TWI399030B

TWI399030B - 馬達控制裝置

Info

Publication number: TWI399030B
Application number: TW098127783A
Authority: TW
Inventors: Chung Hung Tang; Magellan Chiu; Chun Lung Chiu
Original assignee: Delta Electronics Inc
Priority date: 2009-08-19
Filing date: 2009-08-19
Publication date: 2013-06-11
Also published as: US20110043147A1; TW201108594A; US8471508B2

Description

馬達控制裝置

　本發明係關於一種使馬達的切換相位信號與電流相位信號之相位相同，藉以提高馬達運轉效率的馬達控制裝置。

　習知馬達係藉由一定子與一轉子相對設置，利用其磁力的吸引以及磁場的變化，使得轉子相對於定子轉動。其中，磁場的變化即是代表馬達磁極的換相（commutation）動作。如圖1所示，目前較常用的是利用電子式換相器來作馬達2換相的動作。電子式換相器主要是利用霍爾感測器13（Hall sensor）來感應馬達2的磁極位置（或磁場變化）以判斷轉子的位置，驅動IC11並依據霍爾感測器13感測的切換相位信號Sp以輸出一驅動信號Sd至驅動電路12以控制馬達2之定子的線圈電流相互切換，而達到換相的目的。

　再者，利用霍爾感測器13來感應磁場變化係與馬達2的轉速以及霍爾感測器13的設置位置有關，故霍爾感測器13必須調整在最佳位置才能作精確的感測。而傳統無刷直流馬達2為提升高轉速下之馬達2效率，皆會將霍爾感測器13的設置位置提前擺置以提前換相，進而達成提升馬達2在額定轉速下高效率之功效，如圖2A之電流波形Si。

　然而當馬達2轉速改變時，霍爾感測器13並無法自動調整至適當的位置，因此，若將馬達2轉速控制在較低轉速下，則馬達2效率偏離最佳化，電流波形Si也不平整；如圖2B及圖2C所示，或者當負載變動(風扇處於背壓下)或電壓源變動時，即有可能使霍爾感測器13（Hall sensor）感測的切換相位信號Sp之磁場相位為超前（leading）或落後（lagging），同樣造成馬達2效率偏離最佳效率點，且由電流波形Si可看出馬達2之電流係呈現超前(前翹)或滯後(後翹)，如此一來，驅動IC11恐會輸出不適當的驅動信號Sd至驅動電路12，使馬達2換相不順暢及產生噪音。且當馬達2係應用於風扇時，也將會造成風扇的散熱效率下降。

　有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種可以提高馬達運轉效率及降低馬達運轉噪音(震動)之馬達控制裝置。

　為達上述目的，本發明提供一種馬達控制裝置，包括一相位感測電路、一電流感測電路、一鎖相迴路、一控制器及一驅動電路。相位感測電路感測馬達運轉時之磁極的相位切換以產生一切換相位信號輸出至鎖相迴路；電流感測電路感測通過馬達的電流，以產生一電流相位信號輸出至鎖相迴路；鎖相迴路比較該切換相位信號及該電流相位信號之間的相位差異以產生一換相控制信號輸出至控制器，控制器依據換相控制信號以產生驅動信號輸出至驅動電路，該驅動電路依據驅動信號控制馬達之磁極的相位切換，以驅動馬達運轉。

　承上所述，本發明之馬達控制裝置利用鎖相迴路來追蹤所感測馬達的切換相位信號及電流相位信號之間的相位差異，並輸出調整後之換相控制信號以驅動馬達，使馬達無論在不同的轉速下運轉，或是在電源端或負載有變動之狀況下，將永續地且迅速地依據回授之感測信號所取出之誤差值給予換相控制信號作即時且適當之相位修正，直至電流相位信號的相位與馬達的切換相位信號的相位為一致即鎖定，藉此，使馬達有較佳的運轉效率及平整狀態之電流波形。

