CN110868117B - 单相无感测器直流无刷马达的固定旋转方向启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明利用马达转子与定子之间的机构设计所造成的非对称磁场来感应反电动势信号，公开一种单相无感测器直流无刷马达的固定旋转方向启动方法，包含：通电启动马达控制电路；确认马达在激磁启动前是否已处于旋转状态，否则，执行一静态启动程序；决定马达的旋转方向；马达旋转方向是否符合预定方向；若是，执行一正常驱动程序；否则，执行一静态启动程序。该静态启动程序在释放马达残存能量后，通过执行第一相激磁、停止激磁、执行强力第二相激磁等步骤，达到静态启动的目的。本发明更在该正常激磁驱动程序中每隔固定周期，取出第一相或第二相检测反电动势信号斜率，可得知马达旋转方向。

Description

单相无感测器直流无刷马达的固定旋转方向启动方法

技术领域

本发明是有关一种单相无感测器直流无刷马达的固定旋转方向启动方法。

背景技术

一般直流无刷马达驱动可使用如霍尔效应或光学感测器等的位置感测装置来检测其转子(Rotor)的瞬时位置进而控制电子开关执行换向功能。但是，使用位置感测器会增加成本和降低系统可靠度。因此，近年来各方已经投入了大量努力来去除无刷马达驱动中使用位置感测器的状况。

其中，反电动势(Back electromotive force，BEMF)信号是最常被应用于无感测器马达技术中，由于BEMF会根据转子的位置和旋转速度而变化，因此BEMF信号常用来确定转子的实际位置。然而，无感测器技术多用于三相直流无刷马达驱动，主要原因在于，三相驱动马达在同一时间仅两点导通，另一点可做为BEMF信号测量。一旦马达开始旋转，便可通过定子(stator)绕线组(winding)上的感应BEMF检测到转子位置。通过处理这些BEMF信号除了可以确定转子的实际位置，还可以控制相应的定子绕组线圈的激磁电流(excitationcurrent)的切换，定子磁极可以被有效地换相。另一方面，由于目前业界并无针对单相直流无刷马达提出有效的BEMF信号测量手段，因此也没有适当的无感测器技术方案来解决上述使用位置感测器衍生的相关问题。

发明内容

本发明利用马达转子与定子之间的机构设计所造成的非平衡(非对称)磁场来感应反电动势信号(BEMF)，提出一种单相无感测器直流无刷马达的固定旋转方向启动方法，以解决现有技术中无感测器单相直流无刷马达启动无法确定朝固定方向旋转的问题。

本发明的实施例公开一种单相无感测器直流无刷马达的固定旋转方向启动方法，包含下列步骤：

步骤S101：通电启动马达控制电路；

步骤S102：确认马达在激磁启动前是否已处于旋转状态？若是，则执行步骤S103；否则，执行一静态启动程序；

步骤S103：判定马达的旋转方向；

步骤S104：马达旋转方向是否符合预定方向；若是，执行一正常驱动程序；否则，执行一静态启动程序。

在一优选实施例中，该静态启动程序还包含下列步骤：

步骤S110：释放马达残存能量；步骤S111：确认马达已无残存能量；若是，则执行步骤S112；否则，返回执行步骤S110；步骤S112：执行第一相激磁，并校正转子；步骤S113：停止激磁；步骤S114：执行强力第二相激磁；步骤S115：确认是否预期换相情况出现；若是，则执行该正常驱动程序；否则，执行步骤S116；步骤S116：确认是否超过预定等待时间；若是，则返回执行步骤S110；否则，返回执行步骤S115。

在一优选实施例中，该正规驱动程序还包含下列步骤：

步骤S120：等待换相；

步骤S121：执行第一相激磁；

步骤S122：等待换相；

步骤S123：执行第二相激磁。

在一优选实施例中，一种单相无感测器直流无刷马达的固定旋转方向启动方法还可包含：在正常激磁驱动程序中每隔固定周期取出第一相(PH1)或第二相(PH2)激磁下的反电动势信号，检测该反电动势信号的斜率，以得知马达旋转方向。

综上，本发明所公开的一种单相无感测器直流无刷马达的固定旋转方向启动方法，利用马达转子与定子之间的机构设计所造成的非对称磁场来感应反电动势信号，以解决现有技术中无感测器单相直流无刷马达启动无法确定朝固定方向旋转的问题。

