直流馬達的驅動保護方法與流程

2023-08-05 19:54:16

本發明與馬達控制及保護有關，特別是指一種直流馬達的驅動保護方法。

背景技術：

攪拌機、食物調理機及果汁機等都是利用馬達產生的動力來對被攪拌物進行攪拌，被攪拌物可以是水果、蔬菜、米飯、麵粉及化學粉料等。

為了避免馬達過載損壞，通常會在發生過載情況時，隨即中斷馬達的運作，來避免過載情況發生。舉例來說，若馬達要用來打麵團，初始時麵粉與水的混合物屬於輕載，所以馬達可順利將麵粉與水均勻攪拌混合。隨著攪拌時間增長，麵粉與水的混和物會變成黏稠的團狀，而使馬達從輕載變成重載運轉，因此，馬達的驅動電流也會增加，使得過載保護被觸發，而停止馬達的運轉。但這個情況下，麵團通常還沒完成，也就是說麵團還不能使用。

因此，如何有效控制馬達在重載下能正常運轉，以便將被攪拌物攪拌至理想狀態，已為本領域亟待解決的問題。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明的主要目的在於提供一種直流馬達的驅動保護方法，以使直流馬達能在重載時繼續正常運作。

達到上述目的，本發明所提供的一種驅動保護方法，用於一直流馬達的一驅動電路，所述直流馬達具有一最大耐受值，所述驅動保護方法包括下列步驟：提供一控制訊號及一驅動電流，所述控制訊號用於控制所述驅動電流的輸出準位，所述驅動電流用於驅動所述直流馬達；提供所述最大耐受值對應的一最大訊號準位；比較所述直流馬達反饋的一回饋信號及所述最大訊號準位；當所述回饋信號的準位超過所述最大訊號準位時，開始運算所述回饋信號，以得到一運算訊號，並在所述運算訊號的準位到達一關閉準位時，停止輸出所述控制訊號。

上述本發明的技術方案中，運算所述回饋信號以積分方式運算。

所述驅動電流追蹤所述最大耐受值為所述驅動電流小於或等於所述最大耐受值。

當所述回饋信號的準位超過所述最大訊號準位時，所述直流馬達的一轉速維持固定。

所述回饋信號的準位未超過或等於所述最大訊號準位時，所述控制訊號控制所述直流馬達的一轉速。

當所述回饋信號的準位未超過或等於所述最大訊號準位時，所述驅動電流等於或小於所述最大耐受值。

所述驅動電路具有一瞬間過流耐受值，所述瞬間過流耐受值大於所述最大耐受值，所述控制訊號具有多個工作周期，所述方法還包括以下步驟：提供所述瞬間過流耐受值對應的一瞬間訊號準位；比較所述回饋信號的準位及所述瞬間訊號準位，當所述回饋信號的準位超過所述瞬間訊號準位時，關閉目前所述控制訊號的工作周期，所述控制訊號的下一個工作周期的導通比率為正常輸出。

所述驅動電流的輸出準位範圍介於0至所述最大耐受值之間。

採用上述技術方案，本發明可使直流馬達在重載情況下，驅動電流小於或等於最大耐受值，以保護直流馬達在重載運轉時的使用壽命，及避免直流馬達損壞，並讓被攪拌物能更有效的被攪拌。

附圖說明

圖1是本發明的直流馬達及驅動電路的組成方塊示意圖；

圖2是脈波寬度調變技術中控制訊號、鋸齒波訊號及相電壓的訊號圖；

圖3是本發明的驅動保護方法的步驟流程圖；

圖4是回饋信號超過最大訊號準位時本發明的驅動保護方法仍可輸出控制訊號的訊號圖；

圖5是本發明的驅動保護方法的另一步驟流程圖；

圖6是回饋信號超過瞬間訊號準位時本發明的驅動保護方法仍可輸出控制訊號的訊號圖。

具體實施方式

現舉以下實施例並結合附圖對本發明的結構及功效進行詳細說明。然各圖式中驅動保護方法的構件、組成及流程僅用來說明本發明的技術特徵，而非對本發明構成限制。

如圖1所示，該圖繪示本發明的直流馬達10及其驅動電路30。直流馬達10可以是直流無刷馬達(brushless DC motor)或直流有刷馬達，直流馬達10具有一最大耐受值，最大耐受值是指直流馬達10可正常運轉，且不被損害的最大耐受值，最大耐受值通常是指電流，但不以此為限。

