TWI679840B - 馬達控制角度的決定方法 - Google Patents

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Chun Wen Lai
夏紹基
Shaw Ji Shia
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Abstract

一種馬達控制角度的決定方法,對馬達不同電流方向線路,取樣電流訊號值,並依設定的線路取樣編號,重整取樣電流訊號值,搜尋最大及次大電流訊號值的取樣編號,利用最大與次大電流訊號差值及馬達電流訊號特性值,線性內插計算補償角度,補償最大的電流訊號值的角度,以簡化偵測控制角度。

Description

馬達控制角度的決定方法
本發明有關一種馬達,尤其關於馬達控制轉子轉動,決定馬達中轉子的控制角度的方法。
在馬達的轉動控制上,為了控制馬達轉軸正確輸出轉動角度,必須隨時掌握馬達轉子相對馬達定子的位置,才能控制馬達轉子驅動的轉軸精確轉動角度,推動物件適時到達預定的位置,以提升馬達的控制精準度。
先前技術的馬達一般利用定子的電磁力改變,驅動設在馬達中心且帶磁性的轉子轉動,藉連結在轉子的轉軸,由轉軸一端連動傳動齒輪組輸出動力。馬達並在相對輸出動力的轉軸另一端,設置與轉軸一起轉動的霍爾元件、磁性編碼器或光學編碼器等偵測器,偵測轉軸的轉動角度,以獲得控制轉子角度,作為馬達控制轉子轉動的回饋訊號。因霍爾元件、磁性編碼器或光學編碼器等偵測器需在馬達額外設置,不僅增加零件成本,且增加馬達的重量。此外,該等偵測器均需要設置空間,無形中加大馬達的整體容積,並不利於安裝在空間有限的裝置上。
因此另有先前技術,例如美國專利案US7482802,在馬達內 部裝設加速度偵測器。並利用偵測定子的流通電流,與加速度偵測器偵測轉子角加速度的關係,計算馬達轉子的控制角度。然而,前述先前技術雖可降低馬達的整體容積,仍需在馬達內部裝設額外的加速度偵測器,不僅無法降低零件成本,而且增加偵測轉子轉動的角加速度的項目,也會增加計算馬達轉子的轉動位置的複雜度。因此,馬達在決定轉子的控制角度上,仍有問題亟待解決。
本發明的目的提供一種馬達控制角度的決定方法,藉由對馬達不同電流方向線路取樣電流訊號值,搜尋最大及次大電流訊號值,利用最大及次大電流訊號差值,計算控制角度,以降低馬達零件成本。
本發明另一目的在提供一種馬達控制角度的決定方法,利用取樣最大及次大電流訊號差值及相對位置,計算轉子轉動的補償角度及補償方向,以簡化控制角度的計算。
為了達到前述發明的目的,本發明馬達控制角度的決定方法,以預設取樣時間及延遲時間,對已知K個電氣區的馬達不同電流方向線路,取樣電流訊號值;依設定的各電流方向線路的取樣編號,重整取樣電流訊號值,搜尋最大電流訊號值的第一取樣編號P1及次大電流訊號值的第二取樣編號P2,利用最大與次大電流訊號差值H及馬達電流訊號特性值L,線性內插計算補償角度C=[3600/(6*2)]*[(L-H)/L],利用補償角度C補償最大的電流訊號值的第一取樣編號P1的角度作為控制角度。
本發明馬達控制角度的決定方法的第一狀況,在補償角度時,檢查最大電流訊號值的第一取樣編號P1與次大電流訊號值的第二取樣 編號P2的絕對差值|P1-P2|等於1時,再檢查最大電流訊號值的第一取樣編號P1小於次大電流訊號值的第二取樣編號P2時,將最大電流訊號值的第一取樣編號P1的角度=P1*(3600/6)加上補償角度作為控制角度。
本發明馬達控制角度的決定方法的第二狀況,該檢查最大電流訊號值的第一取樣編號P1不小於次大電流訊號值的第二取樣編號P2時,將最大的電流訊號值的第一取樣編號P1的角度減去補償角度作為控制角度。
本發明馬達控制角度的決定方法的第三狀況,為檢查最大電流訊號值的第一取樣編號P1與次大的電流訊號值的第二取樣編號P2的絕對差值|P1-P2|等於5時,再檢查最大的電流訊號值的第一取樣編號P1小於次大的電流訊號值的第二取樣編號P2時,則以3600減去補償角度作為控制角度。
