TW202304125A

TW202304125A - 馬達控制器

Info

Publication number: TW202304125A
Application number: TW110125491A
Authority: TW
Inventors: 蘇啟宏
Original assignee: 致新科技股份有限公司
Priority date: 2021-07-12
Filing date: 2021-07-12
Publication date: 2023-01-16
Also published as: TWI788911B

Abstract

一種馬達控制器具有一開關電路與一控制單元。該開關電路耦合至一馬達以驅動該馬達。該控制單元用以產生一控制信號以控制該開關電路。該馬達控制器用以產生一電流信號與一電壓信號。當該電流信號之一電流相位處於一預定交越相位時，該馬達控制器計算該電流信號之該電流相位與該電壓信號之一電壓相位之一差值，其中該馬達控制器用以控制該差值。該馬達控制器可藉由調變該差值以穩定該馬達且避免噪音。該馬達控制器可調變該差值，使得該差值等於一預定相位差。

Description

馬達控制器

本發明係關於一種馬達控制器，特別是關於一種可應用於無感測器三相馬達之馬達控制器。

傳統上馬達之驅動方式可分為兩種。一種是藉由霍爾感測器以切換相位進而驅動馬達運轉。另一種則是無需霍爾感測器而驅動馬達運轉。由於霍爾感測器容易受外界環境之影響而造成感測準確度下降，且設置霍爾感測器會增加系統之體積與成本，因而無感測器之驅動方法便被提出以解決上述之問題。

在無感測器之驅動方法下，馬達控制器可藉由比較一浮接相之電壓與一參考電壓以偵測浮接相之反電動勢(Back Electromotive Force, BEMF)進而切換相位。然而，當馬達控制器開啟浮接相以偵測換相點時，會造成輸出電壓之不連續性因而產生噪音。

另外一種先前技術則是利用方程式：V = i × Rm + L × di/dt + BEMF以推估反電動勢，其中Rm為馬達電阻且L為線圈電感。然而，此先前技術需要一複雜之運算電路以推估反電動勢。因此，需要一種新技術可利用一簡單之運算電路以驅動馬達且避免噪音。

有鑑於前述問題，本發明之目的在於提供一種可利用一簡單之運算電路以驅動一馬達且避免噪音之馬達控制器。

依據本發明提供該馬達控制器。該馬達控制器係用以驅動該馬達，其中該馬達可為一三相馬達。該馬達控制器具有一開關電路、一控制單元、一電流偵測單元、一波形處理單元、以及一相位差處理單元。該開關電路可具有一第一電晶體、一第二電晶體、一第三電晶體、一第四電晶體、一第五電晶體、一第六電晶體、一第一端點、一第二端點、以及一第三端點，其中該開關電路耦合至該馬達以驅動該馬達。該第一端點具有一電流信號Iu與一電壓信號Vu以驅動該馬達。該第一電晶體、該第三電晶體、以及該第五電晶體分別為一上側開關。該第二電晶體、該第四電晶體、以及該第六電晶體分別為一下側開關。該控制單元產生一控制信號以控制該開關電路。

該電流偵測單元耦合至該開關電路與該控制單元，用以偵測一電流相位。該電流偵測單元耦合至該第一端點、該第二端點、以及該第三端點。該電流偵測單元具有一第一比較器、一第二比較器、一多工器、一第一開關、一第二開關、一第三開關、以及一電阻。該電流偵測單元可具有三種偵測方式。舉例來說，第一偵測方式可偵測該電流信號Iu以取得該電流相位。設計者也可藉由偵測該第二端點流至該馬達之電流或該第三端點流至該馬達之電流以取得該電流相位。第二偵測方式可偵測流經該電阻之電流以取得該電流相位。該第一開關耦合至該第一端點、該第一比較器、以及該第二比較器。該第一比較器耦合至該第一電晶體之一端點與該第一開關，用以該偵測第一電晶體之源極與汲極間之電壓差以取得該電流相位。該第二比較器耦合至該第二電晶體之一端點與該第一開關，用以偵測該第二電晶體之源極與汲極間之電壓差以取得該電流相位。該第二開關耦合至該第二端點、該第一比較器、以及該第二比較器。該第一比較器耦合至該第三電晶體之一端點與該第二開關，用以偵測該第三電晶體之源極與汲極間之電壓差以取得該電流相位。該第二比較器耦合至該第四電晶體之一端點與該第二開關，用以偵測該第四電晶體之源極與汲極間之電壓差以取得該電流相位。該第三開關耦合至該第三端點、該第一比較器、以及該第二比較器。該第一比較器耦合至該第五電晶體之一端點與該第三開關，用以偵測該第五電晶體之源極與汲極間之電壓差以取得該電流相位。該第二比較器耦合至該第六電晶體之一端點與該第三開關，用以偵測該第六電晶體之源極與汲極間之電壓差以取得該電流相位。該多工器耦合至該第一比較器之一輸出端與該第二比較器之一輸出端，用以產生一偵測信號。該多工器可根據一選擇信號去輸出一上側開關之相位資訊或一下側開關之相位資訊，用以實現第三偵測方式。此外，該電流偵測單元耦合至該開關電路，用以產生一相位信號至該相位差處理單元，其中該相位信號表示一電流相位。

