專利名稱：用于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制電路及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公布一般涉及電動(dòng)機(jī)控制器，且更具體地涉及對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行換向的電 動(dòng)機(jī)控制器。
背景技術(shù)：
無(wú)刷單相直流(DC)電動(dòng)機(jī)通常包括包含一個(gè)或更多個(gè)永磁體的轉(zhuǎn)子和包含線圈 (winding)的定子。電流應(yīng)用到定子線圈以產(chǎn)生磁場(chǎng)，由于相應(yīng)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)和定子磁場(chǎng)之間 對(duì)立，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。為了隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)提供連續(xù)的場(chǎng)對(duì)立，對(duì)于兩極轉(zhuǎn)子的每次回轉(zhuǎn)， 電流在定子線圈里的方向必須翻轉(zhuǎn)兩次。在定子線圈里改變電流方向的動(dòng)作被稱為換向 (commutation)。電動(dòng)機(jī)提供的機(jī)械功率依賴于，相對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)在定子線圈里感應(yīng) 出的反電動(dòng)勢(shì)(BEMF)何時(shí)執(zhí)行換向。 傳感器例如霍爾效應(yīng)傳感器能用來(lái)識(shí)別轉(zhuǎn)子的角位置，但是這項(xiàng)技術(shù)需要額外的 電子控制器來(lái)有效預(yù)測(cè)理想換向時(shí)間。此外霍爾效應(yīng)傳感器增加了產(chǎn)品的成本。用于確定 換向時(shí)間的其他技術(shù)，例如使用額外的定子線圈直接感測(cè)BEMF，以及試圖通過(guò)檢測(cè)電動(dòng)機(jī) 控制器供應(yīng)的定子電流的變化來(lái)監(jiān)控BEMF的又一技術(shù)，也不預(yù)測(cè)理想換向時(shí)間和/或增加 產(chǎn)品成本。如果能夠更好控制換向時(shí)間，能夠改進(jìn)電動(dòng)機(jī)的效率。
參考附圖，可更好理解本發(fā)明并使它的眾多特征和優(yōu)點(diǎn)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)明 顯，其中 圖1以部分結(jié)構(gòu)圖并以部分示意性形式示出根據(jù)本發(fā)明的無(wú)刷直流(DC)電動(dòng)機(jī) 系統(tǒng)； 圖2以示意性形式示出圖1的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電模型； 圖3是示出在圖1的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的工作期間，定子電流和BEMF電位之間 的理想關(guān)系的曲線圖； 圖4是示出當(dāng)換向開(kāi)始過(guò)晚時(shí)，在圖1的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的工作期間，定子電 流和BEMF電壓之間的關(guān)系的曲線圖； 圖5是示出當(dāng)換向開(kāi)始過(guò)早時(shí)，在圖l的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的工作期間，定子電 流和BEMF電壓之間的關(guān)系的曲線圖； 圖6是示出圖1的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器電路的工作的時(shí)序圖；
圖7是示出當(dāng)換向開(kāi)始過(guò)早時(shí)，在換向之前以及換向之后，圖1的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的幾對(duì)P麗控制信號(hào)的占空度(duty cycle)的曲線圖；以及 圖8是示出當(dāng)換向在理想時(shí)間開(kāi)始時(shí)，在換向之前以及換向之后，圖1的無(wú)刷直流
