CN112217429A - 一种无刷电机驱动电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无刷电机驱动电路及方法，三极管Q1的发射极与电容C1、可调电阻R1和电压源供电负极端口相连，集电极与电容C1、可调电阻R1和电阻R2相连后接入电机控制芯片U1，电阻R2与电压源供电正极端口相连；三极管Q1的集电极连接误差放大器的同相输入端，反相输入端与电容C2和电阻R3相连，电容C2和电阻R3与误差放大器的输出端相连，电机适配器输出端连接误差放大器的反相输入端，输出端连接第一比较器的反相输入端，电阻R5连接电压源供电正极端口，电阻R5接同相输入端与电容C3，电容C3与电压源供电负极端口相连；第一比较器连接栅极驱动信号调制电路，栅极驱动信号调制电路连接有三相桥逆变器。
Description
技术领域
本发明属于电机驱动领域，涉及一种无刷电机驱动电路及方法。
背景技术
传统电机控制采用直接启动方式，导致启动电流大、干扰大、控制精度差及可靠性低的问题。这种直接启动方式的启动电流将达到电机额定电流的5～7倍，一方面影响其他设备的正常工作，另一方面造成电机绕组过热，加速电机老化，无法保证整机系统的安全性。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种无刷电机驱动电路及方法，在保证启动时间和带载启动的同时减小了电机的启动电流，改善了驱动器和系统的工作性能。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种无刷电机驱动电路，包括三极管Q1、电容C1、电容C2、电容C3、可调电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电机控制芯片U1和电机适配器；
三极管Q1的发射极与电容C1第一端、可调电阻R1第一端和电压源供电负极端口相连，三极管Q1的集电极与电容C1第二端、可调电阻R1第二端和电阻R2第一端相连后接入电机控制芯片U1，电阻R2第二端与电压源供电正极端口相连；
电机控制芯片U1包括误差放大器、第一比较器和栅极驱动信号调制电路，三极管Q1的集电极连接误差放大器的同相输入端，误差放大器的反相输入端与电容C2第一端和电阻R3第一端相连，电容C2第二端和电阻R3第二端与误差放大器的输出端相连，电机适配器输出端通过连接电阻R4连接误差放大器的反相输入端，误差放大器的输出端连接第一比较器的反相输入端，电阻R5第一端连接电压源供电正极端口，电阻R5第二端接第一比较器的同相输入端与电容C3第一端，电容C3第二端与电压源供电负极端口相连；第一比较器的输出端连接栅极驱动信号调制电路输入端，栅极驱动信号调制电路输出端连接有三相桥逆变器输入端。
优选的，栅极驱动信号调制电路输出端连接有母线电压抑制电路，母线电压抑制电路包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、第二比较器、PMOS管T7、三极管Q2和方波发生器；
电阻R6第一端和栅极驱动信号调制电路输出端与母线电压正极VP相连，电阻R6第二端与第二比较器的同相输入端和电阻R7第一端相连，电阻R7第二端接地，第二比较器的反向输入端与电阻R8第一端和电阻R9第一端相连，电阻R8第二端与电压源供电正极端口相连，电阻R9第二端与电压源供电负极端口相连，第二比较器的输出端连接方波发生器的复位端，方波发生器输出端的PWM信号连接三极管Q2的基极，三极管Q2的发射极接电压源供电负极端口，三极管Q2的集电极与电阻R10的第一端相连，电阻R10的第二端与电阻R11第一端和PMOS管T7的栅极相连，PMOS管T7的源极与电阻R11第二端连接到母线电压正极VP，PMOS管T7的漏极与电阻R12第一端相连，电阻R12第二端与电压源供电负极端口相连。
进一步，电压源供电正极端口连接方波发生器的VCC端、方波发生器的DIS端、方波发生器的THR端、方波发生器的TRIG端、电容C4和地；方波发生器的DIS端和电压源供电正极端口之间连接有电阻R13，方波发生器的THR端和电压源供电正极端口之间连接有电阻R14，方波发生器的GND端接地，方波发生器的COUNT端通过电容C5与方波发生器的GND端连接。
优选的，栅极驱动信号调制电路输出多路栅极驱动信号，多路栅极驱动信号分别与三相桥逆变器电路的多个VDMOS管连接。
