1356578 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】
本發明係有關一種無刷直流電動機領域’特別係一種無刷直流電動 機的寬速控制方法。 【先前技術】 電動機係用於驅動各種器械，但由於電動機會消耗較高電功率，且相關 . ♦ 產業所使用的電動機數量甚大，因此如何提高電動機的驅動效率就成為工 業界與學術界相當重視的課題。其中，無刷直流電動機因具有高功率密度、 高效率與免維護的優點，再加上近來無刷直流電動機製造技術的改進與創 新’使其能夠以體積小、重量輕及結構強健等優點逐漸取代部分傳統有刷 直流電動機，且，無刷直流電動機一般是定位為反電勢呈類梯形波的永磁 式電動機，以別於具有弦波形狀反電勢的永磁式同步電動機，而驅動無刷 直流電動機的控制信號必須依據轉子磁石與定子相對位置的資訊才能成功 地控制電動機之轉矩與或轉速。 一般轉速的無刷錢電誠驅動方法是_ 12Q度導通關波寬調變 法，使反流器開關以固物換順序，在同時間電動機繞_此順序進行2 相繞組激磁望逹到相電流與相反電勢同相位的最佳功率輸出，另， 無刷直流電_之高速時，係採用弱_動方法，通常是⑵度導通區間 的換向相位超前法，或是⑽度導通區_換向相位騎法其中⑽户
=區間的換向相位超前法在高速雜能雖然比前者優越但_ 性能卻比前者差。 町J H Jahns所做的 針對無刷直㈣峡的弱磁驅_姆略研究是以τ 5 1356578 研究為基礎，Jahns 於“Torque Production in Permanent-Magnet Synehronous
Motor Drives with Rectangular Current Excitation” 一文中，首先提出以 12〇 • 度導通區間的電流控制驅動策略，當驅動器飽和時，反流器的功率開關已 經以每週期120度完全導通的方式換向’此時輸出電壓已達到極限，對應 的電動機高反電勢限制線圈電流’而使電動機轉矩無法再増加。為進一步 . 提高轉速，Jahns提出可以利用改變反流器切換策略，使得無刷直流電動機 相電流相位超前其對應反電勢，藉此可同時在高速運轉時維持相當的輸出 • 轉矩，但是同時也因其反電勢為類梯形波，在線電流相位超前反電勢下使 二相輸入功率產生脈動，進而產生機械脈動轉矩。 我國專利證號483231之「依轉速調整換相時機之無刷直流馬達控制方 法」所採的相位超前弱磁驅動是沿用120度換向相位超前法驅動技術，其 中同時最多只有2個反流器開關導通來對電動機的2相繞組激磁，這種切 換方法可使轉速高於額定轉速；我國專利證號1259648之「電動車直流無 刷馬達之控制方法及裝置」所採用的相位超前弱磁驅動亦是沿用度驅 _ 動技術’其中同時最多也只有2個反流器開關導通來對電動機的2相繞組 激磁；我國專利證號1229972之「低成本直流無刷馬達數位式驅動控制系 統」與我國專利證號1225904之「實現複合式驅動控制架構於直驅式無刷 馬達洗衣機」所採用的驅動方法是用180度驅動技術，惟，低速驅動方法 相彳Ni磁18G歧寬調變驅動，高速驅動方法是㈣磁⑽度波寬調變 驅動’兩種方法的功率開關切換有固定但各不相同的弱磁與非弱磁時序， 使電動機電流與其反電勢的相位差分別在兩方法時保持固定，因而限制電 6 1356578 動機轉速範圍。 因此，在無刷直流電動機領域中，係有必要提供一種創新的無 刷直流電動機的宽速控制方法，以克服上述之限制與缺失。 【發明内容】 本發明之主要目的係在提供一種無刷直流電動機的寬速控制方 法’主要是依縣刷直流電動機實際轉速與轉子位置資訊，來控制反流器 之數個切換開_切換方式，#無刷直流電動機轉速係低於—額定轉速 時，採肢寬簡切換法控制反流n的碰開關，當無刷直流電賴轉速 係高於—額定轉速時’則是_大於12G度導通關_位超祕相切換 法來控制反流器的切換關，以讓無刷直流電動機不論是在高速轉速或低 速轉速，都能夠受到良好的控制。 