CN103580552A - 马达减速方法及应用该减速方法的马达驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种马达减速方法及应用该减速方法的马达驱动装置，马达驱动装置包括一储能单元以及一控制单元，并输出一驱动信号以控制马达，控制单元用以控制驱动信号的一驱动频率，马达减速方法包括以下步骤：控制驱动频率为零；利用控制单元控制驱动频率以线性方式增加；检测储能单元的一端电压差是否上升至一预设电压值，若是，则调整驱动信号以使端电压差保持于预设电压值；以及持续降低驱动频率，以控制马达减速。

Description

马达减速方法及应用该减速方法的马达驱动装置

技术领域

本发明关于一种利用控制输出至马达的驱动频率使马达减速的马达减速方法及应用该减速方法的马达驱动装置。

背景技术

请参照图1所示，其为现有的一种三相交流感应马达的驱动示意图。三相交流感应马达的驱动系统包含一三相交流电源、一马达驱动器1以及一三相感应马达。其中，马达驱动器1可利用脉宽调变（pulse width modulation,PWM）的技术来控制其转换器输出的驱动信号的振幅及频率，以控制马达的转速。当提高驱动信号的输出频率时可使马达加速，当降低驱动信号的输出频率可以使马达减速。

另外，为了协助感应马达运作后减速过程能量的转换，如图1所示，现有使用一刹车装置11（Braking device），以消化马达减速时的反馈动能。刹车装置11可以是一刹车电阻或一刹车能量反馈装置（Regenerator）。其中，刹车电阻的作用将马达减速时的反馈动能转换成热能消耗掉，而刹车能量反馈装置则可将马达减速时的反馈动能再度转换成三相电流反馈至电源端。

然而，以刹车电阻将减速时的反馈动能转换成热能消耗时，除了刹车电阻本身的设置成本外，在某些环境下恐怕会增加工安事件的风险。例如存有大量易燃物品的环境中，如果刹车电阻产生热量，可能会有发生火灾的风险。另外，若加装刹车能量反馈装置时亦会显著增加设置成本，而且在马达需要快速停止的状况下，例如发生意外事故需紧急停止时，马达减速时的反馈动能若没有被妥善的转换或消耗的话，容易造成马达驱动器1因保护机制启动而当机，严重时甚至会造成马达驱动器1的故障。

另外，于现有技术中，另提出了一种阶段式降低输出频率来达到马达减速的方法，其具有可有效在无任何外接刹车装置的情况下，达成快速停止马达的功能。但该方法与马达本身的规格与结构有关，换句话说，频率的操作点将依马达或整体系统线路配置的不同而有所差异，因此，阶段式降低的频率量值并不容易决定。另外，若频率降低量设定错误，则会使该方法的减速能力大打折扣。

因此，如何提供一种马达减速方法及马达驱动装置，可在无任何外接刹车装置的情况下快速停止马达，已成为重要课题之一。

发明内容

有鉴于上述课题，本发明的目的为提供一种可在无任何外接刹车装置的情况下快速停止马达的马达减速方法及应用该减速方法的马达驱动装置。

为达上述目的，依据本发明的一种马达减速方法与一马达驱动装置配合，而马达驱动装置包括一储能单元以及一控制单元，并输出一驱动信号以控制马达，另外，控制单元控制驱动信号的一驱动频率。马达减速方法包括以下步骤：控制驱动频率为零、利用控制单元控制驱动频率以线性方式增加、检测储能单元的一端电压差是否上升至一预设电压值，若是，则调整驱动信号以使端电压差保持于预设电压值；若否，则待驱动频率上升至一预设频率值，开始降低驱动频率，并调整驱动信号以使端电压差保持于一当前电压值，以及持续降低驱动频率，以控制马达减速。其中，控制驱动频率为零利用暂时停止输出驱动信号。另外，控制单元控制驱动频率从零开始以线性方式增加，或从一预设值开始以线性方式增加。

在本发明一较佳实施例中，控制单元降低驱动频率，并使马达减速至停止。另外，储能单元可为一电容，且当马达停止转动或驱动频率降低至零后，储能单元通过马达驱动装置的线路耗能以降低端电压差，使电压差降回上升前的状态。

