CN102273064B - 用于电动马达的速度监视的电路和方法 - Google Patents

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Abstract

用于电动马达(14)的速度监视的电路(18)包括：用于产生时间帧信号的电路(106)；用于从断路器驱动器电路(16)接收第一信号(Vg)的电路(106)；用于检测第一信号(Vg)中的断路器脉冲(103)的电路(106)；脉冲计数器(112)；和用于在时间帧的非活动状态被指示之后至少进行下述之一的电路(115)：输出和评估所述脉冲计数器的状态。所述时间帧信号指示预定长度的时间帧何时从非活动状态变为活动状态，并且指示所述时间帧何时从活动状态变回非活动状态。所述脉冲计数器(112)被设计成：当用于产生时间帧信号的电路(106)指示活动状态时，对检测到的断路器脉冲(103)计数。

Description

用于电动马达的速度监视的电路和方法
技术领域
本发明总体上涉及两种用于电动马达的速度监视的电路。而且，本发明涉及两种用于电动马达的速度监视的方法。
背景技术
电动马达并且特别是步进式马达可以通过断路器控制来驱动。断路器控制由于其高效率而可推荐用于高功率马达。速率测量可以用于检测被阻滞或者被阻碍的马达。
发明内容
本发明提供了用于电动马达的速度监视的电路和方法。
本发明的用于电动马达的速度监视的电路包括：
用于产生时间帧信号的电路，所述时间帧信号指示预定长度的时间帧何时从非活动状态变为活动状态并且指示所述时间帧何时从所述活动状态变回所述非活动状态；
用于从断路器驱动器电路接收第一信号的电路，所述断路器驱动器电路被设计成：驱动所述电动马达，其中由施密特触发器提供的所述第一信号激活和去激活所述断路器驱动器电路的断路器开关，其中，所述断路器开关是金属-氧化物-半导体场效应晶体管MOSFET；
用于检测所述第一信号中的断路器脉冲的电路；
脉冲计数器，所述脉冲计数器被设计成：在所述用于产生时间帧信号的电路指示所述活动状态时对检测到的断路器脉冲计数；以及
用于在所述时间帧的所述非活动状态被指示之后至少进行下述之一的电路：输出和评估所述脉冲计数器的状态。
本发明的用于电动马达的速度监视的方法，包括：
产生时间帧信号，所述时间帧信号指示预定长度的时间帧何时从非活动状态变为活动状态，并且指示所述时间帧何时从所述活动状态变回所述非活动状态；
从控制所述电动马达的断路器驱动器电路接收第一信号，其中由施密特触发器提供的所述第一信号激活和去激活所述断路器驱动器电路的断路器开关，其中，所述断路器开关是金属-氧化物-半导体场效应晶体管MOSFET；
检测所述第一信号中的断路器脉冲；
在所述活动状态被指示时，对检测到的断路器脉冲计数；以及
在所述时间帧的所述非活动状态被指示之后，进行至少下述之一：输出和评估计数值。
通过以下描述的实施例，本发明的这些及其他方面将是明显的并且得以阐释。
附图说明
将参考附图，仅通过示例的方式描述本发明进一步的细节、方面和实施例。出于简明、清楚的目的示出图中的元件而并不必按比例绘制这些元件。
图1示意性示出了电动马达、用以驱动电动马达的断路器控制电路以及速度监视电路的示例实施例。
图2在下部示意性示出了图1的断路器控制电路的断路器开关随时间变化的栅极电压的示例实施例，并且在本图的上部示意性示出了通过由断路器控制电路驱动的电动马达的随时间变化的对应绕组电流(线圈电流)的示例实施例。
图3为示例实施例示出了马达的速率在马达的单步期间随时间变化、栅极电压随时间变化以及通过马达的绕组电流随时间变化的仿真结果，其中马达以常速运转。
图4为示例性实施例示出了马达的速率随时间变化以及通过马达的绕组电流随时间变化的仿真结果，其中马达以低速运转。
图5为示例性实施例示出了马达的速率随时间变化、栅极电压随时间变化以及通过马达的绕组电流随时间变化的仿真结果，其中马达被阻滞/被阻碍。
