CN102195543A - 利用霍尔传感器实现永磁式直流电动机驱动的集成电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用霍尔传感器实现永磁式直流电动机驱动的集成电路，包括第一霍尔传感器、第二霍尔传感器、逻辑控制模块、调压电路、状态输出接口；所述调压电路用于产生集成电路内部工作电压，所述两个霍尔传感器用于监测磁场强度，第一霍尔传感器与第二霍尔传感器依次排列并间隔固定距离，分别输出磁场极性信号到逻辑控制模块；所述逻辑控制模块根据转子半径系数信号、第一霍尔传感器及第二霍尔传感器传来的磁场极性信号、第一霍尔传感器与第二霍尔传感器的间隔距离，在状态输出接口依次输出相应的六种状态。只需要在一个位置上安装一个本发明的集成电路，就可以实现永磁式直流电动机驱动，极大简化了永磁式直流电动机的设计和制造。
Description
技术领域
本发明涉及电动机驱动电路，特别涉及一种利用霍尔传感器实现永磁式直流电动机驱动的集成电路。
背景技术
一种常见的永磁式直流电动机主体如图1所示，包括定子10、转子12，定子10包括软磁铁芯和定子绕组，定子绕组做成“Y”型(三相对称星形)接法，图1中A+/A-，B+/B-，C+/C-表示分别表示三相定绕组的导线端头；转子与定子同轴，转子包含一对南北磁极的永磁体13，永磁体13在轴的一侧为N极，在轴的另一侧为S极。该永磁式无刷直流电动机的换相状态是由转子的位置决定的，电动机的控制频率是由转子的运行速度决定的，这就需要转子的位置检测器来检测转子在运动过程中的位置，将转子永磁体的位置信号转换成电信号，为逻辑电路提供正确的换相信息，以控制通过定子绕组的电流流向，使电动机定子绕组中的电流随着转子位置的变化按次序换相，形成气隙中步进式的旋转磁场，同转子的永磁体产生的磁场相互作用产生转矩驱动永磁转子连续不断的旋转，位置传感器在一个电周期内所产生的开关状态是不重复的，每一个开关状态所占的角度相等，位置传感器在一个电周期内所产生的开关状态数应和三相定绕组通电状态数相对应。位置传感器的种类很多，有电磁式、光电式、磁敏式等。它们各具特点，然而由于磁敏式霍尔位置传感器具有结构简单、体积小、安装灵活方便、易于机电一体化等优点，故目前得到越来越广泛的应用。
对于三相永磁式无刷直流电动机的驱动，通常是在定子上间隔120°角度安装有三个霍尔传感器作为位置传感器，用于检测电动机转子永磁体的极性，其输出信号是HA、HB、HC，转子转动时转子永磁体N-S交替交换，会使三个霍尔传感器输出相位差120°的方波信号HA、HB、HC，其波形见图2，从中可以看到转子每旋转一周，三个霍尔传感器的输出信号HA、HB、HC在每360°角度内依次出现六种输出状态组合，按其顺序排列，6个代码是101、100、110、010、011、001，当然这一顺序与转子的转动方向有关，如果转向反了，代码顺序也就倒过来。逻辑电路根据所述六状态编码信号控制三相定子绕组的通电状态，这样转子每转过一周，三相定子绕组依上述六种状态依次通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60°角度，转子跟随定子磁场转动相当于60°角度空间位置，转子在新位置上，使三个霍尔传感器按约定产生一新状态编码，逻辑电路根据新的状态编码又控制改变三相定子绕组的通电状态，使定子绕组产生的磁场合成方向再前进60°角度，转子跟随定子磁场再转动相当于60°角度空间位置，如此循环，永磁式直流电机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。
