专利名称：无刷电动机的电流型脉冲宽度调制技术的制作方法
技术领域：
本发明一般地说涉及无刷电动机的电流型脉冲宽度调制(PWM)技术，并且具体地说，涉及通过根据脉冲宽度调制(PWM)控制信号的正极性或负极性分别增大或减小电动机速度来控制无刷电动机的系统和方法，其中PWM信号根据由所需电动机速度与当前电动机速度之差所产生和得出的误差信号而变化。
对于无刷电动机速度的控制存在各种系统和方法。一种传统现有技术的系统和方法包括采用脉冲宽度调制(PWM)信号来直接控制无刷电动机的电源开关。例如，三相电动机具有三个上开关和三个下开关以控制无刷电动机。采用一对上下开关来控制无刷电动机的各相。在该现有技术的系统和方法中，PWM信号以如下方式控制无刷电动机，即这六个开关或者接通以激励电动机或者关断以使电动机停止或减速。这样，通过使PWM信号接通电源开关以驱动电动机来使电动机速度增大，以及通过使PWM信号关断电源开关以阻断电动机来使电动机速度减小。因此，电动机在其接通状态与关断状态之间连续且重复地加以切换，产生沿一个方向的全功率激励或者滑行状态。
在计算机领域，计算机系统中存在采用无刷电动机来驱动磁带盘的磁带机。一种类型的磁带机，例如线性磁带打开(Linear TapeOpen)(LTO)，包括两个磁带盘，其一为供带盘，另一为收带盘。供带盘由供带盘电动机驱动，而收带盘由收带盘电动机驱动。利用控制规程来控制这两个电动机的速度。对于这些类型的磁带机或磁带传送装置，磁带的位置和速率需要加以控制。控制规程需要确定磁带的位置和速率以便准确地控制盘电动机的速度。可以将这两个磁带盘、磁带，以及驱动磁带盘的两个电动机当作一个整套装置。该整套装置接收多个输入并且提供多个输出。例如，该整套装置的输入是提供给电动机以控制电动机的电流。该整套装置的输出是磁带速率、磁带张力，和磁带位置。
这些类型的磁带机需要将磁带机的所需电动机速度与其实际电动机速度加以比较以准确地控制磁带的位置和速率。如果所需电动机速度不等于实际电动机速度，则需要将电动机从实际电动机速度驱动至所需电动机速度。因此最好提供根据并基于所需电动机速度与实际电动机速度之差来控制无刷电动机速度的系统和方法。并且最好提供利用无需连续和重复地接通和关断电动机但可以连续驱动无刷电动机的PWM信号来控制无刷电动机速度的系统和方法。进一步最好提供根据所需电动机速度与实际电动机速度之差利用控制无刷电动机速度的PWM信号来控制无刷电动机速度的系统和方法。进一步最好提供用于控制用在磁带伺服系统和方法中的无刷电动机的速度的系统和方法。进一步最好提供根据无刷电动机的转子位置来控制无刷电动机速度的系统和方法。
因此本发明的目的在于提供一种根据并基于所需电动机速度与实际电动机速度之差来控制无刷电动机速度的系统和方法。
本发明的另一个目的在于提供一种利用无需连续和重复地接通和关断电动机但可以连续驱动无刷电动机的PWM信号来控制无刷电动机速度的系统和方法。
本发明的再一个目的在于提供一种根据并基于所需电动机速度与实际电动机速度之差利用控制无刷电动机速度的PWM信号来控制无刷电动机速度的系统和方法。
本发明的再一个目的在于提供一种用于控制用在磁带伺服系统和方法中的无刷电动机的速度的系统和方法。
本发明的再一个目的在于提供一种根据无刷电动机的转子位置来控制无刷电动机速度的系统和方法。
