TWI831151B

TWI831151B - 直流馬達驅動系統及方法

Info

Publication number: TWI831151B
Application number: TW111110006A
Authority: TW
Inventors: 溫聖宇; 林政毅; 楊亦涵; 盧廷昀
Original assignee: 台達電子工業股份有限公司
Priority date: 2022-03-18
Filing date: 2022-03-18
Publication date: 2024-02-01
Also published as: TW202339414A

Abstract

本案提供一種直流馬達驅動系統，包含直流馬達、供電裝置、開關電路及微處理器。供電裝置提供輸入電能，開關電路接收輸入電能並輸出馬達電能至直流馬達，其中馬達電能包含馬達功率及馬達電壓。微處理器與供電裝置相通訊。馬達驅動系統可切換地工作於定電壓模式、第一變電壓模式及第二變電壓模式。在定電壓模式下，供電裝置所提供的輸入電能維持不變。在第一變電壓模式下，微處理器控制供電裝置調整輸入電能，使馬達電壓及馬達功率上升。在第二變電壓模式下，微處理器控制供電裝置調整輸入電能，使馬達電壓下降，並使馬達功率維持不變。

Description

直流馬達驅動系統及方法

本案係關於一種馬達驅動系統及方法，尤指一種直流馬達驅動系統及方法。

在現有技術中，多以固定之電壓驅動直流馬達。在此種驅動方式下，馬達的轉速與轉矩之間存在特定之關係曲線，如第1圖所示。藉此，可通過調整轉速獲取所需之轉矩。然而，若馬達運作至最大轉矩時，則馬達之轉矩亦無法再進一步提升。

因此，如何發展一種可改善上述習知技術之直流馬達驅動系統及方法，實為目前迫切之需求。

本案之目的在於提供一種直流馬達驅動系統及方法，其基於供電裝置的變電壓特性，可通過調整馬達電壓改變直流馬達之轉速與轉矩間的關係曲線，從而提升直流馬達的最大轉矩。藉此，可加強直流馬達的適用性。

為達上述目的，本案提供一種直流馬達驅動系統，包含直流馬達、供電裝置、開關電路及微處理器。供電裝置架構於提供輸入電能。開關電路電連接於供電裝置與直流馬達之間，以接收輸入電能並輸出馬達電能至直流馬達，其中馬達電能包含馬達功率及馬達電壓。微處理器電連接於開關電路以控制開關電路中之開關的運作，並與供電裝置相通訊。直流馬達驅動系統可切換地工作於定電壓模式、第一變電壓模式及第二變電壓模式。當直流馬達驅動系統工作於定電壓模式時，供電裝置所提供的輸入電能維持不變。當直流馬達驅動系統工作於第一變電壓模式時，微處理器傳輸第一調整訊號至供電裝置，供電裝置依據第一調整訊號調整輸入電能，使馬達電壓及馬達功率上升。當直流馬達驅動系統工作於第二變電壓模式時，微處理器傳輸第二調整訊號至供電裝置，供電裝置依據第二調整訊號調整輸入電能，使馬達電壓下降，並使馬達功率維持不變。

為達上述目的，本案另提供一種直流馬達驅動方法，包含步驟：(a)提供直流馬達、供電裝置、開關電路及微處理器，其中供電裝置架構於提供輸入電能，開關電路電連接於供電裝置與直流馬達之間，以接收輸入電能並輸出馬達電能至直流馬達，馬達電能包含馬達功率及馬達電壓，微處理器電連接於開關電路以控制開關電路中之開關的運作，並與供電裝置相通訊；(b)執行定電壓模式，控制供電裝置所提供的輸入電能維持不變；(c)執行第一變電壓模式，控制微處理器傳輸第一調整訊號至供電裝置，並控制供電裝置依據第一調整訊號調整輸入電能，使馬達電壓及馬達功率上升；以及(d)執行第二變電壓模式，控制微處理器傳輸第二調整訊號至該供裝置，並控制供電裝置依據第二調整訊號調整輸入電能，使馬達電壓下降，且使馬達功率維持不變。