電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的幾對(duì)P麗控制信號(hào)的占空度的曲線圖。 —樣的參考符號(hào)在不同圖中的使用指示相似或相同的項(xiàng)。
具體實(shí)施例方式
圖1用部分結(jié)構(gòu)圖并以部分示意性形式示出根據(jù)本發(fā)明的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 100。電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)100包括反饋控制模塊120、電流驅(qū)動(dòng)電路140和無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)160。反 饋控制模塊120和電流驅(qū)動(dòng)電路140共同構(gòu)成用于調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)160的工作的控制電路。
反饋控制模塊120包括電流調(diào)節(jié)器電路122、占空度閾值調(diào)整電路124和換向邏輯 電路126。占空度閾值調(diào)整電路124具有接收標(biāo)為"換向后占空度"的信號(hào)的第一輸入、接 收標(biāo)為"上一換向前占空度"的信號(hào)的第二輸入和提供標(biāo)為"下一換向前占空度"的信號(hào)的 輸出。換向邏輯電路126具有接收標(biāo)為"占空度"的信號(hào)的第一輸入、接收來(lái)自占空度閾值 調(diào)整電路124的輸出的信號(hào)"下一換向前占空度"的第二輸入、向占空度閾值調(diào)整電路124 的第二輸入提供信號(hào)"上一換向前占空度"的第一輸出和提供標(biāo)為"極性"的信號(hào)的第二輸 出。電流調(diào)節(jié)器電路122具有接收來(lái)自換向邏輯電路126的信號(hào)"極性"的第一輸入、向換 向邏輯電路126提供信號(hào)"占空度"的第一輸出、向占空度閾值調(diào)整電路124提供信號(hào)"換 向后占空度"的第二輸出和到電流驅(qū)動(dòng)電路140的接口 ，接口包括共同標(biāo)為"P麗控制"的 四個(gè)輸出信號(hào)和共同標(biāo)為"感測(cè)"的兩個(gè)輸入信號(hào)。 電流驅(qū)動(dòng)電路140包括金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)器件142、 144、 148和150，電阻器146和152以及比較器154和156。 M0SFET142具有接收標(biāo)為"VBAT"的 信號(hào)的漏極、接收第一P麗控制信號(hào)的柵極和連接到標(biāo)為"A"的節(jié)點(diǎn)的源極。M0SFET144 具有連接到節(jié)點(diǎn)A的漏極、接收第二 P麗控制信號(hào)的柵極和源極。電阻器146具有連接到 M0SFET144的源極的第一端子和接地的第二端子。比較器154具有連接到M0SFET144的源 極的第一輸入、接收標(biāo)為"ISET"的信號(hào)的第二輸入和向電流調(diào)節(jié)器122提供第一感測(cè)信號(hào) 的輸出。 M0SFET148具有接收信號(hào)VBAT的漏極、接收第三P麗控制信號(hào)的柵極和連接到標(biāo) 為"B"的節(jié)點(diǎn)的源極。M0SFET150具有連接到節(jié)點(diǎn)B的漏極、接收第四P麗控制信號(hào)的柵極 和源極。電阻器152具有連接到M0SFET150的源極的第一端子和接地的第二端子。比較器 156具有連接到M0SFET150的源極的第一輸入、接收信號(hào)ISET的第二輸入和向電流調(diào)節(jié)器 122提供第二感測(cè)信號(hào)的輸出。 電動(dòng)機(jī)160包括定子極162、轉(zhuǎn)子164和定子線圈166。定子線圈166具有分別連 接到節(jié)點(diǎn)A和B的兩個(gè)端子。 反饋控制模塊120通過(guò)向電流驅(qū)動(dòng)電路140提供P麗控制信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)160 的工作。通過(guò)脈沖寬度調(diào)制(P麗)技術(shù)，P麗控制信號(hào)控制電流驅(qū)動(dòng)電路140的MOSFET器 件142U44、148和150的傳導(dǎo)，以便向定子線圈166提供期望的工作電流。反饋控制模塊 120控制定子電流的大小，以及定子電流的換向。