CN1216452C - 电动机车马达控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电动机车马达控制器，它包括换相保护单元；渐进加速单元，用于处理骑乘者建立的速度命令，获得渐进两段式加速信号；改善起动冲力过大单元，用于降低启动时输出的上升率和准位；动能再生单元；速度信号线断线保护单元，它通过微处理器检测速度命令线的准位，由骑乘者控制速度命令的准位变化，速度命令准位在正常状态时的上升率小于在电路断线时的上升率，利用上升率的变化，检测速度信号线断线和时通时断的情形，控制器自动停止对速度命令的承认，而使得速度不致于失控，直到速度命令恢复正常。通过以上单元，将具有克服换相电流过大问题、渐进两段加速控制、改善起动冲力过大、动能再生以及速度控制信号断路或接触不良保护等功效。

Description

电动机车马达控制器
技术领域
本发明是涉及一种马达控制器，特别是涉及一种具有可克服换相电流过大问题、渐进两段加速控制、改善起动冲力过大保护、动能再生以及速度控制信号断路或接触不良保护的电动机车马达控制器。
背景技术
随着地球石油能源日益匮乏及空气污染日渐严重，尤其人口高度密集的台湾，发展低污染电动机车则显得很重要，台湾拥有成熟的机车工业及广大的使用群，还适合做为先驱领导发展符合未来时代潮流的电动机车，而在众多零组件中又以马达、电池及马达控制器最为关键，基于对马达的认知和电子控制技术的成熟，所以发展一功能完善且安全性及可靠性皆高的马达控制器，运用在电动机车的马达转速控制乃势在必行的工作。
如以往的电动载具速度控制方法，其在速度命令上虽有做简单的响应，不过在安全性、舒适性、及能源效率上却未有周详的做法，而存在有以下缺失等待解决：
一、针对换相问题而言：举如台湾专利第85116301号发明专利，其无刷直流马达运转控制中，换相方式是先将一相关闭(OFF)，另一相打开(ON)，但是该发明中其做换相时，前后两相电流将因电感特性而相加出现在其他相，所以在低速重载时，该换相电流将会较大，如此，则会有造成马达内部的永磁式磁铁退磁，并损坏马达及功率元件。
二、针对加速动作而言：举如台湾专利第85116301号发明专利，其加速方式是瞬间让输出到达指令目标值，这种方式当速度命令异常时，则易使骑乘者来不及反应而发生危险，且瞬间加速的方式，其骑乘的稳定性较差，不但缺乏骑乘的舒适性，且载具常工作在加减速中，则会降低整体能源效率。再如一般一段渐进式的加速设计，如图1所示，此种加速方式当加快时，载具则较常工作在加减速中，且骑乘的人易感觉不舒适及降低整体能源效率，而当加速慢时，将使得骑乘的人得不到加速的快感，两种皆无法兼而有之而尚嫌不佳。
三、针对起动冲力过大问题而言：举如美国专利第US4879498号，该专利中是使用多组功率电阻限制马达的起动电流进而达到让扭力降低，以防止起动冲力过大，但这种方式需要较大的功率电阻，且效率低，对需要降低成本，提高效率的电动机车马达控制器来说并不适宜。再如台湾专利第82101914号发明专利，该发明中，主要是以转矩命令，由转矩命令控制马达的方式，以达到防止起动冲力过大的效果，但是，使用转矩命令方式控制电动机车，和人的意志较难配合，因此，此种设计在对人的意志考虑下较不适用。
四、针对动能再生而言：举如第85116301号发明专利，如图2所示，动能再生单元是利用马达运转感应的反电动势，通过固定导通周期的脉冲，驱动功率元件切换而将动能转换成电能再回充至电池所为，以往做法，使用上除了脉冲宽度调制外，尚须完全开启另一相开关元件，如此当一相开关元件完全开启，马达的反馈信号异常时将导致烧毁功率元件，以及其脉冲宽度调制的负载周期是固定的，所以，在高速运转状态时，也会有大电流而烧毁元件的缺陷。
五、针对速度控制信号线断线保护而言：以往的设计，如图3、4所示，当速度信号的接地端断线或接触不良时，速度命令的值将等于VCC，此时，马达将以最大输出响应此速度命令，因此，载具失去控制，而易发生危险。
发明内容
本发明的主要目的在于涉及一种具有克服换相电流过大问题、渐进两段加速控制、改善起动冲力过大、动能再生以及速度控制信号线断路或接触不良保护的电动机车马达控制器。
本发明的电动机车马达控制器，包括：
换相保护单元，它利用换相时重叠前后两相电流，通过控制前后两相电流的时间顺序与时间长短加上电流反馈装置来限制换相电流；
