CN103378800A

CN103378800A - 可提高马达驱动运转效率的控制器与方法

Info

Publication number: CN103378800A
Application number: CN2012101142335A
Authority: CN
Inventors: 郑茂兴
Original assignee: YINGGUANG TECHNOLOGY CORP
Current assignee: YINGGUANG TECHNOLOGY CORP; Padauk Tech Co Ltd
Priority date: 2012-04-18
Filing date: 2012-04-18
Publication date: 2013-10-30

Abstract

本发明涉及一种可提高马达驱动运转效率的控制器与方法，该控制器包含：马达转速周期测量单元，其接收与一马达有关的讯号并根据之而测量该马达的转速与周期；PWM讯号输出时序计算单元，其接收多个控制参数和马达转速周期测量单元的输出，根据之而计算所述PWM讯号的输出时序，以使该PWM讯号的打开时间提前于该与一马达有关的讯号的一转态时间点；以及PWM讯号产生单元，其根据PWM讯号输出时序计算单元的输出，产生所述PWM讯号。该控制器可弹性地依据不同马达硬件设计特性输入多个不同控制参数，该控制器即以该多个控制参数及马达运转转速，调整马达PWM驱动讯号的输出时序(Timing)，使马达运转在最佳驱动效率状态之下。

Description

可提高马达驱动运转效率的控制器与方法

技术领域

本发明涉及一种可提高马达驱动运转效率的控制器与方法。

背景技术

在马达系统应用上，马达控制系统依据霍尔(HALL)感应器输出讯号(霍尔讯号)以决定驱动电路的讯号切换，亦即根据霍尔讯号产生脉宽调变驱动控制讯号(PWM驱动讯号)，驱动马达运转。而霍尔(HALL)感应器的实际摆放位置会影响PWM驱动讯号的切换方式，并影响马达驱动电流波形，进而影响到马达运转的平稳度及运转效率。

现有技术中，当马达驱动运转效率不好时，主要以两种方式来解决：其一是调整霍尔感应器的位置以提前或延后驱动电路的讯号切换，其二是以硬件电路方式来改变PWM驱动讯号，以调整马达驱动电流波形。

使用调整霍尔感应器位置的方法，请参考图1，因此种现有技术中，PWM驱动讯号的切换时点上升缘(S1)和下降缘(S2)紧随霍尔讯号的上升缘(H1)和下降缘(H2)，故必须随着不同的风扇特性频繁地更改电路板上霍尔感应器的置放位置，以便调整PWM驱动讯号的切换时点，以使风扇效率符合要求。一般以风扇全速运转时量测马达是否达到最佳驱动效率，以决定霍尔感应器的置放位置，但因为霍尔感应器在电路板上的不可移动性，常常导致马达低速运转时电流过高及运转效率不佳的问题。但若要顾及马达低速运转效率而改变霍尔感应器的置放位置，将使得马达高速运转时无法达到最大输出功率。

第二种方法是以硬件电路方式来改变PWM驱动讯号，请参考美国专利第7030584号，其电路示于图2，在该案中，提早PWM驱动讯号的关闭时间(off time)而产生图中的讯号44，但此种安排方式尚不足以解决低速运转时电流过高及运转效率不佳的问题，请参考图3。此外，该方法需更改硬件电路的设计，执行上与前述调整霍尔感应器位置的方法一样，费时且增加开发成本。

除上述缺点外，在上述两种现有方法中，当马达驱动电流波形出现不同霍尔讯号状态，例如霍尔讯号高电位(High)与低电位(Low)讯号长度时不同，将使马达运转时电流过高且极度不平均，请参考图3的波形C1，C2。又，因其驱动电路的切换方式已固定，无法在不同应用状况下依据不同霍尔讯号来调整驱动电路的切换时间点，故除非更改硬件，否则无法改善因马达驱动电流波形不平均造成风扇运转效率不佳的问题。