反饋控制模塊120接收指示定子電流何時(shí) 到達(dá)期望的工作水平的來(lái)自電流驅(qū)動(dòng)電路140的感測(cè)信號(hào)，并更改P麗控制信號(hào)的占空度 以維持期望的工作定子電流。較高的占空度增加電流驅(qū)動(dòng)電路140提供的定子電流，較低的占空度減少電流驅(qū)動(dòng)電路140提供的定子電流。由于不斷地改變的BEMF信號(hào)的作用，反 饋控制模塊120不斷調(diào)整P麗控制信號(hào)的占空度。當(dāng)BEMF的大小增加時(shí)，P麗控制信號(hào)的 占空度必須增加，以維持期望的定子電流。當(dāng)BEMF的大小減小時(shí)，減小P麗控制信號(hào)的占 空度，以維持期望的定子電流。因此P麗控制信號(hào)的占空度提供BEMF的大小的指示，并能 因此在任何特定的時(shí)間對(duì)轉(zhuǎn)子的角位置提供深入了解。 電流驅(qū)動(dòng)電路140的MOSFET器件142、 144、 148和150構(gòu)成H橋。在一個(gè)換向極性 期間，M0SFET142和150被配置為傳導(dǎo)，同時(shí)M0SFET144和148被關(guān)閉，導(dǎo)致來(lái)自信號(hào)VBAT 的電流通過(guò)M0SFET142到節(jié)點(diǎn)A，通過(guò)線圈166到節(jié)點(diǎn)B，通過(guò)M0SFET150到地。在相反的 換向極性期間，M0SFET148和144被配置為傳導(dǎo)，同時(shí)M0SFET142和150被關(guān)閉，導(dǎo)致來(lái)自 信號(hào)VBAT的電流通過(guò)M0SFET148到節(jié)點(diǎn)B，通過(guò)線圈166到節(jié)點(diǎn)A，通過(guò)M0SFET144到地。 因此，電流通過(guò)定子線圈166的方向取決于在具體的時(shí)間哪個(gè)換向極性是有效的。轉(zhuǎn)子164 的每個(gè)全程旋轉(zhuǎn)包括正、負(fù)換向間隔。當(dāng)M0SFET148和144提供的定子電流接通并達(dá)到信 號(hào)ISET確定的期望的工作水平時(shí)，比較器154使第一感測(cè)信號(hào)有效。當(dāng)M0SFET142和150 提供的定子電流接通并達(dá)到信號(hào)ISET確定的期望的工作水平時(shí)，比較器156使第二感測(cè)信 號(hào)有效。信號(hào)"極性"指定有效的換向間隔。 圖2以示意性方式示出圖1的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)160的電模型200。模型200包 括在端子A和B之間串聯(lián)連接的標(biāo)為"L"的感應(yīng)器210、標(biāo)為"R"的電阻器220以及標(biāo)為 "VBEMF"的電壓源230。感應(yīng)器210和電阻器220相應(yīng)定子線圈166的電屬性，電壓源VBEMF 代表由于定子線圈166在由轉(zhuǎn)子164提供的磁場(chǎng)所提供的磁場(chǎng)里的運(yùn)動(dòng)而按法拉第-楞次 定律在定子線圈中感應(yīng)的電壓。如圖2所示，標(biāo)為"IX"的瞬時(shí)電流流經(jīng)定子162。
圖3是曲線圖300，示出在圖1的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的工作期間，定子電流和 BEMF電壓之間的理想關(guān)系。曲線圖300具有代表以弧度為單位的轉(zhuǎn)角e的水平軸和代表 視情況以安培或伏特為單位的信號(hào)振幅的縱軸。曲線圖300包括代表以安培為單位的定子 電流IX的波形310和代表以伏特為單位的電壓源VBEMF的波形320，都在圖2示出。就電 動(dòng)機(jī)160釋放的機(jī)械功率而言，當(dāng)信號(hào)IX和VBEMF彼此實(shí)質(zhì)上同相時(shí)，電動(dòng)機(jī)160實(shí)質(zhì)上 以最佳的效率工作。注意VBEMF波形320的特性能夠相當(dāng)不同，并由轉(zhuǎn)子幾何結(jié)構(gòu)、電動(dòng)機(jī) 速度和其他設(shè)計(jì)屬性確定。VBEMF波形320能夠是正弦曲線的、梯形的或非常復(fù)雜的。如 圖3所示，VBEMF是被截?cái)嗖⒆冃蔚恼也āX和VBEMF之間的相位關(guān)系部分由反饋控制 模塊120何時(shí)開(kāi)始對(duì)定子電流IX換向來(lái)確定。 圖4是曲線圖400，示出當(dāng)換向開(kāi)始過(guò)晚時(shí)，在圖1的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)400的 工作期間，定子電流和BEMF電壓之間的關(guān)系。