TWI812400B

TWI812400B - 決定同步馬達的初始轉子位置的方法及其控制器

Info

Publication number: TWI812400B
Application number: TW111130666A
Authority: TW
Inventors: 桂聰李
Original assignee: 加拿大商芯凱電子科技國際控股有限合夥公司
Priority date: 2021-08-31
Filing date: 2022-08-15
Publication date: 2023-08-11
Also published as: WO2023029789A1; US11824470B2; TW202318784A; US20230068845A1

Abstract

一種在啟動同步馬達時的初始轉子位置的決定方法。該方法包含應用電壓向量脈波對至複數個預設馬達角之每一者，電壓向量脈波對包含具有相同振幅但相反極性的第一脈波及第二脈波，在第一脈波之後，第二脈波立即地或是接近立即地被應用。該方法包含判斷該些預設馬達角的被應用的電壓向量脈波對的定子電流響應。接著，初始轉子位置可以由(a)最大定子電流總和或是(b)在定子電流總和從負馬達角改變為正馬達角時的電壓向量脈波對所對應的定子角決定。

Description

決定同步馬達的初始轉子位置的方法及其控制器

本發明係關於決定同步馬達的初始轉子位置的方法及其控制器。該方法特別關於，但不限於包含一種具有無感測器閉迴路控制系統的永磁同步馬達(permanent magnet synchronous motor，PMSM)的同步運轉的初始轉子位置的決定方法。

多相(例如三相)馬達的最普遍類型為同步馬達與感應馬達。當三相電導體係放置於特定幾何位置時(彼此之間具有一特定角度)，則會產生電場。旋轉的磁場係於一特定速度旋轉，即同步轉速。若一永久磁鐵或電磁鐵係存在於此旋轉磁場中，則該磁鐵會磁性地鎖固於該旋轉磁場從而與該旋轉磁場以相同速度旋轉，其中當馬達的轉子的轉速與該旋轉磁場的轉速相同時構成同步馬達。

永磁馬達使用永久磁鐵於轉子中以提供恆定的磁通量，其具有正弦的反電動勢(emf)訊號。當該定子中的該旋轉磁場的速度係為或接近同步速度時，該轉子係鎖定。該定子帶動連接至一控制器的繞組以產生該旋轉磁場，該控制器具有包括一電壓供應(通常為交流(AC)電壓供應)的一功率級。這樣的配置構成了PMSM。

PMSMs係類似直流無刷(brushless direct current，BLDC)馬達。BLDC馬達可以被視為同步直流馬達，其使用具有包括經合適轉換的一直流電壓供應的一功率級的一控制器，以產生該定子旋轉磁場。因此，BLDC馬達使用與交流同步馬達，尤其是PMSM馬達，相同或類似的控制演算法。

在此之前，於同步馬達控制系統中，使用至少一個感測器(例如霍爾感測器)以於同步運轉期間偵測轉子的旋轉位置是很普遍的。然而，現今較為喜愛無感測器馬達控制系統。

這種無感測器馬達控制系統通常包括一轉子位置及轉速估計模組，於同步運轉期間，轉子位置及轉速可基於由旋轉轉子所引起的反電動勢被持續地估計。估計的轉子位置與轉速被用來於同步運轉期間更新及/或補償馬達控制訊號，從而提供無感測器閉迴路同步運轉馬達控制。

然而，同步馬達啟動時可能會遭遇到一個問題，即需要該轉子的一最低運轉轉速以獲得用於同步運轉的閉迴路馬達控制所需的估計反電動勢的一水平。換言之，當馬達處於止轉狀態或是低轉速狀態時，測量訊號將過小而無法進行精準的位置估計。

該問題的最一般的解決方式是，透過注入從低頻率上升至高頻率的電流的開迴路啟動方法。然而，由於初始轉子位置未知且可能存在有較大的靜摩擦力，馬達開始旋轉時可能出現暫時性地反轉，或是甚至無法啟動。該問題的另一種解決方式是從預定轉子位置來啟動馬達。此程序是在預設時間對三相繞組的兩相進行激勵。接著，永磁轉子將進行旋轉以對齊感應磁場對應的方向。然而，在對齊過程中，可能出現反轉，甚至暫時性地振動，而此些情形對於某些馬達應用是無法接受的。

為了解決上述問題，透過各種初始轉子位置的估計技術以改良對齊過程。大多數的初始轉子估計方法是基於轉子的永久磁鐵所造成的定子鐵芯的飽和效應。其中的一種識別初始位子的方法包含在應用電壓脈波之後，比較向量d軸電流。此種方法透過定子繞組的放電時段來偵測初始轉子位置，其中定子繞組是在放電之前被激勵。另一種初始位置的偵測方法是結合電壓脈波的迭代序列及基於直流鏈(DC-link)電流測量所衍生的電流響應與相電流的模糊邏輯過程。此程序是基於當兩繞組被變流器的直流(DC)電壓源激勵時，定子繞組感應的最大線對線電動勢(maximum line-to-line electromotive forces，maximum line-to-line emfs)之間的大小關係。然而，此些方法的缺點是實施方式較為複雜，或是需要測量三相電流及三相電壓。

