TWI454042B - 相位偵測裝置及其方法 - Google Patents

Description

相位偵測裝置及其方法

本發明有關於車用發電機，特別是有關於車用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是發電機中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相位偵測裝置，此相位偵測裝置用以偵測發電機之電樞輸出之相位信號，相位偵測裝置包括取樣保持電路與比較器。取樣保持電路用以取樣以及保持相位信號，並據此輸出時點t_i 與t_i’ 的相位信號值，其中i不等於i'。比較器用以比較時點t_i 與t_i’ 之相位信號值，並據此輸出比較信號。

本發明實施例提供一種相位偵測方法，用以偵測發電機之電樞輸出之相位信號，相位偵測方法包括以下步驟。首先，獲得時點t_i 之相位信號值，且保持時點t_i 之相位信號值。獲得時點t_i+1 之相位信號值，且保持時點t_i+1 之相位信號值。比較時點t_i 與t_i+1 的相位信號值，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採用取樣保持電路來對相位信號進行分時取樣，並且使用比較器來偵測相位信號之前後時點的變化，故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。

[相位偵測裝置之實施例]

請參照圖2A，圖2A為本發明實施例之相位偵測裝置之電路圖。相位偵測裝置2包括整流單元20、取樣保持電路24、比較器25、低通濾波器23與26。

整流單元20包括整流元件21與22，整流單元20的一端電性連接低通濾波器23。整流元件21之第一端(輸出端)電性耦接至電源之正端V+。整流元件22之第一端(輸出端)電性耦接至整流元件21之第二端(輸入端)，整流元件22之第二端電性耦接至電源之負端V-。低通濾波器23之輸入端接收發電機電樞之相位信號，且電性耦接至整流元件21之第二端以及整流元件22之第一端。低通濾波器23之輸出端電性耦接至取樣保持電路24之輸入端。取樣保持電路24之兩個輸出端(端點a以及端點b)分別電性耦接至比較器25之負輸入端與正輸入端。比較器25之輸出端電性耦接至低通濾波器26之輸入端。低通濾波器26之輸出端電性耦接至相位偵測裝置2的輸出端OUT。

低通濾波器23用以濾除相位信號中的高頻雜訊，以避免高頻雜訊所造成的偵測錯誤。同樣地，低通濾波器26也用以濾除比較器25所輸出之比較信號的高頻雜訊。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23與26的至少其中之一可以被移除。若低通濾波器23與26同時被移除，則取樣保持電路24之輸入端會直接接收相位信號。同時，比較器25之輸出端則可直接電性耦接至相位偵測裝置2的輸出端OUT。此外，低通濾波器23與26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23與26之種類。

請同時參照圖2A以及圖2B，圖2B為本發明實施例之相位信號與比較信號之波形圖。圖2B上半部的波形代表相位信號，此相位信號帶有小振幅弦波(亦即交流信號)。因為，直流信號的電壓值並非固定值，因此，相位信號的波形曲線實質上會在圖2B上半部之兩條虛線中垂直平移。圖2B下半部波形代表比較器25所輸出的比較信號。

取樣保持電路24用以取樣與保持相位信號(或經過低通濾波的相位信號)，且取樣保持電路24可將取樣後所獲得的相位信號值保持一段保持時間。例如，取樣保持電路24在時點t₁ 對相位信號取樣，以獲得時點t₁ 之相位信號值，且取樣保持電路24保持時點t₁ 的相位信號值。當取樣保持電路24在時點t₂ 對相位信號進行取樣後，取樣保持電路24透過端點a輸出時點t₁ 之相位信號值以及透過端點b輸出時點t2之相位信號值至比較器25。

同樣地，取樣保持電路24在時點t₃ 對相位信號進行取樣，且透過端點a將所保持之時點t₂ 之相位信號值輸出至比較器25，以及透過端點b將取樣後所獲得之時點t₃ 的相位信號值輸出至比較器25。取樣保持電路24對於後續時點的取樣與保持方式可以依此類推，故不再贅述。然而，本發明並不限定於此，取樣保持電路24也可以連續對複數個時點的相位信號取樣，例如：連續獲得時點t₁ 、t₂ 與t₃ 的位信號值，然後再保持每一個時點的相位信號值，並依時間順序輸出相位信號值至比較器25。

另外，雖然本實施例是以固定時點進行取樣與保持的取樣保持電路24為例，但此領域具有通常知識者也可以採用非固定時點進行取樣與保持的取樣保持電路來實現相位偵測裝置2。總而言之，取樣保持電路的類型並非用以限定本發明。

本實施例中之比較器25可以是差動電壓比較器，比較器25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25之負輸入端電性耦接至端點a，而比較器25之正輸入端電性耦接至端點b。然而，本發明並不因此限定。比較器25之正輸入端以及負輸入端可以互換，且比較器25之輸入端互換後，比較器25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。

請繼續同時參照圖2A以及圖2B，當取樣保持電路24獲得時點t₂ 之相位信號值後，比較器25用以比較時點t₁ 與t₂ 之相位信號值，並據此輸出比較信號來表示時點t₁ 與t₂ 之相位信號值之差異。換句話說，比較器25比較取樣保持電路24所輸出不同時點的相位信號值，並據此輸出比較信號，其中比較信號係用以表示前後時點相位信號之差異。同樣地，當取樣保持電路24獲得時點t₃ 的相位信號值後，比較器25用以比較時點t₂ 與t₃ 之相位信號值，並據此輸出比較信號來表示時點t₂ 與t₃ 之相位信號值的差異。比較器25於後續時點所輸出的比較信號可以依此類推，故不再贅述。

