电机驱动装置的制作方法

本实用新型涉及电机控制技术，更具体地，涉及电机驱动装置。

背景技术：

直流电机是在直流电压驱动下运转的旋转电磁机械，用于实现电能和机械能之间的转换。直流电机采用直流电作为电源，控制电路简单、调速方式简单且平滑，因此广泛地应用于家用电器和工业控制领域中。在家用电器中，直流电机例如用于收录机驱动电机、计算机中的散热风扇等。在工业控制领域中，直流电机例如用作伺服电机。

直流电机的转动速度与驱动电压的平均值相关，转动方向与驱动信号的极性相关。若是以直流电压驱动电机，可以通过改变直流电压的绝对值大小来控制电机的转速，通过改变直流电压的极性来控制电机的转动方向。若是以PWM方波电压来驱动电机，可以通过改变PWM的占空比来控制电机的转动速度和方向。无论是直流电压驱动还是PWM方波电压驱动，在工作过程中都会出现驱动电压极性转换的情形。在驱动电压极性发生改变时，由于直流电机是感性的，其将产生反向电动势u(t)。若反向电动势过大，则对驱动电路产生破坏性作用。

因此，期望在直流电机的驱动电压极性转换时减小反向电动垫，以保护驱动电路。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种电机驱动装置，该驱动装置在驱动电压极性反转时减小电流变化率来降低反向电动势,从而保护驱动电路。

根据本实用新型的一方面，提供一种电机驱动装置，包括：串联连接在供电端和地之间的第三开关和第一开关，在第一开关和第三开关之间具有第一节点；以及串联连接在供电端和地之间的第四开关和第二开关，在第二开关和第四开关之间具有第二节点，其中，第一节点和第二节点用于提供输出端连接电机，第一开关至第四开关分别包括彼此并联连接的多个子开关，并且分别在第一组控制信号至第四组控制信号的控制下导通和断开，所述电机驱动装置根据驱动信号的极性控制第一组控制信号至第四组控制信号的有效状态，从而改变驱动电流的方向，并且减小在驱动信号的极性改变时产生的反向电动势。

优选地，所述电机驱动装置工作于第一状态至第三状态，在第一状态中，第三开关和第二开关导通，并且第四开关和第一开关断开；在第二状态中，第四开关和第一开关导通，并且第三开关和第二开关断开；在第三状态中，第一开关至第四开关均断开。

优选地，第一组控制信号至第四组控制信号分别包括多个控制信号，在第一组控制信号至第四组控制信号的有效状态中，相应组控制信号中的至少一个控制信号有效，在第一组控制信号至第四组控制信号的无效状态中，相应组控制信号中的所有控制信号均无效。

优选地，在所述驱动信号从正极性切换至负极性时，电机驱动装置从第一状态转变至第三状态然后转变为至第二状态，在所述驱动信号从负极性切换至正极性时，电机驱动装置从第二状态转变至第三状态然后转变为至第一状态。

优选地，在电机驱动装置从第一状态转变至第三状态的过程中，所述第三开关和所述第二开关中的多个子开关依次断开，在电机驱动装置从第三状态转变至第二状态的过程中，所述第四开关和所述第一开关中的多个子开关依次导通，在电机驱动装置从第二状态转变至第三状态的过程中，所述第四开关和所述第一开关中的多个子开关依次断开，在电机驱动装置从第三状态转变至第一状态的过程中，所述第三开关和所述第二开关中的多个子开关依次导通。

优选地，所述第一开关至所述第四开关中的多个子开关为选自双极晶体管和场效应晶体管的一种。

优选地，所述第一开关和所述第二开关的多个子开关为NPN型双极晶体管，所述第三开关和所述第四开关的多个子开关为PNP型双极晶体管。

优选地，所述第一开关和所述第二开关的多个子开关为N型场效应晶体管，所述第三开关和所述第四开关的多个子开关为P型场效应晶体管。

根据本实用新型的另一方面，提供一种电机驱动方法，包括：根据驱动信号的极性控制第一组控制信号至第四组控制信号的有效状态；以及采用第一组控制信号至第四组控制信号，分别控制第一开关至第四开关，第一开关至第四开关分别包括彼此并联连接的多个子开关，其中，在驱动信号的极性改变时，通过控制第一开关至第四开关的导通和断开来改变驱动电流的方向，并且减小在驱动信号的极性改变时产生的反向电动势。

优选地，在第一状态中，第三开关和第二开关导通，并且第四开关和第一开关断开，在第二状态中，第四开关和第一开关导通，并且第三开关和第二开关断开，在第三状态中，第一开关至第四开关均断开。

优选地，在所述驱动信号的极性为正极性时，第三组控制信号和第二组控制信号有效，并且第四组控制信号和第一组控制信号无效，在所述驱动信号的极性为负极性时，第四组控制信号和第一组控制信号有效，并且第三组控制信号和第二组控制信号无效。

