201115903 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係針對目前電動二輪車柄馬達動力系統不易兼顧低速高扭力輸 出及最π轉速$到電池電壓限制的缺點所提出的關於—種具有變速功能之 馬達控制紐及其方法，_是魏達成⑽速高扭力，並轉高轉速時 仍有適虽的扭力輸出的馬達控制器技術，並特別適用於不易取得較高電源 電壓如電動二輪車輛的應用場合。 _【先前技術】 目則之直流有刷馬達及直流無刷馬達縣具有轉矩及轉速容易控制的 特點’已被廣泛運用在目前的許多工業應用及電動二輪車輛的驅動系統 上，然而對於電動二輪車輛或是其他需要使用電池作為電源供應的應用場 合來說，電源電壓已被電池的串聯數所決定了； 而基本上，馬賴輸出扭力和繞組輸人電流成正比，但是馬達的最高 轉速卻是受限於電源電壓，如圖一所示之用的騎控制器架構，其中最大 •馬達輸出扭力是由馬達繞組、磁路設計及驅動電流所決定，同理，最大轉 速也是由馬達！之設計及電池2之電壓所_住，其基杨力輸崎性如 圖二所示； 再以馬達的基本工作原理來說明，輪出扭力與馬達相（線）電流之關係 如下： τ (扭力）=Kt (扭力常數(馬達相電流） 至於其轉速與電源電壓之關係如下： ω (轉速）=& (轉速常數）*Va (馬達相電壓） 3 201115903 因此為達収夠的扭力輸出，除了提供足夠的相電流外否則即須靠 麵減速Lx提升輸出扭力。喊高姆删絲可能提升輸出担力， 但因大電机駆動下’主要的馬達損失為繞組之銅損，而繞組銅損之公式如 下， pc (銅損）=ia2 (馬達相電流）xRp (繞組組抗） 其中知失乃為馬達相電流的付倍，嚴重織其效率，並造成馬達大 置的’皿升’甚而㈣馬達壽命，因此對於電動二輪車輛的運用而言，須同 時具備高扭力錢高轉速的特性，除雜職械變速系統以得麟泛的扭 力與速度細’知意味著需要付出相當的成本及空跡加人機械變速系 統；若要達到更高的速度，則必财聯更多的電池組，同時pwM/換相控 制電路3要能控制馬達相電流驅動電路4來提供馬達繞組相當大的電流以 產生足夠的扭力輸出。然而越多的電池串聯數代表著電池系㈣管理複雜 X升n而在低迷大電流的操作條件下，較高的電池電壓也將導致較大的 切換損失； 因此若要同時兼顧低速的大扭力輸出以及最高轉速的要求便需要使 用較大規格的馬達，或者必須搭配使用機械變速系統，如此一來勢必增加 重量及體積’當然也必須付出額外的成本。 由此可見’以上種種難題在移動式載具如電動二輪車輛的應用上更是 一大阻礙，因此如何發展出可使用較低的電源電壓，較小的體積及較低的 、本而可取代傳統機械變速馬達控制器，即為目前相關產業界巫思 解決的課題。 本案發明人鑑於上述習用之方法所衍生的各項缺點，乃丞思加以改良 201115903 之馬達控 創新’並Μ年苦心孤㉝潛心、研究後，來完成本件具有變速功能 制系統及其方法。 【發明内容】 、本發月之目的即在於提供一種具有變速功能之馬達控制系統及其方 法係為了月b達到同時具備低轉速大扭力及工作範圍需延伸至高轉速 達控制系統； ^ 本發明之次要目的即在於提供—種具錢速功能之馬達㈣系統及其 方法’係為了可使用較低電池電壓，並且在馬達的轉速提高到—定程度以 時可將輸入電壓升兩（不需要串聯電池來提高輸入電壓），以及使用相 角提前的換相技術以維持高轉速時仍有適當的扭力輸出，以適應整個寬廣 的工作範圍需求。 