无刷直流马达的起动方法

专利名称：无刷直流马达的起动方法
技术领域：
本发明涉及一种无刷直流马达的起动方法，尤其涉及一种无须使用霍尔效应侦测器(Hall-effect sensor)的单相(single-phase)无刷直流马达(brushlessDC motor，BLDCM)的起动方法。
背景技术：
一般的单相无刷直流马达目前正被广泛地使用于低起动转矩(lowstarting torque)以及低功率的应用场合中，例如泵浦(pump)、风箱(blower)、以及冷却风扇(cooling fan)等。
单相无刷直流马达必须通过同步于马达转子(rotor)的位置的一电流换向信号以维持正常的运作，在大部分的应用场合中，会在该马达内使用一霍尔效应侦测器用以侦测转子的位置并控制该马达。然而，霍尔效应侦测器本身具有极易受到温度变化影响而影响元件表现的缺点，因此将其应用于马达内也会使得采用该马达的系统在相对于环境变化(特别是温度变化)方面的表现能力不如预期。此外，在马达内使用霍尔效应侦测器还会产生增加马达的尺寸大小以及提高生产成本等问题。因此，传统技术中已提出了许多无须使用霍尔效应侦测器以侦测转子位置的马达结构设计。
本领域的技术人员都了解，单相无刷直流马达在其转矩波形中具有所谓的死点(null-points)存在，其有时会使得马达难以起动。
为了克服这个问题，出现了使用非对称的气隙(air gap)以导入一磁阻转矩分量(reluctance torque component)的解决方法，如图1的几种结构所示。已经有论文证明了图1(a)的锥形气室(tapered air gap)是达到磁阻转矩峰值(cogging torque peak value)的最佳配置结构，采用这种非对称气室的马达便可由此克服其所具有的转矩死点对电机起动的影响。
大部分的上述应用皆需要马达于一预定的方向上转动，但是当系统处于无侦测模式下、甚至是无霍尔效应的模式下时，方向的控制便会变得非常困难，这是由于控制器无法决定转子的初始位置所致。因此，在马达的起动期间，首先便必须解决控制器如何通过适当的起动方法以实现转子按预定的方向转动的问题。

发明内容
本发明的主要目的为提出一种无刷直流马达的起动方法，其无须使用霍尔效应侦测器即可起动一单相无刷直流马达，使其自静止而朝向所需的方向转动。
本发明的构想为提出一种无刷直流马达的起动方法，该起动方法是对含有一非对称气隙的马达绕组输入一电流脉冲，使得马达绕组受激发而于定子产生一磁场，该磁场与转子磁场相互作用，转子开始旋转并经过一特定时间后停止该电流脉冲的激发，则转子会在一磁阻转矩(cogging torque)作用下或是依靠本身的惯性(inertia)而按预期的方向旋转，达到无须使用霍尔效应侦测器(Hall-effect sensor)即可实现马达转子按预定方向转动的目的。
根据本发明的构想，提出一种单相无刷直流马达的起动方法，该无刷直流马达包括一定子、一转子及一非对称气隙，该定子具有一绕组及至少一对通电时极性相反的定子齿(pole)，该转子具有至少一对极性相反的磁极，该起动方法包括如下步骤(a)对该绕组输入一电流脉冲，使得该绕组受激发而于该定子产生一磁场，并进入步骤(b)及步骤(d)其中之一；(b)若该磁场在各定子齿靠近该非对称气隙的部分的极性分别与各定子齿所对应的转子的磁极极性相反时，该电流脉冲驱使该转子朝一第一方向转动，并进入步骤(c)；(c)在一时刻停止输入该电流脉冲，一磁阻转矩(coggingtorque)驱使该转子朝一第二方向转动，并进入步骤(f)；(d)若该磁场在各定子齿靠近该非对称气隙的部分的极性分别与各定子齿所对应的转子的磁极极性相同时，该电流脉冲驱使该转子朝该第二方向转动，并进入步骤(e)；(e)在该时刻停止输入该电流脉冲，一惯性(inertia)驱使该转子朝该第二方向转动，并进入步骤(f)；以及(f)根据该转子转动时在该绕组中产生的一反电动势(back EMF)实施一电机换向(commutating)，使得该转子朝该第二方向继续转动。
