CN102739002A

CN102739002A - 变结构马达的结构变换方法

Info

Publication number: CN102739002A
Application number: CN2011100965222A
Authority: CN
Inventors: 蔡明祺; 王明贤; 郑铭扬; 江政毅; 王士豪; 邵子昌
Original assignee: CHEWANG ELECTRONIC Co Ltd
Current assignee: CHEWANG ELECTRONIC Co Ltd; Mobiletron Electronics Co Ltd
Priority date: 2011-04-13
Filing date: 2011-04-13
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2031-04-13
Also published as: CN102739002B

Abstract

本发明是关于一种变结构马达的结构变换方法，是透过依序切换该变结构马达上的多个开关，使该变结构马达由Y接结构变换至Δ接结构，或是由Δ接结构变换至Y接结构，并在变换过程可避免大振幅的突波电流产生，以及避免马达转速产生突升或突降的情形。

Description

变结构马达的结构变换方法

技术领域

本发明与马达有关，更详而言之是指一种变结构马达的结构变换方法。

背景技术

由于全球能源危机不断发生，影响经济发展甚巨，因此，世界各国积极投入利用电能以取代燃油引擎的相关研究，造成电动车辆的研发再次受到重视，一些较知名的车厂也开始贩卖电动车辆，然而电动车辆仍无法普遍，其主要原因除了价格居高不下外，还碍于一些关键技术尚未解决，如电动车辆的续航力不足、效率不高、加速性不良及爬坡力欠佳等等。

目前电动车所使用的动力马达，以永磁式无刷直流马达(BrushlessDC motor，BLDCM)为主，因其具有较高的转矩对转动惯量比及无永磁直流马达的缺点(例如：电刷磨耗、换向火花及热散路径过长)。为了电动车辆具舒适性与实用性以及扭力与速度的操控考量，马达一般经由机械式减速传动系统减速以增加转矩带动车轮，然而，机械式减速机构的效率不到70％，势将造成能量使用上的浪费。

典型车辆的车速对转矩动力特性如图1所示，而涵盖该曲线的典型永磁式无刷直流马达的T-N特性曲线亦显示于图1，其中，图1中的连续区为可长期运转而不致毁损的工作区；间歇区为马达仅可做短时间的操作，如启动、煞车的特殊工作。但，具备图1中的T-N特性曲线的无刷直流马达为非常大瓦特数，换言之，即高价格。由图1可知，马达在低速区的车轮转矩并不足以提供行车的车轮转矩要求，如此会降低车辆加速性，而在高速区的车轮转矩范围又超过实际所需，因此无法充分发挥马达性能；

无刷直流马达的转矩常数与反电动势常数会随内部线圈连接的方式不同而有所变化，对于具有相同线圈的无刷直流马达，Y型接线(简称Y接)和Δ型接线(简称Δ接)的T-N特性曲线如图2所示。Y接结构与Δ接结构在相同的线电压和线电流的条件下，Y接结构的相电压为Δ接相电压的58％；即，以Y接启动时，其启动电流仅为Δ接法的1/3倍，换言之，Y型接线的马达其转矩常数比较大，而Δ接线的马达反电动势常数比较小，可得较高的速度。

由此，遂有后续研发如图3所示的具有三相独立线圈的变结构马达5，可利用多个的开关S1～S6形成不同接法改变马达线圈结构，如Y接(如图4)和Δ接(如图5)，进而改变马达的等效转矩常数和反电动势常数，产生电子式两段变速效果法。即，低速利用Y接法，使相同的电流可产生大转矩，而高速时采用Δ接法使最大转速范围增大。

然而，当使用者透过同时切换该些开关S1～S6使马达5由Y接结构切换至Δ接结构时，会有大振幅的突波电流产生(如附件的参考图A)，此时容易烧毁电子开关，并易造成马达突然加速的不稳定状况。同样地，当使用者透过同时切换该些开关S1～S6使马达5由Δ接结构切换至Y接结构时，也会有大振幅的突波电流产生(如附件的参考图B所示)，而产生上述的缺点。

