CN117792155A - 用于电机驱动的软换相控制电路、方法及电机驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于电机驱动的软换相控制电路、方法及电机驱动系统，涉及电机控制技术领域；软换相控制电路中，占空比转换电路对脉宽调制输入信号转换处理后得到输入占空比信号；占空比区间判定电路将输入占空比信号与占空比参考值比较，输出角度控制信号，可变电压产生电路接收输入占空比信号和角度控制信号，产生可变电压信号；脉宽调制信号产生电路将可变电压信号与三角波比较，输出脉宽调制输出信号；该电路可以基于脉宽调制输入信号，确定输入占空比信号和角度控制信号，进而使可变电压产生电路产生可变电压信号，以调整脉宽调制输出信号，可以满足电机在不同驱动速度下的最优性能要求。

Description

用于电机驱动的软换相控制电路、方法及电机驱动系统

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其是涉及一种用于电机驱动的软换相控制电路、方法及电机驱动系统。

背景技术

单相无刷直流电机常采用H桥来进行驱动，无刷直流电机常采用电子换相的策略。对于单相无刷直流电机而言，常通过霍尔传感器检测对应转子位置变化的磁信号，来控制电机换相。为了抑制电机换相时产生的反冲电流，常采用软换相的驱动策略。在换相开始后采用软起动（Soft on）策略（输出占空比从0开始逐渐增加至目标占空比），在换相开始前，采用软关断（Soft off）策略（输出占空比从目标占空比逐渐减小到0）。但Soft on/off 往往采用恒定的角度来配置，这种恒定的Soft on/off 角度配置，无法满足电机在不同驱动速度下的最优性能要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于电机驱动的软换相控制电路、方法及电机驱动系统，以满足电机在不同驱动速度下的最优性能要求。

本发明提供的一种用于电机驱动的软换相控制电路，电路包括：占空比转换电路，用于接收脉宽调制输入信号，对脉宽调制输入信号进行转换处理，得到输入占空比信号；其中，输入占空比信号代表脉宽调制输入信号的占空比；占空比区间判定电路，用于接收输入占空比信号，并将输入占空比信号和占空比参考值比较，输出角度控制信号，其中，角度控制信号表征脉宽调制输入信号的占空比所属的占空比区间；可变电压产生电路，用于接收输入占空比信号和角度控制信号，并根据输入占空比信号和角度控制信号产生可变电压信号；脉宽调制信号产生电路，用于接收可变电压信号，并将可变电压信号与三角波比较，输出脉宽调制输出信号，脉宽调制输出信号用于控制电机的转速；其中，脉宽调制输出信号在电机换相后具有第一软切换角度，且在电机换相前具有第二软切换角度；在第一软切换角度内，脉宽调制输出信号的占空比从第一输出占空比逐渐增大到第二输出占空比；在第二软切换角度内，脉宽调制输出信号的占空比从第二输出占空比逐渐减小到第一输出占空比。

本发明提供的一种电机驱动系统，包括：霍尔传感器，用于产生代表电机换相信号的霍尔信号；如上述任一项的软换相控制电路，用于接收霍尔信号和脉宽调制输入信号，根据霍尔信号和脉宽调制输入信号输出脉宽调制输出信号；逻辑驱动电路，用于接收霍尔信号和脉宽调制输出信号，根据霍尔信号和脉宽调制输出信号产生开关驱动信号，所述开关驱动信号用于控制功率开关管的导通和关断时间，以调节电机转速。

本发明提供的一种用于电机驱动的软换相控制方法，方法包括：将脉宽调制输入信号的占空比和占空比参考值比较，以确定脉宽调制输入信号的占空比所属的占空比区间；根据脉宽调制输入信号的占空比和所属的占空比区间产生可变电压信号，其中，可变电压信号的电压值可调节；将可变电压信号与三角波比较，输出脉宽调制输出信号，脉宽调制输出信号用于控制电机的转速；其中，脉宽调制输出信号在电机换相后具有第一软切换角度，且在电机换相前具有第二软切换角度；在第一软切换角度内，脉宽调制输出信号的占空比从第一输出占空比逐渐增大到第二输出占空比；在第二软切换角度内，脉宽调制输出信号的占空比从第二输出占空比逐渐减小到第一输出占空比。

本发明提供的用于电机驱动的软换相控制电路、方法及电机驱动系统，可以基于脉宽调制输入信号，确定输入占空比信号和角度控制信号，进而使可变电压产生电路产生可变电压信号，以调整脉宽调制输出信号，可以满足电机在不同驱动速度下的最优性能要求。

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为本发明实施例提供的一种用于电机驱动的软换相控制电路的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种电流换相波形示意图；

图3为本发明实施例提供的一种软切换角度与占空比的关系示意图；

图4为本发明实施例提供的一种可变电压产生电路的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种电压电流转换模块的电路示意图；

