專利名稱：具能量回收的無感測元件馬達(dá)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具能量回收的無感測元件馬達(dá)控制方法，尤其涉及一種裝配于交通載具上的電動馬達(dá)，將馬達(dá)的驅(qū)動與能量回收以自動切換的方式來實(shí)現(xiàn)，提高交通載具設(shè)計(jì)的附加價(jià)值，除了促進(jìn)國內(nèi)電動自行車產(chǎn)業(yè)升級，還可推廣到輕型電動機(jī)車、電動汽車、及其他電器化設(shè)備使用，應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛。
背景技術(shù)：
已知技術(shù)的三相無刷馬達(dá)檢測元件裝置于轉(zhuǎn)子磁極處，由直接連結(jié)于轉(zhuǎn)子軸上的檢測器檢測目前馬達(dá)位置，且檢測器必須精確地固定于轉(zhuǎn)子軸上，馬達(dá)才能順利地進(jìn)行控 制運(yùn)轉(zhuǎn)；另外，馬達(dá)必須特別留一空間來裝設(shè)檢測元件，并設(shè)置若干連接信號線，輸出檢測信號至一馬達(dá)控制器，如此便造成馬達(dá)體積與成本增加，以及電子元件的功率消耗。另外一種已知技術(shù)則是使用無感測元件馬達(dá)控制方式，以一驅(qū)動電路搭配對應(yīng)控制方法來間接檢測磁極位置，并使馬達(dá)驅(qū)動運(yùn)轉(zhuǎn)，不過卻無法直接應(yīng)用于能量回收，在節(jié)能省電部分做得仍不夠完美。已知臺灣專利部分，第546931號提出一種馬達(dá)永久磁極起始位置檢測方法與裝置，可簡化檢測元件及控制流程，進(jìn)而簡化電路節(jié)省成本的目的。1274468提出一種無霍爾元件的直流有刷馬達(dá)剎車控制方法與系統(tǒng)，可以在任何狀態(tài)下，在短時(shí)間內(nèi)達(dá)成將直流有刷馬達(dá)完全剎車停轉(zhuǎn)的目的，并應(yīng)用在不同的直流有刷馬達(dá)上也可得到相同的效果。第M318077號設(shè)計(jì)一種無霍爾的無刷馬達(dá)吊扇控制器，不需霍爾傳感器即可使無刷馬達(dá)控制所需的不同轉(zhuǎn)速，且提高驅(qū)動電壓可使功率輸出電路單元的高電位場效功率晶體呈全導(dǎo)通狀態(tài)，使無刷馬達(dá)提高更佳的運(yùn)轉(zhuǎn)。第1257761號以無霍爾元件的直流無刷馬達(dá)驅(qū)動裝置控制馬達(dá)，可自動斷電以保護(hù)轉(zhuǎn)子，避免驅(qū)動電路中主動元件以及線圈因異常電流而引起過熱甚至燒毀的現(xiàn)象。當(dāng)故障排除后，斷電與自動恢復(fù)電路可觸發(fā)驅(qū)動電路，使轉(zhuǎn)子恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。已知美國專利方面，US 7702432B2利用剎車回充控制方法回收能量，其中MGEQJ(Motor Generator Engine Control Unit)根據(jù)扭力命令控制一馬達(dá)發(fā)電機(jī)，同時(shí)搭配不同的路況與操作模式對照圖，控制其回充量。US 7640128B2針對無感測元件馬達(dá)提出控制策略，利用設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子位置變換器所提供的輸出信號控制馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)，并考慮馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)各功率元件的誤差值，以輸出補(bǔ)償方式來減少誤差，使馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)更平穩(wěn)。前述國內(nèi)、外專利中，無感測元件馬達(dá)控制以驅(qū)動功能為主，并檢測轉(zhuǎn)子位置作為馬達(dá)控制運(yùn)轉(zhuǎn)的依據(jù)；若需能量回收，也是以剎車回充為主，但其回收電能有限，皆有待以改進(jìn)之處。本發(fā)明為解決上述存在問題，設(shè)計(jì)無感測元件馬達(dá)與驅(qū)控裝置，不需額外切換，SP可進(jìn)行能量回充功能，其回收效率也高于傳統(tǒng)控制電路。并搭配無感測馬達(dá)及其控制電路，即可使馬達(dá)體積將能大幅縮減且續(xù)航力也能提高。

