TWI397254B - 無刷馬達控制方法 - Google Patents

Description

無刷馬達控制方法

本發明有關於一種無刷馬達控制方法，特別是有關一種可使馬達運轉均勻順暢的馬達控制方法。

馬達是一種將電能轉化為動能，用以驅動設備的裝置，在無刷馬達發明之前，馬達動作原理是以電刷與馬達轉子線圈非固定式的接觸，來改變馬達線圈電流方向而使馬達轉子不斷運轉。但由於電刷與轉子間摩擦產生粉塵，所以需要定期清理電刷，且電刷的壽命有限，因此限制了馬達的用途。其後有了無碳刷馬達的發明，相對於有刷馬達，無刷馬達少了電刷與轉子的摩擦，因此較省電也比較安靜，使用壽命也較有刷馬達長。

無刷馬達又分為感測器式無刷馬達與無感測器式無刷馬達，其主要的分別在於感測器式無刷馬達在馬達內部裝設有霍爾(Hall)感測器，用來感測馬達轉子的位置，作為輸入主運算為控制裝置之輸入訊號，以控制馬達轉動，而無感測器式無刷馬達其內部則無霍爾元件，是採用別種方式來偵測馬達轉子位置，控制馬達轉動。

無刷馬達控制方法，請參考圖一所示之無刷馬達控制系統方塊示意圖，其中包括馬達轉子10、馬達線圈模組11、馬達開關模組12、霍爾感測器13、主運算微控制裝置14、以及錯誤偵測電路15，其中馬達轉子10係由馬達開關模組12控制馬達線圈模組11之開啟與關閉來驅動；當馬達開關模組12 開啟馬達線圈模組11以進行作動時，設置在馬達線圈模組11附近的霍爾感測器13將感測到磁場發生變化，並產生相對應於此磁場變化的訊號以傳送至主運算微控制器14中。另外，連接於馬達轉子10的錯誤偵測電路15可將其所偵測到的錯誤訊號傳送至主運算微控制器14中，因此，主運算微控制器14將其所接收到的所有相位訊號與錯誤訊號，一併與來自正弦查詢表格(未顯示)的資料與計時器(未顯示)的時序資訊，進行運算、比對與分析，可計算出馬達線圈模組11作動時所需修正之電壓訊號、電流訊號等等，並轉換為相對應的無刷馬達驅動訊號，以提供給馬達開關模組12作為控制馬達線圈模組11作動的控制訊號。

以單相無刷馬達為例，圖二所示為馬達開關模組12與馬達線圈模組11之電路示意圖，主運算微控制裝置14(未顯示)產生驅動訊號輸入馬達開關模組12，以決定是電晶體Q1及電晶體Q4導通或是電晶體Q2及電晶體Q3導通，當電晶體Q1及電晶體Q4導通時，馬達線圈上的電流是由A端點流至B端點，當電晶體Q2及電晶體Q3導通時，馬達線圈上的電流則是由B端點流至A端點，因而產生馬達線圈上磁場的交替變化，進而推動馬達轉子10(未顯示)，使其運轉。依據驅動訊號頻率及每一子周期所持續的時間，決定馬達轉子10的轉速與轉速均勻性。

圖三所示為驅動訊號之時序圖，請對照圖二與圖三，即在霍爾感測器13輸出訊號(Hall訊號)為高電位時，主運算微控制裝置14輸出驅動訊號PWM/AH及PWM/BL高電位以導通電晶體Q1及電晶體Q4，在霍爾感測器13輸出訊號為低 電位時，主運算微控制裝置14輸出驅動訊號PWM/BH及PWM/AL高電位以導通電晶體Q2及電晶體Q3，如此交替以推動馬達轉子10。

以四磁極轉子之單相無刷馬達來說明，無刷馬達驅動訊號波形會影響到馬達驅動電流，進而影響到馬達運轉之平穩度，噪音大小及運轉效率。理想狀況下，無刷馬達轉子10充磁均勻，霍爾感測器13於一馬達機械運轉周期中，感應到S極(S1與S2)磁場輸出每一低電位子周期之時間與感應到N極(N1與N2)磁場輸出每一高電位子周期之時間相同，在此狀況下，無刷馬達驅動訊號及電流波形平衡運轉效率極佳，如圖四A所示。

