專利名稱：用于驅(qū)動無刷電機(jī)的電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于無刷電動機(jī)的電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，尤其涉及適用于磁帶錄象機(jī)(VTR)的主軸電機(jī)、磁盤存儲裝置、以及用于驅(qū)動多角鏡的主軸電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的改進(jìn)。
圖5表示用于直接驅(qū)動VTR主導(dǎo)軸的無刷電機(jī)的側(cè)截面圖。
圖6表示圖5所示的無刷電機(jī)的定子平面圖。
轉(zhuǎn)子30被固定在主導(dǎo)軸40上，主導(dǎo)軸被軸承100和軸套90保持旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子30具有面向定子20的驅(qū)動磁體50。驅(qū)動磁體50具有以正弦波形式磁化的8個磁極。圍繞驅(qū)動磁體50設(shè)有具有360個磁極的FG(頻率發(fā)生器)磁體60。
定子20包括定子底板70和6個空心的定子線圈80。定子底板70用軟磁鋼板制成，其上是有絕緣層和電子電路。電子電路借助于在絕緣層上蝕刻銅層制成。6個空心的定子線圈80圍繞軸40的中心分別相距60度設(shè)置，并被固定在定子底板70上。定子線圈80面向驅(qū)動磁體50。在軸套90兩側(cè)彼此相對的每兩個定子線圈80被串連繞制，并在整體上呈星形連接的三相定子線圈。霍爾元件HGU和HGV設(shè)置在定子線圈80的中心，它們彼此相隔120度、如圖6所示。響應(yīng)驅(qū)動磁體50旋轉(zhuǎn)時的磁通，霍爾元件HGV、HGU分別輸出霍爾電壓信號U、V。
磁阻(MR)元件的磁傳感器(未示出)被設(shè)置在定子20上，并面對FG(頻率發(fā)生器)磁體60的外沿，其間間隙為0.1mm。FG磁體60被提供在轉(zhuǎn)子30上。磁傳感器每轉(zhuǎn)輸出360H2的FG信號。FG信號被用作無刷電機(jī)的速度控制信號，并被加到集成電路(IC)140中的驅(qū)動電路上，用來向定子線圈80供應(yīng)驅(qū)動電流。
霍爾信號U和V被加到一起，然后被反相，從而形成合成信號W。
霍爾信號U(V)的波形取決于驅(qū)動磁體50的磁化波形。當(dāng)驅(qū)動磁體50按正弦波磁化時，霍爾信號U(V)的波形呈正弦形?；魻栃盘朥、V和合成信號W形成三相位置信號，并彼此相差120度電角度。這些三相位置信號被送到驅(qū)動電路。受FG信號控制的驅(qū)動電流按三相信號U、V和W被轉(zhuǎn)換。驅(qū)動電路把轉(zhuǎn)換的驅(qū)動電流供給各個定子線圖80。借助于供給定子線圈80的轉(zhuǎn)換的驅(qū)動電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，并使轉(zhuǎn)子30旋轉(zhuǎn)。
通過把霍爾信號U、V相加并進(jìn)行反相所得的合成信號W要求具有和霍爾信號U(V)相同的波形，并相對于霍爾信號U、V各自的相位具有小的相位誤差。當(dāng)正弦波的霍爾信號U、V的相位差為120度時，可以使合成信號W為正弦波并和零爾信號U、V分別具有120度的相位差，如
圖1所示。
一般地說，霍爾信號U、V的幅值彼此不同，這是因?yàn)榛魻栐哂徐`敏度的變化。由于幅值不同，合成信號W的相位便相對于霍爾信號U、V發(fā)生位移，如圖2所示。合成信號W的這一相移使得供給定子線圈80的驅(qū)動電流的轉(zhuǎn)換定時發(fā)生變化，并增加旋轉(zhuǎn)的不規(guī)則性。當(dāng)霍爾信號U、V是梯形波以便由無刷電機(jī)產(chǎn)生大的轉(zhuǎn)矩時，合成信號W的波形便成為三角形的。這三角形的合成信號W可用非線性電路校正成校正的梯形合成信號W’。但是，當(dāng)霍爾信號U、V的幅值之間不同時，校正的合成信號W’的波形將和霍爾信號U、V的不同，并引起相移，如圖3所示。因此，霍爾信號U、V幅值之間的差越大，旋轉(zhuǎn)的不規(guī)則性也越大，如圖4所示。
因而，本發(fā)明的一般目的在于提供一種具有大轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動平穩(wěn)、制造成本低的無刷電機(jī)。
