開關式磁阻馬達及直流無刷馬達轉軸角/速度估測方法

DTD版本： 1.0.0

發明專利說明書

※申請案號：093106798 ※I P C 分類：

一、 發明名稱：

  開關式磁阻馬達及直流無刷馬達轉軸角/速度估測方法

  A SENSORLESS TECHNIQUE FOR SWITCHED RELUCTANCE MOTORS AND DC BRUSHLESS MOTORS

二、 中文發明摘要：

提出一種開關式磁阻馬達及直流無刷馬達轉軸角/速度估測方法，此方法係以一鎖相迴路電 路輸出的脈波訊號取代一轉軸偵測元件的輸出脈波訊號，並當成一轉軸角度的估測訊號，

達成馬達轉軸角/速度之估測。本方法分別利用開關式磁阻馬達的自感變化及直流無刷馬達 的反電動勢變化，取得一串列的固定位置訊號，再將此一位置訊號送至一鎖相迴路電路作 倍頻處理，最後將一鎖相迴路電路輸出的倍頻脈波訊號送入一計數器計數脈波訊號。一計

數器的資料由界面裝置回授至轉軸角度估測器中，估算出轉軸角度 ，此轉軸角度 經過 差分運算後可得到馬達的轉速 。

三、 英文發明摘要：

This invention proposes a sensorless technique for switched reluctance motors and dc brushless motors. By using a phase-locked loop circuit, the estimated rotor position and speed signals can be obtained. The method uses index signals and sends the signals to a phase-locked loop circuit to obtain the estimated rotor position and replace the position sensor. First, by using the self- inductance of the switched reluctance motor and the back emf of the dc

brushless motor, the required indices can be generated. Then, the indices can be used to produce m ultiple high frequency clock signals. Next, the clock signals are sent into a counter. The data of the counter is feedback as the estimated rotor position angle through interfacing device. After that, the rotor speed can be computed by using the different operating processes.

四、 指定代表圖：

  (一)本案指定代表圖為： 第一圖   (二)本代表圖之元件符號簡單說明：

  1．．．速度控制器   2．．．換相角度控制器   3．．．波寬調變控制器   4．．．功率轉換器   5．．．馬達

  6．．．電流/電壓偵測及回授電路   7．．．類比/數位轉換器

  8．．．自感/反電動勢估測器   9．．．位置偵測器

  10．．．鎖相迴路電路   11．．．計數器

  12．．．轉軸角度估測器   13．．．差分器

五、 本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：

六、 發明說明：

  【發明所屬之技術領域】

[n]   本發明係關於一種無轉軸角度偵測元件之馬達驅動系統；尤其適用於開關式磁阻馬達及

直流無刷馬達轉軸角/速度之估測裝置。

  【先前技術】

[n]   已知方式運用量測開關式磁阻馬達的非激磁相之感應電壓來得到轉軸角度的估測，此方 法須建立感應電壓和轉軸角度的非線性關係。例如民國八十七年九月二十一日之中華民國 專利公報第340991號中披露之一開關式磁阻馬達轉軸角度估測裝置，係將與激磁相相鄰的 非激磁相之感應電壓經過一簡單的電路進行波形處理後，得到一僅與電壓、激磁相自感值 及互感值有關的電壓波形，再利用此一處理過後的輸出電壓，經由查表方式估測出轉軸的 角度。

  【發明內容】

[n]   開關式磁阻馬達及直流無刷馬達的控制必須仰賴轉軸角/速度回授，以便決定定子電流的 大小及輸入的時機，並達成換相及閉迴路速度控制。因此，通常利用一個轉軸角度偵測元 件來量測馬達的轉軸角度及計算轉軸速度。一般使用光遮斷器，配合一個裝在轉軸上的開 槽碟片，或使用霍爾元件配合一個裝在轉軸上的永久磁鐵。也可以使用編碼器(encoder)或 分解器(resolver)檢知轉軸角度。然而，這些附加的檢知裝置不但會增加系統的成本及佔 空間，且易受外來的雜訊干擾而降低其可靠度。

[n]   本發明主要目的即是提供一開關式磁阻馬達及直流無刷馬達的轉軸角度估測之驅動控制 裝置。其中開關式磁阻馬達方面，係以一激磁相的電流斜率進行自感的估測，由估測的自 感之變化取得一些固定的參考位置訊號，再利用鎖相迴路電路將此訊號轉換成為轉軸角度 的估測值，最後利用此一轉軸角度估測方法完成閉迴路驅動系統的研製。

[n]   另一方面，直流無刷馬達的轉軸角度估測之驅動控制裝置，係以一未激發相反電動勢估 測值，取得一些零交越點位置訊號，再利用鎖相迴路電路將此訊號轉換成為轉軸角度的估 測值，最後利用所估測的轉軸角度回授，並完成閉迴路驅動系統的研製。

