CN110572109B - 马达驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种马达驱动电路，包括驱动级电路、系统控制电路、控制信号产生电路与多个电流零点侦测器。驱动级电路包括多个反相器。系统控制电路提供占空周期信号。控制信号产生电路根据占空周期信号产生脉宽调制信号来控制各反相器中上臂晶体管与下臂晶体管的导通与关断，以提供驱动电流来驱动马达。电流零点侦测器侦测流经各反相器中上臂晶体管与下臂晶体管之间一节点的电流，并产生电流侦测信号。控制信号产生电路根据电流侦测信号调整脉宽调制信号，避免驱动级电路的等效占空周期缩短，以维持驱动电流的波形的完整性，使驱动电流的波形不会失真。

Description

马达驱动电路
技术领域
本发明乃涉及一种马达驱动电路，特别是指一种能够针对停滞时间(或称死区；Dead Time)进行补偿的马达驱动电路。
背景技术
常见地，于马达驱动电路中，系统控制电路会产生占空周期信号PWM(通常为脉宽调制信号)，接着由一控制信号产生电路根据此脉宽调制信号来产生控制信号(通常亦为脉宽调制信号)来控制驱动级电路中各反相器中的上下臂晶体管的导通与关断。
请参照图1，图1可视为单相马达的驱动级电路中的两个反相器，或是三相马达的驱动级电路中的其中两个反相器。考虑到晶体管由导通至关断或由关断至导通时会有一段转换时间，为了避免图1中各反相器中上下臂晶体管U、X与V、Y因同时导通而造成大电流烧毁电路的情况，控制信号产生电路在产生用以控制所述多个晶体管U、X与V、Y的脉宽调制信号时，会使提供给上下臂晶体管U、V与X、Y的脉宽调制信号为互补信号，且将上下臂晶体管U、V与X、Y的脉宽调制信号的转态缘延迟一段时间。一般来说，此段延迟时间称为停滞时间(或称死区；Dead Time)。
请参照图2A与图2B，图2A与图2B为图1中所述多个反相器之一中的上下臂晶体管U、X在马达被驱动时的波形图。于图2A与图2B中，脉宽调制信号u与x分别为提供给上臂晶体管U与下臂晶体管X的脉宽调制信号。
如图2A与图2B所示，提供给上臂晶体管U与下臂晶体管X的脉宽调制信号u与x其上缘均被延迟了一段停滞时间Td，以轮流导通上臂晶体管U与下臂晶体管X。当马达被驱动时，在电流由节点UO流向线圈的期间，节点UO的电压VUO即如图2A所示，而在电流由线圈流向节点UO的期间，节点UO的电压VUO即如图2B所示。须说明的是，于图2A中，Vd为下臂晶体管X的本体二极管的导通电压，于图2B中，Vd为上臂晶体管U的本体二极管的导通电压，且于图2A与图2B中，VDD为所述多个反相器的供应电压，于此不多加描述。
假设系统控制电路所产生的占空周期信号PWM的周期为T且其导通时间为Ton，则由图2A中节点UO的电压VUO可知，当马达被驱动时，在电流由节点UO流向线圈的期间，驱动级电路的等效占空周期为(Ton-Td)/T；另外，由图2B中节点UO的电压VUO可知，当马达被驱动时，在电流由线圈流向节点UO的期间，驱动级电路的等效占空周期为(Ton+Td)/T。
举例来说，于图1中，假设电流从由节点UO流向线圈，并通过线圈流入节点VO，且节点UO的占空周期为D1％、节点VO的占空周期为D2％，则此线圈电流是根据等效占空周期(D1-D2)％所产生。于此情形下，若停滞时间Td所造成的等效占空周期为Td％，则当马达被驱动时，驱动级电路产生线圈电流的等效占空周期便为(D1％-Td％)-[D2％+Td％]，即[(D1-D2)-2Td]％。
