CN101553978B - 电路装置 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种使用控制芯片(2)，特别是微控制器来控制无刷电机(37)的电路装置(1，20)，该控制芯片具有许多可以用于输出PWM信号的PWM接点(8)，和许多可以用于输出换向信号的换向接点(5、5′、6、6′、7、7′)。在本例中，规定至少一个换向接点(5、5′、6、6′、7、7′)可选择地作为输入和输出来控制，至少一个换向接点(5、5′、6、6′、7、7′)的输出电连接到PWM接点(8)上，并且以这种方式连接的换向接点(5、5′、6、6′、7、7′)能够被连接，以便引出控制信号。这种电路装置(1、20)提高了给定控制芯片(2)的控制选择性。降低了所需的PWM源的数量。

Description

电路装置

技术领域

本发明涉及一种控制无刷电机的电路装置，包括控制元件，特别是微控制器，控制元件具有许多可以输出PWM信号的PWM接点，和许多可以输出换向信号的换向接点。

背景技术

这类电路装置所产生的输出信号用于控制无刷电机。这种电机具有许多沿定子的圆周方向设置的绕组相(winding phase)或相。通过绕组相(winding phase)的可控激励产生旋转磁场，所述场驱动通常具有永磁铁的转子。特别地，已知包括以星形连接方式设置的三个绕组的电机能够经由三个电机端子来激励。电机的特征变量，例如，尤其是转速和转矩可以通过绕组电流的频率、相位、强度和持续时间来控制，绕组电流由施加在绕组相(winding phase)上的电压来控制。

各个独立绕组相(winding phase)的激励持续时间，或者相应电压源，例如用于各个单独电机端子的电压源的持续时间通过换向信号来进行编码。换向信号可以以这种方式引入控制，即，指定的绕组相或指定的电机端子的电压源的激励只有在给定该信号的相应电平时才能起动。在数字换向信号中，为此使用了高或低两个电平。

PWM信号用于在激励或换向阶段改变各个绕组相(winding phase)的电压，或者用于改变指定电机端子上的电势。在本例中，PWM或脉宽调制信号用固定的基频规定了矩形信号的开通和关断时间。在本例中，对于惯性负载(sluggish load)，平均电压可以通过PWM时钟周期内的矩形信号的开通持续时间来改变。如果矩形信号只接通，例如，总有效时间的一半，则负载上的平均电压仅为接通期间电压的一半。

在常规的电路连接中，为了驱动无刷电机的各个绕组相(winding phase)或电机端子，PWM信号通过以门电路形式出现的逻辑元件与换向信号进行逻辑组合。例如，假如将或门用作逻辑元件，则当换向信号同时为低电平时，对应于PWM信号的信号可以在或门的输出端上得到，以便用于控制。根据输出信号在指定的电机端子上提供了PWM时钟电压信号。如果换向信号切换到高电平，则或门的输出信号恒定为高电平。电机端子上提供有恒压信号，尤其是被拉到地或拉到低参考电势上。当将与门作为逻辑元件时，情况正好相反。

为了驱动无刷电机，现有技术中的这种电路装置能够采用具有少量PWM接点或仅仅一个PWM接点的费用低廉的控制元件。通过相应的逻辑元件，单个PWM接点的PWM信号能够用于多个换向信号的调制。

这种电路连接很不利地限制了与驱动电机的可能性相关的自由度。如果电机的驱动例如由变换器(converter)来提供，该变换器由中间电路馈送并且具有许多在中间电路的两个电势之间用于时钟转换(clockedchangeover)的可控开关元件，则对于绕组相来说所谓的高压开关元件，即，将电机馈送线切换到中间电路的高电位的开关元件不能独立于低压开关元件而被驱动，该低压开关元件将电机馈送线切换到中间电路的低电位上。这是因为对于两种开关元件来说，只有一个PWM信号是可用的。如果只有一个PWM信号是可用的，则同样不可能在单个绕组相的换向相位重叠时独立地驱动所述单个绕组相。

发明内容

本发明的目的是以这样的方式配置一种前言部分所提及的电路装置，即使得在相同数目的PWM接点的情况下，与现有技术中的结构相比，其控制可能性的数目增加。

根据本发明，对于专利权利要求1前序中的电路装置，这是能实现的，在本发明中，至少一个换向接点可选择地作为输入和输出进行控制，至少一个换向接点在输出端电连接到PWM接点上，并且以这种方式连接的换向接点能够被接触连接，以便引出控制信号。

