TWI694671B - 永磁馬達控制系統及其方法 - Google Patents

Abstract

一種永磁馬達控制系統用於驅動一永磁馬達，包含一位置感測器、一驅動電路、一直接轉矩控制模組及一空間電壓向量調變模組，位置感測器感測永磁馬達的磁鐵轉動的多個定位以產生霍爾訊號，驅動電路根據第一控制信號產生複數電壓向量以驅動永磁馬達，直接轉矩控制模組根據霍爾訊號計算量測轉速，且根據量測轉速與指定轉速的差值計算出轉矩命令，並根據複數預測定子磁通量及複數相位電流計算出估測轉矩，且根據轉矩命令與估測轉矩的轉矩差及霍爾訊號產生第二控制信號，空間電壓向量調變模組根據第二控制信號產生對應的第一控制信號給驅動電路。

Description

永磁馬達控制系統及其方法

本發明係關於一種永磁馬達控制系統及其方法，尤指利用一位置感測器、一直接轉矩控制模組及一空間電壓向量調變模組達到響應速度、所需馬達參數少、降低該永磁馬達的轉矩漣波的永磁馬達控制系統及永磁馬達控制方法。

由於電動車的蓬勃發展，其驅動馬達的需求亦與日俱增。電動車多數選用交流馬達，而交流馬達又分成感應馬達及永磁馬達，感應馬達有著結構簡單、成本低、可控性高等特點而被廣泛應用，但有研究指出雖然永磁馬達之製造成本較高，但重量及體積相較感應馬達來的低，最高效率也較感應馬達高，也因此，永磁馬達的研究及發展也越來越廣泛。

而控制永磁馬達的方法中，傳統的方法有直接轉矩控制法(Direct Torque Control,DTC)及磁場導向控制法(Field-Oriented Control,FOC)。

在直接轉矩控制法中，藉由控制永磁馬達的轉矩，取代磁場導向控制法之使用架構的電流內迴路，更可增加永磁馬達的響應速度，且計算時所需的馬達參數也較少。但直接轉矩控制法中，開關切換頻率不穩定，造成轉矩漣波相較其他向量控制方法大。又直接轉矩控制法使用的磁通估測器容易受到 積分誤差、電阻溫升等因素，及直流測電壓準位偏移造成的影響，而造成估測誤差。

在磁場導向控制法中，藉由定子座標與同步旋轉座標的轉換，控制電流向量大小，以間接控制馬達轉矩，結合空間電壓向量調變(Space Vector PWM,SVPWM)控制，通過不同的電壓向量交替使用，產生圓形的旋轉磁場以維持恆定的電磁轉矩並提高馬達電壓利用率。但磁場導向控制法結合空間電壓向量調變中，需要精度較高的轉子位置偵測器，且必須進行座標轉換運算，故需要較高的硬體成本來做計算，且永磁馬達的響應速度也較直接轉矩控制法慢。

因此，本發明之第一目的為解決上述至少一個問題，而提出一種永磁馬達控制系統。

於是，該永磁馬達控制系統適用於驅動一永磁馬達，該永磁馬達包含一轉子及設置於該轉子的複數個磁鐵，且該永磁馬達控制系統包含一位置感測器、一驅動電路、一直接轉矩控制模組，及一空間電壓向量調變模組。

該位置感測器包括複數個位置感測元件，該等位置感測元件分別對應至少其中的該等磁鐵設置，且分別感測該等磁鐵轉動時的多個定位以產生一霍爾訊號。該驅動電路電連接該永磁馬達，該驅動電路接收一第一控制信號，並根據該第一控制信號產生複數個電壓向量以驅動該永磁馬達運轉。該直接轉矩控制模組電連接該位置感測器，且根據該霍爾訊號計算該永磁馬達的一量測轉速，該直接轉矩控制模組根據該量測轉速與預設該永磁馬達的一指定轉 速的一差值計算出一轉矩命令，該直接轉矩控制模組根據複數個預測定子磁通量及該驅動電路感測該永磁馬達的複數個相位電流計算出一估測轉矩，該直接轉矩控制模組根據該轉矩命令與該估測轉矩的一轉矩差及該霍爾訊號產生一第二控制信號。該空間電壓向量調變模組電連接該直接轉矩控制模組及該驅動電路，接收該第二控制信號，並根據該第二控制信號產生對應一控制電壓向量指示的該第一控制信號給該驅動電路，以使該永磁馬達的該量測轉速與該指定轉速相同。

