CN1092863C

CN1092863C - 具有多个传感器的控制电路

Info

Publication number: CN1092863C
Application number: CN94193428A
Authority: CN
Inventors: 冈特·格莱姆; 弗里德里克·海兹曼; 伯恩德·雷克拉
Original assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Current assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Priority date: 1993-09-20
Filing date: 1994-09-13
Publication date: 2002-10-16
Anticipated expiration: 2014-09-13
Also published as: WO1995008869A2; JP3423318B2; JP2003284373A; KR100350006B1; EP0940917A1; EP0940917B1; KR100372960B1; ES2140555T3; ES2232986T3; DE59408891D1; DE59410398D1; KR960705404A; JPH09503898A; EP0720789B1; EP0720789A1; JP3691491B2; WO1995008869A3; CN1131479A; US5847592A

Abstract

一种驱动马达的电路。本发明目的是提供这种类型的电路，所述类型电路能够即使在马达静止时抑制干扰并无限期保持该能力。为此，切换装置导致每一传感信号(a)的磁滞率在每个比较器(A)取决于一个或若干其它传感信号(b、c)的幅度。传感信号最好提供给“或”级(Da、Db、Dc)，其输出电压控制比较器(A、B、C)磁滞。该电路特别适于调节录像机中主导马达的速度或切换马达。

Description

具有多个传感器的控制电路

本发明涉及具有多个传感器的控制电路，所述传感器，由权利要求1的前序特征部分给出。这类电路已在EP-B1-0 351 697中公开，并适用于例如录像机中主导马达的换向或速度调节。

霍尔元件可用作转子相应角度位置的传感器。这些霍尔元件具有大的输出电压范围。但是，这种元件的输出电压有干扰叠加于其上，尤其是由马达线圈叠加的干扰，这种干扰是直接用磁作用表现的。考虑所有容限，这种干扰大于最小信号电压。由于这个原因，不能使用，或只能在有限范围内使用诸如借助于阈值电压或磁滞来滤除干扰一类的简单解决方案。甚至连AGC(自动增益控制)电路也不能使用，因为马达必须由静止状态正确并即时地起动。为稳定其自身AGC电路要求输入信号中存在若干振荡。

本发明的目的是实现一种电路，该电路既能够抑制所述干扰，又能够无限期地保持这种能力。当用在马达上时，该电路在马达静止时也能够抑制干扰。

本发明的这个目的采用如权利要求1所述的方案来实现，本发明的有益改进在所附权利要求书的各从属权利要求中说明。

本发明基于下述考虑和认识。如已知的，提供给比较器的传感信号在这样的时刻处在0的附近，在这个时刻对应于某一传感信号的比较器在所有情况下都先于传感器发生响应，亦即其输出电压在两个逻辑值“0”和“1”之间变化。现在本发明用到如下事实，由于有相同特性和恒定相移，其它传感器的传感信号具有较大幅度。例如，在具有三个传感器的配置的情况下，其它传感器的传感信号在所有情况下对带120°偏移的对称旋转场都将有86％左右的幅度。因此，在用于一传感信号的比较器情况中，其它传感器的传感信号在所有情况都被用于磁滞中的变化。

所有传感器的传感信号最好施加到“或”级，该“或”级响应传感信号的正和/或负峰值，且其输出电压施加于比较器的输入端，所述这些比较器的输入决定磁滞。在这种情况下“或”级总是提供具有最大幅度的传感信号。

在该配置中还有可能提供用于传感信号正峰值的第一“或”级和用于传感信号负峰值的第二“或”级，以及由比较器输出电压控制并在两个“或”级的输出端之间切换比较器的输入端的切换开关。因此，有可能获得相对零线对称的磁滞并由此进一步抑制干扰。

来自传感器的传感信号和“或”级的输出电压最好分别施加于比较器两输入端。在这一情况下，被比较器输出电压交替断开和闭合的开关在所有情况下都连接在“或”级的输出端与比较器的相关输入端之间。

