软开关控制模块以及直流无刷电机驱动系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及直流无刷电机驱动技术领域，尤其涉及一种应用于直流无刷电机驱动电路的渐变占空比软开关控制模块以及直流无刷电机驱动系统。
【背景技术】
[0002]在直流无刷电机驱动电路的设计中，对于单向的电机驱动，只要用一个大功率三极管或场效应管或继电器直接带动电机即可；对于双向的电机驱动，可以使用由4个功率元件组成的H桥电路或者使用一个双刀双掷的继电器；如果需要调速，可以使用三极管、场效应管等开关元件实现PWM(脉冲宽度调制)调速。
[0003]参考图1，一种典型的直流无刷单相电机驱动电路的简化示意图。如图1所示，电机(示意图中简化为电感Motor)连接在由4个功率开关S1-S4组成的功率逆变器的输出A点和B点之间，通过控制逆变器H桥臂四个功率开关来改变电机电流方向。当SI和S4导通，S2和S3断开时，电机电流分别从A端流向B端；当SI和S4断开，S2和S3导通时，电流从B端流向A端。换相时四个功率开关的动作顺序不同会产生不同的电流波形。下面以从电流A到B换相到电流B到A的过程为例，给出传统开关以及改进型开关的电流示意图。
[0004]参考图2，传统开关换相时电流不意图。传统开关的开关顺序为:S1、S4均导通—S1、S4均断开一死区一S2、S3均导通；在死区时间内，四个开关均断开。由于电机电感的续流效应，电流将通过S2和S3的寄生二极管续流，如图2所示。此时A端电压约为_Vdi。，B端电压约为Vbus+Vdi。，电感Motor两端电压差很大Vab= -(Vbus+2V di0)，换相时电流急剧下降，因此也称为快速开关。其缺陷是电流变化太快，造成噪声和EMI (Electro MagneticInterference 电磁干扰)。
[0005]参考图3，一种改进型开关换相时电流不意图。改进型开关的开关顺序为:S1、S4均导通一SI导通、S4断开一死区I — S2断开、S3导通一死区2 — S2、S3均导通。在死区I中，电感Motor两端电流下降；在死区2中，电感Motor两端电流上升。如图3所示，在死区I中，电流通过S3的寄生二极管续流洫端电压为Vbus，B端电压为Vbus+Vd1，电感Motor两端电压差很小Vab=-V di。，主要靠电机本身的反生电动式来减小电流，因此也称为慢速开关。其优点是电流变化慢，噪声小；其缺点是电流线性变化，死区时间固定，对于不同电流和转速的电机存在效率下降的问题。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于，针对现有技术中直流无刷单相电机驱动电路存在的问题，提供一种软开关控制模块以及直流无刷电机驱动系统，实现渐变占空比软开关，在换相过程中电流非线性缓慢变化，波形更加平滑，实现超低噪声和EMI。
[0007]为实现上述目的，本发明提供了一种软开关控制模块，适用于直流无刷电机驱动系统，所述直流无刷电机驱动系统包括直流无刷电机以及至少一功率开关管，软开关控制模块包括:一 ADJ控制单元、一 OSC振荡器、一延时单元、一比较器、一逻辑单元以及一驱动单元；所述ADJ控制单元分别与所述延时单元以及比较器相连，用于获取直流无刷电机的转速信号，并根据所述转速信号获取调速信号后输入至所述比较器的第一输入端，同时根据所述调速信号分别获取软开关电流下降时间和软开关电流上升时间并传输至所述延时单元；所述OSC振荡器与所述比较器相连，用于产生预设周期的锯齿波信号，并输入至所述比较器的第二输入端；所述延时单元与所述逻辑单元相连，用于将获取到的所述至少一功率开关管的开关控制逻辑信号延时所述软开关电流下降时间或软开关电流上升时间后输入至所述逻辑单元；所述比较器与所述逻辑单元相连，用于比较所述调速信号和锯齿波信号产生占空比可调的PWM波形，并输入至所述逻辑单元；所述逻辑单元与驱动单元相连，用于根据所述延时单元与比较器的输出调制所述驱动单元；所述驱动单元与所述至少一功率开关管相连，用于控制所述至少一功率开关管的软开关。
[0008]为实现上述目的，本发明还提供了一种直流无刷电机驱动系统，包括一直流无刷电机以及至少一功率开关管，所述至少一功率开关管电学连接所述直流无刷电机，通过控制所述至少一功率开关管来改变所述直流无刷电机电流方向，所述直流无刷电机驱动系统包括本发明所述的软开关控制模块；所述软开关控制模块中的所述ADJ控制单元耦接至所述直流无刷电机的位置传感器，以根据所述位置传感器的位置输入信号获取直流无刷电机的转速信号；所述软开关控制模块中的所述延时单元耦接至所述直流无刷电机的位置传感器，以根据所述位置传感器的位置输入信号获取所述至少一功率开关管的开关控制逻辑信号；所述软开关控制模块中的所述驱动单元电学连接所述至少一功率开关管，以控制所述至少一功率开关管的软开关。
[0009]本发明的优点在于:本发明提供的直流无刷电机驱动系统实现了渐变占空比软开关，在换相过程中电流非线性缓慢变化，波形更加平滑，实现超低噪声和EMI。同时，换相时间随电机转速变化，转速越快，时间越短，从而避免了效率下降。
【附图说明】
[0010]图1，一种典型的直流无刷单相电机驱动电路的简化示意图；
[0011]图2，传统开关换相时电流不意图；
[0012]图3，一种改进型开关换相时电流不意图；
