CN102882468A - 马达变频设备、驱动装置及控制电路 - Google Patents

Abstract

一种马达变频设备、驱动装置及控制电路，该马达变频设备包含一马达及一驱动装置。该驱动装置适用于驱动该马达，且包括一驱动电压产生电路及一控制电路。该驱动电压产生电路受多个开关信号控制以输出一驱动该马达的呈多相的驱动电压。该控制电路具有一处理器，该处理器电连接于该驱动电压产生电路，预存一预设速度值，且接收一相关于该马达转速的反馈速度值，产生多个控制信号。再将所述控制信号以脉波宽度调变，产生所述开关信号，并比较该反馈速度值是否低于该预设速度值，以决定是否将该多个控制信号分别设定为一梯形波。该梯形波用于减少驱动电压的谐波，使马达能高速且稳定运转。

Description

马达变频设备、驱动装置及控制电路

技术领域

本发明涉及一种变频设备，特别是涉及一种马达变频设备、驱动装置及控制电路。

背景技术

近年来由于工业界的需求，使马达的转速快速提升至每分钟三十万转以上。传统上针对高速马达，是利用方波形式的开关信号，控制一功率电晶体模组的开关以输出一驱动电压。以三相马达为例，功率电晶体模组具有六个功率电晶体，每一功率电晶体均导通半个周期，使得马达每一相的电压呈现六步方波的形式。每一周期在马达的定子线圈提供了六个不连续的电压向量，其含有许多谐波成分，若用于驱动马达，会引起马达的转矩脉动（torque pulsation），低速运转时更为明显，故不适用于低速运转的场合。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抑制谐波的马达变频设备。

本发明马达变频设备包含一马达及一驱动装置。

该马达受一驱动电压驱动以产生一马达转速。

该驱动装置适用于驱动该马达，且包括一驱动电压产生电路及一控制电路。

该驱动电压产生电路受多个开关信号控制以输出该呈多相的驱动电压。

该控制电路具有一处理器，电连接于该驱动电压产生电路，预存一预设速度值，且接收一相关于该马达转速的反馈速度值，产生多个控制信号，再将所述控制信号以脉波宽度调变，产生所述开关信号，其中，该处理器比较该反馈速度值是否低于该预设速度值，当该反馈速度值小于该预设速度值时，将所述控制信号分别设定为一梯形波，当该反馈速度值大于该预设速度值时，将所述控制信号分别设定为一方波。

该梯形波具有一个基频成分及一个三倍频成分，该三倍频成分频率为该基频成分的三倍，振幅为该基频成分的六分之一。

该驱动电压产生电路包括一整流单元、一电压调整单元及一功率电晶体模组。

该整流单元接收一交流电并进行整流以输出一第一直流电。

该电压调整单元电连接该整流单元以接收该第一直流电，电连接该微处理器且受该微处理器控制以输出一第二直流电。

该功率电晶体模组具有多个互相并联且电连接该电压调整单元的开关单元，每个开关单元具有串联的一第一功率电晶体及一第二功率电晶体，该第一功率电晶体和该第二功率电晶体分别电连接该微处理器并受所述开关信号控制而导通或不导通，使得该第一功率电晶体和该第二功率电晶体之间输出或不输出该第二直流电，以驱动该马达旋转。

该预设速度值在每分钟十一万转到十四万转之间。

本发明的另一目的在于提供一种抑制谐波的驱动装置。

本发明驱动装置适用于驱动一马达，且包括一驱动电压产生电路及一控制电路。

该驱动电压产生电路受多个开关信号控制以输出一驱动该马达的呈多相的驱动电压。

该控制电路具有一处理器，电连接于该驱动电压产生电路，预存一预设速度值，且接收一相关于该马达转速的反馈速度值，产生多个控制信号，再将所述控制信号以脉波宽度调变，产生所述开关信号，其中，该处理器比较该反馈速度值是否低于该预设速度值，当该反馈速度值小于该预设速度值时，将所述控制信号分别设定为一梯形波，当该反馈速度值大于该预设速度值时，将所述控制信号分别设定为一方波。