根據本發崎揭示的無織流電動機贱速控制方法，乃包括提供一 反流器，其跡輸出-無刷直流電動機之電壓大小與相位，以及根據-無 刷直流電動機之-轉速％與—轉子位置資訊，控制反流器切換開關之切 換，當轉速叫低於—額定轉速，對反流器切換開關採用-波寬調變切換法， 當轉速叫高於一額定轉速，對反流器切換開關採用一大於12〇度導通區間 的相位超前換相切換法。 其中，波寬調變切換法係-12〇度導通區間的波寬調變切換法，相位 超前換相切換_是在—原12〇度導通區間麵增加所需超前的角度，而 使反流器切細_導通關大於⑽度且在⑽度以下，即可使無刷直 流電動機順觀行高速弱磁運轉’且漏運轉乃採用和緩增加導通區間角 度的相位超前方法，使電動機轉速在低速與高速間確實能和緩轉移。 7 1356578 本發明之目的或其他目的對於此技藝之通常知識者而言，閲讀以下實 施例之詳細内容後係顯而易知的。 u 先前的概述與接下來的詳細敘述都是範例，以便能進一步解釋本發明 之專利請求項。 【實施方式】 • 凊參照第一圖，係本發明之一無刷直流電動機速度控制系統的示 意圖。如圖所示，本發明之無刷直流電動機速度控制系統10乃包括一無刷 _ 1流電動機12…反流^ Η減無刷直流電動機且外接-直鱗電壓源 15 ’以接收-直流電壓並將其減—交流電壓輸出至無刷直流電動機12， 其中反流器14係一三相全橋反流器，具有六個切換開關幻至邠，如第二 圖所示，每-切換開關包括—功率電晶體與—油接的背接二極體，故反 流器14透過切換開關si至S6控制輸出至無刷直流電動機之電壓大小與相 位’ -轉子位置侧器16祕無刷直流電動機12，由三個霍賴測器所組 成以债測電動機12之轉子磁石與定子繞組的相對位置而輸出三個位置信號 • U、V、W，一負載17耦接電動機12與轉子位置偵測器16, 一控制電路18 輕接轉子位置伽m 16，且控制電路18包括—轉子位置區域細器⑻、 轉速計算器182、速度控制器及限制器183及一寬速控制單元184，其中轉 • 子位置區域個器181 _接轉子位置侧器16以接收三個位置信號"、 w而辨識並輸a-轉子區域值，轉速計算器182祕轉子位置細器i6以 •接收三個位置信號u、v、w計算出直流電動機12之轉速ω，速度控制器及 -限制器脱則接收-轉速命令叫•與一轉速叫之誤差而輸出一控制命令心 寬速控制單元184雛轉子位置區域侧器⑻'轉逮計算器ι82、速度控 8 1356578 制器及限制器183與反流器14，以接收轉子區域值、轉速叫與控制命令… 之三個輸入參數而得到控制反流器丨4的六個開關切換控制信號。 其中，請同時參照第三圖，係無刷直流電動機12之相反電勢電壓6與 對應轉子位置偵測器16所輸出的3組轉子磁石與定子繞組之相對位置信號 u，v，w波形示意圖。其中，請同時參照第三圖，係無刷直流電動機12之相 反電勢電壓與對應轉子位置偵測器16所輸出的3組轉子磁石與定子繞 組之相對位置信號u，v，w波形示意圖。 瞻透過上述之無刷直流電動機速度控制系統10，本發明揭示一種無刷直 流電動機的寬速控制方法，由於反流器14之切換開關的切換模式控制著無 刷直流電動機之端電壓大小與相位，所以本發明主要是當轉速叫低於一額 定轉速時，就採用120度波寬調變切換法控制反流器μ的切換開關， 即控制電路18會根據轉速叫、轉速命令q•與轉子區域值而運算產生出六個 切換開關波寬調變控制信號來控制反流器14之切換開關，波寬調變控制信 號的順序圖形可以如第四圖所示，其中一個電機週期分割為j、jj、羾、 • W、V、贝之六個區域。當轉速逐漸增加，為維持所需轉速，切換開關的 導通週期會逐漸增加達100%，此時所加電壓也達到最大，即反流器輸出電 壓已經飽和，一般而言，此時已達到無刷直流電動機最高轉速，若希望繼 續提尚無刷直流電動機轉速’則採用弱磁控制方法，且當無刷直流電動機 轉速叫高於額定轉速時’本發明採用大於120度導通區間的相位超前換 相切換法來控制反流器的切換開關，其中此相位超前換相切換法係在一原 120度週期導通區間前端增加所需超前的角度。如第五圖所示，係習知12〇 9 1356578 度相位超前換相法，當期望電流超前30度時，反流器切換關的導通區間 依舊是120度。而本發明是當期望電流超前3〇度時就在原12〇度週期導 . 