TWI298572B - Method and circuit for testing motor - Google Patents

Description

1298572 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本案係指一種馬達之測試方法及測試電路，尤指 一種藉由偵測及分析反電動勢（BEMF)而實施的馬達 之測試方法及測試電路。 【先前技術】 永磁馬達中永磁體的充磁品質決定了馬達的運行 性能特性，其中，經常用來檢測永磁體之充磁品質的 是基於霍爾感測器（Hall sensor)的磁性分析儀。如第一 圖1所示，其為習用以磁性分析儀針對馬達之永磁體 進行檢測之示意圖，圖中，係藉由探針111及霍爾感 測器112所構成的磁性分析儀11對永磁體進行檢測， 利用探針111在轉子12中旋轉一周便能夠得到永磁體 表面的磁密分佈。 然而，這種習用設備至少具有下列缺點： (1) 檢測過程中需要多次調整永磁體與探針Π1的 相對位置，耗費大量時間； (2) 探針相對來說較為脆弱，不適用於生產線； (3) 探針具有一定的體積，因此當用以測試微小型 馬達時，因為探針本身的體積所造成的位置誤差對於 測量結果的影響將讓使用者難以忍受；及 (4) 進行檢測時需要將定子鐵心去除，所以測量結 果並不是馬達正常工作時的氣隙磁密分佈，無法基於 其結果對馬達的運行性能進行精密分析。 5 -1298572 檢測= 體品質也可以通過 測試方法的優點在於 ==:Γ貢獻’可藉以精密分析電機 位問題二:=測器與轉子之永磁體的定 但是，這種測試方法有兩個要求：

(1) 轉子必須是轉動的；及 (2) 測試繞組中的電流不具驅動電流。 通¥這種方法需要一個驅動設備以驅動被 測馬達之轉子的轉動，然後制試馬達定子繞組中的 電壓…亦即反電動勢。如第二圖所示，其為習用以驅 動2備驅動馬達轉子針對馬達之反電動勢進行檢測之 ’、μ Η圖中，係利用與驅動器21相連的驅動設備 22以驅動馬_子23，再藉由測試器 24對馬達的反 電動勢進仃檢測。其中，驅動設備22的存在使得測試 系統變彳于非常複雜，此外，欲完成驅動設備22之轉子 與待測馬達之轉子的對心連軸（如圖中的耦合處）也會 耗費大量的時間，不利於生產線的要求。 因此有必要改進傳統對於馬達之反電動勢的檢測 f法’去除前述第二圖中的驅動設備22，開發出一種 n精度、方便、易用且省時的基於反電動勢測試之藉 由備測及分析反電動勢而實施的馬達之測試方法及測 試電路，以下為本案之簡要說明。 6 1298572 【發明内容】 -、ίί之構想本案之主要目的為提出-種結構簡 : 、易用且省時的基於反電動勢測試之藉由偵 2》析反電動勢而實施的馬達之賴方法及測試電 路0 以下說明本案之構想。 她!ί，：用馬達的自身繞組來起動馬達，此時繞 驅動元件’由於繞組中具有驅動電流， 因^、、法直接翁反電動勢，必須等到馬達轉子達到 刀斷、ΐ組的外部電源，此時馬達會失 :繞組作為-感測元件，藉由測量該感測=之;電 壓即可得到反電動勢。 电 …明參閱第二圖’其為馬達在測試過程中、繞组之 電壓與電流的波形圖，其中第三K(b 形框選部分的放大圖。 CU π矩 從第三圖可以看出，測試過程分為三個階段： (51) 利用馬達自身的繞組起動馬達， =的Γ壓即為所施加的外部電壓，繞組中有驅動 “的存在，但當轉子達到高於測試所需轉速的一定 轉速之後’便停止對馬達繞組供電， 流會經過一段續流時間而衰減到零； '、、中勺電 (52) 在此階段中’繞組中不具電流 :動=，，達轉子會由於慣性的作用而繼續： 動，利用測I糸統量出繞組的端電壓，由於此時繞组 7 • 1298572 中沒有驅動電流，因此所測量到的電壓值即為反電動 勢；及 < (S3)在測量完成後，利用馬達繞組對轉子進行制 動，讓轉子快速停下，可以提高生產效率。當然，這 個步驟並不是必須實施不可的。 值得一提的是，當馬達失去驅動轉矩而在慣性的 作用下旋轉時，由於摩擦轉矩的存在，因此轉子的轉 速會下降，特別是對於某些帶有負載的馬達（例如散熱 風扇馬達等）來說，在測試過程中，因為負載一直存 在，當馬達失去驅動轉矩後，轉子轉速下降會很明顯， 又由=反電動勢係正比於轉子轉速，所以反電動勢也 會隨著轉速的下降而下降，如第四圖所示，其為第三 圖中的反電動勢以及補償後之反電動勢的波形'圖。一 在第四圖中，曲線I係為測量所得反電動勢的波 瓜Pi(i 1，2,3···)為反電動勢每半個週期的時間。由圖 中可以看出，反電動勢隨著時間的推移而衰減，而pi 卻隨著時間的推移而增加。由於這樣的測量結果並不 對應於同一轉速，因此無法直接用來判斷充磁品質的 好壞；因此，本案所提出的解決方法為針對所測量之 反電動勢的結果進行修正。 如果在進行測量時，每一時刻的轉速是可以得到 的，那麼就可以將測量所得之反電動勢修正到一個統 、一的轉速下進行比較判斷。因為反電動勢正比於轉 速:所以如果電機轉子在A角度位置、電機轉速為〇、 測量得到的反電動勢e，將其折算到統一的轉速〇〇之 8 1298572 下’此時電機轉子在々角度位置的反電動勢則為 ^ m ω 當然，時間軸也需要修正到統一的速度ω〇下。在 t時刻取一時間增量，在At内轉子轉過△冷角度， 因此 Αβ = 〇) At

