TWI410041B - 馬達之頓轉扭矩補償系統及方法 - Google Patents

Description

馬達之頓轉扭矩補償系統及方法

本發明涉及一種馬達之頓轉扭矩補償系統及方法。

永磁馬達由一列固定於基座上之永磁體及一組固定於轉子上之線圈組成。轉子於轉動過程中，其線圈相對永磁體存在一組磁能量最低之對齊位置，線圈總是試圖穩定於該等位置，是以產生了馬達之頓轉扭矩(cogging torque)。一般來說，在永磁馬達中，頓轉扭矩常常成為引起振動、雜訊及提高控制精度困難之基本原因。

為了減小由於永磁馬達之頓轉扭矩所帶來的種種不利因素，先前一般採用改變馬達內部組件之幾何尺寸參數及電磁參數，然，由於受到不能過分影響基本電氣性能之限制，減小頓轉扭矩之效果往往會受到限制，不能完全滿足要求。

鑒於以上內容，有必要提供一種較為理想之馬達之頓轉扭矩補償系統及方法，該馬達之頓轉扭矩補償系統及方法不用改變馬達內部組件之幾何尺寸參數及電磁參數。

一種頓轉扭矩補償系統，用於補償一馬達之頓轉扭矩，該頓轉扭矩補償系統包括：一速度測量裝置，用於測量該馬達之速度；一轉動慣量測量裝置，用於測量該馬達之轉動慣量；一轉子位置測量裝置，用於測量該馬達之轉子位置；一運算裝置，用於接收該馬達之速度、轉動慣量及轉子位置，並根據該馬達之速度及轉動慣量運算得到該馬達之頓轉扭矩；複數帶通濾波器，每一帶通濾波器均設定不同之濾波頻率以得到該馬達之頓轉扭矩之傅立葉函數之複數傅立葉係數；該運算裝置還用於根據該等傅立葉係數得到該馬達之頓轉扭矩的以該馬達之轉子位置為變數之傅立葉函數，並根據該傅立葉函數得到該馬達欲補償轉子位置處之頓轉扭矩及一對應之頓轉扭矩電流；及一電流控制裝置，用於對該馬達輸入一與該頓轉扭矩電流方向相反之電流以補償該馬達之頓轉扭矩。

一種頓轉扭矩補償方法，用於補償一馬達之頓轉扭矩，該頓轉扭矩補償方法包括以下步驟：測量該馬達之速度、轉動慣量及轉子位置；藉由一運算裝置根據該馬達之速度及轉動慣量運算得到該馬達之頓轉扭矩； 藉由複數設定不同之濾波頻率之帶通濾波器得到該頓轉扭矩傅立葉函數之複數傅立葉係數；該運算裝置根據該頓轉扭矩傅立葉函數之該等傅立葉係數運算得到該頓轉扭矩的以該馬達之轉子位置為變數之傅立葉函數，並根據該傅立葉函數運算得到該馬達欲補償轉子位置處之頓轉扭矩及一對應之頓轉扭矩電流；以及一電流控制裝置對該馬達輸入一與該頓轉扭矩電流方向相反之電流以補償該馬達之頓轉扭矩。

前述頓轉扭矩補償系統及方法藉由該運算裝置運算得到該馬達此時之頓轉扭矩，並利用該等帶通濾波器得到該頓轉扭矩T _g 的以該馬達之轉子位置為變數之傅立葉函數，從而可得到對應之頓轉扭矩電流，藉由該電流控制裝置向該馬達輸入一與該頓轉扭矩電流相反之電流即可抵消該馬達之頓轉扭矩T _g 。

10‧‧‧馬達驅動器

100‧‧‧馬達

12‧‧‧速度控制裝置

14‧‧‧速度測量裝置

16‧‧‧轉動慣量測量裝置

18‧‧‧轉子位置測量裝置

20‧‧‧運算裝置

200‧‧‧處理單元

210‧‧‧存儲單元

22a、22b、22c‧‧‧帶通濾波器

24‧‧‧電流控制裝置

圖1為本發明馬達之頓轉扭矩之補償系統之較佳實施方式之示意圖。

圖2為穩態下馬達之速度與頓轉扭矩之閉環控制圖。

圖3為本發明馬達之頓轉扭矩之補償方法之較佳實施方式。

請一併參閱圖1，本發明馬達頓轉扭矩補償系統用於補償一 馬達100之頓轉扭矩T _g ，其較佳實施方式包括一馬達驅動器10、一速度控制裝置12、一速度測量裝置14、一轉動慣量測量裝置16、一轉子位置測量裝置18、一運算裝置20、m個帶通濾波器22及一電流控制裝置24，其中，m為一大於1之整數，本實施方式中m=3，即該馬達頓轉扭矩系統包括三個帶通濾波器22a、22b以及22c，該運算裝置20包括一處理單元200及一存儲單元210。

