CN101986553A - 发电控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发电控制方法，该方法包括：驱动电路及控制电路，驱动电路包括至少二组开关，各组开关之间电性并联连接，各组开关均包括第一开关和第二开关，第一开关和第二开关电性串连连接；控制电路包括动力机构和转子位置检出组件，动力机构包含转子、定子及磁场，动力机构的各相分别地电性连接在各组开关的第一开关与第二开关之间；转子位置检出组件感测所述转子的位置信号；各组开关的第二开关依所述转子的位置信号进行脉宽调变导通/断开的切换，而各组开关的第一开关则一直维持断开。本发明通过各组开关的第二开关依序轮流切换导通/断开状态，将电力输出至电路系统而发电。

Description

发电控制方法

技术领域

本发明涉及发电控制领域，尤其涉及一种无刷永磁动力机构的发电控制方法。

背景技术

请参考图9，是以无刷永磁电动机为例，说明其中二相的驱动器驱动电路在发电状态下开关作动的等效电路图。在发电模式下，先将驱动器上下各有一个开关同时开启(ON)，亦即开关Q1、Q4同时开启或者是开关Q2、Q3同时开启，以对线圈电感L充电，其电感的感应电压VL为L di/dt＝Vb-kew。当这两个开关Q1、Q4或Q2、Q3同时断开(OFF)，将对电力储存装置B充电，其线圈电感L的感应电压VL为L di/dt＝Vb+kew。

由充电时电压的平衡方程式来看，反电动势kew与电力储存装置B(如充电电池等)的电压Vb串联，让电感L的电压VL必须提高更高才能对电力储存装置B充电，这样会导致发电效果不佳。

再者，目前电动机车的切换发电模式是为电压duty控制(亦即以电压控制)。图10描述电动机车在电压duty控制下的电压扭力值及转速的关系曲线。由于电动机车的扭力表现是由电压所控制，以50％的电压duty为例，若由静止油门马上开到50％duty，扭力作用如虚线所示，启动扭矩大，但扭矩会瞬间下降，导致骑乘时变成突然往前冲之后再迅速下降，造成不顺畅的骑乘感觉，更有可能造成危险。

相对地，在发电模式时，若由无发电状态马上开到50％duty发电，初期扭力会突然增加到最大，再从最大扭力瞬间下降至50％duty，因此会形成如紧急煞车(即引擎煞车)般的顿挫情况，容易造成不顺畅及骑乘的危险。

发明内容

本发明的主要目的，是提供一种发电控制方法，可应用于电动机或发电机，在该电动机或发电机既有的控制电路和驱动电路下，利用不同的开关切换方式，将电动机或发电机的转动动能，以最高的转换效率转换成电能。

本发明的次一目的，是在相序处理造成最大发电，利用最佳的开关切换方式，可以让电动机或发电机的转动动能，以最大的能量转换方式转换成电能。

本发明的再一目的，是在微处理器(MCU或CPU)的电流感测组件信号处理方式，利用电流感测组件的电流信号做一些信号数值的位移手法，让微处理器可以最简单的方式直接处理电流信号而不会损坏。

本发明的再一目的，是在一种具有马达模式和发电模式的电动机上使用本发明的控制方法时，电动机的扭力是由电流所控制。

本发明为达上述目的，提供一种适用于电动机或发电机的发电控制方法，包括以一控制电路控制一驱动电路，该驱动电路包括至少二组开关，该各组开关之间为并联，该各组开关包括一第一开关及一第二开关，该第一开关及第二开关为串连；一包含转子、定子及磁场的动力机构的各相是分别地连接在各该组开关的该第一开关与该第二开关之间，至少一转子位置检出组件感测该转子的位置信号；各该组开关是电性连接一电路系统，该电路系统包含但不限于电力储存装置或供负载使用的应用装置。该发电控制方法包括：各该第二开关依该转子的各位置信号，对各该第二开关进行脉宽调变导通/断开的切换，而各该第一开关则一直维持断开。

