TWI633747B - 馬達控制系統 - Google Patents

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陳立偉
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Abstract

本發明提供一種馬達控制系統，馬達控制系統包括一馬達、一驅動模組以及一控制模組。第一線圈電性連接的一第一端點具有一第一調控訊號，第二線圈電性連接的一第二端點具有一第二調控訊號，以及第三線圈電性連接的一第三端點具有一第三調控訊號。第一調控訊號的一基準值不等於0，第一調控訊號的一訊號下限值大於或是等於0。

Description

馬達控制系統
本發明是有關於一種馬達控制系統，且特別是一種減少控制波形失真的馬達控制系統。
馬達控制系統的控制訊號，是以六步方波或是弦波控制，然而，不管哪一種訊號波形的控制方式，由於互補式開關控制電路，是上橋開關與下橋開關會不同時開啟，也就是會有死區(dead time)的存在，由於六步方波或是弦波控制皆是以兩個控制訊號進行相減而產生另一控制訊號，然而由於兩個控制訊號之間具有一個相位差，所以其中一個控制訊號會具有死區(dead time)的波形失真，而另一控制訊號則不具有死區(dead time)的波形失真。因此，兩個控制訊號相減之後所產生的波形，則仍會具有死區(dead time)的波形失真。
因此，提供一種降低死區(dead time)波形失真影響的馬達控制系統則是當今的重要課題之一。
有鑑於此，本發明實施例提供了一種馬達控制系統，包括：一馬達，包括一第一線圈、一第二線圈以及一第三線圈；一驅動模組，包括：一第一開關，具有一第一端、一第二端以及一第三端；一第二開關，具有一第一端、一第二端以及一第三端，其中，該第一開關的該第一端電性連接一直流電壓，該第一開關的該第三端電性連接該第二開關的該第一端，該第二開關的該第三端電性連接一接地電位；一第三開關，具有一第一端、一第二端以及 一第三端；一第四開關，具有一第一端、一第二端以及一第三端，其中，該第三開關的該第一端電性連接該直流電壓，該第三開關的該第三端電性連接該第四開關的該第一端，該第四開關的該第三端電性連接該接地電位；一第五開關，具有一第一端、一第二端以及一第三端；以及一第六開關，具有一第一端、一第二端以及一第三端，其中，該第五開關的該第一端電性連接該直流電壓，該第五開關的該第三端電性連接該第六開關的該第一端，該第六開關的該第三端電性連接該接地電位；以及一控制模組，分別提供一第一訊號、一第二訊號、一第三訊號、一第四訊號、一第五訊號以及一第六訊號至該第一開關的該第二端、該第二開關的該第二端、該第三開關的該第二端、該第四開關的該第二端、該第五開關的該第二端以及該第六開關的該第二端，以控制該第一開關、該第二開關、該第三開關、該第四開關、該第五開關以及該第六開關的開啟與關閉，並使該第一線圈電性連接的一第一端點具有一第一調控訊號，該第二線圈電性連接的一第二端點具有一第二調控訊號，以及該第三線圈電性連接的一第三端點具有一第三調控訊號；其中，該第一端點電性連接該第一開關的該第三端以及該第二開關的該第一端，該第二端點電性連接該第三開關的該第三端以及該第四開關的該第一端，該第三端點電性連接該第五開關的該第三端以及該第六開關的該第一端；其中，該第一調控訊號的一基準值不等於0，該第一調控訊號的一訊號下限值大於或是等於0。
其中，該第一調控訊號包括一第一區域、一第二區域以及一第三區域，其中，該第一區域、該第二區域以及該第三區域為相鄰設置，該第一區域的一第一訊號波形與該第二區域的一第二訊號波形為鏡像對稱，該第三區域的一第三訊號波形為一直線。
其中，該第一調控訊號的該基準值設置在一上限值以及一下限值之間，該第二調控訊號的一基準值設置在該上限值以及該下 限值之間，該第三調控訊號的一基準值設置在該上限值以及該下限值之間。
其中，該第一調控訊號還具有一訊號上限值，該第一調控訊號的該訊號上限值小於或等於該上限值，且大於或等於該第一調控訊號的該基準值。
其中，該第一調控訊號的該訊號下限值大於或等於該下限值，且小於或等於該第一調控訊號的該基準值。
