TWI600269B - 馬達控制裝置及馬達控制方法 - Google Patents

Description

馬達控制裝置及馬達控制方法 發明領域

本發明是有關於可因應馬達的旋轉速度來使效率最佳化的馬達控制裝置及馬達控制方法。

發明背景

迄今，風扇馬達是使用可進行廣範圍之速度控制的無刷馬達。無刷馬達如下述之專利文獻1所揭示般，具有複數之霍耳元件，使用霍耳元件所輸出的訊號來檢測轉子的旋轉位置。

無刷馬達中之定子線圈的通電模式是因應了轉子的旋轉位置而決定的。在此，通電模式指的是：顯示隨著轉子的旋轉位置而與電源連接的定子線圈、以及流通於已與電源連接之定子線圈的電流之方向的模式。定子線圈會因應轉子的旋轉位置，以決定好的通電模式來通電。

[先行技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本發明公開公報特開2002-191186號

發明概要

然而，當由複數之霍耳元件內的任一霍耳元件輸出的訊號變化，定子線圈的通電模式即會同時變更。通常，由霍耳元件輸出之訊號變化的時點，會隨著轉子的旋轉速度變慢而變早。

因此，在習知的無刷馬達中，旋轉速度變得越低速，則霍耳元件之轉子位置檢測的時點會變早，通電模式也會在早於最佳切換時點的時點就被切換。所以，在低速的旋轉速度區域中，定子線圈所產生的磁力難以有效地活用於轉子，效率會降低而增加對於輸出的消耗功率(power)。

為了補償在低速之旋轉速度區域產生的轉子之位置檢測時點的偏差，可考慮把霍耳元件的配置朝轉子的旋轉方向移動其時點之偏差量。但是，這樣並無法使可變速運轉之風扇馬達的效率因應其旋轉速度而常為最佳化。

本發明是為了解決如上述般習知技術的問題而作成者，目的在於提供一種可因應馬達的旋轉速度而使效率最佳化的馬達控制裝置及馬達控制方法。

用以達成上述目的的本發明之馬達控制裝置，具有通電模式輸出部及變流器電路。

通電模式輸出部將複數的通電模式循環性地輸 出。變流器電路依照所輸出的通電模式，把馬達所具備之各線圈與電源選擇性地進行連接。通電模式輸出部使通電模式之輸出時點，因應馬達之旋轉速度而延遲。

本發明之馬達控制裝置，當馬達之旋轉速度越慢，則使從現在之通電模式至下個通電模式的切換越慢，以因應其旋轉速度的最佳效率來使馬達旋轉。

為了達成上述目的的本發明之馬達控制方法，包含有：因應馬達之轉子的旋轉位置來選擇通電模式的第1階段、演算轉子的旋轉速度的第2階段、從轉子的旋轉速度來演算延遲時間的第3階段、延遲所演算出的延遲時間而將已選擇好的通電模式輸出的第4階段，並且重複第1階段至第4階段而使馬達連續性地旋轉。

