CN102938627A - 用于马达的控制电路以及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于马达的控制电路。此控制电路包括脉宽调制电路、微控制器、定时器、以及模拟数字转换器。脉宽调制电路产生至少一切换信号以驱动马达。微控制器具有内存电路，且控制所述至少一切换信号的切换频率以及脉宽。所述至少一切换信号的切换频率以一跳频(frequency hopping)方式来调制，以减少电磁干扰(electromagnetic interference)。所述至少一切换信号的脉宽以跳频方式来调制，以将马达的一平均切换电流维持在近似定值。定时器由微控制器来控制，其用来决定所述至少一切换信号的切换频率。模拟数字转换器检测马达的输入电压以提供给微控制器。

Description

用于马达的控制电路以及控制方法

技术领域

本发明是有关于一种马达控制，特别是有关于一种永磁马达(permanentmagnet motor)的控制电路。

背景技术

一般而言，永磁(permanent magnet，PM)马达的控制电路将产生高频(例如20KHz)切换信号来驱动马达。然而，这些高频切换信号将引起电磁干扰(electromagnetic interface，EMI)问题。目前已发展出跳频(frequency hopping)技术来减少电磁干扰。用来减少电源供应方面电磁干扰问题的跳频或抖频(frequency jitter)技术，可在编号为7,026,851且名称为“PWM controller havingfrequency jitter for power supplies”的美国专利、编号为7,184,283且名称为“Switching frequency jitter having output ripple cancel for power supplies”的美国专利、以及编号为7,203,079且名称为“Switching controller having frequencyhopping for power supplies”的美国专利中得知。

发明内容

本发明提供一种采用频率调制的控制电路，适用于永磁(permanentmagnet，PM)马达，例如无刷直流(brushless direct current，BLDC)马达、永磁同步马达(permanent magnet synchronous motor，PMSM)等等。

本发明的一实施例提出一种控制电路，适用于一马达。此控制电路包括脉宽调制电路、微控制器、定时器、以及模拟数字转换器。脉宽调制电路产生至少一切换信号以驱动马达。微控制器具有内存电路，且控制所述至少一切换信号的切换频率以及脉宽。所述至少一切换信号的切换频率以一跳频(frequency hopping)方式来调制，以减少电磁干扰(electromagneticinterference)。所述至少一切换信号的脉宽以跳频方式来调制，以将马达的一平均切换电流维持在近似定值。所述至少一切换信号的脉宽以跳频方式来调制，以将马达的转矩维持在近似定值。定时器由微控制器来控制，其用来决定所述至少一切换信号的切换频率。脉宽调制电路包括计数器、第一寄存器、第二寄存器以及比较器。计数器产生波形信号。第一寄存器决定波形信号的波形。第二寄存器产生阈值。比较器根据阈值以及波形信号来产生切换信号。模拟数字转换器检测马达的切换电流以提供给微控制器。模拟数字转换器检测马达的输入电压以提供给微控制器。所述至少一切换信号的切换频率根据马达的输入电压的改变来调制。

本发明的一实施例提出一种控制方法，用以控制马达。此控制方法包括产生切换信号以驱动该马达；以及调制切换信号的切换频率，以减少电磁干扰(electromagnetic interference)。切换信号的脉宽以切换信号的跳频方式来调制，以将马达的平均切换电流维持在近似定值。切换信号的脉宽以跳频方式来调制，以将马达的转矩维持在近似定值。切换信号的切换频率以及脉宽由具有内存电路的微控制器来控制。切换信号的切换频率由定时器所控制，且此定时器由微控制器来控制。马达的平均切换电流由模拟数字转换器来检测。模拟数字转换器耦接微控制器。

本发明的另一实施例提出一种控制电路，适用于一马达。此控制电路包括脉宽调制电路以及具有内存电路的微控制器。脉宽调制电路产生切换信号以驱动马达。微控制器控制切换信号的切换频率以及脉宽。切换信号的切换频率根据马达的输入电压的改变来调制。切换信号的脉宽以跳频方式来调制，以将马达的平均切换电流维持在近似定值。切换信号的脉宽以跳频方式来调制，以将马达的转矩维持在近似定值。

附图说明

图1表示根据本发明实施例的永磁马达控制系统；

图2表示图1的永磁马达控制系统中的脉宽调制电路的一实施例；

图3表示图2的脉宽调制电路中的脉宽控制电路的一实施例；

图4表示图1的永磁马达控制系统中的波形信号、阈值以及驱动信号的波形；以及

图5表示根据本发明实施例的在一控制方法中的阈值的波形以及切换频率的曲线。

[主要元件标号说明]