如果轉子轉速為，則轉動△^角度所需要的時 間為

Atm =~At ωο ，達從初始時刻tG開始到t _轉過的角度為 沒’右電機在轉速(^下^^ P弓 時刻則為 、 疋ω〇卜從to開始轉動到冷角度後的 it^L· 圖中線速度:正後之反電動勢的波形如第四 ατ的曲線Π所不，纟圖中 經對應於同-個轉速。 $㈣反电動勢已 馬達轉速的下降是有規律的， 土 是利用轉速下降的規律，通 本案所採用的方法 來计异以得到任意時刻的轉子速’反：動： I，每個半週期中心點時刻ti㈣ j四圖之曲線 似為 ’，···）的暫態轉速可近 9 1298572

A 下式決定 相應的暫悲週期為2Pi。馬達轉速的變化由 άω 其中J為轉子轉動慣量，tl為負載轉矩。 根據被測馬達之負載的不同，速 :=律。可以證明的是，當負載為風機負= =的暫態週期與時間t係呈線性遞增關係，如第五 任，固關係以及測量得到的序列便 了求付任思蚪刻的瞬態週期2P和瞬態速度 對於其他的負載特性，馬達 的關你如锺丄面〜 1堤又瞀態週期與時間t / “圖所示。對於這些負载特性如果能夠準 確可知的情況下，亦可以得到智能、^生如果月匕夠準 砝關在彳, 仟至1暫恶週期與時間t的明 確關係式。但現實狀況是，有 知，目古力于貞戟特性报難明確可 變化的，這樣就报難得到暫態週期盘：疋逐步 式。所以，更為方便而有效的=:_關係 知的靳能，η如产 八疋對於第六圖中已 知的暫恶週期序列進行插值 τ匕 轉子的暫態週期㈣速。 #恥意時刻下馬達 對於某些轉子慣量很大、 來說，由於測量時轉速之下降：負载很小的馬達 忽略對於其測量結果的轉速修正^顯’因此也可以 1298572 將修正後的反電動勢與反電動勢期望值進行比較 即可判斷永磁體的充磁是否合格。首先，可以提取修 正後的反f動勢的特徵值’錢與反電動勢期望值的 特徵值進行比較。當然，反電動勢的特徵值有很多， 因此可以提取其中一個或幾個來進行比較，正如熟習 本項技術者所知，參與比較的特徵值越多，比較所得 的可靠性便越高，而資料分析量也就越大。如果所選 取的η個特徵值都在誤差範圍内，如下式所示（其中， EGi、EGbi和EGti為對應於第i個特徵值的測量值、 期望值和容許誤差）， \EGi-EGbi\<EGti / = 則可遇定所測得之反電動勢為合格；亦即，被測 轉子永磁的充磁是合格的。 請參閱第七圖，其為反電動勢之波形以及反電動 勢期望值之波形比較圖。圖中，cl為反電動勢期望值 之波形’ c2為測量後並經過速度修正的反電動勢之波 形’圖中提取了特徵值最大誤差Mmax。 再請參閱第八圖，其為第七圖中反電動勢之各處 諧波分量幅值以及反電動勢期望值之各處諧波分量幅 值的比較圖。圖中，Ai、Abi和从(卜1，2··.)分別為反電 動勢各處諧波分量幅值的測量值、期望值和誤差，所 提取的特徵值是各處諧波的幅值Ai。 最後，對於特徵值、期望值和容許誤差的給定， 可以利用人工根據經驗或理論給定，也可以通過對合 格轉子進行測量及統計的方法得到。容許誤差的設置 11 1298572 就是為了考慮測量、充磁的離散性。而這些離散性是 可以通過測量統計的方法得到的。常用的方法是，選 定一批合格的轉子，然後對這批轉子相應的反電動勢 進行測量，接著對這批轉子的反電動勢進行統計分 析，統計各特徵值的期望值EGbi和方差&，則各特徵 值的容許誤差EGti便可定為^選取不同的k值即可 控制反電動勢校驗的精密程度。 本案得藉由下列圖式及詳細說明，俾得更深入之 了解： 【實施方式】 請參閱第九圖，其為本案之測試方法應用於單相 無刷直流馬達一實施例的電路圖。主要的測試電路係 由控制器31以及信號調理電路32所構成，此外圖中 還包括了啟動鍵37、繼電器36、電源Vcc、由驅動電 路33及馬達繞組34所構成的馬達35、以及其他元件 (如電阻Rl、R2)等。 在第九圖中，數位型的控制器31係用於檢測控 制、採樣反電動勢以及資料分析等工作，信號調理電 路32則可對反電動勢執行放大、縮小、平移等功能。 數位控制器31發送控制信號TK以控制繼電器36的 線包得電與否，從而控制繼電器的閉合與斷開。在未 執行本案之測試方法時，啟動鍵37為常態，啟動信號 ST為低電位。 當欲執行本案之測試方法並按下啟動鍵37時，啟 12

