实现低噪声高效率电机驱动软换相控制的电路结构及方法
【专利摘要】本发明涉及一种实现低噪声高效率电机驱动软换相控制的电路结构及方法，其中包括第一PMOS场效应管、第二PMOS场效应管、感性负载、第一NMOS场效应管、第二NMOS场效应管、负载电流采样电阻、第一比较器、第二比较器、第一控制器和第二控制器，所述的第一控制器用以根据所述的第一比较器的输出结果控制第一PMOS场效应管的开闭，所述的第二控制器用以根据所述的第二比较器的输出结果控制第二PMOS场效应管的开闭。采用该种结构的实现低噪声高效率电机驱动软换相控制的电路结构及方法，可以减小换相冲击和可闻噪声，提高系统工作可靠性并节约系统成本，可以显著提高系统工作效率、提高功率密度并提高可靠性，具有更广泛的应用范围。
【专利说明】实现低噪声高效率电机驱动软换相控制的电路结构及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电机驱动【技术领域】，尤其涉及电机驱动换相控制【技术领域】，具体是指一种实现低噪声高效率电机驱动软换相控制的电路结构及方法。
【背景技术】
[0002]由于电机带有感性负载，最早期的电机驱动控制器在换相时由于感性线圈电流的急剧变化会产生严重的甚至致命的冲击，并带有显著的可闻噪声，系统上必须增加必要的防护电路才能对这种冲击和噪声进行抑制，然而，即便采取了这些措施结果还是差强人意。如图1所示，图1中VDD为供电电源，PU P2表示PMOS场效应管，N1、N2表示NMOS场效应管，L表示感性负载:假设电流如实线所示(VDD — Pl — L — N2 — GND)，在换相时首先要关闭Pl和N2，经过一段时间的续流，然后再打开P2和NI。如图2所示，VA表示图1中A节点电压，VB表示图1中B节点电压，IL表示图1中感性负载L上的电流，规定A流向B为正方向。由于感性负载L的存在，通过它的电流不能发生突变，在Pl和N2关断后，NI和P2的体二极管导通从GND给VDD灌电流，导致VDD电压波动，并伴随显著的可闻噪声。究其原因这一切是因为线圈电流变化太快造成的。
[0003]为了克服上述问题，产生了软换相技术，此技术的效果是显著的，但是与此同时造成了可观的能量损耗。这种软换相技术是通过控制线圈两端的电压缓慢变化从而实现平稳换相的，在换相过程中存在显者的IV交置区域。如图3所不，图3中VA表不图1中A节点电压，VB表示图1中B节点电压，IL表示图1中感性负载L上的电流，规定A流向B为正方向。
[0004]虽然上述软换相技术很好的解决了换相冲击和可闻噪声的问题，但是造成了极大的能量损耗。为了既能达到换相微冲击和无可闻噪声，又能达到高效工作的目的，电机换相迫切需求新的技术，这正是本发明所公布的内容。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种能够实现微换相冲击、无可闻噪声、高效工作、提高系统工作可靠性、显著提高系统工作效率的实现低噪声高效率电机驱动软换相控制的电路结构及方法。
[0006]为了实现上述目的，本发明的实现低噪声高效率电机驱动软换相控制的电路结构及方法具有如下构成:
[0007]该实现低噪声高效率电机驱动软换相控制的电路结构，其主要特点是，所述的电路结构包括:
[0008]第一 PMOS场效应管，该第一 PMOS场效应管的输入端与供电电源相连接；
[0009]第二 PMOS场效应管，该第二 PMOS场效应管的输入端与供电电源相连接；
[0010]感性负载，该感性负载的第一端与所述的第一 PMOS场效应管的输出端相连接，该感性负载的第二端与所述的第二 PMOS场效应管的输出端相连接；[0011]第一 NMOS场效应管，该第一 NMOS场效应管的输入端与感性负载的第一端相连接；
[0012]第二 NMOS场效应管，该第二 NMOS场效应管的输入端与感性负载的第二端相连接；
[0013]负载电流采样电阻，该负载电流采样电阻的第一端分别与所述的第一 NMOS场效应管的输出端和第二 NMOS场效应管的输出端相连接，该负载电流采样电阻的第二端接地；
[0014]第一比较器,该第一比较器的第一输入端输入第一渐变参考信号，该第一比较器的第二输入端与所述的负载电流采样电阻的第一端相连接；
[0015]第二比较器,该第二比较器的第一输入端输入第二渐变参考信号，该第二比较器的第二输入端与所述的负载电流采样电阻的第一端相连接；
