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1、(10)申请公布号 CN 102931894 A (43)申请公布日 2013.02.13 C N 1 0 2 9 3 1 8 9 4 A *CN102931894A* (21)申请号 201110252540.5 (22)申请日 2011.08.30 100128875 2011.08.12 TW H02P 6/16(2006.01) (71)申请人立锜科技股份有限公司 地址中国台湾新竹县 (72)发明人张浩瑜 黄培城 张炜旭 李国忠 (74)专利代理机构北京三友知识产权代理有限 公司 11127 代理人任默闻 (54) 发明名称 动态调整无刷直流马达在换相期间空载时间 的方法及装置 (57。
2、) 摘要 本发明公开了一种动态调整无刷直流马达在 换相期间的空载时间的方法及装置，其是在该空 载时间期间检测该无刷直流马达的线圈电流，当 该线圈电流为零或接近零时结束该空载时间。此 方法及装置可以最佳化该空载时间，达成零电流 切换无刷直流马达的相位，且不会降低无刷直流 马达的最高转速。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书4页 附图7页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 7 页 1/2页 2 1.一种动态调整无刷直流马达在换相期间的空载时间的方法，其特征在于，所述无刷 直流马达连接在H桥的二输出端。
3、之间，所述H桥由第一上、下侧开关及第二上、下侧开关组 成，所述方法包含下列步骤： A在所述空载时间期间，导通所述第二下侧开关且切断其他开关，或是导通所述第一、 第二下侧开关且切断其他开关，以消耗所述无刷直流马达的线圈电流； B在所述空载时间期间检测所述线圈电流；以及 C在检测到所述线圈电流等于或小于零电流临界值时结束所述空载时间。 2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B包含短暂切断所述第二下侧开关 以检测所述线圈电流。 3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤B更包含在短暂切断所述第二下侧 开关期间导通所述第二上侧开关。 4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B包。
4、含每隔一段时间短暂切断所述 第二下侧开关以检测所述线圈电流。 5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤B更包含在短暂切断所述第二下侧 开关期间导通所述第二上侧开关。 6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C包含下列步骤： 根据所述线圈电流产生检测电压； 比较所述检测电压与零电压临界值；以及 在所述检测电压等于或大于所述零电压临界值时产生控制信号以结束所述空载时间。 7.一种动态调整无刷直流马达在换相期间的空载时间的装置，其特征在于，所述无刷 直流马达连接在H桥的二输出端之间，所述H桥由第一上、下侧开关及第二上、下侧开关组 成，所述装置包含： PWM控制器，连接所述H桥以控制所。
5、述开关，所述PWM控制器在所述空载时间期间导通 所述第二下侧开关且切断其他开关，或是导通所述第一、第二下侧开关且切断其他开关，以 消耗所述无刷直流马达的线圈电流；以及 电流检测器，连接所述H桥及所述PWM控制器，所述电流检测器在所述空载时间期间检 测所述线圈电流，且在检测到所述线圈电流等于或小于零电流临界值时通知所述PWM控制 器结束所述空载时间。 8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述PWM控制器在所述空载时间期间施加短 脉冲到所述第二下侧开关的控制端，以短暂切断所述第二下侧开关让所述电流检测器检测 所述线圈电流。 9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述PWM控制器在所述空载时间。
