电机驱动设备和使用该设备的电气装置的制作方法

专利名称：电机驱动设备和使用该设备的电气装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于控制电机的驱动的电极驱动设备，并涉及结合有 这种电机驱动设备的电气装置。更具体地，本发明涉及对这种电机驱 动设备和电气装置的可靠性和安全性方面的改进。
背景技术：
常规上已公开并提出了多种类型的电机驱动设备，这些设备检测 流经输出级开关装置(功率晶体管)的电流，并斩断该开关装置的导 通时间段，以将电流保持在预定目标值(即，具有所谓的恒定电流斩 断功能)(见下文列出的专利文献l)。
还公开并提出了多种类型的电机驱动设备，这些设备检测由于输 出端子的异常状态(例如，输出端子与电源电压短路)而引起的过电 流，并在过电流持续超过预定阈值时间段时将开关装置锁定在切断状
态(即，具有所谓的过电流保护功能)(见下文列出的专利文献2和3)。 专利文献l: JP-A-H11-206189 专利文献2: JP-A-H05-111144 专利文献3: JP-A-H05-11114
发明内容
本发明要解决的问题
的确，采用上述具有恒定电流斩断功能的电机驱动设备，可以将 流经输出级开关装置的电流保持在预定目标值；采用上述具有过电流 保护功能的电机驱动设备，可以在过电流发生时防止设备击穿、过热 或发生其他损坏。
毫无疑问，可以使电机驱动设备只具备恒定电流斩断功能或只具 备过电流保护功能。但是，如果电机驱动设备具备这两种功能，而两 者之间没有进行任何协同操作，则恒定电流斩断功能可能意外地妨碍 过电流保护功能。
现在将具体描述在此可能发生的情况。常规上，无论是否由于输 出端子的异常状态而产生过电流，只要流经输出级开关装置的电流在 预定目标值之上，则使输出级开关装置继续迸行斩断，从而实现恒定 电流斩断功能。
因此，如果电机驱动设备同时具备恒定电流斩断功能和过电流保 护功能，而不考虑两者的相互干扰，则即使在连续过电流的情况下， 恒定电流斩断功能也破坏过电流的连续性，最坏情况下会导致过电流 保护功能无法检测到连续的过电流。
一旦发生这种情况，过电流保护功能不再起作用，并使斩断继续， 同时过电流也不会被检测到。此时，输出级开关装置必须依靠其自身 抗击穿性来保护自己免受击穿，因此，如果开关装置的抗击穿性较差， 则间断的过电流可能最终击穿该开关装置。
本发明的目的是提供一种电机驱动设备，该设备具备彼此兼容的 恒定电流斩断功能和过电流保护功能，从而以改善的可靠性和安全性 进行操作，本发明的目的还在于提供一种结合有这种电机驱动设备的
电气装置。
解决问题的手段
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面， 一种用于使输出级 开关装置导通和切断以控制电机驱动的电机驱动设备包括斩断信号 产生装置，用于在流经所述开关装置的电流达到第一阈值时，产生用 于斩断所述开关装置的导通时间段的斩断信号；斩断信号中断装置， 用于在流经所述开关装置的电流达到比第一阈值大的第二阈值时，中
断所述斩断信号；以及过电流保护装置，用于在流经所述开关装置的 电流达到比第一阈值大的第三阈值、之后在与预定阈值时间段相等的 持续时间上保持等于第三阈值时，产生用于将所述开关装置锁定在切 断状态的过电流保护信号(第一配置)。
在第一配置的电机驱动设备中，第二阈值可以等于第三阈值(第 二配置)。
第一和第二配置之一的电机驱动设备还可以包括用于在分离系统 中产生第一和第二基准电压的装置，所述第一和第二基准电压的电压 电平根据流经所述开关装置的电流而变化，从而当斩断信号产生装置 和斩断信号中断装置分别基于第一基准电压产生和中断斩断信号时， 过电流保护装置基于第二基准电压产生过电流保护信号(第三配置)。
根据本发明的另一方面， 一种用于使输出级开关装置导通和切断 以控制电机驱动的电机驱动设备包括斩断信号产生装置，用于在流 经所述开关装置的电流达到第一阈值时，产生用于斩断所述幵关装置 的导通时间段的斩断信号；过电流保护装置，用于在流经所述开关装 置的电流达到比第一阈值大的第二阈值、之后在与预定阈值时间段相 等的持续时间上保持等于第二阈值时，产生用于将所述开关装置锁定 在切断状态的过电流保护信号；以及斩断信号产生装置，用于在过电 流保护装置检测到流经所述开关装置的电流已达到比第一阈值大的第 二阈值时，中断所述斩断信号(第四配置)。
第四配置的电机驱动设备还可以包括用于在分离系统中产生第一 和第二基准电压的装置，所述第一和第二基准电压的电压电平根据流 经所述开关装置的电流而变化，从而当斩断信号产生装置基于第一基 准电压产生所述斩断信号时，过电流保护装置和斩断信号中断装置分 别基于第二基准电压产生过电流保护信号和中断所述斩断信号(第五 配置)。
根据本发明的另一方面， 一种电气装置包括电机和用于控制所述 电机的驱动的电机驱动设备。这里，所述电气装置包括第一到第五配 置之一的电机驱动设备，作为所述电机驱动设备(第六配置)。
本发明的有益效果
本发明有助于实现具备彼此兼容的恒定电流斩断功能和过电流保 护功能并因此以改善的可靠性和安全性进行操作的电机驱动设备和结 合有该设备的电气装置。


图1是示出了作为本发明第一实施例的电机驱动设备的方框图； 图2是示出了电机驱动设备la如何执行恒定电流斩断和过电流保 护的图3是示出了作为本发明第二实施例的电机驱动设备的方框图； 图4是示出了电机驱动设备lb如何执行恒定电流斩断和过电流保 护的图5 (a)和5 (b)是分别示出了过电流保护部分16和18的可选 配置示例的图6是示出了作为本发明第一实施例的电机驱动设备的方框以及
