CN1047701C - 无刷无传感器电机，电机性能增强方法及所用组合电路 - Google Patents

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Abstract

提供电子固态电路代替无刷直流电机(10)中的霍耳效应传感器，提供基本上与霍耳效应传感器相同的输出信号。现有电机中的霍耳效应传感器可被撤消或移去并且在功能上被固态电路代替。该电路可包括一些D触发器(20、21、22)和与非门(23)，通过一个开关连接至压控振荡器(12)，该开关是起动电路(25)的一部分。一个反向电路，一个采样逻辑电路(以确定某一时刻哪一相被不导通)，以及一个换相错误检测电路(15)也被优选提供。利用该电路的新电机可靠性提高并且速度调节准确。

Description

无刷无传感器电机、电机性能增强方法及所用组合电路
               发明背景和概要
常规商业无刷直流电机使用霍耳效应(磁化运行下)传感器。霍耳效应传感器检测转子位置并且当转子磁轴位置到达预定位置时为逆变器提供信号以便顺序换至下一个相位。用此方式，电机绕组就可获得足够的能量以提供任意给定速度下电机的最大输出转矩。但是，霍耳效应传感器的结构却在很多不同的方面限制了电机。
同固态电路组件相比，霍耳效应传感器一般较大，对小电机来说，就存在这样的问题：即必须为正确安装传感器寻找足够的空间。但是，甚至假定在已存在的电机中提供了这样的传感器，因为传感器的最大工作温度大约为150℃，所以使用这些传感器的无刷直流电机在F绝缘级以上的工作温度下运行仍是不合适的。而且，由于霍耳效应传感器的复杂性，温度限制和其它的原因将降低无刷直流电机的可靠性。进一步，在制造过程中，校准传感器有一定困难，与此相关还有费力且昂贵的材料费等缺点。这使得交流感应电机用户不太愿意转到高效、高功率密度的无刷直流电机的使用。而且，当使用霍耳传感器时，电机与驱动的连接也有复杂性，还存在对绕组方向的敏感性问题。
过去有多个方案建议，通过使用反电动势信号和在特殊方式下运行电机，来制造无传感器(即无霍耳效应传感器)无刷直流电机。如，通过使用Micro Linear开发的常规芯片ML 4410和ML4411，为线性模式无刷无传感器直流电机驱动提供控制器，它可以按通常用来驱动个人计算机内的硬盘所需功率值大小或当不考虑电机效率时，成功地对电机驱动电路进行操作。其它的提法包括那些美国专利5166583和5223772。在美国专利4928043中，使用锁相环锁相跟踪反电动势，并且在一新的电机结构中可产生一个可工作的无刷无传感器直流电机。然而，没有一个已有技术的提议涉及到已存在电机的问题。实际上，现在却有成千上万的无刷直流调速电机驱动器(如6步)，带有霍耳传感器，这些霍耳传感器运行在有限的容量内，并且/或者维修和可靠性都较差，如果替换它们，成本上不合算。而且，希望提供一种新的-除式样翻新外-结构的电机或其它旋转电机，它们的结构简单但多样。即，同常规电机相比，新电机应具有高可靠性，精确的速度调节，简单的安装，低价格电机，尺寸小，重量轻以及由于转子惯性减小导致的快速响应等特点。
根据本发明，这里提供了提高直流无刷电机性能的方法，以及改进的直流电机和相似的旋转电机与适合于电机使用的电路。电路重新改进后能用于使用霍耳传感器的电机，它们代替了那些传感器因而比较经济地实现了高可靠性的优点是使工作温度范围变宽，即不必替换整个电机驱动器。根据本发明构成的新电机也实现了预想的结果，即相比于常规的无刷直流电机而言具有高可靠性和宽的温度范围，具有精确的速度调节，安装简单，电机与常规电机相比成本低、尺寸小、重量轻，且由于转子惯性降低而导致响应时间更为迅速。
