TW201406045A - 無感測器的馬達驅動裝置及反電動勢偵測電路與偵測方法 - Google Patents

無感測器的馬達驅動裝置及反電動勢偵測電路與偵測方法 Download PDF

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Abstract

一種馬達的反電動勢偵測電路，包括上端開關、下端開關、電流偵測電阻以及第一至第三阻抗產生器。上端開關受控於第一控制信號，下端開關受控於第二控制信號。電流偵測電阻串接在下端開關的第二端與參考接地電壓間。第一阻抗產生器的第一端耦接至上端開關，其第二端產生反電動勢偵測結果。第二阻抗產生器串接在第一阻抗產生器與參考接地電壓間。第三阻抗產生器串接在第一及第二阻抗產生器的耦接點及下端開關間。其中，第一、第二及第三阻抗產生器的阻抗值依據馬達的至少一特性參數來決定。

Description

無感測器的馬達驅動裝置及反電動勢偵測電路與偵 測方法
本發明是有關於一種無感測器的馬達驅動裝置，且特別是有關於一種無感測器的馬達驅動裝置的反電動勢偵測電路。
在習知的技術領域中，為完成無感測器的馬達驅動裝置的設置，推算出馬達的轉子的狀態是一個重要的課題。而藉由馬達的反電動勢來換算出虛擬的馬達轉子的感測信號是一種很常見的作法。
在習知的技術領域中，虛擬的馬達轉子的感測信號是利用馬達中參數，配合馬達運作時的多個電氣及機械特性來進行運算而獲得的。這個計算方式中，除了要搭配一定尺寸的查找表(look up table,LUT)外，還需要很多複雜的運算方能完成。為了可以應付這樣的計算需求，一個高效能的處理器(例如數位信號處理器(Digital Signal Processor,DSP)是必要的。也就是說，設置無感測器的馬達驅動裝置的成本較就會因此而增高，相對的降低了產品的競爭力。
本發明提供一種馬達的反電動勢偵測電路，簡單且有效的偵測獲得反電動勢偵測結果。
本發明提供一種無感測器的馬達驅動裝置，藉由反電 動勢偵測電路，簡單且有效的偵測獲得反電動勢偵測結果。
本發明提供一種馬達的反電動勢的偵測方法，簡單且有效的偵測獲得反電動勢偵測結果。
本發明提出一種馬達的反電動勢偵測電路，包括上端開關、下端開關、電流偵測電阻以及第一至第三阻抗產生器。上端開關的第一端耦接參考電壓源，其第二端耦接驅動電壓的其中之一，且受控於第一控制信號。下端開關的第一端耦接上端開關的第二端，並受控於第二控制信號。電流偵測電阻串接在下端開關的第二端與參考接地電壓間。第一阻抗產生器的第一端耦接至上端開關的第二端，其第二端產生反電動勢偵測結果。第二阻抗產生器串接在第一阻抗產生器的第二端與參考接地電壓間。第三阻抗產生器串接在第一及第二阻抗產生器的耦接點及下端開關的第二端間。其中，第一、第二及第三阻抗產生器的阻抗值依據馬達的至少一特性參數來決定。
本發明另提出一種無感測器的馬達驅動裝置，包括多數個反電動勢偵測電路以及虛擬感測信號產生器。反電動勢偵測電路分別接收多個驅動電壓，各反電動勢偵測電路包括上端開關、下端開關、電流偵測電阻以及第一至第三阻抗產生器。上端開關的第一端耦接參考電壓源，其第二端耦接驅動電壓的其中之一，且受控於第一控制信號。下端開關的第一端耦接上端開關的第二端，並受控於第二控制信號。電流偵測電阻串接在下端開關的第二端與參考接地電壓間。第一阻抗產生器的第一端耦接至上端開關的第 二端，其第二端產生反電動勢偵測結果。第二阻抗產生器串接在第一阻抗產生器的第二端與參考接地電壓間。第三阻抗產生器串接在第一及第二阻抗產生器的耦接點及下端開關的第二端間。其中，第一、第二及第三阻抗產生器的阻抗值依據馬達的至少一特性參數來決定。此外，虛擬感測信號產生器耦接反電動勢偵測電路，並依據各反電動勢偵測電路對應產生的反電動勢偵測結果來產生多個虛擬感測信號。