据此可知，将上下臂晶体管的脉宽调制信号的转态缘延迟一段停滞时间的作法虽然避免了各反相器中的上下臂晶体管同时导通的情况，但却会使驱动级电路的等效占空周期因为所述段停滞时间而与设计值有所落差，进而造成驱动电流波形失真。
发明内容
为了避免驱动级电路中的上下臂晶体管同时导通，并且维持驱动电流的波形的完整性，使驱动电流的波形不会失真，本发明提供了一种能让驱动级电路的等效占空周期不会因为停滞时间而缩短的马达驱动电路。
本发明所提供的马达驱动电路用以提供驱动电流来驱动一马达。此种马达驱动电路包括驱动级电路、系统控制电路、控制信号产生电路与多个电流零点侦测器。驱动级电路包括多个并联的反相器，且所述多个反相器分别包括上臂晶体管与下臂晶体管。系统控制电路用以提供占空周期信号。控制信号产生电路连接于系统控制电路与驱动级电路之间，用以根据占空周期信号产生多个脉宽调制信号来控制各反相器中上臂晶体管与下臂晶体管的导通与关断，以提供驱动电流来驱动马达。多个电流零点侦测器分别连接于驱动级电路与控制信号产生电路之间，用以分别侦测流经各反相器中上臂晶体管与下臂晶体管之间一节点的电流，并据以产生电流侦测信号。
于本发明所提供的马达驱动电路之一实施例中，若所述多个电流零点侦测器之一所产生的电流侦测信号表示于电流零点侦测器所对应的反相器中电流流出其上臂晶体管与下臂晶体管之间的节点，则控制信号产生电路将提供给反相器中的上臂晶体管的脉宽调制信号的上缘与下臂晶体管的脉宽调制信号的下缘各提前一时间段。另一方面，若所述多个电流零点侦测器之一所产生的电流侦测信号表示于电流零点侦测器所对应的反相器中电流流入其上臂晶体管与下臂晶体管之间的节点，则控制信号产生电路将提供给反相器中的上臂晶体管的脉宽调制信号的下缘与下臂晶体管的脉宽调制信号的上缘各提前一时间段。
总的来说，本发明所提供的马达驱动电路的主要特色在于，控制信号产生电路会根据所述多个电流侦测信号来调整其所产生出的所述多个脉宽调制信号，以使得驱动级电路的等效占空周期不会因为马达驱动电路的停滞时间而缩短，以维持驱动电流的波形的完整性，使驱动电流的波形不会失真。
为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，但是这些说明与附图说明书附图仅用来说明本发明，而非对本发明的权利要求作任何的限制。
附图说明
图1为一般马达驱动电路的驱动级电路的示意图。
图2A与图2B为图1的驱动级电路中多个反相器之一中的上下臂晶体管U、X在马达被驱动时的波形图。
图3为根据本发明一例示性实施例绘示的马达驱动电路的方块图。
图4A与图4B为图3的马达驱动电路中多个反相器之一中的上下臂晶体管U、X在马达被驱动时的波形图。
图5A与图5B显示了图3的马达驱动电路中控制信号产生电路如何根据电流侦测信号来调整其所产生出的脉宽调制信号的上下缘。
图6为根据本发明一例示性实施例绘示的马达驱动电路运作时的波形图。
图7A为根据一般马达驱动电路运作时电流IUO与电流侦测信号Iu的仿真结果，且图7B为根据本发明一例示性实施例绘示的马达驱动电路运作时电流IUO与电流侦测信号Iu的仿真结果。
具体实施方式
大体而言，本发明所提供的马达驱动电路的特色在于，在利用停滞时间(或称死区；Dead Time)避免驱动级电路中的上下臂晶体管同时导通的同时，驱动级电路的等效占空周期不会因为停滞时间而缩短，以维持驱动电流的波形的完整性，使驱动电流的波形不会失真。
