CN101499750A - 直流无刷马达的启动装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种直流无刷马达的启动装置及方法，该直流无刷马达包含多个线圈，通过一共接点呈共接状态。该启动装置提供电流于任二线圈，使直流无刷马达转动，以在浮接线圈获得反电动势，而后根据马达旋转至一稳定平衡点时因摆荡所产生的反电动势变化，再提供电流于另二线圈，即可使马达顺利运转。

Description

直流无刷马达的启动装置及方法

技术领域

本发明涉及一种直流无刷马达的启动装置及方法，特别是涉及一种无需感应器便可启动直流无刷马达的启动装置及方法。

背景技术

为在启动直流无刷马达时，检测马达内转子的正确位置，现有技术藉由放置感应器，例如霍尔感应器(Halls ensor)，于马达内部，用以感应马达运转时，转子与感应器间的磁场变化，以取得关于转子位置的信息。然使用霍尔感应器必须将该感应器置放于马达模块中，且感应器有摆放定位的问题，故对于小型马达的组装，等于是增加难度以及制造成本。

无感测器直流无刷马达技术已广泛地应用至各种需要驱动力的产品中，一般而言，大多数马达在中高速时均能具有良好的速度控制，然而在静止的情况下，无法得知转子位置，因此必须借助特殊的启动步骤，以确保马达能够顺利启动且进入正常的驱动模式。

现有技术亦提出无需感应器即可启动直流无刷马达的技术，例如美国专利第5,343,127号，以及美国专利第7,202,623号，其皆利用检测转子线圈上，因应转动所产生的反电动势(back electromotive force，BEMF)做为转子位置的参考信息，藉此启动马达。然上述技术需藉由繁复的操作步骤方能启动马达，增加了控制的困难度。

综上所述，如何提供一种无需感应器，又可正确启动直流无刷马达的控制方法及其电路，是业界亟待解决的问题。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种启动一直流无刷马达的方法，该直流无刷马达包含多个线圈，通过一共接点呈共接状态，该方法包含提供一电流于所述线圈中的一第一线圈及一第二线圈，以激发一第一相位；测量未流通该电流的一第三线圈的一第一反电动势(Back Electro-Motive Force，BEMF)；因应一启动时间区间、及因应该启动时间区间内该第一反电动势超过一参考值其中之一，切换该电流至依序流过该第二线圈及该第三线圈，以换流至一第二相位；于该第二相位期间，因应未流通该电流的该第一线圈的一第二反电动势发生一负向零交越点，切换该电流至依序流过该第二线圈及该第一线圈，以换流至一第三相位。

本发明的另一目的在于提供一种直流无刷马达的启动装置，其中该直流无刷马达包含多个线圈。藉由提供电流于二线圈，使直流无刷马达转动，以在其他线圈激发出反电动势，而后根据马达旋转至一稳定平衡点时因摆荡所产生的反电动势变化，再提供电流于另二线圈，即可使马达顺利运转。

为实现上述目的，本发明揭示一直流无刷马达的启动装置，该启动装置包含一控制电路及一检测电路，该控制电路用以提供一电流于所述线圈中的一第一线圈及一第二线圈，以激发一第一相位，并因应一启动时间区间、及因应该启动时间区间内该直流无刷马达中一未通电流的线圈的一反电动势(Back Electro-Motive Force，BEMF)超过一参考值其中之一，依照一特定顺序，切换该电流于所述线圈中其他二线圈组合，以启动该直流无刷马达。该检测电路，用以量测该未通电流的线圈的该反电动势。

