专利名称：用于无刷直流电动机的控制电路及其方法
技术领域：
本公布一般涉及电动机控制器，且更具体地涉及对无刷直流电动机进行换向的电 动机控制器。
背景技术：
无刷单相直流(DC)电动机通常包括包含一个或更多个永磁体的转子和包含线圈 (winding)的定子。电流应用到定子线圈以产生磁场，由于相应的转子磁场和定子磁场之间 对立，导致转子旋转。为了随着转子的旋转提供连续的场对立，对于两极转子的每次回转， 电流在定子线圈里的方向必须翻转两次。在定子线圈里改变电流方向的动作被称为换向 (commutation)。电动机提供的机械功率依赖于，相对于转动转子的磁场在定子线圈里感应 出的反电动势(BEMF)何时执行换向。 传感器例如霍尔效应传感器能用来识别转子的角位置，但是这项技术需要额外的 电子控制器来有效预测理想换向时间。此外霍尔效应传感器增加了产品的成本。用于确定 换向时间的其他技术，例如使用额外的定子线圈直接感测BEMF，以及试图通过检测电动机 控制器供应的定子电流的变化来监控BEMF的又一技术，也不预测理想换向时间和/或增加 产品成本。如果能够更好控制换向时间，能够改进电动机的效率。
参考附图，可更好理解本发明并使它的众多特征和优点对本领域技术人员来说明 显，其中 图1以部分结构图并以部分示意性形式示出根据本发明的无刷直流(DC)电动机 系统； 图2以示意性形式示出图1的无刷直流电动机的电模型； 图3是示出在图1的无刷直流电动机系统的工作期间，定子电流和BEMF电位之间 的理想关系的曲线图； 图4是示出当换向开始过晚时，在图1的无刷直流电动机系统的工作期间，定子电 流和BEMF电压之间的关系的曲线图； 图5是示出当换向开始过早时，在图l的无刷直流电动机系统的工作期间，定子电 流和BEMF电压之间的关系的曲线图； 图6是示出图1的无刷直流电动机系统的电流调节器电路的工作的时序图；
图7是示出当换向开始过早时，在换向之前以及换向之后，图1的无刷直流电动机系统的几对P丽控制信号的占空度(duty cycle)的曲线图；以及 图8是示出当换向在理想时间开始时，在换向之前以及换向之后，图1的无刷直流
电动机系统的几对P丽控制信号的占空度的曲线图。 —样的参考符号在不同图中的使用指示相似或相同的项。
具体实施例方式
图1用部分结构图并以部分示意性形式示出根据本发明的无刷直流电动机系统 100。电动机系统100包括反馈控制模块120、电流驱动电路140和无刷直流电动机160。反 馈控制模块120和电流驱动电路140共同构成用于调节电动机160的工作的控制电路。
反馈控制模块120包括电流调节器电路122、占空度阈值调整电路124和换向逻辑 电路126。占空度阈值调整电路124具有接收标为"换向后占空度"的信号的第一输入、接 收标为"上一换向前占空度"的信号的第二输入和提供标为"下一换向前占空度"的信号的 输出。换向逻辑电路126具有接收标为"占空度"的信号的第一输入、接收来自占空度阈值 调整电路124的输出的信号"下一换向前占空度"的第二输入、向占空度阈值调整电路124 的第二输入提供信号"上一换向前占空度"的第一输出和提供标为"极性"的信号的第二输 出。电流调节器电路122具有接收来自换向逻辑电路126的信号"极性"的第一输入、向换 向逻辑电路126提供信号"占空度"的第一输出、向占空度阈值调整电路124提供信号"换 向后占空度"的第二输出和到电流驱动电路140的接口 ，接口包括共同标为"P丽控制"的 四个输出信号和共同标为"感测"的两个输入信号。 电流驱动电路140包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件142、 144、 148和150，电阻器146和152以及比较器154和156。 M0SFET142具有接收标为"VBAT"的 信号的漏极、接收第一P丽控制信号的栅极和连接到标为"A"的节点的源极。M0SFET144 具有连接到节点A的漏极、接收第二 P丽控制信号的栅极和源极。