TWI824666B

TWI824666B - 同步馬達的啟動方法及其控制器

Info

Publication number: TWI824666B
Application number: TW111130664A
Authority: TW
Inventors: 桂聰李
Original assignee: 加拿大商芯凱電子科技國際控股有限合夥公司
Priority date: 2021-08-31
Filing date: 2022-08-15
Publication date: 2023-12-01
Also published as: US11817804B2; US20230396197A1; US20230067785A1; WO2023029787A1; TW202318782A; TW202404250A

Abstract

一種啟動永磁同步馬達的閉迴路方法，包括：基於初始止轉轉子角，利用馬達控制訊號激發定子繞組而驅動轉子；基於由旋轉轉子在定子繞組中所引起的反電動勢（emf），週期性估計轉子磁鏈大小及/或角度的值；利用轉子磁鏈大小的週期性估計的值以估計對應的新的轉子角而產生更新馬達控制訊號而驅動轉子；以及響應於以下情況之一或其任意組合，切換馬達的控制至閉迴路同步運轉馬達控制演算法：於閉迴路啟動方法開始後經過經預定的一段時間時；或於判斷轉子已達到最低運轉轉速時；或於判斷轉子磁鏈大小的估計值達到或超過門檻值時。

Description

同步馬達的啟動方法及其控制器

本發明係關於同步馬達的啟動方法及其控制器。該方法特別關於，但不限於包括一種具有無感測器閉迴路控制系統的永磁同步馬達(permanent magnet synchronous motor(PMSM))的同步運轉的啟動方法。

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速度旋轉，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速度旋轉，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速度係為或接近同步速度時，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。估計的轉子位置與轉速被用來於同步運轉期間更新及/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。

然而，在同步馬達啟動時可能會遭遇到一個問題，即需要該轉子的一最低運轉轉速以獲得用於同步運轉的閉迴路馬達控制所需的估計反電動勢的一水平。因此，一種開迴路啟動方法係被發展以解決此問題。一個這樣的開迴路啟動方法或程序係於由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。該開迴路啟動方法涉及激發該定子繞組而使該轉子從止轉位置開始旋轉並以固定加速度自旋。該開迴路啟動程序提供一恆定扭矩以啟動該轉子的旋轉及定速加速。

於開迴路啟動且轉子初始地位於其止轉位置的情況下，無感測器馬達控制系統係被配置以產生一系列的正弦電壓以啟動該轉子的旋轉及定速加速。在一啟動斜坡的末端，即一預定時間後，馬達的控制被切換至該無感測器閉迴路同步運轉馬達控制演算法。若在切換時，轉子已達到一最低運轉轉速而使由該轉子永久磁鐵所引起的該反電動勢的該水平達到或超過一門檻值，則馬達的同步運轉可無問題地進行。該轉子永久磁鐵所產生的反電動勢的門檻值係一反電動勢，其值係於馬達同步運轉期間足以使無感測器閉迴路同步運轉馬達控制演算法為該轉子提供準確的速度及位置估計。

圖1提供估計的轉子磁鏈大小(於圖式中標示為「磁鏈大小」(flux magnitude))對馬達(轉子)角度相對於時間的曲線圖，其說明已知的開迴路啟動方法以及於啟動斜坡末端切換至用以該馬達的同步運轉的該無感測器閉迴路同步運轉馬達控制演算法。由圖1可以看到，在水平時間軸虛線I-I左手邊的開迴路啟動程序的啟動斜坡期間，轉子自止轉以一定加速度往最低運轉轉速加速，於此範例中，在時間軸上以虛線I-I標記的切換至無感測器閉迴路同步運轉馬達控制演算法的時間點，估計的轉子磁鏈大小已達到或超過門檻值。因此，馬達的控制成功轉換至用於馬達同步運轉的閉迴路控制。應了解，啟動斜坡期間估計的轉子磁鏈大小是估計值，且可能與實際轉子磁鏈大小有大幅度的偏差。

可以觀察到估計轉子磁鏈大小於馬達同步運轉成功時係以正弦的形式改變。轉子永久磁鐵的磁通量係為定值，但估計轉子磁鏈大小對於轉子永久磁鐵的固定磁通量係隨時間改變。

於開迴路啟動程序期間，為了啟動馬達的旋轉以及後續加速的一系列的正弦電壓的產生必須基於初始止轉轉子位置。在無感測器馬達控制系統中，通常沒有辦法偵測初始止轉轉子位置。此外，除非修改無感測器馬達控制系統以包括某種方法來偵測或估計初始止轉轉子位置，否則必須仰賴猜測的或經隨機選擇的初始止轉轉子位置。

