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TWI844595B - 無刷直流馬達的位置校正換向 - Google Patents

無刷直流馬達的位置校正換向 Download PDF

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TWI844595B
TWI844595B TW108145149A TW108145149A TWI844595B TW I844595 B TWI844595 B TW I844595B TW 108145149 A TW108145149 A TW 108145149A TW 108145149 A TW108145149 A TW 108145149A TW I844595 B TWI844595 B TW I844595B
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commutation
motor
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TW108145149A
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Inventor
羅伯特 亞倫 布朗南
Original Assignee
美商龍舌蘭半導體公司
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Publication date
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Abstract

提出一種用於補償由馬達線圈的繞組阻抗引起的時序延遲及/或用於補償非理想轉子磁鐵形狀及位置之方法及系統的實例。實例方法及系統可以包括產生合成換向信號，補償轉子上的非理想磁鐵形狀及位置(例如，不對稱磁鐵位置)及/或補償由馬達線圈的繞組阻抗引起之時序延遲。

Description

無刷直流馬達的位置校正換向
本說明書係有關於無刷直流馬達的馬達控制器。具體地，提供用於調整換向時序以解決永久磁鐵的隨機製造差異及其在馬達中的配置及/或解決由馬達線圈的繞組阻抗所引起之時序延遲的系統及方法。
直流(DC)馬達中之轉矩及運動係為轉子上的永久磁極與定子的電磁極之間的吸力及斥力之結果。轉矩係為轉子與定子磁極之間的磁場強度、馬達的幾何形狀以及轉子與定子的相對角度定位的函數。轉子上的磁鐵相對於定子線圈控件的方向及極性與期望的旋轉方向一起決定定子磁極的所需極性。因此，馬達的運動由定子線圈來控制，而當藉由在一個方向上的電流及然後藉由使方向反向至另一個方向以對定子線圈通電時，定子線圈將產生推動轉子的交變磁場。當轉子旋轉時，定子的電磁鐵之所需極性不斷地在北極與南極之間進行變化，以使轉子朝同一個方向持續旋轉。在某些在定子中使用多個磁極對之馬達繞組配置中，定子磁極的極性可以具有三種設置：北極、南極及關閉(無定子繞組電流)。對於所有無 刷直流馬達，根據磁吸力及斥力的運動原理都是相同的，而與所使用的永久磁鐵及電磁鐵的數量無關，並且與馬達繞組配置無關。本文描述中的實例係針對具有兩對永久磁極及兩對電磁極的單相馬達繞組配置，但是所述概念亦適用於多相馬達繞組配置以及任意數量的定子及轉子磁極對。
電磁極性的變化稱為換向。在有刷直流馬達中，這是用分環換向器以機械方式來完成。在無刷直流(BLDC)馬達中，使用電子開關以使電流反向及因而使磁極方向反向。為了避免電源在換向期間短路，在朝一個方向流動的繞組電流截止到朝另一方向導通電流之前的時間之間，有一個短的換向死區時間。與在無刷馬達的分環換向器中之機械產生的間隙相比，死區時間在BLDC馬達中係以電子方式來實現。
在許多直流馬達應用中，期望在馬達的每個旋轉過程中減少轉矩變化，並且在傳遞給馬達的任何給定功率量下增加(例如，最佳化)轉矩。為了這個目的，已經提出在換向事件之間如何對定子線圈繞組通電的許多變型。這些包括脈波寬度調變(PWM)及脈波振幅調變速度控制技術的變型。
有效的(例如，最佳的)換向亦有利於馬達的整體性能。換向事件的時序與在換向事件之間用於對定子線圈通電的方法一樣有益。有效的(例如，最佳的)換向時序涉及準確地感測轉子磁鐵相對於定子線圈的角位置。在無刷直流馬達中，轉子磁鐵相對於定子的位置通常是使用附接至定子的磁性霍爾效應(Hall effect)感測器來感測。其它感測器類型亦可以用於感測永久磁鐵的磁場及位置。在此實例中，使用霍爾效應感測器，但是，本文所述的方法與所 使用的感測器類型無關。當轉子磁鐵經過霍爾效應感測器時，霍爾效應感測器的輸出部輸出一個信號，這個信號指示最近的轉子磁鐵之極性(北極或南極)。霍爾放大器係根據與感測器最接近的磁鐵之極性，將霍爾效應感測器信號轉換為邏輯1或0的電路。磁極性資訊用於決定何時使通過定子繞組的電流方向反向。其它用於偵測轉子位置的方法包括光學感測器以及「無感測器」技術，這種技術係監視由轉子的運動對定子繞組所引起的磁通鏈或反電動勢(EMF)。
所有這些轉子位置感測技術都可以使用，只要轉子以理想的幾何形狀來完美製造，並且，不會因馬達線圈的繞組阻抗而引入任何時序延遲。
如果將轉子及定子完美地製造成理想的幾何形狀，則所有轉子及定子磁極的磁吸力及斥力可以一起起作用，以同時促進沿同一個方向的旋轉。然而，常見的製造缺陷及/或公差可能會產生不對稱或變形的轉子磁鐵、或轉子鐵磁的非理想配置。例如，磁鐵具有變動尺寸及/或磁鐵安裝在轉子上的不對稱位置。由於變動的轉子幾何形狀，轉子上的磁邊界/邊緣的位置可能會有多達10-15度的變化。這導致在馬達的一個旋轉之某些角位置期間轉子磁鐵與定子線圈之間的失準。轉子磁極與定子磁極的所有組合意欲一起作用，以促進在一個方向上的運動，但是，失準將導致某些磁極對意外地制動(例如，在旋轉的某些角位置期間停止或嘗試使馬達的旋轉方向反向)。這會導致馬達產生轉矩脈動，並且產生不需要的振動及噪音。轉子上之磁鐵的不對稱性可能會縮短馬達的整體壽命，並且產生高於合理的能量損失。
如果定子線圈的繞組阻抗係理想的，則在確定所需的 電壓使繞組電流換向到馬達繞組中之電流的方向實際反向的時間之間將沒有延遲。實際上，馬達中之馬達繞組的電阻抗，當中包括繞組電感及電阻的貢獻，會在繞組中電流改變之前造成時間延遲。在開始進行換向事件時，此時間延遲將暫時阻止馬達繞組電磁鐵改變極性。在此延遲間隔期間，轉子及其附接之永久磁鐵的角位置將在對於定子電磁鐵的錯誤相對極性之情況下繼續前進。這將導致馬達的暫時性意外制動，直到繞組電流實際改變方向為止。
本案發明人已經認識到上述缺點，並且已經開發出一種藉由解決在轉子上之非理想的磁鐵尺寸及定位及/或解決非理想的繞組阻抗以改善馬達控制之方法。在本說明書的一個具體例中，一種用於控制BLDC的方法包括：產生一合成換向信號來，以電子方式校正/補償轉子磁鐵位置的誤差。在一個實例中，其合成換向信號可以附加地或替代地補償馬達繞組的電阻抗，並且，此方法可以進一步包括調整其合成換向信號，以回應BLDC馬達的位置及回應BLDC馬達的期望速度。
藉由補償具有變動幾何形狀之轉子磁鐵的非理想配置，可以使轉子上的磁鐵與定子上的電磁鐵以數學方式對準，從而提供可用於計算轉子位置的校正因數。可以計算針對繞組阻抗的其它校正因數及/或將其儲存在記憶體中。除了校正繞組阻抗及磁鐵尺寸及/或位置之外，還可以在換向間隔期間施加不均勻的PWM脈波列，使得個別脈波可以具有變動的(例如，可調整的)脈波寬度。在一個實例中，脈波列可以包括持續時間較短的前幾個脈波，接著是隨著換向間隔的持續而增加持續時間的脈波。最後，脈波持續時間 可以朝換向間隔的末端減少。這樣的脈波列調整可以至少在某些條件下解決旋轉期間轉子磁鐵的定位，並且可以允許以均勻的轉矩輸出進行有效的換向。
