TW201635696A - 交流馬達驅動系統及驅動方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提出一交流馬達驅動系統及驅動方法，其可提高輸入功率因數，以改善用電品質及改變直流鏈電壓波形以提升驅動效率。此系統基本由三級電路串接而成。第一級為三相全波整流電路，用以將市電提供之三相交流電壓轉換為第一直流電壓，再由第二級之升降壓電路將第一直流電壓轉換成峰值為類弦波之第二直流電壓，並提供給第三級之交流馬達驅動電路，以驅動交流馬達，藉此可有效提高馬達驅動電路之效率。本發明無需使用大容質之電解電容可有效改善習知三相整流與濾波電路所造成功率因數不佳之問題及延長馬達驅動裝置之壽命。

Description

交流馬達驅動系統及驅動方法
本發明係關於一種交流馬達驅動系統及驅動方法，特別地，係關於使用小容值電容之交流馬達驅動系統及驅動方法。
工業用馬達驅動器與電動載具用驅動器皆要求寬廣之定功率區、低輸出電壓及電流諧波、高功率密度以及價格低廉等設計指標。解決方法為基本上可歸納為削減主磁場之弱磁控制及在相同輸入電源電壓下提高直流鏈電壓。其中，提升直流鏈電壓方式較為單純而有效且可有效改善用電品質，但成本提高為其缺點。第1圖係繪示習知以三相電源輸入驅動交流馬達之二級電路架構。於第1圖中，係以一升壓型交流-直流轉換器401串接一交流馬達驅動電路402，具雙向功率流動控制、電源側高功率因數及高升壓比之直流鏈電壓輸出，但價格高為其主要缺點。第2圖繪示習知以三相電源輸入驅動交流馬達之二級電路架構。於第2圖中，則為使用三相全波整流電路403串接一升壓電路404及一交流馬達驅動電路405之架構，其可提供電源側之高功率因數及高升壓比之直流鏈電壓輸出，價格較為低廉。
第1圖及第2圖兩種方式皆需較大容值的電容C，並且未考慮如何提升馬達驅動電路之效率。由於電容C主要功能為濾波，因此多用大容值之電解電容，此類電容常因電解液蒸發而導致壽命下降。
另外，第1圖及第2圖中，交流馬達驅動裝置之功率晶體切換為獨立操作，並未與其他級電路有連動之關係。
基於前述的原因，仍需同時具有高功率因數及高驅動效率之交流馬達驅動系統及方法。
明確言之，本發明係提供一種交流馬達驅動系統及驅動方法。此系統基本由三級電路串接而成。第一級為三相全波整流電路，用以將市電提供之三相交流電壓轉換為第一直流電壓，再由第二級之升降壓電路將第一直流電壓轉換成波形峰值為類弦波之第二直流電壓，並提供給第三級之交流馬達驅動電路，以驅動交流馬達。其中，第二級與第三級電路係視交流馬達所需之電壓頻率，由電壓控制器進行峰值為類弦波直流電壓之調控，如此可使交流馬達驅動電路之功率晶體降低切換損失以提高效率。另外，第一級與第二級電路間無須使用濾波電容可有效提高功率因數來改善用電品質；第二級與第三級電路間由於無需使用大容質之電解電容，可有效延長馬達驅動裝置之壽命。
為達前述目的，於一實施例中，本發明提供一種交流馬達驅動方法，包含：利用一三相全波整流電路將市電整流產生一第一 直流電壓；將直流電壓輸入一升降壓電路及一電壓控制器，電壓控制器控制升降壓電路，令輸入之直流電壓形成一波形峰值呈類弦波之第二直流電壓；將第二直流電壓回授輸入電壓控制器；利用一交流馬達控制器產生一電壓電氣角度，輸出至一電壓命令產生器；利用電壓命令產生器產生一電壓命令，並輸入電壓控制器；以及於電壓控制器中將第二直流電壓與電壓命令比對，若第二直流電壓與電壓命令相異，則經由電壓控制器產生驅動升降壓電路之訊號，使第二直流電壓趨近電壓命令。
前述交流馬達驅動方法中，升降壓電路包含一第一功率晶體及一第二功率晶體，當電壓命令大於或等於第一直流電壓時，升降壓電路工作於一升壓模式，此時第一功率晶體導通，而第二功率晶體則依據電壓控制器補償運算結果，進行一脈寬調控以使第二直流電壓趨近電壓命令；當電壓命令小於第一直流電壓時，升降壓電路工作於一降壓模式，此時第二功率晶體不導通，而第一功率晶體則依據電壓控制器補償運算結果，進行一脈寬調控以使第二直流電壓趨近電壓命令。
