CN1065689C - 无刷直流电机逆变器驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明为无刷d.c.电机提供了一种适合于向逆变器的开关元件提供PWM信号的逆变器驱动电路，其作用是降低制造成本，该电路包括一个通用的光耦合器，依靠其内部的光耦合来产生PWM信号；一个参考电压发生装置，用于产生参考电压信号；以及一个比较器，用于将来自通用的光耦合器的信号与来自参考电压发生装置的参考电压相比较，并且将比较结果作为开关元件驱动信号提供给适当的开关元件。

Description

无刷直流电机逆变器驱动电路
本发明涉及一种无刷d．c．电机，特别是涉及一种无刷d．c．电机的逆变器驱动电路，用于向逆变器的开关元件提供脉宽调制信号。
在不允许由于电机的电刷或是集电环(commutator)而产生危险的火花或电弧现象的某些应用场合，越来越普遍地采用了无刷d．c．电机。另外，在硬磁盘中也经常采用这种电机，这种场合绝对需要具有恒定的工作速度。
无刷d．c．电机具有一个永磁体的转子和一个用电气开关(electricalswitching)励磁的定子电枢绕组。电枢磁场的旋转是通过功率晶体管来实现的，利用功率晶体管来改变流经电枢绕组的电流的方向。
为了通过定子的电枢使永磁场与旋转磁场同步，在转子轴的***安装了一个位置传感器，以便保证能在适当的时间切换。
如果不使用位置传感器，也可以通过检测定子电枢绕组中感应的电压来检测转子位置。如图1所示，根据这种原理设计的无刷d．c．电机驱动器包括滤波装置1、整流装置2、电容器C、逆变器3、无刷d．c．电机4的转子位置检测装置5、控制装置6、逆变器驱动装置7、以及电源装置8。
滤波装置1的作用是消除从外部提供的220V，60Hz的A．C．电源中存在的噪声分量，并且向整流装置2输出滤波的A．C．电源，整流装置2对A．C．电源整流，产生逆变器3所需的相应的D．C．电源。
逆变器3包括多个开关元件Q1至Q6和多个二极管D1至D6，并且响应从逆变器驱动装置7输入的开关元件驱动信号来切换这些元件，向无刷d．c．电机4提供U，V和W相的3相电源。
转子位置检测装置5检测无刷d．c．电机各相线圈中感应的电压，从而检测出转子的位置。
控制装置6在用户的控制下工作，切换各个开关元件Q1至Q6，用于控制电机的起动、运行、及其速度。为此，控制装置6需要响应转子位置检测装置5的输出，产生用于切换各个开关元件Q1至Q6的开关元件驱动信号，并且将这些信号输出到逆变器驱动装置7。
逆变器驱动装置7将控制装置6输出的开关元件驱动信号提供给各个开关元件Q1至Q6，用于切换这些元件。
电源装置8对通过滤波装置1输入的A．C．电源进行变压和整流，把由此产生的电源分配给控制装置6和逆变器驱动装置7，作为其驱动电源VDC1到VDC3。
在图中2中表示了逆变器驱动装置7的具体电路结构，在图中表示了与U相有关的开关元件的驱动原理，但是这种原理同样适用于与V和W相有关的其他开关元件。
逆变器驱动装置7的结构如图2所示，在图中仅仅表示了与U相有关的开关元件Q1，Q2的驱动原理，但是这种原理同样适用于与V和W相有关的其他开关元件。
具体地说，图2中的逆变器驱动部分7是由通用的光耦合器(general-purpose photo-coupler)PC1和高速开关(high speed switching)光耦合器PC2构成的。通用的光耦合器PC1的作用是利用其内部的光耦合把自控制装置6的低频的开关元件驱动信号提供给第一开关元件Q1(或是PNP型功率晶体管)的基极端，以便在换相时切换开关元件Q1。
高速开关光耦合器PC2从控制装置6接收高频的开关元件驱动信号，或是脉宽调制信号，信号的接收可以通过其内部的光耦合来完成，经过对其整形之后将其提供给第二开关元件Q2的基极端。这种信号可以切换第二开关元件Q2(或是NPN型功率晶体管)，以便向无刷d．c．电机的定子电枢绕组提供电源。
电源装置8分别向控制装置6、通用的光耦合器PC1和高速开关光耦合器PC2提供用于驱动的各种电源电压DCV1、DCV2和DCV3。