在本例中，在第一步骤中，本发明基于下述考虑，即许多控制元件，且特别是微控制器具有可选择地配置为输入和输出的接点。如果各个接点配置为输出，则输出信号在馈送线中是主要的。馈送线中可能不同的信号被拉到接点的电平上。因此，由控制元件分别输出的输出信号可以经由相应的接触连接馈送线而被引出来。如果相应的接点配置为输入，则馈送线中可能包含的信号是主要的。换句话说，该信号在馈送线中是主要的。

在第二步骤中，本发明是基于下述考虑，即信号电平在馈送线中的设置要适于产生用于无刷电机的控制信号，该馈送线取决于作为输入或输出的连接的接点的配置。通过作为输入或输出的可选择的配置，对于数字控制信号来说，这里总共有三种可能性是可用的。在接点配置为输出时，可以根据该接点的各个输出信号把馈送线中的信号拉到高电平或低电平。相反，如果接点配置为输入，则通过连接线的信号不受接点的影响。

最后，在第三步骤中，本发明认识到，通过将PWM信号电连接到可选择地作为输入和输出进行控制的相应的换向接点上来增加换向信号和PWM信号的控制可能性，有可能获得用于无刷电机的绕组相的必要控制信号。当换向接点配置为输出时，则经由带有PWM接点的连接线引出来的控制信号或者为高电平或者为低电平。与此相反，在换向接点配置为输入时，PWM信号在所出现的线中是主要的。因此，与前面换向接点总是定义为输出的电路装置相反，恒定为低电平或高电平的控制信号可以独立于PWM信号而产生。在PWM信号与换向信号之间具有或逻辑的常规电路装置中，独立于PWM信号的恒定为低电平的控制信号是不可能出现的。反过来，在常规的具有与逻辑的电路装置中，不可能将控制信号恒定设置为高电平。

因此，本发明与现有技术中的常规电路装置相比，在无需增加控制元件的PWM接点数目而能提供更多的电路可能性方面具有更大的优势。特别地，不必借助于具有许多PWM接点的昂贵的控制元件。因此，可以在不增加成本的情况下实现对无刷电机的更多功能的控制。原则上，本发明适于驱动任何无刷电机。特别地，本发明适于驱动例如汽车工程中所应用的风扇电机。

本发明不限于这样的情况，即所有的用于驱动各个电机端子或各个绕组相的换向接点都必须可选择地作为输入和输出进行控制。为了增加驱动的自由度，可以将其中一个换向接点选择为以这种方式控制。本发明并不需要使用特别的控制元件。这是因为通常用于驱动无刷电机的控制元件都具有将接点可选择地配置为输入或输出的功能。

有利地，至少一个可选择地配置为输入或输出的换向接点经由电阻连接到PWM接点上。因此，可以避免可能对控制元件有害的接点之间的电流流动。对于常规控制元件来说，推荐使用几万欧姆[kΩ]数量级阻值的电阻。

在本发明的一个有利的结构中，所有换向接点都可选择地配置为输入和输出进行控制，并且电连接到一个PWM接点上。使用这种结构，能够增加各个换向信号以及将被激励的电机的各个绕组相的驱动可能性的数目。显然，各自电连接到指定换向接点上的多个PWM接点也可以用于这个目的。

在本发明的特别有利的变形中，所有换向接点都可选择地作为输入和输出进行控制，并且在各种情况下都连接到单个PWM接点上。这就有可能使用只具有单个PWM接点的良好的控制元件来驱动无刷电机的电机端子或绕组相，从而实现比常规的电路装置更加完善的功能。

在本发明的另一个有利结构中，PWM接点通过由电阻和电容组成的串联电路连接到参考电势，特别是地上，其中可作为输入和输出来控制的控制元件的另外接点连接在电阻和电容之间，并且在电阻和电容之间引出电压信号。

PWM接点的这种附加电路连接使其能够在不使用数字/模拟转换器的情况下产生模拟比较电压。为此，连接到PWM接点上的换向接点在各种情况下都配置为输入。如果可作为输入和输出来控制的另外接点被定义为输入，则可以在电阻和电容之间引出模拟电压，该模拟电压的大小可以通过PWM时钟来设置。在本例中，可以作为输入和输出来控制的另外接点在一定程度上可充当开关。如果其被配置为输出，则处于高电平或低电平的恒定信号作为输出信号出现。使用PWM信号可以更加细致地设置模拟电压。例如，如果存在电机的独立工作范围，在该范围内PWM信号不必控制激励，则能够产生比较电压。这种情形，例如出现在激励间隙或绕组相的恒定激励中。

