TWI577127B - 交流馬達的驅動方法及應用其之馬達驅動裝置 - Google Patents

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Description

交流馬達的驅動方法及應用其之馬達驅動裝置
本發明是有關於一種馬達驅動技術，且特別是有關於一種交流馬達的驅動方法及應用其之馬達驅動裝置。
交流馬達具有成本低、效率及可靠性高等優點，基於這些優點及變頻技術的快速發展，由交流馬達及馬達驅動裝置/變頻器所構成的變頻馬達系統正在全面地取代直流馬達系統。
在交流馬達的控制中，為了可令交流馬達具有較佳的工作效率，設計者會致力於最佳化馬達驅動裝置的控制手段，使得交流馬達可在各種速度與轉矩下皆可運行在最佳工作效率上。
然而，在現今的馬達驅動裝置的最佳化控制手段中，針對不同類型的交流馬達應用需要採用對應的最佳效率跟蹤手段，而所述最佳效率跟蹤手段通常需要設計者耗費時間製作驅動參數與工作效率之對應關係的查找表，或是需要特定的負載測試設備才能實現。此外，現有的最佳化效率跟蹤手段通常會受到交流馬 達的規格參數隨運作狀態發生改變而造成的跟蹤錯誤。
本發明提供一種交流馬達的驅動方法及應用其之馬達驅動裝置，其可依據交流馬達的運作狀態動態地調整三相驅動電壓，藉以針對任何類型之交流馬達，皆可實現最佳工作效率的自動跟蹤。
本發明的交流馬達的驅動方法包括以下步驟：依據轉速設定值與預設驅動參數產生三相驅動電壓來驅動交流馬達；在一機械週期中，以不同極性之擾動量分別疊加於預設驅動參數，藉以擾動三相驅動電壓的相位角度；檢測擾動後的交流馬達的運作狀態，並據以產生輸出數據；依據輸出數據計算交流馬達於施加不同極性之擾動量時的工作效率；以及比較所述工作效率，藉以選取其中較高者所對應之參數設定值作為當前的預設驅動參數的設定值。
在本發明一實施例中，所述交流馬達的驅動方法更包括：在下一機械週期中，交換所述不同極性之擾動量的施加順序。
在本發明一實施例中，以不同極性之擾動量分別疊加於預設驅動參數，藉以擾動三相驅動電壓的相位角度的步驟包括：將第一擾動量疊加至預設驅動參數以產生第一控制參數；以及將極性相反於第一擾動量的第二擾動量疊加至預設驅動參數以產生第二控制參數。
在本發明一實施例中，計算交流馬達於施加不同極性之擾動量時的工作效率的步驟包括：依據對應於第一控制參數的輸出數據計算第一工作效率；以及依據對應於第二控制參數的輸出數據計算第二工作效率。
在本發明一實施例中，比較所述工作效率，藉以選取其中較高者所對應之參數設定值作為當前的預設驅動參數的設定值的步驟包括：當第一工作效率大於第二工作效率時，將第一控制參數設定為預設驅動參數；以及當第一工作效率小於第二工作效率時，將第二控制參數設定為預設驅動參數。
在本發明一實施例中，依據轉速設定值與預設驅動參數產生三相驅動電壓來驅動交流馬達的步驟包括：依據轉速設定值以及交流馬達的轉子速度產生定子電壓設定值；依據預設驅動參數與轉子運轉資訊產生相位角度設定值以及依據定子電壓設定值與相位角度設定值將直流鏈電壓與直流鏈電流轉換為三相驅動電壓。
在本發明一實施例中，檢測擾動後的交流馬達的運作狀態，並據以產生輸出數據的步驟包括：取樣直流鏈電壓與直流鏈電流；從交流馬達接收多個霍爾訊號，以依據所述多個霍爾訊號定義交流馬達的轉子位置；以及依據轉子位置計算交流馬達的轉子速度。
在本發明一實施例中，所述工作效率是基於轉子速度、直流鏈電壓以及直流鏈電流所計算出。
在本發明一實施例中，取樣直流鏈電壓與直流鏈電流的步驟包括：在機械週期中的多個不同時間點下取樣直流鏈電流之電流值；以及計算所述多個電流值之平均以作為計算所述工作效率的基礎。
在本發明一實施例中，交流馬達包括多個霍爾感測器，所述多個電流值之取樣點數量係依據交流馬達的極對數與所述多個霍爾感測器的數量所決定。
在本發明一實施例中，取樣所述多個電流值之時間點係依據所述多個霍爾感測器所發出的霍爾訊號的脈衝沿所決定。
在本發明一實施例中，所述的交流馬達的驅動方法更包括：在疊加擾動量於預設驅動參數，從而令三相驅動電壓的改變後，延遲預設期間再檢測擾動後的交流馬達的運作狀態。
在本發明一實施例中，交流馬達為永磁同步馬達，預設驅動參數為永磁同步馬達的定子電壓與轉子之間的夾角。
在本發明一實施例中，交流馬達為交流感應馬達，預設驅動參數為交流感應馬達的轉子頻率與定子頻率之間的轉差速度。
本發明的馬達驅動裝置適於驅動交流馬達，並且包括三相電壓產生器、驅動控制器以及檢測電路。三相電壓產生器依據轉速設定值以及預設驅動參數產生三相驅動電壓以驅動交流馬達。驅動控制器耦接三相電壓產生器，用以依據交流馬達與三相電壓產生器的運作狀態產生預設驅動參數來調整三相驅動電壓的 相位角度。檢測電路耦接三相電壓產生器與驅動控制器，用以檢測交流馬達與三相電壓產生器的運作狀態，並據以產生輸出數據。在交流馬達的一機械週期中，驅動控制器以不同極性之擾動量分別疊加於預設驅動參數，藉以擾動三相驅動電壓的相位角度，並且依據輸出數據計算交流馬達於施加不同極性之擾動量時的工作效率，再比較所述工作效率，藉以選取工作效率較高之參數設定值作為當前的預設驅動參數的設定值。
