TWI384748B

TWI384748B - 用於一馬達之驅動方法及其相關驅動裝置

Info

Publication number: TWI384748B
Application number: TW098111269A
Authority: TW
Inventors: Kun Min Chen; Ming Jung Tsai; Sung Ming Lai; Ching Sheng Li; Ching Shan Lu
Original assignee: Anpec Electronics Corp
Priority date: 2009-04-03
Filing date: 2009-04-03
Publication date: 2013-02-01
Also published as: US20100253259A1; TW201037962A; US8080955B2

Description

用於一馬達之驅動方法及其相關驅動裝置

本發明係指一種用於一馬達之驅動方法及其相關驅動裝置，尤指一種可降低製造成本，並避免外在干擾，使馬達的效能更佳化的驅動方法及其相關驅動裝置。

電腦系統為現代資訊社會最重要的硬體基礎之一，隨著電腦系統運算速度的日益提升，電腦系統中各電路(尤其是中央處理器)在高速運作下所產生的熱能也就越高。要有效地逸散這些熱能，才能維持電腦系統穩定地持續運作。因此，在電腦系統中，免不了需設置多個散熱風扇，以減低中央處理器、顯示卡等裝置的溫度。散熱風扇係由馬達帶動，產生空氣流動，進而達到散熱的目地。一般而言，馬達的轉動是透過改變馬達轉子上線圈的電流方向及電流大小，產生不同大小、極性的磁力，進而與馬達定子上的永久磁鐵產生相吸或相斥的作用力，使得馬達轉動。

當散熱風扇轉動時，除了散熱風扇所產生的風切聲外，馬達所產生的高頻噪音亦會引起使用者的困擾。因此，為了有效降低馬達的噪音，習知技術已發展出許多不同的控制方法及對應的控制電路，用以平緩地改變馬達的轉速。請參考第1圖，第1圖為習知用於一馬達之一驅動電路10的示意圖。驅動電路10用來控制馬達之一線圈12的電流大小，其包含有一霍爾感測器(Hall Sensor)100、一前置放大電路102、一第二級放大電路104及一增益決定單元106。霍爾感測器100用來感測馬達轉子的磁極位置，並將感測結果轉換為電壓型式之差動磁極感測訊號H₊ 、H_- ，並傳送至前置放大電路102，則前置放大電路102可將差動磁極感測訊號H₊ 、H_- 初步放大後，輸出至第二級放大電路104。第二級放大電路104根據增益決定單元106所輸出之訊號，將前置放大電路102之輸出再次放大，以輸出電壓OUT1、OUT2至線圈12，進而驅動馬達。

詳細來說，請繼續參考第2圖，第2圖為第1圖中差動磁極感測訊號H₊ 、H_- 與電壓OUT1、OUT2之時序示意圖。由第2圖可知，藉由增益決定單元106之運作，當差動磁極感測訊號H₊ 、H_- 之電壓差大於20mv時，第二級放大電路104輸出飽和之電壓OUT1、OUT2，即5v；而當差動磁極感測訊號H₊ 、H_- 之電壓差小於20mv時，第二級放大電路104所輸出之電壓OUT1、OUT2係與差動磁極感測訊號H₊ 、H_- 呈一倍數G之關係，即

OUT1=G×(H₊ -H_- )，

OUT2=G×(H_- -H₊ )。

其中，倍數G係為前置放大電路102與第二級放大電路104之增益乘積，在此例中，G=250。

透過上述方式，電壓OUT1、OUT2係平緩地變化，使得線圈12上之電流在換態的過程中(即t1至t2的時段)斜率變化緩慢，因而可降低馬達噪音。這種方法雖能有效降低馬達噪音，但在硬體實現上卻有許多困難之處。以第2圖為例，當差動磁極感測訊號H₊ 、H接近零交越點時，表示霍爾感測器100所能感測到的磁場強度較小，因此在實現的電路上，必需提高靈敏度，以避免馬達或外界雜訊等干擾影響電壓OUT1、OUT2的波形。在此情形下，若以單晶片實現驅動電路10時，霍爾感測器100必需以外接方式，使用不同製程的技術，以提高靈敏度。如此一來，勢必造成製造成本的增加。

