TWI740751B - 適用於啟動一體式馬達發電機的發電機控制裝置及其發電機啟動方法 - Google Patents

Abstract

一種一體式馬達發電機之發電機啟動方法，係通過驅動無位置感測器之馬達發電機而帶動引擎啟動，發電機啟動方法包括下列步驟：(a)在一速度開迴路控制模式投入具有頻率與振幅的驅動電流驅動馬達發電機反轉，且根據馬達發電機的驅動電壓與驅動電流獲得負載資訊；(b)確認負載資訊是否滿足重載條件；(c)當判斷負載資訊滿足重載條件時，停止反轉馬達發電機；(d)正轉馬達發電機而帶動引擎啟動。

Description

適用於啟動一體式馬達發電機的發電機控制裝置及其發電機 啟動方法

本發明係有關一種適用於啟動一體式馬達發電機的發電機控制裝置及其發電機啟動方法，尤指一種無感測器的發電機控制裝置及其發電機啟動方法。

傳統可攜式發電機系統通常以手拉閥來啟動引擎，近年來以按鍵啟動的可攜式發電機逐漸成為市場主流，而市場上通常使用直流有刷馬達作為動力的啟動系統。但由於直流有刷馬達有噪音大、易損壞與佔空間等缺點，因此可攜式發電機系統廠商多朝向使用一體式啟動馬達發電機(Integrated Starter Generator；ISG)系統，亦即將馬達發電機在啟動時當作馬達來啟動引擎，在啟動引擎後作為發電機使用，以取代傳統直流馬達之啟動系統，但如何有效實現ISG與整合現行發電機之電氣系統，成為各家廠商技術競逐的方向。

如圖1所示為引擎缸內壓力示意圖，由此圖可看出，當引擎活塞P位於壓縮上死點Cp(Compression Top)時，缸內壓力非常大，因此要帶動引擎旋轉所需要的扭力需求非常大。通常必須要由馬達發電機的轉子在阻力低的區域Rl正轉帶動引擎，並利用馬達發電機的轉動慣量加成來協助越過壓縮上死點，方能順利啟動引擎。但是以往的啟動方式不外乎：1.偵測引擎曲柄位置或馬達發電機飛輪位置，2.持續反轉固定的弧度，3.偵測馬達發電機的轉速是否降低。其中，上述第1與3點，控制系統需要具有位置或轉速的感測器，方能得知馬達發電機的轉子位置及轉速，因此並不適用於無感測器的控制系統。上述第2點，因為轉子每一次起始的位置都不盡相同，倘若都持續轉動固定的弧度才停止，會造成時間的浪費及多餘的功率消耗。

為此，如何設計出一種適用於啟動一體式馬達發電機的發電機控制裝置及其發電機啟動方法，通過無感測器的發電機控制裝置來降低電路成本，且縮短引擎啟動的時間，乃為本案發明人所研究的重要課題。

本發明之目的在於提供一體式馬達發電機之發電機啟動方法，解決現有技術之問題。

為達成前揭目的，本發明所提出的發電機啟動方法，係通過驅動無位置感測器之馬達發電機而帶動引擎啟動，發電機啟動方法包括下列步驟：(a)在速度開迴路控制模式投入具有第一頻率與第一振幅的第一驅動電流驅動馬達發電機反轉，且根據馬達發電機的驅動電壓與第一驅動電流獲得第一負載資訊。 (b)確認第一負載資訊是否滿足重載條件(c)當判斷第一負載資訊滿足重載條件時，停止反轉馬達發電機。及(d)正轉馬達發電機而帶動引擎啟動。

本發明之再另一目的在於提供一種適用於啟動一體式馬達發電機的發電機控制裝置，解決現有技術之問題。

為達成前揭目的，本發明所提出的發電機控制裝置，耦接無位置感測器之馬達發電機，且馬達發電機帶動引擎啟動，發電機控制裝置包括：逆變器與控制模組，逆變器接收直流電壓，且耦接馬達發電機。控制模組耦接逆變器與馬達發電機，且提供脈寬調變信號至逆變器，使逆變器轉換直流電壓為驅動電壓與驅動電流而驅動該馬達發電機。其中，於馬達發電機啟動以帶動引擎運轉的啟動模式下，控制模組採用速度開迴路控制模式；即控制模組在不參考馬達發電機的轉速的情況下，根據驅動電壓驅動電流是否對應地滿足重載條件而調整脈寬調變信號，以控制馬達發電機正轉或反轉而帶動引擎啟動。

本發明之主要目的及功效在於，由於本發明之發電機控制裝置係於馬達發電機的啟動模式採速度開迴路控制模式，即在不參考馬達發電機的轉速的情況下提供具有振幅及頻率的驅動電流控制馬達發電機正轉或反轉，因此不需要位置感測器或轉速資訊即可於馬達發電機反轉的過程估測馬達發電機的負載大小，以利馬達發電機啟動模式的後續控制，相較先前技術使用轉速資訊來判斷馬達發電機負載大小的方法，在馬達發電機的轉子初始位置較靠近負載死點時有更佳的負載預估精準度；且由於發電機控制裝置係利用第一負載資訊與對應的重載條件作為停止反轉的判斷依據，因此相較於使用位置感測器將馬達轉子持續轉動一預設弧度的先前技術，可大幅度降低啟動引擎的時間與消耗的功率。

