CN204633649U - 软开关控制模块以及直流无刷电机驱动*** - Google Patents
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Abstract
一种软开关控制模块以及直流无刷电机驱动***，包括：ADJ控制单元与延时单元及比较器相连，以获取直流无刷电机的转速信号并根据转速信号获取调速信号输入至比较器第一输入端，同时根据调速信号分别获取软开关电流下降、上升时间传至延时单元；OSC振荡器与比较器相连，以产生预设周期的锯齿波信号输入至比较器第二输入端；延时单元与逻辑单元相连，以将获取的至少一功率开关管的开关控制逻辑信号延时软开关电流下降或上升时间；比较器与逻辑单元相连，以比较调速信号和锯齿波信号产生PWM波形；逻辑单元与驱动单元相连，以根据延时单元与比较器的输出调制驱动单元；驱动单元与功率开关管相连，以控制其软开关。本实用新型实现超低噪声和EMI，避免了效率下降。
Description
技术领域
本实用新型涉及直流无刷电机驱动技术领域，尤其涉及一种应用于直流无刷电机驱动电路的渐变占空比软开关控制模块以及直流无刷电机驱动***。
背景技术
在直流无刷电机驱动电路的设计中，对于单向的电机驱动，只要用一个大功率三极管或场效应管或继电器直接带动电机即可；对于双向的电机驱动，可以使用由4个功率元件组成的H桥电路或者使用一个双刀双掷的继电器；如果需要调速，可以使用三极管、场效应管等开关元件实现PWM(脉冲宽度调制)调速。
参考图1，一种典型的直流无刷单相电机驱动电路的简化示意图。如图1所示，电机(示意图中简化为电感Motor)连接在由4个功率开关S1-S4组成的功率逆变器的输出A点和B点之间，通过控制逆变器H桥臂四个功率开关来改变电机电流方向。当S1和S4导通，S2和S3断开时，电机电流分别从A端流向B端；当S1和S4断开，S2和S3导通时，电流从B端流向A端。换相时四个功率开关的动作顺序不同会产生不同的电流波形。下面以从电流A到B换相到电流B到A的过程为例，给出传统开关以及改进型开关的电流示意图。
参考图2，传统开关换相时电流示意图。传统开关的开关顺序为：S1、S4均导通→S1、S4均断开→死区→S2、S3均导通；在死区时间内，四个开关均断开。由于电机电感的续流效应，电流将通过S2和S3的寄生二极管续流，如图2所示。此时A端电压约为-Vdio，B端电压约为Vbus+Vdio，电感Motor两端电压差很大VAB＝-(Vbus+2Vdio)，换相时电流急剧下降，因此也称为快速开关。其缺陷是电流变化太快，造成噪声和EMI(Electro Magnetic Interference电磁干扰)。
参考图3，一种改进型开关换相时电流示意图。改进型开关的开关顺序为：S1、S4均导通→S1导通、S4断开→死区1→S2断开、S3导通→死区2→S2、S3均导通。在死区1中，电感Motor两端电流下降；在死区2中，电感Motor两端电流上升。如图3所示，在死区1中，电流通过S3的寄生二极管续流；A端电压为Vbus，B端电压为Vbus+Vdio，电感Motor两端电压差很小VAB＝-Vdio，主要靠电机本身的反生电动式来减小电流，因此也称为慢速开关。其优点是电流变化慢，噪声小；其缺点是电流线性变化，死区时间固定，对于不同电流和转速的电机存在效率下降的问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于，针对现有技术中直流无刷单相电机驱动电路存在的问题，提供一种软开关控制模块以及直流无刷电机驱动***，实现渐变占空比软开关，在换相过程中电流非线性缓慢变化，波形更加平滑，实现超低噪声和EMI。