TWI436580B - 馬達控制裝置及其控制器 - Google Patents

馬達控制裝置及其控制器 Download PDF

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TWI436580B
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Yo Lang Lin
Ming Yen Lin
Chia Wen Kuo
Kuan Ting Lee
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Delta Electronics Inc
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14Electronic commutators

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  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Description

馬達控制裝置及其控制器
本發明係關於一種可避免控制馬達之相位切換的兩組開關元件同時導通而造成馬達內部電路零件損壞之情形發生的馬達控制裝置及其控制器。
請參閱圖1所示,其係揭示一種習知馬達控制裝置,該馬達控制裝置主要係由一霍爾元件11、驅動電路12(例如為全橋驅動電路)所組成。其中該霍爾元件11用以感測馬達運轉時之磁極相位切換以取得相位感測信號,並且依據相位感測信號而產生兩組驅動信號(S1、S2)分別輸出給驅動電路12的四個開關(SW1-SW4)(例如為電晶體),其中驅動信號S1輸出給開關(SW1)及開關(SW4),驅動信號(S2)則輸出給開關(SW2)及開關(SW3),俾藉由兩組驅動信號(S1、S2)以分別控制而輪流開啟或關閉開關(SW1、SW4)或開關(SW2、SW4),而使得馬達之線圈20流經的電流方向交替,而驅使馬達運轉。
配合圖2所示,上述藉由兩組驅動信號(S1、S2)控制馬達運轉方式,雖然馬達可因此達到持續運轉的目的,然而該兩組驅動信號(S1、S2)在轉態(ON→OFF或OFF→ON)之同時,即有可能導致兩組驅動信號(S1、S2)同時導通(ON)四個開關(SW1-SW4),使得電源之電流(I)可自開關(SW1)、開關(SW3)流至接地端或自開關(SW2)、開關(SW4)流至接地端,且由於並未通過馬達之線圈20(負載)而導致電流(I)通過的阻抗值降低,因此,在電源之電壓(Vcc)為固定及電流(I)通過之阻抗值下降的條件下,將使得通過開關(SW1、SW3)或開關(SW2、SW4)之電流(I)變得很大(V(電壓)=I(電流)×R(電阻)), 而造成開關(SW1-SW4)的燒毀而損壞,並且造成馬達異常狀態之發生。
因此,為解決上述問題,本發明之目的為提供一種馬達控制裝置,係電連接一馬達。該馬達控制裝置主要包括一控制器及一驅動電路。該控制器具有一預設時間,並用以產生第一驅動信號及第二驅動信號輸出;該驅動電路包括第一開關元件及第二開關元件,該第一開關元件及第二開關元件分別接收第一驅動信號及第二驅動信號,並依據第一驅動信號及第二驅動信號輪流開啟或關閉,以驅使馬達運轉;其中控制器於第二驅動信號導通第二開關元件的預設時間前,提早閉合第一開關元件,且於第一驅動信號導通第一開關元件的預設時間前,提早閉合第二開關元件,進而使該第一開關元件及該第二開關元件不會同時開啟,使電源電流可以順利通過該馬達之線圈(負載),而不至燒壞該些開關元件。
本發明之另一目的為提供一種控制器,電性連接馬達控制裝置之一驅動電路,驅動電路再電性連接一馬達,其中控制器包括一感測單元及一信號控制單元,該感測單元感測馬達運轉時之磁極相位切換以產生相位感測信號輸出至信號控制單元,而該信號控制單元接收該相位感測信號,並依據該相位感測信號以產生該第一驅動信號及該第二驅動信號分別輸出至驅動電路的第一開關元件及第二開關元件,以輪流開啟或關閉驅動電路的第一開關元件及第二開關元件,而使得馬達之線圈流經的電流方向交替,以驅使馬達運轉,據此,本發明之控制器內設計有相位感測單元(例如是霍爾感測元件),且也僅使用兩個輸出接腳即能達到控制驅動電路的效果,因而可簡化電路的複雜度及降低成本。
