TWI755131B - 即時無感測器馬達控制驅動系統 - Google Patents

即時無感測器馬達控制驅動系統 Download PDF

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TWI755131B TW109137923A TW109137923A TWI755131B TW I755131 B TWI755131 B TW I755131B TW 109137923 A TW109137923 A TW 109137923A TW 109137923 A TW109137923 A TW 109137923A TW I755131 B TWI755131 B TW I755131B
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Abstract

一種即時無感測器馬達控制驅動系統，該控制驅動系統主要包括三相逆變模組、反電動勢偵測模組、角度偏移模組、切換模組及低壓轉高壓驅動模組，反電動勢偵測能應用於具切換點的反電動勢型態馬達來偵測馬達轉動位置，再傳給角度落後偏移電路得到驅動電路需要的換向點，同時間將頻率轉換成電壓訊號來表示速度，同步反應當下馬達轉動的速度做馬達速度控制。

Description

即時無感測器馬達控制驅動系統
本發明涉及一種即時無感測器馬達控制驅動系統，更具體地，涉及一種不需要位置感測器和速度感測裝置，亦不使用微處理器(MCU)進行演算法運算，或者電腦軟體監測做中斷運算，即時電路運算實現無感測器馬達驅動的控制系統。
通常，無刷DC電機(三相馬達BLDC、PMSM或PMAC)具有簡單的結構和高的效率，並且被廣泛地用於工業。典型地，通過將電流施加到線圈所形成的電樞(armature)被用作三相馬達的電機定子，以及是通過重複的N極和S極所形成的永磁體並且被用作轉子。
為了使無刷DC電機連續地旋轉，必須形成無刷DC電機的連續旋轉磁場，並且由於定子通量與轉子的永磁體的磁場同步地旋轉，因此可能需要轉子的位置資訊。換句話說，為了形成連續旋轉的磁場，流向電樞的線圈的每個相的電流的換流必須在適當的時間執行，並且要求轉子的位置被準確地識別以用於適當的換流。這裡，換流表示改變電機定子線圈的電流方向以允許轉子旋轉。
為了無刷DC電機的平順的操作，轉子的位置與相電流換流時間必須精准地匹配，並且為此，需要被配置為檢測轉子的位置的設備。一般地，針對轉子位置的檢測，可以使用位置檢測感測器，諸如霍爾感測器、分解器(resolver)元件和編碼器。
然而，最近由於製造成本增加和驅動電路變得複雜，因此使用可以在沒有用於轉子位置的檢測的感測器的情況下驅動電機的無感測器方法。
用於驅動無刷DC電機的方法包括在電機旋轉時提取在每個相的定子線圈中產生的反電動勢(EMF)，並且通過使用相反(phase back)EMF的過零點來估計轉子的位置資訊和每個相電流換流時間。
常用的方式，需要額外的硬件微控制器(Micro Control Unit，MCU)或單晶片系統(System on a Chip，SoC)數字邏輯，電阻器，電容器，二極管...等演算法複雜，實現比較困難。而使用MCU或SoC數字邏輯資源進行數學運算來控制電動機驅動器，需要MCU或SoC數字邏輯來估計反電動勢位置，如此將會使系統作動速度慢，且有延遲和不准確的問題。
另，使用MCU或SoC數字邏輯來估算轉子的速度值，也將會使系統速度慢，有延遲和不准確的問題。如果要又好的應用效果，需要高速MCU或SoC數字邏輯以實現更好的性能，也將會增加成本。
本發明之目的，在於提出一種不需要位置感測器和速度感測裝置，亦不使用微處理器(MCU)進行演算法運算，或者電腦軟體監測做中斷運算，即時電路運算實現無感測器馬達驅動的控制系統。
