電動機驅動和控制電路的製作方法
2023-10-30 02:33:07
專利名稱：電動機驅動和控制電路的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電動機驅動和控制電路，更具體地說，涉及一種在啟動期間實現最大啟動轉矩的電動機驅動和控制電路。
背景技術：
在大多數電動機應用領域，由於轉矩不足夠大使得具有重負載的電動機不能容易地啟動。優化電源的使用以使得電動機成功地啟動並且縮短從靜止到額定速度的過渡時間變得很重要。當電動機開始運行時，控制器將從電源輸出最大功率以確保電動機儘可能快地進入穩定狀態。圖1和圖2給出了控制電動機速度的現有方法。圖1示出了現有的電動機驅動電路結構圖。如圖1所示，單相電動機驅動電路包括控制電路101和功率級。控制電路101輸出控制信號PWM1、PWM2、PWM3和PWM4來驅動單相電動機102。功率級包括四個開關裝置 SffU Sff2, SW3和SW4。SWl和SW4接收來自控制電路101的驅動信號P^l和P麗4以提供向右方向(如在圖1中箭頭「a」所示方向)的驅動電流。類似地，SW2和SW3接收驅動信號PWM2和PWM3以提供向左方向(如在圖1中箭頭「b」所示方向)的驅動電流。SW1、SW4 和SW2、SW3互補地接通/截止以適當地改變單相電動機102的驅動電流的方向，藉此單相電動機102旋轉。在其中驅動電流以箭頭a所示方向提供給單相電動機102的時間段中，SW4—直處於接通狀態，而SWl根據25kHz的基頻被接通或截止。相反，在其中驅動電流以箭頭b所示方向被提供給單相電動機102的時間段中，SW3 —直保持處於接通狀態，而SW2根據25kHz 的基頻被接通或截止。圖2是現有的單相電動機轉矩控制和速度調節的波形圖。通常，電動機驅動控制信號PWM是預定周期的鋸齒狀電壓Vcosc和負荷設定電壓 Vth之間的比較結果。如圖2所示，根據Vth的變化(圖2中的點線所示)，加寬或變窄由控制電路101中的比較器輸出的脈衝信號的寬度。即，Vcosc > Vth時，輸出高電平「H」。PWM信號佔空比的加寬/變窄能夠改變電動機102的旋轉速度，如圖2所示，速度波形中脈衝信號的頻率與電動機轉速成正比。最大轉矩出現在100 %佔空比，這是源自Vth < Vcosc (min)， 並且此時旋轉速度最高。圖3和圖4給出了現有技術中在啟動期間如何最優化電動機速度特性。在實際應用中，期望電動機能夠儘可能快的啟動，降低從靜止到穩定旋轉的過渡時間段。這需要電動機具有大的啟動轉矩，這意味著PWM信號的佔空比在啟動期間足夠大。圖3示出了現有的PWM信號可變的啟動波形圖。如圖3所示，其給出了啟動時間段PWM信號寬度變化。佔空比(Duty cycle)從100%開始，因此電動機以最大轉矩開始旋轉並且速度快速上升。在特定時間之後，佔空比變化到由Vth確定的標準設置值，然後電動機進入穩定狀態並且速度達到與佔空比設置值成比例的穩定值。
4[0012]圖4示出了現有PWM信號不可變的啟動波形圖。如圖4所示，佔空比直接從由Vth 確定的標準設置值開始，啟動轉矩與圖3中所示的方法相比低很多，這使得從靜止到穩定旋轉的過渡時間長很多。如果電動機以重負載啟動，那麼啟動過程甚至可能失敗，因為電動機的啟動轉矩通常高於負載轉矩。
實用新型內容本實用新型的另外方面和優點部分將在後面的描述中闡述，還有部分可從描述中明顯地看出，或者可以在本實用新型的實踐中得到。本申請提出了一種使得電動機以大的轉矩和短的時間啟動的電路。本申請所提出的電路能夠使得BLDC(BruShleSS DC，無刷直流)電動機以最大轉