曲線圖400具有代表以弧度為單位的轉(zhuǎn)角e 的水平軸和代表視情況以安培或伏特為單位的信號(hào)振幅的縱軸。波形410代表以安培為單 位的定子電流IX，波形420代表以伏特為單位的電壓源VBEMF，都在圖2示出。還示出了轉(zhuǎn) 角間隔430和440，由于定子電流IX在轉(zhuǎn)子164已經(jīng)前進(jìn)經(jīng)過(guò)期望的角位置之后開(kāi)始換向， 在轉(zhuǎn)角間隔430和440期間，定子電流IX滯后于信號(hào)VBEMF。在間隔430和440期間，電 動(dòng)機(jī)160提供的機(jī)械功率暫時(shí)為負(fù)。在這種條件下的工作效率低，并會(huì)將振動(dòng)引入電動(dòng)機(jī) 160，這加速磨損并因此減少電動(dòng)機(jī)160的工作壽命。 圖5是曲線圖500，示出當(dāng)換向開(kāi)始過(guò)早時(shí)，在圖1的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)100的 工作期間，定子電流和BEMF電壓之間的關(guān)系。曲線圖500具有代表以弧度為單位的轉(zhuǎn)角e的水平軸和代表視情況以安培或伏特為單位的信號(hào)振幅的縱軸。曲線圖500包括代表以安 培為單位的定子電流IX的波形510和代表以伏特為單位的電壓源VBEMF的波形520，都在 圖2示出。還示出了轉(zhuǎn)角間隔530和540，由于定子電流IX在轉(zhuǎn)子164前進(jìn)到優(yōu)選角位置 之前開(kāi)始換向，在間隔530和540期間定子電流IX超前于信號(hào)VBEMF。在間隔530和540 期間，電動(dòng)機(jī)160提供的機(jī)械功率暫時(shí)為負(fù)。在這種條件下的工作效率低，并會(huì)將振動(dòng)引入 電動(dòng)機(jī)160，這加速磨損并因此減少電動(dòng)機(jī)160的工作壽命。 圖6是時(shí)序圖600，示出圖1的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器122的工作。時(shí) 序圖600包括代表以秒為單位的時(shí)間的水平軸和代表以安培或伏特為單位的信號(hào)振幅的 縱軸。時(shí)序圖包括代表以安培為單位的定子電流IX的波形610和代表圖1的電流調(diào)節(jié)器 電路122提供的P麗控制信號(hào)之一的波形620。圖6還示出時(shí)間參考TO和Tl之間的時(shí)間 間隔640 、時(shí)間參考T2和T3之間的時(shí)間間隔650以及時(shí)間參考T4和T5之間的時(shí)間間隔 660。時(shí)間間隔640、650和660代表P麗控制信號(hào)的連續(xù)脈沖，并示出P麗控制信號(hào)的占空 度的變化。 時(shí)序圖600代表的時(shí)段相應(yīng)于轉(zhuǎn)子164的相當(dāng)小的角旋轉(zhuǎn)，例如1度的一小部分。 響應(yīng)于不斷變化的BEMF和其他損耗，例如阻抗損耗，時(shí)序圖600示出信號(hào)P麗控制的占空 度的變化，以維持恒定的定子電流IX。電流調(diào)節(jié)器電路122構(gòu)成電流回路反饋系統(tǒng)的一部 分，電流回路反饋系統(tǒng)也包括電流驅(qū)動(dòng)電路140和電動(dòng)機(jī)160。當(dāng)定子電流IX落在信號(hào) ISET確定的優(yōu)選工作水平之下時(shí)，信號(hào)SENSE無(wú)效，電流調(diào)節(jié)器電路122使P麗控制信號(hào)有 效，激活電流驅(qū)動(dòng)電路140，以增加定子電流IX。當(dāng)定子電流IX達(dá)到或超出信號(hào)ISET確定 的水平時(shí)，信號(hào)感測(cè)有效，電流調(diào)節(jié)器電路122使P麗控制信號(hào)無(wú)效，暫時(shí)禁止電流驅(qū)動(dòng)電 路140并允許定子電流Ix減少。 電流調(diào)節(jié)器電路122基于在具體時(shí)刻定子電流IX和優(yōu)選工作水平之間的差異來(lái) 調(diào)整P麗控制信號(hào)的占空度。例如，在時(shí)間間隔640期間，電流調(diào)節(jié)器電路122使P麗控 制信號(hào)620有效。