[0013]图4，本发明所述的直流无刷电机驱动系统一实施方式的示意图；
[0014]图5，本发明所述的ADJ控制单元一实施方式的示意图；
[0015]图6，本发明所述的直流无刷电机驱动系统一实施例所示开关换相时电流示意图；
[0016]图7为图6所述实施例各个节点的工作波形示意图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图对本发明提供的软开关控制模块以及直流无刷电机驱动系统做详细说明。
[0018]参考图4，本发明所述的直流无刷电机驱动系统一实施方式的示意图。所述直流无刷电机驱动系统包括一直流无刷电机(图中以位置传感器49示意直流无刷电机)以及至少一功率开关管，所述至少一功率开关管电学连接所述直流无刷电机，一软开关控制模块40。所述直流无刷电机可以为单相/三相直流无刷电机；通过控制所述至少一功率开关管来改变所述直流无刷电机电流方向；所述软开关控制模块40用以控制所述至少一功率开关管的软开关。通过渐变占空比软开关调制逐渐关闭/打开所述至少一功率开关管，让直流无刷电机电流平滑缓慢变化，实现超低噪声和EMI。本实施方式以控制一外置于软开关控制模块40的功率开关管Ml的软开关为例进行说明，所述功率开关管Ml可以为直流无刷电机驱动系统中上桥臂或下桥臂的功率开关，所述功率开关管Ml可以采用NOMS，PMOS或者其他功率开关；在其它实施方式中所述功率开关管Ml也可以内置于软开关控制模块40中。
[0019]所述软开关控制模块40包括:一 ADJ控制单元41、一 OSC振荡器42、一延时单元43、一比较器44、一逻辑单元45以及一驱动单元46。
[0020]所述ADJ控制单元41分别与所述延时单元43以及比较器44相连，用于获取直流无刷电机的转速信号，并根据所述转速信号获取调速信号后输入至所述比较器44的第一输入端，同时根据所述调速信号分别获取软开关电流下降时间和软开关电流上升时间并传输至所述延时单元43。
[0021]具体可以为:所述ADJ控制单元41耦接至所述直流无刷电机的位置传感器49，以根据所述位置传感器49的位置输入信号Pos[n:0]获取直流无刷电机的转速信号Speed[m:0]，其中n，m为两个不同变量。所述ADJ控制单元41根据所述转速信号，按照相应斜率将输入的ADJ直流电压下降到调速范围内的最小占空比电压，之后以同样的斜率从最小占空比电压上升到所述ADJ直流电压，并将该斜率信号作为调速信号Adj_Ramp输入至所述比较器的第一输入端；同时，获取按照相应斜率将输入的ADJ直流电压下降到最小占空比电压所需时间作为软开关电流下降时间Phasel，获取按照相应斜率从最小占空比电压上升到所述ADJ直流电压所需时间作为软开关电流上升时间Phase2，并传输至所述延时单元43。本发明所述的ADJ控制单元41在常规ADJ调速的基础上，根据不同的位置输入信号，以相应的斜率在软开关阶段把输入的ADJ直流电压降低到调速范围内的最小占空比电压VL，然后以同样的斜率恢复到原始输入的ADJ直流电压。该斜率由获取的转速信号决定，转速越快，斜率越大，电压上升或下降速度越快。
[0022]参考图5，本发明所述的ADJ控制单元一实施方式的示意图；作为可选的实施方式，所述ADJ控制单元41进一步包括一钳位子单元Clamp、充电电容CO、电流漏Idcl、第一比较子单元CMPl、电流源Idc2以及第二比较子单元CMP2。所述钳位子单元Clamp通过一第一子开关S51连接充电电容CO，用于将输入的ADJ直流电压钳位到调速范围内的最大占空比电压Vclamp。所述电流漏Idcl —端接地，另一端通过一第二子开关S52分别连接至第一比较子单元CMPl的正向输入端以及第二比较子单元CMP2的正向输入端；第一比较子单元CMPl的负向输入端接调速范围内的最小占空比电压VL，第二比较子单元CMP2的负向输入端接所述最大占空比电压Vclamp。所述电流源Idc2 —端与外部电源VDC相连，另一端通过一第三子开关S53分别连接至第一比较子单元CMPl的正向输入端以及第二比较子单元CMP2的正向输入端。
[0023]软开关控制的实现的方式是:首先将输入的ADJ直流电压Adj钳位到调速范围内的最大占空比电压Vclamp ;接收到软开关控制开始信号SoftSwitch后，断开S51，闭合S52，通过电流漏Idcl将电容CO上存储的电压下降到最小占空比电压VL ;触发CMP1，电流下降的软开关phasel阶段结束。断开S52，导通S53，以同样大小的电流源Idc2给电容CO充电，使Adj电压上升；当Adj电压上升到初始输入的ADJ直流电压后，触发CMP2，结束电流上升的软开关phase2阶段。软开关控制结束，断开S52和S53，导通S51，进入正常的调速模式。其中电流源Idc2和电流漏Idcl的电流大小和直流无刷电机转速成正比，从而实现转速越快，软开关控制时间越短。
[0024]继续参考图4，所述OSC振荡器42与所述比较器44相连，用于产生预设周期的锯齿波信号，并输入至所述比较器44的第二输入端。本发明通过比较器44，将ADJ控制单元41产生的一个电平Adj_Ramp与OSC振荡器42产生的锯齿波SAW比较生产不同占空比的PWM方波。
[0025]作为优选的实施方式，所述ADJ控制单元41进一步与所述OSC振荡器42相连，ADJ控制单元41将软开关