TW201640809A - 具有一個霍爾感測器運轉的系統及其方法 - Google Patents

Abstract

一種具有一個霍爾感測器運轉的系統，至少二霍爾感測器，設置在馬達單元上，每個霍爾感測器感應馬達單元之轉子的磁場而感應到一霍爾電壓；一處理單元，接收至少二霍爾感測器之霍爾電壓而得到一啟動位置訊息，處理單元對啟動位置訊息進行計算而輸出啟動的連續脈波寬度調變波；一驅動單元，接收連續脈波寬度調變波而產生一驅動訊號；一馬達單元，接收驅動訊號而使馬達單元作動；其中，馬達單元於運轉狀態時，處理單元依據一個霍爾感測器之霍爾電壓而得到一運轉訊息，處理單元依據運轉訊息進行計算而預估下次運轉的連續脈波寬度調變波。

Description

具有一個霍爾感測器運轉的系統及其方法

本發明是有關於一種霍爾感測器運轉的系統，特別是指一種具有一個霍爾感測器運轉的系統。

馬達是目前工業應用上最普遍的動力來源，以驅動各類的工具機組，而馬達可分為直流馬達與交流馬達。交流馬達主要分為感應馬達(Induction Motor，簡稱IM)和無刷直流馬達(Brushless DC Motor，簡稱BLDC)，其中以無刷直流馬達的使用最多，因為它具備了構造簡單、價廉，響應快、轉矩大，可連續頻繁的進行起動、停止、制動、逆轉之特點，故已成為自動化的重要設備之一。

使用霍爾感測器(hall sensor)來感應出直流無刷馬達(BLDC)之轉子位置訊號，分別為Hall_U、Hall_V、及Hall_W的訊號，其霍爾感測器無論是安裝在定子或印刷電路板上時，所感應出的起始角度分別為0度、120度、240度，各相差120度。直流無刷馬達中3個霍爾感測器感應出的訊號如圖1所示。

因Hall_U、Hall_V、及Hall_W訊號分別相差120度，由圖1所示，在理想上及定轉速時，此3個訊號會將360度電器角平均分為等長度的6個各佔60度的相位區域，在這六個相位區域的轉換點可明確知道目前轉子所在的角度位置。故要驅動一個帶三個霍爾感測器的之直流 無刷馬達(BLDC)，可用一處理單元來偵測三個霍爾訊號，計算目前轉子所在相位區域的60度角的寬度，並於換相時做為換相後相位區域內的每個轉子轉動一個角度時，所要輸出轉速命令(PWM)之位置的參考，繼而開關後級的驅動單元20而得到驅動轉子運轉到下一角度所需的電壓。而且，六個相區域順序固定，故以此方式驅動直流無刷馬達時，於啟動時不會有先反轉再正轉(或先正轉再反轉)之情形發生。請參考圖2，為習知之帶霍爾感測器之直流無刷馬達的控制架構。

理論上，在沒有任何無誤差的情況下，三個霍爾感測器感應出的訊號所區分出的六個相位區域會等長，在此情況下可準確的估測出要驅使轉子轉向下個角度時所需的電壓，亦即可利用處理單元10產生完美的正弦波來驅動直流無刷馬達。

但由於霍爾感測器的安裝公差、馬達組裝的公差、轉子永久磁鐵的充磁誤差、超溫、轉子加減速及永磁老化(操作時間)等因素，使得處理單元10偵測的霍爾元件的電壓產生誤差。

接著，請參考圖3，假設霍爾感測器的V有安裝公差，導致Hall_V訊號與Hall_V訊號相差115度，而不是120度，由於第5區60度的長度比第四區60度角的實際範圍要長，但是因為把他當成預測的第四區60度角的範圍，故在第四區實際運轉時，會遇到此區的還沒有驅動完整的60度角前，就會遇到實際的換相而必須進行強制換相的情況。

相同情形，若前一區60度角的長度比下一區60度的實際範圍要短，則會遇到實際運轉時，此區的已經驅動完完整的60度角後卻還沒換相的情形，而在驅動完60度角後及實際換相前必須維持最後一個角度所驅動的電 壓，造成驅動電壓有維持最後一個角度之電壓情況。

