TW201412009A - 一種有感無刷直流馬達驅動方法 - Google Patents

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Abstract

本發明公開了一種有感無刷直流馬達驅動方法，其特徵在於，主要包括以下步驟：(1)啟動電源後，系統自動進入有感馬達啟動模式，然後按有感驅動模式運行；(2)系統根據轉子位置感測器的信號計算馬達轉速n；(3)判定該馬達轉速n是否大於預定的“有感”驅動轉換到“無感”驅動的門檻轉速na等步驟。本發明不僅可以有效減小霍爾感測器的位置誤差對無刷直流馬達的運行效率和噪音的影響，而且本發明還可以有效提高單相無刷直流馬達生產的良率，從而降低馬達的生產成本。

Description

一種有感無刷直流馬達驅動方法
本發明主要係揭示一種驅動系統，尤指一種有感無刷直流馬達驅動方法。
無刷直流電動機(以下簡稱馬達)由於其馬達和驅動器的成本較低，以及結構較為簡單等特點而被廣泛地運用在諸如電腦的冷卻電風扇和洗衣機的排水泵等領域。在實際使用過程中，這類單相馬達通常採用霍爾元件來作為馬達轉子位置的感測器，以根據轉子位置產生切換電流所需要的控制信號。
為了確保其控制信號的精確度，這些霍爾元件必須準確、可靠地安裝在馬達轉子電磁鋼板的附近，以確保霍爾元件能準確、可靠地檢測到轉子電磁鋼板的磁場變化。如果霍爾元件的位置發生偏差，則馬達的效率不僅會下降，並且還會增大馬達的運行噪音。目前人們為了降低成本，許多單相無刷直流馬達無法採用複雜的霍爾元件緊固件。另外，因為生產過程必須簡化，無法在生產過程中對霍爾元件的位置精度進行測試，這些因素不可避免造成馬達的霍爾元件位置出現偏差，降低了馬達生產合格率；此外，由於馬達的霍爾元件在經過馬達一段時間的運行之後，其位置往往也會因為震動等原因發生一些偏移，也會降低馬達的效率和增加馬達的噪音。
有鑑於上述習知結構之缺失，本發明人乃發明出一種有感無刷直流馬達驅動方法，其係可克服上述習知結構之所有缺點。
本發明的目的在於克服目前無刷直流電動機因各種原因導致其霍爾元件產生位置偏差，從而導致馬達生產合格率下降以及噪音增加的缺陷，提供一種能徹底解決以上缺陷的有感無刷直流馬達驅動方法。
本發明通過以下技術方案來實現：一種有感無刷直流馬達驅動方法，主要包括以下步驟：(1)啟動電源後，系統自動進入有感馬達啟動模式，然後按有感驅動模式運行；(2)系統根據霍爾感測器的信號計算馬達轉速n；(3)判定該馬達轉速n是否大於預定的“有感”驅動轉換到“無感”驅動的門檻轉速na？(4)若馬達轉速n>門檻轉速na，則系統切換到無感驅動模式，並執行步驟(5)，否則系統根據輸入的運行控制信號再判定是否繼續運行；若判定繼續執行，則系統重新進入有感驅動模式，否則，系統停止運行；(5)系統根據馬達位置信號計算馬達轉速n；(6)判定馬達轉速n是否大於預定的“無感”驅動轉換到“有感”驅動的門檻轉速nb？(7)若馬達轉速n>nb，則系統繼續在無感驅動模式下運行；若nnb，則根據運行狀態控制信號再次判定是否繼續運行，是則系統返回步 驟(1)重新進入有感驅動模式，否則系統停止運行。
其中，步驟(4)中所述的“系統切換到無感驅動模式”，具體包括以下步驟：(41)利用有感位置信號或者對反電動勢的過零點的檢測，計算馬達轉速和驅動頻率，並按預設的穩態運行的待電區的電角度生成下半周的待電區的寬度；(42)判定半周頻率是否大於預設最低速度的頻率？(43)是，則檢測負半周或正半周反電動勢的過零點，計算其頻率，並按預設的穩態運行的待電區的電角度生成下半周的待電區的寬度；否，則系統停止運行；(44)判定半周頻率是否大於預設最低速度的頻率？是，則返回步驟(41)；否，則系統停止運行。
