TWI747244B - 切換式磁阻馬達之開關控制方法與控制系統 - Google Patents

Abstract

一種切換式磁阻馬達之開關控制方法與控制系統。此控制系統包含馬達驅動器、開關角度計算電路以及馬達控制電路。在此控制方法中，首先，利用開關角度計算電路來根據切換式磁阻馬達之轉速以及對應至第一相之第一電感電流之值來決定一第一角度差值，然後再根據此第一角度差值與一正轉矩區結束角度來決定一開關截止角度。接著，於切換式磁阻馬達之轉子位於開關截止角度時，利用馬達控制電路來控制馬達驅動器之第一開關組，以停止提供前述之第一電感電流。

Description

切換式磁阻馬達之開關控制方法與控制系統

本發明是有關於一種切換式磁阻馬達之開關控制方法與控制系統。

隨著經濟與科技的發達，人們對於驅動裝置的需求也越來越高。馬達為生活常用的驅動裝置，其中切換式磁阻馬達具有結構簡單、成本低廉的優點，故切換式磁阻馬達經常使用於高容錯能力的場合中。然而，切換式磁阻馬達由於結構關係存在轉矩漣波的問題，在高轉速時尤為明顯。因此，需要一種切換式磁阻馬達之開關控制方法與控制系統來改善轉矩漣波的問題。

本發明之實施例提出一種切換式磁阻馬達之開關控制方法與控制系統，其係於馬達換相驅動時對轉矩提供足夠的補償，使轉矩維持平順，以改善轉矩漣波的問題。在此控制方法中，首先提供切換式磁阻馬達之第一相之正 轉矩區之正轉矩區結束角度。然後，根據切換式磁阻馬達之轉速以及對應至第一相之第一電感電流之值來決定第一角度差值。接著，根據第一角度差值與正轉矩區結束角度來決定開關截止角度。然後，於切換式磁阻馬達之轉子位於開關截止角度時，控制第一開關組來停止提供第一電感電流。

在一些實施例中，開關截止角度為正轉矩區結束角度減去第一角度差值。

在一些實施例中，切換式磁阻馬達之開關控制方法更包含：根據第一角度差值來計算一第二角度差值；根據第二角度差值來計算對應第二相之開關導通角度；於切換式磁阻馬達之轉子位於開關導通角度時，控制第二開關組來開始提供對應第二相之第二電感電流。

在一些實施例中，切換式磁阻馬達之開關控制方法更包含：判斷第一角度差值是否大於預設角度閥值。當第一角度差值大於預設角度閥值時，決定第二角度差值為第一角度差值，以使開關導通角度為第一開關組之開關截止角度。

在一些實施例中，當預設角度閥值小於或等於預設角度閥值時，決定第二角度差值為第一角度差值預設角度閥值，開關導通角度為該正轉矩區結束角度減去該第二角度差值。

根據本發明之實施例，切換式磁阻馬達之控制系統包含馬達驅動器、開關角度計算電路以及馬達控制電路。 馬達驅動器係用以對切換式磁阻馬達進行激磁操作，其中馬達驅動器包含第一開關組和第二開關組。第一開關組係用以輸出對應至第一相之第一電感電流。第二開關組係用以輸出對應至第二相之第二電感電流。開關角度計算電路係用以提供切換式磁阻馬達之第一相之正轉矩區之一正轉矩區結束角度；根據切換式磁阻馬達之轉速以及對應至第一相之第一電感電流之值來決定一第一角度差值；以及根據第一角度差值與正轉矩區結束角度來決定一開關截止角度。馬達控制電路係用以於切換式磁阻馬達之轉子位於開關截止角度時，控制第一開關組來停止提供第一電感電流。

在一些實施例中，切換式磁阻馬達之控制系統更包含馬達轉速控制電路，其係用以輸出馬達轉速控制訊號來控制切換式磁阻馬達之轉速。開關角度計算電路係電性連接至馬達轉速控制電路，以根據馬達轉速控制訊號來獲得切換式磁阻馬達之轉速。

