專利名稱：可同時(shí)達(dá)到最佳效率及最大轉(zhuǎn)矩的直流無刷馬達(dá)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及馬達(dá)控制方法，特別是有關(guān)于一種可同時(shí)達(dá)到最佳效率及最大轉(zhuǎn)矩的直流無刷馬達(dá)控制方法。利用特別設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)式，并針對欲驅(qū)動(dòng)的直流無刷馬達(dá)的實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸，以及特定的限制條件銅損限制及驅(qū)動(dòng)電壓限制，來找出最佳的電流波形；輸入此最佳的電流波形，可使該馬達(dá)發(fā)揮其最大功能、最高運(yùn)轉(zhuǎn)效率，即在最少功率損失下，能產(chǎn)生最大力矩。若應(yīng)用于電動(dòng)車輛，不但在效率上可提高，且轉(zhuǎn)矩亦能大幅提升，對于電動(dòng)車輛在起動(dòng)或爬坡時(shí)的性能，也才不會(huì)受到限制，進(jìn)而可提升其續(xù)航力。
一般直流無刷馬達(dá)均是假設(shè)氣隙磁通密度分布為正弦波，而用正弦電流波形為輸入；或是假設(shè)氣隙磁通密度分布為梯形或方波形狀，而用方波電流波形輸入。然而實(shí)際上，馬達(dá)氣隙磁通分布須視定子、轉(zhuǎn)子形狀、排列方式及磁通材料特性而有不同，并非純正弦波、方波或梯形波，因此勉強(qiáng)以這些波形輸入電流，不僅無法發(fā)揮馬達(dá)以最少電流輸出最大力矩的功能，且在效率上亦無法提升。
例如，現(xiàn)今的電動(dòng)機(jī)車即有前述的缺陷存在?，F(xiàn)階段的電動(dòng)車輛發(fā)展，受限最大的是電池能量密度不足，造成車輛續(xù)航力不足，大大限制了電動(dòng)車的應(yīng)用，因此，如何提高電動(dòng)車馬達(dá)的效率，也是現(xiàn)階段的研究、發(fā)展的重點(diǎn)?，F(xiàn)說明如下一般馬達(dá)都是運(yùn)作在高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩的情況，因此在車輛的應(yīng)用上，需加上減速機(jī)構(gòu)，一方面將轉(zhuǎn)速降至適當(dāng)?shù)男熊囁俣?，一方面可將轉(zhuǎn)矩提高，但減速機(jī)構(gòu)的效率不高，使電動(dòng)車的整體效率更低。
為了提高整車效率的指標(biāo)，因而將馬達(dá)直接裝設(shè)于車輪上，這樣可省下減速機(jī)構(gòu)的能量損失；因此這種直接驅(qū)動(dòng)式車輪馬達(dá)，必須設(shè)計(jì)成高扭力、低轉(zhuǎn)速的性能，才得以提升車輛在起動(dòng)及爬坡時(shí)的性能。
以上所述各例(包含電動(dòng)車輛的例子)，皆因?yàn)樗數(shù)牟ㄐ尾⒎轻槍λ褂玫闹绷鳠o刷馬達(dá)的實(shí)際特性而輸入，以致不能達(dá)到預(yù)想效果，而目前并無任何方式，可針對所使用的直流無刷馬達(dá)來尋求其最佳適用波形；因此，不僅無法發(fā)揮馬達(dá)以最少電流輸出最大力矩的功能，且在效率上亦無法提升。
本發(fā)明系在提供一種可同時(shí)達(dá)到最佳效率及最大轉(zhuǎn)矩的直流無刷馬達(dá)控制方法，主要系經(jīng)由對一欲驅(qū)動(dòng)的馬達(dá)的結(jié)構(gòu)及尺寸等的分析，達(dá)到能以改變輸入馬達(dá)電流波形為其最適宜且最佳波形的方式來控制該馬達(dá)，使能提升馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩，并進(jìn)而能使其符合起動(dòng)及爬坡所需的力量。
若應(yīng)用于電動(dòng)車輛，則直驅(qū)式車輪馬達(dá)可提高電動(dòng)車輛的效率，特別是當(dāng)其操作在低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩的條件下時(shí)，能使其符合起動(dòng)及爬坡所需的力量。