其中，該控制模組根據一三角波訊號以及一調控訊號產生一脈寬調變訊號，該控制模組根據該脈寬調變訊號分別提供該第一訊號、該第二訊號、該第三訊號、該第四訊號、該第五訊號以及該第六訊號至該第一開關的該第二端、該第二開關的該第二端、該第三開關的該第二端、該第四開關的該第二端、該第五開關的該第二端以及該第六開關的該第二端。
其中，該三角波訊號具有一固定頻率，該三角波訊號設置在一上限值以及一下限值之間。
其中，該調控訊號包括一第一區域、一第二區域以及一第三區域，其中，該第一區域、該第二區域以及該第三區域為相鄰設置，該第一區域的一第一訊號波形與該第二區域的一第二訊號波形為鏡像對稱，該第三區域的一第三訊號波形為一直線。
其中，該第一線圈、該第二線圈以及該第三線圈是以Y字型進行設置。
綜上所述，本發明實施例之馬達控制系統，是將線圈兩端的調控訊號的波形進行調整，將調控訊號的一基準值設置在一不是0的數值上，再將波形進行展開，如此一來，每一線圈一端的調控訊號均會具有死區(dead time)的波形失真，在兩個調控訊號相減之下，就可以得到較佳的電壓波形或是電流波形。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
1‧‧‧馬達控制系統
VCC‧‧‧直流電壓
L1‧‧‧第一線圈
L2‧‧‧第二線圈
L3‧‧‧第三線圈
U‧‧‧第一端點
V‧‧‧第二端點
W‧‧‧第三端點
SW1‧‧‧第一開關
SW2‧‧‧第二開關
SW3‧‧‧第三開關
SW4‧‧‧第四開關
SW5‧‧‧第五開關
SW6‧‧‧第六開關
S1‧‧‧第一訊號
S2‧‧‧第二訊號
S3‧‧‧第三訊號
S4‧‧‧第四訊號
S5‧‧‧第五訊號
S6‧‧‧第六訊號
Vupper‧‧‧上限值
Vlow‧‧‧下限值
V1‧‧‧訊號上限值
V2‧‧‧訊號下限值
Su‧‧‧第一調控訊號
Sv‧‧‧第二調控訊號
Sw‧‧‧第三調控訊號
R1‧‧‧第一區域
R2‧‧‧第二區域
R3‧‧‧第三區域
T1、T2‧‧‧三角波訊號
P1、P2‧‧‧脈寬調變訊號
S-1、DP‧‧‧調控訊號
Loffset‧‧‧基準值
P2-1‧‧‧脈寬調變訊號的部分波形
P2-1A、P2-1B‧‧‧區域
A1、B1、C1‧‧‧點
圖1繪示為本發明實施例的馬達控制系統的示意圖。
圖2繪示為本發明實施例的馬達控制訊號的示意圖。
圖3繪示為本發明實施例的調控訊號以及三角波訊號的示意圖。
圖4繪示為本發明實施例調控訊號以及三角波訊號的另一示意圖。
圖5A是圖4中脈寬調變訊號的部分波形示意圖。
圖5B是對應圖5A脈寬調變訊號的部分波形的電流示意圖。
在下文將參看隨附圖式更充分地描述各種例示性實施例，在隨附圖式中展示一些例示性實施例。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言，提供此等例示性實施例使得本發明將為詳盡且完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明概念的範疇。在諸圖式中，可為了清楚而誇示層及區之大小及相對大小。類似數字始終指示類似元件。
應理解，雖然本文中可能使用術語第一、第二、第三等來描述各種元件，但此等元件不應受此等術語限制。此等術語乃用以區分一元件與另一元件。因此，下文論述之第一元件可稱為第二元件而不偏離本發明概念之教示。如本文中所使用，術語「及/或」包括相關聯之列出項目中之任一者及一或多者之所有組合。
以下將以至少一種實施例配合圖式來說明所述馬達控制系統，然而，下述實施例並非用以限制本揭露內容。
〔本發明馬達控制系統的實施例〕
請參照圖1，圖1繪示為本發明實施例的馬達控制系統的示意圖。
在本發明實施例中，馬達控制系統1包括一馬達(圖未示)、 一驅動模組(圖未示)以及一控制模組(圖未示)。
