TWI278176B - Motor driving device - Google Patents

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1278176 九、發明說明： 【發明戶斤屬之技術領域3 技術領域 本發明係有關於一種進行無感測正弦波驅動之馬達驅 5 動裝置。 【先前技術3 背景技術 以往，此種馬達驅動裝置中，係藉由省略轉子位置感 測器進行無感測正弦波驅動，以降低馬達的振動、噪音， 10 提高信賴性（例如，參照專利文獻1)。 【專利文獻1】日本專利公開公報特開2000 — 350489 號 然而，在前述習知之構成中，為了推定轉子的位置， 需要預先掌握馬達常數、電路參數或馬達負載，檢測預定 15 的計算值與測定電流值之間的誤差後，由處理器進行運 算，以使誤差為最小，因此運算變得非常複雜，且需要具 有高速高性能的運算機能之處理器。此外，還有當馬達負 載變動大時，容易失去同步（即失步）的問題。 【發明内容】 20 發明揭示 發明欲解決之問題 本發明即係用以解決前述習知之問題者，係提供一種 無感測正弦波驅動之馬達驅動裝置，該馬達驅動裝置係負 載變動時也能穩定地操作，例如即使因為負載變化而導致 5 1278176 輸出變動及失步時，也能檢測出負載狀態及失步情況，並 在修正控制參數或起動條件後再起動，並且能夠簡化處理 器的運异，且即使有負載變動也能穩定操作。 解決問題之手段 5 為了解決上述問題，本發明之馬達驅動裝置係藉由整 流電路將交流電變換成直流電，並藉反相器電路驅動馬 達’且藉電流檢測機構檢測反相器電路的輸出電流，然後 對反相器電路進行PWM(脈寬調變）控制以達到設定旋轉 數’並控制反相器電路的輸出電壓與電流相位、或無功電 10流為預定值’且根據反相器電路的輸出電壓或輸出電力來 判別負載狀態。 發明效果 本發明之馬達驅動裝置係藉由設定旋轉數時的反相器 電路的輸出電壓或輸出電力，來判別馬達的負載狀態，即 15使不设位置感測器也能檢測失步及負載轉矩，即使在失步 的情況下，也能穩定地再起動，設定因應於負載之電流， 口此’即使負載變化很大亦可實現穩定操作之無感測正弦 波驅動。 第1發明之馬達驅動裝置，包含有：交流電源；用以將 20別述父流電源的交流電變換成直流電之整流電路；用以將 則述整流電路的直流電變換成交流電之反相器電路·，由前 述反相器電路加轉動之馬達；用以檢測前述反相器電路 的輸出電流之電流檢測裝置；及藉前述電流檢測機構的輸 出L唬對前述反相器電路進行PWM控制，以控制前述馬達 6 1278176 以達職定_數之控㈣構，x，前述控㈣構係進行 控制使前述反相器電路的輸出電麼和輸出電流的相位或者 ，…放該在預疋值，並由前述反相器電路的輸出電遷或輪 f電力來判別負載狀態，如此，即使負載變動很大，也能 貫現穩定動作之無感測正弦波驅動。 第2發明係如第！發明之馬達驅動裝置，其中前述控制 機構係進行V/f控制，以使前述反相器電路的輸出電壓盘 輸出電流的相位或者無效電流為預定值，並由v/f控制值 10 15 來判別負載狀態’如此，可容易進行失步而旋轉停止時等 方疋轉狀態的檢測或負載大小的檢測。 ^ 第3發明係如第i發明之馬達驅動裝置，其中前述控制 機構係藉前述反相器電路的輸出電壓或輪出電力來檢測馬 達負載狀態，並變更前述反相器電路的輪出電壓與輸出電 流的相位、或無效電流，如此，由於可因應於負載狀態而 變更輸出電流相位或無效電流，因此即使負載變動大㈣ 況或是運轉中途負載發生變化，也能穩定的旋轉，例如^ 即使失步也可以使轉矩電流增加後進行起動，故能夠實玉 即使負載變動大時也可運轉之信賴性高的馬達驅動裝置見 第4發明係如第1發明之馬達驅動裝置， 一甲W述控制 機構係藉前述反相器電路的輸出電壓或輪出電力产、則馬達 負載狀態，並變更馬達驅動條件，如此，為 … 牧貝栽變動大的 情況或運轉中途負载發生變化的情況下，可益山^ J稭由變更旋轉 數或馬達電流等驅動條件’使旋轉，或者改變旋轉數 來減少噪音。 20 1278176 第5發明係如第1發明之馬達驅動裝置，其中前述控制 機構係藉前述反相器電路的輸出電力與驅動頻率來判別馬 達負載轉矩，如此，可進行對應於馬達負載轉矩之旋轉數 控制及輸出控制。 5 第6發明係如第1發明之馬達驅動裝置，其中前述控制 機構係藉前述反相器電路的輸出電力與驅動頻率來判別負 載轉矩，並根據前述負載轉矩的變動來控制前述馬達，如 此，藉由檢測負載轉矩來求得轉矩電流，可設定最適當之 馬達電流、電流相位或旋轉數，因此可執行如在過載時使 1〇馬達停止、在輕負載時降低馬達電流以控制旋轉數等最適 當控制。