　以下將參照相關圖式，說明依據本發明較佳實施例之馬達控制裝置及其控制方法。

　請參照圖3，本發明較佳實施例之馬達控制裝置3係電性連接一馬達4，其包括一控制器31、一驅動電路32、一相位感測電路33、一電流感測電路34及一鎖相迴路(Phase Locked Loop, PLL)35，其中驅動電路32分別電性連接馬達4及控制器31，鎖相迴路35則分別電性連接相位感測電路33、電流感測電路34及控制器31，而馬達4係可為一無刷直流馬達。

　配合圖4所示，驅動電路32例如是一全橋(H橋)電路，其至少包括上橋的第一開關元件(SW1)、第二開關元件(SW2)及下橋的第三開關元件(SW3)、第四開關元件(SW4)，該些開關元件(SW1-SW4)係電連接於馬達4之線圈(L)與控制器31之間，而該些開關元件(SW1-SW4)可以是一金氧半場效電晶體（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET），例如：第一開關元件(SW1)及第二開關元件(SW2)可以為PMOS（代表此元件的通道為P-type），第三開關元件(SW3)及第四開關元件(SW4)可以為NMOS（代表此元件的通道為N-type）。其中全橋電路的元件電性連接關係為：上橋的第一開關元件(SW1)之汲極（D）及第二開關元件(SW2)之汲極（D）係分別電性連接於馬達4之線圈(L)的兩端，該第一開關元件(SW1)之源極(S)、第二開關元件(SW2)之源極(S)係分別電性連接於電源(Vcc)，該第一開關元件(SW1)之閘極(G)、第二開關元件(SW2)之閘極(G)係分別電性連接於控制器31；而下橋的第三開關元件(SW3)之汲極（D）、第四開關元件(SW4)之汲極（D）係分別電性連接於馬達4之線圈(L)的兩端及分別電性連接該上橋的第一開關元件(SW1)之汲極（D）與第二開關元件(SW2)之汲極（D），第三開關元件(SW3)之閘極(G)、第四開關元件(SW4)之閘極(G)係分別電性連接於控制器31，第三開關元件(SW3)之源極(S)、第四開關元件(SW4)之源極(S)係電性連接於接地端。

　控制器31例如是一馬達驅動IC，且控制器31分別電性連接驅動電路32的第一開關元件(SW1)之閘極(G)、第二開關元件(SW2)之閘極(G)、第三開關元件(SW3)之閘極(G)及第四開關元件(SW4)之閘極(G)，以分別輸出驅動信號Sd(S1-S4)至各該些開關元件(SW1-SW4)。

　相位感測電路33可以包括一霍爾感測元件(Hall-effect)，該霍爾感測元件設置於馬達4的矽鋼片之槽開口中間(磁極與磁極之間)，用以感測馬達4運轉時之磁極的相位切換以產生切換相位信號(Sp)傳送至鎖相迴路35的第一輸入端。

　再配合圖4及圖5A所示，該電流感測電路34用以感測通過馬達4之線圈(L)的電流大小以產生一電流相位信號(Sc)輸出至鎖相迴路35的第二輸入端。其中電流感測電路34可以包括第一電阻(R1)及第一比較器341，第一電阻(R1)的第一端(如圖4所示的b端)電性連接馬達4之線圈(L)，第一電阻(R1)的第二端(如圖4所示的a端)則電性連接第一開關元件(SW1)的汲極（D）及第三開關元件(SW3)的汲極（D）。第一比較器341的第一輸入端及第二輸入端分別電性連接第二電阻(R2)與第三電阻(R3)後再分別電性連接第一電阻(R1)的第一端及第二端，第一比較器341的輸出端則電性連接鎖相迴路35的第二輸入端。

　如圖5B所示，若為了降低第一比較器341輸出之信號的雜訊，即可在第一比較器341的輸出端再連接一第二比較器342第一輸入端，而第二比較器342的第二輸入端則電性連接第四電阻(R4)的第一端及第五電阻(R5)的第一端，該第四電阻(R4)的第二端接地，第五電阻(R5)的第二端則電性連接電源(Vcc)後接地，第二比較器342的輸出端係電性連接鎖相迴路35的第二輸入端。

