CN102013861A - 一种直流无刷电机系统及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种直流无刷电机系统及其驱动方法。该电机系统包括输出级，接收输入信号，提供输出信号；电机，所述电机包括线圈和转子，所述电机基于所述输出信号驱动所述转子转动；霍尔感应器，基于所述转子的转动角度，提供霍尔感应信号；控制电路，基于所述霍尔感应信号控制所述输出级，其中在所述转子靠近关键位置的情况下，减小霍尔感应器的感应信号，以降低线圈的峰值电流。本发明的上述方案能够减小直流无刷电机的电流尖刺并相应减小电压尖刺。
Description
技术领域
本发明的实施例涉及直流无刷电机，尤其涉及用于减小电流尖刺和电压尖刺的直流无刷电机。
背景技术
电机驱动被广泛应用于CPU散热风扇中。其基本原理为当线圈通电时，在电机两端产生磁场，从而在电机两端产生磁力。
通常根据电源的性质将电机分为直流电机和交流电机。直流电机通常采用永磁铁作为定子，并采用受外部驱动的通电线圈作为转子。该转子相当于一个电磁铁。当有电流流过其上时，在定子的周围将产生磁场，并在电磁两极间产生磁力，从而在磁力的作用下转子发生转动。
在直流无刷电机中，电刷被霍尔感应器取代，转子采用永磁铁，定子采用线圈，如图1所示的电机。当线圈101中流过如图所示从左至右的电流IC时，根据右手定则，电机将产生如图所示上面为N极，下面为S极的磁场。根据同性相斥、异性相吸的原理，此时，转子102受到力矩的作用，将逆时针转动。
当转子102转到图2所示的位置时，转子102的磁极和线圈101(即定子)产生的磁极处在同一条线上，将该位置称为关键位置。此时，施加在转子102上的力矩为零。如果流过线圈101的电流方向保持不变，则当转子102转过关键位置后，转子102所受的力矩将改变方向。
因此，为了使转子持续朝同一个方向旋转，流过线圈101的电流方向应该在转子经过关键位置后反向，从而维持力矩方向不变(如保持力矩为逆时针方向)。现有直流无刷电机通常采用霍尔感应器来检测并反馈转子的位置，根据转子的相应位置调整电流方向。只要将霍尔 感应器放在合适位置，霍尔感应器输出的霍尔感应信号的信号幅度和极性可以反映电机力矩的方向和幅度。如图3所示为霍尔感应器103检测转子102的转动位置，图4所示为霍尔感应器103输出的霍尔感应信号VHALL和转子102的转动位置(转子102相对水平位置转过的角度ω)的关系图。
如图4所示，当转子102相对于水平位置的转动角度ω小于90度时，霍尔感应信号VHALL为正电平；当转动角度ω靠近90度时，霍尔感应信号VHALL开始减小至零并在转动角度ω为90度时变为负电平；直至转动角度ω到270度，霍尔感应信号重新变为正电平；此后，转动角度ω为450度时，霍尔感应信号变为负电平。霍尔感应信号VHALL根据转动角度ω如此循环变化正负电位，使得流经线圈101的电流相应地变化方向。
电机的等效电路模型如图5所示，其包括3个部分：等效寄生电感LP、等效电阻RP和感应电动势Vt。其中感应电动势Vt由转子102在磁场中转动产生。根据楞次定律，感应电动势的大小与转子的转速和磁通密度变化率dB/dt的乘积成正比。转子102越靠近关键位置，由于磁通密度变化率dB/dt减小，则感应电动势Vt减小。
图6示出用全桥拓扑驱动电机的系统。该全桥拓扑包括桥臂1和桥臂2。其中桥臂1包括第一开关104和第二开关105；桥臂2包括第三开关106和第四开关107。第一开关104和第二开关105串联耦接在输入VIN和参考地之间，第三开关106和第四开关107串联耦接在输入VIN和参考地之间；电机第一端A耦接在第一开关104与第二开关105的公共节点，电机第二端B耦接至第三开关106与第四开关107的公共节点。当第一开关104和第四开关107被闭合导通、第二开关105和第三开关106被断开时，电流经由输入VIN、第一开关104、等效寄生电感LP、等效电阻RP、感应电动势Vt、第四开关107以及参考地形成通路。