CN1602582B - 电流控制的马达放大器系统和电流控制的马达放大的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种电流控制的马达放大器系统的多个方面。这些方面包括一个电流源马达放大器，这一电流源马达放大器包括在H电桥配置上半部的每一桥臂上的电流源装置和在H电桥配置下半部的每一桥臂上的开关装置。在H电桥配置的中部把一个马达耦合于电流源马达放大器。把控制电路耦合于电流源马达放大器，用于在一段预确定的时间内控制电流源马达放大器的接通，以基本上按一个线性恒定电流源操作H电桥配置上半部，并以开关模式操作H电桥配置下半部。这些方面还考虑到对电路的简化，以免过压条件的损坏，而且在具有较高旋转速度的应用中，消除了与所感应的反EMF相关的电阻尼。

Description

电流控制的马达放大器系统和电流控制的马达放大的方法
技术领域
总体上讲，本发明涉及一种电流控制的马达放大器系统。
背景技术
设计互导或电流控制的马达放大器的传统方法包括电流感觉、放缩、误差放大、补偿、以及马达驱动。图1中描述了这样一种放大器的一个实例，其中，T1、T2、T3、以及T4为固态开关(通常为晶体管)，M为电动马达(或在多相位马达的情况下，为马达的一个相位)，以及I为马达中的电流。向每一开关连接一个反向偏压二极管。把H电桥的上下端子连接于最高电位。
特别是，把这一传统方法用于导致高马达反EMF(电磁力)的有效马达转动速度领域。通过感觉马达的电流，以及形成一个正比于马达电流的一个电流信号，可以把瞬时马达电流与所命令的马达电流进行比较。作为命令信号与马达驱动电桥的一个误差信号，对所命令和所测马达电流之间的任何差加以放大。如果所测电流小于所命令电流，则误差信号将命令马达电流的一个补偿增加。在这一方式中，马达的输出电流，因而马达的输出转矩正比于向放大器的输入命令。
这一传统的方法通常非常适合于在一个宽的负荷和旋转速度范围内驱动马达。与典型的力反馈应用所涉及的情况(例如，游戏应用中所涉及的轮子或操纵杆放大器)相比，这一传统方法的一个问题是涉及更为复杂的情况，在游戏应用中，倾向于在接近停机或相当慢的旋转速度的情况下进行操作。传统方法中，覆盖的宽度向针对力反馈应用的马达放大器的设计增添了不必要的复杂性。
因此，所需要的是，一种不太复杂和更适合于高保真度力反馈应用的电流控制的马达放大器设计的方法。
发明内容
提供了一种电流控制的马达放大器系统的多个方面。这些方面包括一个电流源马达放大器，这一电流源马达放大器包括在H电桥配置上半部的每一桥臂上的电流源装置和在H电桥配置下半部的每一桥臂上的开关装置。在H电桥配置的中部把一个马达耦合于电流源马达放大器。把控制电路耦合于电流源马达放大器，用于在一段预确定的时间内控制电流源马达放大器的接通，以基本上按一个线性恒定电流源操作H电桥配置上半部，并以开关模式操作H电桥配置下半部。
根据本发明，提供一种电流控制的马达放大器系统，包括：被耦合到H电桥放大器配置上半部的第一端的第一电流源；被耦合到所述H电桥放大器配置上半部的第二端的第二电流源；被耦合到所述H电桥放大器配置下半部的第一端的第一开关部件，所述第一开关部件与所述第一电流源相关联并且被配置成在开关模式下进行操作；被耦合到所述H电桥放大器配置下半部的第二端的第二开关部件，所述第二开关部件与所述第二电流源相关联并且被配置成在开关模式下进行操作；被耦合到所述第一开关部件和所述第二开关部件中的每个上的控制电路，所述控制电路被配置成在离散的时间间隔期间激活所述第一开关部件和所述第二开关部件，所述第一电流源被配置成响应来自于所述控制电路的激活，而提供第一方向电流给被耦合到所述第一电流源的负载以及给所述第一开关部件，以及所述第二电流源被配置成响应来自于所述控制电路的激活，而提供第二方向电流给被耦合到所述第二电流源的负载以及给所述第二开关部件，其中按一个线性恒定电流源操作H电桥放大器配置上半部.
