CN101501968A - 电动机电流整形 - Google Patents

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CN101501968A CNA2006800134565A CN200680013456A CN101501968A CN 101501968 A CN101501968 A CN 101501968A CN A2006800134565 A CNA2006800134565 A CN A2006800134565A CN 200680013456 A CN200680013456 A CN 200680013456A CN 101501968 A CN101501968 A CN 101501968A
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Abstract

公开了一种用于生成被施加到电动机中的线圈的驱动信号的方法和设备。在换向事件和紧跟着的线圈被激励时的换向事件之间的周期(换向周期)期间施加该驱动信号。该驱动信号包括在换向周期的持续时间内变化的脉冲。

Description

电动机电流整形
相关申请的交叉参考
本发明涉及以下共同拥有的申请:于2000年4月21日提交的第09/556,717号美国申请,现发布于2003年8月26日的第6,611,117号美国专利以及于2022年6月20日提交的第10/175,654号美国申请,现发布于2004年10月5日的第6,801,004号美国专利,其全部内容结合于此作为参考。
背景技术
本发明总体上涉及电动机以及在电动机运行中产生的噪声的处理。更具体的说,本发明涉及在无刷DC(直流)电动机中的噪声处理以及特别是整形在无刷DC电动机中用来激励线圈的信号。
无刷DC电动机的基本结构包括被一定数量的线圈绕组(定子线圈)所围绕的一个(或多个)旋转永磁体(永磁体转子)。使电流以顺序的方式流过每个线圈,因此顺序地激励线圈。由通过线圈的电流的流动产生的磁场与转子的磁体相互作用。通过改变在线圈中的电流,由于永磁体转子的磁极改变角坐标,转动产生。改变电流的过程被称为“换向”。在一个线圈或多个线圈被激励的时间周期通常被称为“换向周期”。
电动机的速度被通过流过线圈绕组(激励线圈)的电流的多少所控制。激励线圈的一种方法是对于换向周期的持续时间施加恒定电压跨越线圈。激励线圈的另一种方法是对于换向周期的持续时间施加脉冲系列跨越线圈。
为了实现在旋转速度上的变化,施加到线圈的电压电平被改变。在一种情况下,所施加的跨越线圈的恒定电源电压的电压电平可以被改变。因此,最大旋转速度可以通过以电源电压的最大值Vmax激励线圈而获得。较低的旋转速度(比如说,50%)可以通过以0.5Vmax的电压电平激励线圈而实现。
更普遍使用且省电的方法是用脉宽调制(PWM)信号来激励线圈。因此,在换向周期中电源电压的电压Vmax作为脉冲系列被施加。占空比(ON与OFF的比值)决定电动机的速度。例如,最大速度要求100%占空比,即,一直通。75%的速度将要求大约75%的占空比,其中脉冲对于75%的脉冲周期是在Vmax而对于剩下的25%的脉冲周期是接地(0伏)。
图6和7示出在持续时间P的换向周期期间通过线圈的电流。图6示出当线圈被恒定电压源激励时的电流图。可以看到,在靠近交换周期的末端,有电流尖峰。这一电流尖峰是由于在交换周期的末端当电压被去除时线圈中的磁场消逝(也称作反向EMF,电动势)。
类似的效应可见PWM被用来激励线圈的图7。在靠近交换周期的末端当激励脉冲被去除时导致在交换周期的末端类似的尖峰效应。
