控制脉冲产生电路、直流无刷电机转速的调节系统及方法

专利名称：控制脉冲产生电路、直流无刷电机转速的调节系统及方法
技术领域：
本发明涉及电机控制技术领域，特别是涉及一种控制脉冲产生电路、直流无刷电 机转速的调节系统及方法。
背景技术：
可调速单相直流无刷电机，具有节能、噪声低等优点，在冷却风扇等技术领域得到 了广泛的研究与应用。现有技术中，对于直流无刷电机的调速可以分为以下两种。一是采用温度敏感器件，具体为将温度信号转换成电压信号，与三角波比较输出 宽度不同的方波，来实现对直流无刷电机调速，进而控制冷却风扇运转的目的。温度高时， 输出的方波占空比大，电机的转速高，风扇运转快；温度低时，方波的占空比小，电机的转速 低，风扇运转慢；从而实现节能及降低噪声的目的。二是采用脉冲信号，具体为直接采用PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制) 信号调节直流无刷电机的转速，进而控制冷却风扇运转。所述电机的转速与输入的PWM信 号的占空比成固定的近似线性关系。现有技术的两种调速方法都能实现对直流无刷电机的调速。但是，对温度范围要 求很严格的应用场合，例如计算机的CPU (Central Processing Unit,中央处理单元)，其冷 却风扇要求具有如图1所示的调速功能。具体为1、冷却风扇具有最小占空比设置功能。当PWM信号的输入占空比小于Dm%时，无 论温度高低，冷却风扇的转速恒定为转速Rm。2、当温度小于Tl且输入占空比大于Dm%时，电机转速随输入占空比的增加而增 加。如图1所示，电机转速由Rm增加到Rml，与温度无关。3、当温度位于Tl至T2区间内、且输入占空比大于Dm%时，电机转速随着温度及输 入占空比的变化而变化。当温度一定时，电机转速随输入占空比的增加而增加；当输入占空 比一定时，电机转速随温度的增加而增加；反之亦然。4、当温度大于T2时，转速仅随输入占空比的增加而增加，与温度无关。当输入占 空比为100%时，转速达到最大值Rm2。但是，现有技术的两种调速方法，要么只能实现利用温敏电阻对电机调速，要么只 能实现利用PWM信号调节电机转速，不能同时使用温敏电阻和PWM信号实现电机调速，不满 足具有图1所示的调速功能要求的冷却风扇的需求。

发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种控制脉冲产生电路、直流无刷电机转速的 调节系统及方法，能够实现同时利用环境温度和PWM信号对直流无刷电机进行调速。本发明实施例提供一种控制脉冲产生电路，所述控制脉冲产生电路用于直流无刷 电机转速的调节，包括温度信号处理单元、PWM信号处理单元、三角波发生单元、以及控制脉冲输出单元；所述温度信号处理单元，用于将检测到的环境温度信号转化为与环境温度成近似 线性关系的电流信号；所述PWM信号处理单元，用于接收PWM输入信号和所述电流信号，将所述PWM信号 转化为既与PWM输入信号的占空比相关、又与所述环境温度相关的直流电压信号；所述三角波发生单元，用于产生三角波信号；所述控制脉冲输出单元，用于将所述直流电压信号与三角波信号相比较，产生一 占空比与所述PWM输入信号的占空比和环境温度信号均相关的控制脉冲信号。优选地，所述温度信号处理单元包括第一电阻、温敏电阻、第一比较器、第六一晶 体管、第七一晶体管、第一电流源、第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五 晶体管。其中，所述第一电阻和温敏电阻串联在电压源和地之间，构成分压电阻；所述第一 电阻和温敏电阻的公共端接所述第一比较器的负输入端，所述第一比较器的正输入端接基 准电压，所述第一比较器的输出端接所述第七一晶体管的集电极；所述第七一晶体管的基极与集电极短接，所述第七一晶体管的基极与所述第六一 晶体管的基极短接，所述第七一晶体管的发射极与第六一晶体管的发射极接地；所述第六一晶体管的集电极接第一电流源的负极和所述第一晶体管的集电极和 基极；所述第一电流源的正端接工作电源；所述第一晶体管的基极、第二晶体管的基极、第三晶体管的基极接在一起，所述第 一晶体管的发射极、第二晶体管的发射极、第三晶体管的发射极共同接地；所述第二晶体管的集电极接所述第五晶体管的集电极；所述第五晶体管的基极与 集电极短接，所述第五晶体管的基极与所述第四晶体管的基极短接，所述第五晶体管的发 射极和第四晶体管的发射极一起接工作电源；所述第四晶体管的集电极为所述温度信号处理单元的第一输出端，所述第三晶体 管的集电极为所述温度信号处理单元的第二输出端，均用于输出电流信号至所述PWM信号 处理单元。优选地，所述PWM信号处理单元包括第二电流源、可控开关、第二电阻、以及第一 电容；所述第二电流源的正极接工作电源，第二电流源的负极接可控开关的常闭端；所 述第二电流源的负极接所述温度信号处理单元的第二输出端；所述可控开关的控制端接收所述PWM输入信号，所述可控开关的常开端经第二电 阻接地，所述可控开关的常开端接所述温度信号处理单元的第一输出端；所述第一电容并联在所述第二电阻两端；所述可控开关的常开端为所述PWM信号处理单元的电压信号输出端。