CN106160588A - 高精确度马达驱动系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精确度马达驱动系统及其方法，该驱动系统包含：处理单元、驱动单元与马达单元。一处理单元，处理单元依据一连续波与一比较讯号而输出复数个脉波宽度调变波，该些脉波宽度调变波包括第一宽度脉波的责任周期与第二宽度脉波的责任周期，第二宽度脉波的责任周期宽度大于第一宽度脉波的责任周期宽度。一驱动单元，连接处理单元，接收该些脉波宽度调变波而产生一驱动讯号。一马达单元，连接该驱动单元，接收该驱动讯号而使马达单元作动。本发明的功效即是在芯片维持50MHz或更低频率时，其马达运转的分辨率能获得提高。
Description
技术领域
本发明是有关于一种马达驱动装置，特别是指一种高精确度马达驱动装置及其方法。
背景技术
马达是目前工业应用上最普遍的动力来源，以驱动各类的工具机组，而马达可分为直流马达与交流马达。直流马达(DC Motor)在控制上非常容易，为早期自动化控制的主要动力来源，但因其碳刷保养不易且易出火花，故在粉尘污染高及严禁烟火的地方，有它先天上的障碍。而交流马达无碳刷，故保养上容易，且价格低廉，输出功率大，具有高启动转矩及稳定的转速的特性，种种的效果都凌驾在直流马达之上。一般而言，交流马达主要分为感应马达(InductionMotor，简称IM)和无刷直流马达(Brushless DC Motor，简称BLDC)，其中以无刷直流马达的使用最多，因为它具备了构造简单、价廉，响应快、转矩大，可连续频繁的进行起动、停止、制动、逆转的特点，故已成为自动化的重要设备之一。
在直流无刷马达或其它马达中，往往是利用脉波宽度调变波(Pulse WidthModulation，简称PWM)技术来趋动马达转动，而利用脉波宽度调变的问题点，如下：
请先参考图1、图2与图3，图1为传统直流无刷马达的系统架构图，一般而言，由处理单元10输出一PWM讯号(P点)，之后，当驱动单元30的第一晶体管M1、第五晶体管M5与第六晶体管M6被开启时，则在测量点A会得到一相电压，一相电压的电压与反电动势电压一致。而正常的马达的转速与反电动势如图2所示。
一般而言，我们以处理单元10工作频率为50MHZ的频率时，而连续的三角波工作在20kHz时，可得到50MHz/20kHz＝2500的计数值，再除一半就可得到1250计数值，也就是说今天我们可以得到的PWM脉波的分辨率是1250，所以以脉波的责任周期宽度而言，亦可得到每格的分辨率为100％/1250＝0.08％。
接着，请参考图3，若上述要产生一半波的正弦讯号来说，从分辨率为1250而言，代表从0度到90度的正弦波驱动讯号，共有1250个脉波宽度调变波所组合而成，若要得到91度到180度的正弦波讯号，也有1250个脉波宽度调变波，所以图3的半波共有2500个脉波宽度调变波。
接着，请参考图3，传统的作法产生0度到90度的弦波时，最大只能产生1250个脉波宽度调变波，亦其分辨率也只有1250阶。
接着，请参考图4，脉波宽度调变每增加一阶，相对输出的电压亦为增加一阶，呈现阶梯式的电压，亦即，PWM Output Voltage与Target Voltage差△倍，使得转速变化差△倍，这是因为分辨率不足所发生的现象。
所以以传统方式驱动马达的问题，会有分辨率不足的现象，且会导致马达的运转不顺畅，且有时还会出现震动等等不稳定的现象。传统欲要解决这种现象，唯一的方式是提高处理单元10的工作频率，例如400MHz。因为芯片工作在400MHz，400MHz除20kHz，将会等于20000计数值，等同得到PWM脉波的分辨率为10000阶，亦即处理单元10最大可输出10000个脉波宽度调变波。比较先前1250个的脉波宽度调变波，其分辨率提高了整整8倍。上述是只说明常用的状况，传统亦可以不操作在满分辨率的情形下进行马达控制。
也就是这样子的问题，若要处理单元10的芯片工艺要提高，其耗电量也会增加，成本也会大幅的成长。为了解决上述的问题，本发明提出可以在芯片工作频率为50MHz或更低的情形下，其将马达运转的分辨率提高的系统与方法。
发明内容
因此，本发明的目的，在于提供一种高精确度马达驱动系统及其方法。
