专利名称：无刷直流电动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种无刷直流电动机，特别是涉及不需要用于检测永磁转子的旋转位置的位置传感器的无刷直流电动机。
由于无刷直流电动机没有机械接触，同带有电刷的直流电动机相比，它具有较长的寿命和较低的电噪声水平。从而近来它被广泛地应用在需要高可靠性的工业设备和视频、音频装置中。
通常，这种类型的无刷直流电动机使用一个位置传感器(例如，霍尔器件)，与电刷相对应，来变换定子绕组的各相导通状态。位置传感器本身不便宜，而且在传感器的安装位置的调节中它要求很复杂并增加布线量，与有刷电动机相比它导致了无刷直流电动机的很高的成本。另外，由于位置传感器必须安置在电动机内，通常使电动机的结构被限制。近来，在设备的缩减(体积)的趋势下，电动机变得更小和更薄，并且不能得到足够的用于安置位置传感器(如霍尔器件)的位置。从而，就提出使用一些没有位置传感器的无刷直流电动机。
作为没有位置传感器的无刷直流电动机，例如，一种利用频率发生器的输出信号附加到电动机上的方式是公知的。即用于根据转子的旋转产生脉冲的频率发生器的输出脉冲，由一个计数器进行计数，根据计数值使预定电流图形的驱动电流顺序地通过三相定子绕组，由此使永磁转子旋转(例如，日本专利公开号63-2662088)。
但是，在这种构成中，由于在接通电源时不能确定转子的初始位置，如上述现有技术所述，在无刷直流电动机中就设置一个专门的置位信号发生电路，则当电源接通时由置位信号使计数器置位，当专门的置位电流加到定子绕组上时就使转子与定子绕组能够初步地处于一个特定的位置关系上。
然而，当专门置位电流被加到定子绕组上以便于决定初始位置时，转子开始转动，并且转子的位置在该特定位置附近振荡，在短时间内不会停在该特定位置上。结果，由于不能在短时间内转换到运行状态则起动时间是长的，因为从当接通电源时用于把专门置位电流加到定子绕组的置位式从而把转子停到特定位置上，到用于根据转子旋转而对频率发生器的输出脉冲进行计数的正常位置检测模式的操作，不能在短时内完成。
因而这就不能被用于需要短起动时间的情况(例如频繁反复旋转和停止的机器)。
在上述现有技术中的无刷直流电动机中，由于转子在置位模式中被强制地转到一个特定位置上，转子经常反转，这取决于转子的初始位置。因此，它只能被用于允许有宽的反转的机器中，使得使用范围被大大地限制了。
进而，在上述现有技术中所述的无刷直流电动机，在置位模式中如果转子与定子绕组的相对位置处于特定关系中，如果转子被加载，根据负载的大小转子和定子绕组的相对位置可能发生非常大的变化。因此，在置位模式中转子不能固定在特定位置上。
因而，在上述现有技术所述的无刷直流电动机中，当置位模式变换到正常位置检测模式以根据转子的旋转对频率发生器的输出脉冲进行计数的时候，加到定子绕组的电流相位大大偏离正常相位，就不能实现高效率的驱动。因而，现有技术中的无刷直流电动机只能被用于接通电源时电源时电动机是空载的情况。
本发明的主要目的就是提供一种无刷直流电动机，该电动机能够当电源接通时在短时间内检测出转子与定子绕组之间的位置关系，并且从电源接通时的相位配合模式迅速地变换到正常位置检测模式以根据转子的旋转而对所产生的输出脉冲进行计数。
本发明的目的也在于精确地检测出转子的位置而不论负载的大小，如果当电源接通时电动机已经带载的话;本发明进一步的目的在于在转子的转动在非常小的范围内检测转子的位置。
本发明的另一个目的在于提供一种无刷直流电动机，该电动机虽然不需要位置传感器也能够以高效率驱动，从而能够在广泛的范围内应用。
为了实现上述目的，本发明提供一种无刷直流电动机，包括具有多个磁极的转子;带有多相以特定气隙相对转子布置的定子绕组;用于发生根据转子的旋转而表示转子转动状态的多相传感信号的传感器装置;用于从多相传感器信号检测出转子的旋转方向并产生一个方向信号的方向检测装置;用于根据方向信号产生第一相位信号并且用于检测与转子位置相对应的初始计数值的初始相位检测装置，用于设置与初始计数值相对应的初始值的计数器装置，根据至少一个传感信号和方向信号增加或缩小计数值，并产生第二相位信号;用于根据第一相位信号或第二相位信号产生一个多相位置信号的波形发生装置;以及用于根据多相位置信号给定子绕组供电的电源装置。
