CN106301096A - 用于单相无刷直流风扇电机的正反转驱动控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明关于一种用于单相无刷直流风扇电机的正反转驱动控制电路包括有反转启动电路，正反转控制时钟，正反转切换开关电路，正反转指令判定电路，功率驱动电路，换方向软切换电路，选通电路以及逻辑控制电路。此驱动控制电路实现了单相无刷直流风扇电机正反方向双方向自由运转，规避了设备和仪器长时间工作后某些固定位置灰尘的积累，实现了电子设备和仪器的自动清洁。同时相较于传统的三相无传感器型无刷直流风扇电机正反转控制方案成本更低。
Description
技术领域
本发明涉及一种正反转驱动控制电路，特别是涉及一种用于单相无刷直流风扇电机的正反转驱动控制电路。
背景技术
无刷直流电机目前已经被广泛应用于各种电子设备的散热风扇电机中。正常情况下，只要控制风扇电机正向转动达到一定的转速便能达到散热效果。但是一旦电机长时间固定正方向运转后，会在电子设备和仪器的某些角落积累大量灰尘。例如在台式电脑中，通常会有采用三相直流无刷散热电风扇或单相直流无刷散热电风扇。
以三相直流无刷散热电风扇为例，图8给出采用无传感器型的三相无刷直流风扇电机70的结构示意图，其结构上是全对称的，且硅钢片71也是对称结构，无论该三相无刷直流风扇电机70正方向还是反方向，其启动力矩都是相等，因此能通过强制带动的方式实现正反转两个方向的正常转动。
图9是该三相无刷直流风扇电机70的正反转驱动控制电路，该正反转驱动控制电路包含一三相无传感器型逻辑电路72、一无传感器检测模块73与一半桥电路单元74，如图9所示，该半桥电路单元74具有三对半桥电路，每一对半桥电路是由两个金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)(或者双极性结型晶体管(Bipolar Junction Transistor,BJT)以及两个二极管所组成，半桥电路单元74中的六个金氧半场效晶体管都受该三相无传感器型逻辑电路72控制，每一对半桥电路分别构成驱动相U、V和W，用于驱动三相无刷直流风扇电机70。三相无传感器型逻辑电路72主要由端子DR输入的信号DR、端子ST输入的信号ST、端子PWM输入的信号PWM以及无传感器检测模块控制，其中信号PWM(PulseWidth Modulation)为脉宽调制信号。信号DR以逻辑高低模式控制电机的转动方向；信号ST控制三相无传感器型无刷直流风扇电机的正反转启动；信号PWM通过变占空比控制风扇电机转动速度；无传感器检测模块73检测电机的反向电动势过零等信号，并提供电机换相信号。图10给出了驱动相U、V和W的换相逻辑。一个驱动周期由三相六步构成：信号DR为逻辑高电平(H)时，三个驱动相U、V和W按照UV→UW→VW→VU→WU→WV周期性换相驱动；信号DR为逻辑低电平(L)时，三个驱动相U、V和W按照UW→UV→WV→WU→VU→VW周期性换相驱动。
前述中，由于三相无刷直流风扇电机70在结构上是全对称的，无论正方向还是反方向启动能力都是一样的，且都通过强制带动的方式实现正反转两个方向的启动，因此驱动散热风扇电机既能正转又能控制其反转，使其在正转与反转时具有自动除尘功能。
至于单相直流无刷散热风扇，图11给出了既有的单相无刷直流风扇电机90结构示意图，其硅钢片91为有利于单相直流无刷风扇电机转子产生正向推力，将硅钢片中每一极柱(pole)的两侧设计成非对称结构，确保电机正转启动有足够大的转力，克服静摩擦力正向转动。然而，由于单相无刷直流风扇电机90的结构不对称，静摩擦阻力阻止单相风扇电机无法实现反转启动及反向转动，如果采用单相无刷直流风扇电机90的风扇都只能沿某一固定方向运转，长时间后必会在机箱的某些固定位置积累大量灰尘，降低散热能力。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种用于单相无刷直流风扇电机的正反转驱动控制电路，通过此驱动控制电路可以让单相无刷直流风扇电机方便的正反方向自由运转，规避了设备和仪器长时间工作后某些固定位置灰尘的积累，实现了电子设备和仪器的自动清洁。
