专利名称：无传感器无刷马达的制作方法
技术领域：
本发明涉及适合于各种类型的小马达应用的无传感器无刷马达。
背景技术：
一般地，作为小马达，例如提供了没有用于检测转子的旋转位置和没有电刷的三相无传感器无刷马达。在这种马达中，转子的旋转位置不通过使用传感器比如霍耳元件检测，而是通过使用在转子旋转时在构成三相定子的励磁线圈U、V和W中感应的反电动势(反EMF)，然后通过基于它确定激励相应的励磁线圈U、V和W的相应的定时并使电流由此流过而使转子旋转，由此进行检测。由此不需要激励敏感元件比如由霍耳元件等构成的位置检测传感器。
作为这种无传感器无刷马达的实例，提出了在附图4、5和6中示出三相外转子型无传感器无刷马达。这种三相外转子型无传感器无刷马达的转子1由两个北极和两个南极构成的以如附图5所示的环形交替地设置的圆柱部件形成。此外，定子2设置在圆柱转子1内，并具有三相励磁线圈U、V和W，每个励磁线圈缠绕在与转子1相对的铁心周围以120°的电角彼此间隔开，如附图5所示。
这些三相励磁线圈U、V和W以如附图4所示的Y-连接型连接。励磁线圈激励电路3使激励电流例如从励磁线圈U流到V，然后从励磁线圈U流到W，然后顺序地切换到从励磁线圈V流到W、从V到U、从W到U和从W到V，在其间重复这种顺序切换。
在这种结构中，通过反EMF检测励磁线圈选择电路4选择一个励磁线圈作为没有激励电流流过的励磁线圈，例如，在激励电流从励磁线圈U到V流动的情况下，选择励磁线圈W作为这种线圈。由于转子1的旋转，在其中没有激励电流流过的这个励磁线圈W中感应的反EMF输送给由运算放大器电路构成的电压比较器电路5的一个输入端，同时，在励磁线圈U、V和W的连接中的中性点上获得的中性点电压输送到电压比较器电路5的另一个输入端作为参考电压。
在电压比较器电路5的输出端上，获得了对应于反EMF的矩形波信号以用于转子1的转子位置的检测，该信号感应在没有激励电流流过的励磁线圈中，用于转子1的转子位置的检测的对应于反EMF的这个矩形波信号输送给激励定时信号产生电路6和反EMF检测励磁线圈选择定时信号产生电路7。
激励定时信号产生电路6接收矩形波信号用于转子1的位置检测，并产生激励定时信号US、VS和WS用于顺序的激励的相应的励磁线圈U、V和W，每个励磁线圈具有120°的相位差，如附图6A、6B和6C所示。这些激励定时信号US、VS和WS输送给励磁线圈激励电路3，由此顺序地切换激励电流流过的相应的两相励磁线圈。此外，在激励定时信号产生电路6中，产生检测转子1的旋转速度的FG信号。标号6a描述了这个FG信号的输出端。
此外，响应从电压比较器电路5输出的转子1的位置的检测的矩形波信号，反EMF检测励磁线圈选择定时信号产生电路7产生选择定时信号用于选择没有激励电流流过的选择励磁线圈以用于检测反EMF。在反EMF检测励磁线圈选择定时信号产生电路7中获得的选择定时信号输送给反EMF检测励磁线圈选择电路4，由此选择了检测反EMF的励磁线圈。
此外，在附图4中，标号8描述了控制在无传感器无刷马达的转子1的旋转位置的PWM(脉冲宽度调制)电路。这个PWM电路8产生包括对应于在旋转速度中的误差的脉冲宽度的脉冲宽度调制信号，如附图6D所示。在PWM电路8中产生的对应于在旋转速度中的误差的脉冲宽度的脉冲宽度调制信号输送给励磁线圈激励电路3。标号8a描述了转子1的旋转速度的误差信号输送到其中的误差信号输入端。
