无霍尔元件直流无刷马达驱动系统与驱动方法
【专利摘要】一种无霍尔元件直流无刷马达驱动系统与驱动方法，其是由一转子侦测电路、逻辑控制电路、负载驱动电路、反电动势侦测电路、速度参数生成电路、回馈比较电路所组成，其中是于转子侦测电路外加可调式电容以增加侦测转子位置的精准度，并于速度参数生成电路外加可调式电阻改变启动时第一步电流大小以确保马达顺利启动，由此能达到良好的马达启动输出表现以及较佳的系统稳定性。
【专利说明】无霍尔元件直流无刷马达驱动系统与驱动方法
【技术领域】
[0001]本发明系关于一种直流无刷马达的驱动系统与驱动方法，特别是有关于一种无霍尔元件的直流马达的驱动系统与驱动方法，以使本发明的无霍尔元件的直流马达的驱动系统能够达到良好的启动输出表现以及线性化马达转速控制；通过于驱动系统的转子侦测电路中，外加一可调式电容来改变侦测时间的长短，以增加侦测转子位置的精准度，并且还可以再于驱动系统的速度参数生成电路中，外加一可调式电阻来改变启动时的电流大小，以确保马达顺利启动；以使本发明的直流无刷马达的驱动系统与驱动方法得以使用在蓝光光驱、一般光驱或风扇上。
【背景技术】
[0002]一般来说，为了驱动直流无刷马达检测马达转子的位置，都会采用位置传感器检测，如霍尔元件（Hall sensor)、光编码器等，于马达运转时，取得适当地换相信号以驱动马达正常旋转。然而，使用位置传感器必须放置于马达内，会使得系统体积变大、增加组装难度以及增加系统成本，对于目前马达小型化的趋势，位置传感器将限制马达的发展与应用。
[0003]为了降低马达占据系统的体积以及组装的难度，无需传感器的直流无刷马达技术被广泛应用于各种驱动产品中。目前已提出的许多无需传感器的直流无刷马达驱动装置，通过马达定子（stator)所感应出的反电动势（Back Electromotive Forces,BEMF)来确定转子的位置和换相。然而，缺点是当马达静止时感应的反电动势并不存在，会造成无法侦测马达转子的初始位置。
[0004]因此，本发明于无霍尔元件直流无刷马达驱动电路中，通过外加可调式电容来改变侦测时间的长短，以增加侦测转子位置的精准度，同时，也可以外加可调式电阻来改变启动时的第一步电流大小，确保马达正常启动。经由本发明的无霍尔元件直流无刷马达驱动系统与驱动方法，可满足各式各样马达负载，使其达到良好的马达启动输出表现，并达到较佳的系统稳定性。
【发明内容】
[0005]为了解决上述问题，本发明的一主要目的在于提供一种无霍尔元件直流无刷马达驱动系统，于系统的转子侦测电路中，外加可调式电容来改变侦测时间的长短，以增加侦测转子位置的精准度，并且于系统的速度参数生成电路中，外加可调式电阻来改变启动时第一步电流大小，以确保马达顺利启动，由此能达到良好的马达启动输出表现以及较佳的系统稳定性。
[0006]本发明另一主要目的在于提供一种无霍尔元件直流无刷马达驱动方法，通过无霍尔元件直流无刷马达驱动方法，可达到良好的马达启动输出表现以及较佳的系统稳定性。
[0007]本发明的又一主要目的在于提供一种无霍尔元件直流无刷马达驱动系统，通过一可调式电容（Catu)与转子侦测电路连接，改变侦测转子位置的时间，增加侦测转子位置的精准度。[0008]本发明的再一主要目的在提供一种无霍尔元件直流无刷马达驱动系统，通过连接于负载驱动电路的一感测电阻（Rsmse),用以产生一感测电压（VsmJ，输入至转子侦测电路及回馈比较电路，产生输出到逻辑控制电路进而控制输出相位变换。