上述常见的永磁式无刷直流电动机的驱动方法，需要在至少三个空间位置上分布有位置传感器件或集成电路，使永磁式直流电动机的设计和制造较复杂。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种利用霍尔传感器实现永磁式直流电动机驱动的集成电路，只需要在一个位置上安装一个该集成电路器件就可以实现永磁式直流电动机驱动，极大简化了永磁式直流电动机的设计和制造。
为解决上述技术问题，本发明的利用霍尔传感器实现永磁式直流电动机驱动的集成电路，包括第一霍尔传感器、第二霍尔传感器、逻辑控制模块、调压电路、状态输出接口；所述调压电路用于产生集成电路内部工作电压，所述两个霍尔传感器用于监测磁场强度，第一霍尔传感器与第二霍尔传感器依次排列并间隔固定距离，分别输出磁场极性信号到逻辑控制模块；所述逻辑控制模块根据转子半径系数信号、第一霍尔传感器及第二霍尔传感器传来的磁场极性信号、第一霍尔传感器与第二霍尔传感器的间隔距离，在状态输出接口依次输出相应的六种状态。
所述集成电路，可以是在初始工作时，所述逻辑控制模块根据某一霍尔传感器传来的磁场极性信号的极性，在状态输出接口输出六种状态中的一种状态，当某一霍尔传感器传来的磁场极性信号的极性发生变化时，所述逻辑控制模块就立即控制在状态输出接口输出当前状态的下一个状态，然后每经过运行迟延时间T所述逻辑控制模块就控制在状态输出接口输出当前状态的下一个状态，所述运行迟延时间T＝(πF/3L)Δt，式中Δt为所述两个霍尔传感器的磁场极性信号的最新极性发生变化的时间差，F为所述转子半径系数信号确定的转子半径系数，L为第一霍尔传感器与第二霍尔传感器的间隔距离；当某一霍尔传感器传来的磁场极性信号的极性又发生变化时，逻辑控制模块就又立即控制在状态输出接口输出当前状态的下一个状态，然后又每经过运行迟延时间T所述逻辑控制模块就控制在状态输出接口输出当前状态的下一个状态。
所述集成电路，可以是初始工作时，所述集成电路初始工作时，所述逻辑控制模块根据某一霍尔传感器传来的磁场极性信号的极性，在状态输出接口输出六种状态中的一种状态，然后每经过固定的启动迟延时间Ts所述逻辑控制模块就控制在状态输出接口输出当前状态的下一个状态，当某一霍尔传感器传来的磁场极性信号的极性发生变化时，所述逻辑控制模块就立即控制在状态输出接口输出当前状态的下一个状态，然后每经过运行迟延时间T所述逻辑控制模块就控制在状态输出接口输出当前状态的下一个状态，所述运行迟延时间T＝(πF/3L)Δt，式中Δt为所述两个霍尔传感器的磁场极性信号的最新极性发生变化的时间差，F为所述转子半径系数信号确定的转子半径系数，L为第一霍尔传感器与第二霍尔传感器的间隔距离；当某一霍尔传感器传来的磁场极性信号的极性又发生变化时，逻辑控制模块就又立即控制在状态输出接口输出当前状态的下一个状态，然后又每经过运行迟延时间T所述逻辑控制模块就控制在状态输出接口输出当前状态的下一个状态。
所述集成电路，还可以包括模数转换器、内部分压电阻、外部分压电阻接口，内部分压电阻一端接集成电路内部工作电压，另一端接模数转换器输入端及外部分压电阻接口，外部分压电阻接口用于外接一外部分压电阻到地，模数转换器根据外部分压电阻接口的电压值输出转子半径系数信号到逻辑控制模块。
