CN101485075A

CN101485075A - 用于控制直流电动机的减速过程的方法及控制器

Info

Publication number: CN101485075A
Application number: CNA2007800253639A
Authority: CN
Inventors: 吉安·霍赫扎德
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2006-07-04
Filing date: 2007-07-03
Publication date: 2009-07-15
Also published as: US8339075B2; US20090284193A1; WO2008004177A2; WO2008004177A3

Abstract

本发明旨在提供一种用于控制直流电动机(20)的减速过程的方法，其中直流电动机(20)是由与电源(12)耦接的桥式驱动器(18)驱动的，电源(12)用来在电源输出端(14)提供电源电压VDD，该方法包括以下步骤：向桥式驱动器(18)施加减速PWM信号来使直流电动机(20)减速；以及如果电源输出端(14)处的电压超过比VDD高的第一电压阈值，则对桥式驱动器(18)进行控制以使电动机感应反向电流降低。根据本发明，该方法包括以下步骤：如果电源输出端(14)处的电压低于比第一阈值电压低的第二电压阈值，则终止以电动机感应反向电流降低为目的而对桥式驱动器(18)进行的控制。本发明还旨在提供一种用于控制直流电动机(20)的减速过程的控制器(10)，该直流电动机(20)是由与电源(12)耦接的桥式驱动器(18)驱动的，电源(12)用来在电源输出端(14)提供电源电压VDD，该控制器(10)包括：用来向桥式驱动器施加减速PWM信号以使直流电动机减速的装置(22)；以及在电源输出端(14)处的电压超过比VDD高的第一电压阈值时对桥式驱动器(18)进行控制以使电动机感应反向电流降低的装置(24，26，28；24，30)。根据本发明，如果电源输出端(14)处的电压低于比第一电压阈值小的第二电压阈值，则用于对桥式驱动器(18)进行控制以使电动机感应反向电流降低的装置适于终止以电动机感应反向电流降低为目的而对桥式驱动器(18)进行的控制。

Description

用于控制直流电动机的减速过程的方法及控制器

技术领域

本发明涉及一种控制直流电动机的减速过程的方法，其中该直流电动机是由桥式驱动器驱动的，该桥式驱动器在电源输出端与提供电源电压VDD的电源耦接，该方法包括以下步骤：向桥式驱动器提供减速PWM信号以使直流电动机减速，以及对桥式驱动器进行控制，以使当在电源输出端的电压超过比VDD高的第一电压阈值时电动机感应反向电流降低。

而且，本发明涉及一种对直流电动机的减速过程进行控制的控制器，该直流电动机是由桥式驱动器驱动的，该桥式驱动器在电源输出端与提供电源电压VDD的电源耦接，该控制器包括：用于向桥式驱动器提供减速PWM信号以使直流电动机减速的装置，以及用于对桥式驱动器进行控制以使当电源输出端的电压超过比VDD高的第一电压阈值时电动机感应反向电流降低的装置。

背景技术

例如，在很多应用中都使用了直流无刷主轴电动机，其中直流无刷主轴电动机在光盘驱动器和磁盘中驱动器被用来旋转存储介质。其他的应用领域例如是VCR、电动剃须刀、电风扇、鼓风机和机器人。通过以电动机电流相对于向前旋转来颠倒极性的方式驱动电动机，能电动地制动这些电动机。由于在减速期间电动机还充当了发电机，所以将净电流传递回电源的制动机制也是可行的。存在于电动机惯性中的机械能被还原为供电电池或电容器的电能。采用这种再生制动机制能产生绿色的和省电的电动机驱动系统。

