专利名称：具有高分辨率可变电压/频率控制的变频器装置的制作方法
技术领域：
本发明有关一种变频器装置，尤指一种具有高分辨率可变电压/频率控制的 变频器装置。
背景技术：
感应马达驱动方式大致可分为纯量、向量及直接转矩控制等方式。纯量控 制的原理是改变马达同步速率，即定子与转子磁场的速率，所以纯量控制要改 变同步速率的方法就是改变该马达输入电源频率。纯量控制即电压/频率控制
(V/f Control)，也称变压变频控制(VVVF， Variable Voltage Variable Frequency Control)。 一般而言，电压/频率控制为开回路控制方法，不需要反馈马达转速， 只要加装变频器并利用变频控制原理即可改变转速，非常方便。但是在变频器 系统中若只是改变输出频率，而没有改变供给电压，其马达的转矩会因频率的 增加而使转矩下降，而系统的效率也随之下降。为了保持马达的磁通在一定的 大小并使马达的运转效率最高，也必须调整该变频器输出电压的大小，使得电 压振幅与马达运转频率的比例维持一定值，而马达的磁通大小正是与该比值的
大小成正比，借此达到维持磁通的大小并控制转速的目的。
因为纯量控制法是开回路的控制方法，且马达的实际转速与供电频率间有 转差的存在，因此该纯量控制法无法有精准的速度控制性能；但是正因为纯量 控制法不需反馈转速，所以才具有架构简单、成本低廉等优点。
现今变频器应用中，单一外部端子给予模拟输入电压(-10~0~+10伏特) 时，可转换成变频器的对应输出频率以控制待驱动装置(反转60Hz 0Hz 正 转60Hz )。
参见图1及图2，其分别为公知变频器装置的架构方框图及公知变频器装置的模拟输入电压转换为变频器输出频率的方框图。该变频器装置1A包含转
换电路10A及微控制单元20A。其中，该转换电路10A包含第一增益单元IOIA、 直流偏移单元102A、及第二增益单元103A。该第一增益单元101A,其具有大 小为+0.5的第一电压增益Pla (Pla=+0.5)，并转换该模拟输入电压Vin (-10 +10伏特)为第一增益电压Va( -5~+5伏特)；该直流偏移单元102A，其 具有大小为+5伏特的直流电压偏移值Vdc， (Vdc，=+5),并电连接该第一增益 单元IOIA，用以产生修正电压Vx (0 +10伏特)；该第二增益单元103A,其 具有大小为+0.5的第二电压增益P2a(Pla=+0.5)，并转换该修正电压Vx(0 +10 伏特)为模拟输出电压Vo (0 +5伏特)。另外，该微控制单元20A包含模拟 数字转换单元201A及频率运算单元202A,该微控制单元20A用以转换该模拟 输出电压Vo为对应的数字输出值，并计算该数字输出值以产生对应的输出频 率。
但是，该公知变频器装置1A的模拟输出电压Vo与该模拟输入电压Vin的 电压变动量AV关系为
厶V二(10- (-10))/(5-0) x 0,1=0.4 (伏特)
即，当模拟输入电压Vin需要变动至少0.4伏特时，该微控制单元20A才 能接受该模拟输出电压Vo为O.l伏特，故该变频器装置1A无法提供精准的分 辨率以准确控制待驱动装置。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种具有高分辨率可变电压/频率控 制的变频器装置，以达到输出频率连续性及更精准的分辨率以准确控制待驱动 装置。
为达到上述目的，本发明提供了一种具有高分辨率可变电压/频率控制的变 频器装置，其包含
第一电路，其接收模拟输入电压，该第一电路包含
双向截波器，其具有第一正电位及第一负电位的双向截波电压，该双向截波器用以产生第一截波电压；
第一增益单元，其具有第一电压增益并电连接该双向截波器，该第一
增益单元用以产生第一增益电压；及
直流偏移单元，其具有直流电压偏移值并电连接该第一增益单元，该 直流偏移单元用以产生第一模拟输出电压；
第二电路，其同时接收该模拟输入电压，该第二电路包含