但在實際狀況下，無刷馬達轉子10在生產時充磁頭會有誤差使得馬達轉子10充磁不均勻，各磁極的大小並不相同，造成霍爾感測器13在一馬達機械運轉周期中輸出低電位之周期時間(感應到S極磁場)與輸出高電位之周期時間(感應到N極磁場)並不相同。另外，霍爾感測器13通常存在著感應不良之問題，造成此問題的原因是霍爾感測器13靈敏度不佳，或馬達轉子10與霍爾感測器13間之感應距離因機械精密度之限制造成感應不良，結果造成霍爾感測器13輸出高低電位之子周期時間不相同。再者，在複數個霍爾感測器13之應用上，當此複數個霍爾感測器13在電路板上定位不均一，亦會造成霍爾感測器13在一馬達機械運轉周期中輸出高低電位子周期之時間不相同。當此之時，無刷馬達驅動訊號波形不均一，如圖四B所示，霍爾感測器13在一馬達機械運轉周期中輸出高低電位子周期之時間為不相等之Ta、Tb、Tc及 Td。此現象易使得在霍爾感測器輸出高電位子周期(Ta)及低電位子周期(Tb)之馬達驅動電流不平衡，進而造成馬達運轉效率、平穩度不佳及噪音過大的問題，甚而，因馬達驅動電流不均一，造成馬達驅動功率晶體負載不平均，易造成功率晶體損壞。

為改善上述馬達轉子10充磁不均勻之問題，以往提出種種解決方法，例如：使用精度高之充磁頭，但此種方法會增加製造成本，且充磁頭亦會隨著使用時間而老化使精確度變差。或是：使用靈敏度較高之霍爾感測器13，以改善霍爾感測器13感應不良問題，但此亦會增加製造成本。又如：為降低馬達轉子10與霍爾感測器13間之感應距離，改善生產組裝機械精度，同時也必須改善電路板上霍爾感測器13放置位置之精確度，但這也會增加馬達製造生產成本。且以上種種方法，僅能解決單一問題，並不能全面解決所有問題。

不論是上述那一種因素，造成霍爾感測器13在一馬達機械運轉周期中輸出低電位之子周期時間與高電位之子周期時間不相同，因而使無刷馬達驅動電流波形不均一，進而影響到無刷馬達運轉之平穩度，噪音及運轉效率，皆需要得到改善。因此，甚為需要一種控制方法，可有效改善無刷馬達驅動電流波形不均一的問題。

本發明之目的在提供一種無刷馬達控制方法，以全面解決上述任何因素所造成的問題。該馬達包括一個具有w個磁極的轉子和一個感測該轉子轉動的霍爾感測器，該霍爾感 測器產生霍爾訊號，其中w為正整數且大於等於2，所述無刷馬達控制方法包含：接收霍爾訊號，該霍爾訊號具有對應於該轉子旋轉一圈之馬達機械周期，每一馬達機械周期具有w個子周期；對目前子周期之前複數個子周期，執行運算，取得一等於或低於該前複數個子周期中最短子周期之時間長度；以該時間長度，作為目前子周期之長度；以及產生控制訊號，以控制轉子之轉動。

以上無刷馬達控制方法，其中該對目前子周期之前複數個子周期，執行一運算之步驟中，該複數個子周期可為恰等於轉子數目的w個子周期，或為大於或等於2之任意個子周期。

以上無刷馬達控制方法，其中該執行一運算，取得一時間長度之步驟之其中一個較佳實施方式包含：暫存該前複數個子周期中之最短子周期；以及在目前霍爾感測器所感測之子周期與暫存之最短子周期中，選取時間長度較短者。

