TW201505355A

TW201505355A - 馬達轉速控制裝置、方法及系統

Info

Publication number: TW201505355A
Application number: TW102131904A
Authority: TW
Inventors: Yong-Yuan Yang; Yuan-Hao Liu; Dong-Ming Zhang; zhi-jia Wang
Original assignee: Delta Electronics Dong Guan Co Ltd
Priority date: 2013-07-16
Filing date: 2013-09-04
Publication date: 2015-02-01
Also published as: CN104300873A; US9112446B2; TWI502880B; US20150022136A1

Abstract

本案係關於一種馬達轉速控制裝置，包括：參考電壓生成模塊，生成一參考電壓；PWM信號轉換模塊，將PWM信號轉換成與PWM信號占空比相對應之電壓信號；第一比較器，電壓信號的電壓小等於參考電壓時輸出第一電平，電壓信號的電壓大於參考電壓時輸出第二電平；第一開關元件，控制端與第一比較器的輸出端連接，第一端輸入第一信號，在接收到第二電平時導通並在接收到第一電平時截止；跟隨器，輸入端與PWM信號轉換模塊連接；及控制信號輸出端子，將通過第一開關元件接收到的第一信號或通過跟隨器接收到的PWM信號轉換成的電壓信號輸出至馬達控制電路。

Description

馬達轉速控制裝置、方法及系統

本申請涉及馬達控制技術，尤其涉及一種馬達轉速控制裝置、方法及系統。

圖1到圖4是四種馬達轉速控制曲線，表現馬達轉速控制信號和馬達轉速之間的關係。馬達轉速控制信號可以是電流信號、電壓信號或者具有占空比的脈衝寬度調製（Pulse Width Modulation，PWM）信號等電氣信號。這四幅圖中，橫坐標表示用於控制馬達轉速的PWM信號的占空比，縱坐標表示馬達的轉速。

將圖1、圖2與圖3、圖4相比較可以發現，在圖3和圖4中，馬達轉速能夠在某一特定的占空比下由低速或靜止跳變爲較高轉速，如圖3所示，在占空比大約是30%時，馬達轉速從大約800RPM（Revolutions Per Minute，RPM）急劇增大到大約1600RPM，如圖4所示，在占空比大約是30%時，馬達轉速從0RPM急劇增大到大約1600RPM；而圖1和圖2中的馬達轉速並沒有這樣的跳變。

在一些應用場合，希望用到圖3和圖4所示的馬達轉速控制曲線。例如，在家用電器的風扇和中央處理單元（Central Process Unit，CPU）的風扇中，希望馬達的轉速在一定的占空比下能夠跳變。

然而，現有技術中目前僅能實現如圖1和圖2所示的控制曲線，而無法實現如圖3和圖4所示的控制曲線。

爲了解決上述問題，本申請提供了一種馬達轉速控制裝置、方法及系統，使得馬達能夠在某一特定占空比下由低速或靜止急劇轉變爲較高轉速，即能夠實現如圖3和圖4所示的控制曲線。

本申請提供了一種馬達轉速控制裝置，包括：

參考電壓生成模塊，用於生成一參考電壓；

PWM信號轉換模塊，用於將PWM信號轉換成電壓信號，該電壓信號與該PWM信號的占空比相對應；

第一比較器，其正端與該參考電壓生成模塊連接，其負端與該PWM信號轉換模塊連接，用於在該PWM信號轉換成的電壓信號的電壓小於或等於該參考電壓時，輸出第一電平，在該PWM信號轉換成的電壓信號的電壓大於該參考電壓時，輸出第二電平；

第一開關元件，其控制端與該第一比較器的輸出端連接，其第一端輸入第一信號，用於在接收到該第一比較器的輸出端輸出的第二電平時導通，以將該第一開關元件的第一端與第二端連通，並在接收到該輸出端輸出的第一電平時截止；

