TWI399031B

TWI399031B - 馬達控制裝置及其方法

Info

Publication number: TWI399031B
Application number: TW098127782A
Authority: TW
Inventors: Chien Sheng Lin; Zong Hong Tang; Wen Chuan Ma
Original assignee: Delta Electronics Inc
Priority date: 2009-08-19
Filing date: 2009-08-19
Publication date: 2013-06-11
Also published as: TW201108597A; US8723463B2; US20110043148A1

Description

馬達控制裝置及其方法

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同步，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。如圖2所示，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(馬達2的矽鋼片之槽開口間，且較靠近其中一矽鋼片)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3A之電流波形Si(效率較好之電流波形較為平整)。

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3B及圖3C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)之馬達控制裝置及其方法。

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、一控制器及一驅動電路。驅動電路接收第一驅動信號，並依據第一驅動信號控制該馬達之磁極的相位切換，以驅動該馬達運轉；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控制器；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控制器；控制器分別接收該切換相位信號及該電流相位信號，並且比較該切換相位信號及該電流相位信號以取得一相位差，並依據該相位差調整該第一驅動信號以產生一第二驅動信號，並輸出第二驅動信號至驅動電路，以驅動該馬達運轉。

承上所述，本發明之馬達控制方法利用控制器依據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以調整原先之第一驅動信號，並輸出調整後之第二驅動信號以驅動馬達，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馬達之驅動信號作即時且適當之相位修正，使馬達的切換相位信號的相位及電流相位信號的相位同步，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方法。

請參照圖4，本發明較佳實施例之馬達控制裝置4係電性連接一馬達5，其包括一控制器41、一驅動電路42、一相位感測電路43及一電流感測電路44，其中控制器41分別電性連接驅動電路42、相位感測電路43及電流感測電路44，驅動電路42電性連接馬達5，電流感測電路44分別電性連接馬達5及驅動電路42，而馬達4係可為一無刷直流馬達。

配合圖5所示，驅動電路42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5之線圈(L)與控制器41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)。而上述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5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41；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5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41，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。

相位感測電路43可以是霍爾感測元件(Hall-effect)或光耦合器等，本實施例中以霍爾感測元件為例做說明，其中霍爾感測元件設置於馬達5的矽鋼片之槽開口中間(磁極與磁極之間)，用以感測馬達5運轉時之磁極的相位切換以產生切換相位信號(Sp)傳送至控制器41的第一輸入端。

再配合圖5及圖6A所示，該電流感測電路44用以感測通過馬達5之線圈(L)的電流大小以產生一電流相位信號(Sc)輸出至控制器41的第二輸入端。其中電流感測電路44可以包括第一電阻(R1)、第二電阻(R2)、第三電阻(R3)及第一比較器441，第一電阻(R1)的第一端(如圖5所示的b端)電性連接馬達5之線圈(L)，第一電阻(R1)的第二端(如圖5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441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441的輸出端則電性連接控制器41的第二輸入端。

如圖6B所示，若為了降低第一比較器441輸出之電流相位信號(Sc)的雜訊以取得較佳之電流相位信號(Sc')，即可在第一比較器441的輸出端再連接一第二比較器442的第一輸入端，而第二比較器442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，而第四電阻(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442的輸出端係電性連接控制器41的第二輸入端。於上述實施例中，第二電阻(R2)及第三電阻(R3)的電阻值可以是很低，例如是0.1Ω(歐姆)，而第五電阻(R6)及第六電阻(R7)的電阻值可以為相同。

再者，電流感測電路44與驅動電路42之間的電路連接方式還可以如圖7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44包括第二電阻(R2)、第三電阻(R3)、第六電阻(R6)、第七電阻(R7)及第一比較器441，該第六電阻(R6)的第一端(圖7中的a端)及第七電阻(R7)的第一端(圖7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441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441的輸出端則同樣電性連接控制器41的第二輸入端。同樣地，若為了降低第一比較器441輸出之信號的雜訊，即可在第一比較器441的輸出端再連接一第二比較器442，其電性連接的方式如圖6B所示，不再贅述。

