TWI780556B - 行動輔助裝置以及其驅動方法 - Google Patents

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Abstract

一種行動輔助裝置以及其驅動方法。行動輔助裝置包括至少一個支架以及驅動支架的驅動裝置。驅動裝置包括無刷直流馬達、轉子角度感測器以及感測驅動器。轉子角度感測器感測該無刷直流馬達的角度。感測驅動器對應該無刷直流馬達的角速度切換以使用對應的演算法來估算一對應角度。該對應角度作為該無刷直流馬達的角度。該感測驅動器依據該對應角度用以驅動該無刷直流馬達，以使該無刷直流馬達提供支持力至該至少一支架。

Description

行動輔助裝置以及其驅動方法
本發明是有關於一種行動輔助設備的驅動技術，且特別是有關於一種行動輔助裝置以及其驅動方法。
因全球人口老化，許多老年人在不希望親友照護及自行行走方面的需求日益增加，因而正在研發性價較佳的行動輔助設備(或稱為，外骨骼輔具/外骨骼機器人等產品)。
行動輔助設備(外骨骼輔具/外骨骼機器人)可被穿戴於使用者身上，藉由行動輔助設備中各種馬達所提供的輔助力來進行運動，增加使用者肢體(常為下肢)的運動能力，例用於如輔助腿部肌肉的出力。然則，行動輔助設備的售價仍然高居不下。因此，為了在降低行動輔助設備成本的情況下仍使行動輔助設備維持應有的功能，便需要對於行動輔助設備最重要的部分：馬達裝置上思考如何節省成本且維持其功能。
行動輔助設備與其他具備馬達裝置的設備在馬達裝置的控制需求上有所不同。其他具備馬達裝置的設備如風扇等，希望 馬達裝置常態性地維持在固定轉速，以達到預期功效。然則，因為行走動作與雙腳支撐的因素，配備在行動輔助設備的馬達裝置將會一直變動其轉速，也就是，馬達裝置將會一直在低程度轉速與中程度轉速之間往復調整，並且對於馬達裝置在中低轉速的調整上尤其重要。並且，若無經過特殊設計，若直接控制馬達裝置在低程度轉速與中程度轉速之間往復調整的話，將經常發生馬達抖動現象，從而讓行動輔助設備的使用者感到不適。
本發明提供一種行動輔助裝置以及其驅動方法，透過對應無刷直流馬達的角速度切換以使用對應的演算法，從而獲得更為精確的轉子角度以續行驅動無刷直流馬達，節省行動輔助裝置的建置成本、降低功耗且提高可靠性。
本發明實施例的行動輔助裝置包括至少一個支架以及驅動裝置。驅動裝置驅動此至少一個支架。驅動裝置包括無刷直流馬達、轉子角度感測器以及感測驅動器。轉子角度感測器感測無刷直流馬達的角度。感測驅動器耦接轉子角度感測器。感測驅動器對應該無刷直流馬達的角速度切換以使用對應的演算法來估算對應角度。其中該對應角度作為該無刷直流馬達的角度。感測驅動器依據該對應角度用以驅動該無刷直流馬達，以使該無刷直流馬達提供支持力至該至少一支架。
本發明實施例提供一種行動輔助裝置的驅動方法。行動 輔助裝置包括至少一個支架以及驅動至少一個支架的驅動裝置。驅動裝置包括無刷直流馬達。所述驅動方法包括下列步驟：感測該無刷直流馬達的角度以判斷無刷直流馬達的角速度切換是否發生；以及，對應該無刷直流馬達的角速度切換是否發生，使用對應的演算法估算一對應角度，其中該對應角度作為該無刷直流馬達的角度。依據該對應角度驅動該無刷直流馬達，以使該無刷直流馬達提供支持力至該至少一支架。
基於上述，本發明實施例的行動輔助裝置以及其驅動方法透過對應無刷直流馬達的角速度切換以使用對應的演算法，例如，混合使用針對於無刷直流馬達的無感測器角度補償演算法(又稱，無感測器控制)以及霍爾感測器角度補償演算法。在無刷直流馬達的轉速/角速度較低、或是無刷直流馬達進行從高轉速到低轉速的角速度切換時，採用霍爾感測器角度補償演算法來計算此時的無刷直流馬達的角度；而在無刷直流馬達具備一定轉速時，也就是無刷直流馬達進行從低轉速到高轉速的角速度切換時，透過無感測器控制技術(也就是，無感測器角度補償演算法)且利用無刷直流馬達的反電動勢來計算此時的無刷直流馬達的角度。