CN112751433B - 无刷直流马达***及驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的无刷直流马达***可包括：马达，具有定子和转子，所述定子为形成具有中心轴的柱形空间，并且形成有多个线圈部，所述多个线圈部针对所述中心轴在内面产生磁场，所述转子位于所述柱形空间，并且配置有固定磁铁部，所述固定磁铁部针对所述中心轴在外面以所述中心轴旋转方向交替形成多个极性，在所述各个固定磁铁部和相邻的固定磁铁部的边界形成有针对所述中心轴具有预定倾斜度的偏斜；及驱动模块，具有驱动电路和控制部，所述驱动电路将用于驱动马达的电力供应于所述线圈部，所述控制部切换所述驱动电路来旋转所述转子，而且切换为使从所述驱动电路向所述线圈部供应的电力形成正弦波。

Description

无刷直流马达***及驱动装置
技术领域
本发明涉及中空型无刷直流马达及具有用于驱动此的驱动电路的中空型无刷直流马达***，尤其涉及降低所需齿槽转矩的同时也可抑制转矩波动及由此引起的噪音的中空型无刷直流马达***。
背景技术
在直流马达中，附有电刷(Brush)的马达执行通过换向器与电刷接触使电流流过线圈的同时使电流整流的功能，但是存在电刷磨损的缺点，为了克服该缺点，无刷直流马达(brushless DC electric motor)正被广泛使用。
无刷直流马达不仅转矩大、控制性优秀，而且还可谋求高速，因此正在被广泛使用。无刷直流马达根据转子(rotor)的位置区分为内转型(inner)及外转型(outer)无刷直流马达。
外部磁铁型(外转型)无刷直流马达的磁通量的主路径为形成从转子的永磁体通过空隙并通过定子重新以永磁铁和磁轭的方向移动的磁路。
对于内部磁铁型(内转型)的情况，缠绕线圈的定子磁芯的多个“T形”芯体部在外部向内侧方向凸出形成，各个芯体部的内侧纵端部形成具有预定直径的圆，并且在该内部空间安装包括旋转轴的圆柱形永久磁铁，或者附接在中心可包括或者紧固旋转轴的圆柱形磁轭的环形永久磁铁的转子。马达旋转的方式与所述外部磁铁型相同。
这种无刷直流马达为具有磁路以轴为中心径向对称的结构，因此轴方向的振动性噪音小，并且针对磁路方向空隙占据的部分极小，因此使用性能低的磁铁或者减少磁铁的量也可获得高磁通密度，因此具有转矩大、效率高的优点。
内转型无刷直流马达为，相比于外转型无刷直流马达转子的外径小，因此可减小惯性矩，适合于要求快速响应的用途，然而永久磁铁的机械性强度或者与转子的粘结强度受限，因此难以高速旋转；与此相反，外转型无刷直流马达的情况为，转子的外径大而惯性矩大，但是可在转子的内侧附接永久磁铁，因此具有适用于高速的特征。
然而，在转子以沿着旋转面交替N极和S极的结构形成永久磁铁，通过N极区域和S极区域的交叉间隙产生齿槽转矩。所述齿槽转矩在尤其要求响应速度慢的领域使用的内转型无刷直流马达的情况下对初始启动控制和降低功耗造成不利影响。
(现有技术文献)
(专利文献)
(专利文献1)韩国专利公报第10-1079050号
发明内容
(要解决的问题)
本发明提供降低初始启动的齿槽转矩的同时也抑制转矩波动和由此引起噪声的中空型无刷直流马达***。
(解决问题的手段)
根据本发明一方面的无刷直流马达***可包括：马达，具有定子和转子，所述定子为形成具有中心轴的柱形空间，并且形成有多个线圈部，所述多个线圈部针对所述中心轴在内面产生磁场，所述转子位于所述柱形空间，并且配置有固定磁铁部，所述固定磁铁部针对所述中心轴在外面以所述中心轴旋转方向交替形成多个极性，在所述各个固定磁铁部和相邻的固定磁铁部的边界形成有针对所述中心轴具有预定倾斜度的偏斜；及
驱动模块，具有驱动电路和控制部，所述驱动电路将用于驱动马达的电力供应于所述线圈部，所述控制部切换所述驱动电路来旋转所述转子，而且切换为使从所述驱动电路向所述线圈部供应的电力形成正弦波。
