CN101997465A

CN101997465A - 马达控制装置

Info

Publication number: CN101997465A
Application number: CN2009101673686A
Authority: CN
Inventors: 唐仲宏; 邱进发; 邱俊隆
Original assignee: Delta Optoelectronics Inc
Current assignee: Delta Optoelectronics Inc
Priority date: 2009-08-21
Filing date: 2009-08-21
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2029-08-21
Also published as: CN101997465B

Abstract

一种马达控制装置，包括一相位感测电路、一电流感测电路、一锁相回路、一控制器及一驱动电路。相位感测电路感测马达运转时的磁极的相位切换以产生一切换相位信号输出至锁相回路；电流感测电路感测通过马达的电流，以产生一电流相位信号输出至锁相回路；锁相回路比较该切换相位信号及该电流相位信号之间的相位差异以产生一换相控制信号输出至控制器，控制器依据换相控制信号以产生驱动信号输出至驱动电路，该驱动电路依据驱动信号控制马达的磁极的相位切换，以驱动马达运转。

Description

马达控制装置

技术领域

本发明是关于一种使马达的切换相位信号与电流相位信号的相位相同，藉以提高马达运转效率的马达控制装置。

背景技术

已知马达是通过一定子与一转子相对设置，利用其磁力的吸引以及磁场的变化，使得转子相对于定子转动。其中，磁场的变化即是代表马达磁极的换相(commutation)动作。如图1所示，目前较常用的是利用电子式换相器来作马达2换相的动作。电子式换相器主要是利用霍尔感测器13(Hall sensor)来感应马达2的磁极位置(或磁场变化)以判断转子的位置，驱动IC11并依据霍尔感测器13感测的切换相位信号Sp以输出一驱动信号Sd至驱动电路12以控制马达2的定子的线圈电流相互切换，而达到换相的目的。

再者，利用霍尔感测器13来感应磁场变化是与马达2的转速以及霍尔感测器13的设置位置有关，故霍尔感测器13必须调整在最佳位置才能作精确的感测。而传统无刷直流马达2为提升高转速下的马达2效率，皆会将霍尔感测器13的设置位置提前摆置以提前换相，进而达成提升马达2在额定转速下高效率的功效，如图2A的电流波形Si。

然而当马达2转速改变时，霍尔感测器13并无法自动调整至适当的位置，因此，若将马达2转速控制在较低转速下，则马达2效率偏离最佳化，电流波形Si也不平整；如图2B及图2C所示，或者当负载变动(风扇处于背压下)或电压源变动时，即有可能使霍尔感测器13(Hall sensor)感测的切换相位信号Sp的磁场相位为超前(leading)或落后(lagging)，同样造成马达2效率偏离最佳效率点，且由电流波形Si可看出马达2的电流是呈现超前(前翘)或滞后(后翘)，如此一来，驱动IC11恐会输出不适当的驱动信号Sd至驱动电路12，使马达2换相不顺畅及产生噪音。且当马达2是应用于风扇时，也将会造成风扇的散热效率下降。

发明内容

有鉴于上述课题，本发明的目的为提供一种可以提高马达运转效率及降低马达运转噪音(震动)的马达控制装置。

为达上述目的，本发明提供一种马达控制装置，包括一相位感测电路、一电流感测电路、一锁相回路、一控制器及一驱动电路。相位感测电路感测马达运转时的磁极的相位切换以产生一切换相位信号输出至锁相回路；电流感测电路感测通过马达的电流，以产生一电流相位信号输出至锁相回路；锁相回路比较该切换相位信号及该电流相位信号之间的相位差异以产生一换相控制信号输出至控制器，控制器依据换相控制信号以产生驱动信号输出至驱动电路，该驱动电路依据驱动信号控制马达的磁极的相位切换，以驱动马达运转。

承上所述，本发明的马达控制装置利用锁相回路来追踪所感测马达的切换相位信号及电流相位信号之间的相位差异，并输出调整后的换相控制信号以驱动马达，使马达无论在不同的转速下运转，或是在电源端或负载有变动的状况下，将永续地且迅速地依据回授的感测信号所取出的误差值给予换相控制信号作实时且适当的相位修正，直至电流相位信号的相位与马达的切换相位信号的相位为一致即锁定，藉此，使马达有较佳的运转效率及平整状态的电流波形。