渐进加速单元，它是由骑乘者控制马达控制器，使得建立一速度命令，此速度命令经速度转换单元转换成一微处理器能识别的速度命令，经过速度命令处理单元而成为渐进两段式加速信号再通过输出单元控制行车速度；
改善起动冲力过大单元，在以速度命令控制电动载具的启动时，通过马达起动过程中，降低输出的上升率和准位；
动能再生单元，它利用马达运转感应的反电动势，根据转速或反电动势而改变脉冲的导通周期，驱动功率元件切换而将动能转成电能再回充至电池，而在动能再生状态下数个开关元件的动作完全以脉宽调制控制的方式控制，且以非完全导通脉冲方式完成；
速度信号线断线保护单元，它将速度命令线连接微处理器，由微处理器检测速度命令线的准位，由骑乘者控制速度命令的准位变化，当正常状态，速度命令准位的上升斜率为第一预定斜率，一旦电路断线时，速度命令准位的上升斜率将改变成第二预定斜率，利用第二预定斜率异于第一预定斜率的特性，检测速度信号线断线、信号线偶而导通或偶而断路的情形，控制器自动停止对速度命令的承认，而使得速度不致于失控，直到速度命令恢复正常，其中所述第二预定斜率小于所述第一预定斜率。
本发明的功效是，通过换相保护单元利用换相时重叠前后两相电流的方式，降低换相电流，使得在低速运转时达到抑制过大的换相电流的目的，而通过速度命令处理单元中的微处理器调整输出值成为与机械、电气特性搭配的信号，在一电动载具上采用控制输出增减的渐进加速的控制方式来增加骑乘者的安全性，其次通过微处理器进行两段式的控制加速，让车子的速度能快速达到人的意志所要求的范围，以提升骑乘安全性、舒适性和提升整体能源效率的要求，且利用两段式的启动逻辑，使得具有较佳的操作安全性、舒适性，又通过动能再生单元完全由脉宽调制(PWM)控制，随状况调整脉宽调制的负载周期，最后利用信号上升斜率异常的特性检测速度信号线断线或接触不良，避免速度失控，且避免发生不能预知的危险。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：
图1是传统电动载具马达控制器的一加速状态的曲线图。
图2是传统电动载具马达控制器动能再生的时序图。
图3是传统电动载具马达控制器速度控制的接线图。
图4是传统电动载具马达控制器速度控制断线状态的接线图。
图5是本发明一较佳实施例的换相保护单元的电路图。
图6是本发明一较佳实施例的换相保护单元的时序图。
图7是本发明一较佳实施例的渐进加速的方框图。
图8是本发明一较佳实施例的电路方框图。
图9是本发明一较佳实施例的渐进加速的示意图。
图10是本发明一较佳实施例的起动模式的曲线图。
图11是本发明一较佳实施例的动能再生的线路图。
图12是本发明一较佳实施例的动能再生的储能状态的线路图。
图13是本发明一较佳实施例的动能再生的释能状态的线路图。
图14是本发明一较佳实施例的速度控制信号线断线的线路图。
具体实施方式
如图5、7、10及11所示，本发明一较佳实施例的「电动机车马达控制器」包括一换相保护单元10、一渐进加速单元20、一改善起动冲力过大单元30、一动能再生单元40、一速度控制信号线断路保护单元50。如图5、6所示，该换相保护单元10利用换相时重叠前后两相电流，通过控制前后两相电流的时间顺序与时间长短Δt加上电流反馈装置11来限制换相电流。
其次，本实施例中换相保护单元10的时间顺序与时间长短Δt能依据马达12运转的速度而定，当然，该换相保护单元10的时间顺序与时间长短Δt也能依据马达线圈的电流而定、依据马达运转的扭力而定、依据马达线圈的反电动势(Back-EMF)而定、以固定电角度为依据，或是以固定重叠比例为依据等，其功效皆与上述相同。
如图7、8所示，渐进加速单元20主要是由骑乘者根据意志判断21控制马达控制器，使得建立一速度命令，此速度命令是经速度命令转换单元22而成为电路所能检测的信号，而此电子信号再经速度命令处理单元23而成为与机械、电气特性搭配的信号，通过输出单元24控制行车速度。
如图8、9所示，速度命令处理单元23主要是由一手控油门231控制角加速度，经过一微处理器232的处理，而送出一渐进加速信号233，进而控制马达12的运转速度，而马达反馈信号234向微处理器232提供马达速度和位置信息，如此，经由微处理器232的控制，当微处理器232的输出值与速度命令值相差大于一预定值时，则马达12是工作在第一段快速加速逻辑T1，而当输出值与速度命令值相差小于该预定值时，马达则工作在第二段慢速加速逻辑T2，所以通过微处理器232的渐进速度控制，能达到较佳的安全性。