在本實施例中，馬達(圖未示)包括一第一線圈L1、一第二線圈L2以及一第三線圈L3。也就是，在本實施例中，馬達(圖未示)是一三相馬達。驅動模組(圖未示)包括一第一開關SW1、一第二開關SW2、一第三開關SW3、一第四開關SW4、一第五開關SW5以及一第六開關。其中，第一開關SW1的第一端電性連接一直流電壓VCC。第一開關SW1的第三端電性連接第二開關SW2的第一端。第二開關SW22的第三端則電性連接一接地電位。第三開關SW3的第一端電性連接一直流電壓VCC。第三開關SW3的第三端電性連接第四開關SW4的第一端，第四開關SW4的第二端電性連接一接地電位。第五開關SW5第一端電性連接一直流電壓VCC。第五開關SW5的第三端電性連接第六開關SW6的第一端。第六開關SW6的第三端則電性連接一接地電位。第一開關SW1的第二端、第二開關SW2的第二端、第三開關SW3的第二端、第四開關SW4的第二端、第五開關SW5的第二端以及第六開關SW6的第二端分別接收控制模組(圖未示)所發送的的第一訊號S1、第二訊號S2、第三訊號S3、第四訊號S4、第五訊號S5以及第六訊號S6。在本實施例中，直流電壓VCC可以根據實際需求進行設計調整，在本發明中不作限制。
在本實施例中，第一開關SW1、第二開關SW2、第三開關SW3、第四開關SW4、第五開關SW5以及第六開關SW6是金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor或是絕緣柵雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)。
在本實施例中，第一線圈L1的一端電性連接第一端點U，也就是第一開關SW1的第三端以及第二開關SW2的第一端。第二線圈L1的一端電性連接第二端點V，也就是第三開關SW3的第三端以及第四開關SW4的第一端。第三線圈L3的一端電性連接 第三端點W，也就是第五開關SW5的第三端以及第六開關SW6的第一端。此外，在本實施例中，第一線圈L1的另一端則是電性連接第二線圈L2的另一端以及第三線圈L3的另一端，也就是，第一線圈L1、第二線圈L2以及第三線圈L3是以Y字型的方式配置。
請參照圖2，圖2繪示為本發明實施例的馬達控制訊號的示意圖。馬達控制系統1在第一端點U、第二端點V、第三端點W分別提供如圖2所示的一第一調控訊號Su、一第二調控訊號Sv、以及一第三調控訊號Sw，可以讓馬達(圖未示)的電流波形更為對稱。
在本實施例中第一調控訊號Su、第二調控訊號Sv以及第三條控訊號Sw的波形皆是相同的，然而相位角是兩兩相差120度，也就是第二調控訊號Sv落後第一調控訊號Su一2π/3的相位角，而第三調控訊號Sw落後第二調控訊號Sv一2π/3的相位角。而第一調控訊號Su、第二調控訊號Sv以及第三調控訊號Sw則又可分別代表第一端點U、第二端點V以及第三端點W的電壓波形。當第一調控訊號Su與第二調控訊號Sv相減時，則可得到一接近正弦波的波形，也就是第一端點U與第二端點V之間的線電壓波形，進一步地說，流經第一線圈L1與第二線圈L2的電流，也會與此一正弦波類似。
在本實施例中，以第二調控訊號Sv為例，第二調控訊號Sv包括三個區域，分別是第一區域R1、第二區域R2以及第三區域R3。其中第一區域R1的訊號波形與第二區域R2的訊號波形是鏡射對稱，而第三區域R3的訊號波形則是一直線，也就是一個定值。此外，第二調控訊號Sv包括一基準值Loffset。在本實施例中，基準值Loffset並不是一零點。而是設置在上限值Vupper以及下限值Vlow之間。在本實施例中，上限值Vupper可以根據控制模組(圖未示)的驅動能力而定，而下限值Vlow則是0。在本實施例中， 第一區域R1、第二區域R2以及第三區域R3皆是相鄰設置。此外，第一區域R1、第二區域R2以及第三區域R3的總和為一個完整的週期。在本實施例中，第一區域R1、第二區域R2以及第三區域R3是相同的時間間隔，也就是，第一區域R1的訊號波形、第二區域R2的訊號波形以及第三區域R3的訊號波形皆是2π/3。
