TWI748768B

TWI748768B - 馬達驅動系統

Info

Publication number: TWI748768B
Application number: TW109141702A
Authority: TW
Inventors: 陳育良; 林繼謙
Original assignee: 威剛科技股份有限公司
Priority date: 2020-11-27
Filing date: 2020-11-27
Publication date: 2021-12-01
Also published as: TW202222028A

Abstract

本發明公開一種馬達驅動系統，其具有智慧化充放電機制的預充電電路。在充電方面，可通過延遲電路延緩低阻抗路徑的導通時機，偵測電路還可同時偵測系統狀態與電池電壓，在非驅動模式以及電池電壓持續降低時進行放電程序，且在放電程序中，還可利用馬達驅動系統的驅動機制達成多種應用。

Description

馬達驅動系統

本發明涉及一種馬達驅動系統，特別是涉及一種具有智慧化充放電機制的預充電電路的馬達驅動系統。

在現有的馬達電力驅動系統中，為了避免在上電驅動的過程中，發生瞬間大電流，造成系統損害與壽命降低。故通常會在電源(例如，電池)與控制器之間配置預充電(Pre-charge)電路，其目的在於可利用較低電流將內部電容充滿後，再使位於主要迴路上的開關導通來避免產生瞬間大電流導致系統損壞。

一般而言，預充電電路在啟動過程中可正常工作，但是在電源關閉過程中時常發生問題。舉例而言，在系統準備關閉時，其控制器不會驅動電機，故此時系統耗電流很低，使得內部電容放電至額定安全電壓以下耗時甚巨(10秒至分鐘等級)。在此放電過程中，若電源即時重啟，或是分段啟動尚未上電的電池單元，由於電容電壓尚未到達啟動預充電的門檻電壓以下，則會產生瞬間大電流，造成系統損害或是系統失能。

本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足提供一種具有智慧化充放電機制的預充電電路的馬達驅動系統。

為了解決上述的技術問題，本發明所採用的其中一技術方案是提供一種馬達驅動系統，用於驅動一馬達，該馬達驅動系統包括電池組、電源控制電路、電容、逆變器電路、馬達控制電路、狀態偵測電路、預充電電路、延遲電路及放電控制電路。電池組包括在第一輸入端及第二輸入端之間串接的第一電池單元及第二電池單元。電源控制電路經配置以控制該電池組開啟及關閉。電容連接於該第一輸入端及該第二輸入端之間。逆變器電路連接於該第一輸入端及第二輸入端以由該電池組供電，且具有經橋接以形成多個輸出端的多個開關元件，其中該些輸出端分別連接於該馬達的多個相繞組。馬達控制電路經配置以產生一馬達控制訊號組以控制該些開關元件的開關動作，使該馬達之各該相繞組通電而驅動該馬達。狀態偵測電路經配置以偵測該馬達驅動系統的運作狀態。預充電電路包括高阻抗路徑、低阻抗路徑、預充電開關及偵測電路。高阻抗路徑連接於第二輸入端及電池組之間。低阻抗路徑連接於該第二輸入端及該電池組之間，其中該高阻抗路徑的電阻值大於該低阻抗路徑的電阻值。預充電開關設置在該低阻抗路徑上。偵測電路經配置以：將該第一輸入端的一第一電壓與一預充電啟動電壓進行比較，並對應產生一偵測結果訊號，其中，響應於該第一電壓高於該預充電啟動電壓，該偵測結果訊號用於控制該預充電開關導通，響應於該第一電壓小於或等於該預充電啟動電壓，該偵測結果訊號用於控制該預充電開關關斷。偵測電路更經配置偵測該運作狀態是否為一非驅動模式，以及該第一電壓是否隨時間下降，其中，響應於偵測到該運作狀態為該非驅動模式且該第一電壓隨時間下降，輸出用於對該電容執行一放電程序的一放電指示訊號，直到偵測到該第一電壓不再隨時間下降時，停止輸出該放電指示訊號。延遲電路設置於該偵測電路及該預充電開關之間，經配置以將該偵測結果訊號延遲預定延遲時間。放電控制電路經配置以依據該放電指示訊號執行該放電程序，包括：通過該馬達控制電路取得該馬達的一當前運轉角度；及依據該當前運轉角度，以一修正角度修正該馬達控制訊號組，以驅動該馬達停止並進入一放電模式。