該馬達驅動器10用於驅動該馬達10，該速度控制裝置12用於向該馬達驅動器10輸出一速度指令，藉由該馬達驅動器10調整該馬達100之速度；該速度測量裝置14、轉動慣量測量裝置16及轉子位置測量裝置18分別用於測量該馬達100某一時刻之速度、轉動慣量以及轉子位置，並將其存儲於該存儲單元210內，該存儲單元210內還存儲有複數運算程式；該存儲單元210將該速度、轉動慣量、轉子位置以及運算程式傳送給該處理單元200，該處理單元200根據運算程式對該速度以及轉動慣量進行運算，以得到此時該馬達100之頓轉扭矩T _g ，並將該頓轉扭矩T _g 輸出給該三個帶通濾波器22a、22b以及22c；該三個帶通濾波器22a、22b以及22c分別設定為不同之濾波頻率，用於對該頓轉扭矩T _g 進行濾波處理，並將經濾波處理後的頓轉扭矩T _g 再次輸出給該運算裝置20；該運算裝置20再次根據存儲於其內部之運算程式對該頓轉扭矩T _g 進行運算，並根據運算結果藉由該電流控制裝置24調整該馬達100之輸入電流，以抵消該馬達100之頓轉扭矩T _g 。

圖2為穩態下，該馬達100之速度V與頓轉扭矩T _g 之閉環控制圖，其中K _vp 表示該速度控制裝置12之比例值，V _r 表示由該速度控制裝置12所發出之速度指令，J表示該馬達100之轉動慣量，X表示該馬達100之轉子之位置，可為該馬達100之轉子所轉過的相對角度，F _g 表示與該馬達100之頓轉扭矩T _g 相反之力矩，B表示該馬達100之粘滯係數，S表示拉普拉斯運算單元，K表示增益常數。

根據圖2，可得到以下方程式： 即F _g =-K _vp K(V _r -V)+JVS+BV，從而可得到：T _g =K _vp K(V _r -V)-JVS-BV 公式(1)

請一併參閱圖3，本發明馬達頓轉扭矩補償方法包括以下步驟：步驟S1：藉由該速度控制裝置12向該馬達驅動器10發送一速度指令V _r ，並藉由該馬達驅動器10啟動該馬達100。當該 馬達100達到某一穩態時，藉由該速度測量裝置14、轉動慣量測量裝置16以及轉子位置測量裝置18測出該馬達100此時之速度V、轉動慣量J以及轉子之位置X，並將速度V、轉動慣量J以及轉子之位置X傳送給該存儲單元210。該處理單元200根據公式(1)即可計算出此時該馬達100之頓轉扭矩T _g 。該處理單元200將該頓轉扭矩T _g 進行傅立葉變換即可得到以下公式：

其中：H _r0=T _g0；H _r1=T _g1 cos θ ₁,H _r2=T _g1 sin θ ₁；H _r3=T _g2 cos θ ₂,H _r4=T _g2 sin θ ₂；H _r(2y-1)=T _gy cos θ _y ,H _r2y =T _gy sin θ _y . 公式(3)

H _r0,H _r1,H _r2,H _r3,H _r4,......,H _r(2y-1),H _r2y 為T _g 之傅立葉函數之複數傅立葉係數T _g0為一常數，M為該馬 達100之極距(Pole Pitch)，其中每一馬達均具有一固定極距值。

步驟S2：根據該帶通濾波器22之數量設定公式(2)中之逼近階數y，本實施方式中，y=m=3。該運算裝置20將運算得到之頓轉扭矩T _g 傳送給該三個帶通濾波器22a、22b以及22c。本實施方式中，該帶通濾波器22a設定之濾波頻率為f1，該帶通濾波器22b設定之濾波頻率為f2，該帶通濾波器22c設定之濾波頻率為f3。當該頓轉扭矩T _g 透過該帶通濾波器22a後輸出頻率為f1之波形，此時，藉由對輸出的頻率為f1之波形進行測量即可得到該波形之振幅及初相位，該振幅及相位分別為公式(2)中T _g1及θ ₁。同理，當該頓轉扭矩T _g 分別透過該帶通濾波器22b以及22c後輸出頻率為f2以及f3之波形，此時，藉由分別對輸出之頻率為f2以及f3之波形進行測量即可得知公式(2)之T _g2、T _g3、θ2以及θ3，並將其傳送給該處理單元200。本實施方式中取y=m=3是為了描述方便，此處y之取值愈大，得到之傅立葉係數H _r2y 亦愈多，該頓轉扭矩T _g 之傅立葉函數亦愈精確。