為達上述目的，本案又提供一種直流馬達驅動系統，與供電裝置電連接，其中供電裝置用於提供輸入電能。直流馬達驅動系統包含直流馬達、開關電路及微處理器。開關電路電連接於供電裝置與直流馬達之間，以接收輸入電能並輸出馬達電能至直流馬達，其中馬達電能包含馬達功率及馬達電壓。微處理器電連接於開關電路以控制開關電路中之開關的運作，並與供電裝置相通訊。直流馬達驅動系統可切換地工作於定電壓模式、第一變電壓模式及第二變電壓模式。當直流馬達驅動系統工作於定電壓模式時，供電裝置所提供的輸入電能維持不變。當直流馬達驅動系統工作於第一變電壓模式時，微處理器傳輸第一調整訊號至供電裝置，供電裝置依據第一調整訊號調整輸入電能，使馬達電壓及馬達功率上升。當直流馬達驅動系統工作於第二變電壓模式時，微處理器傳輸第二調整訊號至供電裝置，供電裝置依據第二調整訊號調整輸入電能，使馬達電壓下降，並使馬達功率維持不變。

1:直流馬達驅動系統

11:直流馬達

12:供電裝置

13:開關電路

14:微處理器

T1、T2、T3:轉矩

R1、R2:轉速

151:外部控制鈕

152:電流感測器

16:保險絲

17:穩壓器

18:驅動器

19:分流電阻

20:運算放大器

S1、S2、S3、S4、S5、S6:步驟

第1圖為以定電壓驅動直流馬達時的轉速與轉矩間的關係曲線示意圖。

第2圖為本案一實施例之直流馬達驅動系統的架構示意圖。

第3圖例示出在第一變電壓模式下的直流馬達之轉速與轉矩之間的關係曲線。

第4圖例示出在第二變電壓模式下的直流馬達之轉速與轉矩之間的關係曲線。

第5A圖例示出直流馬達被以定電壓驅動時的轉速、馬達電壓與占空比之間的關係。

第5B圖例示出直流馬達被以變電壓驅動時的轉速、馬達電壓與占空比之間的關係。

第6圖為本案一實施例之直流馬達驅動方法的流程示意圖。

第7圖為第6圖之直流馬達驅動方法的變化例的流程示意圖。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案之範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非用以限制本案。

第2圖為本案一實施例之直流馬達驅動系統的架構示意圖。於第2圖中，係以實線描繪電能傳輸路徑，並以虛線描繪訊號傳輸路徑。如第2圖所示，直流馬達驅動系統1包含直流馬達11、供電裝置12、開關電路13及微處理器14。供電裝置12架構於提供輸入電能，其中供電裝置12可例如但不限於採用USB PD(universal serial bus power delivery，通用序列匯流排供電)之供電標準。開關電路13電連接於供電裝置12與直流馬達11之間，以自供電裝置12接收輸入電能，並輸出馬達電能至直流馬達11，其中馬達電能包含馬達功率及馬達電壓。微處理器14電連接於開關電路13以控制開關電路13中之開關的運作。再者，微處理器14與供電裝置12相通訊，亦即，微處理器14與供電裝置12之間可雙向溝通。直流馬達驅動系統1可切換地工作於定電壓模式、第一變電壓模式及第二變電壓模式。

當直流馬達驅動系統1工作於定電壓模式時，供電裝置12所提供的輸入電能維持不變，對應地，直流馬達11所接收的馬達電能亦維持不變。於定電壓模式下，直流馬達11之轉速與轉矩之間的關係類似於第1圖所示。

當直流馬達驅動系統1工作於第一變電壓模式時，微處理器14傳輸第一調整訊號至供電裝置12，供電裝置12依據第一調整訊號調整輸入電能，使馬達電壓及馬達功率上升。第3圖例示出在第一變電壓模式下的直流馬達11之轉速與轉矩之間的關係曲線。於第3圖中，以實線表示在供電裝置12調整輸入電能前的關係曲線，並以虛線表示在供電裝置12調整輸入電能後的關係曲線。如第3圖所示，在實際應用中，當直流馬達11的轉矩達到其最大值時，可通過調整輸入電能使馬達電壓上升(且馬達功率亦隨之上升)，以改變直流馬達11之轉速與轉矩之間的關係曲線，進而使直流馬達11可在相同轉速下達到更大轉矩。於第3圖中，T1代表直流馬達11在其電壓上升前的最大轉矩，T2代表直流馬達11在其電壓上升後的最大轉矩，R1為對應最大轉矩T1及T2的直流馬達11的轉速。

