CN1067189C - 用于驱动无刷电机的电动机驱动系统 - Google Patents

Abstract

一种用于无刷电机的电机驱动系统。包括驱动磁体，具有驱动磁体的并被轴支撑着的转子，被提供在底板上并面向驱动磁体的三相定子线圈，暴露在驱动磁体的磁通中并输出120度相位差的霍尔信号的两个霍尔元件，用于均衡霍尔信号之间的幅值差并输出均衡的霍尔信号的幅值控制装置，用于合成均衡的霍尔信号并输出合成信号的信号合成装置，用于响应均衡的霍尔信号和合成信号转换要被供给三相定子线圈的驱动电流的驱动电路。

Description

用于驱动无刷电机的电动机驱动系统

本发明涉及一种用于无刷电动机的电动机驱动系统，尤其涉及适用于磁带录象机(VTR)的主轴电机、磁盘存储装置、以及用于驱动多角镜的主轴电机的电机驱动系统的改进。

图5表示用于直接驱动VTR主导轴的无刷电机的侧截面图。

图6表示图5所示的无刷电机的定子平面图。

转子30被固定在主导轴40上，主导轴被轴承100和轴套90保持旋转。转子30具有面向定子20的驱动磁体50。驱动磁体50具有以正弦波形式磁化的8个磁极。围绕驱动磁体50设有具有360个磁极的FG(频率发生器)磁体60。

定子20包括定子底板70和6个空心的定子线圈80。定子底板70用软磁钢板制成，其上是有绝缘层和电子电路。电子电路借助于在绝缘层上蚀刻铜层制成。6个空心的定子线圈80围绕轴40的中心分别相距60度设置，并被固定在定子底板70上。定子线圈80面向驱动磁体50。在轴套90两侧彼此相对的每两个定子线圈80被串连绕制，并在整体上呈星形连接的三相定子线圈。霍尔元件HGU和HGV设置在定子线圈80的中心，它们彼此相隔120度、如图6所示。响应驱动磁体50旋转时的磁通，霍尔元件HGV、HGU分别输出霍尔电压信号U、V。

磁阻(MR)元件的磁传感器(未示出)被设置在定子20上，并面对FG(频率发生器)磁体60的外沿，其间间隙为0.1mm。FG磁体60被是供在转子30上。磁传感器每转输出360Hz的FG信号。FG信号被用作无刷电机的速度控制信号，并被加到集成电路(IC)140中的驱动电路上，用来向定子线圈80供应驱动电流。

霍尔信号U和V被加到一起，然后被反相，从而形成合成信号W。

霍尔信号U(V)的波形取决于驱动磁体50的磁化波形。当驱动磁体50按正弦波磁化时，霍尔信号U(V)的波形呈正弦形。霍尔信号U、V和合成信号W形成三相位置信号，并彼此相差120度电角度。这些三相位置信号被送到驱动电路。受FG信号控制的驱动电流按三相信号U、V和W被转换。驱动电路把转换的驱动电流供给各个定子线图80。借助于供给定子线圈80的转换的驱动电流产生旋转磁场，并使转子30旋转。

通过把霍尔信号U、V相加并进行反相所得的合成信号W要求具有和霍尔信号U(V)相同的波形，并相对于霍尔信号U、V各自的相位具有小的相位误差。当正弦波的霍尔信号U、V的相位差为120度时，可以使合成信号W为正弦波并和霍尔信号U、V分别具有120度的相位差，如图1所示。

一般地说，霍尔信号U、V的幅值彼此不同，这是因为霍尔元件具有灵敏度的变化。由于幅值不同，合成信号W的相位便相对于霍尔信号U、V发生位移，如图2所示。合成信号W的这一相移使得供给定子线圈80的驱动电流的转换定时发生变化，并增加旋转的不规则性。当霍尔信号U、V是梯形波以便由无刷电机产生大的转矩时，合成信号W的波形便成为三角形的。这三角形的合成信号W可用非线性电路校正成校正的梯形合成信号W’。但是，当霍尔信号U、V的幅值之间不同时，校正的合成信号W’的波形将和霍尔信号U、V的不同，并引起相移，如图3所示。因此，霍尔信号U、V幅值之间的差越大，旋转的不规则性也越大，如图4所示。