本發(fā)明的另一個目的在于，提供一種無刷電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，無刷電機(jī)包括驅(qū)動磁體、軸套、裝在軸套中的軸承、由軸承支撐的轉(zhuǎn)軸、其上具有驅(qū)動磁體并被固定在軸上的轉(zhuǎn)子、提供在轉(zhuǎn)子上的FG(頻率發(fā)生器)磁體、定子底板、提供在定子底板上的面向驅(qū)動磁體的三相定子線圈、暴露于相應(yīng)于驅(qū)動磁體的轉(zhuǎn)角的磁通的并輸出彼此相差120電角度的第一和第二霍爾信號的兩個霍爾元件，用于合成第一第二零爾信號并輸出和第一和第二零爾信號相差120電角度的合成信號的信號合成裝置、用于響應(yīng)第一和第二霍爾信號并向定子線圈提供驅(qū)動電流和合成信號的驅(qū)動電路、用于檢測并輸出第一和第二霍爾信號之間的差的幅值檢測裝置以及用于消除所述差的幅值控制裝置。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種上述的無刷電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，其中還包括幅值控制裝置，其特征在于包括兩個差分放大器，用于使第一和第二霍爾信號之間的幅值之差最小，一個差分放大器通過調(diào)節(jié)來自反饋放大器的源電流進(jìn)行控制，并且被其源電流控制的差分放大器的增益被設(shè)定為比另一個差分放大器的增益小5％以上。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種無刷電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，無刷電機(jī)包括驅(qū)動磁體，軸套，設(shè)置在軸套中的軸承，被軸承支撐著的轉(zhuǎn)軸，被安裝在軸上并具有驅(qū)動磁體的轉(zhuǎn)子，被提供在轉(zhuǎn)子上的FG磁體，定子底板，被提供在定子底板上并面向驅(qū)動磁體的三相定子線圈，兩個霍爾元件，被暴露在相應(yīng)于驅(qū)動磁體的轉(zhuǎn)角的磁場中并輸出彼此相差120度相位的第一和第二霍爾信號，用來放大第一霍爾信號并輸出放大的第一霍爾信號的第一放大器，用于放大第二霍爾信號并輸出放大的第二霍爾信號的第二放大器，用于檢測放大的第一和第二霍爾信號之間的差并輸出其絕對值的絕對值裝置，用于把絕對值轉(zhuǎn)換為梯形波的比較器，用于把梯形波轉(zhuǎn)換成直流電流的電壓/電流轉(zhuǎn)換器，反饋放大器，用于把直流電流轉(zhuǎn)換成反饋電流并輸出作為第一放大器的源電流的反饋電流的反饋放大器，被供給源電流以便輸出幅值被控制的第一霍爾信號的第一放大器，加法器，用于加幅值被控制的第一零爾信號和放大的第二霍爾信號，以便產(chǎn)生相加的信號然后進(jìn)行反相并輸出合成信號，非線性裝置，用于重新形成合成信號，從而使其具有幅值被控制的第一霍爾信號和放大的第二霍爾信號的波形，并輸出重新形成的合成信號，限幅器，用于控制重新形成的信號的幅值并輸出合成信號，驅(qū)動電路，用于轉(zhuǎn)換被提供的幅值被控制的第一霍爾信號、放大的第二霍爾信號和合成信號并把轉(zhuǎn)換的信號分別供給定子線圈。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種無刷電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，所述無刷電機(jī)包括驅(qū)動磁體，轉(zhuǎn)軸，向驅(qū)動磁體的三相定子線圈，兩個霍爾元件，被供給相應(yīng)于轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角的磁通并輸出彼此相差120度相位的第一和第二霍爾信號，用來產(chǎn)生和第一和第二霍爾信號相差120度相位的合成信號的信號合成裝置，用于向定子線圈提供驅(qū)動電流的驅(qū)動電路，具有加法器和非線性裝置的信號合成裝置，驅(qū)動磁體，按照一種波形被磁化，所述波形中含有基波分量、和基波分量同相的三次諧波分量以及和基波分量同相的五次諧波分量，三次和五次諧波分量之間的差小于16％，驅(qū)動電路，用于產(chǎn)生第一和第二霍爾信號之間的第一差值信號，第二霍爾信號和合成信號之間的第二差值信號以及合成信號和第一霍爾信號之間的第三差值，并控制通過第一和第二和第三差值信號控制的供給定子線圈的驅(qū)動電流，并且兩個霍爾元件按等于或小于60度的角距設(shè)置，或兩個霍爾零件是GaA霍爾元件。
圖1是第一和第二霍爾信號和合成信號的理想的波形；圖2是第一和第二霍爾信號和合成信號的實(shí)際波形；圖3是幅值不同的第一第二霍爾信號和合成信號的波形；圖4是電機(jī)轉(zhuǎn)動的不平穩(wěn)性與霍爾信號U對霍爾信號V的幅值比之間的關(guān)系；圖5是用于直接驅(qū)動磁帶錄象機(jī)的主導(dǎo)軸的無刷電機(jī)的截面圖；圖6是圖5所示的無刷電機(jī)的定子的平面圖；圖7是本發(fā)明第一實(shí)施例的無刷電機(jī)的電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的方塊圖；圖8(A)是被互相均衡的霍爾信號的絕對值；圖8(B)是未被均衡的霍爾信號的絕對值；圖9(A)是從比較器輸出的占空比為50％的梯形波的波形；圖9(B)是從比較器輸出的其占空比不等于50％的梯形波的波形；圖10是經(jīng)電容器濾波的波形；圖11(A)和11(B)是本發(fā)明第一實(shí)施例的無刷電機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)的電路圖；圖12是霍爾信號和合成信號的波形；圖13是霍爾信號和合成信號的波形；圖14是無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和驅(qū)動磁體的磁化波形的