CN1575540A

CN1575540A - 直流电动机的无传感器感换向

Info

Publication number: CN1575540A
Application number: CNA028210972A
Authority: CN
Inventors: F·莫拉勒斯塞拉诺
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2001-10-25
Filing date: 2002-10-10
Publication date: 2005-02-02
Also published as: KR20040045905A; US6888331B2; EP1446868A1; JP2005506830A; WO2003036787A1; US20030173855A1

Abstract

本发明涉及一种无传感器换向的直流电动机。为了实现准确、设计简单、灵活并且可集成度高的电路结构来换向电动机设备，由数字设备来代替模拟检相器，特别是∑－Δ调制器，其用于过采样所述电动机的线圈的感生电压。

Description

直流电动机的无传感器感换向

本发明涉及一种直流电动机(dc 电动机)的无传感器换向(sensorless commutation)的电路结构，尤其涉及一种无刷dc电动机，所述电路结构包括：放大器，用于向所述电动机的转子或定子的至少两个线圈提供电源电压以便驱动所述电动机；反电动势(BEMF)放大器，用于分别输出所述电动机的所述线圈的感生电压；多路复用器，用于交替输出所述感生电压的其中一个；以及状态机，与所述放大器和所述多路复用器相连，以便根据其电流状态来判断所述放大器向所述至少两个线圈中的哪个提供电源电压，并且判断所述多路复用器选择哪个感生电压。

本发明还涉及一种方法，该方法用于对无传感器直流电动机(dc电动机)、特别是对无刷dc电动机进行换向，所述方法包括以下步骤：分别向所述电动机的转子或定子的至少两个线圈提供电源电压以便驱动所述电动机，分别对所述电动机的至少两个线圈的感生电压进行抽头(tap)，并且选择至少一个所述感生电压。

此外，本发明还涉及所描述的电路结构或者所描述的方法的用途。

在实践中，对无传感器的直流电动机进行换向是众所周知的。具体来讲，文件DE 3710509 C1公开了一种用于对直流电动机进行换向的方法。根据此文件的公开内容，提供了一种带有至少两个线圈的永久磁化的转子和给该转子分配的定子。所述线圈可以与电源相连，所述电源向定子提供电源电压，借此来驱动电动机。当所述线圈不与所述电源相连时，所述永久磁化的转子在所述定子的所述线圈中感生电压。利用所述感生电压来判断转子所处的状态。通过将所述感生电压与参考电压进行比较，能够判断转子所处的状态。根据所判定的转子状态，向所述线圈施加不同的电源电压。

为了判断转子所处的状态，人们公知的是使用锁相环(PLL)。锁相环包括检相器、环路滤波器和压控振荡器(VCO)。人们已知的是以模拟形式来实现这些部件。模拟部件的缺陷在于其难于配置，这种电路结构的尺寸较大，无法准确的换向并且它们不够灵活。

本发明的一个目的在于提供一种采用高集成度部件的准确的换向。

为了能够实现高集成度的电路结构，依照本发明提供了一种数字化电路，该电路用于数字化所述多路复用器的所述输出，数字地处理所述输出，以及向所述状态机提供控制信号，所述控制信号使所述状态机能够正确地判断所述电动机的状态。所述数字化电路使所述多路复用器的所述输出数字化。此输出是可以用于正确判断转子状态的感生电压。根据状态机的状态，所述多路复用器选择为作进一步处理而使用感生电压。

可以将所述线圈设置在转子或者定子内。具有星形、三角形或者锯齿形构造的线圈的电路结构都是可能的。星形构造的所述线圈中的中间抽头有助于测量每个线圈中的感生电压。至少一个所述线圈不由所述电源驱动，并由此使得感生电压出现在所述线圈的端子处。因永久磁铁产生的旋转磁场感生出这一电压。所述感生电压可用来判断转子相对于定子的位置。

通过数字化所述多路复用器的所述输出，能够数字地处理所述感生电压。通过数字地处理所述感生电压，易于调节换向。此外，还可以高度集成用于这种电路结构的部件。

另外，这种电路结构的设计更加容易。在数字地处理所述输出之后，提供控制信号，所述状态机受该控制信号控制。依照所述控制信号，所述状态机在其状态之间切换，由此向所述多路复用器提供关于将被选择以测量所述感生电压的端子的信息。

