TWI717001B - 電動機控制器與電動機控制方法 - Google Patents

電動機控制器與電動機控制方法 Download PDF

Info

Publication number
TWI717001B
TWI717001B TW108132052A TW108132052A TWI717001B TW I717001 B TWI717001 B TW I717001B TW 108132052 A TW108132052 A TW 108132052A TW 108132052 A TW108132052 A TW 108132052A TW I717001 B TWI717001 B TW I717001B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
phase current
current value
phase
rotor angle
motor
Prior art date
Application number
TW108132052A
Other languages
English (en)
Other versions
TW202112051A (zh
Inventor
蔡明宏
譚仲平
陳暐天
Original Assignee
登騰電子股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 登騰電子股份有限公司 filed Critical 登騰電子股份有限公司
Priority to TW108132052A priority Critical patent/TWI717001B/zh
Priority to US16/744,192 priority patent/US11183957B2/en
Priority to CN202010107434.7A priority patent/CN112448644B/zh
Priority to EP20173374.8A priority patent/EP3790186A1/en
Application granted granted Critical
Publication of TWI717001B publication Critical patent/TWI717001B/zh
Publication of TW202112051A publication Critical patent/TW202112051A/zh

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/06Rotor flux based control involving the use of rotor position or rotor speed sensors
    • H02P21/08Indirect field-oriented control; Rotor flux feed-forward control
    • H02P21/09Field phase angle calculation based on rotor voltage equation by adding slip frequency and speed proportional frequency
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/14Estimation or adaptation of motor parameters, e.g. rotor time constant, flux, speed, current or voltage
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/14Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage
    • H02P21/18Estimation of position or speed
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/22Current control, e.g. using a current control loop
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/24Vector control not involving the use of rotor position or rotor speed sensors
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • H02P27/08Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation
    • H02P27/12Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation pulsing by guiding the flux vector, current vector or voltage vector on a circle or a closed curve, e.g. for direct torque control

Abstract

本發明提供一種電動機控制方法,所述方法包括:從轉速控制器接收多個電壓控制訊號,以輸出多個PWM訊號;接收所述多個PWM訊號,以輸出三相電流,以使電動機轉動;感測所述三相電流的三相電流值;根據所述三相電流值中的二者來直接計算所述電動機的實際轉子角度;以及根據期望轉子速度與所計算之所述實際轉子角度來調整所輸出的所述多個電壓控制訊號,以使所述電動機的實際轉子速度到達期望轉子速度。

