TWI485972B - 馬達轉子角度偵測模組及其方法 - Google Patents

Description

馬達轉子角度偵測模組及其方法

本發明是有關於一種永磁同步馬達轉子角度偵測模組及其方法，且特別是有關於一種藉由霍爾感測器將轉子磁極磁通量轉化為轉子角度值資訊之永磁同步馬達轉子角度偵測模組及其方法。

永磁式同步馬達具有節省能源、體積小與容易控制的特性，而上述特性愈來愈符合現今之工業需求，故永磁式同步馬達已逐漸被市場接受並大量應用於工業應用。永磁式同步馬達需要偵測其轉子角度或位置，驅動器才可送出適當的切換訊號，藉此切換訊號令電源提供相應的電壓進行驅動控制；一般在進行馬達換相之驅動控制時，需要利用高精密的編碼器作為偵測器，用以偵測轉子角度做為回授訊號，但編碼器不僅價格昂貴、結構脆弱且配線複雜，於實際應用上易有雜訊干擾的缺點。另外則有成本較便宜之偵測器，例如利用霍爾電流感測器(Hall-effect sensor)來提供永磁式同步馬達轉子換相及轉速之依據，霍爾電流感測器不僅可達成速度控制及換相要求，更可簡化馬達控制方式且降低成本。

請參閱第1圖為習知應用例，係利用一解析度為60度電氣角之數位霍爾元件量測轉子位置資訊，藉此獲得馬達轉動後所產生之粗略轉子位置資訊。由於上述馬達採六步方波(Six Step Trapezoidal)相電流控制驅動，其產生之扭力 具有較大轉矩漣波(Torque Ripple)而無法對馬達進行精密控制。因此，另有使用成本差異不大之線性霍爾元件取代數位霍爾元件，用以作為偵測轉子位置資訊之習知應用，藉此產生接近弦波之類比訊號，用以提高霍爾訊號之角度解析精密度。

請參閱第2圖為習知一線性霍爾元件應用例，設置兩顆相位差90度電氣角之線性霍爾元件，透過線性霍爾元件所輸出霍爾訊號之三角函數關係解得馬達轉子位置。然因線性霍爾元件輸出訊號依然非為純弦波，解得之馬達轉子角度仍較實際之馬達轉子角度存在較大誤差。

另請參閱第3圖為習知另一線性霍爾元件應用例，使用三顆線性霍爾元件之輸出訊號，進行馬達三相弦波電流命令，藉此弦波電流控制馬達轉向及轉速。由於上述採用弦波電流控制，其轉矩漣波較使用上述數位霍爾元件者小，然而線性霍爾元件輸出訊號之波形不完美，導致馬達控制精度不佳。

綜觀上述應用例可知，考量馬達及其偵測轉子系統之成本、可靠性與精密度，利用線性霍爾元件偵測轉子角度值仍為較適合之解決方案。然而為了提高其轉子角度值解析精度，須針對線性霍爾元件輸出訊號之不完美波形進行修正，使其更符合實際轉子角度值。

因此，本發明提出簡單而有效之技術修正處理線性霍爾元件輸出訊號，消除訊號波形具有之諧波，藉此轉化出 更精確之永磁同步馬達轉子角度資訊。

本發明之一結構態樣之一實施方式是在提供一種馬達轉子角度偵測模組，其包含一永磁同步馬達、三線性霍爾元件以及一處理裝置。永磁同步馬達包含一定子及一轉子；三線性霍爾元件被設於定子，且各線性霍爾元件相間隔120度電氣角之間距，藉此各線性霍爾元件可量測轉子之磁場位置。各線性霍爾元件輸出一類比訊號，類比訊號具有一磁飽和之三次諧波；處理裝置電性連接各線性霍爾元件，且處理裝置優化類比訊號並產生一平均轉子角度值。