該波形處理單元可使得該馬達控制器處於一梯形波驅動模式或一正弦波驅動模式。該波形處理單元可根據一轉速資訊以決定該馬達控制器處於該梯形波驅動模式或該正弦波驅動模式。此外，該波形處理單元產生一脈寬調變信號至該控制單元，其中該脈寬調變信號具有一工作週期。該馬達控制器可根據該工作週期以調整該馬達之轉速。

該電流信號Iu與該電壓信號Vu可分別為一正弦波信號。當該電流信號Iu之電流相位處於一預定交越相位時，該馬達控制器計算該電流信號Iu之電流相位與該電壓信號Vu之電壓相位之一差值D，其中該馬達控制器用以控制該差值D。具體而言，該馬達控制器可藉由調變該差值D以穩定該馬達且避免噪音。舉例來說，當該差值D大於一預定相位差時，該馬達控制器逐漸地減小該差值D，使得該差值D等於該預定相位差。當該差值D小於該預定相位差時，該馬達控制器逐漸地增加該差值D，使得該差值D等於該預定相位差。當該差值D等於該預定相位差時，該馬達係處於一穩定狀態。該差值D可受控於一鎖相迴路控制器、一數位鎖相迴路控制器、一比例積分控制器、一比例微分控制器、或一比例積分微分控制器。舉例來說，該馬達控制器可利用該電流信號Iu之電流相位去調變該電壓信號Vu之電壓相位。該馬達控制器可藉由調整該電壓信號Vu之電氣週期以調變該差值D。當該差值D大於該預定相位差時，該馬達控制器減小該電壓信號Vu之電氣週期。當該差值D小於該預定相位差時，該馬達控制器增加該電壓信號Vu之電氣週期。因此，該馬達控制器可藉由調變該電壓信號Vu之電氣週期而知道何時該切換相位。也就是說，該馬達控制器可不需偵測一換相點而達到一換相之功能。

根據本發明之一實施例，該馬達控制器可執行一流程圖之步驟S41-S44以使該馬達順利地運轉。首先，該馬達控制器檢測該電流信號Iu之電流相位(步驟S41)。接著該馬達控制器檢查該電流信號Iu之電流相位是否處於一預定交越相位(步驟S42)。該預定交越相位可為0度、60度、120度、180度、240度、或300度。設計者可根據所需之一頻寬以決定選擇6個預定交越相位、3個預定交越相位、2個預定交越相位、或1個預定交越相位。也就是說，該馬達控制器可利用複數個預定交越相位以驅動該馬達。舉例來說，當設計者選擇6個預定之交越相位時，該頻寬為最大且因而該馬達控制器可快速地穩定該馬達。當設計者只選擇1個預定之交越相位時，該頻寬為最小且因而該馬達控制器需要較長之時間以穩定該馬達。當該電流信號Iu之電流相位處於該預定交越相位時，該馬達控制器計算該電流信號Iu之電流相位與該電壓信號Vu之電壓相位之差值D(步驟S43)。當該電流信號Iu之電流相位並非處於該預定交越相位時，該馬達控制器繼續檢測該電流信號Iu之電流相位(步驟S41)。該相位差處理單元可用以計算該電流信號Iu之電流相位與該電壓信號Vu之電壓相位之該差值D。接著該馬達控制器使得該差值D等於一預定相位差(步驟S44)。最後該馬達控制器繼續檢測該電流信號Iu之電流相位(步驟S41)。該相位差處理單元可用以調變該差值D，使得該差值D等於該預定相位差。該相位差處理單元接收該相位信號，用以產生一時間信號至該波形處理單元，其中該時間信號可表示一電氣週期時間。藉由該時間信號之資訊，該波形處理單元可調變該電壓信號Vu之電氣週期而知道何時該切換相位。因此，該馬達控制器可不需開啟一浮接相以偵測一換相點，因而可避免噪音。此外，該馬達控制器可利用一簡單之運算電路以驅動該馬達。

