无刷直流马达的控制方法及控制电路
技术领域
本发明指一种无刷直流马达的控制方法及控制电路,尤指一种无须使用霍尔效应检测器(Hall-effect sensor)的单相(single-phase)无刷直流马达(brushless DC motor,BLDCM)的控制方法及控制电路。
背景技术
单相无刷直流马达必须通过同步于转子(rotor)的位置的一电流换向信号以维持正常的运作,在大部份的应用场合中会在该马达内使用一霍尔效应检测器用以检测转子的位置。
霍尔效应检测器本身具有极易受到温度变化而影响元件表现的缺点,因此将其应用于马达内亦会使得采用该马达的系统在相对于环境变化(特别是温度变化)方面的表现能力不如预期,此外,在马达内使用霍尔效应检测器还会产生增加马达的尺寸大小以及提高生产的成本等问题。
传统技术当中已经提出了数种使用检测转子位置的霍尔效应检测器的马达及其控制方法,图1即为传统技术中一种单相无刷直流马达的定子与转子的结构剖面图。
为了尽量避免使用霍尔效应检测器,传统技术还提出了一种使用检测线圈的方法,请参阅图2,其为美国专利US5,598,071号所提出的另一种单相无刷直流马达的定子与转子的结构剖面图;图中的结构由驱动绕组4、检测线圈5、气室8、转子9、转轴10、开口11、以及定子12所构成。其中,驱动绕组4缠绕于定子齿2,而检测线圈5则缠绕于定子12的附加齿1。在此种结构中,检测线圈5具有一极大的线圈匝数,其可提供一极高且能够反应出反电动势(back electric motive force,BEMF)信息的信号,利用该信号可检测到反电动势。再通过一控制器根据检测线圈5所产生的该信号便能够成功地对马达进行控制。
然而,这种技术由于必须在定子12上额外制作附加齿1以供检测线圈5的缠绕,因此会使得马达的结构趋于复杂,同时因为附加齿1的存在,亦会减少驱动绕组4的设置空间,影响到马达的运作表现。
请参阅图3,其为传统技术中使用霍尔效应检测器时马达的反电动势的信号与定子绕组的电枢(armature)电流之间关系的示意图。由图中可看出,其经由S1及S2两个步骤以控制该马达;在每个步骤中,控制器自霍尔效应检测器获得反电动势信息并加以分析,以得到转子的位置,接着通过控制定子的H-桥(H-bridge)上的四个开关使得电枢电流与该反电动势的信号间呈现出图3所示的关系;亦即,电枢电流与马达的反电动势的相位一致。
因此,申请人鉴于已知技术中使用霍尔效应检测器的技术、以及欲规避使用霍尔效应检测器的技术所产生的缺失而提出本发明的无刷直流马达的控制方法及控制电路,以下为本发明的简要说明。
发明内容
本发明的目的为提出一种单向无刷直流马达控制方法及控制电路,其不但无须使用霍尔效应检测器,亦无须增加额外的线圈,仅凭借控制电路及控制方法的特殊设计即可完成电机换向使得马达正常运行。
本发明的构想为提出一种无须使用霍尔效应检测器的单向无刷直流马达及其控制方法和控制电路,其可改善传统技术中使用霍尔效应检测器控制马达时所产生易受到环境(温度)变化的影响的问题、以及使用检测线圈取代霍尔效应检测器时所造成马达结构趋于复杂和减少绕组的设置空间的问题。
根据本发明的构想,提出一种单向无刷直流马达的控制方法及控制电路,以马达绕组分时复用的方法先将马达绕组当作驱动元件使用,期间负载电流流过绕组从而产生驱动转矩使的马达旋转,接着再将马达绕组当作检测元件使用,期间绕组内电流几乎为零,因此控制器可从绕组端电压分析出反电动势的信息,并通过调整控制参数并和进行换向,以控制该单向无刷直流马达。
根据本发明的构想,提出一种无刷直流马达的控制方法,该无刷直流马达包括一换流器、一定子及一转子,该定子具有一绕组,该转子转动时会于该绕组中产生一反电动势,该控制方法包括下列步骤:(a)控制该换流器使得具有一第一方向的一第一电流至该绕组使得该转子旋转;(b)于一第一时刻切断该换流器上该第一电流所流经的回路,该绕组中该第一电流经由续流回路衰减,该第一电流于一第二时刻变为零;(c)测量该绕组的端电压即为该反电动势,并获得该反电动势变为零的一第三时刻;(d)该控制器根据该第三时刻与该第二时刻的关系调整该第一时刻大小,并于一第四时刻使用具有一第二方向的一第二电流重复上述步骤。