在下文将参看附图说明书附图更充分地描述各种例示性实施例，在附图说明书附图中展示一些例示性实施例。然而，本发明概念可能以许多不同形式来体现，且不应解释为限于本文中所阐述的例示性实施例。确切而言，公开这些例示性实施例使得本发明将为详尽且完整，且将向熟习此项技术者充分传达本发明概念的范畴。在诸附图中，类似数字始终指示类似组件。
将理解的是，虽然第一、第二、第三等用语可使用于本文中用来描述各种组件或组件，但这些组件或组件不应被这些用语所限制。这些用语仅用以区分一个组件或组件与另一组件或组件。因此，下述讨论的第一组件或组件，在不脱离本发明的教示下，可被称为第二组件或第二组件。
请参照图3，图3为根据本发明一例示性实施例绘示的马达驱动电路的方块图。
如图3所示，本实施例所提供的马达驱动电路包括驱动级电路12、系统控制电路14、控制信号产生电路16与多个电流零点侦测器18a和18b。驱动级电路12包括多个并联的反相器INV1和INV2，反相器INV1由上臂晶体管U与下臂晶体管X组成，反相器INV2由上臂晶体管V与下臂晶体管Y组成。系统控制电路14用以提供占空周期信号PWM。控制信号产生电路16连接于所述系统控制电路14与驱动级电路12之间，用以根据占空周期信号PWM产生多个脉宽调制信号u、x、v和y来控制反相器INV1中上臂晶体管U与下臂晶体管X的导通与关断，以及反相器INV2中上臂晶体管V与下臂晶体管Y的导通与关断，进而提供驱动电流至线圈来驱动马达。
须说明的是，本实施例所提供的马达驱动电路可用以单相马达或三相马达。因此，虽然图3中的驱动级电路12仅绘示有两个反相器INV1和INV2，但本发明并不被限制适用于单相马达。为便于理解，于本实施例中，马达驱动电路所驱动的马达是以单相马达作为举例，故控制信号产生电路16会产生四个脉宽调制信号u、x、v和y来控制两个反相器INV1和INV2。于其他实施例中，马达驱动电路所驱动的马达亦可为三相马达，于此情况下，控制信号产生电路16会产生六个脉宽调制信号来控制三个反相器。
本实施例所提供的马达驱动电路的工作原理大致如下。
电流零点侦测器18a和18b，分别连接于驱动级电路12与控制信号产生电路16之间，用以分别侦测流经反相器INV1和INV2中上臂晶体管U、V与下臂晶体管X、Y之间一节点的电流IUO、IVO，并据以产生电流侦测信号Iu、Iv。以反相器INV1来说，当电流零点侦测器18a所侦测到的电流IUO为正值时，即表示此时于电流零点侦测器18a所对应的反相器INV1中电流IUO流出节点UO，于是电流零点侦测器18a便会产生低电位的电流侦测信号Iu。相反地，当电流零点侦测器18a所侦测到的电流IUO为负值时，即表示此时于电流零点侦测器18a所对应的反相器INV1中电流IUO流入节点UO，于是电流零点侦测器18a便会产生高电位的电流侦测信号Iu。
接着，控制信号产生电路16便会根据电流侦测信号Iu来调整其所产生出的脉宽调制信号u、x。控制信号产生电路16根据电流侦测信号Iu来调整其所产生出的脉宽调制信号u、x的目的是在于要让驱动级电路12的等效占空周期不会因为停滞时间而缩短，以维持驱动电流的波形的完整性，使驱动电流的波形不会失真。
于接下来的叙述中，将进一步说明于本实施例所提供的马达驱动电路中，控制信号产生电路16如何根据电流侦测信号来调整其所产生出的脉宽调制信号，使得驱动级电路12的等效占空周期不会因为停滞时间而缩短。为便于说明，于以下的叙述中，将仅针对反相器INV1作描述，本领域技术人员应可据以推知于马达运转期间其他反相器的运作情况。
图4A与图4B为图3的马达驱动电路中多个反相器之一中的上下臂晶体管U、X在马达被驱动时的波形图。