为改善上述缺点发生，一般利用图6所示的驱动脉波宽度调变(pulse-width modulation，PWM)信号时间Δt1关掉Y接开关，并加入Δt2保护时间，以确定无电流影响结构切换，最后再延迟时间Δt3启动Δ接开关。然而，上述方式虽可避免大振幅的突波电流产生，但却会造成马达不运转的时间延续过长，进而造成马达转速下降。是以，现有的变结构马达的结构变换方法仍未臻完善，且尚有待改进之处。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种变结构马达的结构变换方法，可避免大振幅的突波电流产生，且更可避免马达转速突升或突降。

缘以达成上述目的，本发明提供一种变结构马达的结构变换方法，该变结构马达具有一第一相线圈、一第二相线圈、一第三相线圈、一第一开关、一第二开关、一第三开关、一第四开关、一第五开关以及一第六开关；所述相线圈分别具有一负端以及一正端，且各该开关分别具有一第一端以及一第二端；该第一相线圈的负端与第一开关的第一端以及第六开关的第一端电性连接；该第一相线圈的正端与该第四开关的第二端电性连接；该第二相线圈的负端与第二开关的第一端以及第四开关的第一端电性连接；该第二相线圈的正端与第五开关的第二端电性连接；该第三相线圈的负端与第三开关的第一端以及第五开关的第一端电性连接；该第三相线圈的正端该第六开关的负端电性连接；另外，该第一开关、第二开关以及第三开关的第二端相互电性连接；再者，当该第一开关、第二开关以及第三开关导通，且该第四开关、第五开关以及第六开关断接，该变结构马达呈Y接结构；当该第一开关、第二开关以及第三开关断接，且该第四开关、第五开关以及第六开关导通，该变结构马达呈Δ接结构；

