TW561682B - Motor control device and method - Google Patents

Description

561682 發明說明（1) 發明領域 本案係有關於一種馬達控制裝置及方法，尤其有關於 二種直流馬達控制器，其可以多段不同頻率之波寛調變信 號來控制馬達速度。 發明背景 t 由於直流馬達運用於日常生活中的機會逐漸增加，功 能需求亦不斷改變，也不單獨是固定全速運轉，因而直流 馬達控制器扮演著重要的角色，以有效控制馬達轉速、扭 力、電流及其效率，使馬達的輸出達到最佳化。 目前所使用之直流馬達控制器控速方式皆以固定的頻 率，而經由改變波寬比（duty cycle)之” 〇N，，和"OFF1，的 比例來控制馬達轉速，ON的百分比愈大，馬達轉速愈快， 如第一圖（A )所示；而相反地，〇 n的百分比愈小則馬達 轉速愈慢’如第一圖（B )所示，此即為所謂之波寬調變 (pulse width modulation，PWM)控制。然而，因為波寬 調變说號的頻率為固定’如果使用頻率偏低，如第二圖 (A )所不’在低速度時將產生極大的馬達磁性開關之噪 音和振動’因人類的聽覺頻率範圍為2〇Hz〜2〇kHz，而在 1 0kHz以下很容易聽出噪音。如果波寬調變訊號之頻率為 較高之固定頻率時’如第二圖（B )所示，馬達效率將變 差；再者，因馬達具有繞線以產生電感，電感抗為 fL ’頻率愈高則電感抗愈大而輸出扭力愈小，並且控制器 的電子元件也很容易發熱，因而消耗許多能量。 °

561682 玉、發明說明（2) 職是之故，本創作鑑於習知技術之缺失，乃經悉心試 驗與研究並一本鐵而不捨之精神，終創作出本案『馬達控 制裝置及方法』。以下為本案之簡要說明。 發明綜合說明 本案之主要目的係在於提供一種馬達控制裝置及方 法，其係於脈波寬調變（pulse width modulation，PWM) 波寬比（duty cycle)為0〜100%的π〇Νπ動作中，以兩段或 兩段以上之不同波寬頻率來控制直流馬達的速度。 本案之另一目的係在於提供一種多頻式脈波寬調變 (pulse width modulation，PWM)直流馬達控制器，以改 變傳統之固定頻率PWM控制方式以及改善習知噪音過大和 效率變差之缺失。 根據本案之構想，該馬達轉速控制方法包括因應該馬 達所輸出之一回饋訊號而產生一第一偵測訊號；以及藉由 一控制器來接收該第一偵測訊號，當該馬達以低轉速運轉 時，該控制器根據該第一偵測訊號而產生一具有第一頻率 之第一控制訊號並輸出至該馬達，當該馬達以高轉速運轉 時’該控制器產生一具有第二頻率之第二控制訊號並輸出 至该馬達，其中該第一控制訊號之第一頻率大於該第二控 制訊號之第二頻率。 根據本案之另一構想，該馬達控制裝置包括一偵測 器，電連接於該馬達，且因應該馬達所輪出之一回饋訊號 而產生一第一偵測訊號；以及一控制器，電連接於該偵測

Η 第5頁 561682 玉、發明說明（3) 器和該馬達，其用於接收該第一偵測訊號，當該馬達以低 轉速運轉時，該控制器根據該第一偵測訊號而產生一具有 第一頻率之第一控制訊號並輸出至該馬達，當該馬達以高 轉速運轉時，該控制器產生一具有第二頻率之第二控制訊 號並輸出至該馬達，其中該第一控制訊號之第一頻率大於 該第二控制訊號之第二頻率。 較佳地，該馬達為一直流馬達，而該偵測器可以為一 電流偵測器，用以偵測流經該馬達之電流而產生該第一偵 測訊號。此外，馬達控制裝置更包括一轉速偵測器，電連 接於該馬達與該控制器，並因應該馬達的實際轉速而產生 一第二偵測訊號及輸出該第二偵測訊號至該控制器。 或者，該偵測器為一轉速偵測器，其因應該馬達的實際轉 速而產生該第一偵測訊號及輸出該第一偵測訊號至該控制 器。 此外，該控制器為一脈波寬調變（p u 1 s e w i d t h modulation，PWM)訊號控制電路，其中該脈波寬調變訊 號控制電路包括複數個及閘（AND gate)，以控制該第一控 制訊號或該第二控制訊號的輸出。而該第一控制訊號和該 第一控制訊號分別為一脈波寬調變（pulse width modulation，PWM)訊號。 較佳地，該第一控制訊號之第一頻率為1〇kHz以上。 本案得藉由下列圖式及詳細說明，俾得一更深入之了 解。