此外，美国专利第7259531号也揭露了控制马达速度的方法，该现有技术的目的是要因应负载改变、而适应性地调整马达驱动参数，但并不能在负载不变的情况下，调整马达驱动电流波形或运转效率于最佳状态。

发明内容

有鉴于此，本发明的第一目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种可提高马达驱动运转效率的控制器。

本发明的第二目的在于，提出一种可提高马达驱动运转效率的控制方法。

为达上述目的，根据本发明的其中一个观点，提供了一种可提高马达驱动运转效率的控制器，其供应PWM驱动讯号给一马达驱动电路，该控制器包含：马达讯号周期测量单元，其接收与一马达有关的讯号并根据之而测量该马达的转速与周期；PWM讯号输出时序(Timing)计算单元，其接收多个控制参数和马达讯号周期测量单元的输出，根据之而计算所述PWM讯号的输出时序(Timing)，以使该PWM讯号的打开(On)时间提前于该与一马达有关的讯号的一转态时间点；以及PWM讯号产生单元，其根据PWM讯号输出时序计算单元的输出，产生所述PWM讯号；其中该PWM讯号输出时序(Timing)计算单元宜为韧体。

在其中一种较佳实施型态中，当该马达转速相对越高时，该PWM讯号的打开(On)时间相对更多提前，又当该马达转速相对越低时，该PWM讯号的打开(On)时间相对较少提前。

根据本发明的另一观点，提供了一种可提高马达驱动运转效率的控制器，其供应PWM讯号给一马达驱动电路，该控制器包含：马达转速周期测量单元，其接收与一马达有关的讯号并根据之而测量该马达的转速与周期；PWM讯号输出时序计算单元，其接收多个控制参数和马达转速周期测量单元的输出，根据之而计算所述PWM讯号的输出时序，以使该PWM讯号的打开(On)时间延后于该与一马达有关的讯号的一转态时间点，其中当该马达转速相对越高时，该PWM讯号的打开(On)时间相对较少延后，又当该马达转速相对越低时，该PWM讯号的打开(On)时间相对较多延后；以及PWM讯号产生单元，其根据PWM讯号输出时序计算单元的输出，产生所述PWM讯号。

根据本发明的另一观点，提供了一种提高马达驱动运转效率的控制方法，应用于一控制器中，该控制器供应PWM驱动讯号给一马达驱动电路，所述控制方法包含：接收与一马达有关的讯号并根据之而测量该马达的转速与周期；接收多个控制参数，根据之和马达的转速与周期而计算所述PWM讯号的输出时序(Timing)，以使该PWM讯号的打开(On)时间提前于该与一马达有关的讯号的一转态时间点；以及产生所述PWM讯号。

根据本发明的另一观点，提供了一种提高马达驱动运转效率的控制方法，应用于一控制器中，该控制器供应PWM驱动讯号给一马达驱动电路，所述控制方法包含：接收与一马达有关的讯号并根据之而测量该马达的转速与周期；接收多个控制参数，根据之和马达的转速与周期而计算所述PWM讯号的输出时序(Timing)，以使该PWM讯号的打开(On)时间延后于该与一马达有关的讯号的一转态时间点，其中当该马达转速相对越高时，该PWM讯号的打开(On)时间相对较少延后，又当该马达转速相对越低时，该PWM讯号的打开(On)时间相对较多延后；以及产生所述PWM讯号。

以上所述控制器与方法中，该与一马达有关的讯号可为霍尔(HALL)讯号，又该多个控制参数可包括PWM讯号的打开时间调整参数及马达参考转速、还可包括PWM讯号的关闭时间调整参数。

在其中一种实施型态中，请参考图5，以上所述控制器与方法中的PWM讯号包含四组讯号，且所述马达驱动电路包含四个晶体管，该四组讯号分别控制该四个晶体管的栅极。较佳地，该四个晶体管两两串联，两串联晶体管间的互连节点分别电连接于一马达的两端，两串联晶体管非互连的端点则分别与电源和地电连接，且其中，所述四组讯号控制该四个晶体管的栅极，使得在一段时间中，与电源电连接的两晶体管一个关闭一个导通，与地电连接的两晶体管亦为一个关闭一个导通，而与电源电连接的晶体管导通时与其串联的与地电连接的晶体管为关闭，而与地电连接的晶体管导通时与其串联的与电源电连接的晶体管为关闭。

