CN1378336A - 马达转速之控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种马达转速之控制装置,其与一感测单元耦接,该感测单元可感测温度并输出感测信号。控制装置包括:一与感测单元耦接的控制单元,用以依据感测信号以脉冲宽度调变方式产生并输出控制信号,其中,控制信号为一方波,且控制信号的致动比由感测信号所决定;一与控制单元耦接的驱动单元,用以依据控制信号的致动比,输出驱动信号至马达转子,其中驱动信号为一方波,马达转子的转速由驱动信号的致动比决定。本发明能有效减少马达未以全速运转时的能量损耗,从而改善马达转速控制装置的散热效果。本发明还能减少产品测试筛选的时间和成本。

Description

马达转速之控制装置

【技术领域】

本发明涉及一种控制装置，特别是关于一种马达转速之控制装置。

【背景技术】

随着科技的进步与计算机产业的发展，笔记本型电脑、扫描仪、电源供应器等精密电子产品已被广泛使用。为了满足使用者对便利与效率的要求，如何使此类电子产品在体积越来越小的同时，其工作速度又能越来越快，便是所有制造厂商面临的最重要的课题。一般小体积的电子产品能否发挥其最大效能的关键在于产品内部电子元件所产生的热量能否快速的散逸。当热量无法及时有效地散逸而聚集在产品内部时，会使产品内部的温度升高，而使得产品内部的电子元件无法正常地工作。如此，产品工作的效能将会受到影响，甚至造成产品故障或是死机。为了使热量能快速地散逸，厂商通常把风扇作为散热装置，装设在产品中，使产品内部的电子组件能够在适当的环境中正常工作。其中，风扇由直流马达带动。因此，马达转速的快慢会影响风扇的转速，进而影响散热的效果。

请参照图1。图中所绘为传统直流马达转速之控制装置的方块图。该控制装置由控制单元102与驱动单元104组成。控制单元102输出控制信号至驱动单元104，其中，控制信号为一直流电压信号。在一般可控制风扇转速的直流马达控制装置中，控制单元102实际上是一个线性稳压器，它接收一个固定的直流电压信号并输出控制信号，其电压值的大小是依据当时电子元件工作环境的温度而定。驱动单元104相当于一个功率放大器，可依据所收到的控制信号输出一固定的直流电压驱动信号，以控制马达转子以固定的转速运转。需注意的是，马达的转速由控制单元102输出的控制信号电压值的大小所控制。故通过控制该电压值的大小可以控制马达的转速，进而控制风扇的转速，以达到最佳的散热效果。

传统马达转速之控制装置的缺点是：首先，传统直流马达在制造生产过程中容易产生问题，例如：机构装配误差、线圈形状变异、垫片变形或是轴承润滑不足等，故即使同规格、同批次的马达在结构上也会有所差异。当驱动单元依据控制器输出相同的直流电压控制信号去驱动马达时，各马达的实际转速并不相同，即，马达转速与驱动单元输出的直流电压控制信号之间的对应关系对于不同的马达是不同的。为得到符合要求的产品，需要对产品进行测试调整，或是筛选淘汰，如此将造成生产成本与时间的浪费。

此外，由前文所述，控制单元输出电压信号的大小与马达的转速有关。当马达以全速运转时，控制单元输出的控制信号电压值的大小会等于所接收的电压信号。但是，当马达不需要以全速进行运转时，控制单元输出的控制信号电压值会小于所接收的电压信号。此时，多余的能量会以热的形式消耗。如此，用以散热的马达转速控制装置反而会产生热量损耗，因而降低了散热装置的散热效果。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种马达转速之控制装置，可达到下列目的：

1.减少产品测试筛选的时间和成本的浪费；

2.减少当马达未以全速运转时能量的损耗。

为实现上述目的，本发明提出的方案是，该控制装置与一感测单元耦接，该感测单元可依据当时工作环境的温度输出感测信号，该控制装置包括：一控制单元，与感测单元耦接，用以依据该感测信号输出一控制信号，其中，控制信号为一方波，控制信号的致动比(duty ratio)由该感测信号所决定；一驱动单元，与控制单元耦接，用以依据控制信号的致动比，输出一驱动信号至马达转子，其中，该驱动信号为一方波，马达转子的转速由该驱动信号的致动比决定。

本发明提出的马达转速之控制装置，可达到下列效果：

1.减少产品测试筛选的时间与成本的浪费。本发明的马达控制装置依据感测单元输出的感测信号，换言之，是依据工作环境的温度来决定马达转子的转速。故不同结构或规格的马达，皆可由本发明所提供的马达控制装置达到最佳的散热效果。故产品生产后不需进行严格的测试与筛选，可减少时间与成本的浪费。

