TW201902109A - 具有追相模組之馬達控制系統 - Google Patents

Abstract

一種具有追相模組之馬達控制系統，包括：一微控制器；一永磁馬達，耦合該微控制器；一弦波追相模組，耦合該永磁馬達，以控制該永磁馬達；以及一脈衝波電源控制，耦合該永磁馬達，以提供穩定控制馬達。

Description

具有追相模組之馬達控制系統

本發明係關於馬達技術，特別係一種具有追相模組之馬達裝置之控制系統。

馬達主要係由轉子、設置於轉子內之磁鐵磁極、定子、印刷電路板所組成，驅動器與感測器設置連結於印刷電路板之上。

當馬達操作時，全橋電路中的線圈纏繞定子，驅動器輸出控制訊號以控制數個開關之開啟與關閉。磁鐵磁極具有數個磁極(例如，分別為N極、S極、N極與S極)並設置於轉子內，依據電流流經線圈，定子所產生的電磁場推動轉子，並藉由感測器以感應轉子內磁鐵磁極之變換而輸出一感測信號至驅動器，以調整控制流經線圈的電流時間，使馬達定子對轉子產生固定方向的旋轉磁場。

如第一圖所示，其顯示馬達之轉動原理。當電流由繞組4號進入而從繞組1號出時，定子101所產生的電磁場會推動轉子102，使得轉子(永久磁鐵)102會從繞組1號轉到繞組2號。而當定子101之電流換相變成由繞組5號進入而從繞組2號出時；同樣地，定子101所產生的電磁場會推動轉子102，使得轉子(永久磁鐵)102從繞組2號轉到繞組3號。藉由定子電流不斷的換相，就能使轉子(永久磁鐵)102跟著旋轉，帶動整體馬達的轉動。

如第二圖所示，其顯示一直流無刷馬達之驅動原理。直流無刷馬達之最基本的驅動方法為120°導電方式(亦即六步驅動模式)。控制開關202例如為半導體開關元件，係由6個絕緣閘雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)與二極體所構成。二極體係連接於絕緣閘雙極電晶體之集極-射極之間。利用控制開關202之6個絕緣閘雙極電晶體(IGBT)開關(T1、T2、T3、T4、T5、T6)，而施加以單純之開啟與關閉(ON/OFF)控制信號。6個IGBT開關(T1、T2、T3、T4、T5、T6)分別並聯6個二極體(D1、D2、D3、D4、D5、D6)。在6個開關之中，每一次只有2個開關導通，藉由6個開關的變化吸引轉子到達6個定點，以讓馬達201旋轉。例如，六步驅動模式之中，第一步為IGBT開關(T6、T1)開啟，其他4個電晶體關閉；第二步為IGBT開關(T1、T2)開啟，其他4個電晶體關閉；第三步為IGBT開關(T2、T3)開啟，其他4個電晶體關閉；第四步為IGBT開關(T3、T4)開啟，其他4個電晶體關閉；第五步為IGBT開關(T4、T5)開啟，其他4個電晶體關閉；第六步為IGBT開關(T5、T6)開啟，其他4個電晶體關閉。在每一步驅動之後，均會進行讀取反電動勢203，以及偵測轉子的位置204，接下來才會透過控制器200來進行控制IGBT開關之切換的動作。

習知無刷馬達裝置之中，一控制器與馬達之間彼此電性連接。馬達內部之處理器能根據控制器之控速訊號以驅動馬達，進行特定速度的轉動。而無刷直流馬達之控制方法，大略包含三步驟：轉子定位步驟，一開迴路啟動步驟，以及一閉迴路運轉控制步驟。

目前習知馬達的頓轉轉矩(Cogging Torque)較大，在換極時(輸入電流流經線圈的電流方向切換瞬間)會產生一短暫的休息時間(dead time)而造成流經線圈的電流振幅過大而產生過大峰值電流(Peak Current)。因此，容易造成馬達中的電子元件損壞。若將馬達應用於風扇，風扇會產生明顯的馬達頻率倍頻震動。若馬達驅動電路之中有任意一個電子元件發生故障，將使得馬達轉子失去磁場感應力而停止旋轉。