优选地，第一组控制信号至第四组控制信号分别包括多个控制信号，在第一组控制信号至第四组控制信号的有效状态中，相应组控制信号中的至少一个控制信号有效，在第一组控制信号至第四组控制信号的无效状态中，相应组控制信号中的所有控制信号均无效。

优选地，在所述驱动信号从正极性切换至负极性时，电机驱动装置从第一状态转变至第三状态然后转变为至第二状态，在所述驱动信号从负极性切换至正极性时，电机驱动装置从第二状态转变至第三状态然后转变为至第一状态。

优选地，在电机驱动装置从第一状态转变至第三状态的过程中，所述第三开关和所述第二开关中的多个子开关依次断开，在电机驱动装置从第三状态转变至第二状态的过程中，所述第四开关和所述第一开关中的多个子开关依次导通，在电机驱动装置从第二状态转变至第三状态的过程中，所述第四开关和所述第一开关中的多个子开关依次断开，在电机驱动装置从第三状态转变至第一状态的过程中，所述第三开关和所述第二开关中的多个子开关依次导通。

优选地，所述第一开关至所述第四开关中的多个子开关为选自双极晶体管和场效应晶体管的一种。

优选地，所述第一开关和所述第二开关的多个子开关为NPN型双极晶体管，所述第三开关和所述第四开关的多个子开关为PNP型双极晶体管，所述第一组控制信号和所述第二组控制信号中的多个控制信号在高电平时有效，在低电平时无效，所述第三组控制信号和所述第四组控制信号中的多个控制信号在低电平时有效，在高电平时无效。

优选地，所述第一开关和所述第二开关的多个子开关为N型场效应晶体管，所述第三开关和所述第四开关的多个子开关为P型场效应晶体管，所述第一组控制信号和所述第二组控制信号中的多个控制信号在高电平时有效，在低电平时无效，所述第三组控制信号和所述第四组控制信号中的多个控制信号在低电平时有效，在高电平时无效。

根据本实用新型实施例的电机驱动装置及方法，各个开关的多个子开关的控制端在不同的控制信号的控制下导通和断开，且控制信号在时序上有一定延时。因此，当驱动信号的极性改变时，先将当前导通的开关逐个断开，然后再将当前断开的开关逐个合上。这样就减小了电流的变化率，降低了反电动势，从而可以保护电机及其驱动装置。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1是根据现有技术的电机驱动装置的示意性电路图。

图2是根据现有技术的电机驱动装置的工作波形图。

图3是根据现有技术的电机驱动装置的一种工作状态。

图4是根据现有技术的电机驱动装置的另一种工作状态。

图5是根据现有技术的电机驱动装置采用双极晶体管实现时的示意性电路图。

图6是根据现有技术的电机驱动装置采用场效应晶体管实现时的示意性电路图。

图7是根据本实用新型实施例的电机驱动装置的示意性电路图。

图8是根据本实用新型实施例的电机驱动装置的工作波形图。

图9是根据本实用新型实施例的电机驱动装置的一种工作状态。

图10是根据本实用新型实施例的电机驱动装置的另一种工作状态。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本实用新型。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。

在下文中描述了本实用新型的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本实用新型。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本实用新型。

本实用新型可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。

图1是根据现有技术的电机驱动装置的示意性电路图。该电机驱动装置包括连接成H桥的第一开关SW1至第四开关SW4。第三开关SW3和第一开关SW1依次串联连接在供电端VDD和地GND之间，二者的中间节点为第一节点为DP。第四开关SW4和第二开关SW2依次串联连接在供电端VDD和地GND之间，二都的中间节点为第二节点DN。直流电机M连接在第一节点DP和第二节点DN之间。第一开关SW1至第四开关SW4分别在第一控制信号C1至第四控制信号C4中相应的控制信号的控制下导通和断开。

图2是根据现有技术的电机驱动装置的工作波形图。第一控制信号C1与第四控制信号C4为同步的控制信号，使得第一开关SW1和第四开关SW4同时导通和断开。第二控制信号C2与第三控制信号C3是同步的控制信号，使得第二开关SW2和第三开关SW3同时导通和断开。在电机驱动装置的有效输出期间，第一控制信号C1和第二控制信号C2为互补信号，既在一个控制信号有效时，另一个控制信号无效。

在驱动信号为第一极性时，第三控制信号C3和第二控制信号C2有效，第四控制信号C4和第一控制信号C1无效，如图3所示。此时，电机驱动装置工作于第一状态，驱动电流i从供电端VDD依次经由第三开关SW3、电机M和第二开关SW2流至地GND，即正向流经电机M。

