CN101485076B - 用于控制dc电动机的减速过程的方法和控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于控制DC电动机(20)的减速过程的方法，其中DC电动机(20)由耦合至电源(12)的电桥驱动器(18)来驱动，所述电源(12)用于在电源输出(14)处提供电源电压VDD，所述方法包括以下步骤：将减速PWM信号作用于电桥驱动器(18)来使DC电动机(20)减速；以及控制电桥驱动器(18)以便在电源输出(14)处的电压超过高于VDD的电压阈值的情况下使电动机感应的反向电流减小。根据本发明，控制电桥驱动器(18)以便在电源输出(14)处的电压超过高于VDD的电压阈值的情况下使电动机感应的反向电流减小的步骤包括：如果电源输出(14)处的电压超过电压阈值，则沿第一方向逐步改变减速PWM信号的脉冲宽度，直到电源输出(14)处的电压达到或降至电压阈值以下，然后，如果电源输出(14)处的电压已降至电压阈值以下，则沿与第一方向相反的第二方向逐步改变减速PWM信号的脉冲宽度，直到电源输出(14)处的电压再次达到或超过电压阈值。本发明还涉及一种适于执行上述方法的控制器。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于控制DC电动机的减速过程的方法，其中DC电动机由耦合至电源的电桥驱动器来驱动，所述电源用于在电源输出处提供电源电压VDD，所述方法包括以下步骤：将减速PWM信号作用于电桥驱动器来使DC电动机减速；以及控制电桥驱动器，以便在电源输出处的电压超过高于VDD的电压阈值的情况下使电动机感应的反向电流减小。
此外，本发明涉及一种用于控制DC电动机的减速过程的控制器，所述DC电动机由耦合至电源的电桥驱动器来驱动，所述电源用于在电源输出处提供电源电压VDD，所述控制器包括：用于将减速PWM信号作用于电桥驱动器来使DC电动机减速的装置；以及用于控制电桥驱动器以便在电源输出处的电压超过高于VDD的电压阈值的情况下使电动机感应的反向电流减小的装置。
背景技术
例如，在多种应用中使用DC无刷主轴电动机，其中在光盘和磁盘驱动器中用于使存储介质旋转。例如，其他应用领域是VCR、剃须刀、电风扇、吹风机和机器人。通过以使电动机电流的极性相对于前向旋转进行反转的方式来驱动电动机，可以以电学方式对这些电动机进行制动。由于在减速期间，电动机也用作发电机，当净电流反向传送至电源时，制动方式是可能的。转子的惯量中存在的机械能被复原为用于供电电池或电容器的电能。使用这种再生式制动方式产生了绿色的、功率效率高的电动机驱动系统。
再生式制动的一个已知问题是当电源不能处理负电流时在电源上出现过压的可能性。由于使用不对称的线性或开关模式的控制器调节电源电压，因此通常出现这种情况。由此，通常提供的电源去耦电容器必须处理这些电动机感应的负反向电流，并由于电动机中的大量能量，危险的过压可能发生。一种克服这些过压问题的已知方法是使用齐纳二极管保护或片上有源箝位电路。由于这些器件需要能够处理相当大的功率耗散(例如对于光盘驱动器为4W)，因此这引入了额外的硬件成本。为了克服这些问题，例如，从公开了在开始时所提及的类型的方法和控制器的US 6,949,906B2已知，如果在DC电动机的减速过程中检测到危险条件，例如在电源输出处的过压，则在预定时间间隔内将DC电动机的线圈短路或设置为高阻抗模式。如果将线圈短路，则由于摩擦并由于电动机的反向EMF产生了通过线圈电阻的电流，从而导致能量耗散。如果通过使线圈连接开路来将电动机的线圈设置为高阻抗模式，则仅由于摩擦而导致能量耗散。在两种情况下，在预定时间间隔内中断了再生式制动或减速过程，这可以构成能量的浪费。
本发明的目的是开发在开始时所提及的类型的方法和控制器，以避免上述讨论的能量浪费。
发明内容