下面通过具体实施例配合所附的图式详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1与图2分别说明两种马达驱动的现有技术方式；

图3说明现有技术的问题；

图4显示本发明的可提高马达驱动运转效率的控制器的一个实施例；

图5举例示出本发明可应用来控制的马达驱动电路40的结构；

图6说明如何根据霍尔讯号与控制参数产生PWM驱动讯号；

图7说明PWM讯号输出时序计算单元12的一个实施例；

图8说明控制马达驱动电路40的各PWM驱动讯号的波形；

图9说明本发明的效果；

图10说明本发明的另一效果。

图中符号说明

10可提高马达驱动运转效率的控制器

11马达讯号周期测量单元

12PWM讯号输出时序计算单元

13PWM驱动讯号产生单元

30现有技术电路

32驱动电路(现有技术)

34风扇马达(现有技术)

36相位补偿电路(现有技术)

38定时器(现有技术)

40马达驱动电路

42，44讯号(现有技术)

50马达风扇

91，92，93，101，103马达驱动电流波形

Q_AH，Q_AL，Q_BH，Q_BL晶体管

具体实施方式

首先请参考图4，本发明的可提高马达驱动运转效率的控制器10，可用以控制一马达驱动电路40，该马达驱动电路40驱动一马达，此马达例如为风扇马达50，但当然亦可为其它马达；该马达产生霍尔讯号回馈至控制器10之内。控制器10中，包含马达讯号周期测量单元11，PWM讯号输出时序计算单元12，和PWM驱动讯号产生单元13。马达讯号周期测量单元11根据霍尔讯号计算马达转速周期；PWM讯号输出时序计算单元12根据马达讯号周期测量单元11的测量结果，并根据外部输入并储存于控制器内的控制参数T_AD，T_AP，T_AA，T_BD，T_BP，T_BA，rpm_REF(容后详述)计算PWM讯号相较于霍尔讯号的转态点及次一转态点的相对打开关闭输出时序(Timing)；PWM驱动讯号产生单元13根据霍尔讯号、以及PWM讯号输出时序计算单元12的输出，而修正其所供应给马达驱动电路40的PWM驱动讯号。需注意的是，马达讯号周期测量单元11和PWM讯号输出时序计算单元12优选以韧体(firmware)制作，而非固定不易变更的硬件电路，因此控制器10可弹性地依据不同风扇特性输入多个不同控制参数，该控制器即以该多个参数及风扇目前转速，依据不同霍尔讯号状态调整PWM讯号相较于霍尔讯号的转态点及次一转态点的相对打开关闭输出时序(Timing)，使马达运转在驱动运转效率最佳状态之下。上述优点，将于后文中予以详细解释。

请参考图5，其为控制器10的应用实施例之一，显示驱动电路40，其包含四个两两串联的晶体管Q_AH、Q_AL、Q_BH、Q_BL，两串联晶体管间的互连节点分别电连接于风扇马达50的两端，两串联晶体管非互连的端点则分别与电源VCC和地电连接。控制器10输出四组PWM驱动讯号PWM_AH、PWM_AL、PWM_BH、PWM_BL，分别控制晶体管Q_AH、Q_AL、Q_BH、Q_BL的栅极，其原理为依据霍尔讯号，交互切换风扇马达电流方向，在霍尔讯号为高电位的时间内，使晶体管Q_AH和Q_BL导通，在霍尔讯号为低电位的时间内，使晶体管Q_BH和Q_AL导通。亦即，使得在一段时间中，与电源电连接的两晶体管一个关闭一个导通，与地电连接的两晶体管亦为一个关闭一个导通，而与电源电连接的晶体管导通时与其串联的与地电连接的晶体管为关闭，而与地电连接的晶体管导通时与其串联的与电源电连接的晶体管为关闭。

