TWI613885B - 維持同轉速下之直流風扇馬達最佳化節能方法及其晶片 - Google Patents

Abstract

本發明係有關於一種維持同轉速下之直流風扇馬達最佳化節能方法及其晶片，其主要係電氣角度θ _e為2π內，對直流風扇馬達輸入

Description

維持同轉速下之直流風扇馬達最佳化節能方法及其晶片

本發明係有關於一種維持同轉速下之直流風扇馬達最佳化節能方法及其晶片，尤其是指一種使得直流風扇馬達系統能調整至目標轉速，並有效達到節省功率耗損之節能效果，而在其整體施行使用上更增實用功效特性之維持同轉速下之直流風扇馬達最佳化節能方法及其晶片創新設計者。

按，各式馬達結構設計被廣泛的應用在人們生活周遭，其被大量的運用於各種產品作為主要之動力源，舉凡各種民生、工業、運輸與資訊等機具設備上，皆可見到馬達結構之設置，特別是運用於轉速或扭力需求較高之裝置，如：壓縮機、電梯、冷氣機、果汁機或電動載具〔如電動車、代步車〕等。

其中，該類馬達一般皆係於矽鋼片上以漆包線進行捲繞形成 線圈，使得於對線圈通電後，電流進入線圈產生磁場，利用電流的磁效應，即能使轉子產生連續轉動，以達到將電能轉換為力學能，而帶動其相對應機具設備進行各項動作。

然而，上述馬達雖可達到帶動其相對應機具設備進行各項動作之預期功效，但也在其整體施行使用上發現，該馬達於控制驅動其啟動運轉過程中，需要消耗大量電能，相對即會造成使用成本無法有效降低，致令其在整體結構設計上仍存有改進之空間。

緣是，發明人有鑑於此，秉持多年該相關行業之豐富設計開發及實際製作經驗，針對現有之結構及缺失再予以研究改良，提供一種維持同轉速下之直流風扇馬達最佳化節能方法及其晶片，以期達到更佳實用價值性之目的者。

本發明之主要目的在於提供一種維持同轉速下之直流風扇馬達最佳化節能方法及其晶片，其主要係設計直流風扇馬達的輸入電壓，使得該直流風扇馬達系統能調整至目標轉速，並有效達到節省功率耗損之節能效果，而在其整體施行使用上更增實用功效特性者。

本發明維持同轉速下之直流風扇馬達最佳化節能方法之主要目的與功效，係由以下具體技術手段所達成：其主要係電氣角度θ _e為2π內，對直流風扇馬達輸入電壓波形如 下：

其中，

是設計電壓，V₀和ε是常數，該V₀為12-12.1，該ε為10-20，θ ₁和θ ₂是電氣轉角常數，該θ ₁為0-0.05，該θ ₂為0-0.05，θ _*表示為

本發明維持同轉速下之直流風扇馬達最佳化節能晶片之主要目的與功效，係由以下具體技術手段所達成：將

設計電壓繪製到晶片內。

本發明維持同轉速下之直流風扇馬達最佳化節能方法及其晶片的較佳實施例，其中，該晶片為STC系列晶片。

第一圖：本發明之直流風扇馬達模組示意圖

第二圖：本發明第一設計電壓之輸入電壓模擬比較波形圖

第三圖：本發明第一設計電壓之輸入電流模擬比較波形圖

第四圖：本發明第一設計電壓之功率耗損模擬比較波形圖

第五圖：本發明第一設計電壓之輸入電壓實驗量測比較波形圖

第六圖：本發明第一設計電壓之輸入電流實驗量測比較波形圖

第七圖：本發明第一設計電壓之功率耗損實驗量測比較波形圖

第八圖：本發明第一設計電壓之電機速度實驗量測比較波形圖

第九圖：本發明第二設計電壓之輸入電壓模擬比較波形圖

第十圖：本發明第二設計電壓之輸入電流模擬比較波形圖

第十一圖：本發明第二設計電壓之功率耗損模擬比較波形圖

第十二圖：本發明第二設計電壓之輸入電壓實驗量測比較波形圖

第十三圖：本發明第二設計電壓之輸入電流實驗量測比較波形圖

第十四圖：本發明第二設計電壓之功率耗損實驗量測比較波 形圖

第十五圖：本發明第二設計電壓之電機速度實驗量測比較波形圖

為令本發明所運用之技術內容、發明目的及其達成之功效有更完整且清楚的揭露，茲於下詳細說明之，並請一併參閱所揭之圖式及圖號：首先，請參閱第一圖本發明之直流風扇馬達模組示意圖所示，本發明節能方法如下：

1.直流風扇馬達的機電建模：令直流風扇馬達之電氣為於輸入電壓v_in串聯連接有電樞電阻R_a、輸入電流i_in、電樞電感L_a及反電動勢電壓v_EMF，使得該直流風扇馬達電氣之動態方程式電壓輸入為：