本发明的发电控制方法使上述动力机构在转子低转速时仍能有效的将转子动能转换为电能。该转子的转动及转速是由一入力装置所驱动的，所述的入力装置包含但不限于受风力或水力作用而转动的旋转装置。

附图说明

图1是表示本发明所运用的动作原理的电路示意图。

图2是表示本发明的驱动电路与无刷永磁动力机构的连结示意图。

图3是表示本发明的无刷永磁动力机构的等效电路图。

图4是表示本发明无刷永磁动力机构其中二相的驱动电路在发电状态下开关作动的等效电路图。

图5是表示本发明应用于三相无刷永磁动力机构在马达驱动模式及发电模式的开关切换说明图。

图6是表示本发明发电扭力控制系统的电路结构示意图。

图7A是表示本发明电流信号偏移电路的电流-电压信号曲线图。

图7B是表示本发明电流信号偏移回路的范例电路图。

图8是表示本发明扭力值相对应转速值的曲线示意图。

图9是表示现有技术的无刷永磁动力机构其中二相的驱动电路在发电状态下开关作动的等效电路图。

图10是表示现有技术的电动机车电压duty控制的扭力值相对应转速的曲线图。

其中，附图中的标号名称为：

1：发电扭力控制系统，2：电流感测组件，3：控制电路，4：驱动电路，5：电源电路，6：电流信号偏移回路，10：动力机构，B：电力储存装置，E：电路系统，C：电容，HU：转子位置检出组件，Hu：位置信号，HV：转子位置检出组件，Hv：位置信号，HW：转子位置检出组件，Hw：位置信号，I：输入电流，L：电感，ML：线圈电感，Rload：负载，R1～R4：电阻，RShunt：电阻，Q：开关，Q1～Q6：开关，Vb：输入电压，V0：输出电压，VL：电感的电压。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

请参考图1，是表示本发明所运用的动作原理的电路示意图；此电路示意图为直流转换器(DC to DC)的升压转换器(boost converter)电路，是包含一电力储存装置B、一电感L、一开关Q、一二极管D、一电容器C、一负载Rload及一输出电压Vo。

在此电路中，是利用电感L的作用，将电能和磁场能相互转换的能量暂时储存起来，当开关Q导通时，电力储存装置B的电压Vb对电感L进行充电，电感L将电能转换为磁场能储存起来。

此时电感L的端电压VL为V_L＝L*di/dt。

当开关Q断开时，电感L上的电压反向，和电力储存装置B的输入电压Vb串联，二极管D导通，对电容C进行充电，从而可以将电容C的电压充至高于电力储存装置B的输出电压Vo。由于这个输出电压Vo是输入电压Vb和电感L的磁砀能转换为电能的迭加后形成的，所以输出电压Vo高于输入电压Vb，即完成升压过程(V₀＝V_b+V_L)。

在图1所示的电路图中，开关Q是为功率晶体，该晶体的开、关是由脉宽调变(PWM)电路控制；而输出电压Vo可以由脉宽调变(PWM)的ON/OFF(导通/断开)百分比决定。

请参考图2，是表示本发明的驱动电路与一包含转子、定子及磁场的动力机构10(例电动机或发电机)的连结示意图。当动力机构10的转子的转速不为0就有反电动势kew产生，动力机构10的线圈是绕线，因此本身也是电感ML；所以，等效电路如图3。

请参考图4，是表示动力机构10其中二相的驱动电路在发电状态下开关作动的等效电路图；当开关Q2导通时，动力机构10的二相之间形成短路的回路，因为动力机构10的转子的转动造成磁场切割进而形成反电动势kew，此反电动势kew会对线圈电感ML持续充电，让电感ML储存能量，其反电动势kew会等于电感ML的电压V_L＝L di/dt。

当开关Q2断开时，电感ML上的电压反向，电流会经由二极管D跟电路系统E产生回路，因电路系统E的电压Vb与反电动势kew串联后的电压会小于电感ML上的电压VL，进而可以对电路系统E产生电力。当电路系统E为电力储存装置时则进行充电，当电路系统E为负载应用装置时则直接提供负载使用。