因而，本发明的一般目的在于提供一种具有大转矩、转动平稳、制造成本低的无刷电机。

本发明的另一个目的在于，提供一种无刷电机的电机驱动系统，无刷电机包括驱动磁体、轴套、装在轴套中的轴承、由轴承支撑的转轴、其上具有驱动磁体并被固定在轴上的转子、提供在转子上的FG(频率发生器)磁体、定子底板、提供在定子底板上的面向驱动磁体的三相定子线圈、暴露于相应于驱动磁体的转角的磁通的并输出彼此相差120电角度的第一和第二霍尔信号的两个霍尔元件，用于合成第一第二零尔信号并输出和第一和第二零尔信号相差120电角度的合成信号的信号合成装置、用于响应第一和第二霍尔信号并向定子线圈提供驱动电流和合成信号的驱动电路、用于检测并输出第一和第二霍尔信号之间的差的幅值检测装置以及用于消除所述差的幅值控制装置。

本发明的另一个目的在于提供一种上述的无刷电机的电机驱动系统，其中还包括幅值控制装置，其特征在于包括两个差分放大器，用于使第一和第二霍尔信号之间的幅值之差最小，一个差分放大器通过调节来自反馈放大器的源电流进行控制，并且被其源电流控制的差分放大器的增益被设定为比另一个差分放大器的增益小5％以上。

本发明的另一个目的在于提供一种无刷电机的电机驱动系统，无刷电机包括驱动磁体，轴套，设置在轴套中的轴承，被轴承支撑着的转轴，被安装在轴上并具有驱动磁体的转子，被提供在转于上的FG磁体，定子底板，被提供在定子底板上并面向驱动磁体的三相定子线圈，两个霍尔元件，被暴露在相应于驱动磁体的转角的磁场中并输出彼此相差120度相位的第一和第二霍尔信号，用来放大第一霍尔信号并输出放大的第一霍尔信号的第一放大器，用于放大第二霍尔信号并输出放大的第二霍尔信号的第二放大器，用于检测放大的第一和第二霍尔信号之间的差并输出其绝对值的绝对值装置，用于把绝对值转换为梯形波的比较器，用于把梯形波转换成直流电流的电压/电流转换器，反馈放大器，用于把直流电流转换成反馈电流并输出作为第一放大器的源电流的反馈电流的反馈放大器，被供给源电流以便输出幅值被控制的第一霍尔信号的第一放大器，加法器，用于加幅值被控制的第一零尔信号和放大的第二霍尔信号，以便产生相加的信号然后进行反相并输出合成信号，非线性装置，用于重新形成合成信号，从而使其具有幅值被控制的第一霍尔信号和放大的第二霍尔信号的波形，并输出重新形成的合成信号，限幅器，用于控制重新形成的信号的幅值并输出合成信号，驱动电路，用于转换被提供的幅值被控制的第一霍尔信号、放大的第二霍尔信号和合成信号并把转换的信号分别供给定子线圈。

本发明的另一个目的在于提供一种无刷电机的电机驱动系统，所述无刷电机包括驱动磁体，转轴，向驱动磁体的三相定子线圈，两个霍尔元件，被供给相应于转轴的转角的磁通并输出彼此相差120度相位的第一和第二霍尔信号，用来产生和第一和第二霍尔信号相差120度相位的合成信号的信号合成装置，用于向定子线圈提供驱动电流的驱动电路，具有加法器和非线性装置的信号合成装置，驱动磁体，按照一种波形被磁化，所述波形中含有基波分量、和基波分量同相的三次谐波分量以及和基波分量同相的五次谐波分量，三次和五次谐波分量之间的差小于16％，驱动电路，用于产生第一和第二霍尔信号之间的第一差值信号，第二霍尔信号和合成信号之间的第二差值信号以及合成信号和第一霍尔信号之间的第三差值，并控制通过第一和第二和第三差值信号控制的供给定子线圈的驱动电流，并且两个霍尔元件按等于或小于60度的角距设置，或两个霍尔零件是GaA霍尔元件。