本發明馬達控制角度的決定方法的第四狀況,為檢查最大的電流訊號值的第一取樣編號P1不小於次大的電流訊號值的第二取樣編號P2時,將最大的電流訊號值的第一取樣編號P1的角度加上補償角度作為控制角度。
本發明馬達控制角度的決定方法的錯誤狀況,為檢查最大電流訊號值的第一取樣編號P1與次大電流訊號值的第二取樣編號P2的絕對差值|P1-P2|不等於1時,則再檢查最大電流訊號值的定子編號P1與次大電流訊號值的第二取樣編號P2的絕對差值|P1-P2|不等於5時,判定為錯誤狀況,停止或重新取樣計算。
10‧‧‧控制系統
11‧‧‧馬達
12‧‧‧控制器
13‧‧‧驅動器
14‧‧‧類比數位轉換器
15‧‧‧轉軸
16‧‧‧轉子
17‧‧‧磁極
18‧‧‧定子
19‧‧‧線槽
P1‧‧‧最大電流訊號值的取樣編號
P2‧‧‧次大電流訊號值的取樣編號
H‧‧‧電流訊號差值
圖1 為本發明馬達的控制系統。
圖2 為本發明馬達的結構圖。
圖3 為本發明取樣電流訊號值的座標圖。
圖4 為本發明第一狀況控制角度的電流訊號值的座標圖。
圖5 為本發明第一狀況控制補償角度的示意圖。
圖6 為本發明第二狀況控制角度的電流訊號值的座標圖。
圖7 為第二狀況控制補償角度的示意圖。
圖8 為本發明第三狀況控制角度的電流訊號值的座標圖。
圖9 為第三狀況控制補償角度的示意圖。
圖10 為本發明第四狀況控制角度的電流訊號值的座標圖。
圖11 為本發明第四狀況控制補償角度的示意圖。
圖12 為本發明馬達控制角度的決定方法的流程圖。
有關本發明為達成上述目的,所採用之技術手段及其功效,茲舉較佳實施例,並配合圖式加以說明如下。
請同時參閱圖1、圖2及圖3,圖1為本發明馬達的控制系統,圖2為本發明馬達的結構圖,圖3為取樣電流訊號值的座標圖。圖1中本發明馬達11的控制系統10,主要藉由控制器12發出控制訊號,經驅動器13輸出電流,控制轉動A、B、C相的三相馬達11。控制系統10再利用類比數位轉換器14,從馬達11取樣定子電流,形成數位電流訊號,作為控制器12的回授訊號,使控制器12正確輸出需求的轉動角度控制訊號,控制馬達11轉動轉 軸15至需求的轉動角度。
圖2中本發明馬達11,中心設有可轉動的轉軸15,轉軸15的周圍結合轉子16,轉子16具有帶磁性的磁極17,本實施例以10個磁極17舉例說明,但包含且不限於10個磁極17,磁極17可依需要適當設定。馬達11的轉子16外圍則圍繞著複數定子18,使轉子16可沿著定子18端面自由轉動。其中定子18兩側具有線槽19,線槽19內纏繞A、B、C相的線路,線路由驅動器13經A、B、C相線路分配供給電流,使定子18形成電磁場以驅動轉子16。本實施例以12個定子18舉例說明,但包含且不限於12個編號P的定子18,定子18數目可依取樣的間隔適當設定。由於馬達11的定子18與轉子16對稱分布,磁場的改變分K個相同正反磁場循環變化的電氣區E,例如本實施例10個正反磁極的馬達11具有K=5個電氣區E,以其中一電氣區E舉例簡化說明。
本發明磁場的電氣區E以正反弦波3600呈現,偵測時以N個脈衝驅動轉子16走完電氣區E。並預先利用控制器12以預設數目的脈衝,階段微步轉動轉子16,每一階段發出取樣控制訊號,控制類比數位轉換器14對A、B、C相線路的AB、AC、BC、BA、CA及CB等6個不同電流方向,以取樣時間T1及延遲時間T2,進行電流訊號取樣。並將各取樣的電流訊號值,依0至6取樣編號形成圖3電流訊號值對取樣時間的座標圖。由於轉子16轉動的磁極17因不同電流方向線路的距離遠近差異,對最接近的電流方向的線路產生較大的感應,當取樣某一電流方向線路的電流訊號值,將與其他電流方向線路的電流訊號值差值,出現最大的馬達電流訊號特性值L時,以該轉子角度作為電氣區E的起點00,設定驅動脈衝數為n0=0,並將該電流方向線路 的電流訊號值移至座標圖取樣編號0的位置。
