CN107302326A - 马达驱动***和方法、以及具备该***的小功率电动设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及马达驱动***和方法、以及具备该***的小功率电动设备。该***包括：电源；经由开关元件从所述电源供电的马达；以及向所述开关元件输出PWM脉冲信号以控制其通断从而驱动所述马达的控制单元；所述控制单元形成为使所述PWM脉冲信号的占空比从预设的驱动开始时的初始占空比根据规定的变化率改变至正常工作时的目标占空比的结构，其中，所述初始占空比、所述变化率以及所述目标占空比基于所述电源的电压进行设定。采用本发明能够避免马达的电压，电流，以及声音等发生突变。

Description

马达驱动***和方法、以及具备该***的小功率电动设备
技术领域
本发明涉及一种用于对马达进行驱动控制的马达驱动***和方法、以及具备该马达驱动***的小功率电动设备。
背景技术
现有的小功率电动设备，例如电动牙刷、电动剃须刀等美容或生活小家电，通常以电池作为电源，通过该电源向马达供电，由马达驱动被驱动部转动。以电动牙刷为例，通常可通过作为电源的二次电池向马达供电以驱动马达，进而由马达带动作为被驱动部的电动牙刷刷头转动。
目前，适用于上述小功率电动设备的马达驱动***通常形成为图3所示的结构。如图3所示，在该马达驱动***中，以电池为电源，作为控制单元的微机通过控制与直流马达串联的晶体管，对直流马达进行驱动控制。
在该马达驱动***的运行过程中，直流马达在启动时如果是直接强启动，会产生远超于马达额定电流的冲击电流，这种过大的启动电流会引起电源电压突然降低，将对电源内部结构造成破坏。此外，马达绕组会由于过热而损坏或使过流保护装置动作，切断电源，不能启动。此外，直流马达因冲击电流产生的启动转矩会对马达及所驱动的部件造成电气和机械损伤，造成机械传动部件的非正常磨损，因此会加速设备老化，缩短设备的使用寿命。
为了避免马达直接强启动产生的大冲击电流对电源、马达和马达所驱动的部件造成损坏。目前，在启动马达时，采用了软启动的方式。即、微机通过输出的PWM波控制晶体管的导通或关断，从而来控制马达的转速，占空比越大马达转速越高。
具体而言，在软启动过程中，驱动开始时微机根据程序里面已经设定好的软启动方式，进行驱动。软启动的初始占空比，目标占空比（一般设定正常工作时的占空比为目标占空比），占空比变化周期变化值（即变化率，例如：占空比变化周期可设为+1％/1s，表示1s增加1％，1s为占空比变化周期，+1％为占空比变化值）都是固定的。在对马达进行该软启动时，如图4所示，当用户按下开关时，微机会缓慢增大占空比，一直达到目标值，该过程中马达的转速会随着占空比增大而增大。
现有的小功率电动设备的马达驱动***往往采用上述软启动模式+正常工作模式相结合的形式进行工作。即，按下开关后进入到软启动模式，软启动结束后进入到正常工作模式。而正常工作模式采用的是所谓的马达定电压控制，即在正常工作状态下通过微机输出的PWM波，来保持马达两端电压不变。以镍氢电池为例，正常工作状态下电池电压为1.0V-1.5V。如果想要保持马达两端的电压在1.2V，即电池电压大于1.2V时，微机通过输出PWM波，来保证马达两端电压1.2V。
但是，如果沿用现有的上述软启动技术，即设定软启动的开始占空比，目标占空比，占空比变化周期都是固定的，则在软启动模式与正常工作模式之间切换（即软启动结束进入正常工作状态）时，如图5所示，目标占空比≠正常驱动占空比，此时会发生占空比突变，容易引起马达的电压，电流，以及声音的突变，由此降低了电动设备的品质。
发明内容
鉴于以上存在的问题，本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够避免马达的电压，电流，以及声音等发生突变的马达驱动***和方法、以及具备该马达驱动***的小功率电动设备。
