一种直流无刷电机系统及其驱动方法技术方案

本申请公开了一种直流无刷电机系统及其驱动方法。该电机系统包括输出级，接收输入信号，提供输出信号；电机，所述电机包括线圈和转子，所述电机基于所述输出信号驱动所述转子转动；霍尔感应器，基于所述转子的转动角度，提供霍尔感应信号；控制电路，基于所述霍尔感应信号控制所述输出级，其中在所述转子靠近关键位置的情况下，减小霍尔感应器的感应信号，以降低线圈的峰值电流。本发明专利技术的上述方案能够减小直流无刷电机的电流尖刺并相应减小电压尖刺。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术的实施例涉及直流无刷电机，尤其涉及用于减小电流尖刺和电压尖刺的 直流无刷电机。
技术介绍
电机驱动被广泛应用于CPU散热风扇中。其基本原理为当线圈通电时，在电机 两端产生磁场，从而在电机两端产生磁力。通常根据电源的性质将电机分为直流电机和交流电机。直流电机通常采用永磁 铁作为定子，并采用受外部驱动的通电线圈作为转子。该转子相当于一个电磁铁。当有 电流流过其上时，在定子的周围将产生磁场，并在电磁两极间产生磁力，从而在磁力的 作用下转子发生转动。在直流无刷电机中，电刷被霍尔感应器取代，转子采用永磁铁，定子采用线 圈，如图1所示的电机。当线圈101中流过如图所示从左至右的电流Ic时，根据右手定 则，电机将产生如图所示上面为N极，下面为S极的磁场。根据同性相斥、异性相吸的 原理，此时，转子102受到力矩的作用，将逆时针转动。当转子102转到图2所示的位置时，转子102的磁极和线圈101 (即定子)产生的 磁极处在同一条线上，将该位置称为关键位置。此时，施加在转子102上的力矩为零。 如果流过线圈101的电流方向保持不变，则当转子102转过关键位置后，转子102所受的 力矩将改变方向。因此，为了使转子持续朝同一个方向旋转，流过线圈101的电流方向应该在转 子经过关键位置后反向，从而维持力矩方向不变(如保持力矩为逆时针方向)。现有直 流无刷电机通常采用霍尔感应器来检测并反馈转子的位置，根据转子的相应位置调整电 流方向。只要将霍尔感应器放在合适位置，霍尔感应器输出的霍尔感应信号的信号幅度 和极性可以反映电机力矩的方向和幅度。如图3所示为霍尔感应器103检测转子102的 转动位置，图4所示为霍尔感应器103输出的霍尔感应信号VHAll和转子102的转动位置 (转子102相对水平位置转过的角度ω)的关系图。如图4所示，当转子102相对于水平位置的转动角度ω小于90度时，霍尔感应 信号Vh-为正电平；当转动角度ω靠近90度时，霍尔感应信号Vh-开始减小至零并 在转动角度ω为90度时变为负电平；直至转动角度ω到270度，霍尔感应信号重新变 为正电平；此后，转动角度ω为450度时，霍尔感应信号变为负电平。霍尔感应信号 VHAu根据转动角度ω如此循环变化正负电位，使得流经线圈101的电流相应地变化方 向。电机的等效电路模型如图5所示，其包括3个部分等效寄生电感LP、等效电 阻Rp和感应电动势Vt。其中感应电动势Vt由转子102在磁场中转动产生。根据楞次定 律，感应电动势的大小与转子的转速和磁通密度变化率dB/dt的乘积成正比。转子102 越靠近关键位置，由于磁通密度变化率dB/dt减小，则感应电动势Vt减小。图6示出用全桥拓扑驱动电机的系统。该全桥拓扑包括桥臂1和桥臂2。其中 桥臂1包括第一开关104和第二开关105;桥臂2包括第三开关106和第四开关107。第 一开关104和第二开关105串联耦接在输入Vin和参考地之间，第三开关106和第四开关 107串联耦接在输入Vin和参考地之间；电机第一端A耦接在第一开关104与第二开关105 的公共节点，电机第二端B耦接至第三开关106与第四开关107的公共节点。当第一开 关104和第四开关107被闭合导通、第二开关105和第三开关106被断开时，电流经由输 入VIN、第一开关104、等效寄生电感LP、等效电阻RP、感应电动势Vt、第四开关107以 及参考地形成通路。此时，电机第一端A和第二端B之间的电压Vab为输入Vin的电压 值，即施加在等效寄生电感LP、等效电阻Rp和感应电动势Vt两端的电压为VIN。流经 等效寄生电感Lp的电流方向为从左至右。当转动角度ω靠近90度时，即转子102靠近 关键位置时，霍尔感应信号开始减小，磁通密度变化率减小，则感应电动势Vt减 小，因此，施加在等效寄生电感Lp和等效电阻Rp两端的电压Vp增大。