跟隨器，其輸入端與該PWM信號轉換模塊連接；

控制信號輸出端子，分別與該第一開關元件的第二端和該跟隨器的輸出端連接，用於將通過該第一開關元件的第二端接收到的該第一信號或通過該跟隨器接收到的PWM信號轉換成的電壓信號輸出至馬達控制電路；

其中，在該第一開關元件導通時，該馬達控制電路輸入該第一信號，該第一信號使得該馬達控制電路控制馬達轉速爲0或一確定的速度；在該第一開關元件截止時，該馬達控制電路輸入該PWM信號轉換成的電壓信號，使得該馬達轉速由該PWM信號的占空比確定。

本申請還提供了一種通過前述馬達轉換裝置實施的馬達轉速控制方法，包括：

通過PWM信號轉換模塊將PWM信號轉換成電壓信號，並通過第一比較器將轉換成的PWM電壓信號的電壓與一參考電壓相比較；

如果該PWM信號轉換成的電壓信號的電壓大於該參考電壓，則通過該第一比較器輸出第二電平，使得第一開關元件導通，以將該第一開關元件的第一端與第二端連通，將該第一開關元件的第一端接收到的第一信號發送給馬達控制電路，使得該馬達控制電路控制馬達轉速爲0或一確定的速度；

如果該PWM信號轉換成的電壓信號的電壓小於或等於該參考電壓，則通過該第一比較器輸出第一電平，使得第一開關元件截止，通過跟隨器將PWM信號轉換模塊轉換成的電壓信號提供給馬達控制電路，使得馬達轉速由該PWM信號的占空比確定。

本申請實施例還提供了一種馬達轉速控制系統，包括：

馬達；

馬達控制電路，與該馬達連接，用於控制該馬達的轉速；

馬達轉速控制裝置，與該馬達控制電路連接；

該馬達轉速控制裝置包括：

參考電壓生成模塊，用於生成一參考電壓；

跟隨器，其輸入端與該PWM信號轉換模塊連接；

在本申請的實施例中，可以看出，當PWM信號轉換成的電壓信號的電壓小於或等於參考電壓時，即PWM信號的占空比大於或等於該參考電壓對應的占空比時，第一比較器輸出的第一電平使得第一開關元件截止，從而將PWM信號轉換成的電壓信號輸入到馬達控制電路，使得馬達控制電路控制馬達轉速隨著PWM信號的占空比的變化而變化；當PWM信號轉換成的電壓信號的電壓大於參考電壓時，即PWM信號的占空比小於該參考電壓對應的占空比時，第一比較器輸出的第二電平使得第一開關元件導通，從而將第一信號輸入到馬達控制電路，使得馬達控制電路控制馬達轉速爲0或一確定的速度（例如，如圖4所示的大約800RPM）。這樣，就實現了在某一確定的占空比時馬達轉速的跳變。

