TW201425947A - 馬達監測系統及其電流偵測裝置 - Google Patents

Abstract

本發明實施例提供一種馬達監測系統及其電流偵測裝置，電流偵測裝置包括待測電流擷取模組、運算模組及控制模組。待測電流擷取模組偵測電子裝置中的工作電流，以輸出待測電流信號。運算模組至少依據控制模組提供的偏移參數與倍率參數調整待測電流信號，以產生第一修正電流信號。控制模組係藉由校準程序以計算出偏移參數與倍率參數。因此，於檢測大電流時，本發明可減少伴隨產生的熱能。

Description

馬達監測系統及其電流偵測裝置

本發明係關於一種馬達監測系統及其電流偵測裝置，特別是關於一種可以準確估計馬達的工作電流的馬達監測系統及其電流偵測裝置。

一般來說，馬達是一種可以將電能轉化成機械能，以驅動其他設備的電子裝置。為了實現各式各樣的精密操作或者為了適應各種操作環境，馬達的輸出功率或是轉速時常需要被準確地控制，而調整馬達的驅動電流是一種常見的手段。然而，在調整馬達的驅動電流之前，首先必須先確認馬達內的驅動電流的實際電流值，以避免後續操作上的誤差。

傳統上，驅動電流的實際電流值大小往往透過霍爾感測器(Hall sensor)測量出來，但是當馬達內的驅動電流較高，例如應用於電動車或者其他大型機械設備時，則需要更大的霍爾感測器才能有效地測量驅動電流，使得製造成本也隨著提高。同時，在大驅動電流的情況下，若測量裝置的電阻值或阻抗值較高，將會有大量的能量透過熱能或其他形式被消耗掉，不僅過於浪費能源，馬達的操作也可能產生安全上的疑慮。

據此，業界需要一種小體積、低成本的馬達監測系統及其電流偵測裝置，以改良傳統的霍爾感測器。藉此，應用於鋰電池、鉛酸電池或其他適當的供電設備時，所述馬達監測系統及其電流偵測裝置可以簡易且準 確地檢測出大驅動電流的實際電流值，且可以避免大量的能量透過熱能或其他形式被消耗掉。

有鑑於此，本發明在於提出一種電流偵測裝置，可以校準其偵測到的電流值，減少因為出廠時元件誤差造成其偵測到的電流值不準確的問題。並且，所述電流偵測裝置在檢測大驅動電流時，且可以避免大量的能量透過熱能或其他形式被消耗掉。

本發明實施例提供一種電流偵測裝置，所述電流偵測裝置包括待測電流擷取模組、運算模組以及控制模組。所述待測電流擷取模組偵測電子裝置中的工作電流，並據以輸出待測電流信號。所述運算模組至少依據偏移參數與倍率參數調整待測電流信號，以產生第一修正電流信號。所述控制模組提供偏移參數與倍率參數。其中控制模組係藉由校準程序以計算出偏移參數與倍率參數。

於本發明的一個示範實施例中，當控制模組進行所述校準程序時，電子裝置將工作電流固定於至少一個預設電流值，待測電流擷取模組依據預設電流值輸出校準電流信號，運算模組調整校準電流信號以產生第二修正電流信號，控制模組比對第二修正電流信號所指示的實際電流值與預設電流值之大小，據以計算出偏移參數與倍率參數。

於本發明的另一個示範實施例中，所述待測電流擷取模組包括銅板，銅板耦接電子裝置，待測電流擷取模 組偵測工作電流流經銅板所產生的電壓差，並依據所述電壓差輸出待測電流信號。此外，待測電流擷取模組耦接的電子裝置是馬達，當控制模組進行校準程序時，待測電流擷取模組耦接的電子裝置是電源供應器。

於本發明的再一個示範實施例中，控制模組包括偏移校準單元與倍率校準單元，於校準程序中，電源供應器將工作電流固定於零電流值，待測電流擷取模組依據零電流值輸出零電流信號，運算模組依據第一預設參數與第二預設參數調整零電流信號，以產生等效零電流信號，偏移校準單元比對等效零電流信號所指示的實際零電流值與零電流值之大小，據以調整並記錄偏移參數。另一方面，於校準程序中且調整完偏移校準單元之後，電源供應器更將工作電流固定於固定電流值，待測電流擷取模組依據固定電流值輸出固定電流信號，運算模組依據調整過的偏移參數與第二預設參數調整固定電流信號，以產生等效固定電流信號，倍率校準單元比對等效固定電流信號所指示的實際固定電流值與固定電流值之大小，據以調整並記錄倍率參數。