此外，無刷直流馬達由於具有高效率之優勢，因此，多數業者大多將其使用在電子產品上。尤其是作為電子產品中的散熱風扇使用，藉由無刷直流馬達之驅動以帶動扇葉轉動，進而進行電子產品之驅風散熱。

然而，傳統的無刷直流馬達具有以下缺點：若無刷直流馬達應用 於一風扇系統或水上活動時，其轉子係結合一葉片組，當無刷直流馬達在未啟動時，若該轉子受外力影響而無法處於靜止狀態(例如，葉片組因受外部氣流之擾動而帶動轉子轉動之狀況)；此時，轉子由於無法定位在啟動定位位置，因而無法完成轉子定位步驟，進而使後續的開迴路啟動步驟無法正常進行。結果造成轉子相位的偏移以及轉子轉速的變異，而產生馬達之功率耗損或轉速不一的情況發生。嚴重時甚至可能導致無刷直流馬達啟動失敗。

因此，有鑑於傳統的馬達之存在的諸多缺點。實在有必要發展一種新穎的與創新的馬達裝置來解決與克服上述的問題。

本發明提出一種嶄新的具有追相模組之馬達控制系統，包括：一微控制器；一永磁馬達，耦合該微控制器；一弦波追相模組，耦合該永磁馬達，以控制該永磁馬達；以及一脈衝波電源控制，耦合該永磁馬達，以提供穩定控制。

上述馬達控制系統更包括一高效演算法以計算出該永磁馬達所需要的運轉條件，提供給該微控制器。

上述馬達控制系統更包括一驅動電路，耦合該微控制器。一控制開關，耦合該驅動電路與該永磁馬達。一光耦合單元以光耦合至該脈衝波電源控制。

上述永磁馬達包含直流無刷馬達。

根據本發明之一觀點，驅動電路包括複數個電晶體與放大電路。

根據本發明之另一觀點，一種具有追相模組之馬達控制系統，包括：一微控制器；一永磁馬達，耦合該微控制器；一弦波追相模組，耦合該永磁馬達，以控制該永磁馬達；一脈衝波電源控制，耦合該永磁馬達，以提供穩 定控制；以及一編碼器，耦合該微控制器，檢測該永磁馬達旋轉位置，以計算速度回授。

此些優點及其他優點從以下較佳實施例之敘述及申請專利範圍將使讀者得以清楚了解本發明。

30‧‧‧交流電源

40‧‧‧交流-直流功率轉換器(AC/DC converter)

101‧‧‧定子

102‧‧‧轉子

200‧‧‧控制器

201、405‧‧‧馬達

202、406‧‧‧控制開關

203‧‧‧讀取反電動勢

204‧‧‧偵測轉子的位置

300、408‧‧‧微控制器

301‧‧‧交流電源

302‧‧‧整流

303、412‧‧‧高效演算法

304、409‧‧‧高速追相模組

305‧‧‧驅動馬達

306、430‧‧‧脈衝波電源控制

400‧‧‧控制電路模組

401‧‧‧濾波器

402‧‧‧整流器

403‧‧‧功率因數校正電路(Power Factor Correction：PFC)

404‧‧‧電能轉換裝置

407‧‧‧驅動電路

410‧‧‧光耦合器

411‧‧‧繼電器

413‧‧‧逆相偵測電路

420‧‧‧感測器

440‧‧‧編碼器

450‧‧‧比較器

451‧‧‧弦波產生器

452‧‧‧相移電路

453‧‧‧偵測電路

454‧‧‧追頻開關

455‧‧‧回授信號產生器

如下所述之對本發明的詳細描述與實施例之示意圖，應使本發明更被充分地理解；然而，應可理解此僅限於作為理解本發明應用之參考，而非限制本發明於一特定實施例之中。

第一圖顯示一馬達轉動原理之簡要說明圖示；第二圖顯示一直流無刷馬達之驅動原理之示意圖；第三圖顯示根據本發明之一實施例之一具有追相模組之馬達裝置之簡要控制流程圖；第四圖顯示根據本發明之一實施例之具有追相模組之馬達裝置之控制系統之功能方塊圖；第五圖顯示根據本發明之一實施例之高速追相模組之功能方塊圖；第六圖顯示根據本發明之另一實施例之具有追相模組之馬達裝置之控制系統之功能方塊圖。