開迴路啟動程序有幾個問題。

其中一個問題呈現於圖2，其亦提供估計轉子磁鏈大小對馬達(轉子)角度相對於時間的曲線圖，用以呈現在一變動的馬達負載條件下，開迴路啟動方法以及切換至無感測器閉迴路同步運轉馬達控制演算法的過程。變動的負載條件可能會減慢轉子或在某些狀況中進一步反轉轉子的旋轉方向。如圖2所示，雖然開迴路啟動程序試圖加速馬達的旋轉至用於同步運轉的最低運轉轉速，在於時間軸上以I-I虛線標記的啟動斜坡間的末端，即馬達的控制由開迴路啟動程序轉換至無感測器閉迴路同步運轉馬達控制演算法之際，由轉子永久磁鐵引起的反電動勢的水平尚未達到或超過用於同步運轉的門檻值。這可能是在馬達的開迴路啟動程序以及閉迴路同步運轉切換時或切換時間點附近馬達上負載突然的增加所造成。舉例來說，這可能包括一陣風使馬達驅動風扇的風扇葉輪減速或甚至反轉。因此，在用於同步運轉的閉迴路馬達控制接手的轉換時點，反電動勢會或者變得不足以滿足馬達的閉迴路同步運轉，且閉迴路馬達控制演算法必須接著允許馬達停止，即停止驅動轉子以及允許轉子停止旋轉並再次達到止轉。在能再次嘗試開迴路啟動程序之前，轉子必須要再次處於止轉狀態。應理解轉子再次達到止轉位置可能會需要很長一段時間，大約數秒。

因為以上問題以及其他問題，一種改良的同步馬達啟動方法係為所需要的。

本發明的一個目的為於某種程度上減緩或避免有關已知同步馬達啟動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用於具有用於同步運轉的無感測器閉迴路控制系統的PMSM的改良的啟動方法。

發明的另一個目的為提供一種用於具有用於同步運轉的無感測器閉迴路控制系統的PMSM的改良的啟動方法，該方法可於啟動時估計、計算或偵測馬達正在旋轉、馬達正以正確方向旋轉及/或轉子旋轉的速度之中的任何條件。

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。

於第一主要方面，本發明提供一種具有一永磁轉子及定子繞組的同步馬達的閉迴路啟動方法，該方法包括步驟：基於經偵測的、經估計的或經隨機選擇的初始止轉轉子角，利用馬達控制訊號激發定子繞組而驅動轉子；基於由旋轉轉子在定子繞組中所引起的反電動勢，週期性估計轉子磁鏈大小及/或角度的值；利用轉子磁鏈大小的週期性估計的值以估計對應的新的轉子角而產生更新馬達控制訊號而驅動轉子；以及響應於以下情況之一或其任意組合，切換該馬達的控制至閉迴路同步運轉馬達控制演算法：(i)於該閉迴路啟動方法開始時或於閉迴路啟動方法開始後經過經選擇的、經計算的或經預定的一段時間時；或(ii)於判斷轉子已達到最低運轉轉速時；或(iii)於判斷轉子磁鏈大小的估計值達到或超過經預定的、經選擇的或經計算的門檻值時。

於第二主要方面，本發明提供一種用於馬達的閉迴路控制器，此控制器包括儲存機器可讀取指令的非暫態電腦可讀取媒體以及處理器，其中當機器可讀取指令係由處理器所執行時，機器可讀取指令配置控制器而對應本發明第一主要方面的方法而啟動具有永磁轉子與定子繞組的同步馬達。

於第三主要方面，本發明提供一種儲存機器可讀取指令的非暫態電腦可讀取媒體，其中當機器可讀取指令係由用於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控制器實現本發明第一主要方面的方法。

於第四主要方面，本發明提供一種具有永磁轉子及定子繞組的同步馬達的閉迴路啟動方法，此方法包括步驟：基於經偵測的、經估計的或經隨機選擇的初始止轉轉子角，利用馬達控制訊號激發定子繞組而驅動轉子；基於由旋轉轉子在定子繞組中所引起的反電動勢(emf)週期性估計轉子磁鏈大小的值；用轉子磁鏈大小的週期性估計的值以估計對應的新的轉子角而產生更新馬達控制訊號而驅動轉子；以及根據估計的對應的新的轉子角判斷轉子是否正在旋轉及/或該轉子是否以正確方向旋轉。

