TW201318293A

TW201318293A - 保護電路方法及馬達控制電路

Info

Publication number: TW201318293A
Application number: TW100137855A
Authority: TW
Inventors: Ming-Jung Tsai; Kun-Min Chen; Ching-Sheng Li
Original assignee: Anpec Electronics Corp
Priority date: 2011-10-19
Filing date: 2011-10-19
Publication date: 2013-05-01
Also published as: US20130099709A1

Abstract

本發明提供一種保護電路方法，用於一馬達控制電路，包含有於該馬達控制電路處於一啟動狀態、一栓鎖狀態或一重啟狀態時，判斷該馬達控制電路是否符合一操作條件；以及於該馬達控制電路符合該操作條件，調變該馬達控制電路輸出之一電流大小。

Description

保護電路方法及馬達控制電路

本發明係指一種保護電路方法及馬達控制電路，尤指一種可避免馬達產生過電流的保護電路方法及馬達控制電路。

馬達是一種將電能轉換為動能的電子裝置，常見有直流馬達、交流馬達及步進馬達等。舉例來說，電腦的中央處理機(CPU)或電腦機殼上都常搭配有直流馬達風扇來幫助散熱，而光碟機或硬碟機的內部也是經由直流馬達來驅動光碟或硬碟，隨處可見直流馬達的應用。一般而言，直流馬達的轉動係透過馬達轉子上線圈的電流方向及電流大小，產生不同大小、極性的磁力，進而與馬達定子上的永久磁鐵產生相吸或相斥的作用力，使得馬達轉動。

另外，在許多直流馬達應用範例中，脈寬調變(pulse width modulation)技術常被用來調整流經馬達的電流大小，以此達到節省電能及控制轉速的目的。脈寬調變技術主要是藉由調整電源供應器於一週期性方波中輸送能量至負載(在此為直流馬達)的時間比，而此輸送能量的時間相對於週期長度的比值又通稱為工作週期(duty cycle)。當工作週期的值接近1時，代表電源供應器係以接近滿載的方式提供能量至負載；反之，若工作週期的值接近0時，則代表電源供應器僅提供些許能量至負載。

請參考第1圖，第1圖為習知技術之一馬達控制電路10之示意圖。馬達控制電路10包含有一電源供應器100、控制模組102、一比較器104、一全橋電路106以及一馬達108。全橋電路106包含四個開關SW1、SW2、SW3及SW4，其中SW1及SW3稱為上橋開關，而SW2及SW4稱為下橋開關，而馬達108耦接於全橋電路106的兩個輸出端OUT1及OUT2。除此之外，馬達控制電路10另包含有穩壓用途的旁路電容CVM1及CVCC1，以及用來偵測流經馬達108之電流大小的一偵測電阻RS1。根據偵測電阻RS1之兩個端點VCC1及VM1的電壓差值，可計算流經馬達108之電流大小，再由控制模組102控制上橋開關SW1、SW3或下橋開關SW2、SW4的啟閉，以控制馬達控制電路10輸出的電流大小。

請參考第2圖，第2圖是習知技術之另一馬達控制電路20之示意圖。第2圖之馬達控制電路20和第1圖之馬達控制電路10相似，故作用相同之元件將延用相同的符號來表示，而兩者的差別在於馬達控制電路20係透過一偵測電阻RS2，以及兩個分壓電阻RD1、RD2和一比較器204，以達到電流偵測之目的。在直流馬達電路20中，偵測電阻RS2連結於下橋開關SW2、SW4和地端GND間，因此，流經馬達108的電流係全部流經偵測電阻RS2，相較於第1圖之馬達控制電路10，能提供更準確的電流大小。另外，一電壓VSTD透過分壓電阻RD1、RD2比例分配一電壓VLIM，輸送至比較器204之一輸入端，而輸入偵測電阻RS2之一端電壓VSS則輸送至比較器204之另一輸入端，經比較器204比較運算後，輸出訊號至控制模組102，以控制馬達控制電路20輸出的電流大小。