進一步，該永磁馬達控制系統還包含一滑模估測模組，該滑模估測模組電連接該驅動電路、該位置感測器及該直接轉矩控制模組，該滑模估測模組根據該驅動電路的該等相位電流及該位置感測器的該霍爾訊號以計算出該等預測定子磁通量，並再根據該等預測定子磁通量計算出複數個預測相位電流，且再根據該等相位電流與該等預測相位電流的多個電流差值來修正該等預測定子磁通量。

進一步，該直接轉矩控制模組電連接該滑模估測模組，該直接轉矩控制模組根據修正後的該等預測定子磁通量及該轉矩命令計算一命令轉矩角，且根據修正後的該等預測定子磁通量及該估測轉矩計算一估測轉矩角，並計算該命令轉矩角與該估測轉矩角的一轉矩角差值，該空間電壓向量調變模組將該轉矩角差值做為輸出該第一控制信號的角度補償。

進一步，該直接轉矩控制模組內部儲存一開關向量決定表，該開關向量決定表紀錄多個直接轉矩控制區間、對應每一直接轉矩控制區間的一正轉矩差、一負轉矩差，及分別對應該等直接轉矩控制區間的正、負轉矩差的多 個空間向量調變區間，該直接轉矩控制模組根據該霍爾訊號及該轉矩差在該開關向量決定表中進行查表，以找到對應的一空間向量調變區間，並據此產生該第二控制信號，該空間電壓向量調變模組內部儲存一空間向量調變區間控制表，該空間向量調變區間控制表紀錄多個空間向量調變區間，及分別對應該等空間向量調變區間的多個控制電壓向量指示，該空間電壓向量調變模組接收該第二控制信號，並根據該第二控制信號查表找到對應的該控制電壓向量指示。

進一步，任二該等位置感測元件之間以該轉子的中心為中心而夾一更新角度，該轉子每旋轉該更新角度後，該等位置感測元件更新感測該等磁鐵所對應的該等位置。

進一步，所述位置感測元件為一霍爾元件。

本發明之第二目的為解決上述至少一個問題，而提出一種永磁馬達控制方法。

該永磁馬達控制方法由一永磁馬達控制系統執行，該永磁馬達控制系統適用於驅動一永磁馬達，該永磁馬達包含一定子、一轉子及設置於該轉子的複數個磁鐵，且該方法包含一步驟(A)、一步驟(B)、一步驟(C)、一步驟(D)，及一步驟(E)。

(A)藉由該永磁馬達控制系統偵測該等磁鐵轉動時所對應的多個定位以產生一霍爾訊號，並根據該霍爾訊號計算該永磁馬達的一量測轉速。(B)藉由該永磁馬達控制系統根據該等相位電流及該霍爾訊號以計算出該等預測定子磁通量，並再根據該等預測定子磁通量計算出複數個預測相位電流，且再根據該等相位電流與該等預測相位電流的多個電流差值來修正該等預測定 子磁通量。(C)藉由該永磁馬達控制系統根據該量測轉速與預設該永磁馬達的一指定轉速的一差值計算出一轉矩命令，且根據複數個預測定子磁通量及感測該永磁馬達的複數個相位電流計算出一估測轉矩，並根據該轉矩命令與該估測轉矩的一轉矩差及該霍爾訊號產生一第二控制信號。(D)藉由該永磁馬達控制系統根據該第二控制信號產生對應一控制電壓向量指示的一第一控制信號。(E)藉由該永磁馬達控制系統根據該第一控制信號產生複數個電壓向量以驅動該永磁馬達運轉，以使該永磁馬達的該量測轉速與該指定轉速相同。

進一步，該永磁馬達控制方法在該步驟(D)和該步驟(E)之間還包含一步驟(F)，(F)藉由該永磁馬達控制系統根據修正後的該等預測定子磁通量及該轉矩命令計算一命令轉矩角，且根據修正後的該等預測定子磁通量及該估測轉矩計算一估測轉矩角，並計算該命令轉矩角與該估測轉矩角的一轉矩角差值，且將該轉矩角差值做為輸出該第一控制信號的角度補償。

進一步，該永磁馬達控制系統內部儲存一開關向量決定表及一空間向量調變區間控制表，該開關向量決定表紀錄多個直接轉矩控制區間、對應每一直接轉矩控制區間的一正轉矩差、一負轉矩差，及分別對應該等直接轉矩控制區間的正、負轉矩差的多個空間向量調變區間，該永磁馬達控制系統根據該霍爾訊號及該轉矩差在該開關向量決定表中進行查表，以找到對應的一空間向量調變區間，並據此產生該第二控制信號，該空間向量調變區間控制表紀錄多個空間向量調變區間，及分別對應該等空間向量調變區間的多個控制電壓向量指示，該永磁馬達控制系統根據該第二控制信號查表找到對應的該控制電壓向量指示。

