TWI559672B - 角度估計控制系統 - Google Patents

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TWI559672B TW102125874A TW102125874A TWI559672B TW I559672 B TWI559672 B TW I559672B TW 102125874 A TW102125874 A TW 102125874A TW 102125874 A TW102125874 A TW 102125874A TW I559672 B TWI559672 B TW I559672B
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Description

角度估計控制系統
本發明涉及一種用於無感測器永磁馬達(sensor less permanent magnet(PM)motor)的角度估計的方法及控制系統，特別涉及一種無刷永磁同步馬達(brushless permanent magnet synchronous motor，PMSM)的角度估計數的方法及控制系統。
無刷永磁同步馬達(brushless permanent magnet synchronous motor，PMSM)包括繞線式定子(wound stator)、永磁轉子組件、以及用來感測轉子位置的感測裝置。此感測裝置提供複數信號，以採用適當的順序來電性切換定子線圈來維持永磁轉子組件的旋轉。一般而言，感測裝置是一種霍爾感測器(hall-sensor)裝置。然而，霍爾感測裝置增加了無刷永磁同步馬達的成本，並且可能引起可靠度的問題。因此，無感測器控制變成永磁(PM)馬達控制的必要一環。
永磁馬達提供了高效率、小尺寸、快速動態響應、低噪音、高可靠度等優點。永磁馬達的轉子場(rotor field)必須同步於定子場(stator field)，因此場導向控制(field oriented control，FOC)表示一種方法，其考慮哪一通量(例如轉子、定子、或氣隙)作為基礎，以在去耦合(decoupling)力矩與定子電流的通量產生元件的目的下用來建立參考框(reference frame) 給其他通量的其中一者。這表示轉子電流(armature current)是力矩產生的原因，且激勵電流(excitation current)是通量產生的原因。正常來說，轉子通量視為轉子和氣隙通量(air-gap flux)的參考框。場導向控制(FOC)的控制圖解由第1圖所示。場導向控制是一種無感測器場導向控制系統，其包括無刷永磁同步馬達(PMSM)10、三相位橋式驅動器(3-Phase Bridge)15、以及空間向量調變模組(space vector modulation module，SVM)30。α-β轉換模組(Clarke transform module)20係用來將三軸二維座標系統(three-axis two-dimensional coordinate system)(作為定子的參考)移動至雙軸系統。其可表示為：ia+ib+ic=0
iβ=ia
其中，ia、ib、以及ic為個別的馬達相位電流，且iα以及iβ為雙軸正交電流(two-axis orthogonal currents)。
派克轉換模組(Park transform module)25用來將雙軸正交電流iα與iβ以及角度信號θ轉換至以轉子通量旋轉的另一雙軸系統。此雙軸旋轉座標系統稱為d-q軸。角度信號θ表示轉子角度。
Id=iβ×cosθ+iα×sinθ
Iq=-iβ×sinθ+iα×cosθ
反向派克轉換模組(inverse Park transform module)35係用來由雙軸旋轉框d-q轉換至雙軸靜止框α-β。
Vβ=Vd×cosθ-Vq×sinθ