再生制动的一个已知问题是：当电源不能处理负电流时，有可能造成电源过电压。通常，这是由于使用不对称线性或开关模式控制器来调制电源电压而造成的情况。因此，通常提供的电源去耦电容器必须处理这些负的电动机感应反向电流，并且如果电动机存在大量能量就能产生危险的过电压。一种已知的克服这些过电压的方法是使用齐纳二极管保护或片上有源箝位。由于这些器件需要能够处理数量相当大的功耗(例如，对于光盘驱动器为4W)，所以这其中涉及额外的硬件费用。为了克服这些问题，例如从US 6,949,906 B2中已知的方法是：如果在直流电动机的减速过程中检测到了危险情况，例如电源输出端处出现过电压，将直流电动机的绕组在预定时间间隔内进行短路或者设置为高阻抗模式，其中在US 6,949,906 B2中在公开了一种在开篇提到的类型的方法和控制器。如果绕组被短路，则由于摩擦及由于电动机的反电动势产生了通过绕组电阻的电流，所以消耗了能量。如果通过断开绕组连接将电动机的绕组设置为高阻抗模式，则只有摩擦消耗了能量。然而，如果预定时间间隔比危险情况的持续时间长，则在预定时间间隔内将电动机绕组短路或设置为高阻抗模式可能导致能量浪费。这是常见的情况，这是由于必须选取足够长的预定时间间隔来保证如果恢复了正常的减速过程，这种危险情况不再存在并且将不再发生，尤其是不以更坏的形式发生。

本发明的目的是进一步开发开篇提到的类型的方法和控制器，从而避免以上讨论的能量浪费的问题。

发明内容

根据本发明的第一方面，通过开篇提到的类型的方法来实现这个目的，该方法包括以下附加步骤：如果电源输出端的电压低于第二电压阈值，则终止以使电动机感应反向电流降低为目的而对桥式驱动器进行的控制，其中第二电压阈值小于第一电压阈值。采用这种方案不仅可以监视危险情况的发生还可以监视危险情况的结束。因此，能尽可能短地保持电动机的感应反向电流降低期间的时间间隔，从而避免了能量浪费。

而且对于根据本发明的方法，优选的是以使电动机感应反向电流降低为目的而对桥式驱动器进行的控制将导致直流电动机的至少一组绕组短路。通过将各个绕组的连接同时耦接到公共电势，可以同时短路直流电动机的所有绕组。另一种方案是，如果电源输出端的电压没有充分地下降，则可以从短路一组绕组开始，然后再仅短路一组或多组另外的绕组。以相反的方式，能恢复正常的减速过程。关于这一点，对于根据本发明的方法来说优选的是，对直流电动机中的至少一组绕组进行短路的操作包括将减速PWM信号的脉宽设置为零。在这种情况下，例如，以简单的方式将所述至少一组绕组接地。

根据本发明的方法的其他实施例，对桥式驱动器进行控制以使电动机感应反向电流降低，这一控制将导致将直流电动机的至少一组绕组设置为高阻抗模式。而且，在这种情况下，如上述结合短路实施例所讨论的一样，可以(但不必须)根据命令来选取将要被设置为高阻抗模式的绕组的数量。

关于这一点，该方法被进一步发展为在将直流电动机中的至少一组绕组设置为高阻抗模式的操作中包括对桥式驱动器进行控制以使其切断与直流电动机中的所述至少一组绕组的连接。尤其是，如果桥式驱动器包括所谓的三态端子，能很容易地实现这一点。

对于本发明的方法优选的是，第二电压阈值高于VDD。例如，如果VDD等于12V，则可选取第一电压阈值为15V，可选取第二电压阈值为14.6V。通常，如果两个电压阈值之间的差异小，则可最有效地避免能量浪费。然而，差异越小，需要的比较操作越多。通常，为了循环利用旋转着的直流电动机中存储的动能，必须对PWM减速信号的脉宽进行选择，以使得与直流电动机的加速过程相比直流电动机电流的符号经过了变化。

根据本发明的第二方面，上述目的可通过开篇提到的类型的控制器来解决，其中，如果电源输出端的电压低于第二电压阈值(第二电压阈值低于第一电压阈值)，则用来对桥式驱动器进行控制以使电动机感应反向电流降低的装置适于终止以使电动机感应反向电流降低为目的而对桥式驱动器进行的控制。而且，根据这种方案，不仅能监视危险情况的发生，也能监视其结束，从而避免了能量浪费。通常，采用根据本发明的控制器也能实现上述结合根据本发明的方法所讨论的特性和优点。因此，为了避免重复，参照上述描述。相同部分同样适用于以下所讨论的根据本发明的控制器的优选实施例。

