阅读说明：本技术 一种电动机驱动电路及其控制方法 (Motor driving circuit and control method thereof ) 是由 赵长海 万秋华 于海 梁立辉 卢新然 于 2019-11-08 设计创作，主要内容包括：本发明涉及电动机驱动技术领域，具体涉及一种电动机驱动电路及其控制方法。本发明采用两级控制的方法来控制电动机线圈中的电流，其中第一级电路为电压转换电路，电压转换电路将输入的电压Ui转换为电动机上所需的电压Us。第二级电路由多个开关管、电动机线圈、电流检测器组成的桥式电路来控制电动机线圈上的电流。通过控制第一级电路的PWM0信号的占空比，来控制施加在第二级电路电动机线圈上的电压Us，使第二级电路在电动机线圈电流不变的情况下增大PWM信号的有效时间，降低死区对电动机的影响，使电动机线圈的电流更稳定，电动机的运行更平稳，精度更高。(The invention relates to the technical field of motor driving, in particular to a motor driving circuit and a control method thereof. The invention adopts a two-stage control method to control the current in the motor coil, wherein the first stage circuit is a voltage conversion circuit which converts the input voltage Ui into the voltage Us required by the motor. The second stage circuit is a bridge circuit consisting of a plurality of switching tubes, a motor coil and a current detector and is used for controlling the current on the motor coil. The duty ratio of the PWM0 signal through controlling the primary circuit controls the voltage Us applied to the motor coil of the secondary circuit, so that the effective time of the PWM signal is increased by the secondary circuit under the condition that the current of the motor coil is not changed, the influence of a dead zone on the motor is reduced, the current of the motor coil is more stable, the motor runs more stably, and the precision is higher.)

一种电动机驱动电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及电动机驱动技术领域，具体而言，涉及一种电动机驱动电路及其控制方法。

背景技术

电动机是一种把电能转换成机械能的设备，它利用通电线圈产生旋转磁场，并作用于转子，形成磁电动力旋转扭矩，广泛应用在各种工业系统中。控制电动机扭矩的大小，实际就是控制电动机线圈中电流的大小。由于直接控制电动机线圈的电流非常困难，一般是采用控制线圈两端电压的方法来控制线圈的电流。

目前最常用的是脉宽调制(PWM波)驱动电动机，如图1所示。图1中的V1～V4为开关管，当开关管的控制端加高电平时，开关管导通，当开关管的控制端加低电平时，开关管关闭。当开关管V1、V4导通，V2、V3关闭时，电动机线圈上施加正向电压；当V2、V3导通，V1、V4关闭时，电动机线圈上施加反向电压；当V2、V4导通，V1、V3关闭时，电动机线圈上不施加电压，处于续流状态。通过控制线圈上施加正向电压或者反向电压时间的长短，来控制线圈上的电流大小。在一个控制周期内，线圈上施加正向电压的时间大于反向电压的时间时，线圈电流增加；反之，当线圈上施加反向电压的时间大于正向电压的时间时，线圈电流减小。

当V1导通，V2关闭时，图1中A点的电动势为Us；当V1关闭，V2导通时，A点的电动势为0；当开关管V1和V2同时导通时，流过V1和V2上的电流将非常大，有可能损坏开关管。为了保护开关管，延长开关管的寿命，在实际使用时，会加入死区。即图1中从V1打开、V2关闭的状态向V1关闭、V2打开的状态过度时，会加入一段V1和V2都关闭的状态，该状态称为死区。一般常用的控制方式中，一个PWM周期一般分为三种状态，如图2所示，其中状态1为正向电压时间，状态2、4为死区时间，状态3为电动机线圈续流时间。

在死区状态时，A点的电动势是不确定的，当线圈中的电流方向为正向时(电流从左到右)，此时V2的续流二极管导通，A点的电动势为0；当线圈中的电流为反向时，V1的续流二极管将导通，A点的电动势为Us。准确的判断线圈中的电流方向是非常困难的，所以在死区状态时，A点的电动势是很难确定的。由于死区的存在，会影响电动机电流的控制精度，尤其是在电流过零点时，会造成电流波形的畸变，严重影响电动机的控制精度。

