CN201365220Y - 单相无刷电机转速控制电路 - Google Patents

单相无刷电机转速控制电路 Download PDF

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CN201365220Y CNU2008201292350U CN200820129235U CN201365220Y CN 201365220 Y CN201365220 Y CN 201365220Y CN U2008201292350 U CNU2008201292350 U CN U2008201292350U CN 200820129235 U CN200820129235 U CN 200820129235U CN 201365220 Y CN201365220 Y CN 201365220Y
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黄绪江
张志红
王家斌
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Abstract

本实用新型揭示了一种单相无刷电机转速的控制电路，包括：转换电路，将输入脉冲转换为与输入脉冲的占空比成近似线性关系的模拟电压信号；三角波发生电路，产生三角波信号；脉冲输出电路，该脉冲输出电路带最小占空比设置，控制输入端连接到转换电路的输出，还连接到三角波发生电路的输出，脉冲输出电路比较模拟电压信号与三角波信号，产生不小于最小占空比且与输入脉冲的占空比正线性相关的控制脉冲；霍尔信号处理电路，产生换向控制信号；逻辑控制电路，将换向控制信号和控制脉冲输出到桥式驱动电路；以及桥式驱动电路，根据逻辑控制电路输出的转向控制信号和控制脉冲控制电机的转速。

Description

单相无刷电机转速控制电路
技术领域
本实用新型涉及电机控制技术，更具体地说，涉及一种单相无刷电机转速控制电路。
背景技术
可调速单相无刷电机，因节能及燥声低等优点，在冷却风扇等领域得到广泛研究及应用。如在日本公布的专利Hei3-74199中，叙述了在风扇系统中采用温度敏感器件(如温敏电阻等)，将温度信号转换成电压信号，与三角波比较输出宽度不同的方波，温度高输出的方波占空比大，电机转速高、温度低、方波占空比小、风扇转速低、从而实现节能及降低燥声的目的。
在美国公布的专利US6943517B2中，Sanyo公布了题为“单脉冲电机驱动电路及单脉冲电机驱动方法”(“Single phase motor driving circuitand single phase motor driving method”)的专利。该专利也是利用温敏器件(如温敏电阻)将温度信号转换成电压信号与三角波比较输出宽度不同的方波来实现调速目的，与Hei3-74199不同的是，该专利增加了最小占空比设置电路及全速启动电路。最小占空比设置电路可以保证无论温度多低，电机都能保持设置的最低转速，从而保证冷却系统的安全。全速启动电路的功能是电机在启动及再启动时，输出100％方波驱动输出管，使输出驱动管长时间保持大电流驱动电机，该专利声称这可以使电机的启动更为容易。
SANYO公司生产的LB11961、microchip公司生产的TC642等产品都采用了这种用温度敏感器件控制电机转速的方法。
现有单相无刷电机调速驱动电路专利及产品具有以下的缺点：
(1)控制电机转速的控制信号是来自温度敏感器件的模拟信号，这些专利及电路不能简洁方便适应脉冲信号控制电机转速的需求。这种脉冲信号可以是带温度信息的脉冲信号，也可以是不含温度信息的脉冲信号。
(2)现有单相无刷电机调速电路如SANYO的LB11961等，在全电源电压范围内设置了固定的最小占空比，不能满足在高电源电压下，最小转速低，利于节能，同时在低电源电压下又易于正常启动的要求。
(3)日本的New Japan Radio CO.，LTD，ROHM等公司开发了用脉冲信号控制单相无刷电机转速的电路，如NJU7375、BD6961F等，但这些电路不具备最小占空比设置功能，不能满足一些要求控制脉冲占空比为零时电机转速不为零的要求。