因此，本發明之主要目的即在於提供一種用於一馬達之驅動方法及其相關驅動裝置，以改善習知技術的缺點。

本發明揭露一種用於一馬達之驅動方法，包含有感測該馬達之一轉子的磁性變化，以產生一磁極感測訊號；根據該磁極感測訊號，判斷該馬達之換態時間，以產生一判斷結果；以及根據該判斷結果，調整輸出至該轉子之一線圈的電壓。

本發明另揭露一種用於一馬達之驅動裝置，包含有一磁極感測器，用來感測該馬達之一轉子的磁性變化，以產生一磁極感測訊號；一換態時間判斷單元，用來根據該磁極感測訊號，判斷該馬達之換態時間，以產生一判斷結果；以及一驅動單元，用來根據該換態時間判斷單元之該判斷結果，調整輸出至該轉子之一線圈的電壓。

請參考第3圖，第3圖為本發明實施例用於一馬達之一驅動流程30之示意圖。驅動流程30包含以下步驟：

步驟300：開始。

步驟302：感測該馬達之一轉子的磁性變化，以產生一磁極感測訊號。

步驟304：根據該磁極感測訊號，判斷該馬達之換態時間，以產生一判斷結果。

步驟306：根據該判斷結果，調整輸出至該轉子之一線圈的電壓。

步驟308：結束。

根據驅動流程30，本發明係根據磁極感測訊號，判斷馬達的換態時間，並據以調整輸出至馬達線圈之電壓。由於在馬達之換態時間中，輸出至線圈的電壓需線性變化，並與差動磁極感測訊號之差呈一定倍數關係，因此，當判斷出馬達之換態時間後，本發明即可根據換態時間發生的時點，調整輸出至線圈的電壓，使其呈線性變化。換句話說，本發明不是直接將差動磁極感測訊號之差放大，而是先判斷出馬達之換態時間，再據以決定輸出至線圈的電壓，使得在馬達之換態時間中，輸出至線圈的電壓係線性變化，而在非馬達之換態時間，則輸出固定大小的電壓至線圈。如此一來，在硬體實現時，不會受靈敏度的限制，而可降低製造成本。

較佳地，在步驟304中，本發明可根據馬達啟動換態前磁極感測訊號依時間變化之斜率，判斷馬達之換態時間。也就是說，當馬達啟動換態前，本發明先計算出磁極感測訊號依時間變化的斜率，再以此斜率，估算換態時間。舉例來說，請參考第4圖，第4圖為對應於驅動流程30之一實施例之相關訊號示意圖。在第4圖中，首先，本發明先設定磁極感測訊號H₊ 之預設值BPT、BOP及BRP。其中，預設值BPT對應於馬達啟動換態前之磁場強度，預設值BOP對應於馬達啟動換態時之磁場強度，預設值BRP對應於馬達完成換態時之磁場強度。接著，計算磁極感測訊號H₊ 等於預設值BPT至磁極感測訊號H₊ 等於預設值BOP之時間，即Tb=t2-t1。取得Tb後，即可計算出磁極感測訊號依時間變化的斜率m，即m=Tb÷(BPT-BOP)。最後，根據斜率m，可計算出磁極感測訊號H₊ 等於BOP至磁極感測訊號H₊ 等於預設值BRP之換態時間TD，即TD=m×(BOP-BRP)。

