CN1375924A - 无刷电动机驱动装置 - Google Patents

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Abstract

一种电动机驱动装置,通过在任意时刻切换同步整流型PWM驱动和单侧PWM驱动,来防止对电源产生的负电流。在进行同步整流型PWM驱动的无刷电动机中,解决了因负电流引起的电源电压上升,具有高性能和高可靠性。

Description

无刷电动机驱动装置
技术领域
本发明涉及一种用于信息设备等领域的脉宽调制(以下称为PWM)激励方式的无刷电动机驱动装置。
背景技术
过去，在无刷电动机PWM激励方式中，作为当向电动机驱动绕组通电的驱动晶体管的PWM开关处于关闭状态时，不是通过并联连接的二极管，使成对的驱动晶体管中流过再生电流，而是在PWM开关处于关闭状态时，进行控制使成对的驱动晶体管导通并减少电力损耗的所谓同步整流型的无刷电动机的驱动装置，众所周知的有特开平5-211780号公报中所公开的内容。图5表示现有的同步整流型PWM驱动方式的无刷电动机的驱动装置的电路构成。在图5中，320是通电控制电路，340是同步整流控制电路，360是2相非重叠型时钟，4～6及7～9分别是上侧驱动晶体管及下侧驱动晶体管。10～12及13～15是续流二极管，303及304是比较器，VM是电源端子，305是RC放电回路，302是双稳态多谐振荡器，301是倒相器，1～3是驱动绕组，80是电流检测电阻。
下面，对图5所示的现有的无刷电动机的驱动装置的PWM驱动过程加以说明。
在通电的相期间，一个节点(例如节点A)由上侧驱动晶体管4～6中的一个(例如上侧驱动晶体管6)驱动晶体管驱动为高电平。一个节点(例如节点B)由下侧驱动晶体管7～9中的一个(例如上侧驱动晶体管8)驱动晶体管驱动为低电平，并且其它节点(例如节点C)由于上侧驱动晶体管4及下侧驱动晶体管7双方为截止状态而处于悬浮状态。其次，在驱动绕组开关期间，用在一个驱动绕组中维持电流的换向顺序进行开关动作。
在PWM期间，在电流检测电阻80中测出电流量，并且与决定绕组1、2、3中能够产生的最大电流的基准电压VREF进行比较。当电流到达VREF时，比较器303就改变其输出，对双稳态多谐振荡器302进行复位。由此，经倒相器301、2相非重叠型时钟360、通电控制电路320，对上侧晶体管4～6进行开关控制，使所有节点A、B、C上的上侧晶体管4～6关闭。同时，通过打开开关306，RC放电回路305起动即进入可动作状态，在RC放电回路305产生时间延迟，延迟期间上侧晶体管4～6保持截止。当RC放电回路305电容上的电压下降到小于基准电压VREF时，比较器304的输出反转，使双稳态多谐振荡器302进行推挽动作，使与动作中的相所对应的上侧驱动晶体管再次导通。其结果，电流呈锯齿状上升即倾斜上升。这一连串的周期被反复进行。
以AB相为例接着进行说明。首先，在导通期间，通过节点A及B之间的绕组2及3电流呈锯齿状上升，从被选择为导通的上侧晶体管6中流过。
其次，在PWM截止周期动作中，当上侧晶体管6被关闭后，节点A的电位保持为高电平，为了维持绕组2及3中的电流，必须使与下侧晶体管9并联的续流二极管15进入正向偏置。并且，为了使节点B保持低电平状态，必须使下侧晶体管8维持导通状态。另外，在PWM截止周期使上侧晶体管6关闭后，绕组2及3成为呈衰减的电流源，并且要释放蓄积在它们中的能量。在所述PWM方式中，当关断提供给活性驱动绕组的电压时，活性驱动绕组中的反馈能量，是由来自非整流性接地反馈回路的向外加给下侧晶体管9施加的驱动电流所提供的。也就是在关闭上侧晶体管6时，当下侧晶体管9变为导通时，该回路如同由绕组2及3通过两个电阻构成，被短路的二极管可视为不存在。下侧晶体管7～9的开关动作如下面所述，通过与由通电控制电路320产生的信号同步的同步整流控制电路340完成。
