直流无刷马达驱动电路的制作方法

1.本发明涉及直流无刷马达驱动电路，特别涉及可侦测直流无刷马达的转动异常的直流无刷马达驱动电路。


背景技术：

2.由于直流无刷马达的高效率，直流无刷马达的应用已越趋广泛。图1是显示一已知的直流无刷马达驱动电路的方块示意图。图1所示的已知直流无刷马达驱动电路101用以接收外部主机103的信号并由此驱动直流无刷马达102。此传统的直流无刷马达驱动电路101仅提供保护机制，用以保护功率级电路例如防止过电流、过电压、欠电压、温度过高等情况。然而，马达的机械元件会因为长期操作而老化或故障例如轴承故障、扇叶破损。而诸如此类的状况在现有技术上并无法侦测出。
3.有鉴于此，本发明即针对上述先前技术的不足，提出一种创新的直流无刷马达驱动电路。


技术实现要素：

4.于一观点中，本发明提供一种直流无刷马达驱动电路包含：一功率级电路，用以根据一脉宽调制(pulse width modulation，pwm)信号而驱动一直流无刷马达；以及一异常诊断电路，用以于一第一参数受控制的情况下，根据一第二参数而判断该直流无刷马达的一转动异常状态；其中该第一参数与该第二参数相关于该直流无刷马达的转动。
5.于一实施例中，该第一参数包括以下所列多个马达参数中的至少一个，该第二参数包括多个该马达参数中的至少另一个：(1)该直流无刷马达的转速；(2)一马达温度；(3)一环境温度；(4)该直流无刷马达的一输入电流；(5)该直流无刷马达的一输入电压；(6)该pwm信号的占空比；其中该第一参数与该第二参数不同。
6.于一实施例中，当该第一参数受控制于预设的一固定值时，该异常诊断电路根据该第二参数是否超出一参数预设范围而判断该直流无刷马达的该转动异常状态。
7.于一实施例中，该马达参数由对应的一参数侦测元件所侦测或估计。
8.于一实施例中，该参数侦测元件包括以下至少一个：(1)一转速侦测元件，用以侦测该直流无刷马达的转速；(2)一马达温度侦测元件，用以侦测该马达温度；(3)一环境温度侦测元件，用以侦测该环境温度；(4)一电流侦测元件，用以侦测该输入电流；(5)一电压侦测元件，用以侦测该输入电压；(6)一转速估计元件，用以估计该直流无刷马达的转速。
9.于一实施例中，对应于该第二参数的该参数预设范围相关于多个该马达参数中的至少一个。
10.于一实施例中，当该第一参数为该直流无刷马达的转速，该直流无刷马达驱动电路还包含一转速侦测元件以及一转速控制元件，该转速侦测元件用以侦测该直流无刷马达的转速，该转速控制元件用以根据一转速参考值及该转速侦测元件所反馈的该直流无刷马达的转速而将该直流无刷马达的转速控制于该固定值。
11.于一实施例中，该参数预设范围储存于该功率级电路或该异常诊断电路、或由多个外部引脚所设定或由一外部主机所设定。
12.于一实施例中，该直流无刷马达驱动电路与该外部主机之间通过一接口所耦接，该接口包括一通信总线或多个专用引脚。
13.于一实施例中，该直流无刷马达驱动电路还包括一换向(commutation)与pwm控制电路，用以根据一转子角度与该占空比，产生该pwm信号。
14.于一实施例中，该直流无刷马达驱动电路还包括一转速控制元件，用以根据一转速参考值与该直流无刷马达的转速的差量，产生该占空比。
15.于一实施例中，该第一参数为该pwm信号的占空比，且该第二参数为该直流无刷马达的转速。
16.于一实施例中，该第一参数为该pwm信号的占空比，且该第二参数为该马达温度及/或该环境温度。
17.于一实施例中，该第一参数为该直流无刷马达的该输入电流，且该第二参数为该直流无刷马达的转速。
18.于一实施例中，该第一参数为该输入电流，且该第二参数为该马达温度及/或该环境温度。
19.本发明的一优点在于本发明可通过监控占空比、马达转速、马达输入电流、马达输入电压、马达温度或环境温度而诊断出马达的机械故障。
20.本发明的另一优点在于本发明可向外部主机报告马达状态的警告或错误。
21.以下通过具体实施例详加说明，会更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所实现的功效。
附图说明
22.图1是显示已知的直流无刷马达驱动电路的方块示意图。
23.图2a是根据本发明的一实施例显示直流无刷马达驱动电路的电路示意图。
