用于具有PWM驱动的多相位永磁电动机的线性霍尔效应传感器

摘要

低成本线性霍尔效应传感器用于确定电动机轴位置且产生与所述电动机轴位置成比例的电压。比较来自所述线性霍尔效应传感器的所述电压与三角波形并由此生成PWM信号。在三角波形产生器中使用恒定电流源及恒定电流槽。调整来自所述线性霍尔效应传感器的所述电压以改变用来起动所述电动机并改变所述电动机的速度的PWM工作循环。比较器比较来自所述霍尔效应传感器的所述电压且产生具有与所述电动机的电压驱动需求成比例的工作循环的所述PWM信号。

权利要求

1.一种与多相位永磁电动机一起使用的控制电路，其包括围绕其上具有磁体的电动机轴布置的至少第一及第二线性霍尔效应传感器，其中使用来自所述至少第一及第二线性霍尔效应传感器的电压信号来生成适于使所述电动机以顺时针或逆时针方向转动的至少第一及第二脉冲宽度调制信号，第一及第二可调整电阻器，其各自具有第一、第二及第三端子，其中总电阻值在各个可调整电阻器的所述第一及第三端子之间界定，且可调整电阻值在所述第二端子处是可用的；

其中

所述第一及第二可调整电阻器的所述第一端子耦合到所述第一及第二线性霍尔效应传感器中的相应者的输出电压，

所述第一及第二可调整电阻器的所述第二端子耦合到第一及第二电压比较器中的相应者的非反相输入，且

所述第一及第二可调整电阻器的所述第三端子耦合到来自第三电压参考的第三参考电压；及

斜坡发生器电路，其具有耦合到所述第一及第二电压比较器的反相输入的三角波形输出；

其中脉冲宽度调制信号由所述第一及第二电压比较器产生，借此所述脉冲宽度调制信号具有取决于来自所述第一及第二可调整电阻器的所述第二端子的电压的工作循环。

2.根据权利要求1所述的控制电路，其中使用来自所述线性霍尔效应传感器的所述电压信号来确定所述电动机轴的角位置。

3.根据权利要求1所述的控制电路，其中所述多相位永磁电动机为两相位永磁电动机，其包括围绕其上具有所述磁体的所述电动机轴以90度的相对位移布置的两个线性霍尔效应传感器，其中来自所述两个线性霍尔效应传感器的电压信号被用来生成适于使所述电动机以顺时针或逆时针方向转动的两个脉冲宽度调制信号。

4.根据权利要求1所述的控制电路，其中所述多相位永磁电动机为三相位永磁电动机，其包括围绕其上具有所述磁体的所述电动机轴以120度的相对位移布置的三个线性霍尔效应传感器，其中使用来自所述三个线性霍尔效应传感器的电压信号来生成适于使所述电动机以顺时针或逆时针方向转动的三个脉冲宽度调制信号，且进一步包括第三可调整电阻器，其具有第一、第二及第三端子，其中总电阻值界定在所述第三可调整电阻器的所述第一及第三端子之间，且可调整电阻值在所述第二端子处是可用的；

其中

所述第三可调整电阻器的所述第一端子耦合到第三线性霍尔效应传感器的输出电压，所述第三可调整电阻器的所述第二端子耦合到第三电压比较器的非反相输入，且所述第三可调整电阻器的所述第三端子耦合到所述第三参考电压且所述第三电压比较器的反相输入与所述斜坡发生器电路耦合；

其中脉冲宽度调制信号由所述第一电压比较器、所述第二电压比较器及所述第三电压比较器产生，借此所述脉冲宽度调制信号具有取决于来自所述第一及第二可调整电阻器及第三可调整电阻器的所述第二端子的电压的工作循环。

5.根据权利要求1所述的控制电路，其中平均参考电压是三角电压波形的最高峰值电压与最低波谷电压的总和除以二。

6.根据权利要求1所述的控制电路，其中所述脉冲宽度调制信号的周期是电动机参数的电气时间常数的1/5或更小。

7.根据权利要求1所述的控制电路，其中使用来自所述线性霍尔效应传感器的所述电压信号来确定所述电动机轴的角位置。

8.根据权利要求1所述的控制电路，其中使用来自所述线性霍尔效应传感器的所述电压信号来远程地监测所述电动机轴的角位置。

9.根据权利要求1所述的控制电路，其中所述磁体包括钐磁体或铝镍钴材料的中心软磁心及个别磁段以增强所述中心软磁心及所述个别磁段的温度稳定性。

10.根据权利要求1所述的控制电路，其中所述磁体的磁场经整形以增大来自所述线性霍尔效应传感器的电压输出。

11.根据权利要求10所述的控制电路，其中经整形磁场包含基本磁场加上在所述基本磁场的约1/6强度下的三次谐波磁场。

12.根据权利要求1所述的控制电路，其包括脉冲宽度调制驱动系统，所述脉冲宽度调制驱动系统包括：

至少两个半波桥式功率场效晶体管组，其适于耦合到在其的所述电动机轴上具有所述磁体的所述永磁电动机；

具有死带控制的至少两个互补输出脉冲宽度调制驱动器，其具有耦合到所述至少两个半波桥式功率场效晶体管组的相应者的输出。

13.根据权利要求12所述的控制电路，其中所述斜坡发生器电路包括：恒定电流源；

恒定电流槽；

第四电压比较器及第五电压比较器，其具有耦合到斜坡发生器的输出的反相输入；

第一电压参考，其提供耦合到所述第四电压比较器的非反相输入的第一参考电压；及第二电压参考，其提供耦合到所述第五电压比较器的非反相输入的第二参考电压；

其中

当所述斜坡发生器的所述输出上的电压等于或大于所述第二参考电压时，那么启用所述恒定电流槽，且

当所述斜坡发生器的所述输出上的所述电压小于或等于所述第一参考电压时，那么启用所述恒定电流源。

14.一种用于生成用于多相位永磁电动机的脉冲宽度调制驱动的方法，所述方法包括以下步骤：

提供具有其上具有磁体的可转动电动机轴的多相位永磁电动机；

提供围绕所述电动机轴布置且分别间隔90或120度的两个或三个线性霍尔效应传感器；

当具有所述磁体的所述电动机轴转动时，从所述线性霍尔效应传感器生成电压；

馈送来自所述线性霍尔效应传感器的所述电压到可调整电阻器，其各自具有第一、第二及第三端子，所述可调整电阻器的所述第一端子耦合到所述线性霍尔效应传感器中的相应者的输出电压，所述可调整电阻器的所述第二端子耦合到相关联电压比较器中的相应者的非反相输入，且所述可调整电阻器的所述第三端子耦合到来自第三电压参考的第三参考电压；