请同时参照图2A与图4A。于本实施例中，当电流零点侦测器18a产生低电位的电流侦测信号Iu时，即表示此时于反相器INV1中电流IUO流出节点UO，此时为了改善图2A中驱动级电路的等效占空周期为(Ton-Td)/T的情况，如图4A所示，控制信号产生电路16便会将提供给反相器INV1中的上臂晶体管U的脉宽调制信号u的上缘与下臂晶体管X的脉宽调制信号x的下缘各提前一时间段(即，相较于图2A，图4A中上臂晶体管U的脉宽调制信号u的上缘与下臂晶体管X的脉宽调制信号x的下缘都被提前了一个时间段)。如此一来，节点UO处于高电位的时间区段便会等于占空周期信号PWM的导通时间Ton，因此驱动级电路12的等效占空周期便会等于Ton/T，而不会是(Ton-Td)/T。
另一方面，当电流零点侦测器18a产生高电位的电流侦测信号Iu时，即表示此时于反相器INV1中电流IUO流入节点UO，此时为了改善图2B中驱动级电路的等效占空周期为(Ton+Td)/T的情况，如图4B所示，控制信号产生电路16便会将提供给反相器INV1中的上臂晶体管U的脉宽调制信号u的下缘与下臂晶体管X的脉宽调制信号x的上缘各提前一时间段(即，相较于图2B，图4B中上臂晶体管U的脉宽调制信号u的下缘与下臂晶体管X的脉宽调制信号x的上缘都被提前了一个时间段)。如此一来，节点UO处于高电位的时间区段便会等于占空周期信号PWM的导通时间Ton，因此驱动级电路12的等效占空周期便会等于Ton/T，而不会是(Ton+Td)/T。
换句话说，经由前述对脉宽调制信号u和x的调整，对于本实施例所提供的马达驱动电路来说，驱动级电路12的等效占空周期与马达驱动电路的停滞时间Td没有关系，驱动级电路12的等效占空周期不会因为停滞时间Td的存在而缩短。
值得注意的是，于本实施例中，当电流零点侦测器18a产生低电位的电流侦测信号Iu时，反相器INV1中的上臂晶体管U的脉宽调制信号u的上缘与下臂晶体管X的脉宽调制信号x的下缘被提前的时间段被设计等于马达驱动电路的停滞时间Td。另外，当电流零点侦测器18a产生高电位的电流侦测信号Iu时，反相器INV1中的上臂晶体管U的脉宽调制信号u的下缘与下臂晶体管X的脉宽调制信号x的上缘被提前的时间段被设计等于马达驱动电路的停滞时间Td。如此一来，才能有效地消除停滞时间Td对驱动级电路12的等效占空周期的影响。
接下来，将说明本实施例所提供的马达驱动电路中控制信号产生电路16如何根据电流侦测信号来调整其所产生出的脉宽调制信号的上下缘。
于本实施例中，控制信号产生电路16所提供给各反相器的脉宽调制信号是根据系统控制电路14所提供的占空周期信号PWM并利用一默认三角波所产生。
请参照图5A，当电流零点侦测器18a所产生的电流侦测信号Iu表示于反相器INV1中电流流出节点UO时，为了将提供给反相器INV1中的上臂晶体管U的脉宽调制信号u的上缘与下臂晶体管X的脉宽调制信号x的下缘各提前一个停滞时间Td，控制信号产生电路16便会将默认三角波Tri向下调整一预设准位，以产生一个经调整的预设三角波TriL。于图5A中，根据占空周期信号PWM与默认三角波Tri所产生出的脉宽调制信号u即为图4A所示的脉宽调制信号u，且根据占空周期信号PWM与经调整的预设三角波TriL所产生出的脉宽调制信号x即为图4A所示的脉宽调制信号x。如此一来，便得以将提供给反相器INV1中的上臂晶体管U的脉宽调制信号u的上缘与下臂晶体管X的脉宽调制信号x的下缘各提前一个停滞时间Td，使得驱动级电路12的等效占空周期等于Ton/T，而不会等于(Ton-Td)/T。
