CN116388615B - 直流无刷电机折线调速控制电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种直流无刷电机折线调速控制电路和方法。该控制电路包括转换电路、斜率可变三角波产生器和比较器。转换电路将外部输入的第一脉宽调制信号转换为方波等效信号，该方波等效信号表征第一脉宽调制信号的占空比。斜率可变三角波产生器用于产生在一个周期内至少包括两个上升斜率或两个下降斜率的三角波信号。比较器将方波等效信号和三角波信号比较产生第二脉宽调制信号，第二脉宽调制信号控制功率开关的导通和关断时间，进而控制电机的转速。该控制电路使电机转速与输入的脉宽调制信号成线性关系，因此电机转速随脉宽调制信号占空比的变化更明显，有利于提供更匹配的脉宽调制信号占空比对电机转速进行调节。

Description

直流无刷电机折线调速控制电路和方法

技术领域

本发明涉及电机驱动芯片领域，尤其是涉及一种直流无刷电机折线调速控制电路和方法。

背景技术

与有刷直流电机相比，直流无刷电机（BLDC）用电子换相的方式代替了原来的电刷换相，具有更快的动态响应、高寿命、高转速范围、高效率、低噪声、低电磁干扰、良好的转速-转矩特性的特点，使得其较感应电机和有刷直流电机更具优势。因此，目前在工业、消费类电子上具有广泛的用途，成为主流电机的首选方案，BLDC电机的市场份额近年来也呈现逐渐增大的趋势。通常，BLDC的驱动常采用脉宽调制占空比调制策略，来控制电机转速。如图1所示，专用数字运算处理器（例如微处理器MCU，数字信号处理器DSP等等）将产生第一脉宽调制信号PWM并送至电机驱动芯片，并用于控制电机驱动芯片中的驱动电桥中每个开关管的导通和关断切换，进而驱动电机转子进行转动。针对图1的应用，电机驱动芯片值示意了包括一个H电桥，以及该H电桥对应的一对输出管脚OUT1和OUT2，分别连接在电机的线圈的两端。在BLDC其他应用中，电机驱动芯片还可以包括多个H电桥或具有多个桥臂的电桥，以及这些电桥对应的其他输出管脚OUT1和OUT2，用于给一个或多个电机线圈通电。

针对开环调速原理，OUT1的输出占空比和OUT2的输出占空比均与输入的第一脉宽调制信号PWM的占空比D1成线性关系，如图2所示。从而通过配置输入的第一脉宽调制信号PWM的占空比D1来调整电机速度。OUT1的输出占空比和OUT2的输出占空比是指：在一个开关周期内，OUT1（或OUT2）处电压为高电平的时间与一个开关周期时间的比值。

由于电机在运转时会产生反电动势，反电动势的大小与电机转速正相关。所以，受反电动势的影响，线性的占空比调速曲线会使最终的电机转速与第一脉宽调制信号PWM的占空比不再成线性关系，而是呈现非线性关系。

发明内容

本发明的目的在于提供一种折线调速控制电路和方法，用于克服电机在转动时受反电动势的影响而导致的电机转速与输入的脉宽调制信号成非线性关系。

本发明一方面提供了一种直流无刷电机折线调速控制电路，包括：转换电路，接收第一脉宽调制信号，并将第一脉宽调制信号转换为方波等效信号，方波等效信号用于表征第一脉宽调制信号的占空比；斜率可变三角波产生器，用于产生斜率可变的三角波信号，其中，所述三角波信号在一个周期内至少包括两个上升斜率或两个下降斜率；比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，比较器的第一输入端接收方波等效信号，比较器的第二输入端接收三角波信号，比较器将方波等效信号和三角波信号比较产生第二脉宽调制信号，其中，第二脉宽调制信号用于控制所述控制电路中功率开关的导通和关断时间，进而控制电机的转速。

