TW201401759A - 用於馬達之控制電路以及控制方法 - Google Patents

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Abstract

一種用於馬達之控制電路。此控制電路包括脈寬調變電路、微控制器、計時器、以及類比數位轉換器。脈寬調變電路產生至少一切換信號以驅動馬達。微控制器具有記憶體電路，且控制所述至少一切換信號之切換頻率以及脈寬。所述至少一切換信號之切換頻率以一跳頻(frequency hopping)方式來調變，以減少電磁干擾(electromagnetic interference)。所述至少一切換信號之脈寬以跳頻方式來調變，以將馬達之一平均切換電流維持在近似定值。計時器由微控制器來控制，其用來決定所述至少一切換信號之切換頻率。類比數位轉換器偵測馬達之輸入電壓以提供給微控制器。

Description

用於馬達之控制電路以及控制方法
本發明係有關於一種馬達控制，特別是有關於一種永磁馬達(permanent magnet motor)之控制電路。
一般而言，永磁(permanent magnet，PM)馬達之控制電路將產生高頻(例如20KHz)切換信號來驅動馬達。然而，這些高頻切換信號將引起電磁干擾(electromagnetic interface，EMI)問題。目前已發展出跳頻(frequency hopping)技術來減少電磁干擾。用來減少電源供應方面電磁干擾問題的跳頻或抖頻(frequency jitter)技術，可在編號為7,026,851且名稱為“PWM controller having frequency jitter for power supplies”的美國專利、編號為7,184,283且名稱為“Switching frequency jitter having output ripple cancel for power supplies”的美國專利、以及編號為7,203,079且名稱為“Switching controller having frequency hopping for power supplies”的美國專利中得知。
本發明提供一種採用頻率調變之控制電路，適用於永磁(permanent magnet，PM)馬達，例如無刷直流(brushless direct current，BLDC)馬達、永磁同步馬達(permanent magnet synchronous motor，PMSM)等等。
本發明之一實施例提出一種控制電路，適用於一馬達。此控制電路包括脈寬調變電路、微控制器、計時器、 以及類比數位轉換器。脈寬調變電路產生至少一切換信號以驅動馬達。微控制器具有記憶體電路，且控制所述至少一切換信號之切換頻率以及脈寬。所述至少一切換信號之切換頻率以一跳頻(frequency hopping)方式來調變，以減少電磁干擾(electromagnetic interference)。所述至少一切換信號之脈寬以跳頻方式來調變，以將馬達之一平均切換電流維持在近似定值。所述至少一切換信號之脈寬以跳頻方式來調變，以將馬達之轉矩維持在近似定值。計時器由微控制器來控制，其用來決定所述至少一切換信號之切換頻率。脈寬調變電路包括計數器、第一暫存器、第二暫存器以及比較器。計數器產生波形信號。第一暫存器決定波形信號之波形。第二暫存器產生臨界值。比較器根據臨界值以及波形信號來產生切換信號。類比數位轉換器偵測馬達之切換電流以提供給微控制器。類比數位轉換器偵測馬達之輸入電壓以提供給微控制器。所述至少一切換信號之切換頻率根據馬達之輸入電壓的改變來調變。
本發明之一實施例提出一種控制方法，用以控制馬達。此控制方法包括產生切換信號以驅動該馬達；以及調變切換信號之切換頻率，以減少電磁干擾(electromagnetic interference)。切換信號之脈寬以切換信號之跳頻方式來調變，以將馬達之平均切換電流維持在近似定值。切換信號之脈寬以跳頻方式來調變，以將馬達之轉矩維持在近似定值。切換信號之切換頻率以及脈寬由具有記憶體電路之微控制器來控制。切換信號之切換頻率由計時器所控制，且此計時器由微控制器來控制。馬達之平均切換電流由類 比數位轉換器來偵測。類比數位轉換器耦接微控制器。