在本發明一實施例中，驅動控制器在下一機械週期中交換所述不同極性之擾動量的施加順序。
在本發明一實施例中，驅動控制器將第一擾動量疊加至預設驅動參數以產生第一控制參數，使得檢測電路檢測出對應於第一控制參數的輸出數據，驅動控制器依據對應於第一控制參數的輸出數據計算第一工作效率。
在本發明一實施例中，驅動控制器將極性相反於第一擾動量的第二擾動量疊加至預設驅動參數以產生第二控制參數，使得檢測電路檢測出對應於第二控制參數的輸出數據，驅動控制器依據對應於第二控制參數的輸出數據計算第二工作效率。
在本發明一實施例中，當驅動控制器判定第一工作效率大於第二工作效率時，驅動控制器將第一控制參數設定為預設驅動參數，以及當驅動控制器判定第一工作效率小於第二工作效率時，驅動控制器將第二控制參數設定為預設驅動參數。
在本發明一實施例中，驅動控制器依據預設驅動參數與 轉子運轉資訊產生相位角度設定值。
在本發明一實施例中，三相電壓產生裝置係依據轉速設定值以及交流馬達的轉子速度產生定子電壓設定值，並且三相電壓產生裝置依據定子電壓設定值與相位角度設定值將直流鏈電壓與直流鏈電流轉換為三相驅動電壓。
在本發明一實施例中，檢測電路取樣直流鏈電壓與直流鏈電流，從交流馬達接收多個霍爾訊號，以依據所述多個霍爾訊號定義交流馬達的轉子位置，並且依據轉子位置計算轉子速度。
在本發明一實施例中，驅動控制器基於轉子速度、直流鏈電壓以及直流鏈電流計算所述工作效率。
在本發明一實施例中，檢測電路係在機械週期中的多個不同時間點下取樣直流鏈電流之電流值，再計算所述多個電流值之平均以作為計算所述工作效率的基礎。
在本發明一實施例中，檢測電路會在驅動控制器疊加擾動量於預設驅動參數，從而令三相驅動電壓的相位角度改變後，延遲預設期間再檢測擾動後的交流馬達的運作狀態。
基於上述，本發明實施例提出一種交流馬達的驅動方法及應用其之馬達驅動裝置，其可透過類似擾動觀察法的方式計算出對應最佳工作效率的預設驅動參數，並據此控制提供給交流馬達的三相驅動電壓的相位角度，使得馬達驅動裝置在運作期間可自動地趨近於最佳的工作效率。同時，藉由所述驅動方法可適用於任何類型的交流馬達還可省去對負載測試設備的要求，並且避 免了最佳效率跟蹤可能會受到交流馬達的規格參數隨運作狀態發生改變而造成的跟蹤錯誤。
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。
10‧‧‧交流馬達
12‧‧‧霍爾感測器
70‧‧‧永磁同步馬達
80‧‧‧交流感應馬達
100、700、800‧‧‧馬達驅動裝置
110、710、810‧‧‧三相電壓產生器
120、720、820‧‧‧驅動控制器
122‧‧‧參數優化跟蹤單元
124、724、824‧‧‧相位角度計算單元
130、730、830‧‧‧檢測電路
712、812‧‧‧電源控制單元
714、814‧‧‧電源轉換單元
722‧‧‧效率優化角跟蹤單元
822‧‧‧效率優化轉差跟蹤單元
732、832‧‧‧電源取樣單元
734、834‧‧‧轉速計算單元
CP、CP1、CP2、CP3、CP4‧‧‧控制參數
EFF1、EFF2、EFF3、EFF4‧‧‧工作效率
HZ‧‧‧電壓頻率設定值
Iin‧‧‧直流鏈電流
IP‧‧‧取樣電流值
MP1、MP2‧‧‧機械週期
OD、OD1、OD2、OD3、OD4‧‧‧輸出數據
PDP、PDP’、PDP”‧‧‧預設驅動參數
Pin‧‧‧直流電源
RP‧‧‧轉子位置
RI‧‧‧轉子運轉資訊
RS‧‧‧轉子速度
S210~S250、S302~S324、S232~S236、S2321~S2322‧‧‧步驟
SA‧‧‧角度設定參數
SPD‧‧‧轉速設定值
SRDS‧‧‧轉差設定參數
Sh‧‧‧霍爾訊號
VAMP‧‧‧電壓振幅設定值
VANG‧‧‧相位角度設定值
VTP‧‧‧三相驅動電壓
Vin‧‧‧直流鏈電壓
VP‧‧‧取樣電壓值
VU、VV、VW‧‧‧相電壓
△D、△D1、△D2、+△D、-△D‧‧‧擾動量
圖1A與圖1B為本發明一實施例的馬達驅動裝置的示意圖。
圖2為本發明一實施例的交流馬達的驅動方法的步驟流程圖。
圖3為本發明另一實施例的交流馬達的驅動方法的步驟流程圖。
圖4為依照圖3之一實施例的交流馬達的驅動方法的驅動時序示意圖。
圖5為本發明一實施例的檢測交流馬達的運作狀態的步驟流程圖。
圖6為本發明一實施例的取樣直流鏈電流的步驟流程圖。
圖7為本發明一實施例之應用於永磁同步馬達的馬達驅動裝置的示意圖。
圖8為本發明一實施例之應用於交流感應馬達的馬達驅動裝置的示意圖。
