CN100341237C - 控制无刷直流马达的电路 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种控制无刷直流马达的电路与方法，该控制无刷直流马达的电路包括：多个线圈(相)，其中每一线圈具有连接至一共同点的第一端，以及经由开关，直接连接至供给电压的第二端，且第二端连接至一供给电压的正端，或连接至一供给电压的负端，或与该电源分离；一个阻挡电路，该阻挡电路连接至第二端，用来产生一阻挡电压；一个比较器，用来在一输入上，接收阻挡电压，以及在另一输入上，接收一参考电压，且该比较器结果是用来标示在相关线圈中的一反电动势电压的极性；以及一个锁存器，用来提供该电路的控制讯号，其中该锁存器的一输入，是由一使能讯号所使能，且该锁存器的一输出，是一反电动势电压侦测讯号。其中，该阻挡电路及该比较器，每一该些相都会有。

Description

控制无刷直流马达的电路

技术领域

本发明涉及一种控制无刷直流马达(brushless DC，BLDC)的电路与方法，特别是涉及一种不用霍尔传感器(Hall sensor)，而能控制一个无传感器的直流马达的控制无刷直流马达的电路与方法。

背景技术

针对多媒体社会的急速进步，多半受惠于半导体组件或人机显示装置。

图1是一个无刷直流马达的示意图。像这样的马达通常会包括三相A、B、及C。该三相A、B、及C会以如图1所示的方式，以一种星形架构(starconfiguration)连接在一共通节点(common node)N上，或是以一种三角架构连接。对每相而言，开关对XSA，XGA；XSB，XGB；XSC，XGC，会连接至该相A，B，C的自由端(free ends)，以分别提供一个电源Vs及一个接地线GND。一般而言，开关XSA，XGA，XSB，XGB，XSC，XGC都是功率晶体管(powertransistors)。反向偏置二极管(reserved biased diodes)DSA，DGA；DSB，DGB；DSC，DGC，会与对应开关XSA，XGA，XSB，XGB，XSC，XGC并联。

藉由侦测转子(rotor)位置，并且根据所侦测位置，对定子(stator)施加一电流，可控制无刷直流马达。目前广泛使用三个霍尔传感器(Hallsensors)当成无刷直流马达的位置传感器。然而，霍尔传感器本身会增加马达系统的尺寸及其制造成本。目前已提出多种可从绕组所产生的反电动势(back electromotive force，BEMF)中，侦测转子位置的无传感器的无刷直流马达(BLDCM)驱动器(drivers)。

图2是反电动势与定子线圈(stator windings)的电枢电流(armaturecurrents)之间的关系。马达是藉由六个步骤s1，s2，s3，s4，s5，s6所控制。在每个步骤中，只有两相通以电流，而第三相则悬空(floating)。可从悬空相的端点电压监视反电动势，而换向动作(commutation events)会发生在从反电动势波形的对应零交叉点(zero-crossing pints，ZCP)算起，延迟30度之处。

美国专利第4,654,566号说明一种根据感测虚拟中性电位(virtualneutral potential)与悬空端点(floating terminal)上的电压之间的电位差的一种马达控制系统。对于由一主电源驱动的马达而言，供给电压Vs可能为对应于接地点GND的300V。所监视的反电动势必须衰减到感测电路所能接受的一个可容许范围之内。因此，该方法通常会具有窄速度范围，以及低信噪比(signal to noise ratio)的缺点。

为达到较宽的速度范围，特别是在较低速度时，美国专利第5,859,520号描述一种如图3所示的直接反电动势检测电路E。藉由使用钳位电路(clamping circuitry)C，由于没有将反电动势衰减，即使是在低速动作时，仍具有高分辨率。然而，用来限制注入电流(injected current)的电阻器R，却具有如100kΩ的高电阻值。反电动势过零点检测会出现不准确，当PWM的占空比比较大时，这是因为电流限制电阻器，以及在微控制器(microcontroller)之内的寄生电容(parasitic capacitance)产生的大时间常数所造成。