在本實施例中，第二調控訊號的基準值Loffset是設置在二分之一上限值(1/2*Vupper)的位置，也就是設置在中間位置。換句話說，第二調控訊號Sv是以基準值Loffset作為基準往上或是下展開波形。在其他實施例中基準值Loffset可以設置在四分之一上限值(1/4*Vupper)之處或是四分之三上限值(3/4*Vupper)之處，而根據距離上限值Vupper與下限值Vlow的差異值，進行第二調控訊號Sv從工作週期0%至100%的開展。例如，當第二調控訊號Sv的工作週期為0%的時候，其波形也就是一直線，而當第二調控訊號Sv的工作週期為50%時，則是其訊號上限值V1與訊號下限值V2的差值會是二分之一上限值(1/2*Vupper)。當第二調控訊號Sv的工作週期是100%時，則第二調控訊號Sv的訊號上限值V1就是與上限值Vupper相同，而訊號下限值V2則會等於下限值Vlow，也就是0。
在本實施例中，由於第一調控訊號Su、第二調控訊號Sv以及第三調控訊號Sw的基準值Loffset都是設置在一不是0的數值，其介於上限值Vupper與下限值Vlow之間。在本實施例中，下限值Vlow是0。因此，第一調控訊號Su、第二調控訊號Sv以及第三調控訊號Sw都會具有一死區(dead time)的波形失真，在兩個調控訊號相減之後，死區(dead time)的波形失真就會被扣除而降低死區波形失真對線電壓波形或是電流波形的影響。
請參照圖3，圖3繪示為本發明實施例的調控訊號以及三角波訊號的示意圖。
在第一端點U、第二端點V以及第三端點W要分別提供第一 調控訊號Su、第二調控訊號Sv以及第三調控訊號Sw，控制模組(圖未示)可以根據一三角波訊號T1以及一調控訊號S-1，產生一脈寬調變訊號P1。
在本實施例中，三角波訊號T1是一具有固定頻率的三角波訊號，而調控訊號S-1可以根據實際需求調整振幅以及頻率。此外，調控訊號S-1與先前所述的第一調控訊號Su、第二調控訊號Sv以及第三調控訊號Sw相同，都是具有M型波形訊號的調控訊號，在本實施例中，控制模組(圖未示)可以通過一數位波形產生器產生調控訊號S-1。
在本實施例中，三角波訊號T1與調控訊號S-1的交點，而產生脈寬調變訊號P1。由於調控訊號S-1的振幅以及頻率皆可根據實際需求進行調整，因此產生的脈寬調變訊號P1也會根據不同的調控訊號S-1而有所不同。
在本實施例中，脈寬調變訊號P1的產生是由控制模組(圖未示)所進行處理，在本實施例中，控制模組(圖未示)則是根據不同相位的調控訊號S-1與三角波訊號T1產生不同的脈寬調變訊號P1，並且進一步地根據這些脈寬調變訊號P1提供第一訊號S1、第二訊號S2、第三訊號S3、第四訊號S4、第五訊號S5以及第六訊號S6。
請參照圖4，如圖4所示的調控訊號DP，可以通過控制第一開關SW1、第二開關SW2、第三開關SW3、第四開關SW4、第五開關SW5以及第六開關SW6的開啟與關閉實現，也就是，利用控制模組中利用八位元(8-bits)數位數值驅動的驅動圖樣，即可輸出如圖4中調控訊號DP的波形，其中，調控訊號DP波形中的點A1大約是數位數值192，而點B1則是數位數值128，點C1則是數位數值96。而在本實施例中，三角波T2也是利用八位元(8-bits)數位數值驅動的波形，因此在調控訊號DP與三角波T2兩相比較之下，即可得到所需要的脈寬調變訊號P2。
圖5A是圖4中脈寬調變訊號的部分波形示意圖。圖5B是對應圖5A脈寬調變訊號的部分波形的電流示意圖。
在本實施例中，脈寬調變訊號的部分波形P2-1是放大自圖4中的脈寬調變訊號P2的一個方波，其中，區域P2-1A以及區域P2-1B分別是脈寬調變訊號的部分波形P2-1的上緣區域以及下緣區域。而對應圖5B的電路動作，區域P2-1A以及區域P2-1B都是在第一開關SW1以及第二開關SW2同時關閉的情況下，電流流經第二開關SW2的體二極體(body diode)而至第一線圈L1所形成的波形(電流方向如圖5A箭頭所示)，區域P2-1A與區域P2-1B又稱為死區(dead time)。
在本實施例中，每一開關皆是根據脈寬調變訊號P2類似的脈寬調變訊號進行開啟與關閉，也就是調控訊號DP會具有死區的訊號失真，也就是先前所述的第一調控訊號Su、第二調控訊號Sv以及第三調控訊號Sw均會具有死區的訊號失真，因此在第一調控訊號Su、第二調控訊號Sv以及第三調控訊號Sw兩兩相減的情況下，兩兩訊號的死區訊號失真的情況可以互相抵消，而使得流經第一線圈L1、第二線圈L2以及第三線圈L3的電流波形可以較佳。
〔實施例的可能功效〕
