TWI406493B - 用於無刷直流馬達之速度控制電路與定速控制電路 - Google Patents

用於無刷直流馬達之速度控制電路與定速控制電路 Download PDF

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Description

用於無刷直流馬達之速度控制電路與定速控制電路
本發明係關於一種無刷直流(brush-less direct current，BLDC)馬達，特別是關於一無刷直流馬達之速度控制電路。
近來，無刷直流(brushless direct current，BLDC)馬達越來越普遍地使用於自動化、消費性與工業上的應用。與傳統的有刷直流馬達相比較，BLDC馬達具有許多優點，例如具有較高的效率、線性轉速與轉矩特性、較低的噪音、較寬的轉速範圍、較低的維修需求以及較長的工作壽命。
使用BLDC馬達之應用(例如使用BLDC馬達作為主要換氣元件之通風系統)常遇到磁性退化的問題。BLDC馬達在長時間操作下會導致其操作溫度升高，使得其磁鐵的磁力逐漸衰退。因而造成BLDC馬達的轉速變慢而低於其正規速度，嚴重地影響了通風系統的效能。
因此，一種具有簡單設計與較低成本，且能維持BLDC馬達轉速固定的控制電路，為業界所渴求。
本發明之一實施例提供一種速度控制電路，用於無刷直流(brush-less direct current motor，BLDC)馬達，包括脈波產生器、電流源電路、第一濾波電路、誤差放大電路以及脈寬調變(pulse width modulation，PWM)電路。脈波產生器偵測BLDC馬達之速度信號，以根據速度信號之上升緣或下降緣來產生脈波信號。電流源電路由脈波信號所控制。第一濾波電路耦接電流源電路，以產生平均信號。誤差放大電路接收平均信號與速度參考信號，以產生速度控制信號。PWM電路根據速度控制信號來產生切換信號，以驅動BLDC馬達。切換信號之脈寬由速度控制信號所決定。誤差放大電路包括第二濾波電路，產生速度控制信號以提供至PWM電路之輸入端。速度信號由設置於BLDC馬達之霍爾感測裝置所產生。
PWM電路包括振盪器、正反器以及比較器。振盪器產生時脈信號與斜坡信號。正反器產生切換信號。比較器接收斜坡信號與速度控制信號，且產生重置信號。時脈信號用來致能切換信號，而重置信號用來禁能切換信號。
本發明之另一實施例提供一種定速控制電路，用於無刷直流(brush-less direct current motor，BLDC)馬達，包括脈波產生器、濾波電路、誤差放大電路以及脈寬調變(pulse width modulation，PWM)電路。脈波產生器偵測BLDC馬達之速度信號，以根據速度信號來產生脈波信號。濾波電路根據脈波信號來產生平均信號。誤差放大電路接收平均信號與速度參考信號，以產生速度控制信號。PWM電路根據速度控制信號來產生切換信號，以驅動BLDC馬達。切換信號之脈寬由速度控制信號所決定。脈波信號的最大脈寬被BLDC馬達之速度信號的最大頻率所限制。濾波電路的頻寬由BLDC馬達之速度信號的最小頻率所決定。速度信號由設置於BLDC馬達之霍爾感測裝置所產生。
PWM電路包括振盪器、正反器以及比較器。振盪器產生時脈信號與斜坡信號。正反器產生切換信號。比較器接收斜坡信號與速度控制信號，且產生重置信號。時脈信號用來致能切換信號，而重置信號用來禁能切換信號。
為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
本發明提供一種無刷直流(brushless direct current，BLDC)馬達之定速控制電路。圖1係繪示根據本發明一實施例之定速控制電路100a。定速控制電路100a包括脈波產生器90、電流源電路、第一濾波電路、誤差放大電路50以及脈寬調變(pulse width modulation，PWM)電路300。脈波產生器90用來偵測BLDC馬達10之速度信號HS ，以根據速度信號HS 之上升緣來產生脈波信號PLS。速度信號HS 係由裝設於BLDC馬達10之霍爾感測裝置12所產生。電阻器75與電容器76並聯以形成第一濾波電路。