TWI433447B - 馬達轉子的角度檢測裝置及檢測方法 - Google Patents

Description

馬達轉子的角度檢測裝置及檢測方法

本發明是有關於一種馬達轉子的角度檢測裝置及檢測方法，且特別是有關於一種直流無刷(Brushless Direct Current,BLDC)馬達的轉子的角度檢測裝置及檢測方法。

請參照圖1，圖1繪示已知技術所使用的馬達轉子的角度檢測裝置100的方塊圖。已知的直流無刷馬達轉子的角度檢測裝置100包括取樣器110、除法器120以及計數器130。取樣器110接收由馬達轉子上的霍爾(Hall)感測模組所產生的轉子感測信號HAOUT，其中的轉子感測信號HAOUT是一個具有多個脈衝的週期性信號。取樣器110通過一個高頻的時鐘信號來對轉子感測信號HAOUT的相鄰的兩脈衝間的時間距離進行取樣，並利用取樣的結果(兩脈衝間的時間間距所能容納的時鐘信號的個數)來計算出轉子感測信號HAOUT的相鄰的兩脈衝的時間間距T60。

除法器120則耦接取樣器110，並針對所接收的時間間距T60進行除法運算以產生步階時間Tstep，並將步階時間Tstep提供至計數器130。計數器130則可以利用步階時間Tstep來依據轉子感測信號HAOUT來計算獲得轉子的角度ANG-OUT。

請同時參照圖1及圖2，圖2繪示計數器130利用步階時間Tstep進行轉子的角度ANG-OUT計數的示意圖。其中，由於步階時間Tstep的解析度有限，在間距WTH並非是步階時間Tstep的整數倍時，計數器130的計數操作會存在有誤差ERR。這個誤差ERR在馬達轉子持續動作的情況下，會持續地被累積，也就是說，隨著馬達運作的時間越長，馬達轉子的角度的檢測會越不準確。

本發明提供一種馬達轉子的角度檢測裝置及檢測方法，可更準確地檢測出馬達轉子的旋轉角度。

本發明提出一種馬達轉子的角度檢測裝置，包括週期計數器、步階週期產生器以及角度產生器。週期計數器接收轉子感測信號，並計算轉子感測信號的多個脈衝間的多個時間間距。步階週期產生器耦接週期計數器，依據時間間距的時間間距平均值與設定值來產生比例值與誤差信號。步階週期產生器還依據誤差信號來調整比例值，且依據調整的該比例值與時間間距平均值來產生步階時間。角度產生器耦接步階週期產生器，接收步階時間以及轉子感測信號，並依據轉子感測信號及步階時間以獲得角度檢測結果。

本發明還提出一種馬達轉子的角度檢測方法，包括：接收轉子感測信號，並計算轉子感測信號的多個脈衝間的多個時間間距；依據時間間距的時間間距平均值與設定值來產生比例值與誤差信號；再依據誤差信號來調整比例值，並且依據調整後的比例值與時間間距平均值來產生步階時間；最後，依據轉子感測信號及步階時間以獲得角度檢測結果。

基於上述，本發明通過步階週期產生器以依據誤差信號來調整比例值，並藉以動態調整依據比例值所產生的步階時間。通過動態調整的步階時間，因步階時間的解析度不足所可能產生的誤差將可以有效地得到補償，並使依據步階時間所進行的馬達轉子的角度檢測裝置的準確度可以更為提升。

請參照圖3，圖3繪示本發明一實施例的馬達轉子的角度檢測裝置300的示意圖。角度檢測裝置300適用於直流無刷馬達，包括週期計數器310、步階週期產生器320以及角度產生器330。週期計數器310接收轉子感測信號HAOUT，並計算轉子感測信號HAOUT的多個脈衝間的多個時間間距T60。以馬達轉子轉動一圈會對應產生具有7個脈衝轉子感測信號HAOUT為範例，轉子每轉動60度時，對應的轉子感測信號HAOUT會產生一個脈衝，因此，轉子每轉動一圈，週期計數器310會對應產生6個時間間距T60。

