多相無刷電機驅動裝置的製作方法

2023-05-07 17:24:56 4

專利名稱:多相無刷電機驅動裝置的製作方法
本發明涉及到一個驅動多相無刷電機的裝置。作為一個例子在錄像機中應用。
目前，多相無刷直流電機最經常用在錄像機中作主導軸的驅動電機和圓筒驅動電機。在無刷直流電機裡，轉子由永久磁鐵做成，不同相的電樞繞組元件，例如，三相繞組被安置在定子上。當電流提供到定子繞組裡，它與安裝在轉子上的永久磁鐵所產生的磁場作用，由於電磁感應原理，便產生推動轉子旋轉的力矩。在這種電機裡，定子各相繞組，依靠轉子旋轉時所處的角位置，有選擇地供電，從而能夠連續發出旋轉力矩。
三相無刷直流電機是多相無刷直流電機最典型的例子，它的結構和工作方式，將在說明本發明之前，詳細地敘述。
以往都是雙極性驅動型三相無刷直流電機，其驅動電路於圖1，在這種雙極性驅動型無刷直流電機裡，電流以兩個方向供給定子繞組。參照圖1，無刷直流電機包括了一個永久磁鐵轉子1，和三相定子繞組L1，L2和L3;一個轉子位置檢測器11用來測量轉子1的瞬時角位置，信號發生器12產生一個信號，根據轉子位置檢測器11的輸出，有選擇地驅動電晶體4到9的一個組合電路，電晶體4到9的集電極連在一起接到電源10上。在圖1中，電晶體4到9的上半部中的一個和下半部中的一個同時接通，致使電流在予定的時間期間，從電源10經過導通的電晶體，送到定子三個繞組L1到L3中的兩個之中。電流提供給定子上的那兩個繞組是由那兩個電晶體導通來決定，在予定的時刻(它由轉子1轉動的角位置決定)。信號發生器12產生電晶體驅動信號，以便驅動電晶體4到9中的一組(兩個)，供給每個定子繞組L1到L3，電流的大小，是由電機所希望的轉速來決定。
在以往的無刷直流電機中，永久磁鐵產生的磁通密度它橫切繞組，以電角度的形式，按嚴格的正弦變化。從而，由電磁感應所產生的旋轉力，也由轉子1的旋轉角位置來決定，因此，電機轉子1，旋轉所產生的力距，包含著波動力矩，即，轉速是不穩定的，這種力矩波動給電機帶來一系列特殊問題，譬如，錄像機電機要求精確的恆定速度，但力矩波動問題在多相無刷電機中必然會出現。
現在，我們參照圖2和圖3來敘述引起力矩波動的機理。
在圖1中所示，是三相無刷直流力矩電機的轉子1和定子繞組L1到L3之間的關係，我們將它展開如圖2所示。為了便於解釋，我們假設轉子固定不動，而定子繞組L1到L3是可以運動的，這種情況與實際情況正好相反。藉助圖2，指示數2和3分別代表轉子邊的軛和定子邊的軛，而且定子繞組L1到L3橫切由永久磁鐵的相鄰S和N極流出來的磁力線，這些磁力線經過軛部2和3。在定子繞組L1到L3的每個中，黑點符號表示電流流動方向是由圖背面正交地流向圖面前方，X型符號表示電流流動方向是由圖面垂直流向背面。現在，假設定子繞組是可以運動的。因此，圖2表明，隨著時間由t1到t2，t2到t3，t3到t4的推移，定子繞組L1到L3是如何相對轉子1移動的。如前面說過的那樣，定子繞組L1到L3相對轉子1移動，是為了便於解釋而假設的，而實際情況是轉子相對定子繞組L1到L3移動，因此，在圖2中定子繞組L1到L3向右移動，產生一個正向力矩，使電機旋轉。換一種方式也可反過來說，即定子繞組L1到L3保持不動，由轉子1向左邊移動，同樣產生一個正向力矩。
由永久磁鐵所建立的磁場，象圖2中表示的那樣，按嚴格正弦形式分布，這裡橫座標代表電角度Q，縱軸代表磁通密度φ，定子繞組L1，L2和L3的每個線圈其跨距是180°電度(即，高於永久磁鐵的N或S極的任何一個之寬度)。並且定子繞組L1，L2和L3以彼此之間相差120°電度安置在定子上。
圖3示出電流I1到I3是如何分別送到定子繞組L1到L3中，由於各電流I1到I3供電的結果產生力矩T1到T3，示於圖1中的電機合成力矩To(＝T1+T2+T3)它隨著時間而波動。