优选地，所述三角波发生单元包括第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第二比较 器、第三电流源、第四电流源、第八晶体管、第九晶体管、第三电容；所述第九电阻一端接工作电源，另一端依次通过第十电阻、第十一电阻接地；所述第九电阻和第十电阻的公共端接所述第二比较器的负输入端；所述第十电阻与第十一电阻的公共端接所述第八晶体管的集电极；所述第八晶体管的基极与所述第九晶体管的基极短接，所述第八晶体管的发射极 与所述第九晶体管的发射极接地；所述第三电流源的正极接工作电源，负极接所述第四电流源的正极和第二比较器 的正输入端；所述第四电流源的负极接所述第九晶体管的集电极；所述第二比较器的输出端接所述第八晶体管的基极与第九晶体管的基极；所述第三电容接在第三电流源的负极和地之间；所述第三电流源的负极与第三电容的连接端为所述三角波发生单元的输出端。优选地，所述控制脉冲产生电路还包括最小占空比设置单元，用于产生最小占空 比设置电压信号，输出至所述控制脉冲输出单元的第二负输入端；所述控制脉冲输出单元，用于将所述直流电压信号、最小占空比设置电压信号、以 及三角波信号相比较，产生一占空比与所述PWM输入信号的占空比和环境温度信号均成线 性关系的控制脉冲信号。优选地，所述最小占空比设置单元包括第十二电阻和第十三电阻；所述第十二电阻一端接工作电源，另一端经所述第十三电阻接地；所述第十二电阻和第十三电阻的公共端为所述最小占空比设置单元的输出端。优选地，所述控制脉冲输出单元包括第五电流源、第六电流源、第七电流源、第八 电流源、第十晶体管、第十一晶体管、第十二晶体管、第十三晶体管、第十四晶体管、第十五 晶体管、第十六晶体管、第十七晶体管；所述第五电流源的正极、第六电流源的正极、第七电流源的正极、第八电流源的正 极接工作电源；所述第五电流源的负极接所述第十晶体管的发射极和所述第十五晶体管的基 极；所述第六电流源的负极接所述第十一晶体管的发射极，第十二晶体管的发射极和 第十三晶体管的基极；所述第七电流源的负极接所述第十三晶体管的发射极和所述第十五晶体管的发 射极；所述第八电流源的负极接所述第十七晶体管的集电极；所述第十三晶体管的集电极接所述第十四晶体管的集电极；所述第十四晶体管的 集电极和基极短接，所述第十四晶体管的基极和所述第十六晶体管的基极短接；所述第十六晶体管的集电极接所述第十五晶体管的集电极和所述第十七晶体管 的基极；所述第十晶体管的集电极、第十一晶体管的集电极、第十二晶体管的集电极、第 十四晶体管的发射极、第十六晶体管的发射极、第十七晶体管的发射极均接地；所述第十晶体管的基极接所述三角波发生单元的输出端；所述第十一晶体管的基 极接所述最小占空比设置单元的输出端；所述第十二晶体管的基极接所述PWM信号处理单 元的输出端；所述第十七晶体管的集电极为所述控制脉冲输出单元的输出端。
本发明还提供一种直流无刷电机转速的调节系统，所述系统包括霍尔信号产生电 路、逻辑控制电路、驱动电路，还包括所述的控制脉冲产生电路；所述霍尔信号产生电路，用于在电机转子的南北极经过霍尔元件时产生一换向控 制信号；所述控制脉冲产生电路，用于根据检测到的环境温度信号和接收到的PWM输入信 号，产生一占空比与所述PWM输入信号的占空比和环境温度信号均成线性关系的控制脉冲
信号；所述逻辑控制电路，用于将接收到的换向控制信号和控制脉冲信号输出至驱动电 路；所述驱动电路，用于根据所述换向控制信号和控制脉冲信号控制电机转速。本发明还提供一种直流无刷电机转速的调节方法，所述方法包括在电机转子的南北极经过霍尔元件时产生一换向控制信号；根据检测到的环境温度信号和接收到的PWM输入信号，产生一占空比与所述PWM 输入信号的占空比和环境温度信号均成线性关系的控制脉冲信号；根据所述换向控制信号和控制脉冲信号控制电机转速。优选地，所述根据检测到的环境温度信号和接收到的PWM输入信号，产生一占空 比与所述PWM输入信号的占空比和环境温度信号均成线性关系的控制脉冲信号，具体包 括将检测到的环境温度信号转化为与环境温度成近似线性关系的电流信号；根据所述电流信号，将所述PWM信号转化为既与PWM输入信号的占空比成近似线 性关系，又与所述环境温度成近似线性关系的直流电压信号；将所述直流电压信号与三角波信号相比较，产生一占空比与所述PWM输入信号的 占空比和环境温度信号均成线性关系的控制脉冲信号根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果本发明实施例提供一种控制脉冲产生电路，用于直流无刷电机转速的调节，所述 控制脉冲产生电路的温度信号处理单元采用温度敏感器件，将检测到的环境温度转化为电 流信号，在一定温度范围内影响PWM信号处理单元产生的直流电压信号的大小；然后，将 所述直流电压信号与三角波信号比较，产生一占空比与所述PWM输入信号的占空比和环境 温度信号均成线性关系的控制脉冲信号。由此使得，当采用所述控制脉冲产生电路调节直 流无刷电机转速时，能够实现同时利用环境温度和PWM信号对直流无刷电机进行调速的目 的。


