具有高解析度可變電壓/頻率控制的變頻器裝置的製作方法

2023-07-31 00:56:46

專利名稱：具有高解析度可變電壓/頻率控制的變頻器裝置的製作方法
技術領域：
本發明有關一種變頻器裝置，尤指一種具有高解析度可變電壓/頻率控制的 變頻器裝置。
背景技術：
感應馬達驅動方式大致可分為純量、向量及直接轉矩控制等方式。純量控 制的原理是改變馬達同步速率，即定子與轉子磁場的速率，所以純量控制要改 變同步速率的方法就是改變該馬達輸入電源頻率。純量控制即電壓/頻率控制
(V/f Control)，也稱變壓變頻控制(VVVF， Variable Voltage Variable Frequency Control)。 一般而言，電壓/頻率控制為開迴路控制方法，不需要反饋馬達轉速， 只要加裝變頻器並利用變頻控制原理即可改變轉速，非常方便。但是在變頻器 系統中若只是改變輸出頻率，而沒有改變供給電壓，其馬達的轉矩會因頻率的 增加而使轉矩下降，而系統的效率也隨之下降。為了保持馬達的磁通在一定的 大小並使馬達的運轉效率最高，也必須調整該變頻器輸出電壓的大小，使得電 壓振幅與馬達運轉頻率的比例維持一定值，而馬達的磁通大小正是與該比值的
大小成正比，藉此達到維持磁通的大小並控制轉速的目的。
因為純量控制法是開迴路的控制方法，且馬達的實際轉速與供電頻率間有 轉差的存在，因此該純量控制法無法有精準的速度控制性能；但是正因為純量 控制法不需反饋轉速，所以才具有架構簡單、成本低廉等優點。
現今變頻器應用中，單一外部端子給予模擬輸入電壓(-10~0~+10伏特) 時，可轉換成變頻器的對應輸出頻率以控制待驅動裝置(反轉60Hz 0Hz 正 轉60Hz )。
參見圖1及圖2，其分別為公知變頻器裝置的架構方框圖及公知變頻器裝置的模擬輸入電壓轉換為變頻器輸出頻率的方框圖。該變頻器裝置1A包含轉
換電路10A及微控制單元20A。其中，該轉換電路10A包含第一增益單元IOIA、 直流偏移單元102A、及第二增益單元103A。該第一增益單元101A,其具有大 小為+0.5的第一電壓增益Pla (Pla=+0.5)，並轉換該模擬輸入電壓Vin (-10 +10伏特)為第一增益電壓Va( -5~+5伏特)；該直流偏移單元102A，其 具有大小為+5伏特的直流電壓偏移值Vdc， (Vdc，=+5),並電連接該第一增益 單元IOIA，用以產生修正電壓Vx (0 +10伏特)；該第二增益單元103A,其 具有大小為+0.5的第二電壓增益P2a(Pla=+0.5)，並轉換該修正電壓Vx(0 +10 伏特)為模擬輸出電壓Vo (0 +5伏特)。另外，該微控制單元20A包含模擬 數字轉換單元201A及頻率運算單元202A,該微控制單元20A用以轉換該模擬 輸出電壓Vo為對應的數字輸出值，並計算該數字輸出值以產生對應的輸出頻 率。
但是，該公知變頻器裝置1A的模擬輸出電壓Vo與該模擬輸入電壓Vin的 電壓變動量AV關係為
厶V二(10- (-10))/(5-0) x 0,1=0.4 (伏特)
即，當模擬輸入電壓Vin需要變動至少0.4伏特時，該微控制單元20A才 能接受該模擬輸出電壓Vo為O.l伏特，故該變頻器裝置1A無法提供精準的分 辨率以準確控制待驅動裝置。

發明內容
有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種具有高解析度可變電壓/頻率控 制的變頻器裝置，以達到輸出頻率連續性及更精準的解析度以準確控制待驅動 裝置。
為達到上述目的，本發明提供了一種具有高解析度可變電壓/頻率控制的變 頻器裝置，其包含
第一電路，其接收模擬輸入電壓，該第一電路包含
雙向截波器，其具有第一正電位及第一負電位的雙向截波電壓，該雙向截波器用以產生第一截波電壓；
第一增益單元，其具有第一電壓增益並電連接該雙向截波器，該第一
增益單元用以產生第一增益電壓；及
直流偏移單元，其具有直流電壓偏移值並電連接該第一增益單元，該 直流偏移單元用以產生第一模擬輸出電壓；