根据上述构想,其中该第一方向与该第二方向相反。
根据上述构想,其中该第二时刻是该控制器经电流检测得出该第一电流为零的时刻。
根据上述构想,其中该第二时刻是该控制器在该第一时刻后运作一恰当延时程序后的时刻。
根据上述构想,其中该第四时刻满足:若该第三时刻早于该第二时刻,则该第四时刻等于该第二时刻;以及若该第三时刻晚于该第二时刻,则第四时刻等于该第三时刻。
根据上述构想,其中该第四时刻在该无刷直流马达运转于高速时满足:若该第三时刻早于该第二时刻,则该第四时刻等于该第二时刻;以及若该第三时刻晚于该第二时刻,则该第四时刻稍早于该第三时刻,且该无刷直流马达的转速越高,该第四时刻提早越多。
根据上述构想,其中该无刷直流马达为一单相无刷直流马达,其驱动方案为双极性驱动。
根据上述构想,其中步骤(d)以下列步骤调整该第一时刻的数值:若该第三时刻早于该第二时刻,则降低该第一时刻的数值;若该第三时刻晚于该第二时刻但延迟时间不超过一预定值,则保持该第一时刻的数值;以及若该第三时刻晚于该第二时刻且延迟时间超过该预定值,则升高该第一时刻的数值。
根据上述构想,其中该预定值为零或稍大于零。
根据本发明的另一构想,提出一种无刷直流马达的控制电路,该无刷直流马达包括一定子及一转子,该定子具有一绕组,该转子转动时会于该绕组中产生一反电动势(BEMF),该控制电路包括:一电源供应电路,用以供应一具有一第一方向的一第一电流;一换流器,电连接于该绕组及该电源供应电路,该第一电流经由该换流器的切换而被提供至该绕组、接着再经由该换流器的切换而停止被提供至该绕组;一反电动势检测电路,电连接于该绕组及该换流器,用以测量该第一电流停止后、该绕组内电流变成零时该绕组的一端电压(terminal voltage);以及一控制器,电连接于该电源供应电路、该换流器及该反电动势检测电路,用以分析该端电压以获得该反电动势状况信息,以控制该无刷直流马达。
根据上述构想,其中该换流器由四个开关所构成。
根据上述构想,其中该电源供应电路由二极管、电阻及电容的至少一项所构成。
根据上述构想,其中该反电动势检测电路为一比较电路或一分压保护电路,其由二极管及电阻所构成。
根据上述构想,其中该换流器于一第一时刻停止提供该第一电流,该绕组内电流于一第二时刻变成零,且该反电动势于一第三时刻变成零,而该控制器根据该第二时刻与该第三时刻之间的三种关系,调整该第一时刻的数值。
根据上述构想,其中该控制器于一第四时刻进行换向(commutation),控制该换流器的切换使得该电源供应电路供给该绕组,使其具有与换向前电流方向相反的另一方向的电流。
根据上述构想,其中三种关系如下:(a)若该第三时刻早于该第二时刻,该控制器即降低该第一时刻的数值,立即切换该换流器以提供另一方向的电流给该马达;(b)若该第三时刻晚于该第二时刻但延迟时间不超过一预定值,该控制器保持该第一时刻不变,并于一第四时刻切换该换流器并开始提供另一方向的电流给该马达;以及(c)若该第三时刻晚于该第二时刻且延迟时间超过一该预定值,该控制器提高该第一时刻,并于第四时刻切换该换流器并开始提供另一方向的电流给马达。
根据上述构想,其中该控制器更根据该转子的一旋转速度决定该第四时刻小于或等于该第三时刻。
根据上述构想,其中该感应电动势检测电路为一比较电路(comparatorcircuit)。
根据上述构想,其中该感应电动势检测电路为一模拟-数字转换电路。
本发明得通过下列附图及详细说明,以得到更深入的了解:
附图说明
图1为传统技术中一种单相无刷直流马达的定子与转子的结构剖面图;
图2为传统技术中一种单相无刷直流马达的定子与转子的结构剖面图;
图3为传统技术中使用霍尔效应检测器利用感应电动势检测反电动势信号时、反电动势信号与定子绕组的电枢电流的关系的示意图;
图4为本发明无刷直流马达的控制方法中反电动势电压、绕组端电压、以及绕组电流的关系的示意图;
