CN111064397A - 单相直流无刷马达仅于启动运用感测器的驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种单相直流无刷马达仅于启动运用感测器的驱动方法，其包含：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，执行由感测器感应转子磁极的静态启动程序；计算反电动势信号的斜率来得知马达旋转方向；该马达旋转方向是否符合预定方向；若是，执行一正规驱动程序；否则，执行由感测器感应转子磁极的静态启动程序；其中是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(BEMF)及感测器感应而控制转向。本发明更在该正规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

单相直流无刷马达仅于启动运用感测器的驱动方法

技术领域

本发明是有关一种单相直流无刷马达驱动方法，是一种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(BEMF)或利用一感测器感应进而控制转向。

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，其中多数是采用如霍尔元件位置感测器來检测转子的位置，而霍尔元件的灵敏度高低与外加磁场的感应强度成正比关系。因此容易受干扰且不耐高温，尤在马达高转速时因受磁滞效应影响，感测器的信号会直接影响到驱动器对换相控制的准确度，进而影响对闭回路位置与速度控制的性能。若是要求提高感测器的准确度，将会使生产成本更加昂贵。而且如何将感测器精确的摆放在马达内也是影响马达性能的因素之一，若是摆放不准确可会得到错误检测信号，进而造成马达非预期的运行。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

本发明是在启动时运用感测器感应转子位置，后续运转则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)进行判定，以解决现有技术中有感测器的直流无刷马达检测易受干扰，以及无感测器单相直流无刷马达启动时，转子磁极定位时间过久与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直流无刷马达仅于启动运用感测器的驱动方法，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，执行由感测器感应转子磁极的静态启动程序；

步骤S103：计算反电动势信号的斜率得知马达旋转方向；

步骤S104：该马达旋转方向是否符合预定方向；若是，执行一正规驱动程序；否则，执行由感测器进行感应转子磁极的静态启动程序。

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：执行由感测器感测转子相位选择第一相激磁或第二相激磁；步骤S113：确认预期换相的反电动信号出现；若是，则执行步骤S114；否则，执行步骤S115；步骤S114:确认换相前经第一相激极，依结果执行该正规驱动程序相对应的激极；步骤S115：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S113。

在一优选实施例中，该感测器为霍尔元件。

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，一种单相直流无刷马达仅于启动运用感测器的驱动方法还可包含：在正规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直流无刷马达仅于启动运用感测器的驱动方法，在由霍尔元件所构成的感测器，在于马达启动程序中，因此时马达无运转，霍尔元件所感应的磁极信号最强，抗干扰，则可完全避免现有运转时产生的干扰问题，且霍尔元件功能仅为静态转子磁极定位，故摆放位置不需精准，元件的灵敏度要求也较低，相对降低成本，之后在运转时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，进而判定转动状态，能解决现有技术中无感测器单相直流无刷马达启动时，转子磁极定位时间过久与无法确定朝固定方向旋转的问题，且马达运转后即进入正规激磁驱动程序，不需参考霍尔元件信号，也免除马达高转速时感测器受磁滞效应影响。

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直流无刷马达仅于启动运用感测器的驱动方法流程图；

图4所示的本发明的单相直流无刷马达仅于启动运用感测器的驱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直流无刷马达仅于启动运用感测器的驱动方法中静态启动程序的示意图；

图6所示为本发明的单相直流无刷马达仅于启动运用感测器的驱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直流无刷马达仅于启动运用感测器的驱动方法中正规驱动马达端子的控制波形示意图。

其中，附图标记说明如下：

110 定子

120 转子

130 感测器

A、B 马达端子

200 控制器

S1、S2、S3、S4 开关

S101-S104、S110-S115、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，熟悉此技艺的人士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，以供熟悉此技艺的人士了解与阅读，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的下，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、一由永久性磁铁组(permanentmagnets)所构成的转子120与一由霍尔元件所构成的感测器130；该转子、定子可为二极、四极或六极...等架构。该霍尔元件用以感应的该转子120磁极信号。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。该控制器200另电性连接该感测器130。

值的说明的事，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直流无刷马达仅于启动运用感测器的驱动方法。图3所示为本发明的一种单相直流无刷马达仅于启动运用感测器的驱动方法，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：计算反电动势信号的斜率得知马达旋转方向；

步骤S104：该马达旋转方向是否符合预定方向；若是，执行一正规驱动程序；否则，执行由感测器感应转子磁极的静态启动程序。

值的说明的是，该单相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，计算反电动势信号的斜率得知马达旋转方向；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，是由计算反电动势信号的斜率(Slope)来得知该马达的旋转方向。具体而言如图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；反的，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，可通过继续执行一正规驱动程序持续驱动该马达旋转；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所示为本发明静态启动程序的示意图，图6所示为本发明静态启动马达端子的控制波形示意图。在本发明中是运用感测器130感应转子120磁极以进行静态启动程序。

