CN1070659C - 无传感器的电动机驱动电路 - Google Patents

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Abstract

一种无传感器电动机驱动电路，包括：检测装置，依据励磁线圈的感应电压检测旋转着的转子的基准位置；微分脉冲发生装置，利用检测装置输出信号产生微分脉冲；能产生时钟脉冲的锁相环电路，它具有用于在时钟脉冲已被分频后，将微分脉冲同时钟脉冲比较的相位比较器；触发脉冲发生器，对时钟脉冲计数并当予定计数时限内不产生微分脉冲时产生触发脉冲；闩锁电路，产生一个从转子基准位置起延迟了予定量的延迟脉冲；依据延迟脉冲产生励磁线圈的导电转换信号的发生电路；和，依据该转换信号引起励磁线圈导电的驱动器电路。

Description

无传感器的电动机驱动电路
本发明涉及无传感器的电动机驱动电路的改进。
用于驱动，例如，两相无电刷电动机的无传感器的电动机驱动电路是众所周知的。用于驱动两相无电刷电动机的这类电路使用诸如霍尔元件之类的旋转检测元件和利用励磁线圈中产生的感应电压(反电动电压)对励磁线圈中的驱动电流的传导(导电)进行转换。
这类通用无传感器电动机驱动电路通过检测励磁线圈中的感应电压和根据极性反转的计时提供某种延迟量来实现导电的转换。
然后用滤波器滤除在导电转换时刻产生的尖峰电压(回扫电压fly-back)。
此外，若在励磁线圈中导电之后电动机转子未被直接起动，则意为电动机转子已处于静止位置(称之为基准位置)，若在某一时间周期内未检测到励磁线圈的感应电压，则产生一起动脉冲并强迫转换导电模式(pattern)。
关于对极性反转进行计时方面提供一个规定延时，提供用于去除尖峰电压的滤波器，以及产生起动脉冲的这些方法可被分为模拟法和数字法。
模拟法电路利用RC时间常数实行相位延迟，去除尖峰电压和产生起动脉冲。另一方面，用于数字法的电路，几乎全用微处理器。
由于微处理器的成本缘故由规模大电路系统中是可能使用数字法的，但在小规模电路应用中不可行。因此采用模似法，而不是数字法，更为普通。
不过，在摸似法中，必须对RC时间常数电路的每个元件均要以最适宜方式设定时间常数，但这证明是困难的，因为每个元件的时间常数之间会有干扰。此外还需要大量的电阻和电容，这意味着需要大量的零部件。
由于本发明是为解决上述诸问题而提出的，故本发明的目的是提供一种无传感器的电动机驱动电路，该电路与用模似法构成的电路相比，外部零件数较少，成本被降低以及对励磁线圈进行最合适的驱动电流转换而与电动机的转速无关。
因此，一种无传感器电动机驱动电路包括用于根据励磁线圈感应电压检测转动中转子的基准位置的检测电路，用于利用检测电路输出信号产生微分脉冲的微分脉冲产生电路，能产生时钟脉冲，具有相位比较器用以在时钟脉冲已被分频后将微分脉冲同时钟脉冲加以比较的锁相环电路，一个起动脉冲发生器，用以对时钟脉冲进行计数并当予定计数时段内不产生微分脉冲时产生起动脉冲，一个闩锁电路，用以产生一延迟脉冲——该脉冲从转子的基准位置起通过对时钟脉冲进行计数或利用起动脉冲延迟了一个规定量，一个发生电路用于根据延迟脉冲为励磁线圈产生导电转换信号以及一个驱动电路用以依据导电转换信号造成励磁线圈中的导电。
该无传感器电动机驱动电路也可进一步配置一掩蔽信号发生器，用以通过对时钟周期的计数产生一个抑制导电转换期间所产生的模仿脉冲(imitation pulse)的周期。