发明内容

本发明实施例提供了一种电动机驱动电路及其控制方法，以至少解决现有电动机驱动电路对电动机控制精度低的技术问题。

根据本发明的一实施例，提供了一种电动机驱动电路，包括两级电路，其中第一级电路为电压转换电路，电压转换电路将输入的电压Ui转换为电动机上所需的电压Us，第二级电路为桥式电路，桥式电路包括：多个开关管、电动机线圈、电流检测器；电动机驱动电路通过控制输入至第一级电路上PWM0信号的占空比，控制施加在第二级电路中电动机线圈上的电压Us。

进一步地，电压转换电路包括：开关管V0、电感L1、二极管D0和电容C1，开关管V0的漏极与输入的电源Ui相连接，开关管V0的栅极与电压控制信号PWM0相连，开关管V0的源极与二极管D0的阴极及电感L1的一端相连，电感L1的另一端与电容C1的正极相连，电容C1的负极及二极管D0的阳极与电源地相连，电容C1的正极输出电压为Us。

进一步地，桥式电路包括：开关管V1～V4、二极管D1～D4、电动机线圈M和电流检测器U1；其中V1和D1为包含反向续流二极管的开关管。

根据本发明的另一实施例，提供了一种应用上述电动机驱动电路的电动机驱动电路控制方法，包括以下步骤：

电动机驱动电路上电时将PWM0的占空比先设定为一个起始值X0；

根据电动机线圈电流的设定值来控制PWM1～PWM4的波形输出，计算PWM1～PWM4波形的有效时间；

当PWM1～PWM4波形的有效时间大于预设值Y1时，增大PWM0的占空比；当PWM1～PWM4波形的有效时间小于预设值Y2时，减小PWM0的占空比；当PWM1～PWM4波形的有效时间处于Y1和Y2之间时，保持PWM0的占空比不变；其中Y2＜Y1。

进一步地，当PWM1～PWM4波形的有效时间大于预设值Y1时，增大PWM0的占空比，直至PWM1～PWM4波形的有效时间小于Y1或者PWM0的占空比为最大数值1。

进一步地，当PWM1～PWM4波形的有效时间小于预设值Y2时，减小PWM0的占空比，直至PWM1～PWM4波形的有效时间大于Y2或者PWM0的占空比小于设定的最小值X1。

进一步地，计算PWM1～PWM4波形的有效时间包括：计算每一路PWM波形有效值的矢量合成值。

进一步地，对于两相电机，两相PWM波形电压向量是正交的关系，假设第一相PWM波形的有效值为M1，第二相PWM波形的有效值为M2，则PWM波形有效值的矢量合成值M为：

进一步地，对于三相电机，其输出PWM波形的两个电压向量是成夹角60°的关系，假设两个电压向量的有效值分别为N1和N2，则PWM波形有效值的矢量合成值N为：

进一步地，该方法还包括：

在电动机驱动电路上电时，首先检测是否为固定电压模式或者是自动调节模式；

若是固定电压模式，将PWM0的信号设定为固定的方波信号，方波信号的占空比为固定的设定值；若是自动调节模式，则将PWM0的占空比先设定为一个起始值X0。

本发明实施例中的电动机驱动电路及其控制方法，能够降低死区时间与有效PWM波形时间的比值，降低死区对电动机的影响，尤其是当电动机在低速和静止时，能够提高电动机的稳定性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为现有技术中的一相电动机驱动示意图；

图2为现有技术的一相电动机驱动PWM波形示意图；

图3为本发明实施中的一相电动机驱动示意图；

图4为本发明实施中的一相电动机驱动PWM波形示意图；

图5为本发明实施中的三相电动机驱动示意图；

图6为本发明实施中的三相电动机驱动PWM波形示意图；

图7为本发明实施中的工作流程图；

图8为本发明实施中三相电动机驱动PWM波形有效值的矢量合成图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