根据本发明的控制器的一些实施例，用来对桥式驱动器进行控制以使电动机感应反向电流降低的装置适于引起直流电动机中的至少一组绕组的短路。在这种情况下，用来控制桥式驱动器的装置例如可用来执行滞后控制，以及例如可包括比较器，该比较器适于对电源输出端的电压与第一和第二电压阈值进行比较，并且指示何时到达了这两个阈值中的一个。该比较器能对多路复用器进行控制，一方面PWM信号发生器向该多路复用器馈送加速/减速PWM信号，另一方面PWM信号修正器向该多路复用器馈送修正后的PWM信号。如果必须降低电动机感应反向电流，则将修正后的信号发送到桥式驱动器，如果不必降低电动机感应反向电流，则将PWM信号发生器产生的规则PWM信号发送到桥式驱动器。

关于这一点，对于根据本发明的控制器优选的是，用于对桥式驱动器进行控制以使电动机感应反向电流降低的装置适于将减速PWM信号的脉宽设置为零。为了实现这点，用于控制桥式驱动器的装置可以是在前一段所讨论的装置，其中PWM信号修正器可被简化为PWM信号自动零位器。

可选地或附加地，对于根据本发明的控制器有利的是，用于对桥式驱动器进行控制以使电动机感应反向电流减小的装置适于引起将直流电动机中的至少一组绕组设置为高阻抗模式的操作。在这种情况下，用于控制桥式驱动器的装置可包括如上所述的比较器，该比较器可直接与桥式驱动器耦接。而且，PWM信号发生器可直接与桥式驱动器耦接，而不需要提供耦接在这些元件之间的多路复用器。

关于这一点，对于根据本发明的控制器还优选的是，用于对桥式驱动器进行控制以使电动机感应反向电流降低的装置适于断开与直流电动机中的至少一组绕组的连接。例如，桥式驱动器可包括可与比较器输出端耦接的三态端子。

而且，对于根据本发明的控制器，优选的是，第二电压阈值高于VDD。例如，第一和第二电压阈值可相差VDD值的2％至5％。

如上提及，为了执行再生减速，通常必要的是用于向桥式驱动器施加减速PWM信号的装置适于对PWM减速信号的脉宽进行选择，以使得与直流电动机的加速过程相比直流电动机电流的符号发生变化。

通过本领域的技术人员所熟知的模拟和/或数字电路能实现在此所提到的所有元件和装置。微控制器、微处理器和适当软件的使用也在本发明的范围内。

参照以下描述的实施例，本发明的这些及其他方面将是明显和清楚的。

附图说明

图1a至1c示出了三种不同操作模式的直流电动机驱动器和直流电动机模型；

图2示出了表示电源电流和不同的PWM占空比之间的依赖性的示范性图表；

图3示出了采用根据本发明的控制器的第一实施例并且适于执行根据本发明的方法的电路的框图；

图4示出了采用根据本发明的控制器的第二实施例并且适于执行根据本发明的方法的电路的框图；

图5示出了表示应用本发明的方法所获得的电源电压、电动机感应反向电流和电动机箝位的示例的数据图表；

图6示出了表示根据本发明的方法的更通用实施例的流程图。

具体实施方式

图1a至1c示出了三种不同运行模式的直流电动机和直流电动机模型。本领域的技术人员应该理解的是根据图1a至1c的电动机模型已被简化。例如，如果电动机是三相无刷类型的，则电动机包括三组绕组，由适当的桥式驱动器所执行的对这些绕组的驱动包括几次用于电动机的加速和/或减速的换相。可以看出，该模型包括两个电压源V_drive和V_emf，以及电阻器R。驱动电压V_drive是占空比为PWM的开关桥的输出，即V_drive＝PWM*V_sup，其中V_sup是桥式驱动器的电源。电动机的反电动势是V_emf＝k*ω，其中k是电动机常数，ω是电动机的转动频率。电阻R构成了开关电阻、电动机(绕组)电阻和(例如从电动机驱动器IC到电动机)的连接的接线电阻的总和。