正截波器，其具有第二正电位的截波电压，该正截波器用以产生第二 截波电压；
第二增益单元，其具有第二电压增益并电连接该正截波器，该第二增 益单元用以产生第二模拟输出电压；
第三电路，其同时接收该模拟输入电压，该第三电路包含
负截波器，其具有第二负电位的截波电压，该负截波器用以产生第三 截波电压；
第三增益单元，其具有第三电压增益并电连接该负截波器，该第三增 益单元用以产生第三模拟输出电压；及
微控制单元，其电连接该第一电路、该第二电路、及该第三电路，该微控 制单元包含
模拟数字转换单元，其具有两个或两个以上输入通道并以接收该第一 模拟输出电压、该第二模拟输出电压、及该第三模拟输出电压，该模拟数字转 换单元并分别转换其为第一数字输出值、第二数字输出值、及第三数字输出值； 其中，当该第一增益电压为正值时，则该模拟数字转换单元转换该第一模拟输 出电压为第一转换数字输出值；及
频率运算单元，其电连接该模拟数字转换单元，该频率运算单元并选
择自该模拟数字转换单元输出的这些数字输出值中的最大者，并以产生对应的 输出频率。
因此，本发明可达到以下效果
l、经由处理模拟输入电压信号，在小信号电压时产生较大增益，在产生小信号部分外的电压时产生较小增益，从而达到输出频率的连续性。 2、可提供更精准的分辨率以准确控制待驱动装置。
图l为公知变频器装置的架构方框图2为公知变频器装置的模拟输入电压转换为输出频率的方框图； 图3为本发明的变频器装置的架构方框图4为本发明较佳实施例的模拟输入电压转换为变频器输出频率的方框
图5为本发明中第一电路的数字输出值与第三电路的数字输出值比对示意
图6为本发明中第一电路的数字输出值与第二电路的数字输出值比对示意
附图标记说明
1A变频器装置 10A转换电路
101A 第一增益单元 102A 直流偏移单元
103A第二增益单元20A微控制单元 201A模拟数字转换单元202A频率运算单元
1变频器装置 101双向截波器 103 直流偏移单元 201 正截波器 30第三电路 40微控制单元
10第一电路
102第一增益单元
20 第二电路
202 第二增益单元
301负截波器
401模拟数字转换单元
302第三增益单元 402频率运算单元
具体实施例方式
为了能更进一步了解本发明为达到预定目的所采取的技术、手段，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所附附图仅供参考与说明用，并非用
来对本发明加以限制。
有关本发明的技术内容及详细说明，配合附图进行如下说明。
参见图3及图4,分别为本发明的变频器装置的架构方框图及较佳实施例
的模拟输入电压转换为变频器输出频率的方框图。该变频器装置1主要包含第
一电路IO、第二电路20、第三电路30、及微控制单元40。
该第一电路IO、该第二电路20及该第三电路30同时接收外部模拟输入电 压Vin，用以同时对该输入电压Vin进行处理。该第一电路IO包含双向截波器 (bi — directional clipper circuit )101、第 一 增益单元102 、及直流偏移单元(DC -offset unit) 103。其中，该双向截波器101具有第一正电位(+l伏特)及第 一负电位(-1伏特)的截波电压，用以产生并输出第一截波电压Vcl。该第 一增益单元102具有第一电压增益Pl，其值为+2.5倍(Pl=+2.5)并电连接该 双向截波器101，用以接收该第一截波电压Vcl并与该第一电压增益P1相乘以 产生第一增益电压Vpl，即该第一增益电压Vpl为该第一截波电压Vcl和该第 一电压增益P1的乘积(Vpl=VclxPl )。该直流偏移单元(DC - offset unit) 103 具有直流电压偏移值Vdc,其值为+2.5伏特(Vdc=+2.5)并电连接该第一增益 单元102,用以接收该第一增益电压Vpl并与该直流电压偏移值Vdc相加以产 生第一模拟输出电压Vol,即该第一模拟输出电压Vol为该第一增益电压Vpl 与该直流电压偏移值Vdc相加(Vo 1 =Vp 1 + Vdc )。
