CN105007003A - 一种基于单mems传感器的三相驱动电路结构 - Google Patents

Abstract

一种基于单MEMS传感器的三相驱动电路结构，本发明涉及集成电路领域，其旨在解决现有电机存在低智能度，不合理的驱动电路结构，低可靠性且不具备极端环境耐受能力等技术问题。该发明电路结构特征包括依次连接的MEMS传感单元：获取目标传感数据，转换传感数据为时钟信号和发送控制时钟；3个脉冲定时调制单元：根据MEMS传感单元发出的控制时钟，进行脉宽调制，并进行脉冲延时反馈调节和电平调制信号发送；单相电机单元：根据脉冲定时调制单元电平调制信号，获得有序的驱动模式并实现有序转动；脉冲定时调制单元向MEMS传感单元反馈数据；三相电机单元向脉冲定时调制单元反馈反电动势。本发明用于电机智能化。

Description

一种基于单MEMS传感器的三相驱动电路结构

技术领域

本发明涉及集成电路领域，具体涉及一种基于单MEMS传感器的三相驱动电路结构。

背景技术

现有电机，缺乏集成的中控设备或者中控设备智能度不高，需要大量人工操作，无法自动完成各类操作；脉冲的调制、延时调节电路结构不合理，导致双场效应管电压调节电路存在重叠的导通电压范围，进一步影响驱动电路；电机集成有位置传感器，位置传感器的可靠性低，易受到环境温度，压力等外界因素影响，进一步降低了电机的可靠性。

发明内容

针对上述现有技术，本发明目的在于提供一种基于单MEMS传感器的三相驱动电路结构，其旨在解决现有电机存在低智能度，不合理的驱动电路结构，低可靠性且不具备极端环境耐受能力等技术问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于单MEMS传感器的三相驱动电路结构，包括依次连接的MEMS传感单元：获取目标传感数据，转换传感数据为时钟信号和发送控制时钟；3个脉冲定时调制单元：根据MEMS传感单元发出的控制时钟，进行脉宽调制，并进行脉冲延时反馈调节和电平调制信号发送；单相电机单元：根据脉冲定时调制单元电平调制信号，获得有序的驱动模式并实现有序转动；脉冲定时调制单元向MEMS传感单元反馈数据；三相电机单元向脉冲定时调制单元反馈反电动势。

上述方案中，所述的MEMS传感单元，包括用于时钟输出、数据处理和信号控制的FPGA：设置有MEMS传感器接口；第一模数转换器：输出端口连接FPGA，接收FPGA控制命令，向FPGA输出数字信号；单MEMS传感器：时钟输入接口连接FPGA的MEMS传感器接口，输出端连接第一模数转换器的输入端，接收FPGA的时钟序列，向第一模数转换器发送传感数据。MEMS传感器具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成以及耐恶劣工作环境等优势。提取外界目标信号，与FPGA预设基准匹配，可完成识别功能；处理数据后，给下位电路发出中控命令；需要提出地是，FPGA完成编程后，系列操作均可自助完成，外界可通过上位机读取相关数据，体现电机智能化。

上述方案中，所述的脉冲定时调制单元，包括调制脉冲发生器：输入端连接FPGA的时钟输出端，接收FPGA控制时钟；第一反相器：输入端连接调制脉冲发生器的输出端；第一可编程延时器：输入端连接第一反相器的输出端；第二反相器：输入端连接第一可编程延时器的输出端；第一场效应管：栅极连接第二反相器的输出端，源极接有电感；电感一端为1_High；用于消除判决延时的开关电路：与调制脉冲发生器的输出端连接，与第一可编程延时器的输出端连接；第二场效应管:栅极连接开关电路，漏极连接第一场效应管的源极；肖特基同步整流二极管：正极、负极分别连接第二场效应二极管的源极、漏极；肖特基同步整流二极管正极为1_Low。根据MEMS传感单元发出的控制时钟，实现脉宽调制，脉冲延时反馈调节和电平调制信号发送的功能。显著增加整个电路的反应速度。

