TWI817740B - 馬達控制器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一種馬達控制方法，用於驅動一馬達，該馬達控制方法包括：在一正常狀態下，於該馬達輸出助力時，判別該馬達的一輸出電流是否達一最大電流上限值；當判別該馬達的該輸出電流達該最大電流上限值時，進入一升壓狀態，以提高該馬達的一最大瞬間輸出功率；以及當判斷在該升壓狀態下的一升壓時間已達一最大時間上限值時，或者，當判斷該馬達的該輸出電流已從該最大電流上限值下降時，讓該馬達從該升壓狀態回到該正常狀態。

Description

馬達控制器及其控制方法
本發明是有關於一種馬達控制器及其控制方法。
電動輔助自行車在全球市場正在火熱流行。電動輔助自行車的迷人之處，就在於花和平時一樣的力氣，卻可以讓騎者爬得更高、騎得更遠，充分享受騎車賞景的遊玩樂趣。
目前市場上的電動輔助自行車會根據使用者選擇的檔位大小而輸出不同助力，而馬達所輸出的助力是根據馬達控制系統所流過的電壓電流大小而決定。而馬達控制器與馬達往往都會有最大電流的限制值，因而馬達輸出功率也因此被限制住。以馬達的設計而言，對於電壓部份彈性較大，可相容較寬的電壓範圍。所以，如果能在相同的電流下輸入較高的電壓，馬達所產生的功率與扭力更大，對於電動輔助自行車上可產生更大助力。
所以，如何能在符合馬達安全限制下，提供更高的瞬間助力、瞬間功率，是業界努力方向之一。
本案提供一種馬達控制器與其控制方法，可以在符合馬達安全限制下，提供較高的瞬間最大助力，因應不同環境與條件使用，短暫的補足騎乘者啟動車體的瞬間助力。
根據本案一方面，提出一種馬達控制器，用於控制與驅動一馬達，該馬達控制器包括：一電池，提供一電池輸出電壓；一升壓電路，耦接至該電池；一電壓轉換電路，耦接至該電池，將該電池所提供的該電池輸出電壓進行電壓轉換以產生一轉換電壓；一微控制器，耦接至該電壓轉換電路與該升壓電路，接收該電壓轉換電路的該轉換電壓，該微控制器負責啟動該升壓電路；以及一三相反相器，耦接至該升壓電路、該微控制器與該馬達，該微控制器輸出一控制信號至該三相反相器以控制該三相反相器來驅動該馬達；其中，於一正常狀態下，由該電池所提供的該電池輸出電壓經該電壓轉換電路轉換後，提供給該微控制器與該三相反相器，該三相反相器驅動該馬達，進而使得該馬達提供一第一瞬間輸出功率；以及於一升壓狀態下，該微控制器啟動該升壓電路，該升壓電路將該電池所提供的該電池輸出電壓升壓後供至該三相反相器，該三相反相器驅動該馬達，進而使得該馬達提供一第二瞬間輸出功率，該第二瞬間輸出功率高於該第一瞬間輸出功率。
根據本案另一方面，提出一種馬達控制方法，用於驅動一馬達，該馬達控制方法包括：在一正常狀態下，於該馬達 輸出助力時，判別該馬達的一輸出電流是否達一最大電流上限值；當判別該馬達的該輸出電流達該最大電流上限值時，進入一升壓狀態，以提高該馬達的一最大瞬間輸出功率；以及當判斷在該升壓狀態下的一升壓時間已達一最大時間上限值時，或者，當判斷該馬達的該輸出電流已從該最大電流上限值下降時，讓該馬達從該升壓狀態回到該正常狀態。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：
50:馬達
100:馬達控制器
110:電池
120:升壓電路
130:電壓轉換電路
140:微控制器
150:半橋驅動器
160:三相反相器
170:馬達感應器
180:電流感應器
190:放大器
195:保護電路
130A、130B:直流直流轉換器
D1、D2:二極體
305-345:步驟
P1、P2:功率
T1~T4:時序
第1圖繪示根據本案一實施例的馬達控制器的功能方塊圖。
第2A圖與第2B圖顯示根據本案一實施例的馬達控制器在不同輸入電壓下的馬達參數曲線圖。
第3圖顯示根據本案一實施例的馬達控制方法流程圖。
第4圖顯示根據本案一實施例中的馬達輸出功率波形圖。
本說明書的技術用語係參照本技術領域之習慣用語，如本說明書對部分用語有加以說明或定義，該部分用語之解釋係以本說明書之說明或定義為準。本揭露之各個實施例分別具有一或多個技術特徵。在可能實施的前提下，本技術領域具有通常知識者可選擇性地實施任一實施例中部分或全部的技術特徵，或者選擇性地將這些實施例中部分或全部的技術特徵加以組合。
