CN1237700C - 用于无刷直流电动机的驱动电路及使用该驱动电路的无刷直流风扇 - Google Patents

用于无刷直流电动机的驱动电路及使用该驱动电路的无刷直流风扇 Download PDF

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Abstract

一种用于无刷直流电动机(100)的驱动电路，控制电动机的多个可能操作特征的至少一个。驱动电路包括一个用来把电流提供到一个定子线圈的驱动器级，并且改变控制电动机的所述多个可能操作特征中的哪些。电动机的操作特征包括起动电流限制控制、PWM速度控制、模拟速度控制、探测锁定转子状态、跟随锁定转子状态的探测设置一个警报、跟随锁定转子状态重新启动电动机、探测低速状态、及跟随低速状态的探测设置一个警报。电动机的操作特征的一些，利用定义特征的希望操作的至少一个参数。驱动电路进一步改变操作特征的参数，则不用改变无刷直流电动机的物理配置。

Description

用于无刷直流电动机的驱动电路及 使用该驱动电路的无刷直流风扇
发明背景
1.发明领域
本发明一般涉及一种无刷直流电动机，更具体地说，涉及一种用于无刷直流电动机的驱动电路。
2.背景描述
无刷直流电动机一般包括两个主级：一个预驱动器级和一个实际驱动器级。实际驱动级可以是双极或单极的。单极驱动器级包括布置在全桥配置中的四个开关装置，例如场效应晶体管(FET)或双极结式晶体管(BJT)。开关装置通过由预驱动器级产生的互补脉冲驱动，从而同时接通相对于彼此对角线布置的开关装置。单极驱动器级包括布置在半桥配置中的两个开关装置，一次只接通其一个。
预驱动器级包括一个响应来自Hall传感器的输出产生用于驱动器级的互补脉冲的分立集成电路(IC)。在风扇中，Hall传感器由包括在风扇的旋转转子中的磁铁切换。每当风扇或电动机的转子已经形成完整一转时，转子磁铁的磁场就相对于Hall传感器的位置变化，从而Hall传感器的输出从一个逻辑状态(例如逻辑低或逻辑高)切换到互补逻辑状态。因而，有效地有一个从驱动器级的输出返回预驱动器级的封闭环路。
从驱动器级的输出到预驱动器级的封闭环路使风扇能够基本自足地运行。然而，有一些其中风扇需要辅助设备以便正确地和，非常重要的是，安全地操作的条件。例如，在“锁定转子”条件下，其中风扇转子由于任意原因停止，为了不烧坏在驱动器级中的开关装置风扇必须本身断开。在t秒的预定时间段之后，风扇必须确定风扇转子是否自由地恢复转动。风扇通过接通预驱动器级的一个输出和等待转子转动实现这点。如果转子在一个预定时间段内不开始旋转，则再次断开预驱动器的输出。风扇每t秒重复这种循环。对于重新启动循环的计时由在预驱动器IC外部的一个电阻器-电容器网络提供。
已经实现其它特征以保证风扇的适当操作。例如，每当风扇在锁定转子条件下大于一个预定时间量时，就能产生一个警报。要不然，每当在低于一定RPM阀值电平的速度下运行时，就能产生一个警报。同样，在这些条件的任一种下都需要外部电路产生警报。
风扇的另一种特征涉及风扇在其操作的启动模式期间抽取大起动电流的趋势。为了抵消这种趋势，一个外部电路产生一个脉冲宽度调制(PWM)信号，以在启动时段期间使预驱动器和驱动器级在操作的所谓“斩波模式”中得电和失电。斩波起动电流的效果是抑止在启动时段期间电流流动的速率，以向风扇或电动机提供刚好够启动风扇或电动机的电流，直到风扇或电动机斜坡升高到全速。
在先有技术中已知，与用来控制包括风扇电动机的无刷直流电动机的外部电路一起提供一种分立IC。标题为“用于无刷直流电动机的驱动器电路(Driver Circuit for Brushless DC Motors)”并且授予Karwath等的美国专利No.5,583,404讲授了检查“锁定转子”条件、在有限时间段期间中断到电动机的电流供给、及在这样的情况下致动警报功能和在预定时间通过之后尝试重新启动的一般概念。此外，它也讲授了在无刷电动机的启动模式期间步进升高电流的使用，以便防止供电电流冲击。
标题为“用于洗衣设备的单相电动机(Single Phase Motor forLaundering Apparatus)”并且授予Young等的美国专利No.5,838,127公开了利用一个位置传感器来检测电动机的可转动组件相对于电动机的静止组件的角位置和产生一个作为检测位置函数的控制信号以颠倒转动方向的一般概念。
标题为“带有整体跟踪和锁定转子保护的电子可编程通用无刷直流风扇(Electronically Programmable Universal Brushless DC Fanwith Integral Tracking and Locked Rotor Protection)”并且授予Brown的美国专利No.4,656,533公开了使用诸如电压调节器之类的变换检测装置确定风扇速度和在启动状态或在锁定转子状态期间限制到风扇的电流的概念。
标题为“用于无刷直流电动机的IC控制器(IC Controller forBrushless DC Motors)”并且授予Le的美国专利No.5,258,696公开了使用一个用于无刷直流风扇电动机的单IC芯片驱动器的概念，其中至IC驱动器的输入包括一个代表相对于定子绕组的转子位置并且由IC驱动器用来产生变换命令和向电动机的定子绕组变换功率以驱动电动机的信号。类似地，标题为“数字电动机控制器(Digital MotorController)”并且也授予Le的美国专利No.5,350,988公开了相同的概念，其中把转子相对于定子的模拟位置信号转换成由数字控制器处理的数字数据。
