發電控制方法

2023-06-30 18:02:51

專利名稱：發電控制方法
技術領域：
本發明涉及發電控制領域，尤其涉及一種無刷永磁動力機構的發電控制方法。
背景技術：
請參考圖9，是以無刷永磁電動機為例，說明其中二相的驅動器驅動電路在發電狀 態下開關作動的等效電路圖。在發電模式下，先將驅動器上下各有一個開關同時開啟(ON)， 亦即開關Q1、Q4同時開啟或者是開關Q2、Q3同時開啟，以對線圈電感L充電，其電感的感應 電壓VL為L di/dt = Vb-kew。當這兩個開關Q1、Q4或Q2、Q3同時斷開(OFF)，將對電力儲 存裝置B充電，其線圈電感L的感應電壓VL為L di/dt = Vb+kew。由充電時電壓的平衡方程式來看，反電動勢kew與電力儲存裝置B(如充電電池 等)的電壓Vb串聯，讓電感L的電壓VL必須提高更高才能對電力儲存裝置B充電，這樣會 導致發電效果不佳。再者，目前電動機車的切換發電模式是為電壓duty控制(亦即以電壓控制)。圖 10描述電動機車在電壓duty控制下的電壓扭力值及轉速的關係曲線。由於電動機車的扭 力表現是由電壓所控制，以50%的電壓duty為例，若由靜止油門馬上開到50% duty，扭力 作用如虛線所示，啟動扭矩大，但扭矩會瞬間下降，導致騎乘時變成突然往前衝之後再迅速 下降，造成不順暢的騎乘感覺，更有可能造成危險。相對地，在發電模式時，若由無發電狀態馬上開到50% duty發電，初期扭力會突 然增加到最大，再從最大扭力瞬間下降至50% duty，因此會形成如緊急煞車(即引擎煞車) 般的頓挫情況，容易造成不順暢及騎乘的危險。

發明內容
本發明的主要目的，是提供一種發電控制方法，可應用於電動機或發電機，在該電 動機或發電機既有的控制電路和驅動電路下，利用不同的開關切換方式，將電動機或發電 機的轉動動能，以最高的轉換效率轉換成電能。本發明的次一目的，是在相序處理造成最大發電，利用最佳的開關切換方式，可以 讓電動機或發電機的轉動動能，以最大的能量轉換方式轉換成電能。本發明的再一目的，是在微處理器(MCU或CPU)的電流感測組件信號處理方式，利 用電流感測組件的電流信號做一些信號數值的位移手法，讓微處理器可以最簡單的方式直 接處理電流信號而不會損壞。本發明的再一目的，是在一種具有馬達模式和發電模式的電動機上使用本發明的 控制方法時，電動機的扭力是由電流所控制。本發明為達上述目的，提供一種適用於電動機或發電機的發電控制方法，包括以 一控制電路控制一驅動電路，該驅動電路包括至少二組開關，該各組開關之間為並聯，該各 組開關包括一第一開關及一第二開關，該第一開關及第二開關為串連；一包含轉子、定子及 磁場的動力機構的各相是分別地連接在各該組開關的該第一開關與該第二開關之間，至少一轉子位置檢出組件感測該轉子的位置信號；各該組開關是電性連接一電路系統，該電路 系統包含但不限於電力儲存裝置或供負載使用的應用裝置。該發電控制方法包括各該第 二開關依該轉子的各位置信號，對各該第二開關進行脈寬調變導通/斷開的切換，而各該 第一開關則一直維持斷開。本發明的發電控制方法使上述動力機構在轉子低轉速時仍能有效的將轉子動能 轉換為電能。該轉子的轉動及轉速是由一入力裝置所驅動的，所述的入力裝置包含但不限 於受風力或水力作用而轉動的旋轉裝置。


圖1是表示本發明所運用的動作原理的電路示意圖。圖2是表示本發明的驅動電路與無刷永磁動力機構的連結示意圖。圖3是表示本發明的無刷永磁動力機構的等效電路圖。圖4是表示本發明無刷永磁動力機構其中二相的驅動電路在發電狀態下開關作 動的等效電路圖。圖5是表示本發明應用於三相無刷永磁動力機構在馬達驅動模式及發電模式的 開關切換說明圖。圖6是表示本發明發電扭力控制系統的電路結構示意圖。圖7A是表示本發明電流信號偏移電路的電流-電壓信號曲線圖。圖7B是表示本發明電流信號偏移迴路的範例電路圖。圖8是表示本發明扭力值相對應轉速值的曲線示意圖。圖9是表示現有技術的無刷永磁動力機構其中二相的驅動電路在發電狀態下開 關作動的等效電路圖。