本發明之另一目的，在於提出一種即時無感測器馬達控制驅動系統，無需使用微處理器(MCU)或SoC數字邏輯和位置傳感器/速度傳感器等元件，即可較低的實施成本實現驅動控制。
本發明之另一目的，在於提出一種即時無感測器馬達控制驅動系統，可以整合於一單芯片，單芯片解決方案，方便用戶直接整合於電路板(PCB)應用，用戶輕鬆的達到速度控制的目的。
為解決上述問題，本發明為一種即時無感測器馬達控制驅動系統用於驅動三相馬達的控制驅動系統，該控制驅動系統包括：三相逆變模組將DC輸入電壓轉換成三相AC電壓，並且將三相AC電壓供應到三相馬達；反電動勢偵測模組從三相逆變模組的輸出端子檢測反電動勢切換的中心點，產出固定週期的時脈訊號，且時脈訊號會規則性地與三相馬達的反電動勢頻率的三倍頻率同步，得出六個60度倍數的馬達六個反電動勢的切換點位置；角度偏移模組將前述時脈訊號偏移30度，得到偏移前述六個反電動勢的切換點30度角的短脈波訊號，且每個短脈波訊號相差60度馬達轉動角的時間；切換模組以短脈波訊號為時間切換訊號，每60度會做切換，共六次切換360度後，反復進行這重複次序的六步切 換，完成六步方波換向；及低壓轉高壓驅動模組為在六步方波換向後做脈波寬度調變(PWM)功能，相對應的輸出控制三相逆變模組的開關元件所需訊號，達成三相馬達的控制驅動。
作為優選方式，該控制驅動系統包括速度控制模組及脈波寬度調變控制模組，該速度控制模組用以接受外界的速度指令，並產生控制訊號給該脈波寬度調變控制模組，使該脈波寬度調變控制模組實現對輸出脈衝占空比的控制。
作為優選方式，該控制驅動系統包括啟動馬達控制模組，該啟動馬達控制模組在初始三相馬達呈靜止不動時，使用由小變大的可變電壓來控制時脈訊號頻率逐漸由慢變快，讓操控電壓由小慢慢變大，來控制角度偏移模組的短脈波訊號頻率由小慢慢地變大，供給馬達做驅動用的時脈操作。
作為優選方式，該控制驅動系統包括即時速度估算模組，該即時速度估算模組利用前述固定週期的時脈訊號，每半週期時間是馬達60度的轉動角特性，即三倍的時脈訊號時間週期為馬達轉動一圈頻率計算。
作為優選方式，該即時速度估算模組應用頻率轉電壓的轉換器(Frequency-to-Voltage Converter)計數這頻率，並以電壓來表示馬達速度。
作為優選方式，該反電動勢偵測模組包括組成三個電壓比較器，分別判斷三相AC電壓與中心點的差異，三個電壓比較器分別判斷輸出端子與中心點的切換點，產生高低電壓準位變換 輸出，電壓比較器下一級分別接上單穩態多諧振盪器(monostable multivibrator)產出三個相差120度的方波訊號，利用這三個訊號輸入到OR閘合併成單一訊號去推動一輸出反相接至輸入的D型暫存器，產出固定週期的時脈訊號。
作為優選方式，該角度偏移模組採用兩組定電流充放電電路對兩電容做充放電來計算時間，兩組定電流充放電電路分別付予一充放電計時電路，其中一組充放電電路在時脈訊號的上半週期半對電容進行充電，下半週期則讓電容進行放電，且放電電流設定為充電電流的二倍，得到放電時間為充電時間的一半，相當於馬達轉動角度30度的時間。
作為優選方式，該角度偏移模組另一組充放電電路則使用反相的時脈訊號來做計數，記錄另外一個馬達轉動60度角時間和30度角時間偏移，使時脈低轉高或高轉低時，都會做這遞延後時間。
作為優選方式，該角度偏移模組的兩組充放電輸出訊號接至兩比較器後經雙穩態多諧振盪器(S-R Latch)可得出一偏移30度之時脈訊號，再經單穩態多諧振盪器調變得出偏移30度的短脈波訊號，且每個短脈波訊號相差60度馬達轉動角的時間。
