專利名稱：無感無刷直流電動馬達的控制方法
技術領域：
本發明關于一種無感無刷電動直流馬達(sensorless and brushlessDC motor)的控制。本發明更關于一種具有脈寬調變(pulse widthmodulation，PWM)模式的無感無刷電動直流馬達的控制。
為使馬達可以正確的運作，存在于定子中的磁通量(flux)需呈90領先于轉子，以持續的將轉子向前推動。轉子的運動及磁通量的交替旋轉需保持同步，否則將會使轉子停止旋轉或使效率降低。為使平均電磁力矩(average electromagnetic torque)提高以增加馬達的效率，線圈步進(step)的轉換，即電力換流(electrical commutation)，需根據轉子的位置來控制。馬達偵測轉子的位置后，提供電流至定子。
圖1為變流器供給的三相無感無刷直流電動馬達的概略結構圖。如此自換流模式(self commutation)的BLDC馬達，解決有感無刷電動馬達中，感測器(sensor)因馬達存在的壓縮機中高壓及高溫而降低可靠度及位置偵測電路增加馬達制程的復雜度及大小的問題。借由偵測線圈上的反電動勢(back electromotive force，BEMF)，轉子在特定時間上的位置可予以決定。當驅動電路不提供驅動電流至線圈時，線圈即處于浮動狀態(floating state)，即高阻抗(high impedance)或三向狀態(tri-state)。此時，轉子旋轉造成磁場改變，并于線圈上產生一具及向感應電流的終端電壓(terminal voltage)，是反電動勢(backelectromotive force)，BEMF。無感無刷直流馬達利用一偵測電路，監測線圈中的電壓差。當轉子磁極經過浮動電樞線圈的中央時，BEMF的正負號會改變。而其中電壓為零的時間點即為一跨零點(zero-crossingpoint，ZCP)。BEMF的ZCP提供轉子在特定時間點上瞬間位置的資訊。根據此資訊，經一特別的角度，通常為ZCP后30°或90°的電子角度(electrical degree)后換流(轉換至下一線圈)。三相定子其中兩相具有相同BEMF時進行換流，可達成最佳功效。如圖2所示，換流瞬間(commutation instants)發生在時間點t0，t1，t2，t3，t4及t5上。將BEMF跨零點延遲30°+K*60°(K＝0，1，2…)電子角即為換流進行時間，即換流瞬間。
換流期間，無可避免的會因馬達線圈的回掃(flyback)電流而產生一大幅電壓轉換。請參閱圖3，為一如圖1對稱BLDC馬達的等效電路中A相終端電壓的波形圖。時段t0-t1剛開始時，半導體開關Qa-關閉(參閱圖1)，A相呈浮動狀態。然而，電流ia仍因感應元件的存在而持續增加流過二極體Da+，為一回掃電流(flyback current)。在ia呈零之前有一瞬間，所有相皆導通電流，Va等于Udc。此一瞬間稱為換流瞬間，且造成終端電壓的回描脈沖(flyback impulse)。這些回描脈沖越過零而易產生錯誤的跨零指標。
當變流器在PMW(pulse width modulation，脈種頻寬調變)模式下操作時，將有另一個問題產生。PMW變流器的操作方法分別四象限斷續(4-quadrant chopping)及二象限斷續(2-quadrant chopping)。以高電位側斷續模式(high-side chopping mode)的二象限斷續為例，低電位側開關在120°間隔呈開啟狀態，而高電位側開關則根據脈沖信號做開關。而低電位側斷續模式(low-side chopping model)的二象限斷續的操作則為相反的，即高電位側開關在120°間隔呈開啟狀態，而低電位側開關則根據脈沖信號做開關。PWM斷續造成多重零值的穿越，而顯示錯誤的假象跨零指標。圖5為一高電位側斷續模式中變流器終端電壓的脈波圖。其中顯示整流瞬間及PWM斷續效應。由圖中可知，應有一額外的方法以將假象跨零濾除。
