全对称同步式弦波脉冲宽度调变方法及其应用的马达驱动系统的制作方法
【专利摘要】本发明有关于一种用以控制马达运转之全对称同步式弦波脉冲宽度调变方法，其方法步骤包括输入一预定的频率命令及制定一振荡频率；设定有一整数值；将整数值乘上六倍的预定的频率命令以取得一预定的载波频率；取振荡频率除上预定的载波频率后的整数以得到一载波周期；将振荡频率除上载波周期以取得一实际的载波频率；将实际的载波频率除上六倍的整数值以取得一实际的频率命令；根据实际的频率命令以脉宽调变出实际的三相脉冲宽度调变讯号，之后，利用实际的三相脉冲宽度调变讯号调整马达的三相电源以经由调整后的三相电源驱使马达的运转。
【专利说明】全对称同步式弦波脉冲宽度调变方法及其应用的马达驱动系统
【【技术领域】】
[0001]本发明有关于一种全对称同步式弦波脉冲宽度调变方法，尤指一种用以控制马达运转之全对称同步式弦波脉冲宽度调变方法。
【【背景技术】】
[0002]机密机械为目前工业发展的重点项目，而马达的电主轴是精密机械的核心技术之一。目前马达的电主轴发展趋势，以开环之电主轴而言，其必须朝向高转速、低震动、低温升避免热变形影响加工精度；而带有编码器的闭环之电主轴而言，则必须兼具高转速、高刚性、高精度等特性。在此，如何提高马达的电主轴性能一直是被广泛讨论的课题。
[0003]马达运转的控制一般通过变频器来实行。变频器可以藉由输出能量至马达的电主轴，以驱使马达进行运转并控制马达达到所要的转速。然而，变频器在输出能量给马达的电主轴时，其并非仅有电压或电流能量的正弦波而已，还包含有大量的谐波成分，那些谐波将对于马达的电主轴运作上造成一定的影响。
[0004]分析变频器输出波形所包含的各种谐波成分，在频率高时往往会受到低次频环流的影响。以图1为例，分析SVMPWM变频器的输出波形，mf = fc/fo = 8, fc = 8kHz, fo =999.7kHz,除了产生主频能量fo外，低频的低次谐波fsub = 2.4Hz同样地也会产生。此极低频率(接近于直流)的低次谐波fsub具有不可忽视的电压值。越低频的低次谐波对于电机的影响越严重，因为电感量等于零，电流几乎等于直流成分除以极低的线圈电阻，以致造成电机环流过大，线圈过热，进而损坏贵重的电主轴。
[0005]有鉴于此，本发明将提供一种创新的脉冲宽度调变方法，其方法将输出一未包含有低次谐波的能量讯号至马达，如此将可以避免低次谐波造成高速运转中的马达电主轴产生损坏，将会是本发明欲达到的目的。
【
【发明内容】
】
[0006]本发明提出一种全对称同步式弦波脉冲宽度调变方法，其方法重新制定出实际的载波频率，并依照实际的载波频率重新调整出实际的频率命令，以使实际的载波频率始终保持为实际的频率命令之六的整数倍，再者，实际的频率命令将会进一步执行一脉冲宽度调变程序，以脉宽调变出具有同步性、对称性特点的三相脉冲宽度调变讯号，之后，利用具有同步性、对称性特点的三相脉冲宽度调变讯号调整马达的三相电源，以经由调整后的三相电源控制马达的运转。
[0007]本发明提出一种全对称同步式弦波脉冲宽度调变方法，其根据实际的频率命令所输出的主弦波讯号之波形将呈现出左右对称性及基点对称性之特点，同样地，载波讯号也会维持有左右对称性与基点对称性的准则，并且主弦波讯号的基点必定会与其中一载波讯号的基点同步重合，之后，调变器根据于载波讯号与主弦波讯号间的大小关系以反应出具有同步性及对称性特点之脉冲宽度调变波形讯号。
[0008]本发明提出一种全对称同步式弦波脉冲宽度调变方法，其方法可以产生具有同步性及对称性特点之脉冲宽度调变波形讯号，之后，变频器被具有同步性及对称性特点之脉冲宽度调变波形讯号操控时其输出的电源讯号中所隐含的低次谐波将可以有效地消除，贝U，变频器在驱使马达时，马达的电主轴将可以避免产生低频环流，致使确保马达运转上的安全性。