在此，所述正弦波在所述定子的线圈中心轴经过所述偏斜的起点时可具有0度相位。
在此，所述无刷直流马达***还可包括旋转位置感应工具，所述旋转位置感应工具用于判别所述固定磁铁部和所述线圈部的相对旋转位置。
在此，所述旋转位置感应工具可包括3个霍尔传感器，所述3个霍尔传感器在从两端封闭所述定子的所述柱形空间的2个盖板中的一个感应所述转子的磁基准点的接近，并且彼此以电度角保持120度的间隔。
在此，所述控制部从针对所述相对旋转位置的信号计算所述马达的旋转速度，并且更加精确地计算所述相对旋转位置，根据所述计算出的相对旋转位置及旋转速度可调节所述正弦波的频率及相位。
在此，所述定子总共可具有6个线圈部，所述转子总共可具有4个固定磁铁部。
在此，所述转子在内侧可接合将旋转运动转换为直线运动的螺旋导件。
根据本发明另一方面的驱动无刷直流马达的无刷直流马达驱动装置包括：驱动电路，将用于驱动马达的电力供应于所述无刷直流马达的线圈部；控制部，切换所述驱动电路来旋转所述无刷直流马达的转子，而且切换为使从所述驱动电路向所述线圈部供应的电力形成正弦波；及旋转信号接收部，接收针对所述无刷直流马达的所述线圈部和形成在所述转子的固定磁铁部的相对旋转位置的信号；
所述控制部从针对所述相对旋转位置的信号计算所述无刷直流马达的旋转速度，并且更加精确地计算所述相对旋转位置，根据所述计算出的相对旋转位置及旋转速度可调节所述正弦波的频率及相位。
在此，所述旋转信号接收部从以间隔预定角度配置在所述无刷直流马达的霍尔传感器接收开关(on/off)信号；
所述控制部从所述接收的开关(on/off)信号的波动点的时间间隔计算所述无刷直流马达的旋转速度，从所述接收的开关(on/off)信号的波动点经过的基准时间间隔的个数可更加精确地计算所述相对旋转位置。
在此，所述控制部在初始驱动已中断控制的所述无刷直流马达时可进行切换，以使向所述线圈部供应的电力形成直流直到所述开关(on/off)信号的波动点达到1个或者2个。
(发明的效果)
根据上述结构实施本发明的无刷直流马达***，具有降低初始启动的齿槽转矩的同时也可抑制转矩波动和由此引起噪声的优点。
附图说明
图1a是示出本发明的一实施例的无刷直流马达的定子部分和转子部分的剖面图。
图1b是示出形成在本发明的一实施例的无刷直流马达的转子外面的偏斜结构的平面图。
图2a及2b是概略示出本发明的一实施例的驱动模块的驱动电路及控制部的框图。
图3是示出根据本发明思想的无刷直流马达可适用的旋转位置感应工具的一实施例的平面图。
图4是示出从图3的霍尔传感器HA、HB、HC的开关(on/off)信号组合计算旋转速度及精确的旋转位置的过程的概念流程图。
图5是图4精确的旋转位置的计算过程的具体流程图。
图6是示出根据本发明思想的针对正弦波控制的公式定义与正弦波的关系的概念图。
图7是示出根据本发明思想的中空型无刷直流马达***的适用例的立体图。
图8a及8b是为了说明根据本发明的思想的中空型无刷直流马达***的已改善的功能，示出了驱动现有技术及本发明的马达时的反向电动势和转矩的曲线图。
图9a及9b是通过驱动实际中空型无刷直流马达的MOSFET开关元件的电流观察上述的转矩波动抑制效果的检测波形图。
(附图标记说明)
122：线圈部 120：定子
140：转子 200：控制部
220：驱动信号输出部 240：位置精确计算部
260：当前速度计算部 280：旋转信号接收部
300：驱动电路
具体实施方式
在对本发明的说明中，第一、第二等的用语可用于说明各种构件，但是该构件可不被用语限定。用语是只以将一构件从另一构件区分的目的来使用。例如，在不超出本发明的权利范围的同时第一构件可命名为第二构件，与此类似地第二构件也可命名为第一构件。