如由「Yan-Chuan」及「Ying-Yu Tzou」所著作，於2007年六月17~21日出版之標題為「一種無反轉的無刷直流馬達的新的無感測啟動方法(A New Sensorless Starting Method for Brushless DC Motors without Reverse Rotation)」的出版物的第619~624頁所述，且該出版物內容以參照方式併入本案中，其對該問題的解決方式是透過被應用的電壓向量的注入來偵測直流鏈電流響應的變化。由於被測量的直流鏈電流的磁場分布，被測量的直流鏈電流是轉子位置的函數。

此方法所遭遇到的一個問題是，需要驅動馬達定子線圈達到飽和狀態。如此，需要在短輸送時間內應用大電流，從而造成馬達出現明顯的雜訊(雜音)或是顫動。電壓向量脈波係被成對地應用，且每電壓向量脈波對中的電壓向量脈波分別相隔180度(180°)，例如[1,180]、[30,210]、[60,240]等。此係因為決定初始轉子位置的方法所需的大電壓向量脈波是驅動馬達使其搖動轉子，即致使轉子前後旋轉，從而使轉子可以維持其原始位置。然而，旋轉量係取決於被應用的電壓量及馬達角分離的電壓脈波對之間的時間區間。轉子的搖動會感應出反電動勢(back-emf)，從而對馬達角位置的決定產生不利地影響。為了提升馬達角偵測的準確性，大電壓向量脈波可以被應用，但此些大電壓向量脈波的脈波之間需要較長的休息時間，以使馬達電流下降至零，並且在任何情形下，皆會感應更大的反電動勢，從而對馬達角位置的決定的準確性產生更加不利地影響。

因為以上問題以及其他問題，一種改良的決定同步馬達的初始轉子位置的方法為所需要的。

本發明的一個目的為於某種程度上減緩或避免有關決定同步馬達的初始轉子位置的已知方法的一或多個問題。

以上目的係以獨立請求項的技術特徵的結合所達成；附屬請求項則揭露本發明更多有益實施例。

本發明的另一個目的為提供一種具有用於同步運轉的無感測器閉迴路控制系統的PMSM的初始轉子位置的改良的決定方法。

本發明的另一個目的為用於提供一種具有用於同步運轉的無感測器閉迴路控制系統的PMSM的改良的啟動方法。

本發明所屬技術領域中具有通常知識者可從以下描述中衍伸出本發明其他目的。因此，前述目的並非全面性描述，且僅用於說明本發明諸多目的中的一些。

於第一主要方面，本發明提供一種決定具有永磁轉子的同步馬達在啟動時的初始轉子位置的方法。該方法包含應用電壓向量脈波對在複數個預設馬達角之每一者，電壓向量脈波對包含第一脈波及第二脈波，第一脈波及第二脈波具有相同振幅但相反極性，在第一脈波被應用之後，第二脈波立即地被應用或是接近立即地被應用。該方法包含判斷在該些預設馬達角下，該些被應用的電壓向量脈波對的定子電流響應。接著，初始轉子位置可以由(a)構成最大定子電流總和的向量電壓脈波對或是(b)在定子電流總和從負馬達角改變為正馬達角時的電壓向量脈波對所對應的定子角決定。

於第二主要方面，本發明提供一種啟動具有永磁轉子的同步馬達的閉迴路方法。該方法包含應用電壓向量脈波對在同步馬達的複數個預設馬達角之每一者，電壓向量脈波對包含第一電壓向量脈波及第二電壓向量脈波，第一電壓向量脈波及第二電壓向量脈波具有相同振幅但相反極性，在第一電壓向量脈波被應用之後，第二電壓向量脈波立即地被應用或是接近立即地被應用；判斷在該些預設馬達角下，該些被應用的電壓向量脈波對的電流響應；及(a)決定構成最大定子電流總和的電壓向量脈波對所對應的定子角作為初始轉子位置；或(b)決定在定子電流總和從負馬達角改變為正馬達角時的電壓向量脈波對所對應的定子角作為初始轉子位置；在初始轉子位置已被決定後，切換(switching-over)馬達的控制至閉迴路同步運轉馬達控制演算法。

於第三主要方面，本發明提供一種用於馬達的閉迴路控制器。控制器包含非暫態電腦可讀取媒體及處理器，非暫態電腦可讀取媒體儲存有機器可讀取指令。當機器可讀取指令被處理器執行時，機器可讀取指令配置控制器根據本發明的第二主要方面，啟動具有永磁轉子及定子繞組的同步馬達

