CN104871424A

CN104871424A - 基于传感器速度检测和非传感器速度检测的组合来驱动旋转装置

Info

Publication number: CN104871424A
Application number: CN201380052237.8A
Authority: CN
Inventors: F·L·梁; R·克里施纳莫西
Original assignee: Mawier International Trade Co Ltd
Current assignee: Marvell World Trade Ltd; Mawier International Trade Co Ltd
Priority date: 2012-10-04
Filing date: 2013-10-02
Publication date: 2015-08-26
Also published as: WO2014053917A2; WO2014053917A3; JP2015530865A; US20140097777A1; TW201424244A

Abstract

本公开的一些实施例提供了一种方法，其包括基于传感器和旋转装置中产生的反电磁力来检测所述旋转装置的速度；并且基于(i)利用传感器检测到的所述速度或(ii)利用所述反电磁力检测到的所述速度，驱动所述旋转装置。

Description

基于传感器速度检测和非传感器速度检测的组合来驱动旋转装置

相关申请的交叉引用

本公开要求于2013年10月1日提交的美国专利申请号14/043,405的优先权，该专利申请要求于2012年10月4日提交的美国临时专利申请号61/709,732的优先权，它们以引用的方式合并于本文。

技术领域

本公开的实施例涉及旋转装置，并且尤其涉及基于旋转装置的速度检测来驱动旋转装置。

背景技术

除非在本文中另有陈述，在本节中描述的方法对于本公开的权利要求来说并不是现有技术，并且也不由于其包含在本部分中就被视为现有技术。

传感器，例如为霍尔效应传感器，被经常用于电机来检测电机的位置(例如，检测电机的转子和/或磁极的位置)和/或电机的速度。这种位置和/或速度的检测被例如用于驱动电机(例如，控制电机的速度、执行电机的软起动等)。例如，三相电动机可能需要三个或更多的传感器来相对精确地检测电机的位置和/或速度。

通常，相对大量的霍尔效应传感器增加了检测电机位置和/或速度的准确性。然而，例如，如果一个或多个霍尔效应传感器失效，可能无法相对精确地检测电机的位置和速度。此外，霍尔效应传感器数量多也会随之使得生产成本增加。同时，包括在电机中的每个霍尔效应传感器可以具有关联的集成电路(IC)，由此进一步增加了组合很多霍尔效应传感器的成本。另外，随着更多的霍尔效应传感器被配备在电机中，用来容纳霍尔效应传感器，伴随的IC和接线所需的空间也增加了，从而增大了系统的复杂性。例如，可能难以对与霍尔效应传感器和伴随的IC关联的接线进行布线，并且可能需要多层印刷电路板(PCB)以用于对导线布线并容纳IC。