於第五主要方面，本發明提供一種用於馬達的閉迴路控制器，控制器包括儲存機器可讀取指令的非暫態電腦可讀取媒體以及處理器，其中當機器可讀取指令係由處理器所執行時，機器可讀取指令配置控制器對應本發明第四主要方面的方法啟動具有永磁轉子與定子繞組的同步馬達。

於第六主要方面，本發明提供一種儲存機器可讀取指令的非暫態電腦可讀取媒體，其中當機器可讀取指令係由用於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控制器實現本發明第四主要方面的方法。

於第七主要方面，本發明提供一種包括根據本發明第二或第五主要方面的閉迴路控制器的同步馬達。

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:同步馬達

12:永磁轉子

14:永久磁鐵

16:定子

18:轉子繞組

100:閉迴路控制器

110:功能方塊

120:處理器

130:記憶體

140:模組

150:轉子磁通量觀察模組

160:功率級/功率電橋

170:克拉克轉換模組

200:FOC控制器

300:方法

310-360:步驟

L:定子電感

R:定子電阻

I _a,b,c:三相感測電流

i _a,b,c:三相定子電流

v _a,b,c:三相定子電壓

i _α,β:α、β軸定子電流

v _α,β:α、β軸定子電壓

φ _α,β:α、β軸轉子磁通量

I _d,q:旋轉座標定子電流

V _d,q:旋轉座標定子電壓

φ _α,β:旋轉座標轉子磁通量

F_d:轉子磁通量變化率

t( ):時間區間

θ _s:定子角

θ _sd:d軸定子角

θ _r:轉子角

θ _rd:d軸轉子角

φ _m:轉子磁通量

[圖1]係同步馬達的已知開迴路啟動方法的估計的轉子磁鏈大小對馬達(轉子)角度相對於時間的曲線圖；[圖2]係同步馬達具有隨時間變動的馬達負載的情況下已知開迴路啟動方法的曲線圖；[圖3]係本發明具有閉迴路控制器的同步馬達的示意方塊圖；[圖4]係本發明一實施例閉迴路控制器的細部示意方塊圖；[圖5]係本發明同步馬達的閉迴路啟動方法的估計的轉子磁鏈大小對馬達(轉子)角度相對於時間的曲線圖；[圖6]係本發明第一次嘗試閉迴路啟動失敗的閉迴路啟動方法的曲線圖； [圖7]係本發明轉子一開始以錯誤方向旋轉的閉迴路啟動方法的曲線圖；[圖8]係本發明由已知開迴路啟動方法切換至閉迴路啟動方法的閉迴路啟動方法的曲線圖；[圖9]係本發明由轉子磁通量觀察模組實現並用於估計轉子角的方法的流程圖；[圖10]係可實現本發明閉迴路啟動方法的同步馬達的三角形接法以及星形接法(或Y形接法)定子繞組配置的示意圖；[圖11]係本發明用於圖10所示同步馬達的閉迴路馬達控制系統的功率級的示意方塊圖；[圖12]係可實現本發明閉迴路啟動方法的同步馬達的定子繞組的六線配置的示意圖；[圖13]係本發明用於圖12所示同步馬達的閉迴路馬達控制系統的功率級的示意方塊圖；[圖14]係可實現本發明閉迴路啟動方法的同步馬達的定子繞組的四線配置的示意圖；[圖15]係本發明用於圖14所示同步馬達的閉迴路馬達控制系統的功率級的示意方塊圖；[圖16]係本發明轉子於閉迴路啟動方法中對於q與d向量軸的旋轉的示意圖；[圖17]繪示本發明轉子旋轉於閉迴路啟動方法中對於q與d向量軸的順時針(正確)方向； [圖18]繪示本發明轉子旋轉為順時針方向時於閉迴路啟動方法中週期性轉子角變化與定子角變化；[圖19]繪示本發明轉子旋轉於閉迴路啟動方法中對於q與d向量軸的逆時針(錯誤)方向；以及[圖20]繪示本發明轉子旋轉為逆時針方向時於閉迴路啟動方法中週期性轉子角變化與定子角變化。