本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的馬達驅動系統具有智慧化充放電機制的預充電電路。在充電方面，可通過延遲電路延緩低阻抗路徑的導通時機，藉由充電後的內部電容避免系統快速重啟時產生瞬間大電流而導致系統損壞。

另一方面，預充電電路的偵測電路可同時偵測系統狀態與電池電壓，在非驅動模式以及電池電壓持續降低時進行放電程序，使電壓可低於額定安全電壓及預充電啟動電壓，且在放電程序中，還可利用馬達驅動系統的驅動機制達成多種應用。

為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。

1:馬達驅動系統

10:電池組

11:電源控制電路

12:逆變器電路

13:馬達控制電路

14:狀態偵測電路

15:預充電電路

16:放電控制電路

130:第一處理電路

131:驅動控制電路

132:第一電壓偵測電路

133:相電流偵測電路

150:偵測電路

151:延遲電路

152:第二處理電路

153:第二電壓偵測電路

154:儲存單元

14':控制器區域網路

B1:第一電池單元

B2:第二電池單元

C1:電容

H1、H2、H3、L1、L2、L3:馬達控制訊號

Ic1、Ic2:電容放電電流

In1:第一輸入端

In2:第二輸入端

Iu、Iv、Iw:相電流

M:馬達

O1、O2、O3:輸出端

P1:低阻抗路徑

P2:高阻抗路徑

R1、R2:電阻

S1:偵測結果訊號

S2:放電指示訊號

S3:電源狀態訊號

SW1~SW6:開關元件

SWp:預充電開關

t0、t1、t2:時間

T1:延遲時間

V1:第一電壓

Vc:電容電壓

Vgs:預充電開關訊號

Vpc:預充電啟動電壓

圖1為本發明實施例的馬達驅動系統的功能方塊圖。

圖2為根據本發明實施例的馬達控制電路的功能方塊圖。

圖3為根據本發明實施例的偵測電路的細部功能方塊圖及其週邊電路方塊圖。

圖4為根據本發明實施例的預充電電路應用智慧化放電機制的電壓、電流對時間作圖。

圖5為根據本發明實施例的預充電電路應用延遲導通機制的電壓、電流對時間作圖。

圖6為根據本發明實施例的偵測電路用於執行狀態偵測程序的流程圖。

以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開有關“馬達驅動系統”的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不背離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包括相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。

參閱圖1所示，本發明實施例提供一種馬達驅動系統1，用於驅動一馬達M，該馬達驅動系統1包括電池組10、電源控制電路11、電容C1、逆變器電路12、馬達控制電路13、狀態偵測電路14、預充電電路15及放電控制電路16。

電池組10基本上可包括在第一輸入端In1及第二輸入端In2之間串接的第一電池單元B1及第二電池單元B2，但本發明不限於此，電池組10可包括兩個以上的電池單元。第一電池單元B1及第二電池單元B2可例如為鋰離子電池、鋰離子聚合物電池、鉛酸蓄電池(滿槽鉛酸電池、深循環鉛酸電池，以及閥門調節鉛酸電池)、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋅空氣電池、鈉鎳氯化物電池(zebra)等，且各自包括內建的過電流保護電路。

電源控制電路11可用以控制電池組10開啟及關閉，舉例而言，電源控制電路11可例如為包括電源轉換器的電源管理電路，但本發明不限於此。電容C1連接於第一輸入端In1及第二輸入端In2之間。逆變器電路12連接於該第一輸入端In1及第二輸入端In2以由電池組10供電，且具有經橋接以形成多個輸出端的多個開關元件，例如，如圖1所示，逆變器電路12包括開關元件SW1~SW6，且分別形成輸出端O1、O2、O3。輸出端O1、O2、O3分別連接於馬達M的多個相繞組，以三相馬達為例，輸出端O1、O2、O3可分別連接馬達M的U相繞組、V相繞組及W相繞組。

