一種無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(wú)刷電動(dòng)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(wèn)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(guó)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。傳統(tǒng)的以模擬信號(hào)處理為主的電機(jī)芯片設(shè)計(jì),一方面難以提供高度智能化的電機(jī)控制,另一方面芯片設(shè)計(jì)的可移植性和靈活性較差,導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期和難度都大幅增加。此外,當(dāng)前的應(yīng)用方案中電機(jī)控制與驅(qū)動(dòng)通常是分離的,由至少兩顆芯片來(lái)完成各自功能,這增加了應(yīng)用難度和系統(tǒng)成本,同時(shí)由于寄生電感、電容等的存在也不利于異常的及時(shí)、可靠的保護(hù)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片及系統(tǒng),解決現(xiàn)有電機(jī)的電機(jī)控制與驅(qū)動(dòng)通常是分離的,由至少兩顆芯片來(lái)完成各自功能,且可移植性和靈活性較差的技術(shù)問(wèn)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(wèn)題:
一種無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片,包括:
時(shí)鐘產(chǎn)生電路,用于產(chǎn)生芯片的系統(tǒng)時(shí)鐘;
電源管理電路,用于產(chǎn)生芯片的供電電壓;
模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,用于檢測(cè)獲得電機(jī)控制參數(shù)、電機(jī)狀態(tài)參數(shù)的模擬信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào);
位置檢測(cè)電路,用于將位置傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息及當(dāng)前轉(zhuǎn)速;
數(shù)字處理單元,用于根據(jù)所述電機(jī)轉(zhuǎn)子位置與當(dāng)前轉(zhuǎn)速、電機(jī)控制參數(shù)、電機(jī)狀態(tài)參數(shù),以及所設(shè)置的調(diào)制算法輸出電機(jī)各相線圈PWM信號(hào);
柵極驅(qū)動(dòng)電路,用于通過(guò)自舉電路將所述電機(jī)各相線圈PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換為與功率器件相適應(yīng)的高壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)及將高壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出。
[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,所述芯片具有開環(huán)調(diào)速和閉環(huán)調(diào)速模式。
[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(hào)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)包括與電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速成比例關(guān)系的模擬電壓。
[0009]進(jìn)一步地,作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案,所述位置檢測(cè)電路包括信號(hào)放大和比較電路,用于對(duì)位置傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行放大比較。
[0010]進(jìn)一步地,作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案,所述電機(jī)狀態(tài)參數(shù)包括母線電流的取樣電壓。
[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PWM信號(hào)占空比的控制信號(hào);
調(diào)制函數(shù)產(chǎn)生電路,用于根據(jù)調(diào)制算法及所述PWM信號(hào)占空比的控制信號(hào)產(chǎn)生調(diào)制函數(shù);
PffM生成單元,用于利用所述三角載波對(duì)所述調(diào)制函數(shù)進(jìn)行調(diào)制后,根據(jù)所述電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置生成電機(jī)各相線圈PWM信號(hào)。
[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)字處理單元包括閉環(huán)調(diào)速單元,用于根據(jù)電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速及所述位置檢測(cè)電路獲取的當(dāng)前轉(zhuǎn)速,調(diào)節(jié)電機(jī)各相線圈PWM信號(hào)的占空比以使電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。
[0013]本發(fā)明還提出一種無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),所述系統(tǒng)包括:位置傳感器、功率管,以及上述權(quán)利要求1-8任一權(quán)項(xiàng)所述的無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片;其中,所述位置傳感器用于檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置;所述無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片用于獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子位置及當(dāng)前轉(zhuǎn)速,及結(jié)合獲得的電機(jī)控制參數(shù)、電機(jī)狀態(tài)參數(shù)通過(guò)功率管向無(wú)刷直流電機(jī)的各相線圈施加PWM信號(hào)。
[0014]本發(fā)明采用上述技術(shù)方案,能產(chǎn)生如下技術(shù)效果:
(I)本發(fā)明所提供的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片及系統(tǒng),通過(guò)將無(wú)刷直流電機(jī)控制與驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路,能夠更加及時(shí)、可靠地實(shí)施保護(hù)。
[0015](2)本發(fā)明采用以數(shù)字處理為核心的電路技術(shù),即所有電機(jī)控制算法及異常處理等功能都在專用的數(shù)字電路中實(shí)現(xiàn),與傳統(tǒng)的以模擬設(shè)計(jì)為主的電路技術(shù)相比,提高了芯片設(shè)計(jì)的可移植性和靈活性;與基于MCU和軟件的電機(jī)控制方案相比,縮短了開發(fā)周期,降低應(yīng)用難度和成本,且大大提高了芯片的可靠性,避免了因儲(chǔ)存單元信息丟失、軟件飛車等引起的芯片失效。
【附圖說(shuō)明】
[0016]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案,下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)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(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講,在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)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)中一種典型的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的模塊示意圖。
[0019]圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種數(shù)字處理單元的模塊示意圖。
[0020]圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的柵極驅(qū)動(dòng)電路的應(yīng)用示意圖。
[0021]圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的柵極驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)自舉電容轉(zhuǎn)換為高壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)的示意圖。
[0022]圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(duì)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。基于本發(fā)明中的實(shí)施例,本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)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)有技術(shù)中一個(gè)無(wú)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(dòng)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(dòng)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)。以三相無(wú)刷直流電機(jī)為例,一個(gè)IPM通常包含了 3顆柵極驅(qū)動(dòng)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(wèn)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(dòng)集成一起,成為集成驅(qū)動(dòng)芯片。首先,集成驅(qū)動(dòng)芯片仍然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;其次,集成驅(qū)動(dòng)芯片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;再次,電機(jī)控制與驅(qū)動(dòng)集成在一起,除集成度提高外,電機(jī)的過(guò)流、過(guò)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(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片,其模塊示意圖如圖2所示,所述芯片包括模數(shù)轉(zhuǎn)換電路110、數(shù)字處理單元120、位置檢測(cè)電路130、時(shí)鐘發(fā)生電路140、柵極驅(qū)動(dòng)電路150和電源管理電路170。該芯片的所有電路及單元均集成于同一襯底上。
[0027]時(shí)鐘產(chǎn)生電路140和電源管理電路170分別產(chǎn)生芯片的系統(tǒng)時(shí)鐘和供電電壓。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路110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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),以便于采用數(shù)字處理方法來(lái)完成電機(jī)控制的基本功能和高級(jí)算法,優(yōu)選地,所述電機(jī)狀態(tài)參數(shù)可以包括母線電流的取樣電壓。位置檢測(cè)電路130則負(fù)責(zé)將位置傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),以獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息及當(dāng)前轉(zhuǎn)速。以三相無(wú)刷直流電機(jī)為例,一般采用三個(gè)霍爾傳感器來(lái)感知電機(jī)轉(zhuǎn)子位置,據(jù)此將360電角劃分為6個(gè)扇區(qū);根據(jù)霍爾傳感器的輸出,可以獲取電子轉(zhuǎn)子的位置信息及當(dāng)前轉(zhuǎn)速。更進(jìn)一步地,所述位置檢測(cè)電路還包括信號(hào)放大和比較電路,用于對(duì)位置傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行放大比較。
[0028]數(shù)字處理單元120是芯片的核心部分,主要處理模數(shù)轉(zhuǎn)換電路110和位置檢測(cè)電路130獲取的數(shù)字信號(hào),并根據(jù)內(nèi)置的調(diào)制算法輸出各相P