本發明之另一實施例提出一種控制電路，適用於一馬達。此控制電路包括脈寬調變電路以及具有記憶體電路之微控制器。脈寬調變電路產生切換信號以驅動馬達。微控制器控制切換信號之切換頻率以及脈寬。切換信號之切換頻率根據馬達之輸入電壓的改變來調變。切換信號之脈寬以跳頻方式來調變，以將馬達之平均切換電流維持在近似定值。切換信號之脈寬以跳頻方式來調變，以將馬達之轉矩維持在近似定值。
為使本發明之所述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
圖1係表示根據本發明實施例之永磁馬達(permanent magnet motor)控制系統。此系統包括橋式整流器30、由電阻器31與32所形成之分壓器、輸入電容器35、驅動電路20、永磁馬達10、以及控制電路。控制電路包括脈寬調變電路100、計時器70、振盪器40、類比數位轉換器80、以及具有記憶體電路60之微控制器50。產生切換信號WA、WB與WC之脈寬調變電路100係透過驅動電路20來驅動永磁馬達10。驅動電路20將根據永磁馬達10之切換電流來產生複數切換電流信號IPN。驅動電路20之輸入電壓VIN係透過橋式整流器30以及輸入電容器35而產生自交流(AC)電源VAC。分壓器耦接於輸入電壓VIN與一參 考接地之間，以產生輸入信號VP。輸入信號VP之位準與輸入電壓VIN的大小相關聯。具有記憶體電路60之微控制器50用來控制脈寬調變電路100，藉以控制永磁馬達10。振盪器40產生時脈信號CLK給控制電路。時脈信號CLK係提供至計時器70，以產生可編程時脈信號SCK。計時器70係由微控制器50透過微控制器50之資料匯流排SDATABUS所控制。因此，可編程時脈信號SCK之頻率係由微控制器50所決定。可編程時脈信號SCK更耦合至脈寬調變電路100，用以決定切換信號WA、WB、與WC之切換頻率。類比數位轉換器80耦接切換電流信號IPN以及輸入信號VP，並根據切換電流信號IPN以及輸入信號VP來產生複數信號SADC給微控制器50。
圖2係表示本發明中脈寬調變電路100之一實施例。脈寬調變電路100包括複數脈寬控制電路(脈寬控制電路_A、脈寬控制電路_B、與脈寬控制電路_C)110、120、與130以及輸出緩衝器115、125與135。脈寬控制電路110、120與130接收可編程時脈信號SCK，且更耦接微控制器50之資料匯流排SDATABUS，用以產生信號WX、WY、與WZ。信號WX、WY與WZ分別提供至輸出緩衝器115、125與135之輸入，以產生切換信號WA、WB與WC。脈寬控制電路110、120、與130也將根據信號WX、WY、與WZ的產生而產生中斷信號INT。中斷信號INT係用來中斷微控制器50。
圖3係表示本發明中脈寬控制電路110、120與130之一實施例。每一脈寬控制電路包括計數器160、暫存器150 與165以及比較器170。計數器160接收可編程時脈信號SCK以產生波形信號SAW。計數器160係由暫存器165來控制。儲存在暫存器165內的資料決定了波形信號SAW之波形。波形信號SAW可以是鋸齒波形或三角波形。儲存在暫存器165之資料係載入自微控制器50之資料匯流排SDATABUS。微控制器50之資料匯流排SDATABUS也可控制另一個暫存器150，藉以產生臨界值NN。臨界值NN以及波形信號SAW耦合至比較器170，以產生驅動信號WN，例如信號WX、WY與WZ。具有較大值之臨界值NN將產生具有較寬脈寬的驅動信號WN。比較器170更根據驅動信號WN的產生而產生中斷信號INT。透過計時器70、計數器160以及暫存器150與165的控制，切換信號WA、WB、與WC之切換頻率與脈寬可由微控制器50來決定與控制。
圖4係表示波形信號SAW、臨界值NN以及驅動信號WN的波形，其中，T表示波形信號SAW之切換週期，且TON表示驅動信號WN之脈寬(導通時間)。切換信號WA、WB與WC之切換頻率可以式(1)來表示。TON之值係由波形信號SAW、臨界值NN以及微控制器50來決定。
切換電流信號IPN透過類比數位轉換器80耦合至微控制器50。因此，微控制器50將根據式(2)獲得平均切換電流ISW之值。