在一個實例中，可能期望使用PWM信號來控制BLDC馬達的平均速度，其中PWM波形可以用於控制將定子線圈連接至電源的開關。這係以下列方式來完成：馬達兩端的平均電壓等於PWM工作週期乘以電源的電壓。PWM控制信號係脈波列，其中，信號的工作週期被定義為高位準的平均時間除以週期。通常將PWM控制信號的週期選擇為比馬達的旋轉週期小得多。因此，在馬達的一個旋轉內可能會均勻分配許多的PWM脈波。亦可以使用其它方法來控制馬達的速度，其包括脈波振幅調變及改變傳遞給馬達的功率之其它技術。這些各種速度控制技術著重在如何在換向事件之間有策略地(例如，最佳地)將能量施加至馬達。本文所述的本發明包括換向事件的有效(例如，最佳)時序，並且與改變在換向事件之間如何將能量傳遞至馬達的各種速度控制技術無關且相容。本文提供的說明可以用於具有四個轉子磁極及四個定子磁極之單相馬達，但是所述的技術適用於所有轉子磁極、定子磁極及繞組構造。
單獨根據以下詳細說明或同時配合附圖，本說明書的上述優點以及其它優點及特徵將得以明瞭。
應該理解，提供上述概要是為了以簡化的形式介紹將在詳細說明中進一步描述之精選的概念。這並不意味著確認所要求保護的主題之關鍵或必要特徵，所要求保護的主題之範圍由詳細說明之後的申請專利範圍唯一限定。再者，所要求保護的主題不限於解決上述或本發明的任何部分中所述之任何缺點的實施方式。
100:馬達控制積體電路/IC
101:馬達系統
102:(無刷直流/BLDC)馬達
102a:永久磁鐵轉子
102b:定子繞組
103:馬達控制器
106:霍爾(效應)感測器
108:霍爾放大器
110:(換向/PWM)開關
112:換向邏輯(區塊)
120:PWM產生器/輸出致能(區塊)
122:轉子鎖定偵測(區塊)
124:熱保護(區塊)
126:過電流保護/限流(區塊)
128:欠壓(區塊)
130:內部時鐘/計時器(區塊)
132:實際速度(區塊)
134:最大選擇(期望速度)(區塊)
136:伺服控制(區塊)
202:邊緣偵測(區塊)
204:霍爾邊緣計數器(區塊)
206:記憶體暫存器(區塊)
208:記憶體暫存器(區塊)
210:記憶體暫存器(區塊)
212:記憶體暫存器(區塊)
214:記憶體暫存器(區塊)
216:記憶體(區塊)
218:角位置計算(區塊)
220:轉子速度及加速度計算(區塊)
222:角位置比較/擬合(區塊)
224:時序資訊計算/轉換(區塊)
226:額外的時序調整(區塊)
228:計時器及鎖存器(區塊)
230:(繞組阻抗延遲/角度調整)記憶(查找)表/記憶體(區塊)
232:馬達繞組阻抗測量(區塊)
234:功能集選擇(區塊)
300:轉子
302a:(磁鐵)位置
302b:(磁鐵)位置
302c:(磁鐵)位置
302d:(磁鐵)位置
500:轉子
502a:(磁鐵)位置
502b:(磁鐵)位置
502c:(磁鐵)位置
502d:(磁鐵)位置
700a:(轉子/定子)組合
700b:(轉子/定子)組合
700c:(轉子/定子)組合
700d:(轉子/定子)組合
700e:(轉子/定子)組合
700f:(轉子/定子)組合
800:(補償)方法
804:監視/偵測(步驟/區塊)
806:時間測量/確定(步驟/區塊)
808:記憶體儲存(步驟/區塊)
810:判定(步驟/區塊)
812:計算速度(步驟/區塊)
814:記憶體更新(步驟/區塊)
816:判定(步驟/區塊)
818:計算加速度(步驟/區塊)
820:判定(步驟/區塊)
822:進行908(步驟/區塊)
900:(補償)方法
908:角位置計算(步驟/區塊)
910:位置比較/擬合(步驟/區塊)
912:產生校正因數(步驟/區塊)
914:儲存校正因數(步驟/區塊)
916:轉換成時間調整(步驟/區塊)
918:查找記憶表(步驟/區塊)
920:功能選擇(步驟/區塊)
922:計算時間(步驟/區塊)
924:合成換向波形(步驟/區塊)
926:進行804(步驟/區塊)
1000:(控制)方法
1002:供電(步驟/區塊)
1004:禁用合成換向波形(步驟/區塊)
1006:監視霍爾放大器(步驟/區塊)
1008:判定(步驟/區塊)
1010:監視霍爾放大器(步驟/區塊)
1012:判定(步驟/區塊)
1014:啟用合成換向信號(步驟/區塊)
1016:監視霍爾放大器(步驟/區塊)
1018:判定(步驟/區塊)
1020:偵測降級/故障(步驟/區塊)
1100a:(示波器)曲線(圖)
1100b:(示波器)曲線(圖)
1200:(示波器)曲線(圖)
1300a:(示波器)曲線(圖)
1300b:(示波器)曲線(圖)
GND:接地
n:(轉子磁極)數量
t1、t2、t3、t4:時間(點)
VDD:電源
W1:輸出接腳
W2:輸出接腳
θ:(轉子)角度
θadv:(超前)角度
τ:時間(常數)
ω:(角)速度
ωmax:(最大)(角)速度
△i:(角度/角位置)差；校正因數
圖1係無刷直流(BLDC)馬達系統中之馬達控制積體電路(IC)的一個實例之詳細方塊圖。
圖2係更詳細顯示圖1的換向邏輯區塊之方塊圖。
圖3係顯示四極轉子的一個具體例之簡化剖面圖，在其轉子上具有對稱定位的永久磁鐵。
圖4係一起顯示圖1的馬達控制IC之一個具體例與圖3的轉子之方塊圖。
圖5係顯示四極轉子的另一個具體例之簡化剖面圖，在其轉子上具有不對稱定位的永久磁鐵。
圖6係一起顯示圖1的馬達控制IC之另一個具體例與圖5的轉子之方塊圖。
圖7係顯示在轉子逆時針旋轉的一個實例中繞組阻抗延遲與霍爾效應感測器和轉子的角位置之關係的示意圖。
圖8及圖9係用於補償轉子的磁鐵尺寸及/或位置之變化以及繞組阻抗延遲的方法之一個具體例的流程圖。
圖10係用於控制何時啟用合成換向信號之方法的一個具體例之流程圖。
圖11和12係顯示比較使用傳統PWM速度控制之實際BLDC馬達在用合成換向信號補償前後之電流波形的示波器曲線圖，其中圖11顯示未補償之馬達的第一曲線圖及針對馬達繞組阻抗進行補償之馬達的第二曲線圖，以及圖12顯示針對馬達繞組阻抗及不對稱轉子磁鐵幾何形狀進行補償之馬達的曲線圖。
圖13係顯示比較使用傳統PWM速度控制之實際 BLDC馬達的電流波形的示波器曲線圖，其中上圖顯示因非理想製造的轉子磁鐵所產生之電流波形，而下圖顯示使用相同的PWM速度控制方法以相同速度運轉之完全相同的BLDC馬達之電流波形，但是使用合成換向信號對轉子磁鐵的不對稱進行補償。
圖14係顯示圖1的換向邏輯區塊之另一個具體例的示意圖。
圖15係顯示用於補償轉子的磁鐵尺寸及/或位置之變動的方法之另一個具體例的示意圖。
圖16係顯示圖1的換向邏輯區塊之另一個具體例的示意圖。
圖17係顯示用於補償繞組阻抗延遲的方法之另一個具體例的示意圖。
從參考附圖來研讀以下非限制性具體例的詳細說明，將會更加理解本發明的主題。圖1顯示馬達系統101的一個示例應用之方塊圖，其中將馬達控制器103中之馬達控制積體電路100電連接至無刷直流(BLDC)馬達102。雖然在圖1中將馬達控制器103及馬達102顯示為不同的系統組件，但可以理解的是，在各種具體例中，馬達控制器103可以直接整合在馬達102中。在一個實例中，BLDC馬達102可以是冷卻風扇，但是它可以是任何BLDC馬達。在冷卻風扇應用中，溫度感測器(未顯示)以表示風扇的期望速度之速度控制信號的形式向馬達控制積體電路(IC)100報告系統溫度。如圖1所示，馬達102包括具有兩對磁極的永久磁鐵轉子102a，其中標記為N的磁極代表北極，而標記為S的磁極代表南極。通常，可以使用任何 數量的磁極對，並且可以使用任何定子繞組配置，其包括如圖1所示的單相以及其它多相配置。馬達/轉子運動係由定子線圈控制，定子線圈在用電流通電及接著不通電時會產生一個交變磁場來推動轉子。當轉子旋轉時，最接近霍爾效應感測器106之轉子的磁極會從北極轉變至南極，然後再返回。
霍爾效應感測器106可以是單端(single ended)或具有差分輸出。在圖1中，輸出係單端信號，並標記為霍爾(Hall)。當轉子旋轉時，霍爾信號可以由霍爾放大器108放大，並且可以轉換為邏輯1或0，其係由馬達控制IC100解讀為相對於霍爾效應磁感測器之位置最接近的北極或南極轉子磁鐵。放大的霍爾信號可以在IC之外固定作為Tach(轉速計)接腳上的汲極開路輸出。隨著轉子旋轉，以及轉子上之永久磁鐵經過磁感測器，Tach信號可以在邏輯1與0之間切換。發生這種情況的速率表示由內部時鐘區塊130及實際速度區塊132監視之馬達速度。
