TWI686047B - 旋轉電機控制裝置及其控制方法 - Google Patents

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何旻憲
陳明宗
李玉麟
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Abstract

一種旋轉電機的控制裝置，包括：電流命令單元、電壓轉換裝置、電流轉換裝置、訊號解調裝置、誤差補償單元、加法裝置及位置估測裝置。電流命令單元提供d軸電流命令及q軸電流命令。電流轉換裝置將旋轉電機電流轉換為同步參考座標電流。訊號解調裝置計算出同步參考座標電流之高頻電流變化量。誤差補償單元輸出對應於d軸電流命令及q軸電流命令的第一校正值。加法裝置將同步參考座標電流之高頻電流變化量及第一校正值進行相加以產生第二校正值。位置估測裝置依據第二校正值調整相位估測值給電流轉換裝置及電壓轉換裝置。

Description

旋轉電機控制裝置及其控制方法
本發明是有關於一種旋轉電機控制裝置及其控制方法，特別是有關於無轉軸感測器旋轉電機的控制裝置及其控制方法。
將無轉軸位置感測器之驅動技術應用於永磁同步旋轉電機(permanent-magnetic synchronous motor, PMSM)是近年旋轉電機發展之重要趨勢。由於移除了轉軸位置感測器(shaft position sensor)與其連接線路，所以永磁同步旋轉電機的製造成本及體積都大幅降低，並提升系統的可靠度。
目前的無轉軸位置感測器之驅動技術，大致可分為反電動勢法(back electromotive force, EMF)或高頻注入法(high frequency signal injection)。其中反電動勢法是依據旋轉電機的電壓模型估測出旋轉電機的轉子位置與轉軸速度，但是此方法僅適用於旋轉電機以中高速度進行旋轉。在另一方面，高頻注入法可依據不同的需求將高頻電壓訊號注入旋轉電機的靜止座標軸或者旋轉電機的同步座標軸，而此方法較適用於旋轉電機以零、低或中速度進行旋轉。然而，以高頻注入法來驅動旋轉電機時，旋轉電機中的轉子的d軸及q軸會產生交叉耦合效應，d軸及q軸所產生的交叉耦合效應使得傳統的旋轉電機控制裝置在估測旋轉電機的旋轉角度時產生明顯的誤差值，這樣的估測誤差將導致旋轉電機進行低速運轉時會發生震盪現象，並降低旋轉電機的運轉效率。為了降低上述之轉子位置估測誤差值，目前的旋轉電機控制裝置中都會設置誤差補償裝置。然而，傳統的誤差補償裝置需要收集大量不同的訊號及相關資訊，包括：同步座標軸的高頻磁通電流、高頻轉矩電流、靜止座標軸的d軸電流、q軸電流及量測旋轉角度值…等。除此之外，誤差補償裝置還要再搭配運算控制器(如：PI控制器)以增加估測旋轉電機位置的準確率。如此一來，明顯增加系統及處理器的運算負荷，提高系統建置成本，並降低處理器或記憶體的工作效率。
有鑑於此，本發明提出一種旋轉電機控制裝置，其具有一誤差補償單元，可減少所需收集的訊號資訊，並簡化處理器的運算流程。
一種用以控制一旋轉電機的控制裝置，包括：電流命令單元、電壓轉換裝置、電流轉換裝置、訊號解調裝置、誤差補償單元、加法裝置以及位置估測裝置。電流命令單元提供d軸電流命令及q軸電流命令。電壓轉換裝置耦接電流命令單元及旋轉電機。電流轉換裝置將流經旋轉電機的旋轉電機電流轉換為同步參考座標電流。訊號解調裝置接收同步參考座標電流，以計算出同步參考座標電流之高頻電流變化量。誤差補償單元依據d軸電流命令及q軸電流命令輸出對應於d軸電流命令及q軸電流命令的第一校正值。加法裝置將同步參考座標電流之高頻電流變化量及第一校正值進行相加以產生第二校正值。位置估測裝置依據第二校正值調整估測值給電流轉換裝置及電壓轉換裝置，進行座標軸轉換的運算。
一種旋轉電機的控制方法，包括以下步驟：提供d軸電流命令及q軸電流命令。將流經旋轉電機的旋轉電機電流轉換為同步參考座標電流。計算出同步參考座標電流之高頻電流變化量。依據d軸電流命令及q軸電流命令輸出對應於d軸電流命令及q軸電流命令的第一校正值。將同步參考座標電流之高頻電流變化量及第一校正值進行相加以產生第二校正值。以及依據第二校正值調整相位估測值進行座標軸轉換的運算。
參考附圖來描述本發明，其中在所有附圖中使用相同的附圖標記來表示相似或等效的元件。附圖不是按比例繪製的，而是僅用於說明本發明。本發明的幾個形態如下描述，並參考示例應用作為說明。應該理解的是，闡述了許多具體細節、關係和方法以提供對本發明的全面了解。然而，相關領域的普通技術人員將容易認識到，本發明可以被實行即便在沒有一個或多個具體細節的情況下或沒有利用其他方法來實施本發明。在其他情況下，未詳細示出習知的結構或操作以避免模糊本發明。本發明不受所示的行為或事件的順序所限制，因為一些行為可能以不同的順序發生和/或與其他行為或事件同時發生。此外，並非所有說明的行為或事件都需要根據本發明的方法來實施。
以下說明是本發明的實施例。其目的是要舉例說明本發明的一般性的原則，不應視為本發明之限制，本發明之範圍當以申請專利範圍所界定者為準。
第1圖所示為根據習知技術之一實施例的旋轉電機的控制裝置之估測誤差與d-q軸電流之關係圖。於第1圖中，縱軸為旋轉電機的控制裝置估測的位置估測誤差值，橫軸為q軸的電流(iq)大小。旋轉電機的轉子具有d軸額定電流及q軸額定電流，其中實驗條件d軸電流量級可於最大額定電流的0%-100%間調整，q軸電流量級可於最大額定電流的0%-100%間調整，縱軸上的位置誤差單位為角度。於此實施例中，由第1圖可知，當d軸電流維持一定值時，如圖所示在d軸電流(id)分別介於0%-100%的六段不同曲線上，不論q軸電流為逆向電流或順向電流，當q軸電流值偏差越大時，旋轉電機的控制裝置所產生的位置估測誤差就越大。例如，在d軸電流維持在額定電流100%之情況下，位置誤差隨著q軸電流值增加而提高。其中位置誤差是由d軸電流及q軸電流產生的交叉耦合效應(cross-coupling effect)造成直流偏置電流(DC offset current)，其中直流偏置電流可直接或間接影響旋轉電機的控制裝置評估旋轉電機的旋轉角度之精準度。