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：由感测器感测转子相位选择第一相激磁或第二相激磁；

步骤S113：确认预期换相的反电动势信号出现；若是，则执行步骤114；否则，执行步骤S115；

步骤S114：确认换相前经第一相激磁；若是，执行该正规驱动程序中的第二相激磁；否则，执行该正规驱动程序中的第二相激磁；

步骤S115：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S113。

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。

在步骤S112中执行由感测器感测转子相位选择第一相激磁或第二相激磁。如图5所示，当马达为静止状态，可由霍尔元件的感测器130所在位置感测该转子120磁极，例如状态一为S极，状态二为N极，进而选择第一相(PH1)激磁(excitation)，或是第二相(PH2)激磁(excitation)。优选的实施方式为：若为状态一，先进行第一相激磁，之后再进行第二相激磁，让转子转速提高且产生较强的反电动势信号。若为状态二，则先进行第二相激磁，之后再进行第一相激磁。其中换相激磁次数是让转子转速提高且产生较强的反电动势信号，故不限本实施单一方式。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。通过不同磁级提供不同相的激磁，使转子产生预定方向的转动。

步骤S113是确认该马达是否出现预期换相的反电动势信号；若是，代表该马达已经顺利依照预设方向启动旋转，执行步骤114；否则，执行步骤S115，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S113，确认该马达是否预期换相情况出现。

步骤S114是确认换相前是否由第一相激磁，若是，执行该正规驱动程序中的第二相激磁；否则，执行该正规驱动程序中的第一相激磁；借此选择进入正规驱动的对应激磁状态，执行正规驱动程序。其中步骤S114所预设判定的第一相激磁仅为本实施的其中一实施例，也可改为第二相激磁，但相对地后续动作也会随之变动。

承前所述，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。

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，而构成该马达的正规驱动程序。特别说明的是，在上述静态启动程序的步骤S114中若该马达出现预期换相情况，则进入正规驱动程序中的步骤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直流无刷马达仅于启动运用感测器的驱动方法中正规驱动马达端子的控制波形示意图。如图7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。

本发明的一种单相直流无刷马达仅于启动运用感测器的驱动方法还可包含：在正规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，公开一种单相直流无刷马达仅于启动运用感测器的驱动方法，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，执行由感测器感应转子磁极的静态启动程序；计算反电动势信号的斜率得知马达旋转方向；该马达旋转方向是否符合预定方向；若是，执行一正规驱动程序；否则，执行由感测器感应转子磁极的静态启动程序。本发明更在该正规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，任何熟习此项技艺的人士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，在上述所述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所列。

Claims (10)

1.一种单相直流无刷马达仅于启动运用感测器的驱动方法，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，执行由感测器感应转子磁极的静态启动程序；

步骤S103：计算反电动势信号的斜率得知马达旋转方向；

步骤S104：该马达旋转方向是否符合预定方向；若是，执行一正规驱动程序；否则，执行由感测器感应转子磁极的静态启动程序。

2.如权利要求1所述的单相直流无刷马达仅于启动运用感测器的驱动方法，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(亦即，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所述的单相直流无刷马达仅于启动运用感测器的驱动方法，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；反的，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。

4.如权利要求1所述的单相直流无刷马达仅于启动运用感测器的驱动方法，其中该感测器为一霍尔元件。

5.如权利要求1所述的单相直流无刷马达仅于启动运用感测器的驱动方法，其中，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。

6.如权利要求5所述的单相直流无刷马达仅于启动运用感测器的驱动方法，其中，在步骤S121与步骤S123中，该控制器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5所述的单相直流无刷马达仅于启动运用感测器的驱动方法，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5所述的单相直流无刷马达仅于启动运用感测器的驱动方法，其中，而步骤S120-S123则形成一循环。

9.如权利要求1所述的单相直流无刷马达仅于启动运用感测器的驱动方法，可包含：在正规激磁驱动程序中每隔固定周期取出第一相或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。

10.如权利要求5所述的单相直流无刷马达仅于启动运用感测器的驱动方法，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：由感测器感测转子相位选择第一相激磁或第二相激磁；

步骤S113：确认预期换相的反电动信号出现；若是，则执行步骤114；否则，执行步骤S115；

步骤S114：确认换相前经由第一相激磁；若是，执行该正规驱动程序中的第二相激磁；否则，执行该正规驱动程序中的第二相激磁；

步骤S115：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S113。

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