本實施例中，直流馬達10內部安裝有3個霍爾傳感器(hall sensor)(圖中未示)，分別用於偵測其安裝位置的一磁場極性訊號，以作為直流馬達的轉速控制。

驅動電路30接收這些霍爾傳感器的磁場陽極訊號，來計算直流馬達的實際轉速，但利用這個方式計算轉速已為本領域所周知，在此不再贅述。驅動電路30包 括一脈波寬度調變(Pulse Width Modulation)器31、一逆變器33、一訊號偵測器35、一差分放大器37及一電壓比較器39。

脈波寬度調變器31連接逆變器33，並產生一控制訊號SC，控制訊號SC有多個工作周期，每一工作周期有一導通比率。實際中，脈波寬度調變器31可以通過主動元件及被動元件組成的電路，或者由微處理器及集成電路來仿真，故脈波寬度調變器31不限組成的形態。

逆變器33連接直流馬達10及一主電源V。主電源V給逆變器33供應電力。控制訊號SC控制逆變器33，以改變逆變器33輸出的一驅動電流的一輸出準位。輸出準位的範圍介於0至直流馬達10的最大耐受值之間。

其中，逆變器33可以是半橋、全橋及三相等電路形式，無論是何種電路形式都包含由多個功率電晶體組成的電路，功率電晶體具有一瞬間過流耐受值，瞬間過流耐受值大於直流馬達10的最大耐受值。

訊號偵測器35連接逆變器33，驅動電流流過訊號偵測器35，在此實施例中，訊號偵測器35為一電阻。因此，通過歐姆定律訊號偵測器35會產生電壓降，也就是偵測到直流馬達10反饋的一回饋信號SF。但實際上，訊號偵測器35也可選用其他元件、電路或方式進行偵測，而不以電阻為限。

差分放大器37連接逆變器33及訊號偵測器35，由於訊號偵測器35是偵測回饋信號SF，回饋信號SF是微弱的電壓訊號，因此，差分放大器37可用於放大回饋信號SF。

電壓比較器39連接差分放大器37及脈波寬度調變器31，用於接收差分放大器37放大的回饋信號SF，且比較回饋信號SF的準位與直流馬達的最大耐受值對應的一最大訊號準位。其中，電壓比較器39有一積分單元，積分單元在驅動電流等於或大於最大耐受值時被觸發，而對回饋信號作積分處理，以得運算訊號，電壓比較器39判斷積分後的回饋信號是否超過一關閉準位，並在積分後的回饋信號超過關閉準位時控制脈波寬度調變器31停止輸出控制訊號，也就是不對直流馬達10供應電流。如此，本發明的驅動電路30可有效控制直流馬達10的運轉。其中，關閉準位為高於最大訊號準位。隨後詳述直流馬達10的驅動保護方法。

如圖2所示，脈波寬度調變技術是將直流馬達的相電壓VP的準位與固定頻率及振幅的鋸齒波訊號VT比較，來產生前述的控制訊號SC。其中，相電壓VP的準位高低是隨直流馬達轉速改變。換言之，直流馬達的轉速控制可通過調整脈波寬度調變器31輸出的控制訊號SC的工作周期的導通比率，來達到轉速控制的目的。其中，直流馬達的相電壓VP由還原控制訊號SC而獲得。

由於本發明具有上述的硬體組成，因此，在實際運行時，本發明通過驅動保護方法而讓直流馬達可發揮最佳的運轉效能。如圖3所示，本發明的驅動保護方法包括下列步驟：

首先，步驟S51：提供控制訊號及驅動電流。控制訊號用於控制驅動電流的輸出準位。驅動電流用於驅動直流馬達。

接著，步驟S52：提供直流馬達的最大耐受值對應的最大訊號準位。

隨後，步驟S53：比較直流馬達反饋的回饋信號的準位及最大訊號準位。

之後，步驟S54：當回饋信號的準位超過最大訊號準位時，開始運算回饋信號，以得到一運算訊號，並在運算訊號的準位到達一關閉準位時，停止輸出控制訊號。

其中，步驟S53至S54可定義為過載保護，用於避免直流馬達因為長時間過載運行而損壞。步驟S51及S52的順序可以對調或者位於相同的位階，故不以本實施例所述為限。

如圖4所示，該圖顯示三相的控制訊號SC、回饋信號SF及運算訊號SFI的特性曲線圖。在一般運行中，如I區，回饋信號SF的準位是未超過或等於最大訊號準位VM，也就是說直流馬達的驅動電流準位未達到其最大耐受值的情況時，可通過調整控制訊號SC的工作周期的導通比率來對應調整直流馬達的轉速，也就是說，驅動電流小於最大耐受值時，直流馬達的轉速是可通過調整工作周期的導通比率來控制其轉速。在這個時後，電壓比較器的積分單元不會被觸發及運行，也就是步驟S54是沒有運作。

