用于控制dc電動機的減速過程的方法和控制器的制作方法

專利名稱：用于控制dc電動機的減速過程的方法和控制器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于控制DC電動機的減速過程的方法，其中DC 電動機由耦合至電源的電橋驅動器來驅動，所述電源用于在電源輸出 處提供電源電壓VDD，所述方法包括以下步驟將減速PWM信號作 用于電橋驅動器來使DC電動機減速；以及控制電橋驅動器，以便在 電源輸出處的電壓超過高于VDD的電壓閾值的情況下使電動機感應 的反向電流減小。
此外，本發明涉及一種用于控制DC電動機的減速過程的控制器， 所述DC電動機由耦合至電源的電橋驅動器來驅動，所述電源用于在 電源輸出處提供電源電壓VDD，所述控制器包括用于將減速PWM 信號作用于電橋驅動器來使DC電動機減速的裝置；以及用于控制電 橋驅動器以便在電源輸出處的電壓超過高于VDD的電壓閾值的情況 下使電動機感應的反向電流減小的裝置。
背景技術：
例如，在多種應用中使用DC無刷主軸電動機，其中在光盤和磁 盤驅動器中用于使存儲介質旋轉。例如，其他應用領域是VCR、剃須 刀、電風扇、吹風機和機器人。通過以使電動機電流的極性相對于前 向旋轉進行反轉的方式來驅動電動機，可以以電學方式對這些電動機 進行制動。由于在減速期間，電動機也用作發電機，當凈電流反向傳 送至電源時，制動方式是可能的。轉子的慣量中存在的機械能被復原 為用于供電電池或電容器的電能。使用這種再生式制動方式產生了綠 色的、功率效率高的電動機驅動系統。
再生式制動的一個己知問題是當電源不能處理負電流時在電源上 出現過壓的可能性。由于使用不對稱的線性或開關模式的控制器調節 電源電壓，因此通常出現這種情況。由此，通常提供的電源去耦電容器必須處理這些電動機感應的負反向電流，并由于電動機中的大量能 量，危險的過壓可能發生。 一種克服這些過壓問題的已知方法是使用 齊納二極管保護或片上有源箝位電路。由于這些器件需要能夠處理相 當大的功率耗散(例如對于光盤驅動器為4W)，因此這引入了額外的 硬件成本。為了克服這些問題，例如，從公開了在開始時所提及的類
型的方法和控制器的US 6, 949， 906 B2已知，如果在DC電動機的減 速過程中檢測到危險條件，例如在電源輸出處的過壓，則在預定時間 間隔內將DC電動機的線圈短路或設置為高阻抗模式。如果將線圈短 路，則由于摩擦并由于電動機的反向EMF產生了通過線圈電阻的電 流，從而導致能量耗散。如果通過使線圈連接開路來將電動機的線圈 設置為高阻抗模式，則僅由于摩擦而導致能量耗散。在兩種情況下， 在預定時間間隔內中斷了再生式制動或減速過程，這可以構成能量的 浪費。
本發明的目的是開發在開始時所提及的類型的方法和控制器，以 避免上述討論的能量浪費。

發明內容
根據本發明的第一方面，這一 目的是通過一種在開始時所提及的 類型的方法來實現的，其中，控制電橋驅動器以便在電源輸出處的電 壓超過高于VDD的電壓閾值的情況下使電動機感應的反向電流減小
的步驟包括如果電源輸出處的電壓超過電壓閾值，則沿第一方向逐
步改變減速PWM信號的脈沖寬度，直到電源輸出處的電壓達到或降 至電壓閾值以下，然后，如果電源輸出處的電壓已降至電壓閾值以下， 則沿與第一方向相反的第二方向逐步改變減速PWM信號的脈沖寬 度，直到電源輸出處的電壓再次達到或超過電壓閾值。使用這種方案， 如果發生過壓，則不需要中斷再生式制動過程。在一些情況下，這樣 的中斷可能是必要的，但是根據本發明，首先嘗試在維持再生式減速 過程的同時，改變條件以使危險情形終止。對于脈沖寬度的逐步改變， 可以通過利用增/減步長以增大PWM或減小PWM來實現兩個控制方 向。如以下要結合圖2來討論的，這是由于在電動機感應的反向電流和占空因數PWM之間存在拋物線依賴關系。由于在許多情況下不需 要完全中斷再生式減速過程，因此可以避免能量浪費。