以上無刷馬達控制方法中，可更包含：以該時間長度較短者更新該暫存之最短子周期。

以上無刷馬達控制方法中，該執行一運算，取得一時間長度之步驟之另一個較佳實施方式包含：取得該前複數個子周期中之最短子周期；以及將該最短子周期減去一段時間長度。

以上無刷馬達控制方法中，該執行一運算，取得一時間長度之步驟之另一個較佳實施方式包含：取得該前複數個子周期之平均值；以及將該平均值減去一比例值。

以上無刷馬達控制方法，其中該馬達可為單相無刷馬達 或包括複數個霍爾感測器之多相無刷馬達。

底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

本發明中的圖式均屬示意，主要意在表示電路元件之功能作用關係以及各訊號之時間次序關係，至於元件或訊號之大小、形狀等則並未依照比例繪製。

以單相無刷馬達驅動為例，請參閱圖五，本實施例中顯示一具有四個磁極的轉子的無刷馬達訊號時序圖(令磁極的數目為w，則本例中w為4)。若定義馬達運轉一圈之周期稱為「馬達機械運轉周期M」，則每一馬達機械運轉周期M可根據磁極數目分為w個子周期，每個子周期代表馬達對應的磁極受控的時間長度。在本實施例中為四個磁極，因此包含四個子周期，分別由N1、S1、N2及S2表示，而霍爾感測器13所輸出之對應高電位子周期時間及低電位子周期時間分別為T1、T2、T3及T4。

本發明的概念是根據目前子周期之前的複數個子周期，執行一運算，取得一個最短子周期，並使驅動訊號根據這個子周期的時間來控制馬達。所述「最短子周期」等於或低於該前複數個子周期中之時間長度最短者。如此，在馬達以定速轉動時，每一子周期中驅動訊號的長度都可均勻一致。但由於實際應用場合中，馬達轉速不一定恆為定值，可能因應負載需求而發生變化，因此宜在每一個子周期中，都計算一次所需驅動訊號的長度。

以上概念參照圖五來舉例說明。在由左方數起第一個馬達機械運轉周期M中，包含四個子周期N1、S1、N2及S2，其對應的Hall訊號周期時間及驅動訊號時間分別為T1、T2、T3及T4。在左方數起第五個子周期N1’時，主運算微控制裝置在之前的複數個子周期內，選取最短的子周期，作為驅動訊號PWM/BL的控制時間，在本例中，主運算微控制裝置是在之前的w=4個子周期(N1、S1、N2及S2)內，選取最短的子周期時間N1，作為目前的驅動訊號PWM/BL的控制時間T1’。次一個子周期S1’時，主運算微控制裝置同樣在之前的4個子周期(S1、N2、S2及N1’)內，選取最短的子周期時間N1’，作為目前的驅動訊號PWM/AL的控制時間T2’。依此類推，主運算微控制裝置以同樣方式決定T3’與T4’。

在T2’與T3’之間有一段驅動訊號PWM/BL與PWM/AL皆不作用的時間，此段惰速(idle)時間並不妨礙馬達運轉，相反地可使馬達磁極的驅動更為順暢。

以上實施例可用軟體、硬體或韌體方式來達成。如採用軟體，請參閱圖六，可記錄一個馬達機械運轉周期M內的所有子周期時間，並由其中找出周期時間最短者，暫存作為下一個馬達驅動訊號時間之參考，主運算微控制裝置14以此周期時間最短者，與目前霍爾感測器13輸出Hall訊號相比，當目前輸出Hall訊號大於此最短周期時間，則送出馬達關閉之驅動訊號，如圖五所示。當目前霍爾感測器13輸出Hall訊號周期時間比所取得之最短周期時間還短時，則根據目前Hall訊號來關閉馬達驅動開關，並且以目前霍爾感測器13所輸出Hall訊號的時間，來取代原本所暫存的時間。如採用韌體或 硬體，其方式也類似。

以上所述僅為本發明的其中一個實施例，在本發明的相同概念下，可以有各種變化方式。例如，選取最短子周期的根據，並不一定要自目前子周期往前取w個子周期，亦可取任意多個整數子周期，例如2個子周期、或w的倍數如2w個子周期等。此外，最短子周期時間未必是自先前複數個子周期中「選取」其一，亦可用各種方式運算，例如：自先前複數個子周期中最短時間者減去一小段時間△T(以確保馬達磁極變換間有一小段的惰速操作)，或取先前複數個子周期的平均時間再減去一定比例值，例如(平均值-15%)，等等。總之，重點是取得一等於或低於先前複數個子周期中最短子周期之時間長度，使每一子周期中驅動訊號的長度都可均勻一致。

以上方法不論霍爾感測器13輸出訊號子周期時間如何不平均，亦不論造成不平均的因素為何，皆能有效改善馬達驅動訊號波形不平衡之問題。根據發明人實施本發明的實驗結果，以四磁極單相馬達為例，可將原本各磁極子周期分別為3.56ms,3.68ms,3.52ms及3.68ms之電流波形不平衡狀況，其不平衡狀況為66%，即最低電流峰值與最高電流峰值，此值愈趨近於100%愈佳，改善為3.44ms,3.64ms,3.4ms及3.64ms，其不平衡狀況為90%，顯示馬達驅動電流波形不平衡之問題已較先前技術大幅改善。

