CN110995103B - 自动检测马达转子起始位置的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭露一种自动检测马达转子起始位置的装置及方法。装置包含起始位置检测模块、查表模块以及控制模块。起始位置检测模块检测马达的输入电压。控制模块比对多个输入电压，以判断马达转子的起始位置。控制模块从查表模块取得波形图样，据以建构启动波形信号输出至对应转子的起始位置的马达的该步，以控制马达运转。

Description

自动检测马达转子起始位置的装置及方法
技术领域
本发明是有关于马达，且特别是有关于一种自动检测马达转子起始位置的装置及方法。
背景技术
为了方便启动马达运转，如图12所示的传统马达驱动装置，在不知马达转子的起始位置的情况下，需藉由在马达随机三相中任选一相位打入一脉冲波，以将马达转子从未知位置拉到指定的定位位置。在图12所示的定位模式中，显然需耗费很长的时间实现马达运转前的转子定位，过长的启动预备时间，导致不符客户需求。甚至，在将马达从未知转子位置拉到定位位置的过程中，会导致马达震动、风扇抖动，造成产生一定分贝的噪音。接着，在马达定位后，传统马达驱动装置通常采用方波驱动马达运转，方波驱动因为急遽变化的信号电位，相比于弦波驱动将产生明显较大的噪音。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自动检测马达转子起始位置的装置及方法，其搭配弦波驱动方式启动，用以解决传统马达驱动装置需要额外的时间将风扇拉到定位导致无法快速启动马达运转，且在定位过程中产生震动噪音的缺失。
本发明实施例提供一种自动检测马达转子起始位置的装置，包含：
起始位置检测模块，连接马达的每一相的电压输入端，在马达未运转状态下检测电压输入端的输入电压；
查表模块，存储多个查表索引值以及与多个查表索引值对应的多个波形图样；以及
控制模块，连接起始位置检测模块、查表模块以及马达，控制模块配置比对从起始位置检测模块取得的多个输入电压，以判断马达的转子的起始位置，并决定多个波形参数值，控制模块比对多个波形参数值与多个查表索引值，以从查表模块取得对应多个波形参数值的其中波形图样，并据以建构启动波形信号输出至对应转子的起始位置的马达的步，以控制对马达的驱动。
优选地，所述多个波形图样包含多个弦波图样，所述多个波形参数值包含所述多个弦波图样的工作周期、频率、振幅以及持续加速时间。
优选地，所述自动检测马达转子起始位置的装置还包含开关模块，连接所述马达，所述控制模块控制所述开关模块在所述马达的每一所述步供应检测电流通过线圈绕组，直到当每一所述相的所述电压输入端的所述输入电压大于第一参考电压，所述控制模块开始计时，并在所述输入电压转为小于所述第一参考电压时停止计时，以取得所述输入电压持续大于所述第一参考电压的时间长度，并比对出具有最长所述时间长度的所述马达其中一所述步，并据以判断所述马达的所述转子的所述起始位置。
优选地，所述起始位置检测模块包含比较器，所述比较器的第一输入端连接所述马达的每一所述相的所述电压输入端，所述比较器的第二输入端连接第一参考电压，所述比较器的输出端连接所述控制模块，所述比较器比较所述马达的每一所述相的所述输入电压与所述第一参考电压以产生比较结果，并通过所述比较器的所述输出端输出所述比较结果至所述控制模块，所述控制模块依据所述比较结果判断所述输入电压是否大于所述第一参考电压。
优选地，所述自动检测马达转子起始位置的装置还包含存储模块，连接所述控制模块，配置以存储检测控制信号，并提供至所述控制模块依据所述检测控制信号控制所述开关模块以及所述马达的运作，所述检测控制信号具有多个波形，各所述波形的周期为最短固定导通时间，所述最短固定导通时间为所述马达的各所述相的所述电压输入端电压大于所述第一参考电压的最短时间。
优选地，所述自动检测马达转子起始位置的装置还包含开关模块，连接所述控制模块以及所述马达，在所述马达的每一所述步供应检测电流通过线圈绕组，直到当每一所述步的所述检测电流达到饱和而具有饱和电流值时，所述控制模块控制所述开关模块停止供应所述检测电流，接着关闭与所述马达的每一所述相连接的所述开关模块的上桥和下桥，使所述检测电流流经与所述马达的每一所述相连接的所述开关模块的下桥的内接二极管，所述马达的每一所述相的所述输入电压为所述内接二极管的负导通电压，接着所述控制模块计时所述马达的每一所述相的所述输入电压从所述负导通电压上升至零值时的时间长度，并比对出具有最短所述时间长度的所述马达其中一所述步，并据以判断所述马达的所述转子的所述起始位置。
优选地，所述马达的每一所述相的所述输入电压具有与所述内接二极管的导通电压相同的电压值，所述导通电压的所述电压值不大于0.7伏特。
优选地，所述自动检测马达转子起始位置的装置还包含存储模块，连接所述控制模块，配置以存储检测控制信号，并提供至所述控制模块依据所述检测控制信号控制所述开关模块以及所述马达的运作，所述检测控制信号具有多个波形，各所述波形的周期为最短固定导通时间，所述最短固定导通时间为供应至所述马达的所述M个检测电流皆达到饱和并具有相同饱和电流值的最短时间。
优选地，所述自动检测马达转子起始位置的装置还包含比较器，所述比较器的第一输入端连接所述马达的每一所述相的所述电压输入端，所述比较器的第二输入端连接第二参考电压，所述比较器的输出端连接所述控制模块，所述比较器比较所述马达的每一所述输入电压与所述第二参考电压，以产生比较结果，并通过所述比较器的所述输出端输出所述比较结果至所述控制模块，所述控制模块依据所述比较结果判断所述输入电压是否等于所述导通电压。
本发明实施例提供一种自动检测马达转子起始位置的方法，适用于上述自动检测马达转子起始位置的装置，方法包含下列步骤：
存储多个查表索引值以及与多个查表索引值对应的多个波形图样在查表模块；
