TWI595155B - 具一體式啟動發電機之引擎之曲軸角計算方法 - Google Patents

Description

具一體式啟動發電機之引擎之曲軸角計算方法

本發明係關於一種具一體式啟動發電機之引擎之曲軸角計算方法，尤指一種利用三相霍爾感測器之訊號計算曲軸角度之引擎曲軸角計算方法。

機車為一種由引擎或馬達驅動，利用手把操縱方向的二輪或三輪車輛，由於有著操縱簡單、行動方便及價格低廉的特點，成為目前最常利用的交通工具。

目前市場上有使用一體式啟動發電機(ISG：Integrated Starter Generator)之引擎，配合怠速熄火及再啟動功能，增加機車之節能效果，而機車在熄火時，引擎之曲軸常常會停在壓縮上死點(CTDC：Compression Top Dead Center)之前，使得一體式啟動發電機在起動引擎時，需要產生較大扭力方能克服引擎之壓縮壓力，使引擎啟動。

而一體式啟動發電機起動引擎之方法，是在起動引擎前將引擎之曲軸轉動至一扭力較小之預定位置，需要事先測量引擎之曲軸角度位置，才能準確地將曲軸轉動至預定位置，因此曲軸角度位置之計算準確度對一體式啟動發電機來說是十分重要的。

習知一體式啟動發電機計算引擎之曲軸角度位置之方法，係以四個霍爾感測器進行曲軸角度位置之計算，在利用一體式啟動發電機原有三相霍爾感測器之訊號偵測電氣角度之外，並新增一霍爾感測器搭配馬達之轉子上特殊磁極的設置，使引擎之曲軸角度位置處於上死點時可被準確地計算出來。

然而，由於需要增設一霍爾感測器並在馬達之轉子上做相對應之特殊磁極設計，使得一體式啟動發電機之結構更加複雜且成本提高，因此，本發明人基於積極發明創作之精神，構思出一種具一體式啟動發電機之引擎之曲軸角計算方法，僅利用一體式啟動發電機原有之三相霍爾感測器，即能計算出引擎之曲軸角度位置，達到準確控制曲軸角度之目的，幾經研究實驗終至完成本發明。

本發明之主要目的在於解決上述問題，提供一種具一體式啟動發電機之引擎之曲軸角計算方法，達到準確控制曲軸角度之目的。

為達成上述目的，本發明之一體式啟動發電機組設於一具有一引擎及一三相霍爾感測器之機車上，包括有一驅動控制單元及一馬達，引擎具有一曲軸，驅動控制單元控制曲軸正轉或反轉，馬達包括一定子及一轉子，轉子具有複數成對磁極並與曲軸連結且同軸旋轉，三相霍爾感測器用以偵測複數成對磁極並產生複數霍爾區間訊號。

具一體式啟動發電機之引擎之曲軸角計算方法包括有下列步驟：(A)開啟機車之電源；(B)起動引擎，驅動曲軸轉動；(C)驅動控制單元接收一引擎動力循環內所產生之複數霍爾區間訊號；(D)驅動控制單元以複數霍爾區間訊 號得出複數電氣循環，並從複數電氣循環中尋找一最長電氣循環及一最短電氣循環；(E)驅動控制單元判斷最長電氣循環與最短電氣循環之間，是否間隔一絕對循環內，若否，則返回步驟(C)，若是，則進行下一步驟；以及(F)將最長電氣循環判定為曲軸位於壓縮上死點位置。

上述步驟(B)後更可包括一步驟(B1)：判斷引擎是否運轉，若否，則返回步驟(B)，若是，則進行下一步驟。

上述步驟(F)後更可包括一步驟(G)：驅動控制單元以最長電氣循環定位曲軸之位置，在引擎熄火後，控制曲軸轉動至一預定位置，使下次起動引擎時，馬達可以較小之扭力轉動曲軸來起動引擎。

