TWI474608B - 直流無刷馬達的驅動電壓之最佳相位微調方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種直流無刷馬達的技術，更進一步來說，本發明係關於一種直流無刷馬達的驅動電壓之最佳相位微調方法。
直流馬達由於具有非常良好的穩定性及速應性，同時其輸入及輸出間幾乎成線性關係之特性，使其可以有非常良好的控制性能，因此廣用於需要高精度控制之場所。但傳統直流馬達結構上卻有下列幾種缺失，如：作為整流機構的電刷及換向器是一種機械性接觸，易因滑動而產生磨耗、火花、電氣雜訊等而導致馬達的可靠性降低與需要電刷替換、檢查維護等缺點。
而無刷馬達是將傳統的直流馬達之整流部份(電刷及換向器)以電子方式代替且保留直流馬達可急遽加速，轉速和外加電壓成正比，轉矩和電樞電流成正比等優點，為一特性非常優良之馬達。
第1圖以及第2圖為無刷馬達之剖面圖及結構圖。由圖中可以知道無刷馬達之激磁部份在轉子上由永久磁鐵構成，電樞位於定子上，因此可以不需要電刷傳導電流。無刷馬達依定子繞線分類，可分為2相、3相、5相等無刷馬達。以3相無刷馬達較為常見，其結構和同步馬達類似(定子之3個繞組各相差120度之相位角)。因此其驅
動電路一般均使用脈波寬度調變(PWM)型變流器，再配合霍爾元件或分解器等磁極檢測元件，可得圓滑且穩定之轉矩，常用於需要高速及高精度控制之情況。
直流無刷馬達最大的特徵為無刷構造的關係，原理上不會產生雜訊。此為不只機械性的雜訊，也有使不會發生電氣性雜訊。更因無接觸部份，故較易製作高速旋轉型的電動機。然而，在驅動直流無刷馬達時，多以霍爾元件輸出的霍爾訊號作為弦波起始位置，而霍爾元件在安裝時或多或少與實際換相點都有誤差，而不同的馬達有不同大小的誤差；因此，即使是用相同的驅動電路，常常因馬達不同，有優劣不同的效果。公差大的馬達因而耗費較多的電流效率也變得較差。
本發明的一目的在於提供一種直流無刷馬達的驅動電壓之最佳相位微調方法，用以將馬達的驅動電壓調整至最佳相位。
本發明的另一目的在於提供一種直流無刷馬達的驅動電壓之最佳相位微調方法，用以減少馬達的功率消耗。
有鑒於此，本發明提供一種直流無刷馬達的驅動電壓之最佳相位微調方法，其中，上述直流無刷馬達上配置有N個霍爾元件，且該直流馬達為N相直流馬達，具有N個線圈，對應N相，每一個線圈的第一端互相耦接，第I相線圈的第二端分別耦接一第I相第一開關的第二端以及一
第I相第二開關的第一端，其中，第I相第一開關的第一端耦接一電源電壓，第I相第二開關的第二端耦接一回授電阻，其中，I為自然數且0<I<=N，此方法包括下列步驟：當上述直流無刷馬達驅動一穩定負載時，取樣上述直流無刷馬達之相位及其所對應的一電流值，其中上述電流值是流過上述回授電阻的電流值；收集上述相位以及電流值的數據，並搜尋上述回授電阻的電流值之最小值，以及其對應的一偏移相位；以及利用上述偏移相位，調整並修正第1~第N相第一開關以及第1~第N相第二開關的導通與截止時間。
本發明另外提供一種直流無刷馬達的驅動電壓之最佳相位微調方法，其中，上述直流無刷馬達上配置有N個霍爾元件，且該直流馬達為N相直流馬達，具有N個線圈，對應N相，每一個線圈的第一端互相耦接，第I相線圈的第二端分別耦接一第I相第一開關的第二端以及一第I相第二開關的第一端，其中，第I相第一開關的第一端耦接一電源電壓，第I相第二開關的第二端耦接一回授電阻，其中，I為自然數且0<I<=N，此方法包括下列步驟：當上述直流無刷馬達驅動一穩定負載時，取樣上述直流無刷馬達之相位及其所對應的一電流值，其中上述電流值是流過上述回授電阻的電流值；收集上述相位以及電流值的數據，並透過一曲線近似法，計算出上述回授電阻的電流值與其對應的相位之一元二次方程式；對上述一元二次方程式進行微分獲得一極小值；以及將上述極小值作為一偏移
相位，利用上述偏移相位，調整並修正第1~第N相第一開關以及第1~第N相第二開關的導通與截止時間。