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均等。

本發明係尤其相關於用於啟動具有用於同步運轉之無感測器閉迴路控制器之PMSM的方法以及控制器，但該方法可應用於具有用於同步運轉之閉迴路控制器的任何同步馬達，其應用轉子引起的反電動勢以至少獲得轉子位置的估計值並較佳地獲得轉子轉速的估計值以提供一或多個用於同步運轉的閉迴路控制參數。無感測器閉迴路控制器僅必須要具有或被提供測量或估計轉子磁鏈大小及/或角度的方法，即測量或估計旋轉轉子於一或多個定子繞組中引起之反電動勢的方法。

本發明的其中一個優點為可實現於現存的用於同步運轉的閉迴路控制器而，除了控制器的控制演算法的調整之外，不需要大幅修改。本發明之閉迴路控制演算法可由軟體、韌體、硬體或其任意組合所實現。本發明之閉迴路控制演算法可實現於特殊應用積體電路或晶片。

本文中所指「轉子角」代表「轉子位置」。本文中所指「定子角」代表「換向角」(commutation angle)。

圖3係顯示根據本發明一實施例之用於同步馬達10之改良閉迴路控制器100。同步馬達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具有複數定子繞組18。雖然同步馬達10於圖中係以傳統的定子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(direct torque 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4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可以，例如，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個或更多指令組(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使用的處理器可讀取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3及圖4所示之閉迴路控制器100，例如使用如圖4所示經修改的FOC控制器200，以實施本發明閉迴路啟動程序以使轉子12開始旋轉以及朝其最低轉子轉速加速以於響應於一或多個條件被滿足時，切換至用於同步運轉的閉迴路馬達控制。如上所述，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經合適的調整或再配置以實施本發明閉迴路啟動方法以及閉迴路同步運轉控制演算法。

本發明試圖藉由以下所述且如圖5至圖8所示的閉迴路啟動程序，較佳地取代或可選擇地補充已知的同步馬達(尤其是PMSM)的開迴路啟動方法。

圖3及圖4的經修改的或重配置的閉迴路控制器100/200係被安排以使用基於經偵測的、經估計的或經隨機選擇的轉子角度或由經偵測的、經估計的或經隨機選擇的轉子角度所導出的馬達控制訊號，激發定子繞組18以啟動具有永磁轉子12以及定子繞組18的同步馬達10而使轉子12由其止轉位置開始旋轉。此初始步驟與已知的開迴路啟動方法的第一步驟相同。

雖然現存的已知無感測器閉迴路控制器通常不具有偵測轉子12於啟動時的初始位置的方法，本發明閉迴路控制器100/200係用於與申請人之其他創新共用，其包括偵測或至少估計轉子12於啟動時的初始止轉位置的方法。

然而，於一實施例，閉迴路啟動方法的啟動的初始止轉轉子角包括經預定的停放轉子角。經預定的停放轉子角可於馬達10的先前同步運轉後馬達10被停止時獲得。經預定的停放轉子角可於切換馬達10的控制至閉迴路同步運轉馬達控制演算法後獲得(其中，當馬達被停止時，閉迴路控制器100/200經配置以將轉子12停放於經預定的轉子角)。經預定的轉子角可被儲存於記憶體130中並於馬達10的啟動開始時且需要時被喚回。

閉迴路啟動方法或程序包括週期性地基於旋轉轉子12於定子繞組18中所引起的反電動勢估計轉子磁鏈大小及/或角度的值。較佳地，這包括於啟動方法期間估測對應於各週期性時點或區間的對應的新的轉子角以產生更新馬達控制訊號而驅動轉子12。其也可以包括估測對應於所述週期性時間點或區間的轉子轉速。週期性地估計轉子磁鏈大小及/或角度的值的步驟可包括週期性地基於旋轉轉子12於定子繞組18中所引起的反電動勢的估計值估計轉子磁鏈大小及/或角度的值。也可包括週期性估計轉子磁鏈大小相對於經選擇的同步馬達10的向量軸的值，較佳地，係選擇d軸。此外，也可以包括估測轉子磁鏈大小的估測值的變化率。

於開始時，轉子12的旋轉的轉速是低的，因此轉子12所引起的反電動勢也是小的，所以部分由閉迴路馬達控制器100/200的模組140所提供的估測轉子角可能因為低速運轉的轉子12的估測的反電動勢數值中有雜訊而與實際轉子角有大幅偏差。

