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TWI685189B - 馬達控制方法與裝置 - Google Patents

馬達控制方法與裝置 Download PDF

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TWI685189B
TWI685189B TW108100613A TW108100613A TWI685189B TW I685189 B TWI685189 B TW I685189B TW 108100613 A TW108100613 A TW 108100613A TW 108100613 A TW108100613 A TW 108100613A TW I685189 B TWI685189 B TW I685189B
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TW
Taiwan
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motor
current signal
preset value
voltage signal
brushless
Prior art date
Application number
TW108100613A
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English (en)
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TW202027403A (zh
Inventor
陳錦豪
李正中
孟育民
Original Assignee
台達電子工業股份有限公司
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Publication date
Application filed by 台達電子工業股份有限公司 filed Critical 台達電子工業股份有限公司
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Publication of TW202027403A publication Critical patent/TW202027403A/zh

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Abstract

一種馬達控制方法，適用於無感測器之直流無刷馬達之啟動程序。此馬達控制方法包括下列步驟。依據具有第一預設值之啟動電流信號及相電流信號，產生相電壓信號與驅動電壓信號。依據驅動電壓信號產生驅動電流信號，以驅動變頻器控制直流無刷馬達進行運轉，其中第一預設值用於至少使直流無刷馬達維持正常運轉。感測驅動電流信號，以產生對應之相電流信號。依據隨對應之相電流信號變化之相電壓信號與啟動電流，確定直流無刷馬達的軸端負載狀態。依據負載狀態及/或依據直流無刷馬達之電氣旋轉角速度與扭力需求，適應性調整啟動電流信號的大小。

Description

馬達控制方法與裝置
本發明關於一種控制方法與裝置，特別是關於一種適用於無感測器之直流無刷馬達之啟動程序之馬達控制方法與裝置。
直流無刷(brushless DC, BLDC)馬達由於轉子擁有內建磁場之特性，使得其性能與效率優於其他馬達，因此大量被應用在各個領域。而良好的直流無刷馬達控制就必須取得轉子位置以投入正確的控制磁場。現行在取得直流無刷馬達轉子位置的方式主要分為有感測器(編碼器)與無感測器(電氣預估)兩種方式，而在速度與位置控制性能要求較低或環境條件較差的應用場合下，多半使用無感測驅動技術作為直流無刷馬達取得轉子位置加以控制之方法。
現行無感測驅動技術通常需要將馬達以開迴路電流或電壓控制至一定轉速後，待無感測演算法偵測出馬達轉子位置資訊後進入閉迴路控制。然而，在開迴路電流或電壓控制時因無法預估轉子負載條件，因此多半會投入較大之電流進行驅動以防止馬達啟動失敗。而這樣的大電流在輕載條件下將形成多餘的電量損失。因此，馬達之啟動控制的設計仍有改善的空間。
本發明在於提供一種馬達控制方法與裝置，藉以有效地減少馬達在啟動控制期間的電量損失。
本發明提供一種馬達控制方法，適用於無感測器之直流無刷馬達之啟動程序。此馬達控制方法包括下列步驟。依據具有第一預設值之啟動電流信號及相電流信號，產生相電壓信號與驅動電壓信號。依據驅動電壓信號產生驅動電流信號，以驅動直流無刷馬達進行運轉，其中第一預設值用於至少使直流無刷馬達維持正常運轉。感測驅動電流信號，以產生對應之相電流信號。依據隨對應之相電流信號變化之相電壓信號與啟動電流信號，確定直流無刷馬達的軸端負載狀態。依據軸端負載狀態及/或依據直流無刷馬達之電氣旋轉角速度與扭力需求，適應性調整啟動電流信號的大小。
本發明另提供一種馬達控制裝置，包括驅動單元、變頻器、感測單元與控制單元。驅動單元依據具有第一預設值之啟動電流信號及相電流信號，產生相電壓信號與驅動電壓信號。變頻器依據驅動電壓信號產生驅動電流信號，以驅動直流無刷馬達進行運轉，其中第一預設值用於至少使直流無刷馬達維持正常運轉。感測單元感測變頻器之驅動電流信號，以產生對應之相電流信號。控制單元提供啟動電流信號，並依據隨對應之相電流信號變化之相電壓信號與啟動電流信號，確定直流無刷馬達的軸端負載狀態，且依據軸端負載狀態及/或依據直流無刷馬達之電氣旋轉角速度與扭力需求，適應性調整啟動電流信號的大小。
