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一种用于整流无刷直流电机的方法和设备

阅读：61发布：2024-01-30

专利汇可以提供一种用于整流无刷直流电机的方法和设备专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种系统（200），其通常具有集成电路（IC）（202）和电机（204）。电路（202）包括数字信号处理器（DSP）（206）、控制器（208）、预驱动器（210）、相位比较器（212）、驱动器（214）、感测电路（216）和模数转换器（ADC）（218）。在运行中，IC（202）为电机（204）（其可是具有任意相数的无传感器、无刷DC电机）产生施加的电压和施加的（或线圈）电流以驱动电机（204）。至少部分基于感测的线圈电流的相位调整施加电压的相位和频率以基本上维持施加电压的相位和反电动势（反EMF）电压的相位之间的预定相位差。，下面是一种用于整流无刷直流电机的方法和设备专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于整流无刷直流电机的方法，其包括：
感测无刷直流即DC电机的线圈电流的相位；以及
至少部分基于所述线圈电流的所述相位调整对所述无刷DC电机施加的电压的相位和频率以维持所述施加的电压的相位和反电动势即反EMF电压的相位之间的预定相位差。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括产生整流时钟信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述方法还包括产生所述施加的电压从而以整流时钟信号驱动所述无刷DC电机。
4.根据权利要求3所述的方法，其中感测步骤还包括：
感测所述线圈电流；
数字化所述线圈电流；以及
从数字化的线圈电流中确定所述线圈电流的相位。
5.根据权利要求4所述的方法，其中调整步骤由锁相环(PLL)执行。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述调整步骤还包括使用数字信号处理器(DSP)至少部分基于所述数字化的线圈电流计算对所述施加的电压的相位和频率的调整；以及对所述整流时钟信号应用所述调整。
7.一种用于整流无刷直流电机的设备，其包括：
驱动电路，其驱动无刷DC电机；
感测电路，其耦合到所述驱动电路以测量所述无刷DC电机的线圈电流；和控制电路，其耦合到所述感测电路和所述驱动电路，其中所述控制电路确定所述线圈电流的相位，且其中所述控制电路调整对所述无刷DC电机施加的电压的相位和频率以维持所述施加的电压的相位和反EMF电压的相位之间的预定相位差。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述感测电路还包括感测FET。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述控制电路还包括：
模数转换器即ADC，其耦合到所述感测电路以产生数字化的线圈电流；
数字信号处理器DSP，其具有其上包含计算机程序的存储器，其中所述DSP耦合到所述ADC，且其中所述DSP至少部分基于所述数字化的线圈电流计算对所述施加的电压的相位和频率的调整；和
控制器，其耦合在所述DSP和驱动电路之间，其中所述控制器为所述驱动电路产生整流时钟信号，且其中所述控制器应用所述调整到所述整流时钟信号，且其中所述驱动电路至少部分基于所述整流时钟信号产生所述施加的电压。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述驱动电路还包括：
预驱动器，其耦合到所述控制器以接收所述整流时钟信号；和
驱动器，其耦合到所述预驱动器和所述感测电路。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述控制器还包括锁相环(PLL)。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述设备还包括耦合到所述驱动器的所述DC无刷电机。
13.一种用于整流无刷直流电机的设备，其包括：
用于感测无刷直流即DC电机的线圈电流的相位的装置；和
用于至少部分基于所述线圈电流的相位调整对所述无刷DC电机施加的电压的相位和频率以维持所述施加的电压的相位和反EMF电压的相位之间的预定相位差的装置。
14.根据权利要求13所述的设备，其中所述设备还包括用于产生整流时钟信号的装置。
15.根据权利要求14所述的设备，其中所述设备还包括用于产生所述施加的电压从而以整流时钟信号驱动所述无刷DC电机的装置。
16.根据权利要求15所述的设备，其中用于感测的装置还包括：
感测所述线圈电流的装置；
用于数字化所述线圈电流的装置；和
用于从所述数字化的线圈电流中确定所述线圈电流的相位的装置。
17.根据权利要求16所述的设备，其中用于调整的装置还包括PLL。
18.根据权利要求17所述的设备，其中用于调整的装置还包括：用于至少部分基于所述数字化的线圈电流计算对所述施加的电压的相位和频率的调整的装置；和用于将所述调整应用于所述整流时钟信号的装置。
19.根据权利要求18所述的设备，其中用于计算的装置还包括数字信号处理器(DSP)。

说明书全文

一种用于整流无刷直流电机的方法和设备

技术领域

[0001] 本发明一般涉及电机控制，且更具体地涉及整流无传感器的无刷直流（DC）电机。

背景技术

[0002] 在多相电机系统中，由电机产生的扭矩是来自各相的单个扭矩的和。单个扭矩是线圈电流和反电动势电压或反EMF电压的乘积且可表示如下：

[0003] （1）N∝VEMFI，

[0004] 其中N是扭矩，I是电流，且VEMF是反EMF电压。高品质三相无刷DC电机（例如）产生正弦反EMF电压，该电压是速率和转子位置的函数。三相的每端产生间隔120度的正弦波，如下所示：