作為優選方式，該切換模組為6-bit移位暫存器，將短脈波訊號拉到6-bit移位暫存器的時脈輸入，依據移位暫存器的特性，每個時脈週期會偏移，將暫存器值傳遞到下一級暫存器，將暫存器值傳遞到下一級暫存器，每60度會做切換，共六次切換360 度後，反復進行這重複次序的六步切換，完成六步方波換向。
作為優選方式，該切換模組的移位暫存器預先設定二個暫存器值為高電位，其餘移位暫存器為低電位。
作為優選方式，該低壓轉高壓(LV to HV)驅動模組透過六個AND閘，分別連接所述移位暫存器到對應的三相逆變模組的開關元件，得到控制三相馬達驅動的六個開關元件的控制訊號，並因AND閘邏輯作用，可控制AND閘開關，做為脈波寬度調變(PWM)功能使用。
本發明的技術特徵在於短脈波訊號的脈衝波彼此相距也為60度角且與時脈訊號落後偏移30度角，提供下一級做切換控制訊號，在此與反電動勢偵測模組達成反電動勢位置偵測，並提供落後30度角訊號給功率級MOS開關做切換使用，此電路沒有使用到MCU或SoC數字邏輯來計算位置和計算落後角度切換的延時問題，能即時偵測並合成反應切換訊號給驅動的功率級MOS開關。本發明的驅動系統能即時且有效地控制馬達轉動，並實現無感測器位置，電流及速度控制的運作。
本發明的功效在於，不需要位置感測器和速度感測裝置，亦不使用微處理器(MCU)進行演算法運算，或者電腦軟體監測做中斷運算，即時電路運算實現無感測器馬達驅動的功能。包括反電動勢偵測、角度偏移合成、開迴路啟動、六步方波換向操作，及電流PWM控制迴路和速度控制迴路。其中反電動勢偵測能應用於梯形和弦波等類似切換點的反電動勢型態馬達來偵測馬達轉動位置，再傳給角度落後偏移電路得到驅動電路需要的換向點，同時間將頻率轉換成電壓訊號來表示速度，同步反應當下馬 達轉動的速度做馬達速度控制。簡單開迴路啟動電路緩步帶動馬達轉動到適當速度穩態後切到閉迴路來控制。
100:三相馬達
200:控制驅動系統
210:三相逆變模組
220:反電動勢偵測模組
221:電壓比較器
222、236:單穩態多諧振盪器
224:D型暫存器
230:角度偏移模組
231、232:定電流充放電電路
233、234:比較器
235:雙穩態多諧振盪器
240:切換模組
241~246:移位暫存器
250:低壓轉高壓驅動模組
251~257:AND閘
260:速度控制模組
270:脈波寬度調變控制模組
280:啟動馬達控制模組
290:即時速度估算模組
Q1~Q6:開關元件
SCK:時脈訊號
SVCK:短脈波訊號
C1、C2:電容
圖1為本案即時無感測器馬達控制驅動系統的方塊示意圖。
圖2為本案反電動勢偵測模組的電路示意圖。
圖3為本案角度偏移模組的電路示意圖。
圖4為本案SCK與SVCK的波形示意圖。
圖5為本案六步換向的切換模組的電路示意圖。
圖6為本案低壓轉高壓驅動模組的電路示意圖。
圖7為本案SVCK時脈控制變換的輸入輸出波形示意圖。
圖8為本案馬達位置控制迴路輸入輸出波形對應圖。
圖9為本案馬達啟動的波形對應圖。
圖10為本案即時速度估算的波形對應圖。
為了使本技術領域的人員更好地理解本發明方案，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然所描述的實施例僅僅是本發明一部分的實施例，而不是全部的實施例。然而，對於本公開的描述，如果確定詳細描述使本公開的實施例不清楚，則詳細描述可以被省略。與描述不相關的部分被省略以便具體地描述本公開，並且貫穿說明書，相同的附圖標記指代相同的元件。
本說明所述的“開關元件”表示被配置為在電氣和電子設備中連接或斷開電流的布線元件。開關元件可以包括被配置為根據控制信號來連接電流的電晶體、雙極型電晶體(BJT)和場效應電晶體(FET)，金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)、絕緣柵雙極電晶體(IGBT)，但不限於此。
