TWI484748B - 電動機轉子之角度估測裝置及方法 - Google Patents

Description

電動機轉子之角度估測裝置及方法

本揭露係關於一種電動機轉子角度之估測技術，詳而言之，係關於一種電動機轉子之角度估測裝置及方法。

近年來，業界持續發展中、低功率等級(3~15kW)的電動載具，由於電動載具上的電池裝置空間有限，因此開發廠商希望能使用高階的永磁電動機控制技術來提高電動機的驅動效率，以達到省能、節能的功效並延長電池單次的使用時間，相對地，在永磁電動機的製造方面，開發廠商卻又希望將製作成本降至最低以提昇產品的價格競爭優勢，因此出現電動機驅動性能與電動機製作成本無法並存的技術困難。

在永磁電動機的控制領域中，常見安裝於永磁電動機上的轉子角度感測器有霍爾感測器、編碼器以及解角器三種，其中，霍爾感測器的成本最低且容易安裝，但霍爾感測器所提供之轉子角度解析度較低，故採用霍爾感測器僅能以方波控制技術來驅動永磁電動機，其控制性能較差。另一方面，編碼器以及解角器雖然可提供較高解析度的轉 子角度訊號，但編碼器及解角器的成本卻較霍爾感測器高出許多。

再者，由於霍爾感測器所輸出者為低解析度的電動機轉子角度訊號，因此電動機驅控器無法利用該角度訊號進行高性能的電動機控制技術，導致電動機的輸出性能無法發揮。然而，若使用解角器或編碼器所產生之高解析度的轉子角度訊號，雖然可以提昇電動機的輸出性能，但是卻無法降低電動機的製作成本，因此造成性能與成本考量無法平衡。

因此，如何達到電動機的高驅動性能與低製作成本，是為目前電動機的控制領域中亟待解決之議題。

一種電動機轉子之角度估測裝置，係接收至少一霍爾訊號，該電動機轉子之角度估測裝置包括：處理電路，係接收並處理該至少一霍爾訊號以產生並輸出脈波訊號；校正角度產生器，係耦接該處理電路，用以依據該脈波訊號對該至少一霍爾訊號進行取樣以產生並輸出校正角度；初估角度產生器，係耦接該處理電路，用以對該脈波訊號進行計算以產生並輸出初估角度；誤差角度產生模組，係耦接該校正角度產生器及該初估角度產生器，用以對該校正角度及該初估角度進行誤差運算，以產生並輸出積分誤差角度及比例誤差角度；補償運算器，係耦接該誤差角度產生模組，用以依據該脈波訊號及一控制訊號對該積分誤差角度及比例誤差角度進行補償運算，以對應該控制訊號而 逐次產生並輸出相應的補償運算值；以及轉子角度產生模組，係耦接該補償運算器、該誤差角度產生模組及該初估角度產生器，用以判斷該相應的補償運算值之極性以產生判斷值，並結合該判斷值與該比例誤差角度以產生補償角度，再結合該補償角度與初估角度以產生並輸出轉子角度，其中，該補償運算器依據該脈波訊號對該積分誤差角度與該比例誤差角度進行補償運算以產生補償運算值，且將所產生的補償運算值輸出至該轉子角度產生模組及回饋至該補償運算器，再將回饋的補償運算值逐次與該比例誤差角度進行補償運算直到所產生之補償運算值為零為止。

一種電動機轉子之角度估測方法係包括以下步驟：(1)接收並處理至少一霍爾訊號以產生脈波訊號；(2)依據該脈波訊號對該至少一霍爾訊號進行取樣以產生校正角度，以及對該脈波訊號進行計算以產生初估角度；(3)對該校正角度與該初估角度進行誤差運算以產生積分誤差角度及比例誤差角度；(4)依據該脈波訊號及一控制訊號對該積分誤差角度與該比例誤差角度進行補償運算，以對應該控制訊號而逐次產生相應的補償運算值；(5)判斷該相應的補償運算值之極性以產生判斷值；以及(6)結合該判斷值與該比例誤差角度以產生補償角度，再結合該補償角度與該初估角度以產生轉子角度。

本揭露之電動機轉子角度估測的裝置與方法可輸出一高解析度的轉子角度的訊號，而電動機驅控器使用此高解析度的轉子角度訊號時，便能進一步地以高階的電動機 控制技術來驅動電動機。如此使得電動機驅動性能以及電動機製作成本可以被同時兼顧，進而提昇電動機驅動器的產品競爭優勢。

