CN85108272A

CN85108272A - 电机驱动系统

Info

Publication number: CN85108272A
Application number: CN85108272.6A
Authority: CN
Inventors: 西岛英男; 伊藤隆康; 福岛勇夫
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1984-10-11
Filing date: 1985-10-11
Publication date: 1986-05-10
Also published as: CN1004392B; EP0177931A3; JPH0634618B2; KR900001789B1; JPS6192191A; US4682096A; BR8505009A; EP0177931A2; EP0177931B1; KR860003699A; DE3585124D1

Abstract

电机驱动系统包括由一个小电流PNP晶体管和一个大电流NPN晶体管以达灵顿联接而构成的等价功率PNP晶体管，在NPN晶体管的集电极和PNP晶体管的发射极之间接有可调、降压型开关式稳压器。可以减少电机驱动系统中的电功率损失，并且可以节省使电机驱动系统工作所需要的电功率。

Description

本发明是关于电机驱动系统，特别是其功率消耗得以减少的、用于单相和三相电机的驱动系统。

在先有技术中，例如日本专利未经审查的公开说明书№66864/80和№66262/80所公开的电机驱动系统中，PNP晶体管和NPN晶体管分别和电机驱动线圈的两端相连接，电功率经PNP晶体管和NPN晶体管馈入电机驱动线圈。在集成电路中形成电机驱动系统，特别是形成如图1中虚线方框A所示的驱动电路时，存在一定的障碍，因为，由于增大芯片尺寸所致，难以实现能够工作在大电流区的PNP晶体管。为此，通常，如图1所示，用一个尺寸较小的PNP晶体管3和一个尺寸大的NPN晶体管4，以达灵顿接法将它们连接起来。靠这种达灵顿接法，虽然可以得到和PNP晶体管等价的效果，但就晶体管4的情况而言，要求其集电极-发射极电压V_CE至少和基极-发射极电压V_BE一样大（假设晶体管3的集电极-发射极电压V_CE是0伏）。这种事实引起了一个问题，因为，当电机线圈6和7被驱动时，尤其在低电压下，电机的效率η（包括驱动系统中的损失）大幅度降低。这里，电机的效率η表示为

η＝ (输出)/(输入) ＝ (负载转矩×输出功率)/(电压×电流)

在这种场合，因为上式中的电压是晶体管4的集电极-发射极电压V_CE，于是靠降低电压V_CE，电机的效率η就能得到改善。在图1中，标号1表示第一电源，8和9分别表示控制晶体管3、4、5用的电机驱动控制信号的输入端，标号30表示第二电源。

本发明之目的是提供用于单相电机和三相电机的电机驱动系统，该系统减少了电机驱动电路中的电功率损失，并且，由于消除了上面提及的先有技术的缺点，使该系统运行在电功率消耗大幅度降低的情况下。

本发明进一步的目的是减少电机驱动系统中产生的热量，改善电机效率。

为了达到这些目的，按照本发明，在由小电流PNP晶体管和大电流NPN晶体管以达灵顿接法构成的等价大功率PNP晶体管电路中，在大电流NPN晶体管的集电极和小电流PNP晶体管的发射极之间接一个高效开关型稳压器。

本发明的最佳实施例将和附图结合起来予以说明：

图1是先有技术的电机驱动系统方框图;

图2是图解本发明的电机驱动系统原理的方框图;

图3是馈给图2电路的信号波形图;

图4是表明本发明实施例的电路图;

图5是表明图4所示的位置检测器布局的电路图;

图6是表明用于本发明的开关式稳压器具体方案的电路图。

下面，将参照图2-图6叙述本发明的实施例。图2是表明按照本发明构成的电机驱动系统原理的方框图，标号2表示开关式稳压器。而且，在图2中，凡是和图1中同样的元件，都标以同样的号码。在图2的元件安排中，晶体管4工作在饱和区，因此以通/断方式控制，而晶体管5是在非饱和区工作，使它工作如一个电流源。