图7是示出了电机驱动设备lc如何执行恒定电流斩断和过电流保 护的图。
附图标记列表
la， lb， lc电机驱动设备
2电机
3U， 3V， 3W霍尔传感器
11霍尔比较器
12逻辑部分
13预驱动器部分
14驱动器部分
15， 17恒定电流斩断部分
151， 171比较器
152， 172比较器
153， 173斩断信号产生电路
Pl至U P3 Nl至U N3 P4至ij P6 N4至U N6
163， 183
16, 18
162， 182
161， 181
154， 174
与电路 反相器
过电流保护部分
检测电阻器
比较器
计时器电路
P沟道场效应晶体管
N沟道场效应晶体管
P沟道场效应晶体管
N沟道场效应晶体管
Rexl， Rex2 检测电阻器
具体实施例方式
下面，以本发明应用于对三相全波电机的驱动进行控制的电机驱 动设备情况为例，具体描述本发明。
图1是示出了作为本发明第一实施例的电机驱动设备的方框图 (部分作为电路图示出)。
如图l所示，本实施例的电机驱动设备la是半导体集成电路装置， 该设备中集成有霍尔比较器11、逻辑部分12、预驱动器部分13、驱 动器部分14、恒定电流斩断部分15和过电流保持部分16。从外部与 电机驱动设备la连接有作为驱动目标的电机2;与电机2的各个相 (U， V和W相)的线圈附着的霍尔传感器3U、 3V和3W;以及检 测电阻器Rexl (在本实施例中，其电阻是大约0.25Q),用于检测驱 动器部分14的地线侧中流动的驱动电流il。
霍尔比较器11用作将从霍尔传感器3U、 3V和3W馈入的各相的 正弦霍尔信号(+/-)彼此比较，以产生各相的矩形输出信号并将其馈 送至逻辑部分12的装置。
逻辑部分12用作对设备的整体操作进行控制(具体地，除了其他 之外，基于来自霍尔比较器11的各相输出信号，对电机2的恒定速度 驱动控制和相控制，以及恒定电流斩断驱动控制和过电流保护控制，
稍后将对两者进行描述)的装置。更具体地，为了实现电机2的电机
2的恒定速度驱动控制和相控制，基于来自霍尔比较器11的各相输出 信号，逻辑部分12产生电机的各相的预驱动信号(uh， ul， vh， vl， wh和wl)，并将这些信号馈送至预驱动器部分13，同时通过反馈控制 对电机的转动速度和相进行控制。
预驱动器部分13用作对从逻辑部分12馈送的预驱动信号(uh， ul， vh， vl， wh禾Bwl)进行电平移动和波形成形处理，以产生电机的 各相驱动信号(UH、 UL、 VH、 VL、 WH和WL)并将这些信号馈送 至驱动器部分14的装置。
驱动器部分14用作使以H桥配置连接的功率晶体管(P沟道场 效应晶体管Pl到P3以及N沟道场效应晶体管Nl到N3)导通和截 止以驱动电机2的装置。晶体管Pl到P3是位于H桥配置的上侧部分 的开关装置；晶体管Nl到N3是位于H桥配置的下侧部分的开关装 置。
晶体管Pl到P3的源极共同与电源线连接；晶体管Nl到N3共 同与检测电阻器Rexl的一端连接。检测电阻器Rexl的另一端与地线 连接。晶体管Pl到P3的漏极与晶体管Nl到N3的漏极逐相连接。 它们的节点与电机2的各相线圈的一端连接。根据馈送至其各自栅极 的驱动信号(UH、 UL、 VH、 VL、 WH和WL)，使以H桥配置连接 的功率晶体管导通和截止，从而驱动电机2。这里，电流il流经检测 电阻器Rexl，以在检测电阻器Rexl的一端产生电压电平随电流il变 化的第一基准电压Vrefl。
在本实施例的电机驱动设备la中，在正常操作期间，1到3A的 电流il流经检测电阻器Rexl，因此第一基准电压Vrefl的电压电平通 常在大约0.25与0.75V之间变化。
恒定电流斩断部分15包括比较器151和152、斩断信号产生电路 153和与电路154。
比较器151根据施加至其非反相输入端子(+ )上的第一基准电 压Vrefl和施加至其反相输入端子(-)上的第一阈值电压Vthl中哪 个较高，移动其输出逻辑电平。具体地，当第一基准电压Vrefl高于
第一阈值电压Vthl时，比较器151输出高电平信号；当第一基准电压
Vrefl低于第一阈值电压Vthl时，比较器151输出低电平信号。比较 器151的输出信号用作指示斩断信号产生电路153是否进行操作(即， 指示其是否执行恒定电流斩断)的信号。因此，考虑到第一基准电压 Vrefl的正常电压范围(0.25至lj 0.75V)，适当设置第一阈值电压Vthl。 在本实施例中，第一阈值电压Vthl设置为0.275V (与流经驱动器部 分14中的开关装置的电流il的第一阈值给定为I.IA的情况相对应)。
斩断信号产生电路153用作在比较器151的输出逻辑电平为高时 产生用于斩断晶体管N1到N3的导通时间段的第一斩断信号(PWM 或脉冲宽度调制信号)Sa的装置。
比较器152根据施加至其反相输入端子(-)上的第一基准电压 Vrefl和施加至其非反相输入端子(+ )上的第二阈值电压Vth2中哪 个较高，移动其输出逻辑电平。具体地，当第一基准电压Vrefl高于 第二阈值电压Vth2时，比较器152输出低电平信号；当第一基准电压 Vrefl低于第二阈值电压Vth2时，比较器152输出高电平信号。比较 器152的输出信号用作对使第一斩断信号Sa有效还是无效进行确定的 使能信号Sb。因此，将第二阈值电压Vth2适当设置为落在第一基准 电压Vrefl的正常电压范围之外(即，落入如下电压范围存在发生 过电流的危险，从而应该停止恒定电流斩断，以不妨碍过电流保护部 分16的操作)。在本实施例中，第二阈值电压Vth2设置为1.2V (与 流经驱动器部分14中的开关装置的电流il的第二阈值给定为4.8A的 情况相对应)。