Description

電動機控制器與電動機控制方法
本發明是有關於一種控制方法,且特別是有關於一種適用於無位址感測器的三相交流電動機的電動機控制器與其所使用的電動機控制方法。
在傳統的三相交流電動機控制方法中,若要獲得電動機當前的轉子角度(轉子位址/位置)以進行對三相交流電動機的轉子轉速進行調整,傳統方法大多會使用轉子位址感測器(亦稱,轉子角度感測器或位址感測器)來直接感測三相交流電動機的轉子角度,進而使用所獲得之轉子角度來進行轉速的回授控制。但,上述傳統方法會造成了三相交流電動機(或用以控制三相交流電動機的電動機控制器)因需要設置轉子角度感測器(如,編碼器、旋轉變壓器或霍爾感測器),導致了整體的成本增加。
因此,有其他傳統方式會嘗試在不使用轉子角度感測器的情況下來估測三相交流電動機的實際轉子角度。習知上的估測演算法有滑差控制、高頻注入法、低頻注入法、反電動勢觀測法。然而,上述的方法需設置複雜的運算單元並且還需要針對三相交流電動機與所述演算法相關的規格參數來設計所述運算單元。換言之,目前習知的傳統估測演算法依然不能有效地降低成本,且因需針對所對應的三相交流電動機另外進行客製化的設計而降低了應用的廣度。
基此,要如何利用較先進且較有擴展性的估測方式,以在不使用轉子角度感測器的情況下,來計算出任何規格的三相交流電動機的實際轉子角度,為本領域人員致力發展的目標。
“先前技術”段落只是用來幫助了解本發明內容,因此在“先前技術”段落所揭露的內容可能包含一些沒有構成所屬技術領域中具有通常知識者所知道的習知技術。在“先前技術”段落所揭露的內容,不代表該內容或者本發明一個或多個實施例所要解決的問題,在本發明申請前已被所屬技術領域中具有通常知識者所知曉或認知。
本發明提供一種電動機控制器與電動機控制方法,可直接使用所述三相交流電動機的三相電流值來計算所述三相交流電動機的所述轉子角度。
本發明的一實施例提供適用於控制三相交流電動機的一種電動機控制器,其中所述三相交流電動機不具有用以感測所述三相交流電動機的實際轉子角度的轉子角度感測器。所述電動機控制器包括:轉速控制器、脈衝寬度調變(PWM)電路單元、逆變器、電流感測電路以及轉子角度計算電路。所述脈衝寬度調變(PWM)電路單元用以從所述三相交流電動機的轉速控制器接收多個電壓控制訊號,以輸出多個PWM訊號。所述逆變器用以接收所述多個PWM訊號,以輸出三相電流至所述三相交流電動機的三個定子繞組,以使所述三相交流電動機轉動。所述電流感測電路電性連接至所述逆變器,並且所述電流感測電路用以感測被輸出至所述三個定子繞組的所述三相電流的三相電流值,其中所述三相電流彼此具有120度的相位差,其中所述三相電流值包括U相電流值、V相電流值與W相電流值。所述轉子角度計算電路用以直接根據所述三相電流值中的二者來計算所述三相交流電動機的所述實際轉子角度。此外,所述轉速控制器用以根據所述期望轉子速度與所計算之所述實際轉子角度來調整所輸出的所述多個電壓控制訊號 ,以使所述三相交流電動機的實際轉子速度到達所述期望轉子速度。
本發明的一實施例提供適用於控制三相交流電動機的一種電動機控制方法,其中所述三相交流電動機不具有用以感測所述三相交流電動機的實際轉子角度的轉子角度感測器。所述方法包括:經由所述三相交流電動機的脈衝寬度調變(PWM)電路單元,從所述三相交流電動機的轉速控制器接收多個電壓控制訊號,以輸出多個PWM訊號;經由所述三相交流電動機的逆變器,接收所述多個PWM訊號,以輸出三相電流至所述三相交流電動機的三個定子繞組,以使所述三相交流電動機轉動;經由所述三相交流電動機的電流感測電路,感測被輸出至所述三個定子繞組的所述三相電流的三相電流值,其中所述三相電流彼此具有120度的相位差,其中所述三相電流值包括U相電流值、V相電流值與W相電流值,其中所述電流感測電路電性連接至所述逆變器;經由所述三相交流電動機的轉子角度計算電路,直接根據所述三相電流值中的二者來計算所述三相交流電動機的所述實際轉子角度;以及經由所述三相交流電動機的所述轉速控制器,根據所述期望轉子速度與所計算之所述實際轉子角度來調整所輸出的所述多個電壓控制訊號,以使所述三相交流電動機的實際轉子速度到達所述期望轉子速度。
基於上述,本發明的實施例的電動機控制器與電動機控制方法,可在不利用轉子角度感測器來直接感測三相交流電動機的實際轉子角度的情況下,直接使用所述三相交流電動機的三相電流值來計算所述三相交流電動機的實際轉子角度,以根據所述期望轉子速度與所計算之所述實際轉子角度來調整所輸出的所述多個電壓控制訊號,進而使所述三相交流電動機的實際轉子速度到達所述期望轉子速度。如此一來,可在減少轉子角度感測器的硬體成本的情況下,依然可以有效地藉由所計算之實際轉子角度來控制所述三相交流電動機的實際轉子速度,進而增強了所述三相交流電動機的效能。
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。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效,在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中,將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語,例如:上、下、左、右、前或後等,僅是參考附加圖式的方向。因此,使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。
[第一實施例]
圖1是依照本發明的第一實施例所繪示的一種電動機控制器的方塊示意圖。請參照圖1,在本實施例中,電動機控制器20電性連接至電動機1,並且用以控制電動機1。所述電動機控制器20包括轉速控制器210、脈衝寬度調變(PWM)電路單元220、逆變器(Inverter)(亦稱,換流器)230、電流感測電路240以及轉子角度計算電路250。所述電動機1包括定子繞組10(1)~10(3),所述定子繞組10(1)~10(3)接收電動機控制器20所輸出的三相電流U、V、W以改變電動機1的磁場向量,進而使電動機1的轉子轉動。應注意的是,在本實施例中,所述電動機1為三相交流電動機,且所述電動機1與所述電動機控制器210皆不具有用以直接感測電動機1的轉子角度/轉子位址的轉子角度感測器/轉子位址感測器。以下利用圖2~圖4來說明電動機控制器20各元件的功能與交互運作。
