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TWI398657B - 馬達繞組開路及短路故障檢測方法 - Google Patents

馬達繞組開路及短路故障檢測方法 Download PDF

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TWI398657B TW099113564A TW99113564A TWI398657B TW I398657 B TWI398657 B TW I398657B TW 099113564 A TW099113564 A TW 099113564A TW 99113564 A TW99113564 A TW 99113564A TW I398657 B TWI398657 B TW I398657B
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Description

馬達繞組開路及短路故障檢測方法
本發明係有關於電動馬達,特別有關於無刷直流馬達(BLDC)故障之檢測。
電動馬達在工業社會中無疑是一種非常基本且重要的設備,每年市場需求量達到五十億台以上。在各式各樣的馬達中,無刷直流馬達(brushless DC motor,BLDC)常被使用於硬碟機及其他許多的工業應用場合,諸如汽車零件及家電等領域。
典型的無刷直流馬達是由環設於外側之多相繞組轉子與位於內側以永久磁鐵轉子所組成,兩者間存有一氣隙(air gap),轉子的旋轉會在氣隙中產生磁通,亦因此而產生反電動勢(back electromotive force,back-EMF),該反電動勢係由於永久磁鐵轉子在繞組定子前旋轉所感應而生,並與輸入馬達之能量無關,該反電動勢係正比於馬達轉速、轉子磁通及對應繞組之匝數。
馬達控制器通常包含有高功率的場效電晶體(FET),其極易被過熱或過電流所燒毀,馬達內部之故障很難事先檢測出來,如果在未發現馬達故障前便透過馬達控制器對馬達送電,將會造成馬達控制器嚴重的損害
本發明之主要目的係在於提供一種馬達繞組開路及短路檢測方法,其可利用市售之馬達控制器進行檢測,無須添購額外設備及增加額外支出,極為經濟、簡便且有效。
第一圖所示者為一種市售無感無刷直流馬達(sensorless brushless DC motor)控制器與無刷直流馬達之典型應用線路圖,無刷馬達300之三相繞組304,305,306係分別經由三端子301,302,303而連接於三相驅動電路210,220,230,圖中所示之三相繞組304,305,306係為Y接型式,當然亦可為△接。該三相驅動電路210,220,230係包括三對(即6個)以場效電晶體所形成之電子開關211,212,221,222,231,232,其中電子開關211及212為第一對,電子開關221及222為第二對,電子開關231及232為第三對,每一對皆由一P通道之高側開關211,221,231及一N通道之低側開關212,222,232所組成,雖然圖示之電子開關211,212,221,222,231,232係為場效電晶體,但其亦可為其他開關元件,如隔離閘極雙載子電晶體(IGBT)或雙載子接面電晶體(BJT)等,每一高側開關211,221,231之源極(即電源端)係併聯至一直流定電壓源Vp,所有電子開關211,212,221,222,231,232之閘極(即閘控端)係分別連接至一微控制器100,三相繞組304,305,306之電壓準位係經由分壓電路410,420,430而回饋至該微控制器100之類比至數位轉換器(ADC)輸入端,即繞組回饋輸入端101-103,以使該回饋電壓保持在微控制器100可接受之範圍。另有一組分壓電路440則適用於某些特殊馬達控制器,做為虛接地參考點,其分壓點連接至微控制器100之第四ADC輸入端104,即虛接地回饋輸入端。
第二圖所示者係為由微控制器100所執行之開路檢測流程,首先截止所有電子開關211,212,221,222,231,232(步驟501),接著導通任何一個高側開關211,221,231(步驟502),例如第一高側開關211,使所有繞組均被施加電源電壓Vp,接著讀取三繞組回饋輸入端101-103之電壓值(步驟503),即可由該電壓值之高低來判斷繞組是否為開路(步驟504),若所有電壓值均高於一基準值,即為無開路故障情形(步驟506),該基準值可較佳地選取為Vp值的50%,但若有一電壓值低於該基準值,即表示繞組有開路故障情形(步驟505)。
