TWI389445B - 無刷直流馬達之無感測器啟動方法 - Google Patents

Description

無刷直流馬達之無感測器啟動方法

本發明係關於一種無刷直流馬達之無感測器啟動方法，尤其是一種無設置感測器之無刷直流馬達的啟動控制方法。

無刷直流馬達由於具有高效率之優勢，因此，多數業者大多將其使用在電子產品上，尤其是作為該電子產品中的散熱風扇使用，藉由該無刷直流馬達之驅動以帶動扇葉轉動，進而進行該電子產品之驅風散熱。

該習用無刷直流馬達之啟動操作通常係利用一霍爾感測器之偵測，以確定一轉子之磁極定位位置，以便後續的驅動控制得以順暢進行。然而，該有感測器無刷直流馬達在一些應用場合中，往往因為環境條件限制而無法使用該霍爾感測器(例如壓縮機引起的高熱造成該霍爾感測器誤動作，而影響該無刷直流馬達之啟動操作)。

有鑑於此，另一種習用無感測器技術控制該無刷直流馬達啟動之方法係可用來克服上述缺點。該習用無刷直流馬達之無感測器啟動方法，包含步驟：一固定激磁式轉子定位步驟；及一開迴路啟動步驟。

在該固定激磁式轉子定位步驟中，係將線圈以固定激磁電流進行激磁，使一轉子定位在一啟動定位位置。接著，再進行開迴路順序啟動步驟，使該轉子朝一預定轉向增速轉動。據此，藉由上述固定激磁式轉子定位步驟及開迴路啟動步驟等操作以完成該無刷直流馬達之無感測器啟動控制。

然而，一般而言，上述習用無刷直流馬達之無感測器啟動方法將具有以下缺點：若該無刷直流馬達應用於一風扇系統時，該轉子係結合一葉片組，當該無刷直流馬達在未啟動時，若該轉子受外力影響而無法處於靜止狀態(例如，該葉片組因受外部氣流之擾動而帶動該轉子轉動之狀況)，此時，該轉子由於無法定位在該啟動定位位置，因而無法完成該固定激磁式轉子定位步驟，進而使後續的開迴路啟動步驟無法正常進行，結果將導致該無刷直流馬達啟動失敗。基於上述原因，有必要進一步改良上述習用無刷直流馬達之無感測器啟動控制方法。

本發明主要目的係在無刷直流馬達未啟動，且其轉子因受外力而無法定位在一啟動定位位置之狀況時，藉由在一累增激磁式轉子定位步驟中，逐漸增加流通於線圈模組上之激磁電流，以避免無刷直流馬達啟動時發生失敗之可能，進而提高馬達之運轉穩定性。

本發明次一目的係提供一種無刷直流馬達之無感測器啟動方法，藉由在一累增激磁式轉子定位步驟中，延長流通於線圈模組上之激磁電流的各區段激磁時間，以避免無刷直流馬達啟動時產生過大的振動及噪音，以提高馬達之運轉穩定性。

根據本發明無刷直流馬達之無感測器啟動方法，係包含步驟：一累增激磁式轉子定位步驟，將一無刷直流馬達之線圈模組激磁，使該無刷直流馬達之轉子定位在一啟動定位位置，該累增激磁式轉子定位步驟更包含以下步驟：一初始激磁步驟，係通入一初始激磁電流予該線圈模組，並維持一段初始激磁時間，並且將該初始激磁電流定義為一待累加電流；一定位激磁步驟，將該待累加電流加上一電流增量，以形成一定位激磁電流，將該定位激磁電流通入該線圈模組，並維持一段定位激磁時間；及一轉子位置判斷步驟，判斷此時該轉子是否到達該啟動定位位置，若判斷結果為否，則將該定位激磁電流定義為該待累加電流，再重複執行該定位激磁步驟，若判斷結果為是，則進行一開迴路啟動步驟；及該開迴路啟動步驟，係順序激磁該線圈模組之數個線圈，以驅動該轉子朝預定轉向轉動。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參照第1及2圖所示，為便於說明，本發明較佳實施例將以一三相的無刷直流馬達1為例進行以下說明。如第2圖所示，該無刷直流馬達1具有六個定子磁極11及一轉子12，該轉子12係具有四個轉子磁極121，且該六個定子磁極11上依序繞有U1、V1、W1、U2、V2及W2線圈，以作為該無刷直流馬達1之三相線圈。其中該數個線圈U1、V1、W1、U2、V2及W2共同構成一線圈模組。另外，該線圈模組之各線圈可藉由結線方式形成Y接型式之線圈模組(如第1圖所示)或Δ接型式之線圈模組。

