TWI616057B - 電助自行車、馬達的驅動控制裝置以及其驅動控制方法 - Google Patents

Abstract

電助自行車、馬達的驅動控制裝置以及其驅動控制方法。馬達的驅動控制裝置包括驅動器、電壓偵測器以及控制處理器。驅動器依據電動輔助命令以產生多數個控制電壓，並提供多數個功率電晶體以依據控制電壓以驅動馬達。電壓偵測器接收多個相電壓。控制處理器用以：依據頻域分析計算對應各相電壓的直流成份值以及餘弦成份信號以及正弦成份信號；依據對應各相電壓的餘弦成份信號以及正弦成份信號以計算出對應各相電壓的相位幅度；以及，依據對應各相電壓的相位幅度以產生對應各相電壓的相位異常偵測結果。

Description

電助自行車、馬達的驅動控制裝置以及其驅動控制方法

本發明是有關於一種電助自行車、馬達的驅動控制裝置以及其驅動控制方法，且特別是有關於一種可偵測相位異常現象的電助自行車、馬達的驅動控制裝置以及其驅動控制方法。

在電助自行車的技術領域中，需要透過使用者踩踏自行車踏板方能啟動其動力馬達以控制動力的輸出。基於法規的限制，當自行車的車速達到限制標準（如25公里/小時）時，馬達的動力需停止輸出，以及，當使用者停止踩踏自行車踏板時，也可停止馬達的動力輸出。

基於自行車在道路上行駛的過程中，可能遭遇多種不同的狀況。因此，上述的馬達動力控制的限制，或許不足以提供使用者安全上的保障，以及確保自行車馬達不致損壞。也因此，提供更多的馬達動力控制的判斷方式為本領域技術人員重要的課題。

本發明提供一種電助自行車、馬達的驅動控制裝置以及其驅動控制方法，有效在適當的時機停止馬達運轉，防止馬達損毀並保障使用者的安全。

本發明的馬達的驅動控制裝置，包括驅動器、電壓偵測器以及控制處理器。驅動器依據電動輔助命令以產生多數個控制電壓，並提供多數個功率電晶體以依據控制電壓以驅動馬達。電壓偵測器耦接至功率電晶體並接收功率電晶體提供至馬達的多個相電壓。控制處理器耦接電壓偵測器，控制處理器用以：依據頻域分析計算對應各相電壓的直流成份值以及餘弦成份信號以及正弦成份信號；依據對應各相電壓的餘弦成份信號以及正弦成份信號以計算出對應各相電壓的相位幅度；以及，依據對應各相電壓的相位幅度以產生對應各相電壓的相位異常偵測結果。

在本發明的一實施例中，上述的控制處理器計算對應各相電壓的餘弦成份信號的最大振幅值以及正弦成份信號的最大振幅值，並依據對應各相電壓的餘弦成份信號的最大振幅值以及正弦成份信號的最大振幅值計算出對應各相電壓的相位幅度。

在本發明的一實施例中，上述的控制處理器比較對應各相電壓的相位幅度與臨界值，以判斷各相電壓是否異常。

在本發明的一實施例中，上述的控制處理器在相電壓的其中之一的相位幅度大於臨界值時傳送中斷命令至驅動器。其中，驅動器依據中斷命令使馬達停止運轉。

在本發明的一實施例中，上述的控制處理器更依據對應各相電壓的餘弦成份信號以及正弦成份信號以計算出對應各相電壓的相位角。

在本發明的一實施例中，上述的控制處理器判斷相電壓的相位角發生異常的至少其中之一異常相電壓，依據異常相電壓的相位角以計算出電晶體中發生異常的至少一故障電晶體。

在本發明的一實施例中，驅動控制裝置更包括攜帶式電子裝置。無線耦接控制處理器，接收相位異常偵測結果，並產生警示訊號。

在本發明的一實施例中，上述的攜帶式電子裝置包括無線傳輸介面、信號處理器以及使用者警示介面。無線傳輸介面無線耦接控制處理器，接收相位異常偵測結果。信號處理器耦接無線傳輸介面，接收並針對相位異常偵測結果進行處理以產生處理資訊。使用者警示介面耦接信號處理器，依據處理資訊以產生警示訊號。