图1：

10～永磁马达；                  20～驱动电路；

30～桥式整流器；                31、32～电阻器；

35～输入电容器；                40～振荡器；

50～微控制器；                  60～内存电路；

70～定时器；                    80～模拟数字转换器；

100～脉宽调制电路；             CLK～时钟信号；

I_PN～切换电流信号；             INT～中断信号；

S_ADC～信号；                    S_CK～可编程时钟信号；

S_DATABUS～数据总线；            V_AC～交流(AC)电源；

V_IN～输入电压；                 V_P～输入信号；

W_A、W_B、W_C～切换信号；

图2：

100～脉宽调制电路；             110～脉宽控制电路A；

120～脉宽控制电路B；            130～脉宽控制电路C；

115、125、135～输出缓冲器；     INT～中断信号；

S_CK～可编程时钟信号；           S_DATABUS～数据总线；

W_A、W_B、W_C～切换信号；          W_x、W_Y、W_Z～信号；

图3：

160～计数器；                   150、165～寄存器；

170～比较器；                   INT～中断信号；

N_N～阈值；                      S_CK～可编程时钟信号；

S_DATABUS～数据总线；            SAW～波形信号；

W_N～驱动信号；

图4：

N_N～阈值；                      SAW～波形信号；

T～波形信号的切换周期；         T_ON～驱动信号的脉宽(接通时间)；

W_N～驱动信号；

图5：

F～切换频率；                   N_N～阈值；

V_IN～输入电压。

具体实施方式

为使本发明的所述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

图1是表示根据本发明实施例的永磁马达(permanent magnet motor)控制系统。此系统包括桥式整流器30、由电阻器31与32所形成的分压器、输入电容器35、驱动电路20、永磁马达10、以及控制电路。控制电路包括脉宽调制电路100、定时器70、振荡器40、模拟数字转换器80、以及具有内存电路60的微控制器50。产生切换信号W_A、W_B与W_C的脉宽调制电路100是通过驱动电路20来驱动永磁马达10。驱动电路20将根据永磁马达10的切换电流来产生多个切换电流信号I_PN。驱动电路20的输入电压V_IN是通过桥式整流器30以及输入电容器35而产生自交流(AC)电源V_AC。分压器耦接于输入电压V_IN与一参考接地之间，以产生输入信号V_P。输入信号V_P的电平与输入电压V_IN的大小相关联。具有内存电路60的微控制器50用来控制脉宽调制电路100，藉以控制永磁马达10。振荡器40产生时钟信号CLK给控制电路。时钟信号CLK是提供至定时器70，以产生可编程时钟信号S_CK。定时器70是由微控制器50通过微控制器50的数据总线S_DATABUS所控制。因此，可编程时钟信号S_CK的频率是由微控制器50所决定。可编程时钟信号S_CK还耦合至脉宽调制电路100，用以决定切换信号W_A、W_B、与W_C的切换频率。模拟数字转换器80耦接切换电流信号I_PN以及输入信号V_P，并根据切换电流信号I_PN以及输入信号V_P来产生多个信号S_ADC给微控制器50。

图2是表示本发明中脉宽调制电路100的一实施例。脉宽调制电路100包括多个脉宽控制电路(脉宽控制电路A、脉宽控制电路B、与脉宽控制电路C)110、120、与130以及输出缓冲器115、125与135。脉宽控制电路110、120与130接收可编程时钟信号S_CK，且还耦接微控制器50的数据总线S_DATABUS，用以产生信号W_X、W_Y、与W_Z。信号W_X、W_Y与W_Z分别提供至输出缓冲器115、125与135的输入，以产生切换信号W_A、W_B与W_C。脉宽控制电路110、120、与130也将根据信号W_X、W_Y、与W_Z的产生而产生中断信号INT。中断信号INT用来中断微控制器50。

图3是表示本发明中脉宽控制电路110、120与130的一实施例。每一脉宽控制电路包括计数器160、寄存器150与165以及比较器170。计数器160接收可编程时钟信号S_CK以产生波形信号SAW。计数器160是由寄存器165来控制。储存在寄存器165内的数据决定了波形信号SAW的波形。波形信号SAW可以是锯齿波形或三角波形。储存在寄存器165的数据是加载自微控制器50的数据总线S_DATABUS。微控制器50的数据总线S_DATABUS也可控制另一个寄存器150，藉以产生阈值N_N。阈值N_N以及波形信号SAW耦合至比较器170，以产生驱动信号W_N，例如信号W_X、W_Y与W_Z。具有较大值的阈值N_N将产生具有较宽脉宽的驱动信号W_N。比较器170还根据驱动信号W_N的产生而产生中断信号INT。通过定时器70、计数器160以及寄存器150与165的控制，切换信号W_A、W_B、与W_C的切换频率与脉宽可由微控制器50来决定与控制。

图4是表示波形信号SAW、阈值N_N以及驱动信号W_N的波形，其中，T表示波形信号SAW的切换周期，且T_ON表示驱动信号W_N的脉宽(接通时间)。切换信号W_A、W_B与W_C的切换频率可以式(1)来表示。T_ON的值是由波形信号SAW、阈值N_N以及微控制器50来决定。