根据本发明，提供一种放大器，包括：被耦合到H电桥放大器配置上半部的第一端的第一电流源部件；被耦合到所述H电桥放大器配置上半部的第二端的第二电流源部件；被耦合到所述H电桥放大器配置下半部的第一端的第一开关部件，所述第一开关部件与所述第一电流源部件相关联，并且所述第一开关部件被配置成在开关模式下进行操作；被耦合到所述H电桥放大器配置下半部的第二端的第二开关部件，所述第二开关部件与所述第二电流源部件相关联，并且所述第二开关部件被配置成在开关模式下进行操作，其中按一个线性恒定电流源操作H电桥放大器配置上半部。
根据本发明，提供一种电流控制的马达放大的方法，包括：提供电流到H电桥放大器配置上半部的第一端；提供电流到所述H电桥放大器配置上半部的第二端；开关所述H电桥放大器配置下半部的第一端的状态，所述下半部的第一端与所述上半部的第一端相关联；开关所述H电桥放大器配置下半部的第二端的状态，所述下半部的第二端与所述上半部的第二端相关联；交替所述下半部的第一端的状态和所述下半部的第二端的状态，以使得所述下半部的第一端和所述下半部的第二端的每一个在不同的时间间隔期间被激活；当所述下半部的第一端被激活时，在第一方向上将到所述上半部的第一端的所述电流提供给负载；以及当所述下半部的第二端被激活时，在第二方向上将到所述上半部的第二端的所述电流提供给负载，其中按一个线性恒定电流源操作H电桥放大器配置上半部。
通过本发明，避免了与传统方案相关的有效电流回路延迟。而且，本发明还提供了不太复杂和较低开销的方案，这一方案包括过压保护，而且更适合于改变马达旋转方向时的高保真力反馈。本发明还提供了马达反EMF补偿。通过以下的详细描述，以及对附图的参照，本发明这些以及其它优点将会变得十分明显。
附图说明
图1说明了一个现有技术马达放大器设计图。
图2说明了一个根据本发明的电流源马达放大器的示意图。
图3沿两个轴(X和Y)说明了图2的电流源马达放大器的一个实例应用的示意图，这一电流源马达放大器是一种高电流放大器，例如娱乐中心应用的控制杆放大器。
图4说明了电流源马达放大器的一个变体，这一变体包括反EMF补偿和高电流马达驱动能力。
具体实施方式
本发明涉及一种电流控制的马达放大器系统.提供以下的描述，以使这一技术领域中的普通熟练技术人员能够制造和使用本发明，并且从专利申请极其要求的角度提供了以下的描述.这一技术领域中的熟练技术人员将很容易意识到可以对此处所描述的优选实施例和一般原理及特性进行多方面的修改.因此，本发明不旨在局限于所描述的实施例，而旨在赋予其与此处所描述的原理及特性相容的最宽范围.
图2说明了一个根据本发明的电流源马达放大器100的示意图。总体上讲，这一设计为线性放大器和开关模式放大器两者之间的一个混合，具有线性放大器的平滑的电流线性特性以及位于线性和开关模式放大器之间的效率。
如图2中所示，根据本发明的电流源马达放大器100基于一个电流源拓扑。一个H电桥包括在该电桥顶部的每一桥臂上的电流源102a和102b以及在该电桥底部的每一桥臂上开关机构，例如，N沟道FET(场效应晶体管)，其中，马达H电桥的水平部分。把一个电流源用于马达106的两个力方向的每一方向，例如，把电流源102a用于正方向，把电流源102b用于反方向。一个适当的偏压经由基极电阻Rb和晶体管110，与晶体管108a和108b(例如，PNP双极结晶体管(BJT))合作，提供电流源102a和102b。一对正向偏压二极管112防止电流源的基极电压降至电源电压减两个压降之下，这是这一技术领域中的熟练技术人员很容易加以理解的。