由此可见，上述现有的控制无刷直流马达的电路与方法在结构、方法与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决控制无刷直流马达的电路与方法存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品又没有适切的结构能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。

有鉴于上述现有的控制无刷直流马达的电路与方法存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新的控制无刷直流马达的电路与方法，能够改进一般现有的控制无刷直流马达的电路与方法，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有的控制无刷直流马达的电路与方法存在的缺陷，而提供一种新的控制无刷直流马达的电路与方法，所要解决的技术问题是使其不用位置传感器，而控制无电刷直流马达，藉此可降低马达系统尺寸及其制造成本，而且可提供一个较宽的速度范围，以及一个良好的信噪比，从而更加适于实用。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上技术方案可知，为了达到前述发明目的，本发明的主要技术内容如下：

本发明提供一种用来控制一个无电刷永磁马达的电路。该电路包括多个线圈(windings)，其中每一线圈都具有一个连接至一共同点的第一端(first end)，以及具有一个可藉由开关直接连接至供应电压的第二端(second end)，且第二端是连接至一供应电压的正端(upper supplyvoltage)，或是连接至一供应电压的负端(lower supply voltage)，或是与供应电压分离；一个连接至第二端的阻挡电路(blocking circuitry)，用来产生一个阻挡电压(blocking voltage)；一个比较器，用来接收在一输入上的阻挡电压，以及在另一输入上的一参考电压，且该比较器的比较结果标示在相关线图中的一个反电动势电压(back emf voltage)的极性(polarity)；以及一个锁存器(latch)，用来提供电路的控制讯号，其中该锁存器的一输入是由一个使能讯号(enable signal)所使能，且该锁存器的一输出包括一个反电动势电压侦测讯号。此外，阻挡电路与比较器在每相中都有。

此外，本发明更加包括一个用来控制无电刷永磁马达的电路。该电路包括多个线圈，其中每一线圈都具有一个连接至一共同点的第一端，以及具有一个可藉由开关直接连接至供应电压的第二端，且第二端是连接至一供应电压的正端，或是连接至一供应电压的负端，或是与供应电压分离；一个周期性地连接至第二端的单一阻挡电路，用来产生一个阻挡电压；一个比较器，用来接收在一输入上的阻挡电压，以及在另一输入上的一参考电压，且该比较器的比较结果标示在相关线圈中的一个反电动势电压的极性；以及一个锁存器，用来提供电路的控制讯号，其中该锁存器的一输入是由一个使能讯号所使能，且该锁存器的一输出包括一个反电动势电压侦测讯号。

本发明更加提供一种用来驱动无刷直流马达的电路。该电路包括以一种星形架构组合的多个线圈，其中每一线圈都具有一个连接至一共同点的第一端，以及具有一个可藉由开关直接连接至供应电压的第二端，且第二端是连接至一供应电压的正端，或是连接至供应电压的负端，或是与供应电压分离；多个阻挡电路，且每一阻挡电路都耦合至每一线圈的一自由端，用来将在自由端上的一电压，阻挡成一个代表线圈的阻挡电压；多个比较器，且每一比较器都会在一输入上，接收由每一阻挡电路所产生的阻挡电压，以及在另一输入上，接收一参考电压，且该比较器的比较结果标示在相关线圈中的一个反电动势电压的极性；以及多个锁存器，用来提供电路的控制讯号，其中该锁存器的一输入是由一个使能讯号所使能，且该锁存器的一输出包括一个反电动势电压侦测讯号。

在上述电路中，阻挡电路可更加包括一个二极管(diode)，且该二极管的阴极(catbode)连接至该第二端；以及一个电阻器，且该电阻器的一端连接至阻挡电压，另一端连接至一个直流电源。

