TW200937835A - Magnetic pole position estimation method for AC synchronous motor - Google Patents

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200937835 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於感測包含線性電動機之交流同步t _ 機之磁極位置。 【先前技術】 Ο 在交流同步電動機的控制中通常會使用稱之為向量# 制（vector control)的伺服控制（servocontrol)，於_月民 控制中係將電流分成在電動機通量方向上的d軸電流分^ (d-axis component-a current)以及在垂直於該d輪的轉 矩方向上的q軸電流分量（q-axis component-a current)，藉以控制各電流分量。為了執行該向量控制， 必須要準確地感測磁極的位置。 線性電動機（linear motor)係通常要與增量編碼器 (incremental encoder)結合使用；然而，由於增量編碼器 僅能夠感測相對的位置，使得必需要感測該磁極的初始位 置。當所感測的初始磁極位置不具準確性時，將發生由於 電動機的實際磁極位置（true magnetic pole position) 無法與由控制系統所感測的磁極位置相符的轴誤差現象 (axis error phenomenon)。 另一方面，迴轉式電動機（rotating係通常與 絕對編碼器（absolute encoder)結合使用，使得它們的磁 極位置被事先感測及儲存。當使用絕對編碼器時，並不需 要感測初始磁極位置；然而，裝配誤差（installati〇n error)或其它誤差仍將引起軸誤差現象。上述的軸誤差現 320846 200937835 . 象將會導致控制轉矩準確性的衰退，進而產生最大轉矩的 ? 降低與相似情形。 非專利文獻1:曰本電機工程師協會，工業應用會報 (The institute of electrical engineers of Japan, transactions on industry applications)，第 122 卷， 第9期，2002年 專利文獻1 :日本專利早期公開第2002-247881號 【發明内容】 [發明欲解決之技術問題] ❹ 非專利文獻1(日本電機工程師協會，工業應用會報， 第122卷’第9期’ 2002年）揭露“具有增量編碼器的無 刷直流伺服電動機的磁極位置偵測方法及控制”的技術方 案。該技術方案是使用下列原理：當控制電動機的實際磁 極位置的d軸位置（於後稱之為電動機的實際磁極位置）與 控制系統中目標的磁極位置（於後稱之為目標磁極位置）一 致時’則被施加的d軸電流並不會產生轉矩，以及，當該 實際磁極位置與該目標磁極位置不一致時，則依照轴誤差 量’該所施加的d軸電流產生轉矩。更具體而言，用於磁 極位置偵測的訊號被施加為電流命令；接著，由在該目標 磁極位置及該電動機的實際磁極位置之間的差異產生的轉 矩移動電動機移動器（motor mover)，並感測該電動機移動 器的速度；且接著，將所感測的速度比例地 (proportionally)暨積分地（integrally)補償以用於校正 座標轉換的相位；因而，最終地可將該轴誤差的量收斂為 4 320846 200937835 r , 零，使得可預測出該磁極位置。 然而，當存在擾動（disturbance)時或特別地當存在大 靜摩擦％，用於預測磁極位置的轉矩隱藏有摩擦轉矩；因 此，在其預測中存在著大誤差的問題。為了解決此問題， 該技術方案建議將用於該磁極位置偵測的訊號的振幅變 大，以使降低預測誤差；然而，上述建議的技術方案將會 導致例如於預測期間的電動機移動器的移動變大及更大的 雜訊之其他問題。再者，放大器電容（ampHf ier capacity) 限制了電流的振幅；由此相應地侷限了將用於該磁極位置 偵測的訊號的振幅變大以使降低其預測誤差的技術方案， 因而可能也無法解決上述的問題。 另一方面’在日本專利早期公開第2002—247881號中 揭露另外的技術方案，如下所述。在此技術方案中，用於 偵測磁極位置的電流係施加於該電動機；且將獲得由電流 所產生的磁通量（magnetic flux)引誘的磁極的位置資 ❹訊，以使能依據該資訊預測該磁極位置。在此情況中，施 加電流的相位被自參考相位偏移（shift)至該參考相位 +180度、至該參考相位~9〇度、及至該參考相位+9〇度， 且藉由感測所引起的每一磁極移動預測該磁極位置。將使 用感測值執行該磁極位置的計算，各該感測值的獲得是在 用於彳貞測的電流的相位被偏移至該參考相位_9〇度及至該 參考相位+90度之後，進而可減少在感測該磁極位置中由 靜摩擦所引起的準確性降低。 