CN109560725A - 具有追相模块的马达控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有追相模块的马达控制系统，包括：一微控制器；一永磁马达，耦合该微控制器；一高速追相模块，耦合该永磁马达，以控制该永磁马达；以及一脉冲波电源控制，耦合该永磁马达，以提供稳定控制；本发明的具有追相模块的马达控制系统可降低功率的损耗，稳定输出功率，并可高效能的控制马达的转速。

Description

具有追相模块的马达控制系统

技术领域

本发明关于一种马达技术，特别是涉及一种具有追相模块的马达控制系统。

背景技术

马达主要是由转子、设置于转子内的磁铁磁极、定子、印刷电路板所组成，驱动器与感测器设置连结于印刷电路板之上。

当马达操作时，全桥电路中的线圈缠绕定子，驱动器输出控制信号以控制数个开关的开启与关闭。磁铁磁极具有数个磁极(例如，分别为N极、S极、N极与S极)并设置于转子内，依据电流流经线圈，定子所产生的电磁场推动转子，并由感测器以感应转子内磁铁磁极的变换而输出一感测信号至驱动器，以调整控制流经线圈的电流时间，使马达定子对转子产生固定方向的旋转磁场。

如图1所示，其显示马达的转动原理。当电流由绕组4号进入而从绕组1号流岀时，定子101所产生的电磁场会推动转子102，使转子(永久磁铁)102从绕组1号转到绕组2号。而当定子101的电流换相变成由绕组5号进入而从绕组2号流出时；同样地，定子101所产生的电磁场会推动转子102，使转子(永久磁铁)102从绕组2号转到绕组3号。由定子电流不断的换相，就能使转子(永久磁铁)102跟着旋转，带动整体马达的转动。

如图2所示，其显示一直流无刷马达的驱动原理。直流无刷马达的最基本的驱动方法为120˚导电方式(即六步驱动模式)。控制开关202例如为半导体开关组件，是由6个绝缘闸双极电晶体(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)与二极体所构成。二极体是连接于绝缘闸双极电晶体的集极-射极之间。利用控制开关202的6个绝缘闸双极电晶体(IGBT)开关(T1、T2、T3、T4、T5、T6)，而施加以单纯的开启与关闭(ON/OFF)控制信号。6个IGBT开关(T1、T2、T3、T4、T5、T6)分别并联6个二极体(D1、D2、D3、D4、D5、D6)。在6个开关之中，每一次只有2个开关导通，由6个开关的变化吸引转子到达6个定点，以让马达201旋转。例如，六步驱动模式之中，第一步为IGBT开关(T6、T1)开启，其他4个电晶体关闭；第二步为IGBT开关(T1、T2)开启，其他4个电晶体关闭；第三步为IGBT开关(T2、T3)开启，其他4个电晶体关闭；第四步为IGBT开关(T3、T4)开启，其他4个电晶体关闭；第五步为IGBT开关(T4、T5)开启，其他4个电晶体关闭；第六步为IGBT开关(T5、T6)开启，其他4个电晶体关闭。在每一步驱动之后，均会进行读取反电动势203，以及侦测转子的位置204，接下来才会通过控制器200来进行控制IGBT开关的切换的动作。

已知无刷马达装置之中，一控制器与马达之间彼此电性连接。马达内部的处理器能根据控制器的控速信号以驱动马达，进行特定速度的转动。而无刷直流马达的控制方法，大略包含三步骤：转子定位步骤，一开回路启动步骤，以及一闭回路运转控制步骤。

目前已知马达的顿转转矩(Cogging Torque)较大，在换极时(输入电流流经线圈的电流方向切换瞬间)会产生一短暂的休息时间(dead time)而造成流经线圈的电流振幅过大而产生过大峰值电流(Peak Current)。因此，容易造成马达中的电子组件损坏。若将马达应用于风扇，风扇会产生明显的马达频率倍频震动。若马达驱动电路之中有任意一个电子组件发生故障，将使得马达转子失去磁场感应力而停止旋转。

