TWI581557B - 高精確度馬達驅動系統及其方法 - Google Patents

Description

高精確度馬達驅動系統及其方法

本發明是有關於一種馬達驅動裝置，特別是指一種高精確度馬達驅動裝置及其方法。

馬達是目前工業應用上最普遍的動力來源，以驅動各類的工具機組，而馬達可分為直流馬達與交流馬達。直流馬達(DC Motor)在控制上非常容易，為早期自動化控制之主要動力來源，但因其碳刷保養不易且易出火花，故在粉塵污染高及嚴禁煙火的地方，有它先天上的障礙。而交流馬達無碳刷，故保養上容易，且價格低廉，輸出功率大，具有高啟動轉矩及穩定的轉速的特性，種種的效果都淩駕在直流馬達之上。一般而言，交流馬達主要分為感應馬達(Induction Motor，簡稱IM)和無刷直流馬達(Brushless DC Motor，簡稱BLDC)，其中以無刷直流馬達的使用最多，因為它具備了構造簡單、價廉，響應快、轉矩大，可連續頻繁的進行起動、停止、制動、逆轉之特點，故已成為自動化的重要設備之一。

在直流無刷馬達或其它馬達中，往往是利用脈波寬度調變波(Pulse Width Modulation，簡稱PWM)技術來趨動馬達轉動，而利用脈波寬度調變的問題點，如下：請先參考圖1、圖2與圖3，圖1為傳統直流無刷馬達之系統架構圖，一般而言，由處理單元10輸出一 PWM訊號(P點)，之後，當驅動單元30的第一電晶體M1、第五電晶體M5與第六電晶體M6被開啟時，則在測量點A會得到一相電壓，一相電壓之電壓與反電動勢電壓一致。而正常的馬達的轉速與反電動勢如圖2所示。

一般而言，我們以處理單元10工作時脈為50MHZ的頻率時，而連續的三角波工作在20kHz時，可得到50MHz/20kHz=2500的計數值，再除一半就可得到1250計數值，也就是說今天我們可以得到的PWM脈波的解析度是1250，所以以脈波的責任周期寬度而言，亦可得到每格的解析度為100%/1250=0.08%。

接著，請參考第3圖，若上述要產生一半波的正弦訊號來說，從解析度為1250而言，代表從0度到90度的正弦波驅動訊號，共有1250個脈波寬度調變波所組合而成，若要得到91度到180度的正弦波訊號，也有1250個脈波寬度調變波，所以第3圖的半波共有2500個脈波寬度調變波。

接著，請參考圖3，傳統的作法產生0度到90度的弦波時，最大只能產生1250個脈波寬度調變波，亦其解析度也只有1250階。

接著，請參考圖4，脈波寬度調變每增加一階，相對輸出的電壓亦為增加一階，呈現階梯式的電壓，亦即，PWM Output Voltage與Target Voltage差△倍，使得轉速變化差△倍，這是因為解析度不足所發生的現像。

所以以傳統方式驅動馬達的問題，會有解析度不足的現象，且會導致馬達的運轉不順暢，且有時還會出現震動等等不穩定的現像。傳統欲要解決這種現象，唯一的方式是提高處理單元10的工作時脈，例如400MHz。因為晶片工作在400MHz，400MHz除20kHz，將會等於20000計數值，等同得到PWM脈波的解析度為10000階，亦即處 理單元10最大可輸出10000個脈波寬度調變波。比較先前1250個的脈波寬度調變波，其解析度提高了整整8倍。上述是只說明常用的狀況，傳統亦可以不操作在滿解析度的情形下進行馬達控制。

也就是這樣子的問題，若要處理單元10的晶片製程要提高，其耗電量也會增加，成本也會大幅的成長。為了解決上述的問題，本發明提出可以在晶片工作時脈為50MHz或更低的情形下，其將馬達運轉的解析度提高的系統與方法。

因此，本發明之目的，即在提供一種高精確度馬達驅動方法，應用於一具有q個脈波之連續波、一馬達單元、一處理單元與一驅動單元，其包含：組配該處理單元，設定一變數p，其中，該變數p的初始值為零；組配該處理單元，比較一脈波與一比較訊號而輸出一個脈波寬度調變波；組配該處理單元，累加該變數p；組配該處理單元，判斷該變數p是否等於q，若否，則組配該處理單元，比較次一脈波與次一比較訊號而輸出次一個脈波寬度調變波，並跳回至累加該變數p，若是，則執行下一步驟；組配該驅動單元，接收該些脈波寬度調變波而產生一驅動訊號；及組配該馬達單元，接收該驅動訊號而產生作動；其中，該些脈波寬度調變波包括一第一寬度脈波之責任周期寬度與一第二寬度脈波之責任周期寬度，而該第二寬度脈波之責任周期寬度大於該第一寬度脈波之責任周期寬度。。

