CN110932613B - 电机驱动电路和电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种电机驱动电路和电子设备，以解决使用斩波的方式调制电机的驱动电流噪声大、不利于系统的电磁兼容设计的问题。该电机驱动电路包括：H桥电路、负反馈电路和参考电压电路；其中，H桥电路包括第一半导体晶体管；所述负反馈电路的输出端与所述第一半导体晶体管的驱动端连接，所述负反馈电路的第一输入端与H桥电路的接地端连接，所述负反馈电路的第二输入端与所述参考电压电路连接，所述参考电压电路用于输出参考电压；所述负反馈电路用于驱动所述第一半导体晶体管，使得H桥电路输出与所述参考电压相匹配的电流。

Description

电机驱动电路和电子设备
技术领域
本发明实施例涉及电路技术领域，尤其涉及一种电机驱动电路和电子设备。
背景技术
随着电子设备技术的不断发展，电子设备的功能也越来越多样化。电子设备中通常会使用一些小尺寸的电机，例如，用于驱动手机前置摄像头伸缩的步进电机，相关技术中通常是采用H桥电路来对流经电机的电流进行换向；采用斩波的方式控制上述电流按照正弦规律变化。
图1是利用直流电源和H桥电路驱动电机的原理图，从图1可以看出，H桥电路由四个半导体晶体管M1～M4组成。当M1、M3打开，M2、M4关闭时，电流按照图1中①方向(短划线)流动；当M2、M4打开，M1、M3关闭时，电流按照图中②方向(点划线)流动，通过控制M1～M4的开、闭以实现电流的换向。
H桥电路驱动电机时，流经电机的电流波形如2中的实线所示，为了使电流波形按照图2中虚线所示的正弦规律变化，目前采用斩波的方式实现，具体实现原理为：将一个完整驱动的1/4周期划分为N步，设置每一步的电流门限为LN，当电流达到门限LN后，关闭相应的电流通路，当下一步(N+1)时刻来临后，重新打开电流通路。按照上述方式对电流进行斩波，只需控制每一步的电流门限LN按照正弦规律变化，即实现电流波形总体上按照正弦规律变化，电流的波形如图3所示。通过增大细分步数，即增大N值，可以使斩波后的电流波形趋近于正弦波。
通过斩波的方式虽然可以使电流波形接近正弦波，但电流波形依然存在一定的纹波电流。对于电子设备中小尺寸的步进电机而言，由于其尺寸小，电机线圈本身的电感较小，使用斩波的方式调制的电流纹波电流较大，具有一定的高频分量，噪音较大。另外，通过斩波的方式调制电流，H桥电路中的四个半导体晶体管M1～M4均工作在开关状态，开关切换过程中存在较大的开关噪声，不利于系统的电磁兼容设计。
发明内容
本发明实施例提供一种电机驱动电路和电子设备，能够解决使用斩波的方式调制电机的驱动电流噪声大、不利于系统的电磁兼容设计的问题。
为了解决上述技术问题，本发明实施例是这样实现的：
第一方面，提供了一种电机驱动电路，该电机驱动电路包括H桥电路、负反馈电路和参考电压电路；其中，
所述H桥电路包括第一半导体晶体管；
所述负反馈电路的输出端与所述第一半导体晶体管的驱动端连接，所述负反馈电路的第一输入端与所述H桥电路的接地端连接，所述负反馈电路的第二输入端与所述参考电压电路连接，所述参考电压电路用于输出参考电压；
所述负反馈电路用于驱动所述第一半导体晶体管，使得所述H桥电路输出与所述参考电压相匹配的电流。
第二方面，提供了一种电子设备，该电子设备包括如第一方面所述的电机驱动电路。
在本发明实施例中，通过在电机驱动电路中引入负反馈电路和参考电压电路，参考电压电路可以输出参考电压，负反馈电路则可以驱动H桥电路的半导体晶体管，控制H桥电路输出与上述参考电压相匹配的电流。由于驱动电流未经过电流斩波，不会导致系统的电磁兼容问题；同时，通过负反馈电路控制驱动电流，可以大大降低驱动电流纹波，从而降低电机运行时产生的噪音。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是现有技术中采用H桥电路驱动电机的原理示意图；
图2是现有技术中H桥电路的驱动电路波形示意图；
图3是现有技术中通过斩波的方式调制的电流波形示意图；
图4是本发明一个实施例提供的电机驱动电路示意图；
图5是本发明另一个实施例提供的电机驱动电路示意图；
图6是本发明另一个实施例提供的电机驱动电路的驱动电流波形示意图；
图7是本发明一个实施例提供的电机驱动电路示意图；