标题为“带有电动机控制器电路的微型计算机(Microcomputerwith Motor Controller Circuit)”并且授予Itoh等的美国专利No.5,013,985(“‘985专利”)建议在带有一个电动机控制器电路的单芯片中带有CPU、只读存储器(ROM)及随机存取存储器RAM的微型计算机的使用。然而，‘985专利没有建议把微型计算机用作用于电动机的驱动器电路。而是，微型计算机把信号提供给用来产生三相倒相器波形的电动机控制器电路。它也没有建议用来保证无刷直流风扇的适当操作的任何以前描述的特征。
标题为“装有抗烧坏装置的电动机控制单元(Motor Control UnitProvided with Anti-Burning Device)”并且授予Ishikura等的美国专利No.5,317,244描述了具有这样一种能力的电动机控制器：如果电动机的转动速度落在预定值以下或者如果“锁定转子”状态发生，则通过限制其中把电流供给到电动机的时间防止电路的烧坏。类似地，标题为“用来控制无刷直流电动机的方法和设备(Method and Apparatus forControlling Brushless DC Motor)”并且授予Sakurai等的美国专利No.5,327,052描述了一种在无刷直流电动机的启动模式期间通过阅读和估计转子位置和以预定速率增大到直流电动机的驱动电流直到转子转动而提供步进升高电流的方法。同样，在标题为“用来启动无刷直流电动机的方法和设备(Method and Apparatus for Starting a BrushlessDC Motor)”并且授予Carobolante等的美国专利No.5,350,984中描述了无刷和无传感器直流电动机的“斩波模式”操作。
有同与外部电路一起使用分立IC实现这些特征有关的显著缺点。在使用分立IC时，设计者由具体分立IC的参数约束到这样的程度，分立IC对于锁定转子状态提供改变重新启动计时间隔的能力，在改变这种重新启动计时间隔方面存在有限的灵活性范围。客户可能希望风扇产生与温度状态、速度、及电流消耗有关的数据。由风扇产生的信号可能需要改变以与客户的接口通信，但与外部电路一起使用的分立IC不能容纳由风扇产生的数据信号的变化。客户可能也想能够更新他的风扇以包括以后开发的特征和改进。对于分立IC驱动器，客户受到提供有购买风扇配置的特征，并且客户必须购买新风扇以得到任何以后开发的特征和改进的好处。
同与外部电路一起使用分立IC实现这些特征有关的另一个显著缺陷是，在根据各种不同客户要求制造风扇时涉及的复杂和无效。风扇和电动机的制造者可能需要能够支持多个不同的驱动器配置。例如，不是所有的分立IC驱动器都供给类似的特征，并且外部电路需要提供由分立IC不能提供的特征。此外，每个客户可能不需要由具体分立IC提供的特征的全部，并且即使每个客户需要由具体分立IC提供的特征的全部，这些特征的参数可能从客户到客户变化。结果，当使用分立IC时，用于驱动器级的物理配置的多样性是不可避免的。
因而，在先有技术中需要用一种适于向客户提供用于无刷直流电动机的定制特征组合的单驱动器配置替换用于无刷直流电动机的多种不同分立驱动器配置。
发明内容
本发明旨在满足对适于向客户提供用于无刷直流电动机的定制特征组合的单驱动器配置的需要的一种系统和方法。
根据本发明的第一方面，提供一种用于无刷直流电动机的驱动电路，控制所述电动机的至少一个操作特征，所述至少一个特征利用定义所述特征的希望操作的至少一个参数，所述驱动电路包括：一个其构成为向一个定子线圈提供电流的驱动器级；连接到所述驱动器级用来改变所述至少一个参数，并且将所述至少一个参数与由所述电动机的操作产生的一个信号进行比较的装置；一个包括用于控制连接到所述驱动器级的所述装置的软件单元的微控制器；以及，一个用于检测磁场的状态的变化的传感器，其具有连接到所述微控制器的输出；其中所述连接到所述驱动器级的装置还包括用来提供延时的延迟装置，所述延时相应于能够由来自所述软件单元的指令改变的至少一个参数。
根据本发明的第二方面，提供一种用于无刷直流电动机的驱动电路，控制所述电动机的多个可能操作特征的至少一个，所述驱动电路包括：一个其构成为向一个定子线圈提供电流的驱动器级；用于改变的装置，其改变所述电动机的多个可能的操作特征中被控制的特征，且响应于由所述电动机的操作产生的一个信号控制所述改变的特征；一个包括用于控制连接到所述驱动器级的所述装置的软件单元的微控制器；以及，一个用于检测磁场的状态的变化的传感器，其具有连接到所述微控制器的输出；其中所述用于改变的装置还包括用来提供延时的延迟装置，所述延时相应于能够由来自所述软件单元的指令改变的至少一个参数。
本发明还提供一种风扇，其可使用如上第一或第二方面所述的驱动电路来驱动风扇中的无刷直流电动机。
根据本发明的一个实施例，一种用于无刷直流电动机的驱动电路，控制所述电动机的至少一个操作特征，至少一个特征利用定义特征的希望操作的至少一个参数，该驱动电路包括：一个驱动器级，用来把电流提供到一个定子线圈；和联接到所述驱动级上用来改变所述至少一个参数的装置。用来改变的装置可以改变参数而不用改变无刷直流电动机的物理配置。用来改变的装置可以包括用来输入所述至少一个参数的输入装置。用来改变所述参数的装置可以包括一个执行软件程序指令以控制操作特征的微控制器。
