TWI473415B - 可提高馬達驅動運轉效率之控制器與方法 - Google Patents

可提高馬達驅動運轉效率之控制器與方法 Download PDF

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TWI473415B TW101112559A TW101112559A TWI473415B TW I473415 B TWI473415 B TW I473415B TW 101112559 A TW101112559 A TW 101112559A TW 101112559 A TW101112559 A TW 101112559A TW I473415 B TWI473415 B TW I473415B
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
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Description

可提高馬達驅動運轉效率之控制器與方法
本發明係有關一種可提高馬達驅動運轉效率之控制器與方法。
在馬達統應用上，馬達控制系統係依據霍爾(HALL)感應器輸出訊號(霍爾訊號)以決定驅動電路之訊號切換，亦即根據霍爾訊號產生脈寬調變驅動控制訊號(PWM驅動訊號)，驅動馬達運轉。而霍爾(HALL)感應器的實際擺放位置會影響PWM驅動訊號的切換方式，並影響馬達驅動電流波形，進而影響到馬達運轉之平穩度及運轉效率。
先前技術中，當馬達驅動運轉效率不好時，主要以兩種方式來解決：其一是調整霍爾感應器之位置以提前或延後驅動電路之訊號切換，其二是以硬體電路方式來改變PWM驅動訊號，以調整馬達驅動電流波形。
使用調整霍爾感應器位置之方法，請參考第1圖，因此種先前技術中，PWM驅動訊號的切換時點上升緣(S1)和下降緣(S2)緊隨霍爾訊號的上升緣(H1)和下降緣(H2)，故必須隨著不同之風扇特性頻繁地更改電路板上霍爾感應器之置放位置，以便調整PWM驅動訊號的切換時點，以使風扇效率符合要求。一般以風扇全速運轉時量測馬達是否達到最佳驅動效率，以決定霍爾感應器之置放位置，但因為霍爾感應器在電路板上的不可移動性，常常導致馬達低速運轉時電流過高及運轉效率不佳之問題。但若要顧及馬達低速運轉效率而改變霍爾感應器之置放位置，將使得馬達高速運轉時無法達到最大輸出功率。
第二種方法是以硬體電路方式來改變PWM驅動訊號，請參考美國專利第7030584號，其電路示於第2圖，在該案中，係提早PWM驅動訊號之關閉時間(off time)而產生圖中之訊號44，但此種安排方式尚不足以解決低速運轉時電流過高及運轉效率不佳之問題，請參考第3圖。此外，該方法需更改硬體電路之設計，執行上與前述調整霍爾感應器位置之方法一樣，費時且增加開發成本。
除上述缺點外，在上述兩種現有方法中，當馬達驅動電流波形出現不同霍爾訊號狀態，例如霍爾訊號高電位(High)與低電位(Low)訊號長度時不同，將使馬達運轉時電流過高且極度不平均，請參考第3圖之波形C1,C2。又，因其驅動電路之切換方式已固定，無法在不同應用狀況下依據不同霍爾訊號來調整驅動電路之切換時間點，故除非更改硬體，否則無法改善因馬達驅動電流波形不平均造成風扇運轉效率不佳之問題。
此外，美國專利第7259531號也揭露了控制馬達速度的方法，該先前技術的目的是要因應負載改變、而適應性地調整馬達驅動參數，但並不能在負載不變的情況下，調整馬達驅動電流波形或運轉效率於最佳狀態。
有鑑於此，本發明之第一目的即在於提供一種可提高馬達驅動運轉效率之控制器，以改善先前技術的缺點。
本發明之第二目的在於可提高馬達驅動運轉效率之控制方法。
