CN102055387A

CN102055387A - 具有变速功能的马达控制系统及其方法

Info

Publication number: CN102055387A
Application number: CN2010105189098A
Authority: CN
Inventors: 陈主勇; 谢祥志; 杨志清; 马斌严
Original assignee: Wiz Energy Tech Co Ltd
Current assignee: Wiz Energy Tech Co Ltd
Priority date: 2009-11-04
Filing date: 2010-10-26
Publication date: 2011-05-11

Abstract

一种具有变速功能的马达控制系统及其方法，包含了一状态控制模组、一直流/直流升压转换模组、一马达相电流驱动模组、一相电流侦测模组及一电源供应模组，其中该电源供应模组可以使用电池提供较低电压，并且在马达的转速提高到一定程度以上时，藉由一个直流/直流升压转换模组将输入电压升高以及藉由该状态控制模组使用相角提前的换相技术，来维持电动二轮车辆马达动力系统高转速时仍有适当的扭力输出，并在适当的规划下，可取代传统需使用机械变速系统的应用场合，以达成简化系统及节省成本的目的。

Description

具有变速功能的马达控制系统及其方法

技术领域

本发明针对目前电动二轮车辆马达动力系统不易兼顾低速高扭力输出及最高转速受到电池电压限制的缺点所提出的关于一种具有变速功能的马达控制系统及其方法，特别是指能达成低转速高扭力，并维持高转速时仍有适当的扭力输出的马达控制器技术，并特别适用于不易取得较高电源电压如电动二轮车辆的应用场合。

背景技术

目前的直流有刷马达及直流无刷马达因为具有转矩及转速容易控制的特点，已被广泛运用在目前的许多工业应用及电动二轮车辆的驱动系统上，然而对于电动二轮车辆或是其他需要使用电池作为电源供应的应用场合来说，电源电压已被电池的串联数所决定了；

而基本上，马达的输出扭力和绕组输入电流成正比，但是马达的最高转速却是受限于电源电压，如图1所示之用的马达控制器架构，其中最大马达输出扭力是由马达绕组、磁路设计及驱动电流所决定，同理，最大转速也是由马达1的设计及电池2的电压所限制住，其基本动力输出特性如图2所示；

再以马达的基本工作原理来说明，输出扭力与马达相(线)电流的关系如下：

τ(扭力)＝K_τ(扭力常数)*I_a(马达相电流)

至于其转速与电源电压的关系如下：

ω(转速)-K_ω(转速常数)*V_a(马达相电压)

因此为达到足够的扭力输出，除了提供足够的相电流外，否则即须靠机械减速系统以提升输出扭力。而提高相电流固然有可能提升输出扭力，但因大电流驱动下，主要的马达损失为绕组的铜损，而绕组铜损的公式如下，

P_c(铜损)＝I_a ²(马达相电流)xR_p(绕组组抗)

其中损失为马达相电流的平方倍，严重影响其效率，并造成马达大量的温升，甚而影响马达寿命，因此对于电动二轮车辆的运用而言，须同时具备高扭力以及高转速的特性，除非采用机械变速系统以得到广泛的扭力与速度范围，但这意味着需要付出相当的成本及空间来加入机械变速系统；若要达到更高的速度，则必须串联更多的电池组，同时PWM/换相控制电路3要能控制马达相电流驱动电路4来提供马达绕组相当大的电流以产生足够的扭力输出。然而越多的电池串联数代表着电池系统的管理复杂度升高，而在低速大电流的操作条件下，较高的电池电压也将导致较大的切换损失；

因此若要同时兼顾低速的大扭力输出以及最高转速的要求，便需要使用较大规格的马达，或者必须搭配使用机械变速系统，如此一来势必增加重量及体积，当然也必须付出额外的成本。

由此可见，以上种种难题在移动式载具如电动二轮车辆的应用上更是一大阻碍，因此如何发展出可使用较低的电源电压，较小的体积及较低的成本而可取代传统机械变速系统的马达控制器，即为目前相关产业界亟思解决的课题。