前述交流馬達驅動方法中，係以交流馬達控制器控制一交流馬達驅動電路以驅動一交流馬達。交流馬達驅動電路包含三組功率晶體，各組功率晶體包含一對應正端之功率晶體及一對應負端之功率晶體，而透過電壓命令調控交流馬達之三相相電壓命令，令三組功率晶體各自單獨形成正負端開關切換。
前述交流馬達驅動方法中，透過電壓命令各別調控交流馬達之三相相電壓命令，係指比對電壓命令及三相相電壓命令，當電壓命令與其中一相電壓命令與於相位角30°至150°電壓值相同時，使其中一組功率晶體之對應正端之功率晶體維持導通而對應負端之功率晶體維持關閉。
於另一實施例中，本發明提供一種交流馬達驅動系統，包含一三相全波整流電路、一升降壓電路、一交流馬達控制器以及一電壓命令產生器。三相全波整流電路用以將市電整流產生一第一直流電壓。升降壓電路受控於一電壓控制器，其中第一直流電壓分別輸入升降壓電路及電壓控制器，令輸入之直流電壓形成一波形峰值呈類弦波之一第二直流電壓，而第二直流電壓回授輸入至電壓控制器。交流馬達控制器用以產生一電壓電氣角度。電壓命令產生器於接收電壓電器角度後，產生一電壓命令，並將電壓命令輸入電壓控制器。其中於電壓控制器中將第二直流電壓與電壓命令比對，若第二直流電壓與電壓命令相異，則經由電壓控制器產生驅動升降壓電路之訊號，使第二直流電壓趨近電壓命令。
前述交流馬達驅動系統中，升降壓電路包含一第一功率晶體及一第二功率晶體，電壓控制器則至少包含一電壓控制補償器及一脈寬訊號產生器；其中脈寬訊號產生器依據目前輸入升降壓電路之第一直流電壓與電壓命令，以決定升降壓電路之第一功率晶體及第二功率晶體之工作與否；當電壓命令大於或等於第一直流電壓，升降壓電路工作於一升壓模式，此時第一功率晶體導通而第二功率晶體則依 據電壓控制補償器之運算結果，透過脈寬訊號產生器進行導通與不導通之一脈寬調控，使第二直流電壓趨近電壓命令；當電壓命令小於第一直流電壓，升降壓電路工作於一降壓模式，此時第二功率晶體不導通而第一功率晶體則依據電壓控制補償器之運算結果，透過脈寬訊號產生器進行導通與不導通之一脈寬調控，使第二直流電壓趨近電壓命令。
前述交流馬達驅動系統中，交流馬達控制器控制一交流馬達驅動電路以驅動一交流馬達。其中交流馬達驅動電路包含三組功率晶體，各組功率晶體包含一對應正端之功率晶體及一對應負端之功率晶體，透過電壓命令調控交流馬達之三相相電壓命令，令三組功率晶體各自單獨形成正負端開關切換。
100‧‧‧電壓控制器
101‧‧‧電壓控制補償器
102‧‧‧前饋補償器
103‧‧‧限制器
104‧‧‧脈寬訊號產生器
200‧‧‧交流馬達控制器
210‧‧‧交流馬達驅動電路
220‧‧‧交流馬達
230‧‧‧電壓命令產生器
300‧‧‧市電
310‧‧‧三相全波整流電路
400‧‧‧系統控制器
401‧‧‧升壓型交流-直流轉換器
402‧‧‧交流馬達驅動電路
403‧‧‧三相全波整流電路
404‧‧‧升壓電路
405‧‧‧交流馬達驅動電路
C‧‧‧電容
、、‧‧‧三相相電壓命令
V g ‧‧‧第一直流電壓
V o ‧‧‧第二直流電壓
Q1‧‧‧第一功率晶體
Q2‧‧‧第二功率晶體
Q u+、Q u-、Q v+、Q v-、Q w+、Q w-‧‧‧功率晶體
v u 、v v 、v w ‧‧‧三相相電壓
第1圖繪示習知以三相電源輸入驅動交流馬達之二級電路架構圖；第2圖繪示習知以三相電源輸入驅動交流馬達之三級電路架構圖；第3圖繪示依據本發明一實施例之交流馬達驅動系統架構圖；第4圖繪示本發明一實施例中，使用低容值電容C，未實施類弦波之直流電壓控制之示意圖；第5圖繪示本發明一實施例中，使用低容值電容C，實施類弦波之直流電壓控制後之示意圖； 第6圖繪示本發明一實施例中，使用低容值電容C於實施類弦波之直流電壓命令的產生方法示意圖；第7圖繪示本發明一實施例中，使用低容值電容C於實施類弦波之直流電壓控制下，升降壓電路之升壓模式或降壓模式決定方法示意圖；以及第8圖繪示本發明一實施例中，使用低容值電容C於實施類弦波之直流電壓控制下，交流馬達驅動電路之功率晶體作動方法示意圖。
