用于驱动无刷直流电机的方法和装置的制作方法

专利名称：用于驱动无刷直流电机的方法和装置的制作方法
本申请要求2001年5月10日提交的第60/290,397号美国临时申请的优先权，在此全文引入作为参考。
背景技术：
无刷直流(DC)电机通常包括使电机中的电动线圈(绕组)通电和断电以使转子旋转的电子电路。无刷直流电机一般用于驱动诸如个人电脑(PC)的电子设备中的冷却风扇。在PC中使用的典型的无刷直流电机封装后仅有两个可及端子正极电源端子VS和接地端子GND(也可以分别称作正极和负极接头)。有时候也有第三端子，提供指示电机转速的信号。
过去，由无刷直流电机驱动的冷却风扇总是在所有时间都全速地运转，因为这是最简单的实施方式。在典型的PC中，通过将GND端子与电源地相连，将VS端子与计算机的+12V或+5V电源相连，这就可以实现。然而，这是一种低效的方案，因为大多数电子设备只是间歇地在很短的时间内需要最大的冷却功率。而恒定地全速运转风扇只会浪费能源和产生不必要的噪声。
近来，根据冷却的要求以不同速度运转风扇电机成为一种趋势。实现该目标的一种方法是用可变电压电源来驱动电机。这有时候被称作线性风扇速度控制。不过，由于需要可变电压电源，所以线性风扇速度控制实现起来困难且费用昂贵。此外还有诸多问题，比如多数12V风扇在起动时至少需要6至8V电压来克服开始的旋转阻力。
另一种解决方法涉及脉宽调制(PWM)的使用。在PWM方案中，电机的电源以固定频率、可变占空度反复开和关。当电源信号具有较低的占空度时，例如25％(即，电源在25％的时间开，在75％的时间关)，电机以相对较低速度转动。提高占空度能使电机旋转加快。使电源信号总处于开状态，也就是100％的占空度，就可以实现全功率。


图1是现有无刷直流电机的示意图；图2是时序图，示出了用于全速驱动无刷直流电机的现有技术。
图3是时序图，示出了用于以更低的电压和速度驱动无刷直流电机的现有技术。
图4是时序图，示出了用于以降低的速度驱动无刷直流电机的现有PWM技术。
图5和图6是时序图，示出了根据本发明用于驱动无刷直流电机的方法的实施例。
图7是根据本发明的无刷直流电机驱动电路的实施例的方框图。
图8是根据本发明的无刷直流电机驱动电路的另一实施例的方框图。
图9是流程图，示出了根据本发明用于起动无刷直流电机的方法的图10是时序图，示出了根据本发明用于驱动无刷直流电机的方法的另一实施例。
图11是时序图，示出了根据本发明用于驱动无刷直流电机的方法的又一实施例。
图12是时序图，示出了根据本发明用于驱动无刷直流电机的方法的再一实施例。
图13和14分别示出了用于三相无刷直流电机和两相无刷直流电机的转速计脉冲间的时间。
图15是流程图，示出了根据本发明用于驱动无刷直流电机的方法的图16-19分别示出了来自无刷直流电机中的转速计的每个脉冲、每隔一个脉冲、每隔两个脉冲和每隔三个脉冲的时间。
具体实施例方式
尽管现有技术的PWM方案实现起来相对容易且成本低廉，但其产生的振动却会损坏系统中的电机和其它部件。此外这些方案还会产生诸如嘀哒声的可听到的噪声。这些问题相信是由脉宽调制电源信号在不合适的时间切换时出现的应力引起的。
首先通过对典型的无刷直流电机(例如图1所示的两相电机)进行考察，可以理解这些应力。将定子50中的一组绕组标为a-a’(也可称作a相)，将另一组标为b-b’(也称作b相)。假定电机中的内部电路在电源信号是恒定DC电压下运行。该电路根据位于轴承54上的转子52的位置来交替给a相和b相通电。当一相通电时，该相就产生磁场吸引转子的一极，从而产生使转子旋转的扭矩。当转子旋转到某一位置时，内部电路切断第一相而给另一相通电，从而产生磁场吸引转子的另一极。为了使电机中的应力最小化，当转子到达最小扭矩位置时才进行相切换。内部电路通常利用位置传感装置来检测转子的位置，如霍尔效应传感器，其能生成如图2中所示的位置信号TACH。