在本发明改进的情况下，一个用于第二“或”过程的第二“或”级也可设置在所述第一“或”级之后。这里将第一极性的“或”级输出电压以及那些与之相比具有相反极性但已变换为第一极性的传感器输出电压的一半周期施加于该第二“或”级。由于来自第一“或”级的电压峰和相反极性的电压峰在这时互换了，总的来说，此时可得到较大数目的电压峰。

传感器最好是因磁场产生特征信号的霍尔元件。但是，本发明也可应用于其它类型的传感器、发生器及信号源。

下文参照附图说明本发明，附图中：

图1表示利用按照本发明的方案对传感器产生的信号进行估值的框图，

图2表示利用极性已改变即已反转为正向的所述电压峰来说明按照图1电路的操作方法的曲线图，以及

图3表示用于不同幅度传感信号的一种图2的变型。

在这种情况下，小写字母表示的图1电路中的一些点，在这些点处有如图2、3的信号存在。

按照图1、2，来自三个传感器、相同并相互异相120°的三个信号a、b、c在所有情况下通过电阻器1、2、3提供到比较器A、B、C的反相输入端。另外，信号a、b、c还施加于构成一“或”级的二极管Da、Db、Dc。形成“或”级输出端的它们的连接点d在所有情况下通过电阻器4、5、6和开关Sa、Sb、Sc连接到比较器的正相输入端，所述正相输入端依次经电阻器7、8、9连接到一恒定参考地电压(基准点)，如大地。

比较器A、B、C产生具有两个可能状态“0”和“1”的数字输出电压UA、UB、UC。通过路径La、Lb、Lc，这些电压UA、UB、UC还控制开关Sa、Sb、Sc。

以下参照图2说明按照图1的电路的操作方法。图2表示相互异相120°并具有相等幅度的正弦传感信号a、b、c。在所有情况下都是具有最大幅度的信号出现在点d上。由此在点d产生用加粗曲线表示的波形。下文将说明比较器A的传感信号a的操作。直到时间t1为止，信号a一直在磁滞电平以下。由于信号a传输到比较器A的反相输入端，UA处于逻辑状态“1”。同时，开始时假定开关Sa是断开的，因此比较器A的正相输入端处于零电位。在时间t1信号a到达磁滞电压。结果，UA呈现状态“0”。实线Sa表示开关Sa是闭合的，虚线表示开关Sa是断开的。故从t1至t2 Sa是断开的，且用于比较器A的响应的零线正好在0伏。在时间t2，信号a再次通过零线并呈现负值。因此，UA的值再次从“0”变为“1”。该变化正好发生在过零点，因为开关Sa仍是断开的，比较器A的正相输入端处于零电位，因此不存在磁滞。开关Sa在时间t2闭合。由此比较器A的正相输入端呈现电压d的正电压值，该值取决于电阻器4和7的值以及传感信号的幅度。因此比较器A的零线有一个偏移，如偏移零线O′所表示的。故此时比较器A发生响应的零线产生偏移。因此现在比较器A的下一响应亦即UU从“1”到“0”的切换不在信号a经过零线的时刻t3发生，并发生在信号a与偏移零线O′交叉时。正如可以看出的，这在UA切换回来时导致单面磁滞(single-sided hysteresis)。单面意味着切换点不移到+和-，而是仅移到+。为信号从+变化到-时，因此这种切换发生在零值处为最理想，即例如在t2处，但当信号从-变为+时，切换不再在零值处发生，而是以上述方式被延迟了。

由于信号a、b、c幅度大小是相等的，这些条件适用于所有三个信号a、b、c。如果此时假定以UHy表示的磁滞显现为传感信号的一定百分比，这导致具有比磁滞更小百分比的所叠加干扰不再可通过该电路，无论传感信号的幅度如何。

也可这样来设计该电路，即如果反转二极管Da、Db及Dc的极性，使该电路响应负电压峰。在图2中，从t1到t2的零线则移进负值区域，对照图2，从t2到t3正好为0。将正峰和负峰的估值组合也是可能的。随后可获得相对零线对称的磁滞。