故實際上，若以前一區域的60度角寬度作為下個區域轉子轉動60度角寬度，來預測此區推動轉子轉動角度的參考的話，會因為上述種種因素所造成的前後區域60度角寬度並不會一樣，而必須造成強制換相，或維持驅動電壓一段時間，直到換相的狀況，這種情況下很容易造成所驅動直流無刷馬達之正弦波或二次諧波有缺角的情況，而使直流無刷馬達在運轉時產生較大的震動或噪音。

為了改善上述的問題，有必要提出一種新的方式，來降低直流無刷馬達運轉時產生震動或噪音的問題。

因此，本發明之目的，即在提供一種具有一個霍爾感測器運轉的系統，包含：一馬達單元，具有一定子與一轉子；至少二霍爾感測器，設置在該馬達單元上，每個該霍爾感測器感應該馬達單元之該轉子的磁場而感應到一霍爾電壓；一處理單元，該處理單元依據至少二該霍爾感測器之該霍爾電壓而得到一啟動位置訊息，該處理單元依據該啟動位置訊息進行計算而輸出啟動的一連續脈波寬度調變波；一驅動單元，連接該處理單元，接收該連續脈波寬度調變波而產生一驅動訊號；及一馬達單元，連接該驅動單元，接收該驅動訊號而使該馬達單元作動；其中，該馬達運轉時，該處理單元依據一個該霍爾感測器之該霍爾電壓而得到一運轉訊息，該處理單元依據該運轉訊息進行計算而輸出下次運轉的該連續脈波寬度調變波。

因此，本發明之另一目的，即在提供一種具有一個霍爾感測器運轉的方法，應用於一馬達單元與一驅動單元，其包含：提供至少二霍爾感測器，設置在該馬達單元上；提供一處理單元；該處理單元依據至少二該霍爾感測器之該霍爾電壓而得到一啟動位置訊息，該處理單元依 據該啟動位置訊息進行計算而輸出啟動的連續脈波寬度調變波；該驅動單元接收啟動的連續脈波寬度調變波而產生一啟動驅動訊號；該馬達單元接收接該啟動驅動訊號而使該馬達單元進行啟動；該處理單元依一個該霍爾感測器之該霍爾電壓而得到一運轉訊息，該處理單元依據該運轉訊息進行計算並預估下次運轉的連續脈波寬度調變波；該驅動單元接收下次運轉的該連續脈波寬度調變波而產生一運轉驅動訊號；及該馬達單元接收接該運轉驅動訊號而使該馬達單元進行運轉。

本發明的功效是提出利用二個以上的霍爾感測器做為馬達的啟動，並再利用一個霍爾感測器做為運轉的偵測，藉以避免因安裝公差、馬達組裝的公差、轉子永久磁鐵的充磁誤差、超溫、轉子加減速及永磁老化(操作時間)等現象所造成驅動馬達的相電壓波型非為正弦波，進而造成馬達的運轉發生震動或噪音的問題。所以本發明於馬達單元運轉時，只利用一個霍爾感測器方式，讓輸出至馬達的相電壓可以近似正弦波，而本發明所達成的功效，就是改善直流無刷馬達運轉時產生震動或噪音的問題。

〔習知〕

10‧‧‧處理單元

20‧‧‧驅動單元

40‧‧‧馬達單元

〔本發明〕

11‧‧‧啟動位置偵測器

12‧‧‧運轉位置偵測器

13‧‧‧計數器

14‧‧‧計算器

10‧‧‧處理單元

圖1是習知三個霍爾元件運轉區間示意圖；圖2是習知直流無刷馬達利用三個霍爾元件運轉之系統示意圖；圖3是習知直流無刷馬達利用三個霍爾元件運轉之系統趨動示意圖；圖4是本發明直流無刷馬達系統示意圖；圖5是本發明之處理單元示意圖；圖6是本發明之直流無刷馬達利用一個霍爾元件運轉之系統趨動示意圖；及 圖7是本發明之直流無刷馬達利用一個霍爾元件運轉的流程圖。