当通过降低电源电压来降低无刷直流电机的转速时，由每相产生的磁场也减弱了，从而转子也以更低转速旋转。由于内部电路总能够利用如图3所示的TACH信号来检测转子的位置，所以在适当的时间进行相切换便不成问题。然而，如上所述，在许多电子系统中，提供可变电压电源成本既高，又很困难。
在现有技术的PWM方案中，对于PWM信号选择了固定的频率(比如30Hz)。图4示出了具有25％的占空度的PWM电源信号，该信号通常使电机半速旋转。当将图4的PWM信号施加给无刷直流电机时，内部电路根据TACH所示的迹线给各相通电。当图4中所示的TACH迹线处于“aON”或“bON”时，分别使a相或b相通电。当TACH迹线位于中点“OFF”时，两相都不通电，因为PWM电源信号在该时刻处于关状态。图4底部的刻度线标记表示应该进行相切换的最小扭矩点。
由于PWM电源信号是自由的，也即无需与其它任何信号同步，所以会在转子与定子之间的任意扭矩(有时候是最大扭矩)的位置使各相通电。这可能导致几个问题。首先，电机中的轴承依赖于座圈和滚珠之间的额定点接触。在滚珠和座圈间引起冲击负载的瞬间大扭矩很容易损坏轴承。这会在座圈上产生称为布氏印记(Brinell mark)的印痕。布氏印记很快会变成潜在的结构损坏位置，从而降低了电机的整体可靠性。
其次，在高扭矩位置使各相通电将产生扭矩脉冲，这会引起整个电机结构的微小的变形，从而产生可听到的嘀嗒噪声。噪声的音量取决于电机转速、PWM电源信号的频率、和占空度，所有这些都会依具体结构而改变。
第三，如果PWM电源信号的固定频率恰好与电机转速一致，则在每一转都在同一位置使绕组通电。这会使电机振动，从而造成对电机和其它与电机相连的装置的进一步破坏。
本发明一方面涉及将电源信号中的脉冲与无刷直流电机中的转子位置进行同步。图5和图6示出了根据本发明用于将脉冲与转子位置同步的方法的实施例的操作。参照图5，电源信号VS是具有占空度为25％的脉冲链的脉宽调制信号。不过，不是自由地产生脉冲，这些信号要与转子的位置同步。如图5中所示，每个脉冲都始于最小扭矩位置。这使无刷直流电机中的内部电路在电机中的应力最小时给各绕组通电。
当电机通电时，瞬时扭矩描述如下T=-P2Lsrisirsin(P2θm)]]>其中T＝扭矩，单位为牛顿米(负号表示电磁扭矩在使定子和转子的磁场对准的方向上作用)P＝极数Lsr＝定子和转子的磁轴对准时的互感is＝定子中的电流ir＝转子中的电流θm＝转子与定子间的实际机械角。
对于给定的永磁AC电机，P、Lsr、is和ir是常量。这将上述等式简化为T＝K*sin(θm)。如果在扭矩为0时换相，则不会在系统中引起任何的抵消扭矩。因为K为常量，唯一能控制的是θm。当给电机通电时可以控制角度θm。为了使该方程式最小，θm必须为0。由于转速计信号也是相对位置信号，所以可用与转速计同步的脉冲流来给风扇通电。
随着电源信号的占空度的增加，电机的转速也会提高。因此，也要随之提高电源信号的脉冲频率，以便使脉冲与电机位置保持同步，如图6所示。图6中VS信号的占空度约为55％(对应于大约75％的速度)。
图7是根据本发明的用于无刷直流电机的驱动电路的实施例的方框图。驱动电路10从任一个合适的电源(通常是固定电压电源)接收输入电源12。驱动电路生成电源信号14，该信号14具有一系列用于驱动无刷直流电机16的脉冲。驱动电路从电机接收转子位置信息18，以使驱动电路能够将脉冲与转子位置同步。