为达上述目的，依据本发明的一种马达驱动装置可驱动一马达，并包括一储能单元、一换流单元以及一控制单元。换流单元与储能单元电性连接，并输出一驱动信号驱动马达。控制单元电性连接换流单元，并检测驱动信号及储能单元的一端电压差。其中，当马达减速时，控制单元可控制换流单元，并暂时停止输出驱动信号后，再控制驱动频率以线性方式增加，且当端电压差上升至一预设电压值时，控制单元调整驱动信号以使端电压差保持于预设电压值，并持续降低驱动频率，以控制马达减速。其中，控制单元控制驱动频率从零开始以线性方式增加，或从一预设值开始以线性方式增加。另外，当端电压差未上升至预设电压值之前，且驱动频率上升至一预设频率值时，控制单元开始降低驱动频率，并调整驱动信号以使端电压差保持于一当前电压值。此外，控制单元降低驱动频率，并使马达减速至停止。

在本发明一较佳实施例中，控制单元利用暂时停止输出驱动信号。另外，储能单元可为一电容，且当马达停止转动或驱动频率降低至零后，储能单元通过马达驱动装置的线路耗能，继续降低端电压差至上升前的状态。

在本发明一较佳实施例中，马达驱动装置更可包括一整流单元与储能单元电性连接，整流单元可将一交流信号转换为一直流信号并输入储能单元。

承上所述，因依据本发明的马达减速方法与马达驱动装置配合，而马达减速方法包括以下步骤：控制驱动频率为零；利用控制单元控制驱动频率以线性方式增加；检测储能单元的一端电压差是否上升至一预设电压值，若是，则调整驱动信号以使端电压差保持于预设电压值；以及持续降低驱动频率，以控制马达减速。藉此，可在硬件无任何外接刹车装置的情况下，以马达驱动装置的内部元件来消耗或以储能元件暂存马达减速时反馈的动能，以协助马达达成快速减速及停止的目的。

另外，本发明的马达减速方法及马达驱动装置可不受马达额定容量的影响，并可在使用相同的操作控制下对不同马达进行减速操作。此外，本发明的马达减速的方法并没有通过阶段式的不连续命令来控制驱动频率而达到减速的目的，因此，也不会发生马达或整体系统在急速减速过程中抖动的情况。

附图说明

图1为现有的一种三相交流感应马达的驱动示意图；

图2A为本发明的一较佳实施例中，包含马达驱动装置的系统方块图；

图2B为本发明于一较佳实施例中的马达减速方法的步骤流程图；

图3A至图3C为应用本发明的马达驱动装置的马达减速机制的不同示意图；以及

图4为本发明于一较佳实施例中的马达驱动装置控制马达减速时，马达的转矩相对于滑差的示意图。

其中，附图标记说明如下：

1：马达驱动器；

11：刹车装置；

2：马达驱动装置；

21：储能单元；

22：换流单元；

23：控制单元；

24：整流单元；

a～f：时间点；

AC：交流信号；

DC：直流信号；

DS：驱动信号；

Fint：预设值；

Fs：预设频率值；

M：马达；

O：原点；

S01～S05、S041、S042：步骤；

V：伏特计；

Vp：当前电压值；

Vs：预设电压值。

具体实施方式

以下将参照相关图式，说明依本发明较佳实施例的一种马达减速方法及马达驱动装置，其中相同的元件将以相同的参照符号加以说明。

请参照图2A所示，其为本发明的一较佳实施例中，包含马达驱动装置2的系统方块图。

如图所示，本发明的马达驱动装置2可接收一交流电源，并可输出一驱动信号DS以控制一马达M转动。另外，本发明的马达减速方法与马达驱动装置2配合，以使马达M减速至停止。其中，于本较佳实施例中，马达M为一三相感应马达，而交流电源可为一三相交流电压源，例如市电。

马达驱动装置2包括一储能单元21、一换流单元22、一控制单元23以及一整流单元24。

储能单元21为一电容，换流单元22与储能单元21电性连接，并可输出驱动信号DS以驱动马达M转动。于此，换流单元22为一直流交流转换器（DC/AC converter），并可接收储能单元21两端的一端电压差，以转换成驱动马达M的交流驱动信号DS。其中，换流单元22可由绝缘栅双极晶体管（Insulate-Gate Bipolar Transistor,IGBT）或其它功率晶体管所构成。

控制单元23电性连接换流单元22，并可检测驱动信号DS及储能单元21的端电压差。于此，如图2A所示，通过一伏特计V跨接于储能单元21的二端，以检测储能单元21的端电压差，并将信号输入控制单元23，使控制单元23可控制换流单元22，进而可控制驱动信号DS的驱动频率及其振幅。其中，控制单元23可通过硬件、软件、或固件、或其组合来构成，并可通过脉宽调变（PWM）的技术来控制换流单元22中的多个晶体管开关进行切换，藉此可控制其输出的驱动信号DS的驱动频率及其振幅。