附图说明

图1为已知马达控制装置的电路方块图。

图2A至图2C为图1的马达控制装置反应马达在额定电压及转速、电压升高及电压降低时的各种信号的波形示意图。

图3为本发明马达控制装置的电路方块图。

图4为本发明马达控制装置第一实施例的电路示意图。

图5A为本发明电流感测电路(不包括第一电阻R1)第一实施例的部分电路图。

图5B为本发明电流感测电路(不包括第六电阻R6及第七电阻)第二实施例的部分电路图。

图6为本发明马达控制装置第二实施例的电路示意图。

图7为本发明电流感测电路产生电流相位信号的波形示意图。

图8A至图8C为本发明通过锁相回路调整后的反应马达在额定电压及转速、电压升高及电压降低时的各种信号的波形示意图。

[主要元件标号说明]

1.........马达控制装置 11......驱动IC

12......驱动电路 13......霍尔感测器

2.........马达 3.........马达控制装置

31......控制器 32......驱动电路

33......相位感测电路 34......电流感测电路

341......第一比较器 342......第二比较器

35......锁相回路 351......相位比较器

352......回路滤波器 353......电压控制振荡器

4......马达 SW1-SW4......开关元件

L......线圈 D......漏极

S......源极 G......栅极

R1-R7......电阻 Vcc......电源

Sp......切换相位信号 Sc、Sc’......电流相位信号

So......换相控制信号 Si......电流波形

Sd......驱动信号 Va、Vb......电压信号

Vr......直流电压

具体实施方式

以下将参照相关图式，说明依据本发明较佳实施例的马达控制装置及其控制方法。

请参照图3，本发明较佳实施例的马达控制装置3电性连接一马达4，其包括一控制器31、一驱动电路32、一相位感测电路33、一电流感测电路34及一锁相回路(Phase Locked Loop，PLL)35，其中驱动电路32分别电性连接马达4及控制器31，锁相回路35则分别电性连接相位感测电路33、电流感测电路34及控制器31，而马达4可为一无刷直流马达。

配合图4所示，驱动电路32例如是一全桥(H桥)电路，其至少包括上桥的第一开关元件(SW1)、第二开关元件(SW2)及下桥的第三开关元件(SW3)、第四开关元件(SW4)，该些开关元件(SW1-SW4)电连接于马达4的线圈(L)与控制器31之间，而该些开关元件(SW1-SW4)可以是一金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)，例如：第一开关元件(SW1)及第二开关元件(SW2)可以为PMOS(代表此元件的通道为P-type)，第三开关元件(SW3)及第四开关元件(SW4)可以为NMOS(代表此元件的通道为N-type)。其中全桥电路的元件电性连接关系为：上桥的第一开关元件(SW1)的漏极(D)及第二开关元件(SW2)的漏极(D)分别电性连接于马达4的线圈(L)的两端，该第一开关元件(SW1)的源极(S)、第二开关元件(SW2)的源极(S)分别电性连接于电源(Vcc)，该第一开关元件(SW1)的栅极(G)、第二开关元件(SW2)的栅极(G)分别电性连接于控制器31；而下桥的第三开关元件(SW3)的漏极(D)、第四开关元件(SW4)的漏极(D)分别电性连接于马达4的线圈(L)的两端及分别电性连接该上桥的第一开关元件(SW1)的漏极(D)与第二开关元件(SW2)的漏极(D)，第三开关元件(SW3)的栅极(G)、第四开关元件(SW4)的栅极(G)分别电性连接于控制器31，第三开关元件(SW3)的源极(S)、第四开关元件(SW4)的源极(S)电性连接于接地端。

控制器31例如是一马达驱动IC，且控制器31分别电性连接驱动电路32的第一开关元件(SW1)的栅极(G)、第二开关元件(SW2)的栅极(G)、第三开关元件(SW3)的栅极(G)及第四开关元件(SW4)的栅极(G)，以分别输出驱动信号Sd(S1-S4)至各该些开关元件(SW1-SW4)。

相位感测电路33可以包括一霍尔感测元件(Hall-effect)，该霍尔感测元件设置于马达4的硅钢片的槽开口中间(磁极与磁极之间)，用以感测马达4运转时的磁极的相位切换以产生切换相位信号(Sp)传送至锁相回路35的第一输入端。

