CN1992506A - 用于控制无刷dc电动机每单位时间转数的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于控制无刷DC电动机每分钟转数的设备，该设备包括：无刷DC电动机，当旋转电流被施加时以恒定速度旋转，并且当停止电流被施加时停止旋转；脉冲施加单元，根据预定的或由用户输入的脉冲施加频率来输出输入脉冲；旋转检测单元，检测旋转脉冲的数量，并且无刷DC电动机每旋转一周则输出预定的输出信号；以及电流控制单元，对应于输入脉冲向无刷DC电动机施加旋转电流，以及对应于输出信号向无刷DC电动机施加停止电流。

Description

用于控制无刷DC电动机每单位时间转数的设备和方法

相关申请的交叉参考

本申请要求于2005年12月29日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2005-0133071号的优先权，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明涉及一种DC电动机，更具体地，涉及一种用于控制无刷DC电动机每分钟转数的设备和方法。

背景技术

电动机是指一种将电能转化为动能的装置，其允许旋转或线性的机械运动。随着由于电子设备在电气、电子、和机械工业中的广泛应用而导致其应用领域的扩展，作为重要的驱动源，电动机的重要性已经大大提高了。此外，随着工业的快速发展，已将电动机纳入具有更快速度和更大容量的驱动源。

具体地，精密控制电动机以快速响应时间和大范围的速度控制来提供精确移动。基于控制信号通过重复停止、开始、和反向动作等来操作这些电动机。随着技术的发展和应用领域的扩展(例如，电力电子学的发展、微型计算机、精密处理技术、高性能永磁铁的发展、和表面装配技术的发展)，精密控制电动机的重要性持续增加。

这种精密控制电动机的实例包括步进电动机、无刷DC电动机等，其通常使用高性能的永磁铁。

步进电动机是一种当必须非常精确地定位或以精确角度旋转某物时使用的电动机。由于步进电动机通过使用脉冲来提供数字化控制，所以其适于微型计算机。步进电动机以特定角度旋转并以高精确度停止，而无需检测电动机的轴的位置的反馈。同时，步进电动机允许开环控制，容易通过数字信号被控制，并且当停止时具有维持转矩(maintenance torque)。

然而，步进电动机中转矩较低，这使其难以应用于需要高转矩的领域。同时，步进电动机在特定频率可能产生振动和共振，这对于具有惯性的负载不耐用，并且在高速运转期间可能失步。此外，由于在公用驱动器运转期间，绕组线的电感效应导致没有足够的电流能够流过绕组线，所以转矩随着脉冲率的增大而减小，以产生与DC电动机相比更低的功率。

因此，提供高转矩的无刷DC电动机在控制每分钟的转数方面是优选的。无刷DC电动机不仅耐用且高效，并且其允许容易地用于恒速控制和变速控制。

无刷DC电动机被设计为没有用作换向器的电刷，同时保持DC电动机的特性，并且根据其是否具有用于检测转子位置和旋转速度的传感器，可将其分为传感器型或无传感器型。在诸如移动电话的移动装置中使用这种无刷DC电动机，以使折叠器(folder)实现自动打开和关闭功能，或者使照相机模块实现自动旋转。

同时，无刷DC电动机的旋转速度与向其施加的电压成比例。例如，当施加4V电压时，转速为60000rpm；以及当施加2V电压时，转速为30000rpm。然而，为了执行自动功能，无刷DC电动机应当保持恒定转速，而与移动装置电池中的电压下降无关。因此，已采用了具有低压差稳压器(low drop out regulator，LDO)的驱动装置的集成电路，以向电动机提供恒定电压。