步驟(41)和步驟(43)中所述的“計算馬達驅動頻率”是 指根據公式來計算正半周或者負半周反電動勢的電壓頻率，其中，tnew為剛檢測到的轉子位置的時間，told為tnew之前的上一個轉子位置檢測到的時間。
步驟(41)和步驟(43)中所述的“並按預設的穩態運行的待電區的電角度生成下半周的待電區的寬度”根據公式THC/(180°/β穩)來計算，其中，β穩為預設的穩態運行的待電區的電角度，THC為本半週期的時間長度。
為了確保使用效果，所生成的下半周待電區的寬度的取值範 圍為5°~90°電角度，且步驟(1)中所述的“有感”驅動轉換到“無感”驅動的門檻轉速na大於“無感”驅動轉換到“有感”驅動的門檻轉速nb。
一種有感無刷直流馬達驅動方法，主要包括以下步驟：(1)啟動電源後，系統自動進入有感馬達啟動模式，然後按有感驅動模式運行；(2)系統根據霍爾感測器的信號計算馬達轉速n，並記錄在有感驅動模式狀態下的轉子旋轉的圈數N；(3)判斷脈衝寬度調變(Pulse-width modulation，PWM)的占空比控制電壓upwm是否超過預設的從“有感”驅動到“無感”驅動的轉換門檻電壓ua，並且當馬達在有感驅動模式下旋轉的圈數N超過預設的值Na，則轉入步驟(4)；若圈數N<預設的值Na，而控制信號要求繼續運行，則重返步驟(1)的有感驅動；如果控制信號要求停止，則驅動過程停止；(4)系統進入無感驅動模式，並且根據轉子的位置信號計算馬達速度n；(5)在無感驅動過程中，如果upwm高於預設的無感驅動到有感驅動的門檻轉換電壓ub，則系統繼續在無感驅動模式下運行；如果upwm低於預設的無感驅動到有感驅動的門檻轉換電壓ub，而控制信號要求繼續運行，則轉入步驟(1)的有感驅動，否則系統停止運行。
本發明與現有技術相比，具有以下優點及有益效果：
(1)本發明不僅可以有效減小霍爾感測器的位置誤差對無刷直流馬達的運行效率和噪音的影響，而且還可以有效提高無刷直流馬達生產的良品率，從而降低馬達的生產成本。
(2)本發明採用優化的運行電流，可以在提高無刷直流馬達的運行效率的同時降低馬達的運行噪音，同時還可以減小霍爾感測器的位置誤差的影響，本發明可以提高無刷直流馬達的可靠性。
(3)本發明啟動後可以根據外部條件自動在有感驅動模式和無感驅動模式間進行切換，從而自動調整馬達運行狀態。
其他目的、優點和本發明之新穎性將從以下詳細的描述與相關的附圖更加明顯。
MOT1‧‧‧場效應管
MOT2‧‧‧場效應管
MOT3‧‧‧場效應管
MOT4‧‧‧場效應管
D‧‧‧漏極
Vdd‧‧‧輸入電壓
MOT_A‧‧‧埠
MOT_B‧‧‧埠
圖1：為本發明的整體電路結構示意圖。
圖2：為正確安裝霍爾感測器時的霍爾感測器的輸出波形和電樞繞組的反電動勢波形的關係示意圖。
圖3：為霍爾感測器的安裝位置有偏差時的霍爾感測器的輸出波形和電樞繞組的反電動勢波形的關係示意圖。
圖4：為本發明的有感和無感驅動模式之間的轉換基於馬達轉速判斷時的實現方式流程圖。
圖5：為系統在無感驅動模式的流程圖。
圖6：為本發明系統檢測電路。
圖7：為本發明的有感和無感驅動模式之間的轉換基於對PWM占空比電壓判斷時的實現方式流程圖。
圖8：為PWM的工作週期(duty-cycle)為100%電壓波形圖。
圖9：為PWM的工作週期(duty-cycle)為50%電壓波形圖。
有關本發明所採用之技術、手段及其功效，茲舉二較佳實施例並配合圖式詳述如後，此僅供說明之用，在專利申請上並不受此種結構之限制。
下面結合實施例對本發明作進一步地詳細說明，但本發明的實施方式不限於此。
有感驅動，其為全稱是“帶有霍爾位置感測器的驅動”的簡稱，而“無感驅動”為全稱是“無霍爾位置感測器的驅動”的簡稱。
實施例1
