电磁马达的驱动方法与流程

本发明涉及一种电磁马达的驱动方法。

背景技术：

电磁马达是依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种常见装置。现有电磁马达通常是由单一电源电压驱动，电源电压决定了最大驱动电流和最大驱动力。若电源电压较低，则驱动力较小，不能驱动摩擦力较大的电磁马达步进运动；若电源电压较高，则功耗较大，效率较低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种电磁马达的驱动方法，降低电源功耗，提高驱动效率。

基于以上考虑，本发明提供一种电磁马达的驱动方法，通过至少两个电源电压驱动所述电磁马达运动；其中用于驱动所述电磁马达开始运动的起始电源电压大于用于驱动所述马达后续运动的其他电源电压。

优选的，所述起始电源电压和其他电源电压分别由独立的电源产生。

优选的，所述起始电源电压由其他电源电压通过电荷泵或升压转换器产生。

优选的，所述其他电源电压由起始电源电压通过低压差线性稳压器或降压转换器产生。

优选的，所述电磁马达为双向驱动的电磁马达，驱动电路包括h桥形连接的四个驱动管和线圈，其中两个驱动管通过第一开关与第一电源电压相连，通过第二开关或二极管与第二电源电压相连，另外两个驱动管与地电压相连，其中第一电源电压大于第二电源电压。

优选的，所述电磁马达为单向驱动的电磁马达，驱动电路包括一字形连接的两个驱动管和线圈，其中一个驱动管通过第一开关与第一电源电压相连，通过第二开关或二极管与第二电源电压相连，另外一个驱动管与地电压相连，其中第一电源电压大于第二电源电压。

优选的，所述驱动管为金属-氧化物-半导体场效应晶体管。

优选的，所述二极管为肖特基二极管。

优选的，外部电源电压经过缓冲器后传输给与地电压相连的驱动管的栅极，将缓冲器的输出级的原有电容与至少一个开关控制的电容或者可变电容并联，通过控制缓冲器的输出级电容大小，调节与地电压相连的驱动管的栅极电压变化斜率，来控制线圈中的驱动电流上升或下降的速度。