本發明還提出一種馬達的反電動勢的偵測方法，包括：提供驅動電壓至第一阻抗產生器；提供參考接地電壓至第二阻抗產生器；並且，偵測驅動電壓的提供端的驅動電流並獲得電流偵測結果；提供電流偵測結果至第三阻抗產生器，其中第一、第二及第三阻抗產生器共同耦接輸出端點；以及，量測輸出端點的電壓值以獲得反電動勢偵測結果。其中，第一、第二及第三阻抗產生器的阻抗值依據馬達的至少一特性參數來決定。
基於上述，本發明透過設置簡單的阻抗產生器所形成的電路，其中的第一、第二及第三阻抗產生器的阻抗值依據馬達的至少一特性參數來決定。再使驅動電壓以及依據驅動電流產生的偵測電壓來通過上述的阻抗產生器所形成的電路，且藉由在阻抗產生器所形成的電路的輸出端獲得對應驅動電壓的反電動勢偵測結果。如此一來，反電動勢的偵測動作不再需要透過搭配複雜的軟硬體來計算，有效降低無感測器的馬達驅動裝置的成本需求。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
請參照圖1，圖1繪示本發明一實施例的馬達的反電動勢偵測電路100的示意圖。反電動勢偵測電路100包括上端開關USW、下端開關DSW、電流偵測電阻RS、阻抗產生器101、R2及R3、偏壓電流源Ibias以及濾波電容C1及C2。上端開關USW的第一端耦接參考電壓源Vbus，其第二端耦接驅動電壓Va，並受控於控制信號CTR1。下端開關DSW，其第一端耦接上端開關USW的第二端，下端開關DSW受控於控制信號CTR2。電流偵測電阻RS串接在下端開關DSW的第二端與參考接地電壓GND間。阻抗產生器101的第一端耦接至上端開關USW的第二端，其第二端(端點DRT)產生反電動勢偵測結果Voa。阻抗產生器R2串接在阻抗產生器101的第二端(端點DRT)與參考接地電壓GND間。阻抗產生器R3串接在阻抗產生器101、R2的耦接點及下端開關DSW的第二端間。其中，阻抗產生器101、R2以及R3的阻抗值依據馬達的至少一個特性參數來決定。另外，偏壓電流源Ibias耦接至端點DRT，濾波電容C1及C2分別耦接至阻抗產生器101以及端點DRT。
在此請先注意，馬達的反電動勢的計算公式(1)~(3)可以如下所示，以三相位的反電動勢為範例：
其中，EMFa~EMFc為對應不同相位驅動電壓Va~Vb的反電動勢，Ia~Ic分別為對應不同相位驅動電壓Va~Vb的驅動電流，Lm為馬達轉子的電感，Vn則為中間電壓。
請注意，在上述的計算公式(1)~(3)中，當馬達的轉子的轉動速度在一定的轉速範圍下(例如4000~8000 rpm)，其中的電感Lm所造成的影響是很小的而可以被忽略，也因此，計算公式(1)~(3)可以被改寫成下示的計算公式(4)：EMFx+Vn=Vx-Ix×Rm (4)
其中的EMFx代表反電動勢EMFa~EMFc的其中之一，Vx代表對應的驅動電壓Va~Vc，Ix代表對應的驅動電流Ia~Ic。
基於上述，請重新參照圖1，在關於反電動勢偵測電路100的動作中，上端開關USW先依據控制信號CTR1而導通並使耦接至上端開關USW與下端開關DSW相耦接的端點的電容C1及C2依據參考電壓源Vbus進行充電，此時的下端開關DSW依據控制信號CTR2對應被斷開。接著，上端開關USW依據控制信號CTR1而斷開，且下端開關DSW依據控制信號CTR2而導通，此時，驅動電 流Ia會經由下端開關DSW流至電流偵測電阻RS。
在此同時，在偵測電阻RS與下端開關DSW耦接的端點TRS上會產生等於偵測電阻RS驅動電流Ia的乘積的電流偵測結果VCS。也因此，反電動勢偵測結果Vo可以依據以下的計算公式(5)來獲得：