2.减少当马达未以全速运转时能量的损耗。本发明将传统以直流电压信号控制马达转速的方式，改进为以脉冲宽度调变输出方波控制信号，然后通过方波信号的致动比来控制马达的转速。当马达不需要以全速运转时，控制单元输出的控制信号仍然为一方波。如此，可减少控制单元输出控制信号时所造成的能量损耗，亦可改善马达转速控制装置的散热效果。

【附图说明】

图1为传统无刷式直流马达之控制装置的电路方块图；

图2为本发明所述马达转速之控制装置的电路方块图；

图3A为感测信号sd的信号时序图；

图3B为控制单元204产生的锯齿波电压信号saw的信号时序图；

图3C为控制单元204以脉冲宽度调变方式所产生的控制信号sc的信号时序图；

图4为本发明所提出的另一马达转速之控制装置的电路方块图。

图中标号：

102、204、404：控制单元；    104、206、414：驱动单元；

106、208、418：马达转子；    200、400：控制装置；

202、402：感测单元；         406：闭锁保护单元；

408：闭锁侦测单元；          410：闭锁时序控制单元；

412：驱动时序控制单元；      416：频率生成单元。

【具体实施方式】

下面配合附图，对本发明的具体实施方式作详细说明。

本发明的实质在于控制单元以脉冲宽度调变(Pulse Width Modulation，PWM)的方式产生方波控制信号。驱动单元则依据方波的致动比(duty ratio)输出驱动信号来控制马达的转速。

参照图2，其所示为本发明所提出的马达转速之控制装置200的方块图。控制装置200与感测单元202耦接。感测单元202为一热敏元件(heatsensitive element)，其元件特性可随所处环境温度而变化。例如：具有负温度系数(Negative Temperature Coefficient，NTC)特性的热电阻(thermalresister)或是晶体管。将其适当设置为一感测单元202，并使之与控制装置200耦接，其可依据当时工作环境的温度输出感测信号sd至控制装置200。感测单元202输出的感测信号sd为一直流电压信号，该直流电压信号由当时感测元件感测到的温度所决定。温度越高时，感测信号sd电压越大。反之，温度越低时，感测信号sd电压越小。

控制装置200包括控制单元204及驱动单元206。控制单元204与感测单元202耦接，可依据感测单元202输出的感测信号sd，以脉冲宽度调变(PulseWidth Modulation，PWM)产生并输出该控制信号sc。

请参照图3A-3C，其所示为控制单元204以脉冲宽度调变方式产生的控制信号sc的信号时序图。控制单元204除了接收如图3A所示的感测信号sd之外，内部还会产生一具有固定波形、周期和电压的锯齿波电压信号saw，如图3B所示。并且，控制单元204对直流电压感测信号sd和锯齿波电压信号saw的电压大小进行比较，当直流电压感测信号sd大于锯齿波电压信号saw时，控制单元204输出高位准信号Vh，当直流电压感测信号sd小于锯齿波电压信号saw时，控制单元204则输出低位准信号V1，如图3C所示。如此，则控制单元204输出的控制信号sc为一方波信号。该方波中高位准(Vh)部分与低位准(V1)部分的比值即为方波的致动比(duty ratio)，其与直流电压感测信号sd和锯齿波电压信号saw的电压值的相对大小有关。此种信号调变机制称为脉冲宽度调变，而控制单元204输出之方波控制信号sc称为脉冲宽度调变信号。

由前文所述，感测信号sd电压值的大小与当时工作环境的温度有关，而锯齿波电压信号saw的波形、周期和电压均为固定，故当时工作环境的温度会影响感测信号sd的直流电压值，并进而影响到控制单元204输出的方波控制信号sc的致动比。

控制单元204输出控制信号sc至驱动单元206，驱动单元206可依据方波控制信号sc的致动比输出驱动信号so，来控制马达转子208的转速。由前文所述可知，驱动单元206所输出的驱动信号so也是一方波信号。驱动信号so的致动比越大，驱动单元206可控制马达转子208以越高的转速运转。反之，则驱动单元206控制马达转子208以越低的转速运转。

