TWI823521B - 多相永磁轉子馬達及其閉迴路方法 - Google Patents

多相永磁轉子馬達及其閉迴路方法 Download PDF

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Abstract

一種多相永磁轉子馬達，包含複數個相線圈繞組，各相線圈繞組具有二自由端且該些相線圈繞組不具有共用節點。控制器係被提供，其包括複數個全橋變流器，各全橋變流器具有電性連接於對應的相線圈繞組的二自由端的二輸出端。控制器經配置以操作該些全橋變流器以輸出脈衝調變控制訊號至對應的相線圈繞組。輸出的脈衝調變控制訊號可包括正弦波訊號以及全橋空間向量調變訊號的組合。

Description

多相永磁轉子馬達及其閉迴路方法
本發明係關於具有獨立相線圈繞組的多相永磁轉子馬達以及關於操作此馬達的閉迴路方法。本發明特別關於，但不限於包括一種具有用於同步運轉的無感測器閉迴路控制系統且具有獨立相線圈繞組的永磁同步馬達(PMSM)。
多相(例如三相)馬達的最普遍類型為同步馬達與感應馬達。當三相電導體係放置於特定幾何位置時(彼此之間具有一特定角度)，則會產生電場。旋轉的磁場係於一特定轉速旋轉，即同步轉速。若一永久磁鐵或電磁鐵係存在於此旋轉磁場中，則該磁鐵會磁性地鎖固於該旋轉磁場從而與該旋轉磁場以相同轉速旋轉，其中當馬達的轉子的轉速與該旋轉磁場的轉速相同時構成同步馬達。
永磁馬達使用永久磁鐵於轉子中以提供恆定的磁通量，其具有正弦的反電動勢(emf)訊號。當該定子中的該旋轉磁場的轉速係為或接近同步轉速時，該轉子係鎖定。該定子帶動連接至一控制器的繞組以產生該旋轉磁場，該控制器具有包括一電壓供應(通常為交流(AC)電壓供應)的一功率級。這樣的配置構成了PMSM。
PMSMs係類似直流無刷(brushless direct current(BLDC))馬達。BLDC馬達可以被視為同步直流馬達，其使用具有包括經合適轉換的一直流電壓供應的一功率級的一控制器，以產生該定子旋轉磁場。因此，BLDC馬達使用與交流同步馬達，尤其是PMSM馬達，相同或類似的控制演算法。
在此之前，於同步馬達控制系統中，使用至少一個感測器(例如霍爾感測器)以於同步運轉期間偵測轉子的旋轉位置是很普遍的。然而，現今較為喜愛無感測器馬達控制系統。
這種無感測器馬達控制系統通常包括一轉子位置及轉速估計模組，於同步運轉期間，轉子位置及轉速可基於由旋轉轉子所引起的反電動勢被持續地估計。於同步運轉期間，估計的轉子位置與轉速被用來更新及/或補償馬達控制訊號，從而提供無感測器閉迴路同步運轉馬達控制。
已知的多相永磁轉子馬達產生一些問題，其有關經由估計的轉子位置維持轉子位置的準確控制以及有關有效率地達到最大固定扭矩。
因為以上問題以及其他問題，目前其中一個所需的是改良的轉子位置估計方法及/或改良的多相永磁轉子馬達操作方法。
本發明的一個目的為於某種程度上減緩或避免有關操作多相永磁轉子馬達時已知估計轉子位置方法的一或多個問題。
以上目的係以獨立請求項的技術特徵的結合所達成；附屬請求項則揭露本發明更多有益實施例。
本發明的另一個目的為提供一種改良的多相永磁轉子馬達操作方法。
本發明所屬技術領域中具有通常知識者可從以下描述中衍伸出本發明其他目的。因此，前述目的並非全面性描述，且僅用於說明本發明諸多目的中的一些。
本發明係關於一種包括複數個相線圈繞組的多相永磁轉子馬達，各相線圈繞組具有二自由端且該些相線圈繞組不具有共用節點。控制器係被提供，其包括複數個全橋變流器，各全橋變流器具有電性連接於對應的相線圈繞組的二自由端的二輸出端。控制器經配置以操作該些全橋變流器以輸出脈衝調變控制訊號至對應的相線圈繞組。輸出的脈衝調變控制訊號可包括正弦波訊號以及全橋空間向量調變訊號的組合。
於第一主要方面，本發明提供一種多相永磁轉子馬達，包括：複數個相線圈繞組，各相線圈繞組具有二自由端，該些相線圈繞組不具有共用節點；以及控制器，包括複數個全橋變流器，其中各全橋變流器具有電性連接於對應的相線圈繞組的二自由端的二輸出端，控制器經配置以操作該些全橋變流器以輸出脈衝調變控制訊號至該些全橋變流器所對應的相線圈繞組；其中各全橋變流器具有僅連接於各全橋變流器的半電路的電流感測電路。
於第二主要方面，本發明提供一種驅動如第一主要方面所述的多相永磁轉子馬達的閉迴路方法，包括步驟：於控制器的轉子位置估測模組接收來自全橋變流器的半電路的至少一者的感測電流訊號；以及基於所接收到的感測電流訊號調整估測轉子位置。