其电感ML的电压V_L＝L di/dt等于Vb减掉反电动势kew；所以，只要动力机构10在低速转动时即可以进行发电。

请参考图5，是表示本发明应用于三相无刷永磁动力机构10在马达驱动模式及发电模式的开关切换说明图，其是说明如何让无刷永磁动力机构10以最大的发电量发电。本实施例是以三相无刷永磁动力机构10且转子位置检出组件是以霍尔组件为例进行说明，在具有不同相数的动力机构10中可设置不同数量的霍尔组件。

无刷永磁动力机构10上设置有侦测转子位置的三个转子位置检出组件的霍尔组件HU、HV、HW，藉此以感测位置信号Hu、Hv、Hw，并以控制电路3(如图6所示)去对开关Q1～Q6进行适当的脉宽调变(PWM)的ON/OFF切换，以期达到最佳的运转条件；当无刷永磁动力机构10在发电模式下，开关Q2、Q4、Q6依位置信号Hu、Hv、Hw的不同去进行适当的脉宽调变(PWM)ON/OFF切换，开关Q1、Q3、Q5则一直维持在OFF(断开)而不做任何切换。相反地，亦可由开关Q2、Q4、Q6一直维持在OFF(断开)而不做任何切换，而以开关Q1、Q3、Q5依位置信号Hu、Hv、Hw的不同去进行适当的脉宽调变(PWM)ON/OFF切换，可以达到相同的效果。前述一直维持在OFF(断开)的开关Q我们称呼为第一开关，而依位置信号去进行适当的脉宽调变(PWM)ON/OFF切换的开关Q则以第二开关称呼。

举例而言，当霍尔组件HU、HV、HW的位置信号Hu、Hv、Hw分别为二位的1、0、0时，在马达模式下开关Q1、Q6导通，以使动力机构10进行正常运转；若在发电模式下，则将开关Q2导通，让转子切割磁场对动力机构10的线圈电感ML充电，再利用如图4所述的原理，亦即当开关Q2导通时，无刷永磁动力机构10的二相之间形成短路的回路，因为无刷永磁动力机构10的转子的转动造成磁场切割进而形成反电动势kew，此反电动势kew会对线圈电感ML持续充电，让电感ML储存能量，其反电动势kew会等于电感ML的电压V_L＝L di/dt，当开关Q2断开时，电感ML上的电压反向，电流会经由二极管跟电路系统E产生回路，因电路系统E的电压Vb与反电动势kew串联后的电压会小于电感ML上的电压VL，进而可以对电路系统E产生电力。当电路系统E为电力储存装置时则进行充电，当电路系统E为负载应用装置时则直接提供负载使用。由于电感ML的电压V_L＝L di/dt等于Vb减掉反电动势kew，所以，只要动力机构10在低速转动时即可以进行发电。

为了达到最大的发电量，功率晶体的开关切换时机十分重要，当动力机构10的转子转动时会切割磁场产生反电动势，此反电动势在各相定子线圈上会产生高高低低的电压，若是能够在较高电压的条件下进行发电，其发电的能量及效率都会较好。根据转子位置检出组件的位置信号，我们可以了解转子磁铁跟定子线圈的相对位置，进而了解反电动势的状况。以三相无刷永磁动力机构10且转子位置检出组件以霍尔组件为例，当Hu变成high时，此时U相的线圈反电动势也会在较高的区域，驱动电路上的Q2则应该导通让线圈充电，当Hv变成high时则Q4导通，当Hw变成high时则Q6导通，U、V、W之间的导通切换时机，两两间隔120度。其它的多相无刷永磁动力机构10原理相同，其两两间隔的角度则为360度除以相数。同理，本发明亦得以开关Q1、Q3、Q5依位置信号Hu、Hv、Hw变成high时导通，也可以达到相同发电效果的等效作用。唯两者间差异在于反电动势电压周波的高电压(high)位置信号，其一是上半周波的高电压区，另一则是下半周波的高电压区。