然而，卻存在有下列的問題。首先，該技術方案使用 5 320846 200937835 僅於適當短時間的期間施加具有相位的電流且在偏移該相 位之後在短時間内立即少量地移動該磁極的程序，且該技 術方案並未使用藉由反饋控制迴路（feedback control loop)相對於其位置或速度控制電動機移動器移動量的方 法，因此’在摩擦相較於預測使用訊號的振幅是極度小的 情況中’會發生電動機移動器移動之實際量無法被有效地 降低的問題。再者，由於此技術方案並沒有包含例如反饋 控制的收斂運算’因而其無法使用例如在移動收斂之後轉 換（switching)到次一運算組的程序；因此，需要設定適時 ❹ 轉換的時間，進而存在著對於調整時間是困難的問題。 其次’該技術方案的文件解釋藉由連讀地發出用於磁 場的對角相位（diagonal phase)的命令對，將使迴轉量變 成非常小並使迴轉位置返回；然而，由於感測磁極位置的 運算並沒有包含相對於該磁極位置或速度的反饋控制迴 路’因此藉由用於偵測的單一運算組並無法使迴轉位置返 回到初始位置；接著，會產生在該偵測之後的磁極位置並 不保證與該谓測之前的磁極位置相同的問題。當存在有例 如在正方向及負方向上的不同擾動時將在其偵測之前及 之後產生電動機移動器位置變成不同的問題。特別的是當 在债測運算組被重複數次時，將產生該磁極位置被逐漸地 偏移的問題。該技術方案的文件中說明在組構中結合有位 置/速度控制單元以解決上述問題；然而，在通常的位置/ 速度控制迴路中’當該磁極位置被取代時，該控制迴路並 無法正常地運作’使得上述的組構無法解決上述的問題。 6 320846 200937835 、 另外’由於該技術方案使用反正切函數（arctangent function)以預測該磁極位置，則造成計算負載沈重的問 _ 題，使得需要大量的計算時間。 [用以解決課題的技術手段] 本發明的磁極位置預測方法係藉由輸入由電動機感測 器所感測的數值至位置/速度控制單元内而控制電動機移 動器的相對位置或相對速度，並使用該位置/速度控制單元 輸出的極誤差預測值執行施加於該電動機的電流或電壓的 ❹相位的座標轉換，且藉由使該極誤差預測值接近於實際極 誤差值而預測作為該電動機移動器的相對位置的電動機磁 極位置，其中，該實際極誤差值是指在作為該電動機移動 器的相對位置的電動機磁極位置與作為該電動機移動器的 目標相對位置的目標磁極位置之間的差異。為了解決上述 問題，該預測方法包含：第一極誤差輸入步驟，係輸入自 參考相位偏移+a的相位的第一極誤差預測值；順向移動步 ❹驟（forward movement step) ’係於當由該第一極誤差輸入 步驟順向移動該電動機移動器的相對位置時，使用由該電 動機感測器所感測的數值，使該極誤差預測值接近於實際 極誤差值；第一相位移動儲存步驟（firstphasem〇vement storing step) ’係儲存第一極誤差預測收斂值，亦即當在 該順向移動步驟中完成收斂該電動機移動器的相對移動時 的相位；第二極誤差輸入步驟，係輸入自參考相位偏移_a 的相位的第二極誤差預測值；反向移動步驟（backward movement step)，係於當由該第二極誤差輸入步驟反向移 320846 7 200937835 動該電動機移動II的相對位置時’使用由該電動機制_ (

所感測的數值，以使該極誤差預測值接近於該實際極誤差 P 值’·第二相位移動儲存步驟，係儲存第二極誤差預測收斂 值，亦即§在該反向移動步驟中完成收斂該電動機移動器 的相對移動時的相位；以及，極位置預測步驟，係依據在 該第一相位移動儲存步驟及該第二相位移動儲存步驟中所 儲存的極誤差預測收斂值而預測該實際磁極位置。 [發明之有利功效] 。本發明的磁極位置預測方法係藉由輸入由電動機感測 ❹ 器所感測的數值至位置/速度控制單元内而控制電動機移 動器的相對位i或相對速度，並使用該位置/速度控制單元 輪出的極誤差預測值執行施加於該電動機的電流或電壓的 =位的座;^轉換，且藉由使該極誤差預測值接近於實際極 誤差值而預測為該電動機移動器的相對位置的電動機磁極 位置，其中，該實際極誤差值是指在為該電動機移動器的 相對位置的電動機磁極位置與為該電動機移動器的目標相 對位置的目標磁極位置之間的差異。該預測方法復包含：〇 第—極誤差輸入步驟，係輸入自參考相位偏移忱的相位的 第一極誤差預測值；順向移動步驟，係於當由該第一極誤 差輪入步驟順向移動該電動機移動器的相對位置時，使用 由該電動機感測器所感測的數值，使該極誤差預測值接近 於該實際極誤差值；第一相位移動儲存步驟，係儲存第一 極誤差預測收斂值，亦即當在該順向移動步驟中完成收斂 該電動機移動器的相對移動時的相位；第二極誤差輸入步 320S46 8 200937835 參考相位偏移-a的相位的第二極誤差預測 值’反向移動步驟， 移動該電動機移勤― 極誤差輪入步驟反向 器所感測的數值…便用由該電動機感測 差 ^使該極誤差預測值接近於該實際極誤 斂值:亦;=;多:儲存步驟，係儲存第二極誤差預測收 〇 Ο 器的相對向移動步财完成收斂該電動機移動 一作動時的相位;以及，極位置預測步驟，係依據 所健目位移動儲存步驟及該第二相位移動儲存步驟中 此，存的軸差_收斂值而_該魏雜位置。