本發明所揭露之馬達控制方法與裝置，依據軸端負載狀態及/或依據直流無刷馬達之電氣旋轉角速度與扭力需求，適應性調整啟動電流信號的大小。如此一來，可以避免以持續大的啟動電流來驅動直流無刷馬達進行運轉而增加電量損失的情況發生，以有效地減少直流無刷馬達在啟動程序期間的電量損失。
在以下所列舉的各實施例中，將以相同的標號代表相同或相似的元件或組件。
第1A圖為依據本發明之一實施例之馬達控制裝置的示意圖。請參考第1A圖，本實施例之馬達控制裝置100適用於無感測器之直流無刷馬達160之啟動程序。換言之，馬達控制裝置100不包括位置感測器相關線路。在具有感測器之馬達的控制電路中，位置感測器則是安裝在馬達上的。在一些實施例中，直流無刷馬達160可適用於家電產品，例如滾筒洗衣機、直立式洗衣機、乾衣機/烘衣機等，但是並非限定於此。在本實施例中，馬達控制裝置100包括驅動單元110、變頻器130、感測單元140與控制單元150。
驅動單元110依據啟動電流信號i qs 及相電流信號，產生d軸電壓信號v ds 與q軸電壓信號v qs ，並依據d軸電壓信號v ds 與q軸電壓信號v qs ，產生驅動電壓信號。
具體來說，在驅動直流無刷馬達160的最初階段(t=0時)，驅動單元110接收給定第一預設值(可視實際情況調整)的啟動電流信號i qs 和電流值為零的d軸電流信號
Figure 108100613-A0305-02-0007-12
以產生d軸電壓信號v ds 與q軸電壓信號v qs ，並進而產生初始的驅動電壓信號。
在一些實施例中，第一預設值用於至少使直流無刷馬達160維持正常運轉，並且第一預設值的有效值(方均根)例如為4A(安培)。在本實施例中，上述啟動電流信號i qs 例如為用於驅動直流無刷馬達160之q軸電流。
變頻器130依據驅動電壓信號，產生驅動電流信號(即三相電流信號i as 、i bs 、i cs )，以驅動直流無刷馬達160進行運轉。由於在初始階段，啟動電流信號i qs 係具有第一預設值使變頻器130產生足夠的驅動電流信號，因此馬達160可以於初始階段便開始運轉。
感測單元140耦接變頻器130之輸出端，用於感測變頻器130之驅動電流信號(例如三相電流信號i as 、i bs 、i cs 中的至少兩者)，以產生相電流信號(即
Figure 108100613-A0305-02-0007-13
、
Figure 108100613-A0305-02-0007-14
、
Figure 108100613-A0305-02-0007-11
)，並將產生的相電流信 號回授給驅動單元110，使驅動單元110產生對應相電流信號改變之d軸電壓信號v ds 與q軸電壓信號v qs 。
控制單元150耦接驅動單元110，用於提供啟動電流信號i qs 給驅動單元110，並依據隨感測單元產生之相電流信號變化之d軸電壓信號v ds 與啟動電流信號i qs ，判斷直流無刷馬達160的軸端負載狀態。接著，控制單元150依據軸端負載狀態及/或依據直流無刷馬達160之電氣旋轉角速度與扭力需求，適應性調整提供給驅動單元110之啟動電流信號i qs 的大小。軸端負載狀態例如包括，但不限定於輕載(light load)、中載(middle load)及重載(Heavy load)。另外，直流無刷馬達160之電氣旋轉角速度可由控制器150之內部數位資訊得知。
具體來說，在初始階段，驅動單元110接收電流值 為零的d軸電流命令信號(即
Figure 108100613-A0305-02-0008-2
)和控制單元150提供具有第一預 設值之啟動電流信號i qs ，並據以產生d軸電壓信號v ds 與q軸電壓信號v qs ，以產生對應的驅動電流信號來驅動直流無刷馬達160。接著，透過感測單元140感測直流無刷馬達160初始運轉時所需的驅動電流信號產生對應的相電流信號並將之回授給驅動單元110。驅動單元110根據感測單元140產生的相電流信號對應調整d軸電壓信號v ds 與q軸電壓信號v qs ，此時控制單元150可依據調整後的d軸電壓信號v ds 判斷直流無刷馬達160的軸端負載狀態(即判斷馬達160為輕載、中載或重載)。接著，控制單元150便可依據軸端負載狀態及/或依據直流無刷馬達160之電氣旋轉角速度與扭力需求，適應性調 整提供給驅動單元110之啟動電流信號i qs 的大小。進一步來說，若判斷直流無刷馬達160為輕載，控制單元150便可減少提供的啟動電流信號i qs ，而不用繼續提供具有第一初始值的啟動電流信號i qs ，如此可減少初始驅動馬達時所需的功耗。
在一些實施例中，如第1A圖所示，驅動單元110包括速度命令產生器111、減法器112、速度控制器113、限制器114、速度及位置估測器115、反電動勢估測器116、切換器117、切換器118、三相轉二相轉換器119、電流控制器120、電流控制器121、限制器122、限制器123、二相轉三相轉換器124與調變單元125，然本發明並不以此為限。
速度命令產生器111用於產生一角速度命令。減法器112用於將速度命令產生器111的角速度命令減去角速度
Figure 108100613-A0305-02-0009-3
，以得到角速度誤差εω。速度控制器113連接減法器112，接收並依據角速度誤差εω，以產生電流信號。限制器114連接速度控制器113，接收並限制速度控制器113所產生之電流信號。速度及位置估測器115連接減法器112，接收反電動勢電壓vemf_α、vemf_β，以產生角速度
Figure 108100613-A0305-02-0009-4
與電氣角度
Figure 108100613-A0305-02-0009-15
。反電動勢估測器116連接速度及位置估測器115，接收靜止軸電壓vα、vβ及靜止軸電流i α、i β，以產生反電動勢電壓vemf_α、vemf_β。
