TWI425762B

TWI425762B - Power generation control method

Info

Publication number: TWI425762B
Application number: TW99135489A
Authority: TW
Inventors: Ming Tsung Chu
Original assignee: Adlee Powertronic Co Ltd
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2010-10-18
Publication date: 2014-02-01
Also published as: TW201143271A

Description

發電控制方法

本發明主張第099117114號為優先權基礎案。

本發明係涉及無刷永磁動力機構的發電控制方法，係利用控制與無刷永磁動力機構之各相電性連接的各個開關為導通/斷開(ON/OFF)切換的方式，使無刷永磁動力機構的轉子動能轉換成電能輸出至一電路系統，該電路系統包含但不限於電力儲存裝置或供負載使用之應用裝置。利用本發明之技術，無刷永磁動力機構之轉子即使在低轉速時亦可進行有效的動電能轉換。

請參考圖9，係以無刷永磁電動機為例，說明其中二相的驅動器驅動電路於發電狀態下開關作動的等效電路圖。在發電模式下，先將驅動器上下各有一個開關同時開啟(ON)，亦即開關Q1、Q4同時開啟或者是開關Q2、Q3同時開啟，以對線圈電感L充電，其電感的感應電壓V_L 為L di/dt=V_b -kew。當這兩個開關Q1、Q4或Q2、Q3同時斷開(OFF)，將對電力儲存裝置B充電，其線圈電感L的感應電壓V_L 為L di/dt=V_b +kew。

由充電時電壓的平衡方程式來看，反電動勢kew與電力儲存裝置B(如充電電池等)之電壓V_b 串聯，讓電感L的電壓V_L 必須提高更高才能對電力儲存裝置B充電，這樣會導致發電效果不佳。

再者，目前電動機車的切換發電模式係為電壓duty控制(亦即以電壓控制)。圖10描述電動機車在電壓duty控制下的電壓扭力值及轉速的關係曲線。由於電動機車的扭力表現是由電壓所控制，以50%的電壓duty為例，若由靜止油門馬上開到50% duty，扭力作用如虛線所示，啟動扭矩大，但扭矩會瞬間下降，導致騎乘時變成突然往前衝之後再迅速下降，造成不順暢的騎乘感覺，更有可能造成危險。

相對地，在發電模式時，若由無發電狀態馬上開到50% duty發電，初期扭力會突然增加到最大，再從最大扭力瞬間下降至50% duty，因此會形成如緊急煞車(即引擎煞車)般的頓挫情況，容易造成不順暢及騎乘的危險。

有鑑於此，本發明之主要目的，係提供一種發電控制方法，可應用於電動機或發電機，在該電動機或發電機既有的控制電路和驅動電路下，利用不同的開關切換方式，將電動機或發電機的轉動動能，以最高的轉換效率轉換成電能。

本發明的次一目的，係在相序處理造成最大發電，利用最佳的開關切換方式，可以讓電動機或發電機的轉動動能，以最大的能量轉換方式轉換成電能。

本發明的再一目的，係在微處理器(MCU或CPU)的電流感測元件信號處理方式，利用電流感測元件的電流信號做一些信號數值的位移手法，讓微處理器可以最簡單的方式直接處理電流信號而不會損壞。

本發明的再一目的，係在一種具有馬達模式和發電模式的電動機上使用本發明之控制方法時，電動機的扭力是由電流所控制。

本發明為達上述目的，係提供一種適用於電動機或發電機的發電控制方法，包括以一控制電路控制一驅動電路，該驅動電路包括至少二組開關，該各組開關之間為並聯，該各組開關包括一第一開關及一第二開關，該第一開關及第二開關為串連；一包含轉子、定子及磁場的動力機構之各相係分別地連接在各該組開關之該第一開關與該第二開關之間，至少一轉子位置檢出元件感測該轉子的位置信號；各該組開關係電性連接一電路系統，該電路系統包含但不限於電力儲存裝置或供負載使用之應用裝置。該發電控制方法包括：各該第二開關依該轉子之各位置信號，對各該第二開關進行脈寬調變導通/斷開之切換，而各該第一開關則一直維持斷開。

