用于無刷直流電動機的控制電路及其方法

專利名稱：用于無刷直流電動機的控制電路及其方法
技術領域：
本公布一般涉及電動機控制器，且更具體地涉及對無刷直流電動機進行換向的電 動機控制器。
背景技術：
無刷單相直流(DC)電動機通常包括包含一個或更多個永磁體的轉子和包含線圈 (winding)的定子。電流應用到定子線圈以產生磁場，由于相應的轉子磁場和定子磁場之間 對立，導致轉子旋轉。為了隨著轉子的旋轉提供連續的場對立，對于兩極轉子的每次回轉， 電流在定子線圈里的方向必須翻轉兩次。在定子線圈里改變電流方向的動作被稱為換向 (commutation)。電動機提供的機械功率依賴于，相對于轉動轉子的磁場在定子線圈里感應 出的反電動勢(BEMF)何時執行換向。 傳感器例如霍爾效應傳感器能用來識別轉子的角位置，但是這項技術需要額外的 電子控制器來有效預測理想換向時間。此外霍爾效應傳感器增加了產品的成本。用于確定 換向時間的其他技術，例如使用額外的定子線圈直接感測BEMF，以及試圖通過檢測電動機 控制器供應的定子電流的變化來監控BEMF的又一技術，也不預測理想換向時間和/或增加 產品成本。如果能夠更好控制換向時間，能夠改進電動機的效率。


參考附圖，可更好理解本發明并使它的眾多特征和優點對本領域技術人員來說明 顯，其中 圖1以部分結構圖并以部分示意性形式示出根據本發明的無刷直流(DC)電動機 系統； 圖2以示意性形式示出圖1的無刷直流電動機的電模型； 圖3是示出在圖1的無刷直流電動機系統的工作期間，定子電流和BEMF電位之間 的理想關系的曲線圖； 圖4是示出當換向開始過晚時，在圖1的無刷直流電動機系統的工作期間，定子電 流和BEMF電壓之間的關系的曲線圖； 圖5是示出當換向開始過早時，在圖l的無刷直流電動機系統的工作期間，定子電 流和BEMF電壓之間的關系的曲線圖； 圖6是示出圖1的無刷直流電動機系統的電流調節器電路的工作的時序圖；
圖7是示出當換向開始過早時，在換向之前以及換向之后，圖1的無刷直流電動機系統的幾對P麗控制信號的占空度(duty cycle)的曲線圖；以及 圖8是示出當換向在理想時間開始時，在換向之前以及換向之后，圖1的無刷直流
電動機系統的幾對P麗控制信號的占空度的曲線圖。 —樣的參考符號在不同圖中的使用指示相似或相同的項。
具體實施例方式
圖1用部分結構圖并以部分示意性形式示出根據本發明的無刷直流電動機系統 100。電動機系統100包括反饋控制模塊120、電流驅動電路140和無刷直流電動機160。反 饋控制模塊120和電流驅動電路140共同構成用于調節電動機160的工作的控制電路。
反饋控制模塊120包括電流調節器電路122、占空度閾值調整電路124和換向邏輯 電路126。占空度閾值調整電路124具有接收標為"換向后占空度"的信號的第一輸入、接 收標為"上一換向前占空度"的信號的第二輸入和提供標為"下一換向前占空度"的信號的 輸出。換向邏輯電路126具有接收標為"占空度"的信號的第一輸入、接收來自占空度閾值 調整電路124的輸出的信號"下一換向前占空度"的第二輸入、向占空度閾值調整電路124 的第二輸入提供信號"上一換向前占空度"的第一輸出和提供標為"極性"的信號的第二輸 出。電流調節器電路122具有接收來自換向邏輯電路126的信號"極性"的第一輸入、向換 向邏輯電路126提供信號"占空度"的第一輸出、向占空度閾值調整電路124提供信號"換 向后占空度"的第二輸出和到電流驅動電路140的接口 ，接口包括共同標為"P麗控制"的 四個輸出信號和共同標為"感測"的兩個輸入信號。 電流驅動電路140包括金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)器件142、 144、 148和150，電阻器146和152以及比較器154和156。 M0SFET142具有接收標為"VBAT"的 信號的漏極、接收第一P麗控制信號的柵極和連接到標為"A"的節點的源極。