CN1838524A - 含不对称气隙结构的马达启动方法 - Google Patents
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Abstract
本申请系一种含不对称气隙结构的马达启动方法，其方法步骤包括：(a)提供一静止马达，内含定子、转子及偏心气隙；(b)以一特定的电流脉冲激励该静止马达的马达绕组一特定时间；(c)经该特定时间后，将该电流脉冲减少到一特定幅值，以获得该马达转子相对应于该定子一特定位置；以及(d)根据该特定位置，控制该马达转子可按一预期的方向启动旋转；本案系针对马达在无感测器的情况下，通过马达转子的定位处理，使得转子的起始位置由不确定变为可预知及确定，进而能有效启动马达及马达转子的转向控制。
Description
【技术领域】
本申请系有关于一种含不对称气隙结构的马达启动方法发明；特别是指在一种适用在单相无刷直流马达(Single phase BLDCM)在无霍尔感测器(Hall-less sensor)情况下依然能精确启动马达及转向控制。
【现有技术】
现有单相无刷直流马达(BLDCM)广泛运用在低启动力矩及低功率领域如帮浦、吹风机及空调风扇等。单相无刷直流马达如要适当的动作需有一适确同步转子位置的电流转换信号。在大部分的运用，一霍尔效应(Hall-effect)位置感应器(sensor)一般是用来侦测马达位置及控制马达。然无论如何，该霍尔感测器增加了马达系统尺寸及制造成本，更甚至该感测器降低了系统对抗环境的能力，如温度。许多驱动侦测马达转子位置的Hall-less BLDCM已经被提出来(如美国专利号数第5986419号专利，请参阅图1)。
单相马达有所谓起动死点(null-points)在它们的扭矩波形内，这将造成有时马达很难启动的问题。为克服这个问题，引进了一个非对称气隙结构的一磁阻扭矩元件(请参考图4)，该图显示了四种典型的非对称气隙结构模型。于本申请中，选用图4中的Tapered气隙结构的马达模型作为分析对象。
在大部分的应用里我们需要马达能旋转一预先设定的方向。但这方向控制变得相当困难，尤其当系统是在无感测器型态情况下运作，更明白的说，在非霍尔(Hall-less)型态，因控制器无法判断转子的起始位置，因此，在马达的启动步骤过程中，首先控制器应该解决这个问题。
本申请提出的技术特征主要是要用来解决上述的问题。因此一个全新方法被提出来使得马达能由静止启动旋转一个较恰当适确的方向。本申请系是一种根基于非霍尔(Hall-less)条件下可以来启动单相无刷直流马达(single-phase BLDCM)的方法。在无霍尔元件情况下要启动单相BLDCM从静止状态到依要求方向旋转这是非常困难，而本申请正好能完全解决这个问题。
【发明内容】
本案申请人基于此便提出了一种新的BLDCM启动方法，使其一目的在于解决含不对称气隙的BLDCM在无Hall感测器控制的技术中因启动时无法确定定子、转子的初始相对位置而导致转向控制失控的问题(若有采用Hall则可判断转子的初始位置)；其另一目的则在于使用一特定电流脉冲将转子定位在一控制器能预知的位置处，并根据转向要求对电机绕组施加一方向正确、大小及时间长度适当的电流脉冲，使得转子可依要求方向旋转的目的；其再一目的在于本案方法可实现马达正、反两个旋转方向均可控的目的。
本申请系一种含不对称气隙结构的马达启动方法，其方法步骤包括：(a)提供一静止马达，内含定子、转子及偏心气隙；(b)以一特定的电流脉冲激励该静止马达的马达绕组一特定时间；(c)经该特定时间后，将该电流脉冲减少到一特定幅值，以获得该马达转子相对应于该定子一特定位置；以及(d)根据该特定位置，控制该马达转子按一预期的方向启动旋转。
较佳者，其中该静止马达系为一含有复数对磁极的带有不对称的气隙结构的无霍尔(Hall-less)元件的单相无刷直流马达(single-phase BLDCM)。
较佳者，其中该特定电流脉冲系为一方向确定(如正向或负向)及大小足够使马达转子转动的电流脉冲。
较佳者，其中该特定幅值系为零安培或接近零安培的一特定幅值，此时，马达转子以几乎为零的旋转速度处在能预知的位置上。