[0009]为达成上述目的，本发明提供一种全对称同步式弦波脉冲宽度调变(Symmetrically Synchronized Sine Pulse Width Modulat1n, SSSPWM)方法，其方法用以控制马达运转，其特徵在于，步骤包括:输入一预定的频率命令及制定一振荡频率；设定一整数值；令整数值乘上六倍的预定的频率命令以取得一预定的载波频率；取振荡频率除上预定的载波频率后之整数以得到一载波周期；令振荡频率除上载波周期以取得一实际的载波频率；令实际的载波频率除上六倍数的整数值以取得一实际的频率命令；根据实际的频率命令执行一脉宽调变程序以脉宽调变出实际的三相脉冲宽度调变讯号；及利用实际的三相脉冲宽度调变讯号调整马达的三相电源以经由调整后的三相电源驱使马达进行运转。
[0010]本发明一实施例中，设定整数值的公式为:N = int (Fmax-carrier/ (6XFcmd)),其中，N为整数值，int为取整函数，Fmax-carrier为最高限制之载波频率,而Fcmd为预定的频率命令。
[0011]本发明一实施例中，整数值设定为一固定的数值。
[0012]本发明一实施例中，脉宽调变程序之步骤包括有:转换预定的频率命令为一输出电压；积分实际的频率命令以计算出一相位角度；令输出电压以相位角度为基准换算出三相电压讯号；及令三相电压讯号根据载波周期以脉宽调变出实际的三相脉冲宽度调变讯号。
[0013]本发明又提供一种应用全对称同步式弦波脉冲宽度调变方法之马达驱动系统，其特徵在于，包括:一微处理器，输入一预定的频率命令及制定有一振荡频率，包括:一频率调整单元，设定有一整数值，包括:一实际载波频率计算模组，将整数值乘上六倍的预定的频率命令以取得一预定的载波频率，将振荡频率除上预定的载波频率后取整数以得到一载波周期，再将振荡频率除上载波周期以取得一实际的载波频率；及一实际频率命令计算模组，连接实际载波频率计算模组，将实际的载波频率除上六倍数的整数值以取得一实际的频率命令；一脉宽调变单元，连接频率调整单元，根据实际的频率命令执行一脉宽调变程序以脉宽调变出实际的三相脉冲宽度调变讯号；及一变频器，连接脉宽调变单元，实际的三相脉冲宽度调变讯号调整马达的三相电源以经由调整后的三相电源驱使马达进行运转。
[0014]本发明一实施例中，频率调整单元包括一整数值设定模组，整数值设定模组经由一设定公式设定出整数值，其设定公式为:N = int (Fmax-carrier/(6 XFcmd)),其中，N为整数值，int为取整函数，Fmax-carrier为最高限制之载波频率,而Fcmd为预定的频率命令。
[0015]本发明一实施例中，脉宽调变单元包括:一频率电压转换器，转换预定的频率命令为一输出电压；一积分器，积分实际的频率命令以计算出一相位角度；一三相电压计算模组，连接频率电压转换器及积分器，将输出电压以相位角度为基准换算出三相电压讯号；一三相脉冲宽度计算模组，连接三相电压计算模组，将三相电压讯号根据载波周期以脉宽调变出三相脉冲宽度调变讯号；及一调变器，连接三相脉冲宽度计算模组，将三相脉冲宽度调变讯号执行一调变程序以取得实际的三相脉冲宽度调变讯号。
【【专利附图】
【附图说明】】
[0016]图1为习用SVMPWM变频器在高频输出时的频谱图。
[0017]图2为本发明马达驱动系统之系统结构图。
[0018]图3为本发明SSSPWM方法之步骤流程图。
[0019]图4为本发明脉宽调变程序之步骤流程图。
[0020]图5为本发明输出电压与频率命令间之V/F转换曲线图。
[0021]图6为本发明主弦波讯号、载波讯号与脉冲宽度调变波形讯号之波形图。
[0022]图7为本发明SSSPWM变频器在高频输出时的频谱图。
[0023]主要组件符号说明:
100微处理器10 频率调整单元
11 整数值设定模组12 实际载波频率计算模组
13 实际频率命令计算模组15 脉宽调变单元
151频率电压转换器152积分器
153三相电压计算模组 154三相脉冲宽度计算模组
155 SVPWM调变器17 SSSPWM变频器
200马达301转换曲线
302载波讯号303主弦波讯号
【【具体实施方式】】