在驱动信号为第二极性时，第四控制信号C4和第一控制信号C1有效，第三控制信号C3和第二控制信号C2无效，如图4所示。此时，电机驱动装置工作于第二状态，驱动电流i从供电端VDD依次经由第四开关SW4、电机M和第一开关SW1流至地GND，即反向流经电机M。

上述的电机驱动装置根据驱动信号的极性改变第一控制信号C1至第四控制信号C4的电平状态，从而实现电机M的转动方向的切换。

参见图2，在驱动信号的极性切换过程中，第一控制信号C1至第四控制信号C4的电平反转之前，还包括“死区时间”。该死区时间是第一控制信号C1至第四控制信号C4均为无效状态的一个时间段，即极性切换的非交叠时间。因此，在电机驱动装置从第一状态切换至第二状态期间，还包括第三状态。反之亦然。在第三状态期间，第一开关SW1至第四开关SW4均处于断开状态。

在极性切换过程中，由于第一控制信号C1至第四控制信号C4偶然处于同时有效的状态，第一开关SW1至第四开关SW4可能同时导通。在极性切换时引入死区时间tnon，可以避免第一开关SW1至第四开关SW4同时导通的状态出现，从而保护电机及其驱动装置。

图5是根据现有技术的电机驱动装置采用双极晶体管实现时的示意性电路图。在该实例中，第一开关SW1和第二开关SW2分别由NPN型双极晶体管M1和M2中的相应一个双极晶体管组成，第三开关SW3和第四开关SW4分别由PNP型双极晶体管M3和M4中的相应一个双极晶体管组成。

如图5所示，在该电机驱动装置中，双极晶体管M3和M1依次串联连接在供电端VDD和地GND之间，二者的中间节点为第一节点。双极晶体管M4和M2依次串联连接在供电端VDD和地GND之间，二者的中间节点为第二节点。电机M连接在第一节点和第二节点之间。具体地，双极晶体管M3的发射极和集电极分别连接至供电端VDD和第一节点，基极接收控制信号C3B，双极晶体管M4的发射极和集电极分别连接至供电端VDD和第二节点，基极接收控制信号C4B，双极晶体管M1的发射极和集电极分别连接至地GND和第一节点，基极接收控制信号C1，双极晶体管M2的发射极和集电极分别连接至地GND和第二节点，基极接收控制信号C2。

NPN型双极晶体管在基极发射极电压VBE为高电平时导通，因此相应的控制信号C1和C2在高电平时有效，低电平时无效。PNP型双极晶体管在基极发射极电压VBE为低电平时导通，因此相应的控制信号C3B和C4B在低电平时有效，高电平时无效。

不论在电机驱动装置的有效输出期间，还是在电机驱动装置的死区时间期间，控制信号C1和C4B均互为反向信号，控制信号C2和C3B均互为反向信号，从而可以保证双极晶体管M1和M4始终同步导通和断开，以及双极晶体管M2和M3始终同步导通和断开。

图6是根据现有技术的电机驱动装置采用场效应晶体管实现时的示意性电路图。在该实例中，第一开关SW1和第二开关SW2分别由N型场效应晶体管M1和M2中的相应一个场效应晶体管组成，第三开关SW3和第四开关SW4分别由P型场效应晶体管M3和M4中的相应一个场效应晶体管组成。无论是P型场效应晶体管还是N型场效应晶体管，在晶体管的源漏两端之间都有寄生的二极管存在，即图6所示的二极管D1、D2、D3和D4。

如图6所示，在该电机驱动装置中，场效应晶体管M3和M1依次串联连接在供电端VDD和地GND之间，二者的中间节点为第一节点。场效应晶体管M4和M2依次串联连接在供电端VDD和地GND之间，二者的中间节点为第二节点。电机M连接在第一节点和第二节点之间。具体地，场效应晶体管M3的源极和漏极分别连接至供电端VDD和第一节点，栅极接收控制信号C3B，场效应晶体管M4的源极和漏极分别连接至供电端VDD和第二节点，栅极接收控制信号C4B，场效应晶体管M1的源极和漏极分别连接至地GND和第一节点，栅极接收控制信号C1，场效应晶体管M2的源极和漏极分别连接至地GND和第二节点，栅极接收控制信号C2。

N型场效应晶体管在栅极信号为高电平时导通，因此相应的控制信号C1和C2在高电平时有效，低电平时无效。P型场效应晶体管在栅极信号为低电平时导通，因此相应的控制信号C3B和C4B在低电平时有效，高电平时无效。

不论在电机驱动装置的有效输出期间，还是在电机驱动装置的死区时间期间，控制信号C1和C4B均互为反向信号，控制信号C2和C3B均互为反向信号，从而可以保证场效应晶体管M1和M4始终同步导通和断开，以及场效应晶体管M2和M3始终同步导通和断开。