控制器12繼續以預設數目的脈衝,階段微步轉動轉子16進行電流訊號取樣,座標圖取樣編號0的電流訊號值因磁極17離開將逐漸減少,並出現另一電流方向線路的電流訊號值逐漸增大,與其他電流方向線路的電流訊號值差值出現等於馬達電流訊號特性值L,記錄轉動轉子16的脈衝數為n1,並將該電流方向線路的電流訊號值移至座標圖取樣編號1的位置。繼續以預設數目的脈衝,階段微步轉動轉子16進行電流訊號取樣,接著在其餘的電流方向線路,出現電流訊號差值等於馬達的電流訊號特性值L,同樣將該電流方向線路的電流訊號值依序移至座標圖取樣編號2至5的位置,並記錄轉動轉子16的脈衝數為n2至n5。然後如圖3座標圖,記錄出現電流訊號差值等於馬達的電流訊號特性值L的脈衝數,及各電流方向線路在座標圖取樣編號的位置。經由前述的偵測,由於馬達11的定子18與轉子16對稱分布,脈衝數為n0至n5出現的間隔固定,為電氣區E所含角度3600的6分之一,即取樣編號的間隔為600
請同時參閱圖4及圖5,圖4為本發明第一狀況控制角度的電流訊號值的座標圖,圖5為第一狀況控制補償角度的示意圖。圖4中,本發明對待決定控制角度的馬達,利用控制器發出控制訊號,以取樣時間及延遲時間,對6個不同電流方向線路,進行電流訊號取樣。並依前述記錄的各電流方向線路的取樣編號,重整形成座標圖。搜尋其中最大的電流訊號值的第一取樣編號P1在取樣編號2,次大的電流訊號值在第二取樣編號P2在取樣編號3。檢查第一取樣編號P1與第二取樣編號P2的絕對差值|P1-P2|=|2-3|=1,即取樣編號相鄰,且最大的電流訊號值的第一取樣編號P1小於 次大的電流訊號值的第二取樣編號P2,即P1<P為順向編號,列為本發明的第一狀況。再比較兩者電流訊號差值H,小於馬達電流訊號特性值L,轉子控制角度介在取樣編號2與取樣編號3間。
由於在取樣編號2線路與取樣編號3線路的間隔中,轉子的磁極由取樣編號2線路移向取樣編號3線路,圖6中兩者的絕對電流訊號差值從最大的馬達特性值L逐漸減少至0,也就是取樣編號2線路與取樣編號3線路的中點,兩者的電流訊號值相等。然後轉子的磁極逐漸移向取樣編號3線路,兩者的絕對電流訊號差值從0逐漸增加至最大的馬達特性值L。因此取樣編號2線路或取樣編號3線路至間隔中點的電流訊號差值視為線性,則可線性內插出控制的補償角度C,C=[3600/(6*2)]*[(L-H)/L]。馬達的轉子控制角度θ就是最大電流訊號值所在第一取樣編號P1號的取樣編號2角度G=P1*(3600/6),加上補償角度C,即θ=G+C=P1*(3600/6)+[3600/(6*2)]*[(L-H)/L]。以本實施例具體數據舉例,第一取樣編號P1在取樣編號2的最大電流訊號值=3200,第二取樣編號P2在取樣編號3的次大電流訊號值=2800,電流訊號差值H=3200-2800=400,馬達的電流訊號差值特性值L=600。代入公式,補償角度C=[3600/(6*2)]*[(600-400)/600]=10度,馬達的控制角度θ=P1*(3600/6)+C=2*(3600/6)+10=130度。
請同時參閱圖6及圖7,圖6為本發明第二狀況控制角度的電流訊號值的座標圖,圖7為第二狀況控制補償角度的示意圖。圖6為本發明第二狀況取樣電流訊號值的座標圖,搜尋其中最大的電流訊號值的第一取樣編號P1在取樣編號3,次大的電流訊號值在第二取樣編號P2在取樣編號2。檢查最大電流訊號值的第一取樣編號P1與次大電流訊號值的第二取樣編 號P2的絕對差值|P1-P2|=|3-2|=1,即兩取樣編號相鄰,且最大電流訊號值的第一取樣編號P1大於次大電流訊號值的第二取樣編號P2,即P1>P2為逆向編號,列為本發明的第二狀況。比較兩者電流訊號差值H,小於電流訊號特性值L,轉子控制角度介在取樣編號2與取樣編號3間,且較接近取樣編號3的線路。同理,在圖7中可根據兩者電流訊號差值H,線性內插補償角度C=[3600/(6*2)]*[(L-H)/L]。因最大電流訊號值在第一取樣編號P1的取樣編號3。馬達的控制角度θ就是最大電流訊號值的取樣編號P1所在取樣編號3的角度G=P1*(3600/6),減去補償角度C,即θ=G-C。