通过所述相关联电压比较器比较来自所述第二端子的电压与三角电压波形；

从来自所述线性霍尔效应传感器的所述电压与所述三角电压波形的比较来生成脉冲宽度调制信号；

从所述脉冲宽度调制信号产生具有死带控制的互补脉冲宽度调制信号；

用具有死带控制的所述互补脉冲宽度调制信号驱动两个半波桥式功率场效晶体管；及将所述半波桥式功率场效晶体管耦合到电源电压源及所述多相位永磁电动机，借此所述电源电压源的脉冲宽度调制致使所述电动机转动。

15.一种根据权利要求14所述的方法，其进一步提供用于确定电动机轴的角位置，其中所述多相位永磁电动机为三相位永磁电动机；

其中第一线性霍尔效应传感器、第二线性霍尔效应传感器及第三线性霍尔效应传感器围绕所述电动机轴定位且间隔120度，借此所述第二线性霍尔效应传感器转动地滞后于所述第一线性霍尔效应传感器120度，且所述第三线性霍尔效应传感器转动地滞后于所述第二线性霍尔效应传感器120度；

所述方法包括以下步骤：

测量来自第一线性霍尔效应传感器的最大及最小电压值；

分别将经测量最大及最小电压值保存为MaxA及MinA；

将峰值计算为PeakA＝(MaxA–MinA)/2；

将平均值计算为AverageA＝(MaxA+MinA)/2；

在一瞬间分别测量所述第一、第二及可选的第三线性霍尔效应传感器的输出电压值并将其保存为MeasA、MeasB及可选的MeasC；

计算SineA＝(MaxA‑AverageA)/PeakA；

如果SineA为正，那么确定SineA的反正弦，或如果SineA为负，那么确定SineA的绝对值的所述反正弦，且保存为ArcsineA；

其中如果

SineA为正且MeasC>MeasB，那么所述电动机轴的所述角位置是ArcsineA，SineA为正且MeasB>MeasC，那么所述电动机轴的所述角位置是180‑ArcsineA，SineA为负且MeasC>MeasB，那么所述电动机轴的所述角位置是SineA的所述绝对值的ArcsineA，及

SineA为负且MeasB>MeasC，那么所述电动机轴的所述角位置是180–SineA的所述绝对值的ArcsineA。

16.根据权利要求15所述的方法，其中确定SineA或SineA的所述绝对值的所述反正弦的所述步骤包括从包括多个正弦对反正弦值的表查询SineA或SineA的所述绝对值的所述反正弦的步骤。

17.根据权利要求16所述的方法，其中正弦对反正弦值的所述表作为查询表存储于微控制器的存储器中。

18.根据权利要求16所述的方法，其中从0到90度的正弦对反正弦值的所述表选自由

0.5、1、1.5、2、3、4及5度增量组成的群组。

19.根据权利要求15‑18中任一权利要求所述的方法，其中确定反正弦的所述步骤包括确定SineA的所述绝对值的反正弦并将其保存为ArcsineA的步骤。

20.一种根据权利要求14所述的方法，其进一步提供用于确定电动机轴的角位置，其中所述多相位永磁电动机为两相位永磁电动机；

其中第一线性霍尔效应传感器及第二线性霍尔效应传感器围绕所述电动机轴定位且间隔90度，借此所述第二线性霍尔效应传感器转动地滞后于所述第一线性霍尔效应传感器

90度；

所述方法包括以下步骤：

测量来自所述第一线性霍尔效应传感器的最大及最小电压值；

分别将经测量最大及最小电压值保存为MaxA及MinA；

将平均值计算为Average＝(MaxA+MinA)/2；

在一瞬间分别测量所述第一及第二线性霍尔效应传感器的输出电压值并将其保存为MeasA及MeasB；

计算A＝(MaxA–Average)，及B＝(MaxB–Average)；

计算TangentX＝A除以B其中如果

TangentX及A为正，那么所述电动机轴的所述角位置是TangentX的反正切，TangentX为负且A为正，那么所述电动机轴的所述角位置是180减去TangentX的绝对值的所述反正切，

TangentX及A两者都为负，那么所述电动机轴的所述角位置是TangentX的所述绝对值的所述反正切的负值，及

TangentX为正且A为负，那么所述电动机轴的所述角位置是180减去TangentX的所述反正切后的负值。

21.根据权利要求20所述的方法，其中确定TangentX或TangentX的所述绝对值的所述反正切的所述步骤包括从包括多个正切对反正切值的表查询TangentX或TangentX的所述绝对值的所述反正切的步骤。

22.根据权利要求21所述的方法，其中正切对反正切值的所述表作为查询表存储于微控制器的存储器中。

说明书

用于具有PWM驱动的多相位永磁电动机的线性霍尔效应传

感器

[0001] 相关专利申请案

[0002] 本申请案主张在2015年9月29日申请的共同拥有的第62/234,458号美国临时专利申请案的优先权；所述美国专利申请案特此出于所有目的而以引用的方式并入本文中。

技术领域

[0003] 本发明涉及无刷电动机，且特定来说，涉及用于具有线性霍尔效应(Hall Effect)传感器的多相位无刷电动机的脉冲宽度调制(PWM)驱动。

背景技术

[0004] 在由数字处理器及软件程序确定时，永磁电动机换向需要大量处理时间。此在高电动机转速下尤其麻烦。能够足够快速执行计算以确定换向时间的数字处理器(例如，微控
制器)相当昂贵。