此外，无刷直流马达由于具有高效率的优势，因此，多数业者大多将其使用在电子产品上。尤其是作为电子产品中的散热风扇使用，由无刷直流马达的驱动以带动扇叶转动，进而进行电子产品的驱风散热。

然而，传统的无刷直流马达具有以下缺点：若无刷直流马达应用于一风扇系统或水上活动时，其转子是结合一叶片组，当无刷直流马达在未启动时，若该转子受外力影响而无法处于静止状态(例如，叶片组因受外部气流的扰动而带动转子转动的状况)；此时，转子由于无法定位在启动定位位置，因而无法完成转子定位步骤，进而使后续的开回路启动步骤无法正常进行。结果造成转子相位的偏移以及转子转速的变异，而产生马达的功率耗损或转速不一的情况发生。严重时甚至可能导致无刷直流马达启动失败。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种具有追相模块的马达控制系统。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提出一种崭新的具有追相模块的马达控制系统，包括：一微控制器；一永磁马达，耦合该微控制器；一高速追相模块，耦合该永磁马达，以控制该永磁马达。

上述具有追相模块的马达控制系统还包括一脉冲波电源控制，耦合该永磁马达，以提供稳定控制。

上述具有追相模块的马达控制系统还包括一编码器，耦合该微控制器，用以检测该永磁马达旋转位置，以计算速度回授。上述具有追相模块的马达控制系统还包括一高效算法以计算出该永磁马达所需要的运转条件，提供给该微控制器。

上述具有追相模块的马达控制系统还包括一驱动电路，耦合该微控制器。一控制开关，耦合该驱动电路与该永磁马达。一光耦合器，以光耦合至该脉冲波电源控制。上述具有追相模块的马达控制系统，该高速追相模块的追频适用于该永磁马达每分钟为8~25万转的转速，或是该永磁马达每分钟为12~23万转或15~20万转的转速，其中该高速追相模块的弦波包含正弦波或余弦波。

上述永磁马达包含直流无刷马达。

根据本发明的一观点，驱动电路包括数个电晶体与放大电路。

根据本发明的另一观点，一种具有追相模块的马达控制系统，包括：一微控制器；一永磁马达，耦合该微控制器；一高速追相模块，耦合该永磁马达，以控制该永磁马达；一脉冲波电源控制，耦合该永磁马达，以提供稳定控制；以及一编码器，耦合该微控制器，用以检测该永磁马达旋转位置，以计算速度回授。

上述具有追相模块的马达控制系统，该高速追相模块的追频适用于该永磁马达每分钟为8~25万转的转速，或是该永磁马达每分钟为12~23万转或15~20万转的转速，其中该高速追相模块的弦波包含正弦波或余弦波。

本发明的优点从以下较佳实施例的叙述得以清楚了解。

附图说明

图1为一马达转动原理的简要说明示意图；

图2为一直流无刷马达的驱动原理的示意图；

图3为本发明一实施例的具有追相模块的马达控制系统的简要控制流程图；

图4为本发明一实施例的具有追相模块的马达控制系统的功能方块图；

图5为本发明一实施例的高速追相模块的功能方块图；

图6为本发明另一实施例的具有追相模块的马达控制系统的功能方块图。

附图中的符号说明：

30 交流电源；40 交流-直流功率转换器；101 定子；102 转子；200 控制器；201、405马达；202、406 控制开关；203 读取反电动势；204 侦测转子的位置；300、408 微控制器；301 交流电源；302 整流；303、412 高效算法；304、409 高速追相模块；305 驱动马达；306、430 脉冲波电源控制；400 控制电路模块；401 滤波器；402 整流器；403 功率因数校正电路；404 电能转换装置；407 驱动电路；410 光耦合器；411 继电器；413 逆相侦测电路；420感测器；440 编码器；450 比较器；451 弦波产生器；452 相移电路；453 侦测电路；454 追频开关；455 回授信号产生器。

