TWI418136B - 單相直流無刷馬達控制器以及控制單相直流無刷馬達轉速及轉向之方法 - Google Patents

Description

單相直流無刷馬達控制器以及控制單相直流無刷馬達 轉速及轉向之方法

本發明係關於單相直流無刷馬達，更係關於控制單相直流無刷馬達轉向之裝置與方法。

相對於有刷馬達而言，無刷馬達可以不必依靠傳統的電刷進行換相，因此增加了馬達結構的可靠度以及轉動效率，並且較為省電、安靜。此外，直流無刷馬達之結構相較於交流無刷馬達而言更加輕巧，具有佔用較少的空間的優勢，目前已廣泛運用於電子裝置散熱風扇之中。

第1圖為傳統單相直流無刷馬達之結構圖。直流無刷馬達100包括一轉子110及一定子120，其中轉子120可相對定子110旋轉。轉子110分別具有複數磁極(在此圖中為四個磁極)，各磁極可為永久磁鐵，其中相鄰的磁極分別具有相異的磁性，如圖中之N極與S極。定子120具有與轉子110相同數量之磁極，分別位於複數個矽鋼片上(在此圖中定子120共有四個矽鋼片121~124)。然而，不同於轉子110的永久磁鐵，定子120之各個磁極的磁場係由磁極上的線圈繞組所產生，而其中的繞組方式則不限為軸向繞組或徑向繞組。

值得注意的是，為了使無刷馬達避開啟動死角而能順利啟動，定子120之各個矽鋼片121~124常設計成具有不對稱的兩側(如圖所示)，以使兩側分別與正對的轉子110磁極間隔有不等距離之氣隙。以圖中之矽鋼片121以及其 正對的轉子磁極為例，當該矽鋼片121上之線圈繞組被激勵而產生極性為N之磁場時，該矽鋼片121將會與其正對的轉子磁極(N極)互斥，但由於矽鋼片121之兩側分別與其正對的轉子磁極間存有不等距離，使得矽鋼片121之兩側分別對其正對的轉子磁極施加不同大小的排斥力，兩排斥力之合力即可順利地推動轉子110朝順時鐘方向旋轉。然而，當欲使此單相直流無刷馬達進行反方向(即逆時鐘方向)旋轉時，會因無法避開啟動死角而無法順利啟動。因此，習知的單相直流無刷馬達僅能朝單方向旋轉。

僅能單向旋轉的直流無刷馬達侷限了其應用範圍。若能設計出一種使傳統單相直流無刷馬達能夠雙向旋轉的馬達控制器，將有助於增加單相直流無刷馬達的功用。

本發明提供一種單相直流無刷馬達控制器，用以控制一單相直流無刷馬達之轉速及轉向，該單相直流無刷馬達控制器包括：一微控制單元，包括：一脈寬調變(Pulse Width Modulation，PWM)引腳，用以自一系統接收一PWM訊號；以及一換向邏輯單元，用以依據該PWM訊號控制該單相直流無刷馬達之轉速及轉向。

本發明另提供一種控制單相直流無刷馬達轉速及轉向之方法，包括：接收一PWM訊號；以及依據該PWM訊號控制該單相直流無刷馬達之轉速及轉向。

本發明另提供一種變換單相直流無刷馬達轉向之方法，包括：在判斷欲變換該單相直流無刷馬達之轉向時， 先消除該單相直流無刷馬達之一定子之磁場；以及在該單相直流無刷馬達仍慣性旋轉時，使該定子產生一反轉磁場。

下文為介紹本發明之最佳實施例。各實施例用以說明本發明之原理，但非用以限制本發明。本發明之範圍當以後附之權利要求項為準。

第2圖為依據本發明一實施例之單相直流無刷馬達控制器示意圖。請一併參照第1圖，本文中將以第1圖之單相直流無刷馬達100作說明。本發明之單相直流無刷馬達控制器200包括一霍爾感測單元210、一磁場控制單元220以及一微控制單元230。本發明之單相直流無刷馬達控制器200不僅可如習知技術般用來改變單相直流無刷馬達100之轉速，更特別的是，可用來改變該單相直流無刷馬達之轉向。