根据本发明的第一方面，这一目的是通过一种在开始时所提及的类型的方法来实现的，其中，控制电桥驱动器以便在电源输出处的电压超过高于VDD的电压阈值的情况下使电动机感应的反向电流减小的步骤包括：如果电源输出处的电压超过电压阈值，则沿第一方向逐步改变减速PWM信号的脉冲宽度，直到电源输出处的电压达到或降至电压阈值以下，然后，如果电源输出处的电压已降至电压阈值以下，则沿与第一方向相反的第二方向逐步改变减速PWM信号的脉冲宽度，直到电源输出处的电压再次达到或超过电压阈值。使用这种方案，如果发生过压，则不需要中断再生式制动过程。在一些情况下，这样的中断可能是必要的，但是根据本发明，首先尝试在维持再生式减速过程的同时，改变条件以使危险情形终止。对于脉冲宽度的逐步改变，可以通过利用增/减步长以增大PWM或减小PWM来实现两个控制方向。如以下要结合图2来讨论的，这是由于在电动机感应的反向电流和占空因数PWM之间存在抛物线依赖关系。由于在许多情况下不需要完全中断再生式减速过程，因此可以避免能量浪费。
对于根据本发明的方法，优选地，电压阈值高于VDD。例如，如果VDD等于12V，则可以将电压阈值选择为等于15V。一般而言，电压阈值的选择取决于可能被电源输出处的过压所损坏的任何组件的灵敏度。
对于根据本发明的方法的优选实施例，如果电源输出处的电压等于电压阈值，则使减速PWM信号的脉冲宽度保持恒定。由此，至少在一些情况下，对于特定时间间隔可以获得稳定状态，该稳定状态是能量再生和电压增大的最优折衷。
一般而言，为了再循环利用旋转的DC电动机中存储的动能，必须选择PWM减速信号的脉冲宽度以使得与DC电动机的加速过程相比，DC电动机电流经历符号改变。
根据本发明的第二方面，上述目的是通过一种在开始时所提及的类型的控制器来实现的，其中，用于控制电桥驱动器以使电动机感应的反向电流减小的装置适于如下操作：如果电源输出处的电压超过电压阈值，则沿第一方向逐步改变减速PWM信号的脉冲宽度，直到电源输出处的电压达到或降至电压阈值以下，然后，如果电源输出处的电压已降至电压阈值以下，则沿与第一方向相反的第二方向逐步改变减速PWM信号的脉冲宽度，直到电源输出处的电压再次达到或超过电压阈值。同样，使用这种方案，可以避免完全中断再生式减速条件，从而避免能量浪费。例如，用于控制电桥驱动器的装置可以包括比较器，所述比较器将电源输出处的电压与电压阈值进行比较。优选地，使用控制脉冲宽度修改器的增/减滤波器对比较器的输出信号进行采样，所述脉冲宽度修改器适于增大或减小给其提供的PWM减速信号的脉冲宽度，并适于将已修改信号馈送至电桥驱动器。一般而言，根据本发明的控制器也实现了上述结合根据本发明的方法所讨论的特性和优点。因此，为了避免重复，请参照上述描述。这些特性和优点也适用于以下所讨论的根据本发明的控制器的优选实施例。
同样，对于根据本发明的控制器，如上所述，优选地，电压阈值高于VDD。
对于根据本发明的控制器，进一步优选地，如果电源输出处的电压等于电压阈值，则用于控制电桥驱动器以使电动机感应的反向电流减小的装置适于使减速PWM信号的脉冲宽度保持恒定。如上所述，至少在一些情况下可以暂时达到稳定状态。
同样如上所述，为了执行再生式减速，一般而言，用于将减速PWM信号作用于电桥驱动器的装置适于选择PWM减速信号的脉冲宽度以使得与DC电动机的加速过程相比，DC电动机电流经历符号改变。
使用本领域技术人员公知的模拟和/或数字电路来实现这里所述的所有组件和装置。微控制器、微处理器和合适软件的使用也在本发明的范围之内。
参照以下描述的实施例，对本发明的这些和其他方面进行说明，使其变得显而易见。
附图说明
图1a至1c示出了针对3种不同操作模式的DC电动机驱动器和DC电动机模型；
图2示出了示意供电电流和不同PWM占空因数之间的依赖关系的示例图；
图3示出了使用根据本发明的控制器的实施例的、适于执行根据本发明的方法的电路的框图；
图4示出了示意通过应用本发明的方法而获得的电源电压、PWM占空因数和比较器输出的概图(profile)的示例的图；以及
图5示出了示意根据本发明的方法的更一般的实施例的流程图。
具体实施方式
图1a至1c示出了针对3种不同操作模式的DC电动机驱动器和DC电动机模型。本领域技术人员应当清楚，根据图1a至1c的电动机模型是简化模型。例如，如果电动机是属于三相无刷类型，则电动机包括3个线圈，合适的电桥驱动器所执行的对这些线圈的驱动包括若干换向阶段以用于使电动机加速和/或减速。可以看到，该模型包括两个电压源Vdrive和Vemf以及电阻器R。驱动电压Vdrive是占空因数为PWM的开关电桥的输出，即Vdrive＝PWM*Vsup，其中Vsup是电桥驱动器的电源电压。电动机的反向EMF电压为Vemf＝k*ω，其中k是电动机常数，ω是电动机的旋转频率。电阻R构成了开关电阻、电动机(线圈)电阻和例如从电动机驱动器IC至电动机的连接的接线电阻之和。