本发明另一方面提供了一种直流无刷电机折线调速控制方法，包括：将第一脉宽调制信号转换为方波等效信号，方波等效信号用于表征第一脉宽调制信号的占空比；产生斜率可变的三角波信号，其中，三角波信号在一个周期内至少包括两个上升斜率或两个下降斜率；以及将方波等效信号和三角波信号比较产生第二脉宽调制信号，所述第二脉宽调制信号用于控制耦接在电机端子之间的功率开关的导通和关断时间，进而控制电机的转速。

本发明公开的折线调速控制电路和方法可使电机即使在反电动势的影响下，转速与输入的脉宽调制信号的占空比依然成线性关系。因此，电机转速随输入的脉宽调制信号占空比的变化更明显，有利于设计人员提供更匹配的脉宽调制信号占空比对电机转速进行调节。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的直流无刷电机驱动系统示意图。

图2为现有的OUT1和OUT2的输出占空比与输入脉宽调制信号PWM的关系示意图。

图3为本发明一个实施例提供的一种电机驱动系统示意图。

图4为本发明一个实施例提供的OUT1和OUT2的输出占空比与输入脉宽调制信号PWM的关系示意图。

图5所示为根据本发明一个实施例的PWM处理电路10的电路示意图。

图6所示为根据本发明一个实施例的部分参数的波形示意图。

图7所示为根据本发明又一个实施例的部分参数的波形示意图。

图8所示为根据本发明一个实施例的斜率可变三角波产生器52的电路示意图。

图9根据本发明一个实施例示意了图8所示可变三角波产生器52中部分参数的波形示意图。

图10根据本发明又一个实施例示意了图8所示可变三角波产生器52中部分参数的波形示意图。

实施方式

下面将结合实施例对本发明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做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。

图3为根据本发明实施例提供的一种电机驱动系统。接下来，在图3所示实施例中，将以一个H电桥20和一个电机线圈为例的单相电机进行示意描述，本领域的技术人员应当理解，这里一个H电桥20和一个电机线圈仅为示意性的，其他应用中，电机驱动芯片还可以包括多个H电桥或拥有多个桥臂的电桥以及这些电桥对应的输出管脚，用于给电机驱动芯片外部一个或多个电机线圈通电，进而驱动电机。

相比图1所示的现有技术，在图3所示实施例中的电机驱动芯片还包括一个PWM处理电路10，用于对外部输入的第一脉宽调制信号PWM进行处理并产生第二脉宽调制信号PWM-new。通常，第一脉宽调制信号PWM由外部数字运算处理器产生，第一脉宽调制信号PWM为一组高低逻辑电平的方波信号。第二脉宽调制信号PWM-new也为一组高低逻辑电平的方波信号。第二脉宽调制信号PWM-new的频率远大于第一脉宽调制信号PWM的频率。例如，在一个实施例中，第二脉宽调制信号PWM-new的频率为几百K赫兹；第一脉宽调制信号PWM的频率为几K赫兹。在一个实施例中，第一脉宽调制信号PWM为频率不变，占空比可变的方波信号。在一个实施例中，第二脉宽调制信号PWM也为频率不变，占空比可变的方波信号。通过控制第一脉宽调制信号PWM的占空比改变流过电机线圈的电流，进而控制电机的转速。

在第一脉宽调制信号PWM的占空比D1的值上升到一个预设值后，通过改变OUT1的输出占空比或OUT2的输出占空比与输入的第一脉宽调制信号PWM的占空比D1的比值，进而增大或减小电机的转速，从而抵消电机反电动势的影响，使得OUT1的输出占空比和OUT2的输出占空比与第一脉宽调制信号PWM的占空比D1依然成线性关系。在一个实施例中，线性关系是指OUT1的输出占空比和OUT2的输出占空比依然与第一脉宽调制信号PWM的占空比D1成正比例关系。本领域的技术人员应该理解：在第一脉宽调制信号PWM的占空比D1的值上升到预设值后，选择增大还是减小OUT1的输出占空比或OUT2的输出占空比与输入的第一脉宽调制信号PWM的占空比D1的比值将由实际工作场景决定，均是为了减小不同场合下电机反电动势的影响。

