CN102136820B - 无刷直流马达的无感测器启动控制方法 - Google Patents

Abstract

一种无刷直流马达的无感测器启动控制方法，包含步骤：一第一次转子定位步骤；一第二次转子定位步骤；一开回路启动步骤；及一闭回路运转控制步骤。本发明借助上述启动步骤，在该第一次转子定位步骤中发生启动死角时，仍可借助该第二次转子定位步骤进行转子的定位，以进一步提高无刷直流马达启动的定位精确度、降低耗电量及提高启动顺畅性。

Description

无刷直流马达的无感测器启动控制方法

技术领域

本发明关于一种无刷直流马达的启动控制方法，尤其是一种无设置感测器的无刷直流马达的启动控制方法。

背景技术

近年来，马达的使用对于许多产业利用上均扮演着相当重要的角色，例如，在散热风扇产业的应用中，为增进该等散热风扇的运转效率，业者大多使用无刷直流马达控制该散热风扇的扇叶转动，以进行电子产品的驱风散热。

在操作该无刷直流马达时，在某些场合中，其通常预先利用一霍尔感测器的检测，以确定一转子的磁极位置，以便后续的驱动控制得以顺畅进行。然而，在一些应用场合中，往往因为环境条件限制而无法使用该霍尔感测器(例如压缩机引起的高温造成该霍尔感测器误动作，而影响该无刷直流马达的启动操作)。

有鉴于此，利用无感测器技术控制该无刷直流马达运转的方法已纷纷被提出。请参照图1所示，其揭示一种现有无刷直流马达的无感测器启动控制方法，包含步骤：一转子定位步骤S91；一开回路启动步骤S92；及一闭回路运转控制步骤S93。

请参照图2及3a所示，为方便说明该现有无刷直流马达的启动控制方法，以下将以一三相无刷直流马达9为例进行说明。其中该无刷直流马达9具有六个定子磁极91及一转子92，该转子92具有四个转子磁极921，且该无刷直流马达的六个定子磁极91上依序绕有三相线圈u1、v1、w1、u2、v2及w2。

请再参照图2所示，其揭示一三相全桥转换器，该三相全桥转换器具有六电子式开关SW1、SW2、SW3、SW4、SW5及SW6，在进行各相线圈u1、v1、w1、u2、v2及w2的激磁时，该无刷直流马达9可借助该三相全桥转换器控制各相线圈u1、v1、w1、u2、v2及w2的电流流向。

请再参照图2、3a及3b所示，在转子定位步骤S91中，将其中一组线圈操作在一激磁状态，使该转子92定位在一定子磁极起始位置P1。更进一步言之，如图2所示，利用导通该电子式开关SW1及该电子式开关SW2，并且，如图3b所示，将该导通状态维持一段定位驱动时序X1，此时，如图3a所示，该u1及u2线圈受激磁产生一N极磁场；同时，该v1及v2线圈也受激磁而产生一S极磁场；据此，二个相邻异极性的转子磁极921可分别受到该u1线圈产生的N极磁场及该v1线圈产生的S极磁场的吸引，驱动该转子92转动，进而使该转子92二个相邻转子磁极921的一转子磁极交界位置D1对应该定子磁极起始位置P1，其中该定子磁极起始位置P1即为图3a中介于绕有u1线圈的定子磁极91及绕有v1线圈的定子磁极91之间的位置。

请参照图3c至3f所示，在开回路顺序启动步骤S92中，依据一开回路驱动时序，顺序激磁各该线圈，以驱动该转子92朝一预定转向转动。更进一步言之，该六个线圈u1、v1、w1、u2、v2及w2依照图3b的开回路驱动时序Y1至Y4顺序切换图2的该六个电子式开关SW1、SW2、SW3、SW4、SW5及SW6，在此步骤中，该无刷直流马达9各线圈顺序激磁，使该无刷直流马达9的转子92依序朝一预定转向转动，如图3c至3f中，该无刷直流马达9转子92的转子磁极交界位置D1依一第一开回路启动位置Q1、一第二开回路启动位置Q2、一第三开回路启动位置Q3及一第四开回路启动位置Q4顺序对应转动，并建立一感应电动势。

