TW202027403A - Motor controlling method and device - Google Patents
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Abstract
Description
本發明關於一種控制方法與裝置,特別是關於一種適用於無感測器之直流無刷馬達之啟動程序之馬達控制方法與裝置。The present invention relates to a control method and device, and more particularly to a motor control method and device suitable for the startup procedure of a DC brushless motor without a sensor.
直流無刷(brushless DC, BLDC)馬達由於轉子擁有內建磁場之特性,使得其性能與效率優於其他馬達,因此大量被應用在各個領域。而良好的直流無刷馬達控制就必須取得轉子位置以投入正確的控制磁場。現行在取得直流無刷馬達轉子位置的方式主要分為有感測器(編碼器)與無感測器(電氣預估)兩種方式,而在速度與位置控制性能要求較低或環境條件較差的應用場合下,多半使用無感測驅動技術作為直流無刷馬達取得轉子位置加以控制之方法。Brushless DC (BLDC) motors have a built-in magnetic field in the rotor, which makes their performance and efficiency better than other motors, so they are widely used in various fields. And good DC brushless motor control must obtain the rotor position to put in the correct control magnetic field. The current methods for obtaining the rotor position of a brushless DC motor are mainly divided into two methods: with sensor (encoder) and without sensor (electrical estimation), and the speed and position control performance requirements are low or the environmental conditions are poor. In most applications, non-sensing drive technology is used as a method to control the rotor position of a DC brushless motor.
現行無感測驅動技術通常需要將馬達以開迴路電流或電壓控制至一定轉速後,待無感測演算法偵測出馬達轉子位置資訊後進入閉迴路控制。然而,在開迴路電流或電壓控制時因無法預估轉子負載條件,因此多半會投入較大之電流進行驅動以防止馬達啟動失敗。而這樣的大電流在輕載條件下將形成多餘的電量損失。因此,馬達之啟動控制的設計仍有改善的空間。The current sensorless drive technology usually needs to control the motor to a certain speed with an open loop current or voltage, and then enter the closed loop control after the sensorless algorithm detects the motor rotor position information. However, in the open-loop current or voltage control, the rotor load conditions cannot be estimated, so a larger current is usually used for driving to prevent the motor from failing to start. And such a large current will cause excess power loss under light load conditions. Therefore, there is still room for improvement in the design of motor start control.
本發明在於提供一種馬達控制方法與裝置,藉以有效地減少馬達在啟動控制期間的電量損失。The present invention is to provide a motor control method and device, so as to effectively reduce the power loss of the motor during startup control.
本發明提供一種馬達控制方法,適用於無感測器之直流無刷馬達之啟動程序。此馬達控制方法包括下列步驟。依據具有第一預設值之啟動電流信號及相電流信號,產生相電壓信號與驅動電壓信號。依據驅動電壓信號產生驅動電流信號,以驅動直流無刷馬達進行運轉,其中第一預設值用於至少使直流無刷馬達維持正常運轉。感測驅動電流信號,以產生對應之相電流信號。依據隨對應之相電流信號變化之相電壓信號與啟動電流信號,確定直流無刷馬達的軸端負載狀態。依據軸端負載狀態及/或依據直流無刷馬達之電氣旋轉角速度與扭力需求,適應性調整啟動電流信號的大小。The present invention provides a motor control method, which is suitable for the startup procedure of a DC brushless motor without a sensor. This motor control method includes the following steps. According to the starting current signal and the phase current signal having the first preset value, the phase voltage signal and the driving voltage signal are generated. The drive current signal is generated according to the drive voltage signal to drive the DC brushless motor to operate, wherein the first preset value is used to at least maintain the DC brushless motor to operate normally. The driving current signal is sensed to generate the corresponding phase current signal. According to the phase voltage signal and the starting current signal that change with the corresponding phase current signal, the shaft end load state of the DC brushless motor is determined. According to the load status of the shaft end and/or according to the electrical rotation angular speed and torque requirements of the DC brushless motor, the magnitude of the starting current signal is adaptively adjusted.
本發明另提供一種馬達控制裝置,包括驅動單元、變頻器、感測單元與控制單元。驅動單元依據具有第一預設值之啟動電流信號及相電流信號,產生相電壓信號與驅動電壓信號。變頻器依據驅動電壓信號產生驅動電流信號,以驅動直流無刷馬達進行運轉,其中第一預設值用於至少使直流無刷馬達維持正常運轉。感測單元感測變頻器之驅動電流信號,以產生對應之相電流信號。控制單元提供啟動電流信號,並依據隨對應之相電流信號變化之相電壓信號與啟動電流信號,確定直流無刷馬達的軸端負載狀態,且依據軸端負載狀態及/或依據直流無刷馬達之電氣旋轉角速度與扭力需求,適應性調整啟動電流信號的大小。The present invention also provides a motor control device, which includes a drive unit, a frequency converter, a sensing unit and a control unit. The driving unit generates a phase voltage signal and a driving voltage signal according to the starting current signal and the phase current signal having the first preset value. The frequency converter generates a driving current signal according to the driving voltage signal to drive the DC brushless motor to operate, wherein the first preset value is used to at least maintain the DC brushless motor to operate normally. The sensing unit senses the drive current signal of the inverter to generate the corresponding phase current signal. The control unit provides the starting current signal, and determines the shaft end load status of the DC brushless motor according to the phase voltage signal and the starting current signal that change with the corresponding phase current signal, and according to the shaft end load status and/or according to the DC brushless motor According to the electrical rotation angular speed and torque requirements, the size of the starting current signal can be adjusted adaptively.