图8是本发明另一个实施例提供的电机驱动电路示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。
本发明实施例提供一种电机驱动电路，主要包括：H桥电路、负反馈电路和参考电压电路；其中，所述H桥电路包括第一半导体晶体管；该第一半导体晶体管可以是H桥电路的两个下端(low-side)半导体晶体管；其中，H桥电路还包括两个第二半导体晶体管，该第二半导体晶体管可以是H桥电路的两个上端(high-side)半导体晶体管。
所述负反馈电路的输出端与所述第一半导体晶体管的驱动端连接，所述负反馈电路的第一输入端与所述H桥电路的接地端连接，所述负反馈电路的第二输入端与所述参考电压电路连接，所述参考电压电路用于输出参考电压；所述负反馈电路用于驱动所述第一半导体晶体管，使得所述H桥电路输出与所述参考电压相匹配的电流，例如，按照正弦规律变化的电流、按照余弦规律变化的电流等等。
本发明实施例提供的电机驱动电路，通过引入负反馈电路和参考电压电路，参考电压电路可以输出参考电压，负反馈电路则可以驱动H桥电路的半导体晶体管，控制H桥电路输出与上述参考电压相匹配的电流。由于驱动电流未经过电流斩波，不会导致系统的电磁兼容问题；同时，通过负反馈电路控制驱动电流，可以大大降低驱动电流纹波，从而降低电机运行时产生的噪音。
为详细说明本发明上述实施例提供的电机驱动电路，以下将结合几个具体的实施例进行介绍。
图4是本发明的一个实施例提供的电机驱动电路示意图，主要包括：H桥电路、负反馈电路和参考电压电路，以下将对该电机驱动电路的主要结构及其连接关系进行详细介绍。
如图4所示，H桥电路包括M1～M4这4个半导体晶体管，该半导体晶体管可以是双极型晶体管(BJT)或场效应管(MOSFET)等。当M1～M4为MOSFET时，M1和M2工作于开关状态，主要作用是配合M3、M4控制电流的流向；M3和M4工作于恒流区，其作用是形成一个恒流源，抽取特定的电流。当M1～M4为BJT时，M1和M2工作于饱和区，M3和M4工作于放大区。
上述负反馈电路主要包括电流反馈电路101、误差放大器102和第一驱动电路103。
从图4可以看出，误差放大器102的输出端与两个第一驱动电路103连接，两个第一驱动电路103分别与半导体晶体管M3和M4的驱动端连接。
误差放大器102的反相输入端与电流反馈电路101连接，电流反馈电路与H桥电路的接地端连接。
误差放大器102的同相输入端与参考电压电路连接。
在图4所示的实施例中，参考电压电路包括序列产生电路201和与其连接的数模转换电路202，数模转换电路202的输出端与误差放大器102的同相输入端连接。
上述序列产生电路201主要用于生成按照正弦规律变化的数字电压序列；数模转换电路(或称D/A转换器，简称DAC)202主要用于将序列产生电路201生成的数字电压序列转换为按照正弦规律变化的模拟电压。
第一驱动电路103，主要作用是通过控制M3和M4的栅极电压，驱动M3和M4的工作于所需要的工作点；同时，第二驱动电路301过控制M1和M2的栅极电压，使M1和M2工作于开关状态，以配合M3和M4控制电流的流向，即第二驱动电路301基于数模转换电路202输出的模拟电压的相位和周期，驱动半导体晶体管M1和M2的开、闭，以配合M3和M4控制电流的流向。
误差放大器102，主要用于对反馈信号(电流反馈电路101采集的电压)和参考信号(数模转换电路202输出的按照正弦规律变化的模拟电压)间的误差进行放大，构成负反馈电路，通过负反馈控制驱动电流按照正弦规律变化。
电流反馈电路101主要用于采集H桥电路的输出电流信号，并将采样到的电流信号转换成电压信号，以便于误差放大器102将其与数模转换电路202输出的模拟电压信号进行比较放大。
在一个例子中，电流反馈电路101包括采样电阻和电压检测模块(均未图示)，该采样电阻串联于H桥电路的接地端，电压检测模块用于检测采样电阻两端的电压，电压检测模块与误差放大器102的反相输入端连接。
在另一个例子中，电流反馈电路101包括电流镜和电压生成模块(均未图示)，电流镜用于检测H桥电路的接地端的电流，电压生成模块用于基于电流镜检测到的电流生成采样电压，电压生成模块与误差放大器102的反相输入端连接。
如图1所示，上述电机驱动电路还包括逻辑电路30，逻辑电路30分别与所述第二驱动电路301，第一驱动电路103和序列产生电路201连接，用于实现整个电机驱动电路的逻辑控制，包括整个电机驱动电路的使能与关断、各个电路模块的使能与关断、时序等。