图6为本发明实施例提供的一种可调电阻网络模块的示意图；

图7为本发明实施例提供的一种整体控制波形的示意图；

图8为本发明实施例提供的一种整体控制波形的示意图；

图9为本发明实施例提供的一种整体控制波形的示意图；

图10为本发明实施例提供的一种占空比区间判定电路的示意图；

图11为本发明实施例提供的一种电机驱动系统的示意图；

图12为本发明实施例提供的一种电机驱动系统相关参数的波形示意图；

图13为本发明实施例提供的一种用于电机驱动的软换相控制方法的流程图。

具体实施方式

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。

相关技术中，Soft on/off 往往采用恒定的角度来配置，无法满足电机在不同驱动速度下的最优性能要求，基于此，本发明实施例提供了一种用于电机驱动的软换相控制电路、方法及电机驱动系统，该技术可以应用于需要对电机进行换相控制的应用中。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种用于电机驱动的软换相控制电路进行介绍，如图1所示，该电路包括：占空比转换电路10、占空比区间判定电路20、可变电压产生电路30和脉宽调制信号产生电路40；

占空比转换电路10用于接收脉宽调制输入信号PWMin，对脉宽调制输入信号进行转换处理，得到输入占空比信号PWMduty；其中，输入占空比信号PWMduty代表脉宽调制输入信号PWMin的占空比。在一个实施例中，脉宽调制输入信号PWMin为高低逻辑电平信号，且具有可调的占空比。在一个实施例中，脉宽调制输入信号PWMin由外部微处理器产生。占空比转换电路10对接收到的脉宽调制输入信号PWMin进行转换，并产生输入占空比信号PWMduty，在一个实施例中，输入占空比信号PWMduty包括N位二进制码的数字信号，可用PWMduty<N:1>表示二进制形式，其中，N为大于等于1的整数，如0001、0010等。脉宽调制输入信号PWMin的占空比不同所对应的输入占空比信号PWMduty的二进制码也不同。

占空比区间判定电路20用于接收输入占空比信号PWMduty，并将输入占空比信号PWMduty和占空比参考值比较，输出角度控制信号COMP，其中，角度控制信号COMP表征脉宽调制输入信号PWMin的占空比所属的占空比区间。在一个实施例中，角度控制信号COMP包括M位二进制码的数字信号，可用COMP<M:1>表示二进制形式，不同的M位二进制码代表不同的占空比区间，M为大于等于1的整数。在一个实施例中，M的值与选择的占空比参考值的数量相关。例如，M等于占空比参考值的数量，划分的占空比区间数量等于M+1。上述占空比参考值的数量可以是一个或多个。在一个实施例中，占空比参考值的表示形式与输入占空比信号PWMduty的表示形式通常相同，比如，如果输入占空比信号PWMduty采用的是N位二进制形式，则占空比参考值通常也采用N位二进制形式。通过占空比参考值可以划分占空比区间，比如，M取值为2，占空比参考值分别为a和b，则可以将占空比化为三个区间：0~a、a~b、b~1。例如，a和b分别对应的是25%占空比和50%占空比，则可以将0%~100%的整体占空比区间范围划分为三个占空比区间，分别为0%~25%、25%~50%、50%~100%等。占空比区间判定电路20可以将接收到的输入占空比信号PWMduty和占空比参考值比较，确定其所属的占空比区间，比如，如果该输入占空比信号PWMduty小于a，则可以确定其所属的占空比区间为0%~25%，根据其所属的占空比区间，输出相应的角度控制信号COMP，其中，同一个占空比区间内的不同占空比对应相同的角度控制信号COMP。

可变电压产生电路30用于接收输入占空比信号PWMduty和角度控制信号COMP，并根据输入占空比信号PWMduty和角度控制信号COMP产生可变电压信号Vreg；当输入占空比信号PWMduty发生改变，或者，输入占空比信号PWMduty与角度控制信号COMP均发生改变时，可变电压产生电路通常会产生不同的可变电压信号Vreg。

脉宽调制信号产生电路40用于接收可变电压信号Vreg，并将可变电压信号Vreg与三角波比较，输出脉宽调制输出信号PWMout，脉宽调制输出信号PWMout用于控制电机的转速；其中，脉宽调制输出信号PWMout在电机换相后具有第一软切换角度θ1，且在电机换相前具有第二软切换角度θ2；在第一软切换角度θ1内，脉宽调制输出信号PWMout的占空比从第一输出占空比逐渐增大到第二输出占空比；在第二软切换角度θ2内，脉宽调制输出信号PWMout的占空比从第二输出占空比逐渐减小到第一输出占空比。上述第一软切换角度θ1与第二软切换角度θ2可以相同或不同。第一输出占空比和第二输出占空比都可以按需设置，比如，上述第一输出占空比最小可以是0%，第二输出占空比最大可以是100%等。

