CN106169892B - 具有一个霍尔传感器运转的系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有一个霍尔传感器运转的系统，至少二霍尔传感器，设置在马达单元上，每个霍尔传感器感应马达单元的转子的磁场而感应到一霍尔电压；一处理单元，接收至少二霍尔传感器的霍尔电压而得到一启动位置讯息，处理单元对启动位置讯息进行计算而输出启动的连续脉波宽度调变波；一驱动单元，接收连续脉波宽度调变波而产生一驱动讯号；一马达单元，接收驱动讯号而使马达单元作动；其中，马达单元于运转状态时，处理单元依据一个霍尔传感器的霍尔电压而得到一运转讯息，处理单元依据运转讯息进行计算而预估下次运转的连续脉波宽度调变波。

Description

具有一个霍尔传感器运转的系统及其方法

技术领域

本发明涉及霍尔传感器运转的系统，尤其涉及一种具有一个霍尔传感器运转的系统及其方法。

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。交流马达主要分为感应马达(Induction Motor， IM)和无刷直流马达（Brushless DC Motor，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。

使用霍尔传感器(hall sensor)来感应出直流无刷马达(BLDC)的转子位置讯号，分别为Hall_U、Hall_V、及Hall_W的讯号，其霍尔传感器无论是安装在定子或印刷电路板上时，所感应出的起始角度分别为0度、120度、240度，各相差120度。直流无刷马达中3个霍尔传感器感应出的讯号如图1所示。

因Hall_U、Hall_V、及Hall_W讯号分别相差120度，由图1所示，在理想上及定转速时，此3个讯号会将360度电器角平均分为等长度的6个各占60度的相位区域，在这六个相位区域的转换点可明确知道目前转子所在的角度位置。故要驱动一个带三个霍尔传感器的的直流无刷马达(BLDC)，可用一处理单元来侦测三个霍尔讯号，计算目前转子所在相位区域的60度角的宽度，并于换相时作为换相后相位区域内的每个转子转动一个角度时，所要输出转速命令(PWM)的位置的参考，继而开关后级的驱动单元20而得到驱动转子运转到下一角度所需的电压。而且，六个相区域顺序固定，故以此方式驱动直流无刷马达时，于启动时不会有先反转再正转(或先正转再反转)的情形发生。请参考图2，为现有的带霍尔传感器的直流无刷马达的控制架构。

理论上，在没有任何无误差的情况下，三个霍尔传感器感应出的讯号所区分出的六个相位区域会等长，在此情况下可准确的估测出要驱使转子转向下个角度时所需的电压，亦即可利用处理单元10产生完美的正弦波来驱动直流无刷马达。

但由于霍尔传感器的安装公差、马达组装的公差、转子永久磁铁的充磁误差、超温、转子加减速及永磁老化(操作时间)等因素，使得处理单元10侦测的霍尔组件的电压产生误差。

接着，请参考图3，假设霍尔传感器的V有安装公差，导致Hall_V讯号与Hall_V讯号相差115度，而不是120度，由于第5区60度的长度比第4区60度角的实际范围要长，但是因为把他当成预测的第4区60度角的范围，故在第4区实际运转时，会遇到此区的还没有驱动完整的60度角前，就会遇到实际的换相而必须进行强制换相的情况。

相同情形，若前一区60度角的长度比下一区60度的实际范围要短，则会遇到实际运转时，此区的已经驱动完完整的60度角后却还没换相的情形，而在驱动完60度角后及实际换相前必须维持最后一个角度所驱动的电压，造成驱动电压有维持最后一个角度的电压情况。

故实际上，若以前一区域的60度角宽度作为下个区域转子转动60度角宽度，来预测此区推动转子转动角度的参考的话，会因为上述种种因素所造成的前后区域60度角宽度并不会一样，而必须造成强制换相，或维持驱动电压一段时间，直到换相的状况，这种情况下很容易造成所驱动直流无刷马达的正弦波或二次谐波有缺角的情况，而使直流无刷马达在运转时产生较大的震动或噪音。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种具有一个霍尔传感器运转的系统及其方法，以降低直流无刷马达运转时产生震动或噪音的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种具有一个霍尔传感器运转的系统，包含：一马达单元，具有一定子与一转子；至少二霍尔传感器，设置在该马达单元上，每个该霍尔传感器感应该马达单元的转子的磁场而感应到一霍尔电压；一处理单元，该处理单元包含：一启动位置侦测器，该启动位置侦测器连接至少二该霍尔传感器并依据至少二该霍尔传感器的该霍尔电压而得到一启动位置讯息；一运转位置侦测器，该运转位置侦测器连接该霍尔传感器并依据该霍尔传感器的该霍尔电压而得到一运转位置讯息；一计数器，该计数器连接该运转位置侦测器，接收该运转位置讯息并进行计数而产生一运转讯号周期长度讯息；一计算器，该计算器分别连接该启动位置侦测器与该计数器，接收该启动位置讯息并进行计算并输出启动的一连续脉波宽度调变波；一驱动单元，连接该处理单元，接收该连续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作动；其中，该马达单元运转时，该处理单元的该运转位置侦测器依据一个霍尔传感器的霍尔电压而得到该运转位置讯息，该处理单元的该计数器再接收该运转位置讯息并进行计数而产生该运转讯号周期长度讯息，该处理单元的该计算器再接收该运转讯号周期长度讯息进行计算而输出下次运转的该连续脉波宽度调变波。

