专利名称：无位置传感器无刷直流电动机及其控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及由利用随转子的回转而在定子的线圈中产生的反电动势，检测出转子的磁极部的位置而转动的无位置传感器无刷的直流电动机;本发明特别涉及这样一种无位置传感器无刷的直流电动机，其转子的形成使转子的各个回转磁极面在其园周方向上取定的一点上，最接近于定子磁极部的内端面，并可正确地检测出转子的磁极位置;本发明还涉及用于驱动、控制这种无位置传感器无刷直流电动机的各种控制装置。
无刷直流电动机因其效率高、控制性能好，近年来被用于各种机器。又、无刷直流电动机因其转子的结构与由永磁铁构成的同步电机的构造一样，为在驱动时检测出转子的位置，需有霍尔器件等的位置检测器。然而，随着电动机小型化的发展，不能忽视位置检测器占有的空间成为妨碍电动机小型化的因素。因此，近年来，不设置位置传感器的无位置传感器无刷直流电动机已投入实用。
图26所示为已知的无位置传感器无刷直流电动机的部分扩大截面图。这种已有的无位置传感器无刷直流电动机81由定子82和转子83构成。定子82在其内侧有被支承着的、可自由回转的转子83，并有向内突起的多个固定磁极部84。在固定磁极部84上绕卷未图示的线圈U.V.W。因电流流入此线圈U.V.W，故固定磁极部84形成所定的磁极。固定磁极部84前端的固定磁极面85分别位于与电动机81的转轴86的轴心等距离的园柱面上。
另一方面，转子83由层叠多块硅钢板的轭铁87和一对激磁用永久磁铁88构成。轭铁87有向其外圆周面凸起的4个回转磁极部89，在此回转磁极部89的每相隔一个的基部上插入上述的激磁用永久磁铁88，并使其N极互相对置。各回转磁极部89的前端的回转磁极面90形成与转轴86之轴心等距离的曲面，回转磁极面90上的所有的点均与上述固定磁极面85作等距离的相隔而对置。
上述转子83由于激磁用永久磁铁88的N极互相排斥，如图中所示，其磁通由未装激磁用永久磁铁的回转磁极面产生，再从装有激磁用永久磁铁的回转磁极进入轭铁内部，因此，具有永久磁铁的转子83的回转磁极部成为S极，相反，不具有永久磁铁的转子83的回转磁极部成为N极。
另外，近年来，也有人提出了为驱动无位置传感器无刷直流电动机，通过利用随转子回转而在定子线圈上发生的反电动势，无须位置检测器的、无位置传感器无刷直流电动机的驱动方式(铃木、小笠原、赤木、难波江、长竹、奥山“无位置传感器无刷直流电动机的构成法”昭和63年电气学会产业应用部门全国大会34号)。以此驱动方式，如图27所示，可将120°通电形的电压形交换电路91用于主电路，由限波控制进行速度控制。图中，81表示电动机，82表示定子，83表示转子，U.V.W表示各相的定子线圈，Ta+、Tb+、Tc+、Ta-、Tb-、Tc-表示晶体管，Da+、Db+、Dc+、Da-、Db-、Dc-表示回流二极管。此外，以此驱动方式，各相的反电动势ea、eb、ec和附加于一对晶体管的驱动信号，以如图28所示的关系通过试验被得到，在各U.V.W相上具有在电气角360°期间60°×2次的开路周期(驱动信号未附加于晶体管的期间)。此开路状态相称为开路相。
还有，在此驱动方式中，为驱动电动机，根据图29所示的起动程序，首先由任意的激磁图形的驱动信号激磁一定时间(步骤T31)，使转子在相对于励磁图形的位置上移动并确定(T32)，接着转换为前移120°的励磁图形(T33)，这样，电动机转动(T34)。而且，因此时随电动机的回转而在定子线圈上产生反电动势，检知开路相的回流二极管的导通状态，从而可间接地检测出转子的磁极部，形成换向信号(T35)。即，当转子的回转在定子线圈上发生反电动势时，则因反电动势，使开路相的端电压发生变化。若P侧的回流二极管的正极电位远高于Ed+，或者，N侧的回流二极管的负极电位远低于Ed-，则回流二极管成导通状态。因此，通过检测出开路相的二极管导通状态，可检测出现在的励磁图形模式，结果可得知转子的磁极部位置。实际上，在图27所示的图形检测电路92中，通过比较基准电压Ed和各二极管的端电压，即可检测出各二极管的导通状态。
另外，其结构是开路相的二极管的导通状态在60°开路期间，可在30°附近检测出。即，导通状态可在约30°的超前相位上检测出。为此，在控制回路93中，为进行下一次的换向，使各相皆同样地滞后30°相位(此相位滞后称为移相)，形成驱动信号，由此驱动信号进行限波控制。
然而，上述的已有的位置传感器无刷电动机，在转子各回转磁极面上的回转磁极面与固定磁极面间的距离，在回转磁极上所有的点上都是一定的。因此，根据转子与定子相对的位置关系，激磁用永久磁铁的磁通集中于从回转磁极部的圆周方向偏向回转方向的位置上。因磁通从回转磁极面的中心偏于回转方向，由此磁通所产生的反电动势在早于实际的回转磁极部的位置被检测，固定磁极部早于规定时间被激磁，使转子回转不正常。
又，在已有的将激磁用永久磁铁插入轭铁的无位置传感器无刷电动机中，由于激磁用永久磁铁的横截面大致为矩形，激磁用永久磁铁的外侧磁极面形成一宽平面，易产生上述激磁用永久磁铁磁通的偏移。