通过上述构成，本发明的无刷直流电动机由计数器装置对根据转子的旋转而产生的传感器装置的输出信号进行计数。由于以该计数值为基础产生位置信号，就不需要传统无刷直流电动机所具有的位置传感器。
因而，与传统无刷直流电动机不同，不需要位置传感器，并能降低传感器的安置位置的调节的复杂程度并减少布线量，以此能够有效地节约成本。
另外，由于电动机不需要位置传感器，电动机在结构上不受限制，从而可进一步减小尺寸和厚度。
进而，初始相位检测装置根据转子的转动方向产生第一相位信号，同时波形发生装置根据第一相位信号产生位置信号，由此检测转子的位置。因此，转子的位置能被很小程度的转动检测，而不依赖于转子的初始位置。即使转子带载也能精确地检测出转子的位置。
图1是表示本发明的无刷直流电动机的一个实施例构成的方框图;
图2是表示本发明的方向检测器电路的一个实施例的电路构成图;
图3是图2中的方向检测器电路的部分的信号波形图;
图4是本发明的无刷直流电动机的正常旋转时的部分的信号波形图;
图5是表示本发明的无刷直流电动机的正常旋转时永磁转子的磁极矢量φ和由定子绕组产生的磁通势矢量I的关系的矢量图;
图6是表示由方向检测器电路，计数器单元，初始相位检测器和波形发生器所构成的以组成本发明的无刷直流电动机的方框图;
图7是在一个实施例中本发明的选择器的工作的流程图;
图8是在一个实施例中在正常旋转时位置检测模式的处理过程的流程图;
图9是在一个实施例中用于相位配合运行的流程图;
图10是为了说明在相位配合运行转动量的磁极矢量φ和磁通势矢量I的矢量图;
图11是为了说明相位配合运行的磁极矢量φ和磁通势矢量I的矢量图;
图12是为了说明相位配合运行的磁极矢量φ和磁通势矢量I的矢量图;
图13是表示永磁转子和定子绕组形状的示图。
参照附图，本发明的无刷直流电动机的一些实施例将在下面详细说明。
图1是表示在本发明的一个实施例中无刷直流电动机的构成的方框图。图1中的永磁转子19和三相定子绕组181，182，183象图13所示那样布置。在图13(a)中，同转轴1302一起旋转的永磁转子19相对定子1301放置。在永磁转子19上，如图13(b)所示，多极(在此是8极)沿圆周方向以相等间隔布置成一个盘形。在定子1301上，如图13(c)所示，许多平绕组(在此是6个)181a，182a，183a，181b，182b，183b在一面上绕转轴1302以相等间隔布置成一个盘形。相互相隔180度的平绕组被相互连接以构成三相定子绕组181，182，183。图1中的频率发生器(传感器装置)11产生相互间具有不同相位的两相频率信号m1，m2，与永磁转子19的旋转成比例。两相频率信号m1、m2馈入波形整形电路12以变换方波信号s1、s2，然后进入方向检测电路(方向检测装置)13。方向检测电路13根据永磁转子19的正向或反向旋转方向发出一个方向信号d。计数器单元14接收方波信号s1和由方向检测电路13发出的方向信号d，并根据永磁转子19的旋转方向对依赖永磁转子19的旋转而产生的方波信号s1的脉冲数进行递增计数或递减计数。计数器单元14发生相应于计数值c的值作为第二相位值f2(第二相位信号)。初始相位检测单元15接收方向接收方向检测电路13的方向信号d，在根据方向信号d的正或反方向进行相位配合的时刻在定子绕组中所产生的旋动磁场旋转起来，通过计算确定永磁转子19的初始位置，并且发出初始计数值Co给计数器单元14。初始相位检测电路15不但把初始计数值Co发给计数器单14，而且在相位配合时刻把第一相位值f1(第一相位信号)发给选择器单元161。选择器单元161根据加在端子163上的相位配合指令st选择第一相位值f1或者第二相位f2，并且把经选择的相位值f发给位置信号发生器单元162。波形发生器单元(波形发生装置)16由选择器单元161和位置信号发生器单元162所组成。根据由选择器单元161发出的经选择的相位值f，位置信号发生器单元162发出三相位置信号P1，P2，P3。电源单元17接收三相位置信号P1，P2，P3。三相位置信号P1，P2，P3分别由驱动放大器171，172，173进行放大，然后与位置信号P1，P2，P3的幅值比例的电流i1，i2，i3被加入定子绕组181，182，183。
