CN109981004A - 一种无刷力矩电机启动驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无刷力矩电机启动驱动电路，包括逻辑译码电路、驱动级电路及功率输出电路，所述的逻辑译码电路，用于将霍尔输入信号、转向信号和使能信号译码为逻辑控制信号，并输入到驱动级电路；所述的驱动级电路，用于根据逻辑控制信号产生泵生电压信号；所述的功率输出电路，用于根据泵生电压信号对无刷电机转向和转速的控制。该电路克服固定输入状态三相无刷电机驱动电路任意位置启动的问题，并能够实现只用脉宽调制信号对电机的调速、调向控制，解决了无刷力矩电机任意位置快速启动的技术瓶颈，可高精度控制转速。

Description

一种无刷力矩电机启动驱动电路

技术领域

本发明涉及半导体混合集成电路，具体涉及一种无刷力矩电机启动驱动电路。

背景技术

陀螺加速度计伺服系统中的三相无刷力矩电机驱动器，主流产品是基于全N沟型输出，其工作特点是上桥臂的浮地驱动和自举电路设计，以实现力矩电机任意位置启动。常用的驱动器只能对连续变换的信号输出，而输入信号为固定状态时，输出为低，驱动器自举电路回路中的储能电容不能完成充、放电循环，不能产生持续的浮地驱动电压，因此需要新的无刷力矩电机驱动器设计方法，克服三相无刷电机驱动电路任意位置启动的问题，并能够实现用脉宽调制信号对电机的调速、调向控制，提高系统控制精度和可靠性。

由于这种伺服系统工作的特殊性，要求电路具有任意位置启动和用脉宽调制信号调速、调向的等特点，因此常用的驱动器设计技术不能满足使用要求。

常用技术实现方式存在以下缺点：

1、分立器件搭建的驱动器集成密度低、体积和重量大

一般驱动器电路采用4000系列门电路、驱动器、VDMOS管、二极管、三极管等有源、无源元件等分立器件搭建完成，电路重量、体积均较大，不能满足伺服系统对驱动器小型化、轻量化和高可靠性的要求，需要研制高可靠混合集成电路，小型化后电路的体积、重量、可靠性较分立器件优势显著。

2、对于固定输入状态无刷力矩电机任意位置启动功能不能实现

常用的驱动器只能对连续变换的控制信号驱动输出，而输入信号为固定状态时，输出为低，驱动器自举电路回路中的储能电容不能完成充、放电循环，因此不能产生持续的浮地驱动电压，上桥臂无法正常导通，对无刷力矩电机驱动器电路工作来说可靠性不能保证。

3、无刷力矩电机转向和转速控制方法不能满足伺服系统使用要求

当伺服系统工作时，希望使用脉宽调制信号同时控制无刷力矩电机转向和转速，常用的驱动器，通过脉宽调制信号只能控制电机的转速，转向是需要增加控制信号，因此，驱动器整体特性不能满足陀螺加速度计伺服伺服系统的使用要求。

发明内容

本发明提供了一种无刷力矩电机启动驱动电路，该电路克服固定输入状态三相无刷电机驱动电路任意位置启动的问题，并能够实现只用脉宽调制信号对电机的调速、调向控制，解决了无刷力矩电机任意位置快速启动的技术瓶颈，可高精度控制转速。

