本發(fā)明是關于無刷直流電動機，特別是關于，在電動機正常旋轉時，為了得到轉換勵磁相位的旋轉位置信號，而不使用專門的位置檢測器的一種無刷直流電動機。

無刷直流電動機已經(jīng)用在磁帶錄象機中驅動旋轉頭。在驅動磁帶錄象機旋轉頭的普通無刷直流電動機中，由于定子線圈的勵磁相位是根據(jù)轉子的旋轉位置而被轉換的，一組專門的位置檢測器，如霍爾元件用來檢測轉子位置，而另一個位置檢測器用來檢測轉子的標準旋轉位置，這樣，裝在轉子上的旋轉頭能在掃尋磁帶上規(guī)定的位置。但是這種位置檢測器不利于減少電動機費用和尺寸。

為此，提出了不使用位置檢測器的一些無刷直流電動機。在這些無刷直流電動機中，通過測量定子線圈中產(chǎn)生的反電動勢，得到轉換定子線圈勵磁相位的旋轉位置信號。由于使用反電動勢是為了得到旋轉位置信號，當轉子不轉時，就不可能得到旋轉位置信號。因此，當啟動電動機時，為了給轉子定位，給一個特定的定子線圈通電，從而檢測啟動位置。這種技術現(xiàn)已公開，如在公開的日本專利申請55-160980中。

但是，這些無刷直流電動機，當在啟動時給轉子定位，永磁轉子在所要求的位置停下來以前需要一定的時間，這是因為轉子在所要求的位置周圍搖擺所致。永磁轉子停下來所需時間隨負載或轉子的慣性不同而有很大變化，當轉子的慣性很大時，這個時間是相當長的。此外，如果轉子處在與所要求的轉子要被定位的位置相差180°，那么，轉子也不可能轉動，除非不出現(xiàn)任何擾動，這就引起啟動故障。

本發(fā)明的一個目的是提供一種僅使用一個位置檢測元件能準確地啟動的無刷直流電動機。

本發(fā)明的另一目的是提供這樣一種無刷直流電動機，它被應用于某種設備（如磁帶錄象機）為該設備產(chǎn)生基準位置信號。

根據(jù)本發(fā)明的無刷直流電動機，在啟動時強行、順次地給多個定子線圈激磁，啟動永磁轉子。當特定的定子線圈的相位轉換位置由單個位置檢測元件（如霍爾元件）檢測時，特定的定子線圈被激勵，據(jù)此，在定子線圈中產(chǎn)生的反電動勢開始被檢測，得到旋轉位置信號，這樣，定子線圈根據(jù)旋轉位置信號被激勵。

當轉子在旋轉一周（即360°）中，位置檢測元件產(chǎn)生多個位置信號，這些信號是脈沖信號，它們有相同的脈沖寬度，用于指示特定的定子線圈應被激勵的位置（相位轉換位置），最好是制造這種電動機，使得位置檢測元件不產(chǎn)生多個位置信號中的一個信號，或使位置檢測元件產(chǎn)生如多個位置信號中的這樣信號，它的脈沖寬度比其他的多個位置信號的窄。如果按這種方式制造，在沒有位置信號的位置或有較窄脈沖寬度的位置能通過邏輯處理多個位置信號而辨別出來，由此得到轉子每個旋轉周中的基準位置信號。

更好的是，當強行、順次地激勵多個定子線圈啟動永磁轉子時，通過減少每次勵磁相位轉換時間內(nèi)的激勵電流，使電磁噪音減小，這樣，激勵晶體管就在安會運行范圍內(nèi)工作。

根據(jù)本發(fā)明的無刷直流電動機主要包括下述部分：一個有2n磁極（n是正整數(shù)）被磁化了的永磁轉子;一個裝在定子上的多個定子線圈;一個位置檢測運算電路，通過處理在每個定子線圈組中產(chǎn)生的反電動勢，得到永磁轉子的旋轉位置信號;一個線圈激勵電路，用于激勵所述的多個定子線圈;一個啟動電路，在啟動時，通過控制線圈的激勵電路，強行、順次地激勵定子線圈，使所述永磁轉子旋轉;一個位置檢測器，用于至少檢測轉子的一個特定的旋轉位置;一個激勵狀態(tài)轉換電路，該電路直到位置檢測器檢測特定的旋轉位置為止，使線圈激勵電路對啟動電路的輸出信號響應，并且在位置檢測器檢測特定的旋轉位置以后，對位置檢測運算電路的輸出信號響應。