因此，无刷直流电动机这样构成永磁转子(转子)19;定子绕组181，182，183;频率发生器(传感器装置)11;方向检测电路(方向检测装置)13;初始相位检测单元(初始相位检测装置)16，计数器单元(计数器装置)14;波形发生器单元(波形发生器装置)16和电源单元(电源装置)17。
在这样构成的无刷直流电动机中，下面将详细描述本发明的运行。
首先说明的是永磁转子19连续旋转的情况(位置检测模式)。图2是在一个方向检测电路13的实施例中的电路构成图，其部分的信号波形图由图3表示。
在图2中，D型双稳态触发电路21接收由波形整形电路12所发生的两相方波信号S1，S2。方波信号S1馈入双稳态触发器电路21的数据输入端D，而方波信号S2则馈入时钟输入端CK。
图3(a)表示当永磁转子19以方向旋转时的方波信号S1，S2，图3(b)表示当永磁转子19以反方向旋转时的方波信号S1，S2。D型双稳态触发器电路21在每个住时钟输入端CK上的输入信号前沿把数据输入端D的状态保持，并且从输出端Q发送该状态。
因而，当永磁转子19象图3(a)所示那样以正方向旋转时，D型双稳态触发器电路21的输出Q总是处于高电位状态(下面叫做H状态)。另一方面，当永磁转子19以反方向旋转时，如图3(b)所示那样方波信号S1落后方波信号S290度，则输出Q总是处于低电位状态(下面称为L状态)。
如上面表明的，永磁转子19的旋转方向可以由图2中的方向检测电路13进行检测。即当永磁转子19以正方向旋转时，方向检测电路13的输出的方向信号d处于H状态，而当其以反方向旋转时就处于L状态。
由波形整形电路12发出的方波信号S1和方向检测电路13的方向信号d一起被馈入计数器单元14，从而计数器单元14根据方向信号d对方波形信号S1的脉冲进行递增计数或递减计数。就是，根据永磁转子19的旋转所产生的方波信号S1的脉冲数根据永磁转子19的旋转方向被进行递增计数或递减计数，从而永磁转子19的的旋转量能够由计数器单元14的计数值来获得。不过，计数器单元14的计数值在电源刚刚接通之后的初始状态中是不稳定的，则必须峙赋以一合适的初始计数值Co。
设置初始计数值Co的方法将在图9中相对于相位配合模式运行的说明而进行详细的描述。
图4是本发明的无刷直流电动机的正常旋转的部分信号波形图。
在图4中，e1，e2，e3分别是在定子绕组181，182，183中所感应的电压波形。另一方面，P1，P2，P3是由波形发生单元16所产生的三相位置信号，其被发生成与根据永磁转子19的旋转位置所产生的电压波形e1，e2，e3几乎同相位。位置信号P1，P2，P3是正弦形信号波形，电源单元17在三相上放大位置信号P1，P2，P3功率，正弦形的三相驱动电流i1，i2，i3被加到定子绕组181，182，183的各相上。结果，由三相驱动电流i1，i2，i3而在定子绕组181，182，183中产生旋转磁场，并且由于旋转磁场同永磁转子19的磁极的相互作用而使永磁转子得到旋转力并转动起来。
图5是表示由定子绕组181，182，183所产生的旋转磁场的磁通势矢量同永磁转子19的磁极矢量的相位关系的矢量图。在图5中，φ代表表示永磁转子19的磁极的磁极矢量，I是由定子绕组181，182，183所产生的旋转磁场的磁通势矢量。
图5(a)是表示当永磁转子19以正方向旋转时磁极矢量φ和磁通势矢量I的相位关系矢量图。图5(b)是表示当永磁转子19以反方向旋转时磁极矢量φ和磁通势矢量I的相位关系的矢量图。
磁极矢量通过与磁通势矢量I的相互作用得到一旋转力，并以图5所标明的方向旋转，这里，为了使永磁转子19连续旋转，就需要根据磁极矢量φ的转动量以附图所示方向使磁通势矢量I进行旋转。即磁通势矢量I的相位总是在旋转方向上超前磁极矢量φ的相位90度，并检测磁极矢量φ的转动量，并必须根据该转动量来磁通势矢量。(在矢量图上表示的磁极矢量φ和磁通势矢量I的角度称为由电角表示的角度)。
图6是表示由方向检测电路13，计数器单元14，初始相位检测单元15和波形发生单元16组成本发明的无刷直流电动机的一个实施例的构成图。
