TW432777B - Method for defining instantaneous value of current of pulse-controlled inductive load - Google Patents

Description

經濟部中央標準局貝工消費合作社印m 五、發明説明（/) [發明背景] 本發明係一種方法用以定義如申請專利範圍第1及第5獨 立項導言中所述一已知負載阻抗之脈波控制電感型負載之 電流立即値者，其包含之步驟爲 5 量取一脈波電壓源之輸出電壓，及 量取一脈波電壓源之輸出電流 通常，一電感型負載之電流或磁通量均藉由改變該負載兩 10端之電壓來加以控制，該電壓一般係由半導體開關產生具 有一個或多個準位之電壓脈波。產生脈波最簡單的辦法是 令該等開關作固定頻率的切換，而負載之平均電壓準位係 由該電壓脈波之波寬決定。一脈波波寬調變(pwm)電壓源 就是一個脈波電壓源的例子，如果頻率夠高的話，負載電 15流將可獲得充分的動態性掌控。 茲因半導體開關會造成切換損失，所以切換頻率愈低愈好 ，特別是在配合高功率裝置使用時尤然，例如用於控制鼠 籠式感應電動機之變頻器即屬之。若要達到對負載電流的 2〇高精度動態控制，則切換動作唯有直接以負載電流的立即 値（瞬間値）做爲基礎，用以產牛此類脈波之雷壓源如， 以直接扭力控制(DTC伋電流公差帶控制之電壓源，等。當 負載離開產生電壓脈波之電壓源愈近，本法之適用性愈佳 ，尤其在兩者之間並無電容性零組件存在時，應可在無干 25擾的條件下測得負載電流。 然而，實務上負載通常總會離開電壓源一段相當的距離， 電流難免受到通路纜線的雜散電容影響，導致脈波電壓源 {請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) '装·

•II f 本紙張尺度適元中國國家標準（CNS ) A4規格（2IOX297公;ίί > A7 B7 432777 五、發明説明（2 ) 的電流立即値與負載電流的立即値發生差異，理由是纜線 中的傳輸阻抗一般皆遠低於電感負載的阻抗所致。此一結 果可歸因於兩端之不同阻抗下，引起纜線在負載端產生電 壓性振盪而電源端產生電流性振盪。 5 其次，調變時慣常以電壓源端測得之電流爲基礎，當纜線 超出一定長度時，由於電流性振盪的關係使得負載電流的 立即値難以控制，故量取的數據已不再準確。如纜線甚長 ，則除非在控制的機動性方面有所妥協或將就，否則唯有 10換裝高成本的分離式纜線以便傳輸待測信號進行分離量測 。除了上述纜線過長可能發生的問題外，負載與電壓源之 間如果有電容性零組件存在，例如一 LC低通濾波器，則 依據電壓源端所測電流而進行的調變將會受到阻礙。 15 [摘要說明1 本發明之主要目的係提供一種可消弭上述缺失且更爲可靠 用以定義一脈波控制電感性負載之電流立即値者，此法之 特徵係具有以下步驟： 2〇 使脈波電壓源之已測得輸出電流經低通濾波產生一 基本脈波電流； 利用測得之該脈波電壓源輸出電壓及一負載之阻抗爲 計算基礎以粗估該負載電流； 令該粗估負載電流流經一高通濾波器；及 25 將經過高通濾波之該負載電流加上前述基本脈波電流 以定義該負載電流之立即値。 本發明之較佳實施例將在後述申請專利範圍之附屬項 本紙張尺度適用中國國家梂準（CNS ) A4规格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央標準局負工消費合作社印聚 432777_ 五、發明説明（3) A7 B7 中提出專利請求 本發明之方法主要係依據測得之電壓源電壓及負載之阻抗 估計値，此估算之負載電流係由該基本脈波測得電流之分 量及該估算之負載電流分量合倂而得，後者係跟隨半導體 開關之切換而改變。申請專利之本法其主要優點爲利用一 簡單方法即可獲得可靠性甚高之負載電流估算値。所以， 即使纜線甚長，利用本方法亦能精確估計負載電流，且在 任何狀況之下均得對該脈波電壓源保持高水準的機動控制 ，及不論纜線長度，DTC或其他電流調變皆可施行之。