並且，還將無感測器角度補償演算法計算出的角度與霍爾感測器角度補償演算法計算出的角度相減而獲得兩者的角度誤差值，並利用預設的敏感度數值判斷這兩個角度的誤差值是否相差太遠(如，兩者的角度誤差值大於預設的敏感度數值)而需調整為以霍爾感測器角度補償演算法計算出的角度為準。藉此，本發明實 施例的無刷直流馬達不裝設精確度最高(但也最昂貴)的步進編碼器，而是改為裝設精確度較低但較為便宜的霍爾感測器。並且，在馬達的轉速較高(進行從低轉速到高轉速的角速度切換)時，轉子角度的計算則從霍爾感測器角度補償演算法改為更為精確的無感測器角度補償演算法。藉此，可節省行動輔助裝置的建置成本、降低功耗且提高可靠性。並且，本發明實施例藉由精準知悉馬達的轉子角度而可更為精準地提供驅動電路，從而降低馬達的抖動情形，降低在使用行動輔助裝置時感到的不舒適感。
100:行動輔助設備
110:第一支架
112:第一側檔板
114、116:第一綁帶
120:第二支架
122:第二側檔板
124、126:第二綁帶
130:馬達裝置
210、220、230:使用者的右腿姿勢
310:直線
320:曲線
410:轉子
420-1~420-3:定子
510、520:線段
610:無刷直流馬達
620:感測驅動器
630:功率級電路
640:電子特性感測電路
650:微處理器
VF:垂直施力方向
HF:水平施力方向
θ:角度
F420-1、F420-2、F420-21:施力
EA:誤差角度
S710~S730、S810~S850、S910~S960:步驟
圖1是依照本發明一實施例的一種行動輔助設備的示意圖。
圖2是使用者在行走時使用者、第一支架(大腿支架)以及第二支架(小腿支架)的示意圖。
圖3與圖4A至圖4B說明無刷直流馬達的轉子與定子之間的角度與扭力與轉速的關係。
圖5是採用霍爾感測器控制時確切轉子角度與誤差角度的示意圖。
圖6是依照本發明一實施例的行動輔助設備中馬達裝置的示意圖。
圖7是依照本發明一實施例的行動輔助設備的驅動方法的流程圖。
圖8是圖7中步驟S720的詳細流程圖。
圖9是圖8中步驟S840的詳細流程圖。
圖1是依照本發明一實施例的一種行動輔助設備100的示意圖。使用者可將行動輔助設備100穿戴於其上，其主要具備至少一個支架以及用以驅動這些支架的驅動裝置130。本實施例的驅動裝置130是以架設在支架之間並提供兩者支持力的馬達裝置作為舉例。本實施例的驅動裝置130可設置於使用者的小腿位置。本發明實施例的行動輔助設備100的驅動裝置130主要採用無刷直流馬達(BLDC motor)作為動力，以對使用者的腿部產生輔助力。詳細而言，無刷直流馬達具備扭矩大、轉矩脈動小、壽命長...等特點。此外，基於無刷直流馬達本身的節能性、耐熱性、易維護等特點，使其得以受到廣泛應用。
詳細來說，行動輔助設備100的支架包括第一支架110(如，應用於使用者大腿處的大腿支架)與第二支架120(如，應用於使用者小腿處的小腿支架)。第一支架110與第二支架120皆耦接驅動裝置130。本實施例驅動裝置130中的感測驅動器依據感測到的對應角度來驅動驅動裝置130中無刷直流馬達，以使驅動裝置130中的無刷直流馬達分別提供支持力至第一支架110與第二支架120。行動輔助設備100還包括第一側檔板112(以大腿側檔板為例)、至少一個第一綁帶(如，第一綁帶114與116)(以大 腿綁帶為例)、第二側檔板122(以小腿側檔板為例)以及至少一個第二綁帶(如，第二綁帶124與126)(以小腿綁帶為例)。第一側檔板112固設於第一支架110。第一綁帶114與116連接至第一支架110或第一側檔板112。第一側檔板112與第一綁帶114、116用於將行動輔助設備100固定在使用者的大腿，以利於在驅動裝置130提供支持力給第一支架110時，可帶動使用者的大腿。
第二側檔板122固設於第二支架120。第二綁帶124與126連接至第二支架120或第一側檔板122。第二側檔板122與第二綁帶124、126用於將行動輔助設備100固定在使用者的小腿，以利於在驅動裝置130提供支持力給第二支架120時，可帶動使用者的小腿。