請參閱圖1，為本案即時無感測器馬達控制驅動系統的方塊示意圖。一種即時無感測器馬達控制驅動系統，應用於驅動三相馬達100的控制驅動系統200。本案採用常見六步方波控制方法去推動三相馬達100轉動，BLDCM和PMSM型式馬達均適用。本案為一個完整的馬達驅動控制系統，不需要使用MCU晶片，馬達位置感測器和馬達速度偵測裝置，可容易用單一晶片來實現整個系統，且單一速度控制端方便使用者操控BLDCM/PMSM三相馬達100的轉速。該控制驅動系統200包括：三相逆變模組210，該三相逆變模組210設置將DC輸入電壓(Vdc)轉換成三相AC電壓，並且將三相AC電壓供應到三相馬達100。且三相逆變模組210配置為通過使用六個開關元件Q1至Q6控制電壓占空比來執行控制三相馬達100的轉速，圖示說明例中該些開關元件Q1至Q6為金屬氧化物矽場效應電晶體(MOSFET)(功率MOS)。其中六個功率級MOS開關元件Q1至Q6為常見逆變器接法，除接電源VM(Vdc)和輸出U/V/W電源電壓推動三相馬達100外，六個功率級MOS開關元件Q1至Q6的閘端接點UH/UL/VH/VL/WH/WL。
反電動勢偵測模組220從三相逆變模組210的輸出端 子(U/V/W)檢測反電動勢切換的中心點，產出固定週期的時脈訊號SCK，且時脈訊號會規則性地與三相馬達100的反電動勢頻率的三倍頻率同步，得出六個60度倍數的三相馬達100六個反電動勢的切換點位置。
三相馬達100反電動勢波形型態不論是梯形波、弦波，或者任意360度週期重複波形得知，必定與一參考中心值有兩個交接點，依此特性去判斷360度週期內0度(或360度)、60度、120度、180度、240度、300度等六個交接點位置，並將之轉換成時脈訊號，即每半個週期表示為三相馬達100轉動60度的時間。
請再參閱圖2，三相馬達100的三條驅動用電源線U/V/W，分別先經過R-C濾波電路後，接至電壓比較器221的正端，同時將之透過電阻網路連接一參考的N點(參考電壓，一般是1/2的電源電壓Vdc)，此N點接至電壓比較器負端並放上電容做穩壓。三個電壓比較器分別判斷U/V/W與N點電壓電位的切換點(即前述反電動勢切換的中心點)，產生高低電壓準位變換輸出，電壓比較器221下一級分別接上單穩態多諧振盪器(monostable multivibrator)222產出三個相差120度的方波訊號，利用這三個方波訊號輸入到OR閘223合併成單一訊號去推動一輸出反相接至輸入的D型暫存器224，結果會產出固定週期的時脈訊號SCK，且時脈訊號SCK會規則性地與馬達反電動勢頻率的三倍頻率同步，也是每半個週期表示馬達轉動60度的時間。
請再參閱圖3，角度偏移模組230被配置用以將前述時脈訊號SCK偏移30度，得到偏移前述六個反電動勢的切換點30度角的短脈波訊號 SVCK，且每個短脈波訊號SVCK相差60度馬達轉動角的時間。
上述時脈訊號SCK可以得到馬達六個反電動勢的切換點，依據六步方波換向操作方法，其六個換向點為這六個切換點再偏移30度角可以得之。如圖3提出的電路架構，實施應用上採用兩組定電流充放電電路231與232對兩電容C1與C2做充放電來計算時間，因時脈訊號SCK為馬達轉動60度的時脈訊號，分別付予一充放電計時電路。先看定電流充放電電路231，時脈訊號SCK的半週期即為馬達轉動60度的時間為T60，充電電流為I1，電容C1從0V往上充電做計時到上半週期結束，得電壓V1，V1電壓值大小即表示馬達轉動60度的所需時間；時脈訊號SCK下半週期則讓電容C1進行放電，放電電流I2設定為充電電流I1的2倍，依電容定電流充放電公式1，得知放電時間T30為T60的一半，相當於馬達轉動角度30度的時間。