矩啟動。本申請所提出的電路能夠判定電動機的負荷狀態，根據負荷狀態控制電動機的轉速。本實用新型提供了一種實現最大啟動轉矩的電動機驅動和控制電路，包括旋轉停止檢測電路，用於檢測電動機的旋轉或停止，並輸出旋轉/停止信號到啟動負荷設置電路和控制電路；驅動負荷判定電路，檢測電動機驅動的風扇的周圍環境溫度，判定電動機的負荷，輸出驅動負荷信號到啟動負荷設置電路；啟動負荷設置電路，用於根據電機的運行生成啟動負荷設置信號，並利用啟動負荷設置信號、驅動負荷信號和旋轉/停止信號來生成第二控制信號；控制電路，用於根據來自旋轉停止檢測電路的旋轉/停止信號和來自啟動負荷設置電路的第二控制信號，控制電動機的運行，其中，在啟動的初始時間段階段，生成有效啟動負荷設置信號以便以最大轉矩啟動電動機。在啟動和重新啟動期間，根據本實用新型實施例的電動機驅動和控制電路能夠完全在啟動初始階段以最大轉矩啟動電動機，使得電動機快速進入穩定狀態，需要很少的外圍部件的數量，電路簡單，並且降低了成本。
通過結合附圖對本實用新型的優選實施例進行詳細描述，本實用新型的上述和其他目的、特性和優點將會變得更加清楚，其中相同的標號指定相同結構的單元，並且在其中圖1示出了現有的電動機驅動電路結構圖；圖2是現有的佔空比控制和速度調節的波形圖；圖3示出了現有的在啟動時間段期間的期望轉矩控制波形圖；圖4是沒有控制轉矩的標準啟動波形圖；圖5示出了根據本實用新型實施例的實現最大啟動轉矩的單相電動機驅動和控制電路圖；以及圖6是根據本實用新型實施例的佔空比變化波形圖。
具體實施方式
下面將參照示出本實用新型實施例的附圖充分描述本實用新型。然而，本實用新型可以以許多不同的形式實現，而不應當認為限於這裡所述的實施例。相反，提供這些實施例以便使本公開透徹且完整，並且將向本領域技術人員充分表達本實用新型的範圍。在附圖中，為了清楚起見放大了組件。應當理解，當稱「元件」 「耦接到」或「耦接」到另一元件時，它可以是直接耦接或耦接到另一元件或者可以存在中間元件。相反，當稱元件「直接耦接到」或「直接耦接到」另一元件時，不存在中間元件。相同的附圖標記指示相同的元件。這裡使用的術語「和/或」 包括一個或多個相關列出的項目的任何和所有組合。圖5和圖6給出了根據本實用新型實施例實施的啟動轉矩控制的改進。圖5示出了根據本實用新型實施例的實現最大啟動轉矩的單相電動機驅動和控制電路圖。根據本實用新型實施例的電動機驅動和控制電路包括旋轉停止檢測電路506， 用於檢測電動機的旋轉或停止，並輸出旋轉/停止信號到啟動負荷設置電路和控制電路； 驅動負荷判定電路503，檢測電動機驅動的風扇的周圍環境溫度，判定電動機的負荷，輸出驅動負荷信號到啟動負荷設置電路；啟動負荷設置電路507，用於根據電機的運行生成啟動負荷設置信號，並利用啟動負荷設置信號、驅動負荷信號和旋轉/停止信號來生成第二控制信號；和控制電路502，用於根據來自旋轉停止檢測電路的旋轉/停止信號和來自啟動負荷設置電路的第二控制信號，控制電動機的運行。此外，根據本實用新型實施例的電動機驅動和控制電路還包括霍爾傳感器500，用於根據電動機的旋轉位置輸出正弦波信號；和比較器501，用於根據來自霍爾傳感器的正弦波信號生成矩形波信號，並將該矩形波信號輸出到控制電路以切換電動機的驅動電流方向。啟動負荷設置電路507，用於根據電機的運行生成啟動負荷設置信號，並利用啟動負荷設置信號、驅動負荷信號和旋轉/停止信號來生成控制電動機運行的第二控制信號。 啟動負荷設置電路507在啟動的初始時間段階段生成有效啟動負荷設置信號，以便以最大啟動轉矩啟動電動機。啟動負荷設置電路507包括恆流源508、電容器C54、比較器電路CMP25071、基準電壓VREFl、兩個邏輯門AND 58 (與門)和OR 59 (或門)。