依照本發明較佳實施例所述之直流無刷馬達的驅動電壓之最佳相位微調方法，上述直流無刷馬達驅動該穩定負載的時間是該直流無刷馬達在工廠進行相位修正的時間。在另一實施例中，一使用者將該直流無刷馬達設定為一相位修正模式時，上述直流無刷馬達驅動該穩定負載。另外，在另一實施例中，上述曲線近似法為一最小平方誤差近似法。在另一實施例中，上述穩定負載為空載。
本發明之精神是在於利用收集電流值以及其所對應的相位值，並利用此兩者之間的關係，找出霍爾元件安裝公差所造成的相位偏移。之後，藉由此相位偏移，對於驅動馬達的驅動電壓之相位做調整，找出最佳的弦波電壓驅動相位使得馬達趨動時所耗的電流最小。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
第3圖是一三相六步直流無刷馬達的系統電路圖。請參考第3圖，此三相六步直流無刷馬達包括一第一開關Q1、一第二開關Q2、一第三開關Q3、一第四開關Q4、一第五開關Q5、一第六開關Q6、一回授電阻R_Shunt以及一直流無刷馬達，其中，此直流無刷馬達包括一第一相線
圈Winding U(U相線圈)、一第二相線圈Winding V(V相線圈)以及一第三相線圈Winding W(W相線圈)。第4A圖、第4B圖以及第4C圖分別是當霍爾元件無安裝公差時，上述三相六步直流無刷馬達的驅動電壓波形圖。請先參考第4A圖，Hall U是霍爾訊號(U相霍爾訊號)，Driving Voltage是驅動電壓，Phase Bemf是反電動勢。由上述波形，可以看出，當霍爾元件無安裝公差時，反電動勢Phase Bemf與驅動電壓Driving Voltage與霍爾訊號Hall U是沒有相位差的。接下來請參考第4B圖，Hall U是霍爾訊號，Phase Current是驅動電流，由此圖也可以看出，當霍爾元件無安裝公差時，驅動電流Phase Current與霍爾訊號Hall U也沒有相位差。接下來，請參考第4C圖，Hall U是霍爾訊號，Shunt Current是回授電流。當霍爾元件無安裝公差時，回授電流Shunt Current相對較小，表示馬達所消耗的虛功率較小。
第5A圖、第5B圖以及第5C圖分別是當反電動勢領先驅動電壓10度電氣角，上述三相六步直流無刷馬達的驅動電壓波形圖。請同時參考第5A圖、第5B圖以及第5C圖，霍爾訊號Hall U與驅動電壓Driving Voltage是同相位，但由於霍爾元件的安裝公差造成反電動勢Phase Bem領先驅動電壓Driving Voltage相位約10度，造成回授電流Shunt Current增加。
第6A圖、第6B圖以及第6C圖分別是當反電動勢落後驅動電壓10度電氣角，上述三相六步直流無刷馬達的
驅動電壓波形圖。請同時參考第6A圖、第6B圖以及第6C圖，同樣的道理，霍爾訊號Hall U與驅動電壓Driving Voltage是同相位，但由於霍爾元件的安裝公差造成反電動勢Phase Bem落後驅動電壓Driving Voltage相位約10度，造成回授電流Shunt Current增加。
第7A圖、第7B圖以及第7C圖分別是當反電動勢領先驅動電壓30度電氣角，上述三相六步直流無刷馬達的驅動電壓波形圖。第8A圖、第8B圖以及第8C圖分別是當反電動勢落後驅動電壓30度電氣角，上述三相六步直流無刷馬達的驅動電壓波形圖。由上述第5A圖、第5B圖、第5C圖、第6A圖、第6B圖、第6C圖、第7A圖、第7B圖、第7C圖、第8A圖、第8B圖以及第8C圖可以看出，只要霍爾元件有安裝公差，造成反電動勢與驅動電壓有相位差時，就會造成回授電流增加，並且造成直流無刷馬達的功率消耗，使得直流無刷馬達的效率變低。
由上所述，霍爾元件在安裝時或多或少與實際換相點都有誤差，而造成直流無刷馬達的功率消耗，使得直流無刷馬達的效率變低。因此提出了直流無刷馬達的驅動電壓之最佳相位微調方法。第9圖是直流無刷馬達的驅動電壓之最佳相位微調方法之流程圖。請參考第9圖，此方法包括下列步驟：
步驟S901：開始。
步驟S902：將此直流無刷馬達設定為驅動一穩定負載。一般來說，在開始進行相位修正前，必須讓負載穩定，取樣的結果才會準確。通常為了方便起見，此直流無刷馬達通常會被設定為空載狀態。
