CN102035447A - 电动机驱动控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动机驱动控制电路。差动放大器(30)检测同步电动机(20)稳定运行时的线圈电流Is。根据来自ATT电路(14)的输出等检测此时的施加电压S0。利用检测出的线圈电流Is、此时的施加电压S0、预先决定的比例因数As，并根据Ib＝As·S0-Is求出感应电流Ib。基于求出的感应电流Ib控制向电动机施加的电压。因此，能够有效地检测电动机的感应电流。

Description

电动机驱动控制电路

技术领域

本发明涉及一种控制同步电动机的驱动的驱动控制电路。

背景技术

在同步电动机的控制中，检测转子位置并根据检测出的转子位置控制电动机驱动电流很重要。

作为同步电动机，公知有IPMSM(内置永磁铁同步电动机)、SPMSM(表面永磁铁同步电动机)、PM(永磁铁)、VR(可变磁阻)、HB(混合型)、BLDCM(无电刷直流电动机)等，作为检测这些同步电动机的旋转位置的方法，公知有利用霍尔元件等各种传感器的方法、检测速度感应电压(induced voltage)的无传感器的方法。

若考虑成本、空间等，则无传感器的方法比较出色，针对无传感器的方法提出了各种方案。例如，有使用电动机的速度感应电压的方法，并且公知有根据电动机定子电压/电流和电动机模型公式进行向量运算来推测位置的方法、或者将电动机的驱动线路设为特定期间的高阻抗状态来测量速度感应电压的方法等。

【专利文献1】日本特开2007-274760号公报

在根据电动机模型公式进行推测的方法中，必须将直流电阻成分等作为常数来设定，因此导致误差的产生。此外，在设为高阻抗的方法中，需要在检测期间停止电动机驱动输出，电流的连续性受损。

发明内容

本发明的特征在于：检测同步电动机稳定运行时的线圈电流和此时的施加电压，在所述线圈电流或所述施加电压上相乘预先决定的比例因数，并计算所述线圈电流成分和所述施加电压成分的差分来检测与所述同步电动机的感应电力相对应的信号，基于对应于所述感应电力的信号，控制向所述同步电动机施加的电压。

此外，优选根据在所述同步电动机的非运行时检测出的施加电压和电动机电流之比，求出所述比例因数。

此外，优选根据在所述同步电动机的非运行时检测出的施加电压和电动机电流之比、所述同步电动机的定子的电感，求出所述比例因数。

此外，优选基于对应于所述感应电力的信号与其微分信号的逻辑运算，获得与所述同步电动机的转数相对应的频率的转速信号。

此外，优选求出对应于所述感应电力的信号与所述施加电压的相位差，并基于求出的相位差控制电动机的驱动。

根据本发明，无需使线圈置于高阻抗状态就能够检测稳定运行状态的感应电流，因此能够在维持电动机驱动的连续性的同时检测感应电流。

附图说明

图1是表示实施方式的整体结构的图。

图2是表示失步检测器的结构的图。

图3是表示失步检测的动作的图。

图4是表示转速检测器的结构的图。

图5是表示转速检测的动作的图。

图6是表示相位差检测的动作的图。

图7是表示另一实施方式的整体结构的图。

图8是表示其它实施方式的结构的图。

图9是表示其它实施方式的结构的图。

图10是表示H电桥驱动器的结构的图。

图11是表示又一实施方式的整体结构的图。

图中：10-励磁定时生成器；12-励磁振幅生成器；14-ATT电路；16-PWM电路；18-H电桥驱动器；20-电动机；22、24-线圈；26-转子；30、80-差动放大器；30a、80a-低通滤波器；32-偏置量调整器；36-符号判定部；38-ATTs电路；40-比较调整器；42-减法器；44-放大器；46-数字低通滤波器；48-微分器；50-失步检测器；52-可变判定阈值部；54-阈值未满连续判定部；60-转速检测器；62、64-滞后比较器；66-EX或电路；70、72-过零检测电路；74-相位差检测器。