该变结构马达由Y接结构变换至Δ接结构的方法包含有下列步骤：

A-1当该第三相线圈的电路呈断路状态时，将第三开关断接，且将该第六开关导通；

A-2当该第二相线圈的电路呈断路状态时，将第二开关断接，且将该第五开关导通；

A-3当该第一相线圈的电路呈断路状态时，将第一开关断接，且将该第四开关导通，而使该变结构马达呈Δ接结构。

该变结构马达由Δ接结构变换至Y接结构的方法包含有下列步骤：

B-1当该第二相线圈的相电流小于该第一相线圈的相电流时，将该第二开关导通；

B-2当该第一相线圈的相电流小于该第三相线圈的相电流时，将该第一开关导通，并将该第四开关与该第六开关断接；

B-3当该第三相线圈的线路呈断路状态时，将第五开关断接，且将该第三开关导通，而使该变结构马达呈Y接结构。

本发明的有益效果：利用上述依序切换的设计避免大振幅的突波电流产生，且避免马达转速突升或突降的目的。

附图说明

图1为转矩动力特性与无刷直流马达的T-N特性曲线图。

图2为Y型接线和Δ型接线的T-N特性曲线图。

图3为变结构马达的结构图。

图4为变结构马达的Y型接线图。

图5为变结构马达的Δ型接线图。

图6为现有Y接切换至Δ接时的延迟时间示意图。

图7为本发明变结构马达与换流器的结构图。

图8为本发明变结构马达的Y型接线图。

图9为本发明变结构马达的Δ型接线图。

图10为本发明Y型接线的六步方波驱动波型图。

图11为本发明Δ型接线的六步方波驱动波型图。

图12为本发明由Y接结构切换至Δ接结构的流程图。

图13为本发明Y接结构切换至Δ接结构步骤A-1接线图。

图14为本发明Y接结构切换至Δ接结构步骤A-2接线图。

图15为本发明由Δ接结构切换至Y接结构的流程图。

图16为本发明Δ接结构切换至Y接结构步骤B-1接线图。

图17为本发明Δ接结构切换至Y接结构步骤B-2接线图。

图18为本发明双责任周期配合变线圈示意图。

图19为本发明结构切换的迟滞区示意图。

附件：

图A所示是现有Y接结构切换至Δ接结构时的电流波形(Ch 2)示意图，Ch 1为工作结构状态信号(0：Y接，1：Δ接)。

图B所示是现有Δ接结构切换至Y接结构时的电流波形示意图。

图C所示是本发明实施例Y接结构切换至Δ接结构时的电流波形示意图。

图D所示是本发明实施例Δ接结构切换至Y接结构时的电流波形示意图。

主要元件符号说明

1 变结构马达

U 第一相线圈 V 第二相线圈 W 第三相线圈

S1 第一开关 S2 第二开关 S3 第三开关

S4 第四开关 S5 第五开关 S6 第六开关

2 换流器

UT 第一上臂开关 UB 第一下臂开关

VT 第二上臂开关 VB 第二下臂开关

WT 第三上臂开关 WB 第三下臂开关

I 第一区间 II 第二区间

III 第三区间 IV 第四区间

V 第五区间 VI 第六区间

VII 第七区间 VIII 第八区间

IX 第九区间 X 第十区间

XI 第十一区间 XII 第十二区间

Su、Sv、Sw 霍尔信号

VR 可变电阻

5 变结构马达

U 第一相线圈 V 第二相线圈 W 第三相线圈

S1 第一开关 S2 第二开关 S3 第三开关

S4 第四开关 S5 第五开关 S6 第六开关

具体实施方式

为能更清楚地说明本发明，兹举较佳实施例并配合图示详细说明如后。

请参阅图7所示，本发明较佳实施例的该变结构马达1是一直流无刷马达(Brushless DC motor，BLDCM)，且与一换流器2(Inverter)连接，该变结构马达1包含有一第一相线圈U、一第二相线圈V、一第三相线圈W、一第一开关S1、一第二开关S2、一第三开关S3、一第四开关S4、一第五开关S5以及一第六开关S6。其中：

所述相线圈U、V、W分别具有一负端以及一正端，且各该开关S1～S6分别具有一第一端以及一第二端。该第一相线圈U的负端与第一开关S1的第一端以及第六开关S6的第一端电性连接；该第一相线圈U的正端与该第四开关S4的第二端电性连接。

该第二相线圈V的负端与第二开关S2的第一端以及第四开关S4的第一端电性连接；该第二相线圈V的正端与第五开关S5的第二端电性连接。

该第三相线圈W的负端与第三开关S3的第一端以及第五开关S5的第一端电性连接；该第三相线圈W的正端该第六开关S6的负端电性连接。

另外，该第一开关S1、第二开关S2以及第三开关S3的第二端相互电性连接。当该第一开关S1、第二开关S2以及第三开关S3导通，且该第四开关S4、第五开关S5以及第六开关S6断接时，该变结构马达1呈Y接结构(如图8)。当该第一开关S1、第二开关S2以及第三开关S3断接，且该第四开关S4、第五开关S5以及第六开关S6导通时，该变结构马达1呈Δ接结构(如图9)。

该换流器2包含有一第一上臂开关UT、一第一下臂开关UB、一第二上臂开关VT、一第二下臂开关VB、一第三上臂开关WT以及一第三下臂开关WB。

该第一上臂开关UT一端与该第一下臂开关UB一端电性连接后，再与该第一相线圈U的正端电性连接。

该第二上臂开关VT一端与该第二下臂开关VB一端电性连接后，再与该第二相线圈V的正端电性连接。另外，该第二上臂开关VT的另一端与该第一上臂开关UT另一端电性连接，而该第二下臂开关VB的另一端与该第一下臂开关UB的另一端电性连接。

该第三上臂开关WT一端与该第三下臂开关WB一端电性连接后，再与该第三相线圈W的正端电性连接。另外，该第三上臂开关WT的另一端与该第一上臂开关UT另一端电性连接，而该第三下臂开关WB的另一端与该第一下臂开关UB的另一端电性连接。

由此，本发明是以三相霍尔信号相差60度的六部方波驱动方式透过该换流器供应电源予该变结构马达1，请参阅图10及图11，上述的六部方波驱动方式是依据霍尔信号Su、Sv、Sw以及变换信号(Commutation signal)将马达进行一次转动循环的360度电气角区分为一第一区间I、第二区间II、第三区间III、第四区间IV、第五区间V、第六区间VI、第七区间VII、第八区间VIII、第九区间IX、第十区间X、第十一区间XI及第十二区间XII，并依据所述区间I～XII决定第一相线圈U、第二相线圈V、第三相线圈W及第一、第二及第三上、下臂开关(UT、UB、VT、VB、WT、WB)的导通或断接，用以依需求供应该变结构马达1在Y接时结构供应Y接用电源(如图10)、或是在Δ接时供应领先30度电气角的Δ接用电源(如图11)予该变结构马达1。

