CN102412771A - 单相直流无刷马达控制器及控制其马达转速及转向的方法 - Google Patents

Abstract

一种单相直流无刷马达控制器及控制其马达转速及转向的方法。该单相直流无刷马达控制器，用以控制一单相直流无刷马达的转速及转向，该单相直流无刷马达控制器包括：一微控制单元，包括：一脉宽调制引脚，用以自一系统接收一PWM讯号；以及一换向逻辑单元，用以依据该PWM讯号控制该单相直流无刷马达的转速及转向。

Description

单相直流无刷马达控制器及控制其马达转速及转向的方法

技术领域

本发明涉及单相直流无刷马达，特别的涉及控制单相直流无刷马达转向的装置与方法。

背景技术

相对于有刷马达而言，无刷马达可以不必依靠传统的电刷进行换相，因此增加了马达结构的可靠度以及转动效率，并且较为省电、安静。此外，直流无刷马达的结构相较于交流无刷马达而言更加轻巧，具有占用较少的空间的优势，目前已广泛运用于电子装置散热风扇之中。

图1为传统单相直流无刷马达的结构图。直流无刷马达100包括一转子110及一定子120，其中转子120可相对定子110旋转。转子110分别具有多个磁极(在此图中为四个磁极)，各磁极可为永久磁铁，其中相邻的磁极分别具有相异的磁性，如图中的N极与S极。定子120具有与转子110相同数量的磁极，分别位于复数个硅钢片上(在此图中定子120共有四个硅钢片121～124)。然而，不同于转子110的永久磁铁，定子120的各个磁极的磁场是由磁极上的线圈绕组所产生，而其中的绕组方式则不限为轴向绕组或径向绕组。

值得注意的是，为了使无刷马达避开启动死角而能顺利启动，定子120的各个硅钢片121～124常设计成具有不对称的两侧(如图所示)，以使两侧分别与正对的转子110磁极间隔有不等距离的气隙。以图中的硅钢片121以及其正对的转子磁极为例，当该硅钢片121上的线圈绕组被激励而产生极性为N的磁场时，该硅钢片121将会与其正对的转子磁极(N极)互斥，但由于硅钢片121的两侧分别与其正对的转子磁极间存有不等距离，使得硅钢片121的两侧分别对其正对的转子磁极施加不同大小的排斥力，两排斥力的合力即可顺利地推动转子110朝顺时钟方向旋转。然而，当欲使此单相直流无刷马达进行反方向(即逆时钟方向)旋转时，会因无法避开启动死角而无法顺利启动。因此，现有的单相直流无刷马达仅能朝单方向旋转。

仅能单向旋转的直流无刷马达局限了其应用范围。若能设计出一种使传统单相直流无刷马达能够双向旋转的马达控制器，将有助于增加单相直流无刷马达的功用。

发明内容

本发明提供一种单相直流无刷马达控制器，用以控制一单相直流无刷马达的转速及转向，该单相直流无刷马达控制器包括：一微控制单元，包括：一脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)引脚，用以自一系统接收一PWM讯号；以及一换向逻辑单元，用以依据该PWM讯号控制该单相直流无刷马达的转速及转向。

本发明还提供一种控制单相直流无刷马达转速及转向的方法，包括：接收一PWM讯号；以及依据该PWM讯号控制该单相直流无刷马达的转速及转向。

本发明还提供一种变换单相直流无刷马达转向的方法，包括：在判断欲变换该单相直流无刷马达的转向时，先消除该单相直流无刷马达的一定子的磁场；以及在该单相直流无刷马达仍惯性旋转时，使该定子产生一反转磁场。

附图说明

图1为传统单相直流无刷马达的结构图。

图2为依据本发明一实施例的单相直流无刷马达控制器示意图。

图3为本发明一实施例中转子的磁场与霍尔感测单元输出的对应感测讯号示意图。

图4A为本发明的霍尔感测单元210、微控制单元230以及磁场控制单元220在单相直流无刷马达100进行正转时的时序图。

图4B则为本发明的霍尔感测单元210、微控制单元230以及磁场控制单元220在单相直流无刷马达100进行反转时的时序图。

图5为本发明的单相直流无刷马达100在进行惯性旋转时霍尔感测元件210的感测讯号示意图。

图6为本发明的控制单相直流无刷马达的转速及转向的方法流程图。

图7为本发明的变换单相直流无刷马达转向的方法流程图。

附图符号说明

100～单相直流无刷马达；

110～转子；

120～定子；

121～124～硅钢片；

200～单相直流无刷马达控制器；

210～霍尔感测单元；

220～磁场控制单元；

230～微控制单元；

232～换向逻辑单元；

240～PWM引脚。

具体实施方式

下面介绍本发明的最佳实施例。各实施例用以说明本发明的原理，但非用以限制本发明。本发明的范围以本发明的权利要求为准。

图2为依据本发明一实施例的单相直流无刷马达控制器示意图。请一并参照图1，本文中将以图1的单相直流无刷马达100作说明。本发明的单相直流无刷马达控制器200包括一霍尔感测单元210、一磁场控制单元220以及一微控制单元230。本发明的单相直流无刷马达控制器200不仅可如现有技术般用来改变单相直流无刷马达100的转速，更特别的是，可用来改变该单相直流无刷马达的转向。