現有的過濾偵測法有(1)將BEMF在預設的偵測時間上轉換為線性驅動；及(2)在PWM開關的同時對BEMF做采樣。通常PWM斷續頻率不足以達到定子輸入無刷直流馬達的基本頻率時。因此上述的偵測方法具有的缺點為，方法(1)將BEMF在預設的偵測時間上轉換為線性驅動上的線性回路的穩定需較長的時間，并會產生額外的電流波紋(current ripple)，而方法(2)在PWM開關的同時對BEMF做采樣，將一并偵測到抖動現象并需復雜的硬體開關或軟體作業。
在本發明提供的方法中，定子線圈所感應的BEMF被用來表示換流瞬間。這可利用一濾波器及軟體補償，將BEMF的ZCP相位轉移(phase-shifting)90°電子角來達成。利用位降邊界偵測法(falling edgedetection)掩蓋PWM斷續及換流雜音。
根據本發明精神的所提出的多相無刷電動直流馬達具有一控制裝置，該馬達其中一相處于高阻抗狀態以測量其BEMF，而另一相被供以一PWM信號。該控制裝置包含一比較器，以產生BEMF的ZCP，及一衍生轉子資訊的裝置，其偵測位降邊界(或以低電位側斷續來說為位升邊界)的跨零點。
為達到上述的目的，本發明提出一種控制方法，用以控制一以復數線圈構成，且具有復數相(phase)的無感無刷直流馬達，其中，該馬達操作于脈寬調變模式(pulse width modulation，PWM)以執行連續的換流(commutation)，該馬達并包含一具有復數高電位側半橋及低電位側半橋(high-side bridge and low-side bridge)的變流器(inverter)及一反電動勢(back electromotive force，BEMF)跨零點偵測電路(zero-crossing points detecting circuit)，該方法包含由該BEMF跨零點偵測電路產生的復數轉子位置信號中，偵測一位降邊界(fallingedge)；當偵測到該位降邊界時，記錄該位降邊界發生的時間點，計算接下來換流的延遲值，以分別設定該高電位側半橋換流及低電位側半橋換流的時間；決定是否已到達該高電位側半橋換流的時間；當決定到達該高電位側半橋換流的時間時，執行該高電位側半橋換流，電流由該等線圈中的一對轉換至另一對；決定是否已到達該低電位側半橋換流的時間；及當到達該低電位側半橋換流的時間時，執行該低電位側半橋換流，電流由該等線圈中的一對轉換至另一對。
為達到上述的目的，本發明更提出一區辨轉子位置信號組態(statecomposition)轉換的位降邊界偵測步驟，包含決定于一第一時間上，該轉子位置信號的一狀態組合是否符合一察表中的一轉換前狀態組合；如果該轉子位置信號的一狀態組合符合該察表中的一轉換前狀態組合，將該狀態組合記錄為一第一時間的原始狀態組合；偵測一第二時間上，該轉子位置信號的狀態組合，并將該第二時間的狀態組合記錄為一現時狀態組合；決定該原始狀態組合及該現時狀態組合間的狀態組合轉換是否符合該察表中的一狀態組合轉換；及當該原始狀態組合及該現時狀態組合間的狀態組合轉換符合該察表中的一狀態組合轉換時，顯示一位降邊界事件的發生。
圖號說明DC移除電路-2；
比較器-4；低通濾波器-6；變流器-100；BLDC馬達-110；濾波器-120；跨零比較器-130；數字控制器-140；位降邊緣偵測器-150；速度計算及調整器-160；延遲時間補償裝置-170；換流邏輯運算裝置-180。
圖6中的低通濾波器6由圖7顯示的電路所構成。該電路適用于5kHz的PWM頻率及15-210Hz的定子電流頻率。由電阻R1及R2所構成的電阻網絡用于分散具有高額定電壓(high voltage rate)的終端電壓，而使適用低電壓額定的電容C1及C2可正常運作。圖7所示電路的位相/頻率特性顯示于圖8中。如圖所示，于正常自換流模式中的BLDC馬達，受濾波器影響而位相移動約30°到90°之間。
