TW201601447A - 永磁同步馬達之轉子角度估測方法 - Google Patents
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Abstract
本發明有關於一種永磁同步馬達之轉子角度估測方法，尤指一種注入高頻方波訊號以無感測器方式估測轉子角度之方法，其預估一轉子角度以對應取得轉子的一直軸與一交軸之預估位置，注入一高頻的方波訊號至預估的直軸上，在預估的交軸上連續取樣交軸電流，比較前後三次取樣時間之交軸電流計算出兩筆電流差量，利用這兩筆電流差量計算出一誤差角度，將誤差角度加上原本預估的轉子角度即可估測出一實際的轉子角度，之後使用估測出的轉子角度取代原預估的轉子角度，以進行下一次轉子角度估測程序。
Description
本發明有關於一種永磁同步馬達之轉子角度估測方法，尤指一種注入高頻方波訊號以估測永磁同步馬達之轉子角度之方法。
在永磁同步馬達的控制上，為了達到良好的直接扭力向量控制效果，必須隨時偵測馬達轉子與定子的相對位置。基於成本及環境的考量，在許多應用上並不適合安裝用以偵測轉子位置角度的感測器，如光學編碼器、霍爾感測器、解角器等。故，需使用無感測器的轉子角度估測方法來估測馬達轉子的角度。
又，永磁同步馬達運轉在高速時，由於馬達的反電動勢(back-EMF)相當明顯，係可以利用反電動勢來作為估測轉子角度的依據。然而，當永磁同步馬達運轉在零速或低速時，會因為無法量測到反電動勢或所量測到的反電動勢太小，而令以反電動勢為基礎的轉子角度估測方法無法被實行。於此，為了可以在馬達運轉於零速或低速的狀態下可以正確估測出馬達的轉子角度，係以馬達凸極效應(saliency)為基礎的訊號注入法已被提出。
以往的研究都使用頻率較低的弦波訊號注入法，其注入頻率多介於250Hz~2KHz之間，由於硬體實現上的困難度，弦波訊號注入法的注入頻率很難再向上提升。再者，弦波訊號注入法之注入頻率落在人耳的敏
感區，以致於常伴隨著噪音上的問題。
有鑑於此，本發明將提供一種創新的永磁同步馬達之轉子角度估測方法，其利用注入高頻的方波訊號以在馬達運轉在零速或低速時估測轉子的角度位置，以具有注入訊號容易產生且注入頻率可以遠高於傳統弦波注入方法等等優點，並藉由提高注入頻率以減少噪音，將會是本發明欲達到的目的。
本發明提出一種永磁同步馬達之轉子角度估測方法，其方法預估一轉子角度以對應取得轉子的一直軸與一交軸之預估位置，注入一高頻的方波訊號至預估的直軸上，在預估的交軸上連續取樣交軸電流，比較前後三次取樣時間之交軸電流計算出兩筆電流差量，利用這兩筆電流差量計算出一誤差角度，將誤差角度加上原本預估的轉子角度即可估測出一實際的轉子角度，之後使用估測出的轉子角度取代原預估的轉子角度，以進行下一次轉子角度估測程序，而後利用估測出的轉子角度以迴授精確地控制永磁同步馬達之運轉。
本發明提出一種永磁同步馬達之轉子角度估測方法，其利用高頻方波訊號注入法只需三個取樣週期就可以在預估的交軸上取得注入高頻方波訊號後所產生之電流差量，並因此取得原本預估的轉子角度與實際的轉子角度間之誤差角度以計算出實際的轉子角度，其計算出實際的轉子角度之所需時間相較於以往低頻弦波注入法減少許多，如此，將可以快速地精準控制永磁同步馬達之運轉。
本發明提出一種永磁同步馬達之轉子角度估測方法，其方波
訊號之注入頻率遠高於人耳可以聽見的頻率範圍，藉以避免產生低頻噪音而引起人們的不適。
為達成上述目的，本發明提供一種永磁同步馬達之轉子角度估測方法，其方法實行於一用以控制永磁同步馬達運轉之微處理器中，永磁同步馬達之結構包括一定子及一轉子，方法包括：預估一轉子角度以對應取得轉子的一直軸與一交軸之預估位置；注入一高頻的方波訊號至預估的直軸上；連續地在預估的交軸上取樣三筆交軸電流；比較三筆交軸電流以取得兩筆電流差量；利用兩筆電流差量以計算出一誤差角度；及令誤差角度加上預估的轉子角度以得到一實際的轉子角度。