之後，比較器25輸出的比較信號經過低通濾波器26輸出至相位偵測裝置2的輸出端OUT。相位偵測裝置2的輸出端OUT可以電性耦接至運算單元(未繪示於圖2A)，且運算單元可以依據相位偵測裝置2的輸出端OUT之信號的位準變化得知交流信號或相位信號的相位與頻率。

[相位偵測方法之實施例]

請參照圖3，圖3為本發明實施例之相位偵測方法之流程圖。相位偵測方法用以偵測發電機之電樞所輸出之相位信號的相位與頻率，且上述相位偵測方法可以透過相位偵測裝置、軟體、韌體或硬體電路來實現，其中相位偵測裝置可以例如是相位偵測裝置2。

相位偵測方法包括以下步驟。首先，在步驟S31中，設定變數i之初始值，初始值例如為1。然後，在步驟S32中，獲得時點t_i 之相位信號值，且保持時點t_i 之相位信號值。接下來，在步驟S33中，獲得時點t_i+1 之相位信號值，且保持時點t_i+1 之相位信號值。

再來，在步驟S34中，比較時點t_i 與t_i+1 之相位信號值，以獲得比較信號，其中比較信號的位準變化可以用以表示交流信號或相位信號的相位與頻率。據此，上述比較信號可以給後端的運算電路進行處理，以獲得交流信號或相位信號的相位與頻率。

然後，在步驟S35中，於獲得比較信號後，判斷是否結束偵測。接下來，若不結束偵測，則進行步驟S36，在步驟S36中，則將更新變數i的數值，例如，將變數i增加1(亦即i=i+1)，然後再次進行步驟S33。

然而，實際上應用時，相位信號可能帶有高頻雜訊。故可在步驟S32之前，將相位信號中的高頻雜訊濾除，且可在步驟S34後，將比較信號中的高頻雜訊濾除。

[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採用取樣保持電路來對相位信號進行分時取樣，並且使用比較器來偵測相位信號之前後時點的變化，故相位信號偵測裝置所輸出的比較信號可以不受直流信號之電壓值變化的影響。如此，將可以使車輛之電瓶的漏電流保持在較低的值，並使車輛的電瓶的待機時間增加。另外，所述相位信號裝置可以不需對發電機的每一個電樞的相位信號做偵測，故電路元件的數量、設計複雜度與成本都可以因此減少。

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．．．傳統相位偵測裝置

2．．．相位偵測裝置

10、20．．．整流單元

11、12、21、22．．．整流元件

13．．．電阻

GND．．．接地端

14、23、26．．．低通濾波器

24．．．取樣保持電路

15、25．．．比較器

S31～S36．．．步驟流程

圖1A是發電機中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2A為本發明實施例之相位偵測裝置之電路圖。

圖2B為本發明實施例之相位信號以及比較器所輸出的比較信號之波形圖。

圖3為本發明實施例之相位偵測方法之流程圖。

2．．．相位偵測裝置

20．．．整流單元

21、22．．．整流元件

23、26．．．低通濾波器

24．．．取樣保持電路

25．．．比較器

Claims (7)

1. 一種相位偵測裝置，用以偵測一發電機之一電樞輸出之一相位信號，其中該相位信號包括一直流信號與一交流信號，其中該直流信號非為固定值，該相位偵測裝置包括：一取樣保持電路，用以取樣與保持該相位信號，並據此輸出時點t_i 與t_i’ 的相位信號值，其中i不等於i'；以及一比較器，用以比較時點t_i 與t_i’ 之相位信號值，並據此輸出一比較信號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之相位偵測裝置，該取樣保持電路在時點t_i 對該相位信號進行取樣，以獲得時點t_i 之該相位信號值，且保持時點t_i 之該相位信號值，且該取樣保持電路在時點t_i’ 對該相位信號進行取樣，以獲得時點t_i’ 之該相位信號值，並據此輸出時點t_i 與t_i’ 之相位信號值至該比較器。
3. 如申請專利範圍第1項所述之相位偵測裝置，該相位偵測裝置更包括：一低通濾波器，電性耦接於該取樣保持電路，其中該低通濾波器為類比濾波器或數位濾波器。
4. 如申請專利範圍第1項所述之相位偵測裝置，該相位偵測裝置更包括：一低通濾波器，電性耦接於該比較器之一輸出端，其中該低通濾波器為類比濾波器或數位濾波器。
5. 一種相位偵測方法，用以偵測一發電機之一電樞輸出之一相位信號，其中該相位信號包括一直流信號與一交流信號，其中該直流信號非為固定值，該相位偵測方法包括 ：獲得時點t_i 之相位信號值，且保持時點t_i 之該相位信號值；獲得時點t_i+1 之相位信號值，且保持時點t_i+1 之該相位信號值；以及比較時點t_i 與t_i+1 的相位信號值，以獲得一比較信號。
6. 如申請專利範圍第5項所述之相位偵測方法，該相位偵測方法更包括：設定變數i的初始值；於獲得該比較信號後，判斷是否結束偵測；以及若不結束偵測，則對該變數i增加1，並執行「獲得時點t_i+1 之該相位信號值，且保持該時點t_i+1 之該相位信號值」的該步驟。
7. 如申請專利範圍第5項所述之相位偵測方法，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高頻雜訊濾除。