可以采用不同技术来确定转子位置。如果电机具有可用的位置信号(例如从数字转速计获取)，驱动电路就可以通过直接监测该位置信号来读取转子位置。
图8示出了根据本发明的用于确定转子位置的技术。图8中所示的驱动电路16包括开关20(这里显示为场效应晶体管)，开关20响应于来自控制电路24的PWM控制信号PWMCTRL来开、关电机的电源。电流检测装置22(这里显示为电流检测电阻器)与所述开关串联，向控制电路提供电流反馈信号IFB。另选地，可以使用开关的寄生电阻来检测电流。通过监测流过电机的电流，可以确定转子的位置。当转子与定子间的机械夹角(θm)为0时，得到最小扭矩位置。在这一时刻，检测到了换向电流脉冲。这一技术消除了从电机中获得独立的位置信号的需要。起动顺序在用于无刷直流电机的现有技术PWM控制方案中，通常在一固定的起动时间内，以最大功率(即，不脉动)来驱动电源信号，使电机达到全速，这段固定的起动时间通常在几毫秒至几秒范围内。然后对电源信号进行脉宽调制，以便使电机在所需速度下运行。由于不同的电机有不同的起动时间，所以现有技术PWM电机驱动的固定起动时间一般要比所需的时间长，以确保这段时间对于最慢起动的电机也足够长。这是低效的，而且会产生不必要的噪声。
图9示出了根据本发明用于PWM控制方案的起动顺序的实施例。首先，在100处，以最大功率给电机通电，也就是电源信号处于恒开状态(不脉动)。在102处，确定电机的极数。如果极数已知，这步确定可以跳过。在104处，监测电机的转速，直至其达到了合适的转速。然后在106处，采用PWM电源信号来驱动电机。
根据本发明，一种用于确定电机何时达到合适转速的方法是根据转速计信号来对转速计边沿数进行计数。由于给定的电机通常要经过特定的转数才达到某一转速，这就提供了电机转速的粗略近似。
根据本发明，用于确定电机何时达到合适转速的一种更加复杂的技术是测量转速计边沿间的时间。由于极数已知，所以可以根据转速计边沿间的时间来准确地计算电机转速。这一方法的优点在于优化了起动时间。也就是说，只要电机一达到合适转速，就立即将电源信号从恒开状态切换到PWM操作。
这里所用的转速计边沿或脉冲不仅指从实际的转速计获得的位置信号中的边沿或脉冲，更一般地还指表征与转子位置相关的事件的一切。因此，如果使用如上参照图8所述的电流监测方案来代替霍尔效应转速计，则基本上可将最小扭矩的时刻看作是转速计边沿。
稳态操作图10示出了电机起动后根据本发明驱动无刷直流电机的方法的另一实施例。图10中最上面的迹线表示电机的物理旋转，其中φ1表示电机旋转第一周所用的时间，φ2表示旋转第二周的时间，以此类推。第二迹线表示未受干扰的转速计信号，该信号提供位置和速度信息。第三迹线示出了驱动电机的PWM电源信号。其中，A和C表示开(ON)状态次数，而B和D表示关(OFF)状态次数。图10中所示的示例用于六极(3相)电机(即，每旋转一周有6次开状态)。最下面的迹线示出了从电机获得的实际转速计输出信号，考虑了对电机的电源信号进行开和关切换来控制转速。实际的转速计输出信号用于确定电机旋转一周所需的时间。