然而，因为LDO占据空间，所以不适用于小型移动装置。因此，需要一种无需LDO而保持电动机转速的方法。

发明内容

本发明提供了用于控制无刷DC电动机的设备和方法，以实现恒定的每分钟转数而与电池电压强度无关。

本发明提供了无刷DC电动机的控制设备和控制方法，当移动装置的折叠器被自动打开和关闭，或者照相机模块被自动旋转时，其允许用户通过输入期望频率来确定适当的转速。

在本发明的实施例中，用于控制无刷DC电动机的每分钟转数的设备包括：无刷DC电动机，当旋转电流被施加时以恒定速度旋转，并当停止电流被施加时停止旋转；脉冲施加单元，用于根据预定的或由用户输入的脉冲施加频率来输出输入脉冲；旋转检测单元，用于检测旋转脉冲的数量，并无刷DC电动机每旋转一周则输出预定输出信号；以及电流控制单元，对应于输入脉冲将旋转电流施加到无刷DC电动机，并对应于输出信号将停止电流施加到无刷DC电动机。

无刷DC电动机是无传感器型的，并且旋转检测单元检测无刷DC电动机的反电动势脉冲数。

无刷DC电动机是传感器型的，并且旋转检测单元检测无刷DC电动机的F/G脉冲数。

脉冲施加单元以与对应于无刷DC电动机最低转速的频率相同或比其更低的频率来输出输入脉冲。

用于控制无刷DC电动机的每分钟转数的设备还包括连接至无刷DC电动机的变速箱，并且其具有用于控制无刷DC电动机输出转数的预定减速比。

在本发明的另一实施例中，用于控制设备的方法，该设备包括：无刷DC电动机，当旋转电流被施加时以恒定速度旋转，并且当停止电流被施加时停止旋转；脉冲施加单元，以用户输入或预定的脉冲施加频率来输出输入脉冲；旋转检测单元；以及电流控制单元，该方法包括：(a)通过电流控制单元监控是否由脉冲施加单元施加了输入脉冲；(b)如果在步骤(a)施加了输入脉冲，则输出使无刷DC电动机旋转的旋转电流；(c)通过旋转检测单元来对由无刷DC电动机旋转生成的旋转脉冲数进行计数；(d)通过比较旋转脉冲的数量和预定值来确定无刷DC电动机是否旋转了一周；以及(e)如果步骤(d)确定了无刷DC电动机已经旋转了一周，则初始化旋转脉冲的数量并将输出信号输出到电流控制单元，如果确定无刷DC电动机没有旋转一周，则重复步骤(c)和(d)。

无刷DC电动机为无传感器型的，并且旋转检测单元检测无刷DC电动机的反电动势脉冲的数量。

无刷DC电动机为传感器型的，并且旋转检测单元检测无刷DC电动机的F/G脉冲的数量。

本发明总的发明概念的其它方面和优点将部分地在随后的描述中阐述，并且部分地由说明书变得显而易见，或通过总的发明概念的实践来了解。

附图说明

通过以下描述、所附权利要求、以及附图，将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面、和优点，其中：

图1是根据本发明的实施例的无传感器型无刷DC电动机的水平截面图；

图2是根据本发明的另一实施例的传感器型无刷DC电动机的水平截面图；

图3是示出控制无刷DC电动机每分钟转数的设备的配置的框图；

图4是示出根据本发明的实施例的控制方法的示意图；以及

图5是示出根据本发明的实施例的无刷DC电动机的控制方法的流程图。

具体实施方式

以下描述仅示出本发明的原理。因此，本领域技术人员可以设计实现本发明的原理的各种方法和装置，其不背离本发明的精神和范围，尽管这些方法和装置可能没有在说明书中详细解释或示出。同时，应当理解，不仅本发明的原理、观点、和实施例，而且在特定实施例中列出的全部详细描述都将包括结构和功能性等同替换。

下面将通过参考附图阐述的详细描述和优选实施例进一步阐明本发明的其他目的、特定优点、和新颖特征。在描述本发明中，当认为现有技术的详细解释不会使本发明的关键点模糊时，将会省略其。描述中使用的序数(如第一、第二等)仅仅是用于区分描述中顺序出现的相同或相似的元件。

