TWI452823B - 馬達減速方法及應用該減速方法之馬達驅動裝置 - Google Patents

Description

馬達減速方法及應用該減速方法之馬達驅動裝置

本發明係關於一種利用控制輸出至馬達的驅動頻率使馬達減速之馬達減速方法及應用該減速方法之馬達驅動裝置。

請參照圖1所示，其為習知之一種三相交流感應馬達的驅動示意圖。三相交流感應馬達的驅動系統係包含一三相交流電源、一馬達驅動器1以及一三相感應馬達。其中，馬達驅動器1係可利用脈寬調變（pulse width modulation, PWM）的技術來控制其轉換器輸出之驅動訊號的振幅及頻率，以控制馬達的轉速。當提高驅動訊號之輸出頻率時可使馬達加速，當降低驅動訊號之輸出頻率可以使馬達減速。

另外，為了協助感應馬達運作後減速過程能量的轉換，如圖1所示，習知係使用一煞車裝置11（Braking device），以消化馬達減速時之回饋動能。煞車裝置11可以是一煞車電阻或一煞車能量回饋裝置（Regenerator）。其中，煞車電阻的作用係將馬達減速時之回饋動能轉換成熱能消耗掉，而煞車能量回饋裝置則可將馬達減速時之回饋動能再度轉換成三相電流回饋至電源端。

然而，以煞車電阻將減速時之回饋動能轉換成熱能消耗時，除了煞車電阻本身的設置成本外，在某些環境下恐怕會增加工安事件的風險。例如存有大量易燃物品的環境中，如果煞車電阻產生熱量，可能會有發生火災的風險。另外，若加裝煞車能量回饋裝置時亦會顯著增加設置成本，而且在馬達需要快速停止的狀況下，例如發生意外事故需緊急停止時，馬達減速時之回饋動能若沒有被妥善的轉換或消耗的話，容易造成馬達驅動器1因保護機制啟動而當機，嚴重時甚至會造成馬達驅動器1的故障。

另外，於習知技術中，另提出了一種階段式降低輸出頻率來達到馬達減速的方法，其具有可有效在無任何外接煞車裝置的情況下，達成快速停止馬達的功能。但該方法與馬達本身的規格與結構有關，換句話說，頻率的操作點將依馬達或整體系統線路配置的不同而有所差異，因此，階段式降低的頻率量值並不容易決定。另外，若頻率降低量設定錯誤，則會使該方法的減速能力大打折扣。

因此，如何提供一種馬達減速方法及馬達驅動裝置，可在無任何外接煞車裝置的情況下快速停止馬達，已成為重要課題之一。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種可在無任何外接煞車裝置的情況下快速停止馬達之馬達減速方法及應用該減速方法之馬達驅動裝置。

為達上述目的，依據本發明之一種馬達減速方法與一馬達驅動裝置配合，而馬達驅動裝置包括一儲能單元以及一控制單元，並輸出一驅動訊號以控制馬達，另外，控制單元控制驅動訊號之一驅動頻率。馬達減速方法包括以下步驟：控制驅動頻率為零、利用控制單元控制驅動頻率以線性方式增加、偵測儲能單元之一端電壓差是否上升至一預設電壓值，若是，則調整驅動訊號以使端電壓差保持於預設電壓值；若否，則待驅動頻率上升至一預設頻率值，開始降低驅動頻率，並調整驅動訊號以使端電壓差保持於一當前電壓值，以及持續降低驅動頻率，以控制馬達減速。其中，控制驅動頻率為零係利用暫時停止輸出驅動訊號。另外，控制單元控制驅動頻率從零開始以線性方式增加，或從一預設值開始以線性方式增加。

在本發明一較佳實施例中，控制單元係降低驅動頻率，並使馬達減速至停止。另外，儲能單元可為一電容，且當馬達停止轉動或驅動頻率降低至零後，儲能單元係藉由馬達驅動裝置之線路耗能以降低端電壓差，使電壓差降回上升前的狀態。

