專利名稱：電動機控制裝置及包括該裝置的信息記錄和/或重放設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用來控制具有磁轉子和多個繞組的多相無刷直流電動機的電動機控制裝置，所述電動機控制裝置包括檢測單元，它適合于根據(jù)線圈中產(chǎn)生的反電動勢電壓產(chǎn)生換向信號；輸出級，它具有連接各繞組的多個輸出端；至少一個連接電源的端子；以及多個根據(jù)所述換向信號選擇性地把所述端子耦合到各輸出端的控制元件。
本發(fā)明還涉及一種用于信息的記錄和重放的設備，它包括以與周期性的基準信號同步的周期記錄和/或重放信息的裝置；用來驅動與所述裝置合作的元件的電動機；用來檢測所述元件位置的傳感器，它產(chǎn)生傳感器信號；以及用來控制所述電動機的電動機控制裝置。
從美國專利No.4,752,724中已知這樣一種電動機控制裝置。這種已知的電動機控制裝置包括連接到三相無刷直流電動機繞組用來檢測所述繞組內產(chǎn)生的反電動勢電壓的檢測裝置。根據(jù)檢測到的反電動勢電壓產(chǎn)生換向信號。已知的電動機控制裝置還包括輸出級，其中包括多個雙極晶體管，用來選擇性地把繞組耦合到電源。所述晶體管由信號發(fā)生器控制，而后者用換向信號控制。所述已知的電動機控制裝置適用于按照給定的模型激勵無刷電動機的繞組，以此使繞組產(chǎn)生一種不停地驅動轉子的旋轉磁場。
本發(fā)明的一個目的是提供一種電動機控制裝置，它使得可以把無刷直流電動機包括在控制環(huán)路中，并使所述控制環(huán)路能夠獲得大的帶寬。為此目的，按照本發(fā)明的電動機控制裝置的特征在于所述電動機控制裝置包括鑒相器，它具有用來接收與轉子瞬間位置相關的周期性傳感器信號的第一輸入端和用來接收周期性基準信號的第二輸入端，并且所述鑒相器適合于產(chǎn)生代表傳感器信號和基準信號之間相位差的相位誤差信號，以及可控電源級，它設計得可以根據(jù)所述相位差信號通過輸出級的輸出端饋送雙向電流，用來以受控的方式驅動和制動轉子。
采取按照本發(fā)明的這些措施，就可以達到使轉子根據(jù)傳感器信號和基準信號之間相位差的符號進行加速或主動制動。按照本發(fā)明的電動機控制裝置的電源級使流過繞組的電流能夠與換向信號無關地在量值上受控并反轉，并使得可以得到從轉子驅動到轉子主動制動的平滑地過渡。由于主動制動的可能性，這種電動機控制裝置非常適用于結合到控制環(huán)路中、從而獲得大的帶寬。由于驅動和主動制動之間的平滑過渡，還可以做到使這樣的控制環(huán)路精確動作。傳感器信號可以，例如，從檢測出的反電動勢電壓產(chǎn)生，或者可以借助于諸如光耦合器、電容傳感器、電感傳感器等檢測由所述電動機驅動的元件的某個位置的單獨的傳感器產(chǎn)生?；鶞市盘柨梢裕纾且环N周期性的信號，其頻率代表所述電動機要求的旋轉速度和/或其相位代表被所述電動機驅動的所述元件的要求的位置。輸出級可以，例如，總是根據(jù)換向狀態(tài)的給定模型激勵三相電動機三個繞組中的兩個，以產(chǎn)生旋轉磁場。應該指出，在已知的電動機控制裝置中，流過繞組的電流方向在某些換向狀態(tài)之間也是不同的。但是，在已知電動機控制裝置的所有換向狀態(tài)中轉子都被驅動。
按照本發(fā)明的電動機控制裝置的實施例的特征在于把輸出級安排成與電源級串聯(lián)。由于這一措施，流過繞組的電流不僅與換向信號無關，而且與輸出級的換向狀態(tài)無關。其結果是，用于輸出級的控制元件不必滿足任何關于對所加控制信號的線性或相似響應的要求。這就使，例如，MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應管)的使用成為可能。