本發明所揭露之馬達控制方法與裝置,依據軸端負載狀態及/或依據直流無刷馬達之電氣旋轉角速度與扭力需求,適應性調整啟動電流信號的大小。如此一來,可以避免以持續大的啟動電流來驅動直流無刷馬達進行運轉而增加電量損失的情況發生,以有效地減少直流無刷馬達在啟動程序期間的電量損失。The motor control method and device disclosed in the present invention adaptively adjust the magnitude of the starting current signal according to the load state of the shaft end and/or according to the electrical rotation angular speed and torque requirements of the DC brushless motor. In this way, it is possible to avoid the situation where the brushless DC motor is driven to operate with a continuous large starting current and increase the power loss, so as to effectively reduce the power loss of the brushless DC motor during the startup procedure.
在以下所列舉的各實施例中,將以相同的標號代表相同或相似的元件或組件。In the embodiments listed below, the same reference numerals will be used to represent the same or similar elements or components.
第1A圖為依據本發明之一實施例之馬達控制裝置的示意圖。請參考第1A圖,本實施例之馬達控制裝置100適用於無感測器之直流無刷馬達160之啟動程序。換言之,馬達控制裝置100不包括位置感測器相關線路。在具有感測器之馬達的控制電路中,位置感測器則是安裝在馬達上的。在一些實施例中,直流無刷馬達160可適用於家電產品,例如滾筒洗衣機、直立式洗衣機、乾衣機/烘衣機等,但是並非限定於此。在本實施例中,馬達控制裝置100包括驅動單元110、變頻器130、感測單元140與控制單元150。FIG. 1A is a schematic diagram of a motor control device according to an embodiment of the invention. Please refer to FIG. 1A. The
驅動單元110依據啟動電流信號iqs 及相電流信號,產生d軸電壓信號與q軸電壓信號,並依據d軸電壓信號與q軸電壓信號,產生驅動電壓信號。The driving unit 110 generates a d-axis voltage signal according to the starting current signal i qs and the phase current signal With q-axis voltage signal , And based on the d-axis voltage signal With q-axis voltage signal , Generate drive voltage signal.
具體來說,在驅動直流無刷馬達160的最初階段(t = 0時),驅動單元110接收給定第一預設值(可視實際情況調整)的啟動電流信號iqs 和電流值為零的d軸電流信號以產生d軸電壓信號與q軸電壓信號,並進而產生初始的驅動電壓信號。Specifically, in the initial stage of driving the DC brushless motor 160 (at t = 0), the driving unit 110 receives a starting current signal i qs given a first preset value (adjustable according to actual conditions) and a current value of zero. d-axis current signal To generate d-axis voltage signal With q-axis voltage signal , And then generate the initial drive voltage signal.
在一些實施例中,第一預設值用於至少使直流無刷馬達160維持正常運轉,並且第一預設值的有效值(方均根)例如為4A(安培)。在本實施例中,上述啟動電流信號iqs
例如為用於驅動直流無刷馬達160之q軸電流。In some embodiments, the first preset value is used to at least maintain the DC
變頻器130依據驅動電壓信號,產生驅動電流信號(即三相電流信號ias
、ibs
、ics
),以驅動直流無刷馬達160進行運轉。由於在初始階段,啟動電流信號iqs
係具有第一預設值使變頻器130產生足夠的驅動電流信號,因此馬達160可以於初始階段便開始運轉。The
感測單元140耦接變頻器130之輸出端,用於感測變頻器130之驅動電流信號(例如三相電流信號ias
、ibs
、ics
中的至少兩者),以產生相電流信號(即、、),並將產生的相電流信號回授給驅動單元110,使驅動單元100產生對應相電流信號改變之d軸電壓信號與q軸電壓信號。The
控制單元150耦接驅動單元110,用於提供啟動電流信號iqs
給驅動單元110,並依據隨感測單元產生之相電流信號變化之d軸電壓信號與啟動電流信號iqs
,判斷直流無刷馬達160的軸端負載狀態。接著,控制單元150依據軸端負載狀態及/或依據直流無刷馬達160之電氣旋轉角速度與扭力需求,適應性調整提供給驅動單元110之啟動電流信號iqs
的大小。軸端負載狀態例如包括,但不限定於輕載(light load)、中載(middle load)及重載(Heavy load)。另外,直流無刷馬達160之電氣旋轉角速度可由控制器150之內部數位資訊得知。The
具體來說,在初始階段,驅動單元110接收電流值為零的d軸電流命令信號(即=0)和控制單元150提供具有第一預設值之啟動電流信號iqs
