CN1862945A

CN1862945A - 无感测直流无刷马达装置的电压补偿电路

Info

Publication number: CN1862945A
Application number: CNA2005100704941A
Authority: CN
Inventors: 杨明哲; 黄泰铭; 陈志信; 陈慕平; 方志行; 胡国英
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2005-05-13
Filing date: 2005-05-13
Publication date: 2006-11-15
Anticipated expiration: 2025-05-13
Also published as: CN1862945B

Abstract

本发明提供无感测直流无刷马达装置的电压补偿电路，用以补偿无感测直流无刷马达装置中的马达电枢端电压。马达装置中的驱动电路可具有三相的电源输出，每一相输出均可连接有一补偿电路，每一电压补偿电路包含一参考电压、一电阻元件、一二极管元件、一差动放大器、一处理器。其中电阻元件的两端分别连接至参考电压及二极管元件的阳极，二极管元件的阴极连接至三相电源输出的其中之一相，差动放大器的两输入端分别连接至电阻元件的两端，处理器接受差动放大器所输出的信号并加以计算处理后将补偿电压输出。

Description

无感测直流无刷马达装置的电压补偿电路

技术领域

本发明涉及一种电压补偿电路结构，特别是涉及无感测直流无刷马达的电压补偿电路结构。

背景技术

在马达的技术领域中，三相直流无刷马达是一种能够达到高能源效率的马达装置，再加上其能够较其它种类的马达更易于达到轻薄短小的体积，适用于目前各式各样的3C信息产品中，因此直流无刷马达在产业界中的应用范围非常广泛。

三相直流无刷马达为电子换向式(Electrical Commutation Motor，ECM)马达的其中一种，其基本的作业原理就是必须先检测出马达中转子的位置后，再适当地改变电枢上激磁方式，以感应出不同方向的磁场，其中这个感应磁场会带动转子移动。也就是说，只要转子的位置有所变动，便会使驱动电路改变感应磁场的方向，而改变了方向之后的感应磁场又会带动转子，如此持续下去便可使转子不停的转动，并且由感应磁场方向变换的轨迹也可看出，电枢所感应出的磁场为一旋转磁场。

从上述的基本原理当中可以得知，唯有精确地将转子的位置检测出来，才能正确地决定出感应磁场的方向，并维持马达的高效能，因此在以往的三相无刷直流马达之中通常还会附加一个用以检测转子位置的位置检测器。但在产品小型化以及降低成本的种种考虑下，渐渐地发展出不需利用位置检测器而能检测出转子位置的技术，也就是无感测(sensorless)检测技术。

目前的无感测检测技术可分为间接式感应电势检测法以及直接式感应电势检测法。其中的间接式感应电势检测法是将直流无刷马达的三端电压以及中性点电压提取出来，依序送入滤波器(filter)及电压衰减器(voltageattenuator)之后，再送入位置检测电路(position detector)判断以产生适当的换向信号(commutation signal)。利用此种方式所得到的感应电势会有着信噪比低以及延迟的问题产生，所以无法精确地检测出转子的位置，继而发展出直接式感应电势检测法。

与间接式感应电势检测法不同的是，直接式电势检测法只提取直流无刷马达的三相端电压，并将此三相端电压送入一电压箝制器(voltage clamper)以克服间接式感应电势检测法所具有的问题。但直接式感应电势检测法也会因为直流无刷马达的驱动电路中，开关及二极管元件上的压降而造成检测上的误差，这样的误差会使直流无刷马达在运转时产生抖动及效率下降的问题。

图1绘示了一个三相直流无刷马达装置的基本等效电路，一个三相直流无刷马达装置当中会包含驱动电路及马达本体两部分，其中电源V_I提供了马达本体转动时所需的电流，开关元件S₁-S₆及二极管元件D₁-D₆连接组成了三相无刷直流马达的驱动电路，而线圈L_A-L_C、电阻R_A-R_C以及感应电势e_A-e_C则分别代表了马达本体的电枢上，A、B、C三相的感应线圈、等效电阻以及由感应线圈所感应产生的感应电势，而A、B、C三相会有一个共同的连接中性点N_P。