实用新型内容
基于现有技术中的上述空缺，本实用新型提出一种用脉冲信号控制单相无刷电机转速，并且具有最小占空比设置功能，且最小占空比分段可调的单相无刷电机转速控制电路。
根据本实用新型的实施例，提出一种单相无刷电机转速的控制电路，包括：
转换电路，将输入脉冲转换为模拟电压信号，该模拟电压信号与输入脉冲的占空比成近似线性关系；
三角波发生电路，产生三角波信号；
脉冲输出电路，该脉冲输出电路带最小占空比设置，该脉冲输出电路的控制输入端连接到转换电路的输出，该脉冲输出电路还连接到三角波发生电路的输出，脉冲输出电路比较模拟电压信号与三角波信号，产生不小于最小占空比且与输入脉冲的占空比正线性相关的控制脉冲；
霍尔信号处理电路，产生换向控制信号；
逻辑控制电路，连接到脉冲输出电路以及霍尔信号处理电路，将换向控制信号和控制脉冲输出到桥式驱动电路；以及
桥式驱动电路，根据逻辑控制电路输出的转向控制信号和控制脉冲控制电机的转速。
根据一个实施例，该转换电路包括：
电容C20的一端接在电阻R25、电阻R26连接点，电容C20的另一端与地相连；电阻R21、电阻R23、电阻R25的一端与VCC相连，电阻R21、电阻R23、电阻R25的另一端分别与电阻R22、电阻R24、电阻R26的一端相连，电阻R22、电阻R24、电阻R26的另一端与地相连，三极管Q20的基极与集电极短接，并且连接到电阻R23、R24的连接点，三极管Q20的发射极与电阻R25、电阻R26以及电容C20的连接点相连，电阻R21、电阻R22的连接点与三极管Q21的基极相连，三极管Q21的集电极与电阻R23、电阻R24相连，三极管Q0的集电极及基极相连，三极管Q1的发射极接地，输入脉冲与电阻R21、电阻R22以及三极管Q21的基极相连，电容C20是外接电容，其中，
转换电路在输入脉冲是高电平时通过电阻R25、电阻R26对电容C20放电，转换电路在输入脉冲是低电平时通过电阻R23、电阻R24和三极管Q20对电容C20充电。
根据一个实施例，三角波发生电路包括：
电源电压检测控制电路；以及
三角波发生器。
根据一个实施例，脉冲输出电路包括：
最小占空比设置电路，由电阻R30和电阻R31构成，该最小占空比设置电路串连在电源与地之间；以及
三输入比较器，最小占空比设置电路中的电阻R30和电阻R31的连接点与三输入比较器的一个负端连接，三输入比较器的另一个负端与转换电路的输出端连接，三输入比较器的正端与三角波发生电路的输出端相连。
根据一个实施例，霍尔信号处理电路在霍尔传感器经过转子南北磁极交叉点时，产生换向控制信号，以控制电机线圈中的电流方向。
根据一个实施例，逻辑控制电路根据换向控制信号选择桥式驱动电路中不同的桥路导通；逻辑控制电路还根据控制脉冲输出控制桥式驱动电路中桥路导通的时间。
根据一个实施例，转换电路、三角波发生电路、脉冲输出电路、霍尔信号处理电路、逻辑控制电路、桥式驱动电路集成在同一个集成电路中。
本实用新型提供了一种用脉冲信号控制单相无刷电机转速，并且具有最小占空比设置功能，且最小占空比分段可调的单相无刷电机转速控制电路。
附图说明
本实用新型上述的以及其他的特征，性质和优势将在下面结合附图和实施例进一步描述，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：
图1揭示了根据本实用新型的一实施例的单相无刷电机转速控制电路的结构图；
图2揭示了根据本实用新型的一实施例的转换电路的结构图；
图3揭示了根据本实用新型的一实施例的脉冲输出电路中的三输入比较器的结构图；
图4揭示了根据本实用新型的一实施例的三角波发生电路的结构图。
具体实施方式
本实用新型揭示了一种用输入脉冲信号控制电机转速、具有最小占空比设置功能且最小占空比分段可调的单相无刷电机转速控制电路，以及该控制电路的控制方法。
参考图1所示，该单相无刷电机转速控制电路包括：
转换电路101，将输入脉冲转换为模拟电压信号，该模拟电压信号与输入脉冲的占空比成近似线性关系；
