TWI549417B - 永磁交流馬達的轉子位置估測方法、永磁伺服馬達系統，以及電腦程式產品 - Google Patents

Description

永磁交流馬達的轉子位置估測方法、永磁伺服馬達 系統，以及電腦程式產品

本發明是有關於一種永磁交流馬達的轉子位置估測方法，特別是指一種可針對實際轉角位置落在0、90、180或270度的永磁交流馬達的轉子位置估測方法。

目前使用安裝編碼器的永磁交流馬達時，在啟動之前，現有技術會在馬達施加一預設的對正電流，將馬達轉子從任意位置旋轉至驅動器設定的初始位置完成對正動作。另一技術是利用一個微弱的d軸電流使馬達產生微小幅度的移動，透過檢測器讀取位置誤差及速度誤差。並且利用一比例與積分控制器，使驅動器設定的轉子初始位置值能夠逐漸收斂。上述兩種技術的缺點是轉子需轉動以利驅動器設定初始位置，在某些特殊應用上不可行。另有高頻注入法搭配極性偵測等已知技術可檢測0或180度位置情況。

然而，「凸極效應」(saliency)是永磁交流馬達的一個 電機週期裡具有兩個正弦波的變化，因此實際應用上額外多出90或270度需要檢測，目前並無準確估測當實際轉子位置落在0、90、180或270度四種狀況的技術。

因此，本發明之其中一目的，即在提供一種解決先前技術問題的永磁交流馬達的轉子位置估測方法。

於是，本發明的轉子位置估測方法在一些實施態樣中應用於一具有凸極效應的永磁伺服馬達並用以產生該永磁伺服馬達的一估測轉子位置。該永磁伺服馬達系統具有一控制模組，該控制模組用以估測該永磁伺服馬達的一估測轉子位置，該控制模組先對該永磁伺服馬達的轉子進行一初始位置判定以輸出一參考位置，若該參考位置是位於零之正負誤差角度範圍內則執行一區間偵測程序以判定該估測轉子位置是位於0、90、180或270度之正負誤差角度範圍內；若該參考位置超出零之正負誤差角度範圍則執行一極性偵測程序以判定該參考位置是否與馬達實際轉子位置有180度的誤判情況。

本發明永磁伺服馬達系統在一些實施態樣中，永磁伺服馬達系統執行所述方法。

本發明電腦程式產品在一些實施態樣中，當電腦載入該電腦程式並執行後，可完成所述方法。

本發明至少具有以下功效：基於永磁交流馬達的凸極特性，本發明提供一次性估測初始位置位在何種極性位置的技術，無需使用任何位置感測器而且可使轉子快速定位，不但可減低元件成本且可提升作業效能。

1‧‧‧控制模組

101‧‧‧處理單元

102‧‧‧區間偵測程序單元

103‧‧‧極性偵測程序單元

11‧‧‧切換開關

111‧‧‧第一切換單元

112‧‧‧第二切換單元

113‧‧‧第三切換單元

100‧‧‧馬達控制系統

11‧‧‧帶通濾波器

12‧‧‧低通濾波模組

13‧‧‧位置估測器

2‧‧‧速度控制器

3‧‧‧電流控制器

4‧‧‧高頻電壓注入器

5‧‧‧同步軸/三相轉換器

6‧‧‧PWM變流器

7‧‧‧永磁交流馬達

8‧‧‧電流偵測器

9‧‧‧三相/同步軸轉換器

S1~S5、S301~S314、401~S408‧‧‧步驟

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖公式的實施方公式中清楚地呈現，其中：圖1是應用本發明永磁交流馬達初始極性估測方法的馬達控制系統之系統方塊圖；圖2是圖1的處理單元的電路方塊圖；圖3是圖2的兩種位置估測器之實施例的控制方塊圖；圖4是電流誤差信號i_err對角度變化特性圖；圖5是本發明永磁交流馬達初始極性估測方法之實施例的流程圖；圖6是如圖5的區間偵測程序之詳細流程圖；圖7是馬達靜止於實際轉子位置於一百八十度，轉子位置估測實驗過程的相關波形；圖8是馬達靜止於實際轉子位置於九十度，轉子位置估測實驗過程的相關波形； 圖9是馬達定子繞組電感飽和特性圖；圖10是極性偵測程序之詳細流程圖；圖11是馬達實際轉子位置為七十度轉角靜止並完成估測，以閉迴路控制加速至200rpm的波形；圖12是馬達實際轉子位置為一百八十度轉角靜止並完成估測，以閉迴路控制加速至200rpm的波形；圖13是在d軸加入脈衝電壓，d軸電流的峰值與轉角之間的關係。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。需事先說明的是，本實施例內容有加「*」的符號為命令值，有加「^」符號為估測值，沒有加「*」或「^」的符號為實際值。

