TWI227331B - Measuring method of induced electromotive force constant of motor - Google Patents

Description

1227331 案號 92137226 年 月 修正 五、發明說明（1) 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種馬達感應電動勢常數的量測方法， 特別是一種將馬達操作在單相模式即可測量馬達感應電動 勢常數的量測方法。 【先前技術】 三相永磁馬達又被稱為三相同步馬達（P e r m a n e n t Magnet Synchronous Motor)或三相直流無刷馬達（DC b r u s h 1 e s s m o t o r )，因為其控制性與響應性優越，所以廣 被工業界所採用，常見的使用場合如自動化產業中所使用 的伺服馬達，辦公室自動化（0 A )領域中如硬碟機、光碟機 上的主轴馬達。 一般三相永磁馬達多為Y接結構，依馬達抽線數目的 不同可分為三線式與四線式二類。三線式的馬達只抽出三 相的繞組來與馬達驅動器（d r i v e r )相連，一般工廄自動化 用的伺服馬達多屬於此類。四線式的馬達係除了拉出三相 繞組外，同時拉出中性線，一般辦公室自動化領域用的小 型永磁馬達則屬此類。 永磁馬達的磁路參數中有一感應電動勢常數K e m a X (其值在Μ . K . S單位標示下與扭矩常數相等），與馬達本身 的性能、出力大小與可操作的工作轉速息息相關。先前技 術所揭露的測量感應電動勢常數的方法有下列幾種。 第一種為下線（〇 f f - 1 1 n e )反電動勢量測法，係利用一 顆伺服可控速精準的馬達，與被測試馬達偶合在一起，被 測馬達是完全開路，即不與驅動器相接。只要伺服馬達可 以以電角速度ω r定速旋轉，則由被測試馬達的任二相的感

1227331 案號 92137226 曰 修正 五、發明說明（2) 應電動勢常數大小，即可 這個方法存在一些技 顆昂貴的伺服馬達及其驅 讓二顆馬達得以不歪斜的 達因負載太大無法順利定 易損傷。此外，一些硬碟 在偶合另一顆馬達後，氣 量測。 另一種測量方法為即 法。由於伺服永磁馬達上 子旋轉座標上，經由系統 定值與d軸輸入電流為0， 個閉迴路控制器作電流控 可量得感應電動勢常數。 然而上述的方法相當 要伺服馬達本身就有數位 片，以處理複雜的座標轉 於小馬達上時，還需外部 掛上精密編碼器才能實現 電阻的量測值誤差，與控 也都會影響感應電動勢常 而在中華民國專利公 馬達感應電動勢以鑑別轉 法是將定子鐵心再繞上幾 的磁通，藉著輔助線圈上 反推出 Kemax〇 術上的問題，例如除了須購買一 動器外，還需另外設計夾製具， 偶合，若歪斜太嚴重，除伺服馬 速旋轉，待測馬達的軸承也很容 用的主軸馬達，因採空氣轴承， 浮特性就喪失，也無法採用此法 時（ο η - 1 i n e )的向量控制估測方 的控制’常常將參考糸統架在轉 分析，只要設定q軸輸入電流為 則馬達會以定扭矩輸出。經過二 制後，待整個迴路進入穩態，即 耗時與浪費成本，因 訊號處理的功能或座 換運算。此外，將這 接一大堆處理電路， 。甚而，在這個方法 制器（c〇n t r〇1 1 e r )的 數Kemax的量測值。 告第4 8 8 1 2 5號中揭露 子充磁好壞的方法』 匝輔助線圈，用以感 感應電動勢，可以反 為此方法需 標轉換晶 種方法應用 並在馬達上 中，電流與 設計好壞， 一種『量測 ，其實施方 測轉子磁場 推求得感應

