采用动态混合衰减模式的PWM电流驱动方法及装置与流程

本发明属于自动控制领域，尤其涉及采用动态混合衰减模式的pwm电流驱动方法及装置。

背景技术：

现在的电机细分的方式基本上都是电流细分法，将相电流按正弦波相切得到的电流点作为细分点。在相电流达到细分点时就要控制电流进行衰减，否则就会出现角度过冲也无法准确的停留在细分角度上。电机的速度不同选择的衰减模式也不同，一般是高速时快速衰减、低速时慢速衰减。若高速时慢速衰减就会出现震动大、噪音高等问题，若低速时选择快速衰减就会导致电机无力严重时甚至会出现定位不准。电机控制芯片上的电流衰减所针对的是全桥电路开关管的控制模式，慢速衰减时高侧管关闭，下侧管导通；快速衰减时与充电时的电流方向相反，高低侧管关闭，另一边的高低侧管导通。混合衰减是快速衰减和慢速衰减混合的衰减模式，在传统的混合衰减模式中，快速衰减和慢速衰减的时间都是固定的，其比例因芯片和功率的不同而不同。在这种传统的混合衰减模式中，若外部接不同的电机负载时，其电流纹波会有很大的差异。而电流纹波较大时，电机的噪声也会变大。

技术实现要素：

针对以上技术问题，本发明提供了一种输出电流纹波较小，从而能够减小电机噪声并降低电源功耗的电流驱动技术方案。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

根据本发明的一方面，提供了采用动态混合衰减模式的pwm电流驱动方法，所述方法包括如下步骤：

设定方波信号的周期、方波信号周期内的充电电流阈值；

使电机充电到充电电流阈值；

控制通过电机的电流进行快速衰减，直到通过电机的电流快速衰减到动态放电电流阈值；

控制通过电机的电流进行慢速衰减，直到方波信号的周期结束。

作为本发明上述技术方案的可选方案，在方波信号的当前周期内，根据用户对电机电流的精度和相对误差的要求，设置充电电流阈值和动态放电电流阈值。

作为本发明上述技术方案的可选方案，动态放电电流阈值设置为充电电流阈值的90％～99％。

作为本发明上述技术方案的可选方案，在方波信号的下一个周期内，若设定的充电电流阈值大于方波信号前一个周期内的充电电流阈值，则使电机充电到较大的充电电流阈值。

作为本发明上述技术方案的进一步改进，若电机的充电时间超过方波信号的一个周期，则使电机的充电时间延续到方波信号的下一个周期中。

作为本发明上述技术方案的进一步改进，在方波信号的下一个周期内，若设定的充电电流阈值小于方波信号前一个周期内的充电电流阈值，且在下一个周期的开始处通过电机的电流大于充电电流阈值，则控制电机只在消隐时间内进行充电，随后控制通过电机的电流进行快速衰减。

作为本发明上述技术方案的优选方案，在充电和电流快速衰减的开端均设定消隐时间，该消隐时间大于全桥电路上下管切换的死区时间且小于方波信号的周期。

作为本发明上述技术方案的进一步改进，若电流进行快速衰减的时间超过方波信号的一个周期，则使电流进行快速衰减的时间延续到方波信号的下一个周期中。

作为本发明上述技术方案的进一步改进，在充电转电流快速衰减、电流快递衰减转电流慢速衰减的每个转换点处设置滤波器。

根据本发明的另一方面，提供了采用动态混合衰减模式的pwm电流驱动装置，所述装置包括：

存储器，用于储存应用程序；和

处理器，用于运行所述应用程序以执行如下步骤：

设定方波信号的周期、方波信号周期内的充电电流阈值；

使电机充电到充电电流阈值；

控制通过电机的电流进行快速衰减，直到通过电机的电流快速衰减到动态放电电流阈值；

控制通过电机的电流进行慢速衰减，直到方波信号的周期结束。

本发明相对现有技术所具有的有益技术效果如下：

本发明在电机充电到充电电流阈值后，通过控制通过电机的电流进行快速衰减到动态放电电流阈值，再控制电流进行慢速衰减，可以保证输出电流的纹波较小，从而能够减小电机噪声并降低电源功耗；