三次諧波之間的關(guān)系；圖15(a)是梯形波的霍爾信號；圖15(b)是梯形波的另一個霍爾信號；圖15(c)是三角波的合成信號；圖15(d)是梯形波的合成信號；圖15(e)是畸變的三角波的合成信號；圖15(f)是圖15(e)所示的畸變的三角波的合成結(jié)果；圖15(g)是比圖15(e)所示的三角波更畸變的合成信號；圖15(h)是圖15(g)的更加畸變的三角波的合成結(jié)果；圖15(i)是在驅(qū)動磁體50的磁化波形中除含有8％以上的三次諧波之外還含有某程度的五次諧波的三角波的合成信號；圖15(j)是由圖15(l)的合成信號得到的合成信號；圖15(k)是由被控制的放大的霍爾信號和放大的霍爾信號之間的差提供的信號；圖15(l)是由放大的霍爾信號和合成信號之間的差提供的信號；圖15(m)是由合成信號和被控制的放大的霍爾信號之間的差提供的信號；圖16是旋轉(zhuǎn)的不平穩(wěn)性與驅(qū)動磁體的磁化波形的三次諧波之間的關(guān)系；圖17是電機(jī)旋轉(zhuǎn)的不平穩(wěn)性與霍爾元件空間角度之間的關(guān)系；圖18是本發(fā)明的第一實(shí)施例的無刷電機(jī)的定子的平面圖；圖19(A)和19(B)是本發(fā)明的第一實(shí)施例的無刷電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的另一種電路；圖20是作為源電流函數(shù)的源電流中的脈動分量對直流分量之比；圖21表示作為以百分比表示的兩個霍爾信號之間的差的函數(shù)的電機(jī)旋轉(zhuǎn)的不平穩(wěn)性，其中一個是在本發(fā)明的第一實(shí)施例中幅值被控制的；以及圖22表示作為以百分比表示的兩個霍爾信號之間的差的函數(shù)的電機(jī)旋轉(zhuǎn)的不平穩(wěn)性，其中一個是在本發(fā)明第二實(shí)施例中其幅值被控制的。
下面參照附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，其中用相同的標(biāo)號表示和上述的現(xiàn)有技術(shù)中相同的元件，并為簡化起見省略對這些元件的詳細(xì)說明。
本發(fā)明的無刷電機(jī)的物理結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有技術(shù)中的類似，并參照圖5和圖6進(jìn)行說明。
圖5表示用于直接驅(qū)動磁帶錄象機(jī)的主導(dǎo)軸的無刷電機(jī)的截面圖。
圖6表示圖5所示的無刷電機(jī)的定子的平面圖。
本發(fā)明的無刷電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)200具有驅(qū)動磁體50，它以預(yù)定強(qiáng)度的基波、三次諧波和五次諧波被磁化，具有多個例如8個磁極。驅(qū)動磁體50被提供在轉(zhuǎn)子30的表面上。定子20具有定子底板70和6個空心的定子線圈80。定子底板70用軟磁鋼片制成，其上具有絕緣層和電子電路。電子電路通過刻蝕絕緣層上的銅層形成。6個空心的定子線圈80圍繞軸40的中心彼此間隔60度被固定在定子底板70上。定子線圈80面向驅(qū)動磁體50。彼此在軸40的兩側(cè)相對的一對定子線圈80串聯(lián)繞制，并構(gòu)成星形聯(lián)接的三相定子線圈。每兩個定子線圈80彼此相隔120度，在其中心分別具有霍爾元件HGU和HGV?；魻栐﨟GU、HGV分別輸出霍爾電壓信號U1和V1，它們相應(yīng)于驅(qū)動磁體50的磁通，其間具有120度的相位差。
在定子20上提供有磁阻(MR)式磁傳感器(未示出)，它們面向FG(頻率發(fā)生器)磁體的外邊沿，之間相距0.1mm。FG磁體60被提供在轉(zhuǎn)子30上。磁傳感器輸出每轉(zhuǎn)為360Hz的FG信號。FG信號被用作控制無刷電機(jī)200的轉(zhuǎn)速的控制信號，并被送到集成電路IC140中的定子驅(qū)動電路10用以控制電機(jī)驅(qū)動電流。圖7是本發(fā)明的第一實(shí)施例的無刷電機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)方塊圖。
圖8(A)表示被彼此均衡的霍爾信號的絕對值。
圖8(B)表示未被均衡的霍爾信號的絕對值。
圖9(A)表示從比較器輸出的占空比為50％的梯形波的波形。
圖9(B)表示從比較器輸出的占空比不等于50％的梯形波的波形。
圖10表示經(jīng)電容器濾波后的波形。
圖11(A)和11(B)表示本發(fā)明第一實(shí)施例的無刷電機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)的電路圖。
圖12表示霍爾信號和合成信號的波形。
圖13表示霍爾信號和合成信號的波形。
圖14表示無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和驅(qū)動磁體的磁化波形的三次諧波之間的關(guān)系。
圖15(a)表示梯形波的霍爾信號。