1227331 案號92137226 年月日 修正 五 電 石兹 旋 法 器 出 案 待 達 的 勢 動 電 數 用 K 達 不 需 、發明說明（3) 動勢常數。 此種方法只是針對在生產馬達時，為鑑別轉子元件著 的好壞，所定子纏繞輔助線圈是特別訂製的，而且馬達 轉時須以定轉速閉迴路驅動，針對馬達成品，此法並無 鑑別，因為定子無法再進行改裝；若馬達上沒速度感測 的裝置，也無法進行閉迴路控制以提供定速旋轉。 由於感應電動勢常數Kemax影響到馬達本身的性能、 力大小與操作性，先前技術均無法提出有效的解決方 ，因此，一種量測馬達感應電動勢常數的方法遂成為亟 解決的技術課題。 馬在 動轉相 種存 電達該常 一所 應馬據勢 供術 感當根動 提技 達；及電 於前 馬動以應 在先 之轉·，感 的決 露達壓達 目解 揭馬電馬 要以 所動相該 主藉 明驅之得 的， 發式達取 明法 本模馬， 發方 ，相該式 本測 的單量係 ， 量 目以測關 題的 述，，之 問數 上法後速 的常。達方速轉 上勢點為ilj轉定 容以動缺，量定預 内於電及此的預該 明鑒應題因數一及 發 感問 常到壓 本發明所揭露的馬達感應電動勢常數的量測方法乃利 一簡單的方法來量得三相永磁馬達的感應電動勢常數 e m a X，係將馬達操作在單相旋轉模式，接著只要量得馬 三相電壓，就可鑑別出此常數。特別是，馬達的旋轉並 需要特別操作在閉迴路（c 1 〇 s e - 1 ο ο p )，所以馬達可以不 裝設任何編碼器（encoder )來偵測角位移或角速度，也

1227331 _案號92137226_年月日__ 五、發明說明（4) 不需事先得知馬達的阻抗或電流大小，較傳統的量測方法 更加的經濟、快速◦因此，可應用於工廠自動化的馬達或 小型的辦公室自動化馬達。 有關本發明的特徵與實作，茲配合圖示作最佳實施例 詳細說明如下。 【實施方式】 本發明所揭露的馬達感應電動勢常數的量測方法，請 參考『第1圖』，係以三相永磁馬達作為實施例，將三相 永磁馬達以單相旋轉模式運作（步驟1 0 0)，即馬達有一 相為永遠開路，如c相，而另二相為串聯如，a、b二相， 其相電流大小為相等。此單相旋轉模式的達成，可以由三 相驅動器稱加修改，或直接使用單相驅動器驅動馬達所完 成。 當永磁馬達以單相驅動模式轉到某一轉速後，此轉速 並不需要非常穩定，接著量得馬達三相電壓V a、V與V。（步 驟2 0 0)，根據相電壓與轉速以取得一為時間函數的電壓 變數，再經過運算即可得到感應電動勢常數（步驟 3 0 0)。 以下說明本發明的原理。 一般而言，三相永磁馬達的電氣數學模型可表示如 下：

第8頁 1227331 案號 92137226 A_ 曰 修正 五、發明說明（5) 〇 o' = 〇 rs 〇 h + _v-_ 〇 〇 h_ Ls -Μ -M -M ~ ikf -M -M 4 * la cos^ • lb cos(j9 -—) * 2. 3 ic ,， 2ir - - cos(^+—) 其中，v a s、v b s、v c s分別為馬達三相端電壓v a、v b、 v對中性點電壓v s之相對電壓，i a、i b、i c分別為馬達的三 相電流，P為轉子磁鐵的極數，r s、L s、M分別為馬達各相 的電阻、自感與互感，ω r為轉子的電角轉速，Θ r為轉子 的電角度，Kemax即為馬達電動勢常數。 其機械模型可表示為： I =火fJSOX 2J P -①:Η + ir,_ _ h _ h ~2 ~2 2¾ w ( P 》r+TL \cosdr^mdr '「3 2 其中，T為馬達的輸出扭矩，J為轉子之慣量（moment inertia)，B為馬達阻尼常數（damping ratio)，TL為馬達 的負載。 若將三相永磁馬達與驅動器的接法如『第2圖』所 示，其中驅動器是由三個電橋L e g 1、L e g 2、L e g 3所組成， 每個電橋有二個功率元件，分別是T r 1與T r 2、T r 3與T r 4、 以及Tr5與 Tr6，可以是電晶體、MOSFET、 IGBT等。a、 b、及c為二相繞組’ s為中性線’ i a、i b、i c分別為馬達的 三相電流。 當馬達操作在單相旋轉模式時，亦即三相中只有二相 通有電流’假設此導通二相為a、b ’而另一相c為開路’ 換言之i - i b= i，而i0，在這種模式操作下，將只有功率

第9頁 1227331 案號 92137226 A_ 修正 五、發明說明（6) 元件T r 3、T r 4、T r 5、T r 6有發揮功能。因此 與機械的模型方程式可分別改寫為下式： 上列的電氣 rs 〇 〇 0 & 0 0 0 rr 4 -Μ -Μ -Μ -Μ