　而於上述實施例中，第二電阻及第三電阻的電阻值可以是很低，例如是0.1Ω(歐姆)，而第五電阻及第六電阻的電阻值可以為相同。

　再者，電流感測電路34與驅動電路32之間的電路連接方式還可以如圖6的實施例所示，其雖然電路連接方式不同，但同樣能取得該電流相位信號(Sc或Sc’)；其中電流感測電路34包括第六電阻(R6)、第七電阻(R7)及第一比較器341，該第六電阻(R6)的第一端(圖6中的a端)及第七電阻(R7)的第一端(圖6中的b端)分別電性連接第三開關元件(SW3)的源極(S)及第四開關元件(SW4)的源極(S)，而第六電阻(R6)的第二端及第七電阻(R7)的第二端則接地；第一比較器341的第一輸入端及第二輸入端係分別電性連接第二電阻(R2)及第三電阻(R3)後再分別電性連接第六電阻(R6)的第一端及第七電阻(R7)的第一端，而第一比較器341的輸出端則同樣電性連接鎖相迴路35的第二輸入端。同樣地，若為了降低第一比較器341輸出之信號的雜訊，即可在第一比較器341的輸出端再連接一第二比較器342，其電性連接的方式如圖5B所示，故不再贅述。

　鎖相迴路35分別電性連接相位感測電路33、電流感測電路34及控制器31。該鎖相迴路35包括一相位比較器(Phase Comparator)351、一迴路濾波器(Loop Filter)352及一電壓控制振盪器(Voltage Control Oscillator)353，其中迴路濾波器352分別電性連接相位比較器351及電壓控制振盪器353，該相位比較器351的第一輸入端及第二輸入端電性連接相位感測電路33及電流感測電路34，以分別接收切換相位信號(Sp)及電流相位信號(Sc)，而電壓控制振盪器353的輸出端則電性連接控制器31。

　參閱圖3、圖4及圖5A所示，本發明馬達控制裝置3的動作原理如下：
　相位感測電路33感測馬達4運轉時之磁極的相位切換以產生切換相位信號(Sp)輸出至鎖相迴路35之相位比較器351的第一輸入端。

　配合圖7所示，電流感測電路34因開關元件SW1-SW4輪流導通(當SW1及SW4->ON,SW2及SW3->OFF；當SW2及SW3->ON,SW1及SW4->OFF)，使得自a端及b端輸入第一比較器的兩個輸入端的電壓信號Va及Vb經第一比較器341處理後(當Va>Vb時，輸出一Vcc電壓；當Va<Vb時，輸出一零電壓)輸出一電流相位信號(Sc)至鎖相迴路35之相位比較器351的第二輸入端；如圖5B所示，於其他實施例中亦可以將電流相位信號(Sc)再輸入一第二比較器342的第一輸入端，經與自第二輸入端輸入的1/2Vcc(電源(Vcc)經第四電阻(R4)及第五電阻(R5)分壓後)的電源比較後可以得到更穩定的電流相位信號(Sc’)輸出至相位比較器351。

　相位比較器351在接收切換相位信號(Sp)及電流相位信號(Sc或Sc’)後比較兩信號(Sp及Sc(或Sc’))的相位差異以輸出正脈衝或負脈衝至迴路濾波器552，例如：當切換相位信號(Sp)大於電流相位信號(Sc或Sc’)時輸出正脈衝，當切換相位信號(Sp)小於電流相位信號(Sc或Sc’)時輸出負脈衝；而迴路濾波器352並透過內部的積分器將脈衝予以平均化並轉換成一直流電壓(Vr)輸出至電壓控制振盪器353，該電壓控制振盪器353依據該直流電壓(Vr)以輸出一調整後之換相控制信號(So)至控制器31，其中該切換相位信號(Sp)、電流相位信號(Sc)及換相控制信號(So)皆為頻率信號。

　控制器31再依據換相控制信號(So)而分別產生驅動信號Sd(S1-S4)至驅動電路32的四個開關元件(SW1-SW4)，以控制四個開關元件(SW1-SW4)輪流導通及關閉，進而控制馬達4磁極的相位切換。

