CN101799019A - 电机控制系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种电机控制系统。一种实施方式提供了一种用于风扇的控制系统，其包括位于用于风扇的风扇壳体的外面的控制壳体。所述控制壳体中有至少一个风扇控制模块，并且，所述至少一个风扇控制模块通过至少一根电线来与所述风扇壳体中的端子远程通信。所述至少一个风扇控制模块包括探测模块。所述探测模块在不接收来自所述风扇壳体中的传感器的信号的情况下，通过所述至少一根电线来探测所述风扇壳体中的多个定子线圈中的至少一个上的感应电压。

Description

电机控制系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2008年11月13日提交的美国临时申请第61/114,168号的权益。上述申请的公开通过引用在此全部并入。
技术领域
本公开涉及电机，且尤其涉及风扇电机控制系统和方法。
背景技术
在此提供的背景描述以对本公开内容提供一般性说明为目的。当前列出的发明人的工作，在此工作已在此背景部分中进行描述的程度上，以及本描述中不应被认定为申请日之前的现有技术的方面，无论是以明确或隐含的方式均不被视为相对于本公开的现有技术。
冷却风扇组件可提供气流以驱散电子元件产生的热量。冷却风扇组件可包括通过转子驱动风扇叶片的电机。传统的冷却风扇组件包括装配在电机内的印刷电路板(PCB)。风扇控制模块和霍尔效应传感器(Hall-effectsensor)装配在PCB上以控制所述电机。
现在参考图1，冷却风扇系统100包括装配在电机102上的PCB 101。电机控制模块104装配在PCB 101上。多根电线105可通过PCB 101上的端子106将PCB 101电连接到主设备(没有示出)。主设备的一个例子是个人计算机。
电机102可包括二相无刷直流(DC)电机。电机102可包括4个定子极：极A1 107、极A2 108、极B1 110以及极B2 112。每个定子极绕有定子线圈114。极A1 107和极A2 108可统称为“极对A”。极B1 110和极B2 112可统称为“极对B”。
电机控制模块104可向极对A的定子线圈114施加电压和/或电流，以在极A1 107和极A2 108之间产生磁场。向极对A的定子线圈114施加电压和/或电流可称为“驱动相A”。电机控制模块104可向极对B的定子线圈114施加电压和/或电流，以在极B1 110和极B2 112之间产生磁场。向极对B的定子线圈114施加电压和/或电流可称为“驱动相B”。
电机102包括转子116。转子116可包括至少一个永久磁体。电机控制模块104可驱动相A和/或相B，以绕轴118启动转子116。轴118可将转子116机械地耦合到风扇120。虽然图1中的转子116在定子极107、108、110、112之间转动，但电机102可包括围绕定子极107、108、110、112的转子。
电机控制模块104可在驱动相A和驱动相B之间转换，以启动转子116。可在PCB 101上装配至少一个霍尔效应传感器122，以提供关于转子116的转动的指示。例如，当转子116的磁极经过霍尔效应传感器122时，霍尔效应传感器122可产生脉冲。电机控制模块104可基于来自霍尔效应传感器122的脉冲来确定转子116是否在转动。
发明内容
一种用于风扇的控制系统，其包括位于用于风扇的风扇壳体的外面的控制壳体。所述控制壳体中有至少一个风扇控制模块，所述至少一个风扇控制模块通过至少一根电线来与所述风扇壳体中的端子远程通信。所述至少一个风扇控制模块包括探测模块。所述探测模块在不接收来自所述风扇壳体中的传感器的信号的情况下，通过所述至少一根电线来探测所述风扇壳体中的多个定子线圈中的至少一个上的感应电压。
在其他特征中，所述控制壳体对应于连接器。所述连接器与位于所述连接器和风扇壳体的外面的主设备控制模块通信。所述风扇壳体位于所述连接器的外面。所述感应电压对应于反电动势。所述至少一个风扇控制模块还包括速度控制模块。所述速度控制模块基于所述感应电压来提供信号，以调节所述风扇壳体中的转子的转动速度。所述至少一个风扇控制模块还包括功率控制模块，所述功率控制模块基于来自所述速度控制模块的信号而有选择地向多个定子线圈提供功率信号。