相較於第1圖之馬達控制電路10，第2圖之馬達控制電路20能避免旁路電容CVM1的干擾，提高偵測電阻RS2的量測準確度。然而，偵測電阻RS2必須是一能承受高功率之精密電阻，除會增加成本外，也將消耗額外的電能。如果為了減少額外消耗的電能，被迫選擇電阻值較小的偵測電阻RS2，又將導致偵測電阻RS2的跨電壓值變化過小，此時必須再加上額外電路來提高量測精準度。受限於此，馬達控制電路20的量測精準度及應用範圍仍需改善。

因此，本發明之主要目的即在於提供一種用於馬達控制電路之保護電路方法及其相關電路。

本發明揭露一種保護電路方法，用於一馬達控制電路，包含有於該馬達控制電路處於一啟動狀態、一栓鎖狀態或一重啟狀態時，判斷該馬達控制電路是否符合一操作條件；以及於該馬達控制電路符合該操作條件，調變該馬達控制電路輸出之一電流大小。

本發明另外揭露一種馬達控制電路，用於判斷處於一啟動狀態、一栓鎖狀態或一重啟狀態之該馬達控制電路是否符合一操作條件，包含有一偵測電路，耦接於一馬達，用以偵測該馬達控制電路輸出之一電流，以及於該馬達控制電路符合該操作條件，調變該馬達控制電路輸出之該電流大小；一全橋電路，耦接於偵測電路之一輸出端；以及一脈寬調變訊號源，耦接於該偵測電路之一輸入端。

本案申請人於中華民國專利申請案申請號098109619(申請日98年3月24日)，提出一「限制直流馬達電流的方法及其相關裝置及相關電路」，其揭露了限制流經直流馬達之電流大小。然而，該申請案中所使用之限制直流馬達電流的相關電路，除了電路設計上相當複雜，於半導體製程中亦加入許多限制條件，導致馬達控制電路能應用的範圍有限。再者，一般使用者大多僅關心馬達控制電路能否有效控制其輸出的電流大小，以避免產生過大電流流經馬達並燒壞馬達，很少人在意真正流經馬達的電流大小為何值。因此，本案申請人提出另一種用於馬達控制電路之保護電路方法及其相關電路，用以避免複雜的電路設計及昂貴的半導體製程，並提高馬達控制電路的應用範圍。

請參考第3圖，第3圖為本發明實施例之一馬達控制電路30之示意圖。第3圖所示之馬達控制電路30相似於第1圖和第2圖所示之馬達控制電路10和20，因此功能相同的元件將以相同符號來表示。馬達控制電路30包含一偵測電路300、一全橋電路106及一脈寬調變訊號源306，其中偵測電路300更包含一參考電流產生模組301、一比較模組302及一控制模組304，而電源供應器100提供一直流電源至全橋電路106，並由旁路電容CVM1提供穩壓作用。在偵測電路300中，參考電流產生模組301耦接至比較模組302；比較模組302接收輸出端OUT1及OUT2間的電流訊號，輸出一比較結果至控制模組304；控制模組304亦同時接收脈寬調變訊號源306的週期性方波訊號，用以輸出一控制結果至全橋電路106，來控制馬達控制電路30輸出的電流大小。另外，全橋電路106之四個開關SW1~SW4中，SW1及SW3組成上橋開關，SW2及SW4組成下橋開關，其中SW1及SW3以P型金氧半導體來實現，其源極耦接於電源供應器100，而其閘極根據控制結果判斷是否導通；至於SW2及SW4以N型金氧半導體來實現，SW2及SW4的汲極相對應耦接於上橋開關SW3及SW1的汲極，其源極耦接於地，而其閘極根據控制結果判斷是否導通。簡單來說，上橋開關和下橋開關根據控制訊號用以判斷是否導通，以調變馬達控制電路30輸出的電流大小。