PLL电路响应转子的转速控制闩锁延迟电路的延迟量和掩蔽信号发生器的模仿脉冲抑制周期。
本发明的电动机可为用于旋转一种旋转磁头装置的旋转鼓的两相双向无传感器电动机。
本发明的电动机也可为用于旋转光盘的两相双向无传感器电动机。
按照这一结构，检测器3基于励磁线圈1和2的感应电压检测转子R的在基准位置。
当转子R旋转时，在线圈中感生交变电流电压。然而，基准位置即是当交变电流电压为零伏时的转子R的位置。
当励磁线圈1或2任一个导电时，磁力施加在转子R上，转子R将旋转。当转子R旋转时，反电势电压6S-2和6S-4在检测器3处测出。
微分脉冲发生器7利用来自检测器3的输出信号3S-1和3S-2产生微分脉冲7S。能产生时钟信号8S的PLL电路8的相位比较器40将微分脉冲7S同时钟信号8S的分频型式的脉冲8P相比较。
闩锁延迟电路9产生延迟脉冲9S，该脉冲通过时钟8S的计数周期从转子R的基准位置起延迟了一个规定量。电路6和12基于延迟脉冲9S对励磁线圈1和2产生导电转换信号13S-1于13S-4，于是励磁线圈1和2被迫转换至下一导电模式。
在以上过程中，当转子R由于导电而旋转时，若转子R已经在磁力作用下处于该位置(中性位置)——予期的停止位置，则转子R便处于基准位置。则即使励磁线圈1和2中导电，转子R也不运动从而不产生感应电压。在此情况下，触发脉冲发生器10在一规定计数周期内未出现微分脉冲7S时，计8S的时钟周期数并产生触发脉冲10S。然后闩锁延迟电路9基于该触发脉冲10S产生延迟脉冲9S。于是电路6和12产生导电转换信号13S-1至13S-4，励磁线圈1和2被迫转换至下一导电模式。
对掩蔽信号发生器11而言，产生由时钟脉冲8S的周期计数的用于抑制在导电转换期间所产生的模仿脉冲的周期T是可取的。
人们还希望PLL电路8随着转子R的转速，去控制闩锁延迟电路9的延迟量和掩蔽信号发生器11的模仿脉冲抑制周期T。
图1是表示本发明第一实施例的无传感器电动机驱动电路的方块示意图；
图2是表示图1无传感器电动机驱动电路的各信号时序的时序图；
图3是表示图1之PLL电路结构的一个实例的视图；
图4是表示单一驱动电路的导电波形实例和导电转换时刻的反馈电压和零交叉点的实例的视图；以及
图5是表示图2解码器的逻辑电路导电码视图；
图6是表示用于图1无传感器电动机驱动电路的解码器的逻辑电路视图；
图7是表示本发明第二实施例的解码器逻辑电路的导电码视图。
以下根据诸附图详细说明本发明的诸最佳实施例。
以下描述的实施例是本发明的一个具体适宜的实例。因此，附带有各种技术上可取的限制，但本发明的范围决不局限于这方面，特别不局限于下列说明中所列举的要点方面。
图1是表示用于本发明第一最佳实施例的无传感器电动机驱动电路的视图，其数码2表示两相双向励磁型无传感器电动机驱动装置。
在图1中，两相双向无传感器电动机(此后称其为无传感器电动机120是由无传感器电动机驱动器100驱动的。
该无传感器电动机120可用于旋转例如磁带录相机(VTR)等所用旋转磁头装置的磁鼓，或用作光盘设备中用于旋转光盘的电动机。
该无传感器电动机120具有两个驱动线圈(此后称为励磁线圈)1和2以及一个转子R。转子R有北极N和南极S。感应电压6S-1和感应电压(反-电动电压)6S-2是从励磁线圈1得来，同时感应电压6S-3和感应电压(反电动电压)6S-4是从励磁线圈2得来。