請同時參閱圖8及圖9,圖8為本發明第三狀況控制角度的電流訊號值的座標圖,圖9為第三狀況控制補償角度的示意圖。圖9為本發明第三狀況取樣電流訊號值的座標圖,搜尋其中最大電流訊號值的第一取樣編號P1在取樣編號0,次大電流訊號值的第二取樣編號P2在取樣編號5。檢查最大電流訊號值的第一取樣編號P1與次大電流訊號值的第二取樣編號P2的絕對差值|P1-P2|=|0-5|=5,即為頭尾相鄰的取樣編號,且最大電流訊號值的第一取樣編號P1小於次大電流訊號值的第二取樣編號P2,即P1<P2順向編號,列為本發明的第三狀況。比較兩者電流訊號差值H,小於電流訊號特性值L,轉子控制角度介在取樣編號5與電氣區E的終點間,且較接近電氣區E的終點的線路。同理,在圖9中可根據兩者電流訊號差值H,線性內插補償角度C=[3600/(6*2)]*[(L-H)/L]。因最大電流訊號值在第一取樣編號P1的電氣區E的終點,馬達的控制角度θ就是電氣區E的終點的角度G=3600,減去補償角度C,即θ=3600-C。
請同時參閱圖10及圖11,圖10為本發明第四狀況控制角度的 電流訊號值的座標圖,圖11為第四狀況控制補償角度的示意圖。圖10為本發明第四狀況取樣電流訊號值的座標圖,搜尋其中最大電流訊號值的第一取樣編號P1在取樣編號5,次大電流訊號值的第二取樣編號P2在取樣編號0。檢查最大電流訊號值的第一取樣編號P1與次大電流訊號值的第二取樣編號P2的絕對差值|P1-P2|=|0-5|=5,且最大電流訊號值的第一取樣編號P1大於次大電流訊號值的第二取樣編號P2,即P1>P2逆向編號,列為本發明的第四狀況。比較兩者電流訊號差值H,小於電流訊號特性值L,轉子控制角度介在取樣編號5與電氣區E的終點間,且較接近取樣編號5的線路。同理,在圖10中可根據兩者電流訊號差值H,線性內插補償角度C=[3600/(6*2)]*[(L-H)/L]。因最大電流訊號值在第一取樣編號P1的取樣編號5,馬達的控制角度θ就是最大電流訊號值所在取樣編號5的角度G=P1*(3600/6),加上補償角度C,即θ=G+C。
本發明除前述四種狀況外,對於檢查最大電流訊號值的第一取樣編號P1與次大電流訊號值的第二取樣編號P2的絕對差值不等於1或5,即轉子控制角度非介在相鄰編號定子間的狀況,一律視為不正確取樣的錯誤狀況,直接廢棄取樣,或重新進行取樣,以決定馬達控制角度。
如圖12所示,為本發明馬達控制角度的決定方法的流程圖。本發明決定馬達控制角度的詳細步驟說明如下:在步驟S1,開始進行偵測;步驟S2,以預設的攝取樣時間及延遲時間,對馬達不同電流方向線路,取樣電流訊號值;步驟S3,依設定的各電流方向線路的取樣編號,重整取樣電流訊號值;步驟S4,搜尋最大電流訊號值的第一取樣編號P1;步驟S5,搜尋次大電流訊號值的第二取樣編號P2;步驟S6,利用最大與次大電流訊 號差值H及馬達電流訊號特性值L,線性內插計算補償角度C=[3600/(6*2)]*[(L-H)/L];步驟S7,檢查最大電流訊號值的第一取樣編號P1與次大電流訊號值的第二取樣編號P2取樣編號號的絕對差值|P1-P2|=1,為相鄰定子編號則至步驟S8,再檢查最大電流訊號值的第一取樣編號P1小於次大電流訊號值的第二取樣編號P2,則至步驟S9,將最大電流訊號值的第一取樣編號P1的角度G加上補償角度C作為控制角度,然後至步驟S10,輸出控制角度的訊號。當在步驟S8,檢查最大電流訊號值的第一取樣編號P1大於次大電流訊號值的第二取樣編號P2為非順向編號時,則至步驟S11,將最大的電流訊號值的第一取樣編號P1的角度G減去補償角度C作為轉子控制角度,再至步驟S10,輸出控制角度的訊號。
前述步驟S7,當檢查最大的電流訊號值的第一取樣編號P1與次大電流訊號值的第二取樣編號P2的絕對差值|P1-P2|不等於1時,則至步驟S12,再檢查最大電流訊號值的第一取樣編號P1與次大電流訊號值的第二取樣編號P2的絕對差值|P1-P2|=5?當絕對差值不等於5時為非頭尾相鄰的取樣編號,則至步驟S13,判定為錯誤狀況,停止或重新取樣計算。當絕對差值等於5為頭尾相鄰的取樣編號,則至步驟S14,再檢查最大電流訊號值的第一取樣編號P1小於次大電流訊號值的第二取樣編號P2為順向編號,則至步驟S15,以3600減去補償角度作為控制角度,然後至步驟S10,輸出控制角度的訊號。當檢查非順向編號時,則至步驟S16,計算最大的電流訊號值的第一取樣編號P1的角度加上補償角度作為控制角度,再至步驟S10,輸出控制角度的訊號。
