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TWI759774B - 應用於馬達驅動之電路系統與控制方法 - Google Patents

應用於馬達驅動之電路系統與控制方法 Download PDF

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TWI759774B
TWI759774B TW109120997A TW109120997A TWI759774B TW I759774 B TWI759774 B TW I759774B TW 109120997 A TW109120997 A TW 109120997A TW 109120997 A TW109120997 A TW 109120997A TW I759774 B TWI759774 B TW I759774B
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conversion unit
switch
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carrier signal
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TW109120997A
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蔡明祺
白富升
謝旻甫
施凱中
吳政軒
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國立成功大學
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Abstract

一種應用於馬達驅動之電路系統與控制方法，該控制方法包含：一鎖相電路單元使一第一載波訊號及一第二載波訊號的振幅及起點一致；一PWM控制單元比較該第一載波訊號及一參考訊號，該PWM控制單元依據比較結果產生一開關的導通命令或截止命令；當該PWM控制單元驅動該開關導通或截止，而使一負載電流由一電容器獨自供應時，一SVPWM控制單元控制一變頻單元之上臂的一功率電晶體導通或該變頻單元之下臂的該功率電晶體導通，使該負載電流為0。藉此，可以減少該電容器獨自供應該負載電流的時間，並有效降低直流電壓漣波，減少操作損失以及電壓突波暫態。

Description

應用於馬達驅動之電路系統與控制方法
本發明係關於一種電路系統與控制方法，特別是指一種應用於馬達驅動之電路系統與控制方法。
隨著全球溫室效應與節能減碳等環境議題受到重視，各國均在執行減少使用石化燃料之方案，其中在各式載具技術的變革上，使用電動馬達取代傳統之燃油引擎已為共通且明確之技術走向。依據國際能源署研究調查顯示，全世界在未來30年內都持續有大規模之充電型電動車輛進入市場。又如用於智能生產系統之無人搬運車系統，從經濟效益來看約可抵3個搬運作業員與1台傳統運輸車之作業能量，故載具電動化之發展，亦儼然成為提高工業生產效能重要之一環。
現有電動載具的供電系統，大多以高壓鋰電池或鎳氫電池組做為主電池，供電給變頻器驅動馬達，並再使用低壓電池做為副電池，供電給儀錶板等車用電子電機設備的電源。然而，在啟動過程或切換過程中，往往會產生衝擊電流突波、漣波等等，進而縮短負載的壽命。
於是有中國專利公開號CN 110620497 A提供一種抑制三相PWM整流器啟動衝擊電流的控制方法及電路，由非線性fal函數設計啟動衝擊電流抑制器；對信號進行採樣；將直流母線電壓階躍給定指令進行平滑處理，計算偏 差信號△u，計算d軸網側電流；獲取實時相位θ，對三相電感電流進行abc-dq的坐標轉換，得到同步旋轉坐標系下的電感電流d軸分量和q軸分量；計算d軸電流誤差△i，獲得d軸控制電壓；由實時相位θ對控制電壓進行dq-αβ坐標轉換獲得控制電壓α軸分量、β軸分量；將控制電壓輸入到SVPWM調製器，獲得脈衝信號。前述專利不影響原系統的穩態性能和動態性能；未增加採樣量，未增加硬件成本，控制步驟簡單，實現容易；可以有效減小啟動過程中的衝擊電流大小，延長系統使用壽命，提高系統的穩定性和可靠性。
