CN101261311B - 用于集成电路电动机驱动器中的反馈的输出触点 - Google Patents

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Abstract

一种集成电路(1)具有驱动电路(12、13、14、15)以驱动电动机(2)的绕组、在电动机(2)的旋转期间对驱动电路进行测量的装置，所述测量适用于用作电动机控制反馈，该集成电路(1)还具有输出触点(6)，电动机控制反馈测量通过所述输出触点(6)用作模拟输出信号。它可与被耦合以接收模拟信号的外部电动机控制电路(4)结合使用，来生成电动机控制信号，以便控制驱动电路。模拟反馈输出给出在比特分辨率、带宽和离散时间或连续时间控制选择方面更灵活的电动机控制环路设计。

Description

用于集成电路电动机驱动器中的反馈的输出触点
技术领域
本发明涉及用于电动机驱动器的集成电路，该电动机驱动器可进行诸如反电动势的测量之类的用于反馈目的测量以驱动电动机。
背景技术
本技术领域认识到集成的电动机驱动器电路的重要性，该集成电路在同一半导体电路上集成尽可能多的功能并且足够灵活以用于各种应用的。例如，同一集成电动机驱动电路可用于在有或没有传感器的情况下控制电动机。本技术领域中已知的控制电动机的常用传感器是霍尔传感器或光学编码器。灵活性还可涉及集成电动机驱动器电路外部的电路和或组件可用的数据格式和数据量：这种数据可以是模拟或数字性质，而如果是数字性质，则用于编码数据的比特数在从一个应用到另一个应用时可能需要以所得电动机驱动/控制环路所要求的特性为函数变化。
本技术领域认识到在利用在电动机的定子处的绕组两端测量的反电动势(BEMF)来导出可用于检测失速情况、检测电动机的转子的位置和/或速度、确定电动机的的负荷情况的信号所具有的优势。具体地，如公开专利申请第EP-A-1460757号中所公开的，在某些应用中，在几个采用瞬间测量并使用BEMF而不是单一的BEMF测量是有优势的。
-在应用文件AN235/0788中的由SGS-汤姆逊微电子(a.k.a.ST)的H.Sax步进电动机驱动中，本技术领域认识到减少第一集成电路(电动机驱动电路)和第二集成电路(控制电路或数据处理电路、数字或其它，尤其是微控制器或微计算机芯片)之间的连接数量的重要性。
-TRINAMIC Motion control GmbH & Co KG提供一种关于集成电路TMC249/A的解决方案。如TMC 249/A(2005年8月12日，版本2.02)的数据表所述，测量电动机的BEMF，以便检测该电动机的失速情况。可使BEMF测量用作数字的三比特指示符，该指示符可通过串行接口与外部微控制器共享。
飞思卡尔半导体提供另一种关于集成电路MM908E625的解决方案。该集成电路基本由一个封装中的2个管芯组成：模拟芯片和数字(微控制器)芯片。如MM908E625(2005年9月，版本4.0)的数据表中所述，借助于检测回流电流的存在和持续时间来间接地测量电动机的BEMF。称为“BEMF输出”的信号基本是单比特标记(来自集成在模拟管芯中的模拟比较器的二进制输出数据)，该标记指示电动机中是否存在回流电流(是或否)。该标记在回流相位的期间的每个PWM周期中生成并可用作模拟输出，用于连接到第二管芯(嵌入式微控制器)以在集成电路MM908E625中进一步处理。因为“BEMF输出”的信息包含在时域中(即，脉冲“BENF输出”的持续时间指示回流电流存在的持续时间，且这是关于BEMF量的测量)，所以微控制器需要配备有测量脉冲的持续时间的定时器电路。然后可将该定时信息转换成其它数据并可利用与BEMF引脚不同的输出引脚通过串行接口与外部电路尤其是微控制器交换。
-在又一个集成电路中，即由ST提供的ST7MC族集成电路，关于BEMF的信息以单比特二进制信号的形式在半导体芯片的第一输出引脚上提供用于外部电路。实际的BEMF信号可用于与电动机驱动器电路集成在相同的半导体衬底上的微控制器，从而排除了将详细的BEMF信息传输到外部电路的需要。
现有技术仍需要改进。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的装置和方法。本发明的某些实施例可提供更灵活的集成电动机驱动器，该电动机驱动器可与尽可能多的不同的微控制器接口，可在用于电动机控制的模拟和离散时间反馈环路中使用，可满足各种精确要求(比特分辨率和/或功耗、组件计数)。