C1 * V1=I1 * T60=I2 * T30 (公式1)
同樣地，另一組定電流充放電電路232則記錄另外一個馬達轉動60度角時間和30度角時間偏移，不同是使用反相的時脈訊號SCK來做計數。此方法好處在於即時反應馬達轉動角度，於每60度角度即時計時並同時計算出偏移30度角時間，不會有任何因微處理器(MCU)演算法計算或電腦軟體中斷計算而產生的延遲時間，同時放電電流I2可任意設定放電電流值，得到不同的偏移角度，如I2=3*I1放電快可得偏移20度角，I2=1.5*I1放電慢則得偏移40度角等。
將上述兩組定電流充放電電路231與232的輸出訊號VA/VB接至兩比較器233與234後經雙穩態多諧振盪器(S-R Latch)235可得出一偏移30度之時脈訊號，再經單穩態多諧振盪器236調變得出偏移30度的短脈 訊號SVCK且每個短脈波相差60度馬達轉動角的時間。
請參閱圖4，訊號SCK/SVCK輸入輸出波形，可以明顯得出短脈波訊號SVCK與時脈訊號SCK差異在於時脈SCK高低轉變處會遞延後二分之一的半個週期時間T30，不論是時脈訊號SCK低轉高或高轉低時，都會做這遞延後時間T30。
切換模組240以短脈波訊號SVCK為時間切換訊號，每60度會做切換，共六次切換360度後，反復進行這重複次序的六步切換，完成六步方波換向；及低壓轉高壓(LV to HV)驅動模組250為在六步方波換向後做脈波寬度調變(PWM)功能，相對應的輸出控制三相逆變模組210的開關元件(功率MOS的閘端)所需訊號，達成三相馬達100的控制驅動。
請參閱圖5及圖6，前述無感測器偵測反電動勢方法得到短脈波訊號SVCK，能直接當做六步換向的換向點，故應用短脈波訊號SVCK為時脈去推動六個移位暫存器(Shift Register)即可達到六步方波控制的目的。
六步方波換向使用移位暫存器方法如圖5所示，將短脈波訊號SVCK到6-bit移位暫存器241~246的時脈輸入，並預先設定第5及第6個移位暫存器245與246的值為高(Vdc)，其餘移位暫存器241~244為低(0V)，即移位暫存器246~241的內存值D6、D5、D4、D3、D2、D1分別為110000，依據移位暫存器241~246的特性，每個時脈週期會偏移，將暫存器值傳遞到下一級暫存器，故內存值D6、D5、D4、D3、D2、D1依時間依序輸出為110000→100001→000011→000110→001100→011000→110000重複週而復始，每60度會做切換，共六次切換360度後，反復進行這重複次序的六步切換，完成六步方波換向。
實施上，該低壓轉高壓驅動模組250如圖6所示的電路圖接法，該低壓轉高壓驅動模組250透過六個AND閘251~256，分別適當連接所述移位暫存器246~241到對應的三相逆變模組210的開關元件，得到控制三相馬達驅動的六個開關元件Q1至Q6的控制訊號。實施應用上，適當接到對應的驅動級位置即能得到控制三相馬達100驅動六個功率級的開關元件Q1至Q6的閘級控制訊號，圖中表示為U相上/下功率MOS(Q1與Q4)的閘端為UH/UL，V相上/下功率MOS(Q2與Q5)的閘端為VH/VL，W相上/下功率MOS(Q3與Q6)的閘端為WH/WL，並加與AND閘251~256與257的邏輯作用，可控制AND閘251~256的開開關關，做為脈波寬度調變(PWM)功能使用。
參閱圖7中輸入輸出波形示意圖，UH/UL、VH/VL、WH/WL受短脈波訊號SVCK控制變換，且因為三相馬達100轉動60度的週期時間，相對應的輸出即為控制六個開關元件Q1至Q6功率級MOS閘級所需訊號，按六步方波換向方法呈現規律的變換，在短脈波訊號SVCK一個週期內，僅會出現一個xH(UH/VH/WH)和一個xL(UL/VL/WL)運作開關波形，且同相的xH和xL不會同時開啟。