步驟S3：該處理單元200根據公式(3)得到如下公式：

該處理單元200根據公式(4)即可得出公式(3)之傅立葉係數H _r1,H _r2,H _r3,H _r4,......,H _r(2y-1),H _r2y 之值，是以即可得到該馬達100之頓轉扭矩T _g 之傅立葉函數。

步驟S4：根據該馬達100之頓轉扭矩T _g 之傅立葉函數，該處理單元200根據該馬達100之轉子位置X即可得知該馬達100對應之頓轉扭矩T _g ；並根據馬達100之輸入電流與其輸出轉矩之關係對應計算出此時造成該頓轉扭矩T _g 之電流，即I _cogging 。

步驟S5：根據計算得到之頓轉扭矩電流I _cogging ，藉由該電流控制裝置24向該馬達100輸入一與該頓轉扭矩電流I _cogging 相反之電流即可抵消該馬達100之頓轉扭矩T _g 。

本實施方式中，該頓轉扭矩補償系統藉由該公式(1)計算 得到該馬達100此時之頓轉扭矩T _g ，在其他實施方式中，設計者亦可根據其他本領域技術人員知曉之方法計算得到該馬達100之頓轉扭矩T _g 。該運算裝置20可為一外在之獨立裝置，亦可集成於該馬達驅動器10內部。

前述頓轉扭矩補償系統及方法藉由該速度測量裝置14、轉動慣量測量裝置16以及轉子位置測量裝置18感測該馬達100之速度、轉動慣量以及轉子位置，並將其傳送給該運算裝置20，該運算裝置20藉由對其進行運算後，利用該帶通濾波器22得到該頓轉扭矩T _g 之傅立葉函數，從而得到頓轉扭矩電流I _cogging ，藉由該電流控制裝置24向該馬達100輸入一與該頓轉扭矩電流I _cogging 方向相反之電流即可抵消該馬達100之頓轉扭矩T _g 。

綜上所述，本發明符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，舉凡熟悉本案技藝之人士，在爰依本發明精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下之申請專利範圍內。

10‧‧‧馬達驅動器

100‧‧‧馬達

12‧‧‧速度控制裝置

14‧‧‧速度測量裝置

16‧‧‧轉動慣量測量裝置

18‧‧‧轉子位置測量裝置

20‧‧‧運算裝置

200‧‧‧處理單元

210‧‧‧存儲單元

22a、22b、22c‧‧‧帶通濾波器

24‧‧‧電流控制裝置

Claims (7)