图2还示出下列具体特征。延伸到-1.0伏的信号b的负峰改变其极性，如箭头P所示的，亦即它们向上翻折到一定程度。正如可以看出的，信号b的负峰此时位于所述“或”级输出端电压d的峰之间。这样做的优点在于现在每单位时间可获得更多电压峰值，电压峰间的凹谷更小。在这种配置的情况下，电压d的峰和位于这些峰之间的其幅度翻折过来的电压峰被提供给另一“或”级。这带来如下优点，磁滞电压UHy更为光滑，亦即具有更小凹谷。当在幅度上以相应方式分开时，UHy的波形对应于电压d的波形。

图3示出具有不同幅度而非如同图2具有相同幅度的三个传感信号a、b、c。信号a为100％最大幅度，b为大约75％最大幅度，以及c在大约50％最大幅度。如参照图2所述的，在图3中所有信号a、b、c的负峰如箭头P所示也向上翻折，如箭头P所示的。通过一极性反转电路将负极性转换为正极性。100％幅度的信号a的原始正峰S1、信号b的已翻折为正的峰S2、信号c的原始正峰S3、信号a的翻折峰S4、信号b的原始正峰S5、信号C翻折负峰S6以及信号a的原始正峰S7等等，轮流地一个跟着另一个。所示磁滞电压UHy相继按照具有峰S2、S4、S5的曲线，在幅度上以相应方式分开。如可看出的，将负电压峰翻折到正值区域在这种具有不同幅度的信号的情况下产生了额外的峰，而且峰之间的凹谷减小。对应于由“或”级输出端电压带来的磁滞变化，按照图1的电路也可以用按照图3信号描述的方式操作。

在本发明的改型中，不同传感器的两个相互异相的传感信号之和被提供到一传感器的输出电压的比较器的一输入端。不同传感器的输出端最好在所有情况下直接相互连接。在n个传感器配置的情况下，一个传感器的一个输出端在所有情况下均连接到下一传感器的一个输出端，并且最后一个传感器的一输出端则再连接到第一传感器的输出端之一。为达到所需效果并非绝对必需将这些输出端直接相互连接，亦即短路。这取决于在所有情况下施加到比较器一输入端的由来自两个不同传感器的两输出端信号所组成的信号。还可以将来自不同传感器两输出端的信号提供给一加法器级或减法器级，并在所有情况下将该级的输出端连接到比较器的相应输入端。这一方案具有如下优越性，即其本质特性是将两个相加或相减的信号保留而不是丢失，像在短路的场合那样。最好将传感器设计为响应磁场的影响的霍尔元件。传感器最好用于检测用作例如录像机中主导马达的换向或转速调节的电动马达转子的角位置。

该方案带来若干优点。由于如下事实，即在所有情况下将不同传感器的两输出端组合形成一个输出端，所有传感器的输出端总数减半。在此如将传感器设置在IC(集成电路)上，IC上连接管脚或所需管脚的数目因此也减半。实际上，就IC的制造和空间利用而论这是特别优越的。在干扰抑制方面获得以下有益的效果。例如，如果电流流过包含诸传感器的马达中的线圈，串扰出现在所有、最好是三个传感器上。因此，一个传感器以正向接收串扰，另一传感器以负向接收串扰。通过将来自不同传感器的不同相位的输出电压组合，例如将其输出端短路，串扰的分量在此时为两个传感器输出端所公用的输出端被补偿。例如，第一比较器接收来自第一传感器的串扰和来自第二传感器的不同相位串扰。以这种方式，通过最好相互具有120°相移的干扰电压分量的矢量加法来补偿串扰信号。不过，在比较器输出端的信号相对于传感器输出端传感信号再次具有正确相位。