图1为计算机CPU的冷却风扇调速功能曲线图；图2为本发明实施例一提供的直流无刷电机转速的调节系统结构图；图3为本发明实施例的温度信号处理单元和PWM信号处理单元第一实施方式电路 图；图4为图3所示电流120、122、123与温度的关系曲线图；图5为本发明实施例的温度信号处理单元和PWM信号处理单元第二实施方式电路
8图；图6为温度信号处理单元和PWM信号处理单元输出的直流电压信号与PWM输入信 号占空比、环境温度的关系曲线图；图7为本发明实施例的三角波发生单元电路图；图8为本发明实施例二提供的直流无刷电机转速的调节系统结构图；图9为本发明实施例的最小占空比设置单元电路图；图10为本发明实施例的控制脉冲输出单元电路图；图11为控制脉冲输出单元的各输入端的电压波形与环境温度、PWM输入信号的占 空比的关系曲线图；图12为本发明实施例提供的直流无刷电机转速的调节方法流程图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实 施方式对本发明作进一步详细的说明。有鉴于此，本发明的目的在于提供一种控制脉冲产生电路、直流无刷电机转速的 调节系统及方法，能够实现同时利用环境温度和PWM信号对直流无刷电机进行调速。参照图2，为本发明实施例一提供的直流无刷电机转速的调节系统结构图。所述 系统包括霍尔信号产生电路10、控制脉冲产生电路20、逻辑控制电路30、驱动电路40。其 中，所述霍尔信号产生电路10，用于在电机转子的南北极经过霍尔元件时产生一换向 控制信号。所述控制脉冲产生电路20，用于根据检测到的环境温度信号和接收到的PWM输入 信号，产生一占空比与所述PWM输入信号的占空比和环境温度信号均成线性关系的控制脉 冲信号。所述逻辑控制电路30，用于将接收到的换向控制信号和控制脉冲信号输出至驱动 电路40。所述驱动电路40，用于根据所述换向控制信号和控制脉冲信号控制电机转速。本发明实施例中，通过所述控制脉冲产生电路20，产生一占空比与所述PWM输入 信号和环境温度信号均成线性关系的控制脉冲信号，利用所述控制脉冲信号实现对电机的 调速。由此使得本发明所述系统，能够实现同时利用环境温度和PWM信号对直流无刷电机 进行调速。具体的，参照图2，所述控制脉冲产生电路20包括温度信号处理单元201、PWM信 号处理单元202、三角波发生单元203、以及控制脉冲输出单元204。所述温度信号处理单元201，用于将检测到的环境温度信号转化为与环境温度成 近似线性关系的电流信号，输出至所述PWM信号处理单元202。所述PWM信号处理单元202，用于接收PWM输入信号和所述电流信号，将所述PWM 信号转化为直流电压信号Vcf，输出至所述控制脉冲输出单元205的第一负输入端。所述直 流电压信号Vcf既与PWM输入信号的占空比成近似线性关系，又与所述环境温度成近似线 性关系。
所述三角波发生单元203，用于产生三角波信号，输出至所述控制脉冲输出单元 205的正输入端。所述控制脉冲输出单元205，用于将所述直流电压信号Vcf与三角波信号相比较， 产生一占空比与所述PWM输入信号的占空比和环境温度信号均成近似线性关系的控制脉 冲信号。具体的，本发明实施例中，所述温度信号处理单元201采用温度敏感器件，将检测 到的环境温度转化为电流信号，在一定温度范围内影响所述PWM信号处理单元202产生的 直流电压信号Vcf的大小；然后，通过所述控制脉冲输出单元205，将所述直流电压信号Vcf 与三角波信号比较，产生一占空比与所述PWM输入信号的占空比和环境温度信号均成线性 关系的控制脉冲信号，控制驱动电路40的输出管的开关时间，来控制流过线圈的电流大小 及方向，从而实现同时利用环境温度和PWM输入信号控制电机转速的目的。参照图3所示，为本发明实施例的温度信号处理单元和PWM信号处理单元第一实 施方式电路图。具体的，实施例一所述温度信号处理单元201包括第一电阻R1、温敏电阻RT、第 一比较器C0MP1、第六一晶体管Q61、第七一晶体管Q71、第一电流源Isl、第一晶体管Q1、第 二晶体管Q2、第三晶体管Q3、第四晶体管Q4、第五晶体管Q5。其中，所述第一电阻Rl和温敏电阻RT串联在电压源Vref和地之间，构成分压电 阻；所述第一电阻Rl和温敏电阻RT的公共端接所述第一比较器COMPl的负输入端，所述第 一比较器COMPl的正输入端接基准电压Vrefl，所述第一比较器COMPl的输出端接所述第 七一晶体管Q71的集电极；所述第七一晶体管Q71的基极与集电极短接，所述第七一晶体管 Q71的基极与所述第六一晶体管Q61的基极短接，所述第七一晶体管Q71的发射极与第六一 晶体管Q61的发射极接地；所述第六一晶体管Q61的集电极接第一电流源Isl的负极和所 述第一晶体管Ql的集电极和基极；所述第一电流源Isl的正端接工作电源Vcc ；所述第一 晶体管Ql的基极、第二晶体管Q2的基极、第三晶体管Q3的基极接在一起，所述第一晶体管 Ql的发射极、第二晶体管Q2的发射极、第三晶体管Q3的发射极共同接地；所述第二晶体管 Q2的集电极接所述第五晶体管Q5的集电极；所述第五晶体管Q5的基极与集电极短接，所 述第五晶体管Q5的基极与所述第四晶体管Q4的基极短接，所述第五晶体管Q5的发射极和 第四晶体管Q4的发射极一起接工作电源Vcc ；所述第四晶体管Q4的集电极为所述温度信 号处理单元201的第一输出端，输出电流122至所述PWM信号处理单元202 ；所述第三晶体 管Q3的集电极为所述温度信号处理单元201的第二输出端，输出电流123至所述PWM信号 处理单元202。经所述第一电阻Rl和温敏电阻RT分压后产生的电压VT输入至所述第一比较器 COMPl的负输入端。