M0SFET144 具有連接到節點A的漏極、接收第二 P麗控制信號的柵極和源極。電阻器146具有連接到 M0SFET144的源極的第一端子和接地的第二端子。比較器154具有連接到M0SFET144的源 極的第一輸入、接收標為"ISET"的信號的第二輸入和向電流調節器122提供第一感測信號 的輸出。 M0SFET148具有接收信號VBAT的漏極、接收第三P麗控制信號的柵極和連接到標 為"B"的節點的源極。M0SFET150具有連接到節點B的漏極、接收第四P麗控制信號的柵極 和源極。電阻器152具有連接到M0SFET150的源極的第一端子和接地的第二端子。比較器 156具有連接到M0SFET150的源極的第一輸入、接收信號ISET的第二輸入和向電流調節器 122提供第二感測信號的輸出。 電動機160包括定子極162、轉子164和定子線圈166。定子線圈166具有分別連 接到節點A和B的兩個端子。 反饋控制模塊120通過向電流驅動電路140提供P麗控制信號來調節電動機160 的工作。通過脈沖寬度調制(P麗)技術，P麗控制信號控制電流驅動電路140的MOSFET器 件142U44、148和150的傳導，以便向定子線圈166提供期望的工作電流。反饋控制模塊 120控制定子電流的大小，以及定子電流的換向。反饋控制模塊120接收指示定子電流何時 到達期望的工作水平的來自電流驅動電路140的感測信號，并更改P麗控制信號的占空度 以維持期望的工作定子電流。較高的占空度增加電流驅動電路140提供的定子電流，較低的占空度減少電流驅動電路140提供的定子電流。由于不斷地改變的BEMF信號的作用，反 饋控制模塊120不斷調整P麗控制信號的占空度。當BEMF的大小增加時，P麗控制信號的 占空度必須增加，以維持期望的定子電流。當BEMF的大小減小時，減小P麗控制信號的占 空度，以維持期望的定子電流。因此P麗控制信號的占空度提供BEMF的大小的指示，并能 因此在任何特定的時間對轉子的角位置提供深入了解。 電流驅動電路140的MOSFET器件142、 144、 148和150構成H橋。在一個換向極性 期間，M0SFET142和150被配置為傳導，同時M0SFET144和148被關閉，導致來自信號VBAT 的電流通過M0SFET142到節點A，通過線圈166到節點B，通過M0SFET150到地。在相反的 換向極性期間，M0SFET148和144被配置為傳導，同時M0SFET142和150被關閉，導致來自 信號VBAT的電流通過M0SFET148到節點B，通過線圈166到節點A，通過M0SFET144到地。 因此，電流通過定子線圈166的方向取決于在具體的時間哪個換向極性是有效的。轉子164 的每個全程旋轉包括正、負換向間隔。當M0SFET148和144提供的定子電流接通并達到信 號ISET確定的期望的工作水平時，比較器154使第一感測信號有效。當M0SFET142和150 提供的定子電流接通并達到信號ISET確定的期望的工作水平時，比較器156使第二感測信 號有效。信號"極性"指定有效的換向間隔。 圖2以示意性方式示出圖1的無刷直流電動機160的電模型200。模型200包 括在端子A和B之間串聯連接的標為"L"的感應器210、標為"R"的電阻器220以及標為 "VBEMF"的電壓源230。感應器210和電阻器220相應定子線圈166的電屬性，電壓源VBEMF 代表由于定子線圈166在由轉子164提供的磁場所提供的磁場里的運動而按法拉第-楞次 定律在定子線圈中感應的電壓。如圖2所示，標為"IX"的瞬時電流流經定子162。