根據本發明之其中一個觀點，乃是提供了一種可提高馬達驅動運轉效率之控制器，其供應PWM驅動訊號給一馬達驅動電路，該控制器包含：馬達訊號周期測量單元，其接收與一馬達有關之訊號並根據之而測量該馬達的轉速與周期；PWM訊號輸出時序(Timing)計算單元，其接收複數個控制參數和馬達訊號周期測量單元之輸出，根據之而計算所述PWM訊號之輸出時序(Timing)，以使該PWM訊號之打開(On)時間提前於該與一馬達有關之訊號之一轉態時間點；以及PWM訊號產生單元，其根據PWM訊號輸出時序計算單元之輸出，產生所述PWM訊號；其中該PWM訊號輸出時序(Timing)計算單元宜為韌體。
在其中一種較佳實施型態中，當該馬達轉速相對越高時，該PWM訊號之打開(On)時間相對更多提前，又當該馬達轉速相對越低時，該PWM訊號之打開(On)時間相對較少提前。
根據本發明之另一觀點，乃是提供了一種可提高馬達驅動運轉效率之控制器，其供應PWM訊號給一馬達驅動電路，該控制器包含：馬達轉速周期測量單元，其接收與一馬達有關之訊號並根據之而測量該馬達的轉速與周期；PWM訊號輸出時序計算單元，其接收複數個控制參數和馬達轉速周期測量單元之輸出，根據之而計算所述PWM訊號之輸出時序，以使該PWM訊號之打開(On)時間延後於該與一馬達有關之訊號之一轉態時間點，其中當該馬達轉速相對越高時，該PWM訊號之打開(On)時間相對較少延後，又當該馬達轉速相對越低時，該PWM訊號之打開(On)時間相對較多延後；以及PWM訊號產生單元，其根據PWM訊號輸出時序計算單元之輸出，產生所述PWM訊號。
根據本發明之另一觀點，乃是提供了一種提高馬達驅動運轉效率之控制方法，應用於一控制器中，該控制器供應PWM驅動訊號給一馬達驅動電路，所述控制方法包含：接收與一馬達有關之訊號並根據之而測量該馬達的轉速與周期；接收複數個控制參數，根據之和馬達的轉速與周期而計算所述PWM訊號之輸出時序(Timing)，以使該PWM訊號之打開(On)時間提前於該與一馬達有關之訊號之一轉態時間點；以及產生所述PWM訊號。
在其中一種較佳實施型態中，當該馬達轉速相對越高時，該PWM訊號之打開(On)時間相對更多提前，又當該馬達轉速相對越低時，該PWM訊號之打開(On)時間相對較少提前。
根據本發明之另一觀點，乃是提供了一種提高馬達驅動運轉效率之控制方法，應用於一控制器中，該控制器供應PWM驅動訊號給一馬達驅動電路，所述控制方法包含：接收與一馬達有關之訊號並根據之而測量該馬達的轉速與周期；接收複數個控制參數，根據之和馬達的轉速與周期而計算所述PWM訊號之輸出時序(Timing)，以使該PWM訊號之打開(On)時間延後於該與一馬達有關之訊號之一轉態時間點，其中當該馬達轉速相對越高時，該PWM訊號之打開(On)時間相對較少延後，又當該馬達轉速相對越低時，該PWM訊號之打開(On)時間相對較多延後；以及產生所述PWM訊號。
以上所述控制器與方法中，該與一馬達有關之訊號可為霍爾(HALL)訊號，又該複數個控制參數可包括PWM訊號之打開時間調整參數及馬達參考轉速、還可包括PWM訊號之關閉時間調整參數。
在其中一種實施態樣中，請參考第5圖，以上所述控制器與方法中之PWM訊號包含四組訊號，且所述馬達驅動電路包含四個電晶體，該四組訊號分別控制該四個電晶體之閘極。較佳地，該四個電晶體兩兩串聯，兩串聯電晶體間的互連節點分別電連接於一馬達之兩端，兩串聯電晶體非互連的端點則分別與電源和地電連接，且其中，所述四組訊號控制該四個電晶體之閘極，使得在一段時間中，與電源電連接的兩電晶體一個關閉一個導通，與地電連接的兩電晶體亦為一個關閉一個導通，而與電源電連接的電晶體導通時與其串聯的與地電連接的電晶體為關閉，而與地電連接的電晶體導通時與其串聯的與電源電連接的電晶體為關閉。
底下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
