TWI535186B - 馬達驅動電路及使用其的馬達 - Google Patents

Description

馬達驅動電路及使用其的馬達

本發明係關於一種馬達驅動電路，且特別是一種可記錄馬達運作之相關參數的馬達驅動電路，以及使用其的馬達。

隨著科技的進步，馬達已成為資訊社會不可或缺的電子裝置。常見的馬達例如直流馬達、交流馬達、步進馬達等，已被普便應用於驅動風扇。

為了驅動馬達，馬達驅動晶片設置了霍爾感測器(Hall Sensor)。霍爾感測器可以根據馬達的工作情況(例如馬達之線圈的電流方向以及電流大小)輸出時序信號至控制電路。控制電路再根據時序信號與脈衝寬度調變信號去控制全橋電路內各個開關電晶體的導通狀況，進而使線圈與馬達轉子上的永久磁鐵產生相吸或相斥的作用力。如此一來，馬達便可驅動風扇轉動。

然而，馬達轉子在換相(例如由N極換至S極)時，必定會產生雜訊。此雜訊會影響輸入至馬達的參數，進而造成馬達的轉速不穩定或是轉速飄移。因此，需要一種馬達之設計，可以克服雜訊的影響並提供穩定的轉速。

本發明實施例提供一種馬達驅動電路。所述馬達驅動電路包括分壓電阻模組、多工器、資料控制單元、類比數位轉換單元以 及暫存器。多工器耦接於分壓電阻模組。資料控制單元耦接於多工器。類比數位轉換單元接於多工器與資料控制單元。暫存器耦接於資料控制單元。分壓電阻模組用以接收輸入電壓，並產生至少一參數電壓。參數電壓相關於馬達的馬達轉速曲線。多工器用以接收參數電壓。資料控制單元用以控制多工器選擇性地輸出參數電壓。類比數位轉換單元用以接收參數電壓並轉換為數位形式，接著將數位形式的參數電壓輸出至資料控制單元。暫存器用以儲存資料控制單元輸出的數位形式的參數電壓。控制器根據暫存器所儲存的數位形式的參數電壓決定該馬達轉速曲線，並根據馬達轉速曲線來驅動該馬達，以避免馬達在轉動時產生的雜訊干擾馬達運轉。

本發明實施例提供一種馬達。所述馬達包括馬達驅動電路以及控制器。馬達驅動電路與控制器相互耦接。馬達驅動電路包括分壓電阻模組、多工器、資料控制單元、類比數位轉換單元以及暫存器。多工器耦接於分壓電阻模組。資料控制單元耦接於多工器。類比數位轉換單元接於多工器與資料控制單元。暫存器耦接於資料控制單元。分壓電阻模組用以接收輸入電壓，並產生至少一參數電壓。參數電壓相關於馬達的馬達轉速曲線。多工器用以接收參數電壓。資料控制單元用以控制多工器選擇性地輸出參數電壓。類比數位轉換單元用以接收參數電壓並轉換為數位形式，接著將數位形式的參數電壓輸出至資料控制單元。暫存器用以儲存資料控制單元輸出的數位形式的參數電壓。控制器用以根據暫存器所儲存的數位形式的參數電壓決定該馬達轉速曲線，並根據馬達轉速曲線來驅動馬達，以避免馬達在轉動時產生的雜訊干擾馬達運轉。

綜上所述，本發明實施例所提供之馬達驅動電路及使用其的馬達可以在馬達開始運轉前將相關的參數電壓儲存於暫存器中。在供應電壓源停止供應輸入電壓前，暫存器內儲存的資料不會改 變。如此一來，馬達之控制器會依據未受到雜訊影響的馬達轉速曲線驅動去馬達轉動，以避免馬達在運轉過程中發生轉速飄移並提供穩定的轉速。