图1是第一和第二霍尔信号和合成信号的理想的波形；

图2是第一和第二霍尔信号和合成信号的实际波形；

图3是幅值不同的第一第二霍尔信号和合成信号的波形；

图4是电机转动的不平稳性与霍尔信号U对霍尔信号V的幅值比之间的关系；

图5是用于直接驱动磁带录象机的主导轴的无刷电机的截面图；

图6是图5所示的无刷电机的定子的平面图；

图7是本发明第一实施例的无刷电机的电动机驱动系统的方块图；

图8(A)是被互相均衡的霍尔信号的绝对值；

图8(B)是未被均衡的霍尔信号的绝对值；

图9(A)是从比较器输出的占空比为50％的梯形波的波形；

图9(B)是从比较器输出的其占空比不等于50％的梯形波的波形；

图10是经电容器滤波的波形；

图11(A)和11(B)是本发明第一实施例的无刷电机的驱动系统的电路图；

图12是霍尔信号和合成信号的波形；

图13是霍尔信号和合成信号的波形；

图14是无刷电机的转矩和驱动磁体的磁化波形的三次谐波之间的关系；

图15(a)是梯形波的霍尔信号；

图15(b)是梯形波的另一个霍尔信号；

图15(c)是三角波的合成信号；

图15(d)是梯形波的合成信号；

图15(e)是畸变的三角波的合成信号；

图15(f)是图15(e)所示的畸变的三角波的合成结果；

图15(g)是比图15(e)所示的三角波更畸变的合成信号；

图15(h)是图15(g)的更加畸变的三角波的合成结果；

图15(i)是在驱动磁体50的磁化波形中除含有8％以上的三次谐波之外还含有某程度的五次谐波的三角波的合成信号；

图15(j)是由图15(l)的合成信号得到的合成信号；

图15(k)是由被控制的放大的霍尔信号和放大的霍尔信号之间的差提供的信号；

图15(l)是由放大的霍尔信号和合成信号之间的差提供的信号；

图15(m)是由合成信号和被控制的放大的霍尔信号之间的差提供的信号；

图16是旋转的不平稳性与驱动磁体的磁化波形的三次谐波之间的关系；

图17是电机旋转的不平稳性与霍尔元件空间角度之间的关系；

图18是本发明的第一实施例的无刷电机的定子的平面图；

图19(A)和19(B)是本发明的第一实施例的无刷电机驱动系统的另一种电路；

图20是作为源电流函数的源电流中的脉动分量对直流分量之比；

图21表示作为以百分比表示的两个霍尔信号之间的差的函数的电机旋转的不平稳性，其中一个是在本发明的第一实施例中幅值被控制的；以及

图22表示作为以百分比表示的两个霍尔信号之间的差的函数的电机旋转的不平稳性，其中一个是在本发明第二实施例中其幅值被控制的。

下面参照附图对本发明进行详细说明，其中用相同的标号表示和上述的现有技术中相同的元件，并为简化起见省略对这些元件的详细说明。

本发明的无刷电机的物理结构和现有技术中的类似，并参照图5和图6进行说明。

图5表示用于直接驱动磁带录象机的主导轴的无刷电机的截面图。

图6表示图5所示的无刷电机的定子的平面图。

本发明的无刷电机的电机驱动系统200具有驱动磁体50，它以预定强度的基波、三次谐波和五次谐波被磁化，具有多个例如8个磁极。驱动磁体50被提供在转子30的表面上。定子20具有定子底板70和6个空心的定子线圈80。定子底板70用软磁钢片制成，其上具有绝缘层和电子电路。电子电路通过刻蚀绝缘层上的铜层形成。6个空心的定子线圈80围绕轴40的中心彼此间隔60度被固定在定子底板70上。定子线圈80面向驱动磁体50。彼此在轴40的两侧相对的一对定子线圈80串联绕制，并构成星形联接的三相定子线圈。每两个定子线圈80彼此相隔120度，在其中心分别具有霍尔元件HGU和HGV。霍尔元件HGU、HGV分别输出霍尔电压信号U1和V1，它们相应于驱动磁体50的磁通，其间具有120度的相位差。

在定子20上提供有磁阻(MR)式磁传感器(未示出)，它们面向FG(频率发生器)磁体的外边沿，之间相距0.1mm。FG磁体60被提供在转子30上。磁传感器输出每转为360Hz的FG信号。FG信号被用作控制无刷电机200的转速的控制信号，并被送到集成电路IC 140中的定子驱动电路10用以控制电机驱动电流。

[第一实施例]

