CN101085602A - 使用于无刷直流马达的电子刹车暨能源回收系统 - Google Patents

Abstract

一种使用于无刷直流马达的电子刹车暨能源回收系统，是在电子刹车系统激活时，该控制器将以反转模式的电压施在马达线圈上，通过同步切换(Synchronous Switching)控制上、下臂的金氧半场效晶体管MOSFET作动，使得上、下臂在关闭时，马达线圈的电流将回灌到电源端，达到能源回收的目的；本发明借着简单的电子栅位(Gate Voltage)讯号的转换，实现了可控制反向扭力刹车能源回收的功能，提供电动机平顺而可靠的刹车扭力，且不因多相线圈而需要复杂的电路架构，将马达动能做最大比例的回收。

Description

使用于无刷直流马达的电子刹车暨能源回收系统

技术领域

本发明是关于一种使用于无刷直流马达的电子刹车暨能源回收系统。

背景技术

早期的电子刹车系统是基于定速控制电机产品的需要，例如：常见的残障代步车(Medical Scooter)，市场或工厂内的电动拖车(electro-trailer)，这些电动机(Electrical Machine)的设计考虑在于如何提供安全而可靠的电子控速(Electronic Speed-Control)，因此如何通过电动机提供平顺可靠(smoothand reliable)的刹车阻力，成为这一类产品的设计重点。由于直流马达可同时用于将电能转化成动力，或将动能以发电方式转化成电能，随着电子及电机的技术发展的过程中，电动车的续航能力便逐渐成为设计的重要指标，行进能源使用效率逐渐成为设计的重点，因此在同一颗直流无刷马达中，是否能在电子刹车的同时，将多余的动能转换成电能回存电池，逐渐成为技术研发的重点。

直流有刷马达(DC Blush Motor)虽然有碳刷阻抗及碳刷造成粉尘的问题，但是由于直流有刷马达等效的内部绕阻(Equivalent Internal Winding)只有一组，因此具有易于控制，并且控制器的成本较低等优点，而近年来电力电子(Power Electronic)的技术发展，趋向快速精确(High-Speed and Accurate)的控制讯号，使得高功率的金氧半场效晶体管(Metal Oxide Semiconductor FET，MOSFET)能以更高的效率控制电能的方向，电子刹车的目的便不再只是提供减速时所需的阻力，而可靠且具有效率(reliable and high efficient)的直流无刷马达，便成为电子刹车技术的研发重点。

而目前使用于残障代步车的电机系统，仍以直流有刷马达为主，主要的考量在以简单的控制系统提供平顺而可靠速度控制。如图1、图2及图3所示，就是直流有刷马达系统工作时的示意图。由于直流有刷马达内部只有单一等效线圈(Single Equivalent Coil)，此一线圈的电流走向便是马达扭力的方向。如图1中的四颗金氧半场效晶体管的开启或关闭，便可轻易决定线圈内的电流走向，即马达的扭力方向。由于马达线圈上的感应电压大约是与马达的转速成正比，在高转速下激活电子刹车时，马达的感应电压较大，甚至或等于电池电压(极速下，under maximum speed)，此时只需开启另一侧下臂(low-side)的MOSFET，便可以线圈上的感应电压对线圈上的电感充磁，而在此一下臂的MOSFET关闭时，电感的电流惯性所形成的感应电动势，便会强迫电流通过MOSFET的寄生二极管(body diode)，而将电能回送至电源端。在马达转速较低时，马达线圈上的感应电压较低，而马达线圈电流的增加较慢(ε__motor×Δt__ON＝L__motor×Δi__motor)，单纯以下臂调节已无法提供足够的刹车扭力，此时必需启用反转电流，以提升反向扭力，以此阻止电动机的前进，此时的运作是属于一种损耗电能的电子刹车。但由于此时绕组相电流的增加，同时来自于电源电压及马达的感应电压，又没有适当的电能释放时间，在使用上必需注意反向扭力的增加幅度，并辅以适时的机械刹车刹车，以确保电动机停止后，不会朝反方向运动。现有的电子刹车系统，并不考虑能源回收的问题，而只着重在如何有效的控制电动机的速度。因此现有的有刷控制系统只能满足刹车的效果。

而现有的直流无刷马达的运作方式，如图4所示。图中马达为三相线圈绕阻，在考虑电子刹车或能源回收的机制上较为困难，传统上可将马达绕组成视为电感组件，而马达的转速可反应于线圈上的感应电压，理论上可使用固态开关(Solid Switch-Relay)或其它电子开关(Electronic Switch，such as MOSFET，and BJT)适时的切换，将电能回送至对应感应电压的电池组或超电容中(SuperCapacitor)，如此以动能回送至电能的基本概念运作，所有控制的依据只是侦测到的感应电压，确实可以大幅减少控制的复杂度，理论上也可避免马达相间电流的失控，而烧毁系统。但是实际使用上，电源电池组是不容许有单电池之间(Battery Cell)的容量差异，若使用超电容，再以直流转换升压(BoostConverter)的方式，回送至电源端，除了必需考虑电能的转换效率，也需要额外的电路才能完成。