按照本發(fā)明的電動機控制裝置的實施例的特征在于所述電源級包括脈寬調制器，后者適合于通過輸出級的輸出端向繞組提供一種取決于相位誤差信號的雙向電流。采取這一措施的結果是，電動機控制裝置的耗散明顯減小。輸出級最好這樣設計、使得連接電源用的第一端和第二端之間是對稱的，而脈寬調制器提供正脈沖，所述脈沖根據(jù)相位誤差信號而加在輸出級的第一端或第二端，而脈沖寬度取決于相位誤差信號的幅度。
按照本發(fā)明的電動機控制裝置的實施例的特征在于所述電源級包括可控電流源。借助于這一措施，做到了使電動機控制裝置包括于其中的控制環(huán)路的性能與繞組的串聯(lián)電阻、繞組的自感及繞組中的反電動勢電壓無關。繞組的所述電阻是隨著溫度而改變的。尤其是用在諸如，例如，攝像器和便攜式計算機等便攜式設備上時，所述措施提供了明顯的改進。所產(chǎn)生的反電動勢電壓隨著轉子的轉速而變化。借助于這一措施，還可以做到電動機控制裝置包括于其中的控制電路的控制性能較少地依賴于轉子的轉速。例如，在電動機以一定的速率驅動把圖象傳感器與入射光隔開的快門的攝像機中，這是很重要的。這樣的電動機根據(jù)視頻格式而以不同的轉速運行。
按照本發(fā)明的電動機控制裝置的實施例的特征在于所述相位調制器產(chǎn)生一種脈沖形式的相位誤差信號，后者與基準信號的周期相比是狹窄的，它所含的能量與傳感器信號和基準信號之間的相位差成正比。這樣的脈沖可以由本身就是已知的電路產(chǎn)生，另外，若基準信號和傳感器信號都是脈沖型或矩形型，則電路也很簡單。通過產(chǎn)生一種與基準信號的周期相比狹窄的脈沖，可以做到轉子在所述周期已經(jīng)加速或減速。其結果是，進一步加大了包括所述電動機控制裝置的控制環(huán)路的帶寬。
按照本發(fā)明的電動機控制裝置的實施例的特征在于所述電動機控制裝置包括安排在鑒相器和輸出級之間的二階低通濾波器和微分器的串聯(lián)電路，用來把所述脈沖轉變成雙極性控制信號，并且電源級適合于根據(jù)所述雙極性信號提供電流。借助于這些措施做到了迅速校正所檢測到相位差，而同時流過電動機的平均電流大體上保持不變。這主要在擾動導致需要由電動機克服的摩擦力的短暫的增大或減小的應用領域上顯得重要。擾動之后，摩擦力等于擾動之前的摩擦力，結果是，為了防止電動機的平均速度隨著擾動的校正而增大或減小，電動機的電流必須恢復到擾動之前的數(shù)值。所述措施保證擾動的作用不會覆蓋比擾動本身的持續(xù)時間長得多的時間周期。
按照本發(fā)明的電動機控制裝置的實施例的特征在于所述低通濾波器的時間常數(shù)小于基準信號的周期。借助于這些措施，可以做到轉子的加速和減速總是基于在基準信號的上一個周期測量到的相位差。這使擾動作用的持續(xù)時間進一步縮短。
本發(fā)明還涉及一種記錄和/或重放信息用的設備，它包括以與周期性的基準信號同步的周期記錄和/或重放信息用的裝置；電動機，用來驅動與所述裝置合作的元件；傳感器，用來檢測所述元件位置，產(chǎn)生傳感器信號；以及按照本發(fā)明的電動機控制裝置。
借助于這些措施就可以做到使得信息流可以以固定的周期頻率記錄或重放。這在實時系統(tǒng)和信息量大得不希望在記錄和/或重放的過程中把所述信息臨時儲存的系統(tǒng)中尤為重要。
按照本發(fā)明的設備的實施例的特征在于所述裝置包括幀傳輸圖象傳感器，而所述元件包括用于周期性地封閉圖象傳感器的快門。這樣的設備是，例如，用來記錄視頻圖象的攝像機。在幀傳輸圖象傳感器的情況下，圖象周期地從拾取部分傳送給讀出部分。在這種傳送過程中，圖象傳感器最好與入射光屏蔽，以防發(fā)生“拖影”效應。顯然，使封閉和傳輸同時發(fā)生是非常重要的。擾動性的外部影響，諸如沖擊或攝像機運動的結果是，驅動快門的電動機應當臨時克服可能在圖象傳感器的封閉和圖象的傳輸之間引起相位差的較高或較低的摩擦。借助于按照本發(fā)明的這些措施，這種相位差得以迅速校正，預防可見的“拖影”效應。
按照本發(fā)明的設備的實施例的特征在于所述元件包括信息載體，而所述裝置包括用于把信息寫在信息載體上的頭。這樣的設備是，例如，磁盤驅動器，信息載體是磁盤或光盤，頭分別是磁頭或光盤頭。借助于按照本發(fā)明的這些措施，磁盤的速度可以精確地加以控制，其結果是，在寫和/或讀的過程中獲得均勻的信息流。
