TWI297973B - - Google Patents
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Classifications
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- H—ELECTRICITY
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- H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
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Description
1297973 八、發明說明: 【發明所屬之技#ί領域】 本案係指一種無刷直流馬達之控制方法及控制電路,尤指一 種無須使用霍爾效應偵測器(Hall_effect sens〇r)的單相(single_phase) 無刷直流馬達(brushless DC motor,BLDCM)之控制方法及控制電 路0 【先前技術】
一般的單相無刷直流馬達必須藉由同步於轉子(r〇t〇r)之位置 的電々IL換向k號以維持正常的運作,在大部份的應用場合中會 在該馬達内使用一霍爾效應偵測器用以偵測轉子的位置。 霍爾效應摘測器本身具有極易受到溫度變化而影塑元件表現 的缺點,因此將其麵於馬達内亦會使得採用該馬達^統在相 對於環境變化(特別是溫度變化)方面的表現能力不如預期,此外, 在f達内使用霍爾效應侧H還會產生增加馬達的尺寸大小以及 提高生產的成本等問題。 技術當中6經提出了數種使用偵測轉子位置之霍爾效應 達及其控制方法,第―®即為魏技術巾—種單相無 刷直机馬達之定子與轉子的結構剖面圖。 為了儘量避免使用霍爾效應偵測器,傳統技術更提出了一種 ,用摘測線圈的方法,請參閱第二圖,其為美國專利仍〇71 ϊϊίϊίίΐ鮮她刷直流馬達之定子鱗子的結構剖面圖; 圖中的結構係由驅動繞組4、侧線圈5、氣室8、轉子9、轉軸 ^告,口 ^以及定子12所構成。其中’驅動繞組4係纏繞於定 2測線圈5縣纏繞於定子12的附加齒卜在此種結 線圈5係具有—極大的線’數,其可提供一極高且 ϊ eieetrie m°tive f°rce,bemf)訊息的信 到反電動勢。再藉由—控制器根據_線 _所產生的槪麵簡成功地對馬達進行控制。 然而’這種技術由於必須在定子12上額外製作附加齒i以供 1297973 偵測線圈5的纏繞,因此會使得馬達的結構趨於複雜,同時因為 附加齒1的存在,亦會減少驅動繞組4的設置空間,影響到馬達 的運作表現。 請參閱第三圖,其為傳統技術中使用霍爾效應偵測器時馬達 之反電動勢的信號與定子繞組之電樞(arm atur e)電流之間關係的示 ,圖。由圖中可看出,其係經由S1及S2兩個步驟以控制該馬達;在 每個步驟中,控制器係自霍爾效應偵測器獲得反電動勢信息並加 以分析’以得到轉子的位置,接著藉由控制定子之私橋田七灿辟) 上的四個開關使得電樞電流與該反電動勢之信號間呈現出第三圖 所示之關係;亦即,電樞電流與馬達之反電動勢的相位一致。 職是之故,申請人鑑於習知技術中使用霍爾效應偵測器之技 術、以及欲規避使用霍爾效應偵測器之技術所產生之缺失,經過 悉心试驗與研究,並一本鍥而不捨之精神,終構思出本案「無刷 直流馬達之控制方法及控制電路」,以下為本案之簡要說明。 【發明内容】 本案之目的為提出一種單向無刷直流馬達控制方法及控制電 路,f不但無須使用霍爾效應偵測器,亦無須增加額外的線圈, 僅憑藉控制電路及控制方法的特殊設計即可完成電機換向使 達正常運行。 本案之構想為提出-種錢使職爾效應侧⑽單向益刷 直ίί達及其㈣方法和控制電路,其可改善傳統技術中使用霍 爾^:應制器控制馬達時所產生易受到環境(溫度)變化之影響的 題:以及使用侧線圈取代霍爾效應侧^時所造成馬達結構 趨於殺雜和減少繞組之設置空間的問題。 本案之構想’提出—種單向無刷直流馬達之控制方法及 控Ιίϊ ’仙馬達敝分時復㈣方法先將馬達繞組當作驅動 ίϊ 4期間ί载電流流過繞組從而産生驅動轉矩使的馬達旋 t ί 繞組當作_元件使用,期間繞組内電流幾ΐ 為零’耻_11可__賴分㈣ ^ 1297973 由調整控制參數並和進行換向,以控制該單向無刷直流馬達。