为了达到以上目的，本发明采取如下技术方案予以实现：

一种无刷力矩电机启动驱动电路，包括逻辑译码电路、驱动级电路及功率输出电路，

所述的逻辑译码电路，用于将霍尔输入信号、转向信号和使能信号译码为、逻辑控制信号，并输入到驱动级电路；

所述的驱动级电路，用于根据逻辑控制信号产生驱动输出信号和高端泵生电压信号；

所述的功率输出电路，用于根据驱动输出信号和高端泵生电压信号控制负载电流的流向，实现对无刷电机转向和转速的控制。

作为本发明的进一步改进，所述的逻辑译码电路，用于将相位差120°的三相霍尔输入信号、转向信号和使能信号译码为六路逻辑控制信号，并输入到驱动级电路；

所述的驱动级电路，用于根据六路逻辑控制信号产生六路驱动输出信号和高端泵生电压信号；

所述的功率输出电路，用于根据六路驱动输出信号和高端泵生电压信号控制负载电流的流向，实现对无刷电机转向和转速的控制。

作为本发明的进一步改进，所述的逻辑译码电路包括六个非门、三个二输入异或门、三个三输入与非门及三个三输入与门，

三路霍尔信号经第一非门反向、分别和换向信号连接异或门，再分别连接第二非门，第一路异或信号、第二路的第二非信号和使能信号EN经与门形成第一路高边控制信号，第二路异或信号、第三路的第二非信号和使能信号EN经与门形成第一路高边控制信号，第一路异或信号、第三路的第一非信号和使能信号EN经与门形成第一路高边控制信号，第二路异或信号、第一路的第二非信号和使能信号EN经与门形成第一路高边控制信号，第三路异或信号、第二路的第二非信号和使能信号EN经与门形成第一路高边控制信号，第一路异或信号、第三路的第二非信号和使能信号EN经与门形成第一路高边控制信号，分别形成六路控制信号。

作为本发明的进一步改进，还包括抑制竞争冒险的阻容RC，六路输出端均连接一个RC电路，C接地，RC的连接端输出，第一路异或信号、第三路的第二非信号和使能信号EN经与门形成第一路高边控制信号，分别经过抑制竞争冒险的阻容RC形成六路控制信号。

作为本发明的进一步改进，还包括限流电阻，所述的霍尔输入信号、转向信号和使能信号的输入端均连接有一个限流电阻。

作为本发明的进一步改进，所述的驱动级电路包括驱动器U5和自举电路；

所述的驱动器U5用于产生泵生电压信号，使自举电路完成充放电，从而产生浮地电压，驱动功率输出电路。

作为本发明的进一步改进，所述的自举电路包括二极管D1、D2、D3和电容C6、C7、C8，二极管D1、D2、D3正端接逻辑电源，负端分别接驱动器的对应高边自举端和自举电容C6、C7、C8一端，电容C6、C7、C8另一端分别接驱动器的对应高边源端。

作为本发明的进一步改进，还包括二极管D4、D5、D6及电阻R7、R6；二极管D4、D5、D6的正端接地，负端分别接驱动器的对应高边源端，电阻R7一端接地，另一端接驱动器的禁止输入端；电阻R6一端逻辑电源，另一端接驱动器的死区时间设置端。

作为本发明的进一步改进，所述的功率输出电路包括六个N沟型VDMOS管T1、T2、T3、T4、T5、T6，N沟型VDMOS管T1、T3、T5的漏极均接功率电源端，T1、T3、T5的栅极串联电阻分别接驱动器的高边输出端，T1、T3、T5的源极分别接T2、T4、T6的漏极，串联电阻后分别接驱动器高边源连接端，T2、T4、T6的栅极串联电阻分别接驱动器的低边输出端，T2、T4、T6的源极接功率地端。

作为本发明的进一步改进，所述的N沟型VDMOS管T1、T2、T3、T4、T5、T6的栅极端均连接有一个限流电阻。

本发明具有以下有益效果：

本发明的驱动电路由逻辑译码电路、驱动级电路及功率输出电路组成，逻辑译码电路将三相霍尔输入信号、换向信号和使能信号转换成三相输出的六路控制信号，驱动器产生泵生电压信号，使自举电路都能完成充放电，从而产生浮地电压，驱动上桥臂导通；功率输出由N沟型VDMOS管对无刷电机转向和转速的控制。该电路采用厚膜混合集成专项工艺实现混合集成电路小型化设计，电路贮存时间、可靠性均有较大提高；实现了电机任意位置启动，线性度小于2％和对称性小于0.5％；解决了重点型号任务的简单化配套需求，已成功应用于型号，应用前景非常广阔，具有重要的科研意义，已创造较大的经济效益。