本发明更加包括一种用来控制无电刷直流马达的方法。该无刷直流马达包括一个可用来产生反电动势的转子。该方法包括下列步骤：决定是否侦测到反电动势的一个零交叉点；如果已侦测到零交叉点，则决定无刷直流马达的转子转速，是否低于一较低转速；如果转子转速低于较低转速，则降低一控制讯号频率；再次决定是否侦测到零交叉点；以及如果再次侦测到零交叉点，则重置控制讯号频率。

在上述方法中，当转子转速大于较低转速时，会再次决定是否侦测到零交叉点。当并未侦测到零交叉点时，该方法就会结束。该控制讯号是一个脉冲宽度调变(pulse width modulation，PWM)讯号。在重置频率的步骤中，会将频率重置为一个正常运行频率。

经由上述可知，本发明是关于一种控制无刷直流马达的电路与方法，该控制无刷直流马达的电路包括：多个线圈(相)，其中每一线圈具有连接至一共同点的第一端，以及经由开关，直接连接至供给电压的第二端，且第二端连接至一供给电压的正端，或连接至一供给电压的负端，或与该电源分离；一个阻挡电路，该阻挡电路连接至第二端，用来产生一阻挡电压；一个比较器，用来在一输入上，接收阻挡电压，以及在另一输入上，接收一参考电压，且该比较器结果是用来标示在相关线圈中的一反电动势电压的极性；以及一个锁存器，用来提供该电路的控制讯号，其中该锁存器的一输入，是由一使能讯号所使能，且该锁存器的一输出，是一反电动势电压侦测讯号。其中，该阻挡电路及该比较器，每一该些相都会有。

综上所述，本发明特殊结构的控制无刷直流马达的电路与方法，不用位置传感器，而控制无电刷直流马达，藉此可降低马达系统尺寸及其制造成本，而且可提供一个较宽的速度范围，以及一个良好的信噪比。其具有上述诸多的优点及实用价值，并在同类产品及方法中未见有类似的结构设计及方法公开发表或使用而确属创新，其不论在产品结构、方法或功能上皆有较大的改进，在技术上有较大的进步，并产生了好用及实用的效果，且较现有的控制无刷直流马达的电路与方法具有增进的多项功效，从而更加适于实用，而具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是现有技术的一个无电刷直流马达的示意图。

图2是反电动势与定子线圈(stator windings)的电枢电流(armaturecurrents)之间的关系。

图3是现有技术的在美国专利第5,859,520号中所说明的直接反电动势侦测电路。

图4及图5是本发明用来在特定周期期间，控制马达的一个电路的示意图。

图6是出现在图4及图5的电路中的电压。

图7是一个简易流程图，用来说明一种本发明的方法。

100～140：流程步骤

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的控制无刷直流马达的电路与方法其具体实施方式、结构、方法、步骤、特征及其功效，详细说明如后。

下文特举一较佳实施例，并配合所附图式，以详细说明本发明。

图4及图5是本发明一实施例，用来测量马达线圈中的反电动势的电路。其中，具有与图3所示相同或相同功能的组件，是以相同号码标示。

请参阅图4及图1所示，该些电路允许测量在线圈B中的反电动势。线圈A，B，C是以星形架构，连接至一个共同点N。相对于接地电压GND的线圈A，B，C的端点电压，分别以Vag，Vbg，Vcg代表。相对于接地电压GND的共同点N的电压，是以Vng代表。对每相而言，开关对XSA，XGA，XSB，XGB，XSC，XGC，会连接至相A，B，C的自由端，以分别提供供应电源Vs及地GND。反相偏置二极管DSA，DGA；DSB，DGB；DSC，DGC，与对应开关XSA，XGA，XSB，XGB，XSC，XGC并联。

上述特性亦绘示在图2中，且代表在图2的步骤s3中的一特定架构。在整个步骤s3期间，开关XGC会保持开启(ON)，而且会根据一个脉冲讯号，控制开关XSA开启及关闭。此外，开关XSA，XGA，XSB，XGB，XSC，XGC，以及二极管DSA，DGA；DSB，DGB；DSC，DGC的正向电压(forward voltage)将予忽略不计。