如上所述，BEMF的換流瞬間為ZCP后延遲30°+K*60°(K＝0，1，2…)。當K＝1時，將會有90°的位相移動。BLDC馬達的定子電流頻率f經濾波器相位移動后，仍需另外相位移動補償約90°左右。
PWM反相器供應BLDC馬達的終端電壓以圖6及圖7的BEMF跨零偵測電路處理的結果如圖9所示。頻道1為相A的終端電壓；頻道2為濾波后的訊號；頻道3為輸出信號Sa。
濾波后的信號并未將PWM斷續成分完全消除。因斷續頻率(5Hz)及定子電流頻率(15-210Hz)間的頻率范圍相對上較小，圖7被動形態的濾波器未能完全達到消除的作用。因此，濾波信號上升側仍會有誤導換流瞬間偵側的跨零點。另一方面，由于位相移動的效果，轉子位置信號中位降邊界較為可靠。因此，本發明提出一不對稱偵測法，運用位降邊界的表示，準確的決定換流瞬間。首先，由三位相上的轉子位置信號中偵測一位降邊界。經過一90°的位相移動，于變流器的高電位側執行一對應的換流。接著經過一60°的額外延遲，執行一低電位側換流。此高電位側及低電位側的整流順序可視需要而交換調整。于第二次換流完成后，重新偵測一新位降邊界的發生，以進行下一組的整流。此換流的方法顯示于圖10中。
請參閱圖10，當于位相A轉子位置信號Sa中偵測到一位降邊界時，需依續對高電位側的Qb+，Qc+及低電位側的Qa-，Qb-進行換流。其中，Qb+Qc+表示將Qb+關閉，Qc+開啟；Qa-Qb-表示將Qa-關閉，Qb-開啟。當于位相B轉子位置信號Sb中偵測到一位降邊界時，需依續對高電位側的Qc+，Qa+及低電位側的Qb-，Qc-進行換流。其中，Qc+Qa+表示將Qc+關閉，Qa+開啟；Qb-Qc-表示將Qb-關閉，Qc-開啟。當于位相C轉子位置信號Sc中偵測到一位降邊界時，需依續對高電位側的Qa+，Qb+及低電位側的Qc-，Qa-進行換流。其中，Qa+Qb+表示將Qa+關閉，Qb+開啟；Qc-Qa-表示將Qc-關閉，Qa-開啟。
轉子位置信號中的位降邊界可由轉子位置信號的組合狀態(composition state)的轉換而偵測。此偵測的原理請參閱圖11及圖12。
在圖11中，頻道1為由圖6的偵測電路中輸出的A相轉子位置信號Sa，頻道2為由對應的B相轉子位置信號Sb，頻道3為C相轉子位置信號Sc。圖12中的6個符號110，010，011，001，101及100代表6種轉子位置信號的狀態組合(state composition)。其中110代表Sa為高電位狀態，Sb為高電位狀態，Sc為低電位狀態；010代表Sa為低電位狀態，Sb為高電位狀態，Sc為低電位狀態；011代表Sa為低電位狀態，Sb為高電位狀態，Sc為高電位狀態；001代表Sa為低電位狀態，Sb為低電位狀態，Sc為高電位狀態；及101代表Sa為高電位狀態，Sb為低電位狀態，Sc為高電位狀態。
如圖11所示，當信號Sa的位降邊界出現時，轉子位置信號的狀態組合由110轉換為010。因此，借由辨識此“110”至“010”的狀態組合轉換，相A轉子位置信號中位降邊界能準確的被偵測。因此，由“110”轉換至“010”的狀態為A相的有效狀態組合轉換，而由“110”轉換至其他的狀態組合，如“001”則為無效的轉換。
相似的，當信號Sb的位降邊界出現時，轉子位置信號的狀態組合由011轉換為001。由“011”至“001”稱為B相的有效狀態組合轉換。當信號Sc的位降邊界出現時，轉子位置信號的狀態組合由101轉換為100。由“101”至“100”稱為C相的有效狀態組合轉換。請參考圖12其中，“110-010”代表狀態組合由“110”轉換至“010”。同樣的“011-001”及“101-100”代表狀態組合的轉換。
轉子位置信號的狀態組合可以數種不同的方法偵測。本發明于下提供其中兩種以供參考。