現在，假設時間為t1時刻，電機驅動電流I1和I2，提供到各自對應的定子繞組L1和L2中，如圖2所示，在t1時刻定子繞組L1的導入端取在電角度為Q1的位置上，即，假設予定的基極驅動電流，由信號發生器12供給電晶體6和8，那麼，當基極驅動電流送到它們(例如6和8)的基極時，電晶體6和8被導通，一個確定的電流從電源10→電晶體6→繞組L1→繞組L2→電晶體8到地的路徑流通。與此同時，剩餘的其他電晶體全部處於斷開狀態，當定子繞組L1的導入端在時刻t2達到電角度Q2位置時，定子繞組L2被切斷而定子繞組L3被接入，即，現在電晶體6和7導通，一個確定的電流從電源10→電晶體6→繞組L1→繞組L3→電晶體7到地的路徑流通，當定子繞組L1的導入端，在時間t3到達電角度位置Q3時，電晶體5和7導通，而其餘的電晶體全部斷開，一個確定的電流被送到定子繞組L2和L3中。在上述方法中，電晶體由信號發生器12發出的信號進行控制，使它們有選擇地導通和斷開，在每一時刻，定子繞組與轉子之間的位置關係是固定的，一個確定的電流送到相應的定子繞組中，使電機連續旋轉。在所指的例子中，供電到定子繞組，是在每隔60°電度的角距間隔進行切換。因此繞組有六種接通方式，電機轉一轉(360°)這些狀態變化一個周期(對兩極電機而言)。為了測量定子繞組與轉子之間的位置關係，一種大家熟悉的霍爾效應位置檢測器可以採用。也可採取在位置Q1到Q3之間的電角度中，供電給定子繞組，採取繞過Q2在120°電度的範圍內通電的方式更為可取，因為這兒磁通密度最大，從而可獲得高效率。
如圖3所示，在時間T1到T2的期間，由送到定子繞組L1中的電流，和由轉子1發出的磁通密度相互作用而產生。還看到，力矩T1的幅值依賴於橫切繞組L1導入端的磁通密度φ1。在圖3中，Io指的是一個主要對應於某個固定電機轉速的電流值。同樣，在圖3中的T1到T2的期間，力矩T2是由送到定子繞組L2中的電流I2，和轉子1產生的磁通互相作用而產生，(在這種情況，橫切定子繞組L2導入端的磁通密度φ2，相對φ1相移了120°電度)。在這個期間中，定子繞組3沒有通電，所以力矩T3等於零。
在由T2到T3的時間期間中，通過電晶體切換定子繞組使L1斷開，L3接通，從而產生力矩T1和T3。在T3到T4的期間裡通過電晶體切換定子繞組使L1斷開，L2接通，從而產生力矩T2和T3。
雖然送到定子繞組L1中的電流在t4時刻反向，但與此同時，橫切繞組L1導入端的磁通也反向，如圖2中所示。因此，所產生的力矩T1的方向仍然不變(保持正方向)。電流I1，I2，I3分別送到定子繞組L1，L2和L3中，產生合成力矩To＝T1+T2+T3。然而，在這個施加到轉子1上的合成力矩中，在60°電度間出現力矩波動，這種波動示於圖3的最下部。因此，以往的無刷直流電機有需要用飛輪來吸收轉速不穩的缺點。這種缺點是由力矩波動造成的。在此力矩波動周期短的時間內，瞬時啟動電機(例如，在錄像裝置的精密低速播放狀況，磁帶需要瞬時啟動到它的額定速度)像這種要求具有高精度，又需要瞬時啟動的問題，用這樣的電機是不可能達到的。
後來，日本實用專利公布了東京Shib2uy2電氣公司Ltd.所發明的一種方法(這個發明於1978年12月在日本申請，專利號No.55-79694)。這個方法是採用一種與上述力矩變化相位相反的驅動電流來驅動無刷直流電機，為的是補償電機的力矩變化。按照這個發明的方法，予先將電機旋轉角位置和有關聯的力矩變化之間的關係寄存到存儲器中，根據測得的電機旋轉角位置將存儲器中的數值讀出來，為的是在讀出力矩變化的基礎上，可以用微處理機來適當地控制電機的驅動電流。但是，這個發明由於它需要存儲器和微處理機而使價格增加，另外，還需要予先找出力矩變化與電機旋轉角位置之間的關係。
為了避免上述缺點和克服以往裝置的問題，本發明的主要目標是提供一個驅動多相無刷直流電機的裝置，這種裝置無論電機運行在什麼轉速下，都可以消除電機力矩波動現象。