图5为本发明无刷直流马达的控制方法中反电动势电压与电流的三种可能关系的示意图;
图6为本发明无刷直流马达及其控制电路第一实施例的电路图;
图7为图6的电压Ve的时序变化图;
图8为本发明无刷直流马达及其控制电路第二实施例的电路图;
图9为本发明无刷直流马达及其控制电路第三实施例的电路图;
图10为本发明无刷直流马达及其控制电路第四实施例的电路图;以及
图11为本发明无刷直流马达的控制方法的流程图。
其中,附图标记说明如下:
1、2 磁极
3、6、7 磁场
4 驱动绕组
5 检测线圈
8 气室
9 转子
10 转轴
11 开口
12 定子
S1~S8 步骤
Ton 时间长度
T 时间
E 反电动势
U 绕组电压
I 绕组电流
Vcc 电源供应电压
D、D1、D4 二极管
C 电容
R1~R7 电阻
Ve、Vi、V1~V3 节点电压
G1~G4 开关
T1~T4 控制信号
I1、I2 电流路径
具体实施方式
本发明所提出无须使用霍尔效应检测器的单向无刷直流马达的控制方法,于马达的定子结构的H-桥(H-bridge)上设置一控制电路、并基于所谓的马达绕组分时复用(motor winding time-sharing)技术而进行控制。也就是说,使用控制器控制换流器(inverter),当反电动势的绝对值极大时,在马达绕组内注入一方向与反电动势一致的负载电流,使得马达绕组成为一驱动元件;而当反电动势的绝对值极小时,使得马达绕组几乎不具电流而成为一检测元件,此时控制器便根据所检测到的反电动势信息不断调整马达绕组作为驱动元件的时间长短并进行电机换向,使得电机以高效率稳定地运行。
◎无刷直流马达的控制方法
请参阅图4,其由上至下依序为本发明无刷直流马达的控制方法中反电动势、绕组端电压、以及绕组电流的关系的示意图。如图所示,本发明控制方法的一个完整的控制周期可分为S1~S8等八个步骤来看,控制周期的第一半周期包括步骤S1~S4,而第二半周期则由步骤S5~S8所构成。
在第一半周期的步骤S1之中,控制器控制换流器使得与反电动势方向一致的一第一方向电流在时间Ton内流过马达(一般来说,Ton稍微小于半个控制周期),在此期间一电源供应电压会被施加于该马达;接着,换流器中的所有开关会被关闭,以停止供应该电源供应电压至该马达,由于马达绕组的电感,使得绕组中的电流会在步骤S2的时间内逐渐降至零;然后,在步骤S3和S4的时间内,绕组中的电流几乎为零而马达则因为本身的惯性(inertia)而保持转动,此时绕组的端电压正好为转子转动时于绕组中产生的反电动势,因此控制器便可以通过测量该端电压而获得电机反电动势的信息,最后,根据该反电动势的情况调整Ton的大小并在反电动势过零时做出换向,从而进入下半个控制周期。
在第二半周期的步骤S5之中,控制器控制换流器使得与反电动势方向一致的一第二方向电流在时间Ton内流过马达,在此期间一电源供应电压会被施加于该马达;接着,换流器中的所有开关会被关闭,以停止供应该电源供应电压至该马达,由于马达绕组的电感,使得绕组中的电流会在步骤S6的时间内逐渐降至零;然后,在步骤S7和S8的时间内,绕组中的电流几乎为零而马达则因为本身的惯性而保持转动,此时绕组的端电压正好为转子转动时于绕组中产生的反电动势,因此控制器便可以通过测量该端电压而获得电机反电动势的信息,最后,根据该反电动势情况调整Ton大小并在反电动势过零时做出换向,从而进入下一控制周期。
在第一半周期内,在绕组电流变为零的步骤S2之后,控制器便能够通过检测绕组的端电压而获得电机反电动势的信息,在测得反电动势的信息之后,会发现反电动势与电流二者之间具有如图5所示般三种可能的关系:
(1)当反电动势和绕组电流的关系如图5(c)所示般,在电流变为零之后控制器通过检测绕组端电压而发现反电动势已经过零,亦即反电动势的方向与在此之前的电流方向不同,这代表施加该电源供应电压的时间Ton过长;因此,控制器在缩短时间Ton的同时亦立即控制换流器对电机进行换向,使得另一方向的电流流经绕组,并以更新后的Ton值进入控制方法的下一半周期。