比較器電路CMP2 5071的+端 (同相輸入端)耦接到基準電壓VREF1，而比較器電路CMP2 5071的-端(反相輸入端)耦接到電容器C54的未接地側。S卩，比較器電路CMP2 5071比較電容器C54的未接地側上的電壓Vc54與基準電壓VREFl的大小以輸出啟動負荷設置信號，在電容器C54的未接地側上的電壓V㈤低於VREFl期間，啟動負荷設置信號變為「H」，並且在電容器C54的未接地側上的電壓Vc54高於VREFl期間，啟動負荷設置信號變為「L」。比較器電路CMP2 5071的輸出端耦接到或門59的輸入端。或門59對啟動負荷設置信號和來自驅動負荷判定電路503的驅動負荷信號進行「或運算」，並將結果輸出到與門 58的輸入端。與門58對或門59的結果和來自旋轉停止檢測電路506的旋轉/停止信號的非進行「與運算」，並將結果作為第二控制信號輸出到控制電路502。驅動負荷判定電路503包括最低速負荷設置電路5031，用於將最低速負荷設置電壓輸出到第一比較器的第一輸入端；檢測溫度電壓生成電路5032，檢測由電動機驅動的風扇的周圍環境溫度，並將檢測溫度電壓輸出到第一比較器的第二輸入端；和比較器 5033，其具有第一輸入端、第二輸入端、接收三角波信號的第三輸入端、和耦接到啟動負荷設置電路的輸出端，用於將第一和第二輸入中較小的一個設置為負荷設置電壓，並將三角波信號和所述負荷設置電壓進行比較以生成驅動負荷信號。最低速負荷設置電路5031包括電源Vcc、和串聯耦接在電源Vcc和地Vss之間的分壓電阻器R51和R52。在分壓電阻器R51和R52之間的耦接點處的電壓作為最低速負荷設置電壓輸出到比較器電路CMPl 5033。但本領域技術人員應該理解，可以採用其他現有的方法來得到該Vls的獲得不限於圖5中的電路。V。取值根據實際應用情況進行設定，但最大不能超過該引腳所能承受的最大耐壓。熱敏電阻器Rs和電阻器R53串聯耦接在電源Vcc和地Vss之間以構成檢測溫度電壓生成電路5032。熱敏電阻器Rs是附著在風扇的內殼以便檢測風扇的周圍環境溫度。在熱敏電阻器Rs和電阻器R53之間的耦接點處生成反應風扇的周圍環境溫度的檢測溫度電壓Vth，並將其輸出到比較器電路CMPl 5033。熱敏電阻器Rs具有負溫度係數，並且當內殼中的溫度上升時，檢測溫度電壓Vth下降。此處，雖然通過熱敏電阻器Rs和電阻器R53生成反映風扇的周圍環境溫度的檢測溫度電壓Vth，但本領域技術人員應該理解，可以採用其他方法來得到該檢測溫度電壓Vth，檢測溫度電壓Vth的獲得不限於圖5中的電路。比較器CMPl 5033將來自最低速負荷設置電路5031的最低速負荷設置電壓和來自檢測溫度電壓生成電路5032的檢測溫度電壓Vth進行比較。最低速負荷設置電壓或檢測溫度電壓Vth中較小的一個被設置為負荷設置電壓。並且比較器CMPl 5033比較來自振蕩器5034的三角波信號Vcosc和根據上述比較得到的負荷設置電壓，以生成驅動負荷信號作為驅動負荷判定電路503的輸出。比較器CMPl 5033僅在三角波信號Vcosc大於負荷設置電壓的時間段中輸出「H」驅動負荷信號。旋轉停止檢測電路506包括電容器C54、恆流源508、兩個NPN型雙極電晶體Tr56 和Tr57、兩個比較器電路CMP3 5062和CMP4 5063、兩個基準電壓VREF2和VREF3、以及邏輯門AND 55(邏輯與門)。旋轉停止檢測電路506檢測單相電動機的旋轉或停止，放電脈衝反映電動機的旋轉或停止。這裡，電容器CM和恆流源508構成充電電路，而電容器C54、雙極電晶體Tr56、和基準電壓VREF2構成一個放電電路，電容器CM和雙極電晶體Tr57構成另一放電電路。結果，充電/放電電壓具有鋸齒形出現在電容器C54的未接地側。