在一些實施例中，開關角度計算電路係電性連接至馬達驅動電路，以根據第一電感電流來獲得切換式磁阻馬達之轉速。

在一些實施例中，開關截止角度為該正轉矩區結束角度減去第一角度差值。

在一些實施例中，開關角度計算電路更用以提供開關導通角度，馬達控制電路更用以於切換式磁阻馬達之轉子位於此開關導通角度時，控制第二開關組來開始提供第二電感電流。

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。

100:切換式磁阻馬達之開關控制系統

110:馬達驅動器

111~113:開關組

120:相電流感測器

130:編碼器

140:轉矩表電路

150:轉速計算電路

160A,160B:加法器

170:轉速控制電路

180：開關角度計算電路

190：馬達控制電路

500：開關控制方法

510~540：步驟

541~544：步驟

SRM：切換式磁阻馬達

θ_m：機械角度

θ_on：開關導通角度

θ_off：開關截止角度

L_a,L_b,L_c：電感

i_a,i_b,i_c：電感電流值

τ_a,τ_b,τ_c：轉矩值

τ_m：目前轉矩值

：轉矩參考值

W_r：目前轉速值

：轉速參考值

圖1係繪示根據本發明實施例之切換式磁阻馬達之開關控制系統。

圖2係繪示根據本發明一實施例之馬達驅動器的電路示意圖。

圖3係繪示根據本發明一實施例之切換式磁阻馬達的結構示意圖。

圖4係繪示根據本發明一實施例之切換式磁阻馬達的機械角度。

圖5係繪示根據本發明實施例之切換式磁阻馬達之開關控制方法的流程示意圖。

圖6係繪示根據本發明實施例之切換式磁阻馬達之正轉矩區和負轉矩區。

圖7係繪示根據本發明一實施例之電感電流與轉矩。

圖1係繪示根據本發明實施例之切換式磁阻馬達之開關控制系統100，其係適用於切換式磁阻馬達SRM的控制，以改善切換式磁阻馬達SRM的轉矩漣波問題。開關控制系統100包含馬達驅動器110、相電流感測器 120、編碼器130、轉矩表電路140、轉速計算電路150、加法器160A和160B、轉速控制電路170、開關角度計算電路180、以及馬達控制電路190。

馬達驅動器110係用以進行激磁操作，從而驅動切換式磁阻馬達SRM。在本實施例中，馬達驅動器110為三相非對稱半橋驅動器，但本發明之實施例並不受限於此。請同時參照圖2和圖3，圖2係繪示根據本發明一實施例之馬達驅動器110的電路示意圖，圖3係繪示根據本發明一實施例之切換式磁阻馬達SRM的結構示意圖。如圖2所示，馬達驅動器110包含開關組111、開關組112、開關組113，其係用以激磁切換式磁阻馬達SRM內部之電感L_a、電感L_b以及電感L_c。在本實施例中，電感L_a對應至A相；電感L_b對應至B相；電感L_b對應至C相。開關組111係對應切換式磁阻馬達SRM之A相電感L_a的激磁操作；開關組112係對應切換式磁阻馬達SRM之B相電感L_b的激磁操作；開關組113係對應切換式磁阻馬達SRM之C相電感L_c的激磁操作。其中，電感L_a、電感L_b以及電感L_c為纏繞於切換式磁阻馬達SRM定子凸極上的線圈。

如圖3所示，在本實施例中，切換式磁阻馬達SRM為12/8極切換式磁阻馬達。然而，本發明之實施例並不受限於此，在本發明之其他實施例中，切換式磁阻馬達SRM可為6/4極切換式磁阻馬達、6/2極切換式磁阻馬達或6/8極切換式磁阻馬達。當馬達驅動器110驅動切換式磁阻馬 達SRM時，轉子的位置(即機械角度)會改變，如圖4所示。

請回到圖1，相電流感測器120係用以感測切換式磁阻馬達SRM的多個相電流值。在本實施例中，相電流感測器120係電性連接至馬達驅動器110，以感測電感L_a、電感L_b以及電感L_c的電流值，並相應地輸出電感電流值i_a、電感電流值i_b以及電感電流值i_c至轉矩表電路140。其中，電感電流值i_a為對應A相之電感L_a的電流值；電感電流值i_b為對應B相之電感L_b的電流值；電感電流值i_c為對應C相之電感L _c 的電流值。