在其他特征中，所述探测模块探测所述多个定子线圈中的至少一个中的反电动势。当所述多个定子线圈中的至少一个没有接收所述功率信号中的一个时，所述探测发生。所述至少一根电线对应于第一电线和第二电线。所述第一电线连接到第一端子和第二端子。所述第二电线连接到第三端子。
在其他特征中，风扇系统包括控制系统，并且还包括风扇叶片。所述风扇壳体上无传感器。所述风扇壳体容纳风扇电机。所述风扇电机包括端子和定子。所述定子包括用多个定子线圈分别缠绕的N个极。所述多个定子线圈中的每一个与所述端子中的每一个通信。所述转子响应于所述功率信号而转动。所述风扇叶片基于所述转子的转动而转动。N是大于1的整数。
在其他特征中，所述至少一根电线在不与介入的印刷电路板(intervening printed circuit board)通信的情况下，直接与所述接线端中的一个通信。所述风扇壳体和所述风扇叶片基于不含所述介入的印刷电路板的所述定子和所述转子的尺寸来裁定尺寸。所述系统还包括无传感器的印刷电路板。所述至少一根电线通过所述无传感器的印刷电路板与所述端子中的一个通信。所述风扇电机包括单相无刷直流电机、二相无刷直流电机以及三相无刷直流电机中的至少一个。
除本申请权利要求书中要求保护的本发明的第一至第十三技术方案之外，本发明的第十四技术方案提供了一种用于操作用于风扇的控制系统的方法，其包括通过至少一根电线进行从控制壳体到用于风扇的风扇壳体中的端子的通信，其中所述控制壳体位于所述风扇壳体的外面，并且其中，所述控制壳体远离所述风扇壳体。所述方法还包括在不接收来自所述风扇壳体中的传感器的信号的情况下，通过所述至少一根电线来探测所述风扇壳体中的多个定子线圈中的至少一个上的感应电压。
根据本发明的第十五技术方案，本发明第十四技术方案的方法还包括进行从所述控制壳体到主设备控制模块的通信，其中，所述控制壳体对应于连接器，其中，所述主设备控制模块位于所述连接器和所述风扇壳体的外面，并且其中，所述风扇壳体位于所述连接器的外面。
根据本发明的第十六技术方案，本发明第十四技术方案的方法还包括基于所述感应电压来提供信号，以调节所述风扇壳体内的转子的转动速度，以及基于所述信号来有选择地给所述多个定子线圈提供功率信号。
根据本发明的第十七技术方案，本发明第十六技术方案的方法还包括当所述多个定子线圈中的至少一个没有接收所述功率信号中的一个时，探测所述多个定子线圈中的所述至少一个上的反电动势。
根据本发明的第十八技术方案，本发明第十六技术方案的方法还包括响应于所述功率信号来转动所述转子，其中，风扇叶片基于所述转子的转动而转动。
根据本发明的第十九技术方案，本发明第十八技术方案的方法还包括：所述风扇壳体和所述风扇叶片基于不含所述风扇壳体内的印刷电路板的所述定子和所述转子的尺寸来裁定尺寸。
根据本发明的第二十技术方案，本发明第十四技术方案的方法还包括在不需要物理进入所述风扇壳体的情况下，物理进入所述控制壳体。
根据详细描述、权利要求以及附图，本公开进一步的应用领域将很明显。详细描述和具体的例子目的仅在于说明，并不在于限制本公开的范围。
附图说明
根据详细描述和附图，本公开将得以更加充分的理解，附图中：
图1是根据现有技术的风扇系统；
图2A是根据本公开的第一实施方式的风扇系统；
图2B是根据本公开的第二实施方式的风扇系统；
图2C是根据本公开的第三实施方式的风扇系统；
图2D是根据本公开的第四实施方式的风扇系统；
图2E是根据本公开的第五实施方式的风扇系统；
图3是根据本公开的控制风扇系统的更加详细的视图；以及
图4是根据本公开的用于说明操作电机的方法的流程图。
具体实施方式
下面的描述在本质上仅仅是示例性的，且其目的绝不是限制本公开、其应用或其使用。为清楚起见，将在附图中使用相同的参考数字表示相似的组件。如在此使用的，使用非排他的逻辑或，短语“A、B以及C中的至少一个”应该解释成意味着逻辑(A或B或C)。应该理解，在不改变本公开原则的情况下，方法中的步骤可以按不同的顺序执行。
如在此使用的，短语“模块”可用来指专用集成电路(ASIC)、电子线路、执行一种或多种软件或固件程序的处理器(共享的、专用的或组)和/或存储器(共享的、专用的或组)、组合逻辑线路以及/或其他提供所描述的功能的合适的部件的一部分，或包括专用集成电路(ASIC)、电子线路、执行一种或多种软件或固件程序的处理器(共享的、专用的或组)和/或存储器(共享的、专用的或组)、组合逻辑线路以及/或其他提供所描述的功能的合适的部件。
