TWI582563B - 風機控制裝置及其控制方法 - Google Patents

Description

風機控制裝置及其控制方法

本發明是有關於一種控制裝置及其控制方法，特別是有關於一種追蹤萃取風機之最大功率，且模糊控制電壓轉換及以二段式方式控制電池單元充電之風機控制裝置及其控制方法。

現有的風機最大功率追蹤有的是用風機的轉速當回授，這種方式成本高，因為要多一個風速感測器的成本，而且萃取出來的功率要儲存在二次式的電池中，又要再一個控制器來作一功率的調配，否則一不小心會把負載給燒掉。

此外，亦有使用連續的電路來執行上述之二個控制器，然連續電路體積龐大，成本貴且維修不易，萬一要更改程式時，又要重新組裝一個新的連續電路，非常不經濟。

有鑑於上述習知之問題，本發明的目的在於提供一種風機控制裝置及其控制方法，用以解決習知技術中所面臨之問題。

基於上述目的，本發明係提供一種風機控制裝置，其包含最大功率追蹤模組、模糊控制模組及充電控制模組。最大功率追蹤模組依據風機之功率差及責任週期差輸出最大功率責任週期至上昇型直流電壓轉換模組，上昇型 直流電壓轉換模組輸出最大功率電壓至降昇型直流電壓轉換模組。模糊控制模組依據參考電壓與降昇型直流電壓轉換模組所輸出之降昇電壓之電壓誤差輸出模糊控制責任週期至降昇型直流電壓轉換模組。充電控制模組於降昇電壓小於第一預設值時，使降昇型直流電壓轉換模組對電池單元定電流充電，於降昇電壓不小於第一預設值時，則使降昇型直流電壓轉換模組對電池單元定電壓充電，於降昇電壓等於第二預設值時，則傳送關閉訊號予分別連接降昇型直流電壓轉換模組及電池單元之繼電單元。

較佳地，模糊控制模組可依據電壓誤差差值產生電壓誤差責任週期，並依據電壓誤差責任週期輸出模糊控制責任週期。

較佳地，模糊控制責任週期可為波寬調變脈波訊號。

較佳地，模糊控制責任週期可為0至0.8。

較佳地，充電控制模組可包含充電控制器及多工器，充電控制器傳送選擇訊號至多工器，多工器據以提供降昇電壓或電池電壓，降昇電壓或電池電壓與對應之由充電控制器提供之參考電壓產生電壓誤差。

基於上述目的，本發明再提供一種風機控制方法，適用風機控制裝置，風機控制裝置包含最大功率追蹤模組、模糊控制模組及充電控制模組，風機控制方法包含下列步驟：依據風機之功率差及責任週期差輸出最大功率責任週期至上昇型直流電壓轉換模組，上昇型直流電壓轉換模組輸出最大功率電壓至降昇型直流電壓轉換模組。依據參考電壓與降昇型直流電壓轉換模組所輸出之降昇電壓之電壓誤差輸出模糊控制責任週期至降昇型直流電壓轉換模組。提供第一預設值及第二預設值，且第一預設值及第二預設值分別與降昇電壓進行比對。其中，於降昇電壓小於第一預設值時，使降昇型直流電壓轉換模組對 電池單元定電流充電，於降昇電壓不小於於第一預設值時，則使降昇型直流電壓轉換模組對電池單元定電壓充電，於降昇電壓等於第二預設值時，則使繼電單元跳開。

較佳地，於輸出該模糊控制責任週期之前，風機控制方法更可包含下列步驟：依據二電壓誤差之電壓誤差差值產生電壓誤差責任週期。依據電壓誤差責任週期輸出模糊控制責任週期。

較佳地，充電控制模組可包含充電控制器及多工器，於產生電壓誤差之前，風機控制方法更可包含下列步驟：依據選擇訊號提供降昇電壓或電池電壓。提供對應降昇電壓或電池電壓之參考電壓。比對降昇電壓與參考電壓，或比對電池電壓與參考電壓，以產生電壓誤差。

