TWI739608B

TWI739608B - 馬達系統

Info

Publication number: TWI739608B
Application number: TW109133226A
Authority: TW
Inventors: 賴璟鋒
Original assignee: 致新科技股份有限公司
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2021-09-11
Also published as: TW202213914A

Abstract

本發明揭露一種無需霍爾感測元件之馬達系統。該馬達系統具有一第一輸出腳位、一第二輸出腳位、一輔助腳位、一定子、一轉子、一主線圈、以及一輔助線圈。該主線圈與該輔助線圈皆繞設於該定子上。該主線圈耦合至該第一輸出腳位與該第二輸出腳位。該輔助線圈耦合至該輔助腳位。該輔助線圈係用以決定一換相時間點。該馬達系統藉由偵測該輔助腳位之電壓零點，以偵測該轉子之位置並決定該換相時間點。

Description

馬達系統

本發明係關於一種馬達系統，特別是關於一種無需霍爾感測元件之馬達系統。

第1圖係習知之馬達模組10之示意圖。馬達模組10具有一轉子100、一定子110、以及一繞組120。轉子100可分成4個磁極以切換相位，其中磁極N和磁極S各兩個。繞組120可繞設於定子110上，藉由電磁感應改變磁場以驅動轉子100。第2圖係習知之馬達系統1之示意圖。請同時參照第1圖與第2圖。馬達系統1具有一馬達控制器20與一霍爾感測元件200。馬達控制器20經由端點HB提供霍爾感測元件200一固定電壓。霍爾感測元件200可設置於繞組120附近以感測因轉子100轉動所產生之磁場變化，藉此偵測轉子100之位置並分別產生一第一感測信號與一第二感測信號至端點HALL1與端點HALL2以供馬達控制器20切換相位。第3圖係對應於第2圖之相關信號之時序圖。馬達控制器20根據第一感測信號與第二感測信號，使得第一端點O1與第二端點O2換相產生交流信號以驅動馬達模組10。然而，霍爾感測元件200之感應誤差會降低馬達模組10之性能。此外，霍爾感測元件200之設置會使得馬達系統1之體積與成本同時增加，此舉不利於將馬達系統1整合至電子裝置中。

因此，如何取代霍爾感測元件以降低馬達系統之體積與成本，實為目前所需解決之重要課題。

有鑑於前述問題，本發明之目的在於提供一種無需霍爾感測元件之馬達系統。

依據本發明提供該馬達系統。該馬達系統具有一馬達模組與一馬達控制器。該馬達模組具有一轉子、一定子、以及一繞組。該轉子可區分成4個磁極以切換相位，其中磁極N和磁極S各兩個。該繞組可繞設於該定子上，藉由電磁感應改變週遭磁場以驅動該轉子。該繞組具有一主線圈與一輔助線圈，其中該輔助線圈係用以決定一換相時間點，藉此取代霍爾感測元件。該馬達控制器具有一第一端點、一第二端點、一第一輔助端點、一第二輔助端點、一端點VCC、以及一端點GND。該主線圈耦合至該第一端點與該第二端點而該輔助線圈耦合至該第一輔助端點與該第二輔助端點。該馬達系統可根據該第一輔助端點之電壓以決定該換相時間點。

該馬達控制器更具有一開關電路、一控制單元、一電流偵測單元、以及一電壓偵測單元。該開關電路具有一第一電晶體、一第二電晶體、一第三電晶體、以及一第四電晶體。該開關電路係用以提供一驅動電流至該主線圈。該第一電晶體耦合至該端點VCC與該第一端點而該第二電晶體耦合至該第一端點與該端點GND。該第三電晶體耦合至該端點VCC與該第二端點而該第四電晶體耦合至該第二端點與該端點GND。該第一電晶體、該第二電晶體、該第三電晶體、以及該第四電晶體可為一P型金氧半電晶體或一N型金氧半電晶體。該電流偵測單元耦合至該第一端點與該第二端點，用以產生一第一偵測信號至該控制單元以偵測該驅動電流之零點。該電壓偵測單元耦合至該第一輔助端點，用以產生一第二偵測信號至該控制單元以偵測該第一輔助端點之電壓零點。該控制單元產生複數個控制信號以控制該開關電路。