而该速度命令处理单元23还包括一驱动电路235、一电流处理电路236、一功率元件模块237及一保护电路238，上述各电路是一般电动马达控制器的必备周边电路，控制使用及功效皆属传统技术，不再多述。
如图10所示，改善起动冲力过大单元30是以速度命令控制电动载具的马达起动过程中，降低输出的上升率和准位，以达改善起动冲力过大，也就是说，是利用两段式的起动逻辑，在第一段(即T3)利用软件控制马达线圈电流维持在较低的电流上升率，让马达在较低扭力下起动，在第二段(即T4)则进入一般模式，使它具有较佳的操作安全性。
然而，上述改善起动冲力过大保护单元30其输出的上升率和准位是指电流的上升率和准位，当然其输出的上升率和准位也能指扭力的上升率和准位。
如图11所示，动能再生单元40是利用马达运转感应的反电动势，此反电动势通过驱动马达的电路(也就是图11)，做为能量再生的电路，而在动能再生状态下数个开关元件41的动作完全由脉宽调制(PWM)控制的方式控制，且以非完全导通脉冲方式完成，而该非完全导通脉冲方式分为储能及释能两个过程：其中，如图12所示，储能过程的操作是电路工作在非完全导通脉冲方式中的导通时序，其选择导通的开关元件41是以当时反电动势最高的线圈42下臂为对象，而其他的开关元件41均在不导通状态，利用并联的二极管43(或本身的内置二极管)作为线圈储能的路径(如图12箭头所示路径)，而因动能感应的反电动势即通过此路径形成一电流而将动能转换成电能，在储能过程中由于导通时间会根据转速或马达线圈的反电动势而调整，所以不会因导通时间过长而让电流累积到超过马达线圈和功率元件的额定值以上而烧毁。
如图13所示，释能过程的操作是电路工作在非完全导通脉冲方式中的不导通时序，将全部开关元件41关闭，而线圈的电流通过开关元件41的并联二极管或本身的内置二极管路径(如图13箭头所示路径)将电能存回电池，在释能过程中由于不导通时间会依转速或马达线圈的反电动势而调整，所以不会因不导通时间过长而让回充电流太小。
另外，动能再生单元40的非完全导通脉冲的导通时间和不导通时间的比例能随马达转速而定，或者随着马达线圈的反电动势而定。
如图14所示，速度信号线断线保护单元50，是将速度命令线51(即手控油门231)连接微处理器232(如图8所示)，由微处理器232检测速度命令线51的准位变化，当正常状态，速度指令的上升斜率为一预定斜率，在本实施例中该预定斜率较为缓和(T5)，一旦电路断线时，速度命令的准位上升斜率改变成另一预定斜率，在本实施例中该另一预定斜率较为陡峭(T6)，微处理器232根据此准位上升斜率变化量检测到断线，若遇速度信号线断线，则停止对速度信号的承认，以防危险。
综上所述，本发明电动机车马达控制器优点如下：
一、通过该换相保护单元10利用换相时重叠前后两相电流的方式，能降低换相电流，使在低速运转时达到抑制过大的换相电流的目的，如此，则避免马达12内部的永磁式磁铁退磁及功率元件烧毁。
二、通过速度命令处理单元23中的微处理器232调整输出值成为与机械、电气特性搭配的信号，在一电动载具上采用控制输出增减的渐进加速的控制方式来增加骑乘者的安全性，如此，即能避免以往加速方式以瞬间让输出到达指令目标值，易使骑乘者在行车当中，被不预期状况影响，因而来不及反应而发生危险，其次，通过微处理器232进行两段式的控制加速，让车子的速度能快速达到依骑乘者的意志所要求的范围，又能避免不必要的能源浪费，且能提升骑乘的安全性、舒适性和提升整体能源效率的要求。
三、利用两段式的启动逻辑，在第一段(即T3)利用软件控制马达线圈电流维持在较低的电流上升率，让马达在较低扭力下起动，在第二段(即T4)则进入一般模式，使得具有较佳的操作安全性、舒适性。
四、如图6所示，动能再生单元40完全由脉宽调制(PWM)控制，随状况调整脉冲宽度调制的负载周期，而无需如传统须另外开启另一相的开关元件，所以本发明马达的反馈信号即使有异常，也不会导致烧毁功率元件，且在高速运转状态时，不会因有大电流而烧毁元件的困扰。
五、当速度信号的接地端发生断线、偶而导通或偶而断路情形时，将使速度信号准位上升斜率改变成较为陡峭的另一预定斜率值，如此，利用此一信号上升斜率异常的特性检测速度信号线断线或接触不良，控制器自动停止对速度命令的承认，而使得速度不致于失控，直到速度命令恢复正常，避免发生不能预知的危险。