为达到上述目的，本发明提供的高精确度马达驱动方法，应用于一具有q个脉波的连续波、一马达单元、一处理单元与一驱动单元，其包含：组配该处理单元，设定一变量p，其中，该变量p的初始值为零；组配该处理单元，比较一脉波与一比较讯号而输出一个脉波宽度调变波；组配该处理单元，累加该变量p；组配该处理单元，判断该变量p是否等于q，若否，则组配该处理单元，比较次一脉波与次一比较讯号而输出次一个脉波宽度调变波，并跳回至累加该变量p，若是，则执行下一步骤；组配该驱动单元，接收该些脉波宽度调变波而产生一驱动讯号；及组配该马达单元，接收该驱动讯号而产生动作；其中，该些脉波宽度调变波包括一第一宽度脉波的责任周期宽度与一第二宽度脉波的责任周期宽度，而该第二宽度脉波的责任周期宽度大于该第一宽度脉波的责任周期宽度。
本发明提供的一种高精确度马达驱动系统，包含：一处理单元，处理单元依据一连续波与一比较讯号而输出复数个脉波宽度调变波，该些脉波宽度调变波包括一第一宽度脉波的责任周期宽度与一第二宽度脉波的责任周期宽度，该第二宽度脉波的责任周期宽度大于该第一宽度脉波的责任周期宽度；一驱动单元，连接该处理单元，接收该些脉波宽度调变波而产生一驱动讯号；一马达单元，连接该驱动单元，接收该驱动讯号而使该马达单元作动。
本发明的功效即是在芯片维持50MHz或更低频率时，其马达运转的分辨率提高的方式。例如：也就是以往马达转速4900rpm时，只能跳到5100rpm，现在运用本发明的方式，可达到5000转，5010转等，其分辨率提高，马达运转的可达到预定的转速，进而改善马达的顿挫，而使得马达运转时更佳顺畅。
附图说明
图1是公知直流马达输出的系统示意图；
图2是直流马达转速与马达反电动势的第一示意图；
图3是直流马达波形PWM的关系图；
图4是直流马达转速、马达反电动势与PWM输出的脉波宽波的第二示意图；
图5是本发明的系统示意图；
图6是本发明的处理单元示意图；
图7是本发明的进位累加法的责任周期示意图；及
图8是本发明的高精确度马达驱动方法的方法流程图。
附图标记说明
10 处理单元
30 驱动单元
M1 第一晶体管
M2 第二晶体管
M3 第三晶体管
M4 第四晶体管
M5 第五晶体管
M6 第六晶体管
40 马达单元
101 频率产生器
102 波形产生器
103 计算器
104 比较器
20 讯号放大单元。
具体实施方式
有关本发明的相关申请专利特色与技术内容，在以下配合参考附图的一个较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。
参阅图5，本发明的一较佳实施例，一种高精确度马达驱动系统，包含：处理单元10、讯号放大单元20、驱动单元30、马达单元40。一处理单元10，处理单元10依据一连续波与至少一比较讯号而输出复数个脉波宽度调变波，该些脉波宽度调变波包括一第一宽度脉波的责任周期宽度与一第二宽度脉波的责任周期宽度，该第二宽度脉波的责任周期宽度大于该第一宽度脉波的责任周期宽度。一驱动单元30，连接该处理单元10，接收该些脉波宽度调变波而产生一驱动讯号。马达单元40，连接该驱动单元30，接收该驱动讯号而使该马达单元40作动。其中，更包含：一讯号放大单元20，连接该处理单元10与该驱动单元30之间，用以放大该些脉波宽度调变波的电流或电压。其中，该连续波为一连续三角讯号或一连续锯齿讯号，且该连续波的频率为3K至100k。其中，该些脉波宽度调变波的个数n为2至128。
本发明的马达单元40可以是单相马达，三相马达，又或者是多相马达。
当这次时间的比较讯号大于上次时间的比较讯号，则这次时间的比较讯号与连续三角讯号比较后，则输出第一宽度脉波的责任周期宽度(50％)。当这次时间的比较讯号小于上次时间的比较讯号，则这次时间的比较讯号与连续三角讯号比较后，则输出第二宽度脉波的责任周期宽度(51％)。
又或则，当这次时间的比较讯号大于上次时间的比较讯号，则这次时间的比较讯号与连续三角讯号比较后，则输出第二宽度脉波的责任周期宽度(51％)。当这次时间的比较讯号小于上次时间的比较讯号，则这次时间的比较讯号与连续三角讯号比较后，则输出第一宽度脉波的责任周期宽度(50％)。
其中，该些脉波宽度调变波的常用的个数是2至128，但本发明不加以限定。
