專利名稱：電動機電流整形的制作方法
電動才幾電^fe整形
相關申請的交叉參考
本發明涉及以下共同擁有的申請于2000年4月21日^是交的 第09/556,717號美國申請，現發布于2003年8月26日的第6， 611, 117號美國專利以及于2022年6月20日^是交的第10/175， 654號 美國申請，現發布于2004年10月5日的第6，801，004號美國專利， 其全部內容結合于此作為參考。
背景技術：
本發明總體上涉及電動機以及在電動機運行中產生的噪聲的 處理。更具體的說,本發明涉及在無刷DC(直流)電動機中的噪聲處 理以及特別是整形在無刷DC電動機中用來激勵線圏的信號。
無刷DC電動才幾的基本結構包括;故一定lt量的線圈繞組(定子 線圈)所圍繞的一個(或多個)旋轉永磁體(永磁體轉子)。使電流以順 序的方式流過每個線圈，因此順序地激勵線圈。由通過線圈的電流 的流動產生的磁場與轉子的磁體相互作用。通過改變在線圏中的電 流，由于永》茲體轉子的萬茲4及改變角坐標，4爭動產生。改變電流的過 程,皮稱為"換向"。在一個線圈或多個線圈,皮激勵的時間周期通常 被稱為"換向周期"。
電動才幾的速度凈皮通過流過線圏繞組(激:厲力線圏)的電流的多少 所控制。激勵線圈的 一種方法是對于換向周期的持續時間施加恒定激勵線圏的另 一種方法是對于換向周期的持續時間 施加脈沖系列^爭越線圏。
為了實現在旋轉速度上的變化，施加到線圏的電壓電平被改 變。在一種情況下，所施加的跨越線圈的恒定電源電壓的電壓電平 可以被改變。因此，最大旋轉速度可以通過以電源電壓的最大值L,
激勵線圈而獲得。較低的旋轉速度(比如說，50%)可以通過以0.5Fmax 的電壓電平激勵線圏而實現。
更普遍^吏用且省電的方法是用脈寬調制(PWM)信號來激勵線 圈。因此，在換向周期中電源電壓的電壓J^作為脈沖系列被施力口。 占空比(ON與OFF的比值)決定電動機的速度。例如，最大速度要 求100%占空比，即， 一直通。75%的速度將要求大約75%的占空 比，其中脈沖對于75%的脈沖周期是在/^而對于剩下的25%的脈 沖周期是接地(0伏)。
圖6和7示出在持續時間P的換向周期期間通過線圈的電流。 圖6示出當線圈被恒定電壓源激勵時的電流圖。可以看到，在靠近 交換周期的末端，有電流尖峰。這一電流尖峰是由于在交換周期的 末端當電壓^皮去除時線圈中的》茲場消逝(也稱作反向EMF，電動勢)。
類似的效應可見PWM被用來激勵線圏的圖7。在靠近交換周 期的末端當激勵脈沖被去除時導致在交換周期的末端類似的尖峰效應。
這些尖峰會產生聽得見的噪聲。更重要地，尖峰可以是EM干 運4亍中導致的尖峰，或者其4也方法來減少尖峰步文應。
發明內容
本發明提供了 一種方法以及設備，用于控制在換向周期中施加 到電動機線圈的驅動信號。驅動信號包含多個脈沖。對于換向周期 的持續時間，脈沖^皮改變，并且通過這樣做，在電動才幾運4亍中實現 了噪聲減少。本發明還通過當線圈被驅動信號激勵時，在換向周期 中驅動信號的適當控制，4是供了噪聲處理。
本發明的各個方面、優勢、以及新穎的特點將在下面呈現的本
發明的描述以及附圖中變得明顯，其中
圖1示出了才艮據本發明的可才喿作的無刷DC電動機以及控制器 的簡化的框圖2示出了圖1中所示的無刷DC電動才幾的原理圖3示出了描述4艮據本發明的圖1和2中所示的無刷DC電動 才幾的4灸向的流程圖4示出了用于激勵定子線圏的傳統驅動信號；
圖5A-5C顯示才艮據本發明的用于激勵定子線圏的驅動信號波 形的實例；
圖6示出才艮據傳統4支術穿過祐:激勵的線圈的電流圖；以及 圖7示出了根據另一種傳統4支術穿過^皮激勵的線圏的電流圖。