在一个实施例中，脉宽调制信号产生电路40包括三角波发生器41和电压比较器42。三角波发生器41用于产生固定周期的三角波信号；电压比较器42具有第一输入端、第二输入端和输出端；电压比较器42的第一输入端接收三角波信号，电压比较器42的第二输入端接收可变电压信号Vreg，电压比较器42将可变电压信号Vreg与三角波信号比较，并在输出端输出脉宽调制输出信号PWMout。上述第一输入端可以是反相输入端；第二输入端可以是同相输入端，通过电压比较器42对可变电压信号Vreg与三角波信号进行比较，输出脉宽调制输出信号PWMout。

图2示出了一种电流换相波形示意图。如图2所示，脉宽调制输出信号PWMout在电机换相后具有第一软切换角度θ1，这样在换相开始后，采用Soft on策略，可以在第一软切换角度θ1内，使脉宽调制输出信号PWMout的占空比从第一输出占空比（如0%）逐渐增大到第二输出占空比（如100%）；脉宽调制输出信号PWMout在电机换相前具有第二软切换角度θ2，这样在换相开始前，采用Soft off策略，可以在第二软切换角度θ2内，使脉宽调制输出信号PWMout的占空比从第二输出占空比（如100%）逐渐减小到第一输出占空比（如0%）。

上述用于电机驱动的软换相控制电路，可以基于脉宽调制输入信号PWMin，确定输入占空比信号PWMduty和角度控制信号COMP，进而使可变电压产生电路产生可变电压信号Vreg，以调整脉宽调制输出信号PWMout，可以满足电机在不同驱动速度下的最优性能要求。

在本发明公开的实施例中，每个占空比区间对应的第一软切换角度θ1和第二软软切换角度θ2可以相等，但每个不同的占空比区间对应的第一软切换角度θ1不同，且每个不同的占空比区间对应的第二软软切换角度θ2也不同。在一个实施例中，比如，0%~100%的整体占空比区间范围划分为三个占空比区间，分别为0%~25%、25%~50%、50%~100%。在0%~25%的占空比区间对应的第一软切换角度θ1和第二软切换角度θ2可以为90°；25%~50%的占空比区间对应的第一软切换角度θ1和第二软切换角度θ2可以为45°；50%~100%的占空比区间对应的第一软切换角度θ1和第二软切换角度θ2可以为22.5°等。从而可以根据脉宽调制输入信号PWMin的占空比所属的占空比区间，调整脉宽调制输出信号PWMout的第一软切换角度θ1和第二软切换角度θ2，满足电机在不同驱动速度下的最优性能要求。在其他实施例中，每个占空比区间对应的第一软切换角度θ1和第二软软切换角度θ2也可以不相等，这里不再一一举例说明。

进一步的，脉宽调制输出信号PWMout的第一软切换角度θ1和第二软软切换角度θ2随脉宽调制输入信号PWMin的占空比的增大而减小。比如，脉宽调制输入信号PWMin的占空比为0%时，第一软切换角度θ1为90°，随着脉宽调制输入信号PWMin的占空比的增大，第一软切换角度θ1也逐渐减小，当脉宽调制输入信号PWMin的占空比为100%时，第一软切换角度θ1减小至22.5°等。第二软软切换角度θ2随脉宽调制输入信号PWMin的占空比的变化趋势类似，在此不再赘述。

如图3所示的一种软切换角度与占空比的关系示意图，从图中可以看出，25%以内的占空比，第一软切换角度θ1和第二软切换角度θ2为最大角度90°，随着占空比的增大，第一软切换角度θ1和第二软切换角度θ2减小。可以理解，占空比区间划分的数量是可以灵活设定的，在其他实施例中，当占空比区间划分的越多，则第一软切换角度θ1和第二软切换角度θ2随占空比的变化越趋近于线性形式，即第一软切换角度θ1和第二软切换角度θ2随占空比增大而降低。此外，在本发明公开的实施例中，脉宽调制输入信号PWMin在同一占空比区间内的每个占空比对应相同的第一软切换角度θ1和第二软切换角度θ2。如图3所示，从图中的阶梯线可以看出，在0~25%的占空比区间内的每个占空比对应相同的第一软切换角度θ1和第二软切换角度θ2（90°）；在25%~50%的占空比区间内的每个占空比对应相同的第一软切换角度θ1和第二软切换角度θ2（45°）；在50%~100%的占空比区间内的每个占空比对应相同的第一软切换角度θ1和第二软切换角度θ2（22.5°）。