第7發明係如第1發明之馬達驅動裝置，其中前述控制 機構係藉前述反相器電路的輸出電力與驅動頻率來判別負 載轉矩，並因應於前述負載轉矩來控制前述反相器電路的 輪出電壓與輸出電流的相位、或無效電流，可藉由因應於 負載轉矩之電流設定使馬達效率達到最大。 卑，明係如第@明之馬達驅動裝置’其中前述控制 20 達的:精前述反㈣電路的輪”壓或輸出電力來檢測馬 運的％轉異常，並在變更前述 出雷、、六相為電路的輪出電壓與輸 =的相位、或無效電流後，使前述馬達再起動，如此， 定最增加輪出電流後再起動，藉此可設 取適《的電流，並可穩定旋轉。 係精反相益電路的輸出電壓或輸出電力來檢測馬達的 8 1278176 旋轉異常，並在變更前述反相器電路的起動條件後，使前 述馬達再起動，如此，可設定因應於負載而最適當之起動 條件，並穩定旋轉。 C 貧 5較佳實施例之詳細說明 (實施型態1) 第1圖係本發明的第1實施型態之馬達驅練置之區塊 圖。第1圖中，交流電源i施加交流電力到整流電路2後，變 換成直流電力，並歧姆電路3將直流電力變換成3相交 10流電力來駆動馬達4。在整流電路2中，電容器21a、21b係 與全波整流電路20的直流輸出端子串聯，且電容器21心训 的連接點連接到輸入交流電源之其中一方的端子，而構成 直流倍壓電路’提高施加到反相器電路3中的施加電壓。 電流檢測機構5係連接到反相器電路3的負電壓側，藉 15 f檢測流過反相器電路3的3相各下臂的電流，可檢測反相 器電路3的輸出電流，亦即馬達4的各相電流。 。。控制機構6係由電流檢測機構5的輸出信號來運算反相 器電路3的輸出電流’從而施加因應於設定旋轉數的預定頻 率、預定電壓來旋轉驅動馬達4，並因應於馬達負載來控制 20對輪出電壓輸出之輸出電流相位或無效電流，藉此可以設 定的同步速度驅動馬達4旋轉。 第2圖係馬達驅動裝置之反相器電路3的詳細電路圖， 其中係由包含6個電晶體與6個二極體之3相全橋式反相器 電路所構成。以下，就3相臂之一的U相臂3〇A作說明，由 1278176 雙極絕緣閘電晶體（下面簡稱為IGBT)構成的上臂電晶體 31al與反向並聯之二極體32al之並聯連接體，與由IGBT構 成的下臂電晶體3la2與反向並聯之二極體32a2之並聯連接 體係串聯連接，上臂電晶體31al的集極端子係連接到直流 5電源的正電位端子Lp，上臂電晶體31al的射極端子係連接 到輸出端子U ’下臂電晶體31 a2的射極端子經由構成電流檢 測機構5的分路電阻器50a而連接到直流電源的Ln端子側。 上臂電晶體31 a 1係因應於上臂驅動信號U p而由上臂閘 極驅動電路33al驅動，下臂電晶體31a2係因應於下臂驅動 10 信號Un而由下臂閘極驅動電路33a2進行導通/截止切換控 制。上臂閘極驅動電路33al的内部設有根據微分信號進行 設定/重設的RS正反器電路，藉上臂驅動信號Up的上升使 上臂電晶體31al進行導通動作，並藉上臂驅動信號Up的下 降使上臂電晶體31al進行截止動作。又，下臂閘極驅動電 15 路不需要RS正反器電路。 IGBT的閘極施加電壓需要1〇〜15V，當使下臂電晶體 31a2導通時，由15V直流電源的+端子B1經由自舉電阻 34a、自舉二極體35a而對自舉電容器36a進行充電，故可藉 自舉電容器36a之蓄積能量使上臂電晶體31al進行導通/ 20 截止切換。另外，在下臂的反向並聯二極體32a2導通的場 合下，也同樣可以對自舉電容器36a進行充電。 V相臂30B、W相臂30C也進行同樣的連接，各臂中的 下臂電晶體的射極端子係連接到構成電流檢測機構5的分 路電阻器50b、50c，分路電阻器50b、50c另一側的端子係 10 1278176 連接到直流電源負電位端子Ln。由IGBT或功率 MOSFET(power MOSFET功率金屬氧化半導體場效應晶體 管）構成下臂電晶體時，可藉由控制閘極電壓進行切換控 制，因此，若是由IGBT構成下臂電晶體時連接到射極端子 5之分路電阻器的電壓，以及由功率MOSFET構成下臂電晶 體時連接到源極端子之分路電阻器的電壓在丨乂以下，如此 來選定電阻值的話，特點是幾乎不會影響到切換動作，而 可藉由電壓控制進行導通截止切換控制，並具有可藉由檢 測分路電阻器的電壓veu、vev、vew來檢測出反相器電路輸 1〇 出電流，亦即馬達電流。 第3圖係顯示反相器電路輸出電流的檢測時序圖，其 中，係利用三角調變波進行PWM控制，且為了減低切換噪 音的影響，將上、下臂IGBT的切換時機錯開，且變換高速 A/D，然後由微電腦等馬達控制處理器檢測電流。第3圖 15中，Ck為三角調變波信號Vt的峰值，亦即在時間t3處產生的 同步信號，vu為U相電壓控制信號，將三角調變波信號Vt 與U相電壓控制信號vu進行比較，產生相上臂電晶體 1 al的|區動^號Up和υ相下臂電晶體31 a2的驅動信號υη。 