(2)当反电动势和绕组电流的关系如图5(a)所示般,在电流变为零之后控制器通过检测绕组端电压而发现反电动势尚未过零,亦即反电动势的方向与在此之前的电流方向相同,而且反电动势一直到S4的期间内才过零。这代表施加该电源供应电压的时间Ton过短;因此,控制器将在延长时间Ton的同时亦不断检测反电动势直到发现反电动势过零后,才控制换流器对电机进行换向,使得另一方向的电流流经绕组,并以更新后的Ton值进入控制方法的下一半周期。
(3)当反电动势和绕组电流的关系如图5(b)所示般,在电流变为零之后控制器通过检测绕组端电压而发现反电动势尚未过零,亦即反电动势的方向与在此之前的电流方向相同,而且反电动势在S3的期间内过零。这代表施加该电源供应电压的时间Ton大小刚好;因此,控制器会保持时间Ton不变,并不断检测反电动势直到发现反电动势过零后,才控制换流器对电机进行换向,使得另一方向的电流流经绕组,并以更新后的Ton值进入控制方法的下一半周期。
同样地,在第二半周期内,在绕组电流变为零的步骤S6之后,控制器亦能够通过与前述相同的方法检测绕组的端电压而获得反电动势的信息,在检测到反电动势的信息之后,同样会发现反电动势和绕组电流二者之间具有三种跟在第一半周期中相同的可能关系,此时控制器便可采用和在第一半周期中相同的控制策略来调整Ton以及对电机进行换向。
通过上述控制策略的调整,马达在稳态运行时反电动势的过零点将仅会出现在S3或S7的期间内;此处引入S3和S7的目的是为了增强系统的稳态运行性能。当然,步骤S3和S7本身的时间长度t1可以设定成很短、甚至为零。
因此,综合了上述第一半周期以及第二半周期的控制方法,便能够使得马达在各种环境状况之下顺利运转。
◎无刷直流马达的控制电路第一实施例
图6为本发明无刷直流马达及其控制电路第一实施例的电路图,本发明无刷直流马达的控制电路由开关G1~G4所构成的换流器、电阻R1~R3、电容C、二极管D、比较电路、以及控制器所组成,图中的控制器会发送控制信号T1、T2至换流器以控制该换流器中的开关G1~G4,另外,电阻R1~R3的阻值以及比较电路中电阻的阻值皆远大于绕组的电阻阻值(亦即,绕组的电阻阻值可以省略不计)。
根据前述的控制模式以控制该换流器中的开关G1~G4,便能够在马达绕组中注入驱动电流使得转子转动。在运作期间内电压Ve基本上几乎等于电源供应电压Vcc,紧接着当所有的开关都被关闭时,由于马达绕组的电感以及二极管D的缘故,续流电流会对电容C充电,因此电压Ve将会一直增加直到绕组中电流变成零为止,之后,电压Ve便会因为电容C本身的漏电流(leakage current)而逐渐减少;也就是说,当电压Ve到达极大值时,绕组中的电流恰好减少至零。一般来说,绕组中的电流越大,电压Ve的极大值也就越大,因此,控制器可通过分析所输入标示Vi的电压以获得电源供应量、电流的ZCP、甚至是电流大小;而当绕组电流为零时,因为电阻R1的一端连接于地,因此图6中标示V2的节点的电压便为马达绕组端电压,其可反应出反电动势的大小,此时V2经由图中的比较电路即可输出反电动势的过零点信息V3至控制器。因此,控制器根据Vi、V3便可了解到马达绕组中的电流以及反电动势的情况,从而可根据两者的关系调整Ton的大小、并送出控制信号T1、T2以控制换流器,使得马达稳定地运行。
请参阅图7,其显示图6的电压Ve的时序变化。在K1期间,电源电压施加到马达绕组上,此时的Ve等于Va,而Va几乎等于电源供应电压Vcc;在K2期间,换流器的所有开关G1~G4都关闭,由于马达电感和二极管D的影响,绕组电流慢慢减小,续流电流将会对电容C充电,于是Ve逐渐变大,当Ve达其极大值Vb时代表马达绕组中的电流已经减至零;之后的K3期间换流器的开关依然关闭,而电容端电压Ve则因电容本身的漏电流而从极大值Vb开始慢慢衰减。
◎无刷直流马达的控制电路第二实施例