下文中，将参照附图详细描述本发明的实施例。

首先，参照图1和图2描述在本发明中使用的无传感器型无刷DC电动机和传感器型无刷DC电动机。

图1是根据本发明的实施例的无传感器型无刷DC电动机的水平截面图。图1示出了具有三相和两极的常规内转子类型的无传感器型无刷DC电动机。

无传感器型无刷DC电动机100包括机壳110、定子120、转子130、和旋转轴140。

机壳110通常是圆柱体，但也可以是其他形状。

定子120位于机壳110的内部，并包括缠绕在多个(在本实例中为三个)T形齿(125u、125v、125w，下文中称之为125)上的三相线圈(U相线圈150u、V相线圈150v、W相线圈150w)。多个齿125向旋转轴140延伸，并且相同数量的槽口(slot opening)位于缠绕有三相线圈的每个齿125中。

转子130位于机壳110的内部，可旋转地嵌入并固定在定子120的中心并在定子120的齿125之间，并且该转子包括永磁铁，在永磁铁中，相对于旋转轴140交替设置不同的极(在本实例中为N极和S极)。

当向三相线圈(即，U相线圈150u、V相线圈150v、W相线圈150w)施加三相源电流时，由于根据弗莱明左手定则(Fleming’sLeft Hand Rule)所产生的转矩(torque)，使得由永磁铁构成的转子130围绕旋转轴140旋转。

在转子130旋转一周期间，缠绕有U相线圈150u的齿125u与N极和S极中的每个都相对一次，使得在U相线圈150u中生成两个反电动势脉冲。这对于V相线圈150v和W相线圈150w也是成立的。

因此，在转子130旋转一周期间，在U相线圈150u、V相线圈150v、和W相线圈150w中总共生成六个反电动势脉冲。换句话说，可通过将U相线圈150u、V相线圈150v、和W相线圈150w中反电动势脉冲的总数除以6来确定无传感器型无刷DC电动机100的转子130的转数。

由于定子120使用三相感应电流，因此以3的倍数来形成多个齿125，并且由于转子130使用具有交替N极和S极的永磁铁，因此以2的倍数来形成电极。因此，定子120的齿125的数量与转子130的极的数量的比为3a∶2b(其中，a和b为自然数)。在转子130旋转一周期间，在定子120的每个齿125中生成2b倍的反电动势脉冲，并且定子120的齿125的数量为3a，使得在转子130旋转一周期间无传感器型无刷DC电动机100中的反电动势脉冲的总数为6ab。

图2示出了根据本发明另一实施例的传感器型无刷DC电动机的水平截面图。图2示出了具有三相和两极的常规内转子类型的传感器型无刷DC电动机。

传感器型无刷DC电动机200包括机壳110、定子120、转子130、旋转轴140、和磁性传感器210。

机壳110通常是圆柱体，但当然也可以是其他形状的。

定子120位于机壳110内部，并包括缠绕在多个(在本实例中为三个)T形齿125上的三相线圈(U相线圈150u、V相线圈150v、W相线圈150w)。多个齿125向旋转轴140延伸，并且相同数量的槽口位于缠绕有三相线圈的每个齿125中。

转子130设置在机壳110内部，可旋转地嵌入并固定至定子120的中心并在定子120的齿125之间，并且该转子包括永磁铁，在该永磁铁中，相对于旋转轴140交替设置不同的极(在本实例中为N极和S极)。

当向三相线圈(即，U相线圈150u、V相线圈150v、和W相线圈150w)施加三相源电流时，由于根据弗莱明左手定则产生的转矩，使得由永磁铁构成的转子130绕旋转轴140旋转。

位于机壳110内部的磁性传感器210检测转子130的位置。如图2所示，其可设置在两个齿125之间的空间中，或者可以设置在齿125上。磁性传感器210根据转子130的旋转从这个位置来自动检测N极和S极的接近度，并生成F/G脉冲(频率发生器脉冲)。在该实施例中，磁性传感器210与N极和S极中的每个都相对一次，以生成一个F/G脉冲。因此，一个F/G脉冲的检测表示传感器型无刷DC电动机200的转子130旋转一周。这里，磁性传感器210可以是霍尔传感器。