在闭回路转速控制步骤S93中，利用反馈该感应电动势，以便一控制器93依据该感应电动势进行该无刷直流马达9的闭回路转速控制。更进一步言之，如图2所示，借助一转换电路94将该感应电动势送至该控制器93，以控制该无刷直流马达9加速达到一预定转速后，再控制该无刷直流马达9等速运转。据此，借助上述步骤S91至S93以完成该无刷直流马达的无感测器启动控制。

然而，一般而言，上述现有无刷直流马达的无感测器启动控制方法将具有以下缺点：请参照图4所示，在转子定位步骤S91中，该u1、u2、v1及v2线圈激磁分别所产生的磁场与该转子磁极921的磁场相同极性，而发生启动死角的情况。此时，该u1、u2、v1及v2线圈激磁所产生的磁场与该转子磁极921的磁场发生推斥合力为零的状况，以致该转子92无法顺利定位至该定子磁极起始位置P1(如图3a所示)，进而造成之后的开回路顺序启动产生失步现象，即在各开回路驱动时序Y1至Y4中，该开回路驱动时序Y1至Y4无法使转子92转动到预定的的开回路启动位置Q1至Q4，因此导致后续闭回路转速控制步骤中所反馈的感应电动势异常，结果，将造成该无刷直流马达9启动失败。

有鉴于此，一般现有无刷直流马达9的无感测器启动控制方法为克服上述启动死角的问题，通常会将该无刷直流马达9的供应电压提高，以相对增加该无刷直流马达9的启动转矩，此一方式虽可克服启动死角的问题，然而其将增加该无刷直流马达9的耗电量。

再者，在该无刷直流马达9发生启动死角情况下，当利用增加该供应电压方式强迫该无刷直流马达9转动定位至该定子磁极起始位置P1时，该转子92的转动角度为一个转子磁极921的角度，如图4所示，也即该转子磁极交界位置D1相对该定子磁极起始位置P1形成90度角差，因此，该无刷直流马达9极有可能在开回路启动步骤S92时发生朝相反于该预定转向转动的机会，而且，在进入闭回路转速控制步骤S93时，此一相反于该预定转向转动相对产生的感应电动势在特定激磁状况中会与该闭回路转速控制信号同步，因此该无刷直流马达9的控制器93将判定该转子92此时的转动状态为正常转动，并持续控制其等速转动，但操作者此时观察到的无刷直流马达9实质操作于逆向转动状态。据此，操作者需要对该无刷直流马达9的启动控制程序进行重置设定，因此将降低该无刷直流马达9的启动顺畅性。基于上述原因，有必要进一步改良上述现有无刷直流马达9的无感测器启动控制方法。

发明内容

本发明主要目的是提供一种无刷直流马达的无感测器启动控制方法，利用二次转子定位步骤，避免无刷直流马达启动时发生启动死角，以提高无刷直流马达启动的定位精确度。

本发明次一目的是提供一种无刷直流马达的无感测器启动控制方法，利用二次转子定位步骤，在各转子定位步骤时，线圈可使用较低供应电压进行激磁，进一步降低无刷直流马达耗电量。

本发明另一目的是提供一种无刷直流马达的无感测器启动控制方法，利用二次转子定位步骤，以避免无刷直流马达朝相反于一预定方向转动，以提高无刷直流马达启动顺畅性。

根据本发明无刷直流马达的无感测器启动控制方法，包含步骤：一第一次转子定位步骤，将一线圈模块操作在一第一定位激磁状态，使一转子定位在一第一定位位置；一第二次转子定位步骤，将该线圈模块操作在一第二定位激磁状态，使该转子自该第一定位位置转动至一第二定位位置，并使该转子定位在该第二定位位置；及一开回路启动步骤，顺序激磁该线圈模块的数个线圈，以驱动该转子朝预定转向转动，并建立一感应电动势；一闭回路运转控制步骤，利用反馈该感应电动势，使该无刷直流马达加速至预定转速。本发明无刷直流马达的无感测器启动控制方法，包括第一次转子定位步骤及第二次转子定位步骤的操作，以克服现有无刷直流马达的无感测器启动控制方法具有启动死角的问题，因此本发明相较于上述现有技术可进一步提高无刷直流马达启动的定位精确度、降低耗电量及提高启动顺畅性等功效。