利用起始位置检测模块，在马达未运转状态下检测马达的每一相的电压输入端的输入电压；
利用控制模块，比对多个输入电压，以判断马达的转子的起始位置，并决定多个波形参数值；
利用控制模块，比对多个波形参数值与多个查表索引值，以从查表模块取得对应多个波形参数值的其中一波形图样，并据以建构启动波形信号；以及
利用控制模块，供应启动波形信号在对应转子的起始位置的所述步。
优选地，所述多个波形图样包含多个弦波图样，所述多个波形参数值包含所述多个弦波图样的工作周期、频率、振幅以及持续加速时间。
优选地，所述自动检测马达转子起始位置的方法还包含下列步骤：
利用一开关模块在所述马达的每一所述步供应检测电流通过线圈绕组，直到当每一所述相的所述电压输入端的所述输入电压大于第一参考电压；
利用所述控制模块计时所述输入电压持续大于所述第一参考电压的时间长度；以及
利用所述控制模块比对出具有最长所述时间长度的所述马达其中一所述步，并据以判断所述马达的所述转子的所述起始位置。
优选地，所述自动检测马达转子起始位置的方法还包含下列步骤：
输入所述马达的每一所述相的所述输入电压至比较器的第一输入端；
输入所述第一参考电压至所述比较器的第二输入端；
利用比较器比较所述马达的每一所述相的所述输入电压与所述第一参考电压以产生比较结果，通过所述比较器的输出端输出所述比较结果至所述控制模块；以及
利用所述控制模块依据所述比较结果判断所述输入电压是否大于所述第一参考电压，若是，利用所述控制模块记录所述输入电压持续大于所述第一参考电压的所述时间长度，若否，继续计时。
优选地，所述自动检测马达转子起始位置的方法还包含下列步骤：
利用存储模块存储检测控制信号并提供至所述控制模块；以及
利用所述控制模块依据所述检测控制信号控制所述开关模块以及所述马达的运作；
其中所述检测控制信号具有多个波形，各所述波形的周期为最短固定导通时间，所述最短固定导通时间为所述马达的各所述相的所述电压输入端电压大于所述第一参考电压的最短时间。
优选地，所述自动检测马达转子起始位置的方法还包含下列步骤：
利用所述控制模块控制开关模块在所述马达的每一所述步供应检测电流通过线圈绕组；
当每一所述步的所述检测电流达到饱和而具有饱和电流值时，利用所述控制模块关闭与所述马达的每一所述相连接的所述开关模块的上桥和下桥，使所述检测电流流经每一所述相连接的所述开关模块的下桥的内接二极管，所述马达的每一所述相的所述输入电压为所述内接二极管的负导通电压；
利用所述控制模块计时所述马达的每一所述相的所述输入电压从所述负导通电压上升零值的时间长度；以及
利用所述控制模块比对出具有最短所述时间长度的所述马达其中一所述步，并据以判断所述马达的所述转子的所述起始位置。
优选地，所述负导通电压为-0.7伏特。
优选地，所述自动检测马达转子起始位置的方法还包含下列步骤：
输入所述马达的每一所述相的所述输入电压至所述比较器的一第一输入端；
输入第二参考电压至所述比较器的第二输入端；
利用所述比较器比较所述马达的每一所述相的所述输入电压与所述第二参考电压以产生比较结果，通过所述比较器的输出端输出所述比较结果至所述控制模块；以及
利用所述控制模块依据所述比较结果记录所述马达的每一所述相的所述输入电压从所述负导通电压上升至零值的所述时间长度。
优选地，所述自动检测马达转子起始位置的方法还包含下列步骤：
利用存储模块存储检测控制信号并提供至所述控制模块；以及
利用所述控制模块依据所述检测控制信号控制所述开关模块以及所述马达的运作；
其中所述检测控制信号具有多个波形，各所述波形的周期为最短固定导通时间，所述最短固定导通时间为供应至所述马达的所述M个检测电流皆达到饱和并具有相同饱和电流值的最短时间。
本发明的有益效果在于，本发明所提供的一种自动检测马达转子起始位置的装置及方法，其通过提供给马达不同搭配组合的检测电流，接着检测供应检测电流后的马达的每一相的输入电压值(开关模块的输出电压值)的变化，同时计时和比较所有输入电压变化过程所经过的时间长度，据以推测哪一步的检测电流通过的马达的线圈绕组的电感值最小，从而得知马达转子的起始位置。本发明所采用的技术手段不需要额外的时间将风扇拉到定位，不会导致马达抖动，因而可在无震动噪音的情况下，达到快速启动马达运转的效果。
附图说明
图1是本发明第一实施例的自动检测马达转子起始位置的装置的方块图。
图2a、图2b、图2c是本发明第一实施例自动检测马达转子起始位置的装置分别应用于三相马达的U、V和W相的检测电流的流动示意图。
图3是本发明第一实施例自动检测马达转子起始位置的装置的比较器的电路图。
图4是本发明第一实施例自动检测马达转子起始位置的装置的控制模块和比较器以及应用的马达的电压信号的波形图。
图5是本发明第一实施例自动检测马达转子起始位置的方法的步骤流程图。
图6是本发明第二实施例的自动检测马达转子起始位置的装置的方块图。
图7a、图7b、图7c是本发明第二实施例自动检测马达转子起始位置的装置分别应用于三相马达的U、V和W相的检测电流的流动示意图。
图8是本发明第二实施例自动检测马达转子起始位置的装置的比较器的电路图。
图9是本发明第二实施例自动检测马达转子起始位置的装置的控制模块和比较器以及应用的马达的电压信号的波形图。
图10是本发明第二实施例自动检测马达转子起始位置的方法的步骤流程图。
图11是本发明自动检测马达转子起始位置的装置应用的马达的相电流对时间的曲线图。
图12是传统马达驱动装置应用的马达的相电流对时间的曲线图。
具体实施方式