[n]   本發明為解決習知技術之問題所採用之技術手段係以一鎖相迴路電路輸出的脈波訊號取 代一轉軸偵測元件的輸出脈波訊號，當成一估測的轉軸角度訊號，提供馬達轉軸角/速度之 精確估測。本方法分別利用開關式磁阻馬達的自感變化關係及直流無刷馬達的反電動勢變 化關係，取得一串列的固定位置訊號，再將此一位置訊號送至鎖相迴路電路作倍頻處理，

最後將一鎖相迴路電路輸出的脈波訊號送入一計數器計數脈波訊號。此計數器的資料由界 面裝置回授至轉軸角度估測器中，估算出轉軸角度 ，轉軸角度 經過差分運算得到馬 達的轉速 。

[n]   本發明所採用的具體方法及控制流程，將藉由以下之實施例及所附圖式作進一步之說 明。

  【實施方式】

[n] 首先參閱第一圖所示，係本發明的無轉軸角度偵測元件閉迴路控速驅動系統的方塊圖。由 霍爾效應電流偵測器偵測馬達三相電流訊號，以及電壓偵測元件取出馬達三相電壓訊號。

類比電流/電壓訊號透過類比/數位轉換器轉換成數位訊號，透過界面裝置回授至微電腦，

將回授的電流訊號利用自感估測器估算出開關式磁阻馬達自感，或將回授的電壓訊號利用 反電動勢估測器估算出直流無刷馬達反電動勢。兩種馬達的角度估測方式，皆透過位置偵 測器得到馬達固定的位置脈波訊號，先將此位置訊號送至鎖相迴路電路作倍頻處理，再將 此鎖相迴路電路輸出的脈波訊號，利用一計數器計數脈波訊號，此計數器的資料由界面裝 置回授至轉軸角度估測器中，估算出轉軸角 。轉軸角度 經過差分運算得到馬達的轉速

，設定的轉速命令ω_r^*和估測得到的轉速 相減到轉速誤差Δω_r，然後經由速度控制器 運算得到馬達所需的電流命令

i

i

i

i

i

i

i

i

T

T

T

T

開關式磁阻馬達自感估測原理如下：開關式磁阻馬達是從電流斜率估測自感，其估測方法 如下。由第二圖的非對稱半橋型功率轉換器提供三種電壓切換模式。這三種電壓切換模 式，可產生三種不同的激磁電流斜率，若根據兩種不同的電流斜率配對轉換器又可分為方 法A及方法B兩種不同的估測模式。方法A由模式1配合模式0及模式2配合模式0的激磁電流斜 率估測自感；方法B則由模式1配合模式2的激磁電流斜率直接估測自感。考慮馬達的其中一 相繞組時，相電壓可表示成：

[n]

[n] 式中

v

i

R

d

t

L

[n]

[n] 使用方法A時馬達自感估測如下所述。轉換器操作於方法A的切換下，馬達的相電壓共有

V

V

v

[n]

[n] 同理，當轉換器切換於模式1狀態，此時馬達的相電壓

v

V

[n]

[n] 事實上公式(3)及(4)中的瞬間電流和反電動勢並不是完全相同。然而當轉換器的切換週期 很短時，其電流及反電動勢的平均值幾乎相同，故可假設其反電動勢及電阻壓降相同。此 時，可由公式(3)及(4)，推導出馬達的自感估測值為：

[n]

[n] 由公式(5)估測自感的關係式，可知馬達的自感僅與繞組相電壓、切換狀態模式1的電流斜 率和切換狀態模式0的電流斜率有關。同理，當轉換器切換於模式2狀態，馬達的繞相電壓

v

V

[n]

[n] 由公式(3)及(6)，亦可推得馬達的自感為：

[n]

[n] 在方法B中，轉換器操作於模式1和模式2兩種電壓狀態

V

V

此時，由公式(4)及(6)，可得到自感的估測值為：

[n]

[n] 由公式(5)、(7)和(8)式的自感估測方法，可知僅需回授激磁電流的大小，再配合功率轉換 器切換狀態以及直流電壓的大小，即可估測出開關式磁阻馬達的定子自感大小。直流無刷 馬達反電動勢的零交越點估測原理如下：直流無刷馬達的驅動方式一般為兩相導通且一相 截止，亦即一次僅有兩個開關導通，剩餘四個開關均為截止，其功率轉換器如第三圖所 示。直流無刷馬達的梯形波反電動勢，及其相對應電流關係如第四圖所示，每相各差120 度。由第四圖可知在反電勢極性改變的過程，該相線圈處於未激磁狀態，此時無電流流過 線圈上，因此可藉由量測未激發相的線圈電壓，取得馬達的反電動勢，再估測其零交越點 位置。轉軸角度估測原理如下：由開關式磁阻馬達的基本原理可知，若其定子為

m

N

N

考慮，則有

mN

mN

m

N

N

mN

mN

[n] 本發明利用偵測開關式磁阻馬達各相的自感及直流無刷馬達各相的反電動勢，分別找出這 兩種馬達中

mN

NmN

除頻器和電壓控制振盪器等電路。

[n] 為了說明上的方便，假設

N

m

N

C

[n]