由于定子120使用三相感应电流，因此以3的倍数来形成多个齿125，并且由于转子130使用具有交替N极和S极的永磁铁，因此以2的倍数来形成电极。换句话说，定子120的齿125的数量与转子130的极的数量的比为3a∶2b(其中，a和b为自然数)。因此，在转子130旋转一周期间由磁性传感器210生成的F/G脉冲的数量为b。

图3是示出控制无刷DC电动机每分钟转数的设备的配置的框图，以及图4是示出根据本发明的实施例的控制方法的示意图。

如图3所示，用于无刷DC电动机300的控制设备包括脉冲施加单元310、电流控制单元320、无刷DC电动机330、和旋转检测单元340。用于无刷DC电动机300的控制设备可进一步包括变速箱350。

控制无刷DC电动机330，以使其旋转的次数与由脉冲施加单元310施加的输入脉冲的数量相同。例如，为了使无刷DC电动机330旋转十次，脉冲施加单元310生成并施加10个输入脉冲。

如上所述，在无刷DC电动机330为无传感器型的情况下，在旋转一周期间检测到6个反电动势脉冲。因此，60个反电动势脉冲告诉我们无刷DC电动机已旋转了10次。这里，旋转检测单元340对在无刷DC电动机330中生成的反电动势脉冲的数量进行计数，并且使无刷DC电动机330在反电动势脉冲的计数数量总计为60时停止旋转，从而控制无刷DC电动机330的转数。

如上所述，在无刷DC电动机330为传感器型的情况下，在旋转一周期间检测到一个F/G脉冲。因此，10个F/G脉冲告诉我们无刷DC电动机330已旋转了10周。旋转检测单元340对在无刷DC电动机330中生成的F/G脉冲的数量进行计数，并且使无刷DC电动机330在F/G脉冲的计数数量总计为10时停止旋转，从而控制无刷DC电动机330的转数。

脉冲施加单元310以预定或由用户设置的频率将一个脉冲施加到电流控制单元。电流控制单元320仅当脉冲施加单元310施加输入脉冲时使无刷DC电动机330旋转。简而言之，当根据特定频率将输入脉冲施加到电流控制单元320时，电流控制单元320根据施加的输入脉冲的频率使无刷DC电动机330旋转。

在脉冲施加单元310以比无刷DC电动机330的转速更低的频率将输入脉冲施加到电流控制单元320的情况下，无刷DC电动机330每个输入脉冲旋转一周，然后保持停止，直至施加下一个输入脉冲。通过交替重复这些旋转和停止，无刷DC电动机330表现为具有与脉冲施加单元310施加输入脉冲时的频率相同的转速。

图4(a)示出脉冲施加单元310以500Hz的频率来施加脉冲。这意味着每0.002秒向电流控制单元320施加一个脉冲。

图4(b)示出向无刷DC电动机330施加4V的输入电压，并且无刷DC电动机的转速为60000rpm，即，频率为1000Hz。然后，无刷DC电动机330根据施加的输入脉冲0.001秒旋转一周，并且在随后的0.001秒停止，直至施加下一个输入脉冲。通过重复旋转和停止，无刷DC电动机330完成30000(500×60)转并停止，由此无刷DC电动机330表现为以30000rpm旋转。

图4(c)示出了如下情况，其中，施加到无刷DC电动机330的输入电压由于电池消耗而下降到2V，并且无刷DC电动机330的转速相应地减至30000rpm，即，频率为500Hz。同样在这种情况下，脉冲施加单元310每0.002秒向电流控制单元320施加一个脉冲。同时，无刷DC电动机330的转速为30000rpm，使得无刷DC电动机330每0.002秒旋转一周而不停止。结果，每分钟完成30000(60×500)转，使得无刷DC电动机330的转速保持在30000rpm。

因此，在输入电压为4V从而转速为60000rpm的情况下，以及输入电压为2V从而转速为30000rpm的情况下，每分钟的转数相同。

然而，理想的情况是脉冲施加单元310的脉冲施加频率低于对应于最低电池电压(例如，大约3V)的无刷DC电动机330的最小转速。例如，在电池电压保持在3V到4V之间的情况下，因为最小转速为45000rpm，所以可将脉冲施加频率确定为500Hz(转速为30000rpm)。因此，无刷DC电动机330一分钟可以完成30000转而与电池的压降无关。