請參照第1圖，其繪示根據本案一實施例的馬達控制器的功能方塊圖。本案實施例的馬達控制器100可應用於，例如但不受限於，電動輔助自行車等。本案實施例的馬達控制器100可以驅動馬達50。
本案實施例的馬達控制器100包括：電池110、升壓電路120、電壓轉換電路130、微控制器140、半橋驅動器150、三相反相器160、馬達感應器170、電流感應器180、放大器190與保護電路195。
電池110用以提供電壓與電流。
升壓電路120耦接至電池110，將電池110所提供的電池輸出電壓升壓後，提供給三相反相器160。
電壓轉換電路130耦接至電池110，將電池110所提供的電池輸出電壓轉換後，提供給微控制器140與半橋驅動器150。電壓轉換電路130包括第一直流直流轉換器(DC/DC converter)130A與第二直流直流轉換器130B。第一直流直流轉換器130A耦接至電池110，將該電池110所提供的電池輸出電壓轉換後，提供給第二直流直流轉換器130B與半橋驅動器150。第二直流直流轉換器130B耦接至第一直流直流轉換器130A，將第一直流直流轉換器130A的一輸出電壓進行轉換，以提供給微控制器140。在底下，可以將電壓轉換電路130提供給微控制器140的輸出電壓稱為第一轉換電壓，將電壓轉換電路130提供給半橋驅動器150的輸出電壓稱為第二轉換電壓。
微控制器140耦接至電壓轉換電路130與升壓電路120，接收第二直流直流轉換器130B的一輸出電壓。微控制器140輸出控制信號，以控制三相反相器160的內部複數個MOS電晶體。此外，微控制器140更負責啟動升壓電路120。
半橋驅動器150耦接至微控制器140，用以將微控制器140所輸出的控制信號的電壓提高，並將電壓提高後的控制信號輸出至三相反相器160。
三相反相器160耦接至半橋驅動器150。三相反相器160透過半橋驅動器150而接收由微控制器140所輸出的控制信號。三相反相器160包括複數個MOS電晶體，該些MOS電晶體受控於微控制器140所輸出的控制信號以驅動馬達50。
馬達感應器170耦接至微控制器140，用以感應馬達50的轉速、位置等，並將感應結果回送至微控制器140。微控制器140可根據馬達感應器170的馬達感應結果調整控制信號。
電流感應器180耦接至三相反相器160，用以感應三相反相器160的輸出電流，並將電流感應結果透過放大器190而回送至微控制器140。微控制器140可根據電流感應器180的電流感應結果調整控制信號。馬達感應器170與電流感應器180用以反饋馬達50的動作方式是否符合預期控制。
放大器190耦接至電流感應器180，將電流感應器180的電流感應結果放大後送至微控制器140。
保護電路195耦接至升壓電路120與電池110，用 以避免由升壓電路120輸出的升壓後電壓直接對電池110回充，以保護電池110。保護電路195包括第一二極體D1與第二二極體D2。第一二極體D1耦接於升壓電路120與三相反相器160之間。第二二極體D2耦接於電池110與三相反相器160之間。
現將說明本案一實施例的馬達控制器100之操作。
在底下，將馬達控制器100與馬達50的操作狀態分為正常狀態與升壓狀態。微控制器140可根據馬達輸出情境來切換於正常狀態與升壓狀態之間。
於正常狀態下，由電池110所提供的電池輸出電壓經電壓轉換電路130轉換後，提供給微控制器140、半橋驅動器150與三相反相器160。微控制器140負責控制與切換三相反相器160內的該些MOS電晶體，以讓MOS電晶體所輸出的電流根據微控制器140的控制信號來帶動馬達50轉動。半橋驅動器150負責將微控制器140的控制信號提高電壓。馬達感應器170與電流感應器180將感應結果回傳給微控制器140，以讓微控制器140據以調整控制信號。放大器190可以放大電流感應器180的電流感應結果。
於升壓狀態下，除了上述正常狀態的操作之外，微控制器140會啟動升壓電路120，經升壓電路120升壓後的電壓提供至三相反相器160，以讓三相反相器160可以提供更高驅動電壓給馬達50，進而使得馬達50提供更高的瞬間輸出功率。亦即，在正常狀態下，馬達50提供第一瞬間輸出功率，在升壓狀態 下，馬達50提供第二瞬間輸出功率，該第二瞬間輸出功率高於該第一瞬間輸出功率。
