TWI502879B

TWI502879B - 馬達感測訊號建立方法

Info

Publication number: TWI502879B
Application number: TW102138408A
Authority: TW
Inventors: Pin Yung Chen; Shih Hsiang Chien; Yung Chun Wang; Chin Hone Lin; Hsieh Tai Su
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2013-10-24
Filing date: 2013-10-24
Publication date: 2015-10-01
Also published as: ITRM20130661A1; TW201517500A

Description

馬達感測訊號建立方法

本揭露係有關一種感測訊號建立方法，尤指一種馬達感測訊號建立方法。

三相交流馬達系統要進行電流、位置或速度控制時，均需要回授馬達的轉軸位置，而具體之感測方法係在馬達內裝置三個霍爾感測器，並藉由霍爾感測器之輸出訊號(001、010、011、100、101、110)在馬達內部顯示6個方向的磁場，即將轉子一週期360度電氣角切割成6等分，吸引馬達轉子依序到達磁場所對應之區間，以判斷出馬達轉子在內部旋轉的6個相對位置，藉此控制馬達電流、位置或速度。

三個霍爾感測器在馬達運轉360度電氣角時，每個霍爾感測器會各自產生一相感測訊號(可分別定義為U相、V相、W相)，且每相感測訊號相差120度電氣角，此三相感測訊號即是用於對馬達進行位置或速度控制的訊號。然而霍爾感測器會有霍爾效應產生相位偏移，使得三相感測訊號並不穩定；或如電氣線脫落、感測電路上晶片偏斜等情況發生時，容易造成某一相感測訊號異常或消失，而無法驅動馬達；又因感測電路上晶片偏斜使得其中二相感測訊號之相位差過大，致使馬達所獲得的扭力變小，且因相位差過大而承載電流不同，所造成的三相電流不平衡而有扭力漣波變大之問題。

不論是扭力漣波變大、扭力變小或無法驅動馬達之情形，對目前發展中的純電動車或節能混合電動車來說，均難以滿足車輛行駛所需動力之需求，且現有之馬達驅動方式，其可靠度並不高。因此，如何提供一種能夠有效提昇馬達之三相感測訊號可靠度的方法，以解決霍爾感測器因電氣線脫落、感測電路上晶片偏斜，導致某一相感測訊號異常或消失、其中二相感測訊號之相位差過大，而有無法驅動馬達、馬達獲得扭力變小或有扭力漣波變大之情形，實已成為目前亟待解決課題之一。

本揭露主要在於提供一種馬達感測訊號建立方法，其步驟包含：(1)提供來自該馬達之三相磁極感測訊號；(2)將該三相磁極感測訊號進行一失效判斷步驟，以得到至少一實體訊號，其中，該實體訊號係為該三相磁極感測訊號之未失效者；(3)以該實體訊號所產生的電壓準位建立第一相虛擬訊號、第二相虛擬訊號及第三相虛擬訊號，其中，該第二相虛擬訊號建立之時間點係位於該第一相虛擬訊號建立120度電氣角之電壓準位之時間點，該第三相虛擬訊號建立之時間點係位於該第一相虛擬訊號建立240度電氣角之電壓準位之時間點；以及(4)以該第一相虛擬訊號、該第二相虛擬訊號及該第三相虛擬訊號驅動該馬達。

藉由本揭露所揭示之馬達感測訊號建立方法，能以一相實體磁極感測訊號同步建立三相虛擬磁極感測訊號，並以此三相虛擬磁極感測訊號驅動馬達，以改善因霍爾效應產生相位偏移導致感測訊號不穩定的情形，或是解決因電氣線脫落、感測電路上晶片偏斜所造成某一相感測訊號異常或消失，導致無法驅動馬達的情形。本揭露更可避免因感測電路上晶片偏斜使得其中二相感測訊號之相位差過大而具有馬達扭力過小、扭力漣波之問題，有效提昇馬達可靠度及有助於伺服系統性能之提昇，且本揭露更可適用於任何轉速之馬達。

S11~S14、S21~S27、S301~S314‧‧‧步驟

第1圖為本揭露之馬達感測訊號建立方法之一實施例之流程圖；第2圖為本揭露之馬達感測訊號建立方法之另一實施例之流程圖；以及第3圖為本揭露之馬達感測訊號建立方法中失效判斷步驟之流程圖。

