CN114520607A - 直流无刷马达驱动电路及其启动控制方法 - Google Patents

Abstract

一种直流无刷马达驱动电路及其启动控制方法。该直流无刷马达驱动电路包含：一驱动功率级电路，用以于启动模式中，提供一启动探试信号以激磁一直流无刷马达，而使该直流无刷马达的一转子试转；一电流单向电路，其反向端与该直流无刷马达耦接，以于该启动模式中，侦测该直流无刷马达试转时所产生的一反电动势，而产生一侦测信号，并限制该电流单向电路的顺向端的电压不超过一箝制电压；一偏置电路，耦接于该电流单向电路的一顺向端，用以偏置该电流单向电路于顺向操作状态；以及一感测电路，与该顺向端耦接，用以根据该侦测信号，产生一感测信号，以示意该直流无刷马达的一试转状态。

Description

直流无刷马达驱动电路及其启动控制方法

技术领域

本发明涉及直流无刷马达驱动电路，特别涉及可侦测极小的反电动势的直流无刷马达驱动电路。

背景技术

已知直流无刷马达驱动电路在启动时，一般是利用电阻来进行分压，以提取马达每一相的反电动势，进而判断马达转子的位置，以在进入正常操作时，精确控制每一相的电流。在启动时所提取的信号的大小和反电动势成分压比例关系，若反电动势电压越小，则信号越小，过小的信号会难以被IC判读。相反地，过大的反电动势虽然容易被判读，但相对地马达的转子需有很明显的扰动才行，这样的扰动则是不容易被接受的。

有鉴于此，本发明即针对上述现有技术的不足，提出一种创新的直流无刷马达驱动电路及其启动控制方法。

发明内容

于一观点中，本发明提供一种直流无刷马达驱动电路，用以驱动一直流无刷马达，该直流无刷马达驱动电路包含：一驱动功率级电路，用以于一启动模式中，提供一启动探试信号以激磁该直流无刷马达，而使该直流无刷马达的一转子试转；一电流单向电路，其一反向端与该直流无刷马达耦接，以于该启动模式中，侦测该直流无刷马达试转时所产生的一反电动势，而于该电流单向电路的一顺向端产生一侦测信号，并于该反向端的电压超过该顺向端的电压时，限制该顺向端的电压不超过一箝制电压；一偏置电路，耦接于该顺向端，用以偏置该电流单向电路于一顺向操作状态，且用以提供该箝制电压；以及一感测电路，与该顺向端耦接，用以根据该侦测信号，产生一感测信号，以示意该直流无刷马达的一试转状态。

于一实施例中，该直流无刷马达具有多个线圈，且该驱动功率级电路根据该感测信号，而于该启动模式结束后的一正常模式中，提供多个操作电流，以供应给对应的该多个线圈，而控制该转子旋转。

于一实施例中，该电流单向电路具有多个单向控制元件，且每一该单向控制元件，于该启动模式中，感测对应的该反电动势，而产生对应的该侦测信号；其中，该感测电路，根据多个该侦测信号，产生对应的多个该感测信号，以示意该直流无刷马达的该转子的一时点位置关系。

于一实施例中，该电流单向电路具有至少一单向控制元件，该单向控制元件包括以下之一：一二极管，该二极管的顺向端与反向端分别对应耦接于该电流单向电路的该顺向端与该反向端；一第一MOSFET元件，以二极管连接方式(diode connected)配置为一MOSFET二极管，该MOSFET二极管的顺向端与反向端分别对应耦接于该电流单向电路的该顺向端与该反向端；或者一第二MOSFET元件，其中该第二MOSFET元件的第一端与第二端分别耦接于该电流单向电路的该顺向端与该反向端，当该电流单向电路的该反向端的电压超过该电流单向电路的该顺向端的电压时，该MOSFET元件受控制为不导通，当该电流单向电路的该反向端的电压不超过该电流单向电路的该顺向端的电压时，该MOSFET元件受控制为导通。