因 偵询該預測方法無需放大用於賴的訊號的振幅就可降低 移=差；可於偵測運算期間降低該電動機移動器的相對 篁，且在其偵測之前及之後磁極位置均為相同，並可 於小預測磁極位置的計算負載，俾使計算時間縮短。另外， 望下文中為了解釋實施例，當依序地執行數個步驟時，該 步驟的組被稱之為運算組（〇ρΘΓει_^〇η 。 【實施方式】 [本發明的最佳模式] 本發明的最佳模式係有關於感測包含線性電動機之交 流同步電動機之磁極位置。 [第1實施例] 於此將解釋本實施例的交流同步電動機之磁極位置預 」裝置（magnetic pole position estimation device)的 、、且構。在第1圖中’係繪製本實施例之控制磁極位置的控 J方i鬼的組構圖。於下’如同電動機移動器（motor mover) 320846 200937835 的相對位置”、“電動機移動器的相對移動”以及“電動 機移動器的相對速度”之類的字彙將分別縮寫為“電動機 -位置”、“電動機移動”、以及“電動機速度”。另外， “磁極位置（magnetic pole position)，，以及“電動機磁 — 極位置’’意指將電動機的磁極組構在電動機移動器上時， 磁極對於參考點的相對位置以及將一對或多對的磁極組構 在電動機定子（stator)上時電動機移動器對於磁極對的相 對位置（等效於電角度（electric angle))。 電流控制單元1係使用dq軸電流命令 〇 (dq-axis-current command)及用於dq軸電流的反饋值控 制電流以輪出dq軸電壓命令（dq-axis-voltage command)。比例暨積分（pr〇p〇rti〇nal-integral)控制係通 常被用於電流控制。dq-uvw座標轉換單元（dq-uvw coordinate transformation unit)2 係基於用於座標轉換 的相位資訊將dq軸電壓信號轉換以輸出三相電壓訊號，此 將於稱後描述。變流器單元（inverter unit)3係基於三相 〇 電壓命令訊號執行電能轉換（electric power conversion) 以產生電壓驅動電動機uvw-dq座標轉換單元（uvw-dq coordinate transformation unit)4 係基於用於座標轉換 的相位資訊轉換三相電流訊號以輸出用於dq轴電流的反 饋值。電角度計算單元（electricai angle calculation unit)7係將由連接至電動機的迴轉部件（r〇tating part) 或可移動部件（movab 1 e part)的電動機感測器6所感測的 實際電動機位置轉換為電角度位置（electrical angle 10 320846 200937835 , Position)。位置/速度控制單元8係使用表示該電動機磁 極將移動的位置的電動機位置命令值（X/)以及由該電動機 . 感測器6所感測的真實電動機位置（real motor position) (X*)執行電動機的位置控制或速度控制，以輸出極誤差預 測值（pole-error estimation value)(Xe)。此外，由該位 置/速度控制單元8所輸出的極誤差預測值（Xe)係加上由該 電角度計算單元7所輸出的電角度位置，使獲得用於座標 轉換的相位（Xce)，該相位（Xce)被使用作為用於座標轉換的 ❹相位資訊。 接著，將使用第2圖詳加解釋該位置/速度控制單元8 的一範例。第2圖係顯示執行位置比例控制 (pos i t i on-proport i on contro 1)及速度積分控制 (speed-integral control)的組構範例。位置比例集區增 益方塊（position-proportional block gain block)101 係以位置比例集區增益乘上在該電動機位置命令值（χ/)與 ❹該電動機位置（Χβ)之間的偏差（deviation)以輸出電動機 速度命令值。速度計算方塊102係執行不同於或近似於有 關該電動機位置的運算以獲得電動機速度。速度比例增益 方塊（speed-proportional gain block)103 係以速度比例 集區增益乘上在該電動機速度命令值與該電動機速度之間 的偏差。速度積分方塊（speed-integral block)104係以 速度積分集區增益乘上在該電動機速度命令值與該電動機 速度之間的偏差並將其增值積分為積分器（integrator)。 