通過以下參照圖式對優選實施例的說明，本申請的上述以及其它目的、特徵和優點將更加明顯。

1‧‧‧馬達轉速控制裝置

11‧‧‧電壓生成模塊

12‧‧‧PWM信號轉換模塊

13‧‧‧跟隨器

14‧‧‧控制信號輸出端子

2‧‧‧馬達控制電路

3‧‧‧馬達

AR1‧‧‧第一比較器

AR2‧‧‧第二比較器

C1‧‧‧第一電容

C2‧‧‧第二電容

D1‧‧‧第一二極管

D2‧‧‧第二二極管

N1、N2‧‧‧共接點

OUT1P、OUT2P、OUT1N、OUT2N‧‧‧引脚

Q1‧‧‧第一開關元件

Q2‧‧‧第二開關元件

R1‧‧‧第一電阻

R2‧‧‧第二電阻

R3‧‧‧第三電阻

R4‧‧‧第四電阻

R5‧‧‧第五電阻

R6‧‧‧第六電阻

R7‧‧‧第七電阻

R8‧‧‧第八電阻

R9‧‧‧第九電阻

S1‧‧‧第一串聯電阻串

S2‧‧‧第二串聯電阻串

S3‧‧‧第三串聯電阻串

Vc‧‧‧電壓信號

ZD1‧‧‧穩壓二極管

圖1到圖4示出了四種馬達轉速控制曲線。

圖5示意性示出本申請馬達轉速控制裝置一實施例的結構示意圖。

圖6示意性示出本申請馬達轉速控制裝置另一實施例的結構示意圖。

圖7示意性示出本申請馬達轉速控制系統的結構示意圖。

圖8示意性示出了驅動IC LB11967的局部示意圖。

圖9中示出了PWM信號的占空比、PWM信號轉換模塊根據PWM信號轉換成的電壓信號Vc、驅動IC的CPWM引脚輸入的OSC信號、馬達電壓以及馬達轉速之間的對應關係。

圖10示意性示出存在滯回現象的馬達轉速控制曲線。

圖11示意性示出消除了滯回現象的馬達轉速控制曲線。

圖12示意性示出本申請馬達轉速控制方法一實施例的流程圖。

圖5示意性示出本申請馬達轉速控制裝置一實施例的結構示意圖。該馬達轉速控制裝置1包括參考電壓生成模塊11、PWM信號轉換模塊12、第一比較器AR1、第一開關元件Q1、跟隨器13以及控制信號輸出端子14。

參考電壓生成模塊11用於生成一參考電壓。在本申請的實施例中，該參考電壓生成模塊11沒有限制，只要是能夠生成一參考電壓的模塊即可。例如可以通過分壓電路來生成參考電壓。

PWM信號轉換模塊12用於將PWM信號轉換成電壓信號，該電壓信號與PWM信號的占空比相對應，具體而言，該電壓信號可以與該PWM信號的占空比成反比。PWM信號轉換模塊12的具體結構也沒有限制，只要是能夠實現將PWM信號轉換成與占空比相對應的電壓信號的模塊即可。

第一比較器AR1的正端與參考電壓生成模塊11連接，負端與PWM信號轉換模塊12連接，用於在PWM信號轉換成的電壓信號的電壓小於或等於參考電壓時，即PWM信號的占空比大於或等於該參考電壓對應的占空比（假設參考電壓對應的占空比爲A%，0%≦A%≦100%）時，輸出第一電平，在PWM信號轉換成的電壓信號的電壓大於參考電壓時，即PWM信號的占空比小於該參考電壓對應的占空比（A %）時，輸出第二電平。

第一開關元件Q1的控制端與第一比較器AR1的輸出端連接，第一開關元件Q1的第一端輸入第一信號，用於在接收到第一比較器AR1的輸出端輸出的第二電平時導通，以將第一開關元件Q1的第一端與第二端連通，並在接收到第一比較器AR1的輸出端輸出的第一電平時截止。該第一開關元件Q1可以是金屬氧化物半導體場效應晶體管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）或雙極結晶體管（Bipolar Junction Transistor, BJT）等。

跟隨器13的輸入端與PWM信號轉換模塊12連接。該跟隨器13能夠實現輸入與輸出的隔離，即實現PWM信號轉換模塊12輸出的電壓信號與輸入到控制信號輸出端子14的信號的隔離。

控制信號輸出端子14分別與第一開關元件Q1的第二端和跟隨器13的輸出端連接，用於將通過第一開關元件Q1的第二端接收到的第一信號或通過跟隨器13接收到的PWM信號轉換成的電壓信號輸出至一馬達控制電路（參見圖7）。

該馬達控制電路用於基於從控制信號輸出端子14接收到的信號而生成馬達轉速控制信號以控制馬達的轉速。具體而言，在第一開關元件Q1導通時，由於第一開關元件Q1的第一端輸入第一信號，因而馬達控制電路輸入該第一信號，該第一信號使得馬達控制電路控制馬達轉速爲0或一確定的速度；在第一開關元件Q1截止時，通過跟隨器13向馬達控制電路輸入PWM信號轉換成的電壓信號，使得馬達控制電路控制馬達轉速由PWM信號的占空比確定。具體而言，馬達轉速可以隨著PWM信號的占空比增大而增大，即隨著PWM信號轉換成的電壓信號减小而增大。

