TWI775180B - 單相馬達驅動電路及驅動方法 - Google Patents

單相馬達驅動電路及驅動方法 Download PDF

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TWI775180B
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Abstract

本發明公開一種單相馬達驅動電路及驅動方法。單相馬達驅動電路用於驅動單相馬達，其包括馬達驅動器、霍爾感測器、霍爾換相偵測電路、週期記錄電路、馬達電流偵測電路、截止角度調整電路、角度計算電路及控制電路。馬達驅動器包括多個開關。馬達電流偵測電路在單相馬達正常運轉後，偵測換相點時的馬達電流值。截止角度調整電路依據馬達電流值產生指示截止調整角度的截止角度調整訊號。角度計算電路產生換相訊號及截止訊號。控制電路對換相訊號及截止訊號進行處理以產生控制訊號組來控制馬達驅動器產生輸出訊號組來驅動單相馬達。

Description

單相馬達驅動電路及驅動方法
本發明涉及一種單相馬達驅動電路及驅動方法，特別是涉及一種能夠提高效率並降低功耗的單相馬達驅動電路及驅動方法。
直流馬達為工業社會及資訊時代不可或缺的動力轉換裝置，其可將電能轉換為動能。常用之馬達有直流馬達、交流馬達、步進馬達等，其中，直流馬達與交流馬達通常被用於不需要精密控制之產品裝置上，如電動風扇中葉片的轉動便可利用直流馬達或交流馬達來達成。而近年來，如何設計效能佳的馬達，已經成為業界所努力的目標之一。
本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足提供一種能夠提高效率並降低功耗的單相馬達驅動電路及驅動方法。
為了解決上述的技術問題，本發明所採用的其中一技術方案是提供一種單相馬達驅動電路，用於驅動一單相馬達，其包括馬達驅動器、霍爾感測器、霍爾換相偵測電路、週期記錄電路、馬達電流偵測電路、截止角度調整電路、角度計算電路及控制電路。馬達驅動器，連接於該單相馬達且包括多個開關。霍爾感測器，經配置以感應該單相馬達的轉子的磁場大小， 並對應產生一霍爾訊號組。霍爾換相偵測電路經配置以依據該霍爾訊號組來偵測磁場的正負極性，而對應產生用於指示換相點的一霍爾換相訊號。週期記錄電路經配置以記錄該霍爾換相訊號以產生一週期指示訊號。馬達電流偵測電路經配置以在該單相馬達正常運轉後，偵測該單相馬達經過該換相點時的馬達電流值。截止角度調整電路經配置以依據換相時的該馬達電流值產生指示一截止調整角度的截止角度調整訊號。角度計算電路經配置接收該週期指示訊號及該截止角度調整訊號，以依據該週期指示訊號的週期產生一換相訊號，以及依據該截止調整角度產生一截止訊號。控制電路經配置以對該換相訊號及該截止訊號進行處理以產生一控制訊號組來控制該馬達驅動器的該些開關，進而該馬達驅動器產生一輸出訊號組來驅動該單相馬達。
在一些實施例中，該輸出訊號組包括一第一輸出訊號及一第二輸出訊號，且該第一輸出訊號在對應於該換相點的一第一切換點處由第一位準切換至第二位準，而該第二輸出訊號提前於該第一切換點前的該截止調整角度處由第二位準切換為第一位準。
在一些實施例中，該截止角度調整電路進一步經配置以判斷該單相馬達換相時的該馬達電流值是否為零，若否，則進一步判斷該馬達電流值是大於零或小於零。其中，響應於該馬達電流值大於零，該截止角度調整電路經配置以增加該截止調整角度，而響應於該馬達電流值小於零，該截止角度調整電路經配置以減少該截止調整角度。
在一些實施例中，該角度計算電路進一步接收定義有一提前角度值的一提前角度訊號，且經配置以依據該提前角度值、該截止調整角度及該週期指示訊號的週期。