當直流馬達達到重載的情況時，如圖4所示的II區，回饋信號SF的準位超過最大訊號準位VM，此時，步驟S54是有運作，開始運算回饋信號SF，以得到運算訊號SFI，並在運算訊號SFI到達關閉準位VO時，停止輸出控制訊號SC，也就是停止驅動電流供應至直流馬達，來避免直流馬達過載損壞。

由圖4的II區可知，回饋信號SF有三次超過最大訊號準位VM，因此，步驟S54的運算回饋信號SF是以積分方式運算，如此，不同工作周期中發生的回饋信號SF超過最大訊號準位VM，都可通過積分方式連續追蹤回饋信號SF來避免直流馬達損壞。

其中，運算回饋信號SF期間，驅動電流追蹤最大耐受值，以使直流馬達維持低轉速及高扭力輸出，驅動電流追蹤最大耐受值是指驅動電流小於或等於最大耐受值。

此外，回饋信號SF的準位超過最大訊號準位VM(即重載情況)時，積分單元被觸發，而對超過最大訊號準位VM的回饋信號SF進行積分計時，回饋信號SF的準位 超出最大訊號準位VM越多，運算訊號SFI的上升斜率就越陡，也就是更快到達關閉準位VO的判斷條件。

如此，驅動電流不會長時間且連續超過直流馬達的最大耐受值，也就是說在重載情況下，驅動電流小於或等於最大耐受值，以保護直流馬達在重載運轉時的使用壽命，及避免直流馬達損壞。

在回饋信號SC的準位高過最大訊號準位VM時，直流馬達的轉速是維持固定，而控制訊號SC則用於控制驅動電流。換言之，在重載時，直流馬達維持固定轉速(通常是低轉速)，而控制驅動電流追蹤最大耐受值，以讓直流馬達能在重載下正常運轉。

相較於先前技術，在重載時，本發明的驅動保護方法可有效讓驅動電流不會長間且連續超過直流馬達的最大耐受值，並可維持低轉速及高扭力的輸出，以讓被攪拌物能更有效的被攪拌。

請參照圖5，如前所述功率電晶體有瞬間過流耐受值，本發明的驅動保護方法還包括下列步驟：

步驟S55：提供瞬間過流耐受值對應的一瞬間訊號準位。

步驟S56：比較回饋信號的準位及瞬間訊號準位，步驟S57：當該回饋信號的準位超過瞬間訊號準位時，關閉目前控制訊號的工作周期，控制訊號的下一個工作周期的導通比率是正常輸出。

步驟S55至S57可定義為過流保護，用以保護驅動電路的功率電晶體。其中，步驟S57中關閉目前控制訊號的工作周期是指讓當下工作周期的導通比率迅速回到0，來關閉當下的導通周期，而不是指該次工作周期的導通比率等於0。控制訊號的工作周期的導通比率是正常輸出是指的工作周期的導通比率沒有被強制關閉，而是以正常的比率運作。

如圖6所示，在回饋信號SF的準位第一次超過瞬間訊號準位VI時，如圖中左邊，代表，驅動電流已經超過功率電晶體的負荷，因此，本發明的驅動保護方法是直接關閉三相控制訊號SC該次工作周期的導通比率，也就是讓三相控制訊號SC的當下工作周期的導通比率等於0(如圖中控制訊號虛線部分用於表示三相控制訊號SC被關閉，故實際中，虛線部分是不存在)，而斷開驅動電流的傳輸路徑，在下一個工作周期時，導通比率為正常工作，除非，下一次工作周期中，回饋信號SF準位又超過瞬間訊號VI準位(如圖中右邊)，這樣就重複步驟S56。因此，若回饋信號SF準位超過瞬間訊號VI準位時，本發明的驅動保護方法是不會直接讓直流馬達停止運作，而是以關閉當下的控制訊號的工作周期，以避免假性過載。

對於假性過載，舉例來說，當直流馬達在打麵團的過程中，因為刀具無法讓面 團轉動而造成回饋信號SF準位超過瞬間訊號VI準位時，因此，關掉當下的工作周期可避免直流馬達損壞，之後，控制訊號的工作周期又正常輸出，如此麵團可能又被刀具推動，因此，直流馬達就可持續攪拌麵團。

需要注意的是，回饋信號SF的準位超過瞬間訊號準位VI時，表示回饋信號SF的準位也超過最大訊號準位VM，因此，積分單元也是有被觸發

此外，本發明的驅動保護方法還有短路保護，短路保護是在驅動電流異常增加，驅動電路直接中斷驅動電流輸出至直流馬達的路徑，以保護直流馬達。

最後，再次強調，本發明在前述實施例中所揭示的構成元件，僅為舉例說明，並非用來限制本案的專利保護範圍，其他等效元件的替代或變化，也應被本案的專利保護範圍所涵蓋。