馬達控制系統及其方法與流程
2023-05-23 11:22:06 1
本發明關於一種控制方法，特別的是一種能降低馬達運轉噪音的控制系統及其方法。
背景技術：
一般來說，當驅動無刷直流馬達轉動時，必須偵測轉子的位置並通過換相開關的切換進行相位轉換；然而，在馬達驅動時容易因為切換過程造成電流的不穩定，引起馬達共振而導致產生擾人的噪音，進而影響使用上的舒適度。
為此，美國專利us7,009,351號專利便公開一種控制方法，讓馬達在換相時，停止輸出電流，利用慣性讓馬達轉過換相的臨界點。然而，在換相點產生一整段零電流的狀態，會造成單相馬達在換相點附近突然失去驅動能力，雖然可以用剩餘慣性跨越過磁極換相區域，但潛在有馬達速度不穩的缺點，且需要有一組偵測預先換相的電路。
另外，還有一個美國專利us7,915,843號專利公開一種控制方法在於，讓馬達在換相時輸出較平滑的電流，相同的，這類的控制方法仍是著重在換相點的電流突波的調變，以避免電流突波所造成的運轉噪音，一樣需要有另一組偵測預先換相的電路。
以上兩種方式僅在解決換相時所產生的電流突波，並無法在運轉時提供更平順的輸出。因此，是否有一種方法可以在不採用上述急速關閉電流的方式下，能夠，進而在運轉全周期具有更平順的電流波形，來降低馬達運轉的噪音問題。
技術實現要素：
有鑑於上述問題，本發明提出一種控制方法，特別的是一種能降低馬達運轉噪音的控制系統及其方法。
本發明提供一種馬達控制系統與方法，其通過運轉全周期脈衝寬度調變(pulse-widthmodulation,pwm)驅動的方式，利用電感效應來輸出更平順更接近的正弦(sinusoidal)電流波形，以降低馬達運轉的噪音。
根據本發明所揭露的一實施例，一種馬達控制系統包括一感測模塊、一控制模塊與一脈衝調變訊號模塊。感測模塊用以偵測一馬達的一轉子的一周期資訊，並輸出一感測訊號。控制模塊連結感測模塊，通過感測訊號接收轉子的周期資訊，並包括一預設規則。控制模塊控制pwm模塊(亦即設定dutycycle)，讓pwm輸出對應dutycycle的pwm訊號來驅動馬達。
根據本發明所揭露的另一實施例，一種馬達控制方法包括：偵測一馬達的一轉子的位置訊號，用以取得所述轉子的一運轉周期；將所述運轉周期切分為多個時序區段(timingsegment)；計算所述轉子在所述運轉周期的一個或多個轉速變化量；根據一預設規則，在各所述時序區段設定一脈衝調變訊號(pwm)的佔空比(dutycycle)；及以所述脈衝調變訊號驅動所述馬達。
因此，根據上述所揭露的內容，本發明馬達控制系統與方法，通過根據一預設規則與所述轉速變化量，對應各所述時序區段以不同的脈衝調變寬度驅動馬達，通過電感效應可以讓馬達輸出更平順更接近的正弦(sinusoidal)電流波形，進而有效的降低馬達運作的噪音。
附圖說明
圖1為本發明一實施例的馬達控制系統的示意圖。
圖2為根據圖1各訊號相對電流的波形示意圖。
圖3為本發明一實施例的馬達控制方法的流程圖。
主要組件符號說明：
10感測模塊
12控制模塊
14脈衝調變訊號模塊
16馬達
vs感測訊號
vdrive驅動訊號
icoil線圈電流
iideal理想電流波形
vs1第一感測正弦波
vs2第二感測正弦波
i第一區段
ii第二區段
iii第三區段
iv第四區段。
具體實施方式
以下結合附圖來詳細說明本發明的具體實施方式。相同的符號代表具有相同或類似功能的構件或裝置。連結、連接或電性連結表示直接或間接電性連接。
請參考圖1及2，圖1為本發明一實施例的馬達控制系統的示意圖，圖2為根據圖1各訊號相對電流的波形示意圖。在此實施例，馬達控制系統包括一感測模塊10、一控制模塊12與一脈衝調變訊號模塊14。感測模塊10用以偵測一馬達16的一轉子的一周期資訊，並輸出一感測訊號vs。控制模塊12連結感測模塊10，接收感測訊號vs的周期資訊，計算所述轉子的一個或多個轉速變化量，並包括一預設規則。控制模塊12計算各時間區段應輸出的佔空比(dutycycle)，控制所述脈衝調變訊號模塊14。脈衝調變訊號模塊14連結控制模塊12，並根據所述控制模塊計算的結果產生一驅動訊號vdrive來驅動馬達16，驅動訊號vdrive經過馬達線圈的電感效應，可產生較為平滑的電流icoil。