在参阅附图及随后描述的实施方式后，本领域的技术人员便可了解本发明的其他目的，以及本发明的技术手段及实施态样。

附图说明

图1为本发明的启动装置与直流无刷马达内部线圈的连结关系示意图；

图2A、2B为本发明的一实施例的磁转矩波形及反电动势波形示意图；以及

图3A、3B为本发明的第二实施例的流程图。

附图符号说明

10：启动装置

11：控制电路                   12：检测电路

101：数字输出讯号              102：输出讯号

111：电源供应端                112：检测电路输入端

113：接地端                    121：切换开关

122：切换开关              123：切换开关

201：U-V相位               202：V-W相位

203：V-U相位               204：稳定平衡点

211：磁转矩                221：反电动势

222：反电动势              224：反转方向的反电动势

225：正向零交越点          226：负向零交越点

324：正向零交越点          325：负向零交越点

具体实施方式

以下将通过实施例来解释本发明内容，其是关于一种直流无刷马达的启动装置及方法，根据马达旋转至一稳定平衡点时因摆荡所产生的反电动势变化，再提供电流于另二线圈，即可使马达顺利运转。然而，本发明的实施例并非用以限制本发明需在如实施例所述的任何特定的环境、应用或特殊方式方能实施。因此，关于实施例的说明仅为阐释本发明的目的，而非用以限制本发明。需说明的是以下实施例及附图中，与本发明非直接相关的元件已省略而未绘示；且为求容易了解起见，各元件间的尺寸关系是以稍夸大的比例绘示出。

图1绘示本发明的一较佳实施例，其主要是一启动装置10的示意图，并绘示启动装置10与直流无刷马达内部线圈的连结关系。在本实施例中，直流无刷马达是一三相马达，包含线圈U、线圈V、及线圈W，并具有一中心接头CT。需特别注意的是马达的线圈数目并非本发明的限制，本发明可适用于线圈数目大于或等于三以上的直流无刷马达。启动装置10包含一控制电路11及一检测电路12。在本实施例中，控制电路11产生一数字输出讯号101以控制线圈U、V及W与电源之间的切换元件121、122及123来调整提供至线圈的电源。

进一步言，控制电路11接收检测电路12的一输出讯号102，其代表该直流无刷马达运转时，于未通电线圈所产生的一反电动势，检测电路12即用以量测该未通电流的线圈的反电动势。控制电路11根据输出讯号102及因应一启动时间区间，依照一特定顺序，提供电流至所述线圈，以启动该直流无刷马达。详而言之，控制电路11提供一电流依序流过第一线圈及第二线圈以激发一第一相位，并因应一启动时间区间、及因应该启动时间区间内该直流无刷马达中一未通电流的线圈(即第三线圈)的一反电动势(Back Electro-Motive Force，BEMF)超过一参考值其中之一，依照一特定顺序，切换该电流于所述线圈中其他二线圈组合，以启动该直流无刷马达。意即，控制电路11根据一未通电流的第三线圈的一第一反电动势并因应该启动时间区间，切换该电流至该第二线圈及该第三线圈，以换流至一第二相位。

举例而言，线圈U、V或W通过该控制电路11切换开关121、122及123分别连接至电源供应端111、检测电路12的一输入端112及接地端113。而数字输出讯号101适可控制线圈U、W、及V依序与电源供应端111、检测电路12的一输入端112及接地端113的连结关系。例如，当线圈U连结至电源供应端111，且线圈V连结至接地端113时，线圈W即连结至输入端112，此时线圈W上所产生的反电动势即为检测电路12的输入讯号。

控制电路11还包含一延迟线路(图未示出)，用以产生一延迟时间，其中该延迟时间的长度适足以避免控制电路11判断一伪反电动势的发生一正向零交越点(positive zero-crossing)或一负向零交越点(negativezero-crossing)。

详而言之，控制电路11是于启动时间区间内，判断第一反电动势是否发生一正向零交越点(positive zero-crossing)，若是，则切换电流至依序流过第二线圈及第三线圈，以换流至第二相位；若否，则经过启动时间区间后，切换电流至依序流过第二线圈及第三线圈，以换流至第二相位。

在换流至第二相位后，此时检测电路12检测未流通该电流的该第一线圈的一第二反电动势，控制电路11则于该第二反电动势发生一负向零交越点时，切换该电流至该第二线圈及该第一线圈，以换流至一第三相位，完成启动该直流无刷马达。

为了更详细解释启动装置10如何启动直流无刷马达，请一并参阅图2A，其为一磁转矩反电动势波形图，包含磁转矩波形及反电动势波形，并定义一正转方向。以线圈U(即前述的第一线圈)及线圈V(即前述的第二线圈)为例，切换元件121与切换元件122分别耦接至电源端111与接地端113，且中心接头CT耦接至检测电路12形成回路，以使控制电路11通过电源端111提供一电流于线圈U及线圈V，以激发U-V相位201(即前述第一相位)，U-V相位201的磁转矩表示为曲线211，而切换元件123耦接至输入端112，俾使线圈W无电流流通，换言之，此时线圈W将会产生第一反电动势(即曲线221)。需特别注意的是，若持续导通电流于线圈U及线圈V，则可以于磁转矩的曲线211上观察得一稳定平衡点204，此为直流无刷马达的特性，意即当转子旋转到稳定平衡点204时，将会逐渐稳定于稳定平衡点204不再转动，本发明即利用此特性以驱动直流无刷马达。