t2的區間及t5〜t6的區間為上下臂電晶體不導通的期 2〇間，故稱為停滯時間A/D變換時機亦可在上臂電晶體 截止而下I電晶體導通的時間t3，或在時間t3至時間t4的停 滯時間At範圍内進行。 第4圖係本發明的控制機構之區塊圖，係藉由微電腦或 數據信號處理器等高速處理器實現無感測正弦波驅動。 11 1278176 下面使用第5圖所示之本發明之控制向量圖對基本控 制方法進行說明。第5圖為轉子表面設有永久磁鐵的表面永 久磁鐵馬達（簡稱SPM馬達）的d—q座標系向量圖，馬達 感應電壓Vr與q軸同軸，感應電壓Vr與感應電壓常數肚和旋 轉數N，亦即馬達驅動頻率f成比例。換句話說，馬達感應 電壓Vr和頻率f之間的比例（Vr/f)總是保持恆定。 將馬達電流I控制成與q軸同軸時’會與向量控制相 同但;又有轉子位置感測器而無法檢測出q軸，故假設已經 轉動到角度7。馬達的電壓方程式可以用下面的公式1來表 1〇不，當驅動頻率f被固定時，ά—q座標系中，若固定電流向 量1 ’則馬達施加電壓向量Vi也就固定。反之，若固定馬達 施加電壓向量Vi的話，則電流向量I會被固定。另外，在變 換成以馬達施加電壓Vi (基軸）為主軸的a —r軸座標時也一 樣’若固定電流向量I，則馬達感應電壓向量％就會被固 15疋。換言之，如果預先知道馬達常數的話（繞線電阻R、繞 線電感L、馬達感應電壓常數kr)，則感應電壓Vr和電流I之 間的相位可藉由固定電流向量I而控制為固定，因此可將q 轴電〃u_Iq (亦即轉矩電流）控制成大略固定，並可與向量 控制進行相同的控制。 2〇 公式1:

Vi = (^ + y〇>L) I + Vr 藉由將無效電流Isinp選定為適當的值，減小超前角 r ’可以使馬達電流〗與轉矩電流（q軸電流）Iq幾乎相同， 如此可進行高效率運轉，減少馬達的損耗，因此馬達的溫 12 1278176 沒上升可以減輕，也能使馬達小型化。 定為另1卜_1在—ί操作中係如第5圖所示，將馬達電流I設 為Τ超别角，猎此即伤相〆 化，金4 ρ使相位”負載發生急劇變動而變 化與q軸之間的相位也 5 驟減而又门 不會發生遲延，且不會出現轉矩 哪减而不同步的情況。特 r相斜# 在疑轉數突然下降且相位 r相封於q軸出現延滯， 同牛沾^ 相位％達到90度以上時，出現不 相_/性就很高，因此可藉由騎超前角控制，減少 位延遲的情況，從而提高旋轉控制的穩定性能。 10 控制H猎由進行超前角控制’可以實現磁場強度減弱 (軸電流為負），因此可減小 鱗綠+广 」滅j、馬達感應電壓Vr和線圈 a線電壓（j〇U)的和之 IQ , ^ 之电&向里Vo,故可增加轉矩電流 q實現高速旋轉。 15 L、則述’右已知與馬達常數（繞線電阻R、繞線電感 的^達感應電Μ常數kr)及馬達負載相對應的轉矩電_ 相位P、要控制對馬達施加魏vi之馬達電流I的絕對值與 卜就可以㈣馬達電流向量，因此，在第5_向量 ’可將由d-q座標變換基軸座標後如轴電流Ir(=isin 或3軸電流la ( ^Icosp )控制在預定值。 20 ^第4圖中，驅動條件設定機構6G係因應馬達驅動條件而 :動旋轉數、轉矩電流和超前角7，來設定驅動頻率f /、、效電流IS_等’並將設定信號送至旋轉數設定機構 生、無致電流設定機構62。載波信號產生機構63係用來產 Μ進行PWM調變的三肢信號Vt和同步信號. 只+ (切換頻率）係設定在15kHz以上的超音波頻率，以 13 1278176 減少馬達嗓音。同步信號ck係送到各個運算區塊中，各個 運算區塊則與同步信號ck同步進行動作。 旋轉數設定機構61係求出載波信號週期Tc的相位角△ Θ，然後加到電角度運算機構64，並將動頻率信號送到ν 5 /f設定機構65中，以求出設定馬達驅動頻率f。電角度運嘗 機構64與同步信號ck同步求出相位0，並將相位信號0力 到用以記憶業已標準化之正弦波列表的記憶機構66、及標 變換機構等。 V/f設定機構65係用以設定因應於驅動頻率f或負载 10 轉矩之施加電壓常數kvn者，且設定因應旋轉數或負载轉矩 的值。如後所述，採用單馬達雙泵或者單馬達單泵的方式 以正向旋轉進行清洗操作、以反向旋轉進行排水操作時， 馬達所需的轉矩電流各有不同，因此在正轉和反轉時需要 改變施加電壓常數kvn的設定值。 15 記憶機構66係將進行對應於相位角之三角函數運算所 需要之標準化正弦波列表記憶於記憶區域，舉例而言，具 有從相位0到360度、從一1到+ 1的正弦波資料。 如第3圖之時序表所示，高速A/D變換機構67在三角 調變波信號Vt的峰值時，在數微秒之内將電流檢測機構5的 20輪出信號乂⑶、vev、vew進行A/D變換成與變頻器的輪出 電流相對應的數據信號Iu、Iv、IW，然後將各相電流的瞬時 值加到3相/2相基軸變換機構68中。 