本發明在於提出一種馬達監測系統，可以校準其偵測到的電流值，減少因為出廠時元件誤差造成其偵測到的電流值不準確的問題。並且，所述電流偵測裝置在檢測大驅動電流時，且可以避免大量的能量透過熱能或其他形式被消耗掉。

本發明實施例提供一種馬達監測系統，包括馬達以及電流偵測裝置。所述電流偵測裝置，包括待測電流擷取模組、運算模組以及控制模組。所述待測電流擷取模 組耦接馬達或電源供應器，偵測馬達或電源供應器中的工作電流，並據以輸出待測電流信號。所述運算模組耦接待測電流擷取模組，至少依據偏移參數與倍率參數調整待測電流信號，以產生第一修正電流信號。所述控制模組耦接運算模組，提供偏移參數與倍率參數。其中於校準控制模組時，電流偵測裝置耦接於電源供應器，電源供應器將提供的工作電流固定為至少一預設電流值，待測電流擷取模組依據預設電流值輸出校準電流信號，運算模組調整校準電流信號以產生第二修正電流信號，控制模組比對第二修正電流信號所指示的實際校準電流值與預設電流值之大小，據以計算出偏移參數與倍率參數。

綜上所述，本發明實施例提供之馬達監測系統及其電流偵測裝置的體積小且設計簡單，不需使用傳統的霍爾感測器就能簡易且準確地檢測出在大驅動電流操作下的實際電流值。此外，有別於傳統的霍爾感測器需要使用線圈，而在檢測所述大驅動電流時伴隨產生大量的熱能，本發明實施例提供之馬達監測系統及其電流偵測裝置更能有效減少能量透過熱能或其他形式被消耗掉。

為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。

請參見圖1A，圖1A係繪示依據本發明一示範實施 例之電流偵測裝置之功能方塊圖。如圖1A所示，電流偵測裝置1包括了待測電流擷取模組10、運算模組12以及控制模組14，待測電流擷取模組10至少具有兩個連接端點A、A’，使得另一個電子裝置16能藉由連接端點A、A’耦接於待測電流擷取模組10。此外，待測電流擷取模組10與控制模組14分別耦接到運算模組12，運算模組12可以依據控制模組14的控制，而計算出待測電流擷取模組10所測得的工作電流的電流大小。

待測電流擷取模組10的連接端點A、A’係耦接於電子裝置16裡工作電流的電流路徑上，故待測電流擷取模組10可以依據工作電流的大小而對應輸出待測電流信號。於實務上，待測電流擷取模組10係在兩個連接端點A、A’之間等效地具有一個足夠精密的電阻阻值，且所述電阻阻值是可以預先被選定的。當連接端點A、A’係耦接於電子裝置16時，電子裝置16的工作電流流經待測電流擷取模組10會產生電壓差，而待測電流擷取模組10即可以依據所述電壓差輸出待測電流信號。為了使所屬技術領域具有通常知識者更加清楚本發明所述的待測電流擷取模組10，以下特舉出一種待測電流擷取模組10的實施方式，但本發明不以此為限。

請一併參見圖1A與圖1B，圖1B係繪示依據本發明一示範實施例之待測電流擷取模組之功能方塊圖。如圖1B所示，待測電流擷取模組10可以具有定電阻元件102以及信號產生元件104，定電阻元件102的兩端分別是兩個連接端點A、A’，而定電阻元件102被耦接在電子裝置16裡工作電流的電流路徑上。信號產生元件 104耦接於定電阻元件102的兩端，從電路上來看，也可以被視為等效地耦接在兩個連接端點A、A’上。在此，信號產生元件104是用來偵測連接端點A、A’上的電壓差，依據所述電壓差輸出待測電流信號，而連接端點B係耦接運算模組12。並且較佳的是，信號產生元件104可以先濾波、放大所述電壓差後，再自連接端點B輸出所述待測電流信號。