電流源70與開關73串聯以形成電流源電路。當脈波信號PLS被致能(enable)時，開關73將被導通以將電流源70之電流IP 傳導至第一濾波電路。第一濾波電路接收電流IP 以產生跨於電容器76之平均信號VS 。誤差放大電路50包括誤差放大器51與52、電阻器56與57、電容器58以及第二濾波電路。平均信號VS 被提供至誤差放大器51之正端。誤差放大器51之負端連接誤差放大器51之輸出端。電阻器56耦接於誤差放大器51之輸出端與誤差放大器52之負端之間。誤差放大器52之正端接收速度參考信號VR 。電阻器57與電容器58並聯於誤差放大器52之負端與輸出端之間。電阻器81與電容器82串聯於誤差放大器52之輸出端與參考接地之間，以形成第二濾波電路。電阻器81與電容器82之接合點為誤差放大電路50之輸出端。誤差放大電路50接收平均信號VS 與速度參考信號VR 以產生速度控制信號SC ，電阻器56與57決定了誤差放大電路50之增益。電容器58用來決定誤差放大電路50之頻寬。PWM電路300接收速度控制信號SC ，以根據速度控制信號SC 來產生切換信號SPWM 。切換信號SPWM 之脈寬係由速度控制信號SC 所決定。
相位換序器30與驅動電路20形成三相BLDC驅動器。裝設於BLDC馬達10之霍爾感測裝置12產生速度信號HS 。相位換序器30之輸出信號HX 、LX 、HY 、LY 、HZ 、LZ 根據切換信號SPWM 而透過驅動電路20來驅動BLDC馬達10。相位換序器30之輸出信號HX 、LX 、HY 、LY 、HZ 、LZ 的脈寬係由切換信號SPWM 之脈寬來決定。切換信號SPWM 之脈寬係與速度控制信號SC 之電壓位元准相關聯。
圖2係繪示根據本發明實施例之脈波產生器90。脈波產生器90包括電流源97、反相器91與94、電晶體92、電容器93以及及閘95。反相器91之輸入端與及閘95之第一輸入端接收速度信號HS 。反相器91之輸出端耦接電晶體92之閘極。電流源97耦接於供應電壓VCC 與電晶體92之汲極之間。電晶體92之源極耦接參考接地。電容器93耦接於電晶體92之汲極與參考接地之間。反相器94耦接於電晶體92之汲極與及閘95之第二輸入端之間。及閘95之輸出端產生脈波信號PLS。脈波產生器90根據速度信號HS 之上升緣來產生脈波信號PLS。圖3係繪示速度信號HS 與脈波信號PLS之波形。參閱圖2及3，脈波信號PLS之脈寬TW 固定，且係由電流源97之電流與電容器93之電容值所決定。脈波信號PLS之最大脈寬TW(MAX) 被BLDC馬達10之最大轉速所限制。BLDC馬達10之最大轉速也與其速度信號HS 之最大頻率相關聯。亦即，脈波信號PLS之最大脈寬TW(MAX) 被維持小於速度信號HS 之週期TS 的最小值。
參閱圖3，在一實施例中，脈波信號PLS係產生於速度信號HS 之上升緣。在其他實施例(未顯示於圖示)中，脈波信號PLS可產生於速度信號HS 之下降緣。
圖4A係繪示電流源70所提供之電流IP 對第一濾波電路之電容器76(以C來表示)充電之示意圖。第一濾波電路之電阻器75以R來表示。電流源70之電流、電阻器75之電阻值以及電容器76之電容值決定了第一濾波器之頻寬。第一濾波電路之頻寬也由BLDC馬達10之最低轉速所決定。BLDC馬達10之最低轉速也與速度信號HS 之最小頻率相關聯。圖4B係繪示圖4A之等效電路。
V P =I P ×R -----------------------------------------(1)
其中，VP 表示第一濾波電路之等效電壓源，IP 表示電流源70之電流，而R表示電阻器75之電阻值。
圖4C與4D係分別繪示當BLDC馬達10操作在較低速度與較高速度頻率脈波信號PLS與平均信號VS 的波形。