此處本發明將針對發明具體實施例及其觀點加以詳細描述，此類描述為解釋本發明之結構或步驟流程，其係供以說明之用而非用以限制本發明 之申請專利範圍。因此，除說明書中之具體實施例與較佳實施例外，本發明亦可廣泛施行於其他不同的實施例中。以下藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技術之人士可藉由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之功效性與其優點。且本發明亦可藉由其他具體實施例加以運用及實施，本說明書所闡述之各項細節亦可基於不同需求而應用，且在不悖離本發明之精神下進行各種不同的修飾或變更。

本發明之目的在於提供一種具有追相模組之馬達裝置。本發明之具有追相模組之馬達裝置，包含底下特徵：(i)高效能與高速計算之馬達控制技術，利用正弦波高速追相和追頻技術，以降低功率的損耗；(ii)高效率、高穩定電源控制技術，利用脈衝波、電磁干擾(Electromagnetic Interference：EMI)、電磁兼容(Electromagnetic Compatibility：EMC)和功率因數校正(Power Factor Correction：PFC)控制技術，以穩定輸出功率；(iii)高效控制技術，利用數學演算法於微控制器(MCU)之中，可以達到高效能的控制馬達轉速。

本發明提供防護機制或元件，以避免由於電磁場伴隨著電壓、電流的作用而產生之電磁干擾(EMI)或電磁兼容(EMC)的情形，以穩定維持馬達運轉之性能。

一無刷直流馬達包括一轉子、一定子及一驅動單元。轉子具有複數個磁極。驅動單元，依據一磁場狀態以驅動該轉子。在一實施例之中，無刷直流馬達之控制系統包括：一訊號處理器(DSP或MCU)、一驅動器(例如：IGBT或MOSFET模組)、一馬達、一速度計算器、一編碼器及一馬達位置訊號處理裝置。

第三圖顯示根據本發明之一實施例之具有追相模組之馬達裝置之簡要控制流程圖。首先，多相電源之多相交流電壓(例如三相電源的交流電壓)301輸入，經過一整流器之整流302以將交流電源轉換成直流電。之後，經過本發明特有之高效演算法303以計算馬達裝置所需要或要求的運轉條件，輸入至一微控制器300。然後，經過脈衝波電源控制306發出一控制訊號以驅動馬 達305。而於馬達運轉期間，再利用一高速追相模組(或高速追頻模組)304，以校正馬達定子電流之切換速度或切換頻率。

第四圖顯示根據本發明之一實施例之具有追相模組之馬達裝置之控制系統之功能方塊圖。本發明之具有追相模組之馬達裝置可以用於家庭散熱、商業、水產養殖業、工業、農用、畜牧或機械動力(包含陸用、水用、航空用等驅動馬達)。在本實施例之中，馬達裝置之控制系統包括一交流-直流功率轉換器(AC/DC converter)40，用以將交流電源30轉換為一恆定的直流電信號(例如直流電壓或直流電流)。由於交流-直流功率轉換器40的功率較高，因此可以應用於驅動大功率的負載，例如馬達裝置。在本實施例之中，交流-直流功率轉換器40包括一濾波器401以進行基本的訊號處理，而減低外部交流電壓30之輸出電流與輸出電壓之訊號雜訊，使後續的控制器得以提升演算效率；以及整流器402，以將外部交流電壓30轉換為一正弦半波或全波直流輸入電壓來提供給後續變換電路。