图1图示了直流电动机的加速过程。在这种情况下，驱动电压V_drive大于反电动势电压V_emf。而且，电动机电流I_mot和电源电流I_sup是正的，其中I_sup＝PWM*I_mot。

图1b图示了对应于本发明主题的再生减速或制动过程。根据图1b，采用了正的驱动电压V_drive。V_drive小于反电动势电压V_emf，并且电动机电流I_mot和电源电流I_sup都是负的，从而电源电流对应于电动机感应反向电流。

图1c示出了采用负的驱动电压V_drive的减速或制动过程。这种情况下的实际V_drive被叠加在了反电动势电压V_emf上，其中电动机电流I_mot是负的(仍然在制动)，电源电流I_sup是正的。已知叠加驱动电压V_drive等于零的情况是短路制动。

可用下列公式来表示上述情况：

I_mot＝(V_drive-V_emf)/R＝(PWM*V_sup-V_emf)/R，以及

I_sup＝PWM*I_mot＝PWM*(PWM*V_sup-V_emf)/R

其中PWM的变化范围是-100％至+100％。

从图2可以看出，电源电流I_sup对占空比PWM具有抛物线形状的依赖关系，其中I_sup的负值表示电动机感应反向电流。图2图示了以下示例：V_sup＝12V，V_emf＝8V，R＝2欧姆和正的PWM。在这种情况下，对于介于0和V_emf/V_sup＝2/3之间的占空比来说，电源电流是负的，从而存在再生制动。最大的(负)再生电源电流出现在V_emf/(2*V_sup)＝1/3处，此时电源电流I_sup＝-2*V_emf/(4*V_sup*R)。通过测量电源输出端的电源电压V_sup并利用上述的PWM对I_sup的传递特性来控制PWM内容来构造再生制动控制方案时，两个控制方向是可行的。当由于再生电源电流I_sup为负而使得电源电压V_sup超过设计的箝位值(即，第一电源阈值)时，则应该降低该电源电流I_sup，通过两种方式能降低该电源电流：将PWM控制为PWM＝0％的方向上的较小PWM，这符合短路制动(I_sup＝V_emf/R)，或者将PWM控制为PWM＝V_emf/V_sup的方向上的较大PWM，这符合高阻制动(I_mot＝0)。以下，将参照图3及图4和图5来描述两个实施例，一个实施例对应于上述的两种方式/选择中的一个。

图3示出了采用根据本发明的控制器10的第一实施例并且适于执行根据本发明的方法的电路的框图。除了以下将详细描述的控制器10之外，该电路还包括具有电源输出端14的电源12。电源12用于在电源输出端提供恒定电压VDD。在电源输出端14和地16之间设有去耦电容器C_dd。而且，提供与电源输出端14耦接的桥式驱动器18来驱动直流电动机20。控制器10对桥式驱动器18进行控制，其中控制器10包括具有PWM信号发生器22的形式的装置22，用来向桥式驱动器18施加减速PWM信号。应该理解的是，PWM信号发生器22也适于提供加速PWM信号，但是这种加速PWM信号对本发明并不重要。PWM信号发生器22的输出端与多路复用器26耦接，该多路复用器也从PWM信号修正器或自动零位器28接收PWM＝0信号。比较器24对多路复用器进行控制，该比较器适于对电源输出端14的电压与第一电压阈值V_level1及第二电压阈值_level2进行比较。

根据图3所示的实施例，可如下地实现本发明的方法：首先，PWM信号发生器22通过多路复用器26向桥式驱动器18施加减速PWM信号，比较器24控制多路复用器26来发送PWM信号发生器22的信号。由此，开始了使直流电动机减速的过程，以便由于适当的PWM信号而导致再生减速的发生。如果在电源输出端14出现过电压(即，高于第一电压阈值V_level1的电压)，这种情况将被比较器24检测到。在这种情况下，比较器24控制多路复用器26向桥式驱动器18发送PWM＝0信号。因此，直流电动机20的绕组被短路，并且这将导致电动机感应反向电流降低。由于电动机感应反向电流降低，电源输出端14的电压开始下降，一旦该电压降低到低于第二电压阈值_level2，这种情况将被比较器24检测到并且被解释为危险情况的结束。因此，通过使多路复用器26再次发送PWM信号发生器22所生成的减速PWM信号，比较器24结束了电动机绕组的短路。很明显的是，在减速过程中能多次重复上述的步骤。