為了使本揭露之內容可以被更容易明瞭，以下特舉實施例做為本揭露確實能夠據以實施的範例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟，係代表相同或類似部件。
圖1A為本發明一實施例的馬達驅動裝置的示意圖。請參照圖1A，本實施例的馬達驅動裝置100適於驅動交流馬達10。所述交流馬達10可例如為永磁同步馬達(包括表貼式永磁同步馬達以及內嵌式永磁同步馬達)或交流感應馬達，本發明不以此為限。此外，交流馬達10包括霍爾感測器12，其可偵測交流馬達的磁場變化並據以產生霍爾訊號Sh。
馬達驅動裝置100例如為變頻器(variable-frequency driver，VFD)，其可用以產生一三相驅動電壓VTP(包括相電壓VU、VV及VW)，並且依據轉速設定值SPD與其他控制參數來調整所產生的三相驅動電壓VTP的頻率與振幅，並據以控制交流馬達10的轉速與轉矩。
在本實施例中，馬達驅動裝置100包括三相電壓產生器110、驅動控制器120以及檢測電路130。三相電壓產生器110會從直流電源Pin接收直流鏈電壓Vin與直流鏈電流Iin，並且將所接收的直流鏈電壓Vin與直流鏈電流Iin轉換為交流形式的三相驅動電壓VTP以驅動交流馬達10。
其中，三相電壓產生器110會根據轉速設定值SPD與交 流馬達10的轉子速度RS來產生一定子電壓設定值，藉以調整所產生的三相驅動電壓VTP的頻率與振幅，並且根據相位角度設定值來調整三相驅動電壓VTP的相位角度，藉以調控交流馬達10的轉速與轉矩。
於此，所述相位角度設定值VANG是由驅動控制器120依據一預設驅動參數PDP而產生。所述預設驅動參數PDP會根據交流馬達10的類型不同而有不同的定義。舉例來說，若交流馬達10為永磁同步馬達，則所述預設驅動參數PDP可例如為永磁同步馬達的定子電壓與轉子之間的夾角。又例如，若交流馬達10為交流感應馬達，則所述預設驅動參數PDP可例如為交流感應馬達的轉子頻率與定子頻率之間的轉差速度。
換言之，本實施例的三相電壓產生器110會依據轉速設定值SPD以及相位角度設定值VANG產生三相驅動電壓VTP來驅動交流馬達10。
驅動控制器120耦接三相電壓產生器110，其可用以依據交流馬達10與三相電壓產生器110的運作狀態來計算並產生對應的預設驅動參數PDP，並且根據預設驅動參數PDP及當前交流馬達10的轉速/轉子位置來產生對應的相位角度設定值VANG以調整三相驅動電壓VTP的相位角度，從而令交流馬達10的運轉可趨於穩定。
檢測電路130耦接三相電壓產生器110與120驅動控制器。檢測電路130可用以檢測交流馬達10與三相電壓產生器110 的運作狀態，並據以產生關聯於所述運作狀態的輸出數據OD。舉例來說，輸出數據OD可例如包括三相電壓產生器110所接收的直流鏈電壓Vin與直流鏈電流Iin大小之電源資訊，並且根據從交流馬達10所接收的霍爾訊號Sh計算交流馬達10的轉子位置及/或轉子速度等轉子運轉資訊。
在本實施例中，驅動控制器120可在不需預先建立關聯於預設驅動參數PDP與工作效率對應關係之查找表的前提下，實時地依據交流馬達10的運作狀態來計算出當前工作效率，再透過類似擾動觀察法(perturb and observe method)的馬達驅動控制機制來計算出對應最佳工作效率的預設驅動參數PDP，並據以產生對應的相位角度設定值VANG來動態地控制三相電壓產生器110的運作，使得馬達驅動裝置100可在運作期間皆令交流馬達10趨近於最佳的工作效率。
底下以搭配圖2實施例來具體說明本案的馬達驅動方法。其中，圖2為本發明一實施例的交流馬達的驅動方法的步驟流程圖。
請同時參照圖1A與圖2，在本實施例的馬達驅動方法中，首先，三相電壓產生器110會依據轉速設定值SPD與依據預設驅動參數PDP所產生的相位角度設定值VANG來產生三相驅動電壓VTP(步驟S210)。接著，在每一機械週期(即，交流馬達10之轉子旋轉一周所需之時間)中，驅動控制器120會以不同極性之擾動量分別疊加於預設驅動參數PDP，藉以擾動三相電壓產 生器110所產生的三相驅動電壓VTP的相位角度(步驟S220)。在交流馬達10運作的過程中，檢測電路130會實時地檢測擾動後的交流馬達10的運作狀態，並據以產生輸出數據OD(步驟S230)，使得驅動控制器120可依據輸出數據OD計算交流馬達10於施加不同極性之擾動量時的工作效率(步驟S240)。在計算出工作效率後，驅動控制器120會比較所計算出的工作效率，藉以選取工作效率較高者所對應之參數設定值作為當前的預設驅動參數的設定值(步驟S250)。