在脉冲施加频率超过对应于最小转速的频率的情况下，当电池电压降至最低电平时，脉冲施加单元310恰好在无刷DC电动机330结束一周旋转之前施加下一输入脉冲，由此无刷DC电动机330不能完成期望次数的旋转。

旋转检测单元340对由无刷DC电动机330的转子旋转生成的旋转脉冲的数量进行计数。

当无刷DC电动机330是无传感器型时，旋转脉冲表示从多相线圈检测到的反电动势脉冲。例如，在图1中示出的具有三相和两极的无刷DC电动机中，转子每旋转一周检测到6个反电动势脉冲。旋转检测单元340对反电动势脉冲的总数进行计数。然而，优选地，当无刷DC电动机330停止时，将旋转检测单元340设置为初始值(例如，‘0’)，以用无刷DC电动机330的再激活来更新计数。

此外，在无刷DC电动机330是传感器型的情况下，旋转脉冲表示从磁性传感器检测到的F/G脉冲。例如，在图2中示出的具有三相和两极的无刷DC电动机中，转子每旋转一周检测到一个F/G脉冲。旋转检测单元340对F/G脉冲的总数进行计数。然而，优选地，当无刷DC电动机330停止时，将旋转检测单元340设置为初始值(例如，‘0’)，以用无刷DC电动机330的再激活来更新计数。

每当旋转检测单元340检测到无刷DC电动机330旋转一周时，旋转检测单元340就将预定输出信号施加到电流控制单元320。

电流控制单元320控制施加到无刷DC电动机330的电流，无刷DC电动机330根据该电流以恒定速度继续旋转或停止。为了使无刷DC电动机330停止，向包括在无刷DC电动机330中的每个定子施加零电流或者具有相等强度的多相电流。

当从脉冲施加单元310施加输入脉冲时，电流控制单元320允许无刷DC电动机330旋转一周。随后，旋转检测单元340向电流控制单元320施加输出信号，从而无刷DC电动机330停止。

电流控制单元320可包括多相换流器(附图中未示出)。多相换流器改变每个电流的相位，使得当电流控制单元320将旋转电流或停止电流输出到无刷DC电动机330时，具有不同相位的电流分别被施加到U相线圈、V相线圈、和W相线圈。这里，旋转电流表示使无刷DC电动机330在特定方向旋转的电流，以及停止电流表示施加到U相线圈、V相线圈、和W相线圈以使无刷DC电动机330停止的具有相同相位的电流。

用于控制无刷DC电动机300的设备可包括变速箱350。变速箱350连接至无刷DC电动机330，以减少其旋转输出。变速箱350根据预定的齿轮减速比来控制无刷DC电动机330的旋转角度与其转数成比例。

在变速箱350的齿轮减速比为k∶1(其中，k为自然数)的情况下，无刷DC电动机330旋转一周，以生成变速箱1/k周的旋转，从而可获得精确的角度控制。例如，当k为360时，无刷DC电动机330旋转一周将生成1°的输出旋转，以及当k为720时，无刷DC电动机330旋转一周将生成0.5°的输出旋转。

