TWI683525B

TWI683525B - 馬達驅動電路與馬達驅動方法

Info

Publication number: TWI683525B
Application number: TW107124276A
Authority: TW
Inventors: 蔡明融
Original assignee: 茂達電子股份有限公司
Priority date: 2018-07-13
Filing date: 2018-07-13
Publication date: 2020-01-21
Also published as: CN110719054B; TW202007068A; CN110719054A; US20200021230A1; US10637389B2

Abstract

本發明揭露一種馬達驅動電路與一種馬達驅動方法。馬達驅動電路包括驅動電壓產生電路、轉速命令偵測電路、校正電路與乘法器。校正電路連接於轉速命令偵測電路，且乘法器連接於驅動電壓產生電路與校正電路。馬達驅動方法包括：透過驅動電壓產生電路，提供預設驅動電壓；透過轉速命令偵測電路，偵測由系統端提供之工作週期訊號；透過校正電路，根據工作週期訊號產生調整訊號；以及透過乘法器，將預設驅動電壓與調整訊號相乘，以產生驅動電壓，使得馬達之線圈電流的波形為弦波。於本發明中，調整訊號代表在特定轉速命令下預設驅動電壓須被調整的比例。

Description

馬達驅動電路與馬達驅動方法

本發明乃是關於一種馬達驅動電路與馬達驅動方法，特別是指一種在不同的轉速下都能使馬達之線圈電流的波形趨近理想弦波的馬達驅動電路與馬達驅動方法。

根據馬達之轉子磁條其不同的充磁形狀，以及馬達之線圈在磁場中運動所產生的反電動勢之波形，有些馬達的線圈電流適合方波、有些則適合弦波，還有些馬達需要配合線圈的電感特性作額外的切換控制。

一般來說，若以弦波電壓驅動馬達，由於其驅動力的傳導較平順，可大幅降低馬達側向力的作用，達到降低振動噪音的效果。實務上，針對適合弦波之線圈電流的馬達，電路設計者常將提供給馬達的三相驅動電壓之波形由弦波調整成雙拱形的波形。

只是，由於其他因素的影響，如：電路元件的非理想特性，即使將提供給馬達的三相驅動電壓之波形由弦波調整成雙拱形的波形，還是無法使馬達的線圈電流呈現較為理想的弦波波形，此種情況在馬達轉速較低時尤其明顯。

為了使馬達的線圈電流呈現較為理想的弦波波形，本發明提供了一種馬達驅動電路與一種馬達驅動方法。

本發明所提供之馬達驅動電路包括驅動電壓產生電路、轉速命令偵測電路、校正電路與乘法器。校正電路連接於轉速命令偵測電路，且乘法器連接於驅動電壓產生電路與校正電路。驅動電壓產生電路提供預設驅動電壓。轉速命令偵測電路偵測由系統端提供之工作週期訊號並據以產生轉速命令資訊。校正電路根據轉速命令資訊產生調整訊號。乘法器將預設驅動電壓與調整訊號相乘，以產生驅動電壓，使得馬達之線圈電流的波形為弦波。於本發明所提供之馬達驅動電路中，調整訊號代表在一特定轉速命令下預設驅動電壓須被調整的比例。

於本發明所提供之馬達驅動電路的一實施例中，調整訊號的波形由複數個主節點決定。同時，校正電路對應地儲存有複數個數值曲線圖，且每一數值曲線圖紀錄有相應之主節點在不同轉速命令下的一數值。

本發明所提供之馬達驅動方法是用以控制前述本發明所提供之馬達驅動電路，以產生驅動電壓驅動一馬達。因此，此種馬達驅動方法大致包括以下步驟：提供一預設驅動電壓；偵測由系統端提供之工作週期訊號，並據以產生轉速命令資訊；根據轉速命令資訊產生調整訊號；以及將預設驅動電壓與調整訊號相乘，以產生驅動電壓，使得馬達之線圈電流的波形為弦波。同樣地，於本發明所提供之馬達驅動方法中，調整訊號代表在一特定轉速命令下預設驅動電壓須被調整的比例。

