TWI401879B - 直流無刷馬達之啟動裝置及方法 - Google Patents

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Description

直流無刷馬達之啟動裝置及方法
本發明係關於一種直流無刷馬達之啟動裝置及方法；特別是關於一種無需感應器便可啟動直流無刷馬達之啟動裝置及方法。
為於啟動直流無刷馬達時，偵測馬達內轉子之正確位置，習知技術藉由放置感應器，例如霍爾感應器(Hall sensor)，於馬達內部，用以感應馬達運轉時，轉子與感應器間之磁場變化，以取得關於轉子位置之資訊。然使用霍爾感應器必須將該感應器置放於馬達模組中，且感應器有擺放定位之問題，故對於小型馬達之組裝，等於是增加難度以及製造成本。
無感測器直流無刷馬達技術已廣泛地應用至各種需要驅動力之產品中，一般而言，大多數馬達在中高速時均能具有良好的速度控制，然而在靜止的情況下，無法得知轉子位置，因此必須借助特殊之啟動步驟，以確保馬達能夠順利啟動且進入正常的驅動模式。
習知技術亦提出無需感應器即可啟動直流無刷馬達之技術，例如美國專利第5,343,127號，以及美國專利第7,202,623號，其皆利用偵測轉子線圈上，因應轉動所產生之反電動勢(back electromotive force,BEMF)做為轉子位置之參考資訊，藉此啟動馬達。然上述技術需藉由繁複的操作步驟方能啟動馬達，增加了控制的困難度。
綜上所述，如何提供一種無需感應器，又可正確啟動直流無刷 馬達之控制方法及其電路，乃為此一業界亟待解決的問題。
本發明之一目的在於提供一種啟動一直流無刷馬達之方法，該直流無刷馬達包含複數線圈，透過一共接點呈共接狀態，該方法包含提供一電流於該等線圈中之一第一線圈及一第二線圈，以激發一第一相位；測量未流通該電流之一第三線圈之一第一反電動勢(Back Electro－Motive Force,BEMF)；因應一啟動時間區間、及因應該啟動時間區間內該第一反電動勢超過一參考值其中之一，切換該電流至依序流過該第二線圈及該第三線圈，以換流至一第二相位；於該第二相位期間，因應未流通該電流之該第一線圈之一第二反電動勢發生一負向零交越點，切換該電流至依序流過該第二線圈及該第一線圈，以換流至一第三相位。
本發明之另一目的在於提供一種直流無刷馬達之啟動裝置，其中該直流無刷馬達包含複數線圈。藉由提供電流於二線圈，使直流無刷馬達轉動，以在其他線圈激發出反電動勢，而後根據馬達旋轉至一穩定平衡點時因擺盪所產生之反電動勢變化，再提供電流於另二線圈，即可使馬達順利運轉。
為達成上述目的，本發明揭露一直流無刷馬達之啟動裝置，該啟動裝置包含一控制電路及一偵測電路，該控制電路用以提供一電流於該等線圈中之一第一線圈及一第二線圈，以激發一第一相位，並因應一啟動時間區間、及因應該啟動時間區間內該直流無刷馬達中一未通電流之線圈之一反電動勢(Back Electro－Motive Force,BEMF)超過一參考值其中之一，依照一特定順序，切換該 電流於該等線圈中其他二線圈組合，以啟動該直流無刷馬達。該偵測電路，用以量測該未通電流之線圈之該反電動勢。
在參閱圖式及隨後描述之實施方式後，所屬技術領域具有通常知識者便可瞭解本發明之其他目的，以及本發明之技術手段及實施態樣。
以下將透過實施例來解釋本發明內容，其係關於一種直流無刷馬達之啟動裝置及方法，根據馬達旋轉至一穩定平衡點時因擺盪所產生之反電動勢變化，再提供電流於另二線圈，即可使馬達順利運轉。然而，本發明的實施例並非用以限制本發明需在如實施例所述之任何特定的環境、應用或特殊方式方能實施。因此，關於實施例之說明僅為闡釋本發明之目的，而非用以限制本發明。需說明者，以下實施例及圖式中，與本發明非直接相關之元件已省略而未繪示；且為求容易瞭解起見，各元件間之尺寸關係乃以稍誇大之比例繪示出。