本发明定义了一个动态放电电流阈值，即本发明可以通过实时检测电机的充电电流，来控制混合衰减中快速衰减与慢速衰减的时间，这不同于传统的混合衰减模式中固定快速衰减与慢速衰减的时间，因此使用本发明的方法可以适用于外接不同电机的系统；

在本发明中，若设定的充电电流阈值小于方波信号前一个周期内的充电电流阈值，则可以控制电机只在消隐时间内进行充电，随后再控制通过电机的电流进行快速衰减，这样在停止电流充电后定义了关断之前的延迟时间，能够让使用本方法的系统忽略关断之前的限流故障条件，从而提高系统的故障容限；

本发明在电流变化的每个转换点处设置了滤波器，可以避免由外部噪声引起的电流检测错误。

附图说明

图1为传统混合衰减模式中充电电流阈值增加的示意图；

图2为传统混合衰减模式中充电电流阈值减小的示意图；

图3为本发明采用动态混合衰减模式的pwm电流驱动方法的一个实施例的示意图；

图4为本发明采用动态混合衰减模式的pwm电流驱动方法的另一个实施例的示意图；

图5为本发明采用动态混合衰减模式的pwm电流驱动方法的另一个实施例的示意图；

图6为本发明采用动态混合衰减模式的pwm电流驱动方法的另一个实施例的示意图；

图7为本发明采用动态混合衰减模式的pwm电流驱动方法的另一个实施例的示意图；

图8为本发明采用动态混合衰减模式的pwm电流驱动方法的增加滤波器的示例性示意图；

图9为本发明实施各个实施例中pwm驱动电流的驱动原理示意图；

图10为本发明实施各个实施例的pwm逻辑控制模块的示意图；

图11为本发明采用动态混合衰减模式时所设计的pwm驱动时序的一个示例性实施例。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的各个实施例作进一步详细的说明。

在传统的混合衰减模式中，快速衰减和慢速衰减的时间都是固定的。在如图1所示的充电电流阈值增加的情况下，当电机的充电电流到达设定的充电电流阈值时，进入放电模式，即先进入慢速衰减，再选择方波信号周期fchop的最后1us进入快速衰减。当充电电流阈值减小时，如图2所示，先进行一段消隐时间的被迫充电，再控制通过电机的电流迅速快速衰减至方波信号的一个周期结束，而后再进行往复的充电、慢速衰减、快速衰减过程。在图2的快速衰减过程中，因为没有确认电流放电的幅值与充电电流峰值之间的相对误差，有可能会出现放电斜率较大，而造成电流纹波较大。并且，这种传统的混合衰减模式固定了快速衰减的时间或比例，若外部接不同的电机负载时，其电流纹波会有很大的差异，而电流纹波较大时，电机的噪声也会变大。

一方面，根据本发明采用动态混合衰减模式的pwm电流驱动方法的一个实施例，所述方法可以包括如下步骤：

设定方波信号的周期fchop、方波信号周期内的充电电流阈值itrip；

使电机充电到充电电流阈值itrip；

控制通过电机的电流进行快速衰减，直到通过电机的电流快速衰减到动态放电电流阈值，作为优选地实施方式，可以根据用户对电机电流的精度和相对误差的要求来设置充电电流阈值和动态放电电流阈值。作为本实施例的可选实施方式，当动态放电电流阈值和充电电流阈值的相对误差超过误差阈值t时，电机的电流就从快速衰减切换到慢速衰减，作为优选地实施方式，t设置为1％～10％，即动态放电电流阈值可以设定为充电电流阈值大小的90％～99％，更优选地，动态放电电流阈值可以设定为充电电流阈值大小的95％；

控制通过电机的电流进行慢速衰减，直到方波信号的周期结束。该实施例的电流调节过程可以如图3所示，且本发明的充电、快速衰减和慢速衰减的起止时间并不受方波信号高、低电平的限制，而仅仅与充电电流阈值itrip、动态放电电流阈值的大小有关。并且，在这种动态混合衰减模式下，所消耗的功率会大大减小。