第二脉宽调制信号PWM-new用于控制H电桥20中的功率开关的导通和关断的时间，进而控制电机的转速。在一个实施例中，控制电路还包括逻辑电路。逻辑电路将接收第二脉宽调制信号PWM-new，并对第二脉宽调制信号PWM-new做逻辑处理，产生控制信号，该控制信号用于控制H电桥中各功率开关S1-S4的导通和关断时间，进而控制流过电机中线圈的电流。

例如，当第二脉宽调制信号PWM-new为高电平时，第二脉宽调制信号PWM-new将驱动第一电桥臂上的开关S1进行脉冲开关动作，第二电桥臂上的下开关S4闭合，第一电桥臂上的下开关S3和第二电桥臂的上开关S2断开。管脚OUT1上的电压为高电压（例如VCC），管脚OUT2上的电压为低电压（例如参考地电压），电流将从管脚OUT1通过电机的线圈流向管脚OUT2。

当第二脉宽调制信号PWM-new为低电平时，第二脉宽调制信号PWM-new将驱动第二电桥臂上的开关S2进行脉冲开关动作，第一电桥臂上的下开关S3闭合，第二电桥臂上的下开关S4和第二电桥臂的上开关S1断开。管脚OUT1上的电压为低电压（例如参考地电压），管脚OUT2上的电压为高电压（例如VCC），电流将从管脚OUT2通过电机的线圈流向管脚OUT1。

通过将第一脉宽调制信号PWM经PWM处理电路10处理后生成第二脉宽调制信号PWM-new再去控制电机，可以实现对电机的折线调速。如图4所示，OUT1的输出占空比和OUT2的输出占空比依然与第一脉宽调制信号PWM的占空比D1成线性关系（折线B和折线C），只是比值发生变化，抵消了电机反电动势的影响。

图5所示为根据本发明一个实施例的PWM处理电路10的电路示意图。如图5所示，PWM处理电路10包括转换电路51、斜坡可变三角波产生器52和比较器53。

转换电路51接收第一脉宽调制信号PWM，并将高低电平形式的第一脉宽调制信号PWM转换为方波等效信号PWM-DC。方波等效信号PWM-DC用于表征第一脉宽调制信号PWM的占空比。在一个实施例中，方波等效信号PWM-DC包括模拟电压信号。第一脉宽调制信号PWM在每个周期的不同占空比将对应方波等效信号PWM-DC不同的值。在一个实施例中，转换电路51包括滤波电路，滤波电路包括电阻电容组成的模拟滤波电路，也可以包括数字滤波电路。

斜率可变三角波产生器52用于产生斜率可变的三角波信号Tri-agl。斜率可变是指三角波信号Tri-agl的上升斜率可变、下降斜率可变、或者上升斜率和下降斜率均可变。三角波信号Tri-agl在一个周期内至少包括两个上升斜率或两个下降斜率。

例如，在一个实施例中，三角波信号Tri-agl包括具有上升斜率和下降斜率的三角波信号。三角波信号斜率可变是指在一个三角波信号的周期内，三角波信号具有两个上升斜率和一个下降斜率，或两个下降斜率和一个上升斜率，又或两个下降斜率和两个上升斜率。当三角波信号具有两个下降斜率和两个上升斜率时，参见图6波形中的三角波信号Tri-agl1和三角波信号Tri-agl2所示。

又如，一个实施例中，三角波信号Tri-agl包括只具有上升斜率或只具有下降斜率的斜坡信号。三角波信号斜率可变是指三角波信号具有两个上升斜率或两个下降斜率，参见图7波形中的三角波信号Tri-agl3和三角波信号Tri-agl4所示。