发明内容

[0005] 因此需要一种在高转速下对永磁电动机进行换向而无需要昂贵的且计算复杂的数字处理的方式。

[0006] 根据实施例，一种与三相位永磁电动机一起使用的控制电路可包括围绕其上具有磁体的电动机轴以120度的相对位移布置的三个线性霍尔效应传感器，其中可使用来自所
述三个线性霍尔效应传感器的电压信号来生成适于以使所述电动机以顺时针或逆时针方
向转动的三个脉冲宽度调制(PWM)信号。

[0007] 根据另一实施例，可比较来自所述三个线性霍尔效应传感器的所述电压信号与三角电压波形以生成所述PWM信号。根据另一实施例，所述PWM信号的工作循环可随着来自所
述三个线性霍尔效应传感器的所述电压信号可衰减朝向平均参考电压而改变。根据另一实
施例，平均参考电压可为三角电压波形的最高峰值电压与最低波谷电压的总和除以二。根
据另一实施例，所述PWM信号的周期可为电动机参数的电气时间常数(L/R)的1/5或更小。根
据另一实施例，可使用来自所述三个线性霍尔效应传感器的所述电压信号来确定所述转动
电动机轴的角位置。根据另一实施例，可使用来自所述三个线性霍尔效应传感器的所述电
压信号来远程地监测所述电动机轴的角位置。根据另一实施例，所述磁体可包括钐磁体或
铝镍钴材料的中心软磁心及个别磁段以增强所述磁性元件的温度稳定性。根据另一实施
例，所述磁体的磁场可经整形以增大来自所述线性霍尔效应传感器的电压输出。根据另一
实施例，所述经整形磁场包含基本磁场加上在所述基本磁场的约1/6强度的三次谐波。

[0008] 根据另一实施例，一种与两相位永磁电动机一起使用的控制电路可包括围绕其上具有磁体的电动机轴以90度的相对位移布置的两个线性霍尔效应传感器，其中可使用来自
所述两个线性霍尔效应传感器的电压信号来生成适于以使所述电动机以顺时针或逆时针
方向转动的两个脉冲宽度调制(PWM)信号。根据另一实施例，可使用来自所述两个线性霍尔
效应传感器的所述电压信号来确定所述转动电动机轴的角位置。

[0009] 根据另一实施例，一种与多相位永磁电动机一起使用的控制电路可包括围绕其上具有磁体的电动机轴布置的多个线性霍尔效应传感器，其中可使用来自所述多个线性霍尔
效应传感器的电压信号来生成适于以使所述电动机以顺时针或逆时针方向转动的多个脉
冲宽度调制(PWM)信号。根据另一实施例，可使用来自所述多个线性霍尔效应传感器的所述
电压信号来确定所述转动电动机轴的角位置。

[0010] 根据又一实施例，一种用于三相位永磁电动机的脉冲宽度调制(PWM)驱动系统可包括：三个半波桥式功率场效晶体管(FET)组，其适于以耦合到在其的转子轴上具有磁体的
三相位永磁电动机；具有死带控制的三个互补输出PWM驱动器，其具有耦合到所述三个半波
桥式功率FET组中的相应者的输出；第一、第二及第三电压比较器，其具有耦合到所述三个
互补输出PWM驱动器的相应输入的输出；第一、第二及第三线性霍尔效应传感器，其适于以
围绕所述三相位永磁电动机转子轴布置且间隔120度；第一、第二及第三可调整电阻器，其
各自具有第一、第二及第三端子，其中所述第一及第三端子可包括每一可调整电阻器的总
电阻值，且所述第二端子的电阻可在所述第一端子与所述第三端子之间调整；其中所述第
一、第二及第三可调整电阻器的所述第一端子可耦合到所述第一、第二及第三线性霍尔效
应传感器的相应者的输出电压，所述第一、第二及第三可调整电阻器的所述第二端子可耦
合到所述第一、第二及第三电压比较器的相应者的非反相输入，且所述第一、第二及第三可
调整电阻器的所述第三端子可耦合到来自第三电压参考的第三参考电压；及斜坡产生器，
其具有耦合到所述第一、第二及第三电压比较器的反相输入的三角波形输出；其中PWM信号
可由所述第一、第二及第三电压比较器生成，借此所述PWM信号具有取决于来自所述第一、
第二及第三可调整电阻器的所述第二端子的电压的工作循环。

[0011] 根据另一实施例，所述斜坡产生器可包括：恒定电流源；恒定电流槽；第四及第五电压比较器，其具有耦合到所述斜坡产生器的输出的反相输入；第一电压参考，其提供耦合
到所述第四电压比较器的非反相输入的第一参考电压；及第二电压参考，其提供耦合到所
述第五电压比较器的非反相输入的第二参考电压；其中当所述斜坡产生器的所述输出上的
电压可等于或大于所述第二参考电压时，那么可启用所述恒定电流槽，且当所述斜坡产生
器的所述输出上的所述电压可小于或等于所述第一参考电压时，那么可启用所述恒定电流
源。

[0012] 根据另一实施例，一种用于两相位永磁电动机的脉冲宽度调制(PWM)驱动系统可包括：两个半波桥式功率场效晶体管(FET)组，其适于以耦合到在其的转子轴上具有磁体的
两相位永磁电动机；具有死带控制的两个互补输出PWM驱动器，其具有耦合到所述两个半波
桥式功率FET组的相应者的输出；第一及第二电压比较器，其具有耦合到所述两个互补输出
PWM驱动器的相应输入的输出；第一及第二线性霍尔效应传感器，其适于以围绕所述两相位
永磁电动机转子轴布置且间隔90度；第一及第二可调整电阻器，其各自具有第一、第二及第
三端子，其中所述第一及第三端子可包括每一可调整电阻器的总电阻值，且所述第二端子
的电阻可在所述第一端子与所述第三端子之间调整；其中所述第一及第二可调整电阻器的
所述第一端子可耦合到所述第一及第二线性霍尔效应传感器中的相应者的输出电压，所述
第一及第二可调整电阻器的所述第二端子可耦合到所述第一及第二电压比较器的相应者
的非反相输入，且所述第一及第二可调整电阻器的所述第三端子可耦合到来自第三电压参
考的第三参考电压；及斜坡产生器，其具有耦合到所述第一及第二电压比较器的反相输入
的三角波形输出；其中PWM信号可由所述第一及第二电压比较器生成，借此所述PWM信号具
有取决于来自所述第一及第二可调整电阻器的所述第二端子的电压的工作循环。