當使用者在穿著行動輔助設備100且進行行走時，使用者的兩腿動作會在站立與擺動之間來回切換。圖2是使用者在行走時使用者、第一支架110以及第二支架120的示意圖。在此以圖2、使用者右腿的第一支架110、第二支架120以及位於提供右腿支撐力的右邊馬達作為舉例。使用者在向前行走時，會先以站姿站立(如，圖2中使用者的右腿姿勢210)，此時的右邊馬達不需要提供大腿支架與小腿支架之間的支撐力。然後，從圖2中右腿姿勢210到右腿姿勢220之間，左腿為支撐點且右腿需要大幅度擺動，因此右邊馬達在此時需提高馬達的扭力以提供大腿支架與小腿支架之間很大的支撐力F1。然後，在圖2中使用者的右腿姿勢220到右腿姿勢220之間，又需要降低右邊馬達的扭力，從 而降低其支撐力以使腿部抵達預定的地面支撐位置，並如此往復。也就是說，行動輔助設備100所採用的馬達經常需要在短時間內、同時在高扭力與低轉速的情況下進行正轉與反轉操作。
然而，目前常用的無刷馬達皆為驅動後只會維持同一個方向的固定轉速，而不會一直往復地調整其轉速。因此，由於無刷直流馬達的應用層面不同，在無刷直流馬達的扭力與轉速的偵測技術上將會有本質上的差異。
無刷電動馬達的主要構造可區分為轉子與定子。本實施例中的轉子以永久磁鐵來實現，本實施例的定子則以線圈實現。無刷直流馬達是透過改變定子上的磁場來推動轉子，從而使馬達整體進行轉動。無刷直流馬達的扭力與轉速的偵測技術主要是偵測轉子與定子之間的角度，因為此角度將會直接影響到馬達的扭力與轉速。若是無法準確地偵測或判斷轉子與定子之間的角度的話，行動輔助設備100在對驅動裝置130供電時將會發生誤判而提供略大或略小的電流，使得驅動裝置130的扭力與轉速不如預期，導致驅動裝置130經常性地發生馬達抖動、造成噪音，以及造成驅動裝置130的能源轉換效率低落，還會讓使用者感到強烈的不舒適感。
用於偵測無刷直流馬達的轉子與定子之間的角度有許多類型，例如採用霍爾感測器、步進編碼器、無感測器控制所使用的演算法...等。圖3與圖4A至圖4B說明無刷直流馬達的轉子與定子之間的角度與扭力與轉速的關係。
無刷直流馬達的扭力(torque)、轉速(speed)與輸出功率(output power)可由圖3呈現。圖3的X軸呈現無刷直流馬達的轉速，並以每分鐘旋轉素(RPM)作為單位；圖3左方的Y軸呈現無刷直流馬達的扭力，並以牛頓-米(N.m)作為單位；圖3右方的Y軸呈現無刷直流馬達的輸出功率，並以瓦特(W)作為單位。由圖3的直線310可知，當馬達的轉速越低時，馬達輸出的扭力則越大；馬達輸出的扭力愈小甚至無扭力輸出時，可獲得馬達的最高轉速，如圖3的曲線320所述。
在無刷直流馬達的控制技術中，線圈(亦即，「定子」)上的磁場會因為轉子的位置變化而產生不同的扭力。圖4A與圖4B用以說明轉子的位置變化以及轉子與定子之間的角度如何影響馬達的扭力的示意圖。圖4A中左半邊[A]部分則繪示無刷直流馬達的轉子410(即，永久磁鐵)與定子420-1~420-3(即，線圈)，且轉子410的磁場與定子420-1~420-3所產生的磁場之間為45度相交。圖4A中右半邊[B]部分則繪示無刷直流馬達的轉子410的磁場與定子420-1~420-3所產生的磁場之間為90度相交。圖4A中[A]部分與[B]部分的定子420-1~420-3旋轉方向皆為逆時鐘旋轉。
圖4B繪示以呈現無刷直流馬達的轉子410與定子420-1~420-3的施力方向。垂直施力方向標記為VF，水平施力方向標記為HF。若定子420-1~420-3所產生的磁場將帶給轉子410為垂直的施力F420-1的話，則會使此施力完全作用於使轉子410 轉動，因此施力F420-1將不會有無謂的消耗。相對地，若定子420-1~420-3所產生的磁場將帶給轉子410的力方向為垂直的施力F420-2的話，則會使施力F420-2分為與垂直方向相同的施力F420-21以及與水平方向相同的另一個施力。只有垂直方向相同的施力F420-21才會使轉子410轉動，因此與水平方向相同的另一個施力便會做虛功而產生無謂的消耗。因此，在能夠精確得知轉子410角度(或稱，得知準確地「轉子位置」)的情況下，對角度θ設置垂直方向的磁場才能達到最佳化的馬達控制。