步階週期產生器320耦接至週期計數器310，並接收週期計數器310所產生的時間間距T60。週期計數器310依據所接收到的多個時間間距T60的時間間距平均值與設定值來產生比例值與誤差信號。其中，設定值是預先設定好的值，而所產生的比例值則是依據時間間距平均值與設定值來產生。舉例來說，利用時間間距平均值來除以設定值所得的商數就可以拿來當作比例值，而利用時間間距平均值來除以設定值所得的餘數，則用以作為誤差信號。

此外，步階週期產生器320還依據誤差信號來調整比例值，且依據調整後的比例值與時間間距平均值來產生步階時間Tstep。具體一點來說明，當誤差信號不為0時(也就是時間間距平均值來除以設定值所得的餘數不為0時)，步階週期產生器320會依據誤差信號來對比例值進行週期性的調整，並藉此動態調整依據比例值與時間間距平均值所產生的步階時間Tstep。舉個實際的範例來說明，假設時間間距平均值等於1048而設定值等於32，通過時間間距平均值除以設定值(1048/32)可以獲得比例值等於32以及誤差信號等於24。由於24的二進位值等於11000，取其最高兩個位“11”，可以使連續的四個用來計算步階時間Tstep的比例值中，其中1個等於32，另3個等於32+1=33。

在上述的例子中，比例值的調整是通過將時間間距平均值與設定值相除的商數，加上一個預定調整值來進行調整，其中，預定調整值可以是1。

角度產生器330耦接步階週期產生器320，角度產生器330接受步階週期產生器320所產生的步階時間Tstep，並利用週期等於步階時間Tstep的時鐘信號來依據轉子感測信號HAOUT來進行計數，就可以獲得馬達轉子的角度檢測結果ANG-OUT。附帶一提的，由於馬達轉子的角度必然是0～360度間，因此，角度產生器330可以依據轉子感測信號HAOUT來進行重置的動作。

以下請參照圖4，圖4繪示本發明另一實施例的角度檢測裝置400的示意圖。角度檢測裝置400包括週期計數器410、前期濾波器440、運算器460、步階週期產生器420、角度產生器430以及回饋濾波器450。週期計數器410接收轉子感測信號HAOUT，並計算轉子感測信號HAOUT的多個脈衝間的多個時間間距T60。前期濾波器440則耦接至週期計數器410，並接收由週期計數器410所產生的多個時間間距T60。前期濾波器440計算多個的時間間距T60的平均值來獲得時間間距平均值T60AVG，其中，前期濾波器440可以依據兩個、三個或四個(或更多)連續的時間間距T60來計算其平均值，並獲得時間間距平均值T60AVG。

運算器460耦接在前期濾波器440與步階週期產生器420間，運算器460並耦接至回饋濾波器450。運算器460接收回饋濾波器450所產生的回饋角度檢測結果FBS以及時間間距平均值T60AVG以進行減法的操作。在本實施例中，運算器460為減法器，並與回饋濾波器450形成一個負反饋的結構，並藉以驅使角度檢測裝置400可以收斂到產生一個較為穩定的角度檢測結果ANG-OUT。

步階週期產生器420與角度產生器430與前述實施例的步階週期產生器320與角度產生器330的作動方式是相同的。以下不多贅述。回饋濾波器450則是接收角度檢測結果ANG-OUT，並計算不同時間的多個角度檢測結果ANG-OUT的平均值來產生回饋角度檢測結果FBS。

以下請參照圖5，圖5繪示前期濾波器440的一實施方式。在本實施例中，前期濾波器440包括加法器411以及除法器412。加法器411耦接至週期計數器410並接收依序傳送至的多個時間間距T60，並由多個不同的時間間距T60選擇P個選中時間間距來進行加法運算，其中P為大於1的整數。除法器412耦接至加法器411，並使加法器411所計算出的P個選中時間間距的和除以P，並藉此來獲得時間間距平均值。其中，P可以是2、3、4或其他更多的數值。

以下則請參照圖6，圖6繪示本發明實施例的步階週期產生器420的實施方式的示意圖。步階週期產生器420包括除法器610以及查找表620。除法器610接收時間間距平均值T60AVG以及設定值SET。除法器610使時間間距平均值T60AVG與設定值SET進行除法運算(時間間距平均值T60AVG除以設定值SET)。除法器610並取其中的除法運算所產生的商數為比例值MV，並依據除法運算所產生的餘數來產生誤差信號NV。其中，除法器610可依據選用除法運算所產生的餘數的最高的多個位元來產生誤差信號NV。