比较器53具有第一输入端、第二输入端和输出端。比较器53的第一输入端接收方波等效信号PWM-DC；比较器53的第二输入端接收三角波信号Tri-agl；比较器53将方波等效信号PWM-DC和三角波信号Tri-agl比较产生第二脉宽调制信号PWM-new。在一个实施例中，第二脉宽调制信号PWM-new包括高低逻辑电平信号。在一个实施例中，当方波等效信号PWM-DC大于三角波信号Tri-agl，则第二脉宽调制信号PWM-new为逻辑高电平；当方波等效信号PWM-DC小于三角波信号Tri-agl，则第二脉宽调制信号PWM-new为逻辑低电平。

图6所示为根据本发明一个实施例的部分参数的波形示意图。从上至下以此示意出了斜率不变的三角波和对应的第一脉宽调制信号PWM的参考波形、第一脉宽调制信号PWM波形、三角波信号Tri-agl1波形、第二脉宽调制信号PWM-new1的波形、三角波信号Tri-agl2波形、第二脉宽调制信号PWM-new2的波形。三角波信号Tri-agl1和三角波信号Tri-agl2波形为三角波信号Tri-agl的两个具体实施例波形示意；第二脉宽调制信号PWM-new1的和第二脉宽调制信号PWM-new2为第二脉宽调制信号PWM-new的两个具体实施例波形示意。具体地，在图6中，三角波信号Tri-agl1和三角波信号Tri-agl2为上升斜率和下降斜率均可变的三角波信号。

如三角波信号Tri-agl1所示，当三角波信号Tri-agl1上升到a1点时，三角波信号Tri-agl1的上升斜率由k1变为k2，其中，k2>k1；当三角波信号Tri-agl1下降到a2点时，三角波信号Tri-agl1的上升斜率由-k2变为-k1。从第二脉宽调制信号PWM-new1的波形也可以看出，将三角波信号Tri-agl1的上升斜率和下降斜率分为两段，且k2>k1时，第二脉宽调制信号PWM-new1的占空比D21相比三角波斜率不变时第二脉宽调制信号PWM- ref的占空比D-ref也增大。

在三角波信号Tri-agl2中，当三角波信号Tri-agl2上升到b1点时，三角波信号Tri-agl2的上升斜率由k3变为k4，其中，k4<k3；当三角波信号Tri-agl2下降到b2点时，三角波信号Tri-agl2的上升斜率由-k4变为-k3。从第二脉宽调制信号PWM-new2的波形可以看出，将三角波信号Tri-agl2的上升斜率和下降斜率分为两段，且k4<k3时，第二脉宽调制信号PWM-new2的占空比D22相比三角波斜率不变时第二脉宽调制信号PWM- ref的占空比D-ref变小。

图7所示为根据本发明又一个实施例的部分参数的波形示意图。图7所示实施中示意了当三角波信号Tri-agl为斜坡信号时的相关波形图。如三角波信号Tri-agl3所示，当三角波信号Tri-agl3上升到a3点时，三角波信号Tri-agl1的上升斜率变大，第二脉宽调制信号PWM-new3的占空比D23相比三角波斜率不变时第二脉宽调制信号PWM-ref的占空比D-ref也增大。在三角波信号Tri-agl4所示，当三角波信号Tri-agl3上升到b3点时，三角波信号Tri-agl4的上升斜率变小，第二脉宽调制信号PWM-new4的占空比D24相比三角波斜率不变时第二脉宽调制信号PWM-ref的占空比D-ref减小。

图8所示为根据本发明一个实施例的斜率可变三角波产生器52的电路示意图。如图8所示，斜率可变三角波产生器52包括频率可调振荡器81、计数器82、数模转换器83以及数字比较器84。