图6为示例性实施例示意性示出了自由运行的马达(图的上部)以及被阻滞/被阻碍的马达(图的下部)的栅极电压随时间变化的测量结果。
图7为自由运行的马达的示例性实施例示出了与最后得到的绕组电流有关的施加到马达的绕组(线圈)的电压的仿真结果。
图8为被阻滞/被阻碍的马达的示例性实施例示出了与最后得到的绕组电流有关的施加到马达的绕组的电压的仿真结果。
图9为示例性实施例示出了自由运行的马达的随时间变化的测量绕组电流和电压。
图10为示例性实施例示出了被阻滞/被阻碍的马达的随时间变化的测量绕组电流和电压。
具体实施方式
图1示意性示出了电路配置10，其包括电动马达14的绕组12、用以驱动电动马达14的断路器(chopper)控制电路16和速度监视电路18的示例实施例。电动马达14的绕组12的电学行为可以通过由串联连接的电阻RL、电感器L和电压源UB组成的等效电路20来描述。从DC电压源34的一个极32经由断路器开关30供给通过马达绕组12的电流Iw。DC电压源34提供电源电压Up。在图中所示实施例内，断路器开关30为MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应晶体管)。MOSFET 30的导通状态和截止状态分别由施密特触发器40的输出38控制，其中输出38连接至MOSFET 30的栅极42。通过绕组12的电流Iw经由测量电阻器44被引导至基体(mass)46。基体46连接至DC电压源34的第二极48。马达绕组12和测量电阻器44之间的接头50连接至施密特触发器40的反相输入52。这样，测量电阻器44处的电压降Vi被施加到施密特触发器40的反相输入52。速度控制器53将控制电压Vset施加到施密特触发器40的非反相输入56，其中控制电压Vset的高度是用于控制马达14的期望电流的值。
起动时，没有电流Iw流过马达绕组12，因而也不流过测量电阻器44。因此，起动时，施密特触发器40的反相输入52具有0伏电势，而施密特触发器40的非反相输入56处的控制电压Vset较高。这样，施密特触发器40的输出38向MOSFET 30的栅极42提供正电压Vg。然后，MOSFET 30激活其源-漏沟道，并且使电流Iw流过马达绕组12且流过测量电阻器44。以下，此操作模式被称为“升压模式”。由于马达绕组12的电感行为(即，等效电路20内的电感器L)，所以通过马达绕组12的电流Iw不会突然地增加，而是似斜线地增加。为了下列粗略估计而忽略马达绕组12、测量电阻器44、断路器开关30和电线58、60、62、64的欧姆电阻。绕组电流Iw的斜率dIw/dt可以通过dIw/dt＝(Up-UB-Iw*RL)/L(等式1)来计算。UB表示反电动势BEMF并且RL代表串联绕组电阻。BEMF是与马达转动速率ω成比例的电压VB。当马达14被阻滞时，BEMF VB为0伏。在转动的马达14中，BEMF VB与驱动电压Uw相反。在升压模式下，BEMF VB减小斜率dIw/dt。因此，对于马达转动速率ω也如此。在升压模式过程中，在马达14被阻滞时，提供最高斜率dIw/dt。对于较高的马达转动速率ω，斜率dIw/dt随着增加的BEMF VB而下降得越来越多。如等式1所示，斜率dIw/dt和马达转动速率ω之间的这一依赖性是线性的而非成比例的。通过马达绕组12的电流Iw使得在测量电阻器44处形成电压降Vi，并且同时使施密特触发器40的反相输入52处的电势增大。最后，施加到反相输入52的电压降68变得高于非反相输入56处的控制电压Vset加施密特触发器40的滞后量。此时所达到的通过马达绕组12的电流Iw的值Vi被称为IMAX。当反相输入52处的电势变得高于控制电压Vset加施密特触发器40的滞后量时，施密特触发器40改变其状态并输出低电压Vg到MOSFET 30的栅极42。然后，MOSFET 30将其源-漏沟道去激活，于是不再有电流Iw流过MOSFET 30。按照等式1，升压时段74的长度取决于施密特触发器40的滞后曲线的滞后量、马达绕组12的等效电路20的电感器L的值、马达转动速率ω以及电源34的电压Up的值。实际上，升压时段74的长度另外还会受到断路器开关30以及电线58、60、62和64的内电阻的值影响。