總的來說，本發明所提供之馬達驅動電路與馬達驅動方法的主要特色在於，能夠在不同轉速下自動地將提供給馬達的三相驅動電壓作調整，使得馬達的線圈電流即便在其他因素的影響下(如：電路元件的非理想特性)也能呈現較為理想的弦波波形。

10‧‧‧驅動電壓產生電路

20‧‧‧轉速命令偵測電路

30‧‧‧校正電路

40‧‧‧乘法器

SYS‧‧‧系統端

PWM‧‧‧工作週期訊號

Iduty‧‧‧轉速命令資訊

R‧‧‧調整訊號

Vdet‧‧‧預設驅動電壓

A、A’、B、B’、C、C’、E‧‧‧點

N1~N12‧‧‧主節點

D‧‧‧轉速命令

CUR1、CUR2‧‧‧數值曲線圖

I‧‧‧線圈電流

S510、S520、S530、S540‧‧‧步驟

圖1為根據本發明一例示性實施例繪示之馬達驅動電路的方塊圖。

圖2A為根據本發明一例示性實施例繪示之預設驅動電壓的示意圖。

圖2B為根據本發明一例示性實施例繪示之調整訊號的示意圖。

圖3A圖3B為根據本發明一例示性實施例繪示之數值曲線的示意圖。

圖4A與圖4B分別為一般馬達驅動電路運作時馬達之線圈電流的波形模擬結果，以及根據本發明一例示性實施例繪示之馬達驅動電路運作時馬達之線圈電流的波形模擬結果。

圖5為根據本發明一例示性實施例繪示之馬達驅動方法的流程圖。

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，類似數字始終指示類似元件。

將理解的是，雖然第一、第二、第三等用語可使用於本文中用來描述各種元件或組件，但這些元件或組件不應被這些用語所限制。這些用語僅用以區分一個元件或組件與另一元件或組件。因此，下述討論之第一元件或組件，在不脫離本發明之教示下，可被稱為第二元件或第二組件。

[馬達驅動電路的一實施例]

請參照圖1，圖1為根據本發明一例示性實施例繪示之馬達驅動電路的方塊圖。如圖1所示，本實施例所提供之馬達驅動電路包括驅動電壓產生電路10、轉速命令偵測電路20、校正電路30與乘法器40。轉速命令偵測電路20連接於校正電路30，且乘法器40連接於驅動電壓產生電路10與校正電路30。

驅動電壓產生電路10用以提供一預設驅動電壓Vdet給馬達。轉速命令偵測電路20用以偵測由一系統端SYS提供之一工作週期訊號PWM。由於此工作週期訊號PWM用以決定馬達的轉速命令，故轉速命令偵測電路20便可根據此工作週期訊號PWM獲知系統端SYS所決定之馬達的轉速命令，故轉速命令偵測電路20便能據以產生代表馬達的轉速命令之轉速命令資訊Iduty。本實施例所提供之馬達驅動電路的主要工作原理在於，從轉速命令偵測電路20接收代表馬達的轉速命令之轉速命令資訊Iduty後，校正電路30會根據轉速命令資訊Iduty產生調整訊號R。接著，乘法器40將預設驅動電壓Vdet與調整訊號R相乘，以產生驅動電壓提供給馬達。

校正電路30根據轉速命令資訊Iduty所產生的調整訊號R代表在馬達之一特定轉速命令下，預設驅動電壓Vdet須被調整的比例。也就是說，預設驅動電壓Vdet會因為和調整訊號R相乘而被調整。值得注意的是，於本實施例中，經調整的預設驅動電壓Vdet提供給馬達將可使得馬達之線圈電流的波形趨近理想的弦波。

於以下的敘述中，將進一步說明校正電路30根據轉速命令資訊Iduty產生調整訊號R的細節。

請參照圖2A，圖2A為根據本發明一例示性實施例繪示之預設驅動電壓的示意圖。如圖2A所示，考量到馬達之線圈的等效電路特性，驅動電壓產生電路10所產生的預設驅動電壓Vdet被設計為呈現雙拱形的波形。為便於說明，圖2A中之預設驅動電壓Vdet之波形的解析度被設計為8bit(即，可將預設驅動電壓Vdet之波形以256個點相連來描繪)，但本發明於此並不限定。

