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    • 专利摘要:
    一種動態調整無刷直流馬達在換相期間之空載時間的方法及裝置，其係在該空載時間期間偵測該無刷直流馬達的線圈電流，當該線圈電流為零或接近零時結束該空載時間。此方法及裝置可以最佳化該空載時間，達成零電流切換無刷直流馬達之相位，且不會降低無刷直流馬達的最高轉速。
    公开号:TW201308872A
    申请号:TW100128875
    申请日:2011-08-12
    公开日:2013-02-16
    发明作者:Hao-Yu Chang；Pei-Cheng Huang；Wei-Hsu Chang；Kuo-Chung Lee
    申请人:Richtek Technology Corp；
    IPC主号:H02P6-00
    专利说明:
    動態調整無刷直流馬達在換相期間之空載時間的方法及裝置
    本發明係有關一種無刷直流(Brushless Direct Current,BLDC)馬達，特別是關於一種BLDC馬達的驅動電路及方法。
    BLDC馬達採用半導體開關元件來實現電子式換相，相對於由碳刷及換向器等機械整流結構組成的馬達，BLDC馬達具有降低機械磨損及噪音的優點。
    如圖1所示，BLDC馬達10的驅動電路包含4個作為開關元件的MOSFET Q1~Q4組成H橋，其具有二輸出端A及B供連接BLDC馬達10，D1~D4分別表示MOSFET Q1~Q4的基體二極體(body diode)，脈寬調變(Pulse Width Modulation,PWM)控制器12具有四輸出端AH、AL、BH及BL分別提供信號控制MOSFET Q1~Q4，因而在輸出端、A及B之間產生所需的操作電壓，以調整流經BLDC馬達10的線圈電流Im，進而調整BLDC馬達10的轉速，過電流保護(Over Current Protection,OCP)電路14連接在H橋和接地端之間偵測線圈電流Im的大小，以提供系統過載保護功能，當電流Im過大時，代表系統過載，OCP電路14會通知PWM控制器12停止提供PWM信號，或直接關閉下側MOSFET Q2及Q4，使BLDC馬達10停止運轉。
    為方便說明，將MOSFET Q1~Q4分別稱為第一上側開關、第一下側開關、第二上側開關及第二下側開關。BLDC馬達10的驅動過程如圖2所示，當轉子在某個相位時，如圖2(a)所示，PWM控制器12切斷第二上側開關Q3，導通第二下側開關Q4，以PWM信號切換第一上、下側開關Q1、Q2，電流Im由輸出端A經BLDC馬達10流向輸出端B，當轉子在另一個相位時，如圖2(b)所示，PWM控制器12切斷第一上側開關Q1，導通第一下側開關Q2，以PWM信號切換第二上、下側開關Q3、Q4，電流Im由輸出端B經BLDC馬達10流向輸出端A。為方便說明，將圖2(a)所示的相位稱為第一相位，將圖2(b)所示的相位稱為第二相位。在不同的相位之間切換時，若未能控制好切換時機，將會因為BLDC馬達10的線圈有殘餘電流Im而引起換相突波電流，導致反應電動勢抬升電源輸入端Vin的電壓，如圖3所示，可能因此損害元件。