以下，将去激活的MOSFET 30的操作称为“自由轮转模式”。因为马达绕组12的等效电路20包括电感器L，所以电感器L中建立的磁场的能量使已在绕组12中流动的电流Iw持续。为了有利于通过电路配置10的马达绕组12以及其他部件58、60、62、64的电流Iw的良好持续，提供自由轮转二极管84。经过马达绕组12、测量电阻器44、自由轮转二极管84并回到马达绕组12的自由轮转电流环路82由于去激活的MOSFET 30而没有外部电源。因此，在自由轮转模式下，绕组电流Iw的斜率dIw/dt可以通过dIw/dt＝-(UB+RL*Iw)/L(等式2)来计算。当马达14被阻滞时，BEMF VB为0伏，并且绕组电流Iw的斜率dIw/dt由自由轮转电流环路82的时间常数确定。如果在自由轮转电流环路82中不存在欧姆损失，则绕组电流Iw的斜率dIw/dt将会为零。在自由轮转模式下，来自电感器L的能量随着在自由轮转电流环路82的马达绕组12的电阻RL、测量电阻器44以及其他部件58、60、62、64中的经过时间而耗散。在自由轮转模式下，BEMF VB增大负斜率dIw/dt。在自由轮转模式期间，当马达14被阻滞时，提供负斜率dIw/dt的最低绝对值。对于较高的马达转动速率ω，自由轮转模式的斜率dIw/dt随着增加的BEMF VB而增加得越来越多。如等式2所示，斜率dIw/dt和马达转动速率ω之间的这一依赖性是成比例的。自由轮转电流Iw的下降导致测量电阻器44处的电压降Vi的下降以及施密特触发器40的反相输入52的电势的下降。反相输入52处的电压VS一旦低于控制电压Vset减施密特触发器40的滞后量，施密特触发器40就切换回升压模式。此时所达到的通过马达绕组12的电流Iw的值被称为IMIN。当反相输入52的电势Vi变得低于控制电压Vset加施密特触发器40的滞后量时，施密特触发器40的输出38激活MOSFET 30。从这开始，重复所描述的过程。在断路器控制的马达14中，电流Iw在两个电平Imax和Imin之间交替。自由轮转时段90的长度取决于施密特触发器40的滞后曲线的滞后量、马达绕组12的等效电路20的电感器L的值、马达转动速率ω以及自由轮转电流环路82中欧姆电阻总和的值。总之，在旋转的马达中，BEMF VB与驱动电压Uw相反，并且在电流Iw的电流上升时间74增大而在电流下降时间90减小。这影响上升斜率dIw/dt、下降斜率dIw/dt、断路器频率f、断路器占空周期102的长度1/f和断路器占空比g。原则上，这些值中的每一个可以用在速度监视电路18中，以测量速率ω，并因此测量马达14的阻滞。实际上，其更适合测量断路频率f、断路器占空周期的长度1/f或断路器占空比g＝(电流上升时间74)/((电流上升时间74)+(电流下降时间90))其中之一的值。按照等式1和2，对于UP>UB，断路器占空比g(Iw)可以如下计算：g＝|1/UP-UB–RL*Iw|/(|1/(UP-UB–RL*Iw)|+|-1/(UB–RL*Iw)|)＝(UB+RL*Iw)/UP(等式3)。假设UP保持恒定不变，则UB(Iw)/Up＝g-(RL*Iw)/Up是对马达14的速率ω的测量。将断路器占空比g用于速率测量具有无需了解电感器L的值的益处。
