CN104901591B - 用于车辆的电机驱动装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于车辆的电机驱动装置，包括用于优化电磁兼容性(EMC)的无刷直流(BLDC)电机驱动装置。所述电机驱动装置包括：电机控制器，其响应于开关元件的操作控制电机的驱动；以及驱动半导体，其响应于预定的寄存器值控制电机控制器的驱动电流，并响应于充入电机控制器或从电机控制器放出的驱动电流，通过调节开关元件的切换时间控制电磁兼容性(EMC)调谐。

Description

用于车辆的电机驱动装置
技术领域
本发明涉及一种用于车辆的电机驱动装置，尤其涉及一种配置成优化电磁兼容性(EMC)的无刷直流(BLDC)电机驱动装置技术。
背景技术
通常，BLDC电机不包括用作普通直流电机换向器的电刷，并且设计成保留直流电机的独特特性而不改变。BLDC电机包括转子、3相线圈(U相线圈、V相线圈、以及W相线圈)构成的定子、永磁体构成的转子以及位置检测传感器。
BLDC电机施加电流到3相BLDC电机的定子线圈的各相，并且由于流动的电流在线圈中产生磁场而使转子开始旋转。在这种情况下，BLDC电机检测到转子的磁场的量值，并继而响应于检测到的磁场强度接通或断开开关元件，以切换流向线圈各相的电流方向，从而使转子能在一个方向连续转动。
同时，电磁兼容性(EMC)指示目标装置受其他装置产生的电磁波影响。如果目标装置受EMC的影响，则装置的电机或控制器的故障率则不可避免地增加。
依照传统电机驱动半导体，位于半导体外侧的电阻器和电容器被替换成其它器件，调节包含于电机控制器中的开关元件的切换时间以执行EMC调谐。具体说，包含于电机控制器中的无源元件(例如，电阻器、电容器等)在发展过程中被其它元件代替，并且执行电磁波的调谐。
然而，传统的电机驱动装置难以识别电机控制脉冲的上升时间和下降时间，从而很难精确地调谐传统的电机驱动装置。另外，传统的电机驱动装置受外部电源变化的影响，从而使其有EMC调谐技术的限制。
发明内容
本发明的各种实施例旨在提供一种用于车辆的电机驱动装置。
本发明的实施例涉及通过包含于驱动半导体中的寄存器控制转换速率，并且通过将充电/放电电流量分类为多级而精确地控制恒电流。
本发明的实施例涉及根据预定软件的算法促进EMC调谐。
依据实施例的一个方面，用于车辆的电机驱动装置包括：电机控制器，其配置为响应于开关元件的操作控制电机的驱动，；以及驱动半导体，其配置为响应于预定的寄存器值控制电机控制器的驱动电流，并且响应于充入电机控制器或从电机控制器放出的驱动电流，通过调节开关元件的切换时间控制电磁兼容性(EMC)调谐。
应该理解，前面的总体说明和本发明的以下详细说明是示例性和说明性的，并且旨在为所要求保护的发明提供进一步解释。
附图说明
图1是示出根据本发明的一个实施例的车辆电机驱动装置的框图。
图2是示出图1的电机驱动装置的操作的时序图。
图3是示出根据本发明的另一实施例的用于车辆的电机驱动装置的框图。
图4是示出图3的电机驱动装置的操作的时序图。
附图标记列表
100，300：驱动半导体
200，400：电机控制器
110，310：寄存器
120，320：驱动单元
CC：恒流源
D1，D2：二极管
MT1，MT2：开关元件。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，其示例表示在附图中。只要可能，相同的附图标记将在整个附图中用于指代相同或相似的部分。