當切換信號WA、WB、與WC之切換周期(T)以及切換頻率(F)以跳頻(frequency hopping)方式進行調變(由 微控制器50來編程)來減少電磁干擾(electromagnetic interference，EMI)時，微控制器50將因此以跳頻方式來調整切換信號WA、WB、與WC之脈寬TON，以將平均切換電流ISW維持在一近似定值。將平均切換電流ISW維持在近似定值將也使永磁馬達10之轉矩為持在一近似定值。式(3)與式(4)表示出馬達轉矩之函數。
Torque=KT×ISW---(3)
Torque=KT×[(VT-KE×NP)÷RL]---(4)其中，KT係表示轉矩定值，VT係表示馬達之終端電壓(其與永磁馬達10之輸入電壓VIN相關聯)，KE係表示反電動勢(Back-EMF)常數，NP係表示永磁馬達10之轉速，且RL係表示永磁馬達10之線圈阻抗。
圖5係表示在一控制方法中臨界值NN之波形以及切換頻率F之曲線。臨界值NN以及切換頻率F(Freq)之曲線隨著輸入電壓VIN(V)的改變(也隨著輸入信號VP的改變)而變化。切換信號WA、WB與WC之切換頻率根據輸入電壓VIN的增加而減少。臨界值NN之位準(Level)以及切換信號WA、WB與WC之脈寬TON將因此而被調變，以實現近似定值的轉矩。
根據本發明實施例之控制方法包括以下兩個步驟：
(a)根據在記憶體電路60中的樣態或模組來改變切換信號WA、WB、與WC之切換頻率。
(b)以切換信號WA、WB與WC之跳頻方式來改變臨界值NN之位準(以及脈寬TON)，以控制平均切換電流ISW以及永磁馬達10之轉矩具有近似定值。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
圖1：
10‧‧‧永磁馬達
20‧‧‧驅動電路
30‧‧‧橋式整流器
31、32‧‧‧電阻器
35‧‧‧輸入電容器
40‧‧‧振盪器
50‧‧‧微控制器
60‧‧‧記憶體電路
70‧‧‧計時器
80‧‧‧類比數位轉換器
100‧‧‧脈寬調變電路
CLK‧‧‧時脈信號
IPN‧‧‧切換電流信號
INT‧‧‧中斷信號
SADC‧‧‧信號
SCK‧‧‧可編程時脈信號
SDATABUS‧‧‧資料匯流排
VAC‧‧‧交流(AC)電源
VIN‧‧‧輸入電壓
VP‧‧‧輸入信號
WA、WB、WC‧‧‧切換信號
圖2：
100‧‧‧脈寬調變電路
110‧‧‧脈寬控制電路_A
120‧‧‧脈寬控制電路_B
130‧‧‧脈寬控制電路_C
115、125、135‧‧‧輸出緩衝器
INT‧‧‧中斷信號
SCK‧‧‧可編程時脈信號
SDATABUS‧‧‧資料匯流排
WA、WB、WC‧‧‧切換信號
WX、WY、WZ‧‧‧信號
圖3：
160‧‧‧計數器
150、165‧‧‧暫存器
170‧‧‧比較器
INT‧‧‧中斷信號
NN‧‧‧臨界值
SCK‧‧‧可編程時脈信號
SDATABUS‧‧‧資料匯流排
SAW‧‧‧波形信號
WN‧‧‧驅動信號
圖4：
NN‧‧‧臨界值
SAW‧‧‧波形信號
T‧‧‧波形信號之切換週期
TON‧‧‧驅動信號之脈寬(導通時間)
WN‧‧‧驅動信號
圖5：
F‧‧‧切換頻率
NN‧‧‧臨界值
VIN‧‧‧輸入電壓
圖1表示根據本發明實施例之永磁馬達控制系統；圖2表示圖1之永磁馬達控制系統中之脈寬調變電路之一實施例；圖3表示圖2之脈寬調變電路中之脈寬控制電路之一實施例；圖4表示圖1之永磁馬達控制系統中之波形信號、臨界值以及驅動信號的波形；以及圖5表示根據本發明實施例之在一控制方法中之臨界值之波形以及切換頻率之曲線。
10‧‧‧永磁馬達
20‧‧‧驅動電路
30‧‧‧橋式整流器
31、32‧‧‧電阻器
35‧‧‧輸入電容器
40‧‧‧振盪器
50‧‧‧微控制器
60‧‧‧記憶體電路
70‧‧‧計時器
80‧‧‧類比數位轉換器
100‧‧‧脈寬調變電路
CLK‧‧‧時脈信號
IPN‧‧‧切換電流信號
INT‧‧‧中斷信號
SADC‧‧‧信號
SCK‧‧‧可編程時脈信號
SDATABUS‧‧‧資料匯流排
VAC‧‧‧交流(AC)電源
VIN‧‧‧輸入電壓
VP‧‧‧輸入信號