第一周的正常开时段A1和正常关时段B1如下计算φ1/P＝A1+B1其中P是电机中的极数。占空度确定了参数A和B之间的关系A1＝DC(A1+B1)B1＝(1-DC)(A1+B1)其中DC是占空度(开时间的百分比)在第二周(φ2)期间，在时段A1期间打开PWM电源信号，在时段B1期间关闭PWM电源信号。在上一个开时段A1结束时，关闭电源信号，持续一段缩短的“关”时段D1，然后打开，持续一段不定长时间，直到检测到转速计边沿，并且接着持续一段长为A1的额外时间。结果，开时段C1比A1长。通过在最后的转速计周期中比所需稍微提前一点开启电源信号，确保了在标志整个旋转周结束的转速计边沿之前打开电机的电源。这样就确保可以在每次旋转周结束时重新同步整个PWM电源信号。“D”关时段比“B”关时段短的量应尽可能少，但仍有足够的余量以适应转速的改变。已经发现D＝0.75B时可以提供可靠的结果。可以使用适当的位置检测技术来实现重新同步，例如上述电流监测方案。
通过改变占空度DC来控制电机转速。在结束旋转一周之后，更新占空度，并且重新计算下一转的开和关时段。
这里所述的方法可以用于具有任意极数的无刷直流电机，并且不需要使用所有的磁极。也就是说，可以使用部分磁极来驱动电机。例如，在上面参照图5和图6说明的技术中，可以只使用a相来驱动电机，而使b相处于关状态，如图11中所示。这对于在操作范围的低端需要高分辨率的应用场合是有益的。
根据本发明的另一方法涉及在旋转一周期间对每相使用多个脉冲。
图12中示出了这一技术的示例实施。
确定极数本发明进一步的方面涉及确定无刷直流电机中的极数。无刷直流电机中的磁极大致对称地布置在定子周围。不过，没有精确地按均匀间距来间隔磁极，以便确保无论电机先前停止在什么位置，起动时都可以开始转动。这种不对称会在转速计边沿之间的时间中引起轻微的偏差。通过测量转速计边沿间的时间并且找出模式，就可以确定电机中的极数。
图13示出了以稳定转速运行的6极(3相)无刷直流电机的连续的转速计边沿间的时间。三相电机每转提供三个转速计脉冲。纵轴是按微秒计的连续脉冲间的时间，横轴是转速计边沿计数，包括正的和负的。只显示了上升沿的数据。作为比较，图14示出了以稳定转速运行的4极(2相，或每转两个转速计脉冲)无刷直流电机的连续转速计边沿之间的时间。
从图13和14中看出的有用模式是相数等于1加上转速计脉冲间的时间短于前面的脉冲间时间的连续次数。因此，通过计算脉冲间时间下降的连续次数，就可以确定电机中的极数。
图15是一流程图，示出了根据本发明的用于确定无刷直流电机中的极数的方法的实施例。从200处开始，将计数器CNTR归零。在202处测量第一转速计脉冲与第二转速计脉冲之间的时间，并将其赋值给变量T1。在204处测量第三转速计脉冲与第四转速计脉冲之间的时间，并将其赋值给变量T2。在206和208处，如果CNTR不为零则递增1。接着在210处，比较T2与T1。如果T1不小于T2，则在212处将T2的值赋给T1，接着在204处确定T2的新值(下一两脉冲间的时间)。
在210处，如果T1小于T2，则在214处再次测试计数器CNTR。这里，如果该计数器具有非零值，该值就是电机中的相数，该方法就在216处停止。否则，在218处重新将计数器置零，在212处将T2的值赋给T1，并且接着在204处确定T2的新值(下一两脉冲间的时间)。
为了提高可信度，优选地将图15中所示的整个过程重复几次以确保得到了正确的结果。即使电机仍处于起动阶段，也可使用图15中所示的方法。
在一些无刷直流电机中，连续脉冲之间的时间有相反取向。也就是说，连续脉冲之间的时间在下降之前保持增加，而不是在上升之前减小。因此，优选地对图15所示方法进行改进，也对T1连续大于T2的次数进行计数。另选地，当已经确定所评测的电机具有相反取向时，可以使用另外的计数T1大于T2的次数的算法。
