CN101499761B - 启动直流无刷马达的控制装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种启动-直流无刷马达的控制装置及其方法，其中该直流无刷马达包含多个线圈，该控制装置包含一检测电路放大器用以量测一未通电流的第一线圈的一第一反电动势；一微分电路，用以计算该第一反电动势的一微分值；以及一控制电路，用以提供一电流给所述线圈中的二线圈，并根据该微分值及一启动时间区间，切换该电流给所述线圈中的另二线圈以启动该直流无刷马达。

Description

启动直流无刷马达的控制装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种启动直流无刷马达的控制装置及其方法；特别涉及一种无需感应器便可启动直流无刷马达的控制装置及其方法。

背景技术

为在启动直流无刷马达时，检测马达内转子的正确位置，已知技术通过放置感应器，例如霍尔感应器(Hall sensor)，在马达内部，用以感应马达运转时，转子与感应器间的磁场变化，以取得关于转子位置的信息。然使用霍尔感应器必须将该感应器置放在马达模块中，且感应器有摆放定位的问题，故对于小型马达的组装，等于是增加难度以及制造成本。

为了降低小型马达的组装难度及制造成本，无感测器直流无刷马达技术已广泛地应用至各种需要驱动力的产品中，一般而言，大多数马达在中高速时均能具有良好的速度控制，然而在静止的情况下，无法得知转子位置，因此必须借助特殊的启动步骤，以确保马达能够顺利启动且进入正常的驱动模式。

已知技术亦提出无需感应器即可启动直流无刷马达的技术，例如美国专利第5,343,127号，以及美国专利第7,202,623号，其皆利用检测转子线圈上，因应转动所产生的反电动势(back electromotive force，BEMF)做为转子位置的参考信息，由此启动马达。然上述技术需通过繁复的操作步骤方能启动马达，增加了控制的困难度。

综上所述，如何提供一种无需感应器及繁复的操作步骤，又可正确启动直流无刷马达的控制方法及其电路，乃为本领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种启动一直流无刷马达的方法，该直流无刷马达包含多个线圈，通过一共接点呈共接状态，该方法包含下列步骤：提供一电流给所述线圈中的一第一线圈及一第二线圈，以激发一第一相位；测量未流通该电流的一第三线圈的一第一反电动势；计算该第一反电动势的一微分值；根据该微分值并因应一启动时间区间，切换该电流至该第二线圈及该第三线圈，以换流至一第二相位；测量该第一线圈的一第二反电动势；以及判断该第二反电动势是否发生一负向零交越点，以切换该电流至该第三线圈及该第一线圈，以换流至一第三相位。

本发明的另一目的在于提供一种启动一直流无刷马达的控制装置，其中该直流无刷马达包含多个线圈，该控制装置包含一检测电路放大器、一微分电路以及一控制电路。检测电路放大器耦接至所述线圈，用以量测一未通电流的第一线圈的一第一反电动势，并产生一输出信号。微分电路耦接至该检测电路放大器，接收该检测电路放大器的该输出信号，用以计算该第一反电动势的一微分值，并产生一输出信号。控制电路耦接至该检测电路放大器、该微分电路与所述线圈，用以分别接收该检测电路放大器及该微分电路的输出信号，提供一电流给所述线圈中的二线圈，以激发一第一相位，并根据该微分值及一启动时间区间，依照一特定顺序，切换该电流给所述线圈中其他二线圈以启动该直流无刷马达。

本发明通过提供电流给直流无刷马达中的二线圈，使直流无刷马达转动，以在其他线圈激发出反电动势，而后根据马达旋转至一稳定平衡点时所产生的反电动势微分值的变化，再提供电流给另二线圈，即可使马达顺利运转，以有效解决已知技术需通过繁复的操作步骤方能启动马达的缺点。