下文中参照下列附图来说明这种改进。

图4示出三个传感器的已知估值电路，

图5示出按照本发明设计的估值电路，

图6示出图5所示信号的列表表示，

图7-8示出用于解释图4的曲线，以及

图9-11示出用于解释按照图5所示本发明的电路的曲线，

图12示出改进的电路变型，

图13示出用来解释按照图12的电路的操作方法的曲线，

图14示出改进的又一电路，

图15示出用于解释按照图14的电路的操作方法的曲线，

图16示出该电路的另一种改型，以及

图17示出用于解释按照图16的电路的操作方法的曲线。

在这种情况下，小写字母a-k表示图4、5中的点，在这些点处有如图7-11所示的信号出现。图6所用符号的含意如下：

H1+ 在传感器H1正输出端的传感信号

H1- 在传感器H1负输出端的传感信号

H2+ 在传感器H2正输出端的传感信号

H2- 在传感器H2负输出端的传感信号

H3+ 在传感器H3正输出端的传感信号

H3- 在传感器H3负输出端的传感信号

图4示出三个传感器H1、H2、H3，它们是以霍尔元件设计，且在所有情况下以桥式电路形式的电阻形式来表示。每一传感器具有以信号V+表示的正输出和以信号V-表示的负输出。传感器H1-H3的输出信号V+和V-在所有情况下提供到三个差分放大器K1、K2、K3的输入端，所述三个差分放大器在它们的输出端h，i，k提供所示信号。在采用数字电路时，差分放大器K1-K3可以用比较器代替。

图7示出了传感器H1、H2、H3正输出端的信号a、b、c，它们具有相同幅度并相互异相120°。为简化起见图7中未示出相移180°的相应反相传感信号V-。

图8示出在比较器K1、K2、K3输出端由此得到的输出信号h、i、k，这些信号的幅度是按照图7信号的幅度的两倍，这是由于双“非”操作。如以垂直虚线21所表示的，图7、8所示信号同相。由于来自马达线圈的磁性串扰，该电路不能抑制干扰。

在图5中，传感器H1、H2、H3的输出端相互连接，亦即用所示连线短路。此时传感器的整个配置仅具有三个输出端d、e、f，它们经由连线L1、L2、L3、L4连接到比较器K1、K2、K3的相应输入端，连接线L1和L4传输同一信号。

图6示出图5产生的信号。由于传感器H1、H2、H3的输出端具有相同输出阻抗，也就是说一传感器的传感信号被该传感器的输出阻抗和与之相连接传感器的输出阻抗减半，在所有情况下在输出端产生来自相互连接的两传感器的传感信号之和的一半。可以看出，在比较器K1-K3输入端的每一信号由两个传感器输出信号组成。还可看出，差分放大器K1-K3输出端的输出信号h、i、k总是由来自所有三个传感器H1、H2、H3的信号分量组成。在这种情况下，数字符号是这样的，即使得来自三个传感器H1、H2、H3的干扰在比较器上自相抵消，而这样做对所需信号无不利影响。

图9再次示出如图7所示信号a、b、c。图10示出由此得到的如图5所示的信号e、f、d。正如可看到的，通过将不同传感器的传感信号进行矢量加法运算，在图9所示信号与图10所示信号之间出现相移。因此，比较图9与图10可见，这些信号的过零点相互发生偏移。

图11示出差分放大器K1、K2、K3输出端的输出信号i、h、k。由于仅对过零点进行估值，在这种情况下这些信号的幅度是不相干的。可以看出，图11中信号的过零点相对于图9中信号再次处于合适相角处。这样，当检测到过零点时，仅在差分放大器的每一输出端对分配给该比较器的传感器的传感信号进行估值，不管其传感信号的组合。

若传感器H1、H2、H3的信号具有不同幅度或不同内部阻抗，在产生的输出信号中可能出现失真，特别是在霍尔元件具有所谓的漂移(offset)时。以下参照图12至17描述具体避免这种由漂移引起的偏差的改型。

首先参照图13描述所述改型的操作方法的原理。图13的上部再次示出传感器H1、H2、H3的信号，对于两个极性而言均是精确的。所有情况下实线表示正信号，虚线表示负信号，二者在一个传感器的场合，在所有情况下相移180°。将例如H3-与H3+相加在所有情况下再次产生具有相同过零点的正弦波。在所有情况下仅估计一个信号，例如在一个马达的场合用来接通下一线圈的信号的过零点。这样信号幅度与该估值无关。现在考虑信号H1+的第一过零点，其用直线L标出。正如可看到的，在这一过零点的情况下，信号H3-和H2+在点P相交，亦即它们具有相等的幅度。这样也可由其它两个传感器是否具有相同幅度的信号H2+和H3-为判据来导出H1+的第一过零点。这意味着为产生一传感器的实际输出信号根本不需要该传感器的信号，而可以由来自两个其它传感器的信号代替。由此有可能估计一传感器的过零点而无需为此目的非得利用该传感器自身的信号不可。代之以利用其它两个传感器的信号。但是，在该第一传感器的所述过零点期间这些信号具有较大幅度。

