TWI492518B - 一種電動機之輸出控制裝置及控制器之控制方法 - Google Patents

Description

一種電動機之輸出控制裝置及控制器之控制方法

本發明係一種電動機之輸出控制裝置及控制器之控制方法，特別是一種提供電動機於不同轉速之下，使直流鏈電壓都可調變在一固定區域的電動機之輸出控制裝置及控制器之控制方法。

在配備有內燃機與一體式同步發電機類型的載具上，可由引擎帶動同步發電機對電池進行充電，由於一體式同步發電機與引擎為同軸輸出，而引擎運轉又必須長時間運作在高轉速域，才能維持載具運作，一體式同步發電機所自動感應產生的反電動勢會遠大於輸入端的電池電壓，若不進行相關保護或轉換裝置，其回充電壓會導致電池與控制系統損壞；習知技術於同步發電機與輸入電源間加裝直流電源轉換器，進行高低電壓轉換，以避免傷害系統電源，如圖1所示，為了使裝置能順利運作，需配置相關啟動電源，不但影響系統電源轉換效率，還會增加體積與成本，同時，所連結的次系統或零件也須一併調整相關機構配置，甚為不便。

另外一種應用在電動載具之降壓習知技術則是利用脈波寬度調變電流調控方法，控制一反向電流抵銷回充電流，降低電動機高速運轉所產生的回充電壓，避免控制器功率級燒毀故障，不過此方式卻會付出功率元件高頻切換的代價，包含電流切換損失、降低功率級開關壽命與高頻切換產生的熱傳問題。

在中華民國專利部分，I244255利用引擎轉速判別檢測轉子之轉速，當引擎轉速在低速旋轉區域時，利用驅動器對整流器進行延遲角通電控制，用來增加磁場磁通，藉以增大發電量。I277288 根據節流閥開度訊號估測引擎的加速狀態，以控制發電量的增減俾消除浪費的發電；I276738提供一種引擎藉由起動電動機搖轉起動，當偵測到引擎起動完成時，自動停止對起動電動機通電，引擎起動控制裝置中，用以防止引擎發動後之多餘搖轉。上述專利皆解決同步發電機輸出控制問題。

在歐洲專利方面，EP1524762 A2根據節流閥開度之變化速度判斷引擎的加速狀態，以限制發電量的手段；在所限制的發電量已回歸於預定量時便重新對發電量作限制。US08334678 B2提出一種以電壓控制電路進行發電機之輸出電壓控制。US7402968 B2以扭力、電池電壓、溫度、轉子角度等輸入資訊，計算出功率元件開關訊號與轉子間的角度關係，進行功率元件開關時間控制，達成電源轉換目的。

前述國內外專利中，皆採取硬體電路設計手段與裝置達到消除電流突波功效，保護功率級元件，避免負載端由於突如其來的雜訊干擾，導致系統故障情形發生。另外，由於電流波形已被改善，運轉效率也能提升，減少能量損耗。

本發明提出一種輸出控制裝置及控制器之控制方法，利用本發明可以移除電動機與輸入電源間的直流電源轉換器，可節省一半以上的製作成本與體積，如圖2所示。本發明以一控制器、一電源供應器與一電動機等相關配置設計，將控制方法及其策略用於控制器中，同時達到輕薄化的功能，提高控制器的附加價值。本發明除了促進國內相關控制器產業升級，還可推廣到電動車輛與延距型內燃機機車，應用範圍相當廣泛。

本發明一實施例，係一種電動機之輸出控制裝置，其係包括有：控制器、電動機、以及電源供應器。其中，藉由該控制器之該功率元件分別連結該電動機、以及一電源供應器，該控制器，係包括有：一直流電流偵測器、一電動機轉速偵測器、一階段判斷單元、一轉子角度估測器、一轉子角度估測器、一功率元件、以及一角度領先/落後單元，其中，該直流電流偵測器、以及該電 動機轉速偵測器係連結該階段判斷單元。該階段判斷單元、該電動機轉速偵測器、該轉子角度估測器、以及該直流電壓偵測器係連結該角度領先/落後單元。以及一工作週期設定單元，其係連結該階段判斷單元、該角度領先/落後單元、以及該功率元件。

