CN101179251B - 一种直流无刷马达转矩补偿方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流无刷马达转矩补偿方法及系统。本发明主要应用于具有一不对称负载的直流无刷马达的控制系统，当直流无刷马达在转动时，根据流经一保护电阻的一平均电流与一瞬间电流的差异来调整转子在多个绝对位置所对应的控制信号，从而使得在绝对位置的相应的瞬间电流接近于平均电流。

Description

一种直流无刷马达转矩补偿方法及系统

技术领域

本发明涉及一种直流无刷马达转矩补偿方法及系统，尤其涉及一种负载不对称的直流无刷马达转矩补偿方法及系统。

背景技术

众所周知，直流无刷马达(DC Brushless Motor)具有速度与转矩的曲线近似线性的特点，因此，直流无刷马达可以广泛的应用于各式产品。简单来说，由于直流无刷马达是由绕线式的定子(Wound Stator)以及永久磁铁的转子(Permanent Magnet Rotor)所组合而成，因此，必须有一个位置检测电路用以检测转子的旋转位置。而位置检测电路所产生的位置信号则可提供给控制单元以产生适当的控制信号，而控制信号具有固定的顺序，用以使得开关电路(Switching Circuit)依序提供输入电流(InputCurrent)到定子的绕线中。

在一般的家庭与工业控制用途上，直流无刷马达搭配压缩机可应用于直流变频技术的空调系统。一般来说，直流无刷马达可搭配单缸压缩机(Single Compressor)或者双缸压缩机(Twin Compressor)。由于单缸压缩机的机械构造，会使得压缩机运转的一周期过程中，有一半的过程是用于吸进冷煤而另外一半的过程则用于压缩冷煤；但吸进冷煤以及压缩冷煤时单缸压缩机的施力并不相同，因此，从马达的角度来看，会有马达的负载会随着旋转的位置而改变的现象，也就是马达的负载不对称，有一半的旋转周期马达遭遇的阻力较小，而另一半旋转的周期马达遭遇的阻力较大。因此，在马达的控制上会因负载的不固定性造成转矩连波(TorqueRipple)现象。再者，当以固定的电压驱动时，因负载的不对称特性会产生震动与噪音等问题，尤其在低速转时，震动与噪音的问题会更严重。

因此，一般的直流变频技术的空调系统都是利用直流无刷马达搭配机械构造较复杂的双缸压缩机。由于此类双缸压缩机的负载不会随着马达旋转的位置而改变，因此，在马达的控制上，马达转矩不连续的问题就不会发生。

然而，由于双缸压缩机的成本较高，对于必须降低成本的厂商来说无疑是一大的负担。因此，就需要一种方法，来控制直流无刷马达搭配较低成本的单缸压缩机以减少转矩连波现象的发生。

发明内容

本发明的目的就是使得具有一不对称负载的直流无刷马达的控制系统在运转过程中解决因转矩不连续所导致的噪音以及震动的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提出一种直流无刷马达转矩补偿系统，包括：一直流无刷马达，该直流无刷马达具有一不对称负载；一直流/交流逆变电路，该直流/交流逆变电路的一第一电源输入端连接至一直流电压，且该直流/交流逆变电路的一第二电源输入端与一接地端之间连接一保护电阻；其中该直流/交流逆变电路可根据多个控制信号来产生该直流无刷马达的多个驱动电流，使得所述多个驱动电流皆可由该直流电压流经该直流/交流逆变电路后进入该直流无刷马达，并再次经由该直流/交流逆变电路后流经该保护电阻进入该接地端；一位置检测电路，该位置检测电路可以根据该直流无刷马达转子的旋转位置输出多个位置信号；以及，一控制单元，该控制单元可根据所述多个位置信号定义出该直流无刷马达转子的多个绝对位置，且该控制单元具有一取样输入端连接至该第二电源输入端，该控制单元可以取样流经该保护电阻的一平均电流以及任一时刻的一瞬间电流，并可根据所述多个绝对位置与该平均电流与该瞬间电流之间的差异调整所述多个控制信号。