藉由上述的驅動方法，三相驅動電壓VTP的相位角度會實時地朝向較高工作效率的趨勢逐步調整，使得馬達驅動裝置100可針對任何類型的交流馬達10實現自動的最佳效率跟蹤，而不再需要測試人員預先進行測試來建立預設驅動參數PDP的查找表。此外，藉由所述驅動方法也可以省去對負載測試設備的要求，並且避免了最佳效率跟蹤可能會受到交流馬達的規格參數隨運作狀態發生改變而造成的跟蹤錯誤。
其中，上述驅動方法可利用如圖1B所示之驅動控制器320的功能方塊來實現。請參照圖1B，驅動控制器120包括參數優化跟蹤單元122以及相位角度計算單元124。參數優化跟蹤單元122可將擾動量△D疊加至預設驅動參數PDP以產生控制參數CP。相位角度計算單元124會依據控制參數CP與轉子運轉資訊RI計算對應的相位角度設定值VANG。其中，參數優化跟蹤單元122會依據輸出數據OD來計算交流馬達10於施加不同極性之擾 動量△D時的工作效率，並且據以決定所提供的擾動量△D之極性。所述參數優化跟蹤單元122計算控制參數CP的方式以及所產生的控制參數CP會根據應用的交流馬達10的類型而有所差異，後續實施例將會進一步舉例說明。
在上述驅動方法中，本案至少具有三個可帶來有益功效的技術手段：(1)跟蹤最佳工作效率的相位擾動控制；(2)工作效率的計算；以及(3)直流鏈電流的取樣。其中，上述技術手段可個別地、部分地或總和地應用在一交流馬達驅動方法中，本發明並不限定上述技術手段必須同時應用。
為了更具體地說明本發明實施例的馬達驅動方法及上述技術手段，底下以圖3至圖5之步驟流程搭配圖1A、1B的馬達驅動裝置100的架構來進行說明。
(1)跟蹤最佳工作效率的相位擾動控制
請先參照圖1A、圖1B及圖3，其中，圖3為本發明另一實施例的交流馬達的驅動方法的步驟流程圖。在本實施例的驅動方法中，首先，三相電壓產生器110會依據轉速設定值SPD與基於預設驅動參數PDP所產生的相位角度設定值VANG來產生三相驅動電壓VTP(步驟S302)。接著，驅動控制器120會依據交流馬達10的運作狀態判斷是否符合最佳化效率跟蹤的啟動條件(步驟S304)。其中，所述啟動條件例如為直流鏈電壓Vin的變動幅度位在一正常區間內(可由設計者自行定義)。
若驅動控制器120判定交流馬達10的運作狀態不符合最 佳化效率跟蹤的啟動條件，則驅動控制器120不會執行後續的最佳化效率跟蹤步驟S306~S324，而是重複進行偵測啟動條件的步驟S304。反之，若驅動控制器120判定交流馬達10的運作狀態符合最佳化效率跟蹤的啟動條件，則驅動控制器會接續進行步驟S306~S324。
在步驟S306~S310中，驅動控制器120會將擾動量△D1疊加至預設驅動參數PDP上以產生控制參數CP1(步驟S306)，並且令驅動控制器120依據控制參數CP1產生對應的相位角度設定值ANG。接著，檢測電路130會檢測對應於控制參數CP1的輸出數據OD1(步驟S308)，以令驅動控制器120依據輸出數據OD1計算對應的工作效率EFF1(步驟S310)。
類似地，在接續的步驟S312~S316中，驅動控制器120會改以將極性相反於擾動量△D1之擾動量△D2(亦即，若擾動量△D1為正擾動量，則擾動量△D2即為負擾動量；若擾動量△D1為負擾動量，則擾動量△D2即為正擾動量)疊加至預設驅動參數PDP上以產生控制參數CP2(步驟S312)，並且令驅動控制器120依據控制參數CP2產生對應的相位角度設定值ANG。接著，檢測電路130會檢測出對應於控制參數CP2的輸出數據OD2(步驟S314)，以令驅動控制器120依據輸出數據OD2計算對應的工作效率EFF2(步驟S316)。
接著，驅動控制器120會比較工作效率EFF1與EFF2(步驟S318)。當驅動控制器120判定工作效率EFF1大於EFF2時， 驅動控制器120會將控制參數CP1設定為預設驅動參數PDP(步驟S320)。反之，當驅動控制器120判定工作效率EFF1小於EFF2時，驅動控制器120則會將控制參數CP2設定為預設驅動參數PDP(步驟S322)。換言之，驅動控制器120會選取工作效率較高者所對應之參數設定值CP1/CP2作為當前的預設驅動參數PDP的設定值。
上述的步驟會在一個機械週期中執行完畢，在進入下一機械週期時，驅動控制器120會交換不同極性之擾動量△D1與△D2的施加順序(步驟S324)。亦即，若此一機械週期中，是先施加正擾動量(以“+△D”表示之)再施加負擾動量(以“-△D”表示之)，則在下一機械週期中，會改為先施加負擾動量-△D再施加正擾動量+△D，並據此計算工作效率與決定預設驅動參數PDP的設定值。透過此一雙向掃描的跟蹤演算機制，可以避免以同一方向疊加擾動量△D所可能造成的慣性誤差，從而進一步提高最佳化工作效率跟蹤的準確性。
為了更清楚的說明雙向掃描的跟蹤演算機制，底下以圖4來說明圖3的步驟流程在不同機械週期內的時序關係。其中，圖4為依照圖3之一實施例的交流馬達的驅動方法的驅動時序示意圖。