24.图2b是根据本发明的一实施例显示直流无刷马达驱动电路的特性曲线示意图。
25.图3是根据本发明的另一实施例显示直流无刷马达驱动电路的电路示意图。
26.图4是根据本发明的又一实施例显示直流无刷马达驱动电路的电路示意图。
27.图5是根据本发明的再一实施例显示直流无刷马达驱动电路的电路示意图。
28.图中符号说明
29.101，201，201’，201”，201
”’
：直流无刷马达驱动电路
30.102，202：直流无刷马达
31.103，203：外部主机
32.2011：功率级电路
33.2012：异常诊断电路
34.2013，2013’：参数侦测元件
35.2013a：转速侦测元件
36.2013b：马达温度侦测元件
37.2013c：环境温度侦测元件
38.2013d：电流侦测元件
39.2013e：电压侦测元件
40.2013f：转速估计元件
41.2014：换向与pwm控制电路
42.2015：接口电路
43.20121：异常诊断控制器
44.20122：模拟数字转换器(adc)
45.20123：多任务器(mux)
46.d：占空比
47.dm：占空比最小值
48.dm：占空比最大值
49.duh，dul，dvh，dvl，dwh，dwl：脉宽调制(pwm)信号eu，ev，ew：反电动势
50.iin：输入电流
51.iinm：输入电流最小值
52.iinm：输入电流最大值
53.inp：输入脉宽调制(pwm)信号
54.iu，iv，iw：操作电流
55.lu，lv，lw：相电感
56.n：中性点
57.p1：第一参数
58.p2：第二参数
59.θ，θe：转子角度
60.qh1，qh2，qh3：上桥功率元件
61.ql1，ql2，ql3：下桥功率元件
62.rcs：电阻
63.ru，rv，rw：相电阻
64.te：环境温度
65.tem：环境温度最小值
66.tem：环境温度最大值
67.tm：马达温度
68.tmm：马达温度最小值
69.tmm：马达温度最大值
70.vin：输入电压
71.vinm：输入电压最小值
72.vinm：输入电压最大值
73.ω，ωe：转速
74.ωm：转速最小值
75.ωm：转速最大值
76.ωref：转速参考值
77.wn：异常警告信息
具体实施方式
78.本发明中的附图均属示意，主要意在表示各电路间的耦接关系，以及各信号波形之间的关系，至于电路、信号波形与频率则并未依照比例绘制。
79.图2a是根据本发明的一实施例显示直流无刷马达驱动电路201的电路示意图。如图2a所示，直流无刷马达驱动电路201包含一功率级电路2011、一异常诊断电路2012、一转速侦测元件2013a、一换向(commutation)与脉宽调制(pulse width modulation，pwm)控制电路2014以及一接口电路2015。
80.功率级电路2011用以根据脉宽调制(pwm)信号duh、dul、dvh、dvl、dwh及dwl而驱动一直流无刷马达202。功率级电路2011耦接至换向与pwm控制电路2014。异常诊断电路2012用以于一第一参数p1受控制的情况下，根据一第二参数p2而判断直流无刷马达202的一转动异常状态，且耦接至接口电路2015。当异常诊断电路2012判断直流无刷马达202发生转动异常时，会产生一异常警告信息wn至接口电路2015。于一实施例中，第一参数p1与第二参数p2相关于直流无刷马达202的转动。于一实施例中，当第一参数p1受控制于预设的一固定值时，异常诊断电路2012根据第二参数p2是否超出一参数预设范围而判断直流无刷马达202的转动异常状态。于一实施例中，前述参数预设范围储存于功率级电路2011或异常诊断电路2012、或由多个外部引脚所设定或由外部主机203所设定。其中，将第一参数p1控制于预设的一固定值的方式，可以是由直流无刷马达驱动电路201的反馈机制来控制，例如但不限于直流无刷马达202的转速ω；也可以由异常诊断电路2012送出要求信号而控制，例如马达温度tm，以此类推。