請 先 閱 I 項 再 填 % 本 頁 15 又’本法可免除在靠近負載之纜線端實施計測所需之高成 本纜線，再者本法之計測電流値可靠性甚高，必要時電容 性零組件亦得與纜線相接而無大礙。本法較之先前技術更 具有容忍使用一高成本效益之經濟型電流檢測器量測該脈 波電壓源輸出電流之空間。藉由被量測電流中之高頻部分 均已利用本法濾除，量測電流所需頻帶寬可/』、於先前技術 者。同理，利用本法亦可運用一經濟型AD轉換器用以修 飾電流資料並以儘可能之精度量取該電流中涵蓋之所有頻 20 率 經濟部中央標隼局員工消費合作社印製 25 長纜線所引起的問題中，例如’ DTC的切換頻率就必須受 到限制，然在本發明之方法中，該脈波電壓源之最短脈波 長度則無限制之必要，且因爲電流資料的精度高，必要時 猶可任意提高其切換頻率以進一步改善機動控制之準度。 本發明進而與一種方法有關，其係包括以下步驟： 加入一校正項至該脈波電壓源之輸出電壓以產生一槪 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（2Ι〇χ297公釐） 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明) 算電壓； 定義一根據該槪算電壓及負載阻抗計出之一槪算負載 電流，其可藉以獲得負載電流之立即値； 低通濾波濾除該槪算負載電流之高頻部分； 5 令該脈波電壓源之已知輸出電流通過一低通濾波裝置 以產生一基本脈波電流； 比較該基本脈波電流及經由低通濾波後之該槪算負載 電流以產生一正比於上述兩電流差之誤差參數：及 10 以一係數乘以該誤差參數以產生一校正項； 本發明之方法主要係依據經低通濾波後該槪算負載電流之 分量與該脈波電壓源之輸出電流差異，及據此建立一與該 兩電流差成正比例之校正項，並將其加入用以計出槪算負 15載電流之電壓內。依照此法，該槪算負載電流也等於提供 了負載電流之立即値。 ί實施例詳細說明] 爲期能對本發明之目的、形狀、構造、特徵、及效用、等 20 ，有更具体的瞭解起見，茲舉實施例配合相關圖式詳細說 明之。 [簡單圖式說明] 圖1係表示透過纜線傳輸脈波電壓至一電感性負載之 25槪括示意圖。 圖2係表示與一脈波電壓源及長纜線有關之電壓及電 流曲線一般形態圖。 圖3係一方塊圖扼要說明本發明之一種方法。 -I - - - l·— - - ^ v^^_. 丁 _I n I---1 Λ 0¾ 、-°\ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > A4規格（210X297公釐} Λ7 4 3 2 7 7 7 五、發明説明（) 圖4係一實施例方塊圖說明本發明之方法。 圖5係一方塊圖扼要說明本發明之另一種方法。 圖式元件對照表J il 電流il 1 估計方塊 i2 電流i2 2 加法裝置 ul 電壓ul 3 加法裝置 u2 電壓u2 4 加法裝置 SI 低通濾波器 5 係數方塊 S2 低通濾波器 6 加法裝置 (請先閱讀背而之注意事項再填寫本頁) 裝· 丁 ，-σ 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 如圖1所示，當一脈波電壓源透過一纜線對一電感性負載 輸出時，該脈波電壓源之輸出電壓ul係呈一電壓脈波沿該 纜線送出，其呈現在靠近負載之纜線另端之電壓是爲u2。 1〇該等電壓ul、u2之一般曲線如圖1所示，其並同時表示出 電壓源之電流il及負載電流i2之曲線圖。 如圖2所示，電壓源和負載的電流差別可能很大。切換時， 電壓源之部分電流可能流過纜線或流過電容性組件而產生 15如圖所示的振盪現象。正因爲電流發生振盪，任何以電壓 源之輸出電流爲基礎所估計出來之負載電流立即値是既不 準確也不實際，亦即在動態條件下要設定負載電流誠非易 事。然而，若利用本發明之方法妥善運用電壓源輸出電壓 ul、輸出電流Π、負載阻抗、及負載狀態（如磁通量大小 2〇或機器轉速等）等資料，則可精確定義出負載電流i2。其 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210><297公釐） 432777 五、發明説明（6) 中’讎阻抗可於電流被起動初始即予設定，或於機器運轉 中隨時更新。 ' (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁〕 由於資料取自電流的實際値，故本法可以精確控制負載電 5流，而脈波電壓源之切換時機亦得依據該資料予以有效化 〇如本發明圖3所示，該脈波電壓源之輸出電流n係經過 一低通濾波器si做低通濾波而獲得—基本脈波電流illp。 該低通濾波器si之功能係爲摒除電流中任何由於纜線振邊 引起的高頻部分’同時亦有可能抑制由切換零組件所產生 1〇之咼頻帶’端視該濾波器設定之時間常數τ而定。通過該 濾波剩餘的電流部分即是基本脈波電流ilip，亦即負載電 流的基本脈波部分，其頻率相當於所需之基本頻率。 因量測之電流係通過媳波器的部分，所包含的高頻電流已 15不明顯，其計測電流的頻寬不是很大，利用較經濟的手段 測量即可。本法之估計負載電流係在如圖之估計方塊1中 利用已知之g出電壓和負載阻抗計算而得。其中，該計^ 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 載之性質^定，例如尋求一 感應馬達之固定子及迴轉子之微分方程式的數字答案就不 20是很簡單。