首先請參考第4圖，本發明之可提高馬達驅動運轉效率之控制器10，可用以控制一馬達驅動電路40，該馬達驅動電路40驅動一馬達，此馬達例如為風扇馬達50，但當然亦可為其他馬達；該馬達產生霍爾訊號回饋至控制器10之內。控制器10中，包含馬達訊號周期測量單元11，PWM訊號輸出時序計算單元12，和PWM驅動訊號產生單元13。馬達訊號周期測量單元11根據霍爾訊號計算馬達轉速周期；PWM訊號輸出時序計算單元12根據馬達訊號周期測量單元11的測量結果，並根據外部輸入並儲存於控制器內之控制參數TAD ,TAP ,TAA ,TBD ,TBP ,TBA ,rpmREF (容後詳述)計算PWM訊號相較於霍爾訊號之轉態點及次一轉態點之相對打開關閉輸出時序(Timing)；PWM驅動訊號產生單元13根據霍爾訊號、以及PWM訊號輸出時序計算單元12之輸出，而修正其所供應給馬達驅動電路40的PWM驅動訊號。需注意的是，馬達訊號周期測量單元11和PWM訊號輸出時序計算單元12係以韌體(firmware)製作，而非固定不易變更之硬體電路，因此控制器10可彈性地依據不同風扇特性輸入複數個不同控制參數，該控制器即以該複數個參數及風扇目前轉速，依據不同霍爾訊號狀態調整PWM訊號相較於霍爾訊號之轉態點及次一轉態點之相對打開關閉輸出時序(Timing)，使馬達運轉在驅動運轉效率最佳狀態之下。上述優點，將於後文中予以詳細解釋。
請參考第5圖，其為控制器10之應用實施例之一，顯示驅動電路40，其包含四個兩兩串聯的電晶體QAH 、QAL 、QBH 、QBL ，兩串聯電晶體間的互連節點分別電連接於風扇馬達50之兩端，兩串聯電晶體非互連的端點則分別與電源VCC和地電連接。控制器10輸出四組PWM驅動訊號PWM_AH、PWM_AL、PWM_BH、PWM_BL，分別控制電晶體QAH 、QAL 、QBH 、QBL 之閘極，其原理為依據霍爾訊號，交互切換風扇馬達電流方向，在霍爾訊號為高電位的時間內，使電晶體QAH 和QBL 導通，在霍爾訊號為低電位的時間內，使電晶體QBH 和QAL 導通。亦即，使得在一段時間中，與電源電連接的兩電晶體一個關閉一個導通，與地電連接的兩電晶體亦為一個關閉一個導通，而與電源電連接的電晶體導通時與其串聯的與地電連接的電晶體為關閉，而與地電連接的電晶體導通時與其串聯的與電源電連接的電晶體為關閉。
請參閱第6圖，在本發明中，係以調整PWM訊號相較於霍爾訊號之轉態點及次一轉態點之相對打開關閉輸出時序(Timing)，使馬達運轉在驅動運轉效率最佳狀態之下，而馬達的轉速控制係以調變PWM訊號Duty來改變。首先說明定義：霍爾訊號之高電位以HA 表示，霍爾訊號之低電位以HB 表示；當霍爾訊號由低電位HB 轉態為高電位HA 時，PWM驅動訊號相對於霍爾訊號HB →HA 轉態點之打開(Turn on)時間以下標AD 表示，關閉(Turn off)時間以下標AP 表示，當霍爾訊號由高電位HA 轉態為低電位HB 時，PWM驅動訊號相對於霍爾訊號HA →HB 轉態點之打開(Turn on)時間以下標BD 表示，關閉(Turn off)時間以下標BP 表示，亦即對於包含HA 、HB 之第一周期T，有相對於霍爾訊號HB →HA 轉態點之PWM驅動訊號打開時間tAD 、關閉時間tAP ，亦有相對於霍爾訊號HA →HB 轉態點之PWM驅動訊號打開時間tBD 、關閉時間tBP ；對於包含第二周期T’，PWM驅動訊號有打開時間t’AD 、關閉時間t’AP 、打開時間t’BD 、關閉時間t’BP ；依此類推。