在参阅附图及随后描述的实施方式后，本领域技术人员便可了解本发明的其他目的，以及本发明的技术手段及实施方式。

附图说明

图1为本发明的第一优选实施例的示意图；

图2为本发明的磁转矩反电动势波形图；

图3A为本发明的第二优选实施例的部分流程图；以及

图3B为本发明的第二优选实施例的部分流程图。

【主要元件符号说明】

1：控制装置    101：输出信号

103：输出信号  11：检测电路放大器

13：微分电路   15：控制电路

20：切换元件         21：切换元件

22：切换元件         23：电源端

24：接地端           25：输入端

U：线圈              V：线圈

W：线圈              CT：中心接头

300：U-V相位         301：曲线

302：曲线            303：曲线

304：稳态平衡点      305：不稳态平衡点

306：正向零交越点    307：V-W相位

308：曲线            309：负向零交越点

310：稳态平衡点

具体实施方式

以下将通过实施例来解释本发明内容，其涉及一种启动一直流无刷马达的方法，根据马达旋转至一稳定平衡点时所产生的反电动势变化，再提供电流给另二线圈，即可使马达顺利运转，以有效解决已知技术需通过繁复的操作步骤方能启动马达的缺点。然而，本发明的实施例并非用以限制本发明需在如实施例所述的任何特定的环境、应用或特殊方式方能实施。因此，关于实施例的说明仅为阐释本发明的目的，而非用以限制本发明。需说明的是，以下实施例及附图中，与本发明非直接相关的元件已省略而未绘示；且附图中各元件间的尺寸关系谨为求容易了解，非用以显示实际比例。

本发明的第一优选实施例如图1所示，为一控制装置1与一包含多个线圈的直流无刷马达内部线圈的连结关系的示意图。控制装置1用以启动直流无刷马达，在本优选实施例中，直流无刷马达为一三相马达，包含线圈U、线圈V、及线圈W，并具有一中心接头CT。需特别注意的是，马达的线圈数目并非本发明的限制，本发明可适用于线圈数目大于或等于三的直流无刷马达。

控制装置1包含一检测电路放大器11、一微分电路13及一控制电路15，控制电路15耦接至所述线圈，用以提供一电流给所述线圈中的二线圈，以激发一第一相位，在本实施例中，控制电路15通过控制线圈U、V及W与电源之间的切换元件20、21及22来调整提供至线圈的电源。检测电路放大器11耦接至所述线圈，用以量测一未通过电流的第一线圈的一第一反电动势，并产生一输出信号101，微分电路13耦接至检测电路放大器11，接收检测电路放大器11的输出信号101，用以计算第一反电动势的一微分值，并产生一输出信号103，且控制电路15耦接至检测电路放大器11、微分电路13及所述线圈，用以分别接收检测电路放大器11及微分电路13的输出信号101与103，提供一电流给所述线圈中的二线圈，以激发一第一相位，并根据微分值及一启动时间区间，依照一特定顺序，切换该电流给所述线圈中的其他二线圈以启动直流无刷马达。

控制电路15更包含一延迟电路(图未示出)，用以产生一延迟时间，其中该延迟时间的长度适足以避免控制电路15误判一伪反电动势的微分值发生正向零交越点(positive zero-crossing)。且控制电路15利用第一反电动势的微分值并因应启动时间区间，切换电流给所述线圈中的另二线圈，以换流至一第二相位，详细地讲，控制电路15在启动时间区间内，判断第一反电动势的微分值是否发生一正向零交越点(positive zero-crossing)，如果是，则切换电流给所述线圈中的另二线圈，以换流至第二相位，如果否，则经过启动时间区间后，切换电流给所述线圈中的另二线圈，以换流至一第二相位。

此外，在换流至第二相位后，检测电路放大器11测量一未通电流的第二线圈的一第二反电动势，控制电路15判断第二反电动势是否发生一负向零交越点，以切换电流给所述线圈中的另二线圈，以换流至一第三相位。

为了更详细解释控制装置1如何启动直流无刷马达，请一併参阅图2，其为一磁转矩反电动势波形图，包含磁转矩波形、反电动势波形及微分反电动势波形。以线圈U及线圈V为例，切换元件20与切换元件21分别耦接至控制装置1的电源端23与接地端24，且中心接头CT耦接至检测电路放大器11形成回路，使控制电路15通过电源端23提供一电流给线圈U、线圈V，以激发U-V相位300(即第一相位)，使控制装置1可在曲线301位在不稳态平衡点305及稳态平衡点304间启动直流无刷马达。意即当转子旋转到稳定平衡点304时，将会逐渐稳定在稳定平衡点304不再转动，本发明即利用此特性以驱动直流无刷马达。U-V相位300的磁转矩表示为曲线301，而切换元件22耦接至输入端25，使线圈W无电流流通，换句话说，此时因应转子朝正转方向的转动，线圈W将会产生第一反电动势(即曲线302)，其微分值为曲线303。

