CN101076938B - 电动机驱动装置 - Google Patents

Abstract

提供可缩短电动机的起动时间的电动机驱动装置。在电动机驱动装置(100)中，控制单元(110)检测驱动对象的电动机的转速，并生成控制电压Vcnt，以接近期望的转速。箝位电路(20)限制控制电压Vcnt的上限值Vcu和下限值Vcl。驱动单元(120)根据由控制单元(110)生成的控制电压Vcnt而驱动电动机(200)。起动电路(40)在电动机(200)的驱动开始时，将控制电压Vcnt固定为规定的初始电压Vinit。

Description

电动机驱动装置 

技术领域

本发明涉及电动机驱动装置，特别涉及电动机的转速的控制技术。 

背景技术

在将直流电动机或主轴电动机以期望的转速驱动的电动机驱动装置中，监视电动机的转速，并且基于与期望的目标值之间的偏差而生成驱动信号。 

在这样控制电动机的电动机驱动装置中，例如使用专利文献1中所记载的速度鉴别器。 

速度鉴别器比较当前的电动机的转速与作为期望的目标值的转速，根据该偏差而输出加速脉冲或减速脉冲。这种加速脉冲、减速脉冲被变换为直流电压，生成用于驱动电动机的控制电压。 

专利文献1：特开平6-30589号公报 

发明内容

发明要解决的课题 

如上所述，速度鉴别器(discriminator)是根据当前的电动机的转速和转速的目标值之间的偏差生成加速、减速脉冲，因此电动机驱动装置形成反馈路径。在该反馈路径中，设置有低通滤波器，用于对变换加速脉冲、减速脉冲所得到的控制电压平滑化。 

在这样的电动机驱动装置中，在从电动机停止的状态至开始电动机的旋转时，虽然由速度鉴别器生成加速脉冲，用于驱动电动机的控制电压急速上升，但是，高频分量通过低通滤波器被除去，所以，电动机的转速达到期望的目标值为止的起动时间受到低通滤波器的时间常数的影响，起动时间变长。而且，反馈路径的频带因低通滤波器而变窄，所以会发生电动机的转速大大超过期望的目标值的过冲(overshoot)，有时还产生减幅震荡。 

本发明鉴于这样的课题而完成，其目的在于提供可缩短电动机的起动时间的电动机驱动装置。

解决课题的方法 

本发明的一个方案涉及电动机驱动装置。该电动机驱动装置包括：控制单元，检测驱动对象的电动机的转速，并生成控制电压，以使接近期望的转速；驱动单元，根据控制单元生成的控制电压而驱动电动机；起动电路，在电动机的驱动开始时，将控制电压固定为规定的初始电压。 

根据该方案，在电动机的驱动开始时，通过起动电路将控制电压设定为规定的初始电压，可防止控制电压急剧地上升、电动机开始以满转矩(fulltorque)旋转，并可缩短至期望的转速为止的起动时间。 

优选是起动电路可根据电动机的驱动条件而调节初始电压。 

“电动机的驱动条件”是指，电动机的转速的目标值、电动机的种类、周围温度、电源电压等诸多条件。当电动机的驱动条件不同时，有最佳的初始电压变化的情况，所以通过构成起动电路以可根据各条件进行调节，可以更合适地缩短起动时间。 

初始电压可根据各驱动条件而被存储在寄存器(register)中。此时，起动电路根据驱动条件，适当地从寄存器读出初始电压，从而可进行最佳的起动控制。 

优选是，控制单元也可具有限制控制电压的上限值和下限值的箝位电路，在电动机的驱动开始时至规定的期间，使起动电路有效，在规定的期间过后，使箝位电路有效。 

为了设定电动机的转矩的上限值和下限值，电动机驱动装置可具有对控制电压进行箝位的箝位电路。此时，控制单元在电动机的驱动开始时，使起动电路有效，之后使箝位电路有效而进行正常动作，从而可缩短电动机的起动时间。 

