CN1078977C - 电动机控制装置及包括该装置的信息记录和/或重放设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种设计来控制三相无刷直流电动机(10)的电动机控制装置，所述电动机包括磁转子(15)和三个绕组(11，12，13)，电动机控制装置包括检测装置(20)，它适合于根据绕组(11，12和13)上产生的反电动势电压产生换向信号(21)。电动机控制装置还包括输出级(30)，它具有连接电源用的第一端子(31)和第二端子(32)、连接绕组(11，12和13)用的输出(33，34，35)以及若干半导体元件(36)、用来根据换向信号(21)选择性地把端子(31，32)连接到输出端(33，34，35)。所述电动机控制装置还包括鉴相器(40)，它适合于产生代表传感器信号和基准信号之间相位差的相位误差信号(43)。把输出级(30)配置成与可控电源级(50)串联，后者适合于通过输出端(33，34，35)馈送流过绕组(11，12，13)的双向电流(I)。根据相位误差信号(43)控制电流(I)，以便以受控的方式驱动转子(15)，或对转子进行主动制动。

Description

电动机控制装置及包括该装置的 信息记录和/或重放设备
本发明涉及用来控制具有磁转子和多个绕组的多相无刷直流电动机的电动机控制装置，所述电动机控制装置包括：
检测单元，它适合于根据线圈中产生的反电动势电压产生换向信号；
输出级，它具有：连接各绕组的多个输出端；至少一个连接电源的端子；以及多个根据所述换向信号选择性地把所述端子耦合到各输出端的控制元件。
本发明还涉及一种用于信息的记录和重放的设备，它包括：
以与周期性的基准信号同步的周期记录和/或重放信息的装置；
用来驱动与所述装置合作的元件的电动机；
用来检测所述元件位置的传感器，它产生传感器信号；以及
用来控制所述电动机的电动机控制装置。
从美国专利No.4,752,724中已知这样一种电动机控制装置。这种已知的电动机控制装置包括连接到三相无刷直流电动机绕组用来检测所述绕组内产生的反电动势电压的检测装置。根据检测到的反电动势电压产生换向信号。已知的电动机控制装置还包括输出级，其中包括多个双极晶体管，用来选择性地把绕组耦合到电源。所述晶体管由信号发生器控制，而后者用换向信号控制。所述已知的电动机控制装置适用于按照给定的模型激励无刷电动机的绕组，以此使绕组产生一种不停地驱动转子的旋转磁场。
本发明的一个目的是提供一种电动机控制装置，它使得可以把无刷直流电动机包括在控制环路中，并使所述控制环路能够获得大的带宽。为此目的，按照本发明的电动机控制装置的特征在于所述电动机控制装置包括：
鉴相器，它具有用来接收与转子瞬间位置相关的周期性传感器信号的第一输入端和用来接收周期性基准信号的第二输入端，并且所述鉴相器适合于产生代表传感器信号和基准信号之间相位差的相位误差信号，以及
可控电源级，它设计得可以根据所述相位差信号通过输出级的输出端馈送双向电流，用来以受控的方式驱动和制动转子。
采取按照本发明的这些措施，就可以达到使转子根据传感器信号和基准信号之间相位差的符号进行加速或主动制动。按照本发明的电动机控制装置的电源级使流过绕组的电流能够与换向信号无关地在量值上受控并反转，并使得可以得到从转子驱动到转子主动制动的平滑地过渡。由于主动制动的可能性，这种电动机控制装置非常适用于结合到控制环路中、从而获得大的带宽。由于驱动和主动制动之间的平滑过渡，还可以做到使这样的控制环路精确动作。传感器信号可以，例如，从检测出的反电动势电压产生，或者可以借助于诸如光耦合器、电容传感器、电感传感器等检测由所述电动机驱动的元件的某个位置的单独的传感器产生。基准信号可以，例如，是一种周期性的信号，其频率代表所述电动机要求的旋转速度和/或其相位代表被所述电动机驱动的所述元件的要求的位置。输出级可以，例如，总是根据换向状态的给定模型激励三相电动机三个绕组中的两个，以产生旋转磁场。应该指出，在已知的电动机控制装置中，流过绕组的电流方向在某些换向状态之间也是不同的。但是，在已知电动机控制装置的所有换向状态中转子都被驱动。
按照本发明的电动机控制装置的实施例的特征在于把输出级安排成与电源级串联。由于这一措施，流过绕组的电流不仅与换向信号无关，而且与输出级的换向状态无关。其结果是，用于输出级的控制元件不必满足任何关于对所加控制信号的线性或相似响应的要求。这就使，例如，MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管)的使用成为可能。