上述目的通过如下所述来实现。一种用于无刷电动机的电流型脉冲宽度调制(PWM)技术。本发明的系统和方法通过根据脉冲宽度调制(PWM)控制信号的极性和大小分别增大或减小电动机速度来控制无刷电动机。PWM信号随着与所需电动机电流与实际电动机电流之差成比例产生的误差信号而变化。采用一个电动机电流传感器来感测施加在电动机上的实际电动机电流。采用一个电流比较器来比较所需电流基准信号与实际电流信号并产生误差信号。采用一个脉冲宽度调制器将该误差信号转换成脉冲宽度调制的误差信号。采用多个转子位置传感器来感测电动机的转子位置。换向器电路接收该脉冲宽度调制误差信号以及电动机的转子位置。电源开关与换向器的输出端相耦连并且还耦连至电动机。该换向器根据相应的脉冲宽度调制误差信号来控制相应电源开关的接通和关断，从而将电动机控制在与所需基准电流信号相对应的所需电动机电流。当误差信号对应具有总体正值、负值和零值时，换向器控制相应的电源开关沿更加正的方向、更加负的方向或以相同的方式驱动电动机以分别增大、减小或保持电动机速度。
本发明的上述以及其它目的、特征和优点在下面详细描写的说明中将更加清楚。
构成本发明特点的新颖性特征在所附权利要求中给出。但是本发明本身以及优选实施方式及其进一步的目的和优点，通过参考下面例示性实施例的详细说明并且结合附图将得以更好地理解。附图中
图1为本发明用于根据并基于所需电动机速度与实际电动机速度之差来控制无刷电动机速度的系统的方框图，其中该系统和方法采用了随所需电动机电流与实际电动机电流之差所产生的误差信号而变化的PWM信号；图2为当所需电动机电流大于实际电动机电流时图1中系统所产生的PWM信号，其中该PWM信号的正脉冲长于负脉冲，所述脉冲根据所需电动机电流与实际电动机电流之间具有正值的误差信号所产生，并且其中该PWM信号用于控制电源开关以增大无刷电动机的电流；图3为当所需电动机电流小于实际电动机电流时图1中系统所产生的PWM信号，其中该PWM信号的正脉冲短于负脉冲，所述脉冲根据所需电动机电流与实际电动机电流之间具有负值的误差信号所产生，并且其中该PWM信号用于控制电源开关减小无刷电动机的速度；图4为当所需电动机电流等于实际电动机电流时图1中系统所产生的PWM信号，其中该PWM信号的正脉冲与负脉冲长度相等，所述脉冲根据所需电动机速度与实际电动机速度之间具有零值的误差信号所产生，并且其中该PWM信号用于控制电源开关维持无刷电动机的速度；以及图5为本发明系统的操作规程的流程图，其中该系统用于根据所需电动机电流与实际电动机电流之差成比例控制无刷电动机的速度。
本发明为用于无刷电动机的电流型脉冲宽度调制(PWM)技术。本发明提供了根据脉冲宽度调制(PWM)信号36例如PWM信号36A或36B或36C的正极性或负极性分别增大或减小电动机激励来控制无刷电动机20的本系统10和方法。PWM信号36随着与所需电动机电流与实际电动机电流之差成比例产生的误差信号35而变化。用于控制无刷电动机电流的系统10和方法采用了无需连续和重复地接通和关断无刷电动机20并且是基于所产生误差信号的PWM信号36。用于控制无刷电动机20的电流的本系统10和方法可以用在磁带伺服系统和方法中。用于控制无刷电动机20的速度的本系统10和方法也是基于无刷电动机的转子位置。
下面参考附图并且特别是参考图1，其中示出了根据脉冲宽度调制(PWM)信号36的正极性或负极性分别增大或减小电动机电流来控制无刷电动机20的本系统10。本系统10控制无刷电动机20的电流。所示无刷电动机20具有三相或三个电动机线圈21，它们是相位或电动机线圈D、E和F。上电源开关18D和下电源开关22D耦连至线圈D以控制那里的无刷电动机20。上电源开关18E和下电源开关22E耦连至线圈E以控制那里的无刷电动机20。上电源开关18F和下电源开关22F耦连至线圈F以控制那里的无刷电动机20。电源开关18D、18E、18F、22D、22E和22F耦连至总电源或电源19。电源19通过选择适当的开关18和22向无刷电动机20提供正和负的驱动电源，例如+12伏和-12伏。这些电源开关由PWM信号，例如在图2和3和4中分别所示的PWM信号36A或36B或36C根据PWM信号的极性加以激励。后面将更详细地说明PWM信号36A和36B和36C。
