TW200917641A - Sensorless control system of brushless DC motor - Google Patents

Description

200917641 九、發明說明： £發明所屬之技術領域】 ，她係有關於-種直流無刷馬達之無她控制系统，尤 係指一種可應用控制在同步 ，、' 提升穩定度之控制系統。“用於低逮控制’並能 【先前技術】 按’一般來說，傳統直流無刷馬達之無_器逮度控制之響 應如第-騎不，縱軸表示速度 其控制方式首先係輸入—加速度峨以啟動一馬達旋轉，故有一 速區間L1，接著使群交細她作開迴路與_路之同步檢 測來完成纽，目先爛猶财檢測u， ^珊命令m加侧u，然後再^=路 的同步檢測TU系統。其中’零交越點侧電路係、先以二極體作三 相端電壓之電顧波’再經過磁滯比較電路侧其零交越點，最 後再使用光耦合隔離電路將訊號送至控制晶片（數位訊號處理器 (digital signal pr〇cess〇r，DSP)或場可程式化閘陣列（fidd programmable gate array，FPGA)等）處理。 明參閱第一圖，其係應用於開迴路部份的反電動勢同步檢 測，圖示係以調整頻率（尸）的方式，來進行同步檢測。理論上在 馬達還未定速時，轉子磁場和定子磁場處於不同速不同步的情 形’而在使用電壓/頻率（K/F)調控的原則上，尸為實際定子旋轉 磁場的頻率’可決定實際的轉速，故在理想定速情形下，F是不 200917641 可變動的i娜前述第二圖可知，雖然零交越點都出現在同一區 180〜240 )’但實際的定子導通時間若不綱好120度電 氣角，則就非在預計轉速下運轉’而有速度過快或過慢之現象， 而來修正第—圖的情形。第二圖中齡第—波形以爾 、、_ 〃在60即進入⑤電位，且在60。〜180。之卿持高電 ^@'_見在18〇°，°。根據此方式判斷，第二波形Λ2 則顯不速度過快，*第三波形Μ醜示速度過慢。 至於F (電壓）則決定了馬達的最大輸出電樞電流量，而電 柩麵又和轉矩成正比，故〆的調控也決定了輸出最大轉矩量， 且電樞磁場強度的大小也取決於_電流的大小，而電框磁場強 度的大小又可決定轉子磁場和定子磁場的對應關係，#電_# 強度若不足以完全吸附轉子，則即使在轉子磁場和定子磁場屬於 同速運轉’但4場間相差大於9〇度電氣角（非正交），故阿 決定轉子和定子磁場間的相位關係。根據第三圖所示，其係顯示 以凋整電壓（F)的方式，來進行同步檢測。由第三圖得知，定子 實際導通時間都約為120度電氣角時間，但實際換相點皆在术同 區間，號财餘。〜細。H但實麵目點可能落 在超前區間或落後區間的位置上’故表示電枢電流和反電動勢為 非同相，故需調整Κ來修正第三圖的情形。第三圖中顯示第一波 形Β1預計換相點位置正常，其在齡ρ進入高電位，且在⑷。〜 180°之間維持高電位，零交越點出聲18〇。〜24〇。。根據此方式 5 200917641 判斷’苐一波形松在⑷之前即進入高電位，顯示其換相點位置 超前，而第三波形B3則顯示換相點位置落後。 因此，零交越點換相法另外必須加上濾波器及相位補償電路 來增加系統穩定度，而且在低速有難债測的問題。但若使用估測 轉軸角的孩則會使緣的複雜增加，且須再加上冑解析度的 類比數位轉換器(analog-to-digital _ertei·，ADC)或電流感測元 件’則又增加了成本支出的缺點。 習知關於無刷馬達無感測器控杯^技術，已有公開在台灣專 利公報中，由貝錄之所發明之「同步電動機之無感測器控制裝 置」，專利公告第5獨3號；然其係利用電流感測元件推測同步 電動機之電流及磁極位置，形成-般的閉迴秘制。在此將此案 • 併入本文，以供參考。 如前所述，習知技術仍有树完善之處，仍有待改善。 【發明内容】 本發明之目的係提供-種直流無刷馬達之無感測器控制系 統，而提出-個_同她_取樣轉，且僅織馬達之斗 端電壓經截波電路輸出至-處理單元，即可完成高解析度的同步 _，不但有效的降低電路成本而且在無須使職波器和相位補 仏電路之下依然是穩定的無感測器系統。 為達致上述目的’本發明直流無刷馬達之無感測器控制系 直^系款控制方法包括：提供—三相直流無刷馬達；檢測該 ^刷馬達之三相端賴，而輪出包含有第—相電壓（U)、第 200917641 Θ目電麗（v)及第三相電 抻齡古^ 麼（w)，&供一第-轉速命令，用以 ，繼直⑽刷騎之轉逮；樹_—槪命令，在每― :’秦間之同步檢测點數量，並檢測經截波電 P代表别述直流無刷馬達之轉子磁場與定子磁場間存在有 她越前输㈣義，_統處料元魄铜步相位補 償。藉此，可有效降低電路成本，且無須使赠波器和相位補償 電路’仍可翻歡的域測器系統。 為了讓本翻之上述目的、繼、優雜更鴨，下文特舉 本發明較佳實施例’並配合所附圖示，作詳細說明如下。 【實施方式】 本發明主要檢測在脈波寬度調變（触匕呢地ModulatiOT， PWM)控制下之未導通相感應電動勢的脈波，作為同步檢測的依 據。在反電動勢梯形波的斜坡區段，當轉子磁場和定子磁場處於 非同步的情形時，就會存在彼她麵絲後侧係，而反應 至未導通相線圈，將使未導通相的反電動勢不滿一預定電氣角度-(如60度）。原因是在相位有越前或落後的關係時，轉子磁場切 割未導通相定子線圈面時，會有一段無磁通變化量的情形產生， 故會反應至未導通相線圈在越前或落後的角度區間是量測不到反 電動勢’此時未導通相感應電動勢PWM訊號就會無法產生。故 本發明將利用此現象，將感應電動勢PWM訊號視為同步檢測點 來做為相位補償，透過（1) _ (3)式得知在希望的轉速命令下， 200917641 其每-號電㈣度（如60度） 在不同轉速下’每-铜步檢測點可修正的角度，然後再麵偵 測的相位越前或落後的角度差來當作調控應責任週期 Cycle)的依據。 =~(rpm) rieo (l) % :馬達轉速命令(rpm) 馬達極數 & : 60度電氣角_ (六步方波—步剛好為⑷度電氣⑴