附图说明

图1无刷力矩电机任意位置启动的设计技术原理框图；

图2电路详细原理图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本发明一种无刷力矩电机启动驱动电路的原理框图。无刷力矩电机启动驱动电路，包括逻辑译码电路、驱动级电路及功率输出电路，电路将霍尔输入信号、转向信号和使能信号译码为六路逻辑控制信号，三相驱动器产生的泵生电压信号在电路输入为三霍尔信号时和输入为固定位置，即输入为三相相位差120°方波信号和输入为高低电平时，使自举电路都能完成充放电，浮地驱动三相输出的上桥臂的VDMOS管导通的时间和顺序，控制下桥臂，实现对电机转向和转速的控制。

所述的逻辑译码电路，用于将相位差120°的三相霍尔输入信号(HA、HB、HC)、转向信号(FR)和使能信号(EN)译码为六路逻辑控制信号(包括高端AH、BH、CH和低端三个AL、BL、CL)，并输入到驱动级电路；

所述的驱动级电路，用于根据六路逻辑控制信号(包括高端三个AH、BH、CH和低端三个AL、BL、CL)产生六路驱动输出信号和高端泵生电压信号；

所述的功率输出电路，用于根据六路驱动输出信号和高端泵生电压信号控制负载电流的流向，实现对无刷电机转向和转速的控制。

本发明采用国产4000系列COM门电路，三相驱动器，VMOS管以及二极管等器件。电路输入为三霍尔信号时和输入为固定位置，即输入为相位差120°方波信号和输入为高低电平时，译码逻辑电路将电机的三相位置信号转换为六路控制信号，经过三相驱动器和自举电路产生浮地驱动信号，驱动上桥臂输出，电路正常工作。

脉宽调制信号输入FR控制端后，译码逻辑电路将调制信号转换到六路控制信号中，控制上、下桥臂的导通时间，实现控制无刷电机转向，同时调节了转速。

图2是无刷力矩电机启动驱动电路原理图，电路主要由译码逻辑部分、驱动部分、功率输出部分组成。具体由数字电路U1、U2、U3、U4组成译码逻辑电路，将三相霍尔输入信号、换向信号和使能信号转换成三相输出的六路控制信号，输出端接RC电路，消除门电路输出沿转换时在电源线和地线上产生的尖峰脉冲。驱动器U5产生泵生电压信号，使自举电路都能完成充放电，从而产生浮地电压，驱动上桥臂导通；自举电路由二极管D1、D2、D3和电容C6、C7、C8组成，二极管D4、D5、D6是防止输出下冲设置的保护管；电阻R7、R6是偏置电阻，电阻R1、R2、R3、R4、R5是限流电阻，保护输入端避免静电损伤；功率输出由N沟型VDMOS管T1、T2、T3、T4、T5、T6组成，特点是芯片尺寸小，工作电流大，耐压高，导通电阻小。

具体地，所述的逻辑译码电路包括六个非门(U1)、三个二输入异或门(U2)、三个三输入与非门(U3)及三个三输入与门(U4)，限流电阻(R1、R2、R3、R4、R5)，抑制竞争冒险的阻容RC(R18、R19、R20、R21、R22、R23和C9、C10、C11、C12、C13、C15),

三路霍尔信号(HA、HB、HC)经第一非门(U1B、U1A、U1F、)反向、分别和换向信号(FR)连接异或门(U2B、U2A、UC)，再分别连接第二非门(U1C、U1E、U1D)，第一路异或信号、第二路的第二非信号和使能信号EN经与门形成第一路高边控制信号(AHI)，第二路异或信号、第三路的第二非信号和使能信号EN经与门形成第一路高边控制信号(BHI)，第一路异或信号、第三路的第一非信号和使能信号EN经与门形成第一路高边控制信号(CHI)，第二路异或信号、第一路的第二非信号和使能信号EN经与门形成第一路高边控制信号(ALI)，第三路异或信号、第二路的第二非信号和使能信号EN经与门形成第一路高边控制信号(BLI)，第一路异或信号、第三路的第二非信号和使能信号EN经与门形成第一路高边控制信号(CLI)，分别经过抑制竞争冒险的阻容RC形成六路控制信号。

