TWI783740B - 馬達系統及馬達控制方法 - Google Patents

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Abstract

一種馬達系統，包含驅動電路、馬達裝置及控制電路。驅動電路用以根據複數個控制訊號輸出驅動電流。馬達裝置根據驅動電流帶動轉子單元旋轉，且包含第一感測器及第二感測器，以感測轉子單元於不同方向上的極性及產生極性資料。控制電路電性連接於驅動電路及馬達裝置，以接收極性資料。在極性資料為第一狀態時，控制電路用以紀錄第一狀態所持續的第一持續時間。當極性資料從第一狀態變更為第二狀態，且第二狀態所持續的第二持續時間對應於第一持續時間時，控制電路將極性資料設定為第三狀態，直到極性資料從第三狀態變更為第四狀態。

Description

馬達系統及馬達控制方法
本揭示內容關於一種馬達系統及馬達控制方法，用以偵測轉子位置以確保馬達運轉正常。
隨著科技進步，各種電子裝置的運作頻率隨之升高，但運作頻率的升高卻導致電子裝置於運作時的裝置內部溫度也相對提高，為了不讓高溫對電子裝置的運作產生影響，甚至是毀損電子裝置，風扇的存在對於電子裝置運作的維持是不可或缺。
風扇系統於運作時，需根據馬達的轉子位置判斷運作狀態。雖然風扇系統內可配置位置感測器來偵測馬達之轉子，但感測器的數量會影響到馬達的體積與成本，而形成設計上的兩難。
本揭示內容係關於一種馬達系統，包含驅動電路、馬達裝置及控制電路。驅動電路包含複數個橋臂單元。該些橋臂單元電性連接至供應電源，且根據複數個控制訊號控制複數個開關的導通或關斷，以輸出驅動電流。馬達裝置電性連接於驅動電路，以根據驅動電流帶動轉子單元旋轉。馬達裝置包含第一感測器及第二感測器，第一感測器及第二感測器用以感測轉子單元於不同方向上的極性，以產生極性資料。控制電路電性連接於驅動電路及馬達裝置，以接收極性資料，其中在極性資料為第一狀態時，控制電路用以紀錄第一狀態所持續的第一持續時間。當極性資料從第一狀態變更為第二狀態，且第二狀態所持續的第二持續時間對應於第一持續時間時，控制電路將極性資料的當前狀態設定為第三狀態，直到極性資料從第三狀態變更為第四狀態。
本揭示內容還關於一種馬達控制方法，包含下列步驟：透過第一感測器及第二感測器，取得馬達裝置之轉子單元於不同方向上的極性，以產生極性資料；透過控制電路，在極性資料為第一狀態時，紀錄第一狀態所持續的第一持續時間；當極性資料從第一狀態變更為第二狀態時，紀錄第二狀態所持續的時間長度，直到第二狀態所持續的第二持續時間對應於第一持續時間；當第二狀態所持續的第二持續時間長度對應於第一持續時間時，將極性資料的一當前狀態設定為第三狀態，直到極性資料從第三狀態變更為第四狀態；以及根據極性資料產生驅動電流，以驅動馬達裝置。
據此，由於馬達系統透過紀錄第一持續時間來判斷第二狀態的期間，且透過偵測第三狀態的極性是否變化的方式來判斷第三狀態的期間，故馬達系統僅須配置兩個感測器，即可精確控制馬達運轉。
以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。
於本文中，當一元件被稱為「連接」或「耦接」時，可指「電性連接」或「電性耦接」。「連接」或「耦接」亦可用以表示二或多個元件間相互搭配操作或互動。此外，雖然本文中使用「第一」、「第二」、…等用語描述不同元件，該用語僅是用以區別以相同技術用語描述的元件或操作。除非上下文清楚指明，否則該用語並非特別指稱或暗示次序或順位，亦非用以限定本發明。