[0009]依据上述的各项目的，本发明提供一种无霍尔元件直流无刷马达驱动系统，包括：一转子侦测电路，其一端与一调整电容（Catu)连接；一逻辑控制电路，其一端与转子侦测电路连接，并根据转子侦测电路所输出的输出信号产生相对应的三相输出驱动信号（Mu、Mv、Mw);一负载驱动电路，其一端与逻辑控制电路的三相输出驱动信号（MU、MV、MW)连接，并产生三相输出电压（Vu、Vv, Vw)与一输出电流（IJ，用以驱动三相直流无刷马达转动，而负载驱动电路的另一端连接一感测电阻（Rsmse),用以产生一感测电压（VsmJ，并将此感测电压(Vsense)输入至转子侦测电路；一反电动势侦测电路，其一端与三相直流无刷马达中的三相线圈（U、V、W)与三相中心点（Com)回馈连接，而其另一端与逻辑控制电路的一端连接；一速度参数生成电路，其一端接收逻辑控制电路的一启动开关信号（Vss)，并根据一输入信号(Vlnput)以及一参考电位信号（Vltef)的差值,产生一速度控制电压（Vs。)，而其另一端连接一调整电阻（RadP ;以及一回馈比较电路，其输入端与感测电压（VsmJ及速度控制电压（Vsc)连接，根据感测电压OisenJ与速度控制电压(W作比较，产生一过电流控制信号（V。。）输入到逻辑控制电路。
[0010]本发明提供一种无霍尔元件直流无刷马达驱动方法，包括：提供一三相直流无刷马达；侦测三相直流无刷马达的一转子位置，利用一转子侦测电路来侦测三相直流无刷马达的转子位置，并根据转子侦测电路所输出的一输出信号给予一逻辑控制电路相对应的三相输出驱动信号（MU、MV、MW);驱动三相直流无刷马达，是将三相输出驱动信号（MU、MV、MW)输入至一负载驱动电路，产生三相输出电压（Vu、Vv、Vw)与一输出电流（IL)以驱动三相直流无刷马达；调整侦测时间，利用连接于负载驱动电路一端的一感测电阻（RsmJ所产生的一感测电压（V·上使得转子侦测电路于三相直流无刷马达启动前通过调整电容（Cadj)改变侦测转子位置的时间；以及侦测反电动势的变化，是利用一反电动势侦测电路，根据三相直流无刷马达的三相线圈（U、V、W)与三相马达中心点（Com)回馈侦测一反电动势变化，产生输出结果到逻辑控制电路进而控制三相直流无刷马达的相位变换。
[0011]本发明再提供一种无霍尔元件直流无刷马达驱动系统，包括：一转子侦测电路，其一端与一逻辑控制电路连接，而逻辑控制电路根据转子侦测电路的输出信号产生相对应的三相输出驱动信号（MU、MV、MW),—负载驱动电路,其一端与逻辑控制电路的三相输出驱动信号连接，并产生三相输出电压（Vu、Vv、Vw)与一输出电流（IJ，用以驱动三相直流无刷马达转动，一反电动势侦测电路，其一端与三相直流无刷马达中的三相线圈（U、V、W)与三相马达中心点（Com)回馈连接，而其另一端与逻辑控制电路的一端连接，一速度参数生成电路，其一端接收逻辑控制电路的一启动开关信号（Vss),并根据一输入信号（Vlnput)以及一参考电位信号（vKrf)的差值，来产生一速度控制电压（Vsc)，以及一回馈比较电路，其输入端与负载驱动电路与速度控制电压（vs。）连接，产生一过电流控制信号（V。。）输入到逻辑控制电路，其中无霍尔元件直流无刷马达驱动系统的特征在于：一可调式电容（Catu)与转子侦测电路连接，通过可调式电容来改变侦测转子位置的时间。
[0012]本发明接着再提供一种无霍尔元件直流无刷马达驱动系统，包括：一转子侦测电路，其一端与一逻辑控制电路连接，而逻辑控制电路根据转子侦测电路的输出信号产生相对应的三相输出驱动信号（MU、MV、MW),—负载驱动电路,其一端与逻辑控制电路的三相输出驱动信号连接，并产生三相输出电压（Vu、Vv、Vw)与一输出电流（I)，用以驱动三相直流无刷马达转动，一反电动势侦测电路，其一端与三相直流无刷马达中的三相线圈（U、V、W)与三相马达中心点（Com)回馈连接，而其另一端与逻辑控制电路的一端连接，一速度参数生成电路，其一端接收逻辑控制电路的一启动开关信号（Vss),并根据一输入信号（Vlnput)以及一参考电位信号（Vltef)的差值，来产生一速度控制电压（Vsc)，以及一回馈比较电路，其输入端与速度控制电压(ysc)连接，其中无霍尔元件直流无刷马达驱动系统的特征在于：负载驱动电路的另一端连接一感测电阻（Rsmse),用以产生一感测电压（vsmj，并将感测电压（VsmJ输入至转子侦测电路及回馈比较电路，根据感测电压（Vsense)与速度控制电压（Vsc)作比较，产生一过电流控制信号（V。。）输入到逻辑控制电路。