承上所述，本發明之風機控制裝置及其控制方法可藉由最大功率追蹤模組追蹤風機之最大功率，並藉由模糊控制模組控制電壓轉換，以及藉由充電控制模組二段式控制電池單元之充電，進而具有萃取風機之最大功率及控制充電輸出之功效。

100‧‧‧風機控制裝置

101‧‧‧風機

102‧‧‧橋式整流器

103‧‧‧上昇型直流電壓轉換模組

104‧‧‧降昇型直流電壓轉換模組

105‧‧‧電池單元

106‧‧‧繼電單元

110‧‧‧最大功率追蹤模組

120‧‧‧模糊控制模組

121‧‧‧波寬調變脈波產生器

130‧‧‧充電控制模組

131‧‧‧充電控制器

132‧‧‧多工器

S51至S54、S61至S62、S71至S73‧‧‧步驟

第1圖係為本發明之風機控制裝置之第一示意圖。

第2圖係為本發明之風機控制裝置之風機輸出功率與責任週期之關聯圖。

第3圖係為本發明之風機控制裝置之第二示意圖。

第4圖係為本發明之風機控制裝置之第三示意圖。

第5圖係為本發明之風機控制方法之第一流程圖。

第6圖係為本發明之風機控制方法之第二流程圖。

第7圖係為本發明之風機控制方法之第三流程圖。

為利貴審查員瞭解本發明之特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合圖式，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍。

本發明之優點、特徵以及達到之技術方法將參照例示性實施例及所附圖式進行更詳細地描述而更容易理解，且本發明或可以不同形式來實現，故不應被理解僅限於此處所陳述的實施例，相反地，對所屬技術領域具有通常知識者而言，所提供的實施例將使本揭露更加透徹與全面且完整地傳達本發明的範疇，且本發明將僅為所附加的申請專利範圍所定義。

請參閱第1圖，其係為本發明之風機控制裝置之第一示意圖。如圖所示，本發明之風機控制裝置100包含了最大功率追蹤模組110、模糊控制模組120及充電控制模組130。其中，本發明之風機控制裝置100可為可規劃邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)晶片控制器。

續言之，最大功率追蹤模組110依據風機101之功率差及責任週期差，計算得到最大功率責任週期，並輸出最大功率責任週期至上昇型直流電壓轉換模組103，上昇型直流電壓轉換模組103再依據輸出最大功率責任週期輸出最大功率電壓至降昇型直流電壓轉換模組104；其中風機101之輸出會先經由橋式整流器102整流再輸出。

模糊控制模組120依據參考電壓與降昇型直流電壓轉換模組104所輸出之降昇電壓之電壓誤差，計算得到模糊控制責任週期，並輸出模糊控制 責任週期至降昇型直流電壓轉換模組104。其中，模糊控制模組120係包含類比至數位轉換器，以將類比訊號轉換為數位訊號，以供模糊控制模組120處理。

而充電控制模組130於降昇型直流電壓轉換模組104所輸出用以對電池單元105充電之降昇電壓小於第一預設值時，將使降昇型直流電壓轉換模組104對電池單元105採定電流充電模式充電，於降昇電壓不小於第一預設值時，則使降昇型直流電壓轉換模組104對電池單元105採定電壓充電模式充電，於降昇電壓等於第二預設值時，則傳送跳開訊號予位於降昇型直流電壓轉換模組104與電池單元105之間，且分別連接降昇型直流電壓轉換模組104及電池單元105之繼電單元106(繪示於第4圖中)，以使繼電單元106依據跳開訊號跳開，而使降昇型直流電壓轉換模組104無法對電池單元105充電。其中電池單元105可為蓄電池或其他可充電式之電池。