传统的风扇组件包括装配在装在壳体中的电机内的印刷电路板(PCB)。风扇电子设备，比如风扇控制模块和霍尔效应传感器，装配在PCB上以控制所述电机。因此，为更换PCB上的风扇电子设备，需物理进入和/或拆卸用于所述风扇组件的壳体。进一步，风扇组件的尺寸主要取决于PCB的尺寸，因为风扇组件需要足够大以容纳PCB。
相应地，用于本公开的电机控制位于风扇组件的壳体的外面，并且可包括一个或多个模块。电机不依赖于所使用的电机控制的类型。在一种实施方式中，使用第一电机控制系统，然后，可在不物理进入(例如，打开)所述风扇组件的壳体的情况下将所述第一电机控制系统替换为第二电机控制系统。所述第一电机控制系统和第二电机控制系统可包括或不包括相同的功能。进一步，所述风扇组件可不包括霍尔效应传感器。因此，用于本公开的PCB可被最小化或被完全从所述风扇组件中除去。进一步，尽管在此描述的实施方式是针对风扇系统的，但是本公开并不限于风扇系统。
现在参考图2A，根据本公开的电机系统200的一个例子包括风扇组件201，所述风扇组件201包括至少部分地装在壳体203中的电机202。所述风扇系统200还包括电机控制模块204，所述电机控制模块204位于所述壳体203的外面，并且控制所述电机202。连接器205可包括装所述电机控制模块204的壳体207。所述连接器205可通过电线210与主设备控制模块209相连。所述主设备控制模块209可以是例如个人计算机的控制模块。用于个人计算机的控制模块可耦合远离所述风扇组件201的PCB(没有示出)。
现在参考图2B，所述电机控制模块204可位于所述连接器205的外面。在一种实施方式中，所述电机控制模块204可耦合到具有所述主设备控制模块209的通用PCB 211上。当个人计算机用作所述主设备时，所述通用PCB 211可包括主板。
仅作为举例，所述电机202可包括二相无刷直流电机。当使用所述二相无刷直流电机描述感应传感系统时，所述感应传感系统还可在其他电机系统(例如单相电机系统或三相电机系统)中实施。
在一种实施方式中，所述电机202可包括定子206，所述定子206包括4个定子极：极A1 216-1、极A2 216-2、极B1 216-3以及极B2 216-4(称为定子极216)。定子极216中的每一个可分别用定子线圈224-1、224-2、224-3、224-4(称为定子线圈224)缠绕。所述电机控制模块204可通过电线225与所述定子极216通信，而所述电线225与所述定子极216上的端子227通信。在图2B中，显示了三根电线225，并且所述端子227中的两个被短接在一起。可选的实施方式包括数个不同的电线与端子的配置，比如单独连接到所述端子227中的相应的一个端子的四根电线225。
所述电机202包括转子226，所述转子226包括至少一个永久磁体(没有示出)。轴228可将所述转子226机械地耦合到包括多个风扇叶片232的风扇230。
现在参考图2C，示出了风扇系统200的可选的实施方式。虽然图2A中的所述转子226在所述定子极216之间转动，但可代替地，所述电机202可包括围绕所述定子极216的转子240。因此，所述转子240可响应于提供给所述定子极216的电压/电流而绕所述定子极216转动。
现在参考图2D，示出了风扇系统200的可选的实施方式。在图2D中，所述风扇叶片232与所述风扇组件201相比比较大。传统上，风扇组件和风扇叶片总的尺寸受限于预先决定的限度。传统风扇组件因为内部的PCB和霍尔效应传感器而不能制造得比较小。
在本公开中，传统的PCB和霍尔效应传感器被从所述风扇组件201中除去。因此，所述风扇组件201可制造得比较小，而所述风扇叶片232可制造得比较大。然而，所述风扇组件201和所述风扇叶片232的总尺寸基本上保持相同。对于提供给所述线圈224的相同量的功率来说，增加了尺寸的所述风扇叶片232允许增加的空气流。
进一步，所述风扇组件201和风扇叶片232可装配在风扇盒233中。风扇盒的通常尺寸包括60mm、80mm、92mm以及120mm。所述风扇盒233可装配在主设备比如个人计算机中。如图2D中所示，所述风扇组件201可使用图2A中的转子226和图2C中的转子240中任一个来实施。