图7是本发明的第一实施例的无刷电机的驱动系统方块图。

图8(A)表示被彼此均衡的霍尔信号的绝对值。

图8(B)表示未被均衡的霍尔信号的绝对值。

图9(A)表示从比较器输出的占空比为50％的梯形波的波形。

图9(B)表示从比较器输出的占空比不等于50％的梯形波的波形。

图10表示经电容器滤波后的波形。

图11(A)和11(B)表示本发明第一实施例的无刷电机的驱动系统的电路图。

图12表示霍尔信号和合成信号的波形。

图13表示霍尔信号和合成信号的波形。

图14表示无刷电机的转矩和驱动磁体的磁化波形的三次谐波之间的关系。

图15(a)表示梯形波的霍尔信号。

图15(b)表示梯形波的另一个霍尔信号；

图15(c)表示三角波的合成信号；

图15(d)表示梯形波的合成信号；

图15(e)表示畸变的三角波的合成信号；

图15(f)表示图15(e)所示的畸变的三角波的合成结果；

图15(g)表示比图15(e)所示的更加畸变的三角波的合成信号；

图15(h)表示图15(g)所示的更加畸变的三角波的合成结果；

图15(i)表示三角波的合成信号，三角波中除去含有驱动磁体50的磁化波形中的8％以上的三次谐波之外，还含有某种程度的五次谐波。

图15(j)表示从图15(i)的合成信号得到的合成信号；

图15(k)表示由被控制的放大的霍尔信号和放大的霍尔信号之间的差提供的信号；

图15(l)表示由放大的霍尔信号和合成信号之间的差提供的信号；

图15(m)表示由合成信号和被控制的放大的霍尔信号之间的差提供的信号；

图16表示转动的不平稳性与驱动磁体的磁化波形的三次谐波之间的关系；

图17表示电机转动的不平稳性和霍尔元件间距角之间的关系；

图18表示本发明第一实施例的无刷电机的定子平面图；

图19(A)和图19(B)表示本发明第一实施例的无刷电机的电机驱动系统的另一个电子电路；

如图7所示，幅值控制装置14包括第一放大器1、第二放大器2、电压/电流变换器5和反馈放大器6，此外，幅值检测装置16包括绝对值装置3和比较器4。第一放大器1和第二放大器2分别放大霍尔信号U1、V1。然后，放大的霍尔信号U2、V2被输出到绝对值装置3。绝对值装置3分别输出霍尔信号的绝对值信号Uabs、Vabs。图8(A)表示霍尔信号的绝对值Uabs、Vabs彼此相等的情况。比较器4在每个电角度比较霍尔信号Uabs、Vabs，并作为梯形波信号Vcmp输出其结果，如图9(A)、9(B)所示。当霍尔信号的绝对值Uabs、Vabs如图8(A)所示互相相等时，梯形波信号Vcmp的占空比为50％，如图9(A)所示。在另一方面，当霍尔信号的绝对值Uabs、Vabs如图8(B)所示彼此不相等时，梯形波信号Vcmp的占空比不等于50％，如图9(B)所示。电压/电流变换器5把梯形波信号Vcmp变成电流，然后电容器C把该电流滤波成为具有波动的直流电流，如图10所示。直流电流被输入到反馈放大器6。反馈放大器6把直流电流转换成直流电压，并比较该直流电压和预定电压Vstd。反馈放大器6通过改变第一放大器1的源电流控制第一放大器1的电压增益，从而均衡放大的霍尔信号U2和放大的霍尔信号V2。换句话说，梯形波信号Vcmp的占空比被控制为50％。结果，如图13所示，第一放大器1通常输出和放大的霍尔信号V2相等的幅值被控制的霍尔信号U3。

如图7所示，信号合成装置12包括加法器7、非线性装置8和限幅器9。加法器7加幅值被控制的霍尔信号U3和放大的霍尔信号V2，然后把相加的信号反相，并作为合成信号W1输出加厚的并反相的信号。合成信号W1通过非线性装置8和限幅器9的操作被修正为合成信号W3。从第一放大器1、第二放大器2和限幅器9分别输出被控制的放大的霍尔信号U3、放大的霍尔信号V2和合成信号W3，并被送到驱动电路10，用以驱动三相无刷电机。

图11(A)和11(B)表示本发明第一实施例的无刷电机驱动系统的电路图。

在图11(A)和11(B)中，霍尔元件HGU、HGV彼此并联，分别通过电阻R1、R2供给偏流，霍尔元件HGU、HGV的输出端分别和构成差分放大器的晶体管Q1、Q2、Q3、Q4的基极相连。

晶体管Q1和Q2、电阻R1、R3、R4、R7、R8和R11构成第一放大器1。晶体管Q3和Q4、电阻R1、R5、R6、R9、R10和R11和电流源11构成第二放大器2。其中电阻R1和R11在第一和第二放大器1、2之间共用。放大的霍尔信号U2、V2从各对晶体管Q1-Q2、Q3-Q4输出。

放大的霍尔信号U2、V2被供给晶体管Q47、Q48、Q57和Q58的基极，用于检测放大的霍尔信号U2、V2之间的幅值差。晶体管Q47到Q62、电阻R30到R39、电流源I11、I12、二极管D6、D7、以及电压源E1、E2构成绝对值装置3。晶体管Q54和Q60从其集电极分别输出霍尔信号的绝对值Uabs、Vabs。霍尔信号的绝对值Uabs、Vabs被送到作为比较器4的输入端的晶体管Q65、Q66的基极。