根据本发明的一个方面，这里提供了一种增强无刷电机性能的方法，此无刷直流电机具有多个霍耳传感器和一个频率一电压转换电路。此法包括以下几步：a)除去或使霍耳传感器和频率-电压转换电路失效；以及b)使换相错误检测电路和直流电机与电压控制振荡器相连，使一个固态电路与压控振荡器可操作性地相连以提供基本上同霍耳效应传感器相同的输出信号，因此从功能上代替霍耳效应传感器。步骤(b)可以这样实现：把多个数据(D)触发器和一与非门与VCO可操作性地相连，例如在VCO与每个D触发器的时钟脉冲(CP)输入端之间连一个开关。如，可以用3个D触发器通过一个开关同VCO相连。
根据本发明，也希望能实现现有电机的一些其它有利的结果。比如，可能进一步把反向电路与步骤(b)中的固态电路相连，把起动电路(如转子校准电路)与固态电路相连，以及或者把采样逻辑电路与固态电路相连，目的是为了从固态电路的输出结果中构成采样逻辑以便决定哪一相位不通电相。
此发明还涉及到一无刷无传感器旋转电机，此电机可能是新的也可能是改型的，比如直流电机。此电机包括：一转子，一定子及包括多相逆变器驱动的多个绕组用于顺序选择绕组通电。一个电压控制振荡器，用于控制多相逆变器的频率，且具有一个输入端和一个输出端。还有一固态间接转子位置检测电路，它与电压控制振荡器的输出可操作性相连以提供基本上同霍耳效应传感器相同的输出信号。固态间接转子位置检测电路包含多个(如3个)D触发器，每个都有CP输入端和一个与非门。或者固态间接转子位置检测电路可能包括多个逆变器，每个逆变器都与与门和无刷直流电机的门极驱动电路相连(参看ML4410或ML4411芯片)。或者此检测电路也可能包括一可偏程逻辑芯片，此芯片与无刷直流门极驱动电路相连(参看ML4410或ML4411芯片)以实现上述同样的输出。
起动电路可能与电机相连，且包括一开关，此开关用于连接VCO的输出信号和D触发器的CP输入。反向电路可同固态间接转子位置检测电路相连。采样逻辑电路可同固态间接位置传感器电路相连以便从固态间接转子位置检测电路的输出信号构成采样逻辑，这样就可决定关闭哪一相。换相错误检测电路可能同VCO的输入端相连。
本发明还涉及到一简单的固态电路，本质上此电路特别适于在无刷无传感器直流电机的结构中使用，但也可以有其它的应用。根据本发明固态电路组合地包括下列元件：具有一个输入端和一个输出端的电压控制振荡器；多个D触发器，每个都有CP输入端；和一个与非门。电压控制振荡器的输出端通过一开关与D触发器的CP输入端相连。换相错误检测电路可以同电压控制振荡器的输入端相连。
本发明的主要目的是提供新的或改型的无刷无传感器直流电机或相似的电机，和实现所期望有利结果的电路。在研究所附权利要求及本发明的详细说明书之后，本发明的各种目的将变得很清楚。
                      附图简述
图1是根据本发明与无刷直流电机相连的所希望电路；
图2是一波形图，表示的是使用图1中的电路产生的电机绕组顺序供电的时间图；
图3是根据本发明示出的图1中的固态间接转子位置检测电路的原理详图，它提供与霍耳效应传感器基本上相同的输出信号；
图4是一波形图，它比较了VCO的输出值与图3的虚拟霍耳传感器的输出之间的关系；
图5是一电路简图，它表示的是一个功能上与图1相同的电路，该电路使用市场上可买到的单个芯片作为其主要组件；
图6是一电路简图，它功能上与图1中的电路相似，该电路使用市场上可买到的芯片和可编程逻辑芯片作为其主要组件；以及
图7是一电路简图，它详细阐明了对于图1电路来说典型逆变器与直流电机的连接。
                    附图详述