具体实施方式

以下，基于附图说明本发明的实施方式。

图1是表示整体结构的图。在该例中，将步进电机作为驱动对象。

将指示检测比例因数(scaling factor)As的比例运算指令、指示进行通常的励磁的通常励磁指令提供给励磁定时生成器10。

在由通常励磁指令指示了通常励磁的情况下，励磁定时生成器10基于此时的电动机驱动指令，生成针对励磁时刻的信号，并提供给励磁振幅生成器12。励磁振幅生成器12生成适合于此时的电动机驱动的电动机施加电压指令S0，并在ATT电路14中对该指令进行振幅调整之后输出。另外，在比例运算指令的情况下，为了检测比例因数As，从ATT电路14输出最佳的施加电压指令值Vdc。

将ATT电路14的输出提供给PWM电路16，输出作为来自ATT电路14的输出且对应于指令值的占空比的PWM控制信号。

将PWM控制信号提供给H电桥驱动器18。H电桥驱动器18由多个晶体管构成，通过这些晶体管的开关来控制来自电源的电流并产生电动机电流(线圈电流)，并将该电流提供给电动机20。

电动机20是步进电机，具有两个线圈22、24和转子26。两个线圈22、24配置为彼此以电角度错开了90°位置，因此磁场相对于转子26的方向也针对转子的中心角彼此以电角度错开了90°。此外，转子26例如包括永磁铁，根据来自两个线圈22、24的磁场决定稳定的位置。即，通过向针对转子的转角配置在错开了90°的位置上的两个线圈提供彼此的相位相差90°的交流电流，从而通过该电流相位能够使转子26移动、旋转。此外，在特定的电流相位的时刻，通过停止电流相位的变化，能够在对应于此时的电流相位的位置处停止转子，由此，控制电动机200的旋转。

两个线圈22、24的电流路径中配置有电阻Rs，在该电阻的两端产生对应于流过线圈22的电流即流过电阻Rs的电流的电压。将该电阻Rs的两端电压输入给差动放大器30，在差动放大器30中获得电阻Rs的两端电压。另外，在该例中，在差动放大器30中追加低通滤波器LPF，通过该低通滤波器消除差动放大器30的输出中的微细的变动，从而获得稳定的输出。另外，由于在差动放大器30中产生偏置量，因此连接有基于偏置量调整指令对该偏置量进行偏置量调整的偏置量调整器32。例如，在驱动电流为零时，偏置量调整器32检测并存储差动放大器30的输出，由此调整差动放大器30的偏置量。

将针对作为差动放大器30的输出的电动机驱动电流的信号提供给ADC34，并在ADC34中转换为数字信号。ADC34的输出在进行基于比例运算指令的检测的情况下是非旋转时的直流电动机电流Idc，在旋转时变为电动机电流(线圈电流)Is。

将该ADC34的输出提供给符号判定部36，在符号判定部36中判定符号之后，对流过电阻Rs的电流的方向进行检测，并将检测结果提供给ATTs电路38。ATTs电路38是存储比例因数As且将其相乘在从ATT电路14输出的Vdc、S0上的电路。进行比例运算时，根据As·Vdc＝Idc获得直流电动机电流Idc，在通常励磁时，获得As·S0。

将ATTs电路38的输出提供给比较调整器40。向比较调整器40提供比例运算指令，在进行比例运算时，对从ATTs电路38提供的As·Vdc和从ADC34提供的Idc进行比较之后，更新比例因数As，并将更新后的As提供给ATTs电路38。

将通常励磁时的ATTs电路38的输出即As·S0提供给减法器42，并在减法器42中减去通常励磁时的ADC34的输出即Is，且根据As·S0-Is＝Ib来计算出对应于速度感应电压的感应电流Ib。

即，S0是电动机施加电压，通过在S0上相乘比例因数As，从而检测没有感应电流时的电动机电流成分，因此通过从该成分中减去实际测量出的电动机电流，计算出感应电流Ib。

在减法器42中获得的感应电流Ib在放大器(AMP)44中被放大之后，在数字低通滤波器(D-LPF)46中去除高频噪声。从励磁定时生成器10向该数字低通滤波器46提供采样时钟。励磁速度是基于指令在励磁定时生成器10中生成的，通过该励磁定时生成器10生成采样时钟，从而能够根据励磁速度变更数字低通滤波器46的截止频率，并且能够设定为适当的值。

