專利名稱：無刷直流馬達的起動方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種無刷直流馬達的起動方法，尤其涉及一種無須使用霍爾效應偵測器(Hall-effect sensor)的單相(single-phase)無刷直流馬達(brushlessDC motor，BLDCM)的起動方法。
背景技術：
一般的單相無刷直流馬達目前正被廣泛地使用于低起動轉矩(lowstarting torque)以及低功率的應用場合中，例如泵浦(pump)、風箱(blower)、以及冷卻風扇(cooling fan)等。
單相無刷直流馬達必須通過同步于馬達轉子(rotor)的位置的一電流換向信號以維持正常的運作，在大部分的應用場合中，會在該馬達內使用一霍爾效應偵測器用以偵測轉子的位置并控制該馬達。然而，霍爾效應偵測器本身具有極易受到溫度變化影響而影響元件表現(xiàn)的缺點，因此將其應用于馬達內也會使得采用該馬達的系統(tǒng)在相對于環(huán)境變化(特別是溫度變化)方面的表現(xiàn)能力不如預期。此外，在馬達內使用霍爾效應偵測器還會產生增加馬達的尺寸大小以及提高生產成本等問題。因此，傳統(tǒng)技術中已提出了許多無須使用霍爾效應偵測器以偵測轉子位置的馬達結構設計。
本領域的技術人員都了解，單相無刷直流馬達在其轉矩波形中具有所謂的死點(null-points)存在，其有時會使得馬達難以起動。
為了克服這個問題，出現(xiàn)了使用非對稱的氣隙(air gap)以導入一磁阻轉矩分量(reluctance torque component)的解決方法，如圖1的幾種結構所示。已經有論文證明了圖1(a)的錐形氣室(tapered air gap)是達到磁阻轉矩峰值(cogging torque peak value)的最佳配置結構，采用這種非對稱氣室的馬達便可由此克服其所具有的轉矩死點對電機起動的影響。
大部分的上述應用皆需要馬達于一預定的方向上轉動，但是當系統(tǒng)處于無偵測模式下、甚至是無霍爾效應的模式下時，方向的控制便會變得非常困難，這是由于控制器無法決定轉子的初始位置所致。因此，在馬達的起動期間，首先便必須解決控制器如何通過適當?shù)钠饎臃椒ㄒ詫崿F(xiàn)轉子按預定的方向轉動的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的主要目的為提出一種無刷直流馬達的起動方法，其無須使用霍爾效應偵測器即可起動一單相無刷直流馬達，使其自靜止而朝向所需的方向轉動。
本發(fā)明的構想為提出一種無刷直流馬達的起動方法，該起動方法是對含有一非對稱氣隙的馬達繞組輸入一電流脈沖，使得馬達繞組受激發(fā)而于定子產生一磁場，該磁場與轉子磁場相互作用，轉子開始旋轉并經過一特定時間后停止該電流脈沖的激發(fā)，則轉子會在一磁阻轉矩(cogging torque)作用下或是依靠本身的慣性(inertia)而按預期的方向旋轉，達到無須使用霍爾效應偵測器(Hall-effect sensor)即可實現(xiàn)馬達轉子按預定方向轉動的目的。
根據(jù)本發(fā)明的構想，提出一種單相無刷直流馬達的起動方法，該無刷直流馬達包括一定子、一轉子及一非對稱氣隙，該定子具有一繞組及至少一對通電時極性相反的定子齒(pole)，該轉子具有至少一對極性相反的磁極，該起動方法包括如下步驟(a)對該繞組輸入一電流脈沖，使得該繞組受激發(fā)而于該定子產生一磁場，并進入步驟(b)及步驟(d)其中之一；(b)若該磁場在各定子齒靠近該非對稱氣隙的部分的極性分別與各定子齒所對應的轉子的磁極極性相反時，該電流脈沖驅使該轉子朝一第一方向轉動，并進入步驟(c)；(c)在一時刻停止輸入該電流脈沖，一磁阻轉矩(coggingtorque)驅使該轉子朝一第二方向轉動，并進入步驟(f)；(d)若該磁場在各定子齒靠近該非對稱氣隙的部分的極性分別與各定子齒所對應的轉子的磁極極性相同時，該電流脈沖驅使該轉子朝該第二方向轉動，并進入步驟(e)；(e)在該時刻停止輸入該電流脈沖，一慣性(inertia)驅使該轉子朝該第二方向轉動，并進入步驟(f)；以及(f)根據(jù)該轉子轉動時在該繞組中產生的一反電動勢(back EMF)實施一電機換向(commutating)，使得該轉子朝該第二方向繼續(xù)轉動。