三角波发生电路102，产生三角波信号；
脉冲输出电路103、104，该脉冲输出电路带最小占空比设置，该脉冲输出电路的控制输入端连接到转换电路的输出，该脉冲输出电路还连接到三角波发生电路的输出，脉冲输出电路比较所述模拟电压信号与所述三角波信号，产生不小于最小占空比且与输入脉冲的占空比正线性相关的控制脉冲；
霍尔信号处理电路105，产生换向控制信号；
逻辑控制电路106，连接到所述脉冲输出电路以及霍尔信号处理电路，将所述换向控制信号和所述控制脉冲输出到桥式驱动电路；以及
桥式驱动电路107，根据逻辑控制电路输出的转向控制信号和控制脉冲控制电机的转速。
其中，参考图2所示，该转换电路101将输入脉冲信号转换为与占空比成线性关系的模拟电压信号，该转换电路101具有如下的结构：电容C20的一端接在电阻R25、电阻R26连接点，电容C20的另一端与地相连；电阻R21、电阻R23、电阻R25的一端与VCC相连，电阻R21、电阻R23、电阻R25的另一端分别与电阻R22、电阻R24、电阻R26的一端相连，电阻R22、电阻R24、电阻R26的另一端与地相连，三极管Q20的基极与集电极短接，并且连接到电阻R23、R24的连接点，三极管Q20的发射极与电阻R25、电阻R26以及电容C20的连接点相连，电阻R21、电阻R22的连接点与三极管Q21的基极相连，三极管Q21的集电极与电阻R23、电阻R24相连，三极管Q20的集电极及基极相连，三极管Q21的发射极接地，输入脉冲与电阻R21、电阻R22以及三极管Q21的基极相连，电容C20是外接电容，其中，转换电路在输入脉冲是高电平时通过电阻R25、电阻R26对电容C20放电，转换电路在输入脉冲是低电平时通过电阻R23、电阻R24和三极管Q20对电容C20充电。
电容C20的大小确定了C20上电压纹波的大小。当输入脉冲为低电平时，三极管Q21关断，转换电路通过电阻R23、电阻R24、三极管Q20对电容C20充电，当输入脉冲为高电平时，三极管Q21开通、三极管Q20关断，电容C20通过电阻R25、电阻R26放电。假设输入脉冲的占空比为t，电容C20上的电压约为：
V＝(1-t)VCC＊R26/R23
该电压与占空比成线性关系。
参考图4所示，三角波发生电路102中：电阻R43、电阻R44、电阻R45、比较器42、三极管Q40、三极管Q49、恒流源I41、恒流源I45、电容C40共同组成一个幅度与输入电源电压成正比的三角波发生器。电阻R41、电阻R42、比较器41，开关I42共同组成电源电压检测控制电路。其中，电阻R41和电阻R42检测电源电压，并与参考电压Vref比较，当电源电压高于设计值时，开关I42断开，此时三角波的高电平为：
Vh＝VCC＊(R44+R45)/(R43+R44+R45)
低电平为
VL＝VCC＊R44/(R43+R44+R45)
三角波的幅度为：
VCC＊R45/(R43+R44+R45)，
三角波的幅度与电源电压成正比。
当电源电压低于设定值时，开关I42闭合，电流IO流过电阻R44、R45，此时三角波的高电平为：
Vh＝IO＊(R44+R45)+VCC＊(R44+R45)/(R43+R44+R45)
低电平为：
VL＝IO＊R44+VCC＊R44/(R43+R44+R45)
三角波的幅度为：
IO＊R45+VCC＊R45/(R43+R44+R45)，
这表明在低电压的情况下，三角波的高低电平及幅度较高电压时向上分别增加了IO＊(R44+R45)、IO＊R44、R45＊IO。
参考图3所示，该脉冲输出电路103、104包括最小占空比设置电路103和三输入比较器104。最小占空比设置电路103由电阻R30和电阻R31组成，最小占空比设置电路103串联在电源电压与地之间。该最小占空比设置电路103的输出电压为：
Vmin＝VCC＊R31/(R31+R30)
该电压小于三角波的高电平，高于三角波的低电平。电阻R30、电阻R31的连接点与三输入比较器104的一个负端连接，该负端为最小占空比设置端。