在本發明的一實施例中，驅動控制裝置更包括濾波器。濾波器耦接在電壓偵測器及控制處理器間，針對相電壓進行濾波。

本發明的電助自行車包括馬達以及上述的驅動控制裝置。驅動控制裝置耦接至馬達，並用以驅動馬達進行運轉。

本發明的馬達的驅動控制方法包括：依據電動輔助命令以產生多數個控制電壓，並提供多數個功率電晶體以依據控制電壓以驅動馬達；依據頻域分析計算對應各相電壓的直流成份值以及餘弦成份信號以及正弦成份信號；依據對應各相電壓的餘弦成份信號以及正弦成份信號以計算出對應各相電壓的相位幅度；以及，依據對應各相電壓的相位幅度以產生對應各該相電壓的相位異常偵測結果。

基於上述，本發明透過計算馬達的各相電壓的相位幅度，並依據各相電壓的相位幅度的大小來判定馬達有無發生相電壓異常的現象。並且，在當馬達有發生相電壓異常的現象時，使馬達的運轉關閉，防止馬達損毀，並有效的保護使用者的安全。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

請參照圖1，圖1繪示本發明一實施例的馬達的驅動控制裝置的示意圖。驅動控制裝置100用以驅動馬達MT，驅動控制裝置100包括驅動器110、電壓偵測器120、控制處理器130以及濾波器140。驅動器110依據電動輔助命令CMD以產生多數個控制電壓CVx，並提供多數個功率電晶體PTx以依據控制電壓CVx以驅動馬達MT。其中，功率電晶體PTx依據控制電壓CVx產生多個相電壓Va、Vb以及Vc。相電壓Va、Vb以及Vc被提供至馬達MT以驅動馬達MT的旋轉動作。其中，馬達MT可以是無刷馬達。

在本實施例中，電壓偵測器120耦接至驅動器110，並用以感測功率電晶體PTx提供的相電壓Va、Vb以及Vc。為提升信號品質，電壓偵測器120所感測到的相電壓Va、Vb以及Vc可傳送至濾波器140，並透過濾波器140濾除相電壓Va、Vb以及Vc上不必要的雜訊。

控制處理器130耦接至濾波器140，並接收經過濾波後的相電壓Va、Vb以及Vc。控制處理器130並針對相電壓Va、Vb以及Vc執行信號分析動作，以偵測有無發生相位異常的現象。

關於本發明實施例的相位異常的判斷流程，請參照圖2繪示本發明實施例的驅動控制方法的流程圖。其中，步驟S210中，控制處理器130可接收功率電晶體所提供的相電壓Va、Vb、Vc。並且，控制處理器130在步驟S220中針對相電壓Va、Vb、Vc值行頻域分析計算（例如傅利葉分析），並藉以針對各個相電壓Va、Vb、Vc進行分解，以產生對應各個相電壓的直流成份值、正弦成份信號以及餘弦成份信號。

以相電壓Va為範例，控制處理器130可針對相電壓Va進行傅利葉轉換，並使相電壓Va以下示的數學式(1)來表示：

(1)

其中，a ₀為相電壓Va的直流成份值，a _n為相電壓Va的餘弦成份信號的最大振幅值，b _n則為相電壓Va的正弦成份信號的最大振幅值。而最大振幅值a _n以及b _n又可分別表示如下示的數學式(2)及(3)：

(2)

(3)

其中，T為正弦成份信號及餘弦成份信號的週期。

控制處理器130並執行步驟S230，以依據對應各相電壓Va、Vb、Vc的餘弦成份信號以及正弦成份信號的最大振幅值（例如a _n以及b _n）來計算出對應各相電壓Va、Vb、Vc的相位幅度。其中，相位幅度M可以依數學式(4)來進行計算：

(4)

此外，控制處理器130另可針對對應各相電壓Va、Vb、Vc的相位角進行計算，其中，相位角A的計算方式如下示的數學式(5)：

(5)

接著，在步驟S240中，控制處理器130可判斷對應各該相電壓Va、Vb、Vc的相位幅度是否遠大於0來判斷出是否發生相位異常，並產生相位異常偵測結果。在實際的動作上，以對應相電壓Va為範例，控制處理器130可判斷相位幅度M是否大於預設的臨界值來判定相電壓Va有無發生相位異常。其中，預設的臨界值為大於0的數值，舉例來說，臨界值可以等於1。

