TWI400874B - 雙電源馬達控制系統及其馬達控制裝置 - Google Patents

Description

雙電源馬達控制系統及其馬達控制裝置 CONTROLLING SYSTEM AND MOTOR CONTROLLING APPARATUS THEREOF

本發明係關於一種可降低電流而改善噪音的雙電源馬達控制系統及其馬達控制裝置。

請參閱第1A圖，其揭示一習知之馬達控制系統1A，其主要係由一驅動器10及一線圈11所組成，其中線圈11係電連接於驅動器10，且驅動器10係電連接於一電源產生器12，且接收電源產生器12之一電源V_CC 。驅動器10可自電源V_CC 接收其所需之工作電壓，且據以輸出一驅動電流至線圈11。

請參閱第1B圖，其係揭示另一習知之馬達控制系統1B，其與上述馬達控制系統1A之差異處，僅在於該驅動器10電連接複數個線圈11(圖中表示為二個)。

上述二種習知馬達控制系統1A、1B，其控制轉速的方式，皆是利用改變電源V_CC 的大小以達成，惟此類控速方式因受限於驅動器10之工作電壓(共用同一電源)，因此其控速範圍過於狹窄，故此一技術已漸漸無法滿足產業上之需要。

因此，為解決上述問題，本發明係提出一種雙電源馬達控制系統，其藉由脈寬調變模組調整輸入馬達的控制信號之責任週期，以調降馬達的轉速。且為了調整馬達的轉速能到達目標轉速，即增加輸入馬達之電源電壓，以使馬達的電流下降，進而改善馬達的噪音。

緣是，為達上述目的，依據本發明之一種雙電源馬達控制系統，其包括一馬達、一系統端裝置及一馬達控制裝置，而馬達控制裝置分別電連接該馬達及該系統端裝置。其中系統端裝置具有一目標轉速設定值，用以決定馬達的目標 轉速，系統端裝置分別輸出一第一電源及一第二電源至馬達及馬達控制裝置；該馬達控制裝置感測馬達的相位切換，以取得馬達的第一轉速值，且馬達控制裝置依據第一轉速值而調整馬達轉速為第二轉速值，並且產生一轉速回饋信號至系統端裝置；而系統端裝置依據轉速回饋信號而調整輸出之該第一電源，以控制該馬達轉速達到該目標轉速設定值。

本發明亦揭露一種馬達控制裝置，電連接一馬達，該馬達控制裝置及該馬達分別係自外部接收一第一電源及一第二電源，其中該第一電源為可調之電壓信號，其包括一感測器、一控制器、一驅動電路及一脈寬調變模組，該控制器電連接感測器及驅動電路，該驅動電路再電連接馬達，該脈寬調變模組係建置於控制器內。其中感測器係感測馬達的相位切換以產生一換相感測信號；控制器分別接收換相感測信號及外部之第二電源，且控制器依據換相感測信號以取得馬達的第一轉速值，該脈波調變模組依據該第一轉速值以調變該控制信號，並輸出控制信號至驅動電路，驅動電路再依據控制信號以調整馬達轉速為第二轉速值。為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

請參照圖3，本發明雙電源馬達控制系統2主要是包括一馬達30、一系統端裝置40及一馬達控制裝置50，而馬達控制裝置50分別電連接馬達30及系統端裝置40。

該系統端裝置40具有一目標轉速設定值，用以決定該馬達30的目標轉速，該系統端裝置40係可產生第一電源V_CC1 及第二電源V_CC2 ，其中第一電源V_CC1 為可調整之電源信號，可以為一直流電壓信號或為一脈波式電源信號，例 如三角波信號或為方波信號等脈波式電源信號，該系統端裝置40提供第一電源V_CC1 給馬達30，並透過該第一電源V_CC1 達到控制馬達30轉速的目的；而第二電源V_CC2 為一直流電壓信號，用以提供給馬達控制裝置50。

該馬達控制裝置50包括一感測器51、一控制器52、一驅動電路53及一脈寬調變模組54，其中控制器52分別電連接系統端裝置40、感測器51及驅動電路53，驅動電路53再分別電連接馬達30及系統端裝置40，以及脈寬調變模組54係建置於該控制器52內。

該感測器51於本實施例中例如是一霍爾元件，用以感測馬達30的相位切換(馬達30線圈作N極及S極的磁極切換)以產生一換相感測信號S_phase ，並且輸出換相感測信號S_phase 给控制器52。