应该理解的是，此处使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语总体上包括机动车辆，例如载客汽车，包括运动型多功能车(SUV)、公共汽车、卡车、以及各种商用车辆，船只，包括各种小船以及轮船，飞行器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其它代用燃料车辆(例如来源于石油以外的资源的燃料)。本文所指的混合动力车辆是具有两个或多个能源的车辆，例如同时有汽油动力和电动动力的车辆。这里所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，而不是对本发明的限制。
如这里所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”，除非上下文另外清楚地指明，也意在包括复数形式，还应该理解，术语“包括”和/或“包含”用在本说明书中时，指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。如这里所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任何和所有组合。
图1是示出根据本发明的一个实施例的车辆电机驱动装置的框图。
参考图1，电机驱动装置包括：驱动半导体100和电机控制器200。特别地，驱动半导体100包括寄存器110、驱动单元120、以及电阻器(Rext，Rg)。驱动单元120包括驱动电阻器(Rhi)。另外，电机控制器200包括多个电容器(Cgd、Cgs、Cds)、二极管D1、以及开关元件MT1。
寄存器110存储关于转换速率的信息，用以控制驱动单元120的接通时间。寄存器110输出用于调节驱动单元120的转换速率的脉宽调制(PWM)信号至驱动单元120。响应于PWM信号在驱动半导体100中调节开关元件MT1的切换时间，从而有利于EMC的优化调谐。
具体地，根据本发明，用于控制转换速率的算法优选地通过软件预置在寄存器110中。因此，PWM信号的高电平启用期响应于寄存器110中配置的值而配置。
例如，如果将配置在寄存器110中的值设置为第一值，则PWM信号的高电平启用期设置为第一延迟时间，从而使开关元件MT1的接通时间能被设置为第一时间。如果将配置在寄存器110中的值设置为第二值，则PWM信号的高电平启用期设置为比第一延迟时间长的第二延迟时间，从而使开关元件MT1的接通时间能被设置为比第一时间长的第二时间。
驱动单元120响应于PWM信号驱动充电/放电电流，用于控制电机，并且输出驱动的充电/放电电流。具体地，当接收PWM信号时，驱动单元120将充电/放电电流转换成包括电压值和电流值的特定信号，用于驱动开关元件MT1。
驱动单元120配置为使用电阻器(Rhi)驱动充电/放电电流。该电阻器(Rhi)耦接在驱动单元120的输出终端和反向偏置电压终端(Vbb)之间，从而使电阻器(Rext)中流动的电流(Ig)被控制。另外，开关元件MT1的切换时间能响应于电阻器(Rhi)的阻值被调节。
电阻器(Rext)耦接在驱动单元120的输出终端和节点G之间。在这种情况下节点G中流动的电压可通过驱动电压(Vgs)表示。另外，电阻器(Rg)耦接在节点G和电机控制器200之间。
另外，电机控制器200响应于通过电阻器(Rg)接收到的驱动电压(Vgs)控制电机中流动的驱动电流(Ids)。因而，电机控制器200响应于驱动电流(Ids)在一个方向驱动电机。
电容器(Cgd、Cgs、Cds)可响应于驱动电压(Vgs)控制施加到电机的驱动电流(Ids)的充电操作。在这种情况下，电容器(Cgd、Cgs)串联耦接在节点D和节点S之间。电容器(Cds)耦接在节点D和节点S之间。另外，用于电机驱动的开关元件MT1可响应于驱动电压(Vgs)控制驱动电流(Ids)的充电/放电操作。