另外，由上述轭铁和激磁用永久磁铁组成的转子，其问题是，在其各回转磁极的基部插入了具有幅宽比回转磁极部幅宽略小的矩形截面的激磁用永久磁铁，所以连接各回转磁极部的基端部与前端部的轭铁的电桥部呈细长形状，而且轭铁的强度不够。
另外一个问题是，根据采用上述已有的驱动方式，若以基于起动程序的一次换向即可检测出反电动势，则判断为可正常起动，因从开路回路转换为无传感器运转，所以在负荷上有扭矩变化等时，转子位置不能充分固定而发生转子振动。再有，在反转方向上发生扭矩的状态下，若进行下一次的换向，则没有从所需位置移动，而是在以电气角60°或120°之前反电动势被检测出，转子的位置转换为无传感器的运转。而且当所定的励磁图形被输出时，和根据转子位置定义的本来的励磁图形不同，故电动机往往不能进入正常运转而发生振动。如果即使发生振动，仍可从电动机检测出反电动势的信号，且其信号超过无传感器运转所需范围，则所定的励磁图形仍在继续输出，所以其结果是，电动机既无法进入正常运转，又不能再度起动。
再者，在采用上述的驱动方式中，存在的问题是，电动机的回转频率范围宽时，即使在最高回转频率也须设定限波频率，以使检测时的时间滞后不影响换向的定时。例如，在四极电动机中，当每分钟转速达1万转时，电气角60°，相当于时间0.5m/sec，须设定限波频率在10KHz以上。但是提高限波频率，则反相器的开关损耗增大，同时，反相器器件产生高热。
再有，在采用上述的驱动方式中，存在的问题是，紧接着在从通电状态过渡至非通电状态之后，由于蓄存于定子线圈的电能被释放出来，因此在开路相上出现电压。此电能被释放的时间变化，取决于定子线圈的电流值即加给电机的负荷。在此电能被释放出的期间，若不禁止检测反电动势，则得不到正确的永久磁铁转子的位置信息，电动机就不转动。
另外，在采用上述的驱动方式中，存在的问题是，通过检测出现在不通电的定子线圈(以下称开路相)上的反电动势，来检测定子线圈和永久磁铁转子的相对位置。但是，根据永久磁铁转子的结构，当出现在开路相上的反电动势不是直线变化时，则无法检测出正确的相对位置。
于是，本发明的目的是提供一种无位置传感器无刷直流电动机，它形成一转子的回转磁极面，以使激磁用永久磁铁的磁通总是集中于回转磁极的标定位置，并可检测正确的转子的回转磁极部的位置。
本发明的目的还在于提供一无位置传感器无刷直流电动机，它是一其转子系由轭铁和激磁用永久磁铁组成的无位置传感器无刷直流电动机，在达到前述目的的同时，具有充分的结构上的强度。
本发明的目的还在于提供一种控制装置，它在起动时，电动机因振动等处于不能正常回转的状态时，使电机返回最初开环状态，再从转子位置固定时重新开始，直至进入正常回转而反复进行开环控制。
又，本发明的目的还在于提供一种控制装置，其由与电动机的回转频率配合连续地转换限波频率，而将因反相器发热产生的转换损耗限于最小。
本发明的目的又在于提供一种即使电动机速度和负荷发生变化，也可正确检测出反电动势的控制装置。
本发明也在于提供一种控制装置，其由检测出流入直流无刷电动机的电流波形，即使出现于开路相的反电动势不作直线性地显现，也可对稳定的永久磁铁转子进行位置检测。
为达到上述目的，与本申请第一个发明有关的无位置传感器无刷直流电动机由固定于电动机机体内侧的定子、和支承于上述电动机机体，通过一转轴可在定子内侧自由旋转的转子构成;所述定子具有多个向内突出的固定磁极部;固定磁极部的内侧前端的固定磁极面位于距上述转轴大致等距离的圆柱面上;所述的转子在其外周面上具有向外突出的成偶数的回转磁极部;该回转磁极部的外侧前端面形成回转磁极面，所述回转磁极面具有在转子圆周方向上交错不同的磁性;上述固定磁极面和上述回转磁极面仅稍隔距离互为对置。其特征在于，在如此构成的无位置传感器无刷直流电动机中;所述的回转磁极面分别形成外侧为膨胀的凸曲面，各回转磁极面在其圆周方向的取定一点上，形成使所述的回转磁极面和固定磁极面间的距离为最小。
另外，本发明的、具有在轭铁内部装有激磁用永久磁铁转子的无位置传感器无刷直流电动机的特征在于，除了以上结构之外，转子由轭铁和激磁用永久磁铁构成，轭铁具有半径方向向外突出的成偶数的回转磁极部，在此回转磁极部的基部上，使转轴和磁极对向而置的激磁用永久磁铁与转轴平行地插入，磁铁的侧面形成倾斜以使各激磁用永磁铁的外侧磁极面具有最小的表面积。
与本申请的第2个发明有关的控制装置为利用回流二极管的导通状态的无位置传感器无刷直流电动机的控制系统，其特征在于，具有判断输出图形模式发生电路、换向定时信号发生电路及由上述输出图形模式发生电路和上述换向定时信号发生电路输出的信号之间是否一致的重合判断电路，在上述判断电路的输出显示不一致时，使电动机驱动输出暂时停止，并使其再次起动。
与本申请的第3个发明有关的控制装置为具有用于驱动无刷直流电动机、调节转速的限波控制的控制系统，其特征在于，这种利用回流二极管的导通状态的无位置传感器无刷直流电动机的控制系统，它具有检测电动机转速的设备，以及用于比较该检测设备的输出信号和由电动机转速所定的基准信号的比较设备，并根据该比较设备以变换限波频率。
