TWI525984B - 用於檢測電動機的位置之電路及方法 - Google Patents

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Description

用於檢測電動機的位置之電路及方法
本發明是有關於一種永磁(permanent magnet；PM)電動機控制技術，且特別是有關於一種用於檢測無感測器永磁電動機(例如，無刷永磁同步電動機(permanent magnet synchronous motors；PMSM))的電動機位置的方法和設備。
無刷永磁同步電動機(PMSM)為一種無感測器永磁電動機，且為由交流(AC)電輸入驅動的電動機。如果可檢測到無感測器永磁電動機的啟動位置，那麼電動機可毫無衝擊地啟動。
PMSM包括繞線定子(wound stator)、永磁轉子組合件以及用以感測轉子位置的裝置。感測裝置提供用於按恰當序列以電子方式切換定子繞組(stator winding)以維持磁體組合件的旋轉的信號(電動機位置)。一般而言，感測裝置為霍爾感測器(hall-sensor)。然而，所述霍爾感測器將會增加電動機的成本以及具備可靠性問題。因此，無感測器控制變成對市場上的永磁電動機控制的主要條件。
本發明提供一種用於檢測電動機的位置的電路。所述電路包括用於產生脈衝寬度調製(PWM)信號的控制電路、高側電晶體以及低側電晶體、電阻器以及微控制器。所述高側電晶體以及所述低側電晶體產生經配置以驅動所述電動機的電壓信號。耦接到所述低側電晶體的所述電阻器回應於電動機電流以及反電動勢(back-EMF)信號而產生感測信號。所述微控制器經配置以控制所述控制電路。所述脈衝寬度調製信號經配置以控制所述高側電晶體以及所述低側電晶體以用於產生所述電壓信號。所述高側電晶體耦接到輸入電源。所述低側電晶體經由所述電阻器而耦接到接地。所述控制電路經配置以根據所述感測信號而決定電動機位置。
從另一方面來看，本發明進一步提供一種用於檢測電動機的位置的方法。所述方法包括以下步驟：產生脈衝寬度調製信號；經由切換高側電晶體以及低側電晶體而產生經配置以驅動所述電動機的電壓信號；響應於所述電動機的反電動勢信號而產生流經電阻器的感測信號。所述方法更包括：經由利用控制所述高側電晶體以及所述低側電晶體的所述脈衝寬度調製信號而產生所述電壓信號；根據所述感測信號而決定所述電動機的所述位置。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
10、20、30‧‧‧高側電晶體
15、25、35‧‧‧低側電晶體
40‧‧‧定子磁通量
45‧‧‧轉子磁通量
50‧‧‧永磁(PM)電動機
70、80、90‧‧‧電阻器
100‧‧‧控制電路
110‧‧‧脈衝寬度調製(PWM)電路
150、160、170‧‧‧比較器
151、161、171‧‧‧偏壓源
190‧‧‧三態緩衝器
200‧‧‧微控制器(MCU)
500‧‧‧永磁電動機的等效模型
S1010~S1050‧‧‧步驟
A、B、C‧‧‧定子繞組
ADR_1、ADR_2、ADR_N‧‧‧位址信號
DATA_BUS‧‧‧資料匯流排
EMF_A、EMF_B、EMF_C‧‧‧反電動勢
IS‧‧‧電動機相位電流
L‧‧‧繞組電感
OA、OB、OC‧‧‧輸出信號
R‧‧‧繞組電阻
RA、RB、RC‧‧‧電阻
SA、SB、SC‧‧‧感測信號
U、V、W、X、Y、Z‧‧‧脈衝寬度調製(PWM)信號
VA、VB、VC‧‧‧電壓信號
VIN‧‧‧輸入電源
VS‧‧‧電動機電壓信號
VTA、VTB、VTC‧‧‧閾值
θ‧‧‧相位角
包含附圖以提供對本發明的進一步理解，且附圖併入本說明書中並構成本說明書的一部分。所述圖式說明本發明的示範性實施例，且與描述一起用以解釋本發明的原理。
圖1和圖2繪示說明永磁電動機的示意圖。
圖3繪示說明根據本發明實施例的電動機控制設備的電路圖。
