電機的驅動電路、驅動方法、電子設備與流程

文檔序號：11692919閱讀：251來源：國知局

本發(fā)明涉及電機驅動技術。

背景技術：

在光盤、hdd(硬盤驅動器)的主軸電機、oa設備、風扇電機等各種各樣的用途中使用了無刷dc電機。無刷dc電機不具有電刷這樣的電流轉變機構，因此需要根據轉子的位置切換供給線圈的電流的方向。相關無刷dc電機的驅動方式大致分為利用從霍爾元件或轉子再編碼器(re-encoder)得到的轉子位置信息(霍爾信號)的方式，和不利用霍爾元件、基于線圈產生的逆電動勢(感應電壓)的過零點來推定轉子位置的無傳感器方式。

霍爾元件和fg附磁不僅在轉子的旋轉過程中，在其停止狀態(tài)下也能得到位置信息。另一方面，在無傳感器方式中，由于要利用相應于轉子的旋轉而產生的逆電動勢，故在電機的停止狀態(tài)或者低速旋轉狀態(tài)下無法準確地檢測轉子位置?；谠撉闆r，在無傳感器方式的驅動電路中要設置在其啟動開始時檢測轉子位置(稱作初始位置)的功能。

作為轉子的初始位置的檢測方式，提出有電感傳感方式。以三相無刷電機為例，在啟動開始前，在三相(u、v、w)中的2相間已轉子不旋轉的方式施加臺階狀的電壓，基于該狀態(tài)下流過線圈的電流，檢測轉子的初始位置。圖1是說明電感傳感方式的轉子的初始位置檢測的波形圖。例如對電機的u相端子與v相端子間施加正的臺階電壓vp。測定此時流過的線圈電流iu達到預定的閾值電流+ip的時間τu+。然后在電機的u相端子與v相端子間施加負的臺階電壓vn。測定此時流過的線圈電流iu達到預定的負的閾值電流-ip的時間τu-，計算出τu+與τu-的差分δτu。針對v相端子與w相端子間、w相端子與u相端子間也進行同樣的測定，算出差分δτv、δτw。然后基于δτu、δτv、δτw確定轉子的初始位置。

在先技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本特開平7-177788號公報

專利文獻2：日本特開平6-113585號公報

專利文獻3：日本特開2007-60899號公報

技術實現要素：

〔發(fā)明所要解決的課題〕

本發(fā)明人們針對電感傳感方式進行研究后，認識到以下的課題。在進行圖1所示的電感傳感方式時，需要事先規(guī)定適當的參數(例如閾值電流±ip)。具體來說，需要一邊細微地改變轉子的初始位置、一邊針對各初始位置改變參數，進行大量次數的啟動試驗，找出能得到最高啟動成功率的參數，對驅動電路進行設定。這成為安裝電機的電子設備的設計者的負擔。另外，即使在出廠前使啟動程序(sequence)所用的參數最優(yōu)化了，隨著電機的長時間變化，參數也可能變得不適當、出現啟動失敗。

此外，需要在圖1中施加正的臺階電壓vp后待機，直至線圈電流iu變成零，然后再施加負的臺階電壓vn。以往，需要留有余量地使該待機時間足夠長，從而啟動時間變得較長。

本發(fā)明是鑒于這樣的狀況而研發(fā)的，其一個方案的例示性目的之一在于提供一種能自動取得電感傳感方式中的最佳參數的驅動電路。

〔用于解決課題的手段〕

本發(fā)明的一個方案涉及無刷dc電機的驅動電路。驅動電路包括：生成各相的驅動信號的驅動信號生成電路；基于各相的驅動信號驅動無刷dc電機的驅動級；在無刷dc電機啟動時通過電感傳感方式檢測轉子的初始位置的初始位置檢測電路；以及確定初始位置檢測電路要使用的參數的參數自動生成電路。參數自動生成電路一邊使閾值變化，一邊在各閾值時測定第1時間和第2時間。第1時間是驅動級對無刷dc電機的1組端子間施加了第1極性的電壓時、至線圈電流達到閾值的時間。第2時間是驅動級對1組端子間施加了第2極性的電壓時、至線圈電流達到閾值的時間。然后，參數自動生成電路將第1時間與第2時間的差成為最大時的閾值保存為初始位置檢測電路要使用的參數。

