TWI824506B - 矩陣轉換器換相判斷系統與方法 - Google Patents

Abstract

一種矩陣轉換器換相判斷系統與方法，是應用於一矩陣開關模組與一開關控制模組。矩陣轉換器換相判斷方法首先是自一輸入電源將一輸入電力輸入至矩陣開關模組，並利用開關控制模組接收一馬達驅動控制器所傳送之一用以控制一馬達之三相電流控制命令。接著，分析三相電流控制命令以判斷出三個分相命令輸出電流極性。然後，依據三個分相命令輸出電流極性產生三個分相開關控制命令。最後，依據三個分相開關控制命令切換控制矩陣開關模組，據以控制輸入電力之三個分相之相位變化。

Description

矩陣轉換器換相判斷系統與方法

本發明係關於一種矩陣轉換器換相判斷系統與方法，尤其是指一種依據馬達控制命令對矩陣開關模組進行換相控制之矩陣轉換器換相判斷系統與方法。

請參閱第一圖，第一圖係顯示先前技術之矩陣轉換器之系統示意圖。如第一圖所示，一種矩陣轉換器PA100包含一矩陣開關模組PA1、一開關控制模組PA2、一電壓偵測模組PA3以及三個電流回授單元PA4a、PA4b與PA4c。矩陣開關模組PA1是電性連結於一輸入電源PA200與一馬達裝置PA300，用以將輸入電源PA200所提供之三相輸入電力經過九個雙向開關（圖未示）之切換控制來調整至所需的控制波形，並輸出至馬達裝置PA300。

開關控制模組PA2是電性連結於矩陣開關模組PA1，用以控制矩陣開關模組PA1之九個雙向開關之切換。

電壓偵測模組PA3是電性連結於輸入電源PA200與矩陣開關模組PA1之間的三相輸入電路，並電性連結於開關控制模組PA2，用以偵測輸入電源PA200之電壓值，並將偵測到的電壓值傳送至開關控制模組PA2。

三個電流回授單元PA4a、PA4b與PA4c是分別設置於矩陣開關模組PA1與馬達裝置PA300之間的三相電路，用以偵測三相輸出電流與判斷輸出電流極性，並回授至開關控制模組PA2，藉以使開關控制模組PA2依據三相輸入電力之電壓值與三相輸出電流對矩陣開關模組PA1進行開關切換之控制。

請繼續參閱第二圖，第二圖係顯示先前技術之矩陣轉換器之輸出電流極性信號與相對應之輸出電流波形之示意圖。如第一圖與第二圖所示，雖然在現有技術中，矩陣轉換器PA100之開關控制模組PA2依據輸入電力之電壓值與三相輸出電流對矩陣開關模組PA1進行開關切換之控制，但由於電流回授單元PA4a、PA4b與PA4c在偵測電流時，很容易受到雜訊干擾而使得所偵測到極性的信號P1較不精準，尤其是在輸出電流接近零點時，更容易有電流極性不清晰的問題產生，導致開關控制模組PA2無法精準地對矩陣開關模組PA1進行開關切換的控制，進而使得輸出電流的曲線C1充滿鋸齒般的波形。

有鑒於在先前技術中，現有的矩陣轉換器雖然可以依據三相輸入電力之電壓值與三相輸出電流對矩陣開關模組進行開關切換之控制，但由於回授電流單元在偵測回授電流時，很容易受到雜訊的感測而導致所偵測到的極性不清晰，進而使矩陣轉換器所輸出的電流波形較不穩定；緣此，本發明的主要目的在於提供一種矩陣轉換器換相判斷系統與方法，可以藉由馬達控制命令來對矩陣開關模組之換相切換進行精準地控制而避免輸出電流之波形不穩定。

本發明為解決先前技術之問題，所採用的必要技術手段是提供一種矩陣轉換器換相判斷方法，係應用於一矩陣開關模組與一開關控制模組，該矩陣開關模組係電性連結於一輸入電源與一馬達，該開關控制模組係電性連結於該馬達之馬達驅動控制器，該矩陣轉換器換相判斷方法包含以下步驟（A）至步驟（D）。