根据本发明，用于测定无刷直流电机中的极数的方法的另一实施例是测量不同数目脉冲之间的时间，从而生成多个不同的数据组，并且接着确定具有最小波动的数据组。参照图16-19来说明本方法的示例实施例，其中显示了从6极(3相)无刷直流电机获取的数据。图16中所示数据为该电机的各个连续转速计脉冲之间的时间。图17中所示数据为每隔一个连续转速计脉冲之间的时间。图18和图19中所示数据分别是每隔两个和每隔三个转速计脉冲之间的时间。通过比较数据中的相对波动量，显而易见该电机具有三相，因为每隔两个脉冲之间所取得的数据具有最少的波动量。
如上所述和这里重申的那样，转速计边沿或脉冲不仅指从实际的转速计获得的位置信号的边沿或脉冲，更为一般地还指表示转子位置的一切。因此，如上所述的用于确定电机中的极数的方法不仅可以用实际的转速计来实现，而且也可以用其它用于测定转子位置的方法来实现，例如参照图8所述的电流检测方案。这里所述的用于确定极数的方法优选地采用例如位于图8中的控制电路24中的微处理器或微控制器来实现。
同步转速计信号一个与无刷直流电机电源信号的脉宽调制相关的问题是，电机中的转速计或其它位置检测器的运行通常依赖于电机电源。因此转速计信号会被影响。
本发明的另一方面是一种用于同步转速计信号的方法。在该方法的一个实施例中，确定电机的极数，确定一个旋转周的周期，接着将旋转周期除以极数来确定合成的转速计周期。这可以由控制电路来实现，该控制电路通过用任何适合于在最初确定转子位置的技术来同步合成的转速计信号。然后可以用合成的转速计信号来使电源信号中的脉冲与转子位置同步。优选地，使用诸如转速计或电流监测技术的位置检测技术来周期性地重新同步所述合成的测速信号。这里所述的用于同步和/或合成测速信号的方法优选地采用位于例如图8中的控制电路24中的微处理器或微控制器来实现。
以上利用本发明的优选实施例对本发明的原理进行了说明和示例解释，显而易见的是，在不偏离这些原理的条件下，可以在方案和细节上对本发明进行修改。因此，这样的改变和修改被认为落入在所附权利要求的范围内。
权利要求
1.一种用于驱动无刷直流电机的方法，包括利用脉冲信号驱动所述电机；和使所述脉冲信号与电机位置同步。
2.根据权利要求1的方法，其中，同步所述脉冲信号包括响应于所述电机的转速来改变所述脉冲信号的频率。
3.根据权利要求1的方法，其中，同步所述脉冲信号包括当所述电机处于或接近最小扭矩位置时开始脉冲。
4.根据权利要求1的方法，其中，同步所述脉冲信号包括确定所述电机何时处于或接近最小扭矩位置。
5.根据权利要求4的方法，其中，确定所述电机何时处于或接近最小扭矩位置包括监测与所述电机耦合的转速计。
6.根据权利要求4的方法，其中，确定所述电机何时处于或接近最小扭矩位置包括监测所述电机的电流。
7.根据权利要求6的方法，其中，监测所述电机的电流包括检测换向电流脉冲。
8.根据权利要求4的方法，其中，确定电机何时处于或接近最小扭矩位置包括合成转速计信号。
9.根据权利要求8的方法，其中合成转速计信号包括确定所述电机中的极数；确定所述电机旋转一周所用时间的长度；和将所述时间长度除以所述极数，从而确定合成转速计信号周期。
10.根据权利要求9的方法，其中，同步所述脉冲信号包括使用所述合成转速计信号来确定所述电机何时处于或接近最小扭矩位置。
11.根据权利要求1的方法，其中，同步所述脉冲信号包括利用所述电机的部分磁极来同步脉冲。
12.根据权利要求1的方法，进一步包括利用每相施加的多个脉冲来驱动所述电机。
13.根据权利要求1的方法，其中，将所述脉冲信号与所述电机位置进行同步包括周期性地重新同步所述脉冲信号与所述电机位置。