為讓本發明之上述和其他目的、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。
11‧‧‧霍爾元件
12‧‧‧驅動電路
20‧‧‧線圈
3‧‧‧馬達控制裝置
31‧‧‧整流電路
32‧‧‧降壓電路
33‧‧‧控制器
331‧‧‧感測單元
332‧‧‧信號控制單元
333‧‧‧異常偵測單元
34‧‧‧驅動電路
4‧‧‧電源
5‧‧‧馬達
6‧‧‧系統
S801~S803‧‧‧步驟
圖1為習知一種馬達控制裝置之電路示意圖。
圖2為圖1之馬達控制裝置的驅動信號之波形示意圖。
圖3為依據本發明第一實施例馬達控制裝置的電路方塊圖。
圖4為依據本發明第一實施例馬達控制裝置的電路示意圖。
圖5為依據本發明第一實施例馬達控制裝置的另一電路示意圖。
圖6為依據本發明第一實施例馬達控制裝置之第一驅動信號與第二驅動信號的波形示意圖。
圖7為依據本發明第二實施例馬達控制裝置的電路方塊圖。
圖8為依據本發明第二實施例馬達控制裝置於馬達發生異常時的處理流程圖。
圖9為依據本發明第二實施例馬達控制裝置之相位感測信號(Sp)與異常信號(RD)的波形示意圖。
請參照圖3及圖4,本發明第一實施例之馬達控制裝置3分別電性連接一交流(AC)電源4及一馬達5,主要包括一整流電路31、一降壓電路32、一控制器33及一驅動電路34。
整流電路31例如是一橋式整流電路,其輸入端電性連接交流電源4,輸出端則分別電性連接降壓電路32及驅動電路34(或馬達5),該整流電路31主要用以將交流電源之交流電壓轉成一電壓較高之直流(DC)電壓(VH),並且分別輸出至降壓電路32及驅動電路34(或馬達5)。
降壓電路32係分別電性連接整流電路31的輸出端及控制器33,且由於控制器33僅需電壓較小的直流電壓驅動,因此藉由降壓電路32降低上述之電壓較高的直流電壓(VH),並且輸出該降壓後(較小)之直流電壓(VL)給控制器33,以提供該控制器33動作所需之電能;上述之降壓電路32包括一電阻(R1)、一稽納二極體(ZD1)及一電容(C1)。
控制器33例如是一馬達驅動IC,於本實施例中該控制器33至少具有四個接腳,其中第一接腳(Out1)與第二接腳(Out2)分別電性連接驅動電路34的第一開關元件(Q1)及第二開關元件(Q2),以分別輸出第一驅動信號(S1)及第二驅動信號(S2)至該第一開關元件(Q1)及第二開關元件(Q2);第三接腳(Vin)電性連接降壓電路32的輸出端,以 接收經降壓電路32降壓後輸出之直流電壓(VL);而第四接腳(Gnd)電性連接一接地端。該控制器33主要包括一感測單元331及一信號控制單元332;該感測單元331例如是一霍爾感測元件,用以感測馬達5運轉時之磁極的相位切換以產生相位感測信號Sp;該信號控制單元332具有一預設時間(例如6-8μSec),且信號控制單元332接收相位感測信號Sp,並依據相位感測信號Sp產生第一驅動信號(S1)及第二驅動信號(S2)輸出至驅動電路34,其中第一驅動信號(S1)及該第二驅動信號(S2)皆為一具有高電位及低電位交替的脈波寬度調變信號,且第一驅動信號(S1)及該第二驅動信號(S2)不會同時為高電位。
驅動電路34例如是一全橋電路,其至少包括下橋的第一開關元件(Q1)、第二開關元件(Q2)及上橋的第三開關元件(Q3)、第四開關元件(Q4),該些開關元件係電連接於馬達5之線圈(L)與控制器33之間,其中上橋的第三開關元件(Q3)、第四開關元件(Q4)例如是一雙載子接面電晶體(Bipolar Junction Transistor,BJT),而下橋的第一開關元件(Q1)、該第二開關元件(Q2)則例如是一金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)。
