TWI702789B - 具調變振幅機制的馬達驅動系統及方法 - Google Patents

具調變振幅機制的馬達驅動系統及方法 Download PDF

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Abstract

本發明公開一種具調變振幅機制的馬達驅動系統及方法。高轉速馬達驅動系統包含查表模組、指令檢測器、圖形選擇器以及馬達驅動器。查表模組配置以儲存參考波形圖樣以及調變波形圖樣，調變波形圖樣的振幅大於參考波形圖樣的振幅。指令檢測器配置以接收轉速命令。圖形選擇器配置以接收參考波形圖樣以及調變波形圖樣，依據轉速命令選擇參考波形圖樣或調變波形圖樣。馬達驅動器配置以依據選擇的參考波形圖樣或調變波形圖樣，以輸出驅動訊號驅動馬達。

Description

具調變振幅機制的馬達驅動系統及方法
本發明涉及一種馬達驅動系統，特別是涉及一種高轉速馬達驅動系統。
近年來，個人計算機(Personal Computer，PC)、便攜計算機(Portable Computer/Note-Boob,NB)或是工作站(Work Station)的快速化發展，使得運算晶片的運作速度急速上升，例如中央處理單元(Central Processor Unit，CPU)、數位訊號處理器(Digital Signal Processor,DSP)。因此，隨著晶片運算速度的增加，也使得頻率變高，造成晶片產生大量的熱。然而，高熱會導致晶片運算不正常，或者對周圍電路產生影響。因此，晶片的散熱功能成為極其重要的技術。
一般在以PWM控制馬達驅動的方式中，都是用線性方式隨著PWM的供應電源週期(duty cycle)來控制驅動波形圖樣(此文稱為參考波形圖樣)的振幅循序地增加馬達的轉速，舉例來說，當PWM週期為50%，則參考波形圖樣的振幅將微原本振幅的一半，因此輸出功率即為原本一半。但固定的驅動波形圖樣無法同時達到低轉速和高轉速的需求。例如，在相同的馬達負載下，低轉速運轉時為了達到最低散熱要求並且減少馬達重新起動所產生的噪聲、噪音時，通常在PWM供應電源週期低到一定值之後(例如：20% duty cycle)，即會希望馬達能夠使用低噪音的驅動波形圖樣(此文稱為參考波形圖樣)，來滿足低噪音需求(因為一般以三次諧波波形(third-order harmonics)或弦波來驅動馬達，可以得到較低的噪音)；然而當高轉速運轉時為了達到最高散熱要求並且此時扇葉風切聲已經相當大，因此較不在乎馬達所產生的噪音時，所以通常在PWM供應電源週期高到一定值之後(例如：高於50% duty cycle)，即會希望馬達能夠使用高轉速(高週期)的驅動波形圖樣(此文稱為調變波形圖樣)，來滿足高轉速需求。很明顯地，此時馬達驅動裝置就需要有低轉速和高轉速不同波形圖樣設定的功能，來實現馬達高低轉不同的需求。
本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足提供一種高轉速馬達驅動系統，適用於驅動馬達。高轉速馬達驅動系統包含查表模組、指令檢測器、圖形選擇器以及馬達驅動器。查表模組配置以儲存參考波形圖樣以及調變波形圖樣。參考波形圖樣的波形不同於調變波形圖樣的波形。調變波形圖樣的振幅大於參考波形圖樣的振幅。指令檢測器配置以接收轉速命令。圖形選擇器連接查表模組以及指令檢測器。圖形選擇器配置以接收參考波形圖樣以及調變波形圖樣，依據轉速命令選擇參考波形圖樣或調變波形圖樣。馬達驅動器連接圖形選擇器。馬達驅動器配置以依據圖形選擇器選擇的參考波形圖樣或調變波形圖樣，驅動馬達運轉。
在一態樣中，參考波形圖樣包含正弦波圖樣、M波圖樣或其組合。
在一態樣中，調變波形圖樣包含梯形波圖樣、方波圖樣或其組合。
在一態樣中，當指令檢測器判斷轉速命令未到達門檻值時，指 令檢測器選擇參考波形圖樣。當指令檢測器判斷轉速命令到達門檻值時，指令檢測器選擇調變波形圖樣。
