CN103840726A - 永磁同步马达的磁极初始位置侦测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种永磁同步马达的磁极初始位置侦测方法，其依据永磁同步马达的相数，于永磁同步马达的相对相绕组之间，重复施加具有脉宽调制的电压向量脉波列于永磁同步马达，直到相电流达到相同设定值时，再切离施加的电压向量；在所施加的电压向量切离后的设定放电时间，测量该等绕组的放电电流大小，或在所施加的电压向量切离后，测量该等绕组到达相同放电电流时的放电时间；以及，依据所测量的该等相绕组的该等放电电流大小，或依据所测量的该到达相同放电电流时的放电时间，判断该永磁同步马达的磁极初始位置。
Description
技术领域
本发明涉及一种永磁同步马达的磁极初始位置侦测方法，特别是涉及一种采用两相励磁方式，不需额外电压量测电路，可有效避免马达于启动时逆转的永磁同步马达的磁极初始位置侦测方法。
背景技术
一般而言，永磁同步马达由多相绕组与永久磁铁构成，依据其永久磁铁置于内转子或外转子而可分别称为内转式及外转式永磁同步马达；由于永久磁铁的初始位置为随机并且未知，因此，造成启动时可能使得转子反转，但是对于电动载具、风扇等的应用，并不允许永磁同步马达在磁极初始位置侦测时转动磁极及启动时反转。关于此项问题，目前相关技术领域人员，大多是借着于永磁同步马达加装霍尔传感器或编码器等加以解决，但会使得成本增加、结构复杂化且占用空间，而霍尔传感器或编码器都容易损坏，不仅维修成本高且无法达到侦测磁极初始位置的目的。
针对公开文献而言，例如一种磁极初始位置侦测方法，其施加固定电压于三相绕组上一段固定时间后切离，量测下降至设定电压的时间，比较时间大小可推测起始角度。或例如一种永磁马达起始磁极侦测方法，先依据马达参数决定一施加到定子的PWM脉宽，依序输出六种电压向量至定子，计算各个电压向量所产生的电流上升时间，比对上升时间以得到一初步转子位置，接着重复输出六种电压向量至定子并再计算转子位置。或例如一种永磁式无刷马达无传感器控制的转子磁极初始区间估测装置及其方法，该方法包括下列步骤：提供一无刷直流马达（BLDCM），包括有一转子及一定子线圈，其中，该转子包含有N、S极；以120°的通电方式输入一低频低电压信号至该无刷直流马达，靠未导通相线圈的磁通型态，来估测该无刷直流马达的转子初始区间。
然而，现有用以侦测磁极初始位置的方式，其施加于马达绕组的电压次数至少都需要马达相数的两倍，施加次数多且耗时；而其施加的电压则是100%或固定占空比（Duty）的脉波，容易造成磁极在磁极初始位置侦测期间转动；而其需要三相以上的励磁，导致因非饱和相线圈主导放电电流而造成错误；此外，现有测量电压的方法分别是量测电压计算放电时间，或量测电流计算充电时间，或量测电压判断感应电势状态，都需要额外的电压量测电路。
据此，对于如何能有一种施加电压次数少、不会造成磁极于侦测期间转动、可改善励磁量测误差、不需额外电压量测电路，并且可有效避免马达于启动时逆转的磁极初始位置侦测方法，成为相关技术领域人员亟需解决的课题。
发明内容
于一实施例中，本发明提出一种永磁同步马达的磁极初始位置侦测方法，其包含下列步骤：
（a）依据该永磁同步马达的相数，于该永磁同步马达的相对相绕组之间，重复施加具有脉宽调制的电压向量脉波列于该永磁同步马达，直到相电流达到相同的一设定的放电电流时，再切离所施加的该电压向量；
（b）在所施加的该电压向量切离后的一设定的放电时间，测量该等绕组的放电电流大小；以及
（c）依据所测量的该等相绕组的该等放电电流大小，判断该永磁同步马达的磁极初始位置。
于另一实施例中，本发明更提出一种永磁同步马达的磁极初始位置侦测方法，其包含下列步骤：
（a）依据该永磁同步马达的相数，于该永磁同步马达的相对相绕组之间，重复施加具有脉宽调制的电压向量脉波列于该永磁同步马达，直到相电流达到相同的一设定的放电电流时，再切离所施加的该电压向量；