与电路154用作对第一斩断信号Sa和中断信号Sb执行与运算以 将其输出信号作为第二斩断信号Sc馈送至逻辑部分12的装置。具体 地，当第一基准电压Vrefl低于第二阈值电压Vth2时，与电路154原 样不变地输出第一斩断信号Sa;当第一基准电压Vrefl高于第二阈值 电压Vth2时，与电路154输出低电平信号，而不管第一斩断信号Sa 的电平如何。
过电流保护部分16包括N沟道场效应晶体管N4到N6、检测电 阻器161、比较器162和计时器电路163。
晶体管N4到N6是与晶体管Nl到N3同步地受控的开关装置。 晶体管N4到N6的漏极和栅极分别与晶体管Nl到N3的漏极和栅极 连接。晶体管N4到N6的源极共同与检测电阻器161的一端连接。检 测电阻器161的另一端与地线连接。因此，在晶体管N4到N6的导通 期间，与电流il行为相似的监视电流i2流经检测电阻器161。晶体管 N4到N6的每个栅极的面积设置为晶体管Nl到N3的每个栅极面积 的l/n(在本实施例中，1/1000)，因此监视电流i2是电流il的1/n。
检测电阻器161是电阻性元件(在本实施例中，具有大约10Q的 电阻)，监视电流i2流经其中。在检测电阻器161的一端，产生其电 压电平根据监视电流i2而变化的第二基准电压Vref2。在本实施例的 电机驱动设备la中，在正常操作期间，0.001到0.003A的监视电流i2 (电流il的1/1000)流经检测电阻器161，因此第二基准电压Vref2 的电压电平通常在大约0.01与0.03V之间变化。
比较器162根据施加至其非反相输入端子(+ )上的第二基准电 压Vref2和施加至其反相输入端子(-)上的第三阈值电压Vth3中哪 个较高，移动其输出逻辑电平。具体地，当第二基准电压Vref2高于 第三阈值电压Vth3时，比较器162输出高电平信号；当第二基准电压 Vref2低于第三阈值电压Vth3时，比较器162输出低电平信号。比较 器162的输出信号用作指示计时器电路163开始计数(即，指示连续 过电流的幵始点)的触发信号Sd。因此，将第三阈值电压Vth3适当 设置为落在第二基准电压Vref2的正常电压范围之外(即，落入应该 执行过电流保护的电压范围)。在本实施例中，第三阈值电压Vth3设 置为0.048V (与流经驱动器部分14中的开关装置的电流il的第三阈 值给定为4.8A的情况相对应)。
计时器电路163 (用作使能限制装置)在受到有效(变为高)的 触发信号Sd的触发时，开始对预定屏蔽时间段T计数；之后，当触 发信号Sd保持有效的持续时间达到屏蔽时间段T时，计时器电路163 将其输出逻辑电平锁定在有效(高电平)状态。计时器电路163的输 出信号馈送至逻辑部分12，用作将驱动器部分14中的开关装置锁定 在截止状态的过电流保护信号Se (仅当触发信号Sd已保持有效长达
屏蔽时间段T时才变得有效的信号)。
接下来，参照图2，对如上配置的电机驱动设备la如何执行恒定 电流斩断和过电流保护进行详细描述。
当流经驱动器部分14中的开关装置的电流il在第一阈值(在本 实施例中，1.1A)之下时，不等式"VrefKVthl,Vth2"成立，不等式 "Vref2<Vth3"成立(图2中(X))。因此，第一斩断信号Sa为低， 中断信号Sb为高，从而第二斩断信号Sc保持为低。触发信号Sd为 低，因此过电流保护信号Se保持为低。这里，因为第二斩断信号Sc 和过电流保护信号Se均为低，所以逻辑部分12识别出既不需要执行 恒定电流斩断也不需要执行过电流保护。由此，向驱动器部分14中的 开关装置馈送正常驱动信号(UH、 UL、 VH、 VL、 WH和WL)。
当电流il等于或高于第一阈值、但低于第二和第三阈值(在本实 施例中，均为4.8A)时，不等式"Vthl^VrefKVth2"成立，不等式 "Vref2<Vth3"成立(图2中(Y))。因此，第一斩断信号Sa开始成 为PWM驱动的，而中断信号Sb继续为高。因此，第一斩断信号Sa 不会被与电路154中断，而作为第二斩断信号Sc馈送至逻辑部分12。 这里，因为第二斩断信号Sc是PWM驱动的，所以逻辑部分12产生 针对各相下侧的预驱动信号(ul、 vl和wl)，以斩断晶体管N1到N3 的导通时间段。由此，将PWM驱动信号(UL、 VL和WL)馈送至 晶体管N1到N3，以便执行正常的恒定电流斩断。只要电流il在第三 阈值之下，则如上所述，不等式"Vref2<Vth3"，从而触发信号Sd和 过电流保护信号Se继续为低。因为过电流保护信号Se为低，所以逻 辑部分12识别出过电流保护是不必要的。
当电流il达到第二和第三阈值时，不等式"Vthl,Vth2SVrefl"成 立，不等式"Vth3SVref2"成立(图2中(Z))。因此，在第一斩断信 号Sa继续是PWM驱动的同时，中断信号Sb的逻辑电平从高变为低。 因此，第一斩断信号Sa被与电路154中断，此时将低电平信号作为第 二斩断信号Sc馈送至逻辑部分12。由此，强制终止恒定电流斩断， 从而向驱动器部分14中的开关装置馈送正常驱动信号(UH、UL、VH、 VL、 WH禾卩WL)。
