1229972 玫、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明低成本直流無刷馬達數位式驅動控制系統是一具 有相當完整性之機電整合裝置，所涉及之技術領域也相當廣 泛，其中包含機械結構、電氣特性、半導體元件利用、磁場 分析、控制策略及微處理器應用等諸多迥然不同之範疇，·雖 然本务明所牽涉技術領域很廣，但其主要在於規劃出一完盖 之機電整合裝置，此裝置以微處理器為其中央驅動控制系統 之核心’並藉由已訂定完整之系統介面建立完整直流無刷馬· 達驅動架構，同時更湘發明中所提出之轉子角度估測器使 其達成低成本數位式驅動控制之目的。 【先前技術】 次2達產業是台灣發展極早的工業之一，此為高度技術與 貧本密集的卫業，因此早期發展甚緩，光復前至民國四十二 年間，為「未開發階段」。民國四十二年至民國五十年間，國籲 内業者方開始逐步投資設備生產小馬力馬達，屬於「低電壓 產品開發階段」。民國五十年至民國六十年間，配合僑外投資. 條例及技術合作條例之頒佈，電機卫業逐漸引進生產技術，. 製造工業用電機產品及家用電器製品’此時開始生產中、大 力率，達屬於「技術引進階段」。民國六十年以後，國内低、 中電壓之電機製品已有穩固基礎，為使電機卫業配合電力發 展的而要’電機工業邁人重電機及高效率電器產品時代，積 極引進重電機產品技術，至目前為止屬於重電機範圍之高電 1229972 壓、大電流或大谷里之馬達製品’國内廠商已建立堅實基礎，.. 成長減缓而漸趨成熟’但於技術層次上較歐、美、日科技先 進國家仍有一段距離。近年來，國内自動化工業蓬勃發展， 對於伺服馬達之需求與日俱增，工研院機械所於七十二年推” 出碳刷式直流伺服馬達驅動器，並技術移轉給國内微鋒科技_ 公司以及新烽公司，並於七十四年起，從事小馬力無刷伺服 馬達及其驅動器之研製，主要應用於事務機器及CNC工具機 的驅動控制應用。 以馬達特性來區分：步進馬達雖易控制，但運轉轉矩不 足，無法提供較大之力矩；直流有刷馬達易於驅動及控制， 但結構上需要碳刷及換相片，長期使用會磨損且需定期保養； 直流無刷馬達之轉子使財久磁鐵，於結構上毋需使用電刷， 並以電氣換流方式取代傳統錢馬達之機械整流方式，且其 控制^同於直流馬達並改善直流馬達結構上之缺點 ，有取 代直^馬達成為小型馬達主流之趨勢。 古a 兒’傳統的旋轉型馬達傳動機構採用間接致動的 a 攝另I而再透過皮▼及齒輪傳動，使用時間一久往往遠 U)輪的耗才貝，且在運轉過程因歯卜 的嗓音，因此直拯叙 予τ θ展土只 動機構通常亦需同==為則研究重點之-。直驅式傳 洗衣機為例，Γ 高轉速之特性，以直驅式 洗衣機脫切^時，練大扭力問減衣物，且於 之特性依II f 0轉於高轉速狀態，然而直流無刷馬達 流無刷:達!2ΓΓ極數量相異而不同’極數多之* "ΠΤ轉矩之特性，但不易達成高轉速控制，而換 6 1229972 [2] Κ· A. Corzine，and S. D. Sudhoff，“A hybrid observer for high performance brushless DC motor drives，” IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 11, pp. 318-323, 1996.
[3] N. Matsui, uSensorless PM brushless DC motor drives,IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 43, pp. 300-308, 1996.
[4] N. Kasa, and H. Watanabe, 6iA mechanical sensorless control system for salient-pole brushless DC motor with autocalibration of estimated position angles/* IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 47, pp. 389-395, 2000.