圖4繪示根據本發明實施例的三相電動機電壓信號VA、VB以及VC的波形。
圖5繪示說明根據本發明實施例的永磁電動機的等效模型示意圖。
圖6繪示說明根據本發明實施例的控制電路之電路圖。
圖7繪示根據本發明實施例之電動機控制設備的等效電路，其用於檢測電動機的反電動勢。
圖8繪示根據本發明實施例的反電動勢(例如，EMF_A、EMF_B以及EMF_C)的波形。
圖9繪示根據本發明實施例的反電動勢(EMF_A、EMF_B、EMF_C)波形，以及輸出信號OA、OB、OC。
圖10繪示一流程圖，其說明根據本發明實施例用於檢測電動機的位置的方法。
永磁電動機提供高效率、小尺寸、快速動態回應、低噪音以及高可靠性等優勢。通常利用磁場定向控制(field oriented control；FOC)以及DQ控制來驅動永磁電動機。
圖1和圖2繪示說明永磁電動機的示意圖。參看圖1，相位角θ存在於定子磁通量(stator flux)40與轉子磁通量(rotor flux)45之間。為了實現高效率無感測器電動機控制，當永磁電動機速度高於特定值時，磁場定向控制(FOC)將相位角θ調節為約等於90°(圖2所示的定子磁場與轉子磁場為正交的)。
圖3繪示說明根據本發明實施例的電動機控制設備的電路圖。圖3所示的電動機控制設備經配置以用於控制永磁(PM)電動機50。電動機控制設備包括控制電路100、高側電晶體10、20和30以及低側電晶體15、25和35、電阻器70、80和90以及微控制器(microcontroller；MCU)200。永磁(PM)電動機50包括定子繞組A、B和C。電晶體10、15、20、25、30和35形成經配置以分別驅動定子的繞組A、B和C的三相橋式驅動器。高側電晶體(例如，電晶體10、20和30)耦接到輸入電源VIN。低側電晶體(例如，電晶體15、25和35)經由電流感測電阻器70、80和90而耦接到接地。電流感測電阻器70、80和90經配置以檢測電動機電流以及反電動勢(稱為back-EMF)。電阻器70的一端與定子繞組A經由電晶體15而彼此串聯耦接。電阻器70的另一端連接到接地。電阻器80的一端與定子繞組B經由電晶體25而 彼此串聯耦接。電阻器80的另一端連接到接地。電阻器90的一端與定子繞組C經由電晶體35而彼此串聯耦接。電阻器90的另一端連接到接地。電阻器70、80和90回應於電動機電流以及反電動勢信號而分別產生感測信號SA、SB、SC。
控制電路100產生脈衝寬度調製(pulse width modulation；PWM)信號U、X、V、Y、W和Z，所述PWM信號經配置以分別驅動/控制電晶體10、15、20、25、30和35。PWM信號U、X、V、Y、W和Z經配置以控制高側電晶體10、20和30以及低側電晶體15、25和35，以用於產生感測信號(例如，SA、SB和SC)/電壓信號(例如，VA、VB和VC)。微控制器(MCU)200經由資料匯流排DATA_BUS以及位址信號ADR_N來控制所述控制電路100。微控制器200包括程式記憶體、資料記憶體以及用於運行程式指令的振盪器。根據微控制器200的程式指令，控制電路100將產生PWM信號U、X、V、Y、W和Z，以產生用於驅動電動機50的三相電動機電壓信號VA、VB和VC。PWM信號U、X、V、Y、W和Z是根據圖4所示的元素“工作信號(Duty)”以及θ x而產生。
圖4繪示根據本發明實施例的三相電動機電壓信號VA、VB以及VC的波形。三相電動機電壓信號VA、VB以及VC的振幅由元素“工作信號”進行程式設計。三相電動機電壓信號VA、VB以及VC的角度由元素θ x決定。
圖5繪示說明根據本發明實施例的永磁電動機的等效模 型500示意圖。永磁電動機的等效模型500包括用於產生電動機電壓信號VS的電動機電壓信號源、繞組電阻R、繞組電感L以及電動勢源EMF(例如，反電動勢)。施加電動機電壓信號VS以驅動永磁電動機。電動機相位電流IS、繞組電感L、繞組電阻R、電動機電壓信號VS與EMF之間的關係可表達為方程式(1)。