當然，臨界值的大小可由設計者進行調整，並未設置需等於1，其中，設計者可以依據馬達MT所屬的自行車的行駛環境加以調整，沒有固定的限制。

當控制處理器130所獲得的相位異常偵測結果指示有發生相位異常現象時，可傳送一中斷命令至驅動器110，並使驅動器110依據中斷命令使馬達MT停止運轉，以確保馬達MT不發生損毀，並確保使用者的人身安全。

以下請參照圖3，圖3繪示本發明實施例的馬達的驅動控制方法的流程圖。首先，在步驟S310中接收多個驅動馬達的相電壓，並且，在步驟S320中進行傅利葉分析，將所接收的各個相電壓分解為直流成份值、正弦成份信號以及餘弦成份信號。並且，在步驟S330中計算正弦成份信號以及餘弦成份信號最大振幅值。再依據正弦成份信號以及餘弦成份信號最大振幅值來算出對應各相電壓的相位幅度以及相位角（步驟S340）。

在步驟S350中，使步驟S340中所獲得的相位幅度與預設值（等於1）進行比較，若相位幅度大於1，表示相位幅度遠大於0，則執行步驟S360使馬達停止運轉，接著，並依據步驟S340中所獲得的相位角來判斷出發生故障的功率電晶體。相對的，若步驟S350判斷出的相位幅度不大於1，則重新執行步驟S310以針對相電壓進行持續的監測動作。

附帶一提的，驅動馬達的驅動器，常應用多個功率電晶體串所形成的逆變器（inverter）來建構。舉例來說，驅動器中利用三個功率電晶體串產生三個相電壓，並應用三個相電壓驅動馬達。而功率電晶體串受控於脈寬調變（pulse width modulation, PWM）信號，並使對應產生的相電壓拉高、拉低或浮置，並藉以在空間向量平面上呈現出不同的相位角。因此，透過計算發生相位異常時對應的相位角，可以獲知功率電晶體中的何者發生異常。

接著請參照圖4，圖4繪示本發明另一實施例的馬達的驅動控制裝置的示意圖。驅動控制裝置400包括驅動器410、電壓偵測器423、濾波器422、控制處理器421以及霍爾偵測器430。驅動器410包括三相電壓命令產生器411、運算器OP1~OP3、脈寬調變（PWM）電壓控制器412以及多個功率電晶體413。三相電壓命令產生器411接收電動輔助命令V ^*並依據電動輔助命令V ^*產生命令相電壓Va ^*、Vb ^*、Vc ^*。運算器OP1~OP3分別接收命令相電壓Va ^*、Vb ^*、Vc ^*，並使命令相電壓Va ^*、Vb ^*、Vc ^*分別與濾波器422所提供的濾波後相電壓Va1、Vb1以及Vc1相減。PWM電壓控制器412接收運算器OP1~OP3產生的運算結果，並據以產生控制電壓Q1~Q6以分別控制功率電晶體413（功率電晶體413可以包括六個功率電晶體）。PWM電壓控制器412耦接至功率電晶體413，功率電晶體413則提供相電壓Va、Vb、Vc以驅動馬達MT。

值得一提的，本發明實施例更包括霍爾偵測器（Hall sensor）430耦接至馬達MT，以偵測馬達MT的轉動資訊qe。轉動資訊qe被提供至三相電壓命令產生器411以做為其產生命令相電壓Va ^*、Vb ^*、Vc ^*的依據。

以下請參照圖5，圖5繪示本發明實施例的驅動控制裝置的部分方塊圖。在圖5中，驅動控制裝置500更包括攜帶式電子裝置510。攜帶式電子裝置510與控制處理器520無線耦接，並透過無線通信方式來進行資訊傳輸動作。攜帶式電子裝置510包括無線傳輸介面511、信號處理器512以及使用者警示介面513。無線傳輸介面511無線耦接控制處理器520，並接收控制處理器520所產生的相位異常偵測結果。信號處理器512耦接無線傳輸介面511，接收並針對相位異常偵測結果進行處理以產生處理資訊。使用者警示介面513耦接信號處理器512，依據處理資訊以產生警示訊號。在此，攜帶式電子裝置510可配戴在使用者身上的任意部位，而警示訊號可以是聲音、影像以及震動等至少其中之一的訊號。並在當相位異常現象發生時，通知使用者相關的異常現象，以及馬達停止運作的原因。