本發明的發電控制方法使上述動力機構於轉子低轉速時仍能有效的將轉子動能轉換為電能。該轉子之轉動及轉速係由一入力裝置所驅動的，所述的入力裝置包含但不限於受風力或水力作用而轉動的旋轉裝置。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖示，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。

茲配合圖式將本發明較佳實施例詳細說明如下。

請參考圖1，係表示本發明所運用之動作原理的電路示意圖；此電路示意圖為直流轉換器(DC to DC)之升壓轉換器(boost converter)電路，係包含一電力儲存裝置B、一電感L、一開關Q、一二極體D、一電容器C、一負載R_load 及一輸出電壓V_o 。

在此電路中，係利用電感L的作用，將電能和磁場能相互轉換的能量暫時儲存起來，當開關Q導通時，電力儲存裝置B的電壓V_b 對電感L進行充電，電感L將電能轉換為磁場能儲存起來。

此時電感L的端電壓V_L 為V_L =Ldi/dt。

當開關Q斷開時，電感L上的電壓反向，和電力儲存裝置B的輸入電壓V_b 串聯，二極體D導通，對電容C進行充電，從而可以將電容C的電壓充至高於電力儲存裝置B的輸出電壓V_o 。由於這個輸出電壓V_o 是輸入電壓V_b 和電感L的磁碭能轉換為電能的疊加後形成的，所以輸出電壓V_o 高於輸入電壓V_b ，即完成升壓過程(V ₀ =V _b +V _L )。

在圖1所示的電路圖中，開關Q係為功率晶體，該晶體的開、關係由脈寬調變(PWM)電路控制；而輸出電壓V_o 可以由脈寬調變(PWM)的ON/OFF(導通/斷開)百分比決定。

請參考圖2，係表示本發明之驅動電路與一包含轉子、定子及磁場的動力機構10(例電動機或發電機)的連結示意圖。當動力機構10之轉子的轉速不為0就有反電動勢kew產生，動力機構10的線圈是繞線，因此本身也是電感ML；所以，等效電路如圖3。

請參考圖4，係表示動力機構10其中二相之驅動電路於發電狀態下開關作動的等效電路圖；當開關Q2導通時，動力機構10之二相之間形成短路的迴路，因為動力機構10之轉子的轉動造成磁場切割進而形成反電動勢kew，此反電動勢kew會對線圈電感ML持續充電，讓電感ML儲存能量，其反電動勢kew會等於電感ML的電壓V_L =Ldi/dt。

當開關Q2斷開時，電感ML上的電壓反向，電流會經由二極體D跟電路系統E產生迴路，因電路系統E之電壓Vb與反電動勢kew串聯後之電壓會小於電感ML上的電壓VL，進而可以對電路系統E產生電力。當電路系統E為電力儲存裝置時則進行充電，當電路系統E為負載應用裝置時則直接提供負載使用。

其電感ML的電壓V_L =Ldi/dt等於V_b 減掉反電動勢kew；所以，只要動力機構10在低速轉動時即可以進行發電。

請參考圖5，係表示本發明應用於三相無刷永磁動力機構10在馬達驅動模式及發電模式的開關切換說明圖，其係說明如何讓無刷永磁動力機構10以最大的發電量發電。本實施例係以三相無刷永磁動力機構10且轉子位置檢出元件是以霍爾元件為例進行說明，在具有不同相數之動力機構10中可設置不同數量的霍爾元件。

無刷永磁動力機構10上設置有偵測轉子位置的三個轉子位置檢出元件之霍爾元件HU、HV、HW，藉此以感測位置信號Hu、Hv、Hw，並以控制電路3(如圖6所示)去對開關Q1~Q6進行適當的脈寬調變(PWM)之ON/OFF切換，以期達到最佳的運轉條件；當無刷永磁動力機構10在發電模式下，開關Q2、Q4、Q6依位置信號Hu、Hv、Hw的不同去進行適當的脈寬調變(PWM)ON/OFF切換，開關Q1、Q3、Q5則一直維持在OFF(斷開)而不做任何切換。相反地，亦可由開關Q2、Q4、Q6一直維持在OFF(斷開)而不做任何切換，而以開關Q1、Q3、Q5依位置信號Hu、Hv、Hw的不同去進行適當的脈寬調變(PWM)ON/OFF切換，可以達到相同的效果。前述一直維持在OFF(斷開)的開關Q我們稱呼為第一開關，而依位置信號去進行適當的脈寬調變(PWM)ON/OFF切換的開關Q則以第二開關稱呼。

