TWI424679B - 具能量回收之無感測元件馬達控制方法 - Google Patents

Description

具能量回收之無感測元件馬達控制方法

本發明係有關一種具能量回收之無感測元件馬達控制方法，尤指一種裝配於交通載具上之電動馬達，將馬達的驅動與能量回收以自動切換的方式來實現，提高交通載具設計的附加價值，除了促進國內電動自行車產業升級，還可推廣到輕型電動機車、電動汽車、及其他電器化設備使用，應用範圍相當廣泛。

習知技術之三相無刷馬達偵測元件裝置於轉子磁極處，由直接連結於轉子軸上的偵測器偵測目前馬達位置，且偵測器必須精確地固定於轉子軸上，馬達才能順利地進行控制運轉；另外，馬達必須特別留一空間來裝設偵測元件，並設置若干連接信號線，輸出偵測訊號至一馬達控制器，如此便造成馬達體積與成本增加，以及電子元件之功率消耗。另外一種習知技術則是使用無感測元件馬達控制方式，以一驅動電路搭配對應控制方法來間接偵測磁極位置，並使馬達驅動運轉，不過卻無法直接應用於能量回收，於節能省電部份做得仍不夠完美。

習知中華民國專利部分，第546931號係提出一種馬達永久磁極起始位置偵測方法與裝置，可簡化偵測元件及控制流程，進而簡化電路節省成本的目的。

I274468係提出一種無霍爾元件的直流有刷馬達煞車控制方法與系統，可以在任何狀態下，於短時間內達成將直流有刷馬達完全煞車停轉的目的，並應用在不同的直流有刷馬達上也可得到相同的效果。

第M318077號設計一種無霍爾之無刷馬達吊扇控制器，不需霍爾感測器即可使無刷馬達控制所需之不同轉速，且提高驅動電壓可使功率輸出電路單元之高電位場效功率晶體呈全導通狀態，乃使無刷馬達提高更佳之運轉。

第I257761號以無霍爾元件之直流無刷馬達驅動裝置控制馬達，可自動斷電以保護轉子，避免驅動電路中主動元件以及線圈因異常電流而引起過熱甚至燒燬的現象。當故障排除後，斷電與自動恢復電路可觸發驅動電路，使轉子恢復正常運轉。

習知美國專利方面，US 7702432 B2利用煞車回充控制方法回收能量，其中MGECU(Motor Generator Engine Control Unit)根據扭力命令控制一馬達發電機，同時搭配不同的路況與操作模式對照圖，控制其回充量。

US 7640128 B2針對無感測元件馬達提出控制策略，利用設計轉子位置變換器所提供的輸出訊號控制馬達運轉，並考慮馬達運轉時各功率元件之誤差值，以輸出補償方式來減少誤差，使馬達運轉更平穩。

前述國內、外專利中，無感測元件馬達控制以驅動功能為主，並偵測轉子位置作為馬達控制運轉之依據；若需能量回收，也是以煞車回充為主，但其回收電能有限，皆有待以改進之處。

本發明為解決上述存在問題，設計無感測元件馬達與驅控裝置，不需額外切換，即可進行能量回充功能，其回收效率也高於傳統控制電路。並搭配無感測馬達及其控制電路，即可使馬達體積將能大幅縮減且續航力也能提高。

基於解決以上所述習知技術的缺失，本發明為一種具能量回收之無感測元件馬達控制方法，主要目的為裝配於交通載具上之電動馬達，將馬達的驅動與能量回收以自動切換的方式來實現，提高交通載具設計的附加價值，除了促進國內電動自行車產業升級，還可推廣到輕型電動機車、電動汽車、及其他電器化設備使用，應用範圍相當廣泛。

本發明之另一目的在於現有探討無感測元件馬達之技術，大部份著重於轉子位置起始偵測控制與啟動，且只有探討馬達驅動方法而鮮少有能量回收的功能；或是利用煞車回充的方式來進行能量回收，但回收過程中會經過馬達控制器之飛輪二極體，造成導通切換損失與二極體發熱等問題，且不論是驅動或是回充時，飛輪二極體的功率損耗皆無法避免。本發明為解決上述存在問題，提出驅動與能量回收自動切換的控制方法，且電流經由導通開關來取代飛輪二極體，減少損耗，回收率可大幅提升。