Vα=Vd×sinθ+Vq×cosθ
反向α-β轉換模組(inverse Clarke transform module)(也稱為空間向量調變模組，SVM)30係用來由雙軸靜止框轉換至三軸靜止框(定子的三相位參考框)。
Vp1=Vβ
此三相位(Vp1、Vp2、Vp3)係實施來產生脈寬調變信號，例如，空間向量調變(SVM)技術。
控制器(PI)40與45是比例積分(proportional integral，PI)控制器。控制器40與45中每一者在閉控制迴路中反應於一誤差信號，且嘗試調整控制量以達到期望的系統響應。受控制的係數可以是可量測系統量，例如速度、力矩、或通量。誤差信號是透過由即將被控制的係數的實際量測值減去該係數的期望設定而所獲得。誤差信號的符號指示出控制輸入所要求的改變方向。
滑動模式估測器(sliding mode observer，SMO)50係用於角度信號θ與速度的估計。第2圖以及第3圖表示滑動模式估測器50的一示範例的系統方塊圖以及規則系統。此規則演算法的重要部分是如何計算場導向控制(FOC)所需要的換流角度信號θ，根據量測的電流以及計算的電壓來估計馬達位置。第4圖係表示無刷永磁同步馬達(PMSM)10的馬達模型。此馬達模型包括 輸入電壓VS，該輸入電壓VS被施加至由線圈電阻R、線圈電感L、以及反電動勢(back-electromotive force)(ES)12所組成的馬達。因此，在第2圖以及第3圖中的電流估測器60可表示如下： 其中，IS是表示馬達相位電流，Ise是估計的相位電流，VS是輸入電壓，ES是反電動勢，以及Z是輸出校正係數電壓。
在考慮到兩個馬達表現、提供至兩系統的相同的輸入電壓VS，以及與來自上述模型的估計相位電流Ise相匹配的量測馬達相位電流IS，可推測來自馬達模型的反電動勢ES等同於來自馬達的反電動勢ES。當在量測的馬達相位電流IS與估計的相位電流Ise之間的誤差值(誤差/IS誤差)小於一臨界值Error-min時，電流估計器60在線性範圍內工作。對於線性範圍外的誤差而言，電流估計器60的輸出根據此誤差值的正負號(signl而等於(+Kslide)/(-Kslide)，電流估計器60用來補償馬達模型，並藉由過濾輸出校正係數電壓Z(透過濾波器71，例如低通濾波器(LPF))來估計反電動勢ES。估計的反電動勢ES更透過濾波器72(例如低通濾波器(LPF))來產生Eα與Eβ(ES的向量成分)的值(ESF)，以用於估計的角度信號θ的計算(80)。
由於滑動模式估測器(SMO)50需要馬達的係數以及用於換流角度信號θ估計的複雜計算，因此在控制上需要高速與昂貴的數位信號處理(digital signal process，DSP)。
本發明提供一種簡單的方法與裝置，其可藉由低成 本的一般微控制器來實施無感測器的場導向控制(FOC)。
本發明提供一種角度估計控制系統，用於永磁馬達。此角度估計控制系統包括α-β轉換模組、派克轉換模組、以及角度估計模組。α-β轉換模組根據複數馬達相位電流來產生複數正交電流信號。派克轉換模組根據該些正交電流信號以及角度信號來產生電流信號。角度估計模組根據電流信號產生角度信號。角度信號與永磁馬達的換流角度相關連。角度信號更用來產生複數三相位馬達電壓信號。
本發明另提供一種角度估計控制系統，用於永磁馬達。此角度估計控制系統包括α-β轉換模組、派克轉換模組、角度估計模組、以及加總單元。α-β轉換模組根據複數馬達相位電流來產生複數正交電流信號。派克轉換模組根據該些正交電流信號以及第一角度信號來產生電流信號。角度估計模組根據電流信號產生第一角度信號。加總單元根據第一角度信號以及角度偏移信號來產生第二角度信號。第二角度信號更用來產生複數三相位馬達電壓信號。