熟悉三相直流无刷马达技术的技术人员均可知道，开关元件S₁-S₆上会连接有一控制信号，使开关元件S₁-S₆依照一定的顺序来关闭与导通，目的是使电源V_I所提供的电流能够不断瞬间地流经感应线圈L_A-L_C中的两个，以激磁产生能够使马达转子移动的磁场。其中，受激的线圈及电流的方向决定了磁场的方向，位于上臂位置的开关元件S₁、S₃和S₅决定了电流流进的相位，而位于下臂位置的开关元件D₂、D₄和D₆决定了电流流出的相位。

因此，所谓的位置检测便是要检测出马达转子目前的位置，决定出转子要转移至下一个位置所需的磁场方向，才能知道需要导通开关元件S₁-S₆中的哪几个，以激磁电枢中的感应线圈产生所需方向的磁场。

就上述所提过的直接式感应电势检测法而言，中性点上N_P上的感应电压V_N是一项重要的参数。由于在一次激磁作业中，电流仅会流经两相线圈而已，所以可经由测量未激磁相的端电压来求得中性点N_P上的电压V_N，又因为是要取得中性点N_P上的感应电压值，所以必须要在无外加电流的瞬时下进行提取。如图1所示，假设原本开启了开关元件S₃及S₆使电源V_I提供的电流激磁了感应线圈L_B及L_C。接下来就在关闭开关元件S₃的瞬间，电源V_I所提供的电流无法流入马达的电枢，使感应线圈L_B及L_C分别产生了感应电势e_B、e_C以及感应电流I，其中感应电流I会流经由开关元件S₆及二极管元件D₄所构成的回路，因此，依照基本的电路分析方法可知在理想状态下中性点N_P上的感应电压V_N为：

V_N＝e_A/2

如此，可在节点N_A上测量得到电压V_A：

V_A＝3e_A/2

也就是说，经由这样的关系可通过节点N_A上的电压V_A来检测所须的中性点电压V_N。

但在一般状况下，感应电流I分别会在开关元件S₆及二极管元件D₄上产生电压V_S和电压V_D的压降，所以在实际情况下中性点N_P上的感应电压V_N会为：

V_N＝(e_A/2)+[(V_S-V_D)/2]

因此，在节点N_A所测量到的电压V_A也会变为：

V_A＝(3e_A/2)+[(V_S-V_D)/2]

如此便造成了(V_S-V_D)/2的误差，而这种误差便是在直接式感应电势检测法中，造成抖动及效率低下的原因。

有鉴于此，实在须要一种能够在三相直流无刷马达的驱动电路中，补偿电压误差的补偿电路结构。

发明内容

因此本发明的目的就是在于提供一种补偿无感测直流无刷马达的端电压的补偿电路结构。

本发明的另一目的就是在于提供一种能够提高无感测直流无刷马达装置的运转稳定性的补偿电路结构。

本发明的又一目的就是在于提供一种能够提高无感测直流无刷马达装置的运转效率的补偿电路结构。

为达到本发明的上述目的，这种无感测直流无刷马达装置，可包含一马达及一驱动电路，并在驱动电路的三相电源输出的每一相上分别连接一电压补偿电路。每一电压补偿电路包含一参考电压、一电阻元件、一二极管元件、一差动放大器、一处理器，其中电阻元件的两端分别连接至参考电压及二极管元件的阳极，二极管元件的阴极连接至三相电源输出的其中之一相，差动放大器的两输入端分别连接至电阻元件的两端，处理器会接受差动放大器所输出的信号，加以计算处理后输出补偿电压，用以补偿该三相电源输入端的其中一相的电压。

