CN102437804A - 无感测无刷直流马达电流回授转速控制方法及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一无感测无刷直流马达电流回授转速控制方法及其驱动方法，其在电流回路中利用速度回路产生电流命令大小，与估测转子磁极的位置，来产生电流回路的命令，且利用电流传感器来回授三相电流信号，以完成电流回授控制。本发明是利用三相方波或弦波电流的产生于特定相电流接近零处浮接，使反电动势零交越点侦测单元得以利用此特定相浮接区间，进行换相信号侦测以提供三相驱动信号换相信息，如此可使反电动势与相电流相互垂直，以完成无感测无刷直流马达电流回授转速控制。本发明可改善输出电流的功率消耗及提高操控效率。

Description

无感测无刷直流马达电流回授转速控制方法及其驱动方法

技术领域

本发明涉及一种无感测无刷直流马达(sensorless brushless DC motor)电流回授转速控制方法(current feedback speed control method)，特别是涉及一种无感测无刷直流马达通过转子磁极位置估测，搭配三相方波或弦波驱动信号，与三相电流回授信号产生电流控制命令，使反电动势与相电流相互垂直的马达转速控制方法。

背景技术

无刷直流马达以换流器开关取代电刷换相片进行换相驱动，而马达转子位置传感器(如霍尔传感器)易受温度变化影响导致其操作场合受限，故必须运用无感测控制方法。目前普遍的无感测无刷直流马达驱动方法，仅利用马达三相电压命令做为马达驱动信号，然而，当使用电压驱动命令应用于无感测转速控制上，其反电动势与相电流之间不为垂直，此情形会导致马达无法于负载变动时提供最佳转矩输出，因此，马达在负载变动时会产生电流较大、效率较差及消耗功率较高等问题。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种无感测无刷直流马达电流回授转速控制方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

在电流回路中，利用速度回路来产生电流命令大小，并估测转子磁极的位置来产生所述电流回路的命令；以及

利用电流传感器来回授三相电流信号，以完成电流回授控制。

本发明的目的之二在于提供一种无感测方波驱动方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

在导通区间，提供固定长度的方波电流命令来驱动马达；

于特定相电流接近零时，将所述方波电流命令浮接；以及

于所述浮接区间进行一反电动势零交越点侦测，并估测转子磁极位置。

本发明的目的之三在于提供一种无感测弦波驱动方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

在导通区间，提供固定长度的弦波电流命令来驱动马达；

于特定相电流接近零时，将所述弦波电流命令浮接；以及

于所述浮接区间进行一反电动势零交越点侦测，并估测转子磁极位置。

本发明的无感测无刷直流马达电流回授转速控制架构包含转速回授控制器、PI控制器、三相方波或弦波电流的产生、电流回授控制器、脉波宽度调变单元、换流器、无刷直流马达本体、反电动势零交越点侦测单元、转速估测单元、转子磁极位置估测单元。

本发明的主要目的是在于提供一种新型无感测无刷直流马达驱动控制方法，此方法包含三相方波与弦波驱动信号应用范围，于马达特定相的相电流接近零时，将此特定相浮接，进行反电动势零交越点侦测，以估测转子磁极位置，并将三相电流回路信号回授，以产生三相方波或弦波电流控制命令，完成无感测无刷直流马达电流回授转速控制之目的。

本发明是利用该三相方波或弦波电流的产生制作三相各别相差120度的电流命令驱使无刷直流马达运转，并由三相方波或弦波电流的产生于特定相电流接近零处浮接，使反电动势零交越点侦测单元得以通过此特定相浮接区间，进行换相信号侦测以提供三相驱动信号换相信息，同时通过此换相信号计算目前马达转速并与转速命令互相比较，以控制无刷直流马达得以定速运转。于本发明中，以估测转子磁极位置，并加入三相电流回授产生三相电流控制命令，使反电动势与相电流之间相互垂直。