于一实施例中，该驱动功率级电路包括多组半桥功率元件，以对应产生该多个操作电流。

于一实施例中，该感测电路于该启动模式开始前，通过控制该多组半桥功率元件的多个下桥元件，使得该多个线圈的一端电连接至一接地电位，用以校正该多个单向控制元件的顺向导通电压。

于另一观点中，本发明提供一种直流无刷马达驱动电路的启动控制方法，该直流无刷马达驱动电路，用以驱动一直流无刷马达，该直流无刷马达驱动电路的启动控制方法包含：于一启动模式中，提供一启动探试信号以激磁该直流无刷马达，而使该直流无刷马达的一转子试转；于该启动模式中，以电流单向控制方式侦测该直流无刷马达试转时所产生的一反电动势，而产生一侦测信号；限制该侦测信号不超过一箝制电压；以及根据该侦测信号，产生一感测信号，以示意该直流无刷马达的一试转状态。

于一实施例中，该直流无刷马达具有多个线圈，且一驱动功率级电路根据该感测信号，而于该启动模式结束后的一正常模式中，提供多个操作电流，以供应给对应的该多个线圈，而控制该转子旋转。

于一实施例中，该直流无刷马达驱动电路的启动控制方法还包含：于该启动模式中，以电流单向控制方式侦测该多个线圈所对应的多个该反电动势，而产生对应的多个该侦测信号；以及根据多个该侦测信号，产生对应的多个该感测信号，以示意该直流无刷马达的该转子的一时点位置关系。