[0013] 根据另一实施例，一种用于生成用于三相位永磁电动机的脉冲宽度调制(PWM)驱动的方法可包括以下步骤：提供具有其上具有磁体的可转动电动机轴的三相位永磁电动
机；提供围绕所述电动机转子轴布置且间隔120度的三个线性霍尔效应传感器；当具有所述
磁体的所述电动机轴转动时，从所述三个线性霍尔效应传感器生成电压；比较来自所述线
性霍尔效应传感器的所述电压与三角电压波形；从来自所述线性霍尔效应传感器的所述电
压与所述三角电压波形的所述比较生成三个PWM信号；从所述三个PWM信号生成具有死带控
制的互补PWM信号；用具有死带控制的所述互补PWM信号驱动三个半波桥式功率场效晶体管
(FET)；及将所述三个半波桥式功率FET耦合到电源电压源及所述三相位永磁电动机，借此
所述电源电压源的PWM致使所述电动机转动。

[0014] 根据方法的另一实施例，可使用来自所述三个线性霍尔效应传感器的所述电压来确定所述电动机轴的角位置。根据方法的另一实施例，其可进一步包括整形所述磁体的磁
场以增大来自所述线性霍尔效应传感器的电压输出的步骤。

[0015] 根据另一实施例，一种用于生成用于两相位永磁电动机的脉冲宽度调制(PWM)驱动的方法可包括以下步骤：提供具有其上具有磁体的可转动电动机轴的两相位永磁电动
机；提供围绕所述电动机转子轴布置且间隔90度的两个线性霍尔效应传感器；当具有所述
磁体的所述电动机轴转动时，从所述两个线性霍尔效应传感器生成电压；比较来自所述线
性霍尔效应传感器的所述电压与三角电压波形；从来自所述线性霍尔效应传感器的所述电
压与所述三角电压波形的所述比较生成两个PWM信号；从所述两个PWM信号生成具有死带控
制的互补PWM信号；用具有死带控制的所述互补PWM信号驱动两个半波桥式功率场效晶体管
(FET)；及将所述两个半波桥式功率FET耦合到电源电压源及所述两相位永磁电动机，借此
所述电源电压源的PWM致使所述电动机转动。

[0016] 根据另一实施例，一种用于确定电动机轴的角位置的方法可包括以下步骤：提供具有其上具有磁体的可转动电动机轴的三相位永磁电动机；提供第一、第二及第三线性霍
尔效应传感器，其中所述第一、第二及第三线性霍尔效应传感器可围绕所述电动机轴定位
且间隔120度，借此所述第二传感器转动地滞后于所述第一传感器120度，且所述第三传感
器转动地滞后于所述第二传感器120度；测量来自所述第一线性霍尔效应传感器的最大及
最小电压值；分别将所述经测量最大及最小电压值保存为MaxA及MinA；将峰值计算为PeakA
＝(MaxA–MinA)/2；将平均值计算为AverageA＝(MaxA+MinA)/2；在一瞬间分别测量所述第
一、第二及第三线性霍尔效应传感器的输出电压值并将其保存为MeasA、MeasB及MeasC；计
算SineA＝(MaxA‑AverageA)/PeakA；如果SineA可为正，那么确定SineA的反正弦，或如果
SineA可为负，那么确定SineA的绝对值的反正弦，且将其保存为ArcsineA；其中如果SineA
可为正且MeasC>MeasB，那么电动机轴的角位置可为ArcsineA，如果SineA可为正且MeasB>
MeasC，那么电动机轴的角位置可为180‑ArcsineA，如果SineA可为负且MeasC>MeasB，那么
电动机轴的角位置可为SineA的绝对值的ArcsineA，且如果SineA可为负且MeasB>MeasC，那
么电动机轴的角位置可为180–SineA的绝对值的ArcsineA。

[0017] 根据方法的另一实施例，确定SineA或SineA的绝对值的反正弦的步骤可包括从可包括多个正弦对反正弦值的表查询SineA或SineA的绝对值的反正弦的步骤。根据方法的另
一实施例，正弦对反正弦值的表可作为查询表存储于微控制器的存储器中。根据方法的另
一实施例，从0到90度的正弦对反正弦值的表可选自由0.5、1、1.5、2、3、4及5度增量组成的
群组。根据方法的另一实施例，确定反正弦的步骤可包括确定SineA的绝对值的反正弦且将
其保存为ArcsineA的步骤。

[0018] 根据另一实施例，一种用于确定电动机轴的角位置的方法可包括以下步骤：提供具有其上具有磁体及三次谐波磁体的可转动电动机轴的三相位永磁电动机；提供第一、第
二及第三线性霍尔效应传感器，其中所述第一、第二及第三线性霍尔效应传感器可围绕所
述电动机轴定位且间隔120度，借此所述第二传感器转动地滞后于所述第一传感器120度，
且所述第三传感器转动地滞后于所述第二传感器120度；分别测量来自所述第一、第二及第
三线性霍尔效应传感器的电压值MeasA、MeasB及MeasC；计算经重建电压值MeasA’＝MeasA–
MeasB、MeasB’＝MeasB–MeasC及MeasC’＝MeasC–MeasA；分别确定MeasA’的最大及最小电压
值且将其保存为MaxA’及MinA’；将峰值计算为Peak’＝(MaxA’–MinA’)/2；将平均值计算为
Average’＝(MaxA’+MinA’)/2；在一瞬间分别测量第一、第二及第三线性霍尔效应传感器的
输出量值并将其保存为MeasA、MeasB及MeasC；计算SineA’＝(MeasA’–Average’)/Peak’；如
果SineA’可为正，那么确定SineA’的反正弦，或如果SineA’可为负，那么确定SineA’的绝对
值的反正弦，且将其保存为ArcsineA；其中如果SineA’可为正且MeasC’>MeasB’，那么电动
机轴的角位置可为ArcsineA，如果SineA’可为正且MeasB’>MeasC’，那么电动机轴的角位置
可为180‑ArcsineA，如果SineA’可为负且MeasC’>MeasB’，那么电动机轴的角位置可为
SineA’的绝对值的ArcsineA，且如果SineA’可为负且MeasB’>MeasC’，那么电动机轴的角位
置可为180‑SineA’的绝对值的ArcsineA。

