阅读说明：本技术 马达驱动电路及其控制方法 (Motor drive circuit and its control method ) 是由 萧稚宏 魏佳宾 李毓伟 曾伟硕 于 2018-05-16 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种马达驱动电路及其控制方法。马达驱动电路包含第一驱动信号输出电路和第二驱动信号输出电路。马达驱动电路用以根据马达的运行功率是否超过功率阈值,选择性地自第一驱动信号输出电路输出六步方波驱动信号或自第二驱动信号输出电路输出空间向量驱动信号至变频器以驱动马达。第一驱动信号输出电路用以产生六步方波驱动信号。第二驱动信号输出电路用以产生空间向量驱动信号。(The present invention provides a kind of motor drive circuit and its control method.Motor drive circuit includes the first driving signal output circuit and the second driving signal output circuit.Motor drive circuit selectively exports six step square wave driving signals or from the second driving signal output circuit output space vector driving signal to frequency converter from the first driving signal output circuit whether to be more than power threshold according to the operation power of motor with drive motor.First driving signal output circuit is to generate six step square wave driving signals.Second driving signal output circuit is to generate space vector driving signal.)

马达驱动电路及其控制方法

技术领域

本公开内容涉及一种驱动电路及其控制方法，尤其涉及一种马达驱动电路及其控制方法。

背景技术

随着电力电子的技术发展，马达驱动电路广泛地应用在各种电子电机领域中。

一般来说，马达的驱动方法分为空间向量脉冲宽度调制(space-vector pulsewidth modulation，SVPWM)模式以及六步方波(six-step square wave)模式。此两种模式的控制方法不同，且优缺点也不同。

因此，如何设计一个新的马达驱动电路，以兼顾两者的优点，乃为此一业界亟待解决的问题。

发明内容

本公开内容的一实施方式涉及一种马达驱动电路，包含：电压信号产生单元、第一电压信号转换器以及第一驱动信号产生器。电压信号产生单元电性耦接马达，用以接收马达的马达位置信号及三相电流信号，并根据马达位置信号、三相电流信号与电流命令输出交直轴电压信号与马达电气角。第一电压信号转换器用以根据交直轴电压信号输出相位移动命令及振幅命令。第一驱动信号产生器用以根据相位移动命令、振幅命令与马达电气角输出控制信号至变频器以驱动马达。

本公开内容的一实施方式涉及一种马达驱动电路，包含：第一驱动信号输出电路和第二驱动信号输出电路。第一驱动信号输出电路用以产生六步方波驱动信号。第二驱动信号输出电路用以产生空间向量驱动信号。马达驱动电路用以根据马达的运行功率是否超过功率阈值，选择性地自第一驱动信号输出电路输出六步方波驱动信号，或自第二驱动信号输出电路输出空间向量驱动信号至变频器以驱动马达。

本公开内容的另一实施方式涉及一种马达驱动电路控制方法，包含：由第一驱动信号输出电路输出六步方波驱动信号；由第二驱动信号输出电路输出空间向量驱动信号；由马达驱动电路检测马达的运行功率是否超过功率阈值；当运行功率超过功率阈值时，由马达驱动电路输出六步方波驱动信号至变频器以驱动马达；以及当运行功率未超过功率阈值时，由马达驱动电路输出空间向量驱动信号至变频器以驱动马达。

附图说明

图1是根据本公开内容的部分实施例绘示一种马达驱动电路的示意图；

图2是根据本公开内容的部分实施例绘示一种马达位置信号和马达电气角的波形示意图；

图3是根据本公开内容的部分实施例绘示一种驱动信号产生器的示意图；

图4A、4B是根据本公开内容的部分实施例绘示一种信号波形示意图；

图5是根据本公开内容的其他部分实施例绘示另一种马达驱动电路的示意图；

图6是根据本公开内容的其他部分实施例绘示另一种驱动信号产生器的示意图；

图7是根据本公开内容的部分实施例绘示一种马达驱动电路控制方法的流程图。

附图标记说明：

100：马达驱动电路

110：电压信号产生单元

112：电气角计算器

114：电流信号转换器

116：比例积分控制器

120：第一电压信号转换器

130：第一驱动信号输出电路

140：第一驱动信号产生器

150：第二驱动信号输出电路

160：第二电压信号转换器

180：第二驱动信号产生器

200：马达

300：变频器

P：马达位置信号

θe：马达电气角

Ia、Ib、Ic：三相电流信号

Id、Iq：交直轴电流信号

Icom：电流命令

Va、Vb、Vc：三相电压信号

Vd、Vq：交直轴电压信号

Vcom：振幅命令

θshift：相位移动命令

CS：控制信号

DS1：六步方波驱动信号

DS2：空间向量驱动信号

DS2_aH、DS2_bH、DS2_cH、DS2_aL、DS2_bL、DS2_cL、DS1_aH、DS1_aL、DS1_bH、DS1_bL、DS1_cH、DS1_cL：功率开关信号