此时，电机第一端A和第二端B之间的电压VAB为输入VIN的电压值，即施加在等效寄生电感LP、等效电阻RP和感应电动势Vt两端的电压为VIN。流经等效寄生电感LP的电流方向为从左至右。当转动角度ω靠近90度时，即转子102靠近关键位置时，霍尔感应 信号VHALL开始减小，磁通密度变化率减小，则感应电动势Vt减小，因此，施加在等效寄生电感LP和等效电阻RP两端的电压VP增大。相应地，流过等效寄生电感LP的电感电流ILP也增大。当转子102转到关键位置时，磁通密度变化率减小到零，此时电感电流增大到其最大值，造成电流尖刺，如图7所示的曲线ILP。
为了维持力矩方向不变，当转子102转过关键位置后，线圈电流需要反向。此时第二开关105和第三开关106被闭合导通、第一开关104和第四开关107被断开。由于电感电流不能突变，因此，此时电流经由第二开关105、等效寄生电感LP、等效电阻RP、感应电动势Vt和第三开关107回流入输入VIN，如图6箭头所示。因此，回流入输入VIN的能量在输入电容(未图示)上造成电压尖刺，如图7所示的曲线VCIN。
发明内容
本发明的目的是提出一种减小电流尖刺并相应减小电压尖刺的直流无刷电机及其驱动方法。
本发明的一个方面提供了一种直流无刷电机系统，包括：输出级，接收输入信号，提供输出信号；电机，所述电机包括线圈和转子，所述电机基于所述输出信号驱动所述转子转动；霍尔感应器，基于所述转子的转动角度，提供霍尔感应信号；控制电路，基于所述霍尔感应信号控制所述输出级，其中在所述转子靠近关键位置的情况下，减小霍尔感应器的感应信号，以降低线圈的峰值电流。
根据本发明的实施例，所述控制电路包括：霍尔比较器，基于所述霍尔感应信号，提供第一比较信号；霍尔放大器，基于所述霍尔感应信号，提供霍尔放大信号；峰值电流比较器，基于所述霍尔放大信号和流过所述线圈的电流，提供第二比较信号；其中所述第一比较信号和第二比较信号用以控制所述输出级。
根据本发明的实施例，所述的直流无刷电机系统进一步包括电流采样单元，其输入端耦接至所述电机，用以采样流过所述线圈的电流至所述峰值电流比较器。
根据本发明的实施例，所述的直流无刷电机系统进一步包括逻辑单元，根据第二比较信号和脉冲宽度驱动信号，提供逻辑信号，来控制所述输出级。
根据本发明的实施例，所述逻辑单元包括或非门。
根据本发明的实施例，所述关键位置为所述转子的磁极与所述线圈产生的磁极处于同一条线。
根据本发明的实施例，所述霍尔放大信号随着所述霍尔感应信号的减小而减小。
根据本发明的实施例，所述第一比较信号随着所述霍尔感应信号逻辑电平的变化而变化逻辑电平。
根据本发明的实施例，所述输出级为全桥拓扑。
根据本发明的实施例，所述输出级包括并联耦接的第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂。
本发明的另一方面提供了一种直流无刷电机驱动方法，包括：使用霍尔感应器检测电机转子的转动角度以判断电机转子是否靠近关键位置；在电机转子靠近关键位置的情况下，通过降低霍尔感应器的感应信号来降低线圈电流峰值。
根据本发明的实施例，所述的驱动方法还包括：判断电机转子是否转过关键位置；在电机转子转过关键位置的情况下，增大线圈峰值电流。
根据本发明的实施例，所述的驱动方法还包括：在电机转子未转过关键位置的情况下，继续减小线圈峰值电流。
本发明的上述方案能够较小直流无刷电机中的电流尖刺和电压尖刺。
附图说明
下面的附图表明了本发明的实施方式。这些附图和实施方式以非限制性、非穷举性的方式提供了本发明的一些实施例。
图1为电机的示意图。
图2为图1所示电机当其转子和定子产生磁极位于同一方向的示 意图。
图3为霍尔感应器检测电机转子的转动位置的示意图。
图4为霍尔感应信号和转子的转动位置的关系图。
图5为电机的等效电路模型图。
图6为现有技术用全桥拓扑驱动电机的等效电路模型图。
图7为现有技术电机系统的工作波形图。