为了驱动电机，换向接点方便地经由驱动元件连接到特别是PWM控制的由直流电压电路或中间电路馈送的变换器上。在本例中，驱动元件将控制元件的控制信号传送到驱动变换器的开关元件的相应电源信号中。

特别是对于各种情况中的电机馈送线，PWM变换器具有两个在直流电压中间电路的馈送线和返回线之间串联连接的可控开关元件，例如，MOSFET或IGBT，其中这些开关元件在各种情况下都经由驱动元件的控制线连接到控制信号、特别是换向接点上。

如前言部分所述，在现有技术的常规电路装置中，由于变换器的高压开关元件不能独立于低压开关元件而被控制，通常只有各个高压开关元件是PWM时钟驱动的，而低压开关元件为开路或闭合。但是，这种电路连接或驱动会导致不均匀的功率损耗。这样，在高压开关元件中主要是开关损耗，低压开关元件中主要是线路损耗。相反，如果两种开关元件都是通过前面所述的新颖的电路装置设置为PWM时钟驱动，则功率损耗是均匀分配的。从而在PWM运行中降低最大负载。

特别地，本发明允许存在迄今还不能被驱动的换向状态。举例来说，当使用只有一个PWM接点的控制元件时，迄今还不能将一个电机端子切换到中间电路的馈送线上，且不能将一个电机端子切换到中间电路的返回线上，并且也不能以中间电路电压的例如90％的占空比来驱动另外的电机端子。

为了在电机端子之间获得预定的电压，本发明还提供了下述可能性，即采用PWM信号以100％占空比驱动相应的高压开关元件及以所要求的占空比驱动相应的低压开关元件。然而在常规类型的预定电路连接中，其中例如只驱动高压开关元件，为了在两个电机端子之间获得60％的中间电路电压的电压，高压开关元件必须以60％的占空比进行PWM时钟驱动，而低压开关元件则是恒定打开的，可选择地，也有可能通过本发明，在PWM控制方式下，以100％(控制信号具有高电压)的占空比运行高压开关元件，并且以40％占空比运行低压开关元件。对于以这种方式驱动的电机，由于电机电流且进而功率是由电机端子之间的电势差单独驱动的，该电势差在两种情况下是相同的，因此最终的电势偏移并不明显。然而，如上所述，通过改变控制，电机控制的功率损耗在线和开关损耗方面是平衡的。因此，由于各自负载的降低，可以使用更多价格低廉的元件，例如功率半导体或二极管，或者提高这些元件的使用寿命。

本发明还可用于在电机中实现位置确定，以用于调节或控制电机。特别地，如果用于实现高转速的电机以这样一种方式运行，即，块换向(blockcommutation)产生了电动势(简称为EMF)，也就是说在绕组相中感生出电压，则不能再通过检测EMF的零交叉来确定位置。这是因为相应绕组相的激励已经在EMF的零交叉的瞬间开始，从而这种感生电感不再能被检测到。然而，为了能够实现位置确定，将在不是零交叉的点上测量EMF。为此，有必要使用比较电压，其通过比较器与所测量的EMF的电压值进行比较。如上所述，比较电压可以通过控制元件的PWM接点来产生，即通过将PWM信号连接到RC元件上来产生。在本例中，比较电压由PWM信号的预定占空比产生。

高转速下，由于块换向(block commutation)期间的占空比为100％，因此，这段期间控制元件的各个换向接点可以配置为输出。这就允许了将PWM信号用于产生比较信号，并且通过比较信号，通过EMF值的测量来实现位置确定。可以省去数字/模拟转换器。

附图说明

将参照附图来更加详细地解释本发明的示范实施例，其中：

图1显示了电路装置，其中，PWM接点在各中情况中经由电阻连接到换向接点上，

图2显示了现有技术中的电路装置，

图3显示了图1中的电路装置，其中，PWM接点还连接到RC元件上，和

图4显示了与图3类似的电路装置，该电路装置连接到通过变换器驱动电机的驱动元件上。

具体实施方式

图1显示了驱动无刷电机(未图示)的电路装置1。在本例中，电路装置1具有微控制器形式的控制元件2，该控制元件包含许多可配置的接点4。至少一些所述接点4可选择地配置为输入和输出。

为了驱动电机，控制元件2特别包括三个换向接点5、6和7，同样地，这些接点在各种情况下都可以配置为输入和输出。这三个换向接点5、6和7能产生分别用于控制双极性三相电机的各个电机端子的电压馈送的换向信号。这三个换向接点5、6、7的输出信号特别用于驱动由中间电路馈送的变换器的各个高压开关元件。