本發明之霍爾感測單元210可配置於單相直流無刷馬達100之定子120之一矽鋼片上，如第1圖所示。霍爾感測單元210耦接至微控制單元230，可用以感測該單相直流無刷馬達100之轉子110在正對該霍爾感測單元210處之磁場，並將一感測訊號提供至該微控制單元。第3圖即為本發明一實施例中轉子110之磁場與霍爾感測單元210輸出之對應感測訊號示意圖。在此實施例中，當霍爾感測單元210感測到之轉子磁場為S極時，會輸出高位準訊號；而當霍爾感測單元210感測到之轉子磁場為N極時，則會輸出低位準訊號。隨著轉子110之旋轉，霍爾感測單元210 會交替輸出高低位準之訊號。熟悉本技藝人士可自行定義輸出訊號位準與磁場極性的對應關係，本發明不必以此實施例為限。

本發明之磁場控制單元220係用以改變該單相直流無刷馬達100之定子120之磁場，目的在驅動該單相直流無刷馬達100之轉子110。本發明之磁場控制單元220可產生一正轉磁場、一反轉磁場、或者消除磁場，分別用以使單相直流無刷馬達100之轉子110正轉、反轉或停止。在一實施例中，「產生正轉磁場」係指磁場控制單元220在定子120之一矽鋼片上，產生與矽鋼片正對之轉子磁極相斥之磁場，以第1圖為例，即在矽鋼片121上產生極性為N之磁場；「產生反轉磁場」係指磁場控制單元220在定子120之一矽鋼片上，產生與矽鋼片正對之轉子磁極相吸之磁場；以第1圖為例，即在矽鋼片121上產生極性為S之磁場；而「消除磁場」係指磁場控制單元220使矽鋼片121上不帶任何磁性。更明確地說，磁場控制單元220可在定子120矽鋼片之磁極線圈通以不同方向的電流，以達到產生正轉磁場及反轉磁場的目的。在此實施例中，若磁場控制單元220產生之電流係由高位準的X點流至低位準的Y點時，矽鋼片上之磁極線圈會產生S極之磁場；若磁場控制單元220產生之電流係由高位準的Y點流至低位準的X點時，則矽鋼片上之磁極線圈會產生N極之磁場。必須說明的是，基於單相直流無刷馬達之既有設計，其必定可朝一方向順利啟動並旋轉，而朝該方向旋轉即所謂之「正轉」，若以第1圖之單相直流無刷馬達100為例，則「順 時鐘方向」即為「正轉」。反之，基於相同的馬達設計，如先前技術中所述，其必定無法朝另一方向順利啟動並旋轉，而朝該方向旋轉即所謂之「反轉」，若以第1圖之單相直流無刷馬達100為例，則「逆時鐘方向」即為「反轉」。前述「順時鐘旋轉」、「反時鐘旋轉」、「相斥」、「相吸」等對應關係僅為例示，熟悉本技藝人士可輕易透過各種方式變更前述對應關係，因此本發明不必以前述實施例為限。

本發明之微控制單元230係耦接至該霍爾感測單元210以及該磁場控制單元220，用以自該霍爾感測單元210上接收其感測訊號，並用以控制該磁場控制單元230，進而控制單相直流無刷馬達100之定子120之磁場，達到控制單相直流無刷馬達100之轉向的目的。本發明之微控制單元230至少包括一換向邏輯單元232，用以判斷一系統(圖未示)是否欲變換單相直流無刷馬達100之轉向。

值得注意的是，為了使單相直流無刷馬達100順利完成轉向之動作，本發明之換向邏輯單元232更在判斷該系統欲變換單相直流無刷馬達100之轉向時進行下述步驟：(1)先令該磁場控制單元230消除該定子120之磁場，以及(2)在該單相直流無刷馬達100之轉子110仍慣性旋轉時，致使該磁場控制單元230產生一反轉磁場。當單相直流無刷馬達100之轉子110尚未啟動，或者正處於正轉磁場下而正轉時，若冒然對該轉子110施加反轉磁場，轉子110會因反轉啟動死角的關係而無法順利反轉，導致單相直流無刷馬達100停止運作。本發明利用轉子110仍在正轉的 慣性旋轉之際施加反轉磁場，即可輕易避開反轉啟動死角而使轉子110順利反轉。在一實施例中，當系統欲使單相直流無刷馬達100從靜止反轉時，本發明之換向邏輯單元232則必須將單相直流無刷馬達100先進行正轉，並在啟動正轉後隨即執行上述步驟而達到反轉之結果。