,並據以產生d軸電壓信號與q軸電壓信號,以產生對應的驅動電流信號來驅動直流無刷馬達160。接著,透過感測單元160感測直流無刷馬達160初始運轉時所需的驅動電流信號產生對應的相電流信號並將之回授給驅動單元110。驅動單元110根據感測單元140產生的相電流信號對應調整d軸電壓信號與q軸電壓信號,此時控制單元150可依據調整後的d軸電壓信號判斷直流無刷馬達160的軸端負載狀態(即判斷馬達160為輕載、中載或重載)。接著,控制單元150便可依據軸端負載狀態及/或依據直流無刷馬達160之電氣旋轉角速度與扭力需求,適應性調整提供給驅動單元110之啟動電流信號iqs
的大小。進一步來說,若判斷馬達160為輕載,控制單元150便可減少提供的啟動電流信號iqs
,而不用繼續提供具有第一初始值的啟動電流信號iqs
,如此可減少初始驅動馬達時所需的功耗。Specifically, in the initial stage, the driving unit 110 receives a d-axis current command signal with a current value of zero (ie =0) and the
在一些實施例中,如第1A圖所示,驅動單元110包括速度命令產生器111、減法器112、速度控制器113、限制器114、速度及位置估測器115、反電動勢估測器116、切換器117、切換器118、三相轉二相轉換器119、電流控制器120、電流控制器121、限制器122、限制器123、二相轉三相轉換器124與調變單元125,然本發明並不以此為限。In some embodiments, as shown in FIG. 1A, the driving unit 110 includes a
速度命令產生器111用於產生一角速度命令。減法器112用於將速度命令產生器111的角速度命令減去角速度,以得到角速度誤差。速度控制器113連接減法器112,接收並依據角速度誤差,以產生電流信號。限制器114連接速度控制器113,接收並限制速度控制器113所產生之電流信號。速度及位置估測器115連接減法器112,接收反電動勢電壓、,以產生角速度與電氣角度。反電動勢估測器116連接速度及位置估測器115,接收靜止軸電壓、及靜止軸電流、,以產生反電動勢電壓、。The
切換器117連接限制器114與控制單元120,接收速度控制器113所產生之電流信號及控制單元150所產生之啟動電流信號iqs
,並選擇速度控制器113所產生之電流信號或控制單元150所產生啟動電流信號iqs
,以輸出電流信號。在本實施例中,在開迴路控制模式,切換器117選擇控制單元150所產生之啟動電流信號iqs
,以輸出電流信號。在閉迴路控制模式,切換器117選擇速度控制器113所產生之電流信號,以輸出電流信號。The
切換器118連接速度及位置估測器115與控制單元150,接收速度及位置估測器115所產生之電氣角度與控制單元150所產生之電氣角度,以輸出電氣角度。在本實施例中,在開迴路控制模式,切換器118選擇控制單元150所產生之電氣角度,以輸出電氣角度。在閉迴路控制模式,切換器118選擇速度及位置估測器115電氣角度,以輸出電氣角度。The
三相轉二相轉換器119連接感測單元140、反電動勢估測器116與切換器118,接收相電流信號、、與電氣角度,先將相電流信號、、轉換成二相的靜止軸電流、,再將二相的靜止軸電流、轉換成二相的同步軸電流、。電流控制器120連接三相轉二相轉換器119,接收同步軸電流與電流,以產生同步軸電壓。電流控制器121連接三相轉二相轉換器119,接收同步軸電流與電流,以產生同步軸電壓。其中,電流控制器120與121分別為比例-積分(PI)控制器。The three-phase to two-
限制器122連接電流控制器120,限制電流控制器120所產生之同步軸電壓,以產生同步軸d軸電壓信號。限制器123連接電流控制器121,限制電流控制器121所產生之同步軸電壓,以產生同步軸q軸電壓信號。The
二相轉三相轉換器124連接限制器122、123、反電動勢估測器116與切換器118,接收同步軸d軸電壓信號、同步軸q軸電壓信號與電氣角度,先將同步軸d軸電壓信號與同步軸q軸電壓信號轉換成靜止軸電壓與靜止軸電壓,再將靜止軸電壓與靜止軸電壓轉換成三相電壓、、。調變單元125連接二相轉三相轉換器,接收三相電壓、、,並對三相電壓、、進行脈寬調變,以產生脈寬調變電壓之驅動電壓信號給變頻器130。The two-phase to three-
第1B圖為依據本發明之一實施例之直流無刷馬達之單相等效電路。第1C圖為依據本發明之一實施例之直流無刷馬達之單相等效電路的向量分析。第1D圖為依據本發明之另一實施例之直流無刷馬達之單相等效電路的向量分析。請合併參考第1B圖、第1C圖與第1D圖,為相電壓,為相電流,為直流無刷馬達160之內部電阻rs
的電壓,為直流無刷馬達160之內部電感L的電壓,為反電動勢電壓,為直流無刷馬達160之阻抗電壓即與之向量和。Figure 1B is a single-phase equivalent circuit of a brushless DC motor according to an embodiment of the present invention. Figure 1C is a vector analysis of a single-phase equivalent circuit of a DC brushless motor according to an embodiment of the present invention. Figure 1D is a vector analysis of a single-phase equivalent circuit of a brushless DC motor according to another embodiment of the present invention. Please refer to Figure 1B, Figure 1C and Figure 1D together, Is the phase voltage, Is the phase current, Is the voltage of the internal resistance r s of the
並且,直流無刷馬達160之輸出機械功率如下公式(1)所示:, (1)And, the output mechanical power of the
其中,為直流無刷馬達160的輸出機械功率,為角速度,為直流無刷馬達160的輸出轉矩,其在直流無刷馬達160的速度維持時隨直流無刷馬達160之轉子軸端所承受負載條件而定。當直流無刷馬達160之軸端負載增加時,直流無刷馬達160的轉矩也會增加,以維持直流無刷馬達160之定速度的需求,使得直流無刷馬達160之機械功率上升。among them, Is the output mechanical power of the
另外,直流無刷馬達160之電氣輸入功率可如下公式(2)所示:(2)In addition, the electrical input power of the