当电流il达到第三阈值时，如上所述，不等式"Vth3SVref2"成 立，因此触发信号Sd变高。因此，计时器电路163受到有效(变为 高)的触发信号Sd的触发，开始计数；之后，当触发信号Sd已保持 有效的持续时间达到预定屏蔽时间段T时，过电流保护信号Se锁定 在有效(高电平)状态。这里，因为过电流保护信号Se处于有效状态， 所以逻辑部分12识别出过电流的发生，从而产生各相的预驱动信号 (uh、 ul、 vh、 vl、 wh禾Bwl)，以停止电机2的驱动。此时，馈送至 晶体管P1到P3的驱动信号(UH、 VH和WH)全部为高；馈送至晶 体管N1到N3的驱动信号(UL、 VL和WL)全部为低。因此，驱动 器部分14中的开关装置全部锁定在截止状态，以完全停止电机2的驱 动。
在本实施例的电机驱动设备la中，在流经驱动器部分14中的开 关装置的电流il达到第二和第三阈值之后直到开始过电流保护为止 的时间段中，即，在屏蔽时间段T中，过电流继续流入驱动器部分14 中的开关装置，而不执行恒定电流斩断。因此，应该适当设置屏蔽时 间段T的长度(大约为几百纳秒到几个微秒；在本实施例中，3微秒)， 使其足够长，以忽略不必要的噪声并由此避免错误的过电流检测，但 也要足够短，以防止开关装置受到屏蔽时间段T的计数期间流入的过 电流的损坏。
如上所述，本实施例的电机驱动设备la包括斩断信号产生装置 151和153，用于在流经驱动器部分14中的开关装置的电流il达到第 一阈值(由第一阈值电压Vthl设置的阈值)时，产生用于斩断开关装 置的导通时间段的第一斩断信号Sa;斩断信号中断装置152和154， 用于在流经开关装置的电流il达到比第一阈值大的第二阈值(由第二 阈值电压Vth2设置的阈值)时，中断第一斩断信号Sa;以及过电流 保护部分16，用于在流经开关装置的电流il达到比第一阈值大的第 三阈值(由第三阈值电压Vth3设置的阈值)、之后在等于预定屏蔽时 间段T的持续时间中保持等于第三阈值时，产生用于将开关装置锁定 在截止状态的过电流保护信号Se。
采用这种配置，在驱动器部分14中出现连续过电流的情况下，可
以强制终止恒定电流斩断。因此，防止了恒定电流斩断破坏过电流的
连续性，从而允许成功执行过电流保护部分16中的过电流检测以及过
电流保护。
因此，本实施例的电机驱动设备la与具有常规配置的设备相反， 它不允许恒定电流斩断在过电流条件下继续执行。因此，即使当使用 抗击穿性较低的晶体管作为驱动器部分14中的开关装置时，也可以有 效地防止其被击穿。
艮口，采用本实施例的电机驱动设备la，可以充分利用恒定电流斩 断和过电流保护功能，而无需考虑它们的相互干扰，从而改善了设备 的可靠性和安全性。
在本实施例的电机驱动设备la中，分别由第二和第三阈值电压 Vth2和Vth3设置的第二和第三陶值被设置为彼此相等。采用这种设 置，理想上，恒定电流斩断的终止和过电流检测的开始(即，屏蔽时 间段T的计数的开始)是同步触发的。这样，最小化了恒定电流斩断 和过电流保护功能彼此干扰的时间段，从而改善了设备的可靠性和安 全性。
本实施例的电机驱动设备la包括用于在分离系统中产生第一和 第二基准电压Vrefl和Vref2的装置，第一和第二基准电压Vrefl和 Vref2的电压电平根据流经驱动器部分14中的开关装置的电流il (或 其监视电流i2)而变化，从而当恒定电流斩断部分15 (斩断信号产生 装置和斩断信号中断装置)基于第一基准电压Vrefl产生及中断第一 斩断信号Sa时，过电流保护部分16基于第二基准电压Vref2产生过 电流保护信号Se。
采用这种配置，可以防止由于错误的过电流检测导致的误动作。 特别地，采用由设备内部的检测电阻器161产生由过电流保护部分16 作为基准的第二基准电压Vref2的配置，即使设备外部的检测电阻器 Rexl接触较差、短路或发生其他故障，并由此无法正确产生第一基准 电压Vrefl，过电流保护(在过电流发生的情况下，将开关装置锁定 在截止状态)也可以成功执行。这有助于改善设备的可靠性和安全性。
虽然上述实施例针对将本发明应用于对三相全波电机的驱动进行
控制的电机驱动设备的示例，但是本发明的应用不限于这种电机驱动
设备。本发明广泛应用于对任何其他类型的电机(例如DC电机和步
进电机)进行驱动的电机驱动设备和结合有这种电机驱动设备的电子 装置。
除了通过上述实施例具体描述的方式之外，在不背离本发明精神 的前提下，可以进行多种修改和改变。
例如，虽然上述实施例针对通过检测流经驱动器部分14的地线侧 的电流来实现恒定电流斩断和过电流保护功能的示例，但是本发明不 限于这种配置。可以通过检测流经驱动器部分14的电源线侧的电流来 实现这些功能。
图3是示出了作为本发明第二实施例的电机驱动设备的方框图 (部分作为电路图示出)。在第一实施例中也可找到的部分由共同的附 图标记标识，并不再重复对其的详细描述。
如图3所示，本实施例的电机驱动设备lb包括恒定电流斩断部 分17，其通过检测流经驱动器部分14的电源线侧的驱动电流i3，实 现恒定电流斩断功能；以及过电流保护部分18，其通过检测驱动电流 i3的监视电流i4，实现过电流保护功能。从外部与电机驱动设备lb 连接的是检测电阻器Rex2 (在本实施例中，具有大约0.25。的电阻)， 用于检测流经驱动器部分14的电源线侧的驱动电流i3。
驱动器部分14的晶体管P1到P3的源极共同与检测电阻器Rex2 的一端连接。检测电阻器Rex2的另一端与电源线连接。晶体管N1到 N3的源极共同与地线连接。晶体管Pl到P3的漏极与晶体管Nl到 N3的漏极逐相连接。它们的节点与电机2的各相线圈的一端连接。根 据馈送至其各自栅极的驱动信号(UH、 UL、 VH、 VL、 WH和WL)， 使以H桥配置连接的功率晶体管导通和截止，从而驱动电机2。这里， 电流i3流经检测晶体管Rex2，以在其一端产生电压电平随电流i3变 化的第三基准电压Vref3。