第二電路，其同時接收該模擬輸入電壓，該第二電路包含
正截波器，其具有第二正電位的截波電壓，該正截波器用以產生第二 截波電壓；
第二增益單元，其具有第二電壓增益並電連接該正截波器，該第二增 益單元用以產生第二模擬輸出電壓；
第三電路，其同時接收該模擬輸入電壓，該第三電路包含
負截波器，其具有第二負電位的截波電壓，該負截波器用以產生第三 截波電壓；
第三增益單元，其具有第三電壓增益並電連接該負截波器，該第三增 益單元用以產生第三模擬輸出電壓；及
微控制單元，其電連接該第一電路、該第二電路、及該第三電路，該微控 制單元包含
模擬數字轉換單元，其具有兩個或兩個以上輸入通道並以接收該第一 模擬輸出電壓、該第二模擬輸出電壓、及該第三模擬輸出電壓，該模擬數字轉 換單元並分別轉換其為第一數字輸出值、第二數字輸出值、及第三數字輸出值； 其中，當該第一增益電壓為正值時，則該模擬數字轉換單元轉換該第一模擬輸 出電壓為第一轉換數字輸出值；及
頻率運算單元，其電連接該模擬數字轉換單元，該頻率運算單元並選
擇自該模擬數字轉換單元輸出的這些數字輸出值中的最大者，並以產生對應的 輸出頻率。
因此，本發明可達到以下效果
l、經由處理模擬輸入電壓信號，在小信號電壓時產生較大增益，在產生小信號部分外的電壓時產生較小增益，從而達到輸出頻率的連續性。 2、可提供更精準的解析度以準確控制待驅動裝置。


圖l為公知變頻器裝置的架構方框圖2為公知變頻器裝置的模擬輸入電壓轉換為輸出頻率的方框圖； 圖3為本發明的變頻器裝置的架構方框圖4為本發明較佳實施例的模擬輸入電壓轉換為變頻器輸出頻率的方框
圖5為本發明中第一電路的數字輸出值與第三電路的數字輸出值比對示意
圖6為本發明中第一電路的數字輸出值與第二電路的數字輸出值比對示意
附圖標記說明
1A變頻器裝置 10A轉換電路
101A 第一增益單元 102A 直流偏移單元
103A第二增益單元20A微控制單元 201A模擬數字轉換單元202A頻率運算單元
1變頻器裝置 101雙向截波器 103 直流偏移單元 201 正截波器 30第三電路 40微控制單元
10第一電路
102第一增益單元
20 第二電路
202 第二增益單元
301負截波器
401模擬數字轉換單元
302第三增益單元 402頻率運算單元
具體實施例方式
為了能更進一步了解本發明為達到預定目的所採取的技術、手段，請參閱以下有關本發明的詳細說明與附圖，然而所附附圖僅供參考與說明用，並非用
來對本發明加以限制。
有關本發明的技術內容及詳細說明，配合附圖進行如下說明。
參見圖3及圖4,分別為本發明的變頻器裝置的架構方框圖及較佳實施例
的模擬輸入電壓轉換為變頻器輸出頻率的方框圖。該變頻器裝置1主要包含第
一電路IO、第二電路20、第三電路30、及微控制單元40。
該第一電路IO、該第二電路20及該第三電路30同時接收外部模擬輸入電 壓Vin，用以同時對該輸入電壓Vin進行處理。該第一電路IO包含雙向截波器 (bi — directional clipper circuit )101、第 一 增益單元102 、及直流偏移單元(DC -offset unit) 103。其中，該雙向截波器101具有第一正電位(+l伏特)及第 一負電位(-1伏特)的截波電壓，用以產生並輸出第一截波電壓Vcl。該第 一增益單元102具有第一電壓增益Pl，其值為+2.5倍(Pl=+2.5)並電連接該 雙向截波器101，用以接收該第一截波電壓Vcl並與該第一電壓增益P1相乘以 產生第一增益電壓Vpl，即該第一增益電壓Vpl為該第一截波電壓Vcl和該第 一電壓增益P1的乘積(Vpl=VclxPl )。該直流偏移單元(DC - offset unit) 103 具有直流電壓偏移值Vdc,其值為+2.5伏特(Vdc=+2.5)並電連接該第一增益 單元102,用以接收該第一增益電壓Vpl並與該直流電壓偏移值Vdc相加以產 生第一模擬輸出電壓Vol,即該第一模擬輸出電壓Vol為該第一增益電壓Vpl 與該直流電壓偏移值Vdc相加(Vo 1 =Vp 1 + Vdc )。