还包括RC电路，六路输出端均连接一个RC电路，C接地，RC的连接端输出。

所述的霍尔输入信号、转向信号和使能信号的输入端均连接有一个限流电阻。

所述的驱动级电路包括驱动器U5和自举电路；

所述的驱动器U5用于产生泵生电压信号，使自举电路完成充放电，从而产生浮地电压，驱动功率输出电路。

所述的自举电路包括二极管D1、D2、D3和电容C6、C7、C8组成，D1、D2、D3正端接逻辑电源，负端分别接驱动器的高边自举端(AHB、BHB、CHB)和自举电容C6、C7、C8一端，电容C6、C7、C8另一端分别接驱动器的高边源端(AHS、BHS、CHS)

还包括二极管D4、D5、D6及电阻R7、R6；D4、D5、D6的正端接地，负端分别接驱动器的高边源端(AHS、BHS、CHS)，R7一端接地，另一端接驱动器的禁止输入端(DIS低有效)，R6一端逻辑电源，另一端接驱动器的死区时间设置端(RDEL)。

二极管D4、D5、D6是防止输出下冲设置的保护管；电阻R7、R6是偏置电阻。

所述的功率输出电路包括N沟型VDMOS管T1、T2、T3、T4、T5、T6，N沟型VDMOS管T1、T2、T3、T4、T5、T6分别与驱动器U5的六个输出端连接，T1、T3、T5的漏极接功率电源端，T1、T3、T5的栅极串联电阻分别接驱动器的高边输出端(AHO、BHO、CHO)，T1、T3、T5的源极分别接T2、T4、T6的漏极，串联电阻后分别接驱动器高边源连接端(AHS、BHS、CHS)，T2、T4、T6的栅极串联电阻分别接驱动器的低边输出端(ALO、BLO、CLO)，T2、T4、T6的源极接功率地端。

所述的N沟型VDMOS管T1、T2、T3、T4、T5、T6的栅极端均连接有一个限流电阻。

其工作原理如下：伺服系统上电后，无刷力矩电机霍尔传感器将力矩电机所处的位置信号(即输入为固定位置)以电平方式(例如高、高、低)传给驱动器的输入端，加入使能信号EN，换向信号FR此时为高电平，逻辑译码电路将三相霍尔输入信号、换向信号和使能信号转换成三相输出的六路控制信号，三相驱动器加电后产生泵生电压信号，使自举电路都能完成充放电，从而产生浮地电压，驱动上桥臂导通，电机产生最大转动力；电机转动后，霍尔传感器产生连续的信号，将脉宽调制信号加入到换向FR端，占空比大于50％时，电机正转，同时根据占空比差值调节电机转速；占空比小于50％时，电机反转，同时根据占空比差值调节电机转速；占空比50％时，电机立即停止；使能信号为低时，电机立即停止。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种无刷力矩电机启动驱动电路，其特征在于，包括逻辑译码电路、驱动级电路及功率输出电路，