在上述根据现有技术的电机驱动装置中，在驱动信号的极性切换时，电机驱动装置从第一状态(提供正向流动的驱动电流)先切换至第三状态(死区时间)，然后才切换至第二状态(提供反向流动的驱动电流)，或反之。电机M的转动方向相应转变。电机M是电机驱动装置的感性负载，在驱动电流变化时将产生反向电动势。

该反向电动势的大小与电感的大小及电感上的电流变化率成正比，即反向电动势,

其中，L为电感值，di/dt为电流变化率。

在极性切换过程中，驱动电流从正常值瞬间减小至零，以及从零瞬间增大至正常值。结果，电机M产生的反向电动势将过大。该反向电动势可能导致电机驱动装置中的晶体管击穿。如果电机驱动装置的开关由场效应晶体管组成，也会使寄生二极管烧毁。

图7是根据本实用新型实施例的电机驱动装置的示意性电路图。该电机驱动装置包括连接成H桥的第一开关SW1至第四开关SW4。第三开关SW3和第一开关SW1依次串联连接在供电端VDD和地GND之间，二者的中间节点为第一节点为DP。第四开关SW4和第二开关SW2依次串联连接在供电端VDD和地GND之间，二都的中间节点为第二节点DN。直流电机M连接在第一节点DP和第二节点DN之间。

与图1所示的现有电机驱动装置不同，在根据本实用新型实施例的电机驱动装置中，第一开关SW1至第四开关SW4分别包括并联连接的多个子开关，分别接收不同组的控制信号。例如，第一开关SW1包括N(N>1)个彼此并联连接的子开关SW1_1、SW1_2、……、SW1_N，相应的第一组控制信号包括控制信号C1_1、C1_2、……、C1_N。

图8是根据本实用新型实施例的电机驱动装置的工作波形图。第一组控制信号与第四组控制信号为同步的控制信号，使得第一开关SW1和第四开关SW4同时导通和断开。第二组控制信号与第三组控制信号为同步的控制信号，使得第二开关SW2和第三开关SW3同时导通和断开。在电机驱动装置的有效输出期间，第一组控制信号和第二组控制信号为互补信号，既在一组控制信号有效时，另一组控制信号无效。

在该实施例中，组控制信号的有效状态是指该组控制信号的至少一个控制信号为有效状态，组控制信号的无效状态是指该组控制信号的所有控制信号均为无效状态。相应地，开关的导通状态是指该开关的至少一个子开关处于导通状态，开关的断开状态是指该开关的所有子开关处于断开状态。

在驱动信号为第一极性时，第三组控制信号和第二组控制信号有效，第四组控制信号和第一组控制信号无效，如图9所示。此时，电机驱动装置工作于第一状态，驱动电流i从供电端VDD依次经由第三开关SW3、电机M和第二开关SW2流至地GND，即正向流经电机M。

在驱动信号为第二极性时，第四组控制信号和第一组控制信号有效，第三组控制信号和第二组控制信号无效，如图10所示。此时，电机驱动装置工作于第二状态，驱动电流i从供电端VDD依次经由第四开关SW4、电机M和第一开关SW1流至地GND，即反向流经电机M。

上述的电机驱动装置根据驱动信号的极性改变第一组控制信号至第四组控制信号的电平状态，从而实现电机M的转动方向的切换。

参见图8，在驱动信号的极性切换过程中，第一组控制信号至第四组控制信号的电平反转之前，还包括“死区时间”。该死区时间是第一组控制信号至第四组控制信号均为无效状态的一个时间段，即极性切换的非交叠时间。因此，在电机驱动装置从第一状态切换至第二状态期间，还包括第三状态。反之亦然。在第三状态期间，第一开关SW1至第四开关SW4均处于断开状态。

在极性切换过程中，由于第一组控制信号至第四组控制信号偶然处于同时有效的状态，第一开关SW1至第四开关SW4可能同时导通。在极性切换时引入死区时间tnon，可以避免第一开关SW1至第四开关SW4同时导通的状态出现，从而保护电机及其驱动装置。

进一步地，根据该实施例的电机驱动装置将每个开关分成多个子开关。各个子开关的控制端接不同的控制信号。当驱动信号的极性切换时，各个开关中的子开关控制信号在时序上有一定延时td1，从而依次导通或断开。

例如，在驱动信号的极性切换过程中，如果电机驱动装置从第一状态转换至第二状态，则在切换过程中，首先将第一状态导通的开关逐个断开，然后保持所有开关的断开状态，持续死区时间tnon，接着才将第一状态断开的开关逐个导通。如果电机驱动装置从第二状态转换至第一状态，则反之。这样就减小了电流的变化率，降低了反电动势。

开关控制信号的波形如图9所示。其中td1表示各个子开关控制信号的延时，tnon表示极性切换过程中的死区时间。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本实用新型的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本实用新型以及在本实用新型基础上的修改使用。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。