[0024]请参阅图2，为本发明马达驱动系统之系统结构图。如图2所示，本发明马达驱动系统之结构包括一微处理器100及一马达200。本发明所述的马达200可以为三相感应马达或永磁同步马达。本发明微处理器100将会利用一全对称同步式弦波脉冲宽度调变方法(Symmetrically Synchronized Sine Pulse Width Modulat1n, SSSPWM)控制马达 200 的运转。
[0025]微处理器100包括一频率调整单元10、一脉宽调变单元15及一 SSSPWM变频器17。频率调整单元10接收一预定的频率命令Fcmd,根据一实际的载波频率Fcarrier*重新调整预定的频率命令Fcmd之频率，以输出一实际的频率命令Fcmcf。脉宽调变单元15接收实际的频率命令FcmcT，以根据实际的频率命令FcmcT调变出实际的三相脉冲宽度调变讯号Tu' Tv*, IV。之后，脉宽调变单元15利用实际的三相脉冲宽度调变讯号Tu' Tv*, Tw*控制SSSPWM变频器17的内部开关元件，以使SSSPWM变频器17以变频方式调整马达200的三相电源进而利用调整后的三相电源驱使马达200进行运转。
[0026]又，频率调整单元10包括一整数值设定模组11、一实际载波频率计算模组12及一实际频率命令计算模组13，整数值设定模组11连接实际载波频率计算模组12及实际频率命令计算模组13。脉宽调变单元15包括一频率电压转换器151、一积分器152、一三相电压计算模组153、一三相脉冲宽度计算模组154及一调变器155，三相电压计算模组153分别连接频率电压转换器151、积分器152及三相脉冲宽度计算模组154，而调变器155连接三相脉冲宽度计算模组154。本发明调变器155可以为一空间向量的脉冲宽度调变器(SpaceVector Pulse Width Modulat1n, SVPWM)。
[0027]进一步参阅图3所示，为本发明SSSPWM方法实行于马达驱动系统上的详细流程。首先，步骤S51，马达驱动系统可以根据于欲达到的马达200之需求转速输入一预定的频率命令Fcmd至频率调整单元10及脉宽调变单元15，并且微处理器100制定有一固定的振荡频率Fosc。
[0028]步骤S52，整数值设定模组11接收预定的频率命令Fcmd，根据一整数值设定公式设定出一整数值N,其设定公式为N = int (Fmax-carrier/ (6XFcmd)),其中N为整数值，int为取整函数，Fmax-carrier为最高限制之载波频率，而Fcmd为输入频率命令。再者，本发明一实施例中，整数值设定模组11可以利用设定公式设定出一动态的整数值N ;或者，本发明又一实施例中，整数值设定模组11也可以直接设定出一固定的整数值N，例如:2、4、6…等等。
[0029]步骤S53，整数值设定模组11将整数值N传送至实际载波频率计算模组12，实际载波频率计算模组12将整数值N乘上六倍预定的频率命令Fcmd以取得一预定的载波频率Fcarrier = 6 X FcmdX No步骤S54,实际载波频率计算模组12将振荡频率Fosc除上预定的载波频率Fcarrier后取整数以取得一载波周期TP = int (Fosc/Fcarrier)。步骤S55,实际载波频率计算模组12再将振荡频率Fosc除上载波周期TP即可以取得实际的载波频率 Fcarrier* = Fosc/TP。
[0030]接着，步骤S56，实际频率命令计算模组13从整数值设定模组11及实际载波频率计算模组12接收整数值N及实际的载波频率Fcarrier*,将实际的载波频率Fcarrier*除上六倍数的整数值N以产生及输出一实际的频率命令FcmcT = Fcarrier*/ (6XN)。
[0031]步骤S57，脉宽调变单元15从频率调整单元10接收实际的频率命令FcmcT，根据于实际的频率命令FcmcT执行一脉宽调整程序，以脉宽调变出实际的三相脉冲宽度调变讯号 Tu*, Tv*, Tw*ο
[0032]最后，步骤S58，脉宽调变单元15利用实际的三相脉冲宽度调变讯号Tu' Tv*, Tw*控制SSSPWM变频器17的内部开关元件，以变频方式调整马达200的三相电源。调整后的三相电源将会输入至马达200的电主轴中，以驱使马达200进行运转。
