专利名称：电动机的电力回充方法
技术领域：
本发明涉及一种电动机的电力回充方法，尤其涉及一种利用无刷永磁电动机线圈 短路的能量回收方式，可在不改变现有的控制/驱动电路下，让无刷永磁电动机可以在发 电模式及马达模式间切换；在发电模式下，利用不同的开关切换方式，可以让无刷永磁电动 机的转动动能，以最高的转换效率转换成电能并且在低转速时也可以对电池充电。
背景技术：
请参考图9，是表示已知的无刷永磁电动机的其中二相的驱动器驱动电路与永磁 电动机的链接电路图。在发电模式下，先将驱动器上下各有一个开关同时开启(ON)，亦即开 关Ql、Q4同时开启或者是开关Q2、Q3同时开启，以对线圈电感L充电，其电感的感应电压 VL为Ldi/dt = Vb-kew。当这两个开关Ql、Q4或Q2、Q3同时断开(OFF)，将对电力储存装 置B充电，其线圈电感L的感应电压VL为L di/dt = Vb+kew。由充电时电压的平衡方程式来看，反电动势kew与电力储存装置B(如充电电池 等)的电压Vb串联，让电感L的电压VL必须提高更高才能对电力储存装置B充电，这样会 导致发电效果不佳。另外，目前电动机车的切换发电模式是由电压控制；请参考图10，表示已知的电 动机车电压控制的扭力值相对应转速的曲线图；以50%的电压控制为例，若由静止油门马 上开到50%，扭力作用如虚线所示，启动扭矩大，且扭矩会瞬间下降，导致乘坐时变成突然 往前冲之后再迅速下降，造成不顺畅的乘坐感觉，更有可能造成危险。相对地，在充电模式时，若由无发电状态马上开到50%发电，初期发电扭力会突然 增加到最大，再从最大扭力瞬间下降至50%，因此会形成如紧急煞车(即引擎煞车)般的顿 挫情况，容易造成不顺畅及乘坐的危险。所以，如何能提升电池充电效率并使发电效果更佳，并避免乘坐不顺畅的感觉以 及危险的发生，是目前在电动机车的问题上中的一个刻不容缓的课题。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种电动机的电力回充方法，是利用无刷永磁电动机线 圈短路的能量回收方式，在现有的控制/驱动电路下，利用不同的开关切换方式，可以让无 刷永磁电动机的转动动能，以最高的转换效率转换成电能。本发明的另外一个目的是在相序处理造成最大发电，利用最佳的开关切换方式， 可以让无刷永磁电动机的转动动能，以最大的能量转换方式转换成电能。本发明的第三个目的是使电动机在马达模式或发电模式时都由电流来控制电动 机的扭力控制，可避免扭矩瞬间上升或下降所造成的突然前冲或是突然停顿的不顺畅感 觉，进而避免应用于电动机车等设备发生乘坐危险。为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是提供一种电动机的电力回 充方法，电动机与驱动电路及控制电路电连接，所述驱动电路接受所述控制电路的控制信号，所述驱动电路具有至少两组开关，各该组开关之间相互并联，且各该组开关是由第一开关及第二开关串联组成，所述电动机的各相分别地连接在各该组开关的第一开关与该二开 关之间，所述各该组开关与电力储存装置或电源电路电连接；所述电力回充方法包括当所述电动机在发电模式下，所述各改该第二开关依照 从位于电动机的转子位置检测组件所感测该电动机转子的各位置信号，来对各该第二开关 进行脉宽调变导通/断开切换，而各该第一开关则一直维持在断开而不做任何切换。其中，所述可进行脉宽调变导通/断开切换的开关，是在对应相线圈的反 电动势变成较高电压区间导通/断开，该较高电压区间为电压周波的上半周波高电 压区，其开关是在该上半周波[180° -(360 ° +相数)]+2的角度位置导通，而在 180° -{[180° -(360° +相数)]+2}的角度位置断开。其中，所述可进行脉宽调变导通/断开切换的开关，是在对应相线圈的反电动 势变成较高电压区间导通/断开，该较高电压区间为电压周波的下半周波高电压区， 其开关是在该下半周波{[180° -(360° +相数)]+2}+180°的角度位置导通，而在 <180° -{[180° -(360° +相数)]+2}H180° 的角度位置断开。其中，所述电动机还包括电流信号偏移回路，所述电源电路的电流感测组件与该 电流信号偏移回路电连接，以对该电源电路所产生的零电流信号进行信号偏移，使发电时 所产生的反向电流信号可以被CPU或MCU直接接受。其中，所述电动机是用控制发电电流来控制其发电扭力的。本发明的有益效果是本发明电动机的电力回充方法，能够保证较佳的发电效果， 且使得使用本发明的电机应用在电力车上时，避免乘坐在该电力车上的用户产生不顺畅的 感觉以及发生危险。
