TW202130112A - 無刷直流馬達控制器／驅動器 - Google Patents

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Abstract

用以控制具有曲線變壓器的三相無刷直流(BLDC)馬達的方法和裝置，該曲線變壓器具有針對每個儲存的輸入值和輸出值的索引值，用於為曲線變壓器的輸出提供儲存的角點。曲線變壓器可針對相鄰輸入值之間的輸入資料輸出內插資料。

Description

無刷直流馬達控制器／驅動器
本發明有關無刷直流馬達控制器/驅動器。
如本領域中已知的，無刷直流(BLDC)馬達可以包括與轉子位置同步的外部電子開關，其代替機械整流子。在習用的BLDC中，霍爾效應感測器可以安裝在繞組上，以進行轉子位置感測和電子整流子的閉迴路控制。
在一態樣中，一種方法包括：採用具有針對每個儲存的輸入值和輸出值的索引值的曲線變壓器，以為曲線變壓器的輸出提供所儲存的角點，其中，曲線變壓器針對相鄰輸入值之間的輸入資料輸出內插資料。
一種方法可以進一步包括以下一或多個特徵：內插資料包括線性內插資料，曲線變壓器控制三相馬達，曲線變壓器控制馬達速度，曲線變壓器控制馬達轉矩，曲線變壓器控制馬達功率，曲線變壓器控制馬達控制要求，索引值、輸入值和輸出值在曲線變壓器的輸出中提供步階，步階包括磁滯，曲線變壓器的輸出不是單調的(monotonic)，及/或曲線變壓器在馬達控制器IC封裝中使用極性場導向控制(FOC)。
在另一態樣中，一種馬達控制器IC封裝，包括：處理器和記憶體，被配置為提供：曲線變壓器，其具有用於每個儲存的輸入值的索引值和用於為曲線變壓器的輸出提供儲存的角點的輸出值；其中，曲線變壓器針對在相鄰輸入值之間的輸入資料輸出內插資料。
馬達控制器IC封裝可以進一步包括以下一或多個特徵：內插資料包括線性內插資料，曲線變壓器被配置為控制三相馬達，曲線變壓器被配置為控制馬達速度，曲線變壓器被配置為控制馬達轉矩，曲線變壓器被配置為控制馬達功率，曲線變壓器被配置為控制馬達控制要求，索引值、輸入值和輸出值提供曲線變壓器輸出中的步階，步階包括磁滯，曲線變壓器的輸出不是單調的，及/或曲線變壓器被配置為用於極性FOC馬達控制。
圖1顯示根據本發明的說明性實施例之用於控制馬達的示例系統100。例如，控制系統100可用於控制三相BLDC。示範性的馬達控制電路102被耦合以驅動電動馬達104，其具有三個繞組104a、104b、104c，每個繞組可被描繪為具有與電阻器串聯以及與反電動勢(EMF)電壓源串聯的電感器的對應等效電路。例如，繞組A 104a被示為包括與電阻器131串聯並且與反電動勢電壓源VA 136串聯的電感器130。當電流電流流入相關的馬達繞組時，反電動勢電壓源VA 136的電壓是不可直接觀察到的，但是可以藉由查看相電流和相電壓來估算。
通常，跨馬達繞組(例如跨繞組A 140a)的電壓由以下公式控制： VoutA-Vcommon = VA + IR + LdI/dt， 其中： VoutA =繞組A一端的可觀察電壓； Vcommon =(VoutA + VoutB + VoutC)/ 3在繞組104a、104b、104c的結點處的電壓；可以由VoutA，VoutB和VoutC計算。 R =電阻器131的電阻； L =電感器130的電感； I =繞組電流；以及 VA =反EMF電壓
因此，可以看出，如果通過繞組104a的電流為零，則VoutA-Vcommon=VA + LdI/dt。理想情況是VoutA-Vcommon = LdI/dt，因此反EMF VA與相電流同相。
在所示的實施例中，馬達控制電路102包括速度要求產生器107，其被耦合以從馬達控制電路102的外部接收外部速度要求信號106。外部速度要求信號106可以以多種格式提供。通常，外部速度要求信號106指示從馬達控制電路102的外部請求的馬達104的速度。
在實施例中，速度要求信號107a不僅由外部速度要求信號確定，而且還由信號處理模組中測量或計算的馬達電流要求確定。如果發生過電流限制(OCL)事件，則速度要求信號107a將被箝位，並且可能小於外部速度要求信號106。