圖15(b)表示梯形波的另一個霍爾信號；圖15(c)表示三角波的合成信號；圖15(d)表示梯形波的合成信號；圖15(e)表示畸變的三角波的合成信號；圖15(f)表示圖15(e)所示的畸變的三角波的合成結(jié)果；圖15(g)表示比圖15(e)所示的更加畸變的三角波的合成信號；圖15(h)表示圖15(g)所示的更加畸變的三角波的合成結(jié)果；圖15(i)表示三角波的合成信號，三角波中除去含有驅(qū)動磁體50的磁化波形中的8％以上的三次諧波之外，還含有某種程度的五次諧波。
圖15(j)表示從圖15(i)的合成信號得到的合成信號；圖15(k)表示由被控制的放大的霍爾信號和放大的霍爾信號之間的差提供的信號；圖15(l)表示由放大的霍爾信號和合成信號之間的差提供的信號；
圖15(m)表示由合成信號和被控制的放大的霍爾信號之間的差提供的信號；圖16表示轉(zhuǎn)動的不平穩(wěn)性與驅(qū)動磁體的磁化波形的三次諧波之間的關(guān)系；圖17表示電機(jī)轉(zhuǎn)動的不平穩(wěn)性和霍爾元件間距角之間的關(guān)系；圖18表示本發(fā)明第一實(shí)施例的無刷電機(jī)的定子平面圖；圖19(A)和圖19(B)表示本發(fā)明第一實(shí)施例的無刷電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的另一個電子電路；如圖7所示，幅值控制裝置14包括第一放大器1、第二放大器2、電壓/電流變換器5和反饋放大器6，此外，幅值檢測裝置16包括絕對值裝置3和比較器4。第一放大器1和第二放大器2分別放大霍爾信號U1、V1。然后，放大的霍爾信號U2、V2被輸出到絕對值裝置3。絕對值裝置3分別輸出霍爾信號的絕對值信號Uabs、Vabs。圖8(A)表示霍爾信號的絕對值Uabs、Vabs彼此相等的情況。比較器4在每個電角度比較霍爾信號Uabs、Vabs，并作為梯形波信號Vcmp輸出其結(jié)果，如圖9(A)、9(B)所示。當(dāng)霍爾信號的絕對值Uabs、Vabs如圖8(A)所示互相相等時，梯形波信號Vcmp的占空比為50％，如圖9(A)所示。在另一方面，當(dāng)霍爾信號的絕對值Uabs、Vabs如圖8(B)所示彼此不相等時，梯形波信號Vcmp的占空比不等于50％，如圖9(B)所示。電壓/電流變換器5把梯形波信號Vcmp變成電流，然后電容器C把該電流濾波成為具有波動的直流電流，如圖10所示。直流電流被輸入到反饋放大器6。反饋放大器6把直流電流轉(zhuǎn)換成直流電壓，并比較該直流電壓和預(yù)定電壓Vstd。反饋放大器6通過改變第一放大器1的源電流控制第一放大器1的電壓增益，從而均衡放大的霍爾信號U2和放大的霍爾信號V2。換句話說，梯形波信號Vcmp的占空比被控制為50％。結(jié)果，如圖13所示，第一放大器1通常輸出和放大的霍爾信號V2相等的幅值被控制的霍爾信號U3。
如圖7所示，信號合成裝置12包括加法器7、非線性裝置8和限幅器9。加法器7加幅值被控制的霍爾信號U3和放大的霍爾信號V2，然后把相加的信號反相，并作為合成信號W1輸出加厚的并反相的信號。合成信號W1通過非線性裝置8和限幅器9的操作被修正為合成信號W3。從第一放大器1、第二放大器2和限幅器9分別輸出被控制的放大的霍爾信號U3、放大的霍爾信號V2和合成信號W3，并被送到驅(qū)動電路10，用以驅(qū)動三相無刷電機(jī)。
圖11(A)和11(B)表示本發(fā)明第一實(shí)施例的無刷電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的電路圖。
在圖11(A)和11(B)中，霍爾元件HGU、HGV彼此并聯(lián)，分別通過電阻R1、R2供給偏流，霍爾元件HGU、HGV的輸出端分別和構(gòu)成差分放大器的晶體管Q1、Q2、Q3、Q4的基極相連。
晶體管Q1和Q2、電阻R1、R3、R4、R7、R8和R11構(gòu)成第一放大器1。晶體管Q3和Q4、電阻R1、R5、R6、R9、R10和R11和電流源11構(gòu)成第二放大器2。其中電阻R1和R11在第一和第二放大器1、2之間共用。放大的霍爾信號U2、V2從各對晶體管Q1-Q2、Q3-Q4輸出。
放大的霍爾信號U2、V2被供給晶體管Q47、Q48、Q57和Q58的基極，用于檢測放大的霍爾信號U2、V2之間的幅值差。晶體管Q47到Q62、電阻R30到R39、電流源I11、I12、二極管D6、D7、以及電壓源E1、E2構(gòu)成絕對值裝置3。晶體管Q54和Q60從其集電極分別輸出霍爾信號的絕對值Uabs、Vabs?；魻栃盘柕慕^對值Uabs、Vabs被送到作為比較器4的輸入端的晶體管Q65、Q66的基極。
晶體管Q63到Q66和電流源I13構(gòu)成比較器4。比較器4從晶體管Q64的集電極向晶體管Q67的基極輸出梯形波信號Vcmp。
晶體管Q67、Q68、電流源I15、電阻R40和電容器C構(gòu)成電壓/電流變換器5，它把方形波信號Vcmp變?yōu)殡娏鳌ｋ娙萜鰿把該電流濾波成為具有一定脈動的直流電流。該直流電流從二極管D8的陰極輸出到晶體管Q69的基極。
晶體管Q69到Q78、電阻R41、R42，電壓源E3和電流源I16、I17構(gòu)成反饋放大器6。反饋放大器6把直流電流轉(zhuǎn)換為直流電壓，并比較直流電壓和由電壓源E3提供的預(yù)定電壓Vstd，并從晶體管Q78的集電極輸出其間的差值作為反饋電流。該反饋電流被送到第一放大器1作為其源電流。作為第一放大器1的輸出的放大的霍爾信號U2通過改變反饋電流被變?yōu)榈扔诜糯蟮幕魻栃盘朧2。這樣，放大的霍爾信號U2被變?yōu)榉当豢刂频幕魻栃盘朥3。
