CN108092563B - 电机驱动装置及应用设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种无刷直流电机的电机驱动装置及其应用设备，所述电机驱动装置包括：逆变器，被配置为包括多个半导体开关元件并将来自电源的电压转换为交流电并从逆变器的第一及第二输出端输出；N个并联连接于逆变器第一及第二输出端的电机支路，每个电机支路包括串联连接的电机及可控双向交流开关，且N大于等于2；微处理器，被配置为控制逆变器中的半导体开关元件的通电方式，以及控制每一个电机支路中的可控双向交流开关是否导通。上述电机驱动装置可使多个电机共用一个逆变器，可降低电机驱动装置和应用设备的成本及体积。

Description

电机驱动装置及应用设备
技术领域
本发明涉及一种电机驱动装置，尤其涉及一种能够控制多个电机工作的电机驱动装置。
背景技术
近年来，多个无刷直流电机(BLDC)被用于一台设备中的情况越来越多，比如车辆中的座椅调节系统需使用多个无刷直流电机/分别调节座椅的前后位置、上下高度、靠背角度，大腿支撑、腰部支撑等。如果每一个无刷直流电机均配备一个驱动电路的话，每个驱动电路中又至少包括一个由四个功率开关组成的逆变器，设备中将需要设置大量的电子元件，导致电路复杂、设备的体积较大、成本较高。
发明内容
鉴于此，本发明的实施例提供一种低成本的电机驱动装置及具有该电机驱动装置的应用设备。
本发明的实施例提供一种多个无刷直流电机的电机驱动装置，包括：
逆变器，被配置为包括多个半导体开关元件并将来自电源的电压转换为交流电并从逆变器的第一及第二输出端输出；
N个并联连接于逆变器第一及第二输出端的电机支路，每个电机支路包括串联连接的电机及可控双向交流开关，且N大于等于2；
微处理器，被配置为控制逆变器中的半导体开关元件的通电方式，以及控制每一个电机支路中的可控双向交流开关是否导通。
作为一种优选方案，所述逆变器为桥式逆变器，所述逆变器的两单相桥臂的中点作为逆变器的第一输出端及第二输出端。
作为一种优选方案，每个电机支路进一步包括一开关控制电路，所述开关控制电路接收所述微处理器输出的控制每一个电机支路中的可控双向交流开关是否导通的选择信号，所述可控双向交流开关导通状态下，所述开关控制电路至少在第一状态和第二状态间切换；
所述第一状态为：电流自所述逆变器的第一输出端经所述开关控制电路流向所述可控双向交流开关的控制端,再经第二输出端和逆变器中导通的与第二输出端连接的下臂半导体开关元件接地；所述第二状态为：电流自第二输出端经所述双向交流开关的控制端、所述开关控制电路流向所述逆变器的第一输出端,再通过逆变器中导通的连接所述第一输出端的下臂半导体开关元件接地。
作为一种优选方案，所述开关控制电路包括第一开关和第二开关；
所述第一开关及第二开关并联连接于所述可控双向交流开关的控制端与所述逆变器的第一输出端之间；所述第一开关导通时，电流从逆变器的第一输出端经所述第一开关流向所述可控双向交流开关的控制端；所述第二开关导通时，电流从所述可控双向交流开关的控制端经所述述第二开关流向所述逆变器的第一输出端。
作为一种优选方案，所述开关控制电路包括一光隔离双向触发二极管，所述光隔离双向触发二极管包括一发光二极管及一双向触发二极管，所述发光二极管的阳极连接一电源，阴极通过一控制开关接地，所述双向触发二极管的两个阳极分别连接所述逆变器的第一输出端及所述可控双向交流开关的控制端，所述控制开关接收所述微处理器的输出,从而控制每一个电机支路中的可控双向交流开关是否导通。
作为一种优选方案，每个电机支路进一步包括一开关控制电路，所述开关控制电路包括发光二极管，所述可控双向交流开关为双向触发二极管，所述发光二极管的阳极接收控制每一个电机支路中的可控双向交流开关是否导通的选择信号，所述发光二极管的阴极接地，所述发光二极管与所述双向触发二极管组成一光隔离双向触发二极管。