接着，请参考图6，其中，该处理单元10包含：一频率产生器101，产生一频率讯号；一波形产生器102，连接该频率产生器，接收该频率讯号产生该连续波；一计算器103，产生至少一该比较讯号；及一比较器104，分别连接该波形产生器102与该计算器103，依据该连续波与至少一该比较讯号而输出该些个脉波宽度调变波。
例举本发明的计算器103运作的例子，来说明本发明的时间扰动技术，主要是在每多个脉波宽度调变波的循环注入不同的能量，使得输出平均电压可得到较高的准确度，亦可提高△rpm转速精确度，本发明采用的作法，可以是随机累加法、进位累加法、查表法等，本发明不加以限定。
下例以进位累加的循环为n＝8(多个脉波宽度调变波的个数为8)例，且连续波采用连续三角讯号，参考表1：
假设x为现在或下次脉波宽度调变波，x+1为下次脉波宽度调变波的责任周期不同于x。
假设我们设定x的脉波宽度调变波的责任周期为50％，x+1脉波宽度调变波的责任周期为51％。在计算单元里，我们在T时间时算法的初始值y＝3，此时，比较器104比较该连续三角讯号与比较讯号，并输出x的脉波宽度调变波。其中，初始值y可以是任何值。
在T+1时间时，y＝y+3＝6，此时，比较器104比较该连续三角讯号与比较讯号。计算器103输出的一比较讯号的值不变，并输出x的脉波宽度调变波。
在T+2时间时，y＝y+3＝9，由于我们的循环间距n＝8，y＝9大于8，y＝9-8＝1，即得到y＝1余数。计算器103输出的一比较讯号的值变小，故比较器104比较该连续三角讯号与比较讯号，并104输出x+1脉波宽度调变波(PWM)，x+1脉波宽度调变波(PWM)的责任周期大于x的责任周期。
所以在T+3时间，y＝y+3＝4，现在y＝4，没有超过循环间距n＝8，则y的值留在下次累积。故计算器103输出的比较讯号的值不变，此时，比较器104比较该连续三角讯号与比较讯号，并输出x的脉波宽度调变波。
在T+4时间，y＝y+3＝7，现在y＝7，没有超过循环间距n＝8，则y的值留在下次累积。故计算器103输出的比较讯较不变，比较器104比较该连续三角讯号与比较讯号，并输出x的脉波宽度调变波。
在T+5时间，y＝y+3＝10，现在y＝10，超过循环间距n＝8，则y＝10-8＝2，同时一比较讯号的值变小，故比较器104比较该连续三角讯号与比较讯号，故并产出x+1脉波宽度调变波，而x+1脉波宽度调变波的责任周期大于x的责任周期。
所以在T+6时间，y＝y+3＝5，现在y＝5，没有超过循环间距n＝8，则y的值留在下次累积，比较器104输出x的脉波宽度调变波。
在T+7时间，y＝y+3＝7，现在y＝7，没有超过循环间距n＝8，则y的值留在下次累积。在T+5时间，y＝y+3＝10，现在y＝10，超过循环间距n＝8，则y＝10-8＝2，同时一比较讯号的值变小，故比较器104比较该连续三角讯号与比较讯号，所以比较器104输出x+1脉波宽度调变波的责任周期大于x的责任周期。
接着，请参考图7，其为本发明的进位累加法的公式所得出的脉波宽度调变波(PWM)。由图7可看出8个的脉波宽度调变波中，有5个责任周期宽度为50％，而3个责任周期宽度为51％。
所以进位累加的公式为y＝y+间隔的数字z，其循环间距n，假如y>＝8(循环为n)，则y＝y-循环间距n，则输输出的PWM的x+1的责任周期比x的责任周期大。其中y为变量，而y变量的初始值为常数。
相同的，本发明亦可采用进位累减法，即，y＝y-间隔的数字z，其循环间距n，假如y＝<0，则y＝y+循环间距n，x+1的责任周期比x的责任周期大，其做法与进位累加法相同，于此，不加以赘述。
而本发明是利用计算器103产生比较讯号的变化，而使得比较器104比较一连续三角讯号与至少一比较讯号而输出复数个脉波宽度调变波。计算器103产生比较讯号的变化的可由随机累加法、进位累加法、查表法等方式。
接着，本发明的另一实施例查表法：假设n＝8，则，n＝1至n＝8分别对映x％的责任周期，x％的责任周期可以是任何值。
接着，本发明的再一实施例随机累加法：假设total＝8，numn、numk可以任意整数，则numn+numn+numn＝numk等于x％的责任周期。