於實務上，定電阻元件102的電阻值可先經過精密校準，同時定電阻元件102的電阻值可預先被記錄下來，並儲存於適當的儲存媒體中，而當電子裝置16裡的工作電流流經定電阻元件102，定電阻元件102的兩端即有正比於工作電流數值的電壓差。舉例來說，定電阻元件102可以是一片金屬板材，為了較佳的導電性或成本上的考量可以選用銅板(copper plate)，但不以銅板為限。所述金屬板材經過兩個連接端點A、A’耦接於外部的電子裝置16。此外，信號產生元件104可以由運算放大器OP、電阻R1、R2以及電容C1所組接而得。藉此，信號產生元件104的輸出端B可以輸出經濾波、放大的所述電壓差，即將待測電流信號輸出到運算模組12。

值得一提的是，所屬技術領域具有通常知識者從圖1B應可明白，運算放大器OP、電阻R1、R2係用以放大定電阻元件102兩端的電壓差，電容C1係具有濾波的功能，實際上更可以視需要，而選擇性地使用其他能產生相同功能與效果的電子電路元件進行等效之替換。另外，信號產生元件104的連接端點B也可以先經 過隔離單元(未繪示)再耦接至運算模組12，使得待測電流擷取模組10與運算模組12各自的參考地端可以彼此獨立，故縱使待測電流擷取模組10在承載大電流的情況下，仍不致影響或干擾運算模組12的正常使用。換句話說，待測電流擷取模組10可以操作在高電壓(例如數百伏特)的環境中，且運算模組12可以操作在低電壓(例如數伏特或數十伏特)的環境中。

請繼續參見圖1A，運算模組12耦接待測電流擷取模組10以及控制模組14，至少依據控制模組14提供的偏移參數(offset parameter)與倍率參數(scale parameter)來調整待測電流信號，以產生第一修正電流信號。於實務上，由於待測電流信號是用來指示電子裝置16裡的工作電流，但是可能因為出廠時各元件內的些許誤差，或者受組裝時品質不穩定的影響，使得待測電流信號所指示的工作電流未必準確。因此，運算模組12需要適當的校準所述待測電流信號，使得校準後的待測電流信號(即前述的第一修正電流信號)可以指示最正確的工作電流數值。

以實際例子來說，控制模組14係用來判斷測量到的工作電流的誤差程度，並且提供適當的偏移參數與倍率參數給運算模組12，而讓運算模組12能夠依據偏移參數與倍率參數這兩個參數修正待測電流信號。據此，如何在預備的階段(例如出廠時、銷售或使用前)將最適當的偏移參數與倍率參數校準儲存在控制模組14，即是非常關鍵的課題。

本實施例在此將示範一個校準程序，使得控制模組 14可藉由校準程序計算出前述的偏移參數與倍率參數。於本實施例中，於校準程序中(即校準控制模組14)時，電子裝置16可以將工作電流固定於至少一組的預設電流值，例如是一個零電流值或一個固定電流值。待測電流擷取模組10依據預設電流值輸出對應的校準電流信號，運算模組12調整所述校準電流信號以產生第二修正電流信號，控制模組14比對所述第二修正電流信號所指示的實際電流值與所述預設電流值之大小，據以計算出偏移參數與倍率參數。詳細來說，在校準控制模組14的校準程序中，電子裝置16可以是一個電源供應器(power generator)或者其他適當的電子設備，以提供精確且穩定的電壓、電流給電流偵測裝置1。另一方面，在非校準程序中或是已校準完畢後，電子裝置16可以是一個馬達或者可以為各種欲銷售的產品。

在此，校準控制模組14的校準程序可以分成兩個階段，第一個階段是偏移校準，主要是將電子裝置16的工作電流設成零電流以檢測電流偵測裝置1是否存在著偏移誤差，藉此調整控制模組14裡的偏移參數。而第二個階段是倍率校準，主要是將電子裝置16的工作電流設成固定電流以檢測電流偵測裝置1是否存在著倍率誤差，藉此調整控制模組14裡的倍率參數。

