具有变频机制的马达驱动系统及方法与流程

本发明涉及一种马达驱动系统及方法，特别是涉及一种具有变频机制的马达驱动系统及方法。

背景技术：

一般来说，为了驱动直流无刷马达检测马达转子的位置，都会采用位置传感器检测，如霍尔传感器(hallsensor)、光编码器等，于马达运转时，取得适当地换相信号以驱动马达正常旋转。然而，使用位置传感器必须放置于马达内，会使得系统体积变大、增加组装难度以及增加系统成本，对于目前马达小型化的趋势，位置传感器将限制马达的发展与应用。

为了降低马达占据系统的体积以及组装的难度，无需传感器的直流无刷马达技术被广泛应用于各种驱动产品中。目前已提出的许多无需传感器的直流无刷马达驱动装置，通过马达定子(stator)所感应出的反电动势(backelectromotiveforces，bemf)来确定转子的位置和换相。或有另一种现有架构，利用马达相电流为零来做换相动作。然而，以上两者都仍可能无法实时检测到马达的反电动势已到达零值或实时检测到马达相电流已为零。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足提供一种具有变频机制的马达驱动系统，适用于驱动马达。具有变频机制的马达驱动系统包含查表模块、振荡电路、多频信号生成电路以及马达驱动电路。查表模块配置以储存默认驱动信号。振荡电路配置以生成具有不同频率的多个振荡信号。多频信号生成电路连接查表模块以及振荡电路。多频信号生成电路配置以传输默认驱动信号，以及依据多个振荡信号输出多频信号。多频信号在调频区的波形区段具有第一振荡频率。多频信号在调频区外的其他波形区段具有第二振荡频率。第一振荡频率大于第二振荡频率。马达驱动电路连接多频信号生成电路。马达驱动电路配置以在调频区的时间区间内检测出马达的反电动势或相电流到达零值时，依据默认驱动信号以及多频信号输出驱动信号以驱动马达。

在一实施方式中，多频信号生成电路配置以依据区域调整请求，重新定义调频区。

在一实施方式中，具有变频机制的马达驱动系统还包含检测电路，配置以在调频区的时间区间内检测马达的反电动势或相电流。

在一实施方式中，其中检测电路在调频区内的时间点检测到马达的反电动势或相电流到达零值，其中时间点分别与调频区的起始时间点以及结束时间点相隔角度。

另外，本发明提供一种具有变频机制的马达驱动方法，适用于驱动马达，具有变频机制的马达驱动方法包含以下步骤：利用查表模块，储存默认驱动信号；利用振荡电路，生成具有不同频率的多个振荡信号；利用多频信号生成电路，依据多个振荡信号输出多频信号，多频信号在调频区内的波形区段具有第一振荡频率，多频信号在调频区外的其他波形区段具有第二振荡频率，第一振荡频率大于第二振荡频率；利用多频信号生成电路，传输默认驱动信号；以及利用马达驱动电路，在调频区的时间区间内检测出马达的反电动势或相电流到达零值时，依据默认驱动信号以及多频信号，输出驱动信号以驱动马达。

在一实施方式中，所述具有变频机制的马达驱动方法还包含以下步骤：利用多频信号生成电路，依据区域调整请求，重新定义调频区。

在一实施方式中，所述具有变频机制的马达驱动方法还包含以下步骤：利用检测电路，在调频区的时间区间内检测马达的反电动势或相电流。

在一实施方式中，所述具有变频机制的马达驱动方法还包含以下步骤：利用检测电路，在调频区内的时间点检测到马达的反电动势或相电流到达零值，其中时间点分别与调频区的起始时间点以及结束时间点相隔角度。

如上所述，本发明提供一种具有变频机制的马达驱动系统及方法，其利用振荡电路生成具有不同振荡频率的多个振荡信号，并依据多个振荡信号的生成具有高频波形区段以及低频波形区段的多频信号，其中在高频波形区段的时间区间内，以较高的检测频率、分辨率检测出马达的电流和电动势，藉此可精准且实时地检测到电流和电动势，作为驱动马达的参数条件，进而提高马达的运转效率，而在未执行检测作业时则提供低频波形区段以降低开关切换损失、降低消耗功率。

为使能还进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与图式，然而所提供的图式仅用于提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