PWM、PWM_aH、PWM_bH、PWM_cH、PWM_aL、PWM_bL、PWM_cL：方波脉冲

700：马达驱动电路控制方法

S710～S770：步骤

具体实施方式

下文是举实施例配合附图说明书作详细说明，但所描述的具体实施例仅用以解释本案，并不用来限定本案，而结构操作的描述非用以限制其执行的顺序，任何由元件重新组合的结构，所产生具有均等技术效果的装置，皆为本公开内容所涵盖的范围。

请参考图1。图1为根据本公开内容部分实施例所绘示的马达驱动电路100的示意图。如图1所示，在部分实施例中，马达驱动电路100电性耦接马达200以及变频器300，用以根据接收自马达200的马达位置信号P和三相电流信号Ia、Ib、Ic，输出控制功率开关的控制信号CS至变频器300以驱动马达200。举例来说，马达驱动电路100可由中央处理单元(CPU)、微控制器(microcontroller unit，MCU)、复杂型可编程逻辑元件(Complex ProgrammableLogic Device，CPLD)、现场可程序编程闸阵列(Field-programmable gate array，FPGA)等各种方式实作。

如图1所示，在部分实施例中，马达驱动电路100包含电压信号产生单元110以及第一驱动信号输出电路130。第一驱动信号输出电路130包含第一电压信号转换器120以及第一驱动信号产生器140，用以根据相应于马达200的交直轴电压信号Vd、Vq与马达电气角θe产生六步方波驱动信号作为控制信号CS。结构上，电压信号产生单元110电性耦接马达200和第一驱动信号输出电路130。第一电压信号转换器120电性耦接第一驱动信号产生器140。第一驱动信号产生器140电性耦接变频器300。

在部分实施例中，电压信号产生单元110包含电气角计算器112、电流信号转换器114及比例积分控制器116。结构上，电气角计算器112电性耦接于马达200、电流信号转换器114和第一驱动信号产生器140。电流信号转换器114耦接马达200和比例积分控制器116。比例积分控制器116电性耦接第一电压信号转换器120。为了说明起见，关于马达驱动电路100的具体详细操作，将在以下段落中搭配相关附图提供进一步的说明。

如图1所示，电气角计算器112用以接收马达200的马达位置信号P，并根据马达位置信号P输出马达电气角θe至电流信号转换器114和第一驱动信号产生器140。

具体而言，请一并参考图2。图2是根据本公开内容的部分实施例绘示一种马达位置信号P和马达电气角θe的波形示意图。图中下方波形是以马达200内部三相中a相反电动势(即，a相至马达三相中性点的电压)代表马达位置信号P。图中上方波形是为电气角计算器112根据马达位置信号P转换的马达电气角θe。如图2所示，马达电气角θe以0～360度为一个周期的循环，随着马达位置信号P同步变动。

如图1所示，电流信号转换器114用以接收马达的三相电流信号Ia、Ib、Ic，并根据马达电气角θe将三相电流信号Ia、Ib、Ic转换为交直轴电流信号Id、Iq，且将交直轴电流信号Id、Iq输出至比例积分控制器116。

具体而言，电流信号转换器114通过功率元件或直接从马达三线上撷取三相电流信号Ia、Ib、Ic，并根据下式将三相电流信号Ia、Ib、Ic转换为交直轴电流信号Id、Iq：

其中I_o为马达200三相的中性点的电流。假设三相平衡时，I_o约等于0。值得注意的是，上述公式仅为示例之用，但本公开内容并不以此为限，任何将三相电流信号Ia、Ib、Ic(三相旋转坐标)转换为交直轴电流信号Id、Iq(两相静止坐标)的运算，皆为本公开内容所涵盖的范围。

接着，电流信号转换器114将交直轴电流信号Id、Iq输出至比例积分控制器116。如图1所示，比例积分控制器116用以根据交直轴电流信号Id、Iq及电流命令Icom，输出一组交直轴电压信号Vd、Vq至第一电压信号转换器120。