图中的符号R1至R4和D1，D2分别表示电阻和二极管。
对于上述的无刷d．c．电机，逆变器3中的上或下开关元件都可以由向其提供的作为驱动信号的PWM信号进行高速切换，从而向电机提供电源，为了控制电机的起动和速度，需要改变PWM信号的脉冲宽度。
与电机的电源分离的PWM信号需要采用光耦合器向适当的开关元件提供信号。用于驱动开关元件，即，用于改变相位的低频信号可以通过通用的光耦合器PC1提供给有关的开关元件，但是必须采用高速开关光耦合器来防止通过高速开关光耦合器的信号发生畸变，这是因为为了避免可听见的噪声采用了20KHz的高频信号。
在现有技术的逆变器中，每一相需要采用多个高速开关耦合器，但是这种光耦合器价格很高。因此而阻碍了高速开关光耦合器在无刷d．c．电机器的应用。
本发明的目的就是提供一种逆变器驱动电路，在其中即使采用通用的光耦合器也能向开关元件提供信号。
上述的目的是这样实现的，即在无刷d．c．电机上采用一种适合于向逆变器的开关元件提供PWM信号的逆变器驱动电路，该电路包括：
一个通用的光耦合器，依靠其内部的光耦合来产生PWM信号；
一个参考电压发生装置，用于产生参考电压信号；以及
一个比较器，用于将来自通用的光耦合器的信号与来自参考电压发生装置的参考电压相比较，并且将比较结果作为开关元件驱动信号提供给适当的开关元件。
通过以下参照附图对实施例的说明可以看出本发明的其他目的和特点。
图1是惯用的无刷d．c．电机驱动器的示意图；
图2表示图1中的逆变器驱动电路的详细电路图；
图3表示按照本发明的逆变器驱动电路；
图4是一个电机的工作波形图，表示开关元件的各种驱动信号和提供给各个相的电压；以及
图5是按照本发明的逆变器驱动电路的波形图。
以下将结合附图详细说明本发明的最佳实施例。
图3是按照本发明的一个逆变器驱动电路的详细电路图。在图中仅仅表示了与U相有关的开关元件Q1，Q2的驱动电路，但是这样的电路结构和与V，W相位有关的其他开关元件的该电路结构是相同的。
最佳实施例的逆变电器电路包括第一通用的光耦合器12，第二通用的光耦合器14，参考电压发生部分16，以及一个比较器。
第一通用的光耦合器12被用于从控制装置6向在换相时需要切换的第一开关元件Q1(或是PNP型功率晶体管)的基极端提供换相的低频信号，信号是通过第一光耦合器12内部的光耦合来传送的。
与第一元件12具有相同工作原理的第二通用的光耦合器14从控制装置6向比较器18的反向端(一)提供用于换相的高频信号或是脉宽调制信号。
参考电压发生部分16包括电阻R15，R16，用于将从外部电源提供的电压VDC3分压为一定的电平，并且将分压的电压提供给比较器18的同向端(+)，以及一个电容C11，用于稳定提供给上述比较器18的同向端(+)的参考电压。
比较器18将第二通用的光耦合器14的输出电压与参考电压发生部分16输入的参考电压相比较，如果第二通用的光耦合器14的输出电压电平高于参考电压，就向逆变器3的第二开关元件Q2的基极端输出低电平信号，否则，上述基极端就从比较器18接收高电平信号。
在集电极开路式(open-collector type)的结构中，来自比较器18的输出信号在此时就被提供给逆变器3的第二开关元件Q2的基极端。
参考符号R11至R17代表电阻，而DCV1至DCV3表示各个电源，分别用于驱动控制装置6，第一和第二通用的光耦合器和比较器。
以下将参照附图说明按本发明用于无刷d．c．电机的逆变器驱动电路的工作方式。
如图1所示，无刷d．c．电机的驱动器中的逆变器(3)包括6个开关元件Q1至Q6，它们的开关操作产生提供给电机4的定子电枢绕组的3相电源U，V和W，以便使电机4转动。
如果向上侧开关元件Q1，Q3和Q5的基极端提供延迟的驱动信号，电机就能连续转动，其中的延迟量是通过检测其他相没有供电的绕组中感应的电压来确定的，并且在感应电压变为′0′电平之后使其延迟30度电角度(electricangle)。