一个操作特征可以包括限制由所述无刷直流电动机在所述电动机的启动时抽取的起动电流，而参数可以包括用于所述起动电流的阈值基准值、或一个从其减去代表所述起动电流的电压的比较值。
另一个操作特征可以包括使用模块电压的所述无刷直流电动机的速度控制，而参数可以包括一个用于所述电动机的速度的阈值基准值。
又一个操作特征可以包括产生一个警报信号，而参数可以包括一个用于所述直流电动机的速度的阀值、一个存储在计数器中的值、或一个指示用来产生所述警报的时间的值。
再一个操作特征可以包括确定一种锁定转子状态，而参数可以包括一个存储在一个计数器中的值。
一个更进一步的操作特征可以包括响应锁定转子状态的探测产生一个警报，而参数可以包括一个存储在一个计数器中的值。
另一个操作特征可以包括跟随锁定转子状态的探测重新启动所述电动机，而参数可以包括一个存储在一个计数器中的值。
根据本发明的另一个实施例，一种用于无刷直流电动机的驱动电路，控制所述电动机的多个可能操作特征的至少一个，该驱动电路包括：一个驱动器级，用来提供用于定子线圈的电流；和用来改变控制所述电动机的多个可能操作特征的哪一个的装置。
所述电动机的可能操作特征包括：使用一个脉冲宽度调制信号的所述电动机的速度控制；使用一个模拟电压的所述电动机的速度控制；限制在所述电动机启动时由所述电动机抽取的起动电流；如果所述电动机的速度在一个阈值下面则产生一个警报信号；探测锁定转子状态；响应锁定转子状态的探测产生一个警报；及跟随锁定转子状态的探测重新启动所述电动机。
与附图一起阅读如下描述，将明白本发明的以上、和其它特征、方面及优点，在附图中类似标号指示相同元件。
附图的简要描述
在附图中：
图1表示根据本发明一个实施例的无刷直流电动机的简化方块图；
图2表示在图1中表示的无刷直流电动机的示意图；
图3表示流程图，描述在图1和2中表示的无刷直流电动机的变换；
图4表示流程图，描述在图1和2中表示的无刷直流电动机中的起动电流限制和模拟速度控制操作；
图5表示流程图，描述在图1和2中表示的无刷直流电动机中的脉冲宽度调制速度控制的操作；
图6表示流程图，描述在图1和2中表示的无刷直流电动机中的低速警报的操作；
图7表示流程图，描述在图1和2中表示的无刷直流电动机响应锁定转子状态的操作；及
图8表示另一个流程图，描述在图1和2中表示的无刷直流电动机响应锁定转子状态的操作。
最佳实施例的描述
图1和2分别表示根据本发明一个实施例、一般标为100的无刷直流电动机的简化方块图和示意图。电动机100包括：一个Hall传感器10，带有一个输出12；一个微控制器20，带有互补输出30和40；定子线圈50；及开关SW1和SW2。在表示在图1中的方块图中，开关SW1和SW2包括在全桥驱动器级中同时通的两个开关。在表示在图2中的示意图中，图1的开关SW1和SW2由开关60和70或开关80和90代表。在根据本发明的一个最佳实施例中，Hall传感器10包括一个工业零件号UA3175的装置，而微控制器20包括一个工业零件号12C671的装置。
对于表示在图1和2中的无刷直流电动机的一种用途是在用来冷却电子电路的类型的风扇中。这样一种无刷直流风扇，说成是由无刷直流电动机驱动的风扇，进一步包括一个安装在一个转子壳体(未表示)中的转子。当电流流经开关SW1、定子线圈50、及开关SW2时，使风扇的转子转动。转子转动的方向，即顺时针或逆时针，由流经开关SW1、定子线圈50、及开关SW2的电流的方向确定。
转子壳体包含一个产生用于无刷直流风扇的磁场的永久磁铁。Hall传感器10探测当无刷直流风扇的转子相对于永久磁铁转动时产生的磁场的状态变化。当转子在顺时针或逆时针方向达到转动极值时，Hall传感器10探测无刷直流风扇的磁场的状态变化，并且Hall传感器的输出12改变其逻辑状态。
把Hall传感器10的输出12提供给微控制器20，并且微控制器20的输出30和40的状态是Hall传感器10的输出12的函数。因而，根据本发明的一个实施例，每当控制器20检测到Hall传感器10的输出12的变化时，微控制器20就以互补方式改变其输出30和40。例如，如果Hall传感器10的输出12是逻辑高，则微控制器20使输出30从逻辑低过渡到逻辑高而同时使输出40从逻辑高过渡到逻辑低。具有本专业技能的人员将认识到，能改变在微控制器20的输出30和40的状态与Hall传感器10的输出12之间的具体关系，以与具体无刷直流电动机或风扇的要求一致。
根据本发明的一个实施例，微控制器20按照它根据在先有技术中熟知的技术执行并且这里没有进一步描述的软件程序指令，改变其输出30和40的状态。在本发明的一个实施例中，微控制器20通过按照表示在图3中的流程图执行软件程序指令实现无刷直流电动机的变换。借助于图3的步骤能够同时探测“锁定转子”状态。图3表示流程图，描述在图1和2中表示的无刷直流电动机的变换。参照图1和3，按照步骤201-212，图1的Hall传感器10的输出信号12由微控制器20用来提供驱动无刷直流电动机的开关SW1和SW2的输出30和40。在步骤201，微控制器20检查Hall传感器10的输出12的状态。在步骤202，微控制器20确定Hall传感器10的输出12是否处于逻辑高状态。如果是，则在步骤203微控制器20使输出30的逻辑状态变高。在步骤204和205，微控制器204继续检查Hall传感器10的输出12的逻辑状态。在微控制器20执行步骤204和205的同时，减小与输出30相对应的延迟计数器。一旦Hall传感器10的输出12把其逻辑状态由高变低，微控制器20在步骤206清除其输出30，并且重新加载用于输出30的延迟计数器。存储在延迟计数器中的值的大小，即在步骤207中的延迟持续时间，是一个简单通过编辑由微控制器20执行的软件程序指令能改变的参数。如果，由于任何原因，在延迟计数器减小到零之前Hall传感器10的输出12的逻辑状态没有从高变到低，则延迟计数器“翻转”，并且微控制器20将执行用于“锁定转子”状态的软件程序指令，如在这里进一步描述的那样。如对于具有本专业技能的人员熟知的那样，当计数器的内容从0减小到FFh时，计数器“翻转”。