优选是，箝位电路与起动电路一体地构成，从电动机的驱动开始至规定的期间，将控制电压的上限值或者下限值的至少一个设定为初始电压。 

通过将箝位电路的箝位电压设定为初始电压，也可以将控制电压固定为初始电压，而且也可以简化电路。 

控制单元也可以包括：速度鉴别器，基于表示电动机的转速的速度信号和期望的转速之间的偏差而生成加速脉冲及减速脉冲；电压生成单元，基于由速度鉴别器生成的脉冲而生成控制电压。起动电路也可以固定在电动机的驱动开始时输入到速度鉴别器的速度信号。

在电动机的驱动刚开始后，电动机的转速上升之前，输入到速度鉴别器的速度信号取较低的值，但通过将该速度信号固定为规定的初始值，控制单元生成被固定为某一值的控制电压，从而可缩短起动时间。 

优选是，起动电路根据电动机的驱动条件而调节将控制电压固定为初始电压的期间。 

通过根据电动机的驱动条件，使起动电路作为有效的期间变化，可更合适地缩短起动时间。 

优选是，起动电路可在从电动机的驱动开始到该电动机的转速达到规定的转速为止的期间，固定控制电压。优选是，规定的转速基于电动机的转速的目标值而设定。 

附图说明

图1是表示实施方式的电动机驱动装置的结构的图。 

图2是表示不使起动电路动作时的电动机驱动装置的动作装置的信号波形图。 

图3是表示使起动电路动作时的电动机驱动装置的动作状态的信号波形图。 

图4是表示图1的电动机驱动装置的变形例的电路图。 

图5是表示图1的电动机驱动装置的其他变形例的电路图。 

图6是表示图1的电动机驱动装置的其他变形例的电路图。 

标号说明 

100电动机驱动装置 110控制单元 120驱动单元 200电动机 10控制电压生成单元 12速度鉴别器 14第1恒流源 16第2恒流源 SW1第1开关 SW2第2开关 20箝位电路 Q1第1晶体管 Q2第2晶体管 SW3第3开关 SW4第4开关 30滤波器 C30第1电容器 C32第2电容器R30电阻 40起动电路 42缓冲器 SW5第5开关 50脉宽调制器 52电压比较器 54振荡器 60输出单元 62预驱动电路 M1～M4开关晶体管Rd检测电阻 

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。

图1是表示本实施方式的电动机驱动装置100的结构。在图1中表示电动机驱动装置100和成为驱动对象的电动机200。 

该电动机驱动装置100一边监视电动机200的转速，一边驱动电动机使其转速接近期望的目标值。电动机200的转速被未图示的速度检测单元检测，该速度信息作为速度信号SPD而被输入到速度端子102。例如，速度检测单元可以检测电动机中流过的电流并将其变换为速度信息，也可以进行使用霍尔元件的速度检测。在本实施方式中，速度信号SPD设为具有与电动机的转速成比例的频率的周期信号。 

电动机驱动装置100包括控制单元110、驱动单元120、起动电路40。 

控制单元110比较输入到速度端子102的表示当前的电动机的转速的速度信号SPD和转速的目标值，根据其偏差生成控制电压Vcnt。而且，电动机驱动装置100具有启动端子104，在从外部输入的起动信号EN为高电平时驱动电动机200。 

该控制单元110包括：控制电压生成单元10、箝位电路20、滤波器30。 

控制电压生成单元10包括：速度鉴别器12、第1恒流源14、第2恒流源16、第1开关SW1、第2开关SW2。 

速度鉴别器12比较用于指示电动机200的转速的目标值的基准时钟信号REF的频率和速度信号SPD的频率，当电动机200的转速低于目标值时只将加速脉冲SIG1输出相应的差分时间，当电动机200的转速高于目标值时只将减速脉冲SIG2输出相应的差分时间。 

第1恒流源14、第2恒流源16、第1开关SW1、第2开关SW2以及滤波器30构成电压生成单元，该电压生成单元将由速度鉴别器12生成的加速脉冲SIG1、减速脉冲SIG2变换为直流的控制电压Vcnt。 

第1恒流源14是用于对第1电容器C30充电的电流源，第2恒流源16是用于使第1电容器C30放电的电流源。第1恒流源14通过第1开关SW1与第1电容器C30连接。同样地，第2恒流源16通过第2开关SW2与第1电容器C30连接。 