在時(shí)間間隔650期間，電流調(diào)節(jié)器電路122使P麗控制信號(hào)620的有效 持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，并在時(shí)間間隔660期間持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間，以便隨著B(niǎo)EMF的增加補(bǔ)償定子電流 IX。電流調(diào)節(jié)器電路122實(shí)現(xiàn)對(duì)定子電流IX的快速調(diào)整，導(dǎo)致實(shí)質(zhì)上恒定的定子電流IX。 在可替換的實(shí)施方式中，電流調(diào)節(jié)器電路122能改為使用脈沖頻率調(diào)制(PFM)，在這個(gè)情形 中，在一設(shè)定時(shí)間間隔期間，電流調(diào)節(jié)器電路122通過(guò)改變一致脈沖的數(shù)量來(lái)調(diào)整電流，其 中，較大的占空度相應(yīng)于在這設(shè)定時(shí)間間隔期間提供給電流驅(qū)動(dòng)電路140的更大數(shù)量的一 致脈沖，較小的占空度相應(yīng)于在相同的時(shí)間間隔期間較少數(shù)量的一致脈沖。由于連續(xù)的占 空度的值提供對(duì)BEMF的大小的變化的指示，可分析這些值來(lái)估計(jì)轉(zhuǎn)子164的角位置并開(kāi)始 對(duì)定子電流IX的換向。 圖7是曲線圖700，示出用于早換向的換向之前和換向之后，圖1的無(wú)刷直流電動(dòng) 機(jī)系統(tǒng)100的幾對(duì)P麗控制信號(hào)的占空度。曲線圖700具有代表以弧度為單位的轉(zhuǎn)角e的 水平軸和代表視情況以安培、伏特或百分比為單位的信號(hào)振幅的縱軸。在曲線圖700中，波 形710代表以安培為單位的定子電流IX，波形720代表以伏特為單位的電壓源VBEMF，波形 750代表定子電流換向之前和之后的、以百分比表示的P麗控制信號(hào)的占空度。圖7還示出 閾值參考712和714，分別相應(yīng)于由信號(hào)ISET確定的正的定子電流閾值和負(fù)的定子電流閾 值。角度參考TA代表反饋控制模塊120何時(shí)開(kāi)始定子電流IX的換向，角度TB代表定子電
7流IX的值何時(shí)達(dá)到了負(fù)的定子參考714。間隔760示出定子電流IX從閾值712轉(zhuǎn)變到閾 值714的間隔。圖7還示出在時(shí)間間隔760之前和之后的P麗控制信號(hào)占空度。緊挨角度 參考TA之前的P麗控制信號(hào)占空度標(biāo)為"換向前占空度"，緊隨角度參考TB之后的P麗控 制信號(hào)占空度標(biāo)為"換向后占空度"。 電流調(diào)節(jié)器電路122在角度參考TA開(kāi)始換向之前基于之前描述的電流調(diào)節(jié)器反 饋回路確定換向前占空度的值，并相應(yīng)于電流調(diào)節(jié)器電路122確定的上一占空度。在換向 之后，電流調(diào)節(jié)器電路122通常將P麗控制信號(hào)占空度設(shè)置到最大值(即，100%占空度)， 直到定子電流IX已經(jīng)達(dá)到角度參考TB的負(fù)的閾值。反饋控制模塊120相對(duì)迅速地完成定 子電流IX的翻轉(zhuǎn)，從而保持間隔760相對(duì)短。在角度參考TB，電流調(diào)節(jié)器電路122基于電 流調(diào)節(jié)器反饋回路再次確定P麗控制信號(hào)占空度。因此在定子電流IX的值成為等于參考 714的時(shí)間點(diǎn)之后，立即確定換向后占空度值。 占空度閾值調(diào)整電路124和換向邏輯電路126共同構(gòu)成換向回路調(diào)節(jié)器，其控制 確定何時(shí)開(kāi)始定子電流換向的另一反饋回路。換向回路調(diào)節(jié)器通過(guò)比較換向前占空度與換 向后占空度，在連續(xù)換向周期中識(shí)別換向時(shí)間。換向回路調(diào)節(jié)器將換向時(shí)間識(shí)別為當(dāng)換向 前占空度和換向后占空度的值近似相等的時(shí)間。這個(gè)換向時(shí)間實(shí)質(zhì)上是最佳的，因?yàn)殡娏?調(diào)節(jié)器電路122提供的P麗控制信號(hào)的占空度被與定子電流IX和BEMF之間的相位關(guān)系關(guān) 聯(lián)起來(lái)。 返回參考圖1聯(lián)合圖7能更好理解換向反饋回路的工作。在期望的換向時(shí)間之前， BEMF開(kāi)始減小?；谠谡伎斩鹊闹甸_(kāi)始減小之后選擇的P麗控制信號(hào)占空度的具體的值， 可以做出對(duì)換向時(shí)間的初始猜測(cè)。