實施例六個功率級MOS為常見逆變器接法，除接電源VM和輸出U/V/W電源電壓推動馬達外，六個閘端接點UH/UL/VH/VL/WH/WL，並依需求在馬達驅動電流處放置串接感測電阻Rs。反電動勢偵測模組220和角度偏移模組230如前文所述，特別是CU/CV/CW需外接濾波電容C，六步方波換向方法實現在切換模組240和低壓轉高壓(LV to HV)驅動模組250內來驅動三相逆變模組210內功率級MOS的閘端。
實施應用上，三相馬達100的驅動該控制驅動系統200也包括速度控制模組260及脈波寬度調變控制模組270，該速度控制模組260用以接受外界的速度指令，並產生控制訊號給該脈波寬度調變控制模組270，使該脈波寬度調變控制模組270實現對輸出脈波占空比的控制。
實施應用上，三相馬達100的驅動該控制驅動系統200也包括該控制驅動系統200包括啟動馬達控制模組280和即時速度估算模組290，形成兩個馬達控制迴路，即速度控制迴路和電流控制迴路，另外還有個馬達位置控制迴路。速度控制迴路控制馬達速度與使用者設定值達到相同，電流控制迴路則依速度迴路要求給與馬達相對應的電流值，位置控制迴路依馬達轉動所在的即時位置給出相對應的控制訊號。
請參閱圖8，是馬達位置控制迴路輸入輸出波形對應圖，U/V/W的反電動勢波形六個切換點，依序被偵測出反映到時脈訊號SCK上，再經偏移30度角時間後產出換向時脈訊號svck，利用svck轉換出短脈波訊號SVCK為換向點，進行六步方波換向操作，可得出U/V/W給驅動級電壓輸出波形及相對應的馬達反饋電流波形IU、IV、IW，達成馬達位置控制迴路效果。
請參閱圖9，實施應用上，該啟動馬達控制模組280在初始三相馬達100呈靜止不動時，使用由小變大的可變電壓來控制時脈訊號頻率逐漸由慢變快，讓操控電壓由小慢慢變大，來控制角度偏移模組230的短脈波訊號SVCK頻率由小慢慢地變大，供給三相馬達100做驅動用的時脈操作。
因初始馬達呈靜止不動，沒有反電動勢的訊號能做感測，故使用開迴路的方式一步一步地帶動馬達慢慢轉動，等達到反電動勢能偵測的範圍後，再切換交由位置控制迴路來操控。因六步方波驅動受控於時脈 訊號SCK，其波形像一般時脈訊號，實施上可利用常見的電壓控制頻率電路(Voltage-Control-Frequency，VCO)(圖中未示)產生STCK訊號，依電壓上升實現頻率由慢變快，來帶動馬達緩慢轉動上升，單使用由小變大的可變電壓來控制時脈訊號頻率逐漸由慢變快，讓操控電壓由小慢慢變大，即使用小電流對外接電容充電能得到，來控制STCK訊號頻率由小慢慢地變大。該啟動馬達控制模組280透過佔空比判斷，判斷時脈訊號SCK的High/Low duty是否接近50%/50%，即代表反電動勢的訊號穩定(DutyOK)，藉由DutyOK訊號切換多工器(圖中未示)，最後由STCK訊號控制的開迴路(Open Loop)使進入由時脈訊號SCK控制的閉迴路(Closed Loop)操作，供給馬達做驅動用的時脈操作。輸出波形如圖9所示。
該即時速度估算模組290利用前述固定週期的時脈訊號SCK，每半週期時間是馬達60度的轉動角特性，即三倍的時脈訊號SCK時間週期為馬達轉動一圈頻率計算。該即時速度估算模組290應用頻率轉電壓的轉換器(Frequency-to-Voltage Converter)計數這頻率，該類型電路能即時將輸入的頻率訊號轉換成電壓訊號，即表示不同電壓代表著不同的馬達輚轉動速度。實施應用上該採用常見的頻率轉電壓的轉換器(Frequency-to-Voltage Converter)的電路(圖中未示)，其中速度是用電壓大小的比例來表示，短脈波訊號SVCK頻率為馬達每60度角轉動的脈衝波，依序控制輸入輸出放電定電流，可計算出N_VF電壓(代表速度)，時脈訊號SCK頻率愈快，N_VF電壓愈高。輸出波形如圖10所示。
