一種無刷直流電機驅動芯片及系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種無刷直流電機驅動芯片及系統(tǒng)，屬于電機控制的技術領域。
【背景技術】
[0002]無刷電動機利用電子換向替代了機械換向，克服了傳統(tǒng)直流電機由于電刷摩擦而產生的一系列問題，并且具有調速性能好、體積小、效率高等優(yōu)點，因而廣泛應用于國民經濟生產的各個領域以及人們的日常生活中。
[0003]隨著控制理論、材料科學、微電子技術等的發(fā)展，電機控制日趨復雜和智能化。傳統(tǒng)的以模擬信號處理為主的電機芯片設計，一方面難以提供高度智能化的電機控制，另一方面芯片設計的可移植性和靈活性較差，導致設計周期和難度都大幅增加。此外，當前的應用方案中電機控制與驅動通常是分離的，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。

【發(fā)明內容】

[0004]本實用新型所要解決的技術問題在于克服現有技術的不足，提供一種無刷直流電機驅動芯片及系統(tǒng)，解決現有電機的電機控制與驅動通常是分離的，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問題。
[0005]本實用新型具體采用以下技術方案解決上述技術問題:
[0006]一種無刷直流電機驅動芯片，包括:
[0007]時鐘產生電路，用于產生芯片的系統(tǒng)時鐘；
[0008]電源管理電路，用于產生芯片的供電電壓；
[0009]模數轉換電路，其輸入端與時鐘產生電路、數字處理單元的輸出端分別相連，用于檢測獲得電機控制參數、電機狀態(tài)參數的模擬信號并將其轉換為數字信號；
[0010]位置檢測電路，其輸入端與位置傳感器相連，用于將位置傳感器的輸出信號轉換為數字信號，獲取電機轉子的位置信息及當前轉速；
[0011]數字處理單元，其輸入端與數模轉換電路、位置檢測電路的輸出端分別相連，用于根據所述電機轉子位置和當前轉速，及結合獲得的電機控制參數、電機狀態(tài)參數輸出電機各相線圈PffM信號；
[0012]柵極驅動電路，其輸入端與數字處理單元的輸出端相連，用于通過自舉電路將所述電機各相線圈PWM信號轉換為高壓驅動信號及輸出。
[0013]進一步地，作為本實用新型的一種優(yōu)選技術方案，所述芯片的所有電路及單元均集成于同一襯底上。
[0014]進一步地，作為本實用新型的一種優(yōu)選技術方案，所述芯片還包括信號放大和比較電路，所述信號放大和比較電路與位置檢測電路的輸入端相連。
[0015]進一步地，作為本實用新型的一種優(yōu)選技術方案，所述數字處理單元包括占空比控制單元、調制函數產生電路、三角載波產生電路及PWM生成單元，所述占空比控制單元與調制函數產生電路相連；所述調制函數產生電路、三角載波產生電路分別與PffM生成單元相連。
[0016]進一步地，作為本實用新型的一種優(yōu)選技術方案，所述數字處理單元包括閉環(huán)調速單元，所述閉環(huán)調速單元與占空比控制單元相連。
[0017]本實用新型還提供一種無刷直流電機驅動系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括位置傳感器、功率管，以及上述無刷電機驅動芯片；其中，所述位置傳感器用于檢測電機轉子位置；所述無刷電機驅動芯片的輸入端連接位置傳感器且輸出端與功率管相連；該無刷電機驅動芯片用于獲取電機轉子位置及當前轉速，及結合獲得電機控制參數、電機狀態(tài)參數通過功率管向無刷直流電機的各相線圈施加PWM信號。
[0018]本實用新型采用上述技術方案，能產生如下技術效果:
[0019](I)本實用新型所提供的無刷直流電機驅動芯片及系統(tǒng)，通過將無刷直流電機控制與驅動芯片集成在一起，大大提高了芯片集成度，降低了系統(tǒng)應用的難度和成本，提高了應用的靈活性，同時各種異常保護機制可以直接作用于柵極驅動電路，能夠更加及時、可靠地實施保護。
[0020](2)本實用新型采用以數字處理為核心的電路技術，與傳統(tǒng)的以模擬設計為主的電路技術相比，提高了芯片設計的可移植性和靈活性；與基于MCU和軟件的電機控制方案相比，縮短了開發(fā)周期，降低應用難度和成本，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】