於第三主要方面，本發明提供一種多相永磁轉子馬達，包括：複數個相線圈繞組，各相線圈繞組具有二自由端，該些相線圈繞組不具有共用節點；以及控制器，包括複數個全橋變流器，其中各全橋變流器具有電性連接於 對應的相線圈繞組的二自由端的二輸出端，控制器經配置以操作該些全橋變流器以輸出脈衝調變控制訊號至該些全橋變流器所對應的相線圈繞組；其中控制器經配置以輸出脈衝調變控制訊號至所對應的相線圈繞組，脈衝調變控制訊號係為正弦波的形式且振幅介於控制器的匯流排電壓的振幅的零值以及經預定的、經選擇的或經計算的終值的第一範圍內，控制器亦經配置以輸出脈衝調變控制訊號所至對應的相線圈繞組，脈衝調變控制訊號係為全橋空間向量調變訊號(Fbsvm)的形式且振幅介於第一範圍之經預定的、經選擇的或經計算的終值以及第二範圍之經預定的、經選擇的或經計算的終值的第二範圍內。
於第四主要方面，本發明提供一種驅動如第三主要方面所述之多相永磁轉子馬達的閉迴路方法，該方法包含步驟：輸出脈衝調變控制訊號至所對應的相線圈繞組，脈衝調變控制訊號係為正弦波的形式且振幅介於控制器的匯流排電壓的振幅的零值以及經預定的、經選擇的或經計算的終值的第一範圍內，以及輸出脈衝調變控制訊號至所對應的相線圈繞組，脈衝調變控制訊號係為全橋空間向量調變訊號(Fbsvm)的形式且振幅介於第一範圍之經預定的、經選擇的或經計算的終值以及第二範圍之經預定的、經選擇的或經計算的終值的第二範圍內。
本發明內容並未必然揭露用以界定本發明的所有必要特徵；本發明可能為所揭露的特徵的次組合。
前述已廣泛地概述本發明的特徵以使讀者更好理解下述本發明的實施方式。本發明額外的特徵以及優勢會於後描述，並呈現本發明請求項的主體。本發明所屬技術領域中具有通常知識者應理解所揭露的概念以及特定實施例可作為修改或設計其他結構的基礎以實現與本發明相同的目的。
10:多相分離繞組馬達
12:永磁轉子
14:永久磁鐵
16:定子
18:定子繞組
100:閉迴路控制器
110:功能方塊
120:處理器
130:記憶體
140:位置與轉速估計模組模組
150:位置與轉速估計模組模組
160:三相電橋模組
170:克拉克轉換模組
180:電流感測電路
190:線
200:FOC控制器
A,B:半橋
I A,B,C :輸出電流
i a,b,c :三相定子電流
i α,β :α、β軸定子電流
I d,q :旋轉座標定子電流
v a,b,c :三相定子電壓
v α,β :α、β軸定子電壓
V d,q :旋轉座標定子電壓
T:PWM取樣週期
v:常規化電壓
w:角速度
t:取樣週期時間
[圖1]係已知無感測器磁場導向控制(FOC)系統驅動三相三線永磁轉子馬達的相互連接的相線圈繞組的方塊示意圖；[圖2]係已知FOC系統驅動三相六線永磁轉子馬達的分離的相線圈繞組的方塊示意圖；[圖3]係圖2的已知FOC系統的全橋變流器電路的方塊示意圖；[圖4]係圖2的已知FOC系統的細節方塊示意圖；[圖5]係三相三線永磁轉子馬達的三角形接法以及星形(Y形接法)相線圈繞組配置的示意圖；[圖6]係用於圖5的永磁轉子馬達的三相三線FOC系統的半橋變流器電路的方塊示意圖；[圖7]係用於圖5的三相三線永磁轉子馬達的空間向量圖；[圖8]係標示出各區域的圖7的空間向量圖；[圖9]繪示用於圖5的三相三線永磁轉子馬達的SVM控制波形；[圖10]係可實施本發明閉迴路操作方法的三相分離繞組馬達的相線圈繞組的六線配置的示意圖；[圖11]係用於圖10的三相六線分離繞組馬達的用於本發明閉迴路馬達控制系統的全橋變流器電路的方塊示意圖；[圖12]係可實施本發明閉迴路操作方法的多相分離繞組馬達的三角形接法以及星形(Y形)接法定子繞組配置的示意圖；[圖13]係本發明閉迴路馬達控制系統的方塊示意圖； [圖14]係用於圖10的三相六線分離繞組馬達的空間向量圖；[圖15]繪示於第二範圍內操作時用於圖10的三相六線分離繞組馬達的Fbsvm控制波形；[圖16]係用於圖10的三相六線分離繞組馬達的經修改的空間向量圖；[圖17]繪示於第一範圍內操作時用於圖10的三相六線分離繞組馬達的正弦波控制波形；[圖18]係用於本發明閉迴路馬達控制系統的經修改的全橋變流器的方塊示意圖；[圖19]繪示於第二範圍內操作時用於圖10的三相六線分離繞組馬達的Fbsvm PWM控制波形；[圖20]係可實施本發明閉迴路操作方法的多相分離繞組馬達的相線圈繞組的四線配置的示意圖；以及[圖21]係用於圖20的多相分離繞組馬達的用於本發明閉迴路馬達控制系統全橋變流器電路的方塊示意圖。
