TWI424659B - 永磁馬達起始磁極偵測方法 - Google Patents

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永磁馬達起始磁極偵測方法
本發明係有關於一種永磁馬達起始磁極偵測方法，尤指一種利用電壓脈衝之永磁馬達起始磁極偵測方法，其中電壓脈衝與馬達參數相關。
隨著工業升級與產業自動化的必然趨勢，伺服馬達在工業應用上，如CNC工具機，機械手臂，產業機械，電梯，冷氣航空制動器等等，均需馬達精密控制與驅動。近年來由於微處理器及電力元件技術大幅提昇，使得比較複雜的控制理論方法得以實踐，進而使控制性能大幅的提昇。
永磁式交流伺服馬達(permanent magnet AC servo motor)係由變頻器(inverter)經由脈寬調變(pulse width modulation)在馬達之定子造成一旋轉磁場，它與轉子永久磁鐵所造成之磁場相互作用而產生旋轉扭矩。而永磁馬達驅動控制技術是依據馬達轉子所在位置，藉由改變變頻器的開關狀態，產生合適的定子旋轉磁場，使馬達產生平滑的旋轉磁場。由於轉子的永久磁鐵起始位置是隨機而未知，造成馬達啟動時，轉子可能產生正轉或反轉。然而，諸如在電梯等應用場合並不允許馬達啟動時反轉，因此必需偵測轉子之永久磁鐵起始位置，以避免此反轉的情形。
永磁馬達偵測起始磁極的方法主要可分為高頻注入法(HFI)及電壓脈沖注入法兩種。高頻注入法有計算複雜、 d-q軸電感需已知、無法分辨±180°電子角等問題。傳統的電壓脈沖是利用不同轉子位置時，因電感不同而產生不同的電流上升斜率，比較此上升電流即可得到起始磁極位置。但是電壓脈沖注入法對於馬達參數的依賴性過高，若上升時間的設定不正確會造成馬達線圈損壞，過低又會造成起始磁極偵測不正確。
因此如能發展出一套可快速、準確判斷永磁馬達起始磁極的方法，則可大幅提升永磁馬達的性能及穩定度；再者該永磁馬達起始磁極的偵測方法最好對參數的依賴性不高，且可相容於任何馬達。
本發明之主要目的，係提供一種可快速準確判斷永磁馬達起始磁極的方法。
為達上述之目的，本發明提供一種永磁馬達起始磁極偵測方法，該永磁馬達包含定子及轉子且定子具有三相繞組，該永磁馬達由一驅動器驅動，該方法包含：(a)決定施加到定子之脈波寬度調變(PWM)脈寬Dt，由下式表示：，其中DB為防止驅動功率開關上下臂短路的失效時間，CF為驅動器的最大載波頻率，參數tr由下式決定
其中L為馬達等效電路之電感，R為馬達的線圈電 阻，Ilevel 為電流準位，Vdc 為匯流排電壓；(b)以PWM方式注入電壓至三相繞組，以依序輸出六種PWM電壓向量至定子；(c)計算各個PWM電壓向量所產生的電流上升時間；及(d)比對各個PWM電壓向量所產生的電流上升時間以得到轉子位置。
再者，本發明亦揭露一種永磁馬達起始磁極偵測方法，該方法包含：(a)決定施加到定子之脈波寬度調變(PWM)脈寬Dt，由下式表示：，其中DB為防止驅動功率開關上下臂短路的失效時間，CF為驅動器的最大載波頻率，參數tr由下式決定
其中L為馬達等效電路之電感，R為馬達的線圈電阻，Ilevel 為電流準位，Vdc 為匯流排電壓；(b)以PWM方式注入電壓至三相繞組，以依序輸出六種PWM電壓向量至定子；(c)計算各個PWM電壓向量所產生的電流上升時間；及(d)比對各個PWM電壓向量所產生的電流上升時間以得到一初步轉子位置；(e)重複上述步驟(b)-(d)，並比對前後兩次在步驟(d)所得到之對應PWM電壓向量所產生的最小電流上升時間結果是否相同；(f)若在步驟(e)中，前後兩次在步驟(d)所得到之對應PWM電壓向量所產生的最小電流上升時間比對結果相同，則得到正確轉子位置；(g)若在步驟(e)中，前後兩次在步驟(d)所得到之對應 PWM電壓向量所產生的最小電流上升時間比對結果不同，則重複步驟(b)-(e)，直到比對結果相同為止。
茲有關本發明之技術內容及詳細說明，現配合圖式說明如下：