　請參照圖8A、圖8B及圖8C所示，圖8A為反應馬達在額定電壓及轉速下的各種信號的波形示意圖，包括相位感測信號(Sp)、電流相位信號(Sc)、調整後之換相控制信號(So)及馬達之電流波形(Si)，圖8B及圖8C則分別反應馬達在電壓升高及電壓降低(或轉速或負載變動)下經相位調整後之各種信號的波形示意圖。

　以下以圖2B、圖8A及圖8B為例說明，以比較在經過相位調整前、後之相位感測信號(Sp)、電流相位信號(Sc)、換相控制信號(So)及馬達之電流波形(Si)的差異；其中在圖8A中之相位感測信號(Sp)、電流相位信號(Sc)的相位為一致，因此其平整之電流波形(Si)顯示為馬達效能佳，配合圖2B(未經過相位調整)所示，當馬達電壓升高時，導致電流相位信號(Sc)之相位係落後相位感測信號(Sp)之相位，因此其不平整(後翹)之電流波形(Si)顯示出馬達效能不佳。再如圖8B所示，本發明藉由鎖相迴路依據電流相位信號(Sc)與相位感測信號(Sp)之相位差異而將換相控制信號(So)作超前修正(相對於圖8A之換相控制信號(So))，並產生調整後之換相控制信號(So)來驅動馬達，且經不斷地的調整修正後即可使感測到的切換相位信號(Sp)及電流相位信號(Sc)的相位為一致，故可以得到平整的電流波形(Si)，馬達也可以維持較(更)佳的效能。

　同樣地，圖2C(未經過相位調整)也顯示當馬達電壓降低時，電流相位信號(Sc)之相位係超前相位感測信號(Sp)之相位，因此其不平整(前翹)之電流波形(Si)也顯示出馬達效能不佳，故藉由鎖相迴路依據電流相位信號(Sc)與相位感測信號(Sp)之相位差異而可將換相控制信號(So)作落後修正(相對於圖8A之換相控制信號(So))，且經不斷地的調整修正換相控制信號(So)以驅動馬達，即可使感測到的切換相位信號(Sp)及電流相位信號(Sc)的相位為一致，故可以得到平整的電流波形(Si)，馬達同樣能維持較(更)佳的效能，如圖8C所示。

　綜上所述，本發明利用鎖相迴路來追蹤所感測馬達的切換相位信號(Sp)及電流相位信號(Sc)之間的相位差異，並輸出調整後之換相控制信號(So)以驅動馬達，使馬達無論在不同的轉速下運轉，或是在電源端或負載有變動之狀況下，將永續地且迅速地依據回授之感測信號(Sp及Sc)所取出之誤差值給予換相控制信號(So)作即時且適當之相位修正，如此即可以減小切換相位信號(Sp)的相位及電流相位信號(Sc)的相位之差異，直至輸入相位比較器的切換相位信號(Sp)的相位及電流相位信號(Sc)的相位無差異，則鎖相迴路即鎖定而停止對換相控制信號(So)作修正，此時由於馬達的切換相位信號(Sp)的相位及電流相位信號(Sc)的相位為一致，藉此，使馬達有較佳的運轉效率及平整狀態之電流波形。

　以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1‧‧‧馬達控制裝置
11‧‧‧驅動IC
12‧‧‧驅動電路
13‧‧‧霍爾感測器
2‧‧‧馬達
3‧‧‧馬達控制裝置
31‧‧‧控制器
32‧‧‧驅動電路
33‧‧‧相位感測電路
34‧‧‧電流感測電路
341‧‧‧第一比較器
342‧‧‧第二比較器
35‧‧‧鎖相迴路
351‧‧‧相位比較器
352‧‧‧迴路濾波器
353‧‧‧電壓控制振盪器
4‧‧‧馬達
SW1-SW4‧‧‧開關元件
L‧‧‧線圈
D‧‧‧汲極
S‧‧‧源極
G‧‧‧閘極
R1-R7‧‧‧電阻
Vcc‧‧‧電源
Sp‧‧‧切換相位信號
Sc、Sc’‧‧‧電流相位信號
So‧‧‧換相控制信號
Si‧‧‧電流波形
Sd‧‧‧驅動信號
Va、Vb‧‧‧電壓信號
Vr‧‧‧直流電壓