请参阅图12，当该变结构马达1为Y接结构，并在Y接用电源的第十二区间接收到结构变换的指令，而由Y接结构变换至Δ接结构时，包含有下列转换步骤：

A-1由图10可知，在Y接用电源的第一区间I或第二区间II时，该第一上臂开关UT与该第二下臂开关VB导通。此时，该第三相线圈W并不导通而呈断路状态，因此，利用此现象在第一区间I或第二区间II时将第三开关S3断接并将第六开关S6导通(如图13)。

A-2由图10及图11可知，在Y接用电源与Δ接用电源的第三区间III时，该第一上臂开关UT与该第三下臂开关WB导通。此时，该第二相线圈V并不导通而呈断路状态，因此，利用此现象在第三区间III时将第二开关S2断接并将第五开关S5导通(如图14)，并由此步骤后开始供应Δ接用电源予该变结构马达1。

A-3由图11可知，在Δ接用电源的第四区间IV时，该第二上臂开关VT与该第三下臂开关WB导通，此时，该第一相线圈U并不导通而呈断路状态，因此，利用此现象在第四区间IV时将第一开关S1断接，并将第四开关S4导通，而使得该变结构马达1呈Δ接结构(如图9)。

另外，请参阅图15，当该变结构马达1为Δ接结构，并在Δ接用电源的第二区间II接收到结构变换的指令，而由Δ接结构变换至Y接结构时，包含有下列变换步骤：

B-1由图11可知，在Δ接用电源的第三区间III时，该第一上臂开关UT与该第三下臂开关WB导通。此时，第二相线圈V的相电流小于该第一相线圈U的相电流，将该第二开关S2导通(如图16)。

B-2由图11可知，在Δ接用电源的第四区间IV或第五区间V时，该第二上臂开关VT与该第三下臂开关WB导通。此时，主要电流路径通过第五开关S5与第三相线圈W，使得该第一相线圈U的相电流小于该第三相线圈W的相电流，将该第一开关S1导通，且将该第四开关S4及该第六开关S6断接(如图17)，避免造成送电错误。

B-3由图11可知，在Δ接用电源的第六区间VI时，该第二上臂开关VT与该第一下臂开关UB导通。此时，该第三相线圈W并不导通而呈断路状态，因此，利用此现象在第六区间VI时，将该第三开关S3导通，并将第五开关S5断接而使该变结构马达1呈Y接结构(如图8)。另外，因为在Y接用电源的第六区间VI，该第二上臂开关VT与该第三下臂开关WB呈导通，而会引响第三相线圈W切换，所以才在此步骤仍维持供应Δ接用电源，如此一来透过类似于Y接弱磁控制方法供应，而不会有太大的影响。再者，当此步骤完成后，该变结构马达1便呈Y接结构，此时便停止供应该Δ接用电源，并开始供应Y接用电源予该变结构马达1。

另外，请参阅图18，在脉波宽度调变(pulse-width modulation，PWM)的责任周期(duty)相同的情况下，对应到Y接结构与Δ接结构马达的转速不同，(如责任周期50％对应到Y接结构为220rpm而对应到Δ接结构则为370rpm)，而容易在结构改变时产生转速突升或突降的情况。为避免该变结构马达1在结构变换后在切换点产生转速突升或突降的情况，是透过设计双责任周期控制在结构切换点必须调控到Y接结构与Δ接结构转速差不多的情况。于本实施例中，是透过一可变电阻VR将前半段调配给Y接结构的责任周期变换，而将后半段调控给Δ接结构的责任周期变换。换言之，当该变结构马达1在加速时，透过该可变电阻将Y接结构责任周期90％(约370rpm)时进行结构变换，并在变换到Δ接结构后使得Δ接结构的责任周期为50％(约400rpm)。如此一来，在变换结构时便不会有明显的加速状况。反之，当该变结构马达1在减速时也是一样的原理，当在减速的时候，透过该可变电阻在Δ接结构责任周期降到45％(约350rpm)时进行结构变换，并在变换到Y接结构后，使得Y接结构的责任周期为75％(约322rpm)，如此一来便不会有明显减速的状况发生。