图6是设置在图5的控制电路300中，仅表示作为控制电路300的一部分、对应1相的电动机驱动电路，对于其它相也设置有同样的电路。控制电路300是使上侧驱动晶体管驱动电路及下侧驱动晶体管驱动电路，能够随着线路384及383上的通电切换信号而进行驱动的逻辑电路。输入控制电路300的其它信号如图5所示，是来自双稳态多谐振荡器302的信号。为了确保不使上侧驱动晶体管及下侧驱动晶体管同时进入活化状态，设置有专用的异相时钟信号，即具有两个输出信号V361及V362的2相时钟360。通过2相时钟360的动作，当使上侧晶体管导通时，则使下侧晶体管截止；当使上侧晶体管使截止时，则使下侧晶体管导通(像这样使上侧晶体管和下侧晶体管双方进行PWM动作的方式，以下称之为同步整流型PWM)。
在本现有例中，通过所述控制电路300，可以对同步整流型PWM驱动和通常的线性驱动进行切换。
但是，在所述现有的构成中，在同步整流型PWM驱动时，由于电动机转速变动、负荷变动或转矩指令的减速指令，与转矩指令成比例的PWM驱动的脉冲宽度(占空比)会变窄，因而存在造成流经驱动绕组的再生电流向电源反向流动(以下称为负电流)的问题。另外，所述负电流流动时，因电源一侧的阻抗而造成电源电压上升，因而存在造成损坏电动机及电动机驱动装置，或者损坏装载该电动机的组件的问题。另外，在对电动机以任意转速进行控制时，用PWM驱动时，需要改变与转矩指令成比例的PWM占空比，用线性驱动时，需要改变与转矩指令成比例的电动机施加电压，造成电路构成变得复杂，成本增加等产生各种各样的不利因素的问题。另外，用线性驱动时，存在功耗大的问题。
发明内容
本发明提供一种能解决所述问题、实现高性能和高可靠性的无刷电动机的驱动装置，其特点为：功耗低、可方便地控制电动机的转速、并且当电动机的转速或负荷发生变动时，可防止产生负电流。
为了达到所述目的，由本发明第1方案所组成的无刷电动机的驱动装置，是驱动具有多个驱动绕组的无刷电动机的电动机驱动装置，具有与所述驱动绕组连接并可以动作，并且以包括同步整流PWM方式和单侧PWM方式的多种动作方式，对所述无刷电动机进行驱动的一对上侧驱动部和下侧驱动部；和具有在所述同步整流PWM方式和单侧PWM方式之间，在相切换期间能够对所述PWM方式进行控制切换的切换控制部，在所述无刷电动机驱动动作的减速期间，使所述PWM动作方式切换为所述单侧PWM方式，在非减速期间，实施所述同步整流PWM方式。
因此，可以防止产生负电流，可以解决当所述负电流流动时，因电源一侧的阻抗而造成电源电压上升，所造成的损坏电动机及电动机驱动装置，或者损坏装载该电动机的组件的问题。
在所述第1方案中，所述一对上侧驱动部和下侧驱动部，具有对所述驱动绕组可切换地供给驱动电流的多个成对的驱动切换元件，在电动机驱动的非减速期间内，当所述成对的驱动切换元件的一方在PWM切换截止状态时，所述成对的驱动切换元件的另一方导通，来自所述驱动绕组的再生电流流过所述另一方的驱动切换元件；在电动机驱动的减速期间中，当所述成对的驱动切换元件的一方在PWM切换截止状态时，所述成对的驱动切换元件的另一方也截止，所述再生电流流过与所述另一方并联连接的二极管。
因此，可以实现低功耗驱动，在速度控制的引入时或因负荷变动等引起转矩指令减速时，切换为单侧PWM驱动，与线性驱动相比，既做到了低功耗又可防止产生向电源的负电流。
由本发明第2方案所组成的无刷电动机的驱动装置，是具有转子磁钢和与其对向设置的驱动绕组的无刷电动机的驱动装置，包括：由与所述驱动绕组连接，并设置在一方的电源线路之间的多个驱动元件组成的上侧驱动装置；
由与所述驱动绕组连接，并设置在另一方的电源线路之间的多个驱动元件组成的下侧驱动装置；
检测所述转子磁钢和驱动绕组的位置关系的位置检测装置；
根据所述位置检测装置的输出信号，向所述驱动绕组输出通电切换信号的通电切换装置；
接受控制所述无刷电动机的发生转矩的转矩指令信号，输出对应于该接受转矩指令信号的脉冲宽度的任意频率信号的脉宽调制装置；
对应所述通电切换装置的输出信号和所述脉宽调制装置的输出信号，控制所述上侧驱动装置及下侧驱动装置的导通与截止的PWM控制装置；
所述PWM控制装置可以进行使所述上侧驱动装置及所述下侧驱动装置双方进行PWM动作的同步整流PWM驱动，并在制动方向的电流流过所述驱动绕组的减速期间内，不进行所述同步整流PWM驱动。