因此，本發明之另一目的，即在提供一種高精確度馬達驅動系統，包含：一處理單元，處理單元依據一連續波與一比較訊號而輸出複數個脈波寬度調變波，該些脈波寬度調變波包括一第一寬度脈波之責任周期寬度與一 第二寬度脈波之責任周期寬度，該第二寬度脈波之責任周期寬度大於該第一寬度脈波之責任周期寬度；一驅動單元，連接該處理單元，接收該些脈波寬度調變波而產生一驅動訊號；一馬達單元，連接該驅動單元，接收該驅動訊號而使該馬達單元作動。

本發明的功效即是在晶片維持50MHz或更低頻率時，其馬達運轉的解析度提高的方式。例如：也就是以往馬達轉速4900rpm時，只能跳到5100rpm，現在運用本發明的方式，可達到5000轉，5010轉等，其解析度提高，馬達運轉的可達到預定的轉速，進而改善馬達的頓挫，而使得馬達運轉時更佳順暢。

〔習知〕

10‧‧‧處理單元

30‧‧‧驅動單元

M1‧‧‧第一電晶體

M2‧‧‧第二電晶體

M3‧‧‧第三電晶體

M4‧‧‧第四電晶體

M5‧‧‧第五電晶體

M6‧‧‧第六電晶體

40‧‧‧馬達單元

〔本發明〕

101‧‧‧時脈產生器

102‧‧‧波型產生器

103‧‧‧計算器

104‧‧‧比較器

20‧‧‧訊號放大單元

圖1是習知直流馬達輸出之系統示意圖；圖2是直流馬達轉速與馬達反電動勢之第一示意圖；圖3是直流馬達波型PWM的關係圖；圖4是直流馬達轉速、馬達反電動勢與PWM輸出的脈波寬波之第二示意圖；圖5是本發明之系統示意圖；圖6是本發明之處理單元示意圖；圖7是本發明之進位累加法之責任周期示意圖；及圖8是本發明之高精確度馬達驅動方法之方法流程圖。

有關本發明之相關申請專利特色與技術內容，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖5，本發明之一較佳實施例，一種高精確度馬達驅動系統，包含：處理單元10、訊號放大單元20、驅動單元30、馬達單元40。一處理單元10，處理單元10 依據一連續波與至少一比較訊號而輸出複數個脈波寬度調變波，該些脈波寬度調變波包括一第一寬度脈波之責任周期寬度與一第二寬度脈波之責任周期寬度，該第二寬度脈波之責任周期寬度大於該第一寬度脈波之責任周期寬度。一驅動單元30，連接該處理單元10，接收該些脈波寬度調變波而產生一驅動訊號。馬達單元40，連接該驅動單元30，接收該驅動訊號而使該馬達單元40作動。其中，更包含：一訊號放大單元20，連接該處理單元10與該驅動單元30之間，用以放大該些脈波寬度調變波的電流或電壓。其中，該連續波係為一連續三角訊號或一連續鋸齒訊號，且該連續波的頻率為3K至100k。其中，該些脈波寬度調變波的個數n係為2至128。

本發明的馬達單元40可以是單相馬達，三相馬達，又或者是多相馬達。

當這次時間的比較訊號大於上次時間的比較訊號，則這次時間的比較訊號與連續三角訊號比較後，則輸出第一寬度脈波之責任周期寬度(50%)。當這次時間的比較訊號小於上次時間的比較訊號，則這次時間的比較訊號與連續三角訊號比較後，則輸出第二寬度脈波之責任周期寬度(51%)。

又或則，當這次時間的比較訊號大於上次時間的比較訊號，則這次時間的比較訊號與連續三角訊號比較後，則輸出第二寬度脈波之責任周期寬度(51%)。當這次時間的比較訊號小於上次時間的比較訊號，則這次時間的比較訊號與連續三角訊號比較後，則輸出第一寬度脈波之責任周期寬度(50%)。

其中，該些脈波寬度調變波的常用的個數是2至128，唯本發明不加以限定之。

接著，請參考圖6，其中，該處理單元10包含： 一時脈產生器101，產生一時脈訊號；一波型產生器102，連接該時脈產生器，接收該時脈訊號產生該連續波；一計算器103，產生至少一該比較訊號；及一比較器104，分別連接該波型產生器102與該計算器103，依據該連續波與至少一該比較訊號而輸出該些個脈波寬度調變波。