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具體實施例方式
盡管本發明容易適應于任意的無刷直流電動4幾配置，4旦為描述 本發明具體的說明性的實施例，申請人的無刷直流電動機風扇i殳備
將用作方〗更的運載工具(vehicle )。特別的，在申"i青人的美國專利號 6,611,117中披露的電機設備將在此被描述。
圖1和2分別示出根據本發明一個實施例總體上被標注為100 的無刷直流電動才幾的簡化框圖以及原理圖。電動才幾100包括具有舉餘 出12的霍爾傳感器10;具有互補輸出30和40的孩i控制器20;定 子線圏50;以及開關SW1和SW2。在圖1所示才匡圖中，開關SW1 和SW2包括在全橋驅動階段同時導通的兩個開關。在圖2所示原 理圖中，圖1中的開關SW1和SW2^皮表示為開關60和70或者開 關80和90。在根據本發明的優選實施例中，霍爾傳感器10包括工 業零件號UA3175的裝置而微控制器20包括工業零件號12C671的 裝置。
對于示于圖1和2中的無刷直流電動才幾的一種應用是用于冷卻 電子電路類型的風扇中。這樣的無刷直流風扇，也就是說由無刷直 流電動才幾驅動的風扇，進一步包括安裝在葉4侖才幾架(沒有示出)上 的葉4侖。如圖1和2所示，當電流通過上部的開關SW1 70，通過 定子線圈50,并且通過下部的開關SW1 60或通過上部的開關SW2 90,通過定子線圈50，并且通過下部的開關SW2 60時，導致風扇 葉輪旋轉。
葉輪機架包含構成無刷直流風扇的永磁體轉子的永磁體。霍爾 傳感器10纟笨測當無刷直流風扇的葉4侖(以及因此的永^茲體轉子) S走轉時所產生的》茲場狀態的變化。當葉4侖到達^走轉才及限，霍爾傳感 器10探測無刷直流風扇的磁場狀態的變化，并且霍爾傳感器的輸出12改變其邏輯狀態。為了下面討論的目的，這種事件被稱為霍 爾中斷。
霍爾傳感器10的輸出12被提供給微控制器20，并且微控制器 20的輸出30和40的狀態是霍爾傳感器10的輸出12的函數。因此， 根據本發明的實施例，只要微控制器20感應到霍爾傳感器10的輸 出12的改變，則才艮據本發明孩i控制器20改變其輸出30和40。在 圖3的流程圖中討論了微控制器20操作的其他細節。本領域的技 術人員應該理解，孩i控制器20的^T出30和40與霍爾傳感器10的 輸出12的狀態之間的特定關系可以被適當的修改從而符合任意給 定的無刷直流電動才幾或風扇的要求。
圖3解釋了根據如圖2中所示本發明實施例的電動機IOO的操 作。更具體地說，根據本發明實施例，樣i控制器20根據軟件程序 指令改變其輸出30和40的狀態，其中專欠件程序指令才艮據本領域眾 所周知的技術執行并且在這里將不再描述。在本發明的 一個實施例 中，微控制器20依照圖3所示流程圖300中^皮突出顯示的步驟， 通過執行軟件程序指令來實現無刷直流電動4幾的換向。
圖3示出了根據本發明具體實施例的微控制器20的運行。在 步驟302中，速度選擇被4丸行。在典型的計算才幾風扇構造中，系統 (計算機風扇在其中運轉)提供其自己的PWM驅動信號(對于風 扇，也被稱為外部或系統提供的PWM驅動信號)以操作風扇電動 機。系統提供的驅動信號的占空比控制風扇速度。在本發明中，微 控制器20探測系統提供的驅動信號并且基于引入的驅動信號的占 空比確定期望的風扇速度操作。當然，應該理解任意凄t量的可選4支 術可用于選擇電動機速度。例如，可提供數據接口，其中，電動機 在其中運行的外部系統可以發送表明電動機速度的數字信息。
10在步驟304中，換向周期至少基于速度選褲4皮確定。電動才幾的 物理尺寸可以被制成對于微控制器20是可用的。換向周期可以基 于電動機的速度選擇(例如，每分鐘的旋轉)、物理尺寸(例如， 轉子直徑)以及設計參數(例如，極數)#1容易地計算出來。換向 周期表明在換向必須被寺丸行前， 一個或多個定子線圈將#1激勵的時 間量。