以下描述僅係以範例說明較佳實施例，非用以限定發揮本發明功效之技術特徵之結合方式。
本說明書中提及「一實施例」時，代表與該實施例描述在一起的某一特定的特徵、結構或特性被包括在本發明至少一個實施例。說明書中各處的「於一實施例」的用語並不一定都是影射同一實施例，也非與其他實施例互斥的分離或相異的實施例。此外，各特徵於說明書中被描述，其可能出現在某 些實施例，但未出現於其他實施例。相似的，各需求亦於說明書中被描述，其可能為某些實施例的需求，但非其他實施例的需求。
應了解，圖式中各元件可以不同的形式實現，如硬體、軟體或其組合。該些元件可於一或多個適當程式化之通用設備，例如處理器、記憶體、以及I/O介面，以軟硬體組合的方式實現。
文中描述說明了本發明的原理。因此，應了解本發明所屬技術領域中具有通常知識者可擬出各種雖然未明確於本文中描述或顯示、但包括本發明之原理且落於本發明的精神與範圍內的規劃方式。
此外，本文中所有記載了本發明之原理、面向、以及實施例、也記載了其特定範例的陳述係用於涵蓋本發明的等效結構以及等效功能。另外，這些等效結構以及等效功能包括目前已知的等效結構以及等效功能、也包括未來發展出來的等效結構以及等效功能，即無論其架構，任何執行相同功能的元件。
因此，舉例來說，本發明所屬技術領域中具有通常知識者應了解所呈現的方塊圖僅代表概念性系統以及設備圖像化呈現，展示本發明的原理。
圖中所示各元件的功能可經由使用專屬硬體以及與適當軟體連結之可執行軟體之硬體所提供。當由一處理器提供時，該些功能可由單一專屬處理器提供、由單一共用處理器提供或由多個單一處理器提供(其中幾個可為共用)。此外，明確的「處理器」或「控制器」用詞的使用不應僅被理解為可執行軟體之硬體，且可暗示性包括，但非限於，數位信號處理器(digital signal processor，DSP)硬體、用於儲存軟體之唯讀記憶體(read-only memory，ROM)、隨機存取記憶體(random access memory，RAM)、以及非揮發儲存器。
於本文之請求項，任何表示為執行一特定功能的方法的元件係用於涵蓋任何的執行該功能方法，例如包括a)執行該功能的電路元件的組合或b)任何形式的軟體，因此包括韌體、微編碼之類，並與適當的用於執行該軟體的電路組合以執行該功能。以該些請求項所定義之本發明符合以下敘述：所記載的各方法所提供的功能係被以請求項請求的方式組合以及組裝。因此任何可以提供該些功能的方式都應該理解為請求項所顯示的方式的等效。
請參照附圖。圖1包括取自標題為「無感測器PMSM磁場導向控制」(Sensorless PMSM Field-Oriented Control)的出版物的方塊示意圖，此出版物的內容以參照方式併入本案。圖1係繪示已知無感測器磁場導向控制(FOC)系統驅動三相三線永磁轉子馬達的相互連接的相線圈繞組的示意圖。
相比起來，取自於相同出版物的圖2包括多相分離的繞組的無感測器FOC的已知概念以及全橋變流器驅動永磁轉子馬達的分離相線圈繞組的方塊示意圖。於圖2中，馬達包括三個相位，但具有三個分離(即獨立)的相線圈繞組以及三個全橋變流器來驅動分離的繞組。
圖3包括取自於相同出版物的三個全橋變流器驅動三相分離繞組的示意圖。於反克拉克轉換(inverse-Clarke transform)(圖2)後，正弦三相電壓會映射至各全橋變流器的導通時間點以提供正值與負值的電壓而驅動分離的馬達繞組。
圖4包括已知的向量控制方塊示意圖，其包括適合控制與圖2及圖3有關的三相分離繞組馬達的控制器。一個這樣的向量控制方塊示意圖係於由Jorge Zambada所著作並由微晶片科技股份有限公司(Microchip Technology Inc.)於2007年以文件AN1078出版之標題為「PMSM馬達的無感測器磁場導向控制」 (Sensorless Field Oriented Control of PMSM Motors)的出版物的第19頁被描述，而該出版物內容以參照方式併入本案中。
同步馬達的向量控制可歸納如下：
(i)測量三相定子電流。此些測量通常提供i a 及i b 的值，i c 係計算所得，因為i a 、i b 及i c 具有以下關係：i a +i b +i c =0。