比較器電路CMP3 5062的-端(反相輸入端)耦接到基準電壓VREF2，而比較器電路CMP3 5062的+端(同相輸入端)耦接到電容器CM的未接地側，比較器電路CMP3 5062 輸出第一控制信號到與門55的輸入端。類似地，比較器電路CMP4 5063的-端(反相輸入端)耦接到基準電壓VREF3，而比較器電路CMP4 5063的+端(同相輸入端)耦接到電容器Cl的未接地側，比較器電路CMP4 5063輸出旋轉/停止信號到電晶體Tr57的基極以及啟動負荷設置電路507和控制電路502。其中，VREFl < VREF2 < VREF3。比較器電路CMP3 5062僅在其中電容器C54的未接地側上的電壓Ve54高於基準電壓VREF2的時間段中輸出「H」第一控制信號，該「H」第一控制信號將允許放電脈衝信號接通電晶體Tr56。而且，比較器電路CMP4 5063僅在其中電容器⑶4的未接地側上的電壓Vc54 高於基準電壓VREF3的時間段中輸出「H」旋轉/停止信號，該「H」旋轉/停止信號將直接接通電晶體Tr57。同時，比較器電路CMP4 5063生成的旋轉/停止信號被輸出到啟動負荷設置電路507和控制電路502。電晶體Tr56的發射極耦接到基準電壓VREF2，集電極耦接到恆流源508，基極耦接到邏輯門AND 55的輸出；電晶體Tr57的發射極接地，集電極耦接到恆流源508，基極耦接到比較器電路CMP4 5063的輸出。邏輯門AND 55接收來自控制電路502的放電脈衝和比較器電路CMP35062的輸出。電容器CM —端接地，另一端與恆流源508與電晶體Tr56和電晶體Tr57的交點相連。霍爾裝置500固定在與單相電動機的轉子側上的磁極相對的預定位置。霍爾傳感器500根據單相電動機的旋轉位置，即相對轉子側的磁極的變化，輸出正弦波信號。比較器電路501具有遲滯特性並且根據來自霍爾傳感器500的正弦波信號輸出矩形波信號。矩形波信號是通信信號，其是用於將單相電動機的驅動電流切換到「a」和「b」方向的任何一個的基準。控制電路502，用於根據來自旋轉停止檢測電路506的旋轉/停止信號和來自啟動負荷設置電路507的第二控制信號，控制電動機的運行。控制電路502輸出控制信號P麗1、P麗2、P麗3和P麗4來驅動單相電動機。功率級包括四個開關裝置SW1、SW2、SW3和SW4。SWl和SW4接收來自控制電路502的驅動信號 PWMl和PWM4以提供向右方向(如在圖5中箭頭「a」所示方向)的驅動電流。類似地，SW2 和SW3接收驅動信號PWM2和PWM3以提供向左方向(如在圖5中箭頭「b」所示方向)的驅動電流。SW1、SW4和SW2、SW3互補地接通/截止以適當地改變單相電動機的驅動電流的方向，藉此單相電動機旋轉。在其中驅動電流以箭頭a所示方向提供給單相電動機的時間段中，SW4 —直處於接通狀態，而SWl根據25kHz的基頻被接通或截止。相反，在其中驅動電流以箭頭b所示方向被提供給單相電動機的時間段中，SW3 —直保持處於接通狀態，而SW2根據25kHz的基頻被接通或截止。圖6中示出了圖5中的各信號波形圖。其中，矩形波信號是比較器電路501輸出的信號；Vth為檢測溫度電壓生成電路5032的輸出；Vcosc是振蕩器5034的輸出信號； Vcosc (max)和Vcosc (min)分別是Vcosc的最大值和最小值；是最低速負荷設置電路 5031的輸出；PWM是控制電路502的輸出；Vc54是電容器CM非接地側電壓。t0 tl 如圖6的時間段t0 tl中所示，電容器CM的未接地側上的電壓Vc54低於VREFl， 因此比較器電路CMP2 5071將輸出「H」(高電平)啟動負荷設置信號。