TWI556569B - Brushless DC Motor Speed ​​Control System - Google Patents

Description

無刷直流馬達轉速控制系統

本發明係有關一種馬達轉速控制技術，旨在提供一種可在低轉速運轉時產生高扭力輸出，以及在高轉速運轉時產生低扭力輸出的無刷直流馬達轉速控制系統。

按，馬達(又稱電動機)主要能將電能轉換為機械能，藉以驅動機械作旋轉、振動或直線運動，而廣被運用於自動控制與機電整合領域，在生活上更有許多的家電產品，都需要運用到馬達來進行相關的運作，相對的馬達的類型與工作運用也愈來愈多樣化。

雖然馬達的種類很多，依照驅動電流之不同，大致可以分為直流馬達和交流馬達，且對於基本結構來說，主要由定子(Stator)和轉子(Rotor)所構成；其中，交流馬達雖然結構簡單價格低廉，但早期因為變速控制較為困難，過去主要應用於定轉速或多段變速的應用場合。

由於交流馬達在實際運轉時，其轉速係與輸入的電流頻率成正比，原則上頻率越高轉速越快，隨著變頻器應用於交流馬達之變速控制在工業上已有相當的時日，加上近年來大型積體電路的快速發展，功率電子元件的進步，複雜的控制法則得以藉微處理器為基礎的軟體予以實現，使交流馬達的變速控制可藉由數位式變頻器驅動系統而達成，進而廣泛的應用於各種領域。

一般直流馬達之轉子係為電磁鐵(以漆包線繞成)，定子則為永久磁鐵，以永久磁鐵為周圍的磁場，線圈繞成的電磁鐵為中間轉子，主要透過適時改變電流方向方式，達到使轉子能依同一方向持續旋轉之目的；例如，有刷直流馬達係靠電流流經電刷再經電樞轉動，其垂直磁場的產生採用在轉子上增加多組的線匯繞組，經由電刷(brush)與換相(commuttor)的調整，使流入電樞的電流，能控制轉子磁場保持在磁場垂直的方向上。

至於，無刷直流馬達主要解決有刷直流馬達之電刷與換相器維護問題，其動作原理與有刷式直流馬達最大不同之處，在於無刷直流馬達係改以電子式的換相，達到使轉子與定子磁場保持在預定相位差之目的。

然而，既有習用的無刷直流馬達欲進行轉速調整時，雖可透過改變電電壓的方式達成，相形之下會感覺較為簡單容易，但若馬達加上負載時，將嚴重造成扭力不足的問題，必須選擇較大功率的電源方可讓馬達從靜止狀態啟動運轉，如此不但造成無刷直流馬達可供使用電源之限制，且在無刷直流馬達全時運轉過程中亦相對較耗費電能。

有鑑於此，本發明即在提供一種無刷直流馬達轉速控制系統，使所應用的無刷直流馬達可在低轉速運轉時產生高扭力輸出，以及在高轉速運轉時產生低扭力輸出，為其主要目的者。

為達上揭目的，本發明之無刷直流馬達轉速控制系統，係至少包括有：一無刷直流馬達，設有兩個定子、一個轉子，該兩個定子係沿一相同的軸心排列設置，各定子係具有一呈圓環狀的本體，於該本體上設有朝該本體中心延伸的定子齒，於各定子齒尾端形成一靴部，於各定子齒上繞設有預定閘數的線圈，且該兩個定子之靴部係相互交錯圍繞呈一圓孔 狀構型，該轉子係相對設於該兩個定子之圓孔狀構型內，該轉子係於一轉軸上圍繞設置有複數永久磁石，且全數永久磁石係以於該轉軸外圍形成南/北極交錯配置的方式排列設置；一逆變電路，電氣連接於該無刷直流馬達之兩個定子與直流電源之間；以及一閘極驅動電路及一微控制器，由該閘極驅動電路構成該微控制器與該逆變電路電氣連接，由該微控制器連接外部傳速控制訊號。

利用上述技術特徵，本發明之無刷直流馬達轉速控制系統，於使用時，係透過逆變電路構成兩個定子與直流電源電氣連接，且配合微控制器及閘極驅動電路之整合運作下，依照所接收之轉速控制訊號及霍爾感應元件所傳送的訊號，以交互驅動兩個定子之線圈電路，或是驅動任一定子之線圈電路的方式，讓所通電的定子與轉子形成相互作用電磁場，使轉子持續朝同一方向旋轉。俾可透過交互驅動兩個定子之線圈電路的方式在低轉速運轉時產生高扭力輸出，以及透過驅動任一定子之線圈電路的方式在高轉速運轉時產生低扭力輸出的轉速控制效果。