在该实施例中，计数器单元14，初始相位检测单元15和波形发生单元16是由计算单元(计算装置)61，存贮器62和D/A转换器(数-模转换装置)63，64，65所组成。计算单元61是根据下述的存贮在存贮器62的ROM(只读存贮器)区域中的专用内部程序来进行工作，接受方波信号S1;方向信号d;由端子161馈入的方向指令md和由端子163馈入的相位配合指令st，通过利用RAM(随机存取存贮器)区域按规定进行计算，由此获得选择的相位值f。因此，根据选择的相位值f，计算单元61参照预先存贮在存贮器62的ROM区域中的一个周期的正弦波的函数表，根据已选择的相位值f决定三相数字位置信号dp1，dp2，dp，从而将它们分别提供给D/A转换器63，64，65。D/A转换器63，64，65分别将三相数字位置信号dp1，dp2，dp3转换成模拟值，从而产生三相位置信号P1，P2，P3。
下面说明存贮在存贮器62的ROM区域中的内部程序。
首先在图7中表示出用于使波形发生单元16的选择器单元(选择装置)进行工作的内部程序的流程图。
在步骤71，由端子163馈入的相位配合指令st进入。然后在步骤72进行处理。
在步骤72，根据在步骤71进入的相位配合指令st的数据，在下一步骤中的选择动作被运行。当相位配合指令st指明相位配合模式时，实施相位配合模式(步骤73)的操作。当相位配合指令st指明相位检测模式时，执行位置检测模的操作(步骤74)。
在步骤73，运行相位配合模式的操作。即，实施初始相位检测单元15的操作和波形发生单元16的位置信号产生单元162的操作，从而检测永磁转子19的位置，同时根据永磁转子19的位置计算初始计数值Co。以后，运行回到步骤71的操作。
在步骤74，执行位置检测模式的操作。即，执行计数单元14的操作和波形发生单元16的位置信号产生单元162的操作，并进行正常旋转和处理。以后，运行返回到步骤71的处理过程。
通过执行这些操作，根据从端子163进入的相位配合指令st来选择相位配合模式操作或者相位检测模式操作。
即，根据相位配合信号st的内容，选择计数器单元14的输出信号(第二相位值)或者初始相位检测单元16的输出信号(第一相位值)，作为位置信号发生单元162的输入，从而通过上述那样的处理实现选择器单元(选择装置)161的操作。
下面通过参照图8所示的基本流程图来说明在正常旋转时被处理的位置检测模式。
在步骤811，在相位配合模式中计算的初始计数值Co作为计数值C的初始值被赋值。即，计数值C作为初始计数值Co的值被赋值。然后，在步骤821进行处理。在步骤811，包括初始值置位部分(初始值置位装置)81。
步骤821等待方波信号S1的脉冲的到达。即，如果脉冲在方波信号S1进入时还没有到达，步骤821的处理重复进行直到脉冲到达为止。当方波信号S1的脉冲到达的时，进行步骤822的处理。
在步骤822，进入方向检测电路13的方向信号d。然后进行步骤823的处理。
在步骤823，当方向信号d是H时，即，当永磁转子19以正方向旋转是时，进行步骤824的处理。当方向信号d是L时，即，当永磁转子19以反方向旋转时，进行步骤825的处理。
在步骤824，计数值C的计数增加1。即，给计数值C加1的值是新的计数值。然后进行步骤831的处理。
在步骤825，计数值C的计数减少1。即，从计数值C减去数值1来得到一个新的计数值C。然后进行步骤831的处理。
这里，计数值增加和减少(计数值增加和减少装置)是由步骤821、步骤822、步骤823、步骤824和步骤825组成，并且方波信号S1的脉冲是根据方向信号d来进行递增计数或递减计数。
在步骤831，端子141的方向指令md进入，当方向指令md是正转指令时，进行步骤832的处理。当方向指令md是反转指令时，进行步骤833的处理。
在步骤832，一个特定值(相应于45至135度，最好是90度的值，作为转换成磁通势矢量I的旋转角度)被加到计数值C上，其和作为第二相位f2发出。然后进行步骤841的处理。
在步骤833，一个特定值(相应于45至135度，最好是90度的值，作为转换成磁通势矢量的旋转角度)从计数值C上减去，以获得第二相位值f2。然后进行步骤841处理。
这里，相位调节单元(相位调节装置)83由步骤831，步骤832和步骤833组成，图1中的第一计数器部分(计数器装置)14的运行是由初始值赋值部分(初始值装置)81、计数值增加或减少单元(计数值增加或减少装置)82和相位调节单元(相位调节装置)83所完成。