根據本案之構想,提出一種無刷直流馬達之控制方法,該無 刷直流馬達包括一換流器、一定子及一轉子,該定子具有一繞組 该轉子轉動時會於該繞組中產生一反電動勢,該控制方法包括下 列步驟··(a)控制該換流器使得具有一第一方向的一第一電流至該 繞組使得该轉子旋轉;(b)於一第一時刻切斷該換流器上該第一電 流所流經的迴路,該繞組中該第一電流經由續流迴路衰減,該第 電肌於二第二時刻變為零;(c)測量該繞組之端電壓即為該反電 ^獲得該反電動勢變為零的—第三時刻;(d)該控制器根據 該第三時刻與該第二時刻之關係調整該第一時刻大小,並於一第 四時刻使用具有-第二方向的—第二電流重覆上述步驟。 根據上述構想,其中該第一方向係與該第二方向相反。 根據上述構想,其巾該帛二時収該控制酿電流檢測得出 該第一電流為零之時刻。 根據上述構想’其中該第二時刻是該控制器在該第一時刻後 運作一恰當延時程序後的時刻。 根據上述構想,其中該第四時刻滿足:若該第三時刻早於該 ^時刻,則該第四時刻等於該第二時刻;以及若該第三時刻晚於 該弟二時刻,則第四時刻等於該第三時刻。 根據上述縣,其巾該第四時刻在該無刷直流馬達運轉於高 速日^滿足:若該第三時刻早於該第二咖,順第四_等於該第 U及若該第三時刻晚於該第二時刻,則該第四時刻稍早於 λ 一時刻且該無刷直流馬達之轉速越高,該第四時刻提早越 ,據土述縣,其巾該無刷直流馬達縣—單她刷直流馬 達,其驅動方案為雙極性驅動。 艮想,其中步驟⑷係以下列步驟調整該第一時刻之 〜紅時刻早於該第三時刻,則降低該第—時刻之數值; 二巧晚於該第二時刻但延遲時間不超過—預定值,則保 符该第一時刻之數值;以及若該第三時刻晚於該第二時刻且延遲 1297973 時間超過該預定值,則升高該第一時刻之數值。 根據上述構想,其中該預定值為零或稍大於零。 根據本案之另-構想,提出_種無刷錢馬達之路, 该無刷直流馬達包括-定子及-轉子,該定子具有―植組 子轉動時會於該繞組中產生—反電動勢(BE ‘包/ =源供應電路,賴供應-具有—第―方向的—^電^^參 二Ϊ”組及該電源供應電路,該第-電流係經由該 切換而被提供至該繞組、接著再經由該換流器的切換而 ίΐίί提供至該^;-反電動勢侧電路’電連接於賴組及該 结量該第—電流停止後、該繞組内電流變成零時該 %組的一铋電壓(terminal v〇ltage);以及一控制器,電連接於詨 源供應電路、該換流狀該反電動勢侧電路,用以該^ 壓以獲得飯魏勢航信息,以控繼無刷直流馬達。 根據上述構想,其中該換流器係由四個開關所構成。 根據上述構想,其中該電源供應電路係由二極 容之至少-撕構成。 股電阻及電 根據上述構想,其巾該反f轉侧電路係為—比較 一分壓保護電路,其係由二極體及電阻所構成。 / 根據上述構想,其中該換流器係於一第一時刻停止提供該 電流’該繞組内電流係於-第二時刻變成零,且該反電動勢 於一第三時刻變成零,而該控制器係根據該第二時刻與該第三時 刻之間的三種關係,調整該第一時刻之數值。 、一、 根據上述構想,其中该控制器係於一第四時刻進行換内 (commutation) ’控制該換流器的切換使得該電源供應電路供給^ 繞組,使其具有與換向前電流方向相反的另一方向之電流。 