CN201266897Y - 电机变速驱动电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电机变速驱动电路，包括提供强度可调节的磁场的调节组件；根据所述调节组件提供的磁场调节输出驱动信号的占空比的驱动组件；与所述驱动组件以及电机连接、并根据所述驱动组件输出的驱动信号的占空比调整自身导通时间以控制电机转速的执行组件。本实用新型的电机变速驱动电路采用非接触式控制，使电机的转速调整具有良好的线性度，提高了电路的可靠性，具有大驱动电流，提高了执行组件的工作效率。

Description

电机变速驱动电路

技术领域

本实用新型涉及电子设备制造技术领域，尤其是涉及一种电机变速驱动电路。

背景技术

目前通常使用的低压直流和充电式电动工具的电机调速电路都采用接触式的控制，即都是使用滑动变阻器或碳膜电阻。

如图1所示为现有充电式手持电动工具调速电路原理图。上述电路主要包括一个调整组件R12、一个IC组件U11和一个执行组件Q11。该IC组件U11电性连接R12，通过调整R12来改变C12的充电和放电的时间，相应的IC组件U11的2脚和6脚会得到一个随C12充、放电时间变化而变化的锯齿波，通过U12内部电路的处理，IC组件U11的3脚将会输出一个脉冲宽度随2脚锯齿波变化而变化的脉冲信号。IC组件U11的3脚信号连接到执行组件Q11，驱动执行组件Q11，改变执行组件Q11的开通时间从而改变在单位时间内电机线圈的通电时间，如此来达到调整电机转速的目的。

如图2所示为上述电路中可调电阻R12的结构示意图，其由9只电阻组成。图中21所示为铜和镀金层，22所示为表面镀金的铜质滑片。由于采用滑动变阻这种结构，造成电阻值的不连续，从而使得电机转速与R12的变化曲线呈阶梯状，R12即行程开关的行程，其滑片是安装在行程开关上。

如图3所示为开关行程与电机转速曲线图。图中31所示为开关关断状态的曲线，32所示为电机调速状态的曲线，33为电机全速状态的曲线。

如图4所示为碳膜、厚膜电阻的结构示意图。图中，41为金属接触区，42为滑片，43为厚膜电阻即变阻区，44为陶瓷基板。虽然碳膜、厚膜电阻的阻值连续，但是由于滑动接触时电阻变化大，实际电机的转速与电阻的曲线也呈阶梯状。

由上面两种电阻的结构可以知道，在调速过程中电阻将不停的滑动，其电阻的接触区域会有摩擦，随使用次数增多，电阻将会不同程度损坏，可靠性变低。

目前通常使用的几款IC组件中只有NE555的输出电流基本能到200mA，其它几款IC组件的PWM输出电流都在10mA以内。由于IC组件的输出电流小或者过小将造成驱动部分执行组件MOSFET不能进入最佳工作状态。实际测试其MOSFET开启、关断的时间很长。如图5所示为当I_out≤200mA时MOSFET G极的开启和关断的波形。由图5可知，当T_on开通时间为2us时驱动电压V_g只上升到10V，当关断时间T_off为2us时，驱动电压V_g降到1V。随着驱动脉冲宽度的加大，其开通时间和关断时间会延长。这样，使得MOSFET的工作效率低、发热严重，需要大散热片支持，过多消耗电源能量。长时间工作会直接威胁整个电路的可靠性。

综上所述，现有技术中电机驱动电路存在的缺陷有：电机转速变化呈阶梯状、不连续，因此不利于转速的精确调整；并且采用接触式控制对电阻摩擦比较严重，随着使用次数的增多，可靠性逐渐降低；另外IC组件的输出电流过小，从而使得执行组件工作效率低、发热严重，最终影响整个电路的可靠性。