根據上述技術特徵可達成以下功效：

1.藉由將該直接轉矩控制模組及該空間電壓向量調變模組的結合，利用該轉矩角與轉矩的關係，保留傳統直接轉矩控制法中控制轉矩以取代電流控制，以增加該永磁馬達的響應速度、所需馬達參數少以減少計算成本等優點，同時該定子也能產生圓形磁場軌跡與降低該永磁馬達的轉矩漣波。

2.藉由運用該等位置感測元件的偵測做為計算上的轉速回授，而能計算該永磁馬達的該量測轉速與該轉子的絕對位置，能避免傳統的直接轉矩控制法中進行磁通估測產生的積分誤差、電阻溫升因素及直流測電壓準位偏移造成的影響。

3.藉由所述位置感測元件為該霍爾元件，有著價格便宜、取得容易等優點。

4.藉由該滑模估測模組來估測該等預測定子磁通量更趨近實際值，能避免積分誤差及數學模型不精確。

(1):位置感測器

(11):位置感測元件

(2):驅動電路

(3):直接轉矩控制模組

(4):空間電壓向量調變模組

(5):滑模估測模組

(10):永磁馬達

(101):定子

(102):轉子

(103):磁鐵

(V₁)~(V₆):基本有效空間電壓向量

(V_dc):直流電源

(K):滑模估測模組的電流誤差增益值

(K _p ):比例-積分控制器增益值

(K _i ):比例-積分控制器增益值

(f):頻率

(T1)~(T6):三相開關

(Tr):永磁馬達達到穩態之63%的時間

(J):永磁馬達之轉動慣量

(B):永磁馬達之摩擦係數

(i _d ):永磁馬達在d軸的電流的估測值

(i _q ):永磁馬達在q軸的電流的估測值

(

):永磁馬達在d軸的電流的實際量測值

(

):永磁馬達在q軸的電流的實際量測值

(i _max ):永磁馬達的最大電流

(φ _f ):轉子的磁通

(φ _s ):定子的磁通

(L _q ):永磁馬達在q軸的電感

(L _d ):永磁馬達在d軸的電感

(λ _f ):轉子的磁通

(λ _d ):永磁馬達在d軸的磁通的估測值

(λ _q ):永磁馬達在q軸的磁通的估測值

(

):永磁馬達在d軸的磁通的實際量測值

(

):永磁馬達在q軸的磁通的實際量測值

(θ):更新角度

(δ):轉矩角

(S):滑模超平面

(sign(s)):離散化方程式

(Ø):sign(s)增益值

(S0)~(S6):永磁馬達控制方法

[第一圖]是一方塊圖，說明本發明永磁馬達控制系統的一實施例。

[第二圖]是一示意圖，說明該實施例的一位置感測器設置在一永磁馬達。

[第三圖]是一示意圖，說明該實施例計算的一霍爾訊號與該永磁馬達旋轉的一旋轉角度關係。

[第四圖]是一電路圖，說明該實施例的一驅動電路。

[第五圖]是一示意圖，說明該實施例的空間向量分布圖。

[第六圖]是一示意圖，說明該實施例計算的該霍爾訊號與三相開關的導通時間的關係。

[第七圖]是一波形圖，說明該實施例計算的該霍爾訊號與反電動式的對應關係。

[第八圖]是一波形圖，說明該實施例計算的該霍爾訊號與磁通的對應關係。

[第九圖]是一示意圖，說明該永磁馬達在每安培電流最大轉矩的情況下，該永磁馬達的轉矩與一定子的磁通的關係。

[第十圖]是一示意圖，說明該永磁馬達在最大電流限制的情況下，該永磁馬達的轉矩與該定子的磁通的關係。

[第十一圖]是一示意圖，說明該永磁馬達在每安培電流最大轉矩及最大電流限制的情況下，該永磁馬達的該定子的磁通與一轉矩角的關係。

[第十二圖]是一示意圖，說明該實施例的一開關向量決定表及一空間向量調變區間控制表結合之區間判斷。

[第十三圖]是一方塊圖，說明該實施例的一滑模估測模組的內部方塊。

[第十四圖]是一流程圖，說明該實施例執行的一永磁馬達控制方法。

綜合上述技術特徵，本發明永磁馬達控制系統執行的永磁馬達控制方法的主要功效將可於下述實施例清楚呈現。

參閱第一圖及第二圖，本發明永磁馬達控制系統，適用於驅動一永磁馬達10，在本例中，該永磁馬達10為一內藏型永磁馬達，該永磁馬達10包含一定子101、一轉子102，及設置於該轉子102內部的複數個磁鐵103。該永磁 馬達控制系統包含一位置感測器1、一驅動電路2、一直接轉矩控制模組3、一空間電壓向量調變模組4，及一滑模估測模組5。