馬達控制電路可以是一個驅動IC，上述第一信號的值可以由該驅動IC的實際需求來確定。例如，如果該驅動IC輸入高電平時能夠控制馬達的轉速爲0或一確定的速度（例如低速），則該第一信號可以是高電平信號，例如電源電壓（VCC）信號。

在本申請的實施例中，第一電平和第二電平可以根據第一開關元件Q1的類型來設定。例如，如果第一開關元件Q1是N型MOSFET，則第一電平可以是低電平，該低電平使得該N型MOSFET截止，第二電平可以是高電平，該低電平使得該N型MOSFET導通。如果第一開關元件Q1是P型MOSFET，則第一電平可以是高電平，該高電平使得該P型MOSFET截止，第二電平可以是低電平，該低電平使得該P型MOSFET導通。

在如上所述之馬達轉速控制裝置1中，可以看出，當PWM信號轉換成的電壓信號的電壓小於或等於參考電壓時，即PWM信號的占空比大於或等於該參考電壓對應的占空比A%時，第一比較器AR1輸出的第一電平使得第一開關元件Q1截止，從而將PWM信號轉換成的電壓信號輸入到馬達控制電路，使得馬達控制電路控制馬達轉速隨著PWM信號的占空比的變化而變化；當PWM信號轉換成的電壓信號的電壓大於參考電壓時，即PWM信號的占空比小於該參考電壓對應的占空比A%時，第一比較器AR1輸出的第二電平使得第一開關元件Q1導通，從而將第一信號輸入到馬達控制電路，使得馬達控制電路控制馬達轉速爲0或一確定的速度（例如，如圖3所示的大約800RPM）。這樣，就實現了在某一確定的占空比A%時馬達轉速的跳變。

如圖3和圖4所示的控制曲線具有三段，第一段爲轉速平穩區，第二段爲轉速急劇變化區，第三段爲轉速緩和變化區。通過採用本申請實施例提供的馬達轉速控制裝置，能夠實現如圖3和圖4所示的三段式轉速控制曲線，提供了更爲靈活多樣的馬達轉速控制。

圖6示意性示出本申請馬達轉速控制裝置另一實施例的結構示意圖。該實施例給出了關於馬達轉速控制裝置中各模塊的具體結構。

在該實施例中，跟隨器13包括第二比較器AR2、第一電阻R1、第二電阻R2和第三電阻R3。

第二比較器AR2的正端與PWM信號轉換模塊12的輸出端連接。第一電阻R1的第一端與第二比較器AR2的負端連接。第二電阻R2的第一端與第二比較器AR2的輸出端連接，第二電阻R2的第二端與第一電阻R1的第二端連接。第三電阻R3的第一端與第二電阻R2的第二端連接，第三電阻R3的第二端與控制信號輸出端子14連接。

參考電壓生成模塊11包括第一二極管D1、第四電阻R4、穩壓二極管ZD1、第一電容C1、第一串聯電阻串S1和第五電阻R5。

第一二極管D1的陽極輸入VCC信號。第四電阻R4的第一端與第一二極管的陰極連接。穩壓二極管ZD1的陰極與第四電阻R4的第二端連接，穩壓二極管ZD1的陽極接地。第一電容C1的兩端分別與穩壓二極管ZD1的陰極和陽極連接。第一串聯電阻串S1的第一端與穩壓二極管ZD1的陰極連接。第五電阻R5的第一端與第一串聯電阻串S1的第二端連接，第五電阻R5的第二端接地。第一串聯電阻串S1的第二端和第五電阻R5的第一端的共接點N1與第一比較器AR1的正端連接。