根据上述构想，其中该无刷直流马达为一单相无刷直流马达。
根据上述构想，其中该非对称气隙的形状决定该第二方向为顺时针方向或逆时针方向。
根据上述构想，其中该电流脉冲为一正电流脉冲或一负电流脉冲。
根据上述构想，其中该电流脉冲的大小至少大于可使得该转子转动的电流脉冲。
根据上述构想，步骤(b)中该电流脉冲驱使该转子朝该第一方向转动后，该转子将沿着该第一方向及该第二方向于一锐角内摆动，该电流脉冲将维持到该转子不再摆动为止。
根据上述构想，其中该时刻满足步骤(b)中该转子在该时刻的转速为零，而步骤(d)中该转子在该时刻时依然朝该第二方向转动。
根据上述构想，其中该第一方向与该第二方向为相反的两个方向。
根据上述构想，其中该电机换向(commutating)是指换向之后，该无刷直流马达能输出一正电磁功率。


通过下列附图及详细说明，能够更深入地阐明本发明的特征和优点，其中图1是传统技术中具有非对称气隙的单相无刷直流马达的定子与转子的结构剖面图；图2是本发明单相无刷直流马达于静止时转子的可能位置的示意图；图3是本发明马达的状态以及其与磁动势(MMF)的关系的示意图；图4是本发明马达的状态以及其与磁动势(MMF)的关系的示意图；图5是本发明马达的状态的示意图；图6是本发明绕组电流、转子位置以及转子速度的曲线图。
其中，附图标记说明如下A1、A2定子齿N北极 S南极θ静止时定、转子轴线间的夹角Fs定子磁动势向量Fr转子磁动势向量W转子转速
具体实施例方式
如前所述，图1所示的非对称(偏心)气隙能够轻易地克服传统上马达转矩波形的死点现象。当具有非对称气隙的马达静止时，马达的某一特定定子齿A1所对应的永久磁铁磁极为S极(如图2(a)所示的静止位置一)或为N极(如图2(b)所示的静止位置二)。
本发明的起动方法的介绍说明虽然是基于最简单的单相无刷直流马达的结构(图2所示的两个定子齿以及两个转子磁极)，但本方法更适用于具有更多定子齿和转子磁极的电机。
在图2所示的结构中，黑色部分代表转子的N极，而灰色部分代表转子的S极。马达结构的定子齿被分别标示成A1及A2，如图2至图5所示。除此之外，在该结构中，当供应一正电流脉冲至马达绕组时，该电流脉冲将在马达定子内激发一磁场；假设该磁场满足定子齿A1朝向气隙部分的极性为S极、定子齿A2朝向气隙部分的极性为N极。此处分别使用灰色及黑色来分别描绘各齿的极性特征，如图3、图4、图5所示。相反地，当供应一负电流脉波至马达绕组时，定子齿A1与A2的颜色便需彼此交换，而其极性特征也同时交换。
如果控制系统本身具有如霍尔元件般的侦测器，便能够获得转子磁极的极性信息，而根据转子的信息以及所需的转动方向轻易地提供起动策略；但若是系统欲采用非侦测式的控制方式，便无法获得转子磁极在静止时的信息，因此便必须采取其它较特别的方法来使得马达按照预期的方向旋转。在实现马达于正确的方向上转动后，由于在转子转动期间系统能够轻易地得到反电动势(back EMF)的信息，因此采用非侦测式的控制方式的系统便能够根据反电动势的信息成功地进行换向(commutating)。因此，本发明的起动方法的关键在于起动时使用特殊的激发方法使得马达按照预期的方向旋转。