為達上述目的，依據本發明之一種馬達驅動裝置係可驅動一馬達，並包括一儲能單元、一換流單元以及一控制單元。換流單元與儲能單元電性連接，並輸出一驅動訊號驅動馬達。控制單元電性連接換流單元，並偵測驅動訊號及儲能單元之一端電壓差。其中，當馬達減速時，控制單元可控制換流單元，並暫時停止輸出驅動訊號後，再控制驅動頻率以線性方式增加，且當端電壓差上升至一預設電壓值時，控制單元調整驅動訊號以使端電壓差保持於預設電壓值，並持續降低驅動頻率，以控制馬達減速。其中，控制單元係控制驅動頻率係從零開始以線性方式增加，或從一預設值開始以線性方式增加。另外，當端電壓差未上升至預設電壓值之前，且驅動頻率上升至一預設頻率值時，控制單元開始降低驅動頻率，並調整驅動訊號以使端電壓差保持於一當前電壓值。此外，控制單元降低驅動頻率，並使馬達減速至停止。

在本發明一較佳實施例中，控制單元利用暫時停止輸出驅動訊號。另外，儲能單元可為一電容，且當馬達停止轉動或驅動頻率降低至零後，儲能單元係藉由馬達驅動裝置之線路耗能，繼續降低端電壓差至上升前的狀態。

在本發明一較佳實施例中，馬達驅動裝置更可包括一整流單元與儲能單元電性連接，整流單元可將一交流訊號轉換為一直流訊號並輸入儲能單元。

承上所述，因依據本發明之馬達減速方法係與馬達驅動裝置配合，而馬達減速方法包括以下步驟：控制驅動頻率為零；利用控制單元控制驅動頻率以線性方式增加；偵測儲能單元之一端電壓差是否上升至一預設電壓值，若是，則調整驅動訊號以使端電壓差保持於預設電壓值；以及持續降低驅動頻率，以控制馬達減速。藉此，可在硬體無任何外接煞車裝置的情況下，以馬達驅動裝置的內部元件來消耗或以儲能元件暫存馬達減速時回饋之動能，以協助馬達達成快速減速及停止的目的。

另外，本發明之馬達減速方法及馬達驅動裝置可不受馬達額定容量的影響，並可在使用相同的操作控制下對不同馬達進行減速操作。此外，本發明之馬達減速的方法並沒有藉由階段式的不連續命令來控制驅動頻率而達到減速的目的，因此，也不會發生馬達或整體系統在急速減速過程中抖動的情況。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種馬達減速方法及馬達驅動裝置，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

請參照圖2A所示，其為本發明之ㄧ較佳實施例中，包含馬達驅動裝置2之系統方塊圖。

如圖所示，本發明之馬達驅動裝置2係可接收一交流電源，並可輸出一驅動訊號DS以控制一馬達M轉動。另外，本發明之馬達減速方法係與馬達驅動裝置2配合，以使馬達M減速至停止。其中，於本較佳實施例中，馬達M係為一三相感應馬達，而交流電源可係為一三相交流電壓源，例如市電。

馬達驅動裝置2包括一儲能單元21、一換流單元22、一控制單元23以及一整流單元24。

儲能單元21係為一電容，換流單元22係與儲能單元21電性連接，並可輸出驅動訊號DS以驅動馬達M轉動。於此，換流單元22係為一直流交流轉換器（DC/AC converter），並可接收儲能單元21兩端之一端電壓差，以轉換成驅動馬達M之交流驅動訊號DS。其中，換流單元22係可由絕緣柵雙極電晶體（Insulate-Gate Bipolar Transistor, IGBT）或其它功率電晶體所構成。

控制單元23電性連接換流單元22，並可偵測驅動訊號DS及儲能單元21之端電壓差。於此，如圖2A所示，係藉由一伏特計V跨接於儲能單元21 之二端，以偵測儲能單元21之端電壓差，並將訊號輸入控制單元23，使控制單元23可控制換流單元22，進而可控制驅動訊號DS之驅動頻率及其振幅。其中，控制單元23可藉由硬體、軟體、或韌體、或其組合來構成，並可藉由脈寬調變（PWM）的技術來控制換流單元22中之複數個電晶體開關進行切換，藉此可控制其輸出之驅動訊號DS之驅動頻率及其振幅。