再者，请参阅图19，可透过设计在Y接结构变换至Δ接结构的转速、以及在Δ接结构变换至Y接结构的转速之间设置一迟滞区，以防止在切换点附近造成开关不断切换。换言之，当该变结构马达1的转速高于一第一预定转速时，该变结构马达1由Y接结构变换至Δ接结构；当该变结构马达1的转速低于一第二预定转速时，将该变结构马达1由Δ接结构变换至Y接结构，且上述的第一预定转速大于该第二预定转速。于本实施例中，该第一预定转速为370rpm，而该第二预定转速为350rpm，但不以此为限，亦可依使用者需求或使用环境更改。

是以，由上述说明并配合附件的参考图C及参考图D可得知，由Y接结构切换至Δ接结构时的电流波形、以及由Δ接结构切换至Y接结构时的电流波形均未出现大振幅的突波电流，且透过双责任周期控制更可避免马达转速产生突升或突降的情形发生。

必须说明的是，本发明供应电源予该变结构马达1的方式并不以上述六部方波驱动方式为限，只要是能配合所述开关依序切换来达到变结构的其它驱动方式，亦应属本发明另外的实施态样。

以上所述仅为本发明较佳可行实施例而已，举凡应用本发明说明书及权利要求所为之等效结构及制作方法变化，理应包含在本发明的专利范围内。

Claims

1.一种变结构马达由Y接结构变换至接结构的方法，其特征在于，该变结构马达具有一第一相线圈、一第二相线圈、一第三相线圈、一第一开关、一第二开关、一第三开关、一第四开关、一第五开关以及一第六开关；所述相线圈分别具有一负端以及一正端，且各该开关分别具有一第一端以及一第二端；该第一相线圈的负端与第一开关的第一端以及第六开关的第一端电性连接；该第一相线圈的正端与该第四开关的第二端电性连接；该第二相线圈的负端与第二开关的第一端以及第四开关的第一端电性连接；该第二相线圈的正端与第五开关的第二端电性连接；该第三相线圈的负端与第三开关的第一端以及第五开关的第一端电性连接；该第三相线圈的正端该第六开关的负端电性连接；另外，该第一开关、第二开关以及第三开关的第二端相互电性连接；再者，当该第一开关、第二开关以及第三开关导通，且该第四开关、第五开关以及第六开关断接，该变结构马达呈Y接结构；当该第一开关、第二开关以及第三开关断接，且该第四开关、第五开关以及第六开关导通，该变结构马达呈Δ接结构；

2.如权利要求1所述变结构马达由Y接结构变换至Δ接结构的方法，其特征在于，在步骤A-1之前开始供应一Y接用电源予该变结构马达，并在步骤A-2后停止供应该Y接用电源，并开始供应一Δ接用电源予该变结构马达。

3.如权利要求1所述变结构马达由Y接结构变换至Δ接结构的方法，其特征在于，当该变结构马达于Y接结构时，其脉波宽度调变(Pulse-Width Modulation，PWM)的Y接责任周期(Duty)为85％～95％，则将该变结构马达由Y接结构变换至Δ接结构，并在变换至Δ接结构后，该变结构马达的脉波宽度调变的Δ接责任周期为45％～55％。

4.如权利要求1所述变结构马达由Y接结构变换至Δ接结构的方法，其特征在于，当该变结构马达的转速高于一预定转速时，将该变结构马达由Y接结构变换至Δ接结构。

5.一种变结构马达由Δ接结构变换至Y接结构的方法，其特征在于，该变结构马达具有一第一相线圈、一第二相线圈、一第三相线圈、一第一开关、一第二开关、一第三开关、一第四开关、一第五开关以及一第六开关；所述相线圈分别具有一负端以及一正端，且各该开关分别具有一第一端以及一第二端；该第一相线圈的负端与第一开关的第一端以及第六开关的第一端电性连接；该第一相线圈的正端与该第四开关的第二端电性连接；该第二相线圈的负端与第二开关的第一端以及第四开关的第一端电性连接；该第二相线圈的正端与第五开关的第二端电性连接；该第三相线圈的负端与第三开关的第一端以及第五开关的第一端电性连接；该第三相线圈的正端该第六开关的负端电性连接；另外，该第一开关、第二开关以及第三开关的第二端相互电性连接；再者，当该第一开关、第二开关以及第三开关导通，且该第四开关、第五开关以及第六开关断接，该变结构马达呈Y接结构；当该第一开关、第二开关以及第三开关断接，且该第四开关、第五开关以及第六开关导通，该变结构马达呈Δ接结构；