采用PWM波形控制电动机时，其PWM波形的死区是必不可少的。一个完整的PWM波形周期时间一般分为三段，一段时间为死区时间，一段时间为有效波形时间，一段时间为续流时间。其中死区时间为无法预料状态，有效波形时间为根据需要进行的激励可控状态，续流时间近似为电流持续不变的状态。死区时间与有效PWM波形时间的比值越小，则死区的影响越小；反之，死区时间与有效PWM波形时间的比值越大，则死区的影响越大。

为了降低死区的影响，则需要降低死区时间与有效PWM波形时间的比值。在电动机线圈中产生同样的电流时，施加在线圈上的电压Us越小，则需要的有效PWM波形时间就越大，则死区的影响越小；反之，施加在线圈上的电压Us越大，则需要的有效PWM波形时间越小，死区的影响越大。本发明采用两级PWM波形控制的方法来控制电动机线圈中的电流，电路如图3所示，一路PWM波形用来控制施加在电动机线圈中的电压Us，记为PWM0，其余各路PWM波形用来控制施加在电动机线圈中有效电压的时间，以此来控制电动机线圈中的电流，使线圈中的电流与设定值一致，如图4中的PWM1～PWM4。设直流输入的电源电压为Ui，PWM0的占空比越大，则电感输出的电压越大；占空比越小，则输出的电压越小；当占空比为0时，输出的电压Us为0，占空比为1时，输出的电压Us＝Ui。

以两相电动机中的其中一相线圈为例，当电动机的转速较高时，线圈中的电流变化较快，控制线圈电流的PWM波形的有效时间较长，死区的影响较弱，此时PWM0波形的占空比将变大，直至为最高的1，以此来保证线圈中的电流能达到设定的电流。当电动机的转速较低或者电动机停止时，此时控制线圈电流的PWM波形的有效时间较短，死区的影响较大，则PWM0波形的占空比将减小，施加在线圈上的电压Us将减小，则控制线圈电流的PWM波形的有效时间将变大，死区的影响将减弱，以此来保证电动机平稳运行。当电机的转速处于中间值时，则PWM0的占空比将处于一个适当的比例，使施加在线圈上的电压Us处于一个合适的电压，以此来保证电动机既能平稳运行，又能进行快速的响应。

为了防止频繁的改变PWM0的占空比而使施加在电机线圈上的电压Us不停的变化，从而导致电动机的不稳定，在实际控制时，PWM0的占空比改变需要一定的条件。当控制线圈电流的PWM1～PWM4波形的有效时间大于设定的阈值Y1时，才增大PWM0的占空比，以此来提高施加在电动机线圈上的电压Us。当PWM1～PWM4波形的有效时间小于设定的阈值Y2时，Y2＜Y1，才减小PWM0的占空比，以此来减小施加在电动机线圈上的电压Us。当PWM1～PWM4波形的有效时间处于Y2和Y1之间时，此时PWM0的占空比保持不变。电动机驱动电路在整个工作过程中需要实时的检测PWM1～PWM4波形的有效时间，以此来设定PWM0的占空比为合适的数值。

PWM0的占空比也可以根据外部指令来设定，当外部指令希望电动机以低速平稳运行为主时，则电动机驱动电路降低PWM0的占空比，减小施加在线圈上的电压Us；当外部指令希望电动机具有快速的响应能力时，则电动机驱动电路将增加PWM0的占空比，增大施加在线圈上的电压Us。

实施例1

根据本发明一实施例，提供了一种电动机驱动电路，本发明的具体实施方式如图3所示。开关管V0、电感L1、电容C1、二极管D0组成电压转换电路，根据需要将输入的电压Ui转换为需要的电压Us。开关管V0的漏极与输入的电源Ui相连接，开关管V0的栅极与电压控制信号PWM0相连，开关管V0的源极与二极管D0的阴极及电感L1的一端相连，电感L1的另一端与电容C1的正极相连，电容C1的负极及二极管D0的阳极与电源地相连。电容C1的正极输出电压为Us，即施加在电动机线圈上的电压。