转子的启始位置若是位于如图2(b)所示的位置二，当供应一正电流脉冲至马达绕组时，马达的状态便会如图4(a)所示，转子磁极N与定子齿A1具有相反的极性，此时定子磁动势(Fs)向量与转子磁动势(Fr)向量之间的关系如图4(b)所示。很明显地，电流脉冲会使得转子朝顺时针方向转动，当电流脉冲持续，转子将会转动一θ度的电位角，并且轮流依照顺时针方向、逆时针方向的方式来回摆动之后，最终停止于图5(a)所示的特殊位置，此时定子齿与转子磁极的极性刚好相反，因此转子会受到定子的吸引。
接着，若是控制器将电流在下一时刻突然降至零，磁阻转矩便会使得转子朝逆时针方向转动，如图5(b)所示。图6所示为在此期间之内的转子位置及转子速度，图中的曲线S1为转子位置曲线，其零点位置即为图5(a)所示的状况，而W1则为转子速度曲线。由图6可看出，定子磁动势与转子磁动势一开始彼此之间形成θ度的电位角，当电流脉冲使得转子朝顺时针方向转动时，电位角渐减并变成负值(代表转子绕过了图5(a)所示的特殊位置)，接着转子摆动时，电位角又再度增加，直到t1时刻出现、定子磁动势与转子磁动势的方向彼此重合为止；而时刻t5则为电流脉波降至零的时刻，此时转子相对于定子的转速则为零；当过了时刻t5，磁阻转矩拖动转子使其朝逆时针方向转动后，电位角则又再度增加。
转子的启始位置若是位于如图2(a)所示的位置一，当供应一正电流脉冲至马达绕组时，马达的状态便会如图3(a)所示，转子磁极S与定子齿Al具有相同的极性，此时定子磁动势(Fs)向量与转子磁动势(Fr)向量之间的关系如图3(b)所示。很明显地，电流脉冲会使得转子朝逆时针方向转动。接着，若是控制器将电流在转子转过π-θ电位角附近的某一时刻处突然降至零，转子便会因为本身的惯性(inertia)而保持逆时针转动。图6所示为在此期间之内的转子位置及转子速度，图中的曲线S2为转子位置曲线，其零点位置即为图5(a)所示的状况，而W2则为转子速度曲线。由图6可看出，定子磁动势与转子磁动势一开始彼此形成π-θ度的电位角(图中所示为负值)，而当惯性使得转子朝逆时针方向转动后，电位角便逐渐增大。
于是，不论转子的初始位置为何，在使用此短暂的正电流脉冲激发马达之后，转子便可在两种可能的任一初始位置的情形下皆保持逆时针方向的转动。
同样地，在使用一短暂的负电流脉冲激发马达之后，转子亦可在两种情形下皆保持逆时针方向的转动，不论转子的初始位置为何；其效应与前述使用短暂的正电流脉冲完全相同，但其成因却是相反的。也就是说，此处当转子的初始位置处于位置一时，电流脉冲结束后使得转子朝逆时针方向继续转动的原因是磁阻转矩，而当转子的初始位置处于位置二时，电流脉冲结束后使得转子朝逆时针方向继续转动的原因是转子惯性。
综上所述，不论转子的初始位置为何，这种时间和大小均恰当的电流脉冲皆会使得转子朝向逆时针方向转动，而转子的转动方向仅由非对称气隙的结构所决定；若是定子齿A1下方的右侧的气隙大于左侧的气隙、而定子齿A2下方的左侧的气隙大于右侧的气隙(与图2(a)相异)，则转子便会因该电流脉冲而朝向顺时针方向转动。
在该短暂的电流脉冲成功起动转子并使其以一速度于相同的方向上转动之后，马达中所预设的一控制器便可通过分析马达在速度不为零时所具有的反电动势的信息而实现电机换向(commutating)，使得该无刷直流马达输出一正电磁功率。