為了達到上述目標的本發明，提供了一個為驅動多相無刷直流電機的裝置，這個裝置包括一個轉子，和定子繞組組合體;還包含一個轉子角位置檢測器;一個信號發生器(它根據位置檢測器所測得的位置信號而發出控制信號)。從而去控制每個電機定子繞組定時接通;一個電機驅動電路，為的是在信號發生器發出的控制信號作用下，從電源將電機的驅動電流送入電機定子的每個繞組中;一個補償信號發生線路，它包括測量轉子轉動時在定子繞組中感應的反電勢(電壓)的檢測器。基於測得反電勢的指示信號，和測得電機轉速的指示信號去產生一個補償信號去補償電機的力矩波動;和一個電流控制電路，它包含將補償力矩波動信號迭加到一個指令信號上，這個指令信號表示電機某一個予定轉速)的部件。在這個基礎上所合成的信號，通過電機驅動電路去控制供給電機的驅動電流。
本發明的基本概念是由於力矩波動，在某個時間裡力矩已經下降，驅動電流即時增加去補償力矩的下降。為此目的，需要獲得一個相應力矩變化的電流指示信號，定子繞組產生的力矩T通常表示成TαB·I，這裡，B是磁通密度，而I是電流值，然而在定子繞組中感應的反電勢(電壓)E通常表示成EαB·V，這裡V是電機的速度。因此，反電勢E與力矩T的幅值成正比。所以，本發明基本思想是測出反電勢去補償電流。此外，後一個表示式指出反電勢與電機的旋轉速度有關，由於電機轉速發生變化將引起反電勢相應變化因此，適當地變化補償電流是需要的。
本發明是以達到上述目的來進行敘述的。
在下面聯繫相應的圖來對本發明進行詳細敘述圖1表示以往的雙極型三相無刷直流電機和它的驅動電路圖;
圖2，圖3示於圖1中的三相無刷直流電機的定子繞組和轉子之間的相對位置關係;
圖3，示出圖1中電路的工作波形圖;
圖4，是按照本發明構成裝置的具體方框圖;
圖5，是表示在電機定子各繞組中感應的反電勢波形圖;
圖6，是表示圖4的本發明驅動裝置中，檢測器測得的反電勢信號波形圖;
圖7，是表示圖4的本發明驅動裝置中的電流和力矩對時間的關係波形圖;
圖8，是圖4的本發明驅動裝置的詳細結構電路圖;
圖9，是本發明的另一種具體結構電路圖。
現在我們來參看這些圖圖4是本發明驅動裝置的一個具體方框圖，這個裝置用來驅動一個三相無刷直流電機。在圖4中，同樣的指示數字用來指出和圖1所表示的設備相同的部件。
參照圖4，這個驅動裝置包括，檢測器13，低通濾波器(LPF)14，可變增益放大器15，具有很小阻值的電阻器16，速度控制輸入端17，微分放大器18、19，電晶體20，21，22和可調電流源23，此外，還有在圖1中所有的電晶體4到9和電源10。為了簡化起見有一些部件沒有在圖中畫出來一個接收轉子位置檢測器輸出的信號發生器，被連接到電晶體4到9和20到22的基極端(如圖1所示情況)，因而依據測得的轉子旋轉位置，去驅動電晶體中的適當的一組。
在圖4中所示，本發明的結構裝置的具體工作情況將參明圖5到圖7進行敘述。
用信號發生器(圖內未表示)送來的信號，有選擇地驅動電晶體4到9和20至22中的某一些，將驅動電流供給定子上的獨立繞組L1至L3中的每一個，從而產生旋轉力矩，這樣的工作情況，與對圖1的敘述是完全相同，所以它的解釋就不再重複了，在這個具體方案中，電晶體4、5和6工作在飽合狀態(線性放大器的一種工作狀態)，當作開關用。那時，電晶體7、8和9工作在非飽合狀態(線性放大器的另一種工作狀態)，作為恆流源工作，當驅動電流以某種確定方式供給定子獨立繞組L1到L3時，在定子繞組L1到L3的各繞組中感應出反電勢，它對應於由轉子1所發出的磁通密度的變化。象早已說過的那樣，感應在定子繞組L1到L3每個上的反電勢波形和由電流供給定子繞組所產生力矩的波形很好地對應起來。如果電晶體4、5和6工作在非飽和驅動狀態，每個反電勢e1、e2和e3具有嚴格的正弦波形，如圖5所示，將分別地出現在定子繞組L1到L3和電晶體4到6之間的接點上。這些反電勢e1，e2和e3分別由定子繞組L1，L2，L3，L3感應而得。然而，在本發明的具體情況下電晶體4，5和6工作在飽和驅動狀態，那時，電晶體7，8和9工作在非飽和驅動狀態。