與上述的馬達控制裝置一樣，本發明之馬達控制方法，當馬達之旋轉速度越慢，則使從現在之通電模式至下個通電模式的切換越慢，以因應其旋轉速度的最佳效率來使馬達旋轉。

根據如上述構成之本發明，可使通電模式之輸出時點因應馬達的旋轉速度而延遲，因此可使效率因應馬達的旋轉速度而為最佳化。

100‧‧‧馬達控制裝置

110‧‧‧整流電路

120‧‧‧交流電源

130‧‧‧變流器電路

140A、140B、140C‧‧‧臂電路

142A、142B、142C‧‧‧連接線

145‧‧‧驅動電路

150‧‧‧通電模式輸出部

152‧‧‧旋轉速度演算部

154‧‧‧延遲時間演算部

156‧‧‧通電模式選擇部

158‧‧‧通電模式輸出時點調整部

C‧‧‧平流電容器

D、D1-D6‧‧‧二極體

H1、H2、H3‧‧‧感測部

Lu、Lv、Lw‧‧‧定子線圈

M‧‧‧馬達

N‧‧‧N極

MR‧‧‧轉子

MS‧‧‧定子

S‧‧‧S極

S100~S103‧‧‧步驟

TR1、TR2、TR3、TR4、TR5、TR6‧‧‧電晶體

[圖1]本實施形態之馬達控制裝置的構成圖。

[圖2]顯示圖1所示之通電模式輸出部的構成的方塊圖。

[圖3]用來說明圖1所示之感測部所輸出的訊號的圖。

[圖4]用來說明通電模式與感測部所輸出之訊號間的關係的圖。

[圖5]用來說明通電模式與定子線圈之通電方向間的關係的圖。

[圖6]用來說明通電模式之輸出時點的圖。

[圖7]本實施形態之馬達控制裝置的動作流程圖。

[圖8]習知的馬達控制裝置的特性與本實施形態之馬達控制裝置的特性的測定結果。

[圖9]將圖8的測定結果可視化後的圖表。

[圖10]習知的馬達控制裝置與本實施形態之馬達控制裝置分別以同一條件將同一馬達驅動時的電流波形圖。

用以實施發明之形態

以下，說明本發明之馬達控制裝置及馬達控制方法的實施形態。

〔馬達控制裝置的構成〕

圖1是本實施形態之馬達控制裝置的構成圖。

馬達控制裝置100具有：具備了平流電容器C的整流電路110、以及與馬達M連接的變流器電路130。

整流電路110如圖所示，具有已橋接的6個二極體D1-D6，6個二極體D1-D6把流通自交流電源(三相)120的電流進行全波整流。藉由6個二極體D1-D6進行了全波整流的電流，藉由平流電容器C進行平滑化，減少 全波整流後之直流電流的漣波。整流電路110成為馬達M的電源。

於整流電路110，並聯地連接著變流器電路130。變流器電路130具有將整流電路110已整流好的直流電流進行開關(switching)的3個臂電路140A、140B、140C。

臂電路140A將一對電晶體TR1與TR4串聯地連接，並將馬達M之定子線圈Lu連接於一對電晶體TR1與TR4間的連接線142A。臂電路140B將一對電晶體TR2與TR5串聯地連接，並將馬達M之定子線圈Lw連接於一對電晶體TR2與TR5間的連接線142B。臂電路140C將一對電晶體TR3與TR6串聯地連接，並將馬達M之定子線圈Lv連接於一對電晶體TR3與TR6間的連接線142C。

3個臂電路140A、140B、140C是並聯地連接於整流電路110之平流電容器C。在6個電晶體TR1、TR4、TR2、TR5、TR3、TR6的集極-射極間，反接有二極體D。在6個電晶體TR1、TR4、TR2、TR5、TR3、TR6的閘極，個別地連接有使該等電晶體開關的驅動電路145。

本實施形態所舉例顯示的馬達M是無刷馬達。馬達M的定子MS具有經星形連接之3個定子線圈Lu、Lv、Lw。馬達M的轉子MR具有將N極與S極二等分而經磁化的圓筒形磁石，使用由定子線圈Lu、Lv、Lw所形成的磁場來旋轉。

在轉子MR的周圍，沿著轉子MR的旋轉方向配 置3個感測部H1、H2、H3。3個感測部H1、H2、H3配置為具有120°的相位差。感測部H1、H2、H3例如圖3所示，當與轉子MR的N極相對時輸出Hi的訊號，而當與S極相對時則輸出Lo的訊號。在N極與S極的邊界，切換Hi的訊號與Lo的訊號。感測部H1、H2、H3的功能是作為檢測轉子MR之旋轉位置的旋轉位置檢測感測器。另外，感測部H1、H2、H3在本實施形態中是假設為霍耳元件。不過，若為可檢測轉子MR之旋轉位置的感測器，則也可使用霍耳元件以外的感測器。也可將定子線圈Lu、Lv、Lw代替感測部來作為旋轉位置檢測感測器。

感測部H1、H2、H3也可檢測轉子MR的旋轉速度。感測部H1、H2、H3輸出與轉子MR之旋轉速度相應之脈波寬度的脈波訊號。感測部H1、H2、H3也可作為檢測轉子MR之旋轉速度的旋轉速度檢測感測器而發揮功能。

馬達控制裝置100具備連接有感測部H1、H2、H3的通電模式輸出部150。通電模式輸出部150向各驅動電路145循環性地輸出複數的通電模式。通電模式輸出部150使通電模式之輸出時點因應馬達M的旋轉速度而延遲。更具體而言，馬達M的旋轉速度變越慢，通電模式輸出部150使通電模式之輸出時點延遲越多的時間。另外，變流器電路130依通電模式選擇性地與馬達M所具備之定子線圈Lu、Lv、Lw之各個定子線圈及整流電路110連接。

