CN100433534C

CN100433534C - 不需使用遮蔽程序的无感测器马达控制电路

Info

Publication number: CN100433534C
Application number: CNB2005101138039A
Authority: CN
Inventors: 陈企扬; 庄丰荣
Original assignee: YUANCHUANG SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2005-10-12
Filing date: 2005-10-12
Publication date: 2008-11-12
Anticipated expiration: 2025-10-12
Also published as: CN1949653A

Abstract

马达控制电路包含侦测电路、比较电路、筛选电路、以及驱动电路。侦测电路耦合于马达的多个线圈，用于产生侦测信号。侦测信号关联于该多个线圈中的一个被选定为浮置状态的线圈的端点电压。基于该侦测信号与参考电压间的比较，比较电路产生比较信号。筛选电路依次接收到比较信号的第一次交越与第二次交越，并且响应于第二次交越而产生指示信号。驱动电路响应于指示信号而控制马达的换相操作。

Description

不需使用遮蔽程序的无感测器马达控制电路

技术领域

本发明涉及一种无感测器马达控制电路，尤其涉及一种不需使用任何遮蔽程序但仍可正确地侦测反电动势(back electrical motionforce，BEMF)的过零事件(zero-crossing)的无感测器马达控制电路。

背景技术

图1显示已知的三相马达11与切换电路12的电路图。马达11具有三个线圈A、B、与C，其中各个线圈的一个端点耦合在一起，如图1的中心点N所示，而各个线圈的另一端点Pa、Pb、与Pc则耦合于切换电路12。切换电路12具有三对相同的上侧与下侧开关SH1至SH3与SL1至SL3，用于分别决定三个线圈A、B、与C的端点Pa、Pb、与Pc是耦合到供应电压源V_m、或者耦合到地电位、又或者处于既不耦合到供应电压源V_m也不耦合到地电位的浮置状态。

具体来说，切换电路12依次操作在六种相位，从而构成一个操作循环，以便适当地导引驱动电流流经三个线圈A、B、与C而有效地驱动马达11的运转。在第一相位中，仅第一上侧开关SH1与第二下侧开关SL2导通，使得线圈A的端点Pa耦合到供应电压源V_m、线圈B的端点Pb耦合到地电位、而线圈C的端点Pc则处于浮置状态。结果，马达驱动电流从供应电压源V_m，依次经过线圈A与B而流到地电位。在第二相位中，仅第一上侧开关SH1与第三下侧开关SL3导通，使得线圈A的端点Pa耦合到供应电压源V_m、线圈B的端点Pb处于浮置状态、而线圈C的端点Pc则耦合到地电位。结果，马达驱动电流从供应电压源V_m，依次经过线圈A与C而流到地电位。在第三相位中，仅第二上侧开关SH2与第三下侧开关SL3导通，使得线圈A的端点Pa处于浮置状态、线圈B的端点Pb耦合到供应电压源V_m、而线圈C的端点Pc则耦合到地电位。结果，马达驱动电流从供应电压源V_m，依次经过线圈B与C而流到地电位。在第四相位中，仅第二上侧开关SH2与第一下侧开关SL1导通，使得线圈A的端点Pa耦合到地电位、线圈B的端点Pb耦合到供应电压源V_m、而线圈C的端点Pc则处于浮置状态。结果，马达驱动电流从供应电压源V_m，依次经过线圈B与A而流到地电位。在第五相位中，仅第三上侧开关SH3与第一下侧开关SL1导通，使得线圈A的端点Pa耦合到地电位、线圈B的端点Pb处于浮置状态、而线圈C的端点Pc则耦合到供应电压源V_m。结果，马达驱动电流从供应电压源V_m，依次经过线圈C与A而流到地电位。在第六相位中，仅第三上侧开关SH3与第二下侧开关SL2导通，使得线圈A的端点Pa处于浮置状态、线圈B的端点Pb耦合到地电位、而线圈C的端点Pc则耦合到供应电压源V_m。结果，马达驱动电流从供应电压源V_m，依次经过线圈C与B而流到地电位。