6、期间施加短 脉冲到所述第二上侧开关的控制端及所述第二下侧开关的控制端，以短暂切断所述第二下 侧开关且导通所述第二上侧开关，让所述电流检测器检测所述线圈电流。 10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述PWM控制器在所述空载时间期间每隔 一段时间施加短脉冲到所述第二下侧开关的控制端，以短暂切断所述第二下侧开关让所述 电流检测器检测所述线圈电流。 11.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述PWM控制器在所述空载时间期间每隔 一段时间施加短脉冲到所述第二上侧开关的控制端及所述第二下侧开关的控制端，以短暂 权 利 要 求 书CN 102931894 A 2/2页 3 切断所述第二下侧开关且导通。
7、所述第二上侧开关，让所述电流检测器检测所述线圈电流。 12.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述电流检测器包含： 电阻，连接在所述H桥及接地端之间，在所述电流检测器检测所述线圈电流时，根据所 述线圈电流产生检测电压；以及 比较器，连接所述电阻及所述PWM控制器，比较所述检测电压与零电压临界值以产生 控制信号给所述PWM控制器。 13.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述零电流临界值为零或接近零的正值。 14.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述零电压临界值为零或接近零的负值。 权 利 要 求 书CN 102931894 A 1/4页 4 动态调整无刷直流马达在换相期间空载时间的方法。
8、及装置 技术领域 0001 本发明涉及一种无刷直流(Brushless Direct Current，BLDC)马达，特别是关于 一种BLDC马达的驱动电路及方法。 背景技术 0002 BLDC马达采用半导体开关元件来实现电子式换相，相对于由碳刷及换向器等机械 整流结构组成的马达，BLDC马达具有降低机械磨损及噪音的优点。 0003 如图1所示，BLDC马达10的驱动电路包含4个作为开关元件的MOSFETQ1Q4组 成H桥，其具有二输出端A及B供连接BLDC马达10，D1D4分别表示MOSFET Q1Q4的 基体二极管(body diode)，脉宽调变(Pulse Width Modulati。
9、on，PWM)控制器12具有四输 出端AH、AL、BH及BL分别提供信号控制MOSFET Q1Q4，因而在输出端A及B之间产生所 需的操作电压，以调整流经BLDC马达10的线圈电流Im，进而调整BLDC马达10的转速，过 电流保护(Over Current Protection，OCP)电路14连接在H桥和接地端之间检测线圈电 流Im的大小，以提供系统过载保护功能，当电流Im过大时，代表系统过载，OCP电路14会 通知PWM控制器12停止提供PWM信号，或直接关闭下侧MOSFET Q2及Q4，使BLDC马达10 停止运转。 0004 为方便说明，将MOSFET Q1Q4分别称为第一上侧开关、第。
10、一下侧开关、第二上 侧开关及第二下侧开关。BLDC马达10的驱动过程如图2所示，当转子在某个相位时，如图 2(a)所示，PWM控制器12切断第二上侧开关Q3，导通第二下侧开关Q4，以PWM信号切换第 一上、下侧开关Q1、Q2，电流Im由输出端A经BLDC马达10流向输出端B，当转子在另一个 相位时，如图2(b)所示，PWM控制器12切断第一上侧开关Q1，导通第一下侧开关Q2，以PWM 信号切换第二上、下侧开关Q3、Q4，电流Im由输出端B经BLDC马达10流向输出端A。为方 便说明，将图2(a)所示的相位称为第一相位，将图2(b)所示的相位称为第二相位。在不同 的相位之间切换时，若未能控制好切。
11、换时机，将会因为BLDC马达10的线圈有残余电流Im 而引起换相突波电流，导致反应电动势抬升电源输入端Vin的电压，如图3所示，可能因此 损害元件。 0005 为了解决电压Vin在相位切换时瞬间升高的问题，在换相时插入一段空载时间 (dead time)，以便等待线圈电流Im降到零时再切换到下一个相位。例如要从第一相位切 换到第二相位时，参照图4，在空载时间期间，PWM控制器12保持第二下侧开关Q4导通，切 断其他开关Q1Q3，因而建立起一个电流回圈，让线圈电流Im通过第二下侧开关Q4及基 体二极管D2消化掉，或者是同时保持第一下侧开关Q2及第二下侧开关Q4的导通，切断开 关Q1、Q3，同样会。