控制单元204输出的控制信号sc，除了可以是以脉冲宽度调变方式所得的脉冲宽度调变信号外，也可以是以数字方式输出的另一种形式的控制信号sc’。控制装置200依据电子元件允许的工作环境温度范围，预先在控制单元204内建一临界值。当进行脉冲宽度调变后所得的脉冲宽度调变方波信号致动比大于该临界值时，由前文所述的脉冲宽度调变原理可知，此时工作环境温度高于电子元件允许的温度。故控制单元204会输出一高位准(Vh)的控制信号，即第一控制信号sc’1至驱动单元206，而驱动单元206会依据该第一控制信号sc’1输出第一驱动信号so1，控制马达以一较高转速运转。而当脉冲宽度调变方波信号的致动比小于该临界值时，表示此时工作环境温度尚在电子元件允许的温度范围内。故控制单元204会输出一低位准(V1)的控制信号，即第二控制信号sc’2至驱动单元206，而驱动单元206会依据控制信号sc’2输出驱动信号so2，控制马达以一较低转速运转。

图4是依据本发明所提出的另一种马达转速之控制装置400的电路方块图。其中增加了闭锁保护(lock protection)单元406、驱动时序控制单元412以及频率生成(frequency generator)单元416，从而组成一功能更加强大的马达转速控制装置400。其中，闭锁保护单元406用以避免马达转子418遭受不当外力而无法正常运转。在实际工作时，风扇有可能因为卷入异物或是灰尘卡入转轴而使马达转子418锁死。此时，若控制装置400继续带动马达转子418运转，则马达转子418会因锁死而发热，进而造成机械结构上的损坏。因此，必须有一闭锁保护单元406，用以防止上述的情况发生。

该闭锁保护单元406包括一闭锁侦测单元408及一闭锁时序控制单元410。闭锁侦测单元408用以依据所接收的转速信号Hin判断马达转子418是否有闭锁，并输出闭锁保护信号s1。Hin用以表示马达转速，故可通过转速信号Hin侦测马达是否发生闭锁。闭锁时序控制单元410与闭锁侦测单元408耦接，用以决定闭锁闲置时段。

在本实施例中，闭锁保护信号s1有两种，分别为第一闭锁保护信号s11及第二闭锁保护信号s12，当马达转子418非闭锁时，闲锁侦测单元408输出第一闭锁保护信号s11，当马达转子418为闭锁时，则输出第二闭锁保护信号s12，其对应于闭锁时序控制单元确定的闭锁闲置时段，。

请再参照图4，感测信号sd与转速信号Hin分别输入控制单元404以及闭锁保护单元406中。控制单元通过脉冲宽度调变方式输出控制信号sc，闭锁保护单元406判断马达是否有闭锁后输出闭锁保护信号s1。控制信号sc及闭锁保护信号s1皆送至驱动时序控制单元412。驱动时序控制单元412依据控制信号sc及闭锁保护信号s1输出驱动时序信号sp。

驱动时序信号sp有两种，分别为第一驱动时序信号sp1及第二驱动时序信号sp2。当驱动时序控制单元412收到第一闭锁保护信号s11时，表示此时马达转子418为非闭锁状态。此时，驱动时序控制单元412会依据控制信号sc输出第一驱动时序信号sp1至驱动单元414。当驱动时序控制单元412收到第二闭锁保护信号s12时，则代表马达转子418为闭锁状态。此时，驱动时序控制单元412会输出第二驱动时序信号sp2至驱动单元414。

其中，第一驱动时序信号sp1为一方波信号。当驱动单元414收到第一驱动时序信号sp1时，则依据该方波信号的致动比输出第一驱动信号so1，控制马达转子418的转速。第二驱动时序信号sp2为一直流电压信号。当驱动单元414收到第二驱动时序信号sp2时，则依据第二驱动时序信号sp2输出第二驱动信号so2，使马达转子418停止转动一段时间，其停止运转的时间长短由闭锁时序控制单元410决定。之后，再重新驱动马达，并再依据转速信号Hin判断马达是否有闭锁。重复上述步骤，如此，则可达到防止闭锁的功能。

本实施例还包括一频率生成单元416，用以输出一频率生成信号，表示该马达转子的转速。驱动时序控制单元412除了输出驱动时序信号sp至驱动单元414外，同时也将其送至频率生成单元416中。频率生成单元416依据驱动时序信号sp输出一频率生成信号Fout。频率生成信号Fout可输入外部电路，例如霍尔(Hall)传感器中，用来产生转速信号Hin以表示马达的当前转速。

本发明所提出的马达转速之控制装置400可以由离散电路组件组成，也可将其设计为集成电路形式，以用于精密电子产品，例如：笔记本型计算机的主机或一般计算机的中央处理器(Central Processing Unit，CPU)上，用以控制其所配备的风扇，使其以适当的转速运转，达到最佳的散热效果。