馬達控制電路13可經配置以產生馬達控制訊號組以控制上述開關元件的開關動作，使馬達M之各相繞組通電而驅動馬達M。馬達控制訊號組可包括馬達控制訊號H1、H2、H3、L1、L2、L3。可進一步參考圖2，其為根據本發明實施例的馬達控制電路的功能方塊圖。如圖2所示，馬達控制電路13可包括第一處理電路130、驅動控制電路131、第一電壓偵測電路132及相電流偵測電路133。

第一處理電路130可例如為微處理器或數位訊號處理器，第一處理電路130可經配置以執行馬達控制的演算法，以從瞬時的相電流Iu、Iv、Iw中得到獨立的轉矩電流及場電流。簡單的交流馬達控制可以利用以微處理器為基礎的控制系統來達成，高階的交流變頻器則會應用數位訊號處理器(DSP)來進行。相電流偵測電路133可經配置以偵測馬達M的U相繞組、V相繞組及W相繞組的相電流Iu、Iv、Iw，以產生用於指示馬達M的當前運轉角度的一角度資訊，第一電壓偵測電路132則可用於偵測第一輸入端In1上的第一電壓V1。

狀態偵測電路14經配置以偵測馬達驅動系統1的運作狀態。狀態偵測電路14可例如為控制器區域網路(Controller Area Network,CAN)，其用於在諸如汽車或機車等的移動載具中的各種電子控制裝置之間交換資訊，形成電子控制網路。

預充電電路15可包括低阻抗路徑P1、高阻抗路徑P2、預充電開關SWp、偵測電路150及延遲電路151。低阻抗路徑P1及高阻抗路徑P2分別連接於第二輸入端In2及電池組10之間，而高阻抗路徑P2的電阻值大於低阻抗路徑P1的電阻值，且預充電開關SWp設置在低阻抗路徑P1上。

舉例而言，低阻抗路徑P1包括電阻R1及預充電開關SWp，高阻抗路徑P2包括電阻R2。其中，電阻R2的電阻值高於電阻R1的電阻值，因此，在馬達驅動電路1啟動時，由於電容C1上無電荷或只有很低的殘留電壓，高阻抗路徑P2可用於避免電池組10直接與電容C1導通造成的瞬間短路。

在本發明的實施例中，偵測電路150需扮演兩種角色，分別是判斷電池電壓是否達到預充電啟動電壓，以及依據系統狀態及電池電壓判斷是否啟動放電機制。

在預充電方面，偵測電路150可經配置以將第一輸入端Inp的第一電壓V1與一預充電啟動電壓進行比較，並對應產生一偵測結果訊號S1。其中，響應於第一電壓V1高於預充電啟動電壓，偵測結果訊號S1用於控制預充電開關SWp導通。響應於第一電壓V1小於或等於預充電啟動電壓，偵測結果訊號S1用於控制預充電開關關斷SWp。

另一方面，偵測電路150更經配置以偵測馬達驅動系統1的運作狀態是否為非驅動模式，以及第一電壓V1是否隨時間下降。響應於偵測到運作狀態為非驅動模式且第一電壓V1隨時間下降，輸出用於對電容C1執行放電程序的放電指示訊號S2，直到偵測到第一電壓不再隨時間下降時，停止輸出放電指示訊號S2。

延遲電路151設置於偵測電路150及預充電開關SWp之間，經配置以將偵測結果訊號S1延遲預定延遲時間T1。延遲電路151可例如為RC電路，且由於在第一電壓V1高於預充電啟動電壓時，偵測結果訊號S1可用於控制預充電開關SWp導通，因此，延遲電路151可延緩低阻抗路徑P1的導通時機，以為電容C1爭取充電時間，而充電後的電容C1可避免系統快速重啟時產生瞬間大電流而導致系統損壞。