进一步的，在1/2个电机换相周期中，除第一软切换角度θ1和第二软切换角度θ2之外的其他角度（如图2所示波形示意中的角度θ3），脉宽调制输出信号PWMout的占空比等于第二输出占空比，即，当在第一软切换角度θ1内，脉宽调制输出信号PWMout的占空比从第一输出占空比逐渐增大到第二输出占空比后，脉宽调制输出信号PWMout即可按照第二输出占空比进行输出，以控制电机的转速。在图2所示的波形示意图中，第二输出占空比被示意为100%。第二输出占空比与脉宽调制输入信号PWMin的占空比成正比，即，脉宽调制输出信号PWMout的第二输出占空比由脉宽调制输入信号PWMin的占空比决定，当脉宽调制输入信号PWMin的占空比越大时，相应的，脉宽调制输出信号PWMout的第二输出占空比也越大。第二输出占空比较小时，较大的第一软切换角度θ1和第二软切换角度θ2能使电机运转产生的噪音更低，当第二输出占空比较大时，较小的第一软切换角度θ1和第二软切换角度θ2能使电机的驱动电流更大，转速提升更加明显，由于脉宽调制输出信号PWMout的第一软切换角度θ1和第二软软切换角度θ2随脉宽调制输入信号PWMin的占空比的增大而减小，而第二输出占空比与脉宽调制输入信号PWMin的占空比成正比，因此，第一软切换角度θ1和第二软软切换角度θ2也会随第二输出占空比的增大而减小，从而满足电机在不同驱动速度下的最优性能要求。

图4根据本发明实施例示出了图1中可变电压产生电路30的原理示意图。如图4所示 ，可变电压产生电路30包括：数模转换模块31、电压电流转换模块32和可调电阻网络模块33；其中，数模转换模块31用于接收输入占空比信号PWMduty，对输入占空比信号PWMduty进行数模转换，得到模拟电压信号PWMdc；输入占空比信号PWMduty通常为数字二进制码的电压信号，可以通过数模转换模块31对其进行数模转换，输出对应的模拟电压信号PWMdc，并发送至电压电流转换模块32。

电压电流转换模块32用于接收模拟电压信号PWMdc，对模拟电压信号PWMdc进行转换产生模拟电流信号Ireg，模拟电流信号Ireg和模拟电压信号PWMdc成正比。

图5根据本发明实施例示出了图4中电压电流转换模块32的电路示意图。如图5所示，模拟电压信号PWMdc经过电压电流转换模块32中运算放大器OP1、电阻R1和MOSFET开关管MN1转换为电流信号，然后通过电阻R2、电阻R3、运算放大器OP2和MOSFET开关管MP1形成的电流镜结构，将电流信号镜像产生模拟电流信号Ireg，并送至可调电阻网络模块33。

可调电阻网络模块33具有可变的电阻值Rreg，用于接收角度控制信号COMP和模拟电流信号Ireg，可调电阻网络模块33根据角度控制信号COMP的不同值产生对应的电阻值Rreg，模拟电流信号Ireg流过可调电阻网络模块33产生的电压信号为可变电压信号。可调电阻网络模块可以包括多个电阻，由于脉宽调制输入信号的占空比所属的占空比区间不同，角度控制信号COMP也不同，可以根据角度控制信号COMP，在可调电阻网络模块33中接通不同的电阻，以产生对应的电阻值Rreg，当模拟电流信号Ireg流过可调电阻网络模块33时，根据可调电阻网络模块33中所接通的电阻的不同，产生的可变电压信号通常也不同。

进一步的，在第一软切换角度θ1内，可调电阻网络模块33的电阻值从第一电阻值逐渐增大到第二电阻值；在第二软切换角度θ2内，可调电阻网络模块33的电阻值从第二电阻值逐渐减小到第一电阻值；在软切换角度范围外的角度内，可调电阻网络模块33的电阻值保持第二电阻值不变；比如，如果可调电阻网络模块33中包括多个阻性元件，在第一软切换角度θ1内，可以通过逐渐增加所接通的阻性元件的数量，逐渐增大可调电阻网络模块33的电阻值；在第二软切换角度θ2内，可以通过逐渐减少所接通的阻性元件的数量，逐渐减小可调电阻网络模块33的电阻值等。可调电阻网络模块33的电阻值在第一软切换角度θ1内和第二软切换角度θ2内是变化的，在第一软切换角度θ1和第二软切换角度θ2范围外是不变的，保持为第二电阻值不变。

图6根据本发明实施例示出了图4中可调电阻网络模块33的电路原理示意图。如图6所示，可调电阻网络模块33包括：移相信号产生电路3301、多路选择器3302和电阻模块3303。