本发明的利用霍尔传感器实现永磁式直流电动机驱动的集成电路，用以对永磁式直流电动机主体进行驱动时，将该集成电路设置在永磁性转子外围的定子上，并使第一霍尔传感器及第二霍尔传感器的间隔线垂至于转子轴线。永磁性转子转动，间隔固定距离L的两个霍尔传感器监测磁场强度会产生有时间差Δt的磁场极性信号，逻辑控制模块能根据两个霍尔传感器的磁场极性信号的最新极性发生变化的时间差Δt和第一霍尔传感器及第二霍尔传感器的间隔固定距离L，计算出转子当前扫过集成电路的线速度：V＝L/Δt，再通过集成电路距转子轴心距离R(即转子半径系数F)，计算出当前转子角速度：ω＝V/R＝L/(RΔt)＝L/(FΔt)，并据此计算转子转过下一个60°(π/3)需要的间隔时间：T＝(π/3)/ω＝(πR/3L)Δt＝(πF/3L)Δt。当第一霍尔传感器检测到磁场由极性反转或第二霍尔传感器检测到磁场极性反转时，逻辑控制电路就控制三相定子绕组的通电状态进入六种状态中的一种状态，然后逻辑控制电路每隔(πF/3L)Δt的时间，就控制三相定子绕组的通电状态改变为下一个状态，直到第一霍尔传感器或第二霍尔传感器又监测到磁场极性反转，从而实现对转子保持驱动状态。可见只需要在一个位置上安装一个本发明的利用霍尔传感器实现永磁式直流电动机驱动的集成电路，就可以实现永磁式直流电动机驱动，极大简化了永磁式直流电动机的设计和制造。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是常见的一种永磁式直流电动机主体示意图；
图2是一种现有三相永磁式无刷直流电动机的驱动方式中三个霍尔传感器输出信号的波形图；
图3是本发明的利用霍尔传感器实现永磁式直流电动机驱动的集成电路一实施方式示意图；
图4是本发明内部利用第一霍尔传感器和第二霍尔传感器检测磁场由N变S(或S变N)时间差Δt，从而实现永磁式直流电动机驱动的集成电路工作原理示意图；
图5是本发明的利用霍尔传感器实现永磁式直流电动机驱动的集成电路输出驱动图1永磁式电机的电路图；
图6是本发明的利用霍尔传感器实现永磁式直流电动机驱动的集成电路输出控制信号的波形图。
具体实施方式
永磁式直流电动机主体如图1所示，永磁式直流电动机主体包括定子10、转子12，转子12同定子10同轴，转子12包含一对永磁体13，在轴的一侧的永磁体为N极，在轴的另一侧的永磁体为S极，定子包括三相定子绕组和软磁铁芯，三相定子绕组分别各有两个线端，图中A+/A-，B+/B-，C+/C-表示分别表示三相定子绕组的导线端头；通过依次循环按照六种状态将三相定子绕组的六个线端分别同直流电压或地相连，利用定子绕组产生的磁场同转子永磁体产生的磁场相互作用产生转矩驱动转子旋转。
本发明的利用霍尔传感器实现永磁式直流电动机驱动的集成电路一实施方式如图3所示，包括第一霍尔传感器、第二霍尔传感器、逻辑控制模块、5V调压电路、温度补偿模块、状态输出接口、模数转换器、内部分压电阻R1、外部分压电阻接口；所述5V调压电路用于产生集成电路内部5V工作电压；所述温度补偿模块用于保证内部模拟电路(如第一霍尔传感器、第二霍尔传感器)温度稳定性；所述两个霍尔传感器用于监测磁场强度，第一霍尔传感器与第二霍尔传感器依次排列并间隔固定距离L，分别输出磁场极性信号到逻辑控制模块，间隔固定距离L的两个霍尔传感器监测磁场强度会产生有时间差Δt的磁场极性信号对；所述内部分压电阻一端接集成电路内部工作电压，另一端接模数转换器输入端及外部分压电阻接口，外部分压电阻接口用于外接一外部分压电阻到地，模数转换器根据外部分压电阻接口的电压值输出转子半径系数信号到逻辑控制模块；所述逻辑控制模块根据转子半径系数信号、第一霍尔传感器及第二霍尔传感器传来的磁场极性信号、第一霍尔传感器与第二霍尔传感器的间隔距离，在状态输出接口依次输出相应的六种状态，用于控制将三相定子绕组的六个线端分别同直流电压或地相连。
