TW591884B - Commutation detection device of non-sensor brushless DC motor and its method - Google Patents

Description

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五、發明說明（1) 一、【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種三相益別* — x D 相無刷直流馬達（Three-Phase

Brushless DC Motors )換相松珠丨 t 认 _ ^ A ^ ^ ? 換相彳工制訊號的偵測，特別是關 ^ ^ . . ^ ^ ^ t ”頦比積體電路技術之無感測無刷 直馬達的換相偵測裝置及其方法。 二、【先前技術】

、三相無刷直流（BLDC )馬達係藉由霍爾感測元件回授 馬$轉子位置，所以僅能藉由霍爾感測元件的回授訊號， 估算馬達的轉速，以進行速度控制；然而，在特定的場合 下，感測元件不容易安裝，或是週遭環境的溫度會造成感 測元件的可靠性降低，遂發展出另一種無感測器三相無刷 直流馬達。 無感測為B L D C馬達之電流換相控制電路係使用反抗電 動勢（Back Electromotive Force)，其係形成於一定子 線圈之未激發相位中，以取代霍爾感測訊號；特別是在感 測到反抗電動勢與中性點相交，以及使用零交越點來偵測 出馬達轉子的區間位置，且零交越點之相位只要延遲3 〇度 即為B L D C馬達之換相訊號。

由於無刷直〉’II»馬達應用產業中之發展相當受到重視， 遂有許多相關之技術已申請在先，例如我國專利公告第 423206號之無感測器之三相無刷式DC馬達驅動電路、專利 公告第4 2 3 2 0 5號之無感測器馬達驅動器以及專利公告第 4 6 6 8 2 2號之無感測器之三相無刷直流馬達的整流電路等專

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五、發明說明（2) 利前案；其中僅有公告第46 6822號之專利前案係提出有關 無感測換相控制技術，但其方式必須取得馬達的=相定子 線圈電壓及中性點電壓，就一般馬達結構設計而言，^達 的中性點電壓並非馬達本體標準的輸入輸出介面=故:訊 ，並不容易直接取得，通常都得經過訊號處理的過程及估 异的間接方式來達成，因此若要採用該專利前案來設計無 刷直流馬達控制系統，必要的前提條件是中性點電壓已^ 可以取得，適用範圍當狹窄。 、 〜=此，本發明係在結合無感測控制與類比積體電路技

術’提出一種無感測無刷直流馬達的換相偵測裝置及其方 法、，將反抗電動勢估測法具體實現而廣泛應用在無刷直流 馬達控制系統中，以有效解決存在於先前技術中之缺失 者0 【發明内容】 二 本t明之主要目的係在提供一種無感測無刷直流馬 的赞ΐ偵測裝置及其方法，其係偵測未激發相反抗電動 赴^交越點，產生零交越訊號，得到馬達真正的換相時

相ί决無感測換相控制之問題，且估算出來的未激 ^ t ^動勢不僅可產生換相控制訊號，亦可使用在 刷直流馬達之轉速估測。 本發"明之另一曰 y 的拖知伯、a丨# 一目的係在提供一種無感測無刷直流馬 的換相偵測裝置及i ^ w ^ 夂八方法，其係可直接回授馬達端三相 丁 4 Μ汛號，經類卜 貝戒唬處理，以得到數位化的零交趣

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號，無須使用類比/數位轉換器。 本發明之再一目的係在提供一種簡單、有效、積體化 的無感測無刷直流馬達的換相偵測裝置及其方法，以獲得 無刷直流馬達的換相訊號。 本舍明之又一目的係在提供一種無感測無刷直流馬達 的換相偵測裝置及其方法，其係毋需如第4 6 6 8 2 2號之專利 前^需要中性點電壓的直接輸入，即可透過三相定子電壓 估异馬達的換相時間，故本發明具有較廣之適用範圍。 本發⑥明之又一目的係在提供一種無感測無刷直流馬達 的換相偵測裝置及其方法，其係採用餘值放大器的設計， 以同日卞元成訊號相加減及倍數的工作，可有效地降低晶片 面積。 本發明之一實施態樣係為一種無感測無刷直流馬達的 換相摘測裝置，此換相偵測裝置係包括一多工器，選擇一 無刷直流馬達定子線圈中之未激發相定子訊號；再利用一 ^值放大器放大、縮小並計算該三相定子訊號，再與未激 發相定子訊號相減，以得到一未激發相的反抗電動勢；以 ^ 一零交越偵測器，用以偵測該未激發相反抗電動勢之零 ，越點，並輸出一零交越訊號，根據此零交越訊號即可^ 得一換相訊號。 又 本發明之另一實施態樣係為一種無感測無刷直流馬達 的換相偵測方法，其係先選擇一馬達定子線圈之三^丄子 未激發相定子訊號；再利用此三相定子；號：未 激餐相疋子訊號經過類比式計算，以得到一未激發相反抗