為達上述目的，本發明一種具能量回收之無感測元件馬達控制方法，其係包括有：藉由比較電壓設定器依責任周期設定器的責任周期大小，來選擇第一比較電壓與第二比較電壓； 藉由比較器來比較馬達中未激勵相中的端電壓與比較電壓，以判斷出反電動勢過零點情形；根據過零點偵測換相控制器之反電動勢過零點處，相移一電機啟動所需角度後，進行換相動作；藉由開關信號觸發產生器於過零點偵測換相控制器所決定的換相區、三角波產生器及責任周期設定器中責任周期大小，送出開關觸發信號，進行驅動或能量回收控制；當三角波產生器的時間計數器於周期到或周期歸零時，比較電壓設定器所需之比較電壓，接著偵測未激勵相的端電壓，以偵測馬達的反電動勢；藉由參考責任周期設定器的責任周期大小後，當責任周期較小時，也就是三相開關變頻器中，控制導通兩相中之截波控制相的開關下臂開關導通時間較長時，選擇第一比較電壓，且此時開關狀態亦須為下臂開關導通；反之當責任周期較大時，則選擇第二比較電壓；將反電動勢與比較電壓進行過零點比對，如果未發生過零點情形，則維持原激勵條件；如果發生過零點情形則經相移一電機啟動角度後進行換相，最後根據換相區及開關責任周期可決定開關觸發為驅動模式或能量回收模式；以及根據責任週期大小進行反電動勢零點信號偵測，進行三相開關變頻器控制，並依序切換，電流經由馬達之多相繞組定子的其中一相繞組，對直流電源充電。

為進一步對本發明有更深入的說明，乃藉由以下圖 示、圖號說明及發明詳細說明，冀能對 貴審查委員於審查工作有所助益。

茲配合下列之圖式說明本發明之詳細結構，及其連結關係，以利於 貴審委做一瞭解。

請參閱圖一所示，係為本發明之無感測元件所進行的永磁同步馬達的驅動及能量回收的較佳實施例結構圖，其中以永磁同步馬達1之三相四極結構為例，其開關變頻器可控制永磁式同步馬達輸入電壓，產生轉矩所需的電流。直流電源9可為一電池或是其他直流電源，以提供電能或能量回收時儲存用。三角波產生器8可提供脈波寬度調變(PWM)所需的時間計數器，與責任周期設定器7比較之下，即可對三相開關變頻器2作脈波寬度調變控制。藉由比較電壓設定器5可依責任周期設定器的責任周期大小，選擇比較電壓為0伏特或V_dc /2伏特。藉由比較器3用於比較馬達中未激勵相中的端電壓與比較電壓，以判斷出反電動勢過零點情形。根據過零點偵測換相控制器4之反電動勢過零點處，相移電機啟動所需角度後，進行換相動作。藉由開關信號觸發產生器6於過零點偵測換相控制器4所決定的換相區、三角波產生器8及責任周期設定器7中責任周期大小，送出開關觸發信號，進行驅動或能量回收控制。

請參閱圖二所示，為本發明之無感測元件條件下進行永磁同步馬達的驅動及能量回收的較佳實施例控制流程圖，其係包括有下列流程： 100~開始；101~直流鏈電壓偵測；102~反電動勢偵測；103~比較電壓設定；104~反電動勢過零點偵測，若過零點，執行步驟106，再執行步驟107；若未過零點，直接執行步驟107；105~責任週期D，同時提供給步驟103、104做為參數值；106~相移電機啟動所需角度換相；107~脈波寬度調變開關設定；108~，若條件達成，執行步驟109，再執行步驟111；若條件未達成，執行步驟110；109~驅動模式；110~能量回收模式；111~結束。

當前述圖一之三角波產生器8的時間計數器於周期到或周期歸零時，即進入此流程，首先偵測直流電源電壓，可作為圖一中比較電壓設定器5所需之直流電源電壓值，接著偵測未激勵相的端電壓，此時即為馬達的反電動勢。在參考責任周期設定器7的責任周期大小後，當責任周期較小時，也就是三相開關變頻器2中，控制導通兩相中之截波控制相的開關下臂開關導通時間較長時，選擇0伏特為比較電壓，且此時開關狀態亦須為下臂開關導通；反之當責任周期較大時，則選擇V_dc /2伏特為比較電壓。接著將 反電動勢與比較電壓進行過零點比對，如果未發生過零點情形，則維持原激勵條件；如果發生過零點情形則經相移一電機啟動所需角度後進行換相，最後根據換相區及開關責任周期可決定開關觸發為驅動模式或能量回收模式。根據直流電壓、責任周期及當時馬達所激勵相的反電動勢大小而定，當為驅動模式，而為能量回收模式，此為自動切換無須額外控制，其中V_dc 為直流電壓，e _L-L 為激勵相的線對線反電動勢，D為責任週期大小。