請參照圖1B與圖4，類似於前述圖3實施例的步驟流程，在第一個機械週期MP1中，參數優化跟蹤單元122會先將正擾動量+△D疊加於預設驅動參數PDP上，並據以產生對應的控制參數CP1(即，PDP+△D)，使得相位角度計算單元124依據控制參數 CP1產生對應的相位角度設定值VANG來控制三相電壓產生器110。接著，參數優化跟蹤單元122會根據檢測電路130所檢測出的輸出數據OD1計算對應控制參數CP1的工作效率EFF1。
在計算出控制參數CP1所對應的工作效率EFF1後，參數優化跟蹤單元122會改以將負擾動量-△D疊加於預設驅動參數PDP上，並據以產生對應的控制參數CP2(即，PDP-△D)，使得相位角度計算單元124依據控制參數CP2產生對應的相位角度設定值VANG來控制三相電壓產生器110。接著，參數優化跟蹤單元122會根據檢測電路130所檢測出的輸出數據OD2計算對應控制參數CP2的工作效率EFF2。
在計算出工作效率EFF1與EFF2後，參數優化跟蹤單元122會判斷工作效率EFF1與EFF2何者較高，並且將其中較高者設定為下一機械週期MP2的預設驅動參數PDP’(即，PDP’=PDP+△D或PDP’=PDP-△D)。
在進入下一機械週期MP2後，參數優化跟蹤單元122會改以先將負擾動量-△D疊加於預設驅動參數PDP’上，並且依據輸出數據OD3計算對應的工作效率EFF3後，再將正擾動量+△D疊加於預設驅動參數PDP’上，並且依據輸出數據OD4計算對應的工作效率EFF4。此後，類似於前一機械週期MP1的控制，參數優化跟蹤單元122會判斷工作效率EFF3與EFF4何者較高，並且將其中較高者設定為下一機械週期的預設驅動參數PDP”(即，PDP”=PDP’+△D或PDP”=PDP’-△D)。
在後續的機械週期中，驅動控制器120會以前述的控制方式持續地交換不同極性之擾動量+△D/-△D的施加順序，於此不再重複贅述。
換言之，在所述雙向掃描的跟蹤演算機制中，驅動控制器120會在一機械週期(例如MP1)中採用先加後減(或先減後加)的方式來擾動預設驅動參數PDP，並且在下一機械週期(例如MP2)中改採先減後加(或先加後減)的方式來擾動預設驅動參數PDP’。透過所述雙向掃描的跟蹤演算機制，本案的馬達驅動裝置100即可以避免以同一方向疊加擾動量△D所可能造成的慣性誤差，從而進一步提高最佳化工作效率跟蹤的準確性。
除此之外，在一範例實施例中，為了避免檢測電路130所檢測出的輸出數據OD在擾動預設驅動參數PDP時發生失真，檢測電路130可在驅動控制器120疊加擾動量△D於預設驅動參數PDP，從而令三相驅動電壓VTP的相位角度改變後，延遲一段預設期間(可由設計者自行定義)再檢測擾動後的交流馬達10的運作狀態。
另外應說明的是，如圖3與圖4實施例所述之交換不同極性之擾動量的施加順序的步驟是可選擇性地應用於本案的驅動方法中，藉以提高最佳化工作效率跟蹤的準確性，但本案並不對此加以限制。
(2)工作效率的計算
請參照圖1A與圖5，在本實施例的檢測擾動後的交流馬 達的運作狀態的步驟S230中，首先，檢測電路130會取樣直流鏈電壓Vin與直流鏈電流Iin(步驟S232)，並且從交流馬達10接收霍爾感測器12所發出的霍爾訊號Sh，以依據接收到的霍爾訊號Sh定義交流馬達10的轉子位置(步驟S234)。接著，檢測電路130會依據交流馬達10的轉子位置計算交流馬達10的轉子速度RS(步驟S236)。檢測電路130會以所檢測到的直流鏈電壓Vin、直流鏈電流Iin、交流馬達10的轉子位置以及轉子速度RS知至少其中一者作為輸出數據OD提供給三相電壓產生器110與驅動控制器120，藉以做為控制的依據。
在本實施例中，檢測電路130不像一般的恆壓控制手段採用檢測交流馬達10繞組的相電流或線電流，而是以取樣直流鏈電壓Vin與直流鏈電流Iin作為計算工作效率的基礎，因此可以降低驅動控制器120之工作效率計算的複雜度。
更具體地說，本實施例中的工作效率可以下式(1)表示之：
η為工作效率，PIN為輸入功率，以及POUT為輸出功率。其中，輸入功率PIN與輸出功率POUT又可分別以下式(2)、(3)表示：P IN =V IN ×I IN (2)
P OUT =ω g ×T g (3)
ωg為三相驅動電壓VTP的電角頻率以及Tg為交流馬達10的輸出力矩。在本實施例中，由於輸出力矩Tg並無法直接檢測出，因此於本案一範例實施例的計算方式下，係令輸出力矩Tg在一個短時間內(例如為100ms)假定為一恆定量，進而進一步簡化工作效率的計算式。
基此，依據上式(1)~(3)，工作效率η可以代換為下式(4)：
在本案之一範例實施例中，驅動控制器120會利用上式(4)來執行計算交流馬達10的工作效率的步驟S240，藉以在合理的工作效率計算誤差範圍內，避免工作效率的計算過於複雜。
(3)直流鏈電流的取樣