具体而言，电流命令Icom包含直轴电流命令Id_com和交轴电流命令Iq_com。比例积分控制器116根据直轴电流信号Id和直轴电流命令Id_com输出直轴电压信号Vd，并根据交轴电流信号Iq和交轴电流命令Iq_com输出交轴电压信号Vq。

如此一来，电压信号产生单元110接收马达200的马达位置信号P和三相电流信号Ia、Ib、Ic，并根据马达位置信号P、三相电流信号Ia、Ib、Ic和电流命令Icom输出交直轴电压信号Vd、Vq至第一电压信号转换器120。

请继续参考图1。第一电压信号转换器120用以根据交直轴电压信号Vd、Vq输出相位移动命令θshift和振幅命令Vcom。具体而言，在部分实施例中，第一电压信号转换器120将交轴电压信号Vq作为振幅命令Vcom，并将直轴电压信号Vd乘上一比例K以作为相位移动命令θshift，其中比例K为任意实数。

此外，为避免直轴电压信号Vd具有较大的起伏涟波变化，在部分实施例中，第一电压信号转换器120用以降低直轴电压信号Vd的比例积分控制响应后，再乘上比例K以作为相位移动命令θshift。在其他部分实施例中，第一电压信号转换器120用以对直轴电压信号Vd进行低通滤波后，再乘上比例K以作为相位移动命令θshift。举例来说，第一电压信号转换器120可包含低通滤波器以及比例控制器以实现上述操作。

据此，第一电压信号转换器120基于电流反馈输出的交直轴电压信号Vd、Vq分别转换为六步方波驱动模式所需的相位移动命令θshift与振幅命令Vcom。

请继续参考图1。第一电压信号转换器120将相位移动命令θshift与振幅命令Vcom输出至第一驱动信号产生器140。第一驱动信号产生器140用以根据相位移动命令θshift、振幅命令Vcom和马达电气角θe输出控制信号CS至变频器300以驱动马达200。

具体而言，控制信号CS可为六步方波驱动信号，其包含分别对应变频器300的三相六臂的功率开关信号。如图3所示，第一驱动信号产生器140将相位移动命令θshift与马达电气角θe相加后作为角度命令θcom，并根据角度命令θcom通过六步方波脉冲产生元件产生上臂和下臂的方波脉冲信号PWM_aH、PWM_bH、PWM_cH、PWM_aL、PWM_bL、PWM_cL。另外，第一驱动信号产生器140根据振幅命令Vcom与三角波通过比较器产生方波脉冲信号PWM。接着，根据上臂的方波信号PWM_aH、PWM_bH、PWM_cH分别和方波信号PWM通过及闸(AND gate)进行AND逻辑运算以取得变频器300的三相六臂中上臂的切换功率开关的功率开关信号DS1_aH、DS1_bH、DS1_cH。另外，根据下臂的方波信号PWM_aL、PWM_bL、PWM_cL作为变频器300的三相六臂中下臂的切换功率开关的功率开关信号DS1_aL、DS1_bL、DS1_cL。

在其他部分实施例中，第一驱动信号产生器140亦可根据下臂的方波信号PWM_aL、PWM_bL、PWM_cL分别和方波信号PWM通过及闸(ANDgate)进行AND逻辑运算以取得变频器300的三相六臂中下臂的切换功率开关的功率开关信号DS1_aL、DS1_bL、DS1_cL。另外，根据上臂的方波信号PWM_aH、PWM_bH、PWM_cH作为变频器300的三相六臂中上臂的切换功率开关的功率开关信号DS1_aH、DS1_bH、DS1_cH。接着，马达驱动电路100以此六步方波驱动信号作为控制功率开关的控制信号CS并将控制信号CS输出至变频器300以驱动马达200。

举例来说，如图4A所示，波形由上而下分别为六步方波脉冲产生元件产生的上臂和下臂方波脉冲信号PWM_aH、PWM_bH、PWM_cH、PWM_aL、PWM_bL、PWM_cL。如图4B所示，最上方为角度命令θcom，其他波形由上而下分别为变频器300a相上臂、a相下臂、b相上臂、b相下臂、c相上臂和c相下臂的功率开关信号DS1_aH、DS1_aL、DS1_bH、DS1_bL、DS1_cH、DS1_cL。在本实施例中是以120度六步方波为例，因此每个信号以中心点两边延伸的宽度W均为120度，但本公开内容并不以此为限。在部分实施例中，此宽度可为90度或180度。