-Μ -Μ 4 # l cosBr « -1 \ ΡΊ' 2 cos(Qr-—) 〇 2ti -- cos(0 +—； L 3 J (3) 7；二'万仏一 c〇S〔A 卜 + 由上式可以得知，只要控制驅動為'提供的電流i保持 著與c 〇 s (㊀^ / 6 )同相，就可保證輸出扭矩T e >0，而使馬達 不斷旋轉，且i的大小可隨時間變化沒有限制。 若定義一變數νω (t)為時間的函數，並利用（3 )式所推 得如下： cos ΘΓ + 2π -3 JUJ 5) 則 emax可由下式得到 _ η 6 ) 因此，只要量得三相電壓v a、v b、v c，並配合量測出 轉速 ω r ，即可由（6)式求得電動勢Kemax。而轉速ω r可 由精密的速度感測器（s e n s 〇 r )，如位置編碼器（e n c 〇 d e r )

第10頁 1227331 案號 92137226 曰 修正 五、發明說明（7) ，:ί 丨: ：dz 2π θΓ.η+十一义 sm ΘΓ,〇< +竺 Μ 丨+ 2π + ν. (7) 其中，νθ (t)為將νω (t)積分，vdc為一直流（DC)偏壓 的定值，則我們可由下式得到Kemax A_=maxiAClViNi (8) 第8式就是把νθ (t)取出交流（AC)的分量後，再取其 峰值。針對位置編碼器解析度不夠多的小型馬達而言，無 法計算出精準的速度，則非常適合使用第8式來算出感應 電動勢常數Kemax。 以上的方法亦可適用於當驅動器的輸出電流為0的情 形，亦即馬達旋轉至某一轉速後，突然將驅動器的電源關 掉，若轉子慣量夠大，則馬達將繼續滑行一段時間才停 止，則利用滑行期間亦可以第6式或第8式計算感應電動勢 常數K e m a X 〇 接著再以實際的實施例驗證本發明的原理。 選擇一顆5 0倍速光碟機上的主軸馬達，係屬於直流無 刷外轉子馬達，為三線式Y接結構，馬達内部有三顆霍爾 (Hal 1 )元件Ha、Hb、He用以代替整流子與碳刷，其與轉 定子的相關位置如『第3圖』所示。藉著霍爾元件可以感 測到轉子磁場的特性，驅動器可以藉以正確提供馬達換相 電流，使得馬達持續旋轉，此顆馬達的P = 1 2，而K e m a X的 磁路設計值為 0.00475 Volt/(rad/sec)。 三個霍爾元件 H a、H b、H c各有其相對應的輸出分別 為Ha+、Ha -、Hb+、Hb -、Hc+、He -。以羅姆股份有限公司

第11頁 1227331 案號 92137226 曰 修正 五、發明說明（8) (ROHM，www.rohm.com)所製造的IC ΒΑ684 9來驅動所選 擇的馬達。這顆I C是以1 8 0°六步方波來驅動，換言之是三 相的驅動器。 為了使馬達在單相模式運轉，並需作一些更動與設 計，請參考『第4圖』，首先馬達的c相繞組不能接到驅動 器上，且霍爾元件的輸出須做一些電路的修改，才得以輸 出到驅動器上。馬達的a相繞組與b相繞組連接到驅動器1 0 _，馬達上的霍爾元件Ha經比較器2 0轉換成數位訊號後 輸入驅動器1 0，馬達上霍爾元件Hb與霍爾元件He的訊號並 H e+、H e-的接腳輸入則 沒有用到，而驅動器1 0上Η Η、Η 是靠接 過一反 旋轉， 個換相 彼此相 參考『 可以把 由如^ 將其輸 分別說 腳Ha的輸入假造出來，其中接腳Η Η的輸入訊號先經 向器3 0再輸入。如此的電路修改，馬達即可以單相 且三相激磁的六個換相狀態變成只有單相激磁的兩 狀態。 相操作時霍爾元件的輸出信號請參考『第5圖』， 差1 2 0°電角，單相操作時驅動器接受的輸入信號請 第6圖』，為了讓馬達在單相模式下操作，我們不 『第5圖』的信號直接輸入到馬達驅動器内，需經 第4圖』電路的修改，得到了『第6圖』的信號，再 入到驅動器内。如此，可得到『第7圖』的結果， 明單相操作時a相繞組電流i與時間關係以及（Ha+ -

Ha-)與時間關係，其中（Ha+ - Ha-)的正與負邏輯正好 作為相電流i轉態的依據，從圖中可以發現相電流i的週期 為3 6 0電角，而且正、負電流對稱，驗證馬達的確操作在 單相模式。

