专利名称：马达控制装置及其方法
技术领域：
本发明涉及一种马达控制装置及其方法，尤其是关于一种直流马达控制器，其可以多段不同频率的脉宽调制信号来控制马达速度。
目前所使用的直流马达控制器控速方式均以固定的频率，经由改变波宽比(duty cycle)的“ON”和“OFF”的比例来控制马达转速，ON的百分比愈大，马达转速愈快，如
图1A所示；相反的，ON的百分比愈小则马达转速愈慢，如图1B所示，此即为所谓的脉宽调制(pulse width modulation，PWM)控制。然而，因为脉宽调制信号的频率固定，如果使用频率偏低，如图2A所示，在低速度时将产生极大的马达磁性开关的噪音和振动，因人类的听觉频率范围为20Hz-20kHz，而在10kHz以下很容易听出噪音。如果脉宽调制信号的频率为较高的固定频率时，如图2B所示，马达效率将变差；再者，因马达具有绕线以产生电感，而电感抗为2πfL，频率愈高则电感抗愈大而输出扭力愈小，并且控制器的电子元件也很容易发热，因而消耗许多能量。
针对习知技术的缺陷，发明人经过悉心试验与研究，创作出本发明“马达控制装置及其方法”。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种马达控制装置及其方法，其于脉宽调制(pulse width modulation，PWM)波宽比(duty cycle)为0-100％的“ON”动作中，以两段或两段以上的不同波宽频率来控制直流马达的速度。
本发明的另一目的在于提供一种多频式脉宽调制(Pulse widthmodulation，PWM)直流马达控制器，以改变传统的固定频率PWM控制方式以及改善习知噪音过大和效率变差的缺陷。
实现本发明的技术方案如下一种马达控制装置，其包括一侦测器，电连接于该马达，且因应该马达所输出的一回馈信号而产生一第一侦测信号；以及一控制器，电连接于该侦测器和该马达，其用于接收该第一侦测信号，当该马达以低转速运转时，该控制器根据该第一侦测信号而产生一具有第一频率的第一控制信号并输出至该马达，当该马达以高转速运转时，该控制器产生一具有第二频率的第二控制信号并输出至该马达，其中该第一控制信号的第一频率大于该第二控制信号的第二频率。
较佳的，该马达为一直流马达，而该侦测器可为一电流侦测器，用以侦测流经该马达的电流而产生该第一侦测信号。此外，马达控制装置更包括一转速侦测器，电连接于该马达与该控制器，并因应该马达的实际转速而产生一第二侦测信号及输出该第二侦测信号至该控制器。
或者，该侦测器为一转速侦测器，其因应该马达的实际转速而产生该第一侦测信号及输出该第一侦测信号至该控制器。
此外，该控制器为一脉宽调制(pulse width modulation，PWM)信号控制电路，其中该脉宽调制信号控制电路包括复数个及闸(AND gate)，以控制该第一控制信号或该第二控制信号的输出。而该第一控制信号和该第二控制信号分别为一脉宽调制(pulse width modulation，PWM)信号。
较佳的，该第一控制信号的第一频率为10kHz以上。
一种马达转速控制方法，其包括因应该马达所输出的一回馈信号而产生一第一侦测信号；以及藉由一控制器来接收该第一侦测信号，当该马达以低转速运转时，该控制器根据该第一侦测信号而产生一具有第一频率的第一控制信号并输出至该马达，当该马达以高转速运转时，该控制器产生一具有第二频率的第二控制信号并输出至该马达，其中该第一控制信号的第一频率大于该第二控制信号的第二频率。
上述马达转速控制方法中，该马达为一直流马达；该控制器为一脉宽调制(pulse width modulation，PWM)信号控制电路，其中该脉宽调制信号控制电路包括复数个及闸(AND gate)，以控制该第一控制信号或该第二控制信号的输出；而该第一控制信号和该第二控制信号分别为一脉宽调制(Pulsewidthmodulation，PWM)信号，其中该第一控制信号的第一频率为10kHz以上。