當直流馬達驅動系統1工作於第二變電壓模式時，微處理器14傳輸第二調整訊號至供電裝置12，供電裝置12依據第二調整訊號調整輸入電能，使馬達電壓下降，並使馬達功率維持不變。第4圖例示出在第二變電壓模式下的直流馬達11之轉速與轉矩之間的關係曲線。於第4圖中，以實線表示在供電裝置12調整輸入電能前的關係曲線，並以虛線表示在供電裝置12調整輸入電能後的關係曲線。如第4圖所示，在實際應用中，當直流馬達11的轉矩達到其最大轉矩時，可通過調整輸入電能使馬達電壓下降(且馬達功率維持不變)，以改變直流馬達11之轉速與轉矩之間的關係曲線，進而使直流馬達11可在較低轉速下達到更大轉矩。於第4圖中，T1代表直流馬達11在其電壓下降前的最大轉矩，T3代表直流馬達11在其電壓下降後的最大轉矩，R1為對應最大轉矩T1的直流馬達11的轉速，R2為對應最大轉矩T3的直流馬達11的轉速。於第二變電壓模式下，在馬達電壓下降後，直流馬達11以較低的轉速達到最大轉矩。

因此，基於供電裝置12的變電壓特性，可通過調整馬達電壓改變直流馬達11之轉速與轉矩間的關係曲線，從而提升直流馬達11的最大轉矩。藉此，可加強直流馬達11的適用性。

直流馬達驅動系統1的工作模式可由使用者主動控制以進行切換。舉例而言，於一些實施例中，如第2圖所示，直流馬達驅動系統1包含外部控制鈕151，使用者可通過操作外部控制鈕151來切換直流馬達驅動系統1工作於定電壓模式、第一變電壓模式或第二變電壓模式。

此外，亦可由微處理器14依據直流馬達11的運作狀態對直流馬達驅動系統1的工作模式進行切換。舉例而言，微處理器14獲取直流馬達11的占空比，並對直流馬達11的占空比與一預設占空比進行比較。若微處理器14判斷直流馬達11的占空比小於預設占空比，則直流馬達驅動系統1工作於定電壓模式。若微處理器14判斷直流馬達11的占空比大於或等於預設占空比，則意味著直流馬達11需要達到高轉矩以實現高扭力輸出，故直流馬達驅動系統1工作於第一或第二變電壓模式。在此情況下，直流馬達驅動系統1工作於第一變電壓模式抑或是第二變電壓模式取決於直流馬達11的馬達功率。具體而言，微處理器14將馬達功率與直流馬達11的額定功率進行比較，若馬達功率小於額定功率，則馬達功率仍存在上升空間，故微處理器14傳輸第一調整訊號至供電裝置12，使直流馬達驅動系統1工作於第一變電壓模式。若馬達功率等於額定功率，則馬達功率已無法再上升，故微處理器14傳輸第二調整訊號至供電裝置12，使直流馬達驅動系統1工作於第二變電壓模式。

於一些實施例中，如第2圖所示，直流馬達驅動系統1還包含電流感測器152，其中電流感測器152可為例如但不限於霍爾感測器(Hall sensor)。電流感測器152架構於感測直流馬達11的電流並對應傳輸感測訊號至微處理器14，微處理器14依據感測訊號獲取直流馬達11的占空比。