驅動控制器120是依據檢測電路130所取樣的直流鏈電壓Vin與直流鏈電流Iin作為計算工作效率的依據，因此所取樣的直流鏈電壓Vin與直流鏈電流Iin是否準確即會影響工作效率的計算結果。更具體地說，在交流馬達10的運作中，由於轉子磁鋼安裝的不均勻性，在同一機械週期內的直流鏈電流Iin往往會發生週期性波動，從而造成檢測電路130在單一時間點下所取樣到的直流鏈電流Iin並不能反應實質的直流鏈電流Iin大小。如此便可能造成驅動控制器120的工作效率運算發生誤差，從而造成控制錯誤。
因此，在本案之一範例實施例中，提出了一種直流鏈電流Iin的取樣方法，如圖6所示，其中，圖6為本發明一實施例的取樣直流鏈電流的步驟流程圖。
請同時參照圖1A與圖6，在步驟S232中，檢測電路130會在每一機械週期中的多個不同時間點下取樣直流鏈電流Iin之電流值(步驟S2321)，接著再計算取樣到的電流值之平均以作為計算工作效率的基礎(步驟S2322)。其中，在一範例實施例中，直流鏈電流Iin的電流值取樣點數量係依據交流馬達10的極對數(number of pole pairs)與交流馬達10中的霍爾感測器12的數量所決定。
舉例來說，取樣點數量可以定義為極對數乘上各霍爾感測器12所發出的霍爾訊號Sh在1個電週期內的上升沿(rising edge)與下降沿(falling edge)的數量。假設交流馬達為8極馬達(即，極對數為4)，並且霍爾感測器12數量為3。於此態樣下，一個機械週期會包括有4個電週期，並且1個電週期內會出現6個霍爾訊號Sh的上升沿與下降沿(每一霍爾訊號Sh在一電週期中有一個上升沿與一個下降沿)。因此，在一個機械週期內的取樣點數量會等於4×6共24點。
更進一步地說，檢測電路130會依據霍爾感測器12所發出的霍爾訊號Sh的脈衝沿(即，上升沿與下降沿)來決定取樣直流鏈電流Iin之電流值的時間點，並且依據此24個取樣時間點所取樣到的電流值進行平均運算，藉以計算出代表實際直流鏈電流 Iin的取樣電流值。所述的平均運算可以下式(5)表示之：
其中，IP為取樣電流值，N為取樣點數量，並且k為取樣時間點。
透過上述取樣直流鏈電流的方式，檢測電路130可以提供一個相對精確的直流鏈電流Iin之取樣電流值給驅動控制器120作為計算工作效率的依據，從而提高電流取樣的準確性與精度。
底下以圖7與圖8實施例來具體說明本發明實施例的馬達驅動裝置100在不同類型之交流馬達10下的硬體架構。其中，圖7為本發明一實施例之應用於永磁同步馬達的馬達驅動裝置的示意圖。圖8為本發明一實施例之應用於交流感應馬達的馬達驅動裝置的示意圖。
請先參照圖7，在本實施例中，馬達驅動裝置700適於提供三相驅動電壓VTP以驅動永磁同步馬達70。馬達驅動裝置700包括三相電壓產生器710、驅動控制器720以及檢測電路730。
在電源轉換單元710中，包括電源控制單元712以及電源轉換單元714。電源控制單元712會接收轉速設定值SPD與檢測電路730所提供的轉子速度RS來產生電壓振幅設定值VAMP以及電壓頻率設定值HZ。電源轉換單元714會依據電壓振幅設定值VAMP、電壓頻率設定值HZ以及驅動控制器720所提供的相位角度設定值VANG進行電源轉換，藉以將所接收的直流鏈電壓Vin 與直流鏈電流Iin轉換為三相驅動電壓VTP。
驅動控制器720的預設驅動參數為永磁同步馬達70的定子電壓與轉子之間的夾角(即，效率優化角)。驅動控制器720包括效率優化角跟蹤單元722以及相位角度計算單元724。效率優化角跟蹤單元722可用以依據從檢測電路730所接收的取樣電壓值VP、取樣電流值IP以及轉子速度RS，執行前述圖2至圖4所述之最佳化效率跟蹤的運算，並據以產生一角度設定參數SA。相位角度計算單元724接收角度設定參數SA與檢測電路730所提供的轉子位置RP，並且依據角度設定參數SA與轉子位置RP計算對應的相位角度設定值VANG。
檢測電路730包括電源取樣單元732以及轉速計算單元734。電源取樣單元732可取樣直流鏈電壓Vin與直流鏈電流Iin，並且分別依據取樣到的直流鏈電壓Vin與直流鏈電流Iin產生取樣電壓值VP以及取樣電流值IP。轉速計算單元734會從永磁同步馬達70接收霍爾訊號Sh，並且依據所接收到的霍爾訊號Sh定義永磁同步馬達70的轉子位置RP。此外，轉速計算單元734還會依據所定義出的轉子位置RP計算永磁同步馬達70的轉子速度RS。
請參照圖8，在本實施例中，馬達驅動裝置800適於提供三相驅動電壓VTP以驅動交流感應馬達80。馬達驅動裝置800包括三相電壓產生器810、驅動控制器820以及檢測電路830。
本實施例的電源轉換單元810包括電源控制單元812以及電源轉換單元814。所述電源控制單元812以及電源轉換單元 814的功能及配置大致上與圖7實施例的電源控制單元712以及電源轉換單元714相同，故於此不再贅述。