与本申请的第4个发明有关的控制装置为一具有用于驱动无刷直流电动机、调节转速的限波控制、利用了回流二极管的导通状态的无位置传感器无刷的直流电动机的控制系统，其特征在于，它具有发生与电动机的转速成正比的发生脉冲的电路，和发生与上述脉冲数成正比的电压的F/V变换电路，并由上述F/V变换电路的输出连续地改变限波频率。
与本申请的第5个发明有关的控制装置，其特征在于，具有检测流于电动机的电流的装置，和禁止在紧接换向之后对反电动势作检测的装置。
与本申请的第6个发明有关的控制装置，其特征在于，具有检测电动机转速的电路和禁止在紧接换向之后检测反电动势的装置。
与本申请的第7个发明有关的控制装置，其特征在于，具有检测流入无刷直流电动机的电流波形的装置，和判断该电流波形，并对永久磁铁转子的位置作检测的装置。
图1表示本发明的第一个实施例，为无位置传感器无刷直流电动机的反相器电路等的电路结构图。
图2为与无位置传感器无刷直流电动机的轴向垂直的横截面图。
图3表示本发明的第2个实施例，为控制电路的方框结构图。
图4为表示判断图形一致电路之一例的电路方框图。
图5为表示控制电路中的各种信号关系的定时图。
图6所示输出图形模式、励磁图形和换向定时检测相位间的关系。
图7为表示起动程序的流程图。
图8表示本发明的第3个实施例，为控制电路的方框图。
图9表示本发明的第4个实施例，为控制电路的方框图。
图10为从F/V变换器到振荡器的电路结构图。
图11为F/V变换器及振荡器中的主要波形图。
图12表示本发明的第5个实施例，为控制电路的方框结构图。
图13为反电动势的检测电路的电路图。
图14为反电动势的检测电路的信号波形图。
图15表示电流值与电能释放之间的关系表。
图16为检测禁止电路的电路图。
图17为检测禁止电路的信号波形图。
图18表示本发明的第6个实施例，为控制电路的方框结构图。
图19表示转速与电能释放之间的关系图。
图20表示本发明的第7个实施例，为控制电路的方框结构图。
图21为转子位置检测电路的方框结构图。
图22为检测转子位置的流程图。
图23、24、25分别为表示随通电定时而发生的电流波形的波形图。
图26表示已知例子，为无位置传感器无刷直流电动机的一半横截面图。
图27表示已知例，为表示反相器电路的电路图。
图28表示已知例，为表示反电动势与驱动信号的关系图。
图29表示已知例，为表示起动顺序的流程图。
下面，参照图1及图2，就与第一发明有关的实施例加以说明。
图1所示为无位置传感器无刷直流电动机的驱动控制系统的整体结构。
无位置传感器无刷的直流电动机的驱动控制系统，由无位置传感器无刷直流电动机1，电源21，限波控制用的反相器电路22，利用反电动势检测转子3位置的模式检测电路23及控制反相器电路22的控制电路24构成。此实施例的无位置传感器无刷的直流电动机1为3相反相器驱动的电动机，符号U.V.W是分别表示定子2的线圈的符号。符号Vn表示线圈U.V.W之间的电压。电压Vn是通过反相器电路22的转换，在3个线圈U.V.W中有选择地发生在2个线圈间。
电源21表示电流经整流过的状态的电源，符号Ed(Ed+，Ed-)表示电动势，反相器电路22由回流二极管Da+、Db+、Dc+、Da-、Db-、Dc-和晶体管Ta+、Tb+、Tc+、Ta-、Tb-、Tc-构成。
下面，就回转驱动无位置传感器无刷直流电动机1时的各电路的工作作一说明。
反相器电路22，由分别连接回流二极管Da+、Db+、Dc+的P侧的晶体管Ta+、Tb+、Tc+，和分别连接回流二极管Da-、Db-、Dc-的N侧的晶体管Ta-、Tb-、Tc-构成，通过将P侧的晶体管和N侧的晶体管组成一组进行限波控制，可使3相的直流电源有选择地顺次流入各相绕组中的2个绕组，形成磁场，回转驱动转子。如下述的图6中所示，对应于为保持电动机正常回转的励磁图形的驱动信号的输出模式预设为5-0，各励磁图形和换流定时检测相位及导通二极管的关系为图6所示关系，以此顺序换向可回转驱动电动机。又，基于在电动机1的各绕组上发生的反电动势，判断反相器电路22的各回流二极管的导通状态的模式检测电路23连接于反相器电路22;在控制电路24上，根据来自模式检测电路23的检测信号，检测出各相绕组U.V.W的换流定时，通过对各U.V.W相绕组给予适当的换流定时，将驱动信号输出给反相器电路22的各晶体管，并用反相器电路22进行限波控制。而且，根据此驱动信号，反相器电路22反复进行上述动作。根据上述的反复动作、转子3被连续驱转。
以下，就本发明申请的要点的无位置传感器无刷直流电动机1的定子2和转子3的结构作一说明。
图2所示为本实施例的无位置传感器无刷直流电动机1的垂直于转轴的横截面放大图。
定子2内部有转子3，向着转轴4有向内突出的24个磁极部5。在这些固定磁极部5上绕卷有未图示的线圈。各固定磁极部5的内侧前端的固定磁极面6位于距转轴4的轴心等距离的圆柱面上。