[0013]经由本发明所提供无霍尔元件直流无刷马达驱动系统与方法，于电路中通过外加可调式电容以及电阻，增加侦测转子位置的精准度以及确保马达顺利启动，以满足各式各样马达负载，并达到较佳的系统稳定性。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]由于本发明主要是揭露一种无霍尔元件直流无刷马达的驱动系统与驱动方法，是于转子侦测电路中，外加可调式电容来改变侦测时间的长短，以增加侦测转子位置的精准度,并且再于系统的速度参数生成电路中,外加可调式电阻来改变启动时第一步电流大小，以确保马达顺利启动，由此能达到良好的马达启动输出表现以及较佳的系统稳定性。其中，无霍尔元件直流无刷马达的基本原理与功能，已为相关【技术领域】具有通常知识者所能明了，故以下文中的说明，仅针对与本发明无霍尔元件直流无刷马达驱动系统与方法其特征处进行详细说明。此外，于下述内文中的附图，亦并未依据实际的相关尺寸完整绘制，其作用仅在表达与本发明特征有关的示意图，其中：
[0015]图I是为本发明的无霍尔元件直流无刷马达驱动系统方块图；
[0016]图2是为本发明的无霍尔元件直流无刷马达驱动系统的转子侦测电路架构图；
[0017]图3是为本发明的转子位置与六相相位电流关系图；
[0018]图4是为本发明的无霍尔元件直流无刷马达驱动系统的速度参数生成电路架构图；
[0019]图5是为本发明的无霍尔元件直流无刷马达驱动方法流程图。
【具体实施方式】
[0020]首先，请参阅图1，是为本发明的无霍尔元件直流无刷马达驱动系统方块图。如图I所示，无霍尔元件直流无刷马达驱动系统包括：一转子侦测电路10，其一端与一调整电容(Cadj) 101连接；一逻辑控制电路20，其一端与转子侦测电路10连接，并根据转子侦测电路10的输出信号产生相对应的三相输出驱动信号（Mu、Mv、Mw)负载驱动电路30,其一端与逻辑控制电路20的三相输出驱动信号连接，并产生三相输出电压（Vu、Vv、Vw)与一输出电流（IJ，用以驱动三相直流无刷马达40转动，而负载驱动电路30的另一端连接一感测电阻（RsmJ 301，用以产生一感测电压（V·上并将此感测电压（VsmJ输入至转子侦测电路
10;—反电动势侦测电路50，其一端与三相直流无刷马达中的三相线圈（U、V、W)与三相马达中心点（Com)回馈连接，而其另一端与逻辑控制电路20的一端连接；一速度参数生成电路60，其一端接收逻辑控制电路20的一启动开关信号（Vss)，并根据一输入信号（Vlnput)以及一参考电位信号（Vltef)的差值，来产生一速度控制电压（Vs。)，而其另一端连接一调整电阻（Radj)601 ;以及一回馈比较电路70，其输入端与感测电压OJsenJ及速度控制电压（Vsc)连接，根据感测电压OIsenJ与速度控制电压(W作比较，产生一过电流控制信号（V。。）输入到逻辑控制电路20。