請參閱圖三所示，為互補式開關切換與反電動勢取樣示意圖，以馬達激勵相為a相與b相，未激勵相c相為例，脈波寬度調變計數器PWM_counter 與責任周期設定器Compare_a 產生上下臂S _a 及不同的切換時間寬度，取樣點T _p 為脈波寬度調變週期三角波峰值之取樣點，適合低速或輕載取樣；取樣點T _{c 0} 為脈波寬度調變週期歸零之取樣點，適合高速或重載取樣。根據責任周期的大小選擇取樣點T _p 或T _{c 0} ，以量測未激勵相c端電壓，即能順利取得c相反電動勢，判斷出零交越後，再延遲一電機啟動所需角度即為換相點。同樣地，在其它導通模式亦可使用此原理，每次皆有兩相激勵相，一相未激勵相。

請參閱圖四所示，為本發明之三相開關變頻器2，共有六種導通模式，以其中一個導通模式為舉例說明，以馬達激勵相為a相與b相，未激勵相c相為例，在a相上臂導通，b相下臂導通及c相為未激勵相狀況下，a相作脈波寬度調變，b相下臂只作單純換相導通。在估測反電動 勢電壓時，直接偵測未激勵c相對直流鏈接地點之端電壓，並經分壓衰減其信號以符合DSP所適合的電壓範圍；第二個導通模式，以馬達激勵相為b相與c相，未激勵相a相為例，在b相上臂導通，c相下臂導通及a相為未激勵，b相做脈波寬度調變，c相做換相導通，而偵測a相直流鏈接地點之端電壓。其他四種模式自可由本二實施例推衍而出，故不在此做一贅述。

請參閱圖五A、B所示，為本發明之能量回收電路示意圖，當電池電壓及互補式開關責任週期的關係為，意即為控制策略主動切換為能量回收模式，共有六種導通模式，以其中一個導通模式為舉例說明；以馬達激勵相為a相與b相，未激勵相c相為例，圖五A表示及導通，其餘開關關閉，此時能量儲存於兩相線圈電感之中；當S _a 及導通，其餘開關關閉，如圖五B所示，此時能量將回充至電源端，進行能量回充。第二個導通模式(圖中未示)，以馬達激勵相為b相與c相，未激勵相a相為例，則是及導通，其餘開關關閉，此時能量儲存於兩相線圈電感之中；當S _b 及導通，其餘開關關閉，此時能量將回充至電源端，進行能量回充。其他四種模式自可由本二實施例推衍而出，故不在此做一贅述。

請參閱圖六所示，為互補式開關切換與相反電動勢及線對線反電動勢相對關係。隨責任週期及反電動勢大小，可自動切換馬達模式或能量回收模式。亦可觀察出相反電動勢過零點，需相移電機啟動所需角度電機角始為換相點，但線對線反電動勢過零點即為換相點。

請參閱圖七所示，為電流流經本發明之互補式開關與 傳統式之飛輪二極體回收效率對照圖，橫軸為馬達轉速，縱軸為回收效率，由圖得知本發明之回收效率在馬達不同轉速下皆高於傳統方法之回收效率，且隨著轉速增加其效率愈高。而數據化之效能比較圖表如下：

藉由上述圖一至圖七之揭露，即可瞭解本發明一種具能量回收之無感測元件馬達控制方法與裝置架構，主要為裝配於交通載具上之電動馬達，將馬達的驅動與能量回收以自動切換的方式來實現，提高交通載具設計的附加價值，除了促進國內電動自行車產業升級，還可推廣到輕型馬達車、電動汽車、及其他電器化設備使用，應用範圍相當廣泛。此外，於現有探討無感測元件馬達之技術，大部份著重於轉子位置起始偵測控制與啟動，且只有探討馬達驅動方法而鮮少有能量回收的功能；或是利用煞車回充的 方式來進行能量回收，但回收過程中會經過馬達控制器之飛輪二極體，造成導通切換損失與二極體發熱等問題，且不論是驅動或是回充時，飛輪二極體的功率損耗皆無法避免。本發明為解決上述存在問題，提出驅動與能量回收自動切換的控制方法，且電流經由導通開關來取代飛輪二極體，減少損耗，回收率可大幅提升。

綜上所述，本發明之結構特徵及各實施例皆已詳細揭示，而可充分顯示出本發明案在目的及功效上均深賦實施之進步性，極具產業之利用價值，且為目前市面上前所未見之運用，依專利法之精神所述，本發明案完全符合發明專利之要件。

唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以之限定本發明所實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請 貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。

1‧‧‧三相馬達

2‧‧‧三相開關變頻器

3‧‧‧比較器

4‧‧‧過零點偵測換相控制器

5‧‧‧比較電壓設定器

6‧‧‧開關信號觸發產生器

7‧‧‧責任週期設定器

8‧‧‧三角波產生器

9‧‧‧直流電源

100‧‧‧開始

101‧‧‧直流鏈電壓偵測

102‧‧‧反電動勢偵測

103‧‧‧比較電壓設定

104‧‧‧反電動勢過零點偵測

105‧‧‧責任週期D

106‧‧‧相移電機啟動所需角度換相

107‧‧‧脈波寬度調變開關設定

108‧‧‧

109‧‧‧驅動模式

110‧‧‧能量回收模式

111‧‧‧結束

圖一係為本發明之控制電路方塊圖；圖二係為本發明之控制流程圖；圖三係為本發明之互補式開關切換與反電動勢取樣時機圖；圖四係為本發明之三相開關變頻器；圖五A、B係為本發明之能量回收電路示意圖；圖六係為本發明之互補式開關切換與相反電動勢及線對線反電勢相對關係圖；圖七係為本發明之互補式開關與傳統式之飛輪二極體回收效率對照圖。

100‧‧‧開始

101‧‧‧直流鏈電壓偵測

102‧‧‧反電動勢偵測

103‧‧‧比較電壓設定

104‧‧‧反電動勢過零點偵測

105‧‧‧責任週期D

106‧‧‧相移電機啟動所需角度換相

107‧‧‧脈波寬度調變開關設定

108‧‧‧

109‧‧‧驅動模式

110‧‧‧能量回收模式

111‧‧‧結束

Claims (5)

1. 一種具能量回收之無感測元件馬達控制方法，其包含下列步驟：(A)藉由比較電壓設定器依責任周期設定器的責任周期大小，來選擇第一比較電壓與第二比較電壓；(B)藉由比較器來比較馬達中未激勵相中的端電壓與比較電壓，以判斷出反電動勢過零點情形；(C)根據過零點偵測換相控制器之反電動勢過零點處，相移一電機啟動所需角度後，進行換相動作；(D)藉由開關信號觸發產生器於過零點偵測換相控制器所決定的換相區、三角波產生器及責任周期設定器中責任周期大小，送出開關觸發信號，進行驅動或能量回收控制；(E)當三角波產生器的時間計數器於周期到或周期歸零時，比較電壓設定器所需之比較電壓，接著偵測未激勵相的端電壓，以偵測馬達的反電動勢；(F)藉由參考責任周期設定器的責任周期大小後，當責任周期較小時，也就是三相開關變頻器中，控制導通兩相中之截波控制相的開關下臂開關導通時間較長時，選擇第一比較電壓，且此時開關狀態亦須為下臂開關導通；反之當責任周期較大時，則選擇第二比較電壓； (G)將反電動勢與比較電壓進行過零點比對，如果未發生過零點情形，則維持原激勵條件；如果發生過零點情形則經相移一電機啟動角度後進行換相，最後根據換相區及開關責任周期可決定開關觸發為驅動模式或能量回收模式；以及(H)根據責任週期大小進行反電動勢零點信號偵測，進行三相開關變頻器控制，並依序切換，電流經由馬達之多相繞組定子的其中一相繞組，對直流電源充電。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具能量回收之無感測元件馬達控制方法，其中該步驟(G)根據直流電壓、責任周期及當時馬達所激勵相的反電動勢大小而定，當為驅動模式，而為能量回收模式，此為自動切換無須額外控制。
3. 如申請專利範圍第1項所述之具能量回收之無感測元件馬達控制方法，其中該步驟(D)依據責任週期大小自動切換馬達驅動或能量回收模式。
4. 如申請專利範圍第1項所述之具能量回收之無感測元件馬達控制方法，其中該步驟(C)過零點偵測換相控制器，會根據反電動勢過零點處，乃依據一脈波寬度調變計數器與比較器產生變頻器開關之上下臂不同的切換時間寬度，根據責任周期的大小選擇取樣點，量測未激勵相端電壓，即能順利取得未激勵相反電動勢，並判斷零交越點後，再延遲一電機啟動所需角度即為換相點。
5. 如申請專利範圍第1項所述之具能量回收之無感測元件馬達控制方法，其中該第一比較電壓為0伏特，且第二比較電壓為V_dc /2伏特。