转子3可自由旋转地支承于转轴4上。转子3的轭铁7为将多块硅钢片层压而成。轭铁7在其外周面上具有向放射方向外向突出的4个回转磁极部8、9、10、11。在回转磁极部8、10的基部上，与转轴4平行地插入一对激磁用永久磁铁12、13。这些激磁用永久磁铁12、13的N极磁极相向对置。激磁用永久磁铁12、13的磁通由于磁铁的N极磁极相向对置而产生的同极排斥的作用，如图2所示，通过回转磁极部9、11到达轭铁7之外部，又从回转磁极部8、10进入轭铁7的内部。根据磁通的上述磁路，回转磁极部8、10成为S极，回转磁极部9、11成为N极。
回转磁极部8、9、10、11的外侧前端的回转磁极面14、15、16、17，在转子3的半径方向外侧形成膨胀凸曲面。在此实施例中，所述的回转磁极面14、15、16、17的曲面形成较上述的固定磁极面6所述的圆柱面曲率更大的圆弧面。回转磁极面14、15、16、17在其各回转磁极面的圆周方向中心部位上最接近于上述的固定磁极面6。
激磁用永久磁铁12、13的磁通集中于上述回转磁极面和固定磁极面最接近的圆周方向的中心部位。这将根据回转磁极面14加以说明。
将回转磁极面14的圆周方向中心部位和与此相对应的固定磁极部5的固定磁极P2间的距离取作d0。又将固定磁极P2两邻的固定磁极分别作为P1、P3，此固定磁极P1、P3和回转磁极面14的距离分别取作d1、d2。因距离d0比距离d1、d2小，故激磁用永久磁铁12的磁通如图2中所示，从固定磁极P2到达回转磁极面14的最多。从而，由回转磁极面14所发生的反电动势在固定磁极P2为最大。这种情况，在其它回转磁极面15、16、17上也同样发生。
因上，具有如上所述的曲面的回转磁极面的转子3，常在各回转磁极面的圆周方向中心处产生最大的反电动势，并能防止对转子的磁极位置的检测误差。
本实施例中的激磁用永久磁铁12、13又如图中所示，磁铁侧面作成倾斜，以使外侧的S极的磁极面具有最小的表面积。由此激磁用永久磁铁12、13的磁通都集中于S极的磁极面的圆周方向的中心部位处，转子3的磁通在回转磁极面14、16的圆周方向中心部分为最大。还因激磁用永久磁铁12、13的磁铁侧面作成倾斜，激磁用永久磁铁12、13两侧的电桥部18，除一部分之外，均具有较大的幅宽。因而，磁轭7具有较大的强度，遇施于回转磁极部14、16的不测外力也不易变形。
另外，在上述的本发明的说明中，是以回转磁极面成形为较小直径的圆弧面的实施例加以说明的，但对回转磁极面来说，如果设法在其圆周方向的两个端部上远离开固定磁极面，且在其圆周方向中心部位处的一点上最接近上述的固定磁极面，则不限于圆弧形也可以作成例如其与转轴垂直的截面构成抛物线状的曲面。再有，转子的各回转磁极面只在其旋转方向的圆周向端部远离固定磁极面，而在其圆周方向中心部位处的一点上最接近固定磁极面，也可获同样效果。
在上述实施例中，说明了所使用的转子构造是在轭铁的外周形成4个回转磁极部，而每相隔一个该回转磁极部，插入一个激磁用永久磁铁。但不限于上述结构，也可以形成任意成偶数的回转磁极部，并在各个回转磁极部中插入激磁用永久磁铁。也可不用在轭铁中装入激磁用永久磁铁，而形成具有上述形状的回转磁极面的激磁用永久磁铁，并将此固定于回转轴的外周上。
如从上述，根据本申请的第一个发明可得无位置传感器无刷直流电动机，该电动机因为将转子的回转磁极面外侧作成膨胀凸曲面，并形成回转磁极面，以使回转磁极面与固定磁极面间的距离在各回转磁极面规定的一点上为最小。因此，可以在此回转磁极面与固定磁极面间的距离为最小的点处产生最大反电动势，并正确检测出转子回转磁极部的位置。
又，在具有轭铁上采用激磁用永久磁铁的转子的、本申请的第一个发明的无位置传感器无刷直流电动机中，因为在轭铁外周设有径向向外突出的成偶数的回转磁极部，在此回转磁极部的基部内与转轴平行地插入了激磁用永久磁铁，并将各激磁用永久磁铁的磁铁侧面作成倾斜以使各激磁用永久磁铁外侧磁极面具最小的表面积，所以激磁用永久磁铁的磁通更集中于回转磁极部的圆周方向中心部位处。另外，由于激磁用永久磁铁的磁铁侧面作成倾斜，因此轭铁的电桥部幅度变宽，使轭铁对于不测的外力具有足够的强度。
下面，参照图3至图7就与本申请的第二个发明有关的实施例作一说明。
图3为表示本发明的控制电路结构的方框图。模式检测电路23，通过比较设定内置于转换电路22内的回流二极管的顺向电压降的基准电压Ed(Ed+、Ed-)和各二极管的终端电压，来判断各回流二极管的导通状态，检测出励磁图形模式。在本实施例中，反相器电路22由三相双向反相器构成。如图6所示，检测出随各励磁图形产生的U+、U-、V+、V-、W+、W-的6个相的导通状态，分别将对应的检测信号输出于控制电路24。控制电路24，由换向定时信号检测电路25、输出图形模式发生电路26、驱动信号形成电路27、图形重合判断电路28、起动控制电路29、限波选择电路30、限波信号发生电路31构成。换向定时信号检测电路25，通过模式检测电路23的输出，来检测换向定时，形成时钟脉冲。输出图形模式发生电路26，通过来自上述换向定时信号检测电路25的时钟脉冲，发生如图6所示的6种模式信号，由此，以驱动信号形成电路27形成电动机驱动信号。此时，在图形重合判断电路28中，在六种换向定时信号的逻辑和输出h2被输出期间，进行对六种换向定时信号之一的h1和输出图形模式2的波形h3-2的比较。不重合时，对起动控制电路29输出促使再起动的信号h0。驱动信号形成电路27根据来自输出图形模式发生电路26的信号h3和来自起动控制电路29的信号，形成电动机驱动信号;限波选择电路30从输出图形中判别出十侧斩波、一侧斩波，并对驱动信号形成电路27传送信号。又，将来自限波信号发生电路31的限波信号在驱动信号形成电路27上重合，驱动反相器22的各个晶体管。