在步驟306中，微控制器20選擇初始占空比值以及定時器值。 這里，在步恭聚304中一皮確定的4奐向周期可以^皮分成兩個或更多個子 周期。例如，在本發明的一個具體實施例中，換向周期^皮分成在圖 5A中所示的時間的三個子周期。此圖示出持續時間的三個子周期 sl，s2和s3。然而，應該理解換向周期可以分成更多(或更少)數 量的子周期。子周期可以具有不同持續時間(例如見，圖5B)。對 應于第一個子周期，定時器值被選擇。同樣，初始占空比值被選擇 或另外—皮確定。
在步驟308中，微控制器20用在步驟306確定的初始定時器 值設定定時器。接下來，在步驟310中，微控制器20生成具有等 于、或者至少基于來自步驟306的初始占空比值的占空比的脈沖。
在判定步-驟312中，如果在步-驟308 i殳定的定時器時間到，則 過程繼續至另一判定步驟316。定時器時間到，表明換向子周期的 結束。在步驟314中進行判定是否最后的子周期已經終止。適合的 計凄t器或某個其他類似的枳4成裝置可以:故用于記住有關換向子周 期凄t以及哪個子周期有效以及其他的可能一皮需要的信息。如果判定 了換向周期的最后的子周期已經終止，則換向在步驟318中被執行。 最后子周期的終止表明換向周期已經結束并且換向應該#皮沖丸行。
如果子周期不是最后的換向子周期(即，判定步驟314的NO 分支)，則過程繼續至步驟316。這里，對于在下個換向子周期生成的脈沖，新的或調整過的占空比值被選擇。根據本發明的實施例， 新的占空比值從前一值減少了一定數量。例如，在一個具體實施例
中，新的占空比值比前一 占空比值少了初始占空比值的四分之一； 因此，
除了對于下個換向子周期調整占空比，下個子周期的定時器值 可能也需要調整。在每個換向子周期的持續時間相等的情況下，定 時器值不需要重設。然而，如上所討_淪的，本發明的一個實施例可 使用變化持續時間的子周期。在這種情況下，對于下個換向子周期 的持續時間，定時器值需要重新設定。
從步驟316，過程通過返回至步驟308繼續。在那里，可能以 新的定時器值重設定時器，并且過程以調整過的占空比值如上所i侖 述的繼續進4亍。因此，對于每個換向子周期，步-驟308到316一皮重 復。可以看到在換向周期中占空比變化。通過適當地選4奪占空比值， 由于在換向周期的末尾在定子線圏中的反電動勢產生的噪聲可以 被充分減少。
現在參考圖4, 5A，以及5B。這些圖示出^爭越電動才幾中定子 線圏的電壓圖。圖4示出施加到線圈的傳統的PWM驅動4言號。第 一換向周期Ptl中，驅動信號包括若干施加到線圈的給定占空比的脈 沖(圖示為三個)。在稍后的時候，在另一個換向周期《2期間，包
括第二組驅動脈沖的另外的驅動信號^皮施加到線圈。就現有才支術所 理解，在換向周期中包括驅動信號的脈沖的占空比必須恒定。
然而，才艮據本發明，脈沖占空比對于換向周期的持續時間變化。 圖5A示出本發明此方面的說明性實例。此圖在延伸的時間比例上 示出了在持續時間《的單個換向周期中用于激勵線圏的驅動信號，
12以及包括驅動信號的脈沖。換向周期被顯示為分成每個持續時間為 年&和A的三個子周期。在靠近換向周期開始的第一子周期(《)中 施加到線圏的脈沖具有的占空比為D,。在第二子周期(A)中施加 到線圈的脈沖具有占空比為D^Z),。最后，在靠近換向周期末端的 第三子周期(&)中施加到線圈的脈沖具有的占空比為2)3</)2。即， 占空比在換向周期中變化。