一Hall传感器10的输出12把其逻辑状态由高变低，微控制器20就在步骤208使输出40的逻辑状态变高。在步骤209和210，微控制器20继续检查Hall传感器10的输出12的逻辑状态。在微控制器20执行步骤209和210的同时，减小与输出40相对应的延迟计数器。一Hall传感器10的输出12把其逻辑状态由低变高，微控制器20在步骤211清除其输出40，并且重新加载用于输出40的延迟计数器。存储在延迟计数器中的值的大小，即在步骤212中的延迟持续时间，是一个简单通过编辑由微控制器20执行的软件程序指令能改变的参数。如果，由于任何原因，在延迟计数器减小到零之前Hall传感器10的输出12的逻辑状态没有从低变到高，则延迟计数器翻转，并且微控制器20将执行用于“锁定转子”状态的软件程序指令，如在这里进一步描述的那样。
根据本发明的另一个实施例，诸如可变电阻器、电流检测电阻器、热敏电阻器、或任何其它电压源之类的模拟源能联接到微控制器20的模数(A/D)输入14上，以实现起动电流限制或模拟速度控制。每当在微控制器20的A/D输入14上捕获到大于零伏特的模拟电压时，由微控制器20正在执行的软件程序指令就呼叫其中切断输出30和40的程序子例程。根据捕获模拟电压的大小产生一个延迟值，并且加载到一个延迟寄存器中。在延迟计数器已经翻转之后，微控制器20接通输出30和40，并且软件程序指令把微控制器20的控制返回到主变换程序。这实现模拟速度控制。
为了提供对于无刷直流电动机的起动电流限制，一个电流检测电阻器R1能联接到在微控制器20的通用目的输入/输出(GPIO)端口5(针2)处的A/D输入14上。当超过用于起动电流的预定阈值时，微控制器20执行联系模拟速度控制在以上描述的相同程序子例程。把与起动电流的大小相对应的二进制值加载到延迟寄存器以延迟接通输出30和40，由此提供电流限制功能。
图4表示流程图，描述在图1和2中表示的无刷直流电动机中的起动电流限制和模拟速度控制操作。按照由表示在图4中的流程图描述的软件程序指令，微控制器20在步骤301把一个值加载到一个阈值基准寄存器中，而把另一个值加载到一个“比较”寄存器中。在步骤302，微控制器20进行由在微控制器20的A/D输入14处的模拟源提供的模拟电压的A/D转换。在步骤303，微控制器20确定在其a/D输入14处捕获的模拟电压是否超过在阈值基准寄存器中的预定阈值。如果否，则微控制器20继续在其a/D输入处进行捕获模拟电压的A/D转换。如果捕获电压超过阈值，则在步骤304微控制器20切断输出30和40。在步骤305，微控制器20把在其a/D输入处的捕获值从存储在比较寄存器中的值上减去。互补差值，并且把结果加载到一个延迟寄存器中。在步骤306和307，减小延迟寄存器，并且当延迟寄存器减小到零时，在步骤308接通输出30和40。一旦在步骤308接通输出30和40，则微控制器恢复在步骤302中在其a/D输入处捕获的模拟电压的A/D转换。
用于用来实现起动电流限制的源代码表示在表1中。用于在步骤301中的起动电流的阈值基准值的大小是一个简单通过编辑由微控制器20执行的软件程序指令能改变的参数。例如，用于起动电流的阈值基准值设置在表1的源代码的第一行中。如果阈值基准寄存器加载有十六进制值1Fh，则流经电流检测电阻器的最大允许电流是1安培。如果阈值寄存器加载有十六进制值0Fh，则流经电流检测电阻器的最大允许电流是0.5安培。源代码的其它行不需要改变以实现在电流限制功能的变化。根据本发明的一个实施例，用于微控制器20的软件程序指令是这样的，如果在微控制器20的A/D输入处捕获的模拟电压较大，则把微控制器20的输出30和40切断较长时间。相反，如果在微控制器20的A/D输入处捕获的模拟电压较小，则把微控制器20的输出30和40切断较短时间段。因而，存储在延迟寄存器中的延迟值构成传输到微控制器20的输出30和40的一个占空率，并且按照流经电流检测电阻器的电流的大小脉冲宽度调制微控制器20的输出30和40。
表1
     movlw  0x1F       ；加载工作寄存器...
     movwf  ref        ；...并且拷贝到基准寄存器。
AD   bcf    output1    ；切断输出30。
     bcf    output2    ；切断输出40。
     decfsz dlycnt2
     goto   comp
     decfsz dlycnt8
     goto   comp
     goto   locked
comp movf  ADRES，w    ；把文字拷贝到w。
     subwf compare，w  ；从比较寄存器减去文字。
     movwf compare     ；再次放回“比较”寄存器。
     comf  compare     ；互补在“比较”寄存器中文字...
        movf    compare，w ；...并且运动回w...