本发明的该些脉波宽度调变波公式1可以是IDT＝A*(k/n)+B*(n-k/n)，A的范围是脉波宽度调变波的100％至0％的责任周期，B的范围是脉波宽度调变波的0％至100％的责任周期，k是任意数(整数)，n是任意数(整数)。本发明常用的范围n为2至128，而k值的范围不为超过n，即k等于1时，n-k为7，反之，k＝7时，n-k＝1，也就是说k与n-k的值互为补码。即，A与B的脉波宽度调变波的责任周期差为0％至2％以内(百分比为2)。由上述的算法得知，n与n-k的个数可采用随机累加法、进位累加法、查表法等做法。
本发明的时间扰动技术可以于该些脉波宽度调变波(PWM)的责任周期中的0～1％之间多出n阶的控制精确度。本发明在前次的脉波宽度调变波、现在的脉波宽度调变波与下次的脉波宽度调变波中，展延现在的脉波宽度调变波为n的倍数，该n的倍数亦为公式1的IDT。即，传统的输出有u个脉波宽度调变波，现在采用本发明可以展延有u*n个脉波宽度调变波，亦是将分辨率提高为n倍。
另外，也可以在u个脉波宽度调变波中只展延数个IDT即可，亦即在现有的多个脉波宽度调变波只取几个来展延本发明的IDT。且本发明展延的方式可依据角度计来侦测马达的角度，借以利用本发明的IDT来调整多个脉波宽度调变波。
我们例举同样是处理单元10以50M的工作频率来说，其原本输出的u个脉波宽度调变波(例如为1250个)，若利用公式1的IDT为8，亦可以得到10000个脉波宽度调变波，这等同提高3倍数的分辨率，所以可知利用本发明同样可以得到高分辨率，但却不用提高处理单元10的工作频率，而马达依旧可以得到精确的转速。
一般而言，处理单元10是依据转速计或霍尔传感器而产生u*n个脉波宽度调变波的时序，由于马达单元40的转速与电压成正比，可以得知处理单元10调整不同的多个脉波宽度调变波的时序而可得马达单元40的平均电压，而平均电压的不同转速亦会不同。
本发明再例举另一实施例：
一处理单元10，处理单元10依据一连续波与至少一比较讯号而输出复数个第一脉波宽度调变波与复数个第二脉波宽度调变波。一驱动单元30，连接该处理单元10，接收该些第一脉波宽度调变波与该些第二脉波宽度调变波而产生一驱动讯号。马达单元40，连接该驱动单元30，接收该驱动讯号而使该马达单元40作动。
其中，多个第一脉波宽度调变波为公式2的IDT＝A*(k2/n2)+B*(n2-k2/n2)，多个第二脉波宽度调变波为公式3的IDT＝C*(k3/n3)+D*(n3-k3/n3)。其中，A、B、C、D的范围是脉波宽度调变波的100％至0％的责任周期宽度。其中，B的PWM责任周期宽度大于A的责任周期宽度，C的PWM责任周期宽度等于D的责任周期宽度，或C的PWM责任周期宽度不等于D的责任周期宽度，亦即C与D的责任周期宽度有相差值，而D的PWM责任周期宽度大于C的责任周期宽度。
k2是常数，n2是任意数(整数)，本发明常用的范围n2为2至128。k3是常数，n3是任意数(整数)，本发明常用的范围n2、n3为2至128。由上述的算法得知，n2与n2-k2的个数可采用随机累加法、进位累加法、查表法等做法。相同的，n3与n3-k3的个数可采用随机累加法、进位累加法、查表法等做法。
传统方式，在芯片工作频率较低时，并无法在4900rpm与5100rpm之间设定转速，现利用本发明的能量加注算法，可以多出n位的分辨率，如以8的倍数来计算，将多出3位的分辨率，以下为能量加注的比例为1/8、2/8、3/8、4/8、5/8、6/8、7/8等的分辨率。如以16的倍数来算，将多出4位的分辨率，能量加注的比例为1/16、2/16、3/16、4/16、5/6、6/16、7/16、8/16、9/16、10/16、11/16、12/16、13/16、14/16、15/16等的分辨率，本发明不加法限定n位的分辨率。
接着，请参考图8，其为本发明高精确度马达驱动方法的方法流程图，包含以下的步骤：
S110：组配该处理单元，设定一变量p，其中，该变量p的初始值为零。
S120：组配该处理单元，比较一脉波与一比较讯号而输出一个脉波宽度调变波。
S130：组配该处理单元，累加该变量p。
S140：判断该变量p是否等于q，若否，则组配该处理单元，比较次一脉波与次一比较讯号而输出次一个脉波宽度调变波，并跳回至累加该变量p，若是，则执行下一步骤。