依據上述技術特徵，係於該無刷直流馬達轉速控制裝置，係於該無刷直流馬達之轉子周邊處設有之周邊處係可設置至少一霍爾感應元件，以供隨該轉子之永久磁石位置改變而產生相對應的電流訊號。

依據上述技術特徵，係於該逆變電路係採用串聯方式電氣連接。

依據上述技術特徵，係於該相鄰靴部的間隙其範圍係為2mm至5mm之間。

依據上述技術特徵，係於該些定子齒為彼相鄰線圈此間隔(180度/m)的電氣角，m為定子之數量。

依據上述技術特徵，係於該無刷直流馬達之轉子周邊處設有至少一個霍爾感應元件與該微控制器電氣連接，由該霍爾感應元件偵測該 轉子之轉速。

依據上述技術特徵，係於該無刷直流馬達之轉子周邊處設有至少兩個霍爾感應元件與該微控制器電氣連接，由其中一霍爾感應元件偵測該轉子之轉速，由另一霍爾感應元件偵測電流交換的時序。

依據上述技術特徵，係於該無刷直流馬達之轉子周邊處設有至少三個霍爾感應元件與該微控制器電氣連接，由其中一霍爾感應元件偵測該轉子之轉速，由另一霍爾感應元件偵測電流交換的時序，以及，由再一霍爾感應元件偵測判斷該轉子之轉向。

依據上述技術特徵，係於該微控制器連接外部傳速控制訊號及該至少一霍爾感應元件之電流訊號，且依照所接收之轉速控制訊號及霍爾感應元件所傳送的訊號，控制該閘極驅動電路以交互驅動兩個定子之線圈電路。

依據上述技術特徵，係於該微控制器連接外部傳速控制訊號及該至少一霍爾感應元件之電流訊號，且依照所接收之轉速控制訊號及霍爾感應元件所傳送的訊號，驅動任一定子之線圈電路的方式，讓所通電的定子與所對應的轉子形成相互作用電磁場。

所述各定子係分別設有八個定子齒，該轉子係設有八個永久磁石。

所述各定子係分別設有偶數個定子齒，該轉子係設有偶數個永久磁石。

所述各定子係分別設有偶數個定子齒，該轉子係設有相對應定子之偶數個永久磁石。

所述各定子係由複數相同構型的矽鋼片疊置構成。

所述各永久磁石之軸向長度係涵蓋該兩個定子之靴部設置範圍。

具體而言，本發明所揭露之無刷直流馬達轉速控制系統，可透過交互驅動兩個定子之線圈電路的方式在低轉速運轉時產生高扭力輸出，以及透過驅動任一定子之線圈電路的方式在高轉速運轉時產生低扭力輸出的轉速控制效果，不需要高功率之電源即可啟動馬達運轉，並且在馬達運轉至設定的轉速後即可切換成改以驅動任一定子之線圈電路的方式運轉，不但可以降低無刷直流馬達使用電源之限制，且在無刷直流馬達全時運轉過程中亦相對較節省電能。

Q1~Q8‧‧‧電晶體

11‧‧‧霍爾感應元件

12‧‧‧逆變電路

13‧‧‧閘極驅動電路

14‧‧‧微控制器

20‧‧‧無刷直流馬達

21‧‧‧定子

211‧‧‧本體

212‧‧‧定子齒

213‧‧‧靴部

214‧‧‧線圈

22‧‧‧轉子

221‧‧‧轉軸

222‧‧‧永久磁石

第1圖係為本發明之無刷直流馬達轉速控制系統組成架構示意圖。

第2圖係為本發明之無刷直流馬達外觀立體圖。

第3圖係為本發明之無刷直流馬達結構分解圖。

第4圖係為本發明之無刷直流馬達結構剖視圖。

第5圖係為本發明之無刷直流馬達以交互驅動兩個定子之線圈電路之方式運轉時，其定子與轉子之磁性相互作用關係示意圖。

第6圖係為本發明之無刷直流馬達以驅動任一定子之線圈電路之方式運轉時，其定子與轉子之磁性相互作用關係示意圖。

本發明主要提供一種可在低轉速運轉時產生高扭力輸出，以及在高轉速運轉時產生低扭力輸出的無刷直流馬達轉速控制系統，進而達到低轉速運轉時產生高扭力輸出，以及在高轉速運轉時產生低扭力輸出的轉 速控制效果，即可進行大範圍的轉動速度變化對應之無刷馬達控制系統，如第一圖本發明之無刷直流馬達轉速控制系統組成架構示意圖所示，本發明之無刷直流馬達轉速控制系統，係包括有：一無刷直流馬達20、至少一霍爾感應元件11、一逆變電路12、一閘極驅動電路13及一微控制器14。