电阻器146具有连接到 M0SFET144的源极的第一端子和接地的第二端子。比较器154具有连接到M0SFET144的源 极的第一输入、接收标为"ISET"的信号的第二输入和向电流调节器122提供第一感测信号 的输出。 M0SFET148具有接收信号VBAT的漏极、接收第三P丽控制信号的栅极和连接到标 为"B"的节点的源极。M0SFET150具有连接到节点B的漏极、接收第四P丽控制信号的栅极 和源极。电阻器152具有连接到M0SFET150的源极的第一端子和接地的第二端子。比较器 156具有连接到M0SFET150的源极的第一输入、接收信号ISET的第二输入和向电流调节器 122提供第二感测信号的输出。 电动机160包括定子极162、转子164和定子线圈166。定子线圈166具有分别连 接到节点A和B的两个端子。 反馈控制模块120通过向电流驱动电路140提供P丽控制信号来调节电动机160 的工作。通过脉冲宽度调制(P丽)技术，P丽控制信号控制电流驱动电路140的MOSFET器 件142U44、148和150的传导，以便向定子线圈166提供期望的工作电流。反馈控制模块 120控制定子电流的大小，以及定子电流的换向。反馈控制模块120接收指示定子电流何时 到达期望的工作水平的来自电流驱动电路140的感测信号，并更改P丽控制信号的占空度 以维持期望的工作定子电流。较高的占空度增加电流驱动电路140提供的定子电流，较低的占空度减少电流驱动电路140提供的定子电流。由于不断地改变的BEMF信号的作用，反 馈控制模块120不断调整P丽控制信号的占空度。当BEMF的大小增加时，P丽控制信号的 占空度必须增加，以维持期望的定子电流。当BEMF的大小减小时，减小P丽控制信号的占 空度，以维持期望的定子电流。因此P丽控制信号的占空度提供BEMF的大小的指示，并能 因此在任何特定的时间对转子的角位置提供深入了解。 电流驱动电路140的MOSFET器件142、 144、 148和150构成H桥。在一个换向极性 期间，M0SFET142和150被配置为传导，同时M0SFET144和148被关闭，导致来自信号VBAT 的电流通过M0SFET142到节点A，通过线圈166到节点B，通过M0SFET150到地。在相反的 换向极性期间，M0SFET148和144被配置为传导，同时M0SFET142和150被关闭，导致来自 信号VBAT的电流通过M0SFET148到节点B，通过线圈166到节点A，通过M0SFET144到地。 因此，电流通过定子线圈166的方向取决于在具体的时间哪个换向极性是有效的。转子164 的每个全程旋转包括正、负换向间隔。当M0SFET148和144提供的定子电流接通并达到信 号ISET确定的期望的工作水平时，比较器154使第一感测信号有效。当M0SFET142和150 提供的定子电流接通并达到信号ISET确定的期望的工作水平时，比较器156使第二感测信 号有效。信号"极性"指定有效的换向间隔。 图2以示意性方式示出图1的无刷直流电动机160的电模型200。模型200包 括在端子A和B之间串联连接的标为"L"的感应器210、标为"R"的电阻器220以及标为 "VBEMF"的电压源230。感应器210和电阻器220相应定子线圈166的电属性，电压源VBEMF 代表由于定子线圈166在由转子164提供的磁场所提供的磁场里的运动而按法拉第-楞次 定律在定子线圈中感应的电压。如图2所示，标为"IX"的瞬时电流流经定子162。