上述tAD ,tBD ,tAP ,tBP 之值可依風扇馬達轉速做調整，以使馬達運轉在驅動運轉效率最佳狀態之下。對第二個霍爾訊號周期T’而言，控制器10中之馬達訊號周期測量單元11，會測量霍爾訊號前一次周期T，PWM訊號輸出時序計算單元12再依據所輸入的馬達參考轉速rpmREF 及相對於此轉速之打開時間調整參數TAD 、TBD 及關閉時間調整參數TAP 、TBP ，計算出t’AD 、t’BD 、t’AP 、t’BP ，並計算出在目前霍爾訊號周期T’內，PWM驅動訊號切換點C1、C2、D1、D2之切換時間點TC1 、TC2 、TD1 、TCD2 ；此時所設定對應之控制參數為TAD 、TBD 、TAP 、TBP 及rpmREF ，且霍爾訊號前一次周期為T，則其計算公式可為
t’AD =TAD -{TAD /(rpmREF *T)}
t’AP =TAP /(rpmREF *T)
t’BD =TBD -{TBD /(rpmREF *T)}
t’BP =TBP /(rpmREF *T)
TC1 =t’AD
TC2 =T/2-t’AP
TD1 =T/2+t’BD
TD2 =T-t’BP
PWM驅動訊號產生單元13再依據切換時間點TC1 、TC2 、TD1 、TCD2 計算值，及馬達輸入訊號，於適當時間點切換PWM驅動控制訊號，再將此訊號輸出給馬達驅動電路40，以推動風扇馬達50使風扇運轉。第7圖所示為tAD 、tBD 、tAP 、tBP 依馬達轉速變化之實施例之一，在此實施例中，tAP 、tBP 值與馬達轉速成正比，即馬達轉速越低則tAP 、tBP 值越小，請參閱第7圖中的tAP Curve(1)及tBP Curve(2)；tAD 、tBD 值則與馬達轉速成反比，即馬達轉速越低則tAD 、tBD 值越大，請參閱第7圖中的tAD Curve(4)及tBD Curve(5)。且透過相對於馬達參考轉速rpmREF 設定不同的TAD 、TBD 、TAP 、TBP 控制參數值，可使在某一馬達轉速(第7圖中的操作點A)時有不同的tAD 、tBD 、tAP 、tBP 值，如此，在本發明中，當發現馬達最高轉速不足或低轉速電流過大效率不佳時，或馬達驅動電流不平均時，都可透過調整控制參數TAD 、TBD 、TAP 、TBP 及rpmREF ，將馬達驅動效率調整至最佳狀態，而不必更動硬體電路。另，tAD 及tAP 的另一實施例可為如第7圖中的Curve(3)所示，tAD 及tAP 之值與馬達轉速無關為一固定值，此值可為對應馬達參考轉速rpmREF 的PWM關閉時間調整參數TP 。
第5圖電路中之PWM驅動訊號之波形可參考第8圖：如圖所示，控制器10中的PWM訊號輸出時序計算單元12，在對應霍爾訊號周期T及T’分別計算出tAD 、tBD 、tAP 、tBP 及t’AD 、t’BD 、t’AP 、t’BP ’並由PWM驅動訊號產生單元13產生對應的PWM驅動訊號PWM_AH、PWM_BL、PWM_BH及PWM_AL輸出給馬達驅動電路40，以推動風扇馬達50使風扇運轉。
第9圖表示與第8圖PWM驅動訊號對應之馬達驅動電流波形，當馬達低速的原始電流波形91之振幅(Amplitude)及平均值過高，且電流波形不平均時，可透過設定rpmREF 及與此對應之PWM打開時間控制參數TAD 、及TBD 來有效地降低電流波形振幅(Amplitude)及平均值，並使電流波形平均，此可透過將TBD 值設定的比TAD 值大來達成，如第7圖所示。如果修正後之馬達驅動電流波形92右邊尾端振幅(Amplitude)過高時，可透過設定不同之PWM關閉時間TAP 、TBP 控制參數有效地降低電流波形92右邊尾端振幅(Amplitude)，此可透過將TBP 值設定的比TAP 值大來達成，如第7圖所示。如此即可將馬達原始電流波形91調整至平均值最低狀態(波形93)。由第7圖可知，tAD 、tBD 值與馬達轉速成反比，如此，在高轉速時tAD 、tBD 值將為零而不會影響馬達高轉速之運轉效率。此調整過程可使用電腦應用程式於馬達運轉中動態調整，使馬達驅動效率之調整變的非常有效率，當所有控制參數皆調整完畢且確定，再將所有控制參數存入控制器10中，使馬達運轉在驅動效率最佳狀態之下。
