TW201421892A - 永磁同步馬達之磁極初始位置偵測方法 - Google Patents
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Abstract
一種永磁同步馬達之磁極初始位置偵測方法,其係依據永磁同步馬達之相數,於永磁同步馬達之相對相繞組間,重複施加具有脈波寬度調變之電壓向量脈波列於永磁同步馬達,直到相電流達到相同設定值時,再切離施加之電壓向量;在所施加之電壓向量切離後之設定放電時間,測量該等繞組之放電電流大小,或在所施加的電壓向量切離後,測量該等繞組到達相同放電電流時的放電時間;以及,依據所測量之該等相繞組之該等放電電流大小,或依據所測量之該到達相同放電電流時的放電時間,判斷該永磁同步馬達之磁極初始位置。
Description
本揭露係有關於一種永磁同步馬達之磁極初始位置偵測方法,尤指一種採用兩相激磁方式,不需額外電壓量測迴路,可有效避免馬達於啟動時逆轉之永磁同步馬達之磁極初始位置偵測方法。
一般而言,永磁同步馬達係由多相繞組與永久磁鐵構成,依據其永久磁鐵置於內轉子或外轉子而可分別稱為內轉式及外轉式永磁同步馬達;由於永久磁鐵的初始位置為隨機並且未知,因此,造成啟動時可能使得轉子反轉,但是對於電動載具、風扇等的應用,並不允許永磁同步馬達在磁極初始位置偵測時轉動磁極及啟動時反轉。關於此項問題,目前相關技術領域業者,大多是藉著於永磁同步馬達加裝霍爾感測器或編碼器等加以解決,但會使得成本增加、結構複雜化且佔用空間,而霍爾感測器或編碼器都容易損壞,不僅維修成本高且無法達到有係偵測磁極初始位置之目的。
針對公開文獻而言,例如一種磁極初始位置偵測方法,其係施加固定電壓於三相繞組上一段固定時間後切離,量測下降至設定電壓之時間,比較時間大小可推測起始角度。或例如一種永磁馬達起始磁極偵測方法,係先依據馬達參數決定一施加到定子之PWM脈寬,依序輸出六種電壓向量至定子,計算各個電壓向量所產生的電流上升時
間,比對上升時間以得到一初步轉子位置,接著重複輸出六種電壓向量至定子並再計算轉子位置。或例如一種永磁式無刷馬達無感測器控制之轉子磁極初始區間估測裝置及其方法,該方法包括下列步驟:提供一無刷直流馬達(BLDCM),包括有一轉子及一定子線圈,其中,該轉子包含有N、S極;以120°的通電方式輸入一低頻低電壓訊號至該無刷直流馬達,靠未導通相線圈的磁通型態,來估測該無刷直流馬達之轉子初始區間。
然而,習知用以偵測磁極初始位置之方式,其施加於馬達繞組之電壓次數至少都需要馬達相數的二倍,施加次數多且耗時;而其施加的電壓則是100%或固定責任週期(Duty)之脈波,容易造成磁極在磁極初始位置偵測期間轉動;而其需要三相以上之激磁,導致因非飽和相線圈主導放電電流而造成錯誤;此外,習知測量電壓之方法分別是量測電壓計算放電時間,或量測電流計算充電時間,或量測電壓判斷感應電勢狀態,都需要額外的電壓量測迴路。
據此,對於如何能有一種施加電壓次數少、不會造成磁極於偵測期間轉動、可改善激磁量測誤差、不需額外電壓量測迴路,並且可有效避免馬達於啟動時逆轉之磁極初始位置偵測方法,係相關技術領域人士亟需解決之課題。
於一實施例中,本揭露提出一種永磁同步馬達之磁極初始位置偵測方法,其包含下列步驟:(a)依據該永磁同步馬達之相數,於該永磁同步馬達之相對
相繞組間,重複施加具有脈波寬度調變之電壓向量脈波列於該永磁同步馬達,直到相電流達到相同之一設定之放電電流時,再切離所施加之該電壓向量;(b)在所施加之該電壓向量切離後之一設定之放電時間,測量該等繞組之放電電流大小;以及(c)依據所測量之該等相繞組之該等放電電流大小,判斷該永磁同步馬達之磁極初始位置。