图3是曲线图300，示出在图1的无刷直流电动机系统的工作期间，定子电流和 BEMF电压之间的理想关系。曲线图300具有代表以弧度为单位的转角e的水平轴和代表 视情况以安培或伏特为单位的信号振幅的纵轴。曲线图300包括代表以安培为单位的定子 电流IX的波形310和代表以伏特为单位的电压源VBEMF的波形320，都在图2示出。就电 动机160释放的机械功率而言，当信号IX和VBEMF彼此实质上同相时，电动机160实质上 以最佳的效率工作。注意VBEMF波形320的特性能够相当不同，并由转子几何结构、电动机 速度和其他设计属性确定。VBEMF波形320能够是正弦曲线的、梯形的或非常复杂的。如 图3所示，VBEMF是被截断并变形的正弦波。IX和VBEMF之间的相位关系部分由反馈控制 模块120何时开始对定子电流IX换向来确定。 图4是曲线图400，示出当换向开始过晚时，在图1的无刷直流电动机系统400的 工作期间，定子电流和BEMF电压之间的关系。曲线图400具有代表以弧度为单位的转角e 的水平轴和代表视情况以安培或伏特为单位的信号振幅的纵轴。波形410代表以安培为单 位的定子电流IX，波形420代表以伏特为单位的电压源VBEMF，都在图2示出。还示出了转 角间隔430和440，由于定子电流IX在转子164已经前进经过期望的角位置之后开始换向， 在转角间隔430和440期间，定子电流IX滞后于信号VBEMF。在间隔430和440期间，电 动机160提供的机械功率暂时为负。在这种条件下的工作效率低，并会将振动引入电动机 160，这加速磨损并因此减少电动机160的工作寿命。 图5是曲线图500，示出当换向开始过早时，在图1的无刷直流电动机系统100的 工作期间，定子电流和BEMF电压之间的关系。曲线图500具有代表以弧度为单位的转角e的水平轴和代表视情况以安培或伏特为单位的信号振幅的纵轴。曲线图500包括代表以安 培为单位的定子电流IX的波形510和代表以伏特为单位的电压源VBEMF的波形520，都在 图2示出。还示出了转角间隔530和540，由于定子电流IX在转子164前进到优选角位置 之前开始换向，在间隔530和540期间定子电流IX超前于信号VBEMF。在间隔530和540 期间，电动机160提供的机械功率暂时为负。在这种条件下的工作效率低，并会将振动引入 电动机160，这加速磨损并因此减少电动机160的工作寿命。 图6是时序图600，示出图1的无刷直流电动机系统的电流调节器122的工作。时 序图600包括代表以秒为单位的时间的水平轴和代表以安培或伏特为单位的信号振幅的 纵轴。时序图包括代表以安培为单位的定子电流IX的波形610和代表图1的电流调节器 电路122提供的P丽控制信号之一的波形620。图6还示出时间参考TO和Tl之间的时间 间隔640 、时间参考T2和T3之间的时间间隔650以及时间参考T4和T5之间的时间间隔 660。时间间隔640、650和660代表P丽控制信号的连续脉冲，并示出P丽控制信号的占空 度的变化。 时序图600代表的时段相应于转子164的相当小的角旋转，例如1度的一小部分。 响应于不断变化的BEMF和其他损耗，例如阻抗损耗，时序图600示出信号P丽控制的占空 度的变化，以维持恒定的定子电流IX。电流调节器电路122构成电流回路反馈系统的一部 分，电流回路反馈系统也包括电流驱动电路140和电动机160。当定子电流IX落在信号 ISET确定的优选工作水平之下时，信号SENSE无效，电流调节器电路122使P丽控制信号有 效，激活电流驱动电路140，以增加定子电流IX。当定子电流IX达到或超出信号ISET确定 的水平时，信号感测有效，电流调节器电路122使P丽控制信号无效，暂时禁止电流驱动电 路140并允许定子电流Ix减少。 电流调节器电路122基于在具体时刻定子电流IX和优选工作水平之间的差异来 调整P丽控制信号的占空度。例如，在时间间隔640期间，电流调节器电路122使P丽控 制信号620有效。在时间间隔650期间，电流调节器电路122使P丽控制信号620的有效 持续时间较长，并在时间间隔660期间持续更长时间，以便随着BEMF的增加补偿定子电流 IX。电流调节器电路122实现对定子电流IX的快速调整，导致实质上恒定的定子电流IX。 