霍尔传感器12A、12B和12C耦连至无刷换向器14的输入端，电源开关18D、18E、18F、22D、22E和22F耦连至无刷换向器14的输出端。无刷换向器14用于控制电动机线圈D、E和F的方向和驱动以控制无刷电动机20的激励。当电动机控制系统10工作时，电动机线圈D、E和F或者沿一个方向驱动或者沿相反方向驱动。霍尔传感器12A、12B和12C分别感测并提供无刷电动机20的转子位置信息以控制相应的电动机线圈D、E和F。脉冲宽度调制器28也耦连至无刷换向器14的输入端。
脉冲宽度调制器28具有一个耦连在其输入端的误差放大器30。该误差放大器的输入为基准电流或所需电流信号34以及感测电流或实际电流信号32。所需电流信号34与实际电流信号32之差由误差放大器30确定和放大。误差放大器30具有频率补偿特性，可确保无刷电动机中所产生电动机电流的稳定性，并且提供充分的增益，使得所需电动机电流与实际电动机电流之差对于所有正常的电动机速度条件都保持较小。该差从误差放大器30中以误差差别信号35的形式输出。误差差别信号35输入到脉冲宽度调制器28中。脉冲宽度调制器28提供脉冲宽度调制(PWM)信号36，例如以图2中所示PWM信号36A的形式或者以图3中所示PWM信号36B的形式或者以图4中所示PWM信号36C的形式。该PWM信号36被馈送至无刷换向器14的输入端。
下电源开关22D、22E和22F耦连至电流感测电阻器23的一端。电流感测电阻器23的另一端接地。从施加在电流感测电阻器23上的电流感测电压信号27获得感测电流或实际电流信号32。电流感测电压信号27输入至一个有源感测电流整流器24。该整流器24还接收来自脉冲宽度调制器28的PWM信号36，使得感测电流或实际电流信号32根据PWM信号36的极性改变或维持方向。整流器24根据电流感测电阻器23处的电流感测电压信号27和PWM信号36的极性相应地确定并输出感测电流或实际电流信号32。PWM信号36的极性确定了电动机激励的方向，其是实际电流驱动无刷电动机20的方向。
无刷换向器14以对于无刷换向器公知的和熟悉的方式控制电源开关18D、18E、18F、22D、22E和22F以及无刷电动机20。本发明公开了无刷换向器14通过控制一组两个电源开关来控制无刷电动机20，即，选择并接通一组两个电源开关同时使两个电源开关的另两组保持关断。至于无刷换向器14如何确定并选择两个电源开关的哪一组要接通以及两个电源开关的哪些组要保持关断，这是众所周知的。例如，如果需要通过在线圈D和E之间施加正电压而沿正方向激励无刷电动机20以增大电动机速度，则接通上电源开关18D和下电源开关22E。其它电源开关18E、18F、22D和22F被关断。另一方面，如果需要通过在线圈D和E之间施加负电压而沿负方向激励无刷电动机20以减小电动机速度，则接通上电源开关18E和下电源开关22D。其它电源开关18D、18F、22E和22F被关断。
下面参考附图并且特别是参考图2，PWM信号36A为图1中系统10在所需电动机速度大于实际电动机速度时产生的数字信号。PWM信号36A的正脉冲38长于负脉冲40。这些脉冲38和40的长度根据所需电动机电流与实际电动机电流之间的误差信号35而产生。在图2中，所需电动机电流大于实际电动机电流。因此，整个误差信号35是正信号以增大实际电动机电流。采用PWM信号36A控制电源开关以增大无刷电动机20的电流。PWM信号36A与电流感测电压27的输入一起提供给整流器24。PWM信号36A的正脉冲38使得无刷电动机20沿正激励方向驱动，而PWM信号36A的负脉冲40使得无刷电动机20沿负激励方向驱动。由于总体上正脉冲38长于负脉冲40，所以总体上无刷电动机20将沿着正激励方向或方式驱动以增大电动机电流。根据PWM信号36A分别在正脉冲38和负脉冲40的接通时间和断开时间，以正激励和负激励连续地驱动电动机线圈D、E和F，但是总体上将沿着正激励方向驱动无刷电动机20以增大其电流。