因此，作為例子，當電晶體4接通時，在定子繞組L1和電晶體4之間的接點上的電位，在電晶體接通的期間內，被鉗到電源10的電壓Eo值上。即，如圖5所示那樣，反電勢e1的電平，在它波形的120°電度期間，被拉到電源電壓Eo的電平。其結果，在其他定子繞組L2和L3上感應的反電勢e2和e3的電平也被提高一個量，這個量相當電源電壓Eo和對應於圖5波形圖中反電勢e1在相應的120°電度期間的電壓兩者間的差。這種情況同樣出現，即感應在各定子繞組L2和L3中感應的反電勢e2和e3中的任何一個，被鉗位到電源電壓Eo的電平。
因此，分別在定子繞組L1、L2和L3中感應的反電勢e1，e2和e3中的每一個，其波形的最大電壓值被鉗位到電源電壓Eo，而且如圖6所示，這些個波形的低電平側有兩個峰值。
具有如圖6所示波形的反電勢e1，e2和e3被提供到檢測器13中，檢測器13測量低電平側的波形並產生測得的信號la，它的波形示於圖6中。測得的輸出波形la，與示於圖3中的合成力矩To中所包含的力矩波動波形是對稱的，但相位相反。這個測出的信號la送給可變增益放大器15，將它放大到予定的幅值，然後作為力矩波動補償信號輸入到差動放大器18的一個輸入端，表示電機轉速的指令信號被送到差動放大器的另一端，一個代表電阻16上電壓降的信號接到差動放大器19的另一端。電阻16兩端的電壓降與電機驅動電流Io有關，從而，驅動電流Io由於某種原因，例如，電晶體的電流放大係數nFE變動而產生變化，可以被測量出來。
換句話說，當電晶體4和21被導通，電晶體8從電流源23得到基極電流，數值高於基極電流乘nFE(電晶體8的電流放大係數)的集電極電流，通過電晶體4作為驅動電流，送到定子繞組L1和L2中。類似地，當電晶體20或22被導通，從電源23給電晶體7或9提供基極電流，而數值高於nFE(電晶體7或9的電流放大係數)乘基極電流的集電極電流被分別地作為驅動電流送到相應的定子繞組中，除非電晶體7、8和9都有相同的電流放大係數nFE，否則提供到繞組中的驅動電流將不一致，那時導通的電晶體被超載，從控制的觀點這是不希望的。因此，差動放大器19的增益要選得足夠高，而且反饋控制被採用，結果使跨接在電阻16兩端的電壓降變成高於差分放大器18的輸出。因此，由於電晶體7、8和9的nFE變動造成驅動電流不希望的變化減到最小。
電機驅動電流Io的信號被輸入給差動放大器19，基於這些輸入，差動放大器19對可調恆流源23的輸出電流進行控制，也就是反饋控制一直進行到所測得的電機電流Io與差動放大器18的輸出信號相一致為止，與此同時也對電機旋轉力矩的波動力矩進行補償。
圖7是一個表示上述力矩波動補償作用的波形圖。這個圖中虛線代表以往無刷直流電機的電流和力矩的特性曲線，那裡，實線代表本發明的電機驅動裝置的特性曲線。從圖7可以看到由虛線所表示的合成力矩To的力矩波動是很明顯的，因為在以往的無刷直流電機中，驅動電流Io像虛線所示，是一個恆定常值。與此相反，在本發明的驅動裝置中，合成力矩To如實線所示始終保持恆定值，這是因為電機是被一個能補償波動分量的電流Io所驅動。
可變增益放大器15的工作情況將進一步敘述。當電機驅動電流隨著負載增加而變大時，電機旋轉力矩To同時也增加，從而力矩波動分量的絕對值也增加，在此情況下，必須增加力矩波動補償信號的幅值。進一步說，在一種裝置中(例如，在錄像機裡有不同的錄/放速度高級)，那兒，電機的轉速可以在不同速度高級之間切換，無論電機速度怎樣變化，負載如何變化，而力矩波動的絕對值不能有任何可感覺的變化，但是，另一方面包含在每個定子繞組中的感應反電勢，隨著電機轉速的增大和減少，分別地變大和變小。因此，在本裝置中，當電機轉速變化時，測得的反電勢值，提供為希望的補償信號，必然會隨著轉速的變化而增大或減小。換句話說，為了對付負載的增加(減小)，補償信號的幅值必須增加(減小);為了對付轉速的增加(減小)，補償信號的幅值必須減小(增加)。可變增益放大器15是一個這樣的器件。在這個器件中，所測得的反電勢的電平，隨著繞組驅動電流Io和電機轉速而增大或減小，以便提供一個力矩波動補償信號，使控制處於最佳狀態。