附图说明

图1：现有无刷直流马达的无感测器启动控制方法流程图。

图2：现有三相全桥转换器的电路示意图。

图3a：现有无刷直流马达操作在转子定位步骤时的定子磁极及转子磁极位置对应示意图。

图3b：现有无刷直流马达进行无感测器启动控制时的三相全桥转换器的驱动时序示意图。

图3c至3f：现有无刷直流马达操作在开回路顺序启动步骤时的定子磁极及转子磁极位置对应示意图。

图4：现有无刷直流马达发生启动死角时定子磁极相对转子磁极的位置示意图。

图5：本发明较佳实施例的无刷直流马达的无感测器启动控制方法流程图。

图6：本发明较佳实施例的三相全桥转换器的电路示意图。

图7a：本发明较佳实施例的无刷直流马达操作在第一次转子定位步骤时的定子磁极及转子磁极位置对应示意图。

图7b：本发明较佳实施例的无刷直流马达进行无感测器启动控制时的三相全桥转换器的驱动时序示意图。

图7c：本发明较佳实施例的无刷直流马达操作在第二次转子定位步骤时的定子磁极及转子磁极位置对应示意图。

图7d至7g：本发明较佳实施例的无刷直流马达操作在开回路顺序启动步骤时的定子磁极及转子磁极位置对应示意图。

主要元件符号说明：

1无刷直流马达 11定子磁极     12转子         121转子磁极

2控制器       3转换电路      U1线圈         U2线圈

V1线圈        V2线圈         W1线圈         W2线圈

M1电子式开关  M2电子式开关   M3电子式开关   M4电子式开关

M5电子式开关  M6电子式开关   9无刷直流马达  91定子磁极

92转子        921转子磁极    93控制器       94转换电路

u1线圈        u2线圈         v1线圈         v2线圈

w1线圈        w2线圈         SW1电子式开关  SW2电子式开关

SW3电子式开关 SW4电子式开关  SW5电子式开关  SW6电子式开关

具体实施方式

为让本发明的上述及其他目的、特征及优点能更明显易懂，下文特举本发明的较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：

请参照图5所示，其揭示本发明较佳实施例的无刷直流马达的无感测器启动控制方法，包含步骤：一第一次转子定位步骤S1；一第二次转子定位步骤S2；一开回路启动步骤S3；及一闭回路运转控制步骤S4。借助上述步骤S1至S4的启动控制，可使该无刷直流马达稳定以一预定转速朝该预定转向转动。

请参照图6及7a所示，为便于与现有无刷直流马达的无感测器启动控制方法比较，本发明较佳实施例仍将以一三相无刷直流马达1为例进行以下说明。其中该无刷直流马达1具有六个定子磁极11及一转子12，该转子12具有四个转子磁极121，且该六个定子磁极11上依序绕有线圈U1、V1、W1、U2、V2及W2，以作为该三相无刷直流马达1的三相线圈。其中该数个线圈U1、V1、W1、U2、V2及W2共同构成一线圈模块。

请再参照图6所示，其揭示一三相全桥转换器，该三相全桥转换器具有六电子式开关M1、M2、M3、M4、M5及M6，在进行各相线圈U1、V1、W1、U2、V2及W2的激磁时，该无刷直流马达1可借助该三相全桥转换器控制各相线圈U1、V1、W1、U2、V2及W2的电流流向。