圖5係繪示根據本發明實施例之PWM電路300。PWM電路300包括振盪器310、反相器315、345與381、比較器360、反及閘382、及閘325、正反器320以及單擊電路340。振盪器310產生時脈信號CLK。時脈信號CLK之脈寬決定了切換信號SPWM 之最大脈寬。時脈信號CLK透過反相器315而被提供至及閘325之第一輸入端及正反器320之時鐘輸入端ck。正反器320因此根據時脈信號CLK而致能。正反器320之輸出端耦接及閘325之第二輸入端，以產生切換信號SPWM 。振盪器310更產生斜坡信號RMP，其耦接至比較器360之負端。速度控制信號SC 被提供至比較器360之正端。透過反相器381與反及閘382，比較器360之輸出端產生重置信號來重置正反器320，以禁能(disable)切換信號SPWM 。單擊電路340之輸入端接收切換信號SPWM 。單擊電路340之輸出端耦接反相器345之輸入端。反相器345之輸出端耦接反及閘385之輸入端。
圖6係繪示根據本發明另一實施例之定速控制電路100b。定速控制電路100b包括脈波產生器90、開關72與73、反相器71、一濾波電路、誤差放大電路50以及PWM電路300。脈波產生器90接收BLDC馬達10之速度信號HS ，以根據速度信號HS 來產生脈波信號PLS。開關72係透過反相器71而由脈波信號PLS所控制。濾波電路係由電阻器74與77以及電容器78所組成。濾波器耦接開關72與73，以產生平均信號VS 。誤差放大電路50之架構與圖1相同，在此略述。誤差放大器50接收平均信號VS 與速度參考信號VR 以產生速度控制信號SC 。PWM電路300根據速度控制信號SC 來產生切換信號SPWM ，以透過相位換序器30與驅動電路20來驅動BLDC馬達10。切換信號SPWM 之脈寬係由速度控制信號SC 決定。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，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。
圖1：
10‧‧‧無刷直流(BLDC)馬達
12‧‧‧霍爾感測裝置
20‧‧‧驅動電路
30‧‧‧相位換序器
50‧‧‧誤差放大電路
51、52‧‧‧放大器
56、57‧‧‧電阻器
58‧‧‧電容器
70‧‧‧電流源
73‧‧‧開關
75‧‧‧電阻器
76‧‧‧電容器
81‧‧‧電阻器
82‧‧‧電容器
90‧‧‧脈波產生器
100a‧‧‧定速控制電路
300‧‧‧脈寬調變電路
IP ‧‧‧電流源70之電流
HS ‧‧‧速度信號
HX 、LX 、HY 、LY 、HZ 、LZ ‧‧‧輸出信號
PLS‧‧‧脈波信號
SC ‧‧‧速度控制信號
SPWM ‧‧‧切換信號
VCC ‧‧‧供應電壓
VR ‧‧‧速度參考信號
VS ‧‧‧平均信號
圖2：
91‧‧‧反相器
92‧‧‧電晶體
93‧‧‧電容器
94‧‧‧反相器
95‧‧‧及閘
97‧‧‧電流源
圖3：
TS ‧‧‧速度信號HS 之週期
TW ‧‧‧脈波信號PLS之脈寬
TW(MAX) ‧‧‧脈波信號PLS之最大脈寬
圖4A-4B：
C‧‧‧第一濾波電路之電容器76
R‧‧‧第一濾波電路之電阻器75
VP ‧‧‧第一濾波電路之等效電壓源
圖5
310‧‧‧振盪器
315‧‧‧反相器
320‧‧‧正反器
325‧‧‧及閘
340‧‧‧單擊電路
345‧‧‧反相器
360‧‧‧比較器
381‧‧‧反相器
382‧‧‧反及閘
CLK‧‧‧時脈信號
RMP‧‧‧斜坡信號
圖6：
71‧‧‧反相器
72‧‧‧開關
74、77‧‧‧電阻器
78‧‧‧電容器
100b‧‧‧定速控制電路
圖1繪示根據本發明一實施例之定速控制電路；圖2繪示根據本發明實施例之定速控制電路的脈波產生器；圖3繪示速度信號與脈波信號之波形；圖4A繪示根據本發明實施例之第一濾波電路之等效電路；圖4B繪示圖4A之第一濾波電路之等效電路；圖4C繪示當BLDC馬達操作在較低轉速時之脈波信號與平均信號的波形；圖4D繪示當BLDC馬達操作在較高轉速時之脈波信號 與平均信號的波形；圖5繪示根據本發明實施例之定速控制電路的PWM電路；以及圖6繪示根據本發明另一實施例之定速控制電路。
10．．．無刷直流(BLDC)馬達
12．．．霍爾感測裝置
20．．．驅動電路
30．．．相位換序器
50．．．誤差放大電路
51、52．．．放大器
56、57．．．電阻器
58．．．電容器
70．．．電流源
73．．．開關
75．．．電阻器
76．．．電容器
81．．．電阻器
82．．．電容器
90．．．脈波產生器
100a．．．定速控制電路