第1圖繪示本發明之一較佳實施例，其主要係一啟動裝置10之示意圖，並繪示啟動裝置10與直流無刷馬達內部線圈之連結關係。在本實施例中，直流無刷馬達係一三相馬達，包含線圈U、線圈V、及線圈W，並具有一中心接頭CT。需特別注意者，馬達之線圈數目並非本發明之限制，本發明可適用於線圈數目大於或等於三以上之直流無刷馬達。啟動裝置10包含一控制電路11及一偵測電路12。在本實施例中，控制電路11產生一數位輸出訊號101以控制線圈U、V及W與電源之間的切換元件121、122及123 來調整提供至線圈之電源。
進一步言，控制電路11接收偵測電路12之一輸出訊號102，其代表該直流無刷馬達運轉時，於未通電線圈所產生之一反電動勢，偵測電路12即用以量測該未通電流之線圈之反電動勢。控制電路11根據輸出訊號102及因應一啟動時間區間，依照一特定順序，提供電流至該等線圈，以啟動該直流無刷馬達。詳言之，控制電路11提供一電流依序流過第一線圈及第二線圈以激發一第一相位，並因應一啟動時間區間、及因應該啟動時間區間內該直流無刷馬達中一未通電流之線圈，即第三線圈，之一反電動勢(Back Electro－Motive Force,BEMF)超過一參考值其中之一，依照一特定順序，切換該電流於該等線圈中其他二線圈組合，以啟動該直流無刷馬達。意即，控制電路11根據一未通電流之第三線圈之一第一反電動勢並因應該啟動時間區間，切換該電流至該第二線圈及該第三線圈，以換流至一第二相位。
舉例而言，線圈U、V或W透過該控制電路11切換開關121、122及123分別連接至電源供應端111、偵測電路12之一輸入端112及接地端113。而數位輸出訊號101適可控制線圈U、W、及V依序與電源供應端111、偵測電路12之一輸入端112及接地端113之連結關係。例如，當線圈U連結至電源供應端111，且線圈V連結至接地端113時，線圈W即連結至輸入端112，此時線圈W上所產生之反電動勢即為偵測電路12之輸入訊號。
控制電路11更包含一延遲線路(圖未示出)，用以產生一延遲時間，其中該延遲時間之長度適足以避免控制電路11判斷一偽反 電動勢之發生一正向零交越點(positive zero－crossing)或一負向零交越點(negative zero－crossing)。
詳言之，控制電路11係於啟動時間區間內，判斷第一反電動勢是否發生一正向零交越點(positive zero－crossing)，若是，則切換電流至依序流過第二線圈及第三線圈，以換流至第二相位；若否，則經過啟動時間區間後，切換電流至依序流過第二線圈及第三線圈，以換流至第二相位。
在換流至第二相位後，此時偵測電路12偵測未流通該電流之該第一線圈之一第二反電動勢，控制電路11則於該第二反電動勢發生一負向零交越點時，切換該電流至該第二線圈及該第一線圈，以換流至一第三相位，完成啟動該直流無刷馬達。
為了更詳細解釋啟動裝置10如何啟動直流無刷馬達，請一併參閱第2A圖，其係為一磁轉矩反電動勢波形圖，包含磁轉矩波形及反電動勢波形，並定義一正轉方向。以線圈U(即前述之第一線圈)及線圈V(即前述之第二線圈)為例，切換元件121與切換元件122分別耦接至電源端111與接地端113，且中心接頭CT耦接至偵測電路12形成迴路，俾使控制電路11透過電源端111提供一電流於線圈U及線圈V，以激發U－V相位201(即前述第一相位)，U－V相位201之磁轉矩表示為曲線211，而切換元件123耦接至輸入端112，俾使線圈W無電流流通，換言之，此時線圈W將會產生第一反電動勢(即曲線221)。需特別注意者，若持續導通電流於線圈U及線圈V，則可以於磁轉矩之曲線211上觀察得一穩定平衡點204，此為直流無刷馬達之特性，意即當轉子旋轉 到穩定平衡點204時，將會逐漸穩定於穩定平衡點204不再轉動，本發明即利用此特性以驅動直流無刷馬達。
承上所言，偵測單元12持續偵測第一反電動勢之變化，當轉子旋轉至穩定平衡點204時，此時轉子旋轉的方向即為正轉方向，由於慣性，其將會稍微更向正轉方向轉動後，往反方向轉動，此時偵測單元12將偵測到一反向之第一反電動勢(即曲線224)。由於反電動勢之改變係一連續現象，故此時偵測單元12所偵測到之反電動勢將由曲線221躍升至曲線224，因此產生一正向零交越點225。此時控制電路11即根據偵測電路12之輸出訊號102，切換電流至依序流過線圈V(即第二線圈)及線圈W(即第三線圈)，以換流至V－W相位202(即前述第二相位)。此時偵測單元12即可偵測到線圈U上之第二反電動勢(即曲線222)。上述反電動勢之改變過程請參第2A圖中正向零交越點225前後之箭號所示。