根據上述構想,其中二種關係如下:(a)若該第三時刻早於該 一時刻,该控制器即降低該第一時刻之數值,立即切換該換流器 以提供另一方向之電流給該馬達;(b)若該第三時刻晚於該第二日" 刻但延遲時間不超過一預定值,該控制器保持該第一時刻不變, 並於一第四時刻切換該換流器並開始提供另一方向之電流給該馬 1297973 達;以及(C)若該第三時刻晚於該第二時刻且延遲時間超過一該預 定值,該控制器提高該第一時刻,並於第四時刻切換該換流g並 開始提供另一方向之電流給馬達。 ' σ 根據上述構想,其中該控制器更根據該轉子的一旋轉速产決 疋該第四時刻係小於或等於該第三時刻。 根據上述構想,其中該感應電動勢偵測電路係為一比較電路 (comparator circuit) ° 根據上述構想,其中該感應電動勢偵測電路係為一類比_ 轉換電路。 ' 本案得藉由下列圖式及詳細說明,俾得更深入之了解· 【實施方式】 ㈣ti所效應偵測器的單向無刷直流馬達之 i、#其二丄ί*達t疋子結構的轉(H-bridge)上設置一控制電 料魏組分喊離·winding 反電動ϊυϊϊ信說’使用控制器控制換流器(inverter),當 巧動勢的絕對值極大時,在馬魏_注人—方向與反 i對流’使得馬達繞組成為—驅動元件;而當反電動勢的 制達繞組幾乎不具電流而成為—伽1]元件’ 地運ί 錢行錢換向,使得賴喊效率穩定 ^無刷直流馬達之控制方法 方法^t上f下依序為本案無刷直流馬達之控制 如圖所示,本幹、以及繞組電流之_的示意圖。 八個步驟⑽個完整的㈣職可分為SKS8等 週期則,由步驟S5〜f8所^半週她括步驟S1.,而第二半 a半週摘步驟S1之中,控制器係控繼流器使得與反 1297973 電動勢方向-致的一第一方向電流在時間τ如 ί施供應電壓會 應該電源峨 =====漸辑;然后, 而仅姓絲‘、、電’瓜成乎為零而馬達則因為本身的慣性(inertia) 生的端電壓正好係為轉子轉動時於繞“產 心’取後,根據該反電動勢的情況調整—的大小 、'在反電動勢鱗時做祕向,從而進人下半個控制週期。 雷叙it辆朗步驟s5之中,鋪器係控糖細吏得與反 期門雷二方向電流在時間τ〇η内流過馬達’在此 麵會被施加於該馬達;接著,換流器中的所有開 關曰被關閉,以停止供應該電源供應電壓至該馬達,由於缺 組的電感,使得繞組中的電流會在步驟% __逐漸降至^ 然後’在步驟S7和S8的時間内,繞組中的電流幾乎為零而馬^ 則因為本身的慣性而保持轉動,此時繞組的端電壓正好係為轉子 轉動時於繞組中產生的反電動勢,因此控制器便可以藉由測量該 端電壓而獲得電機反電動勢的信息,最後,根據該反電動勢情況 調整Ton大小並在反電動勢過零時做出換向,從而進入 週期。 利 在第一半週期内,在繞組電流變為零的步驟S2之後,控制器 便能夠藉由偵測繞組的端電壓而獲得電機反電動勢的信息,在& 得反電動勢的信息之後,會發現反電動勢與電流二者之^呈右^ 第五圖所示般三種可能的關係: ⑴當反電動勢和繞組電流的關係如第五圖⑹所示般,在電流 變為零之後控制器藉由偵測繞組端電壓而發現反電動勢已經過 零,亦即反電動勢的方向與在此之前的電流方向不同,這代表施 加該電源供應電壓的時間Ton過長;因此,控制器在縮短時間τ〇η 的同時亦立即控制換流器對電機進行換向,使得另一方向的電流 1297973 流經繞組,並以更新後的Ton值進入控制方法的下一半週期。 、(2) ^反電動勢和繞組電流的關係如第五圖(a)所示般,在電流 變為零之後控制器藉由偵測繞組端電壓而發現反電動勢尚未過 零,亦即反電動勢的方向與在此之前的電流方向相同,而且反電 動勢一直到S4的期間内才過零。這代表施加該電源供應電壓的時 間Ton過短,因此’控制器將在延長時間τ〇η的同時亦不斷摘測反 電動勢直到發現反電動勢過零後,才控制換流器對電機進行換 向,使得另一方向的電流流經繞組,並以更新後的τ〇η值進入 制方法的下一半週期。 *、(3)當反電動勢和繞組電流的關係如第五圖(b)所示般,在電流 變為零之後控制H藉由侧繞組端龍而發現反電動勢尚未過 零’亦即反電動勢的方向與在此之前的電流方向相同,而且反 ,勢係在S3 __過零。這代表施加該電源供應賴的時間 n小剛好;因此’控制器會保持時間Ton *變,並不斷制反 A f直到發現反電動勢過零後’才控制触輯電機進行換 組’並以更新後的τ〇η值進入控 ,樣地,在第二半週細’在敝紐變為零的S , 述相同的方法_繞組的端電壓而獲得反 動勢和繞組電流二者之間,樣會發現反電 關係,此時控制器便可採用和在第种相同的可能 調整Ton α及對電機進行換向弟+週』中相同的控制策略來 藉由上述控制策略的調整,ρ^查少 零點將僅會出現在S3或S7的期仃時反電動勢的過 是為了增強系統的穩態運行性能。當铁,二tS3 = S7^目的 間長度tl可峨定雜短、甚至為3 ^S7本身的時 因此,綜合了上述第一半週^ 便能夠使得馬達在各種環境狀況之下週期的控制方法, 1297973 ,無刷直流馬達之控制電路第一實施例 第圖係為本案無刷直流馬達及其控制電路第一實施例之電 ,無刷直流馬達之控制電路係由開關G1〜G4所構成的換 “、電阻R1〜R3、電容C、二極體D、比較電路、以及控制哭 ίΪ^ί中的控制器會發送控制信號Ή、T2至換流器以控制^ 換抓盗中的開關G1〜G4,另外,電阻R1〜R3的阻值以及 中,阻的阻值皆遠大於繞組的電阻阻值(亦即,繞组的電阻阻值可 以省略不計)。 根據前述之控制模式以控制該換流器中的開關G1〜G4,便能 夠在馬達繞組中注入驅動電流使得轉子轉動。在運作期 =乎雜€源供應賴W,緊歸#所有賴關ί被 ,容C充電’因此電壓Ve將會—直增加直職財4流|:
Ve ^ C t^ieakage current) 而逐漸減少;也就疋說,當電壓Ve到達極大值時 恰好減少至零。-般來說,繞組中的電流越大,電壓Vet 也就越大,因此,控制器可藉由分析所輸入標示Vi的電壓 電源供應量、電_ ZCP、甚至是躲大小;而#繞 = 時,周為電阻R1的-端係連接於地,因此第六圖中^示電 點的電壓便為馬達餘端賴,其可反應出反電動勢的
時V2經由圖中的比較電路即可輸出反電動勢的過零點信阜V 控制器。是故,控制器根據Vi、V3便可暸解到馬達繞組中^ 以及反電動勢的情況,從而可根據兩者_係調整τ。 抓 並送出控制信號Ή、T2以控制換流器,使得馬達穩定地杆^ 請參閱第七圖’其顯示第六圖之電壓Ve的時序變化 期間’電源電壓施加到馬達繞組上,此時的Ve等於% ^ 乎等於電源供應電壓Vcc ;在K2期間,換流器的所有 j 都關閉’由於馬達電感和二極體D的影響,繞细電流 , 續流電流將會龍容C充電,於是Ve稍敎,# Ve達^大 Λ 12 1297973 巧Vb時代表馬達繞組中的電流已經減至零;之後的幻期間換流 器的開關依細閉,而電容端電壓%顧電容本身 而 極大值Vb開始慢慢衰減。 —從 ◎無刷直流馬達之控制電路第二實施例 請參閱第八®,其為本案無刷錢馬達及其控制電 施例之電路圖,圖中的電路大部份與第六圖相同,惟一 在於將比較電路以域阻R4〜R6和二極體D1所構成的—分 濩電路取代。因此,當敝電流林時、控継麟從標示 ,壓處藉由控制器中喃比數位轉換器獲得反鶴勢之數位值。 控制ϋ便可峨知反電轉的數健,而根據該值 向決桌以及調整相關的控制參數。這種基於反電動勢之實際值 t法更加靈活,因為其可根據馬達轉速的情況調節馬達的換 角,在馬達高速運轉日夺進行超前換向以輸出較大轉矩,並在馬 低速運轉時在反電動勢的過零點處換向,⑽證其以最高效率運 轉0 ◎無刷直流馬達之控制電路第三實施例 請參閱第九圖,其為本案無刷直流馬達及其控制電路第三 施例之電路圖,其中控制器會發送控制信號T1〜T4至換流器= 別控制該換流II巾關關G1〜G4,而®巾的電阻阻值依欽遠大於 馬達繞組本身的電阻值。