為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

P:引擎活塞

Cp:壓縮上死點

1:發電機控制裝置

10:逆變器

12:控制模組

122:脈寬調變單元

124:驅動單元

124A:第一轉換單元

124B:q軸電流控制器

124C:d軸電流控制器

124D:第二轉換單元

126:負載偵測單元

128:迴路控制單元

128A:開迴路控制單元

128B:閉迴路控制單元

130:控制單元

130A:估測單元

130B:切換單元

140:低通濾波單元

2:馬達發電機

3:引擎

Vdr、Vdr1~Vdr3:驅動電壓

Vdc:直流電壓

Idr、Idr1~Idr3:驅動電流

PWM:脈寬調變信號

Sc1~Sc3:控制訊號

Sl:負載訊號

Sid:d軸電流訊號

Siq:q軸電流訊號

Svd:d軸電壓訊號

Svq:q軸電壓訊號

Vi1:第一負載資訊

Vi2:第二負載資訊

Vth:第一門檻值

Cc:控制命令

Cc1:第一控制命令

Cc2:第二控制命令

Cid、Ciq:電流命令

θ r:角度命令

Cs:啟動命令

Cclose:閉迴路控制命令

Ipeak:電流峰值

f:頻率

Sp:轉速

ω:角速度

θ e:電氣角

Rs:等效電阻

Ls:等效電感

Vrs、Vls:跨壓

Vz:阻抗電壓

Vemf:反電動勢電壓

P1、P2、P3:點位

(S100)~(S200)、I~II:步驟

T1~T5:時段

圖1為引擎缸內壓力示意圖；圖2為本發明適用於一體式馬達發電機的發電機控制裝置之電路方塊圖；圖3A為本發明馬達發電機單相等效電路示意圖；圖3B為本發明驅動電壓與驅動電流投射到dq軸座標第一實施例的向量示意圖；圖3C為本發明驅動電壓與驅動電流投射到dq軸座標第二實施例的向量示意圖；圖4為本發明馬達發電機之發電機啟動方法；圖5A為本發明馬達發電機啟動引擎時的過程示意圖；圖5B為本發明馬達發電機啟動引擎時的第一波形示意圖；圖5C為本發明馬達發電機啟動引擎時的第二波形示意圖；及圖6為本發明啟動模式下的波形圖。

茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下。

請參見圖2為本發明適用於一體式馬達發電機的發電機控制裝置之電路方塊圖。發電機控制裝置1耦接一體式馬達發電機2(Integrated Starter Generator；ISG，之後簡稱馬達發電機)，且馬達發電機2帶動引擎3啟動。在啟動模式下，馬達發電機2以馬達的形式運作而啟動引擎3；在引擎3爆發啟動後，再進入發電機模式，由引擎3帶動馬達發電機2以發電機的形式運作而產生電力。發電機控制裝置1在啟動引擎3的啟動模式時，由直流電壓Vdc供電而驅動馬達發電機2，使馬達發電機2運轉而啟動引擎3。發電機控制裝置1在引擎3啟動後的發電模式時，引擎3帶動馬達發電機2而使馬達發電機2提供驅動電壓Vdr1~Vdr3(分別代表馬達發電機2對應的相次)的資訊至發電機控制裝置1。

發電機控制裝置1包括逆變器10與控制模組12，逆變器10一端接收直流電壓Vdc，且另一端耦接馬達發電機2。控制模組12耦接逆變器10，且在啟動模式時，控制模組12提供脈寬調變信號PWM控制逆變器10將直流電壓Vdc轉換為交流的驅動電壓Vdr1~Vdr3，以提供驅動電壓Vdr1~Vdr3與驅動電流Idr1~Idr3驅動馬達發電機2。控制模組12包括脈寬調變單元122、驅動單元124、負載偵測單元126及迴路控制單元128，且脈寬調變單元122耦接逆變器10，脈寬調變單元用以根據控制訊號Sc1~Sc3調製脈寬調變信號PWM。驅動單元124耦接脈寬調變單元122與馬達發電機2，且於驅動馬達發電機從靜止開始反轉的過程，根據驅動電壓Vdr1~Vdr3與驅動電流Idr1~Idr3(分別代表馬達發電機2對應的相次)提供第一負載資訊Vi1。

負載偵測單元126耦接驅動單元124，且判斷第一負載資訊Vi1的值是否滿足重載條件，且根據判斷結果提供負載訊號Sl。其中，於本發明的實施例中，重載條件可以有以下四種但不限於的可能態樣：第一種為第一負載資訊 Vi1由大於等於第一門檻值變化至小於第一門檻值；第二種為第一負載資訊Vi1持續小於第一門檻值經過預設時間；第三種為第一負載資訊Vi1由小於等於第二門檻值變化至大於第二門檻值；或者，第四種為第一負載資訊Vi1持續大於第二門檻值經過預設時間。當在啟動模式下反轉馬達發電機2的過程中，負載偵測單元126判斷第一負載資訊Vi1滿足上述重載條件時，提供代表停止反轉並開始正轉馬達發電機2轉子的負載訊號Sl，反之則提供代表反轉馬達發電機2轉子的負載訊號Sl。迴路控制單元128耦接該負載偵測單元與該驅動單元，且於速度開迴路控制模式下根據該負載訊號Sl提供驅動馬達發電機2正轉或反轉的控制命令Cc至驅動單元124，且控制命令Cc包括調控馬達發電機2轉速的電流命令Cid、Ciq與調控馬達發電機2角度的角度命令θ r。驅動單元124根據驅動電流Idr1~Idr3與控制命令Cc產生控制訊號Sc1~Sc3(分別代表馬達發電機2對應的相次)，使脈寬調變單元122對應地調製適於控制馬達發電機2的脈寬調變信號PWM。

