使用电压升压以用于反转与制动的有刷电动机控制的制作方法

文档序号:7422618
专利名称:使用电压升压以用于反转与制动的有刷电动机控制的制作方法
技术领域
本发明涉及电动机速度控制,且更特定来说涉及使用电压升压以反转并制动电动 机的高效电动机速度控制。
背景技术
一种典型的双向电动机速度控制依赖于一种叫做H-桥的切换装置布置。所述H-桥布置允许沿两个方向中的一个方向引接通过电动机的电流,从而准许电动机的正向 或反向旋转。在所述H-桥布置中,电动机中的电流总是流过两个切换装置。每一切换 装置均导致效率的损失。典型的有刷电动机速度控制使用固态H-桥来反转跨越电动机 的电压。此H-桥还可用于电动机制动。遗憾的是,所述H-桥致使两个切换装置与电 动机串联,这样可减小操作电压、增加功率耗散且降低效率。在许多应用中,电动机 的反向旋转不需要具有与电动机的正向旋转相同的性能。 一个实例是电车。在这些情 况下,要提供最大效率,正向旋转比辅助的反向旋转重要得多。
参照图1,图中描绘用于沿正向及反向方向控制电动机的现有技术H-桥的示意性 方块图。用于控制通过电动机102的电流方向(即,用于切换电动机102端子处的电 压极性)的切换配置包括布置为H-桥配置的功率晶体管102、 104、 106及108。功率 晶体管104及110适于将电动机102耦合到电压源112 (VbuS),且功率晶体管106 及108适于将电动机102耦合到电压源112的回路(接地或共用)114,例如电池(参 见图7),此取决于电动机102的所需旋转方向。可分别由栅极输入124、 126、 128 及130处的控制信号以接通与关断的方式控制功率晶体管102、 104、 106及108。
参照图2,图中描绘图1的针对电动机的正向方向而配置的H-桥的示意性方块图。 当电动机102需要沿正向方向(例如,在本文中出于图解说明的目的任意地选择)旋 转时,分别由控制信号130及126接通功率晶体管110及106,且分别由控制信号124 及128关断功率晶体管104及108。此经切换配置将允许电流沿方向250 (同样由所述 示意图的粗实线指示)流过电动机102。
参照图3,图中描绘图1的针对电动机的反向方向而配置的H-桥的示意性方块图。 当电动机102需要沿反向方向(例如,在本文中出于图解说明的目的任意地选择)旋 转时,分别由控制信号124及128接通功率晶体管104及108,且分别由控制信号130 及126关断功率晶体管110及106。此经切换配置将允许电流沿与图2中所示的电流 流动方向250相反的方向350 (同样由所述示意图的粗实线指示)流过电动机102。通过将电流切换到方向250或方向350任一者(即,反转耦合到电压源112与电 压源回路114的电动机102端子),可使电动机102旋转反转。然而,总是有两个功 率晶体管处于电流路径中,从而通过这两个功率晶体管产生功率损耗。

发明内容
因此,需要一种对从直流(DC)功率进行操作的有刷电动机的更有效且具成本 效益的正向旋转控制。根据本发明教示,有可能构造电动机控制器使得电动机沿主要 旋转方向(例如正向旋转)被操作时仅有一个切换装置与电动机串联。可用升压电源 及串联连接的二极管与功率晶体管却以低于主要(正向)功率控制配置的效率来执行 次要(例如反向)旋转。因此,可在沿主要旋转方向(正向旋转)运行电动机时实现 有刷电动机控制的最佳效率及性能,但仍允许有刷电动机的反向及制动操作。
