TW201720046A - 無感測器三相馬達驅動系統及其方法 - Google Patents

Abstract

一種無感測器三相馬達驅動系統，當該處理單元之脈波控制端依據換相資訊而輸出複數個脈波寬度調變波。驅動單元接收該脈波寬度調變波產生一驅動訊號。一電流偵測單元，接收該驅動訊號並偵測其電流，當該驅動訊號的電流為零時，產生一停止訊號至該處理單元，並使得該處理單元停止輸出該脈波寬度調變波。一馬達單元包括三個線圈繞組，該些線圈繞組接收該驅動訊號而使該馬達單元作動。電壓偵測單元偵測該線圈繞組的反電動勢為零時，產生一啟動訊號至該處理單元，並使得該處理單元啟動輸出該脈波寬度調變波。

Description

無感測器三相馬達驅動系統及其方法

本發明是有關於一種馬達驅動系統，特別是指一種無感測器三相馬達驅動系統。

在三相馬達驅動方式中，一般會利用霍爾元件偵測馬達轉子位置，進而得到換相訊號來產生特定的馬達控制訊號，此特定的馬達控制會在三相馬達線圈裡面形成相電流使馬達能持續運轉，如圖1所示。

由於霍爾元件在高溫環境應用上的限制以及成本的考量，無感測器的三相馬達驅動技術開始被提出，其中最廣泛使用的方式就是利用三相馬達的未激磁線圈來偵測反電動勢，為了偵測反電動勢的零點，必須將此相線圈的相電流降至0A才能開始偵測反電動勢，此相電流的劇烈變化將導致電磁噪音的產生。

接著，請參考圖2，一般而言，馬達驅動系統，包含處理單元10、驅動單元30與馬達單元40所構成。而驅動單元30是由電晶體所構成。而馬達的轉動則是藉由驅動單元30電晶體開關的啟動或關閉，來使馬達進行轉動，且馬達單元40具有三個繞組，分別為U線圈繞組、V線圈繞組與W線圈繞組。由圖2的路徑path1，可以得知，當第一電晶體M1與第五電晶體M5開啟時，此時馬達運轉的電流，由電源端經第一電晶體M1、馬達單元40的U繞組、 V繞組，並再經由第五電晶體M5流到地端。請參考圖3，當系統沒有霍爾元件時，一般馬達單元40再換相時，會先把第一電晶體M1關閉，此時，由於馬達是電感性負載，所以會有一感應電流存在，此電流路徑path2，由地端，經由第四電晶體M4、馬達單元40的U線圈繞組、V線圈繞組，並再經由第五電晶體M5再流到地端。

一般正常的馬達電流控制是由U線圈繞組流向V線圈繞，U線圈繞組流向W線圈繞組，之後換向由U線圈繞組流向W線圈繞，換向電流由V線圈繞組流向W線圈繞，再由V線圈繞組流向U線圈繞，V線圈繞組流向W線圈繞。接著，再，其它的換相，為是持續的控制U線圈繞組、V線圈繞組、W線圈繞組的電流流向，進而控制馬達的轉向，上述是馬達的換相方式，但這只是控制馬達換相的一種，其它的馬達的換相方式，於此不加以贅述。

由圖4得知，此不穩定的電流，將會造成系統馬達運轉的不順暢、頓挫等現象的出現，此是馬達震動的來源。

所以習知技術的問題，對於沒有霍爾元件的馬達系統而言，在馬達系統換相時，往往會造成馬達系統的不穩定，有鑑於此，如何提出一種新的系統，去改善傳統沒有霍爾元件的馬達系統的穩定度，這是所有廠商努力的方向與目標。