為了解決上述之問題，本發明提供一種旋轉電機的控制裝置以提升估測旋轉電機的旋轉角度之準確率，並且本發明所提供的控制裝置能夠以更簡化之運作方式，提高估測旋轉角度之準確率。以下將詳述本發明之工作原理及流程。
第2圖所示為根據本發明之一實施例的旋轉電機200的控制裝置100之架構圖。在本發明中，用於旋轉電機200的控制裝置100包括：電流命令單元110、控制器130、電流轉換裝置134、電壓轉換裝置132、訊號解調裝置140、誤差補償單元190、加法裝置145、位置估測裝置170、編碼裝置150、減法裝置160、誤差控制器180以及多個開關182、184、195。在旋轉電機200正常運作時，開關182、184斷開且開關195導通。因此在旋轉電機200正常運作時，誤差控制器180所輸出的訊號不會提供給加法裝置145及誤差補償單元190。
在本發明中，電壓轉換裝置132偶接電流命令單元110及旋轉電機200。首先，控制裝置100中的電流命令單元110用以提供d軸電流命令Id及q軸電流命令Iq。控制器130同時接收高頻訊號產生器120產生並輸入之一高頻訊號、前述d軸電流命令Id及q軸電流命令Iq，並對應輸出在同步參考座標上的d軸電壓Vd及q軸電壓Vq。接著，再透過電壓轉換裝置132將d軸電壓Vd及q軸電壓Vq轉換成靜止參考座標上的三相電壓Va、Vb、Vc給旋轉電機200以控制旋轉電機200進行旋轉。
於此實施例中，本發明的電壓轉換裝置132可包含同步/靜止軸轉換器(Synchronous/stationary axis converter)、靜止/三相軸轉換器(Stationary/three-phase axis converter)及變頻器(inverter)…等，但本發明並不限於此。在本發明之一些實施例中，旋轉電機200為三相永磁同步電機(three-phase permanent magnet synchronous motor, three-phase PMSM)，並且此類電機之控制通常是建立在同步參考座標系統上，所以前述電壓轉換裝置132若使用同步/靜止軸轉換器則可將控制器130輸出的d軸電壓Vd及q軸電壓Vq轉換成靜止參考座標上的d軸電壓及q軸電壓。再經由靜止/三相軸轉換器將靜止參考座標上的d軸電壓及q軸電壓轉換成三相電壓Va、Vb、Vc。在此實施例中，電壓轉換裝置132亦可包含變頻器以調整三相電壓Va、Vb、Vc的振幅及頻率給旋轉電機200。由於本領域之通常知識者可理解電壓轉換裝置132中的同步/靜止軸轉換器、靜止/三相軸轉換器及變頻器之工作原理，故本揭露文件並不贅述，亦未將其繪示於第2圖中，先予敘明。
在本發明中，電流轉換裝置134擷取流經旋轉電機200的旋轉電機電流Ia、Ib、Ic，並將流經旋轉電機200的旋轉電機電流Ia、Ib、Ic轉換為同步參考座標電流，其中旋轉電機電流Ia、Ib、Ic於該同步參考座標電流在d軸及q軸的分量又可分別定義為磁通電流
Figure 02_image001
及轉矩電流
Figure 02_image003
。亦即，透過座標軸轉換可將三相的旋轉電機電流Ia、Ib、Ic轉換為同步參考座標電流，而同步參考座標電流又可解析為磁通電流
Figure 02_image001
及轉矩電流
Figure 02_image003
。其中旋轉電機電流Ia、Ib、Ic為旋轉電機200的定子電流，並且磁通電流
Figure 02_image001
及轉矩電流
Figure 02_image003
為同步參考座標系統之電流。由於不同參考座標系統之因素，所以電流轉換裝置134可包含三相/靜止軸轉換器及靜止/同步軸轉換器，將靜止參考座標上的旋轉電機電流Ia、Ib、Ic轉換為同步參考座標上的磁通電流
Figure 02_image001
及轉矩電流
Figure 02_image003
。磁通電流
Figure 02_image001
及轉矩電流
Figure 02_image003
經訊號解調裝置140中的高通濾波器(圖未繪示)處理後分別可得高頻磁通電流
Figure 02_image005
及高頻轉矩電流
Figure 02_image007
。由於本領域之通常知識者可理解電流轉換裝置134中的三相/靜止軸轉換器及靜止/同步軸轉換器之工作原理，故本揭露文件並未繪示在第2圖中。特別注意的是，在本發明中，高頻磁通電流
Figure 02_image005
為流經旋轉電機200的轉子之d軸電流中的部分電流訊號，高頻轉矩電流
Figure 02_image007
為流經旋轉電機200的轉子之q軸電流中的部分電流訊號。在旋轉電機的向量控制概念中，控制d軸電流或電壓可調整旋轉電機200的定子磁通，而控制q軸電流或電壓可調整旋轉電機200的輸出轉矩。
於此實施例中，訊號解調裝置140接收電流轉換裝置134輸出的轉矩電流
Figure 02_image003
與磁通電流
Figure 02_image001
，並透過一馬達數學模型或一高頻電流方程式計算，並經一高通濾波器轉換出一高頻轉矩電流
Figure 02_image007
與一高頻磁通電流
Figure 02_image005
，其中高頻電流方程式如下所示：
Figure 02_image017
Figure 02_image019
其中
Figure 02_image021
為該高頻轉矩電流，
Figure 02_image005
為高頻磁通電流，
Figure 02_image023
為一微分運算子，