(ii)將三相電流轉換至二軸系統。此轉換根據經測量的i a 、i b 以及經計算的i c 提供變數i α 及i β 。i α 及i β 為由定子視角所見的時變正交電流值，例如二維靜止正交座標系或座標系統。
(iii)使用控制迴圈之前次迭代計算所得的轉換角旋轉此二維座標系統以對齊轉子磁通量。此轉換係根據i α 及i β 提供I d 以及I q 變數。I d 以及I q 為轉換至旋轉座標系統(一種二維旋轉正交座標系或座標系統)之彼此正交之電流。為了穩態條件，I d 以及I q 為定值。
(iv)誤差訊號由I d 、I q 及其參考值所形成。
˙I d 參考值控制轉子磁化磁通量。
˙I q 參考值控制馬達扭矩輸出。
˙誤差訊號為PI控制器之輸入。
˙控制器的輸出提供V d 以及V q ，其為即將被送往馬達之電壓向量。
(v)以v α 、v β 、i α 以及i β 為輸入，估計新的轉換角。此新的角引導FOC演算法於特定位置放置下一個電壓向量。
(vi)使用所述新的角將PI控制器的V d 以及V q 輸出值旋轉回靜止座標系。此計算提供下一組正交電壓值v α 以及v β 。
(vii)將v α 以及v β 數值轉換回三相數值v a 、v b 以及v c 。此三相電壓值用以計算產生所需電壓向量的新的PWM工作週期。此完整轉換、PI迭代、反轉換、以及產生PWM的過程係示意性地繪示於圖4。
圖5係繪示可由圖1的FOC系統所控制的類型的三相三線永磁轉子馬達的三角形接法以及星形(Y形)接法相線圈(定子)繞組配置的實施例的示意圖。於圖中可見，對於三相線圈繞組的星形接法配置，三相線圈繞組共享一個共用中央連接點，即三相線圈繞組不各自具有二自由端且不彼此獨立。相似地，對於三相線圈繞組的三角形接法配置，相鄰的三相繞組對係以相鄰繞組對共享一個對應的共用接點的方式連接，即相線圈繞組不各自具有兩個自由端且非彼此獨立。
圖6係用於圖5的馬達的橋式變流器電路的方塊示意圖。於圖中可見，橋式變流器僅包括半橋變流器，而非全橋變流器。雖然圖6繪示了來自半橋整流器的標記為「IA」、「IB」以及「IC」的三個輸出電流，僅需要將兩個輸出電流饋至FOC系統。這是因為相線圈繞組非獨立，且因此僅須要兩個輸出電流來推導第三個輸出電流。一般而言，選擇感測所得的電流「IA」(「ia」)以及「IB」(「ib」)。
如果用於圖5的馬達相線圈繞組配置的已知FOC系統的FOC系統匯流排電壓大小被視為具有數值「1」，則包括Va、Vb以及Vc的三相電壓向量可形成一個如圖7所示的於一六角形內的空間向量，其中心至角落的長度為
Figure 111130665-A0305-02-0012-10
(1.73)且最大內圓半徑為1.5。最大馬達扭矩係在六角形的六個角落達到。
對於用於圖5的馬達相線圈繞組配置的圖1的已知FOC系統，空間向量調變以如下方式計算：
步驟I：將abc座標的參考電壓轉換為根據alpha-beta座標的DC電壓常規化的空間向量，並決定參考向量的座標的旋轉角。
步驟II：判斷參考電壓所在的區域，並判斷為形成參考電壓於切換狀態時所需施加的向量的時間長度；以及
步驟III：根據向量於切換狀態時被施加的順序實施切換。
於一個由英飛凌科技股份有限公司(Infineon Technologies AG)於2009四月年以文件Application Note V1.0發表的標題為「使用XC878的無感測器磁場導向(FOC)控制」(Sensorless Field Oriented Control(FOC)on XC878)的出版物(其內容以參照方式併入本案)的第10-13頁被描述的範例中，SVM係以如下方式計算：計算v α,β ，並根據旋轉角決定參考向量的區域。
v α =v α
Figure 111130665-A0305-02-0013-1
根據參考向量所在的區域判斷t1以及t2，並計算ta、tb以及tc
Figure 111130665-A0305-02-0013-2
t b =t c +t 1
t a =t b +t 2
下述表1包括根據各向量於切換狀態時被施加的順序實施半橋變流器的切換的時間表。
Figure 111130665-A0305-02-0013-3
Figure 111130665-A0305-02-0014-4
圖8繪示此範例中六角形中的參考向量區域。圖9繪示此範例中SVM控制波形。