通電模式是如下的模式：顯示依轉子MR之旋轉位置而與整流電路110連接的定子線圈Lu、Lv、Lw、以及 流通於已與整流電路110連接之定子線圈Lu、Lv、Lw的電流的方向的模式。後面會詳細說明通電模式的具體例。

圖2是顯示圖1所示之通電模式輸出部150的構成的方塊圖。通電模式輸出部150具有：旋轉速度演算部152、延遲時間演算部154、通電模式選擇部156、通電模式輸出時點調整部158。

旋轉速度演算部152根據感測部H1、H2、H3輸出的脈衝訊號來演算轉子MR的旋轉速度。

延遲時間演算部154因應經演算出的轉子MR之旋轉速度，來演算用以使通電模式之輸出時點延遲的延遲時間。延遲時間演算部154具有記載了轉子MR之旋轉速度與相對於該旋轉速度之延遲時間的表格。延遲時間在轉子MR之旋轉速度為額定旋轉數時為0，而從該額定旋轉數每減少一定比例，則各增加tmsec。因此，延遲時間演算部154使延遲時間隨著轉子MR之旋轉速度從額定旋轉數變慢而階段性地變長。

另外，延遲時間演算部154也可不具如上述般的表格，而是演算因應了轉子MR之旋轉速度的延遲時間。此時，延遲時間演算部154使延遲時間隨著轉子MR之旋轉速度從額定旋轉數變慢而連續性地變長。

通電模式選擇部156因應3個感測部H1、H2、H3所檢測出的轉子MR之旋轉位置來選擇通電模式。

3個感測部H1、H2、H3如圖3所示，根據轉子MR之旋轉位置，分別輸出Hi、Lo的訊號。通電模式選擇 部156輸入3個感測部H1、H2、H3分別輸出的Hi、Lo的訊號，辨識轉子MR的旋轉位置。由於3個感測部H1、H2、H3分別輸出電角度差了120°相位的Hi、Lo的訊號，所以通電模式選擇部156可將轉子MR之旋轉位置依每60°進行辨識。

通電模式選擇部156在例如感測部H1輸出Lo的訊號、感測部H2輸出Lo的訊號、感測部H3輸出Hi的訊號時，選擇通電模式1。又，通電模式選擇部156在感測部H1輸出Hi的訊號、感測部H2輸出Hi的訊號、感測部H3輸出Lo的訊號時，選擇通電模式4。

3個感測部H1、H2、H3分別輸出的Hi、Lo的訊號之組合，如圖4所示，有6個模式。與該等6個模式分別對應而設定了通電模式1-6。因此，通電模式選擇部156藉由辨識3個感測部H1、H2、H3所檢測出的轉子MR之旋轉位置，可選擇因應了轉子MR之旋轉位置的通電模式。通電模式依1、2、3、4、5、6、1、2、...的順序變換。當通電模式從1前進至6時，轉子MR進行1次旋轉。因此，通電模式選擇部156在轉子MR每1旋轉，會循環地選擇通電模式1-6。

圖5是用來說明通電模式與定子線圈之通電方向間的關係的圖。如圖所示，在由通電模式輸出時點調整部158輸出了通電模式1的情況下，通電方向為U+、V-。因此，圖1所示之電晶體TR1與TR5由驅動電路145來進行開關(switching)，電流流通於如下之閉合電路--從整流電 路110流至電晶體TR1、定子線圈Lu、定子線圈Lw、電晶體TR5、整流電路110。又，在由通電模式輸出時點調整部158輸出了通電模式2的情況下，通電方向為U+、W-。因此，電晶體TR1與TR6由驅動電路145來進行開關，電流流通於如下之閉合電路--從整流電路110流至電晶體TR1、定子線圈Lu、定子線圈Lv、電晶體TR6、整流電路110。此外，在由通電模式輸出時點調整部158輸出了通電模式3的情況下，通電方向為V+、W-。因此，電晶體TR2與TR6由驅動電路145來進行開關，電流流通於如下之閉合電路--從整流電路110流至電晶體TR2、定子線圈Lw、定子線圈Lv、電晶體TR6、整流電路110。關於通電模式4-6，電流也流通於以與通電模式1-3同樣的想法所形成的閉合電路。而，形成閉合電路的電晶體是由驅動電路145進行PWM控制。