隔值被控制的霍爾信號U3和放大的零爾信號V2被送到差分放大器的晶體管Q5到Q8的基極。晶體管Q5到Q14、電阻R12到R17、電流源I2、I3和二極管D1構(gòu)成加法器7。
加法器7加幅值被控制的霍爾信號U3和放大的霍爾信號V2，然后把加得的信號反相并作為合成信號W1輸出相加的并反相的信號。合成信號W1作為電流信號在晶體管Q12、Q14的集電極之間產(chǎn)生。合成信號W1被送到具有偏流I4、I5的二極管D2、D3，并被轉(zhuǎn)換為電壓信號。然后，把在二極管D2、D3的陽極之間產(chǎn)生的合成信號W1送到晶體管Q15、Q18的基極。
如圖12所示，幅值被控制的霍爾信號U3和放大的霍爾信號V2近似于梯形，相比之下合成信號W1呈畸變的三角形。不過，如圖13所示，合成信號W1通過非線性裝置8被重新形成梯形的合成信號W3。
晶體管Q15到Q18、電阻R18、R19和R22以及電流源I6構(gòu)成非線性裝置8。非線性裝置8重新形成合成信號W1，并在晶體管Q16、Q17的集電極產(chǎn)生合成信號W1的重新形成的信號，并把重新形成的信號供給晶體管Q19、Q20的基極。
晶體管Q19、Q20、電阻R20、R21和電流源I7構(gòu)成限幅器9。它限制重新形成的信號的幅值，并把晶體管Q19、Q20的集電極上的重新形成信號的限幅信號作為合成信號W3輸出。合成信號W3、幅值被控制的霍爾信號U3和放大的霍爾信號V2作為三相位置信號被送給各對晶體管Q21-Q22、Q23-Q24和Q25-Q26。
晶體管Q21到Q26、電阻R23到R29和R43、以及電流源I8構(gòu)成驅(qū)動電路10。驅(qū)動電路10放大作為驅(qū)動電流的供給晶體管Q42的基極的電機(jī)速度控制信號到預(yù)定的值，并利用合成信號W3、幅值被控制的霍爾信號U3和放大的霍爾信號V2接通驅(qū)動電流。然后，驅(qū)動電路10把接通的驅(qū)動電流供給各個定子線圈80，如圖11(B)的電感L1到L3所示。
現(xiàn)在一般要求設(shè)備的體積小而效率高，作為這種設(shè)備的無刷電機(jī)就要求減小其驅(qū)動電流而增加其轉(zhuǎn)矩。為此，驅(qū)動磁體50的磁化波形被從正弦形修改為梯形，這具有增加由驅(qū)動磁體50產(chǎn)生的磁通總量的效果。
在轉(zhuǎn)子30上的驅(qū)動磁體50被磁化成含有基波、三次諧波和五次諧波的波形。使在三次諧波和五次諧波之間的諧波含量的差值小于16％。
當(dāng)三次諧波的含量增加時，波形面積即波的驅(qū)動能量也增加，直到三次諧波小于基波的66％。如圖14所示，無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨三次諧波含量比率的增加而增加。因而，當(dāng)在驅(qū)動磁體50中的三次諧波含量增加10％時，基波含量大約增加10％，這使得無刷電機(jī)200的轉(zhuǎn)矩增加10％?；魻栐﨟GU、HGV也受在轉(zhuǎn)子30上的含三次諧波的驅(qū)動磁體50的磁通的影響。結(jié)果，霍爾信號U1、V1含有三次諧波。合成信號W1是通過使幅值被控制的霍爾信號U3和放大的霍爾信號V2相加并反相而形成的。合成信號W1含有和幅值被控制的霍爾信號U3以及放大的霍爾信號V2的畸變不同的畸變。隨著三次諧波含量的增加，合成信號W1的畸變也增加，當(dāng)三次諧波為某一數(shù)量時，合成信號W1在其過零點(diǎn)附近的坡度變得非常緩和，如圖15(e)所示。非線性裝置8不能完全補(bǔ)償這一問題，因而導(dǎo)致合成信號W3仍含有大的畸變被輸出，如圖15(f)所示。這樣，三相驅(qū)動電流便互不相同，因而使無刷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性變差。特別是當(dāng)三次諧波的含量大于16％時，合成信號W1在其過零點(diǎn)處的坡度被反向，如圖15(g)所示。這時，合成信號W3向壞的方向畸變，如圖15(h)所示，并產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩。
圖16表示驅(qū)動磁體50的磁化波形中三次諧波含量和無刷電機(jī)轉(zhuǎn)動的不規(guī)則性之間的關(guān)系。隨著三次諧波含量的增加，轉(zhuǎn)動的不平穩(wěn)性也增加。當(dāng)三次諧波含量超過8％時，轉(zhuǎn)動的不平穩(wěn)性超過0.3％，這是不能接受的。
已經(jīng)證明，當(dāng)把某個數(shù)量的5次諧波加于具有大于8％的三次諧波的驅(qū)動磁體50的磁化波形中時，合成信號W1在其過零點(diǎn)處的坡度不會反向，如圖15(i)所示。此時，合成信號W3被重新形成，如圖15(j)。結(jié)果，無刷電機(jī)具有小的轉(zhuǎn)動不平穩(wěn)性。