图4表示判别图形重合的电路28的结构。输出图形模式发生电路26具有作为反向计数器的功能，它将六种换向定时信号的OR信号h2作为时钟脉冲，在5-0的输出终端顺序发生脉冲。在起动或再次起动时，输出模式5作为初始设定，接着，输出模3，再依次输出模2、1、0、5。(关于此顺序，下面再叙述。)输出图形模式发生电路26的输出h3-2和换向定时信号h1被输入给EX-“或”门32，EX-“或”门32的输出h4和上述六个换流定时信号的“或”信号h2被输入给“与非”门33。即，在六个换向定时信号的OR信号h2被输出期间，观察上述输出图形模发生电路26的输出h3-2和换向定时信号h1的重合情况。当其结果不重合时，设“与非”门33的输出为High。另外，上述输出信号输入给起动控制电路29。表示此时的各信号的相互关系的定时图示于图5。
还有，驱动信号形成电路27，按对应于如图6所示的励磁图形模式而设定的输出图形5-0，依次形成驱动信号并输出。也即，输出图形模式、励磁图形及换向定时信号检测相之间的关系如图5所示。例如，输出图形模式2说明，在1个前面的模式即3的励磁圈图形时，若从开路相U的U-检测转换向定时信号，则由此来转换励磁图形，从V+到U-，使回转正常进行。
图7为表示本实施例的起动顺序的流程图。在步骤T1，以一定的图形进行励磁。在本实施例将输出图形设为模式5。也即，将励磁图形定为从U相+到V相-，以此作为输出图形通电10-15A，在步骤T2保持该状态0.8秒。这样，转子转向电气角180°的正方向或反方向而被固定，确定转子位置。接着，在步骤T3进行换向。在此处，把输出图形推进两个，输出模式3。即，使励磁图形从V相+到W相-，并以此作为输出图形通电。这样转子根据电气角超前正转方向120°的励磁图形而正转起动并加速。加速的程度由此时通电流值及负荷状态而定，但在本实施例中，以起动瞬时5A的程序即可达到能发生无传感器运转所必需的反电动势的回转速度。即在步骤T4上形成换向定时信号。此处，只要是正常回转，就可从该期间成为开路相的U相-的回流二极管中检测出换向定时信号。接着，在步骤T5对输出图形模和换向定时信号发生的相进行重合判断。具体地说，根据形成的换向定时信号9输出图形模式成为超前一位的模式2，观察模式2的信号和来自U相-的换向定时信号之一致情况。其结果如一致，则进入步骤T6继续无传感器的运转;如不一致，则进入步骤T7停止输出图形，在步骤T8经2秒后，回至开环的最初步骤T1，重复起动程序。步骤T8的时间最好设计为至转子停止时的时间，本实施例中以2秒为宜。
另外，在以上说明中出现的电流值及时间、输出图形皆为本实施例中的合适的数值、图形，在其它的实施例中，当然可取另外的数值、图形。
如上述，根据本申请的第2个发明，因既使在起动时的状态有变化的负荷下也能检测出电动机的回转状态，转子既使振动也能返回起动程序的最初状态再次起动，从而可以简单的电路结构提供更确实的起动。
以下，参照图8就与本申请第3个发明有关的实施例作一说明。
图8所示为说明本实施例的控制电路结构的方框图。模式检测电路23，如上所述，用于判断各回流二极管的导通状态。本实施例的控制电路24，由换向定时信号检测电路25，移相电路35，六步波形发生电路36，驱动信号形成电路27，三角形波比较电路37，F/V变换器38，比较器39，第1及第2振荡器40，41等构成。
换向定时信号检测电路25由模检测电路23的输出，检测出从斩波断开期间所获的换向定时，形成时钟脉冲。移相电路35为由用于从换向定时信号检测电路25的输出信号得到正规换向定时的计数器构成的延迟电路，一般在电气角15-30°的范围内移位(延迟)。六步波形发生电路36根据来自上述移相电路35的时钟，发生六种模式的波形，由此在驱动信号形成电路27上形成电动机驱动信号，并与来自三角形波比较电路的限波信号重合后向反相器电路22输出驱动信号。F/V变换电38为将与从换向定时信号检测电路25输出的电动机1的转速成比例的时钟脉冲作F/V变换的电路，用比较器39比较由此所得的直流电压和根据电动机转速而定的基准电压，根据其结果，将输入三角形波比较电路37的第1振荡器40及与此第1振荡器40的振荡频率不同的第二振荡器41的基准三角形波，以开关42变换。在本实施例中，设定第一振荡器40的频率为5KWz，设定第二振荡器41的频率为15KHz，并设定F/V变换电路38及比较器39，使电动机转速在每分钟5000转以下时，开关42与第一振荡器40连接。当上述转速超过5000时，与第二振荡器41连接，其结果良好。另外，也可取一个振荡器根据比较器的输出变换其本身的振荡周期。