切換器117連接限制器114與控制單元120，接收速度控制器113所產生之電流信號及控制單元150所產生之啟動電流信號i qs ，並選擇速度控制器113所產生之電流信號或控制單元150所產生啟動電流信號 i qs ，以輸出電流信號
Figure 02_image031
。在本實施例中，在開迴路控制模式，切換器117選擇控制單元150所產生之啟動電流信號 i qs ，以輸出電流信號
Figure 02_image031
。在閉迴路控制模式，切換器117選擇速度控制器113所產生之電流信號，以輸出電流信號
Figure 02_image031
。
切換器118連接速度及位置估測器115與控制單元150，接收速度及位置估測器115所產生之電氣角度
Figure 02_image021
與控制單元150所產生之電氣角度
Figure 02_image033
，以輸出電氣角度
Figure 02_image035
。在本實施例中，在開迴路控制模式，切換器118選擇控制單元150所產生之電氣角度
Figure 02_image033
，以輸出電氣角度
Figure 02_image035
。在閉迴路控制模式，切換器118選擇速度及位置估測器115電氣角度
Figure 02_image021
，以輸出電氣角度
Figure 02_image035
。
三相轉二相轉換器119連接感測單元140、反電動勢估測器116與切換器118，接收相電流信號
Figure 02_image007
、
Figure 02_image009
、
Figure 02_image011
與電氣角度
Figure 02_image035
，先將相電流信號
Figure 02_image007
、
Figure 02_image009
、
Figure 02_image011
轉換成二相的靜止軸電流
Figure 02_image027
、
Figure 02_image029
，再將二相的靜止軸電流
Figure 02_image027
、
Figure 02_image029
轉換成二相的同步軸電流
Figure 02_image037
、
Figure 02_image039
。電流控制器120連接三相轉二相轉換器119，接收同步軸電流
Figure 02_image037
與電流
Figure 02_image005
，以產生同步軸電壓。電流控制器121連接三相轉二相轉換器119，接收同步軸電流
Figure 02_image039
與電流
Figure 02_image031
，以產生同步軸電壓。其中，電流控制器120與121分別為比例-積分(PI)控制器。
限制器122連接電流控制器120，限制電流控制器120所產生之同步軸電壓，以產生同步軸d軸電壓信號
Figure 02_image001
。限制器123連接電流控制器121，限制電流控制器121所產生之同步軸電壓，以產生同步軸q軸電壓信號
Figure 02_image003
。
二相轉三相轉換器124連接限制器122、123、反電動勢估測器116與切換器118，接收同步軸d軸電壓信號
Figure 02_image001
、同步軸q軸電壓信號
Figure 02_image003
與電氣角度
Figure 02_image035
，先將同步軸d軸電壓信號
Figure 02_image001
與同步軸q軸電壓信號
Figure 02_image003
轉換成靜止軸電壓
Figure 02_image041
與靜止軸電壓
Figure 02_image043
，再將靜止軸電壓
Figure 02_image041
與靜止軸電壓
Figure 02_image043
轉換成三相電壓
Figure 02_image045
、
Figure 02_image047
、
Figure 02_image049
。調變單元125連接二相轉三相轉換器，接收三相電壓
Figure 02_image045
、
Figure 02_image047
、
Figure 02_image049
，並對三相電壓
Figure 02_image045
、
Figure 02_image047
、
Figure 02_image049
進行脈寬調變，以產生脈寬調變電壓之驅動電壓信號給變頻器130。
第1B圖為依據本發明之一實施例之直流無刷馬達之單相等效電路。第1C圖為依據本發明之一實施例之直流無刷馬達之單相等效電路的向量分析。第1D圖為依據本發明之另一實施例之直流無刷馬達之單相等效電路的向量分析。請合併參考第1B圖、第1C圖與第1D圖，
Figure 02_image051
為相電壓，
Figure 02_image053
為相電流，
Figure 02_image055
為直流無刷馬達160之內部電阻r s的電壓，
Figure 02_image057
為直流無刷馬達160之內部電感L的電壓，
Figure 02_image059
為反電動勢電壓，
Figure 02_image061
為直流無刷馬達160之阻抗電壓即
Figure 02_image055
與
Figure 02_image057
之向量和。
並且，直流無刷馬達160之輸出機械功率如下公式(1)所示：
Figure 02_image063
,                            (1)
其中，
Figure 02_image065
為直流無刷馬達160的輸出機械功率，
Figure 02_image067
為角速度，
Figure 02_image069