本實施例考量三種用於偵測無刷直流馬達的轉子410角度的控制技術，分別是編碼器(encoder)控制、霍爾感測器控制以及無感測器控制。以下分別概略描述。
『編碼器控制』是以理想的狀況下以編碼器做為無刷直流馬達的轉子角度感測器為最佳選擇。但是，編碼器的成本高昂，而且編碼器設計在無刷直流馬達當中時會有機械結構複雜等問題。
『霍爾感測器控制』則是在無刷直流馬達以每隔120度的位置架設三個霍爾感測器，藉此來獲得轉子的位置。當前的轉子角度可以用上一個取樣時間透過霍爾感測器感測到的角度加上取樣時間及當前角速度來估測。因為霍爾感測器的每個狀態都代表60度的區間，所以每當霍爾感測器的狀態變換時，便表示已經經過60度的轉動。然而，當馬達在愈高轉速時，霍爾感測器的轉速估測誤差將變得愈大。圖5是採用霍爾感測器控制時確切轉子 角度(如，圖5的線段510)與誤差角度EA(如，圖5的線段520)的示意圖。可由圖5得知，高轉速時的霍爾感測器角度補償演算法也會有較大的誤差。當誤差變大時，提供給馬達的電流將具有較大起伏，從而使馬達中的轉子轉動不順暢，除了耗費能量外也會產生抖動及噪音。
『無感測器控制』則是因為無刷直流馬達在旋轉時會因為轉子(永久磁鐵)對定子(線圈繞組)產生磁感。並且，由冷次定律可以知道，當導體有磁感產生時，此導體會產生對應的反電動勢。因此，可利用提供給無刷直流馬達的輸入電壓、輸入電流，以及馬達中的各項參數(如，馬達的等效電阻、等效電感...等)，便可透過反電動勢來反推角度資訊。也就是說，無感測器角度補償演算法必須要確定馬達中的各項參數以及對馬達的供電情形(如，提供給馬達的電壓、電流等)，才能進行反電動勢的估測。『無感測器控制』雖然擁有較高的轉子角度精確度，但馬達必須要有反電動勢的產生才能夠進行轉子角度的估算。因此，當馬達是靜止時，將無法估測轉子角度。
因此，本發明實施例可對應無刷直流馬達在轉速上變化的角速度切換以使用對應的演算法估算無刷直流馬達的角度，從而利用這些估算的角度驅動無刷直流馬達。詳細來說，在無刷直流馬達的轉速較低時採用霍爾感測器角度補償演算法來計算此時的無刷直流馬達的角度；而在無刷直流馬達具備一定轉速時，透過無感測器控制技術(也就是，無感測器角度補償演算法)且利 用無刷直流馬達的反電動勢來計算此時的無刷直流馬達的角度。藉由此種方式來混合使用無刷直流馬達的無感測器角度補償演算法(又稱，無感測器控制)以及霍爾感測器角度補償演算法，便可獲得馬達中準確的轉子角度，進而可準確地控制提供給馬達的驅動電流，降低馬達的抖動情形以及降低使用行動輔助裝置時感到的不舒適感。
表1是符合本發明實施例的馬達轉速、利用霍爾感測器角度補償演算法(在本實施例中簡稱，霍爾演算法)計算出的角度、利用無感測器角度補償演算法(在本實施例中簡稱，無感測器演算法)計算出的角度以及本發明實施例整合前述兩種演算法的馬達控制演算法的輸出角度的舉例說明。
Figure 110100082-A0305-02-0013-1
Figure 110100082-A0305-02-0014-5
本實施例中，由表1可看出，在馬達於低轉速時，例如，馬達轉速低於預定轉速(在此以500RPM作為舉例)，霍爾演算法對於馬達的轉子角度的偵測較為穩定及準確，且不會有演算法失效的問題。另一方面，在馬達於低轉速時(如，馬達轉速低於500RPM)，無感測器演算會有演算法失效的問題。在馬達於高轉速時(如，馬達轉速高於500RPM)，霍爾演算法對於馬達的轉子角度的偵測可能發生較大的誤差。另一方面，在馬達於高轉速時(如，馬達轉速高於500RPM)，無感測器演算對於馬達的轉子角度的偵測較為穩定與準確。因此，本實施例在馬達於低轉速切換為高轉速時，對於馬達轉子角度的估算演算法將從霍爾演算法切換到無感測器演算法。應用本實施例者可依其需求調整預定轉速的數值，例如以實驗數據來確定預定轉速為何。換句話說，當馬達的運轉角速度到達霍爾演算法無法正常運作(即，與實際的轉子角速度差距過大)，即切換為無感測器演算法，切換後以無感測器演算法所估測的角度輸出為馬達轉轉子的運算角度。在本實施例中，則是設計一個切換的角速度(如，前述判斷轉速的基準500RPM)來確保馬達的轉速夠高，使馬達不會進入停止狀況。