整流單元24係與儲能單元21電性連接，整流單元24可將交流電源輸出之一交流訊號AC轉換為一直流訊號DC，並輸入儲能單元21。其中，在換流單元22未開始作用前，儲能單元21會儲存來自交流電源的能量，直至飽和而維持一穩定的電壓差。在本實施例中，整流單元24係為一交流直流轉換器（AC/DC converter），並可將交流電源輸出之交流訊號AC整流成直流訊號DC，並輸入儲能單元21。其中，整流單元24例如可為一橋式整流器。

另外，請參照圖2B及圖3A所示，其中，圖2B係為本發明於一較佳實施例中之馬達減速方法之步驟流程圖，而圖3A為應用本發明之馬達驅動裝置2的馬達減速機制示意圖。

如圖2B及圖3A所示，當馬達驅動裝置2於時間點a接到命令時（例如可利用一數位操作器（圖未顯示）電性連接至控制單元23，以藉由數位操作器對控制單元23下達減速命令），馬達M的減速方法可包括以下步驟S01～步驟S05及步驟S041～步驟S042。

於步驟S01中，係控制驅動訊號DS之驅動頻率為零。於此，當快速減速命令下達時（於時間點a），係利用控制單元23控制換流單元22，使換流單元22暫時停止輸出驅動訊號DS（即暫時關閉馬達驅動裝置2的輸出，使其不輸出驅動訊號DS），以使驅動頻率立刻降為零。此時，儲能單元21之端電壓差亦跟著降低。於此，若沒有關閉馬達驅動裝置2的輸出，以消除馬達M的激磁的話，則減速啟動的瞬間，儲能單元21之端電壓差隨即會上升。暫時關閉的動作即是要停止對馬達M輸入電流，以停止對馬達M進行激磁的行為。

接著，進行步驟S02，利用控制單元23控制驅動頻率以線性方式增加。於此，如圖3A所示，係於時間點b時啟動速度追蹤功能。其中，時間點b與時間點a之間的時間差係可依馬達M特性的不同來調整，並可由使用者由外部預先設定，或可由馬達控制程式來決定，藉此時間差，可避免儲能單元21之端電壓差先上升後再下降。在本實施例中，速度追蹤功能是於時間點b時，控制單元23控制換流單元22輸出之驅動訊號DS的驅動頻率由零逐漸線性增加，且於時間點c之後，儲能單元21之端電壓差隨著驅動頻率的上升而明顯升高，亦即馬達M煞車時的動能開始回饋至馬達驅動裝置2而使儲能單元21之端電壓差上升。

另外，請參照圖3B所示，其為應用本發明於另一較佳實施例中之馬達減速機制的不同示意圖。

在本實施例中，可在減速命令下達前（即時間點a之前），在馬達閉迴路控制狀況下，藉由估測馬達參數與即時量測的電壓/電流等資訊，先行估算出馬達M之即時轉速以及無能量回灌（即全部能量皆由馬達線路消耗的狀況下）之操作點（轉矩等於零之操作點）。

因此，本發明可例如以軟體、硬體或韌體，或其組合等方式，在閉迴路控制的狀況下先進行馬達參數及系統參數之估測，以決定驅動頻率之一預設值Fint。其中，馬達參數及系統參數可包含：馬達定子與轉子之電路參數（即電阻、漏感或互感等）、馬達之鐵損、銅損或摩擦損等、馬達定子與轉子之電流或磁場，以及馬達轉子轉速估測值等，並可代入馬達轉矩等於零之運算式，經計算而可得出操作點之滑差值，並以此滑差值搭配估測轉速，反推得到頻率之預設值Fint。