三输入比较器104的结构参考图3所示，PNP管Q31、PNP管Q32的发射极与PNP管Q33的基极及恒流源I31连接，PNP管Q31的基极为最小占空比设置端VMIN，PNP管Q32的基极与转换电路101的输出端相连，作为控制端C。最小占空比设置端VMIN、控制端C为三输入比较器104的两个负输入端。PNP管Q35的发射极与PNP管Q33的发射极及恒流源I32相连，PNP管Q33的集电极与电流镜Q34的集电极相连，电流镜Q34、电流镜Q36的基极相连，PNP管Q35的集电极与电流镜Q36的集电极及三输入比较器104的输出管Q38的基极相联，输出管Q38的集电极与恒流源I34相连为三输入比较器104的输出端，PNP管Q35的基极、PNP管Q37的发射极与恒流源I33相连，PNP管Q37的基极构成三输入比较器104的正输入端，与三角波发生电路102的输出端相连。
在电源电压一定时，如果控制端C的电压VC小于最小占空比设置端VMIN的电压Vmin，则输出方波的占空比由VC电压决定，VC电压越低，输出方波的占空比越大，当VC电压低于三角波的低电平时，输出方波的占空比为100％。
当电源电压高于设定电压，且控制短电压VC小于最小占空比设置端电压VMIN时，输出方波的占空比为：
D＝(Vh-VC)/(Vh-VL)＝(((R35+R34)/(R33+R34+R35))-(1-t)＊R36/R33)/(R35/(R33+R34+R35))
式(1)
其中，t为输入脉冲的占空比，(1-t)＊R36/R33为输入脉冲经转换电路后输出的模拟电压信号值。
上述的式(1)说明，当控制端电压VC小于最小占空比设置端电压VMIN时，输出方波占空比与输入控制信号的占空比成正线性相关。
如果控制端C端的电压高于最小占空比设置端VMIN的电压Vmin，则输出方波的占空比由最小占空比设置端VMIN的电压Vmin决定。当电源电压高于设定电压时，输出方波的最小占空比为：
Dmin＝(Vh-Vmin)/(Vh-VL)＝(((R35+R34)/(R33+R34+R35))-R31/(R30+R31))/(R35/(R33+R34+R35))
式(2)
当电源电压低于设定电压时，输出方波的最小占空比约为：
Dmin＝(Vh-Vmin)/(Vh-VL)＝((IO＊(R34+R35)/VCC)+((R35+R34)/(R33+R34+R35))-R31/(R30+R31))/(R35/(R33+R34+R35))                         式(3)
(2)、(3)两式说明，当电源电压低于设定值时，最小占空比较电源电压高于设定值时的最小占空比增加了
IO＊(R34+R35)/VCC＊(R34/(R33+R34+R35)
上述的霍尔信号处理电路105将外接霍尔器件产生的电信号放大，霍尔信号处理电路105在外接霍尔传感器经过转子南北磁极交叉点时，产生换向控制信号，以控制电机线圈中的电流方向。
逻辑控制电路106及桥式驱动电路107根据霍尔信号处理电路105所产生控制线圈电流方向的转向控制信号和脉冲输出电路103、104所产生的控制电机转速的控制脉冲，由逻辑控制电路106根据转向控制信号将控制脉冲输出到桥式驱动电路107的不同桥路上，并根据控制脉冲控制电机线圈中电流方向及平均电流的大小，从而控制电机的转速。输入脉冲的占空比越大，电机的转速越高，输入脉冲占空比越小电机的转速越低。输入脉冲的占空比为零时，脉冲输出电路103、104输出的方波占空比不为零，而为设置的最小占空比，只要该最小占空比设置恰当，就可保证输入脉冲占空比为零时，电机的转速不为零。
当电源电压高于设定电压时，最小占空比为：
((R35+R34)/(R33+R34+R35))-R31/(R30+R31))/(R35/(R33+R34+R35))
当电源电压低于设定电压值时，最小占空比为：
((IO＊(R34+R35)/VCC)+((R33+R34)/(R33+R34+R35))-R31/(R30+R31))/(R35/(R33+R34+R35))
较高电源电压下的最小占空比高：
IO＊(R34+R35)/(VCC＊(R30+R31))/(R35/(R33+R34+R35))。