例舉本發明的計算器103運作的例子，來說明本發明的時間擾動技術，主要是在每多個脈波寬度調變波的循環注入不同的能量，使得輸出平均電壓可得到較高的準確度，亦可提高△rpm轉速精確度，本發明採用的作法，可以是隨機累加法、進位累加法、查表法等，本發明不加以限定之。

下例以進位累加的循環為n=8(多個脈波寬度調變波的個數為8)例，且連續波採用連續三角訊號，參考表1：假設x為現在或下次脈波寬度調變波，x+1為下次脈波寬度調變波的責任周期不同於x。

假設我們設定x的脈波寬度調變波的責任周期為50%，x+1脈波寬度調變波的責任周期為51%。在計算單元裏，我們在T時間時演算法的初始值y=3，此時，比較器104比較該連續三角訊號與比較訊號，並輸出x的脈波寬度調變波。其中，初始值y可以是任何值。

在T+1時間時，y=y+3=6，此時，比較器104比較該連續三角訊號與比較訊號。計算器103輸出的一比較訊號的值不變，並輸出x的脈波寬度調變波。

在T+2時間時，y=y+3=9，由於我們的循環間距n=8，y=9大於8，y=9-8=1，亦即得到y=1餘數。計算器103輸出的一比較訊號的值變小，故比較器104比較該連續三角訊號與比較訊號，並104輸出x+1脈波寬度調變波(PWM)，x+1脈波寬度調變波(PWM)的責任周期大於x 的責任周期。

所以在T+3時間，y=y+3=4，現在y=4，沒有超過循環間距n=8，則y的值留在下次累積。故計算器103輸出的比較訊號的值不變，此時，比較器104比較該連續三角訊號與比較訊號，並輸出x的脈波寬度調變波。

在T+4時間，y=y+3=7，現在y=7，沒有超過循環間距n=8，則y的值留在下次累積。故計算器103輸出的比較訊較不變，比較器104比較該連續三角訊號與比較訊號，並輸出x的脈波寬度調變波。

在T+5時間，y=y+3=10，現在y=10，超過循環間距n=8，則y=10-8=2，同時一比較訊號的值變小，故比較器104比較該連續三角訊號與比較訊號，故並產出x+1脈波寬度調變波，而x+1脈波寬度調變波的責任周期大於x的責任周期。

所以在T+6時間，y=y+3=5，現在y=5，沒有超過循環間距n=8，則y的值留在下次累積，比較器104輸出x的脈波寬度調變波。

在T+7時間，y=y+3=7，現在y=7，沒有超過循環間距n=8，則y的值留在下次累積。在T+5時間，y=y+3=10，現在y=10，超過循環間距n=8，則y=10-8=2，同時一比較訊號的值變小，故比較器104比較該連續三角訊號與比較訊號，所以比較器104輸出x+1脈波寬度調變波的責任周期大於x的責任周期。

接著，請參考圖7，係為本發明之進位累加法的公式所得出的脈波寬度調變波(PWM)。由圖7可看出8個的脈波寬度調變波中，有5個責任周期寬度為50%，而3個責任周期寬度為51%。

所以進位累加的公式為y=y+間隔的數字z，其循環間距n，假如y>=8(循環為n)，則y=y-循環間距n，則輸輸出的PWM之x+1的責任周期比x的責任周期大。其中y為變數，而y變數的初始值為常數。

相同的，本發明亦可採用進位累減法，亦即，y=y-間隔的數字z，其循環間距n，假如y=<0，則y=y+循環間距n，x+1的責任周期比x的責任周期大，其做法與進位累加法相同，於此，不加以贅述。

而本發明是利用計算器103產生比較訊號的變化，而使得比較器104比較一連續三角訊號與至少一比較訊號而輸出複數個脈波寬度調變波。計算器103產生比較 訊號的變化的可由隨機累加法、進位累加法、查表法等方式。