下文中之說明將使本發明之目的、特徵、與優點更明顯。茲將參考圖式詳細說明依據本發明之較佳實施例。

第1圖係本發明一實施例之馬達控制器10之示意圖。馬達控制器10係用以驅動一馬達M，其中馬達M可為一三相馬達。馬達控制器10具有一開關電路100、一控制單元110、一電流偵測單元120、一波形處理單元130、以及一相位差處理單元140。第2圖係本發明一實施例之開關電路100與電流偵測單元120之示意圖。如第2圖所示，開關電路100可具有一第一電晶體101、一第二電晶體102、一第三電晶體103、一第四電晶體104、一第五電晶體105、一第六電晶體106、一第一端點U、一第二端點V、以及一第三端點W，其中開關電路100耦合至馬達M以驅動馬達M。第一端點U具有一電流信號Iu與一電壓信號Vu以驅動馬達M。第一電晶體101耦合至一第四端點VCC與第一端點U而第二電晶體102耦合至第一端點U與一電阻R。第三電晶體103耦合至第四端點VCC與第二端點V而第四電晶體104耦合至第二端點V與電阻R。第五電晶體105耦合至第四端點VCC與第三端點W而第六電晶體106耦合至第三端點W與電阻R。電阻R之一端點耦合至第二電晶體102、第四電晶體104、以及第六電晶體106。電阻R之另一端點耦合至一第五端點GND。第一電晶體101、第三電晶體103、以及第五電晶體105可分別為一P型金氧半電晶體。第二電晶體102、第四電晶體104、以及第六電晶體106可分別為一N型金氧半電晶體。此外，第一電晶體101、第三電晶體103、以及第五電晶體105分別為一上側開關。第二電晶體102、第四電晶體104、以及第六電晶體106分別為一下側開關。控制單元110產生一控制信號Vc以控制開關電路100。也就是說，控制單元110可用以分別控制第一電晶體101、第二電晶體102、第三電晶體103、第四電晶體104、第五電晶體105、以及第六電晶體106之導通情形。

電流偵測單元120耦合至開關電路100與控制單元110，用以偵測一電流相位。如第1圖或第2圖所示，電流偵測單元120耦合至第一端點U、第二端點V、以及第三端點W。電流偵測單元120具有一第一比較器121、一第二比較器122、一多工器123、一第一開關S1、一第二開關S2、一第三開關S3、以及電阻R。電流偵測單元120可具有三種偵測方式。舉例來說，第一偵測方式可偵測電流信號Iu以取得電流相位。設計者也可藉由偵測第二端點V流至馬達M之電流或第三端點W流至馬達M之電流以取得電流相位。第二偵測方式可偵測流經電阻R之電流以取得電流相位。第一開關S1耦合至第一端點U、第一比較器121、以及第二比較器122。第一比較器121耦合至第一電晶體101之一端點與第一開關S1，用以偵測第一電晶體101之源極與汲極間之電壓差以取得電流相位。第二比較器122耦合至第二電晶體102之一端點與第一開關S1，用以偵測第二電晶體102之源極與汲極間之電壓差以取得電流相位。第二開關S2耦合至第二端點V、第一比較器121、以及第二比較器122。第一比較器121耦合至第三電晶體103之一端點與第二開關S2，用以偵測第三電晶體103之源極與汲極間之電壓差以取得電流相位。第二比較器122耦合至第四電晶體104之一端點與第二開關S2，用以偵測第四電晶體104之源極與汲極間之電壓差以取得電流相位。第三開關S3耦合至第三端點W、第一比較器121、以及第二比較器122。第一比較器121耦合至第五電晶體105之一端點與第三開關S3，用以偵測第五電晶體105之源極與汲極間之電壓差以取得電流相位。第二比較器122耦合至第六電晶體106之一端點與第三開關S3，用以偵測第六電晶體106之源極與汲極間之電壓差以取得電流相位。多工器123耦合至第一比較器121之一輸出端與第二比較器122之一輸出端，用以產生一偵測信號Vd。多工器123可根據一選擇信號Vs去輸出一上側開關之相位資訊或一下側開關之相位資訊，用以實現第三偵測方式。設計者可根據實際需求去實現三種偵測方式、三種偵測方式之其中兩種偵測方式、或三種偵測方式之其中一種偵測方式。此外，電流偵測單元120耦合至開關電路100，用以產生一相位信號Vph至相位差處理單元140，其中相位信號Vph表示一電流相位。