如上所述，检测单元12持续检测第一反电动势的变化，当转子旋转至稳定平衡点204时，此时转子旋转的方向即为正转方向，由于惯性，其将会稍微更向正转方向转动后，往反方向转动，此时检测单元12将检测到一反向的第一反电动势(即曲线224)。由于反电动势的改变是一连续现象，故此时检测单元12所检测到的反电动势将由曲线221跃升至曲线224，因此产生一正向零交越点225。此时控制电路11即根据检测电路12的输出讯号102，切换电流至依序流过线圈V(即第二线圈)及线圈W(即第三线圈)，以换流至V-W相位202(即前述第二相位)。此时检测单元12即可检测到线圈U上的第二反电动势(即曲线222)。上述反电动势的改变过程请参图2A中正向零交越点225前后的箭号所示。

在将电流切换至V-W相位202后，控制电路11将根据输出讯号102判断反电动势的曲线222是否发生负向零交越点226，如是，则将电流切换至依序流过线圈V及线圈U，以换流至V-U相位203(即前述第三相位)以使马达在启动后进入正常的驱动模式。

如上所述，直流无刷马达的转子亦有可能因应U-V相位201的磁转矩(即曲线211)，而以于启动时以反转方向旋转。请一并参考图1及图2B，当转子受到曲线211中位置304至305的磁转矩作用时，转子将会以反转方向旋转，此时检测单元12将在未通入电流的线圈W检测到一反转方向的第一反电动势(即曲线224)。若持续对线圈U与线圈V通入电流，则当转子位置超过位置304时，线圈W所产生的第一反电动势即发生一正向零交越点324，此时控制电路11即根据检测电路12的输出讯号102，切换电流至依序流过线圈V与线圈W(即第三线圈)，以换流至V-W相位202。此时检测单元12即可检测到线圈U上的一第二反电动势(即曲线222)。由图2B的反电动势波形可知，当反电动势由曲线224改变为曲线222时，将发生负向零交越点325，此时控制电路11将根据输出讯号102判断已发生负向零交越现象，而后将电流切换至依序流过线圈V及线圈U，以换流至V-U相位203，以使马达在启动后进入正常的驱动模式，即如前所述。

请继续参考图2A，直流无刷马达的转子亦有可能于静态时即位于稳定平衡点204位置，故此时激发U-V相位201并无法使转子产生转动，因此于启动时间区间内，若第一反电动势并未发生一正向零交越点，则控制电路12切换电流至线圈V及线圈W，以换流至V-W相位202，继续进行前述操作。

藉由上述配置，本发明藉由提供电流于直流无刷马达中的二线圈，使直流无刷马达顺向转动，以在其他线圈激发出反电动势，而后根据马达旋转至一稳定平衡点时因惯性摆荡所产生的反电动势变化，再提供电流于另二线圈，即可使马达顺利运转，以有效解决现有技术需藉由繁复的操作步骤方能启动马达的缺点。

本发明的第二较佳实施例如图3A及3B所示，为一启动一直流无刷马达的方法的流程图，该直流无刷马达包含多个线圈，通过一共接点呈共接状态，此方法包含下列步骤，首先，请参阅图3A。执行步骤400，提供一电流于所述线圈中的第一线圈及第二线圈，以激发一第一相位。接下来执行步骤401，等待一延迟时间，其中该延迟时间的长度适足以避免测量一伪反电动势发生一正向或负向零交越点。此是因直流无刷马达于启动时所可能产生的杂讯错误讯号，会使反电动势产生一伪正向或伪负向零交越点，故需藉由等待一延迟时间来避免此现象干扰启动马达。

接着执行步骤402，测量未流通该电流的一第三线圈的一第一反电动势。然后执行步骤403，于启动时间内判断是否发生一正向零交越点，即判断该第一反电动势是否超过一参考值。若是，则执行步骤405切换电流至依序流过第二及第三线圈，以换流至一第二相位；若否，则执行步骤404判断是否已经经过启动时间区间。若步骤404的判断结果为是，则执行步骤405，若否，则重复执行步骤403。