根据本发明的另一个实施例，其包括上述实施例的基本步骤，并在上述实施例的基础之上，如图4所示，在方波信号的下一个周期内，若设定的充电电流阈值大于方波信号前一个周期内的充电电流阈值，则使电机直接充电到较大的充电电流阈值，再控制通过电机的电流进行快速衰减到动态放电电流阈值，之后控制通过电机的电流进行慢速衰减，直到方波信号的周期结束。到达方波信号新的周期时，再循环进行如上所述的充电、放电过程。

作为本发明上述实施例的进一步改进，如图5所示，若电机的充电时间超过方波信号的一个周期，则使电机的充电时间延续到方波信号的下一个周期中，随后再进行快速衰减与慢速衰减。

根据本发明的另一个实施例，其包括上述第一个实施例的基本步骤，并在上述第一个实施例的基础之上，如图6所示，在方波信号的下一个周期内，在充电和电流快速衰减的开端均可以设定消隐时间，该消隐时间大于全桥电路上下管切换的死区时间且小于方波信号的周期。例如，若设定的充电电流阈值小于方波信号前一个周期内的充电电流阈值，则控制电机先在消隐时间(blankingtime)内进行充电，随后控制通过电机的电流进行快速衰减到动态放电电流阈值，之后控制通过电机的电流进行慢速衰减，直到方波信号的周期结束。到达方波信号新的周期时，再循环进行如上所述的充电、放电过程。在本实施例中，即使下一个周期内设定的充电电流阈值小于方波信号前一个周期内的充电电流阈值，也可以在周期的开端增加消隐时间内的短时间充电过程，这是因为此时的电机电流较充电电流阈值相比仍偏高，这样在停止电流充电后定义了关断之前的延迟时间，能够让使用本方法的系统忽略关断之前的限流故障条件，从而提高系统的故障容限。优选地，充电消隐时间设置为1～4us，更优选地设置为1.25us。电流快速衰减的消隐时间可以设置为1～4us，更优选地可以设置为2.81us。

作为本发明上述实施例的进一步改进，如图7所示，若电流进行快速衰减的时间超过方波信号的一个周期，则使电流进行快速衰减的时间延续到方波信号的下一个周期中，随后再进行慢速衰减。到达方波信号新的周期时，再循环进行如上所述的充电、放电过程。

根据本发明的另一个实施例，其包括上述第一个实施例的基本步骤，并在上述第一个实施例的基础之上，如图8所示，为了避免由外部噪声引起的电流检测错误，在充电转电流快速衰减、电流快递衰减转电流慢速衰减的每个转换点处可以设置滤波器，该滤波器对转换点的检测信号进行滤波和防噪处理。其中，通过电机的电流和充电电流阈值经比较后，可以产生充电转电流快速衰减的检测信号；通过电机的电流和动态放电电流阈值经比较后，可以产生电流快速衰减转电流慢速衰减的检测信号。滤波器的时延可以设定为300～600ns，优选地，可以设定为365ns。

值得说明的是，本发明方法中的各个实施例以及进一步的改进点可以相互组合和/或结合。例如，在方波信号的下一个周期内，当设定的充电电流阈值大于和/或小于方波信号前一个周期内的充电电流阈值，均可以在电流变化的每个转换点处设置滤波器。

另一方面，根据本发明采用动态混合衰减模式的pwm电流驱动装置的一个实施例，所述装置可以包括：

存储器，用于储存应用程序；和

处理器，用于运行所述应用程序以执行如下步骤：

设定方波信号的周期、方波信号周期内的充电电流阈值；

使电机充电到充电电流阈值；

控制通过电机的电流进行快速衰减，直到通过电机的电流快速衰减到动态放电电流阈值；

控制通过电机的电流进行慢速衰减，直到方波信号的周期结束。

作为上述实施例的优选实施方式，该装置可集成在电机驱动芯片内。

为了更好的说明如何实施本发明的电流驱动方法，以下结合具体装置对本发明进行说明。请参考如图9所示的本发明实施各个实施例中pwm驱动电流的驱动原理示意图，其中：微控制单元，可以是单片机，发送方向信号和模式信号给pwm逻辑控制单元，即由微控制单元设定输出所需的电流细分模式和充电电流方向，并通过电阻分压或者外部电源来设定v_ref的电压值；