本案发明人鉴于上述习用的方法所衍生的各项缺点，乃亟思加以改良创新，并经多年苦心孤诣潜心研究后，来完成本件具有变速功能的马达控制系统及其方法。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种具有变速功能的马达控制系统及其方法，为了能达到同时具备低转速大扭力及工作范围需延伸至高转速的马达控制系统；且该变速功能的马达控制系统及其方法，可使用较低电池电压，并且在马达的转速提高到一定程度以上时，可将输入电压升高(不需要串联电池来提高输入电压)，以及使用相角提前的换相技术以维持高转速时仍有适当的扭力输出，以适应整个宽广的工作范围需求。

为实现上述目的，本发明公开了一种具有变速功能的马达控制系统，用于控制及驱动电动车的马达作动，其特征在于包括：

一状态控制模组，接收外部转速或转矩控制命令，及马达所传送的相位及速度讯号，及马达相电流侦测模细所回授的侦测讯号，并依据命令或侦测讯号来决定PWM的开度及换相顺序，并将控制讯号输出至直流/直流升压转换模组及马达相电流驱动模组，致使直流/直流升压转换模组按照需求提高输出电压或按照需求使马达相电流驱动模组达成提前换相的功能；

一电源供应模组，为一提供直流电压的电源供应设备；

一直流/直流升压转换模组，由该状态控制模组根据马达转速决定升压电路的输出电压后，该直流/直流升压转换模组能将该电源供应模组所输入的电压提高至该状态控制模组所要求的输出目标电压，并提供给马达相电流驱动模组作为驱动电源之用；

一马达相电流驱动模组，接收该直流/直流升压转换模组所提供的电压，并输出驱动电流至该马达的马达绕组，同时可接受该状态控制模组所输入的控制讯号；

一相电流侦测模组，能侦测通过该马达的驱动电流，并回传讯号给该状态控制模组。

其中，该状态控制模组具有PWM控制电路、换相控制电路及升压控制电路。

其中，该电源供应模组为一电池组。

还公开了一种具有变速功能的马达控制方法，其操作方法如下：

(1)先将马达设计为一固定数值的电源电压、固定数值的最大扭力及固定数值的最高转速的马达；

(2)再藉由一马达所外接的N∶1机械减速机构，来将输出扭力提升N倍，而最高转速将下降至1/N；

(3)接着针对马达的转速，在需要操作于较原最高转速更高的工作状态时，利用直流/直流升压转换模组提升电源供应模组的电压，并于加速或减速时设定转速磁滞区间，藉由加速时的切换电压命令转速设定点较减速时的切换电压命令转速设定点为高的方式，完成驱动电源电压的设定；

(4)因此若欲将马达转速提升N倍，则能够藉由直流/直流升压转换模组将电源电压升至N倍，便可弥补最大输出转速来达成目标。

其中，该直流/直流升压转换模组所输出的电压依据目标转速而调整，如此在低转速大扭力时操作在较低的工作电压。

其中，当转速渐渐升高后，相电流将随之下降，马达控制系统将操作在高电压低电流的工作条件中。

其中，使用相角提前的换相技术进一步增加马达转速提高工作范围，使马达在换相点位置感应器讯号产生之前，主动提前驱动马达的下一相绕组，达成弱磁控制的效果，即能够提升马达操作转速范围。

通过上述结构，本发明的具有变速功能的马达控制系统及其方法具有以下技术效果：

1、藉由一个直流/直流升压转换模组将输入电压升高以及藉由该状态控制模组使用相角提前的换相技术，以维持电动二轮车辆马达动力系统高转速时仍有适当的扭力输出；

2、当电动二轮车辆马达动力系统在输出足够的扭力时，仍维持在适当的效率范围内，因此利用直流/直流升压转换器，适当提高转速至所希望的工作速度范围，并可改善低速大扭力的工作效率，更可确保能达到足够的工作速度，且不需复杂的机械变速系统；