晶体管Q63到Q66和电流源I13构成比较器4。比较器4从晶体管Q64的集电极向晶体管Q67的基极输出梯形波信号Vcmp。

晶体管Q67、Q68、电流源I15、电阻R40和电容器C构成电压/电流变换器5，它把方形波信号Vcmp变为电流。电容器C把该电流滤波成为具有一定脉动的直流电流。该直流电流从二极管D8的阴极输出到晶体管Q69的基极。

晶体管Q69到Q78、电阻R41、R42，电压源E3和电流源I16、I17构成反馈放大器6。反馈放大器6把直流电流转换为直流电压，并比较直流电压和由电压源E3提供的预定电压Vstd，并从晶体管Q78的集电极输出其间的差值作为反馈电流。该反馈电流被送到第一放大器1作为其源电流。作为第一放大器1的输出的放大的霍尔信号U2通过改变反馈电流被变为等于放大的霍尔信号V2。这样，放大的霍尔信号U2被变为幅值被控制的霍尔信号U3。

幅值被控制的霍尔信号U3和放大的零尔信号V2被送到差分放大器的晶体管Q5到Q8的基极。晶体管Q5到Q14、电阻R12到R17、电流源I2、I3和二极管D1构成加法器7。

加法器7加幅值被控制的霍尔信号U3和放大的霍尔信号V2，然后把加得的信号反相并作为合成信号W1输出相加的并反相的信号。合成信号W1作为电流信号在晶体管Q12、Q14的集电极之间产生。合成信号W1被送到具有偏流I4、I5的二极管D2、D3，并被转换为电压信号。然后，把在二极管D2、D3的阳极之间产生的合成信号W1送到晶体管Q15、Q18的基极。

如图12所示，幅值被控制的霍尔信号U3和放大的霍尔信号V2近似于梯形，相比之下合成信号W1呈畸变的三角形。不过，如图13所示，合成信号W1通过非线性装置8被重新形成梯形的合成信号W3。

晶体管Q15到Q18、电阻R18、R19和R22以及电流源l6构成非线性装置8。非线性装置8重新形成合成信号W1，并在晶体管Q16、Q17的集电极产生合成信号W1的重新形成的信号，并把重新形成的信号供给晶体管Q19、Q20的基极。

晶体管Q19、Q20、电阻R20、R21和电流源I7构成限幅器9。它限制重新形成的信号的幅值，并把晶体管Q19、Q20的集电极上的重新形成信号的限幅信号作为合成信号W3输出。合成信号W3、隔值被控制的霍尔信号U3和放大的霍尔信号V2作为三相位置信号被送给各对晶体管Q21-Q22、Q23-Q24和Q25-Q26。

晶体管Q21到Q26、电阻R23到R29和R43、以及电流源I8构成驱动电路10。驱动电路10放大作为驱动电流的供给晶体管Q42的基极的电机速度控制信号到预定的值，并利用合成信号W3、幅值被控制的霍尔信号U3和放大的霍尔信号V2接通驱动电流。然后，驱动电路10把接通的驱动电流供给各个定子线圈80，如图11(B)的电感L1到L3所示。

现在一般要求设备的体积小而效率高，作为这种设备的无刷电机就要求减小其驱动电流而增加其转矩。为此，驱动磁体50的磁化波形被从正弦形修改为梯形，这具有增加由驱动磁体50产生的磁通总量的效果。

在转子30上的驱动磁体50被磁化成含有基波、三次谐波和五次谐波的波形。使在三次谐波和五次谐波之间的谐波含量的差值小于16％。

当三次谐波的含量增加时，波形面积即波的驱动能量也增加，直到三次谐波小于基波的66％。如图14所示，无刷电机的转矩随三次谐波含量比率的增加而增加。因而，当在驱动磁体50中的三次谐波含量增加10％时，基波含量大约增加10％，这使得无刷电机200的转矩增加10％。霍尔元件HGU、HGV也受在转子30上的含三次谐波的驱动磁体50的磁通的影响。结果，霍尔信号U1、V1含有三次谐波。合成信号W1是通过使幅值被控制的霍尔信号U3和放大的霍尔信号V2相加并反相而形成的。合成信号W1含有和幅值被控制的霍尔信号U3以及放大的霍尔信号V2的畸变不同的畸变。随着三次谐波含量的增加，合成信号W1的畸变也增加，当三次谐波为某一数量时，合成信号W1在其过零点附近的坡度变得非常缓和，如图15(e)所示。非线性装置8不能完全补偿这一问题，因而导致合成信号W3仍含有大的畸变被输出，如图15(f)所示。这样，三相驱动电流便互不相同，因而使无刷电机运转的平稳性变差。特别是当三次谐波的含量大于16％时，合成信号W1在其过零点处的坡度被反向，如图15(g)所示。这时，合成信号W3向坏的方向畸变，如图15(h)所示，并产生反向转矩。