本發(fā)明的如上所述的和其他目的、特點和優(yōu)點，結合以下附圖敘述就會很清楚：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的無刷直流電動機實施方案的電路圖。

圖2是一個波形圖，用來解釋位置檢測運算電路（用在圖1所示電動機中）。

圖3是一個波形圖，用來解釋由位置檢測器（用在圖1中所示電動機中）檢測旋轉位置的相位。

圖4是說明圖，表示永磁轉子（用在圖1所示電動機中）的某些磁化圖形。

圖5是波形圖，用來解釋脈沖信號發(fā)生電路和基準位置檢測電路（用在圖1中所示電動機中）。

圖6是一個波形圖，用來解釋啟動電路和激勵電流控制電路（用在圖1所示電動機中）。

為了便于解釋，列舉一個有6個磁極（n＝3）的磁化了的永磁轉子作為例子，但應注意，轉子不是僅限于這里提到的一種。

參見圖1，1是有6個磁極的永磁轉子，在這些磁極中，每個N極在轉子的內(nèi)圈上的部分有特定的形狀，以便由位置檢測元件檢測，得到轉子的旋轉位置，這在以后詳細說明。不用說，為了檢測旋轉位置的磁化不僅限制在永磁轉子1的內(nèi)圓周的這部分。

參考號2a、2b和2c是定子線圈。

參考號6是線圈激勵電路，在輸入端7a、7b和7c分別與開關18a、18b和18c的公共端相連，形成激勵狀態(tài)轉換電路18，在輸出端8a、8b和8c分別與定子線圈2a、2b和2c相連。

線圈激勵電路6對加在輸入端7a、7b和7c的最大輸入電壓響應。當在7a的電壓是最大時，線圈激勵電路6經(jīng)8a向定子線圈2a通電;當在7b的電壓最大時，經(jīng)8b向定子線圈2b通電;當在7c的電壓最大時，經(jīng)8c向定子線圈2c通電。如圖1所示，電路6由激勵晶體管40a、40b和40c組成。

參考號16是啟動電路，在啟動時，它在輸出端17a、17b和17c產(chǎn)生周期性地重復信號，17a、17b和17c是經(jīng)轉換電路18的轉換開關18a、18b和18c接到線圈激勵電路的輸入端7a、7b和7c，從而強行、順次地給定子線圈2a、2b和2c通電。

參考號41是產(chǎn)生三角波信號的三角波振蕩器，42是脈沖信號發(fā)生器，它產(chǎn)生與三角波振蕩器41的三角波信號同步的脈沖信號，47是分頻器，它將脈沖信號發(fā)生器42來的脈沖信號進行分頻，43是分配器，它將分效器47來的分頻的脈沖信號加以分配。

參考號21是位置檢測運算電路，它處理在定子線圈2a、2b和2c中產(chǎn)生的反電動勢，以獲得永磁轉子1的旋轉位置信號，而且在轉子穩(wěn)態(tài)運行、順次地給定子線圈2a、2b和2c通電時，參考號21位置檢測運算電路經(jīng)轉換電路18的轉換開關18a、18b和18c接到線圈激勵電路6的輸入端7a、7b和7c。參考號3a、3b和3c是整流電路，它分別提取定子線圈2a、2b和2c中產(chǎn)生的反電動勢非激勵區(qū)（在這種情況下，上部區(qū)域大于電源電壓+Vcc）。參考號4a、4b和4c是放電型電壓-電流轉換電路，它將整流電路3a、3b和3c得到的半波反電動勢分別轉換成電流，5a、5b和5c是吸引型電壓-電流轉換電路，它將整流電路3a、3b和3c得到的半波反電動勢分別轉換成電流，11a、11b和11c是積分電容器，它分別由電壓-電流轉換電路4b、4c和4a充電，而且分別由電壓-電流轉換電路5c、5a和5b放電。偏壓電源12提供合適的直流偏壓。

參考號50是初始值整定電路，在啟動時該電路中直流電源10a、10b和10c經(jīng)轉換電路9的轉換開關9a、9b和9c分別為積分電容器11a、11b和11c提供電壓Ea、Eb和Ec，作為初始值。這里，電壓Ec整定得大于電壓Ea和Eb。

在下文，由啟動電路16的輸出信號激勵定子線圈2a、2b和2c的一種狀態(tài)稱為“外同步狀態(tài)”，由位置檢測運算電路21的輸出信號激勵定子線圈2a、2b和2c的一種狀態(tài)稱為“位置檢測狀態(tài)”。