速度要求產生器107被配置為產生速度要求信號107a。脈寬調變(pulse width modulation，PWM)產生器108被耦合以接收速度要求信號107a，並且被配置為產生PWM信號108a，其工作循環由速度要求信號107a控制。PWM產生器108亦被耦合以從調變信號產生模組146接收調變波形。根據來自調變信號產生模組146的調變波形，產生具有調變特性(即，相對時變工作循環)的PWM信號108a。
在一個實施例中，馬達控制電路102亦包括閘極驅動器電路110，該閘極驅動器電路110被耦合以接收PWM信號108a並且被配置為產生PWM閘極驅動信號110a、110b、110c、110d、110e、110f以驅動被佈置為三個半橋電路112/114、116/118、120/122的六個電晶體112、114、116、118、120、122。六個電晶體112、114、116、118、120、122可在飽和狀態下操作以分別在節點102d、102c、102b處分別提供三個馬達驅動信號(VoutA、VoutB、VoutC)124、126、128。
應當理解，以各種合適的配置耦合的任何實際數量的開關元件都可以用於滿足特定應用的需求。還應理解，任何合適的信號產生器可以用於產生用於開關元件的控制信號，該控制信號提供給三相BLDC馬達通電的信號。
馬達控制電路102還可包括信號處理模組143，用以分別接收匯流排電流測量信號150和馬達驅動信號(VoutA、VoutB、VoutC)124、126、128中的一或多個。在實施例中，這些信號可以用於A、B及/或C相零電流偵測(zero current detection，ZCD)。匯流排電流150和馬達驅動信號VoutA、B、C可用於控制馬達速度，如以下更完整討論者。
控制電路102可被耦合以在節點102a處接收馬達電壓VMOT，或簡單為VM，VMOT在上部電晶體112、116、120被導通期間透過電晶體112、116、120被提供給馬達。將理解的是，當電晶體112、116、120導通並提供電流到馬達104時，透過電晶體112、116、120的電壓降可能很小(例如0.1伏特)。
圖2顯示根據本發明示例實施例之BLDC控制系統200，其顯示圖1的系統的進一步細節。反相器/馬達模組202接收用以控制三相馬達的控制信號U(ABC)。反相器/馬達模組202產生與匯流排電流對應的I_bus信號204到I_bus/命令模組206，以及相電流信號I(ABC)到零電流偵測模組208，零電流偵測模組208將三相電流方向資訊提供給取樣/計算模組210。I_bus/命令(例如，I_bus除以速度命令)模組206產生I_驅動信號或驅動電流，如以下更完整描述者。
取樣/計算模組210接收馬達驅動角信號θ，其當檢測到零電流時可以被取樣為θs，並輸出與馬達相電流與相電壓之差對應的差角θe，如所以下更完整描述者。可以作為輸入信號而提供的相位超前角θ0可被輸入到加法器212，其輸出用於調節馬達速度ω的差角Δθ。在一個實施例中，差角Δθ和由I_bus/命令模組206產生的I_驅動信號(驅動電流)作為輸入被提供給合併器214(例如，乘法器)，合併器214的輸出被提供給比例-積分-微分(proportional-integral-derivative，PID)控制器216。由於θe與θ0之間的差試圖使隨時間變化的馬達速度誤差最小化，因此PID 216產生馬達速度的輸出值ω。PID 216的輸出被積分218，並被提供給用於控制馬達的轉換機構220，例如查找表，以及被提供給取樣/計算器模組210，以使得能夠對馬達速度角信號θ進行取樣θs。
可以理解，Kp和Ki代表比例和積分導數項的係數。也可以使用導數係數Kd。基於目前變化率，P表示θe與θ0之間的誤差的目前值，I表示該誤差的過去值，且D表示該誤差的將來可能的值。藉由調整係數，PID控制器216可以根據特定的程序要求來執行。
I_bus/命令模組206 的I_driving輸出信號被提供給功率控制模組222，功率控制模組222提供輸出給振幅命令模組224。合併器226接收來自振幅命令模組224、轉換機構220和信號228(諸如可以對應於馬達電壓VM的VBB)的輸出。合併器226的輸出被提供給反相器/馬達模組202，以產生用於開關元件的閘極信號，從而控制馬達的速度。在示例實施例中，合併器226對各輸入信號執行乘法以產生輸出。
圖2A顯示用於測量匯流排電流250和相A、B、C零電流偵測252的說明性位置的一個實施例。在實施例中，第一、第二和第三開關裝置對分別耦合到馬達M的各別相A、B和C。感測到的信號啟用相A、B、C零電流偵測。