配合參閱第三圖，該位置感測器1包括複數個位置感測元件11，該等位置感測元件11分別設置於該定子101且對應至少其中的該等磁鐵103設置，感測該等磁鐵103轉動時的多個定位，在本例中，該等位置感測元件11的數量有三個，且所述位置感測元件11為一霍爾元件，任二該等位置感測元件11之間以該轉子102的中心為中心而夾一更新角度θ，該更新角度θ為60度，該轉子102每旋轉該更新角度θ後，該等位置感測元件11更新感測該等磁鐵103所對應的該等位置，當該永磁馬達10逆時針旋轉時，該等位置感測元件11的該等定位所指示的一霍爾訊號與該永磁馬達10旋轉的一旋轉角度關係為：該霍爾訊號為100時，該旋轉角度為0度；該霍爾訊號為110時，該旋轉角度為60度；該霍爾訊號為010時，該旋轉角度為120度，依此類推可完成該永磁馬達10旋轉在360度區間的位置，因此，根據該霍爾訊號可將該永磁馬達10的旋轉區間劃分成六個區間。也就是說，從該霍爾訊號就可判斷該轉子102旋轉後目前的位置。

配合參閱第四圖至第六圖，該驅動電路2包括一直流電源、三相開關，及三個繞組，該直流電源經由三相開關的導通與否及該等繞組分別形成U、V、W相交流電，該永磁馬達10的三相繞組分別電連接該驅動電路2的U、V、W相，該驅動電路2接收一第一控制信號，並根據該第一控制信號產生複數個電壓向量以驅動該永磁馬達10運轉，其中不同的開關順序可合成不同的電壓向量，該驅動電路2接收的該第一控制信號，就是指定那些開關需打開或關閉，該驅動電路2能產生八種電壓向量，按照U、V、W排列可表示為100、110、010、 011、001、101、111和000，其中111和000兩種零電壓向量是相等的，故可將空間向量分為六個區域，每個區間內的參考電壓向量可由相鄰兩電壓向量與零電壓向量合成，零電壓向量為調整責任週期比之用途。又霍爾訊號劃分的六個區間，分別對應的三相(U、V、W)開關導通時間如第六圖所示，在各區間中，由上而下代表U、V、W相開關導通時間的比例。

參閱第一圖與第二圖，該直接轉矩控制模組3電連接該位置感測器1，且根據該霍爾訊號計算該永磁馬達10的一量測轉速，該直接轉矩控制模組3將預設該永磁馬達10的一指定轉速與該量測轉速做比較而產生一差值，並根據該差值計算出一轉矩命令。該直接轉矩控制模組3根據複數個預測定子磁通量及該驅動電路2感測該永磁馬達10的複數個相位電流計算出一估測轉矩，該直接轉矩控制模組3根據該轉矩命令與該估測轉矩計算一轉矩差。

該直接轉矩控制模組3內部儲存該開關向量決定表(如表一)，該開關向量決定表紀錄多個直接轉矩控制區間(DTC sector)、對應每一直接轉矩控制區間的的一正轉矩差(△τ>0)、一負轉矩差(△τ<0)，及分別對應該等直接轉矩控制區間的正、負轉矩差的多個空間向量調變區間(SVM sector)，其中，τ*表示轉矩命令，τ表示估測轉矩。當啟動該永磁馬達10後，會先利用中斷讀取該霍爾訊號以判斷該轉子102的位置，再藉由該直接轉矩控制模組3推算出該量測轉速，且藉由該直接轉矩控制模組3計算該轉子102每60度換相之間的一補償角度，以得到該轉子102正確的位置。該直接轉矩控制模組3根據該霍爾訊號及該轉矩差在該開關向量決定表中進行查表，以找到對應該轉矩差的正負及該霍爾訊號的一空間向量調變區間，並據此產生一第二控制信號。