[0033]继续参阅图4，脉宽调变单元15执行步骤S57之脉宽调整程序之详细步骤，其如下所述:步骤S571，本发明频率电压转换器151对于频率命令Fcmd与输出电压Vout之间的关系制定有多组对应的V/F转换参数，其V/F转换参数可以绘制成图5之转换曲线301。当频率电压转换器151接收该预定的频率命令Fcmd时，将会依照该预定的频率命令Fcmd之大小查询相对应的V/F转换参数，依此转换出一对应的输出电压Vout。
[0034]又，步骤S572，积分器152接收实际的频率命令Fcmcf时，对于实际的频率命令FcmcT执行一积分运算程序以计算出一相位角度Θ。
[0035]步骤S573，三相电压计算模组153接收输出电压Vout后，以相位角度Θ为基准将输出电压 Vout 换算为三相电压 Vu = Vout X cos ( Θ )、Vv = Vout X cos ( Θ -120° )、Vw =VoutX cos(Θ+120° )。
[0036]步骤S574，三相脉冲宽度计算模组154从三相电压计算模组153及频率调整单元10分别接收三相电压Vu、Vv, Vw及载波周期TP后，将三相电压Vu、Vv, Vw分别除上一直流工作电压Vdc以及再分别乘上载波周期TP以取得预定的三相脉冲宽度调变讯号Tu = (Vu/Vdc) X TP, Tv = (Vv/Vdc) X TP, Tw = (Vw/Vdc) XTP0 接着，三相脉冲宽度计算模组 154 进一步将预定的三相脉冲宽度调变讯号Tu、TV、Tw传送至调变器155进行调变程序，以调变出实际的三相脉冲宽度调变讯号Tu'IV、IV。继续，调变器155利用实际的三相脉冲宽度调变讯号Tu'Tv'IV控制SSSPWM变频器17的内部开关元件，以使SSSPWM变频器17以变频方式调整马达200的三相电源，最后利用调整后的三相电源控制马达200之运转以使马达200可以达到需求的转速。
[0037]在此，本发明马达驱动系统利用SSSPWM方法重新制定实际的载波频率Fcarrier'并依照实际的载波频率Fcarrier*重新调整出实际的频率命令FcmcT，以使实际的载波频率Fcarrier*可以始终保持为实际的频率命令Fcmcf之六的整数倍,例如=Fcarrier* =6XNXFcmd*。
[0038]以图6为例，整数值N设定为1，实际的载波频率Fcarrier*为实际的频率命令Fcmd*的六倍，因此，根据实际的频率命令FcmcT所输出的主弦波讯号303 (如三相电压讯号Vu、Vv或Vw之其中一)其工作周期TS将等于载波讯号302之工作周期TP的六倍时间。于是，主弦波讯号303之波形将呈现出左右对称性一cos ( Θ ) = C0s (— Θ)与基点对称性—cos(90° +Θ) =cos(90° — Θ)。同样地，载波讯号302之波形也会维持左右对称性与基点对称性的准则。由于实际的频率命令Fcmcf系依照实际的载波频率Fcarrier*重新调整制定，因此，主弦波讯号303的基点必定与其中一载波讯号302的基点同步重合。再者，SVPWM调变器155将会根据于载波讯号302与主弦波讯号303间的大小关系以反应出一相对应的脉冲宽度调变波形讯号304 (如Tu' Tv*或IV)，例如:载波讯号302大于主弦波讯号303,脉冲宽度调变波形讯号304为高准位；载波讯号302小于主弦波讯号303,脉冲宽度调变波形讯号304为低准位。
[0039]则，SSSPWM变频器17被具有同步性及对称性特点之PWM波形讯号304操控时，其输出的电源讯号中所隐含的低次谐波将可以有效地消除。如图7所示，SSSPWM变频器17所输出的电源讯号只包含主频能量fo而已，已经不含任何DC成分的低次谐波。
[0040]综合上述，本发明马达驱动系统利用SSSPWM方法控制马达的运转，将可以有效地消除SSSPWM变频器17输出电源中所隐含的低次谐波，如此将可以避免马达200的电主轴产生低频环流而造成温升过高烧毁电机线圈之情况，致使确保马达200运转上的安全性。