驅動單元124包括第一轉換單元124A、q軸電流控制器124B、d軸電流控制器124C及第二轉換單元124D，且第一轉換單元124A耦接逆變器10的輸出端與迴路控制單元128。第一轉換單元124A接收驅動電流Idr1~Idr3的資訊與來自迴路控制單元128的角度命令θ r，且根據驅動電流Idr1~Idr3與角度命令θ r提供dq軸向的d軸電流訊號Sid與q軸電流訊號Siq。q軸電流控制器124B耦接第一轉換單元124A、第二轉換單元124D及迴路控制單元128，且根據q軸電流訊號Siq與q軸電流命令Ciq產生q軸電壓訊號Svq，q軸電壓訊號Svq為驅動電壓Vdr1~Vdr3向量之和對應於dq軸座標的水平軸(q軸)分量。d軸電流控制器124C耦接第一轉換單元124A、第二轉換單元124D及迴路控制單元128， 且根據d軸電流訊號Sid與d軸電流命令Cid產生d軸電壓訊號Svd，d軸電壓訊號Svd為驅動電壓Vdr1~Vdr3向量之和對應於dq軸座標的垂直軸(d軸)分量。第二轉換單元124D耦接脈寬調變單元122與迴路控制單元128，且根據q軸電壓訊號Svq、d軸電壓訊號Svd及角度命令θ r提供控制訊號Sc1~Sc3至脈寬調變單元122。

負載偵測單元126用以根據第一負載資訊Vi1判斷馬達發電機2的轉子是否已反轉至引擎3壓縮上死點之前的位置，且對應地提供負載訊號Sl至迴路控制單元128，第一負載資訊Vi1可以為q軸電壓訊號Svq(以虛線表示)或d軸電壓訊號Svd(以實線表示)。具體而言，當轉子反轉至越靠近壓縮上死點時，負載會越重。因此，可以利用負載量的大小判斷馬達發電機2的轉子是否已反轉至合適的位置，以確保每次正轉啟動都有最長的啟動行程(具有最大轉動慣量來越過壓縮上死點)。進一步來說，當負載愈重時，馬達電動機輸出的機械功率中，實功的比例會越高，意即將驅動電壓投射於dq軸上時，其與水平軸q軸的夾角會越小，相對地代表負載資訊Vi1的d軸電壓訊號Svd會越小，且代表負載資訊Vi1的q軸電壓訊號Svq會越大。意即，利用負載偵測單元126判斷第一負載資訊Vi1的值變化是否滿足前述的重載條件，當第一負載資訊Vi1的值變化滿足前述的重載條件時，代表馬達發電機2的轉子已接近引擎壓縮死點，反轉至合適的啟動位置。藉此，能夠避免習知技術在馬達發電機於啟動模式時，無論馬達在什麼初始位置都讓馬達的轉子轉動固定的弧度，而可能造成虛耗能量或產生噪音的問題，因此可降低啟動時的功耗以及降低硬體規格；此外，亦不需仰賴位置感測器或轉速資訊即能更精準地估計馬達發電機當下的負載，且根據負載狀況自動調整反轉時間，節省多餘的啟動時間。

迴路控制單元128包括開迴路控制單元128A與閉迴路控制單元128B，且開迴路控制單元128A耦接驅動單元124與負載偵測單元126。在啟動模式時，開迴路控制單元128A不參考估測的馬達轉速資訊，而是根據負載訊號Sl提供控制馬達發電機2正轉或反轉的第一控制命令Cc1與第二控制命令Cc2，且第一控制命令Cc1與第二控制命令Cc2也包括驅動馬達發電機2的電流命令Cid、Ciq。在啟動模式，當開迴路控制單元128A根據負載訊號Sl得知第一負載資訊Vi1的值並未滿足前述的重載條件時，代表轉子尚未反轉至合適的啟動位置，則開迴路控制單元128A提供用以控制馬達發電機2反轉的第一控制命令Cc1。第一控制命令Cc1驅使控制模組12提供的驅動電流Idr1~Idr3為具有第一頻率與第一振幅的第一驅動電流，驅動馬達發電機2反轉。其中，第一驅動電流的第一頻率與第一振幅在經過持續時間後，最終會維持基本上為固定值的第一固定頻率與第一固定振幅。例如但不限於，可以先將第一驅動電流的第一頻率與第一振幅在持續時間內由0以一斜率逐漸增加等多種方式施行。由於第一控制命令Cc1並未參考馬達發電機2的轉速作為控制依據，故此控制方法可稱為速度開迴路控制(I/F控制)模式。

當開迴路控制單元128A根據負載訊號Sl得知第一負載資訊Vi1的值滿足前述的重載條件時，代表轉子已反轉至合適的啟動位置。開迴路控制單元128A提供用以控制馬達發電機2停止並開始正轉的第二控制命令Cc2。第二控制命令Cc2驅使控制模組12提供的驅動電流Idr1~Idr3為具有第二頻率與第二振幅的第二驅動電流，驅動馬達發電機2正轉。相似於第一驅動電流，第二驅動電流的第二頻率與第二振幅在經過持續時間後，會維持基本上為固定值的第二固定頻率與第二固定振幅。並且，第二控制命令Cc2與第一控制命令Cc1相 同，並未參考馬達發電機2的轉速作為控制依據，故一樣也是速度開迴路控制(I/F控制)模式。其中，第一控制命令Cc1與第二控制命令Cc2也包括調控馬達發電機2角度的角度命令θ r，其提供至驅動單元124輔以控制馬達發電機2正轉與反轉的角度。