波形處理單元130可使得馬達控制器10處於一梯形波驅動模式或一正弦波驅動模式。波形處理單元130可根據一轉速資訊以決定馬達控制器10處於梯形波驅動模式或正弦波驅動模式。此外，波形處理單元130產生一脈寬調變信號Vpu至控制單元110，其中脈寬調變信號Vpu具有一工作週期(Duty Cycle)。馬達控制器10可根據工作週期以調整馬達M之轉速。

第3圖係本發明一實施例之時序圖，其中電流信號Iu與電壓信號Vu分別為一正弦波信號。當電流信號Iu之電流相位處於一預定交越相位時，馬達控制器10計算電流信號Iu之電流相位與電壓信號Vu之電壓相位之差值D，其中馬達控制器10用以控制差值D。具體而言，馬達控制器10可藉由調變差值D以穩定馬達M且避免噪音。舉例來說，當差值D大於一預定相位差時，馬達控制器10逐漸地減小差值D，使得差值D等於預定相位差。當差值D小於預定相位差時，馬達控制器10逐漸地增加差值D，使得差值D等於預定相位差。當差值D等於預定相位差時，馬達M係處於一穩定狀態。差值D可受控於一鎖相迴路(Phase Lock Loop)控制器、一數位鎖相迴路(Digital Phase Lock Loop)控制器、一比例積分(Proportional-Integral)控制器、一比例微分(Proportional-Derivative)控制器、或一比例積分微分(Proportional-Integral-Derivative)控制器。設計者可採用上述其中一種控制器以調變差值D。舉例來說，馬達控制器10可利用電流信號Iu之電流相位去調變電壓信號Vu之電壓相位。馬達控制器10可藉由調整電壓信號Vu之電氣週期以調變差值D。設計者亦可藉由調整其他參數以調變差值D。當差值D大於預定相位差時，馬達控制器10減小電壓信號Vu之電氣週期。當差值D小於預定相位差時，馬達控制器10增加電壓信號Vu之電氣週期。因此，馬達控制器10可藉由調變電壓信號Vu之電氣週期而知道何時該切換相位。也就是說，馬達控制器10可不需偵測換相點而達到一換相之功能。此外，預定相位差與馬達之轉速相關。一般來說，當馬達之轉速越大時，預定相位差越小。馬達控制器10可利用一查表法(Look-Up Table)以儲存預定相位差與馬達之轉速之關係。綜上所述，馬達控制器10可不需開啟浮接相，因而可避免噪音。也就是說，馬達控制器10可不需偵測一反電動勢且電壓信號Vu可與反電動勢無關，因而本發明之技術可與反電動勢無關。馬達控制器10可利用一簡單之運算電路以驅動馬達M。

