3时，所测得的输出A1、A2和A3保持恰如模拟开关AS1、AS2和AS3被接通之前的情况。
图7A和7B是表示从检测转子停止位置到控制电路过程运行(稳定转动)以驱动本发明所应用之三相半波驱动无刷电机的流程图。
当接通电源时，所述电路中依图7A和7B所示之流程图开始所述过程。首先，控制逻辑单元14确定标识信号1有如电机运行时的10倍以上那样长，并将该标识信号1加给反电动势检测器13(步骤S1)。然后，在使输出晶体管Q1和Q2被导通一段预定时间(如0.1ms)之后，使它们同时被截止(步骤S2)。
随后，当反冲检测器12检测V-相和W-相中产生的反冲电压，并按照各反冲电压的反冲时间输出测得的各反冲脉冲时，控制逻辑单元14确定所测得的V-相反冲脉冲宽度是否大于所测得的W-相反冲脉冲宽度(步骤S5)。
当控制逻辑单元14确定所测得的V-相反冲脉冲宽度大于所测得的W-相反冲脉冲宽度“tv＞tw”时(步骤S5是)，预定的变量X被确定为“4”。另一方面，当控制逻辑单元14确定所测得的V-相反冲脉冲宽度并不大于所测得的W-相反冲脉冲宽度，即“tv＜tw”时(步骤S5否)，预定的变量X被确定为“0”。这之后，将变量X的值暂时存储在寄存器内。
为了确定所测得的两相反冲脉冲的宽度何者更大，所述电路中可以使用D型双稳态多谐振荡器。具体地说，将两个被测得的反冲脉冲之一输入到D型双稳态多谐振荡器的数据输入端，并将另一个输入到D型双稳态多谐振荡器的时钟端。于是，在输出晶体管Q2和Q3被截止之后，在时钟端一边的反冲检测脉冲的下降时间，所述D型双稳态多谐振荡器将所述被测得的反冲脉冲锁定在所述数据输入端一边。
例如，在所测得的W-相反冲脉冲的下降时间，所述D型双稳态多谐振荡器锁定被测得的V-相反冲脉冲的情况下，在D型双稳态多谐振荡器锁定它之后，若该双稳态多谐振荡器的输出端为低电平，则意味着在测得的W-相反冲脉冲的下降时间，测得的V-相反冲脉冲已经降至低电平。因此，可以理解，测得的W-相反冲脉冲大于测得的V-相反冲脉冲。
另一方面，在D型双稳态多谐振荡器锁定它之后，若该双稳态多谐振荡器的输出端为高电平，则意味着在测得的W-相反冲脉冲的下降时间，测得的V-相反冲脉冲也已经处于高电平。因此，可以理解，测得的W-相反冲脉冲小于测得的V-相反冲脉冲。
在步骤S2之后，当输出晶体管Q3和Q1被导通一段预定的时间(如1.0ms)后，它们会在同时被截止(步骤S3)。继而，控制逻辑单元14确定测得的W-相反冲脉冲宽度与测得的U-相反冲脉冲宽度何者更大(步骤S6)。
当控制逻辑单元14确定测得的W-相反冲脉冲宽度大于测得的U-相反冲脉冲宽度，即“tw2＞tu2”时(步骤S6是)，则预定的变量Y被确定为“2”。另一方面，当控制逻辑单元14确定测得的W-相反冲脉冲宽度不大于测得的U-相反冲脉冲宽度，即“tw2＜tu2”时(步骤S6否)，则预定的变量Y被确定为“0”。于是，将变量Y的值暂时存储在寄存器内。
在步骤S3之后，当输出晶体管Q1和Q2被导通一段预定的时间(如1.0ms)后，它们会在同时被截止(步骤S4)。继而，控制逻辑单元14确定测得的U-相反冲脉冲宽度与测得的V-相反冲脉冲宽度何者更大(步骤S7)。
当控制逻辑单元14确定测得的U-相反冲脉冲宽度大于测得的V-相反冲脉冲宽度，即“tu3＞tv3”时(步骤S7是)，则预定的变量Z被确定为“1”。另一方面，当控制逻辑单元14确定测得的U-相反冲脉冲宽度不大于测得的V-相反冲脉冲宽度，即“tu3＜tv3”时(步骤S7否)，则预定的变量Y被确定为“0”。于是，将变量Z的值暂时存储在寄存器内。
随后，当控制逻辑单元14将寄存器内储存的变量X、Y和Z相加，得到A(A＝X+Y+Z)，则控制逻辑单元14根据“A”确定转子的停止位置，并确定载流的相位，以便首先将电流加给能够在该停止位置产生最大转矩的那相定子绕组(步骤S8)。
例如，在测得的V-相反冲脉冲宽度长于测得的W-相反冲脉冲宽度(X＝4)、测得的W-相反冲脉冲宽度长于测得的U-相反冲脉冲宽度(Y＝2)，以及测得的V-相反冲脉冲宽度长于测得的U-相反冲脉冲宽度(Z＝0)的情况下，控制逻辑单元14确定载流的相位，以便首先根据“A”(＝X+Y+Z＝6)将电流加给W-相定子绕组。因此，当过程从图7A的步骤S8按箭号“a”移到图7B的步骤S31时，将电流加给W-相定子绕组(步骤S31)。也即输出图2中所示的晶体管Q3被导通。