於第四主要方面，本發明根據其第三主要方面，提供一種包含有閉迴路控制器的同步馬達。

本發明內容並未必然揭露用以界定本發明的所有必要特徵；本發明可能為所揭露的特徵的次組合。

前述已廣泛地概述本發明的特徵以使讀者更好理解下述本發明的實施方式。本發明額外的特徵以及優勢會於後描述，並呈現本發明請求項的主體。本發明所屬技術領域中具有通常知識者應理解所揭露的概念以及特定實施例可作為修改或設計其他結構的基礎以實現與本發明相同的目的。

10:同步馬達

12:永磁轉子

14:永久磁鐵

16:定子

18:轉子繞組

100:閉迴路控制器

110:功能方塊

120:處理器

130:記憶體

140:模組

150:轉子磁通量觀察模組

160:功率級/功率電橋

170:克拉克轉換模組

200:FOC控制器

L:電感

R:電阻

△Φ:磁通

I_A,B,C:三相感應電流

i _a,b,c:三相定子電流

v _a,b,c:三相定子電壓

i _α,β:α、β軸定子電流

v _α,β:α、β軸定子電壓

I _d,q:旋轉座標定子電流

V _d,q:旋轉座標定子電壓

i ₁(t):電流響應

i ₂(t):電流響應

V_DC:直流電壓

t ₁、t ₂:開啟時間

I_SUM:定子電流總和

I₁、I^’ ₁:直流鏈電流

[圖1]繪示傳統的同步馬達的定子電感作為轉子磁通及定子電流之間的函數；[圖2]係傳統的同步馬達的定子磁芯的非線性磁化特性(non-linear magnetization characteristic)的示意圖；[圖3A]及[圖3B]繪示三相同步馬達的複數個激勵配置之其中二者的電流路徑；[圖4]繪示三相同步馬達的十二個激勵配置；[圖5]繪示圖4的十二個激勵配置所對應的十二個電壓向量；[圖6]繪示在十二個激勵電壓向量脈波應用於傳統的三相同步馬達之後的直流鏈電流響應；[圖7]繪示根據本發明的方法之同步馬達中的定子電感的佈局；[圖8]繪示根據本發明的方法，在激勵電壓向量脈波對係應用於同步馬達之後的直流鏈電流響應； [圖9]繪示根據本發明的方法，在激勵電壓向量脈波對應係用於同步馬達之後的直流鏈電流響應的定子電壓角與馬達角之間的關係表；[圖10]係本發明之具有閉迴路控制器的同步馬達的示意方塊圖；[圖11]係本發明一實施例之閉迴路控制器的細部示意方塊圖；[圖12]係可實現本發明閉迴路啟動方法的同步馬達的三角形接法以及星形接法(或Y形接法)定子繞組配置的示意圖；[圖13]係本發明用於圖12所示的同步馬達的閉迴路馬達控制系統的功率級的示意方塊圖；[圖14]係可實現本發明閉迴路啟動方法的同步馬達的定子繞組的六線配置的示意圖；[圖15]係本發明用於圖14所示的同步馬達的閉迴路馬達控制系統的功率級的示意方塊圖；[圖16]係可實現本發明閉迴路啟動方法的同步馬達的定子繞組的四線配置的示意圖；及[圖17]係本發明用於圖16所示的同步馬達的閉迴路馬達控制系統的功率級的示意方塊圖。

以下描述僅係以範例說明較佳實施例，非用以限定發揮本發明功效之技術特徵之結合方式。

本說明書中提及「一實施例」時，代表與該實施例描述在一起的某一特定的特徵、結構或特性被包括在本發明至少一個實施例。說明書中各處的「於一實施例」的用語並不一定都是影射同一實施例，也非與其他實施例互斥的分離或相異的實施例。此外，各特徵於說明書中被描述，其可能出現在某些實施例，但未出現於其他實施例。相似的，各需求亦於說明書中被描述，其可能為某些實施例的需求，但非其他實施例的需求。

應了解，圖式中各元件可以不同的形式實現，如硬體、軟體或其組合。該些元件可於一或多個適當程式化之通用設備，例如處理器、記憶體以及I/O介面，以軟硬體組合的方式實現。

文中描述說明了本發明的原理。因此，應了解本發明所屬技術領域中具有通常知識者可擬出各種雖然未明確於本文中描述或顯示、但包括本發明之原理且落於本發明的精神與範圍內的規劃方式。

此外，本文中所有記載了本發明之原理、面向以及實施例、也記載了其特定範例的陳述係用於涵蓋本發明的等效結構以及等效功能。另外，這些等效結構以及等效功能包括目前已知的等效結構以及等效功能、也包括未來發展出來的等效結構以及等效功能，即無論其架構，任何執行相同功能的元件。