的電壓k號來判斷馬達轉子是否已經達到測試需求的 轉速，明參閱第十圖，其為馬達起動過程中繞組端電壓 及^其濾波波形圖，圖中，Vab為採樣得到的繞組電壓 L遽’由於一般馬達專用的控制器係採用脈寬調變 -1298572 動信號ST變為高電位，此時，數位控制琴3 命電位的啟動信號ST後便先閉合繼電器 2得驅動電路33獲得電力而工作，繞組％在獲得合 適的驅動電壓後’馬達35即開始起動而旋轉。 31通過計時器延時合適的時間(保 =馬達轉子已經獲得反電動勢測試所需要的足夠速度） 後’即斷開繼電器36的觸點’使得驅動電路％失電 、=:作。此時繞組34失去外部電流後便一 接著數位控制器31再通過計時器延時合適的時 保證馬達繞組34中的電流下降為零)後，即啟動數 模轉換對調理後的反電動勢信號進行採樣，當採樣到 足夠的資料後，數位控制II 31便停止數模轉換，接著 對採樣所得到的諸進行分析以及速度修正。根據修 正後所得的資料，數位控制器31制用預先設定的期 望反電動勢和谷許誤差判斷被測試之轉子的反電動勢 是否合格，以決定其永磁充磁是否合格。 上述實施中係利用計時器的計時延遲技術來保證 2達轉子加速到足夠的速度。此外，因為起動過程中 、v〇組34上的端電壓也反應了電機的轉速，因此也可以 在起動過程中，利用叙位控制器31採樣繞組34兩端 13 -1298572 (PWM)軟啟龍術，所叫樣轉到的電 :土列==。數位控制器31對這一 波ς :-人數位濾波’濾波後的圖形為V 的過零點便可以得到馬達的週期2基=^ :馬達的轉速是否達到所需求的轉速。另外：㈡ 波:吏的電壓信號v-相對於原始信號Vab通常：； 一相位延遲，但這一相位延 曰