現(xiàn)將參照附圖，以舉例的方式較詳細地描述本發(fā)明。附圖中

圖1示意地表示按照本發(fā)明的電動機控制裝置的第一實施例；圖2示意地表示流過繞組的電流隨著時間的變化；圖3舉例說明雙極性控制信號如何從相位誤差信號產(chǎn)生；圖4表示在包括所述電動機控制裝置的控制環(huán)路的校正動作過程中，電源級提供的電流、繞組兩端的電壓和流過繞組的電流隨著時間的變化；圖5示意地表示按照本發(fā)明電動機控制裝置第二實施例中電源級和輸出級；圖6表示按照本發(fā)明的設備的第一實施例；以及圖7表示按照本發(fā)明的設備的第二實施例。
圖1示意地表示按照本發(fā)明的電動機控制裝置的第一實施例。所述電動機控制裝置適合于控制三相無刷直流電動機10，后者包括磁轉子15和三個繞組11，12和13。電動機控制裝置包括檢測裝置20，后者適合于產(chǎn)生代表轉子相對于繞組的位置的換向信號21。換向信號21是根據(jù)在繞組11，12和13上產(chǎn)生的反電動勢電壓而產(chǎn)生的。電動機控制裝置還包括輸出級30，后者具有連接電源用的第一端子31和第二端子32；連接繞組11，12和13用的輸出端33，34和35；以及根據(jù)換向信號21選擇性地把端子31，32連接到輸出端33，34和35的若干可控半導體元件。
電動機控制裝置還包括鑒相器40，后者具有用來接收周期性傳感器信號的第一輸入端41和用來接收周期性基準信號的第二輸入端42。鑒相器40適合于產(chǎn)生代表傳感器信號和基準信號之間相位差的相位誤差信號43。把輸出級30安排成與可控電源級50串聯(lián)，后者適合于通過輸出端33，34和35饋送流過繞組11，12和13的雙向電流I。根據(jù)相位誤差信號43這樣控制電流I、以便以可控的方式驅動轉子15或者對這個轉子進行主動制動。鑒相器40產(chǎn)生脈沖形式的相位誤差信號43，脈沖的寬度相對于基準信號的周期T是狹窄的(見圖3)，而脈沖所含的能量與傳感器信號和基準信號之間的相位差成正比。二階低通濾波器和微分器的串聯(lián)電路60設置在鑒相器40和電源級50之間。低通濾波器的時間常數(shù)小于基準信號的周期T。串聯(lián)電路60保證把相位誤差信號43轉換成雙極性控制信號(見圖3)，用來控制可控電源級50。串聯(lián)電路可以，例如，具有在塊60中所示的頻率響應。在這樣的情況下，獲得了比例積分-微分(PID)控制器，后者提供一種基于相位誤差信號的比例分量、積分分量和微分分量的復合控制信號61。電源級50包括可控的電流源，結果流過繞組11，12和13的電流取決于所述控制信號61。
圖2示意地表示流過繞組11，12和13的電流隨著時間的變化。為了驅動轉子，電流I11，I12和I13通過繞組11，12和13饋送，這些電流按照所謂換向周期的周期圖案產(chǎn)生旋轉磁場。在具有6對磁極的三相電動機的情況下，6個換向信號對應于轉子15在機械上旋轉一周。因而一個換向周期相當于60°的角向旋轉。換向是根據(jù)換向信號21控制的(見圖1)。為了驅動轉子15，輸出級30的半導體元件36(見圖1)應該在正確的時刻切換。切換時刻由檢測單元20確定(見圖1)。每次激勵三個繞組中的兩個。
圖3舉例說明如何從相位誤差信號產(chǎn)生雙極性控制信號。(a)處示出相位誤差信號53，它是由鑒相器40產(chǎn)生的(見圖1)，呈脈沖型，而脈沖所含的能量與傳感器信號和基準信號之間的相位差成正比。(b)處示出第一低通濾波器之后得到的信號。(c)處示出第二低通濾波器之后得到的信號，而(d)處示出微分器之后得到的雙極性控制信號61。