如上述，根据本申请的第三个发明，因可按照电动机的回转频率来变换限波频率，故可在将反相器的转换损耗限于最小限度的同时，抑制反相器元件发热。
下面，参照图9至图11，就与本申请的第4个发明作一说明。
本实施例的控制电路24如图9所示，由换向定时检测电路25、移相电路35、六步波形发生电路36、驱动信号形成电路27、三角形波比较电路37、F/V变换电路38、振荡器43等构成。
其中，换向定时信号检测电路25根据模式检测电路23的输出检测出从限波截止期间所得的换向定时，形成时钟脉冲。移相电路35为由用于从换向定时信号检测电路25的输出信号取得正规的换向定时信号计数器所构成的延迟电路，通常在电气角15°-30°的范围内移相。六步波形发生电路根据来自上述移相电路35的时钟脉冲发生六模式的波形，因此在驱动信号形成电路27上形成电动机驱动信号，并与来自三角形波比较电路37的限波信号重合，向反相器电路22输出驱动信号。F/V交换电路38为一将与由换向定时信号检测电路25输出的电动机转速成比例的时钟脉冲作F/V变换的电路，并将由此所得的直流电压输入给振荡器43，发生与上述直流电压成比例的周期的基准三角形波。在三角形波比较电路37上，比较上述基准三角形波和速度指令电压，将所定的限波信号向驱动信号形成电路27输出。
图10表示为图9中的从F/V变换电路38到振荡器43的电路例子，图11表示这些电路重要部份的波形。如图11所示，如果向由运算放大器44、二极管、电阻、电容等构成的F/V变换电路38，输入来自电动机每一回转发生6个脉冲的换向定时信号检测电路25的信号K1，则可得到与转速成比例的直流电压K2。上述直流电压K2驱动FET46的电路，使EFT46的接通电阻呈直线变化，通过在由运算放大器45和运算放大器47、以及电阻、电容、齐纳二极管构成的三角形波发生电路37的振荡周期调整电阻中插入FET，可在来自运算放大器47的输出信号K3上得到与来自换向定时信号检测电路25的信号K1频率成比例的频率的基准三角形波作为结果。另外，为说明方便，图11与各部的波形K1、K2、K3的时间轴是将波形K3相对放大。
再有，在本实施例中，是使电动机回转数能从停机起，以每分钟15次的范围从2KHz至15KHz连续变化而设计的。
如上所述，根据本申请的第4个发明，因能根据电动机的回转频率连续地变换限波频率，故可在使反相器的转换损失限于最小限度的同时，抑止反相器器件发热。
以下参照图12至图17，就与第5个发明有关的实施例作一说明。
在图12中，22为反相器电路，23为反电动势检测电路(具有与上述第1至第4个实施例的模式检测电路同样的功能，以下简称为反电动势检测电路)，反相器电路22为无刷直流电动机1的驱动电路。无刷直流电动机1由定子绕组、U、V、W及永久磁铁转子3等组成，根据电流流经定子绕组而产生的磁场，永久磁铁转子3转动。
本实施例的控制电路24，由电流检测装置50，电流电平检测电路51，检测禁止电路52，移相电路53，通电信号发生电路54构成。在反电动势检测电路23上输入无刷直流电动机1的终端电压，根据其端电压检测出开路相的反电动势。检测流入电动机1的电流大小的装置由电流检测装置50和电流电平检测电路51构成。电流检测电路50可使用分流电阻器和变流器等进行检测。电流电平检测电路51如使用峰值同步电路则容易形成，检测禁止电路52为在紧接转向之后禁止反电动势的检测的电路。移相电路53为用于将检测禁止电路52的输出信号的相位作电气角30°滞后的装置。通电信号发生电路54为产生用于驱动反相器电路22的信号的电路。
图13表示反电动势检测电路23的电路结构，若将反电动势检测电路23作成用多个比较器55来比较电动机1中点和终端电压的结构的话，则无刷直流电动机1的终端电压m1和反电动势检测电路23的输出波形m2示于图14。在图14中，t表示电能释放时间，t随负荷及转速而变化。把以转速为参数经实验所得的数据作为基础将电流值Ⅰ和电能释放时间t制成表格的结果见图15。由图15可知，若转速减少则电能释放时间t延长。因此，在控制装置中，最好对超过预料的最小转速的时间禁止检测。但须注意，若禁止到电气角30°以上，则连本应检测的反电动势也被禁止检测了。
检测禁止电路52的具体电路例子示于图16。将下支路的通电终了信号输入给单稳态式多谐振荡(以下称单多谐)56的输入端57，将上支路的通电终了信号输入给单多谐58的输入端59。单多谐56及58的结构为，来自电流电平检测电路51的信号输入给端子61、62、63，使输出脉冲的时间发生变化。在本电路例中，通过断开定时电容器使输出脉冲的时间发生变化。图16中的各个波形示于图17。在图17中，当m4为高电平时，m2降至接地电平，信号传达不出。又，当m5为高电平时，或门64的输出处于高电平。即，如将m4、m5作成如图17所示，则电能释放时间是禁止检测的。m3为检测禁止电路52的输出波形。又，图16的电路中仅电动机相部分是必须的。再有，由于m3的信号成为比正规的通电定时超前30°电气角的信号，因此有必要在移相电路53中仅滞后30°电气角。移相电路53可以用计数器构成。以移相电路53的输出信号为基础，在通电信号发生电路54上发生反相器电路22的驱动信号。有时考虑到超前角控制的关系，也可删去移相电路53。