在第4圖中，由時點t1至t3間，磁極感測訊號H₊ 驅近於一直線，亦即磁極感測訊號H₊ 之斜率約為一定值。在此情形下，只要計算出時點t1至t2間，磁極感測訊號H₊ 的斜率，即可藉此估算出換態時間TD。換句話說，本發明係根據馬達啟動換態前磁極感測訊號H₊ 依時間變化(t1至t2)之斜率，估算磁極感測訊號H₊ 由預設值BOP至BRP之換態時間TD。如此一來，如第4圖中電壓OUT1、OUT2所示，當在換態時間TD中，本發明係輸出線性變化之電壓OUT1、OUT2，並於非換態時間TD，則輸出固定大小之電壓OUT1、OUT2，如系統電壓VDD或地電壓GND。舉例來說，假設對應於預設值BPT、BOP及BRP之磁場強度為40、30及(-30)高斯，且系統電壓VDD等於5伏，地電壓GND為0伏。若Tb=t2-t1=50us，表示磁場強度由BPT的40高斯至BOP的30高斯需時50us。而磁場強度由BOP的30高斯至BRP的(-30)高斯所需要的磁場變化為30-(-30)=60(高斯)，因此其所需的時間預測為50us×(60Gauss/10Gauss)=300us。在此情形下，換態時間TD為300us，則電壓OUT1變化的斜率為300us/(GND-VDD)，即電壓OUT1的斜率為(-300us/5V)。因此，當換態時間TD中，電壓OUT1係以斜率(-300us/5V)變化，而在換態時間TD前、後，則固定為5伏或0伏。

需注意的是，第4圖之實施例係說明如何根據磁極感測訊號H₊ 之變化，計算出馬達換態前磁極感測訊號H₊ 的斜率，並藉此估算出換態時間TD，從而調整電壓OUT1。當然，相同概念亦可實現於磁極感測訊號H_- 及電壓OUT2或其它時間點，而不限於此。同時，本領域具通常知識者當可加入磁極感測訊號之極性的判斷步驟，唯非本發明重點，故不贅述。

簡單來說，本發明之主要精神在於根據磁極感測訊號的變化，判斷馬達啟動換態前磁極感測訊號依時間變化之斜率，並藉此判斷馬達之換態時間，從而適當地調整輸出至線圈的電壓。根據此概念，本領域具通常知識者當可根據不同需求，做適當之變化或修飾。例如，在第4圖中，預設值BPT、BOP及BRP依不同馬達而可有不同之設定；其中，預設值BPT較佳地應儘可能地接近預設值BOP，以確保磁極感測訊號H₊ 在t1至t2間的斜率能趨近於t2至t3(或t1至t3)的斜率，進而提高判斷結果的準確度。

在習知技術中，電壓OUT1、OUT2係相關於差動磁極感測訊號之差，這種方法必需提高靈敏度，以避免馬達或外界雜訊等干擾影響電壓OUT1、OUT2的波形。相較之下，本發明係預測換態時間TD，以來決定輸出電壓變化之斜率。在此情形下，本發明所偵測的磁場較大，不需要高靈敏度的霍爾感測器，可以將霍爾感測器內含，大大降低製造成本。

關於本發明之實現，請參考第5A圖，第5A圖為本發明實施例一驅動裝置50之示意圖。驅動裝置50用來輸出電源至一馬達之一線圈52，以驅動馬達運轉。驅動裝置50包含有一霍爾感測器500、一前置放大電路502、一換態時間判斷單元504、一驅動單元506及一第二級放大電路508。霍爾感測器500係一磁極感測器，用來感測馬達之一轉子的磁性變化，以產生電壓型式之差動磁極感測訊號H₊ 、H_- 。前置放大電路502可將差動磁極感測訊號H₊ 、H_- 放大為差動磁極感測訊號VH₊ 、VH_- ，並輸出至換態時間判斷單元504。換態時間判斷單元504用來根據差動磁極感測訊號VH₊ 、VH_- ，判斷馬達之換態時間TD，而驅動單元506則根據換態時間TD，調整輸出至線圈52的電壓O1、O2。最後，第二級放大電路508將電壓O1、O2適當放大後輸出至線圈52，以驅動馬達轉動。