较佳者，其中该控制器需先将输入马达绕组的电流脉冲幅值逐渐减小至一特定幅值以为马达转子的定位处理。
较佳者，其中如果该电流脉冲使马达特定定子齿产生的磁场满足该齿靠近马达气隙的部分极性为S极，则定位后转子所处的特定位置满足前述特定定子齿下对应的转子磁极极性为N极。
较佳者，其中如果该电流脉冲使马达特定定子齿产生的磁场满足该齿靠近马达气隙的部分极性为N极，则定位后转子所处的特定位置满足前述特定定子齿下对应的转子磁极极性为S极。
较佳者，其中该特定时间需够长以防止马达转子的转动因惯性作用而过头，而在经过该特定时间后，该电流脉冲幅值应逐渐减小至一特定幅值，最后转子将定位可预知的特定位置处。
较佳者，其中当转子被定位到预定位置的后，控制器根据定子、转子的相对位置关系使用恰当的电流脉冲即可使马达转子按预期的方向旋转。转子按预期方向转动的后，控制器根据马达绕组中的反电势讯息对马达进行换向控制，驱动马达继续运行。
本申请系一种马达转子定位方法，其方法步骤包括：(a)提供一静止马达，内含定子、转子及偏心气隙；(b)以一特定的电流脉冲激励该静止马达的马达绕组一特定时间；以及(c)经该特定时间后，将该电流脉冲减少到一特定幅值，以获得该马达转子相对应于该定子一特定位置。
较佳者，其中该静止马达系为含有复数对磁极的带有不对称气隙的无霍尔(Hall-less)单相无刷直流马达(single-phase BLDCM)。
较佳者，其中该特定电流脉冲系为一方向确定(如正向或负向)及大小足够使马达转子转动的电流脉冲。
较佳者，其中该特定幅值系为零安培或电流脉冲减小至该特定幅值时，马达转子以几乎为零的旋转速度处在能预知的位置上。
较佳者，其中该马达需先将输入电流脉冲幅值逐渐减小至一特定幅值以为马达转子的定位处理。
较佳者，其中如果该电流脉冲使马达特定定子齿产生的磁场满足该齿靠近马达气隙的部分极性为S极，则定位后该特定位置满足前述特定定子齿下对应的转子磁极极性为N极。
较佳者，其中如果该电流脉冲使马达特定定子齿产生的磁场满足该齿靠近马达气隙的部分极性为N极，则定位后该特定位置满足前述特定定子齿下对应的转子磁极极性为S极。
较佳者，其中该特定时间需够长以防止马达转子的转动因惯性作用而过头，而在经过该特定时间后，该电流脉冲幅值应逐渐减小至一特定幅值，最后转子将定位在能预知的特定位置处。
【附图说明】
图1现有的美国专利第5986419号专利所揭露的马达驱动控制方法的定位电流脉冲的电流-时间座标图。
图2本申请用来表示定位电流脉冲作用一段时间后逐渐减小到一足够小的值，此时转子已以很低速度进入我们能预期的位置范围内，然后可进入正常马达驱动控制情况的定位电流脉冲的电流-时间座标图。
图3本申请用来表示定位电流脉冲逐渐减少到零，然后进入正常马达驱动控制情况的定位电流脉冲的电流-时间座标图。
图4本申请方法所适用的四种含有不对称气隙结构的2极2齿的单相无刷直流马达结构示意图。
图5本申请的带有不对称气隙结构的2极2齿单相无刷直流马达在静止状态时其定子及转子的间相对位置仅有的两种情况结构示意图。
图6本申请在第一个电流脉冲输入马达绕组的定位转向运动过程示意图。
【具体实施方式】
根据以下实施例的图式说明，将使我们能更深入了解本申请的主要技术特征所在：
请同时参考图1及图3，图1所示系为与图3的本申请方法相近的现有美国专利第5986419号专利所揭露的马达驱动控制方法的电流(i)-时间(t)座标示意图。在美国专利第5986419号专利所揭构的方法由于容易因振荡而定位失败，而本申请方法不但避过了美国专利第5986419号专利中申请专利范围的方法，效果更好，同时能消除因振荡而定位失败的缺失，成功实现马达启动前的转子定位。
请参考图2，此图系本申请用来表示电流脉冲作用一段时间后逐渐减小到一足够小的值，此时转子已以很低速度进入我们能预期的位置范围内，此时可进入正常马达转向控制及驱动控制情况的电流(i)-时间(t)座标示意图。
请参考图3，此图系本申请用来表示在电流逐渐减少到零后才进入正常马达驱动控制情况的电流(i)-时间(t)座标示意图。由图3可知，在含不对称气隙结构的马达启动时，系先用一合适的电流脉冲激励马达绕组(winding)，维持一段合适够长的时间后逐渐减小该电流，当电流减至一特定幅值(如零安培)后，转子将定位于我们所期望的位置上，的后即可开始依需求作马达的正常驱动控制。