按照本发明的电动机控制装置的实施例的特征在于所述电源级包括脉宽调制器，后者适合于通过输出级的输出端向绕组提供一种取决于相位误差信号的双向电流。采取这一措施的结果是，电动机控制装置的耗散明显减小。输出级最好这样设计、使得连接电源用的第一端和第二端之间是对称的，而脉宽调制器提供正脉冲，所述脉冲根据相位误差信号而加在输出级的第一端或第二端，而脉冲宽度取决于相位误差信号的幅度。
按照本发明的电动机控制装置的实施例的特征在于所述电源级包括可控电流源。借助于这一措施，做到了使电动机控制装置包括于其中的控制环路的性能与绕组的串联电阻、绕组的自感及绕组中的反电动势电压无关。绕组的所述电阻是随着温度而改变的。尤其是用在诸如，例如，摄像器和便携式计算机等便携式设备上时，所述措施提供了明显的改进。所产生的反电动势电压随着转子的转速而变化。借助于这一措施，还可以做到电动机控制装置包括于其中的控制电路的控制性能较少地依赖于转子的转速。例如，在电动机以一定的速率驱动把图象传感器与入射光隔开的快门的摄像机中，这是很重要的。这样的电动机根据视频格式而以不同的转速运行。
按照本发明的电动机控制装置的实施例的特征在于所述相位调制器产生一种脉冲形式的相位误差信号，后者与基准信号的周期相比是狭窄的，它所含的能量与传感器信号和基准信号之间的相位差成正比。这样的脉冲可以由本身就是已知的电路产生，另外，若基准信号和传感器信号都是脉冲型或矩形型，则电路也很简单。通过产生一种与基准信号的周期相比狭窄的脉冲，可以做到转子在所述周期已经加速或减速。其结果是，进一步加大了包括所述电动机控制装置的控制环路的带宽。
按照本发明的电动机控制装置的实施例的特征在于所述电动机控制装置包括安排在鉴相器和输出级之间的二阶低通滤波器和微分器的串联电路，用来把所述脉冲转变成双极性控制信号，并且电源级适合于根据所述双极性信号提供电流。借助于这些措施做到了迅速校正所检测到相位差，而同时流过电动机的平均电流大体上保持不变。这主要在扰动导致需要由电动机克服的摩擦力的短暂的增大或减小的应用领域上显得重要。扰动之后，摩擦力等于扰动之前的摩擦力，结果是，为了防止电动机的平均速度随着扰动的校正而增大或减小，电动机的电流必须恢复到扰动之前的数值。所述措施保证扰动的作用不会覆盖比扰动本身的持续时间长得多的时间周期。
按照本发明的电动机控制装置的实施例的特征在于所述低通滤波器的时间常数小于基准信号的周期。借助于这些措施，可以做到转子的加速和减速总是基于在基准信号的上一个周期测量到的相位差。这使扰动作用的持续时间进一步缩短。
本发明还涉及一种记录和/或重放信息用的设备，它包括：
以与周期性的基准信号同步的周期记录和/或重放信息用的装置；
电动机，用来驱动与所述装置合作的元件；
传感器，用来检测所述元件位置，产生传感器信号；以及
按照本发明的电动机控制装置。
借助于这些措施就可以做到使得信息流可以以固定的周期频率记录或重放。这在实时系统和信息量大得不希望在记录和/或重放的过程中把所述信息临时储存的系统中尤为重要。
按照本发明的设备的实施例的特征在于所述装置包括帧传输图象传感器，而所述元件包括用于周期性地封闭图象传感器的快门。这样的设备是，例如，用来记录视频图象的摄像机。在帧传输图象传感器的情况下，图象周期地从拾取部分传送给读出部分。在这种传送过程中，图象传感器最好与入射光屏蔽，以防发生“拖影”效应。显然，使封闭和传输同时发生是非常重要的。扰动性的外部影响，诸如冲击或摄像机运动的结果是，驱动快门的电动机应当临时克服可能在图象传感器的封闭和图象的传输之间引起相位差的较高或较低的摩擦。借助于按照本发明的这些措施，这种相位差得以迅速校正，预防可见的“拖影”效应。
按照本发明的设备的实施例的特征在于所述元件包括信息载体，而所述装置包括用于把信息写在信息载体上的头。这样的设备是，例如，磁盘驱动器，信息载体是磁盘或光盘，头分别是磁头或光盘头。借助于按照本发明的这些措施，磁盘的速度可以精确地加以控制，其结果是，在写和/或读的过程中获得均匀的信息流。
现将参照附图，以举例的方式较详细地描述本发明。附图中：
图1示意地表示按照本发明的电动机控制装置的第一实施例；
图2示意地表示流过绕组的电流随着时间的变化；
图3举例说明双极性控制信号如何从相位误差信号产生；
图4表示在包括所述电动机控制装置的控制环路的校正动作过程中，电源级提供的电流、绕组两端的电压和流过绕组的电流随着时间的变化；
图5示意地表示按照本发明电动机控制装置第二实施例中电源级和输出级；
图6表示按照本发明的设备的第一实施例；以及
图7表示按照本发明的设备的第二实施例。