图1为本发明实施例的具有变频机制的马达驱动系统的方块图。

图2为本发明实施例的具有变频机制的马达驱动方法的步骤流程图。

图3为本发明实施例的具有变频机制的马达驱动系统及方法的振荡信号在调频区的频率经调频后所生成的多频信号的一周期的波形图。

图4为本发明实施例的具有变频机制的马达驱动系统及方法的振荡信号在调频区的频率经调频后所生成的多频信号的两周期的波形图。

图5为本发明实施例的具有变频机制的马达驱动系统及方法检测到马达的电流信号的波形图。

图6为本发明实施例的具有变频机制的马达驱动系统及方法提供的三角波信号、弦波信号、三角波准位信号、马达驱动信号以及马达的节点电压信号的波形图。

图7为应用本发明实施例的具有变频机制的马达驱动系统及方法于马达的节点电压信号以及电流流向信号的波形图。

具体实施方式

以下是通过特定的具体实施例来说明本发明所公开有关的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容了解本发明的优点与效果。本发明可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的构思下进行各种修改与变更。另外，本发明的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘，事先声明。以下的实施方式将进一步详细说明本发明的相关技术内容，但所公开的内容并非用以限制本发明的保护范围。

应当可以理解的是，虽然本文中可能会使用到“第一”、“第二”、“第三”等术语来描述各种组件或者信号，但这些组件或者信号不应受这些术语的限制。这些术语主要是用以区分一组件与另一组件，或者一信号与另一信号。另外，本文中所使用的术语“或”，应视实际情况可能包含相关联的列出项目中的任一个或者多个的组合。

请参阅图1，其为本发明实施例的具有变频机制的马达驱动系统的方块图。如图1所示，本发明实施例的具有变频机制的马达驱动系统包含查表模块10、振荡电路20、多频信号生成电路30以及马达驱动电路40。多频信号生成电路30连接查表模块10以及振荡电路20。马达驱动电路40连接多频信号生成电路30。

查表模块10可为查表，或实际上可替换为数据库、缓存器、内存或其他具有储存功能的组件，在此仅举例说明，本发明不以此为限。查表模块10配置以储存默认驱动信号md。例如，默认驱动信号md可具有一个或多个正弦波、三次谐波波形(third-orderharmonics)或其他波形，在此仅举例说明，本发明不以此为限。

振荡电路20配置以生成具有不同频率的多个振荡信号。在本实施例中，振荡电路20生成第一振荡信号owh以及第二振荡信号owl。例如，第一振荡信号owh以及第二振荡信号owl为三角波波形，在此仅举例说明，本发明不以此为限。第一振荡信号owh可为高频振荡信号，其具有第一振荡频率。第二振荡信号owl可为低频振荡信号，其具有第二振荡频率。第一振荡信号owh的第一振荡频率大于第二振荡信号owl的第二振荡频率。

多频信号生成电路30配置以依据从振荡电路20取得的第一振荡信号owh以及第二振荡信号owl，以输出多频信号mfs。举例来说，多频信号生成电路30将第一振荡信号owh的波形的一波形区段定义在调频区hfr内，并将调频区hfr内的此波形区段进行调频，以生成调频区hfr内为第二振荡频率并且调频区hfr外为第一振荡频率的多频信号mfs。相比于一般单一个振荡信号仅具有单一频率，本实施例的多频信号mfs的波形可具有两个或实际上更多的频率。

实际上，多频信号生成电路30可从振荡电路20取得更多的振荡信号，并定义更多的调频区，本发明不受限于本实施例所举例的两个振荡信号owh、owl。多频信号生成电路30可依据多个振荡信号分别调频在多个调频区的多个波形区段，使同一多频信号mfs具有更多的频率。

本实施例的具有变频机制的马达驱动系统可还包含检测电路(图未示)，配置以在调频区的时间区间内检测马达三相的每一线圈的反电动势或电流。多频信号生成电路30可依据区域调整请求，重新定义或调整调频区位在多频信号mfs的不同角度范围以及调频区的宽度，藉此重新定义检测马达的时间区间。

马达在一般运转模式下以一般速度例如低转速进行例如50hz运转，可维持低功耗。在欲检测马达的时间区间内，则将多频信号mfs在调频区的波形区段的频率提高例如100hz，使检测电路可精准地检测马达的电动势或电流值。由此，检测电路可具有较高的检测频率、高分辨率，可实时检测到每次马达的反电动势或电流到达零值，可据以在检测到马达的电动势或电流到达零值时，立即或经过一预设时间，例如调频区的时间结束后(如图6所示的调频区wn的结束时间点pt2)，如预期地打入完整的正弦波或三次谐波波形至马达，以提高马达的运转效率。

请一并参阅图1和图2，图2为本发明实施例的具有变频机制的马达驱动方法的步骤流程图。如图2所示，本实施例的具有变频机制的马达驱动方法包含以下步骤s201～s213，适用于上述具有变频机制的马达驱动系统。

