专利名称：具能量回收的无感测元件马达控制方法
技术领域：
本发明涉及一种具能量回收的无感测元件马达控制方法，尤其涉及一种装配于交通载具上的电动马达，将马达的驱动与能量回收以自动切换的方式来实现，提高交通载具设计的附加价值，除了促进国内电动自行车产业升级，还可推广到轻型电动机车、电动汽车、及其他电器化设备使用，应用范围相当广泛。
背景技术：
已知技术的三相无刷马达检测元件装置于转子磁极处，由直接连结于转子轴上的检测器检测目前马达位置，且检测器必须精确地固定于转子轴上，马达才能顺利地进行控 制运转；另外，马达必须特别留一空间来装设检测元件，并设置若干连接信号线，输出检测信号至一马达控制器，如此便造成马达体积与成本增加，以及电子元件的功率消耗。另外一种已知技术则是使用无感测元件马达控制方式，以一驱动电路搭配对应控制方法来间接检测磁极位置，并使马达驱动运转，不过却无法直接应用于能量回收，在节能省电部分做得仍不够完美。已知台湾专利部分，第546931号提出一种马达永久磁极起始位置检测方法与装置，可简化检测元件及控制流程，进而简化电路节省成本的目的。1274468提出一种无霍尔元件的直流有刷马达刹车控制方法与系统，可以在任何状态下，在短时间内达成将直流有刷马达完全刹车停转的目的，并应用在不同的直流有刷马达上也可得到相同的效果。第M318077号设计一种无霍尔的无刷马达吊扇控制器，不需霍尔传感器即可使无刷马达控制所需的不同转速，且提高驱动电压可使功率输出电路单元的高电位场效功率晶体呈全导通状态，使无刷马达提高更佳的运转。第1257761号以无霍尔元件的直流无刷马达驱动装置控制马达，可自动断电以保护转子，避免驱动电路中主动元件以及线圈因异常电流而引起过热甚至烧毁的现象。当故障排除后，断电与自动恢复电路可触发驱动电路，使转子恢复正常运转。已知美国专利方面，US 7702432B2利用刹车回充控制方法回收能量，其中MGEQJ(Motor Generator Engine Control Unit)根据扭力命令控制一马达发电机，同时搭配不同的路况与操作模式对照图，控制其回充量。US 7640128B2针对无感测元件马达提出控制策略，利用设计转子位置变换器所提供的输出信号控制马达运转，并考虑马达运转时各功率元件的误差值，以输出补偿方式来减少误差，使马达运转更平稳。前述国内、外专利中，无感测元件马达控制以驱动功能为主，并检测转子位置作为马达控制运转的依据；若需能量回收，也是以刹车回充为主，但其回收电能有限，皆有待以改进之处。本发明为解决上述存在问题，设计无感测元件马达与驱控装置，不需额外切换，SP可进行能量回充功能，其回收效率也高于传统控制电路。并搭配无感测马达及其控制电路，即可使马达体积将能大幅缩减且续航力也能提高。
发明内容
基于解决以上所述已知技术的缺失，本发明为一种具能量回收的无感测元件马达控制方法，主要目的为装配于交通载具上的电动马达，将马达的驱动与能量回收以自动切换的方式来实现，提高交通载具设计的附加价值，除了促进国内电动自行车产业升级，还可推广到轻型电动机车、电动汽车、及其他电器化设备使用，应用范围相当广泛。本发明的另一目的在于现有探讨无感测元件马达的技术，大部分着重于转子位置起始检测控制与启动，且只有探讨马达驱动方法而鲜少有能量回收的功能；或是利用刹车回充的方式来进行能量回收，但回收过程中会经过马达控制器的飞轮二极管，造成导通切换损失与二极管发热等问题，且不论是驱动或是回充时，飞轮二极管的功率损耗皆无法避免。本发明为解决上述存在问题，提出驱动与能量回收自动切换的控制方法，且电流经由导通开关来取代飞轮二极管，减少损耗，回收率可大幅提升。 为达上述目的，本发明一种具能量回收的无感测元件马达控制方法，其包括有通过比较电压设定器依工作周期设定器的工作周期大小，来选择第一比较电压与第二比较电压；通过比较器来比较电动机中未激励相中的端电压与比较电压，以判断出反电动势过零点情形；根据过零点换相控制器的反电动势过零点处，相移一电机启动所需角度后，进行换相动作；通过开关信号触发产生器于过零点换相控制器所决定的换相区、三角波产生器及工作周期设定器中工作周期大小，送出开关触发信号，进行驱动或能量回收控制；当三角波产生器的时间计数器于周期到或周期归零时，比较电压设定器所需的比较电压，接着检测未激励相的端电压，以检测电动机的反电动势；通过参考工作周期设定器的工作周期大小后，当工作周期较小时，也就是三相开关变频器中，控制导通两相中的截波控制相的开关下臂开关导通时间较长时，选择第一比较电压，且此时开关状态亦须为下臂开关导通；反之当工作周期较大时，则选择第二比较电压；将反电动势与比较电压进行过零点比对，如果未发生过零点情形，则维持原激励条件；如果发生过零点情形则经相移一电机启动角度后进行换相，最后根据换相区及开关工作周期可决定开关触发为驱动模式或能量回收模式；以及根据工作周期(duty cycle)大小进行反电动势零点信号检测，进行三相开关变频器控制，并依序切换，电流经由马达的多相绕组定子的其中一相绕组，对直流电源充电。为进一步对本发明有更深入的说明，通过以下图示、图号说明及发明详细说明，希望对本领域技术人员理解本发明有所助益。