另外，本發明提供一種高轉速馬達驅動方法，適用於驅動馬達，高轉速馬達驅動方法包含以下步驟：利用查表模組，提供參考波形圖樣以及調變波形圖樣，參考波形圖樣的波形不同於調變波形圖樣的波形，調變波形圖樣的振幅大於參考波形圖樣的振幅；利用指令檢測器，接收轉速命令；利用圖形選擇器，依據轉速命令選擇參考波形圖樣或調變波形圖樣；以及利用馬達驅動器，依據圖形選擇器選擇的參考波形圖樣或調變波形圖樣，以驅動馬達運轉。
在一態樣中，參考波形圖樣包含正弦波圖樣、M波圖樣或其組合。
在一態樣中，調變波形圖樣包含梯形波圖樣、方波圖樣或其組合。
在一態樣中，選擇參考波形圖樣或調變波形圖樣的步驟更包含：利用指令檢測器判斷轉速命令是否到達門檻值時，若否，選擇參考波形圖樣，若是，選擇調變波形圖樣。
如上所述，本發明的有益效果在於，本發明所提供具調變振幅機制的馬達驅動系統及方法，其可基於參考波形圖樣例如正弦波或三次諧波波形(third-order harmonics)驅動馬達以低噪音運轉，滿足客戶期望馬達僅產生低振動噪音的需求，亦可切換為具有較高振幅的梯形波形或方波波形驅動馬達以高轉速運轉，以使應用馬達的風扇具有更良好的散熱效果，以有效降低積體電路的溫度，防止積體電路的溫度過高而損壞。因此，本發明的具調變振幅機制的馬達驅動系統及方法具有更佳的適用性和實用性。
為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有 關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。
10:查表模組
20:指令檢測器
30:圖形選擇器
40:馬達驅動器
MDW:參考波形圖樣
TPW:調變波形圖樣
TAW:三角波訊號
S201~S211、S301~S309:步驟
Wu、Wv、Ww:馬達三相驅動訊號
MDWU、MDWV、MDWW:參考波形圖樣
TPWU、TPWW:調變波形圖樣
MDWVH:參考波形圖樣
TPWVH:調變波形圖樣
TH:週期門檻值
MDW:三次諧波波形圖樣
TPW:梯形波形圖樣
MDWH:三次諧波波形圖樣
TPWH:梯形波形圖樣
A1:虛線圈
圖1為本發明實施例的高轉速馬達驅動系統的方塊圖。
圖2為本發明實施例的高轉速馬達驅動方法的步驟流程圖。
圖3為本發明實施例的高轉速馬達驅動方法的步驟流程圖。
圖4為本發明實施例的具調變振幅機制的馬達驅動系統及方法在轉速命令到達門檻值時將馬達的驅動訊號從正弦波切換至梯形波、反電動勢訊號以及零交越訊號的波形圖。
圖5為本發明實施例的具調變振幅機制的馬達驅動系統及方法將馬達的驅動訊號在正弦波以及梯形波之間進行切換的波形圖。
圖6為圖5的虛線圈A1圈起的驅動訊號的波形的放大示意圖。
以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開有關的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。
應當可以理解的是，雖然本文中可能會使用到“第一”、“第二”、“第三”等術語來描述各種元件或者訊號，但這些元件或者訊號不應 受這些術語的限制。這些術語主要是用以區分一元件與另一元件，或者一訊號與另一訊號。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包含相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。
請參閱圖1，其為本發明實施例的高轉速馬達驅動系統的方塊圖。如圖1所示，本實施例的高轉速馬達驅動系統包含查表模組10、指令檢測器20、圖形選擇器30以及馬達驅動器40。圖形選擇器30連接查表模組10以及指令檢測器20。馬達驅動器40連接圖形選擇器30。
查表模組10可為查表，或實務上替換為資料庫、暫存器、記憶體或其他具有儲存資料功能的元件。查表模組10可配置以儲存參考波形圖樣MDW以及調變波形圖樣TPW。
