專利名稱：單相直流無刷馬達控制器及控制其馬達轉速及轉向的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及單相直流無刷馬達，特別的涉及控制單相直流無刷馬達轉向的裝置與方法。
背景技術：
相對于有刷馬達而言，無刷馬達可以不必依靠傳統(tǒng)的電刷進行換相，因此增加了馬達結構的可靠度以及轉動效率，并且較為省電、安靜。此外，直流無刷馬達的結構相較于交流無刷馬達而言更加輕巧，具有占用較少的空間的優(yōu)勢，目前已廣泛運用于電子裝置散熱風扇之中。圖1為傳統(tǒng)單相直流無刷馬達的結構圖。直流無刷馬達100包括一轉子110及一定子120，其中轉子120可相對定子110旋轉。轉子110分別具有多個磁極(在此圖中為四個磁極)，各磁極可為永久磁鐵，其中相鄰的磁極分別具有相異的磁性，如圖中的N極與S 極。定子120具有與轉子110相同數(shù)量的磁極，分別位于復數(shù)個硅鋼片上(在此圖中定子 120共有四個硅鋼片121 124)。然而，不同于轉子110的永久磁鐵，定子120的各個磁極的磁場是由磁極上的線圈繞組所產(chǎn)生，而其中的繞組方式則不限為軸向繞組或徑向繞組。值得注意的是，為了使無刷馬達避開啟動死角而能順利啟動，定子120的各個硅鋼片121 IM常設計成具有不對稱的兩側(如圖所示)，以使兩側分別與正對的轉子110 磁極間隔有不等距離的氣隙。以圖中的硅鋼片121以及其正對的轉子磁極為例，當該硅鋼片121上的線圈繞組被激勵而產(chǎn)生極性為N的磁場時，該硅鋼片121將會與其正對的轉子磁極(N極)互斥，但由于硅鋼片121的兩側分別與其正對的轉子磁極間存有不等距離，使得硅鋼片121的兩側分別對其正對的轉子磁極施加不同大小的排斥力，兩排斥力的合力即可順利地推動轉子110朝順時鐘方向旋轉。然而，當欲使此單相直流無刷馬達進行反方向 (即逆時鐘方向)旋轉時，會因無法避開啟動死角而無法順利啟動。因此，現(xiàn)有的單相直流無刷馬達僅能朝單方向旋轉。僅能單向旋轉的直流無刷馬達局限了其應用范圍。若能設計出一種使傳統(tǒng)單相直流無刷馬達能夠雙向旋轉的馬達控制器，將有助于增加單相直流無刷馬達的功用。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種單相直流無刷馬達控制器，用以控制一單相直流無刷馬達的轉速及轉向，該單相直流無刷馬達控制器包括一微控制單元，包括一脈寬調制(Pulse Width Modulation, PWM)引腳，用以自一系統(tǒng)接收一 PWM訊號；以及一換向邏輯單元，用以依據(jù)該 PWM訊號控制該單相直流無刷馬達的轉速及轉向。本發(fā)明還提供一種控制單相直流無刷馬達轉速及轉向的方法，包括接收一 PWM 訊號；以及依據(jù)該PWM訊號控制該單相直流無刷馬達的轉速及轉向。本發(fā)明還提供一種變換單相直流無刷馬達轉向的方法，包括在判斷欲變換該單相直流無刷馬達的轉向時，先消除該單相直流無刷馬達的一定子的磁場；以及在該單相直流無刷馬達仍慣性旋轉時，使該定子產(chǎn)生一反轉磁場。


圖1為傳統(tǒng)單相直流無刷馬達的結構圖。圖2為依據(jù)本發(fā)明一實施例的單相直流無刷馬達控制器示意圖。圖3為本發(fā)明一實施例中轉子的磁場與霍爾感測單元輸出的對應感測訊號示意圖。圖4A為本發(fā)明的霍爾感測單元210、微控制單元230以及磁場控制單元220在單相直流無刷馬達100進行正轉時的時序圖。圖4B則為本發(fā)明的霍爾感測單元210、微控制單元230以及磁場控制單元220在單相直流無刷馬達100進行反轉時的時序圖。圖5為本發(fā)明的單相直流無刷馬達100在進行慣性旋轉時霍爾感測元件210的感測訊號示意圖。圖6為本發(fā)明的控制單相jI流無刷馬達的轉速及轉向的方法流程圖。
