CN101299582A - 准确的电机速度控制 - Google Patents

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CN101299582A CNA2008100947082A CN200810094708A CN101299582A CN 101299582 A CN101299582 A CN 101299582A CN A2008100947082 A CNA2008100947082 A CN A2008100947082A CN 200810094708 A CN200810094708 A CN 200810094708A CN 101299582 A CN101299582 A CN 101299582A
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Abstract

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。

Description

准确的电机速度控制
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电压来进入查找表，所述查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＝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。
附图说明
并入本说明书中且形成本说明书的一部分的附图说明本发明的实施例，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110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114b和接地端子116b。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116c。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112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4.8MHz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，所述查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。如果已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电压来进入查找表，所述查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。

Claims (20)

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RT＞DRT，那么递减发送到PWM电路的控制信号的值，且如果RT＜DRT，那么递增发送到所述PWM电路的所述控制信号的值。
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，且确定是否已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电压来存取查找表，所述查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。
13.一种无刷直流(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查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，其中所述查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，且使用查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。
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