其中,正比於直流無刷馬達160之轉子軸端的機械輸出功率,”3”為三相,為反電動勢電壓,為相電流,為反電動勢電壓與相電流之間的夾角,為相電壓,為相電壓與相電流之間的夾角。並且,直流無刷馬達160之機械輸出功率與電氣輸入功率之間的關係如下公式(3)所示:, (3)among them, It is proportional to the mechanical output power of the rotor shaft end of the
其中,為直流無刷馬達160的效率。另外,公式(2)在直流無刷馬達160之輕載與重載的情況下,電壓與電流分量的相對關係可分別如第1C圖及第1D圖所示。其中,第1C圖對應直流無刷馬達160之重載的情況下,電壓與電流分量的對應關係,而第1D圖對應直流無刷馬達160之輕載的情況下,電壓與電流分量的對應關係。也就是說,由第1C圖與第1D圖可知,當相電流維持一固定值時,相電壓之大小與相位會隨直流無刷馬達160之輸出機械功率(即馬達之軸端負載值)增加而有所變化,其中特別是相電流與相電壓之夾角明確反應出直流無刷馬達160之軸端負載特性,亦即直流無刷馬達160之機械輸出功率因軸端負載上升而增加,也可從直流無刷馬達160之電氣輸入功率觀察出直流無刷馬達160之軸端負載特性。among them, The efficiency of the
簡言之,當在啟動馬達160的階段,若先提供一固定的驅動電流(例如,固定的)以啟動馬達160,則當下可透過感測馬達160的機械功率反推馬達160之軸端負載的特性(例如為重載或輕載)。在了解負載的特性後,便可根據負載的特性對應調整提供的驅動電流。In short, when starting the
第1E圖為依據本發明之一實施例之變頻器之輸出電壓在d-q軸上的向量分析。第1F圖為依據本發明之另一實施例之變頻器之輸出電壓在d-q軸上的向量分析。第1G圖為依據本發明之另一實施例之變頻器之輸出電壓在d-q軸上的向量分析。第1H圖為依據本發明之另一實施例之變頻器之輸出電壓在d-q軸上的向量分析。其中,第1E圖對應於第1F圖,第1G圖對應於第1H圖。於一些實施例中,變頻器130之輸出電壓可以是透過硬體偵測電路或由軟體之數位控制命令得知)。Figure 1E is a vector analysis of the output voltage of the inverter on the d-q axis according to an embodiment of the present invention. Figure 1F is a vector analysis of the output voltage of the inverter according to another embodiment of the present invention on the d-q axis. Figure 1G is a vector analysis on the d-q axis of the output voltage of the inverter according to another embodiment of the present invention. Figure 1H is a vector analysis of the output voltage of the inverter according to another embodiment of the present invention on the d-q axis. Among them, Figure 1E corresponds to Figure 1F, and Figure 1G corresponds to Figure 1H. In some embodiments, the output voltage of the
在第1E圖、第1F圖、第1G圖與第1H圖中,為三相電壓向量、、之和,為d軸的電壓信號,為q軸的電壓信號。並且,在第1E圖、第1F圖對應直流無刷馬達160之重載的情況下,電壓與電流分量的對應關係,而第1G圖、第1H圖對應直流無刷馬達160之輕載的情況下,電壓與電流分量的對應關係。由第1E圖、第1F圖、第1G圖與第1H圖可以看出,當直流無刷馬達160之軸端的負載增加時,d軸電壓信號 )會下降(如第1E圖、第1F圖所示),而當直流無刷馬達160之軸端的負載降低時,d軸電壓信號會上升(如第1G圖、第1H圖所示)。也就是說,透過觀察d軸電壓信號的變化,可以得知直流無刷馬達160之軸端負載條件。In Figure 1E, Figure 1F, Figure 1G, and Figure 1H, Is the three-phase voltage vector , , Sum, Is the voltage signal of the d axis, Is the voltage signal of the q axis. In addition, in Figure 1E and Figure 1F corresponding to the heavy load of the
於一些實施例中,控制單元150可先對d軸電壓信號進行低通濾波處理再進行積分放大處理,以產生處理後的d軸電壓信號,並依據處理後的d軸電壓信號與啟動電流信號,確定直流無刷馬達160的軸端負載狀態。In some embodiments, the
另外,在上述實施例中,控制單元150利用d軸電壓信號與啟動電流信號,確定直流無刷馬達160的軸端負載狀態,但本發明不限於此,控制單元150也可以利用q軸電壓信號與啟動電流信號,確定直流無刷馬達160的軸端負載狀態。在一些實施例中,控制單元150亦可以同時利用d軸電壓信號與q軸電壓信號和啟動電流信號,確定直流無刷馬達160的軸端負載狀態。In addition, in the above embodiment, the
接著,控制單元150根據內部參數電氣旋轉角速度並根據公式(4)(如下所示)計算取得直流無刷馬達160在不同角速度與角加速度下之扭力需求,(4)Next, the
其中,為馬達輸出的轉矩,亦即維持馬達在特定角速度與特定角加速度下之扭力需求,為直流無刷馬達160軸端所承受負載轉矩,為轉子慣量,為角速度,為摩擦力。在控制單元150取得直流無刷馬達電氣旋轉角速度與所計算之扭力需求後,控制單元150會依據直流無刷馬達160的當前扭力需求狀態,適應性調整驅動單元110之啟動電流信號的大小,例如將啟動電流信號的大小進行調降的操作。如此一來,在直流無刷馬達160之啟動程序期間,可以有效地減少直流無刷馬達160的電量損失。among them, Is the torque output by the motor, that is, the torque required to maintain the motor at a specific angular velocity and a specific angular acceleration, Is the load torque on the 160 shaft end of the DC brushless motor, Is the rotor inertia, Is the angular velocity, For friction. Obtain the electrical rotation angular velocity of the DC brushless motor in the