值得注意的是，參考波形圖樣MDW的波形不同於調變波形圖樣TPW的波形，並且調變波形圖樣TPW的振幅大於參考波形圖樣MDW的振幅。例如，參考波形圖樣MDW可包含正弦波圖樣、三次諧波波形(third-order harmonics)圖樣或其組合。調變波形圖樣TPW可包含梯形波圖樣、方波圖樣或其組合。
指令檢測器20配置以從外部電路例如外部積體電路或檢測積體電路的參數資訊的檢測電路等，以接收轉速命令，並接著檢測轉速命令的指示。轉速命令可包含指定的馬達的轉速，或與轉速相關的資訊例如用於驅動馬達的驅動訊號波形的振幅、週期等資訊。
圖形選擇器30配置以從查表模組10接收參考波形圖樣MDW以及調變波形圖樣TPW。當圖形選擇器30從指令檢測器20接收到所檢測的轉速命令的指示時，圖形選擇器30據以選擇參考波形圖樣MDW或調變波形圖樣TPW傳輸至馬達驅動器40。馬達驅動器40配置以依據圖形選擇器30選擇的參考波形圖樣MDW或調變波形圖樣TPW，以輸出一驅動訊號以驅動馬達。
詳言之，當轉速命令指示的轉速較低，例如轉速命令指示的轉速低於轉速門檻值時，圖形選擇器30選擇具有較小振幅但較低噪音的參考波形圖樣MDW例如正弦波圖樣或三次諧波波形圖樣。馬達驅動器40比較所選擇的參考波形圖樣MDW與三角波訊號TAW，以輸出例如具有脈波或方波的驅動訊號至馬達，使馬達以轉速命令指示的低轉速例如2000RPM進行運轉。
值得注意的是，當轉速命令指示的轉速較高，例如轉速命令指示的轉速高於轉速門檻值，指定的工作週期到達或大於週期門檻值TH，而無法藉由調變參考波形圖樣MDW即三次諧波或正弦波的工作週期獲得更高轉速時，圖形選擇器30選擇具有較大振幅的調變波形圖樣TPW。馬達驅動器40比較所選擇的調變波形圖樣TPW與三角波訊號TAW，以輸出具有較大振幅的驅動訊號至馬達，使馬達以較高轉速例如2200RPM運轉，應用此馬達的風扇對於積體電路可具有較佳的散熱效果。
為了能快速切換馬達的轉速，圖形選擇器30可同時持續接收具有不同波形和振幅的參考波形圖樣MDW以及調變波形圖樣TPW。當指令檢測器20檢測所接收的轉速命令指示高轉速模式時，從參考波形圖樣MDW切換至調變波形圖樣TPW，以即時提高馬達的轉速。相反地，當指令檢測器20檢測所接收的轉速命令指示低轉速模式時，從調變波形圖樣TPW切換至參考波形圖樣MDW，以即時降低馬達的轉速。
請一併參閱圖2，其為本發明實施例的高轉速馬達驅動方法的步驟流程圖。如圖2所示，本實施例的高轉速馬達驅動方法包含以下步驟S201~S211，適用於上述高轉速馬達驅動系統。
在步驟S201，利用查表模組10提供所儲存的參考波形圖樣MDW例如正弦波或三次諧波波形圖樣。
在步驟S203，利用查表模組10提供所儲存的調變波形圖樣 TPW。調變波形圖樣TPW的波形(例如梯形波或方波)不同於參考波形圖樣MDW的波形，並且調變波形圖樣TPW的振幅大於參考波形圖樣MDW的振幅。
在步驟S205，利用外部電路例如積體電路或用於檢測積體電路的參數值例如輸入(或輸出)電壓、輸入(或輸出)電流或溫度值的檢測電路，下達預設的/已編程的或是隨積體電路的參數值所改變的轉速命令至指令檢測器20。指令檢測器20可檢測轉速命令指定的轉速或其相關資訊。
在步驟S207，利用圖形選擇器30依據轉速命令選擇參考波形圖樣MDW或調變波形圖樣TPW。
在步驟S209，利用馬達驅動器40比對參考波形圖樣MDW或調變波形圖樣TPW與三角波形訊號TAW，以產生具有脈波或方波波形的驅動訊號。
在步驟S211，利用馬達驅動器40輸出驅動訊號至馬達，以驅動馬達運轉。
請一併參閱圖3，其為本發明實施例的高轉速馬達驅動方法的步驟流程圖。如圖3所示，本實施例的高轉速馬達驅動方法包含以下步驟S301~S309，適用於上述高轉速馬達驅動系統。
在步驟S301，由外部積體電路或其他電路下達轉速命令。
在步驟S303，利用指令檢測器20接收轉速命令，檢測轉速命令指示的轉速，或其他與轉速相關的參數值例如工作週期，是否大於(或到達)門檻值TH。若否，執行步驟S305。若是，執行步驟S307。