这些尖峰会产生听得见的噪声。更重要地,尖峰可以是EM干扰(EMI)源。传统的解决方法包括使用电路来过滤在风扇电动机运行中导致的尖峰,或者其他方法来减少尖峰效应。
发明内容
本发明提供了一种方法以及设备,用于控制在换向周期中施加到电动机线圈的驱动信号。驱动信号包含多个脉冲。对于换向周期的持续时间,脉冲被改变,并且通过这样做,在电动机运行中实现了噪声减少。本发明还通过当线圈被驱动信号激励时,在换向周期中驱动信号的适当控制,提供了噪声处理。
附图说明
本发明的各个方面、优势、以及新颖的特点将在下面呈现的本发明的描述以及附图中变得明显,其中:
图1示出了根据本发明的可操作的无刷DC电动机以及控制器的简化的框图;
图2示出了图1中所示的无刷DC电动机的原理图;
图3示出了描述根据本发明的图1和2中所示的无刷DC电动机的换向的流程图;
图4示出了用于激励定子线圈的传统驱动信号;
图5A-5C显示根据本发明的用于激励定子线圈的驱动信号波形的实例;
图6示出根据传统技术穿过被激励的线圈的电流图;以及
图7示出了根据另一种传统技术穿过被激励的线圈的电流图。
具体实施方式
尽管本发明容易适应于任意的无刷直流电动机配置,但为描述本发明具体的说明性的实施例,申请人的无刷直流电动机风扇设备将用作方便的运载工具(vehicle)。特别的,在申请人的美国专利号6,611,117中披露的电机设备将在此被描述。
图1和2分别示出根据本发明一个实施例总体上被标注为100的无刷直流电动机的简化框图以及原理图。电动机100包括具有输出12的霍尔传感器10;具有互补输出30和40的微控制器20;定子线圈50;以及开关SW1和SW2。在图1所示框图中,开关SW1和SW2包括在全桥驱动阶段同时导通的两个开关。在图2所示原理图中,图1中的开关SW1和SW2被表示为开关60和70或者开关80和90。在根据本发明的优选实施例中,霍尔传感器10包括工业零件号UA3175的装置而微控制器20包括工业零件号12C671的装置。
对于示于图1和2中的无刷直流电动机的一种应用是用于冷却电子电路类型的风扇中。这样的无刷直流风扇,也就是说由无刷直流电动机驱动的风扇,进一步包括安装在叶轮机架(没有示出)上的叶轮。如图1和2所示,当电流通过上部的开关SW170,通过定子线圈50,并且通过下部的开关SW160或通过上部的开关SW290,通过定子线圈50,并且通过下部的开关SW260时,导致风扇叶轮旋转。
叶轮机架包含构成无刷直流风扇的永磁体转子的永磁体。霍尔传感器10探测当无刷直流风扇的叶轮(以及因此的永磁体转子)旋转时所产生的磁场状态的变化。当叶轮到达旋转极限,霍尔传感器10探测无刷直流风扇的磁场状态的变化,并且霍尔传感器的输出12改变其逻辑状态。为了下面讨论的目的,这种事件被称为霍尔中断。
霍尔传感器10的输出12被提供给微控制器20,并且微控制器20的输出30和40的状态是霍尔传感器10的输出12的函数。因此,根据本发明的实施例,只要微控制器20感应到霍尔传感器10的输出12的改变,则根据本发明微控制器20改变其输出30和40。在图3的流程图中讨论了微控制器20操作的其他细节。本领域的技术人员应该理解,微控制器20的输出30和40与霍尔传感器10的输出12的状态之间的特定关系可以被适当的修改从而符合任意给定的无刷直流电动机或风扇的要求。
图3解释了根据如图2中所示本发明实施例的电动机100的操作。更具体地说,根据本发明实施例,微控制器20根据软件程序指令改变其输出30和40的状态,其中软件程序指令根据本领域众所周知的技术执行并且在这里将不再描述。在本发明的一个实施例中,微控制器20依照图3所示流程图300中被突出显示的步骤,通过执行软件程序指令来实现无刷直流电动机的换向。