整流器402可將來自於三相電源的交流電轉換成直流電。舉一實施例而言，整流器402係為6個半導體開關元件橋接所構成。在馬達405之動力運轉時會將三相交流電源全波整流成直流電。此外，半導體開關元件亦可使用於IGBT附有保護電路的內藏式永磁(inside permanent-magnet：IPM)，來代替IGBT。上述之三相電源之交流電係為三個頻率相同、電壓相等、相位互差為120度的電壓(或電流)。馬達的主要部分是定子與轉子。在定子的鐵心內嵌有三組完全相同、在空間上互差為120°的繞組。轉子是磁極，當轉子在外力的作用下以恆定的角速度轉動時，定子中的三個繞組依次切割磁感應線，因而產生了頻率相等、大小相同、相位差互為120°的三相交流電。整流器402包括IGBT開關，應用於大功率場合以作快速切換動作，通常應用方面都配合脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation：PWM)與低通濾波器(Low-pass Filters)。因此，交流-直流功率轉換器40包括濾波器401電性耦合整流器402。脈衝波電源控制430電性耦合整流器402進行脈衝寬度調變，以提供高效率、高穩定電源控制。另外，脈衝波電源控制430電性耦合控制電路模組400以進行脈衝寬度調變，以提供高效率、高穩定之馬達控制。

此外，為了減小對交流電的諧波污染，交流-直流功率轉換器40又包括一功率因數校正電路(Power Factor Correction：PFC)403來實現功率因數校正功能，以獲得一較高的功率因數。功率因數校正電路例如為一主動式功率因數校正電路(Active PFC Boost)。在一實施例之中，交流-直流功率轉換器40利用兩級功率級電路只需一個電晶體和控制及驅動電路即可滿足電路驅動要求，同時完成功率因數校正和輸出恆定電信號，控制精度高、漣波小、輸出信號穩定，並且進一步降低成本。在一實施例之中，功率因數校正電路403之中可以選擇導通阻抗較小的開關，以降低其對應的導通損耗。

在交流-直流功率轉換器40將交流電壓30轉換為恆定的直流電信號之後，一路的直流電會輸出至電性耦合控制開關406之一電容器(未圖示)，另一路的直流電會輸出至一電能轉換裝置404以進行相關的電壓及電流的轉換。舉例而言，電容器係使用容量大的電解電容器，使整流器402輸出之直流電流平滑化。

在一實施例之中，電能轉換裝置404為一交換式電源供應器(Switching-Mode Power Supply：SMPS)，例如為降壓型切換式電源轉換器(Buck Converter)。交換式電源供應器，轉換效率高、體積較小，主要是藉由脈波寬度調變(pulse width modulation：PWM)控制一開關，而後藉由電感充放電給電容，使電容能穩定輸出。經過電能轉換裝置404的電壓轉換之後，將交流-直流功率轉換器40轉換之後的較高壓之直流電轉換為適於連接元件操作的低工作直流電壓。在本實施例之中，電能轉換裝置404的電壓轉換輸出至一控制電路模組400。針對控制電路模組400之中的不同的電子元件，電能轉換裝置404可以輸出不同的工作電壓轉換至該些元件，使其正常運作。在本實施例之中，控制電路模組400包括微控制器408、高速追相模組409、感測器420，其中高速追相模組409、感測器420電性耦合微控制器408。

第五圖顯示根據本發明之一實施例之高速追相模組(或高速追頻模組)之功能方塊圖。在本實施例之中，高速追相模組(或高速追頻模組)409包括 比較器450、弦波產生器451、相移電路452、偵測電路453、追頻開關454以及回授信號產生器455。相移電路452用以接收回授訊號，比較器450耦接相移電路452與弦波產生器451；上述三者協調運作，對所述回授訊號的相位進行相移比較，隨後而輸出相移訊號，反應於相移訊號而產生補償訊號。弦波產生器451係用以產生弦波訊號(正弦或餘弦訊號)，以利於弦波追頻。上述三者相移電路452、弦波產生器451、比較器450可各自獨立或者整合於一積體電路，端視設計需求而定。於一實施例之中，高速追相模組(或高速追頻模組)409更包括一起振電路，耦接弦波產生器451，用以當弦波產生器451未獲得訊號時，反應於啟動訊號而產生起振訊號給弦波產生器451，藉以致使弦波產生器451產生弦波訊號，直至弦波產生器451獲得訊號為止。偵測電路453耦接相移電路452，用以偵測相移訊號。

在一實施例之中，高速追相模組(或高速追頻模組)409耦接功率切換電路與LC共振電路，用以根據關聯於弦波驅動訊號之回授訊號而產生並調整弦波訊號，藉以使弦波驅動訊號之頻率自動地追隨LC共振電路之諧振頻率。