可參照第4A圖及第4B圖了解本發明之單相直流無刷風扇控制器200實際上的訊號邏輯關係。其中，第4A圖為本發明之霍爾感測單元210、微控制單元230以及磁場控制單元220在單相直流無刷馬達100進行正轉時之時序圖；而第4B圖則為本發明之霍爾感測單元210、微控制單元230以及磁場控制單元220在單相直流無刷馬達100進行反轉時之時序圖。

雖然依照前述實施例，磁場控制單元230在單相直流無刷馬達100慣性旋轉時產生反轉磁場即可使其順利反轉，但本發明之換向邏輯單元232仍可進一步決定磁場控制單元230產生反轉磁場之最佳時機。在一較佳的實施例中，該換向邏輯單元232可依據該霍爾感測單元210所提供之該感測訊號判斷該轉子110相對該定子120之位置，並在該單相直流無刷馬達慣性旋轉至一反轉啟動死角之外的位置時，致使該磁場控制單元232產生該反轉磁場。以第1圖為例，其中，當轉子110之一磁極完全正對定子120之磁極時，此相對位置即為反轉啟動死角。在此實施例中，霍爾感測元件210位於定子120之矽鋼片之邊緣，因此，當霍爾感測元件210輸出的感測訊號高低位準變換之際，即為馬達正在脫離反轉啟動死角之際。熟悉本技藝人士可 依照本發明之精神，設定在感測訊號位準變換前後一預定時間之外作為產生反轉磁場最佳時機。此外，在其他實施例中，該霍爾感測元件210可設置於矽鋼片上的其他位置，而產生反轉磁場之最佳時機可依照該霍爾感測元件210之實際位置相應調整，本發明不必以前述實施為限。

除了上述的轉子位置之判斷，本發明之換向邏輯單元232亦可用以判斷馬達100之轉速。第5圖為本發明之單相直流無刷馬達100在進行慣性旋轉時霍爾感測元件210之感測訊號示意圖，其中，感測訊號之工作周期隨著時間逐漸增長，表示單相直流無刷馬達100轉速正在減緩當中。本發明之換向邏輯單元232可由感測訊號工作周期之變化計算出馬達轉子110之轉速變化，並在轉子110接近靜止但尚未靜止前致使磁場控制單元230產生反轉磁場。綜合上述位置考量及轉速考量，熟悉本技藝人士可依據本發明之精神自行設定產生該反轉磁場的最佳時機。

前文已詳細介紹了能夠使單相直流無刷馬達進行雙向旋轉之單相直流無刷馬達控制器200。除此之外，本發明另提供一種啟動馬達換向旋轉之機制。參照第2圖，在一實施例中，本發明之微控制器200更包括一脈寬調變(Pulse Width Modulation，PWM)引腳240，可用以自系統(圖未示)接收一PWM訊號；而後，本發明之換向邏輯單元232即可依據該PWM訊號控制該單相直流無刷馬達100之轉速及轉向。在習知技術中，系統僅能透過PWM訊號控制馬達之轉速。一般而言，當PWM訊號之工作周期(duty cycle)越大，則表示系統欲提高馬達轉速，反之，當PWM訊號 之工作周期越小，則表示系統欲降低馬達轉速。然而，本發明之PWM訊號除了用以控制馬達之轉速外尚可用來控制馬達之轉向。更明確地說，換向邏輯單元232可由該PWM訊號之工作周期是否超過(即高於或低於)一預定工作周期判斷是否變換該單相直流無刷馬達100之轉向。舉例而言，在一實施例中，換向邏輯單元232中可先設定一預定工作周期0.5。當PWM訊號之工作周期高於預定工作周期0.5時，則判斷該系統欲令馬達正轉；而當PWM訊號之工作周期低於預定工作周期0.5時，則判斷該系統欲令馬達反轉。在此實施例中，若同時以PWM訊號控制轉速及轉向時，則，當PWM訊號之工作周期為0.5~1.0時，則判斷該系統欲令馬達以正轉全速的0%~100%運轉；而當PWM訊號之工作周期為0.0~0.5時，則判斷該系統欲令馬達以反轉全速的0%~100%運轉(PWM訊號之工作周期為0%則判斷該系統欲令馬達停止)。上述預定工作周期之設定以及判斷工作周期的方法僅為例示，熟悉本技藝人士可依上述實施例進行各種形式之變更。