綜上所述，本發明實施例之馬達控制系統，是將線圈兩端的調控訊號的波形進行調整，將調控訊號的一基準值設置在一不是0的數值上，再將波形進行展開，如此一來，每一線圈一端的調控訊號均會具有死區(dead time)的波形失真，在兩個調控訊號相減之下，就可以得到較佳的電壓波形或是電流波形。
以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。

Claims (7)

  1. 一種馬達控制系統，包括：一馬達，包括一第一線圈、一第二線圈以及一第三線圈；一驅動模組，包括：一第一開關，具有一第一端、一第二端以及一第三端；一第二開關，具有一第一端、一第二端以及一第三端，其中，該第一開關的該第一端電性連接一直流電壓，該第一開關的該第三端電性連接該第二開關的該第一端以及該第一線圈的一端，該第二開關的該第三端電性連接一接地電位；一第三開關，具有一第一端、一第二端以及一第三端；一第四開關，具有一第一端、一第二端以及一第三端，其中，該第三開關的該第一端電性連接該直流電壓，該第三開關的該第三端電性連接該第四開關的該第一端以及該第二線圈的一端，該第四開關的該第三端電性連接該接地電位；一第五開關，具有一第一端、一第二端以及一第三端；以及一第六開關，具有一第一端、一第二端以及一第三端，其中，該第五開關的該第一端電性連接該直流電壓，該第五開關的該第三端電性連接該第六開關的該第一端以及該第三線圈的一端，該第六開關的該第三端電性連接該接地電位，其中，該第一線圈的另一端電性連接該第二線圈的另一端以及該第三線圈的另一端；以及一控制模組，分別提供一第一訊號、一第二訊號、一第三訊號、一第四訊號、一第五訊號以及一第六訊號至該第一開關的該第二端、該第二開關的該第二端、該第三開關的該第二端、該第四開關的該第二端、該第五開關的該第二端以及該第六開關的該第二端，以控制該第一開關、該第二開關、該第三開關、該第四開關、該第五開關以及該第六開關的開啟與關閉，並使該第一線圈電性連接的一第一端點具有一第一調控訊號，該第 二線圈電性連接的一第二端點具有一第二調控訊號，以及該第三線圈電性連接的一第三端點具有一第三調控訊號；其中，該第一端點電性連接該第一開關的該第三端以及該第二開關的該第一端，該第二端點電性連接該第三開關的該第三端以及該第四開關的該第一端，該第三端點電性連接該第五開關的該第三端以及該第六開關的該第一端；其中，該第一調控訊號的一基準值不等於0，該第一調控訊號的一訊號下限值大於或是等於0；其中，該第一調控訊號包括一第一區域、一第二區域以及一第三區域，其中，該第一區域、該第二區域以及該第三區域為相鄰設置，該第一區域的一第一訊號波形與該第二區域的一第二訊號波形為鏡像對稱，該第三區域的一第三訊號波形為一直線。
  2. 如申請專利範圍第1項之馬達控制系統，其中，該第一調控訊號的該基準值設置在一上限值以及一下限值之間，該第二調控訊號的一基準值設置在該上限值以及該下限值之間，該第三調控訊號的一基準值設置在該上限值以及該下限值之間。
  3. 如申請專利範圍第1項之馬達控制系統，其中，該第一調控訊號還具有一訊號上限值，該第一調控訊號的該訊號上限值小於或等於該上限值，且大於或等於該第一調控訊號的該基準值。
  4. 如申請專利範圍第1項之馬達控制系統，其中，該第一調控訊號的該訊號下限值大於或等於該下限值，且小於或等於該第一調控訊號的該基準值。
  5. 如申請專利範圍第1項之馬達控制系統，其中，該控制模組根據一三角波訊號以及一調控訊號產生一脈寬調變訊號，該控制模組根據該脈寬調變訊號分別提供該第一訊號、該第二訊號、該第三訊號、該第四訊號、該第五訊號以及該第六訊號至該第一開關的該第二端、該第二開關的該第二端、該第三開關的該 第二端、該第四開關的該第二端、該第五開關的該第二端以及該第六開關的該第二端。
  6. 如申請專利範圍第5項之馬達控制系統，其中，該三角波訊號具有一固定頻率，該三角波訊號設置在一上限值以及一下限值之間。
  7. 如申請專利範圍第1項之馬達控制系統，其中，該第一線圈、該第二線圈以及該第三線圈是以Y字型進行設置。
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