為直流無刷馬達160的輸出轉矩，其在直流無刷馬達160的速度維持時隨直流無刷馬達160之轉子軸端所承受負載條件而定。當直流無刷馬達160之軸端負載增加時，直流無刷馬達160的轉矩
Figure 02_image069
也會增加，以維持直流無刷馬達160之定速度的需求，使得直流無刷馬達160之機械功率上升。
另外，直流無刷馬達160之電氣輸入功率可如下公式(2)所示：
Figure 02_image071
(2)
其中，
Figure 02_image073
正比於直流無刷馬達160之轉子軸端的機械輸出功率，”3”為三相，
Figure 02_image059
為反電動勢電壓，
Figure 02_image053
為相電流，
Figure 02_image075
為反電動勢電壓
Figure 02_image059
與相電流
Figure 02_image053
之間的夾角，
Figure 02_image051
為相電壓，
Figure 02_image077
為相電壓
Figure 02_image079
與相電流
Figure 02_image081
之間的夾角。並且，直流無刷馬達160之機械輸出功率與電氣輸入功率之間的關係如下公式(3)所示：
Figure 02_image083
,                           (3)
其中，
Figure 02_image085
為直流無刷馬達160的效率。另外，公式(2)在直流無刷馬達160之輕載與重載的情況下，電壓與電流分量的相對關係可分別如第1C圖及第1D圖所示。其中，第1C圖對應直流無刷馬達160之重載的情況下，電壓與電流分量的對應關係，而第1D圖對應直流無刷馬達160之輕載的情況下，電壓與電流分量的對應關係。也就是說，由第1C圖與第1D圖可知，當相電流
Figure 02_image081
維持一固定值時，相電壓
Figure 02_image079
之大小與相位會隨直流無刷馬達160之輸出機械功率(即馬達之軸端負載值)增加而有所變化，其中特別是相電流
Figure 02_image081
與相電壓
Figure 02_image079
之夾角明確反應出直流無刷馬達160之軸端負載特性，亦即直流無刷馬達160之機械輸出功率因軸端負載上升而增加，也可從直流無刷馬達160之電氣輸入功率觀察出直流無刷馬達160之軸端負載特性。
簡言之，當在啟動馬達160的階段，若先提供一固定的驅動電流(例如，固定的
Figure 02_image081
)以啟動馬達160，則當下可透過感測馬達160的機械功率反推馬達160之軸端負載的特性(例如為重載或輕載)。在了解負載的特性後，便可根據負載的特性對應調整提供的驅動電流。
第1E圖為依據本發明之一實施例之變頻器之輸出電壓在d-q軸上的向量分析。第1F圖為依據本發明之另一實施例之變頻器之輸出電壓在d-q軸上的向量分析。第1G圖為依據本發明之另一實施例之變頻器之輸出電壓在d-q軸上的向量分析。第1H圖為依據本發明之另一實施例之變頻器之輸出電壓在d-q軸上的向量分析。其中，第1E圖對應於第1F圖，第1G圖對應於第1H圖。於一些實施例中，變頻器130之輸出電壓可以是透過硬體偵測電路或由軟體之數位控制命令得知)。
在第1E圖、第1F圖、第1G圖與第1H圖中，
Figure 02_image087
為三相電壓向量
Figure 02_image079
、
Figure 02_image089
、
Figure 02_image091
之和，
Figure 02_image093
為d軸的電壓信號，
Figure 02_image095
為q軸的電壓信號。並且，在第1E圖、第1F圖對應直流無刷馬達160之重載的情況下，電壓與電流分量的對應關係，而第1G圖、第1H圖對應直流無刷馬達160之輕載的情況下，電壓與電流分量的對應關係。由第1E圖、第1F圖、第1G圖與第1H圖可以看出，當直流無刷馬達160之軸端的負載增加時，d軸電壓信號
Figure 02_image093
Figure 02_image097
)會下降(如第1E圖、第1F圖所示)，而當直流無刷馬達160之軸端的負載降低時，d軸電壓信號
Figure 02_image093
會上升(如第1G圖、第1H圖所示)。也就是說，透過觀察d軸電壓信號
Figure 02_image093
的變化，可以得知直流無刷馬達160之軸端負載條件。
於一些實施例中，控制單元150可先對d軸電壓信號
Figure 02_image093
進行低通濾波處理再進行積分放大處理，以產生處理後的d軸電壓信號
Figure 02_image093
，並依據處理後的d軸電壓信號
Figure 02_image093
與啟動電流信號
Figure 02_image099
，確定直流無刷馬達160的軸端負載狀態。
另外，在上述實施例中，控制單元150利用d軸電壓信號
Figure 02_image093
與啟動電流信號
Figure 02_image099
，確定直流無刷馬達160的軸端負載狀態，但本發明不限於此，控制單元150也可以利用q軸電壓信號
Figure 02_image095
與啟動電流信號
Figure 02_image099
，確定直流無刷馬達160的軸端負載狀態。在一些實施例中，控制單元150亦可以同時利用d軸電壓信號
Figure 02_image093
與q軸電壓信號
Figure 02_image095
和啟動電流信號
Figure 02_image099
，確定直流無刷馬達160的軸端負載狀態。
接著，控制單元150根據內部參數電氣旋轉角速度
Figure 02_image101
並根據公式(4)(如下所示)計算取得直流無刷馬達160在不同角速度與角加速度下之扭力需求，