另外，於速度追蹤功能時（即圖3B之時間點b到時間d之間），控制驅動頻率增加或持平可由使用者依需求來自訂。於此，如圖3B所示，係於時間點b時，控制單元23控制輸出的驅動頻率為預設值Fint，並於時間點c之後，如上述之步驟S02所示，可利用控制單元23控制驅動頻率以預設值Fint之頻率開始以線性方式增加，此時，儲能單元21之端電壓差亦隨著驅動頻率的上升而升高。藉由控制驅動頻率以預設值Fint開始，若預設值Fint準確預估馬達M最大消耗點，則可進一步縮短馬達M之減速時間。

請再參照圖3A所示，於時間點c時，儲能單元21之端電壓差因馬達M減速時能量的回灌而開始上升，除馬達M本身的損耗以外，儲能單元21之端電壓差上升代表此時馬達M有負轉矩產生，且馬達M轉動的動能有部份以電能的形式回灌到馬達驅動裝置2內，此回灌的電能可同時被馬達驅動裝置2的線路消耗及儲存於儲能單元21，因此，於時間點c至時間點d的期間，馬達M之減速效果較好（如圖3A之馬達轉速的曲線向下彎的斜率變大、較陡）。

接著，進行步驟S03，偵測儲能單元21之端電壓差是否上升至一預設電壓值Vs，若是，則執行步驟S04，調整驅動訊號DS以使端電壓差保持於預設電壓值Vs。若否，則執行步驟S041、S042。

如圖3A所示，在本實施例中，當馬達M減速回灌的電能持續儲存於儲能單元21而使得儲能單元21之端電壓差上升至預設電壓值Vs時（於時間點d時），則控制單元23可控制及調整驅動訊號DS之驅動頻率，以使儲能單元21之端電壓差保持在預設電壓值Vs而不變化，其中，預設電壓值Vs稱為智能減速電壓準位（Smart stall voltage level）。換言之，馬達驅動裝置2係以預設電壓值Vs為控制基準執行智能減速。其中，智能減速為保持儲能單元21之端電壓差的電壓，使馬達驅動裝置2不會啟動保護機制而關閉驅動裝置輸出，因而失去控制功能，讓馬達驅動裝置2可維持控制的能力，以持續執行減速的命令。

另外，於步驟S03中，若因馬達M回饋的動能不足以讓儲能單元21之端電壓差上升到預設電壓值Vs 時（該狀況也代表需馬達Ｍ減速時需消耗的動能較小，或儲能單元21之電容值較大，可以儲存較多電量），則執行步驟S041及步驟S042。如圖3C所示，待驅動訊號DS之驅動頻率上升至一預設頻率值Fs時，則控制單元23開始控制並調整降低驅動訊號DS之驅動頻率，以使儲能單元21之端電壓差保持於一當前電壓值Vp，並開始智能減速，其中，預設頻率值Fs可稱為智能減速頻率準位（Smart stall frequency level）。換言之，於時間點d開始，控制單元23線性地降低驅動訊號DS之驅動頻率，並使馬達M之轉速持續地降低。其中，所謂當前電壓值Vp就是於時間點d時，驅動頻率上升至預設頻率值Fs的當時，儲能單元21所保有之電壓值。

接著進行步驟S05，持續降低驅動頻率，以控制馬達M減速。於此，如圖3A～圖3C所示，係於時間點d開始，控制單元23線性、且持續降低驅動訊號DS之驅動頻率，並使馬達M之轉速持續地降低至停止（於時間點e時，馬達M之轉速為零）。

當馬達M於時間點e時停止轉動或驅動頻率降低至零後，儲能單元21儲存之電能會由馬達驅動裝置2內部元件之內阻進行耗能（儲能單元21之端電壓差下降），並於時間點f降回原來的直流準位，且系統回覆到正常狀態。其中，於時間點e時，馬達M已快速減速至停止，因此，儲能元件21儲存之電能將釋放出而被馬達驅動裝置2之內部元件消耗掉，故儲能元件21之電壓下降。其中，時間點e到時間點f的時間差係可由馬達驅動裝置2的線路來決定。