[0021]為了更清楚地說明本實用新型實施例的技術方案，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實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0022]圖1為現有技術中一種典型的無刷直流電機驅動系統(tǒng)的模塊示意圖。
[0023]圖2為本發(fā)明實施例提供的一種無刷直流電機驅動芯片的模塊示意圖。
[0024]圖3為本發(fā)明實施例提供的一種數字處理單元的模塊示意圖。
[0025]圖4為本發(fā)明實施例提供的柵極驅動電路的應用示意圖。
[0026]圖5為本發(fā)明實施例提供的柵極驅動電路通過自舉電容轉換為高壓驅動信號的示意圖。
[0027]圖6為本發(fā)明實施例提供的一種無刷直流電機驅動系統(tǒng)的模塊示意圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖對本實用新型實施例進行詳細描述。應當明確，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0029]如圖1所示，現有技術中一個無刷電機控制系統(tǒng)通常包含電機控制芯片、柵極驅動芯片、功率器件以及位置傳感器。從可靠性、應用難度、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)電機控制方面，通常將圖1所示的柵極驅動芯片、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為例，一個IPM通常包含了 3顆柵極驅動芯片、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應用。
[0030]本實用新型提出將電機控制芯片與柵極驅動集成一起，成為集成驅動芯片。首先，集成驅動芯片仍然可以與功率器件封裝在一起，與IPM相比，元器件數目減少了，功能卻增加了，集成度大大提高；其次，集成驅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用；再次，電機控制與驅動集成在一起，除集成度提高外，電機的過流、過溫等異常保護可以更加及時、智能。
[0031]本實用新型實施例實施一提供了一種無刷直流電機驅動芯片，其模塊示意圖如圖
2所示，所述芯片包括模數轉換電路110、數字處理單元120、位置檢測電路130、時鐘發(fā)生電路140、柵極驅動電路150和電源管理電路170。其中，模數轉換電路110的輸入端與時鐘產生電路140、數字處理單元120的輸出端分別相連；所述位置檢測電路130，其輸入端與位置傳感器相連；所述數字處理單元120的輸入端與數模轉換電路110、位置檢測電路130的輸出端分別相連，且數字處理單元120的輸出端還與柵極驅動電路150的輸入端相連。該芯片的所有電路及單元均集成于同一襯底上。
[0032]時鐘產生電路140和電源管理電路170分別產生芯片的系統(tǒng)時鐘和供電電壓。模數轉換電路110是主要的接口電路，將電機控制參數、電機狀態(tài)參數等多通道模擬信號轉換為數字信號，以便于采用數字處理方法來完成電機控制的基本功能，優(yōu)選地，所述電機狀態(tài)參數可以包括母線電流的取樣電壓。位置檢測電路130則負責將位置傳感器的輸出信號轉換為數字信號，以獲取電機轉子的位置信息及當前轉速。以三相無刷直流電機為例，一般采用三個霍爾傳感器來感知電機轉子位置，據此將360電角劃分為6個扇區(qū)；根據霍爾傳感器的輸出，可以獲取電子轉子的位置信息及當前轉速。更進一步地，所述芯片還包括與位置檢測電路相連的信號放大和比較電路，用于對位置傳感器的輸出信號進行放大比較。
[0033]數字處理單元120是芯片的核心部分，主要處理模數轉換電路110和位置檢測電路130獲取的數字信號，并根據內置的調制算法輸出各相PffM信號。該調制算法可以采用現有技術中已知的算法進行。
[0034]為方便進一步的理解，本實用新型實施例提