然而，前述專利案仍無法有效將漣波減少，仍然可能影響負載的使用壽命。
爰此，本發明人提出一種應用於馬達驅動之電路系統，包含：一穩壓單元；一直流電力轉換單元，電性連接該穩壓單元，該直流電力轉換單元包含一PWM控制單元、一第一開關、一第二開關及一電容器；一變頻單元，電性連接該直流電力轉換單元，該變頻單元包含一SVPWM控制單元及一功率電晶體；以及一鎖相電路單元，電性連接該直流電力轉換單元及該變頻單元，該鎖相電路單元使該直流電力轉換單元產生之一第一載波訊號及該變頻單元產生之一第二載波訊號的振幅及起點一致；該穩壓單元產生一參考訊號輸入至該直流電力轉換單元，該PWM控制單元比較該第一載波訊號及該參考訊號，該PWM控制單元依據比較結果產生該第一開關及該第二開關的導通命令或截止命令；當該PWM控制單元驅動該第一開關及該第二開關導通或截止，而使送往該變頻單元的一負載電流由該電容器獨自供應時，該SVPWM控制單元控制該 變頻單元之上臂的該功率電晶體導通或該變頻單元之下臂的該功率電晶體導通，使該負載電流為0。
進一步，該直流電力轉換單元有一電感器，當該第一載波訊號的大小小於該參考訊號的一參考值時，該PWM控制單元驅動該第一開關截止、該第二開關導通，送往該變頻單元的該負載電流由該電容器獨自供應；當該第一載波訊號的大小大於該參考值時，該PWM控制單元驅動該第一開關導通、該第二開關截止，儲存在該電感器中的電能轉至該電容器儲存及轉為該負載電流。
其中，該直流電力轉換單元為直流對直流電力轉換器。
本發明人再提出一種應用於馬達驅動之電路控制方法，包含：一鎖相電路單元使一直流電力轉換單元產生之一第一載波訊號及一變頻單元產生之一第二載波訊號的振幅及起點一致；一穩壓單元產生一參考訊號輸入至該直流電力轉換單元，該直流電力轉換單元中的一PWM控制單元比較該第一載波訊號及該參考訊號，該PWM控制單元依據比較結果產生該直流電力轉換單元中的一開關的導通命令或截止命令；當該PWM控制單元驅動該開關導通或截止，而使送往該變頻單元的一負載電流由一電容器獨自供應時，該變頻單元中的一SVPWM控制單元控制該變頻單元之上臂的一功率電晶體導通或該變頻單元之下臂的該功率電晶體導通，使該負載電流為0。
其中，該開關包含一第一開關及一第二開關，當該第一載波訊號的大小小於該參考訊號的一參考值時，該PWM控制單元驅動該第一開關截止、該第二開關導通，送往該變頻單元的該負載電流由該電容器獨自供應；當該第一載波訊號的大小大於該參考值時，該PWM控制單元驅動該第一開關導通、該 第二開關截止，儲存在該直流電力轉換單元之一電感器中的電能轉至該電容器儲存及轉為該負載電流。
其中，該直流電力轉換單元係為直流對直流電力轉換器。
根據上述技術特徵可達成以下功效：
1.藉由鎖相電路單元，狀態一會對應到第一臂、第二臂及第三臂皆上臂導通或皆下臂導通，此時負載電流為零，可以減少電容器獨自供應負載電流的時間，並有效降低直流電壓漣波，減少第一開關及第二開關切換時的操作損失以及第一開關及第二開關之汲源極的電壓突波暫態。
2.由於直流電壓漣波降低，在驅動相同規格的馬達時，所需的直流電容值可以降低，減少所需電容器的數量，減少電路整體體積，並進一步提升馬達驅動電路製作之功率密度與運轉可靠度。
3.由於直流電壓漣波降低，在相同的變頻單元的控制參數下，可以降低馬達轉矩漣波。
4.仍然可以準確驅動馬達，不會因為其他功效而損失本來準確驅動馬達的功能。
5.輸出電壓的穩定性高，整合性的控制電路使得控制系統的成本較低，電容器壽命更長，馬達的轉速與轉矩也更穩定。
1:穩壓單元
2:直流電力轉換單元
21:PWM控制單元
3:變頻單元
31:SVPWM控制單元
4:鎖相電路單元
A:電池
B:馬達
CDC:直流電容器
L:電感器
Q1:第一開關
Q2:第二開關
S1:第一功率電晶體
