軟開關(guān)控制模塊以及直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種應(yīng)用于直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的漸變占空比軟開關(guān)控制模塊以及直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)中，對于單向的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，只要用一個(gè)大功率三極管或場效應(yīng)管或繼電器直接帶動(dòng)電機(jī)即可；對于雙向的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以使用由4個(gè)功率元件組成的H橋電路或者使用一個(gè)雙刀雙擲的繼電器；如果需要調(diào)速，可以使用三極管、場效應(yīng)管等開關(guān)元件實(shí)現(xiàn)PWM(脈沖寬度調(diào)制)調(diào)速。
[0003]參考圖1，一種典型的直流無刷單相電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的簡化示意圖。如圖1所示，電機(jī)(示意圖中簡化為電感Motor)連接在由4個(gè)功率開關(guān)S1-S4組成的功率逆變器的輸出A點(diǎn)和B點(diǎn)之間，通過控制逆變器H橋臂四個(gè)功率開關(guān)來改變電機(jī)電流方向。當(dāng)SI和S4導(dǎo)通，S2和S3斷開時(shí)，電機(jī)電流分別從A端流向B端；當(dāng)SI和S4斷開，S2和S3導(dǎo)通時(shí)，電流從B端流向A端。換相時(shí)四個(gè)功率開關(guān)的動(dòng)作順序不同會(huì)產(chǎn)生不同的電流波形。下面以從電流A到B換相到電流B到A的過程為例，給出傳統(tǒng)開關(guān)以及改進(jìn)型開關(guān)的電流示意圖。
[0004]參考圖2，傳統(tǒng)開關(guān)換相時(shí)電流不意圖。傳統(tǒng)開關(guān)的開關(guān)順序?yàn)?S1、S4均導(dǎo)通—S1、S4均斷開一死區(qū)一S2、S3均導(dǎo)通；在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，四個(gè)開關(guān)均斷開。由于電機(jī)電感的續(xù)流效應(yīng)，電流將通過S2和S3的寄生二極管續(xù)流，如圖2所示。此時(shí)A端電壓約為_Vdi。，B端電壓約為Vbus+Vdi。，電感Motor兩端電壓差很大Vab= -(Vbus+2V di0)，換相時(shí)電流急劇下降，因此也稱為快速開關(guān)。其缺陷是電流變化太快，造成噪聲和EMI (Electro MagneticInterference 電磁干擾)。
[0005]參考圖3，一種改進(jìn)型開關(guān)換相時(shí)電流不意圖。改進(jìn)型開關(guān)的開關(guān)順序?yàn)?S1、S4均導(dǎo)通一SI導(dǎo)通、S4斷開一死區(qū)I — S2斷開、S3導(dǎo)通一死區(qū)2 — S2、S3均導(dǎo)通。在死區(qū)I中，電感Motor兩端電流下降；在死區(qū)2中，電感Motor兩端電流上升。如圖3所示，在死區(qū)I中，電流通過S3的寄生二極管續(xù)流洫端電壓為Vbus，B端電壓為Vbus+Vd1，電感Motor兩端電壓差很小Vab=-V di。，主要靠電機(jī)本身的反生電動(dòng)式來減小電流，因此也稱為慢速開關(guān)。其優(yōu)點(diǎn)是電流變化慢，噪聲小；其缺點(diǎn)是電流線性變化，死區(qū)時(shí)間固定，對于不同電流和轉(zhuǎn)速的電機(jī)存在效率下降的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于，針對現(xiàn)有技術(shù)中直流無刷單相電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路存在的問題，提供一種軟開關(guān)控制模塊以及直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)漸變占空比軟開關(guān)，在換相過程中電流非線性緩慢變化，波形更加平滑，實(shí)現(xiàn)超低噪聲和EMI。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種軟開關(guān)控制模塊，適用于直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，所述直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括直流無刷電機(jī)以及至少一功率開關(guān)管，軟開關(guān)控制模塊包括:一 ADJ控制單元、一 