圖1為習知馬達控制裝置的電路方塊圖。
圖2A至圖2C為第1圖之馬達控制裝置反應馬達在額定電壓及轉速、電壓升高及電壓降低時的各種信號的波形示意圖。
圖3為本發明馬達控制裝置之電路方塊圖。
圖4為本發明馬達控制裝置第一實施例之電路示意圖。
圖5A為本發明電流感測電路(不包括第一電阻R1)第一實施例之部分電路圖。
圖5B為本發明電流感測電路(不包括第六電阻R6及第七電阻)第二實施例之部分電路圖。
圖6為本發明馬達控制裝置第二實施例之電路示意圖。
圖7為本發明電流感測電路產生電流相位信號之波形示意圖。
圖8A至圖8C為本發明藉由鎖相迴路調整後之反應馬達在額定電壓及轉速、電壓升高及電壓降低時的各種信號的波形示意圖。

3‧‧‧馬達控制裝置

31‧‧‧控制器

32‧‧‧驅動電路

33‧‧‧相位感測電路

34‧‧‧電流感測電路

35‧‧‧鎖相迴路

351‧‧‧相位比較器

352‧‧‧迴路濾波器

353‧‧‧電壓控制振盪器

4‧‧‧馬達

Sp‧‧‧切換相位信號

Sc‧‧‧電流相位信號

So‧‧‧換相控制信號

Sd‧‧‧驅動信號

Vr‧‧‧直流電壓

Claims

一種馬達控制裝置，係電性連接一馬達，其包括：
一相位感測電路，用以感測該馬達運轉時之磁極的相位切換以產生一切換相位信號；
一電流感測電路，用以感測通過該馬達之一線圈的電流，以產生一電流相位信號；
一鎖相迴路，電性連接該相位感測電路、該電流感測電路，以分別接收該切換相位信號及該電流相位信號，該鎖相迴路比較該切換相位信號及該電流相位信號之間的相位差異以輸出一換相控制信號；
一控制器，電性連接該鎖相迴路，以接收該換相控制信號，並依據該換相控制信號以產生一驅動信號；以及
一驅動電路，分別電性連接該控制器及該馬達，該驅動電路接收該驅動信號，並依據該驅動信號控制該馬達之該磁極的相位切換，以驅動該馬達運轉。
如申請專利範圍第1項所述之馬達控制裝置，其中該相位感測電路為一霍爾感測元件。
如申請專利範圍第1項所述之馬達控制裝置，其中該鎖相迴路包括：
一相位比較器，分別電性連接該相位感測電路及該電流感測電路，以分別接收該切換相位信號及該電流相位信號，該相位比較器比較該切換相位信號及該電流相位信號的相位差異以輸出正脈衝信號或負脈衝信號；
一迴路濾波器，電性連接該相位比較器以接收該正脈衝信號或該負脈衝信號，該迴路濾波器將該正脈衝信號或該負脈衝信號予以平均化並轉換成一直流電壓輸出；以及
一電壓控制振盪器，電性連接該迴路濾波器以接收該直流電壓，該電壓控制振盪器依據該直流電壓以輸出一換相控制信號至該控制器。
如申請專利範圍第3項所述之馬達控制裝置，其中該相位比較器比較該切換相位信號及該電流相位信號，當該切換相位信號大於該電流相位信號時輸出該正脈衝信號，該切換相位信號小於該電流相位信號時輸出該負脈衝信號。
如申請專利範圍第3項所述之馬達控制裝置，其中該迴路濾波器具有一積分器，並藉由該積分器將正脈衝信號或負脈衝信號予以平均化，並轉換成該直流電壓。
如申請專利範圍第1項所述之馬達控制裝置，其中該切換相位信號、該電流相位信號及該換相控制信號為頻率信號。
如申請專利範圍第1項所述之馬達控制裝置，其中該控制器是馬達驅動IC。
如申請專利範圍第1項所述之馬達控制裝置，其中該驅動電路為一全橋電路，包括一第一開關元件、一第二開關元件、一第三開關元件及一第四開關元件，該些開關元件係電連接於該馬達之該線圈與該控制器之間。