发明内容

在多个实施例中，本发明提供了一种方法，其包括基于传感器和在旋转装置中产生的反电磁力来检测所述旋转装置的速度；并且基于(i)使用所述传感器检测到的所述速度或(ii)使用所述反电磁力检测到的所述速度，来驱动所述旋转装置。检测所述旋转装置的速度进一步包括在所述旋转装置的起动期间，基于所述传感器检测所述旋转装置的速度；在所述旋转装置的所述起动之后，并且当所述旋转装置的速度高于阈值速度时，检测在所述旋转装置中产生的反电磁力，并且基于所述检测到在所述旋转装置中产生的反电磁力来检测所述旋转装置的速度。检测所述旋转装置的速度进一步包括：当所述旋转装置的速度低于阈值速度时，基于所述传感器检测所述旋转装置的速度；并且当所述旋转装置的速度高于阈值速度时，检测在所述旋转装置中产生的反电磁力，并且基于所述检测到在所述旋转装置中产生的反电磁力来检测所述旋转装置的速度。在一个实施例中，该方法进一步包括在所述旋转装置的速度低于所述阈值速度时，抑制用所述反电磁力检测所述旋转装置的速度。在所述旋转装置的速度高于所述阈值速度时检测所述旋转装置的速度进一步包括当所述旋转装置的速度高于所述阈值速度时，使用(i)所述检测到的反电磁力和(ii)所述传感器，来检测所述旋转装置的速度。驱动所述旋转装置进一步包括：基于使用所述传感器检测到的所述速度，通过调节在所述旋转装置的起动期间施加到所述旋转装置的电压，执行所述旋转装置的软起动。驱动所述旋转装置进一步包括：当所述旋转装置的速度高于阈值速度时，基于使用所述反电磁力检测到的所述速度，驱动所述旋转装置。在一个实施例中，所述方法进一步包括：在所述旋转装置的速度低于所述阈值速度时，使用所述传感器监视所述旋转装置的位置，其中监视所述旋转装置的位置包括监视所述旋转装置的磁极或转子中的至少一个的位置；在所述旋转装置的速度高于所述阀值速度时，使用所述检测到的反电磁力来监视所述旋转装置的位置，其中驱动所述旋转装置进一步包括：基于(i)使用所述传感器检测到的所述位置或(ii)使用所述反电磁力检测到的所述位置，来驱动所述旋转装置。所述反电磁力基于所述旋转装置的转动而在所述旋转装置的绕组中产生。在一个实施例中，所述方法进一步包括：检测所述旋转装置中产生的反电磁力的缺失；并且基于检测到所述旋转装置中产生的反电磁力的缺失，检测在所述旋转装置中的转子锁定事件。所述传感器包括一个或多个霍尔效应传感器。

在多个实施例中，本发明提供了一种系统，其包括：旋转装置；传感器，其被配置用于检测所述旋转装置的速度；以及反电磁力(BEMF)模块，其被配置用于检测所述旋转装置中产生的反电磁力，并且使用所述检测到的反电磁力检测所述旋转装置的速度，其中基于使用(i)所述传感器的输出或(ii)使用所述反电磁力检测到的所述速度，驱动所述旋转装置。

附图说明

在下面的详细说明中，将结合附图进行说明，并且附图形成说明书的一部分，其中贯穿本文，相同的附图标记指示相同的部件，并且其中以实施例的方式示出，图示了本公开的原则。应该理解可能使用其他的实施例，并且可以做出结构上和逻辑上的变动，而不脱离本发明的范围。所以，下列详细说明不是出于限制意义，而且根据本发明的实施例的范围由所附权利要求和他们的等效物限定。

图1示意性地图示了一种用于检测电机的位置和/或速度，并且驱动该电机的系统。

图2图示了用于检测旋转装置的位置和/或速度以及驱动所述旋转装置的例示方法。

具体实施方式

图1示意性地图示了一种用于检测电机104的位置(例如，检测电机104的转子和/或磁极的位置)和/或电机104的速度，并且驱动电机104的系统100。电机104可以被用于任何适当的目的，例如用于旋转叶片、旋转盘传动装置的盘驱动、旋转任何适当的旋转部件和/或其他。

在一个实施例中，系统100包括电机软起动模块116，被配置用于起动电机104(例如，以执行电机104的软起动)，速度控制模块120，被配置用于调节电机104的速度，以及电源模块124，被配置用于为系统100的一个或多个部件供电(例如，为电机104的旋转供电)。提供给电机104的功率例如是单相交流电流(AC)、两相AC、三相AC、直流电流(DC)或其他之中的一个。在一个实施例中，电机软起动模块116和速度控制模块120例如可以被集成到单个模块中，所述模块被配置用于(i)执行电机104的软起动和(ii)在电机104的软起动之后调节电机104的速度。

在一个实施例中，系统100包括传感器108。传感器108的输出，例如可用于当电机104正在旋转的时候检测电机104的位置(例如，电机104的磁极和/或转子的位置)。附加地或可替换地，传感器108的输出可用于检测电机104的速度。这样，传感器108用作位置传感器、速度传感器或位置传感器和速度传感器的组合。虽然在图1中仅示出了一个传感器108，但是在一个实施例中，传感器108代表一个或多个传感器。