五、發明說明（4) 較佳實施例詳細說明 在本案之一較佳實施例中，本案用於控制直流馬達 、、之馬達控制裝置包括一電流偵測器，其電連接於該馬 且因應流經該馬達之電流大小而產生一第一偵測訊號；以 及一控制器，其電連接於該電流偵測器和該馬達而用於接 收該第一偵測訊號，當該馬達以低轉速運 件根據該第叫貞測訊號而產生一具有第一：率夺之第 訊號並輸出至該馬達，當該馬達以高轉速運轉時，該控制 兀件產生一具有第二頻率之第二控制訊號並輸出至該馬 達，其中該第一控制訊號之第一頻率高於該第二控制訊號 之第二頻率。

,至於本發明之控制原理，請參閱第三圖。當馬達高速 運轉時，除了使電流變大及增加波寬比（duty cycle)2〇N 的百分比之外，亦使PWM的頻率降低，使馬達能有效輸出 較大的扭力，電子元件在高速大電流下則不至於產生高 溫；相反地，當馬達低速運轉時，使電流變小及波寬比 (duty cycle)之ON的百分比變小之外，提高pWM之頻率至 10kHz以上，使人耳聽不到噪音。 為能充分說明和瞭解本案之特徵，請參閱第四圖，其 為本案之馬達轉速控制方法的較佳實施例方塊圖。首先， 分別提供兩個直流電壓24V和12V，前者係提供給大電流負 載控制使用，後者則提供給小訊號控制使用，如果所提供 的是交流電壓220V和11 〇v，則需經過一電源處理，將其分 別轉換成直流電壓180V和90V以分別供大電流負載和小訊 561682

五、發明說明（5) 號控制使用。所謂大電流負栽係指馬達的負載，而小訊號 控制係指PWM信號之控制。或者，亦可直接提供直流電壓 24V和12V而不需經過電源處理，將直流電壓24V提供給馬 達轉動所使用，直流電壓1 2V則為提供給PWM信號控制電路 之基準電壓。在偵測流經馬達之電流大小後提供一偵測訊 號給PWM信號控制電路53，以控制及輸出不同頻率之pwjj信 號，進而控制馬達的轉速。 另外，租參閱第五圖，其為本案之馬達轉速控制裝置 的一較佳實施例電路圖。利用電流偵測器52偵測流經大電 流負載區51中馬達511的電流大小後並提供一偵測訊號給 該PWM信號控制電路53，藉由該PWM信號控制電路53中的複 數個及閘531，532，，533, 534來決定輸出不同頻率之pWM訊 號。因此，本案控制馬達轉速的方法，除了可改變電流及 波寬比（duty cycle)之ON百分比之外，亦可改變pWM訊號 之頻率。在此實施例之電路圖中，係為簡化說明起見，以 兩個不同頻率之PWM訊號PWM1，PWM2為例，而第六圖（A)和 (B)分別為提供p W Μ1和P W Μ 2信號的詳細電路圖。 画然’根據本案之構想，並不限於上述之兩段頻率控 制，亦可應用於多段頻率控制，而本案之多段頻率控制除 了上述利用偵測流經馬達之電流提供一回饋偵測訊號之〃 外，亦可藉由偵測馬達實際轉速來提供偵測訊號，或是同 2偵測電流及實際轉速亦可。本案之多頻式脈波寬調變直 流馬達控制除了具有一般脈波寬調變之功能外， 不同的使用狀況而改變，使直流馬達輸出達乂高d

麵 561682 玉、發明說明（6) 效率和低噪音之最佳狀況，進而達到節省能源的目的。 是以，本案得由熟悉本技藝之人士任施匠思而為諸般 修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

第9頁 561682 圖式簡單說明 圖式簡要說明 第一圖（A)為直流馬達在低轉速時傳統PWM控制電路所 輸出之PWM訊號的波形； 第一圖（B)為直流馬達在高轉速時傳統pwM控制電路所 輸出之PWM訊號的波形； 第二圖（A)和⑻分別為傳統pwM控制電 和尚頻之PWM訊號的波形； 侧m m领 第三圖為說明本案以多段不同頻率之波寬調變俨號爽 控制馬達轉速的情形； 戍見調變u來 ί四：ί ί ΐ之馬達轉速控制方法的方塊圖； 圖；第五圖為本案之馬達控制裝置的一較佳實施例電路 第六圖（Α)和（Β)分別& PWM2信號的詳細電路圖。 第五圖之電路圖中提供PWM1和 以上圖式之主要構件如 51 :大電流負載區 W :電流偵測器 531，532， 533， 534 :及閑 下： 511 :馬達 53 · PWM信號控制電路

Claims (1)