移相信号产生电路3301用于接收代表电机换相信息的周期信号。在一个实施例中，该周期信号Hlogic包括由霍尔传感器产生的霍尔信号。移相信号产生电路3301可以根据周期信号Hlogic产生K路移相信号Soft<j>，j=1,2,…K，其中，K为大于等于2的整数。在其中一种实施例中，K为大于等于2的偶数。K值越大，电阻模块3303的等效电阻在一软切换角度θ1内和第二软切换角度θ2内的变化曲线越平滑。在一个实施例中，每路移相信号的周期等于周期信号Hlogic的周期的二分之一；每路移相信号的有效状态（例如逻辑高状态）的占空比从1/(K+1)依次增大到K/(K+1) ；每路移相信号以周期信号Hlogic的周期的1/4为轴对称镜像。比如，在一个实施例中，取K=8，即移相信号产生电路3301可以根据周期信号Hlogic产生8路移相信号Soft<1>、Soft<2>、…、Soft<8>，8路移相信号的有效状态的占空比从1/9依次增大到8/9。

多路选择器3302用于接收角度控制信号COMP和K路移相信号Soft<j>，j=1,2,…K，并根据角度控制信号COMP和K路移相信号Soft<j>产生K路开关控制信号Gate<j>，j=1,2,…K，其中，多路选择器根据角度控制信号COMP不同的值选择对应的一路移相信号作为其中一路开关控制信号。

电阻模块3303包括K个阻性元件，依次串联在电压电流转换模块32的输出端和参考地之间，模拟电流信号Ireg流过电阻模块3303，产生可变电压信号Vreg。上述阻性元件可以采用电阻实现，K个阻性元件的阻值可以相同或不同。

K个电子开关，与K个阻性元件和K个开关控制信号均一一对应，每个电子开关具有第一端、第二端和控制端，每个电子开关的第一端依次与对应的阻性元件的一端耦接，每个电子开关的第二端均连接参考地，每个电子开关的控制端接收K路开关控制信号Gate<j>，j=1,2,…K中的对应的一路，开关控制信号用于控制该电子开关导通或断开，进而改变电阻模块的电阻值。如图6所示，当开关控制信号控制相应的电子开关导通时，该电子开关对应的阻性元件被短路，从而可以改变电阻模块3303的电阻值。 需要说明，图6仅根据一个实施例示意了电阻模块3303中K个阻性元件和K个电子开关的连接方式，图6的示意并不构成对K个阻性元件和K个电子开关的连接方式的限定，例如，在其他实施例中，还可以将每个电子开关并联在对应的阻性元件两端，进而通过控制电子开关的导通和关断以改变电阻模块3303的等效电阻值。

在图6所示实施例中，多路选择器3302可基于多种规则选择，根据角度控制信号COMP不同的值选择对应的一路移相信号作为其中一路开关控制信号，只需要实现电阻模块3303的电阻值在第一软切换角度θ1中逐渐增大，在第二软切换角度θ2中逐渐减小，在软切换角度范围外的角度内，可调电阻网络模块的电阻值保持不变即可。

接下来将以一个具体实施例说明多路选择器3302在实现所需功能时可实施的一种选择规则。在下面的实施例中，以将0%~100%的整体占空比区间范围划分为三个占空比区间为例，三个占空比区间分别为0%~25%、25%~50%、50%~100%。

当根据角度控制信号COMP显示脉宽调制输入信号PWMin的占空比所属的占空比区间为0%~25%时，可以设置第一软切换角度θ1和第二软切换角度θ2均为90°。此时，可选择Gate<j>等于Soft<j>，j=1,2,…,K,即：Gate<1>=Soft<1>,Gate<2>=Soft<2>,…,Gate<K-1>=Soft<K-1>,Gate<K>=Soft<K>，相关信号的参考波形如图7所示。从图7波形示意中可看出，第一软切换角度90°中，可调电阻网络模块33的电阻值从第一电阻值逐渐增大到第二电阻值；在第二软切换角度90°内，可调电阻网络模块33的等效电阻值从第二电阻值逐渐减小到第一电阻值。

当根据角度控制信号COMP显示脉宽调制输入信号PWMin的占空比所属的占空比区间为25%~50%时，可以设置第一软切换角度θ1和第二软切换角度θ2均为45°。此时，可设置Gate<j-1>和Gate<j>等于Soft<j/2>，在该应用场景，j的取值为1-K个数中的偶数，即j=2,4,…,K，也即是说 Gate<1>=Gate<2>=Soft<1>,Gate<3>=Gate<4>=Soft<2>,…,Gate<K-1>=Gate<K>=Soft<K/2>，相关信号的参考波形如图8所示。从图8波形示意中可看出，第一软切换角度45°中，可调电阻网络模块33的电阻值从第一电阻值逐渐增大到第二电阻值；在第二软切换角度45°内，可调电阻网络模块33的等效电阻值从第二电阻值逐渐减小到第一电阻值。在该实施例中，角度θ3等于90°。