Figure 02_image103
(4)
其中，
Figure 02_image105
為馬達輸出的轉矩，亦即維持馬達在特定角速度與特定角加速度下之扭力需求，
Figure 02_image107
為直流無刷馬達160軸端所承受負載轉矩，
Figure 02_image109
為轉子慣量，
Figure 02_image111
為角速度，
Figure 02_image113
為摩擦力。在控制單元150取得直流無刷馬達電氣旋轉角速度
Figure 02_image115
與所計算之
Figure 02_image105
扭力需求後，控制單元150會依據直流無刷馬達160的當前扭力需求狀態，適應性調整驅動單元110之啟動電流信號
Figure 02_image099
的大小，例如將啟動電流信號
Figure 02_image099
的大小進行調降的操作。如此一來，在直流無刷馬達160之啟動程序期間，可以有效地減少直流無刷馬達160的電量損失。
上述說明了本實施例之馬達控制裝置100的各元件及其配置關係，以下將列舉其他實施例來說明馬達控制裝置100的操作。
第2圖為本發明之一實施例之馬達控制裝置的運作時序圖。請參考第2圖，標號T為啟動程序期間，亦即開迴路控制階段，且啟動程序期間T包括期間T1、T2、T3與T4。曲線S11表示驅動直流無刷馬達160之相電流，曲線S12表示本發明所預估之直流無刷馬達160之軸端負載狀態，
Figure 02_image099
為啟動電流信號(對應直流無刷馬達160之相電流峰值)，W1為提供給直流無刷馬達160之電氣旋轉角速度之命令對應的實際值，在期間T1~T4其值為
Figure 02_image115
，其餘期間其值為速度命令產生器111所產生之角速度命令，S1為直流無刷馬達160之實際轉速。
在期間T1，控制單元150提供啟動電流信號
Figure 02_image099
並將啟動電流信號
Figure 02_image099
增加至第一預設值i1。另外，驅動單元110依據具有第一預設值i1的啟動電流信號
Figure 02_image099
與相電流信號產生對應的驅動電壓信號並提供給變頻器130，使變頻器130依據驅動電壓信號而產生驅動電流信號，以驅動直流無刷馬達160進行運轉。
在期間T2，如以上原理分析直流無刷馬達160之實際軸端負載狀態會反應於電流控制器120和121之輸出d軸電壓信號
Figure 02_image093
和q軸電壓信號
Figure 02_image117
，據此，控制單元150可對d軸電壓信號
Figure 02_image093
或q軸電壓信號
Figure 02_image095
進行處理(例如低通濾波及積分放大處理)，以取得直流無刷馬達160之軸端負載狀態分級資訊(如第2圖的曲線S12)，分級資訊可例如輕載、中載或重載。
在期間T3，控制單元150依據直流無刷馬達之軸端負載狀態(即曲線S12所提供之軸端負載資訊)，將啟動電流信號
Figure 02_image099
由第一預設值i1調降至第二預設值i2，並且調降的斜率例如為△1。其中，第二預設值i2的有效值(方均根)例如為3A。第一預設值的有效值(方均根)例如為4A。第二預設值i2可依據軸端負載狀態的不同而改變。舉例來說，輕載對應之第二預設值i2會小於中載對應之第二預設值i2，且中載對應之第二預設值i2也會小於重載對應之第二預設值i2。
在期間T4，當提供給直流無刷馬達160之電氣角速度命令對應的值W1到達預設角速度W set且維持於預設角速度W set時，並且直流無刷馬達160同步旋轉時即(s1=
Figure 02_image119
)其馬達轉速也會維持固定值。此時，由於直流無刷馬達160之轉速維持固定，則公式(4)中之
Figure 02_image121
會歸零，且直流無刷馬達160所對應之摩擦力B會隨直流無刷馬達160之轉速上升而下降(摩擦力會下降)，因此控制單元150可以透過公式(4)或查表取得對應直流無刷馬達160的扭力需求，亦即直流無刷馬達160的扭力需求會下降。
接著，控制單元150便可依據直流無刷馬達160之扭力需求，將啟動電流信號
Figure 02_image099
由第二預設值i2調降至第三預設值i3，並且調降的斜率例如為△2。其中，第三預設值i3的有效值(方均根)例如為2A。類似地，第三預設值i3也會隨著第二預設值i2的不同而改變。
第3圖為本發明之另一實施例之馬達控制裝置的運作時序圖。在第3圖中，在啟動程序期間T的期間T1與T2，啟動電流信號
Figure 02_image099
與直流無刷馬達160之電氣旋轉角速度W1大致上與第2圖相同。第3圖與第2圖的差異在於在期間T2之後的期間T3，當直流無刷馬達160之電氣旋轉角速度W1到達預設角速度W set且維持於預設角速度W set時，直流無刷馬達160之轉速也會維持固定。
此時，由於直流無刷馬達160之轉速維持固定，則公式(2)中之
Figure 02_image121
會歸零，且直流無刷馬達160所對應之摩擦力B會隨直流無刷馬達160之轉速上升而下降(摩擦力會下降)，因此控制單元150可以透過公式(4)或查表取得對應直流無刷馬達160的扭力需求，亦即直流無刷馬達160的扭力需求會下降。接著，控制單元150便可依據直流無刷馬達160之扭力需求，將啟動電流信號
Figure 02_image099
由第一預設值i1調降至第二預設值i2的有效值例如為3A，並且調降的斜率例如為△2。
接著，在期間T4，控制單元150依據直流無刷馬達之軸端負載狀態(例如，第2圖的曲線S12)，將啟動電流信號
Figure 02_image099