    為了解決電壓Vin在相位切換時瞬間升高的問題，在換相時插入一段空載時間(dead time)，以便等待線圈電流Im降到零時再切換到下一個相位。例如要從第一相位切換到第二相位時，參照圖4，在空載時間期間，PWM控制器12保持第二下側開關Q4導通，切斷其他開關Q1~Q3，因而建立起一個電流迴圈，讓線圈電流Im透過第二下側開關Q4及基體二極體D2消化掉，或者是同時保持第一下側開關Q2及第二下側開關Q4的導通，切斷開關Q1、Q3，同樣會形成一電流迴圈，讓線圈電流Im透過第一下側開關Q2及第二下側開關Q4消化掉。然而，在不同的轉速下線圈電流Im的大小不同，其降到零所需的時間因此不同，所以需要的空載時間也會不同。舉例來說，如果設定空載時間使轉速50%剛好可讓殘餘電流Im消耗殆盡，則在轉速70%時，此空載時間結束時仍有殘餘電流Im引起換相突波電流；反之，若設定較長的空載時間，則會降低BLDC馬達10的最高轉速。
    因此，一種動態調整BLDC馬達在換相期間之空載時間的方法及裝置，乃為所冀。
    本發明的目的之一，在於提出一種動態調整BLDC馬達在換相期間之空載時間的方法及裝置。
    本發明的目的之一，在於提出一種最佳化BLDC馬達在換相期間之空載時間的方法及裝置。
    本發明的目的之一，在於提出一種零電流切換BLDC馬達之相位的方法及裝置。
    本發明係在BLDC馬達換相期間偵測其線圈電流，當偵測到該線圈電流等於或小於零電流臨界值時結束空載時間，以避免產生較大的換相突波電流。由於係根據線圈電流動態調整空載時間，因此可以最佳化空載時間，並達到零電流切換相位的目的。此外，因為空載時間係動態調整的，所以不會造成BLDC馬達的最高轉速變低，而且適用於各種轉速下的BLDC馬達。
    在一實施例中，在空載時間期間維持導通的下側開關被短暫切斷，以偵測線圈電流。
    在一實施例中，在空載時間期間維持導通的下側開關被短暫切斷，其同側之上側開關被短暫導通，以偵測線圈電流。
    在一實施例中，在空載時間期間維持導通的下側開關每隔一段時間被短暫切斷，以偵測線圈電流。
    在一實施例中，在空載時間期間維持導通的下側開關每隔一段時間被短暫切斷，其同側之上側開關被短暫導通，以偵測線圈電流。
    在一實施例中，由PWM控制器在空載時間期間施加短脈衝以短暫切斷該維持導通的下側開關。
    在一實施例中，由PWM控制器在空載時間期間施加短脈衝以短暫切斷該維持導通的下側開關，及導通其同側之上側開關。
    在一實施例中，在偵測線圈電流時根據該線圈電流產生偵測電壓，與零電壓臨界值比較，在該偵測電壓等於或大於該零電壓臨界值時產生控制信號以結束該空載時間。
    在一實施例中，使用電流偵測器在空載時間期間偵測線圈電流，在偵測到該線圈電流等於或小於零電流臨界值時通知PWM控制器結束該空載時間。
    在一實施例中，該電流偵測器包含電阻根據該線圈電流產生偵測電壓，以及比較器比較該偵測電壓與零電壓臨界值以產生控制信號給PWM控制器。
    為了動態調整BLDC馬達10的空載時間，如圖5所示，根據本發明的裝置包含電流偵測器16連接H橋及PWM控制器12，在BLDC馬達10換相期間之空載時間期間偵測其線圈電流Im，在偵測到線圈電流Im為零或接近零時通知PWM控制器12結束空載時間。為了判斷相位切換的時機，訂定代表線圈電流Im為零或接近零的零電流臨界值供電流偵測器16參考。當電流偵測器16偵測到線圈電流Im等於或小於零電流臨界值時，便認定可開始下一個相位操作。零電流臨界值的設定值可視能容忍的突波電流來決定。若零電流臨界值係大於零的值，則在開始下一個相位時會引起突波電流，但會有較短的空載時間，因此有較高的轉速。較佳者，零電流臨界值為略大於零的值。在最佳情況下，可達成零電流切換相位。