[0016]第一控制器，用以根据所述的第一比较器的输出结果控制第一 PMOS场效应管的开闭，该第一控制器连接于所述的第一比较器的输出端和第一 PMOS场效应管之间；
[0017]第二控制器，用以根据所述的第二比较器的输出结果控制第二 PMOS场效应管的开闭，该第二控制器连接于所述的第二比较器的输出端和第二 PMOS场效应管之间。
[0018]较佳地，所述的第一控制器用于当所述的第一比较器的第二输入端的电压大于第一输入端的电压时关闭第一 PMOS场效应管以及当所述的第一比较器的第二输入端的电压小于第一输入端的电压时打开第一 PMOS场效应管；
[0019]所述的第一渐变参考信号在系统预设时间内从系统预设最大值变换为0V。
[0020]较佳地，所述的第二控制器用于当所述的第二比较器的第二输入端的电压大于第一输入端的电压时关闭第二 PMOS场效应管以及当所述的第二比较器的第二输入端的电压小于第一输入端的电压时打开第二 PMOS场效应管；
[0021]所述的第二渐变参考信号在系统预设时间内从OV变换为系统预设最大值。
[0022]较佳地，所述的电路结构还包括:
[0023]第一开关，该第一开关连接于所述的负载电流采样电阻的第一端与所述的第一比较器的第二输入端之间，所述的第一开关当所述的第一比较器的第二输入端输入电流为零时断开；
[0024]第二开关，该第一开关连接于所述的负载电流采样电阻的第一端与所述的第二比较器的第二输入端之间，所述的第二开关当所述的第二比较器的第二输入端输入电流为零时导通。
[0025]本发明还涉及一种基于所述的电路结构实现低噪声高效率电机驱动软换相控制的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤:
[0026](I)在换相前提前系统预设时间启动第一比较器而关闭第二比较器，所述的第一控制器根据所述的第一比较器的输出结果控制第一 PMOS场效应管的开闭；
[0027](2)当所述的负载电流采样电阻通过的电流降为零时，启动第二比较器而关闭第一比较器，所述的第二控制器根据所述的第二比较器的输出结果控制第二 PMOS场效应管的开闭。
[0028]较佳地，所述的第一控制器根据所述的第一比较器的输出结果控制第一 PMOS场效应管的开闭，包括以下步骤:
[0029](11)所述的第一渐变参考信号在系统预设时间内从系统预设最大值变换为0V，当所述的第一比较器的第二输入端的电压大于第一输入端的电压时，所述的第一控制器关闭第一 PMOS场效应管；
[0030](12)当所述的第一比较器的第二输入端的电压小于第一输入端的电压时，所述的第一控制器打开第一 PMOS场效应管。
[0031]较佳地，所述的第二控制器根据所述的第二比较器的输出结果控制第二 PMOS场效应管的开闭，包括以下步骤:
[0032](21)所述的第二渐变参考信号在系统预设时间内从OV变换为系统预设最大值，当所述的第二比较器的第二输入端的电压大于第一输入端的电压时，所述的第二控制器关闭第二 PMOS场效应管；
[0033](22)当所述的第二比较器的第二输入端的电压小于第一输入端的电压时，所述的第二控制器打开第二 PMOS场效应管。
[0034]采用了该发明中的实现低噪声高效率电机驱动软换相控制的电路结构及方法，具有如下有益效果:
[0035]本发明提供了一种全新的电机驱动软换相控制的电路结构和方法，同时实现了微换相冲击和无可闻噪声又高效工作的目的。本发明的方法较最早期的电机控制来说，可以减小换相冲击和可闻噪声，提高系统工作可靠性并节约系统成本；本发明的方法较已有的电机软换相技术来说，可以显著提高系统工作效率、提高功率密度并提高可靠性，具有更广泛的应用范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1为现有技术中换相电路结构示意图。
[0037]图2为现有技术中电机驱动在换相时的相关电信号示意图。
[0038]图3为现有技术中软换相技术换相时的相关电信号示意图。
[0039]图4为本发明的实现低噪声高效率电机驱动软换相控制的电路结构的结构示意图。
[0040]图5为本发明的软换相控制的相关电信号示意图。
【具体实施方式】
[0041]为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
[0042]本发明的特点在于所本发明的软换相技术是采样线圈电流，所述线圈电流与既定电流变化速度通过比较器控制开关，从而控制线圈电流的变化速度来实现的。这样既达到了微换相冲击和无可闻噪声的目的又实现了高效工作的目的。
