直流马达驱动系统及方法与流程

1.本案涉及一种马达驱动系统及方法，尤其涉及一种直流马达驱动系统及方法。


背景技术：

2.在现有技术中，多以固定的电压驱动直流马达。在此种驱动方式下，马达的转速与转矩之间存在特定的关系曲线，如图1所示。藉此，可通过调整转速获取所需的转矩。然而，若马达运作至最大转矩时，则马达的转矩亦无法再进一步提升。
3.因此，如何发展一种可改善上述现有技术的直流马达驱动系统及方法，实为目前迫切的需求。


技术实现要素：

4.本案的目的在于提供一种直流马达驱动系统及方法，其基于供电装置的变电压特性，可通过调整马达电压改变直流马达的转速与转矩间的关系曲线，从而提升直流马达的最大转矩。藉此，可加强直流马达的适用性。
5.为达上述目的，本案提供一种直流马达驱动系统，包含直流马达、供电装置、开关电路及微处理器。供电装置架构于提供输入电能。开关电路电连接于供电装置与直流马达之间，以接收输入电能并输出马达电能至直流马达，其中马达电能包含马达功率及马达电压。微处理器电连接于开关电路以控制开关电路中的开关的运作，并与供电装置相通讯。直流马达驱动系统可切换地工作于定电压模式、第一变电压模式及第二变电压模式。当直流马达驱动系统工作于定电压模式时，供电装置所提供的输入电能维持不变。当直流马达驱动系统工作于第一变电压模式时，微处理器传输第一调整信号至供电装置，供电装置依据第一调整信号调整输入电能，使马达电压及马达功率上升。当直流马达驱动系统工作于第二变电压模式时，微处理器传输第二调整信号至供电装置，供电装置依据第二调整信号调整输入电能，使马达电压下降，并使马达功率维持不变。
6.为达上述目的，本案另提供一种直流马达驱动方法，包含步骤：(a)提供直流马达、供电装置、开关电路及微处理器，其中供电装置架构于提供输入电能，开关电路电连接于供电装置与直流马达之间，以接收输入电能并输出马达电能至直流马达，马达电能包含马达功率及马达电压，微处理器电连接于开关电路以控制开关电路中的开关的运作，并与供电装置相通讯；(b)执行定电压模式，控制供电装置所提供的输入电能维持不变；(c)执行第一变电压模式，控制微处理器传输第一调整信号至供电装置，并控制供电装置依据第一调整信号调整输入电能，使马达电压及马达功率上升；以及(d)执行第二变电压模式，控制微处理器传输第二调整信号至所述供装置，并控制供电装置依据第二调整信号调整输入电能，使马达电压下降，且使马达功率维持不变。
7.为达上述目的，本案又提供一种直流马达驱动系统，与供电装置电连接，其中供电装置用于提供输入电能。直流马达驱动系统包含直流马达、开关电路及微处理器。开关电路电连接于供电装置与直流马达之间，以接收输入电能并输出马达电能至直流马达，其中马
达电能包含马达功率及马达电压。微处理器电连接于开关电路以控制开关电路中的开关的运作，并与供电装置相通讯。直流马达驱动系统可切换地工作于定电压模式、第一变电压模式及第二变电压模式。当直流马达驱动系统工作于定电压模式时，供电装置所提供的输入电能维持不变。当直流马达驱动系统工作于第一变电压模式时，微处理器传输第一调整信号至供电装置，供电装置依据第一调整信号调整输入电能，使马达电压及马达功率上升。当直流马达驱动系统工作于第二变电压模式时，微处理器传输第二调整信号至供电装置，供电装置依据第二调整信号调整输入电能，使马达电压下降，并使马达功率维持不变。
附图说明
8.图1为以定电压驱动直流马达时的转速与转矩间的关系曲线示意图。
9.图2为本案一实施例的直流马达驱动系统的架构示意图；
10.图3例示出在第一变电压模式下的直流马达的转速与转矩之间的关系曲线；
11.图4例示出在第二变电压模式下的直流马达的转速与转矩之间的关系曲线；
12.图5a例示出直流马达被以定电压驱动时的转速、马达电压与占空比之间的关系；
13.图5b例示出直流马达被以变电压驱动时的转速、马达电压与占空比之间的关系；
14.图6为本案一实施例的直流马达驱动方法的流程示意图；
15.图7为图6的直流马达驱动方法的变化例的流程示意图。
16.【符号说明】
17.1：直流马达驱动系统
18.11：直流马达
19.12：供电装置
20.13：开关电路
21.14：微处理器
22.t1、t2、t3：转矩
23.r1、r2：转速
24.151：外部控制钮
25.152：电流传感器
26.16：保险丝
27.17：稳压器