具体而言，检测电路放大器11用以检测第一反电动势的曲线302，并产生输出信号101；且微分电路13用以检测第一反电动势的微分值的曲线303，并产生输出信号103；输出信号101及输出信号103分别代表第一反电动势以及第一反电动势的微分，并提供给控制电路15进行判断。

当曲线301到达稳态平衡点304时，第一反电动势的微分值曲线303通过正向零交越点306。换句话说，只要在启动时间区间内，微分值曲线303通过正向零交越点306，控制电路15即可判断线圈U及线圈V的磁转矩到达稳态平衡点304，此时电流便必须切换至V-W相位307(即第二相位)。此外，如微分电路13在启动时间区间内无法检测到微分值曲线303通过正向零交越点306，即表示直流无刷马达在启动前即处于稳态平衡点304，当启动时间区间过后，控制电路15亦会将电流切换至V-W相位307(即第二相位)。

在将电流切换至V-W相位307后，即表示线圈V及线圈W通电，但线圈U不通电，此时检测电路放大器11将检测出线圈U的反电动势的曲线308(即第二反电动势)，控制电路15将判断反电动势的曲线308是否发生负向零交越点309，如是，将电流切换至线圈V及线圈U，使马达在启动后进入正常的驱动模式，需注意的是，在本优选实施例中，控制装置1在不稳态平衡点305及稳态平衡点304间启动直流无刷马达，在其他优选实施例中，控制装置1亦可在不稳态平衡点310及稳态平衡点304间启动直流无刷马达，概述如下。

当转子受到曲线301中位置310至304间的磁转矩作用时，转子将会以反转方向旋转，此时检测电路放大器11将在未通入电流的线圈W检测到一反转方向的第一反电动势(即曲线311)，由于此时转子以反转方向旋转，故此第一反电动势的微分值亦为曲线303。当转子旋转至稳态平衡点304时，微分值曲线303以负向方向通过正向零交越点306，而当转子继续旋转至超过稳态平衡点304时，会受到磁转矩曲线301的作用而转变为正转方向，使微分值曲线303改而以正向方向通过正向零交越点306。

承上所述，当在启动时间区间内，微分值曲线303通过正向零交越点306，控制电路15即可判断线圈V及线圈U的磁转矩到达稳态平衡点304，此时电流便必须切换至V-W相位307。之后，控制电路15将判断线圈U的反电动势的曲线308是否发生负向零交越点309，如是，则将电流切换至线圈V及线圈U，使马达在启动后进入正常的驱动模式。

请继续参考图2，直流无刷马达的转子亦有可能在静态时即位于稳定平衡点304位置，故此时激发U-V相位300并无法使转子产生转动，因此在启动时间区间内，如果第一反电动势的微分值曲线并未发生一正向零交越点，则控制电路15切换电流至线圈V及线圈W，以换流至V-W相位307，俾继续进行前述操作。

通过上述配置，本发明通过提供电流给直流无刷马达中的二线圈，使直流无刷马达转动，以在其他线圈激发出反电动势，而后根据马达旋转至一稳定平衡点时所产生的反电动势变化，再提供电流给另二线圈，即可使马达顺利运转，以有效解决已知技术需通过繁复的操作步骤方能启动马达的缺点。

本发明的第二优选实施例如图3A及3B所示，为一启动一直流无刷马达的方法的流程图，该直流无刷马达包含多个线圈，通过一共接点呈共接状态，此方法包含下列步骤，首先，请参阅图3A，执行步骤400，提供一电流给所述线圈中的一第一线圈及一第二线圈，以激发一第一相位；接下来执行步骤401，等待一延迟时间，其中该延迟时间的长度适足以避免测量一伪反电动势的微分值发生该正向零交越点。

执行步骤402，测量未流通该电流的一第三线圈的一第一反电动势；执行步骤403，计算该第一反电动势的一微分值；执行步骤404，在启动时间区间内，判断微分值是否发生一正向零交越点，如果否，则执行步骤405，判断是否已经过启动时间区间，如果否，则重新执行步骤404。