該位置/速度控制單元輸出累加該速度比例增益方塊1〇3 11 320846 200937835 及該速度積分計算方塊104的輸出的極誤差預測值 (pole-error estimation value) ° 該位置/速度控制單元 8使得該極誤差預測值接近於在該電動機磁極位置及目標 磁極位置（target magnetic pole position)之間的差異的 實際極誤差值。 再者’將使用第3圖解釋本實施例的磁極位置預測方 法。當施加具有不變振幅的直流訊號作為預測使用的電流 訊號Ip時，若在目標磁極位置及實際磁極位置之間存在著 磁極位置誤差，則會由該磁極位置誤差產生誤差的轉矩。 ❽ 正位置誤差產生順向誤差轉矩（f〇rward error torque)， 以及負位置誤差產生反向誤差轉矩（backwani error torque);因此，因為該誤差轉矩運作為擾動轉矩 (disturbance torque)以移動該電動機位置，故藉由使用 該電動機位置的移動就預測出磁極位置。在此，為了產生 擾動轉矩誤差的轉矩，將採納用於預測的固定電流訊號 (fixed current signal)輸入為d軸電流以改變對應於該 實際磁極位置的極誤差預測值的方法。 ❹ 在本實施例中，為了控制該電動機位置在小量的範圍 内移動，將事先輸入電動機位置命令值（χΛ〇)。回應由該 電動機感測器6所感測的電動機位置（Xm)的移動，該位置/ 速度控制單元8係執行位置/速度控制，以使該控制單元於 順向移動期間輸出正極誤差預測值且於反向移動期間輸出 負極誤差預測值。所獲得的極誤差預測值係被加上該電動 機位置的電角度以更新用於座標轉換的相位，使得用於預 320846 12 200937835 4 測的電流訊號的相位被等效地改變以降低該誤差轉矩；於 是該誤差轉矩最終將變成為零’使得該電動機位置收斂 , (converge)到該電動機位置停止移動的位置；且該極誤差 預測值接近於該實際極誤差值。於此時，該極誤差預測值 係大約為零。藉由上述的運算，就可以預測出該磁極位置。 於輸入極誤差預測值時，且若由該磁極位置預測偏移 該電動機位置’將在該電動機位置命令值（χ/=〇)與該電動 機位置（Xm)之間產生偏差；因此，該位置/速度控制單元8 運作以降低該偏差並輸出極誤差預測值以控制用於座標轉 換的相位，該座標轉換的相位係用於顯示於第1圖中的該 dq-uvw座標轉換單元2及該uvw-dq座標轉換單元4。於在 該電動機位置命令值（χ/=〇)與該電動機位置（Χιη)之間的偏 差存在時，在第2圖中的積分器-速度積分計算方塊將 累加數值以持續運算該極誤差預測值的輸出；因此，該電 動機位置（Xm)接近於該電動機位置命令值d*=〇);而當該 ❹極誤差值最終成為收敛值（convergence value)時，在該電 動機位置命令值（ΧΛ0)與該電動機位置（)[1〇之間的偏差將 接近於零。藉由上述在本組構中所執行的運算，該極誤差 預測值接近於該實際極誤差值，真同時地執行其中的該磁 極位置及該電動機速度/位置控钿的預測。亦即，由該電動 機感測器6所感測的數值係被輸入到該位置/迷度控制單 元8内以控制該電動機的位置或速度；使用自該位置/速度 控制單元8輸出的極誤差預測值（xe)對施加於該電動機的 電壓或電流的相位執行座標轉換；因此，該極誤差預測值 320846 13 200937835 (X〇係接近於在該電動機磁極位置及目標磁極位置之間的 差異的實際極誤差值以預測出磁極位置。 > 接著，於第3圖中將顯示執行第1實施例的磁極位置 預測的運算組。首先，在運算組S1中，將使用被設定為特 ·· 定角度（例如：b)的初始值作為極誤差預測值預測磁極位 置。接著，在運算組S2中，將藉由使用設成由在該運算組 S1中收斂的磁極位置預測值偏移大約-90度或+90度的位 置（當b的正負號（sign)是正時，偏移大約-90度；以及當 b的正負號是負時，偏移大約+90度）的初始值作為極誤差 〇 預測值預測磁極位置計算參考相位。 再者’在運算組S3中’磁極位置係使用被設成由該運 算組S2中所收斂的該參考相位偏移+90度的位置的初始值 作為極誤差預測值而加以預測，該初始值被儲存作為其收 斂值。接著，在運算組S4中’磁極位置係使用被設成由運 算組S2中所收斂的參考相位偏移-90度的位置的初始值作 為極誤差預測值而加以預測，該初始值被儲存作為其收斂 值。另外’在本實施例的運算組S3及S4中，是使用+(_)9〇 ® 度的偏移量來加以解釋；然而，於本發明中，偏移量並不 被限制於上述的數值，且在運算組S3及S4中的極誤差預 測值可例如為+ (_)a，只要它們具有相反的正負號就可。 最後，在運算組S5中，將在該運算組S3及S4中獲得 的收斂值的平均使用作為最終極誤差預測值（final pole-error estimation value)。 