其中，R1等於阻抗產生器101所提供的阻抗值，R1//R2//R3等於阻抗產生器101、R2以及R3並聯所提供的阻抗值。另外，偏壓電流源Ibias是提供偏壓電流來調整反電動勢偵測結果Vo的電壓準位的，藉以使反電動勢偵測結果Vo可以為反電動勢偵測電路100後一級的電路(例如類比數位轉換器)順利接收。而值得注意的是，反電動勢偵測結果Vo的電壓準位的調整並非必要的，若反電動勢偵測電路100後一級的電路可以接收未經偏壓電流源Ibias所進行調整的反電動勢偵測結果Vo並順利進行轉換時，偏壓電流源Ibias可以被移除。
此外，上述的計算公式(5)可以被改寫成如下示的計算公式(6)：
其中的Rt=R1//R2//R3。
依據計算公式(6)，並設定R1、R2以及R3的值使Rt/R1：Rt＊Rs/R3=1：Rm。如此一來，上述的計算公式(6)可以被改寫成以下的計算公式(7)：Vo-Vbias=Va-Ia．Rm (7)
其中的電壓Vbias=Ibias＊Rt。
對照計算公式(7)以及(4)，就可以簡單得知反電動勢EMFa與中間電壓Vn的和恰等於反電動勢偵測電路100所產生的反電動勢偵測結果Vo減去電壓Vbias。
特別值得一提的，阻抗產生器101由電阻R11以及R12串接而成，濾波電容C1則串接在電阻R11以及R12耦接的端點以及參考接地電壓GND間。在此，電阻R11以及濾波電容C1形成濾波電路以濾除驅動電壓Va上的雜訊。並且，阻抗產生器101中另設置具有較大阻抗值的電阻R12以阻隔驅動電流Ia分流至阻抗產生器101的電流量。在本實施例中，電阻R11以及R12的阻抗值約等於1：100。另外，濾波電容C2串接在端點DRT與參考接地電壓GND間，用以穩定端點DRT上的反電動勢偵測結果Vo。
以下更請參照圖2，圖2繪示圖1實施例的反電動勢偵測電路100的等效電路圖。由圖2繪示的等效電路可以 更清楚上述計算公式(5)。其中，R1等於電阻R11以及R12的阻抗值的和。
另外，在設定R1、R2以及R3的值方面，由於R1、R2以及R3是依據Rt/R1：Rt＊Rs/R3=1：Rm的關係來設定的，因此，可以透過Rt的設定來依序決定R1、R3以及R2的值。舉個例子來說明，若參考電壓源Vbus的電壓等於310伏特(V)，電壓Vbias等於1.0V，偏壓電流源Ibias所產生的偏壓電流等於55微安培(uA)，而反電動勢偵測結果Vo的最大可能輸出電壓Vmax等於3.5V時，Rt等於1.0/55=181.818千歐姆，而依據以下的計算公式(8)則可以推算出R1：
也就是說，R1等於3.3百萬歐姆。而在轉子的電阻Rm等於250歐姆的條件下，則可以推算出R3等於121千歐姆，而R2則等於21.5千歐姆。此外，在電阻R11：電阻R12=1：100的條件下，電阻R11的阻抗值可以設定為30千歐姆，而電阻R12的阻抗值則可以設定為3百萬歐姆。
由上述的說明可以清楚的得知，透過反電動勢偵測電路100的架構，無需要透過繁雜的計算，就可以簡單且快速的獲得馬達的反電動勢。而針對不同型態的馬達，則僅需要依據其特性參數(例如轉子的等效阻抗)，來換算出所需要的R1、R2及R3的值，並置換其中的阻抗產生器101、R2及R3所產生的阻抗值，就可以應用反電動勢偵測電路100來獲取馬達的反電動勢。
請參照圖3，圖3繪示本發明一實施例的無感測器的馬達驅動裝置300的示意圖。無感測器的馬達驅動裝置300包括反電動勢偵測電路310、320及330以及虛擬感測信號產生器350。虛擬感測信號產生器350與反電動勢偵測電路310、320及330相耦接，而反電動勢偵測電路310、320及330分別接收驅動電壓Va、Vb以及Vc。反電動勢偵測電路310接收控制信號U及X，反電動勢偵測電路320接收控制信號V及Y，反電動勢偵測電路330接收控制信號W及Z。其中，驅動電壓Va、Vb以及Vc兩兩間的相位差為120度，控制信號U及X互補、控制信號V及Y互補且控制信號W及Z互補。