圖3顯示根據本發明示例實施例之可用於BLDC馬達控制的說明性波形。三相BLDC的電壓驅動角300從0到360度被顯示。顯示具有下降的零交叉304的正弦相電流信號302，該下降的零交叉304對應於取樣的電壓驅動角θs，其可以用於導出相電流302與相電壓306之間的角θe。在說明性的實施例中，θe= 180- θs。
在實施例中，在穩態條件下，差角θe應該等於θ0(圖2)。圖3A顯示由相電壓350與驅動電流352(圖2從206輸出)之間的角所定義的極座標系中的角θe。
圖4顯示驅動電流的表示，對於該驅動電流，可以用等效的旋轉DC電流代替三相AC電流。可以看到，可以將正弦電流供給馬達的相A、B、C。磁鐵包括從其確定位置的北N極和南S極。角θ是電壓驅動角，其為相電壓的正弦函數輸入。在實施例中，角θ可以提供正弦查找表的索引。
如上所述，I_bus/命令模組206(圖2)可以為PID控制器216產生I_驅動信號。在示例實施例中，I_driving = I_bus除以速度命令。I_driving和相電流之間的關係描述如下：
三相電流可以定義為： IA = Ipeak * sin(ωt)，其中ω對應於馬達速度 IB = Ipeak * sin(ωt-120°) IB = Ipeak * sin(ωt-240°)，
相位轉矩可以定義為： TA = IA *通量峰值* sin(θ+120°) TB = IB *通量峰值* sin(θ+240°) TC = IC *通量峰值* sin(θ +0°)
Tsum = 1.5 * Ipeak * FluxPeak *(ωt+θ+120°)
對於直流驅動電流Idrive = 1.5 * Ipeak，其以逆時針速度ω旋轉，則Tdrive = 1.5 * Ipeak * FluxPeak *(ωt+θ+120°)= Tsum
可以看到，藉由施加Idrive(其為Ipeak直流電流的1.5倍)與BLDC的磁鐵一起旋轉，BLDC馬達由等效轉矩Tdrive = Tsum驅動。因此，為了進行分析，將三相電流IA、IB和IC替換為Idrive。Idriving是Idrive的振幅，可以由I_bus/命令模組206(圖2)測量。
圖5顯示根據本發明的說明性實施例之用於BLDC馬達控制的示例程序。在步驟500中，可以使用適當的零電流偵測(ZCD)技術來偵測相電流方向，例如在美國專利號第8,917,043號中顯示和描述的技術，本文引用該專利以供參照。在步驟502中，當檢測到零電流時，可以從取樣的電壓驅動角θs計算相電流302(例如參照圖3)與相電壓306之間的角θe。電壓驅動角θ可以是從0到360度的索引，其確定正弦波輸出。角θe可以對應於極座標系中電流的角位置，如圖3A所示。在步驟504中，從馬達電感等計算出的相超前角θ0 作為輸入。通常，穩定狀態下的角θe應等於θ0 。在步驟506中，差角Δθ(例如，θ0-θe)將回饋信號提供給例如用於調整馬達速度ω的PID控制器216(圖2)的控制迴路。
在步驟508中，系統(例如，圖2的I_bus/命令模組206)測量匯流排電流204(圖2和圖4)的平均值，並將該值轉換為驅動電流(I_driving)，其為產生馬達驅動轉矩的有效旋轉電流。應該理解，可以使用任何合適的方法來測量及/或估計驅動電流。如上所述，在由正弦波形驅動的三相BLDC馬達中，可以用可被稱為驅動電流的等效旋轉DC電流代替三相AC電流，該驅動電流與匯流排電流除以振幅命令成比例。在一實施例中，I_driving = Ibus * 1.732/amplitude_command。驅動電流是圖3A的極座標系中的徑向部分352。
在步驟510中，將驅動電流乘以差角Δθ，並將乘積饋送到PI控制器216(圖2)中。例如，可以由馬達參數確定PI控制迴路的比例增益(Kp)和積分增益(Ki)。驅動電流亦可用於控制系統加速和減速的功率控制。
在另一態樣中，BLDC馬達控制處理可以包括資料曲線變壓器，該資料曲線變壓器對於速度、轉矩、功率、控制請求資料等有用。在實施例中，可以提供曲線變壓器作為信號處理器的一部分，諸如圖1的信號處理模組143。
圖6顯示具有M(M：0)個輸入位元和N(N：0)個輸出位元的示例曲線變壓器模組600。在示例實施例中，N=M，使得輸入位元和輸出位元的數量相同。可以理解的是，N和M可以被提供為任何實際整數以滿足特定應用的需求。