开关元件MT1耦接在节点D和节点S之间，并且通过驱动电压(Vgs)控制开关状态。在这种情况下，开关元件MT1的切换时间受驱动单元120的输出电流(Ig)、电阻器(Rext)值以及开关元件MT1的寄生电容值控制。根据本实施例的开关元件MT1可由金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)组成。
MOSFET耦接在节点D和节点S之间，从而使MOSFET通过栅极端子接收驱动电压(Vgs)。根据本实施例的开关元件MT1可由NMOS型MOSFET组成。
例如，如果逻辑高电平的驱动电压(Vgs)施加到开关元件MT1，则开关元件MT1接通，从而使驱动电流(Ids)通过节点D和节点S在开关元件MT1中流动。相反，如果逻辑低电平的驱动电压(Vgs)施加到开关元件MT1，则开关元件MT1断开，从而使电容器(Cgd、Cgs、Cds)被驱动电流(Ids)充电。
二极管D1耦接在节点D和节点S之间。二极管D1在节点S和节点D之间正向耦接，从而使二极管D1具有Vds的电压水平。
图2是示出根据实施例的图1的电机驱动装置的操作的时序图。下文将参照图2详细描述图1的电机驱动装置的操作。
首先，到达期间T1之前，驱动电压(Vgs)、电流(Ig)以及驱动电流(Ids)维持在低水平状态。电压(Vds)维持在高电平状态。
此后，在期间T1期间，PWM信号施加到驱动半导体100，电流(Ig)转变至高水平，从而驱动电压(Vgs)逐渐增加。电流(Ig)逐渐增加到IgT2的电流水平或更高，然后逐渐减小。驱动电压(Vgs)增加阈值电压(Vth)。
在这种情况下，电流(Ig)受到驱动单元120的电阻器(Rhi)和电阻器(Rext、Rg)的限制，从而防止电流(Ig)过度增加。在这种情况下，驱动单元120的电阻器(Rext)的电阻值高于电阻(Rext、Rg)的值。
随后，在期间T2期间，电流(Ig)水平减小到水平IgT2或更低。驱动电压(Vgs)增大到电压水平(VP1)。电压(VP1)可对应于用于增大驱动电压的台阶电压(Vgs)。
结果，电机控制器200的开关元件MT1接通。在这种情况下，如果驱动电压(Vgs)增大到阈值电压(Vth)或更高，则开关元件MT1接通。因此，在期间T2期间，驱动电流(Ids)的电流水平逐渐增大，从而使电容器(Cgs)被驱动电流(Ids)充电。
在这种情况下，开关元件MT1的切换时间与PWM信号的频率相关联。随着切换时间逐渐增加，PWM信号的谐波分量逐渐减小，导致频率减小。从电磁兼容性(EMC)考虑，电压(Vds)的斜率对开关元件MT1的切换时间与EMC之间的关系很重要。
因此，根据本发明的用于车辆的电机驱动装置能响应于通过软件配置在寄存器110中的特定值，精确地控制PWM信号的频率和转换速率。具体地，开关元件MT1的上升时间和下降时间依驱动电压(Vds)而彼此不同，从而促进EMC调谐。开关元件MT1的切换时间受各种因素的影响，例如，电阻器(Rhi)的电阻值、开关元件MT1的阈值电压(Vth)、台阶电压(Vp1)以及电源电压。
随后，在期间T3中，驱动电压(Vgs)维持在预定的电压(Vp1)水平。电流(Ig)减小到预定电流水平IgT2或更低，从而电流(Ig)维持在当前水平IgT3。结果，电压水平(Vds)逐渐减小。
如果电流(Ig)受电阻器(Rhi)限制，则电压(Vds)减小的斜率不受电源电压的影响。驱动电流(Ids)维持在预定的电流水平。在这种情况下，在电压(Vds)减小到零(0V)之前电容器(Cgd)被电流值(Ig)充电。
如上所述，在开关元件MT1被启用到逻辑高电平之前的上升时间由持续时间(T2+T3)表示。开关元件MT1的下降时间也可由持续时间(T2+T3)表示。因此，开关元件MT1的切换时间可通过电阻器(Rhi)的电阻值调节。