圖10是表示現有技術的電動機車電壓duty控制的扭力值相對應轉速的曲線圖。其中，附圖中的標號名稱為1 發電扭力控制系統，2 電流感測組件，3 控制電路，4 驅動電路，5 電源電路， 6 電流信號偏移迴路，10 動力機構，B 電力儲存裝置，E 電路系統，C 電容，HU 轉子位置 檢出組件，Hu 位置信號，HV 轉子位置檢出組件，Hv 位置信號，冊轉子位置檢出組件，Hw 位置信號，I 輸入電流，L :電感，ML :線圈電感，Rload 負載，Rl R4 :電阻，RShunt :電阻， Q 開關，Ql Q6 開關，Vb 輸入電壓，VO 輸出電壓，VL 電感的電壓。
具體實施例方式為詳細說明本發明的技術內容、構造特徵、所實現目的及效果，以下結合實施方式 並配合附圖詳予說明。請參考圖1，是表示本發明所運用的動作原理的電路示意圖；此電路示意圖為直 流轉換器(DC to DC)的升壓轉換器(boost converter)電路，是包含一電力儲存裝置B、一 電感L、一開關Q、一二極體D、一電容器C、一負載Rload及一輸出電壓Vo。在此電路中，是利用電感L的作用，將電能和磁場能相互轉換的能量暫時儲存起 來，當開關Q導通時，電力儲存裝置B的電壓Vb對電感L進行充電，電感L將電能轉換為磁 場能儲存起來。
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此時電感L的端電壓VL為八=L*di/dt。當開關Q斷開時，電感L上的電壓反向，和電力儲存裝置B的輸入電壓Vb串聯，二 極管D導通，對電容C進行充電，從而可以將電容C的電壓充至高於電力儲存裝置B的輸出 電壓Vo。由於這個輸出電壓Vo是輸入電壓Vb和電感L的磁碭能轉換為電能的迭加後形成 的，所以輸出電壓Vo高於輸入電壓Vb，即完成升壓過程(Vtl = Vb+VL)。在圖1所示的電路圖中，開關Q是為功率晶體，該晶體的開、關是由脈寬調變(PWM) 電路控制；而輸出電壓Vo可以由脈寬調變(PWM)的0N/0FF(導通/斷開)百分比決定。請參考圖2，是表示本發明的驅動電路與一包含轉子、定子及磁場的動力機構 10(例電動機或發電機)的連結示意圖。當動力機構10的轉子的轉速不為O就有反電動勢 kew產生，動力機構10的線圈是繞線，因此本身也是電感ML ；所以，等效電路如圖3。請參考圖4，是表示動力機構10其中二相的驅動電路在發電狀態下開關作動的等 效電路圖；當開關Q2導通時，動力機構10的二相之間形成短路的迴路，因為動力機構10的 轉子的轉動造成磁場切割進而形成反電動勢kew，此反電動勢kew會對線圈電感ML持續充 電，讓電感ML儲存能量，其反電動勢kew會等於電感ML的電壓Vl = L di/dt。當開關Q2斷開時，電感ML上的電壓反向，電流會經由二極體D跟電路系統E產生 迴路，因電路系統E的電壓Vb與反電動勢kew串聯後的電壓會小於電感ML上的電壓VL，進 而可以對電路系統E產生電力。當電路系統E為電力儲存裝置時則進行充電，當電路系統 E為負載應用裝置時則直接提供負載使用。其電感ML的電壓Vl = L di/dt等於Vb減掉反電動勢kew ；所以，只要動力機構10 在低速轉動時即可以進行發電。請參考圖5，是表示本發明應用於三相無刷永磁動力機構10在馬達驅動模式及發 電模式的開關切換說明圖，其是說明如何讓無刷永磁動力機構10以最大的發電量發電。本 實施例是以三相無刷永磁動力機構10且轉子位置檢出組件是以霍爾組件為例進行說明， 在具有不同相數的動力機構10中可設置不同數量的霍爾組件。無刷永磁動力機構10上設置有偵測轉子位置的三個轉子位置檢出組件的霍爾組 件HU、HV、HW，藉此以感測位置信號Hu、Hv、Hw，並以控制電路3 (如圖6所示)去對開關Ql Q6進行適當的脈寬調變(PWM)的0N/0FF切換，以期達到最佳的運轉條件；當無刷永磁動力 機構10在發電模式下，開關Q2、Q4、Q6依位置信號Hu、Ην、Hw的不同去進行適當的脈寬調 變(PWM) 0N/0FF切換，開關Ql、Q3、Q5則一直維持在OFF(斷開)而不做任何切換。