以下藉由特定之具體實施例加以說明本揭露之實施方式，而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優點和功效，亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用。

第1圖為本揭露之馬達感測訊號建立方法之一實施例之流程圖，該馬達感測訊號建立方法係應用於馬達上，例如為永磁同步馬達。現今純電動車(BEV)或節能混合動力車(xEV)的車用動力馬達多是採用永磁同步馬達來作設計，在馬達的驅動控制上，必須透過磁極感測器進行感測，將內部磁場的變化轉變成電壓輸出變化的訊號，如此一來才能利用電壓輸出變化的訊號進行馬達操控。而本揭露之馬達感測訊號建立方法，即是在建立此種馬達操控的訊號。該馬達感測訊號建立方法所包含之步驟如下述內容。

於步驟S11中，提供來自馬達之三相磁極感測訊號，亦即，先讀取裝設在馬達上的三個磁極感測器所產生的U相、V相、W相的磁極感測訊號，而此些U相、V相、W相的磁極感測訊號係經由三個實體磁極感測器分別進行感測所得者，且實體磁極感測器可為霍爾感測器、解角器或光編碼器，然本揭露並不以此為限。此三相磁極感測訊號偶而會有三相之電壓變化訊號相差角度異常之情形，其原因在於連結實體磁極感測器之驅動電路上的IC晶片與感測磁鐵距離太近造成摩擦而有偏斜現象所導致；或是因為連結實體磁極感測器之驅動電路上的電性線脫落或連接點假銲，造成三相之電壓變化訊號不穩、甚至消失，使得馬達無法被驅動。接著，於步驟S11讀取到三相磁極感測訊號後，必須先進行該些磁極感測訊號是否失效的判斷步驟。

於步驟S12中，將該三相磁極感測訊號進行一失效判斷步驟，以得到至少一實體訊號，而該實體訊號係為該三相磁極感測訊號之未失效者。詳言之，本揭露之馬達感測訊號建立方法必須先確定來源訊號並無失效的情形。以實體磁極感測器為霍爾感測器為例，用以判斷電機位置的為開關型霍爾感測器，其輸出訊號為近於0V或近於5V之二端值，並沒有中間值之情形。此種開關型霍爾感測器失效的情形，除了短路所造成馬達不運轉的情形外，亦有霍爾感測器的輸出訊號總是5V或0V，並不會隨著磁場位置而有高低變化。因此，本揭露之馬達感測訊號建立方法必須得到未失效的三相磁極感測訊號來作為實體訊號，方能進行後續步驟，且實體訊號只要一個即可。換言之，即便三相磁極感測訊號中有其中二相的磁極感測訊號都失效，只要有一相磁極感測訊號未失效即可，並不會造成本揭露的馬達感測訊號建立方法無法進行。而詳細的失效判斷步驟，將詳述於後。

在進行失效判斷步驟後，若三相磁極感測訊號皆未失效，則挑選其中一者作為實體訊號；若僅一相磁極感測訊號失效，則於未失效的二相磁極感測訊號中挑選其中一者作為實體訊號；若二相磁極感測訊號失效，則挑選剩餘未失效的磁極感測訊號來作為實體訊號。於步驟S13中，將此實體訊號所產生的電壓準位建立第一相虛擬訊號、第二相虛擬訊號及第三相虛擬訊號，而該實體訊號所產生的電壓準位之範圍，例如可於一個360度電氣角內，或於180度電氣角內，本揭露並不以此為限。而該實體訊號所產生的電壓準位則包含高電壓準位、低電壓準位。因此，該實體訊號於一個360度電氣角內所產生的電壓準位，即在一個360度電氣角內，任一相的電壓變化會由正直接跳到負，或由負直接跳到正，而第一相虛擬訊號則是完整同步紀錄該實體訊號於一個360度電氣角的電壓變化。