本發(fā)明針對直流無刷馬達(dá)(尤指軸向磁通直流無刷馬達(dá))，設(shè)計(jì)出最佳化電流波形，使馬達(dá)在限制條件下輸出力矩能達(dá)到最大。其首先以能量法推導(dǎo)出力矩方程式，并依馬達(dá)的特性對方程式進(jìn)行修正；接著利用磁路模型分析，導(dǎo)出力矩與輸入電流的關(guān)系式；再依不同的驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，提出三種不同的限制條件，以力矩最大為目標(biāo)函數(shù)，計(jì)算最佳化的電流波形；最后經(jīng)模擬證實(shí)在銅損限制下的波形可產(chǎn)生最大的力矩及效率，是三種不同狀況下最佳的結(jié)果。
一、以能量法為基礎(chǔ)，對一般機(jī)電磁系統(tǒng)進(jìn)行分析；首先考慮單激磁場系統(tǒng)，利用保守系統(tǒng)在積分上的便利性，可求得以磁通鏈與位置表示的力矩方程式，再利用共能的概念，將力矩表示法轉(zhuǎn)換為電流與位置函數(shù)，如此可得到力矩與電流間的直接關(guān)系式，再推廣到復(fù)激磁場系統(tǒng)及含永久磁鐵的機(jī)電磁系統(tǒng)，求出力矩方程式。
二、一般機(jī)電系統(tǒng)的力矩方程式得到后，在此第二段，我們將研究焦點(diǎn)放在直流無刷馬達(dá)系統(tǒng)中，針對直流無刷馬達(dá)的特性，分析其力矩方程式，使方程式剩下正力矩一項(xiàng)，大幅簡化分析過程；接著要分析氣隙磁通來計(jì)算力矩，利用等效磁路模型，將磁通類比為電流，而由電路解析技術(shù)推導(dǎo)出氣隙磁通。
三、利用第二段的推導(dǎo)結(jié)果，我們在此第三段以一組實(shí)際直流無刷馬達(dá)的規(guī)格尺寸，代入磁通計(jì)算公式，利用Matah套裝軟體計(jì)算出氣隙磁通及其微分，接著進(jìn)行電流最佳化的計(jì)算。最佳化的目標(biāo)是使力矩達(dá)到最大，配合馬達(dá)的不同驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，分別提出三種不同的限制條件，代入最佳化程式計(jì)算，并分別比較三種架構(gòu)下在各轉(zhuǎn)速的性能表現(xiàn)。最后再簡單地證明，計(jì)算所得的結(jié)果的確是最佳化的電流波形。
四、最佳化的結(jié)果是三組不同的電流波形，對應(yīng)著不同的馬達(dá)性能，我們在此第四段中提出驅(qū)動(dòng)控制架構(gòu)，說明三組電流波形，要如何實(shí)現(xiàn)出理想的電流波形。借由分析驅(qū)動(dòng)電路的原理及特性，以提出幾種可行的電流控制方式，再來提出整個(gè)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖，并說明各單元的實(shí)現(xiàn)方式。
本發(fā)明的主要目的是提供一種可以用最少電流均方根值，卻能達(dá)到最大力矩輸出，提高馬達(dá)效率的可同時(shí)達(dá)到最佳效率及最大轉(zhuǎn)矩的直流無刷馬達(dá)控制方法。
本發(fā)明的次要目的是提供一種可同時(shí)達(dá)到最佳效率及最大轉(zhuǎn)矩的直流無刷馬達(dá)控制方法，其可使被直接裝設(shè)于車輪上而省下減速機(jī)構(gòu)能量損失的直流無刷馬達(dá)，不但在效率上可提高，且轉(zhuǎn)矩亦能大幅提升，對于電動(dòng)車輛在起動(dòng)或爬坡時(shí)的性能不會(huì)受到限制，進(jìn)而提升電動(dòng)車輛的續(xù)航力。