其中，假設v_EMF=K_b ω _n，K_b是反電動勢常數。

而該直流風扇馬達轉動與扭矩輸入到該直流風扇馬達之間機械方程式關係可透過使用牛頓運動定律得到如下：

其中τ _m是負載轉矩，B_m是阻尼係數，ω _m是馬達轉速，J_m是轉動 慣量，τ _e是電氣轉矩。假設

，α是負載常數。

而該直流風扇馬達轉角θ _m和該直流風扇馬達轉速ω _m的相關式可以描述如下：

經由方程式(1)、(2)和(3)可以表示為狀態方程式如下：

其中

，該

為該直流風扇馬達轉角、該

為該直流風扇馬達轉速、該i_q為該直流風扇馬達電流，

，u=V_in

2.直流風扇馬達的系統識別：一個動態系統具有一個狀態空間矩陣形式被配製如下：

在(5)式中，x=[x₁…x_n]^T是狀態向量，x₁…x_n是系統變數，A是一個n×n的狀態矩陣，B是一個n×1的輸入矩陣，是輸入向量。AB矩陣裡包括該系統的參數。輸出向量可以寫成y=cx．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．(6)

在(6)式中，y是一個n×1的向量，

是一個n×n的輸出矩陣。

假設鑑別的數學模型如(7)式表示

在(7)式中，

是鑑別狀態向量，

…

是系統鑑別變數，

是一個n×n的鑑別狀態矩陣，

是一個n×1的鑑別輸入矩陣，u是輸入向量。鑑別矩陣，包括該系統的鑑別參數。輸出向量可以寫成

在(8)式中，

是一個n×1的鑑別向量。實際系統和鑑別的數學模型之間的輸出狀態的誤差向量寫為

在(9)式中，

，…，

。在一般的情況下，系統鑑別的適應方程式(FF)通常以(10)式所示。

其中是的i是採樣次數，並且是總數。假設該系統的狀態是所有可量測。如果常數矩陣是單位矩陣，即c₁,c₂…c_n=1,，則FF可以寫成

基於全狀態誤差，加入一個權重因子於適應方程式裡，如(12)式所示，稱(12)式為新的適應方程式(NFF)。

其中i=1…n，n是取樣數據的總數。權重因子α _i，β _i和γ _i為權重因子矩陣裡的正變数，並具有密切關係，其中α _i+β _i+γ _i=1，且0<α _i,β _i,γ _i

。在系統鑑別方面，將輸入電壓施加到機電系統直流風扇馬達裡並利用Labview軟體把實驗結果〔角位移、角速度、電流〕存取，並利用Matlab軟體所撰寫的實數型基因演算法〔RGA〕在適應值最大化之間以及在實驗結果和模擬結果誤差最小內搜索合適的系統參數。因此，基於由實數型基因演算法的全狀態誤差方程式的系統鑑別可以求出權重因子α _i，β _i和γ _i，但實際上根據寫程式的邏輯上α _i，β _i和γ _i的總和不見得會等於一，由於α _i，β _i和γ _i都有可能同時找到大於0.33的值，這樣α _i，β _i和γ _i的總和就會大於一，因此α _i，β _i和γ _i的總和必須重新定義為如(13)式所示

在數學式(13)式中，

，

和

為RGA所找到的鑑別參數，經過數學式(13)式的計算可以確保α _i，β _i和γ _i的總和為一。在許多文獻當 中，只對於僅考慮位移誤差的情況，並沒有考慮其他系統輸出誤差。故新的適應方程式〔NFF〕可重新寫為下列數學式

但根據全狀態誤差方程式的系統鑑別，只考慮位移誤差的FF被定義為如(15)式所示

在數學式(14)式中，α _i=1和β _i=γ _i=0，可見若只考慮單一系統輸出的話，不須考慮權重因子。但若需考慮多種系統輸出的話，就必須考慮權重因子。若只考慮位移和速度誤差的FF被定義為如(16)式所示

在數學式(16)式中，0<α _i

1、α _i+β _i=1和γ _i=0，而β _i=1-α _i。

3.設計輸入電壓的模組：而由於該直流風扇馬達在定子方面的線圈電壓，會隨著轉子轉動而改變線圈電壓輸入的方向，因此為了探討內部電壓與電流，對先前的機電動態方程式進行改變以找出內部的電壓與電流，來達到節能的目的，在電氣方程式中，內部輸入的電壓與反電動勢會隨著馬達轉子轉動，而改變因此方程式如下：

v_EMF=K _b ω _m sin(θ _e)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．(18)

其中θ _e是電氣角度，V₀是電壓常數

在機械方程式中，主要沿用先前數學式(2)，但其中電氣轉矩也會隨著該直流風扇馬達轉動而改變因此方程式如下：τ _e=K _t i _in sin(θ _e)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．(19)

該K_t為該直流風扇馬達轉矩常數，來描述該直流風扇馬達特性的數質。為了需要計算該直流風扇馬達轉動的電氣轉角，因此推導出方程式如下：

其中P是極對數

在設計輸入電壓方面，為了節省在基因演算法〔RGA〕搜索參數的時間，因此設計對稱指數型波形為此計畫電壓，首先設計第一種輸入電壓波形，使用下列數學式在電氣角度θ _e為2π內，來描述指數型輸入電壓的方程式為如下：