图8为根据本发明一个实施例的直流无刷电机系统100。
图9为根据本发明另一个实施例的直流无刷电机系统200。
图10示出直流无刷电机系统100的工作波形图。
图11为根据本发明另一个实施例的利用全桥拓扑驱动电机的等效电路图。
图12为根据本发明又一个实施例的直流无刷电机驱动方法流程图300。
具体实施方式
下面详细说明本发明实施例的发光元件的驱动器。在接下来的说明中，一些具体的细节，例如实施例中的具体电路结构和这些电路元件的具体参数，都用于对本发明的实施例提供更好的理解。本技术领域的技术人员可以理解，即使在缺少一些细节或者其他方法、元件、材料等结合的情况下，本发明的实施例也可以被实现。
如前所述，霍尔感应器输出的霍尔感应信号表征转子的位置和感应电动势的大小，磁通密度只在转子经过关键位置时变化而在其他位置维持不变，即感应电动势只在转子经过关键位置时变化。而现有技术中全桥的开关管导通切换发生在转子经过关键位置时刻，导致很大的电感电流尖刺和电压尖刺。根据本发明实施例，提出了一种新型电机驱动电路和方法，所述电机驱动方法在转子靠近关键位置时，即霍尔感应信号开始减小时，降低电机线圈中电感电流的电流峰值，从而减小电流尖刺并相应减小电压尖刺。
参见图8，为根据本发明一个实施例的直流无刷电机系统100。如图8所示，直流无刷电机系统100包括电机和驱动器。其中电机包括 线圈101、转子102和霍尔感应器103。驱动器包括输出级和控制电路。
根据本发明的一个实施例，输出级包括桥臂1和桥臂2。桥臂1耦接至电机的第一端A，桥臂2耦接至电机的第二端B，桥臂1和桥臂2为电机提供驱动信号，使线圈101流过电流，产生磁场，进而在转子102上产生力矩。
在一个实施例中，霍尔感应器103根据转子102的位置产生霍尔感应信号，并将霍尔感应信号提供给控制电路。控制电路基于所述霍尔感应信号控制输出级的桥臂1和桥臂2的开关动作，从而控制流过线圈101的电流。特别地，当转子102靠近关键位置时，霍尔感应信号减小，从而线圈的峰值电流被降低。因此，相对于稳态状态下，本实施例的直流无刷电机系统100在暂态过程中线圈电流提早开始下降，因此电流尖刺被减小。相应地，电压尖刺也被减小。
以下结合图9和图10进一步说明如何减小电流尖刺和电压尖刺。
参看图9，为根据本发明另一个实施例的直流无刷电机系统200。图9所示，直流无刷电机系统200包括电机和驱动器。其中电机包括线圈101、转子102和霍尔感应器103。驱动器包括输出级和控制电路。
根据本发明的一个实施例，控制电路包括霍尔比较器110、霍尔放大器111、峰值电流比较器112、电流采样单元109和逻辑单元113。在一个实施例中，逻辑单元113包括或非门。
根据本发明的实施例，桥臂1、线圈101和桥臂2串联耦接；霍尔感应器103被置于电机中，用以感应转子102的转动角度，并提供霍尔感应信号；霍尔感应信号耦接至霍尔比较器110的输入端和霍尔放大器111的输入端。霍尔比较器110根据霍尔感应信号提供第一比较信号；霍尔放大器111根据霍尔感应信号提供霍尔放大信号，并将霍尔放大信号耦接至峰值电流比较器112的第一输入端；电流采样单元109耦接至电机，用以采样流过线圈101的电流，并输出电流采样信号至峰值电流比较器112的第二输入端；峰值电流比较器112根据霍尔放大信号和电流采样信号提供第二比较信号至逻辑单元113的第一输入端，逻辑单元113的第二输入端耦接脉冲宽度(PWM)驱动信号；逻辑单元113根据第二比较信号和PWM驱动信号，提供逻辑信 号，用以控制桥臂1和桥臂2的开关动作，从而控制流过线圈101的电流。