另一方面，请参照图5B，当电流零点侦测器18a所产生的电流侦测信号Iu表示于反相器INV1中电流流入节点UO时，为了将提供给反相器INV1中的上臂晶体管U的脉宽调制信号u的下缘与下臂晶体管X的脉宽调制信号x的上缘各提前一个停滞时间Td，控制信号产生电路16便会将默认三角波Tri向上调整一预设准位，以产生一个经调整的预设三角波TriH。于图5B中，根据占空周期信号PWM与默认三角波Tri所产生出的脉宽调制信号x即为图4B所示的脉宽调制信号x，且根据占空周期信号PWM与经调整的预设三角波TriH所产生出的脉宽调制信号u即为图4B所示的脉宽调制信号u。如此一来，便得以将提供给反相器INV1中的上臂晶体管U的脉宽调制信号u的下缘与下臂晶体管X的脉宽调制信号x的上缘各提前一个停滞时间Td，使得驱动级电路12的等效占空周期等于Ton/T，而不会等于(Ton+Td)/T。
须说明的是，于前述对于预设三角波的调整机制中，所述预设准位相关于马达驱动电路的停滞时间Td，如此一来，才能有效地消除停滞时间Td对驱动级电路12的等效占空周期的影响。
总体来说，本实施例所提供的马达驱动电路的运作机制可以参照图6，图6为根据本发明一例示性实施例绘示的马达驱动电路运作时的波形图。由图6可以总结出，当电流零点侦测器18a所侦测到的电流IUO为正值时，控制信号产生电路16便会将默认三角波Tri向下调整一预设准位以获得经调整的预设三角波TriL。接着，再根据占空周期信号PWM、默认三角波Tri与经调整的预设三角波TriL分别产生出提供给反相器INV1的上臂晶体管U与下臂晶体管X的脉宽调制信号u和x。另一方面，当电流零点侦测器18a所侦测到的电流IUO为负值时，控制信号产生电路16便会将默认三角波Tri向上调整一预设准位以获得经调整的预设三角波TriH。接着，再根据占空周期信号PWM、默认三角波Tri与经调整的预设三角波TriH分别产生出提供给反相器INV1的上臂晶体管U与下臂晶体管X的脉宽调制信号u和x。
[实施例的可能功效]
根据前述说明，于本发明所提供的马达驱动电路中，控制信号产生电路会根据电流侦测信号来调整其要提供给驱动级电路的所述多个脉宽调制信号，避免驱动级电路12的等效占空周期因为停滞时间而缩短。如此一来，便能维持驱动电流的波形的完整性，使驱动电流的波形不会失真。
正由于在本发明中，驱动级电路12的等效占空周期不会因为停滞时间而缩短，提供给线圈的驱动电流(如：电流IUO)其波形便不会有失真的情况。
请同时参照图7A与图7B，图7A为根据一般马达驱动电路运作时电流IUO与电流侦测信号Iu的仿真结果，且图7B为根据本发明一例示性实施例绘示的马达驱动电路运作时电流IUO与电流侦测信号Iu的仿真结果。如图7B所示，由于本发明所提供的马达驱动电路具有根据电流侦测信号来调整其要提供给驱动级电路的所述多个脉宽调制信号的机制，故当本发明所提供的马达驱动电路运作时，在电流IUO的零交越点处(即，电流侦测信号由正值转负值或由负值转正值时)，电流IUO的波形的完整性可以被维持。相较之下，如图7A所示，由于一般马达驱动电路并不具有根据电流侦测信号来调整其要提供给驱动级电路的所述多个脉宽调制信号的机制，故于其运作时，在电流IUO的零交越点处(即，电流侦测信号由正值转负值或由负值转正值时)，便无法电流IUO的波形的完整性。
还须说明地是，于前述说明中，尽管已将本发明技术的概念以多个示例性实施例具体地示出与阐述，然而本领域技术人员将理解，在不背离由以下权利要求所界定的本发明技术的概念的范围的条件下，可对其作出形式及细节上的各种变化。

Claims (7)