在可替换的实施方式中，电流调节器电路122能改为使用脉冲频率调制(PFM)，在这个情形 中，在一设定时间间隔期间，电流调节器电路122通过改变一致脉冲的数量来调整电流，其 中，较大的占空度相应于在这设定时间间隔期间提供给电流驱动电路140的更大数量的一 致脉冲，较小的占空度相应于在相同的时间间隔期间较少数量的一致脉冲。由于连续的占 空度的值提供对BEMF的大小的变化的指示，可分析这些值来估计转子164的角位置并开始 对定子电流IX的换向。 图7是曲线图700，示出用于早换向的换向之前和换向之后，图1的无刷直流电动 机系统100的几对P丽控制信号的占空度。曲线图700具有代表以弧度为单位的转角e的 水平轴和代表视情况以安培、伏特或百分比为单位的信号振幅的纵轴。在曲线图700中，波 形710代表以安培为单位的定子电流IX，波形720代表以伏特为单位的电压源VBEMF，波形 750代表定子电流换向之前和之后的、以百分比表示的P丽控制信号的占空度。图7还示出 阈值参考712和714，分别相应于由信号ISET确定的正的定子电流阈值和负的定子电流阈 值。角度参考TA代表反馈控制模块120何时开始定子电流IX的换向，角度TB代表定子电
7流IX的值何时达到了负的定子参考714。间隔760示出定子电流IX从阈值712转变到阈 值714的间隔。图7还示出在时间间隔760之前和之后的P丽控制信号占空度。紧挨角度 参考TA之前的P丽控制信号占空度标为"换向前占空度"，紧随角度参考TB之后的P丽控 制信号占空度标为"换向后占空度"。 电流调节器电路122在角度参考TA开始换向之前基于之前描述的电流调节器反 馈回路确定换向前占空度的值，并相应于电流调节器电路122确定的上一占空度。在换向 之后，电流调节器电路122通常将P丽控制信号占空度设置到最大值(即，100%占空度)， 直到定子电流IX已经达到角度参考TB的负的阈值。反馈控制模块120相对迅速地完成定 子电流IX的翻转，从而保持间隔760相对短。在角度参考TB，电流调节器电路122基于电 流调节器反馈回路再次确定P丽控制信号占空度。因此在定子电流IX的值成为等于参考 714的时间点之后，立即确定换向后占空度值。 占空度阈值调整电路124和换向逻辑电路126共同构成换向回路调节器，其控制 确定何时开始定子电流换向的另一反馈回路。换向回路调节器通过比较换向前占空度与换 向后占空度，在连续换向周期中识别换向时间。换向回路调节器将换向时间识别为当换向 前占空度和换向后占空度的值近似相等的时间。这个换向时间实质上是最佳的，因为电流 调节器电路122提供的P丽控制信号的占空度被与定子电流IX和BEMF之间的相位关系关 联起来。 返回参考图1联合图7能更好理解换向反馈回路的工作。在期望的换向时间之前， BEMF开始减小。基于在占空度的值开始减小之后选择的P丽控制信号占空度的具体的值， 可以做出对换向时间的初始猜测。换向逻辑126在这个具体的值(在角度参考TA)改变极 性信号的状态，并将这个值，即换向前占空度，经由信号"上一换向前占空度"提供给占空度 阈值调整电路124。 一旦定子电流IX达到在角度参考TB的阈值714，电流调节反馈回路且 尤其是电流调节器电路122根据需要调整P丽控制信号的占空度，以将定子电流IX维持在 信号ISET确定的水平。 电流调节器122经由信号"换向后占空度"将在角度参考TB之后的初始占空度提 供给占空度阈值调整电路124。占空度阈值调整电路124比较上一换向前占空度和换向后 占空度的值，并确定换向开始的下一占空度的值。占空度阈值调整电路124经由信号"下一 换向前占空度"将这个值提供给换向逻辑电路126。当P丽控制信号的占空度减小到由信 号"下一换向前占空度"指定的值时，换向逻辑电路126切换信号"极性"，开始换向。