第5A圖例示出直流馬達11被以定電壓驅動時的轉速、馬達電壓與占空比之間的關係，第5B圖例示出直流馬達11被以變電壓驅動時的轉速、馬達電壓與占空比之間的關係。如第5A圖所示，在以定電壓驅動直流馬達11的情況下，若直流馬達11的轉速下降，由於馬達電壓維持不變，故直流馬達11的占空比將隨之下降。而於本案中，如第5B圖所示，在直流馬達11的轉速下降時，微處理器14通過訊號傳輸以控制供電裝置12調整輸入電能，進而調降馬達電壓，以使直流馬達11的占空比維持不變。其中，馬達電壓的調降幅度取決於直流馬達11的轉速的下降幅度。藉此，可使直流馬達11在不同轉速下皆具有較佳的占空比，達到降低諧波及提升整體效率之功效。

請再參閱第2圖。於一些實施例中，直流馬達驅動系統1還包含保險絲16，設置於供電裝置12與開關電路13之間的電能傳輸路徑上，以提供電流保護。於一些實施例中，直流馬達驅動系統1還包含穩壓器17，其電連接於供電裝置12與微處理器14之間。於一些實施例中，直流馬達驅動系統1還包含驅動器18，微處理器14通過驅動器18控制開關電路13中之開關。於一些實施例中，直流馬達驅動系統1還包含分流電阻19及運算放大器20，其中分流電阻19電連接於電流感測器152，運算放大器20電連接於分流電阻19與微處理器14之間。

於一些實施例中，供電裝置12亦可獨立於直流馬達驅動系統1外。於此情況下，直流馬達驅動系統1與供電裝置12電連接，其中供電裝置12用於提供輸入電能，且直流馬達驅動系統1改為僅包含直流馬達11、開關電路13及微處理器14。由於直流馬達驅動系統1與供電裝置12的運作方式皆與前述實施例相同，故於此不再贅述。

第6圖為本案一實施例之直流馬達驅動方法的步驟示意圖，本案之直流馬達驅動方法適用於前述之直流馬達驅動系統1。如第6圖所示，直流馬達驅動方法包含步驟S1、S2、S3及S4。

於步驟S1中，提供直流馬達11、供電裝置12、開關電路13及微處理器14。供電裝置12架構於提供輸入電能，開關電路13電連接於供電裝置12與直流馬達11之間，以接收輸入電能並輸出馬達電能至直流馬達11，其中馬達電能包含馬達功率及馬達電壓。微處理器14電連接於開關電路13以控制開關電路13中之開關的運作，並與供電裝置12相通訊。

於步驟S2中，執行定電壓模式，控制供電裝置12所提供的輸入電能維持不變。於步驟S3中，執行第一變電壓模式，控制微處理器14傳輸第一調整訊號至供電裝置12，並控制供電裝置12依據第一調整訊號調整輸入電能，使馬達電壓及馬達功率上升。於步驟S4中，執行第二變電壓模式，控制微處理器14傳輸第二調整訊號至供電裝置12，並控制供電裝置12依據第二調整訊號調整輸入電能，使馬達電壓下降，且使馬達功率維持不變。

於直流馬達驅動方法中，可切換執行步驟S2、S3及S4，且此切換可由使用者主動控制，亦可由微處理器14依據直流馬達11的運作狀態(例如占空比)進行控制。舉例而言，於一些實施例中，如第7圖所示，直流馬達驅動方法還包含步驟S5：判斷直流馬達11的占空比是否小於預設占空比。若步驟S5的判斷結果為是，則執行步驟S2；若步驟S5的判斷結果為否，則執行步驟S3或S4。於一些實施例中，直流馬達驅動方法還包含步驟S6：在步驟S5的判斷結果為否時，判斷馬達功率是否小於直流馬達11的額定功率。若步驟S6的判斷結果為是，則執行步驟S3；若步驟S6的判斷結果為否(即馬達功率等於額定功率)，則執行步驟S4。

此外，於一些實施例中，在步驟S5中，係通過電流感測器152感測直流馬達11的電流，並依據感測訊號獲取直流馬達11的該占空比。於一些實施例中，直流馬達驅動方法還包含步驟：在直流馬達11的轉速下降時，控制微處理器14通過控制供電裝置12對應調降馬達電壓，使直流馬達11的占空比維持不變。