1.一种马达驱动电路，用以提供一驱动电流来驱动一马达，其特征在于，包括：
一驱动级电路，包括多个并联的反相器，其中多个所述反相器各自包括一上臂晶体管与一下臂晶体管；
一系统控制电路，用以提供一占空周期信号；
一控制信号产生电路，连接于所述系统控制电路与所述驱动级电路之间，所述控制信号产生电路用以根据所述占空周期信号产生多个脉宽调制信号来控制各所述反相器中所述上臂晶体管与所述下臂晶体管的导通与关断，以提供所述驱动电流来驱动所述马达；以及
多个电流零点侦测器，分别连接于所述驱动级电路与所述控制信号产生电路之间，所述多个电流零点侦测器用以分别侦测流经各所述反相器中所述上臂晶体管与所述下臂晶体管之间一节点的一电流，并产生一电流侦测信号；
其中，所述控制信号产生电路根据多个所述电流侦测信号来调整所述控制信号产生电路所产生出的所述多个脉宽调制信号，以使得所述驱动级电路的等效占空周期不相关于所述马达驱动电路的停滞时间，
其中，当各所述电流零点侦测器所侦测到的所述电流为正值时，即表示此时于所述电流零点侦测器所对应的所述反相器中的所述电流流出所述节点，于是所述电流零点侦测器产生低电位的所述电流侦测信号，所述控制信号产生电路根据低电位的所述电流侦测信号将默认三角波的预设准位向下调整以获得经调整的预设三角波，接着根据所述占空周期信号、所述默认三角波与经调整的所述预设三角波分别产生出提供给所述反相器的所述上臂晶体管与所述下臂晶体管的所述脉宽调制信号；
其中，当各所述电流零点侦测器所侦测到的所述电流为负值时，即表示此时于所述电流零点侦测器所对应的所述反相器中的所述电流流入所述节点，于是所述电流零点侦测器产生高电位的所述电流侦测信号，所述控制信号产生电路根据高电位的所述电流侦测信号将所述默认三角波的所述预设准位向上调整以获得经调整的所述预设三角波，接着根据所述占空周期信号、所述默认三角波与经调整的所述预设三角波分别产生出提供给所述反相器的所述上臂晶体管与所述下臂晶体管的所述脉宽调制信号。
2.如权利要求1所述的马达驱动电路，其特征在于，若所述多个电流零点侦测器之一所产生的所述电流侦测信号表示于所述电流零点侦测器所对应的所述反相器中的所述电流流出所述节点，则所述控制信号产生电路将提供给所述反相器中的所述上臂晶体管的所述脉宽调制信号的上缘与所述下臂晶体管的所述脉宽调制信号的下缘各提前一时间段，且所述时间段等于所述马达驱动电路的停滞时间。
3.如权利要求1所述的马达驱动电路，其特征在于，若所述多个电流零点侦测器之一所产生的所述电流侦测信号表示于所述电流零点侦测器所对应的所述反相器中的所述电流流入所述节点，则所述控制信号产生电路将提供给所述反相器中的所述上臂晶体管的所述脉宽调制信号的下缘与所述下臂晶体管的所述脉宽调制信号的上缘各提前一时间段，且所述时间段等于所述马达驱动电路的停滞时间。
4.如权利要求1所述的马达驱动电路，其特征在于，所述预设准位相关于所述马达驱动电路的停滞时间。
5.如权利要求1所述的马达驱动电路，其特征在于，所述马达驱动电路所驱动的所述马达为单相马达或三相马达。
6.如权利要求1所述的马达驱动电路，其特征在于，当所述马达驱动电路所驱动的所述马达为单相马达时，所述控制信号产生电路产生四个所述脉宽调制信号来控制两个所述反相器。
7.如权利要求1所述的马达驱动电路，其特征在于，当所述马达驱动电路所驱动的所述马达为三相马达时，所述控制信号产生电路产生六个所述脉宽调制信号来控制三个所述反相器。
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