試系統而言，即時性要求=時間並不長’對於測 的。 h要求並不面，所以是可以被容許 因為反電動勢是有明顯的規律的，所以可以利用 2控制器3!斷開繼電器3 6之後繞組3 4 來確定繞組34中的雷、、六a : J而电/土 々電"IL疋為零。請參閱第十一圖， 八為馬達起動過程中繞組端電㈣波形圖，圖中 ^寺^數位控制器31斷開繼電器36，使得繞組34 〆、電源Vcc斷開，、繞組處於續流狀態，從化時刻開始 $繞組;4之端電壓的過零點之間的時間間隔，當確 疋滿足關係 二1㈠其巾S為-正整數時，則可以 確疋繞組34中的電流已經為零。在上述兩式中，s越 大’判斷條件越嚴格，但—般來說取丨或2便已經 夠。 、、工 請參《十二圖，其為本案之測試方法應用於三 相水磁馬達-實施例的電路圖。由圖中可以看出，除 了馬達3 5改成由三相繞組3 4和三相驅動電路3 3所構 14 -1298572 成之外，其餘皆與第九圖之構造相同。在三相馬達35 中，二相繞組U、V、w係採星形連接，信號調理電 路32則連接於繞組u和中性•點N，所以數位控制器 31所得到的是馬達的u相繞組相反電動勢，至於其他 的控制方法亦與第九圖相同’故省略其說明。

、"月參閱第十二圖，其為本案之測試方法應用於三 相水磁馬達另—實施例的電路圖，與第十二圖相比， 其差異在於此例巾信號調理電路32接的是繞組UV， 戶^以數位控㈣31採樣得制是繞組的線反電動 以’至於其他的控制方法亦與第九圖相同，故省略其 說明。 夕η阃，丹局本業之測試方法應用於單 :無：直，一實施例的電路圖，與前述數個實施 體）=(^、决差異在於此例中係使用多個開關（例如電晶 ^)G1〜G4來取代繼電器36及驅動電路33， 雈爾感測器38來獲取馬達轉子的位置㈣。 開關 Gl、G2、G3、/μ 、、、σ 此 G4’從而可以控制馬達的運行妝 :置==37時，數位控制器31將根據轉: 34施二：==該等開關’藉此對繞組 根據霍爾感測器38的位置^^加速’數位控制器31 -^ ^ 的位置^遽而判斷馬達轉子县不 轉速，當相預定 = 轉·^否 閉該等開關管開始採集繞組= 1298572 資訊’並進行後續的反電動勢補償 以及反電動勢比較等工作。 刀析、 以上述所述之諸多實施例僅為用以實現 =Γ口？，，並非用以限制本案的電路結構 電路32來實Γ:用本案的控制器31以及信號調理 m方法者，皆落人本案所㈣ 明專利觀園所欲保護的範圍内，以 才甲

之流程圖對本案之測試方法進行一詳細說明。五圖 (步驟一）首先，按下啟動鍵； 子旋$驟二)此時’電源會提供電流至馬達繞纽使得轉 2驟三)接著’等候轉子達到預定轉速； 济，步與驟四）當^亥轉子達到預定轉速時停止提供該電 l牛曰使待該繞組中的該電流持續衰減； =驟五）等候該繞組中的該電流衰減至零； (步驟六）在該繞組中 ’ 量該繞組之踹p甲的°亥電机哀減至零的時刻測 〜壓’即得到一未補償反電動勢； 至少—m據測量繞組之端電壓過程中、該轉子的 一反電動^以補償該未補償反電動勢而得出 少-信m分析該反電動勢並選取該反電動勢之至 反電€動步勢將該反電動勢之至少—特徵值與一期望 (步驟+ 2特徵值進行比較，麟到—結果；及 ^十）輪出該結構以決定該馬達之充磁是否合 16 上298572 同程序 袼，並接著移至下一轉子進行相 【圖式簡單說明】 第—圖··習用以磁性分析儀斜 挪之示意圖；刀析儀針對馬達之永磁體進行檢 習用㈣動設備_馬達轉子針對馬達之反 電動勢進行檢測之示意圖； 这汉 ⑷：馬達在測試過程中、繞組之與電流的 =三圖(b)··第三圖⑷中矩形框選部分的放大圖； 弟四圖··第三圖中的反電 的波形圖； 0反電動勢以及補償後之反電動勢 馬達的反電動勢、暫態 馬達的反電動勢、暫態 第五圖··負载為風機負載時 週期與時間t的關係圖； 第六圖：負载為其他負载時 週期與時間t的關係圖； 5=·反電動勢之波形以及反電動勢期望值之波形 比較圖； 七圖中反電動勢之各處諧波分量幅值以及 广’月堇值之各處諧波分量幅值的比較圖； 之測試方法應用於單相無刷直流馬達-實此例的電路圖； 馬達起動過程中繞組端電壓及其濾波波形圖； ^ 圖·馬達起動過程中繞組端電壓的波形圖； 弟 圖·本案之測試方法應用於三相永磁馬達一實 1298572 施例的電路圖; 第十二圖：本案之測試方法應用於三 實施例的電路圖； 祁求磁馬達另一 第十四圖··本案之測試方法應 一實施例的電路圖；及 ^ ;早相…、刷直流馬達 第十五圖：本_提馬達之•方法的流程 【主要元件符號說明】 11磁性分析儀 111探針 112霍爾感測器 12轉子 21驅動器 2 2驅動设備 2 3待測轉子 24測試器 31控制器 32信號調理電路 3 3驅動電路 34繞組 35馬達 36繼電器 37啟動鍵 3 8霍爾感測器 圖