步驟（A）是自該輸入電源將一輸入電力輸入至該矩陣開關模組，並利用該開關控制模組接收該馬達驅動控制器所傳送之用以控制該馬達之三相電流控制命令與馬達位置資訊。

步驟（B）是利用該開關控制模組分析該三相電流控制命令與馬達位置資訊以判斷出三個分相命令輸出電流極性。

步驟（C）是利用該開關控制模組依據該三個分相命令輸出電流極性產生九個雙向開關控制命令，並將該九個雙向開關控制命令傳送至該矩陣開關模組。

步驟（D）是依據九個雙向開關控制命令切換控制該矩陣開關模組，據以控制輸入至該矩陣開關模組之該三相輸入電力之三個分相之相位變化，藉以轉換輸出一由三個分相實際輸出電流所疊加之實際輸出電流，並使該三個分相實際輸出電流之電流極性符合該三個分相命令輸出電流極性，使該馬達依據該實際輸出電流控制轉速。

在上述必要技術手段所衍生之一附屬技術手段中，步驟（B）係利用該開關控制模組之一電流極性偵測單元分析該三相電流控制命令以判斷出該三個分相命令輸出電流極性。

在上述必要技術手段所衍生之一附屬技術手段中，步驟（C）係利用該開關控制模組之一矩陣開關控制單元依據該三個分相命令輸出電流極性產生該三個分相開關控制命令，並將該三個分相開關控制命令傳送至該矩陣開關模組。

本發明為了解決先前技術之問題，所採用之另一比較技術手段是提供一種矩陣轉換器換相判斷系統，係與一馬達以及一矩陣開關模組配合使用，該矩陣開關模組係將一輸入電力轉換輸出至該馬達，該矩陣轉換器換相判斷系統包含一旋轉位置偵測元件、一馬達驅動控制器以及一開關控制模組。

旋轉位置偵測元件係用以偵測該馬達之一轉子角度位置。馬達驅動控制器係電性連結於該旋轉位置偵測元件，用以依據該轉子角度位置發送出一三相電流控制命令。

開關控制模組係電性連結於該馬達驅動控制器與該該矩陣開關模組，用以分析該三相電流控制命令以判斷出三個分相命令輸出電流極性，並依據該三個分相命令輸出電流極性控制輸入至該矩陣開關模組之該輸入電力之三個分相之相位變化，藉以轉換輸出一由三個分相實際輸出電流所疊加之實際輸出電流，並使該三個分相實際輸出電流之電流極性符合該三個分相命令輸出電流極性，進而透過該實際輸出電流控制該馬達之轉速。

在上述必要技術手段所衍生之一附屬技術手段中，該開關控制模組更包含一電流極性偵測單元以及一矩陣開關控制單元。電流極性偵測單元係電性連結於該馬達驅動控制器，用以接收該三相電流控制命令，並依據該三相電流控制命令與馬達位置資訊分析判斷出該三個分相命令輸出電流極性。矩陣開關控制單元係電性連結於該電流極性偵測單元與該矩陣開關模組，用以依據該三個分相命令輸出電流極性控制該矩陣開關模組之切換輸入至該矩陣開關模組之該輸入電力之三個分相之相位。

在上述必要技術手段所衍生之一附屬技術手段中，該旋轉位置偵測元件為一旋轉編碼器（rotary encoder）。

如上所述，由於本發明之矩陣轉換器換相判斷系統與方法，主要是利用旋轉位置偵測元件偵測馬達之轉子角度位置，使馬達驅動控制器據以發送出三相電流控制命令，而開關控制模組再依據三相電流控制命令來判斷電流極性，藉此便能精準地對矩陣開關模組進行精準的相位切換，有效的使輸出電流的波形更加穩定。

本發明所採用的具體實施例，將藉由以下之實施例及圖式作進一步之說明。

請參閱第三圖與第四圖，第三圖係本發明之矩陣轉換器換相判斷系統之系統示意圖；第四圖係顯示本發明之矩陣開關模組之示意圖。

如第三圖與第四圖所示，一種矩陣轉換器換相判斷系統100，包含一旋轉位置偵測元件1、一馬達驅動控制器2以及一開關控制模組3。

承上所述，矩陣轉換器換相判斷系統100是與一馬達200以及一矩陣開關模組300配合使用，而矩陣開關模組300是電性連結於一輸入電源400，用以將輸入電源400所提供之一輸入電力轉換輸出至馬達200。其中，矩陣開關模組300實際上包含九個雙向開關SaA、SaB、SaC、SbA、SbB、SbC、ScA、ScB與ScC。在本實施例中，每個雙向開關SaA、SaB、SaC、SbA、SbB、SbC、ScA、ScB與ScC例如是由兩個單向開關元件（例如為絕緣柵雙極電晶體, IGBT）的反平行連接所組成，但不限於此。

旋轉位置偵測元件1是設置於馬達200，用以偵測馬達200之一轉子角度位置。具體而言，旋轉位置偵測元件1例如是一旋轉編碼器（rotary encoder），且旋轉位置偵測元件1是設置在馬達200之轉子的轉軸處，用以偵測機械位移來檢測出轉子之轉子角度位置。