請參照圖2B，圖2B為根據本發明一例示性實施例繪示之調整訊號的示意圖。於本實施例中，調整訊號R的波形由複數個主節點N1~N12決定，且每一個主節點N1~N12會對應到圖2A中預設驅動電壓Vdet之波形中的其中一個點。舉例來說，於圖2A與圖2B中，調整訊號R之波形的主節點N3對應到預設驅動電壓Vdet之波形中的點A，且調整訊號R之波形的主節點N6對應到預設驅動電壓Vdet之波形中的點B。

圖2B所示的調整訊號R代表在馬達之一特定轉速命令下預設驅動電壓須被調整的比例。為了使馬達的線圈電流呈現較為理想的弦波波形，提供給馬達的預設驅動電壓Vdet將被調整。請同時參照圖2A與圖2B，以利理解。假設調整訊號R之波形中各個主節點N1~N12的初始值為50%，當馬達的線圈電流偏低而使其波形偏離理想之弦波的時間點對應至預設驅動電壓Vdet之波形中的點A，調整訊號R(即，預設驅動電壓Vdet須被調整的比例)會被提高(如圖2B所示，主節點N3的數值由50%被拉高到100%)，使得提供給馬達的預設驅動電壓Vdet因為乘上調整訊號R而等效地被提高(如圖2A所示，預設驅動電壓Vdet之波形中的點A被拉高成點A’)。相反地，當馬達的線圈電流偏高而使其波形偏離理想之弦波的時間點對應至預設驅動電壓Vdet之波形中的點B，調整訊號R(即，預設驅動電壓Vdet須被調整的比例)會被降低(如圖2B所示，主節點N6的數值由50%被拉高到30%)，使得提供給馬達的預設驅動電壓Vdet因為乘上調整訊號R而等效地被降低(如圖2A所示，預設驅動電壓Vdet之波形中的點B被拉高成點B’)。

接著請參照圖3A與圖3B，圖3A為根據本發明一例示性實施例繪示之數值曲線的示意圖。

於本實施例中，校正電路30儲存有複數個如圖3A與圖3B所示之數值曲線圖CUR1、CUR2。較詳細的說，每一個數值曲線圖對應調整訊號R之波形中的一個主節點。承上例，假設調整訊號R之波形是由12個主節點N1~N12來決定，那麼校正電路30便會儲存有12個數值曲線圖，舉例來說，這些數值曲線圖即如圖3A與圖3B所示之數值曲線圖CUR1、CUR2，但本發明於此並不限定調整訊號R之波形中主節點的個數(等同於校正電路30所儲存之數值曲線圖的個數)。

於圖3A中，數值曲線圖CUR1所對應的是調整訊號R之波形中的主節點N1，而數值曲線圖CUR2所對應的是調整訊號R之波形中的主節點N2。再者，每一個數值曲線圖，如：數值曲線圖CUR1、CUR2，紀錄有相應之主節點，如：主節點N1、N2在馬達之不同轉速命令D下被設定的數值。舉例來說，圖3A中的數值曲線圖CUR1所對應的是圖2B中調整訊號R之波形中的主節點N1，數值曲線圖CUR1便紀錄了主節點N1在馬達之不同轉速命令D下被設定的數值，如：當馬達的工作週期為10%、50%、90%等等。

校正電路30根據由轉速命令偵測電路20所產生的轉速命令資訊Iduty便可獲知馬達的轉速命令D。於是，根據馬達的轉速命令D，校正電路便可利用各個數值曲線圖獲知各個主節點的數值，以產生調整訊號R。舉例來說，當馬達的工作週期為50%時，校正電路便可透過數值曲線圖CUR1得知主節點N1在馬達的工作週期為50%時被設定的數值為100%，且透過數值曲線圖CUR2得知主節點N2在馬達的工作週期為50%時被設定的數值為50%。在得知於馬達之某一轉速命令D下調整訊號R之波形中的各個主節點被設定的數值後，校正電路30便可根據該些數值產生於馬達之某一轉速命令D下的調整訊號R。

值得注意的是，於本實施例中，在設計各個主節點的數值曲線圖時，為便於實務操作，可將各個主節點於不同轉速命令D下的初始數值設定為50%，接著再根據馬達於不同轉速命令D下的線圈電流將各個主節點於不同轉速命令D下的數值由50%向上或向下調整。進一步說明，以數值曲線圖CUR1來看，由於主節點N1在馬達的工作週期為50%時的數值由50%被向上調整為100%(即，圖3A中數值曲線圖CUR1的點C被向上調整到點C’)，表示在馬達的工作週期為50%時，預設驅動電壓之波形中對應主節點N1之點的數值須被調升一倍，以使得馬達的線圈電流增加；而以數值曲線圖CUR2來說，由於主節點N2在馬達的工作週期為50%時的數值維持在初始設定的50%(即，圖3B中數值曲線圖CUR2的點E被維持在同一個位置)，表示在馬達的工作週期為50%時，預設驅動電壓之波形中對應主節點N2之點的數值不需要被調升或調降。然而，本發明於此並不限定在設計數值曲線圖時各個主節點的初始數值。

須說明的是，於本實施例中，調整訊號R之波形的解析度等於預設驅動電壓之波形的解析度。假設圖2A中之預設驅動電壓之波形的解析度被設計為8bit(即，可將預設驅動電壓之波形以256個點相連來描繪)，調整訊號R之波形的解析度也會被設計為8bit(即，可將調整訊號R之波形以256個點相連來描繪)。也就是說，若圖2中之預設驅動電壓之波形的解析度被設計為8bit，校正電路30便會被設計為根據256個點的數值來產生調整訊號R。以前述舉例來說，這256個點包括12個主節點N1~N12以及主節點N1~N12之間的244個子節點。校正電路30在根據各個主節點被設定的數值產生調整訊號R時，會利用內插法計算這244個子節點的數值。在根據數值曲線圖CUR1~CUR12查找出主節點N1~N12的數值，並利用內插法計算出主節點N1~N12之間的244個子節點的數值後，校正電路30便可根據主節點N1~N12的數值以及所有子節點的數值產生調整訊號R。

亦須說明的是，實際上，透過預先設定的查找表，直接將預設驅動電壓之波形中各點的數值調升或調降也能夠達到調整預設驅動電壓，進而調整馬達之線圈電流的效果。然而，此作法除了需要容量很大的儲存裝置來儲存數量可觀的查找表之外，如前述，驅動電壓產生電路10所提供的預設驅動電壓的波形是非線性的雙拱形，若直接將預設驅動電壓之波形中各點的數值調升或調降便會破壞預設驅動電壓原始的非線性波形。因此，於本實施例中，捨棄前述作法，採用乘法器40將預設驅動電壓與調整訊號R相乘的作法來調整預設驅動電壓。由於調整訊號R之波形中各點的數值是一比例，故將預設驅動電壓之波形中各點的數值分別乘以一比例並不會破壞預設驅動電壓原始的非線性波形。簡言之，本實施例所提供之馬達驅動電路採用乘法器40將預設驅動電壓與調整訊號R相乘的作法來調整預設驅動電壓可以維持預設驅動電壓的非線性度。

請參照圖4A與圖4B，圖4A與圖4B分別為一般馬達驅動電路運作時馬達之線圈電流的波形模擬結果，以及根據本發明一例示性實施例繪示之馬達驅動電路運作時馬達之線圈電流的波形模擬結果。