图1a示意了DC电动机的加速过程。在这种情况下，驱动电压Vdrive大于反向EMF电压Vemf。此外，电动机电流Imot和供电电流Isup为正，其中Isup＝PWM*Imot。
图1b示意了根据本发明主题的再生式减速或制动过程。根据图1b，使用正驱动电压Vdrive。Vdrive小于反向EMF电压Vemf，电动机电流Imot和供电电流Isup均为负，使得供电电流与电动机感应的反向电流相对应。
图1c示出了使用负驱动电压Vdrive的减速或制动过程。事实上，在这种情况下，Vdrive被叠加到反向EMF电压Vemf上，其中电动机电流Imot为负(仍在制动中)而供电电流Isup为正。所叠加的驱动电压Vdrive为零的情况被称为短路制动。
下列公式涵盖了上述情形：
Imot＝(Vdrive-Vemf)/R＝(PWM*Vsup-Vemf)/R，以及
Isup＝PWM*Imot＝PWM*(PWM*Vsup-Vemf)/R
其中，PWM的范围从-100％至+100％。
从图2可以看到，供电电流Isup对占空因数PWM具有抛物线依赖关系，其中，Isup的负值表示电动机感应的反向电流。图2示意了以下示例：Vsup＝12V，Vemf＝8V，R＝2ohm和正的PWM。在占空因数在0和Vemf/Vsup＝2/3之间的情况下，供电电流为负，由此存在再生式制动。在Vemf/(2*Vsup)＝1/3处存在最大(负)再生供电电流，供电电流Isup＝-2*Vemf/(4*Vsup*R)。为了通过测量电源输出处的电源电压Vsup并控制PWM内容来进行再生制动控制方案，使用如上所述的PWM对Isup的传递特性，可以实现两个控制方向。当由于负再生式供电电流Isup而导致电源电压Vsup超过所设计的箝位值时，应减小该供电电流Isup，可以以两种方式来进行减小：沿PWM＝0％的方向控制到较小的PWM，达到PWM＝0时与短路制动(Imot＝Vemf/R)一致，或者沿PWM＝Vemf/Vsup的方向控制到较大的PWM，在Imot＝0的情况下与高阻抗制动一致。
图3示出了使用根据本发明的控制器10的实施例的、适于执行根据本发明的方法的电路的框图。除了控制器10(以后更详细地对其进行解释)之外，该电路包括具有电源输出14的电源12。电源12用于在电源输出14处提供恒定电压VDD。在电源输出14与地16之间提供了去耦电容器Cdd。此外，提供了与电源输出14耦合的电桥驱动器18，用于驱动DC电动机20。电桥驱动器18由控制器10控制，控制器10包括具有PWM信号产生器22形式的装置22，用于将减速PWM信号作用于电桥驱动器18。应当清楚，PWM信号产生器22也可以适于提供加速PWM信号，但是本发明对这样的加速PWM信号不太感兴趣。PWM信号产生器22的输出耦合至PWM信号修改器26，PWM信号修改器26适于逐步增大或减小由PWM信号产生器22所传送的PWM信号的脉冲宽度。PWM信号修改器26由增/减滤波器28控制，增/减滤波器28对比较器24的输出进行采样，比较器24将电源输出处的电压与预定电压阈值Vclamp进行比较。
使用图3所示的实施例，可以如下执行根据本发明的方法：首先，PWM信号产生器22通过PWM信号修改器26将减速PWM信号作用于电桥驱动器18，在这种情况下，比较器24将PWM信号修改器26控制为不活动。由此启动了使DC电动机减速的过程，使得由于合适的PWM信号而发生再生式减速。如果在电源输出14处发生过压，即电压高于电压阈值Vclamp，则比较器24检测到这一情况。在这种情况下，比较器24控制PWM信号修改器26开始减小减速PWM信号的脉冲宽度(如上所述，由于抛物线依赖关系，增大PWM加速信号的脉冲宽度也是可能的)。一旦电源输出14处的电压降至电压阈值Vclamp以下，比较器24的输出处的信号反转，增/减滤波器28检测到这一情况，并相应地使PWM信号修改器26开始沿相反方向改变脉冲宽度，即在本示例中增大减速PWM信号的脉冲宽度。应当清楚，在单次减速过程中，上述减小以及随后的增大脉冲宽度的操作可以重复多次。
图4示出了示意图3所示的电路的可能操作的图，其中VDD＝12V，Cdd＝100μV，Vemf＝8V，R＝Ohm(R未显式示出，而是如结合图1a至1c已讨论过)，PWMinput＝30％，Iload＝100mA，Vclamp＝15V，占空因数步长＝2％，fsample＝100kHz。当存在比再生式制动电流更小的从电源中汲取的负载电流Iload(否则电源输出14处的电源电压不会升高)时，结果是电源电压Vsup围绕Vclamp振荡。