圖5A示出子周期具有相等的持續時間；因而，A=&"3。圖 5B示出換向周期可以一皮分成其中持續時間不等的子周期，例如， ^^2"3。另外，圖5B(和5A)示出脈沖的脈寬(《,尸2,尸3 )是相等的。
在本發明的初始沖丸4于中，換向周期-故分為四個子周期。在后面 的子周期中脈沖的占空比凈皮減少了原始占空比值的1/4。在最后子 周期中的最終脈沖被消除。由前面的敘述，可以理解本發明教導在 換向周期期間施加到定子線圏的驅動信號的組成脈沖可以以多種 方式變化。
例如，換向周期可以;故分成任意數量的子周期。每個子周期可 以具有相等的持續時間，或者每個子周期可以具有不同的持續時 間。微控制器20可以被使用已知編程技術編程以執行本發明的這 種方面。
孩l控制器20可以:帔編程，以逐漸減小在換向周期的持續時間 的驅動信號的組成脈沖的占空比。因此，靠近換向周期開始的脈沖 可以具有比靠近4灸向周期末端的月永沖的占空比大的占空比。總之， 在換向周期中施加到定子線圈的驅動信號的組成脈沖的占空比可 以被改變。
除了改變占空比，在換向周期中組成月永沖的周期(脈沖周期) 可以被改變。周期變化脈沖的占空比可以保持在恒定的占空比上。圖5C示出本發明的此方面，其中周期《至^可以不同。可選地，在 換向周期的過程中脈沖的周期和占空比都可以改變。
在常規系統中，當期望特定的電動機速度時，驅動信號的占空 比被適當地選擇并且在該線圈的換向周期中施加到此線圈。換句話 說，在線圏正在被激勵的時間，施加到線圏的驅動信號的組成脈沖 具有至少是基于期望的速度設定所確定的占空比。占空比被選擇使 得換向周期的持續時間所施加的5爭越線圈的平均電壓等于對應于 期望的電動機速度的值。
注意到同樣的約束適用于根據本發明生成的驅動信號。根據本 發明，對于換向周期的持續時間，組成脈沖根據其占空比、子周期 數、脈沖周期、或這些參數的某種組合而變化。然而，用于選4奪占 空比以及/或者脈沖周期的變化的參數要以在換向周期中對于期望
根據本發明通過操作電動機，噪聲處理方式可以被提供。根據
本發明通過驅動定子線圈，在才喿作中由電動沖幾產生的噪音可以:陂減 少。即，對于每個定子線圏，當在其換向周期期間定子線圏被驅動 時，4艮據本發明驅動信號^皮生成并施加到此線圈。反電動勢的減少 導致噪聲以及電》茲干擾相應的減少。
1權利要求
1. 一種用于驅動電動機的方法，包括生成用于激勵包括所述電動機的線圈的驅動信號以及在第一換向周期期間用所述驅動信號激勵所述線圈，所述驅動信號包括多個組成脈沖，某些所述組成脈沖不同于其他所述組成脈沖。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述組成脈沖的占空比在 所述第 一換向脈沖的持續時間期間變化。
3. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述組成脈沖的占空比在 所述第 一換向脈沖的持續時間期間減小。
4. 根據^又利要求1所述的方法，其中，靠近所述換向周期開始的 所述組成脈沖的占空比大于靠近所述換向周期末端的所述組 成月永沖的占空比。
5. 4艮據^又利要求1所述的方法，其中，所述換向周期:帔分成兩個或更多個子周期，每個子周期中的脈沖不同于另外的子周期中的月永沖。
6. 根據權利要求1所述的方法，其中，在時間上遲于其他所述組
7. 根據權利要求1所述的方法，其中，靠近所述換向周期開始的 所述組成脈沖的所述脈沖寬度在持續時間上長于靠近所述換 向周期末端的所述組成脈沖的所述脈沖寬度。
8. 根據權利要求1所述的方法，其中所述組成脈沖的所述脈沖寬 度在持續時間上從所述換向周期開始到所述換向周期末端逐 漸變纟尋更短。
9. 才艮據^又利要求1所述的方法，其中所述電動才幾是無刷直流電動機。