圖2是依照本發明的第一實施例所繪示的一種電動機控制方法的流程圖。圖3是依照本發明的第一實施例所繪示的一種轉速控制器的方塊示意圖。圖4是依照本發明的第一實施例所繪示的一種電動機控制器的系統架構示意圖。
請參照圖2與圖4,在步驟S21中,經由所述電動機控制器的脈衝寬度調變(PWM)電路單元220,從所述電動機控制器的轉速控制器210接收多個電壓控制訊號 v a* v c* ,以輸出多個PWM訊號PWM1~PWM6。
具體來說,所述轉速控制器210會接收一個預設的期望轉子速度 ω r *,所述期望轉子速度 ω r *可基於所述轉速控制器210所接收到的轉速指令而被設定。以下利用圖3來說明所述轉速控制器210的運作細節。
請參照圖3,在本實施例中,轉速控制器210包括轉子速度計算電路2101、三角函數電路2102、第一比例積分(PI)控制器2103、第二PI控制器2104、第三PI控制器2105、派克反變換(Park Inverse Transform)單元2106、克拉克反變換(Clark Inverse Transform)單元2107、派克變換(Park Transform)單元2109、克拉克變換(Clark Transform)單元2108。
所述轉子速度計算電路,用以對實際轉子角度 θ e 來執行微分運算以獲得所述三相交流電動機的所述實際轉子速度ω r
所述三角函數電路2102用以根據所述實際轉子角度 θ e 來計算所述實際轉子角度 θ e 的正弦函數 sin θ e 與所述實際轉子角度的餘弦函數 cos θ e 所述三角函數電路2102例如是應用CORDIC演算法的可程式化電路單元。在一實施例中,所述轉速控制器210亦可不設置所述三角函數電路2102,經由查表的方式來獲得所述實際轉子角度 θ e 的正弦函數 sin θ e 與所述實際轉子角度的餘弦函數 cos θ e
在本實施例中,輸入至定子繞組的電流的向量可以用“d,q”軸的坐標系統來定義,其中場磁鏈的電流分量對正d軸(direct)(亦稱,D軸),而轉矩的電流分量對正q軸(quadrature)(亦稱,Q軸)。電動機的“d,q”軸坐標可以對應“a,b,c”三相的弦波系統。而“d,q”軸的電流向量一般可以個別用PI控制器進行控制,也就是沒有微分(D)單元的PID控制器。
所述克拉克變換單元2108與所述派克拉克反變換單元2107為分別用以進行克拉克變換運算與克拉克反變換運算的計算電路單元。所述克拉克變換運算用以將對應“a,b,c”三相的座標系的向量轉換至對應“α, β”二相的座標系的向量。所述克拉克反變換運算用以將對應“α, β”二相的座標系的向量轉換至對應“a,b,c”三相的座標系的向量。
所述派克變換單元2109與所述派克反變換單元2106為分別用以進行派克變換運算與派克反變換運算的計算電路單元。所述派克變換運算用以將對應“α, β”二相的座標系的向量轉換至對應“d, q”二相的座標系的向量。所述派克反變換運算用以將對應“d, q”二相的座標系的向量轉換至對應“α, β”二相的座標系的向量。
上述克拉克變換運算、克拉克反變化運算、派克變換運算與派克反變換運算為本領域人員常用之技術手段,細節不贅述於此。
所述第一比例積分(PI)控制器2103用以根據被輸入的所述期望轉子速度 ω r *與所計算之所述轉子速度 ω r 來輸出Q軸電流控制訊號 i qs* 。所述第二PI控制器2104,用以根據所述Q軸電流控制訊號 i qs* 與Q軸電流回授訊號 i qs 來計算Q軸電壓控制訊號 v qs* 。所述第三PI控制器2105用以根據預設D軸電流控制訊號 i ds* 與D軸回授訊號 i ds 來計算D軸電壓控制訊號 v ds* 。廠商可根據需求自行設定預設D軸電流控制訊號 i ds*
所述轉速控制器210(派克反變換單元2106)根據所述實際轉子角度之所述正弦函數 sin θ e 與所述餘弦函數 cos θ e 、所述Q軸電壓控制訊號 v qs* 以及所述D軸電壓控制訊號 v ds* 來進行派克反變換(Park inverse transform)運算,以獲得第一電壓控制訊號 v α* 與第二電壓控制訊號 v β *
所述轉速控制器210(克拉克反變換單元2107)根據所述第一電壓控制訊號 v α* 與所述第二電壓控制訊號 v β *來進行克拉克反變換運算,以獲得第三電壓控制訊號 v a* 、第四電壓控制訊號 v b* 與第五電壓控制訊號 v c* ,其中所述第三電壓控制訊號 v a* 、所述第四電壓控制訊號 v b* 與所述第五電壓控制訊號 v c* 傳送給所述PWM電路單元220。
所述轉速控制器(克拉克變換單元2108)根據三相電流值 I u I v I w 來進行克拉克變換運算(Clark Transform),以獲得第一電流回授訊號 i α 與第二電流回授訊號 i β
所述轉速控制器(派克變換單元2109)根據第一電流回授訊號 i α 與第二電流回授訊號 i β 來進行派克變換運算(Park transform),以獲得所述D軸電流回授訊號 i ds 與所述Q軸電流回授訊號 i qs
請再回到圖2,在步驟S22中,經由所述電動機控制器20的逆變器230,接收所述多個PWM訊號PWM1~PWM6,以輸出三相電流U、V、W至所述三相交流電動機的三個定子繞組10(1)~10(3),以使所述三相交流電動機1轉動。
在步驟S23中,經由所述電動機控制器20的電流感測電路240,感測被輸出至所述三個定子繞組10(1)~10(3)的所述三相電流U、V、W的三相電流值 I u I v I w ,其中所述電流感測電路240電性連接至所述逆變器230。所述電流感測電路240例如是包含單電阻電流回授電路、雙電阻電流回授電路或是三電阻電流回授電路的電路單元。
值得一提的是,關於所述脈衝寬度調變(PWM)電路單元220、逆變器230、電流感測電路240的詳細電路架構非本發明之重點,亦為本領域人員的常用技術手段,相關細節不再贅述於此。
在步驟S24中,經由所述電動機控制器20的轉子角度計算電路250,根據所述三相電流值 I u I v I w 中的二者來直接計算所述三相交流電動機1的所述實際轉子角度 θ e
具體來說,在本實施例中,轉子角度計算電路250例如是用以實施轉子角度計算演算法的特殊應用積體電路、可程式化處理器或微處理器。在第一實施例中的轉子角度計算演算法經由下列公式(1-1)、(1-2)、(1-3)來定義所述三相電流值 I u I v I w 與所述實際轉子角度 θ e 的關係
Figure 02_image003
(1-1)
Figure 02_image006
(1-2)