該第二電路20包含正截波器(positive clipper circuit )201及第二增益單元 202。其中，該正截波器201具有第二正電位(+10伏特)的截波電壓，用以產 生並輸出第二截波電壓Vc2。該第二增益單元202具有第二電壓增益P2，其值 為+0.5倍(P2=+0.5)，該第二增益單元202電連接該正截波器201,用以接收 該第二截波電壓Vc2並與該第二電壓增益P2相乘以產生第二模擬輸出電壓 Vo2，即該第二模擬輸出電壓Vo2為該第二截波電壓Vc2與該第二電壓增益P2 的乘積(Vo2=Vc2xP2 )。
該第三電路30包含負截波器(negative clipper circuit) 301及第三增益單元
9302。其中，該負截波器301具有第二負電位(-10伏特)的截波電壓，用以 產生並輸出第三截波電壓Vc3。該第三增益單元302具有第三電壓增益P3，其 值為-0.5倍(P3=-0.5)，該第三增益單元302電連接該負截波器301，用以 接收該第三截波電壓Vc3並與該第三電壓增益P3相乘以產生第三模擬輸出電 壓Vo3,即該第三模擬輸出電壓Vo3為該第三截波電壓Vc3與該第三電壓增益 P3的乘積(Vo3=Vc3xP3 )。
該微控制單元40電連接該第一電路10、該第二電路20及該第三電路30， 並包含模擬數字轉換單元401及頻率運算單元402。其中，該模擬數字轉換單 元401,具有兩個或兩個以上輸入通道以接收該第一模擬輸出電壓Vol、該第二 模擬輸出電壓Vo2及該第三模擬輸出電壓Vo3，並分別將這些模擬輸出電壓轉 換為對應的第一數字輸出值N1、第二數字輸出值N2、及第三數字輸出值N3。
尤其，當該第一增益電壓Vpl為正值時，則該微控制單元40轉換該第一 數字輸出值N1為第一轉換數字輸出值N1',然後再和該第二數字輸出值N2及 該第三數字輸出值N3進行比對以決定最大數字輸出值。其中，該第一轉換數 字輸出值N1'為將該模擬數字轉換單元401所產生的最大數字值Nm減去該第 一數字輸出值Nl (Nl，=Nm-Nl ),並且，該最大數字值Nm由該模擬數字轉 換單元401的位數決定。例如，若該模擬數字轉換單元401具有IO位的分辨 率，則最大數字值為1024 (21Q=1024)。也就是說，當該第一增益電壓Vpl為 正值時，該微控制單元40以該第一轉換數字輸出值Nl，與該第二數字輸出值 N2及該第三數字輸出值N3進行比對以決定最大數字輸出值；而當該第一增益 電壓Vpl為負值時，該微控制單元40以該第一數字輸出值N1與該第二數字輸 出值N2及該第三數字輸出值N3進行比對以決定最大數字輸出值。另外，該頻 率運算單元402,其電連接該模擬數字轉換單元401，並選擇該第一數字輸出值 Nl (當該第一增益電壓Vpl為正值)或該第一轉換數字輸出值N1'(當該第一 增益電壓Vpl為負值)、該第二數字輸出值N2、及該第三數字輸出值N3比對 結果的最大者，以產生對應的輸出頻率，以提高解析度進而達到更精準的可變 電壓/頻率控制。
10以下借具體實施例對本發明進行更詳細地說明。請參閱圖5及圖6，其分
別為本發明第一電路的數字輸出值與第三電路的數字輸出值比對示意圖及第一 電路的數字輸出值與第二電路的數字輸出值比對示意圖。該外部模擬輸入電壓
Vin通常為-10~+10伏特之間，並同時輸入該第一電路10、該第二電路20、及 該第三電路30。該第三電路30的該負截波器301提供-10伏特電位的截波電 壓，而產生-10~+0伏特的第三截波電壓Vc3;該第二電路20的該正截波器201 提供+10伏特電位的截波電壓，而產生0一10伏特的第二截波電壓Vc2;該第 一電路10的該雙向截波器101提供+1伏特電位及-1伏特電位的雙向截波電 壓，而產生-l +l伏特的第一截波電壓Vcl。在下文中，將分別對該三個電路 即第一電路IO、第二電路20、第三電路30加以描述。