在一些實施例中，該馬達驅動器包括：一輸入端，接收一輸入電壓；一第一輸出端；一第二輸出端；一第一開關，耦接於該輸入端與該第 一輸出端之間；一第二開關，耦接於該第一輸出端與接地端之間；一第三開關，耦接於該輸入端與該第二輸出端之間；以及一第四開關，耦接於該第二輸出端與該接地端之間，其中該控制訊號組包括分別用於控制該第一開關、該第二開關、該第三開關及該第四開關的一第一控制訊號、一第二控制訊號、一第三控制訊號及一第四控制訊號，以使該第一輸出端及該第二輸出端分別輸出該第一輸出訊號及該第二輸出訊號。
為了解決上述的技術問題，本發明所採用的另外一技術方案是提供一種單相馬達驅動方法，用於驅動一單相馬達，其包括：配置一霍爾感測器以感應該單相馬達的轉子的磁場大小，並對應產生一霍爾訊號組；配置一霍爾換相偵測電路以依據該霍爾訊號組來偵測磁場的正負極性，而對應產生用於指示一換相點的一霍爾換相訊號；配置一週期記錄電路以記錄該霍爾換相訊號以產生一週期指示訊號；配置一馬達電流偵測電路以在該單相馬達正常運轉後，偵測該單相馬達經過該換相點時的馬達電流值；配置一截止角度調整電路以依據換相時的該馬達電流值產生指示一截止調整角度的截止角度調整訊號；配置一角度計算電路接收該週期指示訊號及該截止角度調整訊號，以依據該週期指示訊號的週期產生一換相訊號，以及依據該截止調整角度產生一截止訊號；以及配置一控制電路以對該換相訊號及該截止訊號進行處理以產生一控制訊號組來控制該馬達驅動器的該些開關，進而該馬達驅動器產生一輸出訊號組來驅動該單相馬達。
本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的單相馬達驅動電路及驅動方法，其能通過偵測換相點的馬達電流來適應性的調整輸出訊號的截止調整角度，使換相點馬達電流接近電流零點，以達到最佳效率點且避免逆向電流產生，可進而提高效率並降低功耗。
為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有 關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。
1:單相馬達驅動電路
10:馬達驅動器
11:霍爾感測器
12:霍爾換相偵測電路
13:週期記錄電路
14:馬達電流偵測電路
15:截止角度調整電路
16:角度計算電路
17:控制電路
Con1:第一控制訊號
Con2:第二控制訊號
Con3:第三控制訊號
Con4:第四控制訊號
GND:接地端
H+、H-:霍爾訊號
Im:馬達電流值
Irev:逆向電流
LA:提前角度值
M:單相馬達
Nin:輸入端
OFFA、OFFA1、OFFA2、OFFAi、OFFA1'、OFFA2'、OFFAi':截止調整角度
Out1:第一輸出端
Out2:第二輸出端
P1:第一切換點
P2:第二切換點
Ps:換相點
Q1:第一開關
Q2:第二開關
Q3:第三開關
Q4:第四開關
S1:霍爾換相訊號
S2:週期指示訊號
S3:馬達電流偵測訊號
S4:截止角度調整訊號
S5:換相訊號
S6:截止訊號
S7:控制訊號組
S8:提前角度訊號
t1、t2、t3、t01、t02、t0i、t11、t12、t1i:時間
VDD:輸入電壓
Vout1:第一輸出訊號
Vout2:第二輸出訊號
圖1為根據本發明實施例的單相馬達驅動電路的功能方塊圖。
圖2為根據本發明實施例的馬達驅動器的電路布局圖。
圖3為根據本發明實施例的馬達驅動電路的訊號時序圖。
圖4為根據本發明實施例的截止角度調整電路的運作流程圖。
圖5為根據本發明實施例的截止調整角度依據馬達電流值對輸出訊號組進行調整的第一示意圖。
圖6為根據本發明實施例的截止調整角度依據馬達電流值對輸出訊號組進行調整的第二示意圖。
圖7為根據本發明實施例的馬達驅動電路的另一訊號時序圖。