在用本发明的利用霍尔传感器实现永磁式直流电动机驱动的集成电路以对永磁式直流电动机主体进行驱动时，将该集成电路设置在永磁性转子外围的定子上，并使第一霍尔传感器及第二霍尔传感器的间隔线垂至于转子轴线。电动机启动所述集成电路初始工作时，集成电路的二霍尔传感器会监测到转子永磁体的极性，并传送磁场极性信号到逻辑控制模块，逻辑控制模块根据某一霍尔传感器(例如第一霍尔传感器)传来的磁场极性信号的极性，在状态输出接口输出设定的六种状态中的一种状态。因为转子永磁体N/S变化的位置还可能还没有扫过集成电路，所以集成电路可先以一个固定的较长的间隔时间(启动迟延时间Ts)在状态输出接口输出当前状态的下一个状态，使三组定子绕组通电状态按次序变化，以强制驱动转子转动。当有转子永磁体N/S变化(由N变S或S变N))的位置扫过集成电路时，霍尔传感器传来的磁场极性信号的极性会发生变化，当某一霍尔传感器(例如第一霍尔传感器)传来的磁场极性信号的极性发生变化时，所述逻辑控制模块就立即控制在状态输出接口输出当前状态的下一个状态，然后每经过运行迟延时间T所述逻辑控制模块就控制在状态输出接口输出当前状态的下一个状态，所述运行迟延时间T＝(πF/3L)Δt，式中Δt为所述两个霍尔传感器的磁场极性信号的最新极性发生变化的时间差，F为所述转子半径系数信号确定的转子半径系数，L为第一霍尔传感器与第二霍尔传感器的间隔距离，当某一霍尔传感器(例如第一霍尔传感器)传来的磁场极性信号的极性又发生变化时，逻辑控制模块就又立即控制在状态输出接口输出当前状态的下一个状态，然后又每经过运行迟延时间T所述逻辑控制模块就控制在状态输出接口输出当前状态的下一个状态。
图5是本发明的利用霍尔传感器实现永磁式直流电动机驱动的集成电路输出驱动图1所示永磁式电机的一实施例电路图，状态输出接口输出六路信号：OUT_A、OUT_B、OUT_C、OUT_A-、OUT_B-、OUT_C-，其波形图如图6所示，永磁性转子每旋转一周，一个所述集成电路输出的六路信号：OUT_A、OUT_B、OUT_C、OUT_A-、OUT_B-、OUT_C-依次出现六种输出状态组合，按其顺序排列，六种输出状态分别是110100、011100、001101、000111、010011、110001，做成“Y”型的定子绕组，当输出状态为110100时电流流向为从A端流向C端，当输出状态为011100时电流流向为从B端流向C端，当输出状态为001101时电流流向为从B端流向A端，当输出状态为000111时电流流向为从C端流向A端，当输出状态为010011时电流流向为从C端流向B端，当输出状态为110001时电流流向为从A端流向B端。
本发明的利用霍尔传感器实现永磁式直流电动机驱动的集成电路，用以对永磁式直流电动机主体进行驱动时，将该集成电路设置在永磁性转子外围的定子上，并使第一霍尔传感器及第二霍尔传感器的间隔线垂至于转子轴线。如图4所示，永磁性转子转动，第一霍尔传感器监测到磁场由N变S(或S变N)同第二霍尔传感器检测到磁场由N变S(或S变N)会存在时间差Δt，逻辑控制模块根据两个霍尔传感器的磁场极性信号的最新极性发生变化的时间差Δt和第一霍尔传感器及第二霍尔传感器的间隔固定距离L，计算出当前转子扫过集成电路的线速度：V＝L/Δt，再通过集成电路距转子轴心距离R(即转子半径系数F)，计算出当前转子角速度：ω＝V/R＝L/(RΔt)＝L/(FΔt)，并据此计算转子转过下一个60°(π/3)需要的间隔时间：T＝(π/3)/ω＝(πR/3L)Δt＝(πF/3L)Δt。当第一霍尔传感器检测到磁场由极性反转或第二霍尔传感器检测到磁场极性反转时，逻辑控制电路就控制三相定子绕组的通电状态进入六种状态中的一种状态，然后逻辑控制电路每隔(πF/3L)Δt的时间，就控制三相定子绕组的通电状态改变为下一个状态，直到第一霍尔传感器或第二霍尔传感器又监测到磁场极性反转，从而实现对转子保持驱动状态。转子半径系数F同集成电路距转子轴心距离R相匹配，是可调的，例如可以在集成电路内设置内部分压电阻，通过外接不同阻值的外部分压电阻来改变内部分压电阻同外部分压电阻之间的分压值来调整转子半径系数F，使转子半径系数F同集成电路距转子轴心距离R相匹配，以使本发明的利用霍尔传感器实现永磁式直流电动机驱动的集成电路能适用于各种不同转子半径的永磁式直流电动机。可见只需要在一个位置上安装一个本发明的利用霍尔传感器实现永磁式直流电动机驱动的集成电路，就可以实现永磁式直流电动机驱动，极大简化了永磁式直流电动机的设计和制造。