通區間前端增加3Q度，如第六圖所示，此時反流器14之每-切換開關的 週期導通區間就是150度’應耻方法，當轉速愈高時，電壓相位超前角 度PM會愈大，而最大超前相位角是6〇度，以使反流器切換開關的導通區 間係大於120度且在180度以下。 且s轉速％咼於額定轉速〜後，採用前述之本發明的相位超前換 • 相法，電壓相位超前角度大小PAA與所欲轉速成正比，且切換開關之導通 區間的角度;M、亦與所欲轉速成正比，故透過本方法能使反絲切換開關 的導通區間以及相位超前角度隨轉速增減而增減，而更能達到直流無刷電 動機高速運轉目的。 其中，能夠控制反流器14之開關的切換模式就是透過控制電路以之 寬速控制單元184所輸出的切換開關控制信號，請連同參照第七圖所示， 係寬速控制單元184之邏輯作動流程示意圖。如圖所示，寬速控制單元⑻ 籲先進订步驟S卜判斷轉迷叫是否高於一額定轉速〜，若是，則進行步驟 S2 ’設定變數FW=卜若否’則進行步驟S3，設定變數_，之後，不論 是步驟S2與S3 ’接著都是進行步驟S4 ,判斷控制命令u如大於或等於 —臨界㈣命令^，若是，離著進行步驟S5，若否，舰行步驟S6。 . #控制命令U*大於或等於—臨界控制命令、，係進行步驟S5，判斷 變數FW是否等於卜即相當於判斷轉速叫是否大於額定轉速〜，當蹭 是等於卜即轉“高於額定轉速〜，騎行步驟s7，依據控制命令^ 1356578 及採用弱磁控制切換，計算反流器相位超前角度PM，其中相位超前角度 PAA之計算公式如下： PAA = (^~^L)x6〇
UTH 然後進行步驟S8，判斷相位超前角度PAA是否大於或等於印度若 相位超前角度PAA係大於或等於60纟，則進行步驟S9，使相位超前角度 PM等於60度後，才進行步驟S1〇，若相位超前角度pM係小於⑼度， 則直接進行步驟S1G，以使用相位超前角度PAA與轉子區域值共同決定反 流器14之切換關控制信號，其t這些信號在—個週_順序圖形是如 第六圖所示；㈣是不等於i，即轉速叫低於額定轉速％，則進行步驟 S1卜使反流器切換開關的工作週期D等於1〇〇%後，才進行步驟S14，表 示無刷直錢賴在額定轉速以下，採寬調麵制，贿耻工作週 期D與轉子區域值共同決定用於控制反流器14的切換開關控制信號，其 中這些信號之一個週期的順序圖形係類似於第四圖。 當控制命令u*樣臨界控制命令〜，係進行步驟别，依據控制命令 及採用波寬調變切換，計算反流細，其巾功週期d之計 算公式如下：
^ U D =—
UTH 然後進行步驟Si2，判斷工作週期D是否大於或等於⑽％，若工作週期d 是大於或_ 1_，則進行麵S13，使工作週期D等於職後才進 行步驟su ’若工作週期是小於娜，則直接進行步驟su，使電動機在 1356578 額定轉速以下係採用波寬調變控制’使紅作週_與轉子區域值來共同 決定用於反流器的切換開關控制信號，其中這些信號之一個週期的順相 形係類似於第四圖。 礴 以上的實触程至此為歧—_減束，特下-開始時 再重新進入第七圖之步驟s卜藉此流程週期之循環而達到無刷直流電動機 . 寬速控制。 • 此外’控繼路18是透過數位化方絲實現，可採任何市t的單晶片 • 微處理器、數位信號處理器、可規劃邏輯鎮列、各種形式_或其他相似 功能的數位化處理器等。 現在，茲以一實際實施例及代表性實驗結果驗證本發明之優點係依 照第-圖建立_無職流電動機速度驅動||。當無職流電賴12之額定 電壓是24V，額定功率是360W，額定轉速2550r/min，直流鍵電壓源15是 24V，所以電流限制是15A，控制電路18採用數位信號處理器模組打 TMS32GL_7A EVM，且臨界轉速^〆·—，臨界控制命令〜=1〇〇〇， _ 驗絲’齡在钱麟餅，絲本㈣之寬速控制方 法的暫態響紐形’在第八圖中顯示電誠轉速能夠由低速麵磁控制和 緩轉移至高速弱磁控制，最後達到323〇r/min的轉速命令，且當時間在 1· 36Sec時’驅動器進入弱磁控制，當轉速逐漸提高的同時，直流鏈電流心 跟隨逐漸增加到驅動器額定電流約為15A。第九圖係顯示採用傳統弱磁方法 的穩態實驗波形，鷄時，電動機轉速約為3229r/min，&平均值為i6 〇a， 對峰值為11· 4A。第相侧雜據树明之寬速控制方法的穩態實驗