在步骤841，为了获得位置信号P1，P2，P3，根据参照布置在存贮器62的ROM区域内一个周期的正弦波函数表来计算三个地址a1，a2，a3。即，位置信号P1，P2，P3的相位每个移相120度(见图4)，从而以下列等式计算三个地址a1，a2，a3a1＝f(2)……(1)a2＝f2+(120)……(2)a3＝f2-(120)……(3)在上述等式中，(120)是相应于120度的特定地址值作为转换成磁通势矢量的旋转角度。然后进行步骤842的处理。
在步骤842，以在步骤841所得到的三个地址值a1，a2，a3为基础，参照存贮在存贮器62的ROM区域中的正弦波函数表，从而获得三相数字位置信号来计算三个地址dp1，dp2，dp3。然后进行步骤843的处理。
在步骤843，在步骤842得到的三相数字位置信号dp1，dp2，dp3被发送给图6所示的D/A转换器63，64，65。在D/A转换器63，64，65中，数字位置信号dp1，dp2，dp3被转换成模拟值，则图4所示的位置信号P1，P2，P3被发出。接着，运行返回到步骤821的处理。
位置信号输出单元(位置信号输出装置)84由步骤841，步骤842和步骤843组成。图1中的位置信号产生单元162由位置信号输出单元(位置信号输出装置)84，存贮器(存贮器装置)62和D/A转换器(数-模器转换装置)63，64，65所组成。进而，波形发生单元16由图7中的选择器(选择装置)161和位置信号发送器162组成。
作为上述处理的结果，对应于永磁转子19的旋转，位置信号P1，P2，P3被发给电源单元17。在电源单元17中，正弦驱动电流i1，i2，i3被加到定子绕组181，182，183中。
即，根据永磁转子19的旋转产生方波信号S1，S2。在方向检测电路13中，由这些方波信号S1，S2，产生对应于永磁转子19的旋转的方向信号d。在计数值增加和减少单元182中，根据方波信号S1和方向信号d增加或减少计数值C。在永磁转子19正转时，计数值C增加;而在永磁转子19反转时，计数值减少。即，计数值C是一个对应于永磁转子旋转量的数值。在波形发生单元16中，作为位置信号P1，P2，P3，相应于计数值C的位置信号被发送。从而，根据与永磁转子19的旋转量所对应的量值，位置信号引起相位旋转。
在该方法中，旋转磁场的磁通势矢量I和永磁转子19的磁极矢量φ总量保持为如图5所示的特定相位差。通过磁通势矢量I和磁极矢量φ的相互作用，永磁转子19得到一个转矩并持续地旋转。
初始值赋值单元81的初始计数值Co是这样一个计数器14的计数值C的数值，以使得当相位调节单元83中的特定地址值是0时磁极矢量φ和磁通势矢量I能够相互重合。在相位配合模式中计算该初始计数值Co。
在另一方面，在相位调节单元15中，根据方向指令md，特定值同计数值C相加或相减以计算第二相位值f2。通过这样的计算，旋转磁场的磁通势矢量I和永磁转子19的磁极矢量φ的相位差可以根据方向指令md被置位成为+90度或-90度的相位差。因而，永磁转子19能根据方向指令md正转或反转。即，通过改变方向指令md，永磁转子19的旋转方向能够容易地变化。
在该方法中，旋转磁场的磁通势矢量I和永磁转子19的磁极矢量φ总是保持为图5所示的900度相位差。通过磁通势矢量I和磁极矢量φ的相互作用，永磁转子19得到一个转矩并持续地旋转。
不过，在初始状态中，例如当电源接通时，计数器单元14的计数值C是不稳定的，而且必须赋以计数值C的初始计数值Co。
下面详细地说明本发明的无刷直流电动机为给计数器单元14设定初始计数值Co和相位配合模式的工作。
图1中的初始相位检测单元15在电源接通时计数值C中不合适的时候，根据施加正向或反向的方向检测电路13的方向信号d来使定子绕组181，182，183中产生的旋转磁场旋转起来，并检测永磁转子19的磁极。
通过参照图9所示的基本流程图来说明当电源接通进或当计数器单元14中的计数值不合适时的相位配合模式的运行。
在步骤91，用于计数永磁转子19的旋转方向变化次数的变量K的初始值D赋值为0。即，变量K的值是0。然后，在步骤921进行处理。
在步骤921，方向检测电路13的方向信号d被输入。然后，进行步骤922的处理。
在步骤922，当方向信号d是H时，即，当永磁转子19以正方向旋转时，进行步骤923的处理。当方向信号d是L时，即，当永磁转子反方向旋转时，进行步骤924的处理。
在步骤923，第一相位值f1的存数减1。即，从第一相位值f1减1的值被作为一个新的第一相位值f1。然后进行步骤931的处理。