作为一种优选方案，每个电机支路进一步包括一开关控制电路，所述开关控制电路包括串联连接于所述可控双向交流开关的控制极及地之间的一电阻及一控制开关，所述第二输出端还连接一用于向所述可控双向交流开关提供门驱动电流的电源，所述控制开关接收所述微处理器输出的控制每一个电机支路中的可控双向交流开关是否导通的选择信号。
作为一种优选方案，每个电机支路进一步包括一开关控制电路，所述开关控制电路包括一电阻及一信号缓冲器，所述信号缓冲器的输入端接收微处理器输出的控制每一个电机支路中的可控双向交流开关是否导通的选择信号，所述第二输出端还连接一用于向所述可控双向交流开关提供门驱动电流的电源，所述信号缓冲器的输出端通过所述电阻连接所述可控双向交流开关的控制端。
作为一种优选方案，所述可控双向交流开关为双向晶闸管、正反并联的IGBT、GTR、MOS、GTO、三极管或三端双向可控硅。
本发明的实施例还提供一种应用设备，包括如上任一项所述的多个无刷直流电机的电机驱动装置及由每一电机驱动的负载。
作为一种优选方案，所述应用设备为洗碗机、干洗机或车辆座椅。
上述电机驱动装置可使多个电机共用一个逆变器，所述电机驱动装置中半导体开关元件的数量将大大减少，所述电机驱动装置中的安装半导体开关元件的印刷电路板组件的尺寸也会大幅减小，同时可降低电机驱动装置和应用设备的成本。
附图说明
附图中：
图1是本发明一实施例的电机驱动装置的原理图；
图2是本发明电机驱动装置第一实施例的具体电路图；
图3示出两个电机分时工作的电流波形图。
图4是本发明电机驱动装置第二实施例的具体电路图；
图5是本发明电机驱动装置第三实施例的具体电路图；
图6是本发明电机驱动装置第四实施例的具体电路图；
图7是本发明电机驱动装置第五实施例的具体电路图；
图8是本发明电机驱动装置第六实施例的具体电路图；
图9是本发明电机驱动装置第七实施例的具体电路图。
主要元件符号说明
Figure BDA0001158038250000041
Figure BDA0001158038250000051
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其他有益效果显而易见。可以理解，附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。附图中显示的尺寸仅仅是为便于清晰描述，而并不限定比例关系。
请参考图1，依本发明一实施例的电机驱动装置100包括微处理器(MCU)10、逆变器20及N个并联连接于逆变器20第一及第二输出端X和Y之间的电机支路A1-AN。所述逆变器20被配置为包括多个半导体开关元件并将来自电源30的电压转换为交流电并从逆变器20的第一及第二输出端X和Y输出。每个电机支路A1-AN均包括串联连接的电机M1-MN及可控双向交流开关S1-SN，且N大于等于2；所述微处理器10被配置为发送PWM信号至所述逆变器20以控制逆变器中20的半导体开关元件的通电方式，以及发送选择信号CTRL1-CTRLN至每一电机支路A1-AN控制每一个电机支路A1-AN中的可控双向交流开关S1-SN是否导通，以控制所述电机驱动装置100中每个电机M1-MN的工作状态。所述可控双向交流开关可为双向晶闸管(TRIAC)或正反并联的IGBT、GTR、MOS、GTO或三极管。
请参考图2，图2是本发明电机驱动装置第一实施例的具体电路图；为便于说明，本实施方式中以所述电机支路为2条为例进行说明。
