无刷直流马达控制装置与方法
【专利摘要】本发明公开了一种无刷直流马达控制装置，其由一磁场检测电路、霍尔元件、计数器、PWM工作周期调制电路、负载驱动电路所组成，其中，通过数字调制的方式，通过PWM工作周期调制电路将磁场变化期间所产生的磁场上升时间差或磁场下降时间差区分成多段时间等分，而每一个时间等分中都有它相对应的工作周期，依据所产生的工作周期控制马达在电流相位转换时控制电流曲线，使其输出电流线性平滑。通过本发明的无刷直流马达控制装置与方法，可避免因为马达运转时所造成的振动与噪音问题，据此达到较佳的系统稳定性。
【专利说明】无刷直流马达控制装置与方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种马达控制装置与方法，特别是一种无刷直流马达控制装置与方法，其是以数字调制的方式，通过对马达磁场变化期间所产生的磁场上升时间差或磁场下降时间差区分成多段时间等分，每一个时间等分中都有它相对应的工作周期，进而去驱动无刷直流马达，使马达换相电流线性平滑，得以减少无刷直流马达产生的振动及噪音的问题，以使本发明的无刷直流马达控制装置与方法能够达到良好的输出表现以及较佳的系统稳定性。
【背景技术】
[0002]由于科技不断进步，电子产品日益普及，在这些电子产品中，如通信装置、笔记本电脑及家电用品等等，皆广泛使用到体积小且效率高的无刷直流马达，常见应用于计算机CPU、光驱及硬盘等等。
[0003]一般来说，当驱动无刷直流马达转动时，必须检测转子的位置并通过换相开关的切换进行相位转换；然而，在马达驱动时容易因为切换过程造成电流的不稳定，引起马达共振而导致产生扰人的噪音，进而影响使用上的舒适度。
[0004]因此本发明提供一种无刷直流马达控制装置与方法，以数字调制的方式，通过对马达磁场变化期间所产生的磁场上升时间差或磁场下降时间差区分成多段时间等分，每一个时间等分中都有它相对应的工作周期，进而去驱动无刷直流马达转动，使马达换相电流线性平滑，得以减少无刷直流马达产生的振动与噪音。
【发明内容】
[0005]为了解决上述有关马达产生的振动与噪音的问题，本发明的一主要目的在于提供一种无刷直流马达控制装置，以数字调制的方式通过P丽工作周期调制电路，驱动马达在电流相位转换时控制电流曲线，使其变得线性平滑，据此减少无刷直流马达的振动与噪音，并达到较佳的系统稳定性。
[0006]本发明又一主要目的在于提供一种无刷直流马达控制方法，通过无刷直流马达控制方法，使其输出电流曲线能线性平滑，并达到较佳的系统稳定性。
[0007]依据上述的各项目的，本发明提供一种装置，是与一无刷直流马达连接，包括:一磁场检测电路，用于检测无刷直流马达的一转子位置；一霍尔元件，耦合于磁场检测电路内，用于感应转子位置的磁极变化并对应产生一磁场变化曲线；一计数器，与磁场检测电路连接，依据磁场变化曲线计算无刷直流马达经由磁场检测电路所产生的一磁场上升时间差或一磁场下降时间差；一 PWM工作周期调制电路，其一端与计数器连接，用于将磁场上升时间差或磁场下降时间差区分成N段时间等分(N为整数)，每一时间等分都有其相对应的工作周期(Duty cycle)，其另一端输出一第一调制信号(Dr_01)与一第二调制信号(Dr_02)；以及一负载驱动电路，其输入端接收一第一调制信号(Dr_01)与一第二调制信号(Dr_02),以产生一第一输出电压(V_01)与一第二输出电压(V_02)以及一输出电流(Iltjad)，用以驱动该无刷直流马达。
[0008]本发明提供一种方法，包括:提供一无刷直流马达；检测无刷直流马达的一转子位置，其中利用一磁场检测电路检测无刷直流马达的一转子位置，并根据耦合于磁场检测电路内的一霍尔元件，感应转子位置的磁极变化并对应产生一磁场变化曲线；计算磁场上升时间差或磁场下降时间差，其中利用一上升时间计数器或一下降时间计数器依据该磁场变化曲线，计算无刷直流马达经由磁场检测电路所产生的一磁场上升时间差或一磁场下降时间差；产生输出调制信号，其中利用PWM工作周期调制电路，将磁场上升时间差或磁场下降时间差区分成N段时间等分(N为整数)，每一段时间等分都有其相对应的工作周期(Dutycycle)，并输出一第一调制信号(Dr_01)与一第二调制信号(Dr_02);以及驱动无刷直流马达，其中利用一负载驱动电路接收第一调制信号(Dr_01)与第二调制信号(Dr_02)，并产生一第一输出电压(v_01)与一第二输出电压(V_02)以及一输出电流(Iltjad)，用以驱动无刷直流马达。