驅動控制器820的預設驅動參數為交流感應馬達80的轉子頻率與定子頻率之間的轉差速度(即，效率優化轉差)。驅動控制器820包括效率優化轉差跟蹤單元822以及相位角度計算單元824。效率優化轉差跟蹤單元822可用以依據從檢測電路730所接收的取樣電壓值VP、取樣電流值IP以及轉子速度RS，執行前述圖2至圖4所述之最佳化效率跟蹤的運算，並據以產生一轉差設定參數SRDS。相位角度計算單元724接收轉差設定參數SRDS與檢測電路730所提供的轉子速度RS，並且依據轉差設定參數SRDS與轉子速度RS計算對應的相位角度設定值VANG。
檢測電路830包括電源取樣單元832以及轉速計算單元834。本實施例的電源取樣單元832的功能與配置大致上與圖7實施例的電源取樣單元732相同，故於此不再贅述。
轉速計算單元834會從交流感應馬達80接收霍爾訊號Sh，並且依據所接收到的霍爾訊號Sh定義永磁同步馬達80的轉子位置，再依據所定義出的轉子位置計算永磁同步馬達70的轉子速度RS。由於本實施例的效率優化轉差跟蹤單元822所輸出的是關聯於轉子轉速的轉差設定參數SRDS，因此相位角度計算單元824僅需取得轉子速度RS即可計算得出對應的相位角度設定值VANG。換言之，本實施例的轉速計算單元834與前述圖7實施例的轉速計算單元734的差別在於本實施例的轉速計算單元834僅 需輸出轉子速度RS的訊號而不需額外產生轉子位置RP的訊號。
綜上所述，本發明實施例提出一種交流馬達的驅動方法及應用其之馬達驅動裝置，其可透過類似擾動觀察法的方式計算出對應最佳工作效率的預設驅動參數，並據此控制提供給交流馬達的三相驅動電壓的相位角度，使得馬達驅動裝置在運作期間可自動地令交流馬達趨近於最佳的工作效率。同時，藉由所述驅動方法可適用於任何類型的交流馬達還可省去對負載測試設備的要求，並且避免了最佳效率跟蹤可能會受到交流馬達的規格參數隨運作狀態發生改變而造成的跟蹤錯誤。除此之外，本案還提出了雙向掃描的相位擾動控制、簡化的工作效率計算以及高精確度的直流鏈電流取樣方法，其可有效地提升交流馬達控制的效率及穩定性。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
S210~S250‧‧‧步驟

Claims (19)

  1. 一種交流馬達的驅動方法，包括：依據一轉速設定值與一預設驅動參數產生一三相驅動電壓來驅動該交流馬達；在一機械週期中，以不同極性之擾動量分別疊加於該預設驅動參數，藉以擾動該三相驅動電壓的一相位角度；檢測擾動後的交流馬達的運作狀態，並據以產生一輸出數據；依據該輸出數據計算該交流馬達於施加不同極性之擾動量時的工作效率；比較所述工作效率，藉以選取其中較高者所對應之參數設定值作為當前的預設驅動參數的設定值；以及在下一機械週期中，交換所述不同極性之擾動量的施加順序。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的交流馬達的驅動方法，其中以不同極性之擾動量分別疊加於該預設驅動參數，藉以擾動該三相驅動電壓的相位角度的步驟包括：將一第一擾動量疊加至該預設驅動參數以產生一第一控制參數；以及將極性相反於該第一擾動量的一第二擾動量疊加至該預設驅動參數以產生一第二控制參數。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的交流馬達的驅動方法，其中計算該交流馬達於施加不同極性之擾動量時的工作效率的步驟包括： 依據對應於該第一控制參數的輸出數據計算一第一工作效率；以及依據對應於該第二控制參數的輸出數據計算一第二工作效率。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的交流馬達的驅動方法，其中比較所述工作效率，藉以選取其中較高者所對應之參數設定值作為當前的預設驅動參數的設定值的步驟包括：當該第一工作效率大於該第二工作效率時，將該第一控制參數設定為該預設驅動參數；以及當該第一工作效率小於該第二工作效率時，將該第二控制參數設定為該預設驅動參數。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的交流馬達的驅動方法，其中依據該轉速設定值與該預設驅動參數產生該三相驅動電壓來驅動該交流馬達的步驟包括：依據該轉速設定值以及該交流馬達的一轉子速度產生一定子電壓設定值；依據該預設驅動參數與一轉子運轉資訊產生一相位角度設定值以及依據該定子電壓設定值與該相位角度設定值將一直流鏈電壓與一直流鏈電流轉換為該三相驅動電壓。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的交流馬達的驅動方法，其中檢測擾動後的交流馬達的運作狀態，並據以產生該輸出數據的步驟包括： 取樣該直流鏈電壓與該直流鏈電流；從交流馬達接收多個霍爾訊號，以依據該些霍爾訊號定義該交流馬達的一轉子位置；以及依據該轉子位置計算該轉子速度。