在將電流切換至V－W相位202後，控制電路11將根據輸出訊號102判斷反電動勢之曲線222是否發生負向零交越點226，如是，則將電流切換至依序流過線圈V及線圈U，以換流至V－U相位203(即前述第三相位)俾使馬達在啟動後進入正常的驅動模式。
承上所言，直流無刷馬達之轉子亦有可能因應U－V相位201之磁轉矩(即曲線211)，而以於啟動時以反轉方向旋轉。請一併參考第1圖及第2B圖，當轉子係受到曲線211中位置304至305之磁轉矩作用時，轉子將會以反轉方向旋轉，此時偵測單元12將在未通入電流之線圈W偵測到一反轉方向之第一反電動勢(即曲線224)。若持續對線圈U與線圈V通入電流，則當轉子位置超過位 置304時，線圈W所產生之第一反電動勢即發生一正向零交越點324，此時控制電路11即根據偵測電路12之輸出訊號102，切換電流至依序流過線圈V與線圈W(即第三線圈)，以換流至V－W相位202。此時偵測單元12即可偵測到線圈U上之一第二反電動勢(即曲線222)。由第2B圖之反電動勢波形可知，當反電動勢由曲線224改變為曲線222時，將發生負向零交越點325，此時控制電路11將根據輸出訊號102判斷已發生負向零交越現象，而後將電流切換至依序流過線圈V及線圈U，以換流至V－U相位203，俾使馬達在啟動後進入正常的驅動模式，即如前所述。
請繼續參考第2A圖，直流無刷馬達之轉子亦有可能於靜態時即位於穩定平衡點204位置，故此時激發U－V相位201並無法使轉子產生轉動，因此於啟動時間區間內，若第一反電動勢並未發生一正向零交越點，則控制電路12切換電流至線圈V及線圈W，以換流至V－W相位202，俾繼續進行前述操作。
藉由上述配置，本發明藉由提供電流於直流無刷馬達中之二線圈，使直流無刷馬達順向轉動，以在其他線圈激發出反電動勢，而後根據馬達旋轉至一穩定平衡點時因慣性擺盪所產生之反電動勢變化，再提供電流於另二線圈，即可使馬達順利運轉，以有效解決習知技術需藉由繁複的操作步驟方能啟動馬達之缺點。
本發明之第二較佳實施例如第3A及3B圖所示，係為一啟動一直流無刷馬達之方法之流程圖，該直流無刷馬達包含複數線圈，透過一共接點呈共接狀態，此方法包含下列步驟，首先，請參閱第3A圖。執行步驟400，依序提供一電流於該等線圈中之第一線 圈及第二線圈，以激發一第一相位。接下來執行步驟401，等待一延遲時間，其中該延遲時間之長度適足以避免測量一偽反電動勢發生一正向或負向零交越點。此係因直流無刷馬達於啟動時所可能產生之雜訊錯誤訊號，會使反電動勢產生一偽正向或偽負向零交越點，故需藉由等待一延遲時間來避免此現象干擾啟動馬達。
接著執行步驟402，測量未流通該電流之一第三線圈之一第一反電動勢。然後執行步驟403，於啟動時間內判斷是否發生一正向零交越點，即判斷該第一反電動勢是否超過一參考值。若是，則執行步驟405切換電流至依序流過第二及第三線圈，以換流至一第二相位；若否，則執行步驟404判斷是否已經經過啟動時間區間。若步驟404之判斷結果為是，則執行步驟405，若否，則重複執行步驟403。
接著執行步驟406，測量第一線圈之一第二反電動勢。然後執行步驟407，當未流通該電流之該第一線圈之一第二反電動勢發生一負向零交越點時，切換該電流至依序流過該第二線圈及該第一線圈，以換流至一第三相位。此時直流無刷馬達即已順利啟動，並可進入正常的驅動模式，習知此項技術之人士，在參考第2A圖及第2B圖之後，可理解正常的驅動模式，在此不再贅述。
除了第3A及3B圖所描繪之步驟外，第二較佳實施例亦能執行第一較佳實施例之所有操作及功能。所屬技術領域具有通常知識者可直接瞭解第二較佳實施例如何基於上述第一較佳實施例以執行此等操作及功能。故不贅述。
綜上所述，本發明係根據直流無刷馬達之轉子旋轉至一穩定平 衡點時因擺盪所產生之反電動勢變化，再提供電流於另二線圈，即可使馬達順利運轉。可達到減省放置霍爾感應器以降低成本，同時又可正確並快速啟動直流無刷馬達之優點。
