CN103493361A

CN103493361A - 用于马达控制的反emf检测

Info

Publication number: CN103493361A
Application number: CN201180044741.4A
Authority: CN
Inventors: R·克里施纳慕尔泰; 梁富灵; E·苏桑托
Original assignee: Mawier International Trade Co Ltd
Current assignee: Kaiwei International Co; Marvell International Ltd; Marvell Asia Pte Ltd
Priority date: 2010-09-17
Filing date: 2011-09-01
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2031-09-01
Also published as: US20120068649A1; JP5967662B2; JP2013537398A; US8853985B2; WO2012035434A2; WO2012035434A3; CN103493361B

Abstract

描述了与用于马达控制的反EMF检测相关联的系统、方法和其他实施方式。在一个实施方式中，一种装置包括：驱动电路，被配置为向马达的各个输入施加多个激励信号；信号抑制电路，被配置为传递信号以在一个时间间隔期间抑制该多个激励信号的施加；以及测量电路，被配置为在该时间间隔期间测量与参考信号相交的反电动势(EMF)信号。

Description

用于马达控制的反EMF检测

相关申请的交叉引用

本公开内容要求2010年9月17日递交的美国临时申请序列号61/383,991的权益，该申请在此通过引用被整体并入。

背景技术

在许多类型的电子设备(如便携式膝上计算设备、视频记录设备、服务器等等)中，可以使用电动马达来驱动冷却风扇以驱散设备中所生成的多余热量。通过去除多余热量，该设备的处理器和其他组件可以可靠地并且长时间地工作。当多余热量未被去除时，电子设备可能出故障，常常具有严重的后果(如数据的丢失、处理资源的丢失或整个系统故障)。

当特别是在便携式电子设备的应用中使用电动马达来驱动冷却风扇时，可能非常重视电动马达的功率效率。因此，由消耗过度的电池功率数量的马达所驱动的风扇可能不是最适于在便携式设备中使用。在诸如膝上和台式计算机环境之类的应用中，在该环境中用户可能位于与该设备极为接近的位置，电动马达驱动的冷却风扇可能发出不可接受的噪声级，该噪声对于用户而言可能是令人分心的。

为了实现电动马达的高效且安静的工作，可以监视马达的一个或多个工作参数。在一些类型的电动马达中，已经使用霍尔效应传感器来确定电动马达中的转子的角位移，以确保选择具有合适的精度的用于驱动马达的激励电压。然而，该霍尔效应传感器的使用可能增加电动马达的成本并且还可能遭受失准和故障。

发明内容

在一个实施方式中，一种装置包括被配置为向马达的各个输入施加多个激励信号的驱动电路。信号抑制电路被配置为传递信号以在一个时间间隔期间抑制该多个激励信号的施加，以及测量电路被配置为在该时间间隔期间测量与参考信号相交的反电动势(EMF)信号。

在另一个实施方式中，该装置的该多个激励信号是脉冲宽度调制激励信号。

在另一个实施方式中，该装置的该驱动电路被配置为由于在该时间间隔期间与该参考信号相交的该反电动势信号而修改该多个激励信号中的至少一个激励信号。

在另一个实施方式中，该装置的该驱动电路被配置为修改该多个激励信号中的该至少一个激励信号以与马达中的角位移对准。

在另一个实施方式中，提供了一种抑制向马达输出的多个激励信号的方法。该方法确定该多个激励信号的该抑制与该多个激励信号中的一个激励信号与来自该马达的参考信号的相交之间的时间。该方法由于所确定的时间而修改该多个激励信号，并且向该马达施加修改的多个激励信号。

在另一个实施方式中，该方法还包括从查找表获得脉冲宽度并且使用该脉冲宽度将该多个激励信号与该马达的转子部分的角位移对准。

在另一个实施方式中，一种设备包括被配置为将多个激励信号耦合到马达的电路以及被配置为接收参考信号的测量电路。该设备还包括被配置为抑制该多个激励信号到该马达的该耦合、测量来自该马达的反电动势下降到该参考信号的电平以下的时刻以及重新开始该多个激励信号到该马达的该耦合的逻辑。