28.18：驱动器
29.19：分流电阻
30.20：运算放大器
31.s1、s2、s3、s4、s5、s6：步骤
具体实施方式
32.体现本案特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本案能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本案的范围，且其中的说明及图示在本质上系当作说明之用，而非用以限制本案。
33.图2为本案一实施例的直流马达驱动系统的架构示意图。于图2中，以实线描绘电
能传输路径，并以虚线描绘信号传输路径。如图2所示，直流马达驱动系统1包含直流马达11、供电装置12、开关电路13及微处理器14。供电装置12架构于提供输入电能，其中供电装置12可例如但不限于采用usb pd(universal serial bus power delivery，通用串行总线供电)的供电标准。开关电路13电连接于供电装置12与直流马达11之间，以自供电装置12接收输入电能，并输出马达电能至直流马达11，其中马达电能包含马达功率及马达电压。微处理器14电连接于开关电路13以控制开关电路13中的开关的运作。再者，微处理器14与供电装置12相通讯，亦即，微处理器14与供电装置12之间可双向沟通。直流马达驱动系统1可切换地工作于定电压模式、第一变电压模式及第二变电压模式。
34.当直流马达驱动系统1工作于定电压模式时，供电装置12所提供的输入电能维持不变，对应地，直流马达11所接收的马达电能亦维持不变。于定电压模式下，直流马达11的转速与转矩之间的关系类似于图1所示。
35.当直流马达驱动系统1工作于第一变电压模式时，微处理器14传输第一调整信号至供电装置12，供电装置12依据第一调整信号调整输入电能，使马达电压及马达功率上升。图3例示出在第一变电压模式下的直流马达11的转速与转矩之间的关系曲线。于图3中，以实线表示在供电装置12调整输入电能前的关系曲线，并以虚线表示在供电装置12调整输入电能后的关系曲线。如图3所示，在实际应用中，当直流马达11的转矩达到其最大值时，可通过调整输入电能使马达电压上升(且马达功率亦随之上升)，以改变直流马达11的转速与转矩之间的关系曲线，进而使直流马达11可在相同转速下达到更大转矩。于图3中，t1代表直流马达11在其电压上升前的最大转矩，t2代表直流马达11在其电压上升后的最大转矩，r1为对应最大转矩t1及t2的直流马达11的转速。
36.当直流马达驱动系统1工作于第二变电压模式时，微处理器14传输第二调整信号至供电装置12，供电装置12依据第二调整信号调整输入电能，使马达电压下降，并使马达功率维持不变。图4例示出在第二变电压模式下的直流马达11的转速与转矩之间的关系曲线。于图4中，以实线表示在供电装置12调整输入电能前的关系曲线，并以虚线表示在供电装置12调整输入电能后的关系曲线。如图4所示，在实际应用中，当直流马达11的转矩达到其最大转矩时，可通过调整输入电能使马达电压下降(且马达功率维持不变)，以改变直流马达11的转速与转矩之间的关系曲线，进而使直流马达11可在相同转速下达到更大转矩。于图4中，t1代表直流马达11在其电压下降前的最大转矩，t3代表直流马达11在其电压下降后的最大转矩，r1为对应最大转矩t1的直流马达11的转速，r2为对应最大转矩t2的直流马达11的转速。于第二变电压模式下，在马达电压下降后，直流马达11以较低的转速达到最大转矩。
37.因此，基于供电装置12的变电压特性，可通过调整马达电压改变直流马达11的转速与转矩间的关系曲线，从而提升直流马达11的最大转矩。藉此，可加强直流马达11的适用性。
38.直流马达驱动系统1的工作模式可由用户主动控制以进行切换。举例而言，于一些实施例中，如图2所示，直流马达驱动系统1包含外部控制钮151，使用者可通过操作外部控制钮151来切换直流马达驱动系统1工作于定电压模式、第一变电压模式或第二变电压模式。
39.此外，亦可由微处理器14依据直流马达11的运作状态对直流马达驱动系统1的工