更進一步地，馬達控制電路30設定於馬達108處於一啟動狀態、一栓鎖狀態或一重啟狀態時運作，以控制馬達控制電路30輸出的電流大小。詳細來說，參考電流產生模組301根據使用者需求預設一預設臨限值，在此實施例中，預設臨限值以一電流值實現，例如1安培電流。電流產生模組301提供比較模組302預設的電流值，以比較和馬達控制電路30輸出的電流大小之差值。當馬達控制電路30輸出的電流大小超過預設的電流值時，則判斷馬達控制電路30滿足一操作條件。此時，比較模組302傳輸比較結果至控制模組304，而脈寬調變訊號源306亦同時傳輸一週期性方波訊號至控制模組304，由控制模組304進行判斷並輸出控制結果。最後，上橋開關及下橋開關根據控制結果，判斷全橋電路106應輸出多少脈寬調變訊號源306的能量，進而限制馬達控制電路30輸出的電流大小，以避免流經馬達108的電流太大而使馬達108過電流燒壞。

換句話說，當馬達108處於啟動狀態、栓鎖狀態或重啟狀態時(上述三種狀態下因為馬達無反電動勢BEMF，因此馬達易有過電流疑慮)，參考電流產生模組301預先設定一電流上限值，比較模組302比較電流上限值和馬達控制電路30之輸出電流大小，決定是否採用脈寬調變(PWM)技術調整流經馬達108的電流大小。當馬達控制電路30輸出的電流超過電流上限值，即流經馬達108之電流大小有造成馬達108過電流之疑慮時，改變脈寬調變訊號源306的工作週期，以限制馬達控制電路30輸出的電流大小。例如電流上限值為1安培，而流經馬達108的瞬間電流大小為1.2安培，此時比較模組302立即通知控制模組304將脈寬調變訊號源306的工作週期切換為一較小值，例如工作週期從100%切換為50%，則馬達控制電路30對應輸出的電流大小將降為0.6安培，在此情況下，馬達控制電路30輸出的電流大小將不會超過電流上限值，以確保馬達108暫時無過熱燒壞的疑慮。當然，隨時間進行下，馬達控制電路30將動態偵測其輸出電流，只要其輸出電流遞增且超過電流上限值，就立即將此時之脈寬調變訊號源306的工作週期切換為一較小值，確保馬達控制電路30的輸出電流皆不超過電流上限值。若一開始流經馬達108的瞬間電流大小為2.4安培，則脈寬調變訊號源306的工作週期先從100%切換為50%，馬達控制電路30對應輸出的電流大小則降為1.2安培，但是其值仍超過電流上限值，所以比較模組302將再次通知控制模組304將脈寬調變訊號源306此時的工作週期切換為一更小值，例如工作週期從50%切換為25%，則馬達控制電路30對應輸出的電流大小將降為0.6安培，且不再超過電流上限值。上述說明中，切換脈寬調變訊號源306的工作週期皆為舉例說明，而比較模組302通知控制模組304的次數也為舉例說明，非用以限制本發明的範疇。另外，視使用者需求，脈寬調變訊號源306的工作週期也可從一較低值，調升為一較高值，或者以間隔/週期/隨機等方式調整脈寬調變訊號源306的工作週期，以滿足馬達108其他適用範圍，亦或者當瞬間電流大小為2.4安培時，偵測到電流大於1.2安培，於是工作週期從100%切換為50%，此時電流變成1.2安培，雖然仍大於預設值1.0安培，但應用上已無疑慮，因此也可以不需再次調整工作週期，也就是僅一次性的調整即可，如此一來控制脈寬調變訊號的產生器僅需產生50%週期，也可大大簡化此產生器電路，在此非用以限制本發明。

因此，本發明之精神在於當馬達控制電路30(或馬達108)處於啟動狀態、栓鎖狀態或重啟狀態運作，且偵測到馬達控制電路30輸出的電流大小超過預設臨限值時，將脈寬調變訊號源306切換至較小的工作週期，以限制馬達控制電路30輸出的電流大小。因此，本領域具通常知識者可依據實際需求進行適當修飾與變化，將脈寬調變訊號源實施在不同電路中，亦或改變控制模組的輸出訊號來達到相同目的，以調整馬達控制電路輸出的電流大小。