        movwf   delay      ；...从这里到延迟寄存器。
rep2    movlw   0x04
        movwf   dlycnt7
rep     NOP
        decfsz  dlycnt7
        goto    rep
        decfsz  delay      ；减小延迟值。
        goto    rep2
        btfss   hall       ；读Hall传感器状态
        goto    no2        ；Hall输出低
        movlw   0xFF       ；把文字拷贝到w
        movwf   compare    ；需要一个A/D基准值。
        bsf     output1    ；接通输出30。
        return
no2     movlw   0xFF       ；把文字拷贝到w
        movwf   compare    ；需要一个A/D基准值。
        bsf     output2    ；接通输出40。
        return             ；到主例程。
根据本发明一个另外的实施例，微控制器20执行软件程序指令以使用一个脉冲宽度调制(PWM)信号实现无刷直流电动机的速度控制。PWM信号的频率和占空率确定无刷直流电动机的速度，并因而确定风扇的速度。图5表示流程图，描述在图1和2中表示的无刷直流电动机中的脉冲宽度调制速度控制的操作。参照图5，在正常变换期间和在锁定转子操作期间，在步骤401控制器20读在其通用输入/输出(GPIO)端口预定一个处的逻辑状态，以确定其逻辑状态是否是低。在表示在图2中的实施例中，微控制器20由工业零件No.12C71微控制器组成，带有用于PWM速度控制的GPIO端口3(GPIO3)(针4)。再参照图5，每当低出现在GPIO3处时，软件程序指令在步骤402指导微控制器20，以切断输出30和40。微控制器20继续检查GPIO3的逻辑电平，并且只要逻辑状态保持低，就保持输出30和40断开。当GPIO3的逻辑电平变高时，在步骤404微控制器20确定Hall传感器10的输出12的逻辑状态，以确定应该接通输出30和40的哪一个。如果Hall传感器10的输出12的逻辑状态是高，则微控制器20把一个第一输出，例如输出30，接通以恢复无刷直流风扇的变换。相反，如果Hall传感器10的输出12的逻辑状态是低，则微控制器20把一个第二输出，例如输出40，接通以恢复无刷直流风扇的变换。以这种方式，PWM信号的使用理想地适于在GPIO3处的专用速度控制输入。用于用来实现PWM速度控制的示范子例程的源代码表示在表2中。
表2
speed1     bcf        output1      ；切断FET1。
repeat1    btfss      speedcntr    ；速度控制输入仍然低？
           goto       repeat1      ；重复过程。
           btfss      hall         ；Hall传感器高？
           goto       on2          ；到接通FET1？
           bsf        output1      ；接通FET0。
           goto       loop1        ；在正常例行程序子例程中
                                   ；保持检查Hall传感器。
speed2     bcf        output2      ；切断FET2。
repeat2    btfss      speedcntr    ；速度控制输入仍然低？
           goto       repeat2      ；重复过程。
           btfsc      hall         ；Hall传感器低？
           goto       on1          ；到切断输出0，并且接通FET0。
    bsf  output2      ；接通FET1。
    goto loop3        ；在正常例行程序子例程中保持检
查Hall传感器。
根据本发明又一个实施例，在无刷直流风扇的正常变换期间，由微控制器20执行的软件程序指令使微控制器20在预定时间量已经过去之后周期地呼叫一个警报子例程程序。该预定时间量是一个简单通过编辑由微控制器20执行的软件程序指令能改变的参数。在一个最佳实施例中，当无刷直流风扇以正常速度转动时，Hall传感器10的输出12从高电平到低电平的逻辑状态变化每4毫秒产生一个中断，这使用于微控制器20的软件程序指令呼叫警报子例程程序。警报子例程程序减小以前加载的计数器。如果计数器翻转，则复位警报的指令由微控制器20完成。
与中断的产生同时，软件程序指令使微控制器20用一个十六进制值加载一个独立的计时器。图6表示流程图，描述在图1和2中表示的无刷直流电动机中的低速警报的操作。参照图6，在步骤501产生中断，并且在步骤502微控制器20用一个十六进制值加载一个标作“计时器0”的计时器。存储在计时器0中的值的大小，即在步骤502中的计时器持续时间，是一个简单通过编辑由微控制器20执行的软件程序指令能改变的参数。用于用来用一个十六进制值加载计时器的示范子例程的源代码表示在表3中。
表3
Timrset bcf    INTCON，INTF          ；清除GPIO2中断标志位
                                     ；(该中断由Hall传感器产生)。
        movwf  w_temp                ；保存w寄存器内容。
        swapf  STATUS，w             ；拷贝状态寄存器到w。
        bcf    STATUS，RP0           ；保证选择希望的列。
        movwf  status_temp           ；保存状态寄存器内容。
        movlw  0xB1                  ；加载w寄存器(该文字
                           ；确定低速警报行程点)。
movwf  TMR0                ；对于1200RPM的
                           ；行程点把w拷贝
                           ；到计时器0
swapf  status_temp，w      ；把status_temp寄存器
                           ；交换成w(以把列设置
                           ；回原始状态)