步驟S903：取樣直流無刷馬達之相位及其所對應的一電流值。一般來說，此步驟會對流過回授電阻的電流進行取樣。由於流過回授電阻的電流與馬達的功率消耗以及效率息息相關，因此，步驟S903取樣此電流，並且記錄流過回授電阻的電流值對驅動電壓的相位之間的關係。
步驟S904：對上述記錄的流過回授電阻的電流值對驅動電壓的相位之間的關係進行搜尋，以找出回授電阻的電流值之最小值，以及其對應的一偏移相位。請參考第10圖，第10圖是取樣後的驅動電壓與電器角度的關係圖。如第10圖所示，電器角度約在10度時，電流是最小值，因此偏移相位約設定在10度。
步驟S905：利用上述偏移相位，調整並修正第1~第N相第一開關以及第1~第N相第二開關的導通與截止時間。如此，便可以將相位領先10度，以提升直流無刷馬達的效率並降低功率消耗。
步驟S906：結束。
上述實施例係採用收集資料找出最小值的方法，此方法的缺陷是，當取樣數目不夠多或不夠準確時，仍會有些
微的誤差，在此實施例，用另一種方式進行相位修正，請參考第11圖，第11圖是直流無刷馬達的驅動電壓之最佳相位微調方法之流程圖。此方法包括下列步驟：
步驟S1101：開始。
步驟S1102：將此直流無刷馬達設定為驅動一穩定負載。一般來說，在開始進行相位修正前，必須讓負載穩定，取樣的結果才會準確。通常為了方便起見，此直流無刷馬達通常會被設定為空載狀態。
步驟S1103：取樣直流無刷馬達之相位及其所對應的一電流值。一般來說，此步驟會對流過回授電阻的電流進行取樣。由於流過回授電阻的電流與馬達的功率消耗以及效率息息相關，因此，步驟S1103取樣此電流，並且記錄流過回授電阻的電流值對驅動電壓的相位之間的關係。
步驟S1104：對上述記錄的流過回授電阻的電流值對驅動電壓的相位之間的關係，進行一曲線近似法，計算出該回授電阻的電流值與其對應的相位之一元二次方程式。
步驟S1105：對上述一元二次方程式進行微分獲得一極小值。第12圖是利用驅動電壓與電器角度的關係所做出一元二次方程式的坐標圖。請參考第12圖，利用曲線近似法可以獲得一個一元二次方程式1201如下：y
=0.0166x 2
+0.4561x
+8.1282.........EQ1
為了獲得極小值，對此曲線進行微分dy/dx
=0.0332x
+0.4561.........EQ2
另dy/dx
=0可以得到x
=-13.74
可以知道，霍爾訊號正緣落後13.74度電氣角，因此，電器角度在13.74度時，電流是最小值，因此偏移相位設定在領先13.74度。
步驟S1106：利用上述偏移相位，調整並修正第1~第N相第一開關以及第1~第N相第二開關的導通與截止時間。如此，便可以將相位領先13.74度，以提升直流無刷馬達的效率並降低功率消耗。
步驟S1107：結束。
上述第一實施例與第二時施例的方法，可以在馬達出廠前先進行最佳相位微調，或是使用者在使用時，進行線上的最佳相位微調。較需要注意的是，上述最佳相位微調方法須在穩定負載下，所調整的相位較為準確。一般最方便的情況是空載。
綜上所述，本發明之精神是在於利用收集電流值以及其所對應的相位值，並利用此兩者之間的關係，找出霍爾元件安裝公差所造成的相位偏移。之後，藉由此相位偏移，對於驅動馬達的驅動電壓之相位做調整，找出最佳的弦波電壓驅動相位使得馬達趨動時所耗的電流最小。
在較佳實施例之詳細說明中所提出之具體實施例僅用以方便說明本發明之技術內容，而非將本發明狹義地限制於上述實施例，在不超出本發明之精神及以下申請專利範圍之情況，所做之種種變化實施，皆屬於本發明之範圍。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
S901~S906‧‧‧本發明第一實施例的步驟
S1101~S1107‧‧‧本發明第二實施例的步驟
第1圖為先前技術的無刷馬達之剖面圖。
第2圖為先前技術的無刷馬達之結構圖。
第3圖是一三相六步直流無刷馬達的系統電路圖。
