TW202010236A - 單相無感測器直流無刷馬達之固定旋轉方向啟動方法 - Google Patents

Abstract

本發明利用馬達轉子與定子之間的機構設計所造成的非對稱磁場來感應反電動勢信號（BEMF），揭露一種單相無感測器直流無刷馬達之固定旋轉方向啟動方法，包含：通電啟動馬達控制電路；確認馬達在激磁啟動前是否已處於旋轉狀態?否則，執行一靜態啟動程序；決定馬達的旋轉方向；馬達旋轉方向是否符合預定方向；若是，執行一正規驅動程序；否則，執行一靜態啟動程序。該靜態啟動程序在釋放馬達殘存能量後，透過執行第一相激磁、停止激磁、執行強力第二相激磁等步驟，達到靜態啟動的目的。本發明更在該正規激磁驅動程序中每隔固定週期，取出第一相或第二相檢測反電動勢信號斜率，可得知馬達旋轉方向。

Description

單相無感測器直流無刷馬達之固定旋轉方向啟動方法

本發明係有關一種單相無感測器直流無刷馬達之固定旋轉方向啟動方法。

一般直流無刷馬達驅動可使用如霍爾效應或光學感測器等的位置感測裝置來檢測其轉子(Rotor)的瞬時位置進而控制電子開關執行換向功能。但是，使用位置感測器會增加成本和降低系統可靠度。因此，近年來各方已經投入了大量努力來去除無刷馬達驅動中使用位置感測器的狀況。

其中，反電動勢（Back electromotive force，BEMF）信號是最常被應用於無感測器馬達技術中，由於BEMF會根據轉子的位置和旋轉速度而變化，因此BEMF信號常用來確定轉子的實際位置。然而，無感測器技術多用於三相直流無刷馬達驅動，主要原因在於，三相驅動馬達在同一時間僅兩點導通，另一點可做為BEMF信號量測。一旦馬達開始旋轉，便可透過定子(stator)繞線組(winding)上的感應BEMF檢測到轉子位置。通過處理這些BEMF信號除了可以確定轉子的實際位置，還可以控制相應的定子繞組線圈的激磁電流(excitation current)的切換，定子磁極可以被有效地換相。另一方面，由於目前業界並無針對單相直流無刷馬達提出有效的BEMF信號量測手段，因此也沒有適當的無感測器技術方案來解決上述使用位置感測器衍生的相關問題。

本發明利用馬達轉子與定子之間的機構設計所造成的非平衡(非對稱)磁場來感應反電動勢信號（BEMF），提出一種單相無感測器直流無刷馬達之固定旋轉方向啟動方法，以解決習知技術中無感測器單相直流無刷馬達啟動無法確定朝固定方向旋轉的問題。

本發明之實施例揭露一種單相無感測器直流無刷馬達之固定旋轉方向啟動方法，包含下列步驟：

步驟S101：通電啟動馬達控制電路；

步驟S102：確認馬達在激磁啟動前是否已處於旋轉狀態?若是，則執行步驟S103；否則，執行一靜態啟動程序；

步驟S103：判定馬達的旋轉方向；

步驟S104：馬達旋轉方向是否符合預定方向；若是，執行一正規驅動程序；否則，執行一靜態啟動程序。

在一較佳實施例中，該靜態啟動程序更包含下列步驟：

步驟S110：釋放馬達殘存能量；步驟S111：確認馬達已無殘存能量；若是，則執行步驟S112；否則，返回執行步驟S110；步驟S112：執行第一相激磁，並校正轉子；步驟S113：停止激磁；步驟S114：執行強力第二相激磁；步驟S115：確認是否預期換相情況出現；若是，則執行該正規驅動程序；否則，執行步驟S116；步驟S116：確認是否超過預定等待時間；若是，則返回執行步驟S110；否則，返回執行步驟S115。

在一較佳實施例中，該正規驅動程序更包含下列步驟：

步驟S120：等待換相；

步驟S121：執行第一相激磁；

步驟S122：等待換相；

步驟S123：執行第二相激磁。

在一較佳實施例中，一種單相無感測器直流無刷馬達之固定旋轉方向啟動方法更可包含：在正規激磁驅動程序中每隔固定週期取出第一相(PH1)或第二相(PH2) 激磁下的反電動勢信號，檢測該反電動勢信號的斜率，以得知馬達旋轉方向。