实用新型内容

本实用新型要解决的问题是提供一种电机变速驱动电路，采用非接触式控制来实现电机转速调节，克服现有技术中电机转速变化不连续，电路可靠性差的缺陷。

为了达到上述目的，本实用新型公开了一种电机变速驱动电路，包括：

提供强度可调节的磁场的调节组件；

根据所述调节组件提供的磁场调节输出驱动信号的占空比的驱动组件；

与所述驱动组件以及电机连接、并根据所述驱动组件输出的驱动信号的占空比调整自身导通时间以控制电机转速的执行组件。

本实用新型采用非接触式控制，通过调节磁场强度来调节电机的转速，因此，避免了现有技术中使用滑动变阻器进行调节的技术缺陷，电机的转速调整具有良好的线性度，并且提高了电路的可靠性。本实用新型的驱动组件输出大驱动电流，提高了执行组件的工作效率。

附图说明

图1为现有技术充电式手持电动工具调速电路原理图；

图2为现有技术可调电阻的结构示意图；

图3为现有技术开关行程与电机转速曲线图；

图4为现有技术碳膜、厚膜电阻的结构示意图；

图5为现有技术MOSFET G极开通和关断波形图；

图6为本实用新型一个实施例的结构框图；

图7为本实用新型一个实施例的电路原理图；

图8为本实用新型一个实施例的MOSFET G极开通和关断波形图；

图9为本实用新型一个实施例的调速控制电路原理图；

图10为本实用新型一个实施例的开关行程与电机转速曲线图；

图11为本实用新型一个实施例的行程开关工作示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述：

本实用新型主要是提供一种电机变速驱动电路。如图6所示为本实用新型的结构框图，本实用新型主要通过对磁场强度的调整达到调整电机转速的目的，避免了现有技术中采用滑动变阻器调整可靠性不高的技术缺陷。本实用新型的驱动电路包括：提供强度可调节的磁场的调节组件；根据所述调节组件提供的磁场调节输出驱动信号的占空比的驱动组件；以及与所述驱动组件以及电机连接、并根据所述驱动组件输出的驱动信号的占空比调整自身导通时间以控制电机转速的执行组件。

作为本实用新型的一个实施例，提出了一种驱动组件的结构，该驱动组件包括至少一霍尔器件和一PWM控制电路，通过霍尔器件将外部磁场转换为相应的电压信号，这样在外部磁场改变后所述霍尔器件生成的电压信号也会相应变化，再通过PWM控制电路将变化的电压信号转换为输出驱动信号的占空比的变化；最后，由执行组件根据驱动组件输出的驱动信号的占空比调整自身导通时间以控制电机转速。

如图7所示为本实用新型一个实施例的驱动电路原理图。本实施例的驱动电路包括：调节组件，用于为所述驱动电路提供强度可调节的磁场；驱动组件U71，用于根据调节组件提供的磁场调节输出的驱动信号的占空比；执行组件Q71，其与所述驱动组件U71连接，根据所述驱动组件输出的驱动信号改变导通时间；由R71和D71组成的稳压电路，用于为驱动组件U71提供稳定的电压。

电机M1与所述执行组件Q71连接，电机转速随执行组件Q71的导通时间变化而变化。作为本实用新型的一个实施例，所述执行组件为金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，所述MOSFET的栅极与所述驱动组件的输出相连，漏极与电机M1相连，源极与地端相连。

本实施例中，所述调节组件包括磁铁N71，用于为所述霍尔器件提供磁场，作为本实用新型的一个实施例，磁铁N71可以为永磁铁、电磁铁，或者其他可产生磁场的装置。作为本实用新型的一个实施例，改变霍尔器件表面磁场强度的方式可以为改变磁铁N71与霍尔器件表面的距离，也可以为调节磁铁N71本身的磁场强度。