    在圖5的實施例中，電流偵測器16包含電阻R連接在H橋及接地端之間，以及比較器18及20將電阻R的跨壓V_R分別與臨界值V_ZCD及V_OCP比較，以產生信號S1及S2給PWM控制器12。此實施例係將動態調整空載時間的裝置整合到既有的OCP電路中，如同習知技術一樣，臨界值V_OCP代表過電流保護的設定值，當V_RV_OCP時，信號S2為高態，因而通知PWM控制器12停止提供PWM信號或直接關閉下側MOSFET Q2及Q4，使BLDC馬達10停止運轉。要從第一相位切換到第二相位時，如同習知技術一樣，在空載時間期間，PWM控制器12關閉MOSFET Q1~Q3，導通MOSFET Q4，建立如圖4所示的電流迴圈以消耗線圈電流Im，但是額外地，為了動態調整空載時間，PWM控制器12短暫關閉MOSFET Q4，這會導致電流Im變成從輸出端B經基體二極體D3流向電源輸入端Vin，以及從接地端經電阻R流向基體二極體D2，因而產生負的偵測電壓在偵測節點V_R上，藉此可得知在空載時間期間的線圈電流Im。要短暫關閉MOSFET Q4，可由PWM控制器12施加短脈衝到MOSFET Q4的閘極，例如圖6所示，較佳者，每隔一段時間送出一個短脈衝Ts。在不同的實施例中，在短脈衝Ts期間，除了關閉MOSFET Q4以外，同時也打開MOSFET Q3。由於圖5的實施例係藉偵測電壓V_R來偵測線圈電流Im，因此訂定一個對應零電流臨界值的零電壓臨界值V_ZCD，較佳者，零電壓臨界值V_ZCD設定為略小於零的值。在短脈衝Ts期間，若電壓V_RV_ZCD，則信號S1為高態，表示線圈電流Im為零或接近零，PWM控制器12開始操作BLDC馬達10於第二相位。
    由於空載時間係動態調整的，與轉速無關，因此上述方法及裝置可適用於不同的轉速下。
    一般而言，PWM控制器12都有一個最短脈衝設定，用來決定PWM信號的最小開啟時間(minimum on time)或最小關閉時間(minimum off time)。此最短脈衝可以用來產生上述偵測用的短脈衝Ts。例如，參照圖7，在第一相位時，PWM控制器12關閉MOSFET Q3，打開MOSFET Q4，依照轉速需求決定PWM信號的責任週期(duty cycle)，用來切換MOSFET Q1及Q2；進入空載時間後，PWM控制器12關閉MOSFET Q1~Q3，以最小關閉時間的PWM信號控制MOSFET Q4，一旦偵測到線圈電流Im等於或小於零電流臨界值便結束空載時間；開始第二相位後，PWM控制器12關閉MOSFET Q1，打開MOSFET Q2，依照轉速需求決定PWM信號的責任週期，用來切換MOSFET Q3及Q4。由習知技術可知在空載時間內，也可以保持MOSFET Q2開啟。在不同的實施例中，參照圖8，在空載時間期間，以最小開啟時間的PWM信號控制MOSFET Q3，以最小關閉時間的PWM信號控制MOSFET Q4。
    如圖5的實施例所示，本發明僅以簡單的電路即可動態調整空載時間，而且可以結合到現有的電路中。在不同的實施例中，電流偵測器16可以使用其他的電路來實現。
    以上對於本發明之較佳實施例所作的敘述係為闡明之目的，而無意限定本發明精確地為所揭露的形式，基於以上的教導或從本發明的實施例學習而作修改或變化是可能的，實施例係為解說本發明的原理以及讓熟習該項技術者以各種實施例利用本發明在實際應用上而選擇及敘述，本發明的技術思想由以下的申請專利範圍及其均等來決定。
    10．．．BLDC馬達
    12．．．PWM控制器
    14．．．OCP電路
    16．．．電流偵測器
    18．．．比較器
    20．．．比較器
    圖1係BLDC馬達的驅動電路；
    圖2係BLDC馬達在兩個相位下操作時的電流路徑示意圖；
    圖3為BLDC馬達在換相時引起突波電流的波形圖；
    圖4係在BLDC馬達換相時插入空載時間的示意圖；
    圖5係根據本發明的實施例；