DT7VT = Vref X--(1)
Rl+ RT所述温敏电阻RT用于检测环境温度，温敏电阻RT的阻值随环境温度的变化而变 化，从而使得电压VT发生变化，即为电压VT与温敏电阻RT的阻值成线性关系，而温敏电阻 RT的阻值与环境温度成线性关系，从而使得电压VT与环境温度成线性关系。所述第一比较器COMPl用于将基准电压Vrefl与分压VT相比较，输出电流120，电
10流120与环境温度成线性关系。
OrT/20 = (Vrefl -VT)xgm = ( Vrefl - Vref χ--)xgm(2)
Rl + RT其中，gm为所述第一比较器COMPl的跨导。所述第一晶体管Ql上流过的电流与所述第一电流源Isl和电流120的差值成正 比；所述第一晶体管Ql与第二晶体管Q2构成电流镜，所述第四晶体管Q4与第五晶体管Q5 构成电流镜，使得第五晶体管Q5的发射极电流122与电流120成正比，即为电流122与环 境温度成线性关系，所述电流122即为所述温度信号处理单元201的输出电流信号。所述 第三晶体管Q3的集电极输出电流123，电流123与电流122反向。
OrT122 = /21 - /20 = /21 - ( Vrefl - Vref χ-)xgm(3)
Rl +RT
~DT7 /23 = Mx III-{Vrefl-Vref χ-)xgm(4)
R\ + RT其中，M为第三晶体管Q3与第一晶体管Ql的发射区的面积之比。参照图4，为图3所示电流120、122、123与温度的关系曲线图。由此，实现了温度信号处理单元201将检测到的环境温度信号转化为与环境温度 成近似线性关系的电流信号，输出至所述PWM信号处理单元202。所述PWM信号处理单元202包括第二电流源Is2、可控开关K1、第二电阻R2、以 及第一电容Cl。其中，所述第二电流源Is2的正极接工作电源Vcc，第二电流源Is2的负极接可控开关 Kl的常闭端，同时，所述第二电流源Is2的负极接所述温度信号处理单元201的第三晶体 管Q3的集电极，即为接收所述温度信号处理单元201的第二输出端输出的电流123 ；所述 可控开关Kl的控制端接收PWM输入信号，所述可控开关Kl的常开端经第二电阻R2接地; 所述第一电容Cl并联在所述第二电阻R2两端；所述可控开关Kl的常开端接所述温度信号 处理单元201的第四晶体管Q4的集电极，即为接收所述温度信号处理单元201的第一输出 端输出的电流122 ；所述可控开关Kl的常开端为所述PWM信号处理单元202的电压信号输 出端，，输出直流电压信号Vcf至所述控制脉冲输出单元205。结合图3，所述PWM信号处理单元202输出的直流电压信号Vcf即为第一电容Cl 两端的电压。当PWM输入信号为低电平时，可控开关Kl闭合，流过第一电容Cl，第二电阻R2的 电流为所述第二电流源Is2与电流123的差值，为第一电容Cl充电；当PWM输入信号为高 电平时，可控开关Kl断开，第一电容Cl通过R2放电。由此使得第一电容Cl两端的电压跟 随PWM输入信号的占空比变化而变化。同时，温度信号处理单元201输出的电流122流到 第一电容Cl上，使得第一电容Cl两端的电压也跟随电流122、123的变化而变化。由此，实 现了 PWM信号处理单元202输出的直流电压信号Vcf既与PWM输入信号的占空比成近似线 性关系，又与所述环境温度成近似线性关系。参照图5，为本发明实施例的温度信号处理单元和PWM信号处理单元第二实施方 式电路图。如图5所示，实施例二所述的温度信号处理单元201与实施例一相同，在次不再赘 述。