其中驅動電路34內的元件電性連接關係為:上橋的第三開關元件(Q3)、第四開關元件(Q4)之集極(C)係分別電性連接於馬達5之線圈(L)的兩端,該第三開關元件(Q3)、第四開關元件(Q4)之射極(E)係分別電性連接於整流電路31的輸出端,該第三開關元件(Q3)之基極(B)係電性連接於電容(C2)的第二端、電阻(R2)的第二端及電阻(R3)的第一端,而電容(C2)的第一端及電阻(R2)的第一端則電性連接整流電路31的輸出端,電阻(R3)的第二端則電性連接二極體(D1)之陽極,而二極體(D1)之陰極則電性連接第四開關元件(Q4)之集極(C);該第四開關元件(Q4)之基極(B)係電性連接於電容(C3)的第二端、電阻(R4)的第二端及電阻(R5)的第一端,而電容(C3)的第一端及電阻(R4)的第一端則電性連接整流電路31的輸出端,電阻(R5)的第二端則電性連接二極體(D2)之陽極,而二極體(D2)之陰極則電性連接第三開關元件(Q3)之集極(C);二極體(D3)及二極體(D4)的陰極係分別 電性連接於整流電路31的輸出端,而二極體(D3)及二極體(D4)的陽極則分別電性連接於線圈(L)的兩端。
下橋的第一開關元件(Q1)、第二開關元件(Q2)之汲極(D)係分別電性連接於馬達5之線圈(L)的兩端及分別電性連接該上橋的第三開關元件(Q3)、第四開關元件(Q4)之集極(C),第一開關元件(Q1)、第二開關元件(Q2)之閘極(G)係分別電性連接於控制器33(驅動IC)的第一接腳及第二接腳,第一開關元件(Q1)、第二開關元件(Q2)之源極(S)係電性連接於接地端。
如圖5所示,該驅動電路34亦可以例如是半橋電路,其至少包括第一開關元件(Q1)、第二開關元件(Q2),該些開關元件係電連接於馬達5之線圈(L1、L2)與控制器33之間,其中第一開關元件(Q1)、第二開關元件(Q2)可以為一金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)。其中驅動電路34內的元件電性連接關係為:第一開關元件(Q1)、第二開關元件(Q2)之汲極(D)係分別電性連接於馬達5之線圈(L1)及線圈(L2)的第二端,線圈(L1)及線圈(L2)的第一端則電性連接整流電路31的輸出端;第一開關元件(Q1)、第二開關元件(Q2)之閘極(G)係分別電性連接於控制器33(驅動IC)的第一接腳及第二接腳,第一開關元件(Q1)、第二開關元件(Q2)之源極(S)係電性連接於接地端。
再參閱圖4,本發明馬達控制裝置3的動作原理如下:該控制器33之感測單元331感測馬達5運轉時之磁極的相位切換以產生相位感測信號Sp,該信號控制單元332接收相位感測信號Sp,並依據相位感測信號Sp產生第一驅動信號(S1)及第二驅動信號(S2)分別輸出至驅動電路34的第一開關元件(Q1)及第二開關元件(Q2),其中當第一驅動信號(S1)之高電位(此時第二驅動信號(S2)為低電位)通過第一開關元件(Q1)時,即導通第一開關元件(Q1),並且也導通了第四開關元件(Q4),使得電源之電流(I)可由第四開關元件(Q4)流經馬達5之線圈(L)、第一開關元件(Q1)後至接地端,配合圖6所示,當第二驅動信號(S2)準備由低電位轉為高電位的一預設時間(T)(例如是6-8μSec)前,該信號控制 單元332先使第一驅動信號S1由高電位轉為低電位,以提前關閉第一開關元件(Q1),而當第二驅動信號(S2)已由低電位轉為高電位,並通過第二開關元件(Q2)時,即導通第二開關元件(Q2)及第三開關元件(Q3),使得電源之電流(I)可由第三開關元件(Q3)流經馬達5之線圈(L)、第二開關元件(Q2)後至接地端,再當第一驅動信號(S1)準備由低電位轉為高電位的一預設時間(T)前,該信號控制單元332先使第二驅動信號(S2)由高電位轉為低電位,以提前關閉第二開關元件(Q2),而當第一驅動信號(S1)已由低電位轉為高電位,並通過第一開關元件(Q1)時,即導通第一開關元件(Q1),俾藉由第一驅動信號(S1)及第二驅動信號(S2)而輪流開啟或關閉第一開關元件(Q1)及第二開關元件(Q2),而使得馬達5之線圈(L)流經的電流方向交替,進而驅使馬達5運轉。利用上述方式,即可以在下一個開關元件導通前,提前閉合上一個開關元件,使兩個開關元件不會同時導通,且使電源電流(I)可以順利通過該馬達5之線圈(L)(負載),而不至因兩個開關元件同時導通而形成一短路迴路,進而燒壞該些開關元件。