第2A圖與第2B圖顯示根據本案一實施例的馬達控制器在不同輸入電壓下的馬達參數曲線圖。為解釋起見，第2A圖與第2B圖以輸入電壓分別為36V與48V為例做說明，但當知本案並不受限於此。
第2A圖與第2B圖中，EFF代表馬達效率(%)，Wo代表馬達輸出功率(W)，Wi代馬達輸入功率(W)，S代表馬達轉速(RPM)，I代表馬達的輸出電流(A)。
如所知般，同一顆馬達在不同的輸入電壓條件下，馬達產生的扭力與轉速也不相同，故輸出功率反應在助力上也幫助不同。底下列出馬達輸出功率與馬達輸入功率的計算公式，當知本案並不受限於此。
輸入功率(W)=輸入電壓(V)×輸入電流(A)。
輸出功率(W)=扭力(N.m)×轉速(RPM)×2×π÷60。
第3圖顯示根據本案一實施例的馬達控制方法流程圖。第3圖的馬達控制是由微控制器140所執行。如第3圖所示，於步驟305中，啟動馬達50。於步驟310中，馬達50輸出助力，亦即，馬達50輸出功率給電動輔助自行車。
於步驟315中，由微控制器140來判別馬達50的輸出電流。於步驟320中，微控制器140來判別馬達50的輸出 電流是否達最大電流上限值。當步驟320為否，流程回至步驟310。當步驟320為是，流程接續步驟325。當馬達50的輸出電流達最大電流上限值時，代表在正常狀態下的馬達已到最大瞬間輸出功率，故而，之後，馬達控制器100將進入升壓狀態，以提高馬達50的最大瞬間輸出功率。
於步驟325中，微控制器140啟動升壓電路120，以讓馬達50從正常狀態進入升壓狀態。於步驟330中，馬達50輸出助力。
於步驟335中，微控制器140判斷在升壓狀態下的升壓時間是否已達最大時間上限值，或者，微控制器140判斷馬達50的輸出電流是否從最大電流上限值下降。在本案一實施例中，為保護馬達50，設定在升壓狀態下的最大時間上限值，當已達升壓狀態下的最大時間上限值時，則不能再讓馬達50繼續處於升壓狀態下，否則馬達50將有燒毀的可能性。此外，在本案一實施例中，在升壓狀態下，當微控制器140判斷馬達50的輸出電流已從最大電流上限值下降，則代表騎乘者可能不再需要馬達50處於升壓狀態，也可以讓馬達50從升壓狀態回到正常狀態。
當步驟335為否，流程回至步驟330(繼續維持升壓狀態)。當步驟335為是，流程接續步驟340。
於步驟340中，微控制器140關閉升壓電路120，以讓馬達50從升壓狀態回到正常狀態。
於步驟345中，微控制器140判斷是否要停止啟動 馬達50。當步驟345為否，流程回至步驟310(繼續維持正常狀態)。當步驟345為是，流程結束。
第4圖顯示根據本案一實施例中的馬達輸出功率波形圖。如第4圖所示，於時序T1與T3時，馬達控制器100進入升壓狀態，以提高馬達50的最大瞬間輸出功率。於時序T2與T4時，微控制器140判斷在升壓狀態下的升壓時間已達最大時間上限值Tlimit，所以，讓馬達50從升壓狀態回到正常狀態。P1與P2分別代表馬達50在正常狀態與升壓狀態下的輸出功率。
由第4圖可知，在本案一實施例中，當馬達50的輸出功率持續到達上限，提供升壓狀態減緩騎乘者的腳踏力量，克服陡坡或克服最大阻力的瞬間作功應用，在不損害馬達50的前題下，持續輔助踏力狀態輸出應用。
如上述，在本案一實施例中，馬達控制器100的升壓電路120由微控制器140控制是否啟動，由升壓電路120所輸出的升壓後電壓為馬達50容許的最大電壓值(例如但不受限於48V；在正常狀態下，馬達50的工作電壓為30V至42V之間)，而輸出電流必需同為馬達控制器100的最大電流(例如：當輸出功率500W下，最大電流可設定為18A，而當輸出功率為250W下，最大電流可設定為15A)，升壓電路120的升壓後電壓與電壓轉換電路130的輸出電壓這兩者路徑二擇一輸入至三相反相器160。當需要瞬間輸出較大助力時，微控制器140選擇升壓電路120來滿足較大的扭力輸出。
在本案一實施例中，馬達控制器100具下至少如下優點：1.提升瞬間扭力輸出；2.增加電動輔助自行車的爬坡能力；3.在不改變馬達規格下，提供更大扭力輸出；4.增加騎乘者操作模式；5.有效提升馬達應用等。