对应的，实施例二所述PWM信号处理单元202与实施例一的区别在于由第五电阻 R5和第六电阻R6取代所述第二电流源Is2 ；第三电阻R3和第四电阻R4、第六晶体管Q6和 第七晶体管Q7取代所述的可控开关Kl ；第七电阻R7和第八电阻R8取代所述第二电阻R2 ； 所述第三晶体管Q7的集电极与第五电阻R5和第六电阻R6的公共端连接，第六晶体管Q6 的基极和第七晶体管Q7的集电极相连。具体的，实施例二所述PWM信号处理单元202包括第三电阻R3、第四电阻R4、第 五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第六晶体管Q6、第七晶体管Q7、第二电 容C2。其中，所述第三电阻R3和第四电阻R4串联、第五电阻R5和第六电阻R6串联、第 七电阻R7和第八电阻R8串联，三组串联电阻并联连接在工作电源Vcc和地之间；所述第三 电阻R3和第四电阻R4的公共端接收PWM输入信号，所述第三电阻R3和第四电阻R4的公 共端接第六晶体管Q6的基极；所述第六晶体管Q6的集电极，接第七晶体管Q7的基极，第六 晶体管Q6的发射极接地；所述第七晶体管Q7的集电极和基极短接，一起接到第五电阻R5 和第六电阻R6的公共端，所述第七晶体管Q7的发射极接第七电阻R7和第八电阻R8的公 共端；所述第二电容C2并联在第八电阻R8两端；所述第七电阻R7和第八电阻R8的公共端 即为所述PWM信号处理单元202的电压信号输出端，输出直流电压信号Vcf至所述控制脉 冲输出单元205。对本发明实施例二所述温度信号处理单元201和PWM信号处理单元202，当PWM信 号为低电平时，第六晶体管Q6关断，使得第七晶体管Q7的基极电压为高，第七晶体管Q7导 通，第五电阻R5上的电流减去123后经第七晶体管Q7流至第二电容C2，为第二电容C2充 电；当PWM信号为高电平时，第六晶体管Q6导通，使得第七晶体管Q7的基极电压为低，第七 晶体管Q7关断，第二电容C2通过第八电阻R8放电；由此使得第二电容C2两端的电压跟随 PWM输入信号变化而变化。同时，温度信号处理单元201的输出电流122流到第二电容C2 上，使得第二电容C2两端的电压也跟随输出电流122的变化。假设PWM输入信号的占空比为d，第七电阻R7远远大于第八电阻R8，流过第六电 阻R6的电流远小于流过第五电阻R5的电流，第二电容C2上的电压可近似表达为
其中，RT的阻值与环境温度成线性关系，d为PWM输入信号的占空比。因此，PWM 信号处理单元202输出的直流电压信号Vcf既与PWM输入信号的占空比有关，又与所述环 境温度有关。所述温度信号处理单元和PWM信号处理单元输出的直流电压信号Vcf与PWM 输入信号占空比、环境温度的关系曲线如图6所示。 参照图7，为本发明实施例的三角波发生单元电路图。所述三角波发生单元203包 括第九电阻R9、第十电阻R10、第i^一电阻R11、第二比较器C0MP2、第三电流源Is3、第四电流源Is4、第八晶体管Q8、第九晶体管Q9、第三电容C3。其中，所述第九电阻R9 —端接工作电源Vcc，另一端依次通过第十电阻R10、第 十一电阻Rll接地；所述第九电阻R9和第十电阻RlO的公共端接所述第二比较器C0MP2的 负输入端；所述第十电阻RlO与第十一电阻Rll的公共端接所述第八晶体管Q8的集电极； 所述第八晶体管Q8的基极与所述第九晶体管Q9的基极短接，所述第八晶体管Q8的发射极 与所述第九晶体管Q9的发射极接地；所述第三电流源Is3的正极接工作电源Vcc，负极接 所述第四电流源Is4的正极和第二比较器C0MP2的正输入端；所述第四电流源Is4的负极 接所述第九晶体管Q9的集电极；所述第二比较器C0MP2的输出端接所述第八晶体管Q8的 基极与第九晶体管Q9的基极；所述第三电容C3接在第三电流源Is3的负极和地之间；所述 第三电流源Is3的负极与第三电容C3的连接端为所述三角波发生单元203的输出端，用于 输出三角波信号。需要注意的是，所述第四电流源Is4的输出电流为所述第三电流源Is3输出电流 的两倍。所述第三电容C3上输出的三角波信号的高低电平分别为 本发明实施例提供的三角波发生单元为本领域的常用电路，关于其工作原理在此 不再赘述。具体的，参照图8，为本发明实施例二提供的直流无刷电机调速控制系统结构图。 实施例二所述系统与实施例一的区别在于所述控制脉冲产生电路20进一步包括最小占 空比设置单元204。所述最小占空比设置单元204，用于产生最小占空比设置电压信号Vmin，输出至 所述控制脉冲输出单元205的第二负输入端。对应的，所述控制脉冲输出单元205，用于将所述直流电压信号Vcf、最小占空比 设置电压信号Vmin、以及三角波信号相比较，产生一占空比与所述PWM输入信号的占空比 和环境温度信号均成线性关系的控制脉冲信号。本发明实施例二所述系统中，增加了最小占空比设置单元204，由此使得直流无刷 电机带动的冷却系统具有最小占空比设置功能，当PWM输入信号的占空比d小于设置的最 小占空比Dm%时，无论环境温度高还是低，冷却系统风扇的转速为一恒定值。具体的，参照图9，为本发明实施例的最小占空比设置单元电路图。所述最小占空 比设置单元204包括第十二电阻R12和第十三电阻R13。其中，所述第十二电阻R12 —端 接工作电源Vcc，另一端经所述第十三电阻R13接地；所述第十二电阻R12和第十三电阻 R13的公共端为所述最小占空比设置单元204的输出端，用于输出最小占空比设置电压信 号 Vmin0其中，所述最小占空比设置电压信号Vmin与工作电源Vcc的关系为Fmin = Fccx—~(7)
R12 + R13且满足V1< Vmin < Vh其中，Vh和Vl分别为三角波发生单元203输出的三角波信号的高、低电平。
