TWI686050B - 電動自行車之無刷馬達的轉子位置感測方法 - Google Patents

Abstract

一種電動自行車之無刷馬達的轉子位置感測方法，該方法先對定子單元的其中二相繞組通予一直流電，待轉子單元受定子單元線圈激磁的磁場之磁力吸引而樞轉直到固定，接著再利用感測模組獲取感測磁石的角度位置，並計算出感測磁石的角度位置相較於基準位置的樞轉角度θ，接著於感測模組中輸入轉子單元的磁極數量，感測模組根據轉子單元的磁極數量及樞轉角度θ進行運算以獲取切換角度Φ，最後控制單元接收感測模組的運算所獲取之切換角度Φ並以此結合感測模組所感測到的感測磁石的位置的即時資訊對無刷馬達進行控制。

Description

電動自行車之無刷馬達的轉子位置感測方法

本發明係關於一種電動自行車的感測方法，特別是指該電動自行車之無刷馬達的轉子位置感測方法。

近年來，由於健康與環保意識的提升，電動自行車這類兼具運動且不排放廢氣的移動載具受到許多民眾的喜愛，現行的電動自行車大多係將馬達裝設於五通或前、後輪之輪軸處，透過馬達帶動鏈條或車輪的方式來減輕使用者體力上的負擔，然而馬達的優劣除了會影響了電力的轉換效率外，還會影響騎乘地順暢性，具有相當重要的地位。

與傳統有刷馬達相較，無刷馬達具有較高的效率及轉矩密度，也因此被廣泛地應用於電動自行車上，為了精確掌握轉子的樞轉位置以維持定子上磁極連續性的換相需求，現行作法是在定子齒部間安裝3個的霍爾感測器，透過霍爾感測器所獲取的訊號來推知轉子樞轉的位置，此種作法對於霍爾感測器、感測磁石、定子及轉子的相對位置有相當嚴格地要求，錯誤或偏差的放置都會導致推算出來的轉子位置與實際位置不一致，進而導致定子的相位切換不夠精準，馬達運轉效率降低或出現頓挫的情況，因此製造商往往需要耗費大量人力與時間在各該霍爾感測器之對位及校正工序上。

緣是，本發明之目的在提供一種電動自行車之無刷馬達的轉子位置感測方法，其可減少製造時霍爾感測器、感測磁石、定子及轉子間的相對位置的調校工序，進而降低生產成本，提升品質的穩定性。

為達成上述目的，本發明所提供之一種電動自行車之無刷馬達的轉子位置感測方法，該無刷馬達係可設於該電動自行車之五通或設於前、後輪之輪軸處，其特徵在於，該無刷馬達包含有一定子單元、一轉子單元、一感測磁石、一感測模組及一控制單元，該轉子單元具有一驅動軸，該轉子單元係與該定子單元同軸且可轉動地設於該定子單元內，該感測磁石固設於該轉子單元的驅動軸且可與該轉子單元同步轉動，該定子單元具有複數個定子齒部，於各該定子齒部上繞設有線圈，該些線圈構成一U相繞組、一V相繞組與一W相繞組，該控制單元電性連接於該感測模組，本感測方法包含有以下步驟：