整流单元24与储能单元21电性连接，整流单元24可将交流电源输出的一交流信号AC转换为一直流信号DC，并输入储能单元21。其中，在换流单元22未开始作用前，储能单元21会储存来自交流电源的能量，直至饱和而维持一稳定的电压差。在本实施例中，整流单元24为一交流直流转换器（AC/DC converter），并可将交流电源输出的交流信号AC整流成直流信号DC，并输入储能单元21。其中，整流单元24例如可为一桥式整流器。

另外，请参照图2B及图3A所示，其中，图2B为本发明于一较佳实施例中的马达减速方法的步骤流程图，而图3A为应用本发明的马达驱动装置2的马达减速机制示意图。

如图2B及图3A所示，当马达驱动装置2于时间点a接到命令时（例如可利用一数位操作器（图未显示）电性连接至控制单元23，以通过数位操作器对控制单元23下达减速命令），马达M的减速方法可包括以下步骤S01～步骤S05及步骤S041～步骤S042。

于步骤S01中，控制驱动信号DS的驱动频率为零。于此，当快速减速命令下达时（于时间点a），利用控制单元23控制换流单元22，使换流单元22暂时停止输出驱动信号DS（即暂时关闭马达驱动装置2的输出，使其不输出驱动信号DS），以使驱动频率立刻降为零。此时，储能单元21的端电压差亦跟着降低。于此，若没有关闭马达驱动装置2的输出，以消除马达M的激磁的话，则减速启动的瞬间，储能单元21的端电压差随即会上升。暂时关闭的动作即是要停止对马达M输入电流，以停止对马达M进行激磁的行为。

接着，进行步骤S02，利用控制单元23控制驱动频率以线性方式增加。于此，如图3A所示，于时间点b时启动速度追踪功能。其中，时间点b与时间点a之间的时间差可依马达M特性的不同来调整，并可由使用者由外部预先设定，或可由马达控制程式来决定，藉此时间差，可避免储能单元21的端电压差先上升后再下降。在本实施例中，速度追踪功能是于时间点b时，控制单元23控制换流单元22输出的驱动信号DS的驱动频率由零逐渐线性增加，且于时间点c之后，储能单元21的端电压差随着驱动频率的上升而明显升高，亦即马达M刹车时的动能开始反馈至马达驱动装置2而使储能单元21的端电压差上升。

另外，请参照图3B所示，其为应用本发明于另一较佳实施例中的马达减速机制的不同示意图。

在本实施例中，可在减速命令下达前（即时间点a之前），在马达闭回路控制状况下，通过估测马达参数与即时量测的电压/电流等信息，先行估算出马达M的即时转速以及无能量回灌（即全部能量皆由马达线路消耗的状况下）的操作点（转矩等于零的操作点）。

因此，本发明可例如以软件、硬件或固件，或其组合等方式，在闭回路控制的状况下先进行马达参数及系统参数的估测，以决定驱动频率的一预设值Fint。其中，马达参数及系统参数可包含：马达定子与转子的电路参数（即电阻、漏感或互感等）、马达的铁损、铜损或摩擦损等、马达定子与转子的电流或磁场，以及马达转子转速估测值等，并可代入马达转矩等于零的运算式，经计算而可得出操作点的滑差值，并以此滑差值搭配估测转速，反推得到频率的预设值Fint。

另外，于速度追踪功能时（即图3B的时间点b到时间d之间），控制驱动频率增加或持平可由使用者依需求来自订。于此，如图3B所示，于时间点b时，控制单元23控制输出的驱动频率为预设值Fint，并于时间点c之后，如上述的步骤S02所示，可利用控制单元23控制驱动频率以预设值Fint的频率开始以线性方式增加，此时，储能单元21的端电压差亦随着驱动频率的上升而升高。通过控制驱动频率以预设值Fint开始，若预设值Fint准确预估马达M最大消耗点，则可进一步缩短马达M的减速时间。

请再参照图3A所示，于时间点c时，储能单元21的端电压差因马达M减速时能量的回灌而开始上升，除马达M本身的损耗以外，储能单元21的端电压差上升代表此时马达M有负转矩产生，且马达M转动的动能有部份以电能的形式回灌到马达驱动装置2内，此回灌的电能可同时被马达驱动装置2的线路消耗及储存于储能单元21，因此，于时间点c至时间点d的期间，马达M的减速效果较好（如图3A的马达转速的曲线向下弯的斜率变大、较陡）。