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：

附图说明

图1显示依据本发明的无感测无刷直流马达电流回授转速控制系统的方块图；

图2显示依据本发明的三相无传感器无刷直流马达及换流器等效电路图；

图3显示依据本发明的无传感器无刷直流马达三相方波的电流命令图；以及

图4显示依据本发明的无传感器无刷直流马达三相弦波的电流命令图。

具体实施方式

以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「侧面」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。

在本发明的无感测无刷直流马达电流回授转速控制方法中，请参阅第1图，其为完整闭回路转速控制器的系统方块图，其包含转速回授控制器10、PI控制器20、三相方波或弦波电流的产生器30(signal generator)、电流回授控制器(current feedback controller)40、脉波宽度调变单元(current feedbackcontrol unit)50、换流器(converter)60、无刷直流马达本体70、反电动势零交越点侦测单元80、转子磁极位置估测单元81、转速估测单元90，当无刷直流马达70转动时，通过抓取马达三相电压至反电动势零交越点侦测单元80，当欲进行马达三相反电动势零交越点侦测时，于方波驱动时，三相无感测方波驱动信号于特定相电流接近零处Za、Zb、Zc设定为浮接(请参阅第3图)，于弦波驱动时，三相无感测弦波驱动信号于特定相电流接近零处Zu、Zv、Zw设定为浮接(请参阅第4图)，利用此特定相浮接(floating state)方式，以侦测相反电动势零交越点，若侦测出该相反电动势零交越点(back-EMFzero-crossing point)，则输出换相信号至转速估测单元90计算此时马达的实际转速。

请再参阅第1图，当马达实际转速获得后，其与转速命令一同输入至转速回授控制器10中，转速回授控制器10将马达目前实际转速与转速命令互相比较，并输出一转速误差信号至PI控制器20中，利用PI控制器20中调整比例和积分参数值以改善系统瞬时与稳态时的响应情形，PI控制器20输出一电流命令大小(magnitude of current command)至三相方波或弦波电流的产生器30。

请再参阅第1图，当换相信号产生时，其会输入至转子磁极位置估测单元81中，通过换相信号来估测无刷直流马达转子目前所在的位置与角度，因此，转子磁极位置估测单元81会送出对应于三相转子磁极位置信号至三相方波或弦波电流的产生30，同时，三相电流回授信号会输入至电流回授控制器40，其会根据输入的三相方波或弦波电流信号与电流回授信号制作出三相U、V、W各别相差120度的电流控制命令。于本发明中，通过转子磁极位置估测的方式，产生马达转子磁极位置信息，三相方波或弦波电流的产生30依据马达转子磁极位置信息，产生三相电流信号，并将三相电流信号输入至电流回授控制器40，同时系统也利用电流传感器将三相电流回授信号41输入至电流回授控制器40中，电流回授控制器40会将三相方波或弦波电流信号与三相电流回授信号相互比较，输入至脉波宽度调变单元50，使相电流与反电动势之间互相垂直。

请再参阅第1图，于脉波宽度调变单元50中，三相电流控制信号将各别与锯齿波互相比较，以得到三相脉波宽度调变信号，依据此三相脉波宽度调变信号产生六颗切换开关的导通时序，于换流器60中其根据前述的切换开关的导通时序，依序控制三相上下臂六颗开关的工作情形，以决定马达三相工作周期宽度和反电动势零交越点时特定相浮接区间控制。

本发明是利用三相方波或弦波电流的产生30制作三相各别相差120度的驱动信号驱使无刷直流马达70运转，并由三相方波或弦波电流的产生30于特定相电流接近零处浮接，使反电动势零交越点侦测单元80得以通过此特定相浮接区间，进行换相信号侦测以提供三相驱动信号换相信息。本发明利用换相信号进行马达转子磁极位置估测，将估测结果送至三相方波或弦波电流的产生30，并通过电流传感器量测三相回授电流信号，电流回授控制器40利用转子磁极位置估测与电流回授的方式，产生三相方波或弦波电流控制命令，使反电动势与相电流之间相互垂直，于输出负载变动时，能提供输出端所需要的输出转矩。

