TWI793517B

TWI793517B - 馬達系統及馬達驅動方法

Info

Publication number: TWI793517B
Application number: TW110104416A
Authority: TW
Inventors: 李文定
Original assignee: 陞達科技股份有限公司
Priority date: 2021-02-05
Filing date: 2021-02-05
Publication date: 2023-02-21
Also published as: TW202232860A; US20220255477A1; US11695355B2

Abstract

本揭示內容係關於一種馬達驅動方法，包含下列步驟：檢測驅動電路中之第一開關及第二開關間的檢測電壓值，其中驅動電路電性連接於供電電源及馬達裝置，用以根據切換頻率控制第一開關及第二開關，以提供驅動電流至馬達裝置；根據檢測電壓值判斷驅動電流；在驅動電流小於一預定值時，關斷第一開關及第二開關一段檢測期間，其中檢測期間的時間長度為固定值；在檢測期間，檢測馬達裝置之反向電動勢，以計算反向電動勢之歸零時間；以及根據歸零時間，調整切換頻率。

Description

馬達系統及馬達驅動方法

本揭示內容關於一種馬達系統及馬達驅動方法，特別是一種透過判斷反向電動勢以計算出轉子位置的技術。

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傳感器來偵測馬達之轉子，但此作法需要更高的成本及更大的安裝空間。因此，需要一種適合應用於無感（Sensorless）風扇系統的驅動方法。

本揭示內容還關於一種馬達系統，包含驅動電路、馬達裝置及控制電路。驅動電路電性連接於供電電源，且至少包含第一開關及第二開關。驅動電路用以產生驅動電流。馬達裝置電性連接於驅動電路，用以接收驅動電流。控制電路電性連接於驅動電路，用以檢測第一開關及第二開關間的檢測電壓值。當控制電路根據檢測電壓值判斷驅動電流值小於預定值時，控制電路關斷第一開關及第二開關一段檢測期間，以檢測馬達裝置的反向電動勢，且計算反向電動勢之歸零時間。

本揭示內容利用驅動電流過零點的一段期間，檢測反向電動勢一段固定時間（即，檢測期間），進而推測出反向電動勢過零點的歸零時間。據此，將可避免檢測時間過長、導致馬達系統的不穩定或異常的問題。

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的馬達系統100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及馬達裝置120，包含多個開關元件。在一實施例中，驅動電路110根據控制訊號UH、UL、WH、WL、VH、VL分別控制開關元件的導通與關斷，以輸出驅動電流。

馬達裝置120電性連接於驅動電路110之輸出端，以接收驅動電流。在一實施例中，馬達裝置120用以帶動風扇100的扇葉（圖中未示）旋轉。在部份實施例中，馬達裝置120為一種三相馬達，具有三個輸入節點NU、NV、NW。在部份實施例中，馬達系統100應用於一種風扇系統。意即，馬達裝置120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。

驅動電路110則包含三個橋臂單元B1～B3。每個橋臂單元B1～B3分別包含第一開關Q1及第二開關Q2，且分別電性連接於不同的輸入節點NU、NV、NW。每個橋臂單元B1～B3的第一開關Q1及第二開關Q2係根據控制訊號UH、UL、WH、WL、VH、VL被導通或關斷，提供三相之驅動電流至馬達裝置120。由於本領域人士理解三相馬達的運作方式，故在此不另贅述。

控制電路130電性連接於驅動電路110中的任一個橋臂單元B1～B3，用以提供控制訊號UH、UL、WH、WL、VH、VL，且還用以檢測第一開關Q1及第二開關Q2之間的檢測節點的檢測電壓值。如第1圖所示，控制電路130能連接於檢測節點N1、N2、N3中之任一者。在一實施例中，控制電路130係根據轉速訊號產生控制訊號UH、UL、WH、WL、VH、VL。轉速訊號為一種脈衝寬度調變訊號，其頻率對應於控制訊號UH、UL、WH、WL、VH、VLM，用以控制第一開關Q1及第二開關Q2的切換頻率。

當控制電路130能根據檢測電壓值，判斷驅動電流的電流資訊，例如電流大小、電流方向等。當控制電路130判斷驅動電流小於預定值時，控制電路130將會確保其連接的第一開關Q1及第二開關Q2維持在關斷狀態，且維持的時間為固定值。為便於說明，在此將該時間稱為「檢測期間」。在檢測期間，控制電路130將檢測馬達裝置120的反向電動勢（back EMF）的大小及趨勢，進而計算出反向電動勢歸零的時間。