圖4表示在包括電動機控制裝置的控制環(huán)路的校正動作期間，電源級提供的電流、兩端的電壓和流過繞組的電流隨著時間的變化。由電源級50提供的電流I隨著雙極性控制信號61而變化(見圖3)。最初，電源級提供電流I＝I0，直至t＝t1，此時電流I減小，變成負值，隨后再次增大直至I＝I0(未示出)。流過繞組11的電流I11最初具有數(shù)值I＝I0，并根據(jù)換向信號21(見圖1)切換如圖2所示。繞組11兩端的電壓等于反電動勢加上電壓I11·R，式中R是繞組11的電阻。從時刻t＝t1開始，電流I11在量值上減小，但仍與V11同步。t＝t2之后，電源級提供的電流I變成負值，于是流過繞組11的電流I11與電壓V11反相。結果流過繞組11的電流I11在方向和量值上可以控制，而與換向信號21無關。換向信號21基于反電動勢電壓的過零點。當檢測到反電動勢的電壓過零點時，在Δt等于30°之后執(zhí)行新的換向。在這些過零點期間，流過繞組11的電流I11為0，使得V11相當于反電動勢電壓。過零期間，由電源級50造成的電流I的變化并不影響電壓V11，使得換向信號21的產(chǎn)生不受影響。其結果是，換向和轉子15的驅動與主動制動之間的控制完全彼此無關地進行。
圖5示意地表示按照本發(fā)明的電動機控制裝置第二實施例的電源級和輸出級。電源級70適合于通過輸出級30的輸出端33，34和35提供雙向電流I，所述電流取決于雙向控制信號61，并與換向信號無關。電源級70包括脈寬調制器72，后者提供取決于控制信號61的幅度的給定脈沖寬度的正脈沖。電源級70還包括符號檢測器71，后者依照控制信號61的符號推動開關73，以便反轉加在輸出級30上的電流I方向。
圖6表示按照本發(fā)明的設備的第一實施例。所述設備是攝像機80，用來記錄視頻圖象，并包括幀傳輸圖象傳感器81和用來周期地封閉圖象傳感器的快門82?？扉T82由電動機84驅動，后者如前所述受電動機控制裝置86控制。借助于視頻控制器87，產(chǎn)生周期性的基準信號88，后者每一次都將圖象傳感器81的讀出周期初始化?？扉T82的位置由光學檢測器85檢測，后者產(chǎn)生周期性的傳感器信號89。傳感器信號89和基準信號88兩者都加在電動機控制裝置86上，形成控制環(huán)路，后者保證圖象傳感器81在讀出周期期間與通過透鏡83入射的光線屏蔽。換句話說，這種控制環(huán)路保證讀出和快門82的運動處于固定的相位關系之中。
圖7表示按照本發(fā)明的設備第二實施例。所述設備是記錄和/或重放信息用的硬磁盤單元90。硬磁盤單元90包括可磁化的磁盤92和連接到控制裝置97的磁頭91。磁盤92由電動機94驅動，如前所述，后者由電動機控制裝置96控制?？刂蒲b置97，例如，從準備儲存的磁盤92上的信息流產(chǎn)生周期性的基準信號98?？刂蒲b置97還產(chǎn)生周期性的傳感器信號99，后者例如，由磁頭81從磁盤92讀出的伺服信號產(chǎn)生。傳感器信號99和基準信號98都加在電動機控制裝置96上，形成控制環(huán)路，保證磁盤92的轉速與儲存在磁盤92上的信息流一致。
應該指出，本發(fā)明不限于上述實施例。本發(fā)明還可以，例如，應用在圖象顯示裝置上，其中所述裝置產(chǎn)生輻射束，而所述元件包括用來使輻射束以給定的周期時間在屏幕上移動的鏡子，輻射束根據(jù)信息流進行調制，以便在所述屏幕上顯示圖象。此外，可以把輸出級30和電源級50集成在一起，控制元件36不斷地響應雙向控制信號61，并通過根據(jù)所述雙向控制信號61的符號接通適當?shù)目刂圃硎沽鬟^電動機的電流方向翻轉。
權利要求
1.一種用來控制多相無刷直流電動機(10)的電動機控制裝置，所述電動機包括磁轉子(15)和多個繞組(11，12，13)，電動機控制裝置包括檢測裝置(20)，它適合于根據(jù)繞組上產(chǎn)生的反電動勢電壓產(chǎn)生換向信號(21)；輸出級(30)，它具有連接繞組用的輸出端(33，34，35)、連接電源用的至少一個端子(31)，和多個控制元件(36)、用來根據(jù)換向信號選擇性地把所述端子連接到各輸出端上，鑒相器(40)，它具有用來接收與轉子(15)瞬間位置有關的周期性傳感器信號的第一輸入端(41)和用來接收周期性基準信號的第二輸入端(42)，所述鑒相器適合于產(chǎn)生代表傳感器信號和基準信號之間相位差的相位誤差信號(43)；以及其特征在于所述電動機控制裝置包括可控電源級(50)，它適合于根據(jù)相位誤差信號(43)通過輸出級(30)的輸出端(33，34，35)饋送雙向電流(I)，以可控的方式驅動或制動轉子(15)。