请参考图4，此图为本申请方法所适用的四种含有不对称气隙结构的2极2齿的单相无刷直流马达结构示意图。也就是说如马达是4极4齿或更多定子齿和转子极则依然适用本案方法发明，而本申请系选用图4中的不对称气隙结构((a)Tapered-air gap)的马达模型作为分析对象。
请参考图5，此图系本申请的带有不对称气隙结构的2极2齿单相无刷直流马达1在静止状态时其定子11及转子12的间相对位置仅有的两种情况示意图。由此图可知带有不对称气隙结构的单相无刷直流马达1在静止时，其定子11、转子12的间的相对位置仅有两种可能状况，即马达1的某一特定定子齿A1所对应的永久磁铁磁极为S极(如图5图(a)所示的静止位置1)或为N极(如图5图(b)所示的静止位置2)。由于马达1静止时，定子11、转子12的相对位置仅存在前述两种可能的情况，因此在无感测器(sensor)启动时控制器15无法确定定子11、转子12在静止时到底处于哪种情况，因而不能根据转向要求来确定第一个电流脉冲的方向，致不能实现马达1按所需转向启动，也因此本申请系在马达1启动时作特别定位处理。
本申请中若使用图3或图2所示正的电流脉冲激励马达绕组13时使马达特定齿A1中产生的磁场满足特定定子齿A1靠近气隙的部位为S极时的马达，则该马达转子定位转向运动过程将如图6所示(图6的图号与图5相同，请参考对照图5)。透过该实施例的运动过程说明将使我们更能了解本申请的主要特征所在：
(1)当t＜0时，马达1转子12处于静止状态，马达1定子11、转子12的相对位置可能为图5的(a)或(b)。接下来将使用一特殊的正的电流脉冲(如图2或图3所示)激励马达绕组13，使定子11、转子12的相对位置由不确定变为确定。
(2)当t＝0时，该电流脉冲开始激励马达绕组13。如果定子11、转子12的初始位置为图5的(a)，特定定子齿A1靠近气隙的部位磁场极性和该齿对应的马达1转子12磁极极性相同，此时转子12将因定、转子磁场的斥力而开始逆时针旋转；而如果定子11、转子12的初始位置为图5的(b)，则特定定子齿A1和齿对应的马达1转子12磁极极性相反，此时转子12将因定、转子磁场的吸力而开始顺时针旋转。
(3)在0＜t＜t1中，该电流脉冲继续作用，对于图5图(a)情况，转子12将转过约180度，最终转子12的N极将处于特定定子齿A1的下，此时定子特定齿A1的极性和转子12磁极极性相反，A1将吸住转子。当然这里时间t1必须足够长，否则转子12可能因惯性转过头该位置。而对于图5图(b)情况，马达1转子12将顺时针转过一较小角度约θ(该θ角度是偏心气隙导致静止时定、转子轴线间的夹角)，最终停在定子11、转子12轴线重合的位置附近。
(4)这样不管定子11、转子12的初始位置为图5的(a)还是(b)，在该电流脉冲作用下，在t＝t1时定、转子12都将处于图6在t＝t1区间中所示的相对位置上。
(5)在t1＜t＜＝t2中，该电流脉冲逐渐减小，马达1转子12将在磁阻转矩及电磁转矩的相互作用下慢慢向逆时针方向偏转约θ角度，最后马达1的转子12将处在一个确定的位置处，即定子11的特定定子齿A1下相对的必为磁极N极。这样接下来的要进行转向控制就非常简单，即如加一个正的电流脉冲则转子12将因定、转子磁场的吸力而顺时针转动，而如加一个负的电流脉冲则转子12将因定、转子磁场的斥力而按逆时针转动。
(6)如果前述步骤(1)中说的电流脉冲如换成负方向，亦可实现前述同样的功能，只不过步骤(5)中马达1的转子12静止状态下时该特定定子齿A1所对应的则是磁极S极。
本申请中当使用图3或图2所示正的电流脉冲激励马达绕组13时使马达特定齿A1中产生的磁场满足特定定子齿A1靠近气隙的部位为N极时，则采用上述类似的方法可分析出转子经定位处理后的位置满足特定定子齿A1所对应的转子磁极极性为S极；当然此种情况下若定位电流脉冲换成负方向则A1所对应的转子磁极极性为N极。转子定位结束的后，类似地很容易根据转向要求施加恰当的电流脉冲实现马达正确起动。