上述方案中，所述的开关电路，包括截止电路，导通电路，还包括RS触发器：Q端连接第二场效应管Q2的栅极。

上述方案中，所述的截止电路，包括缓冲寄存器：输入端连接第一可编程延时器的输出端；第一升值计数器；时钟端连接缓冲寄存器的输出端；第一与门：输入端口连接1_High和编程序列；第一或非门：输入端口连接有第一与门的输出端，输出端连接第一升值计数器的计数端；第三反相器：输入端为预设端；第一或门：输入端口连接第三反相器的输出端和缓冲寄存器的输出端；第二或非门：输入端口连接有第一或门的输出端和第一或非门的输出端，输出端连接到第一或非门的输入端口；第二可编程延时器：激活计数端A连接第一升值计数器的计数端-Q，延时端D连接第一可编程延时器的输出端ID；第四反相器：输入端连接第二可编程延时器的输出端Y；第三或非门：输入端口分别连接第四反相器的输入端和输出端；第二与门；第二或门：输入端口连接有第三或非门的输出端和第二与门的输出端；第五反相器：输入端和输出端连接第二与门的输入端口；第二或门的输出端连接RS触发器的R端。截止电路激活后，肖特基同步整流二极管D1将截止，彻底消除双场效应管重叠导通的电压区间和波形漂移，即此时只有场效应管Q2导通。显著增加整个电路的反应速度。

上述方案中，所述的导通电路，包括第二升值计数器：时钟端连接调制脉冲发生器的输出端；第三或门：输入端口连接第三反相器的输出端和1_High；第四或非门：输入端口连接有第三或门的输出端；第五或非门：输入端口连接有第四或非门的输出端，输出端连接第二升值计数器的计数端UP；第三与门：输入端口连接有缓冲寄存器的输出端，输出端连接到第五或非门的输入端口；第四与门：输入端口设置有监测点，输出端连接到第三与门的输入端口；基准电源：正极接地；比较器：高电平端连接基准电源的负极，输出端连接到第四与门的输入端口；第三可编程延时器：激活计数端A连接第二升值计数器的Q端，延时端连接第一可编程延时器的输出端；第六反相器：输入端连接第三可编程延时器的输出端；第五与门：输入端口连接第六反相器的输出端和输入端，输出端连接RS触发器的S端。导通电路激活后，肖特基同步整流二极管D1将导通，场效应管Q1导通，场效应管Q2短路；建立反电动势反馈基础回路。显著增加整个电路的反应速度。

上述方案中，所述的三相电机单元，包括驱动电路：1_H端连接1_High,1_Low连接1_Low；电机：接口1连接驱动电路的输出接口OUT1；第二模数转换器：输入端连接电机MOTOR的接口1，输出端连接比较器的低电平端。电机不需要位置传感器，通过所建立的反馈回路将反电动势传回脉冲定时调制单元，完成自调整操作，增强电机极端环境耐受能力，降低外界所造成影响，显著提升电机可靠性。

附图说明

图1为本发明电路模块图；

图2为本发明具体电路图；

图3为本发明反电动势替换位置传感器体现电机相位波形图；

图中：100-MEMS传感单元，200-脉冲定时调制单元，300-三相电机单元，4-调制脉冲发生器，5、12、23、28、30、24-反相器，6、21、22-可编程延时器，7-缓冲寄存器，8、16、17、25、29-与门，9、10、14、18、27-或非门，11、13、26-或门，31-RS触发器，Q1、Q2-场效应管，D1、D2-肖特基同步整流二极管，PRESET-预设端，Checkpoint-监测点，1_High-高电平点，1_Low-低电平点，MEMS SENSOR-微机电传感器，FPGA-现场可编程门阵列器件，MOTOR-电机，PDC-驱动电路，31、32-模数转换器，CI-网络接口，UPPER-上位机，BEMF-反电动势。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明电路模块图，一种基于单MEMS传感器的三相驱动电路结构，包括依次连接的MEMS传感单元100：获取目标传感数据，转换传感数据为时钟信号和发送控制时钟Clock；3个脉冲定时调制单元200：根据MEMS传感单元100发出的控制时钟Clock，进行脉宽调制，并进行脉冲延时反馈调节和电平调制信号发送；单相电机单元300：根据脉冲定时调制单元200电平调制信号，获得有序的驱动模式并实现有序转动；脉冲定时调制单元200向MEMS传感单元100反馈数据Data；三相电机单元300向脉冲定时调制单元200反馈反电动势BEMF。