本发明采用两级控制的方法来控制电动机线圈中的电流，其中第一级电路由开关管V0、电感L1、二极管D0和电容C1组成的电压转换电路。第二级电路由多个开关管、电动机线圈、电流检测器组成的桥式电路来控制电动机线圈上的电流。通过控制第一级电路的PWM0信号的占空比，来控制施加在第二级电路电动机线圈上的电压Us，使第二级电路在电动机线圈电流不变的情况下增大PWM信号的有效时间，降低死区对电动机的影响，使电动机线圈的电流更稳定，电动机的运行更平稳，精度更高。

控制电动机线圈电流的H桥电路与现有的电路一样，如图3所示，包括元件开关管V1～V4、二极管D1～D4、电动机线圈M和电流检测器U1，其中元件V1和D1可以由包含反向续流二极管的开关管代替。图3为控制电动机其中一相线圈的电路图。图4为电动机驱动电路工作时的一种PWM波形图状态，图4的状态是电动机线圈施加正向电压的状态，当PWM1、PWM3状态互换，PWM2、PWM4状态互换时，电动机线圈施加反向电压。

当电动机的线圈多于1个时，需要增加桥式电路。图5为采用本电动机驱动电路驱动三相电动机的电路图，图6为本发明三相电动机驱动的PWM波形的一种状态示意图。

实施例2

根据本发明的另一实施例，提供了一种电动机驱动电路控制方法，包括：

本驱动电路上电后首先检测是否为固定电压模式，若是则根据设定值，使第一级电路的PWM0信号输出一个固定的占空比，使施加在线圈上的电压固定，根据需要输出第二级电路的PWM信号波形。当为自动调节模式时，驱动电路上电时PWM0的占空比先设定为一个起始值X0，计算第二级电路PWM信号波形的有效值的矢量合成值。当第二级电路PWM信号的有效值大于设定的阈值Y1时，增大PWM0的占空比，以此来提高施加在电动机线圈上的电压Us。当第二级电路PWM信号的有效值小于设定的阈值Y2时，减小PWM0信号的占空比，以此来减小施加在电动机线圈上的电压Us。当第二级电路PWM信号的有效值处于Y1和Y2之间时，此时PWM0的占空比保持不变。

具体地，本驱动电路上电工作时，首先检测是否为固定电压模式，当为固定电压模式时，此时PWM0的信号为固定的方波信号，方波信号的占空比为固定的设定值。当为自动调节模式时，驱动电路上电时PWM0的占空比先设定为一个起始值X0，然后根据电动机线圈电流的设定值来控制PWM1～PWM4的波形输出，计算PWM1～PWM4波形的有效时间，当PWM1～PWM4波形的有效时间大于Y1时，此时增大PWM0的占空比，以此来提高施加在电动机线圈上的电压Us，直至PWM1～PWM4波形的有效时间小于Y1或者PWM0的占空比为最大数值1。当PWM1～PWM4波形的有效时间小于Y2时，此时减小PWM0的占空比，以此来减小施加在电动机线圈上的电压Us，直至PWM1～PWM4波形的有效时间大于Y2或者PWM0的占空比小于设定的最小值X1。本电动机驱动电路工作的工作流程图如图7所示。

当电动机的线圈数多于1个时，计算PWM波形的有效值时，需要计算每一路PWM波形有效值的矢量合成值。对于两相电机来说，两相PWM波形电压向量是正交的关系，假设第一相PWM波形的有效值为M1，第二相PWM波形的有效值为M2，则PWM波形有效值的矢量合成值M如公式(1)所示：

对于图5中三相电机来说，其输出PWM波形的两个电压向量是成夹角60°的关系，假设两个电压向量的有效值分别为N1和N2，参见图8，则PWM波形有效值的矢量合成值N如公式(2)所示：

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

采用本发明的驱动电路及其控制方法能够实时的调整施加在电动机线圈上的电压，减少死区对电动机的影响，使电动机在低速运行时更平稳。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。