請參照圖6，圖6繪示本發明一實施例的電助自行車的示意圖。電助自行車600包括車體610、馬達620以及驅動控制裝置630。馬達620可以配置在電助自行車600的前輪或後輪的輪軸上，或是配置在五通的位置上，而驅動控制裝置630則可固定於車體610的任一位置上。驅動控制裝置630與馬達620則可透過導線相互電性連接。

本實施例中的驅動控制裝置630與前述實施例的驅動控制裝置相同。而其運作細節在前述的實施例及實施方式中已有詳盡的說明，在此恕不多贅述。

綜上所述，本發明透過偵測驅動馬達的相電壓，並分析其相位幅度來獲知有無產生相位異常的情形，且在當相位異常發生時關閉馬達的運作。如此一來，可有效保護馬達在異常狀態下所可能產生的損毀現象，更可確保使用者的安全。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100、400‧‧‧驅動控制裝置

MT‧‧‧馬達

110、410‧‧‧驅動器

120、423‧‧‧電壓偵測器

130、421‧‧‧控制處理器

140、422‧‧‧濾波器

CMD‧‧‧電動輔助命令

CVx‧‧‧控制電壓

PTx、413‧‧‧功率電晶體

Va、Vb、Vc‧‧‧相電壓

S210~S240、S310~S360‧‧‧驅動控制方法的步驟

411‧‧‧三相電壓命令產生器

OP1~OP3‧‧‧運算器

412‧‧‧PWM電壓控制器

V^*‧‧‧電動輔助命令

Va^*、Vb^*、Vc^*‧‧‧命令相電壓

Va1、Vb1、Vc1‧‧‧濾波後相電壓

Q1~Q6‧‧‧控制電壓

qe‧‧‧轉動資訊

500‧‧‧驅動控制裝置

510‧‧‧攜帶式電子裝置

520‧‧‧控制處理器

511‧‧‧無線傳輸介面

512‧‧‧信號處理器

513‧‧‧使用者警示介面

600‧‧‧電助自行車

610‧‧‧車體

620‧‧‧馬達

630‧‧‧驅動控制裝置

圖1繪示本發明一實施例的馬達的驅動控制裝置的示意圖。 圖2繪示本發明實施例的驅動控制方法的流程圖。 圖3繪示本發明實施例的馬達的驅動控制方法的流程圖。 圖4繪示本發明另一實施例的馬達的驅動控制裝置的示意圖。 圖5繪示本發明實施例的驅動控制裝置的部分方塊圖。 圖6繪示本發明一實施例的電助自行車的示意圖。

100‧‧‧驅動控制裝置

MT‧‧‧馬達

110‧‧‧驅動器

120‧‧‧電壓偵測器

130‧‧‧控制處理器

140‧‧‧濾波器

CMD‧‧‧電動輔助命令

CVx‧‧‧控制電壓

PTx‧‧‧功率電晶體

Va、Vb、Vc‧‧‧相電壓

Claims (17)