3、所述直流/直流升压转换模组的输出电压可依据目标转速而调整，如此在低转速大扭力时，可操作在较低的工作电压，相较于直接使用高电压(即串连较多电池)并操作在低速高扭力条件下，其中所使用的开关元件的损失及所承受的电气应力仍然较轻；同时因为无需一直启动直流/直流升压转换模组，也可减少该直流/直流升压转换模组的损失，而当马达转速渐渐升高后，则相电流将随的下降，马达控制系统将操作在高电压低电流的工作条件。

4、所述马达相电流驱动模组所需的输入电压(即直流/直流升压转换模组的输出电压)会受到马达特性参数、转速、温度、甚至是所要输出扭力的大小而有所影响，计算上若要考虑所有影响因素时，将造成该控制单元运算负担的增加，若是软体运算和硬体的反应速度甚至路况因素交互作用时，更有可能产生系统不稳定的疑虑。况且电动二轮车辆受限于成本因素通常无法使用运算能力非常强大的微电脑或单晶片来处理相关的复杂运算。因此本发明只需针对马达的转速，在需要操作于较原最高转速更高的工作状态时，利用直流/直流升压转换模组提升电源供应模组的电压，并于加速或减速时适当的设定转速磁滞区间，藉由加速时的切换电压命令转速设定点较减速时的切换电压命令转速设定点为高的方式，直接得到马达相电流驱动模组的驱动电源电压目标值，因此本发明不需考虑其它因素，仅需简单的控制方法，即可用较低的成本达成上述性能改善的目的。

5、若欲使直流无刷马达于较高转速域时进一步有较大的动力输出，除上述使用直流/直流升压转换模组提高马达相电流驱动模组的输入电压外，可再结合相角提前的换相技术，使马达在一定转速以上时，利用软体程式使马达在换相点位置感应器讯号产生之前，主动提前驱动马达的下一相绕组，达成弱磁控制的效果，可进一步提升约30％的马达操作转速范围。

6、虽然本发明采用无感测器(Sensorless)换相技术达成提前换相的功能，但因此功能仅操作于较高转速域，此时马达系统已蓄积较大的转动动能，不会瞬间改变转速，因此较零转速启动或全程使用无感测器换相技术的可靠度高出许多。

附图说明

图1为习知的马达控制器的系统架构图；

图2为习知的马达动力输出特性图；

图3为本发明具有变速功能的马达控制系统及其方法的系统架构图；

图4为本发明具有变速功能的马达控制系统仅使用直流/直流升压转换模组时的马达动力输出特性图；以及

图5为本发明具有变速功能的马达控制系统同时使用直流/直流升压转换模组及提前换相后的马达动力输出特性图。

具体实施方式

请参阅图3为本发明具有变速功能的马达控制系统及其方法的系统架构图，如图中所示，其中包括：

一马达5，内建一马达绕组，可传送相位及速度讯号；另外该马达5可为直流有刷马达、直流无刷马达、交流马达及轮毂式马达等马达装置；

一控制命令接收端6，负责接收控制该马达5的转速命令或转矩命令；

一状态控制模组7，接收外部控制命令接收端6转速或转矩控制命令，及马达5所传送的相位及速度讯号，及马达相电流侦测模组11所回授的侦测讯号，并依据命令或侦测讯号来决定PWM的开度及换相顺序，并可将控制讯号输出至直流/直流升压转换模组9及马达相电流驱动模组10，致使直流/直流升压转换模组9可按照需求提高输出电压或按照需求使马达相电流驱动模组10达成提前换相的功能；

一电源供应模组8，为一可提供直流电压的电源供应设备，例如电池等电源供应设备；

一直流/直流升压转换模组9，由该状态控制模组7根据马达转速决定升压电路的输出电压后，该直流/直流升压转换模组9能将该电源供应模组8所输入的电压提高至该状态控制模组7所要求的输出电压；

一马达相电流驱动模组10，接收该直流/直流升压转换模组9所提供的电压，并输出驱动电流至该马达5内建的马达绕组，便可达成适度提升马达转速，以达成类似变速器的功能；而该状态控制模组7亦能控制该马达相电流驱动模组10的开关，并当该状态控制模组启动提前换相的运算功能时，于该马达5在换相点位置感应器讯号产生之前，经由该马达相电流驱动模组10主动提前驱动该马达5的下相绕组，以达成弱磁控制的效果，并能进一步提升较高转速域的马达动力输出；