本发明的一优点在于本发明通过电流单向电路可提取等比例反电动势并偏压在正准位以利于控制器进行判读，且可阻挡高压以避免控制器损毁。

本发明的另一优点在于本发明通过偏置电路可箝制高压，避免控制器损坏。

本发明的又一优点在于本发明可侦测极小的反电动势，直流无刷马达的转子仅需微微的扰动，不需要产生大幅度的扰动。

以下通过具体实施例详加说明，会更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所实现的功效。

附图说明

图1是根据本发明的一实施例显示直流无刷马达驱动电路的示意图。

图2是显示极小的反电动势在已知的直流无刷马达驱动电路及本发明的直流无刷马达驱动电路的侦测波形示意图。

图3是根据本发明的一实施例显示直流无刷马达驱动电路的启动控制方法的流程图。

图4A-图4C是根据本发明的一实施例显示直流无刷马达驱动电路的电流单向电路中的单向控制元件实施例的示意图。

图中符号说明

10：直流无刷马达驱动电路

101：控制器

1011：感测电路

102：驱动功率级电路

1021：驱动器

10211：高压侧驱动器

10212：低压侧驱动器

1022：功率级电路

103：电流单向电路

1031，1031w，1031v，1031u：反向端

1032，1032w，1032v，1032u：顺向端

104：偏置电路

1041：节点

20：直流无刷马达

30：直流无刷马达驱动电路的启动控制方法

301，302，303，3031，304，305，306，3061，307：步骤

C1：电容

eu，ev，ew：反电动势

GATE：控制端

ia，ib，ic：电阻

Lu，Lv，Lw：相电感

N：中性点

M1，M2，M3：MOSFET元件

Qh1，Qh2，Qh3：上桥功率元件

Ql1，Ql2，Ql3：下桥功率元件

Ru，Rv，Rw：相电阻

Vbu，Vbv，Vbw：侦测信号

Vsu，Vsv，Vsw：电压

具体实施方式

本发明中的附图均属示意，主要意在表示各电路间的耦接关系，以及各信号波形之间的关系，至于电路、信号波形与频率则并未依照比例绘制。

图1是根据本发明的一实施例显示直流无刷马达驱动电路的示意图。如图1所示，本发明的直流无刷马达驱动电路10，用以驱动一直流无刷马达20。直流无刷马达驱动电路10包含一控制器101、一驱动功率级电路102、一电流单向电路103及一偏置电路104。直流无刷马达20具有多个线圈，以三相直流无刷马达为例，直流无刷马达20例如具有U相、V相及W相线圈。图1仅显示三相直流无刷马达，然而本发明并不限于三相直流无刷马达，也可应用于二相直流无刷马达、五相直流无刷马达或其他多个相的直流无说马达。控制器101包含感测电路1011。于一实施例中，感测电路1011可为模拟电路，直接处理模拟信号；也可以包括模拟数字转换电路，而将模拟信号转换为数字信号后，处理数字信号。驱动功率级电路102用以于一启动模式中，提供一启动探试信号给直流无刷马达20的至少一线圈，以激磁直流无刷马达20，而使直流无刷马达20的一转子试转。试转后启动探试信号则停止提供，并由电流单向电路103侦测直流无刷马达20试转时所产生的一反电动势，而取得所对应的线圈的相关信息。

在一种较佳的实施例中，驱动功率级电路102于该启动模式中，提供启动探试信号给直流无刷马达20的至少一线圈，以激磁直流无刷马达20，而使直流无刷马达20的转子试转。试转后启动探试信号则停止提供，并由电流单向电路103侦测直流无刷马达20试转时，每一相所产生的反电动势，以决定转子的时点位置关系，提供给驱动功率级电路102，且驱动功率级电路102根据感测信号所示意的转子的时点位置关系，而于启动模式结束后的正常模式中，提供多个操作电流，以供应给对应的U相、V相及W相线圈，而控制转子旋转。

举例而言，电流单向电路103的反向端1031与直流无刷马达20耦接，以于该启动模式中，侦测直流无刷马达20试转时所产生的反电动势ew、ev、eu，而于电流单向电路103的顺向端1032产生侦测信号Vbw、Vbv、Vbu，并于反向端1031的电压超过顺向端1032的电压时，限制电流单向电路103的顺向端的电压不超过一箝制电压例如但不限于+5V，，以保护控制器101。如此一来，控制器101中的电子元件，不需要采用耐高压的元件。其中，所谓的限制电流单向电路103的顺向端1032的电压不超过一箝制电压，是用以避免控制器101接触超过一预设电压的高电压，因此，在一实施例中，箝制电压相关于控制器101的耐受电压上限，例如可选择低于控制器101的耐受电压上限的箝制电压。

其中电流单向电路103的反向端1031包括例如图1所示的1031w，1031v，1031u，而电流单向电路103的顺向端则包括例如图1所示的1032w，1032v，1032u。电流单向电路103的功能为：控制电流仅能由顺向端1032流向反向端1031，而限制电流无法自反向端1031流入顺向端1032，就另一角度而言，当反向端1031的电压超过顺向端1032的电压时，反向端1031与顺向端1032不导通，而当反向端1031的电压不超过顺向端1032的电压时，反向端1031与顺向端1032导通。

电流单向电路103具有至少一单向控制元件，且每一单向控制元件，于该启动模式中，感测对应的反电动势ew、ev、eu，而产生对应的侦测信号Vbw、Vbv、Vbu。如图1所示，于一实施例中，单向控制元件可为二极管，前述二极管的顺向端与反向端分别对应耦接于电流单向电路103的顺向端1032与反向端1031。于一实施例中，前述二极管可包含但不限于PN二极管、肖特基(Schottky)二极管或齐纳(Zener)二极管。

图4A-图4C是根据本发明的一实施例显示直流无刷马达驱动电路的电流单向电路中的单向控制元件实施例的示意图。如图4A与图4B所示，于另一实施例中，单向控制元件可为第一MOSFET元件(如M1，M2)，以二极管连接方式(diode connected)配置为一MOSFET二极管，前述MOSFET二极管的顺向端与反向端分别对应耦接于电流单向电路103的顺向端1032与反向端1031。以NMOS为例，如图4A所示，该NMOSFET元件M1的栅极与漏极耦接于该NMOSFET二极管的顺向端，该NMOSFET元件M1的源极耦接于该NMOSFET二极管的反向端。若以PMOS为例，如图4B所示，则PMOSFET元件M2的栅极与漏极耦接于该PMOSFET二极管的反向端，该PMOSFET元件M2的源极耦接于该PMOSFET二极管的顺向端。