此时，当输出加速脉冲SIG1时，第1开关SW1导通，第1电容器C30通过第1恒流源14而被充电，控制电压Vcnt上升。相反地，当输出减速脉冲SIG2时，第2开关SW2导通，第1电容器C30通过第2恒流源16而被放电，控制电压Vcnt下降。

滤波器30包括：第1电容器C30、第2电容器C32、电阻R30。控制电压Vcnt通过由加速脉冲SIG1以及减速脉冲SIG2重复进行充放电而被生成，因此包括高频的噪声分量。通过该滤波器30的低通滤波效果，控制电压Vcnt的高频分量被除去。 

这样，从控制单元110输出控制电压Vcnt以使驱动对象的电动机200的转速接近期望的目标值。 

箝位电路20设定控制电压Vcnt的上限值Vcu以及下限值Vcl。箝位电路20包括：第1晶体管Q1、第2晶体管Q2、第3开关SW3、第4开关SW4。 

第1晶体管Q1是NPN型双极晶体管，基极端子上被施加最小箝位电压Vc1。发射极端子通过第3开关SW3与控制单元110的输出端子连接。 

在第3开关SW3导通的状态下，当控制电压Vcnt降低时，第1晶体管Q1导通。在第1晶体管Q1导通的状态下，其发射极端子的电压Vel用其基极端子上所施加的最小箝位电压Vc1而被箝位到Vcl＝Vc1-Vbe。其中，电压Vbe表示双极晶体管的基极-发射极之间的正向电压。 

同样地，第2晶体管Q2是PNP型双极晶体管，基极端子上被施加最大箝位电压Vc2。发射极端子通过第4开关SW4与控制单元110的输出端子连接。 

在第4开关SW4导通的状态下，当控制电压Vcnt上升时，第2晶体管Q2导通，作为其发射极电压的控制电压Vcnt被箝位到Vcu＝Vc2+Vbe。 

第3开关SW3、第4开关SW4的导通/截止根据电动机驱动装置100的动作状态而被外部控制。 

起动电路40在电动机200的驱动开始时，将控制电压Vcnt固定为规定的初始电压Vinit。该起动电路40包括：第5开关SW5、缓冲器42。在缓冲器42中输入初始电压Vinit，其输出通过第5开关SW5与控制单元110的输出端子连接。 

当第5开关SW5导通时，呈现在控制单元110的输出端子的控制电压Vcnt被固定为初始电压Vinit。第5开关SW5的导通/截止也与上述的第3开关SW3、第4开关SW4相同，根据电动机驱动装置100的动作状态而被外部控制。 

控制电压Vcnt被输入到驱动单元120。驱动单元120包括脉宽调制器50、输出单元60，它根据由控制单元110生成的控制电压Vcnt而驱动电动机200。 脉宽调制器50包括电压比较器52、振荡器54。基于所输入的控制电压Vcnt，生成导通时间变化的PWM(Pulse Width Modulation)信号Vpwm。 

振荡器54输出三角波或者锯齿波状的周期信号Vosc。 

控制单元110以及振荡器54分别将控制电压Vcnt以及周期电压Vosc输入到电压比较器52。电压比较器52比较控制电压Vcnt和周期电压Vosc，在Vosc>Vx时输出高电平，在Vosc<Vx时输出低电平。从电压比较器52输出的PWM信号Vpwm成为根据控制电压Vcnt的大小而改变高电平和低电平期间的脉宽调制过的信号。 

这里，从控制单元110输出的控制电压Vcnt是根据电动机200的转速和其目标值之间的偏差而变化的电压，所以PWM信号Vpwm的占空比变化以使电动机200的转速接近目标值。由脉宽调制器50生成的PWM信号Vpwm被输入到输出单元60。 