请参阅图4及图5所示，位置侦测电路E是连接至每一相A，B，C，但为简化起见，图中只绘示一个位置侦测电路E，位置侦测电路E尚包括阻挡电路F，阻挡电路F包括二级管d4与电阻R。位置侦测电路E中的一个电压比较器P，具有经由一个二极管d4，连接至相B的自由端的一个非反相输入端，并且经由一个电阻器R，连接至一个+5V辅助电源供应。比较器同时具有一个连接至一个节点M的反相输入端，且该节点M是位于在+5V辅助电源供应与接地点GND之间串联的一个电阻器R’与一个正向偏置二极管(forward biased diode)D5之间。比较器P的输出CompOut是连接至一个锁存器D的输入。锁存器D是由一个使能讯号ValidComp控制。锁存器D的输出为ZB，也就是一个BEMF ZCP侦测讯号，BemfDet，且该侦测讯号是提供至一个中央处理单元CPU(未绘示)。上述组件组成电路E，并且对每一线圈重复一次，总共重复三次。另一种可行方式为提供一种单一电路E，且该单一电路E是由开关控制，连接至每一线圈A，B，C。此外，锁存器D亦可由软件取代。

图4是忽略换向(commutation)区间时，在步骤s3之内的PWM的“on”期间的马达控制电路。在图4中，PWM“on”期间又称为t2。举例而言，开关XSA是由一个PWM讯号所控制。在图4所示的瞬间中，供应电压正端Vs(300V)连接至线圈A的自由端。供应电压负端GND是经由开关XGC，连接至线圈C的自由端，而线圈B则是与供应电压的正端Vs，或是与供应电压负端GND分离。电流I1会流经线圈A及C，但不会有电流流过线圈B。

因为线圈A及C的分压效应(voltage divider effect)，所以节点N电压Vng大约为150V。因为线圈B是与供应电压的正端Vs，或是与供应电压的负端GND分离，所以线圈B的接点电压Vbg，会由150V的节点N电压Vng偏置。因此，二极管d4为阻断(blocked off)。

如图5所示，当因PWM控制动作造成开关XSA开路时，线圈A及C的电感(inductance)，会让电流I1依照图中所示的箭头方向流动。这个电流I1会使二极管DGA正向偏置，并且在线圈A及C的端点电压之间，保持一个零电压。这意味着节点N电压Vng大约为零。这个周期又称为在图6中的t1。

当马达转动时，转子会在线圈B中诱导出一个反电动势，而且反电动势会在这个期间出现在Vbg上。当反电动势为负值时，电压Vbg会由二极管DGB钳制在零。

为侦测反电动势，较明确地说，为侦测反电动势的零交叉点，需要再定义一个做为电压比较的参考电压。电压比较器P的反相输入点M，会由二极管D5的正向电压，保持在大约为0.7V。虽然相位B的自由端电压Vbg，会在300V和0V之间变动，比较器P的输入会由二极管d4及电阻器R，限制在只能在5V及+0.7V之间变动。藉由将包含反电动势的电压Vbg，与由二极管D5所固定的+0.7V相比较，比较器P的输出CompOut会提供一个用来标示在线圈B中的反电动势极性的讯号。因为藉由开启或关闭开关XSA，可将供应电压正端Vs连接至线圈A，所以该讯号会在高低之间连续切换。该输出CompOut是连接至锁存器D的输入，且该锁存器D是由一个使能讯号ValidComp控制使能，以在每当ValidComp为高值时，记录反电动势极性。如下所述，该高值会发生在接近PWM“off”周期结束之处。

图4及图5所示的电路，亦可用于以三角形方式连接的马达。但是，在此例中导出在线圈中的真实反电动势的过程将较为复杂。

图6是绘示参考接地点，并且忽略换向区间，用于悬空相B端点电压的一个典型的电压-时间讯号。为容易观察PWM控制起见，在图中的时间轴已被放大。图中绘示用来使能锁存器D的讯号ValidComp，以及锁存器D的输出BemfDet。该图的时间覆盖步骤s3的时间区间，及其下一步骤s4，请参阅图2所示。