配合參閱第七圖及第八圖，又霍爾訊號對應的位置可從第七圖的該霍爾訊號與該永磁馬達10之反電動勢對應關係得知，該永磁馬達10之線電壓與相電壓相差30度，相電壓又與磁通相差90度，因此，線電壓與磁通相差120度，運用此結果可得知該永磁馬達10的轉子102的磁通與該霍爾訊號的關係，該霍爾訊號在該永磁馬達10旋轉每60度換相一次，因此以磁通峰值左右對稱30度計算，可推得該霍爾訊號為001時，該磁通位置位於330度之位置，該霍爾訊 號為101時，該磁通位置位於30度之位置，該霍爾訊號為100時，該磁通位置位於90度之位置，該霍爾訊號為110時，該磁通位置位於150度之位置，該霍爾訊號為010時，該磁通位置位於210度之位置，該霍爾訊號為001時，該磁通位置位於270度之位置。

配合參閱第九圖及第十圖，需補充說明的是，該直接轉矩控制模組3根據該差值產生該轉矩命令，控制該永磁馬達的定子的磁通命令是依據最大電流命令、每安培電流最大轉矩(MTPA)公式及該定子的磁通與轉速的對應關係，決定該指定轉速下之負載與該定子的磁通對應給定該定子的該磁通命令。該轉矩命令的給定經由一比例-積分控制器給定，該比例-積分控制器增益值的給定經由極零點消去法計算以下公式求得。

K _p =2πf * J

K _i =2πf * B

K _p 、K _i 表示控制器增益值，f表示頻率，

，Tr表示為永磁 馬達達到穩態之63%的時間，J為該永磁馬達10之轉動慣量，B為該永磁馬達之摩擦係數。

每安培電流最大轉矩之d軸電流與q軸電流之關係式如下，可推得操作於每安培電流最大轉矩情況下之轉矩與磁通的關係。需注意的是，d軸、q軸為該轉子的磁通的同步旋轉座標，其中d軸稱為直軸，為該等磁鐵的磁通方向，q軸稱為交軸，超前d軸90度。

i _d 表示該永磁馬達在d軸的電流，φ _f 表示該轉子的磁通，L _q 表示該永磁馬達在q軸的電感，L _d 表示該永磁馬達在d軸的電感，i _q 表示該永磁馬達在q軸的電流。該永磁馬達10操作於每安培電流最大轉矩的情況下，轉矩與定子的磁通關係如第九圖所示，該永磁馬達10在d軸的電流、q軸的電流限制下，由以下式子可推導出對應的定子的磁通與轉矩的關係如第十圖所示，在第十圖實線下方區域即為該永磁馬達10操作低於最大電流限制下所能達到的定子磁通與轉矩的對應關係。

i _d 表示該永磁馬達在d軸的電流、i _q 表示該永磁馬達在q軸的電流、i _max 表示該永磁馬達的最大電流。依據一轉矩角δ的定義為該定子的磁通與該轉子的磁通的夾角，在最大電流限制下的該轉矩角公式如下所示，其中，λ _f 表示該轉子的磁通。

該轉矩角δ與該定子的磁通對應關係如第十一圖所示，實線為每安培電流最大轉矩之定子的磁通與該轉矩角δ的對應關係，虛線為最大電流限制下之定子的磁通與該轉矩角δ的對應關係，最大電流限制與每安培電流最大轉矩的曲線之交會點(星號)為額定轉速3000rpm之情況，可看出每安培電流最大轉矩僅適用於低於額定轉速下之情況。

再參閱第一圖，該空間電壓向量調變模組4電連接該驅動電路2，且內部儲存一空間向量調變區間控制表，該空間向量調變區間控制表紀錄多個空間向量調變區間，及分別對應該等空間向量調變區間的多個控制電壓向量指 示。該空間電壓向量調變模組4電連接該直接轉矩控制模組3以接收該第二控制信號，並根據該第二控制信號指示的該空間向量調變區間在該空間向量調變區間控制表中進行查表，以找到對應該空間向量調變區間的一控制電壓向量指示，並據此產生該第一控制信號給該驅動電路2，以使該永磁馬達10的量測轉速與該指定轉速相同。