于是，对于与各额定12V的电源，晶体管102的基极电压不会下降到12V-2＊0.7V＝10.6V。这控制了到二极管的发射极电压，使其下降到基极电压之上，或10.6V+0.7V＝11.3V。因此，把从电源到发射极、跨越电流控制电阻Rs的电压降额定地控制到0.7V。这一固定的电压降允许一个固定的电流流过这一电流控制电阻。基极电阻Rb＝(Vs-2＊0.7-Vsat)/(Imax/β)/Ksf，其中，Vs为最大电源电压，Vsat是晶体管110的NPN集电极到发射极的饱和电压，Imax是最高PNP发射极电流，β是最小PNP器件增益，以及Ksf设计安全因子。对于一个典型的应用来说，Vs＝12V，Vsat＝0.4V，Imax＝750mA(毫安)，β＝50，Ksf＝2。于是，Rb＝大约340欧姆，或作为额定值的330欧姆。源电阻Rs＝0.7V/[(1-1/β)Imax]，即大约为0.952欧姆，额定值为1欧姆。
在操作中，把相应晶体管的基极正偏为低，接通一个电流源102。例如，控制电路114可以包括这样一个控制器：能够向一个多路转换器(MUX)发送一个方向信号，用以选择接通哪一电流源，而且还用于控制允许一个PWM(脉冲宽度调制)力命令调制(接通)哪一开关晶体管。较佳的做法是，一次仅令电桥中的一个电流源102和开关机构104处于活跃状态，其中处于活跃状态的电流源102和开关机构104在电桥中相互成对角线地加以放置。在操作中，源于所选择的电流源102的晶体管的电流，穿过马达前端，流到马达线圈，然后通过H电桥底部的所选择的开关机构104返回至地。由于对开关机构104的晶体管的门电路进行了调制，所以仅在其中为高的PWM期间的那一部分它才为导通的。由于向电源的一个返回路径仅在PWM周期的正部分上为可得的，所以可以控制流经马达的平均电流，因而可以控制马达所产生的转矩，这是这一技术领域中的熟练技术人员很容易加以理解的。
图3沿两个轴(X和Y)说明了图2的电流源马达放大器的一个实例应用的示意图，这一电流源马达放大器是一种高电流放大器，例如娱乐中心应用的控制杆放大器。图3的图说明了控制电路的一个实例实施例，这一实施例包括X和Y轴的每一轴上的一个MUX 120a和120b。在正常的操作中，需要MUX 120a和120b，并通过根据来自控制器的针对轴的方向信号，把PWM信号从控制器122引导到右或左开关机构104，对MUX 120a和120b加以操作。根据对方向信号的感觉，把相对的开关机构适当地接地。同样，把MUX 120a或120b与电桥顶部的电流源晶体管之一接通，同时使来自控制器的信号为低。
在作为一个电流源放大器成功操作的同时，另一个方面是按顺时针或逆时针转矩驱动马达的能力，这依赖于是按顺时针还是按逆时针旋转马达，即，四象限操作。因此，在正向驱动马达和动态制动马达之间产生了一个平滑过渡。这发生在电流源放大器感觉马达反EMF时，例如发生在样的时侯：用户驱动启动器，马达沿与所命令的转矩方向相反的方向旋转，反过来这将导致马达作为一个产生正比于马达旋转速度的输出电压的生成器加以运作。
图4说明了电流源放大器的一个变体，这一变体旨在针对某些应用，例如，方向盘力反馈设备，这一设备在马达和方向盘之间使用了高机械传动装置，马达速度的实现需要补偿电路。对这一电流源放大器进行设计，以当晶体管132检测到开关晶体管130中的体二极管电导的开始时，通过减少所命令的马达电流，使电流源放大器本身免受用户反驱动马达所产生的反EMF。当晶体管132的发射极电压下降到低于基极的偏置电压时，这接近于接地，晶体管132开始导通。由于晶体管132的体二极管的正极处于地电位，所以当马达感应到其导通时，所以使其负极，因而使晶体管132的发射极低于地电位，从而导致晶体管132的集电极导通。
注意，电容器136和138把针对开关EFT 130和134的驱动信号以电容方式加以耦合，并且由电阻140和142并行地对它们弱驱动。这确保了EFT 130和134能够在来自MUX 144的PWM命令信号的前沿导通一段最小时间。这还确保了不会使电流脉冲变弱，以至于放大器总是操作在一个高于音频范围的频率上，从而阻止了马达中所产生的音频噪音。驱动信号的弱电阻耦合还确保了在初始接通脉冲之后，反EMF补偿电路能够有效地调整所命令的脉冲的宽度，因而能够有效地调整马达反EMF所产生的感应阻尼。
