用於集成電路電動機驅動器中的反饋的輸出觸點的製作方法

2023-05-26 08:51:41

專利名稱：用於集成電路電動機驅動器中的反饋的輸出觸點的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於電動機驅動器的集成電路，該電動機驅動器可進行諸如反電 動勢的測量之類的用於反饋目的測量以驅動電動機。
背景技術：
本技術領域認識到集成的電動機驅動器電路的重要性，該集成電路在同一半 導體電路上集成儘可能多的功能並且足夠靈活以用於各種應用的。例如，同一集成 電動機驅動電路可用於在有或沒有傳感器的情況下控制電動機。本技術領域中已知 的控制電動機的常用傳感器是霍爾傳感器或光學編碼器。靈活性還可涉及集成電動 機驅動器電路外部的電路和或組件可用的數據格式和數據量這種數據可以是模擬 或數字性質，而如果是數字性質，則用於編碼數據的比特數在從一個應用到另一個 應用時可能需要以所得電動機驅動/控制環路所要求的特性為函數變化。本技術領域認識到在利用在電動機的定子處的繞組兩端測量的反電動勢.(BEMF)來導出可用於檢測失速情況、檢測電動機的轉子的位置和/或速度、確定電， 動機的的負荷情況的信號所具有的優勢。具體地，如公開專利申請第EP-A-1460757 號中所公開的，在某些應用中，在幾個採用瞬間測量並使用BEMF而不是單一的 BEMF測量是有優勢的。-在應用文件AN235/0788中的由SGS-湯姆遜微電子(a.k.a. ST)的H. Sax步進 電動機驅動中，本技術領域認識到減少第一集成電路(電動機驅動電路)和第二集成 電路(控制電路或數據處理電路、數字或其它，尤其是微控制器或微計算機晶片)之 間的連接數量的重要性。-TRINAMIC Motion control GmbH & Co KG提供一種關於集成電路TMC 249/A的解決方案。如TMC 249/A(2005年8月12日，版本2.02)的數據表所述， 測量電動機的BEMF，以便檢測該電動機的失速情況。可使BEMF測量用作數字 的三比特指示符，該指示符可通過串行接口與外部微控制器共享。飛思卡爾半導體提供另一種關於集成電路MM卯8E625的解決方案。該集成電路基本由一個封裝中的2個管芯組成模擬晶片和數字(微控制器)晶片。如MM卯8E625(2005年9月，版本4.0)的數據表中所述，藉助於檢測回流電流的存在 和持續時間來間接地測量電動機的BEMF。稱為"BEMF輸出"的信號基本是單比 特標記(來自集成在模擬管芯中的模擬比較器的二進位輸出數據)，該標記指示電動 機中是否存在回流電流(是或否)。該標記在回流相位的期間的每個PWM周期中生 成並可用作模擬輸出，用於連接到第二管芯(嵌入式微控制器)以在集成電路 MM908E625中進一步處理。因為"BEMF輸出"的信息包含在時域中(即，脈衝 "BENF輸出"的持續時間指示回流電流存在的持續時間，且這是關於BEMF量的 測量)，所以微控制器需要配備有測量脈衝的持續時間的定時器電路。然後可將該 定時信息轉換成其它數據並可利用與BEMF引腳不同的輸出引腳通過串行接口與 外部電路尤其是微控制器交換。-在又一個集成電路中，即由ST提供的ST7MC族集成電路，關於BEMF的 信息以單比特二進位信號的形式在半導體晶片的第一輸出引腳上提供用於外部電 路。實際的BEMF信號可用於與電動機驅動器電路集成在相同的半導體襯底上的 微控制器，從而排除了將詳細的BEMF信息傳輸到外部電路的需要。