於一些實施例，模組140可包括圖4的修改的FOC控制器200的轉子位置及轉速估計模組140。

於一些實施例，模組140可包括如由Wei Xu等人所著作並刊登於2019年六月在中國電工技術學會電機與系統學報(CES Transactions on Electrical Machines and Systems)之第3卷第2期之題為「用於PMSM的無感測器控制且具有自適應諧波消除以及相位補償的改良的轉子磁通量觀察器」(Improved Rotor Flux Observer for Sensorless Control of PMSM With Adaptive Harmonic Elimination and Phase Compensation)之出版物的第1-3頁所述的類型的轉子磁通量觀察模組150。此期刊文獻內容以參照方式併入本案中。

隨著轉子12的轉速基於更新的馬達控制訊號增加，週期性估計的轉子磁鏈大小及/或角度的值預期會提供更準確的對應的新的轉子角估計值以得到更準確的轉子12的旋轉位置以及加速度。

於本發明一實施例，閉迴路控制器100/200經配置以根據所述估測的對應的新的轉子角決定轉子12是否正在旋轉及/或轉子12是否正在以正確的旋轉方向旋轉。若判斷轉子12正在以錯誤的方向旋轉，閉迴路控制器100可被配置以修正轉子12的旋轉方向。

此判斷可包括根據所述估測的對應的新的轉子角判斷轉子速度是否為或超過用於馬達10的同步運轉的最低運轉轉速。

於本發明另一實施例，閉迴路控制器100/200經配置以響應於以下條件的任一者或任何組合切換馬達10的控制至實現於閉迴路控制器100/200中的閉迴路同步運轉馬達控制演算法：(i)於該閉迴路啟動方法開始時或於該閉迴路啟動方法開始後經過經選擇的、經計算的或經預定的一段時間時；(ii)於判斷該轉子12已達到最低運轉轉速時；(iii)於判斷轉子磁鏈大小的估計值達到或超過經預定的、經選擇的或經計算的門檻值時。

由轉子永久磁鐵14所引起的反電動勢導出的轉子磁鏈大小的門檻值係一個反電動勢，其值係足以使馬達10的無感測器閉迴路控制器100/200提供足夠準確的轉子位置估計以及較佳的提供轉子轉速以使馬達10的同步運轉可以進行。

於一些實施例，門檻值可以被視為包括控制切換門檻值，當閉迴路控制器100/200於閉迴路啟動程序期間判斷估計的轉子磁鏈大小已達到或超過門檻值及/或轉子轉速已達到或超過最低運轉轉速時，閉迴路控制器100/200會立即將馬達10的控制從閉迴路啟動方法切換至閉迴路同步運轉控制演算法。然而，在這些實施例中，從閉迴路啟動程序至閉迴路同步運轉控制演算法的切換可能會受限於從閉迴路啟動方法開始的經預定的時段，控制切換在所述經預定的時段期滿之前無法執行。

於另一些實施例，閉迴路控制器100/200經配置以在閉迴路啟動方法開始後的預定時段結束時將馬達10的切換從閉迴路啟動方法切換至閉迴路同步運轉控制演算法。

配置閉迴路控制器100/200以在閉迴路啟動方法開始後的預定時段結束時將馬達10的切換從閉迴路啟動方法切換至閉迴路同步運轉控制演算法的一個優勢是，可於所述經預定的時段後終止閉迴路啟動方法。

配置閉迴路控制器100/200以在其判斷轉子磁鏈大小估計值已達到或超過門檻值及/或轉子轉速已達到或超過最低運轉轉速時將馬達10的切換從閉迴路啟動方法切換至閉迴路同步運轉控制演算法的另一個優勢是，可預期得到比其他方案更成功的至閉迴路同步運轉控制的轉換。

閉迴路控制器100/200可被配置以，若在馬達10的控制被切換至閉迴路同步運轉馬達控制演算法之後判斷馬達10並非同步運轉，閉迴路控制器100/200重複閉迴路啟動方法以嘗試自閉迴路啟動方法成功地轉換至閉迴路同步運轉馬達控制演算法。

本發明閉迴路啟動方法的一個優勢是重複閉迴路啟動方法之前不需要將轉子12回到止轉位置。

閉迴路控制器100/200可被配置，以於在切換至閉迴路同步運轉馬達控制演算法時或一段時間後，而轉子磁鏈大小的估計值被判斷為低於切換門檻值及/或轉子12的轉速被判斷為低於用於馬達10的同步運轉的最低運轉轉速時，判斷馬達10並非同步運轉。