根据本发明的特定实例性实施例,用于控制有刷电动机的旋转方向及速度的设备 可包括有刷电动机,其具有连接到电压源的第一功率端子;第一功率晶体管,其耦 合在电压源回路与所述有刷电动机的第二功率端子之间;电压升压电感器;第二功率 晶体管;第三功率晶体管;功率二极管;其中所述电压升压电感器的一端耦合到所述 电压源,所述电压升压电感器的另一端耦合到第三功率晶体管及功率二极管,所述第 三功率晶体管耦合在电压源回路与电压升压电感器之间,且所述第二功率晶体管耦合 在功率二极管与所述电动机的第二功率端子之间;借此当第一功率晶体管接通且第二 功率晶体管关断时,所述有刷电动机沿第一方向旋转,当第二功率晶体管接通且第一 晶体管关断时,所述有刷电动机沿第二方向旋转,且当第三功率晶体管接通时,电流 经过电压升压电感器从电压源流到电压源回路。
根据本发明另一特定实例性实施例,用于控制有刷电动机的旋转方向及速度的方 法可包括以下步骤提供具有连接到电压源的第一功率端子的有刷电动机;提供耦合 在电压源回路与所述有刷电动机的第二功率端子之间的第一功率晶体管;提供耦合到 所述电压源的电压升压电感器;提供耦合到所述有刷电动机及所述第一功率晶体管的 第二功率晶体管;提供耦合在所述电压升压电感器与所述电压源回路之间的第三功率
晶体管;提供耦合在所述电压升压电感器与所述第二功率晶体管之间的功率二极管; 通过接通第一功率晶体管并关断第二功率晶体管沿第一旋转方向旋转有刷电动机;通 过接通与关断第三功率晶体管产生在极性上与电压源相反的第二旋转方向电压;及通 过关断第一功率晶体管沿第二旋转方向旋转有刷电动机且通过接通第二功率晶体管将 所述第二旋转方向电压施加到有刷电动机。


通过结合附图参照下文说明可获得对本发明的更全面理解,附图中
图1是用于沿正向及反向方向控制电动机的现有技术H-桥的示意性方块图;图2是图1的针对电动机的正向方向而配置的H-桥的示意性方块图; 图3是图1的针对电动机的反向方向而配置的H-桥的示意性方块图; 图4是根据本发明特定实例性实施例具有有效的正向方向且具有反向方向及制动
能力的电动机控制器的示意性方块图5是图4的根据本发明特定实例性实施例针对有效的正向方向而配置的电动机
控制器的示意性方块图6是图4的根据本发明特定实例性实施例针对反向方向而配置的电动机控制器
的示意性方块图;且
图7是根据本发明特定实例性实施例用于控制图4的电动机控制器的数字装置的
示意性方块图。
尽管本发明易于做出各种修改及替代形式,但在图式中已显示并在本文中详细说 明了其特定实例性实施例。然而,应了解,本文对特定实例性实施例的说明并不希望 将本发明限定于本文中所揭示的特定形式,而是相反,本发明打算涵盖所附权利要求 书所界定的所有修改及等效形式。
具体实施例方式
现在参照图式,其示意性地图解说明特定实例性实施例的细节。图式中的相同的 元件将由相同的编号来表示,且相似的元件将由带有不同小写字母后缀的相同编号来表示。
参照图4,图中描绘根据本发明特定实例性实施例具有有效的正向方向控制且具 有反向方向及制动控制能力的电动机控制器的示意性方块图。通常由数字400表示的 电动机控制器可包括功率晶体管408、功率晶体管406及升压电源440。升压电源440 可包括升压电感器412、功率二极管410及功率晶体管404。功率晶体管408是耦合电 压源112的回路(接地或共用)114的电动机102的低侧功率开关。功率晶体管404 可由栅极输输入428处的控制信号以接通与关断的方式控制。电动机102总是连接到 电压源112,从而由于电动机102的功率端子与电压源112之间没有切换装置而减少 了功率损耗。当功率晶体管404接通时电感器412可被充电,因此当功率晶体管404 关断且功率晶体管406接通时,电感器412周围的崩溃磁场将致使电流沿与功率晶体 管408接通时电动机电流流动方向相反的方向流过电动机102的功率端子。功率晶体 管404及408可分别由栅极输入424及428处的控制信号以接通与关断的方式控制。 预期且在本发明范围内,功率晶体管可以是任何类型的可控制直流功率开关,例如功 率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)等等。