此外，在其他實施例中，亦可不以PWM訊號作為控制馬達轉速及轉向之依據。舉例而言，該微控制單元230可另外增設一換向訊號引腳(圖未示)，用以自該系統接收一換向訊號，而該換向邏輯單元232可依據該換向訊號直接控制該單相直流無刷馬達100之轉向。

本發明另提供一種能夠雙向旋轉的單相直流無刷馬達(圖未示)，其實際結構等同前述第1圖之單相直流無刷馬達100與第2圖之單相直流無刷馬達控制器200之結合， 由於其特徵均已充份介紹於前文，故在此不再贅述。此外，本發明另提供一種能夠雙向旋轉的單相直流無刷馬達系統(圖未示)，其實際結構除了前述第1圖之單相直流無刷馬達100以及第2圖之單相直流無刷馬達控制器200之外，尚包括一系統，可用以提供上述PWM訊號，由於其他特徵均已充份介紹於前文，故亦不再贅述。

本發明之單相直流無刷馬達控制器可直接應用於習知之單相直流無刷馬達之上而使其具有雙向旋轉的功能，如此一來，可大幅增加單相直流無刷馬達之應用彈性。舉例而言，在一實施例中，可將上述單相直流無刷馬達控制器應用於一散熱風扇之馬達上，而此散熱風扇藉由變換轉向的方式而同時具有吹風及抽風的功能，可輕易改變熱流場而增加散熱效率。在另一實施例中，該散熱風扇可藉由變換轉向的方式避免單方向運轉時在固定方向累積灰塵，不論變換轉向的動作是偶然執行或定期進行，皆能達到自體除塵的效果。

除了上述之裝置，本發明另提供一種控制單相直流無刷馬達之轉速及轉向之方法。第6圖為本發明之控制單相直流無刷馬達之轉速及轉向之方法流程圖。請一併參照第1圖，本發明控制單相直流無刷馬達轉速及轉向之方法包括：在步驟S602中，接收一PWM訊號；在步驟S604中，依據該PWM訊號控制該單相直流無刷馬達100之轉速及轉向。舉例而言，步驟S604可由該PWM訊號之工作周期(duty cycle)是否超過一預定工作周期判斷是否變換該單相直流無刷馬達100之轉向，詳細內容可參照前述單相直流 無刷馬達控制器之實施例。

第7圖為本發明之變換單相直流無刷馬達轉向之方法流程圖。本發明之變換單相直流無刷馬達轉向之方法包括：在步驟S702中，在判斷欲變換該單相直流無刷馬達之轉向時，先消除該單相直流無刷馬達100之一定子120之磁場；以及在步驟S704中，在該單相直流無刷馬達100仍慣性旋轉時，使該定子120產生一反轉磁場。詳細內容可參照前述單相直流無刷馬達控制器之實施例。

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，任何熟習此項技藝者，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。