本發明另一實施例，係一種電動機控制器之控制方法，其步驟包含有：使用一控制器、一電動機、以及一電源供應器，其中，該控制器藉由該功率元件連結該電動機、以及該電源供應器；其中，該控制器1藉由該功率元件2，而可在該電動機3於不同轉速變化時，執行電壓控制調變，提供一直流電壓端之回充電壓調變在一固定範圍。其中，使用該控制器的步驟，包含有：使用一直流電流偵測器、一電動機轉速偵測器、一階段判斷單元、一轉子角度估測器、一直流電壓偵測器、一角度領先/落後單元、以及一工作週期設定單元；其中，該直流電流偵測器、以及該電動機轉速偵測器係連結該階段判斷單元；其中，該角度領先/落後單元係連結該階段判斷單元、該電動機轉速偵測器、該轉子角度估測器、以及該直流電壓偵測器；其中，該工作週期設定單元係連結該階段判斷單元、該角度領先/落後單元、以及該功率元件。

1‧‧‧控制器

2‧‧‧功率元件

3‧‧‧電動機

4‧‧‧電源供應器

5‧‧‧直流電流偵測器

6‧‧‧電動機轉速偵測器

7‧‧‧轉子角度估測器

8‧‧‧階段判斷單元

9‧‧‧角度領先/落後單元

10‧‧‧直流電壓偵測器

11‧‧‧工作週期設定單元

圖1 習知技術裝置示意圖。

圖2 本發明裝置內部連結圖。

圖3 階段判斷單元流程圖。

圖4 角度領先/落後計算單元步驟圖。

圖5 工作週期設定單元步驟圖。

圖6 功率控制訊號與霍爾訊號無相移表示圖。

圖7 功率控制訊號與霍爾訊號相移移表示圖。

圖8 保護模式功率元件動作表示圖。

圖9 功率控制訊號開關表示圖。

本發明一實施例，係一種電動機之輸出控制裝置，如圖2所示，其係包括有：控制器1、電動機3、以及電源供應器4。該控 制器1係包含有：一直流電流偵測器5、一電動機轉速偵測器6、一階段判斷單元8、一轉子角度估測器7、一角度領先/落後單元9、以及一功率元件2，其中，該直流電流偵測器5、以及該電動機轉速偵測器6係連結該階段判斷單元8。該階段判斷單元8、該電動機轉速偵測器6、該轉子角度估測器7、以及該直流電壓偵測器10係連結該角度領先/落後單元9。以及一工作週期設定單元11，其係連結該階段判斷單元8、該角度領先/落後單元9、以及該功率元件2。該功率元件2亦連結該電源供應器4。該控制器1藉由該功率元件2，而可在該電動機3於不同轉速變化時，執行電壓控制調變，提供一直流電壓端之回充電壓調變在一固定範圍。

本發明另一實施例，係一種電動機控制器1之控制方法，該控制方法包含下列步驟：使用一工作週期設定單元11；使用一階段判斷單元8；使用一功率元件；以及使用該角度領先/落後單元9；其中，該控制器1藉由該功率元件2，而可在該電動機3於不同轉速變化時，執行電壓控制調變，提供一直流電壓端之回充電壓調變在一固定範圍。

該工作週期設定單元11的步驟，如圖5所示，係包括：由該直流電流偵測器5傳回的電流值，若超過一保護模式的電流，則將該功率元件2中三相上臂開關，一U相開關、一V相開關、以及一W相開關皆開路，三相下臂開關，一U ^' 相開關、一V ^' 相開關、以及一W ^' 相開關皆短路，如圖8所示；若未超過一保護模式的電流，則再判斷是否為一電動載具，若是該電動載具，再判斷是否為一發電模式，若是該發電模式，執行該功率元件2三相180°導通控制；若不是該發電模式，則是一驅動模式，該驅動模式啟動脈衝功率調變(PWM)的該功率元件2，並經由三相開關控制；以及若未超過一保護模式的電流，再判斷不是該電動載具，而是一內燃機載具，則執行該功率元件2三相180°導通控制。如圖9所示。以三相六極電動機3為例，三相導通開關分別由六個功率元件2控制，三相上臂開關為U、V、W，分別相差120度，三相下臂開關為U’相、V’相、W’相亦相差120度，以三相上臂與下臂相 差180度進行導通控制，其開關起始0度角與電動機轉子0度角對齊，隨著電動機3運轉，利用轉子電機角資訊與切換三相開關達成控制目的。