在一實施例之中，在馬達405的操作過程之中，速度計算器根據一編碼器440所檢測到的馬達405之旋轉位置，以計算速度回授。而利用速度計算器所計算之速度回授進一步被輸出至高速追相模組409。高速追相模組409可以調整或補償來自馬達405的速度回授之相位延遲(delay)或超前。在一實施例之中，高速追相模組(或高速追頻模組)409之追頻係適用於馬達之每分鐘轉速(RPM)為8~25萬轉的條件。在一實施例之中，高速追相模組(或高速追頻模組)409之追頻係適用於馬達之每分鐘轉速為12~23萬轉的條件。在一實施例之中，高速追相模組(或高速追頻模組)409之追頻係適用於馬達之每分鐘轉速(RPM)為15~20萬轉的條件。

在一例子中，整流器402係以脈寬調變訊號來控制，而為了確保功率量測的訊號品質，三相電源之交流電輸入之後，再經過一濾波器401以進行基本的訊號處理。微控制器408可以計算出脈寬調變訊號之脈寬比與輸出功率之關係。在一實施例之中，微控制器408係一可即時運算之處理器。微控制 器408可以驅動一脈寬調變模組以輸出不同脈寬比之脈寬調變訊號至一光耦合器410，如第六圖所示。光耦合器410係光耦合至脈寬調變模組，以接收脈寬調變模組所輸出之脈寬調變訊號，並傳遞至微控制器408，微控制器408即根據所接收之脈寬調變訊號以命令驅動電路407來驅動相關的控制開關406以開啟及/或關閉(ON/OFF)。意即，微控制器408係發出脈波寬度調變(PWM)訊號至驅動電路407以驅動相關的控制開關406。

在一實施例之中，控制開關406包括6個切換開關。每一次只有2個切換開關導通，而藉由6個切換開關之開啟/關閉之變化以吸引轉子到達6個定點，以讓馬達405持續旋轉。利用微控制器408來進行控制該控制開關406之切換的動作。

舉一實例而言，本發明之無刷直流馬達405之驅動時序係利用一高效演算法412來決定。此驅動時序係作為控制開關406之6個切換開關之驅動時序。該驅動時序係包含數個週期性的時序t1~t6(直流無刷馬達之六步驅動模式)，藉由該些時序t1~t6之順序操作，以驅動無刷直流馬達405之啟動及運轉。當無刷直流馬達應用於一風扇系統或水上活動時，其轉子受外力影響而無法完成定位步驟，或者轉子相位偏移以及轉子轉速變異，會產生馬達之功率耗損。因此，利用本發明之高速追相模組(或高速追頻模組)409可以隨時追蹤轉子相位的偏移情況，適時的調整時序T1~T6，以達到補償來自無刷直流馬達405的速度回授之相位延遲(delay)或超前。結果，利用本發明之高效演算法412與高速追相模組(或高速追頻模組)409，可以達到高效率、高穩定之馬達控制。在一實施例中，基於馬達中之旋轉磁場時序圖近似連續週期性正弦波(或餘弦波，與正弦僅是相位差90度)，且轉子的運動可以藉由週期性正弦波來表示。惟，遇到上述之不正常變異或外部擾動，將導致轉子之相位延遲或加速，而導致不正常時，則觸發一追頻提示訊號，以告知定子電流之切換頻率必須由追頻開關454的操作而重新調整。利用一追頻開關454的操作，透過一電流回授信號產生器455以檢測回授信號的變化，經由電流回授信號產生器455，逐一產生一回授信號，及一個以上的調變值回授信號輸出給微控制器408以進行比較或處理，使微控制器408以追頻方式，將預設頻率或其中一檢測頻率作為該定子電流之最佳切 換頻率，自動完成該定子電流的切換頻率調整。

因此，本發明藉由高速追相模組(或高速追頻模組)409，產生正弦波訊號，透過編碼器440得知馬達反饋，以得知上述擾動之變化。藉由正弦波相位之比較，可得知相位之延遲或提前，進而校正轉子相位，使其正常運作，減少功率耗損，提升馬達效率。