如本领域技术人员所熟知的，霍尔效应传感器是一种换能器，其具有响应于穿过霍尔效应传感器的磁场的变化而变化的输出。在一个实施例中，传感器108包括靠近电机104的转子的转动路径的周围设置的霍尔效应传感器。当电机104旋转的时候，该电机的磁极周期性经过霍尔效应传感器附近，其中经过霍尔效应传感器附近的磁极的频率基于电机104的速度。当电机104旋转的时候，每次电机104的磁极经过霍尔效应传感器的附近，则霍尔效应传感器的输出电压发生变化(例如，由于穿过霍尔效应传感器的磁场因为经过磁极而变化)。霍尔效应传感器的输出电压的这种变化指示霍尔效应传感器附近有电机104的磁极经过。与霍尔效应传感器关联的电路(图1中未示出)检测霍尔效应传感器输出电压的这种变化，从而检测电机104的磁极的当前位置。还可以基于霍尔效应传感器的输出来确定电机104的速度。例如，检测到的电机104的磁极位置被用来确定电机10的速度。

在一个实施例中，系统100包括多于一个的传感器108。例如，传感器108包括单个霍尔效应传感器、两个霍尔效应传感器、三个霍尔效应传感器等等。在另一个实施例中，传感器108包括任何其他类型的传感器(例如，除了霍尔效应传感器之外的)来检测电机104的位置和/或速度。

反电动势(BEMF，也被称作逆电动势)为电压，或者电动势，其针对感应出BEMF的电流而动作。BEMF由变化的电磁场引起。BEMF是楞次电磁定律的效应。BEMF为例如在电机中产生的电压，在电机中存在电机的电枢和外部磁场之间的相对运动。在使用旋转电枢的电机中，随着电枢的旋转，电枢中的导体切割磁场线。变化的磁场强度在电机的线圈中产生电压(例如、基于法拉第感应定律)。该电压对抗电机中的初始外加电压，并且由此，该电压也被称作反电动势或逆电动势。

系统100进一步包括BEMF模块112。BEMF检测模块被配置用于检测当电机104旋转时产生的BEMF。基于检测到的BEMF，BEMF检测模块112检测电机104的位置和/或速度。基于BEMF检测电机的位置和/或速度的一个实例在共同未决的美国专利申请号_____，于_____提交(代理案号为MP4921)中揭露，其以引用的方式并入本文。

这样，BEMF检测模块112没有包括配备在电机104中的传感器。相反地，BEMF检测模块112通过测量在电机104的接线中感应的电压来检测电机104的速度和/或位置。相应地，BEMF检测模块112执行电机104的速度和/或位置的无传感器检测(即，执行检测而不使用传感器)。

在电机104已经获得充分的速度时(例如，当电机104超过阀值速度旋转时)，BEMF可以由BEMF检测模块进行检测。然而，当电机104以低速旋转(例如，在电机104的起动期间)或当电机104不旋转时，BEMF检测模块112不能检测到足够的BEMF，由此，不能检测到电机104的速度。

在电机104的软起动期间，在电机逐渐起动时，电机软起动模块116调节施加到电机104的电压，并且电机104的速度逐渐地从零增加到预定速度。电机104的软起动，例如，确保了电机104起动期间的低噪声、减小电机104上的机械应力、并且减小附接到电机104的电源电缆的电动力应力，借此延长了系统100的寿命。在一个例子中，电机软起动模块116包括固态器件以在电机104的软起动期间控制施加到电机104的电压和电流。在一个实施例中，为了便于电机104的软起动，电机软起动模块116要求关于电机104的速度和/或位置的反馈信息。

在电机104的软起动之后(即，在电机运行在足够高速时)，速度控制模块120调节施加到电机104的电压，以调节电机104的速度。例如，在电机104以电机104的额定速度(例如，预定速度)或其左右的速度操作时，控制模块120调节施加到电机104的电压。在一个实施例中，为了便于速度控制，速度控制模块120也要求关于电机104的速度和/或位置的反馈信息。