图1，3和5-7中所表示的均是常规电路和逻辑再现。无刷无传感器旋转电机以直流电机的形式示于图1，其参考标号为10，此电机10一般地包括一转子和一定子还有多个绕组11。接上至图1中所示电机10绕组11的完整电路与多相逆变器相连，以顺序地选择导通绕组11。多相逆变器在图1中简单地以18表示，示例逆变器18以及它与绕组11的连接详示于图7。
一般地，图1的完整电路包括一电压控制振荡器(VCO)12，此电压控制振荡器具有输入端13和输出端14，用于控制多相逆变器18的换相频率。换相错误检测电路15和开关16连接于绕组11和VCO输入端13之间，VCO的输出端14优选地与开关17相连。
根据本发明，本发明不使用霍耳效应传感器，而是代以固态电路去检测转子位置并且当转子磁轴到达预定位置时为逆变器18提供信号以便切换到下一个相位与序列。固态电路19与VCO12的输出端14可操作性相连并提供基本上与霍耳效应传感器相同的输出信号。因此电路19可能很快地被认为是“虚拟霍耳信号发生器”，一个“虚拟霍耳输出”相应于通常与电机10有关的一个霍耳效应传感器的输出。(例如3)，图1，图3和这里所述的优选实施方案中的虚拟霍耳信号发生器包括多个D触发器20、21、22和一与非门23。每个触发器20-22都有2个D输入端和两个Q输出端和一时钟脉冲输入(CP)端，CP输入端直接通过图3的线24或通过开关17与VCO12的输出14相连，而开关17，如图1所示与起动电路25相连。
触发器20-22的输出信号优先分别通过缓冲器27-29，在线31、35、38上提供3个虚拟霍耳输出信号。包括开关32，33，36，37及逆变器34的电路30提供了等价于三相永磁无刷直流电机3个霍耳传感器输出的输出信号。电路30是一个反向电路，并且可不使用此电路，虚拟霍耳信号31，35，38分别与每个缓冲器27-29直接相连，正如图3所示。
图2是虚拟霍耳输出信号的。波形图4所示是此霍耳输出信号根据VCO信号所画的波形，且图4还提供了Q2(信号35)的反向的波形。
与VCO12和其它元件相连的虚拟霍耳信号发生器19示于图1和3，利用该虚拟霍耳信号发生器19，VCO12的滤波后输入信号与带霍耳传感器的无刷直流电机驱动器中的频率至一电压转换电路的输出等价。在图1和3中，其频率6倍于电机转向频率的VCO12的输出端与电路19相连。图1和3中，触发器20-22的同相输出信号分别定义为Q3，Q2和Q1，并示于图4。Q2滞后Q3一个VCO振荡器周期，Q1滞后Q2。同此Q1滞后Q32个VCO振荡器周期，这个时间差是电机换相周期的2/3，换言之，Q1滞后Q3120°。相似地，Q2的反即 Q2 滞后Q3120°。因此输出31，35，38与在常规无刷直流电机中来自A相、B相、C相霍耳传感器的信号是相同的。
图1的换相错误检测电路15如此提供以便图1电路的积分器和锁相环的输入可用于使锁相环工作在电机驱动器的“全通方式”或“PWM方式”。图1的电路15中的各组件和VCO12用于形成锁相电路以便对电机10的反电动势作相位跟踪。
在电路15中，元件C1，R11，R12，V3，V4同VCO一起构成了锁相电路。
仍然在电路15中，电路元件R1，R2，R3，R10，U1和U2组成了一加法器，U2的输出信号设计成与(R4/(R4＋R5))*(VAO＋VBO＋VCO)/3相等，这里VAO，VBO，VCO分别为相位A，B，C相对母线地的电压。当电机驱动处于“全通”方式或在“PWM方式”其中一个底部开关处于通路时，(VAO＋VBO＋VCO)/3就等于V/2＋1.5*(不导通相的相位一至一中点感应电压)。V为母线电压。当底部开关之一中在“PWM”方式下关闭时，(VAO＋VBO＋VCO)/3与V相等。当驱动器处于“全通方式”或底部开关中的一个处于“PWM方式”时，包括R11、R12、C1和U3的积分器的反相输入信号为(R4/(R4＋R5))*(V/2＋非导通相的相位至中点的感应电压)，反相输入为V。因此，当驱动器处于“全通方式”或底部开关中的一个在“PWM方式”下接通时，积分器的输入电压等于非导通相的相位至中点的感应电压。当底部开关中的一个在“PWM方式”关闭时，输入电压为0.此设计保证了PWM方式不会错误引导用于换相错误检测的锁相环。