舉例而言，當霍爾元件HU、HV、HW之位置信號Hu、Hv、Hw分別為二位元的1、0、0時，在馬達模式下開關Q1、Q6導通，以使動力機構10進行正常運轉；若在發電模式下，則將開關Q2導通，讓轉子切割磁場對動力機構10之線圈電感ML充電，再利用如圖4所述之原理，亦即當開關Q2導通時，無刷永磁動力機構10之二相之間形成短路的迴路，因為無刷永磁動力機構10之轉子的轉動造成磁場切割進而形成反電動勢kew，此反電動勢kew會對線圈電感ML持續充電，讓電感ML儲存能量，其反電動勢kew會等於電感ML的電壓V_L =Ldi/dt，當開關Q2斷開時，電感ML上的電壓反向，電流會經由二極體跟電路系統E產生迴路，因電路系統E之電壓V_b 與反電動勢kew串聯後之電壓會小於電感ML上的電壓V_L ，進而可以對電路系統E產生電力。當電路系統E為電力儲存裝置時則進行充電，當電路系統E為負載應用裝置時則直接提供負載使用。由於電感ML的電壓V_L =Ldi/dt等於V_b 減掉反電動勢kew，所以，只要動力機構10在低速轉動時即可以進行發電。

為了達到最大的發電量，功率晶體的開關切換時機十分重要，當動力機構10的轉子轉動時會切割磁場產生反電動勢，此反電動勢在各相定子線圈上會產生高高低低的電壓，若是能夠在較高電壓的條件下進行發電，其發電的能量及效率都會較好。根據轉子位置檢出元件的位置信號，我們可以了解轉子磁鐵跟定子線圈的相對位置，進而了解反電動勢的狀況。以三相無刷永磁動力機構10且轉子位置檢出元件以霍爾元件為例，當Hu變成high時，此時U相的線圈反電動勢也會在較高的區域，驅動電路上的Q2則應該導通讓線圈充電，當Hv變成high時則Q4導通，當Hw變成high時則Q6導通，U、V、W之間的導通切換時機，兩兩間隔120度。其他的多相無刷永磁動力機構10原理相同，其兩兩間隔的角度則為360度除以相數。同理，本發明亦得以開關Q1、Q3、Q5依位置信號Hu、Hv、Hw變成high時導通，也可以達到相同發電效果的等效作用。唯兩者間差異在於反電動勢電壓週波的高電壓(high)位置信號，其一是上半週波的高電壓區，另一則是下半週波的高電壓區。

前述開關Q可於高電壓區間的位置信號導通/斷開，以上半週波為例，係在上半週波的30°角的位置導通，以及於150°角的位置斷開，連續的上半週波依序的導通/斷開。其他的多相無刷永磁動力機構10則為[180°-(360°÷相數)]÷2的角度位置導通(四相為45°，六相為60°)，而於180°-{[180°-(360°÷相數)]÷2}的角度位置斷開(四相為135°，六相為120°)。下半週波高電壓區間位置信號的導通/斷開可同理實施，而達到最大的發電效果。由於下半週波與上半週波相差180°，其導通/斷開的角度位置可以是根據上半週波的角度加180°而具體實現。

請參考圖6，係表示本發明發電扭力控制系統的電路結構示意圖；本發明之發電扭力控制系統1，至少包含一控制電路3、一電流感測元件2、一驅動電路4所構成的電源電路5以及一上述的動力機構10。

控制電路3係包含一中央處理單元(CPU)或一微處理器(MCU)，本發明係以中央處理單元為例進行圖解說明；控制電路3係與驅動電路4、電源電路5及動力機構10電性連接；為了能夠控制對電路系統E(如圖4)的電壓及電流，需要藉由電流感測元件2配合一電流信號偏移迴路6作處理，因為無刷永磁動力機構10會在同一個驅動電路4內產生雙向電流，有一向的電流信號會變成負值，但是，控制電路3的CPU或MCU是無法接受負值電流信號，一旦接受負值電流信號，則可能產生故障；本發明的實施方式係利用一電流信號偏移迴路6將電流信號偏離一個準位(offset)，讓電流信號永遠為正值，使發電時所產生的反向電流信號可以被CPU或MCU直接接受。