在外同步狀態(tài)，每個激勵相位與同步電動機的激勵相位相同，也就是，在位置檢測狀態(tài)，激勵相位與直流電動機的不同。換句話說，在外同步狀態(tài)，由電流部分地提供給反電動勢波形的非激勵區(qū)，以得到在位置檢測狀態(tài)的旋轉位置信號。因此，如果沒有合適的器件，要從外同步狀態(tài)變到位置檢測狀態(tài)是很困難的。

參考號19是位置檢測元件，如霍爾元件。位置檢測元件是在永磁轉子1的內(nèi)圓周相對配置的，以檢測相應于激勵特定的定子線圈（這里是定子線圈2c）的旋轉位置信號的相位的位置。

參考號39是波形成形電路，它使位置檢測元件19的輸出信號波成形，做例子，它包括一個比較器。

參考號20是轉換信號發(fā)生電路，它響應位置檢測元件19的輸出信號，產(chǎn)生激勵狀態(tài)轉換信號，這種信號是加在轉換電路9和18上，用于將電動機的外同步狀態(tài)轉換到位置檢測狀態(tài)。

參考號46是激勵電流控制電路，例如它可以是恒流源，它與激勵晶體管40a、40b和40c的發(fā)射極公共點相連接，控制激勵電流。

在啟動時的外同步狀態(tài)中，轉換開關9a、9b和9c是閉合的，于是，初始值Ea、Eb和Ec被輸送到積分電容器11a、11b和11c，并且轉換開關18a、18b和18c在這種狀態(tài)轉接到啟動電路的輸出端17a、17b和17c，這樣，定子線圈2a、2b和2c強行地、順序地被激勵，使永磁轉子1旋轉。①當位置檢測元件19根據(jù)旋轉位置信號檢測轉子1的旋轉位置時，旋轉位置信號是相應于被激勵并產(chǎn)生位置信號的定子線圈，轉換信號發(fā)生電路20根據(jù)位置信號產(chǎn)生激勵狀態(tài)轉換信號，這樣，信號可以是位置信號的微分。然后，轉換開關9a、9b和9c根據(jù)激勵狀態(tài)轉換信號而斷開，轉換開關18a、18b和18c根據(jù)激勵狀態(tài)轉換信號而分別轉接到積分電容器11a、11b和11c。由于初始值Ea、Eb和Ec被送到積分電容器11a、11b和11c，而且由于Ec大于Ea和Eb，線圈激勵電路6供給激勵電流，經(jīng)輸出端8c送到定子線圈2c。

其結果，在位置檢測狀態(tài)，永磁轉子1被加速，在這種狀態(tài)，位置檢測運算電路21檢測定子線圈的反電動勢，并產(chǎn)生旋轉位置信號，根據(jù)旋轉位置信號，線圈激勵電路6順序激勵定子線圈2a、2b和2c，于是轉子1繼續(xù)旋轉。

現(xiàn)在，用圖2詳細解釋位置檢測運算電路21。

在圖2（a）中、14a、14b和14c分別表示穩(wěn)態(tài)旋轉時定子線圈2a、2b和2c兩端的電壓。在每個電壓波形中，在+Vcc值以上部分是由于永久磁體轉子的旋轉在各個定子線圈中產(chǎn)生的反電動勢的波形，而在+Vcc值以下部分中，除了反電動勢外，可以看到由于線圈激勵電流和線圈電阻引起的電壓降（陰影部分）。

圖2（b）表示在積分電容器11a的電壓波形，這些電壓成為激勵定子線圈2a的旋轉位置信號。在圖2（b）中所示的位置信號由位置檢測運算電路21如下所述所獲得的。

在圖1中，定子線圈2b的電壓14b通過整流電路3b整流為半波電壓，即+Vcc上面部分。這一半波電壓由電壓-電流轉換電路4b轉換成電流，向積分電容器11a充電。接著，定子線圈2c的電壓14c通過整流電路3c整流成在+Vcc值以上的半波，然后由電壓-電流轉換電路5c轉換成電流，從而使積分電容器11a放電。這樣，得到如圖2（b）中所示的電壓波形。

同樣地，圖2（c）表示在積分電容器11b的電壓波形，它成為激勵定子線圈2b的旋轉位置信號。圖2（d）表示在積分電容器11c的電壓波形，它成為激勵定子線圈2c的旋轉位置信號。圖2（e）表示按照圖2的（b）、（c）和（d）中分別所示的位置信號流過定子線圈2a、2b和2c的電流，15a、15b和15c分別表示流過定子線圈2a、2b和2c的電流。