在這個時間段期間， 不管比較器電路CMPl 5033的輸出是什麼，邏輯門OR 59 (邏輯或門)將總是輸出「H」信號。 這意味著在圖6中的啟動初始時間段階段t0 tl將以最大佔空比啟動單相電動機。tl t2(VLS Vth)由於單相電動機內殼的溫度上升，檢測溫度電壓Vth的逐漸降低。因此，當最低速負荷設置電壓經過圖6中的交叉點變得大於檢測溫度電壓Vth時，驅動負荷判定比較器 CMPl 5033將負荷設置電壓轉換成檢測溫度電壓Vth。在圖6的時間段t2 t3中，驅動負荷判定比較器CMPl 5033僅在其中三角波信號Vcosc大於負荷設置電壓的時間段中輸出「H」驅動負荷信號。t3 t4 比較器電路CMP4 5063的輸出用於直接驅動電晶體Tr57，並使能或禁止來自驅動負荷判定比較器電路CMPl 5033的驅動負荷信號。如果單相電動機被強制停止，霍爾傳感器500輸出信號一直保持不變，從而控制電路502不再產生放電脈衝，驅動電晶體Tr56不再導通，電容器CM的電壓保持增加，直到該電壓在時間點t3處高於基準電壓VREF3為止。 此時，比較器電路CMP45063輸出「H」(高電平)旋轉/停止信號以禁止來自比較器電路 CMPl 5033的驅動負荷信號並接通電晶體Tr57來對電容器CM放電，如圖6中的t3 t4 時間段所示。t4 t5 在t4時間點通過電晶體Tr57，電容器C54的電壓下降到0之後，來自比較器電路 CMPl 5033的驅動負荷信號再次被使能以驅動單相電動機。同時，電容器CM也從0開始充電並且小於VREF1，因此比較器電路CMP2 5071將輸出「H」信號來以最大佔空比驅動單相電動機，如圖6的t4 t5時間段中所示。t > t5 在時間點t5電容器CM的電壓高於VREFl之後，驅動負荷將再次由驅動負荷判定比較器CMPl 5033判定，如圖6的t>t5時間段中所示。當由單相電動機內殼的溫度上升增長，熱敏電阻器Rs的檢測溫度電壓Vth變得更低時，在〖> t5時間段期間Vth小於三角波信號Vcosc (min)，所以從驅動負荷判定比較器CMPl 5033輸出的驅動佔空比也是100%。在啟動和重新啟動期間，圖5中的電路能夠完全實現最大轉矩啟動單相電動機， 簡化了電路，在電路中需要更少的外圍部件，即電路5031和5032，的數量，降低了成本，並且電動機啟動之後，根據負荷狀態控制電動機的轉速。由於其他電路都是內部集成電路，因此從成本角度來看，降低了成本。雖然結合目前被認為是最實際和最優的實施例描述了本實用新型，但本領域技術人員應當理解本實用新型不限於所公開的實施例，相反，本實用新型旨在覆蓋所附權利要求的精神和範疇之內包括的各種各樣的修改和等價結構。
權利要求1.一種實現最大啟動轉矩的電動機驅動和控制電路，包括旋轉停止檢測電路，用於檢測電動機的旋轉或停止，並輸出旋轉/停止信號到啟動負荷設置電路和控制電路；驅動負荷判定電路，檢測電動機驅動的風扇的周圍環境溫度，判定電動機的負荷，輸出驅動負荷信號到啟動負荷設置電路；啟動負荷設置電路，用於根據電機的運行生成啟動負荷設置信號，並利用啟動負荷設置信號、驅動負荷信號和旋轉/停止信號來生成第二控制信號；控制電路，用於根據來自旋轉停止檢測電路的旋轉/停止信號和來自啟動負荷設置電路的第二控制信號，控制電動機的運行，其中，在啟動的初始時間段階段，生成有效啟動負荷設置信號以便以最大轉矩啟動電動機。
2.如權利要求1所述的電動機驅動和控制電路，其中，所述驅動負荷判定電路包括 最低速負荷設置電路，用於將最低速負荷設置電壓輸出到第一比較器的第一輸入端； 檢測溫度 電壓生成電路，檢測由電動機驅動的風扇的周圍環境溫度，並將檢測溫度電壓輸出到第一比較器的第二輸入端；第一比較器，其具有第一輸入端、第二輸入端、接收三角波信號的第三輸入端、和耦接到啟動負荷設置電路的輸出端，用於將第一和第二輸入中較小的一個設置為負荷設置電壓，並將三角波信號和所述負荷設置電壓進行比較以生成驅動負荷信號。
