CN105186945A - 一种无刷直流电机无位置传感器驱动芯片及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无刷直流电机无位置传感器驱动芯片及系统，属于电机控制领域，芯片包括：时钟及电压产生电路；模数转换电路，用于检测获得模拟信号并转换为数字信号；过零检测单元，用于检测电机非导通相的端电压以获取反电动势过零点，获取电机转子位置及当前转速；数字处理单元，用于按一定次序和周期依次向电机各相线圈施加驱动电压；及依据方波调制算法输出PWM信号；栅极驱动电路，用于将PWM信号转换为与高压驱动信号；保护电路，用于检测芯片和电机的异常状态，并异常时阻断高压驱动信号。系统包括：检测单元、功率管及电机驱动芯片。本发明节省了位置传感器；将电机控制与驱动芯片集成在一起，且针对芯片进行及时、可靠地实施保护。

Description

一种无刷直流电机无位置传感器驱动芯片及系统

技术领域

本发明涉及一种无刷直流电机无位置传感器驱动芯片及系统，属于电机控制的技术领域。

背景技术

无刷电动机利用电子换向替代了机械换向，克服了传统直流电机由于电刷摩擦而产生的一系列问题，并且具有调速性能好、体积小、效率高等优点，因而广泛应用于国民经济生产的各个领域以及人们的日常生活中。

随着控制理论、材料科学、微电子技术等的发展，电机控制日趋复杂和智能化，应用也越来越广泛。首先，位置传感器带来的安装空间、安装误差、可靠性等问题限制了有位置传感器芯片及方案在诸如抽油烟机等领域的应用。其次，当前的系统应用中电机控制与驱动通常是分离的，这增加了应用难度和系统成本，同时也不利于在异常状态出现时及时、可靠地实施保护。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种无刷直流电机无位置传感器驱动芯片及系统，解决现有的无刷直流电机因位置传感器带来的安装空间、安装误差、可靠性等问题，及控制与驱动通常是分离和不利于实施保护的问题。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种无刷直流电机无位置传感器驱动芯片，包括：

时钟及电压产生电路，用于产生芯片的系统时钟及供电电压；

模数转换电路，用于检测获得电机控制参数、状态参数的模拟信号并将其转换为数字信号；

过零检测单元，用于检测电机非导通相的端电压以获取该相的反电动势过零点，进而获取电机转子位置及当前转速；

数字处理单元，用于在检测到电机转子位置前，按设置的次序和周期依次向电机各相线圈施加驱动电压；及在检测到电机转子位置后，将所述电机转子位置及当前转速、及获得的电机控制参数与状态参数依据方波调制算法输出电机各相线圈PWM信号；

栅极驱动电路，用于通过自举电路将所述电机各相线圈PWM信号转换为与功率器件相适应的高压驱动信号；

保护电路，用于检测芯片和电机的异常状态，并在出现异常时阻断所述高压驱动信号。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述芯片的所有电路及单元均集成于同一衬底上。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述模数转换电路获取的电机状态参数包括母线电流的取样电压和各相端电压。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述芯片具有开环调速和闭环调速模式。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述芯片采用开环调速模式时，所述电机控制参数包括与施加于电机各相线圈PWM信号的占空比成比例关系的模拟电压。所述芯片采用闭环调速模式时，所述电机控制参数包括与设定的电机目标转速成比例关系的模拟电压。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述数字处理单元包括闭环调速单元，用于根据设定的电机目标转速和所述过零检测单元获得的当前转速，调节电机各相PWM信号的占空比以使电机转速逐渐达到目标转速。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述数字处理单元包括：

三角载波产生电路，用于产生固定频率的三角载波；

占空比控制单元，用于根据所述电机控制参数生成电机各相PWM信号占空比的控制信号；

PWM生成单元，用于利用所述三角载波对所述电机各相PWM信号占空比的控制信号进行调制后，根据电机转子位置生成电机各相PWM信号。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述数字处理单元还包括相位调整单元，用于调整电机各相PWM信号的相位。

本发明还提供一种无刷直流电机无位置传感器驱动系统，包括检测单元、功率管，以及上述权利要求1-8任一项所述的电机驱动芯片；其中，所述检测单元，用于检测电机控制参数及状态参数；所述电机驱动芯片，用于获得电机控制参数及状态参数，并结合获得的电机转子位置及当前转速通过功率管向无刷直流电机的各相线圈施加PWM信号。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述电机驱动芯片获取的电机状态参数包括电机母线电流和各相端电压。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明所提供的无刷直流电机无位置传感器驱动芯片及系统，通过反电动势过零检测获取电机转子位置，节省了对温度等环境因素敏感的位置传感器，降低了成本，提高了可靠性；将无位置传感器无刷直流电机控制与驱动芯片集成在一起，大大提高了芯片集成度，降低了系统应用的难度和成本，提高了应用的灵活性，同时各种异常保护机制可以直接作用于栅极驱动电路，能够更加及时、可靠地实施保护。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中一种典型无刷直流电机驱动系统的模块示意图。