需要說明的是，當該預充電開關SWp關斷時，電池組10將會通過高阻抗路徑P2以一預充電電流Ipc對電容C1充電，而上述的預定延遲時間T1至少需要大於與預充電電流Ipc及電容C1的電容值相關的充電時間T2，其中，延遲時間T1需滿足：T1>T2=C1*Vbat/Ipc，其中，Vbat為電池組10提供的電壓。因此，可依據此條件式設計預充電電路15中的各元件的參數。

於此，可進一步參考圖3，其為根據本發明實施例的偵測電路的細部功能方塊圖及其週邊電路方塊圖。如圖3所示，偵測電路150可進一步包括第二處理電路152、第二電壓偵測電路153及儲存單元154。

其中，第二處理電路152可例如為微處理器或數位訊號處理器，而第二電壓偵測電路153可用於取得第一輸入端In1的第一電壓V1及預充電啟動電壓Vpc(例如，接收一參考電壓)，並將第一電壓V1與預充電啟動電壓Vpc進行比較而對應輸出偵測結果訊號S1。

另一方面，電源控制電路11更依據電池組10的開啟及關閉對應產生電源狀態訊號S3，而響應於偵測到運作狀態為非驅動模式時，偵測電路150，例如，其中的第二處理電路152更經配置以依據電源狀態訊號S3判斷電池組為開啟或關閉。而響應於偵測到電池組10為關閉時，偵測電路150(或其中的第二處理電路152)輸出放電指示訊號S2給放電控制電路16。

在圖3的實施例中，上文中描述過的控制器區域網路14’作為狀態偵測電路14，以用於取得馬達驅動系統1的運作狀態，並告知第二處理電路152。例如，控制器區域網路14’可偵測運作狀態是驅動模式或非驅動模式。

再者，儲存單元154可例如為電子抹除式可複寫唯讀記憶體(Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory,EEPROM)，其儲存有實行上述偵測電路150的各種功能的程式碼或韌體，並可藉由第二處理電路152來執行。

在上述架構下，偵測電路150可通過偵測馬達驅動系統1的運作狀態是否為非驅動模式，以及第一電壓V1是否隨時間下降，來判定電池組10是否離線，或是其中的一部分電池單元離線。若是已經離線，則針對電容C1進行放電程序，以使第一電壓V1低於預充電啟動電壓Vpc，或是更進一步調校其放電時間，以使第一電壓V1於一額定時間內低於額定安全電壓。

請復參考圖1，放電控制電路16可經配置以依據放電指示訊號S2執行放電程序。具體而言，此放電程序適用於現有的馬達驅動電路，其係利用馬達M作為負載，在判斷系統處在非驅動模式的時間點，以與一般驅動方式類似的驅動方式，但以不同的相位角來對馬達M的各相繞組進行驅動，以使馬達M的轉子靜止而不晃動。

詳細而言，放電控制電路16可通過馬達控制電路13(例如，其中的相電流偵測電路133及第一處理電路130)取得馬達M的當前運轉角度，而後依據所取得的當前運轉角度，以修正角度修正馬達控制訊號組，以驅動馬達M停止並進入放電模式。

舉例而言，對於三相馬達，可參照常用的六步方波驅動訊號表，以依據所偵測到的相電流Iu、Iv、Iw來判斷的當前運轉角度。而放電控制電路16可根據當前運轉角度，以+90度或-90度作為修正角度來修正馬達控制訊號組，以產生新的馬達控制訊號H1、H2、H3、L1、L2、L3來驅動馬達M，此時，由於馬達M的定子電磁力與轉子的磁場方向平行，可使馬達M的轉子靜止而不晃動。

以下將進一步針對偵測電路150的判斷基準進行描述。詳細而言，偵測電路150在偵測第一電壓V1是否隨時間下降時，實質上可判斷第一電壓V1的下降率是否大於第一預定下降率，若是，則第一電壓V1被判斷為隨時間下降。例如，第一預定下降率可例如為-7V/s，但僅為舉例，本發明不限於此。另一方面，偵測電路150亦可判斷第一電壓V1的下降率是否小於第二預定下降率，若是，則第一電壓V1被判斷為不再隨時間下降。例如，第二預定下降率可例如為-3V/s，但僅為舉例，本發明不限於此。