[n]

轉軸估測角度 經過差分運算得到馬達的估測轉速 ，其關係為：

[n]

[n]

式中Δ 為轉軸機械估測角度差值，

T

[n]

[n] 由公式(11)可知，鎖相迴路的輸出頻率為：

[n]

[n] 根據公式(11)及(12)式，配合所需馬達的轉速運轉範圍，可計算出鎖相迴路的輸入及輸出 頻率範圍，用來調整低通濾波器之電阻和電容的值，讓鎖相迴路系統響應達到設定的需 求，最後得到高解析的轉軸角度位置。

[n] 本發明實際用於開關式磁阻馬達驅動系統，若干實驗結果說明如下：第十圖為位置脈波信 號量測圖。第十一圖為位置脈波倍頻訊號量測圖，其訊號頻率變快，所以時間單位為奈 秒。第十二圖為估測得到的轉軸角度與實際的馬達轉軸角度關係圖。

  【圖式簡單說明】

[n] 第一圖係本發明開關式磁阻馬達及直流無刷馬達轉軸角/速度估測方塊圖。

[n] 第二圖係習知非對稱半橋型功率轉換器之示意圖。

[n] 第三圖係習知直流無刷馬達功率轉換器或變頻器之示意圖。

[n] 第四圖係習知直流無刷馬達的反電動勢及電流波形圖。

[n] 第五圖係習知鎖相迴路之示意圖。

[n] 第六圖係本發明利用偵測開關式磁阻馬達定子自感最低值取得固定位置信號之示意圖。

[n] 第七圖係本發明利用偵測直流無刷馬達反電動勢零點取得固定位置信號之示意圖。

[n] 第八圖係本發明位置脈波訊號之示意圖。

[n] 第九圖係本發明位置脈波倍頻訊號之示意圖。

[n] 第十圖係本發明位置脈波訊號量測圖。

[n] 第十一圖係本發明位置脈波倍頻訊號量測圖。

[n] 第十二圖係本發明估測得到的轉軸角度與實際的馬達轉軸角度關係圖。

  【主要元件符號說明】

七、 申請專利範圍：

1.一種開關式磁阻馬達轉軸角/速度估測方法，係以一鎖相迴路電路輸出的脈波訊號取代一 轉軸偵測元件的輸出脈波訊號，當成一估測的轉軸角度訊號，提供馬達轉軸角/速度之精確 估測。

2.根據申請專利範圍第1項之開關式磁阻馬達轉軸角/速度估測方法，該馬達是從三種不同 電流斜率的搭配估測馬達自感。

3.根據申請專利範圍第2項之方法，其三種不同電流斜率係由非對稱半橋型功率轉換器提供 三種不同電壓切換模式所產生。

4.根據申請專利範圍第2項或第3項之方法，使用兩種不同的電流斜率配對，轉換器的切換 又可分為方法A及方法B兩種不同的估測模式；方法A由模式1配合模式0及模式2配合模式0的 激磁電流斜率估測自感；方法B則由模式1配合模式2的激磁電流斜率直接估測自感。

5.根據申請專利範圍第4項之方法，該馬達的方法A自感估測原理為轉換器的切換週期很短 時，其電流及反電動勢的平均值幾乎相同，故可假設其反電動勢及電阻壓降相同。

6.根據申請專利範圍第4項之方法，該馬達的方法B自感估測原理為轉換器的切換週期很短 時，雖然馬達的定子電流和反電動勢的瞬間值不盡相同，但是其平均值幾近相同。

7.根據申請專利範圍第6項之方法，估測開關式磁阻馬達的自感最低值，取得一串列的固定 位置訊號。

8.一種直流無刷馬達轉軸角/速度估測方法，係以一鎖相迴路電路輸出的脈波訊號取代一轉 軸偵測元件的輸出脈波訊號，當成一估測的轉軸角度訊號，提供馬達轉軸角/速度之精確估 測。 9.根據申請專利範圍第8項之直流無刷馬達轉軸角/速度估測方法，估測直流無刷馬達的反 電動勢零交越點，取得一串列的固定位置訊號。

10.根據申請專利範圍第9項之方法，將該一位置訊號送至一鎖相迴路電路作N倍頻處理。

11.根據申請專利範圍第10項之方法，將一鎖相迴路電路輸出的N倍頻脈波訊號送入一計數 器計數脈波訊號。

12.根據申請專利範圍第11項之方法，將一計數器的資料由界面裝置回授至轉軸角度估測器 中。

13.根據申請專利範圍第12項之方法，其中轉軸角度估測器係利用計數器的計數值C估算出 馬達的轉軸角度及速度。

八、 圖式：

第一圖

第二圖

第三圖

第四圖

第五圖

第六圖

第七圖

第八圖

第九圖

第十圖

第十一圖

第十二圖