同样，脉冲施加单元310的脉冲施加频率可以预定或由用户输入。例如，用户可以通过按数字键盘的按钮或从菜单栏中选择来输入频率。

应当理解，在不背离本发明的精神的情况下，可以结合或拆分本发明的每个构成部分，以实现上述功能。

下文中，将参照图5来描述用于保持无刷DC电动机每分钟的转数而不考虑电池电压的强度的方法。

图5是示出根据本发明的实施例的无刷DC电动机的控制方法的流程图。

如图5所示，在步骤S510，电流控制单元320监控脉冲施加单元310是否施加了输入脉冲。

如果施加了输入脉冲，则电流控制单元320进行至步骤S520，以使无刷DC电动机330旋转。然而，如果未施加输入脉冲，则电流控制单元320等待，直至施加输入脉冲。

在步骤S530，旋转检测单元340检测由无刷DC电动机330的旋转生成的旋转脉冲，并对旋转脉冲的总数进行计数。

在步骤S540，如果检测到预定数量的旋转脉冲，则旋转检测单元340进行至步骤S550，以初始化旋转脉冲数，并生成输出信号，该输出信号被施加到电流控制单元320。

然而，如果检测的脉冲总数未到预定数量，则过程返回步骤S530，以继续对由于无刷DC电动机330的旋转所产生的旋转脉冲数进行计数。

这里，当检测到6个反电动势脉冲(在无传感器型中)或者一个F/G脉冲(在传感器型中)时，旋转检测单元340确定无刷DC电动机330旋转了一周，因此将输出信号施加到电流控制单元320。

根据输出信号，电流控制单元320施加停止电流而不是旋转电流，以使无刷DC电动机330停止。然后，电流控制单元330不允许无刷DC电动机330旋转，直至施加下一脉冲。

虽然已参照公开的实施例描述了本发明，但应当理解，本领域技术人员可以在不背离本发明的范围和精神的情况下对实施例作出更改和变化或者如下述权利要求的等同替换。

Claims (8)

1.一种用于控制无刷DC电动机的每分钟转数的设备，所述设备包括：

无刷DC电动机，当旋转电流被施加时以恒定速度旋转，并且当停止电流被施加时停止旋转；

脉冲施加单元，用于根据预定的或由用户输入的脉冲施加频率来输出输入脉冲；

旋转检测单元，用于检测旋转脉冲的数量，并且所述无刷DC电动机每旋转一周则输出预定的输出信号；以及

电流控制单元，对应于所述输入脉冲向所述无刷DC电动机施加所述旋转电流，并且对应于所述输出信号向所述无刷DC电动机施加所述停止电流。

2.根据权利要求1所述的用于控制无刷DC电动机的每分钟转数的设备，其中，所述无刷DC电动机为无传感器型的，并且所述旋转检测单元检测所述无刷DC电动机的反电动势脉冲的数量。

3.根据权利要求1所述的用于控制无刷DC电动机的每分钟转数的设备，其中，所述无刷DC电动机为传感器型的，并且所述旋转检测单元检测所述无刷DC电动机的F/G脉冲的数量。

4.根据权利要求1所述的用于控制无刷DC电动机的每分钟转数的设备，其中，所述脉冲施加单元以与对应于所述无刷DC电动机最小转速的频率相同或比其更低的频率来输出所述输入脉冲。

5.根据权利要求1所述的用于控制无刷DC电动机的每分钟转数的设备，还包括变速箱，所述变速箱连接至所述无刷DC电动机，并具有预定减速比，以控制所述无刷DC电动机的输出转数。

6.一种用于控制设备的方法，所述设备包括：

无刷DC电动机，当旋转电流被施加时以恒定速度旋转，并且当停止电流被施加时停止旋转；

脉冲施加单元，以预定的或由用户输入的脉冲施加频率来输出输入脉冲；

旋转检测单元；以及

电流控制单元，

所述方法包括：

(a)通过所述电流控制单元监控所述脉冲施加单元是否施加了所述输入脉冲；

(b)如果在步骤(a)中施加了所述输入脉冲，则输出使所述无刷DC电动机旋转的旋转电流；

(c)通过所述旋转检测单元对由所述无刷DC电动机的旋转所产生的旋转脉冲的数量进行计数；

(d)通过比较所述旋转脉冲的数量与预定值来确定所述无刷DC电动机是否旋转了一周；以及

(e)如果步骤(d)确定所述无刷DC电动机已经旋转了一周，则初始化所述旋转脉冲的数量并将输出信号输出到所述电流控制单元，但是如果未旋转一周，则重复步骤(c)和(d)。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述无刷DC电动机为无传感器型的，并且所述旋转检测单元检测所述无刷DC电动机的反电动势脉冲的数量。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述无刷DC电动机为传感器型的，并且所述旋转检测单元检测所述无刷DC电动机的F/G脉冲的数量。

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