如以前论述，当电机104以低速旋转(例如，在电机104的起动期间)或当电机104不旋转时，BEMF检测模块112无法检测到足够的BEMF，并且由此，无法检测到电机104的位置和/或速度。相应地，当电机104以低于阀值速度的旋转(或者处于静止状态(stand-still)时，传感器108被用来检测电机104的速度和/或位置。一旦电机104已经达到至少为阀值速度时，BEMF检测模块112被用来检测电机104的速度和/或位置。在一个实施例中，一旦电机104已经达到至少为阀值速度时，BEMF检测模块112和传感器108两者都被用来检测电机104的速度和/或位置。在一个实施例中，阀值速度例如基于BEMF检测模块112的灵敏性。举例来说，阀值速度是基于由BEMF检测模块112相对精确地检测到电机104的最低速度(例如，基于检测到在所述最低速度处产生的BEMF)。例如，阀值速度可以稍微高于最低速度。

换句话说，传感器108被用来在电机105的起动期间检测电机104的速度和/或位置。例如，电机软起动模块116使用传感器108的输出来执行电机104的软起动。一旦电机104已经达到至少阀值速度，BEMF检测模块112被用来检测电机104速度和/或位置(例如，作为由传感器108对电机104的速度和/或位置的检测的替代或附加)。例如，一旦电机104已经达到至少阀值速度，速度控制模块120使用BEMF检测模块112的输出(例如，作为由传感器108的输出的替代或附加)来控制电机104的速度。

转子锁定事件引发电机104的停机，在电机104应该旋转的时候，例如，由于电机104的故障或失效。在一个实施例中，传感器108和/或BEMF检测模块112可用于检测这种转子锁定事件。例如，传感器108可以基于实际地监视电机105的速度而检测转子锁定事件。在速度控制模块120供应充分的功率以电机104的正常速度驱动电机104的时候，BEMF检测模块112可以基于BEMF的突然缺失而检测转子锁定事件。

有选择地利用传感器108和BEMF检测模块112来检测电机104的速度和/或位置具有若干优点。例如，利用传感器108促进电机104的软起动。一旦电机104已经达到足够的速度，BEMF检测模块112被用来相对精确地检测电机104的速度和/或位置。

对于仅使用霍尔效应传感器来检测电机的速度和/或位置的传统的电机，可能需要很多霍尔效应传感器以用于精确的检测。例如，对于传统的三相电机，可能需要三个或更多的霍尔效应传感器来检测传统电机的速度和/或位置。然而，在系统100中，因为传感器108(其包括一个或多个霍尔效应传感器)主要在电机104的起动期间使用(并且BEMF检测模块在电机104的正常运行期间使用)，可以需要相对少的霍尔效应传感器。例如，对于系统100的三相电动机104，除了使用BEMF检测模块之外，可以使用一个或多个霍尔效应传感器，来检测电机104的速度和/或位置。也就是说，相比于传统电机使用很多霍尔效应传感器来检测电机的速度和/或位置，系统100的传感器108包括相对较少数量(例如，一、二等)的霍尔效应传感器。系统100中的霍尔效应传感器的数量减少不会影响对电机104的速度和/或位置的检测的准确性，这是由于在电机104的正常运行期间使用BEMF检测模块112，以用于相对精确地检测电机104的速度和/或位置。在系统100中霍尔效应传感器数量的减少(例如，与仅使用霍尔效应传感器的常规系统相比)例如使得，生产成本降低，霍尔效应传感器、伴随的IC和导线的安置和布线的复杂性降低。

图2图示了用于检测旋转装置(例如，图1的电机104)的位置和/或速度以及驱动所述旋转装置的例示方法。在204，当旋转装置的速度低于阀值速度时，传感器(例如，传感器108)被用来检测旋转装置的速度和/或位置。此外，基于使用传感器检测到的速度和/或位置，旋转装置的软起动被执行(例如，由电机软起动模块116)。在一个实施例中，传感器包括一个或多个霍尔效应传感器。