在步骤s201，查表模块10提供所储存的默认驱动信号md例如正弦波或三次谐波波形至多频信号生成电路30。

在步骤s203，利用振荡电路20生成第一振荡信号owh即高频振荡信号，提供至多频信号生成电路30。

在步骤s205，利用振荡电路20生成第二振荡信号owl即低频振荡信号，提供至多频信号生成电路30。

在步骤s207，利用多频信号生成电路30依据多个振荡信号owl、owh输出多频信号mfs。多频信号mfs在调频区内的波形区段具有高频振荡频率。多频信号mfs在调频区外的其他波形区段具有低频振荡频率。

在步骤s209，利用马达驱动电路40所包含或额外的检测电路在调频区的时间区间内检测马达的电动势或电流是否到达零值。

在步骤s211，当马达的电动势或电流到达零值时，利用马达驱动电路40依据默认驱动信号md例如正弦波或三次谐波波形以及多频信号mfs例如三角波，以生成具有方波或脉冲的驱动信号。

在步骤s213，马达驱动电路40利用驱动信号，以驱动马达运转。

请一并参阅图1和图3，图3为本发明实施例的具有变频机制的马达驱动系统及方法的振荡信号在调频区的频率经调频后所生成的多频信号的一周期的波形图。

当三角波波形的频率太高时，马达的各相连接的上桥开关以及下桥开关在切换过程中将生成切换损失(switchingloss)，特别是具有离散组件(discretemosfetdevice)的马达应用。若欲精准地检测出马达的电动势和电流的零点以决定马达的后续驱动时，三角波波形则应具有高频频率。

因此，如图3所示，多频信号生成电路30生成的多频信号的三角波波形具有在调频区hfr的高频波形区段trwh，以及在调频区hfr外的低频波形区段trwl。也就是说，在调频区hfr的时间区间内，检测马达的电动势和电流的零点，而在未执行检测作业时则输出低频波形区段trwl，以降低开关切换损失。

查表模块10储存的默认驱动信号siwl具有正弦波波形，或其实际上替换为三次谐波波形。马达驱动电路40比较默认驱动信号siwl与具有波形区段trwh、trwl的多频信号，以输出具有方波或脉冲波形的驱动信号dm至马达，以驱动马达。换言之，此驱动信号dm可为脉宽调变信号，其多个波形具有不同频率，在调频区hfr的脉冲的频率高于在调频区hfr外的脉冲的频率。

请一并参阅图1和图4，图4为本发明实施例的具有变频机制的马达驱动系统及方法的振荡信号在调频区的频率经调频后所生成的多频信号的两周期的波形图。

如图4所示，查表模块10储存的默认驱动信号siwl的正弦波波形对应振荡电路20生成的低频振荡信号的三角波波形。多频信号生成电路30可在默认驱动信号siwl的正弦波波形上定义出调频区hrr1、hrr2、hrr3。在本实施例中，调频区hrr1、hrr2、hrr3具有相同的宽度，但实际上，其可可依据需求调整为具有不同的宽度。

多频信号生成电路30可依据振荡电路20生成的高频振荡信号的频率，在调频区hrr1、hrr2、hrr3内，以波形区段trwh1、trwh2、trwh3的高频频率驱动马达。

此外，多频信号生成电路30可依据振荡电路20生成的单一个高频振荡信号，以调频波形区段trwh1、trwh2、trwh3具有彼此相同的频率。替换地，多频信号生成电路30可依据振荡电路20生成的多个高频振荡信号，以调频波形区段trwh1、trwh2、trwh3具有彼此不同的频率。

应理解，在本文中，“高频”和“低频”可仅作为相对性用语使用，用于强调多频信号的在调频区内的波形区段的频率高于多频信号的在调频区外的波形区段的频率，或多频信号的在调频区外的波形区段的频率低于多频信号的在调频区内的波形区段的频率，这些用语并非用以限制多频信号的频率需调频至特定不可变的频率范围内。

请参阅图5，其为本发明实施例的具有变频机制的马达驱动系统及方法检测到马达的电流信号的波形图。

如图5所示的虚线a1标示出，检测电路所检测到的马达的输出电流id的多个波形的波峰的电流值相同。如图5所示的虚线a2标示出，检测电路所检测到的马达的输出电流id的多个波形的波谷的电流值相同。

检测电路在驱动信号的调频区(即具有较高频率的波形区段)检测马达，相比于在低频的波形区段检测马达，具有较高的检测频率、高分辨率，在单位时间内可检测的次数较多，而可较精准地检测出电流值和马达的电动势。而在检测到马达的电动势或电流值为零值之后，马达驱动电路可实时或经过一预定时间后再打入三次谐波波形或正弦波至马达。

请一并参阅图1、图6、图7，其中图6为本发明实施例的具有变频机制的马达驱动系统及方法提供的三角波信号、弦波信号、三角波准位信号、马达驱动信号以及马达的节点电压信号的波形图；图7为应用本发明实施例的具有变频机制的马达驱动系统及方法于马达的节点电压信号以及电流流向信号的波形图。