10‧‧‧霍爾感測器

11‧‧‧處理電路

12‧‧‧校正角度產生器

13‧‧‧初估角度產生器

14‧‧‧誤差角度產生模組

141‧‧‧第一減法器

142‧‧‧積分器

143‧‧‧比例電路

15‧‧‧補償運算器

16‧‧‧轉子角度產生模組

161‧‧‧極性判斷電路

162‧‧‧乘法器

163‧‧‧第二減法器

θ_c ‧‧‧補償角度

θ_cal ‧‧‧校正角度

θ_err ‧‧‧誤差角度

θ_est ‧‧‧初估角度

θ_r ‧‧‧轉子角度

θ_serr ‧‧‧積分誤差角度

k θ_serr ‧‧‧比例誤差角度

S201至S206‧‧‧步驟

第1圖為本揭露之電動機轉子之角度估測裝置之方塊圖；第2圖為本揭露之電動機轉子之角度估測裝置之電路示意圖；第3圖為本揭露之電動機轉子之角度估測方法之流程示意圖；第4圖為比較先前技術與本揭露之電動機轉子之角度估測裝置及方法的轉子角度之示意圖；以及第5圖為輸入的霍爾訊號及輸出的轉子角度訊號之實驗結果。

以下係藉由特定的實施例說明本揭露之實施方式，熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本揭露之其他特點與功效。本揭露亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用。

請參閱第1和2圖，第1圖為本揭露之電動機轉子之角度估測裝置的基本構件方塊圖，而第2圖為本揭露之電動機轉子之角度估測裝置的電路示意圖。

如第1圖所示，本揭露之電動機轉子之角度估測裝置係包括處理電路11、校正角度產生器12、初估角度產生器 13、誤差角度產生模組14、補償運算器15及轉子角度產生模組16。如第2圖所示，誤差角度產生模組14還包括第一減法器141、積分器142及比例電路143，轉子角度產生模組16還包括極性判斷電路161、乘法器162及第二減法器163。

至少一霍爾感測器10係安裝於電動機上以感測轉子的角度並輸出至少一霍爾訊號。

處理電路11，例如為數位微分電路，可接收並處理至少一霍爾訊號以產生並輸出脈波訊號。所輸出之脈波訊號可作為校正角度產生器12對至少一霍爾訊號的取樣觸發。

校正角度產生器12耦接處理電路11，且依據處理電路11所輸出之脈波訊號對該至少一霍爾訊號進行取樣，以產生並輸出校正角度θ_cal ，此校正角度θ_cal 可視為對該至少一霍爾訊號取樣當下的轉子的實際角度。

初估角度產生器13耦接處理電路11，且對處理電路11所輸出之脈波訊號進行計算以產生並輸出初估角度θ_est ，其中，初估角度產生器13對該脈波訊號所進行的計算為內插計算。

誤差角度產生模組14耦接校正角度產生器12及初估角度產生器13，並對校正角度θ_cal 及初估角度θ_est 進行誤差運算，以產生並輸出積分誤差角度θ_serr 及比例誤差角度k θ_serr ，其中，第一減法器141耦接校正角度產生器12及初估角度產生器13以將校正角度θ_cal 與初估角度θ_est 相減而產生誤差角度θ_err ，積分器142對誤差角度θ_err 執行積 分運算以產生積分誤差角度θ_serr ，比例電路143再對積分誤差角度θ_serr 乘上一比例值k(介於0~1之間)以產生比例誤差角度k θ_serr 。

補償運算器15耦接誤差角度產生模組14，即耦接積分器142和比例電路143，補償運算器15可依據該脈波訊號及一控制訊號(如：PWM控制訊號)對積分誤差角度θ_serr 及比例誤差角度k θ_serr 進行補償運算，以對應該控制訊號而逐次產生並輸出相應的補償運算值。詳而言之，補償運算器15依據該脈波訊號對積分誤差角度θ_serr 與比例誤差角度k θ_serr 進行補償運算以產生補償運算值，且將所產生的補償運算值輸出至轉子角度產生模組16及回饋至補償運算器15，再將所回饋的補償運算值隨著該控制訊號的觸發，逐次與比例誤差角度k θ_serr 進行補償運算直到所產生之補償運算值為零為止。

例如：設定比例值k為0.1，假設積分誤差角度θ_serr 為10，則比例誤差角度k θ_serr 為1，補償運算器15依據脈波訊號的觸發，將積分誤差角度θ_serr 減比例誤差角度k θ_serr 產生補償運算值，即10-1=9，而補償運算值(9)回饋至補償運算器15，再依據控制訊號的觸發將補償運算值減比例誤差角度k θ_serr ，即9-1=8。補償運算器15每次輸出的補償運算值皆會回饋回來，而於收到控制訊號的觸發時便執行將回饋的補償運算值減比例誤差角度k θ_serr 的運算，亦即，8-1=7，7-1=6，…，直到所運算出的補償運算值為零為止。