其中IS為電動機相位電流；EMF為永磁電動機的反電動勢。
一旦將電壓VS(其產生電動勢)施加到電動機的電樞(armature)，電動機的電樞便開始旋轉，且電阻的量值將經由旋轉的磁場而對應地產生。此反衝力稱作“反電動勢”或“back-EMF”。電動機的電樞轉動得越快，產生的反電動勢越多。電動機的電樞的速度的定義由“伏特/千RPM”或“伏特/(弧度/秒)”描述。
圖6繪示說明根據本發明實施例的控制電路100之電路圖。控制電路100包含脈衝寬度調製(PWM)電路110、比較器150、160和170、偏壓源151、161和171以及三態(tri-state)緩衝器190。PWM電路110從資料匯流排DATA_BUS以及位址信號ADR_1接收命令(指令)，以產生PWM信號U、X、V、Y、W和Z。比較器150經配置以經由閾值VTA(偏壓源151的交叉電壓)接收信號SA，從而產生輸出信號OA。如果信號SA的準位低於閾 值VTA，那麼輸出信號OA將處於邏輯低值(logic low)。比較器160經配置藉由閾值VTB(偏壓源161的交叉電壓)接收信號SB，從而產生輸出信號OB。如果信號SB的準位低於閾值VTB，那麼輸出信號OB將處於邏輯低值。比較器170經配置以通過閾值VTC(偏壓源171的交叉電壓)接收信號SC，從而產生輸出信號OC。如果信號SC的準位低於閾值VTC，那麼輸出信號OC將處於邏輯低值。輸出信號OA、OB和OC通過三態緩衝器190而耦接到資料匯流排DATA_BUS。三態緩衝器190由位址信號ADR_2觸發。
圖7繪示根據本發明實施例之電動機控制設備的等效電路，其用於檢測電動機50的反電動勢。參看圖7，當圖1中與三相橋式驅動器(電晶體10、15、20、25、30和35)相關聯的控制電路100產生經配置以驅動電動機50的電動機電壓信號VA、VB、VC時，電動機50將產生反電動勢，例如EMF_A、EMF_B、EMF_C(圖7所示)。一旦產生反電動勢，電晶體10、20和30(高側電晶體)將截止(turned off)，且電晶體15、25和35(低側電晶體)將導通(turned on)，以用於檢測反電動勢。舉例而言，電阻器70中的感測信號SA的準位可表達為方程式(2)。
其中VSA為信號SA的電壓；R70為電阻器70的電阻值；RA、RB和RC為電動機50中繞組A到繞組C的電阻。
圖8繪示根據本發明實施例的反電動勢(例如，EMF_A、 EMF_B以及EMF_C)的波形。參看圖8，可參考方程式(2)而獲得EMF_A、EMF_B以及EMF_C。圖8的X軸以伏特為單位，且圖8的Y軸以秒為單位。
圖9繪示根據本發明實施例的反電動勢(EMF_A、EMF_B、EMF_C)波形，以及輸出信號OA、OB、OC。可經由電動機的反電動勢(EMF_A、EMF_B、EMF_C)來檢測電動機位置。可用電流感測電阻器70、80和90以及感測信號SA、SB和SC來檢測電動機的反電動勢。根據輸出信號OA、OB和OC的狀態，微控制器200可獲得用以毫無衝擊地啟動電動機的電動機位置資訊。
圖10繪示一流程圖，其說明根據本發明實施例用於檢測電動機的位置的方法。在本實施例中，用於檢測電動機的位置的方法適用於圖3的電動機控制設備。本文描述了用於檢測電動機位置的方法的步驟。參看圖3和圖10，在步驟S1010中，控制電路100產生PWM信號，其中微控制器100經配置以控制所述控制電路100。在步驟S1020中，高側電晶體(例如，電晶體10、20和30)以及低側電晶體(例如，電晶體15、25和35)經由利用PWM信號來產生經配置以驅動電動機50的電壓信號(例如，VA、VB和VC)。在步驟S1030中，耦接到低側電晶體15、25和35的電阻器(例如，電阻器70、80和90)響應於電動機50的反電動勢信號而產生流經電阻器70、80和90的感測信號(例如，SA、SB和SC)。在步驟S1040中，控制電路100經由利用PWM信號 來控制高側電晶體以及低側電晶體以用於產生電壓信號(例如，VA、VB和VC)。此外，在步驟S1050中，控制電路100根據感測信號SA、SB和SC來決定電動機50的位置。本發明的上述實施例已對應於電子元件的詳細致動技術而加以描述。