在圖6中，曲線la表示當電機以額定速度旋轉時，測量反電勢的檢測器13的輸出波形圖;曲線la′表示當電機以 1/3 額定速度旋轉時，測量反電勢的檢測器13的輸出波形圖。當電機以 1/3 額定速度的低速運行時，反電勢的值只是額定速度時反電勢值的 1/3 ，而且它的頻率也只有額定速度時頻率的 1/3 。在這種情況下，檢測器13的檢測輸出波形la′的低電平側的直流電平，也比波形la的高些，如圖6中所示(即是，雖然由於電機轉速減小，在定子繞組中感應的反電勢峰，對峰的電平減小，但檢測器13的低電平測的檢測輸出電平卻有所增加)。在圖4所示的具體方案中，檢測器13的檢測輸出，分別加到兩個地方，一個是直接提供給可變增益放大器15的一個輸入端;另一個是提供給低通濾波器(LPF)14，並從中提取直流分量送到可變增益放大器15的另一個輸入端。依據從電阻16上取來的電壓降信號(測量驅動電流的指示)，和從檢測器13的檢測輸出信號(測量轉速的指示)一起，來對可變增益放大器15的增益進行適當地控制，從而調節檢測輸出la(la′)的電平，去產生最佳力矩波動補償信號。
在圖4所示本發明的具體裝置中，說明了本發明應用到一個裝置上，在這個裝置電機轉速是可變的，但是，在另一個本發明應用的裝置中，電機轉速必須保持不變，可變增益放大器15的增益不必跟蹤電機轉速變化。在後一個應用中，圖4中所示的低通濾波器LPF14不必要了，因為在這種場所，一個對應電機予定轉速的直流電壓可以提供到可變增益放大器15的輸入端，這個輸入端原來是與低通濾波器LPF14相連的。
圖8示出的是圖4中的具體裝置的詳細結構電路圖，參照圖8，這個電路包括電阻24到31，一個電平移動電路33，恆流源34電晶體36到46，電容47，穩壓電源48到50，和二極體51到53，其他的和前面圖4所示相同。此外，指示數150指的是一個既有LPF4功能又有可變增益放大器(如圖4)15功能的補償信號發生電路。為了簡化說明，轉子位置檢測器和信號發生器，在這裡沒有畫出來。
實際的定子繞組L1，L2和L3在電感的外面還有一個電阻分量，分別用電阻24，25和26來表示，由於存在這些電阻，它們上面的電壓降就會以誤差的形式疊加到用檢測器13測得的真實反電勢上，由於這種影響，精確的補償信號不能獲得。為了避免由於電阻24到26上電壓降的不良影響，電阻28和電晶體39被加入到補償信號發生器150中，它們與由二極體51，52和53組成的檢測器13的輸出相接。
更精確地說，指示電機驅動電流Io值的電壓信號，從電阻16上送到發射極接地的放大器上，這個放大器是由按二極體方式連接的電晶體36，電晶體37和電晶體37的發射極電阻27所構成。電晶體37的基極連到電晶體36和恆流源34之間的P8點上，用來對電晶體36提供基極電流。
電晶體37的集電極輸出，通過由二極體方式連接的電晶體38和電晶體39構成的電流映射(miyyoy)電路，提供到電阻28上。
電阻24，25，和26有相高的電阻值，電機定子繞組L1，L2和L3的2/3總是被接通。因此，作為例子，各電阻的阻值是如此選擇的電阻24到26的每個阻值的兩倍值與電阻16的阻值之間的比值，等於電阻28和電阻27之間的比值。當電阻值按上述方法選擇時，跨在電阻28上的電壓降變成等於電阻24到26電阻上的壓降，因此，作為抵消了上述電壓降的一個信號，可以從電晶體39和電阻28之間的連接點P1取出來。電阻30，31和電容器47構成低通濾波器(LPF)，這個濾波器檢測真實反電勢的直流電平(指示電機轉速)，而真實反電勢的信號是由P1點取得，恆流源34的輸出電流，相對電機驅動電流Io，應選取得足夠小，甚至可以忽略。