對于根據本發明的方法，優選地，電壓閾值高于VDD。例如，如
果VDD等于12V，則可以將電壓閾值選擇為等于15V。 一般而言，
電壓閾值的選擇取決于可能被電源輸出處的過壓所損壞的任何組件的
靈敏度。
對于根據本發明的方法的優選實施例，如果電源輸出處的電壓等 于電壓閾值，則使減速PWM信號的脈沖寬度保持恒定。由此，至少 在一些情況下，對于特定時間間隔可以獲得穩定狀態，該穩定狀態是 能量再生和電壓增大的最優折衷。
一般而言，為了再循環利用旋轉的DC電動機中存儲的動能，必 須選擇PWM減速信號的脈沖寬度以使得與DC電動機的加速過程相 比，DC電動機電流經歷符號改變。
根據本發明的第二方面，上述目的是通過一種在開始時所提及的 類型的控制器來實現的，其中，用于控制電橋驅動器以使電動機感應 的反向電流減小的裝置適于如下操作如果電源輸出處的電壓超過電 壓閾值，則沿第一方向逐步改變減速PWM信號的脈沖寬度，直到電 源輸出處的電壓達到或降至電壓閾值以下，然后，如果電源輸出處的 電壓已降至電壓閾值以下，則沿與第一方向相反的第二方向逐步改變 減速PWM信號的脈沖寬度，直到電源輸出處的電壓再次達到或超過 電壓閾值。同樣，使用這種方案，可以避免完全中斷再生式減速條件， 從而避免能量浪費。例如，用于控制電橋驅動器的裝置可以包括比較 器，所述比較器將電源輸出處的電壓與電壓閾值進行比較。優選地， 使用控制脈沖寬度修改器的增/減濾波器對比較器的輸出信號進行采 樣，所述脈沖寬度修改器適于增大或減小給其提供的PWM減速信號 的脈沖寬度，并適于將已修改信號饋送至電橋驅動器。 一般而言，根 據本發明的控制器也實現了上述結合根據本發明的方法所討論的特性 和優點。因此，為了避免重復，請參照上述描述。這些特性和優點也 適用于以下所討論的根據本發明的控制器的優選實施例。
同樣，對于根據本發明的控制器，如上所述，優選地，電壓閾值高于VDD。
對于根據本發明的控制器，進一步優選地，如果電源輸出處的電 壓等于電壓閾值，則用于控制電橋驅動器以使電動機感應的反向電流
減小的裝置適于使減速PWM信號的脈沖寬度保持恒定。如上所述，
至少在一些情況下可以暫時達到穩定狀態。
同樣如上所述，為了執行再生式減速，一般而言，用于將減速PWM 信號作用于電橋驅動器的裝置適于選擇PWM減速信號的脈沖寬度以 使得與DC電動機的加速過程相比，DC電動機電流經歷符號改變。
使用本領域技術人員公知的模擬和/或數字電路來實現這里所述 的所有組件和裝置。微控制器、微處理器和合適軟件的使用也在本發 明的范圍之內。
參照以下描述的實施例，對本發明的這些和其他方面進行說明， 使其變得顯而易見。


圖la至lc示出了針對3種不同操作模式的DC電動機驅動器和 DC電動機模型；
圖2示出了示意供電電流和不同PWM占空因數之間的依賴關系 的示例圖3示出了使用根據本發明的控制器的實施例的、適于執行根據 本發明的方法的電路的框圖4示出了示意通過應用本發明的方法而獲得的電源電壓、PWM 占空因數和比較器輸出的概圖(profile)的示例的圖；以及
圖5示出了示意根據本發明的方法的更一般的實施例的流程圖。
具體實施例方式