此外，向放大器提供这样的信息，即必须将所述电源电压提供给线圈。所述放大器接收来自于所述状态机的信息，在所述状态机中命令必须向所述线圈施加电源电压。

通过使用如权利要求2所述的电路结构，可以使用简单的电路结构。根据设备技术规范，过采样允许调节信噪比(SNR)。所述∑-Δ调制器的输出是位流。所述位流数字化地表示所述多路复用器的所述输出，并由此来表示至少一个所述线圈的所述感生电压。

在大多数情况下，当∑-Δ调制器以较高的过采样速率操作时，∑-Δ调制器的输出位速率是很高的。在这些情况下，适于提供如权利要求3所述的电路结构。抽选滤波器可以将所述∑-Δ调制器的所述输出转换成具有较低速率输出的信号。此外，可以调节这种电路结构的转换函数。

为向所述状态机提供控制信号，提供了如权利要求4所述的电路结构。所述压控振荡器(VCO)以确定频率输出振荡。这个频率取决于转子的状态。在所述压控振荡器输出的正确驱动下，所述状态机在其状态之间切换。

此外还提供了如权利要求5所述的数字压控振荡器。所述抽选滤波器的输出可以是表示所述∑-Δ调制器的数字输出的n位宽数字字，其是以减小的输出频率输出的位流。在这种情况下，压控振荡器根据其输入来输出振荡。通过提供数字压控振荡器，可以提高所述电路结构的集成度。此外，由于仅仅使用了数字部件，从而使得所述电路结构的设计更为简单。

依照尽可能使换向更为准确的技术规范，必须减少量化噪声。为了实现这一目的，提供了如权利要求6所述的电路结构。

本发明的另一个方面提供了一种用于数字化所述感生电压的方法，该方法是通过过采样并且数字地处理所述数字化电压以提供控制信号来实现的，所述控制信号用于正确地选择所述感生电压的所述抽头，并且用于向至少两个线圈正确地提供所述电源电压。

此外优选的是提供如权利要求8所述的方法。由此，基本上数字地处理无传感器的dc电动机的输出，借此来提高换向的准确性并且保持灵活性。

本发明的又一方面在于：将先前描述的电路结构或者先前描述的方法用在大容量存储设备、硬盘驱动器和光存储设备当中。

通过参照以下描述的实施例，将使本发明的这些及其他方面变得更加明显。

图1利用图表描绘了依照现有技术的处理方法；

图2利用图表描绘了依照本发明的处理方法。

在图1中，示出了无刷直流电动机(BLDC)2、反电动势(BEMF)放大器4、多路复用器6、环路滤波器8、压控振荡器10、状态机12和放大器14。

所述BLDC电动机2向所述BEMF放大器4提供端电压Ua、Ub、Uc和Uy。这些端电压Ua、Ub、Uc和Uy可以分别在所述电动机的三个线圈抽头之一或者中间抽头处测量，Ua、Ub、Uc表示所述电动机的线圈抽头的电势，而Uy是所述电动机2的所述中间抽头的电势。

依照所述状态机12的状态，计算所述端电压Ua、Ub、Uc的其中一个与中心电势Uy之间的差。所述差表示相应线圈中的感生电压。通过所述电动机2的转子的旋转、在所述线圈中感生出电压。当不向线圈馈送电源电压时，可以计算感生电压，并且利用该感生电压来计算转子的位置。

所述BEMF放大器4放大所述感生电压。将所述放大的感生电压提供给所述多路复用器6。所述多路复用器6依照由所述状态机12提供的控制信号来选择所述感生电压的其中一个。所述多路复用器6的输出是所述感生电压的其中一个。

所述环路滤波器8滤波所述电压，并且向所述压控振荡器10提供滤波后的电压表示。所述压控振荡器10的输出是取决于输入到所述压控振荡器10的电压的振荡。通过向所述状态机12提供振荡，所述状态机12依照所述压控振荡器10的输出频率来改变其状态。

所述状态机12中的每一个状态都包含这样的信息，即感生电压必须由所述多路复用器6选择。取决于所述状态机12的状态，可以计算端电压Ua、Ub、Uc和中心电势Uy之间的差，所述差表示感生电压。此外，所述状态机12的每个状态都向所述放大器14提供信息，所述信息是：所述电动机2的所述线圈的哪个必须由电源电压来驱动。当所述状态机以受控方式切换时，所述多路复用器6始终选择正确的感生电压。此外，所述状态机12确保所述放大器14始终向正确的线圈提供相应的电源电压。这种电路结构的缺陷在于：设计很困难，并且采用模拟设备不可能实现高集成度。