进一步，栅极驱动信号调制电路输出6路栅极驱动信号，6路栅极驱动信号分别与三相桥逆变器电路的6个VDMOS管的栅极连接，VDMOS管T1、VDMOS管T2和VDMOS管T3的漏极与母线电压源正极VP相接，VDMOS管T1的源极与VDMOS管T3的漏极相连，作为三相桥路A相输出；VDMOS管T2的源极与VDMOS管T5的漏极相连，作为三相桥路B相输出；VDMOS管T3的源极与VDMOS管T6的漏极相连，作为三相桥路C相输出；VDMOS管T4、VDMOS管T5和VDMOS管T6的源极与母线电压源负极端口相连。
优选的，电机控制芯片U1的型号为MC33035。
一种基于上述任意一项所述电路的无刷电机驱动方法，向三极管Q1基极输入控制信号，当控制信号低有效后，三极管Q1停止导通，电容C1开始充电，将电容C1的电压信号送入误差放大器的同相输入端，误差放大器的反向输入端接收电机适配器发出的与电机转速成比例的转速调宽波信号，经电阻R3、电容C2与误差放大器组成的积分网络后，产生比较用的误差电压信号，当误差放大器输出的误差电压信号送至由电容C3和电阻R5组成的三角波信号低电平时，第一比较器输出PWM脉冲调制信号，PWM脉冲调制信号经过栅极驱动信号调制电路产生栅极驱动信号，对电机转速进行调整，最终使电机转速和系统设定转速一致。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明所述电路，通过使用电容、三极管、电机控制芯片及可调电阻等器件以全硬件方式实现软启动功能，通过电机适配器发出的转速调宽波信号和软启动信号配合控制电机的转速，在保证启动时间和带载启动的同时减小了电机的启动电流，改善了驱动器和系统的工作性能。提高驱动器及电机的使用寿命。并且可以通过调整电阻R2、电容C1和可调电阻R1改变软启动的启动延迟时间，以满足不同电机、不同负载驱动要求的工作情况。
进一步，设置母线电压抑制电路，当母线电压超过设定值时，触发比较器，输出占空比方波。通过三极管驱动PMOS管，将母线电流经功率负载泄放，避免母线电压过高，对电机控制系统及电机本身造成损伤甚至损坏。能够应用于各种电机传动系统中。
本发明所述方法，电压信号经过积分网络，产生比较用的误差电压信号，第一比较器输出PWM脉冲调制信号，经过栅极驱动信号调制电路产生栅极驱动信号，对电机转速进行调整，最终使电机转速和系统设定转速一致。减小了电机的启动电流，改善了驱动器和系统的工作性能。
附图说明
图1为本发明的无刷电机驱动电路示意图；
图2为本发明的方波发生器电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，为本发明所述的无刷电机驱动电路，包括软启动延迟调速电路、母线电压抑制电路和三相桥逆变器电路。
001为电压源供电正极端口，002为电压源供电负极端口。
软启动延迟调速电路包括三极管Q1、电容C1、电容C2、电容C3、可调电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电机控制芯片U1和电机适配器。
软启动控制信号接三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极与电容C1第一端、可调电阻R1第一端和电压源供电负极端口相连，三极管Q1的集电极与电容C1第二端、可调电阻R1第二端和电阻R2第一端相连后接入电机控制芯片U1，电阻R2第二端与电压源供电正极端口相连。
电机控制芯片U1包括误差放大器、第一比较器和栅极驱动信号调制电路，三极管Q1的集电极连接误差放大器的同相输入端，误差放大器的反相输入端与电容C2第一端和电阻R3第一端相连，电容C2第二端和电阻R3第二端与误差放大器的输出端相连，电机适配器输出端通过连接电阻R4连接误差放大器的反相输入端，电机适配器发出与电机转速成比例的转速调宽波信号。误差放大器的输出端连接第一比较器的反相输入端，输出比较用的误差信号。电阻R5第一端连接电压源供电正极端口，电阻R5第二端接第一比较器的同相输入端与电容C3第一端，电容C3第二端与电压源供电负极端口相连，产生与误差信号比较用的三角波信号；第一比较器的输出端连接栅极驱动信号调制电路输入端，栅极驱动信号调制电路输出端连接有三相桥逆变器输入端。栅极驱动信号调制电路产生6路栅极驱动信号：AH、BH、CH、AL、BL和CL。