在本实施例的电机驱动设备lb中，在正常操作期间，1到3A的 电流i3流经检测电阻器Rex2，因此，第三基准电压Vref3的电压电平 通常在大约(Vcc-0.25)与(Vcc-0.75) V之间变化。
恒定电流斩断部分17包括比较器171和172、斩断信号产生电路 173和与电路174。
比较器171根据施加至其反相输入端子(-)上的第三基准电压 Vrefi和施加至其非反相输入端子(+ )上的第四阈值电压Vth4中哪 个较高，移动其输出逻辑电平。具体地，当第三基准电压Vref3高于 第四阈值电压Vth4时，比较器171输出低电平信号；当第三基准电压 Vref3低于第四阈值电压Vth4时，比较器171输出高电平信号。比较 器171的输出信号用作指示斩断信号产生电路173是否进行操作(即， 指示其是否执行恒定电流斩断)的信号。因此，考虑到第三基准电压 Vref3的正常电压范围((Vcc-0.25)到(Vcc-0.75) V)，适当设置第 四阈值电压Vth4。在本实施例中，第四阈值电压Vth4设置为 (Vcc-0.275) V (与流经驱动器部分14中的开关装置的电流i3的第 一阈值给定为的情况相对应)。
斩断信号产生电路173用作在比较器171的输出逻辑电平为高时 产生用于斩断晶体管Pl到P3的导通时间段的第一斩断信号(PWM 或脉冲宽度调制信号)Sa的装置。
比较器172根据施加至其非反相输入端子(+ )上的第三基准电 压Vref3和施加至其反相输入端子(-)上的第五阈值电压Vth5中哪 个较高，移动其输出逻辑电平。具体地，当第三基准电压Vref3高于 第五阈值电压Vth5时，比较器172输出高电平信号；当第三基准电压 Vref3低于第五阚值电压Vth5时，比较器172输出低电平信号。比较 器172的输出信号用作对使第一斩断信号Sa有效还是无效进行确定的 使能信号Sb。因此，将第五阈值电压Vth5适当设置为落在第三基准 电压Vref3的正常电压范围之外(即，落入如下电压范围存在发生 过电流的危险，从而应该停止恒定电流斩断，以不妨碍过电流保护部 分18的操作)。在本实施例中，第五阈值电压Vth5设置为(Vcc-1.2) V (与流经驱动器部分14中的开关装置的电流i3的第二阈值给定为 4.8A的情况相对应)。
与电路174用作对第一斩断信号Sa和中断信号Sb执行与运算以 将其输出信号作为第二斩断信号Sc馈送至逻辑部分12的装置。具体
地，当第三基准电压Vref3高于第五阈值电压Vth5时，与电路174原 样不变地输出第一斩断信号Sa;当第三基准电压Vref3低于第五阈值 电压Vth5时，与电路174输出低电平信号，而不管第一斩断信号Sa 的电平如何。
过电流保护部分18包括P沟道场效应晶体管P4到P6、检测电阻 器18K比较器182和计时器电路183。
晶体管P4到P6是与晶体管Pl到P3同步地受控的开关装置。晶 体管P4到P6的漏极和栅极分别与晶体管P1到P3的漏极和栅极连接。 晶体管P4到P6的源极共同与检测电阻器181的一端连接。检测电阻 器181的另一端与电源线连接。因此，在晶体管P4到P6的导通期间， 与电流i3行为相似的监视电流i4流经检测电阻器181。晶体管P4到 P6的每个栅极的面积设置为晶体管P1到P3的每个栅极面积的1/n(在 本实施例中，1/1000)，因此监视电流i4是电流i3的1/n。
检测电阻器181是电阻性元件(在本实施例中，具有大约10Q的 电阻)，监视电流i4流经其中。在检测电阻器181的一端，产生其电 压电平根据监视电流i4而变化的第四基准电压Vref4。在本实施例的 电机驱动设备lb中，在正常操作期间，0.001到0.003A的监视电流 i4 (电流i3的1/1000)流经检测电阻器181，因此第四基准电压Vref4 的电压电平通常在大约(Vcc-0.01)与(Vcc-0.03) V之间变化。
比较器182根据施加至其反相输入端子(-)上的第四基准电压 Vref4和施加至其非反相输入端子(+ )上的第六阈值电压Vth6中哪 个较高，移动其输出逻辑电平。具体地，当第四基准电压Vref4高于 第六阈值电压Vth6时，比较器182输出低电平信号；当第四基准电压 Vref4低于第六阈值电压Vth6时，比较器182输出高电平信号。比较 器182的输出信号用作指示计时器电路183开始计数(即，指示连续 过电流的开始点)的触发信号Sd。因此，将第六阈值电压Vth6适当 设置为落在第四基准电压Vref4的正常电压范围之外(即，落入应该 执行过电流保护的电压范围)。在本实施例中，第六阈值电压Vth6设 置为(Vcc-0.048) V (与流经驱动器部分14中的开关装置的电流i3 的第三阈值给定为4.8A的情况相对应)。
计时器电路183 (用作使能限制装置)在受到有效(变为高)的
触发信号Sd的触发时，开始对预定屏蔽时间段T计数；之后，当触
发信号Sd保持有效的持续时间达到屏蔽时间段T时，计时器电路183 将其输出逻辑电平锁定在有效(高电平)状态。计时器电路183的输 出信号馈送至逻辑部分12,用作将驱动器部分14中的开关装置锁定 在截止状态的过电流保护信号Se (仅当触发信号Sd已保持有效长达 屏蔽时间段T时才变得有效的信号)。
接下来，参照图4，对如上配置的电机驱动设备lb如何执行恒定 电流斩断和过电流保护进行详细描述。