圖7為本發(fā)明的變換單相j流無刷馬達轉向的方法流程圖。
附圖符號說明
100 單相直流無刷馬達；
110 轉子；
120 定子；
121 124 硅鋼片；
200 單相直流無刷馬達控制器；
210 霍爾感測單元；
220 磁場控制單元；
230 微控制單元；
232 換向邏輯單元；
240 PWM引腳。
具體實施例方式下面介紹本發(fā)明的最佳實施例。各實施例用以說明本發(fā)明的原理，但非用以限制本發(fā)明。本發(fā)明的范圍以本發(fā)明的權利要求為準。圖2為依據(jù)本發(fā)明一實施例的單相直流無刷馬達控制器示意圖。請一并參照圖1， 本文中將以圖1的單相直流無刷馬達100作說明。本發(fā)明的單相直流無刷馬達控制器200 包括一霍爾感測單元210、一磁場控制單元220以及一微控制單元230。本發(fā)明的單相直流無刷馬達控制器200不僅可如現(xiàn)有技術般用來改變單相直流無刷馬達100的轉速，更特別的是，可用來改變該單相直流無刷馬達的轉向。本發(fā)明的霍爾感測單元210可配置于單相直流無刷馬達100的定子120的一硅鋼片上，如圖1所示?；魻柛袦y單元210耦接至微控制單元230，可用以感測該單相直流無刷馬達100的轉子110在正對該霍爾感測單元210處的磁場，并將一感測訊號提供至該微控制單元。圖3即為本發(fā)明一實施例中轉子110的磁場與霍爾感測單元210輸出的對應感測訊號示意圖。在此實施例中，當霍爾感測單元210感測到的轉子磁場為S極時，會輸出高電平訊號；而當霍爾感測單元210感測到的轉子磁場為N極時，則會輸出低電平訊號。隨著轉子110的旋轉，霍爾感測單元210會交替輸出高低電平的訊號。本領域的技術人員可自行定義輸出訊號電平與磁場極性的對應關系，本發(fā)明不必以此實施例為限。本發(fā)明的磁場控制單元220用以改變該單相直流無刷馬達100的定子120的磁場，目的在驅動該單相直流無刷馬達100的轉子110。本發(fā)明的磁場控制單元220可產(chǎn)生一正轉磁場、一反轉磁場、或者消除磁場，分別用以使單相直流無刷馬達100的轉子110正轉、 反轉或停止。在一實施例中，「產(chǎn)生正轉磁場」是指磁場控制單元220在定子120的一硅鋼片上，產(chǎn)生與硅鋼片正對的轉子磁極相斥的磁場，以圖1為例，即在硅鋼片121上產(chǎn)生極性為N的磁場；「產(chǎn)生反轉磁場」是指磁場控制單元220在定子120的一硅鋼片上，產(chǎn)生與硅鋼片正對的轉子磁極相吸的磁場；以圖1為例，即在硅鋼片121上產(chǎn)生極性為S的磁場；而 「消除磁場」是指磁場控制單元220使硅鋼片121上不帶任何磁性。更明確地說，磁場控制單元220可在定子120硅鋼片的磁極線圈通以不同方向的電流，以達到產(chǎn)生正轉磁場及反轉磁場的目的。在此實施例中，若磁場控制單元220產(chǎn)生的電流是由高電平的X點流至低電平的Y點時，硅鋼片上的磁極線圈會產(chǎn)生S極的磁場；若磁場控制單元220產(chǎn)生的電流是由高電平的Y點流至低電平的X點時，則硅鋼片上的磁極線圈會產(chǎn)生N極的磁場。必須說明的是，基于單相直流無刷馬達的既有設計，其必定可朝一方向順利啟動并旋轉，而朝該方向旋轉即所謂的「正轉」，若以圖1的單相直流無刷馬達100為例，則「順時鐘方向」即為 「正轉」。反之，基于相同的馬達設計，如現(xiàn)有技術中所述，其必定無法朝另一方向順利啟動并旋轉，而朝該方向旋轉即所謂的「反轉」，若以圖1的單相直流無刷馬達100為例，則「逆時鐘方向」即為「反轉」。前述「順時鐘旋轉」、「反時鐘旋轉」、「相斥」、「相吸」等對應關系僅為例示，本領域的技術人員可輕易通過各種方式變更前述對應關系，因此本發(fā)明不必以前述實施例為限。