振荡器设定方波信号的周期；

数字模拟转换器设定方波信号周期内的充电电流阈值dac_out；

pwm逻辑控制单元设定输出处于充电状态，同时检测电机m输出的电流i_load经外接感测电阻r_sense所产生的反馈电压sense，并将电压sense反馈到电流比较器的输入端与充电电流阈值dac_out进行比较。若比较结果显示电机m输出的电流i_load小于充电电流阈值dac_out，则使电机充电到充电电流阈值，随后产生放电开始信号discharge、快速衰减结束信号fastdecay，控制通过电机的电流进行快速衰减，电机电流放电。进一步，感测电阻r_sense上的电压sense反馈到电流比较器的输入端与动态放电电流阈值adac_out进行比较，并设定动态放电电流阈值adac_out的值为95％*dac_out。这样，可以控制通过电机的电流进行快速衰减，直到通过电机的电流快速衰减到动态放电电流阈值，然后控制通过电机的电流进行慢速衰减，直到方波信号的周期结束，之后开始新的充电周期。

在上述实施例中，送至电流比较器的反馈信号sense可以是外部功率电阻r_sense上的电压，若外部无功率电阻时，检测的反馈信号sense也可为全桥电路中功率下管的导通电压。

进一步，在上述实施例中，放电开始信号discharge、快速衰减结束信号fastdecay与振荡器产生的时钟信号clock经pwm逻辑控制单元处理产生na1、na2、nb1、nb2四个逻辑控制信号；这四个逻辑控制信号na1、na2、nb1、nb2再经过输出前级驱动单元产生全桥电路四个功率管的驱动信号drv_na1、drv_na2、drv_nb1、drv_nb2；通过控制全桥电路四个功率管的开启和关断从而控制外接电机线圈上的电流i_load的峰值和方向。

其中，作为示例性实施例，实施本发明的pwm逻辑控制单元可以如图10所示。其中，方波信号的周期fchop开始于充电状态，在充电状态时，反馈信号sense与充电电流阈值dac_out进行比较，当sense慢慢升至dac_out电平时，产生放电开始信号discharge，输出从充电转电流快速衰减。在这种快速放电状态中，sense电压为负，可以取sense信号的幅值与动态放电阈值adac_out进行比较，其中动态放电电流阈值adac_out优选设置为95％*dac_out。当反馈信号sense慢慢降至adac_out电平时，产生快速衰减结束信号fastdecay，输出从快速电流衰减转慢速电流衰减。在这种慢速放电状态中，反馈信号sense与gnd零电平进行比较，这是为了避免当设定充电阈值很小时，负载电流较小，慢衰减模式下电流可能会变成零或变成反向电流。若检测到反馈信号sense的电平等于零电平时，产生过零检测信号out_z，这将影响四个逻辑控制信号na1、na2、nb1、nb2使其均变为低电平，输出进入高阻态，直到下一个fchop周期重新开始于充电状态。

进一步，为了避免噪声干扰，充电和快速放电都设定了消隐时间。充电消隐时间可以设定为1～4us，优选地可以设定为1.25us，快速放电消隐时间可以设置为1～4us，优选地可以设定为2.81us。为了避免由外部噪声引起的电流检测错误，在充电转电流快速衰减、电流快递衰减转电流慢速衰减的每个转换点处可以设置滤波器，该滤波器对转换点的检测信号进行滤波和防噪处理。滤波器的时延可以设定为300～600ns，优选地，可以设定为365ns。图11显示了本发明采用动态混合衰减模式时所设计的pwm驱动时序的一个示例性实施例。其中sddt为慢速衰减的死区时间，fddt为快速衰减的死区时间，每种状态切换时，上下管都要留有一定的死区时间，避免上下管串通。

以上对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。