與圖5對比，圖10提供了本發明多相馬達的相線圈繞組的六線配置的示意圖，而圖11提供了用於所述馬達的閉迴路控制器的全橋變流器電路的示意方塊圖。由於各三相線圈繞組皆無共用接點，導致了六線相線圈繞組配置，其係不同於圖5的至少兩個相線圈繞組之間具有至少一個共用接點的傳統三角接法或星形接法定子繞組配置。
圖12繪示根據本發明一實施例之用於多相分離繞組馬達10之改良閉迴路控制器100。多相分離繞組馬達10包括永磁轉子12以及定子16，永磁轉子12具有複數永久磁鐵14，定子16具有複數相線圈(定子)繞組18。雖然多相分離繞組馬達10於圖中係以已知的定子16圍繞轉子12的方式呈現，應理解本發明之概念亦可應用於轉子圍繞定子的同步馬達，例如定子設於轉子內的馬達。
於此實施例，閉迴路控制器100可包括用於執行各種功能的複數功能方塊110。舉例來說，閉迴路控制器100可包括經適當修改或適當配置的已知向量基(vector-based)閉迴路控制器，例如直接轉矩控制(directtorque control，DTC)閉迴路控制器或磁場導向控制(field oriented control，FOC)閉迴路控制 器，例如於文件AN1078，「PMSM馬達的無感測器磁場導向控制」以及圖13中所呈現之控制器，但以如下符合本發明概念之描述的方式修改。
閉迴路控制器100可，例如，以邏輯電路及/或存於記憶體且用於處理器120執行的可執行程式碼/機器可讀取指令所實現以實現本文所描述的功能。舉例來說，可執行程式碼/機器可讀取指令可儲存於一或多個適於儲存一或多個指令組(例如應用軟體、韌體、作業系統、小型應用程式(applet)及/或此類指令組)、資料(例如組態參數、運轉參數及/或門檻值、收集所得的資料、經處理的資料及/或此類資料)等的記憶體130(例如RAM、ROM、快閃記憶體、磁記憶體、光學記憶體之類)。一或多個記憶體130可包括可操作的相對於一或多個處理器120使用的處理器可讀記憶體以執行閉迴路控制器100的碼段(code segment)及/或應用此行為所產出的資料以實現於此描述的閉迴路控制器100的功能。此外，或可為替代方案的是，閉迴路控制器100可包括一或多個特殊目的控制器(例如特殊應用積體電路(application specific integrated circuit，ASIC)、現場可程式閘陣列(field programmable gate array，FPGA)、圖像處理單元(graphics processing unit，GPU)及/或此類經配置以實現於此描述之閉迴路控制器100之功能的控制器)。
就一個大的方面而言，本發明包括使用如圖12及圖13所示之閉迴路控制器100，例如使用如圖13所示經修改的FOC控制器200，以實施本發明閉迴路操作程序。閉迴路控制器100可包括任何已知且合適的閉迴路控制器供同步運轉且可包括如文件AN1078，「PMSM馬達的無感測器磁場導向控制」所描述或標題為「無感測器PMSM磁場導向控制」(Sensorless PMSM Field-Oriented Control)的出版物所描述的FOC控制器200，且FOC控制器200經合適的調整或 重配置以實施本發明閉迴路操作方法。圖13中閉迴路控制器100/200的三相電橋模組160的包括二或多個於圖11中被標記為「IA」、「IB」及「IC」的感應電流的二或多個輸出被饋至閉迴路控制器100/200的克拉克轉換模組(Clarke transform module)170以進行處理。
圖12及圖13的經修改或重配置的閉迴路控制器100/200係被安排以使用脈波寬度調變(PWM)馬達控制訊號，激發定子繞組18以操作具有永磁轉子12以及定子繞組18的同步馬達10。
以由圖13的經修改的FOC控制器200所控制的圖10的六線三相馬達繞組配置為例，若經修改的FOC系統匯流排電壓大小被視為具有數值「1」，則包括Va、Vb以及Vc的三相電壓向量於如圖14所示的六角形內形成空間向量，此六角形具有數值為2的中心至角落的長度以及數值為
Figure 111130665-A0305-02-0016-12
(1.73)的最大內圓半徑。最大馬達扭矩係在六角形的六個角落達到，但於所有轉子角的最大定扭矩係藉由六角形內的最大內圓半徑達到。比較圖14的六角形以及圖7的六角形可顯示，具有圖10的分離繞組配置的三相馬達的閉迴路控制可提供比圖5的已知的馬達繞組配置多15%的定扭矩。