在第一相虛擬訊號建立120度電氣角之電壓準位之時間點時，即以該實體訊號所產生的電壓準位同步建立第二相虛擬訊號。換言之，從建立第一相虛擬訊號開始，經過120度電氣角之建立時間後，其後會同時建立第二相虛擬訊號，第二相虛擬訊號與第一相虛擬訊號相差120度電氣角。在第一相虛擬訊號建立240度電氣角之電壓準位之時間點時，即以該實體訊號所產生的電壓準位同步建立第三相虛擬訊號。換言之，從建立第一相虛擬訊號開始，經過240度電氣角之建立時間後，其後會同時建立第一相虛擬訊號、第二相虛擬訊號、第三相虛擬訊號，第三相虛擬訊號與第二相虛擬訊號相差120度電氣角。如此一來，就可擁有三相與該實體訊號所產生的電壓準位同步的虛擬磁極感測訊號，且此三相同步的虛擬磁極感測訊號僅需要一個未失效的實體磁極感測器所產生的感測訊號即可取得。於步驟S14中，即可利用第一相虛擬訊號、第二相虛擬訊號及第三相虛擬訊號來組成虛擬訊號組，並將該虛擬訊號組送進馬達驅動系統中的功率訊號閘，以該虛擬訊號組作為功率訊號閘的開關作動參考訊號。而功率訊號閘在皆收到虛擬訊號組後，即可進行脈衝寬度調變來驅動馬達。如此一來，能解決因電氣線脫落、感測電路上晶片偏斜所造成某一相感測訊號異常或消失，導致無法驅動馬達的情形；或改善因霍爾效應產生相位偏移導致感測訊號不穩定的情形。

於本揭露之一實施型態中，第1圖的步驟S13中，建立第一相虛擬訊號、第二相虛擬訊號及第三相虛擬訊號之步驟更包括第2圖的步驟S23~S26。以下詳述第2圖步驟S23~S26，而第2圖中相同於第1圖之步驟請參閱前述，於此不再贅述。

在取得實體訊號要建立第一相虛擬訊號之時，先取得馬達於一個360度電氣角所需之計數時間，並據此換算1度電氣角所需的計數時間(步驟S23)。由於馬達並非會一直維持一定轉速，即轉速會隨著情況有所增減，為了求得各個轉速所對應之1度電氣角所需的計數時間，必須在每一個360度電氣角內，取得每個360電氣角所需之計數時間，再換算成1度電氣角所需的計數時間，以對應各個不同轉速之馬達的1度電氣角所需的計數時間。

於步驟S24中，將360度電氣角所需之計數時間以N度電氣角區分成複數個區間，並以該1度電氣角所需之計數時間計算取得該些區間之每一者所需之計數時間。而N度電氣角可為30度、45度、60度或90度。若前述的N度電氣角為60度，則可將360度電氣角區分成6個區間，而每個區間所需之計數時間則可透過前述該1度電氣角所需之計數時間來加以計算。接著前往步驟S25。

步驟S25係決定開始計數的時間點，此一時間點的決定方式，為偵測實體訊號的轉態點。所謂的轉態點，即為該相磁極感測訊號於高電壓準位跳到低電壓準位，或是從低電壓準位跳到高電壓準位的時間點。決定轉態點之後，即以該轉態點開始計數。

於步驟S26中，係依序在該些區間之每一者所需之計數時間內，以該實體訊號所產生的電壓準位建立該第一相虛擬訊號、該第二相虛擬訊號及該第三相虛擬訊號。例如N度電氣角為60度的情況，即必須建立依序建立6個區間的電壓準位。詳細步驟如下：(一)於轉態點開始計數，並依據該實體訊號所產生的電壓準位同時建立第1區間的三相電壓準位，即同時建立該第一相虛擬訊號、該第二相虛擬訊號及該第三相虛擬訊號；(二)持續計數至60度之計數時間時，完成第1區間的三相電壓準位的建立，並同時開始建立第2區間的三相電壓準位；(三)持續計數至120度之計數時間時，完成第2區間的三相電壓準位的建立，並同時開始建立第3區間的三相電壓準位；(四)持續計數至180度之計數時間時，完成第3區間的三相電壓準位的建立，並同時開始建立第4區間的三相電壓準位；(五)持續計數至240度之計數時間時，完成第4區間的三相電壓準位的建立，並同時開始建立第5區間的三相電壓準位；(六)持續計數至360度之計數時間時，完成第5區間的三相電壓準位的建立，並同時開始建立第6區間的三相電壓準位。