圖8為根據本發明實施例的馬達驅動方法的流程圖。
以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開有關“單相馬達驅動電路及驅動方法”的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不背離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包括相關聯的列出項 目中的任一個或者多個的組合。
圖1為根據本發明實施例的單相馬達驅動電路的功能方塊圖。參閱圖1所示，本發明實施例提供一種單相馬達驅動電路1，用於驅動一單相馬達M，單相馬達驅動電路1包括馬達驅動器10、霍爾感測器11、霍爾換相偵測電路12、週期記錄電路13、馬達電流偵測電路14、截止角度調整電路15、角度計算電路16及控制電路17。
馬達驅動器10連接於單相馬達M且包括多個開關。可進一步參考圖2，其為根據本發明實施例的馬達驅動器的電路布局圖。如圖2所示，馬達驅動器包括：接收輸入電壓VDD的輸入端Nin、第一輸出端Out1、第二輸出端Out2、第一開關Q1、第二開關Q2、第三開關Q3及第四開關Q4。第一開關Q1耦接於輸入端Nin與第一輸出端Out1之間。第二開關Q2耦接於第一輸出端Out1與接地端GND之間。第三開關Q3耦接於輸入端Nin與第二輸出端Out2之間。第四開關Q4耦接於第二輸出端Out2與接地端GND之間。
其中，第一開關Q1、第二開關Q2、第三開關Q3及第四開關Q4分別由第一控制訊號Con1、第二控制訊號Con2、第三控制訊號Con3及第四控制訊號Con4所控制，以使第一輸出端Out1及第二輸出端Out2分別輸出第一輸出訊號Vout1及第二輸出訊號Vout2。其中，第一開關Q1、第二開關Q2、第三開關Q3與第四開關Q4可為P型金氧半電晶體或N型金氧半電晶體。第一開關Q1與第三開關Q3以二P型金氧半電晶體為例，而第二開關Q2與第四開關Q4以二N型金氧半電晶體為例。
霍爾感測器11經配置以感應單相馬達M的轉子的磁場大小，並根據單相馬達M的工作特性，產生對應產生霍爾訊號組(包括霍爾訊號H+及H-)。霍爾換相偵測電路12經配置以依據霍爾訊號組(包括霍爾訊號H+及H-)來偵測磁場的正負極性，而對應產生用於指示換相點Ps的一霍爾換相訊號S1。
舉例而言，可進一步參考圖3，其為根據本發明實施例的馬達驅動電路的訊號時序圖。如圖所示，霍爾換相偵測電路12可依據霍爾訊號H+及H-判斷出換相點Ps，以對應產生霍爾換相訊號S1。
進一步，週期記錄電路13經配置以記錄霍爾換相訊號S1以產生一週期指示訊號S2。而馬達電流偵測電路14可用於在單相馬達M正常運轉後，偵測單相馬達M經過換相點時的馬達電流值Im，並對應產生馬達電流偵測訊號S3。
在單相馬達M正常運轉下，控制電路17在控制馬達驅動器10產生輸出訊號組(包括第一輸出訊號Vout1及第二輸出訊號Vout2)時，第一輸出訊號Vout1及第二輸出訊號Vout2依據一截止調整角度OFFA，以在不同時間點切換，例如，控制電路17產生的控制訊號組S7可使第二輸出訊號Vout2提前該截止調整角度OFFA而於時間t1由高電位切換為低電位，而第一輸出訊號Vout1則於換相點Ps處(時間t2)由低電位切換至高電位。在習知狀況下，截止調整角度OFFA為預設的，而無法依據單相馬達M的運作環境對應調整，因此在換相點Ps處仍會有逆向電流Irev存在，而無法達到最佳效率點。
而為了達到最佳效率點(亦即，於換相點Ps處的馬達電流值Im需為零)，本發明通過馬達電流偵測電路14偵測單相馬達M經過換相點時的馬達電流值Im，而截止角度調整電路15進一步依據換相時的馬達電流值Im產生指示截止調整角度OFFA的截止角度調整訊號S4。