第1圖為根據本揭示內容之部份實施例之馬達系統100的示意圖。馬達系統100包含驅動電路110、馬達裝置120及控制電路130。驅動電路110電性連接於供電電源Vb、馬達裝置120及控制電路130，包含多個開關元件。在一實施例中，驅動電路110從控制電路130接收多個控制訊號UH、UL、WH、WL、VH、VL，並根據控制訊號UH、UL、WH、WL、VH、VL分別控制每個開關元件的導通與關斷，以輸出驅動電流。
具體而言，驅動電路110包含三個橋臂單元B1～B3。每個橋臂單元B1～B3分別電性連接於不同的三相節點NU、NV、NW，且總共包含六個開關Q1～Q6。橋臂單元B1～B3係根據控制訊號UH、UL、WH、WL、VH、VL，分別控制六個開關Q1～Q6的導通與關斷，使驅動電路110透過三相節點輸出驅動電流。由於本領域人士理解橋臂單元的運作方式，故在此不另贅述。
馬達裝置120透過三個三相節點NU、NV、NW電性連接於驅動電路110，以根據驅動電流帶動轉子單元121旋轉。在一實施例中，馬達裝置120為一種三相馬達。意即，馬達裝置120之三個定子繞組根據驅動電流產生磁場，以帶動轉子單元121旋轉。
在部份實施例中，馬達系統100應用於一種風扇系，用以帶動風扇之扇葉旋轉，但本揭示內容並不以此為限，本揭示內容亦可應用於其他類型的裝置。
在一實施例中，轉子單元121為磁鐵，當轉子單元121旋轉時，轉子單元121上的N極、S極會隨之轉動。控制電路130必須掌握轉子單元121的旋轉方位，其輸出的控制訊號UH、UL、WH、WL、VH、VL方能精確地控制每個開關元件的導通與關斷，以輸出驅動電流。
三相馬達的一種控制方式是在馬達裝置120中配置三個感測器。每個感測器用以分別偵測轉子單元121於不同方向上的極性。在一實施例中，感測器H1、H2為一種霍爾感測器，能偵測面對它的極性，以紀錄為偵測訊號，例如N極為「1」、S極為「0」。
如第1圖所示，感測器H1之偵測結果可紀錄為數位訊號，例如：偵測方向對應於轉子單元121的S極時，其檢測到的數位訊號為「0」；相對地，感測器H2的偵測方向對應於轉子單元的N極，因此其檢測到的數位訊號為「1」。然而，由於三個感測器需要較大的配置空間，且亦需要較高的成本，因此本揭示內容僅須使用兩個感測器H1、H2，而無須配置第三個感測器。
控制電路130電性連接於驅動電路110及馬達裝置120，用以根據轉子單元121的位置調整控制訊號UH、UL、WH、WL、VH、VL。在一實施例中，控制訊號UH、UL、WH、WL、VH、VL屬於一種脈衝寬度調變訊號。
具體而言，馬達裝置120包含第一感測器H1及第二感測器H2。第一感測器H1及第二感測器H2用以分別偵測轉子單元121於不同方向上的極性，以紀錄為一筆極性資料。第一感測器H1用以感測轉子單元121於第一方向上的第一極性、第二感測器H2用以感測轉子單元121於第二方向上的第二極性。第一極性及該第二極性的組合將被紀錄為極性資料。換言之，轉子單元121不同部位的極性，將會被對應位置的感測器H1、H2所紀錄。
在本實施例中，第一感測器H1及第二感測器H2的位置分別對應於馬達裝置120中的一個定子繞組，因此第一感測器H1及第二感測器H2間的設置角度θ至少為120度。在其他實施例中，第一感測器H1及第二感測器H2間的設置角度θ可任意調整。
下方表格為利用「三個感測器（以H1～H3表示）」偵測轉子單元121之當前轉向位置的表格。其中「0」代表S極、「1」代表N極。代碼則為業界慣用之辨識碼，其數字可自行設定變更。為便於說明，在此將轉子單元121的六種轉動位置分別設定為六種狀態：
轉子狀態 代碼 H1 H2 H3
第一狀態 ＃1 0 0 1
第二狀態 ＃5 1 0 1