请再参照图6、7a及7b所示，在第一次转子定位步骤S1中，将一线圈模块操作在一第一定位激磁状态，使该转子12定位在一第一定位位置A1。更进一步说明，如图6所示，导通该电子式开关M1及该电子式开关M2，并且，如图7b所示，将该导通状态维持在一段第一定位驱动时序T1的时间区间，使该线圈模块的U1及U2线圈受激磁产生一N极磁场，而该线圈模块的线圈V1及V2也受激磁而产生一S极磁场，如图7a所示。二个相邻异极性的转子磁极121可分别受到该线圈U1产生的N极磁场及该线圈V1产生的S极磁场的吸引，驱动该转子12转动，进而使该转子12二个相邻转子磁极121的一转子磁极交界位置F1对应该第一定位位置A1，其中该第一定位位置A1即为图7a中介于绕有线圈U1的定子磁极11及绕有线圈V1的定子磁极11之间的位置。

请参照图6、7b及7c所示，在第二次转子定位步骤S2中，将该线圈模块操作在一第二定位激磁状态，使该转子12自该第一定位位置A1转动至一第二定位位置A2，并使该转子定位在该第二定位位置A2。更进一步说明，例如导通该电子式开关M2及该电子式开关M3并维持一段第二定位驱动时序T2的时间区间，此时，该线圈模块的U1及U2线圈受激磁产生一N极磁场；且该线圈模块的W1及W2线圈也受激磁而产生一S极磁场。因此，二个相邻异极性的转子磁极121可分别受到该线圈U1产生的N极磁场及该线圈W1产生的S极磁场的吸引，驱动该转子12转动，进而使该二个相邻异极性的转子磁极121的转子磁极交界位置F1对应该第二定位位置A2，其中该第二定位位置A2即为图7c中绕有线圈V1的定子磁极11的中心位置。

进一步比较图7a及7c，该第二定位位置A2相对该第一定位位置A1逆时针30度，该第二定位位置A2与该第一定位位置A1的相对角度小于该转子磁极121的角度，且该转子12自该第一定位位置A1转动至该第二定位位置A2的转动方向与利用图7b的定位驱动时序T1、T2及R1至R4控制该无刷直流马达1朝该预定转向转动的方向一致。

再者，基于上述条件，在本发明第二次转子定位步骤S2中，也可选择控制该电子式开关M3及该电子式开关M4导通，以控制该第二定位位置A2自该第一定位位置A1逆时针转动60度。

综上所述，该第一定位位置A1与该第二定位位置A2之间的关系必须满足以下条件：

1、该转子12自该第一定位位置A1转动到该第二定位位置A2的角度不超过该转子磁极121的角度，其中，该转子磁极121的角度定义为360度除以该无刷直流马达的转子磁极121的数量(在本发明较佳实施例中以90度的转子磁极角度为例)；

2、且该转子12自该第一定位位置A1转动到该第二定位位置A2的转动方向与该无刷直流马达1朝该预定转向转动的方向一致。

如此，借助本发明第一次转子定位步骤S1及第二次转子定位步骤S2的操作，当启动死角(如图4的情况)发生在第一次转子定位步骤S1时，仍可利用第二次转子定位步骤S2将转子磁极吸引到该第二定位位置A2，以进一步提高该无刷直流马达1在启动时的定位精确度。

在开回路顺序启动步骤S3中，依据该开回路驱动时序R1至R4，顺序激磁该线圈模块的数个线圈，以驱动该转子12朝预定转向转动。即，该线圈模块的六个线圈U1、V1、W1、U2、V2及W2依照图7b的开回路驱动时序R1至R4顺序切换图6的该六个电子式开关M1、M2、M3、M4、M5及M6，在此步骤中，该无刷直流马达1的该线圈模块顺序激磁，使该无刷直流马达1的转子12依序朝该预定转向转动，如图7d至7g中，该无刷直流马达1的转子12的转子磁极交界位置F1依一第一开回路启动位置B1、一第二开回路启动位置B2、一第三开回路启动位置B3及一第四开回路启动位置B4顺序对应转动，并建立一感应电动势。