本发明的多频式脉宽调制直流马达控制除了具有一般脉宽调制的功能外，频率也随不同的使用状况而改变，使直流马达输出达到高扭力、高效率和低噪音的最佳状况，进而达到节省能源的目的。
图6A和图6B分别为图5的电路图中提供PWM1和PWM2信号的详细电路图。
以上附图的主要构件如下51大电流负载区 511马达52电流侦测器 53PWM信号控制电路531，532，533，534及闸在本发明的一较佳实施例中，本发明用于控制直流马达转速的马达控制装置包括一电流侦测器，其电连接于该马达且因应流经该马达的电流大小而产生一第一侦测信号；以及一控制器，其电连接于该电流侦测器和该马达而用于接收该第一侦测信号，当该马达以低转速运转时，该控制元件根据该第一侦测信号而产生一具有第一频率的第一控制信号并输出至该马达，当该马达以高转速运转时，该控制元件产生一具有第二频率的第二控制信号并输出至该马达，其中该第一控制信号的第一频率高于该第二控制信号的第二频率。
至于本发明的控制原理，请参阅图3。当马达高速运转时，除了使电流变大及增加波宽比(duty cycle)的ON的百分比之外，亦使PWM的频率降低，使马达能有效输出较大的扭力，电子元件在高速大电流下则不至于产生高温；相反的，当马达低速运转时，使电流变小及波宽比(duty cycle)的ON的百分比变小之外，提高PWM的频率至10kHZ以上，使人耳听不到噪音。
为能充分说明和了解本发明的特徵，请参阅图4，其为本发明的马达转速控制方法的较佳实施例方块图。首先，分别提供两个直流电压24V和12V，前者提供给大电流负载控制使用，后者则提供给小信号控制使用，如果所提供的是交流电压220V和110V，则需经过一电源处理，将其分别转换成直流电压180V和90V以分别供大电流负载和小信号控制使用。所谓大电流负载是指马达的负载，而小信号控制是指PWM信号的控制。或者，亦可直接提供直流电压24V和12V而不需经过电源处理，将直流电压24V提供给马达转动所使用，直流电压12V则为提供给PWM信号控制电路的基准电压。在侦测流经马达的电流大小后提供一侦测信号给PWM信号控制电路53，以控制及输出不同频率的PWM信号，进而控制马达的转速。
另外，请参阅图5，其为本发明的马达转速控制装置的一较佳实施例电路图。利用电流侦测器52侦测流经大电流负载区51中马达511的电流大小后提供一侦测信号给该PWM信号控制电路53，藉由该PWM信号控制电路53中的复数个及闸531，532，533，534来决定输出不同频率的PWM信号。因此，本发明控制马达转速的方法，除了可改变电流及波宽比(duty cycle)的ON百分比之外，亦可改变PWM信号的频率。在此实施例的电路图中，为简化说明起见，以两个不同频率的PWM信号PWM1，PWM2为例，而图6A和图6B分别为提供PWM1和PWM2信号的详细电路图。
当然，根据本发明的构想，并不限于上述的两段频率控制，亦可应用于多段频率控制，而本发明的多段频率控制除了上述利用侦测流经马达的电流提供一回馈侦测信号之外，亦可藉由侦测马达实际转速来提供侦测信号，或者是同时侦测电流及实际转速。本发明的多频式脉宽调制直流马达控制除了具有一般脉宽调制的功能外，频率也随不同的使用状况而改变，使直流马达输出达到高扭力、高效率和低噪音的最佳状况，进而达到节省能源的目的。
因此，本发明得由熟悉本技艺的人士任施各种修饰，但其皆应在本发明权利要求保护的范围之内。
权利要求
