CN104300873A

CN104300873A - 马达转速控制装置、方法及系统

Info

Publication number: CN104300873A
Application number: CN201310301435.5A
Authority: CN
Inventors: 杨永源; 刘远浩; 张冬明; 王志家
Original assignee: Delta Electronics Dongguan Co Ltd
Current assignee: Delta Electronics Dongguan Co Ltd
Priority date: 2013-07-16
Filing date: 2013-07-16
Publication date: 2015-01-21
Also published as: TW201505355A; US20150022136A1; US9112446B2; TWI502880B

Abstract

公开了一种马达转速控制装置、方法及系统，装置包括：参考电压生成模块，生成一参考电压；PWM信号转换模块，将PWM信号转换成电压信号，该电压信号与PWM信号的占空比相对应；第一比较器，电压信号的电压小等于参考电压时输出第一电平，电压信号的电压大于参考电压时输出第二电平；第一开关元件，控制端与第一比较器的输出端连接，第一端输入第一信号，在接收到第二电平时导通并在接收到第一电平时截止；跟随器，输入端与PWM信号转换模块连接；以及控制信号输出端子，将通过第一开关元件接收到的第一信号或通过跟随器接收到的PWM信号转换成的电压信号输出至马达控制电路。该装置、方法及系统能够控制马达在特定占空比下转速跳变。

Description

马达转速控制装置、方法及系统

技术领域

本申请涉及马达控制技术，尤其涉及一种马达转速控制装置、方法及系统。

背景技术

图1到图4是四种马达转速控制曲线，表现马达转速控制信号和马达转速之间的关系。马达转速控制信号可以是电流信号、电压信号或者具有占空比的脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）信号等电气信号。这四幅图中，横坐标表示用于控制马达转速的PWM信号的占空比，纵坐标表示马达的转速。

将图1、图2与图3、图4相比较可以发现，在图3和图4中，马达转速能够在某一特定的占空比下由低速或静止跳变为较高转速，如图3所示，在占空比大约是30%时，马达转速从大约800RPM（Revolutions Per Minute，RPM）急剧增大到大约1600RPM，如图4所示，在占空比大约是30%时，马达转速从0RPM急剧增大到大约1600RPM；而图1和图2中的马达转速并没有这样的跳变。

在一些应用场合，希望用到图3和图4所示的马达转速控制曲线。例如，在家用电器的风扇和中央处理单元（Central Process Unit，CPU）的风扇中，希望马达的转速在一定的占空比下能够跳变。

然而，现有技术中目前仅能实现如图1和图2所示的控制曲线，而无法实现如图3和图4所示的控制曲线。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供了一种马达转速控制装置、方法及系统，使得马达能够在某一特定占空比下由低速或静止急剧转变为较高转速，即能够实现如图3和图4所示的控制曲线。

本申请提供了一种马达转速控制装置，包括：

参考电压生成模块，用于生成一参考电压；

PWM信号转换模块，用于将PWM信号转换成电压信号，所述电压信号与所述PWM信号的占空比相对应；

第一比较器，其正端与所述参考电压生成模块连接，其负端与所述PWM信号转换模块连接，用于在所述PWM信号转换成的电压信号的电压小于或等于所述参考电压时，输出第一电平，在所述PWM信号转换成的电压信号的电压大于所述参考电压时，输出第二电平；

第一开关元件，其控制端与所述第一比较器的输出端连接，其第一端输入第一信号，用于在接收到所述第一比较器的输出端输出的第二电平时导通，以将所述第一开关元件的第一端与第二端连通，并在接收到所述输出端输出的第一电平时截止；

跟随器，其输入端与所述PWM信号转换模块连接；

控制信号输出端子，分别与所述第一开关元件的第二端和所述跟随器的输出端连接，用于将通过所述第一开关元件的第二端接收到的所述第一信号或通过所述跟随器接收到的PWM信号转换成的电压信号输出至马达控制电路；

其中，在所述第一开关元件导通时，所述马达控制电路输入所述第一信号，所述第一信号使得所述马达控制电路控制马达转速为0或一确定的速度；在所述第一开关元件截止时，所述马达控制电路输入所述PWM信号转换成的电压信号，使得所述马达转速由所述PWM信号的占空比确定。

本申请还提供了一种通过前述马达转换装置实施的马达转速控制方法，包括：

通过PWM信号转换模块将PWM信号转换成电压信号，并通过第一比较器将转换成的PWM电压信号的电压与一参考电压相比较；

如果所述PWM信号转换成的电压信号的电压大于所述参考电压，则通过所述第一比较器输出第二电平，使得第一开关元件导通，以将所述第一开关元件的第一端与第二端连通，将所述第一开关元件的第一端接收到的第一信号发送给马达控制电路，使得所述马达控制电路控制马达转速为0或一确定的速度；

如果所述PWM信号转换成的电压信号的电压小于或等于所述参考电压，则通过所述第一比较器输出第一电平，使得第一开关元件截止，通过跟随器将PWM信号转换模块转换成的电压信号提供给马达控制电路，使得马达转速由所述PWM信号的占空比确定。

本申请实施例还提供了一种马达转速控制系统，包括：

马达；

马达控制电路，与所述马达连接，用于控制所述马达的转速；

马达转速控制装置，与所述马达控制电路连接；

所述马达转速控制装置包括：

参考电压生成模块，用于生成一参考电压；

跟随器，其输入端与所述PWM信号转换模块连接；

在本申请的实施例中，可以看出，当PWM信号转换成的电压信号的电压小于或等于参考电压时，即PWM信号的占空比大于或等于该参考电压对应的占空比时，第一比较器输出的第一电平使得第一开关元件截止，从而将PWM信号转换成的电压信号输入到马达控制电路，使得马达控制电路控制马达转速随着PWM信号的占空比的变化而变化；当PWM信号转换成的电压信号的电压大于参考电压时，即PWM信号的占空比小于该参考电压对应的占空比时，第一比较器输出的第二电平使得第一开关元件导通，从而将第一信号输入到马达控制电路，使得马达控制电路控制马达转速为0或一确定的速度（例如，如图4所示的大约800RPM）。这样，就实现了在某一确定的占空比时马达转速的跳变。

通过以下参照附图对优选实施例的说明，本申请的上述以及其它目的、特征和优点将更加明显。

附图说明

图1到图4示出了四种马达转速控制曲线。

图5示意性示出本申请马达转速控制装置一实施例的结构示意图；

图6示意性示出本申请马达转速控制装置另一实施例的结构示意图；

图7示意性示出本申请马达转速控制系统的结构示意图；

图8示意性示出了驱动IC LB11967的局部示意图；

图9中示出了PWM信号的占空比、PWM信号转换模块根据PWM信号转换成的电压信号Vc、驱动IC的CPWM引脚输入的OSC信号、马达电压以及马达转速之间的对应关系。

图10示意性示出存在滞回现象的马达转速控制曲线。

图11示意性示出消除了滞回现象的马达转速控制曲线。

图12示意性示出本申请马达转速控制方法一实施例的流程图。

具体实施方式

图5示意性示出本申请马达转速控制装置一实施例的结构示意图。该马达转速控制装置1包括参考电压生成模块11、PWM信号转换模块12、第一比较器AR1、第一开关元件Q1、跟随器13以及控制信号输出端子14。

参考电压生成模块11用于生成一参考电压。在本申请的实施例中，该参考电压生成模块11没有限制，只要是能够生成一参考电压的模块即可。例如可以通过分压电路来生成参考电压。

PWM信号转换模块12用于将PWM信号转换成电压信号，该电压信号与PWM信号的占空比相对应，具体而言，该电压信号可以与该PWM信号的占空比成反比。PWM信号转换模块12的具体结构也没有限制，只要是能够实现将PWM信号转换成与占空比相对应的电压信号的模块即可。

第一比较器AR1的正端与参考电压生成模块11连接，负端与PWM信号转换模块12连接，用于在PWM信号转换成的电压信号的电压小于或等于参考电压时，即PWM信号的占空比大于或等于该参考电压对应的占空比（假设参考电压对应的占空比为A%，0%≦A%≦100%）时，输出第一电平，在PWM信号转换成的电压信号的电压大于参考电压时，即PWM信号的占空比小于该参考电压对应的占空比（A%）时，输出第二电平。

第一开关元件Q1的控制端与第一比较器AR1的输出端连接，第一开关元件Q1的第一端输入第一信号，用于在接收到第一比较器AR1的输出端输出的第二电平时导通，以将第一开关元件Q1的第一端与第二端连通，并在接收到第一比较器AR1的输出端输出的第一电平时截止。该第一开关元件Q1可以是金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor，MOSFET）或双极结晶体管（Bipolar Junction Transistor,BJT）等。

跟随器13的输入端与PWM信号转换模块12连接。该跟随器13能够实现输入与输出的隔离，即实现PWM信号转换模块12输出的电压信号与输入到控制信号输出端子14的信号的隔离。

控制信号输出端子14分别与第一开关元件Q1的第二端和跟随器13的输出端连接，用于将通过第一开关元件Q1的第二端接收到的第一信号或通过跟随器13接收到的PWM信号转换成的电压信号输出至一马达控制电路（参见图7）。

该马达控制电路用于基于从控制信号输出端子14接收到的信号而生成马达转速控制信号以控制马达的转速。具体而言，在第一开关元件Q1导通时，由于第一开关元件Q1的第一端输入第一信号，因而马达控制电路输入该第一信号，该第一信号使得马达控制电路控制马达转速为0或一确定的速度；在第一开关元件Q1截止时，通过跟随器13向马达控制电路输入PWM信号转换成的电压信号，使得马达控制电路控制马达转速由PWM信号的占空比确定。具体而言，马达转速可以随着PWM信号的占空比增大而增大，即随着PWM信号转换成的电压信号减小而增大。

马达控制电路可以是一个驱动IC，上述第一信号的值可以由该驱动IC的实际需求来确定。例如，如果该驱动IC输入高电平时能够控制马达的转速为0或一确定的速度（例如低速），则该第一信号可以是高电平信号，例如电源电压（VCC）信号。

在本申请的实施例中，第一电平和第二电平可以根据第一开关元件Q1的类型来设定。例如，如果第一开关元件Q1是N型MOSFET，则第一电平可以是低电平，该低电平使得该N型MOSFET截止，第二电平可以是高电平，该低电平使得该N型MOSFET导通。如果第一开关元件Q1是P型MOSFET，则第一电平可以是高电平，该高电平使得该P型MOSFET截止，第二电平可以是低电平，该低电平使得该P型MOSFET导通。

在如上所述的马达转速控制装置1中，可以看出，当PWM信号转换成的电压信号的电压小于或等于参考电压时，即PWM信号的占空比大于或等于该参考电压对应的占空比A%时，第一比较器AR1输出的第一电平使得第一开关元件Q1截止，从而将PWM信号转换成的电压信号输入到马达控制电路，使得马达控制电路控制马达转速随着PWM信号的占空比的变化而变化；当PWM信号转换成的电压信号的电压大于参考电压时，即PWM信号的占空比小于该参考电压对应的占空比A%时，第一比较器AR1输出的第二电平使得第一开关元件Q1导通，从而将第一信号输入到马达控制电路，使得马达控制电路控制马达转速为0或一确定的速度（例如，如图3所示的大约800RPM）。这样，就实现了在某一确定的占空比A%时马达转速的跳变。

如图3和图4所示的控制曲线具有三段，第一段为转速平稳区，第二段为转速急剧变化区，第三段为转速缓和变化区。通过采用本申请实施例提供的马达转速控制装置，能够实现如图3和图4所示的三段式转速控制曲线，提供了更为灵活多样的马达转速控制。

图6示意性示出本申请马达转速控制装置另一实施例的结构示意图。该实施例给出了关于马达转速控制装置中各模块的具体结构。

在该实施例中，跟随器13包括第二比较器AR2、第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3。

第二比较器AR2的正端与PWM信号转换模块12的输出端连接。第一电阻R1的第一端与第二比较器AR2的负端连接。第二电阻R2的第一端与第二比较器AR2的输出端连接，第二电阻R2的第二端与第一电阻R1的第二端连接。第三电阻R3的第一端与第二电阻R2的第二端连接，第三电阻R3的第二端与控制信号输出端子14连接。

参考电压生成模块11包括第一二极管D1、第四电阻R4、稳压二极管ZD1、第一电容C1、第一串联电阻串S1和第五电阻R5。

第一二极管D1的阳极输入VCC信号。第四电阻R4的第一端与第一二极管的阴极连接。稳压二极管ZD1的阴极与第四电阻R4的第二端连接，稳压二极管ZD1的阳极接地。第一电容C1的两端分别与稳压二极管ZD1的阴极和阳极连接。第一串联电阻串S1的第一端与稳压二极管ZD1的阴极连接。第五电阻R5的第一端与第一串联电阻串S1的第二端连接，第五电阻R5的第二端接地。第一串联电阻串S1的第二端和第五电阻R5的第一端的共接点N1与第一比较器AR1的正端连接。

在该实施例中，采用稳压二极管ZD1来生成参考电压，能够保证提供一个稳定的参考电压。将此稳定的参考电压输入第一比较器的正端，能够消除因电压波动而造成的马达不能在设定的占空比下跳变，从而实现精确的控制。

图6中，PWM信号转换模块12包括第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第二开关元件Q2、第二二极管D2、第二串联电阻串S2、第三串联电阻串S3、第二电容C2以及第九电阻R9。

第六电阻R6的第一端与稳压二极管ZD1的阴极连接。第七电阻R7的第一端与第六电阻R6的第二端连接，第七电阻R7的第二端接地。第八电阻R8的第一端与第七电阻R7的第一端和第六电阻R6的第二端连接，第八电阻R8的第一端接收PWM信号。第二开关元件Q2的控制端与第八电阻R8的第二端连接，第二开关元件Q2的第二端接地。第二二极管D2的阳极与第二开关元件Q2的第一端连接。第二串联电阻串S2的第一端与第六电阻R6的第一端连接，第二串联电阻串S2的第二端与第二二极管D2的阳极以及第二开关元件Q2的第一端连接。第三串联电阻串S3的第一端与第六电阻R6的第一端连接，第三串联电阻串S3的第二端与第二二极管D2的阴极连接。第二电容C2的第一端与第三串联电阻串S3的第二端连接，第二电容C2的第二端接地。第九电阻R9的第一端与第二二极管D2的阴极连接，第九电阻R9的第二端接地。第三串联电阻串S3的第二端、第二电容C2的第一端、第二二极管D2的阴极以及第九电阻R9的第一端的共接点N2作为PWM信号转换模块11的输出端。

需要注意的是，本申请实施例中的PWM信号转换模块12、参考电压生成模块11以及跟随器13不限于如图6所示的结构，也可以采用其他的结构。

图7示意性示出本申请马达转速控制系统一实施例的结构示意图，该系统包括马达3、马达控制电路2和马达转速控制装置1。马达3与马达控制电路2连接，马达控制电路2控制马达3的转速。马达转速控制装置1与马达控制电路2连接，马达控制电路2基于马达转速控制装置1的控制信号输出端子14输出的信号来控制马达3的转速。

马达控制电路2可以是一个驱动IC，例如LB11967。图8示意性示出了LB11967的局部示意图。图中VTH引脚（参见图中圆圈所示）输入马达转速控制装置1中的控制信号输出端子14输出的信号，CPWM引脚（参见图中椭圆圈所示）输入OSC信号，这是驱动IC内部的一个电压信号，它一般是通过一个电容充放电得到的锯齿波电压信号，将这一电压信号与VTH引脚输入的电压信号（例如，根据PWM信号转换成的电压信号Vc）作比较，从而得到不同的马达驱动电压信号，实现对马达的控制。马达控制信号即图中的OUT1P、OUT2P、OUT1N、OUT2N这四个引脚的信号。

图9中示出了PWM信号的占空比、PWM信号转换模块12根据PWM信号转换成的电压信号Vc、驱动IC的CPWM引脚输入的OSC信号、马达电压以及马达转速之间的对应关系。

下面结合图6到图9来描述本申请实施例中马达转速控制的原理。

在图6所示的实施例中，通过第一比较器AR1的输出电平来控制第一开关元件Q1的导通和截止，并利用第一开关元件Q1的导通和截止来得到不同的控制信号，以此控制信号输入到马达转速控制电路2，例如输入到LB11967的VTH引脚，从而实现马达3在某一特定占空比A%的跳变。

具体而言，参见图9，PWM信号的占空比与PWM信号转换模块12转换成的电压信号Vc成反比，即PWM信号转换模块12转换成的电压信号Vc随着PWM信号占空比增大而减小。

当PWM信号转换成的电压信号Vc的电压大于参考电压时，即PWM信号的占空比小于该参考电压对应的占空比A%时，第一比较器AR1输出第二电平（例如低电平），使得第一开关元件Q1（例如该第一开关元件为P型MOSFET）导通。此时，第一开关元件Q1将VCC信号提供给马达转速控制电路2，即将高电平提供给马达转速控制电路2，该高电平控制马达转速为0（参见图3）或一确定的低速（例如，图4中的大约800RPM）。

当PWM信号转换成的电压信号的电压小于或等于参考电压时，即PWM信号的占空比大于或等于该参考电压对应的占空比A%时，第一比较器AR1输出第一电平（例如高电平），使得第一开关元件Q1截止。此时，跟随器13输出的PWM信号转换成的电压信号Vc供应到马达转速控制电路2的控制引脚，马达启动并且转速由PWM信号的占空比确定，具体而言，马达转速可以随着PWM信号的占空比的增大而增大（参见图9）。

这样，当PWM信号的占空比达到A%时，马达转速控制装置1就可以控制马达的转速跳变。

在本申请的实施例中，采用跟随器13来将PWM信号转换模块12转换成的电压信号Vc提供给驱动IC的控制引脚，实现了输入和输出的隔离，从而消除了滞回现象。

下面来解释滞回现象。所谓“滞回”是指当PWM信号占空比上行（即增大）时的转速控制曲线与PWM信号占空比下行（即减小）时的转速控制曲线不重合的现象，尤其是在跳变区域处不重合，如图10中椭圆圈圈住的部分所示。

产生滞回现象的原因是，驱动IC的输入阻抗较高，该较高的输入阻抗会输入到第一比较器AR1，从而影响第一比较器AR1的运行，导致第一比较器AR1不能在PWM信号占空比上行和下行时实现相同的输出信号切换。在采用本申请的跟随器13之后，由于跟随器具有隔离功能，能够阻止驱动IC的输入阻抗输入到第一比较器AR1，从而有效消除了滞回现象（参见图11）。

图12示意性示出本申请马达转速控制方法一实施例的流程图。该方法包括：

S1、通过PWM转换模块将PWM信号转换成电压信号，并通过第一比较器将转换成的PWM电压信号的电压与一参考电压相比较。如果PWM信号转换成的电压信号的电压大于参考电压，则执行步骤S2，如果PWM信号转换成的电压信号的电压小于或等于参考电压，则执行步骤S3。

S2、通过第一比较器输出第二电平，使得第一开关元件导通，以将第一开关元件的第一端与第二端连通，将第一端接收到的第一信号发送给马达控制电路，使得马达控制电路控制马达转速为0或一确定的速度。

S3、通过第一比较器输出第一电平，使得第一开关元件截止，通过跟随器将PWM信号转换模块转换成的电压信号提供给马达控制电路，使得马达转速由PWM信号的占空比确定。

本申请实施例中的马达转速控制方法的具体过程可以参照前述参照附图5-8所进行的描述，不再赘述。

虽然已参照几个典型实施例描述了本申请，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本申请能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims

1.一种马达转速控制装置，包括：

参考电压生成模块，用于生成一参考电压；

脉冲宽度调制（PWM）信号转换模块，用于将PWM信号转换成电压信号，所述电压信号与所述PWM信号的占空比相对应；

跟随器，其输入端与所述PWM信号转换模块连接；

2.根据权利要求1所述的马达转速控制装置，其中，所述跟随器包括：

第二比较器，其正端与所述PWM信号转换模块的输出端连接，

第一电阻，其第一端与所述第二比较器的负端连接；

第二电阻，其第一端与所述第二比较器的输出端连接，其第二端与所述第一电阻的第二端连接；

第三电阻，其第一端与所述第二电阻的第二端连接，其第二端与所述控制信号输出端子连接。

3.根据权利要求1或2所述的马达转速控制装置，其中，所述参考电压生成模块包括：

第一二极管，其阳极输入所述第一信号；

第四电阻，其第一端与所述第一二极管的阴极连接；

稳压二极管，其阴极与所述第四电阻的第二端连接，其阳极接地；

第一电容，其两端分别与所述稳压二极管的阴极和阳极连接；

第一串联电阻串，其第一端与所述稳压二极管的阴极连接；

第五电阻，其第一端与所述第一串联电阻串的第二端连接，其第二端接地；

其中，所述第一串联电阻串的第二端和所述第五电阻的第一端的共接点与所述第一比较器的正端连接。

4.根据权利要求3所述的马达转速控制装置，其中，所述PWM信号转换模块包括：

第六电阻，其第一端与所述稳压二极管的阴极连接；

第七电阻，其第一端与所述第六电阻的第二端连接，其第二端接地；

第八电阻，其第一端与所述第七电阻的第一端和所述第六电阻的第二端连接，并且其第一端接收PWM信号；

第二开关元件，其控制端与所述第八电阻的第二端连接，其第二端接地；

第二二极管，其阳极与所述第二开关元件的第一端连接；

第二串联电阻串，其第一端与所述第六电阻的第一端连接，其第二端与所述第二二极管的阳极以及所述第二开关元件的第一端连接；

第三串联电阻串，其第一端与所述第六电阻的第一端连接，其第二端与所述第二二极管的阴极连接；

第二电容，其第一端与所述第三串联电阻串的第二端连接，其第二端接地；

第九电阻，其第一端与所述第二二极管的阴极连接，其第二端接地；

其中，所述第三串联电阻串的第二端、所述第二电容的第一端、所述第二二极管的阴极以及所述第九电阻的第一端的共接点作为所述PWM信号转换模块的输出端。

5.一种通过如权利要求1所述的马达转换装置实施的马达转速控制方法，包括：

通过脉冲宽度调制（PWM）信号转换模块将PWM信号转换成电压信号，并通过第一比较器将转换成的PWM电压信号的电压与一参考电压相比较；

6.一种马达转速控制系统，包括：

马达；

马达转速控制装置，与所述马达控制电路连接；

所述马达转速控制装置包括：

参考电压生成模块，用于生成一参考电压；

跟随器，其输入端与所述PWM信号转换模块连接；

7.根据权利6所述的马达转速控制系统，其中，所述跟随器包括：

第二比较器，其正端与所述PWM信号转换模块的输出端连接，

第一电阻，其第一端与所述第二比较器的负端连接；

8.根据权利要求6或7所述的马达转速控制系统，其中，所述参考电压生成模块包括：

第一二极管，其阳极输入所述第一信号；

第四电阻，其第一端与所述第一二极管的阴极连接；

第一串联电阻串，其第一端与所述稳压二极管的阴极连接；

9.根据权利要求8所述的马达转速控制系统，其中，所述PWM信号转换模块包括：

第六电阻，其第一端与所述稳压二极管的阴极连接；

第二二极管，其阳极与所述第二开关元件的第一端连接；