請參閱第2圖，其係為本發明之風機控制裝置之風機輸出功率與責任週期之關聯圖。如圖所示，風機輸出功率(P_w)與責任週期(D)之間可略分為五種情況；而，本發明係由第2圖中分析輸出功率與責任週期之間的各種情況，而找出達到最大公率之控制策略；首先，令輸入上昇型直流電壓轉換模組103之責任週期D_k如下：D_k=STD+D_k-1

此外，本發明提供一個最大功率點追蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)運算法，用以輸入責任週期差(△D)及功率差(△P_w)，而輸出STD，MPPT運算法如下所示：STD=MPPT(△D,△P_w)

其中， △D=D_k-D_k-1

△P_w=P_k-P_k-1

參閱第2圖，此MPPT運算法之最大功率追蹤運算方式，需由風機抽出最大功率所遇到的各種情況進行分析，將於下段中進行說明。

情況1：功率下降且責任週期上昇(△P_w<-0.01,△D>0)時，為了要讓最大功率的那一點在波頂上出現，因此需將現在的責任週期D_k往左邊推，所以就要用上一個責任週期D_k-1(因為功率是在波頂的右邊往下走)加上一個負值，已使現在的責任週期往左邊推，相對地，功率也會隨著往左邊推，以達到讓功率出現波頂上之目的；而，MPPT運算法便是以上述之概念所設計的，是以針對情況1，若(△P_w<-0.01,△D>0)，則STD=-0.02。

同理可證，進而可取得各種情況對應之STD，如下所示：

情況2：若(-0.01<△P_w<0.01,)，則STD=0。

情況3：若(△P_w<-0.01,△D<0)，則STD=0.02。

情況4：若(△P_w>0.01,△D>0)，則STD=0.01。

情況5：若(△P_w>0.01,△D<0)，則STD=-0.01。

請參閱第3圖，其係為本發明之風機控制裝置之第二示意圖。如圖所示，模糊控制模組120可依據電壓誤差差值產生電壓誤差責任週期。

更詳細地說，模糊控制模組120由二電壓誤差(e_k,e_k-1)中取得電壓誤差差值(△e)，計算過程如下所示：△e=e_k-e_k-1

接著，模糊控制模組120再依據電壓誤差責任週期(Du_k)及前一個模糊控制責任週期(D_k-1)計算得到模糊控制責任週期(D_k)，並輸出模糊控制責任週期(D_k)，計算過程如下所示：D_k=D_k-1+Du_k

其中，模糊控制責任週期(D_k)具有飽和限制，如下所述：0<D_k<0.8

更進一步地，模糊控制責任週期可經由波寬調變脈波產生器121轉為波寬調變脈波訊號。

續言之，模糊控制模組120係藉由模糊規則庫以滑動模式進行處理，已完成對所需的輸出電壓設定，而模糊規則庫如下表1所示：

請參閱第4圖，其係為本發明之較佳地，充電控制模組130可包含充電控制器131及多工器132，充電控制器131傳送選擇訊號至多工器132，多工器132據以提供降昇電壓(Vo)或電池電壓(Vc)，降昇電壓(Vo)或電池電壓(Vc)與對應之由充電控制器131提供之參考電壓(Vr)產生電壓誤差。

續言之，上述之充電控制功能程式如下：[out,sel,Ry]=charge(Vo)

If Vo<12；(12僅為示例，其可依電池單元之不同作對應之設定調整)

Then out=1；sel=1；//定電流充電

Else

Out=12.5；sel=0；//定電壓充電(12.5僅為示例，其可依電池單元之不同作對應之設定調整)

End

If Vo=12.5；(12.5僅為示例，其可依電池單元之不同作對應之設定調整)

Ry=0；//繼電器開關跳開

Else

Ry=1；/繼電器開關閉合

End

承上所述，當第一預設值為12時，若降昇電壓(Vo)小於12，充電控制器131給多工器132之選擇訊號為1(sel=1)，多工器132則提供電池電壓(Vc)，out=1則表示充電控制器131提供為1之參考電壓(Vr)，是以當下的電壓誤差(e)係為1-Vc。