Figure 02_image009
(1-3)
θ e 為所述實際轉子角度,單位為度(degree); I u 為所述U相電流值、 I v 為所述V相電流值、 I w 為所述W相電流值,單位為安培(A)。
圖5是依照本發明的第一實施例所繪示的三相電流的向量示意圖。請參照圖5,假設U相電流以sin θ e 呈現,則V相電流落後U相電流120度,並且W相電流落後U相電流240度。
接著,藉由上述所定義的關係,可利用所述三相電流值 I u I v I w 中的其中兩個電流值來推導出用以計算實際轉子角度 θ e 的公式。應注意的是,詳細推導過程非本發明之重點,不贅述於此。
例如,所述轉子角度計算電路250可直接根據所述U相電流值 I u 與所述V相電流值 I v 經由下列公式(1-4)來計算所述實際轉子角度 θ e
Figure 02_image014
(1-4)。
圖6A~6C是依照本發明的第一實施例所繪示的一種轉子角度計算電路的方塊示意圖。請參照圖6A,所述轉子角度計算電路250可根據上述公式(1-4)經由使用乘法單元(Mult),加法單元(ADD),除法單元(DIV),反向單元(INV)與反正切單元(arctan)來被實作。具體來說,所述V相電流值 I v 乘以2後再加上所述U相電流值 I u 得到
Figure 02_image017
Figure 02_image018
除以U相電流值 I u 得到
Figure 02_image021
Figure 02_image022
乘以
Figure 02_image025
得到
Figure 02_image028
Figure 02_image030
經反向後得到
Figure 02_image033
Figure 02_image035
經反正切後得到實際轉子角度 θ e
又例如,所述轉子角度計算電路250可直接根據所述V相電流值 I V 與所述W相電流值 I w 經由下列公式(1-5)來計算所述實際轉子角度 θ e
Figure 02_image039
(1-5)。
請參照圖6B,所述轉子角度計算電路250可根據上述公式(1-5)經由使用乘法單元(Mult),加法單元(ADD),減法單元(SUB),除法單元(DIV)與反正切單元(arctan)來被實作。
又例如,所述轉子角度計算電路250可直接根據所述U相電流值 I u 與所述W相電流值 I w 經由下列公式(1-6)來計算所述實際轉子角度 θ e
Figure 02_image041
(1-6)。
請參照圖6C,所述轉子角度計算電路250可根據上述公式(1-6)經由使用乘法單元(Mult),加法單元(ADD),除法單元(DIV)與反正切單元(arctan)來被實作。
請再回到圖2,在獲得所述實際轉子角度後,接著,在步驟S25,經由所述電動機控制器20的所述轉速控制器210,根據所述期望轉子速度 ω r *與所計算之所述實際轉子角度 θ e 來調整所輸出的所述多個電壓控制訊號 v a* v c* ,以使所述三相交流電動機的實際轉子速度 ω r 到達所述期望轉子速度 ω r *
具體來說,在獲得所述所述實際轉子角度 θ e 所述轉子速度計算電路2101可根據依據時間先後所連續得到的多個所述實際轉子角度 θ e 來進行微分運算,以求出實際轉子速度 ω r 。如此一來,所述實際轉子速度 ω r 被視為回授的轉子速度,以讓所述轉速控制器210來調整所輸出的多個電壓控制訊號 v a* v c* ,進而讓所述實際轉子速度 ω r 逐漸接近所述期望轉子速度 ω r *
[第二實施例]
第二實施例與第一實施例不同之處在於轉子角度計算電路250的實作方式。其他硬體元件與第一實施例相同,不再贅述於此。
具體來說,在第二實施例中的實作於轉子角度計算電路250的轉子角度計算演算法經由下列公式(2-1)、(2-2)、(2-3)來定義所述三相電流值 I u I v I w 與所述實際轉子角度 θ e 的關係。
Figure 02_image042
(2-1)
Figure 02_image045
(2-2)
Figure 02_image048
(2-3)
θ e 為所述實際轉子角度,單位為度(degree); I u 為所述U相電流值、 I v 為所述V相電流值、 I w 為所述W相電流值,單位為安培(A)。
相似地,藉由上述所定義的關係,可利用所述三相電流值 I u I v I w 中的其中兩個電流值來推導出用以計算實際轉子角度 θ e 的公式。
例如,所述轉子角度計算電路250可直接根據所述U相電流值 I u 與所述V相電流值 I v 經由下列公式(2-4)來計算所述實際轉子角度 θ e
Figure 02_image050
(2-4)。
圖7A~7C是依照本發明的第二實施例所繪示的一種轉子角度計算電路的方塊示意圖。請參照圖7A,所述轉子角度計算電路250可根據上述公式(2-4)經由使用乘法單元(Mult),加法單元(ADD),除法單元(DIV)與反正切單元(arctan,tan -1)來被實作。
又例如,所述轉子角度計算電路250可直接根據所述V相電流值 I V 與所述W相電流值 I w 經由下列公式(2-5)來計算所述實際轉子角度 θ e
Figure 02_image052
(2-5)。
請參照圖7B,所述轉子角度計算電路250可根據上述公式(2-5)經由使用乘法單元(Mult),加法單元(ADD),減法單元(SUB),除法單元(DIV)與反正切單元(arctan,tan -1)來被實作。
又例如,所述轉子角度計算電路250可直接根據所述U相電流值 I u 與所述W相電流值 I w 經由下列公式(2-6)來計算所述實際轉子角度 θ e
Figure 02_image054
(2-6)。
請參照圖7C,所述轉子角度計算電路250可根據上述公式(2-6)經由使用乘法單元(Mult),加法單元(ADD),除法單元(DIV),反向單元(INV)與反正切單元(arctan,tan -1)來被實作。
[第三實施例]
第三實施例與第一實施例不同之處在於轉子角度計算電路250的實作方式。其他硬體元件與第一實施例相同,不再贅述於此。
具體來說,在第三實施例中的實作於轉子角度計算電路250的轉子角度計算演算法經由下列公式(3-1)、(3-2)、(3-3)來定義所述三相電流值 I u I v I w 與所述實際轉子角度 θ e 的關係。
Figure 02_image056
(3-1)
Figure 02_image058
(3-2)
Figure 02_image060