另外，如果步骤404或步骤405为是，请参阅图3B，则执行步骤406，切换电流至第二及第三线圈，以换流至第二相位，具体而言，步骤404、405及406即是根据微分值并因应一启动时间区间，切换电流至第二线圈及第三线圈，以换流至第二相位。接下来执行步骤407，测量第一线圈的一第二反电动势，执行步骤408，判断第二反电动势是否发生一负向零交越点，如果是，则执行步骤409，切换电流至第三线圈及第一线圈，以换流至一第三相位，如果否，则执行步骤410，判断是否已过一预设时间，如否，则回到步骤408持续判断，如是，则回到步骤400，重新提供一电流给所述线圈中的一第一线圈及一第二线圈，以激发第一相位。

除了图3A及3B所描绘的步骤外，第二优选实施例亦能执行第一优选实施例的所有操作及功能。本领域技术人员可直接了解第二优选实施例如何基于上述第一优选实施例以执行此等操作及功能。故不赘述。

上述的实施例仅用来例举本发明的实施方式，以及阐释本发明的技术特征，并非用来限制本发明的范畴。本领域技术人员可轻易完成的改变或均等性的安排均属于本发明要求保护的范围，本发明的要求保护的范围应以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种启动一直流无刷马达的方法，该直流无刷马达包含多个线圈，通过一共接点呈共接状态，该方法包含下列步骤：

(a)提供一电流给所述多个线圈中的一第一线圈及一第二线圈，以激发一第一相位；

(b)测量未流通该电流的一第三线圈的一第一反电动势；

(c)计算该第一反电动势的一微分值；

(d)根据该微分值及一启动时间区间，切换该电流至该第二线圈及该第三线圈，以换流至一第二相位；

(e)测量该第一线圈的一第二反电动势；以及

(f)当该第二反电动势发生一负向零交越点时，切换该电流至该第三线圈及该第一线圈，以换流至一第三相位。

2.如权利要求1所述的方法，在步骤(b)前更包含一步骤：

等待一延迟时间，其中该延迟时间的长度适足以避免测量一伪反电动势的微分值发生一正向零交越点。

3.如权利要求1所述的方法，其中该步骤(d)在该启动时间区间内，当该微分值发生一正向零交越点时，换流至该第二相位。

4.如权利要求1所述的方法，其中该步骤(d)在该启动时间区间内，当该微分值未发生一正向零交越点时，在经过该启动时间区间后，换流至该第二相位。

5.一种启动一直流无刷马达的控制装置，其中该直流无刷马达包含多个线圈，该控制装置包含：

一检测电路放大器，耦接至所述多个线圈，用以量测一未通电流的第三线圈的一第一反电动势，并产生一输出信号；

一微分电路，耦接至该检测电路放大器，接收该检测电路放大器的该输出信号，用以计算该第一反电动势的一微分值，并产生一输出信号；以及

一控制电路，耦接至该检测电路放大器、该微分电路与所述多个线圈，用以分别接收该检测电路放大器及该微分电路的输出信号，提供一电流给所述多个线圈中的一第一线圈及一第二线圈，以激发一第一相位，并根据该微分值及一启动时间区间，切换该电流给该第二线圈及该第三线圈以启动该直流无刷马达。

6.如权利要求5所述的控制装置，其中该控制电路根据该第一反电动势的微分值及该启动时间区间，适以切换该电流给该第二线圈及该第三线圈，以换流至一第二相位，该检测电路放大器适以测量一未通电流的第一线圈的一第二反电动势，该控制电路适以当该第二反电动势发生一负向零交越点时，切换该电流给该第三线圈及该第一线圈，以换流至一第三相位。

7.如权利要求6所述的控制装置，其中该控制电路更包含一延迟电路，用以产生一延迟时间，其中该延迟时间的长度适足以避免该控制电路误判一伪反电动势的微分值发生一正向零交越点。

8.如权利要求5所述的控制装置，其中该控制电路在该启动时间区间内，当该第一反电动势的微分值发生另一正向零交越点时，切换该电流给该第二线圈及该第三线圈，以换流至一第二相位。

9.如权利要求5所述的控制装置，其中该控制电路在该启动时间区间内，当该第一反电动势的微分值未发生另一正向零交越点时，在经过该启动时间区间后，切换该电流给该第二线圈及该第三线圈，以换流至一第二相位。

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