如图4所示，在0度到60度周期期间，为了完成换相，把用于驱动开关元件的低频脉冲提供给第五开关元件Q5的基极端并且将用于驱动开关元件的高频PWM信号提供给第四开关元件Q4的基极端。被驱动的两个开关元件导通使电流流经W相和V相，导致电机转动。同时，在U相中感应出电压，由于永磁体制成的转子的转动，该电压从负区域通过零增加到正区域。
图1所示的转子位置检测装置5检测出U相中感应出的一定电压，并且向控制装置6报告被测感应电压过零的时间。控制装置6随后输出一个延迟30度的信号，以便执行换相。
第四和第一开关元件Q4和Q1分别被关断和导通，这样就使电流能流经U相和V相，与电机的转动位置相对应，这样就能使电机连续转动。
第一通用的光耦合器12被用于从控制装置6向在换相时需要切换的U相的第一开关元件Q1的基极端提供低频信号，信号是通过第一光耦合器12内部的光耦合来传送的。
为了切换U相下侧的开关元件Q2，利用第二通用的光耦合器14内部的光耦合将来自控制装置6的高频开关元件驱动信号或是PWM信号提供给比较器18的反向端(-)。
由于用于驱动开关元件并且仅仅是用于执行换相的信号是低频信号，第一开关元件Q1在通过通用的光耦合器向逆变器3中的第一开关元件提供驱动信号时有可能是导通或是关断的。然而，在切换第二开关元件Q2时不能使用通用的光耦合器的输出，在此时提供给第二开关元件Q2的PWM信号是高频信号。
如图5所示，如果从控制装置6中输出高频的PWM信号S1，特别在其占空比较小时，通用的光耦合器固有的延迟特性会在来自第二通用的光耦合器14的输出信号S2中形成上升时间和下降时间Tf和Tr。因此，这一信号甚至会在PWM信号降到′低′电平之前再次上升到′高′电平。如果这一信号被提供给第二开关元件Q2，该所加信号就会使其连续导通，这样就必然会再生出第二通用的光耦合器14的输出信号。
构成参考电压发生装置16的用于对外部电源VDC3分压的电阻R15，R16产生的参考电压S3被提供给比较器18的同向端(+)，而参考电压发生装置16中的电容C11可以稳定提供给比较器18同向端(+)的参考电压。
在比较器18中对第二通用的光耦合器14的输出电压和从参考电压发生装置16输入的参考电压进行比较，根据比较结果向第二开关元件Q2输出驱动信号S4。
如果来自第二光耦合器14的电压电平高于参考电压电平，就向第二开关元件Q2的基极端输出′低′电平信号，否则，这一端就接收高电平信号。
通过调节电阻R15，R16的电阻值可以改变上述参考电压，从而获得适当的电平调节。为了获得所需的参考电压电平，电阻值的改变可以根据PWM信号的占空比来确定，使得比较器18可以通过第二开关元件Q2的适当通／断次数来输出与上述PWM信号相同的信号。
显然还可以用可变电阻来代替电阻R15，R16。
另外，比较器18的输出信号S4是一种集电极开路式(open-collectortype)信号，其输出被提供给第二开关元件Q2的基极端，并且具有图5所示的固定延迟时间td。
然而，很小的延迟时间td对第二开关元件Q2的驱动定时没有影响。
另外，第二开关元件Q2的发射极端接收图5所示的比较器18的输出信号S4。
根据上述说明，本发明大大降低了设备所需的成本，可以使用通用的光耦合器向逆变器中的开关元件提供PWM信号，优于需要使用高速开关光耦合器的现有技术。

Claims (3)

1、一种用于无刷d．c．电机的逆变器驱动电路，适合于向逆变器的开关元件提供PWM信号，该电路包括：
一个通用的光耦合器，依靠其内部的光耦合来产生PWM信号；
一个参考电压发生装置，用于产生参考电压信号；以及
一个比较器，用于将来自通用的光耦合器的信号与来自参考电压发生装置的参考电压相比较，并且将比较结果作为开关元件驱动信号提供给适当的开关元件。
2、按照权利要求1的电路，其中，该参考电压发生装置包括：
用于将外部提供的电压分压的电阻，并且将分压的电压提供给比较器作为参考电压；以及
一个电容，用于稳定通过电阻提供给比较器的所述参考电压。
3、按照权利要求1的电路，其中，该比较器的结构可以利用集电极开路线路结构产生开关元件驱动信号。
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