Claims (31)

1.一种马达转速之控制装置，其特征在于：该控制装置与一感测单元耦接，该感测单元可输出一感测信号，该控制装置包括：

一控制单元，与该感测单元耦接，其依据该感测信号输出一控制信号，其中，该控制信号为一方波，且该控制信号的致动比由该感测信号决定；

一驱动单元，与该控制单元耦接，其依据该控制信号的致动比，输出一驱动信号至一马达转子，其中，该驱动信号为一方波，该马达转子的转速由该驱动信号的致动比决定。

2.如权利要求1所述的马达转速之控制装置，其特征在于，所述感测信号为一直流电压信号，且该直流电压信号的大小由当时感测单元感测到的温度所决定。

3.如权利要求1所述的马达转速之控制装置，其特征在于，所述控制单元依据该感测信号，以脉冲宽度调变方式产生并输出该控制信号。

4.一种马达转速之控制装置，其特征在于：该控制装置与一感测单元耦接，该感测单元可输出一感测信号，该控制装置包括：

一控制单元，与该感测单元耦接，其依据该感测信号输出一控制信号，其中，该控制信号为一第一控制信号或一第二控制信号；

一驱动单元，与该控制单元耦接，其依据该控制信号输出一驱动信号至一马达转子，其中，该驱动信号为一第一驱动信号或一第二驱动信号，当该驱动单元收到第一控制信号，则输出第一驱动信号，当该驱动单元收到第二控制信号，则输出第二驱动信号；

上述马达转子具有一第一转速及一第二转速，当该马达转子收到第一驱动信号，则以第一转速转动，当该马达转子收到第二驱动信号，则以第二转速转动。

5.如权利要求4所述的马达转速之控制装置，其特征在于，所述感测信号为一直流电压信号，且该直流电压信号的大小由当时感测单元感测到的温度所决定。

6.如权利要求4所述的马达转速之控制装置，其特征在于，该控制单元依据该感测信号，以脉冲宽度调变方式产生一调变信号，并依据该调变信号决定其所输出的控制信号为第一控制信号或第二控制信号。

7.如权利要求6所述的马达转速之控制装置，其特征在于，所述调变信号为一方波信号，该控制单元预设一临界值，当调变信号的致动比大于该临界值，则控制单元输出第一控制信号，当调变信号的致动比小于该临界值，则控制单元输出第二控制信号。

8.如权利要求4所述的马达转速之控制装置，其特征在于，所述第一驱动信号为一高位准电压信号，第二驱动信号为一低位准电压信号。

9.如权利要求8所述的马达转速之控制装置，其特征在于，所述第一转速大于第二转速。

10.一种马达转速之控制装置，其特征在于，该控制装置与一感测单元耦接，该感测单元可输出一感测信号，该控制装置包括：

一控制单元，与该感测单元耦接，其依据该感测信号输出一控制信号，其中，该控制信号为一方波，且该方波的致动比由该感测信号决定；

一闭锁保护单元，其依据马达转子是否因外力而闭锁输出一闭锁保护信号，并决定一闭锁闲置时段：

一驱动时序控制单元，分别与该控制单元与该闭锁保护单元耦接，依据该控制信号以及该闭锁保护信号输出一驱动时序信号；

一驱动单元，与该驱动时序控制单元耦接，其依据该驱动时序信号输出一驱动信号至一马达转子。

11.如权利要求10所述的马达转速之控制装置，其特征在于，所述感测信号为一直流电压信号，且该直流电压信号的大小由当时感测单元感测到的温度所决定。

12.如权利要求10所述的马达转速之控制装置，其特征在于：该控制单元依据该感测信号，以脉冲宽度调变方式产生并输出该控制信号。

13.如权利要求10所述的马达转速之控制装置，其特征在于，所述闭锁保护单元包括：

一闭锁侦测单元，其依据一转速信号判断马达转子是否闭锁，并输出该闭锁保护信号；以及

一闭锁时序控制单元，其与该闭锁侦测单元耦接，并决定该闭锁闲置时段。

14.如权利要求13所述的马达转速之控制装置，其特征在于，所述闭锁保护信号为一第一闭锁保护信号或一第二闭锁保护信号，当马达非闭锁时，则输出第一闭锁保护信号，当马达闭锁时，则输出第二闭锁保护信号。

15.如权利要求13所述的马达转速之控制装置，其特征在于，所述驱动时序信号为一第一驱动时序信号或一第二驱动时序信号，当驱动时序控制单元收到第一闭锁保护信号时，则依据该控制信号输出第一驱动时序信号，当驱动时序控制单元收到第二闭锁保护信号时，则输出第二驱动时序信号。