如圖1~6所示，本發明的驅動系統由馬達的線圈和一個H型的單相驅動橋連接組成，其中該H型單相驅動橋由場效應管MOT1、場效應管MOT2、場效應管MOT3及場效應管MOT4共同組成，即場效應管MOT1與場效應管MOT3相串聯，場效應管MOT2與場效應管MOT4相串聯，而場效應管MOT1和場效應管MOT2的漏極D則共同與輸入電壓Vdd相連接，場效應管MOT3與場效應管MOT4的源極S則連接後接地。場效應管MOT1與場效應管MOT3的橋接點(即連接點)與場效應管MOT2與場效應管MOT4的橋接點(即連接點)分別與爪極同步馬達的電樞繞組的兩個埠MOT_A和MOT_B相連接。
如果霍爾感測器安裝正確，它會根據反電動勢(back-emf)的極性來發出控制場效應管MOT1、場效應管MOT2、場效應管MOT3及場效應管MOT4的導通或斷開，使得馬達的繞組在其反電動勢為正的時候，單相驅動橋Mot_AH和Mot_BL導通而Mot_BH和Mot_AL斷開，以使得繞組的電流 為正向；當反電動勢為負的時候，單相驅動橋Mot_AH和Mot_BL斷開而Mot_BH和Mot_AL導通，以使得繞組的電流為負向。這樣能夠保證流入線圈的電流所產生電磁轉矩始終為正值，馬達正向旋轉，其輸出信號和馬達繞組的反電動勢之間的關係如圖其檢測電壓波形如圖2所示。
即兩者之間沒有相位差。這種情況下，霍爾感測器產生的信 號能夠讓單相驅動橋Mot_AH和Mot_BL將只在反電動勢為正的時候導通。此時，驅動電流由電樞繞組的埠Mot_A流進而由Mot_B流出。當反電動勢為負時，霍爾感測器產生的信號能夠讓單相驅動橋Mot_AL和Mot_BH導通，而驅動電流由埠Mot_B流進而由Mot_A流出。依靠這樣的驅動方式，正向的電流始終與正向的反電動勢作用使得馬達在任何子位置所產生的電磁轉矩都是正向的，因而轉子能夠被馬達的正向電磁轉矩所連續驅動。
如果霍爾感測器在馬達中的位置有偏差，則有部分正向的電 流會與負向的反電動勢作用，以及則有部分負向的電流會與正向的反電動勢作用，產生負的轉矩。在馬達正向旋轉的時候如果偶爾出現負向的轉矩，會使得馬達的效率變差、振動和噪音增加。此時，感測器的送出的信號如圖3所示，這時候霍爾感測器的輸出信號和反電動勢之間會有相位差。在這樣情況下，單相驅動橋在電樞繞組中產生的電流會在部分運動區域產生負向的電磁轉矩。當正向電磁轉矩的均值大於負向轉矩的均值的時候，轉子仍然會正向旋轉，但負向電磁轉矩的存在使得馬達的損耗和噪音增加。
當轉子位置能夠被準確地檢測出時，為了產生正向轉矩，單 相驅動橋Mot_AH和Mot_BL將只在反電動勢為正的時候導通。此時，驅動電流由電樞繞組的埠Mot_A流進而由Mot_B流出。當反電動勢為負時，此時， 單相驅動橋Mot_AL和Mot_BH導通，而驅動電流由埠Mot_B流進而由Mot_A流出。依靠這樣的驅動方式，無論馬達電樞繞組中的電流為正還是負，馬達產生的轉矩永遠是正的。而且，可以通過對反電動勢各個部分的值的判斷，能夠確保驅動電流為最優電流。
反電動勢變化可以從其過零點(zero crossing point，簡稱ZCP) 獲得。本發明採用這個技術來檢測反電動勢的狀況。圖6顯示了實現這一技術的電路圖。採用比較器可以獲得反電動勢極性變化的資訊。在可對反電動勢進行檢測的短暫期間，場效應管MOT1、場效應管MOT2、場效應管MOT3及場效應管MOT4處於關斷狀態。此時馬達電樞繞組埠的電壓信號即為反電動勢的信號。因此，在馬達工作期間，馬達分別工作於“待電區”與“驅動區”，在ZCP發生區域附近，驅動器工作於“待電區”進行馬達的位置和反電動勢的極性檢測。當反電動勢的極性判別清楚後，馬達工作于“驅動區”以產生驅動轉矩。由於“待電區”中反電動勢的值較小，並且該區間較短，待電區在存在對馬達轉矩的影響較小。
採用本發明，所生成的下半周待電區的寬度的取值範圍為5° ~90°電角度，但其最佳的寬度取值範圍為5°~30°電角度的範圍。採用這種無感技術後，驅動電路的換向是由轉子位置決定的，因此電流頻率是由馬達的負載決定的。當負載較大的時候，馬達轉速較慢，電流的切換頻率就較低。