另外，請參照圖4所示，其為本發明於一較佳實施例中之馬達驅動裝置2控制馬達M減速時，馬達M之轉矩相對於滑差的示意圖。其中，不同馬達轉速對應不同轉矩曲線，轉速愈慢，相對應的轉矩曲線愈往原點靠近。

本發明之馬達減速方式係可藉由動態操作馬達M於負滑差區（即圖4的右半平面）。如圖3A及圖4所示，於時間點a開始進行馬達減速時，隨著控制命令的頻率上升，依據定義，滑差會從負無限大逐漸上升，往原點O快速移動。同樣的馬達轉速下，一旦滑差值移動到負轉矩區時，代表轉動能量開始由馬達往驅動裝置回流。此時，如同在非減速操作時，儲能單元21係透過整流單元24儲存來自交流電源能量的狀況，儲能單元21會開始儲存來自馬達M回灌的能量（此時感應馬達等同於一感應發電機）。不同於透過整流單元24儲存來自交流電源能量的狀況，此能量會依轉動動能轉換而成的電能大小，不斷的對儲能單元21充電，致使儲能單元21的端電壓上升。本發明的減速機制中，包含監控儲能單元21的端電壓差，直到儲能單元21之端電壓差上升至預設電壓值Vs（即智能減速電壓準位），或輸出的驅動頻率上升至預設頻率值Fs（即智能減速頻率準位）時，固定操作點。隨著馬達M的轉速逐漸降低，轉矩與滑差對應之曲線也會逐漸往原點O的方向移動（如實線箭頭的方向所示），隨著轉矩與滑差對應之曲線的移動，為維持固定操作點以使儲能單元21的端電壓差維持在智能減速電壓準位，馬達M之操作頻率也會隨之降低，直到馬達M停止為止。

經由實測證明，本發明可在操作模式為開路模式下（即電壓／頻率控制模式下），且硬體無任何外接煞車裝置的情況下，以馬達驅動裝置2的內部線路來消耗，或以儲能元件21暫存馬達M減速時回饋之動能，以協助馬達M達成快速減速及停止的目的。另外，與習知技術相較，本發明之馬達減速方法及馬達驅動裝置2可不受馬達M額定容量大小的影響，可在使用相同的控制方式來對不同馬達進行減速操作，亦即相同的操作控制方式可應用於不同容量之馬達減速。此外，本發明之馬達減速的方法並沒有藉由階段式的不連續命令來控制驅動頻率而達到減速的目的，因此，也不會發生馬達M或整體系統在急速減速過程中抖動的情況。

綜上所述，因依據本發明之馬達減速方法係與馬達驅動裝置配合，而馬達減速方法包括以下步驟：控制驅動頻率為零；利用控制單元控制驅動頻率以線性方式增加；偵測儲能單元之一端電壓差是否上升至一預設電壓值，若是，則調整驅動訊號以使端電壓差保持於預設電壓值；以及持續降低驅動頻率，以控制馬達減速。藉此，可在硬體無任何外接煞車裝置的情況下，以馬達驅動裝置的內部元件來消耗或以儲能元件暫存馬達減速時回饋之動能，以協助馬達達成快速減速及停止的目的。

另外，本發明之馬達減速方法及馬達驅動裝置可不受馬達額定容量的影響，並可在使用相同的操作控制下對不同馬達進行減速操作。此外，本發明之馬達減速的方法並沒有藉由階段式的不連續命令來控制驅動頻率而達到減速的目的，因此，也不會發生馬達或整體系統在急速減速過程中抖動的情況。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1．．．馬達驅動器

11．．．煞車裝置

2．．．馬達驅動裝置

21．．．儲能單元

22．．．換流單元

23．．．控制單元

24．．．整流單元

a~f．．．時間點

AC．．．交流訊號

DC．．．直流訊號

DS．．．驅動訊號

Fint．．．預設值

Fs．．．預設頻率值

M．．．馬達

O．．．原點

S01~S05、S041、S042．．．步驟

V．．．伏特計

Vp．．．當前電壓值

Vs．．．預設電壓值

圖1為習知之一種三相交流感應馬達的驅動示意圖；
圖2A為本發明之ㄧ較佳實施例中，包含馬達驅動裝置之系統方塊圖；
圖2B為本發明於一較佳實施例中之馬達減速方法之步驟流程圖；
圖3A至圖3C為應用本發明之馬達驅動裝置的馬達減速機制的不同示意圖；以及
圖4為本發明於一較佳實施例中之馬達驅動裝置控制馬達減速時，馬達之轉矩相對於滑差的示意圖。

