[發(fā)明專利]雙相無刷直流電機(jī)的無傳感器控制

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200680005455.6
• 申請日: 2006-01-17
• 公開（公告）號: CN101124719A
• 公開（公告）日: 2008-02-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: J·L·拉森
• 申請（專利權(quán)）人: 愛特梅爾股份有限公司
• 主分類號: H02P7/06
• 分類號: H02P7/06;F04B49/06;H02P7/00;F04B49/00;H02P7/29
• 代理公司: 上海專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司
• 代理人: 陳煒

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及雙相無刷直流電機(jī)，尤其涉及對這類電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測和換向控制。

背景技術(shù)

雙相無刷直流(BLDC)電機(jī)廣泛地應(yīng)用于用來通風(fēng)和冷卻中央處理單元(CPU)、圖形處理器、電源和許多其它應(yīng)用的風(fēng)扇中。與有刷直流電機(jī)相比，BLDC電機(jī)的一個優(yōu)點是重量較輕、加速較快、幾乎不產(chǎn)生電噪聲或噪音，并且不需要維護(hù)(因為沒有電刷的磨損)。隨著需要強力冷卻的電子設(shè)備使用的增加，對冷卻風(fēng)扇的需求也持續(xù)增長。當(dāng)越來越多的冷卻風(fēng)扇安裝在越來越多的產(chǎn)品上時，顯然就需要提供低成本風(fēng)扇方案來使終端產(chǎn)品的總成本保持較低。此外，隨著家庭和辦公場所中風(fēng)扇數(shù)量的增加，對使這些風(fēng)扇盡可能地保持安靜和高效的需求也變得更加顯著。BLDC電機(jī)的特性可很好地滿足對風(fēng)扇的這些要求。

BLDC電機(jī)包括其永磁體由具有線圈的定子來驅(qū)動的一個轉(zhuǎn)子。永磁體上的磁極數(shù)量和線圈數(shù)量都取決于電機(jī)的所需特性而變化。圖1A和1B示出了具有四個轉(zhuǎn)子磁極(兩個磁極為N、兩個磁極為S)和四個定子線圈(SC1至SC4)的基本雙相電機(jī)(在圖1A中是相位1，在圖1B中是相位2)。注意，對于風(fēng)扇電機(jī)而言，典型的配置是將定子物理地定位在中心而將轉(zhuǎn)子定位在外側(cè)。工作的基本原理是相同的。上下線圈(線圈SC1和SC2)電連接形成第一組線圈，左右線圈(線圈SC3和SC4)同樣電連接形成第二組線圈。在雙相電機(jī)中，兩組線圈不在中間點上直接相互連接，這與三相電機(jī)不同。

每當(dāng)電流流過一組線圈該組線圈就有源或通電，從而出現(xiàn)對轉(zhuǎn)子磁體起作用的磁場。在兩相電機(jī)中，每當(dāng)一組線圈有源時另一組是無源的。沒有驅(qū)動電流流過無源或者沒有通電的線圈，就不會有助于形成可影響轉(zhuǎn)子磁體的磁場。轉(zhuǎn)子磁體相對于定子線圈的方向確定何時通電一特定組線圈來獲得所需電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

施加流過線圈SC1和SC2的電流(使這些線圈通電)將把轉(zhuǎn)子磁體的磁極推/拉向與線圈對準(zhǔn)(相位1)。一旦旋轉(zhuǎn)之后，轉(zhuǎn)子的慣性就將確保轉(zhuǎn)子不僅被吸引到這些有源線圈，而且還穿過這些線圈。轉(zhuǎn)子磁體一穿過這些有源線圈就必須改變換向，使得另一組線圈(SC3和SC4)通電(相位2)，由此旋轉(zhuǎn)得以繼續(xù)。如果在準(zhǔn)確的瞬間實現(xiàn)這一換向就會改變由線圈產(chǎn)生的磁場，使得它們永遠(yuǎn)不會減慢電機(jī)的運動。或者，如果換向進(jìn)行得過早或者過晚，就會在短時間內(nèi)產(chǎn)生負(fù)扭矩，從而限制電機(jī)的總扭矩和速度。因此，必需知道轉(zhuǎn)子磁體相對于線圈的方位，以便于從電機(jī)獲得最大的性能。

雙相BLDC電機(jī)的換向一般都是使用霍爾(Hall)傳感器檢測轉(zhuǎn)子的方位來控制的。霍爾傳感器是一種對轉(zhuǎn)子磁體所產(chǎn)生磁場的方位作出響應(yīng)的磁性開關(guān)。霍爾傳感器可取決于是轉(zhuǎn)子的N磁極還是S磁極面對著它來設(shè)置或者清除其輸出。如果霍爾傳感器HS放置在線圈SC2和SC3之間的中間，如圖1A和1B所示，則霍爾傳感器HS會在轉(zhuǎn)子磁體對準(zhǔn)線圈時改變它的輸出。霍爾傳感器使得電機(jī)的控制系統(tǒng)能夠知道何時換向定子線圈(使一組線圈斷電而使另一組線圈通電)，以便于保持所需的旋轉(zhuǎn)。這類相當(dāng)簡單配置的一個缺點是霍爾傳感器需要準(zhǔn)確的定位，以便于向電機(jī)控制器提供可靠信息。霍爾傳感器也會對原先并不昂貴的電機(jī)增加成本。

BLDC電機(jī)受到它自身所產(chǎn)生的電動勢(EMF)的很大影響。EMF是交變磁場(例如，由于帶有永磁體磁極的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動所引起的)在電感器(即，定子線圈)兩端產(chǎn)生的電壓。圖2A至2F和圖3示出了運動轉(zhuǎn)子磁極N和S對定子線圈SC1的影響。如圖3所示，所產(chǎn)生的EMF電壓具有取決于轉(zhuǎn)子磁體和線圈鐵氧體芯的物理形狀的波形，這里可以看到的是具有典型的梯形形狀。所產(chǎn)生EMF的幅度取決于磁場(由線圈所看到)的變化速率，在這種情況下是隨電機(jī)速度的變化速率。當(dāng)電機(jī)達(dá)到一定的速度時，EMF所具有的幅度與用于激勵這些線圈的驅(qū)動電壓相同，但方向相反。因為在定子線圈中感生了這一“反向EMF(B-EMF)”，這就限制了流過勵磁線圈的電流，而這一電流是產(chǎn)生引起轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的磁場所必要的。因此，對于任何給定的驅(qū)動電壓存在著電機(jī)的最大速度。