本發明又提供一種角度估計控制系統，用於永磁馬達。此角度估計控制系統包括α-β轉換模組、派克轉換模組、角度估計模組、以及減法單元。α-β轉換模組根據複數馬達相位電流來產生複數正交電流信號。派克轉換模組根據該些正交電流信號以及第一角度信號來產生電流信號。角度估計模組根據該電流信號產生第二角度信號。減法單元根據第二角度信號以及角度偏移信號來產生第一角度信號。第二角度信號更用來產生複數三相位馬達電壓信號。
本發明提供一種角度估計方法，用於永磁馬達。此角度估計方法包括以下步驟：根據複數馬達相位電流來產生複數正交電流信號；根據該些正交電流信號以及角度信號來產生電流信號；以及根據電流信號來產生角度信號。角度信號與永磁馬達的換流角度相關連。角度信號更用來產生複數三相位馬達電壓信號。
第1圖：
10‧‧‧無刷永磁同步馬達(PMSM)
15‧‧‧三相位橋式驅動器(3-Phase Bridge)
20‧‧‧α-β轉換模組
25‧‧‧派克轉換模組
30‧‧‧反向α-β轉換模組/空間向量調變模組(SVM)
35‧‧‧反向派克轉換模組
40、45‧‧‧控制器/比例積分控制器(PI)
50‧‧‧滑動模式估測器(SMO)
ia、ib、ic‧‧‧馬達相位電流
iα、iβ‧‧‧雙軸正交電流
Id、Iq‧‧‧電流信號
IQREF、IDREF‧‧‧信號
Vp1、Vp2、Vp3‧‧‧三相位
Vq、Vd‧‧‧信號
Vα、Vβ‧‧‧信號
θ‧‧‧角度信號
第2圖：
60‧‧‧電流估計器
Error-min‧‧‧臨界值
IS‧‧‧馬達相位電流
Ise‧‧‧估計的相位電流
VS‧‧‧輸入電壓
Z‧‧‧除輸出校正係數電壓
第3圖：
60‧‧‧電流估計器
71、72‧‧‧濾波器(LPF)
80‧‧‧估計的角度信號θ的計算
ES‧‧‧反電動勢
ESF‧‧‧ES的向量成分的值
θ‧‧‧角度信號
第4圖：
12‧‧‧反電動勢(ES)
IS‧‧‧馬達相位電流
L‧‧‧線圈電感
R‧‧‧線圈電阻
VS‧‧‧輸入電壓
第5圖：
10‧‧‧無刷永磁同步馬達(PMSM)
15‧‧‧三相位橋式驅動器(3-Phase Bridge)
20‧‧‧α-β轉換模組
25‧‧‧派克轉換模組
30‧‧‧反向α-β轉換模組/空間向量調變模組(SVM)
35‧‧‧反向派克轉換模組
40‧‧‧控制器/比例積分控制器(PI)
100‧‧‧角度估計模組
ia、ib‧‧‧馬達相位電流
iα、iβ‧‧‧雙軸正交電流
Id、Iq‧‧‧電流信號
IQREF‧‧‧信號
Vq、Vd‧‧‧信號
Vα、Vβ‧‧‧信號
θ‧‧‧角度信號
第6圖：
100‧‧‧角度估計模組
110‧‧‧減法器
150‧‧‧比例積分控制器(PI)
120‧‧‧積分模組
Id‧‧‧電流信號
ω‧‧‧速度信號
θ‧‧‧角度信號
第7圖：
151‧‧‧比例積分控制器的比例項
152‧‧‧比例積分控制器的積分項
第8A圖：
10‧‧‧無刷永磁同步馬達(PMSM)
15‧‧‧三相位橋式驅動器(3-Phase Bridge)
20‧‧‧α-β轉換模組
25‧‧‧派克轉換模組
90‧‧‧正弦波信號產生器
95‧‧‧加總單元
100‧‧‧角度估計模組
AS‧‧‧角度偏移信號
Duty‧‧‧工作週期信號
ia、ib‧‧‧馬達相位電流
iα、iβ‧‧‧雙軸正交電流
Id、Iq‧‧‧電流信號
VA、VB、VC‧‧‧三相位馬達電壓信號
θ、θA‧‧‧角度信號
第8B圖：
10‧‧‧無刷永磁同步馬達(PMSM)
15‧‧‧三相位橋式驅動器(3-Phase Bridge)
20‧‧‧α-β轉換模組
25‧‧‧派克轉換模組
90‧‧‧正弦波信號產生器
97‧‧‧減法單元
100‧‧‧角度估計模組
AS‧‧‧角度偏移信號
Duty‧‧‧工作週期信號
ia、ib‧‧‧馬達相位電流
iα、iβ‧‧‧雙軸正交電流
Id、Iq‧‧‧電流信號
VA、VB、VC‧‧‧三相位馬達電壓信號
θ、θB‧‧‧角度信號
第9圖：
Duty‧‧‧工作週期信號
VA、VB、VC‧‧‧三相位馬達電壓信號
θA‧‧‧角度信號
第1圖表示場導向控制(FOC)的控制圖解。