因此，舉例來說，本發明所屬技術領域中具有通常知識者應了解所呈現的方塊圖僅代表概念性系統以及設備圖像化呈現，展示本發明的原理。

圖中所示各元件的功能可經由使用專屬硬體以及與適當軟體連結之可執行軟體之硬體所提供。當由一處理器提供時，該些功能可由單一專屬處理器提供、由單一共用處理器提供或由多個單一處理器提供(其中幾個可為共用)。此外，明確的「處理器」或「控制器」用詞的使用不應僅被理解為可執行軟體之硬體，且可暗示性包括，但非限於，數位信號處理器(digital signal processor，DSP)硬體、用於儲存軟體之唯讀記憶體(read-only memory，ROM)、隨機存取記憶體(random access memory，RAM)以及非揮發儲存器。

於本文之請求項，任何表示為執行一特定功能的方法的元件係用於涵蓋任何的執行該功能方法，例如包括a)執行該功能的電路元件的組合或b)任何形式的軟體，因此包括韌體、微編碼之類，並與適當的用於執行該軟體的電路組合以執行該功能。以該些請求項所定義之本發明符合以下敘述：所記載的各方法所提供的功能係被以請求項請求的方式組合以及組裝。因此任何可以提供該些功能的方式都應該理解為請求項所顯示的方式的均等。

於前所述之標題是「一種無反轉的無刷直流馬達的新的無感測啟動方法(A New Sensorless Starting Method for Brushless DC Motors without Reverse Rotation)」的出版物中，偵測或決定轉子的初始位置的方法係使用定子磁芯的磁飽和效應。在PMSM馬達中，轉子是永久磁鐵，且定子繞組的電感是轉子磁通的函數。當定子繞組對齊北極或是南極時，由於飽和效應因此電感量將減少。此外，當直流電壓應用於定子繞組時，將產生電流以感應出與轉子磁場對齊的磁場(如圖1(a)所示)。此時，磁通量將增加且定子飽和度也將增加。如此，將造成定子電感量下降，並需要更多的電流以產生磁通△Φ(如圖2所示)。另一方面，當感應磁場相反於轉子磁場時(如圖1(b)所示)，與沒有定子電流的情形時相比，電流降低線圈的磁通量、降低定子飽和度及稍微增加電感量。因此，從變化中的電感量識別出磁極的位置是可能的。

PMSM馬達可以由三相R-L(電阻-電感)電路作為模型。當應用直流電壓至定子繞組時，電流的上升時間反映定子繞組的時間常數，其中若電感量較小時時間常數較小。由於繞組中的電感是轉子磁通的函數，因而轉子位置反映時間常數的差異。因此，轉子磁鐵與定子繞組之間的相對位置可以透過測量電壓向量末端的電流來決定。圖3A及圖3B繪示感應出兩種不同磁場方向的兩個激勵配置及電流。觀測在取樣時間下直流鏈電流i ₁及i ₂的峰值，若i ₁大於i ₂，則因為定子電感較小而可以推斷出轉子磁場接近於i ₁所感應出的磁場。

同步馬達的向量控制可歸納如下：

(i)測量三相定子電流。此些測量通常提供i _a及i _b的值，i _c係計算所得，因為i _a、i _b及i _c具有以下關係：i _a+i _b+i _c=0。

(ii)將三相電流轉換至二軸系統。此轉換根據經測量的i _a、i _b以及經計算的i _c提供變數i _α及i _β。i _α及i _β為由定子視角所見的時變正交電流值，例如二維靜止正交參考座標系或座標系統。

(iii)使用控制迴圈之前次迭代計算所得的轉換角旋轉此二維座標系統以對齊轉子磁通量。此轉換係根據i _α及i _β提供I _d以及I _q變數。I _d以及I _q為轉換至旋轉座標系統(一種二維旋轉正交座標系或座標系統)之彼此正交之電流。為了穩態條件，I _d以及I _q為定值。

(iv)誤差訊號由I _d、I _q及其參考值所形成。

˙I _d參考值控制轉子磁化磁通量。

˙I _q參考值控制馬達扭矩輸出。

˙誤差訊號為PI控制器之輸入。

˙控制器的輸出提供V _d以及V _q，其為即將被送往馬達之電壓向量。

(v)以v _α、v _β、i _α以及i _β為輸入，估計新的轉換角。此新的角引導FOC演算法以於特定位置放置下一個電壓向量。

(vi)使用所述新的角將PI控制器的V _d以及V _q輸出值旋轉回靜止座標系。此計算提供下一組正交電壓值v _α以及v _β。

(vii)將v _α以及v _β數值轉換回三相數值v _a、v _b以及v _c。此三相電壓值用以計算產生所需電壓向量的新的PWM工作週期。此完整轉換、PI迭代、反轉換以及產生PWM的過程係示意性地繪示於圖11。