100‧‧‧單相直流無刷馬達

110‧‧‧轉子

120‧‧‧定子

121~124‧‧‧矽鋼片

200‧‧‧單相直流無刷馬達控制器

210‧‧‧霍爾感測單元

220‧‧‧磁場控制單元

230‧‧‧微控制單元

232‧‧‧換向邏輯單元

240‧‧‧PWM引腳

第1圖為傳統單相直流無刷馬達之結構圖。

第2圖為依據本發明一實施例之單相直流無刷馬達控制器示意圖。

第3圖為本發明一實施例中轉子之磁場與霍爾感測單元輸出之對應感測訊號示意圖。

第4A圖為本發明之霍爾感測單元210、微控制單元230以及磁場控制單元220在單相直流無刷馬達100進行正轉時之時序圖。

第4B圖則為本發明之霍爾感測單元210、微控制單元230以及磁場控制單元220在單相直流無刷馬達100進行反轉時之時序圖。

第5圖為本發明之單相直流無刷馬達100在進行慣性旋轉時霍爾感測元件210之感測訊號示意圖。

第6圖為本發明之控制單相直流無刷馬達之轉速及轉向之方法流程圖。

第7圖為本發明之變換單相直流無刷馬達轉向之方法流程圖。

200‧‧‧單相直流無刷馬達控制器

210‧‧‧霍爾感測單元

220‧‧‧磁場控制單元

230‧‧‧微控制單元

232‧‧‧換向邏輯單元

240‧‧‧PWM引腳

Claims (9)

1. 一種單相直流無刷馬達控制器，用以控制一單相直流無刷馬達之轉速及轉向，該單相直流無刷馬達控制器包括：一微控制單元，包括：一脈寬調變(Pulse Width Modulation，PWM)引腳，用以自一系統接收一PWM訊號；以及一換向邏輯單元，用以依據該PWM訊號控制該單相直流無刷馬達之轉速及轉向；以及一霍爾感測單元，位於一定子上，耦接至該微控制單元，用以感測該單相直流無刷馬達之一轉子上正對該霍爾感測單元處之磁場，並將一感測訊號提供至該微控制單元；其中，該換向邏輯單元更依據該霍爾感測單元所提供之該感測訊號判斷該轉子相對該定子之位置，並在該轉子慣性旋轉至一反轉啟動死角之外之位置時，致使一磁場控制單元產生一反轉磁場。
2. 如申請專利範圍第1項所述之單相直流無刷馬達控制器，其中該換向邏輯單元係由該PWM訊號之工作周期(duty cycle)是否超過一預定工作周期判斷是否變換該單相直流無刷馬達之轉向。
3. 如申請專利範圍第1項所述之單相直流無刷馬達控制器，更包括一磁場控制單元，耦接至該微控制單元，用以受該微控制單元之控制而改變該單相直流無刷馬達之該定子之磁場；其中，當該換向邏輯單元欲變換單相直流無刷馬達之轉向時，先令該磁場控制單元消除該定子之磁場，並在該單相直流無刷馬達仍慣性旋轉時，致使該磁場 控制單元產生該反轉磁場。
4. 如申請專利範圍第1項所述之單相直流無刷馬達控制器，其中，該換向邏輯單元更依據該霍爾感測單元所提供之該感測訊號判斷該轉子之轉速，並在該轉子接近靜止但尚未靜止前，致使該磁場控制單元產生該反轉磁場。
5. 如申請專利範圍第1項所述之單相直流無刷馬達控制器，其中，該微控制單元更包括一換向訊號引腳，用以自該系統接收一換向訊號。
6. 如申請專利範圍第5項所述之單相直流無刷馬達控制器，其中該換向邏輯單元更用以依據該換向訊號控制該單相直流無刷馬達之轉向。
7. 一種控制單相直流無刷馬達轉速及轉向之方法，包括：接收一PWM訊號；以及依據該PWM訊號控制該單相直流無刷馬達之轉速及轉向；感測該單相直流無刷馬達之一轉子上正對一霍爾感測單元處之磁場以提供一感測訊號；依據該感測訊號判斷該轉子相對一定子之位置，並在該轉子慣性旋轉至一反轉啟動死角之外之位置時產生一反轉磁場。
8. 如申請專利範圍第7項所述之控制單相直流無刷馬達轉速及轉向之方法，更包括由該PWM訊號之工作周期(duty cycle)是否超過一預定工作周期判斷是否變換該單相直流無刷馬達之轉向。
9. 一種變換單相直流無刷馬達轉向之方法，包括：在判斷欲變換該單相直流無刷馬達之轉向時，先消除該單相直流無刷馬達之一定子之磁場； 感測該單相直流無刷馬達之一轉子上正對一霍爾感測單元處之磁場以提供一感測訊號；依據該感測訊號判斷該轉子相對一定子之位置；以及在該單相直流無刷馬達仍慣性旋轉、且旋轉至一反轉啟動死角之外之位置時，使該定子產生一反轉磁場。