81.如图2a所示，转速侦测元件2013a用以侦测直流无刷马达202的转速ω及直流无刷马达202的转子角度θ。转速侦测元件2013a耦接至换向与pwm控制电路2014及接口电路2015，由此将转子角度θ传送至换向与pwm控制电路2014，且将直流无刷马达202的转速ω传送至接口电路2015。直流无刷马达驱动电路201与外部主机203之间通过一接口所耦接。于一实施例中，前述接口包括一通信总线或多个专用引脚(例如fg引脚)。再者，接口电路2015用以从外部主机203接收输入脉宽调制(pwm)信号inp，并从中提取占空比且将占空比d传送至换向与pwm控制电路2014，且用以将接收自异常诊断电路2012的异常警告信息wn传送至外部主机203，并且耦接至外部主机203。换向与pwm控制电路2014用以根据转子角度θ与占空比d，产生pwm信号duh、dul、dvh、dvl、dwh及dwl，且耦接至转速侦测元件2013a、功率级电路2011及接口电路2015。直流无刷马达202具有多个线圈，以三相直流无刷马达为例，直流无刷马达202例如具有u相、v相及w相线圈。图2a仅显示三相直流无刷马达，然而本发明并不限于三相直流无刷马达，也可应用于二相直流无刷马达、五相直流无刷马达或其他多个相的直流无刷马达。
82.于一实施例中，第一参数p1包括以下所列多个马达参数中的至少一个，第二参数p2包括以下所列多个马达参数中的至少另一个：(1)直流无刷马达202的转速ω；(2)马达温度tm；(3)环境温度te；(4)直流无刷马达202的输入电流iin；(5)直流无刷马达202的输入电压vin；(6)pwm信号的占空比d。于一实施例中，第一参数p1与第二参数p2不同。举例而言，当第一参数p1为直流无刷马达202的转速ω时，第二参数p2可为马达温度tm、环境温度te、直
流无刷马达202的输入电流iin、直流无刷马达202的输入电压vin、pwm信号的占空比d的至少一个。同理，当第一参数p1为马达温度tm时，第二参数p2可为直流无刷马达202的转速ω、环境温度te、直流无刷马达202的输入电流iin、直流无刷马达202的输入电压vin、pwm信号的占空比d的至少一个，以此类推。当第一参数p1为马达温度tm及环境温度te时，第二参数p2可为直流无刷马达202的转速ω、直流无刷马达202的输入电流iin、直流无刷马达202的输入电压vin、pwm信号的占空比d的至少一个，以此类推。
83.于一实施例中，对应于第二参数p2的参数预设范围相关于多个马达参数中的至少一个。前述参数预设范围例如但不限于转速最大值(ωm)、转速最小值(ωm)、输入电流最大值(iinm)、输入电流最小值(iinm)、输入电压最大值(vinm)、输入电压最小值(vinm)、马达温度最大值(tmm)、马达温度最小值(tmm)、环境温度最大值(tem)、环境温度最小值(tem)、占空比最大值(dm)及占空比最小值(dm)。例如，于一实施例中，对应于pwm信号的占空比d的参数预设范围可根据直流无刷马达202的转速ω、马达温度tm、环境温度te、直流无刷马达202的输入电流iin、直流无刷马达202的输入电压vin及pwm信号的占空比d中的至少一个而设定。同理，对应于直流无刷马达202的转速ω的参数预设范围可根据直流无刷马达202的转速ω、马达温度tm、环境温度te、直流无刷马达202的输入电流iin、直流无刷马达202的输入电压vin及pwm信号的占空比d中的至少一个而设定，以此类推。
84.于另一实施例中，对应于pwm信号的占空比d的参数预设范围也可根据pwm信号的占空比d与直流无刷马达202的转速ω或马达温度tm或环境温度te或直流无刷马达202的输入电流iin或直流无刷马达202的输入电压vin之间的特性曲线，取一个固定的差量/百分比而决定。同理，对应于直流无刷马达202的转速ω的参数预设范围也可根据直流无刷马达202的转速ω与pwm信号的占空比d或马达温度tm或环境温度te或直流无刷马达202的输入电流iin或直流无刷马达202的输入电压vin之间的特性曲线，取一个固定的差量/百分比而决定，以此类推。如图2b所示，本实施例采用直流无刷马达202的转速ω与pwm信号的占空比d之间的特性曲线，取一个固定的差量/百分比而决定参数预设范围转速最大值(ωm)及转速最小值(ωm)。于又一实施例中，前述参数预设范围也可由查找表中取得。于一实施例中，前述查找表可储存于功率级电路2011或异常诊断电路2012。