上述預定位置可指曲軸位於從壓縮上死點正轉旋轉0度至120度之位置，此區間為轉動曲軸所需扭力較小之區間。

上述引擎更可包括一減壓裝置，減壓裝置可為一單向式減壓裝置及一離心式減壓裝置之至少其一，用以降低轉動曲軸所需扭力。

上述機車更可包括一與一體式啟動發電機電連結之引擎控制單元，控制機車怠速熄火以達節能效果。

上述絕對循環可指曲軸在動力行程時，從壓縮上死點起算，正轉旋轉之角度為120度至240度之間所需電氣循環之數量。

上述引擎動力循環可指曲軸正轉旋轉720度，即曲軸完成動力行程、排氣行程、進氣行程及壓縮行程所轉動之角度。

上述最短電氣循環可指曲軸位於動力行程之下死點(BDC：Bottom Dead Center)位置。

上述三相霍爾感測器可設置於引擎及定子之其一。

以上概述與接下來的詳細說明，皆為示範性質，是為了進一步說明本發明的申請專利範圍，為使本發明之上述目的、特性與優點能更淺顯易懂，將在後續的說明與圖示加以闡述。

1‧‧‧引擎

11‧‧‧曲軸

12‧‧‧減壓裝置

2‧‧‧一體式啟動發電機

21‧‧‧驅動控制單元

22‧‧‧馬達

221‧‧‧定子

222‧‧‧轉子

3‧‧‧三相霍爾感測器

4‧‧‧引擎控制單元

5‧‧‧電源供應裝置

6‧‧‧啟動按鈕

7‧‧‧油門啟動裝置

I‧‧‧區域

II‧‧‧區域

TA‧‧‧絕對循環

TC‧‧‧電氣循環

TE‧‧‧引擎動力循環

TL‧‧‧最長電氣循環

TS‧‧‧最短電氣循環

SA~SG‧‧‧步驟

SB1‧‧‧步驟

X‧‧‧曲線

Y‧‧‧曲線

圖1係本發明之一較佳實施例之具一體式啟動發電機之機車之馬達正轉阻力-曲軸角度比較圖。

圖2係本發明之一較佳實施例之具一體式啟動發電機之機車控制系統之構成示意圖。

圖3係本發明之一較佳實施例之具一體式啟動發電機之引擎之局部結構示意圖。

圖4係本發明之一較佳實施例之具一體式啟動發電機之引擎之轉速-時間比較圖。

圖5係本發明之一較佳實施例之具一體式啟動發電機之引擎之霍爾區間訊號-時間比較圖。

圖6係本發明之一較佳實施例之具一體式啟動發電機之引擎之曲軸角計算方法之判斷流程示意圖。

參閱圖1至圖3，其分為本發明之一較佳實施例之具一體式啟動發電機之機車之馬達正轉阻力-曲軸角度比較圖、機車控制系統之構成示意圖及引擎之局部結構示意圖。

如圖1所示，縱軸座標表示一體式啟動發電機之馬達正轉阻力，橫軸座標表示曲軸角度，本實施例採用四行程引擎，其工作行程為依據汽缸內活塞移動的位置來區分，每隔180度依序到達一次上死點或下死點之位置，而由0度開始在每個區間內依序分為動力行程、排氣行程、進氣行程及壓縮行程四個工作行程，因此一次引擎動力循環為曲軸旋轉720度。

而在一般情況下，在壓縮行程中且引擎之減壓裝置未開啟時，正轉阻力相對曲軸角度所繪製出的曲線將會如曲線X所示，在壓縮行程中且減壓裝置開啟時，正轉阻力相對曲軸角度所繪製出的曲線將會如曲線Y所示，此外，圖1係以120度作為區域I及區域Ⅱ之分隔點，區域I即曲軸位於0度至120度之位置，屬於一體式啟動發電機之起動衝力可直接正轉起動引擎之區域，區域Ⅱ為曲軸位於120度至720度之位置，屬於一體式啟動發電機之起動衝力無法直接正轉起動之區域，在減壓裝置未啟動時，需要藉馬達出力將曲軸反轉至區域I以起動引擎。

參閱圖2及圖3，本發明之一體式啟動發電機2組設於一具有一引擎1、一三相霍爾感測器3、一引擎控制單元4、一電源供應裝置5、一啟動按鈕6及一油門啟動裝置7之機車上，包括有一驅動控制單元21及一馬達22，引擎1包括有一曲軸11及一減壓裝置12，驅動控制單元21控制曲軸11正轉或反轉，馬達22包括一定子221及一轉子222，轉子222具有複數成對磁極並與曲軸11連結且同軸旋轉，三相霍爾感測器3用以偵測該複數成對磁極並產生複數霍爾區間訊號，引擎控制單元4與一體式啟動發電機2電連結，控制機車怠速熄火以達節能效果。

上述一體式啟動發電機2之驅動控制單元21，負責接收三相霍爾感測器3所產生之複數霍爾區間訊號，進行運算獲得引擎1之曲軸11位置並儲存至一記憶體中，並以驅動控制單元21進行引擎1在熄火停止後及下次引擎啟動前，引擎1之曲軸11之位置控制，且可控制一體式啟動發電機2以啟動模式或發電模式進行運轉。

如圖3所示，本發明之三相霍爾感測器3鎖附設置於引擎1上，但本發明並不侷限於此，也可設置於一體式啟動發電機2之馬達22之定子221上，而減壓裝置12為一單向式減壓裝置及一離心式減壓裝置之至少其一，可視實際需求而變化。