在一實施例中，前述之「預定值」為接近零點的數值。換言之，控制電路130係於驅動電流過零點的期間，檢測反向電動勢。控制電路130則可在驅動電流趨近於零時，開始計時「檢測期間」。在其他實施例中，控制電路130亦可在判斷出驅動電流為零時，開始計時「檢測期間」（即，驅動電流為零的時間點，為檢測期間的起始點）。

具體而言，在檢測期間，控制電路130將檢測馬達裝置120在不同時間點的反向電動勢，以取得多個檢測電動勢值。根據該些檢測電動勢值，將能推算出反向電動勢的變化趨勢，以估算出反向電動勢的歸零時間。

在其他實施例中，控制電路130中儲存有馬達裝置120的參數模型，使得控制電路130於檢測期間可僅須檢測一次反向電動勢，即可推算出反向電動勢的歸零時間。此外，控制電路130亦可不利用參數模型，而是透過檢測到的反向電動勢來調整轉速或驅動馬達裝置120之驅動電壓，以推算反向電動勢的歸零時間。

第2A圖係根據本揭示內容之部份實施例的訊號波形圖，包含馬達裝置的驅動電壓Vp、驅動電流Ip及反向電動勢Ve。第2A圖之橫軸代表時間、縱軸則代表電流、電壓、電動勢的變化趨勢。如圖所示，在驅動電流Ip過零點的期間（即，檢測期間Td），控制電路130檢測馬達裝置120的反向電動勢Ve，以取得至少兩個檢測電動勢值。該些檢測電動勢值可形成一條變化特性線。根據變化特性線的斜率，或者將檢測電動勢值A、B的座標配合三角函數，即可推算出變化特性線與零點交會的時間。

第2B圖為第2A圖的局部放大圖。如圖所示，控制電路130檢測馬達裝置120的反向電動勢Ve，以取得兩個檢測電動勢值A、B。由於驅動電流Ip的曲線會接近於反向電動勢Ve的曲線，因此當驅動電流Ip趨近於零時（即，檢測期間Td），反向電動勢Ve亦將在零點附近。據此，該些檢測電動勢值A、B相連形成的變化特性線L將能視為等同於反向電動勢Ve的曲線。控制電路130能根據檢測電動勢值A與同一時間中驅動電流Ip的值，取得第一距離d1（在第2B圖中，檢測電動勢值A對應的驅動電流Ip為零，所以第一距離d1就是檢測電動勢值A座標值）。接著，透過第一距離d1及變化特性線的斜率，將能推算出第二距離d2。第二距離d2即為「反向電動勢Ve歸零的時間」至「檢測電動勢值A被檢測出的時間點」間的時間差距。

控制電路130用以根據反向電動勢Ve的歸零時間，並搭配轉速訊號，計算馬達裝置120的轉子位置。控制電路130可據以確認馬達系統100的運轉狀態是否符合預期。由於本領域人士能了解根據反向電動勢計算轉子位置的方法，故在此不另贅述。

具體而言，為了讓馬達裝置120運作於理想的效率、避免多餘的能量耗損，馬達裝置120之驅動電壓Vp及驅動電流Ip的相位應互相對應（如：訊號波形的相位重合）。因此，在一實施例中，當控制電路130推算出反向電動勢的歸零時間，且推算出轉子位置後，控制電路130將據以調整轉速訊號的頻率（即，改變控制訊號UH、UL、WH、WL、VH、VL的切換頻率），以改變驅動電壓Vp的電壓相位及驅動電流Ip的電流相位，使二者的相位能相互靠近。

在部份實施例中，當控制電路130檢測第一開關Q1及第二開關Q2間的檢測電壓值時，控制電路130將第一開關Q1及第二開關Q2維持於關斷狀態，避免橋臂單元B1～B3因短路而產生異常。換言之，控制電路130檢測檢測電壓值的時間是在「第一開關Q1及第二開關Q2皆關斷」的時刻。