上述說明了本實施例之馬達控制裝置100的各元件及其配置關係,以下將列舉其他實施例來說明馬達控制裝置100的操作。The above describes the components of the
第2圖為本發明之一實施例之馬達控制裝置的運作時序圖。請參考第2圖,標號T為啟動程序期間,亦即開迴路控制階段,且啟動程序期間T包括期間T1、T2、T3與T4。曲線S11表示驅動直流無刷馬達160之相電流,曲線S12表示本發明所預估之直流無刷馬達160之軸端負載狀態,為啟動電流信號(對應直流無刷馬達160之相電流峰值),W1為提供給直流無刷馬達160之電氣旋轉角速度之命令對應的實際值,在期間T1~T4其值為,其餘期間其值為速度命令產生器111所產生之角速度命令,S1為直流無刷馬達160之實際轉速。Figure 2 is a timing diagram of the operation of the motor control device according to an embodiment of the invention. Please refer to Figure 2, the label T is the start-up procedure period, that is, the open-loop control phase, and the start-up procedure period T includes periods T1, T2, T3, and T4. Curve S11 represents the phase current driving the
在期間T1,控制單元150提供啟動電流信號並將啟動電流信號增加至第一預設值i1。另外,驅動單元110依據具有第一預設值i1的啟動電流信號與相電流信號產生對應的驅動電壓信號並提供給變頻器130,使變頻器130依據驅動電壓信號而產生驅動電流信號,以驅動直流無刷馬達160進行運轉。During the period T1, the
在期間T2,如以上原理分析直流無刷馬達160之實際軸端負載狀態會反應於電流控制器120和121之輸出d軸電壓信號和q軸電壓信號,據此,控制單元150可對d軸電壓信號或q軸電壓信號進行處理(例如低通濾波及積分放大處理),以取得直流無刷馬達160之軸端負載狀態分級資訊(如第2圖的曲線S12),分級資訊可例如輕載、中載或重載。During the period T2, the actual shaft end load state of the
在期間T3,控制單元150依據直流無刷馬達之軸端負載狀態(即曲線S12所提供之軸端負載資訊),將啟動電流信號由第一預設值i1調降至第二預設值i2,並且調降的斜率例如為△1。其中,第二預設值i2的有效值(方均根)例如為3A。第一預設值的有效值(方均根)例如為4A。第二預設值i2可依據軸端負載狀態的不同而改變。舉例來說,輕載對應之第二預設值i2會小於中載對應之第二預設值i2,且中載對應之第二預設值i2也會小於重載對應之第二預設值i2。During the period T3, the
在期間T4,當提供給直流無刷馬達160之電氣角速度命令對應的值W1到達預設角速度Wset
且維持於預設角速度Wset
時,並且直流無刷馬達160同步旋轉時即(s1=)其馬達轉速也會維持固定值。此時,由於直流無刷馬達160之轉速維持固定,則公式(4)中之會歸零,且直流無刷馬達160所對應之摩擦力B會隨直流無刷馬達160之轉速上升而下降(摩擦力會下降),因此控制單元150可以透過公式(4)或查表取得對應直流無刷馬達160的扭力需求,亦即直流無刷馬達160的扭力需求會下降。During the period T4, when the value W1 corresponding to the electrical angular velocity command provided to the
接著,控制單元150便可依據直流無刷馬達160之扭力需求,將啟動電流信號由第二預設值i2調降至第三預設值i3,並且調降的斜率例如為△2。其中,第三預設值i3的有效值(方均根)例如為2A。類似地,第三預設值i3也會隨著第二預設值i2的不同而改變。Then, the
第3圖為本發明之另一實施例之馬達控制裝置的運作時序圖。在第3圖中,在啟動程序期間T的期間T1與T2,啟動電流信號與直流無刷馬達160之電氣旋轉角速度W1大致上與第2圖相同。第3圖與第2圖的差異在於在期間T2之後的期間T3,當直流無刷馬達160之電氣旋轉角速度W1到達預設角速度Wset
且維持於預設角速度Wset
時,直流無刷馬達160之轉速也會維持固定。Fig. 3 is an operation timing diagram of a motor control device according to another embodiment of the present invention. In Figure 3, during the period T1 and T2 of the start program period T, the start current signal The electrical rotation angular velocity W1 of the
此時,由於直流無刷馬達160之轉速維持固定,則公式(2)中之會歸零,且直流無刷馬達160所對應之摩擦力B會隨直流無刷馬達160之轉速上升而下降(摩擦力會下降),因此控制單元150可以透過公式(4)或查表取得對應直流無刷馬達160的扭力需求,亦即直流無刷馬達160的扭力需求會下降。接著,控制單元150便可依據直流無刷馬達160之扭力需求,將啟動電流信號由第一預設值i1調降至第二預設值i2的有效值例如為3A,並且調降的斜率例如為△2。At this time, since the speed of the
接著,在期間T4,控制單元150依據直流無刷馬達之軸端負載狀態(例如,第2圖的曲線S12),將啟動電流信號由第二預設值i2調降至第三預設值i3,並且調降的斜率例如為△1。。其中,第三預設值i3的有效值例如為2A。類似地,第三預設值i3也會依據軸端負載狀態的不同而改變。舉例來說,輕載對應之第三預設值i3會小於中載對應之第三預設值i3,且中載對應之第三預設值i3也會小於重載對應之第三預設值i3。Then, in the period T4, the