现在参考图2E，PCB 241可被包括在所述风扇组件201中，以为所述风扇组件201中的电子连接提供机械稳定性。在一种实施方式中，所述电线225可连接到与端子227通信的所述PCB 241，而不是如图2A-2D中所示的，直接焊接到或以其它方式直接连接到所述端子227。所述PCB 241可不包括用于所述风扇系统200的控制功能，比如控制模块和霍尔效应传感器。
现在参考图3，所述电机控制模块204可包括功率控制模块242、速度控制模块247、反电动势(BEMF)探测模块243以及电流探测模块244。所述功率控制模块242、BEMF探测模块243以及电流探测模块244可通过接口245与所述风扇组件201上的端子227通信。
所述功率控制模块242可向所述定子线圈224中的一个或多个施加电压和/或电流。例如，所述功率控制模块242可在驱动定子线圈224-1、224-2以及224-3、224-4以转动所述转子226之间转换。所述BEMF探测模块243可探测所述定子线圈224中未被驱动的定子线圈上的BEMF电压。
在未通电的定子线圈中，由所述转子226中的磁体产生具有正弦波形的BEMF电压。具体地，当所述转子226的永久磁体经过未通电的定子线圈(例如，224-4)时，在未通电的定子线圈224-4中感应产生电流。
在一种实施方式中，功率控制模块242最初向定子线圈224-1、224-2提供电压和/或电流，但不给定子线圈224-3和/或224-4提供电压和/或电流。所述BEMF探测模块243探测来自定子线圈224-3和/或定子线圈224-4的BEMF。速度控制模块247基于来自BEMF探测模块243的信号来确定所述转子的磁体何时经过定子线圈224-3和/或定子线圈224-4。速度控制模块247可包括表示定子极216之间的距离和/或定子极216的位置的数据。
在一种可选的实施方式中，电流探测模块244探测定子线圈224中的每一个上的电流。速度控制模块247基于所探测到的电流和所探测到的BEMF来确定所述定子极216的位置。
速度控制模块247可基于所探测到的BEMF的波形和定子极216的位置来确定转子226的转动速度。通过这种方式，电机控制模块204可测量电机202的转动速度以及/或者确定转子226没有在动和/或被卡住。速度控制模块247可产生控制信号，以适应性地将电机202的转动速度调节到期望值。
现在参考图4，表示了用于操作电机系统200的方法500。在步骤501，控制开始。在步骤502，功率控制模块242驱动电机202。在一种实施方式中，功率控制模块242通过给多个定子线圈224提供驱动电流或驱动电压来转动转子226。在步骤504，BEMF探测模块243探测来自未被提供驱动电流或驱动电压的定子线圈的BEMF。在步骤506，电流探测模块244感测端子227上的电流。
在步骤508，速度控制模块247基于所探测的BEMF和/或所探测的电流来确定定子206和转子226的相对位置。速度控制模块247根据所探测的相对位置来从多个定子线圈中选择定子线圈。在步骤510，功率控制模块242向所选择的驱动线圈提供驱动电流或驱动电压，以使转子226以期望速度沿预先确定的方向转动。
在步骤512，速度控制模块242可基于所探测的来自电机202的BEMF和/或电流来确定转子226的速度与期望速度不同。在一种实施方式中，速度控制模块247可测量期望速度与所测量的速度的差别(亦即误差)。速度控制模块247可接收来自例如主设备控制模块209的期望速度。
在步骤514，如果实际速度和期望速度有差别，则速度控制模块247可确定电机202是否被卡住。在步骤514，如果电机202被卡住，则控制可返回到步骤502。否则，在步骤516，速度控制模块247可向功率控制模块242提供信号以调节供给电机202的功率。换句话说，速度控制模块247可产生控制信号以补偿所述差别。在一种实施方式中，为了使电机202的速度逐渐地接近期望值，速度控制模块247适应性地将连续的控制信号输出到功率控制模块242。
本公开的宽泛的教导内容可按多种形式来实施。因此，虽然本公开包括特定的例子，但本公开的实际范围将不应该受限于此，因为基于对附图、说明书以及下面的权利要求的研究，其他修改将变得很明显。

Claims (13)

1.一种用于风扇的控制系统，其包括：