於另一實施例中,本揭露更提出一種永磁同步馬達之磁極初始位置偵測方法,其包含下列步驟:(a)依據該永磁同步馬達之相數,於該永磁同步馬達之相對相繞組間,重複施加具有脈波寬度調變之電壓向量脈波列於該永磁同步馬達,直到相電流達到相同之一設定之放電電流時,再切離所施加之該電壓向量;(b)在所施加的電壓向量切離後,測量該等繞組到達相同放電電流時的放電時間;以及(c)依據所測量之該到達相同放電電流時的放電時間,判斷該永磁同步馬達之磁極初始位置。
於一實施例中,本揭露又提出一種偵測磁極初始位置之控制流程,其包含有下列步驟:首先設定一基準值為零;判斷該基準值是否等於所偵測之一永磁同步馬達之相數;若該基準值不等於該相數,則進行兩相激磁及電流遞減,並且紀錄一放電電流或一放電時間;將基準值累加一,並改變激磁相,而後重複判斷該基準值是否等於該相數,
直到該基準值等於該相數為止;以及根據所紀錄之放電電流或放電時間,透過查表得到該永磁同步馬達之磁極初始位置。
以下將以三相永磁同步馬達為例,說明達成本揭露之具體技術手段。但本揭露之方法並不限定於三相永磁同步馬達,本揭露可實施於相數多於三相之永磁同步馬達。
請參閱下表一所示對一三相永磁同步馬達之磁極初始位置定義表:
如表一所示,當該三相永磁同步馬達的磁極初始位置為”1”時,表示磁極之”S”極面對U相繞組,並且定義此位置的電氣角為270度。該三相永磁同步馬達的磁極初始位置為”2”時,表示磁極之”N”極面對W相繞組,並且定義此位置的電氣角為330度。依此類推,分別定義該三相永磁同步馬達的其它四個磁極初始位置,分別為30度、90度、150度及210度。
請參閱第一圖至第三圖所示本揭露所提出的繞組激磁方法,其中,第一圖顯示以U相繞組為送電相及V相繞組為受電相,第二圖顯示之以V相繞組為送電相及W相繞組為受電相,以及第三圖顯示以W相繞組為送電相及U相繞組為受電相。本揭露以第一圖至第三圖所示將其中一相繞組浮接,僅針對二相繞組激磁之方式,係為了避免永磁同步馬達因施加責任週期為100%之電壓向量的脈波,而造成磁極可能的轉動。
本揭露所施加的電壓向量脈波列於脈波導通責任週期內,分別使得該永磁同步馬達之一相繞組連接至直流電源正端,另一相繞組連接至直流電源負端,其它相繞組則浮接;此一連接至直流電源負端之相繞組,在下一次施加的電壓向量脈波列於脈波導通責任週期內,則連接至直流電源正端,並由浮接相中未曾連接至直流電源負端的相繞組中,擇一連接至直流電源負端,此時,其它相繞組則浮接;根據相數重複施加具有脈波寬度調變之電壓向量的脈波列於永磁同步馬達繞組並測量該等繞組放電電流大小或放電時間,以偵測永磁同步馬達之磁極初始位置。
例如,所施加的電壓向量脈波列於脈波導通責任週期內,第一圖中之U相繞組係連接至直流電源正端+VDC,V相繞組係連接至直流電源負端,W相繞組係浮接;當下一次施加的電壓向量脈波列於脈波導通責任週期內,如第二圖所示,則是將V相繞組連接至直流電源正端+VDC,W相繞組係連接至直流電源負端,而U相繞組則浮接;當繼續進行再下一次施加的電壓向量脈波列於脈波導通責任週期內,
第三圖所示,則是將W相繞組連接至直流電源正端+VDC,U相繞組係連接至直流電源負端,而V相繞組則浮接。此外,所施加之具有脈波寬度調變的電壓向量脈波責任週期,係可使繞組織電流快速上升,但不足以使該永磁同步馬達產生轉動。
請參閱第四圖所示施加之電壓向量脈波列的責任週期與磁極初始位置偵測之一實施例。如第四圖所示,所施加之具有脈波寬度調變的電壓向量脈波列於永磁同步馬達繞組,直到電流達到一設定之放電電流iD,再切離所施加的電壓向量;在所施加的電壓向量切離後的一設定之放電時間t1,測量繞組放電電流iD大小,以偵測永磁同步馬達之磁極初始位置。