将数字低通滤波器46的输出提供给微分器(Div)48，从微分器48输出微分值Vb′。另外，通过微分器48进行的微分，相位超前90度。

将微分器48的输出提供给失步检测器50。还从励磁定时生成器10向该失步检测器50提供励磁速度信息，并且根据这些信息检测失步。

此外，将数字低通滤波器46的输出即Vb和微分器48的输出即Vb′输入到转速检测器60，在转速检测器60中检测并输出针对转数的FG信号。

并且，将数字低通滤波器46的输出即Vb和微分器48的输出即Vb′分别输入到过零检测电路70、72，检测各自的过零点，并将其检测结果输入到相位差检测器74。从励磁定时生成器10向该相位差检测器74提供针对彼此相位相差90度的两个励磁时刻的信号Tp0、Tz0和计数时钟CLK。之后，检测电动机施加电压与速度感应电压成分Vb、Vb′的相位差。

[感应电流Ib的计算]

这里，说明该感应电流Ib的计算。例如，以dq轴对PM同步电动机按一定转速旋转的恒定状态分析动作时，其电压方程式如下所示。

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Vd}\\ \mathrm{Vq}\end{array}\right)=r\left(\begin{array}{c}\mathrm{id}\\ \mathrm{iq}\end{array}\right)+\mathrm{\ω}\left(\begin{array}{c}-\mathrm{Lq}\·\mathrm{iq}\\ \mathrm{Ld}\·\mathrm{id}+\mathrm{\φm}\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中，Vd：d轴电压；Vq：q轴电压；r：定子绕组电阻；id：d轴电流；ia：q轴电流；ω：旋转角速度；Lq：q轴电感；Ld：d轴电感；

m：PM转子磁通量。

该式(1)的第二项是速度感应电压成分，若利用各成分对其进行改写，则变为(电动机的定子电流)＝(端子电压/定子线圈的直流电阻(DRC)成分)-(速度感应电压成分/定子线圈的DCR成分)。

若将上述改写后的式再改写，则变为(速度感应电压成分/定子线圈的DCR成分)＝(端子电压/定子线圈的直流电阻(DRC)成分)-(电动机的定子电流)。

即，式(1)的右边第一项是速度感应电力为零时的流过定子线圈的电流。

在定子为直流励磁状态即处于恒定状态时，没有电感DSE成分的影响，只通过DCR成分来决定与电动机施加电压相对应的电流。因此，从将直流励磁状态下检测出的直流电动机电流值(Idc)、和直流励磁状态下的直流施加电压值(Vdc)比例运算为相等时的比例因数(As)适用于电动机旋转运行时的端子电压值(S0)而生成的电流值Ss中减去电动机旋转时检测出的电流值(Is)，从而能够检测速度感应电压成分的感应电流值(iv)。

即，Ib＝As·S0-Is＝Ss-Is。其中，Vdc和S0的比例相同，即Sdc∶S0＝1∶1。另外，Ib是乘以1/DCR的标量的值，向量的方向表示速度感应电压成分(induced voltage element)。

速度感应电压成分并非限于图1记载的驱动控制电路，例如，也可以通过图11记载的驱动控制电路来进行检测。图11的驱动控制电路采用配置位置不同的ATTs电路38′来代替了图1中的ATTs电路38，不同点在于所检测的信号是速度感应电压。

ATTs电路38′是存储比例因数As且在从ADC34输出的Idc、Is上相乘该比例因数As的电路。比例运算时，根据As·Idc获得直流电动机电压Vdc，并在通常励磁时获得As·Is。

[感应电压Vb的计算]

这里，说明该感应电压Vb的计算。以dq轴分析动作时，可以用下式表示该电压方程式。

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Vd}\\ \mathrm{Vq}\end{array}\right)=R\left(\begin{array}{c}\mathrm{id}\\ \mathrm{iq}\end{array}\right)+\mathrm{\ω}\left(\begin{array}{c}-\mathrm{Lq}\·\mathrm{iq}\\ \mathrm{Ld}\·\mathrm{id}+\mathrm{\φm}\end{array}\right)---\left(2\right)$

$R=\left(\begin{array}{c}r+(d/\mathrm{dt})\mathrm{Ld}\\ r+(d/\mathrm{dt})\mathrm{Lq}\end{array}\right)---\left(3\right)$

该式(2)的第二项是速度感应电压成分，若利用各成分对其进行改写，则变为(电动机的定子电流)＝(端子电压/定子线圈的电阻成分R)-(速度感应电压成分/电阻成分R)。其中，电阻成分R是式(3)所示的成分。