本發(fā)明的上述目的由以下方案實(shí)現(xiàn)一種可同時(shí)達(dá)到最佳效率及最大轉(zhuǎn)矩的直流無刷馬達(dá)控制方法，其至少包括以下步驟1a.提供出一種直流無刷馬達(dá)的最佳電流波形利用特別設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)式，并針對被控直流無刷馬達(dá)的實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸，加入特定限制條件，求得該馬達(dá)最佳的電流波形；1b.通過驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)以一具有復(fù)數(shù)位訊號處理功能的控制器和驅(qū)動(dòng)電子電路向被控馬達(dá)輸入此最佳的電流波形。
其中，所述目標(biāo)函數(shù)為f＝f(Ia，Ib，Ic)=N(Iadφadφ+dφbdφ+dφcdφ)]]>
其中Ia，Ib，Ic為待決定的相電流，都為定轉(zhuǎn)子相對角度θ的函數(shù)；Φa、Φb、Φc為三相的氣隙磁通函數(shù)。
該最佳的電流波形系與馬達(dá)氣隙磁通密度變化成正比。
所述針對選定的直流無刷馬達(dá)的實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸找出最佳的電流波形，是可使馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)所能達(dá)到最大力矩下的最小電流此電流隨馬達(dá)定子和轉(zhuǎn)子相對位置而改變，為一與氣隙磁通密度變化成正比例的波形；此電流波形與最初馬達(dá)設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)相關(guān)，輸入此特定電流波形，可使馬達(dá)發(fā)揮其最大功能、最高運(yùn)轉(zhuǎn)效率，即在最少功率損失下，能產(chǎn)生最大力矩。
其加入特定的限制條件是銅損限制。
其限制條件可進(jìn)一步增加驅(qū)動(dòng)電壓限制。
所述驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，其控制器在接受油門命令后，配合回授的電流及位置感測器讀出的定轉(zhuǎn)子相對角度位置數(shù)值，及在前述控制器中存放的數(shù)值表中找到最佳波形在該定轉(zhuǎn)子相對角度位置的數(shù)值，與油門命令的增益值相乘后送入馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器，并進(jìn)入馬達(dá)正確的繞線中，完成最佳波形的驅(qū)動(dòng)。
該控制方法可應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)車或電動(dòng)汽車等使用馬達(dá)來驅(qū)動(dòng)的物件上。
將該馬達(dá)裝設(shè)于可直接帶動(dòng)車輪的適當(dāng)位置處。
將直流無刷馬達(dá)直接裝設(shè)于車輪，并針對該馬達(dá)而尋求出其最適波形做為輸入。
使用本發(fā)明的可同時(shí)達(dá)到最佳效率及最大轉(zhuǎn)矩的直流無刷馬達(dá)控制方法，可突破傳統(tǒng)技術(shù)在提升效率與加大轉(zhuǎn)矩兩方面無法兼顧的實(shí)質(zhì)性缺陷，開創(chuàng)出一種全新的控制方式；且當(dāng)其應(yīng)用于電動(dòng)車輛時(shí)，確可符合其起動(dòng)及爬坡時(shí)所需的力量，進(jìn)而提升電動(dòng)車輛的續(xù)航力。


圖1 本發(fā)明于一個(gè)電氣周期內(nèi)的定、轉(zhuǎn)子及其磁通示意圖；圖2 本發(fā)明第一圖的等效磁路圖；圖3 本發(fā)明經(jīng)過簡化后的等效磁路圖；
圖4 本發(fā)明再簡化的磁路模型；圖5 本發(fā)明所使用馬達(dá)的規(guī)格及其規(guī)格表；圖6 本發(fā)明銅損限制下三相電流波形；圖7 本發(fā)明三相Y接、三相獨(dú)立與銅損限制的電流波形比較；圖8 本發(fā)明三相Y接、三相獨(dú)立與銅損限制的力矩波形比較；圖9 本發(fā)明電流與磁通微分的比較；圖10 本發(fā)明驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)方塊圖；圖11 本發(fā)明位置感測及反光片圖；圖12 本發(fā)明最佳波形與近似波形圖。