第12頁 1227331 _案號 92137226_年月日__ 五、發明說明（9) 單相操作時νω與時間關係以及νθ與時間關係請參考 『第8圖』，其中νθ是將νω以數位積分器積分所得， 可以發現vdc= -0.00468 V，且由第8式中可得Kemax = 0.00465 Volt Λ rad/sec)，與規格相當的接近。 因此，藉由本發明所揭露的量測方法，可用來檢驗轉 子永磁著磁的強度足夠與否。或是應用於自動檢測馬達 Kemax的機台，作為選擇馬達或控制器設計的參考◦此 外，亦可應用於萬用型驅動器自我診斷的程序内，來找出 此驅動器所接上的馬達Kemax的大小，以供控制器自我調 校用（auto-turning)0 雖然本發明以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非 用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明 之精神和範圍内，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明 之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定 者為準。

第13頁 1227331 _案號 92137226_年月日__ 圖式簡單說明 第1圖，本發明所揭露的馬達感應電動勢常數的量測方法 之流程圖； 第2圖，係為三相永磁馬達與其驅動器接法之電路示意 圖； 第3圖，係為受測馬達之轉定子相對位置與霍爾元件之示 意圖； 第4圖，係為使馬達操作於單相模式之電路圖； 第5圖，係為三相操作時霍爾元件的輸出信號； 第6圖，係為單相操作時驅動器接受的輸入信號； 第7圖，係為單相操作時相電流1與時間關係以及霍爾元件 & 的電壓與時間關係；以及 第8圖，係為單相操作時乂。與時間關係以及νθ與時間關係。 【圖式符號說明】 步驟1 0 0以單相模式驅動馬達轉動 步驟2 0 0當馬達轉動到一預定轉速後，測量馬達之相電壓 步驟3 0 0根據相電壓及預定轉速之關係式，取得馬達感應 電動勢常數 10 驅動器 2 0 比較器 ^ 3 0反向器 1 a 相電流 i b 相電流 i c 相電流 a a 相繞組

第14頁 1227331

第15頁

Claims (1)

1227331 _案號92137226_年月曰 修正_ 六、申請專利範圍 1 . 一種馬達感應電動勢常數的量測方法，包括有下列步 驟·· 以單相模式驅動該馬達轉動； 當該馬達轉動到一預定轉速後，測量該馬達之相電 壓；以及 根據該相電壓及該預定轉速之關係，取得該馬達感 應電動勢常數。 2. 如申請專利範圍第1項所述之馬達感應電動勢常數的量 測方法，其中該馬達係為三相永磁式馬達。 3. 如申請專利範圍第2項所述之馬達感應電動勢常數的量 測方法，其中一相為開路，其餘二相為串聯。 4. 如申請專利範圍第1項所述之馬達感應電動勢常數的量 測方法，其中該相電壓及該預定轉速之關係為 2π 其中va、 vb vc為該馬達之三相電壓，ω r為該馬達之轉速，Kemax 為該馬達電動勢，㊀r為該馬達轉子的電角度，P為該馬 達之轉子磁鐵之磁極數。 5 .如申請專利範圍第4項所述之馬達感應電動勢常數的量 測方法，其中該馬達之轉速係由一速度編碼器輸出。 6. 如申請專利範圍第4項所述之馬達感應電動勢常數的量 測方法，其中該感應電動勢係為該相電壓及該預定轉速 之關係積分後之交流峰值。 7. 如申請專利範圍第1項所述之馬達感應電動勢常數的量

1227331 修正 案號 92137226 六、申請專利範圍 測方法，其中該單相模式係由一三相驅動器驅動。 8.如申請專利範圍第7項所述之馬達感應電動勢常數的量 測方法，其中當該馬達轉動到一預定轉速後，該驅動器 繼續提供電流。 9 .如申請專利範圍第7項所述之馬達感應電動勢常數的量 測方法，其中當該馬達轉動到一預定轉速後，該驅動器 停止提供電流。 1 0 .如申請專利範圍第1項所述之馬達感應電動勢常數的量 測方法，其中該單相模式係由一單相驅動器驅動。 1 1.如申請專利範圍第1 0項所述之馬達感應電動勢常數的 量測方法，其中當該馬達轉動到一預定轉速後，該驅 動器繼續提供電流。 1 2 .如申請專利範圍第1 0項所述之馬達感應電動勢常數的 量測方法，其中當該馬達轉動到一預定轉速後，該驅 動器停止提供電流。 m

第17頁