[0019] 根据方法的另一实施例，确定SineA’或SineA’的绝对值的反正弦的步骤可包括从可包括多个正弦对反正弦值的表查询SineA’或SineA’的绝对值的反正弦的步骤。根据方法
的另一实施例，正弦对反正弦值的表可作为查询表存储于微控制器的存储器中。

[0020] 根据另一实施例，一种用于确定电动机轴的角位置的方法可包括以下步骤：提供具有其上具有磁体的可转动电动机轴的两相位永磁电动机；提供第一及第二线性霍尔效应
传感器，其中所述第一及第二线性霍尔效应传感器可围绕所述电动机轴定位且间隔90度，
借此所述第二传感器转动地滞后于所述第一传感器90度；测量来自所述第一线性霍尔效应
传感器的最大及最小电压值；分别将所述经测量最大及最小电压值保存为MaxA及MinA；将
平均值计算为Average＝(MaxA+MinA)/2；在一瞬间分别测量所述第一及第二线性霍尔效应
传感器的输出电压值并将其保存为MeasA及MeasB；计算A＝(MaxA–Average)，及B＝(MaxB–
Average)；计算TangentX＝A除以B，其中如果TangentX及A可为正，那么电动机轴的角位置
可为TangentX的反正切，如果TangentX可为负且A可为正，那么电动机轴的角位置可为180
减去TangentX的绝对值的反正切，如果TangentX及A两者可都为负，那么电动机轴的角位置
可为TangentX的绝对值的反正切的负值，且如果TangentX可为正且A可为负，那么电动机轴
的角位置可为180减去TangentX的反正切后的负值。

[0021] 根据方法的另一实施例，确定TangentX或TangentX的绝对值的反正切的步骤可包括从可包括多个正切对反正切值的表查询TangentX或TangentX的绝对值的反正切的步骤。
根据方法的另一实施例，正切对反正切值的表可作为查询表存储于微控制器的存储器中。

附图说明

[0022] 通过结合附图参考以下描述可获得对本发明的更完整理解，其中：

[0023] 图1说明根据本发明的特定实例实施例的三相位永磁电动机、线性霍尔效应传感器以及相关联电动机PWM驱动及换向组件的示意性框图；

[0024] 图2说明根据本发明的教示的在从全参考输出到全霍尔效应传感器输出的范围内线性霍尔效应传感器输出及用于电动机的单个相位的所得PWM信号的示意性图表；

[0025] 图3说明根据本发明的教示的多个线性霍尔效应传感器输出及用于三相位电动机的所得PWM信号的示意性图表；

[0026] 图4说明根据本发明的教示的具有经整形磁场以改进其性能的多个线性霍尔效应传感器的示意性图表；

[0027] 图5包含图5(a)和图5(b)，其说明根据本发明的教示的基本磁体及三次谐波磁体的示意图；及

[0028] 图6说明根据本发明的另一特定实例实施例的两相位永磁电动机、线性霍尔效应传感器以及相关联电动机PWM驱动及换向组件的示意性框图。

[0029] 虽然本发明易受各种修改及替换形式影响，但本发明的特定实例实施例已在图式中展示且在本文中详细描述。然而，应理解，本文中对特定实例实施例的描述并不希望将本
发明限制于本文中揭示的特定形式。

具体实施方式

[0030] 电动机产业目前使用霍尔效应传感器来确定无刷电动机的换向信息，但此类型的系统具有无法消除的误差。此是由激发霍尔效应传感器接通接着关断传感器需要较大电平
的磁通量的事实引起。此导致在霍尔效应传感器处于零模式接着在其处于一模式时的不相
等的信号。下文呈现的对此的解决方案将解决此误差且能够供应角度信息用于额外用途。
另外，存在使用场定向控制发展出正弦电流的电路，但这些电路需要对个别线圈电流进行
电流感测。无刷电动机设计所具有的其它问题是使用常规六步骤换向方案，换向发生在从
绕组导出峰值反电动势(BEMF)电压之前及之后的+/‑30度处，因此在电动机的换向期间，驱
动电流中存在十二(12)次的尖峰。

[0031] 适于确定电动机轴位置的低成本线性霍尔效应传感器相对新颖。具有全部所需电路功能的微控制器也刚刚变得可用。在历史上，重点在于消除电动机轴位置传感器以降低
成本，但如此做需要更昂贵的数字处理器及软件程序。根据本文中揭示的各种实施例，可通
过结合极低成本的数字处理器(例如，微控制器)利用线性霍尔效应传感器而反转此趋势，
所述数字处理器具有模拟及数字能力两者，其可消除前述先前技术问题及全部软件程序换
向处理需求。

[0032] 现参考图式，其示意性说明实例实施例的细节。在图式中，相似元件将由相似元件符号表示，且类似元件将由具有不同小写字母后缀的相似元件符号表示。

[0033] 参考图1，其描绘根据本发明的特定实例实施例的三相位永磁电动机、线性霍尔效应传感器以及相关联电动机PWM驱动及换向组件的示意性框图。根据各种实施例，由以彼此
120电度的相对位移定位三个线性霍尔效应传感器Q1、Q2及Q3(如图1中所示)，可使用所述
线性霍尔效应传感器Q1、Q2及Q3来确定电动机102的转动轴的角位置。磁极对的数目确定机
械度数对电度数的比率。举例来说，具有一个磁极对(两个磁极)的电动机具有1比1的比率。
换句话来说，其针对每一360电度旋转而转动一个360度机械旋转。具有两个磁极对(四个磁
极)的电动机具有1比2的比率，这意味着其针对每两个电气转动或720度而转动一个360度
机械旋转。具有三个磁极对(六个磁极)的电动机具有1:3的比率，等等。