圖la至lc示出了針對3種不同操作模式的DC電動機驅動器和DC 電動機模型。本領域技術人員應當清楚，根據圖la至lc的電動機模型 是簡化模型。例如，如果電動機是屬于三相無刷類型，則電動機包括3 個線圈，合適的電橋驅動器所執行的對這些線圈的驅動包括若干換向階段以用于使電動機加速和/或減速。可以看到，該模型包括兩個電壓 源Vdrive和Vemf以及電阻器R 。驅動電壓Vd^是占空因數為P WM的開關 電橋的輸出，即Vdriv^PWM，sup，其中V，是電橋驅動器的電源電壓。 電動機的反向EMF電壓為VemH^CD，其中k是電動機常數，CO是電動機 的旋轉頻率。電阻R構成了開關電阻、電動機(線圈)電阻和例如從
電動機驅動器IC至電動機的連接的接線電阻之和。
圖la示意了DC電動機的加速過程。在這種情況下，驅動電壓Vd^
大于反向EMF電壓Vemf。此外，電動機電流Im。t和供電電流Isup為正，其 中Is叩-PWM"m。t。
圖lb示意了根據本發明主題的再生式減速或制動過程。根據圖
lb，使用正驅動電壓Vdrive。 Vdrive小于反向EMF電壓Vemf，電動機電流 Im。t和供電電流Isup均為負，使得供電電流與電動機感應的反向電流相 對應。圖lc示出了使用負驅動電壓Vd,的減速或制動過程。事實上，在
這種情況下，Vdrive被疊加到反向EMF電壓V加f上，其中電動機電流Ut 為負(仍在制動中)而供電電流I，為正。所疊加的驅動電壓Vd,為零 的情況被稱為短路制動。
下列公式涵蓋了上述情形
Im。t=(Vdrive-Vemf)/R=(PWM*Vsup- Vemf)/R，以及 Isup=PWM*Im。t=PWM*(PWM*Vsup- Vemf)/R 其中，PWM的范圍從-100Q/Q至+100。/0。
從圖2可以看到，供電電流I，對占空因數PWM具有拋物線依賴關 系，其中，I，的負值表示電動機感應的反向電流。圖2示意了以下示 例Vs叩-12V， Vemf=8V， R^2ohm和正的PWM。在占空因數在0和 V^f/V，-2/3之間的情況下，供電電流為負，由此存在再生式制動。在 Vemf/(2*Vsup)=l/3處存在最大(負)再生供電電流，供電電流 Isup=-2 * Vemf/(4 * Vsup *R)。為了通過測量電源輸出處的電源電壓Vsup并 控制PWM內容來進行再生制動控制方案，使用如上所述的PWM對 I，的傳遞特性，可以實現兩個控制方向。當由于負再生式供電電流I， 而導致電源電壓V，超過所設計的箝位值時，應減小該供電電流I，，可以以兩種方式來進行減小沿PWM^O。/o的方向控制到較小的PWM， 達到PWM4時與短路制動(Im。t=Vemf/R) —致，或者沿PWM-Vemf/Vsup 的方向控制到較大的PWM，在lm。產0的情況下與高阻抗制動一致。
圖3示出了使用根據本發明的控制器10的實施例的、適于執行根 據本發明的方法的電路的框圖。除了控制器IO (以后更詳細地對其進 行解釋)之外，該電路包括具有電源輸出14的電源12。電源12用于在 電源輸出14處提供恒定電壓VDD。在電源輸出14與地16之間提供了去 耦電容器Cdd。此外，提供了與電源輸出14耦合的電橋驅動器18，用于 驅動DC電動機20。電橋驅動器18由控制器10控制，控制器10包括具有 PWM信號產生器22形式的裝置22，用于將減速PWM信號作用于電橋 驅動器18。應當清楚，PWM信號產生器22也可以適于提供加速PWM 信號，但是本發明對這樣的加速PWM信號不太感興趣。PWM信號產 生器22的輸出耦合至PWM信號修改器26， PWM信號修改器26適于逐 步增大或減小由PWM信號產生器22所傳送的PWM信號的脈沖寬度。 PWM信號修改器26由增/減濾波器28控制，增/減濾波器28對比較器24 的輸出進行采樣，比較器24將電源輸出處的電壓與預定電壓閾值V^mp 進行比較。