以第一圖所示之以U相繞組為送電相及V相繞組為受電相為例,當所施加的電壓向量切離後,測量在切離後之一設定之放電時間時的繞組放電電流iD為iD-UV,而第二圖與第三圖所示所施加的電壓向量切離後,在切離後之相同時間所測量的繞組放電電流大小則分別為iD-VW與iD-WU。藉由比較放電時間iD-UV、iD-VW與iD-WU,並依據放電電流,可判斷出永磁同步馬達之磁極初始位置。測量該等繞組放電電流大小之方法,係測定連接至該直流電源正端之繞組對每一脈波列結束後之該設定之放電時間,其電流下降之幅度,並比較各電流下降幅度。
如以下表二及表三所示,分別係依據最大放電電流電及最小放電電流,判斷永磁同步馬達之磁極初始位置的結果。
請參閱第五圖所示施加之電壓向量脈波列的責任週期與磁極初始位置偵測另一實施例。如第五圖所示,所施加之具有脈波寬度調變的電壓向量脈波列於永磁同步馬達繞組,直到電流達到一設定之放電電流i1,再切離所施加的電壓向量;在所施加的電壓向量切離後,測量到達相同放電電流的放電時間tD,以偵測永磁同步馬達之磁極初始位置。
以第一圖所示之以U相繞組為送電相及V相繞組為受電相為例,當所施加的電壓向量切離後,測量到達相同放電電流時的放電時間tD為tD-UV;同理,第二圖與第三圖所示所施加的電壓向量切離後,測量到達相同放電電流時的放電時間則分別為tD-VW與tD-WU。藉由比較放電時間tD-UV、tD-VW與tD-WU,並依據放電時間比較結果,可判斷出永磁同步馬達之磁極初始位置。如以下表四及表五所
示,分別係依據最大放電時間及最小放電時間,判斷永磁同步馬達之磁極初始位置的結果。
根據上述實施例,可歸納出二種永磁同步馬達之磁極初始位置偵測方法,該永磁同步馬達具有多相繞組。其中一種方法係以放電電流大小為依據,其包括以下步驟:(a)依據該永磁同步馬達之相數,於該永磁同步馬達之相對
相繞組間,重複施加具有脈波寬度調變之電壓向量脈波列於該永磁同步馬達,直到相電流達到相同之一設定之放電電流時,再切離所施加之該電壓向量;(b)在所施加之該電壓向量切離後之一設定之放電時間,測量該等繞組之放電電流大小;以及(c)依據所測量之該等相繞組之該等放電電流大小,判斷該永磁同步馬達之磁極初始位置。
另一種方法係以放電時間為依據,其包括以下步驟:
(a)依據該永磁同步馬達之相數,於該永磁同步馬達之相對相繞組間,重複施加具有脈波寬度調變之電壓向量脈波列於該永磁同步馬達,直到相電流達到相同之一設定之放電電流時,再切離所施加之該電壓向量;(b)在所施加的電壓向量切離後,測量該等繞組到達相同放電電流時的放電時間;(c)依據所測量之該到達相同放電電流時的放電時間,判斷該永磁同步馬達之磁極初始位置。
上述二種偵測永磁同步馬達磁極初始位置之方法之實施例,係以三相永磁同步馬達為說明實施例,但同樣的技術手段也可應用於相數多於三相的多相永磁同步馬達。依據多相永磁同步馬達之相數,施加具有脈波寬度調變之電壓向量的脈波列於永磁同步馬達繞組,直到電流達到一設定之放電電流,再切離所施加的電壓向量;在所施加的電壓向量切離後的一設定之放電時間,測量繞組放電電流大小,或在所施加的電壓向量切離後,測量到達相同放電電流的放電時間,偵測永磁同步馬達之磁極初始位置;所施加的電壓向量脈波列於該多相永磁同步馬達之脈波導通責任週期內,分別使得該永磁同步馬達繞組之一相繞組連接至直流電源正端,另一相繞組連接至直流電源負端,其它相繞組則浮接;該連接至直流電源負端之相繞組,在下一次施加的電壓向量脈波列於脈波導通責任週期內,則連接至直流電源正端,並由浮接相中未曾連接至直流電源負端的相繞組中,擇一連接至直流電源負端,此時,其它相繞組則浮接;根據相數重複施加具有脈波寬度調變之電壓向
量的脈波列於永磁同步馬達繞組並測量繞組放電電流大小或放電時間,以偵測永磁同步馬達之磁極初始位置;所施加之具有脈波寬度調變的電壓向量脈波責任週期,係使繞組電流快速上升,但不足以使該永磁同步馬達產生轉動。
請參閱第六圖所示一種偵測磁極初始位置之控制流程100,其可以透過程式或軟體達到自動控制及偵測,其包含有下列步驟:
步驟110:首先設定一基準值N=0,代表,同時輸入永磁同步馬達之相數,以及輸入電流設定值。該永磁同步馬達之相數以及電流設定值係依實際所要偵測之永磁同步馬達而設定。
步驟120:判斷基準值N是否等於馬達相數。若偵測之馬達相數為三相,則判斷N值是否等於3。若N不等於3,則進行步驟130。若N等於3,則進行步驟160。由於N設定初始值為零,因此,N不等於3,必須進行步驟130。
步驟130:進行兩相激磁及電流遞減。亦即進行上述第一圖至第三圖所示之兩相激磁方式,以及第四圖及第五圖所示二種實施例之一。
關於進行兩相激磁及電流遞減之控制流程實施例,請參閱第七圖所示流程200,其更包含有下列步驟:
步驟210:判斷相電流是否達到設定值。若相電流未達到設定值,則進行步驟220。若相電流達到設定值,則進行步驟240。
步驟220:若於步驟210判斷相電流未達到設定值,則送電相透過電子開關採脈寬調變方式導通,而受電相則
透過電子開關採全週期導通。
步驟230:改變脈寬調變責任週期,而後重複執行步驟210,直到步驟210判斷相電流達到設定值。
步驟240:若於步驟210判斷相電流達到設定值,則將送電相及受電相的電子開關都關閉。
步驟250:當送電相及受電相都關閉後,則紀錄放電電流或放電時間,而後回到偵測磁極初始位置之控制流程100,並執行步驟140。
步驟140:當完成兩相激磁及電流遞減之流程200,並且紀錄放電電流或放電時間後,則將基準值N加1。例如初始之基準值為零,於每次紀錄放電電流或放電時間後,該基準值則累加一。
步驟150:當基準值N累加之後,則改變激磁相,而後重複執行步驟120,直到步驟120判斷基準值N等於馬達相數。
步驟160:根據在步驟130(亦即流程200)所紀錄之放電電流或放電時間,透過查詢一定義表,即可得到永磁同步馬達之磁極初始位置之磁極初始位置。該基準表之內容係依據所偵測之永磁同步馬達之形式不同而異,其形式可參考上述表一。
本揭露所提供之永磁同步馬達之磁極初始位置偵測方法,可依據放電電流或放電時間判斷出磁極初始位置,本揭露之方法僅需要施加與相數之電壓向量,本揭露由於施加具有寬度調變之電壓向量的脈波列(Pulses),可避免馬達因為施加100%責任週期之電壓向量的脈波(Pulse)而在
磁極初始位置偵測期間可能的轉動,此外,本揭露兩相激磁之方式,可得到精確的結果,避免三相(以上)激磁因非飽和相線圈主導放電電流而造成錯誤,且本揭露不需額外電壓量測迴路。
惟以上所述者,僅為本揭露之實施例而已,當不能以之限定本揭露所實施之範圍。即大凡依本揭露申請專利範圍所作之均等變化與修飾,皆應仍屬於本揭露專利涵蓋之範圍內,謹請 貴審查委員明鑑,並祈惠准,是所至禱。
100‧‧‧偵測磁極初始位置之控制流程
110~160‧‧‧步驟
200‧‧‧兩相激磁及電流遞減步驟之控制流程
210~250‧‧‧步驟
iD、i1‧‧‧放電電流
tD、t1‧‧‧放電時間
U-U‧‧‧相繞組
V-V‧‧‧相繞組
W-W‧‧‧相繞組
+VDC‧‧‧直流電源正端
第一圖至第三圖係本揭露之繞組激磁方法之示意圖。
第四圖係施加之電壓向量脈波列的責任週期與磁極初始位置偵測之一實施例示意圖。
第五圖係施加之電壓向量脈波列的責任週期與磁極初始位置偵測另一實施例。
第六圖係本揭露偵測磁極初始位置之控制流程實施例。
第七圖係第六圖兩相激磁及電流遞減步驟之控制流程實施例。
iD‧‧‧放電電流
t1‧‧‧放電時間
Claims (10)
- 一種永磁同步馬達之磁極初始位置偵測方法,其包含下列步驟:(a)依據該永磁同步馬達之相數,於該永磁同步馬達之相對相繞組間,重複施加具有脈波寬度調變之電壓向量脈波列於該永磁同步馬達,直到相電流達到相同之一設定之放電電流時,再切離所施加之該電壓向量;(b)在所施加之該電壓向量切離後之一設定之放電時間,測量該等繞組之放電電流大小;以及(c)依據所測量之該等相繞組之該等放電電流大小,判斷該永磁同步馬達之磁極初始位置。