下面参考附图并且特别是参考图3，PWM信号36B为图1中系统10在所需电动机电流小于实际电动机电流时产生的数字信号。PWM信号36B的正脉冲38短于负脉冲40。这些脉冲38和40的长度根据所需电动机电流与实际电动机电流之间的误差信号35而产生。在图3中，所需电动机电流小于实际电动机电流。因此，整个误差信号35是负信号以减小实际电动机电流。采用PWM信号36B控制电源开关以减小无刷电动机20的电流。PWM信号36B与电流感测电压27的输入一起提供给整流器24。PWM信号36B的正脉冲38使得无刷电动机20沿正激励方向驱动，而PWM信号36B的负脉冲40使得无刷电动机20沿负激励方向驱动。由于总体上负脉冲40长于正脉冲38，所以总体上无刷电动机20将沿着负激励方向或方式驱动以减小电动机电流。根据PWM信号36B分别在正脉冲38和负脉冲40的接通时间和断开时间，以正激励和负激励连续地驱动电动机线圈D、E和F，但是总体上将沿着负激励方向驱动无刷电动机20以减小其电流。
下面参考附图并且特别是参考图4，PWM信号36C为图1中系统10在所需电动机电流等于实际电动机电流时产生的数字信号。PWM信号36C具有长度相等的正脉冲38和负脉冲40。这些脉冲38和40的长度根据所需电动机电流与实际电动机电流之间的误差信号35而产生。在图4中，所需电动机电流等于实际电动机电流。因此，整个误差信号35是零值信号以便将实际电动机电流保持在所需电动机电流。采用PWM信号36C控制电源开关以维持无刷电动机20的电流。PWM信号36C与电流感测电压27的输入一起提供给整流器24。PWM信号36C的正脉冲38使得无刷电动机20沿正激励方向驱动，而PWM信号36C的负脉冲40使得无刷电动机20沿负激励方向驱动。由于总体上正脉冲38与负脉冲40长度相等，所以总体上无刷电动机20将以相同的方式驱动以维持电动机电流。根据PWM信号36C分别在正脉冲38和负脉冲40的接通时间和断开时间，以正激励和负激励连续地驱动电动机线圈D、E和F，但是总体上将以相同方式驱动无刷电动机20以维持其电流。
下面参考附图特别是参考图5，其中示出了用于根据和基于所需电动机电流与实际电动机电流之差成比例控制无刷电动机20的速度的本发明系统10的操作规程42的流程图。规程42开始于块44。在块46处，规程42获取施加至无刷电动机20上的实际电压信号27。规程42使用电流感测电阻器23来确定无刷电动机20的实际电流信号32。在块48处，规程42从当前PWM信号36中确定实际电流信号32的方向。在块50处，规程42将基准电流输入信号34与实际电流信号32加以比较。获取这两个信号值34和32之差以获得误差信号35。在块52处，将误差信号35转换成PWM信号36，并将PWM信号36提供给无刷换向器14。在块54处，利用霍尔传感器12A、12B和12C获得无刷电动机的转子位置。这些转子位置也输入至无刷换向器14中以控制无刷电动机20。在块56处，采用无刷换向器14选择和接通一组两个电源开关以控制无刷电动机20并关断所有其它电源开关。
规程42运行至判断块58。在判断块58处，规程42确定PWM信号36是否具有正值。如果是，则规程42转向模块60，在此处无刷换向器14操作以选择一组电源开关，以便沿正方向驱动无刷电动机20来增大电动机速度，然后循环返回至块46并从其继续。如果否，则规程42转向判断块62。在判断块62处，规程42确定PWM信号36是否具有负值。如果是，则规程42转向块64，在此处无刷换向器14操作以选择一组电源开关，以便沿负方向驱动无刷电动机20来减小电动机速度，然后循环返回至块46并从其继续。如果否，则误差信号等于零，规程转向块66。在块66处，无刷换向器14操作以选择一组电源开关，以便以相同方式驱动无刷电动机20来维持同样的电动机速度。然后规程42循环返回至块46并从其继续。