請參閱第一圖A及第一圖B所示，為永磁馬達定子磁場與轉子磁場的示意圖，其中轉子磁場係由永久磁鐵產生，定子磁場則由外加電源建立，因此可將定子磁場方向視為已知。當定子磁場與轉子磁場方向相反時，則合成磁場為未飽和(線性)；反之，當定子磁場與轉子磁場方向相同時，合成磁場為飽和。合成磁場是否飽和會影響定子電感大小，因此可藉由此特性來偵測永磁馬達轉子的起動位置。
參閱第二圖所示，為永磁馬達中磁通與電流的關係圖，可以看出合成磁場是否飽和對定子電感大小的影響，當合成磁場飽和時電感較小；反之，當合成磁場未飽和時，電感較大。定子電感變大則時間常數較大，使得加外相同電壓時，電流上升的速度較慢。
參閱第三圖所示，為定子電感不同下電流與時間的關係圖。可看出在合成磁場飽和與未飽合的情形下，因為電感的不同，電流上升至同一準位的時間也不一致，藉此得以偵測永磁馬達起始磁極位置。
換言之可以利用上述轉子在不同位置會有不同的定子電感，造成不同的電流上升時間的原理，偵測永磁馬達起 始磁極位置。第四圖所示為永磁馬達運轉前，三相繞組的六種偏壓方式。以第四圖所示之六種方式在定子的三相繞組U、V、W上加入偏壓電壓Vdc，藉此在各相繞組U、V、W上產生正、負極性的觸發脈波；再分別量測此六種偏壓方式產生電流的上升時間，以得到轉子與定子的相對起始位置。
為避免電流上升過快，造成程式偵測不易，因此電壓的注入不可使用功率開關全開或全關的方式來導通，必需利用PWM(脈波寬度調變)的方式注入電壓。參見第七圖，為使用PWM(脈波寬度調變)的方式注入電壓之示意圖。因為不同的馬達有不同的馬達參數，所以上升時間也會不同，因此PWM脈寬的設計需隨著馬達參數而改變。參見第八圖，為PWM脈寬的中斷時間Ts與PWM脈寬Dt的關係示意圖。首先，將一次PWM脈寬的中斷時間Ts 細分為256等分，之後將上升時間參數tr (此參數定義詳見後述)拆分為32次PWM中斷完成(參見第七圖所示)，其中t r =t 1 +t 2 +...+t 31 +t 32 。此時可算出PWM脈寬Dt：
在上式中，DB 為防止驅動功率開關上下臂短路的失效時間(dead time)(例如可以為4μS)，CF為驅動器的最大載波頻率(carry frequency)。
第五圖所示為馬達之等效電路圖，而第六圖為馬達線圈激磁時的電流波形，其中R 為馬達的線圈電阻，L 為電 感，V dc 為匯流排(bus)電壓。I rated 為馬達的額定電流，I level =I rated ×160%。令i (t )=I level ，可算出上升時間參數t r ：
由第六圖可以看出若電感越小則電流上升速度越快，亦即上升時間越短，因此可以依據第四圖所示之六種偏壓方式加上觸發脈波，再量測電流上升時間，上升時間最短的即為轉子所對正的定子磁極，因此可以得到永磁馬達轉子的起動位置。至於電流準位I level 的設定，因上升的電流準位不大時，不易比較出上升時間的長短，因此設定電流準位為160%馬達額定電流(若馬達額定電流大於驅動器額定電流，則以驅動器額定電流160%為準位)。
再者為了簡化計算，可將電阻R 的電壓降忽略，即可將上式簡化得到：
參見第九圖，為依據本發明之永磁馬達起始磁極偵測方法流程圖，首先依據馬達參數及驅動器的最大載波頻率計算出PWM脈寬Dt(步驟100)；接著如第四圖之架構依序送出種電壓向量至定子(步驟102)；接著計算各個電壓向量所產生的電流上升時間(步驟104)；接著比對上升時間以得到轉子位置(步驟106)；接著重複步驟102至步驟106；接著比對兩次量測結果是否相同(步驟108)，若結果相同則偵測完畢。在上述流程 中，為避免雜訊干擾造成量測錯誤，所以重覆步驟102至步驟106。比對兩次對正磁極的結果，若相同則偵測完畢，若不同則重覆六種連接法的電壓注入，直到兩次結果相同為止。
上述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施範圍。即凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。