接着，进行步骤S03，检测储能单元21的端电压差是否上升至一预设电压值Vs，若是，则执行步骤S04，调整驱动信号DS以使端电压差保持于预设电压值Vs。若否，则执行步骤S041、S042。

如图3A所示，在本实施例中，当马达M减速回灌的电能持续储存于储能单元21而使得储能单元21的端电压差上升至预设电压值Vs时（于时间点d时），则控制单元23可控制及调整驱动信号DS的驱动频率，以使储能单元21的端电压差保持在预设电压值Vs而不变化，其中，预设电压值Vs称为智能减速电压电平（Smart stall voltage level）。换言之，马达驱动装置2以预设电压值Vs为控制基准执行智能减速。其中，智能减速为保持储能单元21的端电压差的电压，使马达驱动装置2不会启动保护机制而关闭驱动装置输出，因而失去控制功能，让马达驱动装置2可维持控制的能力，以持续执行减速的命令。

另外，于步骤S03中，若因马达M反馈的动能不足以让储能单元21的端电压差上升到预设电压值Vs时（该状况也代表需马达Ｍ减速时需消耗的动能较小，或储能单元21的电容值较大，可以储存较多电量），则执行步骤S041及步骤S042。如图3C所示，待驱动信号DS的驱动频率上升至一预设频率值Fs时，则控制单元23开始控制并调整降低驱动信号DS的驱动频率，以使储能单元21的端电压差保持于一当前电压值Vp，并开始智能减速，其中，预设频率值Fs可称为智能减速频率电平（Smart stall frequency level）。换言之，于时间点d开始，控制单元23线性地降低驱动信号DS的驱动频率，并使马达M的转速持续地降低。其中，所谓当前电压值Vp就是于时间点d时，驱动频率上升至预设频率值Fs的当时，储能单元21所保有的电压值。

接着进行步骤S05，持续降低驱动频率，以控制马达M减速。于此，如图3A～图3C所示，于时间点d开始，控制单元23线性、且持续降低驱动信号DS的驱动频率，并使马达M的转速持续地降低至停止（于时间点e时，马达M的转速为零）。

当马达M于时间点e时停止转动或驱动频率降低至零后，储能单元21储存的电能会由马达驱动装置2内部元件的内阻进行耗能（储能单元21的端电压差下降），并于时间点f降回原来的直流电平，且系统回复到正常状态。其中，于时间点e时，马达M已快速减速至停止，因此，储能元件21储存的电能将释放出而被马达驱动装置2的内部元件消耗掉，故储能元件21的电压下降。其中，时间点e到时间点f的时间差可由马达驱动装置2的线路来决定。

另外，请参照图4所示，其为本发明于一较佳实施例中的马达驱动装置2控制马达M减速时，马达M的转矩相对于滑差的示意图。其中，不同马达转速对应不同转矩曲线，转速愈慢，相对应的转矩曲线愈往原点靠近。

本发明的马达减速方式可通过动态操作马达M于负滑差区（即图4的右半平面）。如图3A及图4所示，于时间点a开始进行马达减速时，随着控制命令的频率上升，依据定义，滑差会从负无限大逐渐上升，往原点O快速移动。同样的马达转速下，一旦滑差值移动到负转矩区时，代表转动能量开始由马达往驱动装置回流。此时，如同在非减速操作时，储能单元21通过整流单元24储存来自交流电源能量的状况，储能单元21会开始储存来自马达M回灌的能量（此时感应马达等同于一感应发电机）。不同于通过整流单元24储存来自交流电源能量的状况，此能量会依转动动能转换而成的电能大小，不断的对储能单元21充电，致使储能单元21的端电压上升。本发明的减速机制中，包含监控储能单元21的端电压差，直到储能单元21的端电压差上升至预设电压值Vs（即智能减速电压电平），或输出的驱动频率上升至预设频率值Fs（即智能减速频率电平）时，固定操作点。随着马达M的转速逐渐降低，转矩与滑差对应的曲线也会逐渐往原点O的方向移动（如实线箭头的方向所示），随着转矩与滑差对应的曲线的移动，为维持固定操作点以使储能单元21的端电压差维持在智能减速电压电平，马达M的操作频率也会随之降低，直到马达M停止为止。

