TWI400433B - A method of increasing the resolution of a three - phase Hall signal using phase - independent delay independent of frequency - Google Patents

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使用與頻率無關之相位延遲法提高三相霍爾訊號解析度之方法
本發明係關於一種相位延遲法，特別是指一種使用與頻率無關之相位延遲法提高三相霍爾訊號解析度之方法。
按，一般的電動機(俗稱馬達)可分為有刷直流電動機及無刷交流電動機兩種，而無刷交流電動機主要包括感應電動機、永磁同步電動機、無刷直流電動機等等。交流電動機結構簡單，無碳刷和換向片，不會產生火花，維護容易，故交流伺服驅動系統已逐漸取代直流電動機系統。
一般的三相交流馬達系統均需要回授馬達之轉軸位置，達成閉迴路系統之速度、位置控制。傳統式的驅動方式是在馬達內裝置三個霍爾元件，並以霍爾元件的輸出信號(001、010、011、100、101、110)，將轉子一電氣周期(360°)切割成6等分，即可判斷出馬達轉子的6個相對位置，藉以進行位置或速度控制。
三相交流馬達最基本的驅動方法為120°矩形波驅動，將換流器(Inverter)的6個開關以單純之ON/OFF訊號驅動馬達運轉，藉由導通2個開關控制導通電流，在馬達內部產生6個方向的磁場，吸引轉子到達6個區間，經由改變開關的順序，可使馬達旋轉。開關順序的改變，乃依據霍爾元件的輸出信號而定。三個霍爾元件在馬達轉動360°電氣角度時，會各自產生一組方波U,V,W，每個方波相距120°電氣角度，所以馬達旋 轉一圈時霍爾元件將提供三組P 個週期方波，P 為馬達極對數。由於一般馬達之極對數皆不高，因此依據霍爾訊號來估計馬達轉速時，將有一極小值的限制，而且速度誤差量並不小。為改進此問題，加裝一高解析度編碼器是最簡易方式，但會因而增加成本。
然而在許多工商業設備上，轉軸偵測器常導致系統的可靠度降低且易受雜訊干擾，故發展無轉軸偵測元件驅動控制法，例如干擾觀測器(disturbance observer)、狀態觀測器、卡門濾波器(Kalman filter)，以及即時轉子估測等，以估測霍爾訊號而驅動控制馬達。
另外，一般訊號之相位延遲方法多數與頻率有關，換言之，延遲一相位角度在高訊號頻率時，只需短時間即可完成；在低訊號頻率時，則需較長時間才完成。但是訊號頻率可變時，延遲時間即難控制，相位角度亦會不準確。
習知關於提高馬達三相霍爾訊號解析度方法，未見於專利公報中，相關者只有高解析度編碼器之技術，而已有公開在美國專利公報中，由Santos等人所發明，專利名稱為：「High resolution encoder」，專利號碼分別為4,987,415及5,089,817等兩件專利；然其皆係屬於固定機構之設計，並不具有彈性選擇倍頻之功能，產業上之利用範圍有限。
是以，本發明之主要目的係提供一種使用與頻率無關之相位延遲法提高三相霍爾訊號(U、V、W)解析度之方法，係藉可程式化邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA；或 Complex Programmable Logic Device,CPLD)實現以達成易於維修、且倍頻選擇富有彈性，俾可依據系統需求倍頻數值，只需以程式重新規劃可程式化邏輯閘陣列即可倍頻輸入訊號，而無需修改硬體電路。
本發明之另一目的，係可根據一般伺服馬達驅動器之電路架構決多數具有可程式化邏輯閘陣列，以致可達到大幅降低製造成本，並可提昇產品之產業競爭能力者。
為達致上述目的，本發明係將三個相位互差120度的第一霍爾方波訊號(U)、第二霍爾方波訊號(V)、與第三霍爾方波訊號(W)，利用與頻率無關之相位延遲(frequency-independent phase delay)技術，先產生一組的三種方波訊號相位延遲訊號後，即可依一般倍頻方法產生二倍頻的相位互差120度的三相霍爾訊號，重複此步驟之訊號處理，即可依一般倍頻方法產生高倍頻的相位互差120度的三相霍爾訊號。與頻率無關之相位延遲乃是在延遲第一霍爾方波訊號時，利用第一霍爾訊號之上升緣至第二霍爾訊號之下降緣有60度相位差為頻率依據，產生準確的相位角度延遲。同理，在延遲第二、三霍爾訊號時，乃利用第二霍爾訊號之上升緣至第三霍爾訊號之下降緣有60度相位差，及第三霍爾訊號之上升緣至第一霍爾訊號之下降緣有60度相位差為頻率依據，產生準確的相位角度延遲。
相位延遲倍頻法之特點在於輸入訊號源可為霍爾元件輸出訊號或利用各種方法求得之三相霍爾估測訊號，且適用於馬達之任何轉速。
為了讓本發明之上述目的、特徵、優點能更明顯，下文特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖示，作詳細說明如下。
參閱第1圖，其係本發明一較佳實施例所繪製之16倍頻之波形示意圖。本實施例中，係顯示為方波之訊號組，包括複數個霍爾方波訊號，有一第一訊號(U)、一第二訊號(V)及一第三訊號(W)，每一訊號之間具有相位差120度，並將各該些訊號延遲至一預定角度，且該些訊號經由一邏輯運算，而得到2N 倍於原該訊號之新高頻訊號。
本實施例中，以16倍頻(N=4)為例說明：
(一)首先，使用一高頻脈衝信號量測相當於一預定電氣角度(例如60度)的時間X。
(二)再以該時間X為基準，用一第一延遲時間(例如X/2時間)分別延遲該第一訊號組之該第一訊號(U)、該第二訊號(V)及該第三訊號(W)，並將該些訊號經一邏輯運算(例如互相作反互斥或()邏輯運算)，而得2倍頻之第一訊號組U1,0 ，V1,0 ，W1,0 。
(三)接著，延遲該第一訊號組U1,0 ，V1,0 ，W1,0 (例如X/4時間)，並重複該邏輯運算(反互斥或邏輯運算)，以獲得4倍頻之第二訊號組U2,0 ，V2,0 ，W2,0 。
(四)再接著，延遲該第二訊號組U2,0 ，V2,0 ，W2,0 (例如X/8時間)，並重複該邏輯運算(反互斥或邏輯運算)，以獲得8倍頻之第三訊號組U3,0 ，V3,0 ，W3,0 。
(五)最後，延遲該第三訊號組U3,0 ，V3,0 ，W3,0 (例如X/16時間)，並重複該邏輯運算(反互斥或邏輯運算)，以獲得16倍頻之第四訊號組U4,0 ，V4,0 ，W4,0 。
因此，以本實施例16倍頻(N=4)之方法可歸納如下：
(a)提供一訊號組，包括一第一訊號、一第二訊號及一第三訊號，每一訊號之間具有相位差120度。
(b)提供一預定電氣角度的時間。
(c)該預定電氣角度的時間除以2N 倍(N=1)，以延遲該訊號組之該第一訊號、該第二訊號及該第三訊號，並將該些訊號經一邏輯運算，而得2N 倍頻(N=1)之一第一訊號組。
(d)接著，該預定電氣角度的時間除以2N 倍(N=2)，以延遲該第一訊號組，並重複該邏輯運算，以獲得2N 倍頻(N=2)之一第二訊號組。
(e)再接著，該預定電氣角度的時間除以2N 倍(N=3)，以延遲該第二訊號組，並重複該邏輯運算，以獲得2N 倍頻(N=3)之一第三訊號組。
(f)最後，該預定電氣角度的時間除以2N 倍(N=4)，以延遲該第三訊號組，並重複該邏輯運算，以獲得2N 倍頻(N=4)之第四訊號組。
如前所述，本發明實施例可根據實際應用來調整解析度，而得到2N 倍於原該訊號之新高頻訊號。又本發明實施例所揭示的是一種使用與頻率無關之相位延遲法，其可用以提高三相霍爾訊號之解析度，並具有下列之優點：
1.　適用於任何馬達轉速。
2.　可以FPGA/CPLD規劃實現以節省空間與費用。
3.　輸入訊號源可為霍爾元件輸出訊號或利用各種方法求得之三相霍爾估測訊號。
4.　比較不受雜訊影響。
5.　可視同編碼器之使用。
此外，前述所揭示之實施例，可以將成本有效降低下來，而且，在往後的修改及維護也很簡單，具有顯著之功效增進與產業上之利用價值，符合發明專利要件之規定，爰依法提出發明專利申請，懇請賜予核准，實感德便。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳可行實施例而已，當不能以此即限定本發明之實施範圍，舉凡依本發明專利範圍內所作之均等變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵括之範圍內，於此先申明之。
U1,0 ，V1,0 ，W1,0 ．．．第一訊號組
U2,0 ，V2,0 ，W2,0 ．．．第二訊號組
U3,0 ，V3,0 ，W3,0 ．．．第三訊號組
U4,0 ，V4,0 ，W4,0 ．．．第四訊號組
第1圖係本發明一較佳實施例16倍頻之波形示意圖。
U1,0 ，V1,0 ，W1,0 ．．．第一訊號組
U2,0 ，V2,0 ，W2,0 ．．．第二訊號組
U3,0 ，V3,0 ，W3,0 ．．．第三訊號組
U4,0 ，V4,0 ，W4,0 ．．．第四訊號組