综合以上说明，可知本申请系一种主要用来解决含不对称气隙结构的BLDCM在非Hall感测器的控制下无法确定定子11、转子12初始相对位置而导致转向控制失控问题的方法发明，同时，本申请的主要思想是使用特定电流脉冲将转子12转到一控制器15能预知的位置，然后根据转向要求对马达绕组13施加方向正确、大小及时间长度适当的电流脉冲使转子12按要求的方向旋转，马达1转子12旋转的后主磁场在马达绕组13中产生反电动势，控制器15再分析该反电动势的信息并据其对马达1进行换向，最后则能使马达1按要求的方向旋转。由前述可知本案方法发明不但具有其优越功效，亦为熟悉此技艺的人士所不易思及，且亦已达可具体实施的程度，从未先见于国内外刊物或已公开使用，本申请实允符新颖性、进步性及产业可利用性的专利三要件，爰依法提出申请，恳请赐准。
有关上揭实施方式的选择与描述，纯粹是为了解释本申请的原理的较佳实用模式，藉以让熟习该项技艺者对其特定目的掌握其不同应用的变化。任何熟习该项技艺者虽因此可据以完成若干修改或变化，达成相同的效果，然而均属本申请的范围，并将为本案申请专利范围的解释所当然涵盖者。
Claims (10)
1.一种含不对称气隙结构的马达启动方法，其方法步骤包括：
(a)提供一静止马达，内含定子、转子及偏心气隙；
(b)以一特定的电流脉冲激励该静止马达的马达绕组一特定时间；
(c)经该特定时间后，将该电流脉冲减少到一特定幅值，以获得该马达转子相对应于该定子一特定位置；以及
(d)根据该特定位置，控制该马达转子按一预期的方向启动旋转。
2.根据权利要求1所述的含不对称气隙结构的马达启动方法，其特征在于，该静止马达系为含复数对磁极的带有不对称气隙结构的非霍尔(Hall-less)单相无刷直流马达(single-phase BLDCM)。
3.根据权利要求1所述的含不对称气隙结构的马达启动方法，其特征在于：
该特定电流脉冲系为一方向确定(如正向或负向)及大小足够使马达转子转动的电流脉冲；及/或
该特定幅值系为零安培或接近零安培的一特定幅值，此时，马达转子以几乎为零的旋转速度处在能预知的位置上。
4.根据权利要求1所述的含不对称气隙结构的马达启动方法，其特征在于，该控制器需先将输入马达绕组的电流脉冲幅值逐渐减小至一特定幅值以为马达转子的定位处理。
5.根据权利要求1所述的含不对称气隙结构的马达启动方法，其特征在于：
如果该电流脉冲使马达特定定子齿产生的磁场满足该齿靠近马达气隙的部分极性为S极，则定位后转子所处的特定位置满足前述特定定子齿下对应的转子磁极极性为N极；及/或
如果该电流脉冲使马达特定定子齿产生的磁场满足该齿靠近马达气隙的部分极性为N极，则定位后转子所处的特定位置满足前述特定定子齿下对应的转子磁极极性为S极。
6.根据权利要求1所述的含不对称气隙的马达启动方法，其特征在于，该特定时间需够长以防止马达转子的转动因惯性作用而过头，而在经过该特定时间后，该电流脉冲幅值应逐渐减小至一特定幅值，最后转子将定位可预知的特定位置处。
7.根据权利要求1所述的含不对称气隙的马达启动方法，其特征在于，当转子被定位到预定位置的后，控制器根据定子、转子的相对位置关系使用恰当的电流脉冲即可使马达转子按预期的方向旋转。转子按预期方向转动的后，控制器根据马达绕组中的反电势讯息对马达进行换向控制，驱动马达继续运行。
8.一种马达转子定位方法，其方法步骤包括：
(a)提供一静止马达，内含定子、转子及偏心气隙；
(b)以一特定的电流脉冲激励该静止马达的马达绕组一特定时间；以及
(c)经该特定时间后，将该电流脉冲减少到一特定幅值，以获得该马达转子相对应于该定子一特定位置。
9.根据权利要求8所述的马达转子定位方法，其特征在于：
该特定幅值系为零安培或电流脉冲减小至该特定幅值时，马达转子以几乎为零的旋转速度处在能预知的位置上；及/或
该马达需先将输入电流脉冲幅值逐渐减小至一特定幅值以为马达转子的定位处理。
10.根据权利要求8所述的马达转子定位方法，其特征在于：
如果该电流脉冲使马达特定定子齿产生的磁场满足该齿靠近马达气隙的部分极性为S极，则定位后该特定位置满足前述特定定子齿下对应的转子磁极极性为N极；及/或
如果该电流脉冲使马达特定定子齿产生的磁场满足该齿靠近马达气隙的部分极性为N极，则定位后该特定位置满足前述特定定子齿下对应的转子磁极极性为S极。
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