(3-3)
θ e 為所述實際轉子角度,單位為度(degree); I u 為所述U相電流值、 I v 為所述V相電流值、 I w 為所述W相電流值,單位為安培(A)。
相似地,藉由上述所定義的關係,可利用所述三相電流值 I u I v I w 中的其中兩個電流值來推導出用以計算實際轉子角度 θ e 的公式。
例如,所述轉子角度計算電路250可直接根據所述U相電流值 I u 與所述V相電流值 I v 經由下列公式(3-4)來計算所述實際轉子角度 θ e
Figure 02_image062
(3-4)。
圖8A~8C是依照本發明的第三實施例所繪示的一種轉子角度計算電路的方塊示意圖。請參照圖8A,所述轉子角度計算電路250可根據上述公式(3-4)經由使用乘法單元(Mult),加法單元(ADD),除法單元(DIV)與反正切單元(arctan,tan -1)來被實作。
又例如,所述轉子角度計算電路250可直接根據所述V相電流值 I V 與所述W相電流值 I w 經由下列公式(3-5)來計算所述實際轉子角度 θ e
Figure 02_image065
(3-5)。
請參照圖8B,所述轉子角度計算電路250可根據上述公式(3-5)經由使用乘法單元(Mult),加法單元(ADD),減法單元(SUB),除法單元(DIV),反向單元(INV)與反正切單元(arctan,tan -1)來被實作。
又例如,所述轉子角度計算電路250可直接根據所述U相電流值 I u 與所述W相電流值 I w 經由下列公式(3-6)來計算所述實際轉子角度 θ e
Figure 02_image067
(3-6)。
請參照圖8C,所述轉子角度計算電路250可根據上述公式(3-6)經由使用乘法單元(Mult),加法單元(ADD),除法單元(DIV),反向單元(INV)與反正切單元(arctan,tan -1)來被實作。
[第四實施例]
第四實施例與第一實施例不同之處在於轉子角度計算電路250的實作方式。其他硬體元件與第一實施例相同,不再贅述於此。
具體來說,在第四實施例中的實作於轉子角度計算電路250的轉子角度計算演算法經由下列公式(4-1)、(4-2)、(4-3)來定義所述三相電流值 I u I v I w 與所述實際轉子角度 θ e 的關係。
Figure 02_image069
(4-1)
Figure 02_image071
(4-2)
Figure 02_image073
(4-3)
θ e 為所述實際轉子角度,單位為度(degree); I u 為所述U相電流值、 I v 為所述V相電流值、 I w 為所述W相電流值,單位為安培(A)。
相似地,藉由上述所定義的關係,可利用所述三相電流值 I u I v I w 中的其中兩個電流值來推導出用以計算實際轉子角度 θ e 的公式。
例如,所述轉子角度計算電路250可直接根據所述U相電流值 I u 與所述V相電流值 I v 經由下列公式(4-4)來計算所述實際轉子角度 θ e
Figure 02_image075
(4-4)。
圖9A~9C是依照本發明的第四實施例所繪示的一種轉子角度計算電路的方塊示意圖。請參照圖9A,所述轉子角度計算電路250可根據上述公式(4-4)經由使用乘法單元(Mult),加法單元(ADD),除法單元(DIV),反向單元(INV)與反正切單元(arctan,tan -1)來被實作。
又例如,所述轉子角度計算電路250可直接根據所述V相電流值 I V 與所述W相電流值 I w 經由下列公式(4-5)來計算所述實際轉子角度 θ e
Figure 02_image077
(4-5)。
請參照圖9B,所述轉子角度計算電路250可根據上述公式(4-5)經由使用加法單元(ADD),減法單元(SUB),除法單元(DIV),反向單元(INV)與反正切單元(arctan,tan -1)來被實作。
又例如,所述轉子角度計算電路250可直接根據所述U相電流值 I u 與所述W相電流值 I w 經由下列公式(4-6)來計算所述實際轉子角度 θ e
Figure 02_image079
(4-6)。
請參照圖9C,所述轉子角度計算電路250可根據上述公式(4-6)經由使用乘法單元(Mult),加法單元(ADD),除法單元(DIV)與反正切單元(arctan,tan -1)來被實作。
綜上所述,本發明的實施例的電動機控制器與電動機控制方法,可在不利用轉子角度感測器來直接感測三相交流電動機的實際轉子角度的情況下,直接使用所述三相交流電動機的三相電流值來計算所述三相交流電動機的實際轉子角度,以根據所述期望轉子速度與所計算之所述實際轉子角度來調整所輸出的所述多個電壓控制訊號,進而使所述三相交流電動機的實際轉子速度到達所述期望轉子速度。如此一來,可在減少轉子角度感測器的硬體成本的情況下,依然可以有效地藉由所計算之實際轉子角度來控制所述三相交流電動機的實際轉子速度,進而增強了所述三相交流電動機的效能。
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。
1:電動機 10(1)~10(3):定子繞組 20:電動機控制器 210:轉速控制器 220:PWM電路單元 230:逆變器 240:電流感測電路 250:轉子角度計算電路 U、V、W:三相電流 2101:轉子速度計算電路 2102:三角函數電路 2103、2104、2105:PI控制器 2106:派克反變換單元 2107:克拉克反變換單元 2108:克拉克變換單元 2109:派克變換單元 I u、I v、I w:三相電流值 θ e:實際轉子角度 S21、S22、S23、S24、S25:電動機控制方法的流程步驟
圖1是依照本發明的第一實施例所繪示的一種電動機控制器的方塊示意圖。 圖2是依照本發明的第一實施例所繪示的一種電動機控制方法的流程圖。 圖3是依照本發明的第一實施例所繪示的一種轉速控制器的方塊示意圖。 圖4是依照本發明的第一實施例所繪示的一種電動機控制器的系統架構示意圖。 圖5是依照本發明的第一實施例所繪示的三相電流的向量示意圖。 圖6A~6C是依照本發明的第一實施例所繪示的一種轉子角度計算電路的方塊示意圖。 圖7A~7C是依照本發明的第二實施例所繪示的一種轉子角度計算電路的方塊示意圖。 圖8A~8C是依照本發明的第三實施例所繪示的一種轉子角度計算電路的方塊示意圖。 圖9A~9C是依照本發明的第四實施例所繪示的一種轉子角度計算電路的方塊示意圖。
S21、S22、S23、S24、S25:電動機控制方法的流程步驟