图3示出了根据本发明具体实施例的微控制器20的运行。在步骤302中,速度选择被执行。在典型的计算机风扇构造中,系统(计算机风扇在其中运转)提供其自己的PWM驱动信号(对于风扇,也被称为外部或系统提供的PWM驱动信号)以操作风扇电动机。系统提供的驱动信号的占空比控制风扇速度。在本发明中,微控制器20探测系统提供的驱动信号并且基于引入的驱动信号的占空比确定期望的风扇速度操作。当然,应该理解任意数量的可选技术可用于选择电动机速度。例如,可提供数据接口,其中,电动机在其中运行的外部系统可以发送表明电动机速度的数字信息。
在步骤304中,换向周期至少基于速度选择被确定。电动机的物理尺寸可以被制成对于微控制器20是可用的。换向周期可以基于电动机的速度选择(例如,每分钟的旋转)、物理尺寸(例如,转子直径)以及设计参数(例如,极数)被容易地计算出来。换向周期表明在换向必须被执行前,一个或多个定子线圈将被激励的时间量。
在步骤306中,微控制器20选择初始占空比值以及定时器值。这里,在步骤304中被确定的换向周期可以被分成两个或更多个子周期。例如,在本发明的一个具体实施例中,换向周期被分成在图5A中所示的时间的三个子周期。此图示出持续时间的三个子周期s1,s2和s3。然而,应该理解换向周期可以分成更多(或更少)数量的子周期。子周期可以具有不同持续时间(例如见,图5B)。对应于第一个子周期,定时器值被选择。同样,初始占空比值被选择或另外被确定。
在步骤308中,微控制器20用在步骤306确定的初始定时器值设定定时器。接下来,在步骤310中,微控制器20生成具有等于、或者至少基于来自步骤306的初始占空比值的占空比的脉冲。
在判定步骤312中,如果在步骤308设定的定时器时间到,则过程继续至另一判定步骤316。定时器时间到,表明换向子周期的结束。在步骤314中进行判定是否最后的子周期已经终止。适合的计数器或某个其他类似的机械装置可以被用于记住有关换向子周期数以及哪个子周期有效以及其他的可能被需要的信息。如果判定了换向周期的最后的子周期已经终止,则换向在步骤318中被执行。最后子周期的终止表明换向周期已经结束并且换向应该被执行。
如果子周期不是最后的换向子周期(即,判定步骤314的NO分支),则过程继续至步骤316。这里,对于在下个换向子周期生成的脉冲,新的或调整过的占空比值被选择。根据本发明的实施例,新的占空比值从前一值减少了一定数量。例如,在一个具体实施例中,新的占空比值比前一占空比值少了初始占空比值的四分之一;因此,
Dnew=Dprevious-0.25×Dinitial.
除了对于下个换向子周期调整占空比,下个子周期的定时器值可能也需要调整。在每个换向子周期的持续时间相等的情况下,定时器值不需要重设。然而,如上所讨论的,本发明的一个实施例可使用变化持续时间的子周期。在这种情况下,对于下个换向子周期的持续时间,定时器值需要重新设定。
从步骤316,过程通过返回至步骤308继续。在那里,可能以新的定时器值重设定时器,并且过程以调整过的占空比值如上所论述的继续进行。因此,对于每个换向子周期,步骤308到316被重复。可以看到在换向周期中占空比变化。通过适当地选择占空比值,由于在换向周期的末尾在定子线圈中的反电动势产生的噪声可以被充分减少。
现在参考图4,5A,以及5B。这些图示出跨越电动机中定子线圈的电压图。图4示出施加到线圈的传统的PWM驱动信号。第一换向周期Pc1中,驱动信号包括若干施加到线圈的给定占空比的脉冲(图示为三个)。在稍后的时候,在另一个换向周期Pc2期间,包括第二组驱动脉冲的另外的驱动信号被施加到线圈。就现有技术所理解,在换向周期中包括驱动信号的脉冲的占空比必须恒定。