如上所述，根据本申请的第5个发明，即使电动机的负荷及速度发生变化，也能使得到正确的换向定时的无位置传感器的驱动成为可能。从而在原来因负荷、转速发生变化而不可能驱动无位置传感器的领域内，也能使无位置传感器的驱动成为可能。
以下，参照图18及图19，就本申请第6个发明有关的实施例作一说明。
本实施例的控制电路24，如图18所示，由检测禁止电路52、移相电路53、通电信号发生电路54、转速检测电路65构成。
检测禁止电路52为禁止在紧接换向之后对反电动势作检测的电路。移相电路53为用于将检测禁止电路52的输出信号的相位作电气角30°滞后的装置。通电信号发生电路54为制造用于驱动反相器22的信号的电路。转速检测电路65为检测电动机1的转速的装置，其信息输入检测禁止电路52。
反电动势检测电路(＝模式检测电路)23，其电路结构与先前的第5个实施例同，可得到如图14的输出波形m2。又，在本实施例中，将转速N和电能释放时间t，根据以负荷作参量经实验所得的数据作成的图表如图19。如图19所示，可看到，负荷增加则释放时间t延长。为此，最好在本实施例中也同上述实施例一样，禁止进行对于可预料的最大负荷的时间以上的检测。但须注意的是，如禁止达电气角30°以上，则连本应作检测的反电动势也被禁止检测了。
又，本实施例的检测禁止电路52其电路结构也与上述第5个实施例的图16同，各波形如图17。且，因输出信号成为比正规的通电定时仅超前电气角30°的信号，在移相电路53上仅滞后电气角30°，根据来自移相电路53的输出信号在通电信号发生电路54上发生反相器电路22的驱动信号。
如上，根据本申请的第6个发明，即使当电动机负荷及速度发生变化时，也可得到正确的换向定时，使无位置传感器的驱动成为可能。由此，根据负荷及转速的变化，在原来不可能作无位置传感器驱动的领域，无位置传感器的驱动也成为可能。
另外，与本申请的第5、6发明有关的实施例作了由中点比较的反电动势检测方法的说明，但该说明同样也适用于从回流二极管的导通状态检测反电动势的方法。
以下参照图20至图25，就本申请的第七个发明有关的实施例作一说明。本实施例以使用3相直流无刷电动机为例加以说明，图20所示为本发明的整体方框图。
本实施例的控制装置24由电流检测电路50、隔离放大器66、转子位置检测电路67、通电信号发生电路54构成。上述电流检测电路50为检测流向直流电动机的电流波形的装置，可用分流电阻及变流器等构成。通电信号发生电路54为用于发生驱动反相器电路22的信号的发生装置。对电流波形进行判断、检测永久磁铁转子3的位置的装置由隔离放大器66和转子位置检测电路67构成。转子位置检测电路67的结构示于图21。
在转子位置检测电路67上，隔离放大器66的输出n1被输入于模拟-数字转换电路68，以一定周期采样电流波形，并将其变换为数字信号。被数字变换后的电流波形送入由CPU69、RAM70，ROM71等构成的微型计算机72，由微型计算机72进行波形诊断。另外，在微型机72上，起动信号由输入端73输入。
下面，根据图22所示流程图，就以上结构的装置的动作作一说明。
当起动信号输入微型机72，从微型机72的输出端75以一定周期输出信号，信号进入通电信号发生电路54，使无刷直流电动机1作同步运转(步骤T21)。其后，无刷直流电动机1在到达一定转速的所定时间t内，继续作同步运转(步骤22)。且，该所定时间t可配合所用的无刷直流电动机的特性而给出。
在上述步骤T22上，若经过规定时间进行同步回转，则在步骤T23上可由微型机72判别出是否开始向正在检测电流波形的相通电(换向)，通电开始时，在步骤T24上，取出由模拟-数字变换电路68输出的电流波形存储于RAM70，接受此电流波形到在通电模转换为止(步骤T25)。在步骤T25上，通电模-转换，则在CPU69上读出储存于RAM70的电流波形，并判别电流波形的峰值位置(步骤F26、步骤F27)，检测出转子1的磁极部位置。
检测出的电流波形，例如图23所示，其峰值位置如在换向开始时和通电模转换时的中间，(t1＝t2)，则可断定为现在的通电定时与转子1和定子绕组的相对位置一致。如图24所示，如峰值位置在后半部时，(t1＞t2)，可判断为其通电定时延迟。另外，如图25所示，峰值位置在前半部的(t1＜t2)，可断定为其通电定时提前。
如t1＝t2，则以原有的定时进行通电，如t1＞t2则使通电定时超前一定量(步骤28)。如t1＜t2则使通电定时滞后一定量(步骤T29)。
使通电的定时发生变化后，有待机到下一次通电开始，如通电开始则反复进行同样的动作。这样，即使转速和负荷发生变化，也能获得正确的换向定时。但须注意的是，如使延迟或提前定时的量过大，则重复t1＞t2和t1＜t2。
如上，根据本申请的第7个发明，即使开路相的反电动势因转子结构而不发生直线性变化，也可检测出稳定的转子位置。又，通常是根据电流波形来监视通电定时，因此能始终以正确的定时进行换向。