圖7A顯示其中N=M=9的示例實施，其中輸入和輸出資料值的範圍可以從0到511。曲線變壓器600(圖6)將輸入資料值轉換成輸出資料值。在所示的實施例中，將介於0和511之間的每個輸入資料值轉換為介於0和511之間的輸出值。在一些實施例中，資料查找值可以儲存在EEPROM或其他儲存器中。例如，儲存0和511個「角點」，並藉由線性內插法來計算中間的值。應該理解，可以使用任何合適的內插技術來滿足特定應用的需求。轉換資料可以儲存在特定的記憶體位址中，以覆蓋一定數量的角點。在一個特定實施例中，每個資料點包含9位元輸入資料和9位元輸出資料。
在所示的實施例中，在圖7A中，位址32儲存第一點(索引0)，輸入資料為0，輸出資料為0，且位址33儲存第二點(索引1)，輸入資料為511，輸出資料為511。曲線為從0到511的線性曲線。在第二列中，輸入資料為511，其表示曲線的最後一個角點。在實施例中，該列以外的資料被忽略。
圖7B顯示使用記憶體中的位址位置{32，33，34，35，36}的中的索引值{0、1、2、3、4}將輸入資料{0、100、100、450、511}轉換為輸出資料{0、0、100、511、511}的另一示例。輸入和輸出值顯示在該圖示的右側曲線中。角點顯示為從100到511的線性外推。低於100的輸入資料將被轉換為0輸出值。高於450的輸入資料將被轉換為511的輸出值。
在使用曲線變壓器的示例速度請求實施中，馬達將不會以小於速度要求的約20%(≈100/511)被啟動，並且如果輸入要求大於約80%(≈450/511)，馬達速度將為飽和。
圖7C顯示使用十個點來提供具有磁滯的階梯曲線的另一示例。可以看到，各種輸入資料值對應於形成輸入值指定範圍的平穩段的輸出資料值。如果下一個點(索引N +1)的輸入資料小於目前點(索引N)的輸入資料，則會出現磁滯現象。例如，索引1為100，索引2為80，產生的磁滯為20。在索引3和4，索引5和6以及索引7和8中提供類似的磁滯。
圖7D顯示其中輸出不必是單調的另一示例，如在該示例中，其中當輸入為索引6的511時，輸出返回零。在所示的實施例中，曲線具有從80到511的線性外推和各種角點。
圖7E顯示具有在馬達應用中可以認為是雙向的曲線的另一示例。在所示示例中，對於230至280之間的輸入要求，輸出為255。如果選擇雙向曲線，則表示速度為零。輸入要求0表示反向的最大速度，輸入要求511也轉換為最大速度，但是為正向。可以看到，該曲線在0和230之間以及從280到511呈線性。
如上文所示和所述，示例實施例包括用於BLDC馬達的極性場導向控制(FOC)，其中處理在極座標域中執行。再次參照圖1、2和3，對於BLDC馬達控制系統中的任何向量，可以藉由直軸因數和正交軸因數來表徵電壓、電流和反電動勢(BEMF)。它還可以藉由振幅和角來表徵，該結構稱為極座標。電流的振幅可以由匯流排電流來測量，並且角可以由ZCD(零電流交叉偵測)電路來測量(參照例如圖3)。
當相電流超過零時，電路可以取樣指針值，其為產生三相電壓輸出的角theta。請注意，如果目前交叉是下降緣，則取樣的theta(theta_s)應減去180度以得到誤差角(theta_e)。另外要注意，存在三相電流，因此，如果在相B或相C中出現零電流，則需要增加120或240度。
再次參照圖4，流經馬達繞組的電流稱為相電流，且流經電源的電流稱為匯流排電流。相電流為正弦波形，匯流排電流為具有平均DC值漣波波形，如果I_bus。在示例實施例中，驅動電流(或I_drive)是指等效DC旋轉電流。基於相同的轉矩效應，承載驅動電流的導線與馬達磁鐵同步旋轉。
在實施例中，驅動電流具有相電流的峰值的1.5倍的振幅。一個示例馬達驅動器控制器IC封裝將僅測量匯流排電流並如以下方式計算驅動電流： Idrive = Ibus * 1.732/振幅Cmd/cos(theta)。 因為theta通常是一個相對較小的角，並且cos(theta)大約等於1，所以可以忽略上式中的cos(theta)因數。在其他實施例中，cos(theta)未被忽略。
再次參照圖2，電流過零由ZCD電路208偵測到，取樣及計算塊210產生電壓與電流之間的角(theta_e)。Theta_0是根據馬達電感、電流和馬達速度(w I L)所計算。更高的電流、更高的速度和更高的電感可能需要更高的theta_0。在一些實施例中，使用者可以直接對theta_0進行編程。