附图说明

图1为本发明所适用的单相直流无刷马达结构与其等效电路的示意图；

图2为本发明的单相直流无刷马达与控制电路的示意图；

图3为本发明的一种单相无感测器直流无刷马达的固定旋转方向启动方法的流程图；

图4所示的本发明的单相无感测器直流无刷马达的固定旋转方向启动方法中反电动势信号波形的斜率；

图5所示为本发明的单相无感测器直流无刷马达的固定旋转方向启动方法中的静态启动程序的示意图；

图6所示为本发明的单相无感测器直流无刷马达的固定旋转方向启动方法中静态启动马达端子的控制波形示意图；以及

图7所示为本发明的单相无感测器直流无刷马达的固定旋转方向启动方法中正常驱动马达端子的控制波形示意图。

附图标记说明：

110 定子

120 转子

A、B 马达端子

200 控制器

S1、S2、S3、S4 开关

S101-S104、S110-S116、S120-S123 步骤

具体实施方式

以下是通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容轻易地了解本发明的其他优点及技术效果。本发明亦可通过其他不同的具体实例加以施行或应用，本发明说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用在不悖离本发明的构思下进行各种修饰与变更。

须知，本说明书附图示出的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所公开的内容，以供本领域技术人员了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的技术效果及所能实现的目之下，均应落在本发明所公开的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明所适用的单相直流无刷马达结构与其等效电路的示意图。如图1所示，一单相直流无刷马达结构主要包含：一定子110与一由永久性磁铁组(permanentmagnets)所构成的转子120；该转子、定子可为二极、四极或六极...等架构。图中所示为二极与四极的架构。该单相直流无刷马达并包含两个马达端子A、B，图1所示的V_A、V_B分别代表马达端子A、B的电压值。其等效电路则以一电阻R、一电感L、以及一电压源V_EMF表示，换言之，V_AB＝Ldi/dt+iR+V_EMF；其中，电压源V_EMF为所感应的反电动势。

值得注意的是，如图1所示，该马达的转子与定子之间的机构设计会造成的非平衡(非对称)磁场，本发明是利用该非对称磁场来感应反电动势信号，借此判断该马达是否处于旋转状态，以及其旋转方向。

图2为本发明的单相直流无刷马达与控制电路的示意图。如图2所示，该单相直流无刷马达的控制电路包含一第一开关S1、一第二开关S2、一第三开关S3、一第四开关S4、以及一控制器200；其中，该第一开关S1与第二开关S2串接，该第三开关S3与第四开关S4串接，且其串接点分别与该单相直流无刷马达的两个端子(A、B)电性连接；该控制器由提供一第一开关控制信号、一第二开关控制信号、一第三开关控制信号、以及一第四开关控制信号分别控制该第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4，并且分别提供两个激磁电压V_A、V_B至该单相直流无刷马达的两个端子A、B。

值的说明的是，在图2中另外定义一第一相PH1、与一第二相PH2；其中，第一相与第二相分别意指该单相直流无刷马达的两个端子A、B之间所存在的电压差的两种组态，亦即，V_A>V_B、以及V_A<V_B。为方便解说，以下说明将第一相定义为V_A>V_B、且将第二相定义为V_A<V_B。然而，在其他实施例中，也可以将第一相定义为V_A<V_B、且将第二相定义为V_A>V_B。当V_A＝V_B时，则代表换相。

基于上述的控制电路，本发明提供一种单相无感测器直流无刷马达的固定旋转方向启动方法。图3所示为本发明的一种单相无感测器直流无刷马达的固定旋转方向启动方法，包含下列步骤：

步骤S101：通电启动马达控制电路；

步骤S102：确认马达在激磁启动前是否已处于旋转状态？若是，则执行步骤S103；否则，执行一静态启动程序；

步骤S103：决定马达的旋转方向；

步骤S104：马达旋转方向是否符合预定方向；若是，执行一正常驱动程序；否则，执行一静态启动程序。

值的说明的是，该单相无感测器直流无刷马达可能在正式启动(通电激磁)程序的前已处于一种旋转的状态，例如，在回风环境中处于逆转状态、或者因为具有残存动能而处于顺转状态、或者在顺风环境处于顺转状态；因此，本发明的方法必须在启动该控制电路后，检测该单相无感测器直流无刷马达是否已处于旋转状态(步骤S102)。

在具体实施的方式上，可通过测量感应反电动势(V_A与V_B的端电压差)是否大于一预设门限值。若V_A与V_B的端电压差大于该预设门限值，则判断该马达是处于旋转状态，则执行步骤S103，判定该马达的旋转方向；否则，表示该马达是处于静止状态，因此执行一静态启动程序。

在步骤S103中，决定该马达的旋转方向的具体实施的方式上，可通过计算反电动势信号的斜率(Slope)来判断该马达的旋转方向。如图4所示的反电动势信号波形，当左端峰值低于右端峰值时，反电动势信号斜率为正，代表其旋转方向为顺时针方向；反之，当左端峰值高于右端峰值时，反电动势信号斜率为负，代表其旋转方向为逆时针方向。