因此，本發明之目的，一種無感測器三相馬達驅動系統，包含：一處理單元、一驅動單元、一電流偵測單元、一馬達單元與一電壓偵測單元。一處理單元，具有六個脈波控制端，每個該處理單元之脈波控制端依據換相資訊而輸出複數個脈波寬度調變波；一驅動單元，連接處理單元，接收該脈波寬度調變波產生一驅動訊號；一電流 偵測單元，分別連接該驅動單元與該處理單元，接收該驅動訊號並偵測其電流，當該驅動訊號的電流為零時，產生一停止訊號至該處理單元，並使得該處理單元停止輸出該脈波寬度調變波；一馬達單元，連接該電流偵測單元，包括三個線圈繞組，該些線圈繞組接收該驅動訊號而使該馬達單元作動；及一電壓偵測單元，連接該電流偵測單元，偵測該線圈繞組的反電動勢為零時，產生一啟動訊號至該處理單元，並使得該處理單元啟動輸出該脈波寬度調變波。

因此，本發明之另一目的，即在提供一種無感測器三相馬達驅動方法，提供一處理單元、一驅動單元、一電流偵測單元、一馬達單元與一電壓偵測單元，包含：該處理單元之脈波控制端輸出複數個脈波寬度調變波；該驅動單元接收該脈波寬度調變波產生一驅動訊號；該電流偵測單元接收該驅動訊號並偵測驅動單元的一相電流，當相電流為零時，產生一停止訊號至該處理單元，並使得該處理單元停止輸出該脈波寬度調變波；該馬達單元，接收該驅動訊號而使該馬達單元作動；及該電壓偵測單元偵測該線圈繞組的反電動勢為零時，產生一啟動訊號至該處理單元，並使得該處理單元啟動輸出該脈波寬度調變波。

本發明的功效即是在馬達系統中，先由處理單元適當的控制脈波寬度調變波，並藉由電流偵測單元感測換相時電流為零的特性，停止處理單元輸出脈波寬度調變波，最後再由電壓偵測單元感測到換相的電壓，以再度啟動換相時的脈波寬度調變波，以得到順暢的換相電流，進而提升馬達的順暢度與穩定度，實為本發明的具體功效。

〔本發明〕

10‧‧‧處理單元

30‧‧‧驅動單元

40‧‧‧馬達單元

50‧‧‧電壓偵測單元

60‧‧‧電流偵測單元

M1‧‧‧第一電晶體

M2‧‧‧第二電晶體

M3‧‧‧第三電晶體

M4‧‧‧第四電晶體

M5‧‧‧第五電晶體

M6‧‧‧第六電晶體

圖1是習知有霍爾元件的馬達控制訊號示意圖；圖2是無霍爾元件的馬達控制系統之第一示意圖； 圖3是無霍爾元件的馬達控制系統之第二示意圖；圖4是習知無霍爾元件的馬達控制訊號示意圖；圖5是本發明馬達控制系統之實施例；圖6是本發明馬達控制系統之實施例之第一電流路徑圖；圖7是本發明馬達控制系統之實施例之第二電流路徑圖；圖8是本發明馬達控制系統之實施例之馬達控制訊號示意圖；及圖9是本發明之無感測器三相馬達驅動之方法流程圖。

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5，本發明之一較佳實施例，一種無感測器三相馬達驅動系統，包含：一處理單元10、一驅動單元30、一電流偵測單元60、一馬達單元40與一電壓偵測單元50。一處理單元10，具有六個脈波控制端，每個該處理單元10之脈波控制端依據換相資訊而輸出複數個脈波寬度調變波；一驅動單元30，連接處理單元10，接收該脈波寬度調變波產生一驅動訊號；一電流偵測單元60，分別連接該驅動單元30與該處理單元10，接收該驅動訊號並偵測其電流，當該驅動訊號的電流為零時，產生一停止訊號至該處理單元10，並使得該處理單元10停止輸出該脈波寬度調變波；一馬達單元40，連接該電流偵測單元60，包括三個線圈繞組，該些線圈繞組其中之一接收該驅動訊號而使該馬達單元40作動；及一電壓偵測單元50，連接該電流偵測單元60，偵測該線圈繞組相的反電動勢為零時，產生一啟動訊號至該處理單元10，並使得該處理單 元10啟動輸出該脈波寬度調變波。