現有技術仍需要改進。發明內容本發明的目的是提供一種改進的裝置和方法。本發明的某些實施例可提供更 靈活的集成電動機驅動器，該電動機驅動器可與儘可能多的不同的微控制器接口 ， 可在用於電動機控制的模擬和離散時間反饋環路中使用，可滿足各種精確要求(比 特解析度和/或功耗、組件計數)。根據本發明的第一方面，提供了一種集成電路，它具有驅動電路以驅動電動 機的繞組，集成電路包括在電動機的旋轉期間對驅動電路進行測量的裝置，該測量 適用於用作電動機控制反饋。集成電路具有輸出觸點，電動機控制反饋測量通過該 輸出觸點用作模擬輸出信號。模擬信號可呈現下限值和上限值之間(接地基準和電源電壓之間)的連續值。相 反，數位訊號為高或低，例如，需要10比特來以約5mV的解析度編碼0和5V之 間變化的模擬信號。這10比特必須並行(以更多的引腳或連接為代價)或串行(以帶 寬為代價)傳輸。該不尋常的方法與越來越多的數字處理的通常趨勢相反。已意識 到，在利用各種通信協議的廣泛的試驗後，具有通過電動機驅動器電路獲得的作為所述電路的專用引腳上的模擬信號可用的電動機負荷相關信息的數據格式給出對 於該電路最高的靈活性。換言之，它使得電動機控制環路的設計(l)具有任何比特 解析度，(2)具有限於所使用的微控制器(如果有的話)的處理速度的帶寬，(3)是離散 時間或連續時間。模擬反饋輸出給出在比特解析度、帶寬和離散時間或連續時間控制選擇方面 更靈活的電動機控制環路設計。輸出引腳上可用的模擬信號可以是通過一個或多個模擬或數字電路(與電動機 驅動器集成在同一半導體襯底中)對電動機負荷相關信息進行信號處理的結果。這 些信號處理電路可處理串行或並行信號。二進位信號可確定哪一個所述信號處理電 路的輸出將在輸出引腳上可用。具體地，信號處理電路可以是採樣或保持電路。通 常，電動機負荷相關信號是在所述電動機的工作期間在電動機的繞組中感生的反電動勢(BEMF)，但其它信號也是可以的。本發明的另一個方面是提供一種具有集成電路以及被耦合以接收模擬輸出信 號的電動機控制電路的系統。根據本發明的實施例的集成電路可與被耦合以接收模擬信號的外部電動機控制電路(4)結合使用，來生成電動機控制信號，以便控制驅動電路。根據本發明的實施例，系統包括根據本發明的集成電路以及電動機控制電路， 該電動機控制電路被耦合以從集成電路接收具有電動機反饋測量信號的模擬輸 出信號。該電動機控制電路被安排成使用電動機反饋信號來生成電動機控制信 號，該電動機控制信號被耦合到所述集成電路以控制驅動電路。根據本發明的某些實施例，電動機控制電路可包括數字電路，而系統具有用 於將模擬輸出信號轉換成數位訊號的轉換器。可在不背離權利要求書的範圍的情況下添加任何附加特徵。任何附加特徵可 結合在一起並與任何方面結合。其它的優點尤其是優於其它現有技術的優點對本領 域的技術人員來說是顯然易見的。可在不背離本發明的權利要求書的情況下進行眾 多的變型和修改。因此，應清楚地理解本發明的形式僅僅是說明性的而不打算限制 本發明的範圍。附圖簡述現在將作為例子參考附圖描述如何實現本發明，附圖中

圖1示出根據本發明的各個實施例的集成電動機驅動器電路圖2示出用於生成集成電動機驅動器電路的輸出引腳上可用的信號的測量裝 置的例子。圖3示出在集成電動機驅動電路的工作期間在電路的數個節點上生成的信號。圖4示出生成圖3中作為電動機負荷和/或速度的函數的任何信號的示例電路的一般化電路。
具體實施方式