綜上所述，本案提供一種直流馬達驅動系統及方法，其基於供電裝置的變電壓特性，可通過調整馬達電壓改變直流馬達之轉速與轉矩間的關係曲線，從而提升直流馬達的最大轉矩。藉此，可加強直流馬達的適用性。此外，在直流馬達的轉速下降時，可通過調降馬達電壓使直流馬達的占空比維持不變，從而使直流馬達在不同轉速下皆具有較佳的占空比，達到降低諧波及提升整體效率之功效。

須注意，上述僅是為說明本案而提出之較佳實施例，本案不限於所述之實施例，本案之範圍由如附專利申請範圍決定。且本案得由熟習此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附專利申請範圍所欲保護者。

1：直流馬達驅動系統 11：直流馬達 12：供電裝置 13：開關電路 14：微處理器 151：外部控制鈕 152：電流感測器 16：保險絲 17：穩壓器 18：驅動器 19：分流電阻 20：運算放大器

Claims

一種直流馬達驅動系統，包含：一直流馬達；一供電裝置，架構於提供一輸入電能；一開關電路，電連接於該供電裝置與該直流馬達之間，以接收該輸入電能並輸出一馬達電能至該直流馬達，其中該馬達電能包含一馬達功率及一馬達電壓；以及一微處理器，電連接於該開關電路以控制該開關電路中之開關的運作，並與該供電裝置相通訊，其中，該直流馬達驅動系統可切換地工作於定電壓模式、第一變電壓模式及第二變電壓模式，當該直流馬達驅動系統工作於該定電壓模式時，該供電裝置所提供的該輸入電能維持不變；當該直流馬達驅動系統工作於該第一變電壓模式時，該微處理器傳輸一第一調整訊號至該供電裝置，該供電裝置依據該第一調整訊號調整該輸入電能，使該馬達電壓及該馬達功率上升；當該直流馬達驅動系統工作於該第二變電壓模式時，該微處理器傳輸一第二調整訊號至該供電裝置，該供電裝置依據該第二調整訊號調整該輸入電能，使該馬達電壓下降，並使該馬達功率維持不變。
如請求項1所述之直流馬達驅動系統，其中在該微處理器判斷該直流馬達的占空比小於一預設占空比時，該直流馬達驅動系統工作於該定電壓模式；而在該微處理器判斷該直流馬達的該占空比大於或等於該預設占空比時，該直流馬達驅動系統工作於該第一變電壓模式或該第二變電壓模式。
如請求項2所述之直流馬達驅動系統，其中在該微處理器判斷該直流馬達的該占空比大於或等於該預設占空比時，該微處理器比較該馬達功率與該直流馬達的一額定功率，該微處理器在該馬達功率小於該額定功率時傳輸該第一調整訊號至該供電裝置，以使該直流馬達驅動系統工作於該第一變電壓模式，該微處理器在該馬達功率等於該額定功率時傳輸該第二調整訊號至該供電裝置，以使該直流馬達驅動系統工作於該第二變電壓模式。
如請求項2所述之直流馬達驅動系統，還包含一電流感測器，其中該電流感測器架構於感測該直流馬達的電流並傳輸一感測訊號至該微處理器，該微處理器依據該感測訊號獲取該直流馬達的該占空比。
如請求項1所述之直流馬達驅動系統，其中在該直流馬達的轉速下降時，該微處理器通過控制該供電裝置對應調降該馬達電壓，使該直流馬達的占空比維持不變。
如請求項1所述之直流馬達驅動系統，其中該供電裝置採用通用序列匯流排供電。
一種直流馬達驅動方法，包含下列步驟：(a)提供一直流馬達、一供電裝置、一開關電路及一微處理器，其中該供電裝置架構於提供一輸入電能，該開關電路電連接於該供電裝置與該直流馬達之間，以接收該輸入電能並輸出一馬達電能至該直流馬達，該馬達電能包含一馬達功率及一馬達電壓，該微處理器電連接於該開關電路以控制該開關電路中之開關的運作，並與該供電裝置相通訊； (b)執行一定電壓模式，控制該供電裝置所提供的該輸入電能維持不變；(c)執行一第一變電壓模式，控制該微處理器傳輸一第一調整訊號至該供電裝置，並控制該供電裝置依據該第一調整訊號調整該輸入電能，使該馬達電壓及該馬達功率上升；以及(d)執行一第二變電壓模式，控制該微處理器傳輸一第二調整訊號至該供電裝置，並控制該供電裝置依據該第二調整訊號調整該輸入電能，使該馬達電壓下降，且使該馬達功率維持不變。