更進一步，本發明實施例用於馬達控制電路30的保護電路方法可歸納為一保護電路流程40，如第4圖所示，保護電路流程40包含以下步驟：

步驟400：開始。

步驟402：於馬達控制電路30處於一啟動狀態、一栓鎖狀態或一重啟狀態時，判斷馬達控制電路30是否符合一操作條件，而操作條件係馬達控制電路30輸出之電流超過一預設臨限值。

步驟404：於馬達控制電路符合操作條件，調變馬達控制電路30輸出之一電流大小。

步驟406：結束。

上述保護電路流程40之細節可參考第3圖所示之馬達控制電路30，並藉由偵測電路300之參考電流產生模組301、比較模組302和控制模組304，以及脈寬調變訊號源306和全橋電路106之相關描述來進行理解，在此不贅述。

請參考第5圖，第5圖為本發明實施例用於馬達控制電路30之相關訊號之時序示意圖。如第5圖所示，若電源供應器100可提供電壓12伏特至馬達控制電路30，而馬達108的等效電路為5歐姆，若忽略其他電阻值，則預期會有2.4安培的電流流經馬達108。因此，當馬達108處於啟動狀態、栓鎖狀態或重啟狀態時，若流經馬達的負載電流IL超過電流上限值，在此預設為1.2安培時，根據保護電路流程40，一鎖定/重置模組(圖中未示)將傳送一電流保護訊號OCP至控制模組304，以動態地改變脈寬調變訊號源306的工作週期，例如工作週期從100%調降至50%，俾使負載電流IL呈現鋸齒狀震盪來避免超過電流上限值，此外，一般馬達控制電路30流經馬達108之電流方向改變可透過一週期性轉動訊號FG來表示，根據轉動訊號FG之訊號上緣或下緣(在此實施例中以訊號上緣作為示範，當然也可以上下緣都一起當作重置訊號)，用以驅動鎖定/重置模組再送出一過電流保護重置訊號OCPR至控制模組304，俾使保護電路流程40週而復始的持續進行，換句話說，當FG上緣一產生，就會產生一短時間重置的pulse信號將栓鎖器(例如SR-latch)重置(reset)，若馬達電流在栓鎖器重置後又因為過電流而再被鎖定(set)，則工作週期一樣從100%再調降至50%，週而復始(即偵測電流裝置當電流大於預設值，就固定產生鎖定信號至栓鎖器，當FG上緣一產生，就會產生一短時間重置的pulse信號將栓鎖器重置)。不過當馬達108已順利轉動一段時間後，將產生一反電動勢BEMF抵銷電源供應器100的輸入電壓。此時，輸出端OUT1及OUT2間的端電壓相對變小，即馬達108的跨電壓變小，預期不再產生過大電流流經馬達108，則當FG上緣再出現，將栓鎖器重置後，因為過電流偵測電路不會再觸發，因此栓鎖器也就不會再被觸發鎖定，此後馬達108將正常轉動且已安全度過啟動時可能發生的過電流之疑慮。

除此之外，本發明所述之馬達控制電路30另外提供一操作條件，係馬達控制電路30在啟動後之一預設時間內，調變馬達控制電路30輸出的電流大小。超過此時間後，就恢復原先狀態，如此一來便不需要比較偵測電路，在此實施例中，控制模組304更包含一計時器(圖中未示)，當馬達108處於啟動狀態、栓鎖狀態或重啟狀態，且在預設時間，例如5秒內，控制模組304不需透過比較模組302的比較結果，反而先根據計時器之一驅動訊號，自行輸出控制結果至全橋電路106，以調變馬達控制電路30輸出的一電流大小。換句話說，當馬達108處於啟動狀態、栓鎖狀態或重啟狀態時，經過預設時間內，計時器提供驅動訊號，迫使脈寬調變訊號源306對應切換至較小的工作週期，以限制馬達控制電路30輸出的電流大小。同理可知，凡是本領域具通常知識者，可依據實際需求將本發明透過不同電路之修飾與變化來實現，設計在歷經不同預設時間後，以調整馬達控制電路輸出的電流大小者，皆屬於本發明之範疇。