相应地，流过等 效寄生电感Lp的电感电流Iui也增大。当转子102转到关键位置时，磁通密度变化率减 小到零，此时电感电流增大到其最大值，造成电流尖刺，如图7所示的曲线U。为了维持力矩方向不变，当转子102转过关键位置后，线圈电流需要反向。此 时第二开关105和第三开关106被闭合导通、第一开关104和第四开关107被断开。由 于电感电流不能突变，因此，此时电流经由第二开关105、等效寄生电感LP、等效电阻 RP、感应电动势Vt和第三开关107回流入输入Vin，如图6箭头所示。因此，回流入输 入Vin的能量在输入电容(未图示)上造成电压尖刺，如图7所示的曲线VeiN。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种减小电流尖刺并相应减小电压尖刺的直流无刷电机及 其驱动方法。本专利技术的一个方面提供了一种直流无刷电机系统，包括输出级，接收输入信 号，提供输出信号；电机，所述电机包括线圈和转子，所述电机基于所述输出信号驱动 所述转子转动；霍尔感应器，基于所述转子的转动角度，提供霍尔感应信号；控制电 路，基于所述霍尔感应信号控制所述输出级，其中在所述转子靠近关键位置的情况下， 减小霍尔感应器的感应信号，以降低线圈的峰值电流。根据本专利技术的实施例，所述控制电路包括霍尔比较器，基于所述霍尔感应信 号，提供第一比较信号；霍尔放大器，基于所述霍尔感应信号，提供霍尔放大信号；峰 值电流比较器，基于所述霍尔放大信号和流过所述线圈的电流，提供第二比较信号；其 中所述第一比较信号和第二比较信号用以控制所述输出级。根据本专利技术的实施例，所述的直流无刷电机系统进一步包括电流采样单元，其 输入端耦接至所述电机，用以采样流过所述线圈的电流至所述峰值电流比较器。根据本专利技术的实施例，所述的直流无刷电机系统进一步包括逻辑单元，根据第 二比较信号和脉冲宽度驱动信号，提供逻辑信号，来控制所述输出级。根据本专利技术的实施例，所述逻辑单元包括或非门。根据本专利技术的实施例，所述关键位置为所述转子的磁极与所述线圈产生的磁极 处于同一条线。 根据本专利技术的实施例，所述霍尔放大信号随着所述霍尔感应信号的减小而减根据本专利技术的实施例，所述第一比较信号随着所述霍尔感应信号逻辑电平的变 化而变化逻辑电平。根据本专利技术的实施例，所述输出级为全桥拓扑。根据本专利技术的实施例，所述输出级包括并联耦接的第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂。本专利技术的另一方面提供了一种直流无刷电机驱动方法，包括使用霍尔感应器 检测电机转子的转动角度以判断电机转子是否靠近关键位置；在电机转子靠近关键位置 的情况下，通过降低霍尔感应器的感应信号来降低线圈电流峰值。根据本专利技术的实施例，所述的驱动方法还包括判断电机转子是否转过关键位 置；在电机转子转过关键位置的情况下，增大线圈峰值电流。根据本专利技术的实施例，所述的驱动方法还包括在电机转子未转过关键位置的 情况下，继续减小线圈峰值电流。本专利技术的上述方案能够较小直流无刷电机中的电流尖刺和电压尖刺。 附图说明下面的附图表明了本专利技术的实施方式。这些附图和实施方式以非限制性、非穷 举性的方式提供了本专利技术的一些实施例。图1为电机的示意图。图2为图1所示电机当其转子和定子产生磁极位于同一方向的示意图。图3为霍尔感应器检测电机转子的转动位置的示意图。图4为霍尔感应信号和转子的转动位置的关系图。图5为电机的等效电路模型图。图6为现有技术用全桥本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直流无刷电机系统，包括：输出级，接收输入信号，提供输出信号；电机，所述电机包括线圈和转子，所述电机基于所述输出信号驱动所述转子转动；霍尔感应器，基于所述转子的转动角度，提供霍尔感应信号；控制电路，基于所述霍尔感应信号控制所述输出级，其中在所述转子靠近关键位置的情况下，减小霍尔感应器的感应信号，以降低线圈的峰值电流。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李伊珂，赵剑，安东尼奥巴克，
申请(专利权)人：成都芯源系统有限公司，
类型：发明
国别省市：90