movwf  STATUS              ；把状态内容恢复到在
                           ；去子例程之前的状态。
swapf w_temp，f            ；交换和加载“w”
                           ；寄存器而不...。
swapf w_temp，w            ；...影响状态寄存器。
retfie
如果无刷直流风扇的速度正常，则计时器0不会翻转，而是代之以通过Hall传感器10的输出12的过渡由下次中断的产生复位。如果禁止Hall传感器10的输出12，例如由于低速度或锁定转子状态，则由Hall传感器10的输出12的下降过渡不会产生复位计时器的中断，并且计时器不会复位。结果，计时器翻转，并且产生其自己的使微控制器20执行用于低速度警报子例程的指令的中断。再参照图6，在步骤503和504微控制器20减小标为计数器4的延迟计数器，并且确定在计数器4中的值是否已经达到零。如果没有，则程序返回主变换换例行程序。一旦在计数器4中的值已经达到零，微控制器20的警报输出的逻辑状态就在步骤505变低以指示警报状态。由具有本专业技能的人员将认识到，软件程序指令能是这样的，从而微控制器20的警报输出在步骤505变高以指示一种警报状态。因而，不会立即设置低速警报，并且在致动警报之前计数器4提供一个预定延迟。存储在计数器4中的值在大小，即在步骤503和504中的延迟持续时间，是一个简单通过编辑由微控制器20执行的软件程序指令能改变的参数。用于示范低速警报子例行程序的源代码表示在表4中。
表4
alarm         bcf           INTCON，T0IF        ；清除计时器中断标志位。
              movwf         w_temp              ；保存w寄存器内容。
              swapf         STATUS，w           ；拷贝状态寄存器到w。
              bcf           STATUS，RP0         ；保证选择希望的列。
              movwf         status_temp         ；保存状态寄存器内容。
              decfsz        dlycnt4             ；减小延迟计数器4。
              goto          saved
              bcf           alarmout            ；改变这行以从警报
                                                ；高通切换，低失效
                                                ；并且反之亦然。
              goto          load
   saved      swapf         status_temp，w      ；把status_temp寄存器
                                                ；交换成w(返回原始状态)。
              movwf         STATUS              ；把状态内容恢复到它
                                                ；去子例程之前的状态。
              swapf         w_temp，f           ；交换和加载“w”寄存
                                                ；器而不影响状态寄存器
              swapf         w_temp，w
              retfie                            ；返回变换例行程序。
   load       movlw         0x03                ；加载w
              movwf         dlycnt6             ；加载延迟计数器6
                                   ；以防止警报复位。
swapf      status_temp，w          ；把status_temp
                                   ；寄存器交换成w
                                   ；(把列设置回原始状态)。
movwf      STATUS                  ；把状态内容恢复到它
                                   ；去子例程之前的状态。
swapf      w_temp，f               ；交换和加载“w”寄存
                                   ；器而不影响状态寄存器。
swapf      w_temp，w
retfie
在这种低速警报子例程中，微控制器20重新加载在由图6的步骤503到505代表的警报子例程中使用的计数器(在表4的源代码中标为dlycnt6)，从而在低速或锁定状态期间计数器不能计时完而复位警报。因而无刷直流风扇具有一个锁存警报，因为警报一旦已经设置就不能复位。具有本专业技能的人员将认识到，警报不必锁存，而是一旦除去低速度或锁定转子状态就能除去。
在无刷直流风扇的正常操作中，微控制器20的输出30和40之一接通，而输出的另一个断开，直到风扇的转子已经完成一转。一旦转子已经完成一转，微控制器20就互补输出30和40。然而，在互补输出30和40之前，微控制器20必须肯定转子实际完成了交换循环。根据本发明的又一个实施例，软件程序指令使微控制器20切断其输出30和40和把警报输出的接通延迟一个预定时间量。软件程序指令进一步使微控制器20连续地检查是否已经除去锁定转子状态。
图7表示流程图，描述在图1和2中表示的无刷直流电动机响应锁定转子状态的操作。参照图7，在步骤601微控制器20检查Hall传感器10的输出12的逻辑状态，以确定应该接通输出30和40的哪一个。在接通适当输出之后，微控制器20在步骤602减小标为“计数器1”的一个第一延迟计数器。在步骤603，微控制器确定计数器1是否已经翻转。如果否，则微控制器20在步骤604再次检查Hall传感器10的输出12的逻辑状态。如果输出12的逻辑状态还没有改变，则微控制器20重复步骤602至604。如果输出12的逻辑状态已经改变，则微控制器20重复步骤601至604。