（b）在所施加的电压向量切离后，测量该等绕组到达相同放电电流时的放电时间；以及
（c）依据所测量的该到达相同放电电流时的放电时间，判断该永磁同步马达的磁极初始位置。
于一实施例中，本发明又提出一种侦测磁极初始位置的控制流程，其包含有下列步骤：
首先设定一基准值为零；
判断该基准值是否等于所侦测的一永磁同步马达的相数；
若该基准值不等于该相数，则进行两相励磁及电流递减，并且记录一放电电流或一放电时间；将基准值累加1，并改变励磁相，而后重复判断该基准值是否等于该相数，直到该基准值等于该相数为止；以及
根据所记录的放电电流或放电时间，通过查表得到该永磁同步马达的磁极初始位置。
附图说明
图1至图3为本发明的绕组励磁方法的示意图；
图4为施加的电压向量脉波列的占空比与磁极初始位置侦测的一实施例示意图；
图5为施加的电压向量脉波列的占空比与磁极初始位置侦测另一实施例；
图6为本发明侦测磁极初始位置的控制流程实施例；
图7为图6两相励磁及电流递减步骤的控制流程实施例。
附图标记
100：侦测磁极初始位置的控制流程 110~160：步骤
200：两相励磁及电流递减步骤的控制流程 210~250：步骤
iD、i1：放电电流 tD、t1：放电时间
U-U：相绕组 V-V：相绕组
W-W：相绕组 +VDC：直流电源正端
具体实施方式
以下将以三相永磁同步马达为例，说明达成本发明的具体技术手段。但本发明的方法并不限定于三相永磁同步马达，本发明可实施于相数多于三相的永磁同步马达。
请参阅下表1所示对一三相永磁同步马达的磁极初始位置定义表：
表1磁极初始位置的定义
如表1所示，当该三相永磁同步马达的磁极初始位置为“1”时，表示磁极的“S”极面对U相绕组，并且定义此位置的电气角为270度。该三相永磁同步马达的磁极初始位置为“2”时，表示磁极的“N”极面对W相绕组，并且定义此位置的电气角为330度。依此类推，分别定义该三相永磁同步马达的其它四个磁极初始位置，分别为30度、90度、150度及210度。
请参阅图1至图3所示本发明所提出的绕组励磁方法，其中，图1显示以U相绕组为送电相及V相绕组为受电相，图2显示的以V相绕组为送电相及W相绕组为受电相，以及图3显示以W相绕组为送电相及U相绕组为受电相。本发明以图1至图3所示将其中一相绕组浮接，仅针对二相绕组励磁的方式，为了避免永磁同步马达因施加占空比为100%的电压向量的脉波，而造成磁极可能的转动。
本发明所施加的电压向量脉波列于脉波导通占空比内，分别使得该永磁同步马达的一相绕组连接至直流电源正端，另一相绕组连接至直流电源负端，其它相绕组则浮接；此一连接至直流电源负端的相绕组，在下一次施加的电压向量脉波列于脉波导通占空比内，则连接至直流电源正端，并由浮接相中未曾连接至直流电源负端的相绕组中，择一连接至直流电源负端，此时，其它相绕组则浮接；根据相数重复施加具有脉宽调制的电压向量的脉波列于永磁同步马达绕组并测量该等绕组放电电流大小或放电时间，以侦测永磁同步马达的磁极初始位置。
例如，所施加的电压向量脉波列于脉波导通占空比内，图1中的U相绕组连接至直流电源正端+VDC，V相绕组连接至直流电源负端，W相绕组浮接；当下一次施加的电压向量脉波列于脉波导通占空比内，如图2所示，则是将V相绕组连接至直流电源正端+VDC，W相绕组连接至直流电源负端，而U相绕组则浮接；当继续进行再下一次施加的电压向量脉波列于脉波导通占空比内，图3所示，则是将W相绕组连接至直流电源正端+VDC，U相绕组连接至直流电源负端，而V相绕组则浮接。此外，所施加的具有脉宽调制的电压向量脉波占空比，可使绕组电流快速上升，但不足以使该永磁同步马达产生转动。
请参阅图4所示施加的电压向量脉波列的占空比与磁极初始位置侦测的一实施例。如图4所示，所施加的具有脉宽调制的电压向量脉波列于永磁同步马达绕组，直到电流达到一设定的放电电流iD，再切离所施加的电压向量；在所施加的电压向量切离后的一设定的放电时间t1，测量绕组放电电流iD大小，以侦测永磁同步马达的磁极初始位置。