請繼續參考第5B圖，第5B圖為第5A圖中換態時間判斷單元504之示意圖。換態時間判斷單元504包含有一設定單元510、一比較單元512及一換態時間預測單元514。設定單元510用來設定差動磁極感測訊號VH₊ 、VH之預設值BPT、BOP、BRP、BRT，分別對應於啟動換態前、換態時、完成換態時及完成換態後之磁場強度。比較單元512可將差動磁極感測訊號VH₊ 、VH與預設值BPT、BOP、BRP、BRT比較，以產生比較結果EN1T、EN1、EN2、EN2T。換態時間預測單元514係由一計時單元516及一估測單元518所組成，用來根據比較結果EN1T、EN1、EN2、EN2T及預設值BPT、BOP、BRP、BRT，估測換態時間TD。

為清楚說明換態時間判斷單元504之運作方式，請繼續參考第6圖，第6圖為驅動裝置50之相關訊號之波形示意圖。首先，當前置放大電路502輸出差動磁極感測訊號VH₊ 、VH至換態時間判斷單元504後，比較單元512會將之與預設值BPT、BOP、BRP、BRT比較，以產生比較結果EN1T、EN1、EN2、EN2T，其邏輯如下。當磁極感測訊號VH₊ 等於預設值BPT時，比較結果EN1T會有高至低的變化；當磁極感測訊號VH₊ 等於預設值BOP時，比較結果EN1會有高至低的變化；當磁極感測訊號VH₊ 等於預設值BRP時，比較結果EN2會有高至低的變化；以及高至低BRT時，比較結果EN2T會有高至低的變化。因此，根據比較結果EN1T、EN1、EN2、EN2T，換態時間預測單元514可判斷出磁極感測訊號VH₊ 的變化，並據以估測換態時間TD。例如，在時點t1時，比較結果EN1T有高至低的變化，表示磁極感測訊號VH₊ 等於預設值BPT，則計時單元516開始計時。到了時點t2時，比較結果EN1有高至低的變化，表示磁極感測訊號VH₊ 等於預設值BOP，則計時單元516結束計時。接著，估測單元518根據時點t1至t2的時間Tb，計算出磁極感測訊號VH₊ 依時間變化的斜率m，即m=Tb÷(BPT-BOP)。然後，根據斜率m，估測單元518可計算出磁極感測訊號VH₊ 之換態時間TD，即TD=m×(BOP-BRP)。當得到換態時間TD後，再來將換態時間TD的資訊傳給驅動單元506，以決定電壓OUT1、OUT2變化的斜率=(+/-)TD/(GND-VDD)，使電壓OUT1及OUT2的輸出電位為緩慢的上升或下降，使馬達在轉態時其電流變化斜率可以很緩慢，達到降低馬達噪音的效果。

因此，在驅動裝置50中，換態時間判斷單元504係根據差動磁極感測訊號VH₊ 、VH之變化，判斷馬達啟動換態前差動磁極感測訊號VH₊ 、VH依時間變化之斜率，並藉此判斷馬達之換態時間TD，從而透過驅動單元506決定換態時間TD中電壓OUT1、OUT2變化的斜率。需注意的是，本發明之主要精神在於根據磁極感測訊號的變化，判斷馬達啟動換態前磁極感測訊號依時間變化之斜率，並藉此判斷馬達之換態時間，從而適當地調整輸出至線圈的電壓。根據此概念，本領域具通常知識者當可根據不同需求，做適當之變化或修飾。例如，驅動單元506較佳地可為一線性電壓產生器，且不限於數位或類比型式。另外，在第6圖中，比較結果EN1T、EN1、EN2、EN2T之變化方式亦為一實施例，其不限於特定波形，只要能用來判斷出磁極感測訊號VH₊ 之值即可。