馬達驅動控制器2是電性連結於旋轉位置偵測元件1與馬達200，用以依據轉子角度位置發送一三相電流控制命令Iq至馬達200，藉以控制馬達200之轉速。

開關控制模組3包含一電流極性偵測單元31以及一矩陣開關控制單元32。電流極性偵測單元31是電性連結於馬達驅動控制器2，用以接收馬達驅動控制器2所傳送之三相電流控制命令Iq，並依據三相電流控制命令Iq分析判斷出三個分相命令輸出電流極性。

矩陣開關控制單元32是電性連結於電流極性偵測單元31與矩陣開關模組300，用以依據電流極性偵測單元31所判斷出之三個分相命令輸出電流極性控制輸入至矩陣開關模組300之輸入電力之三個分相之相位變化，藉以轉換輸出一由三個分相實際輸出電流所疊加之實際輸出電流至馬達200，並使三個分相實際輸出電流之電流極性符合三個分相命令輸出電流極性。

如上所述，由於矩陣開關控制單元32是依據三相電流控制命令Iq來控制矩陣開關模組300進行換相動作，因此可以有效的使矩陣開關模組300進行精準的相位切換，進而使輸出的電流波形更加穩定。此外，由於矩陣開關控制單元32還電性連結於電壓偵測模組500，因此更可依據電壓偵測模組500所偵測到的輸入電力之電壓來做精準的開關控制。

請繼續參閱第五圖，第五圖為本發明之矩陣轉換器換相判斷方法之步驟流程圖。如第三圖至第五圖所示，以上述之矩陣轉換器換相判斷系統100為例，本發明之矩陣轉換器換相判斷方法是包含以下步驟S101至步驟S104。

步驟101是自輸入電源400利用開關控制模組3接收馬達驅動控制器2所傳送之用以控制馬達200之三相電流控制命令Iq。

步驟S102是利用開關控制模組3分析三相電流控制命令以判斷出三個分相命令輸出電流極性。在本實施例中，步驟S102是利用開關控制模組3之電流極性偵測單元31分析三相電流控制命令以判斷出三個分相命令輸出電流極性。

步驟S103是利用開關控制模組3依據三個分相命令輸出電流極性產生三個分相開關控制命令，並將三個分相開關控制命令傳送至矩陣開關模組300。在本實施例中，步驟S103是利用開關控制模組3之矩陣開關控制單元32產生三個分相開關控制命令。

步驟S104是依據三個分相開關控制命令切換控制矩陣開關模組300，據以控制輸入至矩陣開關模組300之輸入電力之三個分相之相位變化，藉以轉換輸出由三個分相實際輸出電流所疊加之實際輸出電流，並使三個分相實際輸出電流之電流極性符合三個分相命令輸出電流極性。

請繼續參閱第六圖，第六圖係顯示本發明依據三相電流控制命令分析判斷出分相命令輸出電流極性為正極時，對矩陣開關模組進行換相控制之換相步驟示意圖。如第三圖至第六圖所示，當電流極性偵測單元31分析三相電流控制命令所判斷出之分相命令輸出電流極性為正極(即Ia>0)時，矩陣開關控制單元32所產生之分相開關控制命令以四步換相法對aA相正向開關SaAP、aA相反向開關SaAN、aB相正向開關SaBP以及aB相反向開關SaBN進行控制之順序如第六圖所示，在一初始狀態區間t0時，aA相反向開關SaAN與aA相正向開關SaAP是處於導通(ON)的狀態，而aB相反向開關SaBN與aB相正向開關SaBP是處於斷開(OFF)的狀態。

然後，經過第一步切換進入一第一切換區間t1時，aA相正向開關SaAP仍處於導通的狀態，aA相反向開關SaAN則是切換為斷開的狀態，而aB相反向開關SaBN與aB相正向開關SaBP仍處於斷開的狀態。

接著，經過第二步切換進入一第二切換區間t2時，aA相正向開關SaAP仍處於導通的狀態，aA相反向開關SaAN與aB相反向開關SaBN維持在斷開的狀態，而aB相正向開關SaBP則是切換為導通的狀態。

之後，經過第三步切換進入一第三切換區間t3時，aA相反向開關SaAN與aB相反向開關SaBN維持在斷開的狀態，而aB相正向開關SaBP維持在導通的狀態，而aA相正向開關SaAP則是切換為斷開的狀態。