如此一来，马达驱动电路100便可基于直轴电压信号Vd为控制相位移动而交轴电压信号Vq为控制振幅的特性，达到产生的六步方波驱动信号DS1能使马达200的电流相位与反电动势相位接近空间向量脉冲驱动模式的效果，以改善对马达200的控制。

请参考图5。图5是根据本公开内容的其他部分实施例绘示另一种马达驱动电路100的示意图。于图5所示实施例中，与图1的实施例中相似的元件是以相同的元件符号表示，其操作已于先前段落说明者，于此不再赘述。和图1所示实施例相比，在本实施例中，马达驱动电路100还包含第二驱动信号输出电路150。第二驱动信号输出电路150包含第二电压信号转换器160和第二驱动信号产生器180，用以根据交直轴电压信号与马达电气角产生空间向量驱动信号。

结构上，第二驱动信号输出电路150电性耦接电压信号产生单元110和变频器300。第二电压信号转换器160电性耦接第二驱动信号产生器180、电压信号产生单元110中的电气角计算器112和比例积分控制器116。第二驱动信号产生器180电性耦接第二电压信号转换器160和变频器300。操作上，第二电压信号转换器160用以根据马达电气角θe将交直轴电压信号Vd、Vq转换为三相电压信号Va、Vb、Vc。第二驱动信号产生器180用以根据三相电压信号Va、Vb、Vc输出空间向量驱动信号DS2。

如此一来，马达驱动电路100便可用以根据马达200的运行功率是否超过功率阈值(threshold value)，选择性地由第一驱动信号产生器140输出六步方波驱动信号DS1或是由第二驱动信号产生器180空间向量驱动信号DS2作为控制信号CS至变频器300以驱动马达200，其中该选择方式，举例来说，可于第一驱动信号输出电路130、第二驱动信号输出电路150与变频器300之间利用开关做输出信号的切换。

具体而言，第二电压信号转换器160根据下式将交直轴电压信号Vd、Vq转换为三相电压信号Va、Vb、Vc：

其中V_o为马达200三相的中性点的电压。假设三相平衡时，V_o约等于0。值得注意的是，上述公式仅为示例之用，但本公开内容并不以此为限，任何将交直轴电压信号Vd、Vq(两相静止坐标)转换为三相电压信号Va、Vb、Vc(三相旋转坐标)的运算，皆为本公开内容所涵盖的范围。

接着，第二电压信号转换器160将三相电压信号Va、Vb、Vc输出至第二驱动信号产生器180。

请一并参考图6。图6是根据本公开内容的部分实施例绘示第二驱动信号产生器180的示意图。具体来说，空间向量驱动信号DS2包含分别代表a、b、c三臂的功率开关上臂信号DS2_aH、DS2_bH、DS2_cH以及互补的下臂信号DS2_aL、DS2_bL、DS2_cL。如图6所示，第二驱动信号产生器180根据三相电压信号Va、Vb、Vc分别通过比较器与三角波比较产生功率开关上臂信号DS2_aH、DS2_bH、DS2_cH，并以反向器产生与上臂信号对应互补的下臂信号DS2_aL、DS2_bL、DS2_cL。

如此一来，马达驱动电路100便可基于轴转换公式将交直轴电压信号Vd、Vq转换为三相电压信号Va、Vb、Vc，以产生空间向量驱动信号DS2做为控制信号CS，并将控制信号CS输出至变频器300以驱动马达200。

如先前段落所述，马达驱动电路100可根据马达200的运行功率是否超过功率阈值，选择性地输出六步方波驱动信号DS1或是空间向量驱动信号DS2至变频器300以驱动马达200。在部分实施例中，马达驱动电路100还用以根据马达温度是否超过第一温度阈值，或者根据马达噪音是否超过噪音阈值，选择性地输出六步方波驱动信号DS1或是空间向量驱动信号DS2至变频器300以驱动马达200。在其他部分实施例中，马达驱动电路100还用以根据变频器功率元件温度是否超过第二温度阈值，选择性地输出六步方波驱动信号DS1或是空间向量驱动信号DS2至变频器300以驱动马达200。