因此，实现了低功耗、通过与转矩指令信号成比例的PWM信号，可方便地控制电动机的转速，并且由于在制动电流流动期间，不进行同步整流PWM驱动，所以可以防止产生负电流，因而可以解决因负电流流动而带来的各种各样的问题。
作为在制动方向的电流流动期间对驱动绕组的驱动方法，一般地有，例如，仅使上下驱动装置的一方进行PWM驱动的方法，或不使上下驱动装置同时进行PWM开关，通过再生电流进行短制动方式的方法，或使上下驱动装置截止(电动机输出为高阻抗状态)等的方法，可以获得低功耗、低成本、高性能等各种效果。
在所述第2方案的构成中，也可以具有测出转矩指令信号的减速期间，将该测出的减速期间输入所述PWM控制装置的减速检测装置。
另外，由本发明第2方案所组成的无刷电动机的驱动装置，具有在电动机旋转中，为了使因上侧驱动装置或下侧驱动装置的导通与截止动作，而产生的驱动绕组的再生电流，不会反向流入电源线，对所述上侧驱动装置及所述下侧驱动装置的导通与截止动作进行切换的再生电流控制装置。
作为切换再生电流的电流路径的时刻，一般地，例如，测出转矩指令的减速的时刻或转矩指令信号和与转矩指令的减速成比例的信号电平之间的比较结果等随转矩指令信号变化的时刻；或电动机的速度变化或随与电动机的速度成比例的信号变化的时刻；或随相对电动机的开始和停止信号的延迟时间变化的时刻；或电源电压的变动或随与电源电压的变动成比例的信号变化的时刻；或负电流或随与负电流成比例的信号变化的时刻等。通过各种时刻和其构成，可以获得低功耗、低成本、高性能等各种效果。
在所述本发明第2方案中，再生电流控制装置，也可以具有使上侧驱动装置及下侧驱动装置双方进行PWM动作的同步整流PWM方式、和仅使单方进行PWM动作的单侧PWM方式，可对所述多个PWM方式进行切换，通过与转矩指令信号成比例的PWM信号，来控制电动机，对同步整流PWM方式和单侧PWM方式进行切换。由此，通过PWM驱动来切换产生的再生电流所流过的电流路径，起到防止产生负电流的作用。
通过本发明第3方案，通过使用所述本发明的无刷电动机驱动装置，可以得到低功耗，并消除了因负电流所造成的各种不利因素的电动机及信息设备。
附图说明
图1是表示本发明实施例1的无刷电动机驱动装置的电路结构图。
图2是本发明实施例1中PWM控制装置的电路结构图。
图3(a)、(b)是本发明实施例1的无刷电动机驱动装置的动作说明图。
图4(a)、(b)是表示本发明实施例1中再生电流的动作说明图。
图5是现有的同步整流型PWM激励方式无刷电动机驱动装置的电路结构图。
图6是现有的无刷电动机驱动装置的控制电路的电路结构图。
符号说明：
1、2、3—驱动绕组；4、5、6、7、8、9—驱动晶体管；10、11、12、13、14、15—二极管；20—位置检测装置；30—通电切换装置；60—PWM控制装置；67—再生电流控制装置；70—脉宽调制装置；100—减速检测装置。
具体实施方案
下面，结合附图对本发明的实施例加以说明。另外，在附图中相同的部分采用了相同的符号。
实施例
在图1中，1～3是与转子磁钢(图中未表示)对向设置的驱动绕组构成的驱动绕组，各绕组的一端相互连接在一起。4～6及7～9是驱动晶体管。10～12是续流二极管，分别与所述驱动晶体管4～6并联连接，同样续流二极管13～15与所述驱动晶体管7～9并联连接。所述驱动晶体管4～6的漏极相互连接在一起，并与电源端子连接，所述驱动晶体管7～9的源极相互连接在一起，经电阻80接地。所述驱动绕组1的端子和所述驱动晶体管4的源极及所述驱动晶体管7的漏极相互连接，同样地所述驱动绕组2的端子和所述驱动晶体管5的原籍及所述驱动晶体管8的漏极相互连接，所述驱动绕组3的缎子和所述驱动晶体管6的原籍及所述驱动晶体管9的漏极相互连接在一起。所述驱动晶体管4～6及所述续流二极管10～12构成本发明的上侧驱动部200，所述驱动晶体管7～9及所述续流二极管13～15构成本发明的下侧驱动部210。