由圖4A可以看出，一般馬達驅動電路運作時，若以弦波電壓驅動馬達，即便已提供波形由弦波調整成雙拱形的驅動電壓來驅動馬達，還是會因為其他因素的影響，如：電路元件的非理想特性，無法使馬達的線圈電流I呈現較為理想的弦波波形。然而，於本實施例中，校正電路30會根據馬達不同的轉速命令提供不同的調整訊號R來調整預設驅動電壓Vdet。針對馬達的線圈電流I偏低而使其波形偏離理想弦波的情形，校正電路30所產生的調整訊號R會使得提供給馬達的預設驅動電壓Vdet被提高。另一方面，針對馬達的線圈電流I偏高而使其波形偏離理想弦波的情形，校正電路30所產生的調整訊號R會使得提供給馬達的預設驅動電壓Vdet被降低。因此，由圖4B可以看出，本實施例所提供之馬達驅動電路運作時，雖然前述其他因素的影響依舊存在，但透過校正電路30所產生之調整訊號R，馬達的線圈電流I能呈現較為理想的弦波波形。

[馬達驅動方法的一實施例]

如圖5所示，本實施例所提供之馬達驅動方法包括以下步驟：提供預設驅動電壓(步驟S510)；偵測由系統端提供之工作週期訊號，據以產生轉速命令資訊(步驟S520)；根據工作週期訊號產生調整訊號(步驟S530)；以及將預設驅動電壓與調整訊號相乘，以產生驅動電壓，使得馬達之線圈電流的波形為弦波(步驟S540)。

本實施例所提供之馬達驅動方法可由圖1所示之馬達驅動電路來實施。請同時參照圖1與圖5，於步驟S510中，預設驅動電壓由驅動電壓產生電路10提供，且於步驟S520中，由轉速命令偵測電路20偵測系統端SYS提供之工作週期訊號PWM，據以產生轉速命令資訊Iduty。由於此工作週期訊號PWM用以決定馬達的轉速命令，故轉速命令偵測電路20便可根據此工作週期訊號PWM獲知系統端SYS所決定之馬達的轉速命令，故轉速命令偵測電路20便能據以產生代表馬達的轉速命令之轉速命令資訊Iduty。接著，於步驟S530中，由校正電路30根據轉速命令偵測電路20所產生的轉速命令資訊Iduty產生調整訊號R。最後，於步驟S540中，由乘法器40將預設驅動電壓Vdet與調整訊號R相乘，以產生驅動電壓(即，預設驅動電壓Vdet*調整訊號R)。

根據前述說明可知，於步驟S530中，校正電路30根據轉速命令資訊Iduty所產生的調整訊號R代表在馬達之一特定轉速命令下，預設驅動電壓Vdet須被調整的比例。另可知，於步驟S540中所產生的驅動電壓是預設驅動電壓Vdet透過校正電路30所產生的調整訊號R調整而產生的，且其被提供給馬達後將可使得馬達之線圈電流的波形趨近理想的弦波。

因此，本實施例所提供之馬達驅動方法可控制前述實施例所提供之馬達驅動電路來提供驅動電壓驅動一馬達，使得此馬達之線圈電流的波形能趨近理想的弦波。然須說明的是，由於本實施例所提供之馬達驅動方法可由圖1所示之馬達驅動電路來實施，故本實施例所提供之馬達驅動方法的其他細節可參照前述實施例所提供之馬達驅動電路的相關描述，於此便不重複敘述。

[實施例的可能功效]

總的來說，透過本發明之馬達驅動電路與馬達驅動方法的運作，能夠針對馬達之全轉速來提供相對應的調整訊號，使得馬達在經調整的預設驅動電壓之驅動下，即便存在其他因素的影響(如：電路元件的非理想特性)，馬達的線圈電流也能呈現較為理想的弦波波形，使得馬達振動噪音處於理想範圍。

除此之外，本發明之馬達驅動電路與馬達驅動方法是採用乘法器將預設驅動電壓與調整訊號相乘的作法來調整預設驅動電壓，因此可維持預設驅動電壓的非線性度。

最後須說明地是，於前述說明中，儘管已將本發明技術的概念以多個示例性實施例具體地示出與闡述，然而在此項技術之領域中具有通常知識者將理解，在不背離由以下申請專利範圍所界定的本發明技術的概念之範圍的條件下，可對其作出形式及細節上的各種變化。