14.根据权利要求13的方法，其中，重新同步所述脉冲信号包括在完整的旋转周结束前，将所述电机驱动一缩短的关时段；和在所述缩短的关时段后，将所述电机驱动一不定的开时段。
15.一种用于确定无刷直流电机中的极数的方法，该方法包括由与所述电机耦合的位置检测装置测量多个时间段；和对所述多个时间段进行分析以确定模式。
16.根据权利要求15的方法，其中，对所述多个时间段进行分析包括识别所述时间段中的重复模式。
17.根据权利要求15的方法，其中，对所述多个时间段进行分析包括对各个时间段与下一连续时间段进行比较；和确定一时间段短于下一连续时间段的次数。
18.根据权利要求15的方法，其中，对所述多个时间段进行分析包括重复测量第一数目个连续时间段，从而生成具有第一波动量的第一组数据点；重复测量第二数目个连续时间段，从而生成具有第二波动量的第二组数据点；对第一与第二波动量进行比较。
19.根据权利要求18的方法，其中，对所述多个时间段进行分析还包括重复测量第三数目个连续时间段，从而生成具有第三波动量的第三组数据点；和将第三波动量与第一和第二波动量进行比较。
20.一种用于起动无刷直流电机的方法，包括利用恒开电源信号驱动所述电机；监测所述电机的转速；和当所述电机达到合适转速时，利用脉冲信号驱动所述电机。
21.根据权利要求20的方法，其中，对所述电机的转速进行监测包括对位置事件进行计数。
22.根据权利要求21的方法，其中，所述位置事件是转速计脉冲或边沿。
23.根据权利要求20的方法，其中，对所述电机的转速进行监测包括监测所述电机的实际转速。
24.一种用于无刷直流电机的驱动电路，包括开关，其构造并配置为响应于控制信号利用脉冲信号来驱动所述电机；和与该开关耦合的控制电路，其构造并配置为响应于所述电机的转子位置信息来生成所述控制信号，以便将所述脉冲信号与所述转子位置同步。
25.根据权利要求24的驱动电路，进一步包括电流检测装置，其构造并配置为通过检测流过所述电机的电流来向所述控制电路提供转子位置信息。
26.一种用于无刷直流电机的驱动电路，包括用于利用脉冲信号来驱动所述电机的装置；和用于使所述脉冲信号与所述电机的转子位置同步的装置。
27.根据权利要求26的驱动电路，进一步包括用于检测流过所述电机的电流的装置。
28.一种用于无刷直流电机的驱动电路，包括开关，其构造并配置为响应于控制信号利用脉冲信号来驱动所述电机；与所述电机耦合的位置检测装置；和与所述开关和所述位置检测装置耦合的控制电路，其构造并配置为由所述位置检测装置测量多个时间段，并且对所述多个时间段进行分析以确定模式。
29.一种用于无刷直流电机的驱动电路，包括开关，其构造并配置为响应于控制信号利用脉冲信号来驱动所述电机；和与所述开关耦合的控制电路，其构造并配置为利用恒开电源信号来驱动所述电机，监测所述电机的转速，并且当所述电机达到合适转速时利用脉冲信号来驱动所述电机。
全文摘要
一种用于无刷直流电机的驱动电路，包括开关，其构造并配置为响应于控制信号利用脉冲信号来驱动所述电机；和与该开关耦合的控制电路，其构造并配置为响应于所述电机的转子位置信息来生成所述控制信号，以便将所述脉冲信号与所述转子位置同步。可以使用电流检测装置来通过检测流过所述电机的电流向所述控制电路提供所述转子位置信息。
文档编号H02P6/00GK1515067SQ02811586
公开日2004年7月21日 申请日期2002年5月9日 优先权日2001年5月10日
发明者罗宾·劳里·盖茨, 大卫·爱德华·汉拉恩, 爱德华 汉拉恩, 罗宾 劳里 盖茨 申请人:模拟器件有限公司