请参阅图8,其为本发明无刷直流马达及其控制电路第二实施例的电路图,图中的电路大部份与图6相同,惟一不同之处在于将比较电路以由电阻R4~R6和二极管D1所构成的一分压保护电路取代。因此,当绕组电流为零时、控制器能够从标示V3的电压处通过控制器中的模拟数字转换器获得反电动势的数字值。因此,控制器便可以获知反电动势的数字值,而根据该值作出换向决策以及调整相关的控制参数。这种基于反电动势的实际值的方法更加灵活,因为其可根据马达转速的情况调节马达的换向角,在马达高速运转时进行超前换向以输出较大转矩,并在马达低速运转时在反电动势的过零点处换向,以保证其以最高效率运转。
◎无刷直流马达的控制电路第三实施例
请参阅图9,其为本发明无刷直流马达及其控制电路第三实施例的电路图,其中控制器会发送控制信号T1~T4至换流器以分别控制该换流器中的开关G1~G4,而图中的电阻阻值依然远大于马达绕组本身的电阻值。本实施例和前述的实施例不同的处在于:
(1)换流器上的四个开关分别使用四个彼此独立的控制信号T1~T4进行控制。
(2)续流电流流经的路线不同;亦即,续流期间H桥上开关G1或G4导通,因此续流电流会直接通过换流器的内部。
(3)当绕组电流变为零后,控制信号T4使得开关G4导通,因此节点V1相当于接地,从而V2处的电压即为马达绕组端电压,该电压在绕组电流为零时等于马达的反电动势。因此,V2经电阻网络分压和保护之后输出的V3即为反电动势信号。控制器通过模拟-数字转换即可获得反电动势信息。
(4)电流过零点的检测方法不同;由于马达的电气时间常数很小,因此马达电流的续流时间很短,这里在进入电流续流后控制器运行一段延迟程序,延迟一段时间后即认为电流减小至零,从而开始检测反电动势信息。
◎无刷直流马达的控制电路第三实施例
请参阅图10,其为本发明无刷直流马达及其控制电路第四实施例的电路图,图中的反电动势检测电路可采用与图6、图8、或图9的中的任意一种,图中各电阻阻值均远大于马达绕组的电阻值,二极管D4用于钳制电压Vi,使其不大于+5V。本实施例和前述的实施例不同之处在于:
(1)这里的电流过零点检测是通过图10中Vi的电位跳变或延迟程序来实现。图中当G2、G4导通时,电流经I1流过电路,此时V1经导通的G4接地,因此Vi为低电位;之后所有开关会关闭,由于马达电感的影响,马达绕组中的电流将会沿着I2所示的途径进行续流,此时电压V1约等于电源电压(一般来说远高于+5V),在D4钳制之下此时的Vi将输出约为+5V的高电位。续流结束之后,电阻R5将Vi的电位重新拉回低电位。因此在续流过程中当控制器检测到Vi电位从高电位跳变为低电位时即可判断此时马达绕组中的电流变为零。控制器会将本续流期间Vi维持高电位的时间dt记录下来。而在接下来的另一半控制周期中,控制器在令G1、G3关闭后执行延迟程序延迟dt便可认为绕组中的电流减小至零。
(2)当电流变为零后,由于电阻R5接地,控制器可经过由R5、马达绕组以及反电动势检测电路所构成的回路检测到马达绕组的端电压(即反电动势信息),并经模拟-数字转换得到其数字值。
(3)控制器根据Vi、V3上所获得的信息分析绕组中的电流以及反电动势的情况,采用前述控制策略以调整Ton并在恰当时刻对马达进行换向,使得马达稳定地运行。
综上所述,本发明提供一种单向无刷直流马达的控制方法及控制电路,如图11的流程图所示,其特征在于:先在一段时间Ton内提供一电流至马达绕组使得转子旋转,接着停止提供该电流,等候该绕组内电流变成零时的零交叉点的出现,以测量该绕组内电流变成零时该绕组的一端电压,再通过分析该端电压以获得反电动势,最后根据反电动势的信息调整Ton的长短ㄅ并进行换流,以继续控制该无刷直流马达。
本发明不但无须使用霍尔效应检测器,亦无须增加额外的线圈,仅凭借控制电路及控制方法的特殊设计,利用马达绕组分时复用的原理检测反电动势及绕组电流的零交叉点,再根据零交叉点的出现时间调整形成反电动势的电源供应电压的持续供应时间,即可达到控制转子的目的,维持无刷直流马达的运转。
本发明得由诸般修饰本领域技术人员做各种修改,然皆不脱如附权利要求书所欲保护的范围。