更進一步，本發明另一實施例用於馬達控制電路30的保護電路方法可歸納為一保護電路流程60，如第6圖所示，保護電路流程60包含以下步驟：

步驟600：開始。

步驟602：於馬達控制電路30處於一啟動狀態、一栓鎖狀態或一重啟狀態時，判斷馬達控制電路30是否符合一操作條件，而操作條件係馬達控制電路30啟動後之一預設時間之內。

步驟604：於馬達控制電路30符合操作條件，調變馬達控制電路30輸出之一電流大小。

步驟606：結束。

值得注意的，本發明所述之馬達控制電路30亦可將上述兩種操作條件(判斷馬達控制電路30是否滿足馬達控制電路30輸出的電流大小超過預設臨限值，或是馬達控制電路30啟動後已超過預設時間之內)透過不同組合方式，在馬達控制電路30符合操作條件時，透過偵測電路300來調變馬達控制電路30輸出的電流大小，以確保馬達108不會有過電流之疑慮。

總而言之，本發明所提供之用於馬達控制電路的保護電路方法及其相關電路，藉由偵測電路之參考電流產生模組預設電流上限值，比較電流上限值與馬達控制電路之輸出電流大小，並將比較結果透過控制模組輸送至全橋電路，以調整脈寬調變訊號源的工作週期，達到調變馬達控制電路輸出的電流大小。另外，亦可藉由計時器判斷馬達控制電路啟動後是否在預設時間，再透過控制模組控制全橋電路，以調整脈寬調變訊號源的工作週期，進而限制馬達控制電路輸出的電流大小。上述實施例均建立在第098109619號「限制直流馬達電流的方法及其相關裝置及相關電路」之發明申請案，以期能提供另一種用於馬達控制電路之保護電路方法及其相關電路，來避免複雜的電路設計及昂貴的半導體製程，並提高馬達控制電路的應用範圍，同時又能避免馬達正常轉動下產生過熱之疑慮。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10、20、30．．．馬達控制電路