使用該階段判斷單元8，如圖3所示，係包括：接收由該直流電流偵測器5傳回的電流值，若超過一保護模式的電流，則為保護模式，直接進入該工作週期設定單元11進行安全保護；若未超過一保護模式的電流，再判斷是否超過一臨界電流值，若是超過該臨界電流值，則進入第4目標電壓設定，然後進入該角度領先/落後單元9後，再進入該工作週期設定單元11；若是未超過該臨界電流值，則根據該電動機轉速偵測器6，傳回該電動機3轉速後，若未超過電動機3轉速設定，則判斷是否為該電動載具，若是該電動載具，則再判斷是否為該發電模式，若是該發電模式，則進入第3目標電壓設定，然後進入該角度領先/落後單元9後，再進入該工作週期設定單元11；根據該電動機轉速偵測器6，傳回該電動機3轉速後，判斷不為該電動載具，而是該內燃機，則進入第2目標電壓設定，然後進入該角度領先/落後單元9後，再進入該工作週期設定單元11；以及若未超過電動機3轉速設定，則進入第1目標電壓設定，然後進入該角度領先/落後單元9後，再進入該工作週期設定單元11。

使用該角度領先/落後單元9，如圖4所示，係包括：根據該電動機轉速偵測器6，回傳電動機3轉速後；設定相應轉速之該電動機轉子角度為初值；讀取該直流電壓偵測器10的一電壓值；計算該直流電壓偵測器10的一電壓值與目標設定電壓值之一電壓誤差值；若該電壓誤差大於一臨界電壓誤差值，則進入一相位移位控制；使用該相位移位控制，其係擷取一相霍爾感測訊號；計算該電動機3轉速在一個360°電器角，所需之總計數；得1°電氣角所需的計數；偵測該相霍爾感測訊號的一轉態點；判斷是否做相位移位，若是做相位移位，則進入計算當下該電動機3轉速交流反電動勢，整流直流後之直流電壓達目標電壓所需之相位移動角度；判斷該相霍爾感測訊號是否進入轉態；若該相霍爾感測訊號 進入轉態，則由該轉態點，開始計算所需減少或增加相位移動角度之計數；執行增減計數，直到實際計數等於所需相位移動角度之計數。以U相功率元件2搭配具霍爾元件電動機為例，若經由角度領先/落後計算單元(9)計算無相位移動需求，則功率控制訊號(Gate U)與霍爾訊號(Hall U)同步，如圖6所示。若計算後需進行角度移動，則功率控制訊號(Gate U)與霍爾訊號(Hall U)會差一角度，圖7所示。

以上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

1‧‧‧控制器

2‧‧‧功率元件

3‧‧‧電動機

4‧‧‧電源供應器

5‧‧‧直流電流偵測器

6‧‧‧電動機轉速偵測器

7‧‧‧轉子角度估測器

8‧‧‧階段判斷單元

9‧‧‧角度領先/落後單元

10‧‧‧直流電壓偵測器

11‧‧‧工作週期設定單元

Claims (6)