以下是通过特定的具体实施例来说明本发明所揭露有关本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容了解本发明的优点与效果。本发明可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也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改与变更。另外，本发明的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘，事先声明。以下的实施方式将进一步详细说明本发明的相关技术内容，但所揭露的内容并非用以限制本发明的保护范围。
应理解，虽然本文中可能使用术语第一、第二、第三等来描述各种组件或者信号，但这些组件或者信号不应受这些术语的限制。这些术语主要是用以区分一组件与另一组件，或者一信号与另一信号。另外，本文中所使用的术语“或”，应视实际情况可能包括相关联的列出项目中的任一个或者多个的组合。
为了解释清楚，在一些情况下，本技术可被呈现为包括包含功能块的独立功能块，其包含装置、装置组件、软件中实施的方法中的步骤或路由，或硬件及软件的组合。
实施根据这些揭露方法的装置可以包括硬件、韧体及/或软件，且可以采取任何各种形体。这种形体的典型例子包括笔记本电脑、智能电话、小型个人计算机、个人数字助理等等。本文描述之功能也可以实施于外围设备或内置卡。通过进一步举例，这种功能也可以实施在不同芯片或在单个装置上执行的不同程序的电路板。
该指令、用于传送这样的指令的介质、用于执行其的计算资源或用于支持这样的计算资源的其他结构，系为用于提供在这些揭露中所述的功能的手段。
[第一实施例]
请参阅图1～4，图1是本发明第一实施例的自动检测马达转子起始位置的装置的方块图；图2a、图2b、图2c是本发明第一实施例自动检测马达转子起始位置的装置分别应用于三相马达的U、V和W相的检测电流；图3是本发明第一实施例自动检测马达转子起始位置的装置的比较器的电路图；图4是本发明第一实施例自动检测马达转子起始位置的装置的控制模块和比较器以及应用的马达的电压信号的波形图。
如图1所示，本实施例的自动检测马达转子起始位置的装置1包含起始位置检测模块10、查表模块12、控制模块14、开关模块15以及存储模块18。控制模块14连接起始位置检测模块10、查表模块12、开关模块15以及存储模块18。起始位置检测模块10以及开关模块15连接马达2。
本实施例装置1应用于马达2，马达2具有N相和M步，M为N的两倍值。如图2a～图2c所示，本实施例的马达2采用三相马达，包含V相、U相和W相，共六步。如图2a～2c所示的开关模块15的上桥UP和下桥UN分别连接马达2的U相；开关模块15的上桥VP和下桥VN分别连接马达2的V相；开关模块15的上桥WP和下桥WN分别连接马达2的W相。
开关模块15可连接输入电压源。控制模块14可控制开关模块15利用输入电压源在不同时间点分别供应检测电流Id1～Id6通过开关模块15至三相马达2的六步，如图4所示的六步STEP1～STEP6。
如图2a所示，马达2的V相和U相之间供应检测电流Id1、Id2。具体地，检测电流Id1流过开关模块15的上桥UP的开关组件例如晶体管，所以需导通上桥UP的开关组件，接着通过开关模块15的电压输出端OUTU和电压输出端OUTV之间的马达2的两相线圈绕组，最后流至开关模块15的下桥VN。另一方面，在供应检测电流Id1之前或之后，供应检测电流Id2流过开关模块15的上桥VP，接着通过开关模块15的电压输出端OUTU和电压输出端OUTV之间的马达2的两相线圈绕组，最后流至开关模块15的下桥UN。
如图2b所示，马达2的V相和W相之间供应检测电流Id3、Id4。具体地，检测电流Id3流过开关模块15的上桥VP，接着通过开关模块15的电压输出端OUTV和电压输出端OUTW之间的马达2的两相线圈绕组，流至开关模块15的下桥WN。另一方面，在供应检测电流Id3之前或之后，供应检测电流Id4流过开关模块15的上桥WP，接着通过开关模块15的电压输出端OUTV和电压输出端OUTW之间的马达2的两相线圈绕组，流至开关模块15的下桥VN。
如图2c所示，马达2的U相和W相之间供应检测电流Id5、Id6。具体地，检测电流Id5流过开关模块15的上桥WP，接着通过开关模块15的电压输出端OUTW和电压输出端OUTU之间的马达2的两相线圈绕组，最后流至开关模块15的下桥UN。另一方面，在供应检测电流Id5之前或之后，供应检测电流Id6流过开关模块15的上桥UP，接着通过开关模块15的电压输出端OUTW和电压输出端OUTU之间的马达2的两相线圈绕组，最后流至开关模块15的下桥WN。
替换地，起始位置检测模块10可包含比较器16’。如图3所示，比较器16具有第一输入端、第二输入端以及输出端。比较器16的第一输入端可连接开关模块15的电压输出端OUTU、OUTV、OUTW(即连接马达三相的电压输入端)，以取得开关模块15的输出电压Voutu、Voutv、Voutw。比较器16的第二输入端连接第一参考电压Vref1。比较器16可将开关模块15的输出电压Voutu、Voutv、Voutw分别与第一参考电压Vref1比较，以产生对应的比较结果Cout。进一步，比较器16的输出端可连接控制模块14，以提供控制模块14依据比较器16的比较结果Cout，输出电压判断输出电压Voutu、Voutv、Voutw分别与第一参考电压Vref1的关系。
为方便控制开关模块15的输出电压Voutu、Voutv、Voutw输入至比较器16的顺序，开关模块15的电压输出端OUTU、OUTV和OUTW可分别通过开关组件enu、env和enw连接比较器16的第一输入端。控制模块14可分别控制如图4所示的开关组件启闭信号Cenu’、Cenv’、Cenw’的高准位和低准位之间的切换，以分别控制开关组件enu、env和enw的开启和关闭。例如，当通过开关组件启闭Cenu’导通开关组件enu时，控制模块14可将开关模块15的输出电压Voutu输入至比较器16的第一输入端。