WA、WB、WC‧‧‧切換信號

Claims (15)

  1. 一種用於馬達之控制電路，包括：一脈寬調變電路，用以產生至少一切換信號以驅動該馬達；以及一微控制器，具有一記憶體電路，用以控制該至少一切換信號之一切換頻率以及一脈寬；其中，該至少一切換信號之該切換頻率以一跳頻(frequency hopping)方式來調變，以減少電磁干擾(electromagnetic interference)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之控制電路，其中，該至少一切換信號之該脈寬以該跳頻方式來調變，以將該馬達之一平均切換電流維持在近似定值。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之控制電路，其中，該至少一切換信號之該脈寬以該跳頻方式來調變，以將該馬達之一轉矩維持在近似定值。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之控制電路，更包括：一計時器，用以決定該至少一切換信號之該切換頻率，其中，該計時器由該微控制器來控制。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之控制電路，其中，該脈寬調變電路包括：一計數器，用以產生一波形信號；一第一暫存器，用以決定該波形信號之波形；一第二暫存器，產生一臨界值；以及一比較器，根據該臨界值以及該波形信號來產生該切 換信號。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之控制電路，更包括：一類比數位轉換器，用以偵測該馬達之一切換電流以提供給該微控制器。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之控制電路，其中，該類比數位轉換器偵測該馬達之一輸入電壓以提供給該微控制器，且該至少一切換信號之該切換頻率根據該馬達之該輸入電壓的改變來調變。
  8. 一種用於馬達之控制方法，包括：產生一切換信號以驅動該馬達；以及調變該切換信號之一切換頻率，以減少電磁干擾(electromagnetic interference)；其中，該切換信號之一脈寬以該切換信號之一跳頻方式來調變，以將該馬達之一平均切換電流維持在近似定值。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之控制方法，其中，該切換信號之該脈寬以該跳頻方式來調變，以將該馬達之一轉矩維持在近似定值。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之控制方法，其中，該切換信號之該切換頻率以及該脈寬由具有一記憶體電路之一微控制器來控制。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之控制方法，其中，該切換信號之該切換頻率由一計時器所控制，且該計時器由該微控制器來控制。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之控制方法，其中，該馬達之該平均切換電流由一類比數位轉換器來偵測，且該 類比數位轉換器耦接該微控制器。
  13. 一種用於馬達之控制電路，包括：一脈寬調變電路，用以產生一切換信號以驅動該馬達；以及一微控制器，具有一記憶體電路，用以控制該切換信號之一切換頻率以及一脈寬；其中，該切換信號之該切換頻率根據該馬達之一輸入電壓的改變來調變。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之控制電路，其中，該切換信號之該脈寬以一跳頻方式來調變，以將該馬達之一平均切換電流維持在近似定值。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之控制電路，其中，該切換信號之該脈寬以一跳頻方式來調變，以將該馬達之一轉矩維持在近似定值。
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