TWI449322B - 交流發電機之相位偵測裝置及其方法 - Google Patents

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Description

交流發電機之相位偵測裝置及其方法
本發明有關於車用發電機，特別是有關於交流發電機之相位偵測裝置及其方法。
車輛已成為現代人經常使用的交通工具之一，而車輛內通常會配置發電機與電池(或電瓶)。發電機用來提供車輛內之電子裝置的電力，電池(或電瓶)用以儲存啟動車輛所需的電力及/或備用電力。例如，將使用石化燃料的引擎的動能透過皮帶轉換為發電機的交流信號，而此交流信號可再透過整流電路儲存於電池(或電瓶)。
發電機通常是三相的交流發電機，且對應於每一個相位搭配一個相位偵測裝置，用以偵測發電機運轉所產生之交流信號的相位與頻率。當發電機在低轉速或怠速時，發電機之電樞(armature)所輸出的相位信號是由小振幅弦波載在一個不固定之電壓值的直流信號上。換句話說，發電機之電樞所輸出的相位信號為直流信號與交流信號之和，其中此直流信號的電壓值會隨不同整流元件之漏電流而有所差異。由於此直流信號的電壓值不是一個固定值，所以必須擷取出交流信號，以判斷發電機所產生之交流信號的頻率與相位。
傳統的作法是將相位信號透過一個接地的電阻，以使直流信號的電壓值下降至接近零伏特，然後，再以一個比較器擷取出交流信號。
請參照圖1A，圖1A是用於發電機的傳統相位偵測裝置之電路圖。傳統相位偵測裝置1包括整流單元10、電阻13、比較器15與低通濾波器14。相位信號端點phase_end用以接收發電機其中一個電樞所產生的相位信號。相位信號端點phase_end電性耦接至整流元件10，且透過電阻13電性耦接至接地端GND。比較器15的正輸入端電性耦接至相位信號端點phase_end，而比較器15的負輸入端則接收參考電壓Vref。比較器15的輸出端則透過低通濾波器14電性耦接至傳統相位偵測裝置1的輸出端OUT。
整流單元10包括整流元件11與12，其中整流元件11與12可以使用二極體來實現。整流元件11的輸入端與整流元件12的輸出端電性耦接相位信號端點phase_end，而整流元件11的輸出端與整流元件12的輸入端則分別電性耦接至電源之正端V+與負端V-。
比較器15會比較相位信號與參考電壓Vref的大小，並據此輸出比較信號。傳統相位偵測裝置1的輸出端OUT還可以電性耦接至一個運算單元(未繪示於圖1A)，而且運算單元可以根據比較信號的位準變化獲得發電機所產生之交流信號的相位與頻率。
低通濾波器14用以濾除比較信號之高頻雜訊，以避免高頻雜訊造成偵測的錯誤。另外，低通濾波器14亦可以被移除，或者移至相位信號端點phase_end與比較器15的正輸入端之間。
請參照圖1B，圖1B為帶有小振幅弦波的相位信號與比較器所輸出的比較信號之波形圖。圖1B上半部的波形代表相位信號端點phase_end的相位信號，此相位信號帶有小振幅弦波(亦即交流信號)。因為，直流信號的電壓值會隨不同整流元件之漏電流而有所差異，因此，相位信號所對應的波形曲線實質上會在圖1B上半部的兩條虛線中垂直平移。
圖1B下半部波形代表比較器15在直流信號之電壓值為定值時，所輸出的比較信號，此時，可以依據比較信號的位準變化獲得交流信號的相位與頻率。然而，如同前面所述，直流信號的電壓值並非固定，而相位信號之波形曲線實質上會在圖1B上半部的兩條虛線中垂直平移，故上述參考電壓Vref需隨著直流信號的電壓值變動，否則相位信號偵測裝置1將無法準確地獲得交流信號的相位與頻率。
另外，上述作法還會造成電瓶待機之漏電電流增加。尤其是在高溫的環境，整流元件的漏電流會大幅上升，將導致車輛中的電池(或電瓶)的待機時間可能會減少，且可能會有車輛無法順利發動的問題。