OSC振蕩器、一延時(shí)單元、一比較器、一邏輯單元以及一驅(qū)動(dòng)單元；所述ADJ控制單元分別與所述延時(shí)單元以及比較器相連，用于獲取直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號，并根據(jù)所述轉(zhuǎn)速信號獲取調(diào)速信號后輸入至所述比較器的第一輸入端，同時(shí)根據(jù)所述調(diào)速信號分別獲取軟開關(guān)電流下降時(shí)間和軟開關(guān)電流上升時(shí)間并傳輸至所述延時(shí)單元；所述OSC振蕩器與所述比較器相連，用于產(chǎn)生預(yù)設(shè)周期的鋸齒波信號，并輸入至所述比較器的第二輸入端；所述延時(shí)單元與所述邏輯單元相連，用于將獲取到的所述至少一功率開關(guān)管的開關(guān)控制邏輯信號延時(shí)所述軟開關(guān)電流下降時(shí)間或軟開關(guān)電流上升時(shí)間后輸入至所述邏輯單元；所述比較器與所述邏輯單元相連，用于比較所述調(diào)速信號和鋸齒波信號產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM波形，并輸入至所述邏輯單元；所述邏輯單元與驅(qū)動(dòng)單元相連，用于根據(jù)所述延時(shí)單元與比較器的輸出調(diào)制所述驅(qū)動(dòng)單元；所述驅(qū)動(dòng)單元與所述至少一功率開關(guān)管相連，用于控制所述至少一功率開關(guān)管的軟開關(guān)。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括一直流無刷電機(jī)以及至少一功率開關(guān)管，所述至少一功率開關(guān)管電學(xué)連接所述直流無刷電機(jī)，通過控制所述至少一功率開關(guān)管來改變所述直流無刷電機(jī)電流方向，所述直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括本發(fā)明所述的軟開關(guān)控制模塊；所述軟開關(guān)控制模塊中的所述ADJ控制單元耦接至所述直流無刷電機(jī)的位置傳感器，以根據(jù)所述位置傳感器的位置輸入信號獲取直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號；所述軟開關(guān)控制模塊中的所述延時(shí)單元耦接至所述直流無刷電機(jī)的位置傳感器，以根據(jù)所述位置傳感器的位置輸入信號獲取所述至少一功率開關(guān)管的開關(guān)控制邏輯信號；所述軟開關(guān)控制模塊中的所述驅(qū)動(dòng)單元電學(xué)連接所述至少一功率開關(guān)管，以控制所述至少一功率開關(guān)管的軟開關(guān)。
[0009]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明提供的直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了漸變占空比軟開關(guān)，在換相過程中電流非線性緩慢變化，波形更加平滑，實(shí)現(xiàn)超低噪聲和EMI。同時(shí)，換相時(shí)間隨電機(jī)轉(zhuǎn)速變化，轉(zhuǎn)速越快，時(shí)間越短，從而避免了效率下降。
【附圖說明】
[0010]圖1，一種典型的直流無刷單相電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的簡化示意圖；
[0011]圖2，傳統(tǒng)開關(guān)換相時(shí)電流不意圖；
[0012]圖3，一種改進(jìn)型開關(guān)換相時(shí)電流不意圖；
[0013]圖4，本發(fā)明所述的直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一實(shí)施方式的示意圖；
[0014]圖5，本發(fā)明所述的ADJ控制單元一實(shí)施方式的示意圖；
[0015]圖6，本發(fā)明所述的直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一實(shí)施例所示開關(guān)換相時(shí)電流示意圖；
[0016]圖7為圖6所述實(shí)施例各個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作波形示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的軟開關(guān)控制模塊以及直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)做詳細(xì)說明。
[0018]參考圖4，本發(fā)明所述的直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一實(shí)施方式的示意圖。所述直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括一直流無刷電機(jī)(圖中以位置傳感器49示意直流無刷電機(jī))以及至少一功率開關(guān)管，所述至少一功率開關(guān)管電學(xué)連接所述直流無刷電機(jī)，一軟開關(guān)控制模塊40。所述直流無刷電機(jī)可以為單相/三相直流無刷電機(jī)；通過控制所述至少一功率開關(guān)管來改變所述直流無刷電機(jī)電流方向；所述軟開關(guān)控制模塊40用以控制所述至少一功率開關(guān)管的軟開關(guān)。通過漸變占空比軟開關(guān)調(diào)制逐漸關(guān)閉/打開所述至少一功率開關(guān)管，讓直流無刷電機(jī)電流平滑緩慢變化，實(shí)現(xiàn)超低噪聲和EMI。本實(shí)施方式以控制一外置于軟開關(guān)控制模塊40的功率開關(guān)管Ml的軟開關(guān)為例進(jìn)行說明，所述功率開關(guān)管Ml可以為直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中上橋臂或下橋臂的功率開關(guān)，所述功率開關(guān)管Ml可以采用NOMS，PMOS或者其他功率開關(guān)；在其它實(shí)施方式中所述功率開關(guān)管Ml也可以內(nèi)置于軟開關(guān)控制模塊40中。