如第5圖所示，3相/2相基軸變換機構68係將反相器電 路輸出電流的瞬時值進行3相/2相變換，然後將座標變換成 14 1278176 反相器電路輸出電壓軸，亦即馬達基軸（a—r軸），並使用 公式2進行絕對變換，而求出a轴成分ia*r軸成分ir。ιΓ相當 於Isinp，由反相器輸出（母線電壓）來看係為無效電流成 分。藉由進行座標變換，不但可以從輸出電流瞬時值在瞬 間求出無效電流成分Ir，而且還可以公式3中所示之平方平 均，在瞬間求出輸出電流向量絕對值Im。另外，可由公式4 在瞬間求出從反相器輸出（母線電壓）觀察時的電流相位 P，因此，相較於設置電流過零點檢測機構來進行相位檢 測的方式，更可大幅提高應答性。 公式2 ··

Iu Iv Iw Ίγ' cos 0 sin 0 ΓΤ ΓΜ ~丄-丄Π 1 2 2 Iu la _ —sir>6 cos θ χ h 〇 ^ ^ Ιν 2 2」 Iw 公式3 :

Im = ^fla2 + Ip 公式4 : 15 Φ -taxCl(Ir / la) 無效電流比較機構69係將3相/2相基軸變換機構68的 輸出Ulr與無效電流設定機構62的設定信號如進行比 車乂並輸出其决差仏就ΔΐΓ，且藉誤差信號放大運算機構％ 進行放大或積分後，將施加電壓常數變更信號_出到控 15 1278176 制電壓比較設定機構71。 控制電墨比較設定機構71係將v/f設定機構65的輸出 信號kvn和誤差信號放大運算機構7〇的輸出信號卜作比 較，形成反相器輸出電壓控制信號Va，且控制反相器輸出 電[使無政電流成分Ir為預定值，並將反相器輸出電壓控制 信號Va加到2相/3相基軸逆變換機構72中。 2相/3相基軸逆變換機構72係使用公式5所示的逆變換

式來產生3相正弦波電壓信號。由於反相器輸出電壓與3軸 同相’且只要計算出Va即可，3相電壓vu、W、vw則輸出到 10 PWM控制機構73。 〔公式5〕

cos0 —sin0 一 一Vr 一 一 sin 0 cos 0 Va_ 負载狀態判別機構74係藉由將V/ f設定機構65和誤差 ^就放大計算裝置7〇的輸出信號進行比較，來判別馬達負 15 , > 载狀悲。在正常運轉時，對馬達進行旋轉控制使v/f設定 機:構65的輸出信號kvn和誤差信號放大運算機構7〇的輸出 16 1278176 錢kv之間幾乎沒有差值，而為預定之無功 電流Isinp。但 10 15 20 疋田馬達發生失步且旋轉停止時，會如第6圖之向量圖所 示般’馬達感應電遷Vr會為零，因此馬達施加電壓會變小 而成為預定之無效電流，而v/m定機構65的輸出信號^ 與誤差信號放大運算機構7〇的輸出信號kv的差，相較於一 般運轉的值，會變得相當大。。即，由於v/f設定機構幻 的輸出信號kvn是-定的’因此#誤差信號放大運算裝置％ 的輸出信號kv小於-般操料的值時，就可以檢測出馬達 的^止或旋轉異常狀態。異常停止再起動機構75係由負載 狀悲判別機構74的輸出信號來判別出異常且使反相器電路 3的運轉停止後，使馬達進行再起動者並藉由驅動條件變更 機構76變更驅動條件設定機獅所設定之起動時間、或起 動電流等起動條件’或者無效電流設定值，然 起動。 如果馬達發生失步的原因為轉矩電流^不足、或相位 對q轴出現延遲或者相位過於超前等，造成正常操作時或起 動時的無功電流設定值Irs太小，而判定為失步時時，只要 變更無效電流設定值Irs後再起動即可。在進行起動時了 — 加快起動時間，則加速度會變大，而需要更大的J二 流，’因此’改變起動時間，並延長起動時間也是:堅 擇方式。 棲璉 第7圖係顯示PWM控制之各種波形的時序圖。為产 中性點觀察到的馬達感應電壓波形，111為11相電流波形 馬達感應電壓Eu稍微超前-點。vu、vv、vw係利用u相、= 17 1278176 相、W相之各PWM控制輸入信號，即2相/3相基軸逆變換機 構72的輸出信號，與三角調變波信號vt作比較，藉此形成 PWM控制輸出信號Up。信號vu和U相輸出電壓相位相同， 而U相電流Iu的相位要比信號…的相位φ延遲。 5 第8圖係顯示本發明之馬達驅動裝置之動作之流程 圖。馬達驅動程序從步驟1〇〇開始，在步驟1〇丨進行驅動旋 轉數、v/f及無效電流等各種設定。接下來，進入步驟1〇2， 判定是否進行起動運轉，若是起動運轉的話，則進入步驟 103，執行起動控制子程序。 10 如第11圖之起動控制時序圖所示，起動控制子程序1〇3 係使驅動頻率f從頻率零到設定頻率fs呈直線上升到起動時 間tla，並因應於驅動頻率f變更無效電流設定值Irs。