图1示意地表示按照本发明的电动机控制装置的第一实施例。所述电动机控制装置适合于控制三相无刷直流电动机10，后者包括磁转子15和三个绕组11，12和13。电动机控制装置包括检测装置20，后者适合于产生代表转子相对于绕组的位置的换向信号21。换向信号21是根据在绕组11，12和13上产生的反电动势电压而产生的。电动机控制装置还包括输出级30，后者具有：连接电源用的第一端子31和第二端子32；连接绕组11，12和13用的输出端33，34和35；以及根据换向信号21选择性地把端子31，32连接到输出端33，34和35的若干可控半导体元件。
电动机控制装置还包括鉴相器40，后者具有用来接收周期性传感器信号的第一输入端41和用来接收周期性基准信号的第二输入端42。鉴相器40适合于产生代表传感器信号和基准信号之间相位差的相位误差信号43。把输出级30安排成与可控电源级50串联，后者适合于通过输出端33，34和35馈送流过绕组11，12和13的双向电流I。根据相位误差信号43这样控制电流I、以便以可控的方式驱动转子15或者对这个转子进行主动制动。鉴相器40产生脉冲形式的相位误差信号43，脉冲的宽度相对于基准信号的周期T是狭窄的(见图3)，而脉冲所含的能量与传感器信号和基准信号之间的相位差成正比。二阶低通滤波器和微分器的串联电路60设置在鉴相器40和电源级50之间。低通滤波器的时间常数小于基准信号的周期T。串联电路60保证把相位误差信号43转换成双极性控制信号(见图3)，用来控制可控电源级50。串联电路可以，例如，具有在块60中所示的频率响应。在这样的情况下，获得了比例积分-微分(PID)控制器，后者提供一种基于相位误差信号的比例分量、积分分量和微分分量的复合控制信号61。电源级50包括可控的电流源，结果流过绕组11，12和13的电流取决于所述控制信号61。
图2示意地表示流过绕组11，12和13的电流随着时间的变化。为了驱动转子，电流I11，I12和I13通过绕组11，12和13馈送，这些电流按照所谓换向周期的周期图案产生旋转磁场。在具有6对磁极的三相电动机的情况下，6个换向信号对应于转子15在机械上旋转一周。因而一个换向周期相当于60°的角向旋转。换向是根据换向信号21控制的(见图1)。为了驱动转子15，输出级30的半导体元件36(见图1)应该在正确的时刻切换。切换时刻由检测单元20确定(见图1)。每次激励三个绕组中的两个。
图3举例说明如何从相位误差信号产生双极性控制信号。(a)处示出相位误差信号53，它是由鉴相器40产生的(见图1)，呈脉冲型，而脉冲所含的能量与传感器信号和基准信号之间的相位差成正比。(b)处示出第一低通滤波器之后得到的信号。(c)处示出第二低通滤波器之后得到的信号，而(d)处示出微分器之后得到的双极性控制信号61。
图4表示在包括电动机控制装置的控制环路的校正动作期间，电源级提供的电流、两端的电压和流过绕组的电流随着时间的变化。由电源级50提供的电流I随着双极性控制信号61而变化(见图3)。最初，电源级提供电流I＝I0，直至t＝t1，此时电流I减小，变成负值，随后再次增大直至I＝I0(未示出)。流过绕组11的电流I11最初具有数值I＝I0，并根据换向信号21(见图1)切换如图2所示。绕组11两端的电压等于反电动势加上电压I11·R，式中R是绕组11的电阻。从时刻t＝t1开始，电流I11在量值上减小，但仍与V11同步。t＝t2之后，电源级提供的电流I变成负值，于是流过绕组11的电流I11与电压V11反相。结果流过绕组11的电流I11在方向和量值上可以控制，而与换向信号21无关。换向信号21基于反电动势电压的过零点。当检测到反电动势的电压过零点时，在Δt等于30°之后执行新的换向。在这些过零点期间，流过绕组11的电流I11为0，使得V11相当于反电动势电压。过零期间，由电源级50造成的电流I的变化并不影响电压V11，使得换向信号21的产生不受影响。其结果是，换向和转子15的驱动与主动制动之间的控制完全彼此无关地进行。
图5示意地表示按照本发明的电动机控制装置第二实施例的电源级和输出级。电源级70适合于通过输出级30的输出端33，34和35提供双向电流I，所述电流取决于双向控制信号61，并与换向信号无关。电源级70包括脉宽调制器72，后者提供取决于控制信号61的幅度的给定脉冲宽度的正脉冲。电源级70还包括符号检测器71，后者依照控制信号61的符号推动开关73，以便反转加在输出级30上的电流I方向。