該控制器52於本實施例中例如是一微處理器，該控制器52依據接收之換相感測信號S_phase 以取得馬達30的目前轉速(第一轉速值)，該控制器52並將馬達30的目前轉速(第一轉速值)交由脈寬調變模組54進行脈波寬度調整(PULSE WIDTH MODULATION,PWM)後產生複數個控制信號S_con ，再由控制器52輸出該複數個控制信號S_con 以調整(降)該馬達30轉速為第二轉速值，並且產生一轉速回饋信號(S_F )輸出至系統端裝置40，而上述之第二轉速值通常小於該第一轉速值。此外，控制器52並接收第二電源V_CC2 ，該第二電源V_CC2 用以提供控制器52驅動馬達30所需之電能。

配合圖3所示，該驅動電路53分別接收第一電源V_CC1 及複數個控制信號S_con ，並依據該第一電源V_CC1 及該複數個控制信號S_con 以驅動該馬達30轉動；於本實施例中，馬達30包含有二線圈L1、L2，而驅動電路53為一半橋電路，其包括二開關元件Q1、O2，該二線圈L1、L2之一第 一端係電連接於系統端裝置40，並接收來自系統端裝置40輸出的第一電源V_CC1 ，而該二線圈L1、L2之一第二端則分別電連接於其對應之開關元件；該二開關元件於本實施例中可實施為一電晶體Q1、Q2，該二線圈L1、L2之該第二端可電連接至二電晶體Q1、Q2的一集極C，該二電晶體Q1、Q2的一射極E乃電連接於一接地端，而該二電晶體Q1、Q2的一基極B則電連接於該控制器52，以分別接收該控制信號S_CON ，並據以控制該二電晶體Q1、Q2之啟閉，且當二線圈L1、L2接收第一電源V_CC1 而有電流流過及該二電晶體Q1、Q2亦開啟時，即使二線圈L1、L2得以激磁，而令馬達30轉動。

請參照圖4，為本發明另一較佳實施例，其中本實施例與前述實施例之差異處，僅在於本實施例中該驅動電路53改為全橋電路，其係由一線圈L3與四個開關元件(圖中所示為上橋2個、下橋2個)所組成，該四個開關元件在此亦實施為一電晶體Q3至Q6，且該線圈L3係電連接於四個電晶體Q3至Q6的一集極C，另外，該複數個電晶體的一基極B皆電連接於該控制器52以接收該控制信號S_CON ，而其中上橋的二個電晶體之一射極E係電連接於該系統端裝置40，另外下橋的二個電晶體之一射極E則電連接於該接地端。其中四個控制信號S_CON 可控制四個電晶體Q3至Q6的交叉開啟或關閉，而使得該線圈L3流經的電流方向交替，而驅使該馬達50之運轉。

請再參照圖2，該脈寬調變模組54內建有轉速與責任週期(Duty CyCle)的一對應關係表或是一對應關係方程式，其轉速與責任週期的關係如圖6所示，而脈寬調變模組54依據第一轉速值及該對應關係表或該對應關係方程式而調整控制信號S_con 的責任週期，使控制信號為一脈寬調變(PWM)信號，例如脈寬調變模組54可以將控制信號S_con 以脈寬調變的方式切成 複數個小方波等信號處理後，即可調整控制信號S_con 的責任週期，並進而調整(降)馬達30的轉速。

再者，脈寬調變模組54更具有至少一轉速門檻值，例如圖6所示的轉速門檻上限值2000rpm及轉速門檻下限值500rpm，其中當馬達30轉速(第一轉速值)處於門檻上限值2000rpm以上或門檻下限值500rpm以下時，該脈寬調變模組54會調整控制信號S_con 為固定的責任週期，例如：在馬達轉速處於2000rpm以上時，該控制信號S_con 的責任週期固定為90%，當馬達30轉速處於500rpm以下時，該控制信號S_con 的責任週期固定為20%；此外，當馬達30轉速介於門檻上限值2000rpm及門檻下限值500rpm之間時，該脈寬調變模組54會調整控制信號S_con 為可變的責任週期，例如：控制信號S_con 的責任週期介於20%至90%之間，在此可變的責任週期階段中，該第一轉速值與責任週期的關係呈正比且線性關係，且當該寬調變模組54取得第一轉速值為反應馬達30的轉速為較低轉速時，脈寬調變模組54調低該控制信號S_con 的責任週期(切成較多小方波)，當脈寬調變模組54取得第一轉速值為反應馬達30的轉速為高轉速時，脈寬調變模組54調高(切成較少小方波)控制信號S_con 的責任週期，即當馬達30轉速(第一轉速值)越大，該控制信號S_con 的責任週期也越大。另外，本實施例中雖以轉速門檻上限值2000rpm時責任週期固定為90%、轉速門檻下限值500rpm時責任週期固定為20%為例，但並不以此為限，亦可以採轉速門檻上限值1500rpm時責任週期固定為80%、轉速門檻下限值300rpm時責任週期固定為15%等，端視使用者的需求而設定。