詳細來說，請一併參見圖1A、圖1B與圖1C，圖1C係繪示依據本發明另一示範實施例之電流偵測裝置之功能方塊圖。如圖1C所示，電流偵測裝置1的控制模組14更包括了偏移校準單元142與倍率校準單元144。承接前段所述，於進行校準程序中的偏移校準時， 電源供應器可以將工作電流固定於零電流值，待測電流擷取模組10裡的信號產生元件104仍會從定電阻元件102的兩端測量電壓差，據以輸出依據所述零電流值得到的零電流信號。接著，運算模組12可依據一個第一預設參數與一個第二預設參數調整所述零電流信號，以產生等效零電流信號。此時，控制模組14裡的偏移校準單元142即會比對所述等效零電流信號所指示的實際零電流值與零電流值之大小，據以將第一預設參數進行修改，並儲存成偏移參數。

以實際例子來說，若電源供應器沒有輸出任何電流(即工作電流為零)，理論上定電阻元件102的兩端測量不出電壓差。但是，當受到元件之間的誤差影響，定電阻元件102的兩端仍有些許的電壓差時，所述零電流信號即會反映出所述因誤差而出現的電壓差，從而運算模組12所輸出的等效零電流信號也會帶有誤差。此時，偏移校準單元142即會比對所述等效零電流信號所指示的實際零電流值(即為電源供應器供應零電流時的誤差量)與零電流值之大小，若實際零電流值與零電流值不相同，偏移校準單元142即會對應地變更偏移參數以消除等效零電流信號(指示實際零電流值)與零電流信號(指示零電流值)之間的誤差。於實務上，偏移校準單元142可以具有非揮發性的儲存媒體，以記錄調整變更後的偏移參數。

當進行完偏移校準之後，電源供應器可以將工作電流固定於一個預設的固定電流值以進行校準程序中的倍率校準。待測電流擷取模組10裡的信號產生元件104 同樣會從定電阻元件102的兩端測量電壓差，據以輸出依據所述固定電流值得到的固定電流信號。接著，運算模組12可依據調整後的偏移參數與前述的第二預設參數調整所述固定電流信號，以產生等效固定電流信號。此時，控制模組14裡的倍率校準單元144即會比對所述等效固定電流信號所指示的實際固定電流值與固定電流值之大小，據以將第二預設參數進行修改，並儲存成倍率參數。

以實際例子來說，倍率校準單元144會比對所述等效固定電流信號所指示的實際固定電流值與提供的固定電流值之大小，若實際固定電流值與提供的固定電流值不相同，倍率校準單元144即會對應地變更倍率參數以消除等效固定電流信號(指示實際固定電流值)與固定電流信號(指示固定電流值)之間的誤差。於實務上，倍率校準單元144同樣可以具有非揮發性的儲存媒體，以記錄調整變更後的倍率參數。

當校準控制模組14的校準程序完成後，請參見圖2，圖2係繪示依據本發明一示範實施例之馬達監測系統之功能方塊圖。如圖2所示，馬達監測系統2即為圖1A所繪示的電流偵測裝置1在完成校準控制模組14之後，實際用於監測馬達20的工作電流時的示意圖。也就是說，馬達監測系統2實際上包括了圖1A所繪示的電流偵測裝置1，以及一個耦接待測電流擷取模組10的馬達20。其中圖2所繪示的電流偵測裝置1與前述段落相同，在此不予贅述。於實務上，當校準程序完畢，且調整過後的偏移參數與調整過後的倍率參數都被計算 出來之後，若此時運算模組12收到一個待測電流信號(指示馬達的工作電流)，則運算模組12會先依據偏移參數來對所述待測電流信號進行加法運算上的調整，以除去偏移誤差。接著，運算模組12會再依據倍率參數來對所述待測電流信號進行乘法運算上的調整，以除去倍率誤差。如此一來，校準完偏移參數與倍率參數饋入運算模組12之後，運算模組12便可以據以計算出第一修正電流信號，而所述第一修正電流信號便可以準確地指示馬達20內的工作電流的確切數值。