参照图5,图中描绘图4的根据本发明特定实例性实施例针对有效的正向方向控 制而配置的电动机控制器的示意性方块图。当功率晶体管408接通时,电动机102将 沿正向方向旋转,且电流沿箭头550所指示的方向(同样由所述示意图的粗实线指示)流动。此产生电动机控制器400的最有效操作(最小损耗),因为在电压源112与电 压回路114之间仅有一个切换功率晶体管408与电动机串联。功率晶体管406在电动 机102的正向旋转期间保持关断,从而将电压升压电源440从电动机102有效地去耦。
参照图6,图中描绘图4的根据本发明特定实例性实施例针对反向方向控制而配 置的电动机控制器的示意性方块图。当功率晶体管404接通时,电流从电压源112通 过电感器412及功率晶体管404流到电压回路114。此电流在电感器412周围产生磁 场。当功率晶体管404关断且功率晶体管406接通时,电感器412周围的磁场将崩溃, 从而产生通过电感器412、 二极管410、功率晶体管406及电动机102的相反方向的电 流,由箭头650指示(同样由所述示意图的粗实线指示)。此将致使电动机反转旋转 方向且/或从其正向旋转方向制动。可分别用来自数字装置(参见图7)施加到栅极输 入428、 426及424的脉冲宽度调制(PWM)信号来控制功率晶体管408、 406及404 以用于控制旋转速度及方向两者。电动机102的反向旋转速度及/或从正向旋转方向的 制动可由从升压电源440产生的电压来控制。可用来自数字装置(参见图7)的PWM 信号来控制此升压电压。升压电源440可以是切换电源电路设计领域的技术人员众所 周知的任何标准设计电压升压电源。
参照图7,图中描绘根据本发明特定实例性实施例用于控制图4的电动机控制器 的数字装置的示意性方块图。可使用数字装置702 (例如微处理器、微控制器、数字 信号处理器(DSP)、可编程逻辑阵列(PLA)、专用集成电路(ASIC)等)来控制 电动机控制器400及/或升压电源440。输出724、 726及728可分别耦合到栅极输入 424、 426及428。数字装置702可使用输出724、 726及/或728中的任一输出或全部 输出上的PWM信号。
虽然已参照本发明的实例性实施例描绘、描述并界定了本发明各实施例,但此类 参照并不暗示对本发明的限定,且不应推断出存在此种限定。能够在形式及功能上对 所揭示的标的物做出大量的修改、变更及等效形式,受益于本发明的所属领域的技术 人员将会想出这些修改、变更及等效形式。所描绘及所描述的本发明各实施例仅作为 实例,且并不是对本发明范围的穷举性说明。
权利要求
1、一种用于控制有刷电动机的旋转方向及速度的设备,其包括有刷电动机,其具有连接到电压源的第一功率端子;第一功率晶体管,其耦合在电压源回路与所述有刷电动机的第二功率端子之间;电压升压电感器;第二功率晶体管;第三功率晶体管;及功率二极管;其中所述电压升压电感器的一端耦合到所述电压源,所述电压升压电感器的另一端耦合到所述第三功率晶体管及所述功率二极管,所述第三功率晶体管耦合在所述电压源回路与所述电压升压电感器之间,且所述第二功率晶体管耦合在所述功率二极管与所述电动机的所述第二功率端子之间;借此当所述第一功率晶体管接通且所述第二功率晶体管关断时,所述有刷电动机沿第一方向旋转,当所述第二晶体管接通且所述第一晶体管关断时,所述有刷电动机沿第二方向旋转,且当所述第三功率晶体管接通时,电流经过所述电压升压电感器从所述电压源流到所述电压源回路。
2、 如权利要求1所述的设备,其中当所述第三功率晶体管接通时,所述电压升 压电感器产生磁场,使得当所述第三功率晶体管关断且所述第二功率晶体管接通时, 所述电压升压电感器产生跨越所述电动机的所述第一及第二功率端子的第二旋转方向 电压以致使所述电动机沿所述第二方向旋转。
3、 如权利要求1所述的设备,其中第一旋转速度由控制所述第一功率晶体管何 时接通与关断的脉冲宽度调制信号来确定。