图I为本发明的控制电路方块图；图2为本发明的控制流程图3为本发明的互补式开关切换与反电动势采样时机图；图4为本发明的三相开关变频器；图5A 、图5B为本发明的能量回收电路示意图；图6为本发明的互补式开关切换与相反电动势及线对线反电势相对关系图；图7为本发明的互补式开关与传统式的飞轮二极管回收效率对照图。主要元件符号说明I 三相马达2 三相开关变频器3 比较器4 过零点检测换相控制器5 比较电压设定器6 信号产生器7 工作周期设定器8 三角波产生器9 直流电源100 开始101 直流链电压检测102 反电动势检测103 比较电压设定104 反电动势过零点检测105 工作周期D106 相移电机启动所需角度换相107 脉冲宽度调制开关设定108 109 驱动模式110 能量回收模式111 结束
具体实施例方式现在配合下列的
本发明的详细结构，及其连接关系，以利于本领域技术人员了解。请参阅图I所示，为本发明的无感测元件所进行的永磁同步电动机的驱动及能量回收的优选实施例结构图，其中以永磁同步电动机I的三相四极结构为例，其开关变频器可控制永磁式同步电动机输入电压，产生转矩所需的电流。直流电源9可为一电池或是其他直流电源，以提供电能或能量回收时存储用。三角波产生器8可提供脉冲宽度调制(PWM)所需的时间计数器，与工作周期设定器7比较之下，即可对三相开关变频器2作脉冲宽度调制控制。通过比较电压设定器5可依工作周期设定器的工作周期大小，选择比较电压为0伏特或\J2伏特。通过比较器3用于比较电动机中未激励相中的端电压与比较电压，以判断出反电动势过零点情形。根据过零点换相控制器4的反电动势过零点处,相移电机启动所需角度后，进行换相动作。通过开关信号触发产生器6于过零点换相控制器4所决定的换相区、三角波产生器8及工作周期设定器7中工作周期大小，送出开关触发信号，进行驱动或能量回收控制。请参阅图2所示，为本发明的无感测元件条件下进行永磁同步电动机的驱动及能量回收的优选实施例控制流程图，其包括有下列流程100 开始； 101 直流链电压检测；102 反电动势检测；103 比较电压设定；104 反电动势过零点检测，如果过零点，执行步骤106，再执行步骤107 ;若未过零点，直接执行步骤107 ；105 工作周期D，同时提供给步骤103、104做为参数值；106 相移电机启动所需角度换相；107 脉冲宽度调制开关设定；108 匕如果条件达成,执行步骤109，再执行步骤111 ;若条件未达成，执行步骤110 ；109 驱动模式；110 能量回收模式；111 结束。当前述图I的三角波产生器8的时间计数器于周期到或周期归零时，即进入此流程，首先检测直流电源电压，可作为图I中比较电压设定器5所需的直流电源电压值，接着检测未激励相的端电压，此时即为电动机的反电动势。在参考工作周期设定器7的工作周期大小后，当工作周期较小时，也就是三相开关变频器2中，控制导通两相中的截波控制相的开关下臂开关导通时间较长时，选择0伏特为比较电压，且此时开关状态亦须为下臂开关导通；反之当工作周期较大时，则选择Vdc;/2伏特为比较电压。接着将反电动势与比较电压进行过零点比对，如果未发生过零点情形，则维持原激励条件；如果发生过零点情形则经相移一电机启动所需角度后进行换相，最后根据换相区及开关工作周期可决定开关触发为驱动模式或能量回收模式。根据直流电压、工作周期及当时电动机所激励相的反电动势大小而定，当为驱动模式，而匕<^^为能量回收模式，此为自动切换无须额外控制，其中Vdc为直流电压，eL_L为激励相的线对线反电动势，D为工作周期大小。请参阅图3所示,为互补式开关切换与反电动势采样示意图，以马达激励相为a相与b相,未激励相c相为例,脉冲宽度调制计数器PWM_counter与工作周期设定器Compare_a产生上下臂Sa及S' a不同的切换时间宽度，采样点Tp为脉冲宽度调制周期三角波峰值的采样点，适合低速或轻载采样；采样点Tcfl为脉冲宽度调制周期归零的采样点，适合高速或重载采样。根据工作周期的大小选择采样点Tp或Tc^以测量未激励相c端电压，即能顺利取得c相反电动势，判断出零交越后，再延迟一电机启动所需角度即为换相点。同样地，在其它导通模式也可使用此原理，每次皆有两相激励相，一相未激励相。