所述逆变器20可为桥式逆变器，即全桥逆变器或H桥逆变器。所述逆变器20包括四个半导体开关元件，分别为三极管Q1、Q2及MOS管Q3、Q4，所述四个半导体开关元件形成两个桥臂，所述三极管Q1及MOS管Q3形成第一桥臂，所述三极管Q2和MOS管Q4形成第二桥臂，所述三极管Q1、Q2为上臂开关，所述MOS管Q3、Q4为下臂开关。所述三极管Q1的发射极和三极管Q2的发射极连接至电源30的正极，所述三极管Q1的集电极与所述MOS管Q3的漏极连接。所述三极管Q2的集电极与所述MOS管Q4的漏极连接，所述MOS管Q3、Q4的源极连接至电源30的负极并接地。所述三极管Q1的基极通过电阻R1连接所述三极管Q2的集电极。所述三极管Q2的基极通过电阻R2连接所述三极管Q1的集电极。所述三极管Q1的集电极与MOS管Q3的连接节点作为所述逆变器20的第一输出端X，所述三极管Q2的集电极与MOS管Q4的连接节点作为所述逆变器20的第二输出端Y。所述MOS管Q3、Q4的栅极还分别通过一电阻R4、R5接地。所述MOS管Q3的栅极还通过一电阻R3接收所述微处理器10输出的PWM信号，所述MOS管Q4的栅极接收与所述微处理器10输出的PWM信号反相的
Figure BDA0001158038250000061
信号。所述
Figure BDA0001158038250000062
信号可以通过将PWM信号通过一反相器或非门进行反相获得。本实施方式中，通过一三极管Q7实现将PWM信号反相，所述三极管Q7的基极通过一电阻R9接收PWM信号，所述三极管Q7的集电极连接电源30的正极，所述三极管Q7的发射极接地，所述三极管Q7的集电极输出所述
Figure BDA0001158038250000071
信号。
本实施例中，三极管Q1、Q2为低电平有效的开关，例如可以是PNP三极管，其他实施方式中还可以替换为P沟道场效应晶体管(MOSFET)等。所述MOS管Q3、Q4为高电平有效的开关，例如可以是N沟道场效应晶体管，其他实施方式中还可以替换为三极管、具有反并二极管的绝缘栅双极晶体管(IGBT)、门极可关断开关晶闸管(GTO)等。具体应用时，还可以在每个半导体开关元件两端配置反并二极管。反并二极管用于在半导体开关元件的状态发生变化时形成放电通路释放电机两端形成的反向电动势，以避免反向电动势损坏半导体开关元件。本发明实施例中，开关为低(高)电平有效表示当输入开关控制输入端的控制信号为低电平(高)时开关导通，为高(低)电平时开关截止。
本实施方式中所述逆变器20的工作原理为，当所述PWM信号为高电平时，MOS管Q3导通，MOS管Q4截止，MOS管Q3的漏极被拉低为低电平使三极管Q2导通，三极管Q2的集电极被拉高为高电平使三极管Q1截止；因此，当所述PWM信号为高电平时，三极管Q2和MOS管Q3导通而三极管Q1和MOS管Q4截止，电流从第二输出端Y流向第一输出端X。当所述PWM信号为低电平时，MOS管Q3截止，MOS管Q4导通，MOS管Q4的漏极被拉低为低电平使三极管Q1导通，三极管Q1的集电极被拉高为高电平使三极管Q2截止；因此，当所述PWM信号为低电平时时，三极管Q1和MOS管Q4导通而三极管Q2和MOS管Q3截止，电流从第一输出端X流向第二输出端Y。本实施例中，MOS管Q3和Q4在PWM信号的控制下交替导通，而三极管Q1、Q2的状态分别跟随MOS管Q4、Q3的状态变化，因此使电流以交流方式流经连接于第一输出端X和第二输出端Y之间的多个电机支路A1-AN，驱动连接于第一输出端X和第二输出端之间的N个电机支路A1-AN中的电机M1-MN工作。
每一电机支路A1-AN的结构相同，现以其中一电机支路A1为例进行说明。所述电机支路A1包括可控双向交流开关S1、电机M1、开关控制电路C1。所述电机M1和可控双向交流开关S1串联连接于第一输出端X和第二输出端Y之间。所述开关控制电路C1包括第一开关和第二开关；所述第一开关及第二开关并联连接于所述可控双向交流开关S1的控制端与所述逆变器20的第一输出端X之间；所述第一开关导通时，电流从逆变器20的第一输出端X经所述第一开关流向所述可控双向交流开关的控制端，再经第二输出端Y和逆变器中导通的MOS管Q4接地；所述第二开关导通时，电流从所述可控双向交流开关的控制端经所述述第二开关流向所述逆变器20的第一输出端X，再通过逆变器中导通的MOS管Q3接地。