習知技術係直接放大差動磁極感測訊號之差，當磁極感測訊號接近零交越點時，霍爾感測器所能感測到的磁場強度較小且易受到外在環境的干擾，因此在實現的電路上，必需提高靈敏度。相較之下，本發明之驅動裝置50係根據換態前的磁極感測訊號，預測換態時間TD；換言之，本發明所偵測的磁場較大且離零交越點還很遠，因此訊號很大，可使用靈敏度較低的霍爾感測器500，且對前置放大電路502的要求較低，所需的放大器面積也可小很多。同時，若驅動裝置50係以單晶片實現，本發明更可將霍爾感測器500內含，以降低製造成本，並可採相同製程，以減少變異程度，使得馬達的轉動更不會隨著外在因素(如溫度)而變，使馬達的效能更佳化。

綜上所述，本發明係根據磁極感測訊號的變化，判斷馬達啟動換態前磁極感測訊號依時間變化之斜率，並藉此判斷馬達之換態時間，從而適當地調整輸出至線圈的電壓。因此，本發明可使用靈敏度較低的霍爾感測器，並將之內含於晶片中，除了可降低製造成本，並可避免外在干擾，使馬達的效能更佳化。

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．．．驅動電路

12．．．線圈

100．．．霍爾感測器

102．．．前置放大電路

104．．．第二級放大電路

106．．．增益決定單元

H₊ 、H_- 、VH₊ 、VH_- ．．．差動磁極感測訊號

OUT1、OUT2．．．電壓

30．．．驅動流程

300、302、304、306、308．．．步驟

50．．．驅動裝置

52．．．線圈

500．．．霍爾感測器

502．．．前置放大電路

504．．．換態時間判斷單元

506．．．驅動單元

508．．．第二級放大電路

510．．．設定單元

512．．．比較單元

514．．．換態時間預測單元

516．．．計時單元

518．．．估測單元

TD．．．換態時間

O1、O2．．．電壓

BPT、BOP、BRP、BRT．．．預設值

EN1T、EN1、EN2、EN2T．．．比較結果

第1圖為習知用於一馬達之一驅動電路的示意圖。

第2圖為第1圖中相關訊號之時序示意圖。

第3圖為本發明實施例用於一馬達之一驅動流程之示意圖。

第4圖為對應於第3圖之驅動流程之一實施例之相關訊號示意圖。

第5A圖為本發明實施例一驅動裝置之示意圖。

第5B圖為第5A圖中一換態時間判斷單元之示意圖。

第6圖為第5A圖驅動裝置之相關訊號之波形示意圖。

30．．．驅動流程

300、302、304、306、308．．．步驟

Claims

一種用於一馬達之驅動方法，包含有：感測該馬達之一轉子的磁性變化，以產生一磁極感測訊號；根據該馬達啟動換態前該磁極感測訊號依時間變化之一斜率，判斷該馬達之換態時間，包含有：設定該磁極感測訊號之一第一預設值、一第二預設值及一第三預設值，該第一預設值對應於該馬達啟動換態前之一磁場強度，該第二預設值對應於該馬達啟動換態時之一磁場強度，以及該第三預設值對應於該馬達完成換態時之一磁場強度；將該磁極感測訊號與該第一預設值及該第二預設值比較，以產生一比較結果；根據該比較結果，計算該磁極感測訊號等於該第一預設值至該磁極感測訊號等於該第二預設值之時間，以產生一計時結果；以及根據該計時結果、該第一預設值及該第二預設值，計算該馬達啟動換態前該磁極感測訊號依時間變化之該斜率，以判斷該磁極感測訊號等於該第二預設值至該磁極感測訊號等於該第三預設值之時間，進而判斷該馬達之換態時間，以產生一判斷結果；以及根據該判斷結果，調整輸出至該轉子之一線圈的電壓。