再者,本發明馬達控制裝置的驅動IC內設計有相位感測單元(霍爾感測元件),且也僅使用兩個輸出接腳即能達到控制全橋驅動電路的四個開關元件,因而可簡化電路的複雜度及降低成本。
請參閱圖7,與第一實施例所不同的是,本發明第二實施例的馬達控制裝置3更包括一異常偵測單元333,係建置於控制器33內,而控制器33更可以包括有第五接腳(F00)(圖未示)或第六接腳(R00)(圖未示)或同時具有第五接腳、第六接腳,且第五接腳及第六接腳可以電性連接一外部的系統6,其中第五接腳用以回饋馬達5的相位感測信號(Sp)至外部的系統6,以讓系統6可以得知馬達5目前轉速,而第六接腳則用以提供警示效果;且配合圖8所示,上述之異常偵測單元333係接收並依據感測單元331感測馬達5所產生的相位感測信號(Sp)(如圖9的(a))來判定馬達5是處於正常狀態或異常狀態(S801),倘若馬達5處於正常運轉狀態(S802),則相位感測信號(Sp)則為一高低電位交替變化的脈波寬度調變信號,若馬達5處於異常狀態,則相位感測信號(Sp)則為一高電位 或一低電位的連續信號(圖9中顯示為高電位,高低電位僅表示馬達5的切換相位,當相位感測信號(Sp)為一高電位或一低電位的連續信號時,則表示馬達5的磁極並無進行換相的動作,即馬達5異常),其中當異常偵測單元333判斷馬達5異常時,該異常偵測單元333會輸出一由原先低電位轉為高電位的異常信號(RD)(如圖9的(b)),並通過控制器33的第六接腳(R00)將該異常信號(RD)輸出至外部的系統6(S803),以讓系統6可以得知馬達5目前處於異常狀態。
以上所述僅為例示性,而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇,而對其進行之等效修改或變更,均應包含於後附之申請專利範圍中。
3‧‧‧馬達控制裝置
31‧‧‧整流電路
32‧‧‧降壓電路
33‧‧‧控制器
331‧‧‧感測單元
332‧‧‧信號控制單元
34‧‧‧驅動電路
4‧‧‧電源
5‧‧‧馬達

Claims (38)

  1. 一種馬達控制裝置,電性連接一馬達,該馬達控制裝置包括:一控制器,包括:一感測單元,用以感測該馬達運轉時之磁極相位切換以產生該相位感測信號;一信號控制單元,具有一預設時間,該信號控制單元接收該相位感測信號,並依據該相位感測信號以產生一第一驅動信號及一第二驅動信號輸出;及一異常偵測單元,該異常偵測單元依據該感測單元感測該馬達所產生的該相位感測信號來判定該馬達是處於正常狀態或異常狀態;以及一驅動電路,分別電連接該馬達及該控制器,該驅動電路包括一第一開關元件及一第二開關元件,該第一開關元件及該第二開關元件分別接收該第一驅動信號及該第二驅動信號,且該第一開關元件及該第二開關元件分別依據該第一驅動信號及該第二驅動信號輪流開啟或關閉,而使得該馬達之一線圈流經的電流方向交替,以驅使該馬達運轉;其中該控制器於該第二驅動信號導通該第二開關元件的該預設時間前,關閉該第一開關元件,且於該第一驅動信號導通該第一開關元件的該預設時間前,關閉該第二開關元件。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之馬達控制裝置,更包括:一整流電路,電性連接該驅動電路及一外部之交流電源,用以將該交流電源之一交流電壓轉成一直流電壓並輸出;以及一降壓電路,電性連接該整流電路及該控制器,用以降低經該整流電路輸出之直流電壓,並且輸出該降壓後之直流電壓給該控制器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之馬達控制裝置,其中該感測單元可以為一霍爾感測元件。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之馬達控制裝置,其中該控制器為一驅動IC。