在图2中，例如在三相双向激磁型的电机驱动电路中，要把从电机驱动控制电路（如图4所示）加到输入端8和9的输入信号考虑成如图3所示的信号a到f的组合。在这方面，信号a到c对应于输入端8，信号d到f对应于输入端9。假定信号a输至输入端8，信号c输至输入端9，那么晶体管3、4、5（图2）仅仅在t₀到t₁这段时间内导通。其结果，电流加到电机驱动线圈6和7，转子（未画出）就转动。在此情况下，接于晶体管3的发射极和晶体管4的集电极之间的开关式稳压器提供电机驱动线圈6和7所需的最低电压。靠这样一种安排，就能减少电机驱动系统中的功率消耗，实现高效的电机驱动。而且，当在集成电路中形成这种电路时，因为功率消耗低，具有突出的优点，因为集成电路中的发热可以减少，封装、散热等设计都比较容易。

图4是表示根据本发明所作电机驱动系统实施例的电路图，图示的例子是三相双向激磁型电机驱动系统。在此图中，和图1、图2中一样的标号表示一样的元件。标号10到15表示晶体管，16是电机驱动线圈，17是转子磁体，18是包括检测转子磁体17转动位置用的霍耳元件在内的位置检测器，标号19表示电机驱动控制电路。首先将说明三相双向激磁类型。如图5所示，用来检测转子磁体17，分别与定子上电机驱动线圈6，7，16相对位置关系的位置检测器通常包括三个霍耳元件31a、31b、31c，分别和电机驱动线圈6、7、16相对应。更明确地，在图5中，霍耳元件31a、31b、31c的每一个都按在机械上与其对应的电机驱动线圈6、7、16的某一个成180°角来安排。在本例中，所示的转子磁体17有四个极，这样，每个霍耳元件对于相应的电机驱动线圈成360°（或0°）电角度。所以，电机驱动线圈6、7、16的每一个和相应的霍耳元件31a、31b和31c的每一个都可以布置在同样的位置。

参照图4，电机驱动控制电路19根据来自三个霍耳元件31a、31b、31c的信号，控制晶体管3、10、11中的每一个以及晶体管14、5、15中的每一个，使它们依次地接通、断开，这样，使转子磁体连续旋转。在本例中，靠控制开关式稳压器2的输出电压，可以使电路系统中的功率消耗减少，稳压器的输出电压则可根据电机驱动线圈6、7、16所要求的电压来调节。

图6是示于图2和图4中的开关式稳压器的具体电路图。

在图6中，和图2、图4中一样的标号表示一样的部件。标号20表示三角波振荡器，21是比较器，22是晶体管，23是二极管，24是线圈，25是电容器，26是放大器，27是参考电源，28是可调电流源，29表示晶体管。图6表示图4所示三相双向激磁的一种状态，如图1、图2中的情况。控制开关式稳压器2的输出电压使得在非饱和区工作的晶体管5的集电极电压保持在第三参考电源27的电压值。换句话说，晶体管5的集电极和第三参考电源27之间的电压差由放大器26放大，放大器的输出通过比较器21同三角波振荡器20的三角波进行比较，根据来自比较器21的脉宽调制波，以通/断方式控制晶体管22。晶体管22的输出通过平滑电路平滑化，平滑电路由续流二极管23，线圈24和电容器25组成，直流电压加于电机驱动晶体管4。晶体管4在饱和区工作，并以通/断方式工作。进而，为了充分降低电功率损失，晶体管4的基极电流被控制到比如说晶体管5的基极电流的两倍。为了达到这个目的，借助于电流反射镜电路把控制晶体管5基极电流的晶体管29的集电极电流放大到约两倍，电流反射镜电路由一组晶体管3′构成，放大了的电流加到晶体管4上作为基极电流。结果，晶体管4工作在靠近非饱和区这一边的饱和区。靠这种工作状态，消耗于晶体管组3′中的功率损失也被控制到最低水平。进一步，电机的速度控制可以靠调节流过电机驱动线圈6和7的电流来实现，电流则由控制可调电源28来改变。