可進一步參考圖4，其為根據本發明實施例的截止角度調整電路的運作流程圖。進一步詳細而言，截止角度調整電路15可在單相馬達M正常運轉後，依據下列流程對馬達電流值Im進行判斷並產生對應的截止調整角度OFFA：
步驟S30：判斷單相馬達M換相時，馬達電流值Im是否為零。
響應於判斷馬達電流值Im為零，則進入步驟S31：不改變所使用的截止調整角度OFFA，並回到步驟S30，持續偵測判斷馬達電流值Im。
響應於判斷馬達電流值Im不為零，則進入步驟S32：判斷馬達電流值Im是大於零或小於零。
響應於馬達電流值Im大於零，進入步驟S33：截止角度調整電路15增加截止調整角度OFFA。例如，增加一度，直到單相馬達M再次換相時可再次確認增加後的截止調整角度OFFA是否可使單相馬達M處在最佳效率點。
角度計算電路16經配置接收週期指示訊號S2及截止角度調整訊號S3，以依據週期指示訊號S2所指示的週期產生換相訊號S5，以及依據截止調整角度OFFA產生截止訊號S6。
控制電路17經配置以對換相訊號S5及截止訊號S6進行處理以產生控制訊號組S7來控制馬達驅動器10的第一開關Q1、第二開關Q2、第三開關Q3及第四開關Q4，進而馬達驅動器產生輸出訊號組(包括第一輸出訊號Vout1及第二輸出訊號Vout2)來驅動單相馬達M。
可進一步參考圖5所示，其為根據本發明實施例的截止調整角度依據馬達電流值對輸出訊號組進行調整的第一示意圖。如圖5所示，在時間t01時，使用了預設的截止調整角度OFFA1，而使得馬達電流值Im在對應時間t01的換相點處為大於0。因此，截止角度調整電路15提升截止調整角度OFFA1而產生截止調整角度OFFA2，而進一步判斷單相馬達M於對應時間t02時的換相點處的馬達電流值Im。而由圖5可知，在時間t02，馬達電流值Im依然大於0，因此繼續調整截止調整角度OFFA2。直到時間t0i時使用截止調整角度OFFAi，馬達電流值Im等於0，達到最佳效率點。
而響應於該馬達電流值Im小於零，進入步驟S34：截止角度調 整電路15減少截止調整角度OFFA。例如，減少一度，直到單相馬達M再次換相時可再次確認增加後的截止調整角度OFFA是否可使單相馬達M處在最佳效率點。
可進一步參考圖6所示，其為根據本發明實施例的截止調整角度依據馬達電流值對輸出訊號組進行調整的第二示意圖。如圖6所示，在時間t11時，使用了預設的截止調整角度OFFA1’，而使得馬達電流值Im在對應時間t11的換相點處為小於0。因此，截止角度調整電路15減少截止調整角度OFFA1’而產生截止調整角度OFFA2’，而進一步判斷單相馬達M於對應時間t12時的換相點處的馬達電流值Im。而由圖6可知，在時間t12，馬達電流值Im依然小於0，因此繼續調整截止調整角度OFFA2’。直到時間t1i時使用截止調整角度OFFAi’，馬達電流值Im等於0，達到最佳效率點。
在一些實施例中，角度計算電路16進一步接收定義有一提前角度值LA的提前角度訊號S8，且經配置以依據提前角度值LA、截止調整角度OFFA及週期指示訊號S2的週期產生換相訊號S5。
可參考圖7所示，其為根據本發明實施例的馬達驅動電路的另一訊號時序圖。如圖7所示，加入提前角度值LA之後，換相訊號S5將進一步使第一輸出訊號Vout1提前一提前角度值LA於換相點Ps前的第一切換點P1處由第一位準切換至第二位準(低位準切換至高位準)，而第二輸出訊號Vout則提前於第一切換點P1前的截止調整角度OFFA處(第二切換點P2處)由第二位準切換為第一位準(高位準切換至低位準)。
換言之，角度計算電路S8可綜合依據週期指示訊號S2、截止角度調整訊號S3及提前角度訊號S4來產生換相訊號S5及截止訊號S6，使控制電路17依據類似前述圖4-6的流程對應控制馬達驅動器10。