通过上述介绍可知，本发明实施例提供的电机驱动电路，通过电流反馈电路101、误差放大器102、M3和M4的第一驱动电路103构成负反馈电路，通过控制M3和M4的栅极电压控制流经电机40的驱动电流的大小。M1和M2是开关管，与M3和M4组成H桥电路的驱动电路，通过序列产生电路201和数模转换电路202的控制，使得误差放大器102的参考电压按照正弦规律变化，从而产生按照正弦规律变化的驱动电流。
本发明实施例通过使H桥电路的两个低端的半导体晶体管M3和M4工作于恒流区，即实现了H桥电路的电流换向功能，又实现了驱动电流按照正弦规律变化。
图4所示的实施例为驱动单个直流电机40的电机驱动电路，如果需要驱动两相步进电机，该电机驱动电路如图5所示。
图5所示的电机驱动电路工作时，由于两相步进电机驱动需要两个H桥电路驱动，每个H桥电路架构与图4所示的实施例一致，工作原理也是一致的。两相步进电机工作时，A相和B相驱动电流相位相差90°，其驱动电流波形如图6所示。
本发明实施例提供的上述电机驱动电路，至少能够达到以下有益效果：
通过H桥电路的换向，能够驱动无刷电机；
低端半导体晶体管工作于恒流区，驱动电流未经过电流斩波，不会导致系统的电磁兼容性问题；
低端半导体晶体管工作于恒流区，高端半导体晶体管的开、关频率远远小于现有技术中采用斩波时的开、关频率，大大降低电机运行时产生的噪音；
通过负反馈电路实现正弦波驱动电流，可以大大降低驱动电流纹波，从而降低电机运行时产生的噪音；
通过增大负反馈电路的带宽，可以提高负反馈电路的响应速度，从而得到更加平滑的正弦波驱动电流。
如图7所示，图7是本发明的另一个实施例提供一种电机驱动电路，该实施例与图4所示的实施例的实现原理是一致的，也是也是利用M3、M4工作于恒流区实现电流的调制，唯一的区别在于该实施例中的参考电压电路与图4所示的实施例存在区别。
图4所示的实施例是采用序列产生电路201+数模转换电路202使误差放大器102的参考电压按照正弦规律变化，是采用数字的方式实现。而该实施例可以使用模拟的方式实现，如图7所示，该实施例中的参考电压电路主要包括振荡电路501和与其连接的缓冲电路502，缓冲电路502连接在振荡电路501和误差放大器102的同向输入端之间。
震荡电路501主要用于生成按照正弦规律变化的模拟电压；缓冲电路502主要用于调整上述模拟电压的幅度，以适配误差放大器102的输入电压。可选地，在其它的实施例中，还可以省略上述缓冲电路502。
图7所示的为实现驱动单个直流电机的电机驱动电路，如果需要驱动两相步进电机，该电机驱动电路如图8所示。
图8所示的电机驱动电路工作时，由于两相步进电机驱动需要两个H桥电路驱动，每个H桥电路架构与图7所示的实施例一致，工作原理也是一致的。两相步进电机工作时，A相和B相驱动电流相位相差90°，因此，其驱动电流波形如图6所示。
图7所示的实施例提供的电机驱动电路，至少能够达到以下有益效果：
通过H桥电路的换向，能够驱动无刷电机；
低端半导体晶体管工作于恒流区，驱动电流未经过电流斩波，不会导致系统的电磁兼容性问题；
低端半导体晶体管工作于恒流区，高端半导体晶体管的开、关频率远远小于现有技术中采用斩波时的开、关频率，大大降低电机运行时产生的噪音；
通过负反馈电路实现正弦波驱动电流，可以大大降低驱动电流纹波，从而降低电机运行时产生的噪音；
通过增大负反馈电路的带宽，可以提高负反馈电路的响应速度，从而得到更加平滑的正弦波驱动电流。
本发明上述实施例仅给出了驱动直流无刷电机和两相步进电机的电路框图，如果继续增加图4或图7所示的电路模块，并将驱动电流相位按照相应的电机驱动要求进行调整，同样可用于驱动三相、五相甚至更多相的电机。
基于本发明上述各个实施例提供的电机驱动电路，本发明还提供一种电子设备，该电子设备包括如前文任意一个实施例描述的电机驱动电路。
上述电子设备包括但不限于手机、平板电脑、个人数字处理器、车载电脑、相机、音乐播放器、手提电脑、电子书阅读器或导航仪等。
本发明实施例提供的电子设备能够达到与前文几个实施例中介绍的电机驱动电路相同或等同的技术效果，在此不再赘述。
本说明书中的各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的通常是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种电机驱动电路，其特征在于，包括：H桥电路、负反馈电路和参考电压电路；其中，