依據本發明一實施例，上述線性霍爾元件輸出之類比訊號各相差120度相位。永磁同步馬達具有三相反電動勢，各類比訊號分別落後相對之各相反電動勢20至40度相位，其中各類比訊號可落後相對之各相反電動勢30度相位。各類比訊號具有一基頻波，且各類比訊號之磁飽和之三次諧波可為基頻波之5%至40%。定子及轉子間具有一氣隙，線性霍爾元件及轉子之間具有一距離，距離可等於氣隙之長度，或距離可大於氣隙約0.01mm至1mm。其中處理裝置包含一優化器用以優化各類比訊號並產生一平均轉子角度值，優化器可包含一濾波單元、一轉換單元以及一平均單元，濾波單元濾除磁飽和之三次諧波並輸出一相對類比訊號；轉換單元轉換各相對類比訊號並輸出一轉子角度值；平均單元接收各轉子角度值並產生平均轉子角度值。上述馬達轉子角度偵測模組更包含一電源開關裝置，輸出一控制訊號控制永磁同步馬達。上述馬達轉子角度偵測模組更包含一微分器、一速度控制器、一電流感測器、 一電流控制器以及一脈波寬度調變器；微分器微分平均轉子角度值並輸出一轉子轉速；速度控制器接收轉子轉速並輸出一電流參考命令；電流感測器感測控制訊號並輸出一回授電流；電流控制器接收回授電流、平均轉子角度值及電流參考命令並輸出一馬達責任週期；脈波寬度調變器接收馬達責任週期並回饋開關訊號至電源開關模組。電源開關模組包含一電源、一穩壓器以及六電晶體；電源輸出一電壓；穩壓器連接電源，用以穩定電壓；六電晶體接收開關訊號及電壓並輸出控制訊號。

本發明之一方法態樣是在提供一種馬達轉子角度偵測方法，其一實施方式的步驟包含：提供具有一定子及一轉子之一永磁同步馬達；依120度電氣角間距設置三線性霍爾元件於定子；連接一處理裝置與各線性霍爾元件；使各線性霍爾元件輸出具有一磁飽和三次諧波之一類比訊號至處理模組；以及使處理裝置優化各類比訊號並產生一平均轉子角度值。

根據本發明方法態樣的一實施例，其中，使處理裝置優化類比訊號並產生一平均轉子角度值步驟內更包含：濾除磁飽和三次諧波並輸出一相對類比訊號；轉換各相對類比訊號輸出一轉子角度值；以及平均各轉子角度值並輸出平均轉子角度值。上述馬達轉子角度偵測方法更包含：使處理裝置優化平均轉子角度值，並回饋一開關訊號；以及提供一電源開關裝置接收開關訊號，且電源開關裝置輸出一控制訊號控制永磁同步馬達。其中，使處理裝置優化平均轉子角度值，並回饋一開關訊號步驟更包含：感測控制 訊號並輸出一回授電流；優化各類比訊號並產生一平均轉子角度值；微分轉子角度值並輸出一轉子轉速；接收轉子轉速並輸出一電流參考命令；接收一轉速命令、回授電流、轉子角度值及電流參考命令並輸出一馬達責任週期；以及接收馬達責任週期並回饋開關訊號。上述線性霍爾元件輸出之類比訊號各相差120度相位。永磁同步馬達更具有三相反電動勢，使各類比訊號分別落後相對之各相反電動勢20至40度相位，其中各類比訊號可分別落後相對之各相反電動勢30度。各類比訊號具有一基頻波，且各類比訊號之磁飽和之三次諧波為基頻波之5%至40%。線性霍爾元件及轉子之間具有一距離，且定子及轉子間距離一氣隙，使距離等於氣隙之長度；或使距離大於氣隙之長度0.01mm至1mm。

本發明之結構態樣之另一實施方式是在提供一種馬達轉子角度偵測模組，裝設於一永磁同步馬達。馬達轉子角度偵測模組包含一磁盤以及一偵測裝置，磁盤設於永磁同步馬達，且永磁同步馬達帶動磁盤轉動。偵測裝置相對應磁盤設於永磁同步馬達，偵測裝置包含三線性霍爾元件及一處理器，各線性霍爾元件相間隔120度電氣角間距，線性霍爾元件量測永磁同步馬達之轉子磁場位置後輸出一類比訊號，各類比訊號具有一磁飽和之三次諧波。處理器電性連接線性霍爾元件，處理裝置優化各類比訊號並產生一平均轉子角度值。