请参阅图6，在本发明中，以调整PWM讯号相较于霍尔讯号的转态点及次一转态点的相对打开关闭输出时序(Timing)，使马达运转在驱动运转效率最佳状态之下，而马达的转速控制是以调变PWM讯号Duty来改变。首先说明定义：霍尔讯号的高电位以H_A表示，霍尔讯号的低电位以H_B表示；当霍尔讯号由低电位H_B转态为高电位H_A时，PWM驱动讯号相对于霍尔讯号H_B→H_A转态点的打开(Turn on)时间以下标_AD表示，关闭(Turn off)时间以下标_AP表示，当霍尔讯号由高电位H_A转态为低电位H_B时，PWM驱动讯号相对于霍尔讯号H_A→H_B转态点的打开(Turn on)时间以下标_BD表示，关闭(Turn off)时间以下标_BP表示，亦即对于包含H_A、H_B的第一周期T，有相对于霍尔讯号H_B→H_A转态点的PWM驱动讯号打开时间t_AD、关闭时间t_AP，亦有相对于霍尔讯号H_A→H_B转态点的PWM驱动讯号打开时间t_BD、关闭时间t_BP；对于包含第二周期T’，PWM驱动讯号有打开时间t’_AD、关闭时间t’_AP、打开时间t’_BD、关闭时间t’_BP；依此类推。

上述t_AD，t_BD，t_AP，t_BP的值可依风扇马达转速做调整，以使马达运转在驱动运转效率最佳状态之下。对第二个霍尔讯号周期T’而言，控制器10中的马达讯号周期测量单元11，会测量霍尔讯号前一次周期T，PWM讯号输出时序计算单元12再依据所输入的马达参考转速rpm_REF及相对于此转速的打开时间调整参数T_AD、T_BD及关闭时间调整参数T_AP、T_BP，计算出t’_AD、t’_BD、t’_AP、t’_BP，并计算出在目前霍尔讯号周期T’内，PWM驱动讯号切换点C1、C2、D1、D2的切换时间点T_C1、T_C2、T_D1、T_CD2；此时所设定对应的控制参数为T_AD、T_BD、T_AP、T_BP及rpm_REF，且霍尔讯号前一次周期为T，则其计算公式可为

t’_AD＝T_AD {T_AD/(rpm_REF*T)}

t’_AP＝T_AP/(rpm_REF*T)

t’_BD＝T_BD-{T_BD/(rpm_REF*T)}

t’_BP＝T_BP/(rpm_REF*T)

T_C1＝t’_AD

T_C2＝T/2-t’_AP

T_D1＝T/2+t’_BD

T_D2＝T-t’_BP

PWM驱动讯号产生单元13再依据切换时间点T_C1、T_C2、T_D1、T_CD2计算值，及马达输入讯号，于适当时间点切换PWM驱动控制讯号，再将此讯号输出给马达驱动电路40，以推动风扇马达50使风扇运转。图7所示为t_AD、t_BD、t_AP、t_BP依马达转速变化的实施例之一，在此实施例中，t_AP、t_BP值与马达转速成正比，即马达转速越低则t_AP、t_BP值越小，请参阅图7中的t_APCurve(1)及t_BPCurve(2)；t_AD、t_BD值则与马达转速成反比，即马达转速越低则t_AD、t_BD值越大，请参阅图7中的t_ADCurve(4)及t_BDCurve(5)。且通过相对于马达参考转速rpm_REF设定不同的T_AD、T_BD、T_AP、T_BP控制参数值，可使在某一马达转速(图7中的操作点A)时有不同的t_AD、t_BD、t_AP、t_BP值，如此，在本发明中，当发现马达最高转速不足或低转速电流过大效率不佳时，或马达驱动电流不平均时，都可通过调整控制参数T_AD、T_BD、T_AP、T_BP及rpm_REF，将马达驱动效率调整至最佳状态，而不必更动硬件电路。另，t_AD及t_AP的另一实施例可为如图7中的Curve(3)所示，t_AD及t_AP的值与马达转速无关为一固定值，此值可为对应马达参考转速rpm_REF的PWM关闭时间调整参数T_P。