在无感测器马达控制技术中，处于浮置状态的线圈的端点电压是用来判断换相时机的重要依据，因为处于浮置状态的线圈的端点电压与耦合中心点N间的电位差代表马达的反电动势。图2显示线圈A、B、与C的端点Pa、Pb、与Pc处所呈现的电压的时序图。从图中可清楚看出，线圈在进入浮置状态的初期，其端点电压会发生剧烈的变化，这是由于线圈的电感特性所造成的。举例来说，在从第一相位转换到第二相位的情况中，由于原先流经线圈B的电流无法被瞬间移除，所以它转而导通第二上侧开关SH2的飞轮二极管而流入供应电压源V_m。因此，在第二相位的初期，线圈B的端点Pb电压从地电位瞬间跳高而比供应电压源V_m更高出了一个二极管正向导通压降。为了避免此种浮置初期的剧烈变化影响反电动势的侦测并造成错误判断反电动势的过零事件的不良后果，已知的无感测器马达控制电路通常使用遮蔽电路，用于事先防止浮置初期的剧烈变化输入到比较电路。

图3显示已知的无感测器马达控制电路30的电路框图。反电动势侦测电路33耦合于线圈A、B、与C的端点Pa、Pb、与Pc，以侦测浮置线圈的反电动势。遮蔽电路34设置于反电动势侦测电路33与比较电路35之间，用于防止浮置初期的剧烈变化传送到比较电路35而造成错误的侦测结果。基于比较电路35所测得的过零事件的发生，驱动信号合成电路36产生适当的驱动信号，用于控制切换电路32的上侧与下侧开关，以正确地进行马达31的换相操作。并且，驱动信号也提供到遮蔽电路34与比较电路35，以控制遮蔽程序的执行时机。

在已知技术中，遮蔽电路34通常预先设定好一个固定长度的遮蔽时期，并假设其已足够完全涵盖浮置初期的剧烈变化。然而，浮置初期的剧烈变化所占据的时间范围实际上并不是一个固定值，而是会随着马达的转速以及马达驱动电流的大小等各种因素而变化。虽然在有些已知技术中，遮蔽电路34改善成提供可调长度的遮蔽时期，但即使如此，这种可调变长度的调变率仍然必须预先设定，并且当预先设定的调变率无法符合实际情况时，浮置初期的剧烈变化仍然无法被完全遮蔽。

发明内容

鉴于前述问题，本发明的一个目的就在于提供一种无感测器马达控制电路，不需使用任何遮蔽程序仍可正确地侦测反电动势的过零事件。

根据本发明的马达控制电路应用于具有多个线圈的马达，具有侦测电路、比较电路、筛选电路、以及驱动电路。侦测电路耦合于该多个线圈，用于产生侦测信号。该侦测信号是关联于该多个线圈中的一个被选定为浮置状态的线圈的端点电压。该比较电路是耦合于该侦测电路以便比较该侦测信号与参考电压而产生比较信号。该筛选电路是耦合于该比较电路以便接收该比较信号。该筛选电路依次接收到该比较信号的第一次交越与第二次交越，并且响应于该第二次交越而产生指示信号。该驱动电路响应于该指示信号而控制该马达的换相操作。

根据本发明的马达控制方法应用于具有多个线圈的马达，包含下列步骤。侦测该多个线圈中的被选定为浮置状态的线圈的端点电压而产生侦测信号。比较该侦测信号与参考电压而产生比较信号。该比较信号具有第一次交越与第二次交越。从该第一次交越与该第二次交越中筛选出该第二次交越。响应于该第二次交越而产生指示信号。响应于该指示信号而控制该马达的换相操作。