在电压Vbg上可看出以bemf量代表的反电动势，且该反电动势的数值是在每一个PWM“on”t2期间，从电源Vs(300V)的中值中减去Vbg，或是在一个bemf+期间，当电源Vs分离时(参考图5)，Vbg加上接地电压GND所得。从图中可看出在从t2到t1的每一个PWM“off”状态(transition)期间，电压Vbg会完全回到接地位准。这是因为开关及马达中的固有寄生电容的放电效应所导致。因此，反电动势的值只能在接近PWM“off”周期t1之处，才可被有意义地测量。因为马达是由CPU控制，而且因CPU知道每一个PWM“off”周期为何时，所以可轻易地控制反电动势的取样瞬间。

在时间点tz，会发生反电动势零交叉。在时间点tz之后，反电动势会为正值。因此，时间点tz即为所需侦测的零交叉点(ZCP)。

在根据本发明所控制的系统中，必须提供如图6所示的一个最小PWM“off”周期TOFFMIN，以允许对反电动势取样。CPU会根据用来产生PWM讯号的定时器，同步产生讯号ValidComp。

当马达转速极低时，反电动势讯号会很小。寄生电容效应会变得更强，因此会造成反电动势取样周期小于TOFFMIN。

图7是一个简易流程图，用来说明一个根据本发明用来加大反电动势取样周期的方法。在步骤100中，首先侦测并决定是否到了要侦测零交叉点的时间，也就是决定是否已经经过所期望的换向区间。如果不是，则程序前进到结束步骤。如果到了侦测零交叉点的时间，则在步骤110中，侦测并决定转子转速是否低于较低转速。其中，转子转速是由反电动势零交叉点区间计算而得。对于一个90ZW(Ke＝0.084V/rpm)的无电刷直流马达而言，其较低转速可为80rpm(每分钟转数)。如果转子转速确实低于较低转速，则降低与使能讯号ValidComp同步的PWM的频率，藉以加大反电动势取样周期。接下来，程序前进到步骤130。另一方面，如果转子转速不低于较低转速，则程序直接前进到步骤130。在步骤130中，决定是否侦测到反电动势零交叉点。如果未侦测到反电动势零交叉点，则程序宣告结束。如果侦测到反电动势零交叉点，则将PWM频率重置为正常工作频率。该程序可由周期性地中断来实现。

在图6所示中，反电动势的过零时间点为tz，当下一个讯号ValidComp在时间点td到达时，侦测到正的反电动势，讯号BeamDet也发生跳变。因此反电动势零交叉点被下一周期的PWM侦测到。对一个5kHz的PWM而言，会造成一个只有200μs的最大误差。

周期T/x是从这个时间点开始计算，其中T为一个在两连续零交叉点之间的时间间隔，且x为一常数。用于计算T/x的时间间隔T，是最后两个连续的反电动势零交叉点之间的时间间隔，或是前两个连续的反电动势零交叉点之间的时间。在非对称马达的实例中，前两个的反电动势零交叉点是用于补偿之用。考虑在马达机械负载中的变动，所需的加速，以及所需的稳定性及效率，可实时调整常数x。当经过时间间隔T/x后，可执行换向，即已经开始步骤s4，将线圈B连接至电源Vs，以及将线圈A与电源Vs分离。在步骤s4期间，会在线圈A上测量反电动势。

反电动势的大小是取决于转子转速。因为电路E并未衰减反电动势，比较器在侦测零交叉时所见到的反电动势的大小，乃为实际的反电动势，所以不管反电动势大小为何，所侦测到的零交叉点是相当可靠的。该反电动势并未经过衰减及滤波，其中任一动作都会降低零交叉侦测的精确度。此外，二极管d4不只阻挡高电压，同时也会消除在美国专利第5,859,520号中由于大的限流电阻器所造成的大时间常数所引起的反电动势的错误侦测。