(1)本發明為區辨轉子位置信號組態轉換而提出位降邊界偵測的步驟，該驟包含，決定于一第一時間上，該轉子位置信號的一狀態組合是否符合一察表(如圖12)中的一轉換前狀態組合；如果該轉子位置信號的一狀態組合符合該察表中的一轉換前狀態組合，將該狀態組合記錄為一第一時間的原始狀態組合；偵測一第二時間上，該轉子位置信號的狀態組合，并將該第二時間的狀態組合記錄為一現時狀態組合；決定該原始狀態組合及該現時狀態組合間的狀態組合轉換是否符合該察表中的一狀態組合轉換；及當該原始狀態組合及該現時狀態組合間的狀態組合轉換符合該察表中的一狀態組合轉換時，顯示一位降邊界事件的發生。
(2)本發明為區辨轉子位置信號組態轉換而提出另一位降邊界偵測步驟，該步驟包含，設定對應于一第一時間上轉子位置信號狀態組合的位相；由一察表中找出對應于該第一時間位相標號狀態組合的一預期狀態組合；于一第二時間上，偵測該轉子位置信號的狀態組合，并將該第二時間的狀態組合儲存為一現時狀態組合；比較該預期狀態組合及該現時狀態組合；及當該現時狀態組合符合該預期狀態組合，顯示一位降邊界事件的發生。
根據上述轉子位置信號位降邊界的偵測方法，本發明提出一無感BLDC馬達，其概略結構顯示于圖13中。請參閱圖13，標號100代表一變流器，以電源半導體(power semiconductor)構成。其類似習知變流器，以六個開關，如絕緣閘雙極性電晶體(insulated gate bipolartransistor，IGBT)或電源金氧半導場氧化電晶體(power metal-oxide-semiconductor field-oxide-transistor，power MOSFET)六個二極體所構成。其中，每兩個二極體反相串聯耦接于一高電位電源線及一低電位電源線間，且各二極體與其對應的開關耦接并連。標號110代表一BLDC馬達，由三相星形(three-phase star)電框線圈及永久磁鐵轉子所構成，如圖1所示。
如圖13所示，標號120的濾波器及130的跨零比較器構成一轉子位置偵測裝置(如圖6中BEMF跨零點偵測電路)。轉子位置偵測裝置接受由BLDC馬達110輸入的三相終端電壓信號Vx(Va，Vb，Vc)，并輸出三相轉子位置信號Sx(Sa，Sb，Sc)。
在圖13中，標號140代表一數字控制器，以做為一換流信號產生裝置。數字控制器140處理該轉子位置信號后，輸出六個換流信號至變流器100。數字控制器140由一位降邊緣偵測器150，一速度計算及調整器160，延遲時間補償裝置170及一換流邏輯運算裝置180所構成。數字控制器140用以使本發明的BLDC馬達110，根據圖14的方法流程進行換流操作。
圖14的控制方法為周期性的中斷服務常式(periodic interruptservice routine)。步驟S200，首先偵測三相轉子位置信號，決定位降邊界是否存在。此可由依序讀取圖6偵測電路輸出的轉子位置信號，并將分別將該等信號與其前的信號配對成形成各位置信號的狀態轉換。將此偵測的狀態轉換與圖12的察表做比較。如果一偵測的狀態轉換符合圖12中的狀態轉換，表示測得位降邊界的發生，執行步驟S210。在步驟S210中，設定數項引數(argument)，以供后續的換流做準備。首先，儲存下降邊界時間(edge_instant)。儲存該下降邊界發生位相(detectedphase_no)。接著，計算位相移動補償值(phase-shift compensation)，并設定延遲時間(delay_time)。在此，位相移動時間為移動90°所需的時間，可添寫一子程式定義。最后，設定高電位側換流時刻(Hi_comm_instant)及低電位側換流時刻(Lo_comm_instant)。高電位側換流時刻為下降邊界時間(edge_instant)加上延遲時間(delay_time)。低電位側換流時刻為高電位相換流時刻(Hi_comm_instant)加上60°延遲時間(delay_time)。此換流步驟亦可先進行低電位側換流，再進行高電位側換流。