S2:第二功率電晶體
S3:第三功率電晶體
S4:第四功率電晶體
S5:第五功率電晶體
S6:第六功率電晶體
Scarrier-1:第一載波訊號
Scarrier-2:第二載波訊號
Sr:參考值
TS:切換時間週期
[第一圖]係本發明實施例之電路示意圖。
[第二圖]係本發明實施例之流程示意圖。
[第三圖]係本發明實施例之時序示意圖。
[第四圖]係本發明實施例之外加轉矩圖。
[第五圖]係本發明實施例之電壓對時間之關係模擬圖。
[第六圖]係本發明實施例之轉矩對時間之關係模擬圖。
[第七圖]係本發明實施例之轉速對時間之關係模擬圖。
綜合上述技術特徵，本發明應用於馬達驅動之電路系統與控制方法的主要功效將可於下述實施例清楚呈現。
請參閱第一圖，係揭示本發明實施例應用於馬達驅動之電路控制方法的電路，主要是以一穩壓單元1、一直流電力轉換單元2、一變頻單元3及一鎖相電路單元4來執行該應用於馬達驅動之電路控制方法。
該直流電力轉換單元2為一直流對直流電力轉換器，該直流電力轉換單元2包含一電感器L、二功率電晶體、一直流電容器CDC及一PWM控制單元21，所述功率電晶體分別做為一第一開關Q1及一第二開關Q2使用。
該變頻單元3包含複數功率電晶體及一SVPWM控制單元31，所述功率電晶體在本發明之實施方式中數量為六，分別為一第一功率電晶體S1、一第二功率電晶體S2、一第三功率電晶體S3、一第四功率電晶體S4、一第五功率電晶體S5及一第六功率電晶體S6。相鄰的二個所述功率電晶體形成為一臂，更明確的說，該第一功率電晶體S1及該第二功率電晶體S2形成一第一臂，該第三功率電晶體S3及該第四功率電晶體S4形成一第二臂，該第五功率電晶體S5及該第六功率電晶體S6形成一第三臂，其中，該第一功率電晶體S1、該第三功率電晶體S3及該第五功率電晶體S5分別為該第一臂、該第二臂及該第三臂的上臂，該第二功率電晶體S2、該第四功率電晶體S4及該第六功率電晶體S6分別為該第一臂、該第二臂及該第三臂的下臂。
請參閱第二圖及第三圖，並請搭配第一圖，該應用於馬達驅動之電路控制方法包含以下步驟：該鎖相電路單元4使該直流電力轉換單元2產生之一第一載波訊號Scarrier-1及該變頻單元3產生之一第二載波訊號Scarrier-2的振幅及起點一致，以下以一切換時間週期TS中的狀態進行說明。在本發明之實施方式中，該第一載波訊號Scarrier-1及該第二載波訊號Scarrier-2皆為三角波。由於該第一載波訊號Scarrier-1之頻率為該第二載波訊號Scarrier-2之頻率的兩倍，在該切換時間週期中，該第一載波訊號Scarrier-1會有兩次完整的週期，該第二載波訊號Scarrier-2則僅有一次完整的週期，且該第一載波訊號Scarrier-1及該第二載波訊號Scarrier-2的起點與終點都是零。
要先說明的是該直流電力轉換單元2的運作，該穩壓單元1會以電壓回路或電流回路產生一參考訊號輸入至該直流電力轉換單元2，該參考訊號例如大小固定為一參考值Sr的線形波，該參考值Sr例如可以是該第一載波訊號Scarrier-1之最大峰值的一半。該第一載波訊號Scarrier-1輸入至該直流電力轉換單元2後，該PWM控制單元21會比較該第一載波訊號Scarrier-1及該參考值Sr，當該第一載波訊號Scarrier-1的大小小於該參考值Sr時，為一狀態一；當該第一載波訊號Scarrier-1的大小大於該參考值Sr時，為一狀態二。該PWM控制單元21依據該狀態一或該狀態二產生該第一開關Q1及該第二開關Q2的導通命令或截止命令，再透過適當的訊號隔離與放大驅動該第一開關Q1及該第二開關Q2導通或截止。
在該狀態一中，該PWM控制單元21驅動該第一開關Q1截止、該第二開關Q2導通，此時開關狀態根據該第二開關Q2之導通定義為1，一電池A的電能儲存至該電感器L中，送往該變頻單元3的一負載電流由該直流電容器CDC獨自供應，儲存於該直流電容器CDC的電量Q由一方程式一：Q=I C t=C△V C 表示，其中，IC為該負載電流，t為時間參數，△VC為該直流電容器CDC的電壓變化量。