Figure 02_image025
為一交叉耦合電感值，
Figure 02_image015
為實際轉子位置與估測轉子位置的角度差值，
Figure 02_image027
為一d軸電感值，
Figure 02_image029
為一q軸電感值，其中
Figure 02_image027
及
Figure 02_image029
為量測值。此外，交叉耦合電感值
Figure 02_image025
為降低旋轉電機200之控制裝置100評估旋轉電機之旋轉角度之準確度最主要的因素，並且交叉耦合電感值
Figure 02_image025
與高頻轉矩電流
Figure 02_image021
成正比，也就是說高頻轉矩電流
Figure 02_image021
越大，交叉耦合電感值
Figure 02_image025
增加。以下將詳述，控制裝置100減少交叉耦合電感值
Figure 02_image025
所造成的影響之工作方法。
在此實施例中，控制裝置100中的訊號解調裝置140耦接於電流轉換裝置134且包含高通濾波器(圖未繪示)，並接收電流轉換裝置134計算出的轉矩電流
Figure 02_image003
與磁通電流
Figure 02_image001
，其中訊號解調裝置140更包含以下訊號解調方程式以計算出高頻轉矩電流
Figure 02_image007
之電流變化量
Figure 02_image031
及高頻磁通電流
Figure 02_image005
之電流變化量
Figure 02_image033
：
Figure 02_image035
Figure 02_image037
其中
Figure 02_image039
為高頻訊號的電壓，並且
Figure 02_image039
可為正值或負值。也就是說，在此實施例中，高頻訊號可為一方波訊號，但本發明不限於此。特別注意的是，高頻轉矩電流
Figure 02_image007
之電流變化量
Figure 02_image031
與高頻磁通電流
Figure 02_image005
之電流變化量
Figure 02_image033
中可發現交叉耦合電感值
Figure 02_image041
可被視為造成估測位置誤差的直流偏置成分，本發明之主要技術即在於消除交叉耦合電感值
Figure 02_image041
對於高頻轉矩電流
Figure 02_image007
之電流變化量
Figure 02_image031
、高頻磁通電流
Figure 02_image005
之電流變化量
Figure 02_image033
與旋轉電機200的控制裝置100所造成的影響。
此外，訊號解調裝置140輸出的電流變化量
Figure 02_image043
即為前述同步參考座標電流的高頻電流變化量，其中透過高頻轉矩電流
Figure 02_image007
之電流變化量
Figure 02_image031
、高頻磁通電流
Figure 02_image005
之電流變化量
Figure 02_image033
或兩者之組合可表示出同步參考座標電流的高頻電流變化量
Figure 02_image043
。以下為了簡單說明各個實施例，僅以電流變化量
Figure 02_image043
代表說明高頻轉矩電流
Figure 02_image007
之電流變化量
Figure 02_image031
、高頻磁通電流
Figure 02_image005
之電流變化量
Figure 02_image033
或兩者之組合，但本發明不限於此。
在此實施例中，誤差補償單元190耦接於電流命令單元110，並透過電流命令單元110接收d軸電流命令Id及q軸電流命令Iq。誤差補償單元190依據d軸電流命令Id及q軸電流命令以輸出第一校正值C1。在此例中，誤差補償單元190中至少設置有一表格，誤差補償單元190依據d軸電流命令Id及q軸電流命令Iq檢索該表格，並搜尋表格中對應於d軸電流命令Id及q軸電流命令Iq的第一校正值C1以輸出給加法裝置145。以下表1為設置於誤差補償單元190中的表格之部分第一校正值C1，其中每個第一校正值C1對應的d軸電流命令及q軸電流命令皆不盡相同。例如，如表1中所示，C1(Id1,Iq1)表示該第一校正值C1對應於d軸電流命令為Id1及q軸電流命令為Iq1；C1(Id2,Iq2)表示該第一校正值C1對應於d軸電流命令為Id2及q軸電流命令為Iq2，依此類推。其中本發明並不限於此：
Figure 02_image045
表1
在此實施例中，加法裝置145耦接誤差補償單元190、訊號解調裝置140及位置估測裝置170。加法裝置145用以將電流變化量
Figure 02_image043
及第一校正值C1進行相加以產生第二校正值C2，並將第二校正值C2輸出至位置估測裝置170。最後，位置估測裝置170依據第二校正值C2調整相位估測值θ a 給電流轉換裝置134與電壓轉換裝置132，以調整計算轉矩電流i q 及磁通電流i d 的大小，其中相位估測值θ a 為估測轉子之位置。電流轉換裝置134依據相位估測值θ a 進行座標轉換得到轉矩電流i q 及磁通電流i d 之後，可將已調整的轉矩電流i q 及磁通電流i d 傳送給控制器130以改變d軸電壓Vd及q軸電壓Vq之大小，並將前述訊號傳給電壓轉換裝置132，進行座標軸轉換的運算以間接調整三相電壓Va、Vb、Vc之大小。如此一來，可以調整旋轉電機200的旋轉角度，並有效地降低旋轉電機200進行低速旋轉時所引起的震盪現象，並提升旋轉電機200的運轉效率。
綜上所述，透過誤差補償單元190以查表方式輸出對應d軸與q軸電流命令的第一校正值C1，再將查表之該第一校正值C1與電流變化量△i相加以產生第二校正值C2，位置估測裝置170即可依據相加產生之該第二校正值C2運算，可有效提高相位估測值θ a 之精準度。以下將詳述建立誤差補償單元190中的表格之程序。