随后，在期间T4中，驱动电压(Vgs)水平逐渐增加到电压(Vp1)或更高，电流水平(Ig)逐渐降低到期望的水平T3或更低，从而驱动电压(Vds)转换到低电平状态，而驱动电流(Ids)维持在高水平状态。
如上所述，根据本发明的用于车辆的电机驱动装置将充电/放电电流量的控制期分为4个阶段T1～T4，并且根据这四个阶段T1～T4更精确地控制充电/放电电流量，从而有利于EMC调谐。另外，根据本实施例的电机驱动装置可以应用于车辆半导体、车身控制器、BLDC电机驱动半导体等等。
图3是示出根据本发明的另一实施例的用于车辆的电机驱动装置的框图。
参考图3，用于车辆的电机驱动装置包括驱动半导体300和电机控制器400。在这种情况下，驱动半导体300包括寄存器310、驱动单元320以及电阻器(Rext、Rg)。驱动单元320包括恒流源CC。另外，电机控制器400包括多个电容器(Cgd、Cgs、Cds)、二极管D2，以及开关元件MT2。
寄存器310存储关于转换速率的信息，用以控制驱动单元320的接通时间。寄存器310输出用于调节驱动单元320的转换速率的脉宽调制(PWM)信号至驱动单元320。响应于PWM信号在驱动半导体300中调节开关元件MT2的切换时间，从而有利于EMC的优化调谐。
具体地，根据本发明，用于控制转换速率的算法优选地通过软件预置在寄存器310中。因此，PWM信号的高电平启用期响应于寄存器310中配置的值而配置。
例如，如果将配置在寄存器110中的值设置为第一值，则PWM信号的高电平启用期设置为第一延迟时间，从而使开关元件MT2的接通时间能被设置为第一时间。如果将配置在寄存器310中的值设置为第二值，则PWM信号的高电平启用期设置为比第一延迟时间长的第二延迟时间，从而使开关元件MT2的接通时间能被设置为比第一时间更长的第二时间。
驱动单元320响应于PWM信号驱动充电/放电电流，用于控制电机，并且输出驱动的充电/放电电流。具体地，当接收PWM信号时，驱动单元320将充电/放电电流转换成包括电压值和电流值的特定信号，用于驱动开关元件MT2。
驱动单元320配置为使用恒流源CC驱动充电/放电电流。恒流源CC耦接在驱动单元320的输出终端和接地电压终端之间，从而使电阻器(Rext)中流动的电流(Ig)被控制。在这种情况下，电流(Ig)可对应于用于驱动电机控制器400的可编程电流。另外，可响应于随恒流源CC的电流值改变的电流水平(Ig)调节开关元件MT2的切换时间。
电阻器(Rext)耦接在驱动单元320的输出终端和节点G之间。如果驱动单元320的输出信号处于逻辑高电平，则节点G中流动的电阻器(Rext)受到限制。在这种情况下，节点G中流动的电压可通过驱动电压(Vgs)表示。另外，电阻器(Rg)耦接在节点G和电机控制器300之间。
另外，电机控制器300响应于通过电阻器(Rg)接收的驱动电压(Vgs)控制电机中流动的驱动电流(Ids)。因此，电机控制器300响应于驱动电流(Ids)在一个方向驱动电机。
电容器(Cgd、Cgs、Cds)可响应于驱动电压(Vgs)控制施加到电机的驱动电流(Ids)的充电操作。在这种情况下，电容器(Cgd、Cgs)串联耦接在节点D和节点S之间。电容器(Cds)耦接在节点D和节点S之间。另外，用于电机驱动的开关元件MT2可响应于驱动电压(Vgs)控制驱动电流(Ids)的充电/放电操作。
开关元件MT2耦接在节点D和节点S之间，并且通过驱动电压(Vgs)控制开关状态。在这种情况下，开关元件MT2的切换时间通过驱动单元320的输出电流(Ig)、电阻器(Rext)的值以及开关元件MT2的寄生电容值控制。根据本实施例的开关元件MT2可由金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)组成。