查找表620耦接除法器610，並接收比例值MV以及誤差信號NV，且產生調整後的比例值TMV。查找表620中記錄誤差信號NV與不同週期的比例值的對應關係。也就是說，查找表620中所記錄的，是在對應各種不同的誤差信號NV下，各週期所應產生的調整後的比例值TMV。舉例來說，若誤差信號NV是取用除法運算所產生的餘數的最高的2個位來產生的，查找表620所記錄的資料可以如表1：

當然，誤差信號NV也可以是取用除法運算所產生的餘數的最高的3個位來產生的，則查找表620所記錄的資料可以如表2：

由上述的表1及表2可以得知，誤差信號NV的位元數可以決定週期的長短，而在一個週期中，被調整的比例值TMV與原比例值不相同的次數，恰等於誤差信號NV的數值。

當然，上述的表1及表2僅只是範例，誤差信號NV的位元數可以更多，而不限於2個或3個位元。

以下請參照圖7，圖7繪示本發明實施例的除法器610的一實施方式。在本實施方式中，除法器610包括位元選擇器710，而時間間距平均值T60AVG以2進位元的方式被儲存在多個暫存器721～72K中。在設定值SET等於2的M次方時，位元選擇器710依據設定值SET來選擇暫存器721～72K中所儲存的多個資料中的M個最低位元來產生除法器610所要產生的餘數。另外，位元選擇器710則選擇其餘的K-M個位來產生除法器610所要產生的商數。並且，位元選擇器710使所產生的商數等於比例值MV，並選用所產生的餘數的數個最高位元來產生誤差信號NV。

請參照圖8，圖8繪示本發明實施例的回饋濾波器450的一實施方式。回饋濾波器450包括累加器810以及除法器820。累加器810用以接收並累加Q個不同時間週期的角度檢測結果ANG-OUT以獲得累加和，Q為大於1的整數。除法器820耦接累加器810，除法器820使累加和除以Q以產生回饋角度檢測結果FBS。

以下針對本發明實施例的角度檢測裝置以波形的方式來進行說明，以使本領域技術人員更能瞭解本發明的特徵。

請參照圖9，圖9繪示本發明實施例的角度檢測裝置的波形示意圖。在圖9的繪示中，轉子感測信號HAOUT的相鄰兩脈衝的距離為間距WTH，而計算轉子感測信號HAOUT每一相鄰兩脈衝的距離為間距WTH可以獲得時間間距T60。而針對多個時間間距T60則可計算出時間間距平均值T60AVG，再通過時間間距平均值T60AVG與設定值進行除法運算，則可以得到步階時間Tstep。更進一步地，利用週期等於步階時間Tstep的時間來進行角度檢測結果ANG-OUT的計數，並在步階時間Tstep是會依據誤差信號來動態調整的情況下，間距WTH無法被步階時間Tstep整除所產生的誤差將可以有效地被補償。也因此，利用週期等於步階時間Tstep的時間來進行計數所獲得角度檢測結果ANG-OUT將會更為準確。

請參照圖10，圖10繪示本發明一實施例的馬達轉子的角度檢測方法的流程圖。首先，接收轉子感測信號，並計算轉子感測信號的多個脈衝間的多個時間間距(步驟S1010)；再依據時間間距的時間間距平均值與設定值來產生比例值與誤差信號(步驟S1020)；並依據誤差信號來調整比例值，且依據調整後的比例值與時間間距平均值來產生步階時間(步驟S1030)；最後，依據轉子感測信號及步階時間以獲得角度檢測結果(步驟S1040)。關於本發明實施例的馬達轉子的角度檢測的實施細節在上述多個實施例以及實施方式中都有詳細的說明，以下將不再贅述。

綜上所述，本發明利用誤差信號來動態調整比例值，並利用動態調整過的比例值來對應產生步階時間，再通過動態調整的步階時間來進行馬達轉子的角度計數操作，以使獲得的角度檢測結果更為準確。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視所附的權利要求範圍所界定者為準。