在励磁线圈激励电路3中，基于在如附图6A、6B和6C中所示的相应的激励定时信号US、VS和WS和如附图6D中所示的脉冲宽度调制信号之间的逻辑乘积顺序地激励相应的励磁线圈U、V和W，以确保获得预定的旋转速度。
在这种无传感器无刷马达中，不通过位置传感器比如霍耳元件检测转子1的旋转位置，而是在转子1旋转时通过检测在励磁线圈U、V和W中感应的反EMF来检测它。为此，如果任何种类的噪声叠加在这个反EMF中，则在转子1的位置检测中的精度将会变差。
具体地，在马达的低速旋转时，因为这个反EMF本身很小，因此它的检测精度将被进一步劣化。虽然将各种类型的噪声被看作叠加在这个反EMF上的噪声，在通过如上文所述的脉冲宽度调制信号运行转子1时，在激励的励磁线圈上的脉冲宽度调制信号的陡峭的电压变化的影响变得显著。
下文详细地描述在励磁线圈中由陡峭的电压变化引起的噪声产生。被激励的励磁线圈通过脉冲宽度调制信号断续地施加外部电压，结果，共同地连接到其它的被激励的励磁线圈的用于检测反EMF的励磁线圈也受到了电压变化的影响。
在用于检测反EMF的励磁线圈中产生的陡峭的电压变化使得在公共侧上在它的端子上首先出现电压变化，然后这个电压变化传播到另一侧上它的另一端，由此在具有不同的时间传播的励磁线圈的两个端子上产生了瞬时电压，这给反EMF上叠加了噪声。
因此，如果脉冲宽度调制信号如附图7A所示地给出，则在反EMF检测励磁线圈选择电路4的输出端上获得的反EMF 4a将变为如附图7B所示，其中由脉冲宽度调制信号8b的前沿和/或后沿引起的电压变化将会叠加。
在如附图4所示的实例性实施例的情况下，电压比较器电路5的参考电压为如附图7B所示的零电压，在电压比较器电路5的输出侧上获得的输出信号如附图7C所示地波动，由此产生的问题是转子1的位置不能被精确地检测。
因此，通常提出了如专利文献1中公开的方法，其中来自如附图7C所示的电压比较器电路5的输出信号在从脉冲宽度调制信号8b的前沿或后沿平移大致该脉冲宽度调制信号的半个周期的定时上采样，在该时间点上采样的信号变为高电平“1”，或者指定低电平“0”作为位置检测点。(专利文献1日本专利申请出版物No.H11-4595)然而，如专利文献1所公开，如附图7C所示，即使在从脉冲宽度调制信号8b的前沿或后沿平移大致该脉冲宽度调制信号的半个周期的定时上采样电压比较器电路5的输出信号，所得的采样信号在采样位置3上变为高电平“1”，然后在随后的位置4上变为低电平“1”，在下一采样位置5上进一步变为高电平“1”，如附图7C和7D所示。因此，在这种情况下，位置检测变为不可能。
在专利文献1中也提出了如果在上文如附图7E中所述的采样的过程中多个高电平“1”或低电平“0”的状态持续例如两次则设定位置检测点。
在这种情况下，因为在高电平“1”比如在附图7C和7E中所示的在采样点5和采样点6上持续时建立位置检测点，如果叠加的噪声数量增加，则自它的适当的检测位置的延迟的可能性增加，由此造成的问题是在转子1的位置检测中的精度劣化。
发明内容
考虑到前述的缺陷，因此本发明改善了转子位置检测的精度。
本发明的无传感器无刷马达是一种根据在基于反电动势产生的激励定时信号和脉冲宽度调制信号之间的逻辑乘积通过顺序地激励构成定子的多个励磁线圈来控制转子的旋转速度以控制脉冲宽度调制信号的脉冲宽度的无传感器无刷马达，其中在多个励磁线圈中感应的反电动势分别施加给每个具有不同的参考电压的第一和第二比较器电路，第一和第二比较器电路的相应的输出信号在预定的周期上同时被采样，以及在采样的过程中在第一和第二比较器电路的相应的输出信号变为高电平或低电平时产生激励定时信号。