為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。

1‧‧‧馬達

2‧‧‧輸入電壓源

10‧‧‧馬達驅動電路

11‧‧‧脈衝寬度調變信號產生器

12‧‧‧霍爾感測器

13‧‧‧控制器

14‧‧‧全橋電路

101‧‧‧分壓電阻模組

102‧‧‧多工器

103‧‧‧資料控制單元

104‧‧‧類比數位轉換單元

105‧‧‧暫存器

VDD‧‧‧輸入電壓

PWM‧‧‧脈衝寬度調變信號

H+‧‧‧第一時序信號

H-‧‧‧第二時序信號

SW1‧‧‧第一開關

SW2‧‧‧第二開關

SW3‧‧‧第三開關

SW4‧‧‧第四開關

L‧‧‧馬達負載

PV、PV’‧‧‧參數電壓

ADC_RST‧‧‧第一重置信號

R_RST‧‧‧第二重置信號

SEL‧‧‧選擇信號

RDY‧‧‧切換信號

MIN‧‧‧轉速電壓

SP‧‧‧脈寬電壓

圖1是本發明實施例提供之馬達的結構方塊圖。

圖2是本發明實施例提供之馬達驅動電路的結構方塊圖。

圖3是本發明實施例提供之馬達轉速曲線的示意圖。

圖4是本發明實施例提供之馬達驅動電路於運作時的波形圖。

在下文將參看隨附圖式更充分地描述各種例示性實施例，在隨附圖式中展示一些例示性實施例。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言，提供此等例示性實施例使得本發明將為詳盡且完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明概念的範疇。在諸圖式中，可為了清楚而誇示層及區之大小及相對大小。類似數字始終指示類似元件。

應理解，雖然本文中可能使用術語第一、第二、第三等來描述各種元件或信號等，但此等元件或信號不應受此等術語限制。此等術語乃用以區分一元件與另一元件，或者一信號與另一信號。另外，如本文中所使用，術語「或」視實際情況可能包括相關聯之列出項目中之任一者或者多者之所有組合。

請參閱圖1，圖1是本發明實施例提供之馬達的結構方塊圖。馬達1包括馬達驅動電路10、脈衝寬度調變信號(Pulse Width Modulation)產生器11、霍爾感測器(Hall Sensor)12、控制器13以及全橋電路14。馬達驅動電路10耦接於輸入電壓源2以及控制器13。脈衝寬度調變信號產生器11耦接於控制器13。控制器13耦接於霍爾感測器12以及全橋電路14。輸入電壓源2用以提供輸入電壓VDD，使得馬達1得以運作。

馬達驅動電路10包含適當的邏輯、電路和/或編碼，用以接收輸入電壓VDD，並決定馬達轉速曲線。馬達轉速曲線代表輸入馬達的脈衝寬度調變信號的工作週期(Duty Cycle)與馬達轉速的對應關係。舉例來說，若將馬達轉速曲線繪製成圖示，則縱軸為馬達的轉速，橫軸為輸入的脈衝寬度調變信號的工作週期。

當輸入電壓源2開始提供輸入電壓VDD至馬達1時，馬達驅動電路10先根據輸入電壓VDD產生至少一參數電壓。參數電壓用以決定馬達轉速曲線。馬達驅動電路10將參數電壓記錄於暫存器(圖1未繪示)中，接著馬達1才會開始運轉。

脈衝寬度調變信號產生器11包含適當的邏輯、電路和/或編碼，用以提供脈衝寬度調變信號PWM以驅動馬達1運轉。脈衝寬度調變信號PWM的工作週期可依系統需求作調整。

霍爾感測器12包含適當的邏輯、電路和/或編碼，用以感測馬達1之馬達轉子(圖1未繪示)內磁極的磁極位置，並產生第一時序信號H+與第二時序信號H-。附帶一提，利用霍爾感測器12感測馬達1之馬達轉子內磁極的磁極位置並產生時序信號為所屬技術領域具通常知識者，在本領域中常用的技術，故在此不再贅述。

控制器13包含適當的邏輯、電路和/或編碼，用以接收脈衝寬度調變信號PWM、第一時序信號H+以及第二時序信號H-，並根據脈衝寬度調變信號PWM的工作週期、第一時序信號H+、第二時序信號H-以及馬達驅動電路10提供的馬達轉速曲線控制全橋電路14的導通情形，進而驅動馬達1運作。

全橋電路14包括第一開關SW1、第二開關SW2、第三開關 SW3、第四開關SW4以及馬達負載L。第一開關SW1與第二開關SW2耦接於輸入電壓源2，以接收輸入電壓VDD。第三開關SW3與第四開關SW4耦接於接地端。馬達負載L的第一端耦接於第一開關SW1以及第三開關SW3。馬達負載L的第二端耦接於第二開關SW2以及第四開關SW4。第一開關SW1、第二開關SW2、第三開關SW3以及第四開關SW4之閘極分別耦接於控制器13。此外，馬達負載L的兩端還耦接於馬達轉子。