一种具有一个霍尔传感器运转的方法，应用于一马达单元与一驱动单元，其包含：提供至少二霍尔传感器，设置在该马达单元上；提供一处理单元；该处理单元依据至少二该霍尔传感器的霍尔电压而得到一启动位置讯息，该处理单元依据该启动位置讯息进行计算而输出启动的连续脉波宽度调变波；该驱动单元接收启动的连续脉波宽度调变波而产生一启动驱动讯号；该马达单元接收接该启动驱动讯号而使该马达单元进行启动；该处理单元依据一个该霍尔传感器的霍尔电压而得到一运转位置讯息，该处理单元依据该运转位置讯息利用计数器进行计数而产生一运转讯号周期长度讯息，该处理单元依据该运转讯号周期长度讯息进行计算并预估下次运转的连续脉波宽度调变波；该驱动单元接收下次运转的该连续脉波宽度调变波而产生一运转驱动讯号；及该马达单元接收接该运转驱动讯号而使该马达单元进行运转。

本发明的功效是：提出利用二个以上的霍尔传感器作为马达的启动，并再利用一个霍尔传感器做为运转的侦测，藉以避免因安装公差、马达组装的公差、转子永久磁铁的充磁误差、超温、转子加减速及永磁老化(操作时间)等现象所造成驱动马达的相电压波型非为正弦波，进而造成马达的运转发生震动或噪音的问题。所以本发明于马达单元运转时，只利用一个霍尔传感器方式，让输出至马达的相电压可以近似正弦波，而本发明所达成的功效，就是改善直流无刷马达运转时产生震动或噪音的问题。

附图说明

图1为现有三个霍尔组件运转区间示意图；

图2为现有直流无刷马达利用三个霍尔组件运转之系统示意图；

图3为现有直流无刷马达利用三个霍尔组件运转之系统趋动示意图；

图4为本发明直流无刷马达系统示意图；

图5为本发明之处理单元示意图；

图6为本发明之直流无刷马达利趋动示意图；

图7为本发明之直流无刷马达利用一个霍尔组件运转的流程图。

【主要组件符号说明】

10 处理单元

20 驱动单元

40 马达单元

11 启动位置侦测器

12 运转位置侦测器

13 计数器

14 计算器。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对本发明的有一个霍尔传感器运转的系统及其方法作进一步详细的说明。

参阅图4，本发明之一较佳实施例，一种具有一个霍尔传感器运转的系统，包含：一马达单元40，具有一定子与一转子；至少二霍尔传感器，设置在该马达单元40上，每个该霍尔传感器感应该马达单元40的转子的磁场而感应到一霍尔电压；一处理单元10，该处理单元10依据至少二该霍尔传感器的霍尔电压而得到一启动位置讯息，该处理单元10依据该启动位置讯息进行计算而输出启动的一连续脉波宽度调变波；一驱动单元20，连接该处理单元10，接收该连续脉波宽度调变波而产生一驱动讯号；及一马达单元40，连接该驱动单元20，接收该驱动讯号而使该马达单元40作动；其中，该马达单元40于运转状态时，该处理单元10依据一个该霍尔传感器的霍尔电压而得到一运转讯息，该处理单元10依据该运转讯息进行计算而预估下次运转的该连续脉波宽度调变波。其中，预估亦即处理单元10依据该运转讯息而得到下次运转的该连续脉波宽度调变波。

其中，至少二霍尔传感器可以设置在马达单元40的定子上，又或者马达单元40上的PCB板子上。其中，该连续脉波宽度调变波代表有多个脉波宽度调变波，该些脉波宽度调变波责任周期宽度由0%到100%是逐次递增，或100%到0%是逐次递減，或逐次递增與逐次递減的組合。

其中，该启动位置讯息代表马达单元的转子的的位置。一般而言，马达的线圈有三相绕组，该处理单元10得知转子的位置后，处理单元10将得知三相中的其中的一相要来进行通电，所以启动的一连续脉波宽度调变波亦即是代表三相的那一相绕组要进行通电。