根据本发明的第一方面，提供了一种集成电路，它具有驱动电路以驱动电动机的绕组，集成电路包括在电动机的旋转期间对驱动电路进行测量的装置，该测量适用于用作电动机控制反馈。集成电路具有输出触点，电动机控制反馈测量通过该输出触点用作模拟输出信号。
模拟信号可呈现下限值和上限值之间(接地基准和电源电压之间)的连续值。相反，数字信号为高或低，例如，需要10比特来以约5mV的分辨率编码0和5V之间变化的模拟信号。这10比特必须并行(以更多的引脚或连接为代价)或串行(以带宽为代价)传输。该不寻常的方法与越来越多的数字处理的通常趋势相反。已意识到，在利用各种通信协议的广泛的试验后，具有通过电动机驱动器电路获得的作为所述电路的专用引脚上的模拟信号可用的电动机负荷相关信息的数据格式给出对于该电路最高的灵活性。换言之，它使得电动机控制环路的设计(1)具有任何比特分辨率，(2)具有限于所使用的微控制器(如果有的话)的处理速度的带宽，(3)是离散时间或连续时间。
模拟反馈输出给出在比特分辨率、带宽和离散时间或连续时间控制选择方面更灵活的电动机控制环路设计。
输出引脚上可用的模拟信号可以是通过一个或多个模拟或数字电路(与电动机驱动器集成在同一半导体衬底中)对电动机负荷相关信息进行信号处理的结果。这些信号处理电路可处理串行或并行信号。二进制信号可确定哪一个所述信号处理电路的输出将在输出引脚上可用。具体地，信号处理电路可以是采样或保持电路。通常，电动机负荷相关信号是在所述电动机的工作期间在电动机的绕组中感生的反电动势(BEMF)，但其它信号也是可以的。
本发明的另一个方面是提供一种具有集成电路以及被耦合以接收模拟输出信号的电动机控制电路的系统。
根据本发明的实施例的集成电路可与被耦合以接收模拟信号的外部电动机控制电路(4)结合使用，来生成电动机控制信号，以便控制驱动电路。
根据本发明的实施例，系统包括根据本发明的集成电路以及电动机控制电路，该电动机控制电路被耦合以从集成电路接收具有电动机反馈测量信号的模拟输出信号。该电动机控制电路被安排成使用电动机反馈信号来生成电动机控制信号，该电动机控制信号被耦合到所述集成电路以控制驱动电路。
根据本发明的某些实施例，电动机控制电路可包括数字电路，而系统具有用于将模拟输出信号转换成数字信号的转换器。
可在不背离权利要求书的范围的情况下添加任何附加特征。任何附加特征可结合在一起并与任何方面结合。其它的优点尤其是优于其它现有技术的优点对本领域的技术人员来说是显然易见的。可在不背离本发明的权利要求书的情况下进行众多的变型和修改。因此，应清楚地理解本发明的形式仅仅是说明性的而不打算限制本发明的范围。
附图简述
现在将作为例子参考附图描述如何实现本发明，附图中：
图1示出根据本发明的各个实施例的集成电动机驱动器电路。
图2示出用于生成集成电动机驱动器电路的输出引脚上可用的信号的测量装置的例子。
图3示出在集成电动机驱动电路的工作期间在电路的数个节点上生成的信号。
图4示出生成图3中作为电动机负荷和/或速度的函数的任何信号的示例电路的一般化电路。
具体实施方式
将参考具体的实施方式和某些附图来描述本发明，但本发明不限于此，而是仅由权利要求书来限定。所描述的附图仅仅是示意性的和非限定性的。在附图中，为了说明的目的，某些元件的大小被放大而不是按比例绘制的。这些尺寸和相对尺寸不对应于本发明的实施的实际缩图。
注意，权利要求书中使用的术语“包括”不应被解释为限于其后列出的装置/步骤，它不排除其它的元件或步骤。因此它应被解释为指定所述的特征、整体、步骤或组件的存在，而不是排除一个或多个其它特征、整数、步骤或组件或其组合的存在或添加。因此，语句“设备包括装置A和B”的范围不应限于仅由组件A和B构成的设备。它表示对于本发明，设备的最合适的相关组件是A和B。
将通过本发明的几个实施例的详细描述来描述本发明。明显可根据本领域的技术人员的知识在不背离本发明的真正精神或技术教示的情况下构造本发明的其它实施例，本发明仅由所附权利要求限制。