本發明一實施例中，其中高頻的方波訊號包括一負電壓位準狀態及一正電壓位準狀態，當高頻的方波訊號在負電壓位準狀態時在預估的交軸上取樣第一筆交軸電流，在正電壓位準狀態時在預估的交軸上取樣第二筆交軸電流，而在下一次負電壓位準狀態時在預估的交軸上取樣第三筆交軸電流。
本發明一實施例中，其中在取得轉子的直軸與交軸之預估位置之步驟後，尚包括下列步驟：基於預估的直軸及交軸以取得一動態方程式，動態方程式為：
其中，為預估的直軸電流，為預估的交軸電流，為預估的直軸輸入電壓，為預估的交軸輸入電壓，L d 為直軸電感，L q 為交軸電感，p為微分運
算子；將誤差角度之變數代入於動態方程式中，並改寫動態方程式為一離散型式之動態方程式，離散型式之動態方程式為：
其中，θ代表為誤差角度之變數，Δ表示為鄰近兩次取樣時間之間的差量。
本發明一實施例中，其中高頻的方波訊號注入於預估的直軸上，則，預估的直軸上之電壓為：
其中，為預估直軸上之電壓，為原本輸入至一實際的直軸之電壓命令訊號，±Vsquare為高頻方波訊號之正負電壓位準，而預估的交軸上之電壓為：；其中，為預估交軸上之電壓，為原本交軸上用以控制馬達之電壓命令訊號。
本發明一實施例中，其中預估直軸上之電壓及預估交軸上之電壓代入於離散型式之動態方程式之中，並連續地在預估的交軸上取樣三筆交軸電流，比較三筆交軸電流以取得兩筆電流差量為：
其中，為三筆所取樣的交軸電流間之兩筆電流差量。
本發明一實施例中，其中在取得兩筆電流差量後，尚包括下
列步驟：連續兩個時間點取得兩筆電流差量；相減兩筆電流差量，以透過兩筆電流差量之相減值而計算出誤差角度，誤差角度為：
本發明一實施例中，其中誤差角度與該預估的轉子角度相加以取得實際的轉子角度，實際的轉子角度為：
本發明一實施例中，本發明轉子角度估測方法應用在永磁同步馬達運轉在零速或低速時。
100‧‧‧永磁同步馬達系統
10‧‧‧微處理器
11‧‧‧轉子角度估測模組
111‧‧‧正座標轉換單元
112‧‧‧轉子角度估測單元
12‧‧‧正座標轉換模組
13‧‧‧微分器
14‧‧‧速度控制器
151‧‧‧比例積分器
152‧‧‧比例積分器
16‧‧‧反座標轉換模組
17‧‧‧脈波寬度調變器
20‧‧‧電源轉換器
30‧‧‧永磁同步馬達
31‧‧‧定子
33‧‧‧轉子
第1圖：本發明永磁同步馬達系統之系統架構圖。
第2圖：本發明永磁同步馬達之內部結構示意圖。
第3圖：本發明永磁同步馬達之轉子角度估測方法之流程圖。
請參閱第1圖為本發明永磁同步馬達系統之系統架構圖以及第2圖為本發明永磁同步馬達之內部結構示意圖。如第1圖所示，本發明永磁同步馬達系統100之結構主要包括一微處理器10、一電源轉換器20及一永磁同步馬達(Permanent-Magnet Synchronous Motor,PMSM)30。電源轉換器20將一直流電源轉換為三相電源。微處理器10輸出控制訊號D a 、D b 、D c ，利用控制訊號D a 、D b 、D c 控制三相電源之大小，並將三相電源輸入至永磁
同步馬達30之中而驅動永磁同步馬達30進行運轉。再者，微處理器10接收永磁同步馬達30運轉時所產生之電流訊號i a 、i b ，經由運算電流訊號i a 、i b 以對應產生另一控制訊號D a 、D b 、D c ，而後再利用另一控制訊號D a 、D b 、D c 繼續控制三相電源之大小以持續驅使永磁同步馬達30運轉。
如第2圖所示，永磁同步馬達30包括一定子31及一轉子33，轉子33將會在定子31內部進行轉動。再者，對於轉子33之位置座標定義有一轉子磁場方向之直軸(d)及一垂直於轉子磁場方向之交軸(q)。永磁同步馬達30之動態方程式如下所示：
其中，V d 為直軸輸入電壓，V q 為交軸輸入電壓，Rs為定子等效電阻，Ld為直軸電感，Lq為交軸電感，ω為馬達角速度，P為微分運算子，i d 為直軸電流，i q 為交軸電壓，λ m 為轉子磁通鏈。
再者，本發明於永磁同步馬達30運轉在零速或低速時，注入一高頻的方波訊號至微處理器10之中，此注入的訊號頻率將會遠高於馬達電流的控制頻率及旋轉頻率，因此，式(1)可以近似於式(2)：