在208，当旋转装置的速度高于阀值速度时(例如，在旋转装置的软起动之后并且一旦旋转装置获得足够的速度)，检测到旋转装置中产生的反电磁力(例如，通过BEMF检测模块112)，并且利用反电磁力，检测旋转装置的速度和/或位置(例如，通过BEMF检测模块)。此外，基于使用反电磁力检测到的速度和/或位置，来驱动旋转装置(例如，通过速度控制模块120)。在一个实施例中，在旋转装置的接线中检测反电磁力。

根据多个实施例，制造的产品可能被提供为包括具有存储其上的指令的存储介质，如果执行，使得本文描述的操作对应于图2的方法200(和/或多个在本公开中论述的其他操作)。在一个实施例中，存储介质包括一些类型的非瞬时存储器。根据多个实施例，制造的产品可以为电脑可读的介质，例如软件或固件。

如这里所使用的，术语“模块”可以指：属于或包括执行一个或多个软件或固件程序的专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共享、专用或集群)和/或存储器(共享、专用或集群)，组合逻辑电路，和/或其他适当的提供所描述功能的部件。

描述包括使用语句“在一个实施例中”、“在多个实施例中”，这可以各涉及一个或多个相同或不同的实施例。此外，如关于本公开的实施例而使用的术语“包含”、“包括”、“具有”等是同义词。

多个操作可以被描述为多个分离的动作或依次的操作，以最有助于理解要求保护的主题的方式。然而，描述的顺序不应该看作是暗示这些操作必需按照相关的顺序进行。尤其是，这些操作可以不以介绍的顺序来执行。描述的操作可能以不同于描述的实施例的顺序来执行。在附加的实施例中多个附加的操作可能被执行和/或描述的操作可能被省略。

尽管具体的实施例已经示出和在本文中进行描述，但是应该注意到各种替换的和/或等效的实施例可以取代示出和描述的具体实施例而不偏离本公开的范围。本公开覆盖了落入所附权利要求的字面意思的范围或者按照等效原则的范围中的所有方法、设备和制品。本公开旨在覆盖本文所公开的实施例的任何修改和变化。因此，本发明仅由权利要求及其等效物限制是明显并且意图在此。

Claims

1.一种方法，包括：

基于传感器和在旋转装置中产生的反电磁力，检测所述旋转装置的速度；以及

基于(i)利用所述传感器检测到的速度或(ii)利用所述反电磁力检测到的速度，驱动所述旋转装置。

2.根据权利要求1所述的方法，其中检测所述旋转装置的所述速度一步包括：

在所述旋转装置的起动期间，基于所述传感器检测所述旋转装置的所述速度；以及

在所述旋转装置的所述起动之后且在所述旋转装置的所述速度高于阀值速度时，

检测在所述旋转装置中产生的反电磁力，以及

基于检测到的在所述旋转装置中产生的反电磁力，检测所述旋转装置的所述速度。

3.根据权利要求1所述的方法，其中检测所述旋转装置的所述速度进一步包括：

在所述旋转装置的所述速度低于阈值速度时，基于所述传感器检测所述旋转装置的所述速度；以及

在所述旋转装置的速度高于所述阀值速度时，

检测在所述旋转装置中产生的反电磁力，以及

基于在所述旋转装置中产生的反电磁力，检测所述旋转装置的所述速度。

4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括：

当所述旋转装置的所述速度低于所述阀值速度时，抑制利用所述反电磁力检测所述旋转装置的所述速度。

5.根据权利要求3所述的方法，其中在所述旋转装置的所述速度高于所述阀值速度时，检测所述旋转装置的所述速度进一步包括：

当所述旋转装置的所述速度高于所述阀值速度时，利用(i)检测到的所述反电磁力和(ii)所述传感器，来检测所述旋转装置的所述速度。

6.根据权利要求1所述的方法，其中驱动所述旋转装置进一步包括：

基于利用所述传感器检测到的所述速度，通过调节在所述旋转装置的起动期间施加到所述旋转装置的电压，执行所述旋转装置的软起动。

7.根据权利要求1所述的方法，其中驱动所述旋转装置进一步包括：

在所述旋转装置的所述速度高于阈值速度时，基于利用所述反电磁力检测到的所述速度，驱动所述旋转装置。

8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

当所述旋转装置的所述速度低于阈值速度时，利用所述传感器监视所述旋转装置的位置，其中监视所述旋转装置的所述位置包括监视所述旋转装置的转子和极中的至少一个的位置；以及