[0034] 磁体122附接到电动机102的轴且用来磁性地激发三个线性霍尔效应传感器Q1、Q2及Q3。霍尔效应传感器Q1、Q2及Q3的转动磁性激发提供来自此三个传感器的一组正弦电信
号(三个)，所述组正弦电信号取决于电动机轴角的相对位置，例如，来自激发霍尔效应传感
器Q1、Q2及Q3的磁体122的磁通量的关系。可使用所得正弦信号来确定用于电永磁同步电动
机(例如，电动机102)的适当电换向信号。将这三个经生成正弦信号个别地转换成发送到电
动机线圈驱动功率晶体管104a到c及106a到c的脉冲宽度调制(PWM)信号，所述PWM信号具有
呈三相位关系的接通及关断脉冲持续时间，所述三相位关系针对三相位永磁同步电动机
(例如，电动机102)提供正确绕组电压需求。

[0035] 如上文所述，三个线性霍尔效应传感器Q1、Q2及Q3可在电动机102转动(自旋)时提供与电动机102的三个相位电压中的每一者同相位的三相位正弦波形。来自每一霍尔效应
传感器的信号可通过相应可变电阻器114a到c(例如，电位计‑三个端子可变电阻器)施加到
相应比较器112a到c的非反相输入，且三角波形可由斜坡产生器124供应到比较器112a到c
的反相输入。三个比较器112a到c的输出可通过具有死带控制的互补驱动器108a到c驱动三
个半桥式功率级(例如，功率晶体管104a到c及106a到c)。三个半桥式功率级104a到c及106a
到c中的每一者驱动电动机102的每一绕组，每一绕组对应于与其同相位的霍尔效应传感
器。通过用可变电阻器114a到c调整霍尔效应传感器输出的振幅而控制电动机速度。可通过
反相(未展示)比较器112a到c的输出而反转电动机方向。电动机轴上的磁体122提供磁通量
以供线性霍尔效应传感器Q1、Q2及Q3检测。此磁体122可为电动机转子磁体或附接到电动机
轴的单独磁体(未展示)。

[0036] 线性霍尔效应传感器Q1、Q2及Q3可为例如(但不限于)Allegro A1324LUA‑T。线性霍尔效应传感器提供与由来自线性霍尔效应传感器的输出提供的磁场成比例的线性电压
的输出。在存在磁场(例如，在电动机轴上转动的磁体)的情况下，电压输出是正弦波。霍尔
效应传感器Q1、Q2及Q3可与电动机磁体对准使得霍尔效应传感器输出电压与电动机生成的
电压(有时称为反电动势(BEMF))同相位。

[0037] 可变电阻器114a到c可为受控于微控制器(未展示)的数字可编程可变电阻器。这些可变电阻器114a到c可改变来自耦合到比较器112a到c的非反相输入的霍尔效应传感器
Q1、Q2及Q3的输出信号的电压振幅。当可变电阻器114a到c滑动片(wiper)(可变电阻中心节
点)完全朝向来自缓冲放大器118的参考电压时，那么比较器112a到c输出基本上将为百分
之五十(50％)工作循环方波。当电阻器114a到c滑动片完全朝向来自霍尔效应传感器Q1、Q2
及Q3的电压时，那么比较器112a到c将输出具有与霍尔效应传感器Q1、Q2及Q3信号输出成比
例的工作循环的PWM信号。

[0038] 斜坡产生器124操作为三角波产生器。斜坡产生器124可包括恒定电流源及恒定电流槽。一次仅一者在作用中。恒定电流值可为可调整的，借此使上升及下降斜坡率可调整。
可调整电流值及跳脱点使得三角周期小于电动机电气时间常数。

[0039] 电压比较器126及128可用来改变来自斜坡产生器124的电压斜坡的方向。当斜坡产生器124输出处于或高于来自数/模转换器(DAC)132的参考电压时，那么停用斜坡产生器
124电流源且启用电流槽而导致下降的斜坡输出。当斜坡产生器124输出处于或低于来自
DAC 130的参考电压时，那么停用斜坡产生器电流槽且启用电流槽而导致上升的斜坡输出。

[0040] DAC 130及132可用来设置斜坡产生器124斜坡输出在其处改变方向的值。其中DAC 130设置低电压(Lv)值且DAC 132设置高电压(Hv)值。运算放大器116可用来缓冲到比较器
112a到c反相输入的斜坡产生器124输出。运算放大器118可用来缓冲到可调整(可编程)电
阻器114a到c的参考电压。可使用DAC 120来设置此参考电压。可调整来自DAC 120的电压输
出使得当电阻器114a到c滑动片完全朝向来自运算放大器118的输出的参考电压(Ref)时，
经生成PWM工作循环是百分之五十(50％)。来自DAC 120的输出电压可为(Hv+Lv)/2。

[0041] 比较器112a到c可用来将霍尔效应传感器输出电压转换成PWM信号。PWM信号的周期是由存在于比较器112a到c反相输入上的斜坡产生器124输出设置。PWM信号(三个相位)
的工作循环与存在于相应比较器非反相输入上的霍尔效应传感器电压成比例。

[0042] 具有死带控制的互补驱动器108a到c可用来将比较器112a到c PWM输出转换成具有可调整死带(当两个输出都关断时即为死带)的互补PWM信号。在晶体管104a到c关断且晶
体管106a到c接通时期望死带时间，或反之亦然。在功率晶体管(例如，功率场效晶体管
(FET)104a到c及106a到c)接通及关断转变期间的死带时间分别防止高侧功率FET 104a到c
及低侧功率FET 106a到c两者同时导通的可能性(防止直通电流)。