本发明的霍尔感测单元210可配置于单相直流无刷马达100的定子120的一硅钢片上，如图1所示。霍尔感测单元210耦接至微控制单元230，可用以感测该单相直流无刷马达100的转子110在正对该霍尔感测单元210处的磁场，并将一感测讯号提供至该微控制单元。图3即为本发明一实施例中转子110的磁场与霍尔感测单元210输出的对应感测讯号示意图。在此实施例中，当霍尔感测单元210感测到的转子磁场为S极时，会输出高电平讯号；而当霍尔感测单元210感测到的转子磁场为N极时，则会输出低电平讯号。随着转子110的旋转，霍尔感测单元210会交替输出高低电平的讯号。本领域的技术人员可自行定义输出讯号电平与磁场极性的对应关系，本发明不必以此实施例为限。

本发明的磁场控制单元220用以改变该单相直流无刷马达100的定子120的磁场，目的在驱动该单相直流无刷马达100的转子110。本发明的磁场控制单元220可产生一正转磁场、一反转磁场、或者消除磁场，分别用以使单相直流无刷马达100的转子110正转、反转或停止。在一实施例中，「产生正转磁场」是指磁场控制单元220在定子120的一硅钢片上，产生与硅钢片正对的转子磁极相斥的磁场，以图1为例，即在硅钢片121上产生极性为N的磁场；「产生反转磁场」是指磁场控制单元220在定子120的一硅钢片上，产生与硅钢片正对的转子磁极相吸的磁场；以图1为例，即在硅钢片121上产生极性为S的磁场；而「消除磁场」是指磁场控制单元220使硅钢片121上不带任何磁性。更明确地说，磁场控制单元220可在定子120硅钢片的磁极线圈通以不同方向的电流，以达到产生正转磁场及反转磁场的目的。在此实施例中，若磁场控制单元220产生的电流是由高电平的X点流至低电平的Y点时，硅钢片上的磁极线圈会产生S极的磁场；若磁场控制单元220产生的电流是由高电平的Y点流至低电平的X点时，则硅钢片上的磁极线圈会产生N极的磁场。必须说明的是，基于单相直流无刷马达的既有设计，其必定可朝一方向顺利启动并旋转，而朝该方向旋转即所谓的「正转」，若以图1的单相直流无刷马达100为例，则「顺时钟方向」即为「正转」。反之，基于相同的马达设计，如现有技术中所述，其必定无法朝另一方向顺利启动并旋转，而朝该方向旋转即所谓的「反转」，若以图1的单相直流无刷马达100为例，则「逆时钟方向」即为「反转」。前述「顺时钟旋转」、「反时钟旋转」、「相斥」、「相吸」等对应关系仅为例示，本领域的技术人员可轻易通过各种方式变更前述对应关系，因此本发明不必以前述实施例为限。

本发明的微控制单元230耦接至该霍尔感测单元210以及该磁场控制单元220，用以自该霍尔感测单元210上接收其感测讯号，并用以控制该磁场控制单元230，进而控制单相直流无刷马达100的定子120的磁场，达到控制单相直流无刷马达100的转向的目的。本发明的微控制单元230至少包括一换向逻辑单元232，用以判断一系统(图未示)是否欲变换单相直流无刷马达100的转向。

值得注意的是，为了使单相直流无刷马达100顺利完成转向的动作，本发明的换向逻辑单元232还在判断该系统欲变换单相直流无刷马达100的转向时进行下述步骤：(1)先令该磁场控制单元230消除该定子120的磁场，以及(2)在该单相直流无刷马达100的转子110仍惯性旋转时，致使该磁场控制单元230产生一反转磁场。当单相直流无刷马达100的转子110尚未启动，或者正处于正转磁场下而正转时，若冒然对该转子110施加反转磁场，转子110会因反转启动死角的关系而无法顺利反转，导致单相直流无刷马达100停止运作。本发明利用转子110仍在正转的惯性旋转之际施加反转磁场，即可轻易避开反转启动死角而使转子110顺利反转。在一实施例中，当系统欲使单相直流无刷马达100从静止反转时，本发明的换向逻辑单元232则必须将单相直流无刷马达100先进行正转，并在启动正转后随即执行上述步骤而达到反转的结果。