轉子角度產生模組16耦接補償運算器15、誤差角度產生模組14及初估角度產生器13，其中，極性判斷電路161耦接補償運算器15，且判斷該補償運算值的極性以產生一判斷值，於判斷該補償運算值的極性等於零時輸出第一判斷值而於判斷該補償運算值的極性不等於零時輸出第二判斷值。乘法器162耦接極性判斷電路161及比例電路143，且將該第一數值或該第二數值之其中一者與比例誤差角度k θ_serr 相乘以產生並輸出補償角度θ_c 。第二減法器163耦接乘法器162及初估角度產生器13，且將初估角度θ_est 減去補償角度θ_c 以產生轉子角度θ_r 。

例如：承上述之範例，對補償運算值(9)執行極性判斷，其值不為零故輸出第二判斷值(1)，則乘法器162將比例誤差角度k θ_serr 乘以第二判斷值產生補償角度θ_c ，即1×1=1，初估角度θ_est 再減去補償角度θ_c (1)以產生轉子角度θ_r 。由於補償運算器15隨控制訊號的觸發而逐次將所回饋的補償運算值與比例誤差角度k θ_serr 相減_， 極性判斷電路161亦逐次判斷補償運算器15所輸出之補償運算值的極性，直到判斷其極性為零而輸出第一判斷值(0)時，表示此次的積分誤差角度θ_serr 已分批修正完畢.

接著請參閱第3圖，概略繪示本揭露電動機轉子之角度估測方法之流程圖。

於步驟S201中，接收並處理至少一霍爾訊號以產生脈波訊號。於步驟S202中，依據該脈波訊號對該至少一霍爾訊號進行取樣以產生校正角度，以及對該脈波訊號進行計 算以產生初估角度。於步驟S203中，對該校正角度與該初估角度進行誤差運算以產生積分誤差角度及比例誤差角度。於步驟S204中，依據該脈波訊號及一控制訊號對該積分誤差角度與該比例誤差角度進行補償運算，以對應該控制訊號而逐次產生相應的補償運算值。於步驟S205中，判斷該相應的補償運算值之極性以產生判斷值。於步驟S206中，結合該判斷值與該比例誤差角度以產生補償角度，再結合該補償角度與該初估角度以產生轉子角度。

此外，步驟S204包括以下步驟：依據該脈波訊號對該積分誤差角度與該比例誤差角度進行補償運算以產生補償運算值；以及令該補償運算值逐次與該比例誤差角度進行補償運算直到所產生之補償運算值為零為止。

此外，步驟S205包括以下步驟：於判斷該補償運算值的極性等於零時輸出第一判斷值，於判斷該補償運算值的極性不等於零時輸出第二判斷值。

因此，由第1和2圖所示之電動機轉子之角度估測裝置及第3圖所示之電動機轉子之角度估測方法可知，校正角度θ_cal 代表的是該霍爾訊號取樣當下的轉子的實際角度，而初估角度θ_est 代表的是以內插法估測轉子角度的結果，兩者有一誤差角度θ_err ，藉由本揭露之電動機轉子之角度估測裝置及方法，可產生高解析度的轉子角度θ_r (第4圖中以實線表示)。由於本揭露係將積分誤差角度θ_serr 藉由比例誤差角度k θ_serr 而分批逐次修正，故所產生之轉子角度(實線)乃以緩和的方式趨向該實際角度(此為以其他 高解析之感測器所量測者，第4圖中以虛線表示)。反觀習知技術，如第4圖所示，其係將兩者之間的誤差角度直接校正，如此可能會導致控制性能不穩。

再者，請參閱第5圖，其表示本揭露電動機轉子之角度估測裝置及方法之實驗結果，第一頻道為輸入之霍爾訊號，第二頻道為藉由本揭露電動機轉子之角度估測裝置及方法所輸出之轉子角度的訊號，由此可知，本揭露電動機轉子之角度估測裝置及方法可輸出高解析度之轉子角度的訊號。

綜上所述，藉由本揭露之電動機轉子之角度估測裝置及方法，將電動機轉子的校正角度與初估角度之間的差值，即上述之積分誤差角度θ_serr ，利用比例誤差角度k θ_serr 經極性判斷電路之判斷及控制訊號之觸發而分批逐次修正，而非一次直接修正，藉此得到穩定及高解析度之轉子角度的訊號。

上述實施例僅例示性說明本揭露之原理及其功效，而非用於限制本揭露。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本揭露之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，本揭露之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

11‧‧‧處理電路

12‧‧‧校正角度產生器

13‧‧‧初估角度產生器

14‧‧‧誤差角度產生模組

15‧‧‧補償運算器

16‧‧‧轉子角度產生模組

Claims (10)