[5] S. Ogasawara, and H. Akagi, <eAn approach to position sensorless drive for brushless DC motors,,s IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 27, pp. 928-933,1991. 【發明内容】 本發明提出一同時具備高轉矩及高轉速之低成本直流無 刷馬達數位式驅動控制系統，採用多極對直流無刷馬達提高 致動轉矩，並且利用弱磁方式使其能操作在高轉速區域；以 單顆霍爾元件之迴授訊號估測馬達轉子實際位置，計算出速 度控制命令，送往脈寬調變控制器調整送入馬達之電流大小， 再經由電氣隔離電路與智慧型功率半導體送入直流無刷馬 達，最後以實作驗證本發明之可行性。 本發明改善先前技術之原理及對照功效如下： 1·使用單顆霍爾元件迴授訊號為驅動基礎，較傳統需以三顆 霍爾元件訊號驅動更能節省生產成本，且此單顆霍爾元件可 安裝於馬達任一相線圈上，可降低系統組裝複雜度。 2·驅動方法亦採用弱磁方式進行高轉速控制，除可保持多極 對直流無刷馬達之高轉矩特性外，亦可使其操作於高轉速狀 態。 3·採取數位化驅動技術，可將傳統由類比電路產生之驅動訊 8 1229972 號功能以微處理器取代’不僅可大幅降低傳統類比電路體積 且提高系統可靠度，更進一步可增加驅動方式更新設計之便 利性。 4·本裝置利用智慧蜇功率模組使其具有保護功能，當系統發 生過載、欠壓或過流狀況時自動將開關訊號關閉，可防止電 源異常或因過載所造成之誤動作。 【實施方式】 本發明低成本直流無刷馬達數位式驅動控制系統架構如 「圖1」所示，圖中1〇〇微處理器包含1〇1轉子角度估測器、 102驅動訊號產生器、103轉速控制器；由ι〇1轉子角度估測 裔計算出現在馬達轉子位置再由1〇2驅動訊號產生器按照所 a又计之模式送出六個開關訊號，並依照馬達旋轉所需之順序 达入104互鎖電路；1〇4互鎖電路目的在於防止反流器中任一 臂上下兩個功率半導體開關同時導通而短路，以致於對元件 或馬達本體造成不必要損害；馬達轉速由1〇3轉速控制器決 定，100微處理器經過計算再透過103轉速控制電路送出一控 制命令，經由105脈寬調變控制器調整1〇2驅動訊號產生器 所送驅動訊號，控制送入馬達功率多寡；1〇6電氣隔離電路採 用光輕合ϋ，主要避免@反流H中功率半導體開關因共地而 產生短路現象；馬達驅動訊號最後由1〇7智慧型功率模組送 入108直流無刷馬達，1〇7智慧型功率模組内附六組裝ι〇Βτ 且具備驅動放大電路，同時在負載電流超過限 欠壓時可自動將開關訊號關閉，防止在電源不正常浮動或負° 1229972 載發生異常時之誤動作發生；108直流無刷馬達其定子為線圈 繞組共二十四極，内側永磁轉子則有二十極，109單顆霍爾元 件可任意裝設在馬達任何一相，主要功能為傳回100微處理 器中之101轉子角度估測器做馬達轉子實際位置之判斷。 本發明驅動原理建構於傳統六步方波一百八十度導通驅 動機制，一百八十度導通模式意指為半導體開關每間隔一百 八十度導通一次，如圖2三相反流器架構所示，三相反流器 由六個半導體開關及六個飛輪二極體所組成，以α相為例，當 上半臂半導體開關β導通時，β端連接於直流匯流排之正端，® 然而下臂之半導體開關a導通時，端連接於直流匯流排之 負端。