於某些實施例，閉迴路控制器100/200可被配置，以於在切換至閉迴路同步運轉馬達控制演算法時或一段時間後，而轉子磁鏈大小的估計值被判斷為超出經預定的、經選擇的或經計算的值的範圍時，判斷馬達10非同步運轉。此值的範圍可包括內有轉子12的固定的磁通量大小的範圍。轉子12的固定的磁通量大小可包括此範圍的中點。此範圍的上限與下限可以是轉子12的固定的磁通量大小的加減10%。

於一些實施例，閉迴路控制器100/200可被配置以藉由使用開迴路啟動程序開始馬達10的啟動從而開始轉子12自其初始止轉位置的旋轉以及被配置以於轉子12旋轉時實施本發明閉迴路啟動方法。

此方法的優勢為可降低轉子12於啟動時立即以錯誤的方向旋轉的機率。

請參照圖5至圖8。圖5係本發明同步馬達一實施例的閉迴路啟動方法的估計的轉子磁鏈大小對馬達(轉子)角度相對於時間的曲線圖。

參照圖5時，應注意轉子磁鏈大小的曲線圖，於圖中轉子磁鏈大小標記為「磁通量大小」，係包括轉子磁鏈大小的估計值。相似的，轉子角的曲線圖，於圖中轉子角標記為「馬達角」，係包括轉子角對於時間的估計值。因此，應理解於閉迴路啟動程序期間，轉子磁鏈大小的估計值以及轉子角的估計值與其實際值相比皆可能有大幅變化。

閉迴路啟動程序的轉子角曲線圖中的「X」步階代表用以產生更新的馬達控制訊號以於閉迴路啟動程序期間驅動馬達12的估計的對應的新的轉子角被判斷的相繼的時間點或相繼的時間區間。

時間軸上的垂直虛線I-I代表閉迴路啟動程序的經預定的時間區間的結束，此時，於此範例中，馬達10的控制會成功轉換至閉迴路同步運轉馬達控制演算法。

與圖5相比，圖6係本發明第一次嘗試由閉迴路啟動程序切換至閉迴路同步運轉馬達控制演算法失敗的閉迴路啟動方法曲線圖。

時間軸上的第一條虛線I-I代表第一次實施閉迴路啟動程序經預定的時間區間的結束，此時，於此範例中，馬達10未成功轉換至閉迴路同步運轉馬達控制演算法，並於圖中被標記為「第一FOC」。此轉換的失敗可能是由於轉子磁鏈大小的估測值低於用於馬達10的同步運轉的門檻值。於一短的時間區間之內，閉迴路控制器100/200判斷馬達10未同步運轉。響應此判斷，閉迴路控制器100/200終止閉迴路同步運轉馬達控制演算法的第一次實施，並且，於時間軸上的第二虛線II-II開始閉迴路啟動程序的第二次實施。時間軸上的第三條虛線III-III代表，於此範例中，成功轉換至閉迴路同步運轉馬達控制演算法的第二次實施，且於圖中被標記為「第二FOC」。應注意的是，於轉換至閉迴路同步運轉馬達控制演算法的第一次實施失敗後開始閉迴路啟動程序時，並不需要將轉子12帶回至止轉。

圖7係本發明轉子一開始以錯誤方向旋轉(如虛線框「Z」內所示)的閉迴路啟動方法曲線圖。這可能會於經偵測的、或經估計的或經隨機選擇的初始止轉轉子角大於實際轉子角180度時發生。對於本發明的閉迴路啟動程序而言，其具有一個內建特徵可以在一段時間後修正轉子12的旋轉的方向。然而，閉迴路控制器100/200可進一步被配置以判斷轉子12的旋轉的錯誤方向並比內建於閉迴路啟動程序的修正更快地執行旋轉方向的修正。在轉子12的旋轉經閉迴路控制器100/200修正或經轉子12本身於閉迴路啟動程序實施期間修正之後，圖7虛線框Z右手邊剩餘的部分跟隨圖5所顯示，由閉迴路啟動程序成功轉換至閉迴路同步運轉馬達控制演算法。