作模式进行切换。举例而言，微处理器14获取直流马达11的占空比，并对直流马达11的占空比与一预设占空比进行比较。若微处理器14判断直流马达11的占空比小于预设占空比，则直流马达驱动系统1工作于定电压模式。若微处理器14判断直流马达11的占空比大于或等于预设占空比，则意味着直流马达11需要达到高转矩以实现高扭力输出，故直流马达驱动系统1工作于第一或第二变电压模式。在此情况下，直流马达驱动系统1工作于第一变电压模式抑或是第二变电压模式取决于直流马达11的马达功率。具体而言，微处理器14将马达功率与直流马达11的额定功率进行比较，若马达功率小于额定功率，则马达功率仍存在上升空间，故微处理器14传输第一调整信号至供电装置12，使直流马达驱动系统1工作于第一变电压模式。若马达功率等于额定功率，则马达功率已无法再上升，故微处理器14传输第二调整信号至供电装置12，使直流马达驱动系统1工作于第二变电压模式。
40.于一些实施例中，如图2所示，直流马达驱动系统1还包含电流传感器152，其中电流传感器152可为例如但不限于霍尔传感器(hall sensor)。电流传感器152架构于感测直流马达11的电流并对应传输感测信号至微处理器14，微处理器14依据感测信号获取直流马达11的占空比。
41.图5a例示出直流马达11被以定电压驱动时的转速、马达电压与占空比之间的关系，图5b例示出直流马达11被以变电压驱动时的转速、马达电压与占空比之间的关系。如图5a所示，在以定电压驱动直流马达11的情况下，若直流马达11的转速下降，由于马达电压维持不变，故直流马达11的占空比将随之下降。而于本案中，如图5b所示，在直流马达11的转速下降时，微处理器14通过信号传输以控制供电装置12调整输入电能，进而调降马达电压，以使直流马达11的占空比维持不变。其中，马达电压的调降幅度取决于直流马达11的转速的下降幅度。藉此，可使直流马达11在不同转速下皆具有较佳的占空比，达到降低谐波及提升整体效率的功效。
42.请再参阅图2。于一些实施例中，直流马达驱动系统1还包含保险丝16，设置于供电装置12与开关电路13之间的电能传输路径上，以提供电流保护。于一些实施例中，直流马达驱动系统1还包含稳压器17，其电连接于供电装置12与微处理器14之间。于一些实施例中，直流马达驱动系统1还包含驱动器18，微处理器14通过驱动器18控制开关电路13中的开关。于一些实施例中，直流马达驱动系统1还包含分流电阻19及运算放大器20，其中分流电阻19电连接于电流传感器152，运算放大器20电连接于分流电阻19与微处理器14之间。
43.于一些实施例中，供电装置12亦可独立于直流马达驱动系统1外。于此情况下，直流马达驱动系统1与供电装置12电连接，其中供电装置12用于提供输入电能，且直流马达驱动系统1改为仅包含直流马达11、开关电路13及微处理器14。由于直流马达驱动系统1与供电装置12的运作方式皆与前述实施例相同，故于此不再赘述。
44.图6为本案一实施例的直流马达驱动方法的步骤示意图，本案的直流马达驱动方法适用于前述的直流马达驱动系统1。如图6所示，直流马达驱动方法包含步骤s1、s2、s3及s4。
45.于步骤s1中，提供直流马达11、供电装置12、开关电路13及微处理器14。供电装置12架构于提供输入电能，开关电路13电连接于供电装置12与直流马达11之间，以接收输入电能并输出马达电能至直流马达11，其中马达电能包含马达功率及马达电压。微处理器14电连接于开关电路13以控制开关电路13中的开关的运作，并与供电装置12相通讯。
46.于步骤s2中，执行定电压模式，控制供电装置12所提供的输入电能维持不变。于步骤s3中，执行第一变电压模式，控制微处理器14传输第一调整信号至供电装置12，并控制供电装置12依据第一调整信号调整输入电能，使马达电压及马达功率上升。于步骤s4中，执行第二变电压模式，控制微处理器14传输第二调整信号至供电装置12，并控制供电装置12依据第二调整信号调整输入电能，使马达电压下降，且使马达功率维持不变。
47.于直流马达驱动方法中，可切换执行步骤s2、s3及s4，且此切换可由使用者主动控制，亦可由微处理器14依据直流马达11的运作状态(例如占空比)进行控制。举例而言，于一些实施例中，如图7所示，直流马达驱动方法还包含步骤s5：判断直流马达11的占空比是否小于预设占空比。若步骤s5的判断结果为是，则执行步骤s2；若步骤s5的判断结果为否，则执行步骤s3或s4。于一些实施例中，直流马达驱动方法还包含步骤s6：在步骤s5的判断结果为否时，判断马达功率是否小于直流马达11的额定功率。若步骤s6的判断结果为是，则执行步骤s3；若步骤s6的判断结果为否(即马达功率等于额定功率)，则执行步骤s4。