在另一个实施方式中，该设备的该逻辑进一步被配置为根据所测量的时间将该多个激励信号与该马达的转子的角位移对准。

在另一个实施方式中，被配置为耦合多个激励信号的该电路的输出是三态放大器，该三态放大器被配置为通过被配置为抑制该多个激励信号到该马达的该耦合的该逻辑被设置到高阻抗状态。

附图说明

被合并入说明书并且构成说明书的一部分的附图示出了本公开内容的各种系统、方法和其他实施方式。应当认识到，附图中所示的元件边界(例如方框、方框组或其他形状)表示边界的一个实例。应当认识到，在一些实例中，一个元件可以被设计为多个元件或者多个元件可以被设计为一个元件。在一些实例中，可以将被示为另一个元件的内部组件的一个元件实现为外部组件，反之亦然。此外，可能未按比例绘制元件。

图1示出了被配置为检测用于控制马达的反EMF信号的装置的一个实施方式。

图2示出了示例性正弦波形和使用脉冲宽度调制信号的该正弦波形的近似。

图3示出了可以由被配置为检测用于控制马达的反EMF信号的装置的一个实施方式产生的激励电压输出的波形的实例。

图4示出了可以由被配置为检测用于控制马达的反EMF信号的装置的一个实施方式产生的激励电压输出的波形的实例。

图5示出了与一种被配置为检测用于控制马达的反EMF信号的装置相关联的一种方法的一个实施方式。

具体实施方式

本文描述了与用于风扇的马达控制的反电动势(EMF)检测相关联的系统、方法和其他实施方式。在一个实施方式中，系统使用反EMF检测方法而不是使用霍尔效应传感器来检测风扇速度。反EMF的检测可用于将激励信号的电气周期与由脉冲宽度调制(PWM)激励电压所驱动的无刷电动马达中的转子的角位移对准。电气周期与转子的角位移的对准可以导致变速风扇以及用于各种电子系统和设备的其他应用中所使用的电动马达的更安静且更高效的工作。

图1示出了被配置为检测用于控制马达的反EMF信号的装置100的一个实施方式。在图1中，装置100配置有驱动器电路10，驱动器电路10包括脉冲宽度调制(PWM)信号生成器20。PWM信号生成器20从查找表(LUT)18获得用于生成借助三态放大器12、14和16输入到三相马达30的激励电压输出信号SPA、SPB、SPC的PWM系数。SPA、SPB和SPC分别是相位A、相位B和相位C的门驱动信号。

为了解释的目的，参考选择数量的电气组件来讨论三相马达30。在图1中没有示出诸如风扇叶片、转子等等可以被包括在风扇中的可能的机械/机电零件。三相马达30将表示每个激励电压信号输入(SPA、SPB和SPC)的输出连同参考电压Ref V_out一起提供给测量电路40。测量电路40被配置为向信号抑制电路50提供定时命令。该定时命令指示信号抑制电路50何时将三态放大器12、14和16设置到高阻抗状态以及何时从该状态释放三态放大器。

测量电路40还包括被PWM信号生成器20用于修改PWM激励信号以与三相马达30中的转子的角位移对准的反EMF参考电压相交输出(B-EMF交叉)。可以通过调整一个或多个脉冲的持续时间、在时间上提前或延迟一个或多个脉冲等等发生PWM信号的修改。在一个实施方式中，将装置100实现在包括一个或多个被配置为执行本文所述的一个或多个功能的集成电路的芯片上。