图4示出了采用根据本发明的控制器10的第二实施例并且也适于执行根据本发明的方法的电路的框图。除了以下将详细描述的控制器10外，图4的电路也包括具有电源输出端14的电源12。电源12用于在电源输出端提供恒定电压VDD。如图所示，负载电流I_load是从另一个未详细示出的电路系统中引出的。在电源输出端14和地16之间设有去耦电容器C_dd。也提供与电源输出端14耦接的桥式驱动器18来驱动直流电动机20。控制器10对桥式驱动器18进行控制，在这种情况下，控制器10包括具有PWM信号发生器22的形式的装置22，用来向桥式驱动器18施加减速PWM信号。而且对于图4的实施例，应该清楚的是，PWM信号发生器22也适于提供加速PWM信号，但是如上提及，这种加速PWM信号对本发明并不重要。PWM信号发生器22的输出端与桥式驱动器18耦接。根据该实施例，桥式驱动器18包括所谓的三态端子30。如果相应地控制该三态端子30，则桥式驱动器18通过断开直流电动机20各个绕组的连接，能将所有绕组设置为高阻抗模式。可以看出，三态端子30与比较器24的输出端耦接，该比较器24用来对电源输出端14的电压与第一电压阈值V_level1及第二电压阈值_level2进行比较。

根据图4所示的实施例，能如下地实现根据本发明的方法：首先，PWM信号发生器22向桥式驱动器18施加PWM信号。由此，开始了使直流电动机减速的过程，以便由于适当的PWM信号而导致再生减速的发生。如果在电源输出端14出现过电压(即，电压高于第一电压阈值V_level1)，则这种情况将被比较器24检测到。在这种情况下，比较器24向桥式驱动器18的三态端子30施加信号，这使得桥式驱动器18将直流电动机20的绕组设置为如上所述的高阻抗模式。因此，降低了电动机感应反向电流。由于电动机感应的方向电流降低，则电源输出端14的电压开始下降，一旦该电压下降到第二电压阈值_level2以下，这种情况将被比较器24检测到并且被解释为危险状态的结束。因此，比较器24终止将直流电动机的绕组设置为高阻抗模式，PWM信号发生器22所产生的减速PWM信号再次有效。而且对于该实施例，应该清楚的是，在减速过程中可多次重复上述步骤。

图5示出了表示图4所示电路的可能操作的图表，其中V_DD＝12V、C_dd＝100μF、V_emf＝8V、R＝2欧姆(没有明确示出R，但是如同结合了图1a至1c所讨论的一样)、PWM＝30％、I_load＝100mA、V_level1＝15V以及V_level2＝14.6V。当从电源引出负载电流I_load小于再生制动电流(否则电源输出端14的电源电压将不会上升)时，结果为介于V_level1和V_level2之间的上下起伏的电源电压V_sup。可以看出，当电源输出端14的电压超过第一电压阈值V_level1，即如果比较器24所执行的箝位是有效的，则负的电源电流I_sup，即电动机感应反向电流将跳到零。

图6示出了表示根据本发明的方法的更通用实施例的流程图。在步骤S1中，开始了再生减速过程。为此，在步骤S2中，向桥式驱动器施加适当的减速PWM信号，用来在再生制动模式下使直流电动机减速。在步骤S3中，检查电源输出端的电压是否高于第一电压阈值(第一电压阈值高于VDD)。如果不高于，则该方法返回到步骤S2，否则前进到步骤S4，在步骤S4中，对桥式驱动器进行控制以使电动机感应反向电流降低。然后，在步骤S5中检查电源电压输出端的电压是否低于第二电压阈值(第二电压阈值低于第一电压阈值)。如果不低于，则该方法返回到步骤S4，否则前进到步骤S6，在步骤S6中，检查减速过程是否结束。如果结束了，则该方法在步骤S7结束，否则返回到步骤S2，再次向桥式驱动器施加适当的减速PWM信号，以在再生制动模式中使直流电动机减速。

