篇論文榮獲2007電力電子研討會優秀論文獎!!

永磁無刷馬達使用霍爾感測器或無感測之數位控制器設計


張晏銓、鄒應嶼

電力電子系統與晶片實驗室
國立交通大學 電機與控制工程學系

200797

 目  錄 

1. 簡介

2. 無刷直流馬達控制器系統研製

3. 無刷直流馬達新型啟動方法

4. 功能方塊電路實現

5. 實驗結果與分析

6. 結論

參考文獻

本文針對永磁無刷馬達之數位控制晶片設計提出一種包含兩種控制模式的設計方法,一種是可使用弦波型霍爾感測器進行位置控制模式,另一種是無感測速度控制模式。本文所設計之控制IC採用階層式、模組化的設計方式,IC內每個功能方塊皆具有可程式化之特點,可透過外部通訊介面調整各方塊功能與設定參數以配合不同應用,使用者可免去複雜之軟體設計步驟,減少開發時程。此數位控制IC使用現場可程式化的閘陣列(Filed Programmable Gate Array, FPGA)實現,並以實驗結果驗證其可行性與效能。本文亦提出一個無刷直流馬達之新型啟動方法,可避免無感測啟動時產生反轉之情形。此方法可在馬達靜止時偵測出馬達轉子初始位置,再以一特殊之方法加速馬達,直到反抗電動勢大小足以提供無感測演算法正確的估測轉子位置,便可切換到無感測驅動模式。與傳統方法比較,此方法僅需回授直流鏈電流,不需要額外的位置感測器,可降低成本,且其轉子估測方式與馬達參數無關,具有高強健度,初始位置估測之解析度為30度電氣角。最後以實驗結果驗證所提出啟動方法之可行性。

Note: 本文僅為部分摘要原稿發表於2007年第六屆台灣電力電子研討會,並榮獲『優秀論文獎』。

[頒獎實況]

1.

隨著科技的快速發展,馬達在日常生活應用中扮演越來越重要的角色,例如光碟機的主軸馬達、影像掃描器的驅動馬達,或是電動玩具、汽車雨刷等等。而其中永磁式的無刷直流馬達由於沒有碳刷,因此較直流馬達易維護,低噪音,且效率較高、體積可以比較小,許多的優點使得無刷直流馬達被廣泛的使用。傳統式的永磁無刷直流馬達驅動方式是藉霍爾感測器或編碼器估測轉子位置與速度,以進行伺服或速度控制,然而霍爾感測器容易受外界環境的影響,造成感測準確度降低,而編碼器之成本又過於昂貴,因此無感測的驅動方式便越來越受到重視 [1]。

傳統無刷直流馬達控制系統多採用微控器或數位訊號處理器[2],其缺點為需要較長的開發時程且取樣頻率受到限制。近年來由於積體電路的蓬勃發展,以FPGA硬體電路實現為基礎的技術亦被應用於馬達控制系統。FPGA的優點在於具有彈性化,開發者能夠根據特定應用進行配置,且由於晶片內部邏輯閘各自獨立,採用平行運算的電路架構可達到快速的處理速度,因此許多無刷直流馬達驅動器之研製皆採用FPGA[3]-[5],而其中又以無感測的驅動IC為發展重點。

在無感測的驅動方式下,通常是藉由反抗電動勢估測轉子之位置,然而在低轉速或是馬達靜止的情況下,反抗電動勢幾乎為零,無法估測轉子位置,因此如何在無感測的驅動方式下,穩定的啟動馬達成了很重要的課題之一。在無感測的啟動方法中最常用的是在啟動時先對定子線圈激磁,使得馬達轉子固定在某個已知方向上,再以開迴路送出三相頻率漸增的弦波電壓命令,則由於同步馬達的特性,轉速也會漸漸增加。然而此方法在對線圈激磁時可能會有馬達反轉的情況發生,因此在應用上受到限制。第二種方式為先估測馬達的初始位置,再以開迴路的方式啟動馬達,此方法可避免啟動時產生反轉的情況。關於馬達轉子初始位置估測已有許多方法被提出,其感測原理大多是利用線圈電感磁飽和之特性,如參考文獻[6]-[7],然而這些方法需要較複雜的演算法或回授三相電壓與電流。

本文以FPGA為基礎呈現一個使用線性型霍爾感測器之伺服控制器與一個無感測之速度控制器。所設計之控制IC包含永磁同步馬達驅動系統內所需之各功能方塊,例如數位控制器、數位脈寬調變、有感測位置估測器、無感測位置估測器等,且其採用階層式與模組化的設計方式,IC內每個功能方塊皆具有可程式化之特點,可透過外部通訊介面調整各方塊功能與設定參數以配合不同應用,使用者可免去複雜之軟體設計步驟,減少開發時程。此外,本文亦提出一個簡單且低成本的無感測啟動方法。此方法首先送出電壓測試訊號,再經由直流鏈電流之變化判斷轉子初始位置,此方法不需預先知道馬達參數且估測時不會有馬達振動之情形。在估測完初始位置後,再以一個特殊的啟動步驟加速馬達。利用此方法,可實現一個從靜止啟動到高速運轉的無感測馬達驅動系統。