48.此外，于一些实施例中，在步骤s5中，系通过电流传感器152感测直流马达11的电流，并依据感测信号获取直流马达11的所述占空比。于一些实施例中，直流马达驱动方法还包含步骤：在直流马达11的转速下降时，控制微处理器14通过控制供电装置12对应调降马达电压，使直流马达11的占空比维持不变。
49.综上所述，本案提供一种直流马达驱动系统及方法，其基于供电装置的变电压特性，可通过调整马达电压改变直流马达的转速与转矩间的关系曲线，从而提升直流马达的最大转矩。藉此，可加强直流马达的适用性。此外，在直流马达的转速下降时，可通过调降马达电压使直流马达的占空比维持不变，从而使直流马达在不同转速下皆具有较佳的占空比，达到降低谐波及提升整体效率的功效。
50.须注意，上述仅是为说明本案而提出的较佳实施例，本案不限于所述的实施例，本案的范围由如附专利权利要求决定。且本案得由熟习此技术的人士任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附专利权利要求所欲保护的。

技术特征：
1.一种直流马达驱动系统，包含：直流马达；供电装置，架构于提供输入电能；开关电路，电连接于所述供电装置与所述直流马达之间，以接收所述输入电能并输出马达电能至所述直流马达，其中所述马达电能包含马达功率及马达电压；以及微处理器，电连接于所述开关电路以控制所述开关电路中的开关的运作，并与所述供电装置相通讯，其中，所述直流马达驱动系统可切换地工作于定电压模式、第一变电压模式及第二变电压模式，当所述直流马达驱动系统工作于所述定电压模式时，所述供电装置所提供的所述输入电能维持不变；当所述直流马达驱动系统工作于所述第一变电压模式时，所述微处理器传输第一调整信号至所述供电装置，所述供电装置依据所述第一调整信号调整所述输入电能，使所述马达电压及所述马达功率上升；当所述直流马达驱动系统工作于所述第二变电压模式时，所述微处理器传输第二调整信号至所述供电装置，所述供电装置依据所述第二调整信号调整所述输入电能，使所述马达电压下降，并使所述马达功率维持不变。2.根据权利要求1所述的直流马达驱动系统，其中在所述微处理器判断所述直流马达的占空比小于预设占空比时，所述直流马达驱动系统工作于所述定电压模式；而在所述微处理器判断所述直流马达的所述占空比大于或等于所述预设占空比时，所述直流马达驱动系统工作于所述第一变电压模式或第二变电压模式。3.根据权利要求2所述的直流马达驱动系统，其中在所述微处理器判断所述直流马达的所述占空比大于或等于所述预设占空比时，所述微处理器比较所述马达功率与所述直流马达的额定功率，所述微处理器在所述马达功率小于所述额定功率时传输所述第一调整信号至所述供电装置，以使所述直流马达驱动系统工作于所述第一变电压模式，所述微处理器在所述马达功率等于所述额定功率时传输所述第二调整信号至所述供电装置，以使所述直流马达驱动系统工作于所述第二变电压模式。4.根据权利要求2所述的直流马达驱动系统，还包含电流传感器，其中所述电流传感器架构于感测所述直流马达的电流并传输感测信号至所述微处理器，所述微处理器依据所述感测信号获取所述直流马达的所述占空比。5.根据权利要求1所述的直流马达驱动系统，其中在所述直流马达的转速下降时，所述微处理器通过控制所述供电装置对应调降所述马达电压，使所述直流马达的占空比维持不变。6.根据权利要求1所述的直流马达驱动系统，其中所述供电装置采用usb pd。7.一种直流马达驱动方法，包含：(a)提供直流马达、供电装置、开关电路及微处理器，其中所述供电装置架构于提供输入电能，所述开关电路电连接于所述供电装置与所述直流马达之间，以接收所述输入电能并输出马达电能至所述直流马达，所述马达电能包含马达功率及马达电压，所述微处理器电连接于所述开关电路以控制所述开关电路中的开关的运作，并与所述供电装置相通讯；(b)执行定电压模式，控制所述供电装置所提供的所述输入电能维持不变；(c)执行第一变电压模式，控制所述微处理器传输第一调整信号至所述供电装置，并控制所述供电装置依据所述第一调整信号调整所述输入电能，使所述马达电压及所述马达功