Claims (4)

  1. 一種使用與頻率無關之相位延遲法提高三相霍爾訊號解析度之方法，包括：(a)提供一訊號組，包括一第一訊號、一第二訊號及一第三訊號，每一訊號之間具有相位差120度；(b)提供一預定電氣角度的時間；(c)該預定電氣角度的時間除以2N 倍(N=1)，以延遲該訊號組之該第一訊號、該第二訊號及該第三訊號，並將該些訊號經一邏輯運算，而得2N 倍頻(N=1)之一第一訊號組；以及(d)該預定電氣角度的時間除以2N 倍(N=2)，以延遲該第一訊號組，並重複該邏輯運算，以獲得2N 倍頻(N=2)之一第二訊號組。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之使用與頻率無關之相位延遲法提高三相霍爾訊號解析度之方法，更包括：(e)該預定電氣角度的時間除以2N 倍(N=3)，以延遲該第二訊號組，並重複該邏輯運算，以獲得2N 倍頻(N=3)之一第三訊號組；以及(f)該預定電氣角度的時間除以2N 倍(N=4)，以延遲該第三訊號組，並重複該邏輯運算，以獲得2N 倍頻(N=4)之第四訊號組。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之使用與頻率無關之相位延遲法提高三相霍爾訊號解析度之方法，其中，該預定電氣角度為60度。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之使用與頻率無關之相位 延遲法提高三相霍爾訊號解析度之方法，其中，該邏輯運算為反互斥或邏輯運算。
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