图1电路还包括由检测逻辑电路40提供的检测逻辑，电路40从虚拟霍耳信号发生器电路19的输出31，35，38中建立采样逻辑，然后告诉锁相环当前哪一相是不导通相。采样信号的波形可从图2看到，它们分别被标为“测量A”，“测量B”和“测量C”。使用虚拟霍耳A-C的输出(31，35，38)和测量A-C的真值表如下所示：
虚拟霍耳A 虚拟霍耳B 虚拟霍耳C 测量A 测量B 测量C
   1     0    1    0    0    1
   1     0    0    0    1    0
   1     1    0    1    0    0
   0     1    0    0    0    1
   0     1    1    0    1    0
   0     0    1    1    0    0
从真值表所得逻辑关系为：测量A＝HA·Hb＋ HA· HB测量B＝HB·HC＋ HB· BC测量C＝HC·HA＋ HC· HA
在测量A、B、C中逻辑高电平的信号输出将开通相应的相位并把电压送至积分器的反相输入端。
在反向电路30的工作期间，当开关41处于开路状态时，电机10的旋转方向为正向。开关32、36、42、43是闭合的，开关37、33、44、45是断开的。当开关41闭合后，开关33、37、44、45也闭合而开关32、36、42、43却打开。B相和C相被切换，且相位B、C相的采样序列是反转的，因此电机旋转方向是反的。
由于低速时电机感应电压较低，因此使用起动电路25来起动电机。电路25包含一转子校准电路，示于图1，此校准电路设置虚拟霍耳A的输出端31为高电平，输出35、38为低电平，这样，A相的顶部开关和C相的底部开关将闭合且电机10的转子磁轴与B相绕组11的轴在同一方向上。校准的时间由电阻R19和电容C5控制。当电容C5上的电压超过开关S3和S2的阈电压时，开关46将打开，开关17将闭合。VCO12的输出14将与“虚拟霍耳信号发生器”19相连。电机10的速度将直线上升直到开关16切换到VCO12的输出端为止。直线上升时间由开/关回路47的R15和C2的值控制。当开关16切换到换相错误检测器15的输出端时，换相位置反馈回路即被闭合。线/电路48用于速度调节。
图1中所有的电路典型用于根据本发明新设计的无传感器无刷直流电机(或其它旋转电机)。这样的电机将具有无传感器反馈电路，闭环调节，灵活的速度设置，方向控制，PWM开关频率，可调最大和最小速度，可能还有可调电流限制，可调增益(稳定性)和/或可调加速或减速。典型的调整范围为15∶1。这样的电机由于结构简单不容易出故障，因而比起常规的直流无刷电机来说有更好的可靠性，且电机温度不会影响电子电路，从而减小了故障的次数。而且调整精度很高，为设置速度的0.1％之内。安装也很简单，只用三个随便的线连接装置。因而相比常规的电机，这种电机具有成本低，尺寸小，重量轻的特点，而且由于转子惯性的减小导致其响应快速。