该第二电路20包含正截波器(positive clipper circuit )201及第二增益单元 202。其中，该正截波器201具有第二正电位(+10伏特)的截波电压，用以产 生并输出第二截波电压Vc2。该第二增益单元202具有第二电压增益P2，其值 为+0.5倍(P2=+0.5)，该第二增益单元202电连接该正截波器201,用以接收 该第二截波电压Vc2并与该第二电压增益P2相乘以产生第二模拟输出电压 Vo2，即该第二模拟输出电压Vo2为该第二截波电压Vc2与该第二电压增益P2 的乘积(Vo2=Vc2xP2 )。
该第三电路30包含负截波器(negative clipper circuit) 301及第三增益单元
9302。其中，该负截波器301具有第二负电位(-10伏特)的截波电压，用以 产生并输出第三截波电压Vc3。该第三增益单元302具有第三电压增益P3，其 值为-0.5倍(P3=-0.5)，该第三增益单元302电连接该负截波器301，用以 接收该第三截波电压Vc3并与该第三电压增益P3相乘以产生第三模拟输出电 压Vo3,即该第三模拟输出电压Vo3为该第三截波电压Vc3与该第三电压增益 P3的乘积(Vo3=Vc3xP3 )。
该微控制单元40电连接该第一电路10、该第二电路20及该第三电路30， 并包含模拟数字转换单元401及频率运算单元402。其中，该模拟数字转换单 元401,具有两个或两个以上输入通道以接收该第一模拟输出电压Vol、该第二 模拟输出电压Vo2及该第三模拟输出电压Vo3，并分别将这些模拟输出电压转 换为对应的第一数字输出值N1、第二数字输出值N2、及第三数字输出值N3。
尤其，当该第一增益电压Vpl为正值时，则该微控制单元40转换该第一 数字输出值N1为第一转换数字输出值N1',然后再和该第二数字输出值N2及 该第三数字输出值N3进行比对以决定最大数字输出值。其中，该第一转换数 字输出值N1'为将该模拟数字转换单元401所产生的最大数字值Nm减去该第 一数字输出值Nl (Nl，=Nm-Nl ),并且，该最大数字值Nm由该模拟数字转 换单元401的位数决定。例如，若该模拟数字转换单元401具有IO位的分辨 率，则最大数字值为1024 (21Q=1024)。也就是说，当该第一增益电压Vpl为 正值时，该微控制单元40以该第一转换数字输出值Nl，与该第二数字输出值 N2及该第三数字输出值N3进行比对以决定最大数字输出值；而当该第一增益 电压Vpl为负值时，该微控制单元40以该第一数字输出值N1与该第二数字输 出值N2及该第三数字输出值N3进行比对以决定最大数字输出值。另外，该频 率运算单元402,其电连接该模拟数字转换单元401，并选择该第一数字输出值 Nl (当该第一增益电压Vpl为正值)或该第一转换数字输出值N1'(当该第一 增益电压Vpl为负值)、该第二数字输出值N2、及该第三数字输出值N3比对 结果的最大者，以产生对应的输出频率，以提高分辨率进而达到更精准的可变 电压/频率控制。
10以下借具体实施例对本发明进行更详细地说明。请参阅图5及图6，其分
别为本发明第一电路的数字输出值与第三电路的数字输出值比对示意图及第一 电路的数字输出值与第二电路的数字输出值比对示意图。该外部模拟输入电压
Vin通常为-10~+10伏特之间，并同时输入该第一电路10、该第二电路20、及 该第三电路30。该第三电路30的该负截波器301提供-10伏特电位的截波电 压，而产生-10~+0伏特的第三截波电压Vc3;该第二电路20的该正截波器201 提供+10伏特电位的截波电压，而产生0一10伏特的第二截波电压Vc2;该第 一电路10的该双向截波器101提供+1伏特电位及-1伏特电位的双向截波电 压，而产生-l +l伏特的第一截波电压Vcl。在下文中，将分别对该三个电路 即第一电路IO、第二电路20、第三电路30加以描述。