最后，请注意，在不脱离由所附权利要求限定的本发明范围的情况下，还可以采用以上没有描述的等同替代或修改。

Claims

1.一种用于控制直流电动机(20)的减速过程的方法，其中，该直流电动机(20)是由与电源(12)耦接的桥式驱动器(18)驱动的，电源(12)用来在电源输出端(14)处提供电源电压VDD，该方法包括以下步骤：

向桥式驱动器(18)施加减速PWM信号来使直流电动机(20)减速；

如果电源输出端(14)处的电压超过比VDD高的第一电压阈值，则对桥式驱动器(18)进行控制以使电动机感应反向电流降低；

该方法的特征在于如下步骤：

如果电源输出端(14)处的电压降到低于比第一电压阈值低的第二电压阈值，则终止以电动机感应反向电流降低为目的而对桥式驱动器(18)进行的控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其中以使电动机感应反向电流降低为目的而对桥式驱动器(18)进行的控制将导致直流电动机(20)的至少一组绕组短路。

3.根据权利要求2所述的方法，其中使直流电动机(20)的所述至少一组绕组短路的处理包括将减速PWM信号的脉宽设置为0。

4.根据权利要求1所述的方法，其中以使电动机感应反向电流降低为目的而对桥式驱动器(18)进行的控制将导致将直流电动机(20)的至少一组绕组设置为高阻抗模式。

5.根据权利要求4所述的方法，其中将直流电动机(20)的所述至少一组绕组设置为高阻抗模式的处理包括对桥式驱动器(18)进行控制以使其断开与直流电动机(20)的所述至少一组绕组的连接。

6.根据权利要求1所述的方法，其中第二电压阈值高于VDD。

7.根据权利要求1所述的方法，其中选择PWM减速信号的脉宽以使得与直流电动机(20)的加速过程相比直流电动机电流的符号经过了变化。

8.一种用于直流电动机(20)的控制器(10)，该直流电动机(20)是由与电源(12)耦接的桥式驱动器(18)驱动的，电源(12)用来在电源输出端(14)处提供电源电压VDD，该控制器包括：

用于向桥式驱动器(18)施加减速PWM信号以使直流电动机(20)减速的装置(22)；

用于在电源输出端处的电压超过比VDD高的第一电压阈值时对桥式驱动器(18)进行控制以使电动机感应反向电流降低的装置(24，26，28；24，30)；

其特征在于，如果电源输出端(14)处的电压低于比第一电压阈值低的第二电压阈值，则用于控制桥式驱动器(18)的装置(24，26，28；24，30)适于终止以电动机感应反向电流降低为目的而对桥式驱动器(18)进行的控制。

9.根据权利要求8所述的控制器(10)，其中用于控制桥式驱动器(18)的装置(24，26，28)适于使直流电动机(20)的至少一组绕组短路。

10.根据权利要求9所述的控制器(10)，其中用于控制桥式驱动器(18)的装置适于将减速PWM信号的脉宽设置为0。

11.根据权利要求8所述的控制器(10)，其中用于控制桥式驱动器(18)的装置(24，30)适于将直流电动机(20)的至少一组绕组设置为高阻抗模式。

12.根据权利要求11所述的控制器(10)，其中用于控制桥式驱动器(18)的装置适于断开与直流电动机(20)的所述至少一组绕组的连接。

13.根据权利要求8所述的控制器(10)，其中第二电压阈值高于VDD。

14.根据权利要求8所述的控制器(10)，其中用于向桥式驱动器(18)施加减速PWM信号的装置(22)适于选取PWM减速信号的脉宽，以使得与直流电动机(20)的加速过程相比直流电动机电流的符号经过了变化。