图2为本发明具体电路图，上述方案中，所述的MEMS传感单元100，包括用于时钟输出、数据处理和信号控制的FPGA：设置有MEMS传感器接口；第一模数转换器31：输出端口连接FPGA，接收FPGA控制命令，向FPGA输出数字信号；单MEMS传感器：时钟输入接口连接FPGA的MEMS传感器接口，输出端连接第一模数转换器31的输入端，接收FPGA的时钟序列，向第一模数转换器31发送传感数据。

所述的脉冲定时调制单元200，包括调制脉冲发生器4：输入端连接FPGA的时钟输出端，接收FPGA控制时钟Clock；第一反相器5：输入端连接调制脉冲发生器4的输出端；第一可编程延时器6：输入端连接第一反相器5的输出端；第二反相器24：输入端连接第一可编程延时器6的输出端；第一场效应管Q1：栅极连接第二反相器24的输出端，源极接有电感L1；电感L1一端为1_High；用于消除判决延时的开关电路：与调制脉冲发生器4的输出端连接，与第一可编程延时器6的输出端连接；第二场效应管Q2:栅极连接开关电路，漏极连接第一场效应管Q1的源极；肖特基同步整流二极管D1：正极、负极分别连接第二场效应二极管的源极、漏极；肖特基同步整流二极管D1正极为1_Low。

所述的开关电路，包括截止电路，导通电路，还包括RS触发器31：Q端连接第二场效应管Q2的栅极。

所述的截止电路，包括缓冲寄存器7：输入端连接第一可编程延时器6的输出端ID；第一升值计数器19；时钟端CLK连接缓冲寄存器7的输出端；第一与门8：输入端口连接1_High和编程序列Pro.bit；第一或非门9：输入端口连接有第一与门8的输出端，输出端连接第一升值计数器19的计数端UP；第三反相器12：输入端为预设端Preset；第一或门11：输入端口连接第三反相器12的输出端和缓冲寄存器7的输出端；第二或非门10：输入端口连接有第一或门11的输出端和第一或非门9的输出端，输出端连接到第一或非门的输入端口；第二可编程延时器21：激活计数端A连接第一升值计数器19的计数端-Q，延时端D连接第一可编程延时器的输出端ID；第四反相器28：输入端连接第二可编程延时器21的输出端Y；第三或非门27：输入端口分别连接第四反相器28的输入端和输出端；第二与门25；第二或门26：输入端口连接有第三或非门27的输出端和第二与门25的输出端；第五反相器23：输入端和输出端连接第二与门25的输入端口；第二或门26的输出端连接RS触发器31的R端。

所述的导通电路，包括第二升值计数器20：时钟端CLK连接调制脉冲发生器4的输出端；第三或门13：输入端口连接第三反相器12的输出端和1_High；第四或非门14：输入端口连接有第三或门13的输出端；第五或非门18：输入端口连接有第四或非门14的输出端，输出端连接第二升值计数器20的计数端UP；第三与门17：输入端口连接有缓冲寄存器7的输出端，输出端连接到第五或非门18的输入端口；第四与门16：输入端口设置有监测点Checkpoint，输出端连接到第三与门17的输入端口；基准电源Ref_1：正极接地；比较器15：高电平端连接基准电源Ref_1的负极，输出端连接到第四与门16的输入端口；第三可编程延时器22：激活计数端A连接第二升值计数器20的Q端，延时端D连接第一可编程延时器6的输出端ID；第六反相器30：输入端连接第三可编程延时器22的输出端Y；第五与门29：输入端口连接第六反相器30的输出端和输入端，输出端连接RS触发器31的S端。

所述的三相电机单元300，包括驱动电路PDC：1_H端连接1_High,1_Low连接1_Low；电机MOTOR：接口1连接驱动电路的输出接口OUT1；第二模数转换器32：输入端连接电机MOTOR的接口1，输出端连接比较器15的低电平端。