圖3是曲線圖300，示出在圖1的無刷直流電動機系統的工作期間，定子電流和 BEMF電壓之間的理想關系。曲線圖300具有代表以弧度為單位的轉角e的水平軸和代表 視情況以安培或伏特為單位的信號振幅的縱軸。曲線圖300包括代表以安培為單位的定子 電流IX的波形310和代表以伏特為單位的電壓源VBEMF的波形320，都在圖2示出。就電 動機160釋放的機械功率而言，當信號IX和VBEMF彼此實質上同相時，電動機160實質上 以最佳的效率工作。注意VBEMF波形320的特性能夠相當不同，并由轉子幾何結構、電動機 速度和其他設計屬性確定。VBEMF波形320能夠是正弦曲線的、梯形的或非常復雜的。如 圖3所示，VBEMF是被截斷并變形的正弦波。IX和VBEMF之間的相位關系部分由反饋控制 模塊120何時開始對定子電流IX換向來確定。 圖4是曲線圖400，示出當換向開始過晚時，在圖1的無刷直流電動機系統400的 工作期間，定子電流和BEMF電壓之間的關系。曲線圖400具有代表以弧度為單位的轉角e 的水平軸和代表視情況以安培或伏特為單位的信號振幅的縱軸。波形410代表以安培為單 位的定子電流IX，波形420代表以伏特為單位的電壓源VBEMF，都在圖2示出。還示出了轉 角間隔430和440，由于定子電流IX在轉子164已經前進經過期望的角位置之后開始換向， 在轉角間隔430和440期間，定子電流IX滯后于信號VBEMF。在間隔430和440期間，電 動機160提供的機械功率暫時為負。在這種條件下的工作效率低，并會將振動引入電動機 160，這加速磨損并因此減少電動機160的工作壽命。 圖5是曲線圖500，示出當換向開始過早時，在圖1的無刷直流電動機系統100的 工作期間，定子電流和BEMF電壓之間的關系。曲線圖500具有代表以弧度為單位的轉角e的水平軸和代表視情況以安培或伏特為單位的信號振幅的縱軸。曲線圖500包括代表以安 培為單位的定子電流IX的波形510和代表以伏特為單位的電壓源VBEMF的波形520，都在 圖2示出。還示出了轉角間隔530和540，由于定子電流IX在轉子164前進到優選角位置 之前開始換向，在間隔530和540期間定子電流IX超前于信號VBEMF。在間隔530和540 期間，電動機160提供的機械功率暫時為負。在這種條件下的工作效率低，并會將振動引入 電動機160，這加速磨損并因此減少電動機160的工作壽命。 圖6是時序圖600，示出圖1的無刷直流電動機系統的電流調節器122的工作。時 序圖600包括代表以秒為單位的時間的水平軸和代表以安培或伏特為單位的信號振幅的 縱軸。時序圖包括代表以安培為單位的定子電流IX的波形610和代表圖1的電流調節器 電路122提供的P麗控制信號之一的波形620。圖6還示出時間參考TO和Tl之間的時間 間隔640 、時間參考T2和T3之間的時間間隔650以及時間參考T4和T5之間的時間間隔 660。時間間隔640、650和660代表P麗控制信號的連續脈沖，并示出P麗控制信號的占空 度的變化。 時序圖600代表的時段相應于轉子164的相當小的角旋轉，例如1度的一小部分。 響應于不斷變化的BEMF和其他損耗，例如阻抗損耗，時序圖600示出信號P麗控制的占空 度的變化，以維持恒定的定子電流IX。電流調節器電路122構成電流回路反饋系統的一部 分，電流回路反饋系統也包括電流驅動電路140和電動機160。當定子電流IX落在信號 ISET確定的優選工作水平之下時，信號SENSE無效，電流調節器電路122使P麗控制信號有 效，激活電流驅動電路140，以增加定子電流IX。當定子電流IX達到或超出信號ISET確定 的水平時，信號感測有效，電流調節器電路122使P麗控制信號無效，暫時禁止電流驅動電 路140并允許定子電流Ix減少。 電流調節器電路122基于在具體時刻定子電流IX和優選工作水平之間的差異來 調整P麗控制信號的占空度。例如，在時間間隔640期間，電流調節器電路122使P麗控 制信號620有效。在時間間隔650期間，電流調節器電路122使P麗控制信號620的有效 持續時間較長，并在時間間隔660期間持續更長時間，以便隨著BEMF的增加補償定子電流 IX。電流調節器電路122實現對定子電流IX的快速調整，導致實質上恒定的定子電流IX。 