[0005] （2）VEMFA(t)＝sin(wt)

[0006] （3）IA(t)＝sin(wt)

[0007] （4）VEMFB(t)＝sin(wt+120°)

[0008] （5）IB(t)＝sin(wt+120°)

[0009] （6）VEMFC(t)＝sin(wt-120°)

[0010] （7）IC(t)＝sin(wt-120°)

[0011] 在高级的电机控制系统中，例如硬盘驱动（HDD），在这些相位的每个相位中，控制器也在电机两端施加正弦电压，该正弦电压在每相中产生正弦电流以传送大体上恒定的扭矩给电机。每相产生的扭矩如下所示：

[0012]

[0013]

[0014] (9)

[0015]

[0016]

[0017] (10)

[0018]

[0019] 其导致总扭矩为：

[0020] N(t)＝NA(t)+NB(t)+NB(t)

[0021]

[0022] (11)

[0023]

[0024]

[0025] 由此，如所示，由电机产生的总扭矩大体上是恒定的。

[0026] 对于无传感器的无刷DC电机而言，当电机以大体上恒定的旋转速度运转时，传统的控制器常常使用由电机产生的反EMF电压来整流该电机。例如，在三相DC电机中，其中的两相处于工作状态而第三相处于高阻抗状态。控制器内的整流逻辑将使用第三相来测量反EMF电压的零交点的时间，但是在此窗口中（在此测量反EMF电压），控制器在电流波形中引入间断（这反过来会引起施加给转子的扭矩的扰动）。之后，扭矩（如上所示，其通常应当是恒定的）的扰动会降低声学性能，产生嗡音。

[0027] 转到图1，可以看到使用传统控制器的系统性能的示例（其在窗口内测量反EMF）。如所示，反EMF电压的零交点可视作脉冲，但未示出该反EMF电压。反EMF电压测量的窗口发生在每个零交点附近，允许确定下一个零交点。于是，该窗口在电流波形中产生间断（如所示），这在DC电机的转子中产生加速和减速并产生嗡音。

[0028] 因此，需要一种用于控制无传感器的无刷DC电机并具有改善的声学性能的方法和/或设备。

[0029] 序列号为6124689、7412339和7834565的美国专利；公开号为2007/0018598和2010/0270956的美国专利；Liu等人的“Communication-Torque-Ripple Minimization in Direct-Torque-Controlled PM Brushless DC Drives，”IEEE Trans.On Industry Applications,，Vol.43，No.4，2007年7月/8月，pp.1012-1021；Soh等人的“Sensorless Optimal Sinusoidal Brushless Direct Current for Hard Disk Drives，”J.of Applied Physics，Vol.105，No.7，2009年4月；以及Ahfock等人的“Sensorless Communication of Printed circuit Brushless Direct Current Motors，”IET Electric Power Applications，Vol.4，No.6，pp.397-406中描述了传统方法和/系统的一些示例。

发明内容

[0030] 所描述的示例实施例提供一种方法，该方法包括：感测无刷直流（DC）电机的线圈电流的相位；和至少部分基于线圈电流的相位调整对所述无刷DC电机施加的电压的相位和频率以基本上维持所施加的电压的相位和发电动势（反EMF）电压的相位之间的预定相位差。

[0031] 所描述的示例方法可进一步包括产生整流时钟信号。所描述的方法也可进一步包括产生施加的电压从而以整流时钟信号驱动无刷DC电机。感测的步骤可包括感测线圈电流；数字化线圈电流；以及从数字化的线圈电流中确定线圈电流的相位。调整的步骤可由锁相环（PLL）执行。调整的步骤可进一步包括：至少部分基于数字化的线圈电流使用数字信号处理器（DSP）计算对所施加的电压的相位和频率的调整；以及对整流时钟信号应用该调整。

[0032] 所描述的示例实施例还提供一种设备，该设备包括：驱动无刷DC电机的驱动电路；耦合到驱动电路以测量无刷DC电机的线圈电流的感测电路；和耦合到感测电路和驱动电路的控制电路，其中控制电路确定线圈电流的相位，且其中控制电路调整对无刷DC电机施加的电压的相位和频率以基本上维持施加的电压的相位和反EMF电压的相位之间的预定相位差。