基於前述的原則，十二個激勵配置可以應用於三相馬達(如圖4所示)。十二個激勵配置對應於各自的馬達角。初始轉子位置可以透過比較十二個直流鏈電流的峰值振幅來決定。圖5繪示估計過程中的十二個電壓向量。發生直流鏈電流最大值的電壓向量表示永久磁極的位置。例如，圖6繪示在十二個激勵電壓向量脈波之後的直流鏈電流響應。在圖5中，馬達角位置(5)的激勵配置具有最大峰值電流。因此，永久磁極對齊圖4中的激勵配置(5)所感應出的磁場。根據此方法，初始轉子位置可以在每30電角度(electrical degree)即被偵測，如此具備足夠的精準度以在無任何暫時性地反轉的情形下啟動馬達。

初始轉子位置的估計是基於在電壓向量被應用時的直流鏈電流響應，因此電壓向量的振幅及輸出時間是重要的。然而，由於振幅係由直流鏈電壓決定，因此僅有電壓向量的輸出時間能被判斷。應用電壓的配置被區分為兩組。如圖5所示，其中一組包含馬達角(1)、(3)、(5)、(7)、(9)、(11)，如圖5所示，另一組包含馬達角(2)、(4)、(6)、(8)、(10)、(12)。此些組主要的差異在於等效電阻及等效電感。例如，圖3A的等效電阻及等效電感是1.5R及1.5L，而圖3B的等效電阻及等效電感是2R及2L。為了在電壓向量的末端具有相同的峰值電流，電壓向量的開啟時間需是不同的。圖3A及圖3B的電流響應i ₁(t)及i ₂(t)可以表示為：

其中，t ₁及t ₂分別是圖3A及圖3B的電壓向量的開啟時間。為了均衡(equalize)峰值電流響應，則：i ₁ (t)=i ₂ (t)……………………………………………………………(式3)

因此，可以得到：

如式4所示，電壓向量的輸出時間之間的關係可以被判斷。

本發明的決定轉子的初始位置的方法是於「一種無反轉的無刷直流馬達的新的無感測啟動方法(A New Sensorless Starting Method for Brushless DC Motors without Reverse Rotation)」中揭露的上述方法的基礎上進行修改。

圖7繪示根據本發明的方法之同步馬達中的定子電感的佈局。此圖說明當本發明的電壓向量脈波應用於同步馬達定子線圈時，從直流鏈電流響應決定初始轉子位置的兩種方法。如圖7(A)所示的一種方法是基於直流鏈電流響應的最大值。如圖7(B)所示的另一種方法是基於直流鏈電流響應的極性變化。

本發明的方法包含應用電壓向量脈波對至複數個預設馬達角之每一者。以三相同步馬達為例，複數個預設馬達角包含馬達角，其對應於圖4的十二個激勵配置及圖5的馬達角。

與圖6的直流鏈電流響應所示的方法的一個主要區別在於，根據本發明的方法在複數個馬達角之每一者利用相反極性的電壓向量脈波對。每一電壓向量包含第一正電壓向量脈波及第二負電壓向量脈波。此是每電壓向量脈波對的較佳實施例的順序，但在一些實施例中，可以是相反順序，即在每一電壓相脈波對中是負脈波後接續正脈波。每一電壓向量脈波對係被選擇合適於複數個馬達角中的對應者，並僅應用於該對應的馬達角。第一電壓向量脈波及第二電壓向量脈波的振幅在較佳的實施例中是相同的。

本文中所指「轉子角」代表「轉子位置」。本文中所指「定子角」代表「換向角」(commutation angle)。

圖8繪示根據本發明的方法之在激勵電壓向量脈波對係應用於同步馬達之後的直流鏈電流響應。在應用相反極性的電壓向量脈波對至複數個馬達角之後，該方法接著判斷定子電流響應。

如圖8所示，可見相反極性的電壓向量脈波對已經以圖5的順時針旋轉順序而被應用於複數個馬達角。然而，在一些實施例中，此些相反極性的電壓向量脈波對可以以相似於如圖6的已知方法所示的順序而被應用於複數個馬達角。因此，第一相反極性的電壓向量脈波對可以被應用於馬達角1，第二相反極性的電壓向量脈波對被應用於馬達角7，第三相反極性的電壓向量脈波對被應用於馬達角2，第四相反極性的電壓向量脈波對被應用於馬達角8，及接續的電壓向量脈波對被應用於[3,9]、[4,10]、[5,11]、[6,12]。可見，馬達角7是從馬達角1位移180°，馬達角8是從馬達角2位移180°，並以此類推。