上述之實施例僅用來例舉本發明之實施態樣，以及闡釋本發明之技術特徵，並非用來限制本發明之範疇。任何熟悉此技術者可輕易完成之改變或均等性之安排均屬於本發明所主張之範圍，本發明之權利範圍應以申請專利範圍為準。
10‧‧‧啟動裝置
11‧‧‧控制電路
12‧‧‧偵測電路
101‧‧‧數位輸出訊號
102‧‧‧輸出訊號
111‧‧‧電源供應端
112‧‧‧偵測電路輸入端
113‧‧‧接地端
121‧‧‧切換開關
122‧‧‧切換開關
123‧‧‧切換開關
201‧‧‧U－V相位
202‧‧‧V－W相位
203‧‧‧V－U相位
204‧‧‧穩定平衡點
211‧‧‧磁轉矩
221‧‧‧反電動勢
222‧‧‧反電動勢
224‧‧‧反轉方向之反電動勢
225‧‧‧正向零交越點
226‧‧‧負向零交越點
324‧‧‧正向零交越點
325‧‧‧負向零交越點
第1圖係為本發明之啟動裝置與直流無刷馬達內部線圈之連結關係示意圖；第2A、2B圖係為本發明之一實施例之磁轉矩波形及反電動勢波形示意圖；以及第3A、3B圖係為本發明之第二實施例之流程圖。
無(因係波形圖)

Claims (2)

  1. 一種啟動一直流無刷馬達之方法，該直流無刷馬達包含複數線圈，透過一共接點呈共接狀態，該方法包含下列步驟：(a)依序提供一電流於該等線圈中之一第一線圈及一第二線圈，以激發一第一相位；(b)等待一延遲時間，以於該延遲時間內不量測一第一反電動勢(Back Electro-Motive Force,BEMF)，其中該延遲時間之長度適足以避免一偽反電動勢發生一正向零交越點以及一負向零交越點其中之一；(c)測量未流通該電流之一第三線圈之該第一反電動勢；(d)於一啟動時間內判斷是否發生該正向零交越點，若是，切換該電流依序流過該第二線圈及該第三線圈，以換流至一第二相位；若否，判斷是否已經經過一啟動時間區間，其中判斷是否已經經過該啟動時間區間更包含：(d1)若該啟動時間區間已經過，切換該電流依序流過該第二線圈及該第三線圈，以換流至該第二相位；若該啟動時間區間未經過，於該啟動時間內重複執行判斷是否發生該該正向零交越點；(e)測量該第一線圈之一第二反電動勢；以及(f)於該第二相位期間，因應未流通該電流之該第一線圈之該第二反電動勢發生該負向零交越點，切換該電流至依序流過該第二線圈及該第一線圈，以換流至一第三相位，其中該第一相位、該第二相位及該第三相位依照一連續相位移轉 順序。
  2. 一種啟動一直流無刷馬達之裝置，其中該直流無刷馬達包含複數線圈，該裝置包含：一偵測電路，耦合至該等線圈，用以量測該未通電流之線圈之一反電動勢，並產生一輸出訊號；以及一控制電路，耦合至該等線圈與該偵測電路，接收該偵測電路之該輸出訊號，用以依序提供一電流於該等線圈中之一第一線圈及一第二線圈，以激發一第一相位，並因應一啟動時間區間、及因應該啟動時間區間內該直流無刷馬達中一未通電流之線圈之一反電動勢(Back Electro-Motive Force,BEMF)超過一參考值其中之一，依照一特定順序，切換該電流於該等線圈中其他二線圈組合，該控制電路係於一啟動時間區間內，判斷一第一反電動勢是否發生該正向零交越點(positive zero-crossing)，若是，則切換該電流至依序流過該第二線圈及該第三線圈，以換流至一第二相位；若否，則經過該啟動時間區間後，切換該電流依序流過該第二線圈及該第三線圈，以換流至該第二相位，其中在換流至該第二相位後，該偵測電路偵測未流通該電流之該第一線圈之一第二反電動勢，該控制電路則於該第二反電動勢發生一負向零交越點時，切換該電流至該第二線圈及該第一線圈，以換流至一第三相位，完成啟動該直流無刷馬達；其中，該第一相位、該第二相位及該第三相位依照一連續相位移轉順序，該控制電路更包含一延遲線路，用以產生 一延遲時間，其中該延遲時間之長度適足以避免該控制電路判斷一偽反動勢發生一正向零交越點或發生一負向零交越點。
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