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之馬達控制裝置,其中該驅動IC至少具有四個接腳。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之馬達控制裝置,其中該驅動IC具有一第一接腳及一第二接腳,以分別輸出該第一驅動信號及該第二驅動信號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之馬達控制裝置,其中該驅動IC更具有一第三接腳及一第四接腳,該第三接腳電性連接一電源,該第四接腳電性連接一地端。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之馬達控制裝置,其中該控制器更包括一第五接腳,電性連接一系統,用以回饋該馬達的轉速至該系統。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之馬達控制裝置,其中該驅動IC更包括一第六接腳,電性連接該系統,於該馬達發生異常時輸出一高電位或低電位的連續信號至該系統。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之馬達控制裝置,其中該相位感測信號為一高低電位交替變化的脈波寬度調變信號時,該異常偵測單元判斷該馬達處於正常狀態。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之馬達控制裝置,其中該相位感測信號為一高電位或一低電位的連續信號時,該異常偵測單元判斷該馬達處於異常狀態。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之馬達控制裝置,其中該異常偵測單元藉由該控制器的一第六接腳輸出一連續的高電位或低電位的異常信號至一系統,以讓該系統得知該馬達目前處於異常狀態。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之馬達控制裝置,其中該驅動電路為全橋電路,其包括下橋的該第一開關元件、該第二開關元件及上橋的一第三開關元件、一第四開關元件,該些開關元件係電連接於該馬達之該線圈與該控制器之間。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之馬達控制裝置,其中該些開關元件為電晶體。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之馬達控制裝置,其中該上橋的該第三開關元件、該第四開關元件為一雙載子接面電晶體,該下橋的該第一開關元件、該第二開關元件為一金氧半場效電晶體。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之馬達控制裝置,其中該上橋的兩個雙載子接面電晶體之一集極係電性連接於該線圈,而該兩個雙載子接面電晶體的一基極及一射極係電連接於一整流電路。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之馬達控制裝置,其中該下橋的兩個金氧 半場效電晶體之一汲極係電性連接於該線圈的兩端及分別電性連接該上橋的雙載子接面電晶體的基極,該兩個金氧半場效電晶體的一閘極係電性連接於該控制器,該兩個金氧半場效電晶體的一源極係電性連接於一接地端。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之馬達控制裝置,其中該驅動電路為半橋電路,其包括該第一開關元件及該第二開關元件,該些開關元件係分別電性連接於該馬達的一第一線圈、一第二線圈與該控制器之間。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之馬達控制裝置,其中該第一開關元件及該第二開關元件為一電晶體。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之馬達控制裝置,其中該電晶體為一金氧半場效電晶體。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之馬達控制裝置,其中該兩個金氧半場效電晶體之一汲極係分別電性連接於該第一線圈及該第二線圈,該兩個金氧半場效電晶體的一閘極係電性連接於該控制器,該兩個金氧半場效電晶體的一源極係電性連接於一接地端。