在果及 扇葉等負載為流體的場合下，轉矩會以轉速的3次方來變 15化，因此可藉由實驗等方法嚴格地求出與旋轉數相對應的 轉矩電流Iq，計算出18:111(^後，再藉由列表來進行起動控 制，如此可以穩定的起動。但是，在起動時，需要增大轉 矩電流以加速，且無效電流設定值Irs需要設定成大於對應 於轉矩之值以防止發生失步。。 2〇 在一般的起動運轉中，即使V/f設定值、無效電流設 定值Irs在通常狀態的設定值下進行起動的話，也能夠起動。 當檢測到失步或異常旋後再進行起動時，會將起動時 間變更為tib，並使無效電流設定值Irsb大於最初起動時的 無效電流設定值Irsa，以使起動轉矩增加。 18 1278176 接下來則進入步驟104，判定有無載波信號中斷，如有 載波信號中斷，則執行步驟105的載波信號中斷子程序與步 驟106之旋轉數控制子程序。 第9圖為載波信號中斷子程序的流程圖。該程序由步驟 5 200開始，在步驟201中判斷載波同步信號ck的計數值k是否 為馬達驅動頻率f之1個週期内的載波數kc，如果兩者相 等，則進入步驟202，然後清除載波計數值k。馬達驅動頻 率f在1個週期内的載波數kc可預先在設定驅動頻率時求 出。 10 舉例來說，8極馬達的旋轉數為4040rpm時的驅動頻率f 為269·3Ηζ，週期T為3.712ms，當載波週期Tc為64// s (載 波頻率為15.6kHz)時，脈衝數kc為58。若令驅動頻率f的1 個週期為2 7Γ的話，則1個載波週期Tc的相位△ 0為 △ 0 = 2 7Γ / kc 〇 15 在步驟203中使載波同步信號的計數增量後，進入步驟 204,然後由載波數k與1個載波週期Tc内的相位△ 0運算電 角度0。接下來進入步驟205，檢測來自電流檢測機構5的 信號，從而檢測出反相器輸出電流In、Iv和Iw。其次進入步 驟206，並根據公式2進行3相/2相基軸座標變換，求出無效 20 電流Ir和有效電流la，然後進入步驟207並記憶Ir、la。 其次，進入步驟208，由公式3求出馬達電流的向量絕 對值Im，然後，進入步驟209，判斷計算值Im是否在電流設 定值Imax以上。 如果計算值Im在過電流設定值Imax以上，則進入步驟 19 1278176 • 210，且停止驅動反相器電路3中的功率半導體，從而停止 馬達驅動，再進入步驟2U，建立起過電流異常旗標。 如果計算值Im低於過電流設定值加狀，則進入步驟 212 ’並找出來自旋轉數控制子程序之反相器輸出控制信號 5 Va，接著進入步驟犯，根據公式5進行2相/3相基轴座標逆 變換，求出反相器中的各相控制信號vu、vv、vw，然後， 進入步驟214,進行PWM控制，最後，進入步驟215並返回。 § 第1〇圖係顯示旋轉數控制子程序之流程圖。由於不必 對母個載波仏號執行旋轉數控制子程序，亦可如每2個載波 10信號執行一次。當載波頻率與超音波頻率相等時，會有載 波週期内的私序處理時間的問題，因此分成必須對每個載 波都執行相位計异及電流檢測計算、或PWM控制等之處 理，及座標變換或不必對第10圖所示之每個載波都執行的 處理’並將非必要對每個載波都執行的處理分割成複數個 15來處理，藉此可執行除馬達控制以外之洗碗機_序程式。 • 由步驟300開始旋轉數控制子程序，在步驟301中找出 驅動頻率設定值fs，然後進入步驟3〇2，找出與頻率設定值 fs相對應的無效電流設定值irs，再進入步驟3〇3找出由3相/2 相基軸座標變換求得之無效電流Ir，然後進入步驟3〇4找出 2〇施加電壓常數設定值V/f。接下來，在步驟305比較加和 Ir，並由誤差信號ΔΙΓ運算出施加電壓常數“，然後進入步 驟306,由施加電壓常數設定值v/f與施加電壓常數卜之差 △ kv。接著，進入步驟307，由運算基軸施加電壓信號 Va並記憶之，然後進入步驟3〇8比較△卜與設定值△ 20 1278176 kvmax，若Z\kv大於△kvma，則進入步驟309判定失步，並 建立失步旗標，然後進入步驟310返回子程序。 再次回到第8圖所示之馬達驅動程序，在步驟1〇7中判 斷有無失步旗標，若有失步旗標則進入步驟1〇8，且停止馬 5達的驅動，並在步驟109變更無效電流Isin0後進入步驟 110，執行再啟動子程序，然後進入步驟1U返回馬達驅動 子程序。（實施型態2) 以下使用第12圖、第13圖、第14圖、及第15圖來說明 本發明的第2實施型態。 10 第12圖係本發明之第2實施型態之餐具清洗機的馬達 驅動裝置截面圖。泵馬達係採用單馬達單泵方式。 其中，自來水從供水閥8加到清洗槽7中，洗淨水9則貯 存於清洗槽7中。清洗槽7的下部設有軸向呈垂直且為扁平 狀的DC(直流）無刷馬達4a，馬達4a的下部設有泵殼1〇，藉 15 由使葉輪11旋轉，可由軸向朝離心方向施加壓力。 