由第二預設值i2調降至第三預設值i3，並且調降的斜率例如為△1。。其中，第三預設值i3的有效值例如為2A。類似地，第三預設值i3也會依據軸端負載狀態的不同而改變。舉例來說，輕載對應之第三預設值i3會小於中載對應之第三預設值i3，且中載對應之第三預設值i3也會小於重載對應之第三預設值i3。
第4圖為本發明之另一實施例之馬達控制裝置的運作時序圖。在第4圖中，在啟動程序期間T的期間T1與T2，啟動電流信號
Figure 02_image099
與直流無刷馬達160之氣旋轉角速度W1大致上與第2圖和第3圖相同。第4圖與第2圖和第3圖的差異在於在期間T2之後的期間T3，控制單元150沒有對啟動電流信號
Figure 02_image099
進行調整，亦即啟動電流信號
Figure 02_image099
仍維持於第一預設值i1。
接著，在期間T4，當直流無刷馬達160之電氣旋轉角速度W1到達預設角速度W set且維持於預設角速度W set時，直流無刷馬達160之轉速也會維持固定。由於直流無刷馬達160之轉速維持固定，且控制單元150所計算之直流無刷馬達160的扭力需求下降，因此控制單元150便可依據直流無刷馬達160之扭力需求及直流無刷馬達160之軸端負載狀態，將啟動電流信號
Figure 02_image099
由第一預設值i1調降至第二預設值i2。其中，第二預設值i2的有效值例如為2A。，第二預設值i2也會依據軸端負載狀態的不同而調整。
於一些實施例中，在對應第2圖、第3圖與第4圖之期間T2~T4，控制單元150會以d軸電壓信號
Figure 02_image093
和q軸電壓信號
Figure 02_image117
之至少一者，確定直流無刷馬達160之軸端負載狀態，且判斷此軸端負載狀態是否為堵轉狀態。當確認軸端負載狀態為堵轉狀態，控制單元150更將啟動電流信號
Figure 02_image099
由第一、第二和第三預設值i1、i2、i3調升至第四預設值i4，使得直流無刷馬達160可以順利運轉。其中，第四預設值i4例如為直流無刷馬達160允許之最大電流，且此最大電流的有效值例如為5A。在本實施例中，啟動電流信號
Figure 02_image099
的調整方式是將第一預設值i1按一上升斜率調升至第四預設值i4，且並不限定此斜率之數值。
由上述實施例的說明，在直流無刷馬達160之啟動程序期間，本實施例之馬達控制裝置100可以依據直流無刷馬達160之軸端負載條件、電氣旋轉角速度及扭力需求，適應性調降啟動電流信號的大小。如此一來，可以避免以持續大的啟動電流信號來驅直流無刷馬達160進行運轉而增加電量損失的情況發生，以有效地減少直流無刷馬達160在啟動程序期間的電量損失。
在前述實施例中，馬達控制裝置100適用於驅動直流無刷馬達160，特別是不具有感測器的直流無刷馬達160，但本發明不限於此。本實施例之馬達控制裝置100亦可適用於驅動內置式永磁同步馬達(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)，並且馬達控制裝置100的運作可參考上述實施例的說明，仍可達到相同的控制效果。
另外，前述第一預設值是以預設為例，但本發明不限於此。若是直流無刷馬達160之啟動負載的差異不大時，第一預設值也可以據前次啟動程序期間T所取得之d軸電壓信號
Figure 02_image093
和q軸電壓信號
Figure 02_image095
之至少一者的資訊，由控制單元150進行設定。
第5圖為依據本發明之一實施例之馬達控制方法500的流程圖。本實施例之馬達控制方法適用於無感測器之直流無刷馬達之啟動程序。在步驟S502中，依據具有第一預設值之啟動電流信號及相電流信號，產生相電壓信號與驅動電壓信號。在步驟S504中，依據驅動電壓信號產生驅動電流信號，以驅動直流無刷馬達進行運轉，其中第一預設值用於至少使直流無刷馬達維持正常運轉。在步驟S506中，感測驅動電流信號，以產生對應之相電流信號。
在步驟S508中，依據隨對應之相電流信號變化之相電壓信號(例如d軸電壓信號和q軸電壓信號之至少一者)與啟動電流信號，確定直流無刷馬達的軸端負載狀態。在步驟S510中，依據軸端負載狀態及/或依據直流無刷馬達之電氣旋轉角速度與扭力需求，適應性調整啟動電流信號的大小。換言之，可僅根據確認的軸端負載狀態直接調整啟動電流，或者是僅根據直流無刷馬達之電氣旋轉角速度與扭力需求直接調整啟動電流，或者是不同階段選擇根據軸端負載狀態和根據直流無刷馬達之電氣旋轉角速度與扭力需求調整啟動電流。在本實施例中，上述扭力需求包括負載轉矩、馬達慣量與摩擦力。
第6圖為依據本發明之另一實施例之馬達控制方法600的流程圖。本實施例之馬達控制方法600與馬達控制方法500類似。在本實施例中，馬達控制方法600包括馬達控制方法500中的步驟S502~S506及S510外，還包含步驟S608~S610。在步驟S608中，對依據隨相電流信號變化之d軸電壓信號和q軸電壓信號之至少一者進行處理，例如低通濾波及積分放大處理。接著，根據處理過的d軸電壓信號及/或q軸電壓信號以及啟動電流信號確定直流無刷馬達的軸端負載狀態(如步驟S610)。
第7圖為依據本發明之另一實施例之馬達控制方法700的流程圖。本實施例之馬達控制方法700與馬達控制方法500類似。在本實施例中，馬達控制方法700包括馬達控制方法500中的步驟S502~S508外，還包含步驟S710~S712。在步驟S710中，依據軸端負載狀態，將啟動電流信號由第一預設值調降至第二預設值。在一些實施例中，可選擇性地執行步驟S712。在步驟S712中，當直流無刷馬達之電氣旋轉角速度到達預設角速度且維持於預設角速度時，依據直流無刷馬達之扭力需求，將啟動電流信號由第二預設值調降至第三預設值。