100~108‧‧‧步驟
第一圖A及第一圖B為永磁馬達定子磁場與轉子磁場的示意圖。
第二圖為永磁馬達中磁通與電流的關係圖。
第三圖為定子電感不同下電流與時間的關係圖。
第四圖所示為永磁馬達運轉前，三相繞組的六種偏壓方式。
第五圖所示為馬達之等效電路圖。
第六圖為馬達線圈激磁時的電流波形。
第七圖為使用PWM(脈波寬度調變)的方式注入電壓之示意圖。
第八圖為PWM脈寬的中斷時間Ts與PWM脈寬Dt的關係示意圖。
第九圖為依據本發明之永磁馬達起始磁極偵測方法流程圖。
100~108‧‧‧步驟

Claims (11)

  1. 一種永磁馬達起始磁極偵測方法，該永磁馬達包含定子及轉子且定子具有三相繞組，該永磁馬達由一驅動器驅動，該方法包含：(a)決定施加到定子之脈波寬度調變PWM脈寬Dt，由下式表示：，其中DB為防止驅動功率開關上下臂短路的失效時間，CF為驅動器的最大載波頻率，參數tr，所述初步上升時間tr由下式決定 其中L為馬達等效電路之電感，R為馬達的線圈電阻，Ilevel 為電流準位，Vdc 為匯流排電壓；(b)以PWM方式注入電壓至三相繞組，以依序輸出六種PWM電壓向量至定子；(c)計算各個PWM電壓向量所產生的電流上升時間；及(d)比對各個PWM電壓向量所產生的電流上升時間以得到轉子位置。
  2. 如申請專利範圍第1項之永磁馬達起始磁極偵測方法，更包含：重複上述步驟(b)-(d)，若比對兩次在步驟(d)所得到之對應PWM電壓向量所產生的最小電流上升時間相同，則可得到正確之轉子位置。
  3. 如申請專利範圍第1項之永磁馬達起始磁極偵測方法，其中一次PWM脈寬的中斷時間T s 細分為256等分。
  4. 如申請專利範圍第3項之永磁馬達起始磁極偵測方法，其中t r 拆分為32次PWM中斷完成。
  5. 如申請專利範圍第1項之永磁馬達起始磁極偵測方法，其中電流準位Ilevel 為160%馬達額定電流。
  6. 如申請專利範圍第1項之永磁馬達起始磁極偵測方法，其中若馬達額定電流大於驅動器額定電流，則以160%驅動器額定電流為電流準位Ilevel 。
  7. 一種永磁馬達起始磁極偵測方法，該永磁馬達包含定子及轉子且定子具有三相繞組，該永磁馬達由一驅動器驅動，該方法包含：(a)決定施加到定子之脈波寬度調變(PWM脈寬)Dt，由下式表示：，其中DB為防止驅動功率開關上下臂短路的失效時間，CF為驅動器的最大載波頻率，參數tr由下式決定 其中L為馬達等效電路之電感，R為馬達的線圈電阻，Ilevel 為電流準位，Vdc 為匯流排電壓；(b)以PWM方式注入電壓至三相繞組，以依序輸出六種PWM電壓向量至定子； (c)計算各個PWM電壓向量所產生的電流上升時間；及(d)比對各個PWM電壓向量所產生的電流上升時間以得到一初步轉子位置；(e)重複上述步驟(b)-(d)，並比對前後兩次在步驟(d)所得到之對應PWM電壓向量所產生的最小電流上升時間結果是否相同；(f)若在步驟(e)中，前後兩次在步驟(d)所得到之對應PWM電壓向量所產生的最小電流上升時間比對結果相同，則得到正確轉子位置；(g)若在步驟(e)中，前後兩次在步驟(d)所得到之對應PWM電壓向量所產生的最小電流上升時間比對結果不同，則重複步驟(b)-(e)，直到比對結果相同為止。
  8. 如申請專利範圍第7項之永磁馬達起始磁極偵測方法，其中一次PWM脈寬的中斷時間T s 細分為256等分。
  9. 如申請專利範圍第7項之永磁馬達起始磁極偵測方法，其中t r 拆分為32次PWM中斷完成。
  10. 如申請專利範圍第7項之永磁馬達起始磁極偵測方法，其中電流準位Ilevel 為160%馬達額定電流。
  11. 如申請專利範圍第7項之永磁馬達起始磁極偵測方法，其中若馬達額定電流大於驅動器額定電流，則以160%驅動器額定電流為電流準位Ilevel 。
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