本实施例中，所述驱动组件U71包括：霍尔器件，作为本实用新型的实施例，该霍尔器件为高精度线性霍尔器件，用于输出随所述霍尔器件表面垂直磁场强度变化而变化的电压信号，改变垂直于霍尔器件表面磁场强度的初始值可更改电机的启动转速；与霍尔器件连接的误差放大器，作为本实用新型的实施例，该误差放大器为高增益误差放大器，用于放大所述变化的电压信号，其输入端与霍尔器件相连接，输出端与PWM控制电路相连接；与误差放大器连接的PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)控制电路，用于根据经放大的变化的电压信号输出占空比可调节的驱动信号；振荡器，该振荡器可调节，用于为所述驱动组件U71提供工作频率；参考稳压器，用于为所述驱动组件U71提供参考稳定电压；与所述参看稳压器连接的内部偏置；输出级(如图7所示专用驱动)，用于加强所述驱动组件U71的驱动能力，该输出级的输出电流可以超过1A。

作为本实用新型的实施例，上述驱动组件U71为一体的芯片，该芯片使用高性能固定频率PWM控制器，能进行精确的占空比控制和温度补偿，可以用于低功率电机调速，这样可以为设计人员提供只需最少外部元件就能获得低成本、效益高的解决方案。作为本实用新型的一个实施例，该芯片具有15伏通和12伏断低压锁定门限，适合于充电式手持电动工具的电机转速控制；工作频率在100Hz-50kHz时，其占空比控制精度为0.5％。该芯片可以单独作为高精度霍尔器件和外部输入控制信号的大电流输出PWM控制器使用，其霍尔输出电压和PWM外部输入控制的电压范围都为0-5V，霍尔感应磁场范围为0-900GS；加强驱动能力的输出级具备超过1A的大电流输出。作为本实用新型的一个实施例，该芯片适合在直流有刷电机控制电路中用于驱动功率MOSFET，可以应用于工业控制中的行车、电葫芦等设备，以及手持式电动工具，或其他使用直流电机的设备。

作为本实用新型的一个实施例，所述驱动电路还包括与振荡器相连接的频率调节电阻R73，通过改变其阻值可以改变驱动组件U71的工作频率。

作为本实用新型的一个实施例，在电机和执行组件之间可以加入换向装置，实现电机的正反转控制。

由于所述驱动组件采用加强驱动能力的输出级，其输出电流可以超过1A，从而使MOSFET组件的开通和关断时间为最短，降低了MOSFET的开关损耗，提高效率，减少发热量，更节能，发热量小不需要大散热片也降低了成本，提高整个电路的性价比。如图8所示为当500mA<I_out≤1A时，MOSFET G极的开启和关短的波形图，图中纵向每格的值为5V。在上升沿，当开通时间T_on为0.6us时，驱动电压V_g上升到13.5V；在下降沿，当关断时间T_off为0.6us时，驱动电压V_g下降到1V。通过比较图8与图5可知，后者的开启和关断时间都小于前者开启和关断时间的1/3。

如图9所示为本实用新型另一个实施例的电机变速驱动电路的原理图。本实施例的驱动电路包括：调节组件，用于为所述驱动电路提供强度可调节的磁场；驱动组件U91，用于根据调节组件提供的磁场调节输出的驱动信号的占空比；执行组件Q91，其与所述驱动组件U91连接，根据所述驱动组件U91输出的驱动信号改变导通时间；由R91和D91组成的稳压电路，用于为驱动组件U91提供稳定的电压。

电机M1与所述执行组件Q91连接，电机转速随执行组件Q91的导通时间变化而变化。作为本实用新型的一个实施例，所述执行组件为金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，所述MOSFET的栅极与所述驱动组件的输出相连，源极与调节组件相连，漏极与电机M1相连。

其中所述调节组件包括：

磁铁N91，用于为所述霍尔器件提供磁场，作为本实用新型的一个实施例，磁铁N91可以为永磁铁、电磁铁，或者其他可产生磁场的装置。作为本实用新型的一个实施例，改变霍尔器件表面磁场强度的方式可以为改变磁铁N1与霍尔器件表面的距离，也可以为调节磁铁N91本身的磁场强度；以及