图1的无传感器电动机驱动器是由以下诸元件构成。
由于转子R的旋转而由两相励磁线圈1或励磁线圈2所产生的反电动电压6S-2和6S-4是由检测器3取得以及转子R的基准位置是根据该检测器3的输出检测的。
当转子旋转时，在两线圈中感应出交流电压，但当该交流电压变为零伏时，转子R的基准位置便是转子R的该位置。
在这些反电动电压6S-2和6S-4的基础上，检测器3将比较器信号3S-1和比较器信号3S-2送至选择器4和微分脉冲发生器7。该选择器4通过开关5和解码器12被连到驱动器6。
图1的微分脉冲发生器是一种微分脉冲产生装置，当比较器信号3S-1和3S-2之任一个反转时，便产生单一微分脉冲7S(例如，如图2中由箭头F1和F2所指的)。即，每当两相励磁线圈1和2的反电动电压6S-2和6S-4的任一个通过零时，便产生一个微分脉冲7S。于是该微分脉冲7S被输入至锁相环(此后称为PLL)电路8，闩锁延迟电路9，触发脉冲发生器10，掩蔽信号发生器11和延迟电路14。
图1的PLL电路8是用于根据微分脉冲7S产生，例如图2所示的十六倍时钟脉冲信号8S。PLL电路8输出图2所示与微分脉冲7S同步的时钟脉冲8S。
图3是该PLL电路8的一个实例结构的视图。
相位比较器40将来自微分脉冲发生器7的微分脉冲7S取作输入。相位比较器40通过低通滤波器(此后称为LPF)42连接到压控振荡器(此后称为VCO)。相位比较器40将对由VCO44输出的时钟脉冲信号8S进行分频得到的脉冲8P(参见图2)同从微分脉冲发生器7输出的微分脉冲7S(参见图2)加以比较，然后输出图3的输出信号40a。
图3的VCO44通过1/N分频器46连接到相位比较器40。该1/N分频器将来自VCO44的时钟脉冲信号8S进行1/N分频并将脉冲8p供至相位比较器40。
输出信号40a的频率分量低于一固定频率的那部分通过低通滤波器42。VCO44受低通滤波器42的输出42a的控制，对应于该输出42a的频率的时钟脉冲信号8S便产生。
这样，VCO44产生时钟脉冲信号8S——该信号频率是，例如，来自微分脉冲发生器7的微分脉冲7S的16倍频。在此期间，若低通滤波器42的输出42a的电压为高电平，则输出高频时钟脉冲信号8S，若输出42a的电压为低，则输出低频时钟脉冲信号8S。
此外，图1所示闩锁延迟电路9(闩锁电路)具有一内部计数器，用于对时钟脉冲信号8S进行计数并产生，例如，一个将来自微分脉冲发生器7的微分脉冲7S延迟3时钟周期的闩锁延迟脉冲9S。该闩锁延迟脉冲9S是从转子R的基准位置起延迟了一规定量的脉冲。
图1中的掩蔽信号发生器11被如此安排以使从微分脉冲7S被接通起直到闩锁延迟脉冲9S已通过并已经过一个规定时钟数周期止掩蔽信号11S均被接通。就图4中所示那种U-相(对两相来说，一个取U相，另一个取V相)励磁线圈1的励磁波形而言，该掩蔽信号发生器11是为避免由于流过线圈1的电流的转换而产生的电压尖峰的零交叉点ZC1的那种信号被输入到图1中的选择器4的逻辑电路。该零交叉点ZC1的信号是一个其产生不取决于无传感器电动机的旋转的信号。掩蔽信号发生器11的模仿脉冲抑制周期T是用于抑制在励磁线圈1和2之间的导电转换期间所产生的模仿脉冲(图4所示尖峰电压)的一个周期。
图1所示触发脉冲发生器10对来自PLL电路8的时钟脉冲信号8S进行计数并若在时钟的予定数周期内未产生微分脉冲7S时，产生触发脉冲10S，以替代微分脉冲7S。