換向及PWM開關110將風扇的馬達繞組連接至電源(標記為VDD)及接地。馬達控制IC100使用來自霍爾效應感測器106的磁極資訊，連同換向邏輯區塊112，和換向及PWM開關110一起對定子繞組中之電流進行換向。將換向及PWM開關110顯示為配置成用於圖1所示之單相馬達的H橋，但是，亦可以不同地配置成用於不同的線圈繞組配置以及不同數量的定子及轉子磁極。為了說明的目的，將換向及PWM開關110顯示為整合在馬達控制IC100中，但是亦可以在IC的外部。在一個具體例中，馬達控制IC100及霍爾效應感測器106連同轉子及定子繞組，實際上皆一起包含在冷卻風扇內。
換向邏輯112對霍爾放大器輸出的極性資料進行解碼 ，且用於判定何時及哪個換向及PWM(在此實例中為H橋)開關導通，並且最終判定定子繞組中之電流的方向。
定子繞組藉由換向及PWM開關耦接至電源電壓且接地。電源電壓及接地分別標記為VDD及GND。H橋配置允許使繞組電流的方向反轉，這將導致定子磁極反轉極性。隨著轉子旋轉，定子繞組電流的轉向稱為換向。為了避免在換向期間電源與接地短路，一次只允許一對開關導通。在一對開關斷開與另一對開關導通之間存在小的延遲，稱為換向延遲。H橋的輸出接腳分別針對第一及第二馬達繞組標記為W1及W2。
在一個具體例中，控制IC為了馬達的安全提供一些內建的降級保護功能。圖1包括PWM產生器/輸出致能區塊120，其僅在不存在降級情況下提供PWM輸入至換向及PWM開關，以傳導電流。如果發生降級情況，則PWM產生器/輸出致能區塊120將關斷馬達控制IC100的開關，並禁用流向定子繞組的電流。在圖1的實例中，可以偵測四種會禁用馬達之降級情況：轉子鎖定、熱過載、欠壓及電流過載。轉子鎖定偵測區塊122監視霍爾放大器的輸出，並且使用內部時鐘來測量轉子速度。如果轉子速度下降至預設臨界值以下，則認為存在使轉子停止運轉的阻礙，並且在繞組中形成不安全電流位準之前，禁用馬達。馬達控制IC100可以具有位於熱保護區塊124內之自身的熱感測器。因為馬達控制IC100通常位於馬達內部，所以IC溫度係馬達溫度的表示。如果IC溫度上升至臨界溫度以上，則禁用馬達。最後，在過電流保護(OCP)接腳與接地之間的電阻上感測定子繞組電流。限流(過電流保護區塊)126監視定子繞組電流。如果電流超過預定的安全極限，則會禁用馬達。如果電壓源VDD接腳 下降至建議的操作條件以下，則欠壓區塊128阻止電流流向馬達繞組。
速度控制輸入告訴馬達控制IC100馬達的期望速度(例如，由期望速度區塊134指示)。以虛線顯示任選的閉路伺服控制區塊136。隨著轉子旋轉，內部時鐘及計時器130監視由霍爾放大器108所感測之的馬達的實際速度。伺服控制區塊136可以動態地調整PWM產生器/輸出致能區塊120的輸入，直到馬達的實際速度等於由最大選擇(例如，期望速度)區塊134的輸出所限定之馬達的期望速度為止。如果不使用閉環控制，則將最大選擇(例如，期望速度)區塊134的輸出直接傳遞至PWM產生器120。速度控制信號可以是直流(DC)電壓、數位控制字或PWM信號；每個皆代表冷卻風扇的期望速度。
PWM產生器/輸出致能區塊120的脈波寬度調變(PWM)產生器部分，調整了開關110的PWM工作週期，以便設定在馬達繞組兩端的平均電壓。隨著轉子旋轉，馬達控制IC100使用內部時鐘130及實際速度區塊132來確定馬達的實際速度。可以採閉環方式使用有關馬達實際速度的知識來調整PWM工作週期，直到馬達的實際速度等於期望速度為止。可以測量任何類型的速度參考值、溫度或其它，並將其用於建立馬達的期望速度。
圖2顯示圖1的換向邏輯區塊112之詳細方塊圖。這些區塊一起獲取霍爾放大器的輸出，並且產生合成換向信號(例如，非瞬態合成換向信號)，而該合成換向信號係解決了轉子磁鐵幾何形狀中之製造缺陷及非理想繞組阻抗。如本文所述，非理想形狀係為未精確地符合組件的期望(例如，理想的)形狀之形狀。例如，組 件形狀可能具有在組件製造期間出現之不需要的尺寸變化(例如，製造缺陷、異常等)。例如，某些製造技術可能具有相對較大的尺寸公差，從而導致不需要的尺寸變化。圖2的區塊可以表示由換向邏輯區塊112執行之不同的操作及/或執行這些操作的模組(例如，處理模組，諸如儲存在記憶體中之處理器可執行指令、相關的處理器/邏輯單元、記憶暫存器等)。更具體地，本文中關於圖2及其它附圖所述之區塊可以包括可由馬達控制器中之處理器、處理電路等執行而儲存在記憶體中的指令。因此，這些區塊可以包括一或多個實體裝置或實體裝置構件。然而，可替代地，本文所述之指令的態樣可以藉由在有限期間內沒有被實體裝置保存之通信媒介(例如，以電磁信號、光信號等形式之控制命令)來傳播。再者，控制命令、信號等可以是非暫時性的。記憶體裝置可以包括可移除及/或內建裝置。為了詳細說明，記憶體尤其可以包括半導體記憶體、光記憶體及/或磁記憶體。再者，記憶體可以包括非揮發性、揮發性、靜態、動態、讀取/寫入、唯讀、隨機存取等。
當轉子開始移動時，邊緣偵測區塊202在圖1的霍爾放大器108的輸出處偵測出霍爾邊緣(由磁霍爾效應感測器感測之極性變化)。霍爾邊緣計數器區塊204偵測諸多連續邊緣之間的時間。對於每個霍爾邊緣重複一次這樣的過程，並且將所記錄的時間儲存在206、208及210處的記憶體暫存器中。其系統(例如，換向邏輯112)包括N個記憶體暫存器及/或可以對其進行存取。轉子上之N個永久磁鐵中之每一個都有一個記憶體暫存器。這提供了足夠的時序資訊，以在區塊212中進行轉子的一個完整旋轉的時間計算。一個完整旋轉的時間隨著每個偵測到的霍爾邊緣來進行更新。區塊212及214 的兩個記憶體暫存器S1及S0儲存一個完成旋轉的時間之兩個最近的計算。這對轉子速度及加速度計算區塊220提供了可用於計算轉子速度及加速度的資訊。如同在區塊218中所執行，速度及加速度資訊與所有N個轉子磁鐵的霍爾邊緣之間的時間結合在一起，以同時計算所有N個轉子磁鐵的角位置資訊。在區塊216中儲存期望的或理想轉子磁鐵角位置幾何形狀。在區塊222中，將區塊216的期望或理想轉子磁鐵角位置幾何形狀與測量幾何形狀進行比較。在區塊222中，亦執行理想幾何形狀與測量幾何形狀之角度最佳擬合。根據速度及加速度，在區塊224中將區塊222中計算出之理想磁鐵位置與測量磁鐵位置之間的角度差△i轉換成時序資訊。
區塊230係包含繞組阻抗延遲資訊的記憶查找表。此記憶體可以用繞組阻抗的先前知識來提前進行程式化，及/或此記憶體可以由任選的區塊232來進行程式化，而該任選的區塊係在馬達被供電之後進行馬達繞組阻抗測量。此一繞組阻抗延遲/角度調整記憶表230可以包含表示繞組阻抗延遲的值之單一鍵值對(single entry)。如果希望在不同馬達類型的不同馬達速度及/或負載條件下以不同的方式補償繞組阻抗，則繞組阻抗延遲/角度調整記憶表230將包含多個值。
區塊224計算從合成換向波形的最近霍爾邊緣至下一個邊緣的時間。此計算的輸入係來自區塊218的角位置資訊以及來自區塊222的轉子永久磁鐵之最佳擬合角位置資訊。輸入亦包括來自區塊220的轉子速度及加速度、來自區塊230的繞組阻抗延遲/角度調整以及來自區塊226的任何其它額外的時序調整。來自區塊224的計算結果被儲存在計時器及鎖存器區塊228中，區塊228產生合成換向信號。然後，可以將合成換向信號用於使馬達繞組電流進行換向 ，而不是直接使用來自霍爾放大器輸出的霍爾效應感測器資訊。
可以使用進入區塊224的所有輸入，以計算合成換向波形的下一個期望霍爾邊緣，或者可以使用輸入的子集。功能集選擇區塊234選擇在計算中使用區塊224的哪些輸入，並且允許來自同一個IC的不同功能。藉由啟用及禁用功能，這可以允許為終端使用者提供靈活性，或者允許製造商使用同一個IC來提供多種IC產品。