將參考具體的實施方式和某些附圖來描述本發明，但本發明不限於此，而是 僅由權利要求書來限定。所描述的附圖僅僅是示意性的和非限定性的。在附圖中， 為了說明的目的，某些元件的大小被放大而不是按比例繪製的。這些尺寸和相對尺 寸不對應於本發明的實施的實際縮圖。注意，權利要求書中使用的術語"包括"不應被解釋為限於其後列出的裝置/ 步驟，它不排除其它的元件或步驟。因此它應被解釋為指定所述的特徵、整體、步 驟或組件的存在，而不是排除一個或多個其它特徵、整數、步驟或組件或其組合的存在或添加。因此，語句"設備包括裝置A和B"的範圍不應限於僅由組件A和 B構成的設備。它表示對於本發明，設備的最合適的相關組件是A和B。將通過本發明的幾個實施例的詳細描述來描述本發明。明顯可根據本領域的 技術人員的知識在不背離本發明的真正精神或技術教示的情況下構造本發明的其 它實施例，本發明僅由所附權利要求限制。參考的集成電路可包括半導體管芯，在這種情況下，輸出觸點一般是管芯上的觸點焊盤。參考的集成電路還可包括封裝的管芯，在這種情況下，輸出觸點一般 是引腳、焊盤或焊球等， 一般通過引線鍵合耦合到管芯。管芯的封裝可包括任何類 型的封裝，包括樹脂封裝，封裝為具有管芯和集成或分立的其它組件等的混合電路 部分。因此，參考的輸出觸點可包括管芯上的觸點焊盤、引線鍵合、諸如引腳、焊 料焊盤、焊球等集成電路封裝上的觸點。下述的本發明的實施例示出具有驅動電路以驅動電動機的繞組的集成電路的 示例，該集成電路具有在電動機的旋轉期間對驅動電路進行測量的裝置，適用於用 作電動機控制反饋，如上所述。某些實施例的附加特徵可包括測量包括有關電動機負荷或有關電動機速度 的測量，或測量裝置被安排成進行多個測量並具有第一選擇電路用於選擇將輸出哪另一個這種附加特徵是用於在電動機控制反饋測量作為模擬輸出信號輸出之 前對其進行信號處理的一個或多個模擬電路。另一個這種附加特徵是具有多個模擬 電路並具有第二選擇電路，用於選擇哪一個模擬電路將被耦合到輸出觸點。模擬電 路中的至少一個可以是採樣或保持電路。電動機控制反饋測量可包括在所述電動機的轉子轉動期間電動機的繞組兩端生成的反電動勢(BEMF)的測量。現在意識到現有技術的電路具有很多缺點專用通信接口(給定的協議、比特 數、比特率)的使用可對控制環路的帶寬加以限制，使用預定數量的比特來編碼 BEMF相關信息對所得的電動機驅動可實現的精確度加以限制，當與電動機驅動電 路處於同一的晶片(同一封裝或同一半導體襯底)中時給定/專用微控制器的使用。現在意識到可受益於集成電動機驅動器電路，它可減少集成電動機驅動器電 路和微控制器之間的連接數量，還足夠靈活以便不管信號的性質(模擬或數字，具 體的是電動機負荷或BEMF相關信號，且一般是作為電動機負荷的函數的信號)用 於編碼信號的比特數(特別是與電動機負荷或BEMF相關的信號)、預期電動機驅動 的所需帶寬等如何，都能滿足電動機控制應用的需要。圖1示出以電動機驅動器電路1形式的集成電路IC，該電路具有用於驅動電 動機2的繞組中的電流的電路。電動機驅動器IC 1可通過連結電路1和4的數據 總線5與諸如微控制器之類的另一個集成電路4形式的電動機控制電路交換數據 3。電路1從驅動電路進行測量，以在控制環路中用作反饋。反饋可以是BEMF的 形式。BEMF的測量能按本領域中己知的任何方式來進行，所以這裡不必更詳細地 解釋。例如，它可包括測量繞組兩端的電壓以及所施加的電壓或通過繞組的電流。 這樣搜集的BEMF信息可進行信號處理(例如，濾波、放大、採樣、…)並使其在電 路1的專用輸出6上可用。