第3圖根據本發明之一實施例繪示於測試模式時，旋轉電機200的控制裝置100之架構圖。於此實施例中，建立誤差補償單元190中的表格之前，通常操作人員須對旋轉電機200進行一測試模式(test mode)。也就是說，以下建立表格之程序是在旋轉電機200進行測試模式之情況下所完成。
在此實施例中，控制裝置100中的開關182、184導通，並且開關195斷開。其中編碼裝置150用以測量旋轉電機200之 旋轉角度以輸出實際量測的相位量測值θ r ，其中實際量測的相位量測值θ r 被視為實際轉子位置。編碼裝置150可為一編碼器(encoder)，但本發明並不限於此。於此同時，位置估測裝置170仍持續輸出相位估測值θ a 給電流轉換裝置134及減法裝置160。
在一些實施例中，減法裝置160耦接於編碼裝置150、位置估測裝置170及誤差控制器180。當旋轉電機200進行測試模式時，減法裝置160將相位估測值θ a 與實際量測的相位量測值θ r 進行相減以產生相位誤差△θ給誤差控制器180。承上所述，減法裝置160輸出的相位誤差△θ為實際轉子位置與估測轉子位置的差值。
於旋轉電機200進行測試模式時，因為開關182、184導通，所以誤差控制器180可依據該相位誤差△θ持續產生修正值R1給加法裝置145。特別注意的是，於測試模式中，誤差補償單元190與加法裝置145之間的開關195被斷開，所以加法裝置145無法接收誤差補償單元190輸出的第一校正值C1。當相位誤差△θ落於目標誤差範圍內時，誤差控制器180將修正值R1指定作為第一校正值C1，並將指定作為第一校正值C1的該修正值R1及其當時所對應的d軸電流命令Id及q軸電流命令Iq儲存於該誤差補償單元190。
在其他一些實施例中，誤差控制器180會偵測相位誤差△θ的值。一般情況下，如果誤差控制器180偵測相位誤差△θ不等於零，則誤差控制器180輸出修正值R1給加法裝置145。加法裝置145將修正值R1與電流變化量△i相加以產生第二校正值C2給位置估測裝置170。估測裝置170再依據第二校正值C2調整相位估測值
Figure 02_image011
給減法裝置160，使得減法裝置160輸出的相位誤差
Figure 02_image015
被調整。當誤差控制器180偵測相位誤差
Figure 02_image015
落於目標誤差範圍內時(例如，誤差範圍2%~4%、或等於零時)，誤差控制器180將此時的修正值R1作為第一校正值C1，並將修正值R1儲存於誤差補償單元190。此時，誤差補償單元190將修正值R1紀錄為第一校正值，並且同時記錄所對應的d軸電流命令Id及q軸電流命令Iq。另外，當誤差控制器180偵測相位誤差
Figure 02_image015
落於目標誤差範圍外時，則重複先前的程序尋找另一個相位誤差
Figure 02_image015
並再次判斷。
當電流命令單元110每次提供不同的d軸電流命令Id及q軸電流命令Iq時，訊號解調裝置140輸出的電流變化量
Figure 02_image031
會被直接或間接地改變，使得減法裝置160輸出的相位誤差
Figure 02_image015
也會被影響而改變。誤差控制器180將不斷地調整修正值R1，直到誤差控制器180偵測到相位誤差
Figure 02_image015
落入目標範圍內(例如，誤差範圍2%~4%、或等於零)時，誤差控制器180停止調整該修正值R1並將該修正值R1儲存於誤差補償單元190。誤差補償單元190按照每個d軸電流命令Id及q軸電流命令Iq所對應的修正值R1進行儲存並指定該修正值R1為當前電流命令對應的第一校正值C1以建立表格。如此一來，表格具有複數個第一校正值C1，並且每個第一校正值C1所對應的d軸電流命令Id及q軸電流命令Iq皆不盡相同。
第4圖所示為根據本發明之一實施例的旋轉電機200的控制方法400之流程圖。以下請同時參照第2圖及第4圖以說明旋轉電機200的控制方法400之流程。控制方法400由步驟410開始進行。在步驟410中，當電流命令單元110開始輸出d軸電流命令Id及q軸電流命令Iq時，誤差補償單元190開始接收d軸電流命令Id及q軸電流命令Iq，並進入步驟420。於此同時，控制器130及電壓轉換裝置132依據電流命令單元110產生的d軸電流命令Id及q軸電流命令Iq輸出三相電壓Va、Vb、Vc以驅動旋轉電機200。
在步驟420中，誤差補償單元190依據d軸電流命令Id及q軸電流命令Iq輸出對應於d軸電流命令Id及q軸電流命令Iq的第一校正值C1。其中，誤差補償單元190包含一表格，如上述表1所示。誤差補償單元190將搜尋表格中對應於當前d軸電流命令Id及q軸電流命令Iq的第一校正值C1。
在步驟430中，當旋轉電機200開始進行旋轉時，電流轉換裝置134擷取流經旋轉電機200的旋轉電機電流Ia、Ib、Ic，並計算出轉矩電流
Figure 02_image003
及磁通電流
Figure 02_image001
，並進入步驟440。
在步驟440中，訊號解調裝置140接收轉矩電流
Figure 02_image003
，並依據一馬達數學模型或一高頻電流方程式計算出高頻轉矩電流
Figure 02_image007
及高頻磁通電流
Figure 02_image005
。其中該高頻電流方程式或該馬達數學模型相同於以上所述，故不再贅述。控制裝置100中的訊號解調裝置140還依據電流轉換裝置134輸出的轉矩電流
Figure 02_image003
及/或磁通電流
Figure 02_image001
，計算出高頻轉矩電流
Figure 02_image007
的電流變化量
Figure 02_image031