反電動勢偵測電路310、320及330的電路架構與圖1繪示的實施例是相同的，以下不多贅述。虛擬感測信號產生器350則接收反電動勢偵測電路310、320及330所產生的反電動勢偵測結果Voa、Vob以及Voc，並依據反電動勢偵測結果Voa、Vob以及Voc來產生虛擬感測信號HA、HB以及HC。
以下請分別參照圖4以及圖5繪示的虛擬感測信號產生器350的不同實施方式。並請同時參照圖6繪示的反電動勢偵測結果Voa、Vob以及Voc與虛擬感測信號HA、HB以及HC的關係圖。其中，由圖6繪示可以清楚得知，虛擬感測信號HA、HB以及HC的轉態點，均發生在反電動勢偵測結果Voa、Vob以及Voc兩兩相互交會的時間點上。因此，在圖4的繪示中，虛擬感測信號產生器350包 括類比數位轉換器410以及處理器420。類比數位轉換器410以及處理器420相互耦接，並且，類比數位轉換器410接收類比形式的反電動勢偵測結果Voa、Vob以及Voc，並轉換為數位的形式。處理器420則接收數位形式反電動勢偵測結果Voa、Vob以及Voc，並藉由計算反電動勢偵測結果Voa、Vob以及Voc兩兩相互交會的時間點，並藉此計算出虛擬感測信號HA、HB以及HC的波形。
在圖5繪示中，虛擬感測信號產生器350則包括比較器CMPA、CMPB以及CMPC。比較器CMPA接收反電動勢偵測結果Voa及Voc以進行比較並藉以產生虛擬感測信號HA，比較器CMPB接收反電動勢偵測結果Vob及Voa以進行比較並藉以產生虛擬感測信號HB，比較器CMPC接收反電動勢偵測結果Vob及Voc以進行比較並藉以產生虛擬感測信號HC。
以下請參照圖7，圖7繪示本發明一實施例的馬達的反電動勢的偵測方法。其步驟包括：提供驅動電壓至第一阻抗產生器(S710)；提供參考接地電壓至第二阻抗產生器(S720)；並且，偵測驅動電壓的提供端的驅動電流並獲得電流偵測結果(S730)；提供電流偵測結果至第三阻抗產生器，其中第一、第二及第三阻抗產生器共同耦接輸出端點(S740)；以及，量測輸出端點的電壓值以獲得反電動勢偵測結果(S750)。其中的第一、第二及第三阻抗產生器的阻抗值依據馬達的至少一特性參數來決定。
關於本發明實施例的反電動勢的偵測方法的實施細 節在前述的多個實施例及實施方式都有詳細的介紹，在此不多贅述。
綜上所述，本發明利用依據馬達的特性係數來換算並建構出反電動勢偵測電路，而利用反電動勢偵測電路接收驅動電壓時所產生的輸出(反電動勢偵測結果)，就可以換算出馬達的反電動勢，並無須透過複雜且精密的計算。另外，利用多個反電動勢偵測電路所偵得的多個反電動勢偵測結果間的差值，就可以有效的換算出虛擬感測信號，並有效的應用在無感測器的馬達驅動裝置中。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，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，當可作些許之更動與潤飾，故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。
100、310、320、330‧‧‧反電動勢偵測電路
410‧‧‧類比數位轉換器
420‧‧‧處理器
CMPA、CMPB、CMPC‧‧‧比較器
USW‧‧‧上端開關
DSW‧‧‧下端開關
RS‧‧‧電流偵測電阻
C1、C2‧‧‧濾波電容
101、R2、R3‧‧‧阻抗產生器
Ibias‧‧‧偏壓電流源
Vbus‧‧‧參考電壓源
Va、Vb、Vc‧‧‧驅動電壓
CTR2、CTR1、X、Y、Z、U、V、W‧‧‧控制信號
DRT‧‧‧端點
GND‧‧‧參考接地電壓
VCS‧‧‧電流偵測結果
Voa、Vob、Voc‧‧‧反電動勢偵測結果
HA、HB、HC‧‧‧虛擬感測信號
S710~S750‧‧‧反電動勢的偵測步驟
圖1繪示本發明一實施例的馬達的反電動勢偵測電路100的示意圖。
圖2繪示圖1實施例的反電動勢偵測電路100的等效電路圖。