举例来说，以下假设比较器16的第一输入端为非反相输入端，连接开关模块15的电压输出端OUTU、OUTV、OUTW；而比较器16的第二输入端为反相输入端连接第一参考电压Vref1。
当如图2a所示供应检测电流Id1时，开关模块15的电压输出端OUTV的输出电压Voutv(其中Voutv电压等于检测电流Id1乘上下桥VN的晶体管的导通等效阻抗)大于第一参考电压Vref1时，比较器16输出逻辑1(High)的比较结果Cout。此时，控制模块14可开始计算比较结果Cout为high的时间有多久，并记录下来。
接着，当如图2a所示供应检测电流Id2时，开关模块15的电压输出端OUTU的输出电压Voutu(其中Voutu电压等于检测电流Id2乘上下桥UN的晶体管的导通等效阻抗)大于第一参考电压Vref1时，比较器16输出逻辑1的比较结果Cout。此时，控制模块14可开始计算比较结果Cout为high的时间有多久，并记录下来。
接着，当如图2b所示供应检测电流Id3时，开关模块15的电压输出端OUTW的输出电压Voutw(其中Voutw电压等于检测电流Id3乘上下桥WN的晶体管的导通等效阻抗)大于第一参考电压Vref1时，比较器16输出逻辑1的比较结果Cout。此时，控制模块14可开始计算比较结果Cout为high的时间有多久，并记录下来。
接着，当如图2b所示供应检测电流Id4时，开关模块15的电压输出端OUTV的输出电压Voutv(其中Voutv电压等于检测电流Id4乘上下桥VN的晶体管的导通等效阻抗)大于第一参考电压Vref1时，比较器16输出逻辑1的比较结果Cout。此时，控制模块14可开始计算比较结果Cout为high的时间有多久，并记录下来。
接着，当如图2c所示供应检测电流Id5时，开关模块15的电压输出端OUTU的输出电压Voutu(其中Voutu电压等于检测电流Id5乘上下桥UN的晶体管的导通等效阻抗)大于第一参考电压Vref1时，比较器16输出逻辑1的比较结果Cout。此时，控制模块14可开始计算比较结果Cout为high的时间有多久，并记录下来。
接着，当如图2c所示供应检测电流Id6时，开关模块15的电压输出端OUTW的输出电压Voutw(其中Voutw电压等于检测电流Id6乘上下桥WN的晶体管的导通等效阻抗)大于第一参考电压Vref1时，比较器16输出逻辑1的比较结果Cout。此时，控制模块14可开始计算比较结果Cout为high的时间有多久，并记录下来。
进一步来说，控制模块14内置的或额外设置的定时器，配置以在输出电压Voutu、Voutv、Voutw分别大于第一参考电压Vref1时，控制模块14开始进行计时，接着取得和纪录输出电压Voutu、Voutv、Voutw分别大于第一参考电压Vref1的时间长度tv1、tu1、tw1、tv2、tw2、tu2。时间长度tw1、tv1、tv2、tu1、tu2、tw2分别对应如图4所示的六步STEP1～STEP6的六个电压波形信号Vout。
控制模块14可比对时间长度tw1、tv1、tv2、tu1、tu2、tw2，以判断具有最长时间值的时间长度，从而判断马达2的转子的起始位置101。例如，当时间长度tu1(对应如图4所示的第四步STEP4)大于其他时间长度tw1、tv1、tv2、tu2、tw2时，表示如图2a所示的检测电流Id2从马达2的V相流到马达2的U相的电流路径中通过的两线圈绕组的总电感值最小，因此可以判断马达2的转子的起始位置101。
控制模块14可为微处理器。存储模块18可为内建于控制模块14内的存储器，或如图1所示为额外设置的存储器。举例来说，存储模块18可为OTP(One Time Programable)存储器或其他具有存储功能的组件，配置以存储适用于控制马达2运作的信号，包含如图4所示的检测控制信号OTPS，检测控制信号OTPS具有周期皆为最短固定导通时间Td的多个波形。最短固定导通时间Td表示只要满足六步中每一步的开关模块15的输出电压Voutu、Voutv、Voutw都能超过Vref1参考电压，以利纪录比较结果Cout大于零的时间，而最短时间的控制信号OTPS可确保此脉冲电流不足以转动风扇，且不会产生过长的电流脉冲噪音。控制模块14可通过施加检测控制信号OTPS，以控制起始位置检测模块10对马达2的检测时间，如检测出如图4所示的开关模块15的输出电压波形信号Vout。
在上述取得马达2转子的起始位置101后，可进一步决定马达2的启动操作，如下具体说明。
再次参照图1，查表模块12可为内置于控制模块14的一查表、缓存器或存储单元等，用以存储多个查表索引值121以及与多个查表索引值121对应的多个波形图样122。控制模块14可存储多个波形参数值141，包含多个弦波图样的工作周期、频率、振幅以及持续加速时间等参数。控制模块14可基于从起始位置检测模块10取得的马达2的转子起始位置101和目标位置，决定多个波形参数值141。控制模块14接着可比对查表模块12的多个波形参数值141与多个查表索引值121，以从查表模块12取得对应多个波形参数值141的其中一波形图样122，并据以建构启动波形信号142。
上述波形图样122包含多个弦波图样，启动波形信号142为理想的弦波信号，通过弦波驱动马达2相比于方波驱动可产生较少的电磁噪音。
更精确地，可通过模拟数字转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)针对弦波的N个取样点进行离散化。控制模块14可针对N个取样点的参数进行调整，再将这些离散化的Ν个取样点的数字量输出到数字模拟转换器(Digital-to-Analog Converter,DAC)，将数字信号转换为模拟信号，以产生启动波形信号142。
开关模块15可为全桥驱动电路。控制模块14可接着将启动波形信号142通过开关模块15供应在对应马达2转子的起始位置101的马达2的该步，使该马达的三相的每一相具有该给定的电压，以驱动马达2从起始位置101开始运转。