参照图10，为本发明实施例的控制脉冲输出单元电路图。所述控制脉冲输出单元 205包括第五电流源Is5、第六电流源Is6、第七电流源Is7、第八电流源Is8、第十晶体管 Q10、第十一晶体管Q11、第十二晶体管Q12、第十三晶体管Q13、第十四晶体管Q14、第十五晶 体管Q15、第十六晶体管Q16、第十七晶体管Q17。其中，所述五电流源Is5的正极、第六电流源Is6的正极、第七电流源Is7的正极、 第八电流源IsS的正极均接工作电源Vcc ；所述第五电流源Is5的负极接所述第十晶体管 QlO的发射极和所述第十五晶体管Q15的基极；所述第六电流源Is6的负极接所述第十一 晶体管Qll的发射极、第十二晶体管Qll的发射极和第十三晶体管Q13的基极；所述第七电 流源Is7的负极接所述第十三晶体管Q13的发射极和所述第十五晶体管Q15的发射极；所 述第八电流源IsS的负极接所述第十七晶体管Q17的集电极；所述第十三晶体管Q13的集 电极接所述第十四晶体管Q14的集电极；所述第十四晶体管Q14的集电极和基极短接，所述 第十四晶体管Q14的基极和所述第十六晶体管Q16的基极短接；所述第十六晶体管Q16的 集电极接所述第十五晶体管Q15的集电极和所述第十七晶体管Q17的基极；所述第十晶体 管QlO的集电极、第十一晶体管Qll的集电极、第十二晶体管Q12的集电极、第十四晶体管 Q14的发射极、第十六晶体管Q16的发射极、第十七晶体管Q17的发射极均接地；所述第十 晶体管QlO的基极接所述三角波发生单元203输出的三角波信号；所述第十一晶体管Qll 的基极接所述最小占空比设置单元204输出的最小占空比设置电压信号Vmin;所述第十二 晶体管Q12的基极接所述PWM信号处理单元输出的直流电压信号Vcf ；所述第十七晶体管 Q17的集电极为所述控制脉冲输出单元205的输出端，输出一占空比与所述PWM输入信号的 占空比和环境温度信号均成线性关系的控制脉冲信号。参照图11，为控制脉冲输出单元的各输入端的电压波形与环境温度、P丽输入信 号的占空比的关系曲线图。当所述直流电压信号Vcf高于所述最小占空比设置电压信号Vmin时，即Vcf > Vmin，所述控制脉冲信号的占空比由所述最小占空比设置电压信号Vmin及三角波信号确 定，此时，所述最小占空比Dm为 当所述直流电压信号Vcf低于所述最小占空比设置电压信号Vmin时，即Vcf < Vmin，所述控制脉冲信号的占空比由所述直流电压信号Vcf及三角波信号确定，此时，所 述控制脉冲信号的占空比D为 由此可见，所述控制脉冲输出单元205输出的控制脉冲信号的占空比既与PWM输 入信号的占空比有关，又与所述环境温度有关。结合图11所示，假设温敏电阻RT的温度系数为负当环境温度T = Tl ^,VrefX-Vref ^此时，所述控制脉冲信号的占空比 故当环境温度T小于等于Tl时，所述控制脉冲信号的占空比D仅与PWM输入信号 的占空比d有关，与环境温度T无关。当环境温度τ = T2 时，设置/21 - ( Vrefl - Vref χ —^―) Xgm = O
Kl + Kl此时，所述控制脉冲信号的占空比D为 故当环境温度T大于T2时，所述控制脉冲信号的占空比D也与环境温度T无关， 仅与PWM输入信号的占空比d有关。当环境温度T大于Tl小于T2时，所述控制脉冲信号的占空比D同时与环境温度 和PWM输入信号的占空比d成近似线性关系。具体的，结合图2所示，所述控制脉冲输出单元204产生的控制脉冲信号用于控制 电机转速，由逻辑控制电路30根据霍尔信号产生电路10所产生的控制线圈电流方向的换 向控制信号将所述控制脉冲信号输出至驱动电路40的不同桥路上，并根据所述控制脉冲 信号的占空比控制电机线圈中电流方向及平均电流的大小，从而控制电机的转速。所述控制脉冲信号的占空比越大，所述电机的转速越高；控制脉冲信号的占空比 越小，电机的转速越低。当环境温度大于Tl小于T2，且所述PWM输入信号的占空比大于设置的最小占空比 时，所述控制脉冲信号的占空比同时与所述环境温度、PWM输入信号的占空比均成近似线性 关系，故此时电机的转速与所述环境温度、PWM输入信号占空比均成近似线性关系。当环境温度小于Tl或大于T2，且所述PWM输入信号的占空比大于设置的最小占空 比时，所述控制脉冲信号的占空比仅与PWM输入信号的占空比成线性关系，故此时电机的 转速也仅与PWM输入信号的占空比成线性关系，与环境温度无关。当所述PWM输入信号的占空比低于设置的最小占空比时，所述控制脉冲信号的占空比由所述最小占空比设置单元204确定，而不再随环境温度、及PWM输入信号的占空比的 变化而变化，所述电机的转速保持不变。对应于本发明实施例所述的直流无刷电机转速的调节系统，本发明实施例还提供 一种直流无刷电机转速的调节方法。参照图12，为本发明实施例提供的直流无刷电机转速 的调节方法流程图。具体的，所述方法包括以下步骤步骤SlO 在电机转子的南北极经过霍尔元件时产生一换向控制信号；步骤S20 根据检测到的环境温度信号和接收到的PWM输入信号，产生一占空比与 所述PWM输入信号的占空比和环境温度信号均成线性关系的控制脉冲信号；步骤S30 根据所述换向控制信号和控制脉冲信号控制电机转速。本发明实施例中，利用一占空比与所述PWM输入信号和环境温度信号均成线性关 系的控制脉冲信号实现对电机的调速。由此使得本发明所述方法，能够实现同时利用环境 温度和PWM信号对直流无刷电机进行调速。具体的，所述步骤20具体包括步骤S201 将检测到的环境温度信号转化为与环境温度成近似线性关系的电流