本實施即時無感測器馬達控制驅動系統的運作流程為，使用者給定速度命令後，初始用前述開迴路啟動去帶動三相馬達100靜 止開始慢慢轉動，透過該啟動馬達控制模組280內設計的判斷機制去表示馬達反電動勢的時脈訊號SCK已足夠大到被偵測出來，進入U/V/W反電動勢六個切換點偵測得出60度馬達轉動角的週期時脈訊號SCK，再利用該角度偏移模組230兩電容計時並偏移該切換點到合適角度得換向點的短脈波訊號SVCK。此換向點短脈波訊號SVCK用做該切換模組240六個偏移暫存器的時脈控制訊號，得出六步方波驅動切換操作訊號，再從該低壓轉高壓(LV to HV)驅動模組250去控制該三相逆變模組210的開關元件(功率MOS的閘端)所需訊號，驅動三相逆變模組210中六個功率元件，使U/V/W電源線讓三相馬達轉動。
該即時速度估算模組290觀測三相馬達100轉動時U/V/W線產出的切換點頻率訊號且即時計算轉換成電壓形式來表示馬達速度，並藉由該速度控制模組260給予速度控制迴路比較判斷進行增減給電流命令的大小，以符合使用者設定的速度大小指令。
同時，電流命令大小則採用常見電流PWM控制迴路，該脈波寬度調變控制模組270檢測該三相逆變模組210下接的感測馬達電流大小的電阻電壓，得知三相馬達100的電流後，與之比較判斷要增減並給出電壓命令給六步方波驅動控制的該切換模組240與該低壓轉高壓(LV to HV)驅動模組250其增大或減小訊號寬度(pulse width)。
本實施無感測器馬達控制驅動系統，藉由三相馬達的反電動勢特徵偵測出六個切換點位置，並與予偏移對等馬達轉動30度角找到六步方波的換向點，進行馬達位置換向操作，並且利用頻率轉電壓轉換器即時計數速度大小，沒有微處理器(MCU)數學運算遞延時或因電腦軟體中斷計 算耗時問題，即時反應馬達位置及速度給與相應電流命令控制，操控特性表現佳。
本公開所提出無感測器馬達控制驅動系統，能即時有效地驅動馬達轉動，做到位置控制迴路，電流PWM控制迴路，及速度控制迴路等功能，無需使用微處理器(MCU)或Soc數字邏輯和位置傳感器/速度傳感器等元件，即可較低的實施成本實現驅動控制。且本公開也具可使用FPGA及SoC晶片方式實現，可以整合於一單芯片，單芯片解決方案，方便用戶直接整合於電路板(PCB)應用，用戶輕鬆的達到速度控制的功能。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
100:三相馬達
200:控制驅動系統
210:三相逆變模組
220:反電動勢偵測模組
230:角度偏移模組
240:切換模組
250:低壓轉高壓驅動模組
260:速度控制模組
270:脈波寬度調變控制模組
280:啟動馬達控制模組
290:即時速度估算模組
Q1~Q6:開關元件

Claims (12)

  1. 一種即時無感測器馬達控制驅動系統，用於驅動三相馬達的控制驅動系統，該控制驅動系統包括：三相逆變模組，被配置為將DC輸入電壓轉換成三相AC電壓，並且將該三相AC電壓供應到該三相馬達；反電動勢偵測模組，被配置為從該三相逆變模組的輸出端子檢測反電動勢切換的中心點，產出固定週期的時脈訊號，且該時脈訊號會規則性地與該三相馬達的反電動勢頻率的三倍頻率同步，得出六個60度倍數的馬達六個反電動勢的切換點位置；角度偏移模組，被配置為將前述時脈訊號偏移30度，得到偏移前述六個反電動勢的切換點30度角的短脈波訊號，且每個該短脈波訊號相差60度馬達轉動角的時間；切換模組，被配置為以該短脈波訊號為時間切換訊號，每60度會做切換，共六次切換360度後，反復進行這重複次序的六步切換，完成六步方波換向；及低壓轉高壓驅動模組，被配置為在該六步方波換向後做脈波寬度調變功能，相對應的輸出控制該三相逆變模組的開關元件所需訊號，達成該三相馬達的控制驅動。