请再参照图7b所示，其中该第一次转子定位步骤S1及第二次转子定位步骤S2的各定位驱动时序T1、T2的时间区间大于各该开回路驱动时序R1至R4的时间区间，典型值可设计为至少2倍时间长。

再者，相较于现有技术，本发明该无刷直流马达1可在接收一较低供应电压的条件下，进行运转操作，即各该定位驱动时序T1及T2的波形振幅及各该开回路驱动时序R1至R4的波形振幅可调整低于该现有技术中该定位驱动时序X1的波形振幅及各该开回路驱动时序Y1至Y4的波形振幅，以有效降低该无刷直流马达1耗电量。

在闭回路转速控制步骤S4中，利用反馈该感应电动势，以便一控制器2依据该感应电动势进行该三相无刷直流马达1的闭回路转速控制。更进一步言之，如图6所示，借助一转换电路3检测该感应电动势，并将一控制信号送至该控制器2，以控制该无刷直流马达1加速达到该预定转速后，再控制该无刷直流马达1等速运转。据此，借助上述步骤以完成本发明该无刷直流马达1的无感测器启动控制。其中该转换电路3用以将该感应电动势转换为适合该控制器2的电压，以避免该控制器2烧毁。

综上所述，本发明借助上述第一次转子定位步骤S1及第二次转子定位步骤S2的操作，以克服现有无刷直流马达9的无感测器启动控制方法具有启动死角的问题，因此本发明相较于上述现有技术可进一步提高无刷直流马达1启动的定位精确度、降低耗电量及提高启动顺畅性等功效。

Claims (13)

1.一种无刷直流马达的无感测器启动控制方法，其特征在于包含步骤：

一个第一次转子定位步骤，将一个线圈模块操作在一个第一定位激磁状态，使一个转子定位在一个第一定位位置, 其中二个相邻异极性的转子磁极分别受到该线圈模块的一个U1线圈产生的一个N极磁场及一个V1线圈产生的一个S极磁场的吸引，驱动该转子转动，使该转子二个相邻转子磁极的一个转子磁极交界位置对应该第一定位位置，且其中该第一定位位置即为绕有该U1线圈的定子磁极及绕有该V1线圈的定子磁极之间的位置；

一个第二次转子定位步骤，将该线圈模块操作在一个第二定位激磁状态，使该转子自该第一定位位置转动至一个第二定位位置，并使该转子定位在该第二定位位置；

一个开回路启动步骤，顺序激磁该线圈模块的数个线圈，以驱动该转子朝预定转向转动，并建立一个感应电动势；及

一个闭回路运转控制步骤，利用反馈该感应电动势，使该无刷直流马达加速至预定转速。

2.依权利要求1所述的无刷直流马达的无感测器启动控制方法，其特征在于，在该第二次转子定位步骤中，该转子自该第一定位位置转动到该第二定位位置的角度不超过该转子的一个磁极的角度，该转子一个磁极的角度为360度除以该无刷直流马达的转子磁极数量。

3.依权利要求1或2所述的无刷直流马达的无感测器启动控制方法，其特征在于，在该第二次转子定位步骤中，该转子自该第一定位位置转动到该第二定位位置的转动方向与该无刷直流马达朝该预定转向转动的方向一致。

4.依权利要求1或2所述的无刷直流马达的无感测器启动控制方法，其特征在于，在该第一次转子定位步骤中以一个第一定位驱动时序将该线圈模块操作在该第一定位激磁状态，而在该第二次转子定位步骤中以一个第二定位驱动时序将该线圈模块操作在该第二定位激磁状态，且在该开回路启动步骤中以数个开回路驱动时序将该线圈模块的数个线圈顺序激磁，该第一定位驱动时序的时间区间及该第二定位驱动时序的时间区间大于各该开回路驱动时序的时间区间。