最後，經過第四步切換進入一第四切換區間t4時，aA相反向開關SaAN與aA相正向開關SaAP維持在斷開的狀態，aB相反向開關SaBN維持在導通的狀態，而aB相正向開關SaBP則是切換為導通的狀態。

經由上述之四步換相法，可以使導通負載側a相與電源側A相的雙向開關SaA切換成導通負載側a相與電源側B相的雙向開關SaB。

需補充說明的是，aA相正向開關SaAP是指負載側a相連接電源側A相間的正向開關，aA相反向開關SaAN是指負載側a相連接電源側A相間的反向開關，aB相正向開關SaBP是指負載側a相連接電源側B相間的正向開關，aB相反向開關SaBN是指負載側a相連接電源側B相間的反向開關。

請繼續參閱第七圖，第七圖係顯示本發明依據三相電流控制命令分析判斷出分相命令輸出電流極性為負極時，對矩陣開關模組進行換相控制之換相步驟示意圖。如第三圖至第七圖所示，當電流極性偵測單元31分析三相電流控制命令所判斷出之分相命令輸出電流極性為負極時，矩陣開關控制單元32所產生之分相開關控制命令以四步換相法對aA相正向開關SaAP、aA相反向開關SaAN、aB相正向開關SaBP以及aB相反向開關SaBN進行控制之順序如第七圖所示，在初始狀態區間t0時，aA相反向開關SaAN與aA相正向開關SaAP是處於導通的狀態，而aB相反向開關SaBN與aB相正向開關SaBP是處於斷開的狀態。

然後，經過第一步切換進入第一切換區間t1時，aA相反向開關SaAN與aA相正向開關SaAP仍處於導通的狀態，aB相正向開關SaBP仍處於斷開的狀態，而aB相反向開關SaBN則是切換為導通的狀態。

接著，經過第二步切換進入第二切換區間t2時，aA相正向開關SaAP與aB相反向開關SaBN維持在導通的狀態，aB相正向開關SaBP維持在斷開的狀態，而aA相反向開關SaAN則是切換為斷開的狀態。

之後，經過第三步切換進入第三切換區間t3時，aA相正向開關SaAP與aB相反向開關SaBN維持在導通的狀態，aA相反向開關SaAN維持在斷開的狀態，而aB相正向開關SaBP則是切換為導通的狀態。

最後，經過第四步切換進入第四切換區間t4時，aB相反向開關SaBN與aB相正向開關SaBP維持在導通的狀態，aA相反向開關SaAN維持在斷開的狀態，而aA相正向開關SaAP則是切換為斷開的狀態。

請繼續參閱第八圖，第八圖係顯示藉由本發明之矩陣轉換器換相判斷系統與方法對矩陣轉換器進行換相控制所產生之輸出電流極性信號以及相對應之輸出電流波形之示意圖。如第三圖至第八圖所示，藉由本發明之矩陣轉換器換相判斷系統100與矩陣轉換器換相判斷方法，可以使輸出電流極性的信號P2更加精準，藉以使相對應的輸出電流的曲線C2更加穩定。

綜上所述，相較於先前技術之矩陣轉換器是利用回授電流對矩陣開關模組進行開關切換之控制，導致矩陣轉換器所輸出的電流波形容易因為偵測到的回授電流之極性不清晰而有不穩定的問題；由於本發明之矩陣轉換器換相判斷系統與方法是利用旋轉位置偵測元件偵測馬達之轉子角度位置，使馬達驅動控制器據以發送出三相電流控制命令，而開關控制模組再依據三相電流控制命令來判斷電流極性，因此可以有效的使矩陣開關模組進行精準的相位切換，進而使輸出電流的波形更加穩定。

此外，雖然本發明實施例中是以四步換相法舉例說明矩陣開關模組換相的過程，但實際上則不限於此，亦可用於三步換相法等其他換相的方法。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，是希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

PA100:矩陣轉換器 PA1:矩陣開關模組 PA2:開關控制模組 PA3:電壓偵測模組 PA4a,PA4b,PA4c:電流回授單元 PA200:輸入電源 PA300:馬達裝置 100:矩陣轉換器換相判斷系統 1:旋轉位置偵測元件 2:馬達驅動控制器 3:開關控制模組 31:電流極性偵測單元 32:矩陣開關控制單元 200:馬達 300:矩陣開關模組 400:輸入電源 500:電壓偵測模組 Iq:三相電流控制命令 SaA,SaB,SaC,SbA,SbB,SbC,ScA,ScB,ScC:雙向開關 SaAP:aA相正向開關 SaAN:aA相反向開關 SaBP:aB相正向開關 SaBN:aB相反向開關 P1,P2:信號 C1,C2:曲線 t0:初始狀態區間 t1:第一切換區間 t2:第二切換區間 t3:第三切換區間 t4:第四切換區間 S101-S104:步驟