虽然本发明是结合优选实施例以具体形式加以显示并说明的，但是本领域技术人员应当理解，可以在形式和细节上对其进行各种改变而不脱离本发明的精神和范围。
权利要求
1．一种用于控制无刷电动机的电动机速度的系统，包括一电动机电流传感器，耦连至该电动机上，用于感测施加至该电动机上的实际电动机电流信号，一电流比较器，耦连至所需电流基准信号和实际电流信号并且具有来自所需电流基准信号和来自实际电流信号的输入，其中该电流比较器将所需电流基准信号与实际电流信号加以比较并产生一误差信号，一脉冲宽度调制器，耦连至电流比较器，其中该脉冲宽度调制器产生脉冲宽度调制信号并且将误差信号转换成对应的脉冲宽度调制误差信号，多个转子位置传感器，固定在至少电动机的附近，用于感测电动机的转子位置，一换向器，耦连至脉冲宽度调制器和转子位置传感器并且具有来自脉冲宽度调制器和来自转子位置传感器的输入，其中转子位置传感器带有电动机转子位置，和多个电源开关，耦连至换向器的输出端，并且还耦连至电动机上，其中该换向器根据对应的脉冲宽度调制误差信号来控制相应电源开关的接通和关断，以便将电动机控制在与所需电流基准信号相对应的所需电动机速度。
2．如权利要求1所述的系统，其中电动机电流传感器还包括一电流感测电阻器，其中施加至电动机上的实际电压耦连至该电阻器的一端，该电阻器的另一端接地，实际电压和电流感测电阻器确定施加至电动机上的实际电动机电流信号的值，和一整流器，耦连至电流感测电阻器并且具有来自电流感测电阻器一端的输入，其中该整流器接收脉冲宽度调制误差信号并且确定施加至电动机上的实际电动机电流信号的对应方向。
3．如权利要求1所述的系统，其中电流比较器是一个误差放大器，具有来自所需电流基准信号和实际电流信号的输入，其中该误差放大器产生并放大所述误差信号。
4．如权利要求1所述的系统，其中无刷电动机是具有三个相应电动机线圈的三相电动机。
5．如权利要求4所述的系统，其中所述多个转子位置传感器为三个转子位置传感器，分别用于感测所述三个电动机线圈的转子位置。
6．如权利要求4所述的系统，其中电源开关是三组电源开关，其中该三组电源开关中的每一组具有两个电源开关而所述三组构成总共六个电源开关，其中所述两个电源开关之一为上开关而另一为下开关，并且其中所述六个开关耦连至来自换向器的六个相应输出，并且所述三组电源开关分别耦连至三个电动机线圈。
7．如权利要求1所述的系统，其中电源开关由换向器控制以便在误差信号具有总体正值时沿更加正的方向驱动电动机以增大电动机速度。
8．如权利要求1所述的系统，其中电源开关由换向器控制以便在误差信号具有总体负值时沿更加负的方向驱动电动机以减小电动机速度。
9．如权利要求1所述的系统，其中电源开关由换向器控制以便在误差信号具有零值时以相同方式驱动电动机以维持相同的电动机速度。
10．一种用于控制无刷电动机的电动机速度的方法，包括如下步骤感测施加在该电动机上的实际电动机电流信号，将一所需电流基准信号与该实际电流信号加以比较，根据该所需电流基准信号与实际电流信号之差产生一误差信号，将该误差信号转换成对应的脉冲宽度调制误差信号，感测电动机的转子位置，以及根据对应的脉冲宽度调制误差信号来控制相应电源开关的接通和关断，以便将电动机控制在与所需电流基准信号相对应的所需电动机速度。
11．如权利要求10所述的方法，其中感测实际电动机电流信号的步骤还包括如下步骤采用一耦连至电动机的电动机电流传感器来感测施加至电动机上的实际电动机电流信号。
12．如权利要求11所述的方法，其中采用电动机电流传感器的步骤还包括如下步骤采用一电流感测电阻器，其中施加至电动机上的实际电压耦连至该电阻器的一端，该电阻器的另一端接地，实际电压和电流感测电阻器确定施加至电动机上的实际电动机电流信号的值，以及采用一整流器，耦连至电流感测电阻器并且具有来自电流感测电阻器一端的输入，其中该整流器接收脉冲宽度调制误差信号并且确定施加至电动机上的实际电动机电流信号的对应方向。