该第三电路30的该负截波器301产生-10~+0伏特的第三截波电压Vc3， 并输出至具有第三电压增益为-0.5的该第三增益单元302。该第三增益单元 302产生大小为0—5伏特的第三模拟输出电压Vo3,即该第三模拟输出电压Vo3 为该第三截波电压Vc3与该第三电压增益P3的乘积。
该微控制单元40的模拟数字转换单元401将该第三模拟输出电压Vo3转换 为对应的第三数字输出值N3，其模拟数字转换如公式一
N3=2nxVo3/5 (公式一)
其中，n为该模拟数字转换单元401的位数。
若n=10,则该模拟数字转换单元401将该第三模拟输出电压Vo3转换为 0~1023的该第三数字输出值N3,并传送至该频率运算单元402进行比对。
该第二电路20的该正截波器201产生0 +10伏特的第二截波电压Vc2,并 输出至具有第二电压增益为+0.5的该第二增益单元202。该第二增益单元202 产生大小为0~+5伏特的第二模拟输出电压Vo2,即该第二模拟输出电压Vo2 为该第二截波电压Vc2与该第二电压增益P2的乘积。
该微控制单元40的模拟数字转换单元401将该第二模拟输出电压Vo2转换 为对应的第二数字输出值N2，其模拟数字转换如公式二
N2=2nxVo2/5 (公式二)其中，n为该模拟数字转换单元401的位数。
若n-10，则该模拟数字转换单元401将该第二模拟输出电压Vo2转换为 0 1023的该第二数字输出值N2，并传送至该频率运算单元402进行比对。
该第一电路10的该双向截波器101产生0 +1伏特及-1 0伏特的双向第 一截波电压Vch并输出至具有第一电压增益为+2.5的该第一增益单元102。 该第一增益单元102产生大小为-2.5~+2.5伏特的第一增益电压Vpl。该第一 增益电压Vpl再传送到具有直流电压偏移值Vdc为+2.5伏特的直流偏移单元 103,以产生大小为0 +5伏特的第一模拟输出电压Vol，即该第一模拟输出电 压Vol为该第一增益电压Vpl与该直流电压偏移值Vdc相加。
该微控制单元40的模拟数字转换单元401将该第一模拟输出电压Vol转换 为对应的第一数字输出值Nl,其模拟数字转换如公式三
Nl=2nx Vol/5 (公式三)
其中，n为该模拟数字转换单元401的位数。
当该第一增益电压Vpl为正值时，则该微控制单元40转换该第一数字输 出值N1为第一转换数字输出值N1'，其中该第一转换数字输出值N1'为将该模 拟数字转换单元401所产生的最大数字值Nm减去该第一数字输出值Nl;又该 最大数字值Nm由该模拟数字转换单元401的位数决定，即最大数字值Nm等 于211,如公式四所表示
Nl，=Nm —Nl= (2n—1 ) — Nl (公式四)
其中，n为该模拟数字转换单元401的位数。
若n=10,且当该第一模拟输出电压Vol为0 +2.5伏特，该模拟数字转换 单元401将该第一模拟输出电压Vol转换为该第一数字输出值Nl,其值为 0~512 (参见公式三)；而当该第一模拟输出电压Vol为2.5~5伏特，该模拟数 字转换单元401则将该第一模拟输出电压Vol转换为该第一转换数字输出值 Nl，，其值为511-0 (参见公式四)。并该第一数字输出值N1或该第一转换数字 输出值N1，传送至该频率运算单元402进行比对。
该频率运算单元402,其电连接该模拟数字转换单元401，并选择该第一数
12字输出值Nl (当该第一增益电压Vpl为正值)或该第一转换数字输出值Nl， (当该第一增益电压Vpl为负值)、该第二数字输出值N2、及该第三数字输出 值N3的最大者，以产生对应的输出频率。 其中，该输出频率的计算如下
(1 )当该第三数字输出值N3为该模拟数字转换单元401的最大数字输 出值时
则该频率运算单元402输出的频率f3为公式五所表示 f3=N3/2nx60 (Hz) (公式五)
(2) 当该第二数字输出值N2为该模拟数字转换单元401的最大数字输 出值时-.
