TWI401863B - 馬達再生電壓抑制之裝置及其方法 - Google Patents

Description

馬達再生電壓抑制之裝置及其方法

本發明係關於一種馬達驅動控制器的再生電壓抑制，尤指一種直流鏈再生電壓之抑制方法及裝置。

一般馬達驅動控制器或變頻器在應用上，於減速時候通常會外加煞車電阻或煞車單元來消耗再生電壓，或是藉由延長減速時間來避免再生電壓過大而造成過電壓保護裝置動作。除此之外，亦可利用變頻器軟體內的過壓失速保護功能來防止再生電壓過高。圖一所示為習知過壓失速保護的動作示意圖，當變頻器的直流鏈電壓10超出設定之電壓準位11，變頻器停止減速，且輸出頻率12維持在一固定值；當直流鏈電壓10低於設定之電壓準位11，則變頻器的輸出頻率12繼續減速，且減速斜率等於未啟動過壓保護前之原減速曲線13的斜率。此種習知之避免再生電壓過大的方法，在作用過程中因為馬達轉速會走走停停，因此實際減速時間14b將大於預定減速時間14a，且於再生電壓量變大時，減速時間14b將更長或需使用煞車電阻，以消耗再生電能；另外此種方法容易造成直流鏈電容的快速充放，長時間使用將縮短電容壽命。

鑒於以上的問題，本發明主要目的在於提供一種馬達再生電壓抑制的裝置與方法，透過檢測馬達目前的運轉狀態以及直流鏈電壓的大小，利用一轉速控制裝置調整馬達再生電壓抑制裝置的輸出轉速命令，藉此抑制再生電能；加入一d軸電壓控制裝置，產生一d軸電壓補償量，藉此抑制瞬間之快速再生電壓變化；可調轉速控制裝置根據轉速控制裝置之輸出轉速命令來計算出d軸電壓量與q軸電壓命令；而d軸電壓產生裝置用來計算輸出之d軸電壓命令。透過前述四種裝置，可節省煞車電阻或煞車單元的成本，且不需如習知技術需另外調整設定的預定減速時間來改變減速斜率。

因此，為達上述目的，本發明揭露之馬達再生電壓抑制方法，說明如下：

第一，檢測馬達運轉之狀態，當馬達非減速狀態時，則檢測此時的直流鏈電壓，依據此時的直流鏈電壓，若再生電壓超出設定之電壓準位，由轉速控制裝置調整馬達再生電壓抑制裝置的輸出轉速命令，否則維持初始設定之輸出轉速命令。

第二，當馬達為減速狀態時，則檢測此時的直流鏈電壓，依據此時之直流鏈電壓，由轉速控制裝置調整馬達再生電壓抑制裝置的輸出轉速命令。

第三，可調轉速控制裝置根據轉速控制裝置的輸出轉速命令，計算出d軸電壓量與q軸電壓命令。其中可調轉速控制裝置可為V/F控制裝置或是向量控制裝置，若為向量控制裝置則其包含速度、磁通、轉矩與電流控制迴路。

第四，檢測此時的直流鏈電壓，若直流鏈電壓高於設定準位，則由d軸電壓控制裝置，計算出一d軸電壓補償量，並利用d軸電壓產生裝置來計算實際輸出之d軸電壓命令，抑制瞬間的快速再生電壓變化。

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。

圖二係為本發明之系統方塊圖，本發明係應用於馬達再生電壓抑制裝置200內，使座標轉換器60獲得三相電壓命令V _as 、V _bs 、V _cs 給脈寬調變產生器70，產生控制訊號給電力電子開關模組80用以控制馬達90的運轉。本發明主要技術係在馬達再生電壓抑制裝置200內包括：一轉速控制裝置20、一d軸電壓控制裝置30、一可調轉速控制裝置40及一d軸電壓產生裝置50。

實施上，轉速控制裝置20依據馬達90不同運轉狀態接收回 授之直流鏈電壓V_PN ，來調整輸出轉速命令ω _{cmd 1} 、ω _{cmd 2} 或ω _{cmd 3} ；d軸電壓控制裝置30也依據回授之直流鏈電壓V_PN 產生d軸電壓補償量；可調轉速控制裝置40則依據前述輸出轉速命令ω _{cmd 1} 、ω _{cmd 2} 或ω _{cmd 3} 計算出d軸電壓量與q軸電壓命令，並輸出至座標轉換器60；d軸電壓產生裝置50則根據前述d軸電壓補償量與d軸電壓量，計算出d軸電壓命令並輸出至座標轉換器60。