本發(fā)明的微控制單元230耦接至該霍爾感測單元210以及該磁場控制單元220， 用以自該霍爾感測單元210上接收其感測訊號，并用以控制該磁場控制單元230，進而控制單相直流無刷馬達100的定子120的磁場，達到控制單相直流無刷馬達100的轉向的目的。 本發(fā)明的微控制單元230至少包括一換向邏輯單元232，用以判斷一系統(tǒng)(圖未示)是否欲變換單相直流無刷馬達100的轉向。值得注意的是，為了使單相直流無刷馬達100順利完成轉向的動作，本發(fā)明的換向邏輯單元232還在判斷該系統(tǒng)欲變換單相直流無刷馬達100的轉向時進行下述步驟(1) 先令該磁場控制單元230消除該定子120的磁場，以及( 在該單相直流無刷馬達100的轉子110仍慣性旋轉時，致使該磁場控制單元230產(chǎn)生一反轉磁場。當單相直流無刷馬達 100的轉子110尚未啟動，或者正處于正轉磁場下而正轉時，若冒然對該轉子110施加反轉磁場，轉子110會因反轉啟動死角的關系而無法順利反轉，導致單相直流無刷馬達100停止運作。本發(fā)明利用轉子110仍在正轉的慣性旋轉之際施加反轉磁場，即可輕易避開反轉啟動死角而使轉子110順利反轉。在一實施例中，當系統(tǒng)欲使單相直流無刷馬達100從靜止反轉時，本發(fā)明的換向邏輯單元232則必須將單相直流無刷馬達100先進行正轉，并在啟動正轉后隨即執(zhí)行上述步驟而達到反轉的結果。可參照圖4A及圖4B 了解本發(fā)明的單相直流無刷風扇控制器200實際上的訊號邏輯關系。其中，圖4A為本發(fā)明的霍爾感測單元210、微控制單元230以及磁場控制單元220 在單相直流無刷馬達100進行正轉時的時序圖；而圖4B則為本發(fā)明的霍爾感測單元210、 微控制單元230以及磁場控制單元220在單相直流無刷馬達100進行反轉時的時序圖。雖然依照前述實施例，磁場控制單元230在單相直流無刷馬達100慣性旋轉時產(chǎn)生反轉磁場即可使其順利反轉，但本發(fā)明的換向邏輯單元232仍可進一步?jīng)Q定磁場控制單元230產(chǎn)生反轉磁場的最佳時機。在一較佳的實施例中，該換向邏輯單元232可依據(jù)該霍爾感測單元210所提供的該感測訊號判斷該轉子110相對該定子120的位置，并在該單相直流無刷馬達慣性旋轉至一反轉啟動死角之外的位置時，致使該磁場控制單元232產(chǎn)生該反轉磁場。以圖1為例，其中，當轉子110的一磁極完全正對定子120的磁極時，此相對位置即為反轉啟動死角。在此實施例中，霍爾感測元件210位于定子120的硅鋼片的邊緣，因此，當霍爾感測元件210輸出的感測訊號高低電平變換之際，即為馬達正在脫離反轉啟動死角之際。本領域的技術人員可依照本發(fā)明的精神，設定在感測訊號電平變換前后一預定時間之外作為產(chǎn)生反轉磁場最佳時機。此外，在其他實施例中，該霍爾感測元件210可設置于硅鋼片上的其他位置，而產(chǎn)生反轉磁場的最佳時機可依照該霍爾感測元件210的實際位置相應調整，本發(fā)明不必以前述實施為限。除了上述的轉子位置的判斷，本發(fā)明的換向邏輯單元232亦可用以判斷馬達100 的轉速。圖5為本發(fā)明的單相直流無刷馬達100在進行慣性旋轉時霍爾感測元件210的感測訊號示意圖，其中，感測訊號的工作周期隨著時間逐漸增長，表示單相直流無刷馬達100 轉速正在減緩當中。本發(fā)明的換向邏輯單元232可由感測訊號工作周期的變化計算出馬達轉子110的轉速變化，并在轉子110接近靜止但尚未靜止前致使磁場控制單元230產(chǎn)生反轉磁場。綜合上述位置考慮及轉速考慮，本領域的技術人員可依據(jù)本發(fā)明的精神自行設定產(chǎn)生該反轉磁場的最佳時機。前文已詳細介紹了能夠使單相直流無刷馬達進行雙向旋轉的單相直流無刷馬達控制器200。除此之外，本發(fā)明還提供一種啟動馬達換向旋轉的機制。