  22. 如申請專利範圍第1項所述之馬達控制裝置,其中該第一驅動信號及該第二驅動信號皆為一具有高電位及低電位交替的脈波寬度調變信號。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之馬達控制裝置,其中該第一驅動信號及該第二驅動信號不會同時為高電位。
  24. 如申請專利範圍第22項所述之馬達控制裝置,其中該第一驅動信號之高電位通過該第一開關元件時,即導通該第一開關元件,當該第一驅動信號之低電位通過該第一開關元件時,即關閉第一開關元件。
  25. 如申請專利範圍第22或24項所述之馬達控制裝置,其中該第二驅動信號之高電位通過該第二開關元件時,即導通該第二開關元件,當該第二驅動信號之低電位通過該第二開關元件時,即關閉第二開關元件。
  26. 如申請專利範圍第22項所述之馬達控制裝置,其中該控制器於該第二驅動信號為高電位而導通第二關關元件的該預設時間前,使該第一驅動信號由高電位轉為低電位,以提前關閉該第一開關元件。
  27. 如申請專利範圍第22或26項所述之馬達控制裝置,其中該控制器於 該第一驅動信號為高電位而導通第一開關元件的該預設時間前,使該第二驅動信號由高電位轉為低電位,以提前關閉該第二開關元件。
  28. 一種控制器,電性連接一馬達控制裝置之一驅動電路,而該驅動電路電性連接一馬達,該控制器包括:一感測單元,用以感測該馬達運轉時之磁極相位切換以產生一相位感測信號;一信號控制單元,具有一預設時間,該信號控制單元接收該相位感測信號,並依據該相位感測信號以產生一第一驅動信號及一第二驅動信號輸出至該驅動電路;以及一異常偵測單元,該異常偵測單元依據該感測單元感測該馬達所產生的該相位感測信號來判定該馬達是處於正常狀態或異常狀態;其中該驅動電路之一第一開關元件及一第二開關元件分別依據接收之該第一驅動信號及該第二驅動信號而輪流開啟或關閉,而使得該馬達之一線圈流經的電流方向交替,以驅使該馬達運轉;且該信號控制單元於該第二驅動信號導通該第二開關元件的該預設時間前,關閉該第一開關元件,及於該第一驅動信號導通該第一開關元件的該預設時間前,關閉該第二開關元件。
  29. 如申請專利範圍第28項所述之控制器,其中該感測單元可以為一霍爾感測元件。
  30. 如申請專利範圍第28項所述之控制器,其中該控制器為一驅動IC。
  31. 如申請專利範圍第30項所述之控制器,其中該驅動IC具有四個接腳。
  32. 如申請專利範圍第31項所述之控制器,其中該驅動IC具有第一接腳及第二接腳,以分別輸出該第一驅動信號及該第二驅動信號。
  33. 如申請專利範圍第32項所述之控制器,其中該驅動IC更具有第三接腳及第四接腳,該第三接腳電性連接一電源,該第四接腳電性連接一地端。
  34. 如申請專利範圍第33項所述之控制器,其中該驅動IC更包括一第五接腳,電性連接一系統,用以回饋該馬達的轉速至該系統。
  35. 如申請專利範圍第34項所述之控制器,其中該驅動IC更包括一第六接腳,電性連接該系統,於該馬達異常時輸出一高電位或低電位的信 號至該系統。
  36. 如申請專利範圍第28項所述之控制器,其中該相位感測信號為一高低電位交替變化的脈波寬度調變信號時,該異常偵測單元判斷該馬達處於正常狀態。
  37. 如申請專利範圍第36項所述之控制器,其中該相位感測信號為一高電位或一低電位的連續信號時,該異常偵測單元判斷該馬達處於異常狀態。
  38. 如申請專利範圍第37項所述之控制器,其中該異常偵測單元藉由該控制器的一第六接腳輸出一連續的高電位或低電位的異常信號至一系統,以讓該系統得知該馬達目前處於異常狀態。
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