第4圖為本發明之另一實施例之馬達控制裝置的運作時序圖。在第4圖中,在啟動程序期間T的期間T1與T2,啟動電流信號與直流無刷馬達160之氣旋轉角速度W1大致上與第2圖和第3圖相同。第4圖與第2圖和第3圖的差異在於在期間T2之後的期間T3,控制單元150沒有對啟動電流信號進行調整,亦即啟動電流信號仍維持於第一預設值i1。Fig. 4 is an operation timing diagram of a motor control device according to another embodiment of the present invention. In Figure 4, during the period T1 and T2 of the start program period T, the start current signal The air rotation angular velocity W1 of the
接著,在期間T4,當直流無刷馬達160之電氣旋轉角速度W1到達預設角速度Wset
且維持於預設角速度Wset
時,直流無刷馬達160之轉速也會維持固定。由於直流無刷馬達160之轉速維持固定,且控制單元150所計算之直流無刷馬達160的扭力需求下降,因此控制單元150便可依據直流無刷馬達160之扭力需求及直流無刷馬達160之軸端負載狀態,將啟動電流信號由第一預設值i1調降至第二預設值i2。其中,第二預設值i2的有效值例如為2A。,第二預設值i2也會依據軸端負載狀態的不同而調整。Then, in the period T4, when the electrical rotation angular velocity W1 of the
於一些實施例中,在對應第2圖、第3圖與第4圖之期間T2~T4,控制單元150會以d軸電壓信號和q軸電壓信號之至少一者,確定直流無刷馬達160之軸端負載狀態,且判斷此軸端負載狀態是否為堵轉狀態。當確認軸端負載狀態為堵轉狀態,控制單元150更將啟動電流信號由第一、第二和第三預設值i1、i2、i3調升至第四預設值i4,使得直流無刷馬達160可以順利運轉。其中,第四預設值i4例如為直流無刷馬達160允許之最大電流,且此最大電流的有效值例如為5A。在本實施例中,啟動電流信號的調整方式是將第一預設值i1按一上升斜率調升至第四預設值i4,且並不限定此斜率之數值。In some embodiments, during the period T2~T4 corresponding to FIG. 2, FIG. 3, and FIG. 4, the
由上述實施例的說明,在直流無刷馬達160之啟動程序期間,本實施例之馬達控制裝置100可以依據直流無刷馬達160之軸端負載條件、電氣旋轉角速度及扭力需求,適應性調降啟動電流信號的大小。如此一來,可以避免以持續大的啟動電流信號來驅直流無刷馬達160進行運轉而增加電量損失的情況發生,以有效地減少直流無刷馬達160在啟動程序期間的電量損失。According to the description of the above embodiment, during the startup procedure of the
在前述實施例中,馬達控制裝置100適用於驅動直流無刷馬達160,特別是不具有感測器的直流無刷馬達160,但本發明不限於此。本實施例之馬達控制裝置100亦可適用於驅動內置式永磁同步馬達(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM),並且馬達控制裝置100的運作可參考上述實施例的說明,仍可達到相同的控制效果。In the foregoing embodiment, the
另外,前述第一預設值是以預設為例,但本發明不限於此。若是直流無刷馬達160之啟動負載的差異不大時,第一預設值也可以據前次啟動程序期間T所取得之d軸電壓信號和q軸電壓信號之至少一者的資訊,由控制單元150進行設定。In addition, the foregoing first preset value is based on a preset value as an example, but the present invention is not limited to this. If the difference in the starting load of the
第5圖為依據本發明之一實施例之馬達控制方法500的流程圖。本實施例之馬達控制方法適用於無感測器之直流無刷馬達之啟動程序。在步驟S502中,依據具有第一預設值之啟動電流信號及相電流信號,產生相電壓信號與驅動電壓信號。在步驟S504中,依據驅動電壓信號產生驅動電流信號,以驅動直流無刷馬達進行運轉,其中第一預設值用於至少使直流無刷馬達維持正常運轉。在步驟S506中,感測驅動電流信號,以產生對應之相電流信號。FIG. 5 is a flowchart of a
在步驟S508中,依據隨對應之相電流信號變化之相電壓信號(例如d軸電壓信號和q軸電壓信號之至少一者)與啟動電流信號,確定直流無刷馬達的軸端負載狀態。在步驟S510中,依據軸端負載狀態及/或依據直流無刷馬達之電氣旋轉角速度與扭力需求,適應性調整啟動電流信號的大小。換言之,可僅根據確認的軸端負載狀態直接調整啟動電流,或者是僅根據直流無刷馬達之電氣旋轉角速度與扭力需求直接調整啟動電流,或者是不同階段選擇根據軸端負載狀態和根據直流無刷馬達之電氣旋轉角速度與扭力需求調整啟動電流。在本實施例中,上述扭力需求包括負載轉矩、馬達慣量與摩擦力。In step S508, the shaft end load state of the DC brushless motor is determined according to the phase voltage signal (for example, at least one of the d-axis voltage signal and the q-axis voltage signal) and the starting current signal that vary with the corresponding phase current signal. In step S510, the magnitude of the starting current signal is adaptively adjusted according to the load state of the shaft end and/or according to the electrical rotation angular velocity and torque requirement of the DC brushless motor. In other words, the starting current can be directly adjusted only