CN202026271U - 电动机驱动和控制电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种实现最大启动转矩的电动机驱动和控制电路，包括：旋转停止检测电路，用于检测电动机的旋转或停止，并输出旋转/停止信号到启动负荷设置电路和控制电路；驱动负荷判定电路，检测电动机驱动的风扇的周围环境温度，判定电动机的负荷，输出驱动负荷信号到启动负荷设置电路；启动负荷设置电路，用于根据电机的运行生成启动负荷设置信号，并利用启动负荷设置信号、驱动负荷信号和旋转/停止信号来生成第二控制信号；控制电路，用于根据来自旋转停止检测电路的旋转/停止信号和来自启动负荷设置电路的第二控制信号，控制电动机的运行，其中，在启动的初始时间段阶段，生成有效启动负荷设置信号以便以最大转矩启动电动机。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电动机驱动和控制电路，更具体地说，涉及一种在启动期间实现最大启动转矩的电动机驱动和控制电路。
背景技术
在大多数电动机应用领域，由于转矩不足够大使得具有重负载的电动机不能容易地启动。优化电源的使用以使得电动机成功地启动并且缩短从静止到额定速度的过渡时间变得很重要。当电动机开始运行时，控制器将从电源输出最大功率以确保电动机尽可能快地进入稳定状态。
图1和图2给出了控制电动机速度的现有方法。
图1示出了现有的电动机驱动电路结构图。
如图1所示，单相电动机驱动电路包括控制电路101和功率级。控制电路101输出控制信号PWM1、PWM2、PWM3和PWM4来驱动单相电动机102。功率级包括四个开关装置SW1、SW2、SW3和SW4。SW1和SW4接收来自控制电路101的驱动信号PWM1和PWM4以提供向右方向(如在图1中箭头“a”所示方向)的驱动电流。类似地，SW2和SW3接收驱动信号PWM2和PWM3以提供向左方向(如在图1中箭头“b”所示方向)的驱动电流。SW1、SW4和SW2、SW3互补地接通/截止以适当地改变单相电动机102的驱动电流的方向，借此单相电动机102旋转。
在其中驱动电流以箭头a所示方向提供给单相电动机102的时间段中，SW4一直处于接通状态，而SW1根据25kHz的基频被接通或截止。相反，在其中驱动电流以箭头b所示方向被提供给单相电动机102的时间段中，SW3一直保持处于接通状态，而SW2根据25kHz的基频被接通或截止。
图2是现有的单相电动机转矩控制和速度调节的波形图。
通常，电动机驱动控制信号PWM是预定周期的锯齿状电压Vcosc和负荷设定电压Vth之间的比较结果。如图2所示，根据Vth的变化(图2中的点线所示)，加宽或变窄由控制电路101中的比较器输出的脉冲信号的宽度。即，Vcosc＞Vth时，输出高电平“H”。PWM信号占空比的加宽/变窄能够改变电动机102的旋转速度，如图2所示，速度波形中脉冲信号的频率与电动机转速成正比。最大转矩出现在100％占空比，这是源自Vth＜Vcosc(min)，并且此时旋转速度最高。
图3和图4给出了现有技术中在启动期间如何最优化电动机速度特性。
在实际应用中，期望电动机能够尽可能快的启动，降低从静止到稳定旋转的过渡时间段。这需要电动机具有大的启动转矩，这意味着PWM信号的占空比在启动期间足够大。
图3示出了现有的PWM信号可变的启动波形图。如图3所示，其给出了启动时间段PWM信号宽度变化。占空比(Duty cycle)从100％开始，因此电动机以最大转矩开始旋转并且速度快速上升。在特定时间之后，占空比变化到由Vth确定的标准设置值，然后电动机进入稳定状态并且速度达到与占空比设置值成比例的稳定值。
图4示出了现有PWM信号不可变的启动波形图。如图4所示，占空比直接从由Vth确定的标准设置值开始，启动转矩与图3中所示的方法相比低很多，这使得从静止到稳定旋转的过渡时间长很多。如果电动机以重负载启动，那么启动过程甚至可能失败，因为电动机的启动转矩通常高于负载转矩。