在該實施例中，採用穩壓二極管ZD1來生成參考電壓，能夠保證提供一個穩定的參考電壓。將此穩定的參考電壓輸入第一比較器的正端，能夠消除因電壓波動而造成的馬達不能在設定的占空比下跳變，從而實現精確的控制。

圖6中，PWM信號轉換模塊12包括第六電阻R6、第七電阻R7、第八電阻R8、第二開關元件Q2、第二二極管D2、第二串聯電阻串S2、第三串聯電阻串S3、第二電容C2以及第九電阻R9。

第六電阻R6的第一端與穩壓二極管ZD1的陰極連接。第七電阻R7的第一端與第六電阻R6的第二端連接，第七電阻R7的第二端接地。第八電阻R8的第一端與第七電阻R7的第一端和第六電阻R6的第二端連接，第八電阻R8的第一端接收PWM信號。第二開關元件Q2的控制端與第八電阻R8的第二端連接，第二開關元件Q2的第二端接地。第二二極管D2的陽極與第二開關元件Q2的第一端連接。第二串聯電阻串S2的第一端與第六電阻R6的第一端連接，第二串聯電阻串S2的第二端與第二二極管D2的陽極以及第二開關元件Q2的第一端連接。第三串聯電阻串S3的第一端與第六電阻R6的第一端連接，第三串聯電阻串S3的第二端與第二二極管D2的陰極連接。第二電容C2的第一端與第三串聯電阻串S3的第二端連接，第二電容C2的第二端接地。第九電阻R9的第一端與第二二極管D2的陰極連接，第九電阻R9的第二端接地。第三串聯電阻串S3的第二端、第二電容C2的第一端、第二二極管D2的陰極以及第九電阻R9的第一端的共接點N2作爲PWM信號轉換模塊11的輸出端。

需要注意的是，本申請實施例中的PWM信號轉換模塊12、參考電壓生成模塊11以及跟隨器13不限於如圖6所示的結構，也可以採用其他的結構。

圖7示意性示出本申請馬達轉速控制系統一實施例的結構示意圖，該系統包括馬達3、馬達控制電路2和馬達轉速控制裝置1。馬達3與馬達控制電路2連接，馬達控制電路2控制馬達3的轉速。馬達轉速控制裝置1與馬達控制電路2連接，馬達控制電路2基於馬達轉速控制裝置1的控制信號輸出端子14輸出的信號來控制馬達3的轉速。

馬達控制電路2可以是一個驅動IC，例如LB11967。圖8示意性示出了LB11967的局部示意圖。圖中VTH引脚（參見圖中圓圈所示）輸入馬達轉速控制裝置1中的控制信號輸出端子14輸出的信號， CPWM引脚（參見圖中橢圓圈所示）輸入OSC信號，這是驅動IC內部的一個電壓信號，它一般是通過一個電容充放電得到的鋸齒波電壓信號，將這一電壓信號與VTH引脚輸入的電壓信號（例如，根據PWM信號轉換成的電壓信號Vc）作比較，從而得到不同的馬達驅動電壓信號，實現對馬達的控制。馬達控制信號即圖中的OUT1P、OUT2P、OUT1N、OUT2N這四個引脚的信號。

圖9中示出了PWM信號的占空比、PWM信號轉換模塊12根據PWM信號轉換成的電壓信號Vc、驅動IC的CPWM引脚輸入的OSC信號、馬達電壓以及馬達轉速之間的對應關係。

下面結合圖6到圖9來描述本申請實施例中馬達轉速控制的原理。

在圖6所示的實施例中，通過第一比較器AR1的輸出電平來控制第一開關元件Q1的導通和截止，並利用第一開關元件Q1的導通和截止來得到不同的控制信號，以此控制信號輸入到馬達轉速控制電路2，例如輸入到LB11967的VTH引脚，從而實現馬達3在某一特定占空比A%的跳變。