還已經(jīng)證明，當(dāng)三次諧波的含量和五次諧波的含量之間的差小于16％時，即使三次諧波的含量超過16％，合成信號W1在其過零點(diǎn)處的坡度也不會反向。此時便不產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩。己經(jīng)證明當(dāng)三次諧波和五次諧波之間的含量差小于12％時無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)動的不平穩(wěn)性小。
當(dāng)驅(qū)動磁體50的使霍爾元件HGU、HGV產(chǎn)生第一和第二霍爾信號U1和V1的部分被磁化的波形中含有上述各個含量的基波、三次諧波和五次諧波時，無刷電機(jī)200具有小的轉(zhuǎn)動不平衡性，并且驅(qū)動磁體50的不產(chǎn)生霍爾信號U1和V1的其它部分不必精確地磁化。
在上面的討論中，驅(qū)動磁體50的“被磁化的波形以及其諧波含量被這樣確定，使得由霍爾元件HGU和HGV產(chǎn)生的信號可以用表示功率頻譜的頻譜分析儀觀察。
如上所述，通過把幅值被控制的霍爾信號U3和放大的霍爾信號V2相加并在加法器7中把相加的信號反相來提供合成信號W1。當(dāng)驅(qū)動磁體50以梯形波磁化時，幅值被控制的霍爾信號U3和放大的霍爾信號V2是梯形波。它們分別如圖15(a)和15(b)所示。合成信號W1接近三角波，如圖15(c)所示。
非線性裝置8具有這樣的電子特性在小的輸入信號下有大的增益，在大的輸入信號下有小的增益，從而把三角波輸入信號轉(zhuǎn)換成梯形波輸出信號。這樣，三角波的合成信號W1由非線性裝置8轉(zhuǎn)換成梯形波的合成信號W3，如圖15(d)所示。
實(shí)際上，輸入到非線性裝置8的合成信號W1被增加到3/4次冪，利用差分放大器的對數(shù)特性地增大的三角波信號轉(zhuǎn)換成梯形波信號。已經(jīng)證明，較好的放大范圍為1/2到1/1次冪，1/2到5/6次冪更好。
即使驅(qū)動磁體50被仔細(xì)地制造，減少其表面偏差也是困難的。因?yàn)橛斜砻嫫?，霍爾元件HGU、HGV的輸出在轉(zhuǎn)子30的每轉(zhuǎn)被進(jìn)行幅值調(diào)制(AM)，這是因?yàn)樗鼈儽┞对谟蛇@種驅(qū)動磁體50產(chǎn)生的磁通中。結(jié)果，當(dāng)霍爾元件HGU、HGV的位置有偏差時，輻射給各霍爾元件HGU、HGV的磁通幅值互相相差較大，因而其各自的輸出互不相同。這樣各個合成信號W1和合成信號W3的波形便發(fā)生畸變，因而引起轉(zhuǎn)子30旋轉(zhuǎn)的不平穩(wěn)性。
在本實(shí)施例中，己經(jīng)證明當(dāng)霍爾元件HGU、HGV之間相對于軸40的中心的角距離小于60度時，轉(zhuǎn)動的不平穩(wěn)度小于0.25％，當(dāng)張開的角度小于45度時，則轉(zhuǎn)動不平穩(wěn)度小于0.15％。圖17表示霍爾元件HGU、HGV的角距離和轉(zhuǎn)動不平穩(wěn)度之間的關(guān)系。圖18表示霍爾元件HGU、HGV在定子底極70上的布置，它們相對于軸40的中心的角距離為30度，其中霍爾元件HGU、HGV輸出其間具有120度電角差的霍爾信號U1、V1。
霍爾元件HGU(HGV)的輸出電壓隨環(huán)境溫度的變化而變化。當(dāng)霍爾元件HGU(HGV)的輸出電壓變化時，非線性裝置8的輸出波形也改變，這引起轉(zhuǎn)動的不平穩(wěn)度增加。因此，規(guī)定在預(yù)定的溫度范圍內(nèi)使霍爾元件HGU(HGV)工作。
為解決這一問題，非線性裝置8必須具有熱補(bǔ)償特性，這要求非線性裝置8具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。引入具有小的熱系數(shù)的GaAs霍爾元件可以減少霍爾信號的熱偏差，減化非線性裝置的結(jié)構(gòu)，減小非線性裝置輸出的畸變，減少轉(zhuǎn)速的熱漂移，因而擴(kuò)大無刷電機(jī)的可用溫度范圍。
在本實(shí)施例中，這樣改善轉(zhuǎn)動的不平穩(wěn)度檢測霍爾信號U1、V1之間的差，響應(yīng)所述的差調(diào)節(jié)霍爾信號U1、V1的幅值，使幅值被控制的霍爾信號U3和放大的霍爾信號V2相加并反相，從而獲得控制電機(jī)驅(qū)動的最佳的合成信號W3。
圖19(B)所示的驅(qū)動電路10檢測幅值被控制的霍爾信號U3和放大的霍爾信號V2之間的幅值差X，檢測放大的霍爾信號V2和合成信號W3之間的幅值差Y，檢測幅值被控制的霍爾信號U2和合成信號W3之間的幅值差Z，這些差值X、Y和Z作為開關(guān)信號控制供給定子線圈80的驅(qū)動電流。
在另一方面，當(dāng)梯形波的幅值被控制的霍爾信號U3、放大的霍爾信號V2和合成信號W3作為驅(qū)動信號分別送到定子線圈80時，在開關(guān)區(qū)域內(nèi)非常陡的梯形波容易產(chǎn)生其開關(guān)區(qū)域的相位誤差，這會引起流入定子線圈80的驅(qū)動電流轉(zhuǎn)換的不一致性。這種不一致性增加振動和無刷電機(jī)200的電磁噪聲。
幅值被控制的霍爾信號U3和放大的霍爾信號V2之間的幅值差X、放大的霍爾信號V2和合成信號W3之間的差Y和合成信號W3與幅值被控制的霍爾信號U3之間的差Z接近正弦波，分別如圖15(k)、15(l)和15(m)所示，這是因?yàn)樵诓钪档臋z測時在每個信號中含的三次諧波被消除了。