根據本發明結構態樣的另一實施例，其中更包含一輸出件、一外盒及一連結軸，其中輸出件連接處理器，輸出 件用以將平均轉子角度值輸出至一外部裝置。外盒裝設於永磁同步馬達，外盒裝載磁盤及偵測裝置，藉此可方便拆卸馬達轉子角度偵測模組。連結軸設於外盒，連結軸用以連結永磁同步馬達及磁盤，使永磁同步馬達帶動磁盤。上述線性霍爾元件輸出之類比訊號各相差120度相位。線性霍爾元件及磁盤之間具有一距離，各類比訊號具有一基頻波，且線性霍爾元件及磁盤之距離使各類比訊號之磁飽和之三次諧波為基頻波之5%至40%。其中處理器包含一優化件，用以優化各類比訊號並產生一平均轉子角度值，優化器可包含一濾波單元、一轉換單元以及一平均單元，濾波單元濾除磁飽和之三次諧波並輸出一相對類比訊號；轉換單元轉換各相對類比訊號並輸出一轉子角度值；平均單元接收各轉子角度值並產生平均轉子角度值。

本發明安裝三線性霍爾元件於永磁同步馬達之定子處，並利用濾波、轉換及平均等手段優化霍爾元件輸出之霍爾訊號，將轉子磁極磁通量轉化為轉子角度值資訊，藉此以較精準之轉子角度值資訊對永磁同步馬達進行換向控制。此外，三線性霍爾元件可與處理器整合為一偵測裝置，搭配一磁盤裝設於永磁同步馬達形成一馬達轉子角度偵測模組，藉此即可方便地拆卸裝設馬達轉子角度偵測模組。

請參照第4圖，其繪示依照本發明一實施方式的一種馬達轉子角度偵測應用系統之方塊圖。馬達轉子角度偵測應用系統係包含一永磁同步馬達100、一電源開關模組 200、三線性霍爾元件300、一電流感測器400以及一處理模組500。

請同時參照第5圖，其係繪示類比線性霍爾元件300裝設於永磁同步馬達100之立體局部剖視圖。永磁同步馬達100包含一定子110及一轉子120，定子110及轉子120間具有一氣隙d。本實施方式中，永磁同步馬達100為一軸向氣隙式結構，在此不限定永磁同步馬達100為軸向氣隙式結構，也可以是徑向氣隙式結構。轉子120中心凸設有一軸121，軸121位於環設之定子110中心，且轉子120相對定子110作自體旋轉。

電源開關模組200電性連接永磁同步馬達100，電源開關模組200包含一電源210、一穩壓器220以及六電晶體230。電源開關模組200之電晶體230接收電源210提供之穩定直流電後，電晶體230輸出控制訊號A，用以驅動控制永磁同步馬達100。

三線性霍爾元件300各依間隔120度電氣角間距被設於定子110側，由第5圖可知線性霍爾元件300距離轉子120長度等於氣隙d，但本發明不限定於線性霍爾元件300距離轉子120長度等於氣隙d，線性霍爾元件300與轉子120距離可大於氣隙d約0.01mm至1mm。線性霍爾元件300量測轉子120之磁場位置，且各線性霍爾元件300各輸出一類比訊號B，藉此得知轉子120之角度資訊，用以作為永磁同步馬達100換向及換速控制之依據。其中三線性霍爾元件300安裝於定子110側時，盡量貼近轉子120之磁極，藉此三線性霍爾元件300輸出之各類比訊號B因 貼近轉子120磁極，故而達到磁飽和而富含三次諧波。

電流感測器400感測電晶體230輸送至永磁同步馬達100之控制訊號A並輸出一回授電流I，與上述類比訊號B同樣作為永磁同步馬達100換向及換速控制之依據。

處理模組500電性連接電源開關模組200、線性霍爾元件300及電流感測器400。處理模組500包含一優化器510、一微分器520、一速度控制器530、一電流控制器540、一脈波寬度調變器550、一類比數位轉換介面560及一數位輸出介面570。優化器510包含一濾波單元511、一轉換單元512以及一平均單元513，濾波單元511連接線性霍爾元件300，濾波單元511接收各類比訊號B並濾除類比訊號B中之磁飽和三次諧波並輸出一相對類比訊號C；轉換單元512連接濾波單元511，轉換單元512轉換各相對類比訊號C並輸出一轉子角度值D；平均單元513連接轉換單元512，平均單元513將各轉子角度值D作平均計算並輸出一平均轉子角度值E。微分器520連接平均單元513，微分器520微分平均轉子角度值E並輸出一轉子轉速F；速度控制器530接收轉子轉速F及一轉速命令G並輸出一電流參考命令H；電流控制器540連接類比數位轉換介面560、微分器520及速度控制器530，且類比數位轉換介面560連接電流感測器400，藉此電流控制器540接收回授電流I、平均轉子角度值E及電流參考命令H並輸出一馬達責任週期J；脈波寬度調變器550連接電流控制器540及數位輸出介面570，且數位輸出介面570連接電源開關模組200，藉此脈波寬度調變器550接收馬達責任週期J 並回饋一開關訊號K，開關訊號K經數位輸出介面570輸出至電源開關模組200。其中轉速命令G係可利用軟體方式或硬體方式輸入。