再者，本发明提出一种直流无刷马达转矩补偿方法，应用于具有一不对称负载的直流无刷马达，包括以下步骤：根据多个位置信号决定多个该直流无刷马达转子的多个绝对位置；以及，当该直流无刷马达转子在第一绝对位置时，检测流经一保护电阻的一平均电流与一瞬间电流的差异并调整该第一绝对位置相对应的至少一控制信号，使得该瞬间电流可以接近该平均电流；其中，一直流/交流逆变电路的一电源输入端与一接地端连接至该保护电阻，且该直流/交流逆变电路可根据多个控制信号产生多个驱动电流使得该直流无刷马达旋转并使得一位置检测电路产生相对应的多个位置信号。

为了使贵审查委员能更进一步了解本发明特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明及附图，所附图式仅提供参考说明，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

图1是已知直流无刷马达控制系统的结构示意图；

图2是直流/交流逆变电路的示意图；

图3是开关组件与位置检测电路的时序关系图；

图4是四极式直流无刷马达负载不对称时驱动电流的示意图；

图5是本发明所述的具有转矩补偿的直流无刷马达控制系统的结构示意图；

图6是本发明所述的直流无刷马达转矩补偿方法的流程示意图；

图7是利用本发明所述的四极式直流无刷马达负载不对称时驱动电流的示意图。

具体实施方式

参考图1，为已知直流无刷马达控制系统的示意图。首先，交流电压经由交流电压输入端连接至一交流/直流转换电路(DC/AC Converter)10后产生一直流输出电压(Vo)，经由一电容器(C)稳压后，提供至一直流/交流逆变电路(DC/AC Inverter)20的电源输入端，其中，第一电源输入端连接至该直流输出电压(Vo)，且第二电源输入端与接地端之间通常会连接一保护电阻(Rshunt)。再者，控制单元(Micro Control Unit，MCU)30可提供多个控制信号至直流/交流逆变电路20，使得直流/交流逆变电路20产生三相驱动电流(U、V、W)输出至三相直流无刷马达50，并使直流无刷马达50旋转。而位置检测电路40则连接至三相驱动电流输出端用以判断直流无刷马达50的转子位置，而控制单元30则接收位置检测电路40输出的位置信号(X、Y、Z)，并根据位置信号产生相对应的控制信号至直流/交流逆变电路20。一般来说，位置检测电路40可以根据三相驱动电流输出端的信号来决定马达转子的位置，此类位置检测电路即称为无感测(sensorless)位置检测电路，或者也可以不连接至三相驱动电流输出端，而直接利用霍尔感测电路(Hall Sensor)来实现。

参考图2，为直流/交流逆变电路的示意图。一般来说，直流/交流逆变电路20又被称为智能型功率模块(Intelligent Power Module，IPM)，其包括六个开关组件Q1～Q6，每个开关组件Q1～Q6的控制端都分别受控于控制单元30的控制信号。再者，第一开关组件Q1与第四开关组件Q4串接于直流输出电压(Vo)与保护电阻(Rshunt)之间；第二开关组件Q2与第五开关组件Q5串接于直流输出电压(Vo)与保护电阻(Rshunt)之间；第三开关组件Q3与第六开关组件Q6串接于直流输出电压(Vo)与保护电阻(Rshunt)之间。而第一开关组件Q1与第四开关组件Q4之间的节点(Node)则为第一驱动电流输出端(U)；第二开关组件Q2与第五开关组件Q5之间的节点则为第二驱动电流输出端(V)；第三开关组件Q3与第六开关组件Q6之间的节点则为第三驱动电流输出端(W)。由图2可知，在无刷直流马达50旋转时，无论转子的旋转位置如何，马达上的电流回路都是由直流输出电压(Vo)流向无刷直流马达50，最终经由保护电阻(Rshunt)流向接地端。