該第三電路30的該負截波器301產生-10~+0伏特的第三截波電壓Vc3， 並輸出至具有第三電壓增益為-0.5的該第三增益單元302。該第三增益單元 302產生大小為0—5伏特的第三模擬輸出電壓Vo3,即該第三模擬輸出電壓Vo3 為該第三截波電壓Vc3與該第三電壓增益P3的乘積。
該微控制單元40的模擬數字轉換單元401將該第三模擬輸出電壓Vo3轉換 為對應的第三數字輸出值N3，其模擬數字轉換如公式一
N3=2nxVo3/5 (公式一)
其中，n為該模擬數字轉換單元401的位數。
若n=10,則該模擬數字轉換單元401將該第三模擬輸出電壓Vo3轉換為 0~1023的該第三數字輸出值N3,並傳送至該頻率運算單元402進行比對。
該第二電路20的該正截波器201產生0 +10伏特的第二截波電壓Vc2,並 輸出至具有第二電壓增益為+0.5的該第二增益單元202。該第二增益單元202 產生大小為0~+5伏特的第二模擬輸出電壓Vo2,即該第二模擬輸出電壓Vo2 為該第二截波電壓Vc2與該第二電壓增益P2的乘積。
該微控制單元40的模擬數字轉換單元401將該第二模擬輸出電壓Vo2轉換 為對應的第二數字輸出值N2，其模擬數字轉換如公式二
N2=2nxVo2/5 (公式二)其中，n為該模擬數字轉換單元401的位數。
若n-10，則該模擬數字轉換單元401將該第二模擬輸出電壓Vo2轉換為 0 1023的該第二數字輸出值N2，並傳送至該頻率運算單元402進行比對。
該第一電路10的該雙向截波器101產生0 +1伏特及-1 0伏特的雙向第 一截波電壓Vch並輸出至具有第一電壓增益為+2.5的該第一增益單元102。 該第一增益單元102產生大小為-2.5~+2.5伏特的第一增益電壓Vpl。該第一 增益電壓Vpl再傳送到具有直流電壓偏移值Vdc為+2.5伏特的直流偏移單元 103,以產生大小為0 +5伏特的第一模擬輸出電壓Vol，即該第一模擬輸出電 壓Vol為該第一增益電壓Vpl與該直流電壓偏移值Vdc相加。
該微控制單元40的模擬數字轉換單元401將該第一模擬輸出電壓Vol轉換 為對應的第一數字輸出值Nl,其模擬數字轉換如公式三
Nl=2nx Vol/5 (公式三)
其中，n為該模擬數字轉換單元401的位數。
當該第一增益電壓Vpl為正值時，則該微控制單元40轉換該第一數字輸 出值N1為第一轉換數字輸出值N1'，其中該第一轉換數字輸出值N1'為將該模 擬數字轉換單元401所產生的最大數字值Nm減去該第一數字輸出值Nl;又該 最大數字值Nm由該模擬數字轉換單元401的位數決定，即最大數字值Nm等 於211,如公式四所表示
Nl，=Nm —Nl= (2n—1 ) — Nl (公式四)
其中，n為該模擬數字轉換單元401的位數。
若n=10,且當該第一模擬輸出電壓Vol為0 +2.5伏特，該模擬數字轉換 單元401將該第一模擬輸出電壓Vol轉換為該第一數字輸出值Nl,其值為 0~512 (參見公式三)；而當該第一模擬輸出電壓Vol為2.5~5伏特，該模擬數 字轉換單元401則將該第一模擬輸出電壓Vol轉換為該第一轉換數字輸出值 Nl，，其值為511-0 (參見公式四)。並該第一數字輸出值N1或該第一轉換數字 輸出值N1，傳送至該頻率運算單元402進行比對。
該頻率運算單元402,其電連接該模擬數字轉換單元401，並選擇該第一數
12字輸出值Nl (當該第一增益電壓Vpl為正值)或該第一轉換數字輸出值Nl， (當該第一增益電壓Vpl為負值)、該第二數字輸出值N2、及該第三數字輸出 值N3的最大者，以產生對應的輸出頻率。 其中，該輸出頻率的計算如下
(1 )當該第三數字輸出值N3為該模擬數字轉換單元401的最大數字輸 出值時
則該頻率運算單元402輸出的頻率f3為公式五所表示 f3=N3/2nx60 (Hz) (公式五)
(2) 當該第二數字輸出值N2為該模擬數字轉換單元401的最大數字輸 出值時-.