20是位置传感器，通过例如霍尔元件等位置检测器件(图中未表示)或者在电动机驱动绕组中诱发的反电势电压等，测出转子和定子的位置。所述位置传感器20的输出信号被送到通电切换部30，通电切换部30将3相全波驱动的相切换信号输入PWM控制部60。转矩指令信号被输入脉宽调制部70级减速检测部100，所述脉宽调制部70在任意的PWM频率中，转矩指令信号对应的脉宽的信号PWM1PWM控制部60输入。减速检测部100转矩指令的减速期间测出，信号DEC所述PWM控制部60输入。PWM控制部60的输出信号(P1u、P2u、P3u和P1d、P2d、P3d)分别输入构成上下驱动部200、210所构成的驱动晶体管4、5、6和晶体管7、8、9的各栅极。
PWM控制部60作为的具体构成可以采样如图2所示电路。
图2中仅表示了与驱动绕组1联接的驱动晶体管4、7的各栅极输入的信号P1u、P1d，与其它驱动绕组联接的驱动晶体管的栅极信号也可以用同样的电路来做成，图中予以省略。在图2中，信号S1u及S1d是通电切换部30的输出信号，信号S1u输入或门电路65，信号S1d输入与门电路63及66。信号DEC是减速检测部100的输出信号，输入与门电路64。信号PWM1是脉宽调制部70的输出信号，输入与门电路66，并且经倒相器61输入贯通防止电路62，所述贯通防止电路62的输出输入所述与门电路63。所述与门电路63的输出经与门电路64输入或门电路65，所述或门电路65及所述与门电路66的输出组成PWM控制部60的输出，所述与门电路64及或门电路65构成再生电流控制电路67。
下面，对如上所述构成的无刷电动机的驱动装置进行说明。图3是本发明实施例1动作过程的说明图，表示了各处信号的时间关系。
使减速检测部100的输出信号即DEC，在减速期间为低电平，除此之外为高电平。
首先，对信号DEC为高电平，也就是减速期间以外的动作加以说明。图3(a)表示信号DEC为高电平时各处信号的时间关系。脉宽调制部70将对应于转矩指令的脉冲宽度信号PWM1输入PWM控制部60。PWM控制部60当信号DEC为高电平时，根据所述信号PWM1和通电切换部30的输出信号S1d输出通过与门电路66得到的信号P1d。来自脉宽调制部70的输出信号PWM1用倒相器61进行翻转，该翻转信号PWM1a经贯通防止电路62通过与门电路63与所述信号S1d被逻辑综合。所述与门电路63的输出通过与门电路64与信号DEC逻辑综合。由于信号DEC为高电平，与门电路63的输出经与门电路64输入到或门电路65。
这样可以得到如图3(a)所示的信号P1u及信号P1d。同样，也可以得到P2u、P2d、P3u、P3d。通过由此得到的信号P1u～P3d驱动驱动晶体管的导通/截止。在此，所述贯通防止电路62成为对的上侧驱动装置和下侧驱动装置同时导通不使，脉冲宽度调整的功能起到。另外，图3中信号S1u、S2u、S3u和信号S1d、S2d、S3d分别与图1中信号Aa、Ba、Ca和信号Ab、Bb、Cb相对应。
图4(a)是当信号DEC为高电平时的动作过程说明图，在图3(a)的期间(PA)中，驱动绕组流过的电流表示。图3(a)的期间  电源VM从驱动绕组1、驱动绕组3以的顺序电流流的相切换的时刻。在此期间，驱动晶体管4对应信号P1u保持导通的状态，驱动晶体管6及9对应信号P3u、信号P3d通过同步整流型PWM驱动进行导通/截止动作。最初当驱动晶体管9为导通时，驱动晶体管6为截止状态，在驱动绕组中流过如同图I导通1所示的电流。接着当驱动晶体管9为截止状态时，驱动晶体管6为导通，驱动绕组的能量通过，再生电流同图I截止1所述驱动晶体管6经流。
然后，对信号DEC为低电平，也就是减速期间的动作过程进行说明。在图3(b)的期间(PB)中，驱动绕组流过的电流表示。图3(b)的期间  电源VM从驱动绕组1、驱动绕组3以的顺序电流流的相切换的时刻。基本动作过程与信号DEC为高电平时一样，不同之处为，驱动晶体管9的导通/截止(信号P3d对应)随着驱动晶体管6的导通/截止不进行单侧PWM驱动方式的具有特点。晶体管6成为常截止状态，因此，所述驱动晶体管9在PWM动作的截止时，再生电流经二极管12如同图I截止2所示流动。