以本實施例來說，第一開關SW1以及第二開關SW2係P型金氧半場效電晶體，而第三開關SW3以及第四開關SW4係N型金氧半場效電晶體。第一開關SW1以及第二開關SW2的源極分別耦接於輸入電壓源2，且第一開關SW1以及第二開關SW2的汲極分別耦接於馬達負載L的兩端。第三開關SW3以及第四開關SW4的汲極分別耦接於馬達負載L的兩端，且第三開關SW3以及第四開關SW4的源極分別耦接於接地端。

透過控制第一開關SW1、第二開關SW2、第三開關SW3以及第四開關SW4的導通情形，控制器13可以適當地降低或提升供應給馬達轉子的電壓，進而控制馬達轉子的轉速。

在輸入電壓源2停止輸入供應電壓VDD之前，馬達1會依照馬達驅動電路10記錄的馬達轉速曲線運轉。馬達驅動電路10記錄的馬達轉速曲線並未受到雜訊影響。因此，只要馬達1依照未受雜訊影響的馬達轉速曲線運作，馬達1便可提供穩定的轉速而不受雜訊干擾。

附帶一提，馬達1可適用於散熱風扇或其他電子裝置，本發明並不對此做限制。

以下將對馬達驅動電路10的結構與運作原理做進一步介紹。請參閱圖2，圖2是本發明實施例提供之馬達驅動電路的結構方塊圖。馬達驅動電路10包括分壓電阻模組101、多工器102、資料控制單元103、類比數位轉換單元104以及暫存器105。分壓電 阻模組101耦接於輸入電壓源2。多工器102耦接於分壓電阻模組101。資料控制單元103耦接於多工器102。類比數位轉換單元104耦接於多工器102與資料控制單元103。暫存器105耦接於資料控制單元103。

分壓電阻模組101包含適當的邏輯、電路和/或編碼，用以接收輸入電壓源2提供的輸入電壓VDD，並產生至少一參數電壓PV。參數電壓PV相關於馬達1的馬達轉速曲線。

進一步說，分壓電阻模組101係由複數個電阻所組成的電阻網路。透過設計分壓電阻模組101中各電阻的電阻值，分壓電阻模組101可以控制參數電壓PV的電壓大小，進而產生對應的馬達轉速曲線。

為方便說明，請參閱圖3，圖3是本發明實施例提供之馬達轉速曲線的示意圖。於圖3之馬達轉速曲線中，脈衝寬度調變信號PWM的工作週期(%)，而縱軸代表馬達1的轉速(Rotation Per Minute，rpm)。

參數電壓PV例如為轉速電壓MIN或脈寬電壓SP。轉速電壓MIN相關於馬達轉速曲線中馬達1的初始轉速(即馬達轉速曲線於縱軸上的起始點)，且脈寬電壓SP相關於馬達轉速曲線中脈衝寬度調變信號PWM的初始工作週期(即馬達轉速曲線於橫軸上的起始點)。當分壓電阻模組101僅輸出轉速電壓MIN與脈寬電壓SP作為參數電壓PV，且轉速電壓MIN與脈寬電壓SP皆不為0時，馬達轉速曲線的形狀如圖3所示。

或者，參數電壓PV相關於馬達轉速曲線的斜率，意即參數電壓PV可直接影響馬達轉速曲線的斜率。簡而言之，馬達轉速曲線的形狀會隨著參數電壓PV的電壓大小而改變。本發明實施例並不限定參數電壓PV的類型與數目，所屬技術領域具有通常知識者可依實際情形與需求自行設計分壓電阻模組101，使得分壓電阻模組101產生參數電壓PV以改變馬達轉速曲線的形狀。

附帶一提，分壓電阻模組101中該些電阻的電阻值可以在出廠時就設計好。此外，該些電阻亦可設計成可變電阻，使得分壓電阻模組101可以依需求調整該些電阻的電阻值，以產生不同大小的參數電壓PV。此外，由於電阻的成本較低，所屬技術領域具有通常知識者只要更換電阻即可調整參數電壓PV的大小。

復參閱圖2，多工器102包含適當的邏輯、電路和/或編碼，用以接收參數電壓PV，並選擇性地將參數電壓PV輸出至類比數位轉換單元104。

資料控制單元103包含適當的邏輯、電路和/或編碼，用以控制多工器102輸出參數電壓PV至類比數位轉換單元104。

類比數位轉換單元104包含適當的邏輯、電路和/或編碼，用以接收參數電壓PV並轉換為數位形式，接著將數位形式的參數電壓PV’輸出至資料控制單元103。

暫存器105包含適當的邏輯、電路和/或編碼，用以儲存數位形式的參數電壓PV’。

以下將配合波形圖對本發明實施例所提供之馬達驅動電路10做進一步說明。請參閱圖4，圖4是本發明實施例提供之馬達驅動電路於運作時的波形圖。如同前述，輸入電壓源2提供輸入電壓VDD至馬達1，使得馬達1開始運作。