当根据角度控制信号COMP显示脉宽调制输入信号PWMin的占空比所属的占空比区间为50%~100%时，可以设置第一软切换角度θ1和第二软切换角度θ2均为22.5°。此时，可设置Gate<j-3>、Gate<j-2>、Gate<j-1>，和Gate<j>均等于Soft<j/2>，在该应用场景，j的取值为1-K个数中为4的倍数的数，即j=4,8,…,K；也即是说Gate<1>= Gate<2>=Gate<3>=Gate<4>=Soft<1>, Gate<5>=Gate<6>=Gate<7>=Gate<8>=Soft<2>,…,Gate<K-3>= Gate<K-2>=Gate<K-1>=Gate<K>=Soft<K/4>，相关信号的参考波形如图9所示。从图9波形示意中可看出，第一软切换角度22.5°中，可调电阻网络模块33的电阻值从第一电阻值逐渐增大到第二电阻值；在第二软切换角度22.5°内，可调电阻网络模块33的等效电阻值从第二电阻值逐渐减小到第一电阻值。在该实施例中，角度θ3等于135°。

在本发明公开的实施例中，如前所述，在图1示意的占空比区间判定电路20中，当占空比参考值的数量为M，则将占空比划分为M+1个占空比区间，此时，占空比参考值的数量M和移相信号的数量K的关系为：K等于2^M的整倍数。例如，当M取值2时，占空比将被划分为3个占空比区间，K的取值为4的倍数；又如，当M取值3时，占空比将被划分为4个占空比区间，K的取值可以为8的倍数。在一个实施例中，当输入占空比信号位于第i个占空比区间时，i=1,2,…M+1，每2^i-1路开关控制信号等于K路移相信号中的一路。例如，当M=2时，占空比被划为3个占空比区间，在第1个占空比区间，每1路开关控制信号Gate<j>对应一路移相信号Soft<j>，j=1,2, …K；在第2个占空比区间，每两路开关控制信号Gate<j>和Gate<j-1>对应一路移相信号Soft<j/2>, j=2, 4,…K；在第3个占空比区间，每4路开关控制信号Gate<j>、Gate<j-1>、Gate<j-2>和Gate<j-3>对应一路移相信号Soft<j/2>, j=4, 8,…K。

图10根据本发明一个实施例示意了一种占空比区间判定电路20的电路原理图。如图所示，占空比区间判定电路20包括M个数字比较器：数字比较器1、数字比较器2、…、数字比较器M，以及M个不同的预设占空比阈值（占空比参考值）。其中：每个数字比较器接收N位二进制码的输入占空比信号PWMduty<N:1>和一个N位二进制码的预设占空比阈值，并将输入占空比信号与对应的预设占空比阈值进行比较，得到对应的比较结果，其中比较结果为1位二进制码的数字信号，如图10中示意的COMP_<1>、COMP_<2>、…、COMP_<M>，M个比较结果共同构成M位二进制码的角度控制信号COMP<M:1>，用于确定输入占空比信号PWMduty所属的占空比区间，其中，不同角度控制信号COMP<M:1>的值代表不同的占空比区间，即一个M位的二进制数代表一个占空比区间。

本发明实施例还提供了一种电机驱动系统，如图11所示，包括：霍尔传感器、软换相控制电路、逻辑驱动电路。霍尔传感器感应电机转子的位置和速度，用于产生代表电机换相信号的霍尔信号Hlogic；霍尔信号Hlogic包括霍尔周期信息。通常，霍尔周期是指电机转子转动穿越两个不同磁极的时间。霍尔周期与电机转子的磁极对数量有关。例如，电机转子包括一对磁极，则霍尔周期为转子转动一周的时间；又如，当电机转子包括三对磁极，则霍尔周期为转子转动三分之一周的时间。霍尔信号Hlogic每两个相邻的单脉冲的间隔时间表征电机的霍尔周期。

在一个实施例中，霍尔信号Hlogic是一个高低逻辑电平信号，一个高电平和一个低电平的时间为一个霍尔周期。在有些实施例中，霍尔信号Hlogic也可以是一个模拟电压信号，电压信号的值是变化的，在两个相同电压值的对应时刻，产生单脉冲，两个相同电压值之间的时间为一个霍尔周期。

软换相控制电路用于接收霍尔信号Hlogic和脉宽调制输入信号，根据霍尔信号和脉宽调制输入信号PWMin输出脉宽调制输出信号PWMout。

逻辑驱动电路用于接收霍尔信号Hlogic和脉宽调制输出信号PWMout，根据霍尔信号Hlogic和脉宽调制输出信号PWMout产生开关驱动信号DRV，用于驱动控制功率开关管的导通和关断时间，以调节电机转速。