請參考圖7A，係表示本發明電流信號偏移電路的電流-電壓信號曲線圖，當電流為零時，電流信號(相對應的電壓值)並不為零，假設此時電壓為2V_DC ，也就是說，當控制電路3(CPU)偵測到電流信號低於2V_DC ，則控制電路3知道現在是處於發電狀態，其電流信號不會對控制電路3(CPU)產生任何問題。

請再同時參考圖7B，係表示本發明其中一實施態樣之電流信號偏移迴路的範例電路圖；驅動電路4係連接一電流信號偏移迴路6，其輸出電壓V₀ 與輸入電流I的關係式，係表示如下：

其中，V₀ 係為輸入到控制電路3(CPU)之電壓，V_CC 為參考電壓，R_shunt 為位於輸入電源側之電流量測電阻，I為輸入電流。

因此，通過電流信號偏移迴路6，可以對驅動電路4所產生的負電流進行信號偏移控制。

另，驅動電路4係與控制電路3及動力機構10電性連接，並接受控制電路3的控制；驅動電路4係如前所述，具有開關Q1~Q6，係第一組開關為開關Q1、Q2串聯，第二組開關為開關Q3、Q4串聯，第三組開關為開關Q5、Q6串聯，而且第一組開關、第二組開關及第三組開關再行並聯，並電性連接電路系統E，再者，動力機構10的三相係分別地連接在開關Q1、Q2之間、開關Q3、Q4之間以及開關Q5、Q6之間。

如圖5所示，於發電模式時，開關Q1、Q3、Q5係為OFF(斷開)狀態，而開關Q2、Q4、Q6會輪流脈衝寬度調變(Pulse-width modulation，PWM)及ON(導通)，係依據動力機構10的霍爾元件(轉子位置檢出元件)HU、HV、HW之位置信號Hu、Hv、Hw進行作動，透過脈衝寬度調變(PWM)開關控制，可以控制開關ON狀態的時間由短至長，進而達到發電扭力由小到大(相當於發電電流由小到大)的目的，即當產生的電力超過電路系統E之負荷時，發電扭力可以由大扭力降至小扭力，意即發電扭力是可變化的，進而控制對電路系統E的電壓及電流。

請同時參考圖8，係表示本發明之永磁動力機構在馬達驅動模式或發電模式時扭力值相對應轉速值的曲線示意圖；如果在馬達驅動模式下由靜止油門馬上開到扭力值15%，扭力作用如虛線所示，啟動扭力依15%扭力輸出，可避免扭力瞬間變大或變小，導致騎乘不順暢的感覺。

相對地，若在發電模式時，扭力於15%時的扭力作用如虛線所示，啟動扭力依扭力值15%作動，可避免瞬間大扭力的引擎煞車，導致騎乘不順暢的感覺。

以上實施例係描述本發明發電控制方法應用於具有發電模式的電動機，且該電動機實現於一電動機車時的扭力表現。但本發明之可應用範圍並不以此為限，上述各該組開關可電性連接於一電路系統，該電路系統包含但不限於電力儲存裝置或供負載使用之應用裝置。

此外，本發明的發電控制方法使動力機構10於轉子低轉速時仍能有效的將轉子動能轉換為電能。該轉子之轉動及轉速係由一入力裝置所控制的，所述的入力裝置包含但不限於受風力或水力作用而轉動的旋轉裝置。

綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

1‧‧‧發電扭力控制系統

2‧‧‧電流感測元件

3‧‧‧控制電路

4‧‧‧驅動電路

5‧‧‧電源電路

6‧‧‧電流信號偏移迴路

10‧‧‧動力機構

B‧‧‧電力儲存裝置

E‧‧‧電路系統

C‧‧‧電容

D‧‧‧二極體

HU‧‧‧轉子位置檢出元件

Hu‧‧‧位置信號

HV‧‧‧轉子位置檢出元件

Hv‧‧‧位置信號

HW‧‧‧轉子位置檢出元件

Hw‧‧‧位置信號

I‧‧‧輸入電流

Kew‧‧‧反電動勢

L‧‧‧電感

ML‧‧‧線圈電感

R_load ‧‧‧負載

R₁ ~R₄ ‧‧‧電阻

R_Shunt ‧‧‧電阻

Q‧‧‧開關

Q1~Q6‧‧‧開關

V_b ‧‧‧輸入電壓

V₀ ‧‧‧輸出電壓

V_L ‧‧‧電感的電壓

圖1　係表示本發明所運用之動作原理的電路示意圖。

圖2　係表示本發明之驅動電路與無刷永磁動力機構的連結示意圖。

圖3　係表示本發明之無刷永磁動力機構的等效電路圖。

圖4　係表示本發明無刷永磁動力機構其中二相之驅動電路於發電狀態下開關作動的等效電路圖。

圖5　係表示本發明應用於三相無刷永磁動力機構在馬達驅動模式及發電模式的開關切換說明圖。

圖6　係表示本發明發電扭力控制系統的電路結構示意圖。

圖7A係表示本發明電流信號偏移電路的電流-電壓信號曲線圖。

圖7B係表示本發明電流信號偏移迴路的範例電路圖。

圖8　係表示本發明扭力值相對應轉速值的曲線示意圖。

圖9　係表示習知無刷永磁動力機構其中二相的驅動電路於發電狀態下開關作動的等效電路圖。

圖10係表示習知電動機車電壓duty控制之扭力值相對應轉速的曲線圖。

E．．．電路系統

kew．．．反電動勢

ML．．．線圈電感

Q1~Q4．．．開關

V_b ．．．輸入電壓

V_L ．．．電感的電壓

Claims

一種發電控制方法，包括：一驅動電路及一控制電路，該驅動電路接受該控制電路的一控制信號；該驅動電路具有至少二組開關，該各組開關之間為並聯，該各組開關具有一第一開關及一第二開關，該第一開關及第二開關為串聯；包含轉子、定子及磁場的一動力機構之各相線圈係分別地連接在該各組開關之該第一開關與該第二開關之間；至少一轉子位置檢出元件感測該轉子的位置信號；該驅動電路之該各組開關係電性連接一電路系統；該發電控制方法之特徵為：各該第二開關依該轉子之位置信號，對各該第二開關進行脈寬調變導通/斷開之切換，而各該第一開關則一直維持斷開。
如申請專利範圍第1項所述之發電控制方法，其中，該可進行脈寬調變導通/斷開切換的開關，係在對應相線圈的反電動勢變成較高電壓區間導通/斷開，該較高電壓區間為電壓週波的上半週波高電壓區，其開關係於該上半週波[180°-(360°÷相數)]÷2的角度位置導通，而於180°-{[180°-(360°÷相數)]÷2}的角度位置斷開。
如申請專利範圍第1項所述之發電控制方法，其中，該可進行脈寬調變導通/斷開切換的開關，係在對應相線圈的反電動勢變成較高電壓區間導通/斷開，該較高電壓區間為電壓週波的下半週波高電壓區，其開關係於該下半週波{[180°-(360°÷相數)]÷2}+180°的角度位置導通，而於{180°-{[180°-(360°÷相數)]÷2}}+180°的角度位置斷開。
如申請專利範圍第1項所述之發電控制方法，其中，使用一電流感測元件及一電流信號偏移迴路對該驅動電路所產生之負值電流信號進行感測及信號偏移，將該負值電流信號轉換成正值電流信號。
如申請專利範圍第1項所述之發電控制方法，其中，該包含轉子、定子及磁場的動力機構係一電動機。
申請專利範圍第5項所述之發電控制方法，其中，該電動機係為藉由控制發電電流以控制其發電扭力。
如申請專利範圍第1項所述之發電控制方法，其中，該包含轉子、定子及磁場的動力機構係一發電機。
如申請專利範圍第7項所述之發電控制方法，其中，該發電機之轉子之運轉係藉由一入力裝置所驅動。