触发脉冲10S在闩锁延迟电路9和掩蔽信号发生器11基于该触发脉冲10S而以象产生微分脉冲7S时的相同方式操作情况下，驱动闩锁延迟电路9和掩蔽信号发生器11。
延迟电路14根据来自微分脉冲发生器7的微分脉冲7S和来自PLL电路8的时钟脉冲信号8S将图1所示延迟信号14S输出至解码器12。
该延迟信号14S为图5所示励磁线圈1和2的导电转换信号13S-1至13S-4建立一重叠周期TOR。这样，在继续接通的一相(励磁线圈1或2)和将要断开的另一相(励磁线圈2或1)之间存在一个延迟以致实现该重叠导电。
具体地说，导电转换信号13S-2(B)变成接通，在下一跟随的导电转换信号13S-3(C)接通和导电转换信号13S-2(B)继续接通时，取导电转换信号13-S(C)和延迟信号14S的逻辑乘积。于是若延迟信号14S达到断开，则导电转换信号13S-2(B)同时变成断开。在此期间，导电转换信号13S-2(B)和导电转换信号13S-3(C)重叠和导通。
在重叠周期TOR中所包含的各相的导电角EA，例如，为135°。该导电重叠是为当起动转子R时加速或减速时获得增大的转矩。于是，当转子R已达到旋转的规定转数时，延迟信号14S便停止供给解码器12，重叠导电被停止而且被转换成通常的90°导电角。
转换时，延迟信号14S(E)被接通一段规定的时间周期。例如，延迟信号14S(E)是从感应电压的零交叉点被延迟(理想地成45°)并输出。该理想情况是若闩锁延迟信号9S比闩锁输出快了延迟信号14S持续时间的一半。
例如，在CD-ROM等中，为增大转矩从而可减少存取时间便利用了这种导电重叠。
下面描述用于励磁线圈1和2的驱动电流的导通数据流。
当掩蔽信号发生器11的掩蔽信号11S被断开时，输入至图1选择器4的比较器信号3S-1和3S-2直接通过选择器4。当接通掩蔽信号11S时，则在正好掩蔽信号11S变成导通以前，所述数据被闩锁和作为选择数据信号4S-1和4S-2输出至开关5。
选择数据信号4S-1和4S-2在开关5处被闩锁延迟脉冲9S闩锁，即，选择数据信号4S-1和4S-2例如在微分脉冲7之后三个时钟周期被闩锁。
图6中的转换输出5S-1(对应于U-相)和5S-2(对应于V相)是基于解码器12的逻辑电路根据导电码而被解码并送至图1的驱动器6作为导电转换信号13S-1至13S-4。
于是图1的驱动器6利用附图中未示的晶体管转换，实现图5所示的那种相位转换并使图1的励磁线圈1和2导电。
这样，用于使励磁线圈1和2导电的数据流可在取从PLL电路8产生的时钟脉冲信号8s作为基准的一个无传感器电动机驱动器100范围内得到控制。
下面将描述图1无传感器电动机驱动电路100的操作。
(1)当导电期间，转子R旋转时。
当就无传感器电动机驱动器100而言存在导电和图1的转子正在旋转时，驱动电流流过两个励磁线圈1和2的一个或另一个。若励磁线圈1或2的一个或另一个导电，则转子R将被，例如，若它正在导电的励磁线圈1的磁力所吸引，而且转子R将轻微旋转。在这样做的过程中，检测器3将如前所述地检测励磁线圈1的感应电压。作为反电动电压6S-2和6S-4的波形的一个实例示于图2中。
然后图1的检测器3检测这些反电动电压6S-2和6S-4并输出比较器信号3S-1和3S-2。于是微分脉冲发生器7基于这些比较器信号而产生图2的微分脉冲7S。然后该微分脉冲7S被加到PLL电路8，闩锁电路9，触发脉冲发生器10，掩蔽信号发生器11和延迟电路14。于是选择器4产生选择器数据信号4S-1和4S-2。