於本發明之一實施例中，開迴路控制單元128A更提供啟動命令Cs至驅動單元124，以對馬達發電機2進行激磁對位。具體而言，在發電機控制裝置1欲對馬達發電機2進行啟動模式前，可以先對馬達發電機2的轉子進行直流激磁對位，以在後續的啟動模式時，對轉子的運轉控制能較為順利。因此，開迴路控制單元128A提供啟動命令Cs至驅動單元124，使驅動單元124能夠投入一個預定角度的電流分量將馬達發電機2的轉子吸附到此預定角度。

於本發明之一實施例中，控制模組12更可在開迴路控制單元128A提供第一控制命令Cc1與提供該第二控制命令Cc2之間，設定預定等待時間。設定預定等待時間的目的在於，等待馬達發電機2完全靜止時再進行正轉的控制，能夠驅使馬達發電機2帶動引擎3啟動的過程更加穩定與順利，以提高引擎3順利啟動的機率。

閉迴路控制單元128B耦接驅動單元124與負載偵測單元126，且根據馬達發電機2的轉速是否到達預設轉速而對馬達發電機2進行正轉閉迴路控制。具體而言，在開迴路控制單元128A提供第二控制命令Cc2，驅動馬達發電機2正轉後，且馬達發電機2的轉速到達預設轉速時，代表引擎3已可順利啟動。在此之後，必須要採用回授控制(例如但不限於PI控制)回授驅動電流Idr1~Idr3資訊並估測轉速資訊作為控制依據，方能使馬達發電機2穩定的運行。因此，在馬達發電機的轉速到達預設轉速時，改由閉迴路控制單元128B提供閉迴 路控制命令Cclose，以對馬達發電機2進行正轉閉迴路控制。其中，閉迴路控制命令Cclose包括調控馬達發電機2轉速的電流命令Cid、Ciq與調控馬達發電機2角度的角度命令θ r。

進一步而言，由於本發明之發電機控制裝置1為無感測器之控制裝置(無位置)，因此在判斷馬達正轉轉速是否已達一預設轉速，可以由速度開迴路控制模式轉為閉迴路控制模式時，或於閉迴路控制模式下，皆需估測馬達發電機2的轉速及轉子位置。因此，控制模組12更包括控制單元130，且控制單元130耦接驅動單元124與迴路控制單元128。控制單元130包括估測單元130A與切換單元130B，估測單元130A耦接驅動單元124與切換單元130B，且切換單元130B耦接迴路控制單元128。估測單元130A根據對應驅動電流Idr1~Idr3的d軸電流訊號Sid、q軸電流訊號Siq、d軸電壓訊號Svd及q軸電壓訊號Svq估測馬達發電機2的角速度ω與電氣角θ e，且角速度ω即可對應馬達發電機2轉速。切換單元130B接收角速度ω，且根據角速度ω選擇性地將驅動單元124切換耦接至開迴路控制單元128A或閉迴路控制單元128B，以使迴路控制單元128根據馬達發電機2的運行狀況提供相應的控制命令Cc。電氣角θ e提供至迴路控制單元128，使迴路控制單元128根據電氣角θ e提供相應的角度命令θ r。進一步來說，在本發明的一實施例中，於啟動模式下，當馬達發電機2為靜止的初始狀態時，驅動單元124預設為耦接至開迴路控制單元128A，以對馬達發電機2進行速度開迴路的反轉與正轉控制；而當完成前述馬達發電機2的反轉與正轉速度開迴路控制流程，且馬達發電機2的轉速到達預設轉速時，切換單元130B才會將驅動單元124切換耦接至閉迴路控制單元128B，以對馬達發電機2進行後續的閉迴路控制。其中，由於本發明之發電機控制裝置1省去較於昂貴的感測 器(例如但不限於霍爾感測器)的電路成本，因此本發明之發電機控制裝置1可達成降低電路成本之功效。

請參閱圖2，在本發明的一實施例中，控制模組12更包括低通濾波單元140。低通濾波單元140耦接驅動單元124與負載偵測單元126，且將驅動單元124所提供的第二負載資訊Vi2(即為q軸電壓訊號Svq或d軸電壓訊號Svd)低通濾波為第一負載資訊Vi1。具體而言，由於q軸電壓訊號Svq與d軸電壓訊號Svd為具有高頻成分的直流訊號，其高頻成分可能對負載偵測單元126造成干擾而發生訊號誤判的風險，因此通過低通濾波單元140濾除第二負載資訊Vi2的高頻雜訊，以提高負載偵測單元126判斷的精準度。

請參閱圖3A為本發明馬達發電機單相等效電路示意圖、圖3B為本發明驅動電壓與驅動電流投射到dq軸座標第一實施例的向量示意圖、圖3C為本發明驅動電壓與驅動電流投射到dq軸座標第二實施例的向量示意圖，復配合參閱圖2，且反覆參閱圖3A~3C。在圖3A中，Vdr1為單相電壓、Idr1為對應的單相電流、Vrs為馬達發電機2內部對應相次的等效電阻Rs的跨壓、Vls為馬達發電機2內部對應相次的等效電感Ls的跨壓、Vemf為對應相次的反電動勢電壓，且Vz為馬達發電機2阻抗電壓(即Vrs與Vls的向量和)。馬達發電機2的輸出機械功率如下式1所示：Pm=ω×Te...(1)

其中，Pm為馬達發電機2的機械輸出功率、ω為角速度，且Te為馬達發電機2的輸出轉矩，其在馬達發電機2的速度維持時，隨馬達發電機2的轉子軸端所承受的負載量而定。當馬達發電機2之軸端負載增加時，馬達發電機2的輸出轉矩Te也會增加，以維持馬達發電機2之定速度的需求，使得馬達 發電機2之機械輸出功率Pm上升。另外，馬達發電機2之電氣輸入功率如下式2所示：