Claims (10)

  1. 一種電動機控制器,適用於控制一三相交流電動機,其中所述電動機控制器與所述三相交流電動機皆不具有用以感測所述三相交流電動機的實際轉子角度的轉子角度感測器,所述電動機控制器包括: 一轉速控制器; 一脈衝寬度調變(PWM)電路單元,用以從所述電動機控制器所述轉速控制器接收多個電壓控制訊號,以輸出多個PWM訊號, 一逆變器,用以接收所述多個PWM訊號,以輸出三相電流至所述三相交流電動機的三個定子繞組,以使所述三相交流電動機轉動, 一電流感測電路,其中所述電流感測電路電性連接至所述逆變器,其中所述電流感測電路用以感測被輸出至所述三個定子繞組的所述三相電流的三相電流值,其中所述三相電流彼此具有120度的相位差,其中所述三相電流值包括U相電流值、V相電流值與W相電流值;以及 一轉子角度計算電路,用以根據所述三相電流值中的二者來直接計算所述三相交流電動機的所述實際轉子角度, 其中所述轉速控制器用以根據所述期望轉子速度與所計算之所述實際轉子角度來調整所輸出的所述多個電壓控制訊號,以使所述三相交流電動機的實際轉子速度到達所述期望轉子速度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電動機控制器,其中所述電動機控制器更包括: 一轉子速度計算電路,用以對所述實際轉子角度來執行微分運算以獲得所述三相交流電動機的所述實際轉子速度;以及 一三角函數電路,用以根據所述實際轉子角度來計算所述實際轉子角度的正弦函數與所述實際轉子角度的餘弦函數。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的電動機控制器,其中所述轉速控制器更包括: 第一比例積分(PI)控制器,用以根據被輸入的所述期望轉子速度與所計算之所述轉子速度來輸出一Q軸電流控制訊號; 第二PI控制器,用以根據所述Q軸電流控制訊號與Q軸電流回授訊號來計算Q軸電壓控制訊號; 第三PI控制器,用以根據一預設D軸電流控制訊號與D軸回授訊號來計算D軸電壓控制訊號。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的電動機控制器,其中 所述轉速控制器根據所述實際轉子角度之所述正弦函數與所述餘弦函數、所述Q軸電壓控制訊號以及所述D軸電壓控制訊號來進行派克反變換(Park inverse transform)運算,以獲得第一電壓控制訊號與第二電壓控制訊號, 其中所述轉速控制器根據所述第一電壓控制訊號與所述第二電壓控制訊號來進行克拉克反變換(Clark inverse transform)運算,以獲得第三電壓控制訊號、第四電壓控制訊號與第五電壓控制訊號,其中所述第三電壓控制訊號、所述第四電壓控制訊號與所述第五電壓控制訊號傳送給所述PWM電路單元。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的電動機控制器,其中 所述轉速控制器根據所述三相電流值來進行克拉克變換運算(Clark transform),以獲得第一電流回授訊號與第二電流回授訊號, 其中所述轉速控制器根據所述第一電流回授訊號與所述第二電流回授訊號來進行派克變換運算(Park transform),以獲得所述D軸電流回授訊號與所述Q軸電流回授訊號。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的電動機控制器,其中所述U相電流值( Iu)、所述V相電流值( Iv)與所述W相電流值( Iw) 根據下列公式(1)、(2)、(3)定義:
    Figure 03_image080
    (1)
    Figure 03_image082
    (2)
    Figure 03_image084
    (3); 根據下列公式(7)、(8)、(9)定義:
    Figure 03_image080
    (7)
    Figure 03_image085
    (8)
    Figure 03_image086
    (9); 根據下列公式(13)、(14)、(15)定義:
    Figure 03_image087
    (13)
    Figure 03_image088
    (14)
    Figure 03_image090
    (15);或根據下列公式(19)、(20)、(21)定義:
    Figure 03_image091
    (19)
    Figure 03_image092
    (20)
    Figure 03_image093
    (21), 其中
    Figure 03_image095
    為所述實際轉子角度,單位為度(degree); Iu為所述U相電流值、 Iv為所述V相電流值、 Iw為所述W相電流值,單位為安培(A)。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的電動機控制器,其中在所述轉子角度計算電路直接根據所述三相電流值中的所述二者來計算所述三相交流電動機的實際轉子角度的運作中, 若所述U相電流值、所述V相電流值與所述W相電流值根據公式(1)、(2)、(3)被定義,所述轉子角度計算電路直接根據所述U相電流值與所述V相電流值經由下列公式(4)來計算所述實際轉子角度:
    Figure 03_image097
    (4), 其中若所述U相電流值、所述V相電流值與所述W相電流值根據公式(13)、(14)、(15)被定義,所述轉子角度計算電路直接根據所述U相電流值與所述V相電流值經由下列公式(16)來計算所述實際轉子角度:
    Figure 03_image099
    (16), 其中若所述U相電流值、所述V相電流值與所述W相電流值根據公式(19)、(20)、(21)被定義,所述轉子角度計算電路直接根據所述U相電流值與所述V相電流值經由下列公式(22)來計算所述實際轉子角度:
    Figure 03_image101
    (22) 。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的電動機控制器,其中在所述轉子角度計算電路直接根據所述三相電流值中的所述二者來計算所述三相交流電動機的實際轉子角度的運作中, 若所述U相電流值、所述V相電流值與所述W相電流值根據公式(1)、(2)、(3)被定義,所述轉子角度計算電路直接根據所述V相電流值與所述W相電流值經由下列公式(5)來計算所述實際轉子角度:
    Figure 03_image103
    (5), 其中若所述U相電流值、所述V相電流值與所述W相電流值根據公式(7)、(8)、(9)被定義,所述轉子角度計算電路直接根據所述V相電流值與所述W相電流值經由下列公式(11)來計算所述實際轉子角度:
    Figure 03_image105
    (11), 其中若所述U相電流值、所述V相電流值與所述W相電流值根據公式(13)、(14)、(15)被定義,所述轉子角度計算電路直接根據所述V相電流值與所述W相電流值經由下列公式(17)來計算所述實際轉子角度:
    Figure 03_image107
    (17), 其中若所述U相電流值、所述V相電流值與所述W相電流值根據公式(19)、(20)、(21)被定義,所述轉子角度計算電路直接根據所述V相電流值與所述W相電流值經由下列公式(23)來計算所述實際轉子角度:
    Figure 03_image109
    (23) 。
  9. 如申請專利範圍第6項所述的電動機控制器,其中在所述轉子角度計算電路直接根據所述三相電流值中的所述二者來計算所述三相交流電動機的實際轉子角度的運作中, 若所述U相電流值、所述V相電流值與所述W相電流值根據公式(1)、(2)、(3)被定義,所述轉子角度計算電路直接根據所述U相電流值與所述W相電流值經由下列公式(6)來計算所述實際轉子角度:
    Figure 03_image111
    (6), 其中若所述U相電流值、所述V相電流值與所述W相電流值根據公式(7)、(8)、(9)被定義,所述轉子角度計算電路直接根據所述U相電流值與所述W相電流值經由下列公式(12)來計算所述實際轉子角度:
    Figure 03_image113
    (12), 其中若所述U相電流值、所述V相電流值與所述W相電流值根據公式(13)、(14)、(15)被定義,所述轉子角度計算電路直接根據所述U相電流值與所述W相電流值經由下列公式(17)來計算所述實際轉子角度:
    Figure 03_image115
    (18), 其中若所述U相電流值、所述V相電流值與所述W相電流值根據公式(19)、(20)、(21)被定義,所述轉子角度計算電路直接根據所述U相電流值與所述W相電流值經由下列公式(24)來計算所述實際轉子角度:
    Figure 03_image117
    (24)。
  10. 一種電動機控制方法,適用於電動機控制器控制三相交流電動機,其中所述電動機控制器與所述三相交流電動機皆不具有用以感測所述三相交流電動機的實際轉子角度的轉子角度感測器,所述方法包括: 經由所述電動機控制器的脈衝寬度調變(PWM)電路單元,從所述電動機控制器的轉速控制器接收多個電壓控制訊號,以輸出多個PWM訊號; 經由所述電動機控制器的逆變器,接收所述多個PWM訊號,以輸出三相電流至所述三相交流電動機的三個定子繞組,以使所述三相交流電動機轉動; 經由所述電動機控制器的電流感測電路,感測被輸出至所述三個定子繞組的所述三相電流的三相電流值,其中所述三相電流彼此具有120度的相位差,其中所述三相電流值包括U相電流值、V相電流值與W相電流值,其中所述電流感測電路電性連接至所述逆變器; 經由所述電動機控制器的轉子角度計算電路,根據所述三相電流值中的二者來直接計算所述三相交流電動機的所述實際轉子角度;以及 經由所述電動機控制器的所述轉速控制器,根據所述期望轉子速度與所計算之所述實際轉子角度來調整所輸出的所述多個電壓控制訊號,以使所述三相交流電動機的實際轉子速度到達所述期望轉子速度。
TW108132052A 2019-09-05 2019-09-05 電動機控制器與電動機控制方法 TWI717001B (zh)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW108132052A TWI717001B (zh) 2019-09-05 2019-09-05 電動機控制器與電動機控制方法
US16/744,192 US11183957B2 (en) 2019-09-05 2020-01-16 Motor controller and motor control method
CN202010107434.7A CN112448644B (zh) 2019-09-05 2020-02-21 电动机控制器与电动机控制方法
EP20173374.8A EP3790186A1 (en) 2019-09-05 2020-05-07 Motor controller and motor control method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW108132052A TWI717001B (zh) 2019-09-05 2019-09-05 電動機控制器與電動機控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TWI717001B true TWI717001B (zh) 2021-01-21
TW202112051A TW202112051A (zh) 2021-03-16