Claims (1)

1. •1298572 十、申請專利範園·· l 一種馬達之測試方法，該 子，該定子具有—繞 匕括—定子及一轉 產生-反電動勢，二試; 流，使得兮1二達到一預定轉速時停止提供該電 定亥繞組中的該電流持續衰減；捉仏》亥電 (幻田„亥繞組中的該電流衰減至跫 之端電璧即為—未補償反電動勢； 測1該繞組 -表繞量過程中、該轉子的至少 稭以補償該未補償反雷細 電動勢； 1貝汉雷動勢而得出該反 徵值ΓΓ斤該反電動勢並選取該反電動勢之至少一特 (f)將該反電動勢之至少一特徵值鱼 ::相應特徵值進行比較，以決定該馬達= 2·如申凊專利範圍第】 為一單相無刷直流馬達方法，其中該馬達係 =申二，第1項之測試方法，其中該馬達係 為二相或多相永磁馬達。 ㈣ t申包圍第1項之職方法，其中步驟⑷之 停止旋轉。ν 利用該繞組制動該轉子使得該轉子 申月專#】$&圍第丨項之測試方法，其中步驟⑷之 19 • 1298572 • 該表現數值包括經過時間、該轉子之位置、該轉子之 轉速。 ? 口申t專利範圍第5項之測試方法，其中步驟_ 藉由計异出該轉子在任意時刻的暫態週期與轉 將該未補償反電動勢藉此修正至統一的轉速之下 得出該反電動勢。 7.如申請專利範圍第1項之測試方法，其中步驟⑴係 • „勢之至少-特徵值與-期望反電動勢之相 ^特徵值進行比較’以衫其結果衫小於—誤差範 = 7項之賴方法，其中該特徵值 匕括忒反電動勢之各處諧波分量幅值。 專利範圍第7項之測試方法，其中該特徵值 二决車巳圍之決定係藉由經驗、理論、及統計測量 而疋。 齡 種^叙測試魅，料達包括—定子及一轉 :该定子具有—繞組，該轉子轉動時會於該繞組中 一反電動勢，該測試電路包括： 該㈣&制為’用以接收一啟動信號以驅動一電流至 二:：μ使侍:亥轉子旋轉，並於該轉子達到-預定轉 減動该電流，使得該繞組中的該電流持續衰 之端電=^中的該電流衰減至零時，測量該繞組 中未補償反電動勢，並根據測量該繞組 該轉子的至少-表現數值，藉以補 亥未補償反電動勢而得出該反電動勢；及 20 1298572 、上一k號調理電路，耦接於該馬達及該控制器，用 以調理繞組電壓信號； “其中’利用該控制器分析該反電動勢並選取該反 電動勢之至少一特徵值，並將該反電動勢之至少一特 ，值與一期望反電動勢之相應特徵值進行比較，以決 定該馬達之充磁是否合格。 u·如申請專利範圍第10項之測試電路，其中該馬達 係為一單相無刷直流馬達。 ^ 12·如申睛專利範圍第1〇項之測試電路，其中該馬達 係為一三相或多相永磁馬達。 =·如申請專利範圍第10項之測試電路，其中該控制 更連接於繼電為，並根據該啟動信號控制該繼電 器之閉合或斷開以驅動該電流至該繞組。 =·如申請專利範圍第10項之測試電路，其中該控制 器更連接於至少一開關，並根據該啟動信號控制該等 開關之閉合或斷開以驅動該電流至該繞組。 ^5·如申請專利範圍第10項之測試電路，其中該控制 器係藉由計時延遲以判定該轉子是否達到該預定轉 速。 =·如申請專利範圍第10項之測試電路，其中該控制 器係藉由採樣該繞組之端電壓以判定該轉子是 該預定轉速。 疋運， 青專，第10項之測試電路，其中該控制 裔更連接於一隹爾感測器，藉由該霍爾感测器以 該轉子是否達到該預定轉速。 21