S0：將該感測模組設於該無刷馬達之殼體表面並鄰接於該感測磁石。

S1：將直流電之正端電性連接於該U相繞組、該V相繞組或該W相繞組之一者，並將直流電之負端電性連接於該U相繞組、該V相繞組或該W相繞組之另一者。

S2：待該轉子單元受到該定子單元線圈激磁的磁場的磁力吸引而產生樞轉直到固定，該感測磁石也會受帶動而樞轉直到固定，將該感測磁石的位置設為一角度位置。

S3：利用該感測模組已獲取該感測磁石的角度位置，並計算出該角度位置相較於一基準位置的樞轉角度為θ。

S4：於該感測模組中輸入該轉子單元的磁極數量，且該感測模組根據該轉子單元的磁極數量及S3所獲取的樞轉角度θ進行運算以獲取一切換角度Φ。

S5： 該控制單元接收S4的運算所獲取之切換角度Φ並以此結合該感測模組所感測到的感測磁石的位置的即時資訊對該無刷馬達進行控制。

可選地，於S2中，該感測磁石具有一相對的感測磁極（N磁極與S磁極），該對感測磁極係沿該驅動軸之徑向分佈。

可選地，該感測磁石係固設於該驅動軸的一端面，且該感測磁石係可與該驅動軸同軸樞轉。

可選地，於S3中，該感測模組係與該感測磁石沿該驅動軸之軸向相鄰但不接觸地設置於該無刷馬達的殼體上。

可選地，該感測模組係垂直於該驅動軸之軸向且與該感測磁極平行。

可選地，該定子齒部的數量係為3的倍數。

可選地，該感測模組具有一微處理器及一儲存單元，該S3到S4係於該感測模組的微處理器進行運算並儲存於該儲存單元。

可選地，於S3中，該感測模組係可感測該感測磁石之磁極的方向、位置及樞轉速度。

藉此，本發明透過前述步驟，得以獲知感測磁石與感測模組的相對位置，由於該定子單元與該感測模組之間無相對運動，而該轉子單元也與該感測磁石無相對運動，因此獲知感測磁石與感測模組的相對位置也表示獲知轉子單元與定子單元之間的相對位置。也就是說，本發明透過前述步驟即可精確掌握轉子單元的位置情況，而不需如同先前技術還需對霍爾感測器、感測磁石、定子及轉子間的相對位置經過耗時費工的調校工序，所以能有效降低生產成本，提升品質的穩定性。

有關本發明所提供的一種電動自行車之無刷馬達的轉子位置感測方法的詳細特點與步驟，將於後續的說明中予以描述。然而，在本發明領域中具有通常知識者應能瞭解，該等詳細說明以及實施本發明所列舉的特定實施例，僅係用於說明本發明，並非用以限制本發明之專利申請範圍。

首先要說明的是，本發明所提供的說明內容使用的用語皆為所屬技術領域中具有通常知識者所能理解的例示性描述用語，本說明書內容所提及的“前”、“上”、“下”、“後”、“左”、“右”、“頂”、“底”、“內”，以及“外”等方向性形容用語，也只是以正常使用方向為基準之例示性描述用語，並非作為限制主張範圍之用意。

再者，如同發明申請專利範圍中所使用單數形式的“一”、“一個”以及“該”等數量詞都包括複數的涵義。因此，例如對“一元件”的說明指的是一個或多個元件，而且包括所屬領域中具有通常知識者已知的等同替換。在類似狀況下所使用的所有連接詞也應當理解為最寬廣的意義，說明內容中所描述的特定形狀以及結構特徵或技術用語同樣應被理解為包括特定結構或技術用語所能達成之功能的等同替換結構或技術用語。

請先參閱各圖式，第1圖為本實施例之流程圖，第2圖係為本實施例之電動自行車之無刷馬達的結構示意圖。本發明所示實施例之一種電動自行車之無刷馬達的轉子位置感測方法，該無刷馬達1係可設於該電動自行車之五通或設於前、後輪之輪軸（圖中未示），透過該無刷馬達1帶動鏈條或車輪的方式輔助使用者的騎乘。

該無刷馬達1包含有一定子單元10、一轉子單元20、一感測磁石30、一感測模組40及一控制單元（圖中未示），該轉子單元20具有一驅動軸22，其中，該感測磁石30係固設於該轉子單元20的驅動軸22之一端面24，且該感測磁石30係可與該驅動軸22同軸樞轉，該感測磁石30具有一相對的感測磁極32（如第4圖所示），該感測磁極32包含有一N磁極與一S磁極，將從該S磁極往該N磁極的延伸方向定義為該感測磁石30之感測磁極32的方向（如第4圖中之箭號），該感測磁極32的方向係與該驅動軸22之徑向相互平行；該轉子單元20係與該定子單元10同軸且可轉動地設於該定子單元10內，該定子單元10具有複數個定子齒部（圖中未示），該定子齒部的數量係為3的倍數，於各該定子齒部上繞設有線圈，該些線圈構成一U相繞組、一V相繞組與一W相繞組，該控制單元電性連接於該感測模組40。本感測方法包含有以下步驟：