根据本发明，因为在励磁线圈中感应的反EMF分别输送给每个具有不同的参考电压的第一和第二比较器电路，第一和第二比较器电路的相应的输出信号在预定的周期上同时被采样，以及因为在采样的过程中在第一和第二比较器电路的两输出信号都同时变为高电平或低电平时建立位置检测点，因此存在的优点是在位置检测点上没有干扰，由此改善了在位置检测点上的精度。
附图1所示为根据本发明的实例性实施例的无传感器无刷马达的示意性方块图；附图2所示为作为本发明的实例性实施例的主要部件的位置检测电路的示意性方块图；附图3所示为描述本发明的使用的附图；附图4所示为常规的无传感器无刷马达的方块图；附图5所示为描述无传感器无刷马达的使用的附图；附图6所示为描述无传感器无刷马达的使用的附图；附图7所示为描述常规的无传感器无刷马达的使用的附图。
具体实施例方式
通过参考附图1，下文描述实施本发明的最佳模式的无传感器无刷马达的实例。在附图1中与附图4中的标号和符号相同的标号和符号描述与其对应的类似部件。
附图1所示为应用于三相外转子型无传感器无刷马达的实例。三相外转子型无传感器无刷马达的转子1由如附图5中所示的圆柱部件形成，例如具有以环形形式交替地设置的两个南极和两个北极。此外，定子2设置在如附图5所示的圆柱形转子1内，并且例如具有缠绕在与转子1相对的铁心周围的三相励磁线圈U、V和W，相应的线圈以120°的电角间隔开。
这个定子2的三相励磁线圈U、V和W如附图1所示地以Y-连接型连接。励磁线圈激励电路3使激励电流例如从励磁线圈U流到V，从励磁线圈U流到W，然后顺序地切换以使电流从励磁线圈V流到W，从V流到U，从W流到U，以及从W流到V，并重复这些切换顺序。
在这种结构中，通过反EMF检测励磁线圈选择电路4选择一个励磁线圈作为没有激励电流流过的励磁线圈，例如，在激励电流从励磁线圈U流到V的情况下，选择励磁线圈W作为该线圈。在用于检测反EMF的没有激励电流流过的励磁线圈中由转子1的旋转引起的感应反EMF在反EMF检测励磁线圈选择电路4的输出侧上获得，并被输送给位置检测电路10的一个输入端。同时，在励磁线圈U、V和W之间的连接的中性点上获得的零电势的中性点电压输送到位置检测电路10的输入端的另一端中。
在本发明的实例性实施例中，这个位置检测电路10被如附图2所示地构造。在附图2的附图中，标号10a表示从反EMF检测励磁线圈选择电路4输送反EMF 4a的反EMF输入端，标号10b表示输送有在励磁线圈U、V和W的连接的中性点上获得的中性点电压的中性点电压输入端。通过举例，在附图2中，与在由如附图3A中所示的脉冲宽度调制信号8b引起的开关噪声等叠加的电压施加在输入端10a和10b上。
在反EMF输入端10a上获得的反EMF 4a分别输送到由运算放大器电路构成的比较器电路11和12中的一个输入端。此外，在中性点电压输入端10b上获得的中性点电压分别通过电阻器13a和14a分别输送到比较器电路11和12的另一个输入端。
此外，比较器电路11的另一个输入端通过可变恒定电流电路13b接地。在这种情况下，借助于电阻器13a和可变恒定电流电路13b，获得参考电压Va，它在如附图3A所示的正方向上偏移，这个参考电压Va输送到比较器电路11的另一个输入端。
此外，比较器电路12的另一个输入端通过可变恒定电流电路14b接地。在这种情况下，借助于电阻器14a和可变恒定电流电路14b，获得参考电压Vb，它在如附图3A所示的负方向上偏移，这个参考电压Vb输送到比较器电路12的另一个输入端。