如果换向前占空度大于换向后占空度，那么下一换向前占空度将被设置为小于在 上一换向期间选择的值。如果换向前占空度小于换向后占空度，那么下一换向前占空度将 被设置为大于上一换向期间选择的值。持续迭代，对换向前占空度进行相当小的修正，直到 换向前占空度和换向后占空度的数值近似相等。使用每一连续的换向事件实现所描述的迭 代过程，或通过不这么频繁地评估换向来实现所描述的迭代过程。例如，可通过在每千次换 向的一次换向期间评估换向前占空度和换向后占空度的值来完成反馈回路的收敛，以识别 实质上最佳换向时间。 图7中示出的P丽控制信号的换向前占空度的值大于换向后占空度的值，指出换 向开始的太早。因此，占空度阈值调整电路124将信号"下一换向前占空度"的值调整为稍 小于上一换向前占空度的值，当P丽控制信号的占空度已经减小到新的换向前占空度的值时，换向逻辑126开始换向。通常，用小步骤进行对换向前占空度的值的调整。例如，如果 电流调节器电路122能够提供128个唯一占空度的值，且换向前占空度的当前值是93，那么 占空度阈值调整电路124将下一换向前占空度的值置为92。其他技术，包括二进制检索算 法或某种平滑算法也能用来控制换向反馈回路的收敛率。 图8是曲线图800，示出当换向在理想时间开始时，在换向之前和之后，图1的无刷 直流电动机系统的几对P丽控制信号的占空度。曲线图800具有代表以弧度为单位的转角 9的水平轴和代表视情况以安培、伏特或百分比为单位的信号振幅的纵轴。波形810代表 以安培为单位的定子电流IX，波形820代表以伏特为单位的电压源VBEMF，波形850代表以 百分数为单位的、在定子电流换向之前和之后P丽控制信号的占空度。还包括分别相应于 由信号ISET确定的正的定子电流阈值和负的定子电流阈值的阈值参考812和814。角度 参考TX代表定子电流IX的换向开始的时间，角度TY代表定子电流IX何时已经达到负的 定子电流阈值814。间隔860示出定子电流IX从阈值812转变到阈值814的间隔。在间 隔860之前和之后显示了 P丽控制信号占空度。紧挨角度参考TX之前的P丽控制信号占 空度标为"换向前占空度"，紧随角度参考TY之后的P丽控制信号占空度标为"换向后占空 度"。 曲线图800示出在之前描述的换向反馈回路已经收敛在实质上最佳的换向时间 上后，电动机160的工作，最佳的换向时间如通过换向前占空度和换向后占空度的值近似 相等来指示。换向反馈回路能继续工作，以维持实质上最佳换向时间。因此，无刷直流电动 机系统100能对应用于160的机械负载的变化进行补偿，或对于因定子电流阈值信号ISET 的值的改变而造成的转动速度的变化进行补偿。 曲线图800还示出当换向在实质上最佳时间开始时，定子电流IX和VBEMF与阈值 812和814之间的中点交叉(零交叉)，近似处在角度参考TX和TY之间的中点。因此，标 为"T1"和"T2"的间隔的值实质上相等。定子电流IX和BEMF彼此实质上同相，电动机160 提供的机械功率实质上最大。 注意，如图1所示，使用微控制器实现反馈控制模块120，使用硬件和软件组合来 实现电流调节器122、占空度阈值调整电路124和调节器逻辑电路126。在其他实施方式中， 硬件和软件的不同组合能用来实现这些模块的部分。此外，可在单个集成电路上实现电流 驱动电路140和反馈控制模块120。 同样，电流驱动电路140显示为使用M0SFET142、144、146和148。如在这里使用的 以及传统理解的，"MOSFET"包括具有多晶硅栅极以及具有金属栅极的绝缘栅型场效应晶体管。 注意，图1示出的电流驱动电路140包括两个比较器154和156以及两个电流感测 电阻器146和152，以提供两个感测信号。在可替换的实施方式中，通过将M0SFET144的源 极连接到M0SFET150的源极，并包括这个连接和地之间的单个电阻器，以及包括被连接到 连在一起的源极的单个比较器，可使用单个比较器和单个电阻器来提供单个感测信号。在 任一实现中，定子电流的绝对大小与信号ISET的值比较，即使定子电流的流动方向随着每 次换向改变。 以上公开的主题应认为是示例性的，而不是限制性的，并希望随附的权利要求覆 盖落在权利要求的真实范围内的所有这样的更改、增加和其他实施方式。因此，在法律所允许的最大程度内，本发明的范围由以下权利要求和它们的等价物允许的最宽泛的解释确 定，并不应被前述详细描述限制或限定。