在第1實施例中，藉由輸入初始值作為在第2圖中的 14 320846 200937835 t 速度積分計算方塊104的積分更新值 (integration-update value)可執行輸入初始值作為極誤 • 差預測值（X。）。當顯示於第2圖的組構完成該運算組Si至 S4的各預測運算時’該磁極誤差預測值（Xe)的收斂值係大 致專於在該速度積分§十异方塊1〇4中的該積分更新值。因 此’可藉由讀出該積分更新值、加入/減去偏移值的數值以 及再次設定作為積分更新值的結果值（resu 11 va 1 ue)而設 定次一運算組中的初始值。 ❹ 運算組S1及S2具有一目的係在於避免該磁極位置被 錯誤地預測出180度的誤差。當磁極誤差接近於〖go度時， 顯示於第1圖中的用於磁極位置預測的控制方塊並不會產 生誤差的轉矩；因而在此情況下並不可能預測出該磁極位 置。亦即，在該等運算組中僅有一個預測運算並不能夠識 別（distinguish)該磁極誤差是〇度或18〇度。在該運算組 S2中輸入偏移90度的電流可破保磁極預測不會有度 ❹的誤差。因此，當完成在該運算組S2中的預測運算時，磁 極誤差的量成為幾乎為零的值，使得該電動機磁極位置幾 乎與該目標磁極位置一致。 運算組S3及S4具有一目的係在於消除靜摩擦（static friction)的影響。若有靜摩擦，則完成該磁極位置預測於 用於預測的誤差轉矩成為小於該靜摩擦的值時，使得保留 磁極誤差。於順向靜摩擦（forward static fricti〇n)平衡 (balance)時，將會保留正磁極誤差；而於反向靜摩擦 (backward static friction)平衡時，將會保留負磁極誤 320846 15 200937835 差。因此，在運算組S3及S4中的該極誤差預測值的初始 值係在順向方向及反向方向上各自偏移以執行該等運算 & 組，且該實際極誤差預測值係由極誤差預測值預调!出，m 極誤差預測值包含由順向偏移運算所獲得的正磁極誤差且 ‘ 該極誤差預測值包含由反向偏移運算所獲得的負磁極誤 差’係由於該靜摩擦而該極誤差預測值可降低預測誤差。 若在該順向偏移運鼻及該反向偏移運算之間的靜摩擦量大 小是相同的’則該誤差可被完全消除；且有關預測誤差可 被精確的降低為零係獲得理論的支持。 ◎ 在本實施例中’為了消除該靜摩擦的影響，將於做出 順向偏移及反向偏移時，由極誤差預測值計算出該平均 值；然而，可各別地預測出該靜摩擦，以使用該計算結果 計算該實際極誤差預測值。於施加直流電流訊號Ip時’該 靜摩擦的大小可由下列所示的方程式而獲得。

Fs=Kt^Ip*sin((Xc_nius+Xc_pius)/2)......(方程式 1) 在運算組S2中的初始偏移值上的條件分支 ❹ (conditional branch)的應用可忽略該運算組S3及S4的 任何一者。 來自該位置/速度控制單元8的輸出值係使用於每一 運算組的極誤差預測值的收斂值；然而，若積分控制係相 對於位置或速度而加以執行，則可使用來自該積分器的輸 出；且若結合位置控制，則可使用用於座標轉換的相位資 訊。 將於此解釋用於設計該位置/速度控制增益的方法。一 16 320846 200937835 , 個運算組的電動機位置的最大移動值dXuax可使用下列方 程式而大約獲得。 . dxmax=(Kt*Ip*Xerr()/Jt*ysce*ySPie)..(方程式 2) 其中，Kt ··轉矩常數；

Ip ·.疊加訊说（superiinposed signal)的振幅；

XerrO · 磁極誤差的初始量；

Jt :總體慣量（total inertia); ysCe.用於速度控制的比例響應帶（pr〇p〇rti〇nai response band); yspie ·用於速度控制的積分帶（band)。 因此’用於獲得目標移舞值dXraax所需的速度控制增益 y see及yspie可由上述方程式的逆計鼻而獲得。更具體而言， 使用於下顯示的方程式設計速度控制帶ysee可給出接近於 該目標移動值的數值。 ysce=(N*Kt*Ip*Xerr〇/Jl：*(iXiiax) 2·.·(方程/式 3) ❿ 其中，N為該比例響應帶對該速度控制積分帶的比值， 以便設定通常使用於比例積分控制的比值。 於執行位置控制時’位置控制響應帶可被設定為更小 於用於由上述方程式計算而得的速度控制的比例響應帶的 某些範圍的數值。若位置控制響應帶係設定為較大於用於 速度控制的比例響應帶的數值’可能使得該電動機位置的 移動極度地小於該磁極位置預測；然而，當將該響應帶設 定為非適當值（inappropriate value)時，將產生例如不穩 定的控制及在偵測中由於雜訊所增加的誤差的不良影響。 320846 17 200937835 =據1述，明而設計的用於位置/速度控制的增益係為適 虽控带增盈’該適當控制增益可使用電動機的目標移動值 確保磁極位置預測的運算。 