配合參閱第十二圖，該直接轉矩控制模組3查表的過程為，假設該轉子位於該直接轉矩控制區間的第一區間，且該永磁馬達為逆時針旋轉，當該量測轉速低於該指定轉速時，判斷該估測轉矩不足，該轉矩差大於零，則經由該開關向量決定表(表一)對應到該空間向量調變區間的第二區間，該直接轉矩控制模組3產生指示該空間向量調變區間的第二區間的該第二控制信號，該空間電壓向量調變模組4經由該空間向量調變區間控制表找到需產生第六電壓向量及第二電壓向量，由第十二圖可得知。當該量測轉速高於該指定轉速時，該轉矩差小於零，則經由該開關向量決定表(表一)對應到該空間向量調變區間的第五區間，該直接轉矩控制模組產生指示該空間向量調變區間的第五區間的該第二控制信號，該空間電壓向量調變模組經由該空間向量調變區間控制表找到需產生第一電壓向量及第五電壓向量，由第十二圖得知。

再參閱第一圖，該滑模估測模組5電連接該位置感測器1、該驅動電路2，及該直接轉矩控制模組3，該滑模估測模組5根據該驅動電路2感測該永磁馬達10產生的該等相位電流及該位置感測器1的霍爾訊號以計算出該等預測定子磁通量，並再根據該等預測定子磁通量計算出複數個預測相位電流，且再 根據該等相位電流與該等預測相位電流的多個電流差值來修正該等預測定子磁通量。

該直接轉矩控制模組3根據修正後的該等預測定子磁通量及該轉矩命令計算一命令轉矩角，且根據修正後的該等預測定子磁通量及該估測轉矩計算一估測轉矩角，由下面公式求得，並計算該命令轉矩角與該估測轉矩角的一轉矩角差值，該空間電壓向量調變模組4將該轉矩角差值做為輸出該第一控制信號的角度補償。

T表示該轉矩命令或該估測轉矩，P表示該永磁馬達的極對數λ _s 表示該預測定子磁通量，λ _f 表示該轉子磁通量，δ表示該命令轉矩角或該估測轉矩角。配合參閱第十三圖，為該滑模估測模組5的方塊圖，若假設該永磁馬達10在d軸、q軸的電感及該定子磁通的值固定不變，則預測該永磁馬達10在d軸、q軸的電流的誤差即為該永磁馬達10在d軸、q軸的磁通的誤差，則電流與磁通的誤差如下所示。其中，

、

分別表示該永磁馬達在d軸、q軸的電流的實際量測值，i _d 、i _q 分別表示該永磁馬達在d軸、q軸的電流的估測值，

、

分 別表示該永磁馬達在d軸、q軸的磁通的實際量測值，λ _d 、λ _q 分別表示該永磁馬達在d軸、q軸的磁通的估測值。

從第十三圖看出，解耦之該永磁馬達d軸、q軸的磁通不會互相影響，磁通之估測值僅受實際與估測電流值之誤差影響。其中，K表示該滑模估 測模組的電流誤差增益值，S表示滑模超平面，sign(s)表示離散化方程式，Ø表示sign(s)增益值。

參閱第一圖、第二圖及第十四圖，該永磁馬達控制系統對該永磁馬達10執行一永磁馬達控制方法，該永磁馬達控制方法包含的步驟如下所述，本例以S0步驟至S6步驟做說明。

在S0步驟中，一開始先須將該轉子102的磁通位置與該霍爾訊號需自行對位，在本例使用光遮斷式霍爾訊號產生的該霍爾訊號，對位方式為使用一動力平台帶動該永磁馬達10，使該永磁馬達10產生反電動勢，經由一示波器檢視，使該霍爾訊號能依序對正三相對相之反電動式。

在S1步驟中，藉由該等位置感測元件11偵測該等磁鐵103轉動時所對應的多個定位以產生該霍爾訊號，該直接轉矩控制模組3根據該霍爾訊號計算該永磁馬達10的該量測轉速，需注意的是，該轉子102每旋轉該更新角度θ後，該等位置感測元件11更新感測該等磁鐵103所對應的該等定位，可修正估算時之角度及轉速誤差累積。

在S2步驟中，藉由該滑模估測模組5根據該驅動電路2感測該永磁馬達10產生的該等相位電流及該霍爾訊號以計算出該等預測定子磁通量，並再根據該等預測定子磁通量計算出該等預測相位電流，且再根據該等相位電流與該等預測相位電流的多個電流差值來修正該等預測定子磁通量。

在S3步驟中，藉由該直接轉矩控制模組3根據該量測轉速與預設該永磁馬達10的該指定轉速的該差值計算出該轉矩命令，且根據該等預測定子磁通量及該等相位電流計算出該估測轉矩，且根據該轉矩命令與該估測轉矩計 算該轉矩差，並根據該霍爾訊號及該轉矩差在該開關向量決定表(表一)中進行查表，以找到對應該轉矩差的正負及該霍爾訊號的該空間向量調變區間，並據此產生該第二控制信號。