發(fā)明內(nèi)容
基于解決以上所述已知技術(shù)的缺失，本發(fā)明為一種具能量回收的無感測元件馬達(dá)控制方法，主要目的為裝配于交通載具上的電動馬達(dá)，將馬達(dá)的驅(qū)動與能量回收以自動切換的方式來實(shí)現(xiàn)，提高交通載具設(shè)計(jì)的附加價(jià)值，除了促進(jìn)國內(nèi)電動自行車產(chǎn)業(yè)升級，還可推廣到輕型電動機(jī)車、電動汽車、及其他電器化設(shè)備使用，應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛。本發(fā)明的另一目的在于現(xiàn)有探討無感測元件馬達(dá)的技術(shù)，大部分著重于轉(zhuǎn)子位置起始檢測控制與啟動，且只有探討馬達(dá)驅(qū)動方法而鮮少有能量回收的功能；或是利用剎車回充的方式來進(jìn)行能量回收，但回收過程中會經(jīng)過馬達(dá)控制器的飛輪二極管，造成導(dǎo)通切換損失與二極管發(fā)熱等問題，且不論是驅(qū)動或是回充時(shí)，飛輪二極管的功率損耗皆無法避免。本發(fā)明為解決上述存在問題，提出驅(qū)動與能量回收自動切換的控制方法，且電流經(jīng)由導(dǎo)通開關(guān)來取代飛輪二極管，減少損耗，回收率可大幅提升。 為達(dá)上述目的，本發(fā)明一種具能量回收的無感測元件馬達(dá)控制方法，其包括有通過比較電壓設(shè)定器依工作周期設(shè)定器的工作周期大小，來選擇第一比較電壓與第二比較電壓；通過比較器來比較電動機(jī)中未激勵(lì)相中的端電壓與比較電壓，以判斷出反電動勢過零點(diǎn)情形；根據(jù)過零點(diǎn)換相控制器的反電動勢過零點(diǎn)處，相移一電機(jī)啟動所需角度后，進(jìn)行換相動作；通過開關(guān)信號觸發(fā)產(chǎn)生器于過零點(diǎn)換相控制器所決定的換相區(qū)、三角波產(chǎn)生器及工作周期設(shè)定器中工作周期大小，送出開關(guān)觸發(fā)信號，進(jìn)行驅(qū)動或能量回收控制；當(dāng)三角波產(chǎn)生器的時(shí)間計(jì)數(shù)器于周期到或周期歸零時(shí)，比較電壓設(shè)定器所需的比較電壓，接著檢測未激勵(lì)相的端電壓，以檢測電動機(jī)的反電動勢；通過參考工作周期設(shè)定器的工作周期大小后，當(dāng)工作周期較小時(shí)，也就是三相開關(guān)變頻器中，控制導(dǎo)通兩相中的截波控制相的開關(guān)下臂開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間較長時(shí)，選擇第一比較電壓，且此時(shí)開關(guān)狀態(tài)亦須為下臂開關(guān)導(dǎo)通；反之當(dāng)工作周期較大時(shí)，則選擇第二比較電壓；將反電動勢與比較電壓進(jìn)行過零點(diǎn)比對，如果未發(fā)生過零點(diǎn)情形，則維持原激勵(lì)條件；如果發(fā)生過零點(diǎn)情形則經(jīng)相移一電機(jī)啟動角度后進(jìn)行換相，最后根據(jù)換相區(qū)及開關(guān)工作周期可決定開關(guān)觸發(fā)為驅(qū)動模式或能量回收模式；以及根據(jù)工作周期(duty cycle)大小進(jìn)行反電動勢零點(diǎn)信號檢測，進(jìn)行三相開關(guān)變頻器控制，并依序切換，電流經(jīng)由馬達(dá)的多相繞組定子的其中一相繞組，對直流電源充電。為進(jìn)一步對本發(fā)明有更深入的說明，通過以下圖示、圖號說明及發(fā)明詳細(xì)說明，希望對本領(lǐng)域技術(shù)人員理解本發(fā)明有所助益。