接著，初始轉子位置可以由(A)構成最大的定子電流總和(I_SUM)的電壓向量脈波對或是(B)在定子電流總和(I_SUM)從負馬達角改變為正馬達角時的電壓向量脈波對所對應的定子角決定。如圖8所示，用於每一馬達角的每一被應用的相反極性的電壓向量脈波對構成兩個直流鏈電流，以I₁及I’₁表示。

在(A)的情形下，用於每一馬達角的定子電流I₁及I’₁的值可以根據I_SUM=I₁+I’₁計算得。在直流鏈電流響應中，具有最大的I_SUM的馬達角係被選擇為初始轉子位置。接著，被選擇的馬達角可以被輸入至閉迴路同步馬達控制器，以用於馬達的啟動及接續的同步運轉。在(A)的情形下，較佳的實施例是相反極性的電壓向量脈波對係被應用於馬達向量d軸。由於根據定義d軸與轉子磁鐵相符，在轉子磁鐵對齊d軸的情形下，d軸上的定子繞組將受到來自轉子磁鐵的最大磁力影響。因此，將偵測得最大的I_SUM。

在(B)的情形下，用於每一馬達角的定子電流I₁及I’₁的值也可以根據I_SUM=I₁+I’₁計算得。在直流鏈電流響應中，當定子電流總和從負馬達角改變為正馬達角時的馬達角係被選擇為初始轉子位置。接著，被選擇的馬達角可以被輸入至閉迴路同步馬達控制器，以用於馬達的啟動及接續的同步運轉。圖9繪示根據本發明的方法之在激勵電壓向量脈波對應係用於同步馬達之後的直流鏈電流響應的定子電壓角與馬達角之間的關係表。在(B)的情形下，較佳的實施例是相反極性的電壓向量脈波係被應用於馬達向量q軸。由於根據定義q軸垂直於轉子磁鐵，在轉子磁鐵對齊d軸的情形下，q軸上的定子繞組將可以不受到任何來自轉子磁鐵的磁力影響。因此，I₁=-I’₁，且I_SUM=0。由於I_SUM=0是在定子電流總和從負值改變為正值之間，因此在圖9的關係表中，選擇鄰近於正值定子電壓角的負值定子電壓角作為被選擇的馬達角。在一示範例中，是由圖9的關係表中的虛線表示。

本發明的方法的(A)情形及(B)情形提供一種在啟動時決定轉子初始位置的簡單方法，其可以由現存的閉迴路馬達控制器實現，且無需修改任何電路而是適當地修改控制器的控制指令。該方法還提供一種無需實體位置感測器的簡單方法。該方法也無需任何關於馬達參數的先前知識。該方法也不會造成任何轉子旋轉，因此轉子維持於其初始位置。如此，大幅提升決定初始轉子位置的準確性。利用用於每一馬達角的相反極性電壓向量脈波的優點是，消除第二脈波或是至少大幅地減少第一脈波造成的反電動勢。因此，由於本發明的方法無需定子磁芯達到非常飽和，因而相較於已知方法的電壓向量值，本發明的方法可以利用低電壓向量值。因此，電壓向量脈波對的值可以被選擇為不造成定子飽和。此外，本發明的方法大幅地減少在決定初始轉子位置時，馬達的雜訊及顫動。

本發明的初始轉子位置的決定方法可以包含用於啟動及運轉同步馬達的控制演算法的第一部分。因此，本發明還關於一種用於啟動具有用於同步運轉的無感測器閉迴路控制器的PMSM的方法及控制器，但該方法可應用於具有用於同步運轉的閉迴路控制器的任何同步馬達，其利用前述之初始轉子位置方法。

本發明的其中一個優點為可實現於現存的用於同步運轉的閉迴路控制器而，除了控制器的控制演算法的調整之外，不需要大幅修改。本發明之閉迴路控制演算法可由軟體、韌體、硬體或其任意組合所實現。本發明之閉迴路控制演算法可實現於特殊應用積體電路或晶片。

圖10係顯示根據本發明一實施例之用於同步馬達10之改良閉迴路控制器100。同步馬達10包括永磁轉子12以及定子16，永磁轉子12具有複數永久磁鐵14，定子16具有複數定子繞組18。雖然同步馬達10於圖中係以傳統的定子16圍繞轉子12的方式呈現，應理解本發明之概念亦可應用於轉子圍繞定子的同步馬達，例如定子設於轉子內的馬達。