本實施例和前述之實施例不同之處在於: (1) 換流器上的四個開關係分別使用四個彼此獨立的 ^ 丁 1〜Τ4進行控制。 (2) 續流電流流經的路線不同;亦即,續流期間η橋上開 或G4導通,因此續流電流會直接通過換流器的内部。 ㈣⑶當繞組電流變為零後,控制信號Τ4使得開關G4導通,因 ^點VI相當於接地,從而V2處的電壓即為馬達繞組端電壓, =壓在繞組電流為零鱗於馬達的反電動勢。是故,V2經 屮分壓和保護之後輸出的V3即為反電動勢信號。控制器藉 比-數位轉換即可獲得反電動勢信息。 (4)電流過零點的彳貞測方法不㈤;由於馬達的電氣辆常數报 13 1297973 小,因此馬達電流的續流時間很短,這裏在進入電流續流後控制 器運行一段延遲程序,延遲一段時間後即認為電流減小至零,從 而開始偵測反電動勢信息。
◎無刷直流馬達之控制電路第三實施例 谷月參閱第十圖’其為本案無刷直流馬達及其控制電路第四實 施例之電路圖,圖中的反電動勢偵測電路可採用與第六圖、第八 圖、或第九圖的中的任意一種,圖中各電阻阻值均遠大於馬達繞 組之電阻值,二極體D4用於鉗制電壓Vi,使其不大于+5V。本g 施例和前述之實施例不同之處在於: 貝 (1)這長的電流過零點债測是藉由第十圖中Vi的電位跳變戋 ^程序來實現。圖中當G2、G4導通時,電流經n流過電路二此 ,VI經導通的G4接地’因此Vi為低電位;之後所有開關會關閉, 由於馬達紐的影響,馬達餘巾的電顧^沿著1;2所示之 ,行續流,此時電壓VI _於電源賴(―般來說遠高於+5V, f m钳制之下此_ Vi將輸出約為+5V的高電位。續流 ^ J阻R5將V!的電位重新細低電位。因此在續流過程中合 測到Vi電位從高電位跳變為低電位時即可判斷此時“ 、=、=的電雜為零。㈣n會將本續蘭間Vi轉高電位的 來。而ί接iJ來的另一半控制週期中,控制器在令G1、 端安組的 ⑶控制器根據Vi、V3上所獲得的栌自八把心山值 反電動勢的情況,採用前述控制策的電流以及 馬達進行換向,使得馬達_=彳=雜1縣恰當時刻對 控制; 14 1297973 ί 細轉,_止提供該 電 組内電流變成零時該繞組的—端丨測量該繞 換流,以繼續控制該無刷直流馬。整的長的並進行 線圈本===效應偵測器’亦無須增加額外的 時復 f成反f動勢之電源供應電壓的持續Ιΐϊϊ 間的目的,維持無刷直流馬達的運轉 由υ技藝之人士任顧思而為諸般修飾,秋比$ 脫如附申請專利範圍所欲保護者。 ^飾…、白不 【圖式簡單說明】 傳統技術中-種單相無刷直流馬達之定子與轉子的結構 傳統技射—鮮相無流騎之定子娜子的結構 第三圖:傳統技術中使用霍爾效應偵測器利 =勢信號時、反電動勢信號與定子繞纽之電Κ流之:: 第四圖:本案無刷直流馬達之控制方法中反 壓、以及繞組電流之關係的示意圖; 勢電、%、、且碥電 ^五圖〗本案無刷錢馬達之控制方法巾反軸勢縣與電济 二種可能關係的示意圖; ”1之 ίϋί無刷直流馬達及其控制電路第-實施例之電路圖; 弟七圖·第六圖之電壓Ve的時序變化圖· ’ Ϊ2: ίί無刷直流馬逹及其控制電路第二實施例之電路圖; 第九圖:本案無刷餘馬達及其控制電路第三實施例之電: 第十圖:本案無刷直流馬達及其控制電路第四實施例之電t圖· 15 1297973 以及 第十一圖:本案無刷直流馬達之控制方法的流程圖。 【圖式符號說明】 I、 2磁極 3 ' 6、7磁場 4驅動繞組 5偵測線圈 8氣室 9轉子 10轉軸 11開口 12定子 S1〜S8步驟 Ton時間長度 t時間 e反電動勢 u繞組電壓 i繞組電流 Vcc電源供應電壓 D、D卜D4二極體 C電容 R1〜R7電阻
Ve、Vi、VI〜V3節點電壓 G1〜G4開關 T1〜T4控制信號 II、 12電流路徑
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