当流经驱动器部分14中的开关装置的电流i3在第一阈值(在本 实施例中，1.1A)之下时，不等式"Vth4， Vth5<Vref3"成立，不等式 "Vth6<Vref4"成立(图4中(X))。因此，第一斩断信号Sa为低， 中断信号Sb为高，从而第二斩断信号Sc保持为低。触发信号Sd为 低，因此过电流保护信号Se保持为低。这里，因为第二斩断信号Sc 和过电流保护信号Se均为低，所以逻辑部分12识别出既不需要执行 恒定电流斩断也不需要执行过电流保护。由此，向驱动器部分14中的 开关装置馈送正常驱动信号(UH、 UL、 VH、 VL、 WH和WL)。
当电流i3等于或高于第一阈值、但低于第二和第三阈值(在本实 施例中，均为4.8A)时，不等式"Vth5<Vref3<Vth4"成立，不等式 "Vth6<Vref4"成立(图4中(Y))。因此，第一斩断信号Sa开始成 为PWM驱动的，而中断信号Sb继续为高。因此，第一斩断信号Sa 不会被与电路174中断，而作为第二斩断信号Sc馈送至逻辑部分12。 这里，因为第二斩断信号Sc是PWM驱动的，所以逻辑部分12产生 针对各相高侧的预驱动信号(uh、 vh和wh)，以斩断晶体管P1到P3 的导通时间段。由此，将PWM驱动信号(UH、 VH禾[]WH)馈送至 晶体管P1到P3，以便执行正常的恒定电流斩断。只要电流i3在第三 阈值之下，则如上所述，不等式"Vth6<Vref4"，从而触发信号Sd和 过电流保护信号Se继续为低。因为过电流保护信号Se为低，所以逻 辑部分12识别出过电流保护是不必要的。
当电流i3达到第二和第三阈值时，不等式"Vref3《Vth4, Vth5"
成立，不等式"Vref4《Vth6"成立(图4中(Z))。因此，在第一斩断 信号Sa继续是PWM驱动的同时，中断信号Sb的逻辑电平从高变为 低。因此，第一斩断信号Sa被与电路174中断，此时将低电平信号作 为第二斩断信号Sc馈送至逻辑部分12。由此，强制终止恒定电流斩 断，从而向驱动器部分14中的开关装置馈送正常驱动信号(UH、 UL、 VH、 VL、 WH和WL)。
当电流i3达到第三阈值时，如上所述，不等式"Vref4SVth6"成 立，因此触发信号Sd变高。因此，计时器电路183受到有效(变为 高)的触发信号Sd的触发，开始计数；之后，当触发信号Sd己保持 有效的持续时间达到预定屏蔽时间段T时，过电流保护信号Se锁定 在有效(高电平)状态。这里，因为过电流保护信号Se处于有效状态， 所以逻辑部分12识别出过电流的发生，从而产生各相的预驱动信号 (uh、 ul、 vh、 vl、 wh和wl)，以停止电机2的驱动。此时，馈送至 晶体管P1到P3的驱动信号(UH、 VH和WH)全部为高；馈送至晶 体管N1到N3的驱动信号(UL、 VL和WL)全部为低。因此，驱动 器部分14中的开关装置全部锁定在截止状态，以完全停止电机2的驱 动。
在本实施例的电机驱动设备lb中，在流经驱动器部分14中的开 关装置的电流i3达到第二和第三阈值之后直到开始过电流保护为止 的时间段中，即，在屏蔽时间段T中，过电流继续流入驱动器部分14 中的开关装置，而不执行恒定电流斩断。因此，应该适当设置屏蔽时 间段T的长度(大约为几百纳秒到几个微秒；在本实施例中，3微秒)， 使其足够长，以忽略不必要的噪声并由此避免错误的过电流检测，但 也要足够短，以防止幵关装置受到屏蔽时间段T的计数期间流入的过 电流的损坏。
如上所述，本实施例的电机驱动设备lb包括斩断信号产生装置 171和173，用于在流经驱动器部分14中的开关装置的电流i3达到第 一阈值(由第四阈值电压Vth4设置的阈值)时，产生用于斩断开关装 置的导通时间段的第一斩断信号Sa;斩断信号中断装置172和174， 用于在流经开关装置的电流i3达到比第一阈值大的第二阈值(由第五
阈值电压Vth5设置的阈值)时，中断第一斩断信号Sa;以及过电流 保护部分18，用于在流经开关装置的电流i3达到比第一阈值大的第 三阈值(由第六阈值电压Vth6设置的阈值)、之后在等于预定屏蔽时 间段T的持续时间中保持等于第三阈值时，产生用于将开关装置锁定 在截止状态的过电流保护信号Se。
采用这种配置，在驱动器部分14中出现连续过电流的情况下，可 以强制终止恒定电流斩断。因此，防止了恒定电流斩断破坏过电流的 连续性，从而允许成功执行过电流保护部分18中的过电流检测以及过 电流保护。
因此，本实施例的电机驱动设备lb与具有常规配置的设备相反， 它不允许恒定电流斩断在过电流条件下继续执行。因此，即使当使用 抗击穿性较低的晶体管作为驱动器部分14中的开关装置时，也可以有 效地防止其被击穿。
艮P，采用本实施例的电机驱动设备lb，可以充分利用恒定电流斩 断和过电流保护功能，而无需考虑它们的相互干扰，从而改善了设备 的可靠性和安全性。
在本实施例的电机驱动设备lb中，分别由第五和第六阈值电压 Vth5和Vth6设置的第二和第三阈值被设置为彼此相等。采用这种设 置，理想上，恒定电流斩断的终止和过电流检测的开始(即，屏蔽时 间段T的计数的开始)是同步触发的。这样，最小化了恒定电流斩断 和过电流保护功能彼此干扰的时间段，从而改善了设备的可靠性和安 全性。
本实施例的电机驱动设备lb包括用于在分离系统中产生第三和 第四基准电压Vref3和Vref4的装置，第三和第四基准电压Vref3和 Vref4的电压电平根据流经驱动器部分14中的开关装置的电流i3 (或 其监视电流i4)而变化，从而当恒定电流斩断部分17 (斩断信号产生 装置和斩断信号中断装置)基于第三基准电压Vref3产生及中断第一 斩断信号Sa时，过电流保护部分18基于第四基准电压Vref4产生过 电流保护信号Se。