綜上，本發明所揭露之一種單相無感測器直流無刷馬達之固定旋轉方向啟動方法，利用馬達轉子與定子之間的機構設計所造成的非對稱磁場來感應反電動勢信號，以解決習知技術中無感測器單相直流無刷馬達啟動無法確定朝固定方向旋轉的問題。

以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實例加以施行或應用，本發明說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。

須知，本說明書所附圖式繪示之結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技藝之人士瞭解與閱讀，並非用以限定本發明可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所能產生之功效及所能達成之目的下，均應落在本發明所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。

第1圖為本發明所適用之單相直流無刷馬達結構與其等效電路的示意圖。如第1圖所示，一單相直流無刷馬達結構主要包含：一定子110與一由永久性磁鐵組(permanent magnets)所構成的轉子120；該轉子、定子可為二極、四極或六極...等架構。圖中所示為二極與四極的架構。該單相直流無刷馬達並包含兩個馬達端子A、B，第1圖所示之V_A 、V_B 分別代表馬達端子A、B的電壓值。其等效電路則以一電阻R、一電感L、以及一電壓源V_EMF 表示，換言之，V_AB =Ldi/dt + iR + V_EMF ；其中，電壓源V_EMF 為所感應的反電動勢。

值得注意的是，如第1圖所示，該馬達的轉子與定子之間的機構設計會造成的非平衡(非對稱)磁場，本發明係利用該非對稱磁場來感應反電動勢信號，藉以判斷該馬達是否處於旋轉狀態，以及其旋轉方向。

第2圖為本發明之單相直流無刷馬達與控制電路的示意圖。如第2圖所示，該單相直流無刷馬達的控制電路包含一第一開關S1、一第二開關S2、一第三開關S3、一第四開關S4、以及一控制器200；其中，該第一開關S1與第二開關S2串接，該第三開關S3與第四開關S4串接，且其串接點分別與該單相直流無刷馬達的兩個端子(A、B)電性連接；該控制器由提供一第一開關控制訊號、一第二開關控制訊號、一第三開關控制訊號、以及一第四開關控制訊號分別控制該第一開關S1、第二開關S2、第三開關S3、第四開關S4，並且分別提供兩個激磁電壓V_A 、V_B 至該單相直流無刷馬達的兩個端子A、B。

值的說明的事，在第2圖中另外定義一第一相PH1、與一第二相PH2；其中，第一相與第二相分別意指該單相直流無刷馬達的兩個端子A、B之間所存在的電壓差的兩種組態，亦即，V_A ＞V_B 、以及V_A ＜V_B 。為方便解說，以下說明將第一相定義為V_A ＞V_B 、且將第二相定義為V_A ＜V_B 。然而，在其他實施例中，也可以將第一相定義為V_A ＜V_B 、且將第二相定義為V_A ＞V_B 。當V_A =V_B 時，則代表換相。

基於上述之控制電路，本發明提供一種單相無感測器直流無刷馬達之固定旋轉方向啟動方法。第3圖所示為本發明之一種單相無感測器直流無刷馬達之固定旋轉方向啟動方法，包含下列步驟：

步驟S101：通電啟動馬達控制電路；

步驟S102：確認馬達在激磁啟動前是否已處於旋轉狀態?若是，則執行步驟S103；否則，執行一靜態啟動程序；

步驟S103：決定馬達的旋轉方向；

步驟S104：馬達旋轉方向是否符合預定方向；若是，執行一正規驅動程序；否則，執行一靜態啟動程序。

值的說明的是，該單相無感測器直流無刷馬達可能在正式啟動(通電激磁)程序之前已處於一種旋轉的狀態，例如，在迴風環境中處於逆轉狀態、或者因為具有殘存動能而處於順轉狀態、或者在順風環境處於順轉狀態；因此，本發明之方法必須在啟動該控制電路後，偵測該單相無感測器直流無刷馬達是否已處於旋轉狀態(步驟S102)。