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五、發明說明（4) 電動勢；並偵測未激發相反抗電動勢之零交越點，進而產 生一零交越訊號；最後將此零交越訊號延遲3 〇度之相位， 即可得到一換相訊號。 ’ 底下It由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，合更 容易瞭解本發明之目的、技術内容、特點及其所達成I功 效0 四、【實施方式】 由於馬達控制晶片與伺服器控制軟體為馬達控制系統 未來的發展趨勢，而本發明係在設計一種簡單、有效、積 體化的換相偵測裝置與方法，以獲得無刷直流馬達的換相 訊號。 、 第一圖為本發明之換相偵測裝置的方塊圖，如圖所 不’首先，換相偵測裝置1 〇的類比輸入訊號VA、νΒ與Vc必須 ，經過外部的低通濾波器（LPF ) 2 2，將一無刷直流^達 定子線圈之三相定子訊號的脈寬調變（PWM )訊號濾除， 以消除脈寬調變訊號對於定子訊號的影響並降低相角誤 差；經過低通濾波器2 2的三相定子訊號Va、Vb與Vc進入此換 相偵測裝置10之一多工器12，多工器12選擇三相定子訊號 中的其中一相之未激發相定子訊號)。 一餘值放大器（Residue Amplifier ) 14係由一中性 電壓模擬器（Nutral Voltage Simulator) 142 及一運算 器1_44所組成，中性電壓模擬器142平均計算該低通濾波後 之二相定子訊號，運算器1 4 4將該輸出計算結果

第7頁 乃1884 五、發明說明（5) (V c\3)再與多工恭12輸出的未激發相定子訊號 勢X。相減，相減完後的結果便是未激發相的反抗電動 16，复有一零交越偵測器（Zero-crossing detect〇r) 一零二係偵測該未激發相反抗電動勢之零交越點，並輸出 到無2越訊號，此零交越訊號只要延遲30度的相位即可得 直i馬直流馬達的換相訊號，以根據此換相訊號控制無刷 產2換達換相。其中，該未激發相反抗電動勢除了可用來 、相訊號之外，亦可動態估測該馬達的轉速。 成，^ :二上述之餘值放大器1 4係由切換式電容電路所組 放大與^時進行四個輸入訊號的類比運算’包含加、減、 俾I =縮小等運算，且餘值放大器14之訊號放大與縮小的 二圖^ ^明之換相偵測裝置1 〇的實現方塊圖請同時參閱第 哭二1不’零交越偵測器16主要係由一比較器162及拴鎖 态1 6 4所έ日士 # , 只 雄如、/ 成，该比較器1 62係使用遲滯型比較器，以避免 两於4 W ^又零乂越現象’且遲滯型比較器1 6 2之臨界電 壓係透過外部雷如、# ^ 卜4電阻進行設定；圖中之時脈產生器（c 1 k

Generator ) ^ ^ ^ 士〆 y10貝貝產生三組不同相位且各組互不重疊的 ^ k七、給餘值放大器1 4與比較器1 62使用，其時 脈頻率為5 MH7 · μ广 _ ’一偏壓電路（biasing circuit)20 需提 供穩疋的電厚作i … 卜马類比電路的偏壓電源；餘值放大器1 4係 二成中性電壓模擬器的三等分平均及相減的運算；比較器

At /、板鎖^器1 64兩個元件則實現訊號零交越點偵測的功 w ’在求彳于零父越點之後，即可獲致相位超前換相訊號3 0

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度的零交越訊號，進而得知該換相訊號。 2電動勢的端電壓量測法為最常見的無刷直流馬達 二凋、相控制技術，其優點為硬體電路簡單且回授訊號 :易取得，而本發明所提出的換相偵測裝置與方法便是根 :?鈿電壓里測法，才米用混合訊號積體電路的技術，結 s無感測控制與類比積體電路技術，以 效、積體化的換相偵測穿詈U ^ k 二 仰1貝列衣置，以獲得無刷直流馬達的換相 矾號。 本發明係偵測未激發相反抗電動勢的零交越點，產生 f交越訊號，得到無刷直流馬達真正的換相時間點，以解 :無感測換相控制之問冑’且估算出來的未激發相之反抗 、動勢不僅可產生換相控制訊號；無須如第466822號之專 利前案需要中性點電壓的直接輸入，本發明即可直接透過 二相定子電壓估算馬達的換相時間，故本發明且有較廣之 適用範圍。 〃 、 另一方面，本發明係可直接回授馬達端三相定子電壓 訊號，經類比訊號處理，以得到數位化的零交號，盔 須使用類比/數位轉換器。且本發明之換相偵測裝置係採、 用餘值放大器的設計，以同時完成訊號相加減及倍數的工 作，使其可有效地降低晶片面積。 以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特 點、，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之内 谷並據以貫施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大 凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵 591884 五、發明說明（7) 蓋在本發明之專利範圍内。 圖號說明： 10 換相偵測裝置 14 餘值放大器 144 運算器 1 6 2 比較器 18 時脈產生器 2 2 低通濾波器 12 多工器 142中性電壓模擬器 16 零交越偵測器 1 6 4栓鎖器 20 偏壓電路