在本實施例，預設規則可為一預設目標功率；馬達16可為但不限於一種單相全波型的馬達，此類型的馬達可應用在風扇等負載(圖中未示)，馬達16的線圈電流icoil波形是由驅動訊號vdrive所控制。
周期資訊，有三種方式:一可用霍爾感測器感測磁場變化；二、感測電流的變化；三、感測反向電動勢等方式，以取得轉子在一運轉周期的一相位資訊。
其中，霍爾感測器可為藉由磁場轉換效應或無磁場轉換效應的霍爾感測器。
感測模塊可用偵測電流的變化偵測換極。
感測模塊也可用偵測反向電動勢方式偵測換極。
搭配參考圖2。如圖2所示，當感測模塊10取得轉子的周期資訊時，其可取得轉子的運轉周期。當本實施例的馬達16為一單相全波型的馬達時，感測模塊10的霍爾感測器會對應轉子先輸出一第一感測正弦波vs1與一第二感測正弦波vs2，再通過比較器(或轉換器)對應輸出感測訊號vs方波，然而，此部份為本案技術領域人士所知悉，在此不加以累述。
控制模塊12可根據感測訊號vs方波取得運轉周期，並藉由轉子的周期資訊，計算轉子在運轉周期的多個轉速變化量。控制模塊12依設計者的需求將一運轉周期切分為多個時序區段(timingsegment)。
控制模塊12再根據預設的目標功率值(亦即預設規則)與轉速變化量，用以調整驅動訊號vdrive的佔空比(dutycycle)。本案技術領域人士所知悉，馬達的輸出功率為轉矩與轉速的乘積，轉矩與轉速的值可以通過轉速變化量得知。因此，簡單的來說，當控制模塊12取得轉子周期資訊的感測訊號vs後，便可以依據轉速變化量給予對應的驅動訊號vdrive佔空比。目標功率值的設定可決定線圈電流icoil波形的振幅。
以本實施例來說，如圖2所示，一個運轉周期被切分為8個等分的時序區段(各時序區段為45度)，在0~180度的半周相位時序區段(另一半周181~360度為對稱區段)切分了一第一區段i、一第二區段ii、一第三區段iii與一第四區段iv。當目標功率值為最大輸出功率的60%時，脈衝調變訊號模塊14依序給予35%、75%、75%及35%佔空比的脈衝寬度調變訊號(pwm)。
如圖2所示，為了輸出如同正弦(sine)般的波形(如虛線所示)，當控制模塊12計算為了達目標功率值所需的脈衝寬度(佔空比)，依所對應的時序區段令脈衝調變訊號模塊14輸出對應的驅動訊號vdrive，經過線圈的電感效應,線圈電流icoil波形的輸出波型顯得相當平順與接近正弦波的理想電流波形iideal，有效的達到降低馬達運轉噪音的功效。
然而，上述的實施例並非用以限定一運轉周期僅能切分為8等份的時序區段；舉例來說，半運轉周期可切分為5個時序區段，脈衝調變訊號模塊14依序給予20%、20%、40%、40%及80%佔空比的脈衝寬度調變訊號，另一個對稱的半運轉周期則依序給予80%、40%、40%、20%及20%佔空比的脈衝寬度調變訊號，且各時序區段也可以非等分切割。
請參考圖1至圖3，圖3為本發明一實施例的馬達控制方法的流程圖。在此實施例，其控制方法應用在圖1所述的馬達控制系統，所述控制方法包括：步驟s10偵測一馬達的一轉子的周期資訊，用以取得所述轉子的一運轉周期；s12將所述運轉周期切分為多個時序區段(timingsegment)；s14計算所述轉子在所述運轉周期的轉速變化量；s16根據估算的運轉周期與一目標功率值與所述轉速變化量，對應各所述時序區段設定一脈衝調變訊號的佔空比；及s18以所述脈衝調變訊號驅動所述馬達。
其中，步驟s10所述的轉子周期資訊的偵測，是通過一霍爾感測器(hallsensor)，利用馬達16的電感效應，同前面描述。
因此，本發明的馬達控制系統及其方法，其主要通過感測模塊偵測出馬達轉子的周期資訊，進一步的估算轉速的變化量，再達成目標輸出功率值的要求下，設定在各時序所需的工作周期(dutycycle)，對應輸出脈衝調變訊號來驅動馬達，使得輸出的電流波形顯得相當平順與接近正弦波形，有效的達到降低馬達運轉噪音的功效。
上所述僅是本發明的優選實施方式。本發明的範圍並不以上述實施方式為限。舉凡熟習本案技藝的人士援依本發明的精神所作的等效修飾或變化，皆應包含在權利要求內。