進行估算時，通常假設傳輸的電壓沒有任何扭 曲，即施於負載端的電壓u2大小等於電壓源之輸出電壓 ul 〇 當負載純屬電感性時，某瞬間t之槪算負載電流値i2est 25得以下式表示之： / hes/O - hes/O + l/lfu^dt 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) Λ4現格（210X297公麓} 經濟部中央標準扃貝工消費合作社印製 432777 ^ 五、發明説明（™) 其中，L·代表負載電感，ul爲負載電壓，i2est(t。)表一已知 時間t。之槪算負載電流。依據該公式，該輸出電壓ul係由 積分而得，因此，如圖2所示之任何電壓振盪均會藉由積 分時間之增加獲得自我補償’以電壓' 源之電壓取代負載電 5壓並不會導致i2est發生錯誤。 由於該積分項的關係，該基於己知電感及電壓源電壓所計 出之槪算負載電流i2est將因時間之消逝而失準，故而槪算 負載電流i2est的絕對値可能與實際負載電流相去甚遠。 1〇儘管可能如此，然而，槪算負載電流之任何快速的改變，畢 竟反映了該負載電流的變化，是以藉此令槪算負載電流通 過一闻通爐波器產生一電流分量以指7^該負載電流之切換 頻率。因爲只有通過高通濾波後的i2hp纔被拿來實際運用 ,所以整個槪算負載電流本身並無太大意義。 15 依照本發明之一實際例，槪算負載電流之高通濾波輸 出係藉由一加法裝置2從該槪算負載電流i2est中減去低通 濾波輸出分量i21p而得。低通濾波器S2之時間常數τ與S1 實質上完全相同。如圖3所示，電壓ul輸入估計方塊1， 2〇其輸出端與該低通濾波器S2之輸入端及一加法裝置2相 接， 該低通濾波器S2之輸出亦接往該加法裝置2藉以產生信號 差’即槪算負載電流之高通輸出分量i2hp。 25此外，該加法裝置2及前述低通濾波器S1之兩輸出均與另 一加法裝置4連結，俾使該槪算負載電流之高通濾波輸出 分量i2hp及該已知輸出電流，即該基本脈波電流⑴p，相加 以產生該負載電流之合量i2e。此加法過程，實質上係將該 本紙張尺度適用中國國家標準{ CNS ) Λ4規格（210x2?7公赴） - - - - i - -- 1- - ...... - - - - 士.^ ^^1 I - .....I —1 - I «1 1 X» ，vs (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) kl 4 3 2 7 7 7 五、發明説明（&) 已知電流之基本頻率部分與該槪算負載電流之切換頻率部 分兩者合倂。 當該基本脈波電流跟隨已知電流呈現正弦變化時，基本脈 5波電流(nip)會發生振幅及相位均改變之非同步狀況’幸好 ，因爲低通濾波器S1與S2的時間常數一致，可藉由該基 本脈波電流i Up和該高通濾波分量Ghp之相加，從負載電 流i2e獲得補償。 1〇雖然，該槪算負載電流i2est因只有高通濾波後的分量i2hp 被採用而使其直流部分變得無足輕重，但如前述振幅和相 位偏離量累積過大，則可能造成因概算負載電流過高以至 發生溢流(overflow)現象。如圖4所示，本發明之另一實施 例係對槪算負載電流施以校正避免偏離誤差過大，其中， 15 一校正項係加諸於該槪算負載電流之基礎電壓u〗上，且該 校正項與兩低通濾波輸出電流之差成正比。此外該兩低通 濾波器之輸出電流差亦得以透過一比較電路取得。 本實施例之校正項UCOIT係以1 加權係數W乘以兩低通濾 20波器之輸出電流差而得，兩低通濾波器治、S2之輸出端又 與一加法裝置3之輸入端連結，其輸出一與該濾波輸出電 流差成正比之誤差參數⑷。其次，該加法裝置3之輸出端 再與一係數方塊5銜接，其輸出即爲前述校正項ucorr。於 本實施例中，該校正項ucorr係加諸於電壓ul ’因此在方 25塊圖上將該係數方塊5之輸出接於一加法裝置ό之輸入端 ，而已知電壓ul則成爲該加法裝置6之另一輸入。 該反饋校正項的目的是，例如，當槪算負載電流小於已知電 本紙張尺度適用中國囷家標準（CNS ) Α4規格（2丨〇Χ297公釐） n·—^ .^1 .^( I -----1^1 n Γ---------Λ 0¾ τ°” (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部_央標準局員工消費合作社印製 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A? B7 五、發明説明（？） 流時，此校正項爲正，以促使估計電流變大以趨近該已知 電流，同時令其絕對値亦接近實際負載電流。 當上述反饋校正項使用於本發明時，負載電流亦得爲槪算 5負載電流i2est。如圖5所示，本實施例並未將兩不同電流 分量相加以形成一合量負載電流i2e,且由於反饋機能，該 槪算負載電流之直流準位亦可獲得校正，是以該槪算負載 電流亦得做爲負載電流使用。本發明之方塊圖5與前述方 塊圖4有所差異，加法裝置2、4均已移除，且該槪算負載 1〇電流i2est也被當做系統的輸出信號使用。 對於熟悉這方面技術的人士而言，本發明的基本理念當可 運用於其他不同的方式，故本發明所提之實施例僅供例證 而非用以限制其實施範圍者，惟其得引伸之變化仍應受申 15請專利範圍各申請項之節制。 (請先鬩讀背面之注意事項再填寫本頁― -裝.