参考图3，为开关组件与位置检测电路的时序关系图。其中，位置检测电路40将直流无刷马达50实际的转子位置利用位置信号(X、Y、Z)提供给控制单元30，并使得控制单元30输出控制信号给直流/交流逆变电路20中的开关组件Q1～Q6。其中，每个位置信号的责任周期皆为50％，每个位置信号之间有一百二十度的相位差。一般来说，控制单元30用以控制第一、第二、第三开关组件(Q1、Q2、Q3)的信号为PWM(Pulse widthModulation)控制信号，该信号分别控制第一、第二、第三开关组件(Q1、Q2、Q3)的开启时间与关闭时间；而控制第四、第五、第六开关组件(Q4、Q5、Q6)的信号为开关控制信号，该信号分别周期性地开启与关闭第四、第五、第六开关组件(Q4、Q5、Q6)。反之，也可以将第一、第二、第三开关组件(Q1、Q2、Q3)的控制信号作为开关控制信号，而第四、第五、第六开关组件(Q4、Q5、Q6)的控制信号作为PWM控制信号。也就是说，根据位置检测电路40的位置信号(X、Y、Z)，控制单元30可以得知直流无刷马达的转子的位置以及转速，并调整PWM控制信号的脉波宽度，进而来改变直流无刷马达的转速。当马达的负载固定时，控制第一、第二、第三开关组件(Q1、Q2、Q3)的PWM控制信号会有相同的责任周期，也就是具有相同的脉波宽度，使得三相驱动电流(U、V、W)基本上维持在稳定值使得马达可以稳定运转，也就是说，当马达稳定的运转时，流经保护电阻(Rshunt)的电流基本上会维持在一固定值。

然而，利用上述控制方式控制负载不对称的直流马达时，会导致驱动电流的不稳定。参考图4，为四极式直流无刷马达负载不对称时驱动电流示意图。由于以单缸压缩机作为直流无刷马达的负载会造成马达负载不对称，因此，由四极式直流无刷马达旋转一圈所产生两个电气周期可以得知负载不对称的状况。其中第一周期(I)为压缩冷煤，而第二周期(II)为吸进冷煤。由该图可知，在第一周期(I)时马达提供较大的电流来产生大转矩用以压缩冷煤，而在第二周期(II)时马达提供较小转矩来吸进冷煤，因此，马达则不可避免的由于转矩不连续而产生震动与噪音等问题。

由于马达负载不平衡时会造成直流无刷马达的驱动电流不稳定使得马达不稳定的运转。在此状况下，流经保护电阻(Rshunt)的电流不会维持在固定值。因此，针对上述问题本发明提出直流无刷马达转矩补偿方法及其系统。参考图5，为本发明所述的具有转矩补偿的直流无刷马达控制系统示意图。本发明所述的直流无刷马达控制系统是利用直流/交流逆变电路20的第二电源输入端与接地端之间的保护电阻(Rshunt)上的电压变化来决定PWM控制信号上的脉波宽度。因此，相比于已知直流无刷马达控制系统，本发明的控制单元仅需增加一个电压取样输入端，连接至直流/交流逆变电路20的第二电源输入端，并且利用取样保护电阻(Rshunt)两端的电压值来动态的调整PWM控制信号的脉波宽度。

参考图6，为本发明所述的直流无刷马达转矩补偿方法的流程示意图。在本发明的马达转矩补偿开始(步骤60)后，控制单元会根据位置检测电路输出的位置信号来决定转子旋转的多个绝对位置(步骤62)。接着，确认直流无刷马达所在的一绝对位置(步骤64)，控制单元可利用电压取样输入端来取样保护电阻(Rshunt)两端的电压值并换算出流经保护电阻(Rshunt)的瞬间电流(步骤66)。接着，判断流经保护电阻(Rshunt)的瞬间电流与平均电流之间的关系(步骤68)，当流经保护电阻(Rshunt)的瞬间电流大于平均电流时，增加该绝对位置的PWM控制信号的脉波宽度(步骤70)；当流经保护电阻(Rshunt)的瞬间电流小于平均电流时，减少该绝对位置的PWM控制信号的脉波宽度(步骤74)；当流经保护电阻(Rshunt)的瞬间电流等于平均电流时，维持该绝对位置的PWM控制信号的脉波宽度(步骤72)。