另外，如果當馬達低速的原始電流波形91中並無電流振幅(Amplitude)及平均值過高現象，但轉速不足效率不高時，第10圖所示，則可將tAD 、tBD 值設為0，並設定打開時間調整參數TAA 、TBA ，此時PWM_BL相對於霍爾訊號HB →HA 轉態點提前打開tAA ，PWM_AL相對於霍爾訊號HA →HB 轉態點提前打開tBA 。又，tAA 及tBA 與轉速之對應關係可如tAP 、tBP 般與馬達轉速成正比，即馬達轉速越低則tAA 、tBA 值越小，如此可使馬達低速電流振幅(Amplitude)及平均值不會受tAA 、tBA 值影響而變大，馬達轉速越高則tAA 、tBA 值越高，可使馬達高速效率因tAA 、tBA 值變大而變高，此特性猶如等效將霍爾(HALL)擺放位置往前移動，可解決霍爾(HALL)擺放位置無法隨轉速改變之問題。換言之使用本發明之控制器10，可就現有應用狀況作各種調整，根據電路板上霍爾感應器之置放位置，設定控制參數(TAD 、TAP 、TAA 、TBD 、TBP 、TBA 、rpmREF )來有效地彈性調整馬達驅動效率，而不必更改電路板上霍爾感應器之置放位置及硬體電路之設計。
綜上所述，本發明相較於先前技術，至少有以下的優點：一、應用便利，可適用於現有的應用環境，僅需變更控制參數而不必更改硬體；二、可以解決馬達驅動效率不佳的問題。
以上已根據實施例說明本發明之技術思想及特點，唯其目的僅係為使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍。例如，本發明不限於應用於風扇馬達，任何馬達系統皆可應用本發明。因此凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，均應涵蓋在本發明之專利範圍內。
10．．．可提高馬達驅動運轉效率之控制器
11．．．馬達訊號周期測量單元
12．．．PWM訊號輸出時序計算單元
13．．．PWM驅動訊號產生單元
30．．．先前技術電路
32．．．驅動電路(先前技術)
34．．．風扇馬達(先前技術)
36．．．相位補償電路(先前技術)
38．．．計時器(先前技術)
40．．．馬達驅動電路
42,44．．．訊號(先前技術)
50．．．馬達風扇
91,92,93,101,103．．．馬達驅動電流波形
QAH ,QAL ,QBH ,QBL ．．．電晶體
第1圖與第2圖分別說明兩種馬達驅動之先前技術方式。
第3圖說明先前技術的問題。
第4圖顯示本發明之可提高馬達驅動運轉效率之控制器的一個實施例。
第5圖舉例示出本發明可應用來控制之馬達驅動電路40的結構。
第6圖說明如何根據霍爾訊號與控制參數產生PWM驅動訊號。
第7圖說明PWM訊號輸出時序計算單元12的一個實施例。
第8圖說明控制馬達驅動電路40的各PWM驅動訊號之波形。
第9圖說明本發明之效果。
第10圖說明本發明之另一效果。
91,92,93．．．馬達驅動電流波形

Claims (14)

  1. 一種可提高馬達驅動運轉效率之控制器，其供應PWM訊號給一馬達驅動電路，該控制器包含：馬達轉速周期測量單元，其接收與一馬達有關之訊號並根據之而測量該馬達的轉速與周期；PWM訊號輸出時序計算單元，其接收複數個控制參數和馬達轉速周期測量單元之輸出，根據之而計算所述PWM訊號之輸出時序，以使該PWM訊號之打開(On)時間提前於該與一馬達有關之訊號之一轉態時間點；以及PWM訊號產生單元，其根據PWM訊號輸出時序計算單元之輸出，產生所述PWM訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之可提高馬達驅動運轉效率之控制器，其中當該馬達轉速相對越高時，該PWM訊號之打開(On)時間相對更多提前，又當該馬達轉速相對越低時，該PWM訊號之打開(On)時間相對較少提前。