为达成前述目的，本发明揭露一种用于单相无刷直流风扇电机的正反转驱动控制电路，所述正反转驱动控制电路包含：
一指令判定电路，根据一正反转指令判定所述单相无刷直流风扇电机正反转，并输出一判定结果；
一控制时钟与一启动电路，分别电连接所述指令判定电路，且根据所述判定结果，所述控制时钟与所述启动电路共同产生至少一控制信号；
一正反转切换开关电路，接收所述至少一控制信号与至少一第一位置传感器信号，并根据所述至少一控制信号以处理所述至少一第一位置传感器信号，进而输出至少一第二位置传感器信号；
一逻辑控制电路，接收所述至少一控制信号与所述至少一第二位置传感器信号；
一选通电路，通过所述逻辑控制电路控制所述选通电路，以将一换方向软切换电路与一PWM信号处理后输出至所述逻辑控制电路；及
一功率驱动电路，通过所述逻辑控制电路控制所述功率驱动电路，以通过至少一输出端子驱动所述单相无刷直流风扇电机运转。
如前所述指令判定电路为一正反转指令判定电路，所述控制时钟为一正反转控制时钟，所述启动电路为一反转启动电路，该正反转指令判定电路的输出端子电连接该反转启动电路和所述正反转控制时钟；所述反转启动电路在所述单相无刷直流风扇电机反转启动及运转时，会带动所述单相无刷直流风扇电机先正向运转一定角度或者正向运转一定时间，再切回反转转动；所述正反转控制时钟的两个输入端子电连接所述反转启动电路的输出端子和所述正反转指令判定电路的输出端子，其输出端子电连接所述正反转切换开关电路的输入端子和所述逻辑控制电路的输入端子；所述正反转切换开关电路的输入端子电连接至少一第一位置传感器信号以及所述正反转控制时钟的输出端子；所述逻辑控制电路的输入端子电连接所述正反转切换开关电路的输出端子。
如前所述功率驱动电路为一线性放大器，将所述正反转切换开关电路和所述逻辑控制电路处理后的所述至少一第二传感器信号的差值线性放大直接驱动所述单相无刷直流风扇电机。
如前所述功率驱动电路为一驱动开关，通过所述正反转切换开关电路和所述逻辑控制电路对所述至少一第二传感器信号处理后，产生开关控制信号，直接驱动其四个开关，再通过所述四个开关直接驱动驱动所述单相无刷直流风扇电机。
如前所述正反转指令是直接在正反转指令控制端子施加逻辑高低电平信号，通过所述逻辑高低电平信号的时间长短控制正反转时间。
如前所述正反转指令是在正反转指令控制端子外接电容，通过所述电容容值控制反转时间。
如前所述正反转指令是在正反转指令控制端子外接电阻，通过所述电阻阻值控制反转时间。
如前所述正反转指令是在正反转指令控制端子通过多个电阻对参考电压分压以控制反转或正转时间长短，所述参考电压可以是基准电压或者电路电源电压。
如前所述正反转切换开关电路为由四个相同的开关组成，且四个相同的所述开关为N型场效应管或N型场效应管和P型场效应管所构成。
如前所述换方向软切换电路在换方向软切换时间范围内可以采用驱动占空比渐变或定占空比模式控制其输出端子驱动占空比，以抑制电机转动方向切换时产生的尖峰电流。
当前各种电子设备的单相无刷直流风扇电机，硅钢片结构是有利于单相直流无刷风扇电机转子产生正向转动推力，确保风扇电机正向启动有足够大推力，克服静摩擦力正向转动，因此正向转动时能够正常启动；但当单相无刷直流风扇电机反转启动时，由于单相风扇电机结构上的不对称，尤其是硅钢片结构的不对称性，导致单相无刷直流风扇电机无法实现反转启动及反向转动。因此本发明的有益效果是：解决了传统的带传感器的单相无刷直流风扇电机不能正常反转启动及运转的技术问题，实现了单相无刷直流风扇电机正反方向双方向自由运转，规避了设备和仪器长时间工作后某些固定位置灰尘的积累，实现了电子设备和仪器的自动清洁。同时相较于传统的三相无传感器型无刷直流风扇电机正反转控制方案成本更低。另外当无刷直流风扇电机正反转切换驱动控制时，为避免切换瞬间电机上出现大电流，提高电机正反转工作的可靠性，本发明提出了换方向软切换电路。电机正转切换成反转或者反转切换为正转时，以驱动占空比渐变或者定占空比模式驱动，可以有效抑制切换瞬间驱动电流过大现象发生，使正反转切换过程保持平顺。