为了解决上述技术问题，一方面，本发明提供了一种马达驱动***，包括：电源；经由开关元件从所述电源供电的马达；以及向所述开关元件输出PWM脉冲信号以控制其通断从而驱动所述马达的控制单元；所述控制单元形成为使所述PWM脉冲信号的占空比从预设的驱动开始时的初始占空比根据规定的变化率改变至正常工作时的目标占空比的结构，其中，所述初始占空比、所述变化率以及所述目标占空比基于所述电源的电压进行设定。
根据本发明，控制单元使输出的PWM脉冲信号的占空比从预设的驱动开始时的初始占空比根据规定的变化率改变至正常工作时的目标占空比，且由于用于进行软启动的初始占空比、占空比变化率以及目标占空比都可基于电源的电压进行设定，从而可以在软启动过程中基于该电源的电压调节占空比，以便在软启动模式与正常工作模式之间切换（即软启动结束进入正常工作状态）时使目标占空比等于正常驱动占空比。此时马达的电压，电流，声音等等不会发生突变，由此可提升产品品质。
本发明中，所述电压可由所述控制单元进行检测。
根据本发明，控制单元可形成为对电源的电压进行检测的结构，从而有利于基于检测到的该电压设定初始占空比、占空比变化率以及目标占空比。
优选地，本发明中，所述开关元件可为与所述马达串联的晶体管，所述控制单元向所述晶体管的控制输入端输出所述PWM脉冲信号。
根据本发明，控制单元可向晶体管的控制输入端输出PWM脉冲信号，控制该晶体管的导通或断开，以将来自电源的电压以脉冲形式供应给马达，从而可有效地控制马达的转速。
优选地，本发明中，所述电源可为二次电池。
另一方面，本发明还提供了一种使用上述马达驱动***进行驱动的方法，包括：电源经由开关元件向马达供电；通过控制单元向所述开关元件输出PWM脉冲信号以控制其通断从而驱动所述马达；所述控制单元将所述PWM脉冲信号的占空比设定为从预设的驱动开始时的初始占空比根据规定的变化率改变至正常工作时的目标占空比，其中，所述初始占空比、所述变化率以及所述目标占空比基于所述电源的电压进行设定。
在本发明的上述方法中，所述电压可由所述控制单元进行检测。
此外，本发明还提供了一种小功率电动设备，包括：由马达驱动的被驱动部和上述马达驱动***。
采用上述马达驱动***的小功率电动设备，在采用软启动模式+正常工作模式相结合的形式进行工作时，在软启动模式与正常工作模式之间切换（即软启动结束进入正常工作状态）时目标占空比等于正常驱动占空比。因此，马达的电压，电流，声音等等不会发生突变，由此提升了此类小功率电动设备的品质。
根据下述具体实施方式并参考附图，将更好地理解本发明的上述内容及其它目的、特征和优点。
附图说明
图1为根据本发明一实施形态的马达驱动***的结构示意图；
图2为示出采用图1所示马达驱动***的占空比变化的示意图；
图3为现有的马达驱动***的结构示意图；
图4为现有的马达驱动***的工作原理图；
图5为示出采用图3所示现有马达驱动***的占空比变化的示意图；
附图标记：
1、电源；
2、晶体管；
3、马达；
4、微机；
5、充电电路；
6、微机供电电路；
7、开关。
具体实施方式
以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
针对现有技术中采用软启动驱动马达时存在的模式切换时马达电压，电流，以及声音等会发生突变的问题。本发明提供了一种马达驱动***，包括：电源；经由开关元件从所述电源供电的马达；以及向所述开关元件输出PWM脉冲信号以控制其通断从而驱动所述马达的控制单元；所述控制单元形成为使所述PWM脉冲信号的占空比从预设的驱动开始时的初始占空比根据规定的变化率改变至正常工作时的目标占空比的结构，其中，所述初始占空比、所述变化率以及所述目标占空比基于所述电源的电压进行设定。