[0043] 功率FET 104a到c及106a到c将来自互补驱动器108a到c的互补PWM输出电压转换成高电压、高电流电动机电压。当永磁电动机102自旋时，其生成与电动机的速度成比例的
电压。此经生成电压的波形是由电动机构造确定且通常是正弦的，尤其在永磁同步电动机
(PMSM)的情况中且对于无刷直流(BLDC)电动机通常如此。此经生成电压相位滞后于转子磁
极90电度。此偏移正好是施加电压以使电动机运行时所需要的。

[0044] 当可变电阻器114a到c滑动片完全朝向来自运算放大器118的输出的参考电压时，到比较器112a到c中的电压信号恒定为参考电压，且全部三个PWM工作循环是百分之五十
(50％)，如图2中由底部电压波形250展示。跨电动机端子的所得电压差为零，因此无电流流
动且电动机保持静止。随着可变电阻器114a到c滑动片移动远离参考电压而朝向来自线性
霍尔效应传感器Q1、Q2及Q3的相应电压，施加到比较器112a到c的电压信号是由可变电阻器
114a到c衰减的霍尔效应传感器输出电压。现PWM工作循环将根据霍尔效应传感器电压而变
化，如图2中由中间电压波形252展示。

[0045] 参考图6，其描绘根据本发明的另一特定实例实施例的两相位永磁电动机602、线性霍尔效应传感器以及相关联电动机PWM驱动及换向组件的示意性框图。此两相位永磁电
动机实施例以与图1中所示的三相位两个永磁电动机实施例基本上相同的方式作用，但少
一个相位，其中两个相位间隔90度而非120度。仅需要两个线性霍尔效应传感器Q1及Q2、两
个可调整(可编程)电阻器114a到c、两个比较器112a到c及通过具有死带控制的互补驱动器
108a到c的两对功率晶体管104a到c及106a到c。

[0046] 现参考图3，其描绘根据本发明的教示的多个线性霍尔效应感测输出及用于三相位电动机的所得PWM信号的示意性图表。在起动时，三个PWM工作循环在与电动机转子磁极
成90度的电动机相位处生成三个电压。图3说明霍尔效应传感器输出可能性的全范围与所
选择的一种可能性的PWM工作循环。图3中所示的三个PWM波形工作循环为全功率以强调每
一PWM输出之间的差异。实际起动将伴随霍尔效应传感器输出的衰减(随可变电阻器114a到
c)以仅实现足以使电动机102转动的功率及扭矩。

[0047] 电动机102在起动时未转动，因此仅经施加相位绕组电压的阻抗是电动机绕组电阻。在永磁电动机中，扭矩与电动机电流成比例。等于电动机相位之间的电压差除以绕组电
阻的电流将流动从而引起电动机转动。随着电动机102据此响应而加速，其生成反EMF且PWM
输入响应于霍尔效应传感器而改变从而将经施加电压保持为与电动机生成的电压同相位。
电动机速度增大直到反EMF等于经施加电压减去绕组及每一电动机绕组的电流路径中的其
它电路的电阻损耗。

[0048] 在永磁电动机中，速度与经施加电压成比例。可变电阻器114a到c滑动片移动朝向霍尔效应传感器电压越多，那么到电动机102的经施加电压越高且电动机102自旋越快。在
从静止到全速的此响应的每一点处，电动机端子处的经施加电压与转子磁极成所需90度。

[0049] 参考图4，其描绘根据本发明的教示的具有经整形磁场以改进其性能的多个线性霍尔效应传感器的示意性图表。可通过整形施加到霍尔效应传感器的磁场而增强前述实施
例的性能。对于经施加3相位正弦波形，电动机端子之间的最大电压是供应电压的1.732倍。
这可通过修改霍尔效应传感器磁体122以将三次谐波添加到原本正弦波形而升压为峰值电
压的2倍。在1/6强度的三次谐波将抑制峰值达0.866。斜坡产生器峰值降低以与霍尔效应传
感器波形的新峰值对应。所得霍尔效应传感器波形是基谐波加上三次谐波。PWM输出的任两
个相位之间的差是正弦的，其中峰值增大1.15而导致峰值到峰值驱动电平是电动机供应电
平的2倍。

[0050] 三次(3rd)谐波表示在基谐波的1/6振幅的基频的三次谐波。相位1波是霍尔效应传感器的一者的输出，其表示基波与三次谐波的总和。相位2波是与相位1波霍尔效应传感器
放置成120电度的第二霍尔效应传感器的输出，且其也为与相位1波霍尔效应传感器放置成
120电度的基本波与三次谐波的总和。由于三次谐波的一个周期是120电度，所以120电度偏
移不明显。相位1波减去相位2波(Ph1‑Ph2波)是相位1波与相位2波之间的差。换句话来说，
如果取相位1波的每一点且减去相位2波在所述相同时间点处的值，那么结果是Ph1‑Ph2波
在所述相同时间点处的值。此在相位1波与相位2波交叉且Ph1‑Ph2波值为零的点处最容易
验证。图4为简单起见仅展示三个相位的两者。第三相位比所示的两个波的一者提前120电
度且落后于另一波120电度，因此其与两个波的任一者之间的关系将与所示的关系相同。

[0051] 根据另一实施例，脉冲宽度调制器频率的周期可为电动机参数的电气时间常数(L/R)的1/5或更小(电动机绕组充当低通滤波器以将PWM脉冲平整为DC电流)。