请参阅第2图，其是一无感测无刷直流马达与换流器的等效电路图，通过控制换流器六颗开关U_p、V_p、W_p、U_n、V_n、W_n的导通顺序，以决定电源端电压所提供的直流电流经三相无刷直流马达电枢路径，并控制马达转动的方向与转速。于无感测组件实施例中，无刷直流马达换相点的决定方式是将U～W三相的特定相浮接，以三相电压V_u、V_v、V_w中的特定相，侦测其所对应的反电动势电压Eu、Ev、Ew，当特定相反电动势的零交越点判断确立，则此特定相进行换相并送出此特定相驱动信号，三相无感测无刷直流马达通过此种方式进行换相点侦测，并且不断重复使马达持续运转。

当进行无感测方波驱动换相点侦测时，请参阅第3图，其是一三相无感测方波电流命令实施例，其中，三相电流命令导通角度各别相差120度，于三相导通区间U_s、V_s、W_s，各相方波信号于导通区间内持续送出一固定长度的电流命令至无刷直流马达电枢，使其定子产生磁极驱使马达转子转动。当各相导通区间结束后，则该相方波电流命令进入浮接区间Za、Zb、Zc，此时特定相于浮接区间，另两相方波电流命令仍正常导通，故通过此特定相浮接区间进行反电动势零交越点侦测，以判断该特定相的换相点是否到达。如图例，于Za区间，U相无感测方波电流命令浮接，V相及W相无感测方波电流命令则分别为Vs和Ws导通区间，由于U相上下臂开关皆关闭，马达驱动信号于V相及W相间导通，故此时可利用U相电压浮接侦测U相反电动势，若其反电动势结果为经过零交越点，则产生一U相换相信号使系统送出该相下一周期的方波电流命令，于Zb及Zc区间的反电动势零交越点侦测也是重复上述过程，以正确产生该特定相换相信号，维持马达正常运转。

当进行无感测弦波驱动换相点侦测时，请参阅第4图，其是一三相无感测弦波电流命令实施例，其中，三相电流命令导通角度各别相差120度，于三相导通区间Ut、Vt、Wt，各相弦波信号于导通区间内持续送出一固定长度的电流命令至无刷直流马达电枢，使其定子产生磁极驱使马达转子转动。当各相导通区间结束后，则该相弦波电流命令进入浮接区间Zu、Zv、Zw，此时特定相于浮接区间，另两相弦波电流命令仍正常导通，故通过此特定相浮接区间进行反电动势零交越点侦测，以判断该特定相的换相点是否到达。如图例，于Zu区间，U相无感测弦波电流命令浮接，V相及W相无感测弦波电流命令则分别为Vt和Wt导通区间，由于U相上下臂开关皆关闭，马达驱动信号于V相及W相间导通，故此时可利用U相电压浮接侦测U相反电动势，若其反电动势结果为经过零交越点，则产生一U相换相信号使系统送出该相下一周期的弦波电流命令，于Zv及Zw区间的反电动势零交越点侦测也是重复上述过程，以正确产生该特定相换相信号，维持马达正常运转。

综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但所述优选实施例并非用以限制本发明，所述领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。

Claims (3)

1.一种无感测无刷直流马达电流回授转速控制方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

在电流回路中，利用速度回路来产生电流命令大小，并估测转子磁极的位置来产生所述电流回路的命令；以及

利用电流传感器来回授三相电流信号，以完成电流回授控制。

2.一种无感测方波驱动方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

在导通区间，提供固定长度的方波电流命令来驱动马达；

于特定相电流接近零时，将所述方波电流命令浮接；以及

于浮接区间进行一反电动势零交越点侦测，并估测转子磁极位置。

3.一种无感测弦波驱动方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

在导通区间，提供固定长度的弦波电流命令来驱动马达；

于特定相电流接近零时，将所述弦波电流命令浮接；以及

于浮接区间进行一反电动势零交越点侦测，并估测转子磁极位置。

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