請參照第6圖及第7圖，其係繪示本發明另一實施方式的一種馬達轉子角度偵測模組之側視圖及示意圖。馬達轉子角度偵測模組包含一外盒600、一磁盤700、一偵測裝置800及一輸出件900。

外盒600裝設於一永磁同步馬達(未圖示)外部，且外盒600穿設有一連接軸610，連結軸610用以連結永磁同步馬達(未圖示)。磁盤700相對應永磁同步馬達設於外盒600內，且連接軸610連結磁盤700及永磁同步馬達，使永磁同步馬達帶動磁盤700轉動。偵測裝置800靠近磁盤700設於外盒600上，其中偵測裝置800包含三線性霍爾元件300及一處理晶片810，線性霍爾元件300如上個實施方式般，各線性霍爾元件300相間隔120度電氣角間距排列設置於外盒600上，且設置時盡量靠近磁盤700，使線性霍爾元件300感測之訊號因磁飽和富含三次諧波。處理晶片810設於外盒600上，處理晶片810包含一處理模組(未圖示)，將上個實施方式(第4圖)之處理模組整合成一電路晶片，且處理晶片810電性連接各線性霍爾元件300。輸出件900設於外盒600上，且輸出件900電性連接處理晶片810。

本實施方式中，永磁同步馬達啟動後藉由連結軸610帶動磁盤700旋轉，而線性霍爾元件300由於貼近磁盤700，故而在磁飽和效應下，線性霍爾元件300所感測之訊 號富含三次諧波，如上個實施方式般藉由處理晶片810將線性霍爾元件300感測之訊號濾除磁飽和之三次諧波，並產生永磁同步馬達之平均轉子角度值。輸出件900用以將平均轉子角度值輸出至一外部裝置，此外部裝置可為上個實施方式之電源開關模組，以平均轉子角度值作為控制永磁同步馬達之依據資訊。此外，外盒600裝載磁盤700及偵測裝置800，藉此可方便拆卸馬達轉子角度偵測模組。本實施方式不限定將線性霍爾元件300感測之訊號濾除磁飽和之三次諧波之裝置為處理晶片810，處理晶片810亦可為一硬體電路，本技術領域之通常知識者可推知達成此功效之技術手段皆可。

請參照第8圖，其係繪示本發明一實施方式的一種馬達轉子角度偵測應用系統之流程圖，應用上述第4圖馬達轉子角度偵測模組，其步驟包含：使電源開關模組200輸出控制訊號A，用以運轉永磁同步馬達100；使線性霍爾元件300輸出具有磁飽和三次諧波之類比訊號B；使電流感測器400感測控制訊號A並輸出回授電流I；使處理模組500接收類比訊號B並濾除磁飽和之三次諧波並輸出相對類比訊號C；轉換各相對類比訊號C並輸出轉子角度值D；接收各轉子角度值D並輸出平均轉子角度值E；微分平均轉子角度值E並輸出轉子轉速F；接收轉子轉速F及轉速命令G並輸出電流參考命令H；接收回授電流I、轉子角度值G及電流參考命令H並輸出馬達責任週期J；接收馬達責任週期J並回饋開關訊號K；以及使電源開關模組200輸出控制訊號A。

請參照第9圖及第10圖，其係繪示依照本發明一實施方式的一種馬達轉子角度偵測應用系統之示意圖及優化器510之示意圖。

電源210提供一直流電流I _DC ，且電源210並聯穩壓器220及電晶體230，而穩壓器220具有穩壓直流電流I _DC 之功效，電晶體230接收穩定之直流電流I _DC 後經脈波寬度調變後，將直流之大電壓轉換為三相交流形式，藉此產生三相電流I _u 、I _v 及I _w ，用以驅動控制永磁同步馬達100。