Family

ID=70613717

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW108132052A TWI717001B (zh) 2019-09-05 2019-09-05 電動機控制器與電動機控制方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11183957B2 (zh)
EP (1) EP3790186A1 (zh)
CN (1) CN112448644B (zh)
TW (1) TWI717001B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11588426B2 (en) * 2020-01-17 2023-02-21 Infineon Technologies Ag Rotor angle error compensation for motors
US11936313B2 (en) 2021-08-31 2024-03-19 Kinetic Technologies International Holdings Lp Method of aligning a rotor of a synchronous motor at a specified rotor angle and a controller therefor
CN115913040B (zh) * 2023-02-20 2023-06-20 广州匠芯创科技有限公司 一种电流环硬件加速引擎及系统

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012157039A1 (ja) * 2011-05-13 2012-11-22 株式会社日立製作所 同期電動機の駆動システム
WO2013001596A1 (ja) * 2011-06-27 2013-01-03 三菱電機株式会社 回転機の制御装置
WO2015058445A1 (zh) * 2013-10-25 2015-04-30 南车株洲电力机车研究所有限公司 永磁同步电机带速重新投入的控制方法、装置及系统
US20180167009A1 (en) * 2016-12-08 2018-06-14 Konica Minolta, Inc. Controller for permanent magnet synchronous motor, and control method for estimating initial position of rotor
US20180175751A1 (en) * 2016-12-19 2018-06-21 Konica Minolta, Inc. Controller for permanent magnet synchronous motor, control method, and image forming apparatus
WO2018146957A1 (ja) * 2017-02-08 2018-08-16 北斗制御株式会社 センサレスモータの駆動方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE602006009643D1 (de) * 2006-08-03 2009-11-19 St Microelectronics Srl Verfahren zur Zustandsschätzung eines Systems und eine zugehörige Vorrichtung zur Ermittlung der Position und der Drehzahl eines bürstenlosen Motors
US10008966B2 (en) * 2012-03-02 2018-06-26 Deere & Company Drive systems including sliding mode observers and methods of controlling the same
CN103501153B (zh) * 2013-10-21 2016-01-20 佛山市美传科技有限公司 三相交流异步电动机的智能调速系统
CN103825525B (zh) * 2014-03-17 2016-08-17 江苏吉泰科电气股份有限公司 一种改进的无传感器永磁同步电机速度估测方法
CN104038134B (zh) * 2014-06-24 2016-05-25 北京航空航天大学 一种基于线性霍尔的永磁同步电机转子位置误差校正方法
US9705437B2 (en) * 2014-09-24 2017-07-11 Texas Instruments Incorporated Angular position estimation for PM motors
CN104967388B (zh) * 2015-06-29 2017-12-22 南京航空航天大学 一种永磁同步电机低速区域转子位置估计方法
CN105391364B (zh) * 2015-11-24 2018-01-19 哈尔滨理工大学 一种无刷直流电机无位置传感器控制系统及控制方法
CN108063574A (zh) * 2016-11-09 2018-05-22 密克罗奇普技术公司 启动同步电机的系统和方法
CN108288935B (zh) * 2018-02-11 2019-10-01 安徽江淮汽车集团股份有限公司 一种永磁同步电机电感参数获取方法及系统
CN109802617B (zh) * 2019-03-27 2021-04-16 北京经纬恒润科技股份有限公司 一种驱动电机的控制方法、装置及系统

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012157039A1 (ja) * 2011-05-13 2012-11-22 株式会社日立製作所 同期電動機の駆動システム
WO2013001596A1 (ja) * 2011-06-27 2013-01-03 三菱電機株式会社 回転機の制御装置
WO2015058445A1 (zh) * 2013-10-25 2015-04-30 南车株洲电力机车研究所有限公司 永磁同步电机带速重新投入的控制方法、装置及系统
US20180167009A1 (en) * 2016-12-08 2018-06-14 Konica Minolta, Inc. Controller for permanent magnet synchronous motor, and control method for estimating initial position of rotor
US20180175751A1 (en) * 2016-12-19 2018-06-21 Konica Minolta, Inc. Controller for permanent magnet synchronous motor, control method, and image forming apparatus
WO2018146957A1 (ja) * 2017-02-08 2018-08-16 北斗制御株式会社 センサレスモータの駆動方法

Also Published As

Publication number Publication date
US11183957B2 (en) 2021-11-23
US20210075353A1 (en) 2021-03-11
EP3790186A1 (en) 2021-03-10
CN112448644A (zh) 2021-03-05
CN112448644B (zh) 2022-07-05
TW202112051A (zh) 2021-03-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104052361B (zh) 用以补偿转矩脉动的电机控制系统
JP3818086B2 (ja) 同期モータの駆動装置
JP3755424B2 (ja) 交流電動機の駆動制御装置
TWI717001B (zh) 電動機控制器與電動機控制方法
JP4989075B2 (ja) 電動機駆動制御装置及び電動機駆動システム
JP3529752B2 (ja) Dcブラシレスモータのロータ角度検出装置
JP4881635B2 (ja) 永久磁石モータのベクトル制御装置
WO2010109520A1 (ja) 回転電機の制御装置および制御方法
EP2779431B1 (en) Generation of a current reference to control a brushless motor
JP2001161090A (ja) 同期モータの位置センサレス制御方法
JP2003088160A (ja) モーター制御装置
JP6657418B2 (ja) 電流整形による最適なトルクリプル低減
JP6055372B2 (ja) モータ制御装置
JP2004064909A (ja) モータ制御装置
JP2014509822A (ja) 埋込永久磁石機械を制御するための埋込永久磁石機械システムおよび方法
JP2004048958A (ja) Dcブラシレスモータの制御装置
KR101618722B1 (ko) 모터 드라이브 시스템
WO2020105204A1 (ja) 電力変換装置
JP2013150498A (ja) 同期電動機の制御装置及び制御方法
JP6400231B2 (ja) 回転電機の制御装置
JP6241331B2 (ja) 電動機の制御装置
JP2013146155A (ja) 巻線温度推定装置及び巻線温度推定方法
JP5082216B2 (ja) 電動機付ターボチャージャ用回転検出装置及び電動機付ターボチャージャの回転検出方法
JP2020039227A (ja) 電動機の駆動装置
JP2004080975A (ja) 電動機の制御装置