通電模式輸出時點調整部158使藉由通電模式選擇部156所選擇出之通電模式，延遲藉由延遲時間演算部154所演算出的延遲時間量，而輸出至變流器電路130。例如，如圖7所示，在把通電模式從1切換至2時，當轉子MR之旋轉速度為高速度的情況下，不使通電模式2的指示延遲而輸出至驅動電路145。當轉子MR之旋轉速度為中速度的情況下，使通電模式2的指示延遲t1msec而輸出至驅動電路145。而當轉子MR之旋轉速度為低速度的情況下，則使通電模式2的指示延遲t2msec而輸出至驅動電路145。把通電模式從2切換成3等之時也一樣。

〔馬達控制裝置的動作〕

接著，說明圖1所示之馬達控制裝置100的動作。圖7是馬達控制裝置100的動作流程圖。另外，此動作流程圖的處理順序，也是顯示馬達控制方法的順序者。

首先，通電模式選擇部156從3個感測部H1、H2、H3的訊號來選擇通電模式。由於3個感測部H1、H2、H3的訊號的組合，顯示了轉子MR之旋轉位置，所以通電模式選擇部156會因應轉子MR之旋轉位置來選擇通電模式(步驟S100)。

接著，旋轉速度演算部152根據3個感測部H1、H2、H3輸出的脈衝訊號來演算轉子MR(馬達M)的旋轉速度(步驟S101)。

延遲時間演算部154根據由旋轉速度演算部152所演算出的轉子MR(馬達M)的旋轉速度，來演算用以將輸出通電模式的時點進行調整的延遲時間(步驟S102)。

通電模式輸出時點調整部158使藉由通電模式選擇部156所選擇出的通電模式，延遲藉由延遲時間演算部154所演算出的延遲時間而輸出。例如，如圖6所示，當轉子MR之旋轉速度為中速度時，相較高速度的情況延遲t1msec來輸出通電模式，而當為低速度之時，相較高速度的情況延遲t2msec來輸出通電模式。由於若使通電模式的輸出延遲，則變流器電路130進行通電模式之切換會較慢，所以可消除感測部H1、H2、H3的檢測時點之誤差(步驟S103)。

馬達控制裝置100藉由重複進行從上述之步驟S100至步驟S103為止的處理，來使馬達M旋轉。

〔馬達控制裝置的效果〕

如以上，本實施形態之馬達控制裝置100，即使若在過去必須切換通電模式的條件已齊全，在馬達之旋轉速度較慢之時，也會刻意地使切換通電模式的時點較遲。因此，可輕易地解決當馬達之旋轉速度較慢時，比起旋轉速度較快時，相對之下會較早切換通電模式所產生的問題。

圖8是習知的馬達控制裝置的特性與本實施形態之馬達控制裝置的特性的測定結果。又，圖9是將圖8的測定結果可視化後的圖表。

馬達控制裝置的特性的測定，是把風扇馬達2台串聯地連接，對於使兩方之風扇馬達的旋轉數不同來進行送風之形態的風扇馬達而進行的。在該等圖中，記載為前段及後段的是：位於其風扇馬達之送風方向迎風側的風扇馬達為前段，而位於送風方向背風側的風扇馬達為後段。

見該等圖，隨著從馬達以高速旋轉、負載比(duty ratio)較大的狀態，移到以低速旋轉、負載比較小的狀態，前段及後段的馬達之功率減少率會增加。因此，在以同一旋轉速度進行旋轉的情況下，比起習知的馬達控制裝置，本實施形態之馬達控制裝置，流通於定子線圈的電流可以較小。因此，對於馬達輸出的消耗功率會變小。特別是如圖9所示，可知藉由調動通電模式之輸出時點，可使中低速區域的效率大幅上升。

圖10是習知的馬達控制裝置與本實施形態之馬達控制裝置分別將同一馬達驅動時的電流波形圖。

比較此電流波形圖，就算以相同速度來驅動同樣負荷，電流峰也下降了43%(習知品為233mA，本發明品為152mA)，可知本發明品的馬達效率比習知的馬達效率大幅提升。