S01~S05、S041、S042．．．步驟

Claims (13)

1. 一種馬達減速方法，係與一馬達驅動裝置配合，該馬達驅動裝置包括一儲能單元以及一控制單元，並輸出一驅動訊號以控制該馬達，該控制單元控制該驅動訊號之一驅動頻率，該馬達減速方法包括：
   （A）、控制該驅動訊號之該驅動頻率為零；
   （B）、利用該控制單元控制該驅動頻率以線性方式增加；
   （C）、偵測該儲能單元之一端電壓差是否上升至一預設電壓值，若是，則調整該驅動訊號以使該端電壓差保持於該預設電壓值；以及
   （D）、持續降低該驅動頻率，以控制該馬達減速。
2. 如申請專利範圍第1項所述之馬達減速方法，其中於步驟（B）中，該驅動頻率係從零開始以線性方式增加，或從一預設值開始以線性方式增加。
3. 如申請專利範圍第1項所述之馬達減速方法，其中於步驟（C）中，若否，則待該驅動頻率上升至一預設頻率值，開始降低該驅動頻率，並調整該驅動訊號，以使該端電壓差保持於一當前電壓值。
4. 如申請專利範圍第1項所述之馬達減速方法，其中該控制單元降低該驅動頻率，並使該馬達減速至停止。
5. 如申請專利範圍第1項所述之馬達減速方法，其中當該馬達停止轉動或該驅動頻率降低至零後，該儲能單元係藉由該馬達驅動裝置之線路降低該端電壓差。
6. 如申請專利範圍第1項所述之馬達減速方法，其中該儲能單元係為一電容。
7. 如申請專利範圍第1項所述之馬達減速方法，其中於步驟（A）中，係利用暫時停止輸出該驅動訊號，以使該驅動頻率為零。
8. 一種馬達驅動裝置，係驅動一馬達，該馬達驅動裝置包括：
   一儲能單元；
   一換流單元，與該儲能單元電性連接，並輸出一驅動訊號驅動該馬達；以及
   一控制單元，電性連接該換流單元，並偵測該驅動訊號及該儲能單元之一端電壓差，
   其中，該控制單元控制該換流單元，並使該驅動訊號之一驅動頻率為零後，再控制該驅動頻率以線性方式增加，且當該端電壓差上升至一預設電壓值時，該控制單元調整該驅動訊號之該驅動頻率，以使該端電壓差保持於該預設電壓值，並持續降低該驅動頻率，以控制該馬達減速。
9. 如申請專利範圍第8項所述之馬達驅動裝置，其中該控制單元控制該驅動頻率係從零開始以線性方式增加，或於該控制單元使該驅動頻率為零後直接以一預設值開始以線性方式增加。
10. 如申請專利範圍第8項所述之馬達驅動裝置，其中當該端電壓差未上升至該預設電壓值之前，該驅動頻率上升至一預設頻率值時，該控制單元開始降低該驅動頻率，並調整該驅動訊號以使該端電壓差保持於一當前電壓值。
11. 如申請專利範圍第8項所述之馬達驅動裝置，其中該控制單元降低該驅動頻率，並使該馬達減速至停止。
12. 如申請專利範圍第8項所述之馬達驅動裝置，其中當該馬達停止轉動或該驅動頻率降低至零後，該儲能單元係藉由該馬達驅動裝置之線路降低該端電壓差。
13. 如申請專利範圍第8項所述之馬達驅動裝置，其中該控制單元利用暫時停止輸出該驅動訊號，以使該驅動頻率為零。