本發明雙電源馬達控制系統2的特徵為：在雙電源馬達控制系統2中將輸入驅動電路53的複數個控制信號S_CON 中分別加入PWM控制以控制馬達30轉速。其動作原 理如下，首先，感測器51感測馬達30的相位切換以產生並輸出換相感測信號S_phase 给控制器52，控制器52在接收換相感測信號S_phase 後取得馬達30之轉速(第一轉速值)，並由脈寬調變模組54依據該馬達30之轉速及該對應關係表或該對應關係方程式而得以調整控制信號S_con 的責任週期，並分別輸出複數個經調整後之控制信號S_con 給驅動電路53中所分別對應之開關元件，以驅動馬達30運轉；同時，該控制器52亦輸出轉速回饋信號S_F 至系統端裝置40,其中由於控制信號S_con 加入PWM控制後，其責任週期會降低，馬達30轉速也會降低，當系統端裝置40依據轉速回饋信號S_F 得知馬達30轉速降低後，欲調整馬達30轉速能到達目標轉速設定值，即會增加輸入馬達30之第一電源V_CC1 的電壓，即第一電源V_CC1 的電壓從圖6A中的2V-6V提升至圖6B中的6V-10V，此時，當馬達30達到目標轉速後，基於P(功率)=I(電流)×V(電壓)及達到相同目標轉速(相當於功率為相同)之條件下，由於馬達30上的電壓(第一電源V_CC1 )上升，即馬達30上的電流I就會下降，然而噪音的大小與電流I成正比關係，因此，藉由本發明雙電源馬達控制系統2能降低電流，即能改善馬達30的噪音。

以上所述僅為例示性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1‧‧‧馬達控制系統

10‧‧‧驅動器

11‧‧‧線圈

12‧‧‧電源產生器

2‧‧‧馬達控制系統

30‧‧‧馬達

40‧‧‧系統端裝置

50‧‧‧馬達控制裝置

51‧‧‧感測器

52‧‧‧控制器

53‧‧‧驅動電路

54‧‧‧脈寬調變模組

圖1A為一種習知馬達控制系統之示意圖。

圖1B為另一種習知馬達控制系統之示意圖。

圖2為本發明雙電源馬達控制系統之方塊圖。

圖3為圖2之雙電源馬達控制系統之電路圖。

圖4為圖2之雙電源馬達控制系統另一實施例之電路圖。

圖5為本發明雙電源馬達控制系統之馬達轉速與責任週期的關係示意圖。

圖6A為本發明雙電源馬達控制系統之馬達轉速與第一電源電壓之波形示意圖(未升壓前)。

圖6B為本發明雙電源馬達控制系統之馬達轉速與第一電源電壓之波形示意圖(升壓後)。

2‧‧‧馬達控制系統

30‧‧‧馬達

40‧‧‧系統端裝置

50‧‧‧馬達控制裝置

51‧‧‧感測器

52‧‧‧控制器

53‧‧‧驅動電路

54‧‧‧脈寬調變模組

Claims (39)