采用这种配置，可以防止由于错误的过电流检测导致的误动作。特别地，采用由设备内部的检测电阻器181产生由过电流保护部分18 作为基准的第四基准电压Vref4的配置，即使设备外部的检测电阻器 Rex2接触较差、短路或发生其他故障，并由此无法正确产生第三基准 电压Vref3，过电流保护(在过电流发生的情况下，将开关装置锁定 在截止状态)也可以成功执行。这有助于改善设备的可靠性和安全性。
虽然上述第一实施例针对由比较第一基准电压Vrefl与第二阈值 电压Vth2的比较器152控制是否中断第一斩断信号Sa的示例，本发 明不限于该配置。可以由过电流保护部分16基于过电流检测的结果 (触发信号Sd)来实现中断斩断信号的功能。
图6是示出了作为本发明第三实施例的电机驱动设备的方框图 (部分作为电路图示出)。在第一实施例中也可找到的部分由共同的附 图标记标识，并不再重复对其的详细描述。
在本实施例的电机驱动设备lc中，恒定电流斩断部分15包括用 于反转来自过电流保护部分16的触发信号Sd的反相器155，以取代 上述的比较器152，因此，反相器155用作用于产生馈送至与电路154 的中断信号Sd的装置。
具体地，当第二基准电压Vref2高于第三阈值电压Vth3，并且由 此来自过电流保护部分16的触发信号Sd为高时，反相器155输出低 电平，作为中断信号Sb;相反，当第二基准电压Vref2低于第三阈值 电压Vth3，并且由此来自过电流保护部分16的触发信号Sd为低时， 反相器155输出高电平，作为中断信号Sb。
与电路154用作对第一斩断信号Sa和中断信号Sb执行与运算以 将其输出信号作为第二斩断信号Sc馈送至逻辑部分12的装置。具体 地，当第二基准电压Vref2低于第三阈值电压Vth3时，与电路154原 样不变地输出第一斩断信号Sa;当第二基准电压Vref2高于第三阈值 电压Vth3时，与电路154输出低电平信号，而不管第一斩断信号Sa 的电平如何。
接下来，参照图7，对如上配置的电机驱动设备lc如何执行恒定 电流斩断和过电流保护进行详细描述。
当流经驱动器部分14中的开关装置的电流il在第一阈值(在本实施例中，UA)之下时，不等式"VrefKVthl"成立，不等式 "Vref2<Vth3"成立(图7中(X))。因此，第一斩断信号Sa和触发 信号Sd均为低，中断信号Sb为高。因此第二斩断信号Sc和过电流 保护信号Se均保持为低。这里，因为第二斩断信号Sc和过电流保护 信号Se均为低，所以逻辑部分12识别出既不需要执行恒定电流斩断 也不需要执行过电流保护。由此，向驱动器部分14中的开关装置馈送 正常驱动信号(UH、 UL、 VH、 VL、 WH和WL)。
当电流il等于或高于第一阈值、但低于第三阈值(在本实施例中， 均为4.8A)时，不等式"VthBVrefl"成立，不等式"Vref2<Vth3" 成立(图7中(Y))。因此，第一斩断信号Sa开始成为PWM驱动的， 而中断信号Sb继续为高。因此，第一斩断信号Sa不会被与电路154 中断，而作为第二斩断信号Sc馈送至逻辑部分12。这里，因为第二 斩断信号Sc是PWM驱动的，所以逻辑部分12产生针对各相下侧的 预驱动信号(ul、 vl和wl)，以斩断晶体管N1到N3的导通时间段。 由此，将PWM驱动信号(UL、 VL和WL)馈送至晶体管N1到N3，
以便执行正常的恒定电流斩断。只要电流n在第三阈值之下，则如上 所述，不等式"Vref2<Vth3"成立，从而触发信号Sd和过电流保护信 号Se继续为低。因为过电流保护信号Se为低，所以逻辑部分12识别 出过电流保护是不必要的。
当电流il达到第三阈值时，不等式"Vthl^Vrefl"成立，不等式 "Vth3^Vref2"成立(图7中(Z))。因此，当第一斩断信号Sa继续 是PWM驱动的时，由于触发信号Sd变高，导致中断信号Sb的逻辑 电平从高变为低。因此，第一斩断信号Sa被与电路154中断，此时将 低电平信号作为第二斩断信号Sc馈送至逻辑部分12。由此，强制终 止恒定电流斩断，从而向驱动器部分14中的开关装置馈送正常驱动信 号(UH、 UL、 VH、 VL、 WH和WL)。
当电流il达到第三阈值时，如上所述，不等式"Vth3SVref2"成 立，因此触发信号Sd变高。因此，计时器电路163受到有效(变为 高)的触发信号Sd的触发，开始计数；之后，当触发信号Sd已保持 有效的持续时间达到预定屏蔽时间段T时，过电流保护信号Se锁定
在有效(高电平)状态。这里，因为过电流保护信号Se处于有效状态， 所以逻辑部分12识别出过电流的发生，从而产生各相的预驱动信号 (uh、 ul、 vh、 vl、 wh和wl)，以停止电机2的驱动。此时，馈送至 晶体管P1到P3的驱动信号(UH、 VH和WH)全部为高；馈送至晶 体管N1到N3的驱动信号(UL、 VL禾QWL)全部为低。因此，驱动 器部分14中的开关装置全部锁定在截止状态，以完全停止电机2的驱 动。
在本实施例的电机驱动设备lc中，在流经驱动器部分14中的开 关装置的电流il达到第三阈值之后直到开始过电流保护为止的时间 段中，即，在屏蔽时间段T中，过电流继续流入驱动器部分14中的 开关装置，而不执行恒定电流斩断。因此，应该适当设置屏蔽时间段 T的长度(大约为几百纳秒到几个微秒；在本实施例中，3微秒)，使 其足够长，以忽略不必要的噪声并由此避免错误的过电流检测，但也 要足够短，以防止开关装置受到屏蔽时间段T的计数期间流入的过电 流的损坏。