朝正向旋轉時，洗淨水會從具有喷嘴12a之噴射翼i2b 噴向餐具（未圖示）進行清洗。正轉時，泵殼10的内部壓 力會變高，而設在泵殼10側面的排水閥13會關閉，因此水 流方向會在喷射翼12b側。使葉輪11反向旋轉時，會由葉輪 20 11的側面朝垂直方向施加壓力，而排水閥13會打開，，垂 直方向的水流會流向排水管14的方向。因此，可以單馬達 與單泵進行清洗和排水。 即使分別設有葉輪與泵殼作為清洗用與排水用之單馬 達雙泵方式，亦可以正轉進行清洗，以反轉進行排水操作， 21 1278176 但是，泵的高度會增高，而無法縮小清洗槽7的下部容積。 而由於單馬達單泵的方式之排水泵效率極差，因此在 排水運轉時將洗淨水排出後吸入空氣時的噪音會很大， 又，在清洗運轉時，會因為雜物等而排水閥13無法完全閉 5 合時，洗淨水會逐漸被排出，最後則沒有洗淨水，且洗淨 水的加熱用加熱器（未圖示）會呈現空載狀態。 上述的任一者的情況，皆會因為泵中無水而負載急遽 變輕，因此可藉由檢測出馬達輸入或負載轉矩來改變馬達 旋轉數，或者使馬達停止且供水而獲得解決。 10 第13圖係第2實施型態之馬達驅動裝置之控制機構之 區塊圖。本發明的基本想法是由反相器輸出、即馬達輸入 來運算負載狀態或負載轉矩，馬達輸入Pin係以反相器輸出 電壓Va與馬達電流I及cos φ的積來表示，乘上馬達的效率 即為馬達輸出Ρ〇，馬達效率W基本上係由旋轉數來決定， 15 而馬達轉矩Τ係由轉矩常數kt與轉矩電流Iq的積來表示，並 成立下面的公式6。 〔公式6〕 Ρο= Ή = a>r，Iq 亦即，將轉矩電流Iq分成旋轉數or與馬達輸入（二Va· 20 Icos φ )的話，可由公式6運算出。由於Ia= Icos φ，且可由 公式2求出，因此即使不知道與q軸之間的相位偏差，也可 以由一般的運算來求出馬達轉矩。另外，由於可運算出轉 矩電流Iq，因此可反推與q軸之間的相位偏移。 第13圖係變更第4圖之區塊圖之一部份者，且僅就變更 22 1278176 口f5刀加以n其他構成與第丨實施型態相同，其動作、作 用也相同，因此，在此省略說明。 將知加私壓信號Va與3相/2相基軸變換機構68的a軸信 5虎la加到反相n的輪出電力運算機構π後，運算出反相器 5輸出、亦即馬達輪入，並將馬達輸入信號與驅動頻率信號f 加到負載狀悲邦別機構74a中，計算出負載轉矩，並判別馬 達負載狀態。如果驅動頻率為一定的話，可由馬達輸入判 別負載變動。將控制信號送到驅動條件變更機構78，並由 •動條件變更機構78對驅動條檢設定78送出旋轉數信號來 10控制設定旋轉數，如此可減少負載轉矩，從而減少旋轉數 以減少°呆音。驅動條件變更機構78不僅可以變更驅動旋轉 數’亦可變更無效電流Isinp或起動時的各種條件。 苐14圖係顯示餐具清洗機的排水運轉開始後隨時間變 化的馬達輸入W與馬達旋轉數N的變化情況。當清洗槽内存 15積著洗淨水時，馬達輸入大致上係一定的，但當洗淨水排 元時’將會吸入空氣，從而馬達輸入及轉矩會急劇下降。 因此’可由馬達輸入或轉矩變化檢測出是否吸入了空氣， 若由排水一定輸出（W1)下降到預定值（W3)時，則判 定吸入了空氣，並可在時間t3使旋轉數從N1下降到N2，藉 20 此以降低排水時吸入空氣的嗓音。 第15圖係顯示在餐具清洗機的排水閥未完全關閉的情 況下，馬達輸入W在清洗運轉時隨時間經過的變化情況。 使清洗泵馬達旋轉時，如果洗淨水由排水閥漏出時則會吸 入空氣，而馬達的負載會變輕，因此，當反相器輸出、即 23 1278176 馬達輸入小於預定值爾時，即可檢測出洗淨水浪漏的情 況，而可停止驅動馬達，並補充進水。 第I6圖係檢測馬達輸入變化的旋轉數控制子程序的實 施例。其中，從步驟300到步驟3〇6a基本上係與第i實施型 5態中的第Π)圖相同，故在此省略說明。在步驟3ΐι中找出在 載波信號中斷子程序中所求出的有效電流，接下來，進 入步驟312求出馬達輸人pin，然後進人步驟奶，若判斷為 馬達輸入下降，且馬達輸入低於預定值的話，即建立起下 降旗標，然後返回子程序。 10 f建立馬達輸人下降旗標時，則判定為吸人了空氣， 若為清洗運轉，則停止馬達驅動，並且補充進水。若進行 數次運轉且補充進水後，還是檢測到有空氣吸入的話，^ 判定有異常，且會中止運轉或者使馬達反轉，進行除去挪 水閥中的異物等操作，以防止加熱器發生空載現象。 15 若為排水運轉，則由預定輸入下降來判斷吸入了外 氣，可藉控制旋轉數來降低排水時的噪音。 由於本發明可在瞬間檢測出馬達輸入及轉矩變動等馬 達負載變動，故非常適合於在洗衣機或洗衣乾衣機進行脫 水操作時，檢測轉矩變動來檢測衣物的不平衡狀態。 