第三圖所示者係為由微控制器100所執行之繞組對繞組或繞組對電源(包括火線與地線)短路檢測流程,首先截止所有電子開關211,212,221,222,231,232並持續一第一時間,例如50微秒(步驟511),以消除殘餘電壓,接著導通一個高側開關211,221,231及一個與其不同一對之低側開關212,222,232,例如第一高側開關211及第二低側開關222,並持續一短於第一時間之第二時間後將其截止,例如5微秒,以使一短脈衝電流流過與該二已開啟的電子開關(如211及222)相連之二繞組,例如第一繞組304及第二繞組305(步驟512),接著截止前述已導通的電子開關(如211及222)(步驟513),其後同時記錄與該二電子開關相連之繞組回饋輸入端(如102及101)(步驟514)。若在該二繞組之間未有短路狀況,在電流停止後即會在繞組上產生一反電動勢,該反電動勢會表現在第一及第二端子301,302間之電壓,即可藉由同時記錄與該二受測繞組相連之繞組回饋輸入端101,102之電壓值而測得。接續前述步驟514,計算該二受測繞組回饋輸入端電壓值之差值(步驟515),再將該差值與一臨界值做比較(步驟516),若該差值大於該臨界值,即表示該二受測繞組(如304及305)間沒有短路故障;反之,若該差值小於該臨界值,即表示該二受測繞組間有短路故障。以上述方法重覆施行於其他的高側高關211,221,231與低側開關212,222,232之組合,以三相繞組為例,任意兩繞組之組合只有三種可能,故只需測試三種不同的高側開關與低側開關組合即可完成所有繞組對繞組之短路檢測。上述的短路檢測方法不僅能檢測出繞組對繞組之短路故障,對於繞組與電源供應火線或地線之短路故障亦可一併檢測出來。
第四圖為本發明之上述短路檢測方法在沒有短路故障情形時之二受測端子間之電壓波形,波形602及603分別為繞組回饋輸入端102及101之波形,區段600係表示電子開關導通期間(即前述第二時間),而區段601則表示該二繞組回饋輸入端101,102在電子開關再度截止後(即第二時間過後)所記錄到的電壓變化,波形605係為以波形602減除波形603後所得之差值,虛線604表示前述之臨界值,該差值高於臨界值之部份即可反應一反電動勢之存在。相反的,第五圖所示者為在有短路故障時之狀態,波形612及613同樣分別為輸入端102及101之波形,波形615代表前述二者之差值,可看出,其差值均低於臨界值,即表示沒有反電動勢之存在。
本發明之方法係以市售的微控制器來實施,但並非每一種市售微控制器皆具有同時記錄兩組ADC輸入值之能力,若所使用的微控制器確實不具有同時記錄兩組資料之能力,即必須將上述方法稍作改變,即分段式記錄。請參閱第六圖,步驟531-533皆與前述步驟511-513相同,但步驟534改為只記錄單一繞組回饋輸入端(例如102)之電壓值,此一記錄動作並持續一第三時間,例如與前述第一時間相同之50微秒,接著再度執行步驟532及533,即步驟535及536,但步驟537改為只記錄另一單一繞組回饋輸入端(例如101)之電壓值,此一記錄動作並持續該第三時間,最後再執行前述步驟515-518,即步驟538-541。此一方法係以兩次記錄之方式達到與前述同時記錄相同之短路檢測效果,但原理完全相同。
第七圖所示者為本發明之另一種繞組對繞組之短路檢測方式,係採取虛接地參考點與一繞組端子之電壓做為比較基礎,所有步驟大致皆與第三圖所示者相同,僅在相對於第三圖步驟514之步驟564改為同時記錄一與被測繞組相連之繞組回饋輸入端(如102)及虛接地回饋輸入端104,同時步驟565亦對應改為計算該繞組輸入端電壓值與虛接地回饋輸入端電壓值之差值,最後同樣以差值之比較以判斷是否存在短路故障。當然,前述之虛接地短路檢測方法亦可如第六圖般改採兩段式記錄電壓值之方式,即如第八圖所示,兩者實質上皆相同,差異僅在於將一個繞組回饋輸入端改為虛接地回饋輸入端104。
第九圖為本發明之上述虛接地短路檢測方法在沒有短路故障情形時之二受測端子間之電壓波形,波形622及623分別為輸入端102及104之波形,區段620係表示電子開關導通期間(即前述第二時間),而區段621則表示該二輸入端104,102在電子開關再度截止後(即第二時間過後)所記錄到的電壓變化,波形625係為以波形622減除波形623後所得之差值,虛線624表示前述之臨界值,該差值高於臨界值之部份即可反應一反電動勢之存在。相反的,第十圖所示者為在有短路故障時之狀態,波形632及633同樣分別為繞組回饋輸入端102及虛接地回饋輸入端104之波形,波形635代表前述二者之差值,可看出,其差值均低於臨界值,即表示沒有反電動勢之存在。