该梯形波具有一个基频成分及一个三倍频成分，该三倍频成分频率为该基频成分的三倍，振幅为该基频成分的六分之一。

该驱动电压产生电路包括一整流单元、一电压调整单元及一功率电晶体模组。

该整流单元接收一交流电并进行整流以输出一第一直流电。

该电压调整单元电连接该整流单元以接收该第一直流电，电连接该微处理器且受该微处理器控制以输出一第二直流电。

该功率电晶体模组具有多个互相并联且电连接该电压调整单元的开关单元，每个开关单元具有串联的一第一功率电晶体及一第二功率电晶体，该第一功率电晶体和该第二功率电晶体分别电连接该微处理器并受所述开关信号控制而导通或不导通，使得该第一功率电晶体和该第二功率电晶体之间输出或不输出该第二直流电，以驱动该马达旋转。

该预设速度值在每分钟十一万转到十四万转之间。

本发明的又一目的在于提供一种抑制谐波的控制电路。

本发明控制电路适用于一驱动电压产生电路，该驱动电压产生电路受多个开关信号控制以输出一呈多相的驱动电压，该驱动电压用于驱动一马达。

该控制电路包含一侦测器及一处理器。

该侦测器电连接该马达以取得所述驱动电压，依驱动电压频率推算马达速度，以产生并输出相关于该马达转速的一反馈速度值。

该处理器电连接于该驱动电压产生电路，预存一预设速度值，且电连接于该侦测器以接收该反馈速度值，产生多个控制信号，再将所述控制信号以脉波宽度调变，产生所述开关信号，其中，该处理器比较该反馈速度值是否低于该预设速度值，当该反馈速度值小于该预设速度值时，将所述控制信号分别设定为一梯形波，当该反馈速度值大于该预设速度值时，将所述控制信号分别设定为一方波。

该预设速度值在每分钟十一万转到十四万转之间。

本发明的有益效果在于：利用梯形波减少驱动电压的谐波，使马达能高速且稳定运转。

附图说明

图1是本发明马达变频设备的较佳实施例的电路图；

图2是本较佳实施例的六个方波形式的控制信号时序图；

图3是本较佳实施例的六个梯形波形式的控制信号时序图；

图4是本较佳实施例的一梯形波、一类梯形波及一正弦波的波形图；

图5是本较佳实施例的一个梯形波控制信号、一个三角载波和一开关信号的波形图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

参阅图1，本发明马达变频设备的较佳实施例包含一马达3及一驱动装置4。

在本较佳实施例中，该马达3为一三相感应马达，受一呈多相的驱动电压驱动以产生一马达转速。在本实施例，该驱动电压为呈三相，包含三个相电压Va、Vb及Vc。

该驱动装置4适用于驱动该马达3，且包括一驱动电压产生电路2及一控制电路1。

该控制电路1具有一处理器18及一侦测器17。该侦测器17电连接马达3的三相输入端以取得所述相电压Va、Vb及Vc，依驱动电压频率推算马达速度，以产生并输出一反馈速度值。该反馈速度值也可利用设于马达3转轴上的速度感测装置（图未示）产生，该速度感测装置电连接该控制电路1以输出该反馈速度值。

该处理器18接收一输入速度指令并电连接该侦测器17以接收该反馈速度值，根据控制法则进行运算后，产生六个控制信号V1、V2、V3、V4、V5及V6（图未示），再将所述控制信号V1～V6以脉波宽度调变，产生六个开关信号11、12、13、14、15及16。

该驱动电压产生电路2电连接该处理器18以接收所述开关信号11～16，受所述开关信号11～16控制以输出所述相电压Va、Vb及Vc，用于驱动该高速马达3。该驱动电压产生电路2包括一整流单元22、一电压调整单元23及一功率电晶体模组24。

该整流单元22电连接一交流的电源21以接收一交流电并将其整流后输出一第一直流电。

该电压调整单元23电连接该整流单元22以接收该第一直流电，电连接该处理器18且受该处理器18控制以输出具有一预设电压值的一第二直流电。该电压调整单元可采用降压式转换器（Buckconverter），利用脉波宽度调变的方式，将高电压的第一直流电转换成较低压的第二直流电。