如請求項7所述之直流馬達驅動方法，還包含步驟：(e)判斷該直流馬達的占空比是否小於一預設占空比；以及(f)若該步驟(e)的判斷結果為是，則執行該步驟(b)，若該步驟(e)的判斷結果為否，則執行該步驟(c)或該步驟(d)。
如請求項8所述之直流馬達驅動方法，還包含步驟：(g)在該步驟(e)的判斷結果為否時，比較該馬達功率與該直流馬達的一額定功率；(h)在該馬達功率小於該額定功率時執行該步驟(c)；以及(i)在該馬達功率等於該額定功率時執行該步驟(d)。
如請求項8所述之直流馬達驅動方法，其中於該步驟(e)中，係通過一電流感測器感測該直流馬達的電流，並依據該感測訊號獲取該直流馬達的該占空比。
如請求項7所述之直流馬達驅動方法，還包含步驟：(j)在該直流馬達的轉速下降時，控制該微處理器通過控制該供電裝置對應調降該馬達電壓，使該直流馬達的占空比維持不變。
如請求項7所述之直流馬達驅動方法，其中該供電裝置採用通用序列匯流排供電。
一種直流馬達驅動系統，與一供電裝置電連接，其中該供電裝置用於提供一輸入電能，該直流馬達驅動系統包含：一直流馬達；一開關電路，電連接於該供電裝置與該直流馬達之間，以接收該輸入電能並輸出一馬達電能至該直流馬達，其中該馬達電能包含一馬達功率及一馬達電壓；以及一微處理器，電連接於該開關電路以控制該開關電路中之開關的運作，並與該供電裝置相通訊，其中，該直流馬達驅動系統可切換地工作於定電壓模式、第一變電壓模式及第二變電壓模式，當該直流馬達驅動系統工作於該定電壓模式時，該供電裝置所提供的該輸入電能維持不變；當該直流馬達驅動系統工作於該第一變電壓模式時，該微處理器傳輸一第一調整訊號至該供電裝置，該供電裝置依據該第一調整訊號調整該輸入電能，使該馬達電壓及該馬達功率上升；當該直流馬達驅動系統工作於該第二變電壓模式時，該微處理器傳輸一第二調整訊號至該供電裝置，該供電裝置依據該第二調整訊號調整該輸入電能，使該馬達電壓下降，並使該馬達功率維持不變。
如請求項13所述之直流馬達驅動系統，其中在該微處理器判斷該直流馬達的占空比小於一預設占空比時，該直流馬達驅動系統工作於該定電壓模式；而在該微處理器判斷該直流馬達的該占空比大於或等於該預設占空比時，該直流馬達驅動系統工作於該第一變電壓模式或該第二變電壓模式。
如請求項14所述之直流馬達驅動系統，其中在該微處理器判斷該直流馬達的該占空比大於或等於該預設占空比時，該微處理器比較該馬達功率與該直流馬達的一額定功率，該微處理器在該馬達功率小於該額定功率時傳輸該第一調整訊號至該供電裝置，以使該直流馬達驅動系統工作於該第一變電壓模式，該微處理器在該馬達功率等於該額定功率時傳輸該第二調整訊號至該供電裝置，以使該直流馬達驅動系統工作於該第二變電壓模式。
如請求項14所述之直流馬達驅動系統，還包含一電流感測器，其中該電流感測器架構於感測該直流馬達的電流並傳輸一感測訊號至該微處理器，該微處理器依據該感測訊號獲取該直流馬達的該占空比。
如請求項13所述之直流馬達驅動系統，其中在該直流馬達的轉速下降時，該微處理器通過控制該供電裝置對應調降該馬達電壓，使該直流馬達的占空比維持不變。
如請求項13所述之直流馬達驅動系統，其中該供電裝置採用通用序列匯流排供電。