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TWI422139B - 交流同步電動機之磁極位置預測方法及裝置 - Google Patents

交流同步電動機之磁極位置預測方法及裝置 Download PDF

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TWI422139B
TWI422139B TW097151567A TW97151567A TWI422139B TW I422139 B TWI422139 B TW I422139B TW 097151567 A TW097151567 A TW 097151567A TW 97151567 A TW97151567 A TW 97151567A TW I422139 B TWI422139 B TW I422139B
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Kei Terada
Satoshi Aoki
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Mitsubishi Electric Corp
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Description

交流同步電動機之磁極位置預測方法及裝置
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。
在交流同步電動機的控制中通常會使用稱之為向量控制(vector control)的伺服控制(servocontrol)，於伺服控制中係將電流分成在電動機通量方向上的d軸電流分量(d-axis component-a current)以及在垂直於該d軸的轉矩方向上的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軸誤差現象(axis error phenomenon)。
另一方面，迴轉式電動機(rotating motor)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(installation error)或其它誤差仍將引起軸誤差現象。上述的軸誤差現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：日本電機工程師協會，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
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，則依照軸誤差量，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，最終地可將該軸誤差的量收斂為零，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時，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(amplifier 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-90度、及至該參考相位+90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偵測的電流的相位被偏移至該參考相位-90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內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續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偵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。特別的是當在偵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。
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。
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/速度控制單元內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(first phase movement 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該實際極誤差值；第二相位移動儲存步驟，係儲存第二極誤差預測收斂值，亦即當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。
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/速度控制單元內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：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；順向移動步驟，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，係於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，使用由該電動機感測器所感測的數值，以使該極誤差預測值接近於該實際極誤差值；第二相位移動儲存步驟，係儲存第二極誤差預測收斂值，亦即當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。因此，該預測方法無需放大用於預測的訊號的振幅就可降低偵測誤差；可於偵測運算期間降低該電動機移動器的相對移動量，且在其偵測之前及之後磁極位置均為相同，並可減小預測磁極位置的計算負載，俾使計算時間縮短。另外，於下文中為了解釋實施例，當依序地執行數個步驟時，該等步驟的組被稱之為運算組(operation set)。
 [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測裝置(magnetic pole position estimation device)的組構。在第1圖中，係繪製本實施例之控制磁極位置的控制方塊的組構圖。於下，如同“電動機移動器(motor mover)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(dq-axis-current command)及用於dq軸電流的反饋值控制電流以輸出dq軸電壓命令(dq-axis-voltage command)。比例暨積分(proportional-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，此將於稍後描述。變流器單元(inverter unit)3係基於三相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5。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軸電流的反饋值。電角度計算單元(electrical angle calculation unit)7係將由連接至電動機的迴轉部件(rotating part)或可移動部件(movable 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 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(Xm * )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)(Xm )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(position-proportion control)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(Xm * )與該電動機位置(Xm )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103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。正位置誤差產生順向誤差轉矩(forward error torque)，以及負位置誤差產生反向誤差轉矩(backward 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。
在本實施例中，為了控制該電動機位置在小量的範圍內移動，將事先輸入電動機位置命令值(Xm * =0)。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(Xm * =0)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(Xm * =0)與該電動機位置(Xm )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104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(Xm * =0)；而當該極誤差值最終成為收斂值(convergence value)時，在該電動機位置命令值(Xm * =0)與該電動機位置(Xm )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，且同時地執行其中的該磁極位置及該電動機速度/位置控制的預測。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/速度控制單元8內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(Xe)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+(-)90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(Xc )。當顯示於第2圖的組構完成該運算組S1至S4的各預測運算時，該磁極誤差預測值(Xe )的收斂值係大致等於在該速度積分計算方塊104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(result value)而設定次一運算組中的初始值。
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180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0度或180度。在該運算組S2中輸入偏移90度的電流可確保磁極預測不會有180度的誤差。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 friction)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測出，該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。若在該順向偏移運算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_mius +Xc_plus )/2)……(方程式1)
在運算組S2中的初始偏移值上的條件分支(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。一個運算組的電動機位置Xm 的最大移動值dxmax 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 ：疊加訊號(superimposed signal)的振幅；
Xerr() ：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(proportional response band)；
yspie ：用於速度控制的積分帶(integral band)。
因此，用於獲得目標移動值dxmax 所需的速度控制增益ysce 及yspie 可由上述方程式的逆計算而獲得。更具體而言，使用於下顯示的方程式設計速度控制帶ysce 可給出接近於該目標移動值的數值。
ysce =(N＊Kt ＊Ip ＊Xerr0 /Jt ＊dxmax )1/2 …(方程式3)
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。根據上述說明而設計的用於位置/速度控制的增益係為適當控制增益，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組時如何移動電動機位置(Xm )。如圖中所示，控制該等運算組中的每一個使得該電動機位置(Xm )返回至電動機位置命令值(Xm * =0)的原始位置；因此，即使重複有複數個運算組，該電動機位置(Xm )並不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。相較於描述在非專利文獻1中的技術而言，本實施例可以較小的電流來達成具有較高準確性的磁極位置預測，進而消除靜摩擦的影響。再者，該較小的電流有助於在該預測運算中既不增加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(normal 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測。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(Xm )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。
再者，本實施例可被組構為僅需藉由加入一般伺服控制迴路(servocontrol loop)到用於極位置預測的運算組，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，進而在極短地時間內提供具有高準確性的即時偵測。
另外，本實施例並不使用電動機磁極的結構突部(structural saliency)，以致於本實施例可被應用於例如表面磁電動機(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(Xm )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預測值的收斂值將給出較少受到雜訊影響的優點。再者，當該速度積分計算方塊104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體中的數值取代即可，進而具有易於計算的優點。
[第2實施例]
第5圖係繪製本實施例的預測磁極位置的控制方塊的組構圖。在第5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。
在第1實施例中所採用於產生擾動的轉矩-誤差-轉矩(torque-error-torque)的方法是將用於預測的固定電流訊號施加為d軸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qp 被設定為零(Xp =0)時，該組構係等效於第1實施例的組構。
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組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1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，藉由執行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1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圖係繪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輸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1實施例相同。本實施例的優點在磁極預測函數於稍後被實作時並不需要修改dq-uvw座標轉換單元及uvw-dq座標轉換單元的軟體區集(software block)。
[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實施例的組構，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制單元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計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，本實施例仍可被施加。
由本發明的內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偵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，因而可以較小的電動機移動提供較高準確度的偵測。
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(Xm)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的相同效果。若在第2至第4實施例之電動機移動中存在誤差邊緣(margin)，則可執行速度比例控制。
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-calculation)、預測及相加作用(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標轉換的相位(Xce )。
[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。
1．．．電流控制單元
2．．．dq-uvw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
S1、S2、S3、S4、S5．．．運算組
第1圖係繪製本發明的第1實施例的控制方塊的組構圖；
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(osciflogram)；
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。
1‧‧‧電流控制單元
2‧‧‧dq-uvw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