參閱圖4及圖5，其分別為本發明之一較佳實施例之具一體式啟動發電機之引擎之轉速-時間比較圖及引擎之霍爾區間訊號-時間比較圖。首先，說明本發明之計算原理，當引擎1完成一引擎動力循環TE時，藉由三相霍爾感測器3可測得一體式啟動發電機2之馬達22之轉子222所產生之複數電氣循環TC，每一電氣循環TC之時間長度，因引擎1之各行程轉速不同而變化，以引擎特性來看，當引擎1之曲軸11接近壓縮行程之上死點時，所需扭力最大且轉速最慢，因此在複數電氣循環TC中會形成一最長電氣循環TL。

而在經過壓縮行程之上死點時，火星塞點火引爆汽缸內之混合油氣，進入動力行程提供機車動力，因此引擎1之曲軸11在壓縮行程之上死點後轉動180度時，在複數電氣循環TC中應為轉速最快並形成一最短電氣循環TS，而相同引擎之最長電氣循環TL及最短電氣循環TS所間隔之電氣循環TC之數量為固定數量，在此將前述固定數量之電氣循環TC定義為一絕對循環TA，因此，在引擎1運轉時，判斷最長電氣循環TL後之絕對循環TA內是否為最短電 氣循環TS，即可得知最長電氣循環TL是否為曲軸11位於壓縮行程之上死點位置。

圖4及圖5係以一體式啟動發電機2之馬達22之轉子222上具有6對磁極為例所產生之比較圖，在一次引擎動力循環TE中，每對磁極旋轉720度並產生2個電氣循環TC，6對磁極共產生12個電氣循環TC(參閱圖5)，其中，在引擎1之曲軸11轉速最慢時，對應產生最長電氣循環TL，而曲軸11轉速最快時，對應產生最短電氣循環TS，再以預先設定之引擎1之絕對循環TA，判斷最長電氣循環TL後與最短電氣循環TS是否間隔絕對循環TA內，藉此判斷最長電氣循環TL是否為曲軸11位於壓縮行程之上死點位置。

參閱圖5可知，本發明之實施例之絕對循環TA為3個電氣循環TC，但隨著一體式啟動發電機2之馬達22之轉子222上所設置磁極數量的不同，絕對循環TA內所包含之複數電氣循環TC之數量將隨之變化，且本發明之絕對循環TA包含之電氣循環TC之數量範圍較佳為引擎1之曲軸11在動力行程時，從壓縮上死點開始作動後，正轉旋轉之角度為120度至240度之間所需電氣循環TC之數量。

參閱圖6，其為本發明之一較佳實施例之具一體式啟動發電機之引擎之曲軸角計算方法之判斷流程示意圖，其包括如下步驟：於步驟SA電源開啟，開啟機車之電源；步驟SB起動引擎1，驅動一曲軸11轉動；步驟SB1判斷引擎1是否運轉，若否，則返回步驟SB，若是，則進行下一步驟；步驟SC驅動控制單元21接收引擎動力循環TE內所產生之複數霍爾區間訊號；步驟SD驅動控制單元21以複數霍爾區間訊號得出複數電氣循環TC，並從複數電氣循環TC中尋找最長電氣循環TL及最短電氣循環TS；步驟SE驅動控制單元21 判斷最長電氣循環TL與最短電氣循環TS之間，是否間隔絕對循環TA內，若否，則返回步驟SC，若是，則進行下一步驟；步驟SF將最長電氣循環TL判定為曲軸11位於壓縮上死點位置；步驟SG驅動控制單元21以最長電氣循環TL定位曲軸11之位置，在引擎1熄火後，控制曲軸11轉動至一預定位置。

根據本發明之判斷流程，在確認引擎1為啟動後，三相霍爾感測器3會偵測一體式啟動發電機2之馬達2之轉子222上之訊號，並由驅動控制單元21以一個引擎動力循環TE之週期時間為準，以複數霍爾區間訊號計算出複數電氣循環TC，再從複數電氣循環TC找出最長電氣循環TL及最短電氣循環TS，接下來，再以預先設定之引擎1之絕對循環TA為基準，判斷最長電氣循環TL與最短電氣循環TS之間是否間隔絕對循環TA內。

若在最長電氣循環TL出現之後，最短電氣循環TS的出現在絕對循環TA內，代表最長電氣循環TL即為引擎1之曲軸11位於壓縮行程之上死點位置，若在最長電氣循環TL出現之後，最短電氣循環TS的出現不在絕對循環TA內，則重新統計一個引擎動力循環TE，並重複上述判斷流程，直到能夠確認最長電氣循環TL後與最短電氣循環TS間之間隔在絕對循環TA內為止。