权利要求
一种用于无刷直流电动机(160)的控制电路，包括电流驱动电路(140)，其被配置为响应于控制信号而选择性地以第一极性或第二极性驱动所述无刷直流电动机(160)，并用于感测通过所述无刷直流电动机(160)的电流来提供电流感测信号；电流回路调节器(122)，其用于响应于所述电流感测信号而改变所述控制信号的占空度以调节所述电流，并用于基于极性信号的状态将所述电流调节到第一电流或第二电流中的所选的一个，所述第二电流与所述第一电流极性相反；以及换向回路调节器(124，126)，其用于响应于对换向前占空度的值和换向后占空度的值的比较来调节所述极性信号的转变。
2. 如权利要求l所述的控制电路，其中所述电流回路调节器(122)将所述换向后占空 度的值确定为当所述电流在所述极性信号的所述转变之后达到所述第二电流时的所述占 空度的值。
3. 如权利要求2所述的控制电路，其中所述换向回路调节器(124,126)调整所述转变， 直到所述换向前占空度的值和所述换向后占空度的值基本上相等。
4. 如权利要求3所述的控制电路，其中所述换向回路调节器(124,126)包括 占空度阈值调整电路(124)，其用于基于所述换向前占空度的值以及所述换向前占空度的值和所述换向后占空度的值之间的差异调整下一换向前占空度的值；以及换向逻辑电路(126)，其用于当所述占空度近似等于所述下一换向前占空度的值时改 变所述极性信号的所述状态。
5. 如权利要求l所述的控制电路，其中所述电流调节器(122)和所述换向回路调节器 (124,126)用微控制器实现。
6. 如权利要求5所述的控制电路，其中所述微控制器和所述电流驱动电路(140)合并 在单个集成电路上。
7. —种控制无刷直流电动机(160)的方法，包括如下步骤将通过所述无刷直流电动机(160)的线圈的电流调节到基本上等于正参考电流； 确定提供给电流驱动电路的控制信号的换向前占空度的值； 换向所述电流；将通过所述无刷直流电动机(160)的所述线圈的所述电流调节到基本上等于负参考 电流；确定所述控制信号的换向后占空度的值；如果所述换向后占空度的值小于所述换向前占空度的值，减小下一换向前占空度；以及如果所述换向前占空度大于所述换向后占空度的值，增加所述下一换向前占空度的值。
8. 如权利要求7所述的方法，其中换向所述电流的所述步骤包括 将所述控制信号的占空度和所述下一换向前占空度进行比较；以及 当所述控制信号的所述占空度基本上等于所述下一换向前占空度时，改变通过所述无刷直流电动机(160)的所述线圈的所述电流的极性。
9. 如权利要求7所述的方法，其中所述增加步骤包括按等于所述换向前占空度和所述换向后占空度之间的差异的一部分的量来增加所述 下一换向前占空度。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述减小步骤包括按等于所述换向后占空度和所述换向前占空度之间的差异的一部分的量来减小所述 下一换向前占空度。
全文摘要
一种用于无刷直流(DC)电动机(160)的控制电路(120，140)包括电流驱动电路(140)、电流回路调节器(122)和换向回路调节器(124，126)。电流驱动电路(140)适于响应于控制信号而选择性地以第一极性或第二极性驱动无刷直流电动机(160)，并感测通过无刷直流电动机(160)的电流以提供电流感测信号。电流回路调节器(122)响应于电流感测信号而改变控制信号的占空度以调节电流，并基于极性信号的状态调节电流的极性。换向回路调节器(124，126)响应于对换向前占空度的值和换向后占空度的值的比较来调节所述极性信号的转变。
文档编号H02P6/08GK101753074SQ20091020769
公开日2010年6月23日 申请日期2009年10月29日 优先权日2008年12月3日
发明者S·J·B·W·弗迈尔 申请人:半导体元件工业有限责任公司