在比较器电路11的输出侧上，如附图3B所示，获得了信号11a，其中在反EMF 4a的正方向上偏移的参考电压Va之上的电压定义为高电平“1”，而在参考电压Va之下的电压定义为低电平“0”。在比较器电路12的输出侧上，如附图3C所示，获得了信号12a，其中在反EMF 4a的负方向上偏移的参考电压Vb之上的电压定义为高电平“1”，而在参考电压Vb之下的电压定义为低电平“0”。
从比较器电路11和12输出的信号11a和12a输送给“与”(AND)电路15的相应的输入端，同时，比较器电路11和12的输出信号11a和12a输送给“或非”(NOR)电路16的相应的输入端。
“与”电路15的输出信号输送给JK触发电路17的J端，“或非”电路16的输出信号也输送给JK触发电路17的K端。输出端18从JK触发电路17的Q端引出。
此外，标号19表示提供在激励定时信号产生电路6上的采样信号产生电路。在采样信号产生电路19中产生的采样信号具有通过附图3B和3C中的箭头所示的采样定时，它的周期相对于它的前沿或后沿平移大约脉冲宽度调制信号的半个周期。
在采样信号产生电路19中产生的采样信号输送到JK触发电路17的时钟端。在Q端(即在JK触发电路17中的输出端18)上获得的输出信号输送给激励定时信号产生电路6。
在如附图2中所示的位置检测电路10中，从比较器电路11和12中输出的如附图3B和3C中所示的相应的输出信号分别输送给“与”电路15的输入端和“或非”电路16的输入端，然后来自“与”电路15的输出信号输送给JK触发电路17的J端，同时来自“或非”电路16的输出信号输送给JK触发电路17的K端。
在JK触发电路17中，在采样信号输送给在附图3B、3C和3D中所示的时钟端时，如果J端是高电平“1”和K端端是低电平“0”，即如果比较器电路11和12的两个相应的输出信号都为高电平“1”，则Q端变为高电平“1”，可替换地，如果J端是低电平“0”和K端是高电平“1”，即如果比较器电路11和12的两个相应的输出信号都为低电平“0”，则Q端变为低电平“0”，或者如果J端和K端都是低电平“0”，即如果比较器电路11和12的相应的输出信号不同，则Q端保持在先的状态。
因此，除非比较器电路11和12的输出信号相同，否则在JK触发电路17中的Q端不改变。这实质上等效于这样的事实在采样时刻的相应的输出信号组合在一起并将时滞应用到其中。结果，可以使由脉冲宽度调制信号的前沿和后沿引起的波动对反EMF的稳定性的不利的影响最小，如附图3D所示。
因此，有利的是，如附图3D所示地使位置检测信号稳定，此外，实现了高精度的位置检测。
通过举例，考虑在要使用的无传感器无刷马达的反EMF和在它的励磁线圈U、V和W中叠加的噪声的幅值，适当地指定比较器电路11和12的参考电压Va和Vb的偏移量。因为反EMF和噪声会根据使用条件改变，因此优选偏移量任意可变。通过允许参考电压Va和Vb的可变设置，可以实施最佳设置。
此外，在如附图1所示的实例性实施例中，在位置检测电路10的输出侧上获得的如附图3D中所示为转子位置检测信号输送到激励定时信号产生电路6和反EMF检测励磁线圈选择定时信号产生电路7。
响应转子1的位置检测信号，激励定时信号产生电路6产生激励定时信号US、VS和WS，对于要激励的选择励磁线圈U、V和W，如附图6A、6B和6C所示它们的每个相位顺序地平移120°。在激励定时信号产生电路6中获得的激励定时信号US、VS和WS输送到励磁线圈激励电路3，由此顺序地切换相应的两相励磁线圈以允许激励电流流过其中。