前述單相無感驅動方案在馬達正常運行的時候很有效，但在 馬達啟動和低速運行的時候會有問題，因為此時馬達的反電動勢很低，ZCP無法被檢測到，也就無法實現馬達的無感測器驅動。因此在馬達啟動和低 速運行而使得反電動勢無法有效地檢測到的時候，本發明仍然考慮採用傳統的有感測器的運行方案。
本發明的技術方案不僅對單相馬達有效，對三相馬達和其他多相馬達也具有同樣的效果。使用本發明的時候，馬達的驅動由兩個環節組成，即有感驅動和無感驅動，其具體流程如下：
(1)啟動電源後，系統自動進入有感馬達啟動模式，然後按有感驅動模式運行。
(2)系統根據霍爾感測器的信號計算馬達轉速n。
(3)判定該馬達轉速n是否大於預定的“有感”驅動轉換到“無感”驅動的門檻轉速na？
(4)若馬達轉速n>門檻轉速na，則系統切換到無感驅動模
式，並執行步驟(5)，否則系統根據輸入的運行控制信號再判定是否繼續運行；若判定繼續執行，則系統重新進入有感驅動模式，否則，系統停止運行。
(5)系統根據馬達位置信號計算馬達轉速n。
(6)判定馬達轉速n是否大於預定的“無感”驅動轉換到“有感”驅動的門檻轉速nb？在實際設置過程中，該門檻轉速nb要小於門檻轉速na的轉速。
(7)若馬達轉速n>nb，則系統繼續在無感驅動模式下運行；若nnb，則根據運行狀態控制信號再次判定是否繼續運行，是則系統返回步驟(1)重新進入有感驅動模式，否則系統停止運行。
在實際使用時，所述的“有感”驅動轉換到“無感”驅動的 門檻轉速na大於“無感”驅動轉換到“有感”驅動的門檻轉速nb。而所述的“系統切換到無感驅動模式”，具體包括以下步驟：(41)利用有感位置信號或者對反電動勢的過零點的檢測，計算馬達轉速和驅動頻率，並按預設的穩態運行的待電區的電角度生成下半周的待電區的寬度；(42)判定半周頻率是否大於預設最低速度的頻率？(43)是，則檢測負半周或正半周反電動勢的過零點，計算其頻率，並按預設的穩態運行的待電區的電角度生成下半周的待電區的寬度；否，則系統停止運行；(44)判定半周頻率是否大於預設最低速度的頻率？是，則返回步驟(41)；否，則系統停止運行。
同時，步驟(41)和步驟(43)中所述的“計算馬達驅動頻 率”是指根據公式來計算正半周或者負半周反電動勢的電壓頻率，其中，tnew為剛檢測到的轉子位置的時間，told為tnew之前的上一個轉子位置檢測到的時間。
步驟(41)和步驟(43)中所述的“並按預設的穩態運行的 待電區的電角度生成下半周的待電區的寬度”根據公式THC/(180°/β穩)來計算，其中，β穩為預設的穩態運行的待電區的電角度，THC為本半週期的時間長度。
實施例2
實施例1是根據馬達轉速來判定本發明的有感和無感驅動模 式之間的轉換過程，本實施例則是根據PWM占空比控制電壓來判定有感和無感驅動模式之間的轉換過程，即實施例1是以馬達轉速來對啟動模式進行調整，而本實施例則是以PWM的控制電壓來進行調整。
如圖7~9所示，圖8、圖9分別表示了在驅動區PWM的占空 比為100%和50%時候的驅動電壓的波形，用這樣的方法形成的驅動電流自然是最優的。
其具體過程如圖9所示，即包括以下步驟：(1)啟動電源後，系統自動進入有感馬達啟動模式，然後按有感驅動模式運行；(2)系統根據霍爾感測器的信號計算馬達轉速n，並記錄在有感驅動模式狀態下的轉子旋轉的圈數N；(3)判斷PWM的占空比控制電壓upwm是否超過預設的從“有感”驅動到“無感”驅動的轉換門檻電壓ua，並且當馬達在有感驅動模式下旋轉的圈數N超過預設的值Na，則轉入步驟(4)；若圈數N<預設的值Na，而控制信號要求繼續運行，則重返步驟(1)的有感驅動；如果控制信號要求停止，則驅動過程停止；(4)系統進入無感驅動模式，並且根據轉子的位置信號計算馬達速度n；(5)在無感驅動過程中，如果upwm高於預設的無感驅動到有感驅動的門檻轉換電壓ub，則系統繼續在無感驅動模式下運行；如果upwm低於預設的無感驅動到有感驅動的門檻轉換電壓ub，而控制信號要求繼續運行，則轉入步驟(1)的有感驅動，否則系統停止運行。在實際運行時，該 門檻轉換電壓ub要小於門檻電壓ua。