如申請專利範圍第8項所述之馬達控制裝置，其中該些開關元件可以是一金氧半場效電晶體。
如申請專利範圍第8項所述之馬達控制裝置，其中該第一開關元件、該第二開關元件、該第三開關元件之汲極及該第四開關元件之汲極分別電性連接於該馬達之該線圈的兩端，該第一開關元件之源極及該第二開關元件之源極分別電性連接於一電源，該第三開關元件之源極及該第四開關元件之源極係電性連接於接地端，該第一開關元件之閘極、該第二開關元件之閘極、該第三開關元件之閘極及該第四開關元件之閘極係分別電性連接於該控制器。
如申請專利範圍第10項所述之馬達控制裝置，其中該控制器分別輸出該驅動信號至該些開關元件，並依據該驅動信號以輪流開啟或關閉該些開關元件，使該馬達之該磁極相位切換，以驅動該馬達運轉。
如申請專利範圍第10項所述之馬達控制裝置，其中該電流感測電路包括一第一電阻及一第一比較器，該第一電阻的第一端電性連接該馬達之該線圈，該第一電阻的第二端則電性連接該驅動電路之該第一開關元件的該汲極及該第三開關元件的該汲極，該第一比較器的第一輸入端及第二輸入端分別電性連接一第二電阻及一第三電阻後再分別電性連接該第一電阻的該第一端及該第二端，該第一比較器的輸出端則電性連接該鎖相迴路。
如申請專利範圍第10項所述之馬達控制裝置，其中該電流感測電路包括一第一電阻、一第一比較器及一第二比較器，該第一電阻的第一端電性連接該馬達之該線圈，該第一電阻的第二端則電性連接該驅動電路之該第一開關元件的該汲極及該第三開關元件的該汲極，該第一比較器的第一輸入端及第二輸入端分別電性連接一第二電阻及一第三電阻後再分別電性連接該第一電阻的該第一端及該第二端，該第一比較器的輸出端則電性連接該第二比較器的第一輸入端，該第二比較器的第二輸入端則電性連接一第四電阻的第一端及一第五電阻的第一端，該第四電阻的第二端接地，該第五電阻的第二端電性連接該電源後接地，該第二比較器的輸出端則電性連接該鎖相迴路。
如申請專利範圍第10項所述之馬達控制裝置，其中該電流感測電路包括一第六電阻、一第七電阻及一第一比較器，該第六電阻的第一端及該第七電阻的第一端分別電性連接該第三開關元件的該源極及該第四開關元件的該源極，該第六電阻第二端及該第七電阻第二端接地；該第一比較器的第一輸入端及第二輸入端分別電性連接一第二電阻及一第三電阻後再分別電性連接該第六電阻的該第一端及該第七電阻的該第一端，該第一比較器的輸出端則電性連接該鎖相迴路。
如申請專利範圍第10項所述之馬達控制裝置，其中該電流感測電路包括一第六電阻、一第七電阻、一第一比較器及一第二比較器，該第六電阻的第一端及該第七電阻的第一端分別電性連接該第三開關元件的該源極及該第四開關元件的該源極，該第六電阻第二端及該第七電阻第二端接地；該第一比較器的第一輸入端及第二輸入端分別電性連接一第二電阻及一第三電阻後再分別電性連接該第六電阻的該第一端及該第七電阻的該第一端，該第一比較器的輸出端則電性連接該第二比較器的第一輸入端，該第二比較器的第二輸入端則電性連接一第四電阻的第一端及一第五電阻的第一端，該第四電阻的第二端接地，該第五電阻的第二端電性連接該電源後接地，該第二比較器的輸出端則電性連接該鎖相迴路。
如申請專利範圍第1項所述之控制裝置，其中該馬達係為一無刷直流馬達。