當該第一端點之電壓從一高位準改變成一低位準時，該驅動電流會開始逐漸減少。當該驅動電流降為0時，該第一輔助端點之電壓會從0上升至一中間值後再下降為0。此時最後之該第一輔助端點之電壓零點即可視為一換相時間點。因此，當該電流偵測單元偵測到該驅動電流之零點時，該第一偵測信號會由該低位準改變成該高位準以通知該控制單元開始偵測該第一輔助端點之電壓零點。當該電壓偵測單元偵測到該第一輔助端點之電壓零點時，該第二偵測信號會由該低位準改變成該高位準以通知該控制單元目前之時間點即為該換相時間點。無論該馬達模組處於一啟動模式或一正常運轉模式，皆可利用該輔助線圈以決定該換相時間點。

10:馬達模組

100:轉子

N:磁極

S:磁極

110:定子

120:繞組

1:馬達系統

20:馬達控制器

HB:端點

HALL1:端點

HALL2:端點

200:霍爾感測元件

IVCC:供應電流

30:馬達模組

300:轉子

310:定子

40:馬達控制器

VCC:端點

GND:端點

O1:第一端點

O2:第二端點

AUX1:第一輔助端點

AUX2:第二輔助端點

320:繞組

321:主線圈

322:輔助線圈

3:馬達系統

400:開關電路

410:控制單元

420:電流偵測單元

430:電壓偵測單元

Vd1:第一偵測信號

Vd2:第二偵測信號

401:第一電晶體

402:第二電晶體

403:第三電晶體

404:第四電晶體

C1:第一控制信號

C2:第二控制信號

C3:第三控制信號

C4:第四控制信號

T1-T4:換相時間點

第1圖係習知之馬達模組之示意圖。

第2圖係習知之馬達系統之示意圖。

第3圖係對應於第2圖之相關信號之時序圖。

第4圖係本發明一實施例之馬達模組之示意圖。

第5圖係本發明一實施例之馬達控制器與繞組之示意圖。

第6圖係本發明一實施例之馬達系統之示意圖。

第7圖係本發明一實施例之時序圖。

下文中之說明將使本發明之目的、特徵、與優點更明顯。茲將參考圖式詳細說明依據本發明之較佳實施例。

第4圖係本發明一實施例之馬達模組30之示意圖。馬達模組30具有一轉子300、一定子310、以及一繞組320。轉子300可分成4個磁極以切換相位，其中磁極N和磁極S各兩個。繞組320可繞設於定子310上，藉由電磁感應改變磁場以驅動轉子300。繞組320具有一主線圈321與一輔助線圈322，其中輔助線圈322係用以決定一換相時間點，藉此取代一霍爾感測元件。主線圈321具有一第一匝數N1而輔助線圈322具有一第二匝數N2，其中N1/N2

1。第5圖係本發明一實施例之馬達控制器40與繞組320之示意圖。馬達控制器40具有一第一端點O1、一第二端點O2、一第一輔助端點AUX1、一第二輔助端點AUX2、一端點VCC、以及一端點GND。端點VCC與端點GND耦合至一電壓源。主線圈321耦合至第一端點O1與第二端點O2而輔助線圈322耦合至第一輔助端點AUX1與第二輔助端點AUX2。第二輔助端點AUX2可耦合至第一端點O1、第二端點O2、或一參考電壓。因此，輔助線圈322可耦合至第一端點O1、第二端點O2、或該參考電壓。此外，本發明一實施例之馬達控制器40可被包裝成一馬達驅動IC(Integrated Circuit)，其中馬達驅動IC可具有一第一輸出腳位、一第二輸出腳位、一輔助腳位、一第一電壓腳位、以及一第二電壓腳位。第一輸出腳位係耦合至第一端點O1。第二輸出腳位係耦合至第二端點O2。輔助腳位係耦合至第一輔助端點AUX1。第一電壓腳位係耦合至端點VCC。第二電壓腳位係耦合至端點GND。輔助線圈322之一端點可耦合至第一輸出腳位、第二輸出腳位、或該參考電壓。