85.如图2b所示，当占空比d固定时，侦测转速ω，异常诊断电路2012于转速ω低于转速最小值(ωm)或是高于转速最大值(ωm)时，判断直流无刷马达202处于转动异常状态，而产生异常警告信息wn至接口电路2015。
86.功率级电路2011提供多个操作电流iu、iv及iw，以供应给对应的u相、v相及w相线圈，而控制转子旋转。功率级电路2011可包含多个半桥功率元件，以对应产生多个操作电流，前述半桥功率元件例如上桥功率元件qh1、qh2、qh3及下桥功率元件ql1、ql2、ql3。上桥功率元件qh1与下桥功率元件ql1串联，上桥功率元件qh2与下桥功率元件ql2串联，而上桥功率元件qh3与下桥功率元件ql3串联。下桥功率元件ql1、ql2及ql3共同耦接至电阻rcs，而电阻rcs耦接至接地电位，上桥功率元件qh1、qh2、qh3共同耦接至输入电压vin。上桥功率元件qh1、qh2、qh3与下桥功率元件ql1、ql2、ql3之间的节点分别耦接至直流无刷马达202中对应的相电感lu、lv、lw。
87.直流无刷马达202包含u相的相电感lu及相电阻ru、v相的相电感lv及相电阻rv及w相的相电感lw及相电阻rw。相电感lu与相电阻ru串联，相电感lv与相电阻rv串联，而相电感
lw与相电阻rw串联，各相的相电阻ru、rv、rw共同耦接至中性点n。
88.图3是根据本发明的另一实施例显示直流无刷马达驱动电路的电路示意图。本实施例与图2a的实施例的不同在于本实施例的异常诊断电路2012包括异常诊断控制器20121、模拟数字转换器(adc，analog-to-digital converter)20122及多任务器(mux)20123，且本实施例的直流无刷马达驱动电路201’还包括马达温度侦测元件2013b、环境温度侦测元件2013c、电流侦测元件2013d及电压侦测元件2013e。转速侦测元件2013a、马达温度侦测元件2013b、环境温度侦测元件2013c、电流侦测元件2013d、电压侦测元件2013e可统称为参数侦测元件2013。本实施例的功率级电路2011、转速侦测元件2013a、换向与pwm控制电路2014、接口电路2015、直流无刷马达202、外部主机203类似于图2a的功率级电路2011、转速侦测元件2013a、换向与pwm控制电路2014、接口电路2015、直流无刷马达202、外部主机203，故省略其详细叙述。
89.马达温度侦测元件2013b用以侦测直流无刷马达202的温度tm(也可称为马达温度)，而环境温度侦测元件2013c用以侦测环境温度te。此处所述的环境温度为电路板温度。电流侦测元件2013d用以侦测输入电流iin，而电压侦测元件2013e用以侦测输入电压vin。马达温度侦测元件2013b、环境温度侦测元件2013c、电流侦测元件2013d及电压侦测元件2013e均耦接至多任务器20123的输入端。多任务器20123的输出端耦接至模拟数字转换器(adc)20122的输入端，由此adc 20122可将马达温度侦测元件2013b、环境温度侦测元件2013c、电流侦测元件2013d及电压侦测元件2013e所分别侦测得到的直流无刷马达202的温度tm、环境温度te、输入电流iin及输入电压vin其中之一转换为数字信号，并提供至异常诊断控制器20121。
90.异常诊断控制器20121用以于第一参数受控制的情况下，根据第二参数而判断直流无刷马达202的一转动异常状态，且可从接口电路2015接收直流无刷马达202的转速ω及pwm信号的占空比d。当异常诊断控制器20121判断直流无刷马达202发生转动异常时，会产生一异常警告信息wn至接口电路2015。于一实施例中，第一参数与第二参数相关于直流无刷马达202的转动。于一实施例中，当第一参数受控制于预设的一固定值时，异常诊断控制器20121根据第二参数是否超出一参数预设范围而判断直流无刷马达202的转动异常状态。异常诊断控制器20121的操作可参见图2a的异常诊断电路2012的相关叙述。
91.图4是根据本发明的又一实施例显示直流无刷马达驱动电路的电路示意图。本实施例与图3的实施例的不同在于，本实施例的直流无刷马达驱动电路201”还包括一转速控制元件2016。本实施例的功率级电路2011、异常诊断电路2012、参数侦测元件2013、换向与pwm控制电路2014、接口电路2015、直流无刷马达202及外部主机203类似于图3的功率级电路2011、异常诊断电路2012、参数侦测元件2013、换向与pwm控制电路2014、接口电路2015、直流无刷马达202及外部主机203，故省略其详细叙述。