以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。對於熟悉本技術者，當可在本發 明精神內，立即思及各種等效變化。舉例而言，以上所述各實施例中，以單組繞組線圈稱為單相無刷馬達為實施例，但本發明亦可應用於其他繞組線圈數目與霍爾元件數目，如三相或其他多相無刷馬達，或馬達轉子10位於定子線圈外側之外轉子無刷馬達，等等。又，本發明的方法可用軟體、硬體或韌體來實現，例如可寫為主運算微控制裝置所執行的程式、或以專門用途晶片(ASIC)來達成。故凡依本發明之概念與精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

10‧‧‧馬達轉子

11‧‧‧馬達線圈模組

12‧‧‧馬達開關模組

13‧‧‧霍爾感測器

14‧‧‧主運算微控制裝置

15‧‧‧錯誤偵測電路

M‧‧‧馬達機械運轉周期

N1,S1,N2,S2,N1’,S1’,N2’,S2’‧‧‧霍爾訊號子周期

Q1,Q2,Q3,Q4‧‧‧電晶體

T1,T2,T3,T4,T1’,T2’,T3’,T4’‧‧‧驅動訊號控制時間

圖一為無刷馬達控制系統方塊示意圖。

圖二為單相無刷馬達開關模組與馬達線圈模組之電路示意圖。

圖三為單相無刷霍爾訊號與驅動訊號之波形示意圖。

圖四A~B分別示出習知馬達控制法的霍爾訊號與電流波形理想狀況與實際狀況電流波形。

圖五示出本發明馬達控制方法的霍爾訊號、驅動訊號與電流之波形示意圖。

圖六為本發明之方法流程圖。

M‧‧‧馬達機械運轉周期

N1,S1,N2,S2,N1’,S1’,N2’,S2’‧‧‧霍爾訊號子周期

T1,T2,T3,T4,T1’,T2’,T3’,T4’‧‧‧驅動訊號控制時間

Claims (9)

1. 一種無刷馬達控制方法，該馬達包括一個具有w個磁極的轉子和一個感測該轉子轉動的霍爾感測器，該霍爾感測器產生一霍爾訊號，其中w為正整數且大於等於2，所述方法之步驟包含：接收一霍爾訊號，該霍爾訊號具有對應於該轉子旋轉一圈之馬達機械周期，每一馬達機械周期具有w個子周期；對目前子周期之前複數個子周期，執行一運算，取得一等於或低於該前複數個子周期中最短子周期之時間長度；以該時間長度，作為目前子周期之控制訊號長度；以及根據該控制訊號，控制轉子之轉動。
2. 如申請專利範圍第1項所述之無刷馬達控制方法，其中該對目前子周期之前複數個子周期，執行一運算之步驟中，該複數個子周期為w個子周期。
3. 如申請專利範圍第1項所述之無刷馬達控制方法，其中該複數個子周期為大於或等於2個子周期。
4. 如申請專利範圍第1項所述之無刷馬達控制方法，其中該執行一運算，取得一時間長度之步驟包含：暫存該前複數個子周期中之最短子周期；以及在目前霍爾感測器所感測之子周期與暫存之最短子周期中，選取時間長度較短者。
5. 如申請專利範圍第4項所述之無刷馬達控制方法，更包含：以該時間長度較短者更新該暫存之最短子周期之步驟。
6. 如申請專利範圍第1項所述之無刷馬達控制方法，其中該執行一運算，取得一時間長度之步驟包含：取得該前複數個子周期中之最短子周期；以及將該最短子周期減去一段時間 長度。
7. 如申請專利範圍第1項所述之無刷馬達控制方法，其中該執行一運算，取得一時間長度之步驟包含：取得該前複數個子周期中之平均值；以及將該平均值減去一比例值。
8. 如申請專利範圍第1項所述之無刷馬達控制方法，其中該馬達為單相無刷馬達。
9. 如申請專利範圍第1項所述之無刷馬達控制方法，其中該馬達為包括複數個霍爾感測器之多相無刷馬達。