一相电流侦测模组11，能侦测通过该马达5的驱动电流，并回传讯号给该状态控制模组7。

值得一提的是，该状态控制模组7内建有PWM(Pulse Width Modulation脉波宽度调变)控制电路、换相控制电路及升压控制电路，而详细控制内容如下：

(1)PWM控制电路，主要用于马达的扭力控制，因马达的扭力与输入至马达绕组的电流成正比，故若要改变马达的扭力，只要改变输入电流值便可，因此在电源与马达间插入电晶体开关元件，当控制相关绕组的开关元件导通时，流入该马达绕组的电流便会上升；而当开关截止时，该马达绕组的电流便会下降，藉由相电流侦测模组侦测马达相电流到达相对所欲输出的扭力值时，即适当控制ON时间及OFF时间的比例；以达成自由控制马达输入电流的目的，亦即达成马达输出扭力控制的目的。而使用不改变单位时间所发生的ON次数而改变ON状态的时间长度，则称的为脉冲宽度调变(Pulse-Width Modulation，PWM)。

(2)换相控制电路，因为直流无刷马达是以改变各相绕组的激磁电流顺序，以取代直流有刷马达及换相片的功能，达成连续运转的目的，因此必须侦测马达转子的相角位置，以正确的顺序驱动马达各相绕组，否则会影响马达的运转。同时利用计算换相的频率，可得出马达的转速，进而提供升压马达控制电路计算驱动电源电压的资讯。至于直流有刷马达，此换相控制电路的功能则转变成转速计算的功能。

(3)升压控制电路，系可以根据该马达的转速来决定直流/直流升压转换模组的驱动电源电压，而该直流/直流升压转换模组的驱动电源电压的计算只需将整个转速操作范围区分成数个区间，利用加速或减速不同切换点的类似磁滞现象的设定方式，即可轻易完成驱动电源电压的设定。如图4所示，为加入该直流/直流升压转换模组9后的马达动力输出特征，使该马达5加速时，若欲提升该驱动电源电压，则该马达5的切换转速点需设定在该马达5减速时，欲降低该驱动电源电压值为高的转速。

(4)另外当直流无刷马达要进入较高转速域时，该提前换相运算电路会启动提前换相的运算功能，使该马达5在换相点位置感应器(例如：Hall Sensor)讯号产生之前，主动提前驱动该马达5的下一相绕组，达成弱磁控制的效果，可进一步提升较高转速域的马达动力输出(如图5所示，为加入该直流/直流升压转换模组9以及使用相角提前换相技术后的马达动力输出特征)。

值得一提的是，本发明的实施例如下所述：

1.本发明所应用的电动载具使用电池电压为48V，最大输出扭力为120N-M，最高转速为600RPM，当使用具有变速功能的马达控制系统及其方法时，可先将马达5改设计为48V电源电压，而最大扭力为40N-M，最高转速为600RPM的直流无刷马达；

2.先经由一马达5所外接的3∶1机械减速机构(减速齿轮)将输出扭力提升3倍到120N-M，但此时动力系统的最高转速将下降至200RPM；

3.而当马达5转速加速至500RPM时，即将该直流/直流转换模组的输出驱动电源电压由原本未启动时的48V提升8V成为56V，当继续加速至600RPM时则再增加8V成为64V，依此类推直至1100RPM时，则该直流/直流转换模组9的输出驱动电源电压成为96V。而当马达5减速至1050RPM时，则将此输出驱动电源电压由96V降低8V成为88V，依此类推当马达5转速降低至450RPM时，则该直流/直流转换模组9的输出驱动电源电压成为48V，亦即不需再执行升压动作；

4.另外，若动力系统欲达到400RPM的转速，则可藉由该直流/直流升压转换模组9将电源电压升至96V，使该马达5的未减速前的最高速度为1200RPM使可达成。同理，若动力系统欲达到600RPM最大转速时，只需将电源电压升至144V，使该马达5的未减速前的最高速度为1800RPM便可达成。