频率可调振荡器81接收调频信号COMP_OUT，所述调频信号COMP_OUT用于控制频率可调振荡器81产生时钟信号CLK。本领域的一般技术人员可以理解，时钟信号CLK为一个具有高低逻辑电平的方波信号。在本发明公开的实施例中，该时钟信号CLK具有两种不同的频率，两种频率之间的转换由调频信号COMP_OUT控制。在一个实施例中，调频信号COMP_OUT具有第一逻辑电平状态（例如逻辑高电平）和第二逻辑电平状态（例如逻辑低电平）。在一个实施例中，当调频信号COMP_OUT为第一逻辑电平状态时，时钟信号CLK具有第一固定频率；当调频信号COMP_OUT为第二逻辑电平状态时，时钟信号CLK具有与之前第一固定频率不同的第二固定频率。

计数器82接收时钟信号CLK，并对时钟信号CLK的周期进行计数，并输出计数信号DATA。在一个实施例中，计数信号DATA包括一组二进制代码组成的数字信号。在一个实施例中，计数器82包括单向计数器和双向计数器82。单向计数器是指对时钟信号CLK的周期从零到最大计数值递增方式计数，或从最大计数值递减方式计数。双向计数是指对时钟信号CLK的周期从零到最大计数值递增方式计数完成后，再对时钟信号CLK的周期进行从最大计数值递减方式计数。例如，双向计数器可以对时钟信号CLK的周期进行从1到100的周期计数，当计数周期值等于100后，双向计数器继续对时钟周期进行从100到1的周期计数。

数模转换器83将计数信号DATA转换为三角波信号Tri-agl。在一个实施例中，三角波信号Tri-agl包括模拟信号。

数字比较器84具有第一输入端、第二输入端和输出端。数字比较器84的第一输入端接收计数信号DATA；数字比较器84的第二输入端接收计数值参考；数字比较器84将计数信号DATA和计数值参考DATA-ref比较，产生调频信号COMP_OUT。在一个实施例中，计数值参考DATA-ref可根据不同应用场合的需要灵活设置。

图9根据本发明一个实施例示意了图8所示可变三角波产生器52中部分参数的波形示意图。如图9所示，从上自下分别示意了时钟信号CLK、三角波信号Tri-agl1以及调频信号COMP_OUT的波形图。如图9所示，当调频信号COMP_OUT为逻辑低时，时钟信号CLK具有第一固定频率；当调频信号COMP_OUT为逻辑高时，时钟信号CLK具有第二固定频率，其中第一固定频率小于第二固定频率。三角波信号Tri-agl1的斜率也由k1上升到k2。

图10根据本发明又一个实施例示意了图8所示可变三角波产生器52中部分参数的波形示意图。如图10所示，从上自下分别示意了分别示意了时钟信号CLK、三角波信号Tri-agl2以及调频信号COMP_OUT的波形图。当调频信号COMP_OUT为逻辑低时，时钟信号CLK具有第三固定频率；当调频信号COMP_OUT为逻辑高时，时钟信号CLK具有第四固定频率，其中第三固定频率大于第四固定频率。三角波信号Tri-agl2的斜率也由k3下降到k4。根据图9和图10所述波形也可以看出，时钟信号CLK的频率和三角波的斜率的绝对值成正比。时钟信号CLK的频率越高，三角波的斜率的绝对值越大；时钟信号CLK的频率越低，三角波的斜率的绝对值越小。

本申请还提供一种直流无刷电机折线调速控制方法，包括以下步骤：

步骤一：将第一脉宽调制信号PWM转换为方波等效信号PWM-DC，所述方波等效信号PWM-DC用于表征第一脉宽调制信号PWM的占空比。

步骤二：产生斜率可变的三角波信号Tri-agl，其中，所述三角波信号Tri-agl在一个周期内至少包括两个上升斜率或两个下降斜率。

步骤三：将方波等效信号PWM-DC和三角波信号Tri-agl比较产生第二脉宽调制信号PWM-new，所述第二脉宽调制信号PWM-new用于控制耦接在电机端子之间的功率开关的导通和关断时间，进而控制电机的转速。