在實施例中，期望控制theta_e與theta_0的差，該差應該為零的回饋。通過PID模組216，輸出調整驅動速度。馬達的物理速度取決於驅動轉矩、負載轉矩和慣性。驅動速度應等於穩定狀態下的馬達速度。如果在一定時間內驅動速度高於或低於馬達速度，則馬達將「異相(out of phase)」，並且控制迴路可能會失敗。因此，應該基於theta的回饋持續調整驅動速度。
匯流排電流可以由I_bus/命令模組206中的運算放大器和ADC測量。I_bus除以振幅命令可產生I_drive (忽略cos theta)。藉由調節振幅命令224，可以將I_drive信號限制在額定電流與零之間，這也可能影響I_drive計算。
在實施例中，I_drive信號在饋入PID模組216之前在214內乘以delta_theta。對於更高的電流(I_drive)，小的角誤差(delta theta)可能需要更高的調整。可以整合驅動速度以產生指針(theta)，且正弦表可以讀取指針以產生三相輸出電壓。
如上所述，在一些實施例中，將匯流排電流除以工作循環(匯流排電流/工作循環)以表示相電流(峰值)，其假設相電流和相電壓具有小的角，例如，cos(θ)= 1。在一些實施例中，θ可相對較大，例如30度，因此cos(θ)可能會涉及在計算中。
在一些實施例中，Idrive電流、增益和delta theta一起相乘並提供到積分比例迴路，如圖8A所示。在其他實施例中，僅將增益和delta theta一起相乘，並提供到積分比例迴路，如圖8B所示。
在一些實施例中，回饋迴路包含delta theta和Idrive，delta theta是theta與theta0以及Idrive之間的誤差，如圖9A所示。Theta0由w*I*L計算。在其他實施例中，可以為這些計算實施塊「IR+wIL/BEMF」。在一些實施例中，可以將場減弱輸入加到計算中。
在一個示例實施例中，IR + wIL/BEMF塊可以被實施為： 誤差=(cos(theta)* w * L + sin(theta)* w * Idrive * R)/ (w * Kt) 誤差=(cos(theta)* w * L * Idrive + sin(theta)* Idrive * R)/(w * Kt) 其中，theta是指相電流角，w是指馬達驅動角速度[rad/s]，Idrive是指相峰值電流[A]，R是指繞組電阻[ohm]，L是繞組電感[H]，Kt是指馬達轉矩常數[Nm/A]，誤差是指相位超前[rad]
在示例實施例中，馬達控制器具有四種操作模式：開迴路、定速度、定電流(轉矩)和定功率。定速度、定電流(轉矩)和定功率這三種操作模式是閉迴路模式。圖10顯示具有各種操作模式之具有速度迴路、功率迴路、電流迴路和振幅控制的示例控制迴路。
BLDC馬達的驅動轉矩由永久磁鐵吸引的驅動電流(相電流)產生。控制定轉矩等於控制定電流。定轉矩和定電流這個名稱可以互換使用。來自類比輸入、PWM輸入或i2c輸入的控制要求取決於操作模式的選擇施加於四個不同的模組。
如果選擇開迴路，則將直接施加控制要求於振幅控制，較高的控制要求將導致較高的平均輸出電壓振幅，並且在大多時候將增加電流和馬達速度。在開迴路模式下，電流迴路、速度迴路和功率迴路均無效。
如果選擇定轉矩模式，則將施加控制要求於電流迴路的參考輸入。速度迴路和功率迴路被旁路。如果馬達操作電流(I_drive)小於轉矩要求(即來自類比、PWM或I2C的控制要求信號)，則PI迴路將增加振幅需求，並最終調節I_drive。在示例實施例中，電流迴路的時間常數約為1ms。調整積分和比例參數保持電流迴路穩定。應當理解，較高電感的馬達需要較慢的PI參數。
如果選擇定速度模式，則將施加控制要求於速度迴路的參考輸入。功率迴路被旁路。電流迴路在速度迴路之後操作。如果馬達的操作速度小於速度要求，其來自類比、PWM、I2C或CLOCK(頻率)模式輸入的控制要求信號，則PI迴路將增加電流參考。由於電流迴路至少比速度迴路快10倍，可以立即將電流視為調整目標，從而系統最終調節馬達速度。在示例實施例中，速度迴路的時間常數大於10ms。調整積分和比例參數可保持速度迴路穩定。