所述H桥电路包括第一半导体晶体管和第二半导体晶体管、与所述第二半导体晶体管的驱动端连接的第二驱动电路；
所述第二半导体晶体管包括第一开关管和第二开关管，第一开关管的栅极、第二开关管的栅极与所述第二驱动电路连接，第一开关管的漏极与电机的第一端连接，第二开关管的漏极与电机的第二端连接；
所述负反馈电路包括电流反馈电路、误差放大器和第一驱动电路，所述电流反馈电路与所述H桥电路的接地端连接，用于采集所述H桥电路的输出电流信号，并将采样到的电流信号转换成电压信号；所述误差放大器的反相输入端与所述电流反馈电路连接，所述误差放大器的同相输入端与所述参考电压电路连接，所述误差放大器的输出端与所述第一驱动电路连接，用于对所述电压信号和参考电压间的误差进行放大，所述参考电压电路用于输出按照正弦规律变化的参考电压；
所述第一半导体晶体管包括第一子半导体晶体管和第二子半导体晶体管，第一子半导体晶体管的栅极、第二子半导体晶体管的栅极与所述第一驱动电路的输出端连接，第二子半导体晶体管的源极与电机的第一端连接，第一子半导体晶体管的源极与电机的第二端连接，第一子半导体晶体管的漏极和第二子半导体晶体管的漏极分别与所述接地端连接；
所述第一子半导体晶体管和第二子半导体晶体管工作于恒流区，用于形成一个恒流源，所述第一驱动电路根据所述参考电压和所述H桥电路输出的电流信号对应的电压之间的误差，控制所述第一子半导体晶体管和第二子半导体晶体管的栅极电压，以驱动所述第一子半导体晶体管和第二子半导体晶体管工作于所需要的工作点，使得所述H桥电路输出与所述参考电压相匹配的按照正弦规律变化的电流；
所述第二驱动电路用于基于所述参考电压的相位和周期，通过控制所述第一开关管和第二开关管的栅极电压使第一开关管和第二开关管工作于开关状态，驱动所述第一开关管和第二开关管的开、闭，以配合所述第一子半导体晶体管和第二子半导体晶体管控制电流的流向，使得输入所述误差放大器的参考电压按照正弦规律变化，从而产生按照正弦规律变化的驱动电流。
2.如权利要求1所述的电机驱动电路，其特征在于，所述参考电压电路包括序列产生电路和数模转换电路，所述数模转换电路与所述误差放大器的同相输入端连接；
其中，所述序列产生电路用于生成按照正弦规律变化的数字电压序列；
所述数模转换电路用于将所述数字电压序列转换为按照正弦规律变化的模拟电压；
所述参考电压包括所述按照正弦规律变化的模拟电压。
3.如权利要求1所述的电机驱动电路，其特征在于，所述参考电压电路包括震荡电路，所述震荡电路与所述误差放大器的同相输入端连接；
其中，所述震荡电路用于生成按照正弦规律变化的模拟电压；
所述参考电压包括所述按照正弦规律变化的模拟电压。
4.如权利要求3所述的电机驱动电路，其特征在于，所述参考电压电路还包括缓冲电路，所述缓冲电路连接在所述震荡电路和所述误差放大器的同相输入端之间；
其中，所述缓冲电路用于调整所述模拟电压的幅度，以适配所述误差放大器的同相输入端的输入电压。
5.如权利要求2或3所述的电机驱动电路，其特征在于，
所述第一半导体晶体管是所述H桥电路的下端半导体晶体管；
所述第二半导体晶体管是所述H桥电路的上端半导体晶体管。
6.如权利要求5所述的电机驱动电路，其特征在于，所述电机驱动电路还包括逻辑电路，所述逻辑电路分别与所述第一驱动电路、所述第二驱动电路和所述参考电压电路连接。
7.如权利要求5所述的电机驱动电路，其特征在于，
所述电流反馈电路包括采样电阻和电压检测模块，所述采样电阻串联于所述H桥电路的接地端，所述电压检测模块用于检测所述采样电阻两端的电压；或
所述电流反馈电路包括电流镜和电压生成模块，所述电流镜用于检测所述H桥电路的接地端的电流，所述电压生成模块用于基于所述电流镜检测到的电流生成采样电压。
8.如权利要求1所述的电机驱动电路，其特征在于，所述电机驱动电路具体包括第一电机驱动电路和第二电机驱动电路；其中，
所述第一电机驱动电路用于驱动电机的A相；
所述第二电机驱动电路用于驱动所述电机的B相。
9.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一项所述的电机驱动电路。
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