CN1472537A - 电机转速检测电路及电机驱动装置 - Google Patents

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Abstract

一种电机转速检测电路，包括一种传统微分电路，其可以提高微分电路的微分运算频率的上限，以便防止电机低速旋转时，由于电机转速范围的增加引起微分电路对高频噪声的放大。为解决此问题，根据本发明的电机转速检测电路包含通过微分多个根据电机旋转位置不同输出具有不同相位的交流信号而产生转速检测信号的微分电路，以及微分电路微分运算的频率响应可以根据转速检测信号的电压值进行转换。

Description

电机转速检测电路及电机驱动装置
技术领域
本发明涉及一种电机转速检测电路，更具体地说，涉及一种通过微分多个根据电机旋转位置不同而输出具有不同相位的交流信号，从而产生转速检测信号的电机转速检测电路。本发明同样也涉及一种包含此电机转速检测电路的电机驱动装置。
背景技术
日本专利公开H9-127140和S57-76456公开了传统的电机转速检测电路的已知实例，其通过微分与电机相连的编码器输出的两相正弦信号而产生转速检测信号。
日本专利公开H9-127140和S57-76456公开的电机转速检测电路包括使与电机相连的编码器输出的两相正弦信号极性转换的反相电路、从四路正弦信号即从与电机相连的编码器输出的两相正弦信号以及其各自的反相信号中选择一路信号的转换电路、微分从转换电路输出信号的微分电路、控制转换电路转换时间的逻辑选择电路，以及去除从微分电路输出的微分误差分量从而输出转速检测信号的微分误差消除电路。
各种结构的微分电路可以用于电机转速检测电路。然而，频率高于相应电机最高转速的信号为高频噪声信号，因而，习惯上采用的微分电路，其对于频率高于相应电机最高转速的信号不能进行微分运算。
图12示出了对频率高于相应电机最高转速的信号不能进行微分运算的微分电路结构的一个实例。图12示出的微分电路由电容C3、电阻R9和R10以及运算放大器OP3组成。电容C3的一端作为微分电路的输入端。电容C3的另一端通过电阻R9与运算放大器OP3的反相输入端相连接。运算放大器OP3的同相输入端接地。运算放大器OP3通过电阻R10接收负反馈信号。运算放大器OP3的输出端与电阻R10的连接节点作为微分电路的输出端。图中，假设电容C3的电容值为C3[F][法]，电阻R10的电阻值为R10[Ω][欧姆]，那么，图12示出的微分电路的微分运算频率要小于1/(2×π×C3×R10)[HZ][赫兹]。微分运算频率表示微分电路在该点频率处能够提供微分运算的频率。相应地，电容值C3以及电阻值R10可以这样确定，以便使微分运算频率的最大值等于相应的电机转速的最高值。
如上所述的电机转速检测电路可以用于检测各种类型电机的转速。例如，其可用于检测光盘设备中主轴电机的转速。
光盘设备中，当光盘的转速变得越来越高时，与主轴相连的编码器输出的信号频率范围也变得越来越宽。随着编码器输出信号的频率范围变宽，图12示出的微分电路微分运算频率的最高值也需要变得更高。
然而，提高微分电路微分运算频率的最高值可能导致微分电路对高频段的信号进行微分运算，甚至当这个信号并不是所需的信号，因为此时电机是在低速旋转，但微分电路也会对其进行微分运算。结果，当电机低速旋转时，非常麻烦地是，微分电路放大了高频噪声。
发明内容
本发明的目的在于提供电机转速检测电路，其能够很好地抵抗高频噪声的干扰而又能进行宽范围的检测，并且还能提供包含此电机转速检测电路的电机驱动装置。
为了实现上述目的，根据本发明，电机转速检测电路提供一种微分电路，其通过微分多个根据电机旋转位置不同而输出具有不同相位的交流信号而产生转速检测信号，并且微分电路的微分运算的频率响应可以根据转速检测信号电压值的不同而发生变换。
附图说明