由於是從轉態點開始計數，因此所建立的第1、2、3 區間的電壓準位皆會相同，即皆為高電壓準位或是低電壓準位，而所建立的第4、5、6區間的電壓準位則會與於第1、2、3區間的電壓準位相反，若第1、2、3區間為高電壓準位，則第4、5、6區間為低電壓準位，反之亦同。

於一實施例中，於最初的360度電氣角中，在第1、2區間僅會建立第一相虛擬訊號，於第3、4區間才會同時建立第一相虛擬訊號及第二相虛擬訊號，於第5、6區間才會同時建立第一相虛擬訊號、第二相虛擬訊號及第三相虛擬訊號。而在次一個360度電氣角中，每個區間則皆會同時建立第一、二、三相虛擬訊號。

於本揭露之一實施型態中，第1圖中步驟S12所述之失效判斷步驟之流程圖如第3圖所示。首先，步驟S301中讀取來自馬達之三相磁極感測訊號之每一相的電壓準位後，接著於步驟S302中進行判斷該三相磁極感測訊號的電壓準位總和是否等於第一數值，若是，於步驟S305~309中檢測該三相磁極感測訊號之失效者，以輸出該三相磁極感測訊號之失效者的訊號異常資訊，若否，則前進至步驟S303；於步驟S303中再判斷該三相磁極感測訊號的電壓準位總和是否等於第二數值，若是，於步驟S310~S314中檢測該三相磁極感測訊號之失效者，以輸出該三相磁極感測訊號之失效者的訊號異常資訊，若否，則前進至步驟S304，輸出訊號無異常資訊至馬達驅動控制系統中的整車控制器。該訊號異常資訊即可作為警示使用者之用，例如將訊號異常資訊輸出至人機控制介面，來提示使用者馬達有異常狀況，讓使用者可以進場維修。前述步驟S302~S314之內容，詳細說明如下。

每一相磁極感測訊號之位元數係指三相磁極感測訊號所代表作動(位元數=1)、不作動(位元數=0)的情形，或是輸出高電壓準位(位元數=1)、輸出低電壓準位(位元數=0)。例如有U、V、W三相磁極感測訊號，100之位元數可表示U=1、V=0、W=0且馬達位於電氣角0度之位置，即U相輸出高電壓準位，V、W相輸出低電壓準位。因此，在一個360度電氣角內，U、V、W三相磁極感測訊號的位元數則有001、010、011、100、101、110等。假設U相為失效的一相，且失效於高電壓準位，則在一個360度電氣角內，U、V、W三相磁極感測訊號的位元數會有101、110、111、100、101、110等之異常情形。所謂的第一數值，則是假設三相磁極感測訊號之每一相皆輸出高電壓準位，因此其總和所代表的位元數為111。於步驟S302中，判斷該三相磁極感測訊號的電壓準位總和是否等於第一數值，即是在判斷在一個360度電氣角內U、V、W三相磁極感測訊號是否會有111之位元數，若有，即可知U、V、W三相之其中一相必失效於高電壓準位，才會有111之位元數的出現。故在檢測到111之位元數時，則進入步驟S305~S309中，以找出是失效於哪一相，以便輸出該相失效於高電壓準位的訊號異常資訊。而找出失效於哪一相之方式，可經由比對得知，例如位元數原本應為010，卻檢測到位元數為000，即可知道係失效於V相，以此類推。

若於步驟S302中判斷並無等於第一數值時，則進入到步驟S303中判斷該三相磁極感測訊號的電壓準位總和是否等於第二數值。假設V相為失效的一相，且失效於低電壓準位，則於一個360度電氣角內，U、V、W三相磁極感測訊號的位元數會有001、000、001、100、101、100等之異常情形。所謂的第二數值，則是假設三相磁極感測訊號之每一相輸出低電壓準位，因此其總和所代表的位元數為000。於步驟S303中，判斷該三相磁極感測訊號的電壓準位總和是否等於第二數值，即是在判斷一個360度電氣角內U、V、W三相磁極感測訊號是否會有000之位元數，若有，即可知U、V、W三相之其中一相必失效於低電壓準位，才會有000之位元數的出現。故在檢測到000之位元數時，則進入步驟S310~S314中，以找出是失效於哪一相，以便輸出該相失效於低電壓準位的訊號異常資訊。而找出失效於哪一相之方式，可經由比對得知，例如位元數原本應為001，卻檢測到位元數為101，即可知道係失效於U相，以此類推。