13．如权利要求10所述的方法，其中比较所需电流基准信号并产生误差信号的步骤还包括如下步骤采用一误差放大器，具有来自所需电流基准信号和实际电流信号的输入，其中该误差放大器将所需电流基准信号与实际电流信号加以比较并且产生和放大所述误差信号。
14．如权利要求10所述的方法，其中将误差信号转换成对应的脉冲宽度调制误差信号的步骤还包括如下步骤采用一脉冲宽度调制器以产生脉冲宽度调制信号，用以将误差信号转换成对应的脉冲宽度调制误差信号。
15．如权利要求10所述的方法，其中所述控制步骤还包括如下步骤采用一换向器，具有脉冲宽度调制误差信号和转子位置作为输入值以及电动机开关控制信号作为输出值，以便将电动机控制在与所需电流基准信号相对应的所需电动机速度。
16．如权利要求10所述的方法，其中无刷电动机是具有三个相应电动机线圈的三相电动机。
17．如权利要求16所述的方法，其中感测转子位置的步骤还包括如下步骤采用三个转子位置传感器，分别用于感测所述三个电动机线圈的转子位置。
18．如权利要求16所述的方法，其中控制相应电源开关的接通和关断的步骤还包括如下步骤采用三组电源开关，其中该三组电源开关中的每一组具有两个电源开关而所述三组构成总共六个电源开关，并且其中所述两个电源开关之一为上开关而另一为下开关，以及将该六个开关耦连至一电源开关控制器的六个相应输出端，并且所述三组电源开关分别耦连至所述三个电动机线圈。
19．如权利要求18所述的方法，其中控制相应电源开关的接通和关断的步骤还包括如下步骤采用一换向器来控制和选择所述三组电源开关的对应一组接通并且关断该三组电源开关的其它两组，以便在误差信号具有总体正值时沿更加正的方向驱动电动机以增大电动机速度。
20．如权利要求18所述的方法，其中控制相应电源开关的接通和关断的步骤还包括如下步骤采用一换向器来控制和选择所述三组电源开关的对应一组接通并且关断该三组电源开关的其它两组，以便在误差信号具有总体负值时沿更加负的方向驱动电动机以减小电动机速度。
21．如权利要求18所述的方法，其中控制相应电源开关的接通和关断的步骤还包括如下步骤采用一换向器来控制和选择所述三组电源开关的对应一组接通并且关断该三组电源开关的其它两组，以便在误差信号具有零值时以相同方式驱动电动机以维持相同的电动机速度。
22．如权利要求10所述的方法，其中控制相应电源开关的接通和关断的步骤还包括如下步骤采用一换向器来控制相应电源开关以便在误差信号具有总体正值时沿更加正的方向驱动电动机以增大电动机速度。
23．如权利要求10所述的方法，其中控制相应电源开关的接通和关断的步骤还包括如下步骤采用一换向器来控制相应电源开关以便在误差信号具有总体负值时沿更加负的方向驱动电动机以减小电动机速度。
24．如权利要求10所述的方法，其中控制相应电源开关的接通和关断的步骤还包括如下步骤采用一换向器来控制相应电源开关以便在误差信号具有零值时以相同方式驱动电动机以维持相同的电动机速度。
全文摘要
一种控制无刷电动机的电动机速度的系统和方法。该系统和方法根据脉冲宽度调制(PWM)控制信号的极性和大小分别增大或减小电动机速度来控制无刷电动机。PWM信号随与所需电动机电流与实际电动机电流之差成比例产生的误差信号变化。该系统包括电动机电流传感器、电流比较器、脉冲宽度调制器、多个转子位置传感器、换向器和多个电源开关。当误差信号为总体正、负或零值时,换向器控制相应电源开关分别增大、减小或保持电动机速度。
文档编号H02P6/08GK1294448SQ0013162
公开日2001年5月9日 申请日期2000年10月20日 优先权日1999年10月28日
发明者约翰·亚历山大·考斯基, 汉·布 申请人:国际商业机器公司