图1是本发明的应用的动作原理的结构示意图；图2是本发明的驱动电路与无刷永磁电动机的连结示意图；图3是本发明的无刷永磁电动机的等效电路图；图4是本发明的无刷永磁电动机其中二相的驱动电路的电路图；图5是本发明应用于三相无刷永磁电动机在马达驱动模式及发电模式的开关切 换说明图；图6是本发明发电扭力控制系统的电路结构示意图；图7A是本发明电流信号偏移电路的电流_电压信号曲线图；图7B是本发明电流信号偏移回路的范例电路图；图8是本发明扭力值相对应转速值的曲线示意图；图9是背景技术的无刷永磁电动机其中二相的驱动器驱动电路与永磁电动机的 链接电路图；图10是背景技术的电动机车电压控制的扭力值相对应转速的曲线图。
具体实施例方式为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。请参考图1，是表示本发明所运用的动作原理的结构示意图；此电路示意图为直流转换器(DC to DC)的升压转换器(boost converter)电路，包含一电力储存装置B、一电 感L、一开关Q、一二极管D、一电容器C、一负载Rload及一输出电压Vo。在此电路中，利用电感L的作用，将电能和磁场能相互转换的能量暂时储存起来， 当开关Q导通时，电力储存装置B的电压Vb对电感L进行充电，电感L将电能转换为磁场 能储存起来。此时电感L的端电压VL为Vl = L di/dt。当开关Q断开时，电感L上的电压反向，和电力储存装置B的输入电压Vb串联，二 极管D导通，对电容C进行充电，从而可以将电容C的电压充至高于电力储存装置B的输出 电压Vo。由于这个输出电压Vo是输入电压Vb和电感L的磁砀能转换为电能的迭加后形成 的，所以输出电压Vo高于输入电压Vb，即完成升压过程(Vtl = Vb+VL)。在图1所示的电路图中，开关Q为功率晶体，该晶体的开、关由脉宽调变(PWM)电 路控制；而输出电压Vo可以由脉宽调变(PWM)的0N/0FF(导通/断开)百分比决定。请参考图2，是表示本发明的驱动电路与无刷永磁电动机的连结示意图。当电动机 10转速不为O就有反电动势kew产生，电动机线圈是绕线，因此本身也是电感ML ；所以，无 刷永磁电动机10的等效电路如图3。请参考图4，是表示本发明无刷永磁电动机其中二相的驱动电路的电路图；当开 关Q2导通时，无刷永磁电动机10的二相之间形成短路的回路，因为无刷永磁电动机10的 转子的转动造成磁场切割进而形成反电动势kew，此反电动势kew会对线圈电感ML持续充 电，让电感ML储存能量，其反电动势kew会等于电感ML的电压Vl = L di/dt。当开关Q2断开时，电感ML上的电压反向，电流会经由二极管D跟电池产生回路， 因电力储存装置B的电压Vb与反电动势kew串联后的电压会小于电感ML上的电压VL，进 而可以对电力储存装置B进行充电，其电感ML的电压\ = L di/dt等于Vb减掉反电动势 kew;所以，只要电动机10在低速转动时即可以进行发电。请参考图5，是表示本发明应用于三相无刷永磁电动机在马达驱动模式及发电模 式的开关切换说明图，其说明如何要让无刷永磁电动机10以最大的发电量发电。本实施例 是以三相电动机并以转子位置检出组件以霍尔组件为例进行说明，在具有不同相数之电动 机中可设置不同数量的霍尔组件。无刷永磁电动机10上设置有侦测转子位置的三个转子位置检出组件之霍尔组件 HU、HV、冊，藉此以感测与输出在马达模式下的位置信号Hu、HV、Hw到控制电路3(如图6所 示)去对开关Ql Q6进行适当的脉宽调变(PWM)的0N/0FF切换(共有6种方式)，以期 达到最佳的运转条件；意即，本发明电动机10的电力回充方法，是当无刷永磁电动机10在 发电模式下，开关Q2、Q4、Q6依位置信号Hu、HV、Hw的不同去进行适当的脉宽调变(PWM)ON/ OFF切换(共有3种方式)，开关Q1、Q3、Q5则一直维持在OFF(断开)而不做任何切换。相 反地，亦可由开关Q2、Q4、Q6 一直维持在0FF(断开)而不做任何切换，而以开关Ql、Q3、Q5 依位置信号Hu、Hv、Hw的不同去进行适当的脉宽调变(PWM) 0N/0FF切换，可以达到相同的效 果。前述一直维持在OFF(断开)的开关Q我们称呼为第一开关，而依位置信号去进行适当 的脉宽调变(PWM)0N/0FF切换的开关Q则以第二开关称呼。