第4圖係本發明一實施例之流程圖。首先，馬達控制器10檢測電流信號Iu之電流相位(步驟S41)。接著馬達控制器10檢查電流信號Iu之電流相位是否處於一預定交越相位(步驟S42)。預定交越相位可為0度、60度、120度、180度、240度、或300度。設計者可根據所需之頻寬以決定選擇6個預定交越相位、3個預定交越相位、2個預定交越相位、或1個預定交越相位。也就是說，馬達控制器10可利用複數個預定交越相位以驅動馬達M。舉例來說，當設計者選擇6個預定之交越相位時，頻寬為最大且因而馬達控制器10可快速地穩定馬達M。當設計者只選擇1個預定之交越相位時，頻寬為最小且因而馬達控制器10需要較長之時間以穩定馬達M。當電流信號Iu之電流相位處於預定交越相位時，馬達控制器10計算電流信號Iu之電流相位與電壓信號Vu之電壓相位之差值D(步驟S43)。當電流信號Iu之電流相位並非處於預定交越相位時，馬達控制器10繼續檢測電流信號Iu之電流相位(步驟S41)。相位差處理單元140可用以計算電流信號Iu之電流相位與電壓信號Vu之電壓相位之差值D。接著馬達控制器10使得差值D等於一預定相位差(步驟S44)。最後馬達控制器10繼續檢測電流信號Iu之電流相位(步驟S41)。相位差處理單元140可用以調變差值D，使得差值D等於預定相位差。也就是說，相位差處理單元140可具有鎖相迴路控制器、數位鎖相迴路控制器、比例積分控制器、比例微分控制器、或比例積分微分控制器以控制差值D。此外，相位差處理單元140亦可具有查表法以儲存預定相位差與馬達之轉速之關係。相位差處理單元140接收相位信號Vph，用以產生一時間信號Vt至波形處理單元130，其中時間信號Vt可表示一電氣週期時間。藉由時間信號Vt之資訊，波形處理單元130可調變電壓信號Vu之電氣週期而知道何時該切換相位。具體而言，當馬達M之轉速改變時，馬達控制器10會再次執行流程圖之步驟S41-S44以使馬達M順利地運轉。

根據本發明之一實施例，馬達控制器10可應用於一無感測器馬達。此外，馬達控制器10亦可應用於一單相馬達、一多相馬達、一無刷馬達、或一直流馬達。總結來說，當電流信號Iu之電流相位處於一預定交越相位時，馬達控制器10計算電流信號Iu之電流相位與電壓信號Vu之電壓相位之差值D。馬達控制器10調變差值D，使得差值D等於一預定相位差。馬達控制器10可不需開啟一浮接相而達到一換相之功能。馬達控制器10可不需偵測一反電動勢而達到一換相之功能。因此，馬達控制器10可利用一簡單之運算電路以驅動馬達M且避免噪音。

雖然本發明業已藉由較佳實施例作為例示加以說明，應瞭解者為：本發明不限於此被揭露的實施例。相反地，本發明意欲涵蓋對於熟習此項技藝之人士而言係明顯的各種修改與相似配置。因此，申請專利範圍應根據最廣的詮釋，以包含所有此類修改與相似配置。以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10:馬達控制器 100:開關電路 110:控制單元 120:電流偵測單元 130:波形處理單元 140:相位差處理單元 Vc:控制信號 Vpu:脈寬調變信號 Vt:時間信號 Vph:相位信號 U:第一端點 V:第二端點 W:第三端點 VCC:第四端點 GND:第五端點 101:第一電晶體 102:第二電晶體 103:第三電晶體 104:第四電晶體 105:第五電晶體 106:第六電晶體 121:第一比較器 122:第二比較器 123:多工器 S1:第一開關 S2:第二開關 S3:第三開關 R:電阻 M:馬達 Vs:選擇信號 Vd:偵測信號 Iu:電流信號 Vu:電壓信號 D:差值 S41,S42,S43,S44:步驟

第1圖係本發明一實施例之馬達控制器之示意圖。第2圖係本發明一實施例之開關電路與電流偵測單元之示意圖。第3圖係本發明一實施例之時序圖。第4圖係本發明一實施例之流程圖。