編碼器130係用以取得測切換式磁阻馬達SRM的機械角度θ_m，並將機械角度θ_m輸出至轉矩表電路140以及轉速計算電路150。

轉矩表電路140係用以接收前述之電感電流值i_a、電感電流值i_b、電感電流值i_c以及機械角度θ_m，以根據電感電流值i_a、電感電流值i_b、電感電流值i_c以及機械角度θ_m來提供切換式磁阻馬達SRM目前的轉矩值τ_m。在本實施例中，轉矩表電路140儲存有轉矩查找表，如此轉矩表電路140可根據轉矩查找表來根據電感電流值i_a、電感電流值i_b、電感電流值i_c以及機械角度θ_m，找出相對應的轉矩值τ_m。

轉速計算電路150係用以接收機械角度θ_m，並根據機械角度θ_m來計算出切換式磁阻馬達SRM的目前轉速值W _r 。加法器160A係用以計算外部輸入之轉速參考值

與目前轉速值W _r 的差值，並將其輸出至轉速控制電路170，而轉速控制電路170則根據此差值來計算出轉矩參考值

至加法器160B。加法器160B係用以計算轉矩參考值

與目前轉矩值τ_m之間的差值，並將其輸出至馬達控制電路190。

開關角度計算電路180係用以接收轉矩參考值

以及目前轉速值W_r，以根據轉矩參考值

以及目前轉速值W _r 來輸出開關組111、開關組112以及開關組113的開關導通角度θ_on以及開關截止角度θ_off至馬達控制電路190。

馬達控制電路190係用以根據轉矩參考值

與目前轉矩值τ_m之間的差值以及開關導通角度θ_on和開關截止角度θ_off來控制馬達驅動器110。以下將介紹如何控制馬達驅動器110。

請參照圖5，其係繪示根據本發明實施例之切換式磁阻馬達之開關控制方法500的流程示意圖。在以下的說明中，將以B相來進行說明，但本發明之實施例並不受限於此。在開關控制方法500中，首先進行步驟510，以提供切換式磁阻馬達SRM之B相之正轉矩區之正轉矩區結束角度。請參照圖6，其係繪示切換式磁阻馬達之正轉矩區和負轉矩區。在切換式磁阻馬達SRM中，轉子凸極靠近定子凸極的區段定義為正轉矩區，而轉子凸極遠離定子凸極的區段定義為負轉矩區。在本實施例中，由於切換式磁阻馬達SRM為12/8極切換式磁阻馬達，因此本實施例之B相的正轉矩區結束角度θ_end可例如為30度。在一實施例 中，正轉矩區結束角度可預先設置於開關角度計算電路180中，但本發明之實施例並不受限於此。在本發明之其他實施例中，正轉矩區結束角度可從外部設定。

接著，進行步驟520，以根據切換式磁阻馬達之轉速W _r 以及對應至B相之電感電流值i_b來決定第一角度差值θ_diff1。第一角度差值θ_diff1的計算公式如下：

在上式(1)中，V為電感L_b的電壓值；ω為切換式磁阻馬達之轉速W_r；k為常數，其中k=1/W，W為額定轉速。

然後，進行步驟530，以根據第一角度差值θ_diff1與正轉矩區結束角度θ_end來決定開關截止角度θ_off。開關截止角度θ_off的計算公式如下：

接著，進行步驟540，以根據開關截止角度θ_off來決定第二角度差值θ_diff2，並透過第二角度差值θ_diff2來決定開關導通角度θ_on。在步驟540中，首先進行步驟541，以判斷第一角度差值θ_diff1是否大於預設角度閥值。若第一角度差值θ_diff1大於預設角度閥值時，則進行步驟542，以決定第二角度差值θ_diff2為第一角度差值θ_diff1。若第一角度差值θ_diff1小於或等於預設角度閥值時，則進行步驟543，以決定第二角度差值θ_diff2為預設角度閥值。