并且，本发明还提供了一种使用上述马达驱动***进行驱动的方法，包括：电源经由开关元件向马达供电；通过控制单元向所述开关元件输出PWM脉冲信号以控制其通断从而驱动所述马达；所述控制单元将所述PWM脉冲信号的占空比设定为从预设的驱动开始时的初始占空比根据规定的变化率改变至正常工作时的目标占空比，其中，所述初始占空比、所述变化率以及所述目标占空比基于所述电源的电压进行设定。
根据本发明的***及方法，控制单元使输出的PWM脉冲信号的占空比从预设的驱动开始时的初始占空比根据规定的变化率改变至正常工作时的目标占空比，且由于用于进行软启动的初始占空比、变化率以及目标占空比都是基于电源的电压进行设定，从而可以在软启动过程中基于电源的电压调节占空比，以便在软启动模式与正常工作模式之间切换（即软启动结束进入正常工作状态）时使目标占空比等于正常起动占空比。此时马达的电压，电流，声音等等不会发生突变，由此可提升产品品质。
以下，结合本发明的优选实施形态进一步详细说明。图1示出了根据本发明一实施形态的马达驱动***的结构示意图。如图1所示，本实施形态中，马达驱动***可包括电源1，该电源1可以是可充电的二次电池。该电源1可通过与其相连的充电电路进行充电。该电源1经由开关元件对马达3供电。开关元件可为与马达3串联的晶体管2。在本实施形态中，该晶体管2可为三极管，但本发明不限于此，也可以采用场效应管。
具体地，如图1所示，本实施形态中，马达3的一端可连接于电源1的正极，而另一端可连接于晶体管2的集电极端子。晶体管2的发射极端子可连接于电源1的负极。由此，马达3可经由晶体管2与电源1串联。
还如图1所示，该马达驱动***还包括与作为开关元件的晶体管2的基极端子相连的控制单元4，该控制单元4向晶体管2的基极端子输出PWM脉冲信号以控制该晶体管2的通断从而驱动马达3。当有电压信号从控制单元4提供给晶体管2的基极端子时，马达3由电源1供电。上述控制单元4可由微机构成。
此外，还如图1所示，电源1还可连接至用于对作为控制单元4的微机进行供电的微机供电电路6。该微机供电电路6例如可包括提高由电源1提供的供电电压的增压器电路等。另外，该马达驱动***还包括可由用户操作以开始对马达进行驱动的开关7。
在本实施形态的马达驱动***中，在对马达3进行软启动时，上述控制单元4可形成为使向晶体管2输出的PWM脉冲信号的占空比（即后述晶体管2的驱动占空比）从预设的驱动开始时的初始占空比根据规定的变化率改变至正常工作时的目标占空比的结构。且上述初始占空比、变化率以及目标占空比可基于电源1的电压进行设定。在本实施形态中，优选地，电源1的电压可由该控制单元4进行检测。
根据上述马达驱动***，从驱动开始后经过一定时间缓慢地改变晶体管2的驱动占空比，使该驱动占空比从预设的驱动开始时的初始占空比达到正常工作时的目标占空比后即完成此次软启动。由于用于进行软启动的初始占空比、变化率以及目标占空比都可基于电源1的电压进行设定，从而可以在软启动过程中基于该电源1的电压调节占空比，以便在软启动模式与正常工作模式之间切换（即软启动结束进入正常工作状态）时使目标占空比等于正常驱动占空比。
图2为示出采用图1所示马达驱动***的占空比变化的示意图。如图2所示，例如，可在驱动开始前，首先通过控制单元4检测电源1的电压，进而可基于该检测到的电压设定初始占空比、目标占空比和占空比变化率（例如占空比变化周期变化值）。随后，在驱动开始时，使晶体管2的驱动占空比如图2所示逐渐增加，在经过一定时间进入正常工作模式后，使该晶体管2的驱动占空比达到正常工作时的目标占空比。如图2所示，此时目标占空比等于正常驱动占空比，因此马达的电压，电流，声音等等不会发生突变。