例如，当晶体管132检测到开关晶体管130中的体二极管导通时，接下来，132的集电极使电容器138放电，并及早地终止驱动开关晶体管134的门电路的命令信号。净结果是，电桥底部的一个FET中的体二极管导通，导致电桥相对侧上的补偿FET中的补偿的减少，这实际上消除了反驱动马达时马达反EMF所感应的电阻尼。这一改进消除了用户感觉到的并有损于触觉感受的阻力感。使用双极晶体管和从发射极到集电极放置的类似于FET中从源极到漏极的体二极管的二极管，也能够实现同样的功能，这是这一技术领域中的熟练技术人员很容易加以理解的。
图4说明了与图3中的实施例不同的设计的一个另外的方面。电流感觉晶体管156提供了不依赖于功率晶体管158和160的基极到发射极电压的电流源调整。在较高电流的应用中，这是重要的，因为功率晶体管的基极到发射极电压明显地作为集电极电流的一个函数而变化，并且远远高于用于电流感觉的小信号晶体管的发射极到基极的电压降。通过使用二极管162和164偏置晶体管156的基极，晶体管156的集电极电流几乎专门依赖于跨越电阻166的电压降，从而依赖于使能的功率晶体管160的集电极电流。
在又一个方面中，很容易在电流源放大器中实现过压保护。如图3的图中所示，在一个示范性实施例中，把一个稳压二极管124用于检测过压条件，并触发一系列保护电桥的事件。一旦检测到，一个高逻辑电平把MUX 120a或120b的输出端放入一个三态条件中。其次，接通电桥底部的两个开关晶体管，并禁止电桥顶部的电流源。因此，跨越马达至接地面，放置了一个低阻抗通路，并且短路了马达，这为电压源。当电源电压降低时，过压保护电路把MUX 120从其三态条件释放，并继续正常的操作.在实践中，当用户正以足够的速度反驱动马达，以生成一个过压条件时，放大器将在正常模式和过压保护模式之间迅速(在几百微秒的数量级上)转换，从而箝制了马达电压.
在图4中的示范性电路中，一个信号调节电路，包括二极管146、晶体管148、晶体管150、以及相关的无源部件，在晶体管148的集电极148处生成一个5伏特的信号，两者均导致MUX 144的输出将其输出驱动为低，通过二极管152和154禁止电桥的顶部，并接通电桥底部的FET 130和134。于是，优于使用一个独立的过压保护器电路，如在现有技术中所使用的，电桥的有功部分可以提供过压保护功能。
如这些方面所展示的，使用本发明的电流源放大器，电桥的上半部基本上按一个线性恒定电流源，并以开关模式操作电桥的下半部。这给予电流源放大器良好的线性放大器的线性特性，而且还具有较高的效率，这是纯开关模式放大器的又一特性。当与高功率PNP晶体管一起使用时，也维持放大器的线性特性。另外，电流源放大器按电流模式操作，并且为一个互导放大器，但不要求典型的闭合回路控制，从而大大减小了复杂度和成本，同时避免了电流回路延迟。由于经由电桥底部的开关晶体管，而不要求标准互导放大器所需要的独立的保安电路，实现过压保护，导致了复杂度和成本的进一步减小。
通过缩短向其提供成比例输出电流的最小命令，这一简化的设计还改进了马达的动态范围。在一个750mA的应用中，对于电流命令，该设计提供了小至为5mA的线性输出电流，并对于电流命令，提供了小至为1024个PWM命令中一部分的非零输出电流。通过方向反转，这提供了良好的过渡，而且通过零交叉不会产生因信号丢失的阶梯感，这一阶梯感与其它低成本放大器设计有关。
从以上的描述中，可以看出，在不背离本发明的新概念的构思与范围的情况下，可以对本发明进行多方面的变更与修改。应该认识到，不旨在以此处所说明的具体方法和装置对本发明加以限制，也不应从此处所说明的具体方法和装置对本发明加以推断。例如，尽管以电桥顶部的电流源描述了本发明，但一个供选择的实施例可以使用电桥底部的电流吸收器实现此处所描述的受控马达放大器的各个方面。当然，本发明旨在以所附权利要求覆盖落入权利要求范围内的所有这样的修改。