一、控制系統

參閱圖1，本發明之實施例係應用於一具有凸極效應的馬達控制系統100。

馬達控制系統100具有一控制模組1、一速度控制器2、一電流控制器3、一高頻電壓注入器4、一同步軸/三相(dq-frame/three-phase)轉換器5、一PWM變流器6、一永磁交流 馬達7、一電流偵測器8及一三相/同步軸轉換器9。

本實施例中，控制模組1係採用型號TMS320F28335的DSP控制器，且控制模組1具有一處理單元101、一區間偵測程序單元102、一極性偵測程序單元103、一切換開關、一第一切換單元111、一第二切換單元112及一第三切換單元113。

速度控制器2依據處理單元101輸出之速度命令，而產生電流命令及。電流控制器3是一個比例積分調節器，接收電流命令及並產生電壓命令及。

同步軸/三相轉換器5及三相/同步軸轉換器9是向量控制的座標變換，主要是將轉子磁場導向同步軸座標系下的d軸和q軸電壓變換為定子三相的電壓。

永磁交流馬達7之實施態樣可以為一種內藏式永磁(IPM)馬達，其他實施例也可以是一種表面式永磁(SPM)馬達。內藏式永磁馬達包括一轉子及一定子，轉子具有一導磁材料的結構、數個鑲嵌於導磁結構中的磁極，藉此形成數個N-S相間隔的磁極。定子具有一中空環狀的鐵芯、繞在鐵芯上的定子繞組，及自定子繞組延伸出的三相輸出線。轉子設置在定子中且與定子有很小間隙而可自由旋轉。

同步軸/三相轉換器5接受一由電流控制器3產生的q軸電流控制電壓以及一經由高頻電壓注入器4注入的一高頻弦波電 壓而產生的d軸電流控制電壓，然後，同步軸/三相轉換器5的座標轉換得到三相電壓、、，接著PWM變流器6根據三相電壓、、產生電流i_a、i_b、i_c以輸出到永磁交流馬達7的定子繞組以進行控制。

電流偵測器8檢測PWM變流器6輸出至永磁交流馬達7的兩相定子電流i_a、i_b。三相/同步軸轉換器9是將電流偵測器8檢測到的兩相定子電流i_a、i_b變換到轉子磁場導向同步軸座標系下之d軸和q軸的電流及。

處理單元101用以接收三相/同步軸轉換器9輸出之電流，並計算一參考位置，以進行兩種控制模式，一種控制模式是當參考位置在零之正負誤差角度範圍內時，設定第一切換單元111、第二切換單元112及第三切換單元113為位置1，也就是經由區間偵測程序單元102處理；另一種控制模式是當參考位置在零之正負誤差角度範圍以外時，設定第一切換單元111、第二切換單元112及第三切換單元113為位置0，也就是經由極性偵測程序單元103處理。最後，兩種控制模式產生的一估測轉子位置提供同步軸/三相轉換器5及三相/同步軸轉換器9。

二、參考位置 的計算方式

馬達控制系統100於轉子軸的電壓方程公式可以表示如下。

其中、及、分別為轉子軸q-d電壓及電流項，r _s 為定子電阻，L _qs 、L _ds 分別為q軸及d軸定子繞組電感，ω _r 為轉子轉速，p則為微分符號。利用公式(1)的數學模型可以推導出馬達的高頻數學模型，高頻的電壓方程公式可以改寫為公式(2)。