  3. 一種可提高馬達驅動運轉效率之控制器，其供應PWM訊號給一馬達驅動電路，該控制器包含：馬達轉速周期測量單元，其接收與一馬達有關之訊號並根據之而測量該馬達的轉速與周期；PWM訊號輸出時序計算單元，其接收複數個控制參數和馬達轉速周期測量單元之輸出，根據之而計算所述PWM訊號之輸出時序，以使該PWM訊號之打開(On)時間延後於該與一馬達有關之訊號之一轉態時間點，其中當該馬達轉速相對越高時，該PWM訊號之打開(On)時間相對較少延後，又當該馬達轉速相對越低時，該PWM訊號之打開(On)時間相對較多延後；以及PWM訊號產生單元，其根據PWM訊號輸出時序計算單元之輸出，產生所述PWM訊號。
  4. 如申請專利範圍第1、2或3項所述之可提高馬達驅動運轉效率之控制器，其中該與一馬達有關之訊號為霍爾(HALL)訊號。
  5. 如申請專利範圍第1、2或3項所述之可提高馬達驅動運轉效率之控制器，其中所述PWM訊號包含四組訊號，且所述馬達驅動電路包含四個電晶體，該四組訊號分別控制該四個電晶體之閘極。
  6. 如申請專利範圍第1、2或3項所述之可提高馬達驅動運轉效率之控制器，其中該複數個控制參數包括PWM訊號之打開時間調整參數及馬達參考轉速。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之可提高馬達驅動運轉效率之控制器，其中該複數個控制參數還包括PWM訊號之關閉時間調整參數。
  8. 一種可提高馬達驅動運轉效率之控制方法，應用於一控制器中，該控制器供應PWM訊號給一馬達驅動電路，所述控制方法包含：接收與一馬達有關之訊號並根據之而測量該馬達的轉速與周期；接收複數個控制參數，根據之和馬達的轉速與周期而計算所述PWM訊號之輸出時序，以使該PWM訊號之打開(On)時間提前於該與一馬達有關之訊號之一轉態時間點；以及產生所述PWM訊號。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之控制方法，其中當該馬達轉速相對越高時，該PWM訊號之打開(On)時間相對更多提前，又當該馬達轉速相對越低時，該PWM訊號之打開(On)時間相對較少提前。
  10. 一種可提高馬達驅動運轉效率之控制方法，應用於一控制器中，該控制器供應PWM訊號給一馬達驅動電路，所述控制方法包含：接收與一馬達有關之訊號並根據之而測量該馬達的轉速與周期；接收複數個控制參數，根據之和馬達的轉速與周期而計算所述PWM訊號之輸出時序，以使該PWM訊號之打開(On)時間延後於該與一馬達有關之訊號之一轉態時間點，其中當該馬達轉速相對越高時，該PWM訊號之打開(On)時間相對較少延後，又當該馬達轉速相對越低時，該PWM訊號之打開(On)時間相對較多延後；以及產生所述PWM訊號。
  11. 如申請專利範圍第8、9或10項所述之控制方法，其中該與一馬達有關之訊號為霍爾(HALL)訊號。
  12. 如申請專利範圍第8、9或10項所述之控制方法，其中所述PWM訊號包含四組訊號，且所述馬達驅動電路包含四個電晶體，該四組訊號分別控制該四個電晶體之閘極。
  13. 如申請專利範圍第8、9或10項所述之控制方法，其中該複數個控制參數包括PWM訊號之打開時間調整參數及馬達參考轉速。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之控制方法，其中該複數個控制參數還包括PWM訊號之關閉時間調整參數。
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