圖I為本發(fā)明的控制電路方塊圖；圖2為本發(fā)明的控制流程圖3為本發(fā)明的互補(bǔ)式開關(guān)切換與反電動勢采樣時(shí)機(jī)圖；圖4為本發(fā)明的三相開關(guān)變頻器；圖5A 、圖5B為本發(fā)明的能量回收電路示意圖；圖6為本發(fā)明的互補(bǔ)式開關(guān)切換與相反電動勢及線對線反電勢相對關(guān)系圖；圖7為本發(fā)明的互補(bǔ)式開關(guān)與傳統(tǒng)式的飛輪二極管回收效率對照圖。主要元件符號說明I 三相馬達(dá)2 三相開關(guān)變頻器3 比較器4 過零點(diǎn)檢測換相控制器5 比較電壓設(shè)定器6 信號產(chǎn)生器7 工作周期設(shè)定器8 三角波產(chǎn)生器9 直流電源100 開始101 直流鏈電壓檢測102 反電動勢檢測103 比較電壓設(shè)定104 反電動勢過零點(diǎn)檢測105 工作周期D106 相移電機(jī)啟動所需角度換相107 脈沖寬度調(diào)制開關(guān)設(shè)定108 109 驅(qū)動模式110 能量回收模式111 結(jié)束
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在配合下列的

本發(fā)明的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，及其連接關(guān)系，以利于本領(lǐng)域技術(shù)人員了解。請參閱圖I所示，為本發(fā)明的無感測元件所進(jìn)行的永磁同步電動機(jī)的驅(qū)動及能量回收的優(yōu)選實(shí)施例結(jié)構(gòu)圖，其中以永磁同步電動機(jī)I的三相四極結(jié)構(gòu)為例，其開關(guān)變頻器可控制永磁式同步電動機(jī)輸入電壓，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩所需的電流。直流電源9可為一電池或是其他直流電源，以提供電能或能量回收時(shí)存儲用。三角波產(chǎn)生器8可提供脈沖寬度調(diào)制(PWM)所需的時(shí)間計(jì)數(shù)器，與工作周期設(shè)定器7比較之下，即可對三相開關(guān)變頻器2作脈沖寬度調(diào)制控制。通過比較電壓設(shè)定器5可依工作周期設(shè)定器的工作周期大小，選擇比較電壓為0伏特或\J2伏特。通過比較器3用于比較電動機(jī)中未激勵(lì)相中的端電壓與比較電壓，以判斷出反電動勢過零點(diǎn)情形。根據(jù)過零點(diǎn)換相控制器4的反電動勢過零點(diǎn)處,相移電機(jī)啟動所需角度后，進(jìn)行換相動作。通過開關(guān)信號觸發(fā)產(chǎn)生器6于過零點(diǎn)換相控制器4所決定的換相區(qū)、三角波產(chǎn)生器8及工作周期設(shè)定器7中工作周期大小，送出開關(guān)觸發(fā)信號，進(jìn)行驅(qū)動或能量回收控制。請參閱圖2所示，為本發(fā)明的無感測元件條件下進(jìn)行永磁同步電動機(jī)的驅(qū)動及能量回收的優(yōu)選實(shí)施例控制流程圖，其包括有下列流程100 開始； 101 直流鏈電壓檢測；102 反電動勢檢測；103 比較電壓設(shè)定；104 反電動勢過零點(diǎn)檢測，如果過零點(diǎn)，執(zhí)行步驟106，再執(zhí)行步驟107 ;若未過零點(diǎn)，直接執(zhí)行步驟107 ；105 工作周期D，同時(shí)提供給步驟103、104做為參數(shù)值；106 相移電機(jī)啟動所需角度換相；107 脈沖寬度調(diào)制開關(guān)設(shè)定；108 匕如果條件達(dá)成,執(zhí)行步驟109，再執(zhí)行步驟111 ;若條件未達(dá)成，執(zhí)行步驟110 ；109 驅(qū)動模式；110 能量回收模式；111 結(jié)束。當(dāng)前述圖I的三角波產(chǎn)生器8的時(shí)間計(jì)數(shù)器于周期到或周期歸零時(shí)，即進(jìn)入此流程，首先檢測直流電源電壓，可作為圖I中比較電壓設(shè)定器5所需的直流電源電壓值，接著檢測未激勵(lì)相的端電壓，此時(shí)即為電動機(jī)的反電動勢。在參考工作周期設(shè)定器7的工作周期大小后，當(dāng)工作周期較小時(shí)，也就是三相開關(guān)變頻器2中，控制導(dǎo)通兩相中的截波控制相的開關(guān)下臂開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間較長時(shí)，選擇0伏特為比較電壓，且此時(shí)開關(guān)狀態(tài)亦須為下臂開關(guān)導(dǎo)通；反之當(dāng)工作周期較大時(shí)，則選擇Vdc;/2伏特為比較電壓。