其中，Pe正比於馬達發電機2之轉子軸端的機械輸出功率、”3”為三相(假設每相驅動電壓與每相驅動電流相等)、Vemf為反電動勢電壓、θ 1為驅動電壓Vdr1與驅動電流Idr1之夾角、θ 2為反電動勢電壓Vemf與驅動電流Idr1之夾角。並且，馬達發電機2之機械輸出功率與電氣輸出功率之間的關係如下式3所示：Pm=Pe×η...(3)

其中，η為馬達發電機2的效率。式2的單相等效電壓與電流的關係式，應用在馬達發電機2三相電壓與電流之輕載與重載的情況下，電壓與電流分量的相對關係可分別由圖3B與3C表示。圖3B對應馬達發電機2負載為輕載的狀況，且圖3C對應馬達發電機2負載為重載的狀況。當投入的驅動電流Idr(為每相電流Idr1~Idr3的向量和)為具有第一固定頻率與第一固定振幅的第一驅動電流(I/F控制)時，逆變器10所提供的驅動電壓Vdr(為每相電壓Vdr1~Vdr3的向量和)之向量大小與相位將隨負載增加而有所變化。其中，特別是驅動電壓Vdr與驅動電流Idr之夾角θ明確反應出負載特性，亦即當機械功因負載上升增加同時亦可從電氣功觀測出其負載變化特性。例如但不限於，當軸端(d軸)負載增加時|Vi1|=|Vdr．sin θ|將隨之下降(反之亦然)。因此，比較圖3B與3C可以發現，第一負載資訊Vi1為馬達發電機2的d軸電壓訊號或q軸電壓訊號，且d軸電壓訊號為驅動電壓Vdr對應其與驅動電流Idr之間一夾角θ的垂直軸(d軸)分量(即投射到d軸上的分量)，q軸電壓訊號為驅動電壓Vdr對應的水平軸(q軸)分 量。在圖3B中，驅動電壓Vdr的垂直軸分量比圖3C中的驅動電壓Vdr的垂直軸分量大，因此圖3C的負載量比圖3B還要重(水平軸分量恰巧相反)。

簡而言之，當啟動模式時，若先提供一最終為固定振幅與固定頻率的驅動電流Idr驅動馬達發電機2，則當下可通過馬達發電機2的機械輸出功率反推馬達發電機2的負載資訊Vi及對應的負載量。在得知負載資訊Vi及對應的負載量後，再對比負載偵測單元126所設定的重載條件即可得知馬達發電機2轉子的位置是否已經靠近壓縮上死點Cp。其中，負載偵測單元126所設定的重載條件即代表負載量已接近壓縮上死點Cp的預定閾值。

進一步而言，d軸電壓訊號Svd為驅動電壓Vdr對應於垂直水平軸(即dq軸)的垂直軸分量。當負載愈重時，馬達電動機輸出的機械功率中，實功的比例會越高，負載資訊Vi1的d軸電壓訊號Svd會越小。因此使用d軸電壓訊號做為第一負載資訊Vi1時，當第一負載資訊Vi1由大於等於第一門檻值變化至小於第一門檻值，或持續小於第一門檻值經過預設時間時，代表滿足重載條件(即馬達發電機2的轉子已接近引擎壓縮死點)。反之，q軸電壓訊號Svq為驅動電壓Vdr對應於垂直水平軸(即dq軸)的水平軸分量。當負載愈重時，馬達電動機輸出的機械功率中，實功的比例會越高，負載資訊Vi1的q軸電壓訊號Svq會越大。因此使用q軸電壓訊號做為第一負載資訊Vi1時，當第一負載資訊Vi1由小於等於第二門檻值變化至大於第二門檻值，或持續大於第二門檻值經過預設時間時，代表滿足重載條件(即馬達發電機2的轉子已接近引擎壓縮死點)。其中，第一門檻值與第二門檻值可以設計為相同的數值或不同的數值，其可以依照實際需求做調整。

請參閱圖4為本發明馬達發電機之發電機啟動方法，復配合參閱圖2~3C。馬達發電機2之發電機啟動方法首先包括，接收啟動命令(S100)。開迴路控制單元128A提供啟動命令Cs至驅動單元124，以對馬達發電機2進行激磁對位，使驅動單元124能夠投入一個預定角度的電流分量將馬達發電機2的轉子吸附到此預定角度。然後，開迴路控制馬達發電機反轉(S120)。負載偵測單元126用以根據第一負載資訊Vi1判斷馬達發電機2的轉子是否已反轉至引擎3壓縮上死點之前的位置，且對應的提供負載訊號Sl至迴路控制單元128，第一負載資訊Vi1可以為q軸電壓訊號Svq或d軸電壓訊號Svd。開迴路控制單元128A提供用以控制馬達發電機2反轉的第一控制命令Cc1，第一控制命令Cc1驅使控制模組12提供的驅動電流Idr1~Idr3為具有最終為固定值的第一頻率與第一振幅的第一驅動電流，以速度開迴路控制(即反轉I/F控制)模式驅使馬達發電機2進行反轉。其中，控制模組12可包括低通濾波單元140。低通濾波單元140將驅動單元124所提供的第二負載資訊Vi2(即為q軸電壓訊號Svq或d軸電壓訊號Svd)低通濾波為第一負載資訊Vi1，以提高負載偵測單元126判斷的精準度。