本揭示內容係利用驅動電流過零點（或趨近於零）的一段期間，檢測反向電動勢一段固定時間（即，檢測期間）。透過反向電動勢在檢測期間中的多個檢測電動勢值，推測出其過零點的歸零時間，據此，即可避免檢測時間過長、導致馬達系統100的不穩定或異常的問題。

在部份實施例中，控制訊號UH、UL、WH、WL、VH、VL係根據轉速訊號而產生，且亦為一種脈衝寬度調變訊號。檢測期間的時間長度為脈衝寬度調變訊號之一個固定數目的週期長度（如：週期的整數倍數）。舉例而言，檢測期間的時間長度可為脈衝寬度調變訊號的2~5個週期長度。在一實施例中，檢測期間的時間長度可為脈衝寬度調變訊號的3個週期長度。檢測期間的時間長度為一固定值，但並不以前述2～5個週期長度為限。在實施上可根據需求調整。

第3圖為本揭示內容之部份實施例的馬達驅動方法流程圖。在步驟S301中，控制電路130根據轉速訊號輸出控制訊號UH、UL、WH、WL、VH、VL至驅動電路110，使驅動電路110輸出驅動電流至馬達裝置120。馬達裝置120根據驅動電流運轉，並帶動風扇之扇葉。

在步驟S302中，在馬達裝置120運轉時，控制電路130將偵測其中一個橋臂單元B1～B3的第一開關Q1及第二開關Q2的狀態。在第一開關Q1及第二開關Q2皆為關斷時，控制電路130偵測第一開關Q1及第二開關Q2之間的檢測電壓值。在一實施例中，控制電路130將定期地反覆進行步驟S302，以紀錄多筆檢測電壓值。

在步驟S303中，控制電路130根據檢測電壓值，判斷驅動電流的電流資訊（如：電流大小、電流流向）。在一實施例中，控制電路130係檢測第一開關Q1及第二開關Q2皆為關斷時，驅動電路110輸出的驅動電流，並紀錄為電流曲線（如第2A圖所示的驅動電流Ip）。

在步驟S304中，控制電路130持續判斷驅動電流是否小於預定值（如：是否為零）。若驅動電流未小於預定值，則持續進行步驟S303。在部份實施例中，驅動電流會在檢測期間內通過零點。

在步驟S305中，在驅動電流小於預定值時，控制電路130將控制/改變控制訊號UH、UL、WH、WL、VH、VL，以在固定的檢測期間中，將第一開關及該第二開關維持於關斷狀態。

在步驟S306中，控制電路130於檢測期間，檢測馬達裝置120之反向電動勢，以取得多個檢測電動勢值，並計算反向電動勢之歸零時間。在一實施例中，控制電路130將多個檢測電動勢值所形成的變化特性線作為反向電動勢的變化趨勢，且根據其斜率計算出歸零的時間。

在步驟S307中，控制電路130根據計算出的歸零時間，判斷馬達裝置120的轉子位置。接著，根據轉子位置調整轉速訊號或控制訊號。控制訊號UH、UL、WH、WL、VH、VL之切換頻率將隨之改變，使得馬達裝置120的電流相位及電壓相位能朝彼此靠近，以改善運作效率。

在一實施例中，馬達系統100於每個週期中皆會執行前述馬達驅動方法，以使馬達系統100能具有良好的效能。控制電路130檢測反向電動勢的次數可由使用者任意調整，但檢測期間Td為固定值。由於本揭示內容係根據多個檢測電動勢值的變化特性線推算出歸零時間，故控制電路130無須實際偵測出反向電動勢歸零的那個時間點。據此，可避免第一開關Q1及二開關Q2關閉時間過久而產生運作之異常。

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 130:控制電路

B1-B3:橋臂單元

N1-N3:檢測節點

NU:輸入節點

NV:輸入節點

NW:輸入節點

Vb:供電電源

Q1:第一開關

Q2:第二開關

Vp:驅動電壓

Ip:驅動電流

Ve:反向電動勢

Td:檢測期間

d1:第一距離

d2:第二距離

A:檢測電動勢值

B:檢測電動勢值

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2A圖為根據本揭示內容之部份實施例之各種訊號波形的示意圖。第2B圖為根據本揭示內容之部份實施例之訊號波形的局部示意圖。第3圖為根據本揭示內容之部份實施例之馬達驅動方法的流程圖。