一般地，在无传感器无刷马达中，为产生检测旋转速度的FG信号要检测反EMF的零交叉点。由此，也是本实施例中，在激励定时信号产生电路6中产生这个FG信号。通过基于反EMF改善位置检测的精度，也改善了FG信号的精度。标号6a表示FG信号的输出端。
此外，响应在位置检测电路10的输出侧上获得的转子1的位置检测信号，反EMF检测励磁线圈选择定时信号产生电路7产生选择用于检测反EMF的没有激励电流流过其中的励磁线圈的选择定时信号。在反EMF检测励磁线圈选择定时信号产生电路7中获得的选择定时信号输送给反EMF检测励磁线圈选择电路4以选择适当的励磁线圈用于检测反EMF。
此外，在附图1中，标号8表示用于控制无传感器无刷马达的转子1的旋转速度的脉冲宽度调制(PWM)电路。PWM电路8产生具有对应于在如附图6D中所示的旋转速度中的误差的脉冲宽度的脉冲宽度调制信号，具有对应于在脉冲宽度调制电路8中产生的旋转速度中的误差的脉冲宽度的这个脉冲宽度调制信号输送给励磁线圈激励电路3。标号8a表示通过它输送转子1的旋转速度中的误差信号的误差信号输入端。
励磁线圈激励电路3允许基于如在附图6A、6B和6C中所示的激励定时信号US、VS和WS和在附图6D中所示的脉冲宽度调制信号之间的逻辑乘积而顺序地激励该励磁线圈U、V和W以实现预定的旋转速度。
根据本发明，因为它被设置成使在励磁线圈U、V和W中感应的反EMF分别输送给每个具有不同的参考电压Va和Vb的比较器电路11和12，比较器电路11和12的相应的输出信号在相对于在脉冲宽度调制信号中的前沿或后沿大致平移脉冲宽度调制信号8b的半个周期的时刻上同时被采样，以及如果在采样的过程中相应的比较器电路11和12的相应的输出信号两者同时变为高电平“1”或低电平“0”则设置位置检测点。这被认为等效于这样的事实在相应的采样时刻上的相应的输出信号被组合在一起并将滞后应用于其中，由此消除了在位置检测点上的波动，并改善了位置检测点的精度。
根据本发明的实施例，因为通过利用反EMF改善了位置检测的精度，因此在实施本发明的无传感器无刷马达的旋转精度可以进一步被改善。
此外，在基于在反EMF上的零交叉产生FG信号时，因为在位置检测中的精度通过使用反EMF提高了，因此也可以提高FG信号的精度。
此外，根据本发明的实施例，因为由于叠加在励磁线圈U、V和W中感应的反EMF上的噪声引起的转子1的错误位置检测最小化，因此无传感器无刷马达的启动特性被有利地改善了，同时，通常不满意的在较低速度下无传感器无刷马达的操作也可以操作了。
此外，因为消除了错误地将在无传感器无刷马达停止时产生的噪声作为反EMF的危险，因此可以确保检测到它的停止，并且可以消除FG信号的错误产生。
虽然在本发明的上述实施例中，描述了通过提供反EMF检测励磁线圈选择定时信号产生电路7和反EMF检测励磁线圈选择电路4，选择用于检测反EMF的励磁线圈。然而，并不限于它，相反，还可以设计成提供如附图2所示的位置检测电路10分别用于励磁线圈U、V和W。
此外，虽然通过作为应用到三相无传感器无刷马达的实例已经描述了本发明，但是并不限于这些，应该注意，本发明也可以应用于具有除了上述之外的任何相的任何其它的无传感器无刷马达。
因此，应该理解的是在不脱离本发明的范围的前提下还可以以除了在此具体描述之外的其它方式实施任何修改。
权利要求
1.一种无传感器无刷马达，用于根据在基于反电动势产生的激励定时信号和脉冲宽度调制信号之间的逻辑乘积通过顺序地激励构成定子的多个励磁线圈来控制转子的旋转速度以控制所说的脉冲宽度调制信号的脉冲宽度，其中在所说的多个励磁线圈中感应的反电动势分别施加给每个具有不同的参考电压的第一和第二比较器电路，所说的第一和第二比较器电路的相应的输出信号在预定的周期上同时被采样，以及在所说的采样的过程中在所说的第一和所说的第二比较器电路的所说的相应的输出信号变为高电平或低电平时产生所说的激励定时信号。
2.根据权利要求1所述的无传感器无刷马达，其中在所说的多个励磁线圈中感应的相应的反电动势有选择性地输送到所说的第一和第二比较器电路。
3.根据权利要求1所述的无传感器无刷马达，其中提供用于分别输送反电动势给所说的多个励磁线圈的所说的第一和第二比较器电路。
4.根据权利要求1所述的无传感器无刷马达，其中所说的第一和第二比较器电路的相应的参考电压是可变的。
5.根据权利要求2所述的无传感器无刷马达，其中所说的第一和第二比较器电路的相应的参考电压是可变的。
6.根据权利要求3所述的无传感器无刷马达，其中所说的第一和第二比较器电路的相应的参考电压是可变的。
7.根据权利要求1所述的无传感器无刷马达，其中所说的第一和第二比较器电路的相应的输出信号的采样周期从所说的脉冲宽度调制信号的前沿或后沿大致平移所说的脉冲宽度调制信号的周期的一半。
8.根据权利要求2所述的无传感器无刷马达，其中所说的第一和第二比较器电路的相应的输出信号的采样周期从所说的脉冲宽度调制信号的前沿或后沿大致平移所说的脉冲宽度调制信号的周期的一半。
9.根据权利要求3所述的无传感器无刷马达，其中所说的第一和第二比较器电路的相应的输出信号的采样周期从所说的脉冲宽度调制信号的前沿或后沿大致平移所说的脉冲宽度调制信号的周期的一半。
10.根据权利要求4所述的无传感器无刷马达，其中所说的第一和第二比较器电路的相应的输出信号的采样周期从所说的脉冲宽度调制信号的前沿或后沿大致平移所说的脉冲宽度调制信号的周期的一半。
11.一种无传感器无刷马达，用于根据在基于反电动势产生的激励定时信号和脉冲宽度调制信号之间的逻辑乘积通过顺序地激励构成定子的多个励磁线圈来控制转子的旋转速度以控制所说的脉冲宽度调制信号的脉冲宽度，其中在所说的多个励磁线圈中感应的反电动势分别施加给每个具有不同的参考电压的第一和第二比较器电路，所说的第一和第二比较器电路的相应的输出信号分别被输送给“与”电路和“或非”电路的一个和另一个输入端；以及所说的“与”电路的输出信号输送给JK触发器电路的J端和所说的“或非”电路的输出信号输送给JK触发器电路的K端；预定周期的采样信号输送给所说的JK触发器电路的时钟端；以及基于在所说的JK触发器电路的Q端上获得的信号产生所说的激励定时信号。
全文摘要
本发明提供了一种无传感器无刷马达，用于根据在基于反电动势产生的激励定时信号和脉冲宽度控制信号之间的逻辑乘积通过顺序地激励构成定子的多个励磁线圈来控制转子的旋转速度以控制脉冲宽度调制信号的脉冲宽度，其中在多个励磁线圈中感应的反EMF分别施加给每个具有不同的参考电压的第一和第二比较器电路，第一和第二比较器电路的相应的输出信号在预定的周期上同时被采样，以及在采样的过程中第一和第二比较器电路的相应的输出信号变为高电平或低电平时产生激励定时信号。通过使用反电动势的转子位置检测精度得到了改善。
文档编号H02P6/14GK1614872SQ200410092259
公开日2005年5月11日 申请日期2004年11月5日 优先权日2003年11月5日
发明者菊池敦 申请人:索尼株式会社