在本實施例中，預設角度閥值係根據切換式磁阻馬 達SRM的類型來決定。預設角度閥值θ_TH的計算公式如下：

在上式(3)中，N_rotor為轉子的凸極數；N_stator為定子的凸極數；WT為74。

在決定出第二角度差值θ_diff2後，接著進行步驟544，以根據第二角度差值θ_diff2來計算開關導通角度θ_on。在本實施例中，開關導通角度θ_on的計算公式如下：

上述步驟520-540係由開關角度計算電路180進行，其中步驟520所需的電感電流值可透過轉矩參考值

計算而得。當開關角度計算電路180計算出開關導通角度θ_on和開關截止角度θ_off後，便會將其提供給馬達控制電路190。馬達控制電路190會於轉子位置到達開關導通角度θ_on和開關截止角度θ_off時，控制馬達驅動器110中相應的開關組(例如，對應B相之開關組112)，以開啟/關閉開關組112來開始/停止提供電流，如圖7所示，其中θ_s為B相正轉矩區開始的機械角度；τ_a、τ_b、τ_c分別為對應A相正轉矩區、B相正轉矩區以及C相正轉矩區的轉矩值。

在本發明之其他實施例中，決定出第一角度差值θ_diff1和第二角度差值θ_diff2後，可根據第一角度差值θ_diff1和第二角度差值θ_diff2來計算出所有相(例如，A相、B相和C相)所對應的開關導通角度θ_on和開關截止角度θ_off。

例如，考慮A相，在本實施例中，A相所對應的 正轉矩區結束角度θ_end為0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°以及315°。因此，A相所對應的開關截止角度θ_off為0°-θ_diff1、45°-θ_diff1、90°-θ_diff1、135°-θ_diff1、180°-θ_diff1、225°-θ_diff1、270°-θ_diff1以及315°-θ_diff1。類似地，A相所對應的開關導通角度θ_on為345°-θ_diff2、30°-θ_diff2、75°-θ_diff2、120°-θ_diff2、165°-θ_diff2、210°-θ_diff2、255°-θ_diff2以及300°-θ_diff2。

又例如，考慮B相，在本實施例中，B相所對應的正轉矩區結束角度θ_end為30°、75°、120°、165°、210°、255°、300°以及345°。因此，B相所對應的開關截止角度θ_off為30°-θ_diff1、75°-θ_diff1、120°-θ_diff1、165°-θ_diff1、210°-θ_diff1、255°-θ_diff1、300°-θ_diff1以及345°-θ_diff1。類似地，B相所對應的開關導通角度θ_on為15°-θ_diff2、60°-θ_diff2、105°-θ_diff2、150°-θ_diff2、195°-θ_diff2、240°-θ_diff2、285°-θ_diff2以及330°-θ_diff2。

再例如，考慮C相，在本實施例中，C相所對應的正轉矩區結束角度θ_end為15°、60°、105°、150°、195°、240°、285°以及330°。因此，C相所對應的開關截止角度θ_off為15°-θ_diff1、60°-θ_diff1、105°-θ_diff1、150°-θ_diff1、195°-θ_diff1、240°-θ_diff1、285°-θ_diff1以及330°-θ_diff1。類似地，C相所對應的開關導通角度θ_on為0°-θ_diff2、45°-θ_diff2、90°-θ_diff2、135°-θ_diff2、180°-θ_diff2、225°-θ_diff2、270°-θ_diff2以及315°-θ_diff2。

當開關角度計算電路180計算出上述的開關截止角度θ_off和開關導通角度θ_on後，可將其傳送至馬達控制電路190，並以角度查找表的型態儲存於馬達控制電路190電路中。當開關角度計算電路180接收到下一筆轉矩參考值