第6圖係本發明一實施例之馬達系統3之示意圖。馬達系統3具有馬達模組30與馬達控制器40。馬達控制器40更具有一開關電路400、一控制單元410、一電流偵測單元420、以及一電壓偵測單元430。開關電路400耦合至端點VCC且端點VCC產生一供應電流IVCC至開關電路400。開關電路400係用以提供一驅動電流至主線圈321，其中驅動電流可類比於供應電流IVCC。開關電路400具有一第一電晶體401、一第二電晶體402、一第三電晶體403、以及一第四電晶體404。第一電晶體401耦合至端點VCC與第一端點O1而第二電晶體402耦合至第一端點O1與端點GND。第三電晶體403耦合至端點VCC與第二端點O2而第四電晶體404耦合至第二端點O2與端點GND。第一電晶體401、第二電晶體402、第三電晶體403、以及第四電晶體404可為一P型金氧半電晶體或一N型金氧半電晶體。於第6圖中，第一電晶體401與第三電晶體403係以兩P型金氧半電晶體為例。第二電晶體402與第四電晶體404係以兩N型金氧半電晶體為例。電流偵測單元420耦合至第一端點O1與第二端點O2，用以產生一第一偵測信號Vd1至控制單元410以偵測驅動電流之零點。電壓偵測單元430耦合至第一輔助端點AUX1，用以產生一第二偵測信號Vd2至控制單元410以偵測第一輔助端點AUX1之電壓零點。馬達系統3可根據該第一輔助端點AUX1之電壓以決定換相時間點。

控制單元410產生一第一控制信號C1、一第二控制信號C2、一第三控制信號C3、以及一第四控制信號C4，用以分別控制第一電晶體401、第二電晶體402、第三電晶體403、以及第四電晶體404之開關情形。控制單元410輪流由一第一驅動模式與一第二驅動模式以提供電能給馬達模組30。於第一驅動模式下，控制單元410藉由控制第一控制信號C1與第四控制信號C4，用以導通第一電晶體401與第四電晶體404。此時電流從端點VCC依序流經第一電晶體401、主線圈321、第四電晶體404、以及端點GND，以此模式將電能傳送給馬達模組30。於第二驅動模式下，控制單元410藉由控制第二控制信號C2與第三控制信號C3，用以導通第二電晶體402與第三電晶體403。此時電流從端點VCC依序流經第三電晶體403、主線圈321、第二電晶體402、以及端點GND，以此模式將電能傳送給馬達模組30。藉由重覆地於第一驅動模式與第二驅動模式中切換，即可使馬達模組30正常運轉。

第7圖係本發明一實施例之時序圖。請同時參照第6圖與第7圖。具體而言，本發明一實施例之馬達系統3藉由偵測第一輔助端點AUX1之電壓零點以偵測轉子300之位置並決定換相時間點。當第一端點O1之電壓從一高位準H改變成一低位準L時，驅動電流會開始逐漸減少。當驅動電流降為0時，第一輔助端點AUX1之電壓會從0上升至一中間值後再下降為0。此時最後之第一輔助端點AUX1之電壓零點即可視為一換相時間點T1。同理，藉由相同的方法，亦可得出後續之換相時間點T2-T4。因此，當電流偵測單元420偵測到驅動電流之零點時，第一偵測信號Vd1會由低位準L改變成高位準H以通知控制單元410開始偵測第一輔助端點AUX1之電壓零點。當電壓偵測單元430偵測到第一輔助端點AUX1之電壓零點時，第二偵測信號Vd2會由低位準L改變成高位準H以通知控制單元410目前之時間點即為換相時間點。無論馬達模組30處於一啟動狀態或一正常運轉狀態，皆可利用輔助線圈322與第一輔助端點AUX1之電壓以決定換相時間點。

本發明一實施例之馬達系統3可應用於一單相無刷直流馬達。馬達系統3可具有第一輸出腳位、第二輸出腳位、輔助腳位、定子310、轉子300、主線圈321、以及輔助線圈322。主線圈321與輔助線圈322皆繞設於定子310上。主線圈321耦合至第一輸出腳位與第二輸出腳位。輔助線圈322耦合至輔助腳位。輔助線圈322係用以決定一換相時間點。馬達系統3根據輔助腳位之電壓以決定換相時間點。具體而言，馬達系統3藉由偵測輔助腳位之電壓零點，以偵測轉子300之位置並決定換相時間點。當單相無刷直流馬達處於啟動狀態時，馬達系統3可利用輔助線圈322以決定換相時間點。當單相無刷直流馬達處於正常運轉狀態時，馬達系統3亦可利用輔助線圈322以決定換相時間點。此外，馬達系統3藉由設置輔助線圈322以決定換相時間點，可取代霍爾感測元件以降低馬達系統3之體積與成本。

雖然本發明業已藉由較佳實施例作為例示加以說明，應瞭解者為：本發明不限於此被揭露的實施例。相反地，本發明意欲涵蓋對於熟習此項技藝之人士而言係明顯的各種修改與相似配置。因此，申請專利範圍應根據最廣的詮釋，以包含所有此類修改與相似配置。以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。