如以上，根據本發明之馬達控制裝置及馬達控制方法，由於使通電模式之輸出時點因應馬達之旋轉速度電性地延遲，故可因應馬達之旋轉速度來使效率最佳化。

另外，在上述實施形態中，是舉三相的馬達為例來進行說明，不過本發明的思想，對於單相馬達、二相馬達、五相馬達等各種相數的馬達皆可適用。又，在上述實施形態中，是舉轉子之極數為2極的情形為例，不過關於3極以上極數的馬達也可適用本發明的思想。此外，更可適用於各種槽數的馬達。

100‧‧‧馬達控制裝置

110‧‧‧整流電路

120‧‧‧交流電源

130‧‧‧變流器電路

140A、140B、140C‧‧‧臂電路

142A、142B、142C‧‧‧連接線

145‧‧‧驅動電路

150‧‧‧通電模式輸出部

C‧‧‧平流電容器

D、D1-D6‧‧‧二極體

H1、H2、H3‧‧‧感測部

Lu、Lv、Lw‧‧‧定子線圈

M‧‧‧馬達

N‧‧‧N極

MR‧‧‧轉子

MS‧‧‧定子

S‧‧‧S極

TR1、TR2、TR3、TR4、TR5、TR6‧‧‧電晶體

Claims (9)

1. 一種馬達控制裝置，具有：通電模式輸出部，係將複數個通電模式循環性地輸出；及變流器(inverter)電路，依照所輸出之通電模式，把馬達所具備之各線圈與電源選擇性地進行連接，其中，前述通電模式輸出部，使輸出前述所輸出之通電模式的下一個通電模式的時點，隨著前述馬達之旋轉速度變得越慢而延遲越多時間，於前述延遲之期間，持續輸出前述所輸出之通電模式。
2. 如請求項1之馬達控制裝置，其中前述通電模式輸出部具有：通電模式選擇部，因應旋轉位置檢測感測器所檢測出的前述馬達之轉子的旋轉位置，來選擇通電模式；延遲時間演算部，因應旋轉速度檢測感測器所檢測出的前述轉子的旋轉速度，而演算用來使前述通電模式之輸出時點延遲的延遲時間；及通電模式輸出時點調整部，使所選擇好的通電模式延遲一經演算出之延遲時間量而輸出。
3. 如請求項2之馬達控制裝置，其中前述延遲時間演算部使前述延遲時間隨著前述轉子的旋轉速度變慢而階段性地變長。
4. 如請求項2之馬達控制裝置，其中前述延遲時間演算部 使前述延遲時間隨著前述轉子的旋轉速度變慢而連續性地變長。
5. 如請求項1之馬達控制裝置，其中前述通電模式是如下之模式：顯示依前述馬達之轉子的旋轉位置而與前述電源連接的前述線圈、以及流通於與前述電源連接之前述線圈的電流方向的模式，且前述通電模式輸出部，在前述轉子每1旋轉，使複數個通電模式循環而輸出。
6. 一種馬達控制方法，包含有：因應馬達之轉子的旋轉位置來選擇通電模式的第1階段、演算前述轉子的旋轉速度的第2階段、從前述轉子的旋轉速度來演算延遲時間的第3階段、及延遲所演算出的延遲時間而將已選擇好的通電模式輸出的第4階段，當從前述第1階段所選擇好的通電模式，切換至前述第4階段所選擇好的通電模式之際，使輸出前述第4階段所選擇好的模式之時點，隨著前述轉子之旋轉速度變得越慢而延遲得越長，並於前述延遲之期間持續輸出前述第1階段所選擇好的通電模式，並且重複前述第1階段至第4階段而使前述馬達連續性地旋轉。
7. 如請求項6之馬達控制方法，使前述延遲時間隨著前述 轉子的旋轉速度變慢而階段性地變長。
8. 如請求項6之馬達控制方法，使前述延遲時間隨著前述轉子的旋轉速度變慢而連續性地變長。
9. 如請求項6之馬達控制方法，其中前述通電模式是如下之模式：顯示依前述轉子的位置而與電源連接的前述馬達之線圈、以及流通於與前述電源連接之前述線圈的電流方向的模式，且在前述轉子每1旋轉，複數個通電模式會進行循環。