实用新型内容
本实用新型的另外方面和优点部分将在后面的描述中阐述，还有部分可从描述中明显地看出，或者可以在本实用新型的实践中得到。
本申请提出了一种使得电动机以大的转矩和短的时间启动的电路。
本申请所提出的电路能够使得BLDC(Brushless DC，无刷直流)电动机以最大转矩启动。
本申请所提出的电路能够判定电动机的负荷状态，根据负荷状态控制电动机的转速。
本实用新型提供了一种实现最大启动转矩的电动机驱动和控制电路，包括：旋转停止检测电路，用于检测电动机的旋转或停止，并输出旋转/停止信号到启动负荷设置电路和控制电路；驱动负荷判定电路，检测电动机驱动的风扇的周围环境温度，判定电动机的负荷，输出驱动负荷信号到启动负荷设置电路；启动负荷设置电路，用于根据电机的运行生成启动负荷设置信号，并利用启动负荷设置信号、驱动负荷信号和旋转/停止信号来生成第二控制信号；控制电路，用于根据来自旋转停止检测电路的旋转/停止信号和来自启动负荷设置电路的第二控制信号，控制电动机的运行，其中，在启动的初始时间段阶段，生成有效启动负荷设置信号以便以最大转矩启动电动机。
在启动和重新启动期间，根据本实用新型实施例的电动机驱动和控制电路能够完全在启动初始阶段以最大转矩启动电动机，使得电动机快速进入稳定状态，需要很少的外围部件的数量，电路简单，并且降低了成本。
附图说明
通过结合附图对本实用新型的优选实施例进行详细描述，本实用新型的上述和其他目的、特性和优点将会变得更加清楚，其中相同的标号指定相同结构的单元，并且在其中：
图1示出了现有的电动机驱动电路结构图；
图2是现有的占空比控制和速度调节的波形图；
图3示出了现有的在启动时间段期间的期望转矩控制波形图；
图4是没有控制转矩的标准启动波形图；
图5示出了根据本实用新型实施例的实现最大启动转矩的单相电动机驱动和控制电路图；以及
图6是根据本实用新型实施例的占空比变化波形图。
具体实施方式
下面将参照示出本实用新型实施例的附图充分描述本实用新型。然而，本实用新型可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本实用新型的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
应当理解，当称“元件”“耦接到”或“耦接”到另一元件时，它可以是直接耦接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
图5和图6给出了根据本实用新型实施例实施的启动转矩控制的改进。
图5示出了根据本实用新型实施例的实现最大启动转矩的单相电动机驱动和控制电路图。
根据本实用新型实施例的电动机驱动和控制电路包括：旋转停止检测电路506，用于检测电动机的旋转或停止，并输出旋转/停止信号到启动负荷设置电路和控制电路；驱动负荷判定电路503，检测电动机驱动的风扇的周围环境温度，判定电动机的负荷，输出驱动负荷信号到启动负荷设置电路；启动负荷设置电路507，用于根据电机的运行生成启动负荷设置信号，并利用启动负荷设置信号、驱动负荷信号和旋转/停止信号来生成第二控制信号；和控制电路502，用于根据来自旋转停止检测电路的旋转/停止信号和来自启动负荷设置电路的第二控制信号，控制电动机的运行。此外，根据本实用新型实施例的电动机驱动和控制电路还包括：霍尔传感器500，用于根据电动机的旋转位置输出正弦波信号；和比较器501，用于根据来自霍尔传感器的正弦波信号生成矩形波信号，并将该矩形波信号输出到控制电路以切换电动机的驱动电流方向。
启动负荷设置电路507，用于根据电机的运行生成启动负荷设置信号，并利用启动负荷设置信号、驱动负荷信号和旋转/停止信号来生成控制电动机运行的第二控制信号。启动负荷设置电路507在启动的初始时间段阶段生成有效启动负荷设置信号，以便以最大启动转矩启动电动机。