相反地， 亦可由開關Q2、Q4、Q6 一直維持在OFF(斷開)而不做任何切換，而以開關Ql、Q3、Q5依位 置信號Hu、Hv、Hw的不同去進行適當的脈寬調變(PWM)0N/0FF切換，可以達到相同的效果。 前述一直維持在OFF (斷開)的開關Q我們稱呼為第一開關，而依位置信號去進行適當的脈 寬調變(PWM)0N/0FF切換的開關Q則以第二開關稱呼。舉例而言，當霍爾組件HU、HV、HW的位置信號Hu、Ην、Hw分別為二位的1、0、0時， 在馬達模式下開關Q1、Q6導通，以使動力機構10進行正常運轉；若在發電模式下，則將開關 Q2導通，讓轉子切割磁場對動力機構10的線圈電感ML充電，再利用如圖4所述的原理，亦 即當開關Q2導通時，無刷永磁動力機構10的二相之間形成短路的迴路，因為無刷永磁動力 機構10的轉子的轉動造成磁場切割進而形成反電動勢kew，此反電動勢kew會對線圈電感 ML持續充電，讓電感ML儲存能量，其反電動勢kew會等於電感ML的電壓Vl = L di/dt,當開關Q2斷開時，電感ML上的電壓反向，電流會經由二極體跟電路系統E產生迴路，因電路 系統E的電壓Vb與反電動勢kew串聯後的電壓會小於電感ML上的電壓VL，進而可以對電 路系統E產生電力。當電路系統E為電力儲存裝置時則進行充電，當電路系統E為負載應 用裝置時則直接提供負載使用。由於電感ML的電壓\ = L di/dt等於Vb減掉反電動勢 kew，所以，只要動力機構10在低速轉動時即可以進行發電。為了達到最大的發電量，功率晶體的開關切換時機十分重要，當動力機構10的轉 子轉動時會切割磁場產生反電動勢，此反電動勢在各相定子線圈上會產生高高低低的電 壓，若是能夠在較高電壓的條件下進行發電，其發電的能量及效率都會較好。根據轉子位 置檢出組件的位置信號，我們可以了解轉子磁鐵跟定子線圈的相對位置，進而了解反電動 勢的狀況。以三相無刷永磁動力機構10且轉子位置檢出組件以霍爾組件為例，當Hu變成 high時，此時U相的線圈反電動勢也會在較高的區域，驅動電路上的Q2則應該導通讓線圈 充電，當Hv變成high時則Q4導通，當Hw變成high時則Q6導通，U、V、W之間的導通切換 時機，兩兩間隔120度。其它的多相無刷永磁動力機構10原理相同，其兩兩間隔的角度則 為360度除以相數。同理，本發明亦得以開關Ql、Q3、Q5依位置信號Hu、Ην、Hw變成high 時導通，也可以達到相同發電效果的等效作用。唯兩者間差異在於反電動勢電壓周波的高 電壓(high)位置信號，其一是上半周波的高電壓區，另一則是下半周波的高電壓區。前述開關Q可於高電壓區間的位置信號導通/斷開，以上半周波為例，是在上半周 波的30°角的位置導通，以及於150°角的位置斷開，連續的上半周波依序的導通/斷開。 其它的多相無刷永磁動力機構10則為[180° -(360° +相數)]+2的角度位置導通(四 相為45°，六相為60° )，而於180° -{[180° -(360° +相數)]+2}的角度位置斷開 (四相為135°，六相為120° )。下半周波高電壓區間位置信號的導通/斷開可同理實施， 而達到最大的發電效果。由於下半周波與上半周波相差180°，其導通/斷開的角度位置可 以是根據上半周波的角度加180°而具體實現。請參考圖6，是表示本發明發電扭力控制系統的電路結構示意圖；本發明的發電 扭力控制系統1，至少包含一控制電路3、一電流感測組件2、一驅動電路4所構成的電源電 路5以及一上述的動力機構10。