一種無刷直流電機(jī)無位置傳感器驅(qū)動芯片及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種無刷直流電機(jī)無位置傳感器驅(qū)動芯片及系統(tǒng)，屬于電機(jī)控制的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]無刷電動機(jī)利用電子換向替代了機(jī)械換向，克服了傳統(tǒng)直流電機(jī)由于電刷摩擦而產(chǎn)生的一系列問題，并且具有調(diào)速性能好、體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域以及人們的日常生活中。
[0003]隨著控制理論、材料科學(xué)、微電子技術(shù)等的發(fā)展，電機(jī)控制日趨復(fù)雜和智能化，應(yīng)用也越來越廣泛。首先，位置傳感器帶來的安裝空間、安裝誤差、可靠性等問題限制了有位置傳感器芯片及方案在諸如抽油煙機(jī)等領(lǐng)域的應(yīng)用。其次，當(dāng)前的系統(tǒng)應(yīng)用中電機(jī)控制與驅(qū)動通常是分離的，這增加了應(yīng)用難度和系統(tǒng)成本，同時(shí)也不利于在異常狀態(tài)出現(xiàn)時(shí)及時(shí)、可靠地實(shí)施保護(hù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種無刷直流電機(jī)無位置傳感器驅(qū)動芯片及系統(tǒng)，解決現(xiàn)有的無刷直流電機(jī)因位置傳感器帶來的安裝空間、安裝誤差、可靠性等問題，及控制與驅(qū)動通常是分離和不利于實(shí)施保護(hù)的問題。
[0005]本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題:
一種無刷直流電機(jī)無位置傳感器驅(qū)動芯片，包括:
時(shí)鐘及電壓產(chǎn)生電路，用于產(chǎn)生芯片的系統(tǒng)時(shí)鐘及供電電壓；
模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，用于檢測獲得電機(jī)控制參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)的模擬信號并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號;
過零檢測單元，用于檢測電機(jī)非導(dǎo)通相的端電壓以獲取該相的反電動勢過零點(diǎn)，進(jìn)而獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子位置及當(dāng)前轉(zhuǎn)速；
數(shù)字處理單元，用于在檢測到電機(jī)轉(zhuǎn)子位置前，按設(shè)置的次序和周期依次向電機(jī)各相線圈施加驅(qū)動電壓；及在檢測到電機(jī)轉(zhuǎn)子位置后，將所述電機(jī)轉(zhuǎn)子位置及當(dāng)前轉(zhuǎn)速、及獲得的電機(jī)控制參數(shù)與狀態(tài)參數(shù)依據(jù)方波調(diào)制算法輸出電機(jī)各相線圈PWM信號；
柵極驅(qū)動電路，用于通過自舉電路將所述電機(jī)各相線圈PWM信號轉(zhuǎn)換為與功率器件相適應(yīng)的高壓驅(qū)動信號；
保護(hù)電路，用于檢測芯片和電機(jī)的異常狀態(tài)，并在出現(xiàn)異常時(shí)阻斷所述高壓驅(qū)動信號。
[0006]進(jìn)一步地，作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述芯片的所有電路及單元均集成于同一襯底上。
[0007]進(jìn)一步地，作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路獲取的電機(jī)狀態(tài)參數(shù)包括母線電流的取樣電壓和各相端電壓。
[0008]進(jìn)一步地，作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述芯片具有開環(huán)調(diào)速和閉環(huán)調(diào)速模式。
[0009]進(jìn)一步地，作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述芯片采用開環(huán)調(diào)速模式時(shí)，所述電機(jī)控制參數(shù)包括與施加于電機(jī)各相線圈PWM信號的占空比成比例關(guān)系的模擬電壓。所述芯片采用閉環(huán)調(diào)速模式時(shí)，所述電機(jī)控制參數(shù)包括與設(shè)定的電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速成比例關(guān)系的模擬電壓。
[0010]進(jìn)一步地，作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述數(shù)字處理單元包括閉環(huán)調(diào)速單元，用于根據(jù)設(shè)定的電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速和所述過零檢測單元獲得的當(dāng)前轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)電機(jī)各相PWM信號的占空比以使電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。
[0011]進(jìn)一步地，作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述數(shù)字處理單元包括:
三角載波產(chǎn)生電路，用于產(chǎn)生固定頻率的三角載波；
占空比控制單元，用于根據(jù)所述電機(jī)控制參數(shù)生成電機(jī)各相PWM信號占空比的控制信號;
PWM生成單元，用于利用所述三角載波對所述電機(jī)各相PffM信號占空比的控制信號進(jìn)行調(diào)制后，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置生成電機(jī)各相PWM信號。
[0012]進(jìn)一步地，作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述數(shù)字處理單元還包括相位調(diào)整單元，用于調(diào)整電機(jī)各相PWM信號的相位。
[0013]本發(fā)明還提供一種無刷直流電機(jī)無位置傳感器驅(qū)動系統(tǒng)，包括檢測單元、功率管，以及上述權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的電機(jī)驅(qū)動芯片；其中，所述檢測單元，用于檢測電機(jī)控制參數(shù)及狀態(tài)參數(shù)；所述電機(jī)驅(qū)動芯片，用于獲得電機(jī)控制參數(shù)及狀態(tài)參數(shù)，并結(jié)合獲得的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置及當(dāng)前轉(zhuǎn)速通過功率管向無刷直流電機(jī)的各相線圈施加PWM信號。
