一种无刷直流电机无位置传感器驱动芯片及系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种无刷直流电机无位置传感器驱动芯片及系统，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，应用也越来越广泛。首先，位置传感器带来的安装空间、安装误差、可靠性等问题限制了有位置传感器芯片及方案在诸如抽油烟机等领域的应用。其次，当前的系统应用中电机控制与驱动通常是分离的，这增加了应用难度和系统成本，同时也不利于在异常状态出现时及时、可靠地实施保护。
【发明内容】
[0004]本实用新型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无位置传感器驱动芯片及系统，解决现有的无刷直流电机因位置传感器带来的安装空间、安装误差、可靠性等问题，及控制与驱动通常是分离和不利于实施保护的问题。
[0005]本实用新型具体采用以下技术方案解决上述技术问题:
[0006]一种无刷直流电机无位置传感器驱动芯片，包括:
[0007]时钟及电压产生电路，用于产生芯片的系统时钟及供电电压；
[0008]模数转换电路，其输入端与时钟及电压产生电路、数字处理单元的输出端分别相连，用于检测获得电机控制参数、状态参数的模拟信号转换并将其为数字信号；
[0009]过零检测单元，用于检测电机非导通相的端电压以获取该相的反电动势过零点，进而获取电机转子位置及当前转速；
[0010]数字处理单元，其输入端与模拟转换电路、过零检测单元的输出端分别相连，用于向电机各相线圈施加驱动电压及输出电机各相线圈PffM信号；
[0011]栅极驱动电路，其输入端与数字处理单元的输出端相连，用于通过自举电路将所述电机各相线圈PWM信号转换为高压驱动信号输出；
[0012]保护电路，与栅极驱动电路的输入端相连，用于检测芯片和电机的异常状态，并在出现异常时阻断所述高压驱动信号。
[0013]进一步地，作为本实用新型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。
[0014]进一步地，作为本实用新型的一种优选技术方案，所述芯片还包括闭环调速单元，所述闭环调速单元与数字处理单元的输入端相连。
[0015]进一步地，作为本实用新型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、占空比控制单元及PWM生成单元，所述三角载波产生电路、占空比控制单元分别与PffM生成单元相连。
[0016]进一步地，作为本实用新型的一种优选技术方案，所述芯片还包括相位调整单元，所述相位调整单元与数字处理单元相连。
[0017]本实用新型还提供一种无刷直流电机无位置传感器驱动系统，包括检测单元、功率管，以及上述的电机驱动芯片；其中，所述检测单元，用于检测电机控制参数及状态参数；所述电机驱动芯片，其输入端与检测单元的输出端相连，且电机驱动芯片的输出端与功率管相连；该电机驱动芯片用于获得电机控制参数及状态参数，并结合获得的电机转子位置及当前转速通过功率管向无刷直流电机的各相线圈施加PWM信号。
[0018]本实用新型采用上述技术方案，能产生如下技术效果:
[0019]本实用新型所提供的无刷直流电机无位置传感器驱动芯片及系统，通过反电动势过零检测获取电机转子位置，节省了对温度等环境因素敏感的位置传感器，降低了成本，提高了可靠性；将无位置传感器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。
【附图说明】
[0020]为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，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实用新型的一些实施例，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。
[0021]图1为现有技术中一种典型无刷直流电机驱动系统的模块示意图。
[0022]图2为本实用新型实施例提供的一种无刷直流电机无位置传感器驱动芯片的模块不意图O
[0023]图3为本实用新型实施例提供的反电动势过零检测实现电路图。
[0024]图4(a)为本实用新型实施例提供的一种数字处理单元的框图；及图4 (b)为PffM信号产生的示意图。
[0025]图5为本实用新型实施例提供的栅极驱动电路的应用示意图。
[0026]图6为本实用新型实施例提供的一种无刷直流电机无位置传感器驱动系统的模块不意图O
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图对本实用新型实施例进行详细描述。应当明确，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
[0028]如图1所示，现有的无刷电机控制系统，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)0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。
[0029]本实用新型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，并且通过反电动势过零检测获取电机转子位置，可节省位置传感器。首先，避免了位置传感器因对温度敏感带来的可靠性问题，同时降低了成本及对电机空间的要求；其次，集成驱动芯片的应用更加灵活多样:a)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，b)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；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。
[0030]本实用新型实施例实施一提供了一种无刷直流电机无位置传感器驱动芯片，其系统框图如图2所示，所述芯片包括保护电路110、时钟及电压产生电路120、模数转换电路130、数字处理单元140、栅极驱动电路150和过零检测单元160。其中模数转换电路130的输入端与时钟及电压产生电路120、数字处理单元140的输出端分别相连；所述数字处理单元140的输入端与模数转换电路130的输出端、过零检测单元170的输出端分别相连，且数字处理单元140的输出端与栅极驱动电路150的输入端相连；所述保护电路110的输出端还连接栅极驱动电路150的输入端；所述芯片的所有电路及单元均集成于同一衬底上。
[0031]时钟及电压产生电路120产生芯片的系统时钟和供电电压。模数转换电路130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，优选地，所述模数转换电路130获取的电机状态参数包括母线电流的取样电压等参数和各相端电压。过零检测单元160检测电机非导通相的端电压以获取反电动势过零点，进而获取电机转子位置。反电动势过零点与换相时刻存在直接对应关系，因此可以用于各相PWM的换相。
[0032]为方便进一步的理解，以三相无刷直流电机为例，本实用新型实施例提供了过零检测单元160的一种电路实现方式，如图3所示。通过电阻分压及低通滤波后检测电机各相端电压的过零点，低通滤波主要是滤除载波干扰。
[0033]数字处理单元140是芯片的核心部分，主要处理模数转换电路130和过零检测单元160获取的数字信号，其在检测到电机转子位置前，按一定次序和周期依次向电机各相线圈施加驱动电压；及在检测到电机转子位置后，根据所述电机转子位置、所述电机控制参数和状态参数依据方波调制算法输出电机各相线圈PWM信号。
[0034]为方便