在步骤924，第一相位值f1被加1。即，从第一相位值f1加1后的值被赋值作为一个新的第一相位值f1。然后进行步骤931的处理。
这里，相位值增加或减少部分(相位值增加或减少装置)92由步骤921，步骤922，步骤923和步骤924组成。
在步骤931，为了获得位置信号P1，P2，P3，在第一相位值f1的基础上，通过参照放置在存贮器62的ROM区域中的一个周期的部分的正弦波函数表来计算三个地址值a1，a2，a3。即，由于位置信号P1，P2，P3的相位分别相差120度(见图4)，即下列a1＝f1……(4)a2＝f1+(120)……(5)a3＝f1-(120)……(6)并计算三个地址值a1，a2，a3。在上述等式中，(120)是相对于120度的一个特定地址值以作为转换成磁通势矢量的旋转角度。然后进行步骤932的处理。
在步骤932，在步骤931所得到的三个地址值a1，a2，a3的基础上，参照存贮在存贮器62的ROM区域中的正弦波函数表，获得三相数字位置信号dp1，dp2，dp3。然后进行步骤933的处理。
在步骤933，在步骤932得到的三相数字位置信号dp1，dp2，dp3被送给图6所示的D/A转换器63，64，65。在D/A转换器63，64，65中，数字位置信号dp1，dp2，dp3转换成模拟值，并发出图4所示的位置信号P1，P2，P3。然后进行步骤941的处理。
这里，位置信号输出单元(位置信号输出装置)93由步骤931，步骤932和步骤933组成。
在步骤941，输入方向检测电路13的方向信号d。然后进行步骤942的处理。
在步骤942，如果在步骤941输入的方向信号d较以前一个时刻的状态有变化，进行步骤943的处理。当方向信号d不是较以前一个定时状态有改变时，运行返回到步骤921。
在步骤943，首先变量K加1。即，变量K加1的值被赋值作为一个新的变量K。接着，第一相位值f1的值被连续地存贮到对应于变量K的值的存贮区域M[K]中。即，存贮区域M[K]的值被赋值作为第一相位值f1的值。然后，进行步骤951的处理。
这里，相位值存贮部分(相位值存贮装置)94由步骤941，步骤942和步骤943所组成。
在步骤951，变量K的值的大小同一个特定值Kmax进行比较(这里Kmax是一个2或2以上的整数，最好是2)，当变量K的值的大小较大时，进行步骤952的处理。当变量K的值的大小不是较大时，运行返回到步骤921的处理。
在步骤952，以在存贮区域M[n](n＝1，2，…，Kmax)中存贮的值为基础计算初始计数值Co。即，通过计算存贮在存贮区域M[n]中的值的算术平均值，来确定初始计数值Co。更好，计算算术平均值是从排除了初始存贮值M[1]的存贮值的平均数进行计算，从而确定初始计数值Co。最好，初始计数值Co是通过利用存贮值M[2]和M[3]计算算术平均值而得以确定。即，初始计数值Co被确定为Co＝(M[2]+MM[3])/2……(7)然后运行返回到图7中的步骤71的处理。
这里，初始相位计算部分(初始相位计算装置)95是由步骤951和步骤952所组成。
通过用该方法进行处理，永磁转子19的位置能被检测，而且在检测时刻的永磁转子19的转动量能够大大减少。这点将在下面进一步说明。
在上述构成中，当永磁转子19的旋转方向是正向时相位值增加或减少部分92使第一相位值f1减少，而在反向时使第一相位值f1增加。在波形发生单元16中，根据第一相位值f1发出位置信号，从而当磁极矢量φ正转时磁通势矢量I反转，而当磁极矢量φ反转时磁通势矢量I正转。即，磁通势矢量以与永磁转子19的转向相反的方向旋转。
假定磁通势矢量I设有以与永磁转子19的旋转方向相反旋转的特定相位发出，如图10(a)所示，则通过与磁通势矢量I的相互作用磁极矢量φ旋转起来，并最终两个矢量重合在一起。结果，磁极矢量φ的位置被检测。不过，根据它的初始位置，永磁转子19转动180度的最大值(图10(a))。在本发明的实施例中，磁通势矢量I是以与永磁转子19的旋转方向相反的方向旋转。因此，借助磁极矢量φ的微小转动而使磁通势矢量I和磁极矢量φ在相位上配合起来。该模式是由图10(b)所示。即，通过使磁通势矢量I以与磁极矢量φ的旋转方向相反的方向旋转，当磁极矢量φ的转动量小的时候磁极矢量φ和磁通势矢量I被配合起来，从而能够在磁极矢量φ的转动量的极小状态中来检测磁极矢量φ的位置。