以图1所示的以U相绕组为送电相及V相绕组为受电相为例，当所施加的电压向量切离后，测量在切离后的一设定的放电时间时的绕组放电电流iD为iD-UV，而图2与图3所示所施加的电压向量切离后，在切离后的相同时间所测量的绕组放电电流大小则分别为iD-VW与iD-WU。借由比较放电时间iD-UV、iD-VW与iD-WU，并依据放电电流，可判断出永磁同步马达的磁极初始位置。测量该等绕组放电电流大小的方法，测定连接至该直流电源正端的绕组对每一脉波列结束后的该设定的放电时间，其电流下降的幅度，并比较各电流下降幅度。
如以下表2及表3所示，分别依据最大放电电流电及最小放电电流，判断永磁同步马达的磁极初始位置的结果。
| 磁极初始位置 | 最大放电电流 |
| 240°-360° | iD-WU |
| 360°-120° | iD-UV |
| 120°-240° | iD-VW |
表2依据最大放电电流判断磁极初始位置
| 磁极初始位置 | 最小放电电流 |
| 60°-180° | iD-WU |
| 180°-300° | iD-UV |
| 300°-60° | iD-VW |
表3依据最小放电电流判断磁极初始位置
请参阅图5所示施加的电压向量脉波列的占空比与磁极初始位置侦测另一实施例。如图5所示，所施加的具有脉宽调制的电压向量脉波列于永磁同步马达绕组，直到电流达到一设定的放电电流i1，再切离所施加的电压向量；在所施加的电压向量切离后，测量到达相同放电电流的放电时间tD，以侦测永磁同步马达的磁极初始位置。
以图1所示的以U相绕组为送电相及V相绕组为受电相为例，当所施加的电压向量切离后，测量到达相同放电电流时的放电时间tD为tD-UV；同理，图2与图3所示所施加的电压向量切离后，测量到达相同放电电流时的放电时间则分别为tD-VW与tD-WU。借由比较放电时间tD-UV、tD-VW与tD-WU，并依据放电时间比较结果，可判断出永磁同步马达的磁极初始位置。如以下表4及表5所示，分别依据最大放电时间及最小放电时间，判断永磁同步马达的磁极初始位置的结果。
| 磁极初始位置 | 最大放电时间 |
| 240°-360° | tD-WU |
| 360°-120° | tD-UV |
| 120°-240° | tD-VW |
表4依据最大放电时间判断磁极初始位置
| 磁极初始位置 | 最小放电时间 |
| 60°-180° | tD-WU |
| 180°-300° | tD-UV |
| 300°-60° | tD-VW |
表5依据最大小放电时间判断磁极初始位置
根据上述实施例，可归纳出两种永磁同步马达的磁极初始位置侦测方法，该永磁同步马达具有多相绕组。其中一种方法以放电电流大小为依据，其包括以下步骤：
（a）依据该永磁同步马达的相数，于该永磁同步马达的相对相绕组之间，重复施加具有脉宽调制的电压向量脉波列于该永磁同步马达，直到相电流达到相同的一设定的放电电流时，再切离所施加的该电压向量；
（b）在所施加的该电压向量切离后的一设定的放电时间，测量该等绕组的放电电流大小；以及
（c）依据所测量的该等相绕组的该等放电电流大小，判断该永磁同步马达的磁极初始位置。
另一种方法以放电时间为依据，其包括以下步骤：
（a）依据该永磁同步马达的相数，于该永磁同步马达的相对相绕组之间，重复施加具有脉宽调制的电压向量脉波列于该永磁同步马达，直到相电流达到相同的一设定的放电电流时，再切离所施加的该电压向量；
（b）在所施加的电压向量切离后，测量该等绕组到达相同放电电流时的放电时间；
（c）依据所测量的该到达相同放电电流时的放电时间，判断该永磁同步马达的磁极初始位置。