以及目前轉速值W_r後，開關角度計算電路180可相應地更新此角度查找表的內容，以保證馬達控制電路190能提供合適的補償給馬達轉矩，使轉矩維持平順。

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。

100：切換式磁阻馬達之開關控制系統

110：馬達驅動器

120：相電流感測器

130：編碼器

140：轉矩表電路

150：轉速計算電路

160A,160B：加法器

170：轉速控制電路

180：開關角度計算電路

190：馬達控制電路

SRM：切換式磁阻馬達

θ_m：機械角度

θ_on：開關導通角度

θ_off：開關截止角度

i_a,i_b,i_c：電感電流值

τ_m：目前轉矩值

：轉矩參考值

W_r：目前轉速值

：轉速參考值

Claims (10)

1. 一種切換式磁阻馬達之開關控制方法，適用於控制一馬達驅動器之開關，其中該馬達驅動器包含對應一第一相之一第一開關組以及對應一第二相之一第二開關組，該切換式磁阻馬達之開關控制方法包含：提供該切換式磁阻馬達之該第一相之一正轉矩區之一正轉矩區結束角度；根據該切換式磁阻馬達之一轉速以及對應至該第一相之一第一電感電流之值來決定一第一角度差值；根據該第一角度差值與該正轉矩區結束角度來決定一開關截止角度；以及於該切換式磁阻馬達之轉子位於該開關截止角度時，控制該第一開關組來停止提供該第一電感電流。
2. 如請求項1所述之切換式磁阻馬達之開關控制方法，其中該開關截止角度為該正轉矩區結束角度減去該第一角度差值。
3. 如請求項1所述之切換式磁阻馬達之開關控制方法，更包含：根據該第一角度差值來計算一第二角度差值；根據該第二角度差值來計算對應該第二相之一開關導通角度；於該切換式磁阻馬達之轉子位於該開關導通角度時，控 制該第二開關組來開始提供對應該第二相之一第二電感電流。
4. 如請求項3所述之切換式磁阻馬達之開關控制方法，更包含：判斷該第一角度差值是否大於一預設角度閥值；其中當該第一角度差值大於該預設角度閥值時，決定該第二角度差值為該第一角度差值，以使該開關導通角度為該第一開關組之該開關截止角度。
5. 如請求項4所述之切換式磁阻馬達之開關控制方法，其中當該預設角度閥值小於或等於該預設角度閥值時，決定該第二角度差值為該第一角度差值預設角度閥值，該開關導通角度為該正轉矩區結束角度減去該第二角度差值。
6. 一種切換式磁阻馬達之開關控制系統，包含：一馬達驅動器，用以對該切換式磁阻馬達進行激磁操作，其中該馬達驅動器包含：一第一開關組，用以輸出對應至一第一相之一第一電感電流；以及一第二開關組，用以輸出對應至一第二相之一第二電感電流；一開關角度計算電路，用以： 提供該切換式磁阻馬達之該第一相之一正轉矩區之一正轉矩區結束角度；根據該切換式磁阻馬達之一轉速以及對應至該第一相之該第一電感電流之值來決定一第一角度差值；以及根據該第一角度差值與該正轉矩區結束角度來決定一開關截止角度；以及一馬達控制電路，用以於該切換式磁阻馬達之轉子位於該開關截止角度時，控制該第一開關組來停止提供該第一電感電流。
7. 如請求項6所述之切換式磁阻馬達之開關控制系統，更包含：一馬達轉速控制電路，用以輸出一轉矩參考值來控制該切換式磁阻馬達之該轉速；其中，該開關角度計算電路係電性連接至該馬達轉速控制電路，以根據該轉矩參考值來獲得該切換式磁阻馬達之該轉速。
8. 如請求項6所述之切換式磁阻馬達之開關控制系統，其中該開關角度計算電路係電性連接至該馬達驅動電路，以根據該第一電感電流來獲得該切換式磁阻馬達之該轉速。
9. 如請求項6所述之切換式磁阻馬達之開關控 制系統，其中該開關截止角度為該正轉矩區結束角度減去該第一角度差值。
10. 如請求項6所述之切換式磁阻馬達之開關控制系統，其中該開關角度計算電路更用以提供一開關導通角度，該馬達控制電路更用以於該切換式磁阻馬達之轉子位於該開關導通角度時，控制該第二開關組來開始提供該第二電感電流。

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