图16表示驱动磁体50的磁化波形中三次谐波含量和无刷电机转动的不规则性之间的关系。随着三次谐波含量的增加，转动的不平稳性也增加。当三次谐波含量超过8％时，转动的不平稳性超过0.3％，这是不能接受的。

己经证明，当把某个数量的5次谐波加于具有大于8％的三次谐波的驱动磁体50的磁化波形中时，合成信号W1在其过零点处的坡度不会反向，如图15(i)所示。此时，合成信号W3被重新形成，如图15(j)。结果，无刷电机具有小的转动不平稳性。

还已经证明，当三次谐波的含量和五次谐波的含量之间的差小于16％时，即使三次谐波的含量超过16％，合成信号W1在其过零点处的坡度也不会反向。此时便不产生反向转矩。已经证明当三次谐波和五次谐波之间的含量差小于12％时无刷电机的转动的不平稳性小。

当驱动磁体50的使霍尔元件HGU、HGV产生第一和第二霍尔信号U1和V1的部分被磁化的波形中含有上述各个含量的基波、三次谐波和五次谐波时，无刷电机200具有小的转动不平衡性，并且驱动磁体50的不产生霍尔信号U1和V1的其它部分不必精确地磁化。

在上面的讨论中，驱动磁体50的“被磁化的波形以及其谐波含量被这样确定，使得由霍尔元件HGU和HGV产生的信号可以用表示功率频谱的频谱分析仪观察。

如上所述，通过把幅值被控制的霍尔信号U3和放大的霍尔信号V2相加并在加法器7中把相加的信号反相来提供合成信号W1。当驱动磁体50以梯形波磁化时，幅值被控制的霍尔信号U3和放大的霍尔信号V2是梯形波。它们分别如图15(a)和15(b)所示。合成信号W1接近三角波，如图15(c)所示。

非线性装置8具有这样的电子特性：在小的输入信号下有大的增益，在大的输入信号下有小的增益，从而把三角波输入信号转换成梯形波输出信号。这样，三角波的合成信号W1由非线性装置8转换成梯形波的合成信号W3，如图15(d)所示。

实际上，输入到非线性装置8的合成信号W1被增加到3/4次幂，利用差分放大器的对数特性地增大的三角波信号转换成梯形波信号。己经证明，较好的放大范围为1/2到1/1次幂，1/2到5/6次幂更好。

即使驱动磁体50被仔细地制造，减少其表面偏差也是困难的。因为有表面偏差，霍尔元件HGU、HGV的输出在转子30的每转被进行幅值调制(AM)，这是因为它们暴露在由这种驱动磁体50产生的磁通中。结果，当霍尔元件HGU、HGV的位置有偏差时，辐射给各霍尔元件HGU、HGV的磁通幅值互相相差较大，因而其各自的输出互不相同。这样各个合成信号W1和合成信号W3的波形便发生畸变，因而引起转子30旋转的不平稳性。

在本实施例中，已经证明当霍尔元件HGU、HGV之间相对于轴40的中心的角距离小于60度时，转动的不平稳度小于0.25％，当张开的角度小于45度时，则转动不平稳度小于0.15％。图17表示霍尔元件HGU、HGV的角距离和转动不平稳度之间的关系。图18表示霍尔元件HGU、HGV在定子底板70上的布置，它们相对于轴40的中心的角距离为30度，其中霍尔元件HGU、HGV输出其间具有120度电角差的霍尔信号U1、V1。

霍尔元件HGU(HGV)的输出电压随环境温度的变化而变化。当霍尔元件HGU(HGV)的输出电压变化时，非线性装置8的输出波形也改变，这引起转动的不平稳度增加。因此，规定在预定的温度范围内使霍尔元件HGU(HGV)工作。

为解决这一问题，非线性装置8必须具有热补偿特性，这要求非线性装置8具有复杂的结构。引入具有小的热系数的GaAs霍尔元件可以减少霍尔信号的热偏差，减化非线性装置的结构，减小非线性装置输出的畸变，减少转速的热漂移，因而扩大无刷电机的可用温度范围。