所述的逻辑译码电路，用于将霍尔输入信号、转向信号和使能信号译码为、逻辑控制信号，并输入到驱动级电路；

所述的驱动级电路，用于根据逻辑控制信号产生驱动输出信号和高端泵生电压信号；

所述的功率输出电路，用于根据驱动输出信号和高端泵生电压信号控制负载电流的流向，实现对无刷电机转向和转速的控制。

2.根据权利要求1所述的无刷力矩电机启动驱动电路，其特征在于，

所述的逻辑译码电路，用于将相位差120°的三相霍尔输入信号、转向信号和使能信号译码为六路逻辑控制信号，并输入到驱动级电路；

所述的驱动级电路，用于根据六路逻辑控制信号产生六路驱动输出信号和高端泵生电压信号；

所述的功率输出电路，用于根据六路驱动输出信号和高端泵生电压信号控制负载电流的流向，实现对无刷电机转向和转速的控制。

3.根据权利要求2所述的无刷力矩电机启动驱动电路，其特征在于，所述的逻辑译码电路包括六个非门、三个二输入异或门、三个三输入与非门及三个三输入与门，

三路霍尔信号经第一非门反向、分别和换向信号连接异或门，再分别连接第二非门，第一路异或信号、第二路的第二非信号和使能信号EN经与门形成第一路高边控制信号，第二路异或信号、第三路的第二非信号和使能信号EN经与门形成第一路高边控制信号，第一路异或信号、第三路的第一非信号和使能信号EN经与门形成第一路高边控制信号，第二路异或信号、第一路的第二非信号和使能信号EN经与门形成第一路高边控制信号，第三路异或信号、第二路的第二非信号和使能信号EN经与门形成第一路高边控制信号，第一路异或信号、第三路的第二非信号和使能信号EN经与门形成第一路高边控制信号，分别形成六路控制信号。

4.根据权利要求3所述的无刷力矩电机启动驱动电路，其特征在于，还包括抑制竞争冒险的阻容RC，六路输出端均连接一个RC电路，C接地，RC的连接端输出，第一路异或信号、第三路的第二非信号和使能信号EN经与门形成第一路高边控制信号，分别经过抑制竞争冒险的阻容RC形成六路控制信号。

5.根据权利要求2所述的无刷力矩电机启动驱动电路，其特征在于，还包括限流电阻，所述的霍尔输入信号、转向信号和使能信号的输入端均连接有一个限流电阻。

6.根据权利要求2所述的无刷力矩电机启动驱动电路，其特征在于，所述的驱动级电路包括驱动器U5和自举电路；

所述的驱动器U5用于产生泵生电压信号，使自举电路完成充放电，从而产生浮地电压，驱动功率输出电路。

7.根据权利要求6所述的无刷力矩电机启动驱动电路，其特征在于，所述的自举电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3和电容C6、电容C7、电容C8，二极管D1、二极管D2、二极管D3正端接逻辑电源，负端分别接驱动器的对应高边自举端和电容C6、电容C7、电容C8一端，电容C6、电容C7、电容C8另一端分别接驱动器的对应高边源端。

8.根据权利要求7所述的无刷力矩电机启动驱动电路，其特征在于，还包括二极管D4、二极管D5、二极管D6及电阻R7、电阻R6；二极管D4、二极管D5、二极管D6的正端接地，负端分别接驱动器的对应高边源端，电阻R7一端接地，另一端接驱动器的禁止输入端；电阻R6一端逻辑电源，另一端接驱动器的死区时间设置端。

9.根据权利要求2所述的无刷力矩电机启动驱动电路，其特征在于，所述的功率输出电路包括六个N沟型VDMOS管T1、VDMOS管T2、VDMOS管T3、VDMOS管T4、VDMOS管T5、VDMOS管T6，N沟型VDMOS管T1、VDMOS管T3、VDMOS管T5的漏极均接功率电源端，VDMOS管T1、VDMOS管T3、VDMOS管T5的栅极串联电阻分别接驱动器的高边输出端，VDMOS管T1、VDMOS管T3、VDMOS管T5的源极分别接VDMOS管T2、VDMOS管T4、VDMOS管T6的漏极，串联电阻后分别接驱动器高边源连接端，VDMOS管T2、VDMOS管T4、VDMOS管T6的栅极串联电阻分别接驱动器的低边输出端，VDMOS管T2、VDMOS管T4、VDMOS管T6的源极接功率地端。

10.根据权利要求9所述的无刷力矩电机启动驱动电路，其特征在于，所述的N沟型VDMOS管T1、VDMOS管T2、VDMOS管T3、VDMOS管T4、VDMOS管T5、VDMOS管T6的栅极端均连接有一个限流电阻。