CN102075129B - 无刷直流电机的驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能有效降低开关管的开关损耗且使用寿命较长的无刷直流电机的驱动电路，其包括：单片机和三组用于分别与无刷直流电机中的三组电机线圈的两端相连的电源电路；单片机根据各电源电路中的直流取样和分压取样回路测得的直流取样信号和电压分压取样信号控制各电源电路中的所述PWM信号产生电路输出的PWM信号的占空比，以调整各电源电路中的变压器次级回路中的电流和电压；同时，单片机根据来自所述各霍尔传感器的霍尔信号分别控制所述三个与门控制输出端输出相应的电平，以分别控制各电源电路中的所述LC谐振回路的振荡状态，从而使三组电源电路生成适于驱动三相直流无刷电机的三相电源。

Description

无刷直流电机的驱动电路

本申请是中国发明专利申请号200910311780.0的分案申请，原申请的申请日：2009年12月18日，发明创造名称：无刷直流电机的驱动电路。

技术领域

本发明涉及一种无刷直流电机的驱动电路。

背景技术

三相直流无刷电机的驱动器包括电源部及控制部，电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。 

电源部的直流电压由换流器转成3相电压来驱动电机。换流器一般由6个功率晶体管(Q1～Q6)分为上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂(Q2、Q4、Q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供PWM(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器换相的时机。直流无刷电机在使用过程中，当负载变动时速度可以稳定于设定值，电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器，做为速度之闭回路控制，同时也做为相序控制的依据。

当电机转子转动到霍尔传感器感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以同一方向继续转动，直到控制部决定要电机转子停止，则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管)；要电机转子反向，则功率晶体管开启顺序相反。当电机转动起来，控制部会再根据驱动器设定的速度控制命令与霍尔传感器信号变化的速度加以比对(或由软件运算)再来决定由下一组开关导通，以及导通时间长短。速度不够则开长，速度过头则减短，此部份工作就由PWM来完成。

上述现有技术的不足之处在于：所述功率晶体管即VMOS开关管的通断直接由控制器输出的PWM矩形波控制，从而使VMOS开关管在开启或关闭时的开启电压或关闭电压往往较高，导致开关损耗并使开关管发热严重，不仅浪费了电能，且能影响其开关特性和使用寿命，进而影响了整个驱动电路的使用寿命。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能有效降低开关管的开关损耗、使用寿命较长的无刷直流电机的驱动电路。

为解决上述技术问题，本发明的无刷直流电机的驱动电路包括：单片机IC4和三组用于分别与无刷直流电机中的三组电机线圈的两端相连的电源电路；各电源电路包括：由直流电源1，开关管VMOS和变压器T构成的脉冲变压电路2，由变压器T的初级线圈及与其并联的谐振电容C3构成的LC谐振回路，用于在LC谐振回路的谐振时控制所述开关管VMOS同频率开闭的同步控制电路5，设于所述变压器T次级的整流电路、直流取样和分压取样回路3，以及设于所述变压器T次级的波形整流滤波电路4；所述整流电路的输出端即为电源电路的用于连接电机线圈的输出端；同步控制电路5包括：PWM信号产生电路和与门电路IC5；所述单片机IC4具有：用于三个分别与无刷直流电机中的三个霍尔传感器相连的霍尔信号输入端、三个分别与三组电源电路中的所述直流取样和分压取样回路3的取样电压输出端相连的取样电压检测端A/D0、A/D1和A/D2、以及三个分别与所述三组电源电路中的PWM信号产生电路的PWM脉宽控制输入端相连的PWM脉宽控制输出端端D/A0、D/A1和D/A2； PWM信号产生电路的PWM信号输出端与所述与门电路IC5的第一输入端相连，单片机IC4还具有分别与三组电源电路中的所述与门电路IC5的第二输入端相连的三个与门控制输出端P1.0、P1.1和P1.2，与门电路IC5的输出端与开关管VMOS的栅极相连；PWM信号产生电路与所述LC谐振回路并联，以产生与LC谐振回路的振荡频率相同的PWM信号；该PWM信号控制开关管VMOS反复在所述LC谐振回路的振荡波形中的正弦波的正半波上升沿的零电压时刻开启，并在该正半波下降沿的零电压时刻关闭。

单片机IC4根据各电源电路中的所述直流取样和分压取样回路3测得的直流取样信号和电压分压取样信号控制各电源电路中的所述PWM信号产生电路输出的PWM信号的占空比，以调整各电源电路中的变压器T1、T2和T3次级回路中的电流和电压；同时，单片机IC4根据来自所述各霍尔传感器的霍尔信号分别控制所述三个与门控制输出端P1.0、P1.1和P1.2输出相应的电平，以分别控制各电源电路中的所述LC谐振回路的振荡状态，从而使三组电源电路生成适于驱动三相直流无刷电机的三相电源。