於此實施例，閉迴路控制器100可包括用於執行各種功能的複數功能方塊110。舉例來說，閉迴路控制器100可包括適當修改或適當配置的已知向量基(vector-based)閉迴路控制器，例如直接轉矩控制(direct torque control，DTC)閉迴路控制器或磁場導向控制(field oriented control，FOC)閉迴路控制器，例如由「Jorge Zambada」所著作並由微晶片科技股份有限公司(Microchip Technology Inc.)於2007年以文件AN1078出版之標題為「PMSM馬達的無感測器磁場導向控制(Sensorless Field Oriented Control of PMSM Motors)」的出版物所描述的控制器，且該出版物內容以參照方式併入本案中，例如圖11中所呈現之控制器，但以符合本發明概念之描述的方式修改。

閉迴路控制器100可以，例如，邏輯電路及/或存於記憶體且用於處理器120執行的可執行程式碼/機器可讀取指令所實現以實現本文所描述的功能。舉例來說，可執行程式碼/機器可讀取指令可儲存於一或多個適於儲存一個或更多指令組(例如應用軟體、韌體、作業系統、小型應用程式(applet)及/或此類指令組)、資料(例如組態參數、運轉參數及/或門檻值、收集所得的資料、經處理的資料及/或此類資料)等的記憶體130(例如RAM、ROM、快閃記憶體、磁記憶體、光學記憶體之類)。一或多個記憶體130可包括可操作的相對於一或多個處理器120使用的處理器可讀取記憶體以執行閉迴路控制器100的碼段(code segment)及/或應用此行為所產出的資料以實現於此描述的閉迴路控制器100的功能。此外，或可為替代方案的是，閉迴路控制器100可包括一或多個特殊目的控制器(例如特殊應用積體電路(application specific integrated circuit，ASIC)、現場可程式閘陣列(field programmable gate array，FPGA)、圖像處理單元(graphics processing unit，GPU)及/或此類經配置以實現於此描述之閉迴路控制器100之功能的控制器)。

就一個大的方面而言，本發明包括使用如圖10及圖11所示之閉迴路控制器100，例如使用如圖11所示經修改的FOC控制器200，以實施前述之決定轉子初始位置的方法。如上所述，閉迴路控制器100可包括任何已知且合適的閉迴路控制器供同步運轉且可包括如文件AN1078，「PMSM馬達的無感測器磁場導向控制」所描述或標題為「無感測器PMSM磁場導向控制(Sensorless PMSM Field-Oriented Control)」的出版物所描述的FOC控制器200，且FOC控制器200經合適的調整或再配置以實施前述之決定轉子初始位置的方法。

啟動同步馬達的閉迴路方法包含應用相反極性的電壓向量脈波對在複數個預設馬達角之每一者，且在第一電壓向量脈波被應用之後，第二電壓向量脈波立即地被應用或是接近立即地被應用。如此，判斷出該複數個預設馬達角的被應用的電壓向量脈波對的定子電流響應。接著，初始轉子位置係決定自：(a)構成最大定子電流總和的電壓向量脈波對所對應的定子角；或是在定子電流總和從負馬達角改變為正馬達角時的電壓向量脈波對所對應的定子角。之後，該方法在初始轉子位置已被決定時，切換馬達的控制至閉迴路同步運轉馬達控制演算法。

因此，本發明還試圖透過前述之決定轉子初始位置以作為在馬達啟動時的閉迴路運轉方法的輸入，來補充用於運轉同步馬達(尤其是PMSM)的已知的閉迴路方法。

圖10及圖11的經修改的或重配置的閉迴路控制器100/200係被安排以使用基於被決定的初始馬達角(初始轉子位置)或是由被決定的初始馬達角(初始轉子位置)所導出的馬達控制訊號，啟動具有永磁轉子12以及定子繞組18的同步馬達10，而使轉子12由其初始止轉位置開始旋轉，且無轉子反轉。

然而，在一實施例中，在馬達同步運轉之後，閉迴路啟動方法開始執行時的初始止轉轉子角可以包含預定停放轉子角。預定停放轉子角可以在前一次馬達10的同步運轉後且停止馬達10時獲得。預定停放轉子角可以在以下情形下獲得，即當馬達停止時，閉迴路控制器100/200被配置為將轉子12停放於預定轉子角。預定轉子角可以被儲存於記憶體130，並於馬達10的啟動開始時且需要時被喚回。

於一些實施例，模組140可包括圖11的修改的FOC控制器200的轉子位置及轉速估計模組140，且根據本發明所決定的初始轉子位置可以包含模組140的輸入。

於一些實施例，模組140可包括如由Wei Xu等人所著作並刊登於2019年六月在中國電工技術學會電機與系統學報(CES Transactions on Electrical Machines and Systems)之第3卷第2期之題為「用於PMSM的無感測器控制且具有自適應諧波消除以及相位補償的改良的轉子磁通量觀察器」(Improved Rotor Flux Observer for Sensorless Control of PMSM With Adaptive Harmonic Elimination and Phase Compensation)之出版物的第1-3頁所述的類型的轉子磁通量觀察模組150。此期刊文獻內容以參照方式併入本案中。