Nchk =TW* FPmf N · ⑵ •.每60度電氣角所切割出來的同步檢測點數量 : PWM的切換頻率 〜 (3) 心：每一同步檢測點可修正的角度。 請參閱第四®，其係本發_、統控她構之控椒程圖，根 據前述之說明，本發明之流程控制架構如下，包括有： (1)提供一三相直流無刷馬達。 ⑵提供-第-轉速命令食控偷直流無刷馬達之轉速。 ⑶檢繼直流無刷馬達之三相端電壓，啸出包含有第— 相賴⑼、第4霞（V)及第三相電壓（w)。該些端點之 電壓訊號縣脈波寬細變㈤％则& Modulatbn，PWM)控 200917641 制之結果來表示。 在—預定電氣角 (60度）區 ·* ^ 並檢測經—截波電路輪出之前述第—相電飾)、㈣頓V) 及第三相⑻在該财檢測點的值。 ⑸若無偵測到正確的同步檢測點之值，即代表前述直流無 刷馬達之場紗相躲細爾細_係， 即馬上進行同步相位補償。 «方式請參閱第五圖，其係本發明實施例之同步檢測補 償方法不忍圖。本發明實施例在每PWM週期皆會實施同步檢測， 以確定未導通相其PWM切割出來的脈衝是否消失。例如第五圖 内’在第一預定電氣角（60。〜9〇。）區間包含有第一同步檢測點 al及第二同步檢測點a2;在第二歡電氣角⑼。〜徽）區間包 含有第二同步檢測點a3及第四同步檢職a4。其+，該第—同步 檢測點al及a2無偵卿第4目電壓（v)及第三相電壓（w)之 訊號（第二、三相電壓（V)、（W)訊號經截波電路輸出之狀態皆’ 為0)，表示越前換相，故須調整1>廻duty (電愿）來作相位補 償。其中，該第三同步檢測點a3及第四同步檢測點a4偵測到第 一相電壓（U)及第二f目電壓（v)之訊號（第一、二相電麗、 (V)之訊號經截波電路輸出之狀態皆為1)，表示無落後換相， 此時不必進行同步相位補償。 200917641 關於實現相位補償之技術，可透過—處理單元來完成，該處 理單元本發嗎職處則硬體來纽。目此，^明 之技術可應用在各種儲存電子設備上，如光碟機、冷缝縮機、 或光電通訊技術領域(如··手機、PDA)。狀在低速控制的環境 之下，棒細健或硬_姆檢麻翻^關償策略， 即可提升無感測控制系統的精確度。足見本發明之同步補償策 略，除了有效降低成本外也提供了如編碼器的解析度，可有效地 完成無感測器的低速控制並提升系統穩定度。 如刖所述’使財發明㈣—倾點是馬贴树至速度命 令後直接進入閉迴_步檢測系統（如第六圖所示），因此^發 明只有加速及_朝步檢_。無須再和傳統的同步 檢測方式-樣，先做開迴路同步檢測，等系統穩定後再加速至速 度命令，然後再進入_路的同步檢測系統，且在無伽到零交 越點的情軒，還科__關步檢_統，而本發明之所 以可以直键人_期步檢_蘭卵是：不測零交越點 做為同步檢酿，故無須使關迴辆步彳來校正零交越綠 使用PWM切換的責任週期脈波作為同步檢測點，如第五圖所示， 本發明若無侧到正確的同步檢測點之值，即代表轉子磁場與定 子磁場間存在相位顯祕後的祕，故馬上進制步相位補 償所以就以系統穩疋度和進入閉迴路系統的速度，本發明都遠 優於傳統的同步檢測方式。 200917641 故本發明H麟合專概t上利雌、鞠性、以及 進步性之所敢。雜:触峨軌財6揭示本㈣之較佳實 施例’惟此乃鶴實施歡魏，舉凡各剌添、佩和取代可 能使用於树_±實_，鑛顧人本剌之帽專利範圍 所界疋之細内。g此，本文於此所揭示的實施例所有說點，應 被視為用以說日脉發明’轉肋關本發明。本發明之範圍應 由後附之帽翻範騎界^，並涵難合法解物，並不祕 先前之描述。 ' 【圖式簡單說明】 … 第-圖係f知鼓無概教無_ H速紐制之麵示意圖。 第二圖係f知姐無㈣叙H聰紐控綱乡檢測方式調 整頻率之示意圖。 第三圖係f知Μ無與叙無細B速度控綱步檢财式調 整電壓之示意圖。 11 200917641 第四圖係本發明實施例之系統控制流程圖。 第五圖係本_實補之1_步_顯紐示意圖。 第六圖係本靖繩_输絲·纖制之響應 示意圖 【主要元件符號說明】 al第一同步檢測點 a3第三同步檢測點 U第一相電壓 W第三相電壓 L6閉迴路同步檢測 a2第二同步檢測點 a4第四同步檢測點 V第二相電壓 L5加速區間 12