第10頁 591884 圖式簡單說明 第一圖為本發明之換相偵測裝置的方塊圖。 第二圖為本發明之換相偵測裝置的實現方塊圖。

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Claims (1)

1. 591884 六、申請專利範圍 1、一種無感測無刷直流馬達的換相偵剛裝置，其係接收 一無刷直流馬達定子線圈之三相定子訊號'以偵測'該馬達 ，的換相訊號，該換相偵測裝置包括： 一多工器，選擇該定子線圈中之未激發相定子訊號； 一餘值放大器，其係放大、縮小並計算該三相定子訊 號’再與該未激發相定子訊號相減，以產生一未激發相的 反抗電動勢；及 一零交越偵測器，其係偵測該未激發相反抗電動勢之零 交越點，並輸出一零交越訊號。

   2、 如申請專利範圍第1項所述之無感測無刷直流馬達的換 相偵測裝置，其中該零交越訊號延遲30度的相位即為該無 席J直流馬達的換相訊號。 3、 如申請專利範圍第1項所述之無感測無刷直流馬達的換 相偵測裝置，其中該未激發相反抗電動勢係玎用來產生換 相訊號’並可動態估測該馬達的轉速。 4、 如申請專利範圍第1項所述之無感測無刷直流馬達的換 ^偵測裝置，其中該三相定子訊號更經過外部之低通濾波 為’以濾除其脈寬調變訊號或其他雜訊。

   〕、如申請專利範圍第1項所述之無感測無刷直流馬達的換 相谓測裝置，其中該餘值放大器係由切換式電容電路所組 成’以同時進行四個輸入訊號的類比運算，包含加、減、 $大與縮小等運算，且該餘值放大器之訊號放大與縮小的 °數係透過該内部電容比值的設定。 如申請專利範圍第1項所述之無感測無刷直流馬達的換

   591884 六、申請專利範圍 偵測哀置，其中該餘值放大器係由_中性電壓模擬琴及 一運算器所組成。 ° 7如申請專利範圍第1項所述之無感測無刷直流馬達的換 :偵測裝置，丨中該零交越偵測器主要係由比較器及栓鎖 為所組成。 8、 如申請專利範圍第7項所述之無感㈣無刷i流馬達的換 相偵測裝置，丨中該比較器係為遲滯型比較器，以避免雜 汛造成的假零交越現象。 ” 9、 如申請專利範圍第8項所述之無感測無刷直流馬達的換 相偵測裝置，#中該遲滯型比較器之臨界電壓、 電阻進行設定。 ^ I Η ίο、如申請專利範圍第i項所述之無感測無刷直流馬達的 換相"f貞測裝置’更有一日卑Μ產峰哭在；i止 守胍座生崙係產生不同相位的時舱 訊號給該餘值放大器與該零交越偵測器使用。 才胍 11 ' = 項所述之無感測無刷直流馬達的 換” 置，更有-偏壓電路提供穩定的電 的偏壓電源。 ~电塔 12、一種無感測無刷直流馬達的換相偵測方法，其係 偵測一無刷直流馬達的換；I；曰邙躲 # ϋ i上， λ 1貝 ]換相成旎，该換相偵測方法係包括 下列步驟： τ匕估 選擇該馬達定子線圈，二& ^ 7 f 围之二相疋子訊號中的未激發相定子 訊號； 丁 利用該三相定子訊號盥兮 ^ ^"興違未激發相定子訊號經類比式外 算，以知到一未激發相反抗電動勢； 飞冲

   第13頁 591884 六、申請專利範圍 偵測該未激發相反抗電動勢之零交越點，以產生一零交 越訊號；及 將該零交越訊號延遲3 0度之相位，以得到一換相訊號。 1 3、如申請專利範圍第1 2項所述之無感測無刷直流馬達的 換相偵測方法，其係採用馬達端電壓量測的反抗電動勢估 測法。 14、 換相 換相 15 ^ 換相 以濾 16 > 換相 中， 该未 17、 換相 選擇 如申請專利 偵測方法， 訊號，並可 如申請專利 偵測方法， 除其脈寬調 如申請專利 偵測方法， 係利用該未 激發相反抗 如申請專利 摘測方法， 该三相定子 範圍第1 2 其中該未 動態估測 範圍第1 2 其中該三 變訊號或 範圍第1 2 其中在計 激發相定 電動勢。 範圍第1 2 其中該未 訊號的其 項所述 激發相 該馬達 項所述 相定子 其他雜 項所述 算該未 子訊號 項所述 激發相 之無感測無刷直流馬達 反抗電動勢係可用來產 的轉速。 之無感測無刷直流馬達 訊號更經過一濾波步驟

   中 相 訊。 之無感測無刷直 激發相反抗電動 及另二相定子訊 之無感測無刷直 定子訊號係由一 定子訊號。 流馬達的 勢之步驟 號計算出 流馬達的 多工器來