现在这样设计在图12、14和16示出并补充有公式的电路，使一个传感器的输出信号在所有情况下都仅由相应其它传感器的输出信号组成，亦即完全不再包含其自身的传感器的实际输出信号。由此分配给传感器H1、H2、H3的所示差分放大器K4、K5、K6各自仅接收其它传感器的信号。图12示出提供传感器H1的输出信号的差分放大器K4仅接收传感器H2和H3的信号分量。同样，用于传感器H2的比较器K5仅接收传感器H1和H3的信号分量，传感器H3的比较器K6仅接收传感器H1和H2的信号分量。

图13示出信号H2+和H3+之和在H1+的过零点同样产生零值，并由此可同样加以估计。图14示出了这一变型。同样有可能将信号H2-与H3-相加。该和信号同样在图13中H1+的过零点产生零值。

所述本发明的改型具有下列优点。传感器尤其是霍尔元件可具有漂移。该漂移对于“+”输出和“-”输出具有相等大小。正如图12和图14，在差分放大器K4、K5、K6输出端一一示出了各包含相反极性的其它传感器的信号分量的公式，亦即，例如，在K4输出端为H2+和H2-和H3+和H3-。由于在“+”输出端和“-”输出端的漂移总是具有相同大小，这引入了一种有益方式，来补偿固有的干扰漂移。

按照本发明，因为是由两个传感信号产生一第三传感信号，所以有可能总共只用两个传感器。故可节省一个传感器。那么可以已知方式从第一传感器获得第一信号，以已知方式从第二传器获得第二信号，以及通过按照本发明组合这两个传感器的输出信号获得第三信号。

在本发明改进的情况下，对传感器的干扰场，尤其是从定子线圈产生的干扰场并未显著减小。然而，由转子的永久磁铁产生的所需信号因受磁力线影响而增大。总之，这导致传感器信噪比的增加。

在这种情况下该方案基于如下认识，即仅通过对永久磁铁在面向该传感器的边缘进行加工，就能够显著增加从永久磁铁到达霍尔传感器的磁力线的数量。其主要优点在于使所需信号这样增大而不需要任何附加部件。仅改变永久磁铁在面向传感器的一侧的形状就可获得有益效果。就马达驱动而言永久磁铁的效果实际上不由此而受到不利影响。因此，制造永久磁铁所需要的仅仅是略为改良的工具。

下文中参照图18-21说明该方案，其中

图18示出了马达内霍尔传感器的已知装置，

图19示出了按照本发明对图18装置的设计，

图20示出了按照本发明的另一设计方案，以及

图21示出了按照图20的装置的细节。

图18示出定子磁极11，大量磁极11以星形设置在马达的定子上。每一定子磁极11环绕有线圈12，其形成驱动马达的实际线圈。线圈12馈有换向电流。转子包含一个仅以截面示出的环13。环13包含径向极化的永久磁铁，其极性沿圆周交替相反，其与由线圈换向造成的定子的相应北极和南极一起产生对马达的驱动作用。而且，示出了磁返回路径板17。霍尔传感器14配备在定子上，亦即以固定方式设置在马达外壳上。来自环13的永久磁铁的磁力线15的杂散通量作用于该霍尔传感器14，由所在其输出端产生指示包含环13的转子的相应位置的控制信号。该控制信号最好用于速度调节或换向。此外，降低传感器14输出信号的信噪比的磁干扰场16从线圈12作用于霍尔传感器14。对于小于最大可能值的转矩还可能导致马达不均匀运转。