S0：將該感測模組40設於該無刷馬達1之殼體3表面並鄰接於該感測磁石30。

S1：將直流電之正端電性連接於該U相繞組、該V相繞組與該W相繞組之一者，並將直流電之負端電性連接於該U相繞組、該V相繞組與該W相繞組之另一者。舉例來說，使用者可將直流電之正端電性連接於該U相繞組，並將直流電之負端電性連接於V相繞組，此時電流會從U相繞組進入再從V相繞組流出，如此於U相繞組與V相繞組所纏繞的定子齒部就會因線圈激磁的磁場產生磁力以吸引轉子單元20樞轉。

S2：待該轉子單元20受到該定子單元10線圈激磁的磁場的磁力吸引而產生樞轉直到固定，該感測磁石30也會受該轉子單元20及該驅動軸22的帶動而樞轉直到固定，將該感測磁石30的固定位置定義為一角度位置P1（如第5圖所示）。

請一併參考第4圖及第5圖。S3：利用該感測模組40以獲取該感測磁石30的角度位置P1，並計算出該角度位置P1相較於一基準位置P0的樞轉角度為θ。其中，該感測模組40係與該感測磁石30沿該驅動軸22之軸向相鄰但不接觸地設置，該感測模組40係垂直於該驅動軸22之軸向且與該感測磁極32平行，再者，該感測模組40除了可感測該感測磁石30的位置外，其還可以感測該感測磁石30的磁極的方向，另透過運算還可獲得該感測磁石30的樞轉速度。

S4：於該感測模組40中輸入該轉子單元20的磁極數量，且該感測模組40根據該轉子單元20的磁極數量及S3所獲取的樞轉角度θ進行運算以獲取一切換角度Φ。前述運算係將該轉子單元20樞轉一周360度除以該轉子單元的磁極數量n以獲得一角度φ，其中該轉子單元的磁極數量n係為2的倍數，舉例來說，於不同的實施態樣中，該磁極數量n係可為但不限於2、4、6、8或10等數量。接著，將該 θ + N * φ = Φ 定義為該切換角度，其中N係為大於等於0之整數。其中該感測模組40包含有一微處理器（圖中未示）及一儲存單元（圖中未示），該S3到S4係於該感測模組的微處理器進行運算並儲存於該儲存單元。

S5： 該控制單元接收S4的運算所獲取之切換角度Φ並以此結合該感測模組40所感測到的感測磁石30的位置的即時資訊對該無刷馬達1的運轉進行控制。具體而言，當感測模組40感測到感測磁石30旋轉至該切換角度Φ時，即表示該轉子單元20到達相位切換點，此時該控制單元會對該U相繞組、該V相繞組與該W相繞組之相位進行切換。

以下藉由具體地例子來對本發明作說明，但本發明之保護範圍並不以該例子為限。

請參考第1及2圖，本例子係選擇定子單元10的定子齒部的數量為12的無刷馬達1，使用者首先將該感測模組40設於該無刷馬達1之殼體3並鄰接於該感測磁石30，其中該感測模組40係選用AsahiKASEI之AK7451型號的產品，該產品可以感測到該感測磁石30的位置及樞轉狀態等資訊，但使用者同樣可選用其他具有類似功能的產品。接著，將直流電之正端電性連接於該U相繞組，並將直流電之負端電性連接於V相繞組，此時電流會從U相繞組進入再從V相繞組流出，如此於U相繞組與V相繞組所纏繞的定子齒部就會產生線圈激磁的磁場的磁力以吸引轉子單元20樞轉直到固定，如第5圖所示，此時轉子單元20係處於角度位置P1，於本例子中，係將N磁極朝上S磁極朝下的垂直線作為基準位置P0（如第4圖所示），於其他可能的實施例中，也可將N磁極及S磁極的交界線作為基準位置，於本例子中，樞轉後的角度位置P1與基準位置P0的夾角θ係為35度。