启动负荷设置电路507包括：恒流源508、电容器C54、比较器电路CMP25071、基准电压VREF1、两个逻辑门AND 58(与门)和OR 59(或门)。比较器电路CMP2 5071的+端(同相输入端)耦接到基准电压VREF1，而比较器电路CMP2 5071的-端(反相输入端)耦接到电容器C54的未接地侧。即，比较器电路CMP2 5071比较电容器C54的未接地侧上的电压VC54与基准电压VREF1的大小以输出启动负荷设置信号，在电容器C54的未接地侧上的电压VC54低于VREF1期间，启动负荷设置信号变为“H”，并且在电容器C54的未接地侧上的电压VC54高于VREF1期间，启动负荷设置信号变为“L”。
比较器电路CMP2 5071的输出端耦接到或门59的输入端。或门59对启动负荷设置信号和来自驱动负荷判定电路503的驱动负荷信号进行“或运算”，并将结果输出到与门58的输入端。与门58对或门59的结果和来自旋转停止检测电路506的旋转/停止信号的非进行“与运算”，并将结果作为第二控制信号输出到控制电路502。
驱动负荷判定电路503包括：最低速负荷设置电路5031，用于将最低速负荷设置电压输出到第一比较器的第一输入端；检测温度电压生成电路5032，检测由电动机驱动的风扇的周围环境温度，并将检测温度电压输出到第一比较器的第二输入端；和比较器5033，其具有第一输入端、第二输入端、接收三角波信号的第三输入端、和耦接到启动负荷设置电路的输出端，用于将第一和第二输入中较小的一个设置为负荷设置电压，并将三角波信号和所述负荷设置电压进行比较以生成驱动负荷信号。
最低速负荷设置电路5031包括：电源Vcc、和串联耦接在电源Vcc和地Vss之间的分压电阻器R51和R52。在分压电阻器R51和R52之间的耦接点处的电压VLS作为最低速负荷设置电压输出到比较器电路CMP1 5033。但本领域技术人员应该理解，可以采用其他现有的方法来得到该VLS，VLS的获得不限于图5中的电路。VLS取值根据实际应用情况进行设定，但最大不能超过该引脚所能承受的最大耐压。
热敏电阻器Rs和电阻器R53串联耦接在电源Vcc和地Vss之间以构成检测温度电压生成电路5032。热敏电阻器Rs是附着在风扇的内壳以便检测风扇的周围环境温度。在热敏电阻器Rs和电阻器R53之间的耦接点处生成反应风扇的周围环境温度的检测温度电压Vth，并将其输出到比较器电路CMP1 5033。热敏电阻器Rs具有负温度系数，并且当内壳中的温度上升时，检测温度电压Vth下降。此处，虽然通过热敏电阻器Rs和电阻器R53生成反映风扇的周围环境温度的检测温度电压Vth，但本领域技术人员应该理解，可以采用其他方法来得到该检测温度电压Vth，检测温度电压Vth的获得不限于图5中的电路。
比较器CMP1 5033将来自最低速负荷设置电路5031的最低速负荷设置电压VLS和来自检测温度电压生成电路5032的检测温度电压Vth进行比较。最低速负荷设置电压VLS或检测温度电压Vth中较小的一个被设置为负荷设置电压。并且比较器CMP1 5033比较来自振荡器5034的三角波信号Vcosc和根据上述比较得到的负荷设置电压，以生成驱动负荷信号作为驱动负荷判定电路503的输出。比较器CMP1 5033仅在三角波信号Vcosc大于负荷设置电压的时间段中输出“H”驱动负荷信号。
旋转停止检测电路506包括：电容器C54、恒流源508、两个NPN型双极晶体管Tr56和Tr57、两个比较器电路CMP3 5062和CMP4 5063、两个基准电压VREF2和VREF3、以及逻辑门AND 55(逻辑与门)。旋转停止检测电路506检测单相电动机的旋转或停止，放电脉冲反映电动机的旋转或停止。这里，电容器C54和恒流源508构成充电电路，而电容器C54、双极晶体管Tr56、和基准电压VREF2构成一个放电电路，电容器C54和双极晶体管Tr57构成另一放电电路。结果，充电/放电电压具有锯齿形出现在电容器C54的未接地侧。