可能需要信號處理以將信號電壓幅度調節到輸出觸點所 需的電壓範圍，且信號處理可包括(但不限於)例如通過模擬電阻分壓器進行電壓縮 放或通過放大電路的放大或偏移補償或如圖2所示的採樣。如輸出引腳6之類的輸 出觸點上的經處理的BEMF相關數據7可直接用於外部電路，而不通過數據總線5。 這意味著不再需要將BEMF相關數據7格式化以符合用於通過數據總線5在電路1 和4之間交換數據的通信協議。如果數據7是模擬性質，則它例如可被發送到具有 所要求的解析度的模擬數字轉換器(ADC)8(與現有技術相反)，以滿足給定電動機驅 動應用的要求。模擬數字轉換器8可以是獨立組件或是電路4的一部分。控制環路 的帶寬將取決於電路4的處理功率和模擬數字轉換器8的數據轉換率。因此可通過選擇(最)適合的微控制器和模擬數字轉換器(兩者都存在多種變型)來實現任何所要 求的帶寬和精確度的控制環路。在某些實施例中，沒有模擬數字轉換器8，而電路 4可以是連續時間模擬調節器或濾波器，可直接從引腳6上可用的模擬信號生成在總線5上傳輸的控制信號。圖2示出在輸出6上如何生成並共享BEMF相關信息。為了簡化起見，我們 將討論電動機2是雙極步進電動機的具體情況，但不旨在將本發明限於此具體情 況。雙極步進電動機的繞組10和11由驅動器12、 13、 14和15交替驅動(由未示 出的電路通過信號D0至D3控制)。驅動器12、 13、 14和15集成在電路1中。驅 動器可以是相關聯的電晶體以形成H橋，或者可釆用其它的電動機驅動配置。在 一個例子中，電晶體是全H橋中的MOS電晶體。在轉子9的旋轉期間，與每次轉 動成比例地驅動繞組。位於轉子處的永磁體在定子處的繞組10和11中感生出 BEMF。可在未通電時(即當驅動器沒有使電流流過繞組或沒有在繞組的兩端施加: 給定的電壓差時)測量繞組10和11兩端的BEMF。在每一轉動的不同部分由繞組: 選擇信號17(信號17可由圖2中未示出的電路以本領域中已知的多種方式生成)控 制的開關16形式的第一選擇電路來選擇正確的繞組。 給定繞組兩端的BEMF可由放大器和/或濾波器18放大和/或濾波。結果在諸' 如開關20、 22和採樣電容器19和21之類的電路的控制下採樣並保持。存儲在電 容器21的兩端的電壓在被施加到輸出引腳6之前可由緩衝電路23緩衝。如下所述，開關20和22作為由二進位信號26(SH-作為採樣和保持信號)和 27(POS-與轉子的位置有關的信號)、28(NOTPOS,是POS的邏輯反)和29(SLAT) 的邏輯組合生成的信號的函數打開或閉合。例如，閉合或打開開關20的信號由利 用AND門25對信號26和27進行AND操作來生成。閉合或打開開關22的信號 由利用OR門25對信號28和29進行OR操作來生成。在輸出引腳6上可用的所得信號可在圖3的曲線中看到。在圖3中，時間從 左到右表示。頂部直線示出信號SH的時序，該信號觸發採樣保持電路。第二條線 示出二進位信號POS。第三條線示出SLAT。 SLAT信號29使用戶能夠在使BEMF 信號的採樣在輸出引腳6上連續可用或使選擇的採樣保持在輸出引腳6上之間進行 選擇。二進位SLAT信號可由任何適當的裝置來實現(例如，諸如連接到電路l的 變光開關之類的機械開關、電路1本身、由電路4生成並通過通信總線5發送到電 路l的控制信號，...)。圖3中的第四條線示出bemf電壓信號，而底線示出模擬輸出信號SLA。在左手側，SLA輸出是"明顯的"，而在該示例中的右手側，輸出僅在周期的末端處 更新。圖4示出另一個實施例。