在所述旋转装置的所述速度高于所述阀值速度时，利用检测到的所述反电磁力，监视所述旋转装置的所述位置，

其中驱动所述旋转装置进一步包括：

基于(i)利用所述传感器检测到的所述位置或(ii)利用所述反电磁力检测到的所述位置，驱动所述旋转装置。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述反电磁力在所述旋转装置的绕组中基于所述旋转装置的旋转而产生。

10.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

检测在所述旋转装置中产生的反电磁力的缺失；以及

基于检测在所述旋转装置中产生的反电磁力的所述缺失，检测在所述旋转装置中的转子锁定事件。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述传感器包括一个或多个霍尔效应传感器。

12.一种系统，包括：

旋转装置；

传感器，被配置用于检测所述旋转装置的所述速度；以及

反电磁力(BEMF)模块，被配置用于

检测在所述旋转装置中产生的反电磁力，以及

利用在所述旋转装置中产生的所述反电磁力，检测所述旋转装置的所述速度，

其中基于利用(i)所述传感器的输出检测到的速度或(ii)利用所述反电磁力检测到的速度驱动所述旋转装置。

13.根据权利要求12所述的系统，其中：

其中在所述旋转装置的所述速度低于阈值速度时，所述传感器的输出被用来检测所述旋转装置的所述速度；以及

在所述旋转装置的所述速度高于所述阀值速度时，所述BEMF模块被配置用于

检测在所述旋转装置中产生的反电磁力，以及

利用在所述旋转装置中产生的所述反电磁力，检测所述旋转装置的所述速度。

14.根据权利要求12所述的系统，进一步包括：

软起动模块，被配置用于基于利用所述传感器的所述输出检测到的所述速度，通过调节在所述旋转装置的起动期间施加到所述旋转装置的电压，执行所述旋转装置的软起动。

15.根据权利要求12所述的系统，进一步包括：

速度控制模块，被配置用于在所述旋转装置的所述速度高于阈值速度时，基于利用所述反电磁力检测到的所述速度，驱动所述旋转装置。

16.根据权利要求12所述的系统，其中：

在所述旋转装置的所述速度低于阈值速度时，所述传感器的输出被用来监视所述旋转装置的位置；

所述旋转装置的所述位置包括(i)所述旋转装置的极和(ii)所述旋转装置的转子中的至少一个的位置；

在所述旋转装置的所述速度高于阀值速度时，检测到的所述反电磁力被用于监视所述旋转装置的所述位置；并且

其中基于利用(i)所述传感器的输出检测到的所述位置和(ii)利用所述反电磁力检测到的所述位置而驱动所述旋转装置。

17.根据权利要求12所述的系统，其中所述BEMF模块被进一步配置用于，在所述旋转装置的所述速度低于阈值速度时，抑制利用所述反电磁力检测所述旋转装置的所述速度。

18.根据权利要求17所述的系统，其中所述阀值速度是基于最小速度，在所述最小速度处产生足够的反电磁力以使得所述BEMF模块能够基于产生的所述反电磁力来检测所述旋转装置的所述速度。

19.根据权利要求12所述的系统，其中所述BEMF模块进一步被配置用于：

检测所述旋转装置中产生的反电磁力的缺失；以及

基于检测到所述旋转装置中产生的反电磁力的所述缺失，检测在所述旋转装置中的转子锁定事件。

20.根据权利要求12所述的系统，其中所述传感器包括一个或多个霍尔效应传感器。