接着执行步骤406，测量第一线圈的一第二反电动势。然后执行步骤407，当未流通该电流的该第一线圈的一第二反电动势发生一负向零交越点时，切换该电流至依序流过该第二线圈及该第一线圈，以换流至一第三相位。此时直流无刷马达即已顺利启动，并可进入正常的驱动模式。

除了图3A及3B所描绘的步骤外，第二较佳实施例亦能执行第一较佳实施例的所有操作及功能。本领域的技术人员可直接了解第二较佳实施例如何基于上述第一较佳实施例以执行此等操作及功能。故不赘述。

综上所述，本发明是根据直流无刷马达的转子旋转至一稳定平衡点时因摆荡所产生的反电动势变化，再提供电流于另二线圈，即可使马达顺利运转。可达到减省放置霍尔感应器以降低成本，同时又可正确并快速启动直流无刷马达的优点。

上述的实施例仅用来例举本发明的实施态样，以及阐释本发明的技术特征，并非用来限制本发明的范畴。本领域的技术人员可轻易完成的改变或均等性的安排均属于本发明所主张的范围，本发明的范围应以本申请的权利要求为准。

Claims (9)

1.一种启动一直流无刷马达的方法，该直流无刷马达包含多个线圈，通过一共接点呈共接状态，该方法包含下列步骤：

(a)提供一电流于所述线圈中的一第一线圈及一第二线圈，以激发一第一相位；

(b)测量未流通该电流的一第三线圈的一第一反电动势；

(c)因应一启动时间区间、及因应该启动时间区间内该第一反电动势超过一参考值其中之一，切换该电流至依序流过该第二线圈及该第三线圈，以换流至一第二相位；以及

(d)于该第二相位期间，因应未流通该电流的该第一线圈的一第二反电动势发生一负向零交越点，切换该电流至依序流过该第二线圈及该第一线圈，以换流至一第三相位。

2.如权利要求1所述的方法，于步骤(b)前还包含一步骤：

等待一延迟时间，以于该延迟时间内不量测该第一反电动势，其中该延迟时间的长度适足以避免一伪反电动势发生一正向零交越点以及一负向零交越点其中之一。

3.如权利要求1所述的方法，其中该步骤(c)包含：

因应该启动时间区间内，该第一反电动势发生一正向零交越点，切换该电流至依序流过该第二线圈及该第三线圈，以换流至该第二相位。

4.如权利要求1所述的方法，其中该步骤(c)包含：

因应该启动时间区间内，该第一反电动势未发生一正向零交越点，于该启动时间区间结束后，切换该电流至依序流过该第二线圈及该第三线圈，以换流至该第二相位。

5.一种启动一直流无刷马达的装置，其中该直流无刷马达包含多个线圈，该装置包含：

一检测电路，耦合至所述线圈，用以量测该未通电流的线圈的该反电动势，并产生一输出讯号；以及

一控制电路，耦合至所述线圈与该检测电路，接收该检测电路的该输出讯号，用以提供一电流于所述线圈中的一第一线圈及一第二线圈，以激发一第一相位，并因应一启动时间区间、及因应该启动时间区间内该直流无刷马达中一未通电流的线圈的一反电动势超过一参考值其中之一，依照一特定顺序，切换该电流于所述线圈中其他二线圈组合，以启动该直流无刷马达。

6.如权利要求5所述的装置，其中该控制电路因应一启动时间区间、及因应该启动时间区间内一未通电流的第三线圈的一第一反电动势超过一参考值其中之一，切换该电流至依序流过该第二线圈及该第三线圈，以换流至一第二相位；于该第二相位期间，该检测电路检测未流通该电流的该第一线圈的一第二反电动势，该控制电路因应该第二反电动势发生一负向零交越点，切换该电流至依序流过该第二线圈及该第一线圈，以换流至一第三相位。

7.如权利要求6所述的装置，其中该控制电路因应该启动时间区间内，该第一反电动势发生一正向零交越点，切换该电流至依序流过该第二线圈及该第三线圈，以换流至该第二相位。

8.如权利要求6所述的装置，其中该控制电路因应该启动时间区间内，该第一反电动势未发生一正向零交越点，于该启动时间区间结束后，切换该电流至依序流过该第二线圈及该第三线圈，以换流至该第二相位。

9.如权利要求5所述的装置，其中该控制电路还包含一延迟线路，用以产生一延迟时间，其中该延迟时间的长度适足以避免该控制电路判断一伪反电动势发生一正向零交越点或发生一负向零交越点。

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