请参阅图4所示，为本发明的三相开关变频器2，共有六种导通模式，以其中一个导通模式为举例说明，以马达激励相为a相与b相，未激励相c相为例，在a相上臂导通，b相下臂导通及c相为未激励相状况下，a相作脉冲宽度调制，b相下臂只作单纯换相导通。在估测反电动势电压时，直接检测未激励c相对直流链接地点的端电压，并经分压衰减其信号以符合DSP所适合的电压范围；第二个导通模式，以马达激励相为b相与c相，未激励相a相为例，在b相上臂导通，c相下臂导通及a相为未激励，b相做脉冲宽度调制，c相做换相导通，而检测a相直流链接地点的端电压。其他四种模式自可由本二实施例推衍而出，故不在此做一赘述。请参阅图5A、B所示,为本发明的能量回收电路示意图，当电池电压及互补式开关工作周期的关系为意即为控制策略主动切换为能量回收模式，共有六种导通模式，以其中一个导通模式为举例说明；以马达激励相为a相与b相，未激励相c相为例，图5A表示S, W b导通，其余开关关闭，此时能量存储于两相线圈电感之中；当Sa及S',导通，其余开关关闭，如图5B所示，此时能量将回充至电源端，进行能量回充。第二个导通模式(图中未示)，以马达激励相为b相与c相，未激励相a相为例，则是S' jS'。导通， 能量将回充至电源端，进行能量回充。其他四种模式自可由本二实施例推衍而出，故不在此做一赘述。请参阅图6所示,为互补式开关切换与相反电动势及线对线反电动势相对关系。随工作周期及反电动势大小，可自动切换电动机模式或能量回收模式。也可观察出相反电动势过零点，需相移电机启动所需角度电机角始为换相点，但线对线反电动势过零点即为换相点。请参阅图7所示，为电流流经本发明的互补式开关与传统式的飞轮二极管回收效率对照图，横轴为马达转速，纵轴为回收效率，由图得知本发明的回收效率在马达不同转速下皆高于传统方法的回收效率，且随着转速增加其效率愈高。而数据化的效能比较图表如下
权利要求
1.一种具能量回收的无感测元件马达控制方法，其包含下列步骤 (A)通过比较电压设定器依工作周期设定器的工作周期大小，来选择第一比较电压与第二比较电压； (B)通过比较器来比较电动机中未激励相中的端电压与比较电压，以判断出反电动势过零点情形； (C)根据过零点换相控制器的反电动势过零点处，相移一电机启动所需角度后，进行换相动作； (D)通过开关信号触发产生器于过零点换相控制器所决定的换相区、三角波产生器及工作周期设定器中工作周期大小，送出开关触发信号，进行驱动或能量回收控制； (E)当三角波产生器的时间计数器于周期到或周期归零时，比较电压设定器所需的比较电压，接着检测未激励相的端电压，以检测电动机的反电动势；(F)通过参考工作周期设定器的工作周期大小后，当工作周期较小时，也就是三相开关变频器中，控制导通两相中的截波控制相的开关下臂开关导通时间较长时，选择第一比较电压，且此时开关状态亦须为下臂开关导通；反之当工作周期较大时，则选择第二比较电压； (G)将反电动势与比较电压进行过零点比对，如果未发生过零点情形，则维持原激励条件；如果发生过零点情形则经相移一电机启动角度后进行换相，最后根据换相区及开关工作周期可决定开关触发为驱动模式或能量回收模式；以及 (H)根据工作周期大小进行反电动势零点信号检测，进行三相开关变频器控制，并依序切换，电流经由马达的多相绕组定子的其中一相绕组，对直流电源充电。
2.如权利要求I所述的具能量回收的无感测元件马达控制方法，其中该步骤(G)根据直流电压、工作周期及当时电动机所激励相的反电动势大小而定，当匕为驱动模式，而^<|^为能量回收模式，此为自动切换无须额外控制。
3.如权利要求I所述的具能量回收的无感测元件马达控制方法，其中该步骤(D)依据工作周期大小自动切换马达驱动或能量回收模式。
4.如权利要求I所述的具能量回收的无感测元件马达控制方法，其中该步骤(C)过零点换相控制器，会根据反电动势过零点处，依据一脉冲宽度调变计数器与比较器产生变频器开关的上下臂不同的切换时间宽度，根据工作周期的大小选择采样点，测量未激励相端电压，即能顺利取得未激励相反电动势，并判断零交越点后，再延迟一电机启动所需角度即为换相点。
5.如权利要求I所述的具能量回收的无感测元件马达控制方法，其中该第一比较电压为O伏特,且第二比较电压为\Jl伏特。
全文摘要
本发明是一种具能量回收的无感测元件马达控制方法，通过互补式开关控制，改变不同的工作周期，进行高效率驱动及能量回收操作，马达在运转中能自动切换驱动或回收的功能，根据此控制方法，可减少电流导通损失与开关的耗损，同时还能增加能量回收效率，以提升电池续航力。
文档编号H02P6/18GK102739138SQ20111011649
公开日2012年10月17日 申请日期2011年5月6日 优先权日2011年4月8日
发明者刘添华, 简士翔, 许仕欣, 阳毅平, 陈瑞霖 申请人:财团法人工业技术研究院