根據(jù)上述構想，其中該無刷直流馬達為一單相無刷直流馬達。
根據(jù)上述構想，其中該非對稱氣隙的形狀決定該第二方向為順時針方向或逆時針方向。
根據(jù)上述構想，其中該電流脈沖為一正電流脈沖或一負電流脈沖。
根據(jù)上述構想，其中該電流脈沖的大小至少大于可使得該轉子轉動的電流脈沖。
根據(jù)上述構想，步驟(b)中該電流脈沖驅使該轉子朝該第一方向轉動后，該轉子將沿著該第一方向及該第二方向于一銳角內擺動，該電流脈沖將維持到該轉子不再擺動為止。
根據(jù)上述構想，其中該時刻滿足步驟(b)中該轉子在該時刻的轉速為零，而步驟(d)中該轉子在該時刻時依然朝該第二方向轉動。
根據(jù)上述構想，其中該第一方向與該第二方向為相反的兩個方向。
根據(jù)上述構想，其中該電機換向(commutating)是指換向之后，該無刷直流馬達能輸出一正電磁功率。


通過下列附圖及詳細說明，能夠更深入地闡明本發(fā)明的特征和優(yōu)點，其中圖1是傳統(tǒng)技術中具有非對稱氣隙的單相無刷直流馬達的定子與轉子的結構剖面圖；圖2是本發(fā)明單相無刷直流馬達于靜止時轉子的可能位置的示意圖；圖3是本發(fā)明馬達的狀態(tài)以及其與磁動勢(MMF)的關系的示意圖；圖4是本發(fā)明馬達的狀態(tài)以及其與磁動勢(MMF)的關系的示意圖；圖5是本發(fā)明馬達的狀態(tài)的示意圖；圖6是本發(fā)明繞組電流、轉子位置以及轉子速度的曲線圖。
其中，附圖標記說明如下A1、A2定子齒N北極 S南極θ靜止時定、轉子軸線間的夾角 Fs定子磁動勢向量Fr轉子磁動勢向量 W轉子轉速
具體實施例方式
如前所述，圖1所示的非對稱(偏心)氣隙能夠輕易地克服傳統(tǒng)上馬達轉矩波形的死點現(xiàn)象。當具有非對稱氣隙的馬達靜止時，馬達的某一特定定子齒A1所對應的永久磁鐵磁極為S極(如圖2(a)所示的靜止位置一)或為N極(如圖2(b)所示的靜止位置二)。
本發(fā)明的起動方法的介紹說明雖然是基于最簡單的單相無刷直流馬達的結構(圖2所示的兩個定子齒以及兩個轉子磁極)，但本方法更適用于具有更多定子齒和轉子磁極的電機。
在圖2所示的結構中，黑色部分代表轉子的N極，而灰色部分代表轉子的S極。馬達結構的定子齒被分別標示成A1及A2，如圖2至圖5所示。除此之外，在該結構中，當供應一正電流脈沖至馬達繞組時，該電流脈沖將在馬達定子內激發(fā)一磁場；假設該磁場滿足定子齒A1朝向氣隙部分的極性為S極、定子齒A2朝向氣隙部分的極性為N極。此處分別使用灰色及黑色來分別描繪各齒的極性特征，如圖3、圖4、圖5所示。相反地，當供應一負電流脈波至馬達繞組時，定子齒A1與A2的顏色便需彼此交換，而其極性特征也同時交換。
如果控制系統(tǒng)本身具有如霍爾元件般的偵測器，便能夠獲得轉子磁極的極性信息，而根據(jù)轉子的信息以及所需的轉動方向輕易地提供起動策略；但若是系統(tǒng)欲采用非偵測式的控制方式，便無法獲得轉子磁極在靜止時的信息，因此便必須采取其它較特別的方法來使得馬達按照預期的方向旋轉。在實現(xiàn)馬達于正確的方向上轉動后，由于在轉子轉動期間系統(tǒng)能夠輕易地得到反電動勢(back EMF)的信息，因此采用非偵測式的控制方式的系統(tǒng)便能夠根據(jù)反電動勢的信息成功地進行換向(commutating)。因此，本發(fā)明的起動方法的關鍵在于起動時使用特殊的激發(fā)方法使得馬達按照預期的方向旋轉。