在該狀態二中，該PWM控制單元21驅動該第一開關Q1導通、該第二開關Q2截止，此時開關狀態根據該第二開關Q2之截止定義為0，儲存在該電感器L中的電能轉至該直流電容器CDC儲存及轉為該負載電流。
接著說明的是該變頻單元3的運作，分別將該第一臂、該第二臂及該第三臂上臂導通的狀態定義為1，下臂導通的狀態定義為0。
在該第二載波訊號Scarrier-2的一個週期內，也就是在該切換時間週期TS中，該SVPWM控制單元31對所述功率電晶體的控制模式是對稱的，依序為：該第一臂、該第二臂及該第三臂皆為下臂導通，即該第二功率電晶體S2、該第四功率電晶體S4及該第六功率電晶體S6導通；該第一臂為上臂導通，該第二臂及該第三臂維持下臂導通，即該第一功率電晶體S1、該第四功率電晶體S4及該第六功率電晶體S6導通；該第一臂及該第二臂為上臂導通，該第三臂維持下臂導通，即該第一功率電晶體S1、該第三功率電晶體S3及該第六功率電晶體S6導通；該第一臂、該第二臂及該第三臂皆為上臂導通，即該第一功率電晶體S1、該第三功率電晶體S3及該第五功率電晶體S5導通；該第一臂及該第二臂維持上臂導通，該第三臂為下臂導通，即該第一功率電晶體S1、該第三功率電晶體S3及該第六功率電晶體S6導通；該第一臂維持上臂導通，該第二臂及該第三臂為下臂導通，即該第一功率電晶體S1、該第四功率電晶體S4及該第六功率電晶體S6導通；該第一臂、該第二臂及該第三臂皆為下臂導通，即該第二功率電晶體S2、該第四功率電晶體S4及該第六功率電晶體S6導通。
當該第一臂、該第二臂及該第三臂皆為下臂導通時，或該第一臂、該第二臂及該第三臂皆為上臂導通時，換句話說，當該第二功率電晶體S2、該第四功率電晶體S4及該第六功率電晶體S6皆導通時，或該第一功率電晶體S1、該第三功率電晶體S3及該第五功率電晶體S5皆導通時，該負載電流皆為零。
繼續說明該應用於馬達驅動之電路控制方法，由於該鎖相電路單元4使該第一載波訊號Scarrier-1及該第二載波訊號Scarrier-2的振幅及起點一致，該狀態一會對應到該第一臂、該第二臂及該第三臂皆為下臂導通時，或該第一臂、該第二臂及該第三臂皆為上臂導通時，也就是該第一開關Q1截止、該第二開關Q2導通，使該直流電容器CDC獨自供應該負載電流時，必然經歷該負載電流為零。根據該方程式一，△VC與該負載電流大小成正比，當該負載電流大小降低，△VC會跟著降低，進而降低直流電壓漣波，減少該第一開關Q1及該第二開關Q2切換時的操作損失以及該第一開關Q1及該第二開關Q2之汲源極的電壓突波暫態。除此之外，由於直流電壓漣波降低了，在驅動相同規格的一馬達B時，所需的直流電容值亦可以降低，也就是可以減少驅動電路整體所需之該直流電容器CDC的數量，減少電路整體體積，並進一步提升該馬達B之驅動電路製作的功率密度與運轉可靠度。
請參閱第四圖，並請搭配第一圖、下表一及下表二，為驗證該應用於馬達驅動之電路控制方法的正確性，採用MATLAB內的SIMULINK進行電腦的電路模擬計算，該馬達B及該直流電力轉換單元2的相關參數如下表一及下表二所示。
Figure 109120997-A0305-02-0011-1
Figure 109120997-A0305-02-0012-2
Figure 109120997-A0305-02-0012-3
搭配上表一及上表二的參數進行模擬，模擬時轉速命令為1900rpm，外加轉矩則如第四圖的示意，在0至3秒時轉矩大小為2N-m，3至6秒時轉矩大小增加至4N-m，6秒之後將轉矩大小降至1N-m。
請參閱第五圖至第七圖，並請搭配第一圖，第五圖至第七圖為電腦模擬結果，其中，紅色曲線為單純使用PWM控制技術之一習知技術的模擬結果，藍色曲線則為本發明之該應用於馬達驅動之電路控制方法的模擬結果。
從第五圖中可以看出，在3至6秒負載最大的期間內，該習知技術產生之直流電壓漣波為5.95%，本發明則因為該狀態一期間的該負載電流減少，直流電壓漣波僅剩2.3%，明顯優於該習知技術。除此之外，無論是在3秒的加載或在6秒的卸載，本發明幾乎無電壓突波暫態，本發明確實具有較佳的直流電壓變動性能曲線。