在图1的实施方式中，驱动器电路10包括PWM信号生成器20并且被配置为分别借助三态放大器12、14和16生成激励电压输出SPA、SPB和SPC。在该实施方式中，三态放大器12、14和16中的每一个包括高电平有效状态、低电平有效状态和高阻抗状态。为了驱动三相马达30，由驱动器电路10生成包括PWM信号的激励电压输出SPA、SPB和SPC。在一个实施方式中，PWM信号用于呈现或近似于被三相马达30的每个相位使用的正弦波形。在一个实施方式中，指示每个PWM信号的持续时间的系数被存储在LUT 18中。在一个实施方式中，驱动器电路10被配置为在25kHz到100kHz的频率上生成PWM信号，但是可以使用其他频率实现其他实施方式。

在一个实施方式中，三相马达30包括四个电极对，其中借助对每个相位使用四个电极缠绕马达的定子来形成四个不同的南北磁对。因此，三相马达30的定子可以包括12个电磁体。在该实施方式中，每四个电气周期发生三相马达30的每次机械旋转。三相马达30的一个实施方式可以以每分钟25,000到100,000转进行工作，但是其他实施方式可以应用具有不同速度的三相马达。此外，三相马达30的绕组的内部连接可以被布置成“Y”形或“三角”形结构。

三相马达30利用与驱动器电路10的三个激励电压输出(输出SPA、SPB和SPC)中的每个激励电压输出相对应的三个输出。虽然图1的实施方式将每个输出显示为与对应的输入分离，但是为了清楚起见而选择了该实例，并且可以利用一个或多个组合输出来实现其他实施方式。

三相马达30还包括与马达的中央抽头相对应的参考电压输出(Ref V_out)。虽然三相马达30已经被显示为具有布置成“Y”形结构的相位，在该结构中参考电压输出对应于相位共用的节点，但是其他实施方式可以利用不同的参考电压输出。

在图1中，以大约每个电气周期一次的速率，测量电路40被配置为命令信号抑制电路50将激励电压SPA、SPB和SPC的输出抑制一小段时间间隔。在该时间间隔期间，三态放大器12、14和16被置于高阻抗状态中，因而禁止激励电压从三态放大器被耦合到三相马达30。在该时间间隔期间，测量电路40估计激励电压输出SPA、SPB或SPC中的一个或多个以确定存在于一个或多个输出上的反EMF何时穿越到参考电压以下(例如在一个方向上满足或超过参考电压电平)。

在一个实施方式中，当测量电路40确定反EMF已经穿越到(下降到)参考电压以下时，测量电路40确定新的电气周期可以开始。在这种情况下，激活反EMF参考电压相交信号(图1中的“B-EMF相交”信号)，因而指示PWM信号生成器20修正用于呈现或近似于正弦波形的系数。这样，装置100被配置为修改PWM信号生成器20的输出以与三相马达30的转子的角位移对准。三态放大器12、14和16然后可以返回到低电平有效状态或高电平有效状态，并且可以向三相马达30传递表示新的电气周期的激励电压。

在一些实施方式中，三态放大器12、14和16的抑制与反EMF信号跟参考电压的相交之间的时间间隔可用于修改激励信号以与三相马达30中的转子的角位移对准。因此，在时间周期相对长的情况下，这可以是激励信号和三相马达30中的转子的角位移严重失去对准的指示。在此情况下，驱动器电路10可以确定对于由三态放大器12、14和16输出的波形的大的修正可能是合适的。在其他情况下，例如当测量的时间周期可能相对短时，驱动器电路10可以确定仅仅小的修正或者也许完全没有修正可能是合适的。

利用图1的装置100，来自PWM信号生成器20的激励电压输出与三相马达30中的转子的角位移的对准用以辅助马达30更高效地工作。在来自PWM信号生成器20的电压激励信号与三相马达30中的转子的角位移失去对准的情况下，马达30可以在工作的同时发出不希望的“高音鸣叫”。激励电压与转子的角位移之间的失准还可能带来三相马达30的工作中可能由于三个相位之间流动的过量电流而导致的低效。