圖3係一個具體例，顯示具有對稱定位的永久磁鐵之轉子300的簡化剖面圖，而其對稱定位的永久磁鐵具有彼此相同的幾何形狀。磁鐵之間的位置在位置302a、302b、302c及302d處等距隔開。在所述的實例中，四個轉子磁鐵彼此等距來設置，其中，θ描述轉子上任意兩個磁極界面之間的轉子角度(例如，在轉子位置之間產生感測的磁極性變化之角度)。對於一個轉子，如圖3的轉子300所示，對於具有相同或實質相同大小及/或尺寸的兩對之對稱間隔開的磁極，θ等於360°/4或90°。
圖4顯示耦接至圖3的轉子300之馬達控制IC100的一個具體例之方塊圖，其轉子300具有對稱定位及大小的永久磁鐵。雖然圖4的說明實例以圖1的馬達控制IC100來表示，但是應該理解，在不脫離本發明的範圍之情況下，可以改變或移除圖1的馬達控制IC100之一或多個組件，或者，一或多個額外的組件可以包含在馬達控制IC100中。如圖4所示，隨著轉子旋轉，霍爾放大器108的輸出報告了何時最接近霍爾效應感測器106的磁極從北極轉變至南極及再次返回。
現在參考圖5，描繪具有不對稱形狀的永久磁鐵之示例性轉子500之另一具體例的簡化剖面圖。如圖所示，這導致在轉 子上之位置502a、502b、502c及502d處的磁鐵之間的不對稱及非理想間隔開之位置。如上所述，在一個實例中，永久轉子磁鐵可以不對稱地定位在轉子中，或者在另一個實例中，永久轉子磁鐵可以是具有變動幾何形狀的磁鐵。在其它實例中，永久轉子磁鐵可以是相對於彼此具有不對稱位置與彼此具有不規則/不同幾何形狀之組合。當如圖6所示，將具有可變磁鐵幾何形狀及/或配置的轉子放置在馬達中時，霍爾放大器108的輸出可能無法如同具有對稱放置之相同磁鐵的轉子(例如，如圖3及4所示)所期望般同時偵測轉子上之永久磁鐵的磁極。因位置誤差而對轉子磁鐵之這樣的實體差異進行補償，以便從馬達獲得更均勻的轉矩及改進的(例如，最佳的)性能。因為每個磁極在定位或大小/尺寸方面都可能包含可變性，所以，根據霍爾效應感測器所判定，轉子上的每個磁鐵都可以與個別的補償因數相關聯，以校正位置變化。例如，如上所述，霍爾放大器輸出的上升及下降邊緣係在時間點t1、t2、t3、t4被偵測的邊緣。由於在圖6的實例中之磁鐵的不規則幾何形狀及/或配置，所以在上升及下降邊緣處無法精確地知道轉子的絕對位置。然而，可以根據轉子速度及加速度來偵測霍爾邊緣之間的測量時間，並將其與霍爾邊緣之間的期望時間(例如，根據上面圖3及4所述在轉子上對稱地放置磁鐵之配置)進行比較，以便確定每個磁鐵的角度校正因數(以下將參考圖8及9來描述用於確定校正因數的一個示例性演算法)。一旦已計算出每個校正因數(轉子的每個永久磁鐵一個校正因數，其中，每個校正因數係與轉子的諸多相鄰永久磁鐵之間的角度相關聯)，則可以將校正因數用於計算理想轉子幾何形狀相對於所測量之非理想馬達幾何形狀的最佳擬合角位置。
圖7顯示在轉子相對於定子電磁鐵的極性之角位置與霍爾感測器106的位置之六種不同組合下的馬達102。這些組合將用於顯示出由馬達繞組阻抗延遲所引起之問題及一種先前的解決方案。為了說明的目的，圖7係有關於一種其中轉子正在逆時針旋轉的實例。在700a中，將轉子磁極及定子磁極的極性分別標記為北極N及南極S。相同的磁極排斥，而相反的磁極吸引。這將導致700a的轉子朝逆時針方向旋轉。轉子將持續朝逆時針方向旋轉，直到其到達700b中所示之位置。理想上，在此位置，霍爾感測器106將在轉子上偵測到從北極至南極的極性變化。這將啟動控制IC，以使定子繞組電流的方向換向(或反向)，從而如700c所示，導致定子的電磁鐵改變極性。雖然磁鐵的極性在700c中不會引起旋轉，但是，轉子的角動量會促使轉子略微超過此角度，從而導致磁鐵繼續促進逆時針方向的旋轉。由於定子線圈的非理想阻抗所致，實際的BLDC馬達在開始換向時與電流實際上在繞組中反向時之間，具有時間延遲。當700a中之霍爾效應感測器106偵測到轉子磁鐵中之極性變化時，如700d及700e所示，在轉子電磁鐵可以改變極性之前，轉子將繼續旋轉一段時間τ，此時間等於繞組阻抗時間延遲。在實際換向發生之前轉子繼續旋轉的角度θ等於角速度ω乘以馬達繞組的時間常數τ。在時間τ期間，定子電磁鐵的極性相對於轉子永久磁鐵將具有錯誤的極性，並且促進朝順時針方向而不是逆時針方向旋轉。這將導致馬達每轉會制動n次，其中n係轉子磁極之數量。如700f所示，此問題的一種先前的解決方案係使霍爾效應感測器超前一個角度θadv。通常，超前角度θadv設置成補償轉子的最大角速度ωmax。此解決方案的缺點是它只能以一種速度工作。結果，由於在其它轉子速 度下之不需要的制動，馬達性能在功率消耗及振動方面仍然會下降。本文所述之系統及方法可以去除實際上使霍爾效應感測器超前的需要，並且如果需要的話，可以在所有的馬達速度下補償馬達繞組阻抗。因此，本說明書包括具有用於產生合成換向信號之換向邏輯區塊的IC。
圖8及9分別顯示用於補償轉子的磁鐵尺寸及/或磁鐵位置之變動以及馬達繞組的阻抗的方法800及900之一個實例的流程圖。例如，圖1、圖4及圖6的馬達控制積體電路100及其組合可以執行方法800及900。其方法包括當轉子移動經過固定的霍爾效應感測器時，記錄霍爾放大器輸出的諸多邊緣之間的時間。針對馬達的整個旋轉，記錄並儲存時序資訊。轉子的速度及加速度係根據轉子的整個旋轉來計算，並且在每個霍爾邊緣處進行更新。一旦知道轉子的速度及加速度，便會根據霍爾邊緣之間的記錄時間，同時計算轉子上之所有永久磁鐵的相對角位置。檢查速度及加速度，以確保可以準確地計算角位置。一旦確定轉子磁鐵的角位置，可以再次比較轉子磁鐵的相對位置與完美製造的轉子之理想磁鐵位置。如果存在差異，則會針對轉子上的每個磁鐵儲存其角度差△i。然後，可以計算理想轉子相對於所測量之轉子的磁鐵位置之期望(例如，最佳)角位置。在一個實例中，使用非理想霍爾邊緣與理想霍爾邊緣位置之間的遞迴最小平方(RLS)近似法，可以找到最佳擬合。亦可以使用其它最佳擬合演算法，例如，最小均方。一旦知道理想轉子的最佳擬合角位置，便將其與速度及加速度資訊結合起來，以將角度轉換為時序資訊。此時序資訊可以與馬達繞組阻抗延遲資訊一起使用，以產生合成換向波形，然後，可以使用合成換向波形以使定子繞 組電流換向，而不是直接使用霍爾效應感測器資訊。
圖8及9可以組合以形成方法800及900的一個具體例之流程圖，其方法800及900用於補償不對稱轉子磁鐵及馬達繞組阻抗，並產生合成換向波形。在區塊804中，此方法包括不斷地監視霍爾放大器的輸出，以偵測轉子開始移動之後的第一霍爾邊緣。如圖8所述，一旦偵測到一個霍爾邊緣，如果已經發生，則已花費一段時間到達目前霍爾邊緣(從上一個霍爾邊緣)。在區塊806中，測量這段時間，並在區塊808中將其儲存至與轉子上之N個永久磁鐵對應的N個記憶體位置中之一。如判定區塊810所示，此方法包括對霍爾邊緣的數量進行計數，以確定馬達的一個完整旋轉(例如，360度旋轉)已發生。如果尚未偵測到足夠的霍爾邊緣來測量馬達的一個完整旋轉/運轉之時間(例如，在區塊810中為「否」)，則此方法返回至區塊804，以繼續監視霍爾放大器輸出並偵測霍爾邊緣。如果已經檢測到足夠的霍爾邊緣來測量馬達的一個完整旋轉/運轉之時間(例如，在區塊810中為「是」)，則此方法繼續進行區塊812，以根據一個完整旋轉的時間來計算速度。在一個旋轉之後，在區塊812中計算速度，因為，如果時序測量以一個完整旋轉的整數倍為基礎，則速度計算不會受轉子磁鐵不對稱性的影響。在區塊812中將速度計算儲存在記憶體中，並如區塊814所示，更新記憶體指標。使用兩個各別的速度計算以計算加速度。如判定區塊816所示，此方法包括在區塊818中執行加速度計算之前，確定將兩個速度測量儲存在記憶體中。如果尚未執行足夠的轉速計算以計算加速度(例如，在區塊816中為「否」)，則此方法返回至區塊804，以繼續監視霍爾放大器輸出並偵測霍爾邊緣。如果已經執行足夠的轉速計算以 計算加速度(例如，在區塊816中為「是」)，則此方法繼續進行區塊818，以執行如上所述之加速度計算。如判定區塊820所示，此方法包括進行檢查來確定速度及加速度在可接受的範圍內，以形成精確的合成換向波形。如果速度及加速度在可接受的範圍內(例如，在區塊820中為「是」)，則此方法進行圖9的區塊908。如果速度及加速度不在可接受的範圍內(例如，在區塊820中為「否」)，則此方法包括返回至區塊804，以繼續監視霍爾放大器輸出並偵測霍爾邊緣。