本發明實施例提供一種交流發電機之相位偵測裝置，此相位偵測裝置包括波形偵測器、門限電壓產生器與比較器。波形偵測器用以偵測相位信號的波峰，並產生波形偵測信號。門限電壓產生器用以依據波形偵測信號產生參考信號。比較器比較相位信號以及參考信號，並據此輸出比較信號。
本發明實施例提供一種交流發電機之相位偵測方法。此交流發電機之相位偵測方法用於交流發電機之相位偵測裝置內，且包括以下步驟。首先，獲得相位信號的峰值，並產生波峰偵測信號。然後，獲得相位信號的谷值，並產生波谷偵測信號。接著，依據波峰偵測信號以及波谷偵測信號產生參考信號。再來，比較相位信號以及參考信號，以獲得比較信號。
綜上所述，本發明實施例所提供的相位信號偵測裝置及其方法偵測相位信號的波峰(或者同時偵測相位信號的波峰與波谷)，以產生參考信號，而且此相位信號偵測裝置及其方法使用比較器對相位信號與參考信號進行比較，來獲得相位信號的變化。據此，可以使車輛之電瓶的漏電流保持在較低的值，並使車輛之電瓶的待機時間增加。
為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。
 [交流發電機之相位偵測裝置的實施例]
請參照圖2，圖2為本發明實施例之交流發電機之相位偵測裝置的方塊圖。交流發電機之相位偵測裝置2包括波形偵測器21、門限電壓產生器22、比較器23、低通濾波器24、雜訊消除器25與電阻R。
電阻R之一端電性連接至相位信號P，電阻R之另一端電性連接至接地端GND。低通濾波器24的輸入端接收相位信號P，且低通濾波器24的輸入端透過電阻R電性連接至接地端GND。低通濾波器24之輸出端電性連接至波形偵測器21之輸入端與比較器23之正輸入端。波形偵測器21之輸出端電性連接至門限電壓產生器22之輸入端。門限電壓產生器22的輸出端電性連接至比較器23之負輸入端。比較器23之輸出端電性連接至雜訊消除器25之輸入端。雜訊消除器25的輸出端電性連接至交流發電機之相位偵測裝置2的輸出端OUT。
波形偵測器21用以偵測經低通濾波後之相位信號P的波峰，並產生波形偵測信號VW 。波形偵測器21產生的波形偵測信號VW 代表經低通濾波後之相位信號P的峰值。門限電壓產生器22用以依據波形偵測信號VW 產生參考信號Vref。門限電壓產生器22所產生的參考信號Vref可用以判斷經低通濾波後之相位信號P的電壓值是否在波峰附近。比較器23比較經低通濾波後之相位信號P以及參考信號Vref，並據此輸出比較信號。比較器23輸出的比較信號可以代表經低通濾波後之相位信號P的電壓值是否在波峰附近。
本實施例中之比較器23可以是差動電壓比較器，比較器23可以比較正輸入端以及負輸入端的電壓差異。本實施例之比較器23之負輸入端接收參考信號Vref，而比較器23之正輸入端接收經低通濾波後之相位信號P。然而，本發明並不因此限定。比較器23之正輸入端以及負輸入端可以互換，且比較器23之輸入端互換後，比較器23僅輸出相反的信號。本技術領域具有通常知識者應可推知其實施方式，在此不再贅述。
低通濾波器24可將相位信號P之高頻雜訊濾除，以避免高頻雜訊所造成的偵測錯誤。雜訊消除器25可將比較器23輸出的比較信號的雜訊濾除。然而，但本發明並不因此限定。實際上應用時，若高頻雜訊在可以接受的範圍內，則低通濾波器24與雜訊消除器25的至少其中之一可以被移除。若低通濾波器24與雜訊消除器25同時被移除，則波形偵測器21之輸入端會直接接收相位信號P。同時，比較器23之輸出端則可直接電性連接至交流發電機之相位偵測裝置2的輸出端OUT。此外，低通濾波器24與雜訊消除器25可以是數位濾波器或者類比濾波器，本發明並不限定低通濾波器24與雜訊消除器25之種類。
電阻R用以降低相位信號P的電壓至波形偵測器21能夠接收的電壓範圍，但本發明並不因此限定。電阻R僅是為了電路設計的方便。實際應用時，透過適當的電路設計電阻R也可以被移除。