具体实施方式

如下所述的对本发明的详细描述与实施例的示意图，应使本发明更被充分地理解；然而，应可理解此仅限于作为理解本发明应用的参考，而非限制本发明于一特定实施例之中。

本发明将针对发明具体实施例及其观点加以详细描述，此类描述为解释本发明的结构或步骤流程，其是供以说明之用而非用以限制本发明的权利要求。因此，除说明书中的具体实施例与较佳实施例外，本发明也可广泛施行于其它不同的实施例中。以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可通过本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的功效性与其优点。且本发明也可通过其它具体实施例加以运用及实施，本说明书所阐述的各项细节也可基于不同需求而应用，且在不悖离本发明的精神下进行各种不同的修饰或变更。

本发明的目的在于提供一种具有追相模块的马达控制系统。本发明的具有追相模块的马达控制系统，包含以下特征：(i)高效能与高速计算的马达控制技术，利用正弦波高速追相和追频技术，以降低功率的损耗；(ii)高效率、高稳定电源控制技术，利用脉冲波、电磁干扰(Electromagnetic Interference: EMI)、电磁兼容(ElectromagneticCompatibility: EMC)和功率因数校正(Power Factor Correction: PFC)控制技术，以稳定输出功率；(iii)高效控制技术，利用数学算法于微控制器(MCU)之中，可以达到高效能的控制马达转速。

本发明提供防护机制或组件，以避免由于电磁场伴随着电压、电流的作用而产生的电磁干扰(EMI)或电磁兼容(EMC)的情形，以稳定维持马达运转的性能。

一无刷直流马达包括一转子、一定子及一驱动单元。转子具有数个磁极。驱动单元，依据一磁场状态以驱动该转子。在一实施例之中，无刷直流马达的控制系统包括：一信号处理器(DSP或MCU)、一驱动器(例如：IGBT或MOSFET模块)、一马达、一速度计算器、一编码器及一马达位置信号处理装置。

图3为本发明一实施例的具有追相模块的马达控制系统的简要控制流程图。首先，多相交流电源301的多相交流电压(例如三相电源的交流电压)输入，经过一整流器的整流302以将交流电转换成直流电。之后，经过本发明特有的高效算法303以计算马达装置所需要或要求的运转条件，输入至一微控制器300。然后，经过脉冲波电源控制306发出一控制信号以驱动马达305。而在马达运转期间，再利用一高速追相模块(或高速追频模块)304，以校正马达定子电流的切换速度或切换频率。

图4为本发明一实施例的具有追相模块的马达控制系统的功能方块图。本发明的具有追相模块的马达控制系统可以用于家庭散热、商业、水产养殖业、工业、农用、畜牧或机械动力(包含陆用、水用、航空用等驱动马达)。在本实施例之中，具有追相模块的马达控制系统包括一交流-直流功率转换器(AC/DC converter)40，用以将交流电源30转换为一恒定的直流电信号(例如直流电压或直流电流)。由于交流-直流功率转换器40的功率较高，因此可以应用于驱动大功率的负载，例如马达装置。在本实施例之中，交流-直流功率转换器40包括一滤波器401以进行基本的信号处理，而减低外部交流电源30的输出电流与输出电压的信号噪点，使后续的控制器得以提升演算效率；以及整流器402，以将外部交流电源30转换为一正弦半波或全波直流输入电压来提供给后续变换电路。