當(dāng)差值X、Y和Z的信號被用于轉(zhuǎn)換供給定子線圈80的驅(qū)動電流時，因?yàn)樵谄涓髯缘拈_關(guān)區(qū)域中驅(qū)動電流的梯度變小，所以可以減少噪聲、振動以及無刷電機(jī)的電磁噪聲。此外，驅(qū)動磁體50向定子線圈80幅射梯形波的磁通，這使無刷電機(jī)產(chǎn)生大的轉(zhuǎn)矩。圖10表示被電容器濾波后的波形。
圖20表示作為源電流函數(shù)的在源電流中的脈動分量對直流分量的比。
圖21表示電機(jī)轉(zhuǎn)動的不平穩(wěn)度，它是以百分?jǐn)?shù)表示的兩個霍爾信號之差的函數(shù)，其中的一個霍爾信號是本發(fā)明第一實(shí)施例中的幅值被控制的霍爾信號。
圖22表示電機(jī)轉(zhuǎn)動的不平穩(wěn)度，它是從百分?jǐn)?shù)表示的兩個霍爾信號之差的函數(shù)，其中一個霍爾信號是在本發(fā)明第二實(shí)施例中的幅值被控制的霍爾信號。
反饋放大器6的反饋電流具有如圖10所示的脈動。當(dāng)脈動對如圖10所示的直流電流的比增加時，幅值被控制的霍爾信號U3的波形畸變也增加。結(jié)果，合成信號W3也發(fā)生畸變，因而使無刷電機(jī)200的轉(zhuǎn)動不平穩(wěn)度變差。所示的一種情況是，用于放大霍爾信號V1的第二放大器2的電流源I1的電流是固定的，并且用于放大霍爾信號U1的第一放大器1的電流源的電流是可變的并由反饋放大器6供給。如圖10所示，當(dāng)放大的霍爾信號U2大于放大的霍爾信號U2時，反饋電流的直流分量減少。當(dāng)放大的霍爾信號U2小于放大的霍爾信號V2時，反饋電流的直流分量增加。反饋電流中包含的脈動和其間的比率無關(guān)。如圖20所示，脈動對反饋電流的直流分量的比，當(dāng)放大的霍爾信號U2大于放大的霍爾信號V2時較大，當(dāng)放大的霍爾信號U2小于放大的霍爾信號V2時較小。
在反饋電流中小的脈動含量意味著小的轉(zhuǎn)動不平穩(wěn)度。圖21表示在本發(fā)明第一實(shí)施例中電機(jī)轉(zhuǎn)動不平穩(wěn)度特性。如圖21所示，霍爾信號U1和霍爾信號V1的差對霍爾信號V1的比越小(換句話說，反饋電流越大)，則轉(zhuǎn)動不平穩(wěn)度越小，只要反饋放大器6在其動態(tài)范圍內(nèi)操作。
在本實(shí)施例中，被供給反饋電流的第一放大器1的增益被設(shè)為至少比第二放大器2小5％。換句話說，當(dāng)霍爾信號U1和V1相等時，反饋電流至少比第二放大器2的源電流大5％。在這條件下，反饋電流的脈動對直流電流的比較小，因而無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)動不平穩(wěn)度亦小。當(dāng)被供給反饋電流的第一放大器的增益被設(shè)為比第二放大器2小5％時，無刷電機(jī)200的轉(zhuǎn)動不平穩(wěn)度的改善較小。當(dāng)?shù)谝环糯笃?的增益被設(shè)定為比第二放大器2大20％時，反饋放大器6的偏壓成為其偏置范圍的限制，并且其動態(tài)范圍變小。因而，相對于第二放大器2，第一放大器增益的增加最好在20％以內(nèi)。作為本實(shí)施例的結(jié)果，轉(zhuǎn)動的不平穩(wěn)度和幅值被控制的霍爾信號U3與放大的霍爾信號V2之間的差對于放大的霍爾信號V2的比有關(guān)，如圖22所示。
在上述實(shí)施例中，反饋放大器6被用于本發(fā)明的無刷電機(jī)，并且也可以使用前饋放大器代替反饋放大器6。此外，在這些實(shí)施例中，使用了軸向間隙型無刷電機(jī)，但是也可以使用徑向間隙型無刷電機(jī)。此外，本發(fā)明的無刷電機(jī)的驅(qū)動磁體被制成一個向定子線圈和霍爾元件兩者輻射磁通的整體，不過，也可以使用分別向定子線圈和霍爾元件輻射磁通的兩個單獨(dú)的驅(qū)動磁體。
本發(fā)明無刷電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于改善了無刷電機(jī)轉(zhuǎn)動的不平穩(wěn)度和無刷電機(jī)的生產(chǎn)效率，這是借助于向一個放大器反饋源電流，通過檢測并均衡放大的霍爾信號U2、V2之間的差，通過合成幅值被控制的霍爾信號U3和放大的霍爾信號V2，從而獲得合成信號W3來實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點(diǎn)在于通過合成兩個霍爾信號獲得三相驅(qū)動信號。
本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)在于提供轉(zhuǎn)動不平穩(wěn)度小的無刷電機(jī)，這是通過把用于放大霍爾信號U1、V1的放大器中一個的增益設(shè)為比另一個放大器至少大5％來實(shí)現(xiàn)的，這意味著在反饋電流中含的脈動對反饋電流的比率小。
權(quán)利要求