反之，若降昇電壓(Vo)大於12，充電控制器131給多工器132之選擇訊號則為0(sel=0)，多工器132則提供降昇電壓(Vo)，out=12.5則表示充電控制器131提供為12.5之參考電壓(Vr)，是以當下的電壓誤差(e)係為12.5-Vo。

而，當第二預設值為12.5時，若降昇電壓(Vo)等於12.5，則表示電池單元105已充飽，故充電控制器131傳送跳開訊號至繼電單元106以使其跳開(Ry=0)，而停止降昇型直流電壓轉換模組104對電池單元105進行充電；反之，則表示電池單元105尚未充飽，故繼電單元106持續閉合(Ry=1)，以使降昇型直流電壓轉換模組104對電池單元105進行充電。

儘管前述在說明本發明之風機控制裝置的過程中，亦已同時說明本發明之風機控制方法的概念，但為求清楚起見，以下另繪示流程圖詳細說明。

請參閱第5圖，其係為本發明之風機控制方法之第一流程圖。如圖所示，本發明之風機控制方法，適用於上述之風機控制裝置100，風機控制裝置包含最大功率追蹤模組、模糊控制模組及充電控制模組，風機控制方法包含下列步驟：

在步驟S51中：依據風機之功率差及責任週期差輸出最大功率責任週期至上昇型直流電壓轉換模組，上昇型直流電壓轉換模組輸出最大功率電壓至降昇型直流電壓轉換模組。

在步驟S52中：依據參考電壓與降昇型直流電壓轉換模組所輸出之降昇電壓之電壓誤差輸出模糊控制責任週期至降昇型直流電壓轉換模組。

在步驟S53中：提供第一預設值及第二預設值，且第一預設值及第二預設值分別與降昇電壓進行比對。

在步驟S54中：其中，於降昇電壓小於第一預設值時，使降昇型直流電壓轉換模組對電池單元定電流充電，於降昇電壓不小於於第一預設值時，則使降昇型直流電壓轉換模組對電池單元定電壓充電，於降昇電壓等於第二預設值時，則使繼電單元跳開。

請參閱第6圖，其係為本發明之風機控制方法之第二流程圖。如圖所示，於輸出該模糊控制責任週期之前，風機控制方法更可包含下列步驟：

在步驟S61中：依據二電壓誤差之電壓誤差差值產生電壓誤差責任週期。

在步驟S62中：依據電壓誤差責任週期輸出模糊控制責任週期。

請參閱第7圖，其係為本發明之風機控制方法之第三流程圖。如圖所示，充電控制模組可包含充電控制器及多工器，於產生電壓誤差之前，風機控制方法更可包含下列步驟：

在步驟S71中：依據選擇訊號提供降昇電壓或電池電壓。

在步驟S72中：提供對應降昇電壓或電池電壓之參考電壓。

在步驟S73中：比對降昇電壓與參考電壓，或比對電池電壓與參考電壓，以產生電壓誤差。

承上所述，本發明之風機控制裝置及其控制方法可藉由最大功率追蹤模組追蹤風機之最大功率，並藉由模糊控制模組控制電壓轉換，以及藉由充電控制模組二段式控制電池單元之充電，進而具有萃取風機之最大功率及控制充電輸出之功效。

以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

100‧‧‧風機控制裝置

101‧‧‧風機

102‧‧‧橋式整流器

103‧‧‧上昇型直流電壓轉換模組

104‧‧‧降昇型直流電壓轉換模組

105‧‧‧電池單元

110‧‧‧最大功率追蹤模組

120‧‧‧模糊控制模組

130‧‧‧充電控制模組

Claims (10)