在一實施例之中，光耦合器410之主要功能係在於利用光耦合方式以減少共地效應可能造成的干擾。藉由操作微控制器408、驅動電路407、切換開關406以及光耦合器410，可以控制與決定馬達405之操作運轉情況。

在一例子之中，利用本發明特有之高效演算法303可以計算出馬達裝置所需要或要求之最有效率、最穩定的運轉條件，提供給微控制器408，以進行後續的馬達405之控制。

無刷直流馬達係沒有電刷與逆變器之直流馬達。無刷直流馬達405係透過一驅動電路407以驅動控制開關406而啟動馬達405之運轉。舉例而言，驅動電路407包括複數個電晶體、放大電路、檢測線圈與二極體。

在一實施例之中，利用微控制器408以啟動不同類型的感測器(速度感測器、溫度感測器)420以偵測馬達405之轉速、溫度。

在一實施例之中，本發明包括一逆相偵測電路413耦接交流電源30與控制電路模組400。在一實施例之中，繼電器411電源啟動時，利用逆相偵測電路413可檢知馬達405於異常或故障現象發生時，可立即中斷供電，以達到保護負載之目的。

在一實施例之中，本發明之馬達裝置係採用永磁馬達、永磁同步馬達(permanent-magnet synchronous motor：PMSM)或內藏式永磁(IPM)馬達。永磁同步馬達係指一種轉子用永久磁鐵代替繞線的同步。而內藏式永磁(IPM)馬達 之中，永久磁鐵位在轉子的內側。

上述敘述係為本發明之較佳實施例。此領域之技藝者應得以領會其係用以說明本發明而非用以限定本發明所主張之專利權利範圍。其專利保護範圍當視後附之申請專利範圍及其等同領域而定。凡熟悉此領域之技藝者，在不脫離本專利精神或範圍內，所作之更動或潤飾，均屬於本發明所揭示精神下所完成之等效改變或設計，且應包含在下述之申請專利範圍內。

Claims (10)

1. 一種具有追相模組之馬達控制系統，包括：一微控制器；一永磁馬達，耦合該微控制器；以及一弦波追相模組，耦合該永磁馬達，以控制該永磁馬達。
2. 如請求項1所述之具有追相模組之馬達控制系統，更包括一脈衝波電源控制，耦合該永磁馬達，以提供穩定控制。
3. 如請求項2所述之具有追相模組之馬達控制系統，更包括一光耦合單元以光耦合至該脈衝波電源控制。
4. 如請求項1所述之具有追相模組之馬達控制系統，更包括一編碼器，耦合該微控制器，檢測該永磁馬達旋轉位置，以計算速度回授。
5. 如請求項1所述之具有追相模組之馬達控制系統，其中該弦波追相模組之追頻係適用於該永磁馬達之每分鐘轉速為8~25萬轉的條件，其中該弦波包含正弦波或餘弦波。
6. 如請求項1所述之具有追相模組之馬達控制系統，其中該弦波追相模組之追頻係適用於該永磁馬達之每分鐘轉速為12~23萬轉或15~20萬轉的條件，其中該弦波包含正弦波或餘弦波。
7. 一種具有追相模組之馬達控制系統，包括：一微控制器；一永磁馬達，耦合該微控制器；一弦波追相模組，耦合該永磁馬達，以控制該永磁馬達；一脈衝波電源控制，耦合該永磁馬達，以提供穩定控制；以及一編碼器，耦合該微控制器，檢測該永磁馬達旋轉位置，以計算速度回授。
8. 如請求項7所述之具有追相模組之馬達控制系統，更包括一光耦合單元以光耦合至該脈衝波電源控制。
9. 如請求項7所述之具有追相模組之馬達控制系統，其中該弦波追相模組之追頻係適用於該永磁馬達之每分鐘轉速為8~25萬轉的條件，其中該弦波包含 正弦波或餘弦波。
10. 如請求項7所述之具有追相模組之馬達控制系統，其中該弦波追相模組之追頻係適用於該永磁馬達之每分鐘轉速為12~23萬轉或15~20萬轉的條件，其中該弦波包含正弦波或餘弦波。