该功率电晶体模组24具有多个互相并联且电连接该电压调整单元23的开关单元241，每个开关单元241具有串联的一第一功率电晶体及一第二功率电晶体。该二功率电晶体分别电连接该处理器18并受所述开关信号11～16控制而导通或不导通，使得该二功率电晶体之间输出或不输出该第二直流电，作为所述相电压Va、Vb及Vc，以驱动该高速马达3旋转。

在本较佳实施例中，利用电压调整单元23调整所述相电压Va、Vb及Vc的振幅，功率电晶体模组24调整所述相电压Va、Vb及Vc的频率。然而亦可省略电压调整单元23，直接以功率电晶体模组24的切换调整所述相电压Va、Vb及Vc的振幅及频率。

脉波宽度调变的方式为：将每一控制信号与一三角载波比较，利用两者间的差异，当控制信号大于三角载波时，产生“导通”的开关信号；当控制信号小于三角载波时，产生“不导通”的开关信号。

限于目前功率晶体特性与马达磁性材料的损失，一般载波频率至多为10～15kHz。然而为维持驱动装置输出电压的品质，其载波频率至少需为弦波控制信号频率的19倍，因此传统的驱动装置多用于输出频率较低的系统如DC：600Hz。若要驱动每分钟三十万转的高速马达，弦波控制信号频率需为5kHz，载波频率将高至95KHz，目前功率晶体无法支援，且所造成的开关切换功率损失太大。

因此，在高转速时，该马达3以六步方波法驱动，所述控制信号为责任导通比为二分之一的方波，经脉波宽度调变后，所述开关信号11～16的波形和所述控制信号V1～V6相同，其时序如图2所示。

为了解决方波产生的谐波问题，在低速时，该控制电路1产生的所述控制信号V1～V6是以周期性弦波组成，其时序如图3所示。于本较佳实施例中，该周期性弦波具有一个基频成分及一个三倍频成分。该三倍频成分的频率为该基频成分的三倍，振幅为该基频成分的六分之一。

其中三个控制信号V1、V2、V3的电压相位各相差三分之一周期，表示式如下：

$V_1=V_0\×\sin \left(2\mathrm{\πf}\right)+\frac{V_0}{6}\×\sin (3\×2\mathrm{\πf})$

$V_2=V_0\×\sin (2\mathrm{\πf}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})+\frac{V_0}{6}\×\sin (3\×2\mathrm{\πf}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})$

$V_3=V_0\×\sin (2\mathrm{\πf}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})+\frac{V_0}{6}\×\sin (3\×2\mathrm{\πf}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})$

举例来说，如图5，当控制信号为梯形波时，进行脉波宽度调变，控制信号大于三角载波时，产生“导通”的开关信号；当控制信号小于三角载波时，产生“不导通”的开关信号。

同时，如图4，由于该类梯形波是由弦波组成，曲线较为平滑，谐波较少，相对于方波而言，可减少马达的转矩脉动。借由量测马达的三相电压可得知谐波的大小。

下表为控制信号为方波及类梯形波时，在各转速的总谐波失真比较：

由于马达的三相线圈具有电感，可视为低通滤波器。因此随着转速增加，控制信号的频率增加，在超过一定频率后，即使是方波也会因为高次谐波被滤除而能有接近弦波的表现。由上表可知，类梯形波在低转速表现较好，方波在高转速表现较好。依马达3及驱动装置4的不同，以每分钟十一万转到十四万转之间取一速度预设值，当该反馈速度值小于该预设速度值时，所述控制信号V1～V6采用梯形波。当该反馈速度值大于该预设速度值时，所述控制信号V1～V6采用周期性方波形式。

综上所述，上述实施例具有以下优点：

1.利用呈梯形的控制信号来减少谐波以适用于低速运转。

2.同时在马达3低转速与高转速时采用不同的方式驱动，使得该马达3在其运转区间皆能维持稳定运转。

以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利的范围。

Claims (10)