6.如权利要求5所述变结构马达由Δ接结构变换至Y接结构的方法，其特征在于，在步骤B-1之前开始供应一Δ接用电源予该变结构马达，并在步骤B-3后停止供应该Δ接用电源，并开始供应一Y接用电源予该变结构马达。

7.如权利要求5所述变结构马达由Δ接结构变换至Y接结构的方法，其特征在于，当该变结构马达于Δ接结构时，其脉波宽度调变(Pulse-Width Modulation，PWM)的Δ接责任周期(Duty)为40％～50％，则将该变结构马达由Δ接结构变换至Y接结构，并在变换至Y接结构后，该变结构马达的脉波宽度调变的Y接责任周期为70％～80％。

8.如权利要求5所述变结构马达由Δ接结构变换至Y接结构的方法，其特征在于，当该变结构马达的转速低于一预定转速时，将该变结构马达由Δ接结构变换至Y接结构。

9.一种变结构马达的变换结构方法，该变结构马达具有一第一相线圈、一第二相线圈、一第三相线圈、一第一开关、一第二开关、一第三开关、一第四开关、一第五开关以及一第六开关；所述相线圈分别具有一负端以及一正端，且各该开关分别具有一第一端以及一第二端；该第一相线圈的负端与第一开关的第一端以及第六开关的第一端电性连接；该第一相线圈的正端与该第四开关的第二端电性连接；该第二相线圈的负端与第二开关的第一端以及第四开关的第一端电性连接；该第二相线圈的正端与第五开关的第二端电性连接；该第三相线圈的负端与第三开关的第一端以及第五开关的第一端电性连接；该第三相线圈的正端该第六开关的负端电性连接；另外，该第一开关、第二开关以及第三开关的第二端相互电性连接；再者，当该第一开关、第二开关以及第三开关导通，且该第四开关、第五开关以及第六开关断接，该变结构马达呈Y接结构；当该第一开关、第二开关以及第三开关断接，且该第四开关、第五开关以及第六开关导通，该变结构马达呈Δ接结构；

A-3当该第一相线圈的电路呈断路状态时，将第一开关断接，且将该第四开关导通，而使该变结构马达呈Δ接结构；

10.如权利要求9所述变结构马达的变换结构方法，其特征在于，在步骤A-1之前开始供应一Y接用电源予该变结构马达，并在步骤A-2后停止供应该Y接用电源，并开始供应一Δ接用电源予该变结构马达；另，在步骤B-1之前开始供应该Δ接用电源予该变结构马达，并在步骤B-3后停止供应该Δ接用电源，并开始供应该Y接用电源予该变结构马达。

11.如权利要求9所述变结构马达的变换结构方法，当该变结构马达于Y接结构时的脉波宽度调变(Pulse-Width Modulation，PWM)的Y接责任周期(Duty)为85％～95％时，将该变结构马达由Y接结构变换至Δ接结构，并在变换至Δ接结构后，该变结构马达的脉波宽度调变的Δ接责任周期为45％～55％。

12.如权利要求9所述变结构马达的变换结构方法，其特征在于，当该变结构马达于Δ接结构时的脉波宽度调变(Pulse-Width Modulation，PWM)的Δ接责任周期(Duty)为40％～50％时，将该变结构马达由Δ接结构变换至Y接结构，并在变换至Y接结构后，该变结构马达的脉波宽度调变的Y接责任周期为70％～80％。

13.如权利要求9所述变结构马达的变换结构方法，其特征在于，当该变结构马达的转速高于一第一预定转速时，该变结构马达由Y接结构变换至Δ接结构；当该变结构马达的转速低于一第二预定转速时，将该变结构马达由Δ接结构变换至Y接结构；另，上述的第一预定转速大于该第二预定转速。