在一个实施例中，步骤二又包括：产生时钟信号CLK，该时钟信号CLK具有第一频率和第二频率，其中第一频率和第二频率不相等；对时钟信号CLK的周期进行计数，并输出计数信号DATA；将计数信号DATA转换为三角波信号Tri-agl；以及将计数信号DATA和计数值参考DATA-ref比较，产生调频信号COMP_OUT，其中，调频信号COMP_OUT用于控制时钟信号在第一频率和第二频率之间转换。

通过前述实施例公开的折线调速控制电路和方法，可克服电机在转动时受反电动势的影响，使得电机转速与输入的脉宽调制信号的占空比依然成线性关系。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种直流无刷电机折线调速控制电路，其特征在于，包括：

转换电路，接收微处理器产生的第一脉宽调制信号，并将第一脉宽调制信号转换为方波等效信号，所述方波等效信号用于表征第一脉宽调制信号的占空比；

斜率可变三角波产生器，用于产生斜率可变的三角波信号，其中，所述三角波信号在一个周期内至少包括两个上升斜率或两个下降斜率；以及

比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，比较器的第一输入端接收方波等效信号，比较器的第二输入端接收三角波信号，比较器将方波等效信号和三角波信号比较产生第二脉宽调制信号；

电桥，所述电桥包括多个功率开关管和至少两个输出端，所述直流无刷电机的线圈耦接在所述电桥至少两个输出端之间，其中，所述第二脉宽调制信号用于控制所述多个功率开关管的导通和关断时间，进而控制电机的转速，所述电机转速与所述第一脉宽调制信号的占空比成线性关系。

2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述斜率可变三角波产生器包括：

频率可调振荡器，接收调频信号，并根据调频信号产生时钟信号，所述时钟信号具有第一频率和第二频率，其中第一频率和第二频率不相等；

计数器，接收时钟信号，并对时钟信号的周期进行计数，并输出计数信号；

数模转换器，将所述计数信号转换为三角波信号；以及

数字比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，数字比较器的第一输入端接收计数信号，数字比较器的第二输入端接收计数值参考，数字比较器将计数信号和计数值参考比较，产生所述调频信号。

3.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述时钟信号的频率和所述三角波的斜率的绝对值成正比。

4.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述调频信号具有第一逻辑电平状态和第二逻辑电平状态，当所述调频信号从第一逻辑电平状态变为第二逻辑电平状态时，所述时钟信号从第一频率变为第二频率。

5.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述计数器包括双向计数器。

6. 根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括：

由所述功率开关组成的电桥，所述电桥耦接电机的线圈；以及

逻辑电路，接收所述第二脉宽调制信号，并对所述的脉宽调制信号做逻辑处理，产生控制信号，所述控制信号用于控制电桥中功率开关的导通和关断时间，进而控制流过线圈的电流。

7.一种直流无刷电机折线调速控制方法，其特征在于，包括：

将微处理器产生的第一脉宽调制信号转换为方波等效信号，所述方波等效信号用于表征第一脉宽调制信号的占空比；

产生斜率可变的三角波信号，其中，所述三角波信号在一个周期内至少包括两个上升斜率或两个下降斜率；以及

将方波等效信号和三角波信号比较产生第二脉宽调制信号，所述第二脉宽调制信号用于控制耦接在电机端子之间的电桥中的功率开关的导通和关断时间，进而控制电机的转速，其中，所述电桥包括多个功率开关管和至少两个输出端，所述电机端子耦接在所述电桥至少两个输出端之间，所述电机转速与所述第一脉宽调制信号的占空比成线性关系。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，产生斜率可变的三角波信号的步骤包括：

产生时钟信号，所述时钟信号具有第一频率和第二频率，其中第一频率和第二频率不相等；

对时钟信号的周期进行计数，并输出计数信号；

将计数信号转换为三角波信号；以及

将计数信号和计数值参考比较，产生调频信号，所述调频信号用于控制时钟信号在第一频率和第二频率之间转换。