因此，本發明所提供的單相馬達驅動電路能通過偵測換相點的 馬達電流來適應性的調整輸出訊號的截止調整角度，使換相點馬達電流接近電流零點，以達到最佳效率點且避免逆向電流產生，可進而提高效率並降低功耗。
請進一步參考圖8，其為根據本發明實施例的馬達驅動方法的流程圖。如圖所示，本發明更提供一種單相馬達驅動方法，適用於圖1所示的單相馬達驅動電路1，但不限於此。單相馬達驅動方法包括：
步驟S80：配置霍爾感測器以感應單相馬達的轉子的磁場大小，並對應產生霍爾訊號組。
步驟S81：配置霍爾換相偵測電路以依據霍爾訊號組來偵測磁場的正負極性，而對應產生用於指示換相點的霍爾換相訊號。
步驟S82：配置週期記錄電路以記錄霍爾換相訊號以產生週期指示訊號。
步驟S83：配置馬達電流偵測電路以在單相馬達正常運轉後，偵測單相馬達經過換相點時的馬達電流值。
步驟S84：配置截止角度調整電路以依據換相時的馬達電流值產生指示截止調整角度的截止角度調整訊號。
步驟S85：配置角度計算電路接收週期指示訊號及截止角度調整訊號，以依據週期指示訊號的週期產生換相訊號，以及依據截止調整角度產生截止訊號。
步驟S86：配置控制電路以對換相訊號及截止訊號進行處理以產生控制訊號組來控制馬達驅動器的開關，進而使馬達驅動器產生輸出訊號組來驅動單相馬達。
[實施例的有益效果]
本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的單相馬達驅動 電路及驅動方法，其能通過偵測換相點的馬達電流來適應性的調整輸出訊號的截止調整角度，使換相點馬達電流接近電流零點，以達到最佳效率點且避免逆向電流產生，可進而提高效率並降低功耗。
以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。
1:單相馬達驅動電路
10:馬達驅動器
11:霍爾感測器
12:霍爾換相偵測電路
13:週期記錄電路
14:馬達電流偵測電路
15:截止角度調整電路
16:角度計算電路
17:控制電路
H+、H-:霍爾訊號
M:單相馬達
S1:霍爾換相訊號
S2:週期指示訊號
S3:馬達電流偵測訊號
S4:截止角度調整訊號
S5:換相訊號
S6:截止訊號
S7:控制訊號組
S8:提前角度訊號
Vout1:第一輸出訊號
Vout2:第二輸出訊號

Claims (10)

  1. 一種單相馬達驅動電路，用於驅動一單相馬達，其包括：一馬達驅動器，連接於該單相馬達且包括多個開關；一霍爾感測器，經配置以感應該單相馬達的轉子的磁場大小，並對應產生一霍爾訊號組；一霍爾換相偵測電路，經配置以依據該霍爾訊號組來偵測磁場的正負極性，而對應產生用於指示換相點的一霍爾換相訊號；一週期記錄電路，經配置以記錄該霍爾換相訊號以產生一週期指示訊號；一馬達電流偵測電路，經配置以在該單相馬達正常運轉後，偵測該單相馬達經過該換相點時的馬達電流值；一截止角度調整電路，經配置以依據換相時的該馬達電流值產生指示一截止調整角度的截止角度調整訊號；一角度計算電路，經配置接收該週期指示訊號及該截止角度調整訊號，以依據該週期指示訊號的週期產生一換相訊號，以及依據該截止調整角度產生一截止訊號；以及一控制電路，經配置以對該換相訊號及該截止訊號進行處理以產生一控制訊號組來控制該馬達驅動器的該些開關，進而該馬達驅動器產生一輸出訊號組來驅動該單相馬達。
  2. 如請求項1所述的單相馬達驅動電路，其中該輸出訊號組包括一第一輸出訊號及一第二輸出訊號，且該第一輸出訊號在對應於該換相點的一第一切換點處由第一位準切換至第二位準，而該第二輸出訊號提前於該第一切換點前的該截止調整角度處由第二位準切換為第一位準。