因此本發明馬達控制角度的決定方法,即可藉由對馬達不同 電流方向線路取樣電流訊號值,依設定的各電流方向線路的取樣編號,重整取樣電流訊號值,然後搜尋最大及次大電流訊號值,利用最大及次大電流訊號差值,參考馬達電流訊號特性值,線性內差計算控制的補償角度,再利用最大及次大電流訊號值所在取樣編號的相對位置,判斷補償的方向,由偵測原馬達的電流訊號數據,直接計算馬達控制角度,不須額外零件,可達到降低馬達零件成本,及簡化轉子控制角度的計算的目的。
以上所述者,僅為用以方便說明本發明之較佳實施例,本發明之範圍不限於該等較佳實施例,凡依本發明所做的任何變更,於不脫離本發明之精神下,皆屬本發明申請專利之範圍。

Claims (8)

  1. 一種馬達控制角度的決定方法,其步驟包含:對馬達不同電流方向線路,取樣電流訊號值;依設定的各電流方向線路的取樣編號,重整取樣電流訊號值;搜尋最大電流訊號值的第一取樣編號P1及次大電流訊號值的第二取樣編號P2;利用最大與次大電流訊號差值H及馬達電流訊號特性值L,線性內插計算補償角度C=[3600/(6*2)]*[(L-H)/L];利用補償角度C補償最大的電流訊號值的第一取樣編號P1的角度作為控制角度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之馬達控制角度的決定方法,其中該補償角度時,檢查最大電流訊號值的第一取樣編號P1與次大電流訊號值的第二取樣編號P2的絕對差值|P1-P2|等於1時,再檢查最大電流訊號值的第一取樣編號P1小於次大電流訊號值的第二取樣編號P2時,將最大電流訊號值的第一取樣編號P1的角度加上補償角度作為控制角度。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之馬達控制角度的決定方法,其中該檢查最大電流訊號值的第一取樣編號P1不小於次大電流訊號值的第二取樣編號P2時,將最大的電流訊號值的第一取樣編號P1的角度減去補償角度作為控制角度。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之馬達控制角度的決定方法,其中該檢查最大電流訊號值的第一取樣編號P1與次大電流訊號值的第二取樣編號P2的絕對差值|P1-P2|不等於1時,則再檢查最大電流訊號值的定子編號P1與次大電流訊號值的第二取樣編號P2的絕對差值|P1-P2|不等於5時,判定為錯誤狀況,停止或重新取樣計算。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之馬達控制角度的決定方法,其中該檢查最大電流訊號值的第一取樣編號P1與次大的電流訊號值的第二取樣編號P2的絕對差值|P1-P2|等於5時,再檢查最大的電流訊號值的第一取樣編號P1小於次大的電流訊號值的第二取樣編號P2時,則以3600減去補償角度作為控制角度。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之馬達控制角度的決定方法,其中該檢查最大的電流訊號值的第一取樣編號P1不小於次大的電流訊號值的第二取樣編號P2時,將最大的電流訊號值的第一取樣編號P1的角度加上補償角度作為控制角度。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之馬達控制角度的決定方法,其中該最大的電流訊號值的第一取樣編號P1的角度=P1*(3600/6)。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之馬達控制角度的決定方法,其中該取樣電流訊號值時,以預設取樣時間及延遲時間,依序分別對線路進行電流訊號取樣,並將取樣的電流訊號值,重整形成電流訊號值對時間的座標圖。
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