再配合图4及图5A所示，该电流感测电路34用以感测通过马达4的线圈(L)的电流大小以产生一电流相位信号(Sc)输出至锁相回路35的第二输入端。其中电流感测电路34可以包括第一电阻(R1)及第一比较器341，第一电阻(R1)的第一端(如图4所示的b端)电性连接马达4的线圈(L)，第一电阻(R1)的第二端(如图4所示的a端)则电性连接第一开关元件(SW1)的漏极(D)及第三开关元件(SW3)的漏极(D)。第一比较器341的第一输入端及第二输入端分别电性连接第二电阻(R2)与第三电阻(R3)后再分别电性连接第一电阻(R1)的第一端及第二端，第一比较器341的输出端则电性连接锁相回路35的第二输入端。

如图5B所示，若为了降低第一比较器341输出的信号的噪声，即可在第一比较器341的输出端再连接一第二比较器342第一输入端，而第二比较器342的第二输入端则电性连接第四电阻(R4)的第一端及第五电阻(R5)的第一端，该第四电阻(R4)的第二端接地，第五电阻(R5)的第二端则电性连接电源(Vcc)后接地，第二比较器342的输出端电性连接锁相回路35的第二输入端。

而于上述实施例中，第二电阻及第三电阻的电阻值可以是很低，例如是0.1Ω(欧姆)，而第五电阻及第六电阻的电阻值可以为相同。

再者，电流感测电路34与驱动电路32之间的电路连接方式还可以如图6的实施例所示，其虽然电路连接方式不同，但同样能取得该电流相位信号(Sc或Sc’)；其中电流感测电路34包括第六电阻(R6)、第七电阻(R7)及第一比较器341，该第六电阻(R6)的第一端(图6中的a端)及第七电阻(R7)的第一端(图6中的b端)分别电性连接第三开关元件(SW3)的源极(S)及第四开关元件(SW4)的源极(S)，而第六电阻(R6)的第二端及第七电阻(R7)的第二端则接地；第一比较器341的第一输入端及第二输入端分别电性连接第二电阻(R2)及第三电阻(R3)后再分别电性连接第六电阻(R6)的第一端及第七电阻(R7)的第一端，而第一比较器341的输出端则同样电性连接锁相回路35的第二输入端。同样地，若为了降低第一比较器341输出的信号的噪声，即可在第一比较器341的输出端再连接一第二比较器342，其电性连接的方式如图5B所示，故不再赘述。

锁相回路35分别电性连接相位感测电路33、电流感测电路34及控制器31。该锁相回路35包括相位比较器(Phase Comparator)351、回路滤波器(LoopFilter)352及电压控制振荡器(Voltage Control Oscillator)353，其中回路滤波器352分别电性连接相位比较器351及电压控制振荡器353，该相位比较器351的第一输入端及第二输入端电性连接相位感测电路33及电流感测电路34，以分别接收切换相位信号(Sp)及电流相位信号(Sc)，而电压控制振荡器353的输出端则电性连接控制器31。

参阅图3、图4及图5A所示，本发明马达控制装置3的操作原理如下：

相位感测电路33感测马达4运转时的磁极的相位切换以产生切换相位信号(Sp)输出至锁相回路35的相位比较器351的第一输入端。

配合图7所示，电流感测电路34因开关元件SW1-SW4轮流导通(当SW1及SW4->ON，SW2及SW3->OFF；当SW2及SW3->ON，SW1及SW4->OFF)，使得自a端及b端输入第一比较器的两个输入端的电压信号Va及Vb经第一比较器341处理后(当Va＞Vb时，输出一Vcc电压；当Va＜Vb时，输出一零电压)输出一电流相位信号(Sc)至锁相回路35的相位比较器351的第二输入端；如图5B所示，于其它实施例中亦可以将电流相位信号(Sc)再输入一第二比较器342的第一输入端，经与自第二输入端输入的1/2Vcc(电源(Vcc)经第四电阻(R4)及第五电阻(R5)分压后)的电源比较后可以得到更稳定的电流相位信号(Sc’)输出至相位比较器351。

相位比较器351在接收切换相位信号(Sp)及电流相位信号(Sc或Sc’)后比较两信号(Sp及Sc(或Sc’))的相位差异以输出正脉冲或负脉冲至回路滤波器552，例如：当切换相位信号(Sp)大于电流相位信号(Sc或Sc’)时输出正脉冲，当切换相位信号(Sp)小于电流相位信号(Sc或Sc’)时输出负脉冲；而回路滤波器352并通过内部的积分器将脉冲予以平均化并转换成一直流电压(Vr)输出至电压控制振荡器353，该电压控制振荡器353依据该直流电压(Vr)以输出一调整后的换相控制信号(So)至控制器31，其中该切换相位信号(Sp)、电流相位信号(Sc)及换相控制信号(So)皆为频率信号。