其中

是第一種設計電壓，V₀和ε是常數，該V₀為12-12.1，該ε為10-20，為了能算出指數型上升到穩定點時可以計算其角度θ _*，因此θ _*表示為

。

接著設計第二種電壓波形，此電壓波形使用第一種電壓波形改良成，能在馬達轉動時自動判斷哪時不需要電壓，已達到更節能的目的。

其中

是第二種設計電壓，θ ₁和θ ₂是電氣轉角常數，該θ ₁為0-0.05，該θ ₂為0-0.05。

接著使用實數型基因演算法來找出上述兩種設計電壓的最佳參數，為了使設計出來的電壓能節能，也可以達到轉速不會跟原本的電壓輸入有差異，因此設計此適應函數如下：

其中κ+η=1 and 0<κ,η

1，κ和η是透過實數型基因演算法〔RGA〕時所找到的權重值。

4.模擬設計輸入電壓：通過使用實數型基因演算法，所找到設計的參數以獲得新的設計輸入電壓，接著在由方程式(12)~(16)進行數值模擬，以獲得電壓、電流、轉速和功率，接著所設計的輸入電壓與原先的輸入電壓，進行消耗功率之間的比較，以驗證所設計的輸入電壓有達到節能的效果，因此定義計算能量的公式來驗證有無達到節能的效果，此為電氣角度的一個週期的消耗功率計算公式如下所示：

而計算節能百分比的公式如下所示：

其中p是設計的電壓功率和p^*是傳統的電壓功率

如此一來，請再一併參閱第二圖本發明第一設計電壓之輸入電壓模擬比較波形圖、第三圖本發明第一設計電壓之輸入電流模擬比較波形圖及第四圖本發明第一設計電壓之功率耗損模擬比較波形圖所示，可知本發明之第一設計電壓能節省3.54%的功率耗損； 且更可由第五圖本發明第一設計電壓之輸入電壓實驗量測比較波形圖、第六圖本發明第一設計電壓之輸入電流實驗量測比較波形圖、第七圖本發明第一設計電壓之功率耗損實驗量測比較波形圖及第八圖本發明第一設計電壓之電機速度實驗量測比較波形圖所示，可知該第一設計電壓確能降低功率耗損。

而請再一併參閱第九圖本發明第二設計電壓之輸入電壓模擬比較波形圖、第十圖本發明第二設計電壓之輸入電流模擬比較波形圖及第十一圖本發明第二設計電壓之功率耗損模擬比較波形圖所示，可知本發明之第二設計電壓能節省4.52%的功率耗損；且更可由第十二圖本發明第二設計電壓之輸入電壓實驗量測比較波形圖、第十三圖本發明第二設計電壓之輸入電流實驗量測比較波形圖、第十四圖本發明第二設計電壓之功率耗損實驗量測比較波形圖及第十五圖本發明第二設計電壓之電機速度實驗量測比較波形圖所示，可知該第二設計電壓亦確能降低功率耗損。

而為能把所設計之輸入電壓輸入該直流風扇馬達，使得即能利用STC系列晶片，該STC系列晶片主要是擁有2.5V-5.5V的工作電壓、高速、高可靠、低耗能和高強抗干擾的一塊單晶片，其輸出頻率可達到5MHz~30MHz的範圍能徹底輸出本發明所設計的輸出波形頻率，也可徹底省掉外部昂貴的震盪器和外部復歸電路從而節省電路成本，而擁有的比較器支援外部CMP+與外部CMP-腳位進行比較讓其能產生中斷效果也支援外部GMP+腳位與內部參考 電壓進行比較；藉由Altium Designer軟件繪製晶片設計圖，主要繪製為輸入設計電壓波形到STC系列晶片裡，接著搭配電路把此設計電壓波型輸入到該直流風扇馬達裡。

藉由以上所述，本發明之使用實施說明可知，本發明與現有技術手段相較之下，本發明主要係設計直流風扇馬達的輸入電壓，使得該直流風扇馬達系統能調整至目標轉速，並有效達到節省功率耗損之節能效果，而在其整體施行使用上更增實用功效特性者。

然而前述之實施例或圖式並非限定本發明之產品結構或使用方式，任何所屬技術領域中具有通常知識者之適當變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之專利範疇。

綜上所述，本發明實施例確能達到所預期之使用功效，又其所揭露之具體構造，不僅未曾見諸於同類產品中，亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求，爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。

Claims (2)

1. 一種維持同轉速下之直流風扇馬達最佳化節能方法，其主要係電氣角度θ _e為2π內，對直流風扇馬達輸入電壓波形如下： 其中，是設計電壓，V₀和ε是常數，該V₀為12-12.1，該ε為10-20，θ ₁和θ ₂是電氣轉角常數，該θ ₁為0-0.05，該θ ₂為0-0.05，θ _*表示為
2. 一種使用於如申請專利範圍第1項所述維持同轉速下之直流風扇馬達最佳化節能晶片，將設計電壓繪製到晶片內。