及/或高頻磁通電流
Figure 02_image005
的電流變化量
Figure 02_image033
。其中高頻轉矩電流
Figure 02_image007
的電流變化量
Figure 02_image031
及高頻磁通電流
Figure 02_image005
的電流變化量
Figure 02_image033
計算的訊號解調方程式相同於以上所述，故不再贅述。
完成步驟420及440之後，控制裝置100開始執行步驟450。控制裝置100中的加法裝置145將高頻轉矩電流i qh 的電流變化量△i qh 及/或高頻磁通電流i dh 的電流變化量△i dh 及第一校正值C1進行相加以產生第二校正值C2，並進入步驟460。
在步驟460中，控制裝置100中的位置估測裝置170依據第二校正值C2調整相位估測值θ a ，並將已調整的相位估測值θ a 輸出至電流轉換裝置134，並進入步驟470。
在步驟470中，電流轉換裝置134依據已調整的相位估測值θ a 進行座標轉換得到轉矩電流i q 及磁通電流i d ，並將轉矩電流i q 及磁通電流i d 傳送至控制器130。控制器130可依據已調整的轉矩電流i q 及磁通電流i d 改變d軸電壓Vd及q軸電壓Vq之大小，並將前述訊號傳給電壓轉換裝置132，進行座標軸轉換的運算以間接調整三相電壓Va、Vb、Vc之大小。如此一來，控制裝置100可以調整旋轉電機200的旋轉角度，並有效地降低旋轉電機200進行低速旋轉時所引起的震盪現象。
根據第4圖所述之控制方法400，本發明中的控制裝置100透過誤差補償單元190以查表方式輸出的第一校正值C1，再將第一校正值C1與電流變化量△i(高頻轉矩電流i qh 的電流變化量△i qh 及/或高頻磁通電流i dh 的電流變化量△i dh )相加以產生第二校正值C2，位置估測裝置170可依據第二校正值C2運算，可有效提高相位估測值θ a 之精準度。因此建立誤差補償單元190中的表格為本發明之部分主要技術特徵，以下將詳述建立誤差補償單元190中的表格之控制方法之流程。
第5圖根據本發明之一實施例繪示於測試模式時，旋轉電機200的控制方法500之流程圖。以下請同時參照第3圖及第5圖以說明旋轉電機200的控制方法500之流程。第5圖中的控制方法500之流程主要用於建立誤差補償單元190中的表格。建立誤差補償單元190中的表格之前，操作人員需要對旋轉電機200進行一測試模式。因此以下所述之方法步驟為在旋轉電機200的測試模式時由控制裝置100所執行。
控制方法500由步驟510開始進行，此時電機應為靜止狀態，或以適當方式阻截馬達使非運轉。當電流命令單元110開始輸出d軸電流命令Id及q軸電流命令Iq時，控制器130及電壓轉換裝置132依據電流命令單元110產生的d軸電流命令Id及q軸電流命令Iq輸出三相電壓Va、Vb、Vc以驅動旋轉電機200。在步驟510中，電流轉換裝置134擷取流經旋轉電機200的旋轉電機電流Ia、Ib、Ic，進行座標轉換後得到轉矩電流
Figure 02_image003
及磁通電流
Figure 02_image001
，並進入步驟520。
在步驟520中，控制裝置100中的訊號解調裝置140依據電流轉換裝置134輸出的轉矩電流
Figure 02_image003
及/或磁通電流
Figure 02_image001
、高頻電流方程式及訊號解調方程式，計算出高頻轉矩電流
Figure 02_image007
的電流變化量
Figure 02_image031
及/或高頻磁通電流
Figure 02_image005
的電流變化量
Figure 02_image033
給加法裝置145。其中高頻轉矩電流
Figure 02_image007
的電流變化量
Figure 02_image031
及高頻磁通電流
Figure 02_image005
的電流變化量
Figure 02_image033
計算的方程式相同於以上所述，故不再贅述。於此同時，加法裝置145雖然僅接收到電流變化量
Figure 02_image043
(高頻轉矩電流
Figure 02_image007
的電流變化量
Figure 02_image031
及/或高頻磁通電流
Figure 02_image005
的電流變化量
Figure 02_image033
)，但仍會執行步驟540：將誤差控制器180的修正值R1與高頻轉矩電流
Figure 02_image007
的電流變化量
Figure 02_image031
及/或高頻磁通電流
Figure 02_image005
的電流變化量
Figure 02_image033
進行相加以產生第二校正值C2，並進入步驟550。特別注意的是，在控制裝置100第一次執行步驟540時，誤差控制器180的修正值R1輸出為零。因此，此時加法裝置145第一次所輸出的第二校正值C2為依據高頻轉矩電流
Figure 02_image007
的電流變化量
Figure 02_image031
及/或高頻磁通電流
Figure 02_image005
的電流變化量
Figure 02_image033
。
在步驟550中，位置估測裝置170依據第二校正值C2輸出相位估測值
Figure 02_image011
給減法裝置160，並進入步驟560。
當旋轉電機200依據三相電壓Va、Vb、Vc進行控制時，控制裝置110亦執行步驟530：控制裝置100中的編碼裝置150量測旋轉電機200的旋轉角度，並輸出所量測到的相位量測值
Figure 02_image013
給減法裝置160，並進入步驟560。
在步驟560中，減法裝置160接收到步驟550及步驟530分別獲取的相位估測值
Figure 02_image011
及相位量測值