在一个实施方式中，通过将三态放大器12、14和16设置到高阻抗状态，再循环电流(例如在三相马达30的转子绕组之间继续流动的电流)在该设置之后不继续传播一段明显的时间。在三相马达30以每分钟32,000转的角速度工作的一个实例中，反EMF信号与参考电压信号在500ns内相交却由于再循环电流而对反EMF没有显著的贡献。当然，依赖于特定的实现可以观察到其他测量。

图2示出了理想化的示例性正弦波形160的图150以及使用PWM信号170的正弦波形160的近似的图155。正弦波形160作为时间的函数在+V与-V之间周期性地变化。PWM信号170在0与幅度L之间变化因而可以重构正弦波形160。如图2中可以看出的，如果波形160幅度增加，则PWM信号170比如果波形160幅度减小在更长的持续时间上呈现幅度L。在一个实施方式中，(图1的)查找表18存储PWM系数，该PWM系数描述用于PWM信号170的幅度和定时特征中的一个或多个特征。

在下文的表1中，提供了用于与图1中所示的相位SPA、SPB和SPC相对应的第一批33个PWM系数的示例值。在一个实施方式中，表1的值适于存储在图1中所示的LUT 18的只读存储器内。如从表1可以看出的，PWM系数用于根据这样一种调度生成PWM信号，其中该调度始于样本0并且继续经过并且超过样本32。在一个实现中，由PWM信号生成器20以呈现或近似于正弦波形的方式按顺序使用PWM系数。

表1

因此，在表1中，在样本0处，用于SPA的系数238可能适合于生成从0°开始的正弦波形。对于SPB，系数510可能适合于生成从120°开始的正弦波形，而系数90可能适合于生成从240°开始的正弦波形。这样，使用与表1一致的系数可以生成具有三个相位的正弦波形，其中每个相位偏移大约120°。在一个实施方式中，用于相位SPA、SPB和SPC中的每一个的完整循环可能需要数百个系数。

图3示出了被配置为检测用于控制风扇的马达的反EMF信号的装置100的一个实施方式可能导致的激励电压输出的示例性波形200。在图3中，波形210、220和230分别表示激励电压输出SPA、SPB和SPC。图3的每个波形包括以介于25KHz与100KHz之间的速率被“斩波”的PWM调制信号，但是装置100的实施方式不限于在该范围中被调制的信号。当波形被图1的三相马达30接收时，该信号呈现或近似于如参考图2所描述的在马达30的定子绕组中的正弦波形。图3还示出了出现在时间t₀的信号抑制线240，在该信号抑制线240处电压激励信号已经被抑制。在一个实施方式中，正如参考图1所讨论的，可以通过将输出三态放大器置于高阻抗状态来实现SPA、SPB和SPC的抑制。

在图3中，当每个电压激励信号被抑制时，可以看到衰减信号在时间t₀之后持续一定时间。该衰减信号表示来自三相马达30的每个相位的反EMF。如图3中还可以看出的，衰减信号在由信号重新开始线250所示的时间t₁处开始下降到参考电压线以下，在该信号重新开始线250处PWM信号可以再次被耦合到三相马达30的输入。t₀与t₁之间的时间间隔可用于修改激励信号以与马达30中的转子的角位移对准。在一个实施方式中，激励电压输出的抑制可以大约每个三相马达的电气周期出现一次。

在一些实验中，电压激励信号到高阻抗状态的短暂设置没有在马达30的性能上导致明显的影响。例如，电压激励信号到高阻抗状态的短暂设置通常不导致电动马达30“隆起(hunch)”，其中电动马达周期性地增大和减小角速度。在这些实施方式中，可以预见的是，马达的移动零件(例如风扇叶片、转子)的惯性以及介于中间的连杆使得马达悄悄经过这些短暂的情况并且维持基本上恒定的速度。