  3. 如請求項2所述的單相馬達驅動電路，其中該截止角度調整電路進一步經配置以判斷該單相馬達換相時的該馬達電流值 是否為零，若否，則進一步判斷該馬達電流值是大於零或小於零，其中響應於該馬達電流值大於零，該截止角度調整電路經配置以增加該截止調整角度，而響應於該馬達電流值小於零，該截止角度調整電路經配置以減少該截止調整角度。
  4. 如請求項2所述的單相馬達驅動電路，其中該角度計算電路進一步接收定義有一提前角度值的一提前角度訊號，且經配置以依據該提前角度值、該截止調整角度及該週期指示訊號的週期產生該換相訊號。
  5. 如請求項1所述的單相馬達驅動電路，其中該馬達驅動器包括：一輸入端，接收一輸入電壓；一第一輸出端；一第二輸出端；一第一開關，耦接於該輸入端與該第一輸出端之間；一第二開關，耦接於該第一輸出端與接地端之間；一第三開關，耦接於該輸入端與該第二輸出端之間；以及一第四開關，耦接於該第二輸出端與該接地端之間，其中該控制訊號組包括分別用於控制該第一開關、該第二開關、該第三開關及該第四開關的一第一控制訊號、一第二控制訊號、一第三控制訊號及一第四控制訊號，以使該第一輸出端及該第二輸出端分別輸出該第一輸出訊號及該第二輸出訊號。
  6. 一種單相馬達驅動方法，用於驅動一單相馬達，其包括：一馬達驅動器，連接於該單相馬達且包括多個開關；配置一霍爾感測器以感應該單相馬達的轉子的磁場大小，並對應產生一霍爾訊號組； 配置一霍爾換相偵測電路以依據該霍爾訊號組來偵測磁場的正負極性，而對應產生用於指示一換相點的一霍爾換相訊號；配置一週期記錄電路以記錄該霍爾換相訊號以產生一週期指示訊號；配置一馬達電流偵測電路以在該單相馬達正常運轉後，偵測該單相馬達經過該換相點時的馬達電流值；配置一截止角度調整電路以依據換相時的該馬達電流值產生指示一截止調整角度的截止角度調整訊號；配置一角度計算電路接收該週期指示訊號及該截止角度調整訊號，以依據該週期指示訊號的週期產生一換相訊號，以及依據該截止調整角度產生一截止訊號；以及配置一控制電路以對該換相訊號及該截止訊號進行處理以產生一控制訊號組來控制該馬達驅動器的該些開關，進而該馬達驅動器產生一輸出訊號組來驅動該單相馬達。
  7. 如請求項6所述的單相馬達驅動方法，其中該輸出訊號組包括一第一輸出訊號及一第二輸出訊號，且該第一輸出訊號在對應於該換相點的一第一切換點處由第一位準切換至第二位準，而該第二輸出訊號提前於該第一切換點前的該截止調整角度處由第二位準切換為第一位準。
  8. 如請求項7所述的單相馬達驅動方法，更包括配置該截止角度調整電路以判斷該單相馬達換相時的該馬達電流值是否為零，若否，則進一步判斷該馬達電流值是大於零或小於零，其中響應於該馬達電流值大於零，配置該截止角度調整電路以增加該截止調整角度，而響應於該馬達電流值小於零，配置該截止角度調整電路以減少該截止調整角度。
  9. 如請求項7所述的單相馬達驅動方法，更包括： 配置該角度計算電路接收定義有一提前角度值的一提前角度訊號；以及配置該角度計算電路依據該提前角度值、該截止調整角度及該週期指示訊號的週期產生該換相訊號。
  10. 如請求項6所述的單相馬達驅動方法，其中該馬達驅動器包括：一輸入端，接收一輸入電壓；一第一輸出端；一第二輸出端；一第一開關，耦接於該輸入端與該第一輸出端之間；一第二開關，耦接於該第一輸出端與接地端之間；一第三開關，耦接於該輸入端與該第二輸出端之間；以及一第四開關，耦接於該第二輸出端與該接地端之間，其中該控制訊號組包括分別用於控制該第一開關、該第二開關、該第三開關及該第四開關的一第一控制訊號、一第二控制訊號、一第三控制訊號及一第四控制訊號，以使該第一輸出端及該第二輸出端分別輸出該第一輸出訊號及該第二輸出訊號。
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