圖9係從圖8開始之流程圖的後半部分。為了到達圖9的區塊908，發生三件事：1.針對一個完整旋轉所感測之每個磁鐵，已將霍爾邊緣之間的時間儲存在記憶體中；2.已確定根據最近霍爾邊緣的轉子速度計算是準確的；以及3.已確定根據最近霍爾邊緣的轉子加速度計算是準確的。所有三個條件可以用於根據所偵測之霍爾邊緣的時序，同時對所有N個轉子磁鐵進行精確的角位置計算，上述操作係在方法900的區塊908中執行。
在區塊910中，此方法包括將所計算的轉子磁鐵位置與理想磁鐵位置進行比較。使用遞迴最小平方法，執行理想磁鐵位置與測量位置之角位置的最佳擬合。亦可以使用其它最佳擬合演算法，例如，最小均方。
在區塊912中，此方法包括針對所有N個轉子磁鐵以產生所測量的轉子磁鐵位置相對於期望(例如，理想)位置的角位置差△i。在區塊914中，此方法包括將每個霍爾邊緣的不同校正因數△i儲存至記憶體中。在區塊916中，此方法包括根據速度及加速度將此角位置差轉換成與理想霍爾邊緣的調整時間差。
在區塊918中，此方法包括從記憶查找表找尋繞組阻 抗時序調整，這可以根據速度、馬達類型及/或負載狀況來進行。在區塊920中，此方法包括使用功能選擇區塊以選擇在產生合成換向波形中將使用哪些時序調整，其包括了馬達繞組阻抗時序調整、最佳擬合轉子磁鐵調整及/或任何其它期望的時序調整。在區塊922中，根據目前速度及加速度，計算從最近偵測到的霍爾邊緣至合成換向波形的下一個邊緣的時間。在區塊924中，這些計算用於合成換向波形，而該換向波形係將用於對馬達繞組電流進行換向，而不是直接使用霍爾放大器的輸出。應該理解，合成的換向波形(例如，非暫時性合成換向信號)可以用於馬達控制。因此，此方法可以進一步包括使用合成的換向信號來調整PWM開關，並且使用PWM信號來驅動馬達。當合成的換向波形被連續更新時，在區塊926中，此方法包括返回至圖8的區塊804，以繼續監視霍爾放大器的輸出並偵測霍爾邊緣。
圖10係用於控制何時啟用合成換向波形的方法1000之一個實例的流程圖。在降級(故障)情況下以及首次對馬達供電時，要採取特殊的防護措施。
在區塊1002中，在啟動或重置情況下對馬達(以及馬達控制IC，例如，圖1的馬達控制IC100)供電。在區塊1004，電力開啟重置信號禁用合成換向信號。
在區塊1006，此方法包括不斷地監視霍爾放大器，以確定轉子速度。在區塊1008中，此方法包括判定是否已經發生足夠的霍爾邊緣，以進行計算。如果轉子的旋轉速度沒有比預定速度快(例如，如果尚未有足夠的霍爾邊緣來進行計算，則在區塊1008中為「否」)，則此方法返回至區塊1004，以監視霍爾放大器的輸出 ，直到可以進行完整計算為止。如果已偵測到足夠的霍爾邊緣來進行計算(例如，在區塊1008為「是」)，則此方法包括如區塊1010所示再次監視霍爾放大器。在區塊1012中，此方法包括判定轉子的速度及加速度是否可以進行精確的計算(例如，能夠達到計算的準確度之目標水準)。如果轉子的速度及加速度不在使合成換向信號準確的範圍內(例如，在區塊1012中為「否」)，則合成波形將保持禁用狀態，並且，此方法返回至區塊1010，以繼續監視霍爾放大器的輸出。
如果轉子的速度及加速度在使合成換向信號為準確的範圍內(例如，在區塊1012中為「是」)，則此方法進行區塊1014，而包括啟用合成換向信號(例如，在對換向進行位置校正的情況下)。在區塊1016中，在啟用DAC輸出之後，此方法包括監視霍爾放大器的輸出，以確定轉子速度。在區塊1018，此方法包括判定是否正在準確地產生合成換向波形。如果轉子速度及加速度在使合成換向信號為準確的範圍內(例如，在區塊1018中為「是」)，則DAC保持啟用，並且，此方法返回至區塊1016，以繼續監視霍爾放大器的輸出。如果轉子速度及加速度不在使合成換向信號準確的範圍內(例如，在區塊1018中為「否」)，則此方法返回至禁用合成換向波形的區塊1004。
降級條件可能導致轉子完全停止。在區塊1020中，偵測到降級狀況，並且，此方法移至禁用合成換向波形的區塊1004。在這樣的實例中，降級或故障情況可以充當使方法1000開始的介入命令。因此，所有降級情況會自動禁用合成換向波形，直到轉子再次開始旋轉且轉子速度及加速度使得合成換向波形可以重新啟用 為止。於是，可以禁用合成換向波形，以回應包括降級情況、啟動及/或重置情況的各種運轉情況，然後重新啟用，以確保馬達的運轉。
圖11及12顯示將實際BLDC馬達的電流波形進行比較之使用例的示波器曲線圖，而該BLDC馬達係具有會導致轉子磁鐵幾何形狀及位置的不對稱之製造缺陷及由定子繞組的阻抗引起的繞組延遲。曲線圖亦顯示固定作為Tach(轉速計)接腳上的輸出之放大的霍爾信號。當轉子旋轉時，Tach信號在邏輯1與0之間切換。對於在這些曲線圖中使用之四極馬達，Tach從低位準至高位準或從高位準至低位準的轉變，代表馬達的1/4轉。Tach邊緣發生的速率表示馬達的速度。橫軸表示時間。曲線圖1100a、1100b及1200使用完全相同的馬達。所有三個曲線圖的馬達速度都是相同的，並且，在換向事件之間對馬達繞組供電的PWM技術係相同的。這三個曲線圖之間的唯一差別是霍爾效應感測器的位置及產生換向波形的方式。
圖11的曲線圖1100a顯示當未補償不對稱轉子磁鐵及繞組阻抗延遲時(例如，當未應用依據本發明的合成換向波形時)之馬達的電流波形。圖11的曲線圖1100b顯示當使用合成換向波形而只補償繞組阻抗延遲時之同一個馬達的電流波形。最後，圖12的曲線圖1200顯示當使用合成換向波形以補償繞組阻抗延遲及不對稱磁鐵時之同一個馬達的電流波形。
曲線圖1100a顯示先前的解決方案的馬達繞組電流曲線。已使霍爾效應感測器超前如上面圖7所述的一個角度θadv，以在轉子的最大角速度ωmax下補償繞組阻抗延遲。直接從霍爾效應感測器的輸出獲取換向波形。此解決方案的缺點在於：超前角度θadv僅在一個角速度下正確地校正繞組阻抗時間延遲。在低於ωmax的速度 下，霍爾效應感測器的超前角度會導致太多的時間超前，並且，繞組阻抗延遲會被過度補償。在曲線圖1100a中，馬達的速度低於ωmax，並且，繞組阻抗延遲被過度補償，從而導致非最佳性能。
曲線圖1100b顯示在完全相同的馬達以與曲線圖1100a所用相同之速度運轉的情況下馬達繞組電流的曲線。在曲線圖1100b中，已改變霍爾效應感測器的位置，所以超前角度θadv為零。使用合成換向波形來補償繞組阻抗，且對繞組電流進行換向，而不是使霍爾效應感測器的角度超前及直接使用霍爾效應感測器的輸出來對繞組電流進行換向。在圖2的記憶表230中使用單一時間常數，以補償繞組阻抗延遲。使用方程式θadv=ωmax．τ來選擇時間常數τ，以致於在最大速度ωmax下，馬達的表現與以機械方式使霍爾效應感測器超前時相同。這種方法的益處是，馬達繞組阻抗延遲不會隨馬達速度而改變，並且，馬達在其它速度(在此實例中為較慢)下仍可得到適當的補償。對於此實例，在曲線圖1100b中，即使馬達以相同的速度運轉，峰值電流也比曲線圖1100a小約百分之二十五，並且，總功率消耗比曲線圖1100a小約百分之五。
圖11的曲線圖1100a及1100b顯示具有變動峰值振幅的電流波形，所述峰值振幅對應於轉子磁鐵的變動幾何形狀。失準會造成在轉子磁鐵之間的界面附近對馬達產生制動之一些定子與轉子的組合，而不是促進朝期望方向的旋轉。這導致峰值電流高於理想製造的轉子之期望峰值電流。上述由失準所引起的制動亦會導致能量浪費及馬達繞組中之熱量的產生以及不需要的轉矩變動。