信号；步骤S202 根据所述电流信号，将所述PWM信号转化为既与PWM输入信号的占空 比成近似线性关系，又与所述环境温度成近似线性关系的直流电压信号；步骤S203:将所述直流电压信号与三角波信号相比较，产生一占空比与所述PWM 输入信号的占空比和环境温度信号均成线性关系的控制脉冲信号。具体的，本发明实施例中，采用温度敏感器件，将检测到的环境温度转化为电流信 号，在一定温度范围内影响直流电压信号的大小；然后，将所述直流电压信号与三角波信号 比较，产生一占空比与所述PWM输入信号的占空比和环境温度信号均成线性关系的控制脉 冲信号，利用所述控制脉冲信号实现对电机的调速，从而实现同时利用环境温度和PWM输 入信号控制电机转速的目的。以上对本发明所提供的一种直流无刷电机调速控制系统及方法，进行了详细介 绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只 是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发 明的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理 解为对本发明的限制。
1权利要求
一种控制脉冲产生电路，其特征在于，所述控制脉冲产生电路用于直流无刷电机转速的调节，包括温度信号处理单元、PWM信号处理单元、三角波发生单元、以及控制脉冲输出单元；所述温度信号处理单元，用于将检测到的环境温度信号转化为与环境温度成近似线性关系的电流信号；所述PWM信号处理单元，用于接收PWM输入信号和所述电流信号，将所述PWM信号转化为既与PWM输入信号的占空比相关、又与所述环境温度相关的直流电压信号；所述三角波发生单元，用于产生三角波信号；所述控制脉冲输出单元，用于将所述直流电压信号与三角波信号相比较，产生一占空比与所述PWM输入信号的占空比和环境温度信号均相关的控制脉冲信号。
2.根据权利要求1所述的控制脉冲产生电路，其特征在于，所述温度信号处理单元包 括第一电阻、温敏电阻、第一比较器、第六一晶体管、第七一晶体管、第一电流源、第一晶体 管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管。其中，所述第一电阻和温敏电阻串联在电压源和地之间，构成分压电阻；所述第一电阻 和温敏电阻的公共端接所述第一比较器的负输入端，所述第一比较器的正输入端接基准电 压，所述第一比较器的输出端接所述第七一晶体管的集电极；所述第七一晶体管的基极与集电极短接，所述第七一晶体管的基极与所述第六一晶体 管的基极短接，所述第七一晶体管的发射极与第六一晶体管的发射极接地；所述第六一晶体管的集电极接第一电流源的负极和所述第一晶体管的集电极和基极；所述第一电流源的正端接工作电源；所述第一晶体管的基极、第二晶体管的基极、第三晶体管的基极接在一起，所述第一晶 体管的发射极、第二晶体管的发射极、第三晶体管的发射极共同接地；所述第二晶体管的集电极接所述第五晶体管的集电极；所述第五晶体管的基极与集电 极短接，所述第五晶体管的基极与所述第四晶体管的基极短接，所述第五晶体管的发射极 和第四晶体管的发射极一起接工作电源；所述第四晶体管的集电极为所述温度信号处理单元的第一输出端，所述第三晶体管的 集电极为所述温度信号处理单元的第二输出端，均用于输出电流信号至所述PWM信号处理 单元。
3.根据权利要求2所述的控制脉冲产生电路，其特征在于，所述PWM信号处理单元包 括第二电流源、可控开关、第二电阻、以及第一电容；所述第二电流源的正极接工作电源，第二电流源的负极接可控开关的常闭端；所述第 二电流源的负极接所述温度信号处理单元的第二输出端；所述可控开关的控制端接收所述PWM输入信号，所述可控开关的常开端经第二电阻接 地，所述可控开关的常开端接所述温度信号处理单元的第一输出端； 所述第一电容并联在所述第二电阻两端；所述可控开关的常开端为所述PWM信号处理单元的电压信号输出端。
4.根据权利要求1所述的控制脉冲产生电路，其特征在于，所述三角波发生单元包括 第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第二比较器、第三电流源、第四电流源、第八晶体管、第九晶体管、第三电容；所述第九电阻一端接工作电源，另一端依次通过第十电阻、第十一电阻接地； 所述第九电阻和第十电阻的公共端接所述第二比较器的负输入端；所述第十电阻与第 十一电阻的公共端接所述第八晶体管的集电极；所述第八晶体管的基极与所述第九晶体管的基极短接，所述第八晶体管的发射极与所 述第九晶体管的发射极接地；所述第三电流源的正极接工作电源，负极接所述第四电流源的正极和第二比较器的正 输入端；所述第四电流源的负极接所述第九晶体管的集电极；所述第二比较器的输出端接所述第八晶体管的基极与第九晶体管的基极；所述第三电容接在第三电流源的负极和地之间；所述第三电流源的负极与第三电容的连接端为所述三角波发生单元的输出端。
5.根据权利要求1至4任一项所述的控制脉冲产生电路，其特征在于，所述控制脉冲产 生电路还包括最小占空比设置单元，用于产生最小占空比设置电压信号，输出至所述控制 脉冲输出单元的第二负输入端；所述控制脉冲输出单元，用于将所述直流电压信号、最小占空比设置电压信号、以及三 角波信号相比较，产生一占空比与所述PWM输入信号的占空比和环境温度信号均成线性关 系的控制脉冲信号。
6.根据权利要求5所述的控制脉冲产生电路，其特征在于，所述最小占空比设置单元 包括第十二电阻和第十三电阻；所述第十二电阻一端接工作电源，另一端经所述第十三电阻接地； 所述第十二电阻和第十三电阻的公共端为所述最小占空比设置单元的输出端。
7.根据权利要求5所述的控制脉冲产生电路，其特征在于，所述控制脉冲输出单元包 括第五电流源、第六电流源、第七电流源、第八电流源、第十晶体管、第十一晶体管、第十二 晶体管、第十三晶体管、第十四晶体管、第十五晶体管、第十六晶体管、第十七晶体管；所述第五电流源的正极、第六电流源的正极、第七电流源的正极、第八电流源的正极接 工作电源；所述第五电流源的负极接所述第十晶体管的发射极和所述第十五晶体管的基极； 所述第六电流源的负极接所述第十一晶体管的发射极，第十二晶体管的发射极和第 十三晶体管的基极；所述第七电流源的负极接所述第十三晶体管的发射极和所述第十五晶体管的发射极；所述第八电流源的负极接所述第十七晶体管的集电极；所述第十三晶体管的集电极接所述第十四晶体管的集电极；所述第十四晶体管的集电 极和基极短接，所述第十四晶体管的基极和所述第十六晶体管的基极短接；所述第十六晶体管的集电极接所述第十五晶体管的集电极和所述第十七晶体管的基极；所述第十晶体管的集电极、第十一晶体管的集电极、第十二晶体管的集电极、第十四晶 体管的发射极、第十六晶体管的发射极、第十七晶体管的发射极均接地；所述第十晶体管的基极接所述三角波发生单元的输出端；所述第十一晶体管的基极接 所述最小占空比设置单元的输出端；所述第十二晶体管的基极接所述PWM信号处理单元的 输出端；所述第十七晶体管的集电极为所述控制脉冲输出单元的输出端。
8. 一种直流无刷电机转速的调节系统，其特征在于，所述系统包括霍尔信号产生电路、 逻辑控制电路、驱动电路，还包括如权利要求1至9任一项所述的控制脉冲产生电路；所述霍尔信号产生电路，用于在电机转子的南北极经过霍尔元件时产生一换向控制信号；所述控制脉冲产生电路，用于根据检测到的环境温度信号和接收到的PWM输入信号， 产生一占空比与所述PWM输入信号的占空比和环境温度信号均成线性关系的控制脉冲信 号；所述逻辑控制电路，用于将接收到的换向控制信号和控制脉冲信号输出至驱动电路； 所述驱动电路，用于根据所述换向控制信号和控制脉冲信号控制电机转速。
9. 一种直流无刷电机转速的调节方法，其特征在于，所述方法包括 在电机转子的南北极经过霍尔元件时产生一换向控制信号；根据检测到的环境温度信号和接收到的PWM输入信号，产生一占空比与所述PWM输入 信号的占空比和环境温度信号均成线性关系的控制脉冲信号； 根据所述换向控制信号和控制脉冲信号控制电机转速。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述根据检测到的环境温度信号和接收 到的PWM输入信号，产生一占空比与所述PWM输入信号的占空比和环境温度信号均成线性 关系的控制脉冲信号，具体包括将检测到的环境温度信号转化为与环境温度成近似线性关系的电流信号； 根据所述电流信号，将所述PWM信号转化为既与PWM输入信号的占空比成近似线性关 系，又与所述环境温度成近似线性关系的直流电压信号；将所述直流电压信号与三角波信号相比较，产生一占空比与所述PWM输入信号的占空 比和环境温度信号均成线性关系的控制脉冲信号。
全文摘要
本发明公开了一种控制脉冲产生电路，用于直流无刷电机转速的调节，包括温度信号处理单元将检测到的环境温度信号转化为与环境温度成近似线性关系的电流信号；PWM信号处理单元接收PWM输入信号和所述电流信号，将PWM信号转化为既与PWM输入信号的占空比相关、又与环境温度相关的直流电压信号；三角波发生单元产生三角波信号；控制脉冲输出单元将直流电压信号与三角波信号相比较，产生一占空比与PWM输入信号的占空比和环境温度信号均相关的控制脉冲信号。本发明还公开了一种直流无刷电机转速的调节系统及方法。采用本发明实施例，能够实现同时利用环境温度和PWM信号对直流无刷电机进行调速。
文档编号H02P6/16GK101895246SQ20101019527
公开日2010年11月24日 申请日期2010年6月8日 优先权日2010年6月8日
发明者张志红, 黄绪江 申请人:上海新进半导体制造有限公司