請同時配合參照第一圖至第五圖所示；其中，該無刷直流馬達20，係設有兩個定子21、一個轉子22，該兩個定子21係沿一相同的軸心排列設置，各定子21係具有一呈圓環狀的本體211，於該本體211上設有朝該本體211中心延伸的定子齒212，於各定子齒212尾端形成一靴部213，於各定子齒212上繞設有預定閘數的線圈214，各定子21相鄰之靴部213的間隙其範圍係為2mm至5mm之間，所述之間隙小於2mm則繞線困難，大於5mm容易產生無用的磁力，且成本更高，且該兩個定子21之靴部213係相互交錯圍繞呈一圓孔狀構型；該轉子22係相對設於該兩個定子21之圓孔狀構型內，該轉子22係於一轉軸221上圍繞設置有複數永久磁石222，且全數永久磁石222係以於該轉軸外圍形成南/北極交錯配置的方式排列設置。

其中，該些定子齒212相鄰線圈214為彼此間隔(180度/m)的電氣角，m為定子21之數量，在此，機械角和電氣角的關係毫無疑義地由定子數量決定，又，該些定子齒相鄰線圈為彼此間隔(180度/m)的電氣角，m為定子之數量。

因此，電氣角的一個周期不與機械角的一個周期對應，以本發明之較佳實施例為例，二個定子21，該些定子21之定子齒212為八個，其電氣角的一個周期相當於該轉子22的旋轉角的1/4。此時，即使是電氣角為恆定角度中的感應電壓，也會變為在機械角不同的位置檢測出的感應電壓。若機械角不同，則也會存在基於定子21數量的機械式結構而在感應電壓中產生變化的情況。

該至少一霍爾感應元件11係相對設於該無刷直流馬達20之轉子22周邊處，供隨該轉子22之永久磁石222位置改變而產生相對應的電流訊號；在本實施例中，係於該無刷直流馬達20之轉子22周邊處設有三個與該微控制器14電氣連接的霍爾感應元件11，由其中一霍爾感應元件感測該轉子之轉速，由其中一霍爾感應元件感測電流交換的時序，以及一霍爾感應元件感測判斷該轉子之轉向。

該逆變電路12係電氣連接於該無刷直流馬達20之兩個定子21與直流電源之間，該逆變電路12係由至少四個功率元件所構成，該些功率元件係以電器連接並構成該逆變電路12，其中本創作較佳實施例為八個功率元件，其次，該逆變電路12係採用串聯方式電氣連接。至於，該閘極驅動電路13構成該微控制器14與該逆變電路12電氣連接，由該微控制器14連接外部傳速控制訊號及該至少一霍爾感應元件11之電流訊號，該功率元件亦可為電晶體；其中，如第一圖及第二圖之實施例所示，該逆變電路12包含有八個電晶體Q1~Q8，該電晶體Q1~Q4係連接其中一定子之線圈電路，而該電晶體Q5~Q8則連接另一定子之線圈電路，該閘極驅動電路13則分別連接該電晶體Q1~Q8，藉以控制該電晶體Q1~Q8開路或斷路。

而且，依照所接收之轉速控制訊號及霍爾感應元件11所回授至微控制器14之訊號，進而控制該閘極驅動電路13以將訊號傳遞至逆變電路12，該逆變電路12同時開啟複數個功率元件，於切換相對應之功率元件的切換電磁場形成南/北極交錯，以同時啟動交互驅動兩個定子21之線圈電路，亦即該閘極驅動電路13控制該電晶體Q1~Q8開路或斷路，而使兩個定子21之線圈電路交互通電。

亦或是，依照所接收之轉速控制訊號及霍爾感應元件11所回授至微控制器14之訊號，進而控制該閘極驅動電路13以將訊號傳遞至逆變電路12，該逆變電路12僅驅動少數之功率元件，於切換影響任一定子 之功率元件，進而驅動任一定子21之線圈電路的方式，讓所通電的定子21與所對應的轉子22形成相互作用電磁場，亦即該閘極驅動電路13控制該電晶體Q1~Q8開路或斷路，而使任一定子21之線圈電路單相通電。