本發(fā)明的另一方案也是一種無刷dc電機的驅動電路。驅動電路包括：生成各相的驅動信號的驅動信號生成電路；基于各相的驅動信號驅動無刷dc電機的驅動級；在無刷dc電機啟動時通過電感傳感方式檢測轉子的初始位置的初始位置檢測電路；以及確定初始位置檢測電路要使用的參數的參數自動生成電路。參數自動生成電路一邊使閾值變化，一邊在各閾值時測定第1時間和第2時間。第1時間是驅動級對無刷dc電機的1組端子間施加了第1極性的電壓時、至線圈電流達到閾值的時間。第2時間是驅動級對1組端子間施加了第2極性的電壓時、至線圈電流達到閾值的時間。然后，將第1時間與第2時間的差超過預定值時的閾值保存為初始位置檢測電路要使用的參數。

根據這些方案，能短時間地取得電感傳感方式時初始位置檢測所要使用的參數。另外，由于能在與實際使用相同的環(huán)境下確定參數，故能提高精度。

在一個方案中，參數自動生成電路可以使閾值從預定的最小值向最大值變化。此時，能使最終的閾值盡可能成為較小的值，故能降低啟動時的消耗電流。

參數自動生成電路可以在初始位置檢測電路檢測轉子的初始位置時，根據作為參數而保存的閾值確定從產生了第1極性的電壓起至產生第2極性的電壓的待機時間，將其作為初始位置檢測電路要使用的參數來保存。

參數自動生成電路可以至少切換2次無刷dc電機的1組端子。無刷dc電機可以是三相的，參數自動生成電路可以使1組端子按u-v端子、v-w端子、w-u端子的三種進行切換。由此，能提高初始位置檢測的精度。

一個方案的驅動電路可以被一體集成在一個半導體基板上。

所謂“一體集成”，包括電路的所有構成要素都形成在半導體基板上的情況，和電路的主要構成要素被集成一體的情況，也可以為電路常數的調節(jié)用而將一部分電阻或電容器等設置在半導體基板外部。通過將電路集成在一個芯片上，能削減電路面積，并使電路元件的特性保持均一。

本發(fā)明的另一方案涉及電子設備。電子設備可以包括無刷dc電機和驅動無刷dc電機的驅動電路。

另外，將以上構成要素的任意組合及本發(fā)明的構成要素或表現形式在方法、裝置、系統(tǒng)等之間相互變換的方案，作為本發(fā)明的方案也是有效的。

發(fā)明效果

根據本發(fā)明的一個方案，能自動取得電感傳感方式下的最佳參數。

附圖說明

圖1是說明電感傳感方式的轉子的初始位置檢測的波形圖。

圖2是實施方式的驅動電路的電路圖。

圖3是表示參數自動生成電路的構成例的功能框圖。

圖4是實施方式的校準程序的流程圖。

圖5是校準程序中的電流波形圖。

圖6是變形例的校準程序的流程圖。

圖7的(a)、(b)是表示電子設備的例子的圖。

具體實施方式

以下基于優(yōu)選實施方式參照附圖說明本發(fā)明。對各附圖所示的相同或等同的構成要素、部件、處理標注相同的附圖標記，并適當省略重復的說明。此外，實施方式只是例示，并非限定發(fā)明，并非實施方式所記載的所有特征及其組合都是發(fā)明的本質特征。

在本說明書中，所謂“部件a與部件b相連接的狀態(tài)”，除部件a與部件b物理地直接連接的情況外，還包括部件a與部件b介由不對其電連接狀態(tài)產生實質性影響的、或者不損害其結合所發(fā)揮的功能和效果的其它部件間接連接的情況。