输出单元60包括：预驱动电路62、开关晶体管M1～M4、检测电阻Rd，根据PWM信号Vpwm来驱动电动机200。 

开关晶体管M1～M4是MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor)，根据栅极端子上所施加的电压进行开关动作，对电动机200间歇性地提供驱动电压。这些开关晶体管M1～M4构成H电桥(bridge)电路。通过预先将开关晶体管M2、M3截止，使开关晶体管M1、M4同步地导通/截止，从而电动机200的一端被施加电源电压Vdd，另一端被施加接近接地电压的电压，可以使电动机200在某一方向上旋转。检测电阻Rd将电动机200中流过的电动机电流变换为电压。输入到上述控制电压生成单元10的速度信号SPD也可以由呈现在检测电阻Rd上的电压来生成。 

预驱动电路62根据从脉宽调制器50输出的PWM信号Vpwm而控制开关晶体管M1～M4的导通/截止。预驱动电路62在PWM信号Vpwm的导通期间，使开关晶体管M1、M4的对或者M2、M3的对导通，从而对电动机200施加驱动电压。因此，在电动机200中，在PWM信号Vpwm的导通期间被施加驱动电压，以较大的转矩、即以高转速旋转。 

脉宽调制器50以及输出单元60被输入起动信号EN，在起动信号EN为高电平时驱动电动机200，在低电平时停止电动机200的驱动。在起动信号EN为低电平时，为节省电力，也可以使预驱动电路62或电压比较器52截止。 

下面说明如上构成的电动机驱动装置100的动作。

为了将本实施方式的电动机驱动装置100的效果更加明确，首先说明不使起动电路40动作，仅箝位电路20有效的情况。图2是表示不使起动电路40动作时的电动机驱动装置100的动作状态的信号波形图。 

在时刻T0之前，因电动机200停止旋转，所以表示电动机的转速的速度信号SPD取最小值。此时，从比较电动机200的转速和目标值的速度鉴别器12连续输出加速脉冲SIG1，所以控制电压Vcnt上升，通过箝位电路20而被箝位在上限值Vcu。 

在时刻T0，起动信号EN成为高电平，被赋予电动机200的驱动开始的指示。当起动信号EN成为高电平时，驱动单元120基于控制电压Vcnt以满转矩开始驱动电动机200。电动机200中，在旋转开始时静止摩擦力增加，所以转速迟于时刻T0开始上升。之后，由速度信号SPD表示的电动机200的转速急剧地上升，超过目标值REF。 

当电动机200的转速超过期望的目标值REF时，从速度鉴别器12输出减速脉冲SIG2，控制电压Vcnt降低，但由于高频分量通过设置在反馈环路上的滤波器30而被除去，所以不能响应电动机200的转速的急剧的上升，电动机200的转速较大地过冲。之后，控制电压Vcnt缓慢地接近目标电压Vref，电动机200的转速徐徐地接近目标值REF。 

这样，在不使起动电路40动作的情况下，需要将电动机200的起动时间加长的同时，产生转速过冲的问题。 

接着，说明使起动电路40动作情况下的动作。图3是表示使起动电路40动作时的电动机驱动装置100的动作状态的信号波形图。 

在时刻T0之前，起动电路40的第5开关SW5导通，起动电路40成为有效。此时，控制电压Vcnt被固定为初始电压Vinit。该初始电压Vinit被设定为比图2的箝位电压Vcu低，而且比对应于控制目标值的电压Vref低。 

在时刻T0，当起动信号EN成为高电平时，与起动信号EN同步，第5开关SW5截止，第3开关SW3、第4开关SW4导通。其结果，箝位电路20代替起动电路40成为有效，解除控制电压Vcnt的固定。 

起动信号EN成为高电平，驱动单元120开始电动机200的驱动。在驱动开始时，控制电压Vcnt被固定为低于满转矩地设定的初始电压Vinit，所以电动机200与图2的情况相比，缓慢地将其转速上升。因电动机200的转速的上升与图2的情况相比是缓慢的，所以控制信号Vcnt可进行追随电动机200 的转速的控制，不会产生过冲，可在短时间内稳定为期望的转速REF。 

如上那样，根据本实施方式的电动机驱动装置100，在电动机200的驱动开始时，通过由起动电路40而将控制电压Vcnt固定为规定的初始电压Vinit，与从满转矩的状态到开始电动机200的旋转的情况相比，可缩短起动时间，降低过冲。 