[0033] 在所描述的示例设备中，感测电路还可包括感测场效应晶体管（FET）。在所描述的设备中的控制电路可进一步包括：耦合到感测电路以产生数字化的线圈电流的模数转换器（ADC）；具有其上包含计算机程序的存储器的DSP，其中该DSP耦合到ADC，且其中DSP至少部分基于数字化的线圈电流计算对所施加的电压的相位和频率的调整；和耦合在DSP和驱动电路之间的控制器，其中控制器为驱动电路产生整流时钟信号，且其中控制器对整流时钟信号应用该调整，且其中驱动电路至少部分基于整流时钟信号产生所施加的电压。驱动电路可进一步包括耦合到控制器以接收整流时钟信号的预驱动器；和耦合到预驱动器和感测电路的驱动器。控制器可包括锁相环（PLL）。该设备可进一步包括耦合到驱动器的DC无刷电机。

[0034] 在另一个示例实施例中，该设备包括：用于感测无刷直流（DC）电机的线圈电流的相位的装置；和用于至少部分基于线圈电流的相位调整对无刷DC电机施加的电压的相位和频率以基本上维持所施加的电压的相位与反EMF电压的相位之间的预定相位差的装置。该设备可进一步包括用于产生整流时钟信号的装置。该设备可进一步包括用于产生施加的电压从而以整流时钟信号驱动无刷DC电机的装置。用于感测的装置可包括感测线圈电流的装置；用于数字化线圈电流的装置；和用于从数字化的线圈电流中确定线圈电流的相位的装置。用于调整的装置可包括PLL。在一些实施中，用于调整的装置可进一步包括：用于至少部分基于数字化的线圈电流计算对施加的电压的相位和频率的调整的装置；和用于对整流时钟信号应用该调整的装置。用于计算的装置可包括数字信号处理器（DSP）。附图说明

[0035] 参考附图描述了示例实施例，其中；

[0036] 图1是描绘用于无传感器、无刷DC电机的传统控制器的电流和电压波形的图示；

[0037] 图2是根据本发明的优选实施例的系统的示例；以及

[0038] 图3和图4图示对于三相DC电机而言图2系统的运行的示例。

具体实施方式

[0039] 图2示出根据一个实施例的系统200。系统200通常包括集成电路（IC）202和电机204。电路202通常包括数字信号处理器（DSP）206（其通常包括其上具有计算机程序的存储器）、控制器208、预驱动器210、相位比较器212、驱动器214、感测电路216和模数转换器（ADC）218。在运行中，IC202为电机204（其可以是具有任意相数的无传感器无刷DC电机）产生施加的电压和施加的（或线圈）电流以驱动电机204。通常，为电机204施加的电流或线圈电流可表示为：

[0040]

[0041] 其中ZMOTOR是电机204的阻抗，VAPPLIED是施加的电压，VEMF是反EMF电压，而和是相位信息。如果调整等式（12），那么反EMF电压可以用施加的电压和电流表示如下：

[0042] (13) VEMF(ωt+φ2)＝VAPPLIED(ωt+φ1)-I(ωt+φ3)·ZMOTOR，

[0043] 其允许从所测量的线圈电流和施加的电压中计算出反EMF电压。

[0044] 为了在电机204以大致恒定的速度运转时控制电机204而不使用反EMF测量窗，IC202计算旋转速度和相位信息以相应地作出调整。由于电机204的旋转速度通常是恒定的（对于HDD应用也称为“运行速度”），因此DSP206和控制器208（其可包括状态机和锁相环或PLL）可容易地确定旋转速度。当系统200正在运行时，感测电路216（其可包括感测FET）能够测量施加的电流或线圈电流，其可通过ADC218被数字化。相位比较器212也确定所施加电压的相位。然后，DSP206可至少部分基于来自相位比较器212和感测电路216的测量结果计算线圈电流的相位并计算对施加电压的调整。优选地，DSP206确定对施加电压的相位和频率的调整以基本上维持施加电压的相位和反EMF电压的相位之间的预定差（其可预编程到DSP206中）。该调整通过控制器208发出的整流时钟信号被应用。然后，整流时钟信号可被预驱动器210和驱动器214转换到对电机204施加的电压（和施加的电流或线圈电流）中。

[0045] 图3和图4示出系统200的运行的示例。在图3中，为三个相位（实线、短划线和虚线）施加的电压可以呈现为6种整流状态（标记为A、B、C、D、E、F）。每个施加的电压通常是正弦的，且对于整流状态中的每个状态，其中的一个相位与零相交。同样，三个相位中的一个相位的线圈电流以任意给定的整流状态间隔与零相交。由于电机204以大致恒定的旋转速度（即运行速度）运转且该旋转速度易于计算，所以IC202通常可确保施加的电压和线圈电流之间的相位差（如图4中所示）被大体保持。换句话说，整流时钟信号（如图4中所示）被调整为使得该整流时钟信号以施加的电压和线圈电流的零交点为中心。

[0046] 本发明所涉及领域的技术人员将理解，在要求保护的发明的范围内，可对所描述的示例做出修改，并且许多其他实施例是可能的。

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