请参阅图5是本发明第一实施例自动检测马达转子起始位置的方法的步骤流程图。本实施例的自动检测马达转子起始位置的方法包含下列步骤S501～S521，适用于上述自动检测马达转子起始位置的装置1。
步骤S501：存储多个查表索引值以及多个波形图样在查表模块。
步骤S503：利用控制模块控制开关模块在马达的每一步供应检测电流通过线圈绕组。
步骤S505：利用起始位置检测模块，检测马达的每一相的电压输入端的输入电压。
步骤S507：输入马达的每一相的电压输入端的输入电压以及第一参考电压至起始位置检测模块的比较器。
步骤S509：利用起始位置检测模块的比较器比较马达的每一相的电压输入端的输入电压与第一参考电压。
步骤S511：控制模块判断每一输入电压是否大于第一参考电压，若否，重复执行步骤S505；若是，执行步骤S513：利用控制模块计时/记录每一输入电压持续大于第一参考电压的时间长度，应理解，控制模块内置的或额外设置的定时器在开关模块供应检测电流且马达的每一相的输入电压(即开关模块的输出电压)大于第一参考电压时开始计时，直到如图4所示的控制信号OTPS结束时停止计时，并记录此电压维持大于第一参考电压(如图3的比较结果Cout维持为high)的时间长度，并接着执行步骤S515。
步骤S515：利用控制模块比对出具有最长时间长度的马达的其中一步，并据以判断马达的转子的起始位置。
步骤S517：利用控制模块决定多个波形参数值。
步骤S519：利用控制模块比对多个波形参数值与多个查表索引值，以取得对应的波形图样，并据以建构启动波形信号。
步骤S521：利用控制模块通过开关模块供应启动波形信号在对应转子的起始位置的马达的该步，以控制马达的运作。
[第二实施例]
请参阅图6～9，图6是本发明第二实施例的自动检测马达转子起始位置的装置的方块图；图7a、图7b、图7c是本发明第二实施例自动检测马达转子起始位置的装置分别应用于三相马达的U、V和W相的检测电流的流动示意图；图8是本发明第二实施例自动检测马达转子起始位置的装置的比较器的电路图；图9是本发明第二实施例自动检测马达转子起始位置的装置的控制模块和比较器以及应用的马达的电压信号的波形图。
如图6所示，本实施例的自动检测马达转子起始位置的装置1’，应用于马达2’。本实施例装置1’包含起始位置检测模块10、查表模块12、控制模块14’、开关模块15’以及存储模块18’。开关模块15’连接起始位置检测模块10’、控制模块14’以及马达2’。控制模块14’连接起始位置检测模块10、查表模块12以及存储模块18’。起始位置检测模块10’包含比较器16’。
控制模块14’可控制开关模块15’在马达2’供应检测电流。如图7a上方电路所示，检测电流Id1’从三相马达2’的U相连接的开关模块15’的上桥UP供应，依序流通过电压输出端OUTU’和电压输出端OUTV’之间的两线圈绕组，最后流至V相的下桥VN。
应注意的是，不同于第一实施例选定最短固定导通时间Td，在第二实施例中，如图1所示，存储模块18’存储检测控制信号OTPS’并提供至控制模块14’。检测控制信号OTPS’具有周期皆为最短固定导通时间Td’的多个波形，如图9所示的开关模块15’的输出电压波形信号Vout’的六个波形。值得注意的是，最短固定导通时间Td’是指使供应至马达2’的所有检测电流皆达到饱和并具有相同饱和电流值的最短时间。
通过如图9所示的最短固定导通时间Td’，使如图7a所示的检测电流Id1’达到饱和，而具有如图6所示的饱和电流值Sa1。在最短固定导通时间Td’结束时，关闭U相的上桥UP和下桥UN，使检测电流Id1’流经下桥UN的内接二极管Du，如图7a下方电路所示。此时，与U相的上桥UP和下桥UN之间的节点连接的电压输出端OUTU’的输出电压Voutu’具有与内接二极管Du的导通电压相同的电压值。
接着，如图7a上方电路所示，检测电流Id2’从开关模块15’的上桥VP供应到开关模块15’的下桥UN。同样，检测电流Id2’在如图8所示的最短固定导通时间Td’内达到饱和，而具有如图6所示的饱和电流值Sa2。在最短固定导通时间Td’结束时，关闭开关模块15’的上桥VP和下桥VN，使检测电流Id2’流经下桥VN的内接二极管Dv，如图7a下方电路所示。此时，电压输出端OUTV’的输出电压Voutv’具有与内接二极管Dv的导通电压相同的电压值。
接着，如图7b上方电路所示，检测电流Id3’从三相马达2’的V相的上桥VP供应，依序流通过电压输出端OUTV’和电压输出端OUTW’之间的两线圈绕组，最后流至W相的下桥WN。直到检测电流Id3’在经过最短固定导通时间Td’达到饱和而具有饱和电流值Sa3后，关闭V相的上桥VP和下桥VN，使检测电流Id3’流经下桥VN的内接二极管Dv，如图7b下方电路所示。此时，与V相的上桥VP和下桥VN之间的节点连接的开关模块15’的电压输出端OUTV’的输出电压Voutv’具有与内接二极管Dv的导通电压相同的电压值。
接着，如图7b上方电路所示，检测电流Id4’从开关模块15’的上桥WP供应到开关模块15’的下桥VN。检测电流Id4’在最短固定导通时间Td’内达到饱和，而具有如图6所示的饱和电流值Sa4。在最短固定导通时间Td’结束时，关闭W相上桥WP和下桥WN，使检测电流Id2’流经下桥WN的内接二极管Dw，如图7b下方电路所示。此时，电压输出端OUTW’的输出电压Voutw’具有与内接二极管Dw的导通电压相同的电压值。
接着，如图7c上方电路所示，检测电流Id5’从三相马达2’的W相的上桥WP供应，依序流通过电压输出端OUTW’和电压输出端OUTU’之间的两线圈绕组，最后流至U相的下桥UN。直到检测电流Id5’在最短固定导通时间Td’达到饱和而具有饱和电流值Sa5后，关闭W相的上桥WP和下桥WN，使检测电流Id5’流经下桥WN的内接二极管Dw，如图7c下方电路所示。此时，与W相的上桥WP和下桥WN之间的节点连接的开关模块15的电压输出端OUTW’的输出电压Voutw’具有与内接二极管Dw的导通电压相同的电压值。