在本实施例中，这样改善转动的不平稳度：检测霍尔信号U1、V1之间的差，响应所述的差调节霍尔信号U1、V1的幅值，使幅值被控制的霍尔信号U3和放大的霍尔信号V2相加并反相，从而获得控制电机驱动的最佳的合成信号W3。

图19(B)所示的驱动电路10检测幅值被控制的霍尔信号U3和放大的霍尔信号V2之间的幅值差X，检测放大的霍尔信号V2和合成信号W3之间的幅值差Y，检测幅值被控制的霍尔信号U2和合成信号W3之间的幅值差Z，这些差值X、Y和Z作为开关信号控制供给定子线圈80的驱动电流。

在另一方面，当梯形波的幅值被控制的霍尔信号U3、放大的霍尔信号V2和合成信号W3作为驱动信号分别送到定子线圈80时，在开关区域内非常陡的梯形波容易产生其开关区域的相位误差，这会引起流入定子线圈80的驱动电流转换的不一致性。这种不一致性增加振动和无刷电机200的电磁噪声。

幅值被控制的霍尔信号U3和放大的霍尔信号V2之间的幅值差X、放大的霍尔信号V2和合成信号W3之间的差Y和合成信号W3与幅值被控制的霍尔信号U3之间的差Z接近正弦波，分别如图15(k)、15(l)和15(m)所示，这是因为在差值的检测时在每个信号中含的三次谐波被消除了。

当差值X、Y和Z的信号被用于转换供给定子线圈80的驱动电流时，因为在其各自的开关区域中驱动电流的梯度变小，所以可以减少噪声、振动以及无刷电机的电磁噪声。此外，驱动磁体50向定子线圈80幅射梯形波的磁通，这使无刷电机产生大的转矩。

[第二实施例]

图10表示被电容器滤波后的波形。

图20表示作为源电流函数的在源电流中的脉动分量对直流分量的比。

图21表示电机转动的不平稳度，它是以百分数表示的两个霍尔信号之差的函数，其中的一个霍尔信号是本发明第一实施例中的幅值被控制的霍尔信号。

图22表示电机转动的不平稳度，它是从百分数表示的两个霍尔信号之差的函数，其中一个霍尔信号是在本发明第二实施例中的幅值被控制的霍尔信号。

反馈放大器6的反馈电流具有如图10所示的脉动。当脉动对如图10所示的直流电流的比增加时，幅值被控制的霍尔信号U3的波形畸变也增加。结果，合成信号W3也发生畸变，因而使无刷电机200的转动不平稳度变差。所示的一种情况是，用于放大霍尔信号V1的第二放大器2的电流源I1的电流是固定的，并且用于放大霍尔信号U1的第一放大器1的电流源的电流是可变的并由反馈放大器6 给。如图10所示，当放大的霍尔信号U2大于放大的霍尔信号U2时，反馈电流的直流分量减少。当放大的霍尔信号U2小于放大的霍尔信号V2时，反馈电流的直流分量增加。反馈电流中包含的脉动和其间的比率无关。如图20所示，脉动对反馈电流的直流分量的比，当放大的霍尔信号U2大于放大的霍尔信号V2时较大，当放大的霍尔信号U2小于放大的霍尔信号V2时较小。

在反馈电流中小的脉动含量意味着小的转动不平稳度。图21表示在本发明第一实施例中电机转动不平稳度特性。如图21所示，霍尔信号U1和霍尔信号V1的差对霍尔信号V1的比越小(换句话说，反馈电流越大)，则转动不平稳度越小，只要反馈放大器6在其动态范围内操作。

在本实施例中，被供给反馈电流的第一放大器1的增益被设为至少比第二放大器2小5％。换句话说，当霍尔信号U1和V1相等时，反馈电流至少比第二放大器2的源电流大5％。在这条件下，反馈电流的脉动对直流电流的比较小，因而无刷电机的转动不平稳度亦小。当被供给反馈电流的第一放大器的增益被设为比第二放大器2小5％时，无刷电机200的转动不平稳度的改善较小。当第一放大器1的增益被设定为比第二放大器2大20％时，反馈放大器6的偏压成为其偏置范围的限制，并且其动态范围变小。因而，相对于第二放大器2，第一放大器增益的增加最好在20％以内。作为本实施例的结果，转动的不平稳度和幅值被控制的霍尔信号U3与放大的霍尔信号V2之间的差对于放大的霍尔信号V2的比有关，如图22所示。