92.转速控制元件2016用以根据一转速参考值ωref及转速侦测元件2013a所反馈的直流无刷马达202的转速ω而将直流无刷马达202的转速ω控制于一固定值，且根据转速参考值ωref与直流无刷马达202的转速ω的差量，产生占空比d，并将占空比d提供至换向与pwm控制电路2014。由此，当第一参数例如上述的直流无刷马达202的转速ω控制于预设的一固定值时，异常诊断控制器20121根据第二参数(例如但不限于占空比d及/或输入电流iin及/或输入电压vin及/或直流无刷马达202的温度tm及/或环境温度te)是否超出一参数
预设范围(例如但不限于图4所示的占空比最小值dm至占空比最大值dm、输入电流最小值iinm至输入电流最大值iinm、输入电压最小值vinm至输入电压最大值vinm、马达温度最小值tmm至马达温度最大值tmm、环境温度最小值tem至环境温度最大值tem)而判断直流无刷马达202的转动异常状态。
93.于其他实施例中，占空比d、输入电流iin、输入电压vin、直流无刷马达202的温度tm、环境温度te的其中一个或以上者也可予以控制为一固定值，并由异常诊断控制器20121根据第二参数(直流无刷马达202的转速ω、占空比d、输入电流iin、输入电压vin、直流无刷马达202的温度tm、环境温度te中除了上述被控制为固定值的参数以外的其余参数中的至少一个)是否超出对应于上述第二参数的一参数预设范围而判断直流无刷马达202的转动异常状态。
94.图5是根据本发明的再一实施例显示直流无刷马达驱动电路的电路示意图。本实施例用以驱动无转速传感器的直流无刷马达。因此，本实施例与图3的实施例的不同在于，本实施例的直流无刷马达驱动电路201
”’
的参数侦测元件2013’包括转速估计元件2013f，用以估计直流无刷马达202的转速及直流无刷马达202的转子角度，并将估计所得的直流无刷马达202的转速ωe传送至接口电路2015，且将估计所得的直流无刷马达202的转子角度θe传送至换向与pwm控制电路2014。因本实施例采用无转速传感器的直流无刷马达，故利用转速估计元件2013f取代转速侦测元件2013a。
95.本实施例的功率级电路2011、异常诊断电路2012、马达温度侦测元件2013b、环境温度侦测元件2013c、电流侦测元件2013d、电压侦测元件2013e、换向与pwm控制电路2014、接口电路2015、直流无刷马达202及外部主机203类似于图3的功率级电路2011、异常诊断电路2012、马达温度侦测元件2013b、环境温度侦测元件2013c、电流侦测元件2013d、电压侦测元件2013e、换向与pwm控制电路2014、接口电路2015、直流无刷马达202及外部主机203，故省略其详细叙述。
96.如上所述，本发明的直流无刷马达驱动电路可通过监控占空比、马达转速、马达输入电流、马达输入电压、马达温度或环境温度而诊断出马达的机械故障，且可向外部主机报告马达状态的警告或错误。
97.以上已针对较佳实施例来说明本发明，但以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的最广的权利范围。所说明的各个实施例，并不限于单独应用，也可以组合应用，举例而言，两个或以上的实施例可以组合运用，而一实施例中的部分组成也可用以取代另一实施例中对应的组成部件。此外，在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以想到各种等效变化以及各种组合，举例而言，本发明所称“根据某信号进行处理或运算或产生某输出结果”，不限于根据该信号的本身，也包含于必要时，将该信号进行电压电流转换、电流电压转换、及/或比例转换等，之后根据转换后的信号进行处理或运算产生某输出结果。由此可知，在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以想到各种等效变化以及各种组合，其组合方式甚多，在此不一一列举说明。因此，本发明的范围应涵盖上述及其他所有等效变化。