在说明某一构件连接或者接触于另一构件的情况下，也可直接连接或者接触于该另一构件，但是也可理解为中间也可存在其他构件。
在本说明书中使用的用语只是为了说明特定的实施例而使用的，并没有要限定本发明的意图。对于单数的表述，除非在文章中有明确定义，否则可包括复数的表述。
在本说明书中，包括或者具有等的用语作为指定在说明书中记载的特征、数字、步骤、动作、构件、零部件或者这些的组合的存在的，可理解为并不提前排除一个或者一个以上的其他特征、数字、步骤、动作、构件、零部件或者这些的组合的存在或者增加可能性。
另外，为了更加明确说明，可在附图中夸张示出构件的形状及尺寸等。
根据本发明的思想的无刷直流马达***包括：内转型/中空型无刷直流马达，形成有在内部适用偏斜的固定磁铁部的转子进行旋转；驱动模块，针对所述无刷直流马达施加正弦波形式的驱动电力以进行驱动。所述驱动模块为单独的产品的情况下可称为驱动装置。
图1a是示出本发明的一实施例的无刷直流马达的定子120部分和转子140部分的剖面图。
图1b示出了形成在本发明的一实施例的无刷直流马达的转子140外面的偏斜结构。如图所示，转子的N极固定磁铁部142N和S极固定磁铁部142S的边界具有针对轴方向倾斜预定角度的倾斜度。
示出的无刷直流马达可包括：定子120，形成具有中心轴的柱形空间，并且形成有多个线圈部122，所述多个线圈部122针对所述中心轴在内面产生磁场；及转子140，位于所述柱形空间，并配置有固定磁铁部142，所述固定磁铁部142针对所述中心轴在外面以所述中心轴旋转方向交替形成多个极性，在所述各个固定磁铁部和相邻的固定磁铁部的边界形成有针对所述中心轴具有预定的倾斜度的偏斜。
另外，所述无刷直流马达还可包括旋转位置感应工具，所述旋转位置感应工具用于感应所述定子120和所述转子140的相对旋转位置，更详细地说用于感应所述各个线圈部和所述各个固定磁铁部142N、142S的相对旋转位置。
例如，在从两端封闭所述定子120的所述柱形空间的2个盖板中的一个可形成3个霍尔传感器(各个霍尔传感器彼此以电度角保持120度间隔)，以感应所述转子140的磁基准点的接近。在此，电度角(electrical angle)是指“在正弦波交流中不论空间角度如何将一周期的角定为360度并以此为基准表示的角度”，如图所示在具有6个线圈部和4个固定磁铁部的情况下，可以知道电度角为120度的间隔在机械性上是60度间隔。
示出的定子120总共具有6个线圈部122。如图所示，所述线圈部122为以在定子框架连续的线轴缠绕线圈的形态实现是目前的常规设置，但是在其他实现中也可利用环芯等其他动态磁场生成工具。所述线圈部122为通过由所述驱动模块供应的驱动电力决定辐射的磁场的极性及尺寸。
示出的转子140总共具有4个固定磁铁部。在附图中，示出了作为所述固定磁铁部142N、142S是磁化磁性颗粒而成的，但是在其他实现中可由杆型/板型永久磁铁的组合实现，或者也可由电磁铁实现。在所述固定磁铁部142N、142S由电磁铁实现的情况下极性也保持不变。
图2a及2b概略示出本发明的一实施例的驱动模块的驱动电路及控制部。
驱动模块可包括：驱动电路300，将用于驱动马达的电力供应于所述线圈部122；及控制部200，切换所述驱动电路来旋转所述转子，而且切换为使从所述驱动电路300向所述线圈部122供应的电力形成正弦波。在此，控制部200可由在驱动IC/控制IC上执行动作的固件、软件、逻辑元件连接、数字/模拟控制电路实现，也以将这些全部包括的概念使用。
另一方面，由所述驱动电路300及控制部200构成的驱动模块可由与马达100分开的单独的无刷直流马达驱动装置实施，对于这种单独的无刷直流马达驱动装置的情况，适合使用于驱动本发明的无刷直流马达，当然也可利用于驱动公知技术的无刷直流马达或者以后待开发的无刷直流马达。