附图说明

图1显示已知的三相马达与切换电路的电路图；

图2显示马达线圈的端点电压的时序图；

图3显示已知的马达控制电路的电路框图；

图4显示根据本发明的马达控制电路的电路框图；

图5显示根据本发明的筛选电路的操作原理示意图；

图6(A)显示根据本发明的筛选电路的第一例子的详细电路图；

图6(B)显示根据本发明的筛选电路的第一例子的操作波形时序图；

图7显示根据本发明的筛选电路的第二例子的详细电路图。

具体实施方式

下文中的说明与附图将使本发明的前述与其他目的、特征、与优点更加明显。这里将参照附图详细说明根据本发明的优选实施例。

图4显示根据本发明的无感测器马达控制电路40的电路框图。首先与已知技术相同地，反电动势侦测电路43耦合于线圈A、B、与C的端点Pa、Pb、与Pc，以侦测浮置线圈的反电动势。然而在本发明中，反电动势侦测电路43的侦测信号是直接输入到比较电路45，而不经过任何已知的遮蔽电路34的调整或修正。随后，筛选电路47接收比较电路45的比较信号并且进行分析，以选出可用来控制换相的过零事件。基于筛选电路47所选出的过零事件，驱动信号合成电路46产生适当的驱动信号，用于控制切换电路42而使马达41进行换相操作。换言之，已知技术的遮蔽电路与方法可视为属于一种“过零侦测前(pre-zero-crossing)”的技术，然而根据本发明的筛选电路与方法则可视为属于一种“过零侦测后(post-zero-crossing)”的技术。

图5显示根据本发明的筛选电路47的操作原理的示意图。为了简化说明的缘故，在图5中仅以线圈B为例。由于线圈A与线圈C的操作原理与线圈B的操作原理相同，所以本领域技术人员在阅读线圈B的范例后就可毫无困难地以此实施本发明在三相马达系统的整体操作。尤其是，虽然本发明所公开的实施例是三相马达，但根据本发明的筛选电路与方法可应用于更多相的马达，并且不局限于任何特定型态的马达。

当马达41稳定地运转时，线圈B的端点Pb电压如图5所示。在第一与第六相位P-I与P-VI中，线圈B的端点Pb耦合到地电位，故其电压维持在地电位。在第二与第五相位P-II与P-V中，线圈B的端点Pb处于浮置状态，因此其电压代表着反电动势。在第三与第四相位P-III与P-IV中，线圈B的端点Pb耦合到供应电压源V_m，故其电压维持在供应电压源V_m。如前所述，在第二相位P-II的初期，线圈B的端点Pb电压从地电位瞬间跳高而比供应电压源V_m更高出一个二极管正向导通压降。同样地，在第四相位P-IV的初期，线圈B的端点Pb电压从供应电压源V_m瞬间下降而比地电位更低了一个二极管正向导通压降。

在比较电路45中，线圈B的端点Pb电压与参考电压V_ref相互比较。在使用线性方式驱动马达的例子中，参考电压V_ref可以通过直接侦测耦合中心点N的电压而实施，或者仅单纯使用供应电压源V_m的一半作为中心点N电压的近似值。在使用脉冲宽度调制(pulse widthmodulation)方式驱动马达的例子中，参考电压V_ref可以通过预定的补偿电压所实施，例如美国专利第6,633,145号所公开的侦测方式，这里将该文献并入此处作为参考。

仔细观察图5可发现在线圈B处于浮置状态的期间内，亦即不论是第二相位P-II或第五相位P-V，线圈B的端点Pb电压都会发生两次穿过参考电压V_ref的情况。举例来说在第二相位P-II中，当造成浮置初期的剧烈变化的电感电流被完全排除后，线圈B的端点Pb电压即回复到参考电压V_ref以下，此时发生第一次交越ZC1。随后，线圈B的端点Pb电压逐渐上升而再次穿过参考电压V_ref，此时发生第二次交越ZC2。因此，第一次交越ZC1是初期杂讯所引起的过零事件，而第二次交越ZC2才是可用来控制换相的过零事件。由于不论马达的驱动方式、运转速度、与负载状况如何变化，只有第二次交越才是可用来控制换相的过零事件，故根据本发明的筛选电路47是基于这一观察而设计用来筛选出第二次交越ZC2。换言之，筛选电路47依次接收到比较电路45所输出的第一次交越ZC1与第二次交越ZC2，而只有等到第二次交越ZC2发生时才产生指示信号以触发驱动信号合成电路46。通过筛选电路47，根据本发明的无感测器马达控制电路40无须使用已知技术的遮蔽电路34，因而不必担心无法完全遮蔽浮置初期的剧烈变化的问题。