控制永磁同步馬達100之三相電流I _u 、I _v 及I _W 經電流感測器400感知，並經類比數位轉換介面560輸入處理模組500中之電流控制器540，藉此提供三相回授電流、及。

線性霍爾元件300量測轉子120之磁場位置並輸出類比訊號V _U 、V _V 及V _W 至處理模組500，其中類比訊號V _U 、V _V 及V _W 與轉子120磁極磁通量成正比。

處理模組500接收類比訊號V _U 、V _V 及V _W 解得轉子120之電氣角度θ _e 。一方面將轉子120之電氣角度θ _e 輸入微分器520產生馬達轉速資訊ω _e ，並配合馬達轉速命令由速度控制器530產生三相電流參考命令I ^* ；另一方面將轉子120之電氣角度θ _e 輸入電流控制器540，提供三相回授電流、及控制永磁同步馬達100所需之角度資訊，且電流控制器540產生適當之三相電壓工作責任比d _u 、d _v 及d _w 輸入脈波寬度調變器550。脈波寬度調變器550接收三相電壓工作責任比d _u 、d _v 及d _w 經數位輸出介面570輸出功率開關驅動訊號，用以控制電晶體230之開關行為，藉此控制 永磁同步馬達100之換向及換速作動。

本實施方式中，處理模組500之功效作用可使用硬體或軟體手段達到。請參照第11A及第11B圖，其係繪示線性霍爾元件輸出之訊號圖及頻譜圖，上述優化器中所接收之類比訊號V _U 、V _V 及V _W ，約含有基頻22.4%之三次諧波成分，以傅立葉級數展開可表示如下：

其中V_dc 為直流成份。由於三個類比訊號V _U 、V _V 及V _W 各差電氣角120度且存在直流成分，因此可仿效三相系統以取出線電壓方式消除三次諧波與直流成分，即藉由硬體或軟體手段將類比訊號V _U 、V _V 及V _W 兩兩相減得近弦波輸出之相對類比訊號V _UV 、V _VW 及V _WU ，其傳立葉級數展開如下：V _UV =V _U -V _V 所得實施應用結果中，相對類比訊號V _UV 、V _VW 及V _WU 之訊號圖及其頻譜圖如第12A及第12B圖所示，大部分三次諧波 成分已被消除而僅剩4.7%。

上述消除三次諧波過程將使線性霍爾元件輸出之類比訊號V _U 、V _V 及V _W 相位相比永磁同步馬達相反電動勢前移30度電氣角，故三個線性霍爾元件安裝時需刻意相對永磁同步馬達相反電動勢後移30度電氣角，用以補償此處之角度偏移量。

請參閱第13圖為類比訊號V _U 、V _V 、V _W 及相對類比訊號V _UV 、V _VW 、V _WU 以及永磁同步馬達之相反電動勢emf _U 、emf _V 及emf _W 之波形關係。由於上述補償角度偏移量後，相對類比訊號V _UV 、V _VW 及V _WU 與永磁同步馬達之相反電動勢emf _U 、emf _V 及emf _W 同相位，藉此可得知正確之轉子絕對角度。

線性霍爾元件輸出之類比訊號V _U 、V _V 及V _W 透過濾波單元消除三次諧波，可得知與永磁同步馬達之相反電動勢emf _W 同相位，且為近弦波輸出之相對類比訊號V _UV 、V _VW 及V _WU 可表示如下：

相對類比訊號V _UV 、V _VW 及V _WU 透過轉換單元做反三角函數還原，得轉子之三個電氣角度如下： 一般情況下，上述所得轉子之三個電氣角度θ _u 、θ _v 及θ _w 應該相同，但為避免雜訊干擾並降低訊號諧波影響，故將此轉子之三個電氣角度θ _u 、θ _v 及θ _w 透過平均單元加以平均，藉此求得精準轉子之電氣角度θ _e ，其計算方法如下： 請參照第14圖，其係繪示轉子之電氣角度θ _u 、平均後之轉子之電氣角度θ _e 及編碼器(Encoder)之量測比較圖。透過平均單元平均轉子之三個電氣角度θ _u 、θ _v 及θ _w ，使得轉子之電氣角度θ _e 更接近精密之解碼器量測結果。