S150：组配该驱动单元，接收该些脉波宽度调变波而产生一驱动讯号。
S160：组配该马达单元，接收该驱动讯号而产生动作。
其中，该些脉波宽度调变波包括一第一宽度脉波的责任周期宽度与一第二宽度脉波的责任周期宽度，而该第二宽度脉波的责任周期宽度大于该第一宽度脉波的责任周期宽度。
其中，该些脉波宽度调变波的个数n为2至128。
其中，该脉波为一三角讯号或一锯齿讯号，且该脉波的频率为3K至100k。
综合上述，本发明将传统PWM控制马达的方式改变成以能量加注的方式改变PWM的责任周期，进而提高马达相电压的精准度，而使得马达的转速可以被控制的更精准。本发明具有芯片耗电量低、且制造成本低的具体功效因此，可以突显本发明在控制马达的精确度的优势，故可以达成本发明的目的。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即凡是依本发明权利要求及发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆属于本发明专利涵盖的范围内。
Claims (10)
1.一种高精确度马达驱动方法，应用于一具有q个脉波的连续波、一马达单元、一处理单元与一驱动单元，其特征在于，该方法包含：
组配该处理单元，设定一变量p，其中，该变量p的初始值为零；
组配该处理单元，比较一脉波与一比较讯号而输出一个脉波宽度调变波；
组配该处理单元，累加该变量p；
组配该处理单元，判断该变量p是否等于q，若否，则组配该处理单元，比较次一脉波与次一比较讯号而输出次一个脉波宽度调变波，并跳回至累加该变量p，若是，则执行下一步骤；
组配该驱动单元，接收这些脉波宽度调变波而产生一驱动讯号；及
组配该马达单元，接收该驱动讯号而产生动作；
其中，这些脉波宽度调变波包括一第一宽度脉波的责任周期宽度与一第二宽度脉波的责任周期宽度，而该第二宽度脉波的责任周期宽度大于该第一宽度脉波的责任周期宽度。
2.依据权利要求1所述的高精确度马达驱动方法，其特征在于，这些脉波宽度调变波的个数n为2至128的范围。
3.依据权利要求2所述的高精确度马达驱动方法，其特征在于，这些脉波宽度调变波公式如下：IDT＝A*(k/n)+B*(n-k/n)，A是该第一宽度脉波的责任周期宽度，B是该第二宽度脉波的责任周期宽度，A与B的差介于0％至2％之间，且k为一常数。
4.依据权利要求1所述的高精确度马达驱动方法，其特征在于，该脉波为一三角讯号或一锯齿讯号，且该脉波的频率为3K至100k。
5.一种高精确度马达驱动系统，其特征在于，包含：
一处理单元，依据一连续波与一比较讯号而输出复数个脉波宽度调变波，这些脉波宽度调变波包括一第一宽度脉波的责任周期宽度与一第二宽度脉波的责任周期宽度，该第二宽度脉波的责任周期宽度大于该第一宽度脉波的责任周期宽度；
一驱动单元，连接处理单元，接收这些脉波宽度调变波而产生一驱动讯号；及
一马达单元，连接该驱动单元，接收该驱动讯号而使该马达单元动作。
6.依据权利要求5所述的高精确度马达驱动系统，其特征在于，这些脉波宽度调变波的个数n为2至128。
7.依据权利要求6所述的高精确度马达驱动系统，其特征在于，这些脉波宽度调变波公式如下：IDT＝A*(k/n)+B*(n-k/n)，A是该第一宽度脉波的责任周期宽度，B是该第二宽度脉波的责任周期宽度，A与B的差介于0％至2％之间，且k为一常数。
8.依据权利要求5所述的高精确度马达驱动系统，其特征在于，该连续波为一连续三角讯号或一连续锯齿讯号，且该连续波的频率为3K至100k。
9.依据权利要求5所述的高精确度马达驱动系统，其特征在于，更包含：
一讯号放大单元，连接该处理单元与该驱动单元之间，用以放大这些脉波宽度调变波的电流或电压。
10.依据权利要求5所述的高精确度马达驱动系统，其特征在于，该处理单元包含：
一频率产生器，产生一频率讯号；
一波形产生器，连接该频率产生器，接收该频率讯号产生该连续波；
一计算器，产生该比较讯号；及
一比较器，分别连接该波形产生器与该计算器，依据该连续波与该比较讯号而输出这些脉波宽度调变波。
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