    圖6係圖5的電路在換相期間的波形圖；
    圖7係圖5的電路在換相時的時序圖；以及
    圖8係圖5的電路在換相時的另一時序圖。
    10．．．BLDC馬達
    12．．．PWM控制器
    16．．．電流偵測器
    18．．．比較器
    20．．．比較器
    权利要求:
    Claims (14)
    [1] 一種動態調整無刷直流馬達在換相期間之空載時間的方法，該無刷直流馬達連接在H橋的二輸出端之間，該H橋由第一上、下側開關及第二上、下側開關組成，該方法包含下列步驟：(A)在該空載時間期間，導通該第二下側開關且切斷其他開關，或是導通該第一、第二下側開關且切斷其他開關，以消耗該無刷直流馬達的線圈電流；(B)在該空載時間期間偵測該線圈電流；以及(C)在偵測到該線圈電流等於或小於零電流臨界值時結束該空載時間。
    [2] 如請求項1之方法，其中該步驟B包含短暫切斷該第二下側開關以偵測該線圈電流。
    [3] 如請求項2之方法，其中該步驟B更包含在短暫切斷該第二下側開關期間導通該第二上側開關。
    [4] 如請求項1之方法，其中該步驟B包含每隔一段時間短暫切斷該第二下側開關以偵測該線圈電流。
    [5] 如請求項4之方法，其中該步驟B更包含在短暫切斷該第二下側開關期間導通該第二上側開關。
    [6] 如請求項1之方法，其中該步驟C包含下列步驟：根據該線圈電流產生偵測電壓；比較該偵測電壓與零電壓臨界值；以及在該偵測電壓等於或大於該零電壓臨界值時產生控制信號以結束該空載時間。
    [7] 一種動態調整無刷直流馬達在換相期間之空載時間的裝置，該無刷直流馬達連接在H橋的二輸出端之間，該H橋由第一上、下側開關及第二上、下側開關組成，該裝置包含：PWM控制器，連接該H橋以控制該等開關，該PWM控制器在該空載時間期間導通該第二下側開關且切斷其他開關，或是導通該第一、第二下側開關且切斷其他開關，以消耗該無刷直流馬達的線圈電流；以及電流偵測器，連接該H橋及該PWM控制器，該電流偵測器在該空載時間期間偵測該線圈電流，且在偵測到該線圈電流等於或小於零電流臨界值時通知該PWM控制器結束該空載時間。
    [8] 如請求項7之裝置，其中該PWM控制器在該空載時間期間施加短脈衝到該第二下側開關的控制端，以短暫切斷該第二下側開關讓該電流偵測器偵測該線圈電流。
    [9] 如請求項7之裝置，其中該PWM控制器在該空載時間期間施加短脈衝到該第二上側開關的控制端及該第二下側開關的控制端，以短暫切斷該第二下側開關且導通該第二上側開關，讓該電流偵測器偵測該線圈電流。
    [10] 如請求項7之裝置，其中該PWM控制器在該空載時間期間每隔一段時間施加短脈衝到該第二下側開關的控制端，以短暫切斷該第二下側開關讓該電流偵測器偵測該線圈電流。
    [11] 如請求項7之裝置，其中該PWM控制器在該空載時間期間每隔一段時間施加短脈衝到該第二上側開關的控制端及該第二下側開關的控制端，以短暫切斷該第二下側開關且導通該第二上側開關，讓該電流偵測器偵測該線圈電流。
    [12] 如請求項7之裝置，其中該電流偵測器包含：電阻，連接在該H橋及接地端之間，在該電流偵測器偵測該線圈電流時，根據該線圈電流產生偵測電壓；以及比較器，連接該電阻及該PWM控制器，比較該偵測電壓與零電壓臨界值以產生控制信號給該PWM控制器。
    [13] 如請求項7之裝置，其中該零電流臨界值係零或接近零的正值。
    [14] 如請求項8之裝置，其中該零電壓臨界值係零或接近零的負值。
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