在可替換的實施方式中，電流調節器電路122能改為使用脈沖頻率調制(PFM)，在這個情形 中，在一設定時間間隔期間，電流調節器電路122通過改變一致脈沖的數量來調整電流，其 中，較大的占空度相應于在這設定時間間隔期間提供給電流驅動電路140的更大數量的一 致脈沖，較小的占空度相應于在相同的時間間隔期間較少數量的一致脈沖。由于連續的占 空度的值提供對BEMF的大小的變化的指示，可分析這些值來估計轉子164的角位置并開始 對定子電流IX的換向。 圖7是曲線圖700，示出用于早換向的換向之前和換向之后，圖1的無刷直流電動 機系統100的幾對P麗控制信號的占空度。曲線圖700具有代表以弧度為單位的轉角e的 水平軸和代表視情況以安培、伏特或百分比為單位的信號振幅的縱軸。在曲線圖700中，波 形710代表以安培為單位的定子電流IX，波形720代表以伏特為單位的電壓源VBEMF，波形 750代表定子電流換向之前和之后的、以百分比表示的P麗控制信號的占空度。圖7還示出 閾值參考712和714，分別相應于由信號ISET確定的正的定子電流閾值和負的定子電流閾 值。角度參考TA代表反饋控制模塊120何時開始定子電流IX的換向，角度TB代表定子電
7流IX的值何時達到了負的定子參考714。間隔760示出定子電流IX從閾值712轉變到閾 值714的間隔。圖7還示出在時間間隔760之前和之后的P麗控制信號占空度。緊挨角度 參考TA之前的P麗控制信號占空度標為"換向前占空度"，緊隨角度參考TB之后的P麗控 制信號占空度標為"換向后占空度"。 電流調節器電路122在角度參考TA開始換向之前基于之前描述的電流調節器反 饋回路確定換向前占空度的值，并相應于電流調節器電路122確定的上一占空度。在換向 之后，電流調節器電路122通常將P麗控制信號占空度設置到最大值(即，100%占空度)， 直到定子電流IX已經達到角度參考TB的負的閾值。反饋控制模塊120相對迅速地完成定 子電流IX的翻轉，從而保持間隔760相對短。在角度參考TB，電流調節器電路122基于電 流調節器反饋回路再次確定P麗控制信號占空度。因此在定子電流IX的值成為等于參考 714的時間點之后，立即確定換向后占空度值。 占空度閾值調整電路124和換向邏輯電路126共同構成換向回路調節器，其控制 確定何時開始定子電流換向的另一反饋回路。換向回路調節器通過比較換向前占空度與換 向后占空度，在連續換向周期中識別換向時間。換向回路調節器將換向時間識別為當換向 前占空度和換向后占空度的值近似相等的時間。這個換向時間實質上是最佳的，因為電流 調節器電路122提供的P麗控制信號的占空度被與定子電流IX和BEMF之間的相位關系關 聯起來。 返回參考圖1聯合圖7能更好理解換向反饋回路的工作。在期望的換向時間之前， BEMF開始減小。基于在占空度的值開始減小之后選擇的P麗控制信號占空度的具體的值， 可以做出對換向時間的初始猜測。換向邏輯126在這個具體的值(在角度參考TA)改變極 性信號的狀態，并將這個值，即換向前占空度，經由信號"上一換向前占空度"提供給占空度 閾值調整電路124。 一旦定子電流IX達到在角度參考TB的閾值714，電流調節反饋回路且 尤其是電流調節器電路122根據需要調整P麗控制信號的占空度，以將定子電流IX維持在 信號ISET確定的水平。 電流調節器122經由信號"換向后占空度"將在角度參考TB之后的初始占空度提 供給占空度閾值調整電路124。占空度閾值調整電路124比較上一換向前占空度和換向后 占空度的值，并確定換向開始的下一占空度的值。占空度閾值調整電路124經由信號"下一 換向前占空度"將這個值提供給換向邏輯電路126。當P麗控制信號的占空度減小到由信 號"下一換向前占空度"指定的值時，換向邏輯電路126切換信號"極性"，開始換向。