[0019]所述軟開關(guān)控制模塊40包括:一 ADJ控制單元41、一 OSC振蕩器42、一延時(shí)單元43、一比較器44、一邏輯單元45以及一驅(qū)動(dòng)單元46。
[0020]所述ADJ控制單元41分別與所述延時(shí)單元43以及比較器44相連，用于獲取直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號，并根據(jù)所述轉(zhuǎn)速信號獲取調(diào)速信號后輸入至所述比較器44的第一輸入端，同時(shí)根據(jù)所述調(diào)速信號分別獲取軟開關(guān)電流下降時(shí)間和軟開關(guān)電流上升時(shí)間并傳輸至所述延時(shí)單元43。
[0021]具體可以為:所述ADJ控制單元41耦接至所述直流無刷電機(jī)的位置傳感器49，以根據(jù)所述位置傳感器49的位置輸入信號Pos[n:0]獲取直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號Speed[m:0]，其中n，m為兩個(gè)不同變量。所述ADJ控制單元41根據(jù)所述轉(zhuǎn)速信號，按照相應(yīng)斜率將輸入的ADJ直流電壓下降到調(diào)速范圍內(nèi)的最小占空比電壓，之后以同樣的斜率從最小占空比電壓上升到所述ADJ直流電壓，并將該斜率信號作為調(diào)速信號Adj_Ramp輸入至所述比較器的第一輸入端；同時(shí)，獲取按照相應(yīng)斜率將輸入的ADJ直流電壓下降到最小占空比電壓所需時(shí)間作為軟開關(guān)電流下降時(shí)間Phasel，獲取按照相應(yīng)斜率從最小占空比電壓上升到所述ADJ直流電壓所需時(shí)間作為軟開關(guān)電流上升時(shí)間Phase2，并傳輸至所述延時(shí)單元43。本發(fā)明所述的ADJ控制單元41在常規(guī)ADJ調(diào)速的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的位置輸入信號，以相應(yīng)的斜率在軟開關(guān)階段把輸入的ADJ直流電壓降低到調(diào)速范圍內(nèi)的最小占空比電壓VL，然后以同樣的斜率恢復(fù)到原始輸入的ADJ直流電壓。該斜率由獲取的轉(zhuǎn)速信號決定，轉(zhuǎn)速越快，斜率越大，電壓上升或下降速度越快。
[0022]參考圖5，本發(fā)明所述的ADJ控制單元一實(shí)施方式的示意圖；作為可選的實(shí)施方式，所述ADJ控制單元41進(jìn)一步包括一鉗位子單元Clamp、充電電容CO、電流漏Idcl、第一比較子單元CMPl、電流源Idc2以及第二比較子單元CMP2。所述鉗位子單元Clamp通過一第一子開關(guān)S51連接充電電容CO，用于將輸入的ADJ直流電壓鉗位到調(diào)速范圍內(nèi)的最大占空比電壓Vclamp。所述電流漏Idcl —端接地，另一端通過一第二子開關(guān)S52分別連接至第一比較子單元CMPl的正向輸入端以及第二比較子單元CMP2的正向輸入端；第一比較子單元CMPl的負(fù)向輸入端接調(diào)速范圍內(nèi)的最小占空比電壓VL，第二比較子單元CMP2的負(fù)向輸入端接所述最大占空比電壓Vclamp。所述電流源Idc2 —端與外部電源VDC相連，另一端通過一第三子開關(guān)S53分別連接至第一比較子單元CMPl的正向輸入端以及第二比較子單元CMP2的正向輸入端。
[0023]軟開關(guān)控制的實(shí)現(xiàn)的方式是:首先將輸入的ADJ直流電壓Adj鉗位到調(diào)速范圍內(nèi)的最大占空比電壓Vclamp ;接收到軟開關(guān)控制開始信號SoftSwitch后，斷開S51，閉合S52，通過電流漏Idcl將電容CO上存儲的電壓下降到最小占空比電壓VL ;觸發(fā)CMP1，電流下降的軟開關(guān)phasel階段結(jié)束。斷開S52，導(dǎo)通S53，以同樣大小的電流源Idc2給電容CO充電，使Adj電壓上升；當(dāng)Adj電壓上升到初始輸入的ADJ直流電壓后，觸發(fā)CMP2，結(jié)束電流上升的軟開關(guān)phase2階段。軟開關(guān)控制結(jié)束，斷開S52和S53，導(dǎo)通S51，進(jìn)入正常的調(diào)速模式。其中電流源Idc2和電流漏Idcl的電流大小和直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速越快，軟開關(guān)控制時(shí)間越短。
[0024]繼續(xù)參考圖4，所述OSC振蕩器42與所述比較器44相連，用于產(chǎn)生預(yù)設(shè)周期的鋸齒波信號，并輸入至所述比較器44的第二輸入端。本發(fā)明通過比較器44，將ADJ控制單元41產(chǎn)生的一個(gè)電平Adj_Ramp與OSC振蕩器42產(chǎn)生的鋸齒波SAW比較生產(chǎn)不同占空比的PWM方波。
[0025]作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述ADJ控制單元41進(jìn)一步與所述OSC振蕩器42相連，ADJ控制單元41將軟開關(guān)