  2. 如請求項1所述之即時無感測器馬達控制驅動系統，其中，該控制驅動系統包括速度控制模組及脈波寬度調變控制模組，該速度控制模組用以接受外界的速度指令，並產生控制訊號給該脈波寬度調變控制模組，使該脈波寬度調變控制模組實現對輸出脈衝占空比的控制。
  3. 如請求項1所述之即時無感測器馬達控制驅動系統，其中，該控制驅動系統包括啟動馬達控制模組，該啟動馬達控制模組在初始該三相馬達呈靜止不動時，使用由小變大的可變電壓來控制該時脈訊號頻率逐漸由慢變快，讓操控電壓由小慢慢變大，來控制該角度偏移模組的短脈波訊號頻率由小慢慢地變大，供給馬達做驅動用的時脈操作。
  4. 如請求項1所述之即時無感測器馬達控制驅動系統，其中，該控制驅動系統包括即時速度估算模組，該即時速度估算模組利用前述固定週期的時脈訊號，每半週期時間是馬達60度的轉動角特性，即三倍的時脈訊號時間週期為馬達轉動一圈頻率計算。
  5. 如請求項4所述之即時無感測器馬達控制驅動系統，其中，該即時速度估算模組應用頻率轉電壓的轉換器計數所述三倍的時脈訊號時間週期為馬達轉動一圈的頻率，並以電壓來表示馬達速度。
  6. 如請求項1所述之即時無感測器馬達控制驅動系統，其中，該反電動勢偵測模組包括組成三個電壓比較器，分別判斷該三相AC電壓與中心點的差異，三個電壓比較器分別判斷輸出端子與中心點的切換點，產生高低電壓準位變換輸出，所述電壓比較器下一級分別接上單穩態多諧振盪器產出三個相差120度的方波訊號，利用這三個方波訊號輸入到OR閘合併成單一訊號去推動一輸出反相接至輸入的D型暫存器，產出固定週期的時脈訊號。
  7. 如請求項1所述之即時無感測器馬達控制驅動系統，其中，該角度偏移模組採用兩組定電流充放電電路對兩電容做充放電來計算時間，兩組定電流充放電電路分別付予一充放電計時電路，其中一組充放電電路在時脈 訊號的上半週期半對電容進行充電，下半週期則讓電容進行放電，且放電電流設定為充電電流的2倍，得到放電時間為充電時間的一半，相當於馬達轉動角度30度的時間。
  8. 如請求項7所述之即時無感測器馬達控制驅動系統，其中，該角度///偏移模組另一組充放電電路則使用反相的該時脈訊號來做計數，記錄另外一個馬達轉動60度角時間和30度角時間偏移。
  9. 如請求項7所述之即時無感測器馬達控制驅動系統，其中，該角度偏移模組的兩組充放電輸出訊號接至兩比較器後經雙穩態多諧振盪器可得出一偏移30度之時脈訊號，再經單穩態多諧振盪器調變得出偏移度的該短脈波訊號，且每個短脈波訊號相差60度馬達轉動角的時間。
  10. 如請求項1所述之即時無感測器馬達控制驅動系統，其中，該切換模組為6-bit移位暫存器，將該短脈波訊號拉到6-bit移位暫存器的時脈輸入，依據移位暫存器的特性，每個時脈週期會偏移，將暫存器值傳遞到下一級暫存器，將暫存器值傳遞到下一級暫存器，每60度會做切換，共六次切換360度後，反復進行這重複次序的六步切換，完成六步方波換向。
  11. 如請求項10所述之即時無感測器馬達控制驅動系統，其中，該切換模組的移位暫存器預先設定二個暫存器值為高電位，其餘移位暫存器為低電位。
  12. 如請求項10所述之即時無感測器馬達控制驅動系統，其中，該低壓轉高壓驅動模組透過六個AND閘，分別連接所述移位暫存器到對應的該三相逆變模組的開關元件，得到控制該三相馬達驅動的六個開關元件的控制訊號，並因AND閘邏輯作用，可控制AND閘開關，做為脈波寬度調變功 能使用。
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