如图4C所示，于又一实施例中，单向控制元件可为第二MOSFET元件(如M3)，其中前述第二MOSFET元件M3的第一端与第二端分别耦接于电流单向电路103的顺向端1032与反向端1031，当电流单向电路103的反向端1031的电压超过电流单向电路103的顺向端1032的电压时，该MOSFET元件通过控制端GATE受控制为不导通，当电流单向电路103的反向端1031的电压不超过电流单向电路103的顺向端1032的电压时，该MOSFET元件受控制为导通。

请继续参阅图1，偏置电路104耦接于电流单向电路103的一顺向端1032，用以偏置电流单向电路103于一顺向操作状态，且用以提供前述的箝制电压。于一实施例中，偏置电路104的另一端耦接至箝制电压例如但不限于+5V。于一实施例中，偏置电路104可包含至少一电阻。前述至少一电阻共同耦接至一节点1041，节点1041进一步耦接至箝制电压例如但不限于+5V。感测电路1011与顺向端1032耦接，用以根据侦测信号Vbw、Vbv、Vbu，产生一感测信号，以示意直流无刷马达20的一试转状态。各个单向控制元件的反向端1031的电压分别为电压Vsw、Vsv、Vsu。于一实施例中，感测电路1011根据多个侦测信号Vbw、Vbv、Vbu，产生对应的多个该感测信号，以示意直流无刷马达20的该转子的一时点位置关系，由此可取得前述直流无刷马达20的试转状态。驱动功率级电路102根据该感测信号，而于该启动模式结束后的一正常模式中，提供多个操作电流，以供应给对应的该多个线圈，而控制该转子旋转。

驱动功率级电路102包含驱动器1021及功率级电路1022，驱动器1021耦接功率级电路1022。驱动器1021可包含高压侧驱动器10211及低压侧驱动器10212。功率级电路1022可包含多个半桥功率元件，以对应产生该多个操作电流，前述半桥功率元件例如上桥功率元件Qh1、Qh2、Qh3及下桥功率元件Ql1、Ql2、Ql3。上桥功率元件Qh1与下桥功率元件Ql1及电阻ia串联，上桥功率元件Qh2与下桥功率元件Ql2及电阻ib串联，而上桥功率元件Qh3与下桥功率元件Ql3及电阻ic串联。电阻ia、电阻ib及电阻ic共同耦接至接地电位，上桥功率元件Qh1、Qh2、Qh3共同耦接至电容C1。高压侧驱动器10211耦接至上桥功率元件Qh1，而低压侧驱动器10212则耦接至下桥功率元件Ql1。上桥功率元件Qh1、Qh2、Qh3与下桥功率元件Ql1、Ql2、Ql3之间的节点分别耦接至直流无刷马达20中对应的相电感Lw、Lv、Lu。

直流无刷马达20包含W相的相电感Lw及相电阻Rw、V相的相电感Lv及相电阻Rv及U相的相电感Lu及相电阻Ru。相电感Lw与相电阻Rw串联，相电感Lv与相电阻Rv串联，而相电感Lu与相电阻Ru串联，各相的相电阻Rw、Rv、Ru共同耦接至中性点N。感测电路1011于该启动模式开始前，通过控制多组半桥功率元件的多个下桥元件Ql1、Ql2、Ql3，使得多个线圈的一端电连接至一接地电位，用以校正多个单向控制元件的顺向导通电压，并记录至感测电路1011。于一实施例中，可依序控制多组半桥功率元件的多个下桥元件Ql1、Ql2、Ql3，使得多个线圈的一端依序电连接至一接地电位，用以依序校正多个单向控制元件的顺向导通电压。于另一实施例中，可同时控制多组半桥功率元件的多个下桥元件Ql1、Ql2、Ql3，使得多个线圈的一端同时电连接至一接地电位，用以同时校正多个单向控制元件的顺向导通电压。于又一实施例中，可随机地控制多组半桥功率元件的多个下桥元件Ql1、Ql2、Ql3，使得多个线圈的一端随机地电连接至一接地电位，用以随机地校正多个单向控制元件的顺向导通电压。