上述两种侦测永磁同步马达磁极初始位置的方法的实施例，以三相永磁同步马达为说明实施例，但同样的技术手段也可应用于相数多于三相的多相永磁同步马达。依据多相永磁同步马达的相数，施加具有脉宽调制的电压向量的脉波列于永磁同步马达绕组，直到电流达到一设定的放电电流，再切离所施加的电压向量；在所施加的电压向量切离后的一设定的放电时间，测量绕组放电电流大小，或在所施加的电压向量切离后，测量到达相同放电电流的放电时间，侦测永磁同步马达的磁极初始位置；所施加的电压向量脉波列于该多相永磁同步马达的脉波导通占空比内，分别使得该永磁同步马达绕组的一相绕组连接至直流电源正端，另一相绕组连接至直流电源负端，其它相绕组则浮接；该连接至直流电源负端的相绕组，在下一次施加的电压向量脉波列于脉波导通占空比内，则连接至直流电源正端，并由浮接相中未曾连接至直流电源负端的相绕组中，择一连接至直流电源负端，此时，其它相绕组则浮接；根据相数重复施加具有脉宽调制的电压向量的脉波列于永磁同步马达绕组并测量绕组放电电流大小或放电时间，以侦测永磁同步马达的磁极初始位置；所施加的具有脉宽调制的电压向量脉波占空比，使绕组电流快速上升，但不足以使该永磁同步马达产生转动。
请参阅图6所示一种侦测磁极初始位置的控制流程100，其可以通过程序或软件达到自动控制及侦测，其包含有下列步骤：
步骤110：首先设定一基准值N=0，代表同时输入永磁同步马达的相数，以及输入电流设定值。该永磁同步马达的相数以及电流设定值依实际所要侦测的永磁同步马达而设定。
步骤120：判断基准值N是否等于马达相数。若侦测的马达相数为三相，则判断N值是否等于3。若N不等于3，则进行步骤130。若N等于3，则进行步骤160。由于N设定初始值为零，因此，N不等于3，必须进行步骤130。
步骤130：进行两相励磁及电流递减。也即进行上述图1至图3所示的两相励磁方式，以及图4及图5所示两种实施例之一。
关于进行两相励磁及电流递减的控制流程实施例，请参阅图7所示流程200，其还包含有下列步骤：
步骤210：判断相电流是否达到设定值。若相电流未达到设定值，则进行步骤220。若相电流达到设定值，则进行步骤240。
步骤220：若于步骤210判断相电流未达到设定值，则送电相通过电子开关采用脉宽调变方式导通，而受电相则通过电子开关采用全周期导通。
步骤230：改变脉宽调变占空比，而后重复执行步骤210，直到步骤210判断相电流达到设定值。
步骤240：若于步骤210判断相电流达到设定值，则将送电相及受电相的电子开关都关闭。
步骤250：当送电相及受电相都关闭后，则记录放电电流或放电时间，而后回到侦测磁极初始位置的控制流程100，并执行步骤140。
步骤140：当完成两相励磁及电流递减的流程200，并且记录放电电流或放电时间后，则将基准值N加1。例如初始的基准值为零，于每次记录放电电流或放电时间后，该基准值则累加1。
步骤150：当基准值N累加之后，则改变励磁相，而后重复执行步骤120，直到步骤120判断基准值N等于马达相数。
步骤160：根据在步骤130（也即流程200）所记录的放电电流或放电时间，通过查询一定义表，即可得到永磁同步马达的磁极初始位置的磁极初始位置。该基准表的内容依据所侦测的永磁同步马达的形式不同而异，其形式可参考上述表1。
本发明所提供的永磁同步马达的磁极初始位置侦测方法，可依据放电电流或放电时间判断出磁极初始位置，本发明的方法仅需要施加与相数的电压向量，本发明由于施加具有宽度调变的电压向量的脉波列（Pulses），可避免马达因为施加100%占空比的电压向量的脉波（Pulse）而在磁极初始位置侦测期间可能的转动，此外，本发明两相励磁的方式，可得到精确的结果，避免三相（以上）励磁因非饱和相线圈主导放电电流而造成错误，且本发明不需额外电压量测电路。
以上所述，仅为本发明的实施例而已，不能以其限定本发明所实施的范围。即凡依本发明权利要求书所作的均等变化与修饰，皆应仍属于本发明权利要求的范围内。
Claims (10)
1.一种永磁同步马达的磁极初始位置侦测方法，其特征在于，包含下列步骤：
（a）依据该永磁同步马达的相数，于该永磁同步马达的相对相绕组之间，重复施加具有脉宽调制的电压向量脉波列于该永磁同步马达，直到相电流达到相同的一设定的放电电流时，再切离所施加的该电压向量；