Claims (28)

1.一种电流控制的马达放大的方法，包括：
在H电桥配置上半部的每一桥臂上提供电流源；
在所述H电桥配置下半部的每一桥臂上提供开关；
接通所述电流源一段预定的时间，并接通一个适当的开关，以按一个线性恒定电流源操作H电桥配置上半部，而以开关模式操作H电桥配置下半部；以及
在电流控制的马达放大器中实现过压保护，包括：
禁止在每一桥臂上的所述电流源；
使能H电桥配置每一侧上的功率晶体管；
感应通过接地面的循环电流，以限制反EMF感应马达电压；
经由循环电流消耗马达线圈中的反EMF感应马达电压；以及
包括信号调节电路，以控制过压保护的持续时间。
2.一种电流控制的马达放大器系统，包括：
被耦合到H电桥放大器配置上半部的第一端的第一电流源；
被耦合到所述H电桥放大器配置上半部的第二端的第二电流源；
被耦合到所述H电桥放大器配置下半部的第一端的第一开关部件，所述第一开关部件与所述第一电流源相关联并且被配置成在开关模式下进行操作；
被耦合到所述H电桥放大器配置下半部的第二端的第二开关部件，所述第二开关部件与所述第二电流源相关联并且被配置成在开关模式下进行操作；
被耦合到所述第一开关部件和所述第二开关部件中的每个上的控制电路，所述控制电路被配置成在离散的时间间隔期间激活所述第一开关部件和所述第二开关部件，所述第一电流源被配置成响应来自于所述控制电路的激活，而提供第一方向电流给被耦合到所述第一电流源的负载以及给所述第一开关部件，以及所述第二电流源被配置成响应来自于所述控制电路的激活，而提供第二方向电流给被耦合到所述第二电流源的负载以及给所述第二开关部件，
其中按一个线性恒定电流源操作H电桥放大器配置上半部。
3.根据权利要求2的放大器系统，其中，所述第一电流源包括被配置成在正方向上提供电流的至少一个晶体管，以及所述第二电流源包括被配置成在反方向上提供电流的至少一个其他的晶体管。
4.根据权利要求3的放大器系统，其中，所述第一电流源和所述第二电流源的晶体管中的每个包括双极结晶体管。
5.根据权利要求2的放大器系统，其中，所述第一开关部件和所述第二开关部件中的每个包括场效应晶体管。
6.根据权利要求2的放大器系统，其中，所述控制电路包括被耦合到所述H电桥放大器配置的控制器，所述控制电路被配置成提供选择信号给所述第一电流源和所述第二电流源，以及给所述第一开关部件和所述第二开关部件。
7.根据权利要求6的放大器系统，其中，所述控制电路包括被耦合到所述控制器和所述H电桥放大器配置的多路转换器，所述控制器和多路转换器共同被配置成提供选择信号给所述第一电流源和所述第二电流源，以及给所述第一开关部件和所述第二开关部件。
8.根据权利要求2的放大器系统，还包括：
被耦合到所述第一电流源的正偏置二极管；以及
被耦合到所述第二电流源的正偏置二极管。
9.根据权利要求2的放大器系统，还包括：过压保护电路，所述过压保护电路被配置成感应通过接地面的循环电流，以消耗反EMF电压。
10.一种放大器，包括：
被耦合到H电桥放大器配置上半部的第一端的第一电流源部件；
被耦合到所述H电桥放大器配置上半部的第二端的第二电流源部件；
被耦合到所述H电桥放大器配置下半部的第一端的第一开关部件，所述第一开关部件与所述第一电流源部件相关联，并且所述第一开关部件被配置成在开关模式下进行操作；
被耦合到所述H电桥放大器配置下半部的第二端的第二开关部件，所述第二开关部件与所述第二电流源部件相关联，并且所述第二开关部件被配置成在开关模式下进行操作，
其中按一个线性恒定电流源操作H电桥放大器配置上半部。
11.根据权利要求10的放大器，其中，所述第一电流源部件包括被配置成在正方向上提供电流的至少一个晶体管，以及所述第二电流源部件包括被配置成在反方向上提供电流的至少一个其他的晶体管。
12.根据权利要求11的放大器，其中，所述第一电流源部件和所述第二电流源部件的晶体管中的每个包括双极结晶体管。