图4示出了被配置为检测用于控制马达的反EMF信号的装置100的一个实施方式可能导致的激励电压输出的波形。在图4中，使用了扩展的时间尺度来清晰地示出存在于电压激励信号SPA、SPB和SPC上的反EMF的衰减。图4更详细地示出了来自每个电压激励输入的反EMF信号的衰落的指数性质。然而，在其他实施方式中，反EMF信号可以展示不近似于衰减指数的衰减剖面。

图5示出了与被配置为检测用于控制马达的反EMF信号的装置相关联的方法500的一个实施方式。参考图1中所示的装置100来讨论方法500，但是可以使用其他配置来实施该方法。在505，通过将到马达的激励输出抑制一个时间间隔来开始该方法。在510，确定该时间间隔的开始与激励电压信号跟来自该马达的参考信号的相交之间的时间。该参考信号可以对应存在于三相马达的中央抽头处的信号或者可以对应任何其他类型的参考信号。作为510的结果，从查找表获得将激励信号与马达的转子部分的角位移对准的脉冲宽度。在515，由于确定的时间而修改激励信号。在520，将修改的激励信号施加到马达。在一个实施方式中，这可以包括从查找表获得脉冲宽度并且使用该脉冲宽度将多个激励信号与马达的转子部分的角位移对准。这样，由于确定该时间间隔的开始与该激励信号的相交之间的时间而重新开始该激励信号。

因此，本文所述的实施方式允许用于电动马达控制的BEMF检测的使用而无需霍尔效应传感器。为了执行使用BEMF的控制功能，将激励输出置于高阻抗状态中，这使得马达中的再循环电流衰减。在一些实施方式中，通过将被耦合到电动马达的三个相位中的每个相位的激励输出设置为高阻抗状态，使得马达中的再循环电流基于相对于马达的电气周期较小的周期衰减。在一些实施方式中，使得再循环电流快速衰减就使得电动马达以高速率高效地工作。这使得电动马达驱动的风扇在不增加电动马达的尺寸的情况下提供增强的冷却。

定义

以下包括本文使用的所选择的术语的定义。该定义包括落入术语的范围中并且可用于实现的组件的各种实例和/或形式。实例并非旨在限制性的。术语的单数和复数形式都可以在该定义中。

对“一个实施方式”、“实施方式”、“一个实例”、“实例”等等的引用表明所述实施方式或实例可以包括特定的特征、结构、特点、特性、要素或限制但并不是每个实施方式或实例必然包括该特定的特征、结构、特点、特性、要素或限制。此外，短语“在一个实施方式中”的重复使用未必指的是相同的实施方式，虽然其可能指的是相同的实施方式。

如本文所使用的“逻辑”包括但不限于硬件、固件、存储在非暂态介质上或在机器上执行的指令以及/或者用以执行功能或动作并且/或者引起来自另一个逻辑、方法和/或系统的功能或动作的每一个的组合。逻辑可以包括软件控制的微处理器、离散逻辑(例如ASIC)、模拟电路、数字电路、可编程逻辑器件、包含指令的存储器件等等。逻辑可以包括一个或多个门、门的组合或者其他电路组件。在描述多个逻辑的情况下，将多个逻辑合并成一个物理逻辑单元可以是可能的。类似地，在描述单个逻辑的情况下，将该单个逻辑分布在多个物理逻辑之间可以是可能的。可以使用一个或多个逻辑元件实现本文所述的一个或多个组件和功能。

虽然为了解释的简单起见，将所示方法示为并且描述为一系列方框。该方法不被方框的次序限制，因为一些方框可以以不同的次序并且/或者与不同于所示和所述方框的其他方框同时发生。此外，可以使用少于所有所示方框的方框来实现示例性方法。可以将方框组合或者分成多个组件。此外，附加的和/或可替换的方法可以使用附加的、未示出的方框。