当直流无刷马达的负载不对称时，驱动电流会呈现不稳定的状态，也就是驱动电流在不同的电气周期会有不同的电流值，因此，则造成流经保护电阻(Rshunt)的电流不会维持在一个固定值。而本发明则是利用取样跨越保护电阻(Rshunt)的瞬间电压，将其换算为瞬间电流，并与流经保护电阻(Rshunt)的平均电流来比较。然后，利用比较的结果来改变PWM控制信号的脉波宽度使得瞬间电流接近于平均电流。

当直流无刷马达在旋转时，根据位置检测电路产生的位置信号的波形，控制单元可以决定至少六个转子的绝对位置，也就是图3所示的六个区间。当六个转子的绝对位置确定之后，控制单元根据每个绝对位置流经保护电阻(Rshunt)上的瞬间电流与平均电流之间的关系，动态的改变相对应区间的PWM控制信号。举例来说，控制单元在马达旋转时，经过多次的取样即可得知流经保护电阻(Rshunt)的平均电流，而取样的次数累积越多，其平均电流越准确。当控制单元确认转子在第一绝对位置(区间1)时，利用保护电阻(Rshunt)上的取样电压除以保护电阻(Rshunt)的电阻值即可获得第一绝对位置的瞬间电流。当瞬间电流大于平均电流时，表示原来在第一绝对位置所产生的PWM控制信号会导致产生过大的驱动电流，因此，控制单元可以提高PWM控制电路的脉波宽度，也就是提高驱动电压的有效值，因此，在第一绝对位置的驱动电流则可以有效地降低。而控制方法就是控制开关组件Q1或Q3提高在区间1的PWM控制信号的责任周期，也就是增加区间1的脉波宽度，从而达到驱动电压有效值增加以及驱动电流有效值降低的目的。反之，当瞬间电流小于平均电流时，表示在第一绝对位置所产生的PWM控制信号会导致产生过小的驱动电流，因此，控制单元可以减少PWM控制电路的脉波宽度(减少责任周期)，也就是降低驱动电压的有效值，用以增加驱动电流。同理可知，第二绝对位置的驱动电流的调整即是通过调整开关组件Q1在区间2的PWM控制信号的责任周期来实现；第三绝对位置的驱动电流的调整即是通过调整开关组件Q1或Q2在区间3的PWM控制信号的责任周期来实现；第四绝对位置的驱动电流的调整即是通过调整开关组件Q2在区间4的PWM控制信号的责任周期来实现；第五绝对位置的驱动电流调整即是通过调整开关组件Q2或Q3在区间5的PWM控制信号的责任周期来实现；以及，第六绝对位置的驱动电流的调整即是通过调整开关组件Q3在区间6的PWM控制信号的责任周期来实现。

参考图7，为利用本发明所述的四极式直流无刷马达负载不对称时驱动电流的示意图。由于本发明可以动态的进行驱动电流的补偿与调整，因此，在两个电气周期即第一周期(I)压缩冷煤，与第二周期(II)吸进冷煤时的转矩已作出适当的补偿，进而克服了单缸压缩机负载不对称的问题。由该图可知，在第一周期(I)与第二周期(II)的驱动电流大小相等，因此，表示马达的转矩连波现象已经改善，并且解决了单缸马达震动与噪音等问题。另外，本发明在几乎不增加硬件成本之下，仅进行保护电阻(Rshunt)的取样及相关后续控制，就可以改善已知无刷直流马达由于负载不平衡所产生的震动与噪音等问题。再者，本发明是以四极式直流无刷马达加上单缸压缩机的控制系统作为实施例。实际上，本发明公开的方法也可以在不增加硬件成本之下应用于各种多极式，例如六极式、八极式的直流无刷马达应用于负载不平衡的控制系统上。

综上所述，虽然本发明已将较佳实施例公开如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以所述权利要求为准。

Claims (17)