所述PWM信号产生电路包括：由第二电容C2、第二二极管D2、第九电阻R9和第一比较器IC1构成的锯齿波发生电路、以及输出端与所述与门电路IC5的第一输入端相连的第二比较器IC2；第一比较器IC1的两个输入端分别通过第一分压电路和第二分压电路并联于谐振电容C3两端，第二二极管D2的阴极与直流电源VCC相连，第二二极管D2的阳极接第二比较器IC2的反向输入端，第一比较器IC1的输出端串接第二电容C2后接第二比较器IC2的反向输入端，第九电阻R9与第二二极管D2并联，第二比较器IC2的同向输入端与所述单片机IC4的PWM脉宽控制端D/A相连；第二比较器IC2的输出端即为PWM信号产生电路的PWM信号输出端。

各电源电路还包括与所述单片机IC4的一个与门控制输出端P1.0相连的第十四电阻R14，第十四电阻R14的另一端接第三二极管D3的阴极，第三二极管D3的阳极与所述与门电路IC5的第二输入端相连，且与门电路IC5的第二输入端与所述直流电源VCC相连；第三二极管D3的阴极经第六电容C6与第一比较器IC1的反向输入端相连。

当一组电源电路上电时，所述单片机IC4的与该组电源电路相连的与门控制输出端P1.0产生一个电平由低到高的脉冲，经过第十四电阻R14和第六电容C6后产生一个高电平脉冲，使得第一比较器IC1的反向输入端的电位抬高，从而使第二比较器IC2的反向输入端的电位降低，并低于所述单片机IC4的与该组电源电路相连的PWM脉宽控制端D/A0的电位，使第二比较器IC2输出高电平，此时所述与门控制输出端P1.0呈高电平，使所述与门电路IC5驱动开关管VMOS打开，使LC谐振回路开始振荡。

进一步，第一比较器IC1的两输入端的电平随所述LC谐振回路的振荡而同频率变化，并不停地开关所述开关管VMOS（开关频率与LC谐振回路的振荡频率相同），以使调整变压器T的次级回路产生正常的驱动电压。

本发明具有积极的效果：（1）本发明的同步控制电路，将LC谐振回路的谐振电压波形的正半波取出，以分别在正半波上升沿和下降沿的零电压时刻开闭开关管，从而使开关管工作在接近零电压开启或关闭状态，大大减少了开关管的开关损耗和发热，节约了电能，且确保了其开关特性和使用寿命；（2）本发明的PWM信号产生电路包括锯齿波产生电路，与PWM脉宽控制端D/A输出的模拟量比较后产生PWM波形，该波形经过与门电路驱动VMOS开关管给LC谐振回路提供能量；（3）本发明的直流取样和分压取样回路的分压值经过单片机采样后作为编程控制PWM脉宽控制端输出模拟量、改变第二比较器输出PWM占空比的依据；同时直流取样和分压取样回路通过第一电阻取样电流大小，经过运放放大后供单片机的模数转换端口采集，以编程控制PWM脉宽控制端的输出模拟量，并通过改变第二比较器输出的PWM信号的占空比来改变电流大小。

附图说明

图1为实施例中的无刷直流电机的驱动电路的结构框图；

图2为实施例中的无刷直流电机的驱动电路中单片机和一组电源电路的电路结构原理图；

图3为实施例中的无刷直流电机的驱动电路的局部电路结构原理图；

图4为实施例中的无刷直流电机的三组电机线圈的结构示意图；

图5为实施例中的单片机工作时的程序框图；

图6为实施例中的单片机的与门控制输出端P1.0输出的电压波形、相应电源电路中的PWM信号产生电路输出的PWM信号的电压波形和开关管栅极的电压波形的关系图；

图7为实施例中的同一电源电路中开关管栅极的电压波形和开关管漏极的电压波形的关系图。

具体实施方式

见图1-7，本发明的无刷直流电机的驱动电路包括：单片机IC4和三组用于分别与无刷直流电机中的三组电机线圈（包括:第一组电机线圈X1-X2, 第二组电机线圈X3-X4、第三组电机线圈X5-X6，见图4）的两端相连的电源电路。