綜上所述，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。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
305-345:步驟

Claims (7)

  1. 一種馬達控制器，用於控制與驅動一馬達，該馬達控制器包括：一電池，提供一電池輸出電壓；一升壓電路，耦接至該電池；一電壓轉換電路，耦接至該電池，將該電池所提供的該電池輸出電壓進行電壓轉換以產生一轉換電壓；一微控制器，耦接至該電壓轉換電路與該升壓電路，接收該電壓轉換電路的該轉換電壓，該微控制器負責啟動該升壓電路；以及一三相反相器，耦接至該升壓電路、該微控制器與該馬達，該微控制器輸出一控制信號至該三相反相器以控制該三相反相器來驅動該馬達；其中，於一正常狀態下，由該電池所提供的該電池輸出電壓經該電壓轉換電路轉換後，提供給該微控制器與該三相反相器，該三相反相器驅動該馬達，進而使得該馬達提供一第一瞬間輸出功率；以及於一升壓狀態下，該微控制器啟動該升壓電路，該升壓電路將該電池所提供的該電池輸出電壓升壓後供至該三相反相器，該三相反相器驅動該馬達，進而使得該馬達提供一第二瞬間輸出功率，該第二瞬間輸出功率高於該第一瞬間輸出功率，在該正常狀態下，根據該馬達的一輸出電流以決定是否啟動該升壓電路；以及 在該升壓狀態下，根據該馬達的一升壓時間或該輸出電流以決定是否關閉該升壓電路。
  2. 如請求項1所述之馬達控制器，其中，該微控制器：在該正常狀態下，於該馬達輸出助力時，判別該馬達的該輸出電流是否達一最大電流上限值；當判別該馬達的該輸出電流達該最大電流上限值時，進入該升壓狀態，以啟動該升壓電路；判斷在該升壓狀態下的該升壓時間是否已達一最大時間上限值，或者，判斷該馬達的該輸出電流是否已從該最大電流上限值下降；以及當判斷在該升壓狀態下的該升壓時間已達該最大時間上限值時，或者，當判斷該馬達的該輸出電流已從該最大電流上限值下降時，關閉該升壓電路，以讓該馬達從該升壓狀態回到該正常狀態。
  3. 如請求項2所述之馬達控制器，更包括：一保護電路，耦接至該升壓電路與該電池，避免由該升壓電路輸出的一升壓後電壓對該電池回充，以保護該電池。
  4. 如請求項3所述之馬達控制器，其中，該保護電路包括一第一二極體與一第二二極體，該第一二極體耦接於該升壓電路與該三相反相器之間，該第二二極體耦接於該電池與該三相反相器之間。
  5. 如請求項1所述之馬達控制器，更包括： 一半橋驅動器，耦接至該微控制器與該三相反相器之間，用以將該微控制器所輸出的該控制信號升壓以輸出至該三相反相器；一馬達感應器，耦接至該微控制器，用以感應該馬達的一轉速與一位置，並將一馬達感應結果回送至該微控制器，該微控制器根據該馬達感應器的該馬達感應結果而調整該控制信號；以及一電流感應器，耦接至該三相反相器與該微控制器，用以感應該三相反相器的一輸出電流，並將一電流感應結果回送至該微控制器，該微控制器根據該電流感應器的該電流感應結果而調整該控制信號。
  6. 一種馬達控制方法，應用於一馬達控制器，該馬達控制器用於控制與驅動一馬達，該馬達控制方法包括：在一正常狀態下，於該馬達輸出助力時，判別該馬達的一輸出電流是否達一最大電流上限值；當判別該馬達的該輸出電流達該最大電流上限值時，進入一升壓狀態，以提高該馬達的一最大瞬間輸出功率；以及當判斷在該升壓狀態下的一升壓時間已達一最大時間上限值時，或者，當判斷該馬達的該輸出電流已從該最大電流上限值下降時，讓該馬達從該升壓狀態回到該正常狀態，在該正常狀態下，根據該馬達的一輸出電流以決定是否啟動該馬達控制器的一升壓電路；以及在該升壓狀態下，根據該馬達的一升壓時間或該輸出電流以決定是否關閉該升壓電路。
  7. 如請求項6所述之馬達控制方法，更包括：判斷是否要停止啟動該馬達；當不停止啟動該馬達時，維持該馬達於該正常狀態；以及當要停止啟動該馬達時，結束該馬達控制方法。
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