以下將參照圖式說明本發明之複數個實施例。為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施例中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之；並且重複之元件將可能使用相同的編號表示之。
請參照第3圖，並請一併參照第4圖及第5圖。第3圖係繪示依據本發明一實施例之交流馬達驅動系統示意圖；第4圖繪示本發明一實施例中，使用低容值電容C在未實施類弦波之直流電壓控制之示意圖，第5圖繪示本發明一實施例中，使用低容值電容C，實施類弦波之直流電壓控制後之示意圖。
於第4圖中，說明第二直流電壓V o 之漣波頻率v ripo與第一直流電壓V g 漣波v rips頻率相同且為市電之6倍頻率。於第5圖中，說明第 二直流電壓V o 之漣波頻率依據交流馬達220所需之電壓頻率輸出，此時交流馬達220所需之電壓v ac 頻率在遞增中。
交流馬達驅動系統基本包含一三相全波整流電路310、一升降壓電路110、一電壓控制器100、一交流馬達驅動電路210、一交流馬達控制器200及一電壓命令產生器230。於一例中，亦可以一微處理器作為一系統控制器400，而完成電壓控制器100、交流馬達控制器200及電壓命令產生器230等功能。三相全波整流電路310用以將市電300整流為第一直流電壓V g ，於三相全波整流電路310之直流輸出側不使用濾波電容，因此第一直流電壓V g 內含有市電300之6倍頻率之漣波，如第5(a)圖所繪示。升降壓電路110用以將三相全波整流電路310輸出之第一直流電壓V g ，經由電壓控制器100之調控產生需求之波形峰值為類弦波的第二直流電壓V o ，如第5(b)圖所繪示。交流馬達驅動電路210係透過交流馬達控制器200之調控，產生驅動交流馬達220所需之電壓。電壓命令產生器230則用以產生電壓控制器100所需之電壓命令。
於前述不使用濾波電容狀況下，於一較佳例，可使用一低容值電容C，其係用以穩定第二直流電壓V o 及提供三相交流馬達220所需之無效功。低容值電容C可選用一薄膜電容，亦可選用其餘具同等效果之電容，並無特別限制。
電壓控制器100包含電壓控制補償器101、前饋補償器102、限制器103以及脈寬訊號產生器104。其中，電壓控制補償器101可以是比例-積分或比例-積分-微分器或其他形式，經由設計後電壓控 制器之響應頻寬至少須為市電頻率之20倍以上，確保第二直流電壓V o 能精準地趨近輸出電壓命令，第二直流電壓V o 為驅近快速變動之電壓命令而產生快速變動之漣波頻率，如第5(b)圖，因此使用前饋補償器102是用來協助電壓控制補償器101以進一步改善第二直流電壓V o ，限制器103用以限制第二直流電壓V o 最大值，以保護第一功率晶體Q1及第二功率晶體Q2。
於一例中，如前述，可配置一系統控制器400，其具有微處理器，可用以產生交流馬達控制器200所需之速度或轉矩命令及控制電壓命令產生器230產生電壓控制器100所需之電壓命令。
請參閱第6圖，第6圖繪示本發明一實施例中，使用低容值電容C於實施類弦波之直流控制之電壓命令的產生方法示意圖。電壓命令產生器230是依據由交流馬達控制器200送出之電壓電氣角度來產生電壓命令，此時輸入交流馬達220之三相相電壓v u 、v v 及v w 分別為：
而為三相相電壓v u 、v v 及v w 在相同時間下的最大值，因此都與各相相電壓在30°至150°電壓值相同。