参照附图对本发明的优选实施方式进行详细说明，本发明的上述及其它目的和特征将得到更加清晰地理解。其中：
图1是说明根据本发明的电机转速检测电路结构的一个实例的原理图；
图2是说明图1中电机转速检测电路提供的反相电路结构的一个实例的示意图；
图3是说明图1中电机转速检测电路提供的转换电路与逻辑选择电路结构的一个实例的示意图；
图4是说明在图1的电机转速检测电路中相应点上观察到的信号波形图的示意图；
图5是说明图1中电机转速检测电路提供的选择电路结构的一个实例的示意图；
图6是说明图1中电机转速检测电路提供的微分电路结构的一个实例的示意图；
图7是说明图1中电机转速检测电路提供的微分电路结构的另一个实例的示意图；
图8是说明图1中电机转速检测电路提供的微分电路结构的另一个实例的示意图；
图9是说明图1中电机转速检测电路提供的微分电路结构的另一个实例的示意图；
图10是说明图1中电机转速检测电路提供的微分电路结构的另一个实例的示意图；
图11是说明图1中电机转速检测电路提供的微分电路结构的另一个实例的示意图；以及
图12是说明传统的电机转速检测电路提供的微分电路结构的一个实例的示意图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图对本发明的具体实施方式进行说明。图1示出了根据本发明的电机转速检测电路的一个实例。给图1所示的电机转速检测电路送入两相彼此相位相差90o的正弦信号A和B，该信号从电机或与电机相连的编码器中具有的极性元件或相似的元件中输出。
正弦信号A送入能使正弦信号A的极性反相的反相电路1而输出A上有一划线的正弦信号 A，正弦信号B送入能使正弦信号B的极性反相的反相电路2而输出B上有一划线的正弦信号 B。
将四路正弦信号即A、B、 A和 B送入转换电路3，转换电路3选择四路信号中的一路信号并将其送入微分电路5。将其余的三路正弦信号即A、B和 B送入控制转换电路转换时间的逻辑选择电路4。
微分电路5微分从转换电路3输出的信号，并将微分信号送入微分误差消除电路6。微分误差消除电路6去除微分电路5输出的微分误差分量，并输出转速检测信号。根据微分误差消除电路6输出的转速检测信号，选择电路7打开和断开微分电路5中具有的模拟开关(未示出)。
图2示出反相电路1和2的结构的一个实例。图2所示的反相电路由电阻21、23和运算放大器22组成。电阻21的一端作为反相电路的输入端。电阻21的另一端连接到运算放大器22的反相输入端。运算放大器22的同相输入端接地。运算放大器22收到来自电阻23的负反馈信号，运算放大器22和电阻23连接在一起的节点作为反相电路的输出端。
图3示出转换电路3和逻辑选择电路4的结构的一个实例。转换电路3由模拟开关31至34组成，模拟开关31在其一端接收正弦信号A，模拟开关32在其一端接收正弦信号B，模拟开关33在其一端接收A上有一划线 A的正弦信号，模拟开关34在其一端接收B上有一划线的正弦信号 B，模拟开关31至34的另一端连接在一起作为转换电路3的输出端。转换电路3在其输出端输出信号SC。
逻辑选择电路4由运算放大器41和42、反相器电路43和44以及“或非”门电路45至48组成。运算放大器41在其同相输入端接受正弦信号B，并且在其反相输入端接受正弦信号A，运算放大器41输出矩形波信号，当正弦信号B比正弦信号A大时，输出高电平，当正弦信号B不大于正弦信号A时，输出低电平。运算放大器42在其同相输入端接受正弦信号A，并且在其反相输入端接受B上有一划线的正弦信号 B，运算放大器42输出矩形波信号，当正弦信号A比B上有一划线的正弦信号 B大时，输出高电平，当正弦信号A不大于B上有一划线的正弦信号 B时，输出低电平。
运算放大器41输出的矩形波信号送入使信号反相并输出的反相电路43。运算放大器42输出的矩形波信号送入使信号反相并输出的反相电路44。