參照圖2，在一實施例中，本發(fā)明的微控制器200還包括一脈寬調制(Pulse Width Modulation, PWM)引腳M0，可用以自系統(tǒng)(圖未示)接收一 PWM訊號；而后，本發(fā)明的換向邏輯單元232即可依據(jù)該PWM 訊號控制該單相直流無刷馬達100的轉速及轉向。在現(xiàn)有技術中，系統(tǒng)僅能通過PWM訊號控制馬達的轉速。一般而言，當PWM訊號的工作周期(duty cycle)越大，則表示系統(tǒng)欲提高馬達轉速，反之，當PWM訊號的工作周期越小，則表示系統(tǒng)欲降低馬達轉速。然而，本發(fā)明的PWM訊號除了用以控制馬達的轉速外尚可用來控制馬達的轉向。更明確地說，換向邏輯單元232可由該PWM訊號的工作周期是否超過(即高于或低于)一預定工作周期判斷是否變換該單相直流無刷馬達100的轉向。舉例而言，在一實施例中，換向邏輯單元232中可先設定一預定工作周期0. 5。當PWM訊號的工作周期高于預定工作周期0. 5時，則判斷該系統(tǒng)欲令馬達正轉；而當PWM訊號的工作周期低于預定工作周期0. 5時，則判斷該系統(tǒng)欲令馬達反轉。在此實施例中，若同時以PWM訊號控制轉速及轉向時，則，當PWM訊號的工作周期為0.5 1.0時，則判斷該系統(tǒng)欲令馬達以正轉全速的0% 100%運轉；而當PWM訊號的工作周期為0. 0 0. 5時，則判斷該系統(tǒng)欲令馬達以反轉全速的0% 100%運轉(PWM訊號的工作周期為0%則判斷該系統(tǒng)欲令馬達停止)。上述預定工作周期的設定以及判斷工作周期的方法僅為例示，本領域的技術人員可依上述實施例進行各種形式的變更。
此外，在其他實施例中，亦可不以PWM訊號作為控制馬達轉速及轉向的依據(jù)。舉例而言，該微控制單元230可另外增設一換向訊號引腳(圖未示)，用以自該系統(tǒng)接收一換向訊號，而該換向邏輯單元232可依據(jù)該換向訊號直接控制該單相直流無刷馬達100的轉向。本發(fā)明還提供一種能夠雙向旋轉的單相直流無刷馬達(圖未示)，其實際結構等同前述圖1的單相直流無刷馬達100與圖2的單相直流無刷馬達控制器200的結合，由于其特征均已充份介紹于前文，故在此不再贅述。此外，本發(fā)明還提供一種能夠雙向旋轉的單相直流無刷馬達系統(tǒng)(圖未示)，其實際結構除了前述圖1的單相直流無刷馬達100以及圖2的單相直流無刷馬達控制器200之外，尚包括一系統(tǒng)，可用以提供上述PWM訊號，由于其他特征均已充份介紹于前文，故亦不再贅述。本發(fā)明的單相直流無刷馬達控制器可直接應用于現(xiàn)有的單相直流無刷馬達之上而使其具有雙向旋轉的功能，如此一來，可大幅增加單相直流無刷馬達的應用彈性。舉例而言，在一實施例中，可將上述單相直流無刷馬達控制器應用于一散熱風扇的馬達上，而此散熱風扇藉由變換轉向的方式而同時具有吹風及抽風的功能，可輕易改變熱流場而增加散熱效率。在另一實施例中，該散熱風扇可藉由變換轉向的方式避免單方向運轉時在固定方向累積灰塵，不論變換轉向的動作是偶然執(zhí)行或定期進行，皆能達到自體除塵的效果。除了上述的裝置，本發(fā)明還提供一種控制單相直流無刷馬達的轉速及轉向的方法。圖6為本發(fā)明的控制單相直流無刷馬達的轉速及轉向的方法流程圖。請一并參照圖1， 本發(fā)明控制單相直流無刷馬達轉速及轉向的方法包括在步驟S602中，接收一 PWM訊號； 在步驟S604中，依據(jù)該PWM訊號控制該單相直流無刷馬達100的轉速及轉向。舉例而言， 步驟S604可由該PWM訊號的工作周期(duty cycle)是否超過一預定工作周期判斷是否變換該單相直流無刷馬達100的轉向，詳細內容可參照前述單相直流無刷馬達控制器的實施例。圖7為本發(fā)明的變換單相直流無刷馬達轉向的方法流程圖。