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种软开关控制模块，适用于直流无刷电机驱动***，所述直流无刷电机驱动***包括直流无刷电机以及至少一功率开关管，软开关控制模块包括：一ADJ控制单元、一OSC振荡器、一延时单元、一比较器、一逻辑单元以及一驱动单元；所述ADJ控制单元分别与所述延时单元以及比较器相连，用于获取直流无刷电机的转速信号，并根据所述转速信号获取调速信号后输入至所述比较器的第一输入端，同时根据所述调速信号分别获取软开关电流下降时间和软开关电流上升时间并传输至所述延时单元；所述OSC振荡器与所述比较器相连，用于产生预设周期的锯齿波信号，并输入至所述比较器的第二输入端；所述延时单元与所述逻辑单元相连，用于将获取到的所述至少一功率开关管的开关控制逻辑信号延时所述软开关电流下降时间或软开关电流上升时间后输入至所述逻辑单元；所述比较器与所述逻辑单元相连，用于比较所述调速信号和锯齿波信号产生占空比可调的PWM波形，并输入至所述逻辑单元；所述逻辑单元与驱动单元相连，用于根据所述延时单元与比较器的输出调制所述驱动单元；所述驱动单元与所述至少一功率开关管相连，用于控制所述至少一功率开关管的软开关。
为实现上述目的，本实用新型还提供了一种直流无刷电机驱动***，包括一直流无刷电机以及至少一功率开关管，所述至少一功率开关管电学连接所述直流无刷电机，通过控制所述至少一功率开关管来改变所述直流无刷电机电流方向，所述直流无刷电机驱动***包括本实用新型所述的软开关控制模块；所述软开关控制模块中的所述ADJ控制单元耦接至所述直流无刷电机的位置传感器，以根据所述位置传感器的位置输入信号获取直流无刷电机的转速信号；所述软开关控制模块中的所述延时单元耦接至所述直流无刷电机的位置传感器，以根据所述位置传感器的位置输入信号获取所述至少一功率开关管的开关控制逻辑信号；所述软开关控制模块中的所述驱动单元电学连接所述至少一功率开关管，以控制所述至少一功率开关管的软开关。
本实用新型的优点在于：本实用新型提供的直流无刷电机驱动***实现了渐变占空比软开关，在换相过程中电流非线性缓慢变化，波形更加平滑，实现超低噪声和EMI。同时，换相时间随电机转速变化，转速越快，时间越短，从而避免了效率下降。
附图说明
图1，一种典型的直流无刷单相电机驱动电路的简化示意图；
图2，传统开关换相时电流示意图；
图3，一种改进型开关换相时电流示意图；
图4，本实用新型所述的直流无刷电机驱动***一实施方式的示意图；
图5，本实用新型所述的ADJ控制单元一实施方式的示意图；
图6，本实用新型所述的直流无刷电机驱动***一实施例所示开关换相时电流示意图；
图7为图6所述实施例各个节点的工作波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型提供的软开关控制模块以及直流无刷电机驱动***做详细说明。
参考图4，本实用新型所述的直流无刷电机驱动***一实施方式的示意图。所述直流无刷电机驱动***包括一直流无刷电机(图中以位置传感器49示意直流无刷电机)以及至少一功率开关管，所述至少一功率开关管电学连接所述直流无刷电机，一软开关控制模块40。所述直流无刷电机可以为单相/三相直流无刷电机；通过控制所述至少一功率开关管来改变所述直流无刷电机电流方向；所述软开关控制模块40用以控制所述至少一功率开关管的软开关。通过渐变占空比软开关调制逐渐关闭/打开所述至少一功率开关管，让直流无刷电机电流平滑缓慢变化，实现超低噪声和EMI。本实施方式以控制一外置于软开关控制模块40的功率开关管M1的软开关为例进行说明，所述功率开关管M1可以为直流无刷电机驱动***中上桥臂或下桥臂的功率开关，所述功率开关管M1可以采用NOMS，PMOS或者其他功率开关；在其它实施方式中所述功率开关管M1也可以内置于软开关控制模块40中。
所述软开关控制模块40包括：一ADJ控制单元41、一OSC振荡器42、一延时单元43、一比较器44、一逻辑单元45以及一驱动单元46。
所述ADJ控制单元41分别与所述延时单元43以及比较器44相连，用于获取直流无刷电机的转速信号，并根据所述转速信号获取调速信号后输入至所述比较器44的第一输入端，同时根据所述调速信号分别获取软开关电流下降时间和软开关电流上升时间并传输至所述延时单元43。