在上述实施例中，反馈放大器6被用于本发明的无刷电机，并且也可以使用前馈放大器代替反馈放大器6。此外，在这些实施例中，使用了轴向间隙型无刷电机，但是也可以使用径向间隙型无刷电机。此外，本发明的无刷电机的驱动磁体被制成一个向定子线圈和霍尔元件两者辐射磁通的整体，不过，也可以使用分别向定子线圈和霍尔元件辐射磁通的两个单独的驱动磁体。

本发明无刷电机驱动系统的优点在于改善了无刷电机转动的不平稳度和无刷电机的生产效率，这是借助于向一个放大器反馈源电流，通过检测并均衡放大的霍尔信号U2、V2之间的差，通过合成幅值被控制的霍尔信号U3和放大的霍尔信号V2，从而获得合成信号W3来实现的。

本发明的另一个优点在于通过合成两个霍尔信号获得三相驱动信号。

本发明的其它优点在于提供转动不平稳度小的无刷电机，这是通过把用于放大霍尔信号U1、V1的放大器中一个的增益设为比另一个放大器至少大5％来实现的，这意味着在反馈电流中含的脉动对反馈电流的比率小。

Claims (10)

1、一种用于无刷电机的电机驱动系统，包括：

驱动磁体；

具有所述驱动磁体的转子；

在底板上提供的面向所述驱动磁体的三相定子线圈；

两个霍尔元件，它们暴露在所述驱动磁体的磁通中，并输出其间具有120度相位差的第一和第二霍尔信号；其特征在于还包括：

幅值控制装置，用于均衡所述第一和第二霍尔信号之间的幅值差并输出均衡的第一第二霍尔信号；

信号合成装置，用来把所述均衡的第一和第二霍尔信号合成在一起，并输出合成信号；以及

驱动电路装置，用于响应所述均衡的第一和第二霍尔信号和所述合成信号转换要向所述三相定子线圈提供的驱动电流。

2、如权利要求1所述的用于无刷电机的电机驱动系统，其特征在于所述的幅值控制装置具有第一和第二差分放大器，所述第一差分放大器被供给控制所述第一差分放大器的增益的源电流，以便均衡所述第一和第二霍尔信号的幅值，此外，被供给源电流的所述第一差分放大器的增益被设为至少比第二差分放大器小5％。

3、一种用于无刷电机的电机驱动系统，包括：

驱动磁体；

具有所述驱动磁体的转子；

被提供在底板上并面向所述驱动磁体的三相定子线圈；

两个霍尔元件，它们暴露在所述驱动磁体的磁通中，并输出具有120度相位差的第一和第二霍尔信号；其特征在于还包括：

信号合成装置，包括加法装置，用于把所述第一和第二霍尔信号加在一起，以及非线性转换装置，用于重新形成所述第一和第二霍尔信号的相加结果的波形，从而产生合成信号；

驱动电路装置，用于响应所述第一和第二霍尔信号和所述合成信号，转换要向所述三相定子线圈提供的驱动电流；以及

所述驱动磁体产生梯形的磁通分布波形，其中含有基波、三次谐波和五次谐波，并且所述三次谐波和所述五次谐波之间含量的差小于16％。

4、如权利要求1所述的用于无刷电机的电机驱动系统，其特征在于所述驱动电路装置计算所述第一和第二霍尔信号之间的差，所述第一霍尔信号和所述合成信号之间的差和所述第二霍尔信号和所述合成信号之间的差，并响应所述的这些差值转换所述的驱动电流。

5、如权利要求3所述的用于无刷电机的电机驱动系统，其特征在于所述驱动电路装置计算所述第一和第二霍尔信号之差的差，所述第一霍尔信号和所述合成信号之间的差，以及所述第二霍尔信号和所述合成信号之间的差，并响应所述的这些差值转换所述驱动电流。

6、如权利要求1所述的用于无刷电机的电机驱动系统，其特征在于所述驱动磁体部分产生梯形的磁通分布波形，其中含有基波、三次谐波和五次谐波，所述三次谐波和所述五次谐波之间含量的差小于16％。

7、如权利要求1所述的用于无刷电机的电机驱动系统，其特征在于所述两个霍尔元件之间相对于所述转子的中心的物理角距离小于60度。

8、如权利要求1所述的用于无刷电机的电机驱动系统，其特征在于所述霍尔元件是GaAs霍尔元件。

9、如权利要求3所述的用于无刷电机的电机驱动系统，其特征在于所述两个霍尔元件之间相对于所述转子中心的物理角距离小于60度。

10、如权利要求3所述的用于无刷电机的电机驱动系统，其特征在于所述两个霍尔元件是GaAs霍尔元件。

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