TWI552512B - 產生無刷直流馬達用之線圈切換信號的方法與系統 - Google Patents

Description

產生無刷直流馬達用之線圈切換信號的方法與系統

本發明之實施例係關於控制無刷直流(DC)馬達之技術。更具體而言，本發明之實施例係關於產生無刷直流馬達用之線圈切換信號之技術。

本申請案特此根據35 U.S.C. §119主張由Ching-Yuh Tsay及Chuan Hung Chi於2010年12月30日申請之名為「用於馬達驅動器之尾端電流減小電路(Tail End Current Reduction Circuits for a Motor Driver)」之美國臨時申請案第61/428,666號(代理人案號為DIOD-AH5799PSP)的優先權，該案以引用的方式併入本文中。

通常，為驅動無刷直流馬達之定子線圈，用感測器偵測轉子之磁場之量值及極性。當轉子旋轉時，轉子在定子線圈處之磁場切換極性。感測器偵測此極性切換，且馬達控制器隨後產生信號以反轉由定子線圈產生之磁場之極性。然而，對一些馬達控制器而言，臨限磁場(在此臨限磁場下，馬達控制器產生信號以反轉定子線圈電流之方向)經設置以使得線圈電流僅在轉子之磁場之極性已切換後才切換。隨後，對線圈之磁場之極性與轉子之磁場之極性相同的循環之部分而言，馬達的作用就像產生器，且反電動勢(back emf)可使線圈驅動器電流之尾端峰化。線圈驅動器電流之此峰化(peaking)可導致不良雜訊，且可降低馬達之效率。

因此，可藉由產生線圈切換信號之經改良技術來促進無刷直流馬達之使用。

一些實施例提供一種產生一無刷直流馬達用之一線圈切換信號的系統。在操作期間，該系統在一第一時間判定該無刷直流馬達之一磁場且在一第二時間判定該無刷直流馬達之一磁場。隨後，基於在該第一時間判定之該磁場與一第一預定臨限值，及在該第二時間判定之該磁場與一第二預定臨限值之間的關係，來產生該線圈切換信號。

在一些實施例中，該第一預定臨限值之一量值大於該第二預定臨限值之一量值，且該第一預定臨限值之一極性與該第二預定臨限值之一極性相同。

在一些實施例中，判定該無刷直流馬達之該磁場包括：用一霍耳效應(Hall effect)感測器在該第一時間判定該磁場；及用該霍耳效應感測器在該第二時間判定該磁場。

在一些實施例中，在該第一時間判定之該磁場與該第一預定臨限值，及在該第二時間判定之該磁場與該第二預定臨限值之間的關係包括：在該第一時間判定之該磁場之一量值大於或等於該第一預定臨限值之一量值；且在該第二時間判定之該磁場之一量值小於或等於該第二預定臨限值之一量值。

在一些實施例中，該線圈切換信號係基於該感測磁場之一量值之減小而產生。

一些實施例進一步包括：基於該線圈切換信號，將該無刷直流馬達之一定子線圈之一磁場的一極性自一第一極性切換至一第二極性，其中該第一預定臨限值及該第二預定臨限值經選擇以使得，當該定子線圈之該磁場之該極性自該第一極性切換至該第二極性時，藉由該定子線圈之該磁場在該無刷直流馬達之一轉子上產生一扭矩，該扭矩係在與該轉子之一旋轉方向相反之一方向上。

在一些實施例中，在該無刷直流馬達之該定子線圈之該磁場處於該第二極性的一段時間期間，藉由該定子線圈之該磁場在該轉子上產生之一淨扭矩係在與該轉子之該旋轉方向相同的方向上。

在一些實施例中，該無刷直流馬達係單線圈無刷直流馬達。

在一些實施例中，該感測器及該線圈切換機構係封裝在單晶片上。

呈現以下描述以使熟習此項技術者能夠製作並使用實施例，且在特定應用及其要求之情況下提供以下描述。熟習此項技術者將易於瞭解對已揭示之實施例之各種修改，且在不背離本發明之精神及範疇的情況下，本文中定義之一般原理可應用於其他實施例及應用。因此，本發明不限於所示實施例，而是應符合與本文所揭示之原理及特徵一致的最寬範疇。

而且，本文所述之方法及處理程序可包括於硬體模組或設備中。該等模組或設備可包括(但不限於)特殊應用積體電路(ASIC)晶片、場可程式化閘陣列(FPGA)、在特定時間執行特定軟體模組或一段程式碼之專用處理器或共用處理器，及/或現在已知或稍後開發出之其他可程式化邏輯裝置。當硬體模組或設備啟動時，該等硬體模組或設備執行包括於其內之方法及處理程序。