以下依據(jù)附圖及較佳實(shí)施例的方法與功效上的特性進(jìn)一步詳細(xì)說明。
實(shí)施例本發(fā)明系提供一種可同時(shí)達(dá)到最佳效率及最大轉(zhuǎn)矩的直流無刷馬達(dá)控制方法，其針對軸向磁通直流無刷馬達(dá)，設(shè)計(jì)出最佳化電流波形，使馬達(dá)在限制條件下輸出力矩能達(dá)到最大。
首先，1、以能量法推導(dǎo)出力矩方程式并依馬達(dá)的特性對方程式進(jìn)行修正；2、接著利用磁路模型分析，導(dǎo)出力矩與輸入電流的關(guān)系式；3、再依不同的驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，提出三種不同的限制條件，以力矩最大為目標(biāo)函數(shù)，計(jì)算最佳化的電流波形；4、最后經(jīng)模擬證實(shí)在銅損限制下的波形可產(chǎn)生最大的力矩及效率，是三種不同狀況下最佳的結(jié)果。在省略第l點(diǎn)后，對第2-4點(diǎn)進(jìn)行說明如下用以計(jì)算出最佳三相獨(dú)立電流波形的依據(jù)(1)等效馬達(dá)磁路模型馬達(dá)定子齒及轉(zhuǎn)子極數(shù)比系為3∶2，我們可將3齒2極視為一組，如1圖所示，一組代表一個(gè)電氣周期，因?yàn)閰?shù)具周期性，所以只需要考慮一個(gè)周期即可。
定子齒A及A’為一組，其電流方向?yàn)楫a(chǎn)生相同的力矩，B及B’和C及C’亦同；邊界BL及BL’可視為重疊，從BL流出的磁通立即從BL’流入。
如圖2所示，系為圖1的等效磁路圖，其中 Rm＝永久磁鐵的內(nèi)磁阻Rml＝磁鐵間漏磁阻Rs＝定子軛鐵磁阻Rgal，Rgar＝轉(zhuǎn)子磁通經(jīng)過A相的氣隙磁阻Rgbl，Rgbr＝轉(zhuǎn)子磁通經(jīng)過B相的氣隙磁阻Rgcl，Rgcr＝轉(zhuǎn)子磁通經(jīng)過C相的氣隙磁阻φr＝磁鐵的等效磁通源φm＝氣隙磁通定子齒的材料是矽鋼片，其導(dǎo)磁系數(shù)遠(yuǎn)大于空氣的導(dǎo)磁系數(shù)，因此定子軛鐵的磁阻可忽略，磁路可簡化如圖3所示。
由于計(jì)算上的便利，我們在圖3中將磁阻換成磁導(dǎo)，氣隙磁導(dǎo)分為左右兩部分，分別對應(yīng)左右兩個(gè)磁鐵，表示磁通進(jìn)入或離開定子齒時(shí)的氣隙磁導(dǎo)。
利用電路的解法，可以解出氣隙磁通φm；而在解磁路方程式之前，我們需先求出各磁導(dǎo)的大小，再代入方程式求解。(2)計(jì)算三相氣隙磁通利用上述所求得的磁導(dǎo)，我們可進(jìn)一步來求解聯(lián)立磁路方程式，以找出三相氣隙磁通。首先將圖3再簡化為如圖4所示的適合磁路計(jì)算的形式。
如圖4所示，其中四組的三相磁導(dǎo)被并聯(lián)成四個(gè)磁導(dǎo)pgxPgx＝Pgax+Pgbx+Pgcx(式01)而F1、F2、F3和F4為四個(gè)節(jié)點(diǎn)的磁動(dòng)勢，令F4為零點(diǎn)，利用電路學(xué)中的節(jié)點(diǎn)電壓法，我們可得下列三個(gè)方程式1.進(jìn)入F1點(diǎn)的凈磁通為零φr+(F2-F1)(2Pml+PglPgrPgl+Pgr)+(F3-F1)Pm=0]]>(式02)2.進(jìn)入F2點(diǎn)的凈磁通為零φr+F2Pm+(F2-F1)(2Pml+PglPgrPgl+Pgr)=0]]>(式03)3.進(jìn)入F3點(diǎn)的凈磁通為零φr+(F3-F1)Pm+F3(2Pml+PglPgrPgl+Pgr)=0]]>(式04)三個(gè)方程式可以解出F1、F2、F3三個(gè)未知數(shù)，再代入方程式φm=(F1-F2)PglPgrPgl+Pgr]]>(式05)就可以求得總氣隙磁通。而三相氣隙磁通可用分流的方式來求得φa=PgaPga+Pgb+Pgcφm]]>(式06)φb=PgbPga+Pgb+Pgcφm]]>(式07)φc=PgcPga+Pgb+Pgcφm]]>(式08)(3)計(jì)算最佳電流波形(3.1)目標(biāo)函數(shù)f=f(Ia,Ib,Ic)=N(Iadφadφ+Ibdφbdφ+Icdφcdφ)]]>(式09)其中Ia，Ib，Ic為待決定的相電流，都為定轉(zhuǎn)子相對角度θ的函數(shù)。φaφbφc為三相的氣隙磁通函數(shù)。