[0021]当三相直流无刷马达40启动前，转子侦测电路10根据感测电压（Vsense)来侦测出转子的位置并输出至逻辑控制电路20，为了达到侦测转子位置的精确度，于转子侦测电路10外加一调整电容101来调整侦测的时间；当三相直流无刷马达40启动后，回馈比较电路70会根据感测电压（VsmJ与速度参数生成电路60的输出电压（Vs。）作比较，并选择性地于速度参数生成电路60再外加一调整电阻（Ratu)601，用以调整启动后第一步电流大小，以确保马达40能够正常启动；之后，由回馈比较电路70产生一过电流控制信号（V。。)，并输入到逻辑控制电路20，用以控制三相直流无刷马达40的速度。而后，三相直流无刷马达40即会依据马达线圈上的电流变化，产生反电动势并输入到反电动势侦测电路50，而反电动势侦测电路50即根据三相线圈（U、V、W)以及三相马达中心点（Com)来侦测反电动势变化，最后将所侦测到的反动势的变化量输出到逻辑控制电路20，用以控制马达40输出相位的变换。
[0022]接着，请参阅图2，是为本发明的无霍尔元件直流无刷马达驱动系统的转子侦测电路架构图。如图2所示，转子侦测电路10包含：一电压转换电流电路102，其输入端与感测电压（Vsense)连接，其中，感测电压（Vsense)是由与连接逻辑控制电路20的三相输出驱动信号（MU、MV、MW)经负载驱动电路30所输出的输出电流（Isense)流经感测电阻（Rsense) 301所产生的；而电压转换电流电路102的输出端与一取样电阻（Rsample) 104连接,并产生一取样电压（Vsample);—震荡频率产生电路116，其根据调整电容（Cadj) 101产生一时序信号至逻辑控制电路20 第一控制开关S1,依逻辑控制电路20输出的时序信号给予导通,其一端与取样电压104连接，而其另一端与一第一电容C1连接；一第二控制开关S2,依逻辑控制电路20输出的时序信号给予导通，其一端与取样电压104连接，而其另一端与一第二电容C2连接；一比较器114，其通过第一电容C1与第二电容C2作比较，产生一输出比较信号至逻辑控制电路20，并根据通过逻辑控制电路20所输出的时序信号启动第一控制开关S1与第二控制开关S2。
[0023]进一步详细说明，转子侦测电路10根据逻辑控制电路20给予六种输出相位至负载驱动电路30，并产生最大相位输出电流（Ismse)至感测电阻（Rsmse)，以产生一感测电压(Vsense)，再通过电压转换电流电路102产生输出电流至取样电阻（Rsample) 104，以产生取样电压（Vsample)。之后，经由逻辑控制电路20的控制，先将前两个相位的取样电压个别存入第一电容C1与第二电容C2,之后再使用比较器114进行电压的比较,产生一输出比较信号并输出至逻辑控制电路20 ;此时，震荡频率产生电路（Crystal Oscillator, 0SC)116也会提供一时序信号至逻辑控制电路20，而逻辑控制电路20则会依据震荡频率产生电路116的时序信号，给予转子侦测电路10的第一控制开关S1与第二控制开关S2所需导通的时间；同时，逻辑控制电路20会依据比较器114的输出比较信号，将取样电压小的开关打开用以取样下一相位的电压，以此方式经过六相不同输出相位后，以找出产生最大电流的相位，并根据此相位再比较前一相位与后一相位的大小进而决定适当的输出启动相位。另外，于震荡频率产生电路116外加一调整电容101，控制震荡频率产生电路的时序信号至逻辑控制电路20的时间，可以增加侦测转子位置的时间，以提高侦测电路的精准度。
[0024]再接着，请参阅图3，是为本发明的转子位置与六相相位电流关系图。如图3所示，三相直流无刷马达具有U相、V相、W相的三相线圈，转子侦测电路10依据转子不同角度给予六种输出相位；例如，以六十度为一旋转角度切换基准时，则可以测量从U相流过W相（路径I)、从U相流过V相（路径2)、从W相流过V相（路径3)、从W相流过U相（路径4)、从V相流过U相（路径5)、从V相流过W相（路径6)等六个路径的电流，进而决定转子的位置，对应流过三相线圈（U、V、W)电流关系如表1所示：
[0025]表1 :三相线圈（U、V、W)电流关系表
[0026]
【权利要求】