於其他的例子中，偏移參數與倍率參數更可以由外部處理器輔助控制模組14的判斷並進行設定，或者也可以由使用者利用外部處理器手動地調整偏移參數與倍率參數。請參見圖3，圖3係繪示依據本發明又一示範實施例之電流偵測裝置之功能方塊圖。其中圖3與前述的圖1C相同之處在於，圖3的電流偵測裝置3同樣包括了待測電流擷取模組30、運算模組32以及控制模組34，且控制模組34同樣包括了偏移校準單元342與倍率校準單元344。然而，圖3與前述的圖1C不同之處在於，控制模組34更耦接到一個外部處理器36，而外部處理器36即可用來調整偏移校準單元342與倍率校準單元344。

舉例來說，於進行偏移校準時，運算模組32產生的等效零電流信號並不直接饋入控制模組34，而是先饋入外部處理器36。接著，由外部處理器36(或者由使用者)判斷對等效零電流信號所指示的實際零電流值與零電流值之大小。藉此，外部處理器36便可以指示控制 模組34裡的偏移校準單元342對應地變更偏移參數以消除等效零電流信號(指示實際零電流值)與零電流信號(指示零電流值)之間的誤差。

同理，於倍率校準時，運算模組32產生的等效固定電流信號也不會直接饋入控制模組34，而是先饋入外部處理器36。接著，由外部處理器36(或者由使用者)判斷等效固定電流信號所指示的實際固定電流值與固定電流值之大小。藉此，外部處理器36便可以指示控制模組34裡的倍率校準單元344對應地變更倍率參數以消除等效固定電流信號(指示實際固定電流值)與固定電流信號(指示固定電流值)之間的誤差。

綜上所述，本發明實施例提供之馬達監測系統及其電流偵測裝置可以先透過校準電流偏移量與縮放倍率這兩個主要的參數，使得校準過後的馬達監測系統及其電流偵測裝置能準確地判斷馬達或其他電子裝置內的工作電流的確切數值。此外，本發明實施例提供之馬達監測系統及其電流偵測裝置不需使用傳統的霍爾感測器，免除了佔空間的線圈以及檢測大電流時伴隨產生的熱能，更能有效減少能量透過熱能或其他形式被消耗掉。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

1‧‧‧電流偵測裝置

10‧‧‧待測電流擷取模組

12‧‧‧運算模組

14‧‧‧控制模組

102‧‧‧定電阻元件

104‧‧‧信號產生元件

142‧‧‧偏移校準單元

144‧‧‧倍率校準單元

16‧‧‧電子裝置

2‧‧‧馬達監測系統

20‧‧‧馬達

3‧‧‧電流偵測裝置

30‧‧‧待測電流擷取模組

32‧‧‧運算模組

34‧‧‧控制模組

342‧‧‧偏移校準單元

344‧‧‧倍率校準單元

36‧‧‧外部處理器

A、A’、B‧‧‧連接端點

OP‧‧‧運算放大器

R1、R2‧‧‧電阻

C1‧‧‧電容

圖1A係繪示依據本發明一示範實施例之電流偵測裝置之功能方塊圖。

圖1B係繪示依據本發明一示範實施例之待測電流擷取模組之功能方塊圖。

圖1C係繪示依據本發明另一示範實施例之電流偵測裝置之功能方塊圖。

圖2係繪示依據本發明一示範實施例之馬達監測系統之功能方塊圖。

圖3係繪示依據本發明又一示範實施例之電流偵測裝置之功能方塊圖。

1‧‧‧電流偵測裝置

10‧‧‧待測電流擷取模組

12‧‧‧運算模組

14‧‧‧控制模組

16‧‧‧電子裝置

A、A’‧‧‧連接端點

Claims (10)