5.若欲进一步使该马达5转速操作在1800RPM以上时，则可使用相角提前的换相技术，当该马达5加速超过1700RPM转速以上时，利用软体程式使该马达5在换相点位置感应器讯号产生之前10％的时间，主动提前驱动该马达5的下一相绕组，达成弱磁控制的效果。同理，当该马达5转速下降至1600RPM时则取消此换相提前的驱动方式。

值得一提的是，本发明可以使用一个40N-M输出扭力且原最高转速为600RPM的48V马达，达成120N-M的输出目标，同时不需增加电池电压便可达到超过600RPM的最大转速，达成类似机械变速器的功能；而当我们以N∶1的减速比(应用机械减速机构进行减速)增加输出扭力时，仅需利用直流/直流升压器将电源电压提升N倍便可弥补最大输出转速达到目标；

值得一提的是，当使用轮毂式马达时，可利用内建减速齿轮机构达成上述的功能。

本发明所提供的具有变速功能的马达控制系统及其方法，与其他习用技术相互比较时，更具备下列优点：

1.本发明的具有变速功能的马达控制系统及其方法，系为使用一具有电源升压功能的马达控制系统，可将电动二轮车辆马达动力系统转速提升至目标值，以达成类似变速器的功能。

2.本发明的具有变速功能的马达控制系统及其方法，系能使用较低电池电压，并且在马达的转速提高到一定程度以上时，可将输入电压升高(不需要串联电池来提高输入电压)，以维持高转速时仍有适当的扭力输出，以适应整个宽广的工作范围需求。

3.本发明对于马达相电流驱动模组所需的输入电压(即直流/直流升压转换模组的输出电压)目标值计算只需将整个转速操作范围区分成数个区间，利用加速或减速不同切换点的类似磁滞现象的设定方式，即可轻易完成驱动电源电压的设定，且可容忍直流/直流升压转换模组较大的工作误差。

4.本发明在较高转速域结合相角提前的换相技术后，可进一步提升较高转速域的马达动力输出，较未使用本发明技术的马达动力系统大幅提升中高转速的功率输出，且不需牺牲低转速域的效率及扭力。

上列详细说明系针对本发明的一可行实施例的具体说明，惟该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明技艺精神所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

综上所述，本案不但在技术思想上确属创新，并能较习用物品增进上述多项功效，应以充分符合新颖性及进步性的法定发明专利要件，爱依法提出申请，恳请贵局核准本件发明专利申请案，以励发明，至感德便。

Claims

1.一种具有变速功能的马达控制系统，用于控制及驱动电动车的马达作动，其特征在于包括：

一状态控制模组，接收外部转速或转矩控制命令，及马达所传送的相位及速度讯号，及马达相电流侦测模组所回授的侦测讯号，并依据命令或侦测讯号来决定PWM的开度及换相顺序，并将控制讯号输出至直流/直流升压转换模组及马达相电流驱动模组，致使直流/直流升压转换模组按照需求提高输出电压或按照需求使马达相电流驱动模组达成提前换相的功能；

一电源供应模组，为一提供直流电压的电源供应设备；

2.如权利要求1所述的具有变速功能的马达控制系统，其特征在于，该状态控制模组具有PWM控制电路、换相控制电路及升压控制电路。

3.如权利要求1所述的具有变速功能的马达控制系统，其特征在于，该电源供应模组为一电池组。

4.一种具有变速功能的马达控制方法，其操作方法如下：

5.如权利要求4所述的具有变速功能的马达控制方法，其特征在于，该直流/直流升压转换模组所输出的电压依据目标转速而调整，如此在低转速大扭力时操作在较低的工作电压。

6.如权利要求4所述的具有变速功能的马达控制方法，其特征在于，当转速渐渐升高后，相电流将随之下降，马达控制系统将操作在高电压低电流的工作条件中。

7.如权利要求4所述的具有变速功能的马达控制方法，其特征在于，使用相角提前的换相技术进一步增加马达转速提高工作范围，使马达在换相点位置感应器讯号产生之前，主动提前驱动马达的下一相绕组，达成弱磁控制的效果，即能够提升马达操作转速范围。