請同時參照圖2與圖3，圖3為本發明實施例之交流發電機之相位偵測裝置的經低通濾波後之相位信號、波形偵測信號與比較信號的波形圖。經低通濾波後之相位信號P通常可能還是帶有交流發電機運轉時所產生的其他頻率的信號或雜訊，使得經低通濾波後之相位信號P在其波峰附近的波形有明顯的漣波(ripple)。以圖3所示之相位信號P為例，圖3所示之經低通濾波後之相位信號P的波峰的電壓值為2伏特，經低通濾波後之相位信號P的波谷的電壓值約在零伏特附近，波峰附近的漣波的電壓值約為0.5伏特。於判斷經低通濾波後之相位信號P是否於波峰附近時，經低通濾波後之相位信號P的漣波可能會影響判斷結果。換句話說，若經低通濾波後之相位信號P在其波峰附近，因為經低通濾波後之相位信號P的漣波而使經低通濾波後之相位信號P小於參考信號Vref，則無法依據參考信號Vref正確判斷經低通濾波後之相位信號P是否處於波峰附近。
為了正確判斷經低通濾波後之相位信號P是否處於波峰附近相位信號P的波峰附近，參考信號Vref被設計為低於經低通濾波後之相位信號P的峰值減去漣波的電壓值。換句話說，參考信號Vref可以小於波形偵測信號VW 減去一個預定值，此預定值是經低通濾波後之相位信號P的波峰附近的漣波之電壓值。如圖3所示，漣波的電壓值為0.5伏特時，則將此預定值為0.5伏特，且參考信號Vref之電壓值約為1.2伏特。藉此，只要經低通濾波後之相位信號P在其波峰附近，參考信號Vref之電壓值會小於相位信號P，而使得誤判得以避免。
復參照圖3，如圖3所示的輸出端OUT的電壓值，在經低通濾波後之相位信號P大於參考信號Vref時，比較器23可輸出高電壓位準的比較信號，以代表經低通濾波後之相位信號P在波峰附近。在經低通濾波後之相位信號P小於參考信號Vref時，比較器23可輸出低電壓位準的比較信號，以代表經低通濾波後之相位信號P不在波峰附近。由於經低通濾波後之相位信號P大於參考信號Vref的時間與經低通濾波後之相位信號P小於參考信號Vref的時間之和必為一個週期，使得比較信號在高電壓位準與低電壓位準的時間之和是一個週期的時間，換句話說，依據輸出端OUT的電壓變化可知經低通濾波後之相位信號P的頻率。
之後，比較器23輸出的比較信號經過雜訊消除器25輸出至交流發電機之相位偵測裝置2的輸出端OUT。交流發電機之相位偵測裝置2的輸出端OUT可以電性連接至運算單元(未繪示於圖2)，且運算單元可以依據交流發電機之相位偵測裝置2的輸出端OUT之信號的位準變化得知經低通濾波後之相位信號P的相位與頻率。
[交流發電機之相位偵測裝置的另一實施例]
請參照圖4，圖4為本發明另一實施例之交流發電機之相位偵測裝置的方塊圖。交流發電機之相位偵測裝置4包括波形偵測器41、門限電壓產生器42、比較器43、低通濾波器44、雜訊消除器45。相較於圖2之交流發電機之相位偵測裝置2，交流發電機之相位偵測裝置4的波形偵測器41包括波峰偵測器411與波谷偵測器412。
低通濾波器44接收相位信號P，且低通濾波器24之輸出端電性連接至波峰偵測器411與波谷偵測器412的輸入端與比較器43之正輸入端。波峰偵測器411與波谷偵測器412的輸出端電性連接至門限電壓產生器42之輸入端。門限電壓產生器42的輸出端電性連接至比較器43之負輸入端。比較器43之輸出端電性連接至雜訊消除器45之輸入端。雜訊消除器45的輸出端電性連接至交流發電機之相位偵測裝置4的輸出端OUT。
波形偵測器41用以偵測經低通濾波後之相位信號P的波峰與波谷，並產生包括波峰偵測信號VH 與波谷偵測信號VL 的波形偵測信號。波形偵測器41的波峰偵測器411產生波峰偵測信號VH 。波形偵測器41的波谷偵測器412產生波谷偵測信號VL 。門限電壓產生器42用以依據波峰偵測信號VH 與波谷偵測信號VL 產生參考信號Vref，參考信號Vref用以判斷經低通濾波相位信號P的電壓是在波峰或在波谷附近。比較器43比較相位信號P以及參考信號Vref。比較器43輸出的比較信號可以代表經低通濾波相位信號P是在波峰附近或在波谷附近。