每一個週期共有六個切換模式，每個切換模式為六十 度，根據圖2之編號，導通順序為模式一模 式二模式三)—&&&(模式四）—&&&(模式五)— aaa(模式六），其導通訊號波形及線電壓波形如圖3所示， 可產生相差六十度之平衡線電壓訊號。 無刷直流馬達定子上的三相線圈採用γ接型式，根據三$ 相反流器電路架構及γ接馬達内部三相線圈，將導通模式一 至模式六之半導體開關訊號及其導通角度與各相至中性點之. 電壓值關係整理如圖4所示。 向量控制中，控制變數通常以兩相座標軸來加以表示， 在此將圖4所示之馬達内的相電壓4、心以及^轉換至 α-Θ靜止座標上。根據Clarke Transformation可得到α-θ座 標上的電壓值如下： 1229972
三相馬達使用系統中，其電壓、電流、磁通可以透過複 數平面的向量來表示。以定子電壓為例，由於定子線圈採空 間上相隔一百二十度的佈線，因此三相定子電壓可用複數平 面的向量&表示為 K-Kn+aVbn+a2Vc 其中a = 以及a2=e3 ，以向量方式呈現如圖5(a)所示。 原本表示於三相靜止座標系統中的電壓、電流或磁通，亦可 以轉換至α - /?的兩軸垂直靜止座標系統上，其中α軸與α軸 的方向相同，以前面所述之定子電壓為例，其轉換後的關係 式如下：
上式的轉換關係稱為Clarke Transformation，可將原本三個分 量〇，Z?，c)表示的向量，簡化成為只需要兩個向量來表示， 兩軸垂直靜止座標系統關係如圖5(b)所示。經過Clarke Transformation之後，定子相電壓與時間和轉速具有相依性， 為了解決這個問題，同步旋轉座標系統於是被提出，此即為 1229972
Park Transformation。其原理是訂出一個與定子磁場同步旋轉 的正交座標系統（ί/，7)，由於轉子與定子磁場亦是同步旋轉， 假設轉子磁通的位置就是d軸的位置，同步旋轉座標系統如圖 5(c)所示。Θ所代表的角度為轉子磁通％的位置，亦即靜止座 標α-/?與同步旋轉座標之角度差，所以定子電壓於兩個座標 系統上的關係可表示成 vsd =Κα 〇〇^θ + ν8βύηθ vsq =^vsa sin6> + F^cos6> 此時的定子電壓已經不再具有時間與轉速的相依性，因此可 以將馬達模型中的變數做獨立控制。經由上述對座標轉換的 說明，可將圖4之各開關導通模式的相電壓]^、心以及]^ 轉換至7座標上，整理後可得到以座標的開關切換順 序，如圖6所示。 將圖6的六個空間電壓向量，平分在空間中的六個區域， 將圖6之『電壓向量代號』以『導通向量』取代並重新整理， 再制定三個霍爾元件磁極迴授訊號之『迴授向量』，如圖7所 示。依圖7之六步方波六種導通模式分別通電於三相線圈， 於定子内建立起空間磁場向量，對永磁式轉子產生吸力，使 轉子旋轉至所對應之六組霍爾磁極元件迴授向量。將空間磁 場以向量表示如圖8所示，巧至為霍爾元件磁極迴授向量， 黑色實線代表轉子之實際位置，由霍爾元件偵測，整體霍爾 12 1229972 元件迴授向量依照轉子實際位置而變化；（匕至匕）為反流器開 關導通向量，依照反流器開關導通方式出現，此圖中，霍爾 元件磁極迴授向量昃與反流器開關導通向量0重疊，所建立 之空間磁場向量全分配予磁通分量（¢/軸），並無轉矩分量（分 轴）’此時馬達鎖住。 