原則上，本發明之無刷直流馬達轉速控制系統，於使用時，即透過逆變電路12構成兩個定子21與直流電源電氣連接，且配合在微控制器14及閘極驅動電路13之整合運作下，依照所接收之轉速控制訊號及霍爾感應元件11所傳送的訊號，以交互驅動兩個定子21之線圈電路(如第五圖所示)，或是驅動任一定子21之線圈電路(如第六圖所示)的方式，讓所通電的定子21與轉子22形成相互作用電磁場，使轉子22持續朝同一方向旋轉。當然，上述實施例中係利用霍爾感應元件作為感測器來檢測出馬達轉子之位置，亦利用其他感測器來檢測出馬達轉子之位置。

亦即，本發明所揭露之無刷直流馬達系統，不需要高功率之電源即可令所應用之無刷直流馬達自靜止狀態啟動運轉，並且在運轉至設定的轉速後可進一步切換成改以驅動任一定子之線圈電路的方式運轉，不但可以降低無刷直流馬達使用電源之限制，且在無刷直流馬達全時運轉過程中亦相對較節省電能。

再者，本發明所應用之無刷直流馬達20於實施時，所述各定子21係可以分別由複數相同構型的矽鋼片疊置構成；在本實施例中，各定子21係分別設有八個定子齒212，該轉子22係設有八個永久磁石222，且各永久磁石222之軸向長度係涵蓋該兩個定子21之靴部213設置範圍為佳，想當然耳，該各定子21係可分別設有偶數個定子齒，該轉子22係設有偶數個永久磁石222，如：八個定子齒212對應四個永久磁石222，亦或是，各定子21係可分別設有偶數個定子齒212，該轉子22係設有相對應定子21之偶數個永久磁石222。

值得一提的是，本發明所應用之無刷直流馬達，於具體實施時， 各定子之定子齒數量及轉子之永久磁石數量，係可依照實際的尺寸而有不同的數量配置設計，並且在適當的驅動電路配合運作下有效控制各定子之線圈換相時序，即可輕易的提高整體無刷直流馬達之運轉效率或是增加轉速之變化範圍。

傳統習用技術相較，本發明所揭露之無刷直流馬達轉速控制系統，可透過交互驅動兩個定子之線圈電路的方式在低轉速運轉時產生高扭力輸出，以及透過驅動任一定子之線圈電路的方式在高轉速運轉時產生低扭力輸出的轉速控制效果，不需要高功率之電源即可啟動馬達運轉，並且在馬達運轉至設定的轉速後即可切換成改以驅動任一定子之線圈電路的方式運轉，不但可以降低無刷直流馬達使用電源之限制，且在無刷直流馬達全時運轉過程中亦相對較節省電能，進而達到低轉速運轉時產生高扭力輸出，以及在高轉速運轉時產生低扭力輸出的轉速控制效果，即可進行大範圍的轉動速度變化對應之無刷馬達控制系統。

綜上所述，本發明提供一較佳可行之無刷直流馬達轉速控制系統，爰依法提呈發明專利之申請；本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本發明之揭示而作各種不背離本案發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。

Q1~Q8‧‧‧電晶體

11‧‧‧霍爾感應元件

12‧‧‧逆變電路

13‧‧‧閘極驅動電路

14‧‧‧微控制器

20‧‧‧無刷直流馬達

Claims (15)