(3.2)限制條件a.銅損限制為了防止定子銅繞線電流過大，而限制總銅損(即總發(fā)熱量)。
對正力矩和電流的關(guān)系，如下所示Tfld=NIdφmdφ]]>(式10)顯然，在 較大的位置通入電流所得的力矩，比在 較小的位置通入電流所得的力矩大。
經(jīng)由比較其他經(jīng)常使用的兩種馬達(dá)驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，即(1)三相Y接繞組，方波驅(qū)動(dòng)電流，且為限定其最大電流；(2)三相獨(dú)立繞組，方波驅(qū)動(dòng)電流，且為限定其最大電流。
但由此兩種架構(gòu)所得的電流波形來看，要得到這些限制條件下的最大力矩，輸入的電流都是最大電流下的方波波形，但這樣的結(jié)果并不符合“在磁通微分大的地方通大電流，在磁通微分小的地方通小電流”的概念；為了符合此概念，一定要把最大電流限制的條件去除。
最大電流的限制是為了防止電流過大，產(chǎn)生過量的熱而將馬達(dá)燒毀，若不限制電流大小，但限制總銅損(總發(fā)熱量)如此就可實(shí)現(xiàn)上述概念，在磁通微分大的地方通入較大電流，而多產(chǎn)生的熱量可以利用電流較小的時(shí)候散去，而不會(huì)對馬達(dá)造成損害。
限制一周期內(nèi)的總銅損，不得超過以銅線所能通過的最大電流Imax在一周期內(nèi)產(chǎn)生的總熱量，限制條件如下∫02πIa2dθ≤∫02πImax2dθ]]>(式11)∫02πIb2dθ≤∫02πImax2dθ]]>(式12)∫02πIc2dθ≤∫02πImax2dθ]]>(式13)即限制一周期內(nèi)總銅損，不得超過銅線以單位面積所能通過的最大電流量Imax的總耗熱量。
b.驅(qū)動(dòng)電壓限制馬達(dá)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生和轉(zhuǎn)速成正比的反電動(dòng)勢，而反電動(dòng)勢的電壓加上線上的壓降不得超過電池供應(yīng)電壓，其方程式為ωedλdθ+Ri<Vcc]]>(式14)其中ωe--為電氣轉(zhuǎn)速
λ---為單相繞組的磁通鏈Ri---為單相繞組電阻Vcc-----為電源供應(yīng)電壓(3.3)利用“商用軟體MATLAB’中最佳化指令“Constr”，來求出在限制條件“3.2a銅損限制”和“3.2b驅(qū)動(dòng)電壓限制”之下，力矩函數(shù)在最大值時(shí)，其三相獨(dú)立電流Ia、Ib、Ic，各為何種函數(shù)。
(4)計(jì)算結(jié)果在“直接三相獨(dú)立驅(qū)動(dòng)扁平式直流無刷軸向磁通車輪馬達(dá)”的設(shè)計(jì)尺寸下(參閱圖5的附表所示)，經(jīng)由上述的(3.3)方式的計(jì)算，得到如圖6所示的三相最佳電流波形。
最佳波形所產(chǎn)生的力矩與其他方波輸入波形比較，其所得力矩為最大，如圖7系表示不同輸入波形，圖8系表示在不同輸入波形下的力矩大小。
(5)最佳波形的輔助理論證明如圖9所示，系比較電流及磁通微分的波形，從圖中可看出電流波形和磁通微分波形相同，兩者僅差一常數(shù)。事實(shí)上，只要利用簡單的科西不等式(Cauchy Inequality)的概念，就可以了解為何和磁通微分波形相同的電流波形可以得到最大的力矩。
科西不等式可以下式表示，對于ab兩數(shù)列(a12+a22......)(b12+b22+...)≥(a1×b1+a2×b2+......)2(式15)兩數(shù)列平方和的乘積大于等于其乘積和的平方，且當(dāng)兩數(shù)列成比例，也就是a1b1=a2b2=a3b3]]>(式16)時(shí)，(a1×b1+a2×b2+......)2會(huì)有最大值。
