TWI502878B - 電流取樣裝置及其取樣方法 - Google Patents

Description

電流取樣裝置及其取樣方法

本發明是有關於一種電流取樣裝置，且特別是有關於一種馬達的電流取樣裝置及其取樣方法。

磁場導向控制(Field Oriented Control、FOC)藉由控制電流頻率來控制永磁同步馬達的轉速，而電流頻率的計算則需要得知電流大小的數值，因此若能準確地取樣出永磁同步馬達的三相電流，便可更精確地控制永磁同步馬達的轉動。然由於永磁同步馬達的電流取樣信號常會因硬體元件特性或線路板的設計而包含許多雜訊，因而無法流暢、精準地控制永磁同步馬達的運轉。為克服此問題，一般會在永磁同步馬達的取樣電路中加入低通濾波器，以濾除電流取樣信號中的雜訊，然此種方式只能濾除一小部分的雜訊，仍無法有效提高控制永磁同步馬達轉動的精確度。

本發明提供一種馬達的電流取樣裝置及其取樣方法，可有效提高控制永磁同步馬達轉動的精確度。

本發明的電流取樣裝置，適用於一永磁同步馬達，電流取樣裝置包括取樣單元、類比數位轉換單元以及可調式帶通濾波單元。其中取樣單元取樣輸入至永磁同步馬達的三相電流，以輸出類比取樣信號。類比數位轉換單元耦接取樣單元，對類比取樣信號進行類比數位轉換而產生數位取樣信號。可調式帶通濾波單元耦接類比數位轉換單元，對數位取樣信號進行帶通濾波，以產生濾波取樣信號，其中可調式帶通濾波單元之頻寬關聯於永磁同步馬達的目前轉速所對應的目前電流頻率與目標轉速所對應的目標電流頻率。

在本發明的一實施例中，上述的可調式帶通濾波單元更隨著永磁同步馬達的目前轉速接近目標轉速而縮減可調式帶通濾波單元的頻寬，直到目前電流頻率與目標電流頻率的差值小於預設值。

本發明的電流取樣裝置的取樣方法，適用於永磁同步馬達，電流取樣裝置的取樣方法包括下列步驟。取樣輸入至永磁同步馬達的三相電流，以輸出類比取樣信號。對類比取樣信號進行類比數位轉換而產生數位取樣信號。利用可調式帶通濾波單元對數位取樣信號進行帶通濾波，以產生濾波取樣信號，其中可調式帶通濾波單元的頻寬關聯於永磁同步馬達的目前轉速所對應的目前電流頻率與目標轉速所對應的目標電流頻率。

在本發明的一實施例中，上述利用可調式帶通濾波單元對數位取樣信號進行帶通濾波的步驟包括下列步驟。判斷目前電流頻率與目標電流頻率的差值是否小於預設值。若目前電流頻率與目標電流頻率的差值未小於預設值，隨著永磁同步馬達的目前轉速接近目標轉速而縮減可調式帶通濾波單元的頻寬。若目前電流頻率與目標電流頻率的差值小於預設值，固定可調式帶通濾波單元的頻寬。

在本發明的一實施例中，上述的可調式帶通濾波單元的中心頻率等於(f1+f2)/2，其中f1為目前電流頻率，f2為目標電流頻率。

在本發明的一實施例中，上述的可調式帶通濾波單元的頻寬等於N×(|f1-f2|)/2，其中f1為目前電流頻率，f2為目標電流頻率，N為常數。

基於上述，本發明藉由可調式帶通濾波單元來對數位取樣信號進行帶通濾波，以有效濾除取樣信號中的雜訊，進而提高控制永磁同步馬達轉動的精確度，其中可調式帶通濾波單元之頻寬關聯於永磁同步馬達的目前轉速所對應的目前電流頻率與目標轉速所對應的目標電流頻率。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