12、形成一电流回圈，让线圈电流Im通过第一下侧开关Q2及第二下侧开关Q4 消化掉。然而，在不同的转速下线圈电流Im的大小不同，其降到零所需的时间因此不同，所 以需要的空载时间也会不同。举例来说，如果设定空载时间使转速50刚好可让残余电流 Im消耗殆尽，则在转速70时，此空载时间结束时仍有残余电流Im引起换相突波电流；反 之，若设定较长的空载时间，则会降低BLDC马达10的最高转速。 说 明 书CN 102931894 A 2/4页 5 0006 因此，一种动态调整BLDC马达在换相期间的空载时间的方法及装置，乃为所冀。 发明内容 0007 本发明的目的之一，在于提出一种动态调整BLDC马达在换相期。
13、间的空载时间的 方法及装置。 0008 本发明的目的之一，在于提出一种最佳化BLDC马达在换相期间的空载时间的方 法及装置。 0009 本发明的目的之一，在于提出一种零电流切换BLDC马达的相位的方法及装置。 0010 本发明在BLDC马达换相期间检测其线圈电流，当检测到该线圈电流等于或小于 零电流临界值时结束空载时间，以避免产生较大的换相突波电流。由于是根据线圈电流动 态调整空载时间，因此可以最佳化空载时间，并达到零电流切换相位的目的。此外，因为空 载时间是动态调整的，所以不会造成BLDC马达的最高转速变低，而且适用于各种转速下的 BLDC马达。 0011 在一实施例中，在空载时间期间维持导。
14、通的下侧开关被短暂切断，以检测线圈电 流。 0012 在一实施例中，在空载时间期间维持导通的下侧开关被短暂切断，其同侧的上侧 开关被短暂导通，以检测线圈电流。 0013 在一实施例中，在空载时间期间维持导通的下侧开关每隔一段时间被短暂切断， 以检测线圈电流。 0014 在一实施例中，在空载时间期间维持导通的下侧开关每隔一段时间被短暂切断， 其同侧的上侧开关被短暂导通，以检测线圈电流。 0015 在一实施例中，由PWM控制器在空载时间期间施加短脉冲以短暂切断该维持导通 的下侧开关。 0016 在一实施例中，由PWM控制器在空载时间期间施加短脉冲以短暂切断该维持导通 的下侧开关，及导通其同侧的上侧。
15、开关。 0017 在一实施例中，在检测线圈电流时根据该线圈电流产生检测电压，与零电压临界 值比较，在该检测电压等于或大于该零电压临界值时产生控制信号以结束该空载时间。 0018 在一实施例中，使用电流检测器在空载时间期间检测线圈电流，在检测到该线圈 电流等于或小于零电流临界值时通知PWM控制器结束该空载时间。 0019 在一实施例中，该电流检测器包含电阻根据该线圈电流产生检测电压，以及比较 器比较该检测电压与零电压临界值以产生控制信号给PWM控制器。 0020 本发明实施例的动态调整无刷直流马达在换相期间的空载时间的方法及装置，可 以最佳化空载时间，达成零电流切换无刷直流马达的相位，且不会降低。
16、无刷直流马达的最 高转速。 附图说明 0021 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不 构成对本发明的限定。在附图中： 0022 图1为本发明实施例的BLDC马达的驱动电路； 说 明 书CN 102931894 A 3/4页 6 0023 图2为本发明实施例的BLDC马达在两个相位下操作时的电流路径示意图； 0024 图3为本发明实施例的BLDC马达在换相时引起突波电流的波形图； 0025 图4为本发明实施例的在BLDC马达换相时插入空载时间的示意图； 0026 图5为根据本发明的一个实施例； 0027 图6为图5的电路在换相期间的波形图； 0028 图7为图5。
17、的电路在换相时的时序图；以及 0029 图8为图5的电路在换相时的另一时序图。 0030 附图标号： 0031 10 BLDC马达 0032 12 PWM控制器 0033 14 OCP电路 0034 16 电流检测器 0035 18 比较器 0036 20 比较器 具体实施方式 0037 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施 例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为 对本发明的限定。 0038 为了动态调整BLDC马达10的空载时间，如图5所示，根据本发明的装置包含电流 检测器16连接H桥及PWM控制器12，在BLDC马。