在图3中，来自外部的起动信号EN成为高电平的同时，进行了从起动电路40到箝位电路20的切换，但也可以是，监视速度信号SPD，在达到了规定的值时，将起动电路40的第5开关SW5截止，将箝位电路20的第3开关SW3、第4开关SW4导通。而且，也可以从起动信号EN成为高电平至规定的时间过后，进行从起动电路40向箝位电路20的切换。 

起动电路40也可以根据电动机200的驱动条件而调节初始电压Vinit。例如，可以在电动机驱动装置100中准备将初始电压Vinit和驱动条件相对应的寄存器，并根据驱动条件从寄存器读出初始电压Vinit。 

图4是表示图1的电动机驱动装置100的变形例的电路图。在以后的图中，与图1的相同的结构要素赋予相同的标号，并省略重复的说明。 

图4的控制电压生成单元10具有第1恒压源80、第2恒压源82来代替图1的第1恒流源14、第2恒流源16。 

当从速度鉴别器12输出加速脉冲SIG1时，控制电压生成单元10的第1开关SW1导通，输出从第1恒压源80输出的第1电压V1。而且，当输出减速脉冲SIG2时，控制电压生成单元10的第2开关SW2导通，输出从第2恒压源82输出的第2电压V2。 

滤波器70包括运算放大器72、电压源74、电阻R70、R72、电容器C70、C72，构成有效滤波器。运算放大器72的同相输入端子被施加从电压源74输出的恒压V3。而且，运算放大器72的反相输入端子被施加通过电阻70从控制电压生成单元10输出的第1电压V1或者第2电压V2的其中一个。 

在运算放大器72的输出端子和反相输入端子之间连接电容器C70。而且，电容器C72和电阻R72与电容器C70并联地连接。 

通过滤波器70，从控制电压生成单元10输出的第1电压V1或者第2电压V2被积分，而且控制电压Vcnt的高频分量通过低通滤波器的效果而被除去。 

通过图4所示的本变形例的电动机驱动装置100，也可以得到与图1所 示的电动机驱动装置100相同的效果。而且，根据图4的变形例，可进行更高精度的电动机驱动。 

图5是表示图1的电动机驱动装置100的其他变形例的电路图。在该电动机驱动装置100中，起动电路40′与箝位电路20被一体地构成。 

图5的起动电路40′通过切换第1晶体管Q1以及第2晶体管Q2的基极端子上所施加的电压Vc1以及Vc2，可具有作为图1的箝位电路20以及起动电路40的功能而动作。 

此时，在第1晶体管Q1以及第2晶体管Q2的基极端子上分别被施加规定电动机200的最大、最小转矩的电压时，作为箝位电路而动作。而且，在第1晶体管Q1以及第2晶体管Q2的基极端子上分别被施加Vc1＝Vinit+Vbe以及Vc2＝Vinit-Vbe时，作为将控制电压Vcnt固定为初始电压Vinit的起动电路而动作。 

再次使用图3，说明如图5所示那样构成的电动机驱动装置100的动作。在电动机200开始起动时，在图3的时刻T0之前，对第1晶体管Q1的基极端子施加电压Vc1＝Vinit+Vbe，对第2晶体管Q2的基极端子施加电压Vc2＝Vinit-Vbe，从而控制电压Vcnt被固定为初始电压Vinit。 

在时刻T0，将第1晶体管Q1和第2晶体管Q2的基极电压切换为规定最小转矩以及最大转矩的电压时，控制电压Vcnt的固定被解除，控制电压Vcnt开始上升，电动机200的转速接近期望的转速。 

通过图5所示的电动机驱动装置100，也可以与图1所示的电动机驱动装置100相同地缩短起动时间，降低过冲。 

图6是表示图1的电动机驱动装置100的其他变形例的电路图。本实施例的起动电路40在电动机200的驱动开始时，将输入到速度鉴别器12的速度信号SPD固定为规定的初始值INIT。 