10. —種才艮據4又利要求1所述的方法來纟喿作風扇電動才幾的方法。
11. 一種風扇，包括電動機和用于生成驅動信號以操作所述電動機 的控制器，所述控制器可操作以根據權利要求1所述的方法生 成驅動信號。
12. —種用于處理在才喿作風扇期間生成的噪聲的方法，所述風扇包 括無刷直流電動才幾，所述方法包括生成驅動信號以激勵包4舌所 述無刷直流電動才幾的定子線圏，其中，所述驅動^f言號^皮整形以 避免在所述定子線圏中生成電流尖峰。
13. 根據權利要求12所述的方法，其中，所述驅動信號包括多個 脈沖，其中，對于在線圏一皮激勵的時間周期中被施加到所述線 圏的第 一驅動信號，包括所述第 一驅動信號的脈沖的占空比改變
14. 根據權利要求13所述的方法，其中，在所述時間周期期間所 述占空比的值減小。
15. 根據權利要求12所述的方法，其中，所述驅動信號包括多個 月永沖，其中，對于在線圈^皮激勵的時間周期中被施加到所述線圏的第一驅動信號，包括所述第 一驅動信號的脈沖的3永沖周期改變。
16. 才艮據斥又利要求15所述的方法，其中，包括所述第一驅動信號 的所述月永沖的占空比除了所述月永沖周期之外變4匕。
17. —種用于操作風扇電動機的方法，包括在第一換向周期中激勵 所述風扇電動才幾的線圏，包括生成多個組成脈沖，某些在所述一換向周期中S皮生成的其他所述組成月永沖的占空比。
18. 根據權利要求17所述的方法，其中，在時間上被生成較晚的
19. 根據權利要求17所述的方法，其中，在靠近所述第一換向周 期開始一皮生成的所述組成3永沖的所述占空比大于在靠近所述 第 一沖灸向周期末端凈皮生成的所述組成月永沖的所述占空比。
20. 根據權利要求17所述的方法，其中，所述組成脈沖的所述占 空比在從所述第一換向周期開始到所述第一換向周期末端的 持續時間期間逐漸變得更短。
21. 才艮據權利要求17所述的方法，其中，所述月永沖的月永沖周期在 從所述第一換向周期開始到所述第一換向周期末端的持續時 間期間逐漸變4尋更短。
22. 根據權利要求17所述的方法，其中，所述電動機是無刷直流 電動才幾。
23. —種風扇，包括風扇電動才幾和用于生成驅動信號來"t喿作所述風 扇電動機的控制器，所述控制器可操作以根據權利要求17所 述的方法生成驅動信號。
24. —種^喿作無刷直流電動才幾的方法，包^":生成爿永寬調制(PWM) 4言號以在第一4灸向周期期間;敫厲力 包括所述無刷直流電動機的多個線圏中的第 一線圈，所述 PWM信號的持續時間基本上等于所述第 一換向周期；以及在所述第一換向周期期間通過施加所述PWM信號到第 一線圏來激勵所述第 一線圈，其中，所述PWM信號在所述第 一換向周期期間具有非恒 定的占空比。
25. 根據權利要求24所述的方法，其中，所述PWM信號包括多 個組成脈沖，其中，所述組成脈沖的占空比不全相等，由此， 在所述第 一換向周期期間所述第 一線圈一皮不同占空比的脈沖激勵。
26. —種用于操作包括至少第 一線圏的無刷直流電動機的方法，所 述方法包括在換向周期期間激勵所述至少第一線圈，其中，所 述激勵包括將PWM信號施加到所述至少第一線圈，其中，所 述PWM信號的占空比在所述換向周期期間變化。
全文摘要
公開了一種用于生成被施加到電動機中的線圈的驅動信號的方法和設備。在換向事件和緊跟著的線圈被激勵時的換向事件之間的周期(換向周期)期間施加該驅動信號。該驅動信號包括在換向周期的持續時間內變化的脈沖。
文檔編號H02K21/00GK101501968SQ200680013456
公開日2009年8月5日 申請日期2006年7月26日 優先權日2005年8月2日
發明者埃里克·哈德特, 大塚修一 申請人:美蓓亞株式會社