1. 一種雙電源馬達控制系統，包括：一馬達；一系統端裝置，具有一目標轉速設定值，用以決定該馬達的目標轉速，該系統端裝置輸出一第一電源及一第二電源，其中該第一電源提供給該馬達；以及一馬達控制裝置，分別電連接該馬達及該系統端裝置，該馬達控制裝置並接收該第二電源，該馬達控制裝置用以感測該馬達的相位切換，以取得該馬達的第一轉速值，且該馬達控制裝置依據該馬達的該第一轉速值而調整該馬達轉速為第二轉速值，並且產生一轉速回饋信號至該系統端裝置；其中該系統端裝置依據該轉速回饋信號而調整輸出之該第一電源，以控制該馬達轉速達到該目標轉速設定值。
2. 如申請專利範圍第1項所述之雙電源馬達控制系統，其中該馬達控制裝置包括：一感測器，用以感測該馬達的相位切換以產生一換相感測信號；一控制器，分別電連接該感測器與該系統端裝置，該控制器係分別接收該換相感測信號與該第二電源，且該控制器依據該換相感測信號以取得該馬達的該第一轉速值，該控制器輸出一控制信號以調整該馬達轉速為該第二轉速值，且產生該轉速回饋信號至該系統端裝置；一驅動電路，分別電連接該馬達及該控制器，並依據該控制信號以驅動該馬達轉動；以及一脈寬調變模組，建置於該控制器內，該脈波調變模組依據該第一轉速值以調變該控制信號，並輸出該控制信號。
3. 如申請專利範圍第2項所述之雙電源馬達控制系統 ，其中該驅動電路為半橋電路，其包括有複數個開關元件，該些開關元件係電連接於該馬達之複數線圈與該控制器之間。
4. 如申請專利範圍第3項所述之雙電源馬達控制系統，其中該開關元件為一電晶體。
5. 如申請專利範圍第4項所述之雙電源馬達控制系統，其中該些電晶體之一集極係電連接於該馬達之該線圈，而該些電晶體的一基極係電連接於該控制器，該些電晶體的一射極則電連接於一接地端。
6. 如申請專利範圍第2項所述之雙電源馬達控制系統，其中該驅動電路為全橋電路，其包括有複數個開關元件，該些開關元件係電連接於該馬達之一線圈與該控制器之間。
7. 如申請專利範圍第6項所述之雙電源馬達控制系統，其中該開關元件為一電晶體。
8. 如申請專利範圍第7項所述之雙電源馬達控制系統，其中該些電晶體之一集極係電連接於該線圈，而該些電晶體的一基極係電連接於該控制器，而其中二個電晶體的一射極係電連接於該系統端裝置，而另外二個電晶體的一射極則電連接於一接地端。
9. 如申請專利範圍第2項所述之雙電源馬達控制系統，其中該控制器為一微處理器。
10. 如申請專利範圍第2項所述之雙電源馬達控制系統，其中該控制信號為一脈寬調變信號。
11. 如申請專利範圍第2項所述之雙電源馬達控制系統，其中該脈寬調變模組包括轉速與責任週期的一對應關係表或一對應關係方程式，該脈寬調變模組依據該第一轉速值與該對應關係表或該對應關係方程式中調整該控制信號的責任週期。
12. 如申請專利範圍第11項所述之雙電源馬達控制 系統，其中該脈寬調變模組具有至少一轉速門檻值，當該第一轉速值不符合該轉速門檻值時，調變該控制信號為可變的責任週期，當該第一轉速值符合該轉速門檻值時，調變該控制信號為固定的責任週期。
13. 如申請專利範圍第12項所述之雙電源馬達控制系統，其中當該第一轉速值不符合該轉速門檻值時，該第一轉速值與該責任週期的關係為正比關係，當該脈寬調變模組取得該第一轉速值為反應該馬達的轉速為低轉速時，該脈寬調變模組調低該控制信號的責任週期，當該脈寬調變模組取得該第一轉速值為反應該馬達的轉速為高轉速時，該脈寬調變模組調高該控制信號的責任週期。
14. 如申請專利範圍第12項所述之雙電源馬達控制系統，其中該第一轉速值與該責任週期的關係為線性關係。
15. 如申請專利範圍第12項所述之雙電源馬達控制系統，其中該轉速門檻值為500rpm時，該控制信號的固定責任週期為20%，當該轉速門檻值為2000rpm時，該控制信號的固定責任週期為90%。
16. 如申請專利範圍第1項所述之雙電源馬達控制系統，其中該第一電源及該第二電源為一直流電壓信號。
17. 如申請專利範圍第1項所述之雙電源馬達控制系統，其中該第一電源為一脈波式電源信號。
18. 如申請專利範圍第17項所述之雙電源馬達控制系統，其中該第一電源為一三角波信號、一方波信號或一脈寬調變信號。
19. 如申請專利範圍第1項所述之雙電源馬達控制系統，其中該第一電源為一可調之電壓信號。