如請求項1所述之驅動方法，其中根據該計時結果、該第一預設值及該第二預設值，計算該馬達啟動換態前該磁極感測訊號依時間變化之該斜率，係將該計時結果除以該第一預設值與該第二預設值之差，以計算該斜率。
如請求項1所述之驅動方法，其中判斷該磁極感測訊號等於該第二預設值至該磁極感測訊號等於該第三預設值之時間，係將該斜率乘以該第二預設值與該第三預設值之差，以估測該磁極感測訊號等於該第二預設值至該磁極感測訊號等於該第三預設值之時間。
如請求項1所述之驅動方法，其中根據該判斷結果調整輸出至該轉子之該線圈的電壓係根據該判斷結果，於該馬達之換態時間中，輸出一線性變化之電壓至該轉子之該線圈，並於非該馬達之換態時間，輸出一固定大小之電壓至該轉子之該線圈。
如請求項4所述之驅動方法，其中該線性變化之電壓係由一系統電壓線性地降低至一地電壓。
如請求項4所述之驅動方法，其中該線性變化之電壓係由一地電壓線性地提升至一系統電壓。
如請求項4所述之驅動方法，其中該固定大小之電壓係為一系統電壓或一地電壓。
一種用於一馬達之驅動裝置，包含有：一磁極感測器，用來感測該馬達之一轉子的磁性變化，以產生一磁極感測訊號；一換態時間判斷單元，用來根據該馬達啟動換態前該磁極感測訊號依時間變化之一斜率，判斷該馬達之換態時間，以產生一判斷結果，其中該換態時間判斷單元包含有：一設定單元，用來設定該磁極感測訊號之一第一預設值、一第二預設值及一第三預設值，該第一預設值對應於該馬達啟動換態前之一磁場強度，該第二預設值對應於該馬達啟動換態時之一磁場強度，以及該第三預設值對應於該馬達完成換態時之一磁場強度；一比較單元，用來將該磁極感測訊號與該第一預設值及該第二預設值比較，以產生一比較結果；一計時單元，用來根據該比較結果，計算該磁極感測訊號等於該第一預設值至該磁極感測訊號等於該第二預設值之時間，以產生一計時結果；以及一估測單元，用來根據該計時結果、該第一預設值及該第二預設值，計算該馬達啟動換態前該磁極感測訊號依時間變化之該斜率，以判斷該磁極感測訊號等於該第二預設值至該磁極感測訊號等於該第三預設值之時間，進而判斷該馬達之換態時間，並產生該判斷結果；以及一驅動單元，用來根據該換態時間判斷單元之該判斷結果，調整輸出至該轉子之一線圈的電壓。
如請求項8所述之驅動裝置，其中該磁極感測器係一霍爾感測器。
如請求項8所述之驅動裝置，其中該估測單元係將該計時結果除以該第一預設值與該第二預設值之差，以計算該斜率。
如請求項8所述之驅動裝置，其中該估測單元係將該斜率乘以該第二預設值與該第三預設值之差，以估測該磁極感測訊號等於該第二預設值至該磁極感測訊號等於該第三預設值之時間。
如請求項8所述之驅動裝置，其中該驅動單元係用來根據該換態時間判斷單元之該判斷結果，於該馬達之換態時間中，輸出一線性變化之電壓至該轉子之該線圈，並於非該馬達之換態時間，輸出一固定大小之電壓至該轉子之該線圈。
如請求項12所述之驅動裝置，其中該線性變化之電壓係由一系統電壓線性地降低至一地電壓。
如請求項12所述之驅動裝置，其中該線性變化之電壓係由一地電壓線性地提升至一系統電壓。
如請求項12所述之驅動裝置，其中該固定大小之電壓係為一系統電壓或一地電壓。
如請求項8所述之驅動裝置，其另包含有一前置放大電路，設於該磁極感測器與該換態時間判斷單元之間，用來放大該磁極感測訊號。
如請求項8所述之驅動裝置，其另包含有一第二級放大電路，設於該換態時間判斷單元與該線圈之間，用來放大該驅動單元所輸出之電壓。
如請求項8所述之驅動裝置，其係以一單晶片實現。