在該情形中，模擬處理電路30具有用於處理電動機負荷相關信號的多個不同的信號處理電路。它們可按不同的方式處理信號。不同的輸出可由選擇電路通過開關或混合來選擇。選擇電路可由選擇信號SLAT驅動。所 選的輸出被饋送到輸出觸點6。它可與選擇電路16結合，以將不同的測量選擇用 於如圖2所示的信號處理。正如所述的，輸出可專用於與反電動勢相關的模擬信號，而現有技術涉及(a) 反電動勢信號在通用通信埠上輸出之前首先進行AD轉換或(b)將反電動勢信號 與閾值電壓進行比較以生成專用輸出觸點上可用的二進位信號(是/否信號)。專用觸 點的另一個選擇是共享觸點，例如，由時間共享所共享，或由頻率共享所共享。盡 管所述例子僅示出單個輸出，但根據本應用明顯可具有兩個以上的觸點用於分離的 反饋信號。
權利要求
1.一種具有驅動電路(12、13、14、15)以驅動電動機(2)的繞組的集成電路(1)，所述集成電路(1)包括在所述電動機(2)的旋轉期間對驅動電路進行測量的裝置，所述測量適用於用作電動機控制反饋，所述集成電路(1)的特徵在於輸出觸點(6)，電動機控制反饋測量通過所述輸出觸點(6)用作模擬輸出信號。
2. 如權利要求l所述的集成電路，其特徵在於，所述測量包括有關電動機負 荷或有關電動機速度的測量
3. 如權利要求l所述的集成電路，其特徵在於，所述測量裝置被安排成進行 多個測量並具有第一選擇電路(17)用於選擇將輸出哪一個測量。
4. 如權利要求1所述的集成電路，其特徵在於，具有一個或多個模擬電路(18、 19、 20、 21、 22、 23)，用於在電動機控制反饋測量作為模擬輸出信號輸出之前對 其進行信號處理。
5. 如權利要求4所述的集成電路，其特徵在於，具有多個模擬電路並具有第 二選擇電路，用於選擇哪一個模擬電路(10)將被耦合到輸出觸點(6)。
6. 如權利要求4所述的集成電路，其特徵在於，所述模擬電路中的至少一個: 可以是採樣和保持電路。
7. 如上述權利要求中的任一項所述的集成電路，其特徵在於，所述電動機控. 制反饋測量包括在所述電動機(2)的轉子轉動期間電動機(2)的繞組兩端生成的反電 動勢(BEMF)的測量。
8. —種系統，所述系統具有上述權利要求中的任一項所述的集成電路以 及電動機控制電路(4)，所述電動機控制電路(4)被耦合以從所述集成電路接收 具有電動機反饋測量信號的模擬輸出信號，所述電動機控制電路被安排成使用 電動機控制反饋信號來生成電動機控制信號，所述電動機控制信號被耦合到所 述集成電路以控制驅動電路。
9. 如權利要求8所述的系統，其特徵在於，所述電動機控制電路包括數字電 路，所述系統具有用於將所述模擬輸出信號轉換成數位訊號的轉換器。
全文摘要
一種集成電路(1)具有驅動電路(12、13、14、15)以驅動電動機(2)的繞組、在電動機(2)的旋轉期間對驅動電路進行測量的裝置，所述測量適用於用作電動機控制反饋，該集成電路(1)還具有輸出觸點(6)，電動機控制反饋測量通過所述輸出觸點(6)用作模擬輸出信號。它可與被耦合以接收模擬信號的外部電動機控制電路(4)結合使用，來生成電動機控制信號，以便控制驅動電路。模擬反饋輸出給出在比特解析度、帶寬和離散時間或連續時間控制選擇方面更靈活的電動機控制環路設計。
文檔編號G01R31/34GK101261311SQ20081008174
公開日2008年9月10日 申請日期2008年3月7日 優先權日2007年3月8日
發明者B·德庫克, P·考克斯 申請人:Ami半導體比利時有限公司