上述马达装置，其中该差动放大器用以测量该电阻元件两端的压降大小。

上述马达装置，其中该参考电压值为5伏特。

为达到上述目的，本发明还提供一种无感测直流无刷马达装置，至少包含：一驱动电路，包含一三相电源输出端；一马达本体，包含一三相电源输入端，与该三相电源输出端连接；以及多个补偿电路，每一所述补偿电路包含一电阻元件、一二极管元件、一差动放大器及一处理器，其中该电阻元件的两端分别连接至一参考电压及该二极管元件的阳极，该二极管元件的阴极连接至该三相电源输出端的其中一相，该差动放大器的两输入端分别连接至该电阻元件的两端；以及一处理器，用以接受自所述补偿电路中的该差动放大器输出的电压信号并加以运算后，输出一补偿电压，用以补偿该三相电源输入端的其中一相的电压。

上述马达装置，其中该参考电压值为5伏特。

为达到上述目的，本发明还提供一种端电压补偿方法，使用于一无感测直流无刷马达装置之中，包含如下步骤：提供多个测量电路，分别与该马达装置驱动电路的三相电源输出端连接，其中每一所述补偿电路包含一电阻元件以及一二极管元件，该电阻元件的两端分别连接至一参考电压及该二极管元件的阳极，该二极管元件的阴极连接至该马达装置驱动电路的三相电源输出端；测量该电阻元件两端的压降；计算一补偿电压，其中该电阻元件两端的压降为该计算步骤中的一参数；以及利用该补偿电压补偿相对应的三相电源输出端电压。

上述方法中，每一所述测量电路还包含一差动放大器，该差动放大器的两输入端分别与该电阻元件的两端连接。

上述方法中，该电阻元件两端的压降由该差动放大器测量。

上述方法中，还包含至少一处理器，用以接收该差动放大器的输出信号。

上述方法中，该补偿电压利用所述至少一处理器来计算。

上述方法中，计算该补偿电压的步骤是以该参考电压减去该电阻元件两端的压降后除以2，再减去该二极管元件两端的压降。

上述方法中，该参考电压值为5伏特。

附图说明

为使本发明的上述和其它目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，附图的详细说明如下：

图1为传统无感测直流无刷马达的等效电路图。

图2为按照本发明实施例的无感测直流无刷马达的驱动电路图。

图中标号说明：

202：测量电路 204：处理器

212：测量电路 214：处理器

222：测量电路 224：处理器

226：差动放大器

e_A-e_B：感应电势 D₁-D₆：二极管元件

D_T：二极管元件 I：感应电流

I_T：参考电流 L_A-L_C：感应线圈

N_A-N_C：节点 R_A-R_C：等效电阻

R_T：电阻元件 S₁-S₆：开关元件

V_D：电压压降 V_I：输入电压

V_S：电压压降 V_T：参考电压

具体实施方式

从上述的讨论中可以知道，在一般的无感测直流无刷马达中，利用直接式感应电势检测法来检测马达转子的位置容易测量到具有误差的电压，而此误差为(V_S-V_D)/2，其中，电压V_S及电压V_D分别为感应电流流经马达驱动电路时，在开关元件及二极管元件上所产生的压降。而由于其中的电压V_S会随着感应电流的大小而改变，因此，本发明实施例中的补偿电路结构会包含两个部分，一个部分是用以随时将实际误差参数测量出的测量电路，另一个部分则是利用该误差参数进行计算及电压补偿的处理器电路。

请参阅图2。与图1不同的是，在图2中省略了马达部分的等效电路，并在驱动电路中加入了按照本发明实施例的补偿电路。补偿电路分别与节点N_A、N_B及N_C连接，其中，与节点N_A连接的补偿电路包含了测量电路202及处理器204，与节点N_B连接的补偿电路包含了测量电路212及处理器214，而与节点N_C连接的补偿电路则包含了测量电路222及处理器224。测量电路202、212及222的电路结构均相同，而处理器204、214及224也均为一般能够计算电压信号强弱的处理器即可，不同的地方仅在于测量电路202及处理器204的补偿对象为节点N_B上的电压V_B，测量电路212及处理器214的补偿对象为节点N_C上的电压V_C，而测量电路222及处理器224的补偿对象为节点N_A上的电压V_A。因此，为延续在图1中所描述的情况，仅对测量电路222及处理器224的作业原理作说明。