图5电路中的PWM驱动讯号的波形可参考图8：如图所示，控制器10中的PWM讯号输出时序计算单元12，在对应霍尔讯号周期T及T’分别计算出t_AD、t_BD、t_AP、t_BP及t’_AD、t’_BD、t’_AP、t’_BP，并由PWM驱动讯号产生单元13产生对应的PWM驱动讯号PWM_AH、PWM_BL、PWM_BH及PWM_AL输出给马达驱动电路40，以推动风扇马达50使风扇运转。

图9表示与图8中PWM驱动讯号对应的马达驱动电流波形，当马达低速的原始电流波形91的振幅(Amplitude)及平均值过高，且电流波形不平均时，可通过设定rpm_REF及与此对应的PWM打开时间控制参数T_AD、及T_BD来有效地降低电流波形振幅(Amplitude)及平均值，并使电流波形平均，此可通过将T_BD值设定的比T_AD值大来达成，如图7所示。如果修正后的马达驱动电流波形92右边尾端振幅(Amplitude)过高时，可通过设定不同的PWM关闭时间T_AP、T_BP控制参数有效地降低电流波形92右边尾端振幅(Amplitude)，此可通过将T_BP值设定的比T_AP值大来达成，如图7所示。如此即可将马达原始电流波形91调整至平均值最低状态(波形93)。由图7可知，t_AD、t_BD值与马达转速成反比，如此，在高转速时t_AD、t_BD值将为零而不会影响马达高转速的运转效率。此调整过程可使用计算机应用程序于马达运转中动态调整，使马达驱动效率的调整变得非常有效率，当所有控制参数皆调整完毕且确定，再将所有控制参数存入控制器10中，使马达运转在驱动效率最佳状态之下。

另外，如果当马达低速的原始电流波形91中并无电流振幅(Amplitude)及平均值过高现象，但转速不足效率不高时，图10所示，则可将t_AD、t_BD值设为0，并设定打开时间调整参数T_AA、T_BA，此时PWM_BL相对于霍尔讯号H_B→H_A转态点提前打开t_AA，PWM_AL相对于霍尔讯号H_A→H_B转态点提前打开t_BA。又，t_AA及t_BA与转速的对应关系可如t_AP、t_BP一般与马达转速成正比，即马达转速越低则t_AA、t_BA值越小，如此可使马达低速电流振幅(Amplitude)及平均值不会受t_AA、t_BA值影响而变大，马达转速越高则t_AA、t_BA值越高，可使马达高速效率因t_AA、t_BA值变大而变高，此特性犹如等效将霍尔(HALL)摆放位置往前移动，可解决霍尔(HALL)摆放位置无法随转速改变的问题。换言之使用本发明的控制器10，可就现有应用状况作各种调整，根据电路板上霍尔感应器的置放位置，设定控制参数(T_AD、T_AP、T_AA、T_BD、T_BP、T_BA、rpm_REF)来有效地弹性调整马达驱动效率，而不必更改电路板上霍尔感应器的置放位置及硬件电路的设计。

综上所述，本发明相较于现有技术，至少有以下的优点：一、应用便利，可适用于现有的应用环境，仅需变更控制参数而不必更改硬件；二、可以解决马达驱动效率不佳的问题。

以上已根据实施例说明本发明的技术思想及特点，只是其目的仅为使本领域技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，当不能以之限定本发明的专利范围。例如，本发明不限于应用于风扇马达，任何马达系统皆可应用本发明。因此凡依本发明所揭示的精神所作的均等变化或修饰，均应涵盖在本发明的专利范围内。