控制元件2还具有PWM接点8，该接点供给用于被驱动开关元件的PWM时钟的可配置的PWM信号。各个电机端子上的电势由具有相应占空比的PWM时钟来改变，因此，最终相电压在电机的绕组相上分别下降，并由此进行相激励。

为了使用单个PWM接点8的PWM信号，接点8分别经由电阻14、15、16电接触连接到换向接点5、6和7上。用于变换器的开关元件的最终控制信号可以经由连接线10、11和12引出来。

因此，可以通过一个数字换向信号和一个数字PWM信号在连接线10、11和12上产生用于各个控制信号的三个状态。从而，通过各个换向接点5、6或7的配置，可以在不使用PWM信号时产生具有高或低电平的控制信号。换向输出是主要的。相反，如果各个换向接点5、6或7配置为输入，则输出的PWM信号是主要的，从而变换器的相应开关元件可以是PWM时钟驱动的。

图2通过比较图示了现有技术中的电路装置20。在本例中，图2的电路装置20包括与图1电路装置1相同的控制元件2。但是，在本例中，并未考虑可选择地将接点4和/或接点5、6和7配置为输入和输出以用于驱动。相反，能够经由连接线10、11和12引出的用于开关元件的控制信号可以通过PWM接点8的PWM信号和换向接点5、6和7的各个换向信号之间的逻辑组合来产生。为此，PWM信号和各个换向信号经由各个逻辑元件21、22和23进行逻辑组合。在本例中，每个逻辑元件21、22和23都是或门。

如果各个换向接点5、6和7的换向信号为低电平，则各个控制信号对应于PWM接点8的PWM信号。如果换向信号为高电平，则各个控制信号同样被拉到高电平。恒定产生低电平的控制信号是不可能的。

因此，为了能够驱动双极性三相电机，通过图示的来自连接线10、11和12的控制信号能够提供给变换器的高压(HIGHSIDE)开关元件，控制信号通过或门与PWM信号进行逻辑组合。借助于与门，通过另外的换向信号与PWM信号的逻辑组合，可以相应地产生变换器的各个低压(LOWSIDE)开关元件。

可以看出，图1中的电路装置1在驱动电机时能够提供比图2中的电路装置20更多的可能性。

图3图解了图1中的电路装置1，其中，PWM接点8还连接到RC元件上。在本例中，RC元件包括与电容器或电容28串联连接的电阻27。电容28连接到地30上。

如果换向输出5、6和7分别定义为输入，则可以在RC元件上经由连接线31将模拟电压引出来。所述电压的大小取决于PWM接点8上所产生的PWM信号的占空比。

经由另外的接点26可以接通和断开所产生的模拟电压，该接点同样可选择地配置为输入和输出。如果接点26定义为输出，则高电平或低电平都可以经由连接线31引出来。相反，当接点26配置为输入时，所产生的模拟电压可以被引出来。

正如已经提到的，以通过使用PWM接点8的PWM时钟这种方式所产生的模拟电压特别用于电机位置的确定，这可以通过测量绕组相中所产生的感生电压来实现。特别地，如果在高转速下，变换器的各个开关元件在没有PWM时钟的情况下驱动，并且块换向(block commutation)产生了EMF，则也会产生这种情况。然后，在块换向的电流间隙中，通过将感生电压的值与所产生的比较电压进行比较，在零交叉以外的点上测量该EMF。

图4显示了控制元件2，其控制信号通过驱动元件34进行换向，该驱动元件34用于驱动变换器35的开关元件，从而用于驱动电机37。

在图1和3中可以看到控制元件2的换向接点5、6和7以及PWM接点8。换向接点5、6和7用于驱动变换器35的高压开关元件。为此，换向接点5、6和7分别经由电阻14、15和16电连接到PWM接点8上。

控制元件2还具有附加的换向接点5′、6′和7′，这些接点用于驱动变换器35的低压开关元件。为了产生用于变换器35的低压开关元件的相应控制信号，换向接点5′、6′和7′同样经由电阻14′、15′和16′电连接到控制元件2的PWM接点8上。

电机37为包括三个星形连接的绕组相(winding phases)的双极性三相电机。由此产生的三个电机端子在各种情况下都可以经由变换器35的高压和低压开关元件、在馈送变换器35的中间电路的高和低电势之间进行切换。因此，通过开关元件的相应电路连接，就可能通过建立与永磁一起驱动转子的旋转磁场这种方式来激励线圈。