20 (實施型態3) 第Π圖係第3實施型態中的馬達驅動裝置之控制機樽 之區塊圖，係可在檢測馬達轉矩後，對無效電流kin $進行 控制使之為最大效率。 丁 第Π圖係對第2實施型態中第13圖之區塊圖作部分變 24 1278176 更者，以下僅就變更部分作說明。反相器的輸出電力運异 機構77係由反相器輸出電壓Va和有效電流la運算出反相器 輸出電力，亦即馬達輸入電力，並將馬達輸入信號與驅動 頻率信號加到轉矩電流運算機構79，再根據公式6求出馬達 5 轉矩電流Iq。 有效電流運算機構80係由公式2求出馬達電流向量絕 對值Im，並藉馬達電流比較機構81將轉矩電流Iq和馬達電 流向量絕對值Im作比較，無效電流變更機構82會因應於Im 與Iq之間的差的信號來改變無效電流設定值Isinp。當Im相 10 對於Iq增加時，則使Isinp的設定值減少，當Im相對於Iq減 少時，則使Isinp設定值增加，將Im和Iq控制成大略相同。 由於將Isinp控制成使第5圖所示的I與Iq會大略相等，因此 表示I與q軸為同軸，且可與向量控制同樣進行最大效率的 運轉。 15 將馬達電流向量絕對值Im與轉矩電流iq控制成大略相 同時’在起動時的高轉矩運轉期間，會難以控制，因此， 宜在起動時，使之停止，且旋轉數大略固定之後在執行控 制循環。又，相較於負載轉矩變動大的洗碗機泵馬達，本 發明更適合對空調器的壓縮機控制或風扇馬達等的控制， 20或者滾筒式洗衣機之滾筒旋轉控制等等。 综上所述，本發明係藉由檢測3相反相器輸出電流，並 在進行3相/2相變換後，在反相器電路輸出電壓的基軸進行 座標變換來控制馬達無效電流或電流相位，而可進行dc(直 流）無刷馬達（永久磁鐵式同步馬達）之無感側正弦波驅 25 1278176 動’進而，可由反相器輪出電力或輪出電壓檢測出負載狀 態。 藉由本發明’可在在瞬間檢測出反相器輸出電力，亦 即馬達輪入及馬達的負載狀態，因此可進行與向量控制相 同的控制’故可進行最大效率運轉或因應於負載之最佳控 制0 此外’本發明可檢測瞬間負載變動，並可檢測泵的空 氣吸入情況’或者由馬達的轉矩變動來檢測洗衣機的脫水 兼洗滌槽及旋轉滾筒等的負載之不平衡情況。 10 此外，馬達的失步檢測也很容易進行，因此在產生失 步的情況下可以進行異常報知或者藉由改變無效電流等驅 動條件後再起動，而可使旋轉驅動穩定化。 另外，在習知之無感測正弦波驅動中，，位置推定的 計算非常複雜，而使處理器的的負擔很大，此外，為了求 出進仃位置推疋運异所需要的馬達參數的各種試驗，也需 要卞間c根據本發明由於無需進行位置推定，因此處理 器的計算步驟可以減少，運算數據的位數也可以減少，也 幾乎不需要馬達參數，並騎以自動地實現最大運轉效 率口此可以減輕處理器的負擔，實現與向量控制相同 20 的控制，從而可實頦#古 > 么β 裳置。 ' …、感測正弦波驅動的馬達驅動 、先衣乾衣機或餐具清洗機的馬達控制與程序 =制而要複雜的程序，此外，必須將載波頻率設置成超音 :頻率以減少聲音，因此，若為習知之無感測正弦波驅動 26 1278176 方式，控制處理器的程序量與運算性能的負擔非常大，需 要昂貴的處理器，但若為本發明，可由便宜的處理器得到 與無感測向量控制相同的性能，因此可實現便宜的洗衣乾 衣機及餐具洗條清洗機。 5 另外’雖然本發明係以SPM馬達為主進行說明，但顯 知本發明亦可以適用於鐵心轉子内設有永久磁鐵的IPM馬 達。 另外’將反相器輸出電壓與輸出電流的相位或有效電 流Icosp控钿成一定的話，亦可達到同樣的效果。 10 如上所述，本發明的馬達驅動裝置係藉整流電路將交

流電變換成直流電，並由反相器電路驅動馬達，由電流檢 測機構檢測反相器電路的輸出電流，對反相器電路進行 PWM控制以達到設定旋轉數，並將反相器電路輸出電壓與 電流相位或無效電流控制為預定值，由反相器電路輸出電 壓或輸出電力來判別負載狀態，因此，可輕易檢測出馬達 的旋轉異常情況及轉矩變化，且不僅可適用於實施例中所 不之餐具清洗機的泵馬達，亦可適用於空調器的壓縮機馬 達、風扇馬達或洗衣機、洗衣乾衣機中的脫水兼洗滌桶及 旋轉滾筒的旋轉控制。 C圖式簡單說明】 弟1圖係顯示本發明之第1實施型態馬之達驅動裝置之 區塊圖。 第2圖係顯示該馬達驅動裝置的反相器電路圖。 第3圖係顯示該馬達驅動裝置之電流檢測時序圖。 27 1278176 第4圖係顯示該馬達驅動裝置之控制機構的區塊圖。 第5圖係顯示該馬達驅動裝置的控制向量圖。 第6圖係顯示該馬達驅動裝置失步時的控制向量圖。 第7圖係顯示該馬達驅動裝置之控制機構之各種波形 5 和時序圖。 第8圖係顯示該馬達驅動裝置的馬達控制程序流程圖。 第9圖係顯示該馬達驅動裝置的馬達控制程序之載波 信號中斷子程序的流程圖。 第ί〇圖係顯示該馬達驅動裝置的馬達控制程序之旋轉 10 數控制子程序的流程圖。 