使用圖3所示的實施例，可以如下執行根據本發明的方法首先， PWM信號產生器22通過PWM信號修改器26將減速PWM信號作用于 電橋驅動器18，在這種情況下，比較器24將PWM信號修改器26控制為 不活動。由此啟動了使DC電動機減速的過程，使得由于合適的PWM 信號而發生再生式減速。如果在電源輸出14處發生過壓，即電壓髙于 電壓閾值V^mp，則比較器24檢測到這一情況。在這種情況下，比較器 24控制PWM信號修改器26開始減小減速PWM信號的脈沖寬度(如上 所述，由于拋物線依賴關系，增大PWM加速信號的脈沖寬度也是可能
的)。
一旦電源輸出14處的電壓降至電壓閾值Ve,amp以下，比較器24的
輸出處的信號反轉，增/減濾波器28檢測到這一情況，并相應地使PWM 信號修改器26開始沿相反方向改變脈沖寬度，即在本示例中增大減速 PWM信號的脈沖寬度。應當清楚，在單次減速過程中，上述減小以及 隨后的增大脈沖寬度的操作可以重復多次。圖4示出了示意圖3所示的電路的可能操作的圖，其中Vdd^2V， Cdd=100^V， Vem尸8V， R=Ohm (R未顯式示出，而是如結合圖la至lc 己討論過)，PWMinput=30%， 1,。ad二100mA， Vclamp=15V，占空因數步長 =2%， fsample=100kHz。當存在比再生式制動電流更小的從電源中汲取 的負載電流I,。ad (否則電源輸出14處的電源電壓不會升高)時，結果是 電源電壓V，圍繞V^mp振蕩。
圖5示出了示意根據本發明的方法的更一般的實施例的流程圖。 在步驟S1，啟動再生式減速過程。為了這一目的，在步驟S2中，將 合適的減速PWM信號作用于電橋驅動器，用于以再生式制動模式來 使DC電動機減速。在步驟S3，檢查電源輸出處的電壓是否高于比 VDD更高的電壓閾值。如果否，則方法返回步驟S2，否則繼續至步 驟S4，在步驟S4，減小減速PWM信號的脈沖寬度。然后，在步驟 S5檢查電源輸出處的電壓是否己經低于電壓閾值。如果否，則方法返 回步驟S4，并進一步減小脈沖寬度。否則，方法繼續到步驟S6，在 步驟S6，增大減速PWM信號的脈沖寬度。隨后，在步驟S7，檢查電 源輸出處的電壓是否(再次)高于電壓閾值。如果否，則在步驟S6 中進一步增大脈沖寬度，否則，方法繼續至步驟S8，在步驟S8，檢 查減速過程是否完成。如果是，則方法在步驟S9結束，否則返回步 驟S4，在步驟S4中再次減小脈沖寬度。
最后，應注意，在不脫離由所附權利要求所限定的本發明的范圍 的前提下，也可以采用以上未描述的等效物和修改。
權利要求
1. 一種用于控制DC電動機(20)的減速過程的方法，其中DC電動機(20)由耦合至電源(12)的電橋驅動器(18)來驅動，所述電源(12)用于在電源輸出(14)處提供電源電壓VDD，所述方法包括以下步驟-將減速PWM信號作用于電橋驅動器(18)來使DC電動機(20)減速；以及-控制電橋驅動器(18)以便在電源輸出(14)處的電壓超過高于VDD的電壓閾值的情況下使電動機感應的反向電流減小；所述方法的特征在于控制電橋驅動器(18)以便在電源輸出(14)處的電壓超過高于VDD的電壓閾值的情況下使電動機感應的反向電流減小的步驟包括-如果電源輸出(14)處的電壓超過電壓閾值，則沿第一方向逐步改變減速PWM信號的脈沖寬度，直到電源輸出(14)處的電壓達到或降至電壓閾值以下，然后，如果電源輸出(14)處的電壓已降至電壓閾值以下，則沿與第一方向相反的第二方向逐步改變減速PWM信號的脈沖寬度，直到電源輸出(14)處的電壓再次達到或超過電壓閾值。