接著將反電動勢與比較電壓進(jìn)行過零點(diǎn)比對，如果未發(fā)生過零點(diǎn)情形，則維持原激勵(lì)條件；如果發(fā)生過零點(diǎn)情形則經(jīng)相移一電機(jī)啟動所需角度后進(jìn)行換相，最后根據(jù)換相區(qū)及開關(guān)工作周期可決定開關(guān)觸發(fā)為驅(qū)動模式或能量回收模式。根據(jù)直流電壓、工作周期及當(dāng)時(shí)電動機(jī)所激勵(lì)相的反電動勢大小而定，當(dāng)為驅(qū)動模式，而匕<^^為能量回收模式，此為自動切換無須額外控制，其中Vdc為直流電壓，eL_L為激勵(lì)相的線對線反電動勢，D為工作周期大小。請參閱圖3所示,為互補(bǔ)式開關(guān)切換與反電動勢采樣示意圖，以馬達(dá)激勵(lì)相為a相與b相,未激勵(lì)相c相為例,脈沖寬度調(diào)制計(jì)數(shù)器PWM_counter與工作周期設(shè)定器Compare_a產(chǎn)生上下臂Sa及S' a不同的切換時(shí)間寬度，采樣點(diǎn)Tp為脈沖寬度調(diào)制周期三角波峰值的采樣點(diǎn)，適合低速或輕載采樣；采樣點(diǎn)Tcfl為脈沖寬度調(diào)制周期歸零的采樣點(diǎn)，適合高速或重載采樣。根據(jù)工作周期的大小選擇采樣點(diǎn)Tp或Tc^以測量未激勵(lì)相c端電壓，即能順利取得c相反電動勢，判斷出零交越后，再延遲一電機(jī)啟動所需角度即為換相點(diǎn)。同樣地，在其它導(dǎo)通模式也可使用此原理，每次皆有兩相激勵(lì)相，一相未激勵(lì)相。
請參閱圖4所示，為本發(fā)明的三相開關(guān)變頻器2，共有六種導(dǎo)通模式，以其中一個(gè)導(dǎo)通模式為舉例說明，以馬達(dá)激勵(lì)相為a相與b相，未激勵(lì)相c相為例，在a相上臂導(dǎo)通，b相下臂導(dǎo)通及c相為未激勵(lì)相狀況下，a相作脈沖寬度調(diào)制，b相下臂只作單純換相導(dǎo)通。在估測反電動勢電壓時(shí)，直接檢測未激勵(lì)c相對直流鏈接地點(diǎn)的端電壓，并經(jīng)分壓衰減其信號以符合DSP所適合的電壓范圍；第二個(gè)導(dǎo)通模式，以馬達(dá)激勵(lì)相為b相與c相，未激勵(lì)相a相為例，在b相上臂導(dǎo)通，c相下臂導(dǎo)通及a相為未激勵(lì)，b相做脈沖寬度調(diào)制，c相做換相導(dǎo)通，而檢測a相直流鏈接地點(diǎn)的端電壓。其他四種模式自可由本二實(shí)施例推衍而出，故不在此做一贅述。請參閱圖5A、B所示,為本發(fā)明的能量回收電路示意圖，當(dāng)電池電壓及互補(bǔ)式開關(guān)工作周期的關(guān)系為意即為控制策略主動切換為能量回收模式，共有六種導(dǎo)通模式，以其中一個(gè)導(dǎo)通模式為舉例說明；以馬達(dá)激勵(lì)相為a相與b相，未激勵(lì)相c相為例，圖5A表示S, W b導(dǎo)通，其余開關(guān)關(guān)閉，此時(shí)能量存儲于兩相線圈電感之中；當(dāng)Sa及S',導(dǎo)通，其余開關(guān)關(guān)閉，如圖5B所示，此時(shí)能量將回充至電源端，進(jìn)行能量回充。第二個(gè)導(dǎo)通模式(圖中未示)，以馬達(dá)激勵(lì)相為b相與c相，未激勵(lì)相a相為例，則是S' jS'。導(dǎo)通， 能量將回充至電源端，進(jìn)行能量回充。其他四種模式自可由本二實(shí)施例推衍而出，故不在此做一贅述。請參閱圖6所示,為互補(bǔ)式開關(guān)切換與相反電動勢及線對線反電動勢相對關(guān)系。隨工作周期及反電動勢大小，可自動切換電動機(jī)模式或能量回收模式。也可觀察出相反電動勢過零點(diǎn)，需相移電機(jī)啟動所需角度電機(jī)角始為換相點(diǎn)，但線對線反電動勢過零點(diǎn)即為換相點(diǎn)。請參閱圖7所示，為電流流經(jīng)本發(fā)明的互補(bǔ)式開關(guān)與傳統(tǒng)式的飛輪二極管回收效率對照圖，橫軸為馬達(dá)轉(zhuǎn)速，縱軸為回收效率，由圖得知本發(fā)明的回收效率在馬達(dá)不同轉(zhuǎn)速下皆高于傳統(tǒng)方法的回收效率，且隨著轉(zhuǎn)速增加其效率愈高。而數(shù)據(jù)化的效能比較圖表如下
權(quán)利要求