4、 如权利要求1所述的设备,其中第二旋转速度由控制所述第二及第三功率晶 体管何时接通与关断的脉冲宽度调制信号来确定。
5、 如权利要求4所述的设备,其中所述第三功率晶体管经接通与关断以产生跨 越所述有刷电动机的所述第一及第二功率端子的第二旋转电压。
6、 如权利要求5所述的设备,其中所述第二旋转电压用于制动所述有刷电动机。
7、 如权利要求1所述的设备,其中所述第一、第二及第三功率晶体管是功率金 属氧化物半导体场效应晶体管。
8、 如权利要求1所述的设备,其进一步包括耦合到所述第一、第二及第三功率 晶体管并控制所述第一、第二及第三功率晶体管的接通与关断操作的数字装置。
9、 如权利要求8所述的设备,其中所述数字装置选自由微处理器、微控制器、 数字信号处理器(DSP)、可编程逻辑阵列(PLA)及专用集成电路(ASIC)组成的 群组。
10、 一种用于控制有刷电动机的旋转方向及速度的方法,所述方法包括以下步骤 提供具有连接到电压源的第一功率端子的有刷电动机;提供耦合在电压源回路与所述有刷电动机的第二功率端子之间的第一功率晶体管;提供耦合到所述电压源的电压升压电感器;提供耦合到所述有刷电动机及所述第一功率晶体管的第二功率晶体管; 提供耦合在所述电压升压电感器与所述电压源回路之间的第三功率晶体管; 提供耦合在所述电压升压电感器与所述第二功率晶体管之间的功率二极管; 通过接通所述第一功率晶体管并关断所述第二功率晶体管而沿第一旋转方向旋 转所述有刷电动机;通过接通与关断所述第三功率晶体管而产生在极性上与所述电压源相反的第二 旋转方向电压;及通过关断所述第一功率晶体管而沿第二旋转方向旋转所述有刷电动机并通过接 通所述第二功率晶体管而将所述第二旋转方向电压施加到所述有刷电动机。
11、 如权利要求IO所述的方法,其中所述产生所述第二旋转方向电压的步骤包 括通过使电流流过所述电压升压电感器及所述第三功率晶体管而在所述电压升压电感 器周围产生磁场的步骤。
12、 如权利要求10所述的方法,其进一步包括通过接通与关断所述第一功率晶 体管来控制第 一旋转速度的步骤。
13、 如权利要求12所述的方法,其中所述控制所述第一旋转速度的步骤包含用 脉冲宽度调制信号接通与关断所述第一功率晶体管的步骤。
14、 如权利要求10所述的方法,其进一步包括通过接通与关断所述第二功率晶 体管来控制第二旋转速度的步骤。
15、 如权利要求14所述的方法,其中所述控制所述第二旋转速度的步骤包含用脉冲宽度调制信号接通与关断所述第二功率晶体管的步骤。
16、 如权利要求10所述的方法,其进一步包括用所述第二旋转方向电压制动所 述有刷电动机的步骤。
17、 如权利要求10所述的方法,其进一步包括用数字装置来控制所述第一、第 二及第三功率晶体管的接通与关断时间的步骤。
18、 如权利要求17所述的方法,其中所述用所述数字装置控制所述第一、第二 及第三功率晶体管的接通与关断时间的步骤包含用来自所述数字装置的脉冲宽度调制信号控制所述第一、第二及第三功率晶体管的接通与关断时间的步骤。
19、 如权利要求17所述的方法,其中所述数字装置选自由微处理器、微控制器、 数字信号处理器(DSP)、可编程逻辑阵列(PLA)及专用集成电路(ASIC)组成的 群组。
全文摘要
单一低侧功率晶体管开关用于有效地控制正向旋转方向上的有刷电动机。升压电压电源用于向反向旋转方向上的所述有刷电动机供应电压或从所述正向旋转方向制动。数字装置控制所述有刷电动机的旋转速度及旋转方向。
文档编号H02P7/00GK101622781SQ200880006504
公开日2010年1月6日 申请日期2008年2月28日 优先权日2007年3月1日
发明者基思·柯蒂斯, 约瑟夫·朱利谢, 约翰·沙赖斯 申请人:密克罗奇普技术公司
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