附图说明
图1是本发明提出的单相无刷直流风扇电机正反转控制电路；
图2是本发明涉及的线性放大型功率驱动电路；
图3是本发明涉及的开关型功率驱动电路；
图4a-4d是本发明的正反转控制指令实现方式；
图5是本发明的正反转切换开关电路实现方式；
图6是本发明电路上电或者重启时为正转指令控制时序简图；
图7是本发明电路上电或者重启时为反转指令控制时序简图；
图8是用于正反转三相无传感器型无刷直流风扇电机结构示意图；
图9是传统的实现无刷直流风扇电机正反转的控制电路；
图10是传统的三相无传感器型无刷直流风扇电机正反转控制换相逻辑；
图11是单相无刷直流风扇电机结构示意图。
具体实施方式
以下配合图式及本发明的较佳实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。
图1是本发明提出的单相无刷直流风扇电机的正反转驱动控制电路1，正反转驱动控制电路1包括换方向软切换电路20、选通电路21、切换开关电路11、逻辑控制电路22、功率驱动电路30、启动电路40、指令判定电路50、控制时钟60以及单相无刷直流风扇电机80。其中启动电路40包括了正转角度检测单元41和正转时间检测单元42。正反转指令控制端子DR提供正反转指令；第一位置传感器信号H1+和H1-是位置传感器提供的单相无刷直流风扇电机转子位置信息；端子OUT1和OUT2是输出驱动端子。
在本发明的实施例中，切换开关电路11较佳为正反转切换开关电路，启动电路40较佳为反转启动电路，指令判定电路50较佳为正反转指令判定电路，控制时钟60较佳为正反转控制时钟，但在此并不局限。启动电路40产生一反转启动信号，确保单相无刷直流风扇电机在反转模式能正常启动运转；进一步来说，在本发明的较佳实施例中，单相无刷直流风扇电机反转启动及运转时，通过反转启动电路带动单相无刷直流风扇电机先正向运转一定角度或者正向运转一定时间，再切回反转转动。指令判定电路50用于接收正反转指令并判定是正转还是反转。指令判定电路50的输入端子电连接端子DR，其输出端子电连接启动电路40和控制时钟60。指令判定电路50根据端子DR所接收的正反转指令判定风扇电机正转还是反转，以输出一判定结果，并将判定结果提供给控制时钟60以及启动电路40。控制时钟60的两个输入端子电连接启动电路40的输出端子和指令判定电路50的输出端子，控制时钟60的输出端子电连接正反转切换开关电路11的输入端子和逻辑控制电路22的输入端子。控制时钟60和启动电路40根据指令判定电路50的判定结果共同处理会产生至少一控制信号。在此实施例中，控制信号为两个正反转时钟控制信号clk1和clk1_。反转切换开关电路11的两个输入端子输入信号clk1和clk1_，也将信号clk1和clk1_提供给逻辑控制电路22。
切换开关电路11根据正反转控制时钟信号切换风扇电机位置传感器信号；换方向软切换电路20在转动方向切换时产生控制信号降低换向尖峰电流和换向噪声。当风扇电机转动时，启动正反转切换，由于电机电感效应，会出现换相尖峰大电流。因此为避免切换瞬间电机上出现过大电流烧毁电机，本发明设计有换方向软切换电路20：电机正转切换成反转或者反转切换为正转时，设置一定时间以驱动占空比渐变或者固定占空比模式驱动，可以有效抑制切换瞬间驱动电流过大现象发生，使整个切换过程平顺。正反转切换开关电路11的输入端子电连接至少一第一位置传感器信号以及正反转控制时钟输出端子。在此实施例中，第一位置传感器信号为两个第一位置传感器信号H1+和H1-。切换开关电路11根据正反转时钟控制信号clk1和clk1_处理第一位置传感器信号H1+和H1-，将至少一第二位置传感器信号处理后传递给逻辑控制电路22和启动电路40。在此实施例中，第二位置传感器信号为两个第二位置传感器信号H2+、H2-。逻辑控制电路22根据控制时钟60提供的正反转时钟控制信号clk1、clk1_以及切换开关电路11处理结果控制功率驱动电路30和选通电路21。选通电路21会将换方向软切换电路20和PWM信号处理后提供给逻辑控制电路22。换方向软切换电路20在转动方向切换时产生控制信号降低换向尖峰电流和换向噪声。功率驱动电路30通过两个输出端子OUT1、OUT2驱动单相无刷直流风扇电机80运转。