換向邏輯126在這個(gè)具體的值(在角度參考TA)改變極 性信號(hào)的狀態(tài)，并將這個(gè)值，即換向前占空度，經(jīng)由信號(hào)"上一換向前占空度"提供給占空度 閾值調(diào)整電路124。 一旦定子電流IX達(dá)到在角度參考TB的閾值714，電流調(diào)節(jié)反饋回路且 尤其是電流調(diào)節(jié)器電路122根據(jù)需要調(diào)整P麗控制信號(hào)的占空度，以將定子電流IX維持在 信號(hào)ISET確定的水平。 電流調(diào)節(jié)器122經(jīng)由信號(hào)"換向后占空度"將在角度參考TB之后的初始占空度提 供給占空度閾值調(diào)整電路124。占空度閾值調(diào)整電路124比較上一換向前占空度和換向后 占空度的值，并確定換向開(kāi)始的下一占空度的值。占空度閾值調(diào)整電路124經(jīng)由信號(hào)"下一 換向前占空度"將這個(gè)值提供給換向邏輯電路126。當(dāng)P麗控制信號(hào)的占空度減小到由信 號(hào)"下一換向前占空度"指定的值時(shí)，換向邏輯電路126切換信號(hào)"極性"，開(kāi)始換向。
如果換向前占空度大于換向后占空度，那么下一換向前占空度將被設(shè)置為小于在 上一換向期間選擇的值。如果換向前占空度小于換向后占空度，那么下一換向前占空度將 被設(shè)置為大于上一換向期間選擇的值。持續(xù)迭代，對(duì)換向前占空度進(jìn)行相當(dāng)小的修正，直到 換向前占空度和換向后占空度的數(shù)值近似相等。使用每一連續(xù)的換向事件實(shí)現(xiàn)所描述的迭 代過(guò)程，或通過(guò)不這么頻繁地評(píng)估換向來(lái)實(shí)現(xiàn)所描述的迭代過(guò)程。例如，可通過(guò)在每千次換 向的一次換向期間評(píng)估換向前占空度和換向后占空度的值來(lái)完成反饋回路的收斂，以識(shí)別 實(shí)質(zhì)上最佳換向時(shí)間。 圖7中示出的P麗控制信號(hào)的換向前占空度的值大于換向后占空度的值，指出換 向開(kāi)始的太早。因此，占空度閾值調(diào)整電路124將信號(hào)"下一換向前占空度"的值調(diào)整為稍 小于上一換向前占空度的值，當(dāng)P麗控制信號(hào)的占空度已經(jīng)減小到新的換向前占空度的值時(shí)，換向邏輯126開(kāi)始換向。通常，用小步驟進(jìn)行對(duì)換向前占空度的值的調(diào)整。例如，如果 電流調(diào)節(jié)器電路122能夠提供128個(gè)唯一占空度的值，且換向前占空度的當(dāng)前值是93，那么 占空度閾值調(diào)整電路124將下一換向前占空度的值置為92。其他技術(shù)，包括二進(jìn)制檢索算 法或某種平滑算法也能用來(lái)控制換向反饋回路的收斂率。 圖8是曲線圖800，示出當(dāng)換向在理想時(shí)間開(kāi)始時(shí)，在換向之前和之后，圖1的無(wú)刷 直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的幾對(duì)P麗控制信號(hào)的占空度。曲線圖800具有代表以弧度為單位的轉(zhuǎn)角 9的水平軸和代表視情況以安培、伏特或百分比為單位的信號(hào)振幅的縱軸。波形810代表 以安培為單位的定子電流IX，波形820代表以伏特為單位的電壓源VBEMF，波形850代表以 百分?jǐn)?shù)為單位的、在定子電流換向之前和之后P麗控制信號(hào)的占空度。還包括分別相應(yīng)于 由信號(hào)ISET確定的正的定子電流閾值和負(fù)的定子電流閾值的閾值參考812和814。角度 參考TX代表定子電流IX的換向開(kāi)始的時(shí)間，角度TY代表定子電流IX何時(shí)已經(jīng)達(dá)到負(fù)的 定子電流閾值814。間隔860示出定子電流IX從閾值812轉(zhuǎn)變到閾值814的間隔。在間 隔860之前和之后顯示了 P麗控制信號(hào)占空度。緊挨角度參考TX之前的P麗控制信號(hào)占 空度標(biāo)為"換向前占空度"，緊隨角度參考TY之后的P麗控制信號(hào)占空度標(biāo)為"換向后占空 度"。 曲線圖800示出在之前描述的換向反饋回路已經(jīng)收斂在實(shí)質(zhì)上最佳的換向時(shí)間 上后，電動(dòng)機(jī)160的工作，最佳的換向時(shí)間如通過(guò)換向前占空度和換向后占空度的值近似 相等來(lái)指示。換向反饋回路能繼續(xù)工作，以維持實(shí)質(zhì)上最佳換向時(shí)間。