图5示出了示意根据本发明的方法的更一般的实施例的流程图。在步骤S 1，启动再生式减速过程。为了这一目的，在步骤S2中，将合适的减速PWM信号作用于电桥驱动器，用于以再生式制动模式来使DC电动机减速。在步骤S3，检查电源输出处的电压是否高于比VDD更高的电压阈值。如果否，则方法返回步骤S2，否则继续至步骤S4，在步骤S4，减小减速PWM信号的脉冲宽度。然后，在步骤S5检查电源输出处的电压是否已经低于电压阈值。如果否，则方法返回步骤S4，并进一步减小脉冲宽度。否则，方法继续到步骤S6，在步骤S6，增大减速PWM信号的脉冲宽度。随后，在步骤S7，检查电源输出处的电压是否(再次)高于电压阈值。如果否，则在步骤S6中进一步增大脉冲宽度，否则，方法继续至步骤S8，在步骤S8，检查减速过程是否完成。如果是，则方法在步骤S9结束，否则返回步骤S4，在步骤S4中再次减小脉冲宽度。
最后，应注意，在不脱离由所附权利要求所限定的本发明的范围的前提下，也可以采用以上未描述的等效物和修改。
Claims (8)
1.一种用于控制DC电动机(20)的减速过程的方法，其中DC电动机(20)由耦合至电源(12)的电桥驱动器(18)来驱动，所述电源(12)用于在电源输出(14)处提供电源电压VDD，所述方法包括以下步骤：
-将减速PWM信号作用于电桥驱动器(18)来使DC电动机(20)减速；以及
-控制电桥驱动器(18)以便在电源输出(14)处的电压超过高于VDD的电压阈值的情况下使电动机感应的反向电流减小；
所述方法的特征在于：
控制电桥驱动器(18)以便在电源输出(14)处的电压超过高于VDD的电压阈值的情况下使电动机感应的反向电流减小的步骤包括：
-如果电源输出(14)处的电压超过电压阈值，则沿第一方向逐步改变减速PWM信号的脉冲宽度，直到电源输出(14)处的电压达到或降至电压阈值以下，然后，如果电源输出(14)处的电压已降至电压阈值以下，则沿与第一方向相反的第二方向逐步改变减速PWM信号的脉冲宽度，直到电源输出(14)处的电压再次达到或超过电压阈值。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述电压阈值高于VDD。
3.如权利要求1所述的方法，其中，如果电源输出(14)处的电压等于电压阈值，则使减速PWM信号的脉冲宽度保持恒定。
4.如权利要求1所述的方法，其中，选择PWM减速信号的脉冲宽度以使得与DC电动机(20)的加速过程相比，DC电动机电流经历符号改变。
5.一种用于DC电动机(20)的控制器(10)，所述DC电动机(20)由耦合至电源(12)的电桥驱动器(18)来驱动，所述电源(12)用于在电源输出(14)处提供电源电压VDD，所述控制器包括：
-用于将减速PWM信号作用于电桥驱动器(18)来使DC电动机(20)减速的装置(22)；
-用于控制电桥驱动器(18)以便在电源输出(14)处的电压超过高于VDD的电压阈值的情况下使电动机感应的反向电流减小的装置(24、26、28)；
其特征在于：用于控制电桥驱动器(18)的装置(24、26、28)适于如下操作：如果电源输出(14)处的电压超过电压阈值，则沿第一方向逐步改变减速PWM信号的脉冲宽度，直到电源输出(14)处的电压达到或降至电压阈值以下，然后，如果电源输出(14)处的电压已降至电压阈值以下，则沿与第一方向相反的第二方向逐步改变减速PWM信号的脉冲宽度，直到电源输出(14)处的电压再次达到或超过电压阈值。
6.如权利要求5所述的控制器，其中，所述电压阈值高于VDD。
7.如权利要求5所述的控制器，其中，如果电源输出(14)处的电压等于电压阈值，则用于控制电桥驱动器(18)的装置(24、26、28)适于使减速PWM信号的脉冲宽度保持恒定。
8.如权利要求1所述的方法，其中，用于将减速PWM信号作用于电桥驱动器的装置(22)适于选择PWM减速信号的脉冲宽度以使得与DC电动机(20)的加速过程相比，DC电动机电流经历符号改变。
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