1. 一種風機控制裝置，其包含：一最大功率追蹤模組，係依據一風機之一功率差及一責任週期差輸出一最大功率責任週期至一上昇型直流電壓轉換模組，該上昇型直流電壓轉換模組係輸出一最大功率電壓至一降昇型直流電壓轉換模組；一模糊控制模組，係依據一參考電壓與該降昇型直流電壓轉換模組所輸出之一降昇電壓之一電壓誤差輸出一模糊控制責任週期至該降昇型直流電壓轉換模組；以及一充電控制模組，於該降昇電壓小於一第一預設值時，使該降昇型直流電壓轉換模組對一電池單元定電流充電，於該降昇電壓不小於該第一預設值時，則使該降昇型直流電壓轉換模組對該電池單元定電壓充電，於該降昇電壓等於一第二預設值時，則傳送一跳開訊號予分別連接該降昇型直流電壓轉換模組及該電池單元之一繼電單元，使該降昇型直流電壓轉換模組停止對該電池單元充電。
2. 如申請專利範圍第1項所述之風機控制裝置，其中該模糊控制模組係依據一電壓誤差差值產生一電壓誤差責任週期，並依據該電壓誤差責任週期輸出該模糊控制責任週期。
3. 如申請專利範圍第1項所述之風機控制裝置，其中該模糊控制責任週期係為一波寬調變脈波訊號。
4. 如申請專利範圍第1項所述之風機控制裝置，其中該模糊控制責任週期係為0至0.8。
5. 如申請專利範圍第1項所述之風機控制裝置，其中該充電控制 模組係包含一充電控制器及一多工器，該充電控制器係傳送一選擇訊號至該多工器，該多工器係據以提供該降昇電壓或一電池電壓，該降昇電壓或該電池電壓係與對應之由該充電控制器提供之該參考電壓產生該電壓誤差。
6. 一種風機控制方法，適用一風機控制裝置，該風機控制裝置係包含一最大功率追蹤模組、一模糊控制模組及一充電控制模組，該風機控制方法係包含下列步驟：依據一風機之一功率差及一責任週期差輸出一最大功率責任週期至一上昇型直流電壓轉換模組，該上昇型直流電壓轉換模組係輸出一最大功率電壓至一降昇型直流電壓轉換模組；依據一參考電壓與該降昇型直流電壓轉換模組所輸出之一降昇電壓之一電壓誤差輸出一模糊控制責任週期至該降昇型直流電壓轉換模組；以及提供一第一預設值及一第二預設值，且該第一預設值及該第二預設值係分別與該降昇電壓進行比對；其中，於該降昇電壓小於該第一預設值時，使該降昇型直流電壓轉換模組對一電池單元定電流充電，於該降昇電壓不小於於該第一預設值時，則使該降昇型直流電壓轉換模組對該電池單元定電壓充電，於該降昇電壓等於該第二預設值時，則使一繼電單元跳開，使該降昇型直流電壓轉換模組停止對該電池單元充電。
7. 如申請專利範圍第6項所述之風機控制方法，其中於輸出該模糊控制責任週期之前，該風機控制方法更包含下列步驟： 依據二該電壓誤差之一電壓誤差差值產生一電壓誤差責任週期；以及依據該電壓誤差責任週期輸出該模糊控制責任週期。
8. 如申請專利範圍第6項所述之風機控制方法，其中該充電控制模組係包含一充電控制器及一多工器，於產生該電壓誤差之前，該風機控制方法更包含下列步驟：依據一選擇訊號提供該降昇電壓或一電池電壓；提供對應該降昇電壓或該電池電壓之該參考電壓；以及比對該降昇電壓與該參考電壓，或比對該電池電壓與該參考電壓，以產生該電壓誤差。
9. 如申請專利範圍第6項所述之風機控制方法，其中該模糊控制責任週期係為一波寬調變脈波訊號。
10. 如申請專利範圍第6項所述之風機控制方法，其中該模糊控制責任週期係為0至0.8。