诸如图2中利用图表描绘的电路结构克服了这些问题。图2中描绘的元件对应于图1中描绘的元件。与图1的不同之处在于：在图2中，所述环路滤波器8由∑-Δ调制器16和抽选滤波器20代替。

所述∑-Δ调制器16由过采样时钟18馈电。所述抽选滤波器20由抽选时钟22馈电。所述压控振荡器10和所述状态机12由主时钟源24馈电。

所述多路复用器6的输出与图1中的描述相同。所述∑-Δ调制器16依照由所述过采样时钟18提供的过采样比来对其输入进行过采样。所述∑-Δ调制器16的输出是数字地表示所述多路复用器6的输出的位流。

所述抽选滤波器20依照所述抽选时钟22和特定转换函数来抽选所述位流。所述抽选滤波器20的输出是n位宽的数字信号。依照所述抽选滤波器20的输出，所述压控振荡器10向所述状态机12提供振荡。

所述压控振荡器10还能够以数字形式来设计。在这种情况下，所述抽选滤波器20的输出可以是数字信号。根据所述抽选滤波器20的输出，所述压控振荡器10产生确定频率的振荡，并且将其提供给所述状态机12。

此外，所述状态机12向所述多路复用器6和所述放大器14提供这样的信息，即：选择哪个感生电压，以及哪个线圈提供电源电压。

所描述的结构的优点在于：该结构易于设计、可集成度高、灵活并且准确。所述结构可以容易地调节涉及信噪比(SNR)的系统规范，或者调节由所述放大器14向所述电动机2提供的不同的信号形式。

Claims

1.用于直流电动机(dc电动机)、特别是无刷dc电动机的无传感器换向的电路结构，包括：

-放大器，用于向所述电动机的转子或者定子的至少两个线圈提供电源电压以便驱动所述电动机，

-反电动势(BEMP)放大器，用于分别输出所述电动机的所述线圈的感生电压，

-多路复用器，用于交替输出所述感生电压的其中一个，以及

-状态机，与所述放大器和所述多路复用器相连，用于根据其电流状态判断所述放大器向所述至少两个线圈的哪个提供电源电压、并且所述多路复用器选择哪个所述感生电压，

其特征在于，提供数字化电路，以用于数字化所述多路复用器的所述输出，数字地处理所述输出，并且向所述状态机提供控制信号，所述控制信号使所述状态机能够正确地判断所述电动机的状态。

2.如权利要求1所述的电路结构，其特征在于，所述数字化电路包括∑-Δ调制器，用于过采样所述多路复用器的所述输出，并且输出数字地表示所述多路复用器的所述输出的位流。

3.如权利要求2所述的电路结构，其特征在于，所述数字化电路包括抽选滤波器，用于数字地滤波所述∑-Δ调制器的所述位流。

4.如权利要求1所述的电路结构，其特征在于，压控振荡器根据所述数字化电路的所述输出、向所述状态机提供所述控制信号。

5.如权利要求4所述的电路结构，其特征在于，所述压控振荡器数字地处理所述抽选滤波器的输出。

6.如权利要求2所述的电路结构，其特征在于，所述∑-Δ调制器多于一级。

7.用于尤其是在如权利要求1所述的电路结构中，对无传感器的直流电动机(dc电动机)、特别是无刷dc电动机进行换向的方法，包括以下步骤：

-用于分别向所述电动机的转子或者定子的至少两个线圈提供电源电压以便驱动所述电动机，

-分别对所述电动机的至少两个线圈的感生电压进行抽头，以及

-选择所述感生电压的至少一个，其特征在于

-通过过采样来数字化所述感生电压，以及

-数字地处理所述数字化电压，以便提供控制信号，所述控制信号用于正确地选择所述感生电压的所述抽头，并且用于正确地向所述至少两个线圈提供所述电源电压。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，

提供对应于所述感生电压的位流，

依照抽选规则来抽选所述位流，

将所述已抽选的位流转换为振荡，以及

根据所述振荡选择感生电压的所述抽头，并向所述至少两个线圈提供所述电源电压。

9.用于将如权利要求1所述的电路结构或者如权利要求7所述的方法应用于大容量存储设备、硬盘驱动器和光存储设备中的用途。