其中，該驅動訊號係為相電流。其中，該驅動訊號的電流為零時，亦即相電流由順向流向逆向或逆向流向逆向，發生在零交越點時。

本發明的馬達單元40可以是三相馬達，又或者是多相馬達。其中，該些脈波寬度調變波的責任週期由小至大，或該些脈波寬度調變波的責任週期由大至小，一般而言，由100%至0%。

其中，該驅動單元30包含：一第一電晶體M1，該第一電晶體M1之第一端連接該電源，該第一電晶體M1之控制端個別連接該處理單元10之脈波控制端；一第四電晶體M4，該第四電晶體M4之第一端連接該第一電晶體M1之第二端，該第四電晶體M4之第二端接地，該第四電晶體M4之控制端個別連接該處理單元10之脈波控制端；一第二電晶體M2，該第二電晶體M2之第一端連接該電源，該第二電晶體M2之控制端個別連接該處理單元10之脈波控制端；一第五電晶體M5，該第五電晶體M5之第一端連接該第一電晶體M2之第二端，該第五電晶體M5之第二端接地，該第五電晶體M5之控制端個別連接該處理單元10之脈波控制端；一第三電晶體M3，該第三電晶體M3之第一端連接該電源，該第三電晶體M3之控制端個別連接該處理單元10之脈波控制端；一第六電晶體M6，該第六電晶體M6之第一端連接該第一電晶體M3之第二端，該第六電晶體M6之第二端接地，該第六電晶體M6之控制端個別連接該處理單元10之脈波控制端。

接著，請參考圖6，本發明之無感測器馬達系統之其中的較佳實施例。其中，該處理單元10之脈波控制端，分別為第一脈波控制端、第二脈波控制端、第三脈波控制端、第四脈波控制端、第五脈波控制端、第六脈波控 制端。其中，第一脈波控制端連接至第一電晶體M1之控制端，第二脈波控制端連接至第二電晶體M2之控制端，第三脈波控制端連接至第三電晶體M3之控制端，第四脈波控制端連接至第四電晶體M4之控制端，第五脈波控制端連接至第五電晶體M5之控制端，第六脈波控制端連接至第六電晶體M6之控制端。

請參考圖6、圖7與圖8為本發明之另一較佳實施例：由圖6所示，其中，電流偵測單元60連接第二電晶體M2之第二端與馬達單元40的V線圈繞組之間，而電流偵測單元60的輸出連接至處理單元10。其中，電壓偵測單元50連接處理單元10與馬達單元的V線圈繞組之間。本發明不加限定電流偵測單元60於任何一處，亦即，W、U、V線圈繞組都可以。

由圖6所示，當第一脈波控制端輸出高電壓時，且第五脈波控制端也輸出高電壓時，此時，該第一電晶體M1之控制端與該第五電晶體M5之控制端開啟。電流路徑path3，為馬達運轉的電流，由電源端經第一電晶體M1、馬達單元40的U線圈繞組、V線圈繞組，並再經由第五電晶體M5流到地端。

相同的參考圖6、圖7，當第一脈波控制端輸出高電壓時，且第六脈波控制端也輸出高電壓時，此時，該第一電晶體M1之控制端與該第六電晶體M6之控制端開啟。電流路徑path4，為馬達運轉的電流，由電源端經第一電晶體M1、馬達單元40的U線圈繞組、W線圈繞組，並再經由第六電晶體M6流到地端。

當利用處理單元10的計時器計時，且第一脈波控制端輸出高電位時，且第五脈波控制端也輸出高電位一段時間後，此時，到了馬達必須換相的時間，這時，此 時，處理單元10將控制第二電晶體M2與第五電晶體M5的導通比例。接著，將使處理單元10之第二脈波控制端輸出脈波寬度調變波至第二電晶體M2的控制端，且處理單元10之第五脈波控制端也輸出脈波寬度調變波至第五電晶體M5的控制端，且使處理單元10之第六脈波控制端為高電位，使得第六電晶體M6被開啟並接地。實際上，處理單元10將控制第二電晶體M2，且開啟第五電晶體M5的導通比例是依據第二脈波控制端與據第五脈波控制端輸出脈波寬度調變波，且該第二脈波控制端與據第五脈波控制端輸出脈波寬度調變波彼此為互斥訊號。亦即，當第二脈波寬度調變波的訊號為高電位時，第二電晶體M2導通，且第五脈波寬度調變波的訊號為低電位時，第五電晶體M5關閉。當第二脈波寬度調變波的訊號為低電位時，第二電晶體M2關閉，且第五脈波寬度調變波的訊號為高電位時，第五電晶體M5開啟，以便讓電流能夠由負電流變為正電流。

