CN1004392B - 电机驱动系统 - Google Patents
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Abstract
电机驱动系统包括由一个小电流ＰＮＰ晶体管和一个大电流ＮＰＮ晶体管以达灵顿联接而构成的等价功率ＰＮＰ晶体管，在ＮＰＮ晶体管的集电极和ＰＮＰ晶体管的发射极之间接有可调、降压型开关式稳压器。可以减少电机驱动系统中的电功率损失。并且可以节省使电机驱动系统工作所需要的电功率。
Description
本发明是关于电机驱动系统，特别是其功率消耗得以减少的、用于单相和三相电机的驱动系统。
在先有技术中，例如日本专利未经审查的公开说明书No.66864/80和No.66262/80所公开的电机驱动系统中，PNP晶体管和NPN晶体管分别和电机驱动线圈的两端相连接，电功率经PNP晶体管和NPN晶体管馈入电机驱动线圈。在用集成电路形成的电机驱动系统，特别是形成如图1中虚线方框A所示的驱动电路时，存在一定的障碍，因为，由于增大芯片尺寸所致，难以实现能够工作在大电流区的PNP晶体管。为此，通常，如图1所示，用一个较小的PNP晶体管3和一个大的NPN晶体管4，以达灵顿接法将它们连接起来。靠这种达灵顿接法，虽然可以得到和PNP晶体管等价的效果，但就晶体管4的情况而言，要求其集电极-发射极电压VCE至少和基极-发射极电压VBE一样大（假设晶体管13的集电极-发射极电压VCE是0伏）。这种事实引起了一个问题，因为，当电机线圈6和7被驱动时，尤其在低电压下，电机的效率η（包括驱动系统中的损失）大幅度降低。这里，电机的效率η表示为
η＝输出/输入＝负载转矩×输出功率/电压×电流
其中输出功率与负载转矩×转速成正比。在这种情况下，因为上式中的电压是晶体管4的集电极-发射极电压VCE，于是靠降低电压VCE，电机的效率η就能得到改善。在图1中，标号1表示第一电源，8和9分别表示控制晶体管3、4、5用的电机驱动控制信号的输入端，标号30表示第二电源。
在DE-OS 2233188文件的附图1及其相应的说明中，也公开了一种桥式电机驱动供电电路，其中每个桥臂由第一个及第二个NPN晶体管（t6及t7，t3及t8）组成，电机的每个绕组端连接在每个第一个NPN晶体管（t6或t3）的发射极与第二个NPN晶体管（t7或t8）的集电极的连接点上，其中每个第一NPN晶体管（t6或t3）与每另一个PNP晶体管（t5或t2）构成达灵顿连接方式，每个PNP晶体管（t5或t2）的集电极共同连接于一个直流电源上，这些PNP管的基极及第二个NPN管的基极与控制电路相连接。这种电路也存在上文所述的问题。
此外从FR 1479475文件的附图4及相应的说明同US3368139文件的附图2及相应的说明可知：为了减少达灵顿连接中功率管的VCE、从而减少其功率损耗;在达承顿连接中，功率管上串联直流电压源（FR1479475），或是在达灵顿连接的驱动管中串联直流电压源（US3368139），由于所述直流电压源的电压是不可调节的，所以效果并不理想。
本发明之目的是提供用于单相电机和三相电机的电机驱动系统，该系统减少了电机驱动电路中的电功率损失，并且，由于消除了上面提及的先有技术的缺点，使该系统在电功率消耗大幅度降低的情况下运行。
本发明进一步的目的是减少电机驱动系统中产生的热量，改善电机效率。
为了达到这些目的，按照本发明，在由小电流PNP晶体管和大电流NPN晶体管以达灵顿接法构成的等价大功率PNP晶体管电路中，在大电流NPN晶体管的集电极和小电流PNP晶体管的发射极之间接一个高效开关型稳压器。
本发明的最佳实施例将和附图结合起来予以说明：
图1是先有技术的电机驱动系统方框图;
图2是说明本发明的电机驱动系统原理的方框图;
图3是馈给图2电路的信号波形图;
图4是表明本发明实施例的电路图;
图5是表明图4所示的位置检测器布局的电路图;
图6是表明用于本发明的开关式稳压器具体实施例的电路图。
下面，将参照图2-图6叙述本发明的实施例。图2是表明按照本发明构成的电机驱动系统原理的方框图，标号2表示开关式稳压器。而且，的图2中，凡是和图1中同样的元件，都标以同样的号码。在图2的元件安排中，晶体管4工作在饱和区，因此以通/断方式控制，而晶体管5是在非饱和区工作，使它工作如一个电流源。
在图2中，例如在三相双向激磁型的电机驱动电路中，要把从电机驱动控制电路（如图4所示）加到输入端8和9的输入信号考虑成如图3所示的信号a到f的组合。在这方面，信号a到c对应于输入端8，信号d到f对应于输入端9。假定信号a输至输入端8，信号c输至输入端9，那么晶体管3、4、5（图2）仅仅在t0到t1这段时间内导通。其结果，电流加到电机驱动线圈6和7，转子（未画出）就转动。在此情况下，接于晶体管3的发射极和晶体管4的集电极之间的开关式稳压器2提供电机驱动线圈6和7所需的最低电压。靠这样一种安排，就能减少电机驱动系统中的功率消耗，实现高效的电机驱动。而且，当在集成电路中形成这种电路时，因为功率消耗低，具有突出的优点，因为集成电路中的发热可以减少，封装、散热等设计都比较容易。