驱动上述观点的无刷直流马达的无刷直流马达驱动装置包括：驱动电路300，将用于驱动马达的电力供应于所述无刷直流马达的线圈部；控制部200，切换所述驱动电路来旋转所述无刷直流马达的转子，而且切换为使从所述驱动电路向所述线圈部供应的电力形成正弦波；及旋转信号接收部280，接收针对所述无刷直流马达的所述线圈部和在所述转子形成的固定磁铁部的相对旋转位置的信号。
在此，所述控制部200为从针对所述相对旋转位置的信号计算所述无刷直流马达的旋转速度，并且更加精确地计算所述相对旋转位置，根据所述计算出的对旋转位置及旋转速度执行调节所述正弦波的频率及相位的改善的功能。
为此，所述控制部200可包括：当前速度计算部260，从针对所述相对旋转位置的信号计算所述无刷直流马达的旋转速度；位置精确计算部240，从针对所述相对旋转位置的信号更加精确计算所述相对旋转位置；及驱动信号输出部220，针对所述驱动电路300输出驱动信号，以通过根据所述计算出的相对旋转位置及旋转速度决定的频率及相位可形成所述正弦波。
在附图中，示出了所述旋转信号接收部280也包括于所述控制部200，据此可由所述当前速度计算部260、位置精确计算部240、驱动信号输出部220和微型计算机的内部功能模块一同实现，这种实现方式反映了实施的简便性。
所述旋转信号接收部280从无刷直流马达接收针对相对旋转位置的信号，首先说明在无刷直流马达中感应转子的固定磁铁部和定子的线圈部的相对旋转位置的旋转位置感应工具。
所述控制部200进行控制使所述正弦波(SIN PWM)在所述定子的线圈部122中心轴通过所述偏斜的起点时具有0度的相位。
图3示出了可适用于根据本发明思想的无刷直流马达旋转位置感应工具的一实施例。
示出的旋转位置感应工具在封闭所述定子120的所述柱形空间的前面盖板由感应所述转子140的磁基准点的接近的3个霍尔传感器HA、HB、HC实现。在此，HA霍尔传感器和HB霍尔传感器、HB霍尔传感器和HC霍尔传感器以电度角具有120度的旋转间隔。
所述霍尔传感器HA、HB、HC固定在定子的同时感应来自配置在旋转的转子的磁信号生成工具的磁。在所述转子也可具有单独的永久磁铁等磁信号生成工具，可感应在分割成4个且磁化而成的所述固定磁铁部产生的磁信号。
在后者的情况下，所述霍尔传感器HA、HB、HC位于圆柱形定子的末端，因此以该末端的磁极变更点在前面的方向转子进行旋转，在该情况下，在形成偏斜的转子的偏斜起点发生开关(on/off)信号的过渡。
在后者的情况下，根据所述转子的旋转角度的所述霍尔传感器HA、HB、HC的开关(on/off)信号组合如下表1：
(表1)
在所述表中，CW是指顺时针方向旋转的角度，CCW是指逆时针方向旋转的角度。
然而，通过上述的所述霍尔传感器HA、HB、HC的开关(on/off)信号的组合可以知道只以60度为单位感应旋转角度。
提出了从所述霍尔传感器HA、HB、HC的开关(on/off)信号组合更加精确地计算旋转位置的方案。
图4是示出所述霍尔传感器HA、HB、HC的开关(on/off)信号组合计算旋转速度及精确的旋转位置的过程的概念图；图5是该过程的流程图。
在示出的S100步骤中，以预定的监控时间间隔(例如，1msec)读取所述霍尔传感器的信号或者能够以等待来自所述霍尔传感器的信号变更的方式执行。另一方面，为了更加精确地进行位置计算，在霍尔传感器信号过度之后对所述监控时间间隔的个数进行计数。
在示出的S200步骤中，可用PWM的占空比表示正弦波的相位。例如，将图2a的输出电路300适用于公知的无刷直流马达驱动用芯片的情况下，调节表示施加于所述输出电路300的正弦波的PWM的占空比，可指示所述输出电路300待输出的驱动电力正弦波的相位。
在示出的S300步骤中，输出与由所述PWM的占空比表示的相位相匹配的正弦波形状的马达驱动电力。