本實施例中之比較器43、低通濾波器44與雜訊消除器45可以與前一實施例的比較器23、低通濾波器24與雜訊消除器25相同，在此不再贅述。
請同時參照圖4與圖5，圖5為本發明另一實施例之交流發電機之相位偵測裝置的經低通濾波後之相位信號、波形偵測信號與比較信號的波形圖。為了正確判斷經低通濾波後之相位信號P是否處於波峰附近，參考信號Vref被設計為低於經低通濾波後之相位信號P的峰值減去漣波的電壓值。此外，在本實施例中，經低通濾波後之相位信號P的波谷並非接近零伏特，換句話說，經低通濾波後之相位信號P的谷值並不可被忽略。所以，參考信號Vref之電壓值小於波峰偵測信號VH 的電壓值減去漣波的電壓值，且參考信號Vref之電壓值大於波谷偵測信號VL 的電壓值。
參考信號Vref小於波峰偵測信號VH 減去一個預定值。如圖5所示，若經低通濾波後之相位信號P的峰值為2伏特，在經低通濾波後之相位信號P的波峰附近的漣波的電壓值為0.5伏特，且經低通濾波後之相位信號P的谷值約為1伏特，則參考信號Vref在1伏特與1.5伏特(2伏特減0.5伏特)之間。
復參照圖5，如圖5所示的輸出端OUT的電壓值，在經低通濾波後之相位信號P大於參考信號Vref時，比較器43可輸出高電壓位準的比較信號，以代表經低通濾波後之相位信號P在波峰附近。在經低通濾波後之相位信號P小於參考信號Vref時，比較器43可輸出低電壓位準的比較信號，以代表經低通濾波後之相位信號P在波谷附近。由於經低通濾波後之相位信號P大於參考信號Vref的時間與經低通濾波後之相位信號P小於參考信號Vref的時間之和必為一個週期，使得比較信號在高電壓位準與低電壓位準的時間之和是一個週期的時間，換句話說，依據輸出端OUT的電壓變化可知經低通濾波後之相位信號P的頻率。
之後，比較器43輸出的比較信號經過雜訊消除器45輸出至交流發電機之相位偵測裝置4的輸出端OUT。交流發電機之相位偵測裝置4的輸出端OUT可以電性連接至運算單元(未繪示於圖4)，且運算單元可以依據交流發電機之相位偵測裝置4的輸出端OUT之信號的位準變化得知經低通濾波後之相位信號P的相位與頻率。
[交流發電機之相位偵測方法的實施例]
請參照圖6，圖6為本發明實施例之交流發電機之相位偵測方法的流程圖。交流發電機之相位偵測方法用於交流發電機之相位偵測裝置內，且包括以下步驟。首先，在步驟S61中，獲得相位信號的峰值，並產生波峰偵測信號。然後，在步驟S62中，獲得相位信號的谷值，並產生波谷偵測信號。接著，在步驟S63中，依據波峰偵測信號以及波谷偵測信號產生參考信號。再來，在步驟S64中，比較相位信號以及參考信號，以獲得比較信號。
本實施例之交流發電機之相位偵測方法可以用圖4之交流發電機之相位偵測裝置4來實現。在步驟S63中，參考信號若以電壓的形式實施，參考信號之電壓值小於波峰偵測信號的電壓值減去一預定值。此預定值是相位信號在波峰附近的漣波的電壓值。參考信號之電壓值也大於波谷偵測信號的電壓值。
此外，在步驟S61中，交流發電機之相位偵測方法更可以包括將相位信號的高頻雜訊濾除。在步驟S64中，交流發電機之相位偵測方法更可以包括將比較信號的雜訊濾除。
[實施例的可能功效]
根據本發明實施例，上述的相位信號偵測裝置及其方法偵測相位信號的波峰(或者同時偵測相位信號的波峰與波谷)，以產生參考信號，而且此相位信號偵測裝置及其方法使用比較器對相位信號與參考信號進行比較，來獲得相位信號的變化。據此，可以使車輛之電瓶的漏電流保持在較低的值，並使車輛之電瓶的待機時間增加。
以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。
1‧‧‧傳統的相位偵測裝置
2、4‧‧‧交流發電機之相位偵測裝置
10‧‧‧整流單元
11、12‧‧‧整流元件
13、R‧‧‧電阻
GND‧‧‧接地端
14、24、44‧‧‧低通濾波器