Claims (1)

1. 200917641 十、申請專利範圍： 1· -種直流無刷馬達之無感測n控姆統，該祕之控制方 法，包括： 提供一三相直流無刷馬達； 檢測該直流無刷馬達之三相端謂，而輪出包含有第一相電 壓（U)、第二相電壓（v)及第三相電壓; 提供第-槪命令’贱控繼直流無達之轉速； 根據該第-轉速命令，決定在—敢電氣躯fam含至少有 -同步檢測點，並檢測經一截波電路輪出之前述三相端電壓在該 同步檢測點的值； '若無偵測到正翻同步檢測點之值，即代表前述直流無刷馬 達之轉子磁場與定子磁場間，在該點角度存在Λ位越前或落後 的關係，即進行同步相位補償。 / 2.如申清專利範圍第；！項所述之直流無刷馬達之無感測器控 制系統，其中，該三相直流無刷馬達端點之電壓訊號係以脈波寬 度調變（PulSe_WidthM〇dulatiQn，) _之結絲表示。’ / 3.如申明專利範圍第！項所述之直流無刷馬達之無感測器控 制系’先，、巾，更包括有一處理單元，用以實肋位補償。 / 4·如申請專利範圍第！項所述之直流無刷馬達之無感測器控 】系充’、中該預疋角度區間係為60度電氣角區間。 / 5.如申請專利範圍第i項所述之直流無刷馬達之無感測器控 制系統，其中’該同步檢測點可修正的角度係依據該預定角度及 13 200917641 該預定角度電氣角所切割出來的同步檢測點數量來決定。 6.如申請專利範圍第3項所述之直流無刷馬達之無感測器控 制系統，其中，該處理單元係為微處理器晶片。 14