[0009]经由本发明所提供的无刷直流马达控制装置与方法，通过数字调制的方式利用PWM工作周期调制电路所产生的工作周期控制马达的换相电流，使其输出电流曲线能线性平滑，得以减少无刷直流马达产生的振动及噪音的问题，使其达到较佳的系统稳定性以及良好的输出表现。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是本发明的无刷直流马达控制装置方块图；
[0011]图2是本发明的磁场变化曲线图；
[0012]图3是本发明的PWM工作周期调制电路动作示意图；
[0013]图4是本发明的输出电压与输出电流关系图；
[0014]图5是本发明的无刷直流马达控制方法流程图。
[0015]【主要元件符号说明】
[0016]磁场检测电路10
[0017]无刷直流马达12
[0018]霍尔元件14
[0019]计数器16
[0020]PWM工作周期调制电路 18
[0021]负载驱动电路20
[0022]上升时间计数器161
[0023]下降时间计数器162
[0024]缓存器181
[0025]步骤500、501、502、503、504【具体实施方式】
[0026]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0027]由于本发明主要提供了一种无刷直流马达控制装置与方法，以数字调制的方式通过PWM工作周期调制电路，驱动马达在电流相位转换时控制电流曲线使其变得线性平滑，据此能减少无刷直流马达的振动及噪音。其中，本发明的无刷直流马达控制装置是与一个无刷直流马达连接，以控制无刷直流马达；然而，无刷直流马达的基本原理与功能，已为相关【技术领域】具有通常知识者所能明了，故以下文中的说明，仅针对与本发明无刷直流马达控制装置与方法其特征处进行详细说明。此外，在附图中，也并未依据实际的相关尺寸完整绘制，其作用仅在表达与本发明特征有关的示意图。
[0028]首先，请参阅图1，其为本发明的无刷直流马达控制装置方块图。如图1所示，无刷直流马达控制装置包括:一磁场检测电路10，用以检测无刷直流马达12的一转子位置；一霍尔元件14，耦合于磁场检测电路10内，用以感应转子位置的磁极变化并对应产生一磁场变化曲线；一计数器16，与磁场检测电路10连接，依据磁场变化曲线计算无刷直流马达12经由磁场检测电路10所产生的一磁场上升时间差(TR)及一磁场下降时间差(TF)，其中计数器16进一步包含一上升时间计数器161与一下降时间计数器162，通过利用上升时间计数器161可计算磁场检测电路所产生的磁场上升时间差(TR)或利用下降时间计数器162可计算磁场检测电路所产生的磁场下降时间差(TF) PWM工作周期调制电路18，其一端与计数器16连接，进一步包含一缓存器181，用于暂存磁场上升时间差(TR)或磁场下降时间差(TF)，并将磁场上升时间差(TR)或磁场下降时间差(TF)区分成N段时间等分(N为整数)，每一时间等分都有其相对应的工作周期(Duty cycle)，而其另一端输出为一第一调制信号(Dr_01)与一第二调制信号(Dr_02)，其中PWM工作周期调制电路18会返馈一上升信号(TR_S)至上升时间计数器161或返馈一下降信号(TF_S)至下降时间计数器162，通知上升时间计数器161或下降时间计数器162计算磁场检测电路所产生的磁场上升时间差(TR)或磁场下降时间差(TF);及一负载驱动电路20，其输入端接收第一调制信号(Dr_01)与第二调制信号(Dr_02),以产生第一输出电压(V_01)与第二输出电压(V_02)以及一输出电流(Iltjad)，用以驱动无刷直流马达12，其中无刷直流马达12是一单相无刷直流马达。