具体可以为：所述ADJ控制单元41耦接至所述直流无刷电机的位置传感器49，以根据所述位置传感器49的位置输入信号Pos[n:0]获取直流无刷电机的转速信号Speed[m:0]，其中n，m为两个不同变量。所述ADJ控制单元41根据所述转速信号，按照相应斜率将输入的ADJ直流电压下降到调速范围内的最小占空比电压，之后以同样的斜率从最小占空比电压上升到所述ADJ直流电压，并将该斜率信号作为调速信号Adj_Ramp输入至所述比较器的第一输入端；同时，获取按照相应斜率将输入的ADJ直流电压下降到最小占空比电压所需时间作为软开关电流下降时间Phase1，获取按照相应斜率从最小占空比电压上升到所述ADJ直流电压所需时间作为软开关电流上升时间Phase2，并传输至所述延时单元43。本实用新型所述的ADJ控制单元41在常规ADJ调速的基础上，根据不同的位置输入信号，以相应的斜率在软开关阶段把输入的ADJ直流电压降低到调速范围内的最小占空比电压VL，然后以同样的斜率恢复到原始输入的ADJ直流电压。该斜率由获取的转速信号决定，转速越快，斜率越大，电压上升或下降速度越快。
参考图5，本实用新型所述的ADJ控制单元一实施方式的示意图；作为可选的实施方式，所述ADJ控制单元41进一步包括一钳位子单元Clamp、充电电容C0、电流漏Idc1、第一比较子单元CMP1、电流源Idc2以及第二比较子单元CMP2。所述钳位子单元Clamp通过一第一子开关S51连接充电电容C0，用于将输入的ADJ直流电压钳位到调速范围内的最大占空比电压Vclamp。所述电流漏Idc1一端接地，另一端通过一第二子开关S52分别连接至第一比较子单元CMP1的正向输入端以及第二比较子单元CMP2的正向输入端；第一比较子单元CMP1的负向输入端接调速范围内的最小占空比电压VL，第二比较子单元CMP2的负向输入端接所述最大占空比电压Vclamp。所述电流源Idc2一端与外部电源VDC相连，另一端通过一第三子开关S53分别连接至第一比较子单元CMP1的正向输入端以及第二比较子单元CMP2的正向输入端。
软开关控制的实现的方式是：首先将输入的ADJ直流电压Adj钳位到调速范围内的最大占空比电压Vclamp；接收到软开关控制开始信号SoftSwitch后，断开S51，闭合S52，通过电流漏Idc1将电容C0上存储的电压下降到最小占空比电压VL；触发CMP1，电流下降的软开关phase1阶段结束。断开S52，导通S53，以同样大小的电流源Idc2给电容C0充电，使Adj电压上升；当Adj电压上升到初始输入的ADJ直流电压后，触发CMP2，结束电流上升的软开关phase2阶段。软开关控制结束，断开S52和S53，导通S51，进入正常的调速模式。其中电流源Idc2和电流漏Idc1的电流大小和直流无刷电机转速成正比，从而实现转速越快，软开关控制时间越短。
继续参考图4，所述OSC振荡器42与所述比较器44相连，用于产生预设周期的锯齿波信号，并输入至所述比较器44的第二输入端。本实用新型通过比较器44，将ADJ控制单元41产生的一个电平Adj_Ramp与OSC振荡器42产生的锯齿波SAW比较生产不同占空比的PWM方波。
作为优选的实施方式，所述ADJ控制单元41进一步与所述OSC振荡器42相连，ADJ控制单元41将软开关电流下降所需时间与软开关电流上升所需时间之和作为软开关信号SoftSwitch输入至所述OSC振荡器42，控制所述OSC振荡器42的振荡频率在所述软开关信号SoftSwitch时间内加速Speed_up。OSC振荡器42在SoftSwitch时间内，振荡频率加速，可以在换相时间内产生更多的方波脉冲，使得在软开关阶段有更多周期，占空比渐变效果更加明显。
所述延时单元43与所述逻辑单元45相连，用于将获取到的功率开关管M1的开关控制逻辑信号Gate_ON延时所述软开关电流下降时间或软开关电流上升时间后输入至所述逻辑单元45。也即，ADJ直流电压上升和下降的时间分别作为软开关控制的相位phase1和相位phase2信号传输到延时单元43。延时单元43在软开关电流下降时将Gate_ON信号延时phase1时间，在软开关电流上升时将Gate_ON信号延时phase2时间，以用来做软开关切换过程。具体可以为：所述延时单元43耦接至所述直流无刷电机的位置传感器49，以根据所述位置传感器49的位置输入信号Pos[n:0]获取功率开关管M1的开关控制逻辑信号Gate_ON。