第8圖為依據本發明之另一實施例之馬達控制方法800的流程圖。本實施例之馬達控制方法800與馬達控制方法700類似，其差異在於步驟S810~S812不同於步驟S710~S712。在步驟S810中，當確定直流無刷馬達的軸端負載狀態且直流無刷馬達之電氣旋轉角速度到達預設角速度並維持於預設頻率時，依據直流無刷馬達之扭力需求，將啟動電流信號由第一預設值調降至第二預設值。在一些實施例中，可選擇性地執行步驟S812。在步驟S812中，依據軸端負載狀態，將啟動電流信號由第二預設值調降至第三預設值。
第9圖為依據本發明之另一實施例之馬達控制方法900的流程圖。本實施例之馬達控制方法900與馬達控制方法500類似。在本實施例中，馬達控制方法900包括馬達控制方法500中的步驟S502~S508外，還包含步驟S910。在步驟S910中，當軸端負載狀態為堵轉狀態，將啟動電流信號由第一預設值藉由一上升斜率調升至第二預設值，其中第二預設值的最大值為直流無刷馬達允許之最大電流。在一些實施例中，可根據實際需求調整斜率之大小，以調整啟動電流信號的增加幅度。
綜上所述，本發明所揭露之馬達控制方法與裝置，透過依據具有第一預設值之啟動電流信號及相電流信號，產生相電壓信號(如d軸電壓信號和q軸電壓信號)與驅動電壓信號，並驅動電壓信號產生驅動電流信號，以驅動直流無刷馬達進行運轉，且依據隨相電流信號變化之d軸電壓信號和q軸電壓信號之至少一者與啟動電流信號，確定直流無刷馬達的軸端負載狀態，並依據軸端負載狀態及/或依據直流無刷馬達之電氣旋轉角速度與扭力需求，適應性調整啟動電流信號的大小。如此一來，可以避免以較大的啟動電流來驅直流無刷馬達進行運轉而增加電量損失的情況發生，以有效地減少直流無刷馬達在啟動程序期間的電量損失。
本發明雖以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧馬達控制裝置
110‧‧‧驅動單元
111‧‧‧速度命令產生器
112‧‧‧減法器
113‧‧‧速度控制器
114、122、123‧‧‧限制器
115‧‧‧速度及位置估測器
116‧‧‧反電動勢估測器
117、118‧‧‧切換器
119‧‧‧三相轉二相轉換器
120、121‧‧‧電流控制器
124‧‧‧二相轉三相轉換器
125‧‧‧調變單元
130‧‧‧變頻器
140‧‧‧感測單元
150‧‧‧控制單元
160‧‧‧直流無刷馬達
i qs ‧‧‧啟動電流信號
v ds 、v qs ‧‧‧相電壓信號
Figure 108100613-A0305-02-0023-6
、Wset‧‧‧角速度
Figure 02_image015
‧‧‧角速度誤差
Figure 02_image017
、
Figure 02_image019
‧‧‧反電動勢電壓
Figure 02_image021
、
Figure 02_image033
、
Figure 02_image035
‧‧‧電氣角度
Figure 02_image023
、
Figure 02_image025
‧‧‧靜止軸電壓
Figure 02_image027
、
Figure 02_image029
‧‧‧靜止軸電流
Figure 02_image031
‧‧‧電流信號
Figure 02_image007
、
Figure 02_image009
、
Figure 02_image011
‧‧‧相電流信號
Figure 02_image037
、
Figure 02_image039
‧‧‧同步軸電流
Figure 02_image005
、
Figure 02_image031
‧‧‧電流
Figure 02_image045
、
Figure 02_image047
、
Figure 02_image049
‧‧‧三相電壓
T‧‧‧啟動程序期間
W1‧‧‧電氣旋轉角速度
S1‧‧‧轉速
T1、T2、T3、T4‧‧‧期間
S11、S12‧‧‧曲線
i1‧‧‧第一預設值
i2‧‧‧第二預設值
i3‧‧‧第三預設值
500、600、700、800、900‧‧‧馬達控制方法
S502~S510、S608、S610、S710、S712、S810、S812、S910‧‧‧步驟
第1A圖為依據本發明之一實施例之馬達控制裝置的示意圖。 第1B圖為依據本發明之一實施例之直流無刷馬達之單相等效電路。 第1C圖為依據本發明之一實施例之直流無刷馬達之單相等效電路的向量分析。 第1D圖為依據本發明之另一實施例之直流無刷馬達之單相等效電路的向量分析。 第1E圖為依據本發明之一實施例之變頻器之輸出電壓在d-q軸上的向量分析。 第1F圖為依據本發明之另一實施例之變頻器之輸出電壓在d-q軸上的向量分析。 第1G圖為依據本發明之另一實施例之變頻器之輸出電壓在d-q軸上的向量分析。 第1H圖為依據本發明之另一實施例之變頻器之輸出電壓在d-q軸上的向量分析。 第2圖為本發明之一實施例之馬達控制裝置的運作時序圖。 第3圖為本發明之另一實施例之馬達控制裝置的運作時序圖。 第4圖為本發明之另一實施例之馬達控制裝置的運作時序圖。 第5圖為依據本發明之一實施例之馬達控制方法的流程圖。 第6圖為依據本發明之另一實施例之馬達控制方法的流程圖。 第7圖為依據本發明之另一實施例之馬達控制方法的流程圖。 第8圖為依據本發明之另一實施例之馬達控制方法的流程圖。 第9圖為依據本發明之另一實施例之馬達控制方法的流程圖。
S502、S504、S506、S508、S510‧‧‧步驟

Claims (18)