根据本发明的实施例，直流无刷电机系统100控制桥臂1和桥臂2进行开关动作，使电机两端电压为输入VIN的电压值，使线圈101流过电流，从而使转子102转动。当转子102靠近关键位置时，如前所述，霍尔感应器输出的霍尔感应信号VHALL减小，直流无刷电机系统100进入转换电流方向的暂态。一方面，霍尔放大器111输出的霍尔放大信号相应减小，即电流峰值减小；另一方面，感应电动势Vt减小，线圈电流增大，相应地，电流采样信号增大，如图8所示。当电流采样信号大于霍尔放大信号时，峰值电流比较器的输出信号的逻辑发生变化。经过逻辑单元113后，桥臂1和桥臂2的导通开关被调整，使得电机两端电压为零，流过线圈101的电流开始减小。当转子102经过关键位置，桥臂1和桥臂2的开关再次被调整，使得电机两端电压为输入VIN电压值的相反数，即-VIN。流过线圈101的电流减小至零后开始反向增大，直至磁通密度再次达到稳态，直流无刷电机系统100进入稳态。当转子102再次靠近关键位置，直流无刷电机系统100再一次出现暂态变化，其工作过程如前所述，为叙述简明，这里不再详述。
可以看到，相对于现有技术，流过线圈101的电流在转子102经由关键位置的暂态过程中，其峰值减小。因此，电流尖刺被减小。当转子102经由关键位置后，由于线圈电流已靠近零值或者已开始反向增大，则回流入输入VIN的能量很小或者为零，因此，输入电容两端的电压尖刺也被减小。
图10示出直流无刷电机系统200的工作波形图。如图9所示，在转子102的转动角度ω靠近90度时，线圈电流的电流峰值开始下降，如图9曲线ILP的虚线部分所示。因此，线圈电流在转动角度ω未达到90度时，桥臂1和桥臂2的导通开关被切换，电机两端电压VAB变为零。直至转动角度ω为90度时，桥臂1和桥臂2的开关被切换，使得电机两端电压VAB为-VIN，使得直流无刷电机系统100开始从暂态过渡到稳态。可以看到，直流无刷电机系统100的线圈电流尖刺和 输入电容两端电压尖刺被减小。
以下结合图11进一步说明直流无刷电机系统的工作过程。如图11所示，桥臂1包括第一上管121和第一下管122，桥臂2包括第二上管123和第二下管124。其中第一上管121和第一下管122串联耦接在输入VIN和参考地之间，第二上管123和第二下管124串联耦接在输入VIN和参考地之间。第一上管121和第一下管122的公共节点耦接至电机的第一端A，第二上管123和第二下管124的公共节点耦接至电机的第二端B。
系统开始运行时，假定第一上管121和第二下管124被闭合导通，第一下管122和第二上管123被断开，则电流经由输入VIN、第一上管121、线圈101、第二下管124和参考地形成通路，流过线圈101的电流为从左至右，转子102开始转动；电机两端电压VAB为输入VIN的电压值。
当转子102转到靠近关键位置时，如前所述，电流峰值减小，并在转子102到达关键位置前线圈电流达到电流峰值。相应地，峰值电流比较器的输出信号变化逻辑电平，经由逻辑电路113后，第一上管121被断开、第二上管123被继续断开、第一下管122被闭合导通、控制和第二下管124被继续闭合导通。此时，电流经由第一下管122、线圈101、第二下管124和参考地形成通路。线圈电流开始减小；电机两端电压VAB为零。因此，线圈101上的能量通过第二下管124被释放。
当转子102经过关键位置时，霍尔感应信号由正变负。相应地，霍尔比较器110输出的第一比较信号变化逻辑电平，使得第一下管122和第二上管123被闭合导通，第一上管121和第二下管124被断开。电流经由输入VIN、第二上管123、线圈101、第一下管122和参考地形成通路；电机两端电压VAB为输入VIN电压值的相反数，即-VIN。由于线圈101的电流能量已通过第二下管124释放，回流入输入VIN的能量几乎为零，输入电容将不会被充电，电压尖刺被减小甚至被消除。
进一步地，本发明还提出了一种直流无刷电机驱动方法，如图12 所示的流程图300。根据本发明的实施例，直流无刷电机驱动方法包括：
步骤301，驱动电机。根据本发明的实施例，通过拓扑结构为全桥电路的输出级接收输入电压，并在输出级的输出端提供输出电压，以产生流过电机线圈的电流，从而在电机内部产生磁场，带动转子转动。
步骤302，判断电机转子是否靠近关键位置。其中关键位置为电机转子的磁极与线圈产生的磁极处于同一条线。若电机转子靠近关键位置，进入步骤303，降低线圈电流峰值，从而减小线圈电流尖刺；若电机转子未靠近关键位置，返回步骤301：继续驱动电机。