接着，如图7c上方电路所示，检测电流Id6’从对应马达2’的U相的开关模块15’的上桥UP供应到对应马达2’的W相的开关模块15’的下桥WN。检测电流Id6’在最短固定导通时间Td’内达到饱和，而具有如图6所示的饱和电流值Sa6。在最短固定导通时间Td’结束时，关闭U相上桥UP和下桥UN，使检测电流Id6’流经下桥UN的内接二极管Du，如图7c下方电路所示。此时，电压输出端OUTU’的输出电压Voutu’具有与内接二极管Du的导通电压相同的电压值。
如图8所示，开关模块15’的电压输出端OUTU’、OUTV’、OUTW’的输出电压Voutu’、Voutv’、Voutw’输入至比较器16’的第一输入端，这些输出电压Voutu’、Voutv’、Voutw’在内接二极管Du、Dv、Dw导通时约等于-0.7伏特。第二参考电压Vref2则输入比较器16’的第二输入端，此第二参考电压Vref2可例如为-(内接(或说导通开关的寄生二极管，实务上利用此寄生二极管)二极管Du的导通电压值)/2。举例来说，若内接二极管Du、Dv、Dw采用硅二极管，内接二极管Du、Dv、Dw的导通电压值约为0.6～0.7伏特时，开关模块15’的输出电压Voutu’约为-0.6～-0.7伏特；此时，第二参考电压Vref2可为-0.35伏特。替换地，若内接二极管Du、Dv、Dw采用锗二极管，则内接二极管Du、Dv、Dw的导通电压值约为0.2～0.3伏特时，开关模块15’的输出电压Voutu’约为-0.2～-0.3伏特。
控制模块14’纪录分别供应检测电流Id1’～Id6’并接着开闭开关模块15’的上桥和下桥，使开关模块15’的电压输出端OUTU’、OUTV’、OUTW’的输出电压Voutc’如图9所示从达到饱和电压值(如图9所示的比较结果Cout’为high)分别下降至内接二极管Du、Dv、Dw的负导通电压例如-0.7伏特，接着控制模块14’计时从内接二极管Du、Dv、Dw的导通电压例如-0.7伏特上升回到0伏特的时间长度tu2’、tu1’、tw1’、tv1’、tu2’、tw2’。
举例来说，本实施例假设比较器16’的第一输入端为非反相输入端，而比较器16’的第二输入端为反相输入端。实际上，反之亦可实现马达2’转子的起始位置101’的检测，但取得的比较结果Cout’为相反逻辑值。
在本实施例中，当如图7a所示的开关模块15’的电压输出端OUTU’的输出电压Voutu’小于第二参考电压Vref2时，比较器16’输出逻辑0(Low)的比较结果Cout’。同理，其他输出电压Voutw’、Voutv’亦是如此。
比较器16’的输出端连接控制模块16’，以通过控制模块14’纪录比较器16’的比较结果Cout’。控制模块14’可依据比较结果Cout’判断并比对时间长度tu1’、tu2’、tv1’、tv2’、tw1’、tw2’，以判断具有最短时间值的时间长度，从而判断马达2’的转子的起始位置101’。例如，当时间长度tu1’小于其他时间长度tu2’、tv1’、tv2’、tw1’、tw2’时，表示如图7c所示的检测电流Id2’流过的两线圈绕组的总电感值最小，因此可以判断马达2’的转子的起始位置101’在对应U相的上桥UP的那一步。
值得注意的是，由于比较器16’进行比较的输出电压Voutu’、Voutw’、Voutv’以及第二参考电压Vref2具有很小的电压值，例如输出电压具有介于-0.7V和0V之间的幅度变化，若第二参考电压Vref2设定为-0.35V,则此比较器16’的误差即使等于0.34V，也不会导致结果错误，并且开关模块15’的输出电压Voutu’、Voutw’、Voutv’可不需通过10bits的模拟数字转换器转换，而仅需要一般比较器，即可实现对马达2’的起始位置101’的检测。
请参阅图10是本发明第二实施例自动检测马达转子起始位置的方法的步骤流程图。本实施例的自动检测马达转子起始位置的方法包含下列步骤S1001～S1025，适用于上述自动检测马达转子起始位置的装置1’。
步骤S1001：存储多个查表索引值以及多个波形图样在查表模块。
步骤S1003利用开关模块在马达的每一步供应检测电流通过线圈绕组。
步骤S1005：当每一步的检测电流达到饱和而具有饱和电流值时，利用控制模块控制开关模块停止供应检测电流。
步骤S1007：利用控制模块关闭马达的每一相的上桥和下桥，使检测电流流经每一相的下桥的内接二极管，此时开关模块的输出电压从达到饱和电压值降为二极管的负导通电压例如-0.7伏特。
步骤S1009：利用起始位置检测模块，检测马达的每一相的电压输入端的输入电压。
步骤S1011：输入马达的每一相的输入电压以及第一参考电压至起始位置检测模块的比较器。
步骤S1013：利用比较器比较马达的每一相的输入电压与第二参考电压。
步骤S1015：控制模块判断每一相的输入电压是否小于第二参考电压，若否，重复执行步骤S1009；若是，执行步骤S1017：利用控制模块依据比较器的比较结果，计时开关模块的输出电压从内接二极管的负导通电压例如-0.7伏特上升回到0伏特的时间长度，并接着执行步骤S1019。
步骤S1019：利用控制模块比对出具有最小时间长度的马达的其中一步，并据以判断马达的转子的起始位置。
步骤S1021：利用控制模块决定多个波形参数值。
步骤S1023：利用控制模块比对多个波形参数值与多个查表索引值，以取得对应的波形图样，并据以建构启动波形信号。
步骤S1025：利用控制模块供应启动波形信号在对应转子的起始位置的马达的该步，以控制马达的运作。