延续在图1中所述的情况，在图2中仅有开关元件S₆为开启状态，开关元件S₁、S₂、S₄及S₅均为关闭状态，而开关元件S₃则是位于开启至关闭的瞬间瞬时，其中在本实施例中采用了MOSFET元件来作为开关元件。因此在此时会产生一流往马达B相，并自马达C相流回的感应电流I，其中，自马达C相流回的感应电流I会流经处于开启状态的开关元件S₆及二极管元件D₄再流往马达B相，以构成一回路。在实际的状况下，感应电流I在流经开关元件S₆及二极管元件D₄时，分别会产生电压V_S及电压V_D的压降，这些压降便会使节点N_A上的电压V_A产生(V_S-V_D)/2的误差。

测量电路202、212及222的结构均相同，均包含了一电阻元件R_T、一二极管元件D_T以及一差动放大器226，其中，电阻元件R_T的两端分别连接至一参考电压V_T及二极管元件D_T的阳极，二极管元件D_T的阴极连接至开关元件S₆的漏极，而差动放大器的两输入端则分别与电阻元件R_T的两端连接。

由如此的电路结构可看出，当开关元件S₆为开启状态时会有一参考电流I_T自参考电压V_T端流出往开关元件S₆流去，当中会流经电阻元件R_T及二极管元件D_T并于其上产生压降，其中在电阻元件R_T上所产生的压降为R_T·I_T，而若假设二极管元件D_T与二极管元件D₄为同一种类的二极管元件，则在二极管元件D_T上所产生的压降也会是电压V_D。

由于在二极管元件D₄上所产生的压降大小通常均会固定为电压V_D，而开关元件S₆上的压降大小，即电压V_S，则会随感应电流I的大小而变动，因此要先计算出电压V_S的大小。一般来说参考电压V_T所选用的电压值不会太大(如5伏特)，所以参考电压I_T的电流量也会远较感应电流I来得小，所以可被视为忽略，也就是说参考电流I_T不会对开关元件上的压降大小，即电压V_S，产生影响。在这种状况下，可知参考电压V_T的大小为：

V_T＝R_T·I_T+V_D+V_S

因此，电压V_S的大小为：

V_S＝V_T-R_T·I_T-V_D

计算出电压V_S的大小之后，进而可得知误差(V_S-V_D)/2的大小为何：

(V_S-V_D)/2＝(V_T-R_T·I_T-V_D-V_D)/2

亦即，

(V_S-V_D)/2＝[(V_T-R_T·I_T)/2]-V_D

其中，参考电压V_T及电压V_D的大小均为已知的固定值，可先行内建于处理器224当中，而R_T·I_T的值会被测量电路222中的差动放大器226所测量出，并输出至处理器224当中。因此在处理器224当中便可计算出误差值(V_S-V_D)/2的大小，并利用此结果来将图1中节点N_A上的电压V_A由(3e_A/2)+[(V_S-V_D)/2]补偿为3e_A/2，如此便能减少测量电压V_A时所产生的错误，进而减少马达的抖动现象并提高马达的运转效率。