（b）在所施加的该电压向量切离后的一设定的放电时间，测量该等绕组的放电电流大小；以及
（c）依据所测量的该等相绕组的该等放电电流大小，判断该永磁同步马达的磁极初始位置。
2.根据权利要求1所述的永磁同步马达的磁极初始位置侦测方法，其特征在于，步骤（a）还包含有：
于第一次所施加的电压向量脉波列的脉波导通占空比内，该永磁同步马达其中的一相绕组连接至一直流电源正端，另一相绕组连接至一直流电源负端，其它相绕组则浮接；
于第二次所施加的电压向量脉波列的脉波导通占空比内，将原本连接至该直流电源负端的该相绕组连接至该直流电源正端，并将原本浮接的相绕组其中之一连接至该直流电源负端，其它相绕组则浮接；以及
依据该永磁同步马达的相数，重复施加具有脉宽调制的电压向量的脉波列于该永磁同步马达的该等绕组。
3.根据权利要求2所述的永磁同步马达的磁极初始位置侦测方法，其特征在于，步骤（a）还包含有：
该施加的电压向量脉波列的占空比，能使该等绕组的电流上升，但该永磁同步马达不会产生转动。
4.根据权利要求2所述的永磁同步马达的磁极初始位置侦测方法，其特征在于，步骤（b）还包含有：
该测量该等绕组放电电流大小的方法，测定连接至该直流电源正端的绕组对每一脉波列结束后的该设定的放电时间，其电流下降的幅度，并比较各电流下降幅度。
5.一种永磁同步马达的磁极初始位置侦测方法，其特征在于，包含下列步骤：
（a）依据该永磁同步马达的相数，于该永磁同步马达的相对相绕组之间，重复施加具有脉宽调制的电压向量脉波列于该永磁同步马达，直到相电流达到相同的一设定的放电电流时，再切离所施加的该电压向量；
（b）在所施加的电压向量切离后，测量该等绕组到达相同放电电流时的放电时间；以及
（c）依据所测量的该到达相同放电电流时的放电时间，判断该永磁同步马达的磁极初始位置。
6.根据权利要求5所述的永磁同步马达的磁极初始位置侦测方法，其特征在于，步骤（a）还包含有：
于第一次所施加的电压向量脉波列的脉波导通占空比内，该永磁同步马达其中的一相绕组连接至一直流电源正端，另一相绕组连接至一直流电源负端，其它相绕组则浮接；
于第二次所施加的电压向量脉波列的脉波导通占空比内，将原本连接至该直流电源负端的该相绕组连接至该直流电源正端，并将原本浮接的相绕组其中的一连接至该直流电源负端，其它相绕组则浮接；以及
依据该永磁同步马达的相数，重复施加具有脉宽调制的电压向量的脉波列于该永磁同步马达的该等绕组。
7.根据权利要求6所述的永磁同步马达的磁极初始位置侦测方法，其特征在于，步骤（a）还包含有：
该施加的电压向量脉波列的占空比，能使该等绕组的电流上升，但该永磁同步马达不会产生转动。
8.根据权利要求6所述的永磁同步马达的磁极初始位置侦测方法，其特征在于，该测量该等绕组到达相同放电电流时的放电时间的方法，测定连接至该直流电源正端的绕组对每一脉波列结束后，其电流下降至一固定参考位准的时间，并比较各放电时间。
9.一种侦测磁极初始位置的控制流程，其特征在于，包含有下列步骤：
首先设定一基准值为零；
判断该基准值是否等于所侦测的一永磁同步马达的相数；
若该基准值不等于该相数，则进行两相励磁及电流递减，并且记录一放电电流或一放电时间；将基准值累加1，并改变励磁相，而后重复判断该基准值是否等于该相数，直到该基准值等于该相数为止；以及
根据所记录的放电电流或放电时间，通过查表得到该永磁同步马达的磁极初始位置。
10.根据权利要求9所述的侦测磁极初始位置的控制流程，其特征在于，该两相励磁及电流递减的控制流程还包含有下列步骤：
判断相电流是否达到一设定值；
若相电流未达到设定值，则将送电相通过开关采用脉宽调变方式导通，而受电相则通过开关采用全周期导通；
而后改变脉宽调变占空比，再重复判断相电流是否达到该设定值，直到相电流达到该设定值为止；以及
若判断相电流达到该设定值，则将该送电相及该受电相关闭，并且记录该放电电流或该放电时间。
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