然後，確認第一負載資訊滿足重載條件(S140)。當開迴路控制單元128A根據負載訊號Sl得知第一負載資訊Vi1的值滿足重載條件時，代表轉子已反轉至合適的啟動位置。反之，則代表轉子尚未反轉至合適的啟動位置，而須返回步驟(S120)。其中，重載條件的設定差異，端看第一負載資訊Vi1是使用d軸電壓訊號Svd或q軸電壓訊號Svq。在轉子已反轉至合適的啟動位置時，等待馬達發電機靜止(S160)。控制模組12可在開迴路控制單元128A提供第一控制命令Cc1與提供第二控制命令Cc2之間，設定預定等待時間等待馬達發電機2靜止時 再進行正轉的控制，能夠驅使馬達發電2帶動引擎3啟動的過程更加順利。其中，使馬達發電機2靜止的方式可包括順轉靜止或以控制的方式煞車。

然後，開迴路控制馬達發電機正轉(S180)。開迴路控制單元128A提供用以控制馬達發電機2正轉的第二控制命令Cc2，第二控制命令Cc2驅使控制模組12提供的驅動電流Idr1~Idr3為具有最終為固定值的第二頻率與第二振幅的第二驅動電流，以速度開迴路控制(即正轉I/F控制)模式驅使馬達發電機2進行正轉。最後，在馬達發電機的轉速到達預設轉速時，切換為閉迴路控制馬達發電機正轉(S200)。在開迴路控制單元128A提供第二控制命令Cc2後，且馬達發電機2的轉速到達預設轉速時，代表引擎3已可順利啟動。在此之後，必須要採用回授控制(例如但不限於PI控制)回授馬達轉速或扭力，方能使馬達發電機2穩定的運行。因此，在馬達發電機2的轉速到達預設轉速時，改由閉迴路控制單元128B提供閉迴路控制命令Cclose，以對馬達發電機2進行正轉閉迴路控制(即速度閉迴路控制)。其中，馬達發電機2的轉速係通過控制單元130回授驅動電流Idr1~Idr3(此時的驅動電流Idr1~Idr3為第二驅動電流)的d軸電流訊號Sid、q軸電流訊號Siq、d軸電壓訊號Svd及q軸電壓訊號Svq估測馬達發電機2的角速度ω與電氣角θ e而獲得。

進一步而言，由於本發明之發電機控制裝置1係在馬達發電機的啟動模式下，利用速度開迴路控制模式，提供具有最終為固定值的振幅及頻率的電流控制馬達發電機2正轉及反轉，因此可以不需要位置感測器或轉速資訊即可對馬達發電機2的負載量進行更精確的估測與後續啟動模式的控制，且由於發電機控制裝置1係利用第一負載資訊與對應的重載條件作為停止反轉的判斷， 因此相較於先前技術，可不需將馬達發電機的轉子持續轉動固定的弧度，進而大幅度降低啟動引擎3的消耗功率與時間。

請參閱圖5A為本發明馬達發電機啟動引擎時的過程示意圖、圖5B為本發明馬達發電機啟動引擎時的第一波形示意圖、圖5C為本發明馬達發電機啟動引擎時的第二波形示意圖，復配合參閱圖2~4，且反覆參閱圖5A、5B、5C。在圖5A中，缸內壓力最大的為壓縮上死點Cp，壓縮上死點Cp通常也為負載最重的點位。在引擎3尚未啟動時，馬達發電機2的轉子通常會停在兩壓縮上死點Cp之間的谷底位置(假設停在點位P1與P2)。控制模組12首先會通過控制逆變器10而驅動馬達發電機2反轉(步驟I)，然後通過偵測馬達發電機2的驅動電壓Vdr1~Vdr3與驅動電流Idr1~Idr3而判斷馬達發電機2的轉子是否已反轉至引擎3壓縮上死點之前的位置(點位P3)，其偵測方式係利用第一負載資訊Vi1是否滿足重載條件。在控制模組12得知馬達發電機2的轉子已反轉至點位P3時，控制模組12等待馬達發電機2靜止。在馬達發電機2靜止後，控制模組12通過控制逆變器10而驅動馬達發電機2正轉(步驟II)，以確保正轉啟動具有最長的啟動行程(即具有最大轉動慣量來越過壓縮上死點Cp)。

圖5B的波形係對應圖5A中的點位P1，其具有較長的反轉距離。其中，虛線為第一負載資訊Vi1、實線為驅動電流Idr，且水平線為第一門檻值Vth。在時段T1時，發電機控制裝置1將馬達發電機2進行激磁對位，使馬達發電機2的轉子定位在點位P1。在時段T2時，發電機控制裝置1採用速度開迴路控制模式，提供具有第一頻率與第一振幅的第一驅動電流至馬達發電機2，驅使馬達發電機2反轉。由圖5B可看出，第一驅動電流的第一頻率與第一振幅在經過一小段持續時間後，最終會維持基本上為固定值的第一固定頻率與第一固定 振幅。此時，第一負載資訊Vi1由小於第一門檻值Vth提高至大於等於第一門檻值Vth，且在時段T2與T3之間，第一負載資訊Vi1由大於等於第一門檻值Vth下降至小於門檻值Vth，馬達發電機2的轉子旋轉至點位P3。在時段T3時，發電機控制裝置1等待預定等待時間，待馬達發電機2的轉子靜止。在時段T4時，發電機控制裝置1採用速度開迴路控制模式，提供具有第二頻率與第二振幅的第二驅動電流至馬達發電機2，驅使馬達發電機2正轉。相似於第一驅動電流，第二驅動電流的第二頻率與第二振幅在經過一小段持續時間後，最終會維持基本上為固定值的第二固定頻率與第二固定振幅。在時段T4與T5之間，馬達發電機2的轉速已到達預設轉速，可以對馬達發電機2進行正轉閉迴路控制。在時段T5時，發電機控制裝置1控制馬達發電機2進行正轉閉迴路控制，以進入發電模式。