表現在P1點代表真實反電勢的檢測信號，通過電晶體30，提供到電晶體44的基極。另一方面，直流電平信號從LPF提供到電晶體43的基極。電晶體43和44組成差動放大器，電晶體40用作上述差動放大器的恆流源。將電晶體40的基極連到電晶體38的基極和發射極間的連接點P2上，致使通過電晶體40流通的電流量可以與跨在電阻16上的電壓(這裡，正比於電機驅動電流Io)成正比地變化。
使用電阻30，31和電容47的綜合功能，可以使電晶體43的基極直流電位變成等於電晶體44的基極電位。因此，差動放大器的基極直流電位按照電機轉速變化。電機轉速升高(降低)，這個直流電平隨之而下降或上升。
利用上述關係，一個相應或指示電機轉速的信號，被建立在電晶體43基極電位基礎上的電平偏移器33產生。這個信號提供到由電晶體41和42組成差動放大器的一個輸入端，因為電機在低轉速運行時，在P1的直流電平信號是高的，從恆流源供給的電流中的大部分，由電晶體40流經電晶體42，去供電路用電晶體43和44組成的差動放大器。在上面敘述的方法中，根據從補償信號發生電路150所測出的電機轉速，作為力矩波動補償信號，來控制反電勢測量信號。這個力矩波動補償信號，提供到前面說過的差動放大器的一個輸入端上。
由於使用了本發明所實施的電機驅動裝置，電機定子實際繞組本身的電阻的不良影響可以消除，補償信號嚴格地正比於力矩波動分量其原因歸結為可以產生真實的反電勢e1，e2和e3。這個補償信號也可以跟蹤負載和速度的變化。
圖9是本發明的另一種具體實施的電路圖。在圖4和圖8所示的第一種實施方案中，電晶體4、5和6工作在飽和狀態。相反，在現在的方案中電晶體4、5、6、7、8和9都工作在非飽和狀態。因此，每個定子繞組L1，L2和L3中的感應反電勢如圖5所示，在這種情況下，檢測反電勢信號的檢測器(如圖5所示)測出上部電平側和下部電平側之間的差，是一個與圖6中檢測器輸出la的波形類似的反電勢信號。
在圖9中相同的指示數字用來指出表示在圖1，4和8中相同或等效的部件。
另一部分包括一個信號發生器54，電阻56和64，電平移動電路65，恆流源66到65，電晶體69到90，電容91，穩壓電源92，93，二極體94到96，檢測器130和補償信號發生電路151。根據位置檢測器11送來的輸入信號，信號發生器54產生信號去控制電晶體4到9，檢測器130與用在圖8方案中的檢測器有不同的結構，同樣，補償信號發生器151也與圖8方案中所用的補償信號發生器150的結構不同。
檢測器130包含二極體94到96，它們的作用是既可測量示於圖5中的反電勢e1，e2和e3波形的上部電平側又可測量它的下部電平側，為了消除定子繞組L1到L3的電阻24到26上所產生的電壓降而帶來的不良影響，電阻64被提供到補償信號發生電路151中，接到二極體94到96的輸出端。
和第一種方案中的情況一樣，電阻64的值是如此選擇，使在其上的電壓降，等於電機驅動電流Io流過電阻24到26中的每一個上的電壓降的兩倍。因此，用檢測顯現在電阻64和74之間的接點P3的反電勢的上部電平側波形。來作為反電勢測量信號。選擇跨在電阻64上的電壓降等於電阻24到26的每一個上電壓降的兩倍，因此，定子繞組L1，L2和L3的 2/3 是同時通電的，而電流流動的方向在兩個繞組中是彼此相反，在圖9的方案中，為了校正電阻之間的誤差，電阻64隻引到上部電平側的檢測輸出線上，而下部電平側的檢測輸出線上不引入這樣的電阻，即是，上部電平側的檢測輸出被電阻64校正並送到點P3，那時，下部電平側的檢測輸出沒有被如此的電阻校正，送到點P5，表示這二個輸出之差的指示信號出現在點P6，結果，定子繞組之間的阻值誤差可以被抵消。由於，當電阻64的信號用來校正既包含有上部電平側的檢測輸出又包含有下部電平側的檢測輸出的誤差，結果，總的誤差比採取分別校正這些輸出的誤差要小。
出現在點P3上的反電勢檢測信號，通過電平偏移電路65，提供給由電晶體72和電阻57組成的發射極接地型放大器。電晶體72的集電極連接到與電晶體70的集電極和基極相連的點P4，電晶體70接成二極體型與電晶體69一起去構成電流映射電路。