如果選擇定功率模式，則將施加控制要求於功率迴路的參考輸入。速度迴路被旁路。電流迴路在功率迴路之後操作。如果馬達操作功率小於功率要求，其來自類比、PWM或I2C輸入的控制要求信號，則PI迴路將增加電流參考。由於電流迴路至少比功率迴路快10倍，可以立即將電流視為已調整至目標，系統最終會調節電源。例如，功率迴路的時間常數大於10ms。
在實施例中，不管選擇哪種操作模式，都可以獨立地編程額定速度和額定電流。它們主要用於確定馬達參數。可以使用額定電流箝位來自速度迴路或功率迴路的電流參考信號。
在另一態樣中，馬達控制器的實施例具有用於提高準確性的鎖相迴路方案。馬達控制器IC封裝可能具有內部RC振盪器，該振盪器具有給定的準確度/誤差，例如+-3%。在某些應用中，可以接收外部石英準確時脈參考。馬達控制器可以獲取準確的時脈參考，並將內部PLL頻率鎖定到準確的時脈。
圖11顯示示例實施，其中使用16位元EEPROM來編程時脈頻率。EEPROM(N)中的值乘以320 ns，即為輸入時脈週期。例如，輸入時脈頻率為1kHz，週期為1ms。因此，N = 1ms/320ns =3125。我們應該在EEPROM中編程3125。
外部時脈可以從任何適合的源(例如PWM接腳、DIR接腳，BRAKE接腳等)饋入。外部時脈由3.125M內部時脈測量，且如果內部時脈準確，則測量週期應等於EEPROM參數。如果內部時脈較慢，則測量週期將小於EEPRM參數，因此內部振盪器應運行得更快，則產生adjUp脈衝。如果內部時脈較快，則測量週期將大於EEPROM參數，因此內部振盪器應運行較慢，則產生adjDown脈衝。如果誤差大於6.25%(高於參考值6.25%或低於6.25%)，則將其視為無效的調整要求。adjUp和adjDown均不會產生。如果未啟用該功能，則adjUp和adjDown將為零，且adj_none將為1。adjUp、adjDown和adj_none信號將控制類比電路以調整振盪器頻率。
圖12顯示一個示例實施，其中adjUp脈衝將對電容器充電，而adjDown脈衝將使電容器放電。如果禁用此功能，則adjNone會打開，並且將電壓強制設為參考電壓(例如，Vdd/2)。電容器上的電壓將控制電流源，該電流源會增加來自VCO電路的額外電流。調整範圍是調整位元的2LSB。可能需要將振盪器調整到盡可能靠近3.125MHz的頻率，並且如果啟用此功能，則將即時補償誤差。
時脈速度控制模式適用於閉迴路速度。它可能不適用於開迴路、定轉矩模式或定功率模式。SPD接腳上的較高頻率將驅動較高的馬達速度，如下所示：close_loop_speed(rpm)=clock_input × speed_ctrl_ratio 。 可以在EEPROM中對speed_ctrl_ratio進行編程。例如，如果比率為4，時脈輸入頻率為60Hz，則馬達將以240rpm的速度運行。要注意，在編程應用程式中必須正確設定馬達極對數，以使額定轉速(RPM)設定準確。
圖13顯示基於輸入的CLOCK信號和馬達FG信號(或FG信號的倍數取決於speed_ctrl_ratio)在計數器中上升和下降的示例實施。計數器控制振幅命令。
在一些實施例中，電流迴路在速度迴路之後實施，並且需要獨立地控制速度迴路時間常數和speed_ctrl_ratio。在其他實施例中，期望例如藉由從PWM解調中「借」來提取CLOCK頻率，如圖14所示。
圖15顯示CLOCK模式的示例混合實施。時脈信號可以是50%的工作循環。我們採用CLOCK信號的上升緣，並透過「單穩態觸發電路」產生一個CLK_PWM信號，該信號具有相同的頻率，並且「導通」週期Ton固定。因此，工作循環隨著CLOCK頻率的改變而改變。該信號被饋送進PWM解調處理，並且輸出代表CLOCK頻率。Ton時間取決於系統的最大速度(不是額定速度，而是目標速度的100%)。較高的速度將具有較小的Ton，因此需要較高的CLOCK頻率才能達到目標速度。轉換後的PWM工作循環或CLOCK頻率，係用於與實際速度進行比較的PI速度迴路，然後是電流迴路。因為數位實施可能具有量化誤差，所以實際速度與CLOCK參考速度之間可能存在分數誤差。PLL電路與互補方法同時工作，以補償PI速度迴路之後的分數誤差。由於僅佔用錯誤的一小部分，因此該塊可能只有幾個位元。
圖16顯示可以執行本文所述的處理的至少一部分的示例性電腦1600。電腦1600包括處理器1602、揮發性記憶體1604、非揮發性記憶體1606(例如，硬碟)、輸出裝置1607和圖形使用者介面(GUI)1608(例如，滑鼠、鍵盤、顯示器)。非揮發性記憶體1606儲存電腦指令1612、1616和資料1618。在一個示例中，電腦指令1612由處理器1602從揮發性記憶體1604中執行。在一個實施例中，物品1620包括非暫態電腦可讀指令。