接著，本發明的另一實施例查表法：假設n=8，則，n=1至n=8分別對映x%的責任周期，x%的責任周期可以是任何值。

接著，本發明的再一實施例隨機累加法：假設total=8，numn、numk可以任意整數，則numn+numn+numn=numk等於x%的責任周期。

本發明的該些脈波寬度調變波公式1可以是IDT=A*(k/n)+B*(n-k/n)，A的範圍是脈波寬度調變波的百分之100%至百分之0%的責任周期，B的範圍是脈波寬度調變波的百分之0%至百分之100%的責任周期，k是任意數(整數)，n是任意數(整數)。本發明常用的範圍n為2至128，而k值的範圍不為超過n，亦即k等於1時，n-k為7，反之，k=7時，n-k=1，也就是說k與n-k的值互為補數。亦即，A與B的脈波寬度調變波之責任周期差為0%至2%以內(百分比為2)。由上述的演算法得知，n與n-k的個數可採用隨機累加法、進位累加法、查表法等做法。

本發明的時間擾動技術可以於該些脈波寬度調變波(PWM)之責任周期中的0~1%之間多出n階的控制精確度。本發明在前次的脈波寬度調變波、現在的脈波寬度調變波與下次的脈波寬度調變波中，展延現在的脈波寬度調變波為n的倍數，該n的倍數亦為公式1的IDT。亦即，傳統的輸出有u個脈波寬度調變波，現在採用本發明可以展延有u*n個脈波寬度調變波，亦是將解析度提高為n倍。

另外，也可以在u個脈波寬度調變波中只展延數個IDT即可，亦即在現有的多個脈波寬度調變波只取幾個來展延本發明的IDT。且本發明展延的方式可依據角度計來偵測馬達的角度，藉以利用本發明的IDT來調整多個 脈波寬度調變波。

我們例舉同樣是處理單元10以50M的工作頻率來說，其原本輸出的u個脈波寬度調變波(例如為1250個)，若利用公式1的IDT為8，亦可以得到10000個脈波寬度調變波，這等同提高3倍數的解析度，所以可知利用本發明同樣可以得到高解析度，但卻不用提高處理單元10的工作頻率，而馬達依舊可以得到精確的轉速。

一般而言，處理單元10是依據轉速計或霍爾感測器而產生u*n個脈波寬度調變波的時序，由於馬達單元40的轉速與電壓成正比，可以得知處理單元10調整不同的多個脈波寬度調變波的時序而可得馬達單元40的平圴電壓，而平均電壓的不同轉速亦會不同。

本發明再例舉另一實施例：一處理單元10，處理單元10依據一連續波與至少一比較訊號而輸出複數個第一脈波寬度調變波與複數個第二脈波寬度調變波。一驅動單元30，連接該處理單元10，接收該些第一脈波寬度調變波與該些第二脈波寬度調變波而產生一驅動訊號。馬達單元40，連接該驅動單元30，接收該驅動訊號而使該馬達單元40作動。

其中，多個第一脈波寬度調變波為公式2的IDT=A*(k2/n2)+B*(n2-k2/n2)，多個第二脈波寬度調變波為公式3的IDT=C*(k3/n3)+D*(n3-k3/n3)。其中，A、B、C、D的範圍是脈波寬度調變波的百分之100%至百分之0%的責任周期寬度。其中，B的PWM責任周期寬度大於A的責任周期寬度，C的PWM責任周期寬度等於D的責任周期寬度，而D的PWM責任周期寬度大於C的責任周期寬度。

k2是常數，n2是任意數(整數)，本發明常用的範圍n2為2至128。k3是常數，n3是任意數(整數)，本發明常用的範圍n2、n3為2至128。由上述的演算法得知， n2與n2-k2的個數可採用隨機累加法、進位累加法、查表法等做法。相同的，n3與n3-k3的個數可採用隨機累加法、進位累加法、查表法等做法。

傳統方式，在晶片工作時脈較低時，並無法在4900rpm與5100rpm之間設定轉速，現利用本發明的能量加注演算法，可以多出n位元的解析度，如以8的倍數來計算，將多出3位元的解析度，以下為能量加注的比例為1/8、2/8、3/8、4/8、5/8、6/8、7/8等的解析度。如以16的倍數來算，將多出4位元的解析度，能量加注的比例為1/16、2/16、3/16、4/16、5/6、6/16、7/16、8/16、9/16、10/16、11/16、12/16、13/16、14/16、15/16等的解析度，本發明不加法限定n位元的解析度。