[0041]以上所述者，仅为本发明之一较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施之范围，即凡依本发明申请专利范围所述之形状、构造、特徵及精神所为之均等变化与修饰，均应包括于本发明之申请专利范围内。
【权利要求】
1.一种全对称同步式弦波脉冲宽度调变(Symmetrically Synchronized Sine PulseWidth Modulat1n, SSSPWM)方法，其方法用以控制马达运转，其特徵在于，步骤包括: 输入一预定的频率命令及制定一振荡频率； 设定一整数值； 令该整数值乘上六倍的该预定的频率命令以取得一预定的载波频率； 取该振荡频率除上该预定的载波频率后之整数以得到一载波周期； 令该振荡频率除上该载波周期以取得一实际的载波频率； 令该实际的载波频率除上六倍数的该整数值以取得一实际的频率命令； 根据该实际的频率命令执行一脉宽调变程序以脉宽调变出实际的三相脉冲宽度调变讯号；及 利用该实际的三相脉冲宽度调变讯号调整马达的三相电源以经由调整后的三相电源驱使马达进行运转。
2.根据权利要求1所述的全对称弦波脉冲宽度调变方法，其特徵在于，设定该整数值的公式为:
N = int(Fmax-carrier/(6XFcmd)) 其中，N为该整数值，int为取整函数，Fmax-carrier为最高限制之载波频率,而Fcmd为该预定的频率命令。
3.根据权利要求1所述的全对称弦波脉冲宽度调变方法，其特徵在于，该整数值设定为一固定的数值。
4.根据权利要求1所述的全对称弦波脉冲宽度调变方法，其特徵在于，该脉宽调变程序之步骤包括有: 转换该预定的频率命令为一输出电压； 积分该实际的频率命令以计算出一相位角度； 令该输出电压以该相位角度为基准换算出三相电压讯号；及 令该三相电压讯号根据该载波周期以脉宽调变出该实际的三相脉冲宽度调变讯号。
5.一种应用全对称同步式弦波脉冲宽度调变方法之马达驱动系统，其特徵在于，包括: 一微处理器，输入一预定的频率命令及制定有一振荡频率，包括: 一频率调整单元，设定有一整数值，包括: 一实际载波频率计算模组，将该整数值乘上六倍的该预定的频率命令以取得一预定的载波频率，将该振荡频率除上该预定的载波频率后取整数以得到一载波周期，再将该振荡频率除上该载波周期以取得一实际的载波频率；及 一实际频率命令计算模组，连接该实际载波频率计算模组，将该实际的载波频率除上六倍数的该整数值以取得一实际的频率命令； 一脉宽调变单元，连接该频率调整单元，根据该实际的频率命令执行一脉宽调变程序以脉宽调变出实际的三相脉冲宽度调变讯号；及 一变频器，连接该脉宽调变单元，该实际的三相脉冲宽度调变讯号调整马达的三相电源以经由调整后的三相电源驱使马达进行运转。
6.根据权利要求5所述的马达驱动系统，其特徵在于，该频率调整单元包括一整数值设定模组，该整数值设定模组经由一设定公式设定出该整数值，其设定公式为: N = int(Fmax-carrier/(6XFcmd)) 其中，N为该整数值，int为取整函数，Fmax-carrier为最高限制之载波频率,而Fcmd为该预定的频率命令。
7.根据权利要求5所述的马达驱动系统，其特徵在于，该整数值设定模组将该整数值设定为一固定的数值。
8.根据权利要求5所述的马达驱动系统，其特徵在于，该脉宽调变单元包括: 一频率电压转换器，转换该预定的频率命令为一输出电压； 一积分器，积分该实际的频率命令以计算出一相位角度； 一三相电压计算模组，连接该频率电压转换器及该积分器，将该输出电压以该相位角度为基准换算出三相电压讯号； 一三相脉冲宽度计算模组，连接该三相电压计算模组，将该三相电压讯号根据该载波周期以脉宽调变出三相脉冲宽度调变讯号；及 一调变器，连接该三相脉冲宽度计算模组，将该三相脉冲宽度调变讯号执行一调变程序以取得该实际的三相脉冲宽度调变讯号。
【文档编号】H02P27/08GK104135210SQ201410298936
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年6月27日 优先权日:2014年6月27日
【发明者】周楚轩 申请人:正频企业股份有限公司