與曲線圖1100b相比，圖12(曲線圖1200)顯示在啟用圖2的角度最佳擬合區塊222及繞組阻抗區塊232兩者之情況下電流 波形的示波器曲線圖。藉由啟用區塊222，已經調整合成換向波形的邊緣之時序，以補償轉子磁鐵的變動幾何形狀及位置。用於產生曲線圖1200之馬達的速度與曲線圖1100a及1100b相同，並且，使用相同的PWM技術來設定馬達的速度。在曲線圖1200中，使馬達的峰值電流之變動最小化。由於使磁鐵邊緣附近之不需要的制動之影響最小化，故而減少了馬達以相同速度運轉所需的峰值電流。與曲線圖1100b相較，曲線圖1200中之總功率消耗額外減少百分之三。
圖13描繪將實際BLDC馬達的電流波形進行比較之其它使用例的示波器曲線圖，而該BLDC馬達係具有會導致轉子磁鐵幾何形狀及位置的不對稱之製造缺陷。其曲線圖亦顯示固定作為Tach(轉速計)接腳上的輸出之放大的霍爾信號。當轉子旋轉時，Tach信號在邏輯1與0之間切換。對於在這些曲線圖中使用之四極馬達，Tach從低位準至高位準或從高位準至低位準的轉變，代表馬達的1/4轉。Tach邊緣發生的速率表示馬達的速度。兩個示波器曲線圖上的第三條軌跡線未被使用，可以被忽略。橫軸表示時間。曲線圖1300a及1300b使用完全相同的馬達。兩個曲線圖的馬達速度都是相同的，並且，在換向事件之間對馬達繞組供電的PWM技術係相同的。唯一差別是，在曲線圖1300a中，禁用合成換向信號，並且，直接使用霍爾放大器輸出以對馬達電流進行換向。在曲線圖1300b中，啟用合成換向信號。
圖13的上曲線圖1300a顯示具有變動峰值振幅的電流波形，而該峰值振幅係對應於轉子磁鐵的變動幾何形狀。失準會造成在轉子磁鐵之間的界面附近對馬達產生制動之一些定子與轉子的組合，而不是促進朝期望方向的旋轉。這導致峰值電流高於理想 製造的轉子之期望峰值電流。上述由失準所引起的制動亦會導致能量浪費及馬達繞組中之熱量的產生以及不需要的轉矩變動。
相較之下，圖13的下方曲線圖1300b顯示在啟用合成換向信號以補償轉子磁鐵的變動幾何形狀及位置之情況下與產生曲線圖1300a所用完全相同之BLDC馬達的電流波形之示波器曲線圖。用於產生曲線圖1300a及1300b之馬達的速度係相同的，並且，曲線圖1300a及1300b使用相同的PWM技術以設定馬達的速度。在曲線圖1300b中，使馬達電流波形的峰值電流之變動最小化。由於使磁鐵邊緣附近之不需要的制動之影響最小化，亦減少了馬達以相同速度運轉所需的峰值電流。
圖14顯示換向邏輯區塊112的另一個具體例。圖14所示之換向邏輯區塊與圖2所示之換向邏輯區塊112共同有許多相似之處。因此，為了簡潔起見，省略多餘的描述。如圖14所示，當產生合成換向信號時，換向邏輯區塊112考慮磁鐵的不對稱性。然而，圖14所描繪之換向邏輯區塊112未考慮繞組阻抗延遲。不過，如先前所論述，已經設想同時考慮繞組阻抗延遲與磁鐵不對稱性的具體例。
圖15顯示用於補償轉子的磁鐵尺寸及/或磁鐵位置之變化的另一個流程圖。圖15的流程圖與圖9所示之流程圖共同有許多相似之處。因此，為了簡潔起見，省略多餘的描述。其方法包括在區塊920中添加任何其它時序調整，以包含在合成換向波形中。
圖16顯示換向邏輯區塊112的另一個具體例。圖16所示之換向邏輯區塊與圖2所示之換向邏輯區塊112共同有許多相似之處。因此，為了簡潔起見，省略多餘的描述。圖16所示之換向邏 輯區塊112在產生合成換向信號時解決了繞組阻抗延遲。然而，換向邏輯區塊未考慮磁鐵的不對稱性。
圖17顯示用於補償馬達繞組的阻抗之另一個流程圖。圖17的流程圖與圖9所示之流程圖共同有許多相似之處。因此，為了簡潔起見，省略多餘的描述。其方法包括在區塊920中添加任何其它時序調整，以包含在合成換向波形中。
在以下段落中將進一步描述本發明。在一個態樣中，提供一種用於補償在轉子上所設置之複數個不對稱永久轉子磁鐵的方法，而其中係以一積體電路耦接至具有複數個不對稱永久轉子磁鐵的轉子。此方法包括：在馬達控制器處，根據磁感測器的輸出，計算轉子的速度及加速度，而該磁感測器的輸出係指示最接近磁感測器之複數個不對稱永久轉子磁鐵中之一個永久磁鐵之極性；根據磁感測器輸出的時序資訊、轉子之計算速度及轉子之計算加速度，計算複數個不對稱永久轉子磁鐵中之每一者的非理想形狀及角位置；以及，產生用於控制複數個定子線圈之電流換向的合成換向信號，而該合成換向信號係校正轉子上的複數個不對稱永久轉子磁鐵之計算出的非理想形狀及非理想角位置。
在另一個態樣中，提供一種用於產生合成換向信號之系統，而其合成換向信號係補償轉子上之複數個不對稱轉子磁鐵的位置。此系統包括：磁感測器放大器，其係配置成輸出在轉子旋轉期間從磁感測器偵測到之磁極性變化的指示；一或多個記憶體暫存器；一或多個換向及脈波寬度調變開關；以及，換向邏輯，其係包含可由此系統的處理器執行之指令，以便能：根據磁感測器放大器的輸出，計算轉子的速度及加速度；根據諸多偵測到之磁極性變化 的時序資訊、轉子之計算速度及轉子之計算加速度，計算轉子上的複數個不對稱轉子磁鐵中之每一者的角位置及形狀；產生用於控制複數個定子線圈的電流換向之合成換向信號，而該合成換向信號係根據所計算的角位置而得到；以及，經由一或多個換向及脈波寬度調變開關，使用合成換向信號來控制複數個定子線圈的電流換向。
在另一個態樣中，提供一種用於補償無刷DC馬達的馬達繞組阻抗延遲之方法，其係以一積體電路耦接至無刷DC馬達。此方法包括：在馬達控制器處，根據磁感測器的輸出，計算轉子的速度及加速度，而該磁感測器的輸出係指示最接近磁感測器之複數個不對稱永久轉子磁鐵中之一個永久磁鐵的極性；在記憶查找表中儲存及讀取繞組阻抗延遲資訊；計算要開始下一次換向事件的時間，以校正繞組阻抗延遲；以及，產生用於控制定子線圈的電流換向之合成換向信號，而該合成換向信號係校正馬達繞組阻抗延遲。
在另一個態樣中，提供一種用於補償無刷DC馬達的馬達繞組阻抗延遲及產生合成換向波形之方法，其係以一積體電路耦接至永久磁鐵轉子。此方法包括針對轉子的複數個旋轉中之每一者：監視磁感測器的輸出，以偵測極性的變化，而對於每個偵測到之極性變化，儲存從先前偵測到之極性變化或從轉子的啟動到達下一個極性變化所花費之各別時間，並且，根據轉子的複數個旋轉中之各別旋轉的旋轉時間，計算轉子的各別速度；根據針對轉子的複數個旋轉中之每一者所計算出的各別速度，計算轉子的加速度；從記憶查找表讀取繞組阻抗延遲調整；根據繞組阻抗延遲調整，產生合成換向波形；使用合成換向波形，選擇性地對轉子電流進行換向。
在另一個態樣中，提供一種用於產生合成換向信號之 系統，而其合成換向信號係補償無刷DC馬達的馬達繞組阻抗延遲。此系統包括：磁感測器放大器，其係配置成輸出用於指示在轉子旋轉期間從磁感測器偵測到之磁極性變化的信號；一或多個記憶體暫存器；一或多個換向及脈波寬度調變開關；以及，換向邏輯，其係包含可由此系統的處理器執行之指令，以便能：根據磁感測器放大器的輸出，計算轉子的速度及加速度；在記憶查找表中儲存及讀取繞組阻抗延遲資訊；產生用於控制定子的電流換向之合成換向信號，而該合成換向信號係根據繞組阻抗延遲資訊而得到；以及，經由一或多個換向及脈波寬度調變開關，使用合成換向信號來控制定子的電流換向。
在又另一個態樣中，提供一種用於產生合成換向信號之系統，而其合成換向信號係補償轉子上之轉子磁鐵位置。此系統包括磁感測器放大器，其係配置成輸出用於指示在轉子旋轉期間從磁感測器偵測到之磁極性變化的信號；一或多個記憶體暫存器；一或多個換向及脈波寬度調變開關；以及，換向邏輯，其係包含可由此系統的處理器執行之指令，以便能：根據磁感測器放大器的輸出，計算轉子的速度及加速度；根據偵測到之磁極性變化的時序資訊、轉子之計算速度及轉子之計算加速度，計算轉子上的複數個不對稱轉子磁鐵中之每一者的角位置及形狀；產生用於控制定子的電流換向之合成換向信號，而該合成換向信號係根據所計算的角位置而得到；以及，經由一或多個換向及脈波寬度調變開關，使用合成換向信號來控制定子的電流換向。
在任何態樣或其組合中，合成換向信號可以校正馬達繞組阻抗延遲。
在任何態樣或其組合中，此方法可以進一步包括：在產生合成換向信號之前，在馬達控制器之記憶體中儲存及讀取繞組阻抗延遲資訊；以及，計算要開始下一次換向事件的時段，以校正繞組阻抗延遲。