20. 如申請專利範圍第19項所述之雙電源馬達控制系統，其中該系統端裝置依據該轉速回饋信號而調整輸出該第一電源，當該轉速回饋信號反應之該馬達轉速低於該 目標轉速設定值時，該系統端裝置調高該第一電源輸出。
21. 一種馬達控制裝置，電連接一馬達，該馬達控制裝置及該馬達分別係自外部接收一第一電源及一第二電源，其中該第一電源為可調之電壓信號，包括：一感測器，用以感測該馬達的相位切換以產生一換相感測信號；一控制器，電連接該感測器，該控制器係分別接收該換相感測信號與外部之該第二電源，且該控制器依據該換相感測信號以取得該馬達的該第一轉速值，該控制器輸出一控制信號以調整該馬達轉速為該第二轉速值；一驅動電路，分別電連接該馬達及該控制器，並依據該控制信號以驅動該馬達轉動；以及一脈寬調變模組，建置於該控制器內，該脈波調變模組依據該第一轉速值以調變該控制信號，並輸出該控制信號。
22. 如申請專利範圍第21項所述之馬達控制裝置，其電性連接一系統端裝置，該系統端裝置具有一目標轉速設定值，用以決定該馬達的目標轉速，該系統端裝置分別輸出該第一電源及該第二電源至該馬達及該馬達控制裝置，該系統端裝置並自該控制器接收一反應該第二轉速值的該轉速回饋信號，該系統端裝置依據該轉速回饋信號而調整輸出之該第一電源，以控制該馬達轉速達到該目標轉速設定值。
23. 如申請專利範圍第22項所述之馬達控制裝置，其中當該轉速回饋信號反應之該馬達轉速低於該目標轉速設定值時，該系統端裝置調高該第一電源輸出。
24. 如申請專利範圍第21項所述之馬達控制裝置，其中該驅動電路為半橋電路，其包括有複數個開關元件，該些開關元件係分別電連接於該馬達之複數個線圈與該控制 器之間。
25. 如申請專利範圍第24項所述之馬達控制裝置，其中該開關元件為一電晶體。
26. 如申請專利範圍第25項所述之馬達控制裝置，其中該些電晶體之一集極係電連接於該線圈，而該些電晶體的一基極係電連接於該控制器，該些電晶體的一射極則電連接於一接地端。
27. 如申請專利範圍第21項所述之馬達控制裝置，其中該驅動電路為全橋電路，其包括有複數個開關元件，該些開關元件係電連接於該馬達之一線圈與該控制器之間。
28. 如申請專利範圍第27項所述之馬達控制裝置，其中該開關元件為一電晶體。
29. 如申請專利範圍第28項所述之馬達控制裝置，其中該些電晶體之一集極係電連接於該線圈，而該些電晶體的一基極係電連接於該驅動器，而其中二個電晶體的一射極係電連接於該第一電源產生器，而另外二個電晶體的一射極則電連接於一接地端。
30. 如申請專利範圍第21項所述之馬達控制裝置，其中該控制器為一微處理器。
31. 如申請專利範圍第21項所述之馬達控制裝置，其中該控制信號為一脈寬調變信號。
32. 如申請專利範圍第21項所述之馬達控制裝置，其中該脈寬調變模組包括轉速值與責任週期的一對應關係表或一對應關係方程式，該脈寬調變模組依據該第一轉速值與該對應關係表或該對應關係方程式中調整該控制信號的責任週期。
33. 如申請專利範圍第32項所述之馬達控制裝置，其中該脈寬調變模組具有至少一轉速門檻值，當該第一轉速值不符合該轉速門檻值時，調變該控制信號為可變的責任週期，當該第一轉速值符合該轉速門檻值時，調變該控制 信號為固定的責任週期。
34. 如申請專利範圍第33項所述之馬達控制裝置，其中當該第一轉速值不符合該轉速門檻值時，該第一轉速值與該責任週期的關係為正比關係，當該脈寬調變模組取得該第一轉速值為反應該馬達的轉速為低轉速時，該脈寬調變模組調低該控制信號的責任週期，當該脈寬調變模組取得該第一轉速值為反應該馬達的轉速為高轉速時，該脈寬調變模組調高該控制信號的責任週期。
35. 如申請專利範圍第33項所述之馬達控制裝置，其中該第一轉速值與該責任週期的關係為線性關係。
36. 如申請專利範圍第33項所述之馬達控制裝置，其中該轉速門檻值為500rpm時，該控制信號的固定責任週期為20%，當該轉速門檻值為2000rpm時，該控制信號的固定責任週期為90%。
37. 如申請專利範圍第21項所述之馬達控制裝置，其中該第一電源及該第二電源為一直流電壓信號。
38. 如申請專利範圍第21項所述之馬達控制裝置，其中該第一電源為一脈波式電源信號。
39. 如申請專利範圍第38項所述之馬達控制裝置，其中該第一電源為一三角波信號、一方波信號或一脈寬調變信號。