可参照图4A及图4B了解本发明的单相直流无刷风扇控制器200实际上的讯号逻辑关系。其中，图4A为本发明的霍尔感测单元210、微控制单元230以及磁场控制单元220在单相直流无刷马达100进行正转时的时序图；而图4B则为本发明的霍尔感测单元210、微控制单元230以及磁场控制单元220在单相直流无刷马达100进行反转时的时序图。

虽然依照前述实施例，磁场控制单元230在单相直流无刷马达100惯性旋转时产生反转磁场即可使其顺利反转，但本发明的换向逻辑单元232仍可进一步决定磁场控制单元230产生反转磁场的最佳时机。在一较佳的实施例中，该换向逻辑单元232可依据该霍尔感测单元210所提供的该感测讯号判断该转子110相对该定子120的位置，并在该单相直流无刷马达惯性旋转至一反转启动死角之外的位置时，致使该磁场控制单元232产生该反转磁场。以图1为例，其中，当转子110的一磁极完全正对定子120的磁极时，此相对位置即为反转启动死角。在此实施例中，霍尔感测元件210位于定子120的硅钢片的边缘，因此，当霍尔感测元件210输出的感测讯号高低电平变换之际，即为马达正在脱离反转启动死角之际。本领域的技术人员可依照本发明的精神，设定在感测讯号电平变换前后一预定时间之外作为产生反转磁场最佳时机。此外，在其他实施例中，该霍尔感测元件210可设置于硅钢片上的其他位置，而产生反转磁场的最佳时机可依照该霍尔感测元件210的实际位置相应调整，本发明不必以前述实施为限。

除了上述的转子位置的判断，本发明的换向逻辑单元232亦可用以判断马达100的转速。图5为本发明的单相直流无刷马达100在进行惯性旋转时霍尔感测元件210的感测讯号示意图，其中，感测讯号的工作周期随着时间逐渐增长，表示单相直流无刷马达100转速正在减缓当中。本发明的换向逻辑单元232可由感测讯号工作周期的变化计算出马达转子110的转速变化，并在转子110接近静止但尚未静止前致使磁场控制单元230产生反转磁场。综合上述位置考虑及转速考虑，本领域的技术人员可依据本发明的精神自行设定产生该反转磁场的最佳时机。

前文已详细介绍了能够使单相直流无刷马达进行双向旋转的单相直流无刷马达控制器200。除此之外，本发明还提供一种启动马达换向旋转的机制。参照图2，在一实施例中，本发明的微控制器200还包括一脉宽调制(PulseWidth Modulation，PWM)引脚240，可用以自系统(图未示)接收一PWM讯号；而后，本发明的换向逻辑单元232即可依据该PWM讯号控制该单相直流无刷马达100的转速及转向。在现有技术中，系统仅能通过PWM讯号控制马达的转速。一般而言，当PWM讯号的工作周期(duty cycle)越大，则表示系统欲提高马达转速，反之，当PWM讯号的工作周期越小，则表示系统欲降低马达转速。然而，本发明的PWM讯号除了用以控制马达的转速外尚可用来控制马达的转向。更明确地说，换向逻辑单元232可由该PWM讯号的工作周期是否超过(即高于或低于)一预定工作周期判断是否变换该单相直流无刷马达100的转向。举例而言，在一实施例中，换向逻辑单元232中可先设定一预定工作周期0.5。当PWM讯号的工作周期高于预定工作周期0.5时，则判断该系统欲令马达正转；而当PWM讯号的工作周期低于预定工作周期0.5时，则判断该系统欲令马达反转。在此实施例中，若同时以PWM讯号控制转速及转向时，则，当PWM讯号的工作周期为0.5～1.0时，则判断该系统欲令马达以正转全速的0％～100％运转；而当PWM讯号的工作周期为0.0～0.5时，则判断该系统欲令马达以反转全速的0％～100％运转(PWM讯号的工作周期为0％则判断该系统欲令马达停止)。上述预定工作周期的设定以及判断工作周期的方法仅为例示，本领域的技术人员可依上述实施例进行各种形式的变更。

此外，在其他实施例中，亦可不以PWM讯号作为控制马达转速及转向的依据。举例而言，该微控制单元230可另外增设一换向讯号引脚(图未示)，用以自该系统接收一换向讯号，而该换向逻辑单元232可依据该换向讯号直接控制该单相直流无刷马达100的转向。

本发明还提供一种能够双向旋转的单相直流无刷马达(图未示)，其实际结构等同前述图1的单相直流无刷马达100与图2的单相直流无刷马达控制器200的结合，由于其特征均已充份介绍于前文，故在此不再赘述。此外，本发明还提供一种能够双向旋转的单相直流无刷马达系统(图未示)，其实际结构除了前述图1的单相直流无刷马达100以及图2的单相直流无刷马达控制器200之外，尚包括一系统，可用以提供上述PWM讯号，由于其他特征均已充份介绍于前文，故亦不再赘述。