圖式1A展示根據實施例之控制無刷直流馬達之線圈之系統。馬達控制器102包括線圈切換機構104，且自霍耳感測器106接收輸入。馬達控制器102耦合至定子線圈108且可在正方向(positive direction)110或負方向(negative direction)112上輸出通過定子線圈108的電流。

馬達控制器102及線圈切換機構104可以任何技術來實施，包括(但不限於)以下各者中之一或多者之任何組合：積體電路(IC)、離散電路、任何其他半導體裝置、在電腦上執行之軟體、特殊用途處理器、微控制器、ASIC、或一或多個其他專用或特殊用途處理器。

霍耳感測器106為霍耳效應感測器，且在不背離本發明的情況下，可以任何技術來實施霍耳感測器106。在一些實施例中，在不背離本發明的情況下，霍耳感測器106可由可偵測無刷直流馬達之轉子之磁場的量值及極性之任何其他感測器所替換。注意，在不背離本發明的情況下，霍耳感測器106及馬達控制器102可實施於一或多個IC上。

在操作期間，霍耳感測器106偵測轉子在定子線圈之位置處之磁場的量值及極性。藉由霍耳感測器106將與磁場之量值及極性有關之信號傳輸至馬達控制器102。線圈切換機構104隨後基於在兩個或兩個以上不同時間藉由霍耳感測器106感測之磁場之量值及極性而控制馬達控制器102在正方向110抑或負方向112上輸出通過定子線圈108的電流。在下文中關於圖式1B詳細描述此處理程序。

圖式1B展示根據實施例之無刷直流馬達中之線圈之驅動電流方向對藉由霍耳感測器感測之磁場之例示性圖表。在線圈驅動電流方向對磁場之圖表120中，水平軸線用在圖表左側之負極性(-G)及在圖表右側之正極性(+G)來表示藉由霍耳感測器106偵測之磁場124。垂直軸線(電流方向122)表示自馬達控制器102通過定子線圈108之輸出電流方向。水平線正電流方向126為在正方向110上自馬達控制器102輸出之電流之實例，且水平線負電流方向128為在負方向112上自馬達控制器102輸出之電流之實例。此外，在線圈驅動電流方向對磁場之圖表120上標記有四個磁場值：SETN 130、SETS 132、BRP 134及BOP136。

現將參照線圈驅動電流方向對磁場之圖表120來描述線圈切換機構104之操作。注意，為方便起見，描述從藉由霍耳感測器106偵測之初始磁場低於SETN 130(亦即，量值較大且極性與SETN相同)且由馬達控制器102輸出之電流為負電流方向128的狀態開始。在不背離本發明的情況下，可使用任何開始狀態。

從霍耳感測器106偵測到小於SETN 130之磁場的狀態開始，當霍耳感測器106隨後感測到大於BRP 134(例如，量值較小且極性與BRP 134相同)之磁場時，線圈切換機構 104控制馬達控制器102將通過定子線圈108之電流自負電流方向128切換至正電流方向126。隨後，在霍耳感測器106偵測到大於SETS 132之磁場後，線圈切換機構104等待小於BOP 136之磁場被偵測。當偵測到小於BOP 136之磁場時，線圈切換機構104隨後控制馬達控制器102將通過定子線圈108之輸出電流自正電流方向126切換至負電流方向128。隨後，當偵測到小於SETN 130之磁場時，循環完成。隨著無刷直流馬達之轉子旋轉，此循環繼續。

注意，當線圈切換機構104在磁場BRP 134處控制馬達控制器102將定子線圈108中之電流之方向自負電流方向128切換至正電流方向126時，來自定子線圈108之磁場之極性與如藉由霍耳感測器104偵測之轉子之磁場的極性相同。因此，定子線圈108與轉子將傾向於彼此排斥，從而在轉子上產生與轉子之旋轉方向相反之扭矩。隨著轉子繼續旋轉，轉子在定子線圈108之位置處之磁場的極性最終將切換至與定子線圈108之極性相反之極性。此情形將傾向於在轉子上產生在轉子之旋轉方向上的扭矩。注意，在定子線圈108中之電流為正電流方向126的時間期間，藉由定子線圈108之磁場在轉子上產生之淨扭矩係在轉子之旋轉方向上。

當電流方向在BOP 136處自正電流方向126變為負電流方向128時，發生類似的處理程序。藉由定子線圈108產生之磁場之極性與轉子之磁性相同，且將因此傾向於在轉子上施加在與轉子之旋轉相反之方向上的扭矩。隨著轉子繼續 旋轉，轉子最終將充分旋轉以使得在定子線圈108處來自轉子之磁場的極性與藉由定子線圈108產生之磁場的極性相反。藉由定子線圈108在轉子上產生之扭矩於是係在旋轉方向上。注意，在定子線圈108中之電流為負電流方向128的時間期間，藉由定子線圈108之磁場在轉子上產生之淨扭矩係在轉子之旋轉方向上。