其中，该处理单元10依据一个该霍尔传感器的该霍尔电压而得到一运转讯息为该转子磁极所对应的该霍尔传感器。

参阅图5，其中，该处理单元10包含：一启动位置侦测器11，连接至少二该霍尔传感器，依据至少二该霍尔传感器的该霍尔电压而得到该启动位置讯息；一运转位置侦测器12，连接该霍尔传感器，依据该霍尔传感器的霍尔电压而得到该运转位置讯息；一计数器13，连接该运转位置侦测器12，接收该运转位置讯息并进行计数而产生一运转讯号周期长度讯息；及一计算器14，分别连接该启动位置侦测器11与该计数器13，接收该启动位置讯息并进行计算而得到启动的该连续脉波宽度调变波，于该马达单元40于运转状态时，该计算器14再接收该运转讯号周期长度讯息而预估下次运转的该连续脉波宽度调变波。

其中，运转讯号周期长度讯息代表电器角360度讯息。其中，计数器13可以利用正反器或定时器来进行讯息计数，一般而言，如采用微控制器，则可利用定时器。

其中，该启动位置讯息依据二个该霍尔传感器的霍尔电压所得到的四个区间讯息、这四个区间讯息的编码为00、01、10、11。所以以马达单元40转一圈360度电气角来说，编码隐含的讯息代表可侦测4个90度的讯息。

该启动位置讯息依据三个该霍尔传感器的该霍尔电压所得到的六个区间讯息，这六个区间讯息的编码为001、010、011、100、101、110(常用的編碼，亦可用另外的編碼，本發明不加以限定之)。所以以马达单元40转一圈360度电气角来说，编码隐含的讯息代表可侦测6个60度的讯息，处理单元10侦测6个60度的讯息，就能得到马达实际的位置来启动马达，就比较不会容易发生马达启动时发生正转又反转，或反转变成正转的现象，而使得马达带动的机械发生启动时故障。

其中，该运转讯息依据一个该霍尔传感器的霍尔电压所得到的二个区间讯息，这二个区间讯息隐含二个180度的讯息，共代表360度电气角的讯息。处理单元10侦测2个180度电气角的讯息，藉以预估马达的运转周期，就能够在马达运转时，平稳的驱动马达，以防止马达运转时发生震动，或产生噪音的现象。本发明的处理单元10可只侦测1个霍尔传感器的区间讯息180度电气角预估马达的运转周期。

请参考图6，在转子旋转顺序正确后，开始计算一个霍尔讯号的周期宽度为360度角的长度，当霍尔讯号切换到下个周期时，以此长度做为下个360度角的长度的预测值，亦即，只在霍尔讯号周期转换的地方才带入下一个360度角的预测长度，如此一来，强制换相或是维持电压为到换相的情况只会出现在一个周期的转换处，而不会每60度角就出现一次，以改善驱动运转时的震动及噪音。

唯上述的说明虽只有单相输出，若运用于多相直流无刷马达，亦是相同的运作方式。

由上述2或3霍尔传感器启动，1个霍尔传感器运转的驱动方式得知：

(1)在启动时，因已知启动运转顺序，故启动不会发生正转再反转或反转再正转的现象。

(2)马达运转时，因预测换相点只有一处，发生强制换相或维持电压的地方最多只有一点，故发生马达震动较小。若所预估的霍尔周期讯号长度比实际长，则出现强制换相的情况。若所预测的霍尔周期讯号长度比实际短，则会出现维持电压转为到换相的情况。由图6可知，可以明显的看到驱动波形只有在霍尔讯号转换处会有缺角，其它的时间则是平滑的状况。其中，所预估的霍尔周期讯号长度而来计算下次该输出的连续脉波宽度调变波，该连续脉波宽度调变波包含正周期与负周期的运算，亦即马达的定子线圈的通电，由顺时针方向通电，并在换相时，再由逆时针通电。

除了上述的作法，本发明亦可侦测多个的霍尔周期讯长度，亦即预测多次的霍尔传感器所感测的360度的电气角，而预估下次的运转的该连续脉波宽度调变波，或是下次运转的多个该连续脉波宽度调变波。