其中ω _h 為注入高頻訊號之頻率，下標有’i’者為高頻項。當高頻訊號的頻率遠大於轉子頻率時，公式(2)可改寫為

公式(3)的定子軸電流可以表示為

接著將轉子軸電壓轉換到估測之轉子軸上，經整理後可得到

公式(5)中△θ _r =θ _r -，其中△θ _r 為誤差角度，θ _r 為實際轉角，為估測轉角。再將公式(5)中的定子軸高頻電流項也轉至估測轉子軸上，可以得到

將公式(6)合併整理後，其估測轉子軸的高頻電流可以表示為

公式(7)中，L ₁=(L _qs +L _ds )/2,L ₂=(L _qs -L _ds )/2。本發明使用脈動電壓注入法，注入的高頻電壓如公式(8)。

將公式(8)代入公式(7)後整理可得公式(9)。

由公式(9)可以發現，估測轉子q軸及d軸電流均隱含有轉角的資訊，但在解調過程中，選用估測轉子q軸電流進行解調。

參閱圖2，高頻脈動電壓注入電壓振幅為10V，注入頻率為600Hz。處理單元101具有一帶通濾波器11、一低通濾波模組12及一位置估測器13。電流偵測器8感測永磁交流馬達7的電流並提供給帶通濾波器11，此電流含有一低頻成分及一高頻成分，帶通濾波器11取出高頻成分經訊號處理過後，低通濾波器12取出低頻成分，透過位置估測器13收斂後可以得到估測速度及參考位置 。估測速度命令會含有較大的雜訊，因此可利用低通濾波模組12將雜訊濾除。

利用帶通濾波器11將估測轉子q軸高頻電流取出，接著乘上sin(ω_it)信號作積化和差，結果如公式(10)。

利用低通濾波模組12可取出隱含有轉角資訊的誤差訊號i_err，誤差訊號i_err可以表示為公式(11)。

假設△θ _r 0時，可以進一步化簡為公式(12)。

公式(12)中的Kerr為誤差參數，當輸入電壓的大小與頻率固定時Kerr亦為定值。

經解調過後，公式(12)得到的i_err為一含有角度資訊的誤差訊號，接著利用位置估測器13可以將i_err收斂至零並估測轉角之參考位置。

參閱圖3A，本實施例之位置估測器13可以為PI形公式，參閱圖3B，位置估測器13’亦可以為加入轉矩前饋的PID形公式，兩者皆能有效的估出參考位置，但在馬達轉速的估測上卻會有雜訊問題，因此將估測速度帶回速度控制之前可以利用低通濾波 單元將雜訊濾除。設計低通濾波單元時必須注意其截止頻率，若太高會使雜訊濾除的能力降低，若太低則速度控制器會因為低通濾波單元的關係造成過大的相位落後，最後導致整體系統不穩定。

本實施例採用簡單的PI形公式估測器做轉子之參考位置及參考速度的估測，其轉移函數如公式(13)。

三、估測轉子位置 之計算原理

參閱圖4，永磁交流馬達7的「凸極效應」在一個電機週期裡具有兩個正弦波的變化，利用高頻注入法雖然可以估測出馬達的轉角資訊(參考位置)，但是由於解調後隱含有轉角資訊的位置誤差信號在一個轉角周期T內會出現兩個周期的弦波變化，因此在初始的參考位置可能會有一百八十度的誤差。另外一個問題是若實際轉子位置θ _r 在零度、九十度、一百八十度、二百七十度附近時，由於此時i_err很小，可能使位置估測器13之計算結果無法收斂，顯示參考位置皆為零度。經由實驗，若實際轉子位置θ _r 在這四個角度的大約正負五度範圍之外(如位置P1、P2)都沒有問題，但若實際轉子位置θ _r 在零度、九十度、一百八十度、二百七十度大約正負五度範圍之內(如位置P3、P4)則無法收斂，顯示參考位置皆為零度。

本發明提出的解決方法是，若顯示估測出來的參考位置為零度之正負五度區間之內時，使用區間偵測程序；若參考位置位於零度之正負五度區間之外時，則使用極性偵測程序，透過注入雙脈衝電壓來判別轉子的極性。