進一步而言，先前技術的無位置感測器發電機啟動方法通常都是用”馬達轉速”來判斷當下的負載情況，然而當馬達起始位置非常靠近壓縮上死點時，因為距離不夠，轉速不夠，導致先前技術的發電機啟動方法在負載判斷上產生較大誤差。然而，本發明在時段T2捨棄用先前技術的”馬達轉速”來判斷負載，而是改用馬達發電機所輸出的機械功率中實功或虛功的大小(即驅動電壓Vdr的水平軸分量或垂直軸分量)來判斷負載大小。也因為此時不根據馬達發電機2轉速來控制驅動電流的頻率大小，故稱為速度開迴路控制模式。

圖5C的波形係對應圖5A中的點位P2，其具有較短的反轉距離。在圖5C中，時段T2的寬度較圖5B短，其原因在於點位P2離點為P3較近，馬達發電機2反轉的時間也相對較短。其餘的時段，大致上皆與圖5B相似，在此不再加以贅述。值得一提，當馬達發電機2的轉子起始點位恰巧在點位P3時， 第一負載資訊Vi1在時段T2會自始至終始終小於第一門檻值Vth。因此，當第一負載資訊Vi1在起始時已小於第一門檻值Vth，且在驅動電流Idr1~Idr3經過持續時間成為具有第一固定頻率與第一固定振幅的第一驅動電流後，第一負載資訊Vi1仍然小於第一門檻值Vth時，即停止反轉馬達發電機2而進入時段T3。因此，預設時間即可以大致上等於持續時間。請參閱圖6為本發明啟動模式下的波形圖，復配合參閱圖2~5C，且反覆參閱圖5A~6。其中，本實施例之波形圖係以圖5B的馬達發電機啟動引擎時的過程為例，圖5C或馬達發電機2的轉子起始點位恰巧在點位P3的波形可依圖6的波形類推，在此不再加以贅述。在時段T1時，發電機控制裝置1將馬達發電機2進行直流激磁對位，因此迴路控制單元128所提供的電流命令Cid、Ciq為直流電流命令(頻率為0)控制馬達發電機2反轉激磁對位。在時段T2時，迴路控制單元128所提供的電流命令Cid、Ciq控制發電機控制裝置1提供具有第一頻率與第一振幅的第一驅動電流，因此電流命令Cid、Ciq的電流峰值Ipeak(負值)下降直至為一固定值，且頻率f上升直至為一固定頻率。此時，馬達發電機2的轉速Sp為負值(反轉)。第一負載資訊Vi1(此實施例為使用驅動電壓的垂直軸分量Svd為例)則由小於門檻值Vth上升至大於等於第一門檻值Vth。

在時段T2~T3之間，第一負載資訊Vi1則由大於等於第一門檻值Vth下降至小於第一門檻值Vth，符合重載條件，代表馬達發電機2的轉子已接近壓縮上死點Cp。在時段T3時，迴路控制單元128所提供的電流命令Cid、Ciq的振幅及頻率調整至0，等待馬達發電機2的轉子靜止。在時段T4時，迴路控制單元128所提供的電流命令Cid、Ciq控制發電機控制裝置1提供具有第二頻率與第二振幅的第二驅動電流，因此電流命令Cid、Ciq的電流峰值Ipeak(正值) 上升直至為一固定值，且頻率f上升直至為一固定頻率。此時，馬達發電機2的轉速Sp為正值(正轉)。在時段T5時，馬達發電機2的轉速Sp已到達預設轉速，因此對馬達發電機2進行正轉閉迴路控制。

值得一提，於本發明之一實施例中，圖5B~6的波形係以d軸電壓訊號Svd作為第一負載資訊Vi1示意，其比對為第一負載資訊Vi1是否小於第一門檻值Vth。當使用q軸電壓訊號Svq作為第一負載資訊Vi1時，5B~6的波形及判斷的門檻值(第二門檻值)條件剛好相反，在此不再加以贅述及圖示示意。

以上所述，僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包含於本發明之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。

(S100)~(S200):步驟

Claims (20)