图6(A)显示根据本发明的筛选电路60的第一例子的详细电路图。比较电路45是由第一比较器45a与第二比较器45b所实施，用于判断线圈B的端点Pb电压是大于或者小于参考电压V_ref。第一与第二比较器45a与45b的输出恰好彼此呈反相关系。NAND逻辑门61与62是交叉耦合而形成的一个锁存器结构。NAND逻辑门61的输出信号K1施加到D型触发器63的时钟端Ck，而NAND逻辑门62的输出信号K2则施加到D型触发器64的时钟端Ck。D型触发器63与64的复位端R都由驱动信号BD的反相信号所控制。驱动信号BD可以由驱动信号合成电路46所提供，其中驱动信号BD处于低电平时代表线圈B处于浮置状态。D型触发器63与64的输出信号K3与K4经过NAND逻辑门65而控制T型触发器66的时钟端Ck。因此，T型触发器66输出过零指示信号IZC，用于供应到驱动信号合成电路46以适当地控制马达的换相操作。

图6(B)显示根据本发明的筛选电路60的第一例子的操作波形时序图。在时间t1，线圈B的端点Pb电压小于参考电压V_ref，所以NAND逻辑门61的输出信号K1处于高电平，而NAND逻辑门62的输出信号K2则处于低电平。在时间t2，线圈B进入浮置状态，所以端点Pb电压瞬间跳高超过参考电压V_ref。在时间t3，第一次交越ZC1发生，使得D型触发器63的输出信号K3转态到高电平。然而此时D型触发器64的输出信号K4仍维持在低电平，所以T型触发器66并没有被触发。在时间t4，第二次交越ZC2发生，使得D型触发器64的输出信号K4转态到高电平。此时，由于D型触发器63与64的输出信号K3与K4都是高电平，所以T型触发器66受触发而使过零指示信号IZC转态到高电平。因此，筛选电路60有效地筛选出第二次交越ZC2而正确地控制马达的换相。在时间t5，驱动信号BD从低电平转态到高电平，使得D型触发器63与64的输出信号K3与K4重设到低电平，以预备下一次的筛选操作。

在时间t6，线圈B进入浮置状态，故端点Pb电压瞬间下降而低于参考电压V_ref。在时间t7，第一次交越ZC1发生，使得D型触发器64的输出信号K4转态到高电平。然而此时D型触发器63的输出信号K3仍维持在低电平，所以T型触发器66并没有被触发。在时间t8，第二次交越ZC2发生，使得D型触发器63的输出信号K3转态到高电平。此时，由于D型触发器63与64的输出信号K3与K4都是高电平，所以T型触发器66受触发而使过零指示信号IZC转态到低电平。因此，筛选电路60有效地筛选出第二次交越ZC2而正确地控制马达的换相。在时间t9，驱动信号BD从低电平转态到高电平，使得D型触发器63与64的输出信号K3与K4重设到低电平，以预备下一次的筛选操作。

图7显示根据本发明的筛选电路70的第二例子的详细电路图。第二例子的筛选电路70主要包含取样记录电路71与样本集合分析电路72。取样记录电路71根据预定的时钟信号CLK而对比较电路45的比较信号进行取样并记录，以形成具有三个样本的样本集合[X1，X2，X3]。随后，样本集合分析电路72对于所记录的样本集合[X1，X2，X3]进行分析，以剔除第一次交越ZC1并且选出第二次交越ZC2作为可用来控制换相的过零事件。请注意在使用线性方式驱动马达的例子中，时钟信号CLK的频率越高，取样密度越大，越可减小误差范围。在使用脉冲宽度调制方式驱动马达的例子中，时钟信号CLK可以直接使用脉冲宽度调制时钟信号。