另一方面，分別檢測感應在定子繞組L1，L2和L3中反電勢下部電平的二極體51，52和53被接到電晶體71和恆流源(它給電晶體71提供基極電流)之間的連接點P5上。
電晶體71和電晶體69的集電極連在一起，所以，在接點P6處是二者間集電極電流的差值，它代表在圖5所示的反電勢波形l1l2和l3的上部和下部的檢測波形間的差值，上部電平檢測波形和下部電平檢測波形間這個差值，提供去產生如圖6所示反電勢下部合成波形，併疊加到反電勢上部合成波形之上。因此，疊加波形如圖6中的波形lo。同時，在點P6處也出現代表上部電平和下部電平檢測波形之差的直流電平。因此，當電機轉速增加時，反電勢的上部電平變高。從而，當點P6的直流電平變高，就使電晶體72的電流增大，至使電晶體69的電流也增加。另一方面，由於反電勢下部電平變低，從而使電晶體71的電流減小。
當電機轉速很高時，電晶體69的集電極電流流入電阻59，另一方面，當電機轉速較低時，反電勢的上部電平和下部電平分別變成比較低和比較高。在這種情況下，電晶體71通過電阻60和59吸收電流。
在上述方法中，可以取得包含轉速信息的反電勢上部電平檢測波形，和它的下部檢測波形間的差值(這個波形lo(lo′)示於圖6中)。將這個信號提供給由電晶體77和78組成的差動放大器。
二極體連接式電晶體76接到電晶體77的集電極，電晶體80的基極接到電晶體76的集電極和基極的接點P1上，去組成一個電流映射電路。因此，跨在電阻61兩端，隨信號la(la′)的直流電平改變而變化的電壓降，被送給這個差動放大器。
利用電阻62，63和電容91的組合功能，使電晶體84和85的基極電位相等，而且，電晶體89的基極電位變化與電晶體84和85的基極電位變化有關，而後者的變化是依賴於信號la(la′)的直流電平。
由以二極體方式連接的電晶體90和電晶體79構成的電流映射電路，用來改變由電晶體77和78組成的差動放大器的增益。
與此同時，將從電阻16上測得的驅動電流Io的變化，轉變成以二極體方式連接的電晶體75和電晶體83的相應基極電位變化。由二極體方式連接的電晶體81和電晶體82組成的鏡像映射電路，作為由電晶體84和85組成的差動放大器的電流源。因此，上述差動放大器的增益可依賴電機驅動電流Io的變化而變化。
我們可以看到，本發明提供了一個這樣的裝置，它檢測感應於定子繞組中的反電勢來得到合成la(la′)值，並利用la(la′)去消除電機(無論電機運行於什麼樣的速度)的力矩波動。本發明的驅動電路具有這樣的優點，它可以用來驅動任何其他具有不同定子繞組阻值的電機，而僅僅只要用適當的電阻代替電阻58，因此本發明的驅動電路很適於做成大規模集成電路。
本發明所指出的方案，不受上面說的那些實現方法的限制，在這個發明的解說和圖示的基礎上一些大家熟悉的技術可以用來構成變化多端的方案。例如，示於圖4和8中的電晶體4到6適合工作在飽和狀態當作開關使用，它可以用有類似功能的適當開關器件代替，另外其餘的電晶體7到9和20到22，可以用其他的適當元件(象場效應電晶體，或可控矽)，代替。因此，當定子繞組L1到L3是由可控矽逆變器控制時，而逆變器由信號發生器12的信號來控制。這種作用類似於圖4中所指方案的敘述。
因此，在發明中所敘述的方案，完全不受限制。本發明的範圍，在附件權利要求
中規定，凡屬權利要求
範圍內的各種變形，都包括在本發明之中。
權利要求
1.一個驅動多相無刷電機(包括一個定子組合體)的裝置。所說裝置包括1)檢測器(11)為了測量所說轉子轉角位置；2)信號發生器(12)根據所說位置檢測器測出的位置信號，信號發生器(12)發出控制信號，對所說電機的每個定子繞組(L1，L2，L3)，按予定方式供電；3)電機驅動電路(4-9，20-23)，為的是在所說信號發生器發出的信號控制下，從電源(10)對所說電機的所說的每一個定子繞組，供給驅動電流；所敘述裝置的特徵包括4)補償信號發生電路(13，14，15；13，150；130，151，)當所說轉子轉動時，測量所說定子繞組中感應的反電勢(電壓)並根據測得的反電勢指示信號，和所說電機轉速指示信號，產生一個補償所說電機力矩波動的信號；5)電流控制電路(18，19)，疊加力矩波動補償信號到一個指示所說電機予定轉速的指令信號上，並且根據疊加信號通過所說電機驅動電路，控制電機驅動電流；