比较器电路CMP3 5062的-端(反相输入端)耦接到基准电压VREF2，而比较器电路CMP3 5062的+端(同相输入端)耦接到电容器C54的未接地侧，比较器电路CMP3 5062输出第一控制信号到与门55的输入端。类似地，比较器电路CMP4 5063的-端(反相输入端)耦接到基准电压VREF3，而比较器电路CMP4 5063的+端(同相输入端)耦接到电容器C1的未接地侧，比较器电路CMP4 5063输出旋转/停止信号到晶体管Tr57的基极以及启动负荷设置电路507和控制电路502。其中，VREF1＜VREF2＜VREF3。
比较器电路CMP3 5062仅在其中电容器C54的未接地侧上的电压VC54高于基准电压VREF2的时间段中输出“H”第一控制信号，该“H”第一控制信号将允许放电脉冲信号接通晶体管Tr56。而且，比较器电路CMP4 5063仅在其中电容器C54的未接地侧上的电压VC54高于基准电压VREF3的时间段中输出“H”旋转/停止信号，该“H”旋转/停止信号将直接接通晶体管Tr57。同时，比较器电路CMP4 5063生成的旋转/停止信号被输出到启动负荷设置电路507和控制电路502。
晶体管Tr56的发射极耦接到基准电压VREF2，集电极耦接到恒流源508，基极耦接到逻辑门AND 55的输出；晶体管Tr57的发射极接地，集电极耦接到恒流源508，基极耦接到比较器电路CMP4 5063的输出。
逻辑门AND 55接收来自控制电路502的放电脉冲和比较器电路CMP35062的输出。电容器C54一端接地，另一端与恒流源508与晶体管Tr56和晶体管Tr57的交点相连。
霍尔装置500固定在与单相电动机的转子侧上的磁极相对的预定位置。霍尔传感器500根据单相电动机的旋转位置，即相对转子侧的磁极的变化，输出正弦波信号。比较器电路501具有迟滞特性并且根据来自霍尔传感器500的正弦波信号输出矩形波信号。矩形波信号是通信信号，其是用于将单相电动机的驱动电流切换到“a”和“b”方向的任何一个的基准。
控制电路502，用于根据来自旋转停止检测电路506的旋转/停止信号和来自启动负荷设置电路507的第二控制信号，控制电动机的运行。
控制电路502输出控制信号PWM1、PWM2、PWM3和PWM4来驱动单相电动机。功率级包括四个开关装置SW1、SW2、SW3和SW4。SW1和SW4接收来自控制电路502的驱动信号PWM1和PWM4以提供向右方向(如在图5中箭头“a”所示方向)的驱动电流。类似地，SW2和SW3接收驱动信号PWM2和PWM3以提供向左方向(如在图5中箭头“b”所示方向)的驱动电流。SW1、SW4和SW2、SW3互补地接通/截止以适当地改变单相电动机的驱动电流的方向，借此单相电动机旋转。
在其中驱动电流以箭头a所示方向提供给单相电动机的时间段中，SW4一直处于接通状态，而SW1根据25kHz的基频被接通或截止。相反，在其中驱动电流以箭头b所示方向被提供给单相电动机的时间段中，SW3一直保持处于接通状态，而SW2根据25kHz的基频被接通或截止。
图6中示出了图5中的各信号波形图。其中，矩形波信号是比较器电路501输出的信号；Vth为检测温度电压生成电路5032的输出；Vcosc是振荡器5034的输出信号；Vcosc(max)和Vcosc(min)分别是Vcosc的最大值和最小值；VLS是最低速负荷设置电路5031的输出；PWM是控制电路502的输出；VC54是电容器C54非接地侧电压。
t0～t1：
如图6的时间段t0～t1中所示，电容器C54的未接地侧上的电压VC54低于VREF1，因此比较器电路CMP2 5071将输出“H”(高电平)启动负荷设置信号。在这个时间段期间，不管比较器电路CMP1 5033的输出是什么，逻辑门OR 59(逻辑或门)将总是输出“H”信号。这意味着在图6中的启动初始时间段阶段t0～t1将以最大占空比启动单相电动机。