則該頻率運算單元402輸出的頻率f2為公式六所表示 f2=N2/2n x 60 ( Hz ) (公式六)
(3) 當該第一數字輸出值N1為該模擬數字轉換單元401的最大數字輸 出值時
則該頻率運算單元402輸出的頻率fl為公式七所表示 fl=Nl/2nx60 (Hz) (公式七)
(4) 當該第一轉換數字輸出值N1，為該模擬數字轉換單元401的最大數 字輸出值時
則該頻率運算單元402輸出的頻率fl'為公式八所表示 fl，=Nl,/2nx60 (Hz) (公式八) 下面再從電壓變動解析度的角度進行說明。
(1)當該模擬輸入電壓Vin為-10~0伏特時，該第三電路30所提供的該 第三模擬輸出電壓Vo3與該模擬輸入電壓Vin的電壓變動量AV3關係為 △ V3=(0- (-10 ))〃5-0) x 0.1=0.2 (伏特)
即，當模擬輸入電壓Vin只要變動0,2伏特時，該微控制單元40就能接受 該第三模擬輸出電壓Vo3為0.1伏特，故該電壓變動量AV3比公知技術的電壓 變動量AV二0.4伏特更佳，即具有更精準的解析度以準確控制待驅動裝置。(2) 當該模擬輸入電壓Vin為0 +10伏特時，該第二電路20所提供的該 第二模擬輸出電壓Vo2與該模擬輸入電壓Vin的電壓變動量AV2關係為
△ V2= ( 10-0) 〃5-0) x 0.1=0.2 (伏特)
即，當模擬輸入電壓Vin只要變動0.2伏特時，該微控制單元40就能接受 該第二模擬輸出電壓Vo2為0.1伏特，故該電壓變動量AV2比公知技術的電壓 變動量AVi.4伏特更佳，即具有更精準的解析度以準確控制待驅動裝置。
(3) 當該模擬輸入電壓Vin為-1~+1伏特時，該第一電路10所提供的該 第一模擬輸出電壓Vol與該模擬輸入電壓Vin的電壓變動量AVl關係為
△ Vl=(l - (-l))/(5-0) x 0.1=0.04 (伏特)
即，當模擬輸入電壓Vin只要變動0.04伏特時，該微控制單元40就能接 受該第一模擬輸出電壓Vol為O.l伏特，故該電壓變動量AV1比公知技術的電 壓變動量AV^0.4伏特更佳，即具有更精準的解析度以準確控制待驅動裝置。
綜上所述，本發明較公知技術具有下列優點
1、 經由處理模擬輸入電壓信號，在小信號電壓時產生較大增益，在產生小 信號部分外的電壓時產生較小增益，從而達到輸出頻率的連續性。
2、 可提供更精準的解析度以準確控制待驅動裝置。
權利要求
1、一種具有高解析度可變電壓/頻率控制的變頻器裝置，其特徵在於，該變頻器裝置包含第一電路，其接收模擬輸入電壓，該第一電路包含雙向截波器，其具有第一正電位及第一負電位的雙向截波電壓，該雙向截波器產生第一截波電壓；第一增益單元，其具有第一電壓增益並電連接該雙向截波器，該第一增益單元產生第一增益電壓；及直流偏移單元，其具有直流電壓偏移值並電連接該第一增益單元，該直流偏移單元產生第一模擬輸出電壓；第二電路，其同時接收該模擬輸入電壓，該第二電路包含正截波器，其具有第二正電位的截波電壓，該正截波器產生第二截波電壓；第二增益單元，其具有第二電壓增益並電連接該正截波器，該第二增益單元產生第二模擬輸出電壓；第三電路，其同時接收該模擬輸入電壓，該第三電路包含負截波器，其具有第二負電位的截波電壓，該負截波器產生第三截波電壓；第三增益單元，其具有第三電壓增益並電連接該負截波器，該第三增益單元產生第三模擬輸出電壓；及微控制單元，其