1. 561682 六、申請專利範圍 1 · 一種馬達控制裝置，用以控制馬達的轉速，其包括： 一電流偵測器’電連接於該馬達，且因應流經該馬達 之電流而產生一第一偵測訊號；以及 一控制器，電連接於該電流偵測器和該馬達，其用於 接收該第一偵測訊號，當該馬達以低轉速運轉時，該控制 器根據該第一偵測訊號而產生一具有第一頻率之第一控制 訊號並輸出至該馬達，當該馬達以高轉速運轉時，該控制 器產生一具有第二頻率之第二控制訊號並輸出至該馬達， 其中該第一控制訊號之第一頻率大於該第二控制訊號之第 二頻率。 2·如申請專利範圍第1項所述之馬達控制裝置，其中該馬 達為一直流馬達。 3 ·如申請專利範圍第1項所述之馬達控制裝置，其中該控 制器為一脈波寬調變（pulse width modulation，PWM) 訊號控制電路。 4·如申請專利範圍第3項所述之馬達控制裝置，其中該脈 波寬調變訊號控制電路包括複數個及閘（AND gate)，以控 制該第一控制訊號或該第二控制訊號的輸出。 5.如申請專利範圍第3項所述之馬達控制裝置，其中該第 一控制訊號和該第二控制訊號分別為一脈波寬調變 (pulse width modulation，PWM)訊號。 6·如申請專利範圍第1項所述之馬達控制裝置，其中該第 一控制訊號之第一頻率為10kHz以上。 7.如申請專利範圍第1項所述之馬達控制裝置，其更包括

   第11頁 561682 六、㈣專到範圍 "~' --- '^-η 厂轉速偵測器，電連接於該馬達與該控制器，浆因應該馬 達的實際轉速而產生一第二偵測訊號及輸出該第二偵測訊 號至該控制器。 8· 一種馬達控制方法，用以控制馬達的轉速，其包括： 因應該馬達所輸出之一回饋訊號而產生一第一偵測訊 號；以及 藉由一控制器來接收該第一偵測訊號，當該馬達以低 轉速運轉時，該控制器根據該第一偵測訊號而產生一具有 第一頻率之第一控制訊號並輸出至該馬達，當該馬達以高 轉速運轉時，該控制器產生一具有第二頻率之第二控制訊 號並輸出至該馬達，其中該第一控制訊號之第一頻率大於 d亥第一控制訊號之第二頻率。 9.如申請專利範圍第8項所述之馬達控制方法，其中該馬 達為一直流馬達。 I 〇 ·如申請專利範圍第8項所述之馬達控制方法，其中該控 制器為一脈波寬調變（pulse width modulation, PWM) 訊號控制電路。 II ·如申請專利範圍第1 〇項所述之馬達控制方法，其中該 脈波寬調變訊號控制電路包栝複數個及閘（AND gate)，以 控制該第一控制訊號或該第二控制訊號的輸出。 1 2 ·如申請專利範圍第1 〇項所述之馬達控制方法，其中該 第一控制訊號和該第二控制訊號分別為一脈波寬調變 (Pulse width modulation，PWM)訊號。 1 3 ·如申請專利範圍第8項所述之馬達控制方法，其中該第

   561682 六、申請專利範圍 一控制訊號之第一頻率為l〇kHz以上。 14· 一種馬達控制裝置，用以控制馬達的轉速，其包括·· 一债測器’電連接於該馬達，且因應該馬達所輸出之 一回饋訊號而產生一第一偵測訊號；以及 一控制器，電連接於該偵測器和該馬達，其用於接收 該第一偵測訊號，當該馬達以低轉速運轉時，該控制器根 據該第一偵測訊號而產生一具有第一頻率之第一控制訊號 並輸出至該馬達，當該馬達以高轉速運轉時，該控制器產 生一具有第二頻率之第二控制訊號並輸出至該馬達，其中 該第一控制訊號之第一頻率大於該第二控制訊號之第二頻 率〇 1 5·如申請專利範圍第丨4項所述之馬達控制裝置，其中該 馬達為一直流馬達。 16.如申請專利範圍第1 4項所述之馬達控制裝置，其中該 偵測器為一電流偵測器，用以偵測流經該馬達之電流大小 而產生該第一偵測訊號。 17·如申請專利範圍第1 6項所述之馬達控制裝置，其更包 括一轉速偵測器，電連接於該馬達與該控制器，ϋ因應該 馬達的實際轉速而產生一第二偵測訊號及輸出該第一债測 訊號至該控制器。 18.如申請專利範圍第1 4項所述之馬達控制裝置，其中该 偵測器為一轉速偵測器，其因應該馬達的實際轉速而產生 該第一偵測訊號及輸出該第〆偵測訊號至該控制器。 1 9·如申請專利範圍第1 4項所述之馬達控制裝置，其中該

   561682 六、申請專利範圍 控制器為一脈波寬調 變（pulse width modulation， PWM) 訊號控制電路。 20·如申請專利範圍第1 9項所述之馬達控制裝置，其中該 脈波寬調變訊號控制電路包括複數個及閘（AND gate )，以 控制該第一控制訊號或該第二控制訊號的輸出。 21 ·如申請專利範圍第1 9項所述之馬達控制裝置，其中該 第一控制訊號和該第二控制訊號分別為一脈波寬調變 (Pulse width modulation，PWM)訊號。 2 2.如申請專利範圍第丨4項所述之馬達控制裝置，其中該 第控制訊號之第一頻率為i〇kHz以上。

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