图2是图1中的功率驱动电路30的等效电路图。功率驱动电路作为线性功率放大器301，它将切换开关电路11和逻辑控制电路22处理后的第二传感器信号H2+和H2-用线性功率放大器301放大后直接驱动单相无刷直流风扇电机80。
图3是图1中的功率驱动电路30的另一等效电路图。功率驱动电路作为驱动开关302，其包含有开关3021，3023，3022，3024。逻辑控制电路22对传感器提供的单相无刷直流风扇电机转子的位置传感器信号进行处理后，产生cp1、cp2、cn1以及cn2四个开关控制信号，直接控制上下两端的四个开关3021，3023，3022，3024开启、关断。
端子DR可以通过四种模式控制电机的正反转：图4a是端子DR控制正反转切换所加的控制信号，在端子DR上直接施加逻辑高低电平信号501，在任意时刻分别通过高电平或者低电平控制电机正方向或者反方向转动；图4b是在端子DR外接电容(C1)502，在电路每次上电或者风扇电机重启时通过电容(C1)大小控制反转或者正转时间长短；图4c是在端子DR外接电阻(R1)503，在电路每次上电或者风扇电机重启时通过电阻(R1)阻值大小控制反转或者正转时间长短；图4d是在端子DR通过电阻(R2)和(R3)504对电压Vref分压控制反转或者正转时间长短，电压Vref可以是基准电压或者电路电源电压。
图5是切换开关电路11的示意图，在此实施例中，切换开关电路11为正反转切换开关电路，其包含四个开关111。四个开关111可采用N型场效应管实现或采用N型场效应管和P型场效应管实现。第一位置传感器信号H1+、H1-、正反转时钟控制信号clk1及clk1_电连接切换开关电路11的输入端子，正反转切换开关电路11输出第二位置传感器信号H2+、H2-电连接逻辑控制电路(未图示)。在正反转时钟控制信号clk1和clk1_控制下，正反转切换开关电路11将第一位置传感器信号H1+和H1-处理后传递第二位置传感器信号H2+和H2-。
图6给出本发明上电或者风扇电机重启时为正转指令控制时序简图。图6中电路上电或者风扇电机重启后，指令判定电路50会根据端子DR电位信息控制电机是正转还是反转。图6中端子DR首先给出的是高电平信号，在此实施例中高电平信号为正转指令，反之，低电平信号为反转指令；位置传感器提供的第一位置传感器信号H1+和H1-经过控制时钟60处理后提供给逻辑控制电路22运算处理，然后再传递给功率驱动电路30，从而通过端子OUT1(OUT2)或OUT2(OUT1)驱动单相无刷直流风扇电机80正转或者反转。在每次转动方向控制指令改变时，换方向软切换电路20会在设定的时间范围t1内以驱动占空比渐变或者定占空比模式控制端子OUT1(OUT2)或者OUT2(OUT1)驱动占空比，抑制电机转动方向切换时产生尖峰电流。
图7给出本发明的上电或者风扇电机重启时为反转指令控制时序图。图7中上电或者风扇电机重启后，指令判定电路50会根据端子DR电位信息控制电机是正转还是反转。图7中端子DR首先给出低电平信号，在此实施例中低电平信号为反转指令，而高电平信号为正转指令，因此反转启动电路40工作，为便于启动其首先产生正转控制信号，让风扇电机正向转动克服静摩擦力，一旦正向转动一定时间或者角度后，迅速切回反转模式，正转带动的时间t2可通过正转角度检测单元41或者正转时间检测单元42电路确定；位置传感器提供的第一位置传感器信号H1+和H1-经过控制时钟60处理后提供给逻辑控制电路22运算处理，然后再传递给功率驱动电路30，从而通过端子OUT1(OUT2)和OUT2(OUT1)驱动单相无刷直流风扇电机80正转或者反转。在每次转动方向控制指令改变时，换方向软切换电路20会在设定的时间范围内以驱动占空比渐变或者定占空比模式控制OUT1(OUT2)或者OUT2(OUT1)端子驱动占空比，抑制电机转动方向切换时产生尖峰电流。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，本领域的一般技术人员在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种用于单相无刷直流风扇电机的正反转驱动控制电路，其特征在于，所述正反转驱动控制电路包含：