在具體實施的方式上，可藉由量測感應反電動勢(V_A 與V_B 的端電壓差)是否大於一預設門檻值。若V_A 與V_B 的端電壓差大於該預設門檻值，則判斷該馬達係處於旋轉狀態，則執行步驟S103，判定該馬達的旋轉方向；否則，表示該馬達係處於靜止狀態，因此執行一靜態啟動程序。

在步驟S103中，決定該馬達的旋轉方向的具體實施的方式上，可藉由計算反電動勢信號的斜率(Slope)來判斷該馬達的旋轉方向。如第4圖所示之反電動勢信號波形，當左端峰值低於右端峰值時，反電動勢信號斜率為正，代表其旋轉方向為順時針方向；反之，當左端峰值高於右端峰值時，反電動勢信號斜率為負，代表其旋轉方向為逆時針方向。

在步驟S104中，當該馬達旋轉方向符合預定方向時，可藉由繼續執行執行一正規驅動程序持續趨動該馬達旋轉；否則，則藉由執行該靜態啟動程序來調整。

參閱第5圖與第6圖，第5圖所示為本發明之單相無感測器直流無刷馬達之固定旋轉方向啟動方法中的靜態啟動程序之示意圖，第6圖所示為本發明之單相無感測器直流無刷馬達之固定旋轉方向啟動方法中靜態啟動馬達端子的控制波形示意圖。

承前所述，該靜態啟動程序更包含下列步驟：

步驟S110：釋放馬達殘存能量；

步驟S111：確認馬達已無殘存能量；若是，則執行步驟S112；否則，返回執行步驟S110；

步驟S112：執行第一相激磁，並校正轉子；

步驟S113：停止激磁；

步驟S114：執行強力第二相激磁；

步驟S115：確認是否預期換相情況出現；若是，則執行該正規驅動程序；否則，執行步驟S116；

步驟S116：確認是否超過預定等待時間；若是，則返回執行步驟S110；否則，返回執行步驟S115。

值得說明的是，步驟S110及步驟S111之目的係將該馬達中的殘存能量完全釋放，包括動能、磁能、及電能；例如，前述之在迴風環境中處於逆轉狀態、或者因為具有殘存動能而處於順轉狀態。因此，無論是由步驟102進來(該馬達是處在靜止狀態)還是由步驟S104進來(該馬達的轉向不符合預定方向)，經過步驟S110及步驟S111後，該馬達不再有殘存能量。其中，檢測該馬達中的殘存能量完全釋放的具體方式，可藉由偵測端電壓是否V_A =V_B =0來實現。由此，本發明之方法正式進入將該馬達由近似靜止的狀態下啟動的程序。

首先，在步驟S112中執行第一相(PH1)激磁(excitation)，並校正轉子(亦即，將轉子與定子之磁極對正)；其中激磁係定義為由前述之控制器提供一激磁電壓至該單相直流無刷馬達的端子。因此，在本實施例中，第一相激磁意指該控制器提供一激磁電壓至該馬達的A端子，而第二相激磁意指該控制器提供一激磁電壓至該馬達的B端子。值得注意的是，該控制器提供的該激磁電壓係以較緩和的坡度緩升與緩降，且電壓也較小，例如，約為電壓源Vcc的四分之一，主要是為了避免馬達振盪抖動、殘存慣性動能，進而影響非對稱磁場的運作。接著，在步驟S113中停止激磁，讓非對稱機構設計所造成的非平衡磁場導致轉子慣性偏轉發揮作用。然後，在步驟S114中執行強力第二相激磁；在此，強力係指該控制器提供一較高電壓的激磁電壓至該馬達的B端子(第二相)，例如，約為電壓源Vcc的二分之一。換言之，此一強力換相激磁的結果將造成轉子力矩增大，提供足夠反電動勢。

步驟S115係確認該馬達是否預期換相情況出現；若是，代表該馬達已經順利依照預設方向啟動旋轉，因此本發明的方法則進入正規驅動狀態，執行正規驅動程序；否則，執行步驟S116，確認是否超過預定等待時間；若是，則返回執行步驟S110，重新執行整個靜態啟動程序，再重新將該馬達的殘存能量完全釋放；否則，返回執行步驟S115，確認該馬達是否預期換相情況出現。