MOSFET耦接在节点D和节点S之间，从而使MOSFET通过栅极端子接收驱动电压(Vgs)。根据本实施例的开关元件MT2可由NMOS型MOSFET组成。
例如，如果逻辑高电平的驱动电压(Vgs)施加到开关元件MT2，则开关元件MT2接通，从而使驱动电流(Ids)通过节点D和节点S在开关元件MT2中流动。相反，如果逻辑低电平的驱动电压(Vgs)施加到开关元件MT2，则开关元件MT2关闭，从而使电容器(Cgd、Cgs、Cds)被驱动电流(Ids)充电。
二极管D2耦接在节点D和节点S之间。二极管D2在节点S和节点D之间正向耦接，从而使二极管D2具有Vds的电压水平。
图4是示出根据另一实施例的图3的电机驱动装置的操作的时序图。下文将参照图4详细描述图3的电机驱动装置的操作。
首先，到达期间T1之前，驱动电压(Vgs)、电流(Ig)以及驱动电流(Ids)维持在低水平状态。电压(Vds)维持在高电平状态。
此后，在期间T1中，PWM信号施加到驱动半导体300，电流(Ig)转变到逻辑高电平，从而驱动电压(Vgs)逐渐增加。电流水平(Ig)逐渐增加到IgT3的电流水平或更高，然后在期间T4中维持不变。在这种情况下，电流水平(Ig)可以维持在预定的电流水平而不产生电流水平(Ig)突然增大的突增阶段，这是由于恒流源CC的恒电流的存在。驱动电压(Vgs)增大阈值电压(Vth)。
在这种情况下，电流(Ig)受恒流源CC和电阻器(Rhi、Rg)的限制，从而防止电流(Ig)过度增加。在这种情况下，驱动单元320的电阻器(Rext)具有比电阻器(Rg)高的电阻值。
随后，在期间T2中，电流水平(Ig)维持在水平IgT3。驱动电压(Vgs)增大到电压水平(Vpl)。电压(VP1)可对应于用于增大驱动电压(Vgs)的台阶电压。
结果，电机控制器300的开关元件MT2接通。在这种情况下，如果驱动电压(Vgs)增大到阈值电压(Vth)或更高，则开关元件MT2接通。因此，在期间T2中，驱动电流(Ids)的电流水平逐渐增大，从而使电容器(Cgs)被驱动电流(Ids)充电。
在这种情况下，开关元件MT2的切换时间与PWM信号的频率相关联。随着切换时间逐渐增加，PWM信号的谐波分量逐渐减小，导致频率减小。从电磁兼容性(EMC)考虑，电压(Vds)的斜率对开关元件MT2的切换时间与EMC之间的关系很重要。
因此，根据另一实施例的用于车辆的电机驱动装置能响应于通过软件配置在寄存器310中的特定值，精确地控制PWM信号的频率和转换速率。具体地，开关元件MT2的上升时间和下降时间依驱动电压(Vds)而彼此不同，从而促进EMC调谐。开关元件MT2的切换时间受各种因素的影响，例如，恒流源CC的电流值、开关元件MT2的阈值电压(Vth)、台阶电压(Vp1)以及电源电压。
随后，在期间T3中，驱动电压(Vgs)维持在预定的电压(Vp1)水平。电流(Ig)维持在预定的电流水平IgT3不变。结果，电压水平(Vds)逐渐减小。
如果电流(Ig)受恒流源CC限制，则电压(Vds)减小的斜率不受电源电压的影响。驱动电流(Ids)维持在预定的电流水平。在这种情况下，在电压(Vds)减小到零(0V)之前电容器(Cgd)被电流值(Ig)充电。
如上所述，在开关元件MT2被启用到逻辑高电平之前的上升时间由持续时间(T2+T3)表示。开关元件MT2的下降时间也可由持续时间(T2+T3)表示。因此，开关元件MT2的切换时间可通过恒流源CC的电流值调节。
随后，在期间T4中，驱动电压(Vgs)水平逐渐增加到电压(Vp1)或更高，电流水平(Ig)逐渐降低到期望的水平IgT3或更低，从而驱动电压(Vds)转换到逻辑低电平状态，并且驱动电流(Ids)维持在高水平状态。