有關本發明之相關申請專利特色與技術內容，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖4，本發明之一較佳實施例，一種具有一個霍爾感測器運轉的系統，包含：一馬達單元40，具有一定子與一轉子；至少二霍爾感測器，設置在該馬達單元40上，每個該霍爾感測器感應該馬達單元40之該轉子的磁場而感應到一霍爾電壓；一處理單元10，該處理單元10依據至少二該霍爾感測器之該霍爾電壓而得到一啟動位置訊息，該處理單元10依據該啟動位置訊息進行計算而輸出啟動的一連續脈波寬度調變波；一驅動單元20，連接該處理單元10，接收該連續脈波寬度調變波而產生一驅動訊號；及一馬達單元40，連接該驅動單元20，接收該驅動訊號而使該馬達單元40作動；其中，該馬達單元40於運轉狀態時，該處理單元10依據一個該霍爾感測器之該霍爾電壓而得到一運轉訊息，該處理單元10依據該運轉訊息進行計算而預估下次運轉的該連續脈波寬度調變波。

其中，至少二霍爾感測器可以設置在馬達單元40的定子上，又或者馬達單元40上的PCB板子上。其中，該連續脈波寬度調變波代表有複數個脈波寬度調變波，該些脈波寬度調變波責任週期寬度由0度到100度是逐次遞增。

其中，該啟動位置訊息代表馬達單元的轉子的的位置。一般而言，馬達的線圈有三相繞組，該處理單元10得知轉子的位置後，處理單元10將得知三相中之其中之一相要來進行通電，所以啟動的一連續脈波寬度調變波 亦即是代表三相的那一相繞組要進行通電。

其中，該處理單元10依據一個該霍爾感測器之該霍爾電壓而得到一運轉訊息係為該轉子磁極所對應的該霍爾感測器。

參閱圖5，其中，該處理單元10包含：一啟動位置偵測器11，連接至少二該霍爾感測器，依據至少二該霍爾感測器之該霍爾電壓而得到該啟動位置訊息；一運轉位置偵測器12，連接該霍爾感測器，依據該霍爾感測器之該霍爾電壓而得到該運轉位置訊息；一計數器13，連接該運轉位置偵測器12，接收該運轉位置訊息並進行計數而產生一運轉訊號週期長度訊息；及一計算器14，分別連接該啟動位置偵測器11與該計數器13，接收該啟動位置訊息並進行計算而得到啟動的該連續脈波寬度調變波，於該馬達單元40於運轉狀態時，該計算器14再接收該運轉訊號週期長度訊息而預估下次運轉的該連續脈波寬度調變波。

其中，運轉訊號週期長度訊息係代表電器角360度訊息。其中，計數器13可以利用正反器或計時器來進行訊息計數，一般而言，如採用微控制器，則可利用計時器。

其中，該啟動位置訊息係依據二個該霍爾感測器之該霍爾電壓所得到的四個區間訊息、這四個區間訊息的編碼為00、01、10、11。所以以馬達單元40轉一圈360度電氣角來說，編碼隱含的訊息代表可偵測4個90度的訊息。

該啟動位置訊息係依據三個該霍爾感測器之該霍爾電壓所得到的六個區間訊息，這六個區間訊息的編碼為000、001、010、011、100、101、110。所以以馬達單元40轉一圈360度電氣角來說，編碼隱含的訊息代表可偵測6個60度的訊息，處理單元10偵測6個60度的訊息， 就能得到馬達實際的位置來啟動馬達，就比較不會容易發生馬達啟動時發生正轉又反轉，或反轉變成正轉的現象，而使得馬達帶動的機械發生啟動時故障。

其中，該運轉訊息係依據一個該霍爾感測器之該霍爾電壓所得到的二個區間訊息，這二個區間訊息隱含二個180度的訊息，共代表360度電氣角的訊息。處理單元10偵測2個180度電氣角的訊息，藉以預估馬達的運轉週期，就能夠在馬達運轉時，平穩的驅動馬達，以防止馬達運轉時發生震動，或產生噪音的現象。本發明的處理單元10可只偵測1個霍爾感測器的區間訊息180度電氣角預估馬達的運轉週期。