1.一种马达变频设备，其特征在于其包含：

一个马达，受一个驱动电压驱动以产生一个马达转速；及

一个驱动装置，适用于驱动该马达，该驱动装置包括：

一个驱动电压产生电路，受多个开关信号控制以输出该呈多相的驱动电压；及

一个控制电路，该控制电路具有：

一个处理器，电连接于该驱动电压产生电路，预存一预设速度值，且接收一个相关于该马达转速的反馈速度值，产生多个控制信号，再将所述控制信号以脉波宽度调变，产生所述开关信号，其中，该处理器比较该反馈速度值是否低于该预设速度值，当该反馈速度值小于该预设速度值时，将所述控制信号分别设定为一个梯形波，当该反馈速度值大于该预设速度值时，将所述控制信号分别设定为一个方波。

2.根据权利要求1所述的马达变频设备，其特征在于：该梯形波具有：

一个基频成分；及

一个三倍频成分，频率为该基频成分的三倍，振幅为该基频成分的六分之一。

3.根据权利要求1所述的马达变频设备，其特征在于：该驱动电压产生电路包括：

一个整流单元，接收一交流电并进行整流以输出一个第一直流电；

一个电压调整单元，电连接该整流单元以接收该第一直流电，电连接该微处理器且受该微处理器控制以输出一个第二直流电；及

一个功率电晶体模组，具有多个互相并联且电连接该电压调整单元的开关单元，每个开关单元具有串联的一个第一功率电晶体及一个第二功率电晶体，该第一功率电晶体和该第二功率电晶体分别电连接该微处理器并受所述开关信号控制而导通或不导通，使得该第一功率电晶体和该第二功率电晶体之间输出或不输出该第二直流电，以驱动该马达旋转。

4.根据权利要求1所述的马达变频设备，其特征在于；该预设速度值在每分钟十一万转到十四万转之间。

5.一种驱动装置，用于驱动一个马达，其特征在于其包含：

一个驱动电压产生电路，受多个开关信号控制以输出一个呈多相的驱动电压；及

一个控制电路，该控制电路具有：

一个处理器，电连接于该驱动电压产生电路，预存一个预设速度值，且接收一个相关于该马达转速的反馈速度值，产生多个控制信号，再将所述控制信号以脉波宽度调变，产生所述开关信号，其中，该处理器比较该反馈速度值是否低于该预设速度值，当该反馈速度值小于该预设速度值时，将所述控制信号分别设定为一个梯形波，当该反馈速度值大于该预设速度值时，将所述控制信号分别设定为一个方波。

6.根据权利要求5所述的驱动装置，其特征在于：该梯形波具有：

一个基频成分；及

一个三倍频成分，频率为该基频成分的三倍，振幅为该基频成分的六分之一。

7.根据权利要求5所述的驱动装置，其特征在于：该驱动电压产生电路包括：

一个整流单元，接收一交流电并进行整流以输出一个第一直流电；

一个电压调整单元，电连接该整流单元以接收该第一直流电，电连接该微处理器且受该微处理器控制以输出一个第二直流电；及

一个功率电晶体模组，具有多个互相并联且电连接该电压调整单元的开关单元，每个开关单元具有串联的一个第一功率电晶体及一个第二功率电晶体，该第一功率电晶体和该第二功率电晶体分别电连接该微处理器并受所述开关信号控制而导通或不导通，使得该第一功率电晶体和该第二功率电晶体之间输出或不输出该第二直流电，以驱动该马达旋转。

8.根据权利要求5所述的驱动装置，其特征在于：该预设速度值在每分钟十一万转到十四万转之间。

9.一种控制电路，适用于一个驱动电压产生电路，该驱动电压产生电路受多个开关信号控制以输出一个呈多相的驱动电压，该驱动电压用于驱动一个马达，该控制电路的特征在于其包含：

一个侦测器，电连接该马达以取得所述驱动电压，依驱动电压频率推算马达速度，以产生并输出相关于该马达转速的一个反馈速度值；及

一个处理器，电连接于该驱动电压产生电路，预存一个预设速度值，且电连接于该侦测器以接收该反馈速度值，产生多个控制信号，再将所述控制信号以脉波宽度调变，产生所述开关信号，其中，该处理器比较该反馈速度值是否低于该预设速度值，当该反馈速度值小于该预设速度值时，将所述控制信号分别设定为一个梯形波，当该反馈速度值大于该预设速度值时，将所述控制信号分别设定为一个方波。

10.根据权利要求9所述的控制电路，其特征在于；该预设速度值在每分钟十一万转到十四万转之间。

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