一指令判定电路，根据一正反转指令判定所述单相无刷直流风扇电机正反转，并输出一判定结果；
一控制时钟与一启动电路，分别电连接所述指令判定电路，且根据所述判定结果，所述控制时钟与所述启动电路共同产生至少一控制信号；
一正反转切换开关电路，接收所述至少一控制信号与至少一第一位置传感器信号，并根据所述至少一控制信号以处理所述至少一第一位置传感器信号，进而输出至少一第二位置传感器信号；
一逻辑控制电路，接收所述至少一控制信号与所述至少一第二位置传感器信号；
一选通电路，通过所述逻辑控制电路控制所述选通电路，以将一换方向软切换电路与一PWM信号处理后输出至所述逻辑控制电路；及
一功率驱动电路，通过所述逻辑控制电路控制所述功率驱动电路，以通过至少一输出端子驱动所述单相无刷直流风扇电机运转。
2.根据权利要求1所述的用于单相无刷直流风扇电机的正反转驱动控制电路，其特征在于：
所述指令判定电路为一正反转指令判定电路，所述控制时钟为一正反转控制时钟，所述启动电路为一反转启动电路，所述正反转指令判定电路的输出端子电连接所述反转启动电路和所述正反转控制时钟；
所述反转启动电路在所述单相无刷直流风扇电机反转启动及运转时，会带动所述单相无刷直流风扇电机先正向运转一定角度或者正向运转一定时间，再切回反转转动；
所述正反转控制时钟的两个输入端子电连接所述反转启动电路的输出端子和所述正反转指令判定电路的输出端子，其输出端子电连接所述正反转切换开关电路的输入端子和所述逻辑控制电路的输入端子；
所述正反转切换开关电路的输入端子电连接至少一第一位置传感器信号以及所述正反转控制时钟的输出端子；及
所述逻辑控制电路的输入端子电连接所述正反转切换开关电路的输出端子。
3.根据权利要求1或2所述的用于单相无刷直流风扇电机的正反转驱动控制电路，其特征在于，所述功率驱动电路为一线性放大器，将所述正反转切换开关电路和所述逻辑控制电路处理后的所述至少一第二传感器信号的差值线性放大直接驱动所述单相无刷直流风扇电机。
4.根据权利要求1或2所述的用于单相无刷直流风扇电机的正反转驱动控制电路，其特征在于，所述功率驱动电路为一驱动开关，通过所述正反转切换开关电路和所述逻辑控制电路对所述至少一第二传感器信号处理后，产生开关控制信号，直接驱动其四个开关，再通过所述四个开关直接驱动驱动所述单相无刷直流风扇电机。
5.根据权利要求1或2所述的用于单相无刷直流风扇电机的正反转驱动控制电路，其特征在于，所述正反转指令是直接在正反转指令控制端子施加逻辑高低电平信号，通过所述逻辑高低电平信号的时间长短控制正反转时间。
6.根据权利要求1或2所述的用于单相无刷直流风扇电机的正反转驱动控制电路，其特征在于，所述正反转指令是在正反转指令控制端子外接电容，通过所述电容容值控制反转时间。
7.根据权利要求1或2所述的用于单相无刷直流风扇电机的正反转驱动控制电路，其特征在于，所述正反转指令是在正反转指令控制端子外接电阻，通过所述电阻阻值控制反转时间。
8.根据权利要求1或2所述的用于单相无刷直流风扇电机的正反转驱动控制电路，其特征在于，其中所述正反转指令是在正反转指令控制端子通过多个电阻对参考电压分压以控制反转或正转时间长短，所述参考电压可以是基准电压或者电路电源电压。
9.根据权利要求1或2所述的用于单相无刷直流风扇电机的正反转驱动控制电路，其特征在于，所述正反转切换开关电路为由四个相同的开关组成，且四个相同的所述开关为N型场效应管或N型场效应管和P型场效应管所构成。
10.根据权利要求1或2所述的用于单相无刷直流风扇电机的正反转驱动控制电路，其特征在于，所述换方向软切换电路在换方向软切换时间范围内可以采用驱动占空比渐变或定占空比模式控制其输出端子驱动占空比，以抑制电机转动方向切换时产生的尖峰电流。
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