接著，於該感測模組40中輸入該轉子單元20的磁極數量n，於本例子係選用轉子磁極數量n = 12的轉子單元20，由於轉子單元20的各該磁極係成等角度間隔設置，亦即轉子單元20具有旋轉對稱的特性，因此可由此推知該轉子單元20每樞轉一固定角度後會回到類似的態樣，該感測模組40根據該轉子單元20的磁極數量n及所獲取的樞轉角度θ進行運算，前述運算係將該轉子單元20樞轉一周360度除以該轉子單元的磁極數量n=12以獲得角度φ=360度/12=30度，接著，將該 θ + N * φ = 35度 + N * 30度 = Φ 定義為切換角度，其中N係為大於等於0之整數，換言之，該切換角度係位於Φ＝35、65、95、125、155、185、215、245、275、305、335及365（次圈5度時）等。

最後控制單元再接收前述該感測模組40的運算所獲取之切換角度Φ，並以此結合該感測模組40所感測到的感測磁石30的位置的即時資訊對該無刷馬達1的運轉進行控制，特別是針對控制該U相繞組、該V相繞組與該W相繞組之相位切換點。具體而言，當感測模組40感測到感測磁石30旋轉至切換角度Φ時，即表示該轉子單元20到達相位切換點，此時該控制單元會對該U相繞組、該V相繞組與該W相繞組之相位進行切換。

再舉另一例子進行說明，於本例中，S0至S2之步驟與前述例子相同，接著於S3步驟中，利用該感測模組以獲取該感測磁石的角度位置，並計算出該角度位置相較於基準位置的樞轉角度θ係為7度。於S4步驟中，該轉子單元20的磁極數量n係為10，此時該感測模組40根據該轉子單元20的磁極數量n及所獲取的樞轉角度θ進行運算，前述運算係將該轉子單元20樞轉一周360度除以該轉子單元的磁極數量n=10以獲得角度φ=360度/10=36度，接著，將該 θ + N * φ = 7度 + N * 36度 = Φ 定義為切換角度，其中N係為大於等於0之整數，換言之，該切換角度係位於Φ＝7、42、79、115、151、187、….、295、331等。

最後控制單元再接收前述該感測模組40的運算所獲取之切換角度Φ，並以此結合該感測模組40所感測到的感測磁石30的位置的即時資訊對該無刷馬達1的運轉進行控制，特別是針對控制該U相繞組、該V相繞組與該W相繞組之相位切換點。具體而言，當感測模組40感測到感測磁石30旋轉至切換角度Φ時，即表示該轉子單元20到達相位切換點，此時該控制單元會對該U相繞組、該V相繞組與該W相繞組之相位進行切換。

綜上所述，本案透過前述的步驟，得以獲知感測磁石30與感測模組40的相對位置，由於該定子單元10與該感測模組40之間無相對運動，而該轉子單元20也與該感測磁石30無相對運動，因此獲知感測磁石30與感測模組40的相對位置也表示獲知轉子單元20與定子單元10之間的相對位置，也就是說，本發明透過前述步驟即可精確掌握轉子單元20的位置情況。此時該控制單元只需要再搭配該感測模組40所感測到的感測磁石30的位置的即時資訊，即可精準的控制無刷馬達1的運轉。相較於傳統上透過人工的方式對霍爾感測器、感測磁石、定子及轉子間的相對位置進行耗時費工的調校工序，本案因此能有效降低生產成本，並維持品質的穩定性，再者，本案透過前述的步驟可精確掌握轉子單元的位置，因此能讓相位切換點更為準確，進而能有效提升電機效能。

最後，必須再次說明的是，本發明於前述實施例中所揭露的構成元件及步驟僅為舉例說明，並非用來限制本發明的專利範圍，舉凡未超脫本發明精神所作的簡易結構潤飾或變化，或與其他等效元件的更替，仍應屬於本發明申請專利範圍涵蓋的範疇。