接著，請參考圖6、圖7，依據第二電晶體M2，且開啟第五電晶體M5的導通比例，此時為馬達運轉的電流路徑path5，由電源端經第二電晶體M2、馬達單元40的V線圈繞組、W線圈繞組，並再經由第六電晶體M6流到地端。這時，處理單元10會一直偵測電流偵測單元60裏的相電流是否為零(亦即是phase2)，當phase2為零時，電流偵測單元60會輸出一停止訊號至處理單元10，處理單元10接收此停止訊號會停止輸出脈波寬度調變波至第二電晶體M2的控制端，直到電壓偵測單元50感測相的反電動勢為零時，該處理單元10依據一啟動訊號的開啟，而使得該處理單元10再度啟動並輸出該脈波寬度調變波，直到馬達單元40的運轉順利換相。圖7後，再控制第一電晶體M1與第四電晶體M2的導通比例而得到最後的換相順 序。如此，馬達就可依據不同相的電流偵測單元60與電壓偵測單元50而得到正確的換相順序。

接著，請參考圖8，採用本發明的相電流(phase2)、相電壓(phase2)、測量A點(第二電晶體M2的控制端)與計算所得的換相訊號。

其中，本發明不加以限定電流偵測單元60與電壓偵測單元所組成之電路或IC，任何可以具備此功能的電路或IC，本發明亦可採用之。

接著，請參考圖9，其為本發明一種無感測器三相馬達驅動方法，提供一處理單元10、一驅動單元30、一電流偵測單元60、一馬達單元40與一電壓偵測單元50，包含以下之步驟：

S110：該處理單元之脈波控制端依據換相資訊輸出複數個脈波寬度調變波。

S120：該驅動單元接收該脈波寬度調變波產生一驅動訊號。

S130：該電流偵測單元接收該驅動訊號並偵測其電流，當該驅動訊號的電流為零時，產生一停止訊號至該處理單元，並使得該處理單元停止輸出該脈波寬度調變波。

S140：該馬達單元接收該驅動訊號而使該馬達單元作動。

S150：該電壓偵測單元偵測該線圈繞組的反電動勢為零時，產生一啟動訊號至該處理單元，並使得該處理單元啟動輸出該脈波寬度調變波。

所以本發明方式，提出一種馬達換相的方式，將以往控制無感測器馬達旋轉會有震動的方式，適時的控制驅動單元電晶體的導通比例，進而馬達的U線圈繞組、W線圈繞組、V線圈繞組的電流方向適時的改變，使得馬達 的震動行為減少，提升馬達的順暢度。

綜合上述，本發明將習知，無霍爾元件的馬達換相控制系統，會發生馬達的不順暢、頓挫等現像，提出利用電流偵測單元去偵測電流的狀態，並適當的控制脈波寬度調變波，而使得馬達運轉順暢。本發明具有在馬達系統製造成本低的具體功效，可以突顯本發明在降低馬達不穩定之優勢，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。

10‧‧‧處理單元

30‧‧‧驅動單元

40‧‧‧馬達單元

50‧‧‧電壓偵測單元

60‧‧‧電流偵測單元

Claims (10)