可用硬體、軟體或兩者的結合來實施處理。可在可編程電腦/機器上執行的電腦程式中實施處理，該可編程電腦/機器各包括處理器、儲存媒體或處理器可讀的其他製造物品(包括揮發性和非揮發性記憶體及/或儲存元件)、至少一個輸入裝置和一或多個輸出裝置。可以將程式代碼應用於使用輸入裝置輸入的資料，以執行處理並產生輸出資訊。
系統可以至少部分地經由電腦程式產品(例如，在機器可讀儲存裝置中)執行處理，以由資料處理裝置(例如，可編程處理器)執行或控制資料處理裝置(例如，可編程處理器、一台或多台電腦)的操作。每個這樣的程式可以以高階程序或物作導向的程式語言來實施，以與電腦系統通訊。但是，可用組合語言或機器語言來實施程式。該語言可以是編譯的或解譯的語言，並且可以以任何形式部署，包括作為獨立程式或作為模組、組件、副常式或適用於計算環境的其他單元。可以將電腦程式部署為在一個站點上的一台電腦或多台電腦上執行，或分佈在多個站點上並透過通訊網路互連。可以將電腦程式儲存在通用或專用可編程電腦可讀的儲存媒體或裝置(例如CD-ROM、硬碟或磁碟)上，用於在由儲存媒體或裝置被電腦讀取時組態和操作電腦。處理亦可以被實施為配置有電腦程式的機器可讀儲存媒體，其中，在執行時，電腦程式中的指令使電腦操作。
可以藉由執行一或多個電腦程式的一或多個可編程處理器來執行系統的功能。系統的全部或部分可以被實施為特殊用途邏輯電路(例如，FPGA(現場可程式閘陣列)及/或ASIC(特殊應積體電路))。
已經描述本發明的示例性實施例，對於熟於此技藝之人士現在將變得明顯的是，也可以使用結合它們的概念的其他實施例。本文包含的實施例不應該侷限於揭示的實施例，而應該僅由所附申請專利範圍的精神和範圍來限制。本文引用的所有出版物和參考文獻均透過引用全文明確地併入本文。
本文描述的不同實施例之元件可以組合以形成以上未具體記載的其他實施例。也可以單獨或以任何適合的子組合來提供在單一實施例之上下文中描述的各種元件。本文未具體描述的其他實施例也在所附申請專利範圍的範圍內。
100:控制系統 102:馬達控制電路 102a:節點 102b:節點 102c:節點 102d:節點 102e:節點 104:馬達 104a:繞組 104b:繞組 104c:繞組 106:外部速度要求信號 107:速度要求產生器 107a:速度要求信號 108:脈寬調變產生器/PWM產生器 108a:PWM信號 110:閘極驅動器電路 110a:PWM閘極驅動信號 110b:PWM閘極驅動信號 110c:PWM閘極驅動信號 110d:PWM閘極驅動信號 110e:PWM閘極驅動信號 110f:PWM閘極驅動信號 112:電晶體 114:電晶體 116:電晶體 118:電晶體 120:電晶體 122:電晶體 124:馬達驅動信號 126:馬達驅動信號 128:馬達驅動信號 130:電感器 131:電阻器 136:反電動勢電壓源VA 143:信號處理模組 146:調變信號產生模組 150:匯流排電流測量信號 200:BLDC控制系統 202:反相器/馬達模組 204:I_bus信號 206:I_bus/命令模組 208:零電流偵測模組/ZCD電路 210:取樣/計算模組 212:加法器 214:合併器 216:比例-積分-微分控制器/PID控制器 218:積分 220:轉換機構 222:功率控制模組 224:振幅命令模組 226:合併器 250:匯流排電流 252:相A、B、C零電流偵測 300:電壓驅動角 302:正弦相電流信號/相電流 304:下降的零交叉 306:相電壓 350:相電壓 352:驅動電流 500:步驟 502:步驟 504:步驟 506:步驟 508:步驟 510:步驟 600:曲線變壓器模組/曲線變壓器 602:資料_輸入 604:資料_輸出 1600:電腦 1602:處理器 1604:揮發性記憶體 1606:非揮發性記憶體 1607:輸出裝置 1608:圖形使用者介面(GUI) 1612:電腦指令 1616:作業系統 1618:資料
從以下的附圖說明可以更充分地理解本發明的前述特徵以及本發明本身，其中：
[圖1]是根據本發明示例性實施例之用於三相BLDC馬達的示例控制系統的示意圖；