步骤303，降低线圈电流峰值。根据本发明的实施例，通过霍尔感应器检测线圈位置，在电机转子靠近关键位置时，霍尔感应器输出的霍尔感应信号减小。该霍尔感应信号被传送至霍尔放大器，使得霍尔放大器输出的霍尔放大信号减小。根据本发明的实施例，该霍尔放大信号为线圈电流峰值，因此，线圈电流峰值被降低。
步骤304，判断电机转子是否转过关键位置。若电机转子已转过关键位置，进入步骤305：增大线圈峰值电流；若电机转子未转过关键位置，返回步骤303：继续降低线圈电流峰值。根据本发明的实施例，若电机已转过关键位置，霍尔感应信号增大。
步骤305，增大线圈峰值电流。当线圈峰值电流增大至稳态值时，返回步骤301：驱动电机。
本发明实施例不限于上述具体示例，本技术领域的技术人员应当明白，也可以采用半桥、推挽或者其它具有类似功能的拓扑作为输出级。
上述本发明的说明书和实施方式仅仅以示例性的方式对本发明实施例的直流无刷电机系统和驱动方法进行了说明，并不用于限定本发明的范围。对于公开的实施例进行变化和修改都是可能的，其他可行的选择性实施例和对实施例中元件的等同变化可以被本技术领域的普通技术人员所了解。本发明所公开的实施例的其他变化和修改并不超出本发明的精神和保护范围。
Claims (14)
1.一种直流无刷电机系统，包括：
输出级，接收输入信号，提供输出信号；
电机，所述电机包括线圈和转子，所述电机基于所述输出信号驱动所述转子转动；
霍尔感应器，基于所述转子的转动角度，提供霍尔感应信号；
控制电路，基于所述霍尔感应信号控制所述输出级，
其中在所述转子靠近关键位置的情况下，减小霍尔感应器的感应信号，以降低线圈的峰值电流。
2.如权利要求1所述的直流无刷电机系统，所述控制电路包括：霍尔比较器，基于所述霍尔感应信号，提供第一比较信号；
霍尔放大器，基于所述霍尔感应信号，提供霍尔放大信号；
峰值电流比较器，基于所述霍尔放大信号和流过所述线圈的电流，提供第二比较信号；其中
所述第一比较信号和第二比较信号用以控制所述输出级。
3.如权利要求2所述的直流无刷电机系统，进一步包括电流采样单元，其输入端耦接至所述电机，用以采样流过所述线圈的电流至所述峰值电流比较器。
4.如权利要求2所述的直流无刷电机系统，进一步包括
逻辑单元，根据第二比较信号和脉冲宽度驱动信号，提供逻辑信号，来控制所述输出级。
5.如权利要求4所述的直流无刷电机系统，其中所述逻辑单元包括或非门。
6.如权利要求1所述的直流无刷电机系统，其中所述关键位置为所述转子的磁极与所述线圈产生的磁极处于同一条线。
7.如权利要求2所述的直流无刷电机系统，其中所述霍尔放大信号随着所述霍尔感应信号的减小而减小。
8.如权利要求2所述的直流无刷电机系统，其中所述第一比较信号随着所述霍尔感应信号逻辑电平的变化而变化逻辑电平。
9.如权利要求1所述的直流无刷电机系统，其中所述输出级为全桥拓扑。
10.如权利要求1所述的直流无刷电机系统，其中所述输出级包括并联耦接的第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂。
11.一种直流无刷电机驱动方法，包括：
使用霍尔感应器检测电机转子的转动角度以判断电机转子是否靠近关键位置；
在电机转子靠近关键位置的情况下，通过降低霍尔感应器的感应信号来降低线圈电流峰值。
12.如权利要求11所述的驱动方法，还包括：
判断电机转子是否转过关键位置；
在电机转子转过关键位置的情况下，增大线圈峰值电流。
13.如权利要求12所述的驱动方法，还包括：
在电机转子未转过关键位置的情况下，继续减小线圈峰值电流。
14.如权利要求11所述的驱动方法，其中所述关键位置为所述电机转子的磁极与所述线圈产生的磁极处于同一条线。
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