[0029]当无刷直流马达12启动时，磁场检测电路10会连续性地检测无刷直流马达12的转子位置，并根据耦合于磁场检测电路10内的一霍尔元件14检测转子位置的磁极变化，并产生一磁场变化曲线；接着，利用计数器16依据磁场变化曲线，计算无刷直流马达12磁场变化期间的磁场上升时间差(TR)及磁场下降时间差(TF)，其中计数器16进一步包含一上升时间计数器161与一下降时间计数器162，经由其上升时间计数器161或下降时间计数器162运算后的数据会传递至PWM工作周期调制电路18，之后PWM工作周期调制电路会依据上升时间计数器或下降时间计数器所产生的磁场上升时间差(TR)或磁场下降时间差(TF)，将磁场上升时间差(TR)或磁场下降时间差(TF)暂存于缓存器181中，并将磁场上升时间差(TR)或磁场下降时间差(TF)区分成N段时间等分(N为整数)，而每一个时间等分(TR/N或TF/N)中都有它相对应的工作周期(Duty cycle)，并输出产生调制信号(Dr_01/Dr_02)，而PWM工作周期调制电路也会不断返馈一上升信号(TR_S)或一下降信号(TF_S)至上升时间计数器161或下降时间计数器162，通知上升时间计数器161或下降时间计数器162计算磁场检测电路所产生的磁场上升时间差(TR)或磁场下降时间差(TF);而后，负载驱动电路20会接收PWM工作周期调制电路18所输出的调制信号(Dr_01/Dr_02)，进而驱动无刷直流马达12，使其输出的换相电流曲线能线性平滑，并减少无刷直流马达12所产生的振动及噪音。[0030]接着，请参阅图2，其为本发明的磁场变化曲线图。如图2所示，磁场变化曲线系利用耦合于磁场检测电路10内的一霍尔元件14检测转子位置的磁极变化所产生的，而磁场变化曲线大小将随转子位置的磁极变化而有所不同，其系包含一最大磁通密度(Bmax)、一正迟滞磁通密度(BH+)、一零磁通密度(BO)、一负迟滞磁通密度(BhJ以及一最小磁通密度(Bmin)。可通过磁场变化曲线计算出磁场上升时间差(TR1/TR2/TR3…)或磁场下降时间差(TF1/TF2/TF3…)，其中磁场上升时间差(TR1/TR2/TR3…)系从最小磁通密度(Bmin)至最大磁通密度(Bmax)期间，经由上升时间计数器161计算出负迟滞磁通密度(BhJ递增至正迟滞磁通密度(Bh+)的区间；而磁场下降时间差(TF1/TF2/TF3…)系从最大磁通密度(Bmax)至最小磁通密度(Bmin)期间，经由下降时间计数器162计算出正迟滞磁通密度(Bh+)递减至负迟滞磁通密度(BhJ的区间。
[0031]再接着，请参阅图3，其为本发明的PWM工作周期调制电路动作示意图。如图3所示，当计数器16计算无刷直流马达12磁场变化期间的磁场上升时间差(TR1/TR2/TR3…)或磁场下降时间差(TF1/TF2/TF3…)后，会将其计数器16运算后的磁场上升时间差(TRl/TR2/TR3…)或磁场下降时间差(TF1/TF2/TF3…)暂存至PWM工作周期调制电路18内的缓存器181中，其中暂存于缓存器181的数据会延迟一个时序周期被读取，例如:第一笔磁场上升时间差(TRl)暂存于PWM工作周期调制电路18内的缓存器181中，在磁场相位切换后会延迟一个时序周期被读取，因此在计数器计算出下一笔磁场上升时间差(TR2)时，PWM工作周期调制电路18会开始读取第一笔磁场上升时间差(TRl);之后，将其磁场上升时间差或磁场下降时间差区分成N段时间等分(N为整数)，而每一个时间等分中都有其相对应的工作周期(duty cycle);由于磁场检测电路10内的霍尔元件14会连续性地检测转子位置的磁极变化，因而所对应产生的磁场变化曲线会是一个连续变化的曲线，因此会产生复数个磁场上升时间差或磁场下降时间差，而每一个时间差的区间内都可以区分成N段时间等分(N为整数)；在此将PWM工作周期调制电路18读取到的第一笔磁场上升时间差(TRl)放大来看，区分成8段时间等分，每一段时间等分都有其相对应的工作周期(duty cycle);因此，当磁场相位切换后，会依据所产生的工作周期(duty cycle)控制输出的调制信号(Dr_01/Dr_02)。