其中，該可調轉速控制裝置40可為V/F控制裝置或是向量控制裝置；該向量控制裝置包含速度、磁通、轉矩與電流控制迴路。

前述輸出轉速命令ω _{cmd 3} ，於馬達90減速狀態時，係根據回授之直流鏈電壓V_PN ，經過可調轉速控制裝置40計算出。於非減速狀態時前述輸出轉速命令ω _{cmd 2} 或ω _{cmd 2} ，係根據回授之直流鏈電壓V_PN ，經過可調轉速控制裝置40計算出。d軸電壓補償量係於同步座標之d軸產生一d軸電壓補償量並利用d軸電壓產生裝置50來計算實際輸出之d軸電壓命令，抑制瞬間的快速再生電壓變化。

綜合前述，本發明使馬達再生電壓抑制裝置200內計算實際輸出之d軸電壓命令與q軸電壓命令至座標轉換器60後，經由兩軸同步座標系統轉換至三軸交流座標系統，得到三相電壓命令V _as 、V _bs 、V _cs ，三相電壓命令輸入脈寬調變產生器70，產生六臂開關控制訊號給電力電子開關模組80，進而驅動控制該馬達90。

請再參閱圖三A，係為轉速控制裝置之流程圖。首先檢測馬達90目前的運轉狀態100，若是在減速狀態下，則轉速控制裝置20將依據回授之直流鏈電壓V_PN ，產生馬達再生電壓抑制裝置200輸出轉速命令ω _{cmd 3} 101，此一輸出轉速命令ω _{cmd 3} 係由回授直流鏈電壓V_PN 與設定之電壓準位的誤差量計算得到，當ω _{cmd 3} 增加時，能夠抑制直流鏈電壓上升；當ω _{cmd 3} 降低時，無再生電壓之問題，因此馬達再生電壓抑制裝置200能夠持續進行減速的動作。

當馬達60目前運轉狀態100不是在減速狀態，則檢測直流鏈電壓是否超出設定之電壓準位102，若直流鏈電壓V_PN 無超出設定之電壓準位，則此時無再生電壓之問題，因此轉速控制裝置20將依據馬達再生電壓抑制裝置200初始設定之輸出轉速命令ω _{cmd 1} 來運轉104；若直流鏈電壓V_PN 超出設定之電壓準位102，則此時有再生電壓的問題，轉速控制裝置20將經由回授之直流鏈電壓V_PN 與設定之電壓準位的誤差量，調整輸出轉速命令至ω _{cmd 2} 來運轉103，使得定子電氣轉速快於轉子機械轉速，抑制非減速時之直流鏈再生電壓現象。

圖三B係為d軸電壓控制裝置之流程圖，首先檢測直流鏈電壓V_PN ，是否超出設定的電壓準位102，當直流鏈電壓V_PN 無超出設定之電壓準位，則此時無再生電壓之問題，d軸電壓控制裝置30輸出d軸電壓補償量為零106；當直流鏈電壓V_PN 超出設定之電壓準位，則此時有再生電壓之問題，d軸電壓控制裝置經由回授直流鏈電壓V_PN 與設定之電壓準位的誤差量計算得到輸出d軸電壓補償量105。

d軸電壓產生裝置50輸出之d軸電壓命令係由d軸電壓補償量與d軸電壓量相加而得，因此當無再生電壓之問題時，d軸電壓命令；當有再生電壓之問題時，d軸電壓命令。

本發明所揭露的再生電壓抑制方法與先前技術之模擬波形比較如圖四A與圖四B。圖四A為先前技術之模擬波形圖，當回授之直流鏈電壓超出設定之電壓準位時，馬達驅動控制器或變頻器停止減速而輸出轉速維持一固定值，待直流鏈電壓低於設定之電壓準位後才繼續減速，藉著反覆地速度走走停停來抑制再生電壓，此屬於被動式的方法，因而可看到直流鏈電壓的振盪，同時 造成馬達電流較劇烈地變動。圖四B為本發明之模擬波形圖，此屬於主動式的方法，透過轉速控制裝置20、可調轉速控制裝置40、d軸電壓控制裝置30與d軸電壓產生裝置50，可有效地將直流鏈電壓控制在設定的電壓準位上，避免直流鏈電壓的振盪，並且降低馬達電流的變動。

本發明所揭露的馬達運轉再生電壓抑裝置與方法，能夠自動調適馬達再生電壓抑制裝置200的輸出轉速命令，並且控制直流鏈電壓於設定之電壓準位上，除能抑制馬達運轉中因為慣性負載所造成之直流鏈再生電壓問題，並且可省去煞車電阻或煞車單元之成本，與降低直流鏈電容因為快速充放而壽命縮短的問題。

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內，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費為所界定者為準。