电源电压较高时，较低的最小占空比，即可保证电机正常转动，有利于电机在高电源电压下的节能，而电源电压较低时，较大最小占空比有利于改善电机的起动性能。
综上所述，本实用新型提供了一种用脉冲信号控制单相无刷电机转速，并且具有最小占空比设置功能，且最小占空比分段可调的单相无刷电机转速控制电路。
上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本实用新型的。熟悉本领域的人员可在不脱离本实用新型的实用新型思想的情况下，对上述实施例作出种种修改或变化，因而本实用新型的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的技术特征的最大范围。

Claims (7)

1.一种单相无刷电机转速的控制电路，其特征在于，包括：
转换电路，将输入脉冲转换为模拟电压信号，该模拟电压信号与输入脉冲的占空比成近似线性关系；
三角波发生电路，产生三角波信号；
脉冲输出电路，该脉冲输出电路带最小占空比设置，该脉冲输出电路的控制输入端连接到转换电路的输出，该脉冲输出电路还连接到三角波发生电路的输出，脉冲输出电路比较所述模拟电压信号与所述三角波信号，产生不小于最小占空比且与输入脉冲的占空比正线性相关的控制脉冲；
霍尔信号处理电路，产生换向控制信号；
逻辑控制电路，连接到所述脉冲输出电路以及霍尔信号处理电路，将所述换向控制信号和所述控制脉冲输出到桥式驱动电路；以及
桥式驱动电路，根据逻辑控制电路输出的转向控制信号和控制脉冲控制电机的转速。
2.如权利要求1所述的单相无刷电机转速的控制电路，其特征在于，所述转换电路包括：
电容C20的一端接在电阻R25、电阻R26连接点，电容C20的另一端与地相连；
电阻R21、电阻R23、电阻R25的一端与VCC相连，电阻R21、电阻R23、电阻R25的另一端分别与电阻R22、电阻R24、电阻R26的一端相连，电阻R22、电阻R24、电阻R26的另一端与地相连；
三极管Q20的基极与集电极短接，并且连接到电阻R23、R24的连接点，三极管Q20的发射极与电阻R25、电阻R26以及电容C20的连接点相连，电阻R21、电阻R22的连接点与三极管Q21的基极相连；
三极管Q21的集电极与电阻R23、电阻R24相连，三极管Q0的集电极及基极相连，三极管Q1的发射极接地，输入脉冲与电阻R21、电阻R22以及三极管Q21的基极相连，电容C20是外接电容，其中，
所述转换电路在输入脉冲是高电平时通过电阻R25、电阻R26对电容C20放电，所述转换电路在输入脉冲是低电平时通过电阻R23、电阻R24和三极管Q20对电容C20充电。
3.如权利要求1所述的单相无刷电机转速的控制电路，其特征在于，所述三角波发生电路包括：
电源电压检测控制电路；以及
三角波发生器。
4.如权利要求1所述的单相无刷电机转速的控制电路，其特征在于，所述脉冲输出电路包括：
最小占空比设置电路，由电阻R30和电阻R31构成，该最小占空比设置电路串连在电源与地之间；以及
三输入比较器，所述最小占空比设置电路中的电阻R30和电阻R31的连接点与三输入比较器的一个负端连接，所述三输入比较器的另一个负端与转换电路的输出端连接，所述三输入比较器的正端与三角波发生电路的输出端相连。
5.如权利要求1所述的单相无刷电机转速的控制电路，其特征在于，
所述霍尔信号处理电路在一霍尔传感器经过转子南北磁极交叉点时产生换向控制信号。
6.如权利要求1所述的单相无刷电机转速的控制电路，其特征在于，
所述逻辑控制电路根据所述换向控制信号选择桥式驱动电路中不同的桥路导通；
所述逻辑控制电路根据所述控制脉冲输出控制桥式驱动电路中桥路导通的时间。
7.如权利要求1所述的单相无刷电机转速的控制电路，其特征在于，
所述转换电路、三角波发生电路、脉冲输出电路、霍尔信号处理电路、逻辑控制电路、桥式驱动电路集成在同一个集成电路中。
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