注意，在一些實施例中，在不背離本發明的情況下，BOP 136及BRP 134之絕對值可為任何值，其包括(但不限於)10高斯(gauss)、30高斯、50高斯或任何更高或更低值。此外，在一些實施例中，SETN 130與BRP 134之間的磁場差異之量值不等於SETS 132與BOP 136之間的磁場差異之量值，只要SETN 130小於BRP 134且SETS 132大於BOP 136即可。而且，在一些實施例中，參數SETN 130、SETS 132、BRP 134及BOP 136之值係基於由馬達控制器102驅動之無刷直流馬達之一或多個操作特性來判定。舉例而言，該等參數中之一或多者之值可經選擇以減小由定子線圈108中之反電動勢電流產生之聽得見的雜訊，或經選擇以增加馬達效率。

此外，注意，在不背離本發明的情況下，輸出電流自正電流方向126至負電流方向128之改變(反之亦然)可沿著任何曲線。

注意，一些實施例可與包括任何數目個轉子磁極及/或定子磁極之無刷直流馬達一起使用。此外，在具有多個轉子磁極之無刷直流馬達中，霍耳感測器106可經定位以偵 測與定子線圈108同相之任一位置之磁場或與定子線圈108反相之任一位置之磁場(若定子線圈108之極性或馬達控制器102之輸出電流之極性被反轉)。

圖式2展示流程圖，其說明根據實施例之產生無刷直流馬達用之線圈切換信號之處理程序。首先，用霍耳效應感測器量測無刷直流馬達之轉子之磁場(A)(步驟202)。若A不大於SETS(步驟204)，則處理程序繼續進行至步驟212。在步驟212處，若A不小於SETN，則處理程序返回至步驟202。此循環將繼續，直至A大於SETS(步驟204)抑或A小於SETN(步驟212)。

在步驟204處，若A大於SETS，則再次量測磁場(A)。隨後，若A不小於BOP(步驟208)，則處理程序返回至步驟206且在此循環中繼續，直至A小於BOP(步驟208)且處理程序繼續進行至步驟210。在步驟210處，切換定子線圈中之電流之方向(例如，自正電流方向126至負電流方向128)。處理程序隨後返回至步驟202。

處理程序隨後將自步驟202循環至步驟204及步驟212且返回至步驟202，直至轉子已旋轉以使得在步驟202處量測之磁場小於SETN。當A小於SETN時(步驟212)，處理程序繼續至步驟214，在步驟214處再次量測A。在步驟216處，若A不大於BRP，則處理程序返回至步驟214且繼續循環，直至A大於BRP(步驟216)且處理程序繼續至步驟210。在步驟210中，切換定子線圈中之電流之方向(例如，自負電流方向128至正電流方向126)。處理程序隨後可循環回至步 驟202。

僅為達成說明及描述之目的呈現各實施例之前述描述。前述描述不欲為詳盡的或將本發明限於所揭示之形式。因此，熟習此項技術者將瞭解許多修改及變更。此外，以上揭示內容不欲限制本發明。

102‧‧‧馬達控制器

104‧‧‧線圈切換機構

106‧‧‧霍耳感測器

108‧‧‧定子線圈

110‧‧‧正方向

112‧‧‧負方向

122‧‧‧電流方向

124‧‧‧磁場

126‧‧‧正電流方向

128‧‧‧負電流方向

圖式1A展示根據實施例之控制無刷直流馬達之線圈之系統。

圖式1B展示根據實施例之無刷直流馬達中之線圈之驅動電流方向對藉由霍耳感測器感測之磁場之例示性圖表。

圖式2展示流程圖，其說明根據實施例之產生無刷直流馬達用之線圈切換信號之處理程序。

在圖式中，相同元件符號係指相同圖式元件。

102．．．馬達控制器

104．．．線圈切換機構

106．．．霍耳感測器

108．．．定子線圈

110．．．正方向

112．．．負方向

Claims (20)