電連接該第一電路、該第二電路、及該第三電路，該微控制單元包含模擬數字轉換單元，其具有兩個或兩個以上輸入通道並接收該第一模擬輸出電壓、該第二模擬輸出電壓、及該第三模擬輸出電壓，並分別轉換其為第一數字輸出值、第二數字輸出值、及第三數字輸出值；其中，該第一增益電壓為正值，則該模擬數字轉換單元轉換該第一模擬輸出電壓為第一轉換數字輸出值；及頻率運算單元，其電連接該模擬數字轉換單元，該頻率運算單元選擇該模擬數字轉換單元輸出的這些數字輸出值中的最大者，並產生對應的輸出頻率。
2、 根據權利要求1所述的具有高解析度可變電壓/頻率控制的變頻器裝置， 其特徵在於，該第一正電位為+l伏特，該第一負電位為-l伏特。
3、 根據權利要求1所述的具有高解析度可變電壓/頻率控制的變頻器裝置,其特徵在於，該第一電壓增益為+2.5。
4、 根據權利要求1所述的具有高解析度可變電壓/頻率控制的變頻器裝置， 其特徵在於，該第一增益電壓為該第一截波電壓與該第一電壓增益的乘積。
5、 根據權利要求1所述的具有高解析度可變電壓/頻率控制的變頻器裝置， 其特徵在於，該直流電壓偏移值為+2.5伏特。
6、 根據權利要求1所述的具有高解析度可變電壓/頻率控制的變頻器裝置， 其特徵在於，該第一模擬輸出電壓為該第一增益電壓與該直流電壓偏移值相加。
7、 根據權利要求l所述的具有高解析度可變電壓/頻率控制的變頻器裝置， 其特徵在於，該第二正電位為+ 10伏特。
8、 根據權利要求l所述的具有高解析度可變電壓/頻率控制的變頻器裝置， 其特徵在於，該第二模擬輸出電壓為該第二截波電壓與該第二電壓增益的乘積。
9、 根據權利要求l所述的具有高解析度可變電壓/頻率控制的變頻器裝置, 其特徵在於，該第二負電位為-io伏特。
10、 根據權利要求l所述的具有高解析度可變電壓/頻率控制的變頻器裝置， 其特徵在於，該第二電壓增益為+0.5。
11、 根據權利要求l所述的具有高解析度可變電壓/頻率控制的變頻器裝置, 其特徵在於，該第三電壓增益為-0.5。
12、 根據權利要求l所述的具有高解析度可變電壓/頻率控制的變頻器裝置, 其特徵在於，該第三模擬輸出電壓為該第三截波電壓與該第三電壓增益的乘積。
13、 根據權利要求l所述的具有高解析度可變電壓/頻率控制的變頻器裝置,其特徵在於，該第一轉換數字輸出值為將該模擬數字轉換單元所產生的最大數 字值減去該第一數字輸出值。
全文摘要
本發明涉及一種具有高解析度可變電壓/頻率控制的變頻器裝置，其接收模擬輸入信號並包含第一電路、第二電路、第三電路及微控制單元。該第一電路包括雙向截波器、第一增益單元及直流偏移單元，處理該模擬輸入信號的小信號部分且提供較大增益；包括正截波器和第二增益單元的第二電路及包括負截波器和第三增益單元的第三電路處理輸入信號小信號部分外的部分，且提供較小增益。該微控制單元可對於第一電路、第二電路、第三電路作模擬數字轉換以得到數字輸出值，並對於第一電路部分範圍數字輸出值作減法處理。該微控制單元選擇這些數字輸出值的最大者，用以產生對應的輸出頻率。採用本發明可達到輸出頻率連續性及更精準的解析度以準確控制待驅動裝置。
文檔編號H02M5/00GK101527518SQ20081008165
公開日2009年9月9日 申請日期2008年3月3日 優先權日2008年3月3日
發明者張勝傑, 李明忠, 林成彥, 謝庭鍾 申請人:臺達電子工業股份有限公司