图2是显示极小的反电动势在已知的直流无刷马达驱动电路及本发明的直流无刷马达驱动电路的侦测波形示意图。各个单向控制元件的反向端1031的电压Vsw、Vsv、Vsu、传统方法所测得的侦测信号Vbv及本发明的直流无刷马达驱动电路所测得的侦测信号Vbv如图2所示。由图2可知，以相同的启动探试信号，已知方法所测得的反电动势的振幅仅为5mV，而本发明的直流无刷马达驱动电路所测得的反电动势的振幅可保持在原振幅500mV，如此可提升信号分辨率，控制器较易判读反电动势。此外，本发明的直流无刷马达驱动电路所测得的反电动势可给以偏压在正准位(例如但不限于+0.7V)，以供控制器进行判读。若不加以偏压在正准位，则可能会有负的反电动势，如此则需要利用负压控制器，然而负压控制器会有不易制造的缺点。

图3是根据本发明的一实施例显示直流无刷马达驱动电路的启动控制方法的流程图。如图3所示，本发明的直流无刷马达驱动电路的启动控制方法30包含于步骤301，于启动模式开始前，通过控制该多组半桥功率元件的多个下桥元件，使得该多个线圈的一端电连接至一接地电位，用以校正该多个单向控制元件的顺向导通电压。之后，于步骤302，于一启动模式中，提供一启动探试信号以激磁该直流无刷马达，而使该直流无刷马达的一转子试转。接续，于步骤303，于该启动模式中，以电流单向控制方式侦测该直流无刷马达试转时所产生的一反电动势，而产生一侦测信号。于一实施例中，步骤303可包含步骤3031，于该启动模式中，以电流单向控制方式侦测该多个线圈所对应的多个该反电动势，而产生对应的多个该侦测信号。接着，于步骤304，限制该侦测信号不超过一箝制电压。之后，于步骤305，偏置该电流单向电路于一顺向操作状态。接续，于步骤306，根据该侦测信号，产生一感测信号，以示意该直流无刷马达的一试转状态。于一实施例中，步骤306可包含步骤3061，根据多个该侦测信号，产生对应的多个该感测信号，以示意该直流无刷马达的该转子的一时点位置关系。接着，于步骤307，根据该感测信号，而于该启动模式结束后的一正常模式中，提供多个操作电流，以供应给对应的多个线圈，而控制该转子旋转。

如上所述，本发明通过电流单向电路可提取等比例反电动势并偏压在正准位以供控制器进行判读，且可阻挡高压以避免控制器损毁。本发明通过偏置电路可箝制固定电压，避免控制器损坏。此外，本发明可侦测极小的反电动势，直流无刷马达的转子仅需微微的扰动，不需要产生大幅度的扰动。

以上已针对较佳实施例来说明本发明，但以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的最广的权利范围。所说明的各个实施例，并不限于单独应用，也可以组合应用，举例而言，两个或以上的实施例可以组合运用，而一实施例中的部分组成也可用以取代另一实施例中对应的组成部件。此外，在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以想到各种等效变化以及各种组合，举例而言，本发明所称“根据某信号进行处理或运算或产生某输出结果”，不限于根据该信号的本身，也包含于必要时，将该信号进行电压电流转换、电流电压转换、及/或比例转换等，之后根据转换后的信号进行处理或运算产生某输出结果。由此可知，在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以想到各种等效变化以及各种组合，其组合方式甚多，在此不一一列举说明。因此，本发明的范围应涵盖上述及其他所有等效变化。

Claims (9)