在示出的S100步骤中，预定的控制时间间隔(例如，1msec)指示所述输出电路300待输出的驱动电力正弦波的相位。所述监控时间间隔和控制时间间隔彼此相同，因此容易实现，但是彼此不同也无妨。
在示出的S100步骤中，可通过在图5示出的无刷直流马达驱动动作开始步骤S110开始，在S100步骤接收所述霍尔传感器的信号的同时可执行在图5示出的计数所述预定的监控时间间隔的步骤S120。
在所述霍尔传感器信号过渡之后在所述计数的监控时间间隔的个数乘以目前掌握的旋转速度旋转60度所需的监控时间间隔的个数除60度的单位角度，进而可计算在所述表1判别的相位角度待增加的角度。
为此，图2a的所述旋转信号接收部280从以预定间隔角度配置在所述无刷直流马达的霍尔传感器接收开关(on/off)信号，所述控制部200从所述接收的开关(on/off)信号的波动点的时间间隔计算所述无刷直流马达的旋转速度，并且从所述接收的开关(on/off)信号的波动点经过的基准时间间隔的个数更加精确计算所述相对旋转位置。
上述的相对旋转位置的精确计算为在初始启动无刷直流马达时所述开关(on/off)信号的波动点达到1时开始执行直到在波动点达到2个。在该区间中转矩波动也较弱，因此在实现快速启动马达的情况下，所述控制部200在初始启动已中断控制的所述无刷直流马达时，可切换为使向所述线圈部供应的电力形成直流直到所述开关(on/off)信号的波动点达到1个或者2个。
上述精确计算旋转位置(相位角度)的计算过程在示出的S200步骤中执行，如图5所示，可如下细分：计算在从表1导出的相位待增加的相位的步骤S210；之后以在发生霍尔传感器信号的过渡之前计算的相位增加正弦波(驱动电力波形)的相位的步骤S240；及若出现霍尔传感器信号的过渡，则以从表1导出的相位对正弦波进行位置补偿的步骤S230。
如下表2表示通过上述的S200步骤求得的速度、周期、分辨率、增加相位的公式定义。
(表2)
如图6表示针对所述表2的公式定义与正弦波的关系。
示出的S300步骤可如下细分：用在所述S200步骤计算出的相位的正弦波形状的电力驱动无刷直流马达的步骤S310；确认在所述控制时间间隔期间是否接收针对无刷直流马达的停止(停止驱动)指示的步骤S320；根据停止指示停止驱动无刷直流马达的步骤S330。在所述S320步骤中，若没有停止指示，则返回所述S115步骤。如果，所述监控时间间隔和控制时间间隔相同，则在返回的S115步骤中直接执行针对下一时间间隔计算相位的步骤S210。
另一方面，以与上述相反的方向旋转的情况下，在偏斜结束的点所述霍尔传感器HA、HB、HC的信号过渡，因此控制为以提前通过偏斜区域的时间的形式生成正弦波。
图7示出了根据本发明思想的中空型无刷直流马达***的适用例。
如图所示，中空型无刷直流马达***可用作汽车座椅的前后移动装置，以如下的中空型无刷直流马达100、输出电路300及控制部200的形式实现：所述中空型无刷直流马达100安装在车辆的轨道内，以使滑轨600的上滑轨620在将座椅安装在地板的滑轨600内部前后移动，所述输出电路300及控制部200安装在车辆内以控制所述中空型无刷直流马达100。
示出的适用例的中空型无刷直流马达100的转子为在内侧接合将旋转运动转换为直线运动的螺旋导件，可前后移动所述滑轨600的上滑轨620。
图8a及8b是为了说明根据本发明的思想的中空型无刷直流马达***的已改善的功能，示出了驱动现有技术及本发明的马达时的反向电动势和转矩的曲线图。
在转子适用偏斜的情况下，如波形图中的实线所示反电动势与正弦波类似，若如图8a以现有技术的方波三相电流驱动马达，则在转矩出现波动。
相反地，如图8b，若按照本发明的方案以正弦波三相电流驱动马达，则可以了解到在转矩抑制波动并且可产生预定的转矩。