並且，在馬達啟動以從低轉速切換到高轉速時，因轉子角速度為零，無反電動勢產生出電壓及電流，因此無法進行無感測器演算法的運算，因此必須以霍爾感測器配合霍爾演算法來進行馬達起動與轉子角度的估算。
本實施例所稱『無刷直流馬達的角度速切換』是指無刷直流馬達在角速度上兩種情況的切換，也就是說，前述情況之一是，無刷直流馬達從高轉速/高角速度(亦可稱為，第一轉速區間)切換到低轉速/低角速度(亦可稱為，第二轉速區間)；前述情況之另一是，無刷直流馬達從低轉速/低角速度(第二轉速區間)切換到高轉速/高角速度(第一轉速區間)。前述『高轉速/高角速度』(第一轉速區間)與『低轉速/低角速度』(第二轉速區間)可透過前述預定轉速進行判斷。第一轉速區間表示由轉子角度感測器(霍爾感應器)偵測無刷直流馬達的轉子角度並產生偵測結果中，無刷直流馬達的角度為大於前述預定轉速的狀態。第二轉速區間表示由轉子角度感測器(霍爾感應器)偵測無刷直流馬達的轉子角度並產生偵測結果中，無刷直流馬達的角度為小於等於前述預定轉速的狀態。
然而，單獨以馬達的轉速無法準確地確認無感測器演算法是否為正常運作。為了避免無感測器角度補償演算法可能會發生沒有正常運作的情況，本實施例還將無感測器角度補償演算法計算出的角度與霍爾感測器角度補償演算法計算出的角度相減而獲得兩者的角度誤差值作為最大誤差參照，並利用預設的敏感度數值判斷這兩個角度的誤差值是否相差太遠(如，兩者的角度誤差值大於預設的敏感度數值)而需調整為以霍爾感測器角度補償演算法計算出的角度為準。也就是說，當角度誤差值小於等於預設的敏感度數值時，表示無感測器角度補償演算法與霍爾感測器 角度補償演算法所計算出的兩個角度值相近，本實施例便以無感測器角度補償演算法所計算出的角度值作為馬達中的轉子角度。相對地，當角度誤差值大於預設的敏感度數值時，表示無感測器角度補償演算法可能沒有正常運作，因此改由以霍爾感測器角度補償演算法所計算出的角度值作為馬達中的轉子角度。
另一方面，在馬達於高轉速切換為低轉速時，對於馬達轉子角度的估算演算法將從無感測器演算法切換到霍爾演算法。本實施例設計一個切換的角速度(如，前述判斷轉速的基準500RPM)作為馬達於低轉速的標準，用來避免當本實施例處於無感測器演算法時，馬達因外力或煞車動作突然停下來，使得驅動器驅動異常。本實施例並且會同時判別霍爾感測器與相應的霍爾演算法是否運作正常，以確保無感測器演算法正常運作。
圖6是依照本發明一實施例的行動輔助設備100中驅動裝置130的示意圖。驅動裝置130主要包括無刷直流馬達610、轉子角度感測器(本實施例以3個霍爾感應器作為舉例)以及感測驅動器620。感測驅動器620耦接轉子角度感測器。轉子角度感測器(霍爾感應器)用以偵測無刷直流馬達610中的轉子角度並產生一偵測結果。驅動裝置130還可包括功率級電路630、電子特性感測電路640以及微處理器650。功率級電路630透過電流鏡及功率電路將電源供應至無刷直流馬達610、轉子角度感測器(霍爾感應器)、電子特性感測電路640以及微處理器650。電子特性感測電路640將轉子角度感測器(霍爾感應器)的感測結果轉換為類 比電流信號Ia、Ib與Ic。微處理器650將類比電流信號Ia、Ib與Ic轉換為感測驅動器620可獲得的數位信號。
圖7是依照本發明一實施例的行動輔助設備的驅動方法的流程圖。圖7的驅動方法可適用於圖1的行動輔助設備100以及圖6所述的驅動裝置130。請同時參照圖6與圖7，於步驟S710中，感測驅動器620感測無刷直流馬達610的角度以判斷無刷直流馬達610的角速度切換是否發生。詳細來說，霍爾感測器偵測無刷直流馬達610的角度並產生偵測結果，例如，經由功率級電路630、電子特性感測電路640以及微處理器650而提供給感測驅動器620的數位信號作為前述感測結果。感測驅動器620依據偵測結果判斷無刷直流馬達610的當前轉速是否超過預定轉速，從而判斷無刷直流馬達610的角速度切換是否發生。於步驟S720中，感測驅動器620對應無刷直流馬達610的切換是否發生，使用對應的演算法估算一對應角度，其中此對應角度作為無刷直流馬達610的角度，用以驅動無刷直流馬達610。