行程开关SW1，SW1包括第一触点91、第二触点92、第三触点93，其中第一触点1与执行组件Q91相连接，第二触点2直接与电机M1相连接，第三触点3与电源相连接。

本实施例中，驱动组件U91包括：霍尔器件，作为本实用新型的实施例，该霍尔器件为高精度线性霍尔器件，用于输出随所述霍尔器件表面垂直磁场强度变化而变化的电压信号，改变垂直于霍尔器件表面磁场强度的初始值可更改电机的启动转速；与霍尔器件连接的误差放大器，作为本实用新型的实施例，该误差放大器为高增益误差放大器，用于放大所述变化的电压信号；与误差放大器连接的PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)控制电路，用于根据经放大的变化的电压信号输出占空比可调节的驱动信号；振荡器，该振荡器可调节，用于为所述驱动组件U91提供工作频率；参考稳压器，用于为所述驱动组件U91提供参考稳定电压；与所述参看稳压器连接的内部偏置；输出级(如图9所示专用驱动)，用于加强所述驱动组件U91的驱动能力，该输出级的输出电流可以超过1A。

作为本实用新型的一个实施例，在电机和执行组件之间可以加入换向装置，实现电机的正反转控制。

如图9所示，驱动电路在工作过程中，

当第三触点93不与第一触点91和第二触点92接触时，SW1处于关断状态。

当第三触点93与第一触点91接触时，执行组件Q91和电机M91接入电源两端，驱动电路进入调速状态，此时改变霍尔器件表面的磁场强度即可改变电机转速。作为本实用新型的一个实施例，改变霍尔器件表面磁场强度的方式可以为改变磁铁N91与霍尔器件表面的距离，也可以为调节磁铁N91本身的磁场强度。

当第三触点93与第二触点92接触时，电机M1直接接到电源两端，全电压被加到电机M1上，驱动电路进入全速状态，电机M1将全速运行。

如图10所示为本实施例的开关行程与电机转速曲线图，图中横坐标为SW1的行程，纵坐标为电机的转速。图中，101所示为开关关断状态的曲线，102为电机调速状态的曲线，103为电机全速状态的曲线。行程开关SW1的行程在调速段时，电机的转速与开关行程呈线性关系，避免了现有技术中的阶梯状曲线，降低了电机在加速过程中电流急剧变化带来的损害。

如图11所示为本实用新型一个实施例的行程开关SW1工作的示意图。在本实施例中，行程开关SW1包括：可推动件1100，其可在外力作用下向霍尔器件方向移动；第一触点91、第二触点92、第三触点93，具有与图9中的第一触点91、第二触点92、第三触点93相同的接入电路的方式；第一杠杆L1；第二杠杆L2。其中，第一触点91和第二触点92分别安装于第一杠杆L1和第二杠杆L2的一端。第一杠杆L1和第二杠杆L2分别通过第一杠杆固定柱116和第二杠杆固定柱119固定。

作为本实用新型的一个实施例，第二杠杆L2的长度短于第一杠杆L1的长度。

作为本实用新型的一个实施例，行程开关SW1还包括：与第一杠杆L1连接的第一弹簧115；第一弹簧固定柱114；与第二杠杆L2连接的第二弹簧118；第二弹簧固定柱117。

作为本实用新型的一个实施例，可推动件1100与驱动电路之间设有弹簧1110。图11中，1111、1112为弹簧固定柱；F表示推动SW1的力。

作为本实用新型的一个实施例，SW1的可推动件1100的下表面呈阶梯状，并且具有高度依次降低的第一平面S1、第二平面S2和第三平面S3。

在本实施例中，磁铁N91安装于可推动件1100的一端(如图11所示)，这仅是本实用新型的一个实例，在具体应用时，可以根据需要将磁铁N91安装于其他位置。

在如图11所示的初始状态，行程开关SW1处于关断态即电机停转，如图10中的行程关断区。初始状态中，第一杠杆L1的上端位于第一平面S1的下方，第一杠杆L1和第二杠杆L2的上端与可推动件1100的下表面均不接触。