Claims (15)

1.一种电动机车马达控制器，其特征在于，包括：
换相保护单元，它利用换相时重叠前后两相电流，通过控制前后两相电流的时间顺序与时间长短加上电流反馈装置来限制换相电流；
渐进加速单元，它是由骑乘者控制马达控制器，使得建立一速度命令，此速度命令经速度转换单元转换成一微处理器能识别的速度命令，经过速度命令处理单元而成为渐进两段式加速信号再通过输出单元控制行车速度；
改善起动冲力过大单元，在以速度命令控制电动载具的启动时，通过马达起动过程中，降低输出的上升率和准位；
动能再生单元，它利用马达运转感应的反电动势，根据转速或反电动势而改变脉冲的导通周期，驱动功率元件切换而将动能转成电能再回充至电池，而在动能再生状态下数个开关元件的动作完全以脉宽调制控制的方式控制，且以非完全导通脉冲方式完成；
速度信号线断线保护单元，它将速度命令线连接微处理器，由微处理器检测速度命令线的准位，由骑乘者控制速度命令的准位变化，当正常状态，速度命令准位的上升斜率为第一预定斜率，一旦电路断线时，速度命令准位的上升斜率将改变成第二预定斜率，利用第二预定斜率异于第一预定斜率的特性，检测速度信号线断线、信号线偶而导通或偶而断路的情形，控制器自动停止对速度命令的承认，而使得速度不致于失控，直到速度命令恢复正常，其中所述第二预定斜率小于所述第一预定斜率。
2.如权利要求1所述的电动机车马达控制器，其特征在于，所述换相保护单元的时间顺序与时间长短(Δt)是根据马达运转的速度而定。
3.如权利要求1所述的电动机车马达控制器，其特征在于，所述换相保护单元的时间顺序与时间长短(Δt)是根据马达线圈的电流而定。
4.如权利要求1所述的电动机车马达控制器，其特征在于，所述换相保护单元的时间顺序与时间长短(Δt)是根据马达运转的扭力而定。
5.如权利要求1所述的电动机车马达控制器，其特征在于，所述换相保护单元的时间顺序与时间长短(Δt)是根据马达线圈的反电动势而定。
6.如权利要求1所述的电动机车马达控制器，其特征在于，所述换相保护单元的时间顺序与时间长短(Δt)是以固定电角度为依据。
7.如权利要求1所述的电动机车马达控制器，其特征在于，所述换相保护单元的时间顺序与时间长短(Δt)是根据一固定重叠比例而定。
8.如权利要求1所述的电动机车马达控制器，其特征在于，所述渐进加速单元具有一速度命令处理单元，所述速度命令处理单元是由一手控油门控制加速，经过一微处理器的处理，而送出一渐进加速信号，进而控制马达的运转速度，而一马达反馈信号提供马达速度和位置信息给微处理器，而当微处理器的输出值与速度命令值相差大于一预定值时，则马达是工作在第一段加速逻辑，而当输出值与速度命令值相差小于所述预定值时，马达则工作在第二段加速逻辑，其中在第一段加速逻辑下所述微处理器输出值的变化率大于在第二段加速逻辑下所述微处理器输出值的变化率。
9.如权利要求8所述的电动机车马达控制器，其特征在于，
所述速度命令处理单元还包括一驱动电路、一电流处理电路、一功率元件模块及一保护电路。
10.如权利要求1所述的电动机车马达控制器，其特征在于，
所述改善起动冲力过大单元输出的上升率和准位是指电流的上升率和准位。
11.如权利要求1所述的电动机车马达控制器，其特征在于，
所述改善起动冲力过大单元输出的上升率和准位是指扭力的上升率和准位。
12.如权利要求1所述的电动机车马达控制器，其特征在于，
所述动能再生单元被构造成在导通时序中，其导通时序选择导通的开关元件则是以当时反电动势最高的线圈的下臂为对象，而其他的开关元件均在不导通状态，利用此导通并联的二极管作为线圈储能的路径，将动能转换成电能。
13.如权利要求12所述的电动机车马达控制器，其特征在于，
所述动能再生单元被进一步构造成在不导通时序时，将全部开关元件关闭，而线圈的电流通过与开关元件并联的二极管将电能存回电池。
14.如权利要求1所述的电动机车马达控制器，其特征在于，
所述动能再生单元的非完全导通脉冲的导通时间和不导通时间的比例是根据转速调整的。
15.如权利要求1所述的电动机车马达控制器，其特征在于，
所述动能再生单元的非完全导通脉冲的导通时间和不导通时间的比例是根据马达线圈的反电动势调整的。
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