、第4圖係顯示當執行用於本實施例的磁極位置預測的 運算级時如何移動電動機位置⑹。如圖巾所示，控制該 等運算組巾的每—個使得該電動機位置㈤返回至電動機 位置命令值（X/=G)的原始位置；因此’即使重複有複數個 運f組’該電動機位置㈤並*會自在執行磁極位置預測 之前的電動機位置偏移。 第1實施例的應用可提供下列功效。相較於描述在辦 專利文獻1中的技術而言，本實施例可以較小的電流來道 成具有較向準確性的磁極位置預測，進而消除靜摩擦的最 響。再者，該較小的電流有助於在該預測運算中既不增如 電動機的移動也不增加雜訊。 相較於描述在專利文獻1中的技術而言，由於給出即 使當磁極位置誤差存在時的正常運算（normai operation) 的該位置/速度控制迴路（position/speed control loop)，因此本實施例可使用較小的移動執行磁極位置預 列。再者，當結合有位置控制時’該磁極位置預測可使得 該電動機位置（X·)在該預測之前及之後均在相同的位置 上；因此，重複複數個運算組並不會造成電動機位置的偏 移0 再者，本實施例可被組構為僅需藉由加入一般伺服控 制趣路（servocontrol loop)到用於極位置預測的運算 18

〇 320846 200937835 # 組’進而具有小量的軟體負載（software load)。至於計算 手段’該運算組既不使用除法函數（division function) • 也不使用例如反正切函數（arctangent function)的三角 函數，使得計算負載降低，進而在極短地時間内提供具有 高準確性的即時债測。 另外，本實施例並不使用電動機磁極的結構突部 (structural sal iency)，以致於本實施例可被應用於例如 ❹表面磁電動機（surface magnet motor)的非突部電動機 (non-salient motor)。 再者，正常地執行運算組S2、S3及S4的每一個必然 地在電動機位置（Xm)或電動機速度中產生微小的變化；因 此’可以藉由考量在電動機位置及電動機速度中的沒 有變化進行錯誤運算而避免該磁極位置的錯誤偵測。 當明確地預測出靜摩擦時’該靜摩擦的預測值可被用 於下列磁極偵測的伺服控制。使用該積分器輸出該極誤差 0 測值的收斂值將給出較少受到雜訊影響的優點。再者， 备該速度積分計算方塊1〇4的積分更新值被使用作為該磁 極位置預測值的初始值時，僅需要將儲存在該積分器記憶 麗中的數值取代即可，進而具有易於計算的優點。 [第2貫施例] 第5圖係繪製本實施例的預測磁極位置的控制方塊的 、、且構圖。在第5圖中與第1圖相同的元件係採用相同的元 件付號以省去對這些元件的解釋。 在第1實施例中所採用於產生擾動的轉矩_誤差-轉矩 19 320846 200937835 (torque-error-torque)的方法是將用於預測的固定電流 訊號施加為d轴電流以自所對應的該實際磁極位置偏移該 極誤差預測值；然而’在本實施例中所採用的方法係在沒 有極誤差的狀態中（在實際磁極位置符合目標磁極位置的 狀態中）施加將相位自該d軸偏移的用於預測的訊號。更具 體而言，如第5圖所示，施加訊號的座標轉換單元9係產 生dq軸電流命令值。另外，在第2實施例的控制方塊組構 中使用在該施加訊號的座標轉換單元9中的作用相位〜被 設定為零（XP=〇)時’該組構係等效於第i實施例的組構。 ❹ 至於運算組，在第1實施例中的每一個運算組中係改 變該初始極誤差預測值；然而，在第2實施例中的每一個 運算组中係改變用於預測的訊號的作用相位，以取代該極 誤差預測值的改變，這是第2實施例與第〗實施例之間僅 存在的差異。有關如何給出用於預測運算的擾動轉矩，僅 有一個給出的差異在於極誤差預測值的初始值或預測使用 作用訊號的相位，但這是一個非必要的差異。因此，藉由 執盯上述的運算組可以執行與第1實施例相同原理的消除 靜摩擦影響的磁極位置預測。 本實施例的功效係基本上與第丨實施例相同。本實施 例的優點在於可將沒有使用積分控制的方法實施於位置/ 速度控制，進而可降低計算量。 [第3實施例] 第6圖係綠製本實施例的預測磁極位置的控制方塊的 組構圖。在第6圖中與第1圖相同的元件係採用相同的元 20 320846 200937835 、· 件符號以省去對這些元件的解釋。 .在第3實施例中不同於第1實施例的組構如下所列： • 為了產生磁極誤差，於本實施例的方法中係將該極誤差預 測值自對應的未獲採納的實際磁極位置改變，但於本實施 例的方法中係以沒有施加磁極誤差自d軸偏移預測使用的 訊號（estimation-use signal)的相位，該方法係採納施加 訊號座標轉換單元9產生用於dq軸電流的命令值；以及， 自位置/速度控制單元8的輸出並未加入電動機電角度，而 ❹是被使用作為用於施加訊號座標轉換單元9的座標轉換位 置。