5.依权利要求3所述的无刷直流马达的无感测器启动控制方法，其特征在于，在该第一次转子定位步骤中以一个第一定位驱动时序将该线圈模块操作在该第一定位激磁状态，而在该第二次转子定位步骤中以一个第二定位驱动时序将该线圈模块操作在该第二定位激磁状态，且在该开回路启动步骤中以数个开回路驱动时序将该线圈模块的数个线圈顺序激磁，该第一定位驱动时序的时间区间及该第二定位驱动时序的时间区间大于各该开回路驱动时序的时间区间。

6.一种无刷直流马达的无感测器启动控制方法，其特征在于包含步骤：

一个第一次转子定位步骤，将一个线圈模块操作在一个第一定位激磁状态，使一个转子定位在一个第一定位位置；

一个第二次转子定位步骤，将该线圈模块操作在一个第二定位激磁状态，使该转子自该第一定位位置转动至一个第二定位位置，并使该转子定位在该第二定位位置，其中二个相邻异极性的转子磁极分别受到该线圈模块的一个U1线圈产生的一个N极磁场及一个W1线圈产生的一个S极磁场的吸引，驱动该转子转动，使该转子二个相邻转子磁极的一个转子磁极交界位置对应该第二定位位置，且其中该第二定位位置即为绕有一个V1线圈的定子磁极的中心位置；

一个开回路启动步骤，顺序激磁该线圈模块的数个线圈，以驱动该转子朝预定转向转动，并建立一个感应电动势；及

一个闭回路运转控制步骤，利用反馈该感应电动势，使该无刷直流马达加速至预定转速。

7.依权利要求6所述的无刷直流马达的无感测器启动控制方法，其特征在于，在该第二次转子定位步骤中，该转子自该第一定位位置转动到该第二定位位置的角度不超过该转子的一个磁极的角度，该转子一个磁极的角度为360度除以该无刷直流马达的转子磁极数量。

8.依权利要求6或7所述的无刷直流马达的无感测器启动控制方法，其特征在于，在该第二次转子定位步骤中，该转子自该第一定位位置转动到该第二定位位置的转动方向与该无刷直流马达朝该预定转向转动的方向一致。

9.依权利要求6或7所述的无刷直流马达的无感测器启动控制方法，其特征在于，在该第一次转子定位步骤中以一个第一定位驱动时序将该线圈模块操作在该第一定位激磁状态，而在该第二次转子定位步骤中以一个第二定位驱动时序将该线圈模块操作在该第二定位激磁状态，且在该开回路启动步骤中以数个开回路驱动时序将该线圈模块的数个线圈顺序激磁，该第一定位驱动时序的时间区间及该第二定位驱动时序的时间区间大于各该开回路驱动时序的时间区间。

10.依权利要求8所述的无刷直流马达的无感测器启动控制方法，其特征在于，在该第一次转子定位步骤中以一个第一定位驱动时序将该线圈模块操作在该第一定位激磁状态，而在该第二次转子定位步骤中以一个第二定位驱动时序将该线圈模块操作在该第二定位激磁状态，且在该开回路启动步骤中以数个开回路驱动时序将该线圈模块的数个线圈顺序激磁，该第一定位驱动时序的时间区间及该第二定位驱动时序的时间区间大于各该开回路驱动时序的时间区间。

11.依权利要求4所述的无刷直流马达的无感测器启动控制方法，其特征在于，该第一定位驱动时序的时间区间及该第二定位驱动时序的时间区间至少为各该开回路驱动时序的时间区间的2倍。

12.依权利要求5或10所述的无刷直流马达的无感测器启动控制方法，其特征在于，该第一定位驱动时序的时间区间及该第二定位驱动时序的时间区间至少为各该开回路驱动时序的时间区间的2倍。

13.依权利要求9所述的无刷直流马达的无感测器启动控制方法，其特征在于，该第一定位驱动时序的时间区间及该第二定位驱动时序的时间区间至少为各该开回路驱动时序的时间区间的2倍。

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