依據(jù)方程式(式10)，直流無刷馬達(dá)的對正力矩方程式為T=NIdφmdθ]]>(式17)
力矩的產(chǎn)生是瞬間電流乘以磁通微分及繞組匝數(shù)，若要計(jì)算一周期的平均力矩，可用積分的方式求得Tavg=N∫02πIdφmdθdθ2π]]>(式18)但實(shí)際在計(jì)算時(shí)，平均力矩是用有限個(gè)位置點(diǎn)(或時(shí)間點(diǎn)N)相加而得Tavg=∑nNidφdθn=N{i(1)dφdθ(1)+i(2)dφdθ(2)+……}n]]>(式19)對照方程式(式15)及(式17)，電流對應(yīng)到數(shù)列a，磁通微分對應(yīng)到數(shù)列b，當(dāng)電流與磁通微分成比例時(shí)，可得到最大的力矩。
方程式(式15)并沒有特殊的限制條件，對于任意數(shù)列皆可使用，因此對于任意尺寸的直流無刷馬達(dá)，只要它的力矩可以方程式(式10)或(式17)表示，皆可經(jīng)由計(jì)算磁通微分，得到最佳驅(qū)動(dòng)電流波形，使馬達(dá)輸出最大力矩。
本發(fā)明系在于提供出一種直流無刷馬達(dá)(尤指直接三相獨(dú)立驅(qū)動(dòng)直流無刷馬達(dá))的最佳電流波形，并以一具有數(shù)位訊號處理等功能的控制器(例如德州儀器公司的數(shù)位訊號處理器TMS320F240，然而并非被限定于只能使用此種控制器，舉凡可達(dá)到類似功效及目的的任何控制器，均可使用)和驅(qū)動(dòng)電子電路加以實(shí)現(xiàn)。最佳波形計(jì)算方式及最佳波形已如上述，至于如何實(shí)現(xiàn)，茲說明如后關(guān)于驅(qū)動(dòng)控制架構(gòu)A.如圖10所示，為驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的方塊圖。控制器在接受油門命令后，配合回授的電流、位置，輸出適當(dāng)訊號到控制開關(guān)，以控制流入直流無刷馬達(dá)的電流大小。其中，控制器(F240系為其型號)中儲(chǔ)存了馬達(dá)最佳波形的數(shù)值(已如前述)當(dāng)油門(可變電阻)命令輸入時(shí)，即可將最大波形數(shù)值乘上輸入命令的電壓值，而此電壓值就是電流放大或縮小的增益值。
由于最佳波形是定子轉(zhuǎn)子相對位置的函數(shù)，此時(shí)另須知道轉(zhuǎn)子和定子的相對位置，以便乘上正確波形值。B.位置感測器定子、轉(zhuǎn)子相對位置量測，在本具體實(shí)施例中所使用的位置感測器為反射型光遮斷器，其利用白色易反射光、黑色易吸收光的特性，將黑白相間的反射物貼于待測物上，再借由吸收光量的多寡，輸出高電位或低電位，就可表示所在位置。
反光片分內(nèi)外二圈，如圖11所示，內(nèi)圈是8對黑白相間條碼，外圈是720對黑白相間條碼，內(nèi)圈黑條碼表示波形數(shù)值均為正值，白條碼表示波形數(shù)值均為負(fù)值。外圍條碼則讀出詳細(xì)的定轉(zhuǎn)子相對角度位置，并在前述控制器(TMS320F240數(shù)位訊號處理器)中存放的數(shù)值表中找到最佳波形在該定轉(zhuǎn)子相對角度位置的數(shù)值，與增益值(油門命令)相乘后送入馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器，并進(jìn)入馬達(dá)正確的繞線中，完成最佳波形的驅(qū)動(dòng)。C.電流回授是為了檢查進(jìn)入馬達(dá)繞線的電流大小是否和最佳電流波形大小相同，否則將利用控制器(TMS320F240)中的控制電路加以修正。D.保護(hù)電路是為了限制驅(qū)動(dòng)器電流或電壓突波大小，避免燒壞電子元件而設(shè)計(jì)的保護(hù)裝置。
因此1.就馬達(dá)而言，銅損限制條件所得的電流波形(如圖6)是各種條件下的最佳結(jié)果，在馬達(dá)操作在額定轉(zhuǎn)速的下，其表現(xiàn)出的效率都是最佳的，而更重要的是它的輸出力矩，比起傳統(tǒng)三相Y接下的方波驅(qū)動(dòng)波形，要高出約25％(從6.21Kg-m增加到7.789Kg-m)，在當(dāng)本發(fā)明應(yīng)用于電動(dòng)車輛時(shí)，確實(shí)可以解決電動(dòng)車輛起動(dòng)力矩不足的問題。