在步骤S104中，当该马达旋转方向符合预定方向时，可通过继续执行执行一正常驱动程序持续趋动该马达旋转；否则，则通过执行该静态启动程序来调整。

参阅图5与图6，图5所示为本发明的单相无感测器直流无刷马达的固定旋转方向启动方法中的静态启动程序的示意图，图6所示为本发明的单相无感测器直流无刷马达的固定旋转方向启动方法中静态启动马达端子的控制波形示意图。

承前所述，该静态启动程序还包含下列步骤：

步骤S110：释放马达残存能量；

步骤S111：确认马达已无残存能量；若是，则执行步骤S112；否则，返回执行步骤S110；

步骤S112：执行第一相激磁，并校正转子；

步骤S113：停止激磁；

步骤S114：执行强力第二相激磁；

步骤S115：确认是否预期换相情况出现；若是，则执行该正常驱动程序；否则，执行步骤S116；

步骤S116：确认是否超过预定等待时间；若是，则返回执行步骤S110；否则，返回执行步骤S115。

值得说明的是，步骤S110及步骤S111的目的是将该马达中的残存能量完全释放，包括动能、磁能、及电能；例如，前述的在回风环境中处于逆转状态、或者因为具有残存动能而处于顺转状态。因此，无论是由步骤102进来(该马达是处在静止状态)还是由步骤S104进来(该马达的转向不符合预定方向)，经过步骤S110及步骤S111后，该马达不再有残存能量。其中，检测该马达中的残存能量完全释放的具体方式，可通过检测端电压是否V_A＝V_B＝0来实现。由此，本发明的方法正式进入将该马达由近似静止的状态下启动的程序。

首先，在步骤S112中执行第一相(PH1)激磁(excitation)，并校正转子(亦即，将转子与定子的磁极对正)；其中激磁是定义为由前述的控制器提供一激磁电压至该单相直流无刷马达的端子。因此，在本实施例中，第一相激磁意指该控制器提供一激磁电压至该马达的A端子，而第二相激磁意指该控制器提供一激磁电压至该马达的B端子。值得注意的是，该控制器提供的该激磁电压是以较缓和的坡度缓升与缓降，且电压也较小，例如，约为电压源Vcc的四分之一，主要是为了避免马达振荡抖动、残存惯性动能，进而影响非对称磁场的运行。接着，在步骤S113中停止激磁，让非对称机构设计所造成的非平衡磁场导致转子惯性偏转发挥作用。然后，在步骤S114中执行强力第二相激磁；在此，强力是指该控制器提供一较高电压的激磁电压至该马达的B端子(第二相)，例如，约为电压源Vcc的二分之一。换言之，此一强力换相激磁的结果将造成转子力矩增大，提供足够反电动势。

步骤S115是确认该马达是否预期换相情况出现；若是，代表该马达已经顺利依照预设方向启动旋转，因此本发明的方法则进入正常驱动状态，执行正常驱动程序；否则，执行步骤S116，确认是否超过预定等待时间；若是，则返回执行步骤S110，重新执行整个静态启动程序，再重新将该马达的残存能量完全释放；否则，返回执行步骤S115，确认该马达是否预期换相情况出现。

承前所述，该正常驱动程序还包含下列步骤：

步骤S120：等待换相；

步骤S121：执行第一相激磁；

步骤S122：等待换相；

步骤S123：执行第二相激磁。

值得说明的是，步骤S120及步骤S122中的等待换相的具体实施方式可通过检测端电压V_A-V_B是否为0来实现。而步骤S121及步骤S123中的执行第一相激磁与执行第二相激磁是指分别按序轮流由该控制器提供一激磁电压至该马达的两个端子A、B；而步骤S120-S123则形成一循环，而构成该马达的正常驱动程序。特别说明的是，在上述静态启动程序的步骤S115中若该马达出现预期换相情况，则进入正常驱动程序中的步骤S121；换言之，进入轮流换相激磁的循环。

参考图7，图7所示为本发明的单相无感测器直流无刷马达的固定旋转方向启动方法中正常驱动马达端子的控制波形示意图。如图6所示，步骤S120-S123形成一循环，而步骤S120及步骤S122中的等待换相的具体实施方式可通过检测端电压V_A-V_B＝0来实现。再者，由该控制器提供的激磁电压至该马达两个端子A、B的电压值相当，如步骤S121及步骤S123所示。

本发明的一种单相无感测器直流无刷马达的固定旋转方向启动方法还可包含：在正常激磁驱动程序中每隔固定周期取出第一相(PH1)或第二相(PH2)激磁下的反电动势信号，检测该反电动势信号的斜率，以得知马达旋转方向，因为非对称磁场产生反电动势信号斜率不同。换言之，可在步骤S120或步骤S122后，执行步骤S103通过检测该反电动势信号的斜率，得知马达旋转方向，然后再按序执行步骤S104等，以此类推。