1.一種用于無刷電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，包括驅(qū)動磁體；具有所述驅(qū)動磁體的轉(zhuǎn)子；在底板上提供的面向所述驅(qū)動磁體的三相定子線圈；兩個霍爾元件，它們暴露在所述驅(qū)動磁體的磁通中，并輸出其間具有120度相位差的第一和第二霍爾信號；幅值控制裝置，用于均衡所述第一和第二霍爾信號之間的幅值差并輸出均衡的第一第二霍爾信號；信號合成裝置，用來把所述均衡的第一和第二霍爾信號合成在一起，并輸出合成信號；以及驅(qū)動電路裝置，用于響應(yīng)所述均衡的第一和第二霍爾信號和所述合成信號轉(zhuǎn)換要向所述三相定子線圈提供的驅(qū)動電流。
2.如權(quán)利要求1所述的用于無刷電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，其特征在于所述的幅值控制裝置具有第一和第二差分放大器，所述第一差分放大器被供給控制所述第一差分放大器的增益的源電流，以便均衡所述第一和第二霍爾信號的幅值，此外，被供給源電流的所述第一差分放大器的增益被設(shè)為至少比第二差分放大器小5％。
3.一種用于無刷電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，包括驅(qū)動磁體；具有所述驅(qū)動磁體的轉(zhuǎn)子；被提供在底板上并面向所述驅(qū)動磁體的三相定子線圈；兩個霍爾元件，它們暴露在所述驅(qū)動磁體的磁通中，并輸出具有120度相位差的第一和第二霍爾信號。信號合成裝置，包括加法裝置，用于把所述第一和第二霍爾信號加在一起，以及非線性轉(zhuǎn)換裝置，用于重新形成所述第一和第二霍爾信號的相加結(jié)果的波形，從而產(chǎn)生合成信號；驅(qū)動電路裝置，用于向應(yīng)所述第一和第二霍爾信號和所述合成信號，轉(zhuǎn)換要向所述三相定子線圈提供的驅(qū)動電流；以及所述驅(qū)動磁體產(chǎn)生梯形的磁通分布波形，其中含有基波、三次諧波和五次諧波，并且所述三次諧波和所述五次諧波之間含量的差小于16％。
4.如權(quán)利要求1所述的用于無刷電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，其特征在于所述驅(qū)動電路裝置計(jì)算所述第一和第二霍爾信號之間的差，所述第一霍爾信號和所述合成信號之間的差和所述第二霍爾信號和所述合成信號之間的差，并響應(yīng)所述的這些差值轉(zhuǎn)換所述的驅(qū)動電流。
5.如權(quán)利要求3所述的用于無刷電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，其特征在于所述驅(qū)動電路裝置計(jì)算所述第一和第二霍爾信號之差的差，所述第一霍爾信號和所述合成信號之間的差，以及所述第二霍爾信號和所述合成信號之間的差，并響應(yīng)所述的這些差值轉(zhuǎn)換所述驅(qū)動電流。
6.如權(quán)利要求1所述的用于無刷電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，其特征在于所述驅(qū)動磁體部分產(chǎn)生梯形的磁通分布波形，其中含有基波、三次諧波和五次諧波，所述三次諧波和所述五次諧波之間含量的差小于16％。
7.如權(quán)利要求1所述的用于無刷電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，其特征在于所述兩個霍爾元件之間相對于所述轉(zhuǎn)子的中心的物理角距離小于60度。
8.如權(quán)利要求1所述的用于無刷電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，其特征在于所述霍爾元件是GaAs霍爾元件。
9.如權(quán)利要求3所述的用于無刷電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，其特征在于所述兩個霍爾元件之間相對于所述轉(zhuǎn)子中心的物理角距離小于60度。
10.如權(quán)利要求3所述的用于無刷電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，其特征在于所述兩個霍爾元件是GaAs霍爾元件。
全文摘要
一種用于無刷電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng),包括驅(qū)動磁體,具有驅(qū)動磁體的并被軸支撐著的轉(zhuǎn)子,被提供在底板上并面向驅(qū)動磁體的三相定子線圈,暴露在驅(qū)動磁體的磁通中并輸出120度相位差的霍爾信號的兩個霍爾元件,用于均衡霍爾信號之間的幅值差并輸出均衡的霍爾信號的幅值控制裝置,用于合成均衡的霍爾信號并輸出合成信號的信號合成裝置,用于響應(yīng)均衡的霍爾信號和合成信號轉(zhuǎn)換要被供給三相定子線圈的驅(qū)動電流的驅(qū)動電路。
文檔編號H02K29/06GK1182305SQ9711809
公開日1998年5月20日 申請日期1997年7月31日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月31日
發(fā)明者伊藤智, 巖井廣 申請人:日本勝利株式會社