[0014]進(jìn)一步地，作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述電機(jī)驅(qū)動芯片獲取的電機(jī)狀態(tài)參數(shù)包括電機(jī)母線電流和各相端電壓。
[0015]本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，能產(chǎn)生如下技術(shù)效果:
本發(fā)明所提供的無刷直流電機(jī)無位置傳感器驅(qū)動芯片及系統(tǒng)，通過反電動勢過零檢測獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，節(jié)省了對溫度等環(huán)境因素敏感的位置傳感器，降低了成本，提高了可靠性；將無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制與驅(qū)動芯片集成在一起，大大提高了芯片集成度，降低了系統(tǒng)應(yīng)用的難度和成本，提高了應(yīng)用的靈活性，同時(shí)各種異常保護(hù)機(jī)制可以直接作用于柵極驅(qū)動電路，能夠更加及時(shí)、可靠地實(shí)施保護(hù)。
【附圖說明】
[0016]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0017]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中一種典型無刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的模塊示意圖。
[0018]圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種無刷直流電機(jī)無位置傳感器驅(qū)動芯片的模塊示意圖。
[0019]圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的反電動勢過零檢測實(shí)現(xiàn)電路圖。
[0020]圖4 Ca)為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種數(shù)字處理單元的框圖；及圖4 (b)為PffM信號產(chǎn)生的示意圖。
[0021]圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的柵極驅(qū)動電路的應(yīng)用示意圖。
[0022]圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種無刷直流電機(jī)無位置傳感器驅(qū)動系統(tǒng)的模塊示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。應(yīng)當(dāng)明確，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0024]如圖1所示，現(xiàn)有的無刷電機(jī)控制系統(tǒng)，通常包含電機(jī)控制芯片、柵極驅(qū)動芯片、功率器件以及位置傳感器。從可靠性、應(yīng)用難度、散熱、PCB空間等方面綜合考慮，通常希望系統(tǒng)集成度越高越好。在小功率(比例200W以下)電機(jī)控制方面，通常將圖1所示的柵極驅(qū)動芯片、功率器件及二極管等部分外圍元器件封裝成一顆芯片，即所謂的智能功率模塊(IPM)0以三相無刷直流電機(jī)為例，一個(gè)IPM通常包含了 3顆柵極驅(qū)動芯片、6個(gè)功率器件及若干二極管等10多顆芯片和元器件。如此多的芯片和元器件封裝在一起，封裝的難度、成本等陡然增加，良率下降，同時(shí)散熱問題限制了其適用的功率范圍，一般只適用于小功率電機(jī)應(yīng)用。
[0025]本發(fā)明提出將電機(jī)控制芯片與柵極驅(qū)動集成一起，成為集成驅(qū)動芯片，并且通過反電動勢過零檢測獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，可節(jié)省位置傳感器。首先，避免了位置傳感器因?qū)囟让舾袔淼目煽啃詥栴}，同時(shí)降低了成本及對電機(jī)空間的要求；其次，集成驅(qū)動芯片的應(yīng)用更加靈活多樣:a)可以與不同的功率器件配套，以適用于不同功率范圍的應(yīng)用，b)可以與功率器件封裝在一起，與IPM相比，元器件數(shù)目減少了，功能卻增加了，集成度大大提高；再次，電機(jī)控制與驅(qū)動集成在一起，除集成度提高外，電機(jī)的過流、過溫等異常保護(hù)可以更加及時(shí)、智能。
[0026]本發(fā)明實(shí)施例實(shí)施一提供了一種無刷直流電機(jī)無位置傳感器驅(qū)動芯片，其系統(tǒng)框圖如圖2所示，所述芯片包括保護(hù)電路110、時(shí)鐘及電壓產(chǎn)生電路120、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路130、數(shù)字處理單元140、柵極驅(qū)動電路150和過零檢測單元160。所述芯片的所有電路及單元均集成于同一襯底上。
[0027]時(shí)鐘及電壓產(chǎn)生電路120產(chǎn)生芯片的系統(tǒng)時(shí)鐘和供電電壓。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路130是主要的接口電路，將電機(jī)控制參數(shù)、電機(jī)狀態(tài)參數(shù)等多通道模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便于采用數(shù)字處理方法來完成電機(jī)控制的基本功能和高級算法，優(yōu)選地，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路130獲取的電機(jī)狀態(tài)參數(shù)包括母線電流的取樣電壓和各相端電壓等參數(shù)。過零檢測單元160檢測電機(jī)非導(dǎo)通相的端電壓以獲取反電動勢過零點(diǎn)，進(jìn)而獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子位置。反電動勢過零點(diǎn)與換相時(shí)刻存在直接對應(yīng)關(guān)系，因此可以用于各相PWM的換相。
[0028]為方便進(jìn)一步的理解，以三相無刷直流電機(jī)為例，本發(fā)明實(shí)施例提供了過零檢測單元160的一種電路實(shí)現(xiàn)方式，如圖3所示。通過電阻分壓及低通濾波后檢測電機(jī)各相端電壓的過零點(diǎn)，低通濾波主要是濾除載波干擾。
[0029]數(shù)字處理單元140是芯片的核心部分，主要處理模數(shù)轉(zhuǎn)換電路130和過零檢測單元160獲取的數(shù)字信號，其在檢測到電機(jī)轉(zhuǎn)子位置前，按一定次序和周期依次向電機(jī)各相線圈施加驅(qū)動電壓；及在檢測到電機(jī)轉(zhuǎn)子位置后，根據(jù)所述電機(jī)轉(zhuǎn)子位置、所述電機(jī)控制參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)依據(jù)方波調(diào)制算法輸出電機(jī)各