由上述本發明實施方式可知，應用本發明具有下列優點：

1.安裝三線性霍爾元件於定子時，各線性霍爾元件依照間隔120度電氣角設置，且刻意調整線性霍爾元件位置，使其輸出之類比訊號相差永磁同步馬達相反電動勢30度，藉此補償後續消除類比訊號之三次諧波手段造成之相位偏移。如此一來，類比訊號可形成一穩定類方波訊號，藉此降低線性霍爾元件對磁石強度、感測元件安裝位置、電樞反應及氣隙磁通溫度效應的敏感性。因此，本發明具有低成本與高精度特性，處理模組配合線性霍爾元件產生絕對角度資訊，適用於各種形式之永磁同步馬達。

2.處理模組將補償後之類比訊號去除大部分三次諧波後，可還原得知三個永磁同步馬達轉子磁極位置資訊，並對轉子角度值作平均計算，藉此提高轉子角度值資訊可靠度與精密度，並可精密地控制永磁同步馬達。

3.且本發明可將馬達轉子角度偵測模組整合製作於一電路晶片(或一硬體電路)，搭配一磁盤裝設於永磁同步馬達，藉此同樣可偵測永磁同步馬達之平均轉子角度值，且如此可方便地拆卸裝設馬達轉子角度偵測模組。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，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。