100．．．電源供應器

102．．．控制模組

104、204．．．比較器

106．．．全橋電路

108．．．馬達

300．．．偵測電路

301．．．參考電流產生模組

302．．．比較模組

304．．．控制模組

306．．．脈寬調變訊號源

40、60．．．保護電路流程

400、402、404、406、600、602、604、606．．．步驟

BEMF．．．反電動勢

CVCC1、CVM1．．．旁路電容

FG．．．轉動訊號

IL．．．負載電流

OCP．．．電流保護訊號

OCPR．．．電流保護重置訊號

OUT1、OUT2．．．輸出端

RD1、RD2．．．分壓電阻

RS1、RS2．．．偵測電阻

SW1、SW2、SW3、SW4．．．開關

VLIM、VSTD．．．電壓

VSS．．．端電壓

第1圖為習知技術之一馬達控制電路之示意圖。

第2圖是習知技術之另一馬達控制電路之示意圖。

第3圖為本發明實施例之一馬達控制電路之示意圖。

第4圖為本發明實施例之一保護電路流程之示意圖。

第5圖為本發明實施例用於馬達控制電路之相關訊號之時序示意圖。

第6圖為本發明實施例之另一保護電路流程之示意圖。

40．．．保護電路流程

400、402、404、406．．．步驟

Claims

一種保護電路方法，用於一馬達控制電路，包含有：於該馬達控制電路處於一啟動狀態、一栓鎖狀態或一重啟狀態時，判斷該馬達控制電路是否符合一操作條件；以及於該馬達控制電路符合該操作條件，調變該馬達控制電路輸出之一電流大小。
請求項1所述之保護電路方法，其中該操作條件係該馬達控制電路輸出之該電流超過一預設臨限值。
請求項2所述之保護電路方法，其中調變該馬達控制電路輸出之該電流大小，係使該電流不超過該預設臨限值。
請求項1所述之保護電路方法，其中該操作條件係該馬達控制電路啟動後之一預設時間內。
請求項1所述之保護電路方法，其中該馬達控制電路設置一偵測電路，該偵測電路更包含：一參考電流產生模組，用來產生一預設臨限值；一比較模組，用來比較該電流及該預設臨限值之大小，以產生一比較結果；以及一控制模組，用來根據該比較結果，以產生一控制訊號至一全橋電路。
請求項5所述之保護電路方法，其更包含根據該比較結果，該控制模組接收一脈寬調變訊號源之部分能量。
請求項5所述之保護電路方法，其中該全橋電路包含一上橋開關及一下橋開關根據該控制訊號啟閉，以調變該馬達控制電路輸出之該電流大小。
請求項7所述之保護電路方法，其中該上橋開關包含一輸入端，耦接於一電源供應器，一輸出端，以及一受控端，用來根據該控制模組輸出之該控制訊號將該輸入端所接收之電源導通至該輸出端；以及該下橋開關，包含一輸入端，耦接於該上橋開關之該輸出端，一輸出端，耦接於地，以及一受控端，用來根據該控制模組輸出之該控制訊號將該輸入端所接收之電源導通至該輸出端。
請求項8所述之保護電路方法，其中一馬達耦接於該上橋開關之輸出端及該下橋開關之該輸出端間。
請求項9所述之保護電路方法，其中該馬達處於一啟動狀態、一栓鎖狀態或一重啟狀態時，調變流經該馬達之該電流大小。
一種馬達控制電路，用於判斷處於一啟動狀態、一栓鎖狀態或一重啟狀態之該馬達控制電路是否符合一操作條件，包含有：一偵測電路，耦接於一馬達，用以偵測該馬達控制電路輸出之一電流，以及於該馬達控制電路符合該操作條件，調變該馬達控制電路輸出之該電流大小；一全橋電路，耦接於偵測電路之一輸出端；以及一脈寬調變訊號源，耦接於該偵測電路之一輸入端。
請求項11所述之馬達控制電路，其中該操作條件係該馬達控制電路輸出之該電流超過一預設臨限值。
請求項12所述之馬達控制電路，其中調變該馬達控制電路輸出之該電流大小，係使該電流不超過該預設臨限值。
請求項11所述之馬達控制電路，其中該操作條件係該馬達控制電路啟動後之一預設時間內。
請求項11所述之馬達控制電路，其中該偵測電路更包含：一參考電流產生模組，用來產生一預設臨限值；一比較模組，用來比較該電流及該預設臨限值之大小，以產生一比較結果；以及一控制模組，用來根據該比較結果，以產生一控制訊號至該全橋電路。
請求項15所述之馬達控制電路，其中該比較結果係該控制模組接收該脈寬調變訊號源之部分能量。
請求項15所述之馬達控制電路，其中該全橋電路包含一上橋開關及一下橋開關根據該控制訊號啟閉，以調變該馬達控制電路輸出之該電流大小。
請求項17所述之馬達控制電路，其中該上橋開關包含一輸入端，耦接於一電源供應器，一輸出端，以及一受控端，用來根據該控制模組輸出之該控制訊號將該輸入端所接收之電源導通至該輸出端；以及該下橋開關，包含一輸入端，耦接於該上橋開關之該輸出端，一輸出端，耦接於地，以及一受控端，用來根據該控制模組輸出之該控制訊號將該輸入端所接收之電源導通至該輸出端。
請求項18所述之馬達控制電路，其中該馬達耦接於該上橋開關之輸出端及該下橋開關之該輸入端間。
請求項19所述之馬達控制電路，其中該馬達處於一啟動狀態、一栓鎖狀態或一重啟狀態時，調變流經該馬達之該電流大小。