[圖2]是顯示圖1的示例控制系統的進一步細節的示意圖；
[圖2A]是顯示示例匯流排電流測量和相零電流偵測的示意圖；
[圖3]是用於BLDC馬達的說明性相電流和相電壓波形的圖形表示；
[圖3A]是相電壓和驅動電流的極座標表示；
[圖4]是作為來自三相交流電流的旋轉直流電流的驅動電流的示意圖；
[圖5]是根據本發明示例實施例之用於控制三相BLDC馬達的速度的說明性方法；
[圖6]是曲線變壓器的示意圖的示意表示；
[圖7A]是曲線變壓器的示例實施；
[圖7B]是曲線變壓器的另一示例實施；
[圖7C]是曲線變壓器的另一示例實施；
[圖7D]是曲線變壓器的另一示例實施；
[圖7E]是曲線變壓器的另一示例實施；
[圖8A]是PI迴路實施例之示意圖；
[圖8B]是另一個PI迴路實施例之示意圖；
[圖9A]是示例誤差回饋迴路的示意圖；
[圖9B]是另一示例誤差回饋迴路的示意圖；
[圖10]是用於操作的控制迴路的方塊圖；
[圖11]是示例性PLL實施的示意圖；
[圖12]是圖11的PLL的示例電路實施；
[圖13]是示例時脈模式實施；
[圖14]是用於圖13之時脈模式的時脈信號的波形圖；
[圖15]是時脈模式的示例混合實施的方塊圖；以及
[圖16]是可以執行本文描述的處理的至少一部分的說明性電腦。
600:曲線變壓器模組/曲線變壓器
602:資料_輸入
604:資料_輸出

Claims (22)

  1. 一種方法，包含： 採用曲線變壓器，其具有針對每個儲存的輸入值和輸出值的索引值，用於為該曲線變壓器的輸出提供儲存的角點； 其中，該曲線變壓器針對該輸入值的相鄰輸入值之間的輸入資料輸出內插資料。
  2. 如請求項1之方法，其中，該內插資料包含線性內插資料。
  3. 如請求項1之方法，還包含採用該曲線變壓器用於控制三相馬達。
  4. 如請求項3之方法，還包含採用該曲線變壓器用於控制馬達速度。
  5. 如請求項3之方法，還包含採用該曲線變壓器用於控制馬達轉矩。
  6. 如請求項3之方法，還包含採用該曲線變壓器用於控制馬達功率。
  7. 如請求項3之方法，還包含採用該曲線變壓器用於控制馬達控制要求。
  8. 如請求項1之方法，其中，該索引值、該輸入值和該輸出值在該曲線變壓器的該輸出中提供步階。
  9. 如請求項8之方法，其中，該等步階包括磁滯。
  10. 如請求項1之方法，其中，該曲線變壓器的該輸出不是單調的。
  11. 如請求項1之方法，還包含在馬達控制器IC封裝中採用使用極性FOC(場導向控制)的該曲線變壓器。
  12. 一種馬達控制器IC封裝，包含： 處理器和記憶體，配置以提供： 曲線變壓器，其具有針對每個儲存的輸入值和輸出值的索引值，用於為該曲線變壓器的輸出提供儲存的角點； 其中，該曲線變壓器針對該輸入值的相鄰輸入值之間的輸入資料輸出內插資料。
  13. 如請求項12之馬達控制器IC封裝，其中，該內插資料包含線性內插資料。
  14. 如請求項12之馬達控制器IC封裝，其中，該曲線變壓器被配置用以控制三相馬達。
  15. 如請求項14之馬達控制器IC封裝，其中，該曲線變壓器被配置用以控制馬達速度。
  16. 如請求項14之馬達控制器IC封裝，其中，該曲線變壓器被配置用以控制馬達轉矩。
  17. 如請求項14之馬達控制器IC封裝，其中，該曲線變壓器被配置用以控制馬達功率。
  18. 如請求項14之馬達控制器IC封裝，其中，該曲線變壓器被配置用以控制馬達控制要求。
  19. 如請求項12之馬達控制器IC封裝，其中，該索引值、該輸入值和該輸出值在該曲線變壓器該的輸出中提供步階。
  20. 如請求項19之馬達控制器IC封裝，其中，該等步階包括磁滯。
  21. 如請求項12之馬達控制器IC封裝，其中，該曲線變壓器的該輸出不是單調的。
  22. 如請求項14之馬達控制器IC封裝，其中，該曲線變壓器被配置用於極性FOC(場導向控制)馬達控制。
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TWI847621B (zh) * 2022-03-24 2024-07-01 日商住友重機械工業股份有限公司 馬達控制裝置、馬達控制方法、馬達控制程式

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