经由实测证明，本发明可在操作模式为开路模式下（即电压／频率控制模式下），且硬件无任何外接刹车装置的情况下，以马达驱动装置2的内部线路来消耗，或以储能元件21暂存马达M减速时反馈的动能，以协助马达M达成快速减速及停止的目的。另外，与现有技术相较，本发明的马达减速方法及马达驱动装置2可不受马达M额定容量大小的影响，可在使用相同的控制方式来对不同马达进行减速操作，亦即相同的操作控制方式可应用于不同容量的马达减速。此外，本发明的马达减速的方法并没有通过阶段式的不连续命令来控制驱动频率而达到减速的目的，因此，也不会发生马达M或整体系统在急速减速过程中抖动的情况。

综上所述，因依据本发明的马达减速方法与马达驱动装置配合，而马达减速方法包括以下步骤：控制驱动频率为零；利用控制单元控制驱动频率以线性方式增加；检测储能单元的一端电压差是否上升至一预设电压值，若是，则调整驱动信号以使端电压差保持于预设电压值；以及持续降低驱动频率，以控制马达减速。藉此，可在硬件无任何外接刹车装置的情况下，以马达驱动装置的内部元件来消耗或以储能元件暂存马达减速时反馈的动能，以协助马达达成快速减速及停止的目的。

另外，本发明的马达减速方法及马达驱动装置可不受马达额定容量的影响，并可在使用相同的操作控制下对不同马达进行减速操作。此外，本发明的马达减速的方法并没有通过阶段式的不连续命令来控制驱动频率而达到减速的目的，因此，也不会发生马达或整体系统在急速减速过程中抖动的情况。

以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于所附的申请专利权利要求范围中。

Claims (13)

1.一种马达减速方法，与一马达驱动装置配合，该马达驱动装置包括一储能单元以及一控制单元，并输出一驱动信号以控制该马达，该控制单元控制该驱动信号的一驱动频率，该马达减速方法包括：

（A）、控制该驱动信号的该驱动频率为零；

（B）、利用该控制单元控制该驱动频率以线性方式增加；

（C）、检测该储能单元的一端电压差是否上升至一预设电压值，若是，则调整该驱动信号以使该端电压差保持于该预设电压值；以及

（D）、持续降低该驱动频率，以控制该马达减速。

2.如权利要求1所述的马达减速方法，其中于步骤（B）中，该驱动频率从零开始以线性方式增加，或从一预设值开始以线性方式增加。

3.如权利要求1所述的马达减速方法，其中于步骤（C）中，若否，则待该驱动频率上升至一预设频率值，开始降低该驱动频率，并调整该驱动信号，以使该端电压差保持于一当前电压值。

4.如权利要求1所述的马达减速方法，其中该控制单元降低该驱动频率，并使该马达减速至停止。

5.如权利要求1所述的马达减速方法，其中当该马达停止转动或该驱动频率降低至零后，该储能单元通过该马达驱动装置的线路降低该端电压差。

6.如权利要求1所述的马达减速方法，其中该储能单元为一电容。

7.如权利要求1所述的马达减速方法，其中于步骤（A）中，利用暂时停止输出该驱动信号，以使该驱动频率为零。

8.一种马达驱动装置，驱动一马达，该马达驱动装置包括：

一储能单元；

一换流单元，与该储能单元电性连接，并输出一驱动信号驱动该马达；以及

一控制单元，电性连接该换流单元，并检测该驱动信号及该储能单元的一端电压差，

其中，该控制单元控制该换流单元，并使该驱动信号的一驱动频率为零后，再控制该驱动频率以线性方式增加，且当该端电压差上升至一预设电压值时，该控制单元调整该驱动信号的该驱动频率，以使该端电压差保持于该预设电压值，并持续降低该驱动频率，以控制该马达减速。

9.如权利要求8所述的马达驱动装置，其中该控制单元控制该驱动频率从零开始以线性方式增加，或于该控制单元使该驱动频率为零后直接以一预设值开始以线性方式增加。

10.如权利要求8所述的马达驱动装置，其中当该端电压差未上升至该预设电压值之前，该驱动频率上升至一预设频率值时，该控制单元开始降低该驱动频率，并调整该驱动信号以使该端电压差保持于一当前电压值。

11.如权利要求8所述的马达驱动装置，其中该控制单元降低该驱动频率，并使该马达减速至停止。

12.如权利要求8所述的马达驱动装置，其中当该马达停止转动或该驱动频率降低至零后，该储能单元通过该马达驱动装置的线路降低该端电压差。

13.如权利要求8所述的马达驱动装置，其中该控制单元利用暂时停止输出该驱动信号，以使该驱动频率为零。

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