则该频率运算单元402输出的频率f2为公式六所表示 f2=N2/2n x 60 ( Hz ) (公式六)
(3) 当该第一数字输出值N1为该模拟数字转换单元401的最大数字输 出值时
则该频率运算单元402输出的频率fl为公式七所表示 fl=Nl/2nx60 (Hz) (公式七)
(4) 当该第一转换数字输出值N1，为该模拟数字转换单元401的最大数 字输出值时
则该频率运算单元402输出的频率fl'为公式八所表示 fl，=Nl,/2nx60 (Hz) (公式八) 下面再从电压变动分辨率的角度进行说明。
(1)当该模拟输入电压Vin为-10~0伏特时，该第三电路30所提供的该 第三模拟输出电压Vo3与该模拟输入电压Vin的电压变动量AV3关系为 △ V3=(0- (-10 ))〃5-0) x 0.1=0.2 (伏特)
即，当模拟输入电压Vin只要变动0,2伏特时，该微控制单元40就能接受 该第三模拟输出电压Vo3为0.1伏特，故该电压变动量AV3比公知技术的电压 变动量AV二0.4伏特更佳，即具有更精准的分辨率以准确控制待驱动装置。(2) 当该模拟输入电压Vin为0 +10伏特时，该第二电路20所提供的该 第二模拟输出电压Vo2与该模拟输入电压Vin的电压变动量AV2关系为
△ V2= ( 10-0) 〃5-0) x 0.1=0.2 (伏特)
即，当模拟输入电压Vin只要变动0.2伏特时，该微控制单元40就能接受 该第二模拟输出电压Vo2为0.1伏特，故该电压变动量AV2比公知技术的电压 变动量AVi.4伏特更佳，即具有更精准的分辨率以准确控制待驱动装置。
(3) 当该模拟输入电压Vin为-1~+1伏特时，该第一电路10所提供的该 第一模拟输出电压Vol与该模拟输入电压Vin的电压变动量AVl关系为
△ Vl=(l - (-l))/(5-0) x 0.1=0.04 (伏特)
即，当模拟输入电压Vin只要变动0.04伏特时，该微控制单元40就能接 受该第一模拟输出电压Vol为O.l伏特，故该电压变动量AV1比公知技术的电 压变动量AV^0.4伏特更佳，即具有更精准的分辨率以准确控制待驱动装置。
综上所述，本发明较公知技术具有下列优点
1、 经由处理模拟输入电压信号，在小信号电压时产生较大增益，在产生小 信号部分外的电压时产生较小增益，从而达到输出频率的连续性。
2、 可提供更精准的分辨率以准确控制待驱动装置。
权利要求
1、一种具有高分辨率可变电压/频率控制的变频器装置，其特征在于，该变频器装置包含第一电路，其接收模拟输入电压，该第一电路包含双向截波器，其具有第一正电位及第一负电位的双向截波电压，该双向截波器产生第一截波电压；第一增益单元，其具有第一电压增益并电连接该双向截波器，该第一增益单元产生第一增益电压；及直流偏移单元，其具有直流电压偏移值并电连接该第一增益单元，该直流偏移单元产生第一模拟输出电压；第二电路，其同时接收该模拟输入电压，该第二电路包含正截波器，其具有第二正电位的截波电压，该正截波器产生第二截波电压；第二增益单元，其具有第二电压增益并电连接该正截波器，该第二增益单元产生第二模拟输出电压；第三电路，其同时接收该模拟输入电压，该第三电路包含负截波器，其具有第二负电位的截波电压，该负截波器产生第三截波电压；第三增益单元，其具有第三电压增益并电连接该负截波器，该第三增益单元产生第三模拟输出电压；及微控制单元，其