可進一步參考圖4，其為根據本發明實施例的預充電電路應用智慧化放電機制的電壓、電流對時間作圖，其中分別示出了電容電壓Vc(亦即第一電壓V1)及電容放電電流Ic1。如圖4所示，於時間t0至t1之間，電容電壓Vc持續下降，偵測電路150偵測到馬達驅動系統1的運作狀態為非驅動模式，以及電容電壓Vc隨時間下降，因此於時間t1開啟放電機制，使得電容放電電流Ic1上升而電容電壓Vc快速下降，換言之，強制預充電電路15初始化。

可進一步參考圖5，其為根據本發明實施例的預充電電路應用延遲導通機制的電壓、電流對時間作圖，分別示出了電容電壓Vc(亦即第一電壓V1)、預充電開關訊號Vgs、偵測結果訊號S1及電容充電電流Ic2。如圖4所示，於時間t0時，僅開啟電池組10的第一電池單元B1，然而，第一電池單元B1提供的電壓仍高於預充電啟動電壓Vpc。於時間t1時，第二電池單元B1上電，此時由於電容電壓Vc高於預充電啟動電壓Vpc，偵測結果訊號S1可用於控制預充電開關SWp導通，然而，由於延遲電路151的存在，使得低阻抗路徑P1的導通時機延緩了延遲時間T1，因此為電容C1爭取到充電時間，使得在預充電開關訊號Vgs到達導通點P1之前，電容C1已經具備足夠電量，而充電後的電容C1可避免系統快速重啟時產生瞬間大電流而導致系統損壞。

可進一步參考圖6，其為根據本發明實施例的偵測電路用於執行一狀態偵測程序的流程圖。詳細而言，偵測電路150可根據系統的各種狀態來啟動放電程序，以下提供一範例，但本發明不限於此。如圖6所示，狀態偵測程序包括：

步驟S100：偵測馬達驅動系統是處在非驅動模式或驅動模式。

響應於偵測到馬達驅動系統處在非驅動模式，進入步驟S101：偵測電池組是否關閉。響應於偵測到馬達驅動系統處在驅動模式，則進入步驟S102：偵測是否接收到來自使用者輸入的一電子剎車指令。舉例而言，偵測電路可從上述的控制器區域網路14’接收使用者輸入的電子剎車指令。

響應於在步驟S101中偵測到電池組關閉，則進入步驟S103：執行放電程序，之後結束流程。

響應於在步驟S101中偵測到電池組開啟，則進入步驟S104：偵測第一電壓的下降率是否大於7V/s。

響應於在步驟S104中偵測到第一電壓的下降率大於7V/s，則進入步驟S105：執行放電程序。之後進入步驟S106：偵測第一電壓的下降率是否小於3V/s，若是，則進入步驟S107，終止放電程序，反之，則重複步驟S105。於步驟S107之後，返回步驟S100。

響應於在步驟S104中偵測到第一電壓的下降率並未大於7V/s，則進入步驟S108：偵測是否接收到來自使用者輸入的電機鎖定指令。舉例而言，偵測電路可從上述的控制器區域網路14’接收使用者輸入的電機鎖定指令。

其中，響應於在步驟S108中接收到電機鎖定指令，進入步驟S109：執行放電程序，反之則返回步驟S100。

之後，由步驟S109進入步驟S110：偵測第一電壓的下降率是否小於3V/s，若是，則進入步驟S111，終止放電程序，反之，則重複步驟S109。於步驟S111之後，返回步驟S100。

另一方面，響應於在步驟S102中接收到電子剎車指令，進入步驟S112，執行放電程序，反之則返回步驟S100。

在步驟S112之後，進入步驟S113：偵測第一電壓的下降率是否小於3V/s，若是，則進入步驟S114，終止放電程序，反之，則重複步驟S112。於步驟S114之後，返回步驟S100。

在上述流程中，無論是電子剎車指令或電機鎖定指令，均可通過控制器區域網路14’來接收，藉此執行放電程序，保護系統免受大電流衝擊的同時，還可利用馬達驅動系統的驅動機制達成多種應用。

[實施例的有益效果]

以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。