举例而言，当霍尔组件HU、HV、HW的位置信号Hu、Ην、Hw分别为二位的1、0、0时， 在马达模式下开关Ql、Q6导通，以使电动机10进行正常运转；若在发电模式下，则将开关 Q2导通，让转子切割磁场对电动机10之线圈电感ML充电，再利用如图4所述的原理，亦即 当开关Q2导通时，无刷永磁电动机10之二相之间形成短路的回路，因为无刷永磁电动机 10之转子的转动造成磁场切割进而形成反电动势kew，此反电动势kew会对线圈电感ML持 续充电，让电感ML储存能量，其反电动势kew会等于电感ML的电压八=L di/dt，当开关 Q2断开时，电感ML上的电压反向，电流会经由二极管D跟电池产生回路，因电力储存装置B 之电压Vb与反电动势kew串联后之电压会小于电感ML上的电压VL，进而可以对电力储存 装置B进行充电，其电感ML的电压\ = L di/dt等于Vb减掉反电动势kew ；所以，只要电 动机10在低速转动时即可以进行发电，因此电流会回充到电力储存装置B而达到发电的效果。为了达到最大的发电量，功率晶体的开关切换时机十分重要，当无刷直流电动机 的转子转动时会切割磁场产生反电动势，此反电动势在各相定子线圈上会产生高高低低的 电压，若是能够在较高电压的条件下进行发电，其发电的能量及效率都会较好。根据转子位 置检出组件的位置信号，我们可以了解转子磁铁跟定子线圈的相对位置，进而了解反电动 势的状况。以三相无刷直流电动机并以转子位置检出组件以霍尔组件为例，当Hu变成高 时，此时U相的线圈反电动势也会在较高的区域，驱动电路上的Q2则应该导通让电机的线 圈充电，当Hv变成高时则Q4导通，当Hw变成高时则Q6导通，UVW之间的导通切换时机，两 两间隔120度。其他的多相马达原理相同，其两两间隔的角度则为360度除以相数。同理， 本发明亦得以开关Q1、Q3、Q5依位置信号HU、Hv、Hw变成高时导通，也可以达到相同发电效 果的等效作用。唯两者间差异在于反电动势电压周波的高电压(high)位置信号，其一是上 半周波的高电压区，另一则是下半周波的高电压区。前述开关Q可在高电压区间的位置信号导通/断开，以上半周波为例，是在上半周 波的30°角的位置导通，以及在150°角的位置断开，连续的上半周波依序的导通/断开。 其他的多相马达则为[180° -(360° +相数)]+2的角度位置导通(四相为45°，六相 为60° )，而在180° -{[180° -(360° +相数)]+2}的角度位置断开(四相为135°， 六相为120° )。下半周波高电压区间位置信号的导通/断开可同理实施，而达到最大的发 电效果。由于下半周波与上半周波相差180°，其导通/断开的角度位置可以是根据上半周 波的角度加180°而具体实现。请参考图6，是表示本发明发电扭力控制系统的电路结构示意图；本发明的电动 机车之发电扭力控制系统1，至少包含一控制电路3、一电流感测组件2、一驱动电路4所构 成的电源电路5以及一电动机10。控制电路3系包含一中央处理单元(CPU)或一微处理器(MCU)，本发明是以中央处 理单元为例进行图解说明；控制电路3是与驱动电路4、电源电路5及电动机10电连接；为 了降低成本因素及控制对电力储存装置B (如图1所示)的充电电压及充电电流，需要将电 流感测组件2放在电源输入侧，因为无刷永磁电动机10会在同一个驱动电路4内产生双向 电流，有一向的电流信号会变成负值，但是，控制电路3的CPU或MCU是无法接受负值电流 信号，一旦接受负值电流信号，则可能产生故障；本发明的实施方式系利用一电流信号偏移 回路6将电流信号偏离一个准位(offset)，让电流信号永远为正值，使发电时所产生的反向电流信号可以被CPU或MCU直接接受。请参考图7A，是表示本发明电流信号偏移电路的电流-电压信号曲线图，当电流 为零时，电流信号相对应的电压值并不为零，假设此时电压为2VDC，也就是说，当控制电路 3 (CPU)侦测到电流信号低于2VDC，则控制电路3知道现在是处于发电模式，其电流信号不 会对控制电路3 (CPU)产生任何问题。请再同时参考图7B，是表示本发明其中一实施例的电流信号偏移回路的范例电路 图；驱动电路4是连接一电流信号偏移回路6，其输出电压VO与输入电流I的关系式，系表 示如下