本实施方式中，所述第一开关和第二开关分别为三极管Q5、Q6，所述三极管Q5、Q6均为NPN型三极管。所述三极管Q5的发射极连接所述可控双向交流开关S1的控制端，集电极通过一电阻R10连接所述逆变器20的第一输出端X，所述三极管Q6的发射极连接所述三极管Q5的集电极，所述三极管Q6的集电极连接所述三极管Q5的发射极。所述三极管Q5和Q6的基极接收所述微处理器10发出的选择信号CTRL1。所述电机支路A2与所述电机支路A1具有相同的结构，包括可控双向交流开关S2、电机M2、开关控制电路C2，所述开关控制电路C2的所述三极管Q5和Q6的基极接收所述微处理器10发出的选择信号CTRL2。本实施方式中，所述可控双向交流开关为双向晶闸管。
当预控制电机支路A1中的电机M1工作时，所述微处理器10发出的选择信号CTRL1为高电平，所述开关控制电路C1的三极管Q5、Q6均导通，所述可控双向交流开关S1导通，所述逆变器20提供的交流电流过电机M1，当要停止电机M1时，所述选择信号CTRL1变为低电平，三极管Q5、Q6截止，在流过电机M1的电压过零点时，所述可控双向交流开关截止。当预控制电机支路A2中的电机M2工作时，所述微处理器10发出的选择信号CTRL2为高电平，所述开关控制电路C2的三极管Q5、Q6均导通，所述可控双向交流开关S2导通，所述逆变器20提供的交流电流过电机M2，所述工作过程可参考图3所示的电机工作状态波形图，通常，当微处理器10提供的PWM信号的频率高于20KH时，所述选择信号CTRL1-CTRLN为如图3所述的持续的高电平的形式，当微处理器10提供的PWM信号的频率低于20KH时，所述选择信号CTRL1-CTRLN为脉冲波串的形式。本实施方式中，所述开关控制电路C1中包括两个三极管Q5和Q6，使交流电源的正半波和负半波均可通过所述可控双向交流开关S1。在本发明的其他实施方式中，如果所述开关控制电路C1中只设置一个三极管Q5或Q6，所述逆变器20提供的交流电源只有半个周期通过所述选择的电机，具体的，当所述开关控制电路C1中只设有三极管Q5时，只有负半波能够通过所述述可控双向交流开关S1。当所述开关控制电路C1中只设有三极管Q6时，只有正半波能够通过所述述可控双向交流开关S1。
可以理解，通过控制所述微处理器10提供至所述每一电机支路A1-AN的选择信号CTRL1-CTRLN即可控制所述电机支路中的电机是否工作。当然所有电机可以同时工作或关闭，也可根据需要选择不同时间需工作的电机。因为所有电机共用一个逆变器20，所以同时工作的电机具有相同的工作速度。当然，可通过调节提供至逆变器20的PWM信号的占空比调节电机的工作速度。
在本发明的其他实施方式中，所述电机驱动装置100的所述逆变器20和所述电机支路A1-AN还可以有其他的可变形的方式。
请参考图4，图4是本发明电机驱动装置第二实施例的具体电路图，所述电机支路的结构与图2所示的电机支路的结构相同，与图2所述实施方式不同的是，所述逆变器20为主要由四个MOS管Q11-Q14组成的桥式电路。所述MOS管Q11及Q13形成第一桥臂，所述MOS管Q12、Q14形成第二桥臂，所述MOS管Q11、Q12为上臂开关，所述MOS管Q13、Q14为下臂开关。所述微处理器10发出PWM信号经第一驱动电路21驱动所述MOS管Q11和Q13，所述微处理器10发出PWM信号经第二驱动电路22驱动所述MOS管Q12和Q14。所述MOS管Q11-Q14均为高电平有效的开关，例如可以是N沟道场效应晶体管。所述微处理器10发送PWM信号控制所述MOS管Q11、Q14和MOS管Q12、Q13交替导通，在所述第一输出端X及第二输出端Y之间提供交流电。