1.一種具能量回收的無感測元件馬達(dá)控制方法，其包含下列步驟 (A)通過比較電壓設(shè)定器依工作周期設(shè)定器的工作周期大小，來選擇第一比較電壓與第二比較電壓； (B)通過比較器來比較電動機(jī)中未激勵(lì)相中的端電壓與比較電壓，以判斷出反電動勢過零點(diǎn)情形； (C)根據(jù)過零點(diǎn)換相控制器的反電動勢過零點(diǎn)處，相移一電機(jī)啟動所需角度后，進(jìn)行換相動作； (D)通過開關(guān)信號觸發(fā)產(chǎn)生器于過零點(diǎn)換相控制器所決定的換相區(qū)、三角波產(chǎn)生器及工作周期設(shè)定器中工作周期大小，送出開關(guān)觸發(fā)信號，進(jìn)行驅(qū)動或能量回收控制； (E)當(dāng)三角波產(chǎn)生器的時(shí)間計(jì)數(shù)器于周期到或周期歸零時(shí)，比較電壓設(shè)定器所需的比較電壓，接著檢測未激勵(lì)相的端電壓，以檢測電動機(jī)的反電動勢；(F)通過參考工作周期設(shè)定器的工作周期大小后，當(dāng)工作周期較小時(shí)，也就是三相開關(guān)變頻器中，控制導(dǎo)通兩相中的截波控制相的開關(guān)下臂開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間較長時(shí)，選擇第一比較電壓，且此時(shí)開關(guān)狀態(tài)亦須為下臂開關(guān)導(dǎo)通；反之當(dāng)工作周期較大時(shí)，則選擇第二比較電壓； (G)將反電動勢與比較電壓進(jìn)行過零點(diǎn)比對，如果未發(fā)生過零點(diǎn)情形，則維持原激勵(lì)條件；如果發(fā)生過零點(diǎn)情形則經(jīng)相移一電機(jī)啟動角度后進(jìn)行換相，最后根據(jù)換相區(qū)及開關(guān)工作周期可決定開關(guān)觸發(fā)為驅(qū)動模式或能量回收模式；以及 (H)根據(jù)工作周期大小進(jìn)行反電動勢零點(diǎn)信號檢測，進(jìn)行三相開關(guān)變頻器控制，并依序切換，電流經(jīng)由馬達(dá)的多相繞組定子的其中一相繞組，對直流電源充電。
2.如權(quán)利要求I所述的具能量回收的無感測元件馬達(dá)控制方法，其中該步驟(G)根據(jù)直流電壓、工作周期及當(dāng)時(shí)電動機(jī)所激勵(lì)相的反電動勢大小而定，當(dāng)匕為驅(qū)動模式，而^<|^為能量回收模式，此為自動切換無須額外控制。
3.如權(quán)利要求I所述的具能量回收的無感測元件馬達(dá)控制方法，其中該步驟(D)依據(jù)工作周期大小自動切換馬達(dá)驅(qū)動或能量回收模式。
4.如權(quán)利要求I所述的具能量回收的無感測元件馬達(dá)控制方法，其中該步驟(C)過零點(diǎn)換相控制器，會根據(jù)反電動勢過零點(diǎn)處，依據(jù)一脈沖寬度調(diào)變計(jì)數(shù)器與比較器產(chǎn)生變頻器開關(guān)的上下臂不同的切換時(shí)間寬度，根據(jù)工作周期的大小選擇采樣點(diǎn)，測量未激勵(lì)相端電壓，即能順利取得未激勵(lì)相反電動勢，并判斷零交越點(diǎn)后，再延遲一電機(jī)啟動所需角度即為換相點(diǎn)。
5.如權(quán)利要求I所述的具能量回收的無感測元件馬達(dá)控制方法，其中該第一比較電壓為O伏特,且第二比較電壓為\Jl伏特。
全文摘要
本發(fā)明是一種具能量回收的無感測元件馬達(dá)控制方法，通過互補(bǔ)式開關(guān)控制，改變不同的工作周期，進(jìn)行高效率驅(qū)動及能量回收操作，馬達(dá)在運(yùn)轉(zhuǎn)中能自動切換驅(qū)動或回收的功能，根據(jù)此控制方法，可減少電流導(dǎo)通損失與開關(guān)的耗損，同時(shí)還能增加能量回收效率，以提升電池續(xù)航力。
文檔編號H02P6/18GK102739138SQ20111011649
公開日2012年10月17日 申請日期2011年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月8日
發(fā)明者劉添華, 簡士翔, 許仕欣, 陽毅平, 陳瑞霖 申請人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院