f RR γ R、V0 = ^cc xJ^ +1' r^ ""^T^l1 + ^ J其中，VO系为输入到控制电路3 (CPU)的电压，VCC为参考 电压，Rshunt为位于输 入电源侧的电流量测电阻，I为输入电流。因此，通过电流信号偏移回路6，可以对驱动电路4所产生的负电流进行信号偏移 控制。另外，驱动电路4是与控制电路3及电动机10电连接，并接受控制电路3的控制； 驱动电路4是如前所述，具有开关Ql Q6，且第一组开关为开关Ql、Q2串联，第二组开关 为开关Q3、Q4串联，第三组开关为开关Q5、Q6串联，而且第一组开关、第二组开关及第三组 开关再行并联，并电连接电力储存装置B，再者，电动机10的三相是分别地连接在开关Q1、 Q2之间、开关Q3、Q4之间以及开关Q5、Q6之间。如图5所示，在发电模式时，开关Q1、Q3、Q5是为OFF(断开)状态，而开关Q2、Q4、 Q6会轮流脉冲宽度调变(Pulse-width modulation, P丽)及0N(导通)，且依据电动机10 的霍尔组件(转子位置检出组件)HU、HV、HW的位置信号Hu、Ην、Hw进行动作，透过脉冲宽 度调变(PWM)开关控制，可以控制开关ON状态的时间由短至长，进而达到发电扭力由小到 大(相当于发电电流由小到大)的目的，即当回充的电力超过蓄电组件(即电力储存装置 B)负荷时，发电扭力可以由大扭力降至小扭力，意即发电扭力是可变化的，进而控制对电力 储存装置B的充电电压及充电电流。请同时参考图8，是表示本发明扭力值相对应转速值的曲线示意图；如果由静止 油门马上开到扭力值15%，扭力作用如虚线所示，启动扭力依15%扭力输出，可避免扭力 瞬间变大或变小，导致产生乘坐不顺畅的感觉。相对地，若在充电模式时，扭力于15%时的扭力作用如虚线所示，启动扭力依扭力 值15%作动，可避免瞬间大扭力的引擎煞车，导致产生乘坐不顺畅的感觉。以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发 明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技 术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
权利要求
一种电动机的电力回充方法，其特征在于，电动机与驱动电路及控制电路电连接，所述驱动电路接受所述控制电路的控制信号，所述驱动电路具有至少两组开关，各该组开关之间相互并联，且各该组开关是由第一开关及第二开关串联组成，所述电动机的各相分别地连接在各该组开关的第一开关与该二开关之间，所述各该组开关与电力储存装置或电源电路电连接；所述电力回充方法包括当所述电动机在发电模式下，所述各该第二开关依照从位于电动机的转子位置检测组件所感测该电动机转子的各位置信号，来对各该第二开关进行脉宽调变导通/断开切换，而各该第一开关则一直维持在断开而不做任何切换。
2.根据权利要求1所述的电动机的电力回充方法，其特征在于所述可进行脉宽调变 导通/断开切换的开关，是在对应相线圈的反电动势变成较高电压区间导通/断开，该较高 电压区间为电压周波的上半周波高电压区，其开关是在该上半周波[180° -(360° +相 数)]+2的角度位置导通，而在180° -{[180° -(360° +相数)]+2}的角度位置断开。
3.根据权利要求1所述的电动机的电力回充方法，其特征在于所述可进行脉宽调变 导通/断开切换的开关，是在对应相线圈的反电动势变成较高电压区间导通/断开，该较高 电压区间为电压周波的下半周波高电压区，其开关是在该下半周波{[180° -(360° +相 数)]+2}+180° 的角度位置导通，而在 <180° -{[180° -(360° +相数)]+2} H180。的 角度位置断开。
4.根据权利要求1所述的电动机的电力回充方法，其特征在于所述电动机还包括电 流信号偏移回路，所述电源电路的电流感测组件与该电流信号偏移回路电连接，以对该电 源电路所产生的零电流信号进行信号偏移，使发电时所产生的反向电流信号可以被CPU或 MCU直接接受。
5.根据权利要求1所述的电动机的电力回充方法，其特征在于所述电动机是用控制 发电电流来控制其发电扭力的。
全文摘要
本发明公开了一种电动机的电力回充方法，电动机与驱动电路及控制电路电连接，驱动电路接受控制电路的控制信号，驱动电路具有至少两组开关，各该组开关之间相互并联，且各该组开关是由第一开关及第二开关串联组成，电动机的各相分别地连接在各该组开关的第一开关与该二开关之间，各该组开关与电力储存装置或电源电路电连接。当电动机在发电模式下，第二开关依照从位于电动机的转子位置的检测组件所感测该电动机转子的各位置信号，来对各该第二开关进行脉宽调变导通/断开切换，而各该第一开关则一直维持在断开而不做任何切换。本发明能够保证较佳的发电效果，且使得本发明应用在电力车上时，避免乘坐该电力车的用户产生不顺畅的感觉以及发生危险。
文档编号H02P6/16GK101854085SQ201010188320
公开日2010年10月6日 申请日期2010年6月1日 优先权日2010年6月1日
发明者朱明聪 申请人:爱德利科技股份有限公司