请参考图5，图5是本发明电机驱动装置第三实施例的具体电路图，图5中与图4所示实施例相同的微处理器、电源、第一及第二驱动电路未示出，所述逆变器20的结构及每一电机支路中电机及可控双向交流开关的连接关系与图4所示实施例的相同。图5所示实施例中，所述电机支路A1的开关控制电路C1包括一光隔离双向触发二极管(Diac)60，所述光隔离双向触发二极管60包括一发光二极管61及一双向触发二极管63，所述发光二极管61的阳极通过一电阻R16连接一电源Vdd，所述电源Vdd可由所述电源30提供。所发光二极管61的阴极通过一控制开关64接地，所述双向触发二极管63的两个阳极分别连接所述逆变器20的第一输出端X及所述可控双向交流开关S1的控制端。所述控制开关64接收所述选择信号CTRL1以根据选择信号CTRL1的状态控制所在电机支路A1中的可控双向交流开关S1是否导通，进而控制电机M1是否工作。
请参考图6，图6是本发明电机驱动装置第四实施例的具体电路图，所述开关控制电路C1包括一发光二极管71，所述可控双向交流开关S1为双向触发二极管，所述发光二极管71的阳极通过一电阻72接收所述选择信号CTRL1，所述发光二极管71的阴极接地，所述发光二极管71与所述双向触发二极管组成一光隔离双向触发二极管。所述光隔离双向触发二极管根据选择信号CTRL1的状态控制所在电机支路A1中的电机M1是否工作。
请参考图7，图7是本发明电机驱动装置第五实施例的具体电路图，所述开关控制电路C1包括串联连接于所述可控双向交流开关S1的控制端及地之间的一电阻81及一控制开关82，所述第二输出端Y还连接一电源Vcc，电源Vcc用于向所述可控双向交流开关S1提供门驱动电流，所述控制开关82接收所述选择信号CTRL1以根据选择信号CTRL1的状态控制所在电机支路A1中的可控双向交流开关S1是否导通，进而控制电机M1是否工作。本实施方式中，所述控制开关82可为三极管。
请参考图8，图8是本发明电机驱动装置第六实施例的具体电路图，所述开关控制电路C1包括一电阻91及一信号缓冲器92，所述信号缓冲器92的输入端接收所述选择信号CTRL1，所述信号缓冲器92的输出端通过所述电阻91连接所述可控双向交流开关S1的控制端，所述第二输出端Y还连接一电源Vcc，电源Vcc用于向所述可控双向交流开关S1提供门驱动电流。所述信号缓冲器92根据选择信号CTRL1的状态控制所在电机支路A1中的可控双向交流开关S1是否导通，进而控制电机M1是否工作。
上述实施方式中的电源Vcc及电源VDD彼此独立，两者不共地。
请参考图9，图9是本发明电机驱动装置第七实施例的具体电路图，本实施方式中，所述逆变器20为主要由四个三极管Q21-Q24组成的桥式电路。所述三极管Q21及Q23形成第一桥臂，所述三极管Q22、Q24形成第二桥臂，三极管Q21、Q22为上臂开关，三极管Q23、Q24为下臂开关。所述微处理器10发送PWM信号控制所述三极管Q21、Q24和三极管Q22、Q23交替导通，以在所述第一输出端X及第二输出端Y之间提供交流电。每一电机支路A1-AN中的可控双向交流开关采用三极管Q25、Q26正反并联的形式，所述三极管Q25、Q26的导通及截止由所述微处理器10控制。相较于采用双向晶闸管的设计，正反并联的三极管Q25、Q26的控制简单。当然，其他实施方式中，所述三极管Q25、Q26还可被替换为IGBT、GTR、MOS、GTO等其他类型的电子开关。
综上，本发明实施方式的电机驱动装置，可使多个电机支路共用一个逆变器，相比于现有技术使半导体开关元件的使用数量大幅减少，基本上能减少75％的使用量，也使得安装这些半导体开关元件的印刷电路板组件的尺寸减小75％左右。同时可降低电路的复杂度、降低电机驱动装置和应用设备的成本。根据电子领域的经验法则，功率器件使用的数量越少，电路的可靠性也会越高。
本发明的实施方式的电机驱动装置可应用于多种设备中驱动不同的负载，使多个电机交替或同时动作，如应用于家用电器的洗碗机或者干洗机中，车辆座椅中用于座椅的调整等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多个无刷直流电机的电机驱动装置，包括：