圖8是圖7中步驟S720的詳細流程圖。於步驟S810中，感測驅動器620可從功率級電路630或是微處理器650獲得提供給無刷直流馬達610的輸入電流。
於步驟S820中，感測驅動器使用第一角度補償演算法(也就是，霍爾感測器角度補償演算法)估算第一角度。第一角度補償演算法(霍爾感測器角度補償演算法)主要依據轉子角度感測器的偵測結果估算第一角度。於步驟S830中，感測驅動器620使 用第二角度補償演算法(也就是，無感測器角度補償演算法)估算第二角度。第二角度補償演算法(無感測器角度補償演算法)主要依據無刷直流馬達610的輸入電流以及無刷直流馬達610的多個參數(如，等效電阻、等效電感等)計算無刷直流馬達610的反電動勢，從而估算第二角度。步驟S720與S730可提時進行也可先後進行。
於步驟S840中，感測驅動器620決定使用第一角度或第二角度作為無刷直流馬達610的角度。本實施例的感測驅動器620主要判斷無刷直流馬達610的當前轉速是否超過預定轉速(如，500RPM)來決定使用第一角度或第二角度作為無刷直流馬達610的角度。此外，本實施例的感測驅動器620還可計算第一角度與第二角度之間的當前角度誤差，判斷當前角度誤差是否大於一預定敏感度，從而決定使用第一角度或第二角度作為無刷直流馬達620中的角度。於步驟S850中，感測驅動器620便依據無刷直流馬達610中的角度來判斷所需提供的輸入電流，從而續行驅動無刷直流馬達610。例如，可利用馬達的向量控制演算法，將定子的三向電流轉為轉子座標向量；透過電流控制器以將輸入電流及控制電流轉為電壓命令；將轉子的電壓向量轉為定子的三向電壓；並且，透過功率級電路630去設定由逆變器演算法產生的開關切換狀態。
圖9是圖8中步驟S840的詳細流程圖。請同時參照圖6與圖9，於步驟S910中，感測驅動器620判斷目前使用的角度補 償演算法是否是第一角度補償演算法(也就是，霍爾感測器角度補償演算法)。若步驟S910為是，則進入步驟S920，感測驅動器620判斷前述第一角度與第二角度之間的當前角度誤差是否不大於預定敏度，且無刷直流馬達610的當前轉速是否超過預定轉速(如，500RPM)。當步驟S920中皆為是，則進入步驟S925以將目前使用的角度補償演算法改為第二角度補償演算法(無感測器角度補償演算法)。當步驟S920中的其中之一為否(如，前述第一角度與第二角度之間的當前角度誤差小於預定敏感度，或無刷直流馬達610的當前轉速沒有超過預定轉速)，則進入步驟S940且不調整目前使用的角度補償演算法。
若步驟S910為否，則進入步驟S930，感測驅動器620判斷前述第一角度與第二角度之間的當前角度誤差是否大於預定敏度，或是無刷直流馬達610的當前轉速是否不超過預定轉速(如，500RPM)。當步驟S930中的其中之一(前述第一角度與第二角度之間的當前角度誤差大於預定敏感度，或無刷直流馬達610的當前轉速不超過預定轉速)為是，則進入步驟S935以將目前使用的角度補償演算法改為第一角度補償演算法(霍爾感測器角度補償演算法)。當步驟S930中皆為否(如，前述第一角度與第二角度之間的當前角度誤差小於預定敏度且無刷直流馬達610的當前轉速超過預定轉速)，則進入步驟S940且不調整目前使用的角度補償演算法。
於步驟S940中，感測驅動器620判斷當前角度補償演算 法是否是第一角度補償演算法(霍爾感測器角度補償演算法)。若步驟S940為是，感測驅動器620使用第一角度作為無刷直流馬達610中的角度。若步驟S940為否，感測驅動器620使用第二角度作為無刷直流馬達610中的角度。當步驟S950或步驟S9860結束時，則可回到步驟S910續行此流程。