在第一步骤中，取样记录电路71将还没有进入浮置状态前的线圈B的端点Pb电压与参考电压V_ref间的比较信号记录下来作为第一元素X1。在第二步骤中，在线圈B已经进入浮置状态后，取样记录电路71则根据时钟信号CLK的两个相连续的周期对比较电路45的比较信号取样并记录，依次作为第二元素X2与第三元素X3。如此一来，取样记录电路71就形成了具有三个元素的样本集合[X1，X2，X3]。在第三步骤中，样本集合分析电路72判断该样本集合[X1，X2，X3]是否符合[L，L，H]或[H，H，L]两者中的任何一种排列，其中L代表低电平而H代表高电平。倘若不符合，则回头重复进行第二步骤，根据时钟信号CLK更新第二元素X2与第三元素X3。请注意第一元素X1仍维持在第一步骤中所记录的值。一旦样本集合[X1，X2，X3]符合[L，L，H]或[H，H，L]两者中的任何一种排列，样本集合分析电路72就判断第二次交越ZC2的发生。

第二例子的筛选方法可回头参照图5而获得明显的验证。如图5所示，假设线圈B在进入浮置状态前耦合于地电位，亦即处于第一相位P-I，则取样记录电路71在第一步骤中所纪录的第一元素X1是低电平L。在随后的线圈B处于浮置状态的第二相位P-II中，第一次交越ZC1发生在线圈B的端点Pb电压从大于参考电压V_ref转变成小于参考电压V_ref的情况。因此，在第一次交越ZC1发生前所取样记录的第二元素X2为高电平H，而在第一次交越ZC1发生后所取样记录的第三元素X3为低电平L。然而，第二次交越ZC2则发生在线圈B的端点Pb电压从小于参考电压V_ref转变成大于参考电压V_ref的情况。因此，在第二次交越ZC2发生前所取样记录的第二元素X2为低电平L，而在第二次交越ZC2发生后所取样记录的第三元素X3为高电平H。由此可知，在第二相位P-II中，当所记录的样本集合为[L，L，H]时才是指示第二次交越ZC2的发生。

同样地，假设线圈B在进入浮置状态前耦合于供应电压源V_m，亦即处于第四相位P-IV，则取样记录电路71在第一步骤中所纪录的第一元素X1为高电平H。在随后的线圈B处于浮置状态的第五相位P-V中，第一次交越ZC1发生在线圈B的端点Pb电压从小于参考电压V_ref转变成大于参考电压V_ref的情况。因此，在第一次交越ZC1发生前所取样记录的第二元素X2为低电平L，而在第一次交越ZC1发生后所取样记录的第三元素X3为高电平H。然而，第二次交越ZC2则发生在线圈B的端点Pb电压从大于参考电压V_ref转变成小于参考电压V_ref的情况。因此，在第二次交越ZC2发生前所取样记录的第二元素X2为高电平H，而在第二次交越ZC2发生后所取样记录的第三元素X3为低电平L。由此可知，在第五相位P-V中，当所记录的样本集合为[H，H，L]时才是指示第二次交越ZC2的发生。

再次参照图7，取样记录电路71主要包含多路器73以及三个D型触发器F1到F3。驱动信号BD施加到多路器73的选择端S，并且经过反相后施加到D型触发器F1的时钟端Ck。驱动信号BD可以由驱动信号合成电路46所提供，其中驱动信号BD处于低电平时代表线圈B处于浮置状态。当驱动信号BD处于高电平时，多路器73允许过零指示信号IZC的反相信号通过。当驱动信号BD处于低电平时，多路器73允许比较电路45的比较信号通过。D型触发器F1是根据驱动信号BD而操作的，所以可记录浮置状态前的第一元素X1。D型触发器F2与F3是根据时钟信号CLK而操作的，依次记录第二元素X2与第三元素X3，所以第二元素X2比第三元素X3早了一个时钟信号CLK的周期。样本集合分析电路72主要包含逻辑电路74与D型触发器F4。第一到第三元素X1到X3施加到逻辑电路74以分析其是否符合[L，L，H]或[H，H，L]的排列。换言之，当第一元素X1相同于第二元素X2并且第二元素X2不同于第三元素X3时，逻辑电路74的输出即从低电平转态成高电平，代表侦测到第二次交越ZC2的发生。由于逻辑电路74的输出施加到D型触发器F4的时钟端Ck，所以每当逻辑电路74侦测到第二次交越ZC2的发生时，D型触发器F4即受触发而使过零指示信号IZC转态。因此，筛选电路70有效地筛选出第二次交越ZC2而正确地控制马达的换相操作。