综而言之，本发明利用马达转子与定子之间的机构设计所造成的非对称磁场来感应反电动势信号，公开一种单相无感测器直流无刷马达的固定旋转方向启动方法，包含：通电启动马达控制电路；确认马达在激磁启动前是否已处于旋转状态？否则，执行一静态启动程序；决定马达的旋转方向；马达旋转方向是否符合预定方向；若是，执行一正常驱动程序；否则，执行一静态启动程序。该静态启动程序在释放马达残存能量后，通过执行第一相激磁、停止激磁、执行强力第二相激磁等步骤，达到静态启动的目的。本发明更在该正常激磁驱动程序中每隔固定周期，取出第一相或第二相检测反电动势信号斜率，可得知马达旋转方向。

然而，上述实施例仅例示性说明本发明的技术效果，而非用于限制本发明，任何本领域技术人员均可在不违背本发明的构思及范围下，对上述实施例进行修饰与改变。此外，在上述该些实施例中的元件的数量仅为例示性说明，亦非用于限制本发明。因此本发明的权利保护范围，应如以下的权利要求为准。

Claims (9)

1.一种单相无感测器直流无刷马达的固定旋转方向启动方法，包含下列步骤：

步骤S101：通电启动马达控制电路；

步骤S102：确认马达在激磁启动前是否已处于旋转状态，若是，则执行步骤S103；否则，该马达是处于静止状态并执行一静态启动马达端子的静态启动程序；

步骤S103：决定马达的旋转方向，决定该马达的旋转方向可通过计算反电动势信号的斜率来判断该马达的旋转方向，其中，根据该反电动势信号的波形，当左端峰值低于右端峰值时，反电动势信号斜率为正，代表其旋转方向为顺时针方向；反之，当左端峰值高于右端峰值时，反电动势信号斜率为负，代表其旋转方向为逆时针方向；

步骤S104：马达旋转方向是否符合预定方向；若是，进入正常驱动状态并执行一正常驱动程序；否则，执行该静态启动程序，其中，正常驱动程序还包含下列步骤：

步骤S120：等待换相；

步骤S121：执行第一相激磁；

步骤S122：等待换相；

步骤S123：执行第二相激磁，其中，该第一相与该第二相分别指该单相无感测器直流无刷马达的两个端子之间所存在的电压差的两种组态。

2.如权利要求1所述的单相无感测器直流无刷马达的固定旋转方向启动方法，其中，在步骤S102中，确认马达在激磁启动前是否已处于旋转状态是通过测量感应反电动势或者说马达两端子的端电压差是否大于一预设门限值；若该马达两端子的端电压差大于该预设门限值，则判断该马达是处于旋转状态。

3.如权利要求1所述的单相无感测器直流无刷马达的固定旋转方向启动方法，其中，该静态启动程序还包含下列步骤：

步骤S110：释放马达残存能量；

步骤S111：确认马达是否已无残存能量；若是，则执行步骤S112；否则，返回执行步骤S110；

步骤S112：执行第一相激磁，并校正转子；

步骤S113：停止激磁；

步骤S114：执行强力第二相激磁，其中，强力第二相激磁是指该控制电路在第二相激磁中提供一高于在第一相激磁电压的激磁电压至该马达端子；

步骤S115：确认是否预期换相情况出现；若是，则执行该正常驱动程序；否则，执行步骤S116；

步骤S116：确认是否超过预定等待时间；若是，则返回执行步骤S110；否则，返回执行步骤S115，其中，该第一相与该第二相分别指该单相无感测器直流无刷马达的两个端子之间所存在的电压差的两种组态。

4.如权利要求3所述的单相无感测器直流无刷马达的固定旋转方向启动方法，其中，当校正转子时，是使用缓升与缓降激磁电压，解决单相无感测器直流无刷马达启动振荡抖动的问题。

5.如权利要求3所述的单相无感测器直流无刷马达的固定旋转方向启动方法，其中，在步骤S115中，确认是否换相是通过检测马达两端子的端电压差是否为0来实现。

6.如权利要求1所述的单相无感测器直流无刷马达的固定旋转方向启动方法，其中，在步骤S121与步骤S123中，该控制电路在第一相激磁与第二相激磁中提供相同大小且方向相反的激磁电压至该马达端子。

7.如权利要求1所述的单相无感测器直流无刷马达的固定旋转方向启动方法，其中，在步骤S120与步骤S122中，等待换相是通过检测马达两端子的端电压差是否为0来实现。

8.如权利要求1所述的单相无感测器直流无刷马达的固定旋转方向启动方法，其中，而步骤S120-S123则形成一循环。

9.如权利要求1所述的单相无感测器直流无刷马达的固定旋转方向启动方法，可包含：在该正常激磁驱动程序中每隔固定周期取出该第一相或该第二相激磁下的反电动势信号，检测该反电动势信号的斜率，以得知马达旋转方向。

Images