[0043]如图4所示，图4中Pl、P2表示PMOS场效应管，N1、N2表示NMOS场效应管，Vrefl、Vref2为渐变参考电压信号，用来控制换相时通过L上的电流变化速度:假设电流流向如图4实线所示(VDD — Pl — L — N2 — GND)，在换相前提前一段时间启动Compl比较器(此时Comp2比较器关闭),控制Pl的驱动信号，使得电流沿着规定的包络下降(Imaxp — O);等感性负载L上的电流下降至O以后，启动Comp2比较器(此时Compl比较器关闭)，控制P2的驱动信号，使得电流沿着规定的包络上升(O — Imaxn )。[0044]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面举例一种具体的实施方式进行详细的阐述。注意，这里描述的实施举例仅用于说明，并不用于限制本发明。基于以下实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各项权利要求所要求保护的技术方案。
[0045]如图4~5所示，图5中，Pl、P2表示PMOS场效应管，N1、N2表示NMOS场效应管，IL表示图4中感性负载L上的电流，规定A流向B为正方形。假定电机的转速为3000转，即转动周期20ms，线圈最大电流为1A。那么电流由A流向B的时间和由B流向A的时间各占一半，即各10ms。设定Compl和Comp2的检测频率为25KHz(超出20KHz的音频范围)，设定软换相时间为转动周期的10%，RCS=I欧姆，在电流换相的同时开始计时(假设换相后电流由A流向B =VDD — Pl — L — N2 — GND)，经过9ms以后打开电流比较器CompI(此时比较器Comp2关闭)，并设定Vrefl经过Ims的时间从IV变化至0V,在这Ims的时间内Compl会逐周期的检测感性负载L上的电流，如果检测周期内L上的电流大于Vrefl/RCS的话，Logicl就输出高电平将Pl关断，NI的体二极管打开给L续流(电流流向:GND — NI — L — N2 — GND),电流开始衰减，直至下个检测周期到来；如果L上的电流小于Vrefl/RCS的话Logicl就输出低电平将Pl打开给L充电(电流流向:VDD — Pl — L — N2 — GND),以维持L上的电流平稳变化，直至冲到L上的电流大于Vrefl/RCS，再关闭P1...，如此周而复始直至L上的电流减至O。在L上的电流减至O的同时打开电流比较器Comp2 (此时比较器Compl关闭)开始换相。开始换相的同时开始计时，并设定Vref2经过Ims的时间从OV变化至IV，在这Ims的时间内Comp2会逐周期的检测感性负载L上的电流，如果检测周期内L上的电流小于Vref2/RCS的话，Logic2就会输出一个低电平来打开P2给L充电(电流流向:VDD — P2 — L — NI — GND),直至L上的电流大于Vref2/RCS，然后Logic2输出一个高电平关闭P2 (电流流向:GND — N2 — L — NI — GND),以维持L上的电流平稳变化，直至下个检测周期到来……如此周而复始，直至L上的电流增加到1A，这样L上的电流就完成了由A流向B到由B流向A的换相过程。，由B流向A到由A流向B的换相过程与由A流向B到由B流向A的换相过程相似，在此就不再重复。(注意，在实际应用中可以将换相过程中的检测周期设定一个最小关断 时间和一个最小开启时间，以确保开关频率不落在首频范围)
[0046]采用了该发明中的实现低噪声高效率电机驱动软换相控制的电路结构及方法，具有如下有益效果:
[0047]本发明提供了一种全新的电机驱动软换相控制的电路结构和方法，同时实现了微换相冲击和无可闻噪声又高效工作的目的。本发明的方法较最早期的电机控制来说，可以减小换相冲击和可闻噪声，提高系统工作可靠性并节约系统成本；本发明的方法较已有的电机软换相技术来说，可以显著提高系统工作效率、提高功率密度并提高可靠性，具有更广泛的应用范围。
[0048]在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
【权利要求】