S0,S1,S2,S3,S4,S5‧‧‧步驟1‧‧‧無刷馬達3‧‧‧殼體10‧‧‧定子單元 20‧‧‧轉子單元22‧‧‧驅動軸24‧‧‧端面30‧‧‧感測磁石32‧‧‧感測磁極40‧‧‧感測模組P0‧‧‧基準位置P1‧‧‧角度位置

以下茲以實施例並配合圖式，對本發明所提供的一種電動自行車之無刷馬達的轉子位置感測方法做進一步之說明，其中： 第1圖為本發明所示實施例之電動自行車之無刷馬達的轉子位置感測方法的流程圖。 第2圖為本發明所示實施例之電動自行車之無刷馬達的結構示意圖。 第3圖為本發明所示實施例，主要顯示驅動軸與感測磁石之結構。 第4圖為本發明所示實施例之電動自行車之無刷馬達的感測磁石於基準位置的示意圖。 第5圖類同於第4圖，主要顯示步驟S2時，感測磁石於角度位置的示意圖。

S0,S1,S2,S3,S4,S5‧‧‧步驟

Claims (6)

1. 一種電動自行車之無刷馬達的轉子位置感測方法，該無刷馬達係可設於該電動自行車之五通或設於前、後輪之輪軸，其特徵在於，該無刷馬達包含有一定子單元、一轉子單元、一感測磁石、一感測模組及一控制單元，該轉子單元具有一驅動軸，該轉子單元係與該定子單元同軸且可轉動地設於該定子單元內，該感測磁石固設於該轉子單元的驅動軸且可與該轉子單元同步轉動，該定子單元具有複數個定子齒部，於各該定子齒部上繞設有線圈，該些線圈構成一U相繞組、一V相繞組與一W相繞組，該控制單元電性連接於該感測模組，本感測方法包含有以下步驟：S0：將該感測模組設於該無刷馬達之殼體表面並鄰接於該感測磁石；S1：將直流電之正端電性連接於該U相繞組、該V相繞組與該W相繞組之一者，並將直流電之負端電性連接於該U相繞組、該V相繞組與該W相繞組之另一者；S2：待該轉子單元受到該定子單元線圈激磁的磁場的磁力吸引而產生樞轉直到固定，該感測磁石也會受帶動而樞轉直到固定，將該感測磁石的位置設為一角度位置，該感測磁石具有一相對的感測磁極(N磁極與S磁極)，該對感測磁極係沿該驅動軸之徑向分佈；S3：利用該感測模組以獲取該感測磁石的角度位置，並計算出該角度位置相較於一基準位置的樞轉角度為θ，該感測模組係可獲取該感測磁石之感測磁極的方向及樞轉速度； S4：於該感測模組中輸入該轉子單元的磁極數量，且該感測模組根據該轉子單元的磁極數量及S3所獲取的樞轉角度θ進行運算以獲取一切換角度Φ；S5：該控制單元接收S4的運算所獲取之切換角度Φ並以此結合該感測模組所感測到的感測磁石的位置的即時資訊對該無刷馬達的運轉進行控制。
2. 如申請專利範圍第1項所述之一種電動自行車之無刷馬達的轉子位置感測方法，其中該感測磁石係固設於該驅動軸的一端面，且該感測磁石係可與該驅動軸同軸樞轉。
3. 如申請專利範圍第1項所述之一種電動自行車之無刷馬達的轉子位置感測方法，其中於S3中，該感測模組係與該感測磁石沿該驅動軸之軸向相鄰但不接觸地設置於該無刷馬達的殼體上。
4. 如申請專利範圍第4項所述之一種電動自行車之無刷馬達的轉子位置感測方法，其中該感測模組係垂直於該驅動軸之軸向且與該感測磁極平行。
5. 如申請專利範圍第1項所述之一種電動自行車之無刷馬達的轉子位置感測方法，其中該定子齒部的數量係為3的倍數。
6. 如申請專利範圍第1項所述之一種電動自行車之無刷馬達的轉子位置感測方法，其中，該感測模組具有一微處理器及一儲存單元，該S3到S4係於該感測模組的微處理器進行運算並儲存於該儲存單元。

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