t1～t2(VLS＜Vth)：
在电容器C54的未接地侧的电压VC54随着时间而增加并高于VREF1之后，比较器电路CMP2 5071的输出变为“L”，结果逻辑门OR 59的输出将由驱动负荷判定比较器电路CMP1 5033的输出来判定。CMP1 5033将最低速负荷设置电压VLS和检测温度电压Vth进行比较。最低速负荷设置电压VLS或检测温度电压Vth中较小的一个被设置为负荷设置电压。如图6的时间段t1～t2所示，驱动负荷判定比较器CMP1 5033仅在三角波信号Vcosc大于负荷设置电压的时间段中输出“H”驱动负荷信号。来自控制电路502的放电脉冲由比较器电路CMP3 5062和逻辑门AND 55使能或禁止。例如，在图6的t1-a时刻点出现的来自霍尔信号的放电脉冲被CMP3 5062的“L”输出信号禁止，因为此时电容器C54的未接地侧的电压VC54低于VREF2，结果电容器C54的电压继续增加。然而，在图6的时间点t1-b出现的放电脉冲由CMP35062的“H”输出信号使能，因为在时间点t1-b电容器C54的未接地侧的电压VC54高于VREF2，结果由于放电电流通过晶体管Tr56，电容器C54的电压降低到基准电压VREF2。
t2～t3(VLS＞Vth)：
由于单相电动机内壳的温度上升，检测温度电压Vth的逐渐降低。因此，当最低速负荷设置电压VLS经过图6中的交叉点变得大于检测温度电压Vth时，驱动负荷判定比较器CMP1 5033将负荷设置电压转换成检测温度电压Vth。
在图6的时间段t2～t3中，驱动负荷判定比较器CMP1 5033仅在其中三角波信号Vcosc大于负荷设置电压的时间段中输出“H”驱动负荷信号。
t3～t4：
比较器电路CMP4 5063的输出用于直接驱动晶体管Tr57，并使能或禁止来自驱动负荷判定比较器电路CMP1 5033的驱动负荷信号。如果单相电动机被强制停止，霍尔传感器500输出信号一直保持不变，从而控制电路502不再产生放电脉冲，驱动晶体管Tr56不再导通，电容器C54的电压保持增加，直到该电压在时间点t3处高于基准电压VREF3为止。此时，比较器电路CMP45063输出“H”(高电平)旋转/停止信号以禁止来自比较器电路CMP1 5033的驱动负荷信号并接通晶体管Tr57来对电容器C54放电，如图6中的t3～t4时间段所示。
t4～t5：
在t4时间点通过晶体管Tr57，电容器C54的电压下降到0之后，来自比较器电路CMP1 5033的驱动负荷信号再次被使能以驱动单相电动机。同时，电容器C54也从0开始充电并且小于VREF1，因此比较器电路CMP2 5071将输出“H”信号来以最大占空比驱动单相电动机，如图6的t4～t5时间段中所示。
t＞t5：
在时间点t5电容器C54的电压高于VREF1之后，驱动负荷将再次由驱动负荷判定比较器CMP1 5033判定，如图6的t＞t5时间段中所示。当由单相电动机内壳的温度上升增长，热敏电阻器Rs的检测温度电压Vth变得更低时，在t＞t5时间段期间Vth小于三角波信号Vcosc(min)，所以从驱动负荷判定比较器CMP1 5033输出的驱动占空比也是100％。
在启动和重新启动期间，图5中的电路能够完全实现最大转矩启动单相电动机，简化了电路，在电路中需要更少的外围部件，即电路5031和5032，的数量，降低了成本，并且电动机启动之后，根据负荷状态控制电动机的转速。由于其他电路都是内部集成电路，因此从成本角度来看，降低了成本。
虽然结合目前被认为是最实际和最优的实施例描述了本实用新型，但本领域技术人员应当理解本实用新型不限于所公开的实施例，相反，本实用新型旨在覆盖所附权利要求的精神和范畴之内包括的各种各样的修改和等价结构。
Claims (11)
1.一种实现最大启动转矩的电动机驱动和控制电路，包括：