“或非”门电路45接收运算放大器41的输出信号和运算放大器42的输出信号，并通过将此两路信号进行“或”运算后再进行“非”运算(反相)而获得的信号S1送入转换电路3中提供的模拟开关31的控制端。“或非”门电路46接收运算放大器41的输出信号与反相电路44的输出信号，并通过将此两路信号进行“或”运算后再进行“非”运算(反相)而获得的信号S2送入转换电路3中提供的模拟开关32的控制端。“或非”门电路47接收反相电路43的输出信号与反相电路44的输出信号，并通过将此两路信号进行“或”运算后再进行“非”运算(反相)而获得的信号S3送入转换电路3中提供的模拟开关33的控制端。“或非”门电路48接收运算放大器42的输出信号与反相电路43的输出信号，并通过将此两路信号进行“或”运算后再进行“非”运算(反相)而获得的信号S4送入转换电路3中提供的模拟开关34的控制端。
根据如上所述的结构，逻辑选择电路4产生图4示出的控制信号S1至S4。相应地，从转换电路3输出的信号SC具有图4所示的波形，该波形为各个正弦信号A、B、 A和 B从各自超前上升过零点-45o延伸至滞后上升过零点45o的部分波形的合成。
微分电路5使信号SC进行微分运算，并且输出具有图4所示波形的微分信号SD。微分误差消除电路6去除从微分电路5输出的微分信号SD的微分误差分量，并且输出转速检测信号SE。微分信号SD的电压与正弦信号A和B的角速度成正比，并且可能基于转速检测信号SE的电压来检测电机的转速。
接下来，将对具有本发明特征的微分电路5和选择电路7进行更详细地说明。图5示出了选择电路7的结构的一个实例。图5所示的选择电路由运算放大器71、恒压源72以及反相电路73组成。运算放大器71的同相输入端与微分误差消除电路6(见图1)的输出端相连，从而接受转速检测信号SE。运算放大器71的反相输入端与恒压源72的正极相连从而接受恒定电压，而恒压源72的负极接地。
运算放大器71的输出端与微分电路5(见图1)相连，以便将控制信号CTL1送入微分电路5，当转速检测信号比恒定电压高时，控制信号CTL1为高电平，反之，当转速检测信号不高于恒定电压值时，控制信号CTL1为低电平。运算放大器71的输出端同样也与反相电路73的输入端相连。反相电路73的输出端与微分电路5(见图1)相连，以便将有上划线的控制信号CTL1即控制信号CTL1的反相信号送入微分电路5。更确切地说，选择电路7将控制信号CTL1与上有划线的控制信号 CTL1送入微分电路5，当转速检测信号等于或高于预定电压值时，控制信号CTL1为高电平，反之，当转速检测信号低于预定电压值时，控制信号CTL1为低电平。
图6示出微分电路5的结构的一个实例。图6所示的微分电路由电容C1、电阻R1至R4、模拟开关SW1至SW4以及运算放大器OP1组成。电容C1的一端作为微分电路的输入端。电容C1的另一端与电阻R1的一端相连，并同时与电阻R3的一端相连，电阻R1的另一端通过模拟开关SW1与运算放大器OP1的反相输入端相连，并且电阻R3的另一端通过模拟开关SW3与运算放大器OP1的反相输入端相连。
同样，电阻R2的一端和电阻R4的一端也与运算放大器OP1的反相输入端相连接。电阻R2的另一端通过模拟开关SW2与运算放大器OP1的输出端相连，同时电阻R4的另一端通过模拟开关SW4也与运算放大器OP1的输出端相连。运算放大器OP1的同相输入端接地。运算放大器OP1的输出端与模拟开关SW1和SW2连接在一起的节点作为微分电路的输出端。
模拟开关SW1和SW2受选择电路7输出的控制信号CTL1控制(见图5)，而模拟开关SW3和SW4受选择电路7输出的上有划线的控制信号CTL1控制(见图5)。
