CN104126269A - 用于电动机的反向电流保护控制 - Google Patents

Abstract

在一种电动机控制系统(200)中，接收对应于电动机(110)的目标速度的指令。对所述电动机的转速(SPD)进行测量，并且通过控制逻辑(212)至少部分基于所述转速(SPD)、所述目标速度(TGT)、制动参数(KE)计算制动时间间隔的制动与断开的比率。在所述制动时间间隔的断开部分期间诱发耦合到电动机(110)的反相器(106)的断开状态；并且在所述制动时间间隔的制动部分期间向所述反相器施加制动信号。

Description

用于电动机的反向电流保护控制

技术领域

本发明总体涉及电动机控制，并且更具体地涉及无刷直流(DC)电动机的控制。

背景技术

无刷DC电动机在广泛的多种应用中被采用，并且(例如)无刷DC电动机的一个应用是作为用于硬盘驱动器(HDD)或光盘驱动器(即数字通用光盘或DVD播放器)的主轴电动机。对于这些应用中的一些应用(如DVD播放器)，电动机的速度控制可能非常重要，因为电动机将频繁地改变速度。这意味着存在制动和加速的瞬变时段。

特别地，对于制动来说，电动机应迅速放慢速度以大体上确保保存适当的功能性，并且在图1中可以看到采用制动方案的系统100-1的示例。在此示例中，电动机110是三相无刷DC电动机，其中每个相位PHA到PHC分别耦合到反相器106的晶体管对Q1/Q2、Q3/Q4以及Q5/Q6(其如图所示为NMOS晶体管)。控制器104-1向反相器106施加脉冲宽度调制(PWM)信号PWM1至PWM6，以控制电动机110的相位PHA至PHC(即驱动电动机110)。但是，在制动期间，电动机110产生通过集成电路(IC)或电动机驱动器102-1的引脚U、V和W到电源引脚VDD上的反向电流或负电流。当发生此情况时，控制器104-1闭合放电电路108的开关S以便通过将晶体管Q8的漏极耦合到电源引脚GND上来启动电流镜Q7和Q8(其如图所示为PMOS晶体管)。这允许反向电流或负电流通过电阻器R2放电。然而，这种布置的一个问题是晶体管Q7和Q8可以占据IC 102-1的面积的较大部分以充分大到足以承载反向电流，因此作为一个替代方案(在图2中示出)，可以移除放电电路108并且采用几种不同类型的制动方案(如图3和图4中所示)。

对于一个方案(其在图3中示出)，控制器104-2可以停用或“关闭”晶体管Q1至Q6，使反相器106处于高阻抗或HIZ模式中。机械摩擦(即来自轴承)可以用于减慢电动机110的转速。通常，为使此情况发生，向控制器104-2发出的速度指令在时间T1处从代码L1(其对应于目标转速ω1)变化到代码L3(其对应于未示出的目标转速)以使得产生负电流或反向电流。在此时，反相器106被置于HIZ(断开)状态或模式，但是由于摩擦导致的损耗通常如此小以至于电动机110在所需的减速期间内(即在时间T1与T2之间)并未达到所需的目标速度ω2(其与代码L2相关联)。相反，电动机110在时间T2处达到高得多的速度ω3。

对于另一方案(其在图4中示出)，可以采用短的制动周期。在时间T3与T4之间的周期期间，将向控制器104-2发出的速度指令设定成代码L3(其对应于未示出的目标转速)。因此，控制器104-2使反相器106处于制动模式或状态。在此制动状态中，晶体管Q1、Q3和Q5被停用或“关闭”，而晶体管Q2、Q4和Q6被启用或“打开”。这使得反向电流或负电流通过引脚COMM流回以便通过电阻器R1耗散。使用这种短的制动周期能有效地使电动机110在所需的减速周期内(即在时间T3与T4之间)放慢速度到所需速度或目标速度，但是速度并不稳定。确实会发生一些“振铃瞬变(ringing)”。

因此，需要无刷DC电动机的制动的改进方法和/或设备。

常规系统的一些示例是：美国专利第6,528,968号、美国专利第7,309,967号、美国专利第8,098,031号、美国专利预授权公开第2009/0218972号。

发明内容

一种示例性设备实施例包括反相器以及控制器，所述反相器被配置为耦合到电动机；所述控制器具有：耦合到反相器的脉冲宽度调制(PWM)发生器；耦合到PWM的反向电流检测器；耦合到PWM发生器并且被配置为接收目标速度信号的控制逻辑；以及耦合到反向电流检测器和控制逻辑的反向电流逻辑，其中反向电流逻辑被配置为接收目标速度信号、制动参数以及转速参数，并且其中当检测到反向电流时，反向电流逻辑被配置为至少部分基于目标速度信号、制动参数以及转速参数计算基于制动时间间隔的制动与断开的比率。

在一种形式中，反向电流逻辑被配置为向控制器提供控制信号以便将制动与断开的比率应用到反相器上。

在一种形式中，反向电流被配置为针对多个制动时间间隔反复地计算多个制动与断开的比率，以实现由目标速度信号指示的目标速度。

在一种形式中，反向电流逻辑进一步包括有限状态机。

在一种形式中，反向电流检测器进一步包括：耦合到PWM发生器的电阻器；以及耦合到电阻器的比较器。

在一种形式中，旋转参数被配置为是电动机的转速。

在示例性方法实施例中包括接收对应于电动机的目标速度的指令；测量电动机的转速；至少部分基于转速、目标速度、制动参数计算制动时间间隔的制动与断开的比率；在制动时间间隔的断开部分期间诱发耦合到电动机的反相器的断开状态；并且在制动时间间隔的制动部分期间向反相器施加制动信号。

在一种形式中，转速进一步包括第一转速，并且其中制动时间间隔进一步包括第一制动时间间隔，并且其中所述方法进一步包括：在第一制动时间间隔之后测量电动机的第二转速，并且如果针对第二转速计算的逆电动势(逆emf)大于针对目标速度计算的逆emf，则针对第二制动时间间隔重复计算、诱发以及施加的步骤。

在一种形式中，制动信号进一步包括对应于制动的多个PWM信号。

在一种形式中，所述方法进一步包括检测反向电流。

在一种形式中，所述电动机是三相无刷直流(DC)电动机。

在修改的示例性设备实施例中包括：电动机；电动机驱动装置，所述电动机驱动装置具有耦合到电动机的反相器；以及控制器，所述控制器具有：耦合到反相器的PWM发生器；耦合到PWM的反向电流检测器；耦合到PWM发生器并且被配置为接收目标速度信号的控制逻辑；以及耦合到反向电流检测器和控制逻辑的反向电流逻辑，其中反向电流逻辑被配置为接收目标速度信号、制动参数以及转速参数，并且其中当检测到反向电流时，反向电流逻辑被配置为至少部分基于目标速度信号、制动参数以及转速参数计算基于制动时间间隔的制动与断开的比率。

在一种形式中，反向电流逻辑耦合到电动机上以便接收转速。

在一种形式中，所述电动机是三相无刷DC电动机。

附图说明

图1及图2是常规系统的示例的图示；

图3及图4是描绘用于图2的系统的常规制动方案的图示；

图5是根据本发明的系统的一个示例的图示；

图6是描绘用于图5的系统的制动方案的一个示例的图示；以及

图7是用于图5的反向电流逻辑的示例性状态图。

具体实施方式

图5示出体现本发明的原理的系统200的一个示例。系统200的构造与系统100-1和100-2的构造类似，区别仅在于在IC或电动机驱动器202中存在执行自适应制动方案的控制器204。在操作中，目标速度信号TGT被提供给控制逻辑206和反向电流逻辑212(其可以是例如有限状态机或FSM)。基于该目标信号TGT，控制逻辑206可以将PWM信号PWM1至PWM6提供给反相器106(类似于系统100-1以及100-2)以便驱动电动机110。当通过反向电流检测器(其一般包括电阻器R2和比较器210)检测到反向电流时，反向电流逻辑212对控制逻辑206进行控制以便向电动机110施加自适应制动。可替代地，另一电流测量元件或电阻性元件(如同晶体管)可以用作反向电流检测器的一部分。

自适应制动方案(其在图5和图6中示出)能够在目标减速时间内使电动机110放慢速度或减速到期望转速。如图所示，目标减速时间是在时间T5与T6之间的周期。类似于系统100-1和100-2，目标信号TGT在时间T5处从代码L1变化到代码L3并且在时间T6处从代码L3变化到代码L2。在时间T5与T6之间，反向电流检测器检测反向电流或负电流(例如以状态302所示)。随后反向电流逻辑212计算(在状态304中)制动时间间隔I的制动与断开的比率或制动与HIZ的比率(brake-to-HIZ ratio)。制动时间间隔I一般是预定的或预设的时间间隔，其具有可以以可编程的方式变化的大体上固定的长度，并且制动与断开的比率(brake-to-off ratio)是控制器204使反相器106处于HIZ(断开)模式或状态(即晶体管Q1至Q6被停用)以及制动模式或状态(即，晶体管Q1、Q3和Q5被停用，而晶体管Q2、Q4和Q6被启用)中的制动时间间隔I的相对部分。通常，制动与断开的比率是从目标速度信号TGT、制动参数KE以及转速参数SPD(即，从电动机110中测量的转速)计算得出的。举例来说，制动与断开的比率可以通过以下公式计算得出：

(1)

一旦已经完成制动时间间隔，在状态306中利用对(来自信号SPD的)测得转速与(来自信号TGT的)目标速度两者的计算出的逆电动势(逆emf)进行比较来确定是否应执行额外的制动；即：

(2)

(3)

通常，如图6中所示，经过连续的制动时间间隔I后制动与断开的比率变得较小(即，制动模式的持续时间减少而HIZ模式的持续时间增加)。这允许电动机110在期望的减速时间间隔内减速，而无需使用庞大的放电电路(即，放电电路108)且没有振铃瞬变。

本发明主题所属领域的技术人员应理解，在要求保护的本发明的范围内可以对所描述的实施例进行修改，并且还可能有许多其它实施例。

Claims (12)

1.一种设备，其包括：

反相器，其被配置为耦合到电动机；以及

控制器，其具有：

耦合到所述反相器的脉冲宽度调制发生器即PWM发生器；

耦合到所述PWM的反向电流检测器；

耦合到所述PWM发生器并且被配置为接收目标速度信号的控制逻辑；以及

耦合到所述反向电流检测器和所述控制逻辑的反向电流逻辑，其中所述反向电流逻辑被配置为接收所述目标速度信号、制动参数以及转速参数，并且其中当检测到反向电流时，所述反向电流逻辑被配置为至少部分基于所述目标速度信号、所述制动参数以及所述转速参数计算基于制动时间间隔的制动与断开的比率。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述反向电流逻辑被配置为向所述控制器提供控制信号以便将所述制动与断开的比率应用到所述反相器上。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述反向电流被配置为反复地针对多个制动时间间隔计算多个制动与断开的比率，以实现由所述目标速度信号指示的目标速度。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述反向电流逻辑进一步包括有限状态机。

5.根据权利要求4所述的设备，其中所述反向电流检测器进一步包括耦合到所述PWM发生器的电阻器；以及耦合到所述电阻器的比较器。

6.根据权利要求5所述的设备，其中所述旋转参数被配置为是所述电动机的转速。

7.一种方法，其包括：

接收对应于电动机的目标速度的指令；

测量所述电动机的转速；

至少部分基于所述转速、所述目标速度、制动参数计算制动时间间隔的制动与断开的比率；

在所述制动时间间隔的断开部分期间诱发耦合到电动机的反相器的断开状态；以及

在所述制动时间间隔的制动部分期间向所述反相器施加制动信号。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述转速进一步包括第一转速，并且其中所述制动时间间隔进一步包括第一制动时间间隔，并且其中所述方法进一步包括：

在所述第一制动时间间隔之后测量所述电动机的第二转速，并且

如果针对所述第二转速计算的逆电动势即逆emf大于针对所述目标速度计算的逆emf，则针对第二制动时间间隔重复所述计算、诱发以及施加步骤。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述制动信号进一步包括对应于制动的多个PWM信号。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述方法进一步包括检测反向电流。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述电动机是三相无刷直流电动机即DC电动机。

12.一种设备，其包括：

电动机；

电动机驱动器，其具有：

耦合到所述电动机的反相器；以及

控制器，其具有：

耦合到所述反相器的PWM发生器；

耦合到所述PWM的反向电流检测器；

耦合到所述PWM发生器并且被配置为接收目标速度信号的控制逻辑；以及

耦合到所述反向电流检测器和所述控制逻辑的反向电流逻辑，其中所述反向电流逻辑被配置为接收所述目标速度信号、制动参数以及转速参数，并且其中当检测到反向电流时，所述反向电流逻辑被配置为至少部分基于所述目标速度信号、所述制动参数以及所述转速参数计算基于制动时间间隔的制动与断开的比率。