1. 一種頓轉扭矩補償系統，用於補償一馬達之頓轉扭矩，該頓轉扭矩補償系統包括：一速度測量裝置，用於測量該馬達之速度；一轉動慣量測量裝置，用於測量該馬達之轉動慣量；一轉子位置測量裝置，用於測量該馬達之轉子位置；一運算裝置，用於接收該馬達之速度、轉動慣量及轉子位置，並根據該馬達之速度及轉動慣量運算得到該馬達之頓轉扭矩；複數帶通濾波器，每一帶通濾波器均設定不同之濾波頻率以得到該馬達之頓轉扭矩的傅立葉函數之複數傅立葉係數；該運算裝置還用於根據該等傅立葉係數得到該馬達之頓轉扭矩的以該馬達之轉子位置為變數之傅立葉函數，並根據該傅立葉函數得到該馬達欲補償轉子位置處之頓轉扭矩及一對應之頓轉扭矩電流；及一電流控制裝置，用於對該馬達輸入一與該頓轉扭矩電流方向相反之電流以補償該馬達之頓轉扭矩。
2. 如申請專利範圍第1項所述之頓轉扭矩補償系統，其中該運算裝置包括一處理單元及一存儲單元，該存儲單元存儲有複數運算程式並用於存儲該馬達之速度、轉動慣量及轉子位置，該處理單元用於根據該等運算程式、速度、轉動慣量以及轉子位置進行運算以得到該馬達頓轉扭矩、該傅立葉函數以 及該頓轉扭矩電流。
3. 如申請專利範圍第1項所述之頓轉扭矩補償系統，其中該運算裝置是藉由以下公式運算得到該馬達之頓轉扭矩：T _g =K _vp K(V _r -V)-JVS-BV，其中K _vp 表示一速度控制裝置之比例值，V _r 表示由該速度控制裝置發出之速度指令，J表示該馬達之轉動慣量，T _g 表示該馬達之頓轉扭矩，B表示該馬達之粘滯係數，S表示拉普拉斯運算單元，K表示增益常數，該速度控制裝置用於向一馬達驅動器輸入該速度指令以控制該馬達。
4. 如申請專利範圍第3項所述之頓轉扭矩補償系統，其中該運算裝置是藉由下列公式運算得到該馬達之頓轉扭矩的以該馬達之轉子位置為變數之傅立葉函數： ，其中H _r0,H _r1,H _r2,H _r3,H _r4,......,H _r(2y-1),H _r2y 為該等傅立葉係數，且 H _r0=T _g0；H _r1=T _g1 cos θ ₁ ,H _r2=T _g1 sin θ ₁；H _r3=T _g2 cos θ ₂ ,H _r4=T _g2 sin θ ₂；H _r(2y-1)=T _gy cos θ _y ,H _r2y =T _gy sin θ _y ,T _g0為一常數，T _g1，T _g2，…，T _gy 分別等於該馬達之頓轉扭矩透過對應之帶通濾波器後之波形之振幅，θ ₁，θ ₂，…，θ _y 分別為該馬達之頓轉扭矩透過對應之帶通濾波器後之波形之初相位；M為該馬達之極距；X為該馬達之轉子位置；y為該傅立葉函數之逼近階數，其等於該等帶通濾波器之數量。
5. 一種頓轉扭矩補償方法，用於補償一馬達之頓轉扭矩，該頓轉扭矩補償方法包括以下步驟：測量該馬達之速度、轉動慣量及轉子位置；藉由一運算裝置根據該馬達之速度及轉動慣量運算得到該馬達之頓轉扭矩；藉由複數設定不同的濾波頻率之帶通濾波器得到該頓轉扭矩傅立葉函數之複數傅立葉係數；該運算裝置根據該頓轉扭矩傅立葉函數之複數傅立葉係數運算得到該頓轉扭矩的以該馬達之轉子位置為變數之傅立葉函數，並根據該傅立葉函數運算得到該馬達欲補償轉子位置處之頓轉扭矩及一對應之頓轉扭矩電流；以及 一電流控制裝置對該馬達輸入一與該頓轉扭矩電流方向相反之電流以補償該馬達之頓轉扭矩。
6. 如申請專利範圍第5項所述之頓轉扭矩補償方法，其中該運算裝置藉由以下公式運算得到該馬達之頓轉扭矩：T _g =K _vp K(V _r -V)-JVS-BV，其中K _vp 表示一速度控制裝置之比例值，V _r 表示由該速度控制裝置發出的速度指令，J表示該馬達之轉動慣量，T _g 表示該馬達之頓轉扭矩，B表示該馬達之粘滯係數，S表示拉普拉斯運算單元，K表示增益常數，該速度控制裝置用於向一馬達驅動器輸入該速度指令以控制該馬達。
7. 如申請專利範圍第6項所述之頓轉扭矩補償方法，其中該運算裝置藉由下列公式運算得到該馬達之頓轉扭矩的以該馬達之轉子位置為變數之傅立葉函數： ，其中H _r0,H _r1,H _r2,H _r3,H _r4,......,H _r(2y-1),H _r2y 為該等傅立葉係數，且 H _r0=T _g0；H _r1=T _g1 cos θ ₁,H _r2=T _g1 sin θ ₁ ；H _r3=T _g2 cos θ ₂,H _r4=T _g2 sin θ ₂；.............H _r(2y-1)=T _gy cos θ _y ,H _r2y =T _gy sin θ _y ,T _g0為一常數，T _g1，T _g2，…，T _gy 分別等於該馬達之頓轉扭矩透過對應之帶通濾波器後之波形之振幅，θ ₁，θ ₂，…，θ _y 分別為該馬達之頓轉扭矩透過對應之帶通濾波器後之波形之初相位；M為該馬達之極距；X為該馬達之轉子位置；y為該傅立葉函數之逼近階數，其等於該等帶通濾波器之數量。