1. 一種電動機之輸出控制裝置，其包含有：一控制器，係包含一功率元件，該功率元件係連結該電動機、以及該電源供應器；一電動機，其係連結該控制器；以及一電源供應器，其係連結該控制器；其中，該控制器藉由該功率元件，而可在該電動機於不同轉速變化時，執行電壓控制調變，提供一直流電壓端之回充電壓調變在一固定範圍。
2. 如申請專利範圍第1項所述之一種電動機之輸出控制裝置，其中，該控制器，係包含有：一直流電流偵測器；一電動機轉速偵測器；一階段判斷單元，該直流電流偵測器、以及該電動機轉速偵測器係連結該階段判斷單元；一轉子角度估測器；一直流電壓偵測器；一角度領先/落後單元，其係連結該階段判斷單元、該電動機轉速偵測器、該轉子角度估測器、以及該直流電壓偵測器；以及一工作週期設定單元，其係連結該階段判斷單元、該角度領先/落後單元、以及該功率元件。
3. 一種電動機控制器之控制方法，該電動機控制器係包含一工作週期設定單元、一階段判斷單元、一角度領先/落後單元及一功率元件，該控制方法係包含下列步驟：使用該工作週期設定單元；使用該階段判斷單元；使用該角度領先/落後單元；以及使用該功率元件；其中，該控制器藉由該功率元件，而可在該電動機於不同轉速 變化時，執行電壓控制調變，提供一直流電壓端之回充電壓調變在一固定範圍。
4. 如申請專利範圍第3項所述之電動機控制器之控制方法，其中，該工作週期設定單元的步驟更包含有：由一直流電流偵測器傳回的電流值，若超過一保護模式的電流，則將一功率元件中三相上臂開關皆開路，三相下臂開關皆短路；若未超過該保護模式的電流，則再判斷是否為一電動載具，若是該電動載具，再判斷是否為一發電模式，若是該發電模式，執行該功率元件三相180°導通控制；若不是該發電模式，則是一驅動模式，該驅動模式啟動脈衝功率調變(PWM)的該功率元件，並經由該功率元件之三相開關控制；以及若未超過該保護模式的電流，再判斷是否為一電動載具，若不是該電動載具，而是一內燃機載具，則執行該功率元件三相180°導通控制。
5. 如申請專利範圍第3項所述之電動機控制器之控制方法，其中，使用該階段判斷單元更包含有：接收由該直流電流偵測器傳回的電流值，若超過一保護模式的電流，則為保護模式，直接進入該工作週期設定單元進行安全保護；若未超過該保護模式的電流，再判斷是否超過一臨界電流值，若是超過該臨界電流值，則進入第4目標電壓設定，然後進入該角度領先/落後單元後，再進入該工作週期設定單元；若是未超過該臨界電流值，則根據該電動機轉速偵測器，傳回該電動機轉速後，若未超過電動機轉速設定，則判斷是否為一電動載具，若是該電動載具，則再判斷是否為該發電模式，若是該發電模式，則進入第3目標電壓設定，然後進入該角度領先/落後單元後，再進入該工作週期設定單元；根據該電動機轉速偵測器，傳回該電動機轉速後，判斷是否為 該電動載具，若判斷不為該電動載具，而是該內燃機，則進入第2目標電壓設定，然後進入該角度領先/落後單元後，再進入該工作週期設定單元；以及若未超過該電動機轉速設定，則進入第1目標電壓設定，然後進入該角度領先/落後單元後，再進入該工作週期設定單元。
6. 如申請專利範圍第3項所述之電動機控制器之控制方法，其中，使用該角度領先/落後單元更包含有：根據該電動機轉速偵測器，回傳電動機轉速後；設定相應轉速之該電動機轉子角度為初值；讀取一直流電壓偵測器的一電壓值；計算該直流電壓偵測器的一電壓值與目標設定電壓值之一電壓誤差值；若該電壓誤差大於一臨限電壓誤差值，則進入一相位移位控制；使用該相位移位控制，其係自擷取一相霍爾感測訊號；計算該電動機轉速在一個360°電器角，所需之總計數；得1°電氣角所需的計數；偵測該相霍爾感測訊號的一轉態點；判斷是否做相位移位，若是做相位移位，則進入計算當下該電動機轉速交流反電動勢，整流直流後之直流電壓達目標電壓所需之相位移動角度；判斷該相霍爾感測訊號是否進入轉態；若該相霍爾感測訊號進入轉態，則由該轉態點，開始計算所需減少或增加該相位移動角度之計數；以及執行增減計數，直到實際計數等於所需該相位移動角度之計數。