以下用圖3和圖4詳細解釋由位置檢測元件19所檢測的旋轉位置的相位。

圖3（a）表示當無刷直流電動機恒速旋轉時，在定子線圈中所產(chǎn)生的反電動勢波形，其中29a、29b和29c分別表示定子線圈2a、2b和2c的反電動勢。T表示永磁轉子1旋轉一周所需時間。

圖3（b）、（c）、（d）和（e）表示相對于轉子1的各種情況的磁化圖形（分別示于圖4（a）、（b）、（c）和（d））通過位置檢測元件19的輸出信號的成形波而得到的信號波形。

位置檢測元件19檢測相對于定子線圈2c的旋轉位置信號相位的位置。相應于定子線圈2c的旋轉位置信號相位的位置是θ1、θ2和θ3（示于圖3）。使用電動機的一些設備，如磁帶錄象機，通常需要基準位置信號，指示電動機旋轉的基準位置，用于控制電動機的工作。根據(jù)使用位置檢測元件得到基準位置信號的這一觀點，位置檢測元件應該僅檢測圖3（b）中所示的位置θ1、θ2和θ3中的一個。另一方面，根據(jù)電動機的啟動特性，希望位置檢測元件檢測圖3（c）中所示的所有的三個位置θ1、θ2和θ3。

為了滿足上述兩個不相容的要求，可以采用這樣的方法，三個位置θ1、θ2和θ3中的兩個通過位置檢測器19用正常寬度檢測，剩下的一個位置不被檢測，如圖3（d）中所示，或用比正常寬度窄的脈沖寬度檢測，如圖3（e）中所示。在圖3（e）情況下，較窄的脈沖寬度意味著，脈沖在一個時刻（在圖3（a）中的A點）以前結束，在這一點，電壓29a從高于+Vcc值變到低于+Vcc值?；鶞饰恢眯盘柨梢酝ㄟ^邏輯處理由位置檢測元件19所產(chǎn)生的信號（圖3（d）或（e）中所示）而得到。

圖4（a）、（b）、（c）和（d）表示永磁轉子1的磁化圖形，用于檢測相應于圖3（b）、（c）、（d）和（e）中所示的那些的位置。位置檢測元件裝在與轉子1的內(nèi)圓周相對的適當位置。位置檢測元件19的輸出信號通過波形形成電路39就可得到有相位的脈沖信號（相位如圖3（b）、（c）、（d）和（e）所示）。

再參見圖1，22是脈沖信號發(fā)生電路，它至少檢測在定子線圈（在這里是定子線圈2a，2c）中產(chǎn)生的反電動勢中的一個反電動勢，并產(chǎn)生脈沖信號，23a和23c是輸入端，24是輸出端。

參考號25是基準位置檢測電路，脈沖信號發(fā)生電路22的輸出脈沖信號加到25的輸入端26，波形形成電路39的輸出信號加到輸入端27，電路25邏輯處理這些輸入信號，在永磁轉子1每轉一周在輸出端28產(chǎn)生基準位置信號。

在脈沖信號發(fā)生電路22中，定子線圈2a中產(chǎn)生的反電動勢加在比較器32的反相輸入端，以基準電壓（在這種情況為+Vcc）加在它的正相輸入端，當加到反相輸入端的電壓超過+Vcc值時，在輸出端38產(chǎn)生脈沖信號。定子線圈2c中產(chǎn)生的反電動勢加在比較器33的反相輸入端，以基準電壓（在這種情況為+Vcc）加在它的正相輸入端，當加在反相輸入端電壓超過+Vcc值時，在輸出端30產(chǎn)生脈沖信號。RS觸發(fā)器37分別以比較器32和33的輸出脈沖加在它的設置端（S）和復位端（R），并在它的Q端產(chǎn)生脈沖信號。一種D觸發(fā)器以脈沖信號發(fā)生電路22的輸出脈沖加在它的時鐘輸入端（CK），以波形形成電路39的輸出脈沖加在它的D輸入端，根據(jù)加到時鐘輸入端的脈沖信號，由它的Q輸出端輸出D輸入狀態(tài)，從而得到永磁轉子1每轉一周的基準位置信號。