馬達驅動電路10之分壓電阻模組101接收輸入電壓VDD，並輸出參數電壓PV至多工器102。本實施例係以分壓電阻模組101輸出轉速電壓MIN以及脈寬電壓SP作為參數電壓PV為例，但並不以此為限。

接著，資料控制單元103輸出對應於轉速電壓MIN的選擇信號SEL至多工器102，使得多工器102輸出轉速電壓MIN至類比數位轉換單元104。類比數位轉換單元104將轉速電壓MIN轉換為數位形式後，接著將數位形式的轉速電壓MIN’輸出至資料控制單元103。

在接收數位形式的轉速電壓MIN’後，資料控制單元103將數位形式的轉速電壓MIN’輸出至暫存器105，且暫存器105將數位形式的參數電壓PV’儲存。另一方面，在接收數位形式的轉速電壓MIN’後，資料控制單元103輸出第一重置信號ADC_RST至類比數位轉換單元104，以將類比數位轉換單元104中儲存的資料重置。

接著，資料控制單元103輸出對應於脈寬電壓SP的選擇信號SEL至多工器102，使得多工器102輸出脈寬電壓SP至類比數位轉換單元104。類比數位轉換單元104將脈寬電壓SP轉換為數位形式後，接著將數位形式的脈寬電壓SP’輸出至資料控制單元103。

同樣地，在接收數位形式的脈寬電壓SP’後，資料控制單元103將數位形式的脈寬電壓SP’輸出至暫存器105，且暫存器105將數位形式的脈寬電壓SP’儲存。另一方面，在接收數位形式的脈寬電壓SP’後，資料控制單元103輸出第一重置信號ADC_RST至類比數位轉換單元104，以將類比數位轉換單元104中儲存的資料重置。

當暫存器105儲存完所有的數位形式的參數電壓PV’(即數位形式的轉速電壓MIN’與數位形式的脈寬電壓SP’)後，資料控制單元103輸出切換信號RDY至控制器(如圖1之控制器13)，使得控制器13進入運作模式。

在進入運作模式後，控制器13根據對應的馬達轉速曲線、脈衝寬度調變信號PWM、第一時序信號H+以及第二時序信號H-控制全橋電路104的導通狀況，使得馬達1轉動。

當輸入電壓源2停止供應輸入電壓VDD時，代表馬達1本次的工作結束。屆時，資料控制單元103輸出第二重置信號R_RST至暫存器105，以將暫存器105中儲存的資料重置。直到輸入電壓源2再一次提供輸入電壓VDD至馬達驅動電路10，馬達驅動電路10重複上述步驟，使得暫存器105儲存所有的數位形式的參 數電壓PV’。接著，馬達1根據對應的馬達轉速曲線開始運轉。

綜上所述，本發明實施例所提供之馬達驅動電路及使用其的馬達可以在馬達開始運轉前將相關的參數電壓儲存於暫存器中。在供應電壓源停止供應輸入電壓前，暫存器內儲存的資料不會改變。如此一來，馬達之控制器會依據未受到雜訊影響的馬達轉速曲線驅動去馬達轉動，以避免馬達在運轉過程中發生轉速飄移並提供穩定的轉速。

以上所述，僅為本發明最佳之具體實施例，惟本發明之特徵並不侷限於此，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾，皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。

2‧‧‧輸入電壓源

10‧‧‧馬達驅動電路

101‧‧‧分壓電阻模組

102‧‧‧多工器

103‧‧‧資料控制單元

104‧‧‧類比數位轉換單元

105‧‧‧暫存器

VDD‧‧‧輸入電壓

PV、PV’‧‧‧參數電壓

ADC_RST‧‧‧第一重置信號

R_RST‧‧‧第二重置信號

SEL‧‧‧選擇信號

RDY‧‧‧切換信號

Claims (12)