于是图1的PLL电路8产生最低频率的时钟脉冲信号8S，该时钟脉冲信号8S被加到闩锁延迟电路9，驱动脉冲发生器10，掩蔽信号发生器11和延迟电路14。
闩锁延迟电路9和掩蔽信号发生器11基于该微分脉冲7S工作同时闩锁延迟电路9产生闩锁延迟脉冲9S。在开关电路5，该闩锁延迟脉冲9S将选择器数据信号4S-1和4S-2闩锁一个规定的时钟周期数，例如在微分脉冲7之后的3个时钟周期。开关电路5的输出因而由于选择数据信号4S-1和4S-2被迫转换成下一相位。
该转换输出5S-1和5S-2由于该闩锁延迟脉冲9S被迫转换至下一相位的结果是导电转换信号13S-1至13S-4通过解码器12被加到驱动器6，励磁线圈1和2导电和转子R旋转。当转子R开始旋转时，上述系列操作被重复而且转子R的旋转加速。与此同时，图2中所示感应电压通过零交叉点ZC的速度增大而图2中所示微分脉冲7S的产生之间的间距变得较短。
(2)当由导电引起的旋转并未开始，转子R在导电时已处静止位置。
若，在励磁线圈1和2导电后希望转子R暂时被吸引并已处在静止位置，则转子R不动，与此同时，不产生感应电压6S-1和6S-3以及反电动电压6S-2和6S-4。
甚至当导电时转子R也不动时，图1中的PLL电路8仍产生最低频率下的时钟脉冲信号8S。于是该时钟脉冲8S被加到闩锁延迟电路9，驱动脉冲发生器10，掩蔽信号发生器11和延迟电路14。
触发脉冲发生器10接收和对该时钟脉冲信号8S计数，并当该计数达到予定数时产生触发脉冲10S，以取代微分脉冲7S。然后该触发脉冲10S被加到闩锁延迟电路9和掩蔽信号发生器11。
闩锁延迟电路9和掩蔽信号发生器10基于该触发脉冲10S而被驱动，闩锁延迟电路产生闩锁延迟脉冲9S。该闩锁延迟脉冲9S于是在开关电路5闩锁选择数据信号4S-1和4S-2。开关电路5的输出便通过选择数据信号4S-1和4S-2而被迫转换至下一相位。
通过该闩锁延迟脉冲9S使转换输出5S-1和5S-2被迫转换至下一相位的结果是：导电转换信号13S-1至13S-4通过解码器12被加至驱动器6，励磁线圈1和2导通和转子R旋转。当转子R开始旋转时，上述系列操作被重复并加速转子R的旋转。与此同时，图2中所示感应电压通过零变叉点ZC的速度增大，而且图2所示微分脉冲7S的产生之间的间隔变得较短。
就上述本发明的实施例而言，当与传统模拟驱动电路相比时，由于外部附件数减少，可能降低成本，同时安装步骤的数量可能减少。
此外，在本发明的该实施例中，由于对每个励磁线圈相位采用大于90°的导电角而实现了重叠导通故可获得例如30％的转矩的增大以获得例如在起动时的转矩的必要增大，因此本发明的这一实施例最适于CD-ROMs(只读存储器小型盘(compact disk))等。然而，节能方面的应用也许也是可能的，因为当转子以增大的转矩在恒定速度下旋转时，本发明的该实施例几乎不受转矩脉动的影响。
当将本发明这一实施例同传统模拟驱动电路比较时，定时是稳定的，时限方面的改变是用逻辑电路实现的。所以就安装而言，使与模式相一致的时限上的改变可容易地甚至在安装后进行。
就本发明的该实施例而言，无论电动机转子R的转速如何总能实现最适宜的驱动电流转换。
此外利用闩锁延迟电路9可这样完成相位延迟，以致可在无传感器电动机120的极性反转和可转换导电的这一时限内提供延迟。