具体而言，在部分实施例中，当马达200的运行功率超过功率阈值、马达温度超过第一温度阈值、变频器功率元件温度超过第二温度阈值，或者马达噪音超过噪音阈值时，马达驱动电路100选择性地输出六步方波驱动信号DS1。相对地，当马达200的运行功率未超过功率阈值、马达温度未超过第一温度阈值、变频器功率元件温度未超过第二温度阈值、或者马达噪音未超过噪音阈值时，马达驱动电路100选择性地输出空间向量驱动信号DS2。

如此一来，便能在运行功率较小时，使用空间向量脉冲驱动模式，使得噪音减小，并使马达线圈磁场与磁铁磁场正交而在单位电流下产生最大转矩。另一方面，在运行功率较大或高温时，使用六步方波驱动模式，以减少开关切换损失，并减少所产生的废热。

请参考图7。图7为根据本公开内容的部分实施例绘示一种马达驱动电路控制方法700的流程图。为方便及清楚说明起见，下述马达驱动电路控制方法700是配合图1～图7所示实施例进行说明，但不以此为限，任何本领域技术人员，在不脱离本公开内容的精神和范围内，当可对作各种变动与润饰。如第7图所示，马达驱动电路控制方法700包含步骤S710、S720、S730、S740、S750、S760以及步骤S770。

首先，在步骤S710中，由马达驱动电路100检测马达200的运行功率是否超过功率阈值。

当马达200的运行功率超过功率阈值，则进行步骤S720、S730以及步骤S740。在步骤S720中，由第一电压信号转换器120根据相应于马达200的交直轴电压信号Vd、Vq输出相位移动命令θshift及振幅命令Vcom。

接着，在步骤S730中，由第一驱动信号产生器140根据相位移动命令θshift、振幅命令Vcom与马达200的马达电气角θe输出六步方波驱动信号DS1。

换言之，在步骤S720、S730中，由第一驱动信号输出电路130根据相应于马达200的交直轴电压信号Vd、Vq与马达电气角θe输出六步方波驱动信号DS1。

接着，在步骤S740中，由马达驱动电路100输出六步方波驱动信号DS1至变频器300以驱动马达200。

当马达200的运行功率未超过功率阈值，则进行步骤S750、S760以及步骤S770。在步骤S750中，由第二电压信号转换器160根据马达电气角θe将交直轴电压信号Vd、Vq转换为三相电压信号Va、Vb、Vc。

接着，在步骤S760中，由第二驱动信号产生器180根据三相电压信号Va、Vb、Vc输出空间向量驱动信号DS2。

换言之，在步骤S750、S760中，由第二驱动信号输出电路150根据交直轴电压信号Vd、Vq与马达电气角θe输出空间向量驱动信号DS2。

接着，在步骤S770中，由马达驱动电路100输出空间向量驱动信号DS2至变频器300以驱动马达200。

虽然本文将所公开的方法示出和描述为一系列的步骤或事件，但是应当理解，所示出的这些步骤或事件的顺序不应解释为限制意义。例如，部分步骤可以以不同顺序发生和/或与除了本文所示和/或所描述的步骤或事件以外的其他步骤或事件同时发生。另外，实施本文所描述的一个或多个实施方式或实施例时，并非所有于此示出的步骤皆为必需。此外，本文中的一个或多个步骤亦可能在一个或多个分离的步骤和/或阶段中执行。

需要说明的是，在不冲突的情况下，在本公开内容各个附图、实施例及实施例中的特征与电路可以相互组合。附图中所绘示的电路仅为示例之用，系简化以使说明简洁并便于理解，并非用以限制本案。此外，上述各实施例中的各个装置、单元及元件可以由各种类型的数字或模拟电路实现，亦可分别由不同的集成电路晶片实现，或整合至单一晶片。上述仅为例示，本公开内容并不以此为限。

综上所述，本案通过应用上述各个实施例中，根据马达200的运行功率、马达温度、变频器功率元件温度或马达噪音是否超过阈值，马达驱动电路100选择性地输出六步方波驱动信号DS1或空间向量驱动信号DS2，使得马达200在低转速或低噪音时能切换至空间向量脉冲宽度调制模式，在高转速或开关元件热上升时切换至六步方波模式。由此，在运行功率较小时，采用空间向量脉冲驱动模式使得噪音减小，并产生最大转矩。在运行功率较大或高温时，采用六步方波驱动模式，降低开关切换损失与废热。

虽然本公开内容已以实施方式公开如上，然其并非用以限定本公开内容，所属技术领域技术人员在不脱离本公开内容的精神和范围内，当可作各种变动与润饰，因此本公开内容的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。