第一圖係顯示先前技術之矩陣轉換器之系統示意圖； 第二圖係顯示先前技術之矩陣轉換器之輸出電流極性信號與相對應之輸出電流波形之示意圖； 第三圖係本發明之矩陣轉換器換相判斷系統之系統示意圖； 第四圖係顯示本發明之矩陣開關模組之示意圖； 第五圖為本發明之矩陣轉換器換相判斷方法之步驟流程圖； 第六圖係顯示本發明依據三相電流控制命令分析判斷出分相命令輸出電流極性為正極時，對矩陣開關模組進行換相控制之換相步驟示意圖； 第七圖係顯示本發明依據三相電流控制命令分析判斷出分相命令輸出電流極性為負極時，對矩陣開關模組進行換相控制之換相步驟示意圖；以及 第八圖係顯示藉由本發明之矩陣轉換器換相判斷系統與方法對矩陣轉換器進行換相控制所產生之輸出電流極性信號以及相對應之輸出電流波形之示意圖。

S101-S104:步驟

Claims (6)

1. 一種矩陣轉換器換相判斷方法，係應用於一矩陣開關模組與一開關控制模組，該矩陣開關模組係電性連結於一輸入電源與一馬達，該開關控制模組係電性連結於一電性連結於該馬達之馬達驅動控制器，該矩陣轉換器換相判斷方法包含以下步驟：(A)自該輸入電源將一輸入電力輸入至該矩陣開關模組，並利用該開關控制模組接收該馬達驅動控制器所傳送之一用以控制該馬達之三相電流控制命令；(B)利用該開關控制模組分析該三相電流控制命令以判斷出三個分相命令輸出電流極性；(C)利用該開關控制模組依據該三個分相命令輸出電流極性產生三個分相開關控制命令，並將該三個分相開關控制命令傳送至該矩陣開關模組；以及(D)依據該三個分相開關控制命令切換控制該矩陣開關模組，據以控制輸入至該矩陣開關模組之該輸入電力之三個分相之相位變化，藉以轉換輸出一由三個分相實際輸出電流所疊加之實際輸出電流，並使該三個分相實際輸出電流之電流極性符合該三個分相命令輸出電流極性。
2. 如請求項1所述之矩陣轉換器換相判斷方法，其中，該步驟(B)係利用該開關控制模組之一 電流極性偵測單元分析該三相電流控制命令以判斷出該三個分相命令輸出電流極性。
3. 如請求項1所述之矩陣轉換器換相判斷方法，其中，該步驟(C)係利用該開關控制模組之一矩陣開關控制單元依據該三個分相命令輸出電流極性產生該三個分相開關控制命令，並將該三個分相開關控制命令傳送至該矩陣開關模組。
4. 一種矩陣轉換器換相判斷系統，係與一馬達以及一矩陣開關模組配合使用，該矩陣開關模組係將一輸入電力轉換輸出至該馬達，該矩陣轉換器換相判斷系統包含：一旋轉位置偵測元件，係用以偵測該馬達之一轉子角度位置；一馬達驅動控制器，係電性連結於該旋轉位置偵測元件，用以依據該轉子角度位置發送出一三相電流控制命令；以及一開關控制模組，係電性連結於該馬達驅動控制器與該該矩陣開關模組，用以分析該三相電流控制命令以判斷出三個分相命令輸出電流極性，並依據該三個分相命令輸出電流極性控制輸入至該矩陣開關模組之該輸入電力之三個分相之相位變化，藉以轉換輸出一由三個分相實際輸出電流所疊加之實際輸出電流，並使該三個分相實際輸出電流之電流極性符合該三個分相命令輸出電流極性，進而透過該實際輸出電流控制該馬達之轉速。
5. 如請求項4所述之矩陣轉換器換相判斷系統，其中，該開關控制模組更包含： 一電流極性偵測單元，係電性連結於該馬達驅動控制器，用以接收該三相電流控制命令，並依據該三相電流控制命令分析判斷出該三個分相命令輸出電流極性；以及 一矩陣開關控制單元，係電性連結於該電流極性偵測單元與該矩陣開關模組，用以依據該三個分相命令輸出電流極性控制該矩陣開關模組之切換輸入至該矩陣開關模組之該輸入電力之三個分相之相位。
6. 如請求項4所述之矩陣轉換器換相判斷系統，其中，該旋轉位置偵測元件為一旋轉編碼器（rotary encoder）。