1. 一種電流偵測裝置，包括：一待測電流擷取模組，耦接一電子裝置，偵測該電子裝置中的一工作電流，並據以輸出一待測電流信號；一運算模組，耦接該待測電流擷取模組，至少依據一偏移參數與一倍率參數調整該待測電流信號，以產生一第一修正電流信號；以及一控制模組，耦接該運算模組，提供該偏移參數與該倍率參數；其中該控制模組係藉由一校準程序以計算出該偏移參數與該倍率參數。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電流偵測裝置，其中當該控制模組進行該校準程序時，該電子裝置將該工作電流固定於至少一預設電流值，該待測電流擷取模組依據該預設電流值輸出一校準電流信號，該運算模組調整該校準電流信號以產生一第二修正電流信號，該控制模組依據該第二修正電流信號所指示的一實際電流值與該預設電流值，據以計算出該偏移參數與該倍率參數。
3. 如申請專利範圍第2項所述之電流偵測裝置，其中該待測電流擷取模組耦接的該電子裝置是一馬達，當該控制模組進行該校準程序時，該待測電流擷取模組耦接的該電子裝置是一電源供應器。
4. 如申請專利範圍第2項所述之電流偵測裝置，其中該控制模組包括一偏移校準單元與一倍率校準單元，於該校準程序中， 該電源供應器將該工作電流固定於一零電流值，該待測電流擷取模組依據該零電流值輸出一零電流信號，該運算模組依據一第一預設參數與一第二預設參數調整該零電流信號，以產生一等效零電流信號，該偏移校準單元比對該等效零電流信號所指示的一實際零電流值與該零電流值之大小，據以計算出該偏移參數。
5. 如申請專利範圍第4項所述之電流偵測裝置，其中於該校準程序中調整完該偏移校準單元之後，該電源供應器更將該工作電流固定於一固定電流值，該待測電流擷取模組依據該固定電流值輸出該固定電流信號，該運算模組依據調整過的該偏移參數與該第二預設參數調整該固定電流信號，以產生一等效固定電流信號，該倍率校準單元比對該等效固定電流信號所指示的一實際固定電流值與該固定電流值之大小，據以計算出該倍率參數。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電流偵測裝置，其中該待測電流擷取模組包括一銅板，該銅板耦接該電子裝置，該待測電流擷取模組偵測該工作電流流經該銅板所產生的一電壓差，並依據該電壓差輸出該待測電流信號。
7. 一種馬達監測系統，包括：一馬達；以及一電流偵測裝置，包括：一待測電流擷取模組，耦接該馬達或一電源供應器，偵測該馬達或該電源供應器中的一工作電流，並據以輸出一待測電流信號；一運算模組，耦接該待測電流擷取模組，至少依據一 偏移參數與一倍率參數調整該待測電流信號，以產生一第一修正電流信號；以及一控制模組，耦接該運算模組，提供該偏移參數與該倍率參數；其中於校準該控制模組時，該電流偵測裝置耦接於該電源供應器，該電源供應器將提供的該工作電流固定為至少一預設電流值，該待測電流擷取模組依據該預設電流值輸出一校準電流信號，該運算模組調整該校準電流信號以產生一第二修正電流信號，該控制模組比對該第二修正電流信號所指示的一實際校準電流值與該預設電流值之大小，據以計算出該偏移參數與該倍率參數。
8. 如申請專利範圍第7項所述之馬達監測系統，其中該待測電流擷取模組包括一銅板，該銅板選擇性地耦接該馬達或該電源供應器，該待測電流擷取模組偵測該銅板上的一電壓差，並依據該電壓差輸出該待測電流信號。
9. 如申請專利範圍第7項所述之馬達監測系統，其中該控制模組包括一偏移校準單元與一倍率校準單元，於校準該控制模組時，該電源供應器固定提供一零電流值，該待測電流擷取模組依據該零電流值輸出一零電流信號，該運算模組依據一第一預設參數與一第二預設參數調整該零電流信號，以產生一等效零電流信號，該偏移校準單元比對該等效零電流信號所指示的一實際零電流值與該零電流值之大小，據以計算出該偏移參數。
10. 如申請專利範圍第9項所述之馬達監測系統，其中於校準該控 制模組時且調整完該偏移校準單元之後，該電源供應器固定提供一固定電流值，該待測電流擷取模組依據該固定電流值輸出該固定電流信號，該運算模組依據調整過的該偏移參數與該第二預設參數調整該固定電流信號，以產生一等效固定電流信號，該倍率校準單元比對該等效固定電流信號所指示的一實際固定電流值與該固定電流值之大小，據以計算出該倍率參數。