值得注意的是，換流的動作并不會馬上發生于步驟S210(緊接于位降邊界的偵測)后。因此，在換流設定的工作完成后，此中斷服務常式即結束，以預備下一偵測常式。
當偵測不到位降邊界時，執行步驟S220，決定是否到達高電位相換流時刻(Hi_comm_instant)。如果為是，執行步驟S230，進行高電位側換流，如果為否，執行步驟S240，決定是否到達低電位側換流時(Lo_comm_instant)。當到達低電位側換流時刻(Lo_comm_instant)時，執行步驟S250，進行低電位側換流。
權利要求
1.一種無感無刷直流電動馬達的控制方法，用以控制一以復數線圈構成，且具有復數相(phase)的無感無刷直流馬達，其中，該馬達操作于脈寬調變模式(pulse width modulation，PWM)以執行連續的換流(commutation)，該馬達并包含一具有復數高電位側半橋及低電位側半橋(high-side bridge and low-side bridge)的變流器(inverter)及一反電動勢(back electromotive force，BEMF)跨零點偵測電路(zero-crossing points detecting circuit)，該方法包含由該BEMF跨零點偵測電路產生的復數轉子位置信號中，偵測一位降邊界(falling edge)；當偵測到該位降邊界時，記錄該位降邊界發生的時間點，計算接下來換流的延遲值，以分別設定該高電位側半橋換流及低電位側半橋換流的時間；決定是否已到達該高電位側半橋換流的時間；當決定到達該高電位側半橋換流的時間時，執行該高電位側半橋換流，電流由該線圈中的一對轉換至另一對；決定是否已到達該低電位側半橋換流的時間；及當到達該低電位側半橋換流的時間時，執行該低電位側半橋換流，電流由該線圈中的一對轉換至另一對。
2.根據權利要求1所述的無感無刷直流電動馬達的控制方法，其特征在于該BEMF跨零點偵測電路包含至少一組被動濾波器及跨零比較器(zero-crossing point comparator)。
3.根據權利要求1所述的無感無刷直流電動馬達的控制方法，其特征在于該高電位側半橋換流時間的設定為將該位降邊界發生的時間加上該換流的延遲值，該低電位側半橋換流時間點的設定為將該高電位換流時間點加上該換流的延遲值。
4.根據權利要求1所述的無感無刷直流電動馬達的控制方法，其特征在于該換流的延遲值為60°電子角度。
5.根據權利要求1所述的無感無刷直流電動馬達的控制方法，其特征在于該位降邊界的偵測為區辨該轉子位置信號組態(statecomposition)轉換的步驟，包含決定于一第一時間上，該轉子位置信號的一狀態組合是否符合一察表中的一轉換前狀態組合；如果該轉子位置信號的一狀態組合符合該察表中的一轉換前狀態組合，將該狀態組合記錄為一第一時間的原始狀態組合；偵測一第二時間上，該轉子位置信號的狀態組合，并將該第二時間的狀態組合記錄為一現時狀態組合；決定該原始狀態組合及該現時狀態組合間的狀態組合轉換是否符合該察表中的一狀態組合轉換；及當該原始狀態組合及該現時狀態組合間的狀態組合轉換符合該察表中的一狀態組合轉換時，顯示一位降邊界事件的發生。
6.根據權利要求1所述的無感無刷直流電動馬達的控制方法，其特征在于該位降邊界的偵測為區辨該轉子位置信號狀態組合(statecomposition)轉換的步驟，包含于一第一時間上，設定對應于該轉子位置信號的一狀態組合的位相；由一察表中找出對應于該第一時間位相標號狀態組合的一預期狀態組合；于一第二時間上，偵測該轉子位置信號的狀態組合，并將該第二時間的狀態組合儲存為一現時狀態組合；比較該預期狀態組合及該現時狀態組合；及當該現時狀態組合符合該預期狀態組合，顯示一位降邊界事件的發生。
