一种无刷直流电机驱动芯片及系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种无刷直流电机驱动芯片及系统，属于电机控制的技术领域。
【背景技术】
[0002]无刷电动机利用电子换向替代了机械换向，克服了传统直流电机由于电刷摩擦而产生的一系列问题，并且具有调速性能好、体积小、效率高等优点，因而广泛应用于国民经济生产的各个领域以及人们的日常生活中。
[0003]随着控制理论、材料科学、微电子技术等的发展，电机控制日趋复杂和智能化。传统的以模拟信号处理为主的电机芯片设计，一方面难以提供高度智能化的电机控制，另一方面芯片设计的可移植性和灵活性较差，导致设计周期和难度都大幅增加。此外，当前的应用方案中电机控制与驱动通常是分离的，由至少两颗芯片来完成各自功能，这增加了应用难度和系统成本，同时由于寄生电感、电容等的存在也不利于异常的及时、可靠的保护。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种无刷直流电机驱动芯片及系统，解决现有电机的电机控制与驱动通常是分离的，由至少两颗芯片来完成各自功能，且可移植性和灵活性较差的技术问题。
[0005]本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题:
一种无刷直流电机驱动芯片，包括:
时钟产生电路，用于产生芯片的系统时钟；
电源管理电路，用于产生芯片的供电电压；
模数转换电路，用于检测获得电机控制参数、电机状态参数的模拟信号并将其转换为数字信号；
位置检测电路，用于将位置传感器的输出信号转换为数字信号，获取电机转子的位置信息及当前转速；
数字处理单元，用于根据所述电机转子位置与当前转速、电机控制参数、电机状态参数，以及所设置的调制算法输出电机各相线圈PWM信号；
栅极驱动电路，用于通过自举电路将所述电机各相线圈PWM信号转换为与功率器件相适应的高压驱动信号及将高压驱动信号输出。
[0006]进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述芯片的所有电路及单元均集成于同一衬底上。
[0007]进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述芯片具有开环调速和闭环调速模式。
[0008]进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述芯片采用开环调速模式时，所述电机控制参数包括与施加于电机各相线圈PWM信号的占空比成比例关系的模拟电压；所述芯片采用闭环调速模式时，所述电机控制参数包括与电机目标转速成比例关系的模拟电压。
[0009]进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述位置检测电路包括信号放大和比较电路，用于对位置传感器的输出信号进行放大比较。
[0010]进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述电机状态参数包括母线电流的取样电压。
[0011]进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述数字处理单元包括:
三角载波产生电路，用于产生固定频率的三角载波；
占空比控制单元，用于根据所述电机控制参数生成PWM信号占空比的控制信号；
调制函数产生电路，用于根据调制算法及所述PWM信号占空比的控制信号产生调制函数；
PffM生成单元，用于利用所述三角载波对所述调制函数进行调制后，根据所述电机转子的位置生成电机各相线圈PWM信号。
[0012]进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述数字处理单元包括闭环调速单元，用于根据电机目标转速及所述位置检测电路获取的当前转速，调节电机各相线圈PWM信号的占空比以使电机转速逐渐达到目标转速。
[0013]本发明还提出一种无刷直流电机驱动系统，所述系统包括:位置传感器、功率管，以及上述权利要求1-8任一权项所述的无刷电机驱动芯片；其中，所述位置传感器用于检测电机转子位置；所述无刷电机驱动芯片用于获取电机转子位置及当前转速，及结合获得的电机控制参数、电机状态参数通过功率管向无刷直流电机的各相线圈施加PWM信号。
[0014]本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果:
(I)本发明所提供的无刷直流电机驱动芯片及系统，通过将无刷直流电机控制与驱动芯片集成在一起，大大提高了芯片集成度，降低了系统应用的难度和成本，提高了应用的灵活性，同时各种异常保护机制可以直接作用于栅极驱动电路，能够更加及时、可靠地实施保护。
[0015](2)本发明采用以数字处理为核心的电路技术，即所有电机控制算法及异常处理等功能都在专用的数字电路中实现，与传统的以模拟设计为主的电路技术相比，提高了芯片设计的可移植性和灵活性；与基于MCU和软件的电机控制方案相比，缩短了开发周期，降低应用难度和成本，且大大提高了芯片的可靠性，避免了因储存单元信息丢失、软件飞车等引起的芯片失效。
【附图说明】
[0016]为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0017]图1为现有技术中一种典型的无刷直流电机驱动系统的模块示意图。
[0018]图2为本发明实施例提供的一种无刷直流电机驱动芯片的模块示意图。
[0019]图3为本发明实施例提供的一种数字处理单元的模块示意图。
[0020]图4为本发明实施例提供的栅极驱动电路的应用示意图。
[0021]图5为本发明实施例提供的栅极驱动电路通过自举电容转换为高压驱动信号的示意图。
[0022]图6为本发明实施例提供的一种无刷直流电机驱动系统的模块示意图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0024]如图1所示，现有技术中一个无刷电机控制系统通常包含电机控制芯片、栅极驱动芯片、功率器件以及位置传感器。从可靠性、应用难度、散热、PCB空间等方面综合考虑，通常希望系统集成度越高越好。在小功率(比例200W以下)电机控制方面，通常将图1所示的栅极驱动芯片、功率器件及二极管等部分外围元器件封装成一颗芯片，即所谓的智能功率模块(IPM)。以三相无刷直流电机为例，一个IPM通常包含了 3颗栅极驱动芯片、6个功率器件及若干二极管等10多颗芯片和元器件。如此多的芯片和元器件封装在一起，封装的难度、成本等陡然增加，良率下降，同时散热问题限制了其适用的功率范围，一般只适用于小功率电机应用。
[0025]本发明提出将电机控制芯片与栅极驱动集成一起，成为集成驱动芯片。首先，集成驱动芯片仍然可以与功率器件封装在一起，与IPM相比，元器件数目减少了，功能却增加了，集成度大大提高；其次，集成驱动芯片可以与不同的功率器件配套，以适用于不同功率范围的应用；再次，电机控制与驱动集成在一起，除集成度提高外，电机的过流、过温等异常保护可以更加及时、智能。
[0026]本发明实施例实施一提供了一种无刷直流电机驱动芯片，其模块示意图如图2所示，所述芯片包括模数转换电路110、数字处理单元120、位置检测电路130、时钟发生电路140、栅极驱动电路150和电源管理电路170。该芯片的所有电路及单元均集成于同一衬底上。
[0027]时钟产生电路140和电源管理电路170分别产生芯片的系统时钟和供电电压。模数转换电路110是主要的接口电路，将电机控制参数、电机状态参数等多通道模拟信号转换为数字信号，以便于采用数字处理方法来完成电机控制的基本功能和高级算法，优选地，所述电机状态参数可以包括母线电流的取样电压。位置检测电路130则负责将位置传感器的输出信号转换为数字信号，以获取电机转子的位置信息及当前转速。以三相无刷直流电机为例，一般采用三个霍尔传感器来感知电机转子位置，据此将360电角划分为6个扇区；根据霍尔传感器的输出，可以获取电子转子的位置信息及当前转速。更进一步地，所述位置检测电路还包括信号放大和比较电路，用于对位置传感器的输出信号进行放大比较。
[0028]数字处理单元120是芯片的核心部分，主要处理模数转换电路110和位置检测电路130获取的数字信号，并根据内置的调制算法输出各相P