这之后，反电动势检测器13观察不载流相位的U-相定子绕组中产生的反电动势Ubemf(步骤S32)。当反电动势检测器13检测U-相反电动势Ubemf从正向跨过0点(步骤S32是)时，控制逻辑单元14确定标识信号2，该信号是当转子运行时反冲时间的2倍那样长，并将该标识信号2加给反电动势检测器13(步骤S33)。与此同时，当输出晶体管Q3截止时，输出晶体管Q1被导通。于是，电流被加给U-相定子绕组(步骤S11)。
此后，反电动势检测器13重新观察不载流相位的V-相定子绕组中产生的反电动势Vbemf(步骤S12)。当反电动势检测器13检测V-相反电动势Vbemf从正向跨过0点(步骤S12是)时，控制逻辑单元14再次确定标识信号2，并将该标识信号2加给反电动势检测器13(步骤S13)。与此同时，当输出晶体管Q1截止时，输出晶体管Q2被导通。于是，电流被加给V-相定子绕组(步骤S21)。
如上所述，每当反电动势检测器13检测不载流相位的反电动势跨过0点时，相位就改变。于是，能够保持转子转动。
在步骤S8，当“A”等于“5”时，过程按照箭号“b”移至图7B中的步骤21，以便开始将电流加给V-相定子绕组。另外，当“A”等于“3”时，过程按照箭号“d”移至图7B中的步骤11，以便开始将电流加给U-相定子绕组。
于是，由于最先将电流加给能够产生最大转矩的相位，所以能够快速驱动并转动转子。
在步骤S8，当“A”等于“4”时，从W-相定子绕组开始载流，就像“A”等于“6”的情况那样。但为了增大驱动转矩，使过程按照箭号“c”移至图7B中的步骤S30。于是，输出晶体管Q3被导通，并且输出晶体管Q2同时也被导通一段预定的时间，如16ms。这之后过程偏移至步骤S32，并从该步骤开始。
根据电机的特征驱动转矩和特征惯量确定所述预定的时间。
例如，在图5中所示的周期T2情况下，在转子像往常一样被转动时，电流被加给W-相定子绕组。当转子受到驱动时，在转子处于与所述周期T2的后一半对应的位置的情况下，由于W-相定子绕组的转矩常数事实上不为“0”，所以只将电流加给W-相定子绕组是不成问题的。然而，在转子处于与所述周期T2的前一半对应的位置的情况下，可以理解，即使将电流加给W-相定子绕组，由于W-相定子绕组的转矩常数实际为“0”，W-相定子绕组也不能产生足够的转矩。
因此，按照本实施例，在转子处于不能产生足够转矩的位置的情况下，输出晶体管Q2与输出晶体管Q3同时被导通一段预定的时间。相应地，电流不仅加给W-相定子绕组也加给V-相定子绕组。于是，由于比起电流只加给W-相定子绕组的情况来所产生的转矩更大些，所以能快速驱动并转动转子。
在步骤S8，当“A”等于“2”时，从U-相定子绕组开始载流，就像“A”等于“3”的情况那样。不过，为了增大驱动转矩，使过程按照箭号“e”移至图7B中的步骤S10。于是，输出晶体管Q1被导通，并且输出晶体管Q3同时也被导通一段预定的时间，如16ms。这之后过程移至步骤S12，并从该步骤开始。
另外，当“A”等于“1”时，从V-相定子绕组开始载流，就像“A”等于“5”的情况那样。不过，为了增大驱动转矩，使过程按照箭号“f”移至图7B中的步骤S20。于是，输出晶体管Q2被导通，并且输出晶体管Q1同时也被导通一段预定的时间，如16ms。这之后过程移至步骤S22，并从该步骤开始。
于是，由于在每个位置产生最大的电流，所以能够快速驱动并转动转子。
在“X＝0”、“Y＝0”且“Z＝0”，也即“tv1＜tw1”、“tw2＜tu2”以及“tu3＜tv3”的情况下，步骤S8中的“A”等于“0”。另外，在“X＝4”、“Y＝2”且“Z＝1”，也即“tv1＞tw1”、“tw2＞tu2”以及“tu3＞tv3”的情况下，步骤S8中的“A”等于“7”。然而，如果正确地检测反冲电压，就不会发生上述这些情况。因此，按照本实施例，在步骤S8中的“A”等于“0”或“7”的情况下，由于确定不能正确地检测转子的停止位置，所以检测转子的停止位置的过程移至步骤S1，并再次重新开始。这里由于为重新开始过程所需的时间在10ms之内，所以可以不必考虑对驱动时间的影响。
这里可以用控制逻辑单元14作为程序软件，或者用解码器作为其输出的支路实现在步骤S8中的操作和确定。
虽然已按上述实施例说明了本发明，但还应理解，本发明并不限于这种实施例，而可对本发明作出各种变化和改型，不致脱离它的要旨。