现将对如上所述微分电路的结构进行说明。首先，对当电机转速低于预定值时所述微分电路是如何进行工作的情况进行说明。当电机转速低于预定值时，控制信号CTL1为低电平，而控制信号 CTL1为高电平。相应地，模拟开关SW1和SW2关闭，而模拟开关SW3和SW4接通。因此，假设电容C1的电容值为C1[F]，电阻R3的电阻值为R3[Ω]，模拟开关SW3接通时的电阻值(下文中指接通状态时的电阻)为RSW3[Ω]时，那么，图6示出的微分电路的微分运算频率要小于1/(2×π×C1×(R3+RSW3))[HZ]。此外，假设电阻R4的电阻值为R4[Ω]，模拟开关SW4接通状态时的电阻值为RSW4[Ω]，那么，图6示出的微分电路的交流增益为(R4+RSW4)/(R3+RSW3)。
接下来，对当电机转速等于或高于预定值时所述微分电路是如何进行工作的情况进行说明。这种情况下，控制信号CTL1为高电平，而控制信号CTL1为低电平。相应地，模拟开关SW1和SW2接通，而模拟开关SW3和SW4关闭。因此，假设电阻R1的电阻值为R1[Ω]，而模拟开关SW1接通状态时的电阻值为RSW1[Ω]。那么，图6示出的微分电路的微分运算频率要小于1/(2×π×C1×(R1+RSW1))[HZ]。此外，假设电阻R2的电阻值为R2[Ω]，模拟开关SW2接通状态时的电阻值为RSW2[Ω]，那么，图6示出的微分电路的交流增益为(R2+RSW2)/(R1+RSW1)。
在此，电阻R1和R3的电阻值R1和R3设定为满足R1＜R3的条件，因此，当电机转速低于预定值时，微分运算频率的最大值很小，而电机的转速等于或高于预定值时，微分运算频率的最大值很大。这样能够防止电机低速旋转时微分电路放大高频噪声，而当电机高速旋转时，又可以检测电机的转速。这样，可以实现电机转速检测电路能够进行宽范围的检测，并能很好地抵抗高频噪声的干扰。
此外，电阻R1至R4的电阻值R1至R4设定为满足(R4+RSW4)/(R3+RSW3)＝(R2+RSW2)/(R1+RSW1)的条件。这样可使交流增益保持为常数，而与电机的转速无关。这样可以使转速检测信号SE的增益保持不变，而与电机转速无关，并且这样使电机驱动电路免除进行传统工作运算之外还要进行其它的特殊运算，所述电机驱动电路即是根据电机转速检测电路输出的转速检测信号控制电机的电路。
顺便提及，在这种情况中，如果通过采用低接通状态的电阻值，模拟开关SW1至SW4接通状态时的电阻值RSW1至RSW4相对于电阻R1至R4的电阻值R1至R4来说非常小，即使省略了与模拟开关接通状态时的电阻值相关的相应公式中的项，微分运算频率以及交流增益也可以精确地计算。
图7至图11示出微分电路5的结构的其它实例。在这些微分电路中的任何一个中，电阻的电阻值和模拟开关的接通状态的电阻值这样设定，当电机转速低于预定值时，微分运算频率的最大值很小，而当电机的转速等于或高于预定值时，微分运算频率的最大值很大。此外，电阻的电阻值和模拟开关的接通状态的电阻值这样设定，可以使交流增益保持不变并与电机转速无关。如果采用低接通状态的电阻值，模拟开关接通状态时的电阻值相对于电阻的电阻值来说非常小的情况下，可以忽略模拟开关接通状态时的电阻值。
下面，对图7所示的微分电路的结构进行说明。图中那些电路元件如果同样在图6所示的微分电路中可以找到，它们将具有相同的标号和符号，并且不再作重复地解释。图7所示的微分电路中，省略了用于图6所示微分电路中的模拟开关SW3和SW4，而改为电阻R3直接与运算放大器OP1的反相输入端相连接，并且电阻R4直接与运算放大器OP1的输出端相连接。相应地，建议采用选择电路，其中省略了用于图5所示选择电路中的反相电路73。这样有助于获得比图6更简单的电路结构。