第4A圖、第4B圖以及第4C圖分別是當霍爾元件無安裝公差時，上述三相六步直流無刷馬達的驅動電壓波形圖。
第5A圖、第5B圖以及第5C圖分別是當反電動勢領先驅動電壓10度電氣角，上述三相六步直流無刷馬達的驅動電壓波形圖。
第6A圖、第6B圖以及第6C圖分別是當反電動勢落後驅動電壓10度電氣角，上述三相六步直流無刷馬達的驅動電壓波形圖。
第7A圖、第7B圖以及第7C圖分別是當反電動勢領先驅動電壓30度電氣角，上述三相六步直流無刷馬達的驅動電壓波形圖。
第8A圖、第8B圖以及第8C圖分別是當反電動勢落後驅動電壓30度電氣角，上述三相六步直流無刷馬達的驅動電壓波形圖。
第9圖是直流無刷馬達的驅動電壓之最佳相位微調方法之流程圖。
第10圖是取樣後的驅動電壓與電器角度的關係圖。
第11圖是直流無刷馬達的驅動電壓之最佳相位微調
方法之流程圖。
第12圖是利用驅動電壓與電器角度的關係所做出一元二次方程式的坐標圖。
S901~S906‧‧‧本發明第一實施例的步驟
Claims (9)
- 一種直流無刷馬達的驅動電壓之最佳相位微調方法，其中，該直流無刷馬達上配置有N個霍爾元件，且該直流馬達為N相直流馬達，具有N個線圈，對應N相，每一個線圈的第一端互相耦接，第I相線圈的第二端分別耦接一第I相第一開關的第二端以及一第I相第二開關的第一端，其中，該第I相第一開關的第一端耦接一電源電壓，該第I相第二開關的第二端耦接一回授電阻，其中，I為自然數且0<I<=N，此方法包括：當該直流無刷馬達驅動一穩定負載時，取樣該直流無刷馬達之相位及其所對應的一電流值，其中該電流值是流過該回授電阻的電流值；收集上述相位以及電流值的數據，並搜尋該回授電阻的電流值之最小值，以及其對應的一偏移相位；以及利用該偏移相位，調整並修正第1~第N相第一開關以及第1~第N相第二開關的導通與截止時間。
- 如申請專利範圍第1項所記載之直流無刷馬達的驅動電壓之最佳相位微調方法，其中該直流無刷馬達驅動該穩定負載的時間是該直流無刷馬達在工廠進行相位修正的時間。
- 如申請專利範圍第1項所記載之直流無刷馬達的驅動電壓之最佳相位微調方法，其中一使用者將該直流無 刷馬達設定為一相位修正模式時，該直流無刷馬達驅動一穩定負載，並開始取樣該直流無刷馬達之相位及其所對應的一電流值。
- 如申請專利範圍第1項所記載之直流無刷馬達的驅動電壓之最佳相位微調方法，其中該穩定負載為空載。
- 一種直流無刷馬達的驅動電壓之最佳相位微調方法，其中，該直流無刷馬達上配置有N個霍爾元件，且該直流馬達為N相直流馬達，具有N個線圈，對應N相，每一個線圈的第一端互相耦接，第I相線圈的第二端分別耦接一第I相第一開關的第二端以及一第I相第二開關的第一端，其中，該第I相第一開關的第一端耦接一電源電壓，該第I相第二開關的第二端耦接一回授電阻，其中，I為自然數且0<I<=N，此方法包括：當該直流無刷馬達驅動一穩定負載時，取樣該直流無刷馬達之相位及其所對應的一電流值，其中該電流值是流過該回授電阻的電流值；收集上述相位以及電流值的數據，透過一曲線近似法，計算出該回授電阻的電流值與其對應的相位之一元二次方程式；對該一元二次方程式進行微分獲得一極小值；以及將該極小值作為一偏移相位，利用該偏移相位，調整並修正第1~第N相第一開關以及第1~第N相第二開關 的導通與截止時間。
- 如申請專利範圍第5項所記載之直流無刷馬達的驅動電壓之最佳相位微調方法，其中該直流無刷馬達驅動該穩定負載的時間是該直流無刷馬達在工廠進行相位修正的時間。
- 如申請專利範圍第5項所記載之直流無刷馬達的驅動電壓之最佳相位微調方法，其中一使用者將該直流無刷馬達設定為一相位修正模式時，該直流無刷馬達驅動該穩定負載，並開始取樣該直流無刷馬達之相位及其所對應的一電流值。
- 如申請專利範圍第5項所記載之直流無刷馬達的驅動電壓之最佳相位微調方法，其中該曲線近似法為一最小平方誤差近似法。
- 如申請專利範圍第5項所記載之直流無刷馬達的驅動電壓之最佳相位微調方法，其中該穩定負載為空載。
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