参考的集成电路可包括半导体管芯，在这种情况下，输出触点一般是管芯上的触点焊盘。参考的集成电路还可包括封装的管芯，在这种情况下，输出触点一般是引脚、焊盘或焊球等，一般通过引线键合耦合到管芯。管芯的封装可包括任何类型的封装，包括树脂封装，封装为具有管芯和集成或分立的其它组件等的混合电路部分。因此，参考的输出触点可包括管芯上的触点焊盘、引线键合、诸如引脚、焊料焊盘、焊球等集成电路封装上的触点。
下述的本发明的实施例示出具有驱动电路以驱动电动机的绕组的集成电路的示例，该集成电路具有在电动机的旋转期间对驱动电路进行测量的装置，适用于用作电动机控制反馈，如上所述。
某些实施例的附加特征可包括：测量包括有关电动机负荷或有关电动机速度的测量，或测量装置被安排成进行多个测量并具有第一选择电路用于选择将输出哪一个测量。
另一个这种附加特征是用于在电动机控制反馈测量作为模拟输出信号输出之前对其进行信号处理的一个或多个模拟电路。另一个这种附加特征是具有多个模拟电路并具有第二选择电路，用于选择哪一个模拟电路将被耦合到输出触点。模拟电路中的至少一个可以是采样或保持电路。
电动机控制反馈测量可包括在所述电动机的转子转动期间电动机的绕组两端生成的反电动势(BEMF)的测量。
现在意识到现有技术的电路具有很多缺点：专用通信接口(给定的协议、比特数、比特率)的使用可对控制环路的带宽加以限制，使用预定数量的比特来编码BEMF相关信息对所得的电动机驱动可实现的精确度加以限制，当与电动机驱动电路处于同一的芯片(同一封装或同一半导体衬底)中时给定/专用微控制器的使用。
现在意识到可受益于集成电动机驱动器电路，它可减少集成电动机驱动器电路和微控制器之间的连接数量，还足够灵活以便不管信号的性质(模拟或数字，具体的是电动机负荷或BEMF相关信号，且一般是作为电动机负荷的函数的信号)用于编码信号的比特数(特别是与电动机负荷或BEMF相关的信号)、预期电动机驱动的所需带宽等如何，都能满足电动机控制应用的需要。
图1示出以电动机驱动器电路1形式的集成电路IC，该电路具有用于驱动电动机2的绕组中的电流的电路。电动机驱动器IC1可通过链接电路1和4的数据总线5与诸如微控制器之类的另一个集成电路4形式的电动机控制电路交换数据3。电路1从驱动电路进行测量，以在控制环路中用作反馈。反馈可以是BEMF的形式。BEMF的测量能按本领域中已知的任何方式来进行，所以这里不必更详细地解释。例如，它可包括测量绕组两端的电压以及所施加的电压或通过绕组的电流。这样搜集的BEMF信息可进行信号处理(例如，滤波、放大、采样、…)并使其在电路1的专用输出6上可用。可能需要信号处理以将信号电压幅度调节到输出触点所需的电压范围，且信号处理可包括(但不限于)例如通过模拟电阻分压器进行电压缩放或通过放大电路的放大或偏移补偿或如图2所示的采样。如输出引脚6之类的输出触点上的经处理的BEMF相关数据7可直接用于外部电路，而不通过数据总线5。这意味着不再需要将BEMF相关数据7格式化以符合用于通过数据总线5在电路1和4之间交换数据的通信协议。如果数据7是模拟性质，则它例如可被发送到具有所要求的分辨率的模拟数字转换器(ADC)8(与现有技术相反)，以满足给定电动机驱动应用的要求。模拟数字转换器8可以是独立组件或是电路4的一部分。控制环路的带宽将取决于电路4的处理功率和模拟数字转换器8的数据转换率。因此可通过选择(最)适合的微控制器和模拟数字转换器(两者都存在多种变型)来实现任何所要求的带宽和精确度的控制环路。在某些实施例中，没有模拟数字转换器8，而电路4可以是连续时间模拟调节器或滤波器，可直接从引脚6上可用的模拟信号生成在总线5上传输的控制信号。
图2示出在输出6上如何生成并共享BEMF相关信息。为了简化起见，我们将讨论电动机2是双极步进电动机的具体情况，但不旨在将本发明限于此具体情况。双极步进电动机的绕组10和11由驱动器12、13、14和15交替驱动(由未示出的电路通过信号D0至D3控制)。驱动器12、13、14和15集成在电路1中。驱动器可以是相关联的晶体管以形成H桥，或者可采用其它的电动机驱动配置。在一个例子中，晶体管是全H桥中的MOS晶体管。在转子9的旋转期间，与每次转动成比例地驱动绕组。位于转子处的永磁体在定子处的绕组10和11中感生出BEMF。可在未通电时(即当驱动器没有使电流流过绕组或没有在绕组的两端施加给定的电压差时)测量绕组10和11两端的BEMF。在每一转动的不同部分由绕组选择信号17(信号17可由图2中未示出的电路以本领域中已知的多种方式生成)控制的开关16形式的第一选择电路来选择正确的绕组。