圖1：

100．．．角度檢測裝置

110．．．取樣器

120．．．除法器

130．．．計數器

ANG-OUT．．．轉子的角度

HAOUT．．．轉子感測信號

Tstep．．．步階時間

T60．．．時間間距

圖2：

ERR．．．誤差

HAOUT．．．轉子感測信號

TStep．．．步階時間

WTH．．．間距

圖3：

300．．．角度檢測裝置

310．．．週期計數器

320．．．步階週期產生器

330．．．角度產生器

ANG-OUT．．．轉子的角度

HAOUT．．．轉子感測信號

Tstep．．．步階時間

T60．．．時間間距

圖4：

400．．．角度檢測裝置

410．．．週期計數器

420．．．步階週期產生器

430．．．角度產生器

440．．．前期濾波器

450．．．回饋濾波器

ANG-OUT．．．轉子的角度

HAOUT．．．轉子感測信號

FBS．．．回饋角度檢測結果

Tstep．．．步階時間

T60．．．時間間距

T60AVG．．．時間間距平均值

圖5：

411．．．加法器

412．．．除法器

440．．．前期濾波器

T60．．．時間間距

T60AVG．．．時間間距平均值

圖6：

420．．．步階週期產生器

610．．．除法器

620．．．查找表

MV．．．比例值

NV．．．誤差信號

SET．．．設定值

TMV．．．調整後的比例值

T60AVG．．．時間間距平均值

圖7：

610．．．除法器

710．．．位元選擇器

721、722、723、72K．．．暫存器

MV．．．比例值

NV．．．誤差信號

SET．．．設定值

T60AVG．．．時間間距平均值

圖8：

450．．．回饋濾波器

810．．．累加器

820．．．除法器

ANG-OUT．．．轉子的角度

FBS．．．回饋角度檢測結果

圖9：

ANG-OUT．．．轉子的角度

HAOUT．．．轉子感測信號

Tstep．．．步階時間

T60．．．時間間距

T60AVG．．．時間間距平均值

WH．．．間距

圖10：

S1010、S1020、S1030、S1040．．．步驟

本發明可藉由下列連同參考該等附圖閱讀詳細說明與範例而更完全瞭解，其中：

圖1繪示已知技術所使用的馬達轉子的角度檢測裝置100的方塊圖；

圖2繪示計數器130利用步階時間Tstep進行轉子的角度ANG-OUT計數的示意圖；

圖3繪示本發明一實施例的馬達轉子的角度檢測裝置300的示意圖；

圖4繪示本發明另一實施例的角度檢測裝置400的示意圖；

圖5繪示前期濾波器440的一實施方式；

圖6繪示本發明實施例的步階週期產生器420的實施方式的示意圖；

圖7繪示本發明實施例的除法器610的一實施方式；

圖8繪示本發明實施例的回饋濾波器450的一實施方式；

圖9繪示本發明實施例的角度檢測裝置的波形示意圖；及

圖10繪示本發明一實施例的馬達轉子的角度檢測方法的流程圖。

310．．．週期計數器

320．．．步階週期產生器

330．．．角度產生器

ANG-OUT．．．轉子的角度

HAOUT．．．轉子感測信號

Tstep．．．步階時間

T60．．．時間間距

Claims (18)