同樣地，所謂“部件c被設置在部件a與部件b之間的狀態(tài)”，除部件a與部件c、或者部件b與部件c直接連接的情況外，還包括介由不對其電連接狀態(tài)產生實質影響的、或者不損害其結合所發(fā)揮的功能和效果的其它部件間接連接的情況。

圖2是實施方式的驅動電路100的電路圖。驅動電路100對無刷dc電機(以下簡稱為電機)2進行無傳感器驅動。在本實施方式中，電機2是三相電機，具有u相、v相、w相。電機2可以是內轉子型，也可以是外轉子型。此外，電機2的線圈可以星形連接，也可以三角形連接。驅動電路100包括驅動信號生成電路102、驅動級104、初始位置檢測電路106、參數自動生成電路110，是被集成在一個半導體基板上的功能ic(integratedcircuit：集成電路)。驅動電路100具有u相～w相的輸出端子outu～outw和接受中點電壓vcom的com端子。

驅動信號生成電路102生成各相u、v、w的驅動信號s1u～s1w。驅動信號生成電路102可以采用公知技術構成。例如驅動信號生成電路102可以包括：在電機的旋轉狀態(tài)下檢測轉子的位置的逆電動勢檢測用的比較器；生成具有與電機2的目標轉矩(目標轉速)相應的占空比的脈沖信號的脈沖調制器；基于逆電動勢檢測用的比較器的輸出推定轉子的位置，并根據轉子位置切換驅動對象相(電流轉變控制)的邏輯電路等。驅動方式不特別限定，可以采用180°通電方式或120°通電方式。驅動級104是三相逆變器，基于各相的驅動信號s1u～s1w驅動電機2。在圖2中，驅動級104的高側晶體管為p溝道m(xù)osfet、低側晶體管為n溝道m(xù)osfet，但本發(fā)明不限于此，也可以采用n溝道m(xù)osfet作為高側晶體管?；蛘咭部梢匀〈鷐osfet而采用雙極晶體管或igbt(insulatedgatebipolartransistor：絕緣柵雙極晶體管)、其它開關。

初始位置檢測電路106在電機2啟動時根據參照圖1說明的電感傳感方式推定轉子的初始位置。具體來說，初始位置檢測電路106對驅動信號生成電路102供給控制信號s2，使得u-v相端子間被施加第1極性的臺階電壓vp。通過使u相的高側開關和v相的低側開關導通、使其余開關截止，在u-v端子間施加第1極性的臺階電壓vp。在該狀態(tài)下，初始位置檢測電路106監(jiān)視u相的線圈電流iu，測定其到達閾值ip的第1時間τu+。

然后，初始位置檢測電路106待機，直到線圈電流iu變成零。然后對驅動信號生成電路102供給控制信號s2，使得u-v相端子間被施加與第1極性相反極性的第2極性的臺階電壓vn。通過使u相的低側開關和v相的高側開關導通、使其余開關截止，對u-v端子間施加第2極性的臺階電壓vn。在該狀態(tài)下，初始位置檢測電路106監(jiān)視u相的線圈電流iu，并測定其達到閾值-ip的第2時間τu-。

初始位置檢測電路106針對v-w相端子間、w-u相端子間也進行同樣的測定。其結果，得到

τu+、τu-

τv+、τv-

τw+、τw-

初始位置檢測電路106基于這些測定值，通過運算或參照表推定電機2的轉子的初始位置。關于初始位置的推定，可以利用圖1或專利文獻1～3或者其它文獻中記載的方法，在本發(fā)明中并不特別限定。

另外，初始位置檢測電路106和以下說明的參數自動生成電路110中的電流檢測方法不被特別限定，采用公知技術即可。例如可以在各相的逆變器與out端子之間插入電流檢測用的電阻，基于電阻的電壓降檢測線圈電流?；蛘?，也可以在驅動級104的3個低側開關的低電位側的共同連接端子與接地之間插入電流檢測用的電阻。