控制器41可以為一微處理器(CPU)、一微控制器(MCU)、一可程式邏輯閘陣列(FPGA或CPLD)等具有可程式化的積體電路(IC)元件、或應用特定積體電路元件(ASIC)，而控制器41內建一相位調整模組411，該相位調整模組可以為一程式、邏輯閘、循序電路或上述二者以上之組合。上述之控制器41分別電性連接驅動電路42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)，以分別輸出第一驅動信號Sd(S1-S4)至各該些開關元件(SW1-SW4)。

參閱圖4、圖5及圖6A所示，本發明馬達控制裝置4的控制方法如下：相位感測電路43感測馬達5運轉時之磁極的相位切換以產生切換相位信號(Sp)輸入至控制器41的相位調整模組411。

配合圖8所示，電流感測電路44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441的兩個輸入端的電壓信號Va及Vb經第一比較器441處理後(當Va>Vb時，輸出一Vcc電壓；當Va<Vb時，輸出一零電壓)輸出電流相位信號(Sc)至控制器41的相位調整模組411；如圖6B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442的第一輸入端，經與自第二比較器442的第二輸入端輸入的1/2Vcc電源(電源(Vcc)經第四電阻(R4)及第五電阻(R5)分壓後)比較後可以得到更穩定的電流相位信號(Sc')輸出至相位調整模組411。

如圖9及圖10所示，控制器41內之相位調整模組411在分別自相位感測電路43及電流感測電路44接收切換相位信號(Sp)及電流相位信號(Sc或Sc')後會比較兩信號(Sp及Sc(或Sc'))，並取得兩信號之間的相位差(T)，並且依據該相位差(T)以調整原先之第一驅動信號(Sd)的相位時間，以產生一經調整後之第二驅動信號(Sd')，例如：參閱圖9所示，當電流相位信號(Sc或Sc')落後切換相位信號(Sp)一相位時間(T)時，從其不平整(後翹)之電流波形(Si)顯示出馬達效率不佳，因此，將第一驅動信號(Sd)的相位提前一相位時間(T)，以形成新的第二驅動信號(Sd')。

又或者如圖10所示，當電流相位信號(Sc或Sc')超前切換相位信號(Sp)一相位時間(T)時，從其不平整(前翹)之電流波形(Si)顯示出馬達5效率不佳，因此，將第一驅動信號Sd的相位延後一相位時間(T)，以產生新的第二驅動信號(Sd')。

再者，控制器41分別輸出四組經調整後之第二驅動信號(Sd')至驅動電路42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5磁極的相位切換，其中再次感測的切換相位信號(Sp)及電流相位信號(Sc或Sc')的相位會同步，即電流相位信號(Sc或Sc')的零交越點會對應到切換相位信號(Sp)的換相點，因此，從其平整之電流波形(Si)可以顯示出馬達5效率佳。

綜上所述，本發明藉由控制器41內之相位調整模組411依據電流相位信號(Sc)與相位感測信號(Sp)之相位差異而將第一驅動信號(Sd)作落後或超前之修正，並產生調整後之第二驅動信號(Sd')來驅動馬達，藉此，馬達5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)所取出之差值給予馬達5驅動信號作即時且適當之相位修正，而可以使感測之切換相位信號(Sp)的相位及電流相位信號(Sc)的相位為一致，並且可以使馬達5得到平整的電流波形(Si)，也可以維持較(更)佳的運轉效率。

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

4‧‧‧馬達控制裝置

41‧‧‧控制器

411‧‧‧相位調整模組

42‧‧‧驅動電路

43‧‧‧相位感測電路

44‧‧‧電流感測電路

441‧‧‧第一比較器

442‧‧‧第二比較器

5‧‧‧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

Sd‧‧‧第一驅動信號

Sd'‧‧‧第二驅動信號

Si‧‧‧電流波形

S1-S4‧‧‧驅動信號

Va、Vb‧‧‧電壓信號

圖1為習知馬達控制裝置的電路方塊圖。

圖2為習知霍爾感測器設置於馬達定子的設置位置示意圖。

圖3A至圖3C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4為本發明馬達控制裝置之電路方塊圖。

圖5為本發明馬達控制裝置第一實施例之電路示意圖。

圖6A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6B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7為本發明馬達控制裝置第二實施例之電路示意圖。

圖8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9為本發明馬達控制裝置進行相位超前修正後之各種信號的波形示意圖。

圖10為本發明馬達控制裝置進行相位落後修正後之各種信號的波形示意圖。