參閱圖5，為永磁交流馬達初始極性估測方法之流程，控制模組1用以估測該永磁交流馬達7的轉子的一參考位置(步驟S1)，並判斷該參考位置是否在正負五度之範圍內(步驟S2)，若未超出正負五度之範圍則執行一區間偵測程序(步驟S3)，若超出正負五度之範圍則執行一極性偵測程序(步驟S4)，最後輸出估測轉子位置(步驟S5)。

須注意的是，不論是區間偵測程序或極性偵測程序，都只需在馬達控制系統100通電之後執行一次即可。

四、區間偵測程序

區間偵測程序的原理是先注入振幅為V₁的兩個電壓向量V_1c0及V_1c90來偵測轉子區間，接著再選擇性的注入振幅為V₂的某一組電壓向量，可能為V_2c0及V_2c180一組或者V_2c90及V_2c270一組來進行極性的修正。因為觀察到零度、一百八十度附近的定子繞組電感都會小於九十度、二百七十度附近的定子繞組電感，因此透過V_1c0及V_1c90，可以得知轉角是在零度、一百八十度區間或九十度、二百七十度區間。另外為了避免注入V_1c0及V_1c90時馬達轉矩過大 導致轉動，電壓振幅V₁遠小於V₂，而V₂是為了使鐵心飽和，故需要注入較大的電壓振幅，且由於區間已修正，參考軸移至正確的q、d軸，所以產生的轉矩很小馬達不會轉動。

參閱圖6，步驟S3之區間偵測程序包含以下子步驟。

設定一第一修正角度之變數及一第二修正角度之變數(步驟S301)，先對V_iddc注入一第一振幅的零度修正電壓V_1c0以產生一零度的第一電流I_1c0，接著對V_idqc注入一九十度修正電壓V_1c90以產生一九十度的電流I_1c90(步驟S302)。

判斷該零度的第一電流I_1c0之絕對值是否大於該九十度的電流I_1c90之絕對值(步驟S303)，若是則執行步驟S304，若否則執行步驟S305。

當零度的第一電流I_1c0之絕對值大於該九十度的電流I_1c90之絕對值時，將該第一修正角度設定為零度(步驟S304)，並注入一具有一大於該第一振幅的第二振幅的零度修正電壓V_2c0及一一百八十度修正電壓V_2c180以分別產生一第二零度電流I_2c0及一第二一百八十度電流I_2c180(步驟S306)，判斷第二零度電流I_2c0之絕對值大於該一百八十度電流I_2c180之絕對值(步驟S308)，若是，則將該第二修正角度設定為零度(步驟S310)，若否，則將該第二修正角度設定為一百八十度(步驟S312)。

當零度的第一電流I_1c0之絕對值非大於九十度的電流 I_1c90之絕對值時，將該第一修正角度設定為九十度(步驟S305)，並注入一具有一大於該第一振幅的第二振幅的九十度修正電壓V_2c90及一兩百七十度修正電壓V_2c270以分別產生一九十度的第二電流I_2c90及一兩百七十度電流I_2c270(步驟S307)。接著，判斷該九十度的第二電流I_2c90之絕對值大於該兩百七十度電流I_2c270之絕對值(步驟S309)？若是，則將該第二修正角度設定為零度(步驟S311)，若否，則將該第二修正角度設定為一百八十度(步驟S313)。最後，加總參考位置、第一修正角度及第二修正角度以得到估測轉子位置(步驟S314)。

參閱圖7，一開始先以手動的方式將轉子轉動到實際轉子位置θ _r 為180°的位置並靜止，於時間為t₀時加入高頻訊號，並開始輸出參考位置，至時間為t₁時結束。在這段期間可以發現，由於i_err訊號幅值不明顯而使參考位置不會收斂，因此參考位置一直在接近0°的地方振盪，導致有180°的誤差。在時間t₁~t₂之間加入電壓向量V_1c0及V_1c90，進行區間修正的動作；V_1c0電壓向量注入的位置正好在d軸，而V_1c90電壓向量注入的位置正好在q軸。經電流幅值的比較，知道實際轉子位置θ _r 僅可能為0°或180°。因此於時間t₂~t₃再加入電壓向量V_2c0及V_2c180來修正極性，這些電壓向量都在d軸，且此時為了使鐵心飽和加入的電壓比區間修正的電壓大很多。於時間t₃經電流幅值比較之後，參考位置由原本的0°加上第一修 正角度為0°及第二修正角度為180°得到估測轉子位置為180°，與實際轉子位置θ _r 一致。

