一種無刷直流電機(jī)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)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，因而廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的各個領(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)的以模擬信號處理為主的電機(jī)芯片設(shè)計，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)計的可移植性和靈活性較差，導(dǎo)致設(shè)計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)動通常是分離的，由至少兩顆芯片來完成各自功能，這增加了應(yīng)用難度和系統(tǒng)成本，同時由于寄生電感、電容等的存在也不利于異常的及時、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)驅(qū)動芯片及系統(tǒng)，解決現(xiàn)有電機(jī)的電機(jī)控制與驅(qū)動通常是分離的，由至少兩顆芯片來完成各自功能，且可移植性和靈活性較差的技術(shù)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)驅(qū)動芯片，包括:
時鐘產(chǎn)生電路，用于產(chǎn)生芯片的系統(tǒng)時鐘；
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，用于檢測獲得電機(jī)控制參數(shù)、電機(jī)狀態(tài)參數(shù)的模擬信號并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；
位置檢測電路，用于將位置傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，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；
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)動信號及將高壓驅(qū)動信號輸出。
[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，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，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，所述位置檢測電路包括信號放大和比較電路，用于對位置傳感器的輸出信號進(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信號占空比的控制信號；
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信號占空比的控制信號產(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。
[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)明還提出一種無刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(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)項所述的無刷電機(jī)驅(qū)動芯片；其中，所述位置傳感器用于檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子位置；所述無刷電機(jī)驅(qū)動芯片用于獲取電機(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)通過功率管向無刷直流電機(jī)的各相線圈施加PWM信號。
[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)明所提供的無刷直流電機(jī)驅(qū)動芯片及系統(tǒng)，通過將無刷直流電機(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、可靠地實施保護(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)字電路中實現(xiàn)，與傳統(tǒng)的以模擬設(shè)計為主的電路技術(shù)相比，提高了芯片設(shè)計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，避免了因儲存單元信息丟失、軟件飛車等引起的芯片失效。
【附圖說明】
[0016]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實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)中一種典型的無刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的模塊示意圖。
[0018]圖2為本發(fā)明實施例提供的一種無刷直流電機(jī)驅(qū)動芯片的模塊示意圖。
[0019]圖3為本發(fā)明實施例提供的一種數(shù)字處理單元的模塊示意圖。
[0020]圖4為本發(fā)明實施例提供的柵極驅(qū)動電路的應(yīng)用示意圖。
[0021]圖5為本發(fā)明實施例提供的柵極驅(qū)動電路通過自舉電容轉(zhuǎn)換為高壓驅(qū)動信號的示意圖。
[0022]圖6為本發(fā)明實施例提供的一種無刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的模塊示意圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例進(jìn)行詳細(xì)描述。應(yīng)當(dāng)明確，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，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)。以三相無刷直流電機(jī)為例，一個IPM通常包含了 3顆柵極驅(qū)動芯片、6個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。首先，集成驅(qū)動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、智能。
[0026]本發(fā)明實施例實施一提供了一種無刷直流電機(jī)驅(qū)動芯片，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、位置檢測電路130、時鐘發(fā)生電路140、柵極驅(qū)動電路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。位置檢測電路130則負(fù)責(zé)將位置傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息及當(dāng)前轉(zhuǎn)速。以三相無刷直流電機(jī)為例，一般采用三個霍爾傳感器來感知電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，據(jù)此將360電角劃分為6個扇區(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，所述位置檢測電路還包括信號放大和比較電路，用于對位置傳感器的輸出信號進(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和位置檢測電路130獲取的數(shù)字信號，并根據(jù)內(nèi)置的調(diào)制算法輸出各相P