率上升；以及(d)执行第二变电压模式，控制所述微处理器传输第二调整信号至所述供电装置，并控制所述供电装置依据所述第二调整信号调整所述输入电能，使所述马达电压下降，且使所述马达功率维持不变。8.根据权利要求7所述的直流马达驱动方法，还包含步骤：(e)判断所述直流马达的占空比是否小于预设占空比；以及(f)若所述步骤(e)的判断结果为是，则执行所述步骤(b)，若所述步骤(e)的判断结果为否，则执行所述步骤(c)或(d)。9.根据权利要求8所述的直流马达驱动方法，还包含步骤：(g)在所述步骤(e)的判断结果为否时，比较所述马达功率与所述直流马达的额定功率；(h)在所述马达功率小于所述额定功率时执行所述步骤(c)；以及(i)在所述马达功率等于所述额定功率时执行所述步骤(d)。10.根据权利要求8所述的直流马达驱动方法，其中于所述步骤(e)中，通过电流传感器感测所述直流马达的电流，并依据所述感测信号获取所述直流马达的所述占空比。11.根据权利要求7所述的直流马达驱动方法，还包含步骤：(j)在所述直流马达的转速下降时，控制所述微处理器通过控制所述供电装置对应调降所述马达电压，使所述直流马达的占空比维持不变。12.根据权利要求7所述的直流马达驱动方法，其中所述供电装置采用usb pd。13.一种直流马达驱动系统，与供电装置电连接，其中所述供电装置用于提供输入电能，所述直流马达驱动系统包含：直流马达；开关电路，电连接于所述供电装置与所述直流马达之间，以接收所述输入电能并输出马达电能至所述直流马达，其中所述马达电能包含马达功率及马达电压；以及微处理器，电连接于所述开关电路以控制所述开关电路中的开关的运作，并与所述供电装置相通讯，其中，所述直流马达驱动系统可切换地工作于定电压模式、第一变电压模式及第二变电压模式，当所述直流马达驱动系统工作于所述定电压模式时，所述供电装置所提供的所述输入电能维持不变；当所述直流马达驱动系统工作于所述第一变电压模式时，所述微处理器传输第一调整信号至所述供电装置，所述供电装置依据所述第一调整信号调整所述输入电能，使所述马达电压及所述马达功率上升；当所述直流马达驱动系统工作于所述第二变电压模式时，所述微处理器传输第二调整信号至所述供电装置，所述供电装置依据所述第二调整信号调整所述输入电能，使所述马达电压下降，并使所述马达功率维持不变。14.根据权利要求13所述的直流马达驱动系统，其中在所述微处理器判断所述直流马达的占空比小于预设占空比时，所述直流马达驱动系统工作于所述定电压模式；而在所述微处理器判断所述直流马达的所述占空比大于或等于所述预设占空比时，所述直流马达驱动系统工作于所述第一变电压模式或第二变电压模式。15.根据权利要求14所述的直流马达驱动系统，其中在所述微处理器判断所述直流马达的所述占空比大于或等于所述预设占空比时，所述微处理器比较所述马达功率与所述直
流马达的额定功率，所述微处理器在所述马达功率小于所述额定功率时传输所述第一调整信号至所述供电装置，以使所述直流马达驱动系统工作于所述第一变电压模式，所述微处理器在所述马达功率等于所述额定功率时传输所述第二调整信号至所述供电装置，以使所述直流马达驱动系统工作于所述第二变电压模式。16.根据权利要求14所述的直流马达驱动系统，还包含电流传感器，其中所述电流传感器架构于感测所述直流马达的电流并传输感测信号至所述微处理器，所述微处理器依据所述感测信号获取所述直流马达的所述占空比。17.根据权利要求13所述的直流马达驱动系统，其中在所述直流马达的转速下降时，所述微处理器通过控制所述供电装置对应调降所述马达电压，使所述直流马达的占空比维持不变。18.根据权利要求13所述的直流马达驱动系统，其中所述供电装置采用usb pd。

技术总结
本案提供一种直流马达驱动系统，包含直流马达、供电装置、开关电路及微处理器。供电装置提供输入电能，开关电路接收输入电能并输出马达电能至直流马达，其中马达电能包含马达功率及马达电压。微处理器与供电装置相通讯。马达驱动系统可切换地工作于定电压模式、第一变电压模式及第二变电压模式。在定电压模式下，供电装置所提供的输入电能维持不变。在第一变电压模式下，微处理器控制供电装置调整输入电能，使马达电压及马达功率上升。在第二变电压模式下，微处理器控制供电装置调整输入电能，使马达电压下降，并使马达功率维持不变。并使马达功率维持不变。并使马达功率维持不变。


技术研发人员：温圣宇 林政毅 杨亦涵 卢廷昀
受保护的技术使用者：台达电子工业股份有限公司
技术研发日：2022.03.18
技术公布日：2023/9/22