因此，無(wú)刷直流電動(dòng) 機(jī)系統(tǒng)100能對(duì)應(yīng)用于160的機(jī)械負(fù)載的變化進(jìn)行補(bǔ)償，或?qū)τ谝蚨ㄗ与娏鏖撝敌盘?hào)ISET 的值的改變而造成的轉(zhuǎn)動(dòng)速度的變化進(jìn)行補(bǔ)償。 曲線圖800還示出當(dāng)換向在實(shí)質(zhì)上最佳時(shí)間開(kāi)始時(shí)，定子電流IX和VBEMF與閾值 812和814之間的中點(diǎn)交叉(零交叉)，近似處在角度參考TX和TY之間的中點(diǎn)。因此，標(biāo) 為"T1"和"T2"的間隔的值實(shí)質(zhì)上相等。定子電流IX和BEMF彼此實(shí)質(zhì)上同相，電動(dòng)機(jī)160 提供的機(jī)械功率實(shí)質(zhì)上最大。 注意，如圖1所示，使用微控制器實(shí)現(xiàn)反饋控制模塊120，使用硬件和軟件組合來(lái) 實(shí)現(xiàn)電流調(diào)節(jié)器122、占空度閾值調(diào)整電路124和調(diào)節(jié)器邏輯電路126。在其他實(shí)施方式中， 硬件和軟件的不同組合能用來(lái)實(shí)現(xiàn)這些模塊的部分。此外，可在單個(gè)集成電路上實(shí)現(xiàn)電流 驅(qū)動(dòng)電路140和反饋控制模塊120。 同樣，電流驅(qū)動(dòng)電路140顯示為使用M0SFET142、144、146和148。如在這里使用的 以及傳統(tǒng)理解的，"MOSFET"包括具有多晶硅柵極以及具有金屬柵極的絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。 注意，圖1示出的電流驅(qū)動(dòng)電路140包括兩個(gè)比較器154和156以及兩個(gè)電流感測(cè) 電阻器146和152，以提供兩個(gè)感測(cè)信號(hào)。在可替換的實(shí)施方式中，通過(guò)將M0SFET144的源 極連接到M0SFET150的源極，并包括這個(gè)連接和地之間的單個(gè)電阻器，以及包括被連接到 連在一起的源極的單個(gè)比較器，可使用單個(gè)比較器和單個(gè)電阻器來(lái)提供單個(gè)感測(cè)信號(hào)。在 任一實(shí)現(xiàn)中，定子電流的絕對(duì)大小與信號(hào)ISET的值比較，即使定子電流的流動(dòng)方向隨著每 次換向改變。 以上公開(kāi)的主題應(yīng)認(rèn)為是示例性的，而不是限制性的，并希望隨附的權(quán)利要求覆 蓋落在權(quán)利要求的真實(shí)范圍內(nèi)的所有這樣的更改、增加和其他實(shí)施方式。因此，在法律所允許的最大程度內(nèi)，本發(fā)明的范圍由以下權(quán)利要求和它們的等價(jià)物允許的最寬泛的解釋確 定，并不應(yīng)被前述詳細(xì)描述限制或限定。
權(quán)利要求
一種用于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(160)的控制電路，包括電流驅(qū)動(dòng)電路(140)，其被配置為響應(yīng)于控制信號(hào)而選擇性地以第一極性或第二極性驅(qū)動(dòng)所述無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(160)，并用于感測(cè)通過(guò)所述無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(160)的電流來(lái)提供電流感測(cè)信號(hào)；電流回路調(diào)節(jié)器(122)，其用于響應(yīng)于所述電流感測(cè)信號(hào)而改變所述控制信號(hào)的占空度以調(diào)節(jié)所述電流，并用于基于極性信號(hào)的狀態(tài)將所述電流調(diào)節(jié)到第一電流或第二電流中的所選的一個(gè)，所述第二電流與所述第一電流極性相反；以及換向回路調(diào)節(jié)器(124，126)，其用于響應(yīng)于對(duì)換向前占空度的值和換向后占空度的值的比較來(lái)調(diào)節(jié)所述極性信號(hào)的轉(zhuǎn)變。
2. 如權(quán)利要求l所述的控制電路，其中所述電流回路調(diào)節(jié)器(122)將所述換向后占空 度的值確定為當(dāng)所述電流在所述極性信號(hào)的所述轉(zhuǎn)變之后達(dá)到所述第二電流時(shí)的所述占 空度的值。
3. 如權(quán)利要求2所述的控制電路，其中所述換向回路調(diào)節(jié)器(124,126)調(diào)整所述轉(zhuǎn)變， 直到所述換向前占空度的值和所述換向后占空度的值基本上相等。