给定绕组两端的BEMF可由放大器和/或滤波器18放大和/或滤波。结果在诸如开关20、22和采样电容器19和21之类的电路的控制下采样并保持。存储在电容器21的两端的电压在被施加到输出引脚6之前可由缓冲电路23缓冲。
如下所述，开关20和22作为由二进制信号26(SH-作为采样和保持信号)和27(POS-与转子的位置有关的信号)、28(NOT POS，是POS的逻辑反)和29(SLAT)的逻辑组合生成的信号的函数打开或闭合。例如，闭合或打开开关20的信号由利用AND门25对信号26和27进行AND操作来生成。闭合或打开开关22的信号由利用OR门25对信号28和29进行OR操作来生成。
在输出引脚6上可用的所得信号可在图3的曲线中看到。在图3中，时间从左到右表示。顶部直线示出信号SH的时序，该信号触发采样保持电路。第二条线示出二进制信号POS。第三条线示出SLAT。SLAT信号29使用户能够在使BEMF信号的采样在输出引脚6上连续可用或使选择的采样保持在输出引脚6上之间进行选择。二进制SLAT信号可由任何适当的装置来实现(例如，诸如连接到电路1的变光开关之类的机械开关、电路1本身、由电路4生成并通过通信总线5发送到电路1的控制信号，…)。
图3中的第四条线示出bemf电压信号，而底线示出模拟输出信号SLA。在左手侧，SLA输出是“明显的”，而在该示例中的右手侧，输出仅在周期的末端处更新。
图4示出另一个实施例。在该情形中，模拟处理电路30具有用于处理电动机负荷相关信号的多个不同的信号处理电路。它们可按不同的方式处理信号。不同的输出可由选择电路通过开关或混合来选择。选择电路可由选择信号SLAT驱动。所选的输出被馈送到输出触点6。它可与选择电路16结合，以将不同的测量选择用于如图2所示的信号处理。
正如所述的，输出可专用于与反电动势相关的模拟信号，而现有技术涉及(a)反电动势信号在通用通信端口上输出之前首先进行AD转换或(b)将反电动势信号与阈值电压进行比较以生成专用输出触点上可用的二进制信号(是/否信号)。专用触点的另一个选择是共享触点，例如，由时间共享所共享，或由频率共享所共享。尽管所述例子仅示出单个输出，但根据本应用明显可具有两个以上的触点用于分离的反馈信号。

Claims (8)

1.一种具有驱动电路(12、13、14、15)以驱动电动机(2)的绕组的集成电路(1)，所述集成电路(1)包括进行包括在所述电动机(2)的转子转动期间跨所述电动机(2)的绕组生成的反电动势的测量的装置，所述测量适用于用作电动机控制反馈，所述集成电路(1)的特征在于专用输出引脚(6)，电动机控制反馈测量通过所述专用输出引脚(6)用作模拟输出信号。
2.如权利要求1所述的集成电路，其特征在于，所述测量包括有关电动机负荷或有关电动机速度的测量。
3.如权利要求1所述的集成电路，其特征在于，所述测量装置被安排成进行多个测量并具有第一选择电路(17)用于选择将输出哪一个测量。
4.如权利要求1所述的集成电路，其特征在于，具有一个或多个模拟电路(18、19、20、21、22、23)，用于在电动机控制反馈测量作为模拟输出信号输出之前对其进行信号处理。
5.如权利要求4所述的集成电路，其特征在于，具有多个模拟电路并具有第二选择电路，用于选择哪一个模拟电路将被耦合到所述专用输出引脚(6)。
6.如权利要求4所述的集成电路，其特征在于，所述模拟电路中的至少一个可以是采样和保持电路。
7.一种系统，所述系统具有上述权利要求中的任一项所述的集成电路以及电动机控制电路(4)，所述电动机控制电路(4)被耦合以从所述集成电路接收具有电动机反馈测量信号的模拟输出信号，所述电动机控制电路被安排成使用电动机控制反馈信号来生成电动机控制信号，所述电动机控制信号被耦合到所述集成电路以控制驱动电路。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述电动机控制电路包括数字电路，所述系统具有用于将所述模拟输出信号转换成数字信号的转换器。 
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