1. 一種馬達轉子的角度檢測裝置，包括：一週期計數器，接收一轉子感測信號，並計算該轉子感測信號的多個脈衝間的多個時間間距；一步階週期產生器，耦接該週期計數器，依據該多個時間間距的一時間間距平均值與一設定值來產生一比例值與一誤差信號，該步階週期產生器還依據該誤差信號來調整該比例值，且依據調整後的該比例值與該時間間距平均值來產生一步階時間；及一角度產生器，耦接該步階週期產生器，接收該步階時間以及該轉子感測信號，依據該轉子感測信號及該步階時間以獲得一角度檢測結果。
2. 如申請專利範圍第1項所述之角度檢測裝置，還包括：一前期濾波器，耦接在該步階週期產生器與該週期計數器的耦接路徑間，該前期濾波器接收該多個時間間距並產生該時間間距平均值。
3. 如申請專利範圍第2項所述之角度檢測裝置，其中該前期濾波器選取該多個時間間距中的多個來加以平均，以產生該時間間距平均值。
4. 如申請專利範圍第3項所述之角度檢測裝置，其中該前期濾波器包括：一加法器，耦接該週期計數器，計算該多個時間間距中的P個選中時間間距的和，其中P為大於1的整數；及一除法器，耦接該加法器及該步階週期產生器，依據使該些選中時間間距除以P以產生該時間間距平均值。
5. 如申請專利範圍第1項所述之角度檢測裝置，其中該步階週期產生器依據該誤差信號來增加一預定調整值來調整該比例值。
6. 如申請專利範圍第1項所述之角度檢測裝置，其中該步階週期產生器使該時間間距平均值與該設定值相除以產生該比例值以及該誤差信號。
7. 如申請專利範圍第6項所述之角度檢測裝置，其中該步階週期產生器包括：一除法器，耦接該週期計數器，用以使該時間間距平均值與該設定值進行一除法運算，且該除法運算產生的一商數為該比例值，並依據該除法運算所產生的一餘數來產生該誤差信號，其中該設定值為大於1的正整數。
8. 如申請專利範圍第7項所述之角度檢測裝置，其中該步階週期產生器取用該除法運算所產生的該餘數的最高的N個位來作為該誤差信號，N為大於1的整數。
9. 如申請專利範圍第7項所述之角度檢測裝置，其中該除法器包括：一位元選擇器，該位元選擇器選擇該時間間距平均值的最低M個位為該餘數，並選擇該時間間距平均值的其他位為該商數，其中，該設定值等於2的M次方，M為大於1的整數。
10. 如申請專利範圍第7項所述之角度檢測裝置，其中步階週期產生器還包括：一查找表，耦接該除法器，該查找表記錄該誤差信號與不同週期的比例值的對應關係，其中，該步階週期產生器依據該誤差信號由該查找表來獲得不同週期的比例值。
11. 如申請專利範圍第1項所述之角度檢測裝置，其中還包括：一運算器，耦接在該週期計數器與該步階週期產生器的耦接路徑間，接收該時間間距平均值以及一回饋角度檢測結果，並計算該時間間距平均值與該回饋角度檢測結果的差值；及一回饋濾波器，計算多個不同時間週期的該角度檢測結果的平均值以產生該回饋角度檢測結果。
12. 如申請專利範圍第11項所述之角度檢測裝置，其中該回饋濾波器包括：一累加器，接收並累加Q個不同時間週期的該角度檢測結果以獲得一累加和，Q為大於1的整數；及一除法器，耦接該累加器，使該累加和除以Q以產生該回饋角度檢測結果。
13. 如申請專利範圍第1項所述之角度檢測裝置，其中該週期計數器包括：一取樣器，接收一基準時鐘信號以及該轉子感測信號，依據該基準時鐘信號取樣該轉子感測信號的任相鄰兩脈衝間的多個距離以獲得該多個時間間距。
14. 一種馬達轉子的角度檢測方法，包括：接收一轉子感測信號，並計算該轉子感測信號的多個脈衝間的多個時間間距；依據該多個時間間距的一時間間距平均值與一設定值來產生一比例值與一誤差信號；依據該誤差信號來調整該比例值，且依據調整後的該比例值與該時間間距平均值來產生一步階時間；及依據該轉子感測信號及該步階時間以獲得一角度檢測結果。
15. 如申請專利範圍第14項所述之角度檢測方法，其中還包括：選取該多個時間間距中的多個來加以平均，以產生該時間間距平均值。
16. 如申請專利範圍第14項所述之角度檢測方法，其中「依據該誤差信號來調整該比例值」的步驟包括：依據該誤差信號來決定否增加一預定調整值以調整該比例值。
17. 如申請專利範圍第14項所述之角度檢測方法，其中「依據該多個時間間距的該時間間距平均值與該設定值來產生該比例值與該誤差信號」的步驟包括：依據該時間間距平均值與該設定值相除的商數來產生該比例值，並依據該時間間距平均值與該設定值相除的餘數來產生該誤差信號。
18. 如申請專利範圍第17項所述之角度檢測方法，其中「依據該多個時間間距的該時間間距平均值與該設定值來產生該比例值與該誤差信號」的步驟包括：當該設定值等於2的M次方時，選取該時間間距平均值的最低M個位以產生該誤差信號，並取該時間間距平均值的其他位以產生該比例值商數，M為大於1的整數。