所述比较器44与所述逻辑单元45相连，用于比较所述调速信号Adj_Ramp和锯齿波信号SAW产生占空比可调的PWM波形，并输入至所述逻辑单元45，以用于调制驱动单元46。
所述逻辑单元45与驱动单元46相连，用于根据所述延时单元43与比较器44的输出调制所述驱动单元46。也即通过逻辑单元45将延时单元43的延时信号与比较器44输出的渐变PWM方波进行逻辑运算，调制所述驱动单元46；使得在phase1时间内功率开关管M1的断开信号受到渐变PWM的调制逐渐断开，在phase2时间内功率开关管M1的导通信号受到渐变PWM的调制逐渐导通，从而实现软开关切换过程。在本实施方式中所述逻辑单元45为逻辑与门，在其他实施方式中也可为逻辑或门，或其它逻辑运算组件。
所述驱动单元46与所述功率开关管M1相连，用于控制所述功率开关管M1的软开关。也即所述驱动单元46根据逻辑单元45的输出驱动功率开关管M1，在phase1时间内功率开关管M1的断开信号受到渐变PWM的调制逐渐断开，在phase2时间内功率开关管M1的导通信号受到渐变PWM的调制逐渐导通。
作为可选的实施方式，所述软开关控制模块40进一步包括一计时器47；所述计时器47分别与所述OSC振荡器42以及ADJ控制单元41相连。OSC振荡器42产生一定周期的方波作为计时器42的时钟；计时器47接收所述直流无刷电机的位置传感器49的位置输入信号Pos[n:0]，并在接收到位置输入信号后，根据所述OSC振荡器42提供的时钟信号CLK计算出直流无刷电机的转速，并将计算出的转速信号Speed[m:0]输入至所述ADJ控制单元41。计时器47可以将转速信号Speed[m:0]以2进制信号输入到ADJ控制单元41。
作为可选的实施方式，所述软开关控制模块40进一步包括一解码器48；所述解码器48与所述延时单元43相连，用于接收所述直流无刷电机的位置传感器49的位置输入信号Pos[n:0]，并将接收到的位置输入信号进行解码，获取功率开关管M1的开关控制逻辑信号Gate_ON输入至所述延时单元43。
以下结合附图给出本实用新型所述的直流无刷电机驱动***一实施例，以对本实用新型做进一步说明。
参考图6-图7，其中，图6为本实用新型所述的直流无刷电机驱动***一实施例开关换相时电流示意图；图7为图6所述实施例各个节点的工作波形示意图。本实用新型所述的直流无刷电机驱动***实现了渐变占空比软开关方式。该方式的开关顺序是：S1、S4均导通→S1导通、S4逐渐断开(持续时间phase1)→S1断开、S4断开→S3导通，S2逐渐导通(持续时间phase2)→S2、S3均导通。参考图6在phase1时间，S4被渐变占空比的方波控制缓慢断开(Soft OFF)；在S4导通的时间电流从S4流向GND，在S4断开的时间电流经S3的寄生二极管流到母线；电感两端电压差由Vbus逐渐下降到-Vdio，电流缓慢平滑的下降。同理，在phase2时间，电流从零缓慢平滑的上升(Soft ON)；从而使电流非线性缓慢变化，波形更加平滑，实现超低噪声和EMI。同时，phase1和phase2时间随电机转速变化，转速越快，phase时间越短，从而避免了效率下降。且，在SoftSwitch时间内，产生SAW波的振荡频率加速，可以在换相时间内产生更多的PWM方波脉冲，使得在软开关阶段有更多周期，占空比渐变效果更加明显。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (8)
1.一种软开关控制模块，适用于直流无刷电机驱动***，所述直流无刷电机驱动***包括直流无刷电机以及至少一功率开关管，其特征在于，包括：一ADJ控制单元、一OSC振荡器、一延时单元、一比较器、一逻辑单元以及一驱动单元；
所述ADJ控制单元分别与所述延时单元以及比较器相连，用于获取直流无刷电机的转速信号，并根据所述转速信号获取调速信号后输入至所述比较器的第一输入端，同时根据所述调速信号分别获取软开关电流下降时间和软开关电流上升时间并传输至所述延时单元；
所述OSC振荡器与所述比较器相连，用于产生预设周期的锯齿波信号，并输入至所述比较器的第二输入端；