接下来，将对图8所示的微分电路的结构进行说明。图8所示的微分电路由电容C2、电阻R5和R6、模拟开关SW5与SW6以及运算放大器OP2组成。电容C2的一端作为微分电路的输入端。电容C2的另一端与电阻R5的一端相连，与电阻R6的一端相连，并同时与运算放大器OP2的同相输入端相连。电阻R5的另一端通过模拟开关SW5接地，电阻R6的另一端通过模拟开关SW6接地。模拟开关SW5受选择电路7输出的控制信号CTL1(参见图5)的控制，而模拟开关SW6受选择电路7输出的控制信号 CTL1(参见图5)的控制。运算放大器OP2的反相输入端与输出端直接相连在一起，并且其连接在一起的节点作为微分电路的输出端。
接下来，将对图9所示的微分电路的结构进行说明。此图中那些电路元件如果同样在图8所示的微分电路中可以找到，它们将具有相同的标号和符号，并且不再作重复地解释。图9所示的微分电路中，图8所示的微分电路还进一步包括电阻R7和R8，图中运算放大器OP2的反相输入端通过电阻R7接地。此外，运算放大器OP2的反相输入端与输出端不直接相连，而是通过电阻R8连接在一起，并且运算放大器OP2的反相输入端与电阻R8连接在一起的节点作为微分电路的输出端。这样可能获得较高的增益，从而即使当误差分量很小也能确保进行检测。
接下来，将对图10所示的微分电路的结构进行说明。此图中那些电路元件如果同样在图8所示的微分电路中可以找到，它们将具有相同的标号和符号，并且不再作重复地解释。图10所示的微分电路中，省略了用于图8所示微分电路的模拟开关SW6，而改为电阻R6直接接地。相应地，建议采用选择电路，其中省略了用于图5所示选择电路中的反相电路73。
接下来，将对图11所示的微分电路结构进行说明。此图中那些电路元件如果同样在图9所示的微分电路中可以找到，它们将具有相同的标号和符号，并且不再作重复地解释。图11所示的微分电路中，省略了用于图9所示微分电路的模拟开关SW6，而改为电阻R6直接接地。相应地，建议采用选择电路，其中省略了用于图5所示选择电路中的反相电路73。
上述具体实施方式解决这种情况，其中采用微分电路通过转换模拟开关，使微分运算频率的最高值可以分两个步骤进行转换。当然，同样也可能采用分三个步骤或更多步骤进行转换的微分电路。
除了图1所示的形式之外，根据本发明具体实施方式的电机转速检测电路可以采用其它任何形式。例如，其结构可能与日本专利公开No.S57-76456公开的电机检测电路一样。假如其微分电路可以是这样结构，能允许微分运算频率的最高值分成多个步骤进行转换，而且还需另外在微分电路中提供用于控制转换的选择电路。由于微分电路中设置的模拟开关设置成提供多个步骤中的微分频率的最高值，转速检测信号SE的电压也可以分成多个步骤进行检测。在上述具体实施方式中，控制信号 CTL1由选择电路产生。然而，根据需要，也同样可能在微分电路中通过对控制信号CTL1反相而产生上有一划线的控制信号 CTL1。
在上述具体实施方式中，与电机连接的编码器输出的信号是正弦信号。然而，与电机连接的编码器输出的信号可以是任何形式的具有交变信号的波形，只要通过对其微分，能够从中提取代表电机转速的分量就可以了。
在图8至图9中所示的任何一种微分电路中，模拟开关SW5和SW6可以用采用晶体管的转换电路来替代，例如，替代模拟开关SW5，可以采用N通道MOSFET[金属氧化物半导体场效应晶体管]，其漏极(drain)与电阻R5相连，源极(source)接地，而栅极接受控制信号CTL1，同时，替代模拟开关SW6，可以采用N通道MOSFET，其漏极与电阻R6相连，源极接地，而栅极接受控制信号 CTL1。
本发明具体实施方式中的电机驱动装置具有如上所述的电机转速检测电路与电机。本发明具体实施方式中的电机驱动装置包括电机，以及通过微分多个根据电机旋转位置不同而输出的具有不同相位的交流信号，从而产生转速检测信号的电机转速检测电路。这里，电机转速检测电路中提供的微分电路的微分运算的频率响应可以根据转速检测信号的电压进行转换。结果，当电机低速旋转时，可以使微分运算频率的最高值变小，从而防止电机低速旋转时，微分电路放大高频噪声。另一方面，当电机高速旋转时，可以使微分运算频率的最高值变大，从而即使当电机高速旋转时，也可以获得可靠的电机转速检测值。这样，人们可以实现具有电机转速检测电路的电机驱动装置能够进行宽范围的检测并能在整个工作范围中很好地抵抗高频噪声的干扰。