在初始位置檢測電路106推定初始位置時，參照至少一個參數s4。例如在參照圖1說明的初始位置推定法中，閾值±ip為參數。參數自動生成電路110在連接了驅動對象電機2的狀態(tài)下，執(zhí)行以下說明的校準程序，自動生成(最優(yōu)化)初始位置檢測電路106要使用的參數。

下面說明校準程序。該校準程序是在電機2停止的狀態(tài)下執(zhí)行的，可以在任意的轉子位置執(zhí)行。參數自動生成電路110一邊使閾值ip按順序變化成ip1、ip2、ip3、…ipi，一邊針對各閾值ipi(i＝1、2、…)測定第1時間τ+、第2時間τ-。(i)第1時間τ+是在驅動級104對電機2的1組端子間施加了第1極性(正)的電壓vp時、至線圈電流的振幅達到閾值ipi的時間。另外，(ii)第2時間τ-是在驅動級104對電機2的1組端子間施加了第2極性(負)的電壓vn時、至線圈電流的振幅達到閾值ipi的時間。然后，針對各閾值ipi計算出第1時間τ+與第2時間τ-的差δτi。將該時間差δτi成為最大的閾值ipi作為初始位置檢測電路106要使用的參數來保存。

優(yōu)選參數自動生成電路110至少切換2次應施加電壓的電機2的1組端子。在三相電機的情況下，作為組合，存在u-v端子間、v-w端子間、w-u端子間這三種，優(yōu)選針對其中的兩種以上的組，一邊改變閾值ipi一邊測定第1時間τ+、第2時間τ-，并計算出其差分δτi。以下假定針對u-v端子間、v-w端子間、w-u端子間全都進行測定。

在上述校準程序中，為對電機2的適當的端子間施加電壓vp、vn，參數自動生成電路110對驅動信號生成電路102供給控制信號s3。

圖3是表示參數自動生成電路110的構成例的功能框圖。參數自動生成電路110包括可變電壓源120、比較器122、計時器124、邏輯電路126。可變電壓源120生成與閾值ipi對應的閾值電壓vthi。vthi是可按vth1～vthn的n階段變化的。

比較器122將表示監(jiān)視對象相的線圈電流的檢測值的電流檢測信號vis與閾值電壓vthi進行比較，若其一致，換言之線圈電流達到閾值ipi，則使其輸出s5有效(例如高電平)。計時器124測定從對線圈施加第1極性的電壓vp(或者第2極性的電壓vn)起，至比較器122的輸出s5被置于有效的第1時間τ+(或者第2時間τ-)。邏輯電路126一邊切換閾值電壓vthi，一邊針對各閾值電壓vthi取得第1時間τ+和第2時間τ-。

需要說明的是，參數自動生成電路110和初始位置檢測電路106的大部分功能都是共通的，故它們可以共用一部分或者全部的硬件。此時能削減電路面積。

以上是驅動電路100的構成。然后說明其動作。圖4是實施方式的校準程序的流程圖。循環(huán)s100是一邊使變量i從1變到n一邊執(zhí)行的。n是常數。首先設置閾值ipi(s102)。然后一邊使變量j從1變到m一邊執(zhí)行循環(huán)s104。變量j表示相，j＝1相當于u相、j＝2相當于v相、j＝3相當于w相。在此說明m＝3的情況，但也可以在僅針對u相和v相進行測定時，使m＝2。另外，在五相電機中，m最大為5。

在循環(huán)s104中，首先在相鄰的j相與j+1相的端子間施加第1電壓vp(s106)。簡單來說，j＝3時的(j+1)＝4相表示u相。然后，監(jiān)視此時流過j相線圈的電流，測定至到達閾值ipi的第1時間τ+(s108)。當電流達到閾值ipi時，去除第1電壓vp，在j相與j+1相端子間施加零電壓。然后待機直至線圈電流變成零(s110)。