第三狀態 ＃4 1 0 0
第四狀態 ＃6 1 1 0
第五狀態 ＃2 0 1 0
第六狀態 ＃3 0 1 1
前列表格中，每一個狀態對應一組極性資料，且亦對應於馬達裝置120的旋轉位置（或稱為「扇區」）。如前所述，由於三個感測器會導致馬達裝置120體積過大、成本過高，因此本揭示內容係使用兩個感測器，且控制電路130內儲存有對照表格如下：
轉子狀態 代碼 H1 H2
第一狀態 ＃1 0 0
第二狀態 ＃5 1 0
第三狀態 ＃4 1 0
第四狀態 ＃6 1 1
第五狀態 ＃2 0 1
第六狀態 ＃3 0 1
前述表格中，第一感測器H1及第二感測器H2所偵測到的極性組合即為極性資料。例如「0，0」為第一狀態、「1，1」為第四狀態。如表格所示，在只配置兩個感測器的情況下，第二狀態及第三狀態的極性資料相同、第五狀態及第六狀態的極性資料相同，因此，控制電路130需要透過其他方法來確認當前屬於哪一個狀態。
在此以第2圖所示之馬達控制方法之流程圖來說明馬達系統100的運作方式。在步驟S201中，馬達裝置120接收驅動電路110傳來的驅動電流而被啟動，並開始運轉。在步驟S202中，控制電路130接收第一感測器H1及第二感測器H2感測到的極性，並紀錄為極性資料。若控制電路130判斷極性資料處於第一狀態（如：第一極性與第二極性的組合為「0，0」），此時，控制電路130再根據極性資料調整控制訊號UH、UL、WH、WL、VH、VL，並將控制訊號UH、UL、WH、WL、VH、VL傳遞至驅動電路110。
步驟S201、S202為馬達系統100的歸零階段，控制電路130在判斷出轉子單元121處於預設的位置（即，第一狀態）後，再開始進行微調，以確保馬達裝置120的運作符合預期。在一實施例中，控制電路130內儲存有多筆運作參數，每個運作參數紀錄有「當馬達處於特定的位置時，下一瞬間每個開關的開啟或關斷狀態」，使控制電路130能據以生成控制訊號UH、UL、WH、WL、VH、VL。據此，方能確保轉子單元121的轉動（如：轉速）符合預期。
在步驟S203中，控制電路130計時極性資料維持於第一狀態的第一維持時間。如第1圖所示，驅動電路110中的多個開關Q1～Q6會分別在不同時刻導通或關斷，以以改變三相節點NU、NV、NW上的電流流向。換言之，開關Q1～Q6的控制共可分為六種組合（即，根據控制訊號UH、UL、WH、WL、VH、VL導通與關斷），用以使轉子單元121旋轉，因此，當極性資料中紀錄的極性發生變化時（即，不再是「0，0」時），相當於轉子單元121旋轉了60度。
在步驟S204中，控制電路130會持續地判斷極性資料是否從第一狀態改變為第二狀態。在步驟S205中，若控制電路130判斷極性資料已改變為第二狀態，則控制電路130會停止對第一維持時間的計時，且改為開始計時極性資料維持於第二狀態的第二維持時間。
在步驟S206中，控制電路130判斷第二維持時間是否對應於第一維持時間。在本實施例中，由於轉子單元121位於每個狀態的時間應當一致，因此，控制電路130係判斷第二維持時間是否等同於第一維持時間。
在其他實施例中，為了因應可能的誤差，或者其他控制上的需求（如：轉速調整），控制電路130將判斷第二持續時間與該第一持續時間的相對比例。當相對比例對應於設定比例時，才確認符合步驟S206的判斷結果。舉例而言：若第一維持時間為1毫秒、設定比例為1.2，則當第二維持時間為1.2毫秒時，控制電路130才會確認符合步驟S206的判斷條件。