通过所述构成，对应信号DEC，再生电流的流的电流经路切换可以。也就是说，起动时以及稳定时同步整流型PWM驱动通过可以实现极低功耗的驱动，引入速度控制时或因负荷变动等引起转矩指令减速时，单侧PWM驱动切换与直线驱动相比，既低功耗又可防止向电源的负电流。
从所述实施例的说明中可知，通过本发明，就能获得以下所述的有益效果：可以防止在同步整流型PWM驱动时，因电动机转速的变动或负荷变动或转矩指令的减速指令产生的负电流，消除所述负电流流过时，因电源侧的阻抗所造成的电源电压上升，而损坏电动机以及电动机驱动装置或装载有该电动机的组合的不利因素，降低电力消耗，能够比较容易地控制电动机的转速并高性能、高可靠性地驱动无刷电动机。

Claims (8)

1.一种电动机驱动装置，驱动具有多个驱动绕组的无刷电动机，其特征为：
包括：
与所述驱动绕组连接并可以动作，并且以包括同步整流PWM方式和单侧PWM方式的多种动作方式，对所述无刷电动机进行驱动的一对上侧驱动部(200)和下侧驱动部(210)；
在所述同步整流PWM方式和单侧PWM方式之间，在相切换期间能够对所述PWM方式进行控制切换的切换控制部(60)；并且，
在所述无刷电动机驱动动作的减速期间，切换所述PWM动作方式，实施所述单侧PWM方式，并在非减速期间实施所述同步整流PWM方式。
2.根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征为：
所述一对上侧驱动部(200)和下侧驱动部(210)，具有对所述驱动绕组可切换地供给驱动电流的多个成对的驱动切换元件(4、7；5、8；6、9)，在电动机驱动的非减速期间内，当所述成对的驱动切换元件(例如6、9)的一方驱动切换元件(9)在PWM切换截止状态时，所述成对的驱动切换元件(例如6、9)的另一方驱动切换元件(6)导通，来自所述驱动绕组的再生电流流过所述另一方的驱动切换元件(6)；
在电动机驱动的减速期间中，当所述成对的驱动切换元件(例如6、9)的一方驱动切换元件(9)在PWM切换截止状态时，所述成对的驱动切换元件(例如6、9)的另一方驱动切换元件(6)也截止，所述再生电流流过与所述另一方驱动切换元件(6)并联连接的二极管(12)。
3.一种无刷电动机驱动装置，具有转子磁钢和与其对向设置的驱动绕组，其特征为：
包括：
由与所述驱动绕组连接，并设置在一方的电源线路之间的多个驱动元件组成的上侧驱动装置；
由与所述驱动绕组连接，并设置在另一方的电源线路之间的多个驱动元件组成的下侧驱动装置；
检测所述转子磁钢和驱动绕组的位置关系的位置检测装置；
根据所述位置检测装置的输出信号，向所述驱动绕组输出通电切换信号的通电切换装置；
接受控制所述无刷电动机的发生转矩的转矩指令信号，输出对应于该接受转矩指令信号的脉冲宽度的任意频率信号的脉宽调制装置；
对应所述通电切换装置的输出信号和所述脉宽调制装置的输出信号，控制所述上侧驱动装置及下侧驱动装置的导通与截止的PWM控制装置；
所述PWM控制装置可以进行使所述上侧驱动装置及所述下侧驱动装置双方进行PWM动作的同步整流PWM驱动，并在制动方向的电流流过所述驱动绕组的减速期间内，不进行所述同步整流PWM驱动。
4.根据权利要求3所述的无刷电动机的驱动装置，其特征为：具有测出所述转矩指令信号的减速期间，并将该测出的减速期间输入到所述PWM控制装置中的减速检测装置。
5.根据权利要求3所述的无刷电动机驱动装置，其特征为：具有：在电动机旋转中，为了使由上侧驱动装置或下侧驱动装置的导通/截止动作所产生的驱动绕组的再生电流不会反向流入电源线，而对所述上侧驱动装置及所述下侧驱动装置的导通与截止动作进行切换的再生电流控制装置。
6.根据权利要求5所述的无刷电动机驱动装置，其特征为：再生电流控制装置具有使上侧驱动装置及下侧驱动装置双方进行PWM动作的同步整流PWM方式和仅使单方进行PWM动作的单侧PWM方式，可对所述多个PWM方式进行切换。
7.一种电动机，其特征为：使用权利要求1～4中任意一项所述的无刷电动机驱动装置进行PWM驱动。
8.一种信息设备，其特征为：使用权利要求7所述的电动机。
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