綜上所述，本發明實施例的行動輔助裝置以及其驅動方法透過混合使用針對於無刷直流馬達的無感測器角度補償演算法(又稱，無感測器控制)以及霍爾感測器角度補償演算法。也就是說，在無刷直流馬達的轉速較低時採用霍爾感測器角度補償演算法來計算此時的無刷直流馬達的角度；而在無刷直流馬達具備一定轉速時，透過無感測器控制技術(也就是，無感測器角度補償演算法)且利用無刷直流馬達的反電動勢來計算此時的無刷直流馬達的角度。並且，還將無感測器角度補償演算法計算出的角度與霍爾感測器角度補償演算法計算出的角度相減而獲得兩者的角度誤差值，並利用預設的敏感度數值判斷這兩個角度的誤差值是否相差太遠(如，兩者的角度誤差值大於預設的敏感度數值)而需調整為以霍爾感測器角度補償演算法計算出的角度為準。藉此，本發明實施例的無刷直流馬達不裝設精確度最高(但也最昂貴)的步進編碼器，而是改為裝設精確度較低但較為便宜的霍爾感測器。並且，在馬達的轉速較高時，轉子角度的計算則從霍爾感測器角度補償演算法改為更為精確的無感測器角度補償演算法。藉此，可節省行動輔助裝置的建置成本、降低功耗且提高可 靠性。並且，本發明實施例藉由精準知悉馬達的轉子角度而可更為精準地提供驅動電路，從而降低馬達的抖動情形，降低在使用行動輔助裝置時感到的不舒適感。
S710~S730:驅動方法的步驟

Claims (17)

  1. 一種行動輔助裝置，包括：至少一支架；以及驅動裝置，耦接該至少一支架，其中該驅動裝置包括：一無刷直流馬達；一轉子角度感測器，該轉子角度感測器感測該無刷直流馬達的角度；以及一感測驅動器，該感測驅動器耦接該轉子角度感測器，該感測驅動器對應該無刷直流馬達的角速度切換以使用多個不同演算法中對應的演算法來估算一對應角度，其中該對應角度作為該無刷直流馬達的角度，該感測驅動器依據該對應角度用以驅動該無刷直流馬達，以使該無刷直流馬達提供支持力至該至少一支架。
  2. 如請求項1所述的行動輔助裝置，其中該轉子角度感測器偵測該無刷直流馬達的角度並產生一偵測結果，該感測驅動器依據該偵測結果來判斷無刷直流馬達的當前轉速是否超過一預定轉速，從而判斷該無刷直流馬達的角速度切換是否發生，其中，判斷該無刷直流馬達的角速度切換是否發生的情況是：該感測驅動器判斷該無刷直流馬達的角度從一第一轉速區間進入一第二轉速區間的情況，或是，該感測驅動器判斷該無刷直流馬達的角度從該第二轉速區間進入該第一轉速區間的情況， 其中該第一轉速區間表示該偵測結果中該無刷直流馬達的角度為大於該預定轉速的狀態，且該第二轉速區間表示該偵測結果中該無刷直流馬達的角度為小於等於該預定轉速的狀態。
  3. 如請求項2所述的行動輔助裝置，其中該多個不同演算法包括一第一角度補償演算法以及一第二角度補償演算法，該第一角度補償演算法依據該轉子角度感測器的該偵測結果估算一第一角度，該第二角度補償演算法依據該無刷直流馬達的多個參數與一供電情形估算一第二角度，該感測驅動器判斷該無刷直流馬達的角速度切換是否發生，以決定使用該第一角度補償演算法的該第一角度或該第二角度補償演算法的該第二角度作為該無刷直流馬達的該角度，且依據該無刷直流馬達的該角度來驅動該無刷直流馬達。
  4. 如請求項3所述的行動輔助裝置，其中該感測驅動器還計算該第一角度與該第二角度之間的當前角度誤差，判斷該當前角度誤差是否大於一預定敏感度，以決定使用該第一角度或該第二角度作為該無刷直流馬達的該角度。
  5. 如請求項3所述的行動輔助裝置，其中，當該當前角度誤差大於該預定敏感度或是該無刷直流馬達的該當前轉速不超過該預定轉速時，該感測驅動器使用該第一角度補償演算法的該第一角度作為該無刷直流馬達的該角度，當該當前角度誤差不大於該預定敏感度且該無刷直流馬達的當前轉速超過該預定轉速時，該感測驅動器使用該第二角度補償 演算法的該第二角度作為該無刷直流馬達的該角度。
  6. 如請求項1所述的行動輔助裝置，其中該轉子角度感測器是霍爾感測器。
  7. 如請求項3所述的行動輔助裝置，其中該第一角度補償演算法是霍爾感測器角度補償演算法，該第二角度補償演算法是無感測器角度補償演算法。