1. 一種電動機轉子之角度估測裝置，係接收至少一霍爾訊號，該電動機轉子之角度估測裝置包括：處理電路，係接收並處理該至少一霍爾訊號以產生並輸出脈波訊號；校正角度產生器，係耦接該處理電路，用以依據該脈波訊號對該至少一霍爾訊號進行取樣以產生並輸出校正角度；初估角度產生器，係耦接該處理電路，用以對該脈波訊號進行計算以產生並輸出初估角度；誤差角度產生模組，係耦接該校正角度產生器及該初估角度產生器，用以對該校正角度及該初估角度進行誤差運算，以產生並輸出積分誤差角度及比例誤差角度；補償運算器，係耦接該誤差角度產生模組，用以依據該脈波訊號及一控制訊號對該積分誤差角度及比例誤差角度進行補償運算，以對應該控制訊號而逐次產生並輸出相應的補償運算值；以及轉子角度產生模組，係耦接該補償運算器、該誤差角度產生模組及該初估角度產生器，用以判斷該相應的補償運算值之極性以產生判斷值，俾結合該判斷值與該比例誤差角度以產生補償角度，再結合該補償角度與初估角度以產生並輸出轉子角度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電動機轉子之角度估測 裝置，其中，該補償運算器依據該脈波訊號對該積分誤差角度與該比例誤差角度進行補償運算以產生補償運算值，俾將所產生的補償運算值輸出至該轉子角度產生模組及回饋至該補償運算器，再將所回饋的補償運算值逐次與該比例誤差角度進行補償運算直到所產生之補償運算值為零為止。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電動機轉子之角度估測裝置，其中，該誤差角度產生模組包括：第一減法器，耦接該校正角度產生器及該初估角度產生器，用以將該校正角度及該初估角度相減以產生一誤差角度；積分器，耦接該第一減法器，用以將該誤差角度積分以產生該積分誤差角度；以及比例電路，耦接該積分器、該運算補償器及該轉子角度產生模組，用以將該積分誤差角度乘上一比例值以產生該比例誤差角度，俾輸出該比例誤差角度至該運算補償器、該轉子角度產生模組。
4. 如申請專利範圍第3項所述之電動機轉子之角度估測裝置，其中，該比例值係介於零至1之間。
5. 如申請專利範圍第3項所述之電動機轉子之角度估測裝置，其中，該轉子角度產生模組包括：極性判斷電路，係耦接該補償運算器，用以判斷該補償運算值的極性以產生一判斷值，俾於判斷該補償運算值的極性等於零時輸出第一判斷值，而於判斷 該補償運算值的極性不等於零時輸出第二判斷值；乘法器，係耦接該極性判斷電路及該比例電路，用以將該第一數值或該第二數值的其中一者與該比例誤差角度相乘以產生並輸出該補償角度；以及第二減法器，係耦接該乘法器及該初估角度產生器，用以將該初估角度減去該補償角度以產生並輸出該轉子角度。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電動機轉子之角度估測裝置，其中，該初估角度產生器對該脈波訊號所進行的計算為內插計算，以產生初估角度。
7. 如申請專利範圍第1項所述之電動機轉子之角度估測裝置，其中，該校正角度產生器接收該脈衝訊號以作為對該至少一霍爾訊號的取樣觸發，而該補償運算器接收該脈衝訊號以作為對該積分誤差角度的取樣觸發。
8. 一種電動機轉子之角度估測方法，係包括以下步驟：(1)接收並處理至少一霍爾訊號以產生脈波訊號；(2)依據該脈波訊號對該至少一霍爾訊號進行取樣以產生校正角度，以及對該脈波訊號進行計算以產生初估角度；(3)對該校正角度與該初估角度進行誤差運算以產生積分誤差角度及比例誤差角度；(4)依據該脈波訊號及一控制訊號對該積分誤差角度與該比例誤差角度進行補償運算，以對應該控制 訊號而逐次產生相應的補償運算值；(5)判斷該相應的補償運算值之極性以產生判斷值；以及(6)結合該判斷值與該比例誤差角度以產生補償角度，再結合該補償角度與該初估角度以產生轉子角度。
9. 如申請專利範圍第8項所述之電動機轉子之角度估測方法，其中，步驟(4)包括以下步驟：(4-1)依據該脈波訊號對該積分誤差角度與該比例誤差角度進行補償運算以產生補償運算值；以及(4-2)令該補償運算值逐次與該比例誤差角度進行補償運算直到所產生之補償運算值為零為止。
10. 如申請專利範圍第8項所述之電動機轉子之角度估測方法，其中，步驟(5)包括以下步驟：於判斷該補償運算值的極性等於零時輸出第一判斷值，於判斷該補償運算值的極性不等於零時輸出第二判斷值。