Claims (4)
1.一种利用霍尔传感器实现永磁式直流电动机驱动的集成电路，其特征在于，包括第一霍尔传感器、第二霍尔传感器、逻辑控制模块、调压电路、状态输出接口；所述调压电路用于产生集成电路内部工作电压，所述两个霍尔传感器用于监测磁场强度，第一霍尔传感器与第二霍尔传感器依次排列并间隔固定距离，分别输出磁场极性信号到逻辑控制模块；所述逻辑控制模块根据转子半径系数信号、第一霍尔传感器及第二霍尔传感器传来的磁场极性信号、第一霍尔传感器与第二霍尔传感器的间隔距离，在状态输出接口依次输出相应的六种状态。
2.根据权利要求1所述的利用霍尔传感器实现永磁式直流电动机驱动的集成电路，其特征在于，所述集成电路初始工作时，所述逻辑控制模块根据某一霍尔传感器传来的磁场极性信号的极性，在状态输出接口输出六种状态中的一种状态，当某一霍尔传感器传来的磁场极性信号的极性发生变化时，所述逻辑控制模块就立即控制在状态输出接口输出当前状态的下一个状态，然后每经过运行迟延时间T所述逻辑控制模块就控制在状态输出接口输出当前状态的下一个状态，所述运行迟延时间T＝(πF/3L)Δt，式中Δt为所述两个霍尔传感器的磁场极性信号的最新极性发生变化的时间差，F为所述转子半径系数信号确定的转子半径系数，L为第一霍尔传感器与第二霍尔传感器的间隔距离；当某一霍尔传感器传来的磁场极性信号的极性又发生变化时，逻辑控制模块就又立即控制在状态输出接口输出当前状态的下一个状态，然后又每经过运行迟延时间T所述逻辑控制模块就控制在状态输出接口输出当前状态的下一个状态。
3.根据权利要求1所述的利用霍尔传感器实现永磁式直流电动机驱动的集成电路，其特征在于，所述集成电路初始工作时，所述逻辑控制模块根据某一霍尔传感器传来的磁场极性信号的极性，在状态输出接口输出六种状态中的一种状态，然后每经过固定的启动迟延时间TS所述逻辑控制模块就控制在状态输出接口输出当前状态的下一个状态，当某一霍尔传感器传来的磁场极性信号的极性发生变化时，所述逻辑控制模块就立即控制在状态输出接口输出当前状态的下一个状态，然后每经过运行迟延时间T所述逻辑控制模块就控制在状态输出接口输出当前状态的下一个状态，所述运行迟延时间T＝(πF/3L)Δt，式中Δt为所述两个霍尔传感器的磁场极性信号的最新极性发生变化的时间差，F为所述转子半径系数信号确定的转子半径系数，L为第一霍尔传感器与第二霍尔传感器的间隔距离；当某一霍尔传感器传来的磁场极性信号的极性又发生变化时，逻辑控制模块就又立即控制在状态输出接口输出当前状态的下一个状态，然后又每经过运行迟延时间T所述逻辑控制模块就控制在状态输出接口输出当前状态的下一个状态。
4.根据权利要求1、2或3任一项所述的利用霍尔传感器实现永磁式直流电动机驱动的集成电路，其特征在于，还包括模数转换器、内部分压电阻、外部分压电阻接口，内部分压电阻一端接集成电路内部工作电压，另一端接模数转换器输入端及外部分压电阻接口，外部分压电阻接口用于外接一外部分压电阻到地，模数转换器根据外部分压电阻接口的电压值输出转子半径系数信号到逻辑控制模块。
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