1. 一種一體式馬達發電機之發電機啟動方法，係通過驅動無轉子位置感測器之一馬達發電機而帶動一引擎啟動，該發電機啟動方法包括下列步驟：(a)在一速度開迴路控制模式投入具有一第一頻率與一第一振幅的一第一驅動電流驅動該馬達發電機反轉，且根據該馬達發電機的一驅動電壓與該第一驅動電流獲得一第一負載資訊；(b)確認該第一負載資訊是否滿足一重載條件；(c)當判斷該第一負載資訊滿足該重載條件時，停止反轉該馬達發電機；及(d)正轉該馬達發電機而帶動該引擎啟動。
2. 如請求項1所述之發電機啟動方法，其中步驟(d)包括：(d1)投入一第二頻率與一第二振幅的一第二驅動電流驅動該馬達發電機正轉；(d2)根據該驅動電壓與該第二驅動電流估測該馬達發電機的一轉速；及(d3)當該轉速到達一預設轉速後，對該馬達發電機進行一正轉閉迴路控制。
3. 如請求項1所述之發電機啟動方法，其中步驟(a)之前更包括：(a0)根據一啟動命令投入一預定定角度的一電流分量而將該馬達發電機的一轉子吸附到該預定角度。
4. 如請求項1所述之發電機啟動方法，其中步驟(c)包括：(c1)提供一預定等待時間待該馬達發電機靜止。
5. 如請求項1所述之發電機啟動方法，其中步驟(a)包括：(a1)據該驅動電壓與該第一驅動電流獲得一第二負載資訊； (a2)對該第二負載資訊進行一低通濾波而獲得該第一負載資訊。
6. 如請求項1所述之發電機啟動方法，其中該第一負載資訊對應該馬達發電機的一負載量。
7. 如請求項1所述之發電機啟動方法，其中該第一負載資訊為該馬達發電機的一d軸電壓訊號，且該d軸電壓訊號為該驅動電壓對應於一垂直水平軸的一垂直軸分量，且步驟(c)包括：(c2-1)當該第一負載資訊由大於等於一第一門檻值變化至小於該第一門檻值，或當該第一負載資訊持續小於該第一門檻值經過一預設時間時，代表滿足該重載條件。
8. 如請求項1所述之發電機啟動方法，其中該第一負載資訊為該馬達發電機的一q軸電壓訊號，且該q軸電壓訊號為該驅動電壓對應於一垂直水平軸的一水平軸分量，且步驟(c)包括：(c2-2)當該第一負載資訊由小於等於一第二門檻值變化至大於該第二門檻值，或當該第一負載資訊持續小於該第二門檻值經過一預設時間時，代表滿足該重載條件。
9. 一種適用於啟動一體式馬達發電機的發電機控制裝置，耦接無轉子位置感測器之一馬達發電機，且該馬達發電機帶動一引擎啟動，該發電機控制裝置包括：一逆變器，接收一直流電壓，且耦接該馬達發電機；及一控制模組，耦接該逆變器與該馬達發電機，且提供一脈寬調變信號至該逆變器，使該逆變器轉換該直流電壓為一驅動電壓與一驅動電流而驅動該馬達發電機； 其中，該控制模組在一速度開迴路控制模式根據該驅動電壓與該驅動電流是否對應地滿足一重載條件而調整該脈寬調變信號，以控制該馬達發電機正轉或反轉而帶動該引擎啟動。
10. 如請求項9所述之發電機控制裝置，其中該控制模組包括：一脈寬調變單元，根據一控制訊號調製該脈寬調變信號；一驅動單元，耦接該脈寬調變單元與該馬達發電機，且根據該驅動電壓與該驅動電流提供一第一負載資訊；一負載偵測單元，耦接該驅動單元，且判斷該第一負載資訊是否滿足該重載條件，且根據判斷結果提供一負載訊號；及一迴路控制單元，耦接該負載偵測單元與該驅動單元，且根據該負載訊號提供驅動該馬達發電機正轉或反轉的一控制命令至該驅動單元；其中，該驅動單元根據該驅動電流與該控制命令產生該控制訊號。
11. 如請求項10所述之發電機控制裝置，其中該迴路控制單元包括：一開迴路控制單元，提供用以控制該馬達發電機反轉的一第一控制命令，以控制該驅動電流為一第一頻率與一第一振幅的一第一驅動電流，且提供用以控制該馬達發電機正轉的一第二控制命令，以控制該驅動電流為一第二頻率與一第二振幅的一第二驅動電流；及一閉迴路控制單元，根據該馬達發電機的一轉速是否到達一預設轉速而對該馬達發電機進行一正轉閉迴路控制。
12. 如請求項11所述之發電機控制裝置，其中更包括：一控制單元，耦接該驅動單元與該迴路控制單元，且包括： 一估測單元，根據對應該驅動電流的一d軸電流訊號、一q軸電流訊號、一d軸電壓訊號及一q軸電壓訊號估測該轉速；一切換單元，根據該轉速切換該驅動單元耦接該開迴路控制單元或該閉迴路控制單元。
13. 如請求項11所述之發電機控制裝置，其中該開迴路控制單元更提供一啟動命令將該馬達發電機的一轉子吸附到一預定角度。
14. 如請求項11所述之發電機控制裝置，其中該控制模組在該開迴路控制單元提供該第一控制命令與提供該第二控制命令之間設定一預定等待時間，該預定等待時間用以等待該馬達發電機靜止。
15. 如請求項10所述之發電機控制裝置，其中更包括：一低通濾波單元，耦接該驅動單元與該負載偵測單元，且將該驅動單元所提供的一第二負載資訊低通濾波為該第一負載資訊。
16. 如請求項10所述之發電機控制裝置，其中該驅動單元根據該驅動電流與該控制命令產生一d軸電壓訊號與一q軸電壓訊號，且將該d軸電壓訊號與該q軸電壓訊號轉換為該控制訊號。
17. 如請求項16所述之發電機控制裝置，其中該第一負載資訊為該d軸電壓訊號，且該d軸電壓訊號為該驅動電壓對應於一垂直水平軸的一垂直軸分量。
18. 如請求項17所述之發電機控制裝置，其中該重載條件為該第一負載資訊是否由大於等於一第一門檻值變化至小於該第一門檻值而提供該負載訊號，或該第一負載資訊是否持續小於該第一門檻值經過一預設時間。
19. 如請求項16所述之發電機控制裝置，其中該第一負載資訊為該q軸電壓訊號，且該q軸電壓訊號為該驅動電壓對應於一垂直水平軸的一水平軸分量。
20. 如請求項19所述之發電機控制裝置，其中該重載條件為該第一負載資訊由小於等於一第二門檻值變化至大於該第二門檻值，或當該第一負載資訊持續小於該第二門檻值經過一預設時間。

Images