1. 一種無感測器三相馬達驅動系統，包含：一處理單元，具有六個脈波控制端，當該處理單元之脈波控制端依據換相資訊而輸出複數個脈波寬度調變波；一驅動單元，連接處理單元，接收該脈波寬度調變波產生一驅動訊號；一電流偵測單元，分別連接該驅動單元與該處理單元，接收該驅動訊號並偵測其電流，當該驅動訊號的電流為零時，產生一停止訊號至該處理單元，並使得該處理單元停止輸出該脈波寬度調變波；一馬達單元，連接該電流偵測單元，包括三個線圈繞組，該些線圈繞組其中之一接收該驅動訊號而使該馬達單元作動；及一電壓偵測單元，連接該電流偵測單元，偵測該線圈繞組相的反電動勢為零時，產生一啟動訊號至該處理單元，並使得該處理單元啟動輸出該脈波寬度調變波。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之無感測器三相馬達驅動系統，其中，該些脈波寬度調變波漸增的責任週期由小至大，責任週期的百分比由0%至100%。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之無感測器三相馬達驅動系統，其中，該些脈波寬度調變波漸減的的責任週期由大至小，責任週期的百分比由100%至0%。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之無感測器三相馬達驅動系統，其中，該驅動單元包含： 一第一電晶體，該第一電晶體之第一端連接該電源，該第一電晶體之控制端個別連接該處理單元之脈波控制端；一第四電晶體，該第四電晶體之第一端連接該第一電晶體之第二端，該第四電晶體之第二端接地，該第四電晶體之控制端個別連接該處理單元之脈波控制端；一第二電晶體，該第二電晶體之第一端連接該電源，該第二電晶體之控制端個別連接該處理單元之脈波控制端；一第五電晶體，該第五電晶體之第一端連接該第二電晶體之第二端，該第五電晶體之第二端接地，該第五電晶體之控制端個別連接該處理單元之脈波控制端；一第三電晶體，該第三電晶體之第一端連接該電源，該第三電晶體之控制端個別連接該處理單元之脈波控制端；一第六電晶體，該第六電晶體之第一端連接該第三電晶體之第二端，該第六電晶體之第二端接地，該第六電晶體之控制端個別連接該處理單元之脈波控制端。
5. 依據申請專利範圍第4項所述之無感測器三相馬達驅動系統，其中，該第一電晶體之控制端開啟時、該第五電晶體之控制端與該第六電晶體之控制端開啟時，其該電流偵測單元感測該驅動訊號的電流為順向，當該馬達單元換相時，該第二電晶體之控制端接收該些脈波寬度調變波、該第一電晶體之控制端與該第六電晶體之控制端為開啟狀態，其該電流偵測單元感測該驅動訊號的電流 為逆向。
6. 依據申請專利範圍第1項所述之無感測器三相馬達驅動系統，其中，該驅動訊號的電流為順向變為逆向或逆向變為順向，且該驅動訊號的電流會產生一零交越點。
7. 一種無感測器三相馬達驅動方法，提供一處理單元、一驅動單元、一電流偵測單元、一馬達單元與一電壓偵測單元，包含以下之步驟：該處理單元之脈波控制端依據換相資訊輸出複數個脈波寬度調變波；該驅動單元接收該脈波寬度調變波產生一驅動訊號；該電流偵測單元接收該驅動訊號並偵測其電流，當該驅動訊號的電流為零時，產生一停止訊號至該處理單元，並使得該處理單元停止輸出該脈波寬度調變波；該馬達單元接收該驅動訊號而使該馬達單元作動；及該電壓偵測單元偵測該線圈繞組的反電動勢為零時，產生一啟動訊號至該處理單元，並使得該處理單元啟動輸出該脈波寬度調變波。
8. 依據申請專利範圍第7項所述之無感測器三相馬達驅動方法，其中，該些脈波寬度調變波的責任週期由小至大，責任週期的百分比由0%至100%。
9. 依據申請專利範圍第7項所述之無感測器三相馬達驅動方法，其中，該些脈波寬度調變波的責任週期由大至小，責任週期的百分比由100%至0%。
10. 依據申請專利範圍第7項所述之無感測器三相馬達驅動方法，其中，該驅動訊號的電流為順向變為逆向或逆向變為順向時，且該驅動訊號的電流會產生一零交越點。