如欲使轉子以逆時針方向旋轉，導通r2反流器開關向量 改變空間所建立之磁場，此時F2建立一磁通分量為1/2P；，磁 通分量為過激磁狀態，並有V^；/2之轉矩分量吸引致動轉子， 使轉子以逆時針方向旋轉，當轉子旋轉超過扇形區I之一半 角度，霍爾元件讀取迴授向量變為，此時利用驅動器再更 改反流器導通向量為匕，使轉子具有1/2匕之轉矩分量，使轉 子繼續以逆時針方向旋轉，直到霍爾元件感測磁場向量為/ί3， 再利用驅動器更改反流器向量為F4，以此類推；操作方法為 在圖8中霍爾元件偵測到迴授向量變為巧時則將反流器導通向 量操作於Ρ；·+1(ζ·=1〜6，，即可使直流無刷馬達以逆時針 方式旋轉。 如欲使轉子以弱磁方式逆時針方向旋轉，當霍爾磁極於 狀態時，導通匕反流器開關向量，改變空間所建立之磁場， 此時Γ3所建立弱磁分量為-G/2，並具有相同λ^Γ,/2之轉矩分 量，操作方法為在圖8中霍爾元件偵測到迴授向量變為巧·時則 將反流器導通向量操作於匕2(卜1〜6，6=5，，使轉 子以逆時針方向旋轉，以此種方式驅動馬達，使馬達運轉於 13 1229972 元件磁極迴授訊號驅動之糸統響應，此二張圖分別將霍爾元 件安裝於不同磁極位置，於五秒時以步進轉速起動，使用步 進轉速帶動馬達五秒後，以遞增轉速規晝轨跡，馬達轉速遞 增至667rpm後定速，由圖可知’雖將霍爾迴授元件安裝於不 同磁極位置，仍可對單霍爾元件直流無刷馬達系統完成驅動 任務，並追隨所設計之轉速軌跡用以驗證本發明所設計低成 本數位式驅動控制系統之可行性。 圖13表示本發明所揭示之低成本直流無刷馬達數位式驅籲 動控制系統操作於轉速5〇〇rpm時實作響應之一實施例，其中 圖13(a)、圖13(b)及圖13(c)分別為單獨U相、V相或W相霍爾 元件磁極迴授訊號驅動之系統響應，在不同磁極霍爾元件迴 授訊號狀況下，依然對馬達加以驅動，並追隨執跡於500rpm， 可見低成本數位式驅動控制系統之適用性。 【圖式簡單說明】 春 圖1 表示本發明所揭示之低成本直流無刷馬達數位式驅 動控制系統架構圖。 100 微處理器 101 轉子角度估測器 102 驅動訊號產生器 103 轉速控制器 104 互鎖電路 105 脈1調變控制器 16 106電氣隔離電路 107智慧型功率模組 108 直流無刷馬達 109單顆霍爾元件 表示本發明所揭示之低成本直流無刷馬達數位式驅 動控制系統之三相反流器架構。 表示本發明所揭示之低成本直流無刷馬達數位式驅 動控制系統之180°導通訊號波形及線間電壓波形。 表示本發明所赫之低縣錢錢4魏位式驅 動控制系統之各導通模式之各相至中性點之電壓 關係。 ⑻表示本發賴揭以低成本直流無刷⑽數位式 驅動控制系統之三相靜止座標系統。 (b)表不本發明所揭示之低成本直流無刷馬達數 驅動控制系統之兩料靜止座標系統關係。 (C)表示本發明所—之低成本直絲刷馬達數位式 驅動控制系統之同步旋轉座標系統轉換。 1 示本發明賴&減本錢錢料數位式驅 空制系統之α-Α座標開關切換順序。 表不本發明所揭低成本直流錢馬達數位式驅 ^控制线之霍_元件雜迴授導通向量對 應關係。 ^ =不本發明所揭示之反流器導通向量與霍爾元件债 測迴授訊號之軸座標圖。 1229972 圖9 表示本發明所揭示之低成本直流無刷馬達數位式驅 動控制系統之單顆霍爾元件順時針方向旋轉開關切 換順序。 圖10 表示本發明所揭示之低成本直流無刷馬達數位式驅 動控制系統之估測半導體開關導通時間示意圖。 圖11 表示本發明所揭示之低成本直流無刷馬達數位式驅 動控制系統之驅動控制程式流程圖。 圖12 表示本發明所揭示之低成本直流無刷馬達數位式驅 動控制系統操作於轉速667rpm時實作響應之一實施 例。 圖13 表示本發明所揭示之低成本直流無刷馬達數位式驅 動控制系統操作於轉速500rpm時實作響應之一實施 例0 18