將式(2)移項成為式(3)
又，微處理器10包括一轉子角度估測模組11、一正座標轉換
模組12、一微分器13、一速度控制器14、兩比例積分器151、152、一反座標轉換模組16及一脈波寬度調變器17。本發明永磁同步馬達系統100可以利用微處理器10之轉子角度估測模組11來演算出一實際的轉子角度θ，其演算的過程如第3圖之流程步驟所示，並同時參閱第2圖。首先，如步驟501，微處理器10可以對於永磁同步馬達30之轉子33預估一轉子角度。此預估的轉子角度與實際轉子角度θ的關係為，其中θ代表實際轉子角度θ與預估的轉子角度間之誤差角度。在此，藉由預估轉子角度以對應取得轉子33的直軸與交軸所預估的位置。
轉子角度估測模組11包括一正座標轉換單元111及一轉子角度估測單元112。正座標轉換單元111參考於預估轉子角度之直軸與交軸，以將接收到三相的電流訊號i a 、i b 轉換成軸電流訊號、，在此，基於預估的直軸與交軸所取得的一動態方程式為：
接著，轉子角度估測單元112將會對於動態方程式(4)進行演算，將誤差角度之變數θ代入於式(4)之中以推導出：
將微分運算子移項：
將式(6)改寫成離散型式：
其中，Δ表示為鄰近兩次取樣之間的差量。經過式(5)~(7)推導移項後，將可取得一離散型式之動態方程式。
接著，步驟S502，注入一高頻的方波訊號至預估的直軸上，注入的方波電壓大小為±Vsquare，則，預估的直軸上之電壓為：
而預估的交軸上之電壓為：
其中，及為原本微處理器10輸入至實際的直軸d及交軸q的電壓命
令訊號。
步驟S503，將式(8)及式(9)代入於式(7)中，並在預估的交軸上取樣三筆交軸電流。之後，步驟S504，比較三筆交軸電流以取得兩電流差量為：
又，高頻方波訊號包括一負電壓位準狀態(-V square )及一正電壓位準狀態(+V square )。當高頻的方波訊號脈動在負電壓位準狀態(-V square )時，轉子角度估測單元112可以在預估的交軸上取樣第一筆交軸電流，接續，當高頻的方波訊號轉態脈動在正電壓位準狀態(+V square )時，轉子角度估測單元112可以在預估的交軸上取樣第二筆交軸電流，之後，再於下一次負電壓位準狀態(-V square )時，轉子角度估測單元112可以在預估的交軸上取樣第三筆交軸電流。在此，本發明轉子角度估測單元112只需三個取樣週期即可取得式(10)之兩筆電流差量。
由於及之電壓命令訊號頻率遠低於取樣頻率，故以及，因此，可以將連續兩個時間點所取得的兩筆電流差量之式(10)進一步相減以得到：
進一步考慮到極性隨著n轉換，式(11)可以改寫為：
步驟S505，對於電流差量之公式(12)進行移項，以計算出誤差角度θ：
最後，步驟S506，將誤差角度θ加上預估的轉子角度，則，轉子角度估測單元112即可以計算得到一實際的轉子角度θ。
繼續，轉子角度估測單元112執行完轉子角度的估測流程後，將計算出實際的轉子角度θ分別傳送至正座標轉換模組12、微分器13及反座標轉換模組16。微分器13微分實際的轉子角度θ，以產生及傳送一實際轉速ω至速度控制器15。速度控制器15將實際轉速ω比較於一命令轉速ω *以得到一速度差值，再對於速度差值進行一比例積分運算以得到一電流命令訊號。
正座標轉換模組12參考於實際的轉子角度θ以將接收到的三相的i a 、i b 轉換成d-q軸電流訊號i d 、i q 。d-q軸電流訊號i d 、i q 與電流命令訊號、進行比較以得到兩個電流差值，兩個電流差值分別經由兩比例積分器151、152進行比例積分運算以分別得到兩個電壓命令訊號、。
電壓命令訊號與注入於直軸(d)之高頻方波訊號(±
Vsquare)進行加總，以取得電壓命令訊號。與在傳送至反座標轉換模組16以轉換成三相的電壓命令訊號、、。最後，三相的電壓命令訊號、、在經由空間向量的脈波寬度調變器(SVPWM)17的調變後，即可產生數位的控制訊號D a 、D b 、D c ，以對於永磁同步馬達30供電之三相電源進行控制。