接下來對j相與j+1相的端子間施加第2電壓vn(s112)。然后監(jiān)視此時流過j相的線圈的電流，測定至達到閾值-ipi的第2時間τ-(s114)。當電流達到閾值-ipi時，去除第2電壓vn，對j相與j+1相的端子間施加零電壓。然后計算第1時間τ+與第2時間τ-的差分δτij(＝|τ+-τ-|)。接下來針對循環(huán)s104，使變量j增量。在變量j成為m＝3、得到u相、v相、w相所有的差分δτi1、δτi2、δτi3(即δτiu、δτiv、δτiw)后，循環(huán)s104結束。

然后保存δτi1、δτi2、δτi3的最大值，作為與變量i對應的差分δτi。max[]表示取最大值的函數(s118)。接下來針對循環(huán)s100，使變量i增量。當變量i成為n、針對所有的閾值ip的候選得到δτ1、δτ2、…δτn后，循環(huán)s100結束。然后，在δτ1、δτ2、…δτn中的第k個(1≤k≤n)的δτk最大時，與其對應的閾值ipk被作為參數保存(s120)。

圖5是校準程序中的電流波形圖。在使閾值ip變化時，與之相應地第1時間τ+、第2時間τ-也變化。在圖4的流程圖中，判斷第1時間τ+與第2時間τ-的差分δτ變成最大的閾值ip，將其作為初始位置檢測電路106的參數進行保存。

以上是驅動電路100的動作。根據該驅動電路100，能在實際設備中較短時間地取得基于電感傳感方式的初始位置檢測所要使用的參數ip。即，在產品出廠階段，無需進行大量次數的啟動試驗，故能大幅度減少電子設備的設計者的負擔。

另外，由于能在與實際使用相同的環(huán)境下確定參數ip，故初始位置檢測電路106能不受電機2的偏差等影響地檢測電機2的轉子位置。由此，與以往相比能縮短電機2的啟動時間。

參數自動生成電路110能在任意時刻進行動作。由此，即使電機2因長時間變化而發(fā)生了特性的變化，也能取得最佳參數。例如參數自動生成電路110可以在每次接通驅動電路100的電源時執(zhí)行校準程序。

或者，也可以在每次從上位的處理器(微機)收到指示時執(zhí)行校準程序。此時，將參數s4發(fā)送給處理器，在處理器側進行管理、保存即可?；蛘?，驅動電路100還可以監(jiān)視溫度，在每次溫度滿足預定的條件時執(zhí)行校準程序。

如圖5所示，當閾值ip確定后，與之相應地、至線圈電流返回零的時間也能夠予測。如圖1所示，在由初始位置檢測電路106進行初始位置檢測時，需要在施加正的臺階電壓vp后進行待機，直至線圈電流iu變成零后，才施加負的臺階電壓vn。以往，需要確保一定余量地使該待機時間足夠長，啟動時間變得很長。與此不同，在本實施方式中，能將與所保存的閾值ipk相應的待機時間作為參數提供給初始位置檢測電路106。由此，不需要以往的余量，能縮短初始位置檢測電路106進行初始位置檢測的時間。

需要說明的是，在圖4的流程圖中，各處理的順序可以適當重排或修正。

也可以在測定第2時間τ-后再測定第1時間τ+。

計算第1時間τ+與第2時間τ-的差分的處理也可以在針對所有的i、j的測定結束后再一齊執(zhí)行。

也可以省略步驟s118，取而代之在步驟s120中判定δτ11、δτ12、δτ13、δτ21、δτ22、δτ23、…δτn1、δτn2、δτn3中的取最大值的δτkj，保存閾值ipk。

另外，變量i的循環(huán)s100與變量j的循環(huán)s104也可以調換。即，也可以針對u相執(zhí)行使閾值變化的循環(huán)，針對v相執(zhí)行使閾值變化的循環(huán)，針對w相執(zhí)行使閾值變化的循環(huán)。