图3为本发明反电动势替换位置传感器体现电机相位波形图，每个相位比起参考电压的转换延时相位为π/6，提供实施过零检测条件。当反电动势BEMF发生变化时，脉冲定时调制单元200记录时间间隔并重设计数器；当计数器的计时大于或等于被记录的反电动势BEMF时间间隔，将启动相位变化计时，脉冲定时调制单元200将调节输出，以进一步驱动电机转动。

实施例1，

设一被标识的目标，MEMS传感器识别后发出传感数据给FPGA处理，FPGA给下位电路发出命令的同时通过网络接口CI上传可读信息给上位机UPPER，在特定FPGA应用中，上位机还可以对FPGA发出指令；当调制脉冲发生器4收到FPGA发出的命令时，输出反相的调制脉冲给第一可编程延时器6，第一可编程延时器6获得信号预载，输出一个延时的调制信号，通过开关电路后，肖特基同步整流二极管D1总是提前验证信号波形下降沿，以便预先完成高、低电平转换，消除双场效应管Q1，Q2的重叠区间，从而准确发出电平信号给驱动电路PDC，驱动电路PDC获得有序驱动模式，并进一步驱动电机有序转动。

航天应用中，实施例2，

在航天飞机与空间站对接操作中，空间站的对接口作为MEMS传感器特定识别目标，选用MEMS激光传感器，配合一高反射光激光器，通过“识别-转动-反馈-调整-识别……”过程，可较为精准地完成航天飞机与空间站对接。

军事应用中，实施例3，

可配合红外激光器制作自瞄准武器安装座，实施中，选用MEMS红外传感器，自打击武器（如火箭发射器RPG，穿甲机枪）安装在受电机转动控制的底座上，当敌对低空飞行目标或近、中距地面目标出现在MEMS红外传感器探测范围中，上位机发出打击指令给FPGA，电机随目标移动发生转动，实现锁定式持续打击所标记目标。在特定限制区域，可预先设置目标识别特征，则不需要上位机下达命令，只要一出现在MEMS传感器探测范围中，武器立刻打击目标，电机锁定式旋转，使得武器得以持续打击目标。

民事应用中，实施例4，

将舞台灯安装在电机上，可制作舞台主追光灯，实施中，预先标识所需要追光的表演者，表演者得以持续获得追光，不需人为控制主追光灯。

本发明有益效果：电机应变速度快，实施应用范围广，可智能地独立工作，可耐受极端环境且可靠性高。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于单MEMS传感器的三相驱动电路结构，其特征在于，包括依次连接的

MEMS传感单元（100）：获取目标传感数据，转换传感数据为时钟信号和发送控制时钟Clock；

3个脉冲定时调制单元（200）：根据MEMS传感单元（100）发出的控制时钟Clock，进行脉宽调制，并进行脉冲延时反馈调节和电平调制信号发送；

单相电机单元（300）：根据脉冲定时调制单元（200）电平调制信号，获得有序的驱动模式并实现有序转动；

脉冲定时调制单元（200）向MEMS传感单元（100）反馈数据Data；三相电机单元（300）向脉冲定时调制单元（200）反馈反电动势BEMF。

2.根据权利要求1所述的一种基于单MEMS传感器的三相驱动电路结构，其特征在于，所述的MEMS传感单元（100），包括

用于时钟输出、数据处理和信号控制的FPGA：设置有MEMS传感器接口；

第一模数转换器（31）：输出端口连接FPGA，接收FPGA控制命令，向FPGA输出数字信号；

单MEMS传感器：时钟输入接口连接FPGA的MEMS传感器接口，输出端连接第一模数转换器（31）的输入端，接收FPGA的时钟序列，向第一模数转换器（31）发送传感数据。