然而，由于马达具有两个输入端分别控制马达线圈磁极的转变，因此可通过产生的第一调制信号(Dr_01)与第二调制信号(Dr_02)驱动负载驱动电路20产生输出电压(V_01/V_02)及输出电流(Iltjad)，进而控制马达12的换相电流。当工作周期(duty cycle)由高渐渐变低时，可控制马达驱动电流由大缓缓变零，反之当工作周期(duty cycle)由低渐渐变高时，可控制马达驱动电流由零缓缓变大，据此可避免因为马达12转速的过高或过低，导致换相电流异常所 造成的噪音或共振问题；在此要说明的是，虽然本实施例以N = 8为例，但是并不限于N使用8。
[0032]再接着，请继续参阅图4并配合图3，图4是本发明的输出电压与输出电流关系图。如图4所示，依据不同时间差区间内所产生的工作周期(duty cycle)，控制输出的第一调制信号(Dr_01)与第二调制信号(Dr_02)驱动负载驱动电路20,以产生第一输出电压(V_01)与第二输出电压(V_02)以及一输出电流(IlMd)。观察图3中PWM工作周期调制电路18读取到的第一笔磁场上升时间差(TRl)所放大的区间，得知依据工作周期(duty cycle)的高低变化可以进一步控制马达的换相电流，因此通过工作周期(duty cycle)所控制输出的调制信号(Dr_01/Dr_02)会影响第一输出电压(V_01)与第二输出电压(V_02)以及输出电流(IlMd)的变化。由于工作周期(duty cycle)变化与马达转速成正比关系，因此调制信号(Dr_01/Dr_02)与第一输出电压(V_01)与第二输出电压(V_02)间亦成正比关系，可使其输出电流(Iltjad)曲线达到线性平滑。
[0033]最后，请参阅图5，其为本发明的无刷直流马达控制方法流程图。如图5所示，无刷直流马达控制方法，包含以下步骤:
[0034]步骤500:提供一无刷直流马达；
[0035]步骤501:检测无刷直流马达的一转子位置；利用一磁场检测电路检测无刷直流马达的一转子位置，并根据耦合于磁场检测电路内的一霍尔元件，感应转子位置的磁极变化并对应产生一磁场变化曲线，接着进入步骤502。
[0036]步骤502:计算磁场上升时间差或磁场下降时间差；利用一上升时间计数器或一下降时间计数器依据磁场变化曲线，计算无刷直流马达经由磁场检测电路所产生的一磁场上升时间差或一磁场下降时间差，接着进入步骤503。
[0037]步骤503:产生输出调制信号；利用PWM工作周期调制电路，将磁场上升时间差或磁场下降时间差区分成N段时间等分(N为整数)，每一段时间等分都有其相对应的工作周期(Duty cycle),并输出一第一调制信号(Dr_01)与一第二调制信号(Dr_02),最后进入步骤 504。
[0038]步骤504:驱动无刷直流马达；利用一负载驱动电路接收第一调制信号(Dr_01)与第二调制信号(Dr_02),并产生一第一输出电压(V_01)与一第二输出电压(V_02)以及一输出电流(Iltjad)，用以驱动无刷直流马达。
[0039]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种无刷直流马达控制装置，是与一无刷直流马达连接，包括: 一磁场检测电路，用于检测该无刷直流马达的一转子位置； 一霍尔元件，耦合于该磁场检测电路内，用于感应该转子位置的磁极变化并对应产生一磁场变化曲线； 一计数器，与该磁场检测电路连接，依据该磁场变化曲线计算该无刷直流马达经由该磁场检测电路所产生的一磁场上升时间差及一磁场下降时间差； 一 PWM工作周期调制电路，其一端与该计数器连接，用于将该磁场上升时间差或该磁场下降时间差区分成N段时间等分(N为整数)，每一该时间等分都有其相对应的工作周期，其另一端输出一第一调制信号与一第二调制信号；以及 一负载驱动电路，其输入端接收该第一调制信号与该第二调制信号，以产生一第一输出电压与一第二输出电压以及一输出电流，用以驱动该无刷直流马达。
2.如权利要求1所述的无刷直流马达控制装置，其中该无刷直流马达是一单相无刷直流马达。