一旦计数器1已经翻转，在步骤605微控制器20减小标为计数器2的一个第二延迟计数器。在步骤606，微控制器确定计数器2是否已经翻转。如果否，则微控制器20在步骤604再次检查Hall传感器10的输出12的逻辑状态。如果输出12的逻辑状态还没有改变，则微控制器20重复步骤602、603、605、及606。如果输出12的逻辑状态已经改变，则微控制器20重复步骤601至606。
在本发明的一个最佳实施例中，这样选择存储在延迟计数器1和计数器2中的十六进制值的大小，从而一旦延迟计数器1和计数器2都已经翻转，就将过去近似250毫秒的时间段。如果在该时间段内转子还没有进行一转，则一旦计数器2都已经翻转，就在步骤607启动锁定转子子例程程序。把该时间段分配给无刷直流风扇的转子以形成一转。存储在计数器1和计数器2中的值的大小，即分别在步骤602与603和步骤605与606中的延迟持续时间，是简单通过编辑由微控制器20执行的软件程序指令能改变的参数。具有本专业技能的人员将认识到，记住由微控制器20需要的时间段而选择存储在延迟计数器1和计数器2中的十六进制值以执行一个指令。例如，在这里描述的实施例中使用的工业零件号12C671微控制器在1微秒内执行指令。由微控制器20执行指令需要的时间段用作时基，以创建在步骤602与603和步骤605与606中需要的延迟，并且贯穿由微控制器20执行的软件程序指令。
锁定转子子例程程序的第一部分切断微控制器20的输出30和40，并且把警报输出的接通延迟预定秒数。图8表示另一个流程图，描述在图1和2中表示的无刷直流电动机响应锁定转子状态的操作。参照图8，在步骤701微控制器20切断其输出30和40。在步骤702和703微控制器20减小计数器1，直到在计数器1中的值是零。然后，在步骤704和705微控制器20减小计数器2，直到在计数器2中的值是零。在例行程序的第二部分中，在微控制器20检查是否除去锁定转子状态和无刷直流风扇的转子是否自由之前，把标为“计数器3”的第三延迟计数器减小到零以提供一个延迟。存储在计数器1、计数器2及计数器3中的值的大小，即分别在步骤702至707中的延迟持续时间，是简单通过编辑由微控制器20执行的软件程序指令能改变的参数。用于示范锁定转子例行程序的源代码表示在表5中。
表5
locked      bcf        output1          ；切断ouput1。
            bcf        output2          ；切断ouput2。
            movlw      .030             ；加载w(改变用于希望延迟时
                                        ；间的该值)。
            movwf      dlycnt1          ；加载延迟计数器1。
dloop3      movlw      .100             ；加载w。
            movwf      dlycnt3          ；加载延迟计数器3。
dloop2      movlw      0xF9             ；加载w。
            movwf      dlycnt2          ；加载延迟计数器2。
dloop1      nop                         ；什么都不作。
            decfsz     dlycnt2          ；减小延迟计数器2。
            goto       dloop            ；重复。
            decfsz     dlycnt3          ；减小延迟计数器3。
            goto       dloop2           ；重复加载延迟计数器2。
            decfsz     dlycnt1          ；减小延迟计数器1。
            goto       dloop3           ；重复加载延迟计数器3。
            bcf        alarmout         ；改变这行以从警报高切换。
            movlw      .050             ；通过，
                             ；加载w(把该值变到重新启动时间)。
            movwf  dlycnt1   ；加载计数器1。
dloop       movlw  .100      ；10秒延迟。
D           movwf  dlycnt2   ；加载第二计数器。
dloop       movlw  0xf9      ；加载w。
C           movmf  dlycnt2   ；加载计数器2。
dloopE                       ；什么都不作。
            nop    dlycnt2   ；减小次级计数器。
            decfsz dloopE    ；继续次级循环。
            goto   dlycnt3   ；减小初级计数器。
            decfsz dloopC    ；重新加载计数器一。
            goto   dlycnt1   ；减小计数器1。
            decfsz dloopD    ；重新加载计数器3。
            goto   start1
这里描述的本发明实施例具有大大地简化无刷直流风扇的设计和制造的优点。为了遵守客户规格的多样性，当使用分立IC驱动驱动器级开关50和70时，必须改变在印刷电路板(PCB)上的元件配置，或者必须改变PCB的布局。在任一种情况下，都涉及繁重的人力劳动、文本控制、及与自动售货机的接口。
驱动驱动器级开关50和70的微控制器20的使用对于客户的规格大大地简化设计和制造无刷直流风扇的过程。按照本发明的实施例，由微控制器20执行的软件程序指令提供客户可能需要的所有特征，包括变换、起动电流限制控制、PWM速度控制、模拟速度控制、锁定转子重新启动、锁定转子警报、及低速警报。简单地通过把辅助子例程添加到软件程序指令上，能把辅助特征添加到无刷直流风扇上。此外，通过编辑下载到微控制器20中和由其执行的软件程序指令，能容易地改变无刷直流风扇的特征的参数以遵守客户的规格。
结果，根据本发明的实施例能够使单PCB配置用于每种无刷直流风扇，而不管其具体特征。与带有外部电路的分立IC的使用相比，因为减小数量的元件，所以显著地增大无刷直流风扇的可靠性。另外，硬件配置变化、其对应文件变化、及自动售货机接口作废。而是，一旦已经接收到具体客户的风扇规格，技术员就能编辑用于微控制器20的软件程序指令的源代码，并且紧在把无刷直流风扇运送给客户之前，使用靠近生产线布置的编程装置把软件程序指令下载到微控制器20中。按照本发明的实施例，能简单和容易地把无刷直流风扇配置成遵守客户的要求，并因此，显著增加产品运转时间。