100...微控制器
101-103...繞組回饋輸入端
104...虛接地回饋輸入端
210,220,230...驅動電路
211,212,221,222,231,232...電子開關
300...無刷馬達
301,302,303...端子
304,305,306...繞組
410,420,430,440...分壓電路
501-506,511-518...步驟
第一圖係無刷直流馬達與無感無刷馬達控制器之線路圖。
第二圖係本發明之馬達繞組開路檢測方法流程圖。
第三圖係本發明之馬達繞組短路檢測方法於同時記錄兩組回饋值模式下之流程圖。
第四圖係第三圖於無短路狀態下之波形圖。
第五圖係第三圖於有短路狀態下之波形圖。
第六圖係本發明之馬達繞組短路檢測方法於分次記錄兩組回饋值模式下之流程圖。
第七圖係本發明之馬達繞組短路檢測方法採用虛接地回饋輸入及同時記錄兩組回饋值模式之流程圖。
第八圖係本發明之馬達繞組短路檢測方法採用虛接地回饋輸入及分次記錄兩組回饋值模式下之流程圖。
第九圖係第七圖於無短路狀態下之波形圖。
第十圖係第七圖於有短路狀態下之波形圖。
501-506,511-518...步驟

Claims (16)

  1. 一種馬達繞組開路檢測方法,該馬達係為無刷直流馬達,具有多相靜子繞組,該繞組分別經由一端子而連接於多相驅動電路,每一相驅動電路係由一對電子開關所組成,每一對電子開關係由一高側開關及一低側開關所組成,每一高側開關之電源端係併聯至一直流定電壓源Vp,所有該電子開關之閘控端係分別連接至一微控制器,每一繞組之電壓準位係回饋至該微控制器之類比至數位轉換器(ADC)輸入端,即繞組回饋輸入端,該開路檢測方法係包括下列步驟:a)截止所有電子開關;b)導通單一個高側開關,使所有繞組均被施加電源電壓Vp;c)讀取全部繞組回饋輸入端之電壓值;d)由步驟c)所讀取之電壓值之高低來判斷繞組是否為開路,若所有電壓值均高於一基準值,即為無開路故障情形;若有一電壓值低於該基準值,即表示繞組有開路故障情形。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之馬達繞組開路檢測方法,其中該基準值係為Vp值的50%。
  3. 一種馬達繞組短路檢測方法,該馬達係為無刷直流馬達,具有多相靜子繞組,該繞組分別經由一端子而連接於多相驅動電路,每一相驅動電路係由一對電子開關所組成,每一對電子開關係由一高側開關及一低側開關所組成,每一高側開關之電源端係併聯至一直流定電壓源Vp,所有該電子開關之閘控端係分別連接至一微控制器,每一繞組之電壓準位係回饋至該微控制器之類比至數位轉換器(ADC)輸入端,即繞組回饋輸入端,該短路檢測方法係包括下列步驟:a)截止所有電子開關,並持續一第一時間;b)導通一個高側開關及一個與其不同一對之低側開關,並持續一短於第一時間之第二時間後將其截止,以使一短脈衝電流流過與該二已開啟的電子開關相連之繞組;c)截止前述已導通的電子開關;d)同時記錄與該二電子開關相連之繞組回饋輸入端之電壓值;e)計算該二繞組回饋輸入端電壓值之差值;f)將該差值與一臨界值做比較,以判定該二受測繞組間是否有短路故障,若該差值大於該臨界值,即表示該二受測繞組間沒有短路故障;若該差值小於該臨界值,即表示該二繞組間有短路故障。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之馬達繞組短路檢測方法,其中該第一時間係為50微秒。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之馬達繞組短路檢測方法,其中該第二時間係為5微秒。
  6. 一種馬達繞組短路檢測方法,該馬達係為無刷直流馬達,具有多相靜子繞組,該繞組分別經由一端子而連接於多相驅動電路,每一相驅動電路係由一對電子開關所組成,每一對電子開關係由一高側開關及一低側開關所組成,每一高側開關之電源端係併聯至一直流定電壓源Vp,所有該電子開關之閘控端係分別連接 至一微控制器,每一繞組之電壓準位係回饋至該微控制器之類比至數位轉換器(ADC)輸入端,即繞組回饋輸入端,該短路檢測方法係包括下列步驟:a)截止所有電子開關,並持續一第一時間;b)導通一個高側開關及一個與其不同一對之低側開關,並持續一短於第一時間之第二時間後將其截止,以使一短脈衝電流流過與該二已開啟的電子開關相連之繞組;c)截止前述已導通的電子開關;d)記錄任一個與該二電子開關相連之繞組回饋輸入端之電壓值,並持續一第三時間;e)重覆步驟b)至c);f)記錄另一個與該二電子開關相連之繞組回饋輸入端之電壓值,並持續該第三時間;g)計算該二繞組回饋輸入端電壓值之差值;h)將該差值與一臨界值做比較,以判定該二受測繞組間是否有短路故障,若該差值大於該臨界值,即表示該二受測繞組間沒有短路故障;若該差值小於該臨界值,即表示該二繞組間有短路故障。