图6表示按照本发明的设备的第一实施例。所述设备是摄像机80，用来记录视频图象，并包括帧传输图象传感器81和用来周期地封闭图象传感器的快门82。快门82由电动机84驱动，后者如前所述受电动机控制装置86控制。借助于视频控制器87，产生周期性的基准信号88，后者每一次都将图象传感器81的读出周期初始化。快门82的位置由光学检测器85检测，后者产生周期性的传感器信号89。传感器信号89和基准信号88两者都加在电动机控制装置86上，形成控制环路，后者保证图象传感器81在读出周期期间与通过透镜83入射的光线屏蔽。换句话说，这种控制环路保证读出和快门82的运动处于固定的相位关系之中。
图7表示按照本发明的设备第二实施例。所述设备是记录和/或重放信息用的硬磁盘单元90。硬磁盘单元90包括可磁化的磁盘92和连接到控制装置97的磁头91。磁盘92由电动机94驱动，如前所述，后者由电动机控制装置96控制。控制装置97，例如，从准备储存的磁盘92上的信息流产生周期性的基准信号98。控制装置97还产生周期性的传感器信号99，后者例如，由磁头81从磁盘92读出的伺服信号产生。传感器信号99和基准信号98都加在电动机控制装置96上，形成控制环路，保证磁盘92的转速与储存在磁盘92上的信息流一致。
应该指出，本发明不限于上述实施例。本发明还可以，例如，应用在图象显示装置上，其中所述装置产生辐射束，而所述元件包括用来使辐射束以给定的周期时间在屏幕上移动的镜子，辐射束根据信息流进行调制，以便在所述屏幕上显示图象。此外，可以把输出级30和电源级50集成在一起，控制元件36不断地响应双向控制信号61，并通过根据所述双向控制信号61的符号接通适当的控制元件来使流过电动机的电流方向翻转。

Claims (10)

1.一种用来控制多相无刷直流电动机(10)的电动机控制装置，所述电动机包括磁转子(15)和多个绕组(11，12，13)，电动机控制装置包括：
检测装置(20)，它适合于根据绕组上产生的反电动势电压产生换向信号(21)；
输出级(30)，它具有连接绕组用的输出端(33，34，35)、连接电源用的至少一个端子(31)，和多个控制元件(36)、用来根据换向信号选择性地把所述端子连接到各输出端上，
鉴相器(40)，它具有用来接收与转子(15)瞬间位置有关的周期性传感器信号的第一输入端(41)和用来接收周期性基准信号的第二输入端(42)，所述鉴相器适合于产生代表传感器信号和基准信号之间相位差的相位误差信号(43)；以及
其特征在于所述电动机控制装置包括：
可控电源级(50)，它适合于根据相位误差信号(43)通过输出级(30)的输出端(33，34，35)馈送双向电流(I)，以可控的方式驱动或制动转子(15)。
2.权利要求1所要求的电动机控制装置，其特征在于：把输出级(30)配置成与电源级(50)串联。
3.上述权利要求中的任何一个所要求的电动机控制装置，其特征在于：所述电源级包括脉宽调制器(70)，后者适合于通过输出级的输出端(33，34，35)向所述各绕组提供取决于相位误差信号(43)的双向电流(I)。
4.上述权利要求中的任何一个所要求的电动机控制装置，其特征在于：电源级(50)包括可控电流源。
5.上述权利要求中的任何一个所要求的电动机控制装置，其特征在于：所述鉴相器(40)产生脉冲形式的相位误差信号(43)，脉冲的宽度相对于基准信号的周期T是狭窄的，而脉冲所含的能量与传感器信号和基准信号之间的相位差成正比。
6.权利要求5所要求的电动机控制装置，其特征在于：所述电动机控制装置包括二阶低通滤波器和微分器的串联电路(60)，后者设置在鉴相器(40)和电源级(50)之间，用来把脉冲转换成双极性控制信号(61)，电源级(50)适合于根据所述双极性控制信号提供电流(I)。
7.权利要求6所要求的电动机控制装置，其特征在于：所述低通滤波器的时间常数小于基准信号的周期。
8.一种用于记录和/或重放信息的设备(84；91)，其特征在于包括：
用于以与周期性的基准信号(88；98)同步的周期记录和/或重放信息的装置；
电动机(84；94)，用来驱动与所述装置协同工作的元件(82；92)；
传感器(85；91)，用来检测所述元件的位置，产生传感器信号(89，99)；以及
上述权利要求中任何一个所要求的用来控制电动机的电动机控制装置(86；96)。
9.权利要求8所要求的设备(80)，其特征在于：所述装置包括帧传输图象传感器(81)，而所述元件包括周期性地封闭所述图象传感器用的快门(82)。
10.权利要求8所要求的设备(90)，其特征在于：所述元件包括信息载体(92)，而所述装置包括用来把信息写在所述信息载体上的头(91)。
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