优选的，当第一电源电压为v1，第二电源电压为v2，驱动管通过二极管d1与第二电源电压相连，二极管d1的正向导通压降为vd1，驱动过程包括如下阶段：

s11关闭阶段：四个驱动管为关闭状态，第一开关为关闭状态，线圈中无驱动电流流过；

s12低压准备阶段：与电源电压相连的两个驱动管打开，线圈两端为相同电压v2-vd1，线圈中无驱动电流流过；

s13高压准备阶段：第一开关打开，线圈两端为相同电压v1，线圈中无驱动电流流过；

s14高压驱动阶段：与电源电压相连的一个驱动管关闭，与地电压相连的一个驱动管打开，线圈的正向电压或负向电压为v1，线圈中有正向或负向的驱动电流流过；

s15低压驱动阶段：第一开关关闭，线圈的正向电压或负向电压为v2-vd1，线圈中有正向或负向的驱动电流流过；

s16低压准备阶段：与地电压相连的两个驱动管再次关闭，与电源电压相连的两个驱动管再次打开，线圈两端为相同电压v2-vd1，线圈中无驱动电流流过；

s17关闭阶段：四个驱动管再次关闭。

优选的，当第一电源电压为v1，第二电源电压为v2，驱动管通过二极管d1与第二电源电压相连，二极管d1的正向导通压降为vd1，驱动过程包括如下阶段：

s21关闭阶段：四个驱动管为关闭状态，第一开关为关闭状态，线圈中无驱动电流流过；

s22高压准备阶段：第一开关打开，与电源电压相连的两个驱动管打开，线圈两端为相同电压v1，线圈中无驱动电流流过；

s23高压驱动阶段：与电源电压相连的一个驱动管关闭，与地电压相连的一个驱动管打开，线圈的正向电压或负向电压为v1，线圈中有正向或负向的驱动电流流过；

s24低压驱动阶段：第一开关关闭，线圈的正向电压或负向电压为v2-vd1，线圈中有正向或负向的驱动电流流过；

s25低压准备阶段：与地电压相连的两个驱动管再次关闭，与电源电压相连的两个驱动管再次打开，线圈两端为相同电压v2-vd1，线圈中无驱动电流流过；

s26关闭阶段：四个驱动管再次关闭。

优选的，当第一电源电压为v1，第二电源电压为v2，驱动管通过二极管d1与第二电源电压相连，二极管d1的正向导通压降为vd1，驱动过程包括如下阶段：

s31关闭阶段：四个驱动管为关闭状态，第一开关为关闭状态，线圈中无驱动电流流过；

s32高压驱动阶段：第一开关打开，与电源电压相连的一个驱动管、与地电压相连的一个驱动管打开，线圈的正向电压或负向电压为v1，线圈中有正向或负向的驱动电流流过；

s33低压驱动阶段：第一开关关闭，线圈的正向电压或负向电压为v2-vd1，线圈中有正向或负向的驱动电流流过；

s34关闭阶段：四个驱动管再次关闭。

本发明的电磁马达的驱动方法，通过至少两个电源电压驱动所述电磁马达运动；其中用于驱动所述电磁马达开始运动的起始电源电压大于用于驱动所述马达后续运动的其他电源电压，从而降低电源功耗，提高驱动效率。

附图说明

通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1为根据本发明一个实施例的电磁马达的驱动电路示意图；

图2为根据本发明另一实施例的电磁马达的驱动电路示意图；

图3为根据本发明又一实施例的电磁马达的驱动电路示意图；

图4为根据本发明一个实施例的控制信号时序图；

图5为根据本发明另一实施例的控制信号时序图；

图6为根据本发明一个实施例的电磁马达的前置驱动电路示意图。

在图中，贯穿不同的示图，相同或类似的附图标记表示相同或相似的装置（模块）或步骤。

具体实施方式

为解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种电磁马达的驱动方法，通过至少两个电源电压驱动所述电磁马达运动；其中用于驱动所述电磁马达开始运动的起始电源电压大于用于驱动所述马达后续运动的其他电源电压，从而降低电源功耗，提高驱动效率。

在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本发明一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本发明的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。可以理解，在不偏离本发明的范围的前提下，可以利用其他实施例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。因此，以下的具体描述并非限制性的，且本发明的范围由所附的权利要求所限定。

本发明电磁马达的驱动方法，通过至少两个电源电压（在此以v1、v2且v1>v2为例）驱动所述电磁马达运动，在开始驱动电磁马达时，电磁马达需要克服较大的静摩擦力开始运动，此时采用较大的电源电压v1作为起始电源电压进行供电，可以提供较大的供电电流，从而产生较大的推动力来使电磁马达开始运动；在电磁马达动起来后，需要克服较小的动摩擦力来保持运动，此时及时切换到较小的其他电源电压v2供电，使电磁马达能够继续移动到合适位置，从而实现降低电源功耗，提高驱动效率的目的。

其中，起始电源电压v1和其他电源电压v2可以分别由独立的电源产生；也可以是由一个独立的电源通过电源电压转换电路产生，比如，其他电源电压v2由独立的电源产生，起始电源电压v1由其他电源电压v2通过电荷泵（chargepump）或升压转换器（boostdcdc）产生，或者，起始电源电压v1由独立的电源产生，其他电源电压v2由起始电源电压v1通过低压差线性稳压器（ldo）或降压转换器（buckdcdc）产生。

常见的电磁马达包括双向驱动的电磁马达和单向驱动的电磁马达。

图1示出双向驱动的电磁马达的驱动电路示意图。其中包括h桥形连接的四个驱动管（例如金属-氧化物-半导体场效应晶体管mosfet）pm0/pm1/nm0/nm1和线圈l0，当pm0/nm1开启，pm1/nm0关闭时，电流正向流过线圈l0，马达正向运动；反之，pm0/nm1关闭，pm1/nm0开启时，电流负向流过线圈l0，马达反向运动。其中两个驱动管pm0/pm1通过第一开关t1与第一电源电压v1相连，通过二极管d1与第二电源电压v2相连，另外两个驱动管nm0/nm1与地电压相连，其中第一电源电压v1大于第二电源电压v2。

图2、图3分别示出单向驱动的电磁马达的驱动电路示意图。

图2为正向驱动电路，其中包括一字形连接的两个驱动管pm0/nm1和线圈l0，其中一个驱动管pm0通过第一开关t1与第一电源电压v1相连，通过二极管d1与第二电源电压v2相连，另外一个驱动管nm1与地电压相连，其中第一电源电压v1大于第二电源电压v2。

图3为反向驱动电路，其中包括一字形连接的两个驱动管pm1/nm0和线圈l0，其中一个驱动管pm1通过第一开关t1与第一电源电压v1相连，通过二极管d1与第二电源电压v2相连，另外一个驱动管nm0与地电压相连，其中第一电源电压v1大于第二电源电压v2。

在驱动电磁马达的第一个阶段，即电磁马达从静止到运动的阶段，t1导通，第一电源电压v1为驱动电路供电；在驱动电磁马达的第二个阶段，即电磁马达持续运动的阶段，将t1关闭，此时驱动电源自动切换到第二电源电压v2，驱动电压为v2-vd1（其中vd1为二极管的正向导通压降）。在上述优选实施例中，为减少vd1，d1采用了肖特基二极管。在实际应用中，d1也可以用开关电路即第二开关代替。

两组电源的切换需要合理的设计，来保证马达能够平稳运动，在切换过程中没有停滞或卡顿。下面以图1所示的双向驱动的电磁马达的驱动电路为例，详细阐述两组电源v1、v2的切换方式以及电磁马达的驱动过程。

在图4中示出了根据本发明一个优选实施例的控制信号的时序关系，以正向驱动为例，电磁马达的驱动过程包括如下阶段：

s11关闭阶段：在时刻t0，en/hv/pos信号都为低电平，四个驱动管pm0/pm1/nm0/nm1为关闭状态，第一开关t1为关闭状态，线圈l0中无驱动电流流过；

s12低压准备阶段：在时刻t1，en信号变成高电平，与电源电压相连的两个驱动管pm0和pm1打开，线圈l0两端为相同电压v2-vd1，线圈l0中无驱动电流流过；

s13高压准备阶段：在时刻t2，hv信号变成高电平，第一开关t1打开，线圈l0两端为相同电压v1，线圈中l0无驱动电流流过；

s14高压驱动阶段：在时刻t3，pos信号变成高电平，与电源电压相连的一个驱动管pm1关闭，与地电压相连的一个驱动管nm1打开，线圈l0的正向电压为v1，线圈中有正向的驱动电流流过；

s15低压驱动阶段：在时刻t4,hv信号变成低电平，第一开关t1关闭，线圈l0的正向电压为v2-vd1，线圈l0中有正向的驱动电流流过；

s16低压准备阶段：在时刻t5，pos变成低电平，与地电压相连的两个驱动管nm0和nm1再次关闭，与电源电压相连的两个驱动管pm0和pm1再次打开，线圈l0两端为相同电压v2-vd1，线圈l0中无驱动电流流过；

s17关闭阶段：在时刻t6，en变成低电平，四个驱动管pm0/pm1/nm0/nm1再次关闭，恢复到t0状态。

在图4中，pos信号也可以替换为neg信号，信号的波形和时序都不变，只是在s14高压驱动阶段，pm1和nm0打开，pm0和nm1关闭，线圈l0的负向电压为v1，线圈l0中有负向的驱动电流流过；s15低压驱动阶段，线圈l0的负向电压为v2-vd1，线圈l0中同样有负向的驱动电流流过，即为负向驱动模式。

在图5中示出了根据本发明另一优选实施例的控制信号的时序关系。与图4所示的控制信号的时序关系不同的是，首先hv信号变成高电平，对应的第一开关t1打开，其次en信号变成高电平，驱动管pm0和pm1打开，因此无需低压准备阶段，直接进入高压准备阶段。具体的，以正向驱动为例，电磁马达的驱动过程包括如下阶段：

s21关闭阶段：在时刻t0，en/hv/pos信号都为低电平，四个驱动管pm0/pm1/nm0/nm1为关闭状态，第一开关t1为关闭状态，线圈l0中无驱动电流流过；

s22高压准备阶段：在时刻t1，hv信号变成高电平，第一开关t1打开，在时刻t2，en信号变成高电平，与电源电压相连的两个驱动管pm0和pm1打开，线圈两端为相同电压v1，线圈中无驱动电流流过；

s23高压驱动阶段：在时刻t3，pos信号变成高电平，与电源电压相连的一个驱动管pm1关闭，与地电压相连的一个驱动管nm1打开，线圈l0的正向电压为v1，线圈中有正向的驱动电流流过；

s24低压驱动阶段：在时刻t4,hv信号变成低电平，第一开关t1关闭，线圈l0的正向电压为v2-vd1，线圈l0中有正向的驱动电流流过；

s25低压准备阶段：在时刻t5，pos变成低电平，与地电压相连的两个驱动管nm0和nm1再次关闭，与电源电压相连的两个驱动管pm0和pm1再次打开，线圈l0两端为相同电压v2-vd1，线圈l0中无驱动电流流过；

s26关闭阶段：在时刻t6，en变成低电平，四个驱动管pm0/pm1/nm0/nm1再次关闭，恢复到t0状态。

同样的，在图5中，pos信号也可以替换为neg信号，信号的波形和时序都不变，只是在s23高压驱动阶段，pm1和nm0打开，pm0和nm1关闭，线圈l0的负向电压为v1，线圈l0中有负向的驱动电流流过；s24低压驱动阶段，线圈l0的负向电压为v2-vd1，线圈l0中同样有负向的驱动电流流过，即为负向驱动模式。

在上述优选实施例中，pm0/pm1打开，nm0/nm1关闭的状态称为准备阶段，线圈开启前的准备阶段可以节约线圈内的电流变化时间，线圈关闭前的准备阶段使线圈内的电流迅速变成零，可以减少关闭线圈后的振荡时间，从而缩短电磁马达的稳定时间，迅速开始下一次对焦。准备阶段不是必要的，是一个可以选择的功能。当无需准备阶段时，电磁马达的驱动过程包括如下阶段：

s31关闭阶段：四个驱动管pm0/pm1/nm0/nm1为关闭状态，第一开关t1为关闭状态，线圈l0中无驱动电流流过；

s32高压驱动阶段：第一开关t1打开，与电源电压相连的一个驱动管、与地电压相连的一个驱动管打开，线圈的正向电压或负向电压为v1，线圈中有正向或负向的驱动电流流过，具体的，当pm0和nm1打开，pm1和nm0关闭时，线圈中有正向的驱动电流流过，当pm1和nm0打开，pm0和nm1关闭时，线圈中有负向的驱动电流流过；

s33低压驱动阶段：第一开关t1关闭，线圈的正向电压或负向电压为v2-vd1，线圈中有正向或负向的驱动电流流过；

s34关闭阶段：四个驱动管pm0/pm1/nm0/nm1再次关闭。

此外，在电磁马达驱动开始或结束的阶段，驱动电流产生剧烈的变化，从0迅速上升到几十或几百毫安（或者从几十，几百毫安迅速变成0），会对周围的电路产生强烈的电磁干扰（emi）,使图像信号、射频信号等受到影响而失真或不能正常工作。为了减轻这种电磁干扰的效应，需要对电磁马达的驱动电流变化的速度加以控制，既不能速度太快产生超出设计指标的电磁干扰，也不能速度太慢使电磁马达移动太慢，影响镜头对焦时间。

图6是根据本发明一个实施例的电磁马达的前置驱动电路的示意图，其中，外部电源（例如数字模拟转换器dac）产生一个精准的电压信号，经过缓冲器buf增加驱动能力后传输给与地电压相连的驱动管的栅极（在此以图1中驱动管nm0的栅极dn0为例），将缓冲器的输出级的原有电容c0与至少一个开关控制的电容（在此示出为分别由开关s1、s2控制的电容c1、c2）或者可变电容并联，通过控制缓冲器的输出级电容大小，调节与地电压相连的驱动管的栅极电压变化斜率(slewrate)，来控制线圈中的驱动电流上升或下降的速度。当需要减小电流变化速度时，就打开开关s1或s2，使缓冲器的输出级电容变大，带宽变小，dn0的电压变化斜率变小。反之，当需要增加电流变化速度时，就关闭s1或s2，，dn0的电压变化斜率变大。本领域技术人员可以理解，要实现更精准的电流速度控制，很容易想到采用更多开关控制的电容并联。

本发明的电磁马达的驱动方法，通过至少两个电源电压驱动所述电磁马达运动；其中用于驱动所述电磁马达开始运动的起始电源电压大于用于驱动所述马达后续运动的其他电源电压，从而降低电源功耗，提高驱动效率。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论如何来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。此外，明显的，“包括”一词不排除其他元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。装置权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。