10‧‧‧直流鏈電壓

11‧‧‧電壓準位

12‧‧‧輸出頻率

13‧‧‧原減速曲線

14a‧‧‧預定減速時間

14b‧‧‧實際減速時間

200‧‧‧馬達再生電壓抑制裝置

20‧‧‧轉速控制裝置

30‧‧‧d軸電壓控制裝置

40‧‧‧可調轉速控制裝置

50‧‧‧d軸電壓產生裝置

60‧‧‧座標轉換器

70‧‧‧脈寬調變產生器

80‧‧‧電力電子開關模組

90‧‧‧馬達

100‧‧‧馬達是否為減速狀態

101‧‧‧依據回授之直流鏈電壓得到ω _{cmd 3}

102‧‧‧直流鏈電壓是否超出設定電壓準位

103‧‧‧依據回授之直流鏈電壓得到ω _{cmd 2}

104‧‧‧依據馬達驅動控制器初始設定得到ω _{cmd 1}

105‧‧‧輸出d軸電壓補償量

106‧‧‧無d軸電壓補償量

圖一係為先前技術馬達減速再生電壓動作示意圖；圖二係為本發明之系統方塊圖；圖三A係為本發明之轉速控制流程圖；圖三B係為本發明之d軸電壓控制流程圖；圖四A係為先前技術之模擬波形圖；及圖四B係為本發明之模擬波形圖。

20．．．轉速控制裝置

30．．．d軸電壓控制裝置

40．．．可調轉速控制裝置

50．．．d軸電壓產生裝置

60．．．座標轉換器

70．．．脈寬調變產生器

80．．．電力電子開關模組

90．．．馬達

200．．．馬達再生電壓抑制裝置

Claims (11)

1. 一種馬達運轉再生電壓抑制之方法，係應用於馬達驅動控制器，其特徵在於：透過檢測馬達目前的運轉狀態以及直流鏈電壓的大小，利用一轉速控制裝置調整輸出轉速命令，藉此抑制再生電能；及加入一d軸電壓控制裝置，計算出一d軸電壓補償量，抑制瞬間的快速再生電壓變化。
2. 如申請專利範圍第1項所述之馬達運轉再生電壓抑制之方法，其中，輸出轉速命令於減速狀態時，係根據回授之直流鏈電壓，經過轉速控制裝置計算出。
3. 如申請專利範圍第1項所述之馬達運轉再生電壓抑制之方法，其中，輸出轉速命令於非減速狀態時，係根據回授之直流鏈電壓，經過轉速控制裝置計算出。
4. 如申請專利範圍第1項所述之馬達運轉再生電壓抑制之方法，其中，d軸電壓補償量係於d軸補償一電壓量來消耗再生電能，達到抑制瞬間的快速再生電壓變化。
5. 一種馬達運轉再生電壓抑制之裝置，係應用於馬達驅動控制器內，使座標轉換器獲得三相電壓命令V _as 、V _bs 、V _cs 給脈寬調變產生器，產生控制訊號給電力電子開關模組用以控制馬達的運轉，該裝置包括：一轉速控制裝置，其依據馬達不同運轉狀態接收回授之直流鏈電壓，來調整輸出轉速命令；一d軸電壓控制裝置，依據回授之直流鏈電壓計算出d軸電壓補償量；一可調轉速控制裝置，依據前述輸出轉速命令計算出d軸電壓量與q軸電壓命令至前述座標轉換器；及一d軸電壓產生裝置，根據d軸電壓補償量與d軸電壓量，計算實際輸出d軸電壓命令至前述座標轉換器。
6. 如申請專利範圍第5項所述之馬達運轉再生電壓抑制之裝置，其中輸出轉速命令於減速狀態時，係根據回授之直流鏈電壓，經 過轉速控制裝置計算出。
7. 如申請專利範圍第5項所述之馬達運轉再生電壓抑制之裝置，其中輸出轉速命令於非減速狀態時，係根據回授之直流鏈電壓，經過轉速控制裝置計算出。
8. 如申請專利範圍第5項所述之馬達運轉再生電壓抑制之裝置，其中該d軸電壓補償量係於d軸產生一電壓量來消耗再生電能。
9. 如申請專利範圍第5項所述之馬達運轉再生電壓抑制之裝置，其中該可調轉速控制裝置可為V/F控制裝置或是向量控制裝置。
10. 如申請專利範圍第9項所述之馬達運轉再生電壓抑制之裝置，其中該向量控制裝置包含速度、磁通、轉矩與電流控制迴路。
11. 如申請專利範圍第5項所述之馬達運轉再生電壓抑制之裝置，其中該d軸電壓產生裝置係根據d軸電壓控制裝置所得到之與可調轉速控制裝置所得到之，計算實際d軸電壓命令。