請參考圖6，在轉子旋轉順序正確後，開始計算一個霍爾訊號之週期寬度為360度角的長度，當霍爾訊號切換到下個週期時，以此長度做為下個360度角的長度之預測值，亦即，只在霍爾訊號週期轉換的地方才帶入下一個360度角的預測長度，如此一來，強制換相或是維持電壓為到換相的情況只會出現在一個週期的轉換處，而不會每60度角就出現一次，以改善驅動運轉時的震動及噪音。

唯上述的說明雖只有單相輸出，若運用於多相直流無刷馬達，亦是相同的運作方式。

由上述2或3霍爾感測器啟動，1個霍爾感測器運轉的驅動方式得知：

(1)在啟動時，因已知啟動運轉順序，故啟動不會發生正轉再反轉或反轉再正轉的現象。

(2)馬達運轉時，因預測換相點只有一處，發生強制換相或維持電壓的地方最多只有一點，故發生馬達震動較小。若所預估的霍爾週期訊號長度比實際長，則出現強制換相的情況。若所預測的霍爾週期訊號長度比實際 短，則會出現維持電壓轉為到換相的情況。由圖6可知，可以明顯的看到驅動波形只有在霍爾訊號轉換處會有缺角，其它的時間則是平滑的狀況。其中，所預估的霍爾週期訊號長度而來計算下次該輸出的連續脈波寬度調變波，該連續脈波寬度調變波包含正週期與負週期的運算，亦即馬達的定子線圈的通電，由順時針方向通電，並在換相時，再由逆時針通電。

除了上述的作法，本發明亦可偵測多個的霍爾週期訊長度，亦即預測多次的霍爾感測器所感測的360度的電氣角，而預估下次的運轉的該連續脈波寬度調變波，或是下次運轉的多個該連續脈波寬度調變波。

接著，請參考圖7，其為本發明高精確度馬達驅動方法之方法流程圖，包含以下之步驟：

S100：提供至少二霍爾感測器，設置在馬達單元上。

S101：提供一處理單元。

S102：處理單元依據至少二該霍爾感測器之該霍爾電壓而得到一啟動位置訊息，處理單元依據該啟動位置訊息進行計算而輸出一啟動脈波寬度調變波。

S103：驅動單元接收啟動脈波寬度調變波而產生一啟動驅動訊號。

S104：馬達單元接收接啟動驅動訊號而使該馬達單元進行啟動。

S105：處理單元依據一個該霍爾感測器之該霍爾電壓而得到一運轉訊息，處理單元依據該運轉訊息進行計算並預估下次輸出一運轉脈波寬度調變波。

S106：驅動單元接收下次運轉脈波寬度調變波而產生一運轉驅動訊號。

S107：馬達單元接收下次運轉驅動訊號而使馬 達單元進行運轉。

其中，啟動位置訊息係依據二個霍爾感測器之霍爾電壓所得到的四個區間訊息。

其中，啟動位置訊息係依據三個霍爾感測器之該霍爾電壓所得到的六個區間訊息。

其中，運轉訊息係依據一個霍爾感測器之該霍爾電壓所得到的二個區間訊息。

其中，更包含以下步驟：接收該運轉位置訊息並利用計數器進行計數而產生一運轉訊號週期長度訊息；及接收該運轉訊號週期長度訊息而預估下次運轉的該連續脈波寬度調變波。

綜合上述，本發明馬達的啟動是利用二個以上霍爾感測器來偵測轉子的位置，以避免啟動時馬達會有正轉再反轉或反轉再正轉的現象，當馬達順利啟動後，則運用本發明的方式，只利用一個霍爾感測器，來進行運轉預估，而利用一個霍爾感測器的好處，可以讓輸出馬達的運轉訊號接近弦波的情形，使得諧波情形降低，改善直流無刷馬達運轉時產生震動或噪音的問題，因此，本發明在控制馬達的精確度之優勢，故可以達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

11‧‧‧啟動位置偵測器

12‧‧‧運轉位置偵測器

13‧‧‧計數器

14‧‧‧計算器

10‧‧‧處理單元

Claims (10)

1. 一種具有一個霍爾感測器運轉的系統，包含：一馬達單元，具有一定子與一轉子；至少二霍爾感測器，設置在該馬達單元上，每個該霍爾感測器感應該馬達單元之該轉子的磁場而感應到一霍爾電壓；一處理單元，連接至少二該霍爾感測器，接收至少二該霍爾感測器之該霍爾電壓而得到一啟動位置訊息，該處理單元對該啟動位置訊息進行計算而輸出啟動的一連續脈波寬度調變波；一驅動單元，連接該處理單元，接收該連續脈波寬度調變波而產生一驅動訊號；及一馬達單元，連接該驅動單元，接收該驅動訊號而使該馬達單元作動；其中，該馬達單元於運轉狀態時，該處理單元依據一個該霍爾感測器之該霍爾電壓而得到一運轉訊息，該處理單元依據該運轉訊息進行計算而預估下次運轉的該連續脈波寬度調變波。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之具有一個霍爾感測器運轉的系統，其中，該啟動位置訊息依據二個該霍爾感測器之該霍爾電壓所得到的四個區間訊息。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之具有一個霍爾感測器運轉的系統，其中，該啟動位置訊息依據三個該霍爾感測器之該霍爾電壓所得到的六個區間訊息。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之具有一個霍爾感測器運 轉的系統，其中，該運轉訊息依據一個該霍爾感測器之該霍爾電壓所得到的二個區間訊息。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之具有一個霍爾感測器運轉的系統，其中，該處理單元包含：一啟動位置偵測器，連接至少二該霍爾感測器，依據至少二該霍爾感測器之該霍爾電壓而得到該啟動位置訊息；一運轉位置偵測器，連接該霍爾感測器，依據該霍爾感測器之該霍爾電壓而得到該運轉位置訊息；一計數器，連接該運轉位置偵測器，接收該運轉位置訊息並進行計數而產生一運轉訊號週期長度訊息；及一計算器，分別連接該啟動位置偵測器與該計數器，接收該啟動位置訊息並進行計算而得到啟動的該連續脈波寬度調變波，於該馬達單元運轉狀態時，該計算器再接收該運轉訊號週期長度訊息而預估下次運轉的該連續脈波寬度調變波。
6. 一種具有一個霍爾感測器運轉的方法，應用於一馬達單元與一驅動單元，其包含：提供至少二霍爾感測器，設置在該馬達單元上；提供一處理單元；該處理單元依據至少二該霍爾感測器之該霍爾電壓而得到一啟動位置訊息，該處理單元依據該啟動位置訊息進行計算而輸出啟動的一連續脈波寬度調變波；該驅動單元接收啟動的該連續脈波寬度調變波而產生一啟動驅動訊號； 該馬達單元接收接該啟動驅動訊號而使該馬達單元進行啟動；該處理單元依據一個該霍爾感測器之該霍爾電壓而得到一運轉訊息，該處理單元依據該運轉訊息進行計算並預估下次輸出運轉的該連續脈波寬度調變波；該驅動單元接收下次運轉的該連續脈波寬度調變波而產生一運轉驅動訊號；及該馬達單元接收下次該運轉驅動訊號而使該馬達單元進行運轉。
7. 依據申請專利範圍第6項所述之具有一個霍爾感測器運轉的方法，其中，該啟動位置訊息依據二個該霍爾感測器之該霍爾電壓所得到的四個區間訊息。
8. 依據申請專利範圍第6項所述之具有一個霍爾感測器運轉的方法，其中，該啟動位置訊息依據三個該霍爾感測器之該霍爾電壓所得到的六個區間訊息。
9. 依據申請專利範圍第6項所述之具有一個霍爾感測器運轉的方法，其中，該運轉訊息依據一個該霍爾感測器之該霍爾電壓所得到的二個區間訊息。
10. 依據申請專利範圍第6項所述之具有一個霍爾感測器運轉的方法，更包含以下步驟：接收該運轉位置訊息並利用計數器進行計數而產生一運轉訊號週期長度訊息；及接收該運轉訊號週期長度訊息而預估下次運轉的該連續脈波寬度調變波。