圖8係本發明由於圖中以虛線框「O」標記的已知開迴路啟動方法切換至閉迴路啟動方法的閉迴路啟動方法曲線圖。於初步時間區間使用開迴路啟動方法可解決閉迴路啟動方法開始時轉子以錯誤的方向旋轉的問題。這個解決方法用於於閉迴路啟動時使用經隨機選擇的初始止轉轉子角的閉迴路控制器100/200最有用，此配置會提高轉子12的旋轉的方向錯誤的可能性。雖然轉子於開迴路啟動方法的條件下有可能以錯誤的方向開始旋轉，但開迴路啟動方法可於啟動方法開始後短的一段時間內自我修正旋轉的方向。因此，採用開迴路啟動方法以確保轉子12於閉迴路啟動方法開始之前以正確的方向旋轉。閉迴路控制器100/200可被配置以於開迴路啟動方法下，偵測或判斷轉子12係以正確的方向旋轉，並且，當此判斷完成時，立即由開迴路啟動方法轉換至本發明之閉迴路啟動方法。

雖然圖5至圖8顯示由閉迴路啟動程序至閉迴路同步運轉馬達控制演算法的轉換係基於預定時間區間的到期，應理解此轉換也可是根據一或多個前文所描述的各種轉換條件所控制。

如上所述，模組140可包括於標題為「用於PMSM的無感測器控制且具有自適應諧波消除以及相位補償的改良的轉子磁通量觀察器」的出版物的第1-3頁所描述的類型的轉子磁通量觀察模組150。

轉子磁通量觀察模組150主要作為轉子角估計器。圖9係一方法300的流程圖，該方法由轉子磁通量觀察模組150實現並於本發明的閉迴路啟動方法中用以估計對應的新的轉子角。

於本發明的採用了轉子磁通量觀察模組150的實施例中，閉迴路啟動方法或程序包括基於週期性估計的轉子磁鏈大小的值的變化率估計對應的新的轉子角。週期性估測的轉子磁鏈大小的值的變化率的判斷可於啟動程序期間的各週期性時間點或時間區間執行。

圖9係方法300的流程圖，該方法本發明由轉子磁通量觀察模組150實現並至少於本發明的閉迴路啟動方法期間估計轉子角的。於圖9所示的流程圖中：φ _α,β係α與β軸的轉子磁通量；i _α,β係α與β軸的定子電流；v _α,β係α與β軸的定子電壓；L係定子電感；以及R係定子電組。

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，例如二維靜止正交參考座標系或座標系統。

(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演算法以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。

於方法300的第一步驟310，轉子磁通量觀察模組150沿著馬達10的α與β軸估計轉子磁鏈。於可選擇的步驟320，轉子磁通量觀察模組150可將高通濾波器或帶通濾波器應用於轉子磁鏈訊號以至少移除直流訊號成分並也有可能移除轉子磁鏈訊號中的高頻雜訊。於方法300的下一步驟330，轉子磁通量觀察模組150估計旋轉轉子12的轉子角以及轉子磁鏈大小。接著，於步驟340，轉子磁通量觀察模組150週期性地沿著馬達10的向量d軸基於轉動轉子12於定子繞組18中所引起的反電動勢估計轉子磁鏈大小於閉迴路啟動方法期間的對應週期性時間點或時間區間的數值。於步驟340的一實施例，在每一個週期性時間點或時間區間(「區間t(n)」)，定子電壓(Vq)先沿q軸施加，然後再以派克轉換(Park transform)估計或計算沿d軸並具有轉子角(θ _s)的轉子磁鏈(φ _d)。

於步驟350，轉子磁通量觀察模組150估計轉子磁鏈大小數值於每個週期性時間點或時間區間相對於馬達10的向量d軸的變化率。於此時間區間(t(n))沿向量d軸的轉子磁通量的變化率(F_d)定義如下：

然而，若將△t設為1，可進一步簡化沿向量d軸的轉子磁通量的變化率：F_d(n)=φ _d (n)-φ _d (n-1)

於步驟360，轉子磁通量觀察模組150根據估計轉子角更新定子角以產生更新馬達控制訊號。當次一時間點或時間區間(「區間t(n)」)的轉子磁鏈大小的變化率的估計值大於前一時間點或時間區間(「區間t(n-1)」)的轉子磁鏈大小的變化率的估計值時，閉迴路控制器100/200可被配置以僅根據週期性估計的轉子磁鏈大小的值產生更新馬達控制訊號。

於一些實施例，當次一時間點或時間區間(「區間t(n)」)的轉子磁鏈大小的變化率的估計值大於前一時間點或時間區間(「區間t(n-1)」)的轉子磁鏈大小的變化率的估計值時，閉迴路控制器100/200可被配置以僅根據週期性估計的轉子磁鏈大小的值產生更新馬達控制訊號。