本发明的单相直流无刷马达控制器可直接应用于现有的单相直流无刷马达之上而使其具有双向旋转的功能，如此一来，可大幅增加单相直流无刷马达的应用弹性。举例而言，在一实施例中，可将上述单相直流无刷马达控制器应用于一散热风扇的马达上，而此散热风扇藉由变换转向的方式而同时具有吹风及抽风的功能，可轻易改变热流场而增加散热效率。在另一实施例中，该散热风扇可藉由变换转向的方式避免单方向运转时在固定方向累积灰尘，不论变换转向的动作是偶然执行或定期进行，皆能达到自体除尘的效果。

除了上述的装置，本发明还提供一种控制单相直流无刷马达的转速及转向的方法。图6为本发明的控制单相直流无刷马达的转速及转向的方法流程图。请一并参照图1，本发明控制单相直流无刷马达转速及转向的方法包括：在步骤S602中，接收一PWM讯号；在步骤S604中，依据该PWM讯号控制该单相直流无刷马达100的转速及转向。举例而言，步骤S604可由该PWM讯号的工作周期(duty cycle)是否超过一预定工作周期判断是否变换该单相直流无刷马达100的转向，详细内容可参照前述单相直流无刷马达控制器的实施例。

图7为本发明的变换单相直流无刷马达转向的方法流程图。本发明的变换单相直流无刷马达转向的方法包括：在步骤S702中，在判断欲变换该单相直流无刷马达的转向时，先消除该单相直流无刷马达100的一定子120的磁场；以及在步骤S704中，在该单相直流无刷马达100仍惯性旋转时，使该定子120产生一反转磁场。详细内容可参照前述单相直流无刷马达控制器的实施例。

本发明虽以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明的范围，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可做若干的更动与润饰，因此本发明的保护范围以本发明的权利要求为准。

Claims (10)

1.一种单相直流无刷马达控制器，用以控制一单相直流无刷马达的转速及转向，该单相直流无刷马达控制器包括：

一微控制单元，包括：

一脉宽调制引脚，用以自一系统接收一脉宽调制讯号；以及

一换向逻辑单元，用以依据该脉宽调制讯号控制该单相直流无刷马达的转速及转向。

2.如权利要求1所述的单相直流无刷马达控制器，其中该换向逻辑单元是由该脉宽调制讯号的工作周期是否超过一预定工作周期判断是否变换该单相直流无刷马达的转向。

3.如权利要求1所述的单相直流无刷马达控制器，还包括一磁场控制单元，耦接至该微控制单元，用以受该微控制单元的控制而改变该单相直流无刷马达的一定子的磁场；其中，当该换向逻辑单元欲变换单相直流无刷马达的转向时，先令该磁场控制单元消除该定子的磁场，并在该单相直流无刷马达仍惯性旋转时，致使该磁场控制单元产生一反转磁场。

4.如权利要求3所述的单相直流无刷马达控制器，还包括一霍尔感测单元，位于该定子上，耦接至该微控制单元，用以感测该单相直流无刷马达的一转子上正对该霍尔感测单元处的磁场，并将一感测讯号提供至该微控制单元；其中，该换向逻辑单元还依据该霍尔感测单元所提供的该感测讯号判断该转子相对该定子的位置，并在该转子惯性旋转至一反转启动死角之外的位置时，致使该磁场控制单元产生该反转磁场。

5.如权利要求4所述的单相直流无刷马达控制器，其中，该换向逻辑单元还依据该霍尔感测单元所提供的该感测讯号判断该转子的转速，并在该转子接近静止但尚未静止前，致使该磁场控制单元产生该反转磁场。

6.如权利要求1所述的单相直流无刷马达控制器，其中，该微控制单元还包括一换向讯号引脚，用以自该系统接收一换向讯号。

7.如权利要求6所述的单相直流无刷马达控制器，其中该换向逻辑单元还用以依据该换向讯号控制该单相直流无刷马达的转向。

8.一种控制单相直流无刷马达转速及转向的方法，包括：

接收一脉宽调制讯号；以及

依据该脉宽调制讯号控制该单相直流无刷马达的转速及转向。

9.如权利要求8所述的控制单相直流无刷马达转速及转向的方法，还包括由该脉宽调制讯号的工作周期是否超过一预定工作周期判断是否变换该单相直流无刷马达的转向。

10.一种变换单相直流无刷马达转向的方法，包括：

在判断欲变换该单相直流无刷马达的转向时，先消除该单相直流无刷马达的一定子的磁场；以及

在该单相直流无刷马达仍惯性旋转时，使该定子产生一反转磁场。

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