另外，在圖4中是使閾值ip從最小值ip1向最大值ipn變化的，但也可以反過來使其從最大值ipn向最小值ip1變化。此時，只要使循環(huán)s100的變量i的初始值為n、針對每個循環(huán)使變量i減量(i--)即可。

或者，流程圖也可以如下這樣修改。圖6是變形例的校準程序的流程圖。首先，變量i被初始化為1。步驟s102～s118是與圖4同樣的。在步驟s118中取得差分δτi后，其值被與預定的閾值時間τth相比較(s202)。然后當δτi＞τth時(s202的y)，將此時的閾值ipi作為參數保存(s204)。在δτi＜τth時(s202的n)，使變量i增量(s206)，返回步驟s102。

在圖6的流程圖中，不再為尋找差分δτi的最大值而反復進行循環(huán)s100，能設定其大到一定程度的閾值時間τth，在得到超過它的差分δτi的時點結束循環(huán)，并將此時的閾值ipi作為參數とする。由此，能進一步縮短參數的自動生成所需要的時間。

另外，在圖6的流程圖中被保存為參數的閾值ipi盡可能地變小，故能比圖4的流程圖中得到的閾值ipk小。此時，能在初始位置檢測電路106進行初始位置檢測時降低流過電機2的電流，能降低耗電。這在驅動電路100和電機2被安裝于電池驅動的電子設備的情況下是非常有利的特征。

最后說明驅動電路100的用途。驅動電路100能與電機2一起安裝在各種各樣的電子設備500中。圖7的(a)、(b)是表示電子設備500的例子的圖。圖7的(a)的電子設備500是光盤或hdd(硬盤驅動器)等存儲裝置500a。存儲裝置500a具有光盤或磁盤等存儲介質502、使存儲介質502旋轉的主軸電機504、以及驅動主軸電機504的驅動電路100。除此以外，存儲裝置500a還能包含拾取器、透鏡、驅動拾取器和透鏡等的促動器等。

圖7的(b)的電子設備500是計算機等電子計算機500b。電子計算機500b具有cpu(centralprocessingunit：中央處理單元)和gpu(graphicsprocessingunit：圖形處理單元)等處理器510、被安裝于處理器510的散熱器512、與散熱器512相對而設的風扇電機514、以及驅動風扇電機514的驅動電路100。

除此以外，驅動電路100還能使用于安裝帶永久磁體的無刷dc電機的各種各樣的電子設備，例如oa設備、工業(yè)設備。

以上基于實施方式說明了本發(fā)明。本領域技術人員應理解該實施方式只是例示，其各構成要素和各處理過程的組合可以有各種各樣的變形例，并且這樣的變形例也包含在本發(fā)明的范圍內。以下說明這樣的變形例。

(第1變形例)

在實施方式中主要說明了三相電機，但本發(fā)明中相數并不特別限定。

(第2變形例)

驅動電路100可以包含非易失性地保存所生成的參數s4的非易失性存儲器。

(第3變形例)

在圖3的參數自動生成電路110中，也可以設置用于使電流檢測信號vis變換成數字值的a/d轉換器，通過數字信號處理進行與圖3的參數自動生成電路110等價的處理。

(第4變形例)

在實施方式中說明了u、v、w相使用共通的參數(閾值ip)的情況，但也可以針對u、v、w相分別確定不同的閾值ipu、ipv、ipw。即，可以針對u-v端子間、v-w端子間、w-u端子間分別檢測使差分時間δτ(＝τ+-τ-)成為最大的閾值ipu、ipv、ipw。

基于實施方式，采用具體的用語說明了本發(fā)明，但實施方式只是表示本發(fā)明的原理、應用，在不脫離權利要求書規(guī)定的本發(fā)明思想的范圍內，實施方式可以有多種變形例或配置的變更。

【附圖標記說明】