然而,根据本发明,脉冲占空比对于换向周期的持续时间变化。图5A示出本发明此方面的说明性实例。此图在延伸的时间比例上示出了在持续时间Pc的单个换向周期中用于激励线圈的驱动信号,以及包括驱动信号的脉冲。换向周期被显示为分成每个持续时间为s1,s2,和s3的三个子周期。在靠近换向周期开始的第一子周期(s1)中施加到线圈的脉冲具有的占空比为D1。在第二子周期(s2)中施加到线圈的脉冲具有占空比为D2<D1。最后,在靠近换向周期末端的第三子周期(s3)中施加到线圈的脉冲具有的占空比为D3<D2。即,占空比在换向周期中变化。
图5A示出子周期具有相等的持续时间;因而,s1=s2=s3。图5B示出换向周期可以被分成其中持续时间不等的子周期,例如,s1≠s2≠s3。另外,图5B(和5A)示出脉冲的脉宽(P1,P2,P3)是相等的。
在本发明的初始执行中,换向周期被分为四个子周期。在后面的子周期中脉冲的占空比被减少了原始占空比值的1/4。在最后子周期中的最终脉冲被消除。由前面的叙述,可以理解本发明教导在换向周期期间施加到定子线圈的驱动信号的组成脉冲可以以多种方式变化。
例如,换向周期可以被分成任意数量的子周期。每个子周期可以具有相等的持续时间,或者每个子周期可以具有不同的持续时间。微控制器20可以被使用已知编程技术编程以执行本发明的这种方面。
微控制器20可以被编程,以逐渐减小在换向周期的持续时间的驱动信号的组成脉冲的占空比。因此,靠近换向周期开始的脉冲可以具有比靠近换向周期末端的脉冲的占空比大的占空比。总之,在换向周期中施加到定子线圈的驱动信号的组成脉冲的占空比可以被改变。
除了改变占空比,在换向周期中组成脉冲的周期(脉冲周期)可以被改变。周期变化脉冲的占空比可以保持在恒定的占空比上。图5C示出本发明的此方面,其中周期P1至Pn可以不同。可选地,在换向周期的过程中脉冲的周期和占空比都可以改变。
在常规系统中,当期望特定的电动机速度时,驱动信号的占空比被适当地选择并且在该线圈的换向周期中施加到此线圈。换句话说,在线圈正在被激励的时间,施加到线圈的驱动信号的组成脉冲具有至少是基于期望的速度设定所确定的占空比。占空比被选择使得换向周期的持续时间所施加的跨越线圈的平均电压等于对应于期望的电动机速度的值。
注意到同样的约束适用于根据本发明生成的驱动信号。根据本发明,对于换向周期的持续时间,组成脉冲根据其占空比、子周期数、脉冲周期、或这些参数的某种组合而变化。然而,用于选择占空比以及/或者脉冲周期的变化的参数要以在换向周期中对于期望的电动机旋转速度是适合的总平均电压为约束来被选择。
根据本发明通过操作电动机,噪声处理方式可以被提供。根据本发明通过驱动定子线圈,在操作中由电动机产生的噪音可以被减少。即,对于每个定子线圈,当在其换向周期期间定子线圈被驱动时,根据本发明驱动信号被生成并施加到此线圈。反电动势的减少导致噪声以及电磁干扰相应的减少。

Claims (26)

1.一种用于驱动电动机的方法,包括生成用于激励包括所述电动机的线圈的驱动信号以及在第一换向周期期间用所述驱动信号激励所述线圈,所述驱动信号包括多个组成脉冲,某些所述组成脉冲不同于其他所述组成脉冲。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,所述组成脉冲的占空比在所述第一换向脉冲的持续时间期间变化。
3.根据权利要求1所述的方法,其中,所述组成脉冲的占空比在所述第一换向脉冲的持续时间期间减小。
4.根据权利要求1所述的方法,其中,靠近所述换向周期开始的所述组成脉冲的占空比大于靠近所述换向周期末端的所述组成脉冲的占空比。
5.根据权利要求1所述的方法,其中,所述换向周期被分成两个或更多个子周期,每个子周期中的脉冲不同于另外的子周期中的脉冲。