如上所述，本实施例的电机驱动设备lc包括斩断信号产生装置 151和153，用于在流经驱动器部分14中的开关装置的电流il达到第 一阈值(由第一阈值电压Vthl设置的阈值)时，产生用于斩断开关装 置的导通时间段的第一斩断信号Sa;过电流保护部分16，用于在流经 开关装置的电流il达到比第一阈值大的第三阈值(由第三阈值电压 Vth3设置的阈值)、之后在等于预定屏蔽时间段T的持续时间中保持 等于第三阈值时，产生用于将开关装置锁定在截止状态的过电流保护 信号Se;以及斩断信号中断装置154和155，用于在过电流保护部分 16检测到流经开关装置的电流已达到比第一阈值大的第三阈值时(在 第三实施例中，当触发信号Sd变为高时)，中断第一斩断信号Sa。
采用这种配置，可以在不使用比较器152的情况下实现与第一实 施例中相同的效果。这有助于减小设备的尺寸和降低成本。
本实施例的电机驱动设备lc包括用于在分离系统中产生第一和 第二基准电压Vrefl和Vref2的装置，第一和第二基准电压Vrefl和 Vref2的电压电平根据流经驱动器部分14中的开关装置的电流il (或
其监视电流i2)而变化，从而当恒定电流斩断部分15中的斩断信号 产生装置151和153基于第一基准电压Vrefl产生第一斩断信号Sa时， 过电流保护部分16和恒定电流斩断部分15中的斩断信号中断装置 154和155基于第二基准电压Vref2，分别产生和中断过电流保护信号 Se和第一斩断信号Sa。
采用这种配置，可以防止由于错误的过电流检测导致的误动作。 特别地，釆用由设备内部的检测电阻器161产生由过电流保护部分16 作为基准的第二基准电压Vref2的配置，即使设备外部的检测电阻器 Rexl接触较差、短路或发生其他故障，并由此无法正确产生第一基准 电压Vrefl，过电流保护(在过电流发生的情况下，将开关装置锁定 在截止状态)也可以成功执行。这有助于改善设备的可靠性和安全性。
在上述第一到第三实施例的电机驱动设备la到lc中，可以使用 N沟道场效应晶体管作为驱动器部分14的功率晶体管Pl到P3。
可以分别如图5 (a)和5 (b)所示地配置过电流保护部分16和 18。具体地，可以将检测电阻器161和181两端的电压分别施加到各 自具有几十毫伏的偏置电压(与前述第三阈值Vth3相对应)的比较器 162和182上，从而分别根据比较器162和182的输出逻辑电平使计 时器电路163和183开启和关闭。
工业应用性
本发明提供了一种改善电机驱动设备和结合有该电机驱动设备的 电气装置的可靠性和安全性的有用技术，并适合各种执行恒定电流斩 断的电机驱动设备，例如DC电机、步进电机和三相无刷电机。
权利要求
1.一种电机驱动设备，用于使输出级开关装置导通和切断以控制电机的驱动，所述电机驱动设备包括斩断信号产生装置，用于在流经所述开关装置的电流达到第一阈值时，产生用于斩断所述开关装置的导通时间段的斩断信号；斩断信号中断装置，用于在流经所述开关装置的电流达到比第一阈值大的第二阈值时，中断所述斩断信号；以及过电流保护装置，用于在流经所述开关装置的电流达到比第一阈值大的第三阈值、之后在与预定阈值时间段相等的持续时间上保持等于第三阈值时，产生用于将所述开关装置锁定在切断状态的过电流保护信号。
2. 如权利要求1所述的电机驱动设备， 其中，第二阈值等于第三阈值。
3. 如权利要求l所述的电机驱动设备，还包括用于在分离的系统中产生第一和第二基准电压的装置，所述第一 和第二基准电压的电压电平根据流经所述开关装置的电流而变化，其中斩断信号产生装置和斩断信号中断装置基于第一基准电压分 别产生和中断所述斩断信号，过电流保护装置基于第二基准电压产生 所述过电流保护信号。
4. 一种电机驱动设备，用于使输出级开关装置导通和切断以控制 电机的驱动，所述电机驱动设备包括斩断信号产生装置，用于在流经所述开关装置的电流达到第一阈 值时，产生用于斩断所述开关装置的导通时间段的斩断信号；过电流保护装置，用于在流经所述开关装置的电流达到比第一阈 值大的第二阈值、之后在与预定阈值时间段相等的持续时间上保持等 于第二阈值时，产生用于将所述开关装置锁定在切断状态的过电流保护信号；以及 斩断信号中断装置，用于在过电流保护装置检测到流经所述开关 装置的电流已达到比第一阈值大的第二阈值时，中断所述斩断信号。
5. 如权利要求4所述的电机驱动设备，还包括 用于在分离的系统中产生第一和第二基准电压的装置，所述第一和第二基准电压的电压电平根据流经所述开关装置的电流而变化，其中斩断信号产生装置基于第一基准电压产生所述斩断信号，过 电流保护装置和斩断信号中断装置基于第二基准电压分别产生所述过 电流保护信号和中断所述斩断信号。
6. —种电气装置，包括 电机；以及电机驱动设备，用于控制所述电机的驱动，其中所述电气装置包括权利要求1到5之一所述的电机驱动设备， 作为所述电机驱动设备。
全文摘要
一种电机驱动设备(1a)包括斩断信号产生装置(151，153)，用于在驱动器(14)的驱动电流已达到第一阈值时，产生斩断信号Sa；斩断信号中断装置(152，154)，用于在驱动电流已达到比第一阈值大的第二阈值时，中断斩断信号Sa；以及过电流保护装置(16)，用于在驱动电流已达到比第一阈值大的第三阈值且其持续时间已达到预定阈值时间时，产生过电流保护信号Se。因此，可以同时获得恒定电流斩断功能和过电流保护功能，并改善其可靠性和安全性。
文档编号H02P6/12GK101189788SQ20068001990
公开日2008年5月28日 申请日期2006年7月11日 优先权日2005年7月12日
发明者柳岛大辉 申请人:罗姆股份有限公司