Figure 02_image013
，並計算出相位估測值
Figure 02_image011
及相位量測值
Figure 02_image013
之間的相位誤差
Figure 02_image015
。完成計算相位誤差
Figure 02_image015
之後，控制裝置100開始執行步驟570。
在步驟570中，誤差控制器180偵測相位誤差
Figure 02_image015
是否落入目標範圍內。也就是說，當誤差控制器180偵測相位誤差
Figure 02_image015
落入目標範圍內時，控制裝置100則執行步驟590：誤差控制器180控制誤差補償單元190儲存修正值R1並指定該修正值R1為第一校正值C1，並且同時記錄該第一校正值C1當前所對應的d軸電流命令Id及q軸電流命令Iq。反之，當誤差控制器180偵測相位誤差
Figure 02_image015
未落入目標範圍時，控制裝置100則執行步驟580：依據相位誤差
Figure 02_image015
輸出修正值R1。
特別注意的是，由於先前步驟540中，加法裝置145在最初的階段中所接收到的修正值R1為零，以至於當控制裝置100第一次執行步驟570時，誤差控制器180所接收的相位誤差
Figure 02_image015
可能不會落入目標範圍。因此控制裝置100將由步驟570進入步驟580。誤差控制器180輸出修正值R1之後，控制裝置100執行步驟540。
當控制裝置100再次執行步驟540時，加法裝置145將對誤差控制器180輸出的修正值R1與高頻轉矩電流
Figure 02_image007
的電流變化量
Figure 02_image031
及/或高頻磁通電流
Figure 02_image005
的電流變化量
Figure 02_image033
進行相加，並調整第二校正值C2給位置估測裝置170。控制裝置將繼續執行步驟550。
在步驟550，位置估測裝置170依據已調整的第二校正值C2改變相位估測值
Figure 02_image011
給減法裝置160。步驟560中，減法裝置160計算已調整的相位估測值
Figure 02_image011
與相位量測值
Figure 02_image013
之間的相位誤差
Figure 02_image015
。來到步驟570，誤差控制器180偵測再次相位誤差
Figure 02_image015
是否落入目標範圍。如果相位誤差
Figure 02_image015
落入目標範圍，控制裝置100執行步驟590：誤差控制器180不改變修正值R1，並將其儲存於誤差補償單元190。誤差補償單元190將該修正值R1重新指定並儲存為第一校正值C1，並且同時記錄該第一校正值C1當前所對應的d軸電流命令Id及q軸電流命令Iq。
承上所述，如果相位誤差
Figure 02_image015
沒有落入目標範圍，控制裝置100則執行步驟580：誤差控制器180繼續依據相位誤差
Figure 02_image015
調整修正值R1給加法裝置145。控制裝置100將不斷進行步驟540至580，直到在步驟570中誤差控制器180偵測到相位誤差
Figure 02_image015
落入目標範圍為止。
故令每次電流命令單元110改變d軸電流命令Id及q軸電流命令Iq時，控制裝置100就執行上述控制方法500之流程。如此一來，經過複數次改變電流命令單元110輸出的d軸電流命令Id及q軸電流命令Iq，誤差補償單元190即可建立表格。其中，操作人員可依據實際需求決定執行控制方法500的次數。執行的次數越多對應紀錄的電流命令越多，在旋轉電機200正常運作時，控制裝置100所評估旋轉電機200的旋轉角度將越精準，以至於更能有效解決旋轉電機200低速運轉時的震盪現象，與提升旋轉電機200的運轉效率。
第6圖根據本發明之一實施例繪示測試模式時，旋轉電機200的控制裝置100之實際操作方塊圖。其中，第6圖中的速度控制單元115為前面所述的電流命令單元110之一實施例，但本發明不限於此。其中速度控制單元115可提供d軸電流命令Id，並且速度控制單元115中的速度控制器115a可提供q軸電流命令Iq，再透過控制器130及電壓轉換裝置132產生三相電壓Va、Vb、Vc給旋轉電機200。其中，電壓轉換裝置132包含同步/靜止軸轉換器132a、靜止/三相轉換器132b及變頻器132c。旋轉電機200依據三相電壓Va、Vb、Vc進行旋轉。其中電壓轉換裝置132中的同步/靜止軸轉換器132a、靜止/三相轉換器132b及變頻器132c為習知的技術，故不再本揭露文件贅述。
在其他一實施例中，速度控制單元115更可包括一速度控制器115a。其中轉速命令ω1可由處理器、微處理器或其他計算裝置等，提供給速度控制單元115。由於本領域之通常知識者可理解處理器、微處理器或其他計算裝置等裝置提供轉速命令ω1之技術，故未繪示出。位置估測裝置170還可產生轉速命令ω2給速度控制單元115。速度控制單元115可對轉速命令ω1及轉速命令ω2進行運算以產生轉速命令ω3，其中轉速命令ω3實質為前述轉速命令間之一轉速誤差，以至於速度控制器115a根據轉速命令ω3產生q軸電流命令Iq。
當旋轉電機200依據三相電壓Va、Vb、Vc進行旋轉時，電流轉換裝置134接收流經旋轉電機200的旋轉電機電流Ia、Ib、Ic，並計算出轉矩電流i q 及磁通電流i d 。電流轉換裝置134包含三相/靜止軸轉換器134a、靜止/同步轉換器134b及低通濾波器134c。其中，透過電流轉換裝置134中的三相/靜止軸轉換器134a及靜止/同步轉換器134b可計算出同步座標上的轉矩電流i q1及同步座標上的磁通電流i d1。特別注意的是，在此實施例中，本發明僅是選擇性地針對同步座標上的轉矩電流i q1進行運算以幫助提高位置評 估的精準度，但本發明不限於此。其中三相/靜止軸轉換器134a及靜止/同步轉換器134b所構成的高頻電流方程式如同以上所述，故不再贅述。