通过上述处理，如果永磁转子19上有负载转矩，永磁转子19的位置能够以高精度检测。这点将在下面进一步说明。
假定磁通势矢量I是以一特定相位产生。当永磁转子19的负载转矩不是零时，磁通势矢量I和磁极矢量φ没有配合，从而根据负载转矩的大小保持为一个相位角θ。相位偏离方向如下当永磁转子19以正方向旋转时，如图11(a)所示，磁极矢量φ在反方向上偏离磁通势矢量I一个角度θ，而当永磁转子19以后反方向旋转时，如图11(b)所示，磁极矢量φ在正方向上偏离磁通势矢量I一个角度θ。
因而，当永磁转子19加载时，仅仅旁路到定子绕组的特定相位电流，永磁转子19的位置不能精确地检测。
在本发明的实施例中，通过根据永磁转子19的旋转方向以正方向或反方向旋转并驱动磁通势矢量I，就计算出与永磁转子19的位置相对应的初始计数值Co。因而，永磁转子19的位置能够以高精度检测。这里将在下面进一步说明。
在该构成中，磁通势矢量I以与永磁转子19的旋转方向相反的正方向旋转。此外，每当永磁转子19的旋转方向变化，第一相位值f1就被存贮到相位值存贮单元94中。图11(a)表示出在旋转方向的第j次变化时刻的磁通势矢量I和磁极矢量φ的模式。在图11(a)中，磁极矢量φ逆时针旋转，通过与磁通势矢量I的相互作用而得到顺时针旋转的转矩，并且表示出旋转方向变成顺时针旋转的瞬间。在旋转方向的第j+1次(第j次之后)变化，图11(b)表示出磁通势矢量I和磁极矢量φ的模式。在图11(b)中，磁极矢量顺时针旋转，通过与磁通势矢量I的相互作用而得到逆时针旋转的转矩，并表示出旋转方向变成逆时针旋转的瞬间。假定在这里与磁极矢量φ的位置相对应的第一相位值f1的值是θo，与图11(a)中磁通势矢量I和磁极矢量φ的相位角相对应的第一相位值f1的值是θj，及与图11(b)中磁通势矢量I和磁极矢量φ的相位角相对应的第一相位值f1的值是θj+i，存贮值M[j]如下M[j]＝θO+θjM[j+1]＝θO-θj+1……(8)其中j是一个正奇数。
相位值计算单元95进行计算，得出Co＝(M[2]+M[3])/2＝((θO+θ2)+(θO-θ3))/2＝θO+(θ2-θ3)/2 ……(9)通过重复永磁转子19的反向操作，相位角θj的大小和相位角θj+1的大小几乎相等。因此，就有
θ2＝θ3……(10)从而就有Co＝o……(11)这样，就获得了计数器单元14的初始计数值Co。
此外，由于初始计数值Co是由永磁转子19在正向或反向上旋转时的第一相位值f1的存贮值M[K](K＝1，2，…，Kmax)所计算，如果负载转矩增加，只有等式(8)或(9)中的θj或θj+1的大小增加，通过等式(9)的计算就可以消除负载转矩的作用。
而且，在实施例中，特别是通过利用相位值存贮单元94的存贮值M[2]和M[3]来计算初始计数值Co。由于存贮值M[1]的值大大依赖于磁极矢量φ和磁通势矢量I的初始相位差，如果在初始计数值Co的计算中包括存贮值M[1]，如果有一个很大的初始相位差就会在磁极矢量φ的位置检测中产生很大的误差。此外，当使用存贮值M[4]之后的值时，特定值Kmax必须赋以一个大值。在这种情况下，就需要永磁转子19的许多翻转作用，从而相位配合时间就大大延长了。在该实施例中，通过使用存贮值M[2]和M[3]，位置检测精度的提高和相位配合时间的缩短就都实现了。
通过利用多个存贮值也能够提高位置检测精度。
通过相位配合模式这样操作，甚至能够刷永磁转子19的小转动量来检测计数器14的初始计数值。甚至当转子19加载时，都能高精度地检测永磁转子19的位置。
此外，在永磁转子19的旋转停止的时候，通过在计数器单元14中保持计数值，就没有必要在重新开始运转时再次进行相位配合，从而能够在短时间内起动。不过，甚至在永磁转子19的旋转停止的时候通过允许频率发生器发出信号，如果永磁转子19在停止期间由外部因素旋转起来，计数器单元14中的计数值根据旋转被校正，从而除了在接通电源时之外就没有必要进行相位配合。
这样，由于本发明的无刷直流电动机在频率发生器所产生的两相有相位差的频率信号的基础上产生三相位置信号，就没有必要使用位置传感器如霍尔传感器。