本發明之閉迴路啟動方法可用於如圖10至圖15所示的具有各種定子繞組配置的同步馬達10。

圖10係同步馬達10的傳統三角形接法以及星形接法(或Y形接法)定子繞組的配置示意圖。圖11係本發明用於圖10所示同步馬達10的閉迴路控制器100/200的三相功率級/電橋160的示意方塊圖。圖4中的閉迴路驅動器100/200的三相電橋模組160的二或多個輸出係具有二或多個於圖11中被標記為「I_A」、「I_B」及「I_C」的感應電流，所述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。通常會選擇感應電流「I_A」及「I_B」供克拉克轉換模組170使用。

與圖10相比，圖12係同步馬達10的定子繞組18的六線配置示意圖，而圖13係本發明具有此種定子繞組配置的同步馬達10的閉迴路控制器100/200的三相功率級/電橋160的示意方塊圖。六線定子繞組配置係源於三個定子繞組18無任何共用連接點，此結構不同於如圖10所示傳統的於至少二個定子繞子18之間具有至少一個共同接點的三角接法或星形接法繞組配置。

圖14係可實現本發明閉迴路啟動方法的同步馬達10的二相定子繞組18的四線配置示意圖。圖15係同步馬達的閉迴路控制器100/200的功率級/電橋160的示意方塊圖，其中感應電流「I_A」及「I_B」被饋入克拉克轉換模組。

本發明的閉迴路啟動方法的基礎原則係，假設定子電壓Vq具有定子角(θ _s)以及實際轉子角(θ _r)且沿同步馬達10的q軸施加於同步馬達10，則沿向量d軸的轉子磁通量(φ _d)可以以下方式取得：φ _d=φ _mcos(θ _r-θ _s)，如圖16所示。

為簡化這些估計值的計算，係假設φ _m=1，而可以得到：φ _d=cos(θ _r-θ _s)。沿向量d軸的轉子磁鏈的變化率(dφ _d/dt)則會是dφ _d/dt=sin(θ _r-θ _s)dφ _r/dt。因此：當θ _r=θ _s，dφ _d/dt=0；當θ _r=θ _s+90°，dφ _d/dt=-dφ _r/dt；當θ _r=θ _s+180°，dφ _d/dt=0；當θ _r=θ _s+270°，dφ _d/dt=+dφ _r/dt。

如圖17所示之順時針轉子旋轉

設θ _rd與θ _sd為對於同步馬達向量d軸的轉子與定子角。

設dθ _rd/dt=k，其中k為常數。

則-k≦dφ _d/dt≦k。

於本發明閉迴路啟動方法，若dφ _d(n)/dt>dφ _d(n-1)/dt，設θ _s=θ _r。

參照圖17與圖18，可以看到(i)於第二與第三象限，θ _s隨θ _r立即更新，而於第一與第四象限，θ _s在轉子以θ _rd=90°旋轉之前皆隨θ _r更新。假設包括轉子磁通量觀察模組150的角度估計模組140準確運轉，對於向量軸d的新的估計角度為θ _rd=90°。因此，θ _sd會被更新為90°，θ _rd會被重置為0°。這個過程於閉迴路啟動方法的期間會週期性地被重複。因為轉子於第一象限以順時針(正確)方向旋轉，轉子於閉迴路啟動程序期間全程加速。因此，反電動勢也增加，且因此改良了整個閉迴路啟動程序期間轉子角估計的正確性。一般來說，即使在k不是常數的時候也是如此。

如圖19所示之逆時針轉子旋轉

設θ _rd與θ _sd為對於同步馬達向量d軸的轉子與定子角。

設dθ _rd/dt=-k，其中k為常數。

則-k≦dφ _d/dt≦k。

參照圖19與圖20，可以看到(i)於第二與第三象限，θ _s隨θ _r立即更新，而於第一與第四象限，θ _s在轉子以θ _rd=270°旋轉以前隨θ _r更新。假設包括轉子磁通量觀察模組150的角度估計模組140準確運轉，對於向量軸d的新的估計角度為θ _rd=270°。因此，θ _sd會被更新為270°，θ _rd會被重置為0°。這個過程於閉迴路啟動方法的期間會週期性地被重複。因為轉子於第四象限以逆時針(錯誤)方向旋轉，轉子會減速，直到轉子自動反轉其轉動的方向的時間點。一般來說，即使在k不是常數的時候也是如此。

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執行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執行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。