、1T 20 25 本紙浪尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）

Claims (1)

1. Α8 Β8 C8 D8 經濟部智.^-57^¾Η工;/if合作社印製 77、申請專利範圍 h 〜種脈波控制電感性負載之電流立即値定義方法，係用以當 負載阻抗爲已知時定義一脈波控制電感性負載（i2e)立即 値，該方法包括之步驟爲： 量取一脈波電壓源之輸出電壓（ul);及 5 量取一脈波電壓源之輸出電流（; 又，本方法之主要特徵係包括有以下步驟： 令該脈波電壓源之已知輸出電流（丨丨）通過一低通濾波裝 置以產生一基本脈波電流（illp); 定義一以該脈波電壓源之已知輸出電壓（ul)及負載阻 10 抗爲基礎所計出之一槪算負載電流（i2est); 令該槪算負載電流（i2est)通過一高通濾波裝置；及 將通過該高通濾波裝置之該槪算負載電流（i2hp)與該 基本脈波電流（illp)相加以定義該負載電流之立即値。 2.如申請專利範圍第1項所述之方法，其特徵係令該槪算負載 15 電流（Uest)通過該高通濾波裝置，其步驟爲： 令該槪算負載電流（i2est)通過一低通濾波裝置，及從 該槪算負載電流（i2est)中減去通過該低通濾波裝置之電流 份量（i21p)。 3·如申請專利範圍第2項所述之方法，其特徵係該方法更包含 2〇 以下步驟： t匕較該基本脈波電流（illp)與通過該低通濾波裝置後輸 出之槪算負載電流（i2Ip)以產生一正比於兩電流差之一誤 差參數（e) ’ ~係數（W)乘以該誤差參數（e)以產生一 校正項（ ucorr)及 12 本纸張尺度賴令國國家公着） (錆先^讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝. 訂. 泉 A8 B8 C8 D8 <^ΛΖΙ2Τ_ 穴、申請專利範圍 將該校正項（ucorr)加入該作爲槪算負載電流 (i2est)基礎之電壓値中。 4·如申請專利範圍第3項所述之方法，其特徵係比較該基本脈 波（illp)與低通濾波後之槪算負載電流（i2lp)之過程，包 5 含該兩電流相減之步驟。 5· ~種脈波控制電感性負載之電流立即値定義方法，係用以當 負載阻抗爲已知時定義一脈波控制電感性負載（i2e)立即 値，該方法包括之步驟爲： 量取一脈波電壓源之輸出電壓（ul);及 10 量取一脈波電壓源之輸出電流（il); 該方法之特徵係進一步包含以下步驟： 將一校正項（ucorr)加入該脈波電壓源之輸出電壓 (ul) ’以產生一槪算電壓（uest); 以該槪算電壓（uest)及該負載阻抗爲基礎，計算並定 15 義一槪算負載電流（^est)，其係可提供該負載電流（i2e) 之立即値者； 使該槪算負載電流（i2est)通過一低通濾波裝置； 使該脈波電壓源之已知輸出電流（U)通過一低通濾波 裝置以產生一基本脈波電流（illp); 20 比較該基本脈波電流（illp)與該經過低通濾波之槪算負 載電流（i21p)以產生一與該兩電流差成正比之誤差係數 (e);及 以一係數（W)乘以該誤差係數（e)以產生該校正項 (ucorr) 〇 13 本紙ft尺度適用中國國家;^ ( CNS ) A4規格（21DX297公釐) ----„---.----裝-------訂--j----„--^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財邊局员工消贽合作社印製 432?77 8 8 8 8 ABCD 六、申請專利範圍6.如申請專利範圍第5項所述之方法，其特徵係於比較該基本 脈波電流（illp)與該低通濾波後負載電流（⑵p)之過程， 包含兩電流相減之步驟。 , - (請先閱讀背面之注意事項再穿寫本頁) 經濟部智慧財是局t貝工消費合作社印製 4 本紙張尺度適用中國國家標皁（CNS ) Α4現格（2丨0>< 297公釐）