參閱圖8，開始先以手動的方式將轉子轉動到實際轉子位置θ _r 為90°的位置並靜止，於時間為t₀時加入高頻訊號，並開始輸出參考位置，至時間為t₁時結束。由於i_err訊號幅值不明顯角度估測器不會收斂，因此估測的參考位置一直在接近0°的地方振盪，導致有90°的誤差。在時間t₁~t₂之間加入電壓向量V_1c0及V_1c90進行區間修正，經電流幅值的比較，知道估測轉子位置僅可能為90°或270°。因此於時間t₂~t₃再加入電壓向量V_2c90及V_2c270來修正極性，這些電壓向量都在q軸。於時間t3經電流幅值比較之後，參考位置 0°加上第一修正角度為90°及第二修正角度為0°得到估測轉子位置為90°，與實際轉子位置θ _r 一致。

五、極性偵測程序

參閱圖9，d軸定子繞組電感L_d與實際轉子位置θ _r 的關係為一個電機週期會有兩個弦波週期的定子繞組電感變化。當馬達鐵心沒有飽和發生時，這兩個定子繞組電感週期並無差別，如位置P_a及P_b。但若在d軸加入夠大的電流使鐵心飽和，則在零度(N極)的定子繞組電感會比在一百八十度(S極)的定子繞組電感小，如位置P_S及P_N。本發明即利用此原理，在轉子d軸注入一正一負固定時間及振幅的脈衝電壓，若脈衝電壓引起的磁通方向剛好與磁鐵充磁 的磁通方向(N極)一致時，會使磁鐵的磁通達到飽和，因此定子繞組電感會下降，產生的電流峰值亦會較高。而若脈衝電壓產生的磁通方向與磁鐵充磁的磁通方向(S極)相反時，磁通不會發生飽和，定子繞組電感值不會有變化。因此，比較正、負脈衝電壓產生的電流幅值即可判斷轉子的極性並決定是否需要做極性的修正。

參閱圖10，步驟S4之極性偵測程序包含下述子步驟。

設定一第三修正角度之變數(步驟S401)，並注入一第三零度修正電壓V_3c0及一第三一百八十度修正電壓V_3c0以分別產生一第三零度電流I_3c0及一第三一百八十度電流I_3c0(步驟S402)。

判斷若是該第三零度電流之絕對值大於該第三一百八十度電流之絕對值(步驟S403)，若是，則將該第三修正角度設定為零度(步驟S404)，以及若是該第三零度電流之絕對值非大於該第三一百八十度電流之絕對值則將該第三修正角度設定為一百八十度(步驟S405)。最後，加總該參考位置以及該第三修正角度以輸出該永磁伺服馬達的估測轉子位置(步驟S406)。

參閱圖11，以閉迴路控制加速至200rpm的波形。首先以手動的方式將轉子轉動到實際轉子位置θ _r 為70°的位置，馬達靜止於實際轉子位置θ _r 為70°的位置，接著加入高頻訊號並開始產生參考位置。電流誤差i_err在一開始時有較大的震盪，但是當參考位置收斂到實際轉子位置θ _r 為70°的位置，電流誤差i_err亦收斂至零。接 著進行極性偵測程序，經極性偵測程序後的估測轉子位置依然為70°。接著閉迴路控制啟動，馬達隨著速度命令由靜止加速至200rpm，觀察波形可以發現估測轉子位置緊追著實際轉子位置θ _c 。

參閱圖12，從圖中可看到先以手動的方式將轉子轉動到實際轉子位置θ _r 為180°位置並靜止。馬達靜止於實際轉子位置θ _r 為180°的位置。接著加入高頻訊號並開始輸出參考位置。在此期間可以發現參考位置未經區間偵測程序前約在0°附近震盪，說明一開始輸出的參考位置與實際轉子位置θ _r 有180°的誤判，但在進行區間偵測程序後，參考位置可以被修正成估測轉子位置為180°。接著，施一速度命令將轉子做閉迴路啟動由靜止加速至200rpm，可以觀察到良好的追蹤效果。