在步驟S305，若轉速命令指示的轉速或工作週期不大於(或未到達)門檻值TH時，利用圖形選擇器30選擇參考波形圖樣MDW例如正弦波圖樣或三次諧波波形圖樣，並將所選擇的參考波形圖樣MDW輸出至馬達驅動器40。
在步驟S307，若轉速命令指示的轉速或工作週期大於(或到達)門檻值TH時，利用圖形選擇器30選擇調變波形圖樣TPW例如梯形波形圖樣或方波波形圖樣，並將所選擇的調變波形圖樣TPW輸出至馬達驅動器40。
在步驟S309，若馬達驅動器40從圖形選擇器30接收到參考波形圖樣MDW，馬達驅動器40基於所選擇的參考波形圖樣MDW，驅動馬達以一較低轉速但噪音也較低的方式運轉。若馬達驅動器40從圖形選擇器30接收到調變波形圖樣TPW，馬達驅動器40基於所選擇的調變波形圖樣TPW，驅動馬達以一較高轉速運轉。
請一併參閱圖4，其為本發明實施例的具調變振幅機制的馬達驅動系統及方法在轉速命令到達門檻值時將馬達的驅動訊號從正弦波切換至梯形波、反電動勢訊號以及零交越訊號的波形圖。
馬達可例如為三相馬達，其具有U相、V相、W相共三相。如圖4所示，指令檢測器20接收轉速指令，接著檢測轉速指令。在指令檢測器20檢測轉速指令指示的工作週期或轉速到達門檻值TH之前，圖形選擇器30選擇參考波形圖樣，如U相的參考波形圖樣MDWU、V相的參考波形圖樣MDWV、W相的參考波形圖樣MDWW。這些參考波形圖樣MDWU、MDWV、MDWW為三次諧波波形圖樣或實務上為正弦波形圖樣。
馬達驅動器40分別依據圖形選擇器30選擇的參考波形圖樣MDWU、MDWV、MDWW與三角波訊號TAW，以分別輸出一驅動訊號至馬達的三相，以驅動馬達。
相反地，當指令檢測器20檢測轉速指令指示的週期或轉速到達門檻值TH時，圖形選擇器30選擇調變波形圖樣，取代參考波形圖樣。
如圖4所示，當指令檢測器20檢測轉速指令指示的週期或轉速到達門檻值TH時，圖形選擇器30選擇具梯形波的調變波形圖樣TPWU，取代參 考波形圖樣MDWU，在此僅舉例說明，本發明不以此為限，實務上，其可替換為方波。馬達驅動器40轉為輸出調變波形圖樣TPWU至馬達的U相。
值得注意的是，當指令檢測器20檢測轉速指令指示的週期或轉速到達門檻值TH時，U相的參考波形圖樣MDWU的電壓下降至零值，即已輸出一個週期的參考波形圖樣MDWU例如三次諧波波形或正弦波波形圖樣。馬達驅動器40依據圖形選擇器30選擇的具完整梯形波的調變波形圖樣TPWU以及三角波訊號TAW產生驅動訊號。馬達驅動器40在經過一非工作週期的時間後，輸出驅動訊號至馬達。
然而，當指令檢測器20檢測轉速指令指示的週期或轉速到達門檻值TH時，馬達驅動器40僅依據非完整週期例如半個週期的參考波形圖樣MDWVH，即半個三次諧波波形提供驅動訊號至馬達的V相，剩下未完成的另一半週期時間轉為提供非完整週期例如半個週期的具梯形波的調變波形圖樣TPWVH。
如上所述，在本實施例中，當轉速指令到達門檻值TH時，即時將參考波形圖樣MDWV切換為調變波形圖樣TPWVH，不會等到參考波形圖樣MDWV的一個週期的波形完成。因此，如圖4所示，馬達驅動器40產生由不完整的參考波形圖樣MDWVH(例如半個三次諧波波形)與不完整的調變波形圖樣TPWVH(例如半個梯形波)組成的波形。
當指令檢測器20檢測轉速指令指示的週期或轉速到達門檻值TH時，W相的參考波形圖樣MDWW的電壓下降至零值，即已輸出一個週期的參考波形圖樣MDWW例如三次諧波波形或正弦波波形圖樣。馬達驅動器40依據圖形選擇器30選擇的具完整梯形波的調變波形圖樣TPWW與三角波訊號TAW產生驅動訊號。馬達驅動器40在經過一非工作週期的時間後，輸出驅動訊號至馬達。
如圖4所示，在本實施例中，指令檢測器20接收到的轉速指令指定的轉速隨著時間變化越來越快，呈一線性變化。實務上，若欲停止風扇運轉或降低風扇轉速度時，指令檢測器20接收到的轉速指令指定的轉速將隨著時間變化越來越慢。
請一併參閱圖5、圖6，圖5為本發明實施例的具調變振幅機制的馬達驅動系統及方法將馬達的驅動訊號在正弦波以及梯形波之間進行切換的波形圖；圖6為圖5的虛線圈A1圈起的驅動訊號的波形的放大示意圖。