本發明的閉迴路馬達運轉方法可以被用於如圖12至圖17所示的具有各種定子繞組配置的同步馬達10。

圖12係同步馬達10的傳統三角形接法以及星形接法(或Y形接法)定子繞組的配置示意圖。圖13係本發明用於圖12所示同步馬達10的閉迴路控制器100/200的三相功率級/電橋160的示意方塊圖。圖11中的閉迴路驅動器100/200的三相電橋模組160的二或多個輸出係具有二或多個於圖13中被標記為「I_A」、「I_B」及「I_C」的感應電流，所述二或多個輸出被饋至閉迴路控制器100/200的克拉克轉換模組(Clarke transform module)170以進行處理。通常會選擇感應電流「I_A」及「I_B」供克拉克轉換模組170使用。

與圖12相比，圖14係同步馬達10的定子繞組18的六線配置示意圖，而圖15係本發明具有此種定子繞組配置的同步馬達10的閉迴路控制器100/200的三相功率級/電橋160的示意方塊圖。六線定子繞組配置係源於三個定子繞組18無任何共用連接點，此結構不同於如圖12所示傳統的於至少二個定子繞子18之間具有至少一個共同接點的三角接法或星形接法繞組配置。

圖16係可實現本發明閉迴路啟動方法的同步馬達10的二相定子繞組18的四線配置示意圖。圖17係同步馬達的閉迴路控制器100/200的功率級/電橋160的示意方塊圖，其中感應電流「I_A」及「I_B」被饋入克拉克轉換模組。

本發明還提供一種用於具有永磁轉子的同步馬達的閉迴路控制器，控制器包含非暫態電腦可讀取媒體及處理器，非暫態電腦可讀取媒體儲存有機器可讀取指令。當機器可讀取指令被處理器執行時，機器可讀取指令配置控制器根據本發明決定同步馬達的初始轉子位置。閉迴路控制器可以被配置為在初始轉子位置已被決定時，切換馬達的控制至閉迴路同步運轉馬達控制演算法。同步馬達可以是無刷直流(BLDC)馬達或是永磁同步馬達(PMSM)。

本發明亦提供儲存機器可讀取指令的一種非暫態電腦可讀取媒體，其中當機器可讀取指令係由同步馬達的閉迴路控制器的處理器所執行時，機器可讀取指令配置處理器實施本發明的概念。

以上所描述的裝置可至少部分以軟體形式實施。於本發明所屬技術領域中具有通常知識者會理解以上所描述的裝置可至少部分用通用電腦設備或定制(bespoke)設備實施。

於此，所描述的方法與裝置的各面向可被執行於任何包括通訊系統的裝置。此技術的程式面可被想成通常為可執行編碼及/或相關資料形式存在並可被執行於或內嵌於某種機器可讀取媒體的「產品」或「製成品」。「儲存」形式的媒體包括行動電台、電腦、處理器等的記憶體或相關模組的任一者或全部，例如各種半導體記憶體、磁帶機、磁碟機之類，其可於任何時間提供軟體程式儲存。軟體的整體或部分可能在某些時候經由網路或各種其他電信網路傳輸。舉例來說，這樣的傳輸可使軟體從某一電腦被讀取至另一電腦或處理器。因此，另一些可攜帶軟體元件的媒體形式包括光波、電波以及電磁波，例如用於橫跨區域設備之間的物理界面、經由有線以及光學地線網路以及藉由各種空中鏈路。能攜帶這類波的物理元件，例如有線或無線鏈結、光學鏈結之類，亦可被視為攜帶軟體的媒體。如於此使用的，除非限定於有形非暫態「儲存」媒體，電腦或機器「可讀取媒體」等用詞代表任何參與提供命令給處理器供執行的媒體。

雖然本發明以於附圖以及前述說明中詳細說明與描述，本發明應被視為其本質為說明性而非限制性。應理解示例性實施例係被展示以及描述，而並未以任何形式限制本發明的範圍。應理解任何於此描述的特徵可用於任何實施例。各說明性實施例並未排除其他實施例或文中未記載的實施例。因此，本發明亦提供包括一或多個上述示例性實施例的組合的實施例。於此記載的本發明的修改與變化可在不偏離本發明的精神與範圍的情況下達成，因此僅應施加如所附請求項所指示的此類限制。

於下文中且於前述發明描述可見的請求項，除了內容因描述性用語或必要暗示需另外解讀的狀況外，「包括」的用語係以開放性的方式使用，即表明所陳述的特徵的存在，而非排除額外特徵於本發明各實施例的存在或加入。

應了解若任何先前技術的發表於此參照，這樣的參照並不構成承認該出版物構成本發明通常知識的一部分。