具體而言，設定比例可根據修正誤差值而產生，且修正誤差值可對應於第一感測器H1及第二感測器H2之相對設置位置（如：座標或距離長度）。例如：透過測量第一感測器H1及第二感測器H2的感測時間點，並與理想時間點進行比對，所得到的修正誤差值將反應第一感測器H1或第二感測器H2的位置偏差。根據該位置偏差，將可決定第二持續時間與該第一持續時間的相對比例。在部份實施例中，設定比例可設定為0.5～1.5之間的數值。
在步驟S207中，當第二維持時間對應於第一維持時間時（如：時間長度相等，或相對比例符合設定比例），控制電路130將極性資料從第二狀態設定為第三狀態。據此，雖然在第二狀態及第三狀態中，第一感測器H1及第二感測器H2紀錄到的極性（即，極性資料）皆為「1，0」，但控制單元130仍能通過「計時」的方式，估計出轉子單元121的當前位置應是否已變更為第三狀態的極性，進而根據新設定的第三狀態以及對應於第三狀態的運作參數，調整控制訊號UH、UL、WH、WL、VH、VL。
換言之，雖然第二狀態及第三狀態的第一極性與第二極性相同，皆為「1，0」，控制電路130仍能以「計時」的方式來估計轉子單元121處於第二狀態的時間。當判斷出進入第三狀態後，控制電路130則改為監測極性資料內的極性組合，並維持該第三狀態，直到判斷出極性資料從第三狀態改變為第四狀態。據此，即便馬達系統100僅配置兩個感測器H1、H2，亦能精確地確認轉子單元121的當前位置。
相似地，請參閱前列表格，在極性資料處於第四狀態時，控制電路130可透過類似的方式，依序判斷極性資料的第四、第五及第六狀態。在部份實施例中，由於第一狀態～第三狀態反應出轉子單元的前半個旋轉週期，第四狀態～第五狀態則對應於後半的旋轉週期，因此，第四狀態與第一狀態所紀錄的第一極性與第二極性相反。如前列表格所示，第一狀態為「0，0」、第四狀態則為「1，1」。
請參閱第3圖所示，在步驟S301中，在第三狀態時，控制電路130根據極性資料及相對應的運作參數調整控制訊號UH、UL、WH、WL、VH、VL。在步驟S302中，控制電路130判斷極性資料是否從第三狀態改變為第四狀態。換言之，若是控制電路130判斷極性資料中的第一極性或第二極性是否發生了變化。若是，在步驟S303中，控制電路130開始計時極性資料維持於第四狀態的第四維持時間，且控制電路130改為根據第四狀態及對應的運作參數調整控制訊號UH、UL、WH、WL、VH、VL。
在步驟S304中，控制電路130判斷是否極性資料從第四狀態改變為第五狀態。若是，代表第四狀態結束，控制電路130會停止對第四維持時間的計時。在步驟S305中，控制電路130將改為根據第五狀態及對應的運作參數調整控制訊號UH、UL、WH、WL、VH、VL，同時，控制電路130會開始計時極性資料維持於第五狀態的第五維持時間。
在步驟S306中，控制電路130判斷第五維持時間是否對應於第四維持時間。與前述步驟S206相似，控制電路130可判斷第五維持時間是否「等同」於第四維持時間，或者第五維持時間與第四維持時間的相對比例是否符合設定比例。
在步驟S307中，當第五維持時間對應於第四維持時間時，控制電路130將極性資料設定為第六狀態，直到極性資料從第三狀態改變為第一狀態，代表轉子單元121完整地完成了一個旋轉週期。
前述步驟S201～S207及步驟S301～S307對應於馬達裝置120的一個完整旋轉週期。在一實施例中，控制電路130在每次週期中都會重新計算第一狀態的第一維持時間，以及計算第四狀態的維持時間，並透過第一維持時間/第四維持時間，估計第二狀態/第五狀態的維持時間。此外，在第三狀態及第六狀態時，控制電路130即無須計時，僅須監測極性資料中的極性變化，來確認是否進入第一狀態/第四狀態。