如以上所述的补偿原理，测量电路202加上处理器204可补偿节点N_B上的电压V_B，测量电路212加上处理器214可补偿节点N_C上的电压V_C。

从直流无刷马达的驱动原理可知，补偿电压V_A的两个时机分别为开关元件S₆开启并且开关元件S₃由开启至关闭的瞬间，或是开关元件S₄开启并且开关元件S₅由开启至关闭的瞬间。补偿电压V_B的两个时机分别为开关元件S₆开启并且开关元件S₁由开启至关闭的瞬间，或是开关元件S₂开启并且开关元件S₅由开启至关闭的瞬间。补偿电压V_C的两个时机分别为开关元件S₄开启并且开关元件S₁由开启至关闭的瞬间，或是开关元件S₂开启并且开关元件S₃由开启至关闭的瞬间。所以可以利用控制信号在需要对节点N_A上的电压V_A进行补偿时才开启处理器224，同样地，在需要对节点N_B上的电压V_B进行补偿时才开启处理器204，而需要对节点N_C上的电压V_C进行补偿时才开启处理器214。另外，也可将处理器204、214及224整合为同一个处理器单元。

虽然本发明已以一较佳实施例公开如上，然而其并非用以限定本发明，任何熟习该项技术的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，所作的各种更动与润饰，均应属于本发明的专利申请范围之内，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定的范围为准。

Claims

1.一种无感测直流无刷马达装置，至少包含：

一驱动电路，包含一三相电源输出端；

一马达本体，包含一三相电源输入端，与该三相电源输出端连接；以及

多个补偿电路，每一所述补偿电路包含一电阻元件、一二极管元件、一差动放大器及一处理器，其中该电阻元件的两端分别连接至一参考电压及该二极管元件的阳极，该二极管元件的阴极连接至该三相电源输出端的其中一相，该差动放大器的两输入端分别连接至该电阻元件的两端，该处理器接受自该差动放大器输出的电压信号并加以运算后，输出一补偿电压，用以补偿该三相电源输入端的其中一相的电压。

2.如权利要求1所述的马达装置，其中该差动放大器用以测量该电阻元件两端的压降大小。

3.如权利要求1所述的马达装置，其中该参考电压值为5伏特。

4.一种无感测直流无刷马达装置，至少包含：

一驱动电路，包含一三相电源输出端；

多个补偿电路，每一所述补偿电路包含一电阻元件、一二极管元件、一差动放大器及一处理器，其中该电阻元件的两端分别连接至一参考电压及该二极管元件的阳极，该二极管元件的阴极连接至该三相电源输出端的其中一相，该差动放大器的两输入端分别连接至该电阻元件的两端；以及

一处理器，用以接受自所述补偿电路中的该差动放大器输出的电压信号并加以运算后，输出一补偿电压，用以补偿该三相电源输入端的其中一相的电压。

5.如权利要求4所述的马达装置，其中该差动放大器用以测量该电阻元件两端的压降大小。

6.如权利要求4所述的马达装置，其中该参考电压值为5伏特。

7.一种端电压补偿方法，使用于一无感测直流无刷马达装置之中，包含如下步骤：

提供多个测量电路，分别与该马达装置驱动电路的三相电源输出端连接，其中每一所述补偿电路包含一电阻元件以及一二极管元件，该电阻元件的两端分别连接至一参考电压及该二极管元件的阳极，该二极管元件的阴极连接至该马达装置驱动电路的三相电源输出端；

测量该电阻元件两端的压降；

计算一补偿电压，其中该电阻元件两端的压降为该计算步骤中的一参数；以及

利用该补偿电压补偿相对应的三相电源输出端电压。

8.如权利要求7所述的方法，其中每一所述测量电路还包含一差动放大器，该差动放大器的两输入端分别与该电阻元件的两端连接。

9.如权利要求8所述的方法，其中该电阻元件两端的压降由该差动放大器测量。

10.如权利要求8所述的方法，其中还包含至少一处理器，用以接收该差动放大器的输出信号。

11.如权利要求10所述的方法，其中该补偿电压利用所述至少一处理器来计算。

12.如权利要求7所述的方法，其中计算该补偿电压的步骤是以该参考电压减去该电阻元件两端的压降后除以2，再减去该二极管元件两端的压降。

13.如权利要求7所述的方法，其中该参考电压值为5伏特。