在任何態樣或其組合中，此方法可以進一步包括：將理想轉子的複數個不對稱永久轉子磁鐵之間的理想相對角位置與受控馬達之轉子上的複數個不對稱永久轉子磁鐵之間的計算非理想相對角位置進行比較，以確定角度差；以及，根據轉子之計算速度及轉子之計算加速度，將角度差轉換成時序資訊。
在任何態樣或其組合中，此方法可以進一步包括：使理想轉子磁鐵幾何形狀與所計算的非理想轉子磁鐵幾何形狀進行角度最佳擬合，然後，使用所得的最佳擬合角位置來計算來自一或多個磁感測器之感測極性的下一次理想變化之時間，而其感測極性的理想變化之計算時序係用於對複數個定子線圈中之電流進行換向，而不是直接使用來自一或多個磁感測器的輸出來對複數個定子線圈中之線圈電流進行換向。
在任何態樣或其組合中，可以使用遞迴最小平方或最小均方近似法，在從磁感測器輸出偵測到之極性變化與所偵測的變化之期望位置之間，執行角度最佳擬合。
在任何態樣或其組合中，來自磁感測器輸出之磁極性的下一次理想偵測變化之時間可以與額外的時序資訊相結合，以產生合成換向信號。
在任何態樣或其組合中，此方法可以進一步包括：在第一組條件下直接使用來自磁感測器的資訊以控制複數個定子線 圈的電流換向，並且，在第二組條件下使用合成換向信號以控制轉子的電流換向。
在任何態樣或其組合中，第二組條件可以包括這樣的條件：轉子的計算速度及轉子的計算加速度是在合成換向信號可達到準確度的目標水準之範圍內。
在任何態樣或其組合中，第一組條件可以包括這樣的條件：轉子的計算速度及轉子的計算加速度不在合成換向信號可達到準確度的目標水準之範圍內。
在任何態樣或其組合中，換向邏輯可以包括可由此系統的處理器執行之指令，以便能：在產生合成換向信號之前，在馬達控制器的記憶體中儲存及讀取繞組阻抗延遲資訊；以及，計算要開始下一次換向事件的持續時間，以校正繞組阻抗延遲；其中，合成換向信號係校正馬達繞組阻抗延遲。
在任何態樣或其組合中，換向邏輯可以包括可由此系統的處理器執行之指令，以便能：將理想轉子的複數個不對稱永久轉子磁鐵之間的理想相對角位置與受控馬達之轉子上的複數個不對稱永久轉子磁鐵之間的計算非理想相對角位置進行比較，以確定角度差，且根據轉子之計算速度及轉子之計算加速度，將角度差轉換成時序資訊；以及，使理想轉子磁鐵幾何形狀與所計算的非理想轉子磁鐵幾何形狀進行角度最佳擬合，然後，使用所得的最佳擬合角位置來計算來自一或多個磁感測器之感測極性的下一次理想變化之時間，而該感測極性的理想變化之計算時序係用於對複數個定子線圈中之電流進行換向，而不是直接使用來自一或多個磁感測器的輸出來對複數個定子線圈中之電流進行換向。
在任何態樣或其組合中，來自磁感測器輸出之磁極性的下一次理想偵測變化的時間可以與額外的時序資訊相結合，以產生合成換向信號。
在任何態樣或其組合中，換向邏輯可以包括可由此系統的處理器執行之指令，以便能：在第一組條件下直接使用來自磁感測器的資訊以控制複數個定子線圈的電流換向，並且，在第二組條件下使用合成換向信號以控制轉子的電流換向。
在任何態樣或其組合中，第二組條件可以包括這樣的條件：轉子的計算速度及轉子的計算加速度是在合成換向信號可達到準確度的目標水準之範圍內。
在任何態樣或其組合中，第一組條件可以包括這樣的條件：轉子的計算速度及轉子的計算加速度不在合成換向信號可達到準確度的目標水準之範圍內。
在任何態樣或其組合中，轉子可以包含在單相馬達繞組配置中。
在任何態樣或其組合中，轉子可以包含在多相馬達繞組配置中。
在任何態樣或其組合中，此系統可以進一步包括：與一或多個換向及脈波寬度調變開關進行電子通信之無刷直流(BLDC)馬達。
在任何態樣或其組合中，此方法可以進一步包括：根據磁感測器輸出的時序資訊、轉子的計算速度及轉子的計算加速度，計算每個永久轉子磁鐵的形狀及角位置；將理想轉子之永久轉子磁鐵之間的相對角位置與受控馬達之轉子上的永久轉子磁鐵之間 的計算相對角位置進行比較，以確定角度差；以及，根據轉子之計算速度及轉子之計算加速度，將角度差轉換成時序資訊。
在任何態樣或其組合中，此方法可以進一步包括：使理想轉子磁鐵幾何形狀與計算的非理想轉子磁鐵幾何形狀進行角度最佳擬合，然後，使用所得的最佳擬合角位置來計算來自一或多個磁感測器之感測極性的下一次理想變化之時間，而該感測極性的理想變化之計算時序係繞組阻抗延遲資訊一起用於對定子線圈中之電流進行換向，而不是直接使用來自一或多個磁感測器的輸出來對定子線圈電流進行換向。
在任何態樣或其組合中，可以使用遞迴最小平方或最小均方近似法，在從磁感測器輸出偵測到之極性變化與這些變化的理想位置之間，執行角度最佳擬合。
在任何態樣或其組合中，來自磁感測器輸出之磁極性的下一次理想偵測變化的時間可以與額外的時序資訊相結合，以產生合成換向信號。
在任何態樣或其組合中，此方法可以進一步包括：在第一條件下直接使用來自磁感測器的資訊以控制定子的電流換向，以及，在第二條件下使用合成換向信號以控制轉子的電流換向。
在任何態樣或其組合中，第二條件可以包括這樣的條件：轉子的計算速度及轉子的計算加速度是在合成換向信號為準確之範圍內。
在任何態樣或其組合中，第一條件可以包括這樣的條件：轉子的計算速度及轉子的計算加速度不在合成換向信號為準確之範圍內。
在任何態樣或其組合中，此方法可以進一步包括：補償非理想不對稱轉子磁鐵，而此方法又進一步包括：對於轉子的複數個旋轉中之每一者，根據達到各別偵測的極性變化所花費之各別時間、針對轉子所計算之各別速度、及針對轉子所計算之加速度，計算不對稱轉子磁鐵的位置之角位置資訊；在每個偵測的極性變化產生及儲存一個角度校正因數，而該角度校正因數係表示每個不對稱轉子磁鐵的各別位置之角位置資訊與每個不對稱轉子磁鐵的各別理想位置之間的角度差；將角度校正因數轉換為下一個理想的極性變化之已調整角度時間差；根據繞組阻抗延遲調整及已調整角度時間差，產生合成換向波形；以及，使用合成換向波形以選擇性地對轉子電流進行換向。
在任何態樣或其組合中，此系統可以進一步包括：換向邏輯，其係包含可由此系統的處理器執行之指令，以補償非理想不對稱轉子磁鐵，以及包含可由此系統的處理器執行之指令的換向邏輯之諸多附加部分，以便能：根據偵測到之磁極性變化的時序資訊、轉子之計算速度及轉子之計算加速度，計算轉子上的複數個不對稱轉子磁鐵中之每一者的角位置及形狀；在每個偵測的極性變化產生及儲存一個角度校正因數，而該角度校正因數係表示每個不對稱轉子磁鐵的各別位置之角位置資訊與每個不對稱轉子磁鐵的各別理想位置之間的角度差；計算複數個不對稱轉子磁鐵對理想轉子磁鐵形狀及位置為最佳的角度；根據速度及加速度，將角度最佳擬合轉換為時序調整；產生用於控制定子的電流換向之合成換向信號，而該合成換向信號係根據繞組阻抗延遲資訊及角度最佳擬合時序資訊而得到。
在任何態樣或其組合中，此系統可以包括馬達控制積體電路。
在任何態樣或其組合中，此系統可以進一步包括轉子，其係具有設置在其上之複數個不對稱轉子磁鐵。
在任何態樣或其組合中，轉子可以包含在單相馬達繞組配置中。
在任何態樣或其組合中，轉子可以包含在多相馬達繞組配置中。
在任何態樣或其組合中，此系統可以包括馬達控制積體電路。
在任何態樣或其組合中，此系統可以包括馬達控制積體電路。
在任何態樣或其組合中，此系統可以進一步包括轉子，其具有複數個不對稱轉子磁鐵。
在任何態樣或其組合中，此系統可以進一步包括轉子，其具有複數個不對稱轉子磁鐵。
注意到，本文中包含之實例控制及估計例程可以與各種系統配置一起使用。本文所揭露之控制方法及例程可以作為可執行指令而儲存在非暫態記憶體中，並且可以由工具設備來執行。本文所述之特定例程可能表示任何數量的處理策略中的一或多種，例如，事件驅動、中斷驅動、多任務、多線程等。因此，所例示的各種動作、操作及/或功能能以所例示的順序、以並行方式執行，或者在某些情況下被省略。同樣地，處理順序對於實現本文所述之示例性具體例的特徵及優點不是必需的，而是為了便於例示及說明而提 供。取決於所使用的具體策略，可以重複地執行所例示之動作、操作及/或功能中之一或多個。再者，所述之動作、操作及/或功能可能圖像地表示成為此系統之電腦可讀取儲存媒體的非暫態記憶體中程式化之程式碼，其中，所述的動作係藉由在包括各種組件的系統中執行指令來實施。