参照附图已经描述了本发明的最佳实施例，要理解，本发明不限于这些精确的实施例，并且由熟悉本专业的技术人员可以实现各种变更和修改，而不脱离在附属权利要求书中定义的本发明的范围或精神。例如，尽管在无刷直流风扇的上下文中已经描述了本发明的实施例，但具有本专业技能的人员会理解本发明对于利用无刷直流电动机的任何设备的实用性。

Claims (42)

1.一种用于无刷直流电动机的驱动电路，控制所述电动机的至少一个操作特征，所述至少一个特征利用定义所述特征的希望操作的至少一个参数，所述驱动电路包括：
一个构成为向一个定子线圈提供电流的驱动器级；
连接到所述驱动器级用来改变所述至少一个参数，并且将所述至少一个参数与由所述电动机的操作产生的一个信号进行比较的装置；
一个包括用于控制连接到所述驱动器级的所述装置的软件单元的微控制器；以及
一个用于检测磁场的状态变化的传感器，其具有连接到所述微控制器的输出；
其中，所述连接到所述驱动器级的装置还包括用来提供延时的延迟装置，所述延时相应于能够由来自所述软件单元的指令改变的至少一个参数。
2.根据权利要求1所述的驱动电路，其中，用来改变所述参数的所述装置包括用来输入所述至少一个参数的输入装置。
3.根据权利要求1所述的驱动电路，其中：
所述特征包括限制由所述无刷直流电动机在所述电动机的启动时抽取的起动电流。
4.根据权利要求3所述的驱动电路，其中，所述参数包括用于所述起动电流的阈值基准值。
5.根据权利要求3所述的驱动电路，其中，所述参数包括一个比较值，从该比较值减去代表所述起动电流的电压。
6.根据权利要求1所述的驱动电路，其中，所述特征包括使用模拟电压的所述无刷直流电动机的速度控制。
7.根据权利要求6所述的驱动电路，其中，所述参数包括用于所述电动机的速度的一个阈值基准值。
8.根据权利要求1所述的驱动电路，其中，所述特征包括产生一个警报信号。
9.根据权利要求8所述的驱动电路，其中，所述参数可以包括一个用于所述直流电动机的速度的阈值。
10.根据权利要求8所述的驱动电路，其中，所述参数进一步包括一个存储在一个计数器中的值。
11.根据权利要求8所述的驱动电路，其中，所述参数进一步包括一个指示用来产生所述警报的时间的值。
12.根据权利要求1所述的驱动电路，其中，所述特征包括确定一种锁定转子状态。
13.根据权利要求12所述的驱动电路，其中，所述参数包括一个存储在一个计数器中的值。
14.根据权利要求1所述的驱动电路，其中，所述特征包括响应锁定转子状态的探测产生一个警报。
15.根据权利要求14所述的驱动电路，其中，所述参数包括一个存储在一个计数器中的值。
16.根据权利要求1所述的驱动电路，其中，所述特征包括跟随锁定转子状态的探测重新启动所述电动机。
17.根据权利要求16所述的驱动电路，其中，所述参数包括一个存储在一个计数器中的值。
18.一种用于无刷直流电动机的驱动电路，控制所述电动机的多个可能操作特征的至少一个，所述驱动电路包括：
一个构成为向一个定子线圈提供电流的驱动器级；
用于改变的装置，其改变所述电动机的多个可能的操作特征中被控制的特征，且响应于由所述电动机的操作产生的一个信号控制所述改变的特征；
一个包括用于控制连接到所述驱动器级的所述装置的软件单元的微控制器；以及
一个用于检测磁场的状态变化的传感器，其具有连接到所述微控制器的输出；
其中，所述用于改变的装置还包括用来提供延时的延迟装置，所述延时相应于能够由来自所述软件单元的指令改变的至少一个参数。
19.根据权利要求18所述的驱动电路，其中，所述电动机的多个可能操作特征的所述至少一个包括使用一个脉冲宽度调制信号的所述电动机的速度控制。
20.根据权利要求18所述的驱动电路，其中，所述电动机的多个可能操作特征的所述至少一个包括使用一个模拟电压的所述电动机的速度控制。
21.根据权利要求18所述的驱动电路，其中，所述电动机的多个可能操作特征的所述至少一个包括限制在所述电动机启动时由所述电动机抽取的起动电流。
22.根据权利要求18所述的驱动电路，其中，所述电动机的多个可能操作特征的所述至少一个包括如果所述电动机的速度在一个阈值以下则产生一个警报信号。
23.根据权利要求18所述的驱动电路，其中，所述电动机的多个可能操作特征的所述至少一个包括响应锁定转子状态的探测产生一个警报。
24.根据权利要求18所述的驱动电路，其中，所述电动机的多个可能操作特征的所述至少一个包括跟随锁定转子状态的探测重新启动所述电动机。
25.一种风扇，它包括：一个无刷直流电动机；
如权利要求1所述的用于所述风扇的所述无刷直流电动机的驱动电路。
26.根据权利要求25所述的风扇，其中，所述特征包括限制由所述无刷直流电动机在所述电动机的启动时抽取的启动电流。
27.根据权利要求26所述的风扇，其中，所述参数包括用于所述启动电流的阈值基准值。
28.根据权利要求26所述的风扇，其中，所述参数包括一个比较值，从该比较值减去代表所述启动电流的电压。
29.根据权利要求25所述的风扇，其中，所述特征包括使用模拟电压的所述无刷直流电动机的速度控制。
30.根据权利要求29所述的风扇，其中，所述参数包括用于所述电动机的速度的一个阈值基准值。
31.根据权利要求25所述的风扇，其中，所述特征包括产生一个警报信号。
32.根据权利要求31所述的风扇，其中，所述参数包括一个用于所述直流电动机的速度的阈值。
33.根据权利要求31所述的风扇，其中，所述参数进一步包括一个指示用来产生所述警报的时间的值。
34.根据权利要求25所述的风扇，其中，所述特征包括确定一种锁定转子状态。
35.根据权利要求25所述的风扇，其中，所述特征包括跟随锁定转子状态的探测重新启动所述电动机。
36.一种风扇，它包括：
一个无刷直流电动机；
如权利要求18所述的用于所述风扇的所述无刷直流电动机驱动电路。
37.根据权利要求36所述的风扇，其中，所述电动机的多个可能操作特征的所述至少一个包括使用一个脉冲宽度调制信号的所述电动机的速度控制。
38.根据权利要求36所述的风扇，其中，所述电动机的多个可能操作特征的所述至少一个包括使用一个模拟电压的所述电动机的速度控制。
39。根据权利要求36所述的风扇，其中，所述电动机的多个可能操作特征的所述至少一个包括限制在所述电动机启动时由所述电动机抽取的启动电流。
40.根据权利要求36所述的风扇，其中，所述电动机的多个可能操作特征的所述至少一个包括如果所述电动机的速度在一个阈值以下则产生一个报警信号。
41.根据权利要求36所述的风扇，其中，所述电动机的多个可能操作特征的所述至少一个包括响应锁定转子状态的探测产生一个警报。
42.根据权利要求36所述的风扇，其中，所述电动机的多个可能操作特征的所述至少一个包括跟随锁定转子状态的探测重新启动所述电动机。
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