本實施例相較於第2實施例的控制方塊組構的差異在 於是在電流控制之前自該位置/速度控制單元8輪出極誤 差預測值的座標轉換而不是在電流控制之後；然而，本實 施例可執行相似於第2實施例的磁極位置運算的磁極位置 運算。 本實施例的功效係基本上與第丨實施例相同。本實施 ❹例的優點在磁極預測函數於稍後被實作時並不需要佟改 dq-uvw座標轉換單元及uvw-dq座標轉換單元的軟體區集 (software block) 〇 [第4實施例] 第7圖係繪製本實施例的預測磁極位置的控制方塊的 組構圖。在第7圖中與第1圖相同的元件係採用相同的元 件符號以省去對這些元件的解釋。 第4實施例的組構係修改自第3實施例的級構，使得 在uvw-dq座標轉換單元4中的dq軸電流計算及由電流控 320846 21 200937835 制單7C 1控制的電流被消除，以及預測使用的電壓訊號被 施加為取代預測使用的電流訊號。對於直流或低頻電壓而 * 言’電流及電壓是幾乎在相同的相位上；因此，在本實施 例中的運算被預期能給出與第3實施例接近相同的運算行 為。 相較於其它實施例，在本實施例中的磁極位置預測的 5十算量可被大量地減少。另外，即使在某些理由下不可能 提供電流控制迴路，本實施例仍可被施加。舉例而言，當 未提供電流感測器或當錯誤發生於其中時，本實施例仍可 〇 被施加。. 由本發明的内容可易於想出例如在一運算組或每個運 算組中逐漸地改變用於磁極位置預測的偵測使用訊號 (detection~use signal)或初始值的振幅。雖然要花較久 的時間偵測，但是上述方法於運算組中連續增加摘測使用 訊號的振幅且於全部的運算組中連續減少用於磁極位置預 測的初始值’因而可讀小的電關移動提供較高準確纟 的偵測。 Θ 再者本發明的位置/速度控制單元的組構並未限制於 第2圖中的說明；例如位置比例控制、積分控制及微分控 制的控制均可被實施以執行與實施例相同的運算。此外， 若並不需要在預測之前及之後完全地保持磁極位置（χιη)在 相同的位置’則可在無需執行位置控制而基於速度命令值 及電動機速度執行速度比例積分控制。在此情況中，將可 以電動機的較小移動獲得用於磁極位置的高準確性的預測 320846 22 200937835 的相同效果。若在第2炱第4實施例之電動機移動中存在 誤差邊緣（margin) ’則f執打速度比例控制。 在第1至第3實施例中’電流訊號係施加為用於預測 r 的訊號；在施加以結合有電流迴路的組構疊加預測使用電 壓訊號及加入預測使用訊號到電動機位置命令值的實施態 樣均是可能的。其特點在於施加用於產生擾動轉矩的訊號 於磁極位置預測；因此，其它不同種類的態樣均是可能的。 在第1及第2實施例中係以相對於磁極誤差執行預 ® 測，該磁極誤差是指在電動機的實際磁極位置及目標磁極 位置之間的差異，接著，係獲得用於座標轉換的相位；然 而，可直接預測出用於座標轉換的相位。至於使用於座標 轉換的相位資訊是將自該電角度計算單元7輸出的電角度 位置加上自該位置/速度控制單元8輸出的極誤差預測值 (Xe)以使用作為用於座標轉換的相位（Xce);舉例而言，將 這些計算的程序（procedure-ca 1 cu 1 at i on)、預測及相加作 ❹用（addition)全部地在該位置/速度控制單元中執行，以及 可將自該位置/速度控制單元8的輸出直接地使用作為用 於座彳示轉換的相位（Xee)。 [產業上之可利用性] 本發明係有關於感測包含線性電動機之交流同步電動 機之磁極位置。 【圖式簡單說明】 第1圖係繪製本發明的第1實施例的控制方塊的組構 ISI · 團， 23 320846 200937835 第2圖係繪製用於位置/速度控制單元的控制方塊的 組構範例圖； 第3圖係繪製本發明的第1實施例的用於磁極位置預 測的運算組的流程圖； 第4圖係繪製本發明的第1實施例於執行磁極位置預 測時電動機位置（Xm)的波形圖（osci 1 logram); 第5圖係繪製本發明的第2實施例的控制方塊的組構 圖；

第6圖係繪製本發明的第3實施例的控制方塊的組構 圖；以及 第7圖係繪製本發明的第4實施例的控制方塊的組構 圖。 【主要元件符號說明】 1 電流控制單元 2 dqruvw座標轉換單元 3 變流器單元 4 Uvw_dq座標轉換單元 5 電動機 6 電動機感測器 7 電角度計算單元 8 位置/速度控制單元 9 施加訊號的座標轉換單元 101 位置比例集區增益方塊 102 速度計算方塊 103 速度比例集區增益方塊 104 速度積分方塊 SI ' S2 、S3、S4、S5 運算組 〇 24 320846

Claims (1)