本發(fā)明的變換單相直流無刷馬達轉向的方法包括在步驟S702中，在判斷欲變換該單相直流無刷馬達的轉向時，先消除該單相直流無刷馬達100的一定子120的磁場；以及在步驟S704中，在該單相直流無刷馬達100仍慣性旋轉時，使該定子120產(chǎn)生一反轉磁場。詳細內容可參照前述單相直流無刷馬達控制器的實施例。本發(fā)明雖以較佳實施例揭示如上，然其并非用以限定本發(fā)明的范圍，本領域的技術人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可做若干的更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍以本發(fā)明的權利要求為準。
權利要求
1.一種單相直流無刷馬達控制器，用以控制一單相直流無刷馬達的轉速及轉向，該單相直流無刷馬達控制器包括一微控制單元，包括一脈寬調制引腳，用以自一系統(tǒng)接收一脈寬調制訊號；以及一換向邏輯單元，用以依據(jù)該脈寬調制訊號控制該單相直流無刷馬達的轉速及轉向。
2.如權利要求1所述的單相直流無刷馬達控制器，其中該換向邏輯單元是由該脈寬調制訊號的工作周期是否超過一預定工作周期判斷是否變換該單相直流無刷馬達的轉向。
3.如權利要求1所述的單相直流無刷馬達控制器，還包括一磁場控制單元，耦接至該微控制單元，用以受該微控制單元的控制而改變該單相直流無刷馬達的一定子的磁場；其中，當該換向邏輯單元欲變換單相直流無刷馬達的轉向時，先令該磁場控制單元消除該定子的磁場，并在該單相直流無刷馬達仍慣性旋轉時，致使該磁場控制單元產(chǎn)生一反轉磁場。
4.如權利要求3所述的單相直流無刷馬達控制器，還包括一霍爾感測單元，位于該定子上，耦接至該微控制單元，用以感測該單相直流無刷馬達的一轉子上正對該霍爾感測單元處的磁場，并將一感測訊號提供至該微控制單元；其中，該換向邏輯單元還依據(jù)該霍爾感測單元所提供的該感測訊號判斷該轉子相對該定子的位置，并在該轉子慣性旋轉至一反轉啟動死角之外的位置時，致使該磁場控制單元產(chǎn)生該反轉磁場。
5.如權利要求4所述的單相直流無刷馬達控制器，其中，該換向邏輯單元還依據(jù)該霍爾感測單元所提供的該感測訊號判斷該轉子的轉速，并在該轉子接近靜止但尚未靜止前， 致使該磁場控制單元產(chǎn)生該反轉磁場。
6.如權利要求1所述的單相直流無刷馬達控制器，其中，該微控制單元還包括一換向訊號引腳，用以自該系統(tǒng)接收一換向訊號。
7.如權利要求6所述的單相直流無刷馬達控制器，其中該換向邏輯單元還用以依據(jù)該換向訊號控制該單相直流無刷馬達的轉向。
8.—種控制單相直流無刷馬達轉速及轉向的方法，包括接收一脈寬調制訊號；以及依據(jù)該脈寬調制訊號控制該單相直流無刷馬達的轉速及轉向。
9.如權利要求8所述的控制單相直流無刷馬達轉速及轉向的方法，還包括由該脈寬調制訊號的工作周期是否超過一預定工作周期判斷是否變換該單相直流無刷馬達的轉向。
10.一種變換單相直流無刷馬達轉向的方法，包括在判斷欲變換該單相直流無刷馬達的轉向時，先消除該單相直流無刷馬達的一定子的磁場；以及在該單相直流無刷馬達仍慣性旋轉時，使該定子產(chǎn)生一反轉磁場。
全文摘要
一種單相直流無刷馬達控制器及控制其馬達轉速及轉向的方法。該單相直流無刷馬達控制器，用以控制一單相直流無刷馬達的轉速及轉向，該單相直流無刷馬達控制器包括一微控制單元，包括一脈寬調制引腳，用以自一系統(tǒng)接收一PWM訊號；以及一換向邏輯單元，用以依據(jù)該PWM訊號控制該單相直流無刷馬達的轉速及轉向。
文檔編號H02P6/16GK102412771SQ20101029775
公開日2012年4月11日 申請日期2010年9月21日 優(yōu)先權日2010年9月21日
發(fā)明者涂雅森, 蔡佳青, 陳李龍 申請人:臺達電子工業(yè)股份有限公司