请参照图11，其是本发明自动检测马达转子起始位置的装置应用的马达的相电流对时间的曲线图。
相比于图12所示，传统马达驱动装置在定位模式中，为定位马达的起始位置耗费过长的运转前的预备时间。在本实施例中，如图11所示，在起始位置检测模式下，U相电流Iu所包含的检测电流具有短暂的导通时间(如上述最长导通时间Td或最短导通时间Td’)。由于检测电流的供应时间长度短，并且检测电流的振幅小，因此可在不驱动马达转子运转、不会导致马达因震动产生噪音的状态下，短时间内检测到马达转子的起始位置。藉此，随后可快速进入如图11所示的波形调整模式，以启动马达进入图11所示的运转模式和稳定运转模式。本实施例以U相电流Iu为例，应理解，V相和W相电流检测时间相同，故亦可达到上述效果。
[实施例的有益效果]
本发明的有益效果在于，本发明所提供的一种自动检测马达转子起始位置的装置及方法，其通过提供给马达不同搭配组合的检测电流，接着检测供应检测电流后的马达的每一相的输入电压值的变化，同时计时和比较所有输入电压变化过程所经过的时间长度，如上述第一实施例比对出最长的时间长度，而第二实施例则是比对出最短的时间长度，据以推测哪一步的检测电流通过的马达的线圈绕组的电感值最小，从而得知马达转子的起始位置。藉此，可达成在不导致马达震动噪音的条件下，短时间内精确地检测到马达的起始位置，进而可快速启动马达运转的有益效果。
最后须说明地是，于前述说明中，尽管已将本发明技术的概念以多个示例性实施例具体地示出与阐述，然而在本领域技术人员将理解，在不背离由以下权利要求书所界定的本发明技术的概念的范围的条件下，可对其作出形式及细节上的各种变化。

Claims (16)

1.一种自动检测马达转子起始位置的装置，适用于马达，所述马达具有N相和M步，M为N的两倍值，其特征在于，所述自动检测马达转子起始位置的装置包含：
起始位置检测模块，连接所述马达的每一所述相的电压输入端，在所述马达未运转状态下检测所述电压输入端的输入电压；
查表模块，存储多个查表索引值以及与所述多个查表索引值对应的多个波形图样；以及
控制模块，连接所述起始位置检测模块、所述查表模块以及所述马达，所述控制模块比对从所述起始位置检测模块取得的多个所述输入电压，以判断所述马达的所述转子的所述起始位置，并决定多个波形参数值，所述控制模块比对所述多个波形参数值与所述多个查表索引值，以从所述查表模块取得对应所述多个波形参数值的其中一所述波形图样，并据以建构启动波形信号输出至对应所述转子的所述起始位置的所述马达的所述步，以控制所述马达的运作；
开关模块，连接所述控制模块以及所述马达，所述控制模块控制所述开关模块在所述马达的每一所述步供应检测电流通过线圈绕组，直到当每一所述相的所述电压输入端的所述输入电压大于第一参考电压，所述控制模块开始计时，并在所述输入电压转为小于所述第一参考电压时停止计时，以取得所述输入电压持续大于所述第一参考电压的时间长度，并比对出具有最长所述时间长度的所述马达其中一所述步，并据以判断所述马达的所述转子的所述起始位置。
2.根据权利要求1所述的自动检测马达转子起始位置的装置，其特征在于，所述多个波形图样包含多个弦波图样，所述多个波形参数值包含所述多个弦波图样的工作周期、频率、振幅以及持续加速时间。
3.根据权利要求1所述的自动检测马达转子起始位置的装置，其特征在于，所述起始位置检测模块包含比较器，所述比较器的第一输入端连接所述马达的每一所述相的所述电压输入端，所述比较器的第二输入端连接所述第一参考电压，所述比较器的输出端连接所述控制模块，所述比较器比较所述马达的每一所述相的所述输入电压与所述第一参考电压以产生比较结果，并通过所述比较器的所述输出端输出所述比较结果至所述控制模块，所述控制模块依据所述比较结果判断所述输入电压是否大于所述第一参考电压。
4.根据权利要求1所述的自动检测马达转子起始位置的装置，其特征在于，所述自动检测马达转子起始位置的装置还包含存储模块，所述存储模块连接所述控制模块，配置以存储检测控制信号，并提供至所述控制模块依据所述检测控制信号控制所述开关模块以及所述马达的运作，所述检测控制信号具有多个波形，各所述波形的周期为最短固定导通时间，所述最短固定导通时间为所述马达的各所述相的所述电压输入端电压大于第一参考电压的最短时间。
5.一种自动检测马达转子起始位置的装置，适用于马达，所述马达具有N相和M步，M为N的两倍值，其特征在于，所述自动检测马达转子起始位置的装置包含：起始位置检测模块，连接所述马达的每一所述相的电压输入端，在所述马达未运转状态下检测所述电压输入端的输入电压；查表模块，存储多个查表索引值以及与所述多个查表索引值对应的多个波形图样；以及控制模块，连接所述起始位置检测模块、所述查表模块以及所述马达，所述控制模块比对从所述起始位置检测模块取得的多个所述输入电压，以判断所述马达的所述转子的所述起始位置，并决定多个波形参数值，所述控制模块比对所述多个波形参数值与所述多个查表索引值，以从所述查表模块取得对应所述多个波形参数值的其中一所述波形图样，并据以建构启动波形信号输出至对应所述转子的所述起始位置的所述马达的所述步，以控制所述马达的运作；其特征在于，所述自动检测马达转子起始位置的装置还包含开关模块，所述开关模块连接所述控制模块以及所述马达，在所述马达的每一所述步供应所述检测电流通过线圈绕组，直到当每一所述步的所述检测电流达到饱和而具有饱和电流值时，所述控制模块控制所述开关模块停止供应所述检测电流，接着关闭与所述马达的每一所述相连接的所述开关模块的上桥和下桥，使所述检测电流流经与所述马达的每一所述相连接的所述开关模块的所述下桥的内接二极管，所述马达的每一所述相的所述输入电压为所述内接二极管的负导通电压，接着所述控制模块计时所述马达的每一所述相的所述输入电压从所述负导通电压上升至零值时的时间长度，并比对出所述马达的哪一所述步的所述输入电压从所述负导通电压上升至零值所需的所述时间长度最短，并据以判断所述马达的所述转子的所述起始位置。