3.如权利要求1所述的无刷直流马达控制装置，其中该计数器进一步包含一上升时间计数器与一下降时间计数器。
4.如权利要求3所述的无刷直流马达控制装置，其中该上升时间计数器用于计算该磁场检测电路所产生的该磁场上升时间差。
5.如权利要求3所述的无刷直流马达控制装置，其中该下降时间计数器用于计算该磁场检测电路所产生的该磁场下降时间差。
6.如权利要求1所述的无刷直流马达控制装置，其中该PWM工作周期调制电路会返馈一上升信号或一下降信号至该计数`器，通知该计数器计算该磁场检测电路所产生的该磁场上升时间差或该磁场下降时间差。
7.如权利要求1所述的无刷直流马达控制装置，其中该PWM工作周期调制电路进一步包含一缓存器，用于暂存该磁场上升时间差或该磁场下降时间差。
8.如权利要求1所述的无刷直流马达控制装置，其中该磁场变化曲线进一步包含:一最大磁通密度(Bmax)、一正迟滞磁通密度(Bh+)、一零磁通密度(BO)、一负迟滞磁通密度(BhJ以及一最小磁通密度(Bmin)。
9.如权利要求1或8所述的无刷直流马达控制装置，其中该磁场上升时间差是从该最小磁通密度(Bmin)至该最大磁通密度(Bmax)期间，经由该上升时间计数器计算出该负迟滞磁通密度(BhJ递增至该正迟滞磁通密度(Bh+)的区间。
10.如权利要求1或8所述的无刷直流马达控制装置，其中该磁场下降时间差是从该最大磁通密度(Bmax)至该最小磁通密度(Bmin)期间，经由该下降时间计数器计算出该正迟滞磁通密度(Bh+)递减至该负迟滞磁通密度(BhJ的区间。
11.一种无刷直流马达控制方法，包括: 提供一无刷直流马达； 检测该无刷直流马达的一转子位置，其中利用一磁场检测电路检测该无刷直流马达的一转子位置，并根据耦合于该磁场检测电路内的一霍尔元件，感应该转子位置的磁极变化并对应产生一磁场变化曲线； 计算磁场上升时间差或磁场下降时间差，其中利用一上升时间计数器或一下降时间计数器依据该磁场变化曲线，计算该无刷直流马达经由该磁场检测电路所产生的一磁场上升时间差或一磁场下降时间差； 产生输出调制信号，其中利用PWM工作周期调制电路，将该磁场上升时间差或该磁场下降时间差区分成N段时间等分(N为整数)，每一段时间等分都有其相对应的工作周期，并输出一第一调制信号与一第二调制信号；以及 驱动该无刷直流马达，其中利用一负载驱动电路接收该第一调制信号与该第二调制信号，并产生一第一输出电压与一第二输出电压以及一输出电流，用以驱动该无刷直流马达。
12.如权利要求11所述的无刷直流马达控制方法，其中该无刷直流马达是一单相无刷直流马达，且该霍尔元件是一霍尔传感器。
13.如权利要求11所述的无刷直流马达控制方法，其中该磁场变化曲线进一步包含:一最大磁通密度(Bmax)、一正迟滞磁通密度(BH+)、一零磁通密度(BO)、一负迟滞磁通密度(BhJ以及一最小磁通密度(Bmin)。
14.如权利要求11所述的无刷直流马达控制方法，其中该PWM工作周期调制电路会返馈一上升信号或一下降信号至该计数器，通知该计数器计算该磁场检测电路所产生的该磁场上升时间差或该磁场下降时间差。
15.如权利要求11所述的无刷直流马达控制方法，其中该PWM工作周期调制电路进一步包含一缓存器，用于暂存该磁场上升时间差或该磁场下降时间差。
16.如权利要求11项或第13所述的无刷直流马达控制方法，其中该磁场上升时间差是从该最小磁通密度至该最大磁通密度期间，经由该上升时间计数器计算出该负迟滞磁通密度(BhJ递增至该正迟滞磁通密度(Bh+)的区间。
17.如权利要求11项 或第13所述的无刷直流马达的振动及噪音控制方法，其中该磁场下降时间差是从最大磁通密度至最小磁通密度期间，经由该下降时间计数器计算出该正迟滞磁通密度(Bh+)递减至该负迟滞磁通密度(BhJ的区间。
【文档编号】H02P6/16GK103633900SQ201210310660
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2012年8月28日 优先权日:2012年8月28日
【发明者】吴耿毅, 刘锦鸿 申请人:晶致半导体股份有限公司