图9a及9b是通过驱动实际中空型无刷直流马达的MOSFET开关元件的电流观察上述的转矩波动抑制效果的检测波形图。如图9b，若以现有技术的方波三相电流驱动马达，则在MOSFET开关流动的电流也体现出方形波形状；如图8b，若按照本发明的方案以正弦波三相电流驱动马达，则在MOSFET开关流动的电流也体现正弦波形状。
本发明所属技术领域的技术人员在不改变本发明的技术思想或者必要特征的情况下，可实施成其他形态，因此在以上说明的实施例应该理解为在所有方面都是示例性的而非限定性的。对于本发明的范围，相比于详细说明应由权利要求书的范围体现，应该解释为从权利要求的范围的意思及范围、其同等概念导出的所有改变或者变形的形态包括在本发明的范围内。

Claims (5)

1.一种无刷直流马达***，包括：
马达，具有定子和转子，所述定子为形成具有中心轴的柱形空间，并且形成有多个线圈部，所述多个线圈部针对所述中心轴在内面产生磁场，所述转子位于所述柱形空间，并且配置有固定磁铁部，所述固定磁铁部针对所述中心轴在外面以所述中心轴旋转方向交替形成多个极性，在所述各个固定磁铁部和相邻的固定磁铁部的边界形成有针对所述中心轴具有预定倾斜度的偏斜；
驱动模块，具有驱动电路和控制部，所述驱动电路将用于驱动马达的电力供应于所述线圈部，所述控制部切换所述驱动电路来旋转所述转子，而且切换为使从所述驱动电路向所述线圈部供应的电力形成正弦波，以及
旋转位置感应工具，用于判别所述固定磁铁部和所述线圈部的相对旋转位置，
所述旋转位置感应工具从以间隔预定角度配置在所述马达的霍尔传感器接收开关信号，
所述定子总共具有6个线圈部，所述转子总共具有4个固定磁铁部，
所述霍尔传感器以电度角保持120度的间隔，在机械性上是60度间隔，
所述控制部从所述接收的开关信号的波动点的时间间隔计算所述马达的旋转速度，并在所述霍尔传感器的开关信号过渡之后计数监控时间间隔的个数，
所述控制部计算从所述驱动电路向所述线圈部供应的电力的相位角度待增加的角度，
所述控制部通过所计数的监控时间间隔的个数乘以单位角度来计算相位角度待增加的角度，所述单位角度是通过目前掌握的旋转速度旋转60度所需的监控时间间隔的个数除60度获得的。
2.根据权利要求1所述的无刷直流马达***，其特征在于，
所述正弦波在所述定子的线圈中心轴经过所述偏斜的起点时具有0度相位。
3.根据权利要求1所述的无刷直流马达***，其特征在于，
所述转子在内侧接合将旋转运动转换为直线运动的螺旋导件。
4.一种无刷直流马达驱动装置，驱动无刷直流马达，包括：
驱动电路，将用于驱动马达的电力供应于所述无刷直流马达的线圈部；
控制部，切换所述驱动电路来旋转所述无刷直流马达的转子，而且切换为使从所述驱动电路向所述线圈部供应的电力形成正弦波；及
旋转信号接收部，接收针对所述无刷直流马达的所述线圈部和形成在所述转子的固定磁铁部的相对旋转位置的信号；
其中，所述旋转信号接收部从以间隔预定角度配置在所述无刷直流马达的霍尔传感器接收开关信号，
所述无刷直流马达的定子总共具有6个线圈部，所述转子总共具有4个固定磁铁部，
所述霍尔传感器以电度角保持120度的间隔，在机械性上是60度间隔，
所述控制部从所述接收的开关信号的波动点的时间间隔计算所述无刷直流马达的旋转速度，并在所述霍尔传感器的开关信号过渡之后计数监控时间间隔的个数，
所述控制部计算从所述驱动电路向所述线圈部供应的电力的相位角度待增加的角度，
所述控制部通过所计数的监控时间间隔的个数乘以单位角度来计算相位角度待增加的角度，所述单位角度是通过目前掌握的旋转速度旋转60度所需的监控时间间隔的个数除60度获得的。
5.根据权利要求4所述的无刷直流马达驱动装置，其特征在于，
所述控制部在初始驱动已中断控制的所述无刷直流马达时进行切换，以使向所述线圈部供应的电力形成直流直到所述开关信号的波动点达到1个或者2个。
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