18、达10换相期间的空载时间期间检测其线圈 电流Im，在检测到线圈电流Im为零或接近零时通知PWM控制器12结束空载时间。为了判 断相位切换的时机，订定代表线圈电流Im为零或接近零的零电流临界值供电流检测器16 参考。当电流检测器16检测到线圈电流Im等于或小于零电流临界值时，便认定可开始下 一个相位操作。零电流临界值的设定值可视能容忍的突波电流来决定。若零电流临界值大 于零的值，则在开始下一个相位时会引起突波电流，但会有较短的空载时间，因此有较高的 转速。较佳者，零电流临界值为略大于零的值。在最佳情况下，可达成零电流切换相位。 0039 在图5的实施例中，电流检测器16包含电阻R连接在H桥及接地。
19、端之间，以及比 较器18及20将电阻R的跨压V_R分别与临界值V_ZCD及V_OCP比较，以产生信号S1及S2 给PWM控制器12。此实施例是将动态调整空载时间的装置整合到既有的OCP电路中，如同 现有技术一样，临界值V_OCP代表过电流保护的设定值，当V_RV_OCP时，信号S2为高态， 因而通知PWM控制器12停止提供PWM信号或直接关闭下侧MOSFET Q2及Q4，使BLDC马达 10停止运转。要从第一相位切换到第二相位时，如同现有技术一样，在空载时间期间，PWM 控制器12关闭MOSFET Q1Q3，导通MOSFETQ4，建立如图4所示的电流回圈以消耗线圈电 流Im，但是额外地，为了动。
20、态调整空载时间，PWM控制器12短暂关闭MOSFET Q4，这会导致 电流Im变成从输出端B经基体二极管D3流向电源输入端Vin，以及从接地端经电阻R流 向基体二极管D2，因而产生负的检测电压在检测节点V_R上，藉此可得知在空载时间期间 的线圈电流Im。要短暂关闭MOSFET Q4，可由PWM控制器12施加短脉冲到MOSFET Q4的栅 极，例如图6所示，较佳者，每隔一段时间送出一个短脉冲Ts。在不同的实施例中，在短脉 说 明 书CN 102931894 A 4/4页 7 冲Ts期间，除了关闭MOSFET Q4以外，同时也打开MOSFET Q3。由于图5的实施例是藉检测 电压V_R来检测线圈电。
21、流Im，因此订定一个对应零电流临界值的零电压临界值V_ZCD，较佳 者，零电压临界值V_ZCD设定为略小于零的值。在短脉冲Ts期间，若电压V_RV_ZCD，则 信号S1为高态，表示线圈电流Im为零或接近零，PWM控制器12开始操作BLDC马达10在 第二相位。 0040 由于空载时间是动态调整的，与转速无关，因此上述方法及装置可适用于不同的 转速下。 0041 一般而言，PWM控制器12都有一个最短脉冲设定，用来决定PWM信号的最小开启 时间(minimum on time)或最小关闭时间(minimum off time)。此最短脉冲可以用来产生 上述检测用的短脉冲Ts。例如，参照图7，在第。
22、一相位时，PWM控制器12关闭MOSFET Q3，打 开MOSFET Q4，依照转速需求决定PWM信号的责任周期(duty cycle)，用来切换MOSFET Q1 及Q2；进入空载时间后，PWM控制器12关闭MOSFET Q1Q3，以最小关闭时间的PWM信号 控制MOSFET Q4，一旦检测到线圈电流Im等于或小于零电流临界值便结束空载时间；开始 第二相位后，PWM控制器12关闭MOSFET Q1，打开MOSFET Q2，依照转速需求决定PWM信号 的责任周期，用来切换MOSFETQ3及Q4。由现有技术可知在空载时间内，也可以保持MOSFET Q2开启。在不同的实施例中，参照图8，在空载时间。
23、期间，以最小开启时间的PWM信号控制 MOSFET Q3，以最小关闭时间的PWM信号控制MOSFET Q4。 0042 如图5的实施例所示，本发明仅以简单的电路即可动态调整空载时间，而且可以 结合到现有的电路中。在不同的实施例中，电流检测器16可以使用其他的电路来实现。 0043 以上对于本发明的较佳实施例所作的叙述是为阐明的目的，而无意限定本发明精 确地为所揭露的形式，基于以上的教导或从本发明的实施例学习而作修改或变化是可能 的，实施例是为解说本发明的原理以及让本领域技术人员以各种实施例利用本发明在实际 应用上而选择及叙述，本发明的技术思想由权利要求范围及其均等来决定。 说 明 书CN 102931894 A 1/7页 8 图1 说 明 书 附 图CN 102931894 A 2/7页 9 图2 说 明 书 附 图CN 102931894 A 3/7页 10 图3 说 明 书 附 图CN 102931894 A 10 4/7页 11 图4 说 明 书 附 图CN 102931894 A 11 5/7页 12 图5 说 明 书 附 图CN 102931894 A 12 6/7页 13 图6 说 明 书 附 图CN 102931894 A 13 7/7页 14 图7图8 说 明 书 附 图CN 102931894 A 14 。