圖3繪示本發明一實施例的無感測器的馬達驅動裝置300的示意圖。
圖4以及圖5繪示的虛擬感測信號產生器350的不同實施方式。
圖6繪示的反電動勢偵測結果Voa、Vob以及Voc與 虛擬感測信號HA、HB以及HC的關係圖。
圖7繪示本發明一實施例的馬達的反電動勢的偵測方法。
100‧‧‧反電動勢偵測電路
Voa‧‧‧反電動勢偵測結果
USW‧‧‧上端開關
DSW‧‧‧下端開關
RS‧‧‧電流偵測電阻
C1、C2‧‧‧濾波電容
101、R2、R3‧‧‧阻抗產生器
Ibias‧‧‧偏壓電流源
Vbus‧‧‧參考電壓源
Va‧‧‧驅動電壓
CTR2、CTR1‧‧‧控制信號
DRT‧‧‧端點
GND‧‧‧參考接地電壓
VCS‧‧‧電流偵測結果

Claims (23)

  1. 一種馬達的反電動勢偵測電路，包括：一上端開關，其第一端耦接一參考電壓源，其第二端耦接一驅動電壓，受控於一第一控制信號；一下端開關，其第一端耦接該上端開關的第二端，該下端開關受控於一第二控制信號；一電流偵測電阻，串接在該下端開關的第二端與一參考接地電壓間；一第一阻抗產生器，其第一端耦接至該上端開關的第二端，其第二端產生一反電動勢偵測結果；一第二阻抗產生器，串接在該第一阻抗產生器的第二端與該參考接地電壓間；以及一第三阻抗產生器，串接在該第一及第二阻抗產生器的耦接點及該下端開關的第二端間，其中，該第一、該第二及該第三阻抗產生器的阻抗值依據該馬達的至少一特性參數來決定。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之反電動勢偵測電路，更包括：一偏壓電流源，耦接在該參考電壓源以及該第一阻抗產生器的第二端間，用以獲得該反電動勢偵測結果的電壓準位。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之反電動勢偵測電路，更包括：一濾波電容，耦接在該第一阻抗產生器的第二端與該 參考接地電壓間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之反電動勢偵測電路，其中該第一阻抗產生器包括：一第一電阻，其第一端耦接該上端開關的第二端；以及一第二電阻，其第一端耦接該第一電阻的第二端，其第二端產生該反電動勢偵測結果，其中，該第一電阻的電阻值小於該第二電阻的電阻值。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之反電動勢偵測電路，其中該第一電阻的電阻值與該第二電阻的電阻值的比為1：100。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之反電動勢偵測電路，更包括：一濾波電容，串接在該第一電阻的第二端與該參考接地電壓間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之反電動勢偵測電路，其中該上端開關的導通或斷開狀態與該下端開關的導通或斷開相反。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之反電動勢偵測電路，其中在該上端開關斷開且該下端開關導通時，該反電動勢偵測電路輸出該反電動勢偵測結果。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之反電動勢偵測電路，其中該特性參數包括馬達轉子的等效阻抗。