此外，在部份實施例中，第一感測器H1及第二感測器H2係分別設置於馬達裝置120中任兩個定子繞組上，但本揭示內容並不以此為限。在其他實施例中，第一感測器H1及第二感測器H2亦可設置於馬達裝置120內的其他位置，以偵測到轉子單元121特定部位或方向之極性。
前述各實施例中的各項元件、方法步驟或技術特徵，係可相互結合，而不以本揭示內容中的文字描述順序或圖式呈現順序為限。
雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100:馬達系統 110:驅動電路 120:馬達裝置 121:轉子單元 130:控制電路 B1-B3:橋臂單元 Q1-Q6:開關 NU:三相節點 NV:三相節點 NW:三相節點 H1:第一感測器 H2:第二感測器 UH:控制訊號 UL:控制訊號 WH:控制訊號 WL:控制訊號 VH:控制訊號 VL:控制訊號 Vb:供電電源 θ:設置角度 S201-S207:步驟 S301-S307:步驟
第1圖為根據本揭示內容之部份實施例之馬達系統的示意圖。 第2圖為根據本揭示內容之部份實施例之馬達控制方法的流程圖。 第3圖為根據本揭示內容之部份實施例之馬達控制方法的流程圖。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
100:馬達系統
110:驅動電路
120:馬達裝置
121:轉子單元
130:控制電路
B1-B3:橋臂單元
Q1-Q6:開關
NU:三相節點
NV:三相節點
NW:三相節點
H1:第一感測器
H2:第二感測器
UH:控制訊號
UL:控制訊號
WH:控制訊號
WL:控制訊號
VH:控制訊號
VL:控制訊號
Vb:供電電源
θ:設置角度

Claims (20)

  1. 一種馬達系統，包含： 一驅動電路，包含複數個橋臂單元，其中該些橋臂單元電性連接至一供應電源，且根據複數個控制訊號控制複數個開關的導通或關斷，以輸出一驅動電流； 一馬達裝置，電性連接於該驅動電路，以根據該驅動電流帶動一轉子單元旋轉，其中該馬達裝置包含一第一感測器及一第二感測器，該第一感測器及該第二感測器用以感測該轉子單元於不同方向上的極性，以產生一極性資料； 一控制電路，電性連接於該驅動電路及該馬達裝置，以接收該極性資料，其中在該極性資料為一第一狀態時，該控制電路用以紀錄該第一狀態所持續的一第一持續時間；以及 當該極性資料從該第一狀態變更為一第二狀態，且該第二狀態所持續的一第二持續時間對應於該第一持續時間時，該控制電路將該極性資料的一當前狀態設定為一第三狀態，直到該極性資料從該第三狀態變更為一第四狀態。
  2. 如請求項1所述之馬達系統，其中該第一感測器用以感測該轉子單元於一第一方向上的一第一極性，該第二感測器用以感測該轉子單元於一第二方向上的一第二極性，且該第一極性及該第二極性係被紀錄為該極性資料。
  3. 如請求項2所述之馬達系統，其中該第二狀態及該第三狀態中紀錄的該第一極性及該第二極性相同。
  4. 如請求項2所述之馬達系統，其中在該極性資料為該第四狀態時，該控制電路用以紀錄該第四狀態所持續的一第四持續時間，且該第四狀態與該第一狀態所紀錄的該第一極性及該第二極性相反。
  5. 如請求項1所述之馬達系統，其中該控制電路用以判斷該第二持續時間與該第一持續時間的一相對比例，在該相對比例對應於一設定比例時，該控制電路將該極性資料設定為該第三狀態。
  6. 如請求項5所述之馬達系統，其中該設定比例根據一修正誤差值產生，且該修正誤差值對應於該第一感測器及該第二感測器的一相對設置位置。
  7. 如請求項1所述之馬達系統，其中該控制電路用以根據接收到的該極性資料產生該些控制訊號，且該些控制訊號屬於一種脈衝寬度調變訊號。