在光盘设备中，随着光盘转速越来越高，与主轴电机相连的编码器的输出信号的频率范围将会越来越宽。因此，根据本发明具体实施方式的电机驱动装置适合作为用于驱动光盘设备中主轴电机的电机驱动装置。
根据本发明具体实施方式的电机驱动装置不仅可以用于光盘设备，而且可用于任何一种具有转速范围很宽并且需要对电机转速进行控制的电机的电气设备中。

Claims (18)

1.一种电机转速检测电路，其包括：
微分电路；
其中所述微分电路通过微分多个根据电机旋转位置不同输出具有不同相位的交流信号而产生转速检测信号，并且
其中所述微分电路微分运算的频率响应可以根据所述转速检测信号电压值的不同而发生变换。
2.根据权利要求1所述的电机转速检测电路，其特征在于还包括：
选择电路；
其中所述选择电路根据所述转速检测信号电压值转换所述微分电路微分运算的频率响应。
3.根据权利要求2所述的电机转速检测电路，其特征在于：
所述微分电路包括电容、至少两个电阻、至少一个开关以及运算放大器；
其中所述选择电路根据所述转速检测信号电压值通过接通和断开所述至少一个开关来转换微分电路微分运算的频率响应。
4.根据权利要求1所述的电机转速检测电路，其特征在于所述微分电路具有与其微分运算频率响应无关的恒定的交流增益。
5.根据权利要求2所述的电机转速检测电路，其特征在于所述微分电路具有与其微分运算频率响应无关的恒定的交流增益。
6.根据权利要求3所述的电机转速检测电路，其特征在于所述微分电路具有与其微分运算频率响应无关的恒定的交流增益。
7.一种电机驱动装置，其包括：
电机；以及
电机转速检测电路；
其中所述电机转速检测电路包括微分电路，其通过微分多个根据电机旋转位置不同输出具有不同相位的交流信号而产生转速检测信号，以及
其中所述微分电路微分运算的频率响应可以根据所述转速检测信号电压值的不同而发生变换。
8.根据权利要求7所述的电机驱动装置，其特征在于：
其中所述转速检测电路还包括选择电路；以及
其中所述选择电路根据所述转速检测信号电压值转换所述微分电路微分运算的频率响应。
9.根据权利要求8所述的电机驱动装置，其特征在于：
其中所述微分电路包括电容、至少两个电阻、至少一个开关以及运算放大器；
其中所述选择电路根据所述转速检测信号电压值通过接通和断开所述至少一个开关来转换微分电路微分运算的频率响应。
10.根据权利要求7所述的电机驱动装置，其特征在于所述微分电路具有与其微分运算频率响应无关的恒定交流增益。
11.根据权利要求8所述的电机驱动装置，其特征在于所述微分电路具有与其微分运算频率响应无关的恒定交流增益。
12.根据权利要求9所述的电机驱动装置，其特征在于所述微分电路具有与其微分运算频率响应无关的恒定的交流增益。
13.根据权利要求7所述的电机驱动装置，其特征在于所述电机驱动装置是光盘设备，以及所述电机是主轴电机。
14.根据权利要求8所述的电机驱动装置，其特征在于所述电机驱动装置是光盘设备，以及所述电机是主轴电机。
15.根据权利要求9所述的电机驱动装置，其特征在于所述电机驱动装置是光盘设备，以及所述电机是主轴电机。
16.根据权利要求10所述的电机驱动装置，其特征在于所述电机驱动装置是光盘设备，以及所述电机是主轴电机。
17.根据权利要求11所述的电机驱动装置，其特征在于所述电机驱动装置是光盘设备，以及所述电机是主轴电机。
18.根据权利要求12所述的电机驱动装置，其特征在于所述电机驱动装置是光盘设备，以及所述电机是主轴电机。
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