電流轉換裝置134完成計算同步座標軸上的轉矩電流i q1之後，訊號解調裝置140則依據轉矩電流i q1計算出高頻轉矩電流i qh 與高頻轉矩電流i qh 的電流變化量△i qh 。其中訊號解調裝置140包含高通濾波器140a及高頻訊號解調器140b。高通濾波器140a依據轉矩電流i q 計算出高頻轉矩電流i qh 。高頻訊號解調器140b具有訊號解調方程式計算電流變化量△i qh ，訊號解調方程式如同以上所述，故不再贅述。旋轉電機200進行測試模式時，由控制裝置100所執行建立表格之方法已經詳述於前，故不再此另加敘述。
綜上所述，本發明利用誤差補償單元190接收d軸電流命令Id及q軸電流命令Iq以輸出第一校正值C1，並且再計算出高頻轉矩電流i qh 的電流變化量△i qh 及/或高頻磁通電流i dh 的電流變化量△i dh ，即可有效地提升位置估測裝置170的相位估測值θ a 之精準度。相較於目前的技術，本發明大幅地減少處理器的運算量，並更有效提升旋轉電機的控制裝置之工作效率。此外，本發明亦可解決旋轉電機進行低速運轉時所產生的震盪現象，並提升旋轉電機的運轉效率。
雖然本發明以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何本領域具有通常技術知識者，在不違背本發明精 神和範圍的情況下，可做些許變動與替代，因此本發明之保護範圍當應視隨後所附之申請專利範圍所界定者為準。
本文使用的術語僅用於描述特定實施例，而不旨在限制本發明。如本文所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式「一」、「一個」和「該」也包含複數形式。此外，就術語「包括」、「包含」、「具有」或其他變化用法被用於詳細描述和/或請求項，這些術語旨在以類似於術語「包含」的方式具有相同意思。
100‧‧‧控制裝置
110‧‧‧電流命令單元
115‧‧‧速度控制單元
115a‧‧‧速度控制器
120‧‧‧高頻訊號產生器
130‧‧‧控制器
132‧‧‧電壓轉換裝置
132a‧‧‧同步/靜止軸轉換器
132b‧‧‧靜止/三相轉換器
132c‧‧‧變頻器
134‧‧‧電流轉換裝置
134a‧‧‧三相/靜止軸轉換器
134b‧‧‧靜止/同步轉換器
134c‧‧‧低通濾波器
140‧‧‧訊號解調裝置
140a‧‧‧高通濾波器
140b‧‧‧高頻訊號解調器
145‧‧‧加法裝置
150‧‧‧編碼裝置
160‧‧‧減法裝置
170‧‧‧位置估測裝置
180‧‧‧誤差控制器
182、184、195‧‧‧開關
190‧‧‧誤差補償單元
200‧‧‧旋轉電機
400‧‧‧控制方法
410~470‧‧‧步驟
500‧‧‧控制方法
510~590‧‧‧步驟
Id‧‧‧d軸電流命令
Iq‧‧‧q軸電流命令
Vd‧‧‧d軸電壓
Vq‧‧‧q軸電壓
Va、Vb、Vc‧‧‧三相電壓
Ia、Ib、Ic‧‧‧三相電流
C1‧‧‧第一校正值
C2‧‧‧第二校正值
R1‧‧‧修正值
Figure 02_image001
‧‧‧磁通電流
Figure 02_image005
‧‧‧高頻磁通電流
Figure 02_image003
‧‧‧轉矩電流
Figure 02_image007
‧‧‧高頻轉矩電流
Figure 02_image009
‧‧‧電流變化量
Figure 02_image055
‧‧‧同步座標上的磁通電流
Figure 02_image053
‧‧‧同步座標上的轉矩電流
Figure 02_image011
‧‧‧相位估測值
Figure 02_image013
‧‧‧相位量測值
Figure 02_image015
‧‧‧相位誤差
Figure 02_image057
‧‧‧轉速命令
第1圖所示為根據習知技術之一實施例的旋轉電機的控制裝置之估測誤差與d-q軸電流之關係圖。 第2圖所示為根據本發明之一實施例的旋轉電機的控制裝置之架構圖。 第3圖根據本發明之一實施例繪示於測試模式時，旋轉電機的控制裝置之架構圖。 第4圖所示為根據本發明之一實施例的旋轉電機的控制方法之流程圖。 第5圖根據本發明之一實施例繪示於測試模式時，旋轉電機的控制方法之流程圖。 第6圖根據本發明之一實施例繪示測試模式時，旋轉電機的控制裝置之實際操作方塊圖。
100‧‧‧控制裝置
110‧‧‧電流命令單元
120‧‧‧高頻訊號產生器
130‧‧‧控制器
132‧‧‧電壓轉換裝置
134‧‧‧電流轉換裝置
140‧‧‧訊號解調裝置
145‧‧‧加法裝置
150‧‧‧編碼裝置
160‧‧‧減法裝置
170‧‧‧位置估測裝置
180‧‧‧誤差控制器
182、184、195‧‧‧開關
190‧‧‧誤差補償單元
200‧‧‧旋轉電機
R1‧‧‧修正值
Id‧‧‧d軸電流命令
Iq‧‧‧q軸電流命令
Vd‧‧‧d軸電壓
Vq‧‧‧q軸電壓
Va、Vb、Vc‧‧‧三相電壓
Ia、Ib、Ic‧‧‧三相電流
C1‧‧‧第一校正值
C2‧‧‧第二校正值
i d ‧‧‧磁通電流
i q ‧‧‧轉矩電流
i dh ‧‧‧高頻磁通電流
i qh ‧‧‧高頻轉矩電流
Δi、Δi qh 、Δi dh ‧‧‧電流變化量
θ a ‧‧‧相位估測值
θ r ‧‧‧相位量測值
Δθ‧‧‧相位誤差

Claims (18)