若将上述改写后的式再改写，则变为(速度感应电压成分)＝(端子电压)-(电动机的定子电流·电阻成分R)

即，式(2)的右边第一项是速度感应电力为零时的流过定子线圈的电流。

定子在直流励磁状态即处于恒定状态时，没有电感DSE成分的影响，只通过电阻成分R来决定对于电动机施加电压的电流。因此，从端子电压值(S0)减去将直流励磁状态下检测出的直流电动机电流值(Idc)、和直流励磁状态下的直流施加电压值(Vdc)比例运算为相等时的比例因数(As)适用于电动机旋转运行时的电流Is而生成的值As、Is，从而能够检测速度感应电压V0。应用比例因数As时，优选进行具有作为直流增益的一次超前传递函数的滤波器处理。即，基于电动机定子的电感成分决定比例因数As。

[失步检测]

图2表示失步检测器50的结构。将来自励磁定时生成器10的励磁速度信息输入到可变判定阈值部52。可变判定阈值部52基于励磁速度决定判定连续时间和判定阈值，并提供给阈值未满连续判定部54。阈值未满连续判定部54根据Vb′在规定范围内停留一定时间以上的情况检测失步。

即，如图3所示，在Vb′的大小进入相对于零对称的阈值+和阈值-之间的情况下，作为阈值判定信号而产生H电平。并且，即使在设定的连续时间内，阈值判定信号保持H电平不变时，也将失步检测信号Se设为H电平。由于Vb′是速度感应电压成分即Vb的微分量，因此其振幅成分与转速成比例。另外，Vb′的频率与转数一致。因此，从励磁定时生成器10获得该时刻下的励磁速度信息，可变判定阈值部52将判定阈值以及反向连续时间决定为适当的值。

[转速检测]

在转速检测器60中，与电动机的旋转同步地，根据彼此相位相差90度的两个信号Vb、Vb′，生成转速信号FG。因此，分别向滞后比较器62、64输入Vb、Vb′。如图5所示，滞后比较器62、64具有相对于零对称的阈值+和阈值-，若超过阈值+，则输出H电平，若小于阈值-，则输出L电平。从滞后比较器62、64输出相位相差90度的判定信号A、B，并将这些信号输入给EX或电路66。因此，从EX或电路66获得频率为Vb、Vb′的两倍的FG信号。另外，阈值+、阈值-优选直接利用上述失步检测器50中所利用的信息。

[相位差检测]

相位差检测器74从Vb、Vb′的过零点检测驱动电压相位和速度感应电压的相位差。基于图6说明该动作。励磁定时生成器10为了对电动机20的两个线圈22、24进行相位相差90度的驱动，具有两个用于电动机施加电压控制的信号。换言之是Tp0和Tz0这两个信号，且是与电动机施加电压同步的频率为电动机施加电压的两倍的信号(与FG信号相同的频率)。另一方面，向相位差检测器74还提供针对Vb的过零点的信号Tz、针对Vb′的过零点的信号Tp。

并且，在相位差检测器74中具有两个计数器，对Tz0的下降沿到Tz的下降沿、Tp0的下降沿到Tp的下降沿进行计数。由此，在两个计数器中作为计数值而产生C0、C1，在该Tz、Tp的下降沿的时刻作为Cout0、Cout1而获得此时的计数值。

这里，由于检测电路具有偏置量，因此如上所述那样，从所获得的计数值Cout0、Cout1中减去规定的常数Pc，从而能够获得电动机施加电压和速度感应电力的相位差。

相对于电动机施加电压的速度感应电压的相位根据电动机施加电压而变动。向ATT电路14输出表示相位差检测电路74所输出的相位差信息的信号Pp、Pz。ATT电路14基于信号Pp、Pz进行振幅调整的处理。因此，通过将该速度感应电压的相位控制为适当的值，能够进行驱动电力的最佳化控制。

[其他实施方式]

图7表示其他实施方式。在该例中，具有用于检测H电桥驱动器18的输出即电动机施加电压的差动放大器80。因此，从该差动放大器80的输出获得直流施加电压Vdc、电动机施加电压S0。并且，基于减法器42的减法处理、Ib＝As·S0-Is和比较调整器40中检测的As都在模拟信号的状态下进行。