旋转停止检测电路，用于检测电动机的旋转或停止，并输出旋转/停止信号到启动负荷设置电路和控制电路；
驱动负荷判定电路，检测电动机驱动的风扇的周围环境温度，判定电动机的负荷，输出驱动负荷信号到启动负荷设置电路；
启动负荷设置电路，用于根据电机的运行生成启动负荷设置信号，并利用启动负荷设置信号、驱动负荷信号和旋转/停止信号来生成第二控制信号；
控制电路，用于根据来自旋转停止检测电路的旋转/停止信号和来自启动负荷设置电路的第二控制信号，控制电动机的运行，
其中，在启动的初始时间段阶段，生成有效启动负荷设置信号以便以最大转矩启动电动机。
2.如权利要求1所述的电动机驱动和控制电路，其中，所述驱动负荷判定电路包括：
最低速负荷设置电路，用于将最低速负荷设置电压输出到第一比较器的第一输入端；
检测温度电压生成电路，检测由电动机驱动的风扇的周围环境温度，并将检测温度电压输出到第一比较器的第二输入端；
第一比较器，其具有第一输入端、第二输入端、接收三角波信号的第三输入端、和耦接到启动负荷设置电路的输出端，用于将第一和第二输入中较小的一个设置为负荷设置电压，并将三角波信号和所述负荷设置电压进行比较以生成驱动负荷信号。
3.如权利要求2所述的电动机驱动和控制电路，其中，第一比较器仅在三角波信号大于负荷设置电压的时间段中生成高电平的驱动负荷信号。
4.如权利要求2所述的电动机驱动和控制电路，其中，检测温度电压生成电路包括：串联耦接在电源和地之间的热敏电阻器和第三电阻器。
5.如权利要求4所述的电动机驱动和控制电路，其中，热敏电阻器是附着在电动机驱动的风扇的内壳以便检测风扇的周围环境温度，并且当内壳中的温度上升时，检测温度电压下降。
6.如权利要求2所述的电动机驱动和控制电路，其中，最低速负荷设置电路包括：串联耦接在电源和地之间的第一和第二分压电阻器，在第一和第二分压电阻器之间的耦接点处的电压作为最低速负荷设置电压输出。
7.如权利要求1至6所述的电动机驱动和控制电路，所述旋转停止检测电路包括：
电容器，具有第一端和接地的第二端；
第三比较器，具有耦接到电容器的第一端的正输入端、耦接到第二基准电压的负输入端，用于比较电容器第一端的电压和第二基准电压并输出第一控制信号；
第四比较器，具有耦接到电容器的第一端的正输入端、耦接到第三基准电压的负输入端和输出端，用于比较电容器第一端的电压和第三基准电压并输出旋转/停止信号。
8.如权利要求7所述的电动机驱动和控制电路，所述旋转停止检测电路还包括：
恒流源，耦接到电容器的第一端；
第一晶体管，具有由第二与门的输出控制的基极、耦接到第二基准电压的发射极和耦接到电容器的第一端的集电极；
第二晶体管，具有由第四比较器的输出控制的基极、耦接到地的发射极和耦接到电容器的第一端的集电极；
第二与门，对来自控制电路的放电脉冲和第一控制信号进行与运算。
9.如权利要求7所述的电动机驱动和控制电路，所述启动负荷设置电路包括：
第二比较器，具有耦接到第一基准电压的正输入端、耦接到电容器的第一端的负输入端，用于比较电容器第一端的电压和第一基准电压并输出启动负荷设置信号，
其中，第一基准电压小于第二基准电压；并且第二基准电压小于第三基准电压。
10.如权利要求9所述的电动机驱动和控制电路，其中，启动负荷设置电路还包括：
或门，对来自第二比较器的启动负荷设置信号和来自驱动负荷判定电路的驱动负荷信号进行或运算，并将结果输出到第一与门的输入端；
第一与门，对来自或门的信号和来自第四比较器的旋转/停止信号的非进行与运算，以生成第二控制信号。
11.如权利要求1至6所述的电动机驱动和控制电路，进一步包括：
霍尔传感器，用于根据电动机的旋转位置输出正弦波信号；和
第五比较器，用于根据来自霍尔传感器的正弦波信号生成矩形波信号，并将该矩形波信号输出到控制电路以切换电动机的驱动电流方向。
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