控制電路3是包含一中央處理單元(CPU)或一微處理器(MCU)，本發明是以中央處 理單元為例進行圖解說明；控制電路3是與驅動電路4、電源電路5及動力機構10電性連 接；為了能夠控制對電路系統E (如圖4)的電壓及電流，需要藉由電流感測組件2配合一電 流信號偏移迴路6作處理，因為無刷永磁動力機構10會在同一個驅動電路4內產生雙向電 流，有一向的電流信號會變成負值，但是，控制電路3的CPU或MCU是無法接受負值電流信 號，一旦接受負值電流信號，則可能產生故障；本發明的實施方式是利用一電流信號偏移回 路6將電流信號偏離一個準位(offset)，讓電流信號永遠為正值，使發電時所產生的反向 電流信號可以被CPU或MCU直接接受。請參考圖7A，是表示本發明電流信號偏移電路的電流-電壓信號曲線圖，當電流 為零時，電流信號(相對應的電壓值)並不為零，假設此時電壓為2VDC，也就是說，當控制電 路3 (CPU)偵測到電流信號低於2VDC，則控制電路3知道現在是處於發電狀態，其電流信號 不會對控制電路3 (CPU)產生任何問題。請再同時參考圖7B，是表示本發明其中一實施例的電流信號偏移迴路的範例電路圖；驅動電路4是連接一電流信號偏移迴路6，其輸出電壓VO與輸入電流I的關係式，是表 示如下
權利要求
一種發電控制方法，其特徵在於，包括驅動電路及控制電路，所述驅動電路接受所述控制電路的控制信號；所述驅動電路包括至少二組開關，所述各組開關之間電性並聯連接，所述各組開關均包括第一開關和第二開關，所述第一開關和第二開關電性串連連接；所述控制電路包括動力機構和轉子位置檢出組件，所述動力機構包含轉子、定子及磁場，所述動力機構的各相分別地連接在所述各組開關的第一開關與第二開關之間；所述轉子位置檢出組件感測所述轉子的位置信號；所述各組開關的第二開關依所述轉子的位置信號進行脈寬調變導通/斷開的切換，而所述各組開關的第一開關則一直維持斷開。
2.根據權利要求1所述的發電控制方法，其特徵在於所述各組開關的第二開關，是在 對應相線圈的反電動勢變成較高電壓區間導通/斷開，所述較高電壓區間為電壓周波的上 半周波高電壓區，所述各組開關的第二開關是於上半周波[180° -(360° +相數)]+2的 角度位置導通，而於180° -{[180° -(360° +相數)]+2}的角度位置斷開。
3.根據權利要求1所述的發電控制方法，其特徵在於所述各組開關的第二開關， 是在對應相線圈的反電動勢變成較高電壓區間導通/斷開，所述較高電壓區間為電壓周 波的下半周波高電壓區，所述各組開關的第二開關是於下半周波{[180° -(360° +相 數)]+2}+180° 的角度位置導通，而於{180° -{[180° -(360° +相數)]+2}}+180° 的 角度位置斷開。
4.根據權利要求1所述的發電控制方法，其特徵在於所述發電控制方法還包括將驅 動電路所產生的負值電流信號轉換成正值電流信號的步驟，所述步驟包括使用電流感測組 件及電流信號偏移迴路對所述驅動電路所產生的負值電流信號進行感測及信號偏移。
5.根據權利要求1所述的發電控制方法，其特徵在於所述動力機構是電動機。
6.根據權利要求5所述的發電控制方法，其特徵在於所述電動機的發電扭力控制是 通過控制發電電流來實現的。
7.根據權利要求1所述的發電控制方法，其特徵在於所述動力機構是發電機。
8.根據權利要求7所述的發電控制方法，其特徵在於所述發電機轉子的運轉是由入 力裝置所驅動。
全文摘要
本發明公開了一種發電控制方法，該方法包括驅動電路及控制電路，驅動電路包括至少二組開關，各組開關之間電性並聯連接，各組開關均包括第一開關和第二開關，第一開關和第二開關電性串連連接；控制電路包括動力機構和轉子位置檢出組件，動力機構包含轉子、定子及磁場，動力機構的各相分別地電性連接在各組開關的第一開關與第二開關之間；轉子位置檢出組件感測所述轉子的位置信號；各組開關的第二開關依所述轉子的位置信號進行脈寬調變導通/斷開的切換，而各組開關的第一開關則一直維持斷開。本發明通過各組開關的第二開關依序輪流切換導通/斷開狀態，將電力輸出至電路系統而發電。
文檔編號H02P9/30GK101986553SQ201010528429
公開日2011年3月16日 申請日期2010年11月1日 優先權日2010年6月1日
發明者朱明聰 申請人:愛德利科技股份有限公司