当启动电机时，行程开关SW1在外力的作用下向前推进。磁铁N91安装在SW1上，因此磁铁N91也随之向前推进，拉近与驱动组件U91的垂直距离，驱动组件U91内部的霍尔器件表面的垂直磁场强度增强。当SW1向前推进到第三触点93与第一触点91相接的时候，电路形成回路，电源电压V1连接到电机M1上，同时通过R91和D91组成的稳压电路给U91提供稳定的15V电压。此时，第一杠杆L1的上端与可推动件1100的第二表面S2接触，第二杠杆L2的上端与可推动件1100的下表面不接触。由于N91和SW1是组装在一起的，当U91通电时，U91内部霍尔表面的磁场强度也就确定了，霍尔将会输出一个相应的电压信号，这个信号通过误差放大器放大和PWM电路的处理输出PWM信号去驱动执行组件Q91，通过改变执行组件Q91的导通时间从而改变在单位时间内电机线圈的通电时间，如此来达到调整电机转速的目的，这个时候电机的转速就是最低启动转速。此过程如图7所示，刚进入调速段时的那一段直线上升的曲线。

作为本实用新型的一个实施例，要改变启动转速，只需改变当SW1的第三触点93和第一触点91刚接触时磁铁N91和U91的垂直距离，距离越近启动转速就越高。

当行程开关SW1继续向前推进，如图10所示的行程的调速段。在此过程中SW1的第三触点93一直和第一触点91相接。此时，第一杠杆L1的上端在第二平面S2上滑动，第二杠杆L2的上端与可推动件1100的下表面不接触。但是随SW1向前推进，磁铁N1与U91的距离就会变小，U91表面的磁场强度就会变强，U91内部霍尔输出的电压就会随之变小，该电压经过误差放大器放大和PWM电路处理输出脉冲宽度随之变大的PWM信号，PWM信号驱动执行组件Q91，执行组件Q91的导通时间增长，电机的转速上升。如图10所示，行程开关SW1的行程，即磁铁N91和驱动组件U91的垂直距离，也是驱动组件U91内部的霍尔器件表面的垂直磁场强度，与电机的转速成线性关系。行程开关SW1继续向前推进直到电机转速为全速的90％时，也就是行程开关接近第二触点时，此段行程和电机转速都呈线性关系。此过程如图10所示的调速段。

当行程开关SW1向前推进到第三触点93与第二触点92接触时，SW1的第三触点93一直与第一触点91相连。此时，第一杠杆L1的上端与第二表面S2接触，第二杠杆L2的上端与第三表面S3接触。在图9可以看到MOSFET的D极和S极将会被SW1短接，即电机两端直接接到了电源的两端，电机将全速运行。此过程如图10所示的调速段和全速段相邻的那一段全速直线上升的曲线和全速段的那一段平滑的曲线。

上述SW1的结构以及工作方式仅是本实用新型的一个实例，在具体应用中，可以根据需要对SW1的结构进行替换和变形，如改变SW1可推动件的下表面的轮廓结构等等，使得在推动SW1的过程中可以实现类似的功能，这些替换和变形应当也属于本实用新型的保护范围。

上述实施例可以应用于如充电式手持电钻等手持式电动工具中，也可用于包含电机的其他设备。

本实用新型的实施例具有以下有益效果：

(1)电机的转速调整具有良好的线性度。

本电路工作频率为2K，其输出驱动信号占空比在10％-90％范围内的可调精度为0.5％。通过改变电阻R3可以使电路在其它频率上工作。所述电路驱动的电机的转速与行程的曲线如图10所示。从图中可以看出，在行程的调速段，电机转速与开关行程呈线性关系，避免了现有技术中的阶梯状曲线，降低了电机在加速过程中电流急剧变化带来的损害。