請再參照第1圖所示，其揭示一三相全橋轉換器，該三相全橋轉換器具有六電子式開關M1~M6，在進行各相線圈U1、V1、W1、U2、V2及W2之激磁時，該無刷直流馬達1藉由一控制器2控制該三相全橋轉換器之電子式開關M1~M6產生一驅動電流，並控制該驅動電流流通各相線圈U1、V1、W1、U2、V2及W2上之流向。

請參照第3圖所示，其揭示本發明較佳實施例之無刷直流馬達之無感測器啟動方法，至少包含步驟：一累增激磁式轉子定位步驟S1；及一開迴路啟動步驟S2。藉由上述步驟S1及S2之啟動控制，可使該無刷直流馬達穩定以一預定轉速朝該預定轉向轉動。

其中，在該開迴路啟動步驟S2之後，較佳係再執行一閉迴路運轉控制步驟S3，以控制該無刷直流馬達1得以進行一等速運轉。

請參照第4圖所示，其揭示本發明較佳實施例之無刷直流馬達1之驅動時序示意圖，該驅動時序係作為控制第1圖中的電子式開關M1~M6之驅動時序。該驅動時序係包含數個週期性的時序T1~T6，藉由該些時序T1~T6之順序操作，以驅動該無刷直流馬達1之啟動及運轉。

請再參照第1至4圖所示，在該累增激磁式轉子定位步驟S1中，係將該無刷直流馬達1之線圈模組激磁，使該轉子12定位在一啟動定位位置A1，如第4圖所示，該無刷直流馬達1可依據該時序T1驅動導通第1圖所示的該電子式開關M1及該電子式開關M2，使該線圈模組之U1及U2線圈受激磁產生一N極磁場，而該線圈模組之V1及V2線圈亦受激磁而產生一S極磁場(如第2圖所示)，此時，二個相鄰異極性之轉子磁極121可分別受到該U1線圈產生之N極磁場及該V1線圈產生之S極磁場的吸引，驅動該轉子12轉動，進而使該轉子12二個相鄰轉子磁極121之一轉子磁極交界位置F1對應該啟動定位位置A1，其中該啟動定位位置A1即為第2圖中介於繞有U1線圈之定子磁極11及繞有V1線圈之定子磁極11之間的位置。

請參照第5圖所示，其揭示該累增激磁式轉子定位步驟S1更包含以下步驟：一初始激磁步驟S11；一定位激磁步驟S12；及一轉子位置判斷步驟S13。

在該初始激磁步驟S11中，請配合參照第6圖所示，係將該線圈模組通入一初始激磁電流，其中該初始激磁電流係如第6圖中一初始激磁時間T11內所示之電流波形，該初始激磁電流包含數個週期之電流波形，且該初始激磁電流之各週期之電流波形係為一脈寬調變電流波形。各該脈寬調變電流波形具有一導通時間Ta(ON)及一關閉時間Ta(OFF)，該導通時間Ta(ON)及該關閉時間Ta(OFF)之間可藉由一均方根的計算獲得該初始激磁電流之一有效電流值。另外，將該初始激磁電流定義為一待累加電流，以便進行後續之定位激磁步驟S12之操作。