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的交流馬達的驅動方法，其中取樣該直流鏈電壓與該直流鏈電流的步驟包括：在該機械週期中的多個不同時間點下取樣該直流鏈電流之電流值；以及計算該些電流值之平均以作為計算所述工作效率的基礎。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的交流馬達的驅動方法，其中該交流馬達包括多個霍爾感測器，該些電流值之取樣點數量係依據該交流馬達的一極對數與該些霍爾感測器的數量所決定。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的交流馬達的驅動方法，更包括：在疊加該擾動量於該預設驅動參數，從而令該三相驅動電壓的相位角度改變後，延遲一預設期間再檢測擾動後的交流馬達的運作狀態。
  10. 一種馬達驅動裝置，適於驅動一交流馬達，該馬達驅動裝置包括：一三相電壓產生器，依據一轉速設定值以及一預設驅動參數產生一三相驅動電壓以驅動該交流馬達；一驅動控制器，耦接該三相電壓產生器，用以依據該交流馬 達與該三相電壓產生器的運作狀態產生該預設驅動參數來調整該三相驅動電壓的一相位角度；以及一檢測電路，耦接該三相電壓產生器與該驅動控制器，用以檢測該交流馬達與該三相電壓產生器的運作狀態，並據以產生一輸出數據，其中，在該交流馬達的一機械週期中，該驅動控制器以不同極性之擾動量分別疊加於該預設驅動參數，藉以擾動該三相驅動電壓的相位角度，並且依據該輸出數據計算該交流馬達於施加不同極性之擾動量時的工作效率，再比較所述工作效率，藉以選取工作效率較高之參數設定值作為當前的預設驅動參數的設定值，其中該驅動控制器在下一機械週期中交換所述不同極性之擾動量的施加順序。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的馬達驅動裝置，其中該驅動控制器將一第一擾動量疊加至該預設驅動參數以產生一第一控制參數，使得該檢測電路檢測出對應於該第一控制參數的輸出數據，該驅動控制器依據對應於該第一控制參數的輸出數據計算一第一工作效率。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的馬達驅動裝置，其中該驅動控制器將極性相反於該第一擾動量的一第二擾動量疊加至該預設驅動參數以產生一第二控制參數，使得該檢測電路檢測出對應於該第二控制參數的輸出數據，該驅動控制器依據對應於該第二控制參數的輸出數據計算一第二工作效率。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的馬達驅動裝置，其中當該驅動控制器判定該第一工作效率大於該第二工作效率時，該驅動控制器將該第一控制參數設定為該預設驅動參數，以及當該驅動控制器判定該第一工作效率小於該第二工作效率時，該驅動控制器將該第二控制參數設定為該預設驅動參數。
  14. 如申請專利範圍第10項所述的馬達驅動裝置，其中該驅動控制器依據該預設驅動參數與一轉子運轉資訊產生一相位角度設定值。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的馬達驅動裝置，其中該三相電壓產生裝置係依據該轉速設定值以及該交流馬達的一轉子速度產生一定子電壓設定值，並且該三相電壓產生裝置依據該定子電壓設定值與該相位角度設定值將一直流鏈電壓與一直流鏈電流轉換為該三相驅動電壓。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的馬達驅動裝置，其中該檢測電路取樣該直流鏈電壓與該直流鏈電流，從交流馬達接收多個霍爾訊號，以依據該些霍爾訊號定義該交流馬達的一轉子位置，並且依據該轉子位置計算該轉子速度。
  17. 如申請專利範圍第16項所述的馬達驅動裝置，其中該檢測電路係在該機械週期中的多個不同時間點下取樣該直流鏈電流之電流值，再計算該些電流值之平均以作為計算所述工作效率的基礎。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的馬達驅動裝置，其中該交 流馬達包括多個霍爾感測器，該些電流值之取樣點數量係依據該交流馬達的一極對數與該些霍爾感測器的數量所決定。
  19. 如申請專利範圍第10項所述的馬達驅動裝置，其中該檢測電路會在該驅動控制器疊加該擾動量於該預設驅動參數，從而令該三相驅動電壓的相位角度改變後，延遲一預設期間再檢測擾動後的交流馬達的運作狀態。
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