速度监视电路18的输入104连接至施密特触发器40的输出38，并感测断路器开关30的栅极电压Vg。速度监视电路18包括脉冲检测器106和脉冲计数器112。脉冲计数器112具有输出113，用以将计数结果传送到比较器115的输入114。比较器115被设计用于将计数结果与极限值比较，并从比较结果推出当前马达速度ω的估计值。用于电动马达14的速度监视的电路18包括：用于产生时间帧信号的电路106，所述时间帧信号指示预定长度的时间帧何时从非活动状态变为活动状态，并且指示该时间帧何时从活动状态变回非活动状态；用于从被设计用以驱动电动马达14的断路器驱动器电路16接收第一信号Vg的电路106；用于检测第一信号Vg中的断路器脉冲103的电路106；脉冲计数器112，其被设计用以在用于产生时间帧信号的电路106指示活动状态时对检测到的断路器脉冲103计数；以及用于在时间帧的非活动状态被指示之后至少进行下述之一的电路115：输出和评估脉冲计数器112的状态。脉冲计数器112被设计成当时间帧信号指示向时间帧的活动状态的改变时被复位。脉冲计数器112被设计成当时间帧信号指示向非活动状态的改变时，停止对断路器脉冲103的计数。用于速度监视的电路18包括用于确定断路器脉冲103的频率的电路112。替代地或者除此以外，用于速度监视的电路18包括用于确定断路器脉冲103的断路器占空周期102的时段的长度1/f的电路112。替代地或者除此以外，用于速度监视的电路18包括用于确定断路器脉冲103的断路器占空比g的电路112。
根据本发明的第二方面，当通过脉宽调制(PWM)产生绕组电压Uw(线圈电压)时，测量相移α。因为PWM占空周期是由电流控制器53通过软件控制的，所以驱动电压Uw的幅度一直都是已知的。相移α可以通过测量绕组电压Uw和绕组电流Iw的过零点之间的延迟α或者通过测量峰值绕组电压Uwpeak和峰值绕组电流Iwpeak之间的延迟来确定。峰值电压Uwpeak的值通过第二信号Vu告知，并且流过绕组12的电流Iwpeak的值通过Vi告知。电机14的运动转子在微步(micro-step)操作中使驱动电流Iw和驱动电压Uw之间的相移α增大。运动马达14的这一额外的相移α是由于转子的惯性和滑进(slip)而导致的。转子由于其惯性而滞后于绕组L中的电磁场给定速率ω。BEMF VB是由运动转子感生的，因此，与驱动电压Uw相比也被延迟。当转子运动时，延迟添加额外的相移α。在阻滞的马达14的情况下，不存在BEMF VB信号，并且相移α明显低于转动的马达14的情况下的相移。用于电动马达14的速度监视的电路18包括：用于从电动马达14的断路器驱动器电路16接收第二信号Vu的电路120，其中第二信号Vu包括施加到电动马达14的绕组12的电压Uw的值；用于接收流过绕组12的电流Iw的值Vi的电路122；用于确定施加到绕组12的电压Uw和流过绕组12的电流Iw之间的相位角α的电路124；以及至少用于下述之一的电路126：输出和评估相位角α。电路18的示例实施例具有根据第一和第二方面的全部特征。
在所描述的实施例内，测量和分析断路器频率、断路器占空周期102、断路器占空比g以及绕组电压Uw和绕组电流Iw之间的相移α中的至少一个，以便获得与马达14的角速率ω有关的信息。对于实施例，可以分别地连续测量断路器频率f、断路器占空周期的长度1/f、断路器占空比g、相移α。由此，那些通过断路器控制或者马达绕组12两端的脉宽调制电压Uw驱动的电动马达14的速率测量是可执行的。对于步进式马达14特别是DC步进式马达14尤其如此。特别地，当电流Iw换向(commutate)时，不只是测量上升时间74。这些实施例可以用于微步操作。可以在马达控制单元(MCU)、片上马达控制器、或者专用马达控制器、尤其是用于自动和非自动应用，例如步进式马达和BLDC马达(BLDC＝无刷直流)的电子换向马达中分别实现速度监视电路18和方法。电路18被设计至少用于下述之一：检测电动马达14的阻滞状态，和确定电动马达14的速度。
根据第三方面，用于速度监视的方法包括下列步骤：产生时间帧信号，所述时间帧信号指示预定长度的时间帧何时从非活动状态变为活动状态，并且指示该时间帧何时从活动状态变回非活动状态；从控制电动马达14的断路器驱动器电路16接收第一信号Vg；检测第一信号Vg中的断路器脉冲103；在活动状态被指示时，对检测到的断路器脉冲103计数；以及在时间帧的非活动状态被指示之后，至少进行下述之一：输出和评估计数值。