7.一種無感無刷直流電動馬達的控制方法，用以控制一以復數線圈構成，且具有復數相(phase)的無感無刷直流馬達，其中，該馬達操作于脈寬調變模式(pulse width modulation，PWM)以執行連續的換流(commutation)，該馬達并包含一具有復數高電位側半橋及低電位側半橋(high-side bridge and low-side bridge)的變流器(inverter)及一反電動勢(back electromotive force，BEMF)跨零點偵測電路(zero-crossing points detecting circuit)，該方法包含由該BEMF跨零點偵測電路產生的復數轉子位置信號中，偵測一位降邊界(falling edge)；當偵測到該位降邊界時，記錄位該降邊界發生的時間點，計算接下來換流的延遲值，以分別設定該低電位側半橋換流及高電位側半橋換流的時間；決定是否已到達該低電位側半橋換流的時間；當到達該低電位側半橋換流的時間，執行該低電位側半橋換流，電流由該線圈中的一對轉換至另一對；決定是否已到達該高電位側半橋換流的時間；及當到達該高電位側半橋換流的時間，執行該高電位側半橋換流，電流由該線圈中的一對轉換至另一對。
8.根據權利要求7所述的無感無刷直流電動馬達的控制方法，其特征在于該BEMF跨零點偵測電路包含至少一組被動濾波器及跨零比較器(zero-crossing point comparator)。
9.根據權利要求7所述的無感無刷直流電動馬達的控制方法，其特征在于該低電位側半橋換流時間的設定為將該位降邊界發生的時間加上該換流的延遲值，該高電位側半橋換流時間點的設定為將該低電位整流時間點加上該換流的延遲值。
10.根據權利要求7所述的無感無刷直流電動馬達的控制方法，其特征在于該換流的延遲值為60°電子角度。
11.根據權利要求7所述的無感無刷直流電動馬達的控制方法，其特征在于該位降邊界的偵測為區辨該轉子位置信號組態(statecomposition)轉換的步驟，包含決定于一第一時間上，該轉子位置信號的一狀態組合是否符合一察表中的一轉換前狀態組合；如果該轉子位置信號的一狀態組合符合該察表中的一轉換前狀態組合，將該狀態組合記錄為一第一時間的原始狀態組合；偵測一第二時間上，該轉子位置信號的狀態組合，并將該第二時間的狀態組合記錄為一現時狀態組合；決定該原始狀態組合及該現時狀態組合間的狀態組合轉換是否符合該察表中的一狀態組合轉換；及當該原始狀態組合及該現時狀態組合間的狀態組合轉換符合該察表中的一狀態組合轉換時，顯示一位降邊界事件的發生。
12.根據權利要求7所述的無感無刷直流電動馬達的控制方法，其特征在于該位降邊界的偵測為區辨該轉子位置信號狀態組合(statecomposition)轉換的步驟，包含于一第一時間上，設定對應于該轉子位置信號的一狀態組合的位相；由一察表中找出對應于該第一時間位相標號狀態組合的一預期狀態組合；于一第二時間上，偵測該轉子位置信號的狀態組合，并將該第二時間的狀態組合儲存為一現時狀態組合；比較該預期狀態組合及該現時狀態組合；及當該現時狀態組合符合該預期狀態組合，顯示一位降邊界事件的發生。
全文摘要
一種控制系統，利用脈寬調變模式(PWM)調整具有復數線圈的無感無刷電動直流馬達的速度，及一混成方法，用以精確的偵測無感轉子的位置；其中定子線圈所感應的反電動勢BEMF被用來表示換流瞬間，并配合位降邊界偵測法(falling edge detection)掩蓋PWM斷續及換流雜音；依據上述控制方法，本發明并提供一控制裝置以控制多相無刷電動直流馬達，馬達其中一相處于高阻抗狀態以測量其BEMF，而另一相被供以一PWM信號；該控制裝置包含一比較器，以產生BEMF的跨零點(zero－crossing point，ZCP)，及一衍生轉子資訊的裝置，其偵測位降邊界的跨零點。
文檔編號H02P6/18GK1411134SQ0212702
公開日2003年4月16日 申請日期2002年7月26日 優先權日2001年9月28日
發明者吳志敢, 王進, 應建平 申請人:臺達電子工業股份有限公司