S301-S307:步驟

Claims

一種馬達驅動方法，包含：檢測一驅動電路中之一第一開關及一第二開關間的一檢測電壓值，其中該驅動電路電性連接於一供電電源及一馬達裝置，用以根據一切換頻率控制該第一開關及該第二開關，以提供一驅動電流至該馬達裝置；根據該檢測電壓值判斷該驅動電流；在該驅動電流小於一預定值時，關斷該第一開關及該第二開關一檢測期間，其中該檢測期間的時間長度為一固定值；在該檢測期間，檢測該馬達裝置之一反向電動勢，以計算該反向電動勢之一歸零時間，更包含：在該檢測期間，檢測該馬達裝置之該反向電動勢，以取得複數個檢測電動勢值；以及根據該些檢測電動勢值，計算該反向電動勢之該歸零時間；以及根據該歸零時間，調整該切換頻率。
如請求項1所述之馬達驅動方法，其中該驅動電流在該檢測期間通過零點。
如請求項2所述之馬達驅動方法，其中計算該反向電動勢之該歸零時間的方法包含：根據該些檢測電動勢值，取得一變化特性線；以及根據該變化特性線的一斜率，計算該反向電動勢之該歸零時間。
如請求項1所述之馬達驅動方法，其中該驅動電路包含複數個橋臂單元，該第一開關及該第二開關位於該些橋臂單元中的同一個。
如請求項4所述之馬達驅動方法，其中當檢測該第一開關及該第二開關間的該檢測電壓值時，該第一開關及該第二開關被關斷。
如請求項1所述之馬達驅動方法，其中該切換頻率為一脈衝寬度調變訊號的頻率，且該檢測期間的一時間長度為該脈衝寬度調變訊號之週期的整數倍數。
如請求項6所述之馬達驅動方法，其中該檢測期間的該時間長度為該脈衝寬度調變訊號的一個固定數目的週期長度。
如請求項1所述之馬達驅動方法，其中該馬達裝置之一電流相位及一電壓相位根據該切換頻率而變化。
如請求項1所述之馬達驅動方法，其中該馬達裝置為一種三相馬達，該三相馬達具有三個輸入節點，該第一開關及該第二開關間的一檢測節點係連接於該些輸入節點中的其中一個。
一種馬達系統，包含：一驅動電路，電性連接於一供電電源，且至少包含一第一開關及一第二開關，其中該驅動電路用以產生一驅動電流；一馬達裝置，電性連接於該驅動電路，用以接收該驅動電流；以及一控制電路，電性連接於該驅動電路，用以檢測該第一開關及該第二開關間的一檢測電壓值，其中當該控制電路根據該檢測電壓值，判斷該驅動電流值小於一預定值時，該控制電路關斷該第一開關及該第二開關一檢測期間，以檢測該馬達裝置的一反向電動勢，且計算該反向電動勢之一歸零時間，其中該控制電路檢測該馬達裝置在該檢測期間的該反向電動勢時，係用以取得複數個檢測電動勢值，且根據該些檢測電動勢值計算該反向電動勢之該歸零時間。
如請求項10所述之馬達系統，其中該驅動電流在該檢測期間通過零點。
如請求項11所述之馬達系統，其中該控制電路還用以根據該些檢測電動勢值，取得一變化特性線，該控制電路根據該變化特性線的一斜率，計算該反向電動勢之該歸零時間。
如請求項10所述之馬達系統，其中該驅動電路包含複數個橋臂單元，該第一開關及該第二開關位於該些橋臂單元中的同一個，且該控制電路根據一切換頻率控制該第一開關及該第二開關。
如請求項13所述之馬達系統，其中當檢測該第一開關及該第二開關間的該檢測電壓值時，該控制電路將該第一開關及該第二開關維持於關斷狀態。
如請求項13所述之馬達系統，其中該切換頻率為一脈衝寬度調變訊號之頻率，且該檢測期間的一時間長度為該脈衝寬度調變訊號之週期的整數倍數。
如請求項15所述之馬達系統，其中該檢測期間的該時間長度為該脈衝寬度調變訊號的一個固定數目的週期長度。
如請求項13所述之馬達系統，其中該控制電路根據該反向電動勢之該歸零時間，調整該切換頻率。
如請求項17所述之馬達系統，其中該馬達裝置之一電流相位及一電壓相位根據該切換頻率而變化。