2.無刷直流馬達控制器系統研製

A. 系統架構

圖1為本文所實現之以FPGA為基礎之永磁無刷馬達數位控制內部架構圖。控制器中主要包含位置控制器、速度控制器、磁場導向轉矩控制器、脈寬調變產生器、無感測速度估測器、初始位置估測器與基於霍爾感測器之位置與速度估測器。此控制器在使用霍爾感測器的情況下可達到伺服控制之目的,而沒有霍爾感測器的情況下則可以無感測的方式進行速度控制。為了簡化控制IC之介面,其內部方塊暫存器設定與外部命令是透過串列介面從個人電腦端做調整,僅需回授兩相電流訊號與三相霍爾感測器訊號,在有感測的情況下,伺服控制所需的位置與速度資訊是經由回授霍爾感測器訊號獲得。由於線性型霍爾感測器所產生的電壓訊號波形與轉子磁場分佈的波形相同,對於弦波形永磁同步馬達,線性型霍爾感測器的輸出電壓波形為弦波,且其振幅固定,與反抗電動勢間之相位差為定值,因此可透過計算從霍爾感測器訊號獲得位置與轉速資訊,此外線性型霍爾感測器訊號亦可當作相電流控制命令之參考訊號,速度控制器輸出之力矩命令與霍爾感測器訊號相乘產生各相之電流命令,藉由控制馬達相電流與反抗電動勢同相,以使單位電流下之轉矩最大。如此便可達到磁場導向控制之目的,而省去座標轉換之複雜計算。圖2為一使用線性型霍爾感測器進行磁場導向控制之方塊圖。此控制器在無感測驅動下是透過無感測演算法獲得馬達速度資訊,以進行無感測之速度控制。此時在磁場導向轉矩控制器中,三相估測之反抗電動勢訊號將取代原本之霍爾感測器訊號,以產生各相電流命令。而無感測啟動過程則是先估測轉子之初始位置,再送出頻率漸增之三相弦波電壓命令以加速馬達,直到無感測演算法可正確估測轉子位置再切換至閉迴路控制。

圖1 永磁無刷馬達數位控制器內部架構圖

圖2 使用線性型霍爾感測器進行磁場導向控制之方塊圖

3.無刷直流馬達新型啟動方法

大多數馬達無感測驅動技術在中高速時具有良好的速度控制性能,然而在低速或靜止時,由於反抗電動勢或回授訊號過小,無法做出正確之位置判斷,因此必須借助特殊之啟動步驟將馬達帶到較高轉速。

本文提出一個以前一節之初始位置估測為基礎之無刷直流馬達啟動方法。在判斷出初始位置後,便可以送出一個90°超前的磁場向量以產生最大的啟動力矩,而在加速的過程中,位置資訊必須隨時被更新,以維持磁鐵磁場與線圈磁場間正交之關係。若在馬達旋轉的過程中仍然送出圖6中十二組測試訊號,則會產生反轉之力矩,因此一個特殊的啟動方式必須被採用。舉例來說,假設馬達之初始位置為90°電氣角,此時兩個在180°與210°方向之電壓向量將被送出,此時回授之直流鏈電流峰值大小關係為IDC(180°) < IDC(210°),如圖8(a)。在電壓向量送出後,由於轉子受到正向力矩作用會開始旋轉,當轉子轉到120°電氣角後,此時回授之直流鏈電流峰值大小關係為IDC(180°) > IDC(210°) ,如圖8(b),之後再送出210°與240°方向之電壓向量。此方法可在馬達加速過程中將力矩維持在正向,以確保馬達可順利啟動,並且避免啟動時反轉之情況,若有外部干擾使得馬達加速過程中停止旋轉,此方法亦可重新加速啟動馬達。

(a) (b)

圖8 直流鏈電流峰值響應,當轉子位置為(a) 90°(b) 120°電氣角

4.功能方塊電路實現

A.基於霍爾感測器之位置與速度估測器

圖9為基於霍爾感測器之位置估測器電路架構。其中霍爾感測器之訊號讀取是經由一個12位元之類比數位轉換器,其中最低兩位元被捨去,以減少雜訊之影響,因此霍爾訊號之範圍為-512~511。圖9之估測器中主要可分為兩個多工器,左邊之多工器為選擇角度區間而右邊為選擇霍爾訊號並作查表之動作,最後再將兩個結果相加可獲得精確之轉子位置資訊。其中一個433點之反正弦表必須被建立,因為