除了提供可靠的“新”电机，根据本发明，还提出了一种方法，用于增强具有多个霍耳传感器和一个频率-电压转换电路的无刷直流电机的性能。它是通过使霍耳传感器无效(即通过电切断或从现有电机中整个去掉霍耳传感器和频率-电压转换电路简单实现的。然后虚拟霍耳信号发生器固态电路19与VCO12相连，它代替了霍耳效应传感器。因为由电路19提供的输出信号31、35、38基本上与霍耳效应传感器的输出相同，所以固态电路19功能上代替了霍耳效应传感器。这种改型允许现存电机-在美国有成千上万这样的电机-可以具备根据本发明新电机的更高的可靠性和许多其它的优点，此前已作说明。
这里改型包括连接一个换相错误检测电路15(此电路可代替早先的电路或对改型电机来说是全新的)，如图1所示把反向电路30和电路19相连，如图1所示把起动电路25(与开关17)相连，和/或连接一个采样逻辑电路40。连接采样逻辑电路40将允许从输出信号31、35、38中建立采样逻辑以便确立哪一相为不导通相，图2和4所示即为此情形。
图5简要阐述了根据本发明的另一实施方案。图5中，反电势采样器，VCO和换相逻辑电路被固化在商用芯片ML4410中，在图5中，其参考标号为50，此芯片可从Micro Linear买到。ML4411芯片同样能使用在此位置代替ML4410。同图1中电路相似的一个反向电路布置在芯片50周围。在图5的实施方案中，虚拟霍耳信号发生器电路同图1中的不同。它是分别由设置在ML441050中的无刷直流门极驱动电路，3个逆变器51-53，和3个与门54、55、56组成。它提供基本上与图1和3中的输出相同的虚拟霍耳输出31、35、38。带有3个上位门的输出PNP1、PNP2、PNP3和3个下位门的输出N1、N2和N3的虚拟霍耳A、B、C之间的逻辑关系为：虚拟霍耳A＝PNP1· N3虚拟霍耳B＝PNP2· N1虚拟霍耳C＝PNP3· N2
图5实施方案中的线48与任何常规状态的现有技术模拟无刷直流电机驱动控制的误差放大器反相输入端相连，并为整个电路提供其参考电压输出。电路58是速度反馈缓冲电路，电路59是起动电路。
图6简要阐述了根据本发明的另一实施方案，图6是图5的改进。因为在PNP1，PNP2和PNP3中，其中一个输出能从其余两个构成，如当PNP2与PNP3不等时，PNP1为高电平，所以只有两个上位门是必须的。因为在N1，N2，N3之中，其中一个输出能从其余两个构成，如当N2，N3相等时，N1为高电平，所以只有两个下位门是必须的。虚拟霍耳A、B、C可表示为：
虚拟霍耳A＝ N3·PNP2· PNP3＋ N3· PNP2·PNP3
虚拟霍耳B＝ N2·N3·(N2＋N3)·PNP2
虚拟霍耳C＝ N2·PNP3
虚拟霍耳A、B、C的逻辑关系及反向电路可通过可编程逻辑芯片60实现，如商用网格芯片(lattice chip)GA116V8。芯片60与芯片50按图6方式相连以提供图6所示的虚拟霍耳输出31、35、38。
可以看出，根据本发明，可以提供增强现存无刷直流电机的功能和可操作性的很好的方法，以及改型的或新的无刷无传感器旋转电机(如直流电机)及用于提供虚拟霍耳信号发生器的电路。虽然这里是按照最实用和和优选的实施方案对本发明进行示意及说明的，但是对于那些本领域一般技术人员来说很清楚，在本发明范围之内可对其做很多修改，该范围被给予所附权利要求的最宽的阐释以便包括所有的等价结构和过程。

Claims (21)

1.无刷无传感器旋转电机(10)，包括：
一个转子和一个定子并包括由多相逆变器(18)驱动的多个绕组(11)用于顺序选择导通所说绕组；
一个电压控制振荡器(12)，用于控制多相逆变器的频率，它有一输入端(13)和一输出端(14)，和
一固态虚拟霍耳信号发生器(19，或50-56或50，60)，它与电压控制振荡器的输出可操作性相连，以提供基本上与霍耳效应传感器相同的输出信号。
2.权利要求1中所述的电机，其中所说虚拟霍耳信号发生器电路(19)包括多个D触发器(20-22)，每个触发器具有一CP输入端，和一与非门(23)。
3.权利要求1中所述电机，还包括一个与所说固态间接转子位置检测电路相连的反向电路(30)。
4.权利要求1中所述电机，进一步包括与电机相连的起动电路(25)，及连接所说电压控制振荡器输出信号至所说D触发器CP输入端的开关(17)。
5.权利要求4中所述的电机，其中所说起动电路包括与所说固态间接转子位置检测电路相连的转子校准电路。
6.权利要求1中所述的电机，进一步包括与虚拟霍耳信号发生器相连的采样逻辑电路(40)，以便从固态间接位置检测电路的输出信号建立采样逻辑，这样，就可决定哪一相为不导通相。
7.权利要求1中所述的电机，进一步包括与所说电压控制振荡器的输入端相连的换相错误检测电路(10)。
8.权利要求1中所述的电机，其中所说虚拟霍耳信号发生器电路(50-56)包括多个逆变器(51-53)，每个逆变器都和与门(54-56)及无刷直流门极驱动电路相连。
9.权利要求1中所述的电机，其中所说虚拟霍耳信号发生器包括与ML4410或ML4411(50)相连的可编程逻辑芯片(60)。
10.增强具有多个霍耳效应传感器和一个频率-至-电压转换电路的无刷直流电机的性能使之成为如权利要求10所述的无刷无传感器旋转电机(10)的方法，包括以下几步：
(a)使霍耳效应传感器和频率-至-电压转换电路失效或去掉它们；以及
(b)把换相错误检测电路和直流电机与电压控制振荡器(12)相连，以及使固态电路(19)与该电压控制振荡器可操作性相连，以便提供基本上与霍耳效应传感器产生的相同的输出信号，从而从功能上代替霍耳效应传感器。
11.权利要求10中所述之方法，其中步骤(b)是通过使多个D触发器(20-22)和一个与非门(23)与电压控制振荡器可操作性相连来完成的。
12.权利要求11中所述方法，其中步骤(b)是通过在电压控制振荡器和每个D触发器的CP输入端之间连接一个开关(17)来部分实现的。
13.权利要求12中所述方法，其中步骤(b)是通过使3个D触发器的CP输入端与电压控制振荡器可操作性相连来进一步实现的。
14.权利要求10中所述的方法，还包括另一步骤(c)，此步骤是将反向电路(30)与通过步骤(b)连接的固态电路相连。
15.权利要求10中所述的方法，还包括步骤(d)，此步骤使起动电路(25)与固态电路相连。
16.权利要求15中所述的方法，其中步骤(d)是通过使转子校准电路与步骤(b)的固态电路相连来部分实现的。
17.权利要求10中所述的方法，还包括步骤(e)，此步骤使采样逻辑电路(40)与步骤(b)中的固态电路相连以便从步骤(b)的固态电路的输出信号中建立采样逻辑，从而决定哪一相是不导通相。
18.权利要求10中所述的方法，其中步骤(b)是通过使多个和与门(54-56)相连的逆变器或一可编程逻辑芯片(60)与ML4410或ML4411芯片(50)相连来完成的。
19.与如权利要求1所述的旋转电机(10)相关联的组合装置：
一个具有输入端(13)和输出端(14)的电压控制振荡器；
多个具有一个CP输入端的D触发器(20-22)端；
一个与非门。
所说电压控制振荡器通过一开关(17)与所说D触发器的CP输入端相连；所说与非门与载流导线相连，此载流导线来自所说第一和第二D触发器的每一个。
20.权利要求19中的组合装置，进一步包括一个与所说电压控制振荡器的输入端相连的换相错误检测电路(15)。
21.权利要求19中所述的组合装置，其中所说旋转电机包括无刷无传感器直流电机。
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