前述开关Q可于高电压区间的位置信号导通/断开，以上半周波为例，是在上半周波的30°角的位置导通，以及于150°角的位置断开，连续的上半周波依序的导通/断开。其它的多相无刷永磁动力机构10则为[180°-(360°÷相数)]÷2的角度位置导通(四相为45°，六相为60°)，而于180°-{[180°-(360°÷相数)]÷2}的角度位置断开(四相为135°，六相为120°)。下半周波高电压区间位置信号的导通/断开可同理实施，而达到最大的发电效果。由于下半周波与上半周波相差180°，其导通/断开的角度位置可以是根据上半周波的角度加180°而具体实现。

请参考图6，是表示本发明发电扭力控制系统的电路结构示意图；本发明的发电扭力控制系统1，至少包含一控制电路3、一电流感测组件2、一驱动电路4所构成的电源电路5以及一上述的动力机构10。

控制电路3是包含一中央处理单元(CPU)或一微处理器(MCU)，本发明是以中央处理单元为例进行图解说明；控制电路3是与驱动电路4、电源电路5及动力机构10电性连接；为了能够控制对电路系统E(如图4)的电压及电流，需要藉由电流感测组件2配合一电流信号偏移回路6作处理，因为无刷永磁动力机构10会在同一个驱动电路4内产生双向电流，有一向的电流信号会变成负值，但是，控制电路3的CPU或MCU是无法接受负值电流信号，一旦接受负值电流信号，则可能产生故障；本发明的实施方式是利用一电流信号偏移回路6将电流信号偏离一个准位(offset)，让电流信号永远为正值，使发电时所产生的反向电流信号可以被CPU或MCU直接接受。

请参考图7A，是表示本发明电流信号偏移电路的电流-电压信号曲线图，当电流为零时，电流信号(相对应的电压值)并不为零，假设此时电压为2VDC，也就是说，当控制电路3(CPU)侦测到电流信号低于2VDC，则控制电路3知道现在是处于发电状态，其电流信号不会对控制电路3(CPU)产生任何问题。

请再同时参考图7B，是表示本发明其中一实施例的电流信号偏移回路的范例电路图；驱动电路4是连接一电流信号偏移回路6，其输出电压V0与输入电流I的关系式，是表示如下：

$V_0=V_{\mathrm{CC}}\×\frac{R_2}{R_1+R_2}+I$

其中，V0是为输入到控制电路3(CPU)的电压，VCC为参考电压，Rshunt为位于输入电源侧的电流量测电阻，I为输入电流。

因此，通过电流信号偏移回路6，可以对驱动电路4所产生的负电流进行信号偏移控制。

另，驱动电路4是与控制电路3及动力机构10电性连接，并接受控制电路3的控制；驱动电路4是如前所述，具有开关Q1～Q6，是第一组开关为开关Q1、Q2串联，第二组开关为开关Q3、Q4串联，第三组开关为开关Q5、Q6串联，而且第一组开关、第二组开关及第三组开关再行并联，并电性连接电路系统E，再者，动力机构10的三相是分别地连接在开关Q1、Q2之间、开关Q3、Q4之间以及开关Q5、Q6之间。

如图5所示，于发电模式时，开关Q1、Q3、Q5是为OFF(断开)状态，而开关Q2、Q4、Q6会轮流脉冲宽度调变(Pulse-width modulation，PWM)及ON(导通)，是依据动力机构10的霍尔组件(转子位置检出组件)HU、HV、HW的位置信号Hu、Hv、Hw进行作动，透过脉冲宽度调变(PWM)开关控制，可以控制开关ON状态的时间由短至长，进而达到发电扭力由小到大(相当于发电电流由小到大)的目的，即当产生的电力超过电路系统E的负荷时，发电扭力可以由大扭力降至小扭力，意即发电扭力是可变化的，进而控制对电路系统E的电压及电流。