6.根据权利要求5所述的自动检测马达转子起始位置的装置，其特征在于，所述马达的每一所述相的所述输入电压具有与所述内接二极管的导通电压相同的电压值，所述导通电压的所述电压值不大于0.7伏特。
7.根据权利要求5所述的自动检测马达转子起始位置的装置，其特征在于，所述自动检测马达转子起始位置的装置还包含存储模块，所述存储模块连接所述控制模块，配置以存储检测控制信号，并提供至所述控制模块依据所述检测控制信号控制所述开关模块以及所述马达的运作，所述检测控制信号具有多个波形，各所述波形的周期为最短固定导通时间，所述最短固定导通时间为供应至所述马达的所述M个所述检测电流皆达到饱和并具有相同饱和电流值的最短时间。
8.根据权利要求5所述的自动检测马达转子起始位置的装置，其特征在于，所述自动检测马达转子起始位置的装置还包含比较器，所述比较器的第一输入端连接所述马达的每一所述相的所述电压输入端，所述比较器的第二输入端连接第二参考电压，所述比较器的输出端连接所述控制模块，所述比较器比较所述马达的每一所述输入电压与所述第二参考电压，以产生比较结果，并通过所述比较器的所述输出端输出所述比较结果至所述控制模块，所述控制模块依据所述比较结果判断所述输入电压是否等于所述内接二极管的导通电压。
9.一种自动检测马达转子起始位置的方法，适用于根据权利要求1所述的自动检测马达转子起始位置的装置，其特征在于，所述方法包含下列步骤：
存储所述多个查表索引值以及与所述多个查表索引值对应的所述多个波形图样在所述查表模块；
利用所述开关模块在所述马达的每一所述步供应所述检测电流通过所述线圈绕组，直到当每一所述相的所述电压输入端的所述输入电压大于所述第一参考电压；
利用所述控制模块计时所述输入电压持续大于所述第一参考电压的所述时间长度；
利用所述控制模块比对出所述马达的哪一所述步的所述输入电压持续大于所述第一参考电压的所述时间长度最长，并据以判断所述马达的所述转子的所述起始位置，并决定所述多个波形参数值；
利用所述控制模块，比对所述多个波形参数值与所述多个查表索引值，以从所述查表模块取得对应所述多个波形参数值的其中一所述波形图样，并据以建构所述启动波形信号；以及
利用所述控制模块，控制驱动模块供应所述启动波形信号在对应所述转子的所述起始位置的所述步。
10.根据权利要求9所述的自动检测马达转子起始位置的方法，其特征在于，所述多个波形图样包含多个弦波图样，所述多个波形参数值包含所述多个弦波图样的工作周期、频率、振幅以及持续加速时间。
11.根据权利要求9所述的自动检测马达转子起始位置的方法，其特征在于，所述自动检测马达转子起始位置的方法还包含下列步骤：
输入所述马达的每一所述相的所述输入电压至比较器的第一输入端；
输入所述第一参考电压至所述比较器的第二输入端；
利用比较器比较所述马达的每一所述相的所述输入电压与所述第一参考电压以产生比较结果，通过所述比较器的输出端输出所述比较结果至所述控制模块；以及
利用所述控制模块依据所述比较结果判断所述输入电压是否大于所述第一参考电压，若是，利用所述控制模块记录所述输入电压持续大于所述第一参考电压的所述时间长度，若否，继续计时。
12.根据权利要求9所述的自动检测马达转子起始位置的方法，其特征在于，所述自动检测马达转子起始位置的方法还包含下列步骤：
利用存储模块存储检测控制信号并提供至所述控制模块；以及
利用所述控制模块依据所述检测控制信号控制所述开关模块以及所述马达的运作；
其中所述检测控制信号具有多个波形，各所述波形的周期为最短固定导通时间，所述最短固定导通时间为所述马达的各所述相的所述电压输入端电压大于所述第一参考电压的最短时间。
13.一种自动检测马达转子起始位置的方法，适用于根据权利要求5所述的自动检测马达转子起始位置的装置，其特征在于，所述自动检测马达转子起始位置的方法还包含下列步骤：
当每一所述步的所述检测电流达到饱和而具有饱和电流值时，利用所述控制模块关闭与所述马达的每一所述相连接的所述开关模块的上桥和下桥，使所述检测电流流经每一所述相连接的所述开关模块的所述下桥的内接二极管，所述马达的每一所述相的所述输入电压为所述内接二极管的负导通电压；
利用所述控制模块计时所述马达的每一所述相的所述输入电压从所述负导通电压上升零值的时间长度；以及
利用所述控制模块比对出所述马达的哪一所述步的所述输入电压从所述负导通电压上升至零值所需的所述时间长度，并据以判断所述马达的所述转子的所述起始位置。
14.根据权利要求13所述的自动检测马达转子起始位置的方法，其特征在于，所述负导通电压为-0.7伏特。
15.根据权利要求13所述的自动检测马达转子起始位置的方法，其特征在于，所述自动检测马达转子起始位置的方法还包含下列步骤：
输入所述马达的每一所述相的所述输入电压至比较器的第一输入端；
输入一第二参考电压至所述比较器的第二输入端；
利用所述比较器比较所述马达的每一所述相的所述输入电压与所述第二参考电压以产生比较结果，通过所述比较器的一输出端输出所述比较结果至所述控制模块；以及
利用所述控制模块依据所述比较结果记录所述马达的每一所述相的所述输入电压从所述负导通电压上升至零值的所述时间长度。
16.根据权利要求13所述的自动检测马达转子起始位置的方法，其特征在于，所述自动检测马达转子起始位置的方法还包含下列步骤：
利用存储模块存储检测控制信号并提供至所述控制模块；以及
利用所述控制模块依据所述检测控制信号控制所述开关模块以及所述马达的运作；
其中所述检测控制信号具有多个波形，各所述波形的周期为最短固定导通时间，所述最短固定导通时间为供应至所述马达的所述M个所述检测电流皆达到饱和并具有相同饱和电流值的最短时间。
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