1.一种无霍尔元件直流无刷马达驱动系统，包括： 一转子侦测电路，其一端与一调整电容连接； 一逻辑控制电路，其一端与该转子侦测电路连接，并根据该转子侦测电路的输出信号产生相对应的三相输出驱动信号； 一负载驱动电路，其一端与该逻辑控制电路的该三相输出驱动信号连接，并产生三相输出电压与一输出电流，用以驱动三相直流无刷马达转动，而负载驱动电路的另一端连接一感测电阻，用以产生一感测电压，并将该感测电压输入至该转子侦测电路； 一反电动势侦测电路，其一端与该三相直流无刷马达中的三相线圈与三相马达中心点回馈连接，而其另一端与该逻辑控制电路的一端连接； 一速度参数生成电路，其一端接收该逻辑控制电路的一启动开关信号，并根据一输入信号以及一参考电位信号的差值，来产生一速度控制电压，而其另一端连接一调整电阻；及一回馈比较电路，其输入端与该感测电压与该速度控制电压连接，根据感测电压与速度控制电压作比较，产生一过电流控制信号输入到该逻辑控制电路。
2.根据权利要求1所述的无霍尔元件直流无刷马达驱动系统，其中该转子侦测电路包含： 一电压转换电流电路，其输入端与该感测电压连接，其中，该感测电压由与连接该逻辑控制电路的该三相输出驱动信号经该负载驱动电路输出的该输出电流流经该感测电阻所产生的，而其输出端与一取样电阻连接，并产生一取样电压； 一震荡频率产生电路，其一端连接该调整电容并产生一时序信号至该逻辑控制电路；一第一控制开关，依该逻辑控制电路输出的该时序信号给予导通，其一端与该取样电压连接，而其另一端与一第一电容连接； 一第二控制开关，依该逻辑控制电路输出的该时序信号给予导通，其一端与该取样电压连接，而其另一端与一第二电容连接 '及 一比较器，其通过该第一电容与该第二电容作比较，产生一输出比较信号至该逻辑控制电路，并根据通过该逻辑控制电路所输出的该时序信号启动该第一控制开关与该第二控制开关。
3.根据权利要求1所述的无霍尔元件直流无刷马达驱动系统，其中该速度参数生成电路包含： 一启动电流控制电路，其一端与该调整电阻连接； 一第一启动开关，其一端接收该逻辑控制电路的该启动开关信号，而其另一端与该启动电流控制电路连接，并输出一启动电流流至一速度控制电阻以产生一速度控制电压输出至该回馈比较电路； 一电压转换电流电路，其根据该输入信号与该参考电压产生一速度控制电流；及一第二启动开关，其一端接收该速度控制电流，并根据所输出该速度控制电流流至该速度控制电阻以产生该速度控制电压并输出至该回馈比较电路。
4.根据权利要求1或2所述的无霍尔元件直流无刷马达驱动系统，其中该转子侦测电路通过该调整电容改变侦测转子位置的时间。
5.根据权利要求1或3所述的无霍尔元件直流无刷马达驱动系统，其中该速度参数生成电路通过该调整电阻改变该三相直流无刷马达启动时的第一步电流。
6.一种无霍尔元件直流无刷马达驱动方法，包括： 提供一三相直流无刷马达； 侦测该三相直流无刷马达的一转子位置，利用一转子侦测电路来侦测该三相直流无刷马达的该转子位置，并根据该转子侦测电路所输出的一输出信号给予一逻辑控制电路相对应的三相输出驱动信号； 驱动该三相直流无刷马达，将该三相输出驱动信号输入至一负载驱动电路，产生三相输出电压与一输出电流以驱动该三相直流无刷马达； 调整侦测时间，利用连接于该负载驱动电路一端的一感测电阻所产生的一感测电压，使得该转子侦测电路于该三相直流无刷马达启动前通过该调整电容改变侦测该转子位置的时间；及 侦测反电动势的变化，利用一反电动势侦测电路，根据该三相直流无刷马达的三相线圈与三相中心点回馈侦测一反电动势变化，产生输出结果到该逻辑控制电路进而控制该三相直流无刷马达的相位变换。
7.根据权利要求6所述的无霍尔元件直流无刷马达驱动方法，其中，于完成该调整侦测时间后，进一步调整该调整电阻，以调整该三相直流无刷马达启动后第一步电流大小。
