TWI675544B - 用於直流無刷馬達之位置感測系統及其切換方法 - Google Patents

用於直流無刷馬達之位置感測系統及其切換方法 Download PDF

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Abstract

一種用於直流無刷馬達之位置感測系統及其切換方法，用以解決因位置感測元件損壞，而導致習知的直流無刷馬達無法正常運轉的問題。係包含：一感測模組，該感測模組設置於一直流無刷馬達內部；一控制單元，該控制單元耦合連接該感測模組及該直流無刷馬達；及一驅動電路，該驅動電路耦合連接該控制單元及該直流無刷馬達，該控制單元依據該感測模組之一位置信號產生一驅動信號，當該感測模組失效時，該控制單元依據該直流無刷馬達之一電動勢信號產生該驅動信號，該驅動電路接收該驅動信號，以控制該直流無刷馬達運轉。

Description

用於直流無刷馬達之位置感測系統及其切換方法
本發明係關於一種轉子位置感測系統，尤其是一種具有無感測器模式及備用感測元件可供切換，可以用於直流無刷馬達之位置感測系統及其切換方法。
習知的感應式直流無刷馬達，係將數個位置感測元件精確地固定在馬達內部之適當位置，用以偵測馬達之定子與轉子的相對位置變化，並依據位置偵測結果驅動馬達運轉。
上述習知的感應式直流無刷馬達，由於該位置感測元件設置於馬達內部而不易更換，因此，當習知的感應式直流無刷馬達在長時間運轉後，該位置感測元件因為損壞而無法提供正確的轉子/定子之定位數據，導致馬達扭矩及運轉功率降低，必須更換整組馬達以維持工作效率，使成本增加且造成浪費。又，一電動機車以習知的感應式直流無刷馬達作為動力來源，而該電動機車在行駛過程中，該位置感測元件失效將導致該電動機車突然停止運轉，使駕駛人之生命財產受到威脅。
有鑑於此，習知的感應式直流無刷馬達的位置感測系統確實仍有加以改善之必要。
為解決上述問題，本發明的目的是提供一種用於直流無刷馬達之位置感測系統，可以切換為無感測器模式或備用感測模組，維持馬達正常運作，且避免增加額外維修成本。
本發明的次一目的是提供一種切換方法，可以在感測系統異常時，切換至無感測器模式或備用感測模組以驅動馬達持續運轉，避免工作效率降低。
本發明的用於直流無刷馬達之位置感測系統，包含：一感測模組，該感測模組設置於一直流無刷馬達內部；一控制單元，該控制單元耦合連接該感測模組及該直流無刷馬達；及一驅動電路，該驅動電路耦合連接該控制單元及該直流無刷馬達，該控制單元依據該感測模組之一位置信號產生一驅動信號，當該感測模組失效時，該控制單元依據該直流無刷馬達之一電動勢信號產生該驅動信號，該驅動電路接收該驅動信號，以控制該直流無刷馬達運轉。
本發明的用於直流無刷馬達之位置感測系統，包含：一感測模組，該感測模組設置於一直流無刷馬達內部；至少一備用感測模組，該備用感測模組設置於該直流無刷馬達內部；一控制單元，該控制單元耦合連接該感測模組、該備用感測模組及該直流無刷馬達；及一驅動電路，該驅動電路耦合連接該控制單元及該直流無刷馬達，該控制單元依據該感測模組之一位置信號產生一驅動信號，當該感測模組失效時，該控制單元依據該備用感測模組之一位置信號產生該驅動信號，當該感測模組及該備用感測模組失效時，該控制單元依據該直流無刷馬達之一電動勢信號產生該驅動信號，該驅動電路接收該驅動信號，以控制該直流無刷馬達運轉。
據此，本發明的用於直流無刷馬達之位置感測系統，依據各定位裝置所取得正確的轉子位置，可以持續驅動該直流無刷馬達，避免單一感測元件損壞而影響馬達運轉，甚至整組馬達報廢，具有節省成本及維 持工作效率的功效。
其中，該感測模組及該備用感測模組分別具有數個感測單元，該數個感測單元間隔設置於該直流無刷馬達之定子端。如此，各該感測單元可以測量磁場變化，係具有紀錄轉子磁鐵旋轉位置的功效。
其中，該控制單元係微控制器，該控制單元判斷該感測模組及該備用感測模組產生之該位置信號的正確性。如此，可以汰換異常或損壞之感測單元，係具有維持運轉效率的功效。
其中，該感測單元係霍爾效應感測器。如此，該感測單元可以進行觀測而不干擾線圈電流，係具有提升偵測轉換效率的功效。
其中，該驅動電路具有數個上橋元件及數個下橋元件，各該上橋元件分別電連接該直流無刷馬達之定子線圈及一電源之輸出正端，各該下橋元件分別電連接該直流無刷馬達之定子線圈及該電源之輸出負端。如此，可以輪流導通不同相位線圈，係具有切換轉速及轉向的功效。
本發明的切換方法，係應用於一直流無刷馬達及其位置感測系統，該方法之步驟包含：一初始化步驟，由一驅動電路依據一初始信號啟動該直流無刷馬達開始運轉，並由一感測模組偵測該直流無刷馬達運轉之一位置信號；一正常運轉步驟，該控制單元依據該位置信號產生一驅動信號，用以控制該直流無刷馬達運轉，且該控制單元判斷該位置信號是否正確，若判斷為正確，重複進行該正常運轉步驟，若判斷為不正確，續判斷是否存在一備用感測模組，若是，該控制單元切換為讀取該備用感測模組的另一位置信號，並重複進行該正常運轉步驟；及一無感測運轉步驟，若該正常運轉步驟中，判斷不存在有效之該備用感測模組，該控制單元依據一電動勢信號產生該驅動信號，驅動該直流無刷馬達運轉。
其中，該正常運轉步驟中，該控制單元判斷該位置信號為不正確，則該控制單元發出一警告訊號。如此，係具有通知使用者馬達驅動 模式改變的功效。
本發明的切換方法，係應用於一直流無刷馬達及其位置感測系統，該方法之步驟包含：一初始化步驟，一驅動電路依據一初始信號啟動該直流無刷馬達開始運轉，並由一感測模組偵測該直流無刷馬達運轉之一位置信號；一正常運轉步驟，該控制單元依據該位置信號產生一驅動信號，用以控制該直流無刷馬達運轉，且該控制單元判斷該位置信號是否正確，若判斷為正確，重複進行該正常運轉步驟，若判斷為不正確，該控制單元停止輸出該驅動信號，並發出一警告訊號，再判斷是否存在一備用感測模組，若是，則通過手動方式切換該備用感測模組後，重複進行初始化步驟及該正常運轉步驟，並由該控制單元讀取該備用感測模組的另一位置信號；及一無感測運轉步驟，若該正常運轉步驟中，判斷該位置信號不正確，且不存在有效之該備用感測模組，則以手動方式切換該控制單元依據一電動勢信號產生該驅動信號，驅動該直流無刷馬達運轉。
1‧‧‧感測模組
11‧‧‧感測單元
11a‧‧‧第一感測單元
11b‧‧‧第二感測單元
11c‧‧‧第三感測單元
2‧‧‧控制單元
3‧‧‧驅動電路
4‧‧‧備用感測模組
41‧‧‧感測單元
41a‧‧‧第一感測單元
41b‧‧‧第二感測單元
41c‧‧‧第三感測單元
M‧‧‧直流無刷馬達
P‧‧‧位置信號
D‧‧‧驅動信號
E‧‧‧電動勢信號
S0‧‧‧初始化步驟
S1‧‧‧正常運轉步驟
S2‧‧‧無感測運轉步驟
第1圖：本發明一較佳實施例的系統組裝圖。
第2圖：本發明自動切換方法的步驟方塊圖。
第3圖：本發明手動切換方法的步驟方塊圖。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
請參照第1圖所示，其係本發明用於直流無刷馬達之位置感測系統的一較佳實施例，係包含一感測模組1、一控制單元2、一驅動電路3及至少一備用感測模組4，該感測模組1及該備用感測模組4設置於一直流無刷馬達M內部，該控制單元2耦合連接該感測模組1、該備用感測模 組4及該直流無刷馬達M，該驅動電路3耦合連接該控制單元2及該直流無刷馬達M。
該感測模組1係由數個感測單元11間隔設置於該直流無刷馬達M之定子端，各該感測單元11偵測該直流無刷馬達M之轉子旋轉時的磁場變化，形成包含該直流無刷馬達M之轉子定位數據的一位置信號P。該感測單元11可以是霍爾效應感測器。本實施例中，該直流無刷馬達M係三相馬達，且該感測模組1具有三個感測單元11a、11b、11c，惟，本發明不以此為限，其中，一對該感測單元11可以判定一組相位線圈的通電，即第一感測單元11a與第二感測單元11b判定第一相位，第二感測單元11b與第三感測單元11c判定第二相位，第三感測單元11c與第一感測單元11a判定第三相位。
該控制單元2可以是微控制器(Micro Control Unit,MCU)，該控制單元2通過耦合連接該感測模組1之各該感測單元11，使該控制單元2可以接收該感測模組1之該位置信號P，該控制單元2還可以通過比較各該感測單元11之偵測數據，判斷該位置信號P的正確性，並依據正確之該位置信號P產生一驅動信號D，另外，該控制單元2還可以判定該位置信號P異常，並發出一警告訊號；又，該控制單元2通過耦合連接該直流無刷馬達M之定子線圈，使該控制單元2可以接收該直流無刷馬達M之一電動勢信號E，該電動勢信號E係定子線圈受磁場變化影響產生的電動勢變化，且該控制單元2還可以依據該電動勢信號E產生另一驅動信號D。
該驅動電路3可以包含數個上橋元件及數個下橋元件，各該上橋元件分別電連接該直流無刷馬達M之定子線圈及一電源之輸出正端，各該下橋元件分別電連接該直流無刷馬達M之定子線圈及該電源之輸出負端，則該驅動電路3係可以接收該驅動信號D，並依據該驅動信號D開關 該數個上橋元件及該數個下橋元件，使該直流無刷馬達M之不同相位定子線圈可以輪流導通電流，且電流方向可以正反切換。該驅動電路3係可以整合於一微晶片，或該控制單元2及該驅動電路3可以共同整合於一微晶片。
如第1圖所示，本較佳實施例係包含一組該備用感測模組4，惟，本發明不以此為限，本發明之位置感測系統還可以具有零個或數個該備用感測模組4。該備用感測模組4係由數個感測單元41間隔設置於該直流無刷馬達M之定子端，各該感測單元41偵測該直流無刷馬達M之轉子旋轉時的磁場變化，形成包含該直流無刷馬達M之轉子定位數據的一位置信號P。該感測單元41可以是霍爾效應感測器。本實施例中，該直流無刷馬達M係三相馬達，且該備用感測模組4具有三個感測單元41a、41b、41c，惟，本發明不以此為限，其中，一對該感測單元41可以判定一組相位線圈的通電，即第一感測單元41a與第二感測單元41b判定第一相位，第二感測單元41b與第三感測單元41c判定第二相位，第三感測單元41c與第一感測單元41a判定第三相位。
據由前述結構，當該直流無刷馬達M運轉時，該感測模組1及該備用感測模組4可以分別產生該位置信號P，及該直流無刷馬達M之定子線圈可以產生該電動勢信號E。該控制單元2依據該感測模組1之該位置信號P產生該驅動信號D；當該感測模組1失效時，該控制單元2依據該備用感測模組4之該位置信號P產生該驅動信號D；當該感測模組1失效，且該備用感測模組4失效或不存在該備用感測模組4時，該控制單元2依據該直流無刷馬達M之該電動勢信號E產生該驅動信號D。該驅動電路3接收該驅動信號D，以控制該直流無刷馬達M運轉。
請參照第2圖所示，其係本發明用於直流無刷馬達之位置感測系統的一種自動切換方法，該方法之步驟包含：一初始化步驟S0、一正 常運轉步驟S1及一無感測運轉步驟S2，使該直流無刷馬達M可以由靜止啟動運轉，並通過切換控制模式而維持穩定旋轉。
該初始化步驟S0係由該驅動電路3依據一初始信號，啟動靜止狀態之該直流無刷馬達M開始運轉，並由該感測模組1偵測該直流無刷馬達M運轉之該位置信號P。
該正常運轉步驟S1係由該控制單元2依據該位置信號P產生該驅動信號D，用以控制該直流無刷馬達M運轉，且該控制單元2判斷該位置信號P是否正確，若判斷為正確，重複進行該正常運轉步驟S1，若判斷為不正確，續判斷是否存在一備用感測模組4，若是，該控制單元2切換為讀取該備用感測模組4的另一該位置信號P，並重複進行該正常運轉步驟S1。如此，可以感測正確的轉子位置用以控制該直流無刷馬達M運轉，而維持扭矩及運轉效率。另外，該控制單元2判斷該位置信號P為不正確時，該控制單元2還可以發出一警告訊號。
若該正常運轉步驟S1中，判斷不存在有效之該備用感測模組4，則進入該無感測運轉步驟S2，由該控制單元2依據該電動勢信號E產生該驅動信號D，驅動該直流無刷馬達M運轉。如此，依據定子線圈之感應電動勢的強弱變化，可以得知作用於定子線圈之磁場變化，並取得正確的轉子位置用以維持該直流無刷馬達M有效旋轉。
請參照第3圖所示，其係本發明用於直流無刷馬達之位置感測系統的一種手動切換方法，與自動切換方法，主要差異在於：該正常運轉步驟S1中，當該控制單元2判斷該位置信號P為不正確時，該控制單元2停止輸出該驅動信號D，並發出一警告訊號，再判斷是否存在一備用感測模組4，若是，則通過手動方式切換該備用感測模組4後，重複進行初始化步驟S0及該正常運轉步驟S1，並由該控制單元2讀取該備用感測模組4的另一位置信號P；若該正常運轉步驟S1中，判斷該位置信號P不正 確，且不存在有效之該備用感測模組4，則進入該無感測運轉步驟S2，以手動方式切換該控制單元3依據該電動勢信號E產生該驅動信號D，驅動該直流無刷馬達M運轉。
綜上所述，本發明的用於直流無刷馬達之位置感測系統及其切換方法，依據各定位裝置及方法所取得正確的轉子位置，可以持續驅動該直流無刷馬達，避免單一感測元件損壞而影響馬達運轉，甚至整組馬達報廢，具有節省成本及維持工作效率的功效。又，電動機車運用本發明的用於直流無刷馬達之位置感測系統及其切換方法，係可以使電動機車獲得持續運轉之動力，避免電動機車突然停止運轉，具有提升行車安全及穩定駕駛的功效。
雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (11)

  1. 一種用於直流無刷馬達之位置感測系統，包含：一感測模組，該感測模組設置於一直流無刷馬達內部；一控制單元，該控制單元耦合連接該感測模組及該直流無刷馬達；及一驅動電路，該驅動電路耦合連接該控制單元及該直流無刷馬達，該控制單元依據該感測模組之一位置信號產生一驅動信號，當該感測模組失效時，該控制單元依據該直流無刷馬達之一電動勢信號產生該驅動信號，該驅動電路接收該驅動信號，以控制該直流無刷馬達運轉。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之位置感測系統，其中，該感測模組具有數個感測單元，該數個感測單元間隔設置於該直流無刷馬達之定子端。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之位置感測系統，其中，該控制單元係微控制器，該控制單元判斷該感測模組產生之該位置信號的正確性。
  4. 一種用於直流無刷馬達之位置感測系統，包含：一感測模組，該感測模組設置於一直流無刷馬達內部；至少一備用感測模組，該備用感測模組設置於該直流無刷馬達內部；一控制單元，該控制單元耦合連接該感測模組、該備用感測模組及該直流無刷馬達；及一驅動電路，該驅動電路耦合連接該控制單元及該直流無刷馬達，該控制單元依據該感測模組之一位置信號產生一驅動信號，當該感測模組失效時，該控制單元依據該備用感測模組之一位置信號產生該驅動信號，當該感測模組及該備用感測模組失效時，該控制單元依據該直流無刷馬達之一電動勢信號產生該驅動信號，該驅動電路接收該驅動信號，以控制該直流無刷馬達運轉。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之位置感測系統，其中，該感測模組及該備用感測模組分別具有數個感測單元，該數個感測單元間隔設置於該直流無刷馬達之定子端。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之位置感測系統，其中，該控制單元係微控制器，該控制單元判斷該感測模組及該備用感測模組產生之該位置信號的正確性。
  7. 如申請專利範圍第2或5項所述之位置感測系統，其中，該感測單元係霍爾效應感測器。
  8. 如申請專利範圍第1或4項所述之位置感測系統，其中，該驅動電路具有數個上橋元件及數個下橋元件，各該上橋元件分別電連接該直流無刷馬達之定子線圈及一電源之輸出正端，各該下橋元件分別電連接該直流無刷馬達之定子線圈及該電源之輸出負端。
  9. 一種切換方法，係應用於一直流無刷馬達及其位置感測系統，該方法之步驟包含：一初始化步驟，由一驅動電路依據一初始信號啟動該直流無刷馬達開始運轉，並由一感測模組偵測該直流無刷馬達運轉之一位置信號；一正常運轉步驟，該控制單元依據該位置信號產生一驅動信號，用以控制該直流無刷馬達運轉，且該控制單元判斷該位置信號是否正確，若判斷為正確，重複進行該正常運轉步驟，若判斷為不正確，續判斷是否存在一備用感測模組，若是，該控制單元切換為讀取該備用感測模組的另一位置信號，並重複進行該正常運轉步驟；及一無感測運轉步驟，若該正常運轉步驟中，判斷不存在有效之該備用感測模組，該控制單元依據一電動勢信號產生該驅動信號，驅動該直流無刷馬達運轉。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之切換方法，其中，該正常運轉步驟中，該控制單元判斷該位置信號為不正確，則該控制單元發出一警告訊號。
  11. 一種切換方法，係應用於一直流無刷馬達及其位置感測系統，該方法之步驟包含：一初始化步驟，一驅動電路依據一初始信號啟動該直流無刷馬達開始運轉，並由一感測模組偵測該直流無刷馬達運轉之一位置信號；一正常運轉步驟，該控制單元依據該位置信號產生一驅動信號，用以控制該直流無刷馬達運轉，且該控制單元判斷該位置信號是否正確，若判斷為正確，重複進行該正常運轉步驟，若判斷為不正確，該控制單元停止輸出該驅動信號，並發出一警告訊號，再判斷是否存在一備用感測模組，若是，則通過手動方式切換該備用感測模組後，重複進行初始化步驟及該正常運轉步驟，並由該控制單元讀取該備用感測模組的另一位置信號；及一無感測運轉步驟，若該正常運轉步驟中，判斷該位置信號不正確，且不存在有效之該備用感測模組，則以手動方式切換該控制單元依據一電動勢信號產生該驅動信號，驅動該直流無刷馬達運轉。
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