上述引擎動力循環TE指引擎1之曲軸11正轉旋轉720度，絕對循環TA指引擎1之曲軸11在動力行程時，從壓縮上死點開始作動後，正轉旋轉之角度為120度至240度之間所需電氣循環TC之數量，最短電氣循環TS則是指曲軸11位於動力行程之下死點位置。

上述預定位置指引擎1之曲軸11在減壓裝置12未啟動時，從壓縮上死點正轉轉動0度至120度之位置，即圖1所示區域I之區間，使曲軸11在引擎1熄火後，預先處於所需扭力小之位置，便於進行下一次引擎發動，但 本發明並不侷限於此，預定位置所指曲軸11之角度位置範圍可視引擎1之容量大小及結構等而有所調整。

由上述內容可知，本發明之具一體式啟動發電機之引擎之曲軸角計算方法，利用原先設置於一體式啟動發電機2之三相霍爾感測器3，偵測馬達22之轉子222所產生之霍爾區間訊號變化，再以驅動控制單元21進行電氣循環TC之演算及比對，獲得引擎1之曲軸11之實際位置，並於機車熄火後控制曲軸11轉動至起動引擎所需扭力較小之位置，使曲軸11處於容易起動之位置而達到節能效果，不但減少了霍爾感測器之數量，也不須在轉子222上配合增設之霍爾感測器設置特殊磁極，因而簡化了一體式啟動發電機2之結構設計並減少製造成本。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

SA~SG‧‧‧步驟

SB1‧‧‧步驟

Claims (10)

1. 一種具一體式啟動發電機(ISG：Integrated Starter Generator)之引擎之曲軸角計算方法，一體式啟動發電機組設於一具有一引擎及一三相霍爾感測器之機車上，包括有一驅動控制單元及一馬達，該引擎具有一曲軸，該驅動控制單元控制該曲軸正轉或反轉，該馬達包括一定子及一轉子，該轉子具有複數成對磁極並與該曲軸連結且同軸旋轉，該三相霍爾感測器用以偵測該複數成對磁極並產生複數霍爾區間訊號；該引擎之曲軸角計算方法係僅用該三相霍爾感測器所產生之該複數霍爾區間訊號而得出，包括有下列步驟：(A)開啟該機車之電源；(B)起動該引擎，驅動該曲軸轉動；(C)該驅動控制單元接收一引擎動力循環內所產生之複數霍爾區間訊號；(D)該驅動控制單元以該複數霍爾區間訊號得出複數電氣循環，並從該複數電氣循環中尋找一最長電氣循環及一最短電氣循環；(E)該驅動控制單元判斷該最長電氣循環與該最短電氣循環之間，是否間隔一絕對循環內，若否，則返回步驟(C)，若是，則進行下一步驟；以及(F)將該最長電氣循環判定為該曲軸位於壓縮上死點(CTDC：Compression Top Dead Center)位置。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具一體式啟動發電機之引擎之曲軸角計算方法，其更包括一步驟(B1)：判斷該引擎是否運轉，若否，則返回步驟(B)，若是，則進行下一步驟。
3. 如申請專利範圍第1項所述之具一體式啟動發電機之引擎之曲軸角計算方法，其更包括一步驟(G)：該驅動控制單元以該最長電氣循環定位該曲軸之位置，在該引擎熄火後，控制該曲軸轉動至一預定位置。
4. 如申請專利範圍第3項所述之具一體式啟動發電機之引擎之曲軸角計算方法，其中，該預定位置係指該曲軸位於從壓縮上死點正轉旋轉0度至120度之位置。
5. 如申請專利範圍第1項所述之具一體式啟動發電機之引擎之曲軸角計算方法，其中，該引擎更包括一減壓裝置，該減壓裝置係為一單向式減壓裝置及一離心式減壓裝置之至少其一。
6. 如申請專利範圍第1項所述之具一體式啟動發電機之引擎之曲軸角計算方法，其中，該機車更包括一與該一體式啟動發電機電連結之引擎控制單元。
7. 如申請專利範圍第1項所述之具一體式啟動發電機之引擎之曲軸角計算方法，其中，該絕對循環係指該曲軸在動力行程時，從壓縮上死點起算，正轉旋轉之角度為120度至240度之間所需該電氣循環之數量。
8. 如申請專利範圍第1項所述之具一體式啟動發電機之引擎之曲軸角計算方法，其中，該引擎動力循環係指該曲軸正轉旋轉720度。
9. 如申請專利範圍第1項所述之具一體式啟動發電機之引擎之曲軸角計算方法，其中，該最短電氣循環係指該曲軸位於動力行程之下死點(BDC：Bottom Dead Center)位置。
10. 如申請專利範圍第1項所述之具一體式啟動發電機之引擎之曲軸角計算方法，其中，該三相霍爾感測器係設置於該引擎及該定子之其一。