2.除了數(shù)值計(jì)算的結(jié)果分析外，也可以用簡單的數(shù)學(xué)來證明銅損限制下計(jì)算出的電流，其波形會(huì)和磁通微分波形成一比例，且所產(chǎn)生的力矩是該馬達(dá)輸出力矩的極限，除非不顧馬達(dá)壽命強(qiáng)制通入更大電流，否則無法借由驅(qū)動(dòng)電流的改變來增加力矩輸出。
3.若要實(shí)現(xiàn)計(jì)算出的輸入電流波形，就必需進(jìn)行電流控制，由于馬達(dá)為電感性負(fù)載，電壓訊號無法直接變成電流輸入命令，因此需使用電流型PWM(脈寬調(diào)變)控制。使用F240的控制器(或其它具類似功能的控制器)，配合反射式的光遮斷器，即可實(shí)現(xiàn)三相Y接及三相獨(dú)立的電流波形結(jié)果。而要實(shí)現(xiàn)銅損限制的不規(guī)則電流波形，需要精確的位置感測器，成本較高；若不愿使用較精密的感測器來做位置感測，則可以將電流波形稍作簡化，以一梯形波來近似最佳化的不規(guī)則波。如圖12所示，實(shí)線是最佳化計(jì)算后的電流波形，而虛線則是一近似的梯形波；要實(shí)現(xiàn)近似波形，只需要感測到八個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換點(diǎn)即可達(dá)成。
4.若考慮驅(qū)動(dòng)器的制作，則三相Y接是較佳的選擇，它只需要六個(gè)功率晶體即可完成驅(qū)動(dòng)控制，是最經(jīng)濟(jì)的方式；三相獨(dú)立則需要三個(gè)獨(dú)立的全橋電路，共十二個(gè)晶體來驅(qū)動(dòng)；銅損限制電流波形的實(shí)現(xiàn)上，除了需要十二個(gè)功率晶體外，晶體的電流容量也要增加，才能負(fù)荷其較大的瞬間電流。因此在實(shí)際的應(yīng)用上，必需在馬達(dá)性能和成本上作一取舍。
以上所述，僅系本發(fā)明的一較可行的實(shí)施例而已，舉凡利用本發(fā)明上述的方法、形狀、步驟所作的變化，皆應(yīng)包含于本案的權(quán)利范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種可同時(shí)達(dá)到最佳效率及最大轉(zhuǎn)矩的直流無刷馬達(dá)控制方法，其特征在于，至少包括以下步驟1a.提供出一種直流無刷馬達(dá)的最佳電流波形利用特別設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)式，并針對被控直流無刷馬達(dá)的實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸，加入特定限制條件，求得該馬達(dá)最佳的電流波形；1b.通過驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)以一具有復(fù)數(shù)位訊號處理功能的控制器和驅(qū)動(dòng)電子電路向被控馬達(dá)輸入此最佳的電流波形。
2.由權(quán)利要求1所述的可同時(shí)達(dá)到最佳效率及最大轉(zhuǎn)矩的直流無刷馬達(dá)控制方法，其特征在于，所述目標(biāo)函數(shù)為f＝f(Ia，Ib，Ic)=N(Iadφadφ+dφbdφ+dφcdφ)]]>其中Ia，Ib，Ic為待決定的相電流，都為定轉(zhuǎn)子相對角度θ的函數(shù)；Φa、Φb、Φc為三相的氣隙磁通函數(shù)。
3.由權(quán)利要求1所述的可同時(shí)達(dá)到最佳效率及最大轉(zhuǎn)矩的直流無刷馬達(dá)控制方法，其特征在于，該最佳的電流波形系與馬達(dá)氣隙磁通密度變化成正比。