1. 一種馬達驅動電路，包括：一分壓電阻模組，用以接收一輸入電壓，並產生至少一參數電壓，其中該參數電壓用以決定一馬達的一馬達轉速曲線；一多工器，耦接於該分壓電阻模組，用以接收該參數電壓；一資料控制單元，耦接於該多工器，用以控制該多工器輸出該參數電壓；一類比數位轉換單元，耦接於該多工器與該資料控制單元，用以接收該參數電壓並轉換為數位形式，接著將該數位形式的參數電壓輸出至該資料控制單元；以及一暫存器，耦接於該資料控制單元，用以儲存該資料控制單元輸出的該數位形式的參數電壓；其中，一控制器根據該暫存器所儲存的該數位形式的參數電壓決定該馬達轉速曲線，並根據該馬達轉速曲線來驅動該馬達，以避免該馬達在轉動時產生的一雜訊干擾該馬達運轉；其中，當該暫存器儲存完該數位形式的參數電壓後，該資料控制單元輸出一切換信號至該控制器，使得該控制器進入一運作模式。
2. 如請求項第1項所述之馬達驅動電路，其中該資料控制單元輸出一選擇信號至該多工器，以控制該多工器輸出該參數電壓至該類比數位轉換單元。
3. 如請求項第1項所述之馬達驅動電路，其中該資料控制單元接收該數位形式的參數電壓後，該資料控制單元輸出一第一重置信號至該類比數位轉換單元，以重置該類比數位轉換單元。
4. 如請求項第1項所述之馬達驅動電路，其中當該控制器進入該運作模式後，該控制器根據該暫存器所儲存的該數位形式的參數電壓決定該馬達轉速曲線，並根據該馬達轉速曲線控制一全 橋電路，使得該馬達轉動。
5. 如請求項第4項所述之馬達驅動電路，其中該全橋電路包括一第一開關、一第二開關、一第三開關以及一第四開關，該第一開關與該第二開關耦接於一輸入電壓源，該第三開關與該第四開關耦接於一接地端，且該第一開關、該第二開關、該第三開關以及該第四開關之閘極分別耦接於該控制器，其中該第一開關、該第二開關、該第三開關以及該第四開關的導通狀況相關於該馬達的工作情形。
6. 如請求項第1項所述之馬達驅動電路，其中當該輸入電壓被停止供應至該馬達驅動電路時，該資料控制單元輸出一第二重置信號至該暫存器，以重置該暫存器。
7. 一種馬達，包括：一馬達驅動電路，該馬達驅動電路包括：一分壓電阻模組，用以接收一輸入電壓，並產生至少一參數電壓，其中該參數電壓用以決定該馬達的一馬達轉速曲線；一多工器，耦接於該分壓電阻模組，用以接收該參數電壓；一資料控制單元，耦接於該多工器，用以控制該多工器輸出該參數電壓；一類比數位轉換單元，耦接於該多工器與該資料控制單元，用以接收該參數電壓並轉換為數位形式，接著將該數位形式的參數電壓輸出至該資料控制單元；以及一暫存器，耦接於該資料控制單元，用以儲存該資料控制單元輸出的該數位形式的參數電壓；一控制器，耦接於該資料控制單元與該暫存器，用以根據該暫存器所儲存的該數位形式的參數電壓決定該馬達轉速曲線，並根據該馬達轉速曲線來驅動該馬達，以避免該馬達在轉動時產生的一雜訊干擾該馬達運轉； 其中，當該暫存器儲存完該數位形式的參數電壓後，該資料控制單元輸出一切換信號至該控制器，使得該控制器進入一運作模式。
8. 如請求項第7項所述之馬達，其中該資料控制單元輸出一選擇信號至該多工器，以控制該多工器輸出該參數電壓至該類比數位轉換單元。
9. 如請求項第7項所述之馬達，其中該資料控制單元接收該數位形式的參數電壓後，該資料控制單元輸出一第一重置信號至該類比數位轉換單元，以重置該類比數位轉換單元。
10. 如請求項第7項所述之馬達，其中當該控制器進入該運作模式後，該控制器根據該暫存器所儲存的該數位形式的參數電壓決定該馬達轉速曲線，並根據該馬達轉速曲線控制一全橋電路，使得該馬達轉動。
11. 如請求項第10項所述之馬達，其中該全橋電路包括一第一開關、一第二開關、一第三開關以及一第四開關，該第一開關與該第二開關耦接於一輸入電壓源，該第三開關與該第四開關耦接於一接地端，且該第一開關、該第二開關、該第三開關以及該第四開關之閘極分別耦接於該控制器，其中該第一開關、該第二開關、該第三開關以及該第四開關的導通狀況相關於該馬達的工作情形。
12. 如請求項第7項所述之馬達，其中當該輸入電壓被停止供應至該馬達驅動電路時，該資料控制單元輸出一第二重置信號至該暫存器，以重置該暫存器。