參閱圖13，顯示在d軸加入脈衝電壓，d軸電流峰值與轉角之間的關係。實驗時將轉子依序由零度~36零度每5度一次試驗，並加入一振幅30V時間5ms的d軸脈衝電壓，然後量測並記錄d軸電流的峰值。觀察此結果可以發現轉子位置在零度與一百八十度時電流峰值最大，九十度與二百七十度時電流峰值最小，並且零度電流峰值稍大於一百八十度。此結果與圖12說明的定子繞組電感與轉角間的關係一致，證實馬達具有凸極效應，以及d軸電流夠大時，會使馬達有鐵心飽和的現象，因此可以利用此特性來達到偵測轉子 極性。

綜上所述，本發明基於永磁交流馬達7的一個控制週期具有兩個週期以及不同角度的極性位置而提供一次性估測初始位置位在何種極性位置的技術，無需使用任何位置感測器而且可使轉子快速定位，不但可減低元件成本且可提升作業效能，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

S1~S5‧‧‧步驟

Claims (5)

1. 一種永磁伺服馬達的轉子位置估測方法，應用於一具有凸極效應的永磁伺服馬達並用以產生該永磁伺服馬達的一估測轉子位置，該永磁伺服馬達系統具有一控制模組，該控制模組先對該永磁伺服馬達的轉子進行一初始位置判定以輸出一參考位置，若該參考位置是位於零之正負誤差角度範圍內則執行一區間偵測程序以判定該估測轉子位置是位於0、90、180或270度之正負誤差角度範圍內；若該參考位置超出零之正負誤差角度範圍則執行一極性偵測程序以判定該參考位置是否於實際轉子位置有一180度的誤判情況，修正後輸出該估測轉子位置。
2. 如請求項1所述的永磁伺服馬達的轉子位置估測方法，其中，該控制模組判斷若未超出正負誤差角度之範圍則執行一區間偵測程序，該區間偵測程序包含以下步驟：(A)注入一第一振幅的零度修正電壓及一九十度修正電壓以分別產生一零度的第一電流及一九十度的電流；(B)設定一第一修正角度之變數及一第二修正角度之變數，並判斷該零度的第一電流之絕對值是否大於該九十度的電流之絕對值，若是則執行步驟(C)，若否則執行步驟(D)；(C)將該第一修正角度設定為零度，並注入一具有一大於該第一振幅的第二振幅的零度修正電壓及一一百八十度修正電壓以分別產生一第二零度電流及一一百八十度電流，若是該第二零度電流之絕對值大於該一百八十度 電流之絕對值則將該第二修正角度設定為零度，若是該第二零度電流之絕對值非大於該一百八十度電流之絕對值則將該第二修正角度設定為一百八十度，並加總該參考位置、該第一修正角度及該第二修正角度以得到該估測轉子位置；及(D)將該第一修正角度設定為九十度，並注入一具有一大於該第一振幅的第二振幅的九十度修正電壓及一兩百七十度修正電壓以分別產生一九十度的第二電流及一兩百七十度的第二電流，若是該九十度的第二電流之絕對值大於該兩百七十度第二電流之絕對值則將該第二修正角度設定為零度，若是該九十度的第二電流之絕對值非大於該兩百七十度的第二電流之絕對值則將該第二修正角度設定為一百八十度，並加總該參考位置、該第一修正角度及該第二修正角度以得到該估測轉子位置。
3. 如請求項1所述的永磁伺服馬達的轉子位置估測方法，其中，該極性偵測程序包含下述步驟：(E)設定一第三修正角度之變數，並注入一零度修正電壓及一一百八十度修正電壓以分別產生一第三零度電流及一第三一百八十度電流；(F)判斷若是該零度電流之絕對值大於該一百八十度電流之絕對值則將該第三修正角度設定為零度，以及若是該第二零度電流之絕對值非大於該一百八十度電流之絕對值則將該第三修正角度設定為一百八十度；及(G)加總該參考位置以及該第三修正角度以輸出該估 測轉子位置。
4. 一種永磁伺服馬達系統，執行如請求項1至3中任一請求項所述方法。
5. 一種電腦程式產品，當電腦載入該電腦程式並執行後，可完成如請求項1至3中任一請求項所述方法。