102‧‧‧取樣單元

104‧‧‧類比數位轉換單元

106‧‧‧可調式帶通濾波單元

S1‧‧‧類比取樣信號

S2‧‧‧數位取樣信號

S3‧‧‧濾波取樣信號

f1‧‧‧目前電流頻率

△f‧‧‧預設值

S302~S306、S402~S406‧‧‧電流取樣裝置的取樣方法步驟

圖1繪示為本發明一實施例之電流取樣裝置的示意圖。

圖2繪示本發明一實施例之可調式帶通濾波單元的頻率響應示意圖。

圖3繪示本發明一實施例之電流取樣裝置的取樣方法的流程示意圖。

圖4繪示本發明另一實施例之電流取樣裝置的取樣方法的流程示意圖。

圖1繪示為本發明一實施例之電流取樣裝置的示意圖，請參照圖1。電流取樣裝置適用於永磁同步馬達，電流取樣裝置包括取樣單元102、類比數位轉換單元104以及可調式帶通濾波單元106，其中類比數位轉換單元104耦接取樣單元102與可調式帶通濾波單元106。取樣單元102用以取樣輸入至永磁同步馬達的三相電流，以輸出類比取樣信號S1，類比數位轉換單元104則對類比取樣信號S1進行類比數位轉換而產生數位取樣信號S2。另外，可調式帶通濾波單元106可對數位取樣信號S2進行帶通濾波，而產生濾波取樣信號S3。其中可調式帶通濾波單元106的頻寬關聯於永磁同步馬達的目前轉速所對應的目前電流頻率與目標轉速所對應的目標電流頻率，例如，可調式帶通濾波單元106的頻寬可隨著目前電流頻率與目標電流頻率間的接近而變窄。

如此藉由可調式帶通濾波單元106來對數位取樣信號S2進行帶通濾波，相較於習知的取樣電路所使用的低通濾波器來說，除了同樣可濾除高頻雜訊外，更可同時濾除低頻雜訊。此外，由於可調式帶通濾波單元106的頻寬可隨目前電流頻率與目標電流頻率間的關係變化調整，因此可更有效地去除數位取樣信號S2中的雜訊，而使得濾波取樣信號S3的訊雜比提高，而具有高訊雜比的濾波取樣信號S3則可讓永磁同步馬達的轉動控制具有高精確度，讓永磁同步馬達在低速及高速下均能達到流暢、精準的控制效果。

詳細來說，可調式帶通濾波單元106的中心頻率可例如設定為(f1+f2)/2，而可調式帶通濾波單元106的頻寬則可等於N×(|f1-f2|)/2，其中f1為目前電流頻率，f2為目標電流頻率，N為一常數。需注意的是，在設定常數N時，必須使可調式帶通濾波單元106的頻寬包含目前電流頻率f1以及目標電流頻率f2，也就是說，不可使目前電流頻率f1以及目標電流頻率f2被可調式帶通濾波單元106濾除掉，以使可調式帶通濾波單元106可依據目前電流頻率與目標電流頻率間的關係變化調整自身的頻寬。

其中，可調式帶通濾波單元106調整自身的頻寬的方式可例如為，隨著永磁同步馬達的目前轉速接近目標轉速而縮減可調式帶通濾波單元106的頻寬，亦即隨著目前電流頻率f1接近目標電流頻率f2而縮減可調式帶通濾波單元106的頻寬。舉例來說，圖2繪示本發明一實施例之可調式帶通濾波單元的頻率響應 示意圖，在圖2中假設可調式帶通濾波單元106的中心頻率等於目前電流頻率f1，在使用者設定永磁同步馬達的目標轉速後，永磁同步馬達的實際轉速會漸漸接近目標轉速，亦即目前電流頻率f1會漸漸接近目標電流頻率f2。同時，可調式帶通濾波單元106亦漸漸縮減其頻寬，並判斷目前電流頻率f1與目標電流頻率f2間的差值是否小於預設值△f。當目前電流頻率f1與目標電流頻率f2間的差值小於預設值△f時(亦即目標電流頻率f2落於圖2之虛線所包圍的區間內時)，可調式帶通濾波單元106才停止縮減頻寬，以確保可調式帶通濾波單元106已可濾除數位取樣信號S2中大部分的雜訊，而使濾波取樣信號S3具有高訊雜比。

圖3繪示本發明一實施例之電流取樣裝置的取樣方法的流程示意圖，請參照圖3。由上述實施例可知，電流取樣裝置的取樣方法可包括下列步驟。首先，取樣輸入至永磁同步馬達的三相電流，以輸出類比取樣信號(步驟S302)。接著，對類比取樣信號進行類比數位轉換而產生數位取樣信號(步驟S304)。最後再利用可調式帶通濾波單元對數位取樣信號進行帶通濾波(步驟S306)，以產生濾波取樣信號，其中可調式帶通濾波單元的頻寬關聯於永磁同步馬達的目前轉速所對應的目前電流頻率與目標轉速所對應的目標電流頻率。