Claims

1.一种可提高马达驱动运转效率的控制器，其供应PWM讯号给一马达驱动电路，其特征在于，该控制器包含：

马达转速周期测量单元，其接收与一马达有关的讯号并根据之而测量该马达的转速与周期；

PWM讯号输出时序计算单元，其接收多个控制参数和马达转速周期测量单元的输出，根据之而计算所述PWM讯号的输出时序，以使该PWM讯号的打开时间提前于该与一马达有关的讯号的一转态时间点；以及

PWM讯号产生单元，其根据PWM讯号输出时序计算单元的输出，产生所述PWM讯号。

2.如权利要求1所述的可提高马达驱动运转效率的控制器，其中，当该马达转速相对越高时，该PWM讯号的打开时间相对更多提前，又当该马达转速相对越低时，该PWM讯号的打开时间相对较少提前。

3.一种可提高马达驱动运转效率的控制器，其供应PWM讯号给一马达驱动电路，其特征在于，该控制器包含：

PWM讯号输出时序计算单元，其接收多个控制参数和马达转速周期测量单元的输出，根据之而计算所述PWM讯号的输出时序，以使该PWM讯号的打开时间延后于该与一马达有关的讯号的一转态时间点，其中当该马达转速相对越高时，该PWM讯号的打开时间相对较少延后，又当该马达转速相对越低时，该PWM讯号的打开时间相对较多延后；以及

4.如权利要求1、2或3所述的可提高马达驱动运转效率的控制器，其中，该与一马达有关的讯号为霍尔讯号。

5.如权利要求1、2或3所述的可提高马达驱动运转效率的控制器，其中，所述PWM讯号包含四组讯号，且所述马达驱动电路包含四个晶体管，该四组讯号分别控制该四个晶体管的栅极。

6.如权利要求1、2或3所述的可提高马达驱动运转效率的控制器，其中，该多个控制参数包括PWM讯号的打开时间调整参数及马达参考转速。

7.如权利要求6所述的可提高马达驱动运转效率的控制器，其中，该多个控制参数还包括PWM讯号的关闭时间调整参数。

8.一种可提高马达驱动运转效率的控制方法，应用于一控制器中，该控制器供应PWM讯号给一马达驱动电路，其特征在于，所述控制方法包含：

接收与一马达有关的讯号并根据之而测量该马达的转速与周期；

接收多个控制参数，根据之和马达的转速与周期而计算所述PWM讯号的输出时序，以使该PWM讯号的打开时间提前于该与一马达有关的讯号的一转态时间点；以及

产生所述PWM讯号。

9.如权利要求8所述的控制方法，其中，当该马达转速相对越高时，该PWM讯号的打开时间相对更多提前，又当该马达转速相对越低时，该PWM讯号的打开时间相对较少提前。

10.一种可提高马达驱动运转效率的控制方法，应用于一控制器中，该控制器供应PWM讯号给一马达驱动电路，其特征在于，所述控制方法包含：

接收多个控制参数，根据之和马达的转速与周期而计算所述PWM讯号的输出时序，以使该PWM讯号的打开时间延后于该与一马达有关的讯号的一转态时间点，其中当该马达转速相对越高时，该PWM讯号的打开时间相对较少延后，又当该马达转速相对越低时，该PWM讯号的打开时间相对较多延后；以及

产生所述PWM讯号。

11.如权利要求8、9或10所述的控制方法，其中，该与一马达有关的讯号为霍尔讯号。

12.如权利要求8、9或10所述的控制方法，其中，所述PWM讯号包含四组讯号，且所述马达驱动电路包含四个晶体管，该四组讯号分别控制该四个晶体管的栅极。

13.如权利要求8、9或10所述的控制方法，其中，该多个控制参数包括PWM讯号的打开时间调整参数及马达参考转速。

14.如权利要求13所述的控制方法，其中，该多个控制参数还包括PWM讯号的关闭时间调整参数。