请同时参考图8，是表示本发明的永磁动力机构在马达驱动模式或发电模式时扭力值相对应转速值的曲线示意图；如果在马达驱动模式下由静止油门马上开到扭力值15％，扭力作用如虚线所示，启动扭力依15％扭力输出，可避免扭力瞬间变大或变小，导致骑乘不顺畅的感觉。

相对地，若在发电模式时，扭力于15％时的扭力作用如虚线所示，启动扭力依扭力值15％作动，可避免瞬间大扭力的引擎煞车，导致骑乘不顺畅的感觉。

本发明公开了一种发电控制方法，该方法包括：驱动电路及控制电路，驱动电路包括至少二组开关，各组开关之间电性并联连接，各组开关均包括第一开关和第二开关，第一开关和第二开关电性串连连接；控制电路包括动力机构和转子位置检出组件，动力机构包含转子、定子及磁场，动力机构的各相分别地电性连接在各组开关的第一开关与第二开关之间；转子位置检出组件感测所述转子的位置信号；各组开关的第二开关依所述转子的位置信号进行脉宽调变导通/断开的切换，而各组开关的第一开关则一直维持断开。本发明通过各组开关的第二开关依序轮流切换导通/断开状态，将电力输出至电路系统而发电。

以上实施例是描述本发明发电控制方法应用于具有发电模式的电动机，且该电动机实现于一电动机车时的扭力表现。但本发明的可应用范围并不以此为限，上述各该组开关可电性连接于一电路系统，该电路系统包含但不限于电力储存装置或供负载使用的应用装置。

此外，本发明的发电控制方法使动力机构10于转子低转速时仍能有效的将转子动能转换为电能。该转子的转动及转速是由一入力装置所控制的，所述的入力装置包含但不限于受风力或水力作用而转动的旋转装置。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种发电控制方法，其特征在于，包括：

驱动电路及控制电路，所述驱动电路接受所述控制电路的控制信号；所述驱动电路包括至少二组开关，所述各组开关之间电性并联连接，所述各组开关均包括第一开关和第二开关，所述第一开关和第二开关电性串连连接；

所述控制电路包括动力机构和转子位置检出组件，所述动力机构包含转子、定子及磁场，所述动力机构的各相分别地连接在所述各组开关的第一开关与第二开关之间；所述转子位置检出组件感测所述转子的位置信号；所述各组开关的第二开关依所述转子的位置信号进行脉宽调变导通/断开的切换，而所述各组开关的第一开关则一直维持断开。

2.根据权利要求1所述的发电控制方法，其特征在于：所述各组开关的第二开关，是在对应相线圈的反电动势变成较高电压区间导通/断开，所述较高电压区间为电压周波的上半周波高电压区，所述各组开关的第二开关是于上半周波[180°-(360°÷相数)]÷2的角度位置导通，而于180°-{[180°-(360°÷相数)]÷2}的角度位置断开。

3.根据权利要求1所述的发电控制方法，其特征在于：所述各组开关的第二开关，是在对应相线圈的反电动势变成较高电压区间导通/断开，所述较高电压区间为电压周波的下半周波高电压区，所述各组开关的第二开关是于下半周波{[180°-(360°÷相数)]÷2}+180°的角度位置导通，而于{180°-{[180°-(360°÷相数)]÷2}}+180°的角度位置断开。

4.根据权利要求1所述的发电控制方法，其特征在于：所述发电控制方法还包括将驱动电路所产生的负值电流信号转换成正值电流信号的步骤，所述步骤包括使用电流感测组件及电流信号偏移回路对所述驱动电路所产生的负值电流信号进行感测及信号偏移。

5.根据权利要求1所述的发电控制方法，其特征在于：所述动力机构是电动机。

6.根据权利要求5所述的发电控制方法，其特征在于：所述电动机的发电扭力控制是通过控制发电电流来实现的。

7.根据权利要求1所述的发电控制方法，其特征在于：所述动力机构是发电机。

8.根据权利要求7所述的发电控制方法，其特征在于：所述发电机转子的运转是由入力装置所驱动。

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