图4中的驱动元件2配置为下述方式，即，变换器35的高压和低压开关元件都是用于控制电机37的PWM时钟驱动元件。图4中的电路装置提供了根据各自所需的工作范围而不同地驱动电机37的可能性。从而，当然也有可能通过PWM时钟仅驱动高压开关元件，而低压开关元件仅仅是开路或闭合。这种工作范围是必要的，例如，在使用自举电路时，不允许在工作范围内交替驱动高压和低压开关元件。显然也可以在禁止驱动高压开关元件的工作范围内仅通过PWM时钟来驱动低压开关元件。

如果PWM信号的占空比为几乎100％，则如果合适，开关元件和电容的负载是最高的，并且电磁兼容性最差。与以95％的恒定占空比来换向不同，例如，电机37还可以以在PWM操作(例如，以90％的占空比)和非PWM操作之间变化的方式进行驱动。这里，也可以通过在一个周期中交替地仅驱动高压或低压开关元件来实现均匀的功率损耗分配。

最后，也可以以这种方式驱动电机37，即，同时一起考虑将绕组相连接到馈送线上、将绕组相连接到变换器的返回线上以及绕组相是PWM驱动(PWM-clocked)的。在本例中，无需在换向块开始时就进行PWM操作。因此，例如，可以对电磁兼容性、电流纹波(current ripple)或效率产生有利的影响。

最后，也可以在PWM信号不再用于换向时到达工作范围。在本例中，变换器的独立开关元件可以接通或关断。在本例中，PWM信号可以用于其它目的，例如，特别地，用于产生模拟的比较电压信号。包括电阻27和电容28的RC元件就能提供这种用途。在RC元件上可以引出来的比较电压经由接点26接通和关断。比较电压可以用于位置识别系统39，该系统使用了所产生的比较电压的值，用于测量绕组相中所产生的感生电压。在本例中，测量时的点会受到比较电压大小的影响。因此，感生电压还可以在零交叉以外的点上被确定，当正触发角(triggering angle)被设置时，零交叉是必需的。

位置识别系统39的输出信号反过来向前送到控制元件2中，从而电机可以以相位一致的方式进行驱动。

Claims (10)

1.一种用于控制无刷电机(37)的电路装置(1)，包括控制元件(2)，该控制元件具有许多输出PWM信号的PWM接点(8)，和许多输出换向信号的换向接点(5、5′、6、6′、7、7′)，

其特征在于，至少一个换向接点(5、5′、6、6′、7、7′)能够交替地作为输入和输出进行控制，至少一个换向接点(5、5′、6、6′、7、7′)在输出端电连接到PWM接点(8)上，并且以这种方式连接的换向接点(5、5′、6、6′、7、7′)能够被接触连接，以便引出控制信号。

2.如权利要求1所述的电路装置(1)，其特征在于，控制元件(2)是微控制器。

3.如权利要求1所述的电路装置(1)，

其特征在于，至少一个换向接点(5、5′、6、6′、7、7′)经由第一电阻(14、15、16)电连接到PWM接点(8)上。

4.如权利要求1或2所述的电路装置(1)，

其特征在于，所有换向接点(5、5′、6、6′、7、7′)都能够交替地作为输入和输出进行控制，并且电连接到PWM接点(8)上。

5.如权利要求3所述的电路装置(1)，

其特征在于，存在单独的PWM接点(8)，换向接点(5、5′、6、6′、7、7′)连接到该单独的PWM接点上。

6.如权利要求1所述的电路装置(1)，

其特征在于，PWM接点(8)通过由第二电阻(27)和电容(28)所组成的串联电路连接到参考电压上，控制元件(2)的作为输入和输出进行控制的另外的接点(26)连接在第二电阻(27)和电容(28)之间，并且可以在第二电阻(27)和电容(28)之间引出电压信号。

7.如权利要求6所述的电路装置(1)，其中，参考电压是地(30)。

8.如权利要求1所述的电路装置(1)，

其特征在于，换向接点(5、5′、6、6′、7、7′)经由驱动元件(34)连接到由中间电路馈送的变换器(35)上。

9.如权利要求6所述的电路装置(1)，

其特征在于，对于电机馈送线，变换器(35)具有两个在中间电路的馈送线和返回线之间串联连接的可控开关元件，并且这些开关元件经由驱动元件(34)的控制线连接到控制信号上。

10.如权利要求9所述的电路装置(1)，其中，可控开关元件是MOSFET或IGBT。

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