綜合上述，本發明永磁同步馬達系統100利用高頻方波訊號注入法只需三個取樣週期就可以在預估的交軸上取得注入高頻方波訊號後所產生之電流差量並因此換算出誤差角度θ而計算得到實際的轉子角度θ，其計算出實際的轉子角度θ之所需時間相較於以往採用弦波注入法減少許多，於此，以快速地精準控制永磁同步馬達30之運轉。再者，方波訊號之注入頻率能夠遠高於人耳可以聽見的頻率範圍，藉以避免產生注入噪音而引起人耳的不適。
以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，即凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
Claims (8)
- 一種永磁同步馬達之轉子角度估測方法，其方法實行於一用以控制永磁同步馬達運轉之微處理器中，永磁同步馬達之結構包括一定子及一轉子，方法包括：預估一轉子角度以對應取得轉子的一直軸與一交軸之預估位置；注入一高頻的方波訊號至預估的直軸上；連續地在預估的交軸上取樣三筆交軸電流；比較三筆交軸電流以取得兩筆電流差量；利用兩筆電流差量以計算出一誤差角度；及令誤差角度加上預估的轉子角度以得到一實際的轉子角度。
- 如申請專利範圍第1項所述之轉子角度估測方法，其中該高頻的方波訊號包括一負電壓位準狀態及一正電壓位準狀態，當該高頻的方波訊號在該負電壓位準狀態時在該預估的交軸上取樣第一筆該交軸電流，在該正電壓位準狀態時在該預估的交軸上取樣第二筆該交軸電流，而在下一次負電壓位準狀態時在預估的交軸上取樣第三筆該交軸電流。
- 如申請專利範圍第1項所述之轉子角度估測方法，其中在取得該轉子的該直軸與該交軸之預估位置之步驟後，尚包括下列步驟：基於該預估的直軸及交軸以取得一動態方程式，該動態方程式為：
- 如申請專利範圍第3項所述之轉子角度估測方法，其中該高頻的方波訊號注入於該預估的直軸上，則，該預估的直軸上之電壓為：
- 如申請專利範圍第4項所述之轉子角度估測方法，其中該預估直軸上之電壓及該預估交軸上之電壓代入於該離散型式之動態方程式之中，並連續地在該預估的交軸上取樣三筆該交軸電流，比較三筆該交軸電流以取得兩筆該電流差量為：
- 如申請專利範圍第5項所述之轉子角度估測方法，其中在取得兩筆該電流差量後，尚包括下列步驟：連續兩個時間點取得兩筆該電流差量；及 相減兩筆該電流差量，以透過該兩筆該電流差量之相減值而計算出該誤差角度，該誤差角度為：
- 如申請專利範圍第6項所述之轉子角度估測方法，其中該誤差角度與該預估的轉子角度相加以取得該實際的轉子角度，該實際的轉子角度為：
- 如申請專利範圍第1項所述之轉子角度估測方法，其中該轉子角度估測方法應用在該永磁同步馬達運轉在零速或低速時。
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Cited By (3)
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| TWI695575B (zh) * | 2019-06-27 | 2020-06-01 | 國立成功大學 | 儲能系統之動力匹配控制裝置 |
| CN111641362A (zh) * | 2020-05-07 | 2020-09-08 | 浙江工业大学 | 一种双脉冲高频方波电压注入永磁同步电机电感快速辨识方法 |
| CN113179068A (zh) * | 2021-05-27 | 2021-07-27 | 大连海事大学 | 基于改进方波注入的永磁同步电机无位置传感器控制方法 |
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2014
- 2014-06-27 TW TW103122266A patent/TW201601447A/zh unknown
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