15、23、43‧‧‧比較器
21、41‧‧‧波形偵測器
22、42‧‧‧門限電壓產生器
25、45‧‧‧雜訊消除器
411‧‧‧波峰偵測器
412‧‧‧波谷偵測器
S61~S64‧‧‧步驟流程
圖1A為用於發電機的傳統相位偵測裝置之電路圖。
圖1B為帶有小振幅弦波的相位信號與比較器所輸出的比較信號之波形圖。
圖2為本發明實施例之交流發電機之相位偵測裝置的方塊圖。
圖3為本發明實施例之交流發電機之相位偵測裝置的經低通濾波後之相位信號、波形偵測信號與比較信號的波形圖。
圖4為本發明另一實施例之交流發電機之相位偵測裝置的方塊圖。
圖5為本發明另一實施例之交流發電機之相位偵測裝置的經低通濾波後之相位信號、波形偵測信號與比較信號的波形圖。
圖6為本發明實施例之交流發電機之相位偵測方法的流程圖。
2．．．交流發電機之相位偵測裝置
21．．．波形偵測器
22．．．門限電壓產生器
23．．．比較器
24．．．低通濾波器
25．．．雜訊消除器
R．．．電阻
GND．．．接地端

Claims (8)

  1. 一種交流發電機之相位偵測裝置，包括：一波形偵測器，用以偵測一相位信號的波峰，並據此產生一波形偵測信號，其中該相位信號具有一漣波；一門限電壓產生器，用以依據該波形偵測信號產生一參考信號，其中該參考信號之電壓值小於該波形偵測信號的電壓值減去一預定值，該預定值是該相位信號的該漣波之電壓值；以及一比較器，比較該相位信號以及該參考信號，並據此輸出一比較信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之交流發電機之相位偵測裝置，其中該波形偵測器更偵測該相位信號的波谷，該波形偵測信號包括一波峰偵測信號以及一波谷偵測信號，該波峰偵測信號與該波谷偵測信號分別根據該相位信號的波峰與波谷而產生，且該門限電壓產生器依據該波峰偵測信號以及該波谷偵測信號產生該參考信號。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之交流發電機之相位偵測裝置，其中該參考信號之電壓值小於該波峰偵測信號的電壓值減去該預定值，且該參考信號之電壓值大於該波谷偵測信號的電壓值。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之交流發電機之相位偵測裝置，其中該預定值為該相位信號在波峰附近的漣波之電壓值。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之交流發電機之相位偵測裝置，更包括：一低通濾波器，電性耦接於該波形偵測器，其中該 低通濾波器為類比濾波器或數位濾波器。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之交流發電機之相位偵測裝置，更包括：一雜訊消除器，電性耦接於該比較器之一輸出端，其中該雜訊消除器為類比濾波器或數位濾波器。
  7. 一種交流發電機之相位偵測方法，用於交流發電機之相位偵測裝置內，該交流發電機之相位偵測方法包括：獲得一相位信號的峰值，並據此產生一波峰偵測信號，其中該相位信號具有一漣波；獲得一相位信號的谷值，並據此產生一波谷偵測信號；依據該波峰偵測信號以及該波谷偵測信號產生一參考信號，其中該參考信號之電壓值小於該波峰偵測信號的電壓值減去一預定值，且該參考信號之電壓值大於該波谷偵測信號的電壓值，該預定值是該相位信號的該漣波之電壓值；以及比較該相位信號以及該參考信號，以獲得一比較信號。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之交流發電機之相位偵測方法，該相位偵測方法更包括：將該相位信號的高頻雜訊濾除；以及將該比較信號的雜訊濾除。
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