1.一种直流无刷马达转矩补偿系统，其特征在于，包括：

一直流无刷马达，该直流无刷马达具有一不对称负载；一直流/交流逆变电路，该直流/交流逆变电路的一第一电源输入端连接至一直流电压，且该直流/交流逆变电路的一第二电源输入端与一接地端之间连接一保护电阻，该直流/交流逆变电路根据多个控制信号来产生该直流无刷马达的多个驱动电流，使得所述多个驱动电流都可由该直流电压流经该直流/交流逆变电路后进入该直流无刷马达，并再次经由该直流/交流逆变电路后流经该保护电阻进入该接地端；

一位置检测电路，用于根据该直流无刷马达转子的旋转位置输出多个位置信号；

一控制单元，用于根据所述多个位置信号定义出该直流无刷马达转子相对应的多个绝对位置，且该控制单元具有一取样输入端连接至该第二电源输入端，该控制单元取样流经该保护电阻的一平均电流以及任一时刻的一瞬间电流，并根据所述多个绝对位置与该平均电流与该瞬间电流之间的差异来调整所述多个控制信号。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该些绝对位置是依据控制单元根据该位置检测电路输出的位置信号来决定。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该瞬间电流是利用保护电阻上的取样电压与保护电阻的比值而获得。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制单元在一第一绝对位置时检测该平均电流与该瞬间电流的差异并调整该第一绝对位置相对应的控制信号，使得该瞬间电流接近该平均电流。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述控制单元调整该第一绝对位置相对应的控制信号是调整相对应的控制信号的一责任周期。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述控制单元在该瞬间电流大于该平均电流时，提高该责任周期。 

7.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述控制单元在该瞬间电流小于该平均电流时，降低该责任周期。

8.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述控制单元在该瞬间电流等于该平均电流时，维持该责任周期不变。

9.一种直流无刷马达转矩补偿方法，用于具有不对称负载的一直流无刷马达，其特征在于，包括如下步骤：根据多个位置信号决定多个直流无刷马达转子相对应的多个绝对位置；以及当该直流无刷马达转子在所述多个绝对位置其中之一时，检测流经一保护电阻的一平均电流与一瞬间电流的差异，并调整该第一绝对位置相对应的控制信号使得该瞬间电流可以接近该平均电流；

其中，一直流/交流逆变电路的一电源输入端与一接地端连接至该保护电阻，且该直流/交流逆变电路根据所述多个控制信号来产生相对应的多个驱动电流使得该直流无刷马达旋转与一位置检测电路产生相对应的多个位置信号。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，该些绝对位置是依据控制单元根据该位置检测电路输出的位置信号来决定。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述位置检测电路根据所述多个驱动电流产生多个位置信号。

12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，调整该至少一控制信号是调整该至少一控制信号的责任周期。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，当该瞬间电流大于该平均电流时，提高该责任周期。

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，当该瞬间电流小于该平均电流时，降低该责任周期。

15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，当该瞬间电流等于该平均电流时，该责任周期维持不变。

16.如权利要求9所述的方法，其特征在于，该瞬间电流是利用保护 电阻上的取样电压与保护电阻的比值而获得。

17.一种直流无刷马达的转矩补偿方法，其特征在于，该直流无刷马达具有一控制单元、一直流/交流逆变电路及一位置检测电路，其中，该控制单元具有一电压取样输入端用以连接该直流/交流逆变电路的一第二电源输入端，其中该第二电源输入端与一接地端之间连接一保护电阻，包括下列步骤：

该控制单元根据该位置检测电路所输出的多个位置信号决定直流无刷马达转子相对应的多个绝对位置；

该控制单元取样流经该保护电阻的一平均电流以及任一时刻的一瞬间电流；以及该控制单元判断该每一绝对位置流经该保护电阻上的该平均电流与该瞬时电流之间的关系来调整该每一绝对位置相对应的控制信号的脉波宽度，使得该瞬间电流可以接近该平均电流，其中当该瞬间电流大于该平均电流时，提高该脉波宽度，当该瞬间电流小于该平均电流时，降低该脉波宽度，否则该脉波宽度维持不变。 

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