如上所述，根据本发明的用于车辆的电机驱动装置将充电/放电电流量的控制期分为4个阶段T1～T4，并且根据这四个阶段T1～T4更精确地控制充电/放电电流量，从而利于EMC调谐。
从上述说明显而易见，根据本发明的用于车辆的电机驱动装置具有以下效果。
首先，识别包含于电机驱动装置的驱动半导体的外部电机控制器中的每个MOS晶体管的切换时间，这样所述用于车辆的电机驱动装置能被更精确地控制。
第二，可以根据预定的软件算法以及外部元件执行EMC调谐，这样缩短了发展周期并且可以容易地实现电磁波的目标性能。
第三，根据本发明的用于车辆的电机驱动装置能通过恒电流控制方案驱动电机控制器，以用于驱动半导体中，而与外部电源的变化无关。
虽然本发明的优选实施例为了说明的目的已被公开，但是本领域技术人员将会理解，不脱离权利要求所限定的本发明的范围和精神的各种修改、添加和替换都是可能的。

Claims (11)

1.一种用于车辆的电机驱动装置，包含：
电机控制器，其配置成响应于开关元件的操作控制电机的驱动；以及
驱动半导体，其配置成响应于预定的寄存器值控制所述电机控制器的驱动电流，并且响应于充入所述电机控制器或从所述电机控制器放出的驱动电流，通过调节所述开关元件的切换时间控制电磁兼容性调谐，
其特征在于，所述驱动半导体包括：
寄存器，其配置成响应于所述预定的寄存器值输出用于调节转换速率的脉宽调制信号；
驱动单元，其配置成响应于所述脉宽调制信号驱动用于控制所述电机控制器的电流；
第二电阻器，其耦接在所述驱动单元的输出终端和第一节点之间；以及
第三电阻器，其耦接在所述第一节点和所述电机控制器之间。
2.根据权利要求1所述的电机驱动装置，其特征在于：
响应于在所述寄存器中建立的值配置所述脉宽调制信号的高电平启用期，以便控制所述开关元件的接通时间。
3.根据权利要求1所述的电机驱动装置，其特征在于，所述驱动单元包括用于控制所述电流的第一电阻器。
4.根据权利要求3所述的电机驱动装置，其特征在于，所述第一电阻器耦接在所述驱动单元的输出终端和反向偏置电压终端之间，以便调节所述开关元件的驱动电流。
5.根据权利要求1所述的电机驱动装置，其特征在于，所述驱动单元包括用于控制所述电流的恒流源。
6.根据权利要求5所述的电机驱动装置，其特征在于，所述恒流源耦接在所述驱动单元的输出终端和接地电压终端之间，以便调节所述开关元件的驱动电流。
7.根据权利要求5所述的电机驱动装置，其特征在于，在所述开关元件接通之前，通过所述恒流源恒定地控制从所述驱动单元产生的电流。
8.根据权利要求1所述的电机驱动装置，其特征在于，所述电机控制器包括：
第一电容器和第二电容器，其耦接在第二节点和第三节点之间，以便响应于所述驱动半导体的驱动电压控制所述驱动电流的充电操作；
第三电容器，其与所述第一电容器及所述第二电容器并联耦接在所述第二节点和所述第三节点之间的位置；以及
所述开关元件，其以这样的方式耦接在所述第二节点和所述第三节点之间：所述开关元件的切换操作由所述驱动半导体的输出信号控制。
9.根据权利要求8所述的电机驱动装置，其特征在于，所述开关元件包括金属氧化物半导体场效应晶体管。
10.根据权利要求8所述的电机驱动装置，其特征在于，还包含：二极管，其与所述开关元件并联耦接。
11.根据权利要求1所述的电机驱动装置，其特征在于：
当所述驱动半导体的逻辑高电平的驱动电压施加到所述电机控制器时，所述电机控制器的所述开关元件接通，使得驱动电流在所述电机控制器中流动；并且
当逻辑低电平的驱动电压施加到所述电机控制器时，所述电机控制器的所述开关元件断开，使得所述电机控制器由所述驱动电流充电。
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