3.根据权利要求1所述的一种基于单MEMS传感器的三相驱动电路结构，其特征在于，所述的脉冲定时调制单元（200），包括

调制脉冲发生器（4）：输入端连接FPGA的时钟输出端，接收FPGA控制时钟Clock；

第一反相器（5）：输入端连接调制脉冲发生器（4）的输出端；

第一可编程延时器（6）：输入端连接第一反相器（5）的输出端；

第二反相器（24）：输入端连接第一可编程延时器（6）的输出端；

第一场效应管Q1：栅极连接第二反相器（24）的输出端，源极接有电感L1；

电感L1一端为1_High；

用于消除判决延时的开关电路：与调制脉冲发生器（4）的输出端连接，与第一可编程延时器（6）的输出端连接；

第二场效应管Q2:栅极连接开关电路，漏极连接第一场效应管Q1的源极；

肖特基同步整流二极管D1：正极、负极分别连接第二场效应二极管的源极、漏极；

肖特基同步整流二极管D1正极为1_Low。

4.根据权利要求3所述的一种基于单MEMS传感器的三相驱动电路结构，其特征在于，所述的开关电路，包括截止电路，导通电路，还包括RS触发器（31）：Q端连接第二场效应管Q2的栅极。

5.根据权利要求3或4所述的一种基于单MEMS传感器的三相驱动电路结构，其特征在于，所述的截止电路，包括

缓冲寄存器（7）：输入端连接第一可编程延时器（6）的输出端ID；

第一升值计数器（19）；时钟端CLK连接缓冲寄存器（7）的输出端；

第一与门（8）：输入端口连接1_High和编程序列Pro.bit；

第一或非门（9）：输入端口连接有第一与门（8）的输出端，输出端连接第一升值计数器（19）的计数端UP；

第三反相器（12）：输入端为预设端Preset；

第一或门(11)：输入端口连接第三反相器（12）的输出端和缓冲寄存器（7）的输出端；

第二或非门（10）：输入端口连接有第一或门（11）的输出端和第一或非门（9）的输出端，输出端连接到第一或非门的输入端口；

第二可编程延时器（21）：激活计数端A连接第一升值计数器（19）的计数端-Q，延时端D连接第一可编程延时器的输出端ID；

第四反相器（28）：输入端连接第二可编程延时器（21）的输出端Y；

第三或非门（27）：输入端口分别连接第四反相器（28）的输入端和输出端；

第二与门（25）；

第二或门（26）：输入端口连接有第三或非门（27）的输出端和第二与门（25）的输出端；

第五反相器（23）：输入端和输出端连接第二与门（25）的输入端口；

第二或门（26）的输出端连接RS触发器（31）的R端。

6.根据权利要求3或4所述的一种基于单MEMS传感器的三相驱动电路结构，其特征在于，所述的导通电路，包括

第二升值计数器（20）：时钟端CLK连接调制脉冲发生器（4）的输出端；

第三或门（13）：输入端口连接第三反相器（12）的输出端和1_High；

第四或非门（14）：输入端口连接有第三或门（13）的输出端；

第五或非门（18）：输入端口连接有第四或非门（14）的输出端，输出端连接第二升值计数器（20）的计数端UP；

第三与门（17）：输入端口连接有缓冲寄存器（7）的输出端，输出端连接到第五或非门（18）的输入端口；

第四与门（16）：输入端口设置有监测点Checkpoint，输出端连接到第三与门（17）的输入端口；

基准电源Ref_1：正极接地；

比较器（15）：高电平端连接基准电源Ref_1的负极，输出端连接到第四与门（16）的输入端口；

第三可编程延时器（22）：激活计数端A连接第二升值计数器（20）的Q端，延时端D连接第一可编程延时器（6）的输出端ID；

第六反相器（30）：输入端连接第三可编程延时器（22）的输出端Y；

第五与门（29）：输入端口连接第六反相器（30）的输出端和输入端，输出端连接RS触发器（31）的S端。

7.根据权利要求1所述的一种基于单MEMS传感器的三相驱动电路结构，其特征在于，所述的三相电机单元（300），包括

驱动电路PDC：1_H端连接1_High,1_Low连接1_Low；

电机MOTOR：接口1连接驱动电路的输出接口OUT1；

第二模数转换器（32）：输入端连接电机MOTOR的接口1，输出端连接比较器（15）的低电平端。