第11圖係顯示該馬達驅動裝置的起動控制時序圖。 第12圖係顯示本發明的第2實施型態之餐具清洗機之 馬達驅動裝置的截面圖。 第13圖係顯示該馬達驅動裝置之控制機構的區塊圖。 15 第14圖係顯示該馬達驅動裝置在排水運轉時進行吸入 空氣檢測的控制時序圖。 第15圖係顯示該馬達驅動裝置在清洗運轉時進行吸入 空氣檢測的控制時序圖。 第16圖係顯示該馬達驅動裝置的旋轉數控制子程序的 20 流程圖。 第17圖係顯示本發明的第3實施型態的馬達驅動裝置 之控制機構的區塊圖。 28 1278176 【主要元件符號說明】 1...交流電源 32al，32a2...反向並聯二極體 2...整流電路 33al...上臂閘極驅動電路 3...反相器電路 33a2...下臂閘極驅動電路 4...馬達 34a...自舉電阻 4a...DC(直流)無刷馬達 35a··.自舉二極體 5...電流檢測機構 36a...自舉電容器 6...控制機構 50a，50b，50c...分路電阻器 7...清洗槽 60, 60a...驅動條件設定機構 8...供水閥 61··.旋轉數設定機構 9...洗淨水 62...無效電流設定機構 10…泵殼 63...載波信號產生機構 11…葉輪 64…電角度運算機構 12a...喷射管嘴 65...V/f設定機構 12b...喷射翼 66…記憶機構 13...排水閥 67...高速A/D變換機構 14...排水管 68...3相/2相基軸變換機構 20...全波整流電路 69...無效電流比較機構 21a，21b...電容器 70...誤差信號放大運算機構 30A...U相臂 71...控制電壓比較設定機構 30B...V相臂 72...2相3相基軸逆變換機構 30C...W相臂 73...PWM控制機構 31al...上臂電晶體 74,74a...負載狀態判別機構 31a2…下臂電晶體 75...異常停止再起動機構 29 1278176 76.. .驅動條件變更機構 77.. .輸出電力運算機構 78.. .驅動條件變更機構 79.. .轉矩電流運算機構 80.. .有效電流運算機構 81.. .馬達電流比較機構 82.. .無效電流變更機構

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Claims (1)

1278176 十、申請專利範圍： 1. 一種馬達驅動裝置，包含有： 父流電源， 整流電路，係用以將前述交流電源的交流電變換成 5 直流電者； 反相器電路，係用以將前述整流電路的直流電變換 成交流電者， '馬達，係由前述反相器電路加以驅動者； 電流檢測機構，係用以檢測前述反相器電路的輸出 10 電流者；及 控制機構，係藉前述電流檢測機構的輸出信號對前 述反相器電路進行PWM控制，以控制前述馬達以達到 設定旋轉數者， 又，前述控制機構係進行控制使前述反相器電路的 15 輸出電壓和輸出電流的相位或者無效電流在預定值。 2. 如申請專利範圍第1項之馬達驅動裝置，其中前述控制 機構係進行V/f控制，以使前述反相器電路的輸出電壓 與輸出電流的相位或者無效電流為預定值’並由V/f 控制值來判別負載狀態。 20 3.如申請專利範圍第1項之馬達驅動裝置，其中前述控制 機構係藉前述反相器電路的輸出電壓或輸出電力來檢 測馬達負載狀態，並變更前述反相器電路的輸出電壓與 輸出電流的相位、或無效電流。 4.如申請專利範圍第1項之馬達驅動裝置，其中前述控制 31 1278176 機構係藉前述反相器電路的輸出電壓或輸出電力檢測 馬達負載狀態，並變更馬達驅動條件。 5. 如申請專利範圍第1項之馬達驅動裝置，其中前述控制 機構係藉前述反相器電路的輸出電力與驅動頻率來判 5 別馬達負載轉矩。 6. 如申請專利範圍第1項之馬達驅動裝置，其中前述控制 機構係藉前述反相器電路的輸出電力與驅動頻率來判 別負載轉矩，並根據前述負載轉矩的變動來控制前述馬 達。 10 7.如申請專利範圍第1項之馬達驅動裝置，其中前述控制 機構係藉前述反相器電路的輸出電力與驅動頻率來判 別負載轉矩，並因應於前述負載轉矩來控制前述反相器 電路的輸出電壓與輸出電流的相位、或無效電流。 8. 如申請專利範圍第1項之馬達驅動裝置，其中前述控制 15 機構係藉前述反相器電路的輸出電壓或輸出電力來檢 測馬達的旋轉異常，並在變更前述反相器電路的輸出電 壓與輸出電流的相位、或無效電流後，使前述馬達再起 動。 9. 如申請專利範圍第1項之馬達驅動裝置，其中前述控制 20 機構係藉反相器電路的輸出電壓或輸出電力來檢測馬 達的旋轉異常，並在變更前述反相器電路的起動條件 後，使前述馬達再起動。 32