至于在具体实施方式或权利要求中使用术语“包括(includes)”或“包括(including)”的程度，其旨在以类似于术语“包括(comprising)”的方式是包括性的，其中该术语当在权利要求中被用作过渡词时被解释为术语“包括(comprising)”。

虽然通过描述实例已经示出了示例性系统、方法等等，并且虽然已经相当详细地描述了实例，但是发明人的本意不是将所附权利要求的范围限定或以任何方式限制到该细节。当然，不可能为了描述本文所述的系统、方法等等的目的描述组件或方法的每个能想到的组合。因此，本公开内容不限于所示并且所述的具体细节、代表性装置以及说明性实例。因此，本申请旨在包括落入所附权利要求的范围内的更改、修改和变化。

Claims

1.一种装置，包括：

驱动电路，被配置为向马达的各个输入施加多个激励信号；

信号抑制电路，被配置为传递信号以在一个时间间隔期间抑制所述多个激励信号的施加；以及

测量电路，被配置为在所述时间间隔期间测量与参考信号相交的反电动势(EMF)信号。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述多个激励信号是脉冲宽度调制激励信号。

3.如权利要求2所述的装置，其中，所述多个脉冲宽度调制激励信号中的至少一个激励信号近似于正弦波形。

4.如权利要求1所述的装置，其中，所述驱动电路被配置为由于在所述时间间隔期间与所述参考信号相交的所述反电动势信号而修改所述多个激励信号中的至少一个激励信号。

5.如权利要求4所述的装置，其中，所述驱动电路被配置为修改所述多个激励信号中的所述至少一个激励信号以与所述马达中的角位移对准。

6.如权利要求1所述的装置，其中，所述驱动电路的输出被配置为抑制所述多个激励信号。

7.如权利要求1所述的装置，其中，所述马达被配置为包括三个相位，并且其中，所述参考信号对应于所述马达的中央抽头处的电压。

8.如权利要求1所述的装置，其中，在所述多个激励信号的电气周期期间所述时间间隔大约出现一次。

9.一种方法，包括：

抑制向马达输出的多个激励信号；

确定所述多个激励信号的所述抑制与所述多个激励信号中的一个激励信号与来自所述马达的参考信号的相交之间的时间；

由于所述确定的时间而修改所述多个激励信号；以及

向所述马达施加所述修改的多个激励信号。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述抑制包括：

增加提供所述多个激励信号的多个输出放大器的输出阻抗。

11.如权利要求9所述的方法，其中，所述参考信号对应存在于所述马达的中央抽头上的信号。

12.如权利要求9所述的方法，其中，所述施加还包括从查找表获得脉冲宽度，并且使用所述脉冲宽度将所述多个激励信号与所述马达的转子部分的角位移对准。

13.如权利要求9所述的方法，其中，所述抑制大约每所述多个激励信号的电气周期出现一次。

14.一种设备，包括：

电路，被配置为将多个激励信号耦合到马达；

测量电路，被配置为接收参考信号；以及

逻辑，被配置为：

抑制所述多个激励信号到所述马达的所述耦合；

测量来自所述马达的反电动势下降到所述参考信号的电平以下的时刻；以及

重新开始所述多个激励信号到所述马达的所述耦合。

15.如权利要求14所述的设备，其中，所述逻辑进一步被配置为根据所测量的时间将所述多个激励信号与所述马达的转子的角位移对准。

16.如权利要求15所述的设备，其中，所述逻辑进一步被配置为确定将所述多个激励信号与所述马达的转子的所述角位移对准的脉冲宽度调制系数。

17.如权利要求14所述的设备，其中，所述多个激励信号被耦合到三相马达。

18.如权利要求14所述的设备，其中，被配置为耦合多个激励信号的所述电路的输出是三态放大器，所述三态放大器被配置为通过所述被配置为抑制所述多个激励信号到所述马达的所述耦合的逻辑被设置到高阻抗状态。

19.如权利要求14所述的设备，其中，所述参考信号对应于所述马达的中央抽头。