Claims (9)

  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/速度控制單元內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 測器所感測的數值，以使該極誤差預測值接近於該實際極誤差值；第二相位移動儲存步驟，係儲存第二極誤差預測收斂值，亦即當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該等極誤差預測收斂值而預測該實際磁極位置。
  2. 如申請專利範圍第1項之交流同步電動機之磁極位置預測方法，復包括：第三極誤差輸入步驟，係輸入自任意相位偏移b的相位的第三極誤差預測值；第三移動步驟，係當由該第三極誤差輸入步驟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第三實際極誤差值；第四極誤差輸入步驟，係輸入自在該第三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偏移約+90度或-90度的相位的第四極誤差預測值；第四移動步驟，係當由該第四極誤差輸入步驟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第四實際極誤差值；以及參考相位儲存步驟，係儲存在該第四移動步驟中完 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斂值及在該第二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. 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/速度控制單元內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內；順向移動步驟，係當由該第一預測使用訊號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，以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內；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，係依據在該第一相位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斂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內。
  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 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。
  8. 一種磁極位置預測裝置，係具有：位置/速度控制器，藉由輸入由電動機感測器所感測的感測結果，而控制電動機的位置或速度，並輸出極誤差預測值；座標轉換部，使用該位置/速度控制器輸出的極誤差預測值執行座標轉換；以及變流器，轉換施加於電動機的電壓或電流的相位而控制電動機；依據從前述位置/速度控制器輸出的自預定的參考相位偏移+a的相位的第一極誤差預測值與使電動機的位置順向移動時由該電動機感測器所感測的感測結果，使該第一極誤差預測值接近於電動機極位置與控制極位置間之差的實際極誤差值，而求得電動機往順向的移動收斂時之相位的第一極誤差預測收斂值；依據從前述位置/速度控制器輸出的自預定的參考相位偏移-a的相位的第二極誤差預測值與使電動機的位置逆向移動時由該電動機感測器所感測的感測結果，使該第二極誤差預測值接近於實際極誤差值，而求得電動機往逆向的移動收斂時之相位的第二極誤差預測收斂值；依據該第一極誤差預測收斂值與該第二極誤差預 測收斂值而預測實際之極位置。
  9. 一種磁極位置預測裝置，係具有：位置/速度控制器，藉由輸入由電動機感測器所感測的感測結果，而控制電動機的位置或速度，並輸出極誤差預測值；施加訊號座標轉換部，使用該位置/速度控制器輸出的極誤差預測值執行施加於電動機的施加訊號之座標轉換；以及變流器，轉換施加於電動機的電壓或電流的相位而控制電動機；將自預定的參考相位偏移+a的相位的第一預測用電流輸入該施加訊號座標轉換部而進行座標轉換，依據該轉換後的電流與使電動機的位置順向移動時由該電動機感測器所感測的感測結果，使該極誤差預測值接近於電動機極位置與控制極位置間之差的實際極誤差值，而求得電動機往順向的移動收斂時之相位的第一極誤差預測收斂值；將自上述參考相位偏移-a的相位的第二預測用電流輸入該施加訊號座標轉換部而進行座標轉換，依據該轉換後的電流與使電動機的位置逆向移動時由該電動機感測器所感測的感測結果，使該極誤差預測值接近於實際極誤差值，而求得電動機往逆向的移動收斂時之相位的第二極誤差預測收斂值；依據該第一極誤差預測收斂值與該第二極誤差預 測收斂值而預測實際之極位置。
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