接著，請參考圖8，其為本發明高精確度馬達驅動方法之方法流程圖，包含以下之步驟：

S110：組配該處理單元，設定一變數p，其中，該變數p的初始值為零。

S120：組配該處理單元，比較一脈波與一比較訊號而輸出一個脈波寬度調變波

S130：組配該處理單元，累加該變數p。

S140：判斷該變數p是否等於q，若否，則組配該處理單元，比較次一脈波與次一比較訊號而輸出次一個脈波寬度調變波，並跳回至累加該變數p，若是，則執行下一步驟。

S150：組配該驅動單元，接收該些脈波寬度調變波而產生一驅動訊號。

S160：組配該馬達單元，接收該驅動訊號而產生作動。

其中，該些脈波寬度調變波包括一第一寬度脈波之責任周期寬度與一第二寬度脈波之責任周期寬度，而 該第二寬度脈波之責任周期寬度大於該第一寬度脈波之責任周期寬度。

其中，該些脈波寬度調變波的個數n係為2至128。

其中，該脈波係為一三角訊號或一鋸齒訊號，且該脈波的頻率為3K至100k。

綜合上述，本發明將傳統PWM控制馬達的方式改變成以能量加注的方式改變PWM的責任周期，進而提高馬達相電壓的精準度，而使得馬達的轉速可以被控制的更精準。本發明具有晶片耗電量低、且製造成本低的具體功效因此，可以突顯本發明在控制馬達的精確度之優勢，故可以達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

10‧‧‧處理單元

20‧‧‧訊號放大單元

30‧‧‧驅動單元

40‧‧‧馬達單元

M1‧‧‧第一電晶體

M2‧‧‧第二電晶體

M3‧‧‧第三電晶體

M4‧‧‧第四電晶體

M5‧‧‧第五電晶體

M6‧‧‧第六電晶體

Claims (6)

1. 一種高精確度馬達驅動方法，應用於一具有q個脈波之連續波、一馬達單元、一處理單元與一驅動單元，其包含：組配該處理單元，設定一變數p，其中，該變數p的初始值為零；組配該處理單元，比較一脈波與一比較訊號而輸出一個脈波寬度調變波；組配該處理單元，累加該變數p；組配該處理單元，判斷該變數p是否等於q，若否，則組配該處理單元，比較次一脈波與次一比較訊號而輸出次一個脈波寬度調變波，並跳回至累加該變數p，若是，則執行下一步驟；組配該驅動單元，接收該些脈波寬度調變波而產生一驅動訊號；及組配該馬達單元，接收該驅動訊號而產生作動；其中，該些脈波寬度調變波包括一第一寬度脈波之責任周期寬度與一第二寬度脈波之責任周期寬度，而該第二寬度脈波之責任周期寬度大於該第一寬度脈波之責任周期寬度，該些脈波寬度調變波的個數n係為2至128的範圍，該些脈波寬度調變波公式如下：IDT=A*(k/n)+B*(n-k/n)，A是該第一寬度脈波之責任周期寬度，B是該第二寬度脈波之責任周期寬度，A與B的差介於0%至2%之間，且k為一常數。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之高精確度馬達驅動方法，其中，該脈波係為一三角訊號或一鋸齒訊號，且該 脈波的頻率為3K至100k。
3. 一種高精確度馬達驅動系統，包含：一處理單元，依據一連續波與一比較訊號而輸出複數個脈波寬度調變波，該些脈波寬度調變波包括一第一寬度脈波之責任周期寬度與一第二寬度脈波之責任周期寬度，該第二寬度脈波之責任周期寬度大於該第一寬度脈波之責任周期寬度；一驅動單元，連接處理單元，接收該些脈波寬度調變波而產生一驅動訊號；及一馬達單元，連接該驅動單元，接收該驅動訊號而使該馬達單元作動；其中，該些脈波寬度調變波的個數n係為2至128，該些脈波寬度調變波公式如下：IDT=A*(k/n)+B*(n-k/n)，A是該第一寬度脈波之責任周期寬度，B是該第二寬度脈波之責任周期寬度，A與B的差介於0%至2%之間，且k為一常數。
4. 依據申請專利範圍第3項所述之高精確度馬達驅動系統，其中，該連續波係為一連續三角訊號或一連續鋸齒訊號，且該連續波的頻率為3K至100k。
5. 依據申請專利範圍第3項所述之高精確度馬達驅動系統，更包含：一訊號放大單元，連接該處理單元與該驅動單元之間，用以放大該些脈波寬度調變波的電流或電壓。
6. 依據申請專利範圍第3項所述之高精確度馬達驅動系統，其中，該處理單元包含： 一時脈產生器，產生一時脈訊號；一波型產生器，連接該時脈產生器，接收該時脈訊號產生該連續波；一計算器，產生該比較訊號；及一比較器，分別連接該波型產生器與該計算器，依據該連續波與該比較訊號而輸出該些脈波寬度調變波。