2. 如權利要求l所述的方法，其中，所述電壓閾值高于VDD。
3. 如權利要求l所述的方法，其中，如果電源輸出(14)處的電 壓等于電壓閾值，則使減速P WM信號的脈沖寬度保持恒定。
4. 如權利要求l所述的方法，其中，選擇PWM減速信號的脈沖 寬度以使得與DC電動機(20)的加速過程相比，DC電動機電流經 歷符號改變。
5. —種用于DC電動機(20)的控制器(10)，所述DC電動機 (20)由耦合至電源(12)的電橋驅動器(18)來驅動，所述電源(12)用于在電源輸出(14)處提供電源電壓VDD，所述控制器包括-用于將減速PWM信號作用于電橋驅動器(18)來使DC電動機 (20)減速的裝置(22);-用于控制電橋驅動器(18)以便在電源輸出(14)處的電壓超過高于VDD的電壓閾值的情況下使電動機感應的反向電流減小的裝置 (24、 26、 28);其特征在于用于控制電橋驅動器(18)的裝置(24、 26、 28) 適于如下操作如果電源輸出04)處的電壓超過電壓閾值，則沿第 一方向逐步改變減速PWM信號的脈沖寬度，直到電源輸出(14)處 的電壓達到或降至電壓閾值以下，然后，如果電源輸出(14)處的電 壓已降至電壓閾值以下，則沿與第一方向相反的第二方向逐步改變減 速PWM信號的脈沖寬度，直到電源輸出(14)處的電壓再次達到或 超過電壓閾值。
6. 如權利要求5所述的控制器，其中，所述電壓閾值高于VDD。
7. 如權利要求5所述的控制器，其中，如果電源輸出(14)處的 電壓等于電壓閾值，則用于控制電橋驅動器(18)的裝置(24、 26、 28)適于使減速PWM信號的脈沖寬度保持恒定。
8. 如權利要求l所述的方法，其中，用于將減速PWM信號作用 于電橋驅動器的裝置(22)適于選擇PWM減速信號的脈沖寬度以使 得與DC電動機(22)的加速過程相比，DC電動機電流經歷符號改 變。
全文摘要
本發明涉及一種用于控制DC電動機(20)的減速過程的方法，其中DC電動機(20)由耦合至電源(12)的電橋驅動器(18)來驅動，所述電源(12)用于在電源輸出(14)處提供電源電壓VDD，所述方法包括以下步驟將減速PWM信號作用于電橋驅動器(18)來使DC電動機(20)減速；以及控制電橋驅動器(18)以便在電源輸出(14)處的電壓超過高于VDD的電壓閾值的情況下使電動機感應的反向電流減小。根據本發明，控制電橋驅動器(18)以便在電源輸出(14)處的電壓超過高于VDD的電壓閾值的情況下使電動機感應的反向電流減小的步驟包括如果電源輸出(14)處的電壓超過電壓閾值，則沿第一方向逐步改變減速PWM信號的脈沖寬度，直到電源輸出(14)處的電壓達到或降至電壓閾值以下，然后，如果電源輸出(14)處的電壓已降至電壓閾值以下，則沿與第一方向相反的第二方向逐步改變減速PWM信號的脈沖寬度，直到電源輸出(14)處的電壓再次達到或超過電壓閾值。本發明還涉及一種適于執行上述方法的控制器。
文檔編號H02P3/08GK101485076SQ200780025377
公開日2009年7月15日 申請日期2007年7月3日 優先權日2006年7月4日
發明者吉安·霍赫扎德 申請人:Nxp股份有限公司