according to the confirmed shaft end load status, or the starting current can be adjusted directly according to the electrical rotation angular speed and torque requirements of the DC brushless motor, or the different stages can be selected according to the shaft end load status and according to the DC no The electrical rotation angular speed and torque requirements of the brush motor adjust the starting current. In this embodiment, the aforementioned torque requirement includes load torque, motor inertia, and friction.
第6圖為依據本發明之另一實施例之馬達控制方法600的流程圖。本實施例之馬達控制方法600與馬達控制方法500類似。在本實施例中,馬達控制方法600包括馬達控制方法500中的步驟S502~S506及S510外,還包含步驟S608~S610。在步驟S608中,對依據隨相電流信號變化之d軸電壓信號和q軸電壓信號之至少一者進行處理,例如低通濾波及積分放大處理。接著,根據處理過的d軸電壓信號及/或q軸電壓信號以及啟動電流信號確定直流無刷馬達的軸端負載狀態(如步驟S610)。FIG. 6 is a flowchart of a
第7圖為依據本發明之另一實施例之馬達控制方法700的流程圖。本實施例之馬達控制方法700與馬達控制方法500類似。在本實施例中,馬達控制方法700包括馬達控制方法500中的步驟S502~S508外,還包含步驟S710~S712。在步驟S710中,依據軸端負載狀態,將啟動電流信號由第一預設值調降至第二預設值。在一些實施例中,可選擇性地執行步驟S712。在步驟S712中,當直流無刷馬達之電氣旋轉角速度到達預設角速度且維持於預設角速度時,依據直流無刷馬達之扭力需求,將啟動電流信號由第二預設值調降至第三預設值。FIG. 7 is a flowchart of a
第8圖為依據本發明之另一實施例之馬達控制方法800的流程圖。本實施例之馬達控制方法800與馬達控制方法700類似,其差異在於步驟S810~S812不同於步驟S710~S712。在步驟S810中,當確定直流無刷馬達的軸端負載狀態且直流無刷馬達之電氣旋轉角速度到達預設角速度並維持於預設頻率時,依據直流無刷馬達之扭力需求,將啟動電流信號由第一預設值調降至第二預設值。在一些實施例中,可選擇性地執行步驟S812。在步驟S812中,依據軸端負載狀態,將啟動電流信號由第二預設值調降至第三預設值。FIG. 8 is a flowchart of a
第9圖為依據本發明之另一實施例之馬達控制方法900的流程圖。本實施例之馬達控制方法900與馬達控制方法500類似。在本實施例中,馬達控制方法900包括馬達控制方法500中的步驟S502~S508外,還包含步驟S910。在步驟S910中,當軸端負載狀態為堵轉狀態,將啟動電流信號由第一預設值藉由一上升斜率調升至第二預設值,其中第二預設值的最大值為直流無刷馬達允許之最大電流。在一些實施例中,可根據實際需求調整斜率之大小,以調整啟動電流信號的增加幅度。FIG. 9 is a flowchart of a
綜上所述,本發明所揭露之馬達控制方法與裝置,透過依據具有第一預設值之啟動電流信號及相電流信號,產生相電壓信號(如d軸電壓信號和q軸電壓信號)與驅動電壓信號,並驅動電壓信號產生驅動電流信號,以驅動直流無刷馬達進行運轉,且依據隨相電流信號變化之d軸電壓信號和q軸電壓信號之至少一者與啟動電流信號,確定直流無刷馬達的軸端負載狀態,並依據軸端負載狀態及/或依據直流無刷馬達之電氣旋轉角速度與扭力需求,適應性調整啟動電流信號的大小。如此一來,可以避免以較大的啟動電流來驅直流無刷馬達進行運轉而增加電量損失的情況發生,以有效地減少直流無刷馬達在啟動程序期間的電量損失。In summary, the motor control method and device disclosed in the present invention generate phase voltage signals (such as d-axis voltage signals and q-axis voltage signals) and phase current signals according to the starting current signal and the phase current signal having a first preset value. Drive voltage signal, and drive voltage signal to generate drive current signal to drive the DC brushless motor to operate, and determine DC based on at least one of d-axis voltage signal and q-axis voltage signal that changes with phase current signal and the starting current signal The load state of the shaft end of the brushless motor, and the size of the starting current signal is adaptively adjusted according to the load state of the shaft end and/or according to the electrical rotation angular speed and torque requirements of the DC brushless motor. In this way, it can be avoided that the brushless DC motor is driven to operate with a larger starting current and the power loss is increased, so as to effectively reduce the power loss of the brushless DC motor during the startup procedure.