- 如申請專利範圍第1項所述之永磁同步馬達之磁極初始位置偵測方法,其中,步驟(a)更包含有:於第一次所施加之電壓向量脈波列之脈波導通責任週期內,該永磁同步馬達其中之一相繞組係連接至一直流電源正端,另一相繞組連接至一直流電源負端,其它相繞組則浮接;於第二次所施加之電壓向量脈波列之脈波導通責任週期內,將原本連接至該直流電源負端之該相繞組連接至該直流電源正端,並將原本浮接之相繞組其中之一連接至該直流電源負端,其它相繞組則浮接;以及依據該永磁同步馬達之相數,重複施加具有脈波寬度調變之電壓向量的脈波列於該永磁同步馬達之該等繞組。
- 如申請專利範圍第2項所述之永磁同步馬達之磁極初始位置偵測方法,其中,步驟(a)更包含有:該施加的電壓向量脈波列的責任週期,係能使該等繞組之電流上升,但該永磁同步馬達不會產生轉動。
- 如申請專利範圍第2項所述之永磁同步馬達之磁極初始位置偵測方法,其中,步驟(b)更包含有:該測量該等繞組放電電流大小之方法,係測定連接至該直流電源正端之繞組對每一脈波列結束後之該設定之放電時間,其電流下降之幅度,並比較各電流下降幅度。
- 一種永磁同步馬達之磁極初始位置偵測方法,其包含下列步驟:(a)依據該永磁同步馬達之相數,於該永磁同步馬達之相對相繞組間,重複施加具有脈波寬度調變之電壓向量脈波列於該永磁同步馬達,直到相電流達到相同之一設定之放電電流時,再切離所施加之該電壓向量;(b)在所施加的電壓向量切離後,測量該等繞組到達相同放電電流時的放電時間;以及(c)依據所測量之該到達相同放電電流時的放電時間,判斷該永磁同步馬達之磁極初始位置。
- 如申請專利範圍第5項所述之永磁同步馬達之磁極初始位置偵測方法,其中,步驟(a)更包含有:於第一次所施加之電壓向量脈波列之脈波導通責任週期內,該永磁同步馬達其中之一相繞組係連接至一直 流電源正端,另一相繞組連接至一直流電源負端,其它相繞組則浮接;於第二次所施加之電壓向量脈波列之脈波導通責任週期內,將原本連接至該直流電源負端之該相繞組連接至該直流電源正端,並將原本浮接之相繞組其中之一連接至該直流電源負端,其它相繞組則浮接;以及依據該永磁同步馬達之相數,重複施加具有脈波寬度調變之電壓向量的脈波列於該永磁同步馬達之該等繞組。
- 如申請專利範圍第6項所述之永磁同步馬達之磁極初始位置偵測方法,其中,步驟(a)更包含有:該施加的電壓向量脈波列的責任週期,係能使該等繞組之電流上升,但該永磁同步馬達不會產生轉動。
- 如申請專利範圍第6項所述之永磁同步馬達之磁極初始位置偵測方法,其中,該測量該等繞組到達相同放電電流時的放電時間之方法,係測定連接至該直流電源正端之繞組對每一脈波列結束後,其電流下降至一固定參考位準之時間,並比較各放電時間。
- 一種偵測磁極初始位置之控制流程,其包含有下列步驟:首先設定一基準值為零;判斷該基準值是否等於所偵測之一永磁同步馬達之相數;若該基準值不等於該相數,則進行兩相激磁及電流遞減,並且紀錄一放電電流或一放電時間;將基準值累 加一,並改變激磁相,而後重複判斷該基準值是否等於該相數,直到該基準值等於該相數為止;以及根據所紀錄之放電電流或放電時間,透過查表得到該永磁同步馬達之磁極初始位置。
- 如申請專利範圍第9項所述之偵測磁極初始位置之控制流程,其中,該兩相激磁及電流遞減之控制流程更包含有下列步驟:判斷相電流是否達到一設定值;若相電流未達到設定值,則將送電相透過開關採脈寬調變方式導通,而受電相則透過開關採全週期導通;而後改變脈寬調變責任週期,再重複判斷相電流是否達到該設定值,直到相電流達到該設定值為止;以及若判斷相電流達到該設定值,則將該送電相及該受電相關閉,並且紀錄該放電電流或該放電時間。
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