藉由本揭露所揭示之馬達感測訊號建立方法，能在馬達存在有至少一相實體磁極感測訊號的情形下，依據該相實體磁極感測訊號同步建立三相虛擬磁極感測訊號，並藉此驅動馬達，以避免實體磁極感測器出現異常時所導致不能驅動馬達之問題。此外，由於三相虛擬磁極感測訊號係彼此以相差120度電氣角的方式建立，三相虛擬磁極感測訊號彼此之間並不存在相位差，故有關相位差過大而導致馬達扭力過小、扭力漣波之問題則不會發生，能有效提昇馬達可靠度及伺服系統之性能。

上述實施形態僅為例式性說明本揭露之技術原理、特點及其功效，並非用以限制本揭露之可實施範疇，任何熟習此技術之人士均可在不違背本揭露之精神與範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。然任何運用本揭露所教示內容而完成之等效修飾及改變，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。而本揭露之權利保護範圍，應如下述之申請專利範圍所列。

S11~S14‧‧‧步驟

Claims

一種馬達感測訊號建立方法，其步驟包含：(1)提供來自該馬達之三相磁極感測訊號；(2)將該三相磁極感測訊號進行一失效判斷步驟，以得到至少一實體訊號，其中，該實體訊號係為該三相磁極感測訊號之未失效者；(3)以該實體訊號所產生的電壓準位建立第一相虛擬訊號、第二相虛擬訊號及第三相虛擬訊號，其中，該第二相虛擬訊號建立之時間點係位於該第一相虛擬訊號建立120度電氣角之電壓準位之時間點，該第三相虛擬訊號建立之時間點係位於該第一相虛擬訊號建立240度電氣角之電壓準位之時間點；以及(4)以該第一相虛擬訊號、該第二相虛擬訊號及該第三相虛擬訊號驅動該馬達。
如申請專利範圍第1項所述之馬達感測訊號建立方法，其中，於步驟(3)中更包含：(3-1)取得1度電氣角所需之計數時間；(3-2)將360度電氣角所需之計數時間以N度電氣角區分成複數個區間，並以該1度電氣角所需之計數時間計算取得該些區間之每一者所需之計數時間；(3-3)偵測該實體訊號的轉態點，並於該轉態點開始計數；以及(3-4)依序在該些區間之每一者所需之計數時間內，以該實體訊號所產生的電壓準位建立該第一相虛擬訊號、該第二相虛擬訊號及該第三相虛擬訊號。
如申請專利範圍第2項所述之馬達感測訊號建立方法，其中，該轉態點係為該實體訊號於高、低電壓準位之間轉換之時間點。
如申請專利範圍第2項所述之馬達感測訊號建立方法，其中，該N度電氣角為30度、45度、60度或90度。
如申請專利範圍第1項所述之馬達感測訊號建立方法，其中，該三相磁極感測訊號係經由三個實體磁極感測器分別進行感測所得，且該些實體磁極感測器係為霍爾感測器、解角器或光編碼器。
如申請專利範圍第1項所述之馬達感測訊號建立方法，其中，該步驟(2)中的失效判斷步驟係包含：(2-1)讀取來自該馬達之該三相磁極感測訊號之每一相的電壓準位；(2-2)判斷該三相磁極感測訊號的電壓準位總和是否等於第一數值，若是，檢測該三相磁極感測訊號之失效者，以輸出該三相磁極感測訊號之失效者的訊號異常資訊，若否，前進至步驟(2-3)；(2-3)判斷該三相磁極感測訊號的電壓準位總和是否等於第二數值，若是，檢測該三相磁極感測訊號之失效者，以輸出該三相磁極感測訊號之失效者的訊號異常資訊，若否，前進至步驟(2-4)；以及(2-4)輸出訊號無異常資訊至整車控制器。
如申請專利範圍第6項所述之馬達感測訊號建立方法，其中，該第一數值係為該三相磁極感測訊號之每一相的高電壓準位總和。
如申請專利範圍第6項所述之馬達感測訊號建立方法，其中，該第二數值係為該三相磁極感測訊號之每一相的低電壓準位總和。