各电源电路包括：由直流电源1，开关管VMOS和变压器T构成的脉冲变压电路2，由变压器T的初级线圈及与其并联的谐振电容C3构成的LC谐振回路，用于在LC谐振回路的谐振时控制所述开关管VMOS同频率开闭的同步控制电路5，设于所述变压器T次级的整流电路、直流取样和分压取样回路3，以及设于所述变压器T次级的波形整流滤波电路4；所述整流电路的输出端即为电源电路的用于连接电机线圈的输出端。所述整流电路为二极管D1构成的半波整流电路，也可采用全波整流电路。

同步控制电路5包括：PWM信号产生电路和与门电路IC5。

所述单片机IC4具有：用于三个分别与无刷直流电机中的三个霍尔传感器相连的霍尔信号输入端，三个分别与三组电源电路中的所述直流取样和分压取样回路3的取样电压输出端相连的取样电压检测端A/D0、A/D1和A/D2，用于获取各电源电路中的所述直流取样和分压取样回路3测得的直流取样信号的直流取样信号输入端D/A 3、D/A4和D/A5，以及三个分别与所述三组电源电路中的PWM信号产生电路的PWM脉宽控制输入端相连的PWM脉宽控制输出端端D/A0、D/A1和D/A2。 

PWM信号产生电路的PWM信号输出端与所述与门电路IC5的第一输入端相连，单片机IC4还具有分别与三组电源电路中的所述与门电路IC5的第二输入端相连的三个与门控制输出端P1.0、P1.1和P1.2，与门电路IC5的输出端与开关管VMOS的栅极相连。

PWM信号产生电路与所述LC谐振回路并联，以产生与LC谐振回路的振荡频率相同的PWM信号；该PWM信号控制开关管VMOS反复在所述LC谐振回路的振荡波形中的正弦波的正半波上升沿的零电压时刻开启，并在该正半波下降沿的零电压时刻关闭。

单片机IC4根据各电源电路中的所述直流取样和分压取样回路3测得的直流取样信号和电压分压取样信号控制各电源电路中的所述PWM信号产生电路输出的PWM信号的占空比，以调整各电源电路中的变压器T1、T2和T3次级回路中的电流和电压；同时，单片机IC4根据来自所述各霍尔传感器的霍尔信号分别控制所述三个与门控制输出端P1.0、P1.1和P1.2输出相应的电平，以分别控制各电源电路中的所述LC谐振回路的振荡状态，从而使三组电源电路生成适于驱动三相直流无刷电机的三相电源。

所述PWM信号产生电路包括：由第二电容C2、第二二极管D2、第九电阻R9和第一比较器IC1构成的锯齿波发生电路、以及输出端与所述与门电路IC5的第一输入端相连的第二比较器IC2；第一比较器IC1的两个输入端分别通过第一分压电路和第二分压电路并联于谐振电容C3两端，第二二极管D2的阴极与直流电源VCC相连，第二二极管D2的阳极接第二比较器IC2的反向输入端，第一比较器IC1的输出端串接第二电容C2后接第二比较器IC2的反向输入端，第九电阻R9与第二二极管D2并联，第二比较器IC2的同向输入端与所述单片机IC4的PWM脉宽控制端D/A相连；第二比较器IC2的输出端即为PWM信号产生电路的PWM信号输出端。

各电源电路还包括与所述单片机IC4的一个与门控制输出端（以端口P1.0为例）相连的第十四电阻R14，第十四电阻R14的另一端接第三二极管D3的阴极，第三二极管D3的阳极与所述与门电路IC5的第二输入端相连，且与门电路IC5的第二输入端与所述直流电源VCC相连；第三二极管D3的阴极经第六电容C6与第一比较器IC1的反向输入端相连。

见图2，当第一组电源电路上电时，所述单片机IC4的与该组电源电路相连的与门控制输出端P1.0产生一个电平由低到高的脉冲，经过第十四电阻R14和第六电容C6后产生一个高电平脉冲，使得第一比较器IC1的反向输入端的电位抬高，从而使第二比较器IC2的反向输入端的电位降低，并低于所述单片机IC4的与该组电源电路相连的PWM脉宽控制端D/A0的电位，使第二比较器IC2输出高电平，此时所述与门控制输出端P1.0呈高电平，使所述与门电路IC5驱动开关管VMOS打开，使LC谐振回路开始振荡。

第一比较器IC1的两输入端的电平随所述LC谐振回路的振荡而同频率变化，并不停地开关所述开关管VMOS，以使调整变压器T的次级回路产生正常的驱动电压。

其他实施方式中，所述开关管可使用IGBT等元件。

Claims (2)