4.由權(quán)利要求1所述的可同時(shí)達(dá)到最佳效率及最大轉(zhuǎn)矩的直流無刷馬達(dá)控制方法，其特征在于，所述針對選定的直流無刷馬達(dá)的實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸找出最佳的電流波形，是可使馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)所能達(dá)到最大力矩下的最小電流此電流隨馬達(dá)定子和轉(zhuǎn)子相對位置而改變，為一與氣隙磁通密度變化成正比例的波形；此電流波形與最初馬達(dá)設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)相關(guān)，輸入此特定電流波形，可使馬達(dá)發(fā)揮其最大功能、最高運(yùn)轉(zhuǎn)效率，即在最少功率損失下，能產(chǎn)生最大力矩。
5.由權(quán)利要求1所述的可同時(shí)達(dá)到最佳效率及最大轉(zhuǎn)矩的直流無刷馬達(dá)控制方法，其特征在于，其加入特定的限制條件是銅損限制。
6.由權(quán)利要求1所述的一種可同時(shí)達(dá)到最佳效率及最大轉(zhuǎn)矩的直流無刷馬達(dá)控制方法，其特征在于，其限制條件進(jìn)一步增加驅(qū)動(dòng)電壓限制。
7.由權(quán)利要求1所述的一種可同時(shí)達(dá)到最佳效率及最大轉(zhuǎn)矩的直流無刷馬達(dá)控制方法，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，其控制器在接受油門命令后，配合回授的電流及位置感測器讀出的定轉(zhuǎn)子相對角度位置數(shù)值，及在前述控制器中存放的數(shù)值表中找到最佳波形在該定轉(zhuǎn)子相對角度位置的數(shù)值，與油門命令的增益值相乘后送入馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器，并進(jìn)入馬達(dá)正確的繞線中，完成最佳波形的驅(qū)動(dòng)。
8.由權(quán)利要求1、2、3或4所述的可同時(shí)達(dá)到最佳效率及最大轉(zhuǎn)矩的直流無刷馬達(dá)控制方法，其特征在于，可應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)車或電動(dòng)汽車等使用馬達(dá)來驅(qū)動(dòng)的物件上。
9.由權(quán)利要求8所述的可同時(shí)達(dá)到最佳效率及最大轉(zhuǎn)矩的直流無刷馬達(dá)控制方法，其特征在于，將該馬達(dá)裝設(shè)于可直接帶動(dòng)車輪的適當(dāng)位置處。
10.由權(quán)利要求8所述的可同時(shí)達(dá)到最佳效率及最大轉(zhuǎn)矩的直流無刷馬達(dá)控制方法，其特征在于，將直流無刷馬達(dá)直接裝設(shè)于車輪，并針對該馬達(dá)而尋求出其最適波形做為輸入。
全文摘要
一種可同時(shí)達(dá)到最佳效率及最大轉(zhuǎn)矩的直流無刷馬達(dá)控制方法；利用特別設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)式，并針對欲驅(qū)動(dòng)的直流無刷馬達(dá)的實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸，以及銅損限制和驅(qū)動(dòng)電壓限制條件，找出最佳的電流波形；利用控制系統(tǒng)輸入此最佳的電流波形，可使該馬達(dá)發(fā)揮其最大功能、最高運(yùn)轉(zhuǎn)效率，即在最少功率損失下，能產(chǎn)生最大力矩；此方法應(yīng)用于電動(dòng)車輛，不但在效率上可提高，且轉(zhuǎn)矩亦能大幅提升，使電動(dòng)車輛在起動(dòng)或爬坡時(shí)的性能不受限制，進(jìn)而可提升其續(xù)航力。
文檔編號H02P6/08GK1391339SQ0111868
公開日2003年1月15日 申請日期2001年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月7日
發(fā)明者陸一平, 陽毅平 申請人:歐磊科技股份有限公司