1. 一種馬達的驅動控制裝置，包括：一驅動器，依據一電動輔助命令以產生多數個控制電壓，並提供多數個功率電晶體以依據該些控制電壓以驅動該馬達；一電壓偵測器，耦接至該些功率電晶體並接收該些功率電晶體提供至該馬達的多個相電壓；以及一控制處理器，耦接該電壓偵測器，該控制處理器用以：依據頻域分析計算對應各該相電壓的直流成份值以及餘弦成份信號以及正弦成份信號；依據對應各該相電壓的餘弦成份信號以及正弦成份信號以計算出對應各該相電壓的相位幅度；以及依據對應各該相電壓的相位幅度以產生對應各該相電壓的相位異常偵測結果。
2. 如申請專利範圍第1項所述的馬達的驅動控制裝置，其中該控制處理器計算對應各該相電壓的餘弦成份信號的最大振幅值以及正弦成份信號的最大振幅值，並依據對應各該相電壓的餘弦成份信號的最大振幅值以及正弦成份信號的最大振幅值計算出對應各該相電壓的相位幅度。
3. 如申請專利範圍第1項所述的馬達的驅動控制裝置，其中該控制處理器比較對應各該相電壓的相位幅度與一臨界值，以判斷各該相電壓是否異常。
4. 如申請專利範圍第3項所述的馬達的驅動控制裝置，其中該控制處理器在該些相電壓的其中之一的相位幅度大於該臨界值時傳送一中斷命令至該驅動器，其中，該驅動器依據該中斷命令使該馬達停止運轉。
5. 如申請專利範圍第4項所述的馬達的驅動控制裝置，其中該控制處理器更依據對應各該相電壓的餘弦成份信號以及正弦成份信號以計算出對應各該相電壓的相位角。
6. 如申請專利範圍第5項所述的馬達的驅動控制裝置，其中該控制處理器判斷該些相電壓的相位角發生異常的至少其中之一異常相電壓，依據該至少一異常相電壓的相位角以計算出該些電晶體中發生異常的至少一故障電晶體。
7. 如申請專利範圍第1項所述的馬達的驅動控制裝置，其中更包括：一攜帶式電子裝置，耦接該控制處理器，接收對應該些相位異常偵測結果，並產生一警示訊號。
8. 如申請專利範圍第7項所述的馬達的驅動控制裝置，其中該攜帶式電子裝置包括：一無線傳輸介面，無線耦接該控制處理器，接收該些相位異常偵測結果；一信號處理器，耦接該無線傳輸介面，接收並針對該些相位異常偵測結果進行處理以產生一處理資訊；以及 一使用者警示介面，耦接該信號處理器，依據該處理資訊以產生該警示訊號。
9. 如申請專利範圍第1項所述的馬達的驅動控制裝置，其中更包括：一濾波器，耦接在該電壓偵測器及該控制處理器間，針對該些相電壓進行濾波。
10. 一種電助自行車，包括：一馬達；以及如申請專利範圍1-9項中任一項所述的驅動控制裝置，耦接至該馬達，並用以驅動該馬達進行運轉。
11. 一種馬達的驅動控制方法，包括：依據一電動輔助命令以產生多數個控制電壓，並提供多數個功率電晶體以依據該些控制電壓以驅動該馬達；依據頻域分析多個相電壓，並計算對應各該相電壓的直流成份值以及餘弦成份信號以及正弦成份信號；依據對應各該相電壓的餘弦成份信號以及正弦成份信號以計算出對應各該相電壓的相位幅度；以及依據對應各該相電壓的相位幅度以產生對應各該相電壓的相位異常偵測結果。
12. 如申請專利範圍第11項所述的驅動控制方法，其中依據對應各該相電壓的餘弦成份信號以及正弦成份信號以計算出對應各該相電壓的相位幅度的步驟包括：計算對應各該相電壓的餘弦成份信號的最大振幅值以及正弦成份信號的最大振幅值；以及依據對應各該相電壓的餘弦成份信號的最大振幅值以及正弦成份信號的最大振幅值計算出對應各該相電壓的相位幅度。
13. 如申請專利範圍第11項所述的驅動控制方法，其中依據對應各該相電壓的相位幅度以產生對應各該相電壓的相位異常偵測結果的步驟包括：比較對應各該相電壓的相位幅度與一臨界值，以判斷各該相電壓是否異常。
14. 如申請專利範圍第13項所述的驅動控制方法，其中更包括：在該些相電壓的其中之一的相位幅度大於該臨界值時傳送一中斷命令至該驅動器，其中，該驅動器依據該中斷命令使該馬達停止運轉。
15. 如申請專利範圍第14項所述的驅動控制方法，其中更包括：依據對應各該相電壓的餘弦成份信號以及正弦成份信號以計算出對應各該相電壓的相位角。
16. 如申請專利範圍第15項所述的驅動控制方法，其中更包括：判斷該些相電壓的相位角發生異常的至少其中之一異常相電壓；以及依據該至少一異常相電壓的相位角以計算出該些電晶體中發生異常的至少一故障電晶體。
17. 如申請專利範圍第15項所述的驅動控制方法，其中更包括：傳送對應各該相電壓的相位異常偵測結果至一攜帶式電子裝置；以及使該攜帶式電子裝置依據對應各該相電壓的相位異常偵測結果發送警示信號。