雖然本發明已根據實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
10、20、30‧‧‧高側電晶體
15、25、35‧‧‧低側電晶體
50‧‧‧永磁(PM)電動機
70、80、90‧‧‧電阻器
100‧‧‧控制電路
200‧‧‧微控制器(MCU)
A、B、C‧‧‧定子繞組
DATA_BUS‧‧‧資料匯流排
ADR_N‧‧‧地址信號
SA、SB、SC‧‧‧感測信號
U、V、W、X、Y、Z‧‧‧脈衝寬度調製(PWM)信號
VA、VB、VC‧‧‧電壓信號
VIN‧‧‧輸入電源

Claims (7)

  1. 一種用於檢測電動機的位置之電路，包括：一控制電路，產生一脈衝寬度調製信號；一高側電晶體以及一低側電晶體，產生經配置以驅動所述電動機的電壓信號；一電阻器，耦接到所述低側電晶體，用於回應於一電動機電流以及一反電動勢信號而產生一感測信號；一微控制器，經配置以控制所述控制電路；其中所述脈衝寬度調製信號經配置以控制所述高側電晶體以及所述低側電晶體以用於產生所述電壓信號；高側電晶體耦接到一輸入電源；所述低側電晶體經由所述電阻器而耦接到接地；所述控制電路經配置以根據所述感測信號而決定一電動機位置；其中，所述控制電路包括：一比較器，經配置以比較所述感測信號與一閾值電壓；以及一緩衝器，經配置以接收所述比較器的一輸出信號及所述微控制器的一位址信號，並且所述微控制器經配置以透過該緩衝器接收所述比較器的該輸出信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電路，其中所述感測信號是響應於所述電動機的所述反電動勢信號而產生，用於決定所述電動機位置。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的電路，其中所述感測信號是經由在所述高側電晶體截止且所述低側電晶體導通時，檢測所述 電動機的所述反電動勢信號而產生。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的電路，其中所述微控制器包括一程式記憶體、一資料記憶體以及一振盪器。
  5. 一種用於檢測電動機的位置之方法，包括：產生一脈衝寬度調製信號；經由切換一高側電晶體以及一低側電晶體而產生經配置以驅動所述電動機的一電壓信號；以及響應於所述電動機的一反電動勢信號而產生流經電阻器的一感測信號；經由利用控制所述高側電晶體以及所述低側電晶體的所述脈衝寬度調製信號而產生所述電壓信號；以及根據所述感測信號而決定所述電動機的位置；其中，所述脈衝寬度調製信號由一控制電路產生，所述控制電路由一微控制器控制，並且所述控制電路包括：一比較器，經配置以比較所述感測信號與一閾值電壓；以及一緩衝器，經配置以接收所述比較器的一輸出信號及所述微控制器的一位址信號，並且所述微控制器經耦接以透過該緩衝器接收所述比較器的該輸出信號。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的方法，其中所述電阻器耦接到所述低側電晶體，以檢測一電動機電流。
  7. 如申請專利範圍第5項所述的方法，其中所述感測信號是經由在所述高側電晶體截止且所述低側電晶體導通時檢測所述 電動機的所述反電動勢信號而產生。
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