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之馬達繞組短路檢測方法,其中該第一時間係為50微秒。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之馬達繞組短路檢測方法,其中該第二時間係為5微秒。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之馬達繞組短路檢測方法,其中該第三時間係為50微秒。
  10. 一種馬達繞組短路檢測方法,該馬達係為無刷直流馬達,具有多相靜子繞組,該繞組分別經由一端子而連接於多相驅動電路,每一相驅動電路係由一對電子開關所組成,每一對電子開關係由一高側開關及一低側開關所組成,每一高側開關之電源端係併聯至一直流定電壓源Vp,所有該電子開關之閘控端係分別連接至一微控制器,每一繞組之電壓準位係回饋至該微控制器之類比至數位轉換器(ADC)輸入端,即繞組回饋輸入端,另有一虛接地參考點連接至微控制器之另一ADC輸入端,即虛接地回饋輸入端,該短路檢測方法係包括下列步驟:a)截止所有電子開關,並持續一第一時間;b)導通一個高側開關及一個與其不同一對之低側開關,並持續一短於第一時間之第二時間後將其截止,以使一短脈衝電流流過與該二已開啟的電子開關相連之繞組;c)截止前述已導通的電子開關;d)同時記錄與該二電子開關相連之任一個繞組回饋輸入端與虛接地回饋輸入端之電壓值;e)計算該繞組回饋輸入端電壓值與虛接地回饋輸入端之電壓值之差值;f)將該差值與一臨界值做比較,以判定該二受測繞組間是否有短路故障,若該差值大於該臨界值,即表示該二受測繞組間沒有短路故障;若該差值小於該臨界值,即表示該二繞組間有短路故障。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之馬達繞組短路檢測方法,其中該第一時間係為50微秒。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之馬達繞組短路檢測方法,其中該第二時間係為5微秒。
  13. 一種馬達繞組短路檢測方法,該馬達係為無刷直流馬達,具有多相靜子繞組,該繞組分別經由一端子而連接於多相驅動電路,每一相驅動電路係由一對電子開關所組成,每一對電子開關係由一高側開關及一低側開關所組成,每一高側開關之電源端係併聯至一直流定電壓源Vp,所有該電子開關之閘控端係分別連接至一微控制器,每一繞組之電壓準位係回饋至該微控制器之類比至數位轉換器(ADC)輸入端,即繞組回饋輸入端,另有一虛接地參考點連接至微控制器之另一ADC輸入端,即虛接地回饋輸入端,該短路檢測方法係包括下列步驟:a)截止所有電子開關,並持續一第一時間;b)導通一個高側開關及一個與其不同一對之低側開關,並持續一短於第一時間之第二時間後將其截止,以使一短脈衝電流流過與該二已開啟的電子開關相連之繞組;c)截止前述已導通的電子開關;d)記錄任一個與該二電子開關相連之繞組回饋輸入端之電壓值,並持續一第三時間;e)重覆步驟b)至c);f)記錄虛接地回饋輸入端之電壓值,並持續該第三時間; g)計算該繞組回饋輸入端電壓值與虛接地回饋輸入端之電壓值之差值;h)將該差值與一臨界值做比較,以判定該二受測繞組間是否有短路故障,若該差值大於該臨界值,即表示該二受測繞組間沒有短路故障;若該差值小於該臨界值,即表示該二繞組間有短路故障。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之馬達繞組短路檢測方法,其中該第一時間係為50微秒。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之馬達繞組短路檢測方法,其中該第二時間係為5微秒。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之馬達繞組短路檢測方法,其中該第三時間係為50微秒。
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