而在該定位激磁步驟S12中，請再配合參照第6圖所示，將該待累加電流加上一電流增量，以形成一定位激磁電流，並將該定位激磁電流通入該線圈模組，其中該定位激磁電流係如第6圖中一定位激磁時間T12內所示之電流波形，該定位激磁電流包含數個週期之電流波形，且該定位激磁電流之各週期之電流波形亦係為一脈寬調變電流波形。相較於利用該初始激磁時間T11內之初始激磁電流之激磁操作，在此一步驟12中，該線圈模組透過該定位激磁時間T12內之定位激磁電流之激磁操作，逐漸增加該轉子12之轉矩。

另外，本發明在將該待累加電流加上電流增量之方式上，可藉由調整增加該初始激磁電流之責任週期(duty cycle)之手段達成。更詳言之，假設該初始激磁時間T11內之各該脈寬調變電流波形之責任週期為5%，若該控制器2所設定之待累加電流之預定比例為5%，則該定位激磁時間T12內之各該脈寬調變電流波形之責任週期則可累加為10%。如此，藉由調整該脈寬調變電流波形之責任週期，即可相對調整該待累加電流之有效電流值。

請再參照第5圖所示，在完成該定位激磁步驟S12後，接著進行該轉子位置判斷步驟S13，並判斷此時該轉子12是否到達該啟動定位位置A1，若判斷結果為是，則進行該開迴路啟動步驟S2；若判斷結果為否，則將該定位激磁電流定義為該待累加電流，而成為另一新的定位激磁電流，並將此時之該定位激磁電流通入該線圈模組，其中該定位激磁電流係如第6圖中另一定位激磁時間T13內所示之電流波形，且其中該定位激磁時間T13內之各該脈寬調變電流波形為該定位激磁時間T12內之各該脈寬調變電流波形加上該電流增量(可藉由前述增加責任週期之預定比例之手段達成)，以逐漸增加該轉子12之轉矩，該定位激磁步驟S12可不斷的重複執行，直到該轉子12被定位到該啟動定位位置A1為止，再進行該開迴路啟動步驟S2。

藉由該步驟S11~S13之操作，使該轉子12轉動之力矩在累增激磁式轉子定位步驟S1過程中逐漸增加，如此可避免該無刷直流馬達1在轉子定位過程中因受到過大電流之衝擊而造成振動及噪音加劇，因此，本發明可減緩該無刷直流馬達1啟動時之振動及噪音，進而增加運轉穩定性。

再者，如第6圖所示，各該激磁時間T11、T12及T13內均包含數個週期電流波形之用意在於：由於馬達之感應電動勢之變化係與一電流變化時間長成反比，因此藉由延長各激磁時間，使該無刷直流馬達1因電流增加而產生之感應電動勢得以和緩地變化。

另外，在該累增激磁式轉子定位步驟S1操作過程中，該初始激磁電流及該定位激磁電流均係維持同一電流流動方向。例如，依據第4圖之時序T1控制該電子式開關M1及該電子式開關M2導通，使該電流朝該V相線圈(包含線圈V1及V2)流入，而由該U相線圈(包含線圈U1及U2)流出。

請再參照第2至4圖所示，一旦完成該累增激磁式轉子定位步驟S1後即進行開迴路啟動步驟S2，從該時序T2開始，以第4圖之該驅動時序順序激磁該線圈模組之數個線圈，使該無刷直流馬達1之轉子12依序朝該預定轉向轉動，並建立一感應電動勢，供該無刷直流馬達1進行後續的轉動控制。

換言之，請再參照第2至4圖所示，在該開迴路啟動步驟S2中，依照第4圖之開迴路驅動時序T2~T5順序切換第1圖之該六個電子式開關M1~M6，以改變流過該線圈模組之六個線圈U1、V1、W1、U2、V2及W2上之電流，藉由該無刷直流馬達1之該線圈模組順序激磁，使該無刷直流馬達1之轉子12依序朝該預定轉向轉動。