  1. 一種馬達控制方法，適用於無感測器之一直流無刷馬達之啟動程序，該馬達控制方法包括：(a)依據具有一第一預設值之一啟動電流信號及一相電流信號，產生一相電壓信號與一驅動電壓信號；(b)依據該驅動電壓信號產生一驅動電流信號，以驅動一直流無刷馬達進行運轉，其中該第一預設值用於至少使該直流無刷馬達維持正常運轉；(c)感測該驅動電流信號，以產生對應之該相電流信號；(d)依據隨對應之該相電流信號變化之該相電壓信號與該啟動電流信號，確定該直流無刷馬達的一軸端負載狀態；以及(e)依據該軸端負載狀態及/或依據該直流無刷馬達之一電氣旋轉角速度與一扭力需求，適應性調整該啟動電流信號的大小。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之馬達控制方法，其中該相電壓信號包含d軸電壓信號和q軸電壓信號之至少一者。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之馬達控制方法，其中步驟(e)包括：依據該負載狀態，將該啟動電流信號由該第一預設值調降至一第二預設值。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之馬達控制方法，其中步驟(e)更包括： 當該直流無刷馬達之該電氣旋轉角速度到達一預設角速度且維持於該預設角速度時，依據該直流無刷馬達之該扭力需求，將該啟動電流信號由該第二預設值調降至一第三預設值。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之馬達控制方法，其中步驟(e)包括：當該直流無刷馬達之該電氣旋轉角速度到達一預設角速度且維持於該預設角速度時，依據該直流無刷馬達之該扭力需求，將該啟動電流信號由該第一預設值調降至一第二預設值。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之馬達控制方法，其中步驟(e)更包括：依據該負載狀態，將該啟動電流信號由該第二預設值調降至一第三預設值。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之馬達控制方法，其中步驟(e)包括：當該負載狀態為一堵轉狀態，將該啟動電流信號由該第一預設值調升至一第二預設值，其中該第二預設值的最大值為該直流無刷馬達允許之一最大電流。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之馬達控制方法，其中步驟(d)包括：對該相電壓信號進行一低通濾波及積分放大處理，以產生處理後的該相電壓信號；以及 依據處理後的該相電壓信號與該啟動電流信號，確定該直流無刷馬達的該負載狀態。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之馬達控制方法，其中該第一預設值係根據該直流無刷馬達於執行前一次之啟動程序期間所取得之該相電壓信號而設定。
  10. 一種馬達控制裝置，適用於無感測器之一直流無刷馬達之啟動程序，該馬達控制裝置包括：一驅動單元，依據具有一第一預設值之一啟動電流信號及一相電流信號，產生一相電壓信號與一驅動電壓信號；一變頻器，依據該驅動電壓信號產生一驅動電流信號，以驅動一直流無刷馬達進行運轉，其中該第一預設值用於至少使該直流無刷馬達維持正常運轉；一感測單元，感測該變頻器之該驅動電流信號，以產生對應之該相電流信號；以及一控制單元，提供該啟動電流信號，並依據隨對應之該相電流信號變化之該相電壓信號與該啟動電流信號，確定該直流無刷馬達的軸端負載狀態，且依據軸端負載狀態及/或依據該直流無刷馬達之一電氣旋轉角速度與一扭力需求，適應性調整該啟動電流信號的大小。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之馬達控制裝置，其中該相電壓信號包含d軸電壓信號和q軸電壓信號之至少一者。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之馬達控制裝置，其中該控制單元更依據該負載狀態，將該啟動電流信號由該第一預設值調降至一第二預設值。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之馬達控制裝置，其中當該直流無刷馬達之該電氣旋轉角速度到達一預設角速度且維持於該預設角速度時，該控制單元依據該直流無刷馬達之該扭力需求，將該啟動電流信號由該第二預設值調降至一第三預設值。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之馬達控制裝置，其中當該直流無刷馬達之該電氣旋轉角速度到達一預設角速度且維持於該預設角速度時，該控制單元更依據該直流無刷馬達之該扭力需求，將該啟動電流信號由該第一預設值調降至一第二預設值。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之馬達控制裝置，其中該控制單元更依據該負載狀態，將該啟動電流信號由該第二預設值調降至一第三預設值。
  16. 如申請專利範圍第10項所述之馬達控制裝置，其中當該負載狀態為一堵轉狀態，該控制單元更將該啟動電流信號由該第一預設值調升至一第二預設值，其中該第二預設值的最大值為該直流無刷馬達允許之一最大電流。
  17. 如申請專利範圍第10項所述之馬達控制裝置，其中該控制單元更對該相電壓信號進行一低通濾波及積分放大處理，並依據處理後的該相電壓信號與該啟動電流信號，確定該直流無刷馬達的該負載狀態。
  18. 如申請專利範圍第10項所述之馬達控制裝置，其中該第一預設值係根據該直流無刷馬達於執行前一次之啟動程序期間所取得之該相電壓信號而設定。
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