在图11所示的实施例中，功率开关被示意为由S1-S4组成的H桥电路，开关驱动信号DRV包括DRV1、DRV2、DRV3和DRV4。开关驱动信号DRV1、DRV2、DRV3和DRV4控制H桥电路中四个开关管的导通和关断时间，以调节电机转速。可以理解，在图11所示的实施例中，H桥电路被示意为和霍尔传感器、软换相控制电路和逻辑驱动电路集成在一个电机驱动芯片中，在其他实施例中，H桥电路可以单独集成为一个芯片，霍尔传感器、软换相控制电路和逻辑驱动电路被集成为另一个芯片，相关电路连接形式不影响本发明技术方案的实施，均在本发明的保护范围之内。

图12根据本发明一个实施例示意了一种电机驱动系统相关参数的波形示意图，结合图11来看，图12中的Hlogic代表霍尔传感器输出的周期信号，当周期信号Hlogic为低时（图中S对应的角度区间），OUT2输出脉宽调制输出信号，这代表开关管S3常通，开关管S2和开关管S4互补导通。当周期信号Hlogic为高时（图中N对应的角度区间），OUT1输出脉宽调制输出信号，这代表开关管S4常通，开关管S1和开关管S3互补导通。周期信号Hlogic高低之间的变化就代表电机换相，即流过电机的电流方向反向。

本发明实施例还提供了一种用于电机驱动的软换相控制方法，如图13所示，方法包括如下步骤：

步骤S1301，将脉宽调制输入信号的占空比和占空比参考值比较，以确定脉宽调制输入信号的占空比所属的占空比区间；

步骤S1302，根据脉宽调制输入信号的占空比和所属的占空比区间产生可变电压信号，其中，可变电压信号的电压值可调节；

步骤S1303，将可变电压信号与三角波比较，输出脉宽调制输出信号，脉宽调制输出信号用于控制电机的转速；其中，脉宽调制输出信号在电机换相后具有第一软切换角度θ1，且在电机换相前具有第二软切换角度θ2；在第一软切换角度θ1内，脉宽调制输出信号的占空比从第一输出占空比逐渐增大到第二输出占空比；在第二软切换角度θ2内，脉宽调制输出信号的占空比从第二输出占空比逐渐减小到第一输出占空比。

上述用于电机驱动的软换相控制方法，可以基于脉宽调制输入信号，确定输入占空比信号和角度控制信号，进而使可变电压产生电路产生可变电压信号，以调整脉宽调制输出信号，可以满足电机在不同驱动速度下的最优性能要求。

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 (14)

1.一种用于电机驱动的软换相控制电路，其特征在于，所述电路包括：

占空比转换电路，用于接收脉宽调制输入信号，对所述脉宽调制输入信号进行转换处理，得到输入占空比信号；其中，所述输入占空比信号代表所述脉宽调制输入信号的占空比；

占空比区间判定电路，用于接收所述输入占空比信号，并将所述输入占空比信号和占空比参考值比较，输出角度控制信号，其中，所述角度控制信号表征所述脉宽调制输入信号的占空比所属的占空比区间；

可变电压产生电路，用于接收所述输入占空比信号和所述角度控制信号，并根据所述输入占空比信号和所述角度控制信号产生可变电压信号；

脉宽调制信号产生电路，用于接收所述可变电压信号，并将可变电压信号与三角波比较，输出脉宽调制输出信号，所述脉宽调制输出信号用于控制电机的转速；其中，所述脉宽调制输出信号在电机换相后具有第一软切换角度，且在电机换相前具有第二软切换角度；在第一软切换角度内，脉宽调制输出信号的占空比从第一输出占空比逐渐增大到第二输出占空比；在第二软切换角度内，脉宽调制输出信号的占空比从第二输出占空比逐渐减小到第一输出占空比。

2.根据权利要求1所述的软换相控制电路，其特征在于，每个不同的占空比区间对应的第一软切换角度不同，且每个不同的占空比区间对应的第二软软切换角度也不同。

3.根据权利要求1所述的软换相控制电路，其特征在于，所述脉宽调制输出信号的第一软切换角度和第二软软切换角度随所述脉宽调制输入信号的占空比的增大而减小。

4.根据权利要求1所述的软换相控制电路，其特征在于，所述第一软切换角度等于所述第二软切换角度。

5.根据权利要求1所述的软换相控制电路，其特征在于，在一个电机换相周期中，除第一软切换角度和第二软切换角度之外的其他角度，脉宽调制输出信号的占空比等于第二输出占空比，第二输出占空比与脉宽调制输入信号的占空比成正比。

6.根据权利要求1所述的软换相控制电路，所述可变电压产生电路包括：

数模转换模块，用于接收所述输入占空比信号，对所述输入占空比信号进行数模转换，得到模拟电压信号；

电压电流转换模块，用于接收所述模拟电压信号，对所述模拟电压信号进行转换产生模拟电流信号，所述模拟电流信号和所述模拟电压信号成正比；以及

可调电阻网络模块，具有可变的电阻值，用于接收角度控制信号和模拟电流信号，所述可调电阻网络模块根据角度控制信号的不同值产生对应的不同的电阻值，所述模拟电流信号流过可调电阻网络模块产生的电压信号为所述可变电压信号。