8.根据权利要求6所述的无霍尔元件直流无刷马达驱动方法，其中该转子侦测电路包含： 一电压转换电流电路，其输入端与该感测电压连接，其中，该感测电压由与连接该逻辑控制电路的该三相输出驱动信号经该负载驱动电路输出的该输出电流流经该感测电阻所产生的，而其输出端与一取样电阻连接，并产生一取样电压； 一震荡频率产生电路，其一端连接该调整电容并产生一时序信号至该逻辑控制电路；一第一控制开关，依该逻辑控制电路输出的该时序信号给予导通，其一端与该取样电压连接，而其另一端与一第一电容连接； 一第二控制开关，依该逻辑控制电路输出的该时序信号给予导通，其一端与该取样电压连接，而其另一端与一第二电容连接 '及 一比较器，其通过该第一电容与该第二电容作比较，产生一输出比较信号至该逻辑控制电路，并根据通过该逻辑控制电路所输出的该时序信号启动该第一控制开关与该第二控制开关。
9.根据权利要求6所述的无霍尔元件直流无刷马达驱动方法，其中该速度参数生成电路包含： 一启动电流控制电路，其一端与该调整电阻连接； 一第一启动开关，其一端接收该逻辑控制电路的该启动开关信号，而其另一端与该启动电流控制电路连接，并输出一启动电流流至一速度控制电阻，以产生一速度控制电压输出至该回馈比较电路； 一电压转换电流电路，其根据该输入信号与该参考电压产生一速度控制电流；及一第二启动开关，其一端接收该速度控制电流，并根据所输出该速度控制电流流至该速度控制电阻，以产生该速度控制电压并输出至该回馈比较电路。
10.一种无霍尔元件直流无刷马达驱动系统，包括：一转子侦测电路，其一端与一逻辑控制电路连接，而该逻辑控制电路根据该转子侦测电路的输出信号产生相对应的三相输出驱动信号，一负载驱动电路，其一端与该逻辑控制电路的该三相输出驱动信号连接，并产生三相输出电压与一输出电流，用以驱动三相直流无刷马达转动，一反电动势侦测电路，其一端与该三相直流无刷马达中的三相线圈与三相马达中心点回馈连接，而其另一端与该逻辑控制电路的一端连接，一速度参数生成电路，其一端接收该逻辑控制电路的一启动开关信号，并根据一输入信号以及一参考电位信号的差值，来产生一速度控制电压，以及一回馈比较电路，其输入端与该负载驱动电路与该速度控制电压连接，产生一过电流控制信号输入到该逻辑控制电路，其中该无霍尔元件直流无刷马达驱动系统的特征在于： 一可调式电容与该转子侦测电路连接，通过该可调式电容来改变侦测转子位置的时间。
11.一种无霍尔元件直流无刷马达驱动系统，包括：一转子侦测电路，其一端与一逻辑控制电路连接，而该逻辑控制电路根据该转子侦测电路的输出信号产生相对应的三相输出驱动信号，一负载驱动电路，其一端与该逻辑控制电路的该三相输出驱动信号连接，并产生三相输出电压与一输出电流，用以驱动三相直流无刷马达转动，一反电动势侦测电路，其一端与该三相直流无刷马达中的三相线圈与三相马达中心点回馈连接，而其另一端与该逻辑控制电路的一端连接，一速度参数生成电路，其一端接收该逻辑控制电路的一启动开关信号，并根据一输入信号以及一参考电位信号的差值，来产生一速度控制电压，以及一回馈比较电路，其输入端与该速度控制电压连接，其中该无霍尔元件直流无刷马达驱动系统的特征在于： 该负载驱动电路的另一端连接一感测电阻，用以产生一感测电压，并将该感测电压输入至该转子侦测电路及该回馈比较电路，根据感测电压与速度控制电压作比较，产生一过电流控制信号输入到该逻辑控制电路。
12.根据权利要求11所述的无霍尔元件直流无刷马达驱动系统，其进一步将一可调式电容与该转子侦测电路连接，通过该可调式电容来改变侦测转子位置的时间。
【文档编号】H02P6/18GK103490680SQ201210192518
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2012年6月12日 优先权日:2012年6月12日
【发明者】李灯辉, 陈威志, 刘锦鸿, 吴耿毅 申请人:晶致半导体股份有限公司