尽管所作的说明是就三相输入的一相而言，然而，对另外两相，情况完全一样。

根据本发明，一个包括以达灵顿接法将小电流PNP晶体管和大电流NPN晶体管组合起来的电路的电机驱动系统，在其PNP晶体管的发射极和NPN晶体管的集电极之间接入一个高效开关式稳压器，该系统的晶体管电路适合于作成集成电路。这样的设计由于大大降低了电机驱动系统的功率消耗，能够减少形成于集成电路中的电机驱动系统的发热，并且能大幅度改善电机的效率，因而具有显然的优点。

Claims

1、一种电机驱动系统，其特征为：

第一个PNP晶体管的发射极和第一参考电源连接；

第一个NPN晶体管的基极和上述第一个PNP晶体管的集电极连接；

第二个NPN晶体管的发射极和第二个参考电源连接；

电机驱动线圈接于上述第一个NPN晶体管的发射极和上述第二个晶体管的集电极之间；

可调、降压型开关式稳压器接于上述第一个参考电源和上述第一个NPN晶体管的集电极之间，其中受控制的是上述第一个PNP晶体管的基极和上述第二个NPN晶体管的基极。

2、一种三相电机驱动系统，其特征为：

第一组PNP晶体管分别和第一相、第二相、第三相对应，并且，它们的基极和第一参考电源连接;

第一组NPN晶体管分别和第一相、第二相、第三相对应，上述第一组NPN晶体管每个管子的基极和对应那一相的第一组PNP晶体管的那个管子的集电极连接;

第二组NPN晶体管分别对应于第一、第二、第三相，它们的发射极和第二参考电源连接;

三相电机驱动线圈分别对应于第一、第二和第三相，所述三相电机驱动线圈的每一个接在上述第一组NPN晶体管的一个管子的基极和上述第二组NPN晶体管中一个管子的集电极之间的结点处，并对应于相应的相;

可调、降压型开关式稳压器接于上述第一参考电源和每一个上述第一组NPN晶体管的集电极之间;

其中每一个上述第一组PNP晶体管的基极和每一个上述第二组NPN晶体管的基极受控制。

3、根据权利要求1的电机驱动系统，其中所述开关式稳压器包括：

一个放大器，用来放大工作在非饱和区的上述第二组NPN晶体管的集电极电压和第三参考电源的参考电压之间的电位差，

一个三角波振荡器，用来产生三角形波输出，

一个比较器，用来比较三角波输出和上述放大器的输出，

第二个PNP晶体管由来自比较器的脉冲宽度调制波输出以通/断方式控制，和

一个平滑电路，用来使所述第二个PNP晶体管的输出平滑化，并用来提供直流电压给上述第一个NPN晶体管的集电极。

4、根据权利要求2的电机驱动系统，其中所述的开关式稳压器包括：

一个放大器，用来放大工作在非饱和区的上述第二个NPN晶体管的集电极电压和第三参考电源的参考电压之间的电位差，

一个三角波振荡器，用来产生三角波输出，

一个比较器，用来比较三角波输出和所述放大器的输出，

第二个PNP晶体管由来自上述比较器的脉冲宽度调制波输出以通/断方式控制，和

平滑电路，用来使上述第二PNP晶体管的输出平滑化并且供给上述第一NPN晶体管的集电极以直流电压。

5、根据权利要求1的电机驱动系统，其中所述第一PNP晶体管由电流反射镜连接形成，因此，所述第一NPN晶体管的基极电流大于所述第二NPN晶体管的基极电流，并且，所述第一NPN晶体管的基极电流和所述第二NPN晶体管的基极电流成比例地变化。

6、根据权利要求2的电机驱动系统，其中所述第一PNP晶体管由电流反射镜接法形成，因此，所述第一NPN晶体管的基极电流大于所述第二NPN晶体管的基极电流，并且，所述第一NPN晶体管的基极电流和所述第二NPN晶体管的基极电流成正比例地变化。