如上所述，无刷直流电动机即使没有位置传感器，也能正确地检测转子的位置;且充分确保结构上的强度;还能进行细微的回转控制，故适用于如涡管型压缩机等的那样在高温等恶劣条件下使用的电动机。
权利要求
1.一种无位置传感器无刷直流电动机，该电动机由固定于电动机机体内侧的定子和支承于所述电动机机体、通过一转轴可在定子内侧作自由回转的转子构成；所述定子具有多个向内突出的固定磁极部；固定磁极部的内侧前端的固定磁极面位于距上述转轴大致等距离的圆柱面上；所述的转子在其外周面上具有成偶数的向外突出的回转磁极部；该回转磁极部的外侧前端面形成回转磁极面，所述回转磁极面具有在转子圆周方向上交错不同的磁极；上述固定磁极面和上述回转磁极面仅稍隔距离互为对置，其特征在于所述回转磁极面分别形成外侧为膨胀的凸曲面，各回转磁极面在其圆周方向的取定一点上，形成为使所述的回转磁极面和固定磁极面间的距离为最小。
2.如权利要求1所述的无位置传感器无刷的直流电动机，其特征在于所述转子的回转磁极面的形成使该磁极面在其圆周方向的两个端部上大幅度地离开所述固定磁极面的同时，在其圆周方向中心部位处的一点上最接近于上述的固定磁极面。
3.如权利要求1所述的无位置传感器无刷直流电动机，其特征在于所述转子的回转磁极面的形成使该磁极面在其旋转方向的端部上大幅度地离开上述固定磁极面的同时，在其圆周方向的中心部位处一点上最接近于所述固定磁极面。
4.如权利要求1-3任一项所述的无位置传感器无刷直流电动机，其特征在于所述转子由轭铁及激磁用永久磁铁构成，所述轭铁具有成偶数的、沿半径方向向外突出的回转磁极部，在此回转磁极部的基部上，与上述转轴平行地插入了使转轴和磁极对置的激磁用永久磁铁，各激磁用永久磁铁其侧面形成倾斜，以使各激磁用永久磁铁的外侧磁极的磁极面具有较小的面积。
5.一种无位置传感器无刷直流电动机的控制装置，该装置具有以限波控制驱动无刷直流电动机的反相器电路，由利用随转子的回转在各相定子线圈中发生的反电动势，检测转子的位置，得到换向信号，其特征在于该装置具备发生换向定时信号的换向定时信号发生电路，发生对所述的定子线圈进行激磁的数种输出图形模式的输出图形模式发生电路，判断由上述两个电路输出的输出信号之间是否一致的一致判断电路，当根据该一致判断电路判断出不一致时，立即停止电动机驱动输出，并使其再起动的起动控制电路。
6.一种无位置传感器无刷的直流电动机的控制装置，该装置具有以限波控制驱动无刷直流电动机的反相器电路，由利用随转子的回转在各相定子线圈中发生的反电动势，检测转子的位置，得到换向信号，其特征在于该装置具备检测上述电动机转速的转速检测设备，比较来自该转速检测设备的输出信号和根据电动机转速而定的基准信号的比较设备，和根据该比较设备的输出信号改变限波频率的限波频率变化设备。
7.一种无位置传感器无刷直流电动机的控制装置，该装置具有以限波控制驱动无刷直流电动机的反相器电路，由利用随转子的回转在各相定子线圈中发生的反电动势。检测转子的位置，得到换向信号，其特征在于该装置具备发生与所述电动机的转速成比例的脉冲的脉冲发生设备，发生与来自该脉冲发生设备的脉冲数成比例的电压的F/V变换电路，和根据F/V变换电路的输出，连续改变限波频率的限波频率变化设备。
8.一种无位置传感器无刷直流电动机的控制装置，该装置具有以限波控制驱动无刷直流电动机的反相器电路，由利用随转子的回转发生在各相定子线圈上的反电动势，检测转子位置，得到换向信号，其特征在于该装置具备检测流经所述电动机的电流大小的电流检测设备，和根据来自该电流检测设备的检测输出，使紧接换向之后的上述转子的位置检测作业停止的检测禁止设备。
9.一种无位置传感器无刷直流电动机的控制装置，该装置具有以限波控制驱动无刷直流电动机的反相器电路，由利用随转子的回转发生在各相定子绕圈上的反电动势，检测转子的位置，得到换向信号，其特征在于该装置具备检测所述电动机的转速的转速检测电路，和根据来自该转速检测电路的检测输出，使紧接换向之后的上述转子的位置检测作业禁止的检测禁止设备。
10.一种无位置传感器无刷直流电动机的控制装置，该装置检测出无刷直流电动机的转子位置，对定子绕组进行通电，其特征在于该装置具备检测流经所述无刷直流电动机的电流波形的电流波形检测设备，和根据该电流波形检测设备就检测的电流波形进行判断，检测出上述转子位置的转子位置判断设备。
全文摘要
本发明的无刷直流电动机的特征为，转子磁极部的各回转磁极面分别形成外侧膨胀凸曲面，且其在圆周方向的取定点上与固定磁极面之距离为最小。本发明的控制装置的特征分别为在换向定时信号与输出图形模式不重合时，再起动电动机；比较电动机转速和基准信号，并改变限波频率；对应于电动机转速连续改变限波频率；根据流入电动机电流，使向电动机1的换向后的转子的位置检测禁止；根据流入电动机的电流波形检测转子位置。
文档编号H02P6/06GK1061496SQ91109839
公开日1992年5月27日 申请日期1991年10月19日 优先权日1990年10月19日
发明者长手隆, 植竹昭仁, 小池良和, 田端邦夫 申请人:精工爱普生股份有限公司