[0052] 已使用克拉克(Clarke)及帕克(Park)变换来确定永磁电动机转子位置，但这些变换是算密集的。根据另一实施例，较简单方法可使用由线性霍尔效应传感器Q1、Q2及Q3生成
的三个信号来远程地监测电动机轴的角位置，其中相位B(传感器Q2)滞后于相位A(传感器
Q1)120度，且相位C(传感器Q3)滞后于相位B(传感器Q2)120度。现参考图3，让线性霍尔效应
传感器A(Q1)输入的反正弦表示角位置。正弦值的一个象限的查询表可用来确定在从0到90
度的范围内的反正弦。查询表中的值的数目可确定角度分辨率。举例来说，对于5度的分辨
率，查询表中存在19个正弦值，所述值是从0到90度以5度增量预先计算的正弦值。预期可使
用且在本文中主张其它度数增量及其的分率(例如，0.5、1、1.5、2、3、4等)且其在本发明的
范围内，且此正弦对反正弦查询表可存储于微控制器存储器(未展示)中。

[0053] 正弦值的反正弦是含有最接近正弦值的表位置乘以分辨率。如下计算正弦：可测量霍尔效应传感器A的最大及最小值并将其保存为MaxA及MinA。相位A的峰值是(MaxA‑
MinA)/2。相位A的平均值是(MaxA+MinA)/2。可通过在一瞬间测量且存储三个霍尔效应传感
器输出量值而确定任何瞬间处的角位置。可将这些传感器输出量值测量值保存为变量
MeasA、MeasB及MeasC。角度A的正弦是(MaxA‑Average)/Peak。让此值为SineA。如果SineA为
正且MeasC>MeasB，那么角度是从查询表找出SineA的反正弦的直接结果。如果SineA为正且
MeasB>MeasC，那么角度是180度减去查询值。如果SineA为负且MeasC>MeasB，那么使用
SineA的绝对值来自查询表找出角度且反正弦是所述角度的负值。如果SineA为负且MeasB>
MeasC，那么使用SineA的绝对值来自查询表找出角度且反正弦是180减去所述角度后的负
值。以类似方式，相位B的霍尔效应传感器Q2或相位C的霍尔效应传感器Q3可用于反正弦查
询，其中全部传感器输出量值比较可相应地互换。

[0054] 在不存在三次谐波磁体时可使用前述对电动机转子位置的确定。当存在三次谐波磁体时，那么应通过找出来自霍尔效应传感器的三个正弦波电压的对之间的差而以数学方
式重建这些传感器输出电压。换句话来说，在角度计算中使用的三个测量值接着将为
MeasA’、MeasB’及MeasC’，其中MeasA’＝MeasA‑MeasB，MeasB’＝MeasB‑MeasC且MeasC’＝
MeasC‑MeasA。在此配置中，经重建传感器A(MeasA’)的最大及最小值可被测量并保存为
MaxA’及MinA’。经重建相位A的峰值是Peak’＝(MaxA’‑MinA’)/2。经重建相位A的平均值是
Average’＝(MaxA’+MinA’)/2。通过使用经重建测量值而获得的角度(将此称为角度A’)滞
后于在无三次谐波磁体的情况下将获得的角度30电度。角度A’的正弦是(MeasA’‑
Average’)/Peak’。让此值为SineA’。如果SineA’为正且MeasC’>MeasB’，那么角度是从查询
表找出SineA’的反正弦的直接结果。如果SineA’为正且MeasB’>MeasC’，那么角度是180度
减去查询值。如果SineA’为负且MeasC’>MeasB’，那么使用SineA’的绝对值来自查询表找出
角度且反正弦是所述角度的负值。如果SineA’为负且MeasB’>MeasC’，那么使用SineA’的绝
对值来自查询表找出角度且反正弦是180减去所述角度后的负值。以类似方式，从MeasB’导
出的SineB’或从MeasC’导出的SineC’可用于反正弦查询，其中全部传感器输出量值比较可
相应地互换。

[0055] 现参考图6，让线性霍尔效应传感器A(Q1)的正弦除以线性霍尔效应传感器B(Q2)的余弦的反正切表示两相位配置的角位置。正切值的一个象限的查询表可用来确定在从0
到90度的范围内的反正切。霍尔效应传感器A的最大及最小值可被测量并保存为MaxA及
MinA。相位A的平均值是(MaxA+MinA)/2。相位B的最大及最小值在设计上等于相位A的最大
及最小值。因此，相位B的平均值等于相位A的平均值。由于霍尔传感器B超前于霍尔传感器A 
90度，所以霍尔传感器B表示角度的余弦且霍尔传感器A表示角度的正弦。角度的正切是
Sine/Cosine。可通过在一瞬间测量并存储两个霍尔效应传感器输出量值而确定任何瞬间
的角位置X。可将这些传感器输出量值测量值保存为变量MeasA及MeasB。角度X的正弦是
(MaxA‑Average)/Peak。让此值为SineX。角度X的余弦是(MaxB‑Average)/Peak。让此值为
CosineX。角度X的正切系SineX/CosineX。让此值为TangentX。峰值抵消且无需计算。因此，
TangentX等于(MeasA‑Average)除以(MeasB‑Average)。如果TangentX为正且SineX为正，那
么角度X是从查询表找到TangentX的反正切的直接结果。如果TangentX为负且SineX为正，
那么使用TangentX的绝对值来从查询表找出角度且角度X是180度减去所述值。如果
TangentX为负且SineX为负，那么使用TangentX的绝对值来从查询表找出角度且X的反正切
是所述角度的负值。如果TangentX为正且SineX为负，那么使用TangentX的值来从查询表找
出角度且X的反正切是180减去所述角度后的负值。三次谐波磁体无法用于两相位配置中。

[0056] 根据另一实施例，激发磁体组合件可包括钐磁体或铝镍钴材料的中心软磁心及个别磁段以增强磁性电路的温度稳定性，这是因为钕及陶瓷的通量密度对钐钴的0.025％/℃
及铝镍钴磁体材料的0.01％/℃具有0.11％/℃的负温度系数，从而导致速度随温度的较不
成比例的变化。

[0057] 参考图5，其包含图5(a)和图5(b)，描绘根据本发明的教示的基本磁体及三次谐波磁体的示意图。图5(a)展示基本磁体且图5(b)展示三次谐波磁体。当这两个磁性源彼此叠
加时，总磁场将产生如图4中所示的相位1波及相位2波霍尔效应传感器输出响应。