請參閱第7圖，第7圖繪示本發明一實施例中，使用低容值電容C於實施類弦波之直流電壓控制下，升降壓電路之升壓模式或降壓模式決定方法示意圖。脈寬訊號產生器104依據目前輸入升降壓電路 110之第一直流電壓V g 與輸出之電壓命令，以決定升降壓電路110中之第一功率晶體Q1及第二功率晶體Q2之工作與否。當輸出之電壓命令大於或等於輸入之第一直流電壓V g ，升降壓電路110工作於升壓模式，此時第一功率晶體Q1導通而第二功率晶體Q2則依據電壓控制補償器101之運算結果，透過脈寬訊號產生器104進行導通與不導通的脈寬調控，使輸出之第二直流電壓V o 可精準地趨近電壓命令。當輸出之電壓命令小於輸入之第一直流電壓V g ，升降壓電路110工作於降壓模式，此時第二功率晶體Q2不導通而第一功率晶體Q1則依據電壓控制補償器101之運算結果，透過脈寬訊號產生器104進行導通與不導通的脈寬調控，使輸出之第二直流電壓V o 可精準地趨近電壓命令。前述令第二直流電壓V o 精準地趨近電壓命令，係令第二直流電壓V o 漣波波形、大小及頻率皆趨近電壓命令。
請參照第8圖，第8圖繪示本發明一實施例中，使用低容值電容C於實施類弦波之直流電壓控制下，交流馬達驅動電路210之功率晶體(Q u+、Q u-、Q v+、Q v-、Q w+及Q w-)作動方法示意圖。交流馬達驅動電路210是由6個(三組)功率晶體Q u+、Q u-、Q v+、Q v-、Q w+及Q w-所建構，其中(Q u+，Q u-)、(Q v+，Q v-)及(Q w+、Q w-)依序由三相相電壓命令、及來調控，而三相相電壓命令、及是由交流馬達控制器200所產生，且三相相電壓命令、及會分別等於交流馬達驅動電路210所產生的三相相電壓v u 、v v 及v w 。據此：
(i)當與於30°至150°電壓值相同時，使Q u+維持導通而Q u-維持關閉，其他功率晶體則維持習知的作動行為。
(ii)當與於30°至150°電壓值相同時，使Q v+維持導通而Q v-維持關閉，其他功率晶體則維持習知的作動行為。
(iii)當與於30°至150°電壓值相同時，使Q w+維持導通而Q w-維持關閉，其他功率晶體維持習知的作動行為。
根據上述方式，得以減少交流馬達驅動電路210中，功率晶體的切換，因而可增加交流馬達驅動效率。
綜合前述，本發明提供之交流馬達驅動系統及驅動方法。藉由三級電路的串接，可由第二級與第三級電路係視交流馬達所需之電壓頻率，由電壓控制器進行峰值為類弦波直流電壓之調控，如此可使交流馬達驅動電路之功率晶體降低切換損失以提高效率。另外，由於無需使用大容質之電解電容，可有效增加功率因數及延長馬達驅動電路之壽命。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧電壓控制器
101‧‧‧電壓控制補償器
102‧‧‧前饋補償器
103‧‧‧限制器
104‧‧‧脈寬訊號產生器
200‧‧‧交流馬達控制器
210‧‧‧交流馬達驅動電路
220‧‧‧交流馬達
230‧‧‧電壓命令產生器
300‧‧‧市電
310‧‧‧三相全波整流電路
400‧‧‧系統控制器
C‧‧‧電容
V g ‧‧‧第一直流電壓
‧‧‧電壓電氣角度
Q1‧‧‧第一功率晶體
Q2‧‧‧第二功率晶體
Q u+、Q u-、Q v+、Q v-、Q w+、Q w-‧‧‧功率晶體
V o ‧‧‧第二直流電壓
v u 、v v 、v w ‧‧‧三相相電壓

Claims (10)

  1. 一種交流馬達驅動方法，包含：利用一三相全波整流電路將市電整流產生一第一直流電壓；將該直流電壓輸入一升降壓電路及一電壓控制器，該電壓控制器控制該升降壓電路，令輸入之該直流電壓形成一波形峰值呈類弦波之第二直流電壓；將該第二直流電壓回授輸入該電壓控制器；利用一交流馬達控制器產生一電壓電氣角度，輸出至一電壓命令產生器；利用該電壓命令產生器產生一電壓命令，並輸入該電壓控制器；以及於該電壓控制器中將該第二直流電壓與該電壓命令比對，若該第二直流電壓與該電壓命令相異，則經由該電壓控制器產生驅動該升降壓電路之訊號，使該第二直流電壓趨近該電壓命令。