(7)

在位置估測器中的位置資訊是採用Q-3格式,而速度的計算為根據角度之微分獲得,其關係可表示為

(8)

      其中ωhall為估測之速度,單位為rpm,而θhall估測之電氣角度,ΔT1為速度計算之取樣週期,P為極對數。在(8)中,最小可計算之速度解析度與取樣週期有關,對於一個6極對的馬達且計算取樣週期為2 kHz,其最小可計算之速度解析度為7 rpm。圖10為速度估測器之電路架構,其中為避免角度增量過大產生速度計算誤差之範圍限制。

圖9 位置估測器電路架構

圖10 速度估測器電路架構

 

5.實驗結果與分析

為了驗證第三節中提出啟動方法之可行性,本文利用數位訊號處理器TMS320LF2407A實現所提出的啟動控制方法,實驗中使用之無刷直流主軸馬達的參數值如表1所示,直流鏈端電流感測電阻為0.2Ω,實驗時以弦波形霍爾感測器訊號作為轉子位置與速度之參考。

 圖12為馬達從靜止啟動之實驗結果,圖中可發現在加速過程中估測之角度皆能跟上實際轉子之位置,且啟動時不會有反轉之情形。圖13顯示在加速過程中受到外界干擾而停止加速並靜止一段時間後,馬達重新啟動之過程。在圖13中可發現在一開始初始位置估測有約30°的估測誤差,但因此時仍可維持一個正向的啟動力矩,因此啟動時不會有反轉的情形。

本文提出之永磁無刷馬達之數位控制器已被實現於Altera EP1C12F256C8晶片,其內部暫存器之設定是在個人電腦端透過一個以Matlab為基礎之人機介面程式經由串列傳輸與IC做溝通。為了驗證此顆控制IC之可行性,本文採用一個DVD主軸馬達,其參數值如表1。在伺服控制系統中,PWM切換頻率與電流迴路取樣頻率為20 kHz,而位置控制與速度控制之取樣頻率為2 kHz。圖14與15顯示使用線性型霍爾感測器做伺服位置控制之實驗結果,其中圖14為斜坡命令正反轉一圈,而圖15為步階命令正反轉一圈。圖中顯示定位控制的結果沒有穩態誤差,但因位置控制迴路僅使用比例控制器,使得位置響應對於斜波命令會有追隨誤差。圖16顯示無感測速度控制之啟動實驗結果,啟動過程為先估測初始位置,再以開迴路加速馬達,最後再切換至閉迴路控制,圖中可看出啟動時沒有反轉之情況,且角度估測誤差在切換至閉迴路後漸漸收斂至零。圖17顯示無感測斜坡速度控制從500 rpm至7000 rpm之實驗結果。實驗結果顯示此顆控制IC具有良好的動態響應與速度控制性能。

圖12  啟動響應 圖13  受到外部干擾之啟動響應

圖14  斜坡位置控制命令 (正反轉一圈) 圖15  步階位置控制命令 (正反轉一圈)

圖16 無感測啟動加速響應

 

6.結論

本文以FPGA為基礎,實現一個基於線性型霍爾感測器為基礎之伺服控制IC,此IC提供無刷直流馬達伺服控制一個系統化且低成本的解決方案。此IC中亦包含一個具有初始位置估測並從靜止啟動加速至高速運轉之無感測速度控制器,實驗結果顯示其具有良好之加速響應,且啟動時不會有反轉之情況。此控制器已被實現於以Altera EP1C12F256C8晶片為基礎之實驗平台,其資源使用量為8038 LCs(logic cells),為全部資源之66.7%。此控制IC內每個功能方塊與暫存器具有可程式化之特點,可透過外部通訊介面調整以應用於不同場合。本文亦提出一個無感測之啟動方法,此方法只需回授直流鏈電流,且不需預先得知馬達之參數,可避免馬達啟動產生反轉或啟動失敗之情形,且可在受到外界干擾而停止加速後重新啟動馬達。

參考文獻

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[8]     L. Ying and N. Ertugrul, “A novel, robust DSP-based indirect rotor position estimation for permanent magnet AC motors without rotor saliency,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 18, no. 2, pp. 539-546, Mar. 2003.

[9]     賴逸軒, 鄒應嶼, "永磁同步馬達無感測控制方法之研究",2005年台灣電力電子研討會.

[10]   P. B Schmidt, M. L. Gasperi, R. Glen, and A. H. Wijenayake, “Initial rotor angle detection of a nonsalient pole permanent magnet synchronous machine,” IEEE IAC, vol. 1, pp. 459-463, Oct. 1997.


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Last update: 2007/09/10
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