整流器402可将来自于三相电源的交流电转换成直流电。举一实施例而言，整流器402为6个半导体开关组件桥接所构成。在马达405的动力运转时会将三相交流电源全波整流成直流电。此外，半导体开关组件也可使用于IGBT附有保护电路的内藏式永磁(insidepermanent-magnet: IPM)，来代替IGBT。上述的三相电源的交流电为三个频率相同、电压相等、相位互差为120度的电压(或电流)。整流器402包括IGBT开关，应用于大功率场合以作快速切换动作，通常应用方面都配合脉冲宽度调变(Pulse Width Modulation: PWM)与低通滤波器(Low-pass Filters)。因此，交流-直流功率转换器40包括滤波器401电性耦合整流器402。脉冲波电源控制430电性耦合整流器402进行脉冲宽度调变，以提供高效率、高稳定电源控制。另外，脉冲波电源控制430电性耦合控制电路模块400以进行脉冲宽度调变，以提供高效率、高稳定的马达控制。

此外，为了减小对交流电的谐波污染，交流-直流功率转换器40又包括一功率因数校正电路(Power Factor Correction: PFC)403来实现功率因数校正功能，以获得一较高的功率因数。功率因数校正电路例如为一主动式功率因数校正电路(Active PFC Boost)。在一实施例之中，交流-直流功率转换器40利用两级功率级电路只需一个电晶体和控制及驱动电路即可满足电路驱动要求，同时完成功率因数校正和输出恒定电信号，控制精度高、涟波小、输出信号稳定，并且进一步降低成本。在一实施例之中，功率因数校正电路403之中可以选择导通阻抗较小的开关，以降低其对应的导通损耗。

在交流-直流功率转换器40将交流电源30转换为恒定的直流电信号之后，一路的直流电会输出至电性耦合控制开关406的一电容器(未图示)，另一路的直流电会输出至一电能转换装置404以进行相关的电压及电流的转换。举例而言，电容器是使用容量大的电解电容器，使整流器402输出的直流电流平滑化。

在一实施例之中，电能转换装置404为一交换式电源供应器(Switching-ModePower Supply: SMPS)，例如为降压型切换式电源转换器(Buck Converter)。交换式电源供应器，转换效率高、体积较小，主要是由脉波宽度调变(pulse width modulation: PWM)控制一开关，而后由电感充放电给电容，使电容能稳定输出。经过电能转换装置404的电压转换之后，将交流-直流功率转换器40转换之后的较高压的直流电转换为适于连接组件操作的低压直流电。在本实施例之中，电能转换装置404的电压转换输出至一控制电路模块400。针对控制电路模块400之中的不同的电子组件，电能转换装置404可以输出不同的工作电压转换至该些组件，使其正常运作。在本实施例之中，控制电路模块400包括微控制器408、高速追相模块409、感测器420，其中高速追相模块409、感测器420电性耦合微控制器408。

图5为本发明一实施例的高速追相模块(或高速追频模块)的功能方块图。在本实施例之中，高速追相模块(或高速追频模块)409包括比较器450、弦波产生器451、相移电路452、侦测电路453、追频开关454以及回授信号产生器455。相移电路452用以接收回授信号，比较器450耦接相移电路452与弦波产生器451；上述三者协调运作，对所述回授信号的相位进行相移比较，随后而输出相移信号，反应于相移信号而产生补偿信号。弦波产生器451是用以产生弦波信号(正弦或余弦信号)，以利于弦波追频。上述三者相移电路452、弦波产生器451、比较器450可各自独立或者整合于一集成电路，可视设计需求而定。在一实施例之中，高速追相模块(或高速追频模块)409还包括一起振电路，耦接弦波产生器451，用以当弦波产生器451未获得信号时，反应于启动信号而产生起振信号给弦波产生器451，以致使弦波产生器451产生弦波信号，直至弦波产生器451获得信号为止。侦测电路453耦接相移电路452，用以侦测相移信号。

在一实施例之中，高速追相模块(或高速追频模块)409耦接功率切换电路与LC共振电路，用以根据关联于弦波驱动信号的回授信号而产生并调整弦波信号，以使弦波驱动信号的频率自动地追随LC共振电路的谐振频率。