传统电机控制过程中未对电机母线电压进行检测及保护，当母线电压升高时会对电机控制系统及电机本身造成损伤甚至损坏，因此采用母线电压抑制电路，将母线电流经功率负载泄放，避免母线电压过高。
母线电压抑制电路包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、第二比较器、PMOS管T7、三极管Q2和方波发生器；
电阻R6第一端和栅极驱动信号调制电路输出端与母线电压正极VP相连，电阻R6第二端与第二比较器的同相输入端和电阻R7第一端相连，电阻R7第二端接地，第二比较器的反向输入端与电阻R8第一端和电阻R9第一端相连，电阻R8第二端与电压源供电正极端口相连，电阻R9第二端与电压源供电负极端口相连，第二比较器的输出端连接方波发生器的复位端，方波发生器输出端的PWM信号连接三极管Q2的基极，三极管Q2的发射极接电压源供电负极端口，三极管Q2的集电极与电阻R10的第一端相连，电阻R10的第二端与电阻R11第一端和PMOS管T7的栅极相连，PMOS管T7的源极与电阻R11第二端连接到母线电压正极VP，PMOS管T7的漏极与电阻R12第一端相连，电阻R12第二端与电压源供电负极端口相连。
三极管Q1和三极管Q2均采用NPN型三极管。
电压源供电正极端口连接方波发生器的VCC端、方波发生器的DIS端、方波发生器的THR端、方波发生器的TRIG端、电容C4和地；方波发生器的DIS端和电压源供电正极端口之间连接有电阻R13，方波发生器的THR端和电压源供电正极端口之间连接有电阻R14，方波发生器的GND端接地，方波发生器的COUNT端通过电容C5与方波发生器的GND端连接。
所述方波发生器，可由CD40106、CD4049、NE555等连接为多谐振荡线路产生,并且可以调整改变PWM波的占空比及频率，以适应不同母线电压工作条件。通过外围电阻电容对NE556定时器的工作频率及占空比进行设置，当定时器监测到母线电压检测信号时输出对应频率及占空比的PWM信号。
三相桥逆变器电路中，AH、BH、CH、AL、BL、CL信号分别接入VDMOS管T1、VDMOS管T2、VDMOS管T3、VDMOS管T4、VDMOS管T5和VDMOS管T6的栅极。VDMOS管T1、VDMOS管T2和VDMOS管T3的漏极与母线电压源正极VP相接。VDMOS管T1的源极与VDMOS管T3的漏极相连，即为桥路A相输出；VDMOS管T2的源极与VDMOS管T5的漏极相连，即为桥路B相输出；VDMOS管T3的源极与VDMOS管T6的漏极相连，即为桥路C相输出；VDMOS管T4、VDMOS管T5和VDMOS管T6的源极与母线电压源负极端口相连。通过AH、BH、CH、AL、BL、CL控制三相桥中的VDMOS管T1、VDMOS管T2、VDMOS管T3、VDMOS管T4、VDMOS管T5和VDMOS管T6的通断时间，调整电机转速，最终使电机转速和系统设定转速一致。
当软启动控制信号低有效后，NPN型三极管Q1停止导通，电容C1开始充电，该电压信号送入电机控制芯片U1中的误差放大器的同相输入端，误差放大器反向输入端接收与电机转速成比例的转速调宽波信号fT，经电阻R3、电容C2与误差放大器组成的积分网络后，生产比较用的误差电压信号。当误差放大器输出的误差电压信号升至由电容C3和电阻R5决定的三角波信号低电平时，比较器输出PWM脉冲调制信号，该信号经过U1的栅极驱动信号调制电路产生6路栅极驱动信号，对电机转速进行调整，最终使电机转速和系统设定转速一致。
所述软启动延迟调速电路可以通过调整电阻R2、电容C1及可调电阻R1改变软启动的启动延迟时间，以满足不同电机、不同负载驱动要求的工作情况。
延迟启动时间t由以下公式决定：
其中VCC表示电压源供电正极端口(001)的值、Vt表示三角波低电平，e是自然指数，R1为电阻R1的阻值，R2电阻R2的阻值，C1电容C1的电容值。
本发明公开的具有软启动及母线电压抑制功能的无刷电机驱动器电路线路结构简单，软启动部分在保证启动时间和带载启动的同时减小了电机的启动电流，改善了驱动器和系统的工作性能。同时具有的母线电压抑制功能能够及时检测并保证母线电压不会高于设定值，进一步提高无刷电机驱动器电路的的可靠性、稳定性以及调速精度。该线路已在三相桥驱动器中应用，效果良好。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种无刷电机驱动电路，其特征在于，包括三极管Q1、电容C1、电容C2、电容C3、可调电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电机控制芯片U1和电机适配器；