本發明雖以實施例揭露如上,然其並非用以限定本發明的範圍,任何所屬技術領域中具有通常知識者,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可做些許的更動與潤飾,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。Although the present invention is disclosed as above by embodiments, it is not intended to limit the scope of the present invention. Anyone with ordinary knowledge in the relevant technical field can make some changes and modifications without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the protection scope of the present invention shall be subject to those defined by the attached patent application scope.
100:馬達控制裝置110:驅動單元111:速度產生器112:減法器113:速度控制器114、122、123:限制器115:速度及位置估測器116:反電動勢估測器117、118:切換器119:三相轉二相轉換器120、121:電流控制器124:二相轉三相轉換器125:調變單元130:變頻器140:感測單元150:控制單元160:直流無刷馬達iqs :啟動電流信號、:相電壓信號、Wset
:角速度:角速度誤差、:反電動勢電壓、、:電氣角度、:靜止軸電壓、:靜止軸電流:電流信號、、:相電流信號、:同步軸電流、:電流、、:三相電壓T:啟動程序期間W1:電氣旋轉角速度S1:轉速T1、T2、T3、T4:期間S11、S12:曲線i1:第一預設值i2:第二預設值i3:第三預設值500、600、700、800、900:馬達控制方法S502~S510、S608、S610、S710、S712、S810、S812、S910:步驟100: Motor control device 110: Drive unit 111: Speed generator 112: Subtractor 113:
第1A圖為依據本發明之一實施例之馬達控制裝置的示意圖。 第1B圖為依據本發明之一實施例之直流無刷馬達之單相等效電路。 第1C圖為依據本發明之一實施例之直流無刷馬達之單相等效電路的向量分析。 第1D圖為依據本發明之另一實施例之直流無刷馬達之單相等效電路的向量分析。 第1E圖為依據本發明之一實施例之變頻器之輸出電壓在d-q軸上的向量分析。 第1F圖為依據本發明之另一實施例之變頻器之輸出電壓在d-q軸上的向量分析。 第1G圖為依據本發明之另一實施例之變頻器之輸出電壓在d-q軸上的向量分析。 第1H圖為依據本發明之另一實施例之變頻器之輸出電壓在d-q軸上的向量分析。 第2圖為本發明之一實施例之馬達控制裝置的運作時序圖。 第3圖為本發明之另一實施例之馬達控制裝置的運作時序圖。 第4圖為本發明之另一實施例之馬達控制裝置的運作時序圖。 第5圖為依據本發明之一實施例之馬達控制方法的流程圖。 第6圖為依據本發明之另一實施例之馬達控制方法的流程圖。 第7圖為依據本發明之另一實施例之馬達控制方法的流程圖。 第8圖為依據本發明之另一實施例之馬達控制方法的流程圖。 第9圖為依據本發明之另一實施例之馬達控制方法的流程圖。FIG. 1A is a schematic diagram of a motor control device according to an embodiment of the invention. Figure 1B is a single-phase equivalent circuit of a brushless DC motor according to an embodiment of the present invention. Figure 1C is a vector analysis of a single-phase equivalent circuit of a DC brushless motor according to an embodiment of the present invention. Figure 1D is a vector analysis of a single-phase equivalent circuit of a brushless DC motor according to another embodiment of the present invention. Figure 1E is a vector analysis of the output voltage of the inverter on the d-q axis according to an embodiment of the present invention. Figure 1F is a vector analysis of the output voltage of the inverter according to another embodiment of the present invention on the d-q axis. Figure 1G is a vector analysis on the d-q axis of the output voltage of the inverter according to another embodiment of the present invention. Figure 1H is a vector analysis of the output voltage of the inverter according to another embodiment of the present invention on the d-q axis. Figure 2 is a timing diagram of the operation of the motor control device according to an embodiment of the invention. Fig. 3 is an operation timing diagram of a motor control device according to another embodiment of the present invention. Fig. 4 is an operation timing diagram of a motor control device according to another embodiment of the present invention. Fig. 5 is a flowchart of a motor control method according to an embodiment of the invention. Fig. 6 is a flowchart of a motor control method according to another embodiment of the present invention. Figure 7 is a flowchart of a motor control method according to another embodiment of the present invention. Fig. 8 is a flowchart of a motor control method according to another embodiment of the present invention. Figure 9 is a flowchart of a motor control method according to another embodiment of the present invention.
S502、S504、S506、S508、S510:步驟 S502, S504, S506, S508, S510: steps
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