图4是表示根据本发明的电机驱动系统实施例的电路图，图示的例子是三相双向激磁型电机驱动系统。在此图中，和图1、图2中一样的标号表示一样的元件。标号10到15表示晶体管，16是电机驱动线圈，17是转子磁体，18是包括检测转子磁体17转动位置用的霍耳元件在内的位置检测器，标号19表示电机驱动控制电路。首先将说明三相双向激磁类型。如图5所示，用来检测转子磁体17，与定子上电机驱动线圈6，7，16相对位置关系的位置检测器18通常包括分别和电机驱动线圈6、7、16相对应的三个霍耳元件31a、31b、31c。更明确地，在图5中，霍耳元件31a、31b、31c的每一个都与其对应的电机驱动线圈6、7、16的某一个成180°机械角来安排。在本例中，所示的转子磁体17有四个极，这样，每个霍耳元件对于相应的电机驱动线圈成360°（或0°）电角度。所以，电机驱动线圈6、7、16的每一个和相应的霍耳元件31a、31b和31c的每一个都可以布置在同样的位置。
参照图4，电机驱动控制电路19根据来自三个霍耳元件31a、31b、31c的信号，控制晶体管3、10、11中的每一个以及晶体管14、5、15中的每一个，使它们依次地接通、断开，这样，使转子磁体连续旋转。在这种情况下，靠控制开关式稳压器2的输出电压，可以使电路系统中的功率消耗减少，稳压器的输出电压则可根据电机驱动线圈6、7、16所要求的电压来调节。
图6是示于图2和图4中的开关式稳压器的具体实施例。
在图6中，和图2、图4中一样的标号表示一样的部件。标号20表示三角波振荡器，21是比较器，22是晶体管，23是二极管，24是线圈，25是电容器，26是放大器，27是参考电源，28是可调电流源，29表示晶体管。图6表示图4所示三相双向激磁的一种状态，如图1、图2中的情况。控制开关式稳压器2的输出电压使得在非饱和区工作的晶体管5的集电极电压保持在第三参考电源27的电压值。换句话说，晶体管5的集电极电压和第三参考电源27之间的电压差由放大器26放大，放大器的输出通过比较器21同三角波振荡器20输出的三角波进行比较，根据来自比较器21的脉宽调制波，以通/断方式控制晶体管22。晶体管22的输出通过平滑电路平滑化，平滑电路由单向传动二极管23，线圈24和电容器25组成，直流电压加于电机驱动晶体管4。晶体管4在饱和区工作，并以通/断方式工作。进而，为了充分降低电功率损失，晶体管4的基极电流被控制到比如说晶体管5的基极电流的两倍。为了达到这个目的，借助于电流反射镜电路把控制晶体管5基极电流的晶体管29的集电极电流放大到该电流的约两倍，电流反射镜电路由一组晶体管3'构成，放大了的电流加到晶体管4上作为其基极电流。结果，晶体管4工作在靠近非饱和区这一侧的饱和区。靠这种工作状态，消耗于晶体管组3'中的功率损失也被控制到最低水平。进一步，电机的速度控制可以靠可变地控制流过电机驱动线圈6和7的电流来实现，电流则由控制可调电源28来改变。
尽管所作的说明是就三相输入的一相而言，然而，对另外两相，情况完全一样。
根据本发明，一个包括以达灵顿接法将小电流型PNP晶体管和大电流型NPN晶体管组合起来的电路的电机驱动系统，在其PNP晶体管的发射极和NPN晶体管的集电极之间接入一个高效开关式稳压器，该系统的晶体管电路适合于作成集成电路。这样的设计由于大大降低了电机驱动系统的功率消耗，能够减少形成于集成电路中的电机驱动系统的发热，并且能大幅度改善电机的效率，因而具有显然的优点。
Claims (9)
1、电机驱动系统，它具有单相桥式或三相桥式电路，其中每个桥臂由第一及第二NPN晶体管串联组成，电机的每个绕组端连接在每个第一个NPN晶体管的发射极与第二个NPN晶体管的集电极的连接点上，其中每个第一NPN晶体管与每另一个PNP晶体管以达灵顿方式进行连接，该每个PNP晶体管的集电极共同地连接到第一参考电源上，每个第二个NPN晶体管的发射极和第二参考电源相连接，这些PNP晶体管的基极以及每第二个NPN晶体管的基极与控制电路相连接，其特征在于：可调、降压型开关式稳压器接于上述第一参考电源和上述每第一个NPN晶体管之间。
2、根据权利要求1的电机驱动系统，其特征在于：所有第一个NPN晶体三极管（4、12、13）的集电极共同相连接并且只经过一个可调、降压型开关稳压器与所述第一参考电源相连接。
3、根据权利要求1的电机驱动系统，其特征在于所述开关式稳压器包括：
一个放大器，用来放大工作在非饱和区的所述第二个NPN晶体管的集电极电压和第三参考电源的参考电压之间的电位差，
一个三角波振荡器，用来产生三角形波输出，
一个比较器，用来将三角波输出与所述放大器的输出作比较
第二个PNP晶体管由来自所述比较器的脉冲宽度调制波输出以通/断方式控制，和
一个平滑电路，用来使所述第二个PNP晶体管的输出平滑化，并用来提供直流电压给所述第一个NPN晶体管的集电极。
4、根据权利要求1的电机驱动系统，其特征在于：所述第一PNP晶体管由电流反射镜连接所形成，因此，所述第一NPN晶体管的基极电流大于所述第二NPN晶体管的基极电流，并且，所述第一NPN晶体管的基极电流与所述第二NPN晶体管的基极电流成比例地变化。
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