對於圖10的三相六線馬達配置，是有可能藉由施加一電壓控制空間向量波形得到最大定扭矩的，此電壓控制空間向量波形係推導自以下方式計算的全橋SVM(Fbsvm)：Fbsvm(t)=2SVM(t)-1。
於圖9中可見，已知的三相三線馬達繞組配置的SVM波形的範圍相對於控制器匯流排電壓的大小介於0與1之間。相較起來，如圖15所示，圖10 的三相六線馬達繞組配置的SVM波形的範圍相對於控制器匯流排電壓的大小則介於-1與1之間。
然而，參照圖16，其提供了用於圖10的三相六線馬達繞組配置的經修改的空間向量六角形，可以發現到，因為Fbsvm僅用於於超過1.5的範圍提供更大扭矩時較佳，於此範例中，可以於起始於0且延伸至1.5的第一範圍內施加正弦波波形控制訊號，並僅於超過1.5且延伸至1.73的第二範圍內施加Fbsvm。對於其他多相分離的繞組配置，可應用不同的第一與第二範圍值。因此，圖17的正弦波波形訊號係施加於第一範圍，而圖15的Fbsvm波形訊號係施加於第二範圍，以於馬達運轉期間控制饋至分離相線圈繞組的脈波調變訊號。
對於第二範圍內的馬達控制，此方法可以參照上述表1並帶入方程式「Fbsvm(t)=2SVM(t)-1」至表中項目的方式實施。
因此，本發明於一方面提供一種多相永磁轉子馬達，包括：複數個相線圈繞組，各相線圈繞組具有二自由端，該些相線圈繞組不具有共用節點；以及控制器，包括複數個全橋變流器，其中各全橋變流器具有電性連接於對應的相線圈繞組的二自由端的二輸出端，控制器經配置以操作該些全橋變流器以輸出脈衝調變控制訊號至該些全橋變流器所對應的相線圈繞組；其中控制器經配置以輸出脈衝調變控制訊號至所對應的相線圈繞組，脈衝調變控制訊號係為正弦波的形式且振幅介於控制器的匯流排電壓的振幅的零值以及經預定的、經選擇的或經計算的終值的第一範圍內，控制器亦經配置以輸出脈衝調變控制訊號所至對應的相線圈繞組，脈衝調變控制訊號係為全橋空間向量調變訊號(Fbsvm)的形式且振幅介於第一範圍之經預定的、經選擇的或經計算的終值以及第二範圍之經預定的、經選擇的或經計算的終值的第二範圍內。
較佳地，第二範圍之經預定的、經選擇的或經計算的終值包含位於所對應的空間向量示意圖中之最大內圓之半徑。
亦為較佳地，控制器係為數位控制器，其較佳地包括全橋空間向量調變控制器。
此些相線圈繞組可平行設置且不具有共用連接點。
本發明亦提供一種驅動多相永磁轉子馬達的閉迴路方法，該方法包含步驟：輸出脈衝調變控制訊號至所對應的相線圈繞組，脈衝調變控制訊號係為正弦波的形式且振幅介於控制器的匯流排電壓的振幅的零值以及經預定的、經選擇的或經計算的終值的第一範圍內，以及輸出脈衝調變控制訊號至所對應的相線圈繞組，脈衝調變控制訊號係為全橋空間向量調變訊號(Fbsvm)的形式且振幅介於第一範圍之經預定的、經選擇的或經計算的終值以及第二範圍之經預定的、經選擇的或經計算的終值的第二範圍內。
圖18包括用於本案三相分離繞組馬達的用於經修改的閉迴路馬達控制器100/200的全橋電路的其中之一的示意圖。全橋包括第一以及第二半橋，其係分別標記為「A」以及「B」。對於圖16的空間向量的由0至1.5的第一範圍，下述表2的正弦波波形係施加於半橋A以及B。
Figure 111130665-A0305-02-0018-5
其中T為PWM取樣週期、v為於0至1的範圍的常規化電壓、w為角速度、以及t為取樣週期的時間。因為SVM方法具有高的總諧波失真(THD)，因此此方式相較於純SVM方法提供更好的效率。
於圖16的空間向量示意圖的1.5至1.73的範圍內，如表3所示的Fbsvm波形係分別施加於半橋A以及B。
Figure 111130665-A0305-02-0019-7
此方法相較於已知的三相三線馬達相線圈繞組配置提供了更大扭矩。
於第二範圍所施加的Fbsvm PWM波形係顯示於圖19。
於本發明的經修改的閉迴路馬達控制器100/200中，每個全橋的僅其中一個半橋設有電流感測電路180。如圖13所示，各電流感測器，如線190所標記，較佳地連接於位置與轉速估計模組140/150，其用以於普通馬達運轉期間使用感測電流訊號以改善或修正轉子位置估計。
每個全橋電路的僅一個半橋設有電流感測電路180即意指電流感測僅在如表4所示的四個狀態的其中之一被偵測：
Figure 111130665-A0305-02-0019-8
Figure 111130665-A0305-02-0020-9