7.根据权利要求6所述的软换相控制电路，其特征在于，在第一软切换角度内，可调电阻网络模块的电阻值从第一电阻值逐渐增大到第二电阻值；在第二软切换角度内，可调电阻网络模块的电阻值从第二电阻值逐渐减小到第一电阻值；在软切换角度范围外的角度内，可调电阻网络模块的电阻值保持第二电阻值不变。

8.根据权利要求6所述的软换相控制电路，其特征在于，所述可调电阻网络模块包括：

移相信号产生电路，用于接收代表电机换相信息的周期信号，根据所述周期信号产生K路移相信号，其中，K为大于等于2的整数；

多路选择器，用于接收所述角度控制信号和所述K路移相信号，并根据所述角度控制信号和所述K路移相信号产生K路开关控制信号，其中，多路选择器根据角度控制信号不同的值选择对应的一路移相信号作为其中一路开关控制信号；

电阻模块，包括K个阻性元件，依次串联在所述电压电流转换模块的输出端和参考地之间，所述模拟电流信号流过所述电阻模块，产生所述可变电压信号；

K个电子开关，与K个阻性元件和K个开关控制信号均一一对应，每个电子开关具有第一端、第二端和控制端，每个所述电子开关的第一端依次与对应的阻性元件的一端耦接，每个所述电子开关的第二端均连接参考地，每个所述电子开关的控制端接收K路开关控制信号中的对应的一路，所述开关控制信号用于控制该电子开关导通或断开，进而改变电阻模块的电阻值。

9.根据权利要求8所述的软换相控制电路，其特征在于，

K为大于等于2的偶数；每路移相信号的周期等于周期信号的周期的二分之一；每路移相信号的有效状态的占空比从1/(K+1)依次增大到K/(K+1) ；每路移相信号以周期信号的周期的1/4为轴对称镜像；

目标占空比区间被划分为M+1个占空比区间，当输入占空比信号位于第i个占空比区间时，i=1,2,…M+1，每2^i-1路开关控制信号等于其中一路移相信号，其中，M为大于等于1的整数，K为2^M的整倍数。

10.根据权利要求1所述的软换相控制电路，其特征在于，占空比区间判定电路包括多个数字比较器，其中：

每个数字比较器接收所述输入占空比信号和一个不同的预设占空比阈值，并将所述输入占空比信号与对应的预设占空比阈值进行比较，得到对应的比较结果；

每个数字比较器输出的比较结果共同构成角度控制信号，用于确定所述输入占空比信号所属的占空比区间，其中，不同角度控制信号的值代表不同的占空比区间。

11.根据权利要求1所述的软换相控制电路，其特征在于，所述脉宽调制信号产生电路包括：

三角波发生器，用于产生固定周期的三角波信号；以及

电压比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端；所述电压比较器的第一输入端接收所述三角波信号，所述电压比较器的第二输入端接收所述可变电压信号，所述电压比较器将所述可变电压信号与所述三角波信号比较，并在所述输出端输出脉宽调制输出信号。

12.根据权利要求1所述的软换相控制电路，其特征在于，所述脉宽调制输入信号在同一占空比区间内的每个占空比对应相同的第一软切换角度，且所述脉宽调制输入信号在同一占空比区间内的每个占空比对应相同的第二软切换角度。

13.一种电机驱动系统，其特征在于，包括：

霍尔传感器，用于产生代表电机换相信号的霍尔信号；

如权利要求1-12任一项所述的软换相控制电路，用于接收所述霍尔信号和脉宽调制输入信号，根据所述霍尔信号和脉宽调制输入信号输出脉宽调制输出信号；

逻辑驱动电路，用于接收所述霍尔信号和所述脉宽调制输出信号，根据所述霍尔信号和所述脉宽调制输出信号产生开关驱动信号，所述开关驱动信号用于控制功率开关管的导通和关断时间，以调节电机转速。

14.一种用于电机驱动的软换相控制方法，其特征在于，所述方法包括：

将脉宽调制输入信号的占空比和占空比参考值比较，以确定脉宽调制输入信号的占空比所属的占空比区间；

根据脉宽调制输入信号的占空比和所属的占空比区间产生可变电压信号，其中，所述可变电压信号的电压值可调节；

将可变电压信号与三角波比较，输出脉宽调制输出信号，所述脉宽调制输出信号用于控制电机的转速；其中，所述脉宽调制输出信号在电机换相后具有第一软切换角度，且在电机换相前具有第二软切换角度；在第一软切换角度内，脉宽调制输出信号的占空比从第一输出占空比逐渐增大到第二输出占空比；在第二软切换角度内，脉宽调制输出信号的占空比从第二输出占空比逐渐减小到第一输出占空比。