在S4步驟中，藉由該空間電壓向量調變模組4根據該第二控制信號指示的該空間向量調變區間在該空間向量調變區間控制表中進行查表，以找到對應該空間向量調變區間的該控制電壓向量指示，並據此產生該第一控制信號。

在S5步驟中，藉由該直接轉矩控制模組3根據修正後的該等預測定子磁通量及該轉矩命令計算該命令轉矩角，且根據修正後的該等預測定子磁通量及該估測轉矩計算該估測轉矩角，並計算該命令轉矩角與該估測轉矩角的該轉矩角差值，該空間電壓向量調變模組4根據該轉矩角差值做為輸出該第一控制信號的角度補償。

在S6步驟中，藉由該驅動電路5接收該第一控制信號，並根據該第一控制信號產生該等電壓向量以控制該永磁馬達10的運轉，以使該永磁馬達10的該量測轉速與該指定轉速相同。

因此，利用該霍爾訊號做為該轉子102的位置回授，在每一次的該更新角度後更新一次絕對位置，可修正估算時的角度及轉速誤差，並從中推得該轉子102的正確電器位置，進而估算兩相鄰合成向量的導通時間，藉由脈寬調變技術(PWM)使該定子101產生圓形磁場，製造出弦波電流，得以提升電壓利用率。

綜上所述，藉由將該直接轉矩控制模組3及該空間電壓向量調變模組4的結合，利用該轉矩角δ與轉矩的關係，保留傳統直接轉矩控制法中藉由控制轉矩以取代電流控制，以增加該永磁馬達10的響應速度、所需馬達參數少以減少計算成本等優點，同時該定子101也能產生圓形磁場軌跡與降低該永磁馬達10的轉矩漣波，藉由運用該等位置感測元件11的偵測做為計算上的轉速回授，而能計算該永磁馬達10的該量測轉速與該轉子102的絕對位置，能避免傳統的直接轉矩控制法中進行磁通估測產生的積分誤差、電阻溫升因素及直流測電壓準位偏移造成的影響，藉由所述位置感測元件11為該霍爾元件，有著價格便宜、取得容易等優點，更藉由該滑模估測模組5來估測該等預測定子磁通量更趨近實際值，能避免積分誤差及數學模型不精確。

綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。

(1):位置感測器

(11):位置感測元件

(2):驅動電路

(3):直接轉矩控制模組

(4):空間電壓向量調變模組

(5):滑模估測模組

(10):永磁馬達

Claims (8)