100‧‧‧永磁同步馬達

121‧‧‧軸

110‧‧‧定子

120‧‧‧轉子

200‧‧‧電源開關模組

210‧‧‧電源

220‧‧‧穩壓器

230‧‧‧電晶體

300‧‧‧線性霍爾元件

400‧‧‧電流感測器

500‧‧‧處理模組

510‧‧‧優化器

511‧‧‧濾波單元

512‧‧‧轉換單元

513‧‧‧平均單元

520‧‧‧微分器

530‧‧‧速度控制器

540‧‧‧電流控制器

550‧‧‧脈波寬度調變器

560‧‧‧類比數位轉換介面

570‧‧‧數位輸出介面

600‧‧‧外盒

610‧‧‧連結軸

700‧‧‧磁盤

800‧‧‧偵測裝置

810‧‧‧處理晶片

900‧‧‧輸出件

d‧‧‧氣隙

A‧‧‧控制訊號

B‧‧‧類比訊號

C‧‧‧相對類比訊號

D‧‧‧轉子角度值

E‧‧‧平均轉子角度值

F‧‧‧轉子轉速

G‧‧‧轉速命令

H‧‧‧電流參考命令

I‧‧‧回授電流

J‧‧‧馬達責任週期

K‧‧‧開關訊號

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖係繪示習知數位線性霍爾元件應用之訊號圖。

第2圖係繪示習知應用二類比線性霍爾元件之訊號圖及頻譜圖。

第3圖係繪示習知應用三類比線性霍爾元件之架構示意圖。

第4圖係繪示依照本發明一實施方式的一種馬達轉子角度偵測應用系統之方塊圖。

第5圖係繪示類比線性霍爾元件裝設於永磁同步馬達之立體局部剖視圖。

第6圖係繪示依照本發明另一實施方式的一種馬達轉子角度偵測模組之側視圖。

第7圖係繪示依照本發明另一實施方式的一種馬達轉子角度偵測模組之示意圖。

第8圖係繪示本發明一實施方式的一種馬達轉子角度偵測應用系統之流程圖。

第9圖係繪示依照本發明一實施方式的一種馬達轉子角度偵測應用系統之示意圖。

第10圖係繪示優化器之示意圖。

第11A圖係繪示線性霍爾元件輸出之訊號圖。

第11B圖係繪示線性霍爾元件輸出之頻譜圖。

第12A圖係繪示消除三次諧波之線性霍爾元件輸出之訊號圖。

第12B圖係繪示消除三次諧波之線性霍爾元件輸出之頻譜圖。

第13圖係繪示類比訊號、相對類比訊號及永磁同步馬達相反電動勢之比較圖。

第14圖係繪示轉子角度值位置資訊、平均之轉子電氣角度及編碼器之量測比較圖。

100‧‧‧永磁同步馬達

200‧‧‧電源開關模組

210‧‧‧電源

220‧‧‧穩壓器

230‧‧‧電晶體

300‧‧‧線性霍爾元件

400‧‧‧電流感測器

500‧‧‧處理模組

510‧‧‧優化器

511‧‧‧濾波單元

512‧‧‧轉換單元

513‧‧‧平均單元

520‧‧‧微分器

530‧‧‧速度控制器

540‧‧‧電流控制器

550‧‧‧脈波寬度調變器

560‧‧‧類比數位轉換介面

570‧‧‧數位輸出介面

A‧‧‧控制訊號

B‧‧‧類比訊號

C‧‧‧相對類比訊號

D‧‧‧轉子角度值

E‧‧‧平均轉子角度值

F‧‧‧轉子轉速

G‧‧‧馬達轉速命令

H‧‧‧電流參考命令

I‧‧‧回授電流

J‧‧‧馬達責任週期

K‧‧‧開關訊號

Claims (28)