300．．．脈寬調變電路
IP ．．．電流
HS ．．．速度信號
HX 、LX 、HY 、LY 、HZ 、LZ ．．．輸出信號
PLS．．．脈波信號
SC ．．．速度控制信號
SPWM ．．．切換信號
VCC ．．．供應電壓
VR ．．．速度參考信號
VS ．．．平均信號

Claims (8)

  1. 一種速度控制電路，用於無刷直流(brush-less direct current motor，BLDC)馬達，包括：一脈波產生器，偵測該BLDC馬達之一速度信號，以根據該速度信號之一上升緣或一下降緣來產生一脈波信號；一電流源電路，由該脈波信號所控制；一第一濾波電路，耦接該電流源電路，以產生一平均信號；一誤差放大電路，接收該平均信號與一速度參考信號，以產生一速度控制信號；以及一脈寬調變(pulse width modulation，PWM)電路，根據該速度控制信號來產生一切換信號，以驅動該BLDC馬達；其中，該切換信號之脈寬由該速度控制信號所決定；其中，該PWM電路包括：一振盪器，產生一時脈信號與一斜坡信號；一正反器，產生該切換信號；以及一比較器，接收該斜坡信號與該速度控制信號，且產生一重置信號；其中，該時脈信號用來致能該切換信號，而該重置信號用來禁能該切換信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之速度控制電路，其中，該誤差放大電路包括： 一第二濾波電路，產生該速度控制信號以提供至該PWM電路之輸入端。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之速度控制電路，其中，該速度信號由設置於該BLDC馬達之一霍爾感測裝置所產生。
  4. 一種定速控制電路，用於無刷直流(brush-less direct current motor，BLDC)馬達，包括：一脈波產生器，偵測該BLDC馬達之一速度信號，以根據該速度信號來產生一脈波信號；一第一開關，具有耦接一供應電壓的第一端以及具有第二端，其中，該第一開關受控於該脈波信號；一反相器，接收該脈波信號；一第二開關，具有耦接該第一開關之第二端的第一端以及具有耦接一參考接地的第二端，其中，該第二開關透過該反相器受控於該脈波信號；一濾波電路，耦接該第一開關之第二端，根據該脈波信號來產生一平均信號，其中，該濾波電路包括：一第一電阻器，具有耦接該第一開關之第二端的第一端以及具有第二端；一第二電阻器，具有耦接該第一電阻器之第二端的第一端以及具有耦接該參考接地的第二端；以及一電容器，耦接於該第一電阻器之第二端與該參考接地之間，其中，該平均信號產生於該第一電阻器之第二端；一誤差放大電路，接收該平均信號與一速度參考信號，以產生一速度控制信號；以及 一脈寬調變(pulse width modulation，PWM)電路，根據該速度控制信號來產生一切換信號，以驅動該BLDC馬達；其中，該切換信號之脈寬由該速度控制信號所決定。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之定速控制電路，其中，該脈波信號的一最大脈寬被該BLDC馬達之該速度信號的一最大頻率所限制。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之定速控制電路，其中，該濾波電路的一頻寬由該BLDC馬達之該速度信號的一最小頻率所決定。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之定速控制電路，其中，該速度信號由設置於該BLDC馬達之一霍爾感測裝置所產生。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之定速控制電路，其中，該PWM電路包括：一振盪器，產生一時脈信號與一斜坡信號；一正反器，產生該切換信號；以及一比較器，接收該斜坡信號與該速度控制信號，且產生一重置信號；其中，該時脈信號用來致能該切換信號，而該重置信號用來禁能該切換信號。
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