達成上述發明目的之具有變速功能之馬達控·統及其方法，係包含 了狀〜、控制模组、一直流/直流升壓轉換模組 '一馬達相電流驅模組、 -馬達、-相電流_模減__電祕應歡，其中該電源供應模組提供 較低電池電壓’並且在馬達的轉速提高到__定程度以上時（藉由機械減速 系統可將較小的扭力及較高的轉速轉換成較大的扭力及較低的轉速，但顯 而易見的是最高轉速將受到影響，除非改採變魏置），再藉由—個直流/ 直流升壓轉雜纟赠輸人電壓升糾及藉㈣狀馳麵組使帛相角提前 的換相技術，以維持電動二輪車輛馬達動力系統高轉速時仍有適當的扭力 輸出； 更具體的說，當電動二輪車輛馬達動力系統在輸出足夠的扭力時，仍 維持在適當的效率範圍内，因此利用直流/直流升壓轉換器，適當提高轉速 s- 5 201115903 至所希望的工作速度範圍，並可改善低速大扭力的卫作鱗，更可破保能 達到足夠的工作速度，且不需複雜的機械變速系統； 更具體的說，所述直流/直流升壓轉換模組之輸出電壓可依據目標轉速 而凋整，如此在低轉速大扭力時，可操作在較低的工作電壓，相較於直接 使用高電壓（即串連較多電池)並操作在低速高扭力條件下，其巾所使用之 開關元件的損失及所承受的電氣應力健較輕；同時因為無需—直啟動直 流/直流升壓轉換模組，也可減少該直流/直断壓轉換模_損失，而當 馬達轉速漸漸升高後，_電流將隨之下降，馬達控制系統將操作在高電 壓低電流的工作條件。 更具體的說，所述馬達相電流驅動模組所需之輸入電壓（即直流/直流 升壓轉換模組之輸出賴）會制馬料性參數、轉速、溫度、甚至是所要 輸出扭力的大袖有所影響，計算上若要考慮所有影_料，將造成該 控制單元運算㈣的增加，若是賴運算和硬_反應速度甚至路況因素 交互作用時，更有可能產生系統不穩㈣疑慮。況且電動二輪車輛受限於 成本因素通常無法細運算能力非倾大之難戦單晶絲處理相關的 複雜運算。因此本發明只需針對馬達之轉速，在需要操作於較原最高轉速 更高的工錄‘_，流升祕賴魄升電源供應模組之電 壓’並於加速或減速時適當的設定轉速磁滯區間，藉由加速時的切換電壓 命令轉速設定點較減速時的切換電壓命令轉速設定點為高的方式直接得 到馬達相電流驅動模組之驅動電源電壓目標值，因此本發明不需考慮其它 因素，僅需簡單的控制方法，即可用較低的成本達成上述性能改昱之目的。 201115903 更具體的說，若欲使直流無刷馬達於較高轉速域時進一步有較大的動 力輸出，除上述使用直流/直流升壓轉換模組提高馬達相電流驅動模組的輸 入電壓外，可再結合相角提前的換相技術，使馬達在一定轉速以上時，利 用軟體程式使馬達在換相點位置感應器訊號產生之前，主動提前驅動馬達 的下一相繞組，達成弱磁控制的效果，可進一步提升約；30%的馬達操作轉 速範圍。 更具體的說’雖然本發明採用無感測器（Sensoriess)換相技術達成提 ® 前換相的功能，但因此功能僅操作於較高轉速域，此時馬達系統已蓄積較 大的轉動動能，不會瞬間改變轉速，因此較零轉速啟動或全程使用無感測 器換相技術的可靠度高出許多。 【實施方式】 請參閱圖三為本發明具有變速功能之馬達控制系統及其方法之系統架 構圖，如圖中所示，其中係包括： 一馬達5，係内建一馬達繞組，可傳送相位及速度訊號；另外該馬達5 可為直流有刷馬達、直流無刷馬達、交流馬達及輪穀式馬達等馬達裝置； 一控制命令接收端6，負責接收控制該馬達5的轉速命令或轉矩命令； 一狀態控制模組7，係接收外部控制命令接收端6轉速或轉矩控制命 令，及馬達5所傳送之相位及速度訊號，及馬達相電流偵測模組u所回授 之偵測訊號，並依據命令或偵測訊號來決定PWM的開度及換相順序，並可 將控制訊號輸出至直流/直流升壓轉換模組9及馬達相電流驅動模組1〇，致 使直流/直流升壓轉換模組9可按照需求提高輸出電壓或按照需求使馬達相 電流驅動模組10達成提前換相的功能；