按照本发明将能显示出如下的效果。
本发明的电路根据反冲电压检测转子的停止位置。因此，有如图6A至6G所示那样，由于反冲电压足够大，也就是说，实际上与电源电压相同，所以反冲电压不易受噪声等的影响。相应地，一个最为基本的可能性即检测出转子的误停止位置。另外，由于互相比较同时被导通之后再被截止的两相的反冲时间，所以能够以简单的结构准确地检测转子对定子的停止位置，而无需诸如计数器、AD转换器等电路。此外，由于不用霍尔元件而可以精确地检测转子对定子的位置，并且可以确定开始载流的绕组，所以，当开始转动时，能够实现三相半波驱动无刷电机，该电机能够沿所要的方向正确地转动，而不引起反向运动。
这里引入2001年3月18日提交的申请号为No.2001-148615的日本专利申请，包括其说明书、权利要求书、附图及发明总述在内的整个文本都作为参考文献。
权利要求
1.一种通过改变加给每一相定子绕组的电流用以驱动三相半波驱动无刷电机的装置，所述无刷电机包括转子和三相定子绕组，该三相定子绕组的一个接线端与电源电压接线端相连；所述装置包括输出电路，用于选择地给每一相定子绕组提供电流；反电动势检测器，用于检测不加给电流的一相定子绕组中所感应的反电动势，并输出检测信号；控制逻辑单元，用于根据所述反电动势检测器输出的检测信号控制输出电路；以及停止位置检测器，用于在把电流加给每一相定子绕组一段预定的时间之后而转子无反应到电流断开时，比较各相定子绕组所产生的反冲电压的宽度，并确定转子的停止位置；其中所述控制逻辑单元控制所述输出电路，以便根据所述停止位置检测器测得的转子停止位置把电流加给任何一相定子绕组，以驱动所述三相半波驱动无刷电机。
2.如权利要求1所述的用以驱动三相半波驱动无刷电机的装置，其特征在于，所述控制逻辑单元控制所述输出电路，以便将电流同时加给所述三相定子绕组中的任何两相定子绕组一段预定的时间；并且所述停止位置检测器根据被加给电流的两相定子绕组中切断所述电流后所产生的反冲电压的时间差，检测转子的停止位置。
3.如权利要求2所述的用以驱动三相半波驱动无刷电机的装置，其特征在于，所述停止位置检测器根据被加给电流一段预定时间的两相定子绕组每种不同组合中在切断所述电流后产生的反冲电压时间差，检测转子的停止位置。
4.如权利要求1所述的用以驱动三相半波驱动无刷电机的装置，其特征在于，所述预定时间比每一相定子绕组的时间常数长，但比转子的反应时间短。
5.如权利要求2所述的用以驱动三相半波驱动无刷电机的装置，其特征在于，所述预定时间比每一相定子绕组的时间常数长，但比转子的反应时间短。
6.如权利要求1所述的用以驱动三相半波驱动无刷电机的装置，其特征在于，所述控制逻辑单元控制所述输出电路，以便将电流同时加给所述三相定子绕组中的任何两相定子绕组一段预定的时间，而转子不反应；所述停止位置检测器互相比较所述两相定子绕组中产生的反冲电压宽度，并检测转子的停止位置；所述控制电路只确定三相定子绕组中的任何一相定子绕组作为首先载流的那相定子绕组，当确定所述转子停止在一个导电角范围内时，在该导电角下，根据所述转子的停止位置，只有一相定子绕组具有负转矩常数和正转矩常数中的任何一个；以及所述控制电路确定三相定子绕组的任何两相定子绕组是首先载流的两相定子绕组，使两相定子绕组中一相的第一载流时间短于两相定子绕组中另一相的第二载流时间，当确定转子停止在一个导电角范围内时，在该导电角下，根据所述转子的停止位置，所述两相定子绕组中的每一相具有负转矩常数和正转矩常数中之一。
7.如权利要求6所述的用以驱动三相半波驱动无刷电机的装置，其特征在于，所述第一载流时间是使转子在60°导电角下稳定转动所需时间的1/4-1/2。
全文摘要
一种驱动三相半波无刷电机的装置,它结构简单、不易受噪声等的影响,并且无需计数器也不需AD转换器等,即能准确地确定电机转子对定子的停止位置,确定载流开始的一相定子绕组,并在电机受到驱动时沿所要的方向正确地转动转子。本装置将一短脉冲电流加给三相定子绕组的任何两相定子绕组,使转子停止时转子不被驱动,并根据转子停止位置的不同,由电感的灵敏变化所引起的反冲时间差确定转子的停止位置。
文档编号H02P6/14GK1387311SQ0212013
公开日2002年12月25日 申请日期2002年5月20日 优先权日2001年5月18日
发明者关邦夫 申请人:关邦夫