  10. 一種無感測器的馬達驅動裝置，包括：多數個反電動勢偵測電路，分別接收多數個驅動電壓，各該反電動勢偵測電路包括：一上端開關，其第一端耦接一參考電壓源，其第二端耦接該些驅動電壓的其中之一，受控於一第一控制信號；一下端開關，其第一端耦接該上端開關的第二端，該下端開關受控於一第二控制信號；一電流偵測電阻，串接在該下端開關的第二端與一參考接地電壓間；一第一阻抗產生器，其第一端耦接至該上端開關的第二端，其第二端產生一反電動勢偵測結果；一第二阻抗產生器，串接在該第一阻抗產生器的第二端與該參考接地電壓間；以及一第三阻抗產生器，串接在該第一及第二阻抗產生器的耦接點及該下端開關的第二端間，其中，該第一、該第二及該第三阻抗產生器的阻抗值依據該馬達的至少一特性參數來決定；以及一虛擬感測信號產生器，耦接該些反電動勢偵測電路，並依據各該反電動勢偵測電路對應產生的該反電動勢偵測結果來產生多數個虛擬感測信號。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之無感測器的馬達驅動裝置，其中該虛擬感測信號產生器包括：一類比數位轉換器，接收該些反電動勢偵測結果，並 依據該些反電動勢偵測結果間的差來產生該些虛擬感測信號。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之無感測器的馬達驅動裝置，其中該虛擬感測信號產生器包括：多數個比較器，各該比較器接收該些反電動勢偵測結果的其中之二以進行比較，並藉以產生各該虛擬感測信號。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之無感測器的馬達驅動裝置，其中各該反電動勢偵測電路更包括：一偏壓電流源，耦接在一參考電壓源以及該第一阻抗產生器的第二端間，用以獲得該反電動勢偵測結果的電壓準位。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之無感測器的馬達驅動裝置，其中各該反電動勢偵測電路更包括：一濾波電容，耦接在該第一阻抗產生器的第二端與該參考接地電壓間。
  15. 如申請專利範圍第10項所述之無感測器的馬達驅動裝置，其中該第一阻抗產生器包括：一第一電阻，其第一端耦接該上端開關的第二端；以及一第二電阻，其第一端耦接該第一電阻的第二端，其第二端產生該反電動勢偵測結果，其中，該第一電阻的電阻值小於該第二電阻的電阻值。
  16. 如申請專利範圍第13項所述之無感測器的馬達 驅動裝置，其中該第一電阻的電阻值與該第二電阻的電阻值的比為1：100。
  17. 如申請專利範圍第13項所述之無感測器的馬達驅動裝置，其中各該反電動勢偵測電路更包括：一濾波電容，串接在該第一電阻的第二端與該參考接地電壓間。
  18. 如申請專利範圍第10項所述之無感測器的馬達驅動裝置，其中該上端開關的導通或斷開狀態與該下端開關的導通或斷開相反。
  19. 如申請專利範圍第10項所述之反電動勢偵測電路，其中在該上端開關斷開且該下端開關導通時，該反電動勢偵測電路輸出該反電動勢偵測結果。
  20. 如申請專利範圍第10項所述之反電動勢偵測電路，其中該特性參數包括馬達轉子的等效阻抗。
  21. 一種馬達的反電動勢的偵測方法，包括提供一驅動電壓至一第一阻抗產生器；提供一參考接地電壓至一第二阻抗產生器；偵測該驅動電壓的提供端的一驅動電流並獲得一電流偵測結果；提供該電流偵測結果至一第三阻抗產生器，其中該第一、第二及第三阻抗產生器共同耦接一輸出端點；以及量測該輸出端點的電壓值以獲得一反電動勢偵測結果，其中，該第一、該第二及該第三阻抗產生器的阻抗值 依據該馬達的至少一特性參數來決定。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之反電動勢的偵測方法，其中更包括：提供一偏壓電流至該輸出端點，並藉以獲得該反電動勢偵測結果的電壓準位。
  23. 如申請專利範圍第21項所述之反電動勢的偵測方法，其中該特性參數包括馬達轉子的等效阻抗。
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