第2圖表示滑動模式估測器的一示範例的系統方塊圖。
第3圖表示滑動模式估測器的一示範例的規則系統。
第4圖表示永磁同步馬達(PMSM)的馬達模型。
第5圖表示根據本發明一實施例的無感測器永磁(PM)馬達的角度估計控制系統。
第6圖表示根據本發明一實施例的角度估計模組。
第7圖表示根據本發明一實施例的比例積分控制器。
第8A圖表示根據本發明另一實施例的無感測器永磁(PM)馬達的角度估計控制系統。
第8B圖表示根據本發明又一實施例的無感測器永磁(PM)馬達的角度估計控制系統。
第9圖表示由正弦波產生器所產生的信號波形。
為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
第5圖是表示根據本發明一實施例的無感測器永磁馬達(sensor less permanent magnet(PM)motor)的角度估計控制系統。此角度估計控制系統包括無刷永磁同步馬達(PMSM)10、三相位橋式驅動器(3-Phase Bridge)15、空間向量調變模組(space vector modulation module，SVM)30、α-β轉換模組(Clarke transform module)20、派克轉換模組(Park transform module)25、反向派克轉換模組(inverse Park transform module)35、比例積分(proportional integral，PI)控制器40、以及角度估計模組100。派克轉換模組25產生電流信號Id與Iq。角度估計模組100根據電流信號Id簡單地產生換流角度信號θ，換流角度信號θ與永磁(PM)的換流角度相關連。角度信號θ更耦接派克轉換模組25以及反向派克轉換模組35，以產生關於複數三相位馬達電壓信號的複數脈寬調變信號。
第6圖係表示根據本發明一實施例的角度估計模組100。角度估計模組100包括減法器110，其接收電流信號Id，且由電流信號Id剪去一預設值。角度估計模組100也包括比例積分(proportional integral)控制器(PI)150。由於預設值等於零(即△=Id-0=Id)，比例積分控制器150接收電流信號Id以產生速度信號ω。速度信號ω係根據電流信號Id而所獲得的。積分模組120係根據速度信號ω來產生換流角度信號θ。
第7圖係表示根據本發明一實施例的比例積分控制器。比例積分控制器的比例項151係將輸入信號(誤差信號)乘上 增益KP，導致比例積分控制器產生控制響應，作為誤差幅值的函數。比例積分控制器的積分項152係用來估計微小穩態誤差。積分項152計算誤差信號的連續累積總計(continuous running total)。此累積的穩態誤差信號乘上增益K1。
第8A圖係表示根據本發明另一實施例的無感測器永磁(PM)馬達的角度估計控制系統。此角度估計控制系統包括無刷永磁同步馬達(PMSM)10、三相位橋式驅動器(3-Phase Bridge)15、α-β轉換模組(Clarke transform module)20、派克轉換模組(Park transform module)25、正弦波信號產生器90、以及角度估計模組100。派克轉換模組25產生電流信號Id。角度估計模組100根據電流信號Id產生角度信號θ。角度信號θ更回授至派克轉換模組25。加總單元95根據角度信號θ與角度偏移信號AS來產生另一角度信號θA。角度偏移信號AS係用來適用不同的永磁(PM)馬達以及/或弱磁控制。
角度信號θA以及工作週期信號Duty耦合至正弦波產生器90，以產生關於三相位(相位A、相位B、以及相位C)馬達電壓信號VA、VB、與VC的複數脈寬調變信號。正弦波產生器90具有兩個輸入，包括振幅輸入(振幅)以及相位角輸入(相位角)。振幅輸入耦合工作週期信號Duty。相位角輸入耦合角度信號θA。第9圖係表示由正弦波產生器90所產生的信號波形。三相位馬達電壓信號VA、VB、與VC的振幅係由工作週期信號Duty所程式化。三相位馬達電壓信號VA、VB、與VC的角度係由角度信號θA所決定。