圖4繪示本發明另一實施例之電流取樣裝置的取樣方法的流程示意圖，請參照圖4。本實施例之電流取樣裝置的取樣方法與圖3實施例的不同之處在於，在本實施例中，上述實施例的步 驟S306，利用可調式帶通濾波單元對數位取樣信號進行帶通濾波的方式可包括下列步驟。亦即先判斷目前電流頻率與目標電流頻率的差值是否小於預設值(步驟S402)。若目前電流頻率與目標電流頻率的差值未小於該預設值，則隨著永磁同步馬達的目前轉速接近目標轉速而縮減可調式帶通濾波單元的頻寬(步驟S404)，然後再回到步驟S402，重新檢視目前電流頻率與目標電流頻率的差值是否已小於預設值。而若目前電流頻率與目標電流頻率的差值小於該預設值，則代表已可濾除數位取樣信號中大部分的雜訊，因此可固定可調式帶通濾波單元的頻寬(步驟S406)，而以此固定頻寬繼續地對數位取樣信號進行帶通濾波。

綜上所述，本發明藉由可調式帶通濾波單元來對數位取樣信號進行帶通濾波，如此除了同樣可濾除高頻雜訊外，更可同時濾除低頻雜訊。此外，可調式帶通濾波單元的頻寬可隨目前電流頻率與目標電流頻率間的關係變化調整，而更有效地去除數位取樣信號中的雜訊，使得濾波取樣信號的訊雜比提高，進而讓永磁同步馬達的轉動控制具有高精確度，讓永磁同步馬達在低速及高速下均能達到流暢、精準的控制效果。

102‧‧‧取樣單元

104‧‧‧類比數位轉換單元

106‧‧‧可調式帶通濾波單元

S1‧‧‧類比取樣信號

S2‧‧‧數位取樣信號

S3‧‧‧濾波取樣信號

Claims (8)

1. 一種電流取樣裝置，適用於一永磁同步馬達，包括：一取樣單元，取樣輸入至該永磁同步馬達的三相電流，以輸出一類比取樣信號；一類比數位轉換單元，耦接該取樣單元，對該類比取樣信號進行類比數位轉換而產生一數位取樣信號；以及一可調式帶通濾波單元，耦接該類比數位轉換單元，對該數位取樣信號進行帶通濾波，以產生一濾波取樣信號，其中該可調式帶通濾波單元之頻寬關聯於該永磁同步馬達的目前轉速所對應的一目前電流頻率與一目標轉速所對應的一目標電流頻率。
2. 如申請專利範圍第1項所述的電流取樣裝置，其中該可調式帶通濾波單元更隨著該永磁同步馬達的目前轉速接近該目標轉速而縮減該可調式帶通濾波單元的頻寬，直到該目前電流頻率與該目標電流頻率的差值小於一預設值。
3. 如申請專利範圍第1項所述的電流取樣裝置，其中該可調式帶通濾波單元的中心頻率等於(f1+f2)/2，其中f1為該目前電流頻率，f2為該目標電流頻率。
4. 如申請專利範圍第1項所述的電流取樣裝置，其中該可調式帶通濾波單元的頻寬等於N×(|f1-f2|)/2，其中f1為該目前電流頻率，f2為該目標電流頻率，N為一常數。
5. 一種電流取樣裝置的取樣方法，適用於一永磁同步馬達，該電流取樣裝置的取樣方法包括：取樣輸入至該永磁同步馬達的三相電流，以輸出一類比取樣 信號；對該類比取樣信號進行類比數位轉換而產生一數位取樣信號；以及利用一可調式帶通濾波單元對該數位取樣信號進行帶通濾波，以產生一濾波取樣信號，其中該可調式帶通濾波單元的頻寬關聯於該永磁同步馬達的目前轉速所對應的一目前電流頻率與一目標轉速所對應的一目標電流頻率。
6. 如申請專利範圍第5項所述的電流取樣裝置的取樣方法，其中利用該可調式帶通濾波單元對該數位取樣信號進行帶通濾波的步驟包括：判斷該目前電流頻率與該目標電流頻率的差值是否小於一預設值；若該目前電流頻率與該目標電流頻率的差值未小於該預設值，隨著該永磁同步馬達的目前轉速接近該目標轉速而縮減該可調式帶通濾波單元的頻寬；以及若該目前電流頻率與該目標電流頻率的差值小於該預設值，固定該可調式帶通濾波單元的頻寬。
7. 如申請專利範圍第5項所述的電流取樣裝置的取樣方法，其中該可調式帶通濾波單元的中心頻率等於(f1+f2)/2，其中f1為該目前電流頻率，f2為該目標電流頻率。
8. 如申請專利範圍第5項所述的電流取樣裝置的取樣方法，其中該可調式帶通濾波單元的頻寬等於N×(|f1-f2|)/2，其中f1為該目前電流頻率，f2為該目標電流頻率，N為一常數。