10:馬達控制器

100:開關電路

110:控制單元

120:電流偵測單元

130:波形處理單元

140:相位差處理單元

Vc:控制信號

Vpu:脈寬調變信號

Vt:時間信號

Vph:相位信號

U:第一端點

V:第二端點

W:第三端點

M:馬達

Claims

一種馬達控制器包含：一開關電路，耦合至一馬達，用以驅動該馬達；以及一控制單元，用以產生一控制信號以控制該開關電路，其中該馬達控制器用以產生一電流信號與一電壓信號，當該電流信號之一電流相位處於一預定交越相位時，該馬達控制器計算該電流信號之該電流相位與該電壓信號之一電壓相位之一差值，該馬達控制器用以控制該差值。
如申請專利範圍第1項所述之馬達控制器，其中該馬達控制器不需開啟一浮接相而達到一換相之功能。
如申請專利範圍第1項所述之馬達控制器，其中該馬達控制器不需偵測一反電動勢而達到一換相之功能。
如申請專利範圍第1項所述之馬達控制器，其中該差值係受控於一鎖相迴路控制器。
如申請專利範圍第1項所述之馬達控制器，其中該馬達控制器藉由調整該電壓信號之一電氣週期以調變該差值。
如申請專利範圍第5項所述之馬達控制器，其中當該差值大於一預定相位差時，該馬達控制器減小該電壓信號之該電氣週期。
如申請專利範圍第5項所述之馬達控制器，其中當該差值小於一預定相位差時，該馬達控制器增加該電壓信號之該電氣週期。
如申請專利範圍第1項所述之馬達控制器，其中該馬達控制器調變該差值，使得該差值等於一預定相位差。
如申請專利範圍第8項所述之馬達控制器，其中該預定相位差與該馬達之一轉速相關。
如申請專利範圍第9項所述之馬達控制器，其中當該馬達之該轉速越大時，該預定相位差越小。
如申請專利範圍第1項所述之馬達控制器，其中該預定交越相位為0度、60度、120度、180度、240度、或300度。
如申請專利範圍第1項所述之馬達控制器，其中該馬達控制器藉由調變該差值以穩定該馬達。
如申請專利範圍第1項所述之馬達控制器，其中該馬達控制器藉由調變該差值以避免噪音。
如申請專利範圍第1項所述之馬達控制器，其中該馬達控制器更包含一電流偵測單元，該電流偵測單元包含一電阻，該電阻耦合至該開關電路。
如申請專利範圍第1項所述之馬達控制器，其中該馬達控制器更包含一電流偵測單元，該電流偵測單元包含一第一開關，該第一開關耦合至該開關電路。
如申請專利範圍第15項所述之馬達控制器，其中該電流偵測單元更包含一第一比較器，該第一比較器耦合至該第一開關。
如申請專利範圍第15項所述之馬達控制器，其中該電流偵測單元更包含一第二開關，該第二開關耦合至該開關電路。
如申請專利範圍第1項所述之馬達控制器，其中該馬達控制器更包含：一相位差處理單元；以及一電流偵測單元，耦合至該開關電路，用以產生一相位信號至該相位差處理單元。
如申請專利範圍第18項所述之馬達控制器，其中該相位差處理單元包含一鎖相迴路控制器以控制該差值。
如申請專利範圍第18項所述之馬達控制器，其中該馬達控制器更包含一波形處理單元，該相位差處理單元接收該相位信號，用以產生一時間信號至該波形處理單元。
如申請專利範圍第20項所述之馬達控制器，其中該波形處理單元使得該馬達控制器處於一梯形波驅動模式或一正弦波驅動模式。
如申請專利範圍第21項所述之馬達控制器，其中該波形處理單元根據一轉速資訊以決定該馬達控制器處於該梯形波驅動模式或該正弦波驅動模式。
如申請專利範圍第20項所述之馬達控制器，其中該波形處理單元產生一脈寬調變信號至該控制單元，該脈寬調變信號具有一工作週期，該馬達控制器根據該工作週期以調整該馬達之一轉速。
如申請專利範圍第1項所述之馬達控制器，其中該電壓信號與一反電動勢無關。
如申請專利範圍第1項所述之馬達控制器，其中該馬達控制器利用複數個預定交越相位以驅動該馬達。
如申請專利範圍第1項所述之馬達控制器，其中該馬達控制器係應用於一無感測器馬達。
如申請專利範圍第1項所述之馬達控制器，其中該馬達控制器係應用於一單相馬達、一多相馬達、一無刷馬達、或一直流馬達。