•teS 7 201115903 一電源供應模組8，係為一可提供直流電壓之電源供應設備’例如電 池等電源供應設備； 一直流/直流升壓轉換模組9，係由該狀態控制模組7根據馬達轉速決 定升壓電路的輸出電壓後，該直流/直流升壓轉換模組9係能將該電源供應 模組8所輸入之電壓提高至該狀態控制模組7所要求之輸出電壓； 一馬達相電流驅動模組10，係接收該直流/直流升壓轉換模組9所提供 之電壓，並輸出驅動電流至該馬達5内建之馬達繞組，便可達成適度提升 馬達轉速，以達成類似變速器的功能；而該狀態控制模組7亦能控制該馬 達相電流驅動模組10之開關，並當該狀態控制模組啟動提前換相的運算功 能時’於該馬達5在換相點位置感應器訊號產生之前，經由該馬達相電流 驅動模組10主動提前驅動該馬達5的下一相繞組，以達成弱磁控制的效 果’並能進一步提升較高轉速域的馬達動力輸出； 一相電流彳貞測模組11，係能偵測通過該馬達5之驅動電流，並回傳訊 號給該狀態控制模組7。 值得一提的是’該狀態控制模組7内建有pwm( Pulse Width M〇dulati〇n 脈波寬度調變）控制電路、換相控制電路及升壓控制電路，而詳細控制内 容如下： (1) PWM控制電路，主要用於馬達的扭力控制，因馬達的扭力與輸 入至馬達繞組的電流成正比，故若要改變馬達的扭力，只要改 變輸入電流值便可，因此在電源與馬達間插入電晶體開關元 件，當控制相關繞組的開關元件導通時，流入該馬達繞組之電 々_<便會上升；而當開關戴止時，該馬達繞組的電流便會下降， 201115903 藉由相電流偵測模組偵測馬達相電流到達相對所欲輸出的扭力 值時’即適當控制ON時間及OFF時間的比例；以達成自由栌 制馬達輸入電流之目的’亦即達成馬達輸出扭力控制之目的。 而使用不改變單位時間所發生之ON次數而改變〇N狀態之時 間長度，則稱之為脈衝寬度調變（Pulse_Width M〇dulati<^ PWM) 〇
(2)換相控制電路，因為直流無刷馬達是以改變私目繞組的激磁電 流順序，以取代直流有刷馬達及換相片之功能，達成連續運轉 的目的，因此必須侧馬達轉子的相角位置，以正確的順序驅 動馬達各相繞組，否則會影響馬達的運轉。同時利用計算換相 的頻率，可得出馬達的轉速，進而提供升壓馬達控制電路計算 驅動電源電壓的資訊。至於直流有刷馬達，此換相控制電路之 功能則轉變成轉速計算的功能。
⑴升壓控路’係可以根據該馬達之轉速來蚊直流/直流升壓 轉換模組的驅動電源電壓，而該直流/直流升壓轉換模組的驅動 電源電壓之計算只需將整個轉速操作範圍區分成數個區間，利 用加速或減速不同切換點的類似磁滯現象的設定方式，即可輕 易完成驅動電源電壓的設定。如圖四所示，為加人該直流/直流 升壓轉換模组9後的馬達動力輪出特徵，使該馬達5加速時， 若欲提升該驅動電源電壓，則該馬達5的切換轉速點需設定在 ι馬達減速時’从降低该驅動電源電壓值為高的轉速。 直Η·…刷馬達要進入較高轉速域時，該提前換相運算電 9 201115903 路會啟動提前換相的運算功能，使該馬達5在換相點位置感應 器（例如：Hall Sensor)訊號產生之前，主動提前驅動該馬達5 的下一相繞組，達成弱磁控制的效果，可進一步提升較高轉速 域的馬達動力輪出（如圖五所示，為加入該直流/直流升壓轉換 模組9以及使用相角提前換相技術後的馬達動力輸出特徵）。 值得一提的是’本發明之實施例如下所述： 1. 本發明所應用之電動載具使用電池電壓為48v’最大輸出扭力為 120N-M ’最高轉速為6〇〇RPM，當使用具有變速功能之馬達控制 系統及其方法時’可先將馬達5改設計為48V電源電壓，而最大 扭力為40N-M，最高轉速為600RPM之直流無刷馬達； 2. 先經由一馬達5所外接之3:1機械減速機構（減速齒輪）將輸出扭 力&幵3倍到120N-M，但此時動力系統之最高轉速將下降至 200RPM ；