如上所述，便可較好的實現本發明。

Claims (7)

  1. 一種有感無刷直流馬達驅動方法，其包括有：(1)啟動電源後，系統自動進入有感馬達啟動模式，然後按有感驅動模式運行；(2)系統根據霍爾感測器的信號計算馬達轉速n；(3)判定該馬達轉速n是否大於預定的有感驅動轉換到無感驅動的門檻轉速na；(4)若馬達轉速n>門檻轉速na，則系統切換到無感驅動模式，並執行步驟(5)，否則系統根據輸入的運行控制信號再判定是否繼續運行；若判定繼續執行，則系統重新進入有感驅動模式，否則，系統停止運行；(5)系統根據馬達位置信號計算馬達轉速n；(6)判定馬達轉速n是否大於預定的無感驅動轉換到有感驅動的門檻轉速nb；(7)若馬達轉速n>nb，則系統繼續在無感驅動模式下運行；若nnb，則根據運行狀態控制信號再次判定是否繼續運行，是則系統返回步驟(1)重新進入有感驅動模式，否則系統停止運行。
  2. 如請求項1所述之有感無刷直流馬達驅動方法，其中步驟(4)中所述的系統切換到無感驅動模式還包括有：(41)利用有感位置信號或者對反電動勢的過零點的檢測，計算馬達轉速和驅動頻率，並按預設的穩態運行的待電區的電角度生成下半周的待電區的寬度；(42)判定半周頻率是否大於預設最低速度的頻率； 是，則檢測負半周或正半周反電動勢的過零點，計算其頻率，並按預設的穩態運行的待電區的電角度生成下半周的待電區的寬度；否，則系統停止運行；(44)判定半周頻率是否大於預設最低速度的頻率？是，則返回步驟(41)；否，則系統停止運行。
  3. 如請求項2所述之有感無刷直流馬達驅動方法，其中步驟(41)和步驟(43) 中所述的計算馬達驅動頻率是指根據公式來計算正半周 或者負半周反電動勢的電壓頻率，其中，tnew為剛檢測到的轉子位置的時間，told為tnew之前的上一個轉子位置檢測到的時間。
  4. 如請求項2所述之有感無刷直流馬達驅動方法，其中步驟(41)和步驟(43)中所述的並按預設的穩態運行的待電區的電角度生成下半周的待電區的寬度根據公式THC/(180°/β穩)來計算，其中，β穩為預設的穩態運行的待電區的電角度，THC為本半週期的時間長度。
  5. 如請求項4所述之有感無刷直流馬達驅動方法，其中所生成的下半周待電區的寬度的取值範圍為5°~90°電角度。
  6. 如請求項1所述之有感無刷直流馬達驅動方法，其中步驟(1)中所述的有感驅動轉換到無感驅動的門檻轉速na大於無感驅動轉換到有感驅動的門檻轉速nb。
  7. 一種有感無刷直流馬達驅動方法，其包括有：(1)啟動電源後，系統自動進入有感馬達啟動模式，然後按有感驅動模式運行； (2)系統根據霍爾感測器的信號計算馬達轉速n，並記錄在有感驅動模式狀態下的轉子旋轉的圈數N；(3)判斷PWM的占空比控制電壓upwm是否超過預設的從有感驅動到無感驅動的轉換門檻電壓ua，並且當馬達在有感驅動模式下旋轉的圈數N超過預設的值Na，則轉入步驟(4)；若圈數N<預設的值Na，而控制信號要求繼續運行，則重返步驟(1)的有感驅動；如果控制信號要求停止，則驅動過程停止；(4)系統進入無感驅動模式，並且根據轉子的位置信號計算馬達速度n；(5)在無感驅動過程中，如果upwm高於預設的無感驅動到有感驅動的門檻轉換電壓ub，則系統繼續在無感驅動模式下運行；如果upwm低於預設的無感驅動到有感驅動的門檻轉換電壓ub，而控制信號要求繼續運行，則轉入步驟(1)的有感驅動，否則系統停止運行。
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