电连接该第一电路、该第二电路、及该第三电路，该微控制单元包含模拟数字转换单元，其具有两个或两个以上输入通道并接收该第一模拟输出电压、该第二模拟输出电压、及该第三模拟输出电压，并分别转换其为第一数字输出值、第二数字输出值、及第三数字输出值；其中，该第一增益电压为正值，则该模拟数字转换单元转换该第一模拟输出电压为第一转换数字输出值；及频率运算单元，其电连接该模拟数字转换单元，该频率运算单元选择该模拟数字转换单元输出的这些数字输出值中的最大者，并产生对应的输出频率。
2、 根据权利要求1所述的具有高分辨率可变电压/频率控制的变频器装置， 其特征在于，该第一正电位为+l伏特，该第一负电位为-l伏特。
3、 根据权利要求1所述的具有高分辨率可变电压/频率控制的变频器装置,其特征在于，该第一电压增益为+2.5。
4、 根据权利要求1所述的具有高分辨率可变电压/频率控制的变频器装置， 其特征在于，该第一增益电压为该第一截波电压与该第一电压增益的乘积。
5、 根据权利要求1所述的具有高分辨率可变电压/频率控制的变频器装置， 其特征在于，该直流电压偏移值为+2.5伏特。
6、 根据权利要求1所述的具有高分辨率可变电压/频率控制的变频器装置， 其特征在于，该第一模拟输出电压为该第一增益电压与该直流电压偏移值相加。
7、 根据权利要求l所述的具有高分辨率可变电压/频率控制的变频器装置， 其特征在于，该第二正电位为+ 10伏特。
8、 根据权利要求l所述的具有高分辨率可变电压/频率控制的变频器装置， 其特征在于，该第二模拟输出电压为该第二截波电压与该第二电压增益的乘积。
9、 根据权利要求l所述的具有高分辨率可变电压/频率控制的变频器装置, 其特征在于，该第二负电位为-io伏特。
10、 根据权利要求l所述的具有高分辨率可变电压/频率控制的变频器装置， 其特征在于，该第二电压增益为+0.5。
11、 根据权利要求l所述的具有高分辨率可变电压/频率控制的变频器装置, 其特征在于，该第三电压增益为-0.5。
12、 根据权利要求l所述的具有高分辨率可变电压/频率控制的变频器装置, 其特征在于，该第三模拟输出电压为该第三截波电压与该第三电压增益的乘积。
13、 根据权利要求l所述的具有高分辨率可变电压/频率控制的变频器装置,其特征在于，该第一转换数字输出值为将该模拟数字转换单元所产生的最大数 字值减去该第一数字输出值。
全文摘要
本发明涉及一种具有高分辨率可变电压/频率控制的变频器装置，其接收模拟输入信号并包含第一电路、第二电路、第三电路及微控制单元。该第一电路包括双向截波器、第一增益单元及直流偏移单元，处理该模拟输入信号的小信号部分且提供较大增益；包括正截波器和第二增益单元的第二电路及包括负截波器和第三增益单元的第三电路处理输入信号小信号部分外的部分，且提供较小增益。该微控制单元可对于第一电路、第二电路、第三电路作模拟数字转换以得到数字输出值，并对于第一电路部分范围数字输出值作减法处理。该微控制单元选择这些数字输出值的最大者，用以产生对应的输出频率。采用本发明可达到输出频率连续性及更精准的分辨率以准确控制待驱动装置。
文档编号H02M5/00GK101527518SQ20081008165
公开日2009年9月9日 申请日期2008年3月3日 优先权日2008年3月3日
发明者张胜杰, 李明忠, 林成彦, 谢庭钟 申请人:台达电子工业股份有限公司