承前所述，該正規驅動程序更包含下列步驟：

步驟S120：等待換相；

步驟S121：執行第一相激磁；

步驟S122：等待換相；

步驟S123：執行第二相激磁。

值得說明的是，步驟S120及步驟S122中之等待換相的具體實施方式可透過偵測端電壓V_A -V_B 是否為 0來實現。而步驟S121及步驟S123中之執行第一相激磁與執行第二相激磁係指分別依序輪流由該控制器提供一激磁電壓至該馬達的兩個端子A、B；而步驟S120-S123則形成一循環，而構成該馬達的正規驅動程序。特別說明的是，在上述靜態啟動程序的步驟S115中若該馬達出現預期換相情況，則進入正規驅動程序中的步驟S121；換言之，進入輪流換相激磁的循環。

參考第7圖，第7圖所示為本發明之單相無感測器直流無刷馬達之固定旋轉方向啟動方法中正規驅動馬達端子的控制波形示意圖。如第6圖所示，步驟S120-S123形成一循環，而步驟S120及步驟S122中之等待換相的具體實施方式可透過偵測端電壓V_A -V_B = 0來實現。再者，由該控制器提供的激磁電壓至該馬達兩個端子A、B的電壓值相當，如步驟S121及步驟S123所示。

本發明之一種單相無感測器直流無刷馬達之固定旋轉方向啟動方法更可包含：在正規激磁驅動程序中每隔固定週期取出第一相(PH1)或第二相(PH2) 激磁下的反電動勢信號，檢測該反電動勢信號的斜率，以得知馬達旋轉方向，因為非對稱磁場產生反電動勢信號斜率不同。換言之，可在步驟S120或步驟S122後，執行步驟S103透過檢測該反電動勢信號的斜率，得知馬達旋轉方向，然後再依序執行步驟S104等，以此類推。

綜而言之，本發明利用馬達轉子與定子之間的機構設計所造成的非對稱磁場來感應反電動勢信號，揭露一種單相無感測器直流無刷馬達之固定旋轉方向啟動方法，包含：通電啟動馬達控制電路；確認馬達在激磁啟動前是否已處於旋轉狀態?否則，執行一靜態啟動程序；決定馬達的旋轉方向；馬達旋轉方向是否符合預定方向；若是，執行一正規驅動程序；否則，執行一靜態啟動程序。該靜態啟動程序在釋放馬達殘存能量後，透過執行第一相激磁、停止激磁、執行強力第二相激磁等步驟，達到靜態啟動的目的。本發明更在該正規激磁驅動程序中每隔固定週期，取出第一相或第二相檢測反電動勢信號斜率，可得知馬達旋轉方向。

然而，上述實施例僅例示性說明本發明之功效，而非用於限制本發明，任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與改變。此外，在上述該些實施例中之元件的數量僅為例示性說明，亦非用於限制本發明。因此本發明之權利保護範圍，應如以下之申請專利範圍所列。

110‧‧‧定子120‧‧‧轉子A、B‧‧‧馬達端子200‧‧‧控制器S1、S2、S3、S4‧‧‧開關S101-S104、S110-S116、S120-S123‧‧‧步驟

第1圖為本發明所適用之單相直流無刷馬達結構與其等效電路的示意圖；

第2圖為本發明之單相直流無刷馬達與控制電路的示意圖；

第3圖為本發明之一種單相無感測器直流無刷馬達之固定旋轉方向啟動方法的流程圖；

第4圖所示之本發明之單相無感測器直流無刷馬達之固定旋轉方向啟動方法中反電動勢信號波形的斜率；

第5圖所示為本發明之單相無感測器直流無刷馬達之固定旋轉方向啟動方法中的靜態啟動程序之示意圖；

第6圖所示為本發明之單相無感測器直流無刷馬達之固定旋轉方向啟動方法中靜態啟動馬達端子的控制波形示意圖；以及

第7圖所示為本發明之單相無感測器直流無刷馬達之固定旋轉方向啟動方法中正規驅動馬達端子的控制波形示意圖。

S101-S104、S110-S116、S120-S123‧‧‧步驟

Claims (13)