現(xiàn)在結合圖5解釋它的工作情況，圖5（a）表示在定子線圈2a、2b和2c中產(chǎn)生的反電動勢的波形，它與圖3（a）中所示的那些相同。圖5（b）是對定子線圈2a產(chǎn)生的反電動勢29a波形處理后在比較器32的輸出端38得到的波形。同樣，圖5（c）是對定子線圈2c中產(chǎn)生的反電動勢29c的波形處理后在比較器33的輸出端30得到的波形。通過把（b）和（c）中所示的波形分別加到RS觸發(fā)器37的設置和復位輸入端，在圖1中的端子24就得到圖5（d）中所示脈沖波形。圖5（e）表示在位置檢測元件19的輸出波成形后在電路39的輸出波形，這與圖3（e）中所示的非常相同。如果畫陰影的脈沖不存在，這一波形就是圖3（e）中所示波形。

圖5（f）表示在D觸發(fā)器36Q輸出端的波形。在位置檢測元件19的輸出波成形以后，由于該波（圖5（e））加到D觸發(fā)器36的D輸入端（27），RS觸發(fā)器37的Q輸出（圖5（d））加到D觸發(fā)器36的時鐘輸入端（26），顯然，在D觸發(fā)器36的Q輸出端（28）得到圖5（f）的信號。圖5（f）的信號是永磁轉子1每轉一周出現(xiàn)一次的信號，這樣，就可用作基準位置信號。脈沖信號發(fā)生電路22的輸出信號的頻率根據(jù)永磁轉子1的旋轉次數(shù)而變化，這樣，還可用它作為檢測轉子的轉數(shù)的信號。

圖1中，啟動電路16通過周期的重復信號順序地接通和斷開激勵晶體管40a、40b和40c，從而強行、順序地激勵定子線圈2a、2b和2c。但是，從激勵晶體管方面看，由于定子線圈是電感性負載，激勵晶體管從導通到關斷狀態(tài)的電流突變，會引起激勵晶體管發(fā)射極和集電極之間出現(xiàn)高壓，這就會損壞激勵晶體管。另外，激勵電流的突然變化會引起電動機的振動和電磁噪音。

參考號48是激勵電流指令電路，它響應轉換信號發(fā)生電路20的輸出信號和啟動電路16的輸出信號（以下說明），并控制激勵電流控制電路46，在外同步狀態(tài)時，抑制在激勵相位的轉換時間內(nèi)的激勵電流。

參見圖6，（a）是三角波振蕩器41的輸出信號;（b）表示根據(jù)信號（a）得到的脈沖信號發(fā)生器42的輸出信號;（c）是通過信號（b）分頻（這里是1/2分頻）得到的分頻器47的輸出信號;（d）、（e）和（f）是根據(jù)信號（c）得到的分頻器47經(jīng)過分配的輸出信號，并分別加到激勵晶體管40a、40b和40c的基極，從而順次地激勵定子線圈2a、2b和2c。

在激勵電流指令電路48中，通過把圖6（b）和（c）的信號加到“異或”門電路得到在圖6（g）中所示的信號。在信號（g）的“下部”值部分中的相位與轉換激勵相位時間一致。信號（g）由三角信號（a）被調制成圖6（h）中所示的指令信號。激勵電流控制電路46是對指令信號響應，以便將圖6（i）、（j）和（k）所示的激勵電流分別供給定子線圈2a、2b和2c。

這樣，在激勵相位的轉換時間內(nèi)，流經(jīng)每個定子線圈的電流平滑地改變，以抑制由于定子線圈的電感所引起的瞬態(tài)尖峰電壓的產(chǎn)生。

另外，49是初始激勵相位選擇電路，當電動機停止，并且位置檢測元件19正在根據(jù)旋轉位置信號檢測位置以激勵定子線圈2c時。該選擇電路控制啟動電路16，以外同步狀態(tài)激勵定子線圈2c，當位置檢測器19沒有根據(jù)旋轉位置信號、檢測位置以激勵定子線圈2c時，該選擇電路控制啟動電路16，激勵其他的定子線圈，而不是定子線圈2c。例如，分配器43可以由使用以觸發(fā)器組成環(huán)形計數(shù)器。通過把合適的信號輸入到環(huán)形計數(shù)器的設置和復位輸入端，可以容易的設置環(huán)形計數(shù)器的初始狀態(tài)，這是根據(jù)電動機啟動時，位置檢測元件是否檢測位置信號而定。

上述說明僅僅是為了理解本發(fā)明的例子，不離開本發(fā)明的范圍，有可能做出各種改變和變型。