接着，请参考图7，其为本发明高精确度马达驱动方法之方法流程图，包含以下步骤：

S100：提供至少二霍尔传感器，设置在马达单元上。

S101：提供一处理单元。

S102：处理单元依据至少二该霍尔传感器的霍尔电压而得到一启动位置讯息，处理单元依据该启动位置讯息进行计算而输出一启动脉波宽度调变波。

S103：驱动单元接收启动脉波宽度调变波而产生一启动驱动讯号。

S104：马达单元接收接启动驱动讯号而使该马达单元进行启动。

S105：处理单元依据一个该霍尔传感器的霍尔电压而得到一运转讯息，处理单元依据该运转讯息进行计算并预估下次输出一运转脉波宽度调变波。

S106：驱动单元接收下次运转脉波宽度调变波而产生一运转驱动讯号。

S107：马达单元接收运转驱动讯号而使马达单元进行运转。

其中，启动位置讯息依据二个霍尔传感器的霍尔电压所得到的四个区间讯息。

其中，启动位置讯息依据三个霍尔传感器的霍尔电压所得到的六个区间讯息。

其中，运转讯息依据一个霍尔传感器的霍尔电压所得到的二个区间讯息。

其中，更包含以下步骤：接收该运转位置讯息并利用计数器进行计数而产生一运转讯号周期长度讯息；及接收该运转讯号周期长度讯息而预估下次运转的该连续脉波宽度调变波。

综合上述，本发明马达的启动是利用二个以上霍尔传感器来侦测转子的位置，以避免启动时马达会有正转再反转或反转再正转的现象，当马达顺利启动后，则运用本发明的方式，只利用一个霍尔传感器，来进行运转预估，而利用一个霍尔传感器的好处，可以让输出马达的运转讯号接近弦波的情形，使得谐波情形降低，改善直流无刷马达运转时产生震动或噪音的问题，因此，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，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种具有一个霍尔传感器运转的系统，其特征在于，包含：

一马达单元，具有一定子与一转子；

至少二霍尔传感器，设置在该马达单元上，每个该霍尔传感器感应该马达单元的转子的磁场而感应到一霍尔电压；

一处理单元，该处理单元包含：一启动位置侦测器，该启动位置侦测器连接至少二该霍尔传感器并依据至少二该霍尔传感器的该霍尔电压而得到一启动位置讯息；一运转位置侦测器，该运转位置侦测器连接该霍尔传感器并依据该霍尔传感器的该霍尔电压而得到一运转位置讯息；一计数器，该计数器连接该运转位置侦测器，接收该运转位置讯息并进行计数而产生一运转讯号周期长度讯息；一计算器，该计算器分别连接该启动位置侦测器与该计数器，接收该启动位置讯息并进行计算并输出启动的一连续脉波宽度调变波；一驱动单元，连接该处理单元，接收该连续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作动；

其中，该马达单元于运转状态时，该处理单元的该运转位置侦测器依据一个该霍尔传感器的霍尔电压而得到该运转位置讯息，该处理单元的该计数器再接收该运转位置讯息并进行计数而产生该运转讯号周期长度讯息，该处理单元的该计算器再接收该运转讯号周期长度讯息进行计算而预估下次运转的该连续脉波宽度调变波。

2.根据权利要求1所述具有一个霍尔传感器运转的系统，其特征在于，其中，该启动位置讯息依据二个该霍尔传感器的霍尔电压所得到的四个区间讯息。

3.根据权利要求1所述具有一个霍尔传感器运转的系统，其特征在于，其中，该启动位置讯息依据三个该霍尔传感器的霍尔电压所得到的六个区间讯息。

4.根据权利要求1所述具有一个霍尔传感器运转的系统，其特征在于，其中，该运转位置讯息依据一个该霍尔传感器的霍尔电压所得到的二个区间讯息。

5.一种具有一个霍尔传感器运转的方法，应用于一马达单元与一驱动单元，其特征在于，其包含：

提供至少二霍尔传感器，设置在该马达单元上；

提供一处理单元；

该处理单元依据至少二该霍尔传感器的该霍尔电压而得到一启动位置讯息，该处理单元依据该启动位置讯息进行计算而输出启动的一连续脉波宽度调变波；

该驱动单元接收启动的该连续脉波宽度调变波而产生一启动驱动讯号；

该马达单元接收该启动驱动讯号而使该马达单元进行启动；

该处理单元依据一个该霍尔传感器的霍尔电压而得到一运转位置讯息，该处理单元依据该运转位置讯息利用计数器进行计数而产生一运转讯号周期长度讯息，该处理单元依据该运转讯号周期长度讯息进行计算并预估下次输出运转的该连续脉波宽度调变波；

该驱动单元接收下次运转的该连续脉波宽度调变波而产生一运转驱动讯号；及

该马达单元接收该运转驱动讯号而使该马达单元进行运转。

6.根据权利要求5所述具有一个霍尔传感器运转的方法，其特征在于，其中，该启动位置讯息依据二个该霍尔传感器的霍尔电压所得到的四个区间讯息。

7.根据权利要求5所述具有一个霍尔传感器运转的方法，其特征在于，其中，该启动位置讯息依据三个该霍尔传感器的霍尔电压所得到的六个区间讯息。

8.根据权利要求5所述具有一个霍尔传感器运转的方法，其特征在于，其中，该运转位置讯息依据一个该霍尔传感器的霍尔电压所得到的二个区间讯息。