如果換向前占空度大于換向后占空度，那么下一換向前占空度將被設置為小于在 上一換向期間選擇的值。如果換向前占空度小于換向后占空度，那么下一換向前占空度將 被設置為大于上一換向期間選擇的值。持續迭代，對換向前占空度進行相當小的修正，直到 換向前占空度和換向后占空度的數值近似相等。使用每一連續的換向事件實現所描述的迭 代過程，或通過不這么頻繁地評估換向來實現所描述的迭代過程。例如，可通過在每千次換 向的一次換向期間評估換向前占空度和換向后占空度的值來完成反饋回路的收斂，以識別 實質上最佳換向時間。 圖7中示出的P麗控制信號的換向前占空度的值大于換向后占空度的值，指出換 向開始的太早。因此，占空度閾值調整電路124將信號"下一換向前占空度"的值調整為稍 小于上一換向前占空度的值，當P麗控制信號的占空度已經減小到新的換向前占空度的值時，換向邏輯126開始換向。通常，用小步驟進行對換向前占空度的值的調整。例如，如果 電流調節器電路122能夠提供128個唯一占空度的值，且換向前占空度的當前值是93，那么 占空度閾值調整電路124將下一換向前占空度的值置為92。其他技術，包括二進制檢索算 法或某種平滑算法也能用來控制換向反饋回路的收斂率。 圖8是曲線圖800，示出當換向在理想時間開始時，在換向之前和之后，圖1的無刷 直流電動機系統的幾對P麗控制信號的占空度。曲線圖800具有代表以弧度為單位的轉角 9的水平軸和代表視情況以安培、伏特或百分比為單位的信號振幅的縱軸。波形810代表 以安培為單位的定子電流IX，波形820代表以伏特為單位的電壓源VBEMF，波形850代表以 百分數為單位的、在定子電流換向之前和之后P麗控制信號的占空度。還包括分別相應于 由信號ISET確定的正的定子電流閾值和負的定子電流閾值的閾值參考812和814。角度 參考TX代表定子電流IX的換向開始的時間，角度TY代表定子電流IX何時已經達到負的 定子電流閾值814。間隔860示出定子電流IX從閾值812轉變到閾值814的間隔。在間 隔860之前和之后顯示了 P麗控制信號占空度。緊挨角度參考TX之前的P麗控制信號占 空度標為"換向前占空度"，緊隨角度參考TY之后的P麗控制信號占空度標為"換向后占空 度"。 曲線圖800示出在之前描述的換向反饋回路已經收斂在實質上最佳的換向時間 上后，電動機160的工作，最佳的換向時間如通過換向前占空度和換向后占空度的值近似 相等來指示。換向反饋回路能繼續工作，以維持實質上最佳換向時間。因此，無刷直流電動 機系統100能對應用于160的機械負載的變化進行補償，或對于因定子電流閾值信號ISET 的值的改變而造成的轉動速度的變化進行補償。 曲線圖800還示出當換向在實質上最佳時間開始時，定子電流IX和VBEMF與閾值 812和814之間的中點交叉(零交叉)，近似處在角度參考TX和TY之間的中點。因此，標 為"T1"和"T2"的間隔的值實質上相等。定子電流IX和BEMF彼此實質上同相，電動機160 提供的機械功率實質上最大。 注意，如圖1所示，使用微控制器實現反饋控制模塊120，使用硬件和軟件組合來 實現電流調節器122、占空度閾值調整電路124和調節器邏輯電路126。在其他實施方式中， 硬件和軟件的不同組合能用來實現這些模塊的部分。此外，可在單個集成電路上實現電流 驅動電路140和反饋控制模塊120。 同樣，電流驅動電路140顯示為使用M0SFET142、144、146和148。如在這里使用的 以及傳統理解的，"MOSFET"包括具有多晶硅柵極以及具有金屬柵極的絕緣柵型場效應晶體管。 注意，圖1示出的電流驅動電路140包括兩個比較器154和156以及兩個電流感測 電阻器146和152，以提供兩個感測信號。在可替換的實施方式中，通過將M0SFET144的源 極連接到M0SFET150的源極，并包括這個連接和地之間的單個電阻器，以及包括被連接到 連在一起的源極的單個比較器，可使用單個比較器和單個電阻器來提供單個感測信號。在 任一實現中，定子電流的絕對大小與信號ISET的值比較，即使定子電流的流動方向隨著每 次換向改變。 以上公開的主題應認為是示例性的，而不是限制性的，并希望隨附的權利要求覆 蓋落在權利要求的真實范圍內的所有這樣的更改、增加和其他實施方式。因此，在法律所允許的最大程度內，本發明的范圍由以下權利要求和它們的等價物允許的最寬泛的解釋確 定，并不應被前述詳細描述限制或限定。