4. 如權(quán)利要求3所述的控制電路，其中所述換向回路調(diào)節(jié)器(124,126)包括 占空度閾值調(diào)整電路(124)，其用于基于所述換向前占空度的值以及所述換向前占空度的值和所述換向后占空度的值之間的差異調(diào)整下一換向前占空度的值；以及換向邏輯電路(126)，其用于當(dāng)所述占空度近似等于所述下一換向前占空度的值時(shí)改 變所述極性信號(hào)的所述狀態(tài)。
5. 如權(quán)利要求l所述的控制電路，其中所述電流調(diào)節(jié)器(122)和所述換向回路調(diào)節(jié)器 (124,126)用微控制器實(shí)現(xiàn)。
6. 如權(quán)利要求5所述的控制電路，其中所述微控制器和所述電流驅(qū)動(dòng)電路(140)合并 在單個(gè)集成電路上。
7. —種控制無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(160)的方法，包括如下步驟將通過(guò)所述無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(160)的線圈的電流調(diào)節(jié)到基本上等于正參考電流； 確定提供給電流驅(qū)動(dòng)電路的控制信號(hào)的換向前占空度的值； 換向所述電流；將通過(guò)所述無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(160)的所述線圈的所述電流調(diào)節(jié)到基本上等于負(fù)參考 電流；確定所述控制信號(hào)的換向后占空度的值；如果所述換向后占空度的值小于所述換向前占空度的值，減小下一換向前占空度；以及如果所述換向前占空度大于所述換向后占空度的值，增加所述下一換向前占空度的值。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中換向所述電流的所述步驟包括 將所述控制信號(hào)的占空度和所述下一換向前占空度進(jìn)行比較；以及 當(dāng)所述控制信號(hào)的所述占空度基本上等于所述下一換向前占空度時(shí)，改變通過(guò)所述無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(160)的所述線圈的所述電流的極性。
9. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述增加步驟包括按等于所述換向前占空度和所述換向后占空度之間的差異的一部分的量來(lái)增加所述 下一換向前占空度。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述減小步驟包括按等于所述換向后占空度和所述換向前占空度之間的差異的一部分的量來(lái)減小所述 下一換向前占空度。
全文摘要
一種用于無(wú)刷直流(DC)電動(dòng)機(jī)(160)的控制電路(120，140)包括電流驅(qū)動(dòng)電路(140)、電流回路調(diào)節(jié)器(122)和換向回路調(diào)節(jié)器(124，126)。電流驅(qū)動(dòng)電路(140)適于響應(yīng)于控制信號(hào)而選擇性地以第一極性或第二極性驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(160)，并感測(cè)通過(guò)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(160)的電流以提供電流感測(cè)信號(hào)。電流回路調(diào)節(jié)器(122)響應(yīng)于電流感測(cè)信號(hào)而改變控制信號(hào)的占空度以調(diào)節(jié)電流，并基于極性信號(hào)的狀態(tài)調(diào)節(jié)電流的極性。換向回路調(diào)節(jié)器(124，126)響應(yīng)于對(duì)換向前占空度的值和換向后占空度的值的比較來(lái)調(diào)節(jié)所述極性信號(hào)的轉(zhuǎn)變。
文檔編號(hào)H02P6/08GK101753074SQ20091020769
公開(kāi)日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2009年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月3日
發(fā)明者S·J·B·W·弗邁爾 申請(qǐng)人:半導(dǎo)體元件工業(yè)有限責(zé)任公司