  1. 一種用以控制一旋轉電機的控制裝置，包括：      一電流命令單元，提供一d軸電流命令及一q軸電流命令；      一電壓轉換裝置，耦接該電流命令單元及該旋轉電機；      一電流轉換裝置，將流經該旋轉電機的一旋轉電機電流轉換為一同步參考座標電流；      一訊號解調裝置，接收該同步參考座標電流，並計算出該同步參考座標電流之一高頻電流變化量；      一誤差補償單元，依據該d軸電流命令及該q軸電流命令輸出對應於該d軸電流命令及該q軸電流命令的一第一校正值；      一加法裝置，將該同步參考座標電流之該高頻電流變化量及該第一校正值進行相加以產生一第二校正值；以及      一位置估測裝置，依據該第二校正值調整一相位估測值給該電流轉換裝置及該電壓轉換裝置，進行座標軸轉換的運算。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之控制裝置，更包括：      一減法裝置，當該旋轉電機進行一測試模式時，將該相位估測值與實際量測的一相位量測值進行相減以產生一相位誤差。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之控制裝置，更包括：      一誤差控制器，於該測試模式時，持續接收該相位誤差並依據該相位誤差產生一修正值給該加法裝置，當該相位誤差落於一目標範圍內時，將該相位誤差所對應的該修正值作為該第一校正值，並將該修正值及其所對應的該d軸電流命令及該q軸電流命令儲存於該誤差補償單元。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之控制裝置，其中於該測試模式時，且每當該相位誤差落於該目標範圍內時，該誤差補償單元按照該d軸電流命令及該q軸電流命令所對應的該第一校正值進行儲存以建立一表格。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之控制裝置，更包括：一編碼裝置，用以測量該旋轉電機之旋轉角度以輸出該相位量測值。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之控制裝置，其中該同步參考座標電流包括一轉矩電流及一磁通電流。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之控制裝置，其中計算出該同步參考座標電流之該高頻電流變化量包括計算出一高頻轉矩電流與該高頻轉矩電流之一電流變化量，以及計算出一高頻磁通電流與該高頻磁通電流之一電流變化量。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之控制裝置，更包括：一高頻訊號產生器，用以產生並輸入一高頻訊號，以計算出該高頻轉矩電流及該高頻磁通電流。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之控制裝置，更包括：一控制器，用以同時接收該高頻訊號、該d軸電流命令及該q軸電流命令，並對應輸出在一同步參考座標上的一d軸電壓及一q軸電壓。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之控制裝置，更包括：一速度控制器，用以提供該q軸電流命令，再透過該控制器及該電壓轉換裝置產生三相電壓Va、Vb、Vc給該旋轉電機。
  11. 一種旋轉電機的控制方法，包括以下步驟：      提供一d軸電流命令及一q軸電流命令；      將流經該旋轉電機的一旋轉電機電流轉換為一同步參考座標電流；      計算出該同步參考座標電流之一高頻電流變化量；      依據該d軸電流命令及該q軸電流命令輸出對應於該d軸電流命令及該q軸電流命令的一第一校正值；      將該同步參考座標電流之該高頻電流變化量及該第一校正值進行相加以產生一第二校正值；以及      依據該第二校正值調整一相位估測值，進行座標軸轉換的運算。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之控制方法，更包括以下步驟：      當該旋轉電機進行一測試模式時，將該相位估測值與實際量測的一相位量測值進行相減以產生一相位誤差。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之控制方法，更包括以下步驟：      於該測試模式時，依據該相位誤差持續產生一修正值，並將該修正值與該同步參考座標電流之該高頻電流變化量進行相加以產生該第二校正值；以及      其中當該相位誤差落於一目標範圍內時，將該修正值作為該第一校正值，並將該修正值及其所對應的該d軸電流命令及該q軸電流命令儲存於一誤差補償單元。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之控制方法，其中於該測試模式時，且每當該相位誤差落於該目標範圍內時，透過該誤差補償單元按照該d軸電流命令及該q軸電流命令所對應的該第一校正值進行儲存以建立一表格。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之控制方法，其中該同步參考座標電流包括一轉矩電流及一磁通電流。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之控制方法，其中計算出該同步參考座標電流之該高頻電流變化量，包括以下步驟：計算出一高頻轉矩電流與該高頻轉矩電流之一電流變化量，以及計算出一高頻磁通電流與該高頻磁通電流之一電流變化量。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之控制方法，更包括以下步驟：輸入一高頻訊號以計算出該高頻轉矩電流及該高頻磁通電流。
  18. 專利範圍第17項所述之控制方法，更包括以下步驟：同時接收該高頻訊號、該d軸電流命令及該q軸電流命令，並對應輸出在一同步參考座標上的一d軸電壓及一q軸電壓。
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