權利要求
一種用于無刷直流電動機(160)的控制電路，包括電流驅動電路(140)，其被配置為響應于控制信號而選擇性地以第一極性或第二極性驅動所述無刷直流電動機(160)，并用于感測通過所述無刷直流電動機(160)的電流來提供電流感測信號；電流回路調節器(122)，其用于響應于所述電流感測信號而改變所述控制信號的占空度以調節所述電流，并用于基于極性信號的狀態將所述電流調節到第一電流或第二電流中的所選的一個，所述第二電流與所述第一電流極性相反；以及換向回路調節器(124，126)，其用于響應于對換向前占空度的值和換向后占空度的值的比較來調節所述極性信號的轉變。
2. 如權利要求l所述的控制電路，其中所述電流回路調節器(122)將所述換向后占空 度的值確定為當所述電流在所述極性信號的所述轉變之后達到所述第二電流時的所述占 空度的值。
3. 如權利要求2所述的控制電路，其中所述換向回路調節器(124,126)調整所述轉變， 直到所述換向前占空度的值和所述換向后占空度的值基本上相等。
4. 如權利要求3所述的控制電路，其中所述換向回路調節器(124,126)包括 占空度閾值調整電路(124)，其用于基于所述換向前占空度的值以及所述換向前占空度的值和所述換向后占空度的值之間的差異調整下一換向前占空度的值；以及換向邏輯電路(126)，其用于當所述占空度近似等于所述下一換向前占空度的值時改 變所述極性信號的所述狀態。
5. 如權利要求l所述的控制電路，其中所述電流調節器(122)和所述換向回路調節器 (124,126)用微控制器實現。
6. 如權利要求5所述的控制電路，其中所述微控制器和所述電流驅動電路(140)合并 在單個集成電路上。
7. —種控制無刷直流電動機(160)的方法，包括如下步驟將通過所述無刷直流電動機(160)的線圈的電流調節到基本上等于正參考電流； 確定提供給電流驅動電路的控制信號的換向前占空度的值； 換向所述電流；將通過所述無刷直流電動機(160)的所述線圈的所述電流調節到基本上等于負參考 電流；確定所述控制信號的換向后占空度的值；如果所述換向后占空度的值小于所述換向前占空度的值，減小下一換向前占空度；以及如果所述換向前占空度大于所述換向后占空度的值，增加所述下一換向前占空度的值。
8. 如權利要求7所述的方法，其中換向所述電流的所述步驟包括 將所述控制信號的占空度和所述下一換向前占空度進行比較；以及 當所述控制信號的所述占空度基本上等于所述下一換向前占空度時，改變通過所述無刷直流電動機(160)的所述線圈的所述電流的極性。
9. 如權利要求7所述的方法，其中所述增加步驟包括按等于所述換向前占空度和所述換向后占空度之間的差異的一部分的量來增加所述 下一換向前占空度。
10.如權利要求9所述的方法，其中所述減小步驟包括按等于所述換向后占空度和所述換向前占空度之間的差異的一部分的量來減小所述 下一換向前占空度。
全文摘要
一種用于無刷直流(DC)電動機(160)的控制電路(120，140)包括電流驅動電路(140)、電流回路調節器(122)和換向回路調節器(124，126)。電流驅動電路(140)適于響應于控制信號而選擇性地以第一極性或第二極性驅動無刷直流電動機(160)，并感測通過無刷直流電動機(160)的電流以提供電流感測信號。電流回路調節器(122)響應于電流感測信號而改變控制信號的占空度以調節電流，并基于極性信號的狀態調節電流的極性。換向回路調節器(124，126)響應于對換向前占空度的值和換向后占空度的值的比較來調節所述極性信號的轉變。
文檔編號H02P6/08GK101753074SQ20091020769
公開日2010年6月23日 申請日期2009年10月29日 優先權日2008年12月3日
發明者S·J·B·W·弗邁爾 申請人:半導體元件工業有限責任公司