1. 200937835 • 七、申請專利範圍： 1. 一種交流同步電動機之磁極位置預測方法，係藉由輸入 ， 由電動機感測器所感測的數值至位置/速度控制單元内 而控制電動機移動器的相對位置或相對速度，並使用該 位置/速度控制單元輸出的極誤差預測值執行施加於該 電動機的電流或電壓的相位的座標轉換，且藉由使該極 誤差預測值接近於實際極誤差值而預測作為該電動機 移動器的相對位置的電動機磁極位置，其中，該實際極 〇 誤差值是指在作為該電動機移動器的相對位置的電動 機磁極位置與作為該電動機移動器的目標相對位置的 目標磁極位置之間的差異，該方法係包括： 第一極誤差輸入步驟，係輪入自參考相位偏移+a 的相位的第一極誤差預測值； 順向移動步驟，係當由該第一極誤差輸入步驟順向 移動該電動機移動器的相對位置時，使用由該電動機感 ❹ 測器所感測的數值，使該極誤差預測值接近於該實際極 誤差值； 第一相位移動儲存步驟，係儲存第一極誤差預測收 斂值，亦即當在該顺向移動步驟中完成收斂該電動機移 動器的相對移動時的相位； 第二極誤差輸入步驟，係輸入自該參考相位偏移_a 的相位的第二極誤差預測值； 反向移動步驟’係當由該第二極誤差輸入步驟反向 移動該電動機移動器的相對位置時，使用由該電動機感 25 320846 200937835 測器所感測的叙_括 極誤差值. 以使該極誤差預測值接近於該實際 歷第二相仇移動儲存步驟，係儲存第二極誤差預測收 ’、15當在該反向移動步驟中完成收斂該電 動器的^對移動時的相位；以& 電動機移 置細步驟’係依據在該第—相位移動儲存步 δΛ 一相位移動儲存步驟中所儲存的該等極誤差 預測收斂值而酬崎際磁餘置。 、 ❹ 2.如申請專利知圍第β之交流同步電 預測方法，復包括： _置 極：差輪入步驟，係輸入自任意相位偏移b的 相位的第二極誤差預測值； 命t移動步驟，係當由該第三㈣差輸人步驟移動 該電動機移動器的相對位置時，制由該3 = 所感測的數值，以枯好扣 J ^ 極誤差制值接近於第三實際極 誤差值， ❹ =差輸人步驟，係輸人自在該第三移動步驟 中元成收斂該電動機移動器的相對移動時的相位偏移 約度或,度的相位的第四極誤差預測值 =移動步驟’係當由該第四極誤差輸人步驟移動 于位置時’使用由該電動機感測器 所感_數值，錢該軸差賴值接近 誤差值；以及 布貝#性 參考相位儲存步驟，係儲存在該第四移動步驟中完 320846 26 200937835 4 t ❹

   成收斂該電動機移動器的相對移動時的相位作為該參 考相位。 3. 如申請專利範圍第1或2項之交流同步電動機之磁極位 置預測方法，其中，在該極位置預測步驟中，係根據在 該第一相位移動儲存步驟中儲存的該第一極誤差預測 收敛值及在該第一相位移動儲存步驟中儲存的該第二 極誤差預測收斂值之平均值而預測該實際磁極位置。 4. 種父"IL同步電動機之磁極位置預測方法，係藉由輸入 由電動機感測器所感測的數值至位置/速度控制單元内 而控制電動機移動器的相對位置或相對速度，並使用該 位置/速度控制單元輸出的極誤差預須彳值執行施加於該 電動機的電流或電壓的相㈣座標㈣，且藉由使該極 誤差預測值接近於實際極誤差值而預測作為該電動機 移動器的相對位置的電動機磁極位置，其中，該實際極 誤差值是指在作為該電動機移動器的相對位置的電動 機磁極位置與作為該電動機移動器的目標相對位置的 目標磁極位置之間的差異，該方法係包括： 第一預測使用訊號輸入步驟，係輸入自參考相位偏 移+a的相位的第一預測使用訊號至施加訊號座標轉換 單元内； 順向移動步驟，係當由該第一預測使用訊號輸^ 騍順向移動該電動機移動器的相對位置時，使用由言 ^機感測11所感_數值’錢該極誤差預測值接立 該實際極誤差值； 320846 27 200937835 第一相位移動儲存步驟，係儲存在該順向移動步驟 中完成收斂該電動機移動器的相對移動時的相位的第 v 一極誤差預測收斂值； ’ 第二預測使用訊號輸入步驟’係輸入自該參考相位 1 偏移-a的相位的第二預測使用訊號至施加訊號座標轉 換單元内； 反向移動步驟，係當由該第二預測使用訊號輸入步 驟反向移動該電動機移動器的相對位置時，使用由該電 動機感測器所感測的數值，以使該極誤差預測值接近於 ❹ 該實際極誤差值； 第二相位移動儲存步驟，係儲存在該反向移動步驟 中完成收斂該電動機移動器的相對移動時的相位的第 二極誤差預測收斂值；以及 極位置預測步驟，係依據在該第一相仇移動儲存步 驟及該第二相位移動儲存步驟中所儲存的該等極誤差 預測收敛值而預測該實際磁極位置。 5. 如申請專利範圍第4項之交流同步電動機之磁極位置 〇 預測方法，其中，該極誤差預測值係被輸入至該施加訊 號座標轉換單元内。 6. 如申請專利範圍第4或5項之交流同步電動機之磁極位 置預測方法，其中，該第一預測使用訊號係為第一預測 使用電流訊號，以及該第二預測使用訊號係為第二預測 使用電流訊號。 ' 7·如申請專利範圍第4或5項之交流同步電動機之磁極位 320846 28 200937835 . 置預測方法，其中，該第一預測使用訊號係為第一預測 使用電壓訊號，以及該第二預測使用訊號係為第二預測 使用電壓訊號。 〇 ❹ 29 320846