2.按權利要求
1所要求的驅動多相無刷電機的裝置特徵是所說電機轉速的指示信號，是基於測得所說反電勢的指示信號的DC電平而產生的;
3.按權利要求
2所要求的驅動多相無刷電機的裝置特徵是所說補償信號發生電路包括為了測量供給所說電機的驅動電流的元件(16);檢測器(13;130)用以測量感應在所說定子繞組中的反電勢;濾波器(14)用來提取所說檢測器所測量輸出的DC電平;和一個可變增益放大器(15;150;151)，接受所說檢測器的測量輸出作為它的輸入信號，基於所說驅動電流檢測器和由所說的濾波器取來的DC電平，對輸入信號進行有控制的放大，從而產生一個所說的補償信號。
4.按權利要求
3所要求的驅動多相無刷電機的裝置特徵是補償信號發生器電路中進一步包含了內部電阻補償器(28;64)，為的是減去從所說檢測器測出的定子繞組內阻上的壓降，已經減去了壓降的信號，被提給所說補償信號發生器電路作為所說的信號輸入。
5.按權利要求
4所要求的驅動多相無刷電機的裝置特徵是所說的電機驅動電路包括了某一套組合體，而每套組合體至少包含一個開關器件(4，5，6)，與至少有一個電流控制器件(7，8，9，20-22)串聯，所說的套數，等於繞組相數，而且每一套驅動一個相應的定子繞組;所說的開關器件和電流控制器件，由所說的信號發生電路發出的信號來控制，在這個電路中，有如此的關係感應在所說定子繞組中的反電勢，根據所說開關器件中相應的某些閉合時，被鉗位到所說的電源電平，那時候，所說的電流控制器件由所說的信號發生器的控制信號，線性地驅動。而且，在此，所說的補償信號發生電路，包含有檢查器(13)，用它來測量在每個定子繞組中感應電壓波形的低電平，基於所說檢測器的輸出，產生所說的力矩波動補償信號。
6.按權利要求
1所要求的驅動多相無刷電機的裝置特徵是所說電機驅動電路包括某一套組合體，而每套組合體至少包含兩個電流控制器件(4，5，6，7，8，9)相串連起來，所說套數，等於繞組相數，而且每一套去驅動所說定子繞組的相應的一個;所說的電流控制器件，由所說信號發生器產生的控制信號來進行線性控制;在此，所說補償信號發生電路，包括檢測器(130)，用它來測量感應在所說每個定子繞組中電壓波形的上部電平和下部電平，從而，在所說檢測器所測得的兩個輸出差的基礎上，產生所說的力矩波動補償信號。
7.按權利要求
5或6所要求的驅動多相無刷電機的裝置特徵是所說的開關器件和電流控制器件是雙極性的電晶體。
8.按權利要求
5或6所要求的驅動多相無刷電機的裝置特徵是所說的開關器件和電流控制器件是場效應電晶體。
9.按權利要求
5或6所要求的驅動多相無刷電機的裝置特徵是所說開關器件和電流控制器件是可控矽。
專利摘要
本發明是一個驅動多相無刷電機裝置。在這個裝置中電機轉矩中出現的波動，被一個信號電流去驅動電機所消除。這個信號的相位與力矩波動相位相反，而波形與力矩波動波形對稱。所以無論電機運行在何種速度上，電機可以精確地運行。在本發明中，為了得到如此的信號電流波形，感應在定子繞組中的反電勢被測量，測得反電勢的信號指示電平，按照電機的負載和轉速，作為控制信號，去控制電機的驅動電流。
文檔編號H02P5/00GK85101863SQ85101863
公開日1987年1月17日 申請日期1985年4月1日
發明者伊藤隆康, 西島英南, 福島勇夫 申請人:日立製作所株式會社導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan