专利名称：准确的电机速度控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及电机控制装置，且更明确地说，涉及提供电机速度的准确调整的电机控 制装置。
背景技术：
低成本无刷DC (BLDC)电机用于驱动各种类型的电子系统(例如个人计算机)的 冷却风扇。BLDC电机具有安装到转子的永磁体以及两个或两个以上换向定子绕组，电 流穿过所述定子绕组以提供电场来驱动所述转子。霍尔效应传感器用于转子上的永磁体 的磁场，从而提供关于风扇结构附接到的转子的位置和运动的信息。需要相对于环境温 度而调节冷却风扇的速度，以为电子系统提供充分的冷却。许多用于冷却风扇的BLDC 电机都是开环操作的，且速度控制较差。
发明内容
一种控制无刷直流(BLDC)电机的方法包含向查找表提供BLDC电机针对环境温 度的预定相应所需每分钟转数。使用霍尔装置来测量BLDC电机的实际旋转时间 (revolution time, RT)。将DRT与RT进行比较，使得响应于比较结果而改变脉冲宽度 调制(PWM)信号的持续时间。将PWM信号施加到两个BLDC电机绕组中的一者。
一种控制无刷直流(BLDC)电机的方法包含读取对应于环境温度的VT电压； 使用经数字化的VT电压来进入査找表，所述査找表针对每个经数字化的VT电压值提 供所需的RPM值，以使BDLC电机的速度与由VT信号表示的特定环境温度相匹配； 通过使常数值除以所需的RPM值来计算BLDC电机的转子针对特定环境温度值的所需 旋转时间(DRT);通过测量用于两个霍尔装置输出脉冲的时间，来测量用于BLDC电 机的转子的一个完整实际旋转的时间(RT);将所需旋转时间(DRT)与用于一个完整 实际旋转的时间(RT)进行比较，使得如果RT〉DRT，那么使发送到PWM电路的控 制信号的值递减；如果RT〈DRT，那么使发送到PWM电路的控制信号的值递增；如果 RT=DRT，那么不更新发送到控制器102的PWM电路128的控制信号的值；使用霍尔 传感器所提供的电机位置信息来使适当的BDLC电机绕组换向；将PWM信号施加到用 于第一定子绕组的第一驱动器电路或用于第二定子绕组的第二驱动器电路；以及将 PWM信号施加到用于第一定子绕组的第一驱动器电路或用于第二定子绕组的第二驱动器电路。
一种无刷BLDC电机系统包含用于各自的电机第一和第二定子绕组的第一和第二驱 动器电路。霍尔装置提供对应于电机的旋转的输出信号。控制器接收环境温度信号和所 述霍尔装置的输出信号。控制器向各自的电机第一和第二定子绕组提供脉冲宽度经调制 的信号。控制所述脉冲宽度经调制的信号的宽度，以使电机的所需速度与环境温度信号 相匹配。
一种无刷直流(BLDC)电机系统包含BLDC电机，其具有安装有永磁体的转子， 且具有带第一定子绕组和第二定子绕组的定子。提供用于第一定子绕组的第一驱动器电 路和用于第二定子绕组的第二驱动器电路。霍尔装置固定到所述定子，且经配置以由来 自安装到转子的永磁体的磁场启动，所述霍尔装置在其输出端子处提供霍尔输出脉冲。 提供控制器，其具有经配置以接收霍尔输出脉冲的霍尔脉冲输入端子；具有经配置以从 传感器接收针对环境温度的信号的VT输入端子；具有用于向第一和第二驱动器电路提 供PWM信号的脉冲宽度调制(PWM)电路；且具有用于选择第一定子绕组或第二定子 绕组的换向器电路。所述控制器经配置以将对应于环境温度的VT电压数字化，且使用 查找表来针对每个经数字化的VT电压值提供所需的RPM值，以便使BDLC电机的速 度与由VT信号表示的特定环境温度相匹配。所述控制器经配置以通过使常数值除以所 需的RPM值来计算针对特定环境温度值的所需旋转时间(DRT)。所述控制器经配置以 通过测量用于两个霍尔装置输出脉冲的时间，来测量用于所述转子的一个完整实际旋转 的时间(RT)。
所述控制器经配置以将所需旋转时间(DRT)与用于一个完整实际旋转的时间(RT) 进行比较，使得如果RT〉DRT，那么所述控制器经配置以使发送到PWM电路的控制 信号的值递减；如果RT〈DRT，那么所述控制器经配置以使发送到PWM电路的控制信 号的值递增；且如果RT二DRT，那么所述控制器经配置以不更新发送到PWM电路的控
制信号的值。所述控制器经配置以使用用于第一定子绕组的第一驱动器电路或用于第二 定子绕组的第二驱动器电路，使用霍尔传感器所提供的电机位置信息，来使适当的BDLC
电机绕组换向。
并入本说明书中且形成本说明书的一部分的
本发明的实施例，且连同描述 内容一起，用于阐释本发明的原理-
图1是BLDC电机系统的电路图，所述BLDC电机系统包含控制器，所述控制器接收来自霍尔装置的输入信号，且向BLDC电机的定子绕组提供输出脉冲宽度经调制的 PWM信号。
图2是说明用于控制BLDC电机的速度的算法的一个实施例的流程图。 图3是说明用于控制BLDC电机的速度的算法的另一实施例的流程图。
具体实施例方式
图1说明BLDC电机系统100的示范性实施例，其包含控制器102，所述控制器102 接收来自霍尔装置104的输入信号，并向用于BLDC电机的第一定子绕组108的第一驱 动器电路106且向用于BLDC电机的第二定子绕组112的第二驱动器电路IIO提供输出 脉冲宽度经调制的PWM信号。
示范性霍尔装置104包含霍尔效应传感器元件(未图示)和额外电路(未图示)， 以提供电流和电压感测。霍尔装置104耦合到VDD电压供应端子114a和接地端子116a。 霍尔装置104的输出端子120耦合到控制器102的输入端子122。
将控制器102实施为(例如)微控制器，例如8位AVR微控制器，例如由加利福 尼亚州圣何塞市的爱特梅尔公司(Atmel Corporation of San Jose, California)提供的 ATtinyl3。控制器102耦合到VDD电压供应端子U4b和接地端子U6b。控制器102的 VT输入端子124从传感器(未图示)接收针对环境温度的电压信号。VT输入端子124 耦合到控制器102的模拟到数字(ADC)电路126。
控制器102的脉冲宽度调制(PWM)电路128具有第一输出端子130，其耦合到第 一驱动器电路106的第一串联输入电阻器132的一端。第一串联输入电阻器132的第二 端耦合到第一 NPN驱动器晶体管134的基极。第一 NPN驱动器晶体管134的发射极耦 合到接地端子H6c。第一 NPN驱动器晶体管134的集电极耦合到第一定子绕组108的 第一端。第一定子绕组108的第二端耦合到风扇正电压端子136a。
类似地，控制器102的脉冲宽度调制(PWM)电路128具有第二输出端子140，其 耦合到第二驱动器电路110的第二串联输入电阻器142的一端。第二串联输入电阻器142 的第二端耦合到第二 NPN驱动器晶体管144的基极。第二 NPN驱动器电路110的发射 极耦合到接地端子116d。第二 NPN驱动器晶体管144的集电极耦合到第二定子绕组U2 的第一端。第二定子绕组112的第二端耦合到风扇正电压端子136b。第一定子绕组108 提供BLDC电机(未图示)的一个相位。第二定子绕组112提供BLDC电机的第二相位。
BLDC电机具有安装到转子的永磁体。电流通过第一和第二定子绕组108， 112切换 或换向，以提供用于驱动所述转子的电场。霍尔效应传感器104检测来自转子上的永磁体的磁场的接近度，从而提供关于风扇结构所附接到的转子的位置和运动的信息。在转 子的旋转期间，转子磁体的磁场经过霍尔装置104的霍尔元件。每个磁场都在霍尔装置 104的输出端子120处形成霍尔电压脉冲。对于两相BLDC电机的每次旋转，霍尔装置 104都在霍尔装置104的输出引脚120处产生两个霍尔电压脉冲。在BLDC电机的换向 循环中，霍尔电压输出脉冲由控制器102使用。在BLDC电机换向循环的第一部分期间， 端子120处的霍尔电压脉冲响应于检测到转子永磁体所提供的磁场变化而在0伏与VDD 电压供应端子114a处的VDD电压之间切换。霍尔电压脉冲结合对控制器102的编程提 供用于控制BDLC电机速度的换向。
示范性控制器102包含4.8 MHz内部振荡器(未图示)，其递减计数以向时钟信号 提供60微秒的时钟周期。通过对参考时钟信号进行计数来测量时间。在一个实施例中， BLDC电机在10毫秒内旋转一转。每5毫秒出现一个霍尔脉冲。在其最大速度时，BLDC 电机在控制器102输出端子130, 140处具有工作循环为50%的PWM脉冲。对于较慢 的速度，BLDC电机具有工作循环小于50%的PWM脉冲。
示范性换向方案使用霍尔电压脉冲的变化来触发控制器102中的中断例行程序。所 述中断例行程序询问已经从霍尔电压脉冲的最后变化开始递增计数的计时器。根据从霍 尔电压脉冲的最后变化开始已经过去了多少时间，且考虑霍尔电压脉冲的当前变化的上 升或下降转变，控制器102在端子130， 140处提供绕组控制信号。所述绕组控制信号 耦合到相应的驱动器电路106， 110，其中它们在第一和第二 NPN驱动器晶体管134， 144的相应基极端子处产生基极电压。NPN驱动器晶体管134， 144上的基极电压的持 续时间的变化使通过相应的定子绕组108， 112传导的电流的量变化，以调制控制无刷 DC电机的相应相位的绕组中的磁场。通过使PWM信号的时序和持续时间变化，控制 器102维持或改变风扇速度。
图2说明一种算法的一个实施例的流程图200，所述算法说明用于控制图1的BLDC 电机系统的速度的各个步骤。在步骤202中，控制器(例如示范性AVR微控制器)初 始化。在步骤204中，最大启动斜坡速度初始化；且在步骤206中，所述算法对BLDC 电机执行启动斜坡。决策步骤208确定是否已经达到最大启动速度。如果尚未达到最大 启动速度，那么步骤210要求使BLDC电机换向，并返回到决策框208。如果已经达到 最大启动速度，那么在步骤212中，控制器102的模拟到数字ADC电路126读取端子 124处对应于环境温度的VT电压。在步骤214中，控制器使用经数字化的VT电压来进 入查找表，所述査找表针对每个经数字化的VT电压值提供所需的RPM值。使用查找 表来使BLDC电机的速度与由VT信号表示的特定环境温度相匹配。在步骤216中，控制器通过使常数值除以步骤214的所需的RPM值来计算针对特定环境温度值的所需旋 转时间(DRT)。所述常数值是基于电机特性。举例来说，对于6000RPM，所需的旋转 时间(DRT)为0.01秒，且常数等于60。
或者，可使用转一半的时间。这改变所述常数的值。获得相同的性能。在步骤218 中，控制器通过测量用于两个霍尔装置输出脉冲的时间来测量用于转子的一个完整实际 旋转的时间(RT)。 3向决策步骤220将所需的旋转时间(DRT)与用于一个完整实际旋 转的时间(RT)进行比较。如果RT〉DRT，那么在步骤222中，控制器使发送到控制器 102的PWM电路128的控制信号的值递减。如果RT<DRT，那么在步骤224中，控制 器使发送到控制器102的PWM电路128的控制信号的值递增。
如果RT=DRT，那么在步骤226中，控制器不更新发送到控制器102的PWM电路 128的控制信号的值。
在步骤228中，控制器使用霍尔传感器所提供的电机位置信息来使适当的BLDC电 机绕组换向或选择适当的BLDC电机绕组。依据霍尔传感器的输出，在步骤228中选择 对应于第一定子绕组108或对应于第二定子绕组112的低(L)或高(H)绕组。在步骤 230中，选择低驱动器由PWM信号接通。在步骤232中，选择高驱动器由PWM信号 接通。
所述算法接着返回到步骤212，其中控制器102的模拟到数字ADC电路126读取端 子124处的VT电压。图3说明一种算法的另一实施例的流程图300，所述算法说明用 于控制图1的BLDC电机系统的速度的各个步骤。类似功能由结合图2的实施例所述的 类似元件来执行。在步骤302中，控制器(例如示范性AVR微控制器)经初始化。在 步骤304中，最大启动斜坡速度初始化；且在步骤306中，所述算法对BLDC电机执行 启动斜坡。决策步骤308确定是否已经达到最大启动速度。如果尚未达到最大启动速度， 那么步骤310要求使BLDC电机换向，并返回到决策框308。如果己经达到最大启动速 度，那么在步骤312中，控制器102的模拟到数字ADC电路126读取端子124处对应 于环境温度的VT电压。在步骤314中，控制器使用经数字化的VT电压来进入査找表， 所述査找表针对每个经数字化的VT电压值提供所需的RPM值。使用查找表来使BLDC 电机的速度与由VT信号表示的特定环境温度相匹配。在步骤316中，控制器通过使常 数值除以步骤314的所需的RPM值来计算针对特定环境温度值的所需旋转时间(DRT)。
在步骤318中，控制器通过测量用于两个霍尔装置输出脉冲的时间来测量用于转子 的一个完整实际旋转的时间(RT)。 3向决策步骤320将所需的旋转时间(DRT)与用于 一个完整实际旋转的时间(RT)进行比较。如果RT〉DRT，那么在步骤322中，控制器递减发送到控制器102的PWM电路128的控制信号的值。如果RT〈DRT，那么在步骤 324中，控制器递增发送到控制器102的PWM电路128的控制信号的值。
如果RT=DRT,那么在步骤326中，控制器不更新发送到控制器102的PWM电路 128的控制信号的值。
在此实施例中，在步骤316a处，控制器102中的可变环计时器调节反馈环的有效 增益。通过改变常数值来使环增益的此改变在步骤316a中起作用。在步骤324递增发 送到PWM电路128的控制信号的值之后，步骤230使环计时器加速。在步骤322递减 发送到PWM电路128的控制信号的值之后，步骤232使环计时器加速。
如果步骤320确定RT = DRT,那么步骤234使环计时器减速，且接下来的步骤326 不更新到达PWM电路128的控制信号的值。决策步骤340确定环计时器是否已经到时。 如果是，那么步骤342重新加载所述环计时器，并返回到步骤312。如果环计时器未到 时，那么步骤340之后是步骤346，其中控制器102使用霍尔传感器所提供的电机位置 信息来选择适当的BLDC电机绕组。递减步骤322和递增步骤324也进行到步骤346。 步骤346进行到步骤348，以接通用于所述定子绕组中的一者的低驱动器，或进行步骤 350，以接通用于所述定子绕组中的另一者的高驱动器。所述算法返回到步骤312，其中 ADC电路126读取端子124处对应于环境温度的VT电压。
在步骤346中，控制器使用霍尔传感器所提供的电机位置信息来使适当的BLDC电 机绕组换向或选择适当的BLDC电机绕组。依据霍尔传感器的输出，对应于第一定子绕 组108或对应于第二定子绕组112的低(L)或高(H)绕组。
已经出于说明和描述的目的呈现了对本发明特定实施例的前面描述。不希望所述描 述内容是详尽的或使本发明限于所揭示的精确形式，且显然根据上述教示，许多修改和
变化是可能的。选择和描述所述实施例是为了最佳地阐释本发明的原理和其实际应用，
从而使所属领域的技术人员能够以适合所涵盖的特定用途的各种修改来最佳地利用本 发明和各个实施例。希望本发明的范围由所附权利要求书及其均等物来界定。
权利要求
1. 一种控制无刷直流(BLDC)电机的方法，所述方法包括以下步骤针对对应于环境温度的信号，提供所述BLDC电机的相应所需每分钟转数(RPM)值；使用霍尔装置来测量所述BLDC电机的实际旋转时间(RT)；将所述所需每分钟转数与RT进行比较，且响应于所述比较而改变脉冲宽度调制(PWM)信号的持续时间；以及将所述PWM信号施加到BLDC电机的两个定子绕组中的一者。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述提供所述相应所需每分钟转数(RPM)值的 步骤包含使用经数字化的环境温度值来进入查找表。
3. 根据权利要求2所述的方法，其包含所述查找表提供对应于每个经数字化的温度值 的所需RPM值，以使所述BLDC电机的速度与特定环境温度相匹配；以及通过使常数值除以所述所需RPM值来计算所述BLDC电机针对特定环境温度值 的所需旋转时间(DRT)。
4. 根据权利要求1所述的方法，其包含通过测量用于霍尔装置输出脉冲的时间来测量 用于所述BLDC电机的转子的一个完整实际旋转的时间(RT)。
5. 根据权利要求1所述的方法，其包含将所述所需旋转时间(DRT)与所述用于一个 完整实际旋转的时间(RT)进行比较，且如果R1^DRT,那么递减发送到PWM电 路的控制信号的值，且如果R1^DRT，那么递增发送到所述PWM电路的所述控制 信号的值。
6. 根据权利要求1所述的方法，其包含将所述所需旋转时间(DRT)与所述用于一个 完整实际旋转的时间(RT)进行比较，使得如果RT=DRT，那么不更新发送到所 述控制器的所述PWM电路的所述控制信号的值。
7. 根据权利要求1所述的方法，其包含使用所述霍尔装置所提供的电机位置信息来使 适当的BLDC电机绕组换向。
8. 根据权利要求1所述的方法，其包含使用所述霍尔装置所提供的电机位置信息来使 适当的BLDC电机绕组换向。
9. 根据权利要求1所述的方法，其包含将所述PWM信号施加到用于第一定子绕组的 第一驱动器电路或用于第二定子绕组的第二驱动器电路。
10. 根据权利要求1所述的方法，其包含对所述BDLC电机执行启动斜坡，且确定是否己经达到最大启动速度，且如果未达到，那么使所述BDLC换向。
11. 一种控制无刷直流(BLDC)电机的方法，所述方法包括以下步骤读取对应于环境温度的VT电压；使用经数字化的VT电压来存取査找表，所述査找表为每个经数字化的VT电压 值提供相应所需RPM值，以使所述BDLC电机的速度与由所述VT信号表示的特 定环境温度相匹配；通过使常数值除以所述相应所需RPM值来计算所述BLDC电机的转子针对特定 环境温度值的所需旋转时间(DRT);通过测量用于两个霍尔装置输出脉冲的时间来测量用于所述BLDC电机的所述 转子的一个完整实际旋转的时间(RT);将所述所需旋转时间(DRT)与所述用于一个完整实际旋转的时间(RT)进行比较，使得如果RT〉DRT,那么递减发送到PWM电路的控制信号的值；如果RT〈DRT,那 么递增发送到所述PWM电路的所述控制信号的值；如果RT-DRT，那么不更新发 送到所述控制器的所述PWM电路的所述控制信号的值；使用所述霍尔装置所提供的电机位置信息来使适当的BLDC电机绕组换向；以及将PWM信号施加到用于第一定子绕组的第一驱动器电路或用于第二定子绕组的 第二驱动器电路。
12. 根据权利要求11所述的方法，其包含以下步骤-对所述BDLC电机执行启动斜坡；以及确定是否已经达到最大启动速度，且如果未达到，那么使所述BDLC电机换向， 且如果达到，那么进行所述读取对应于环境温度的所述VT电压的步骤。
13. —种无刷直流(BLDC)电机系统，其包括第一驱动器电路，其用于电机的第一定子绕组； 第二驱动器电路，其用于电机的第二定子绕组； 霍尔装置，其提供对应于所述电机的旋转的输出信号；控制器，其接收环境温度信号和所述霍尔装置的所述输出信号，且向所述电机的 所述第一和第二定子绕组提供脉冲宽度经调制的信号，其中控制所述脉冲宽度经调 制的信号的宽度，以使所述电机的所需速度与所述环境温度信号相匹配。
14. 根据权利要求13所述的系统，其中所述环境温度信号经数字化以提供来自査找表的用于所述控制器的控制值，以使所述所需电机速度与所述环境温度相匹配。
15. 根据权利要求14所述的系统，其中所述控制器将电机旋转时间与所需电机旋转时 间进行比较，以提供对所述脉冲宽度经调制的信号的所述宽度的调节。
16. 根据权利要求14所述的系统，其中所述査找表提供所需旋转时间除数，其被分成 常数值，以提供针对特定环境温度值的所需电机旋转时间。
17. 根据权利要求15所述的系统，其中所述控制器使脉冲宽度经调制的信号换向到用 于所述定子绕组的所述驱动器电路。
18. 根据权利要求14所述的系统，其中所述控制器是微控制器。
19. 一种无刷直流(BLDC)电机系统，其包括BLDC电机，其具有安装有永磁体的转子，且具有带有第一定子绕组和第二定子 绕组的定子；用于所述第一定子绕组的第一驱动器电路和用于所述第二定子绕组的第二驱动 器电路；霍尔装置，其固定到所述定子，且经配置以由来自所述安装到所述转子的永磁体的磁场启动，以在其输出端子处提供霍尔输出脉冲；控制器，其具有经配置以接收所述霍尔输出脉冲的霍尔脉冲输入端子，具有经配 置以从传感器接收针对环境温度的信号的VT输入端子，具有用于向所述第一和所 述第二驱动器电路提供PWM信号的脉冲宽度调制(PWM)电路；且具有用于选 择所述第一定子绕组或所述第二定子绕组的换向器电路；其中所述控制器经配置以使所述对应于环境温度的VT电压数字化，且使用査找 表来为每个经数字化的VT电压值提供所需的RPM值，以便使所述BDLC电机的 速度与由所述VT信号表示的特定环境温度相匹配；其中所述控制器经配置以通过使常数值除以所述所需RPM值来计算针对特定环 境温度值的所需旋转时间(DRT);其中所述控制器经配置以通过测量用于两个霍尔装置输出脉冲的时间来测量用 于所述转子的一个完整实际旋转的实际时间(RT);其中所述控制器经配置以将所述所需旋转时间(DRT)与所述用于一个完整实际 旋转的时间(RT)进行比较，使得如果RT>DRT，那么所述控制器经配置以递减发送到所述PWM电路的控制信号 的值；如果RT〈DRT,那么所述控制器经配置以递增发送到所述PWM电路的所述 控制信号的值；以及如果RT-DRT,那么所述控制器经配置以不更新发送到所述PWM电路的所述控 制信号的值；以及其中所述控制器经配置以使用所述霍尔传感器所提供的电机位置信息，使用用于 所述第一定子绕组的所述第一驱动器电路或用于所述第二定子绕组的所述第二驱 动器电路来使适当的BDLC电机绕组换向。 20.根据权利要求19所述的电机系统，其中通过对参考时钟信号进行计数来测量实际 时间。
全文摘要
本发明涉及准确的电机速度控制，包括用于控制无刷直流(BLDC)电机的方法和系统，所述方法包含向查找表提供所述BLDC电机针对环境温度的预定相应所需旋转时间(DRT)。使用霍尔装置来测量所述BLDC电机的实际旋转时间(RT)。将DRT与RT进行比较，以响应于比较结果而改变脉冲宽度调制(PWM)信号的持续时间。将所述PWM信号施加到两个BLDC电机绕组中的一者。
文档编号H02P6/06GK101299582SQ200810094708
公开日2008年11月5日 申请日期2008年5月4日 优先权日2007年5月3日
发明者马文·L·考施 申请人:爱特梅尔公司