同时，在实施例所涉及的存贮装置62中，通过在存贮器中只存贮一个周期的正弦波函数表，地址值由不同的相位部分改变并参照函数表，从而三相位置信号被发给图6所示的三个D/A转换器63，64，65。不过，不用说，只用一个D/A转换器也能够连续地转换成模拟值，把所得到的模拟值保持在三个取样保持电路中，从而产生为三相位置信号。而且，取代在存贮器中只存贮一个周期正弦波的函数表，不用说，能够在单独的函数表中存贮三相正弦波，从而在三个D/A转换器63，64，65中直接产生与三相位置信号相对应的数字信号。在位置配合模式中，磁通势矢量I的转速几乎是恒定的，但该转速也是可以变化的。况且，在实施例中，使用了一个三相电动机，但事实上，相数并不限于三相。在不违背本发明的实质情况下各种其它的构型都是可能的。
权利要求
1.一种无刷直流电动机，包括一个具有多个磁极的转子；具有放置在相对转子的特定气隙中的多相定子绕组；用于根据转子的旋转而产生表示转子旋转状态的多相传感器信号的传感器装置；用于从多相传感器信号来检测转子旋转方向并产生方向信号的方向检测装置；用于根据方向信号发出一个第一相位信号，并用于检测与转子位置相对应的初始计数值的初始相位检测装置；用于在其中赋以对应于初始计数值的初始值，根据至少一个传感器信号和方向信号增加或减少计数数值，并产生一个第二相位信号的计数器装置；用于根据第一相位信号或第二相位信号产生多相位置信号的波形发生装置；以及用于根据多相位置信号来给定子绕组供电的电源装置。
2.根据权利要求1的无刷直流电动机，其中初始相位检测装置包括用于根据方向信号增加或减少第一相位信号的相位信号增加或减少装置;用于根据方向信号的变化存贮多个第一相位信号的相位信号存贮装置;以及用于从至少两个存贮在相位值存贮装置中的第一相位信号来计算初始计数值的初始相位计算装置;
3.根据权利要求1的无刷直流电动机，其中波形发生装置包括用于选择第一相位信号或第二相信号以得到被选择的相位信号的选择装置;和用于根据被选择的相位信号来产生多相位置信号的位置信号产生装置。
4.根据权利要求3的无刷直流电动机，其中位置信号产生装置包括具有在其中预先存贮正弦信号的存贮器装置;用于根据被选择的相位信号而获得存贮在贮器装置中的多相正弦信号的位置信号输出装置;及用于从由位置信号输出装置获得的多相正弦信号产生多相位置信号的装置。
5.根据权利要求4的无刷直流电动机，其中存贮器装置具有预先存贮在内的一周期或1/2周期或1/4周期的正弦信号。
6.根据权利要求1的无刷直流电动机，其中计数器装置包括用于根据初始计数值赋以初始值的初始值赋值装置;用于根据至少一个传感器信号和方向信号增加或减少计数值的计数值增加或减少装置;和用于根据旋转方向指令把计数值增加或减少装置的计数值同一个特定值相加或相减的相位调节装置。
7.根据权利要求6的无刷直流电动机，其中相位调节装置根据旋转方向指令通过加或减计数值增加或减少装置的计数值而使定子绕组所产生的旋转磁场旋转一个相位，到离永磁转子的磁极相位90度的电角度。
8.根据权利要求1的无刷直流电动机，其中传感器装置在转子还停止的时候产生一个表示转子状态的传感器信号。
9.根据权利要求1的无刷直流电动机，其中初始相位检测装置只是当电源接通时才工作。
10.根据权利要求1的无刷直流电动机，其中初始相位检测装置通过使定子绕组中产生的旋转磁场在正或反方向上摆动，检测对应于转子位置的初始计数值。
11.根据权利要求1的无刷直流电动机，其中计数器装置、初始相位检测装置和波形发生装置的工作是由包括下列部分的计算装置完成的用于存贮特定处理程序的存贮器装置;和用于根据特定处理程序来执行处理的计算装置。
全文摘要
无刷直流电动机包括多极转子；相对转子布置在气隙的多相定子绕组；根据转子旋转产生表示转子转态的多相传感器信号的传感器；从传感器信号检测转子转向发出方向信号的方向检测器；根据方向信号发出第一相位信号产生对应转子位置的初始计数值的初始相位检测器；赋以相对初始计数值的初始值，根据传感器信号和方向信号增减计数值发出第二相位信号的计数器；根据第一或第二相位信号产生多相位置信号的波形发生器，根据位置信号给定子绕组供电的电源。
文档编号H02P6/18GK1076813SQ93102689
公开日1993年9月29日 申请日期1993年2月10日 优先权日1992年2月10日
发明者上田英司, 稻治利夫 申请人:松下电器产业株式会社