在一实施例之中，在马达405的操作过程之中，速度计算器根据一编码器440所检测到的马达405的旋转位置，以计算速度回授。而利用速度计算器所计算的速度回授进一步被输出至高速追相模块409。高速追相模块409可以调整或补偿来自马达405的速度回授的相位延迟(delay)或超前。在一实施例之中，高速追相模块(或高速追频模块)409的追频适用于马达的每分钟转速(RPM)为8~25万转的条件。在一实施例之中，高速追相模块(或高速追频模块)409的追频适用于马达的每分钟转速为12~23万转的条件。在一实施例之中，高速追相模块(或高速追频模块)409的追频适用于马达的每分钟转速(RPM)为15~20万转的条件。

在一例子中，整流器402是以脉宽调变信号来控制，而为了确保功率量测的信号品质，三相电源的交流电输入之后，再经过一滤波器401以进行基本的信号处理。微控制器408可以计算出脉宽调变信号的脉宽比与输出功率的关系。在一实施例之中，微控制器408是一可即时运算的处理器。微控制器408可以驱动一脉宽调变模块以输出不同脉宽比的脉宽调变信号至一光耦合器410，如图6所示。光耦合器410是光耦合至脉宽调变模块，以接收脉宽调变模块所输出的脉宽调变信号，并传递至微控制器408，微控制器408即根据所接收的脉宽调变信号以命令驱动电路407来驱动相关的控制开关406以开启及/或关闭(ON/OFF)。微控制器408发出脉波宽度调变(PWM)信号至驱动电路407以驱动相关的控制开关406。

在一实施例之中，控制开关406包括6个切换开关。每一次只有2个切换开关导通，而由6个切换开关的开启/关闭的变化以吸引转子到达6个定点，以让马达405持续旋转。利用微控制器408来进行控制该控制开关406的切换的动作。

举一实例而言，本发明的无刷直流马达405的驱动时序是利用一高效算法412来决定。此驱动时序是作为控制开关406的6个切换开关的驱动时序。该驱动时序是包含数个周期性的时序t1~t6(直流无刷马达的六步驱动模式)，由该些时序t1~t6的顺序操作，以驱动无刷直流马达405的启动及运转。当无刷直流马达应用于一风扇系统或水上活动时，其转子受外力影响而无法完成定位步骤，或者转子相位偏移以及转子转速变异，会产生马达的功率耗损。因此，利用本发明的高速追相模块(或高速追频模块)409可以随时追踪转子相位的偏移情况，适时的调整时序T1~T6，以达到补偿来自无刷直流马达405的速度回授的相位延迟(delay)或超前。结果，利用本发明的高效算法412与高速追相模块(或高速追频模块)409，可以达到高效率、高稳定的马达控制。在一实施例中，基于马达中的旋转磁场时序图近似连续周期性正弦波(或余弦波，与正弦仅是相位差90度)，且转子的运动可以由周期性正弦波来表示。但是，遇到上述的不正常变异或外部扰动，将导致转子的相位延迟或加速，而导致不正常时，则触发一追频提示信号，以告知定子电流的切换频率必须由追频开关454的操作而重新调整。利用一追频开关454的操作，通过一电流回授信号产生器455以检测回授信号的变化，经由电流回授信号产生器455，逐一产生一回授信号，及一个以上的调变值回授信号输出给微控制器408以进行比较或处理，使微控制器408以追频方式，将预设频率或其中一检测频率作为该定子电流的最佳切换频率，自动完成该定子电流的切换频率调整。

因此，本发明由高速追相模块(或高速追频模块)409，产生正弦波信号，通过编码器440得知马达反馈，以得知上述扰动的变化。由正弦波相位的比较，可得知相位的延迟或提前，进而校正转子相位，使其正常运作，减少功率耗损，提升马达效率。

在一实施例之中，光耦合器410的主要功能是在于利用光耦合方式以减少共地效应可能造成的干扰。由操作微控制器408、驱动电路407、切换开关406以及光耦合器410，可以控制与决定马达405的操作运转情况。