控制器31再依据换相控制信号(So)而分别产生驱动信号Sd(S1-S4)至驱动电路32的四个开关元件(SW1-SW4)，以控制四个开关元件(SW1-SW4)轮流导通及关闭，进而控制马达4磁极的相位切换。

请参照图8A、图8B及图8C所示，图8A为反应马达在额定电压及转速下的各种信号的波形示意图，包括相位感测信号(Sp)、电流相位信号(Sc)、调整后的换相控制信号(So)及马达的电流波形(Si)，图8B及图8C则分别反应马达在电压升高及电压降低(或转速或负载变动)下经相位调整后的各种信号的波形示意图。以下以图2B、图8A及图8B为例说明，以比较在经过相位调整前、后的相位感测信号(Sp)、电流相位信号(Sc)、换相控制信号(So)及马达的电流波形(Si)的差异；其中在图8A中的相位感测信号(Sp)、电流相位信号(Sc)的相位为一致，因此其平整的电流波形(Si)显示为马达效能佳，配合图2B(未经过相位调整)所示，当马达电压升高时，导致电流相位信号(Sc)的相位是落后相位感测信号(Sp)的相位，因此其不平整(后翘)的电流波形(Si)显示出马达效能不佳。再如图8B所示，本发明通过锁相回路依据电流相位信号(Sc)与相位感测信号(Sp)的相位差异而将换相控制信号(So)作超前修正(相对于图8A的换相控制信号(So))，并产生调整后的换相控制信号(So)来驱动马达，且经不断地调整修正后即可使感测到的切换相位信号(Sp)及电流相位信号(Sc)的相位为一致，故可以得到平整的电流波形(Si)，马达也可以维持较(更)佳的效能。

同样地，图2C(未经过相位调整)也显示当马达电压降低时，电流相位信号(Sc)的相位是超前相位感测信号(Sp)的相位，因此其不平整(前翘)的电流波形(Si)也显示出马达效能不佳，故通过锁相回路依据电流相位信号(Sc)与相位感测信号(Sp)的相位差异而可将换相控制信号(So)作落后修正(相对于图8A的换相控制信号(So))，且经不断地调整修正换相控制信号(So)以驱动马达，即可使感测到的切换相位信号(Sp)及电流相位信号(Sc)的相位为一致，故可以得到平整的电流波形(Si)，马达同样能维持较(更)佳的效能，如图8C所示。

综上所述，本发明利用锁相回路来追踪所感测马达的切换相位信号(Sp)及电流相位信号(Sc)之间的相位差异，并输出调整后的换相控制信号(So)以驱动马达，使马达无论在不同的转速下运转，或是在电源端或负载有变动的状况下，将永续地且迅速地依据回授的感测信号(Sp及Sc)所取出的误差值给予换相控制信号(So)作实时且适当的相位修正，如此即可以减小切换相位信号(Sp)的相位及电流相位信号(Sc)的相位的差异，直至输入相位比较器的切换相位信号(Sp)的相位及电流相位信号(Sc)的相位无差异，则锁相回路即锁定而停止对换相控制信号(So)作修正，此时由于马达的切换相位信号(Sp)的相位及电流相位信号(Sc)的相位为一致，藉此，使马达有较佳的运转效率及平整状态的电流波形。

以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于所附的权利要求范围中。

Claims

1.一种马达控制装置，电性连接一马达，其包括：

一相位感测电路，用以感测该马达运转时的磁极的相位切换以产生一切换相位信号；

一电流感测电路，用以感测通过该马达的一线圈的电流，以产生一电流相位信号；

一锁相回路，电性连接该相位感测电路、该电流感测电路，以分别接收该切换相位信号及该电流相位信号，该锁相回路比较该切换相位信号及该电流相位信号之间的相位差异以输出一换相控制信号；

一控制器，电性连接该锁相回路，以接收该换相控制信号，并依据该换相控制信号以产生一驱动信号；以及

一驱动电路，分别电性连接该控制器及该马达，该驱动电路接收该驱动信号，并依据该驱动信号控制该马达的该磁极的相位切换，以驱动该马达运转。

2.根据权利要求1所述的马达控制装置，其中该锁相回路包括：

一相位比较器，分别电性连接该相位感测电路及该电流感测电路，以分别接收该切换相位信号及该电流相位信号，该相位比较器比较该切换相位信号及该电流相位信号的相位差异以输出正脉冲信号或负脉冲信号；