并且，将减法器42的输出经由放大器44被提供给ADC，将Ib转换为数字数据之后将其提供给后续的处理。

图8是与图1相对应的实施方式，在针对差动放大器30的输出的低通滤波器中采用由开关和电容构成的低通滤波器30a。开关和电容可根据其动作时钟来变更截止频率。因此，根据电动机驱动的频率，变更动作时钟，通常容易将截止频率控制为适当的值。

图9是对应于图7的实施方式，采用由开关和电容构成的低通滤波器30a、80a，作为差动放大器30、80的低通滤波器。

[H电桥驱动器18的结构]

图10表示H电桥驱动器18的一部分和电动机20的一个线圈22(24)的结构。

如上所述，在电源和地之间设有由两个晶体管Q1、Q2的串联连接构成的电臂、由两个晶体管Q3、Q4的串联连接构成的电臂，在晶体管Q1、Q2的中间点和晶体管Q3、Q4的中间点之间连接线圈22(24)。并且，通过使晶体管Q1、Q4导通、晶体管Q2、Q3截止，从而使一个方向的电流流过线圈22(24)，通过使晶体管Q1、Q4截止、晶体管Q2、Q3导通，从而使相反方向的电流流过线圈22(24)，驱动线圈22、24。

通过设置两个这种电路，从而可以分开单独控制提供给两个线圈22、24的电流。

[实施方式的效果]

如上所述，根据各实施方式，在稳定运行时，能够连续获得感应电流Ib。因此，根据获得的Ib，能够检测感应电流的相位。此外，由于电动机施加电压是已知的，因此若检测电动机施加电压和感应电流，则能够将步进电机的施加电压控制为适当的值，从而利用在步进电机的高效控制中。此外，通过检测相位差，也可进行超前角控制。而且，由于感应电流Ib的变化在规定以下，因此也能够检测失步。

此外，根据感应电流Ib(或速度感应电压Vb)和相位与其相差90度的Ib的微分Ib′(或Vb′)的逻辑运算，能够生成FG信号，根据该FG信号的计数，能够检测转速。

此外，两个线圈的相位差是已知的，通过比较针对两个线圈的Ib和Ib′，来确认两者位置如何，从而也能够检测转速。另外，在上述的实施方式中，使用了Vb、Vb′，而没有使用Ib、Ib′。但是，Ib、Ib′与Vb、Vb′是比例关系，且由于相位差检测、转速检测与振幅无关，因此能够进行同样的检测。另外，在Vb、Vb′上相乘As就能够获得Ib、Ib′。在放大器44中，进行该As的乘法运算而获得Vb。

Claims (5)

1.一种电动机驱动控制电路，其控制向同步电动机的线圈施加的施加电压，该电动机驱动控制电路的特征在于，具备：

电流检测器，其检测所述同步电动机稳定运行时的流过所述线圈的线圈电流；

电压检测器，其检测所述同步电动机稳定运行时的向所述线圈施加的施加电压；

乘法器，其在所述线圈电流或所述施加电压上相乘预先决定的比例因数；

感应电力检测器，其计算所述线圈电流的成分和所述施加电压的成分的差分来检测与所述同步电动机的感应电力对应的感应电力信号；和

控制器，其基于对应于所述感应电力的信号，控制向所述同步电动机施加的电压。

2.根据权利要求1所述的电动机驱动控制电路，其特征在于，

该电动机驱动控制电路还具备比例因数检测器，该比例因数检测器根据在所述同步电动机的非运行时检测出的施加电压和电动机电流之比，求出所述比例因数。

3.根据权利要求1所述的电动机驱动控制电路，其特征在于，

该电动机驱动控制电路还具备比例因数检测器，该比例因数检测器根据在所述同步电动机的非运行时检测出的施加电压和电动机电流之比、所述同步电动机的定子的电感成分，求出所述比例因数。

4.根据权利要求1所述的电动机驱动控制电路，其特征在于，

该电动机驱动控制电路还具备转速信号生成器，该转速信号生成器基于所述感应电力信号与其微分信号的逻辑运算，获得与所述同步电动机的转数对应的频率的转速信号。

5.根据权利要求1所述的电动机驱动控制电路，其特征在于，

所述控制器求出所述感应电力信号与所述施加电压的相位差，并基于求出的相位差来控制电动机的驱动。

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