轉子的啟始位置若是位于如圖2(b)所示的位置二，當供應一正電流脈沖至馬達繞組時，馬達的狀態(tài)便會如圖4(a)所示，轉子磁極N與定子齒A1具有相反的極性，此時定子磁動勢(Fs)向量與轉子磁動勢(Fr)向量之間的關系如圖4(b)所示。很明顯地，電流脈沖會使得轉子朝順時針方向轉動，當電流脈沖持續(xù)，轉子將會轉動一θ度的電位角，并且輪流依照順時針方向、逆時針方向的方式來回擺動之后，最終停止于圖5(a)所示的特殊位置，此時定子齒與轉子磁極的極性剛好相反，因此轉子會受到定子的吸引。
接著，若是控制器將電流在下一時刻突然降至零，磁阻轉矩便會使得轉子朝逆時針方向轉動，如圖5(b)所示。圖6所示為在此期間之內的轉子位置及轉子速度，圖中的曲線S1為轉子位置曲線，其零點位置即為圖5(a)所示的狀況，而W1則為轉子速度曲線。由圖6可看出，定子磁動勢與轉子磁動勢一開始彼此之間形成θ度的電位角，當電流脈沖使得轉子朝順時針方向轉動時，電位角漸減并變成負值(代表轉子繞過了圖5(a)所示的特殊位置)，接著轉子擺動時，電位角又再度增加，直到t1時刻出現(xiàn)、定子磁動勢與轉子磁動勢的方向彼此重合為止；而時刻t5則為電流脈波降至零的時刻，此時轉子相對于定子的轉速則為零；當過了時刻t5，磁阻轉矩拖動轉子使其朝逆時針方向轉動后，電位角則又再度增加。
轉子的啟始位置若是位于如圖2(a)所示的位置一，當供應一正電流脈沖至馬達繞組時，馬達的狀態(tài)便會如圖3(a)所示，轉子磁極S與定子齒Al具有相同的極性，此時定子磁動勢(Fs)向量與轉子磁動勢(Fr)向量之間的關系如圖3(b)所示。很明顯地，電流脈沖會使得轉子朝逆時針方向轉動。接著，若是控制器將電流在轉子轉過π-θ電位角附近的某一時刻處突然降至零，轉子便會因為本身的慣性(inertia)而保持逆時針轉動。圖6所示為在此期間之內的轉子位置及轉子速度，圖中的曲線S2為轉子位置曲線，其零點位置即為圖5(a)所示的狀況，而W2則為轉子速度曲線。由圖6可看出，定子磁動勢與轉子磁動勢一開始彼此形成π-θ度的電位角(圖中所示為負值)，而當慣性使得轉子朝逆時針方向轉動后，電位角便逐漸增大。
于是，不論轉子的初始位置為何，在使用此短暫的正電流脈沖激發(fā)馬達之后，轉子便可在兩種可能的任一初始位置的情形下皆保持逆時針方向的轉動。
同樣地，在使用一短暫的負電流脈沖激發(fā)馬達之后，轉子亦可在兩種情形下皆保持逆時針方向的轉動，不論轉子的初始位置為何；其效應與前述使用短暫的正電流脈沖完全相同，但其成因卻是相反的。也就是說，此處當轉子的初始位置處于位置一時，電流脈沖結束后使得轉子朝逆時針方向繼續(xù)轉動的原因是磁阻轉矩，而當轉子的初始位置處于位置二時，電流脈沖結束后使得轉子朝逆時針方向繼續(xù)轉動的原因是轉子慣性。
綜上所述，不論轉子的初始位置為何，這種時間和大小均恰當?shù)碾娏髅}沖皆會使得轉子朝向逆時針方向轉動，而轉子的轉動方向僅由非對稱氣隙的結構所決定；若是定子齒A1下方的右側的氣隙大于左側的氣隙、而定子齒A2下方的左側的氣隙大于右側的氣隙(與圖2(a)相異)，則轉子便會因該電流脈沖而朝向順時針方向轉動。
在該短暫的電流脈沖成功起動轉子并使其以一速度于相同的方向上轉動之后，馬達中所預設的一控制器便可通過分析馬達在速度不為零時所具有的反電動勢的信息而實現(xiàn)電機換向(commutating)，使得該無刷直流馬達輸出一正電磁功率。