上述的300V的电源供应Vs，常用于在220-250Vrms的电源下工作的电源控制马达。本发明亦可应用于在不同供应电压，例如在12V到1200V的电源下工作的马达。虽然上述说明的马达具有三个线圈，但是本发明的方法与电路，可轻易调整以适用于具较多或较少线圈的马达。本发明亦可采用不同于在此所说明的架构，例如对线圈使用单极偏压，其中每一线圈具有藉由一反相偏压二极管(DGA，DGB，DGC)，连接至一电源，以及藉由一开关(XSA，XSB，XSC)，连接至另一供应电压的自由端。藉由周期性地将电源供应Vs或接地电压GND分离，可影响PWM控制。上述的实施例都在本发明范畴之内。

虽然上述说明是参考脉冲宽度调变(PWM)控制，本发明亦可应用于并非以此方式控制的马达，只要其仍可提供周期TOFFMIN，以允许所需的测量即可。

虽然上述说明的零交叉侦测会在每一步骤中执行，但仍可降低其侦测次数。举例而言，可遵照每一步骤顺序，以及接下来使用该顺序其它步骤的记忆信息(memorized information)，执行对应于步骤s1-s6的其中之一步骤的单一侦测。其中，该记忆信息会周期性地更新。。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1、一种控制无刷直流马达的电路，其特征在于其包括：

多个线圈，其中每一该些线圈具有连接至一共同点的一第一端，以及经由多个开关，直接连接至多个供应电压的一第二端，且该第二端是连接至一供应电压的正端，或连接至一供应电压的负端，或悬空；

一阻挡电路，该阻挡电路是连接至该些第二端，且该阻挡电路产生一阻挡电压，该阻挡电压是代表一相关线圈的一电压；

一比较器，用来在一输入上，接收该阻挡电压，以及在另一输入上，接收一参考电压，且该比较器结果是用来标示在该相关线圈中的一反电动势电压的极性；以及

一锁存器，用来提供该电路的多个控制讯号，其中该锁存器的一输入，是由一使能讯号所使能，且该锁存器的一输出，是包括一反电动势电压侦测讯号，

其中，该阻挡电路及该比较器对每一该些线圈都会重复，且该阻挡电路具有一二极管，用以产生该阻挡电压，该二极管的阴极耦接于该些第二端，该二极管的阳极耦接于该比较器的一输入端。

2、根据权利要求1所述的控制无刷直流马达的电路，其特征在于其中所述的该阻挡电路更加包括：

一电阻器，该电阻器的一端连接至该二极管的一阳极，而该电阻器的另一端连接至一直流电源。

3、一种控制无刷直流马达的电路，其特征在于其包括：

多个线圈，其中每一该些线圈具有连接至一共同点的一第一端，以及经由多个开关，直接连接至多个供应电压的一第二端，且该第二端是连接至一供应电压的正端，或连接至一供应电压的负端，或悬空；

一单一阻挡电路，该单一阻挡电路是周期性地连接至该些第二端，用来产生一阻挡电压；

一比较器，用来在一输入上，接收该阻挡电压，以及在另一输入上，接收一参考电压，且该比较器结果是用来标示在该相关线圈中的一反电动势电压的极性；以及

一锁存器，用来提供该电路的多个控制讯号，其中该锁存器的一输入，是由一使能讯号所使能，且该锁存器的一输出，是包括一反电动势电压侦测讯号；

其中，该阻挡电路具有一二极管，用以产生该阻挡电压，该二极管的阴极耦接于该些第二端，该二极管的阳极耦接于该比较器的一输入端。

4、根据权利要求3所述的控制无刷直流马达的电路，其特征在于其中所述的阻挡电路更加包括：

一电阻器，该电阻器的一端连接至该二极管的一阳极，而该电阻器的另一端连接至一直流电源。

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