然而，目前發現於四個狀態的僅其中一個的感測電流就足以提供增強或修正轉子位置估計的經修改的方法。
因此，本發明提供一種多相永磁轉子馬達，包括：複數個相線圈繞組，各相線圈繞組具有二自由端，該些相線圈繞組不具有共用節點；以及控制器，包括複數個全橋變流器，其中各全橋變流器具有電性連接於對應的相線圈繞組的二自由端的二輸出端，控制器經配置以操作該些全橋變流器以輸出脈衝調變控制訊號至該些全橋變流器所對應的相線圈繞組；其中各全橋變流器具有僅連接於各全橋變流器的半電路的電流感測電路。
較佳地，各電流感測電路接連接於各電流感測電路所對應的全橋變流器之同一對應的半電路。
較佳地，控制器經配置以操作該些全橋變流器以輸出具有相同頻率及振幅的脈衝調變控制訊號至該些全橋變流器所對應的相線圈繞組。
較佳地，控制器經配置以操作該些全橋變流器以輸出脈衝調變控制訊號並使二相鄰的相線圈繞組的脈衝調變控制訊號具有非零的相位差。
本發明亦提供一種驅動多相永磁轉子馬達的閉迴路方法，包括步驟：於控制器的轉子位置估測模組接收來自全橋變流器的半電路的至少一者的感測電流訊號；以及基於所接收到的感測電流訊號調整估測轉子位置。
圖20係可實現本發明閉迴路操作方法的同步馬達的二相定子線圈繞組的四線配置示意圖。圖21係閉迴路馬達控制器100/200的全橋變流器電路功率級的示意方塊圖，其中感測電流「IA」及「IB」被饋進克拉克轉換模組。
較佳地，本發明實施例的相線圈繞組包含至少二相線圈繞組或三相線圈繞組或總數為二或三的倍數的相線圈繞組。
本發明亦提供儲存機器可讀取指令的一種非暫態電腦可讀取媒體，其中當機器可讀取指令係由同步馬達的閉迴路控制器的處理器所執行時，機器可讀取指令配置處理器實施本發明的概念。
以上所描述的裝置可至少部分以軟體形式實施。於本發明所屬技術領域中具有通常知識者會理解以上所描述的裝置可至少部分用通用電腦設備或定制(bespoke)設備實施。
於此，所描述的方法與裝置的各面向可被實現於任何包括通訊系統的裝置。此技術的程式面可被想成通常為可執行編碼及/或相關資料形式存在並可被實現於或內嵌於某種機器可讀取媒體的「產品」或「製成品」。「儲存」形式的媒體包括行動電台、電腦、處理器等的記憶體或相關模組的任一者或全部，例如各種半導體記憶體、磁帶機、磁碟機之類，其可於任何時間提供軟體程式儲存。軟體的整體或部分可能在某些時候經由網路或各種其他電信網路傳輸。舉例來說，這樣的傳輸可使軟體從某一電腦被讀取至另一電腦或處理器。因此，另一些可攜帶軟體元件的媒體形式包括光波、電波、以及電磁波，例如用於橫跨區域設備之間的物理界面、經由有線以及光學地線網路以及藉由各種空中鏈路。能攜帶這類波的物理元件，例如有線或無線鏈結、光學鏈結之類，亦可被視為攜帶軟體的媒體。如於此使用的，除非限定於有形非暫態「儲存」 媒體，電腦或機器「可讀取媒體」等用詞代表任何參與提供命令給處理器供執行的媒體。
雖然本發明以於附圖以及前述說明中詳細說明與描述，本發明應被視為其本質為說明性而非限制性。應理解示例性實施例係被展示以及描述，而並未以任何形式限制本發明的範圍。應理解任何於此描述的特徵可用於任何實施例。各說明性實施例並未排除其他實施例或文中未記載的實施例。因此，本發明亦提供包括一或多個上述示例性實施例的組合的實施例。於此記載的本發明的修改與變化可在不偏離本發明的精神與範圍的情況下達成，因此僅應施加如所附請求項所指示的此類限制。
於下文中且於前述發明描述可見的請求項，除了內容因描述性用語或必要暗示需另外解讀的狀況外，「包括」的用語係以開放性的方式使用，即表明所陳述的特徵的存在，而非排除額外特徵於本發明各實施例的存在或加入。
應了解若任何先前技術的發表於此參照，這樣的參照並不構成承認該出版物構成本發明通常知識的一部分。
10:多相分離繞組馬達
12:永磁轉子
14:永久磁鐵
16:定子
18:定子繞組
100:閉迴路控制器
110:功能方塊
120:處理器
130:記憶體
140:位置與轉速估計模組模組
150:位置與轉速估計模組模組
160:三相電橋模組
170:克拉克轉換模組

Claims (18)

  1. 一種多相永磁轉子馬達，包括：複數個相線圈繞組，各該相線圈繞組具有二自由端，該些相線圈繞組不具有一共用節點；以及一控制器，包括複數個全橋變流器，其中各該全橋變流器具有電性連接於一對應的相線圈繞組的該二自由端的二輸出端，該控制器經配置以操作該些全橋變流器以輸出複數全橋空間向量調變(Fbsvm)訊號至該些全橋變流器所對應的該些相線圈繞組，其中該些Fbsvm訊號根據以下方程式自複數半橋空間向量調變(SVM)訊號被決定：Fbsvm=2Svm-1；其中各該全橋變流器具有僅連接於各該全橋變流器的一半電路的一電流感測電路。