6.根据权利要求1所述的方法,其中,在时间上迟于其他所述组成脉冲的那些所述组成脉冲具有较短的持续脉冲宽度。
7.根据权利要求1所述的方法,其中,靠近所述换向周期开始的所述组成脉冲的所述脉冲宽度在持续时间上长于靠近所述换向周期末端的所述组成脉冲的所述脉冲宽度。
8.根据权利要求1所述的方法,其中所述组成脉冲的所述脉冲宽度在持续时间上从所述换向周期开始到所述换向周期末端逐渐变得更短。
9.根据权利要求1所述的方法,其中所述电动机是无刷直流电动机。
10.一种根据权利要求1所述的方法来操作风扇电动机的方法。
11.一种风扇,包括电动机和用于生成驱动信号以操作所述电动机的控制器,所述控制器可操作以根据权利要求1所述的方法生成驱动信号。
12.一种用于处理在操作风扇期间生成的噪声的方法,所述风扇包括无刷直流电动机,所述方法包括生成驱动信号以激励包括所述无刷直流电动机的定子线圈,其中,所述驱动信号被整形以避免在所述定子线圈中生成电流尖峰。
13.根据权利要求12所述的方法,其中,所述驱动信号包括多个脉冲,其中,对于在线圈被激励的时间周期中被施加到所述线圈的第一驱动信号,包括所述第一驱动信号的脉冲的占空比改变。
14.根据权利要求13所述的方法,其中,在所述时间周期期间所述占空比的值减小。
15.根据权利要求12所述的方法,其中,所述驱动信号包括多个脉冲,其中,对于在线圈被激励的时间周期中被施加到所述线圈的第一驱动信号,包括所述第一驱动信号的脉冲的脉冲周期改变。
16.根据权利要求15所述的方法,其中,包括所述第一驱动信号的所述脉冲的占空比除了所述脉冲周期之外变化。
17.一种用于操作风扇电动机的方法,包括在第一换向周期中激励所述风扇电动机的线圈,包括生成多个组成脉冲,某些在所述第一换向周期中被生成的所述组成脉冲具有不同于在所述第一换向周期中被生成的其他所述组成脉冲的占空比。
18.根据权利要求17所述的方法,其中,在时间上被生成较晚的那些所述组成脉冲具有比较早生成的组成脉冲较小的占空比。
19.根据权利要求17所述的方法,其中,在靠近所述第一换向周期开始被生成的所述组成脉冲的所述占空比大于在靠近所述第一换向周期末端被生成的所述组成脉冲的所述占空比。
20.根据权利要求17所述的方法,其中,所述组成脉冲的所述占空比在从所述第一换向周期开始到所述第一换向周期末端的持续时间期间逐渐变得更短。
21.根据权利要求17所述的方法,其中,所述脉冲的脉冲周期在从所述第一换向周期开始到所述第一换向周期末端的持续时间期间逐渐变得更短。
22.根据权利要求17所述的方法,其中,所述电动机是无刷直流电动机。
23.一种风扇,包括风扇电动机和用于生成驱动信号来操作所述风扇电动机的控制器,所述控制器可操作以根据权利要求17所述的方法生成驱动信号。
24.一种操作无刷直流电动机的方法,包括:
生成脉宽调制(PWM)信号以在第一换向周期期间激励包括所述无刷直流电动机的多个线圈中的第一线圈,所述PWM信号的持续时间基本上等于所述第一换向周期;以及
在所述第一换向周期期间通过施加所述PWM信号到第一线圈来激励所述第一线圈,
其中,所述PWM信号在所述第一换向周期期间具有非恒定的占空比。
25.根据权利要求24所述的方法,其中,所述PWM信号包括多个组成脉冲,其中,所述组成脉冲的占空比不全相等,由此,在所述第一换向周期期间所述第一线圈被不同占空比的脉冲激励。
26.一种用于操作包括至少第一线圈的无刷直流电动机的方法,所述方法包括在换向周期期间激励所述至少第一线圈,其中,所述激励包括将PWM信号施加到所述至少第一线圈,其中,所述PWM信号的占空比在所述换向周期期间变化。
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