13.根据权利要求10的放大器，其中，所述第一开关部件和所述第二开关部件中的每个包括场效应晶体管。
14.根据权利要求10的放大器，还包括用于有选择地激活所述第一开关部件和所述第二开关部件中的每个的装置。
15.根据权利要求14的放大器，其中，用于有选择地激活的所述装置提供选择信号给所述第一电流源部件、所述第二电流源部件、所述第一开关部件和所述第二开关部件中的每个，以使得所述第一电流源部件和所述第二电流源部件能够在正方向和反方向上交替地提供相应的电流。
16.根据权利要求10的放大器，还包括：
被耦合到所述第一电流源部件的正偏置二极管；以及
被耦合到所述第二电流源部件的正偏置二极管。
17.根据权利要求10的放大器，还包括：控制系统，所述控制系统被配置成有选择地激活第一电流源部件或第二电流源部件，并且控制第一开关部件和第二开关部件中的哪个被激活。
18.根据权利要求17的放大器，其中，所述控制系统包括：
被耦合到所述H电桥放大器配置的控制器；以及
被耦合到所述H电桥放大器配置的多路转换器，
其中，所述控制器和多路转换器被配置成共同为从所述第一电流源部件和所述第二电流源部件中所选择的每个电流源部件以及从所述第一开关部件和所述第二开关部件中所选择的每个开关部件提供选择信号。
19.一种电流控制的马达放大的方法，包括：
提供电流到H电桥放大器配置上半部的第一端；
提供电流到所述H电桥放大器配置上半部的第二端；
开关所述H电桥放大器配置下半部的第一端的状态，所述下半部的第一端与所述上半部的第一端相关联；
开关所述H电桥放大器配置下半部的第二端的状态，所述下半部的第二端与所述上半部的第二端相关联；
交替所述下半部的第一端的状态和所述下半部的第二端的状态，以使得所述下半部的第一端和所述下半部的第二端的每一个在不同的时间间隔期间被激活；
当所述下半部的第一端被激活时，在第一方向上将到所述上半部的第一端的所述电流提供给负载；以及
当所述下半部的第二端被激活时，在第二方向上将到所述上半部的第二端的所述电流提供给负载，
其中按一个线性恒定电流源操作H电桥放大器配置上半部。
20.根据权利要求19的方法，其中，在所述H电桥放大器配置中，所述上半部的第一端位于和所述下半部的第一端成对角的位置，并且其中，在所述H电桥放大器配置中，所述上半部的第二端位于和所述下半部的第二端成对角的位置。
21.根据权利要求19的方法，其中，将到所述上半部的第一端的电流提供给负载包括在正方向上从至少一个晶体管提供电流，并且其中，提供到所述上半部的第二端的电流包括在反方向上从至少一个其他的晶体管提供电流。
22.根据权利要求19的方法，其中，提供到所述上半部的第一端的电流包括从至少一个双极结晶体管提供电流，并且其中，提供到所述上半部的第二端的电流包括从至少一个其他的双极结晶体管提供电流。
23.根据权利要求19的方法，其中，开关所述下半部的第一端的状态包括激活场效应晶体管，以及开关所述下半部的第二端的状态包括激活另一个场效应晶体管。
24.根据权利要求19的方法，还包括：
保护负载免于过压状态，包括：
禁止到所述上半部的第一端的电流和到所述上半部的第二端的电流；
感应通过接地面的循环电流；以及
经由所感应的循环电流消耗任何反EMF电压。
25.根据权利要求24的方法，还包括：根据控制信号，控制保护负载免于过压状态的持续时间。
26.根据权利要求24的方法，还包括：补偿反EMF电压。
27.根据权利要求26的方法，其中，所述补偿包括：
检测一个所提供的开关中的体二极管导通；
把一个驱动信号电容耦合于所提供的开关；以及
及早地终止所述H电桥放大器配置的相对端上所提供的开关的驱动信号。
28.根据权利要求19的方法，还包括：不依赖于至少一个高功率晶体管的发射极到基极电压降来调整由所述至少一个高功率晶体管所提供的电流。
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