1.一种直流无刷马达驱动电路，用以驱动一直流无刷马达，该直流无刷马达驱动电路包含：

一驱动功率级电路，用以于一启动模式中，提供一启动探试信号以激磁该直流无刷马达，而使该直流无刷马达的一转子试转；

一电流单向电路，其一反向端与该直流无刷马达耦接，以于该启动模式中，侦测该直流无刷马达试转时所产生的一反电动势，而于该电流单向电路的一顺向端产生一侦测信号，并于该反向端的电压超过该顺向端的电压时，限制该顺向端的电压不超过一箝制电压；

一偏置电路，耦接于该顺向端，用以偏置该电流单向电路于一顺向操作状态，且用以提供该箝制电压；以及

一感测电路，与该顺向端耦接，用以根据该侦测信号，产生一感测信号，以示意该直流无刷马达的一试转状态。

2.如权利要求1所述的直流无刷马达驱动电路，其中该直流无刷马达具有多个线圈，且该驱动功率级电路根据该感测信号，而于该启动模式结束后的一正常模式中，提供多个操作电流，以供应给对应的该多个线圈，而控制该转子旋转。

3.如权利要求2所述的直流无刷马达驱动电路，其中该电流单向电路具有多个单向控制元件，且每一该单向控制元件，于该启动模式中，感测对应的该反电动势，而产生对应的该侦测信号；其中，该感测电路，根据多个该侦测信号，产生对应的多个该感测信号，以示意该直流无刷马达的该转子的一时点位置关系。

4.如权利要求1所述的直流无刷马达驱动电路，其中该电流单向电路具有至少一单向控制元件，该单向控制元件包括以下之一：

一二极管，该二极管的顺向端与反向端分别对应耦接于该电流单向电路的该顺向端与该反向端；

一第一MOSFET元件，以二极管连接方式配置为一MOSFET二极管，该MOSFET二极管的顺向端与反向端分别对应耦接于该电流单向电路的该顺向端与该反向端；或者

一第二MOSFET元件，其中该第二MOSFET元件的第一端与第二端分别耦接于该电流单向电路的该顺向端与该反向端，当该电流单向电路的该反向端的电压超过该电流单向电路的该顺向端的电压时，该MOSFET元件受控制为不导通，当该电流单向电路的该反向端的电压不超过该电流单向电路的该顺向端的电压时，该MOSFET元件受控制为导通。

5.如权利要求3所述的直流无刷马达驱动电路，其中该驱动功率级电路包括多组半桥功率元件，以对应产生该多个操作电流。

6.如权利要求5所述的直流无刷马达驱动电路，其中该感测电路于该启动模式开始前，通过控制该多组半桥功率元件的多个下桥元件，使得该多个线圈的一端电连接至一接地电位，用以校正该多个单向控制元件的顺向导通电压。

7.一种直流无刷马达驱动电路的启动控制方法，该直流无刷马达驱动电路，用以驱动一直流无刷马达，该直流无刷马达驱动电路的启动控制方法包含：

于一启动模式中，提供一启动探试信号以激磁该直流无刷马达，而使该直流无刷马达的一转子试转；

于该启动模式中，以电流单向控制方式侦测该直流无刷马达试转时所产生的一反电动势，而产生一侦测信号；

限制该侦测信号不超过一箝制电压；以及

根据该侦测信号，产生一感测信号，以示意该直流无刷马达的一试转状态。

8.如权利要求7所述的直流无刷马达驱动电路的启动控制方法，其中该直流无刷马达具有多个线圈，且一驱动功率级电路根据该感测信号，而于该启动模式结束后的一正常模式中，提供多个操作电流，以供应给对应的该多个线圈，而控制该转子旋转。

9.如权利要求8所述的直流无刷马达驱动电路的启动控制方法，还包含：

于该启动模式中，以电流单向控制方式侦测该多个线圈所对应的多个该反电动势，而产生对应的多个该侦测信号；以及

根据多个该侦测信号，产生对应的多个该感测信号，以示意该直流无刷马达的该转子的一时点位置关系。

Images