一回路滤波器，电性连接该相位比较器以接收该正脉冲信号或该负脉冲信号，该回路滤波器将该正脉冲信号或该负脉冲信号予以平均化并转换成一直流电压输出；以及

一电压控制振荡器，电性连接该回路滤波器以接收该直流电压，该电压控制振荡器依据该直流电压以输出一换相控制信号至该控制器。

3.根据权利要求2所述的马达控制装置，其中该相位比较器比较该切换相位信号及该电流相位信号，当该切换相位信号大于该电流相位信号时输出该正脉冲信号，该切换相位信号小于该电流相位信号时输出该负脉冲信号。

4.根据权利要求2所述的马达控制装置，其中该回路滤波器具有一积分器，并通过该积分器将正脉冲信号或负脉冲信号予以平均化，并转换成该直流电压。

5.根据权利要求1所述的马达控制装置，其中该切换相位信号、该电流相位信号及该换相控制信号为频率信号。

6.根据权利要求1所述的马达控制装置，其中该驱动电路为一全桥电路，包括一第一开关元件、一第二开关元件、一第三开关元件及一第四开关元件，该些开关元件电连接于该马达的该线圈与该控制器之间。

7.根据权利要求6所述的马达控制装置，其中该第一开关元件、该第二开关元件、该第三开关元件的漏极及该第四开关元件的漏极分别电性连接于该马达的该线圈的两端，该第一开关元件的源极及该第二开关元件的源极分别电性连接于一电源，该第三开关元件的源极及该第四开关元件的源极电性连接于接地端，该第一开关元件的栅极、该第二开关元件的栅极、该第三开关元件的栅极及该第四开关元件的栅极分别电性连接于该控制器。

8.根据权利要求7所述的马达控制装置，其中该控制器分别输出该驱动信号至该些开关元件，并依据该驱动信号以轮流开启或关闭该些开关元件，使该马达的该磁极相位切换，以驱动该马达运转。

9.根据权利要求7所述的马达控制装置，其中该电流感测电路包括一第一电阻及一第一比较器，该第一电阻的第一端电性连接该马达的该线圈，该第一电阻的第二端则电性连接该驱动电路的该第一开关元件的该漏极及该第三开关元件的该漏极，该第一比较器的第一输入端及第二输入端分别电性连接一第二电阻及一第三电阻后再分别电性连接该第一电阻的该第一端及该第二端，该第一比较器的输出端则电性连接该锁相回路。

10.根据权利要求7所述的马达控制装置，其中该电流感测电路包括一第一电阻、一第一比较器及一第二比较器，该第一电阻的第一端电性连接该马达的该线圈，该第一电阻的第二端则电性连接该驱动电路的该第一开关元件的该漏极及该第三开关元件的该漏极，该第一比较器的第一输入端及第二输入端分别电性连接一第二电阻及一第三电阻后再分别电性连接该第一电阻的该第一端及该第二端，该第一比较器的输出端则电性连接该第二比较器的第一输入端，该第二比较器的第二输入端则电性连接一第四电阻的第一端及一第五电阻的第一端，该第四电阻的第二端接地，该第五电阻的第二端电性连接该电源后接地，该第二比较器的输出端则电性连接该锁相回路。

11.根据权利要求7所述的马达控制装置，其中该电流感测电路包括一第六电阻、一第七电阻及一第一比较器，该第六电阻的第一端及该第七电阻的第一端分别电性连接该第三开关元件的该源极及该第四开关元件的该源极，该第六电阻第二端及该第七电阻第二端接地；该第一比较器的第一输入端及第二输入端分别电性连接一第二电阻及一第三电阻后再分别电性连接该第六电阻的该第一端及该第七电阻的该第一端，该第一比较器的输出端则电性连接该锁相回路。

12.根据权利要求7所述的马达控制装置，其中该电流感测电路包括一第六电阻、一第七电阻、一第一比较器及一第二比较器，该第六电阻的第一端及该第七电阻的第一端分别电性连接该第三开关元件的该源极及该第四开关元件的该源极，该第六电阻第二端及该第七电阻第二端接地；该第一比较器的第一输入端及第二输入端分别电性连接一第二电阻及一第三电阻后再分别电性连接该第六电阻的该第一端及该第七电阻的该第一端，该第一比较器的输出端则电性连接该第二比较器的第一输入端，该第二比较器的第二输入端则电性连接一第四电阻的第一端及一第五电阻的第一端，该第四电阻的第二端接地，该第五电阻的第二端电性连接该电源后接地，该第二比较器的输出端则电性连接该锁相回路。