(2)非接触式控制，提高电路可靠性。

本实用新型的实施例实现了对电机转速的非接触式控制。通过对现有技术中滑动电阻的测试，在测试前该电阻的镀金厚度为0.18um，当滑动该电阻到8000次时镀金厚度下降到0.1um；随着使用的次数增多，调速的可靠性严重下降。而采用本实用新型实施例中带霍尔器件的驱动组件实现的调速电路只受磁铁的影响，采用永磁则无影响；通过在120℃内工作两万次无任何影响。采用该电路调速的可靠性远远高接触式控制的调速电路。

(3)大电流驱动，提高MOSFET工作效率。

由于本实用新型的实施例中驱动组件具有加强驱动能力的输出级，所以该组件的输出电流可以超过1A，从而使MOSFET组件的开通和关断时间为最短，降低了MOSFET的开关损耗，提高效率，减少发热量，更节能，发热量小不需要大散热片也降低了成本，提高整个电路的性价比。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1、一种电机变速驱动电路，其特征在于，包括：

提供强度可调节的磁场的调节组件；

根据所述调节组件提供的磁场调节输出驱动信号的占空比的驱动组件；

与所述驱动组件以及电机连接、并根据所述驱动组件输出的驱动信号的占空比调整自身导通时间以控制电机转速的执行组件。

2、如权利要求1所述驱动电路，其特征在于，所述驱动组件包括：

根据表面磁场强度输出电压信号的霍尔器件；

为所述驱动组件提供参考电压的参考稳压器；

与所述参考稳压器相连接的内部偏置；

根据所述霍尔器件输出的电压信号输出对应占空比的驱动信号的脉冲宽度调制PWM控制电路；

与所述PWM控制电路连接的提高所述驱动组件输出驱动能力的输出级。

3、如权利要求1所述驱动电路，其特征在于，所述执行组件为金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，所述MOSFET的栅极与所述驱动组件的输出相连，所述MOSFET的漏极与所述电机相连，所述MOSFET的源极与所述调节组件相连。

4、如权利要求1所述驱动电路，其特征在于，所述调节组件包括磁铁，根据所述调节组件与所述驱动组件中所述霍尔器件的距离调整磁场强度。

5、如权利要求1所述驱动电路，其特征在于，所述驱动组件还包括：

误差放大器，其输入端与所述霍尔器件相连接，输出端与所述PWM控制电路相连接；

为所述驱动组件提供工作频率的振荡器。

6、如权利要求5所述驱动电路，其特征在于，所述驱动电路还包括：

频率调节电阻，其与所述振荡器连接，通过改变其阻值改变所述振荡器提供的工作频率。

7、如权利要求4所述驱动电路，其特征在于，所述调节组件还包括行程开关，所述行程开关控制所述驱动电路在关断、调速和全速状态之间切换。

8、如权利要求7所述驱动电路，其特征在于，所述磁铁安装在所述行程开关上。

9、如权利要求8所述驱动电路，其特征在于，

所述行程开关包括第一触点、第二触点和第三触点，其中第一触点与执行组件相连接，第二触点直接与电机相连接，第三触点与电源相连接。

10、如权利要求9所述驱动电路，其特征在于，所述行程开关还包括：

可推动件，所述可推动件的顶部设有所述磁铁，并可在外力作用下向所述霍尔器件方向移动，所述可推动件的底部呈阶梯状，包括高度依次降低的第一平面、第二平面和第三平面；

第一杠杆和第二杠杆，所述第一杠杆和第二杠杆的一端在所述可推动件的底部滑动，另一端分别设有第一触点和第二触点，中部固定；

以及分别与所述第一触点和第二触点对应的第三触点。

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