16.如权利要求15所述的马达转速之控制装置，其特征在于，所述驱动信号为一第一驱动信号或一第二驱动信号，当驱动单元收到第一驱动时序信号时，则输出第一驱动信号，当驱动单元收到第二驱动时序信号时，则输出第二驱动信号。

17.如权利要求16所述的马达转速之控制装置，其特征在于，所述第一驱动时序信号为一方波信号，驱动单元依据该方波信号的致动比输出第一驱动信号以控制马达转子的转速。

18.如权利要求16所述的马达转速之控制装置，其特征在于，所述第二驱动时序信号为一直流电压信号，驱动单元依据该第二驱动时序信号输出第二驱动信号控制马达转子停止转动。

19.如权利要求15所述的马达转速之控制装置，其特征在于，所述驱动时序控制单元输出第二驱动时序信号的时间长短由该闭锁闲置时段决定。

20.如权利要求10所述的马达转速之控制装置，其特征在于，所述控制装置更包括一频率生成单元，其输出一频率生成信号，实时对应马达转子的转速。

21.一种马达转速之控制装置，其特征在于，该控制装置与一感测单元耦接，该感测单元可输出一感测信号，该控制装置包括：

一控制单元，与该感测单元耦接，其依据该感测信号输出一控制信号，其中，该控制信号为一第一控制信号或一第二控制信号；

一闭锁保护单元，其依据该马达转子是否受外力闭锁而输出一闭锁保护信号，并决定一闭锁闲置时段：

一驱动时序控制单元，分别与该控制单元与该闭锁保护单元耦接，依据该控制信号以及该闭锁保护信号输出一驱动时序信号，其中，该驱动时序信号为一第一驱动时序信号或一第二驱动时序信号；以及

一驱动单元，与驱动时序控制单元耦接，其依据驱动时序信号输出一驱动信号至一马达转子，其中，该驱动信号为一第一驱动信号或一第二驱动信号，当该驱动单元收到第一驱动时序信号，则输出第一驱动信号，当驱动单元收到第二驱动时序信号，则输出第二驱动信号；

该马达转子具有一第一转速及一第二转速，当马达转子收到第一驱动信号，则以第一转速转动，当马达转子收到第二驱动信号，则以第二转速转动。

22.如权利要求21所述的马达转速之控制装置，其特征在于，所述感测信号为一直流电压信号，该直流电压信号的大小由当时感测单元感测到的温度决定。

23.如权利要求21所述的马达转速之控制装置，其特征在于，所述控制单元依据该感测信号，以脉冲宽度调变方式产生一调变信号，并依据该调变信号决定其所输出的控制信号为第一控制信号或第二控制信号。

24.如权利要求23所述的马达转速之控制装置，其特征在于，所述调变信号为一方波信号，该控制单元预设一临界值，当调变信号的致动比大于该临界值，则控制单元输出第一控制信号，当调变信号的致动比小于该临界值，则控制单元输出第二控制信号。

25.如权利要求21所述的马达转速之控制装置，其特征在于，所述闭锁保护信号为一第一闭锁保护信号或一第二闭锁保护信号，当马达非闭锁时，则输出第一闭锁保护信号，当马达闭锁时，则输出第二闭锁保护信号。

26.如权利要求25所述的马达转速之控制装置，其特征在于，当驱动时序控制单元收到第一闭锁保护信号及第一控制信号时，则输出第一驱动时序信号，当驱动时序控制单元收到第二闭锁保护信号时，则输出第二驱动时序信号。

27.如权利要求21所述的马达转速之控制装置，其特征在于，当驱动单元收到第一驱动时序信号，则输出第一驱动信号，当驱动单元收到第二驱动时序信号，则输出第二驱动信号。

28.如权利要求26所述的马达转速之控制装置，其特征在于，所述第一驱动时序信号为一方波信号，驱动单元依据该方波信号的致动比输出第一驱动信号以控制马达转子的转速。

29.如权利要求26所述的马达转速之控制装置，其特征在于，所述第二驱动时序信号为一直流电压信号，驱动单元依据该第二驱动时序信号输出第二驱动信号控制马达转子停止转动。

30.如权利要求26所述的马达转速之控制装置，其特征在于，驱动时序控制单元输出第二驱动时序信号的时间由闭锁闲置时段决定。

31.如权利要求21所述的马达转速之控制装置，其特征在于，该控制装置更包括一频率生成单元，用以输出一频率生成信号，实时对应马达转子的转速。

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