在一例子之中，利用本发明特有的高效算法303可以计算出马达装置所需要或要求的最有效率、最稳定的运转条件，提供给微控制器408，以进行后续的马达405的控制。

无刷直流马达是没有电刷与逆变器的直流马达。无刷直流马达405是通过一驱动电路407以驱动控制开关406而启动马达405的运转。举例而言，驱动电路407包括数个电晶体、放大电路、检测线圈与二极体。

在一实施例之中，利用微控制器408以启动不同类型的感测器(速度感测器、温度感测器)420以侦测马达405的转速、温度。

在一实施例之中，本发明包括一逆相侦测电路413耦接交流电源30与控制电路模块400。在一实施例之中，继电器411电源启动时，利用逆相侦测电路413可检知马达405于异常或故障现象发生时，可立即中断供电，以达到保护负载的目的。

在一实施例之中，本发明的马达装置是采用永磁马达、永磁同步马达(permanent-magnet synchronous motor: PMSM)或内藏式永磁(IPM)马达。永磁同步马达是指一种转子用永久磁铁代替绕线的同步。而内藏式永磁(IPM)马达之中，永久磁铁位在转子的内侧。

上述叙述为本发明的较佳实施例。此领域的技术人员应得以领会其是用以说明本发明而非用以限定本发明所主张的专利权利范围。其专利保护范围当视权利要求及其等同领域而定。凡熟悉此领域的技术人员，在不脱离本专利精神或范围内，所作的变更或润饰，均属于本发明所揭示精神下所完成的等效改变或设计，且应包含在上述的权利要求内。

Claims (10)

1.一种具有追相模块的马达控制系统，其特征在于，包括：

一微控制器；

一永磁马达，耦合所述微控制器；以及

一高速追相模块，耦合所述永磁马达，以控制所述永磁马达。

2.如权利要求1所述的具有追相模块的马达控制系统，其特征在于，还包括一脉冲波电源控制，耦合所述永磁马达，以提供稳定控制。

3.如权利要求2所述的具有追相模块的马达控制系统，其特征在于，还包括一光耦合器，以光耦合至所述脉冲波电源控制。

4.如权利要求1所述的具有追相模块的马达控制系统，其特征在于，还包括一编码器，耦合所述微控制器，用以检测所述永磁马达旋转位置，以计算速度回授。

5.如权利要求1所述的具有追相模块的马达控制系统，其特征在于，所述高速追相模块的追频适用于所述永磁马达每分钟为8~25万转的转速，其中所述高速追相模块的弦波包含正弦波或余弦波。

6.如权利要求1所述的具有追相模块的马达控制系统，其特征在于，所述高速追相模块的追频适用于所述永磁马达每分钟为12~23万转或15~20万转的转速，其中所述高速追相模块的弦波包含正弦波或余弦波。

7.一种具有追相模块的马达控制系统，其特征在于，包括：

一微控制器；

一永磁马达，耦合所述微控制器；

一高速追相模块，耦合所述永磁马达，以控制所述永磁马达；

一脉冲波电源控制，耦合所述永磁马达，以提供稳定控制；以及

一编码器，耦合所述微控制器，用以检测所述永磁马达旋转位置，以计算速度回授。

8.如权利要求7所述的具有追相模块的马达控制系统，其特征在于，还包括一光耦合器，以光耦合至所述脉冲波电源控制。

9.如权利要求7所述的具有追相模块的马达控制系统，其特征在于，所述高速追相模块的追频适用于所述永磁马达每分钟为8~25万转的转速，其中所述高速追相模块的弦波包含正弦波或余弦波。

10.如权利要求7所述的具有追相模块的马达控制系统，其特征在于，所述高速追相模块的追频适用于所述永磁马达每分钟为12~23万转或15~20万转的转速，其中所述高速追相模块的弦波包含正弦波或余弦波。