控制壳体，其位于用于风扇的风扇壳体的外面；
至少一个风扇控制模块，其位于所述控制壳体内，且所述至少一个风扇控制模块通过至少一根电线来与所述风扇壳体中的端子远程通信，其中，所述至少一个风扇控制模块包括：
探测模块，其在不接收来自所述风扇壳体中的传感器的信号的情况下，通过所述至少一根电线来探测所述风扇壳体中的多个定子线圈中的至少一个上的感应电压。
2.如权利要求1所述的控制系统，其中，所述控制壳体对应于连接器，其中，所述连接器与主设备控制模块通信，所述主设备控制模块位于所述连接器和所述风扇壳体的外面，并且其中，所述风扇壳体位于所述连接器的外面。
3.如权利要求1所述的控制系统，其中，所述感应电压对应于反电动势。
4.如权利要求3所述的控制系统，其中，所述至少一个风扇控制模块还包括：
速度控制模块，其基于所述感应电压来提供信号，以调节所述风扇壳体中的转子的转动速度；以及
功率控制模块，其基于来自所述速度控制模块的所述信号而有选择地向所述多个定子线圈提供功率信号。
5.如权利要求4所述的控制系统，其中，当所述多个定子线圈中的至少一个没有接收所述功率信号中的一个时，所述探测模块探测所述多个定子线圈中的所述至少一个上的反电动势。
6.一种风扇系统，其包括：如权利要求4所述的控制系统，并且还包括：
风扇叶片；以及
风扇壳体，其中，所述风扇壳体上无传感器，并且其中，所述风扇壳体容纳风扇电机，所述风扇电机包括：
端子，其中，所述端子包括第一端子、第二端子以及第三端子；
定子，其包括N个极，所述N个极用多个定子线圈分别缠绕，其中，所述多个定子线圈中的每一个与所述端子中的一个通信；以及
转子，其响应于功率信号而转动，其中，所述风扇叶片基于所述转子的转动而转动，并且其中，N是大于1的整数。
7.如权利要求6所述的系统，其还包括至少一根电线；
其中，所述至少一根电线在不与介入的印刷电路板通信的情况下，直接与所述接线端中的一个通信；
其中，所述至少一根电线对应于第一电线和第二电线，其中，所述第一电线连接到所述第一端子和所述第二端子，并且其中，所述第二电线连接到所述第三端子。
8.如权利要求7所述的风扇系统，其中，所述风扇壳体和所述风扇叶片基于不含所述介入的印刷电路板的所述定子和所述转子的尺寸来裁定尺寸。
9.如权利要求6所述的风扇系统，其还包括无传感器的印刷电路板，其中，所述至少一根电线通过所述无传感器的印刷电路板来与所述端子中的一个通信。
10.如权利要求6所述的风扇系统，其中，所述风扇电机包括单相无刷直流电机、二相无刷直流电机以及三相无刷直流电机中的至少一个。
11.如权利要求1所述的控制系统，其中，所述至少一个风扇控制模块可在不需要物理进入所述风扇壳体的情况下物理进入。
12.一种风扇系统，其包括：
风扇叶片；以及
风扇壳体；其中，所述风扇壳体上无传感器，并且其中，所述风扇壳体容纳风扇电机，所述风扇电机包括：
端子；
定子，其包括：
N个定子线圈，以及
N个极，其用N个定子线圈分别缠绕，其中，所述N个定子线圈中的每一个与所述端子中的一个通信；以及
转子，其响应于功率信号而转动，其中，所述风扇叶片基于所述转子的转动而转动，并且其中，N是大于1的整数；
控制壳体，其位于用于所述风扇的风扇壳体的外面；以及
风扇控制模块，其位于所述控制壳体内，且所述风扇控制模块通过至少一根电线来与所述定子的端子远程通信；
其中，所述风扇控制模块通过所述功率信号以及基于在所述风扇控制模块中通过所述至少一根电线接收的所述端子上的反电动势来控制所述风扇的转子的速度和方向；
其中，所述风扇控制模块在不接收来自所述风扇壳体中的物理传感器的信号的情况下，控制所述速度和所述方向；
其中，所述风扇控制模块可在不需要物理进入所述风扇壳体的情况下物理进入；且
其中，所述风扇壳体和所述风扇叶片基于不含介入的印刷电路板的所述定子和所述转子的尺寸来裁定尺寸。
13.如权利要求12所述的风扇系统，
其中，所述控制壳体对应于连接器；
其中，所述连接器与主设备控制模块通信，所述主设备控制模块位于所述连接器和所述风扇壳体的外面；
其中，所述风扇壳体位于所述连接器的外面；且
其中，所述反电动势在所述定子的多个定子线圈中的至少一个没有接收所述功率信号中的一个时产生。
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