如图1所示的振荡电路20可生成第一振荡信号以及第二振荡信号。如图1所示的多频信号生成电路30依据第一振荡信号以及第二振荡信号，生成多频信号。如图6所示，此多频信号在调频区wn内具有高频振荡频率的高频波形区段trmh，以及在调频区wn外具有低频振荡频率的低频波形区段trml。

三角波准位信号的低频波形区段trlel的下降缘对准多频信号的低频波形区段trml的波峰，以及高频波形区段trleh的下降缘对准多频信号的高频波形区段trmh的波峰。

马达驱动电路40比较多频信号与正弦波信号siml，以生成驱动信号输出至马达，以驱动马达运转。此驱动信号在调频区wn内具有高频振荡频率的高频波形区段dmth，以及在调频区wn外的低频振荡频率的低频波形区段dmtl。

马达例如三相马达，可包含u相、v相以及w相。如图1所示的马达驱动电路40可包含u相的上桥开关以及下桥开关、v相的上桥开关以及下桥开关，以及w相的上桥开关以及下桥开关。u相的上桥开关以及下桥开关之间的节点连接马达的u相的线圈的一端。v相的上桥开关以及下桥开关之间的节点连接马达的v相的线圈的一端。w相的上桥开关以及下桥开关之间的节点连接马达的w相的线圈的一端。u相的线圈的另一端、v相的线圈的另一端以及w相的线圈的另一端连接一共接点。

为了避免马达的u相、v相或w相的任一相的上桥开关与下桥开关同时导通时会发生短路，上桥开关与下桥开关之间的切换过程中，提供一切换时间，又可称为失效或死区时间(deadtime)。

举例来说，在死区时间(deadtime)内，当电流从v相流入w相时，如图7所示的电流流向信号ilev的负半周波形指出，对w相而言，电流为逆流。在此过程中，电流流过w相的上桥开关的内接二极管，并往w相的上桥开关连接的输入电压源流动。其结果为，如图6、图7所示的节点电压信号在调频区wn内的高频波形区段vldh具有上凹波形，其代表w相的上桥开关以及下桥开关之间的节点即节点电压信号的电压(例如5.7v)等于输入电压源vcc的输出电压(例如5v)加上内接二极管的电压(例如0.7v)。

相反地，在死区时间内，当电流从w相流入v相时，如图7所示的电流流向信号ilev的正半周波形指出，对w相而言，电流为顺流。在此过程中，电流流过w相的下桥开关的内接二极管，接着流出w相，最后流入v相。在电流流过w相的下桥开关的内接二极管时，如图6所示的节点电压信号在调频区wn内的高频波形区段vldh具有下凹波形，其代表w相的上桥开关以及下桥开关之间的节点即节点电压信号的电压(例如-0.7v)等于地电压gnd(例如0v)扣除内接二极管的电压(例如0.7v)。

因此，可藉由检测u相、v相或w相的任一相的上桥开关与下桥开关之间的节点的电压，即节点电压信号的电压值，以判断电流的流动方向，例如逆流还是顺流。

如图7所示，本发明实施例的具有变频机制的马达驱动系统还可包含比较器cmp。比较器cmp的第一输入端连接马达的u相、v相或w相的任一相的上桥开关与下桥开关之间的节点，以取得此节点的电压即节点电压信号的电压。另外，比较器cmp可从一参考电压源取得参考电压vr。比较器cmp可配置以比较节点的电压(例如-0.7v)即节点电压信号的电压例如与参考电压vr(例如-0.35v)，以输出一比较信号，以提供如图1所示的马达驱动电路40对马达的控制依据。由上可知，在检测区段，电流波型由上凹变成下凹的时间点，或由下凹变成上凹的时间点，皆可通过较高的u相、v相或w相切换频率，避免错过真正电流为零值的时间点。得到较精准的零点资信。

[实施例的有益效果]

综上所述，本发明的有益效果在于，本发明提供一种具有变频机制的马达驱动系统及方法，其利用振荡电路生成具有不同振荡频率的多个振荡信号，并依据多个振荡信号的生成具有高频波形区段以及低频波形区段的多频信号，其中在高频波形区段的时间区间内，以较高的检测频率、分辨率检测出马达的电流和电动势，由此可精准且实时地检测到电流和电动势，作为驱动马达的参数条件，进而提高马达的运转效率，而在未执行检测作业时则提供低频波形区段以降低开关切换损失、降低消耗功率。

以上所公开的内容仅为本发明的优选可行实施例，并非因此局限本发明的权利要求书，所以凡是运用本发明说明书及图式内容所做的等效技术变化，均包含于本发明的权利要求书内。