逆变器，被配置为包括多个半导体开关元件并将来自电源的电压转换为交流电并从逆变器的第一及第二输出端输出；
N个并联连接于逆变器第一及第二输出端的电机支路，每个电机支路包括串联连接的电机及可控双向交流开关，且N大于等于2；
微处理器，被配置为控制逆变器中的半导体开关元件的通电方式，以及控制每一个电机支路中的可控双向交流开关是否导通；
每个电机支路进一步包括一开关控制电路，所述开关控制电路接收所述微处理器输出的控制每一个电机支路中的可控双向交流开关是否导通的选择信号，所述可控双向交流开关导通状态下，所述开关控制电路至少在第一状态和第二状态间切换；
所述第一状态为：电流自所述逆变器的第一输出端经所述开关控制电路流向所述可控双向交流开关的控制端,再经第二输出端和逆变器中导通的与第二输出端连接的下臂半导体开关元件接地；所述第二状态为：电流自第二输出端经所述双向交流开关的控制端、再经所述开关控制电路流向所述逆变器的第一输出端,再通过逆变器中导通的连接所述第一输出端的下臂半导体开关元件接地。
2.如权利要求1所述的多个无刷直流电机的电机驱动装置，其特征在于：所述逆变器为桥式逆变器，所述逆变器的两单相桥臂的中点作为逆变器的第一输出端及第二输出端。
3.如权利要求1所述的多个无刷直流电机的电机驱动装置，其特征在于：所述开关控制电路包括第一开关和第二开关；
所述第一开关及第二开关并联连接于所述可控双向交流开关的控制端与所述逆变器的第一输出端之间；所述第一开关导通时，电流从逆变器的第一输出端经所述第一开关流向所述可控双向交流开关的控制端；所述第二开关导通时，电流从所述可控双向交流开关的控制端经所述述第二开关流向所述逆变器的第一输出端。
4.如权利要求1所述的多个无刷直流电机的电机驱动装置，其特征在于：所述开关控制电路包括一光隔离双向触发二极管，所述光隔离双向触发二极管包括一发光二极管及一双向触发二极管，所述发光二极管的阳极连接一电源，阴极通过一控制开关接地，所述双向触发二极管的两个阳极分别连接所述逆变器的第一输出端及所述可控双向交流开关的控制端，所述控制开关接收所述微处理器的输出,从而控制每一个电机支路中的可控双向交流开关是否导通。
5.如权利要求1所述的多个无刷直流电机的电机驱动装置，其特征在于：所述开关控制电路包括发光二极管，所述可控双向交流开关为双向触发二极管，所述发光二极管的阳极接收控制每一个电机支路中的可控双向交流开关是否导通的选择信号，所述发光二极管的阴极接地，所述发光二极管与所述双向触发二极管组成一光隔离双向触发二极管。
6.如权利要求1所述的多个无刷直流电机的电机驱动装置，其特征在于：所述开关控制电路包括串联连接于所述可控双向交流开关的控制极及地之间的一电阻及一控制开关，所述第二输出端还连接一用于向所述可控双向交流开关提供门驱动电流的电源，所述控制开关接收所述微处理器输出的控制每一个电机支路中的可控双向交流开关是否导通的选择信号。
7.如权利要求1所述的多个无刷直流电机的电机驱动装置，其特征在于：所述开关控制电路包括一电阻及一信号缓冲器，所述信号缓冲器的输入端接收微处理器输出的控制每一个电机支路中的可控双向交流开关是否导通的选择信号，所述第二输出端还连接一用于向所述可控双向交流开关提供门驱动电流的电源，所述信号缓冲器的输出端通过所述电阻连接所述可控双向交流开关的控制端。
8.如权利要求1所述的多个无刷直流电机的电机驱动装置，其特征在于：所述可控双向交流开关为双向晶闸管、正反并联的IGBT、GTR、MOS、GTO、三极管或三端双向可控硅。
9.一种应用设备，包括如权利要求1-8中任一项所述的多个无刷直流电机的电机驱动装置及由每一电机驱动的负载。
10.如权利要求9所述的应用设备，其特征在于：所述应用设备为洗碗机、干洗机或车辆座椅。
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