  8. 如請求項7所述之馬達系統，其中該馬達裝置被啟動，且該控制電路判斷該極性資料於該第一狀態後，該控制電路再根據該極性資料產生該些控制訊號，並將該些控制訊號傳遞至該驅動電路。
  9. 如請求項1所述之馬達系統，其中該控制電路還用以紀錄該第四狀態所持續的一第四持續時間，當該極性資料從該第四狀態變更為一第五狀態，且該第五狀態所持續的一第五持續時間對應於該第四持續時間時，該控制電路將該極性資料設定為一第六狀態，直到該極性資料從該第六狀態變更為該第一狀態。
  10. 如請求項1所述之馬達系統，其中該第一感測器與該第二感測器之間的一設置角度至少為120度。
  11. 一種馬達控制方法，包含： 透過一第一感測器及一第二感測器，取得一馬達裝置之一轉子單元於不同方向上的極性，以產生一極性資料； 透過一控制電路，在該極性資料為一第一狀態時，紀錄該第一狀態所持續的一第一持續時間； 當該極性資料從該第一狀態變更為一第二狀態時，紀錄該第二狀態所持續的時間長度，直到該第二狀態所持續的一第二持續時間對應於該第一持續時間； 當該第二狀態所持續的該第二持續時間長度對應於該第一持續時間時，將該極性資料的一當前狀態設定為一第三狀態，直到該極性資料從該第三狀態變更為一第四狀態；以及 根據該極性資料產生一驅動電流，以驅動該馬達裝置。
  12. 如請求項11所述之馬達控制方法，其中取得該馬達裝置之該轉子單元於不同方向上的極性，以產生該極性資料的方法包含： 透過該第一感測器，感測該轉子單元於一第一方向上的一第一極性；以及 透過該第二感測器，感測該轉子單元於一第二方向上的一第二極性，其中該第一極性及該第二極性係被紀錄為該極性資料。
  13. 如請求項12所述之馬達控制方法，其中該第二狀態及該第三狀態中紀錄的該第一極性及該第二極性相同。
  14. 如請求項12所述之馬達控制方法，還包含： 在該極性資料為該第四狀態時，紀錄該第四狀態所持續的一第四持續時間，其中該第四狀態與該第一狀態所紀錄的該第一極性及該第二極性相反。
  15. 如請求項11所述之馬達控制方法，其中將該極性資料的該當前狀態設定為該第三狀態的方法還包含： 判斷該第二持續時間與該第一持續時間的一相對比例；以及 在該相對比例對應於一設定比例時，將該極性資料設定為該第三狀態。
  16. 如請求項15所述之馬達控制方法，其中該設定比例根據一修正誤差值產生，且該修正誤差值對應於該第一感測器及該第二感測器之一相對設置位置。
  17. 如請求項11所述之馬達控制方法，其中根據該極性資料產生該驅動電流，以驅動該馬達裝置的方法包含： 根據該極性資料產生複數個控制訊號，以控制一驅動電路中複數個開關的導通或關斷，其中該些控制訊號屬於一種脈衝寬度調變訊號。
  18. 如請求項17所述之馬達控制方法，其中根據該極性資料產生該驅動電流，以驅動該馬達裝置的方法還包含： 在該馬達裝置被啟動時，判斷該極性資料是否處於該第一狀態；以及 當該極性資料處於該第一狀態時，再根據該極性資料產生該些控制訊號。
  19. 如請求項11所述之馬達控制方法，還包含： 紀錄該第四狀態所持續的一第四持續時間； 當該極性資料從該第四狀態變更為一第五狀態，且該第五狀態所持續的一第五持續時間對應於該第四持續時間時，將該極性資料設定為一第六狀態，直到該極性資料從該第六狀態變更為該第一狀態。
  20. 如請求項11所述之馬達控制方法，其中該第一感測器與該第二感測器之間的一設置角度至少為120度。
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