1. 一種無刷直流馬達轉速控制系統，係至少包括：一無刷直流馬達，設有兩個定子、一個轉子，該兩個定子係沿一相同的軸心排列設置，各定子係具有一呈圓環狀的本體，於該本體上設有朝該本體中心延伸的定子齒，於各定子齒尾端形成一靴部，於各定子齒上繞設有預定閘數的線圈，該些定子齒為彼相鄰線圈此間隔(180度/m)的電氣角，m為定子之數量，且該兩個定子之靴部係相互交錯圍繞呈一圓孔狀構型，該轉子係相對設於該兩個定子之圓孔狀構型內，該轉子係於一轉軸上圍繞設置有複數永久磁石，且全數永久磁石係以於該轉軸外圍形成南/北極交錯配置的方式排列設置；一逆變電路，電氣連接於該無刷直流馬達之兩個定子與直流電源之間，其中，該逆變電路係採用串聯方式電氣連接，該逆變電路係包含有八個電晶體Q1~Q8，該電晶體Q1~Q4係連接其中一定子之線圈電路，而該電晶體Q5~Q8則連接另一定子之線圈電路；以及一閘極驅動電路及一微控制器，由該閘極驅動電路構成該微控制器與該逆變電路電氣連接，由該微控制器連接外部傳速控制訊號；該閘極驅動分別連接該電晶體Q1~Q8電路，藉以控制該電晶體Q1~Q8開路或斷路，而使兩個定子之線圈電路交互通電或使任一定子之線圈電路單相通電。
2. 如請求項1所述之無刷直流馬達轉速控制系統，其中，該無刷直流馬達轉速控制裝置，係於該無刷直流馬達之轉子周邊處設有之周邊處係可設置至少一霍爾感應元件，以供隨該轉子之永久磁石位置改變而產生相對應的電流訊號。
3. 如請求項1所述之無刷直流馬達轉速控制系統，其中，該相鄰靴部的間隙其範圍係為2mm至5mm之間。
4. 如請求項2所述之無刷直流馬達轉速控制系統，其中，該無刷直流馬達轉速控制系統，係於該無刷直流馬達之轉子周邊處設有至少一個霍爾感應元件與該微控制器電氣連接，由該霍爾感應元件偵測該轉子之轉速。
5. 如請求項2所述之無刷直流馬達轉速控制系統，其中，該無刷直流馬達轉速控制系統，係於該無刷直流馬達之轉子周邊處設有至少兩個霍爾感應元件與該微控制器電氣連接，由其中一霍爾感應元件偵測該轉子之轉速，由另一霍爾感應元件偵測電流交換的時序。
6. 如請求項2所述之無刷直流馬達轉速控制系統，其中，該無刷直流馬達轉速控制系統，係於該無刷直流馬達之轉子周邊處設有至少三個霍爾感應元件與該微控制器電氣連接，由其中一霍爾感應元件偵測該轉子之轉速，由另一霍爾感應元件偵測電流交換的時序，以及，由再一霍爾感應元件偵測判斷該轉子之轉向。
7. 如請求項2所述之無刷直流馬達轉速控制系統，其中，該微控制器連接外部傳速控制訊號及該至少一霍爾感應元件之電流訊號，且依照所接收之轉速控制訊號及霍爾感應元件所傳送的訊號，控制該閘極驅動電路以交互驅動兩個定子之線圈電路。
8. 如請求項2所述之無刷直流馬達轉速控制系統，其中，該微控制器連接外部傳速控制訊號及該至少一霍爾感應元件之電流訊號，且依照 所接收之轉速控制訊號及霍爾感應元件所傳送的訊號，驅動任一定子之線圈電路的方式，讓所通電的定子與所對應的轉子形成相互作用電磁場。
9. 如請求項1至8其中任一項所述之無刷直流馬達轉速控制系統，其中，各定子係分別設有八個定子齒，該轉子係設有八個永久磁石。
10. 如請求項1至8其中任一項所述之無刷直流馬達轉速控制系統，其中，各定子係分別設有偶數個定子齒，該轉子係設有偶數個永久磁石。
11. 如請求項1至8其中任一項所述之無刷直流馬達轉速控制系統，其中，各定子係分別設有偶數個定子齒，該轉子係設有相對應定子之偶數個永久磁石。
12. 如請求項1至8其中任一項所述之無刷直流馬達轉速控制系統，其中，各定子係分別由複數相同構型的矽鋼片疊置構成。
13. 如請求項1至8其中任一項所述之無刷直流馬達轉速控制系統，其中，各永久磁石之軸向長度係涵蓋該兩個定子之靴部設置範圍。
14. 如請求項1至8其中任一項所述之無刷直流馬達轉速控制系統，其中，該逆變電路包含有八個功率元件，該些功率元件之其中四個功率元件係連接其中一定子之線圈電路，而另外該些功率元件則連接另一定子之線圈電路，該閘極驅動電路則分別連接該些功率元件。
15. 如請求項1至8其中任一項所述之無刷直流馬達轉速控制系統，其中，該逆變電路包含有八個電晶體，該些電晶體之其中四個電晶體係連接其中一定子之線圈電路，而另外該些電晶體則連接另一定子之線圈電路，該閘極驅動電路則分別連接該些電晶體。