虽然本发明已经通过优选实施例作为例示加以说明，应该了解的是：本发明并不局限于这里公开的实施例。相反地，本发明想要涵盖对于本领域技术人员而言是明显的各种修改与相似配置。因此，权利要求书的范围应根据最广的诠释，以包容所有此类修改与相似配置。

Claims

1、一种马达控制电路，应用于具有多个线圈的马达，包含：

侦测电路，耦合于该多个线圈，用于产生侦测信号，该侦测信号是关联于该多个线圈中的一个被选定为浮置状态的线圈的一个端点电压；

比较电路，耦合于该侦测电路以便比较该侦测信号与参考电压而产生比较信号；

筛选电路，耦合于该比较电路以便接收该比较信号，其中该筛选电路是依次接收到该比较信号的第一次交越与第二次交越，并且响应于该第二次交越而产生指示信号；以及

驱动电路，响应于该指示信号而控制该马达的换相操作。

2、根据权利要求1所述的马达控制电路，其中：

该比较信号具有第一状态与第二状态，该第一状态代表该侦测信号大于该参考电压，而该第二状态代表该侦测信号小于该参考电压，并且

该第一次交越关联于该比较信号从该第一状态转换到该第二状态，并且该第二次交越关联于该比较信号从该第二状态转换到该第一状态。

3、根据权利要求1所述的马达控制电路，其中：

该第一次交越关联于该比较信号从该第二状态转换到该第一状态，并且该第二次交越关联于该比较信号从该第一状态转换到该第二状态。

4、根据权利要求1所述的马达控制电路，其中：

该参考电压是通过侦测该多个线圈的一个耦合中心点的电压所产生的。

5、根据权利要求1所述的马达控制电路，其中：

该参考电压由预定的电压值所实施。

6、根据权利要求1所述的马达控制电路，其中：

该筛选电路包含：

取样记录电路，用于根据预定的时钟信号对于该比较信号进行取样，并且记录第一元素、第二元素与第三元素，其中该第一元素在该被选定为浮置状态的线圈进入该浮置状态之前所取样纪录的，该第二元素与该第三元素则都是在被选定为浮置状态的线圈已进入该浮置状态时所取样纪录的，以及

分析电路，用于分析该第一元素、该第二元素与该第三元素而筛选出该第二次交越。

7、根据权利要求6所述的马达控制电路，其中：

该第三元素是在该时钟信号的目前周期所取样纪录的，并且该第二元素是在该目前周期的前一周期所取样纪录的。

8、根据权利要求6所述的马达控制电路，其中：

该分析电路根据该第一元素相同于该第二元素且该第二元素不相同于第三元素的分析准则而筛选出该第二次交越。

9、一种马达控制方法，应用于具有多个线圈的马达，包含：

侦测该多个线圈中的一个被选定为浮置状态的线圈的一个端点电压而产生侦测信号；

比较该侦测信号与参考电压而产生比较信号，该比较信号具有第一次交越与第二次交越；

从该第一次交越与该第二次交越中筛选出该第二次交越；

响应于该第二次交越而产生指示信号；以及

响应于该指示信号而控制该马达的换相操作。

10、一种过零侦测电路，用于控制马达的换相操作，包含：

第一电路，用于产生第一信号，其代表该马达的处于浮置状态的线圈的反电动势；

第二电路，用于比较该第一信号与参考电压而产生第二信号，该第二信号具有第一次交越与第二次交越；以及

第三电路，依次接收该第一次交越与该第二次交越，并且响应于该第二次交越而产生第三信号，该第三信号用于控制该马达的该换相操作。