本发明的该实施例还运用一掩蔽信号发生器11，该发生器可用于掩蔽，因而防止在励磁线圈1和2发生导电转换时产生尖峰电压期间的尖峰。这就消除了由于这些尖峰电压产生的零交叉点的错误检测。
再者，在励磁线圈1和2中导电之后不直接驱动转子R的情况下，若在某一时间周期内未检测到感应电压，则触发脉冲发生器10产生触发脉冲10S以替代微分脉冲7S，同时励磁线圈1和2被迫转换至下一导电模式。
所有这些元件是作为在单一无传感器电动机驱动电路100内的数据电路构成的。
下面，本发明第二实施例示于图7中。图7中的实施例在解码器的导电码方面是不同的。
就图5实施例的解码器逻辑电路的导电码而言，延迟信号14S根据导电转换信号13S-1至13S-4建立重叠(overlap)周期TOR，并有从一个相(励磁线圈1或2)变成导通直到下一相(励磁线圈2或1)变成断开为止的一个延迟量，以致可实现重叠导电。
关于这一点就图7实施例中的解码器逻辑电路的导电码而言，图1的延迟电路14不存在，延迟信号14S未被加到解码器12，未对导电转换信号13S-1至13S-4建立重叠周期TOR。换言之，如图7所示，导电时限内四个导电转换信号13S-1至13S-4是通过组合转换输出5S-1和5S-2的数据而产生的而未实现重叠导电。
若借助导电转换信号13S-1使电流沿图1励磁线圈1的向前方向流动，然后通过导电转换信号13S-2使电流以相反方向流动。此外，若通过导电转换信号13S-3使电流在图1的励磁线圈2的向前方向上流动，通过导电转换信号13S-4使电流在相反方向上流动。
本发明决不局限于上述诸实施例。
本发明的无传感器电动机驱动电路不限于二相电动机并也能应用于3相无传感器电动机。此外，二相电动机可不仅为无心电动机或铁芯型电动机，也可能应用于PM型心轴电动机(Spindle motors)或HB(hybrid)型步进电动机。

Claims (5)

1．一种无传感器电动机驱动电路，用以驱动具有转子和用于该转子的多个励磁线圈的电动机，所述电路包括：
检测装置，用于依据励磁线圈的感应电压检测旋转着的转子的基准位置；
微分脉冲发生装置，用于利用检测装置输出信号产生微分脉冲；
其特征在于还包括：
能产生时钟脉冲的锁相环电路，它具有用于在时钟脉冲已被分频后，将微分脉冲同时钟脉冲进行比较的相位比较器；
触发脉冲发生器，用于对时钟脉冲进行计数并当在予定计数时限内不产生微分脉冲时产生触发脉冲；
闩锁电路，用于通过对时钟脉冲计数或利用触发脉冲产生一个从转子基准位置起延迟了予定量的延迟脉冲；
发生电路，用于依据延迟脉冲产生励磁线圈的导电转换信号；以及
驱动器电路，用于依据导电转换信号造成励磁线圈中的导电。
2．根据权利要求1的无传感器电动机驱动电路，其特征在于：还配置有一掩蔽信号发生器，用于通过对时钟周期计数产生一个抑制导电转换期间所产生的模仿脉冲的周期。
3．根据权利要求2的无传感器电动机驱动电路，其特征在于：PLL电路响应转子的转速控制闩锁延迟电路的延迟量和掩蔽信号发生器的模仿脉冲抑制周期。
4．根据权利要求1的无传感器电动机驱动电路，其特征在于：电动机是一个两相双向无传感器电动机，用于旋转一个旋转磁头装置的转鼓。
5．根据权利要求1的无传感器电动机驱动电路，其特征在于：电动机是用于旋转光盘的一个两相双向无传感器电动机。
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