2.權利要求1所要求的電動機控制裝置，其特征在于把輸出級(30)配置成與電源級(50)串聯(lián)。
3.上述權利要求中的任何一個所要求的電動機控制裝置，其特征在于所述電源級包括脈寬調制器(70)，后者適合于通過輸出級的輸出端(33，34，35)向所述各繞組提供取決于相位誤差信號(43)的雙向電流(I)。
4.上述權利要求中的任何一個所要求的電動機控制裝置，其特征在于電源級(50)包括可控電流源。
5.上述權利要求中的任何一個所要求的電動機控制裝置，其特征在于所述鑒相器(40)產(chǎn)生脈沖形式的相位誤差信號(43)，脈沖的寬度相對于基準信號的周期T是狹窄的，而脈沖所含的能量與傳感器信號和基準信號之間的相位差成正比。
6.權利要求5所要求的電動機控制裝置，其特征在于所述電動機控制裝置包括二階低通濾波器和微分器的串聯(lián)電路(60)，后者設置在鑒相器(40)和電源級(50)之間，用來把脈沖轉換成雙極性控制信號(61)，電源級(50)適合于根據(jù)所述雙極性控制信號提供電流(I)。
7.權利要求6所要求的電動機控制裝置，其特征在于所述低通濾波器的時間常數(shù)小于基準信號的周期。
8.一種用于記錄和/或重放信息的設備(84；91)，其特征在于包括用于以與周期性的基準信號(88；98)同步的周期記錄和/或重放信息的裝置；電動機(84；94)，用來驅動與所述裝置協(xié)同工作的元件(82；92)；傳感器(85；91)，用來檢測所述元件的位置，產(chǎn)生傳感器信號(89，99)；以及上述權利要求中任何一個所要求的用來控制電動機的電動機控制裝置(86；96)。
9.權利要求8所要求的設備(80)，其特征在于所述裝置包括幀傳輸圖象傳感器(81)，而所述元件包括周期性地封閉所述圖象傳感器用的快門(82)。
10.權利要求8所要求的設備(90)，其特征在于所述元件包括信息載體(92)，而所述裝置包括用來把信息寫在所述信息載體上的頭(91)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種設計來控制三相無刷直流電動機(10)的電動機控制裝置,所述電動機包括磁轉子(15)和三個繞組(11,12,13),電動機控制裝置包括檢測裝置(20),它適合于根據(jù)繞組(11,12和13)上產(chǎn)生的反電動勢電壓產(chǎn)生換向信號(21)。電動機控制裝置還包括輸出級(30),它具有連接電源用的第一端子(31)和第二端子(32)、連接繞組(11,12和13)用的輸出(33,34,35)以及若干半導體元件(36)、用來根據(jù)換向信號(21)選擇性地把端子(31,32)連接到輸出端(33,34,35)。所述電動機控制裝置還包括鑒相器(40),它適合于產(chǎn)生代表傳感器信號和基準信號之間相位差的相位誤差信號(43)。把輸出級(30)配置成與可控電源級(50)串聯(lián),后者適合于通過輸出端(33,34,35)饋送流過繞組(11,12,13)的雙向電流(I)。根據(jù)相位誤差信號(43)控制電流(I),以便以受控的方式驅動轉子(15),或對轉子進行主動制動。
文檔編號H02P6/06GK1208512SQ97191726
公開日1999年2月17日 申請日期1997年10月20日 優(yōu)先權日1996年11月19日
發(fā)明者M·C·W·范布爾, G·A·M·范貝斯特維爾德, N·J·達姆斯特拉, H·C·J·比斯克 申請人:菲利浦電子有限公司