具體而言，參見圖9，PWM信號的占空比與PWM信號轉換模塊12轉換成的電壓信號Vc成反比，即PWM信號轉換模塊12轉換成的電壓信號Vc隨著PWM信號占空比增大而减小。

當PWM信號轉換成的電壓信號Vc的電壓大於參考電壓時，即PWM信號的占空比小於該參考電壓對應的占空比A%時，第一比較器AR1輸出第二電平（例如低電平），使得第一開關元件Q1（例如該第一開關元件爲P型MOSFET）導通。此時，第一開關元件Q1將VCC信號提供給馬達轉速控制電路2，即將高電平提供給馬達轉速控制電路2，該高電平控制馬達轉速爲0（參見圖3）或一確定的低速（例如，圖4中的大約800RPM）。

當PWM信號轉換成的電壓信號的電壓小於或等於參考電壓時，即PWM信號的占空比大於或等於該參考電壓對應的占空比A%時，第一比較器AR1輸出第一電平（例如高電平），使得第一開關元件Q1截止。此時，跟隨器13輸出的PWM信號轉換成的電壓信號Vc供應到馬達轉速控制電路2的控制引脚，馬達啓動並且轉速由PWM信號的占空比確定，具體而言，馬達轉速可以隨著PWM信號的占空比的增大而增大（參見圖9）。

這樣，當PWM信號的占空比達到A%時，馬達轉速控制裝置1就可以控制馬達的轉速跳變。

在本申請的實施例中，採用跟隨器13來將PWM信號轉換模塊12轉換成的電壓信號Vc提供給驅動IC的控制引脚，實現了輸入和輸出的隔離，從而消除了滯回現象。

下面來解釋滯回現象。所謂“滯回”是指當PWM信號占空比上行（即增大）時的轉速控制曲線與PWM信號占空比下行（即减小）時的轉速控制曲線不重合的現象，尤其是在跳變區域處不重合，如圖10中橢圓圈圈住的部分所示。

産生滯回現象的原因是，驅動IC的輸入阻抗較高，該較高的輸入阻抗會輸入到第一比較器AR1，從而影響第一比較器AR1的運行，導致第一比較器AR1不能在PWM信號占空比上行和下行時實現相同的輸出信號切換。在採用本申請的跟隨器13之後，由於跟隨器具有隔離功能，能夠阻止驅動IC的輸入阻抗輸入到第一比較器AR1，從而有效消除了滯回現象（參見圖11）。

圖12示意性示出本申請馬達轉速控制方法一實施例的流程圖。該方法包括：

S1、通過PWM轉換模塊將PWM信號轉換成電壓信號，並通過第一比較器將轉換成的PWM電壓信號的電壓與一參考電壓相比較。如果PWM信號轉換成的電壓信號的電壓大於參考電壓，則執行步驟S2，如果PWM信號轉換成的電壓信號的電壓小於或等於參考電壓，則執行步驟S3。

S2、通過第一比較器輸出第二電平，使得第一開關元件導通，以將第一開關元件的第一端與第二端連通，將第一端接收到的第一信號發送給馬達控制電路，使得馬達控制電路控制馬達轉速爲0或一確定的速度。

S3、通過第一比較器輸出第一電平，使得第一開關元件截止，通過跟隨器將PWM信號轉換模塊轉換成的電壓信號提供給馬達控制電路，使得馬達轉速由PWM信號的占空比確定。

本申請實施例中的馬達轉速控制方法的具體過程可以參照前述參照圖式5-8所進行的描述，不再贅述。

雖然已參照幾個典型實施例描述了本申請，但應當理解，所用的術語是說明和示例性、而非限制性的術語。由於本申請能夠以多種形式具體實施而不脫離發明的精神或實質，所以應當理解，上述實施例不限於任何前述的細節，而應在隨附申請專利範圍所限定的精神和範圍內廣泛地解釋，因此落入申請專利範圍或其等效範圍內的全部變化和改型都應爲隨附申請專利範圍所涵蓋。