图6的起动电路40包括：周期信号生成单元90、第5开关SW5。周期信号生成单元90生成具有规定频率的初始信号INIT。 

在电动机驱动开始时，将第5开关SW5导通、将起动电路40作为有效时，控制电压生成单元10中被输入该初始信号INIT。其结果，速度鉴别器12比较初始信号INIT的频率和基准时钟信号REF的频率，输出加速脉冲SIG1以及减速脉冲SIG2。 

根据图6的起动电路40，通过将速度信号SPD固定，从而间接地将控 制电压Vcnt固定，与图1所示的电动机驱动装置100相同地缩短起动时间，而且降低过冲。 

本领域的技术人员应该理解上述实施方式仅是例示，这些各构成元件或各处理过程的组合可以有各种变形例，而且这样的变形例也属于本发明的范围。 

在实施方式中，虽然说明了使用速度鉴别器12而生成控制电压Vcnt的情况，但并不限定于此。例如，可以将输出单元60的检测电阻Rd上所呈现的电压作为速度信号，将与规定的基准电压的误差进行放大的误差电压作为控制信号Vcnt，在电动机的驱动开始时，固定该控制信号Vcnt。而且，通过固定在检测电阻Rd上呈现的电压，从而可间接地固定控制信号Vcnt。 

在实施方式中，通过H电桥电路而驱动电动机200，但是并不限定于此，本发明也可以适用于其他驱动方式，而且，在实施方式中，由脉宽调制器50对控制电压Vcnt进行脉宽调制，并根据PWM信号Vpwm而驱动电动机200，但也可以根据控制电压Vcnt而线性驱动。 

在实施方式中，构成电动机驱动装置100的元件可以被全部一体集成化，也可以分为其他的集成电路而构成，而且，其一部分也可以由分立部件构成。集成哪一部分，根据成本或面积、用途等来决定即可。 

产业上的可利用性 

本发明可用于风扇电动机(fan motor)等的电动机驱动技术。

Claims (7)

1.一种电动机驱动装置，其特征在于，它包括：

控制单元，检测成为驱动对象的电动机的转速，并生成控制电压，以接近期望的转速；

驱动单元，根据所述控制单元生成的控制电压而驱动所述电动机；以及

起动电路，在所述电动机的驱动开始时，将所述控制电压固定为规定的初始电压，

所述控制单元包括用于限制所述控制电压的上限值和下限值的箝位电路，

所述箝位电路包括：

NPN型的第1晶体管，在其基极端子上施加了对应于所述下限值的最小箝位电压；

PNP型的第2晶体管，在其基极上施加了对应于所述上限值的最大箝位电压；

第3开关，设置在所述第1晶体管的发射极和所述控制单元的输出端子之间；以及

第4开关，设置在所述第2晶体管的发射极和所述控制单元的输出端子之间。

2.如权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于，

所述起动电路根据所述电动机的驱动条件而调节所述初始电压。

3.如权利要求2所述的电动机驱动装置，其特征在于，

在所述电动机的驱动开始时至规定的期间，使所述起动电路有效，在所述规定的期间过后，使所述箝位电路有效。

4.如权利要求3所述的电动机驱动装置，其特征在于，

所述箝位电路与所述起动电路一体地构成，从所述电动机的驱动开始到规定的期间，将所述控制电压的上限值或者下限值的至少一个设定为所述初始电压。

5.如权利要求1或2所述的电动机驱动装置，其特征在于，

所述控制单元包括：

速度鉴别器，基于表示所述电动机的转速的速度信号和所述期望的转速之间的偏差而生成加速脉冲或减速脉冲；以及

电压生成单元，基于由所述速度鉴别器生成的脉冲而生成所述控制电压，

所述起动电路将在所述电动机的驱动开始时输入到所述速度鉴别器的所述速度信号固定为规定的初始值。

6.如权利要求1或2所述的电动机驱动装置，其特征在于，

所述起动电路根据所述电动机的驱动条件而调节将所述控制电压固定为所述初始电压的期间。

7.如权利要求1或2所述的电动机驱动装置，其特征在于，

所述起动电路在从所述电动机的驱动开始至该电动机的转速达到规定的转速为止的期间，固定所述控制电压。

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