图2为本发明实施例提供的一种无刷直流电机无位置传感器驱动芯片的模块示意图。

图3为本发明实施例提供的反电动势过零检测实现电路图。

图4（a）为本发明实施例提供的一种数字处理单元的框图；及图4（b）为PWM信号产生的示意图。

图5为本发明实施例提供的栅极驱动电路的应用示意图。

图6为本发明实施例提供的一种无刷直流电机无位置传感器驱动系统的模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，现有的无刷电机控制系统，通常包含电机控制芯片、栅极驱动芯片、功率器件以及位置传感器。从可靠性、应用难度、散热、PCB空间等方面综合考虑，通常希望系统集成度越高越好。在小功率（比例200W以下）电机控制方面，通常将图1所示的栅极驱动芯片、功率器件及二极管等部分外围元器件封装成一颗芯片，即所谓的智能功率模块（IPM）。以三相无刷直流电机为例，一个IPM通常包含了3颗栅极驱动芯片、6个功率器件及若干二极管等10多颗芯片和元器件。如此多的芯片和元器件封装在一起，封装的难度、成本等陡然增加，良率下降，同时散热问题限制了其适用的功率范围，一般只适用于小功率电机应用。

本发明提出将电机控制芯片与栅极驱动集成一起，成为集成驱动芯片,并且通过反电动势过零检测获取电机转子位置，可节省位置传感器。首先，避免了位置传感器因对温度敏感带来的可靠性问题，同时降低了成本及对电机空间的要求；其次，集成驱动芯片的应用更加灵活多样：a）可以与不同的功率器件配套，以适用于不同功率范围的应用，b）可以与功率器件封装在一起，与IPM相比，元器件数目减少了，功能却增加了，集成度大大提高；再次，电机控制与驱动集成在一起，除集成度提高外，电机的过流、过温等异常保护可以更加及时、智能。

本发明实施例实施一提供了一种无刷直流电机无位置传感器驱动芯片，其系统框图如图2所示，所述芯片包括保护电路110、时钟及电压产生电路120、模数转换电路130、数字处理单元140、栅极驱动电路150和过零检测单元160。所述芯片的所有电路及单元均集成于同一衬底上。

时钟及电压产生电路120产生芯片的系统时钟和供电电压。模数转换电路130是主要的接口电路，将电机控制参数、电机状态参数等多通道模拟信号转换为数字信号，以便于采用数字处理方法来完成电机控制的基本功能和高级算法，优选地，所述模数转换电路130获取的电机状态参数包括母线电流的取样电压和各相端电压等参数。过零检测单元160检测电机非导通相的端电压以获取反电动势过零点，进而获取电机转子位置。反电动势过零点与换相时刻存在直接对应关系，因此可以用于各相PWM的换相。

为方便进一步的理解，以三相无刷直流电机为例，本发明实施例提供了过零检测单元160的一种电路实现方式，如图3所示。通过电阻分压及低通滤波后检测电机各相端电压的过零点，低通滤波主要是滤除载波干扰。

数字处理单元140是芯片的核心部分，主要处理模数转换电路130和过零检测单元160获取的数字信号，其在检测到电机转子位置前，按一定次序和周期依次向电机各相线圈施加驱动电压；及在检测到电机转子位置后，根据所述电机转子位置、所述电机控制参数和状态参数依据方波调制算法输出电机各相线圈PWM信号。

为方便进一步的理解，本发明实施例提供了数字处理单元140的一种模块示意图，如图4（a）所示，数字处理单元140包括：

三角载波产生电路220，用于产生固定频率的三角载波；

占空比控制单元230，根据所述电机控制参数生成电机各相PWM信号占空比的控制信号。占空比控制信号的生成方式与电机控制模式有关，具体为：

采用开环调速模式时，占空比控制信号由电机控制参数经模数转换电路转换后直接获得；采用闭环调速模式时，占空比控制信号根据电机控制参数所代表的目标转速与当前转速之差通过调节算法获得；所述调节算法可以为比例、积分、微分（PID）方法中的部分或全部。

PWM生成单元240，利用所述三角波对所述占空比控制信号进行调制后，根据所述电机转子的位置生成电机各相PWM信号。占空比控制、三角载波及PWM信号如图4（b）所示。

因此，使得芯片具备两种模式。所述芯片采用开环调速模式时，所述电机控制参数包括与施加于电机各相线圈PWM信号的占空比成比例关系的模拟电压。所述芯片采用闭环调速模式时，所述电机控制参数包括与设定的电机目标转速成比例关系的模拟电压。

更进一步地，所述数字处理单元还包括相位调整单元，用于调整电机各相PWM信号的相位。所需的相位调整参数可以直接或间接由所述电机控制参数获取。

以及，所述数字处理单元还可以包括闭环调速单元，用于根据设定的电机目标转速和所述过零检测单元获得的当前转速，调节电机各相PWM信号的占空比以使电机转速逐渐达到目标转速。