根据本发明的第四方面，用于电动马达14的速度监视的方法包括下列步骤：从驱动电动马达14的断路器驱动器16接收第二信号Vu，其中所述第二信号Vu包括施加到电动马达14的绕组12的电压Uw的值；确定流过绕组12的电流Iw的值Vi；以及确定施加到绕组12的电压Uw和流过绕组12的电流Iw之间的相位角α。

Claims (8)

1.一种用于电动马达(14)的速度监视的电路(18)，其中用于电动马达(14)的速度监视的所述电路(18)包括：
用于产生时间帧信号的电路(106)，所述时间帧信号指示预定长度的时间帧何时从非活动状态变为活动状态并且指示所述时间帧何时从所述活动状态变回所述非活动状态；
用于从断路器驱动器电路(16)接收第一信号(Vg)的电路(106)，所述断路器驱动器电路(16)被设计成：驱动所述电动马达(14)，其中由施密特触发器(40)提供的所述第一信号(Vg)激活和去激活所述断路器驱动器电路(16)的断路器开关(30)，其中，所述断路器开关(30)是金属-氧化物-半导体场效应晶体管MOSFET；
用于检测所述第一信号(Vg)中的断路器脉冲(103)的电路(106)；
脉冲计数器(112)，所述脉冲计数器(112)被设计成：在所述用于产生时间帧信号的电路(106)指示所述活动状态时对检测到的断路器脉冲(103)计数；以及
用于在所述时间帧的所述非活动状态被指示之后至少进行下述之一的电路(115)：输出和评估所述脉冲计数器的状态。
2.根据权利要求1所述的用于电动马达(14)的速度监视的电路(18)，其中，所述脉冲计数器(112)被设计成：当所述时间帧信号指示向所述时间帧的所述活动状态的改变时，所述脉冲计数器(112)被复位。
3.根据权利要求1或2所述的用于电动马达(14)的速度监视的电路(18)，其中，所述脉冲计数器(112)被设计成：当所述时间帧信号指示向所述非活动状态的改变时，所述脉冲计数器(112)停止对所述断路器脉冲(103)的计数。
4.根据权利要求1或2所述的用于电动马达(14)的速度监视的电路(18)，包括：用于确定所述断路器脉冲(103)的频率(f)的电路。
5.根据权利要求1或2所述的用于电动马达(14)的速度监视的电路(18)，包括：用于确定所述断路器脉冲(103)的断路器周期(102)的时段长度(1/f)的电路。
6.根据权利要求1或2所述的用于电动马达(14)的速度监视的电路(18)，包括：用于确定所述断路器脉冲(103)的占空因数(g)的电路(112)。
7.根据权利要求1或2所述的用于电动马达(14)的速度监视电路(18)，其中，所述用于电动马达(14)的速度监视的电路(18)被设计至少用于下述之一：检测所述电动马达(14)的阻滞状态，和确定所述电动马达(14)的速度。
8.一种用于电动马达(14)的速度监视的方法，所述方法包括下列步骤：
产生时间帧信号，所述时间帧信号指示预定长度的时间帧何时从非活动状态变为活动状态，并且指示所述时间帧何时从所述活动状态变回所述非活动状态；
从控制所述电动马达(14)的断路器驱动器电路(16)接收第一信号(Vg)，其中由施密特触发器(40)提供的所述第一信号(Vg)激活和去激活所述断路器驱动器电路(16)的断路器开关(30)，其中，所述断路器开关(30)是金属-氧化物-半导体场效应晶体管MOSFET；
检测所述第一信号(Vg)中的断路器脉冲(103)；
在所述活动状态被指示时，对检测到的断路器脉冲(103)计数；以及
在所述时间帧的所述非活动状态被指示之后，进行至少下述之一：输出和评估计数值。
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