  2. 如請求項1所述之多相永磁轉子馬達，其中僅連接於所對應的該全橋變流器的一半電路的各該電流感測電路連接於該控制器的一轉子位置估測模組。
  3. 如請求項1所述之多相永磁轉子馬達，其中各該電流感測電路連接於各該電流感測電路所對應的該全橋變流器之同一對應的半電路。
  4. 如請求項1所述之多相永磁轉子馬達，其中該些相線圈繞組包含獨立繞組，且該控制器係為一數位控制器。
  5. 如請求項1所述之多相永磁轉子馬達，其中該數位控制器包含一全橋空間向量調變控制器。
  6. 如請求項1所述之多相永磁轉子馬達，其中該些相線圈繞組包含至少二相線圈繞組、或三相線圈繞組或總數為二或三的倍數的相線圈繞組。
  7. 如請求項1所述之多相永磁轉子馬達，其中該些相線圈繞組係平行配置且不具有一共用連接點。
  8. 如請求項1所述之多相永磁轉子馬達，其中該控制器經配置以操作該些全橋變流器以輸出具有相同頻率及振幅的Fbsvm訊號至該些全橋變流器所對應的相線圈繞組。
  9. 如請求項1所述之多相永磁轉子馬達，其中該控制器經配置以操作該些全橋變流器以輸出Fbsvm訊號並使二相鄰的相線圈繞組的該些Fbsvm訊號具有一非零的相位差。
  10. 一種驅動如前述任一請求項所述的多相永磁轉子馬達的閉迴路方法，該方法包含步驟：於該控制器接收來自該些全橋變流器的該些半電路的至少一者的一感測電流訊號；以及基於所接收到的感測電流訊號調整該估測轉子位置。
  11. 一種多相永磁轉子馬達，包括：複數個相線圈繞組，各該相線圈繞組具有二自由端，該些相線圈繞組不具有一共用節點；以及一控制器，包括複數個全橋變流器，其中各該全橋變流器具有電性連接於一對應的相線圈繞組的該二自由端的二輸出端，該控制器經配置以操作該些全橋變流器以輸出脈衝調變控制訊號至該些全橋變流器所對應的該些相線圈繞組；其中該控制器經配置以輸出脈衝調變控制訊號至所對應的該相線圈繞組，該些脈衝調變控制訊號係為正弦波的形式且振幅介於該控制器的匯流排電壓的 振幅的零值以及經預定的、經選擇的或經計算的一終值的一第一範圍內，該控制器亦經配置以輸出脈衝調變控制訊號所至對應的該相線圈繞組，該些脈衝調變控制訊號係為全橋空間向量調變(Fbsvm)訊號的形式且振幅介於該第一範圍之經預定的、經選擇的或經計算的該終值以及一第二範圍之經預定的、經選擇的或經計算的一終值的該第二範圍內；其中該些Fbsvm訊號根據以下方程式自複數半橋空間向量調變(SVM)訊號被決定：Fbsvm=2Svm-1。
  12. 如請求項11所述之多相永磁轉子馬達，其中該第二範圍之經預定的、經選擇的或經計算的該終值包含位於所對應的一空間向量示意圖中之一最大內圓之一半徑。
  13. 如請求項11所述之多相永磁轉子馬達，其中，對於一三相六線馬達，該第一範圍係介於該控制器的匯流排電壓的振幅的零倍至1.5倍，且該第二範圍係介於該控制器的匯流排電壓的振幅的1.5倍至1.73倍。
  14. 如請求項11所述之多相永磁轉子馬達，其中該些相線圈繞組包含獨立繞組，且該控制器係為一數位控制器。
  15. 如請求項11所述之多相永磁轉子馬達，其中該數位控制器包含一全橋空間向量調變控制器。
  16. 如請求項11所述之多相永磁轉子馬達，其中該些相線圈繞組包含至少二相線圈繞組、或三相線圈繞組或總數為二或三的倍數的相線圈繞組。
  17. 如請求項11所述之多相永磁轉子馬達，其中該些相線圈繞組係平行配置且不具有一共用連接點。
  18. 一種驅動如請求項11所述之多相永磁轉子馬達的閉迴路方法，該方法包含步驟： 輸出脈衝調變控制訊號至所對應的該相線圈繞組，該些脈衝調變控制訊號係為正弦波的形式且振幅介於該控制器的匯流排電壓的振幅的零值以及經預定的、經選擇的或經計算的一終值的一第一範圍內，亦輸出脈衝調變控制訊號至所對應的該相線圈繞組，該些脈衝調變控制訊號係為全橋空間向量調變(Fbsvm)訊號的形式且振幅介於該第一範圍之經預定的、經選擇的或經計算的該終值以及一第二範圍之經預定的、經選擇的或經計算的一終值的該第二範圍內。
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