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之交流馬達驅動方法，其中該升降壓電路包含一第一功率晶體及一第二功率晶體，當該電壓命令大於或等於該第一直流電壓，該升降壓電路工作於一升壓模式，此時該第一功率晶體導通，而該第二功率晶體則依據該電壓控制器補償運算結果，進行一脈寬調控以使該第二直流電壓趨近該輸出電壓命令；當該電壓命令小於該第一直流電壓，該升降壓電路工作於一降壓模式，此時該第二功率晶體不導通而該第一功率晶體則依據該電壓控制 器補償運算結果，進行一脈寬調控以使該第二直流電壓趨近該電壓命令。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之交流馬達驅動方法，其中以該交流馬達控制器控制一交流馬達驅動電路以驅動一交流馬達。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之交流馬達驅動方法，其中該交流馬達驅動電路包含三組功率晶體，各組功率晶體包含一對應正端之功率晶體及一對應負端之功率晶體，透過該電壓命令調控該交流馬達之三相相電壓命令，令該三組功率晶體各自單獨形成正負端開關切換。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之交流馬達驅動方法，其中透過該電壓命令各別調控該交流馬達之該些相電壓命令，係比對該電壓命令及該些相電壓命令，當該電壓命令與其中一該相電壓命令於相位角30°至150°電壓值相同時，使其中一組功率晶體之該對應正端之功率晶體維持導通而該對應負端之功率晶體維持關閉。
  6. 一種交流馬達驅動系統，包含：一三相全波整流電路，用以將市電整流產生一第一直流電壓；一升降壓電路，受控於一電壓控制器，其中該第一直流電壓分別輸入該升降壓電路及該電壓控制器，令輸入之該直流電壓形成一波形峰值呈類弦波之一第二直流電壓，而該第二直流電壓回授輸入至該電壓控制器； 一交流馬達控制器，用以產生一電壓電氣角度；以及一電壓命令產生器，於接收該電壓電器角度後，產生一電壓命令，並將該電壓命令輸入該電壓控制器；其中於該電壓控制器中將該第二直流電壓與該電壓命令比對，若該第二直流電壓與該電壓命令相異，則經由該電壓控制器產生驅動該升降壓電路之訊號，使該第二直流電壓趨近該電壓命令。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之交流馬達驅動系統，其中該升降壓電路包含一第一功率晶體及一第二功率晶體，該電壓控制器則至少包含一電壓控制補償器及一脈寬訊號產生器；其中該脈寬訊號產生器依據目前輸入該升降壓電路之該第一直流電壓與該電壓命令，以決定該升降壓電路之該第一功率晶體及該第二功率晶體之工作與否；當該電壓命令大於或等於該第一直流電壓，該升降壓電路工作於一升壓模式，此時該第一功率晶體導通而該第二功率晶體則依據該電壓控制補償器之運算結果，透過該脈寬訊號產生器進行導通與不導通之一脈寬調控，使該第二直流電壓趨近該電壓命令；當該電壓命令小於該第一直流電壓，該升降壓電路工作於一降壓模式，此時該第二功率晶體不導通而該第一功率晶體則依據該電壓控制補償器之運算結果，透過該脈寬訊號產生器進行導通與不導通之一脈寬調控，使該第二直流電壓趨近該電壓命令。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之交流馬達驅動系統，其中該交流馬達控制器控制一交流馬達驅動電路以驅動一交流馬達。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之交流馬達驅動系統，其中該交流馬達驅動電路包含三組功率晶體，各組功率晶體包含一對應正端之功率晶體及一對應負端之功率晶體，透過該電壓命令調控該交流馬達之三相相電壓命令，令該三組功率晶體各自單獨形成正負端開關切換。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之交流馬達驅動系統，更包含一低容值電容，其係用以穩定該第二直流電壓及提供該交流馬達所需之無效功。
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