第8B圖係表示根據本發明又一實施例的無感測器永磁(PM)馬達的角度估計控制系統。此角度估計控制系統包括無 刷永磁同步馬達(PMSM)10、三相位橋式驅動器(3-Phase Bridge)15、α-β轉換模組(Clarke transform module)20、派克轉換模組(Park transform module)25、正弦波信號產生器90、以及角度估計模組100。派克轉換模組25產生電流信號Id。角度估計模組100根據電流信號Id產生角度信號θ。角度信號θA以及工作週期信號(Duty)耦合至正弦波產生器90，以產生關於三相位(相位A、相位B、以及相位C)馬達電壓信號VA、VB、與VC的複數脈寬調變信號。減法單元97根據角度信號θ與角度偏移信號AS來產生另一角度信號θB。角度信號θB更回授至派克轉換模組25。
根據上述，本發明提供一種簡單的方法與裝置，其可藉由低成本的一般微控制器來實施無感測器的場導向控制(FOC)。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，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。
10‧‧‧無刷永磁同步馬達(PMSM)
15‧‧‧三相位橋式驅動器(3-Phase Bridge)
20‧‧‧α-β轉換模組
25‧‧‧派克轉換模組
30‧‧‧反向α-β轉換模組/空間向量調變模組(SVM)
35‧‧‧反向派克轉換模組
40‧‧‧控制器/比例積分控制器(PI)
100‧‧‧角度估計模組
ia、ib‧‧‧馬達相位電流
iα、iβ‧‧‧雙軸正交電流
Id、Iq‧‧‧電流信號
IQREF‧‧‧信號
Vq、Vd‧‧‧信號
Vα、Vβ‧‧‧信號
θ‧‧‧角度信號

Claims (4)

  1. 一種角度估計控制系統，用於一永磁馬達，包括：一α-β轉換模組，根據複數馬達相位電流來產生複數正交電流信號；一派克轉換模組，接收一第一角度信號，且根據該等正交電流信號以及該第一角度信號來產生一電流信號；一角度估計模組，根據該電流信號產生該第一角度信號；一加總單元，根據該第一角度信號以及一角度偏移信號來產生一第二角度信號；以及一正弦波產生器，根據該第二角度信號來產生複數三相位馬達電壓信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之角度估計控制系統，其中，該角度估計模組包括：一比例積分控制器，產生一速度信號；以及一積分模組，根據該速度信號產生該第一角度信號；其中，該速度信號係根據該電流信號而所產生。
  3. 一種角度估計控制系統，用於一永磁馬達，包括：一α-β轉換模組，根據複數馬達相位電流來產生複數正交電流信號；一派克轉換模組，接收一第一角度信號，且根據該等正交電流信號以及該第一角度信號來產生一電流信號；一角度估計模組，根據該電流信號產生一第二角度信號； 一減法單元，根據該第二角度信號以及一角度偏移信號來產生該第一角度信號；以及一正弦波產生器，接收該第二角度信號，且根據該第二角度信號來產生複數三相位馬達電壓信號。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之角度估計控制系統，其中，該角度估計模組包括：一比例積分控制器，產生一速度信號；以及一積分模組，根據該速度信號產生該第二角度信號；其中，該速度信號係根據該電流信號而所產生。
TW102125874A 2012-07-25 2013-07-19 角度估計控制系統 TWI559672B (zh)

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