1.一种马达控制装置，用以控制马达的转速，其特征在于该马达控制装置包括一侦测器，电连接于该马达，且因应该马达所输出的一回馈信号而产生一第一侦测信号；以及一控制器，电连接于该侦测器和该马达，其用于接收该第一侦测信号，当该马达以低转速运转时，该控制器根据该第一侦测信号而产生一具有第一频率的第一控制信号并输出至该马达，当该马达以高转速运转时，该控制器产生一具有第二频率的第二控制信号并输出至该马达，其中该第一控制信号的第一频率大于该第二控制信号的第二频率。
2.如权利要求1所述的马达控制装置，其特征在于其中该马达为一直流马达。
3.如权利要求1所述的马达控制装置，其特征在于其中该侦测器为一电流侦测器，用以侦测流经该马达的电流大小而产生该第一侦测信号。
4.如权利要求3所述的马达控制装置，其特征在于其更包括一转速侦测器，电连接于该马达与该控制器，并因应该马达的实际转速而产生一第二侦测信号及输出该第二侦测信号至该控制器。
5.如权利要求1所述的马达控制装置，其特征在于其中该侦测器为一转速侦测器，其因应该马达的实际转速而产生该第一侦测信号及输出该第一侦测信号至该控制器。
6.如权利要求1所述的马达控制装置，其特征在于其中该控制器为一脉宽调制(pulse width modulation，PWM)信号控制电路。
7.如权利要求6所述的马达控制装置，其特征在于其中该脉宽调制信号控制电路包括复数个及闸(AND gate)，以控制该第一控制信号或该第二控制信号的输出。
8.如权利要求6所述的马达控制装置，其特征在于其中该第一控制信号和该第二控制信号分别为一脉宽调制(Pulse width modulation，PWM)信号。
9.如权利要求1所述的马达控制装置，其特征在于其中该第一控制信号的第一频率为10kHz以上。
10.一种马达控制方法，用以控制马达的转速，其特征在于该马达控制方法包括因应该马达所输出的一回馈信号而产生一第一侦测信号；以及藉由一控制器来接收该第一侦测信号，当该马达以低转速运转时，该控制器根据该第一侦测信号而产生一具有第一频率的第一控制信号并输出至该马达，当该马达以高转速运转时，该控制器产生一具有第二频率的第二控制信号并输出至该马达，其中该第一控制信号的第一频率大于该第二控制信号的第二频率。
11.如权利要求10所述的马达控制方法，其特征在于其中该马达为一直流马达。
12.如权利要求10所述的马达控制方法，其特征在于其中该控制器为一脉宽调制(pulse width modulation，PWM)信号控制电路。
13.如权利要求12所述的马达控制方法，其特征在于其中该脉宽调制信号控制电路包括复数个及闸(AND gate)，以控制该第一控制信号或该第二控制信号的输出。
14.如权利要求12所述的马达控制方法，其特征在于其中该第一控制信号和该第二控制信号分别为一脉宽调制(Pulse width modulation，PWM)信号。
15.如权利要求10所述的马达控制方法，其特征在于其中该第一控制信号的第一频率为10kHz以上。
全文摘要
本发明提供一种多频式脉宽调制(pulse widthmodulation,PWM)直流马达转速控制装置及其方法,以改变传统的固定频率PWM控制方式以及改善习知噪音过大和效率变差的缺陷。该马达控制装置包括一侦测器,电连接于该马达,且因应该马达所输出的一回馈信号而产生一第一侦测信号；以及一控制器,电连接于该侦测器和该马达,其用于接收该第一侦测信号,当该马达以低转速运转时,该控制器根据该第一侦测信号而产生一具有第一频率的第一控制信号并输出至该马达,当该马达以高转速运转时,该控制器产生一具有第二频率的第二控制信号并输出至该马达,其中该第一控制信号的第一频率大于该第二控制信号的第二频率。
文档编号H02P5/00GK1423409SQ0114021
公开日2003年6月11日 申请日期2001年12月5日 优先权日2001年12月5日
发明者陈李龙, 林盟智 申请人:台达电子工业股份有限公司