本發(fā)明控制方法的關鍵處在于電流脈沖的大小及其作用時間； 對于該作用時間來說，當轉子的初始位置處于圖2(b)的位置二時，該作用時間必須長到足以讓轉子停止于圖5(a)所示的特殊位置；但是另一方面，當轉子的初始位置處于圖2(a)的位置一時，該作用時間卻又不能夠長到阻礙轉子停止于該特殊位置。此外，對于電流脈沖的大小來說，其必須能夠起動轉子使其在不同的初始狀態(tài)下轉動，當然，不同的馬達結構亦需要不同的電流脈沖來起動。
綜上所述，本發(fā)明提供一種無刷直流馬達的起動方法，該方法是對馬達的繞組輸入一特定的電流脈沖，并于適當時機停止該脈沖的作用，之后馬達轉子便可通過磁阻轉矩或轉子慣性以實現(xiàn)轉子按照預期的方向旋轉，達到不使用霍爾效應偵測器便能實現(xiàn)馬達正常啟動的目的。
本發(fā)明可由本領域的技術人員進行各種改動與潤飾，然而皆為隨附的權利要求的保護范圍所涵蓋。
權利要求
1.一種無刷直流馬達的起動方法，該無刷直流馬達包括一定子、一轉子及一非對稱氣隙，該定子具有一繞組及至少一對通電時極性相反的定子齒，該轉子具有至少一對極性相反的磁極，該起動方法包括如下步驟(a)對該繞組輸入一電流脈沖，使該繞組受激發(fā)而于該定子產生一磁場，并進入步驟(b)及步驟(d)其中之一；(b)若該磁場在各定子齒靠近該非對稱氣隙的部分的極性分別與各定子齒所對應的轉子的磁極極性相反時，該電流脈沖驅使該轉子朝一第一方向轉動，并進入步驟(c)；(c)在一時刻停止輸入該電流脈沖，一磁阻轉矩驅使該轉子朝一第二方向轉動，并進入步驟(f)；(d)若該磁場在各定子齒靠近該非對稱氣隙的部分的極性分別與各定子齒所對應的轉子的磁極極性相同時，該電流脈沖驅使該轉子朝該第二方向轉動，并進入步驟(e)；(e)在該時刻停止輸入該電流脈沖，一慣性驅使該轉子朝該第二方向轉動，并進入步驟(f)；以及(f)根據(jù)該轉子轉動時在該繞組中產生的一反電動勢實施一電機換向，使該轉子朝該第二方向繼續(xù)轉動。
2.如權利要求1所述的起動方法，其中該無刷直流馬達為一單相無刷直流馬達。
3.如權利要求1所述的起動方法，其中該非對稱氣隙的形狀決定該第二方向為順時針方向或逆時針方向。
4.如權利要求1所述的起動方法，其中該電流脈沖為一正電流脈沖或一負電流脈沖。
5.如權利要求1所述的起動方法，其中該電流脈沖的大小是至少大于可使得該轉子轉動的電流脈沖。
6.如權利要求1所述的起動方法，其中步驟(b)中該電流脈沖驅使該轉子朝該第一方向轉動后，該轉子將沿著該第一方向及該第二方向于一銳角內擺動，該電流脈沖將維持到該轉子不再擺動為止。
7.如權利要求1所述的起動方法，其中該時刻滿足步驟(b)中該轉子在該時刻的轉速為零，而步驟(d)中該轉子在該時刻依然朝該第二方向轉動。
8.如權利要求1所述的起動方法，其中該第一方向與該第二方向為相反的兩個方向。
9.如權利要求1所述的起動方法，其中該電機換向是指換向之后，該無刷直流馬達能輸出一正電磁功率。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無刷直流馬達的起動方法，該起動方法是對含有一非對稱氣隙的馬達的繞組輸入一電流脈沖，使得馬達的繞組受激發(fā)而于定子產生一磁場，該磁場與轉子磁場相互作用，轉子開始旋轉并經過一特定時間后停止該電流脈沖的激發(fā)，則轉子會在一磁阻轉矩(cogging torque)作用下或是依靠本身的慣性(inertia)而按預期的方向旋轉，達到無須使用霍爾效應偵測器(Hall－effect sensor)即可實現(xiàn)馬達轉子按預定方向轉動的目的。
文檔編號H02P1/18GK1848658SQ20051006570
公開日2006年10月18日 申請日期2005年4月13日 優(yōu)先權日2005年4月13日
發(fā)明者王微子, 吳志敢, 金萬兵, 應建平, 吳立建, 黃世民, 黃文喜 申請人:臺達電子工業(yè)股份有限公司