3. 而當馬達5轉速加速至500rpM時，即將該直流/直流轉換模組的 輸出驅動電源電壓由原本未啟動時的48V提升8V成為56V，當繼 續加速至600RPM時則再增加8V成為64V ,依此類推直至 1100RPM時，則該直流/直流轉換模組9的輸出驅動電源電壓成為 96V。而當馬達5減速至i〇5〇RPM時，則將此輸出驅動電源電壓 由96V降低8V成為88V ’依此類推當馬達5轉速降低至45〇RpM 時，則該直流/直流轉換模組9的輸出驅動電源電壓成為48V，亦 即不需再執行升壓動作； 4. 另外，若動力系統欲達到400RPM的轉速’則可藉由該直流/直流 201115903 升壓轉換模組9將電源電壓升至96V，使該馬達5的未減速前的最 高速度為1200RPM便可達成。同理，若動力系統欲達到600RPM 最大轉速時，只需將電源電壓升至144V，使該馬達5的未減速前 的最高速度為1800RPM便可達成。 5.若欲進一步使該馬達5轉速操作在1800RPM以上時，則可使用相 角提前的換相技術，當該馬達5加速超過1700RPM轉速以上時， 利用軟體程式使該馬達5在換相點位置感應器訊號產生之前10〇/〇 β 的時間，主動提前驅動該馬達5的下一相繞組，達成弱磁控制的效 果。同理，當該馬達5轉速下降至1600RPM時則取消此換相提前 的驅動方式。 值得一提的是’本發明可以使用一個40Ν-Μ輸出扭力且原最高轉速為 600RPM的48V馬達’達成120Ν_Μ的輸出目標，同時不需增加電池電壓 便可達到舰_RPM的最大轉速，達細似賴魏⑽魏；而當我 們以N:1的減速比（應用機械減速機構進行減速）增加輸出扭力時，僅需 • 錢/直流升壓㈣鱗《提升N倍便可_最大輸出轉速達到目 標； 值得-㈣是，當使赌献騎時，可· _減速錄機構達成 上述的功能。 本發明所提供之具錢速魏之馬達控_統及其方法，與其他習用 技術相互比較時，更具備下列優點： i.本發明之具有變速功能之馬達控制魏及其方法，係'為使用一具 有電源升壓功能的馬達控制系統，可將電動二輪車輛馬達動力系 201115903 統轉速提升至目標值，以達成類似變速器的功能。 2. 本發明之具有變速功能之馬達控制系統及其方法，係能使用較低 電池電壓，並且在馬達的轉速提高到一定程度以上時，可將輸入 電壓升高（不需要串聯電池來提高輸入電壓），以維持高轉速時 仍有適當的扭力輸出，以適應整個寬廣的工作範圍需求。 3. 本發明對於馬達相電流驅動模組所需之輸入電壓（即直流/直流 升壓轉換模組之輸出電壓）目標值計算只需將整個轉速操作範圍 區分成數個區間’利用加速或減速不同切換點的類似磁滯現象& φ «又疋方式，即可輕易完成驅動電源電壓的設定，且可容忍直流/ 直流升壓轉換模組較大的工作誤差。 4. 本發明在較高轉速域結合相角提前的換相技術後，可進一步提升 較高轉速域的馬達動力輸出，較未使用本發明技術的馬達動力系 統大幅提升巾高轉速的功率輸出，且不需犧牲低轉速域的效率及 扭力。 上列詳細制係針對本發明之—可行實施例之具體說明，惟該實施例 _ 並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實 施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。 综上所述’本案不但在技術思想上確屬創新，並能較習用物品增進上 述夕項功效’應以充分符合新雛及進步性之較發明專件，爰依法 提出申清，懇請貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。 【圖式簡單說明】 圖一為習知之馬達控制器之系統架構圖； 12 201115903 圖二為習知之馬達動力輸出特性圖； 圖三為本發明具有變逮功能之馬達控制系統及其方法之系統架構圖，· 圖四為本發明具有變速功能之馬達控制系統僅使用直流/直流升壓轉 換模組時之馬達動力輸出特性圖；以及 圖五為本發明具有變速號之馬翻㈣統同時使用直流，直流升壓 轉換模組及提前換減之馬達動力輸出特性圖。 【主要元件符號說明】 1 馬達 2 電池 3 PWM/換相控制電路 4 馬達相電流驅動電路 5 馬達 6 控制命令接收端 7 狀態控制模組 8 電源供應模組 9 直流/直流升壓轉換模組 10 馬達相電流驅動模組 11 相電流偵測模組
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