  8. 如請求項7所述的行動輔助裝置，其中該無感測器角度補償演算法依據該無刷直流馬達的輸入電流以及該無刷直流馬達的多個參數計算該無刷直流馬達的反電動勢，從而估算該第二角度，其中該無感測器角度補償演算法不依據該轉子角度感測器的該偵測結果估算該第二角度。
  9. 如請求項1所述的行動輔助裝置，其中該至少一支架包括：一第一支架，耦接該驅動裝置；以及一第二支架，耦接該驅動裝置，其中該感測驅動器依據該對應角度用以驅動該無刷直流馬達，以使該無刷直流馬達分別提供支持力至該第一支架與該第二支架。
  10. 如請求項9所述的行動輔助裝置，還包括：一第一側檔板，固設於該第一支架；至少一第一綁帶，連接至該第一支架或該第一側檔板； 一第二側檔板，固設於該第二支架；以及至少一第二綁帶，連接至該第一支架或該第二側檔板，其中該第一側檔板、該至少一第一綁帶、該第二側檔板與該至少一第二綁帶用於固定該行動輔助裝置於一使用者。
  11. 一種行動輔助裝置的驅動方法，其中該行動輔助裝置包括至少一支架以及耦接該至少一支架的一驅動裝置，該驅動裝置包括一無刷直流馬達，其中該驅動方法包括：感測該無刷直流馬達的角度以判斷無刷直流馬達的角速度切換是否發生；對應該無刷直流馬達的角速度切換是否發生，使用多個不同演算法中對應的演算法估算一對應角度，其中該對應角度作為該無刷直流馬達的角度；以及依據該對應角度驅動該無刷直流馬達，以使該無刷直流馬達提供支持力至該至少一支架。
  12. 如請求項11所述的驅動方法，判斷該無刷直流馬達的角速度切換是否發生的步驟包括：偵測該無刷直流馬達的角度並產生一偵測結果；以及依據該偵測結果判斷無刷直流馬達的當前轉速是否超過一預定轉速，從而判斷該無刷直流馬達的角速度切換是否發生，其中，判斷該無刷直流馬達的角速度切換是否發生的情況是：判斷該無刷直流馬達的角度從一第一轉速區間進入一第二轉速區間的情況， 或是，判斷該無刷直流馬達的角度從該第二轉速區間進入該第一轉速區間的情況，其中該第一轉速區間表示該偵測結果中該無刷直流馬達的角度為大於該預定轉速的狀態，且該第二轉速區間表示該偵測結果中該無刷直流馬達的角度為小於等於該預定轉速的狀態。
  13. 如請求項12所述的驅動方法，其中該多個不同演算法包括一第一角度補償演算法以及一第二角度補償演算法，該第一角度補償演算法依據該轉子角度感測器的該偵測結果估算一第一角度，其中，對應該無刷直流馬達的角速度切換是否發生，使用多個不同演算法中對應的演算法估算該對應角度的步驟包括：判斷該無刷直流馬達的角速度切換是否發生，以決定使用該第一角度補償演算法的該第一角度或該第二角度補償演算法的一第二角度作為該無刷直流馬達的該角度。
  14. 如請求項13所述的驅動方法，還包括：計算該第一角度與該第二角度之間的當前角度誤差；以及判斷該當前角度誤差是否大於一預定敏感度，以決定使用該第一角度或該第二角度作為該無刷直流馬達的該角度。
  15. 如請求項14所述的驅動方法，判斷該當前角度誤差是否大於一預定敏感度，以決定使用該第一角度或該第二角度作為該無刷直流馬達的該角度的步驟包括：該當前角度誤差大於該預定敏感度或是該無刷直流馬達的該 當前轉速不超過該預定轉速時，使用該第一角度補償演算法的該第一角度作為該無刷直流馬達的該角度；以及當該當前角度誤差不大於該預定敏感度且該無刷直流馬達的當前轉速超過該預定轉速時，使用該第二角度補償演算法的該第二角度作為該無刷直流馬達的該角度。
  16. 如請求項13所述的驅動方法，其中該第一角度補償演算法是霍爾感測器角度補償演算法，該第二角度補償演算法是無感測器角度補償演算法。
  17. 如請求項16所述的驅動方法，其中該無感測器角度補償演算法依據該無刷直流馬達的輸入電流以及該無刷直流馬達多個參數計算該無刷直流馬達的反電動勢，從而估算該第二角度，其中該無感測器角度補償演算法不依據該轉子角度感測器的該偵測結果估算該第二角度。
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