三极管Q1的发射极与电容C1第一端、可调电阻R1第一端和电压源供电负极端口相连，三极管Q1的集电极与电容C1第二端、可调电阻R1第二端和电阻R2第一端相连后接入电机控制芯片U1，电阻R2第二端与电压源供电正极端口相连；
电机控制芯片U1包括误差放大器、第一比较器和栅极驱动信号调制电路，三极管Q1的集电极连接误差放大器的同相输入端，误差放大器的反相输入端与电容C2第一端和电阻R3第一端相连，电容C2第二端和电阻R3第二端与误差放大器的输出端相连，电机适配器输出端通过连接电阻R4连接误差放大器的反相输入端，误差放大器的输出端连接第一比较器的反相输入端，电阻R5第一端连接电压源供电正极端口，电阻R5第二端接第一比较器的同相输入端与电容C3第一端，电容C3第二端与电压源供电负极端口相连；第一比较器的输出端连接栅极驱动信号调制电路输入端，栅极驱动信号调制电路输出端连接有三相桥逆变器输入端。
2.根据权利要求1所述的无刷电机驱动电路，其特征在于，栅极驱动信号调制电路输出端连接有母线电压抑制电路，母线电压抑制电路包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、第二比较器、PMOS管T7、三极管Q2和方波发生器；
电阻R6第一端和栅极驱动信号调制电路输出端与母线电压正极VP相连，电阻R6第二端与第二比较器的同相输入端和电阻R7第一端相连，电阻R7第二端接地，第二比较器的反向输入端与电阻R8第一端和电阻R9第一端相连，电阻R8第二端与电压源供电正极端口相连，电阻R9第二端与电压源供电负极端口相连，第二比较器的输出端连接方波发生器的复位端，方波发生器输出端的PWM信号连接三极管Q2的基极，三极管Q2的发射极接电压源供电负极端口，三极管Q2的集电极与电阻R10的第一端相连，电阻R10的第二端与电阻R11第一端和PMOS管T7的栅极相连，PMOS管T7的源极与电阻R11第二端连接到母线电压正极VP，PMOS管T7的漏极与电阻R12第一端相连，电阻R12第二端与电压源供电负极端口相连。
3.根据权利要求2所述的无刷电机驱动电路，其特征在于，电压源供电正极端口连接方波发生器的VCC端、方波发生器的DIS端、方波发生器的THR端、方波发生器的TRIG端、电容C4和地；方波发生器的DIS端和电压源供电正极端口之间连接有电阻R13，方波发生器的THR端和电压源供电正极端口之间连接有电阻R14，方波发生器的GND端接地，方波发生器的COUNT端通过电容C5与方波发生器的GND端连接。
4.根据权利要求1所述的无刷电机驱动电路，其特征在于，栅极驱动信号调制电路输出多路栅极驱动信号，多路栅极驱动信号分别与三相桥逆变器电路的多个VDMOS管连接。
5.根据权利要求4所述的无刷电机驱动电路，其特征在于，栅极驱动信号调制电路输出6路栅极驱动信号，6路栅极驱动信号分别与三相桥逆变器电路的6个VDMOS管的栅极连接，VDMOS管T1、VDMOS管T2和VDMOS管T3的漏极与母线电压源正极VP相接，VDMOS管T1的源极与VDMOS管T3的漏极相连，作为三相桥路A相输出；VDMOS管T2的源极与VDMOS管T5的漏极相连，作为三相桥路B相输出；VDMOS管T3的源极与VDMOS管T6的漏极相连，作为三相桥路C相输出；VDMOS管T4、VDMOS管T5和VDMOS管T6的源极与母线电压源负极端口相连。
6.根据权利要求1所述的无刷电机驱动电路，其特征在于，电机控制芯片U1的型号为MC33035。
7.一种基于权利要求1-6任意一项所述电路的无刷电机驱动方法，其特征在于，向三极管Q1基极输入控制信号，当控制信号低有效后，三极管Q1停止导通，电容C1开始充电，将电容C1的电压信号送入误差放大器的同相输入端，误差放大器的反向输入端接收电机适配器发出的与电机转速成比例的转速调宽波信号，经电阻R3、电容C2与误差放大器组成的积分网络后，产生比较用的误差电压信号，当误差放大器输出的误差电压信号送至由电容C3和电阻R5组成的三角波信号低电平时，第一比较器输出PWM脉冲调制信号，PWM脉冲调制信号经过栅极驱动信号调制电路产生栅极驱动信号，对电机转速进行调整，最终使电机转速和系统设定转速一致。
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