切换电流信号I_PN通过模拟数字转换器80耦合至微控制器50。因此，微控制器50将根据式(2)获得平均切换电流I_SW的值。

$F=\frac{1}{T}---\left(1\right)$

$I_{\mathrm{SW}}=\frac{T_{\mathrm{ON}}}{T}\×I_{\mathrm{PN}}---\left(2\right)$

当切换信号W_A、W_B、与W_C的切换周期(T)以及切换频率(F)以跳频(frequency hopping)方式进行调制(由微控制器50来编程)来减少电磁干扰(electromagnetic interference，EMI)时，微控制器50将因此以跳频方式来调整切换信号W_A、W_B、与W_C的脉宽T_ON，以将平均切换电流I_SW维持在一近似定值。将平均切换电流I_SW维持在近似定值将也使永磁马达10的转矩为持在一近似定值。式(3)与式(4)表示出马达转矩的函数。

Torque=K_T×I_sW                     -----------(3)

Torque=K_T×[(V_T-K_E×N_P)÷R_L]       -----------(4)

其中，K_T是表示转矩定值，V_T是表示马达的终端电压(其与永磁马达10的输入电压V_IN相关联)，K_E是表示反电动势(Back-EMF)常数，N_P是表示永磁马达10的转速，且R_L是表示永磁马达10的线圈阻抗。

图5是表示在一控制方法中阈值N_N的波形以及切换频率F的曲线。阈值N_N以及切换频率F(Freq)的曲线随着输入电压V_IN(V)的改变(也随着输入信号V_P的改变)而变化。切换信号W_A、W_B与W_C的切换频率根据输入电压V_IN的增加而减少。阈值N_N的电平(Level)以及切换信号W_A、W_B与W_C的脉宽T_ON将因此而被调制，以实现近似定值的转矩。

根据本发明实施例的控制方法包括以下两个步骤：

(a)根据在内存电路60中的样态或模块来改变切换信号W_A、W_B、与W_C的切换频率。

(b)以切换信号W_A、W_B与W_C的跳频方式来改变阈值N_N的电平(以及脉宽T_ON)，以控制平均切换电流I_SW以及永磁马达10的转矩具有近似定值。

本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。

Claims (15)

1.一种用于马达的控制电路，包括：

一脉宽调制电路，用以产生至少一切换信号以驱动该马达；以及

一微控制器，具有一内存电路，用以控制该至少一切换信号的一切换频率以及一脉宽；

其中，该至少一切换信号的该切换频率以一跳频方式来调制，以减少电磁干扰。

2.如权利要求1所述的控制电路，其中，该至少一切换信号的该脉宽以该跳频方式来调制，以将该马达的一平均切换电流维持在近似定值。

3.如权利要求1所述的控制电路，其中，该至少一切换信号的该脉宽以该跳频方式来调制，以将该马达的一转矩维持在近似定值。

4.如权利要求1所述的控制电路，还包括：

一定时器，用以决定该至少一切换信号的该切换频率，其中，该定时器由该微控制器来控制。

5.如权利要求1所述的控制电路，其中，该脉宽调制电路包括：

一计数器，用以产生一波形信号；

一第一寄存器，用以决定该波形信号的波形；

一第二寄存器，产生一阈值；以及

一比较器，根据该阈值以及该波形信号来产生该切换信号。

6.如权利要求1所述的控制电路，还包括：

一模拟数字转换器，用以检测该马达的一切换电流以提供给该微控制器。

7.如权利要求6所述的控制电路，其中，该模拟数字转换器检测该马达的一输入电压以提供给该微控制器，且该至少一切换信号的该切换频率根据该马达的该输入电压的改变来调制。

8.一种用于马达的控制方法，包括：

产生一切换信号以驱动该马达；以及

调制该切换信号的一切换频率，以减少电磁干扰；

其中，该切换信号的一脉宽以该切换信号的一跳频方式来调制，以将该马达的一平均切换电流维持在近似定值。

9.如权利要求8所述的控制方法，其中，该切换信号的该脉宽以该跳频方式来调制，以将该马达的一转矩维持在近似定值。

10.如权利要求8所述的控制方法，其中，该切换信号的该切换频率以及该脉宽由具有一内存电路的一微控制器来控制。

11.如权利要求8所述的控制方法，其中，该切换信号的该切换频率由一定时器所控制，且该定时器由该微控制器来控制。

12.如权利要求8所述的控制方法，其中，该马达的该平均切换电流由一模拟数字转换器来检测，且该模拟数字转换器耦接该微控制器。

13.一种用于马达的控制电路，包括：

一脉宽调制电路，用以产生一切换信号以驱动该马达；以及

一微控制器，具有一内存电路，用以控制该切换信号的一切换频率以及一脉宽；

其中，该切换信号的该切换频率根据该马达的一输入电压的改变来调制。

14.如权利要求13所述的控制电路，其中，该切换信号的该脉宽以一跳频方式来调制，以将该马达的一平均切换电流维持在近似定值。

15.如权利要求13所述的控制电路，其中，该切换信号的该脉宽以一跳频方式来调制，以将该马达的一转矩维持在近似定值。

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