所述延时单元与所述逻辑单元相连，用于将获取到的所述至少一功率开关管的开关控制逻辑信号延时所述软开关电流下降时间或软开关电流上升时间后输入至所述逻辑单元；
所述比较器与所述逻辑单元相连，用于比较所述调速信号和锯齿波信号产生占空比可调的PWM波形，并输入至所述逻辑单元；
所述逻辑单元与驱动单元相连，用于根据所述延时单元与比较器的输出调制所述驱动单元；
所述驱动单元与所述至少一功率开关管相连，用于控制所述至少一功率开关管的软开关。
2.根据权利要求1所述的软开关控制模块，其特征在于，所述ADJ控制单元根据所述转速信号，按照相应斜率将输入的ADJ直流电压下降到调速范围内的最小占空比电压，之后以同样的斜率从最小占空比电压上升到所述ADJ直流电压，并将该斜率信号作为调速信号输入至所述比较器的第一输入端；同时，获取按照相应斜率将输入的ADJ直流电压下降到最小占空比电压所需时间作为软开关电流下降时间，获取按照相应斜率从最小占空比电压上升到所述ADJ直流电压所需时间作为软开关电流上升时间，并传输至所述延时单元。
3.根据权利要求1所述的软开关控制模块，其特征在于，所述ADJ控制单元进一步包括一钳位子单元、充电电容、电流漏、第一比较子单元、电流源以及第二比较子单元；
所述钳位子单元通过一第一子开关连接充电电容，用于将输入的ADJ直流电压钳位到调速范围内的最大占空比电压；
所述电流漏一端接地，另一端通过一第二子开关分别连接至第一比较子单元的正向输入端以及第二比较子单元的正向输入端，第一比较子单元的负向输入端接调速范围内的最小占空比电压，第二比较子单元的负向输入端接所述最大占空比电压；
所述电流源通过一第三子开关分别连接至第一比较子单元的正向输入端以及第二比较子单元的正向输入端；
在软开关控制开始后，断开第一子开关、闭合第二子开关，通过电流漏将充电电容上存储的电压下降到最小占空比电压后触发第一比较子单元；之后断开第二子开关，闭合第三子开关，通过电流源为充电电容充电使电压上升至最大占空比电压后触发第二比较子单元；软开关控制结束后，断开第二子开关和第三子开关，闭合第一子开关；
其中，电流漏与电流源的电流大小相等且与直流无刷电机转速成正比。
4.根据权利要求1所述的软开关控制模块，其特征在于，所述ADJ控制单元进一步与所述OSC振荡器相连，ADJ控制单元将软开关电流下降所需时间与软开关电流上升所需时间之和作为软开关信号输入至所述OSC振荡器，控制所述OSC振荡器的振荡频率在所述软开关信号时间内加速。
5.根据权利要求1所述的软开关控制模块，其特征在于，所述软开关控制模块进一步包括一计时器；
所述计时器分别与所述OSC振荡器以及ADJ控制单元相连，用于接收到位置输入信号后，根据所述OSC振荡器提供的时钟信号计算出直流无刷电机的转速，并将计算出的转速信号输入至所述ADJ控制单元。
6.根据权利要求1所述的软开关控制模块，其特征在于，所述软开关控制模块进一步包括一解码器；
所述解码器与所述延时单元相连，用于接收到位置输入信号后进行解码，获取功率开关管的开关控制逻辑信号输入至所述延时单元。
7.一种直流无刷电机驱动***，包括一直流无刷电机以及至少一功率开关管，所述至少一功率开关管电学连接所述直流无刷电机，通过控制所述至少一功率开关管来改变所述直流无刷电机电流方向，其特征在于，所述直流无刷电机驱动***包括权利要求1-6任意一项所述的软开关控制模块；
所述软开关控制模块中的所述ADJ控制单元耦接至所述直流无刷电机的位置传感器，以根据所述位置传感器的位置输入信号获取直流无刷电机的转速信号；
所述软开关控制模块中的所述延时单元耦接至所述直流无刷电机的位置传感器，以根据所述位置传感器的位置输入信号获取所述至少一功率开关管的开关控制逻辑信号；
所述软开关控制模块中的所述驱动单元电学连接所述至少一功率开关管，以控制所述至少一功率开关管的软开关。
8.根据权利要求7所述的直流无刷电机驱动***，其特征在于，所述至少一功率开关管内置于所述软开关控制模块中。
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