图19再次示出图18的部件11-17。与图18不同之处在于环13的面对霍尔传感器14的边缘不是像图18一样为矩形设计，而是设有一切角面(chamfer)18。由于磁力线基本上与永久磁铁成直角地出现，因此从环13的磁铁到达传感器14的磁力线数量与图18相比明显增加。切角面18最好与传感器14与面向传感器14的环13的边缘之间的连线成直角。

图20再次示出了图18的部件11-17。与图18和图19不同之处在于，环13的面朝霍尔传感器14的边缘不像图18一样设计为直角，或如图19具有一切角面18，而是设置相有一凸起部19。该凸起部19可以是在面对霍尔传感器的那个侧面上的环形附件，该附件延伸在环13的整个圆周上，并向着传感器14，这样其最靠近所述传感器14。

图21示出了图20的略为放大了的细节。同样设计为圆形环的凸起部19设置在环13上。凸起部19与环13一起再次以这样的方式加以磁化，即使环13和凸起部19具有大量径向极化并在圆周方向互相以交替相反极性相随的永久磁铁。凸起部19具有表面10，表面10向着霍尔传感器14并与凸起部19和霍尔传感器14之间的连线近似成直角。凸起部19可延伸至最接近霍尔传感器之处，并在某种程度上形成一个向着霍尔传感器14的磁极，所述永久磁铁通过它作用于霍尔传感器14。

Claims

1.具有多个传感器的控制电路，所述传感器产生多个相同的、相互移相的传感信号(a、b、c)，在所有情况下将每个传感信号(a、b、c)提供给一个比较器(A、B、C)，其特征在于：还包括电路元件(Da、Db、Dc)，由此根据相应比较器(A)的输出信号(La)，在所有情况下通过一个开关装置(Sa)，将最大的正和/或负传感信号(a)提供到每个比较器(A)的第二输入端，以这种方式，当相应开关装置(Sa)处于第一开关状态时，相应比较器(A)的第二输入端连接到第一电位，并且，为了产生磁滞，当相应开关装置(Sa)处于第二开关状态时，相应比较器(A)的第二输入端连接到第二电位，这取决于与其他比较器(B、C)相关的一个或多个传感信号(b、c)的幅度。

2.如权利要求1所述的电路，其特征在于：各传感信号(a、b、c)施加到构成一“或”级的所述电路元件(Da、Db、Dc)，所述“或”级响应各传感信号的正峰值和/或负峰值，并且其输出电压(d)施加于比较器(KA、KB、KC)的第二输入端，所述比较器的各输入决定磁滞。

3.如权利要求1所述的电路，其特征在于：来自一传感器的所述信号(a、b、c)和所述电路元件的输出电压(d)在所有情况下施加到比较器(A、B、C)的两个输入端。

4.如权利要求2所述的电路，其特征在于：由比较器(A、B、C)的输出电压(UA、UB、UC)操作的开关(Sa、Sb、Sc)位于所述“或”级的输出端与比较器(A、B、C)的相关输入端之间。

5.具有多个传感器(H1、H2、H3)的控制电路，每个所述传感器具有用于反相的传感信号(V+、V-)的两个输出端(+和-)，所述传感器的传感信号相同地相互异相地提供给比较器(K1-K3)以进行估值，其特征在于：不同传感器(H1/H2、H2/H3、H3/H1)的两个互相异相的传感信号的组合在所有情况下施加于差分级(K1、K2、K3)的一个输入端。

6.如权利要求5所述的电路，其特征在于：传感器(H1/H2、H2/H3、H3/H1)的各个输出端在所有情况下相互连接，或两个不同传感器的输出端在所有情况下连接到一个其输出端连接到差分级输入端的加法器级或减法器级的输入端。

7.如权利要求5所述的电路，其特征在于：传感器输出信号(S1)的过零点由以下判据导出，即其它两个传感器(S2、S3)的输出信号具有相同幅度，一个传感器(H1)的信号路径在所有情况下包含一个仅馈有来自两个其它传感器(H2、H3)的输出信号的差分级(K4-K6)。

8.如权利要求5所述的电路，其特征在于：仅使用两个传感器，第一传感器产生一第一信号，第二传感器产生一第二信号，通过将第一传感器输出信号与第二传传感器的输出信号相比较产生一第三信号。