栅极驱动电路150是芯片的驱动部分。如图5所示，数字处理单元140输出的PWM信号并不能直接驱动高侧功率管。通常采用自举电路提高高侧功率管栅极控制信号的电平，以保证高侧功率管的顺利导通并使其导通电阻尽可能小。为防止高、低侧功率管穿通，在同一相高、低侧功率管的PWM信号间插入死区。图5中，自举电容CB成为高侧功率管的源极基准电源，供给其栅极。为防止因CB因显著放电而影响高侧功率管的开启和导通，需要每隔一段时间对CB进行充电；充电路径如图5中虚线所示。

系统中的保护电路110，则用于检测芯片和电机的异常状态并在出现异常时阻断各相的高压驱动信号。所述异常可以包括过温、过流、欠压、过压等的一项或多项。

本发明实施例实施二提供了一种无刷电机驱动系统，如图6所示，包括电机驱动芯片410、检测单元420、功率管430和无刷直流电机440。

电机驱动芯片410包括上述的一种无刷电机无位置传感器驱动芯片；其中，所述检测单元420用于检测电机控制参数及状态参数；所述电机驱动芯片410，用于获得电机控制参数及状态参数，并结合获得的电机转子位置及当前转速通过功率管430向无刷直流电机440的各相线圈施加PWM信号。

无刷直流电机440具体有定子和转子两部分组成，定子绕组可以是单相、双相或三相等，转子则由永磁体按一定的极对数组成。

优选地，系统中所述电机驱动芯片410所获取的电机状态参数包括电机母线电流和各相端电压等参数。

综上，本发明提供的无刷直流电机无位置传感器驱动芯片及系统，通过反电动势过零检测获取电机转子位置，节省了位置传感器；将无位置传感器无刷直流电机控制与驱动芯片集成在一起，大大提高了芯片集成度和应用的灵活性，同时各种异常保护机制可以直接作用于栅极驱动电路，能够更加及时、可靠地实施保护。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件来实现，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明实施例的范围。具体地，所述运算和控制部分都可以通络逻辑硬件实现，其可以是使用集成电路工艺制造出来的逻辑集成电路，本实施例对此不作限定。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无刷直流电机无位置传感器驱动芯片，其特征在于，包括：

时钟及电压产生电路，用于产生芯片的系统时钟及供电电压；

模数转换电路，用于检测获得电机控制参数、状态参数的模拟信号并将其转换为数字信号；

过零检测单元，用于检测电机非导通相的端电压以获取该相的反电动势过零点，进而获取电机转子位置及当前转速；

数字处理单元，用于在检测到电机转子位置前，按设置的次序和周期依次向电机各相线圈施加驱动电压；及在检测到电机转子位置后，将所述电机转子位置及当前转速、及获得的电机控制参数与状态参数依据方波调制算法输出电机各相线圈PWM信号；

栅极驱动电路，用于通过自举电路将所述电机各相线圈PWM信号转换为与功率器件相适应的高压驱动信号；

保护电路，用于检测芯片和电机的异常状态，并在出现异常时阻断所述高压驱动信号。

2.根据权利要求1所述无刷直流电机无位置传感器驱动芯片，其特征在于，所述芯片的所有电路及单元均集成于同一衬底上。

3.根据权利要求1所述无刷直流电机无位置传感器驱动芯片，其特征在于，所述模数转换电路获取的电机状态参数包括母线电流的取样电压和各相端电压。

4.根据权利要求1所述无刷直流电机无位置传感器驱动芯片，其特征在于，所述芯片具有开环调速和闭环调速模式。

5.根据权利要求1所述无刷直流电机无位置传感器驱动芯片，其特征在于，所述芯片采用开环调速模式时，所述电机控制参数包括与施加于电机各相线圈PWM信号的占空比成比例关系的模拟电压；所述芯片采用闭环调速模式时，所述电机控制参数包括与设定的电机目标转速成比例关系的模拟电压。

6.根据权利要求1所述无刷直流电机无位置传感器驱动芯片，其特征在于，所述数字处理单元包括闭环调速单元，用于根据设定的电机目标转速和所述过零检测单元获得的当前转速，调节电机各相PWM信号的占空比以使电机转速逐渐达到目标转速。

7.根据权利要求1所述无刷直流电机无位置传感器驱动芯片，其特征在于，所述数字处理单元包括：

三角载波产生电路，用于产生固定频率的三角载波；

占空比控制单元，用于根据所述电机控制参数生成电机各相PWM信号占空比的控制信号；

PWM生成单元，用于利用所述三角载波对所述电机各相PWM信号占空比的控制信号进行调制后，根据电机转子位置生成电机各相PWM信号。

8.根据权利要求1所述无刷直流电机无位置传感器驱动芯片，其特征在于，所述数字处理单元还包括相位调整单元，用于调整电机各相PWM信号的相位。

9.一种无刷直流电机无位置传感器驱动系统，其特征在于，包括检测单元、功率管，以及上述权利要求1-8任一项所述的电机驱动芯片；其中，所述检测单元，用于检测电机控制参数及状态参数；所述电机驱动芯片，用于获得电机控制参数及状态参数，并结合获得的电机转子位置及当前转速通过功率管向无刷直流电机的各相线圈施加PWM信号。

10.根据权利要求9所述无刷直流电机无位置传感器驱动系统，其特征在于，所述电机驱动芯片所获取的电机状态参数包括电机母线电流和各相端电压。