另外，在該開迴路啟動步驟S2完成後，當進行該閉迴路運轉控制步驟S3時(如第3圖所示)，可接續該開迴路啟動步驟S2中之驅動時序，如接續前述開迴路驅動時序T5，以時序T6、T1、T2、T3、…順序激磁該線圈模組，進而控制該無刷直流馬達1進行轉速控制。

再者，如第1圖所示，本發明可藉由一轉換電路3偵測該感應電動勢，並將一控制信號送至該控制器2，以控制該無刷直流馬達1加速達到該預定轉速後，再控制該無刷直流馬達1等速運轉。據此，藉由上述步驟以完成本發明該無刷直流馬達1之無感測器啟動控制。其中該轉換電路3係用以將該感應電動勢轉換為適合該控制器2之電壓準位，以避免該控制器2燒毀。

綜上所述，本發明在累增激磁式轉子定位步驟S1中藉由將激磁電流逐漸增量及延長各區段激磁時間T11、T12或T13之操作，以避免該無刷直流馬達1受到過大電流之衝擊而造成振動及噪音加劇，因此，本發明相較於上述習用技術可增加運轉穩定性。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1．．．無刷直流馬達

11．．．定子磁極

12．．．轉子

121．．．轉子磁極

2．．．控制器

3．．．轉換電路

U1．．．線圈

U2．．．線圈

V1．．．線圈

V2．．．線圈

W1．．．線圈

W2．．．線圈

M1．．．電子式開關

M2．．．電子式開關

M3．．．電子式開關

M4．．．電子式開關

M5．．．電子式開關

M6．．．電子式開關

第1圖：本發明較佳實施例之三相全橋轉換器之電路示意圖。

第2圖：本發明較佳實施例之無刷直流馬達操作在累增激磁式轉子定位步驟時之定子磁極及轉子磁極位置對應示意圖。

第3圖：本發明較佳實施例之無刷直流馬達之無感測器啟動方法流程圖。

第4圖：本發明較佳實施例之無刷直流馬達進行無感測器啟動控制時之三相全橋轉換器之驅動時序示意圖。

第5圖：本發明較佳實施例之累增激磁式轉子定位步驟流程圖。

第6圖：本發明較佳實施例在累增激磁式轉子定位步驟中各該激磁時間之間電流累增變化之示意圖。

Claims (5)

1. 一種無刷直流馬達之無感測器啟動方法，包含步驟：一累增激磁式轉子定位步驟，將一無刷直流馬達之線圈模組激磁，使該無刷直流馬達之轉子定位在一啟動定位位置，該累增激磁式轉子定位步驟更包含以下步驟：一初始激磁步驟，係通入一初始激磁電流予該線圈模組，並維持一段初始激磁時間，並且將該初始激磁電流定義為一待累加電流；一定位激磁步驟，將該待累加電流加上一電流增量，以形成一定位激磁電流，將該定位激磁電流通入該線圈模組，並維持一段定位激磁時間；及一轉子位置判斷步驟，判斷此時該轉子是否到達該啟動定位位置，若判斷結果為否，則將該定位激磁電流定義為該待累加電流，再重複執行該定位激磁步驟，若判斷結果為是，則進行一開迴路啟動步驟；及該開迴路啟動步驟，係順序激磁該線圈模組之數個線圈，以驅動該轉子朝預定轉向轉動。
2. 依申請專利範圍第1項所述之無刷直流馬達之無感測器啟動方法，其中該初始激磁電流及該定位激磁電流分別包含數個週期之電流波形。
3. 依申請專利範圍第1或2項所述之無刷直流馬達之無感測器啟動方法，其中該初始激磁電流及該定位激磁電流之各週期之電流波形係為一脈寬調變電流波形。
4. 依申請專利範圍第3項所述之無刷直流馬達之無感測器啟動方法，其中在該定位激磁步驟中，調整增加該初始激磁電流或該定位激磁電流之責任週期之一預定比例，以進行將該待累加電流加上該電流增量之操作。
5. 依申請專利範圍第1項所述之無刷直流馬達之無感測器啟動方法，其中該初始激磁電流及該定位激磁電流均係維持同一電流流動方向。