如圖5所示，馬達驅動器40依據圖形選擇器30所選擇的三次諧波波形圖樣MDW，連續產生六個完整的三次諧波波形圖樣MDW。
如圖5和圖6所示，在馬達驅動器40接著連續產生六個完整的三次諧波波形圖樣MDW之後，圖形選擇器30選擇三次諧波波形圖樣MDW。然而，當馬達驅動器40依據不完整的三次諧波波形圖樣MDW產生驅動訊號時，圖形選擇器30改為選擇梯形波形圖樣TPW取代三次諧波波形圖樣MDW。此時，馬達驅動器40取得如圖5所示的第七個波形，其由非完整三次諧波波形圖樣MDWH與非完整梯形波形圖樣TPWH組成的波形，即以非完整梯形波形圖樣TPWH接續已產生的部分三次諧波波形圖樣MDW。接著，馬達驅動器40取得的如圖5所示的第八個波形以及其後續的波形則為完整的梯形波形TPW。
[實施例的有益效果]
綜上所述，本發明的有益效果在於，本發明所提供具調變振幅機制的馬達驅動系統及方法，其可基於參考波形圖樣例如正弦波或三次諧波波形驅動馬達以低噪音運轉，滿足客戶期望馬達僅產生低振動噪音的需求，亦可切換為具有較高振幅的梯形波形或方波波形驅動馬達以高轉速運轉，以使應用馬達的風扇具有更良好的散熱效果，以有效降低積體電路的溫度，防止積體電路的溫度過高而損壞。因此，本發明的具調變振幅機制的馬達驅動 系統及方法具有更佳的適用性和實用性。
以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。
10:查表模組
20:指令檢測器
30:圖形選擇器
40:馬達驅動器
MDW:參考波形圖樣
TPW:調變波形圖樣
TAW:三角波訊號

Claims (2)

  1. 一種高轉速馬達驅動系統，適用於驅動一馬達，該高轉速馬達驅動系統包含：一查表模組，配置以儲存一參考波形圖樣以及一調變波形圖樣，該參考波形圖樣的波形不同於該調變波形圖樣的波形，該調變波形圖樣的振幅大於該參考波形圖樣的振幅；一指令檢測器，配置以接收一轉速命令；一圖形選擇器，連接該查表模組以及該指令檢測器，配置以接收該參考波形圖樣以及該調變波形圖樣，依據該轉速命令指示的轉速未到達一轉速門檻值時，選擇該參考波形圖樣，而該轉速命令指示的轉速到達該轉速門檻值時，選擇該調變波形圖樣；以及一馬達驅動器，連接該圖形選擇器，配置以比較一三角波訊號與該圖形選擇器選擇的該參考波形圖樣或該調變波形圖樣，以輸出一驅動訊號驅動該馬達運轉；其中該參考波形圖樣包含三次諧波波形圖樣，該調變波形圖樣包含梯形波圖樣；其中當該轉速命令指示的轉速到達該轉速門檻值，且該馬達驅動器僅依據非完整週期的該參考波形圖樣提供該驅動訊號至該馬達時，該馬達驅動器在該參考波形圖樣剩下未完成的週期時間內，轉為依據非完整週期的該調變波形圖樣提供該驅動訊號至該馬達，使該驅動訊號包含由不完整的三次諧波波形與不完整的梯形波圖樣組成的波形。
  2. 一種高轉速馬達驅動方法，適用於驅動一馬達，該高轉速馬達驅動方法包含以下步驟：利用一查表模組，提供一參考波形圖樣以及一調變波形圖樣，該參考波形圖樣的波形不同於該調變波形圖樣的波形，該調變 波形圖樣的振幅大於該參考波形圖樣的振幅；利用一指令檢測器，接收一轉速命令；利用一圖形選擇器，判斷該轉速命令指示的轉速是否到達一轉速門檻值，若否，選擇該參考波形圖樣，若是，選擇該調變波形圖樣；以及利用一馬達驅動器，比較一三角波訊號與該圖形選擇器選擇的該參考波形圖樣或該調變波形圖樣，以輸出一驅動訊號驅動該馬達運轉；其中該參考波形圖樣包含三次諧波波形圖樣，該調變波形圖樣包含梯形波圖樣；其中當該轉速命令指示的轉速到達該轉速門檻值，且該馬達驅動器僅依據非完整週期的該參考波形圖樣提供該驅動訊號至該馬達時，該馬達驅動器在該參考波形圖樣剩下未完成的週期時間內，轉為依據非完整週期的該調變波形圖樣提供該驅動訊號至該馬達，使該驅動訊號包含由不完整的三次諧波波形與不完整的梯形波圖樣組成的波形。
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