1. 一種產生一無刷直流馬達用之一線圈切換信號的方法，該方法包含：在一第一時間判定該無刷直流馬達之一磁場；在一第二時間判定該無刷直流馬達之該磁場；及基於在該第一時間判定之該磁場與一第一預定臨限值，及在該第二時間判定之該磁場與一第二預定臨限值之間的一關係，來產生該線圈切換信號，其中該第一預定臨限值具有一第一量值且該第二預定臨限值具有一第二量值。
2. 如請求項1之方法，其中該第一預定臨限值之一量值大於該第二預定臨限值之一量值，且其中該第一預定臨限值之一極性與該第二預定臨限值之一極性相同。
3. 如請求項2之方法，其中判定該無刷直流馬達之該磁場包括：用一霍耳效應感測器在該第一時間判定該磁場；及用該霍耳效應感測器在該第二時間判定該磁場。
4. 如請求項1之方法，其中在該第一時間判定之該磁場與該第一預定臨限值，及在該第二時間判定之該磁場與該第二預定臨限值之間的該關係包括：在該第一時間判定之該磁場之一量值大於或等於該第一預定臨限值之一量值；及在該第二時間判定之該磁場之一量值小於或等於該第二預定臨限值之一量值。
5. 如請求項1之方法，進一步包括：基於該線圈切換信號，將該無刷直流馬達之一定子線圈之一磁場的一極性自一第一極性切換至一第二極性，其中該第一預定臨限值及該第二預定臨限值經選擇以使得，當該定子線圈之該磁場之該極性自該第一極性切換至該第二極性時，藉由該定子線圈之該磁場在該無刷直流馬達之一轉子上產生一扭矩，該扭矩係在與該轉子之一旋轉方向相反之一方向上。
6. 如請求項5之方法，其中在該無刷直流馬達之該定子線圈之該磁場處於該第二極性之一段時間期間，藉由該定子線圈之該磁場在該轉子上產生之一淨扭矩係在與該轉子之該旋轉方向相同的方向上。
7. 如請求項1之方法，其中該無刷直流馬達係一單線圈無刷直流馬達。
8. 一種產生一無刷直流馬達用之一線圈切換信號的系統，該系統包含：一感測器，其經組態以感測該無刷直流馬達之一磁場；及一線圈切換機構，其耦合至該感測器且經組態以基於藉由該感測器感測之一第一磁場值與一第一預定臨限值，及藉由該感測器感測之一第二磁場值與一第二預定臨限值之間的一關係來產生該線圈切換信號，其中該第一預定臨限值具有一第一量值且該第二預定臨限值具有一第二量值。
9. 如請求項8之系統，其中該第一預定臨限值之一量值大於該第二預定臨限值之一量值，且其中該第一預定臨限值之一極性與該第二預定臨限值之一極性相同。
10. 如請求項9之系統，其中藉由該感測器感測之該第一磁場與該第一預定臨限值，及藉由該感測器感測之該第二磁場與一第二預定臨限值之間的該關係包括：藉由該感測器感測之該第一磁場之一量值大於或等於該第一預定臨限值之一量值；及藉由該感測器感測之該第二磁場之一量值小於或等於該第二預定臨限值之一量值。
11. 如請求項10之系統，其中該感測器包括一霍耳效應感測器。
12. 如請求項11之系統，進一步包括：該無刷直流馬達之一轉子之一轉子磁極及該無刷直流馬達之一定子線圈，其中該感測器經組態以感測該轉子磁極之一磁場。
13. 如請求項9之系統，其中該無刷直流馬達係一單線圈無刷直流馬達。
14. 如請求項10之系統，其中該感測器及該線圈切換機構封裝在一單晶片上。
15. 一種產生一無刷直流馬達用之一線圈切換信號的系統，該系統包含：一霍耳效應感測器，其經組態以感測該無刷直流馬達之一磁場；及 一線圈切換機構，其耦合至該霍耳效應感測器且經組態以基於藉由該霍耳效應感測器自一第一預定臨限值之一第一量值至一第二預定臨限值之一第二量值所感測之該磁場之一量值的一減小而產生該線圈切換信號。
16. 如請求項15之系統，其中該線圈切換機構包括一磁場減小感測機構，其中該磁場減小感測機構經組態以基於藉由該霍耳效應感測器感測之一第一磁場值與該第一預定臨限值，及藉由該霍耳效應感測器感測之一第二磁場值與該第二預定臨限值之間的一關係來感測該磁場減小。
17. 如請求項16之系統，其中該第一預定臨限值之一量值大於該第二預定臨限值之一量值，且其中該第一預定臨限值之一極性與該第二預定臨限值之一極性相同。
18. 如請求項17之系統，其中藉由該霍耳效應感測器感測之該第一磁場值與該第一預定臨限值，及藉由該霍耳效應感測器感測之該第二磁場值與該第二預定臨限值之間的該關係包括：藉由該霍耳效應感測器感測之該第一磁場值之一量值大於或等於該第一預定臨限值之一量值；及藉由該霍耳效應感測器感測之該第二磁場值之一量值小於或等於該第二預定臨限值之一量值。
19. 如請求項18之系統，其中該霍耳效應感測器及該線圈切換機構封裝在一單晶片上。
20. 如請求項19之系統，其中該無刷直流馬達係一單線圈無刷直流馬達。