本发明控制方法的关键处在于电流脉冲的大小及其作用时间；对于该作用时间来说，当转子的初始位置处于图2(b)的位置二时，该作用时间必须长到足以让转子停止于图5(a)所示的特殊位置；但是另一方面，当转子的初始位置处于图2(a)的位置一时，该作用时间却又不能够长到阻碍转子停止于该特殊位置。此外，对于电流脉冲的大小来说，其必须能够起动转子使其在不同的初始状态下转动，当然，不同的马达结构亦需要不同的电流脉冲来起动。
综上所述，本发明提供一种无刷直流马达的起动方法，该方法是对马达的绕组输入一特定的电流脉冲，并于适当时机停止该脉冲的作用，之后马达转子便可通过磁阻转矩或转子惯性以实现转子按照预期的方向旋转，达到不使用霍尔效应侦测器便能实现马达正常启动的目的。
本发明可由本领域的技术人员进行各种改动与润饰，然而皆为随附的权利要求的保护范围所涵盖。
权利要求
1.一种无刷直流马达的起动方法，该无刷直流马达包括一定子、一转子及一非对称气隙，该定子具有一绕组及至少一对通电时极性相反的定子齿，该转子具有至少一对极性相反的磁极，该起动方法包括如下步骤(a)对该绕组输入一电流脉冲，使该绕组受激发而于该定子产生一磁场，并进入步骤(b)及步骤(d)其中之一；(b)若该磁场在各定子齿靠近该非对称气隙的部分的极性分别与各定子齿所对应的转子的磁极极性相反时，该电流脉冲驱使该转子朝一第一方向转动，并进入步骤(c)；(c)在一时刻停止输入该电流脉冲，一磁阻转矩驱使该转子朝一第二方向转动，并进入步骤(f)；(d)若该磁场在各定子齿靠近该非对称气隙的部分的极性分别与各定子齿所对应的转子的磁极极性相同时，该电流脉冲驱使该转子朝该第二方向转动，并进入步骤(e)；(e)在该时刻停止输入该电流脉冲，一惯性驱使该转子朝该第二方向转动，并进入步骤(f)；以及(f)根据该转子转动时在该绕组中产生的一反电动势实施一电机换向，使该转子朝该第二方向继续转动。
2.如权利要求1所述的起动方法，其中该无刷直流马达为一单相无刷直流马达。
3.如权利要求1所述的起动方法，其中该非对称气隙的形状决定该第二方向为顺时针方向或逆时针方向。
4.如权利要求1所述的起动方法，其中该电流脉冲为一正电流脉冲或一负电流脉冲。
5.如权利要求1所述的起动方法，其中该电流脉冲的大小是至少大于可使得该转子转动的电流脉冲。
6.如权利要求1所述的起动方法，其中步骤(b)中该电流脉冲驱使该转子朝该第一方向转动后，该转子将沿着该第一方向及该第二方向于一锐角内摆动，该电流脉冲将维持到该转子不再摆动为止。
7.如权利要求1所述的起动方法，其中该时刻满足步骤(b)中该转子在该时刻的转速为零，而步骤(d)中该转子在该时刻依然朝该第二方向转动。
8.如权利要求1所述的起动方法，其中该第一方向与该第二方向为相反的两个方向。
9.如权利要求1所述的起动方法，其中该电机换向是指换向之后，该无刷直流马达能输出一正电磁功率。
全文摘要
本发明涉及一种无刷直流马达的起动方法，该起动方法是对含有一非对称气隙的马达的绕组输入一电流脉冲，使得马达的绕组受激发而于定子产生一磁场，该磁场与转子磁场相互作用，转子开始旋转并经过一特定时间后停止该电流脉冲的激发，则转子会在一磁阻转矩(cogging torque)作用下或是依靠本身的惯性(inertia)而按预期的方向旋转，达到无须使用霍尔效应侦测器(Hall－effect sensor)即可实现马达转子按预定方向转动的目的。
文档编号H02P1/18GK1848658SQ20051006570
公开日2006年10月18日 申请日期2005年4月13日 优先权日2005年4月13日
发明者王微子, 吴志敢, 金万兵, 应建平, 吴立建, 黄世民, 黄文喜 申请人:台达电子工业股份有限公司