將理解的是，本文所揭露之配置及例程本質上是示例性的，並且，這些具體例不應被認為是限制性，因為可以有許多的變化。例如，上述技術可以應用至廣泛的製造領域，例如，航太工業、營建工業、海事工業等。本發明的主題包括本文所揭露之各種系統及配置以及其它特徵、功能及/或特性之所有新穎且非顯而易見的組合及子組合。
隨附諸多請求項特別指出被認為是新穎且非顯而易見的某些組合及子組合。這些請求項可能提及「一」元件或「第一」元件或其均等物。應該理解這樣的請求項係包括一或多個這樣的元件之結合，既不需要也不排除二或多個這樣的元件。在本申請案或相關申請案中，可以藉由修改目前諸請求項或藉由提出新的請求項，以主張所揭露之特徵、功能、元件及/或特性的其它組合及子組合。這樣的請求項，無論在範圍上與原始請求項相比為較寬、較窄、相等或不同，亦被認為包含在本發明的主題範圍內。
相關申請案之對照參考資料：本申請案主張2018年12月10日提出之發明名稱為「脈波寬度調變無刷直流馬達的位置校正換向」的美國臨時申請案第62/777,618號及2019年4月5日提出之發明名稱為「無刷直流馬達的位置校正換向」的美國臨時申請案第62/830,222號之優先權，基於各種目的在此以參照引用方式將其全 部內容併入本文。
100:馬達控制積體電路/IC
101:馬達系統
102:(無刷直流/BLDC)馬達
102a:永久磁鐵轉子
102b:定子繞組
103:馬達控制器
106:霍爾(效應)感測器
108:霍爾放大器
110:(換向/PWM)開關
112:換向邏輯(區塊)
120:PWM產生器/輸出致能(區塊)
122:轉子鎖定偵測(區塊)
124:熱保護(區塊)
126:過電流保護/限流(區塊)
128:欠壓(區塊)
130:內部時鐘/計時器(區塊)
132:實際速度(區塊)
134:最大選擇(期望速度)(區塊)
136:伺服控制(區塊)
W1:輸出接腳
W2:輸出接腳

Claims (18)

  1. 一種用於補償在一無刷直流馬達之一轉子上之複數個非理想不對稱形狀永久轉子磁鐵及其非理想位置的方法，而其中係以一積體電路耦接至該馬達，此方法包括：在一馬達控制器處，根據一磁感測器的輸出，計算該轉子之位置、速度及加速度，而該磁感測器的輸出係指示在該磁感測器處之來自該複數個不對稱形狀永久轉子磁鐵的磁場之極性；根據該磁感測器輸出的時序資訊、該轉子之計算速度及該轉子之計算加速度，計算該複數個不對稱形狀永久轉子磁鐵中之每一者的非理想形狀及角位置；以及產生用於控制複數個定子線圈之電流換向的一合成換向信號，而該合成換向信號係校正該轉子上之該複數個不對稱形狀永久轉子磁鐵之計算出的非理想形狀及非理想角位置，其中，計算該複數個不對稱形狀永久轉子磁鐵中之每一者的非理想形狀及角位置之步驟包含：確定每一轉子磁鐵相對於理想磁鐵的時間差，而此方法進一步包含：確定一繞組阻抗時序調整，其中，該合成換向信號係根據所述每一轉子磁鐵相對於理想磁鐵的該時間差以及該繞組阻抗時序調整，且其中，該合成換向信號係校正一馬達繞組阻抗延遲。
  2. 如請求項1之方法，其中進一步包括：在產生該合成換向信號之前，在該馬達控制器之記憶體中儲存及讀取繞組阻抗延遲資訊；以及 計算要開始下一次換向事件的時段，以校正該馬達繞組阻抗延遲。
  3. 如請求項1之方法，其中進一步包括：將一理想轉子的複數個不對稱形狀永久轉子磁鐵之間的理想相對角位置與一受控馬達之轉子上的複數個不對稱形狀永久轉子磁鐵之間的計算非理想相對角位置進行比較，以確定一角度差，以及，根據該轉子之計算速度及該轉子之計算加速度，將該角度差轉換成時序資訊。
  4. 如請求項3之方法，其中進一步包括：使其理想轉子磁鐵幾何形狀與其計算非理想轉子磁鐵幾何形狀進行角度最佳擬合，然後，使用所得的最佳擬合角位置來計算來自一或多個磁感測器之感測極性的下一次理想變化之時間，而該感測極性的理想變化之計算時序係用於對其複數個定子線圈中之電流進行換向，而不是直接使用來自該一或多個磁感測器的輸出來對該複數個定子線圈中之線圈電流進行換向。
  5. 如請求項4之方法，其中，使用遞迴最小平方或最小均方近似法，在從該磁感測器輸出偵測到之極性變化與該等偵測變化之期望位置之間，執行角度最佳擬合。
  6. 如請求項4之方法，其中，來自該磁感測器輸出之磁極性的下一次理想偵測變化之時間係與額外的時序資訊相結合，以產生該合成換向信號。
  7. 如請求項1之方法，其中進一步包括：在第一組條件下直接使用來自該磁感測器的資訊以控制該複數個定子線圈的電流換向，並且，在第二組條件下使用該合成換向信 號以控制該轉子的電流換向。
  8. 如請求項7之方法，其中，該第二組條件包括這樣的條件：該轉子的計算速度及該轉子的計算加速度是在該合成換向信號可達到準確度的目標水準之範圍內。
  9. 如請求項7之方法，其中，該第一組條件包括這樣的條件：該轉子的計算速度及該轉子的計算加速度不在該合成換向信號可達到準確度的目標水準之範圍內。
  10. 一種用於產生合成換向信號之系統，而其合成換向信號係補償一轉子上之複數個不對稱轉子磁鐵的位置，此系統包括：一磁感測器放大器，配置成輸出在該轉子旋轉期間從一磁感測器偵測到之磁極性變化的指示；一或多個記憶體暫存器；一或多個換向及脈波寬度調變開關；以及換向邏輯，包含可由此系統的一處理器執行之指令，以便能：根據該磁感測器放大器的輸出，計算該轉子的速度及加速度；根據諸多偵測磁極性變化的時序資訊、該轉子之計算速度及該轉子之計算加速度，計算該轉子上的該複數個不對稱轉子磁鐵中之每一者的角位置及形狀；產生用於控制複數個定子線圈的電流換向之一合成換向信號，而該合成換向信號係根據所計算的該角位置而得到；以及經由該一或多個換向及脈波寬度調變開關，使用該合成換向信號來控制該複數個定子線圈的電流換向，其中，該換向邏輯包括可由此系統的該處理器執行之指令，以便 能：將一理想轉子的複數個不對稱永久轉子磁鐵之間的理想相對角位置與一受控馬達之該轉子上的複數個不對稱永久轉子磁鐵之間的計算非理想相對角位置進行比較，以確定一角度差，且根據該轉子之計算速度及該轉子之計算加速度，將該角度差轉換成時序資訊；以及使其理想轉子磁鐵幾何形狀與其計算非理想轉子磁鐵幾何形狀進行角度最佳擬合，然後，使用所得的最佳擬合角位置來計算來自一或多個磁感測器之感測極性的下一次理想變化之時間，而該感測極性的理想變化之計算時序係用於對其複數個定子線圈中之電流進行換向，而不是直接使用來自該一或多個磁感測器的輸出來對該複數個定子線圈中之電流進行換向。
  11. 如請求項10之系統，其中，該換向邏輯包括可由此系統的該處理器執行之指令，以便能：在產生該合成換向信號之前，在其馬達控制器的記憶體中儲存及讀取繞組阻抗延遲資訊；以及計算要開始下一次換向事件的持續時間，以校正該繞組阻抗延遲；其中，該合成換向信號係校正其馬達繞組阻抗延遲。
  12. 如請求項10之系統，其中，來自該磁感測器輸出之磁極性的下一次理想偵測變化的時間係與額外的時序資訊相結合，以產生該合成換向信號。
  13. 如請求項10之系統，其中，該換向邏輯包括可由此系統的該處理器執行之指令，以便能： 在第一組條件下直接使用來自該磁感測器的資訊以控制其複數個定子線圈的電流換向，並且，在第二組條件下使用該合成換向信號以控制該轉子的電流換向。
  14. 如請求項13之系統，其中，該第二組條件包括這樣的條件：該轉子的計算速度及該轉子的計算加速度是在該合成換向信號可達到準確度的目標水準之範圍內。
  15. 如請求項13之系統，其中，該第一組條件包括這樣的條件：該轉子的計算速度及該轉子的計算加速度不在該合成換向信號可達到準確度的目標水準之範圍內。
  16. 如請求項10之系統，其中，該轉子係包含在一單相馬達繞組配置中。
  17. 如請求項10之系統，其中，該轉子係包含在一多相馬達繞組配置中。
  18. 如請求項10之系統，其中進一步包括：與一或多個換向及脈波寬度調變開關進行電子通信之一無刷直流(BLDC)馬達。
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