1. 一種馬達轉子角度偵測模組，包含：一永磁同步馬達，包含一定子及一轉子；三線性霍爾元件，被設於該定子，該各線性霍爾元件相間隔120度電氣角間距，該些線性霍爾元件量測該轉子之磁場位置後各輸出一類比訊號，該各類比訊號具有一磁飽和之三次諧波；以及一處理裝置，其電性連接該些線性霍爾元件，該處理裝置優化該各類比訊號並產生一平均轉子角度值。
2. 如請求項1之馬達轉子角度偵測模組，其中該些線性霍爾元件輸出之該些類比訊號各相差120度相位。
3. 如請求項1之馬達轉子角度偵測模組，其中該永磁同步馬達具有三相反電動勢，該各類比訊號分別落後相對之該各相反電動勢20至40度相位。
4. 如請求項3之馬達轉子角度偵測模組，其中該各類比訊號分別落後相對之該各相反電動勢30度相位。
5. 如請求項1之馬達轉子角度偵測模組，其中該各類比訊號具有一基頻波，且該各類比訊號之該磁飽和之三次諧波為該基頻波之5%至40%。
6. 如請求項1之馬達轉子角度偵測模組，其中該定子及該轉子間具有一氣隙，該些線性霍爾元件及該轉子之間具有一距離，該距離等於該氣隙之長度。
7. 如請求項1之馬達轉子角度偵測模組，其中該定子及該轉子具有一氣隙，該些線性霍爾元件及該轉子之間具有一距離，該距離大於該氣隙之長度0.01mm至1mm。
8. 如請求項1之馬達轉子角度偵測模組，其中該處理裝置更包含一優化器，優化各該類比訊號並產生一平均轉子角度值。
9. 如請求項8之馬達轉子角度偵測模組，其中該優化器包含：一濾波單元，其濾除各該磁飽和之三次諧波並輸出一相對類比訊號；一轉換單元，轉換各該相對類比訊號並輸出一轉子角度值；以及一平均單元，接收該各轉子角度值並輸出該平均轉子角度值。
10. 如請求項9之馬達轉子角度偵測模組，其中更包含一電源開關裝置，輸出一控制訊號控制該永磁同步馬達。
11. 如請求項10之馬達轉子角度偵測模組，其中更包含：一微分器，其微分該平均轉子角度值並輸出一轉子轉速；一速度控制器，其接收該轉子轉速並輸出一電流參考命令；一電流感測器，其感測該控制訊號並輸出一回授電流；一電流控制器，其接收該回授電流、該平均轉子角度值及該電流參考命令並輸出一馬達責任週期；以及一脈波寬度調變器，其接收該馬達責任週期並回饋該開關訊號至該電源開關裝置。
12. 如請求項11之馬達轉子角度偵測模組，其中該電源開關裝置包含：一電源，其輸出一電壓；一穩壓器，連接該電源，該穩壓器穩定該電壓；以及六電晶體，連接穩壓器，該些電晶體接收該開關訊號及該電壓並輸出該控制訊號。
13. 一種馬達轉子角度偵測方法，包含：提供具有一定子及一轉子之一永磁同步馬達；依120度電氣角間距設置三線性霍爾元件於該定子；連接一處理裝置與該些線性霍爾元件；使該各線性霍爾元件輸出具有一磁飽和三次諧波之一 類比訊號至該處理裝置；以及使該處理裝置優化該各類比訊號並產生一平均轉子角度值。
14. 如請求項13之馬達轉子角度偵測方法，其中使該處理裝置優化該類比訊號並產生一平均轉子角度值步驟中更包含：濾除該磁飽和三次諧波並輸出一相對類比訊號；轉換各該相對類比訊號輸出一轉子角度值；以及平均該些轉子角度值並產生該平均轉子角度值。
15. 如請求項13之馬達轉子角度偵測方法，其中更包含：使該處理裝置優化該平均轉子角度值，並回饋一開關訊號；以及提供一電源開關裝置接收該開關訊號，且該電源開關裝置輸出一控制訊號控制該永磁同步馬達。
16. 如請求項15之馬達轉子角度偵測方法，其中使該處理裝置優化該平均轉子角度值，並回饋一開關訊號步驟更包含：感測該控制訊號並輸出一回授電流；優化該各類比訊號並產生一平均轉子角度值；微分該轉子角度值並輸出一轉子轉速； 接收該轉子轉速並輸出一電流參考命令；接收一轉速命令、該回授電流、該轉子角度值及該電流參考命令並輸出一馬達責任週期；以及接收該馬達責任週期並回饋該開關訊號。
17. 如請求項13之馬達轉子角度偵測方法，其中該些線性霍爾元件輸出之該些類比訊號各相差120度相位。
18. 如請求項13之馬達轉子角度偵測方法，其中該永磁同步馬達具有三相反電動勢，該各類比訊號分別落後相對之該各相反電動勢20至40度相位。
19. 如請求項18之馬達轉子角度偵測方法，其中該各類比訊號分別落後相對之該各相反電動勢30度。
20. 如請求項13之馬達轉子角度偵測方法，其中該各類比訊號具有一基頻波，且該各類比訊號之該磁飽和之三次諧波為該基頻波之5%至40%。
21. 如請求項13之馬達轉子角度偵測方法，其中該些線性霍爾元件及該轉子間具有一距離，該定子及該轉子間具有一氣隙，使該距離等於該氣隙之長度。
22. 如請求項13之馬達轉子角度偵測方法，其中該些 線性霍爾元件及該轉子之間具有一距離，該定子及該轉子間具有一氣隙，使該距離大於該氣隙之長度0.01mm至1mm。
23. 一種馬達轉子角度偵測模組，裝設於一永磁同步馬達，該馬達轉子角度偵測模組包含：一磁盤，設於該永磁同步馬達，且該永磁同步馬達帶動該磁盤轉動；以及一偵測裝置，相對應該磁盤設於該永磁同步馬達，該偵測裝置包含：三線性霍爾元件，該各線性霍爾元件相間隔120度電氣角間距，該些線性霍爾元件量測該永磁同步馬達之轉子磁場位置後輸出一類比訊號，該各類比訊號具有一磁飽和之三次諧波；及一處理器，其電性連接該些線性霍爾元件，該處理裝置優化該各類比訊號並產生一平均轉子角度值。
24. 如請求項23之馬達轉子角度偵測模組，其中更包含：一輸出件，連接該處理器，該輸出件用以將該平均轉子角度值輸出至一外部裝置；一外盒，裝設於該永磁同步馬達，該外盒裝載該磁盤及該偵測裝置，藉此可拆卸該馬達轉子角度偵測模組；及一連結軸，設於該外盒，該連結軸用以連結該永磁同步馬達及該磁盤，使該永磁同步馬達帶動該磁盤。
25. 如請求項23之馬達轉子角度偵測模組，其中該些線性霍爾元件輸出之該些類比訊號各相差120度相位。
26. 如請求項23之馬達轉子角度偵測模組，其中該些線性霍爾元件及該磁盤之間具有一距離，該各類比訊號具有一基頻波，且該距離使該各類比訊號之該磁飽和之三次諧波為該基頻波之5%至40%。
27. 如請求項23之馬達轉子角度偵測模組，其中該處理器更包含一優化件，優化各該類比訊號並產生一平均轉子角度值。
28. 如請求項27之馬達轉子角度偵測模組，其中該優化件包含：一濾波單元，其濾除該各磁飽和之三次諧波並輸出一相對類比訊號；一轉換單元，轉換各該相對類比訊號並輸出一轉子角度值；以及一平均單元，接收該各轉子角度值並輸出該平均轉子角度值。