1.一种实现低噪声高效率电机驱动软换相控制的电路结构，其特征在于，所述的电路结构包括: 第一 PMOS场效应管,该第一 PMOS场效应管的输入端与供电电源相连接； 第二 PMOS场效应管，该第二 PMOS场效应管的输入端与供电电源相连接； 感性负载，该感性负载的第一端与所述的第一 PMOS场效应管的输出端相连接，该感性负载的第二端与所述的第二 PMOS场效应管的输出端相连接； 第一 NMOS场效应管，该第一 NMOS场效应管的输入端与感性负载的第一端相连接；第二 NMOS场效应管，该第二 NMOS场效应管的输入端与感性负载的第二端相连接；负载电流米样电阻，该负载电流米样电阻的第一端分别与所述的第一 NMOS场效应管的输出端和第二 NMOS场效应管的输出端相连接，该负载电流采样电阻的第二端接地； 第一比较器，该第一比较器的第一输入端输入第一渐变参考信号，该第一比较器的第二输入端与所述的负载电流采样电阻的第一端相连接； 第二比较器，该第二比较器的第一输入端输入第二渐变参考信号，该第二比较器的第二输入端与所述的负载电流采样电阻的第一端相连接； 第一控制器，用以根据所述的第一比较器的输出结果控制第一 PMOS场效应管的开闭，该第一控制器连接于所述的第一比较器的输出端和第一 PMOS场效应管之间； 第二控制器，用以根据所述的第二比较器的输出结果控制第二 PMOS场效应管的开闭，该第二控制器连接于所述的第二比较器的输出端和第二 PMOS场效应管之间。
2.根据权利要求1所述的 实现低噪声高效率电机驱动软换相控制的电路结构，其特征在于，所述的第一控制器用于当所述的第一比较器的第二输入端的电压大于第一输入端的电压时关闭第一 PMOS场效应管以及当所述的第一比较器的第二输入端的电压小于第一输入端的电压时打开第一 PMOS场效应管； 所述的第一渐变参考信号在系统预设时间内从系统预设最大值变换为0V。
3.根据权利要求1所述的实现低噪声高效率电机驱动软换相控制的电路结构，其特征在于，所述的第二控制器用于当所述的第二比较器的第二输入端的电压大于第一输入端的电压时关闭第二 PMOS场效应管以及当所述的第二比较器的第二输入端的电压小于第一输入端的电压时打开第二 PMOS场效应管； 所述的第二渐变参考信号在系统预设时间内从OV变换为系统预设最大值。
4.根据权利要求1所述的实现低噪声高效率电机驱动软换相控制的电路结构，其特征在于，所述的电路结构还包括: 第一开关，该第一开关连接于所述的负载电流采样电阻的第一端与所述的第一比较器的第二输入端之间，所述的第一开关当所述的第一比较器的第二输入端输入电流为零时断开； 第二开关，该第一开关连接于所述的负载电流采样电阻的第一端与所述的第二比较器的第二输入端之间，所述的第二开关当所述的第二比较器的第二输入端输入电流为零时导通。
5.一种基于权利要求1至4中任一项所述的电路结构实现低噪声高效率电机驱动软换相控制的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤: (I)在换相前提前系统预设时间启动第一比较器而关闭第二比较器，所述的第一控制器根据所述的第一比较器的输出结果控制第一 PMOS场效应管的开闭； (2)当所述的负载电流采样电阻通过的电流降为零时，启动第二比较器而关闭第一比较器，所述的第二控制器根据所述的第二比较器的输出结果控制第二 PMOS场效应管的开闭。
6.根据权利要求5所述的实现低噪声高效率电机驱动软换相控制的方法，其特征在于，所述的第一控制器根据所述的第一比较器的输出结果控制第一 PMOS场效应管的开闭，包括以下步骤: (11)所述的第一渐变参考信号在系统预设时间内从系统预设最大值变换为0V，当所述的第一比较器的第二输入端的电压大于第一输入端的电压时，所述的第一控制器关闭第一PMOS场效应管； (12)当所述的第一比较器的第二输入端的电压小于第一输入端的电压时，所述的第一控制器打开第一 PMOS场效应管。
7.根据权利要求5所述的实现低噪声高效率电机驱动软换相控制的方法，其特征在于，所述的第二控制器根据所述的第二比较器的输出结果控制第二 PMOS场效应管的开闭，包括以下步骤: (21)所述的第二渐变参考信号在系统预设时间内从OV变换为系统预设最大值，当所述的第二比较器的第二输入端的电压大于第一输入端的电压时，所述的第二控制器关闭第二 PMOS场效应管； (22)当所述的第二比较器的第二输入端的电压小于第一输入端的电压时，所述的第二控制器打开第二 PMOS场效应管。`
【文档编号】H02P6/14GK103825508SQ201410104484
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年3月20日 优先权日:2014年3月20日
【发明者】田剑彪, 王换飞 申请人:绍兴光大芯业微电子有限公司