1. 一種永磁馬達控制系統，適用於驅動一永磁馬達，該永磁馬達包含一定子、一轉子及設置於該轉子的複數個磁鐵，且該永磁馬達控制系統包含：一位置感測器，包括複數個位置感測元件，該等位置感測元件分別對應至少其中的該等磁鐵設置，且分別感測該等磁鐵轉動時的多個定位以產生一霍爾訊號；一驅動電路，電連接該永磁馬達，該驅動電路接收一第一控制信號，並根據該第一控制信號產生複數個電壓向量以驅動該永磁馬達運轉；一直接轉矩控制模組，電連接該位置感測器，且根據該霍爾訊號計算該永磁馬達的一量測轉速，該直接轉矩控制模組根據該量測轉速與預設該永磁馬達的一指定轉速的一差值計算出一轉矩命令，該直接轉矩控制模組根據複數個預測定子磁通量及該驅動電路感測該永磁馬達的複數個相位電流計算出一估測轉矩，該直接轉矩控制模組根據該轉矩命令與該估測轉矩的一轉矩差及該霍爾訊號產生一第二控制信號；一空間電壓向量調變模組，電連接該直接轉矩控制模組及該驅動電路，接收該第二控制信號，並根據該第二控制信號產生對應一控制電壓向量指示的該第一控制信號給該驅動電路，以使該永磁馬達的該量測轉速與該指定轉速相同；及一滑模估測模組，該滑模估測模組電連接該驅動電路、該位置感測器及該直接轉矩控制模組，該滑模估測模組根據該驅動電路的該等相位電流及該位置感測器的該霍爾訊號以計算出該等預測定子磁通量，並再根據該等預測定子磁通量計算出複數個預測相位電流，且再根據該等相位電流與該等預測相位電流的多個電流差值來修正該等預測定子磁通量。
2. 如申請專利範圍第1項所述之永磁馬達控制系統，其中，該直接轉矩控制模組電連接該滑模估測模組，該直接轉矩控制模組根據修正後的該等預測定子磁通量及該轉矩命令計算一命令轉矩角，且根據修正後的該等預測定子磁通量及該估測轉矩計算一估測轉矩角，並計算該命令轉矩角與該估測轉矩角的一轉矩角差值，該空間電壓向量調變模組將該轉矩角差值做為輸出該第一控制信號的角度補償。
3. 如申請專利範圍第1項所述之永磁馬達控制系統，其中，該直接轉矩控制模組內部儲存一開關向量決定表，該開關向量決定表紀錄多個直接轉矩控制區間、對應每一直接轉矩控制區間的一正轉矩差、一負轉矩差，及分別對應該等直接轉矩控制區間的正、負轉矩差的多個空間向量調變區間，該直接轉矩控制模組根據該霍爾訊號及該轉矩差在該開關向量決定表中進行查表，以找到對應的一空間向量調變區間，並據此產生該第二控制信號，該空間電壓向量調變模組內部儲存一空間向量調變區間控制表，該空間向量調變區間控制表紀錄多個空間向量調變區間，及分別對應該等空間向量調變區間的多個控制電壓向量指示，該空間電壓向量調變模組接收該第二控制信號，並根據該第二控制信號查表找到對應的該控制電壓向量指示。
4. 如申請專利範圍第1項所述之永磁馬達控制系統，其中，任二該等位置感測元件之間以該轉子的中心為中心而夾一更新角度，該轉子每旋轉該更新角度後，該等位置感測元件更新感測該等磁鐵所對應的該等定位。
5. 如申請專利範圍第1項所述之永磁馬達控制系統，其中，所述位置感測元件為一霍爾元件。
6. 一種永磁馬達控制方法，由一永磁馬達控制系統執行，該永磁馬達控制系統適用於驅動一永磁馬達，該永磁馬達包含一定子、一轉子及設置於該轉子的複數個磁鐵，且該方法包含以下步驟：(A)藉由該永磁馬達控制系統偵測該等磁鐵轉動時所對應的多個定位以產生一霍爾訊號，並根據該霍爾訊號計算該永磁馬達的一量測轉速；(B)藉由該永磁馬達控制系統根據該等相位電流及該霍爾訊號以計算出該等預測定子磁通量，並再根據該等預測定子磁通量計算出複數個預測相位電流，且再根據該等相位電流與該等預測相位電流的多個電流差值來修正該等預測定子磁通量；(C)藉由該永磁馬達控制系統根據該量測轉速與預設該永磁馬達的一指定轉速的一差值計算出一轉矩命令，且根據複數個預測定子磁通量及感測該永磁馬達的複數個相位電流計算出一估測轉矩，並根據該轉矩命令與該估測轉矩的一轉矩差及該霍爾訊號產生一第二控制信號；(D)藉由該永磁馬達控制系統根據該第二控制信號產生對應一控制電壓向量指示的一第一控制信號；及(E)藉由該永磁馬達控制系統根據該第一控制信號產生複數個電壓向量以驅動該永磁馬達運轉，以使該永磁馬達的該量測轉速與該指定轉速相同。
7. 如申請專利範圍第6項所述之永磁馬達控制方法，在該步驟(D)和該步驟(E)之間還包含一步驟(F)，(F)藉由該永磁馬達控制系統根據修正後的該等預測定子磁通量及該轉矩命令計算一命令轉矩角，且根據修正後的該等預測定子磁 通量及該估測轉矩計算一估測轉矩角，並計算該命令轉矩角與該估測轉矩角的一轉矩角差值，且將該轉矩角差值做為輸出該第一控制信號的角度補償。
8. 如申請專利範圍第6項所述之永磁馬達控制方法，其中，該永磁馬達控制系統內部儲存一開關向量決定表及一空間向量調變區間控制表，該開關向量決定表紀錄多個直接轉矩控制區間、對應每一直接轉矩控制區間的一正轉矩差、一負轉矩差，及分別對應該等直接轉矩控制區間的正、負轉矩差的多個空間向量調變區間，該永磁馬達控制系統根據該霍爾訊號及該轉矩差在該開關向量決定表中進行查表，以找到對應的一空間向量調變區間，並據此產生該第二控制信號，該空間向量調變區間控制表紀錄多個空間向量調變區間，及分別對應該等空間向量調變區間的多個控制電壓向量指示，該永磁馬達控制系統根據該第二控制信號查表找到對應的該控制電壓向量指示。

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