3.如權利要求2所述的電動機驅動和控制電路，其中，第一比較器僅在三角波信號大於負荷設置電壓的時間段中生成高電平的驅動負荷信號。
4.如權利要求2所述的電動機驅動和控制電路，其中，檢測溫度電壓生成電路包括串聯耦接在電源和地之間的熱敏電阻器和第三電阻器。
5.如權利要求4所述的電動機驅動和控制電路，其中，熱敏電阻器是附著在電動機驅動的風扇的內殼以便檢測風扇的周圍環境溫度，並且當內殼中的溫度上升時，檢測溫度電壓下降。
6.如權利要求2所述的電動機驅動和控制電路，其中，最低速負荷設置電路包括串聯耦接在電源和地之間的第一和第二分壓電阻器，在第一和第二分壓電阻器之間的耦接點處的電壓作為最低速負荷設置電壓輸出。
7.如權利要求1至6所述的電動機驅動和控制電路，所述旋轉停止檢測電路包括 電容器，具有第一端和接地的第二端；第三比較器，具有耦接到電容器的第一端的正輸入端、耦接到第二基準電壓的負輸入端，用於比較電容器第一端的電壓和第二基準電壓並輸出第一控制信號；第四比較器，具有耦接到電容器的第一端的正輸入端、耦接到第三基準電壓的負輸入端和輸出端，用於比較電容器第一端的電壓和第三基準電壓並輸出旋轉/停止信號。
8.如權利要求7所述的電動機驅動和控制電路，所述旋轉停止檢測電路還包括 恆流源，耦接到電容器的第一端；第一電晶體，具有由第二與門的輸出控制的基極、耦接到第二基準電壓的發射極和耦接到電容器的第一端的集電極；第二電晶體，具有由第四比較器的輸出控制的基極、耦接到地的發射極和耦接到電容器的第一端的集電極；第二與門，對來自控制電路的放電脈衝和第一控制信號進行與運算。
9.如權利要求7所述的電動機驅動和控制電路，所述啟動負荷設置電路包括第二比較器，具有耦接到第一基準電壓的正輸入端、耦接到電容器的第一端的負輸入端，用於比較電容器第一端的電壓和第一基準電壓並輸出啟動負荷設置信號，其中，第一基準電壓小於第二基準電壓；並且第二基準電壓小於第三基準電壓。
10.如權利要求9所述的電動機驅動和控制電路，其中，啟動負荷設置電路還包括或門，對來自第二比較器的啟動負荷設置信號和來自驅動負荷判定電路的驅動負荷信號進行或運算，並將結果輸出到第一與門的輸入端；第一與門，對來自或門的信號和來自第四比較器的旋轉/停止信號的非進行與運算， 以生成第二控制信號。
11.如權利要求1至6所述的電動機驅動和控制電路，進一步包括 霍爾傳感器，用於根據電動機的旋轉位置輸出正弦波信號；和第五比較器，用於根據來自霍爾傳感器的正弦波信號生成矩形波信號，並將該矩形波信號輸出到控制電路以切換電動機的驅動電流方向。
專利摘要本實用新型公開了一種實現最大啟動轉矩的電動機驅動和控制電路，包括旋轉停止檢測電路，用於檢測電動機的旋轉或停止，並輸出旋轉/停止信號到啟動負荷設置電路和控制電路；驅動負荷判定電路，檢測電動機驅動的風扇的周圍環境溫度，判定電動機的負荷，輸出驅動負荷信號到啟動負荷設置電路；啟動負荷設置電路，用於根據電機的運行生成啟動負荷設置信號，並利用啟動負荷設置信號、驅動負荷信號和旋轉/停止信號來生成第二控制信號；控制電路，用於根據來自旋轉停止檢測電路的旋轉/停止信號和來自啟動負荷設置電路的第二控制信號，控制電動機的運行，其中，在啟動的初始時間段階段，生成有效啟動負荷設置信號以便以最大轉矩啟動電動機。
文檔編號H02P6/08GK202026271SQ20112013334
公開日2011年11月2日 申請日期2011年4月29日 優先權日2011年4月29日
發明者俞楊威, 李伊珂, 趙劍 申請人:成都芯源系統有限公司