由於本發明具有較小的直流電壓漣波，在相同的該變頻單元3的控制參數下，本發明勢必能較該習知技術降低馬達轉矩漣波，從第六圖中也可以看出，在3至6秒負載最大的期間，該習知技術之馬達轉矩漣波為76.5%，本發明之馬達轉矩漣波降至62.5%，確實降低馬達轉矩漣波。
最後由第七圖可以看出，相較於該習知技術，本發明不但具有前述優勢，且還是可以準確控制該馬達B的轉速，不會對該馬達B的驅動產生負面的影響。
綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。
1:穩壓單元
2:直流電力轉換單元
21:PWM控制單元
3:變頻單元
31:SVPWM控制單元
4:鎖相電路單元
A:電池
B:馬達
CDC:直流電容器
L:電感器
Q1:第一開關
Q2:第二開關
S1:第一功率電晶體
S2:第二功率電晶體
S3:第三功率電晶體
S4:第四功率電晶體
S5:第五功率電晶體
S6:第六功率電晶體

Claims (6)

  1. 一種應用於馬達驅動之電路系統，包含：一穩壓單元；一直流電力轉換單元，電性連接該穩壓單元，該直流電力轉換單元包含一PWM控制單元、一第一開關、一第二開關及一電容器；一變頻單元，電性連接該直流電力轉換單元，該變頻單元包含一SVPWM控制單元及一功率電晶體；以及一鎖相電路單元，電性連接該直流電力轉換單元及該變頻單元，該鎖相電路單元使該直流電力轉換單元產生之一第一載波訊號及該變頻單元產生之一第二載波訊號的振幅及起點一致；該穩壓單元產生一參考訊號輸入至該直流電力轉換單元，該PWM控制單元比較該第一載波訊號及該參考訊號，該PWM控制單元依據比較結果產生該第一開關及該第二開關的導通命令或截止命令；當該PWM控制單元驅動該第一開關及該第二開關導通或截止，而使送往該變頻單元的一負載電流由該電容器獨自供應時，該SVPWM控制單元控制該變頻單元之上臂的該功率電晶體導通或該變頻單元之下臂的該功率電晶體導通，使該負載電流為0。
  2. 如請求項1之應用於馬達驅動之電路系統，進一步，該直流電力轉換單元有一電感器，當該第一載波訊號的大小小於該參考訊號的一參考值時，該PWM控制單元驅動該第一開關截止、該第二開關導通，送往該變頻單元的該負載電流由該電容器獨自供應；當該第一載波訊號的大小大於該參考值時，該 PWM控制單元驅動該第一開關導通、該第二開關截止，儲存在該電感器中的電能轉至該電容器儲存及轉為該負載電流。
  3. 如請求項1之應用於馬達驅動之電路系統，其中，該直流電力轉換單元為直流對直流電力轉換器。
  4. 一種應用於馬達驅動之電路控制方法，包含：一鎖相電路單元使一直流電力轉換單元產生之一第一載波訊號及一變頻單元產生之一第二載波訊號的振幅及起點一致；一穩壓單元產生一參考訊號輸入至該直流電力轉換單元，該直流電力轉換單元中的一PWM控制單元比較該第一載波訊號及該參考訊號，該PWM控制單元依據比較結果產生該直流電力轉換單元中的一開關的導通命令或截止命令；當該PWM控制單元驅動該開關導通或截止，而使送往該變頻單元的一負載電流由一電容器獨自供應時，該變頻單元中的一SVPWM控制單元控制該變頻單元之上臂的一功率電晶體導通或該變頻單元之下臂的該功率電晶體導通，使該負載電流為0。
  5. 如請求項4之應用於馬達驅動之電路控制方法，其中，該開關包含一第一開關及一第二開關，當該第一載波訊號的大小小於該參考訊號的一參考值時，該PWM控制單元驅動該第一開關截止、該第二開關導通，送往該變頻單元的該負載電流由該電容器獨自供應；當該第一載波訊號的大小大於該參考值時，該PWM控制單元驅動該第一開關導通、該第二開關截止，儲存在該直流電力轉換單元之一電感器中的電能轉至該電容器儲存及轉為該負載電流。
  6. 如請求項4之應用於馬達驅動之電路控制方法，其中，該直流電力轉換單元係為直流對直流電力轉換器。
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