虽然图2示出了晶体管2的驱动占空比从预设的驱动开始时的初始占空比逐渐增加至正常工作时的目标占空比的情况。但本发明不限于此，在上述驱动占空比的实际调节过程中，也可能存在驱动占空比超出目标占空比的情况。假设驱动占空比超出了目标占空比，则可基于根据电源电压所设定的目标占空比，下降调节驱动占空比的数值，以将驱动占空比改变至目标占空比。
此外，图2示出了驱动占空比以规定的斜率进行变化，但本发明也不限于此，也可以基于所检测的电源电压，将占空比的变化率设定为在某一区域停止增加数秒后再增加，最终在软启动模式与正常工作模式之间切换时使驱动占空比达到目标占空比。
进一步地，控制单元4对于电源电压的检测可以在驱动开始前进行，从而可基于该驱动开始前检测到的电压设定初始占空比、变化率以及目标占空比。但是，也可以在达到目标占空比之前的任意时间都对电源1的电压进行检测，即可以将目标值以前的任一电压区域都能作为基础值，来设定占空比变化率以及目标占空比。
以下，以电动牙刷为例，进一步详细说明具备本发明的马达驱动***的小功率电动设备的示例工作过程。
电动牙刷可采用二次电池作为电源，该电动牙刷包括用于容纳马达和电池的壳体，马达由电池供电以驱动，从而带动刷头运动。
当用户按下开关后，微机开始进行电池电压的检测，根据电池电压决定软启动的形式，即基于检测到的电池电压设定软启动的初始占空比，目标占空比，占空比变化周期变化值。然后驱动开始，即进入到软启动状态，在软启动状态下通过缓慢增大晶体管的驱动占空比，达到目标占空比后即完成此次的软启动，随后进入正常工作模式。
由于初始占空比、变化率以及目标占空比都是基于电池电压进行设定，从而可以在软启动过程中基于检测到的该电池电压调节占空比，以便在软启动模式与正常工作模式之间切换时使目标占空比等于正常驱动占空比。此时马达的电压，电流，声音等等不会发生突变，由此可提升电动牙刷的品质。
此外，本发明的马达驱动***不限于上述电动牙刷，可适用于各类小功率电动设备，例如电动剃须刀等美容或生活小家电。
在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。

Claims (7)

1.一种马达驱动***，其特征在于，包括：
电源；
经由开关元件从所述电源供电的马达；以及
向所述开关元件输出PWM脉冲信号以控制其通断从而驱动所述马达的控制单元；
所述控制单元形成为使所述PWM脉冲信号的占空比从预设的驱动开始时的初始占空比根据规定的变化率改变至正常工作时的目标占空比的结构，其中，所述初始占空比、所述变化率以及所述目标占空比基于所述电源的电压进行设定。
2.根据权利要求1所述的马达驱动***，其特征在于，所述电压由所述控制单元进行检测。
3.根据权利要求1所述的马达驱动***，其特征在于，所述开关元件为与所述马达串联的晶体管，所述控制单元向所述晶体管的控制输入端输出所述PWM脉冲信号。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的马达驱动***，其特征在于，所述电源为二次电池。
5.一种使用根据权利要求1至4中任一项所述的马达驱动***进行驱动的方法，其特征在于，包括：
电源经由开关元件向马达供电；
通过控制单元向所述开关元件输出PWM脉冲信号以控制其通断从而驱动所述马达；
所述控制单元将所述PWM脉冲信号的占空比设定为从预设的驱动开始时的初始占空比根据规定的变化率改变至正常工作时的目标占空比，其中，所述初始占空比、所述变化率以及所述目标占空比基于所述电源的电压进行设定。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述电压由所述控制单元进行检测。
7.一种小功率电动设备，包括：由马达驱动的被驱动部和根据权利要求1至4中任一项所述的马达驱动***。
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