1. 一種單相無感測器直流無刷馬達之固定旋轉方向啟動方法，包含下列步驟： 步驟S101：通電啟動馬達控制電路； 步驟S102：確認馬達在激磁啟動前是否已處於旋轉狀態?若是，則執行步驟S103；否則，執行一靜態啟動程序； 步驟S103：決定馬達的旋轉方向； 步驟S104：馬達旋轉方向是否符合預定方向；若是，執行一正規驅動程序；否則，執行一靜態啟動程序。
2. 如申請專利範圍第 1 項所述之單相無感測器直流無刷馬達之固定旋轉方向啟動方法，其中，在步驟S102中，確認馬達在激磁啟動前是否已處於旋轉狀態係藉由量測感應反電動勢(亦即，馬達兩端子的端電壓差)是否大於一預設門檻值；若該馬達兩端子的端電壓差大於該預設門檻值，則判斷該馬達係處於旋轉狀態。
3. 如申請專利範圍第 1 項所述之單相無感測器直流無刷馬達之固定旋轉方向啟動方法，其中，在步驟S103中，決定該馬達的旋轉方向可藉由計算反電動勢信號的斜率來判斷該馬達的旋轉方向。
4. 如申請專利範圍第 3 項所述之單相無感測器直流無刷馬達之固定旋轉方向啟動方法，其中，根據該反電動勢信號的波形，當左端峰值低於右端峰值時，反電動勢信號斜率為正，代表其旋轉方向為順時針方向；反之，當左端峰值高於右端峰值時，反電動勢信號斜率為負，代表其旋轉方向為逆時針方向。
5. 如申請專利範圍第 3 項所述之單相無感測器直流無刷馬達之固定旋轉方向啟動方法，其中，該靜態啟動程序更包含下列步驟： 步驟S110：釋放馬達殘存能量； 步驟S111：確認馬達已無殘存能量；若是，則執行步驟S112；否則，返回執行步驟S110； 步驟S112：執行第一相激磁，並校正轉子； 步驟S113：停止激磁； 步驟S114：執行強力第二相激磁； 步驟S115：確認是否預期換相情況出現；若是，則執行該正規驅動程序；否則，執行步驟S116； 步驟S116：確認是否超過預定等待時間；若是，則返回執行步驟S110；否則，返回執行步驟S115。
6. 如申請專利範圍第 5 項所述之單相無感測器直流無刷馬達之固定旋轉方向啟動方法，其中，當校正轉子時，係使用緩升與緩降激磁電壓，解決單相無感測器直流無刷馬達啟動振盪抖動之問題。
7. 如申請專利範圍第 5 項所述之單相無感測器直流無刷馬達之固定旋轉方向啟動方法，其中，在步驟S114中，強力第二相激磁係指該控制器在第二相激磁中提供一高於在第一相激磁電壓的激磁電壓至該馬達端子。
8. 如申請專利範圍第 5 項所述之單相無感測器直流無刷馬達之固定旋轉方向啟動方法，其中，在步驟S115中，確認是否換相係透過偵測馬達兩端子的端電壓差是否為 0來實現。
9. 如申請專利範圍第 1　項所述之單相無感測器直流無刷馬達之固定旋轉方向啟動方法，其中，該正規驅動程序更包含下列步驟： 步驟S120：等待換相； 步驟S121：執行第一相激磁； 步驟S122：等待換相； 步驟S123：執行第二相激磁。
10. 如申請專利範圍第 9項所述之單相無感測器直流無刷馬達之固定旋轉方向啟動方法，其中，在步驟S121與步驟S123中，該控制器在第一相激磁與第二相激磁中提供相同大小且方向相反的激磁電壓至該馬達端子。
11. 如申請專利範圍第9項所述之單相無感測器直流無刷馬達之固定旋轉方向啟動方法，其中，在步驟S120　與步驟S122中，等待換相係透過偵測馬達兩端子的端電壓差是否為 0來實現。
12. 如申請專利範圍第 9項所述之單相無感測器直流無刷馬達之固定旋轉方向啟動方法，其中，而步驟S120-S123則形成一循環。
13. 如申請專利範圍第 1 項所述之單相無感測器直流無刷馬達之固定旋轉方向啟動方法，可包含：在正規激磁驅動程序中每隔固定週期取出第一相或第二相激磁下的反電動勢信號，檢測該反電動勢信號的斜率，以得知馬達旋轉方向。

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