1.一种无刷直流电机的驱动电路，其特征在于包括：单片机（IC4）和三组用于分别与无刷直流电机中的三组电机线圈的两端相连的电源电路；

各电源电路包括：由直流电源（1），开关管和变压器（T）构成的脉冲变压电路（2），由变压器（T）的初级线圈及与其并联的谐振电容（C3）构成的LC谐振回路，用于在LC谐振回路的谐振时控制所述开关管同频率开闭的同步控制电路（5），设于所述变压器（T）次级的整流电路、直流取样和分压取样回路（3），以及设于所述变压器（T）次级的波形整流滤波电路（4）；所述整流电路的输出端即为电源电路的用于连接电机线圈的输出端；

同步控制电路（5）包括：PWM信号产生电路和与门电路（IC5）；

所述单片机（IC4）具有：用于三个分别与无刷直流电机中的三个霍尔传感器相连的霍尔信号输入端、三个分别与三组电源电路中的所述直流取样和分压取样回路（3）的取样电压输出端相连的取样电压检测端（A/D0、A/D1和A/D2）、以及三个分别与所述三组电源电路中的PWM信号产生电路的PWM脉宽控制输入端相连的PWM脉宽控制输出端端（D/A0、D/A1和D/A2）； 

PWM信号产生电路的PWM信号输出端与所述与门电路（IC5）的第一输入端相连，单片机（IC4）还具有分别与三组电源电路中的所述与门电路（IC5）的第二输入端相连的三个与门控制输出端（P1.0、P1.1和P1.2），与门电路（IC5）的输出端与开关管的栅极相连；

PWM信号产生电路与所述LC谐振回路并联，以产生与LC谐振回路的振荡频率相同的PWM信号；该PWM信号控制开关管反复在所述LC谐振回路的振荡波形中的正弦波的正半波上升沿的零电压时刻开启，并在该正半波下降沿的零电压时刻关闭；

单片机（IC4）根据各电源电路中的所述直流取样和分压取样回路（3）测得的直流取样信号和电压分压取样信号控制各电源电路中的所述PWM信号产生电路输出的PWM信号的占空比，以调整各电源电路中的变压器（T1、T2和T3）次级回路中的电流和电压；

同时，单片机（IC4）根据来自所述各霍尔传感器的霍尔信号分别控制所述三个与门控制输出端（P1.0、P1.1和P1.2）按序输出相应的电平，以分别控制各电源电路中的所述LC谐振回路的振荡状态，从而使三组电源电路生成适于驱动三相直流无刷电机的三相电源；

所述PWM信号产生电路包括：由第二电容（C2）、第二二极管（D2）、第九电阻（R9）和第一比较器（IC1）构成的锯齿波发生电路、以及输出端与所述与门电路（IC5）的第一输入端相连的第二比较器（IC2）；第一比较器（IC1）的两个输入端分别通过第一分压电路和第二分压电路并联于谐振电容（C3）两端，第二二极管（D2）的阴极与直流电源（VCC）相连，第二二极管（D2）的阳极接第二比较器（IC2）的反向输入端，第一比较器（IC1）的输出端串接第二电容（C2）后接第二比较器（IC2）的反向输入端，第九电阻（R9）与第二二极管（D2）并联，第二比较器（IC2）的同向输入端与所述单片机（IC4）的PWM脉宽控制端（D/A）相连；第二比较器（IC2）的输出端即为PWM信号产生电路的PWM信号输出端；

各电源电路还包括与所述单片机（IC4）的一个与门控制输出端（P1.0）相连的第十四电阻（R14），第十四电阻（R14）的另一端接第三二极管（D3）的阴极，第三二极管（D3）的阳极与所述与门电路（IC5）的第二输入端相连，且与门电路（IC5）的第二输入端与所述直流电源（VCC）相连；第三二极管（D3）的阴极经第六电容（C6）与第一比较器（IC1）的反向输入端相连；

当一组电源电路上电时，所述单片机（IC4）的与该组电源电路相连的与门控制输出端（P1.0）产生一个电平由低到高的脉冲，经过第十四电阻（R14）和第六电容（C6）后产生一个高电平脉冲，使得第一比较器（IC1）的反向输入端的电位抬高，从而使第二比较器（IC2）的反向输入端的电位降低，并低于所述单片机（IC4）的与该组电源电路相连的PWM脉宽控制端（D/A0）的电位，使第二比较器（IC2）输出高电平，此时所述与门控制输出端（P1.0）呈高电平，使所述与门电路（IC5）驱动开关管打开，使LC谐振回路开始振荡；

所述开关管使用IGBT元件。

2.根据权利要求1所述的无刷直流电机的驱动电路，其特征在于：第一比较器（IC1）的两输入端的电平随所述LC谐振回路的振荡而同频率变化，并不停地开关所述开关管，以使调整变压器（T）的次级回路产生正常的驱动电压。

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