若是将直流有刷马达的控制机制用于直流无刷马达，则控制机制可能如图5及图6所示。除了必需忍受相同的问题，例如：必需同时内建两种控制机制以便适应高、低速时的感应电压，低速模式的扭力增加十分快速，能量回收比例不高，必需使用机械辅助刹车，同时更必需建立双向的电流感知器(Bi-directional Current Sensor)，以侦测线圈内反向电流的大小，而更重要的是此一刹车机制必需假设其它两相(Phase)均不会因感应电压而产生感应电流，干扰原有的控制机制。

由此可见，上述现有技术仍有诸多问题及不足，而亟待加以改良。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使用于无刷直流马达的电子刹车暨能源回收系统，可在不变更原有硬件架构下，使得上、下臂在关闭时，马达线圈的电流将回灌到电源端，实现能源的回收。

本发明的技术解决方案是：在电子刹车系统激活时，该系统将以反转模式的电压施在马达线圈上，通过同步切换(Synchronous Switching)控制上、下臂的金氧半场效晶体管(MOSFET)动作(具有六种组合控制方式)，使得上、下臂在关闭时，马达线圈的电流将回灌到电源端，达到能源回收的目的。

本发明借着简单的电子栅位(Gate Voltage)讯号的转换，即可轻易实践控制反向扭力刹车能源回收的功能，同时提供电动机平顺而可靠的刹车扭力，且不因多相线圈而需要复杂的电路架构，将马达动能做最大比例的回收。

附图说明

图1为现有直流有刷控制器动力输出时的电流方向示意图；

图2为现有直流有刷控制器在高速运转时，以下臂切换控制电流方向，以此输出反向扭力的示意图；

图3为现有直流有刷控制器在低速运转时，以上臂切换控制电流方向的示意图；

图4为现有直流无刷控制器动力输出时的电流方向示意图(另外两相均为截止状态)；

图5为现有直流无刷控制器在高速运转时，以下臂切换控制电流方向的示意图；

图6为现有直流无刷控制器在低速运转时，以上臂切换控制电流方向的示意图；

图7为本发明的直流无刷控制器，以反向的上、下臂切换控制电流方向的示意图；

图8为本发明的直流无刷控制器，以反向的上、下臂切换控制，同时考虑三相电流方向的示意图；

图9为本发明以简单的逻辑栅(Gate Array Logics)实践电子刹车控制的实施例示意图；

图10为上述实施例所得到的回收电流波形示意图；

1、逻辑栅，2、微处理器，3、比较器，4、限电流型脉波宽度控制器。

具体实施方式

本发明使用在无刷直流马达上的电子刹车暨能源回收系统，可在不变更原有马达控制器及马达的硬件架构下，借着简单的电子栅位(Gate Voltage)讯号的转换，即可实践控制反向扭力刹车的功能，且不受多相线圈的干扰，将马达动能做最大比例的回收。请参阅图7，电路中标示了控制中的马达线圈的电流方向，当电子刹车系统激活，控制器以反转模式的电压施在马达线圈上，此时马达线圈上的电流关系式为(伏秒定律，Voltage-Time Law：V__motor×Δt__ON＝L__motor×Δi__motor)

(ε_motor+V_source)×Δt_ON＝L_motor×Δi_motor    (1)，唯一不同的是此时左侧下臂的金氧半场效晶体管(MOSFET)并不是维持开的状态(On Status)，而是随着右侧上臂做同步切换(Synchronous Switching)，这样的安排会使在上、下臂关闭时，马达线圈的电流回灌到电源端。于是在电动机高速运转刹车，或是系统需要的刹车扭力较小时，上、下臂关闭的阶段，马达线圈会恢复到零电流的状态，这个模式下的操作是在零电流切换(Zero-Current Switching)。在关闭周期的伏秒关系为：

V_source×Δt_→Zero＝L_motor×Δi_motor    (2)，因为每一次都恢复至零电流状态，于是可得开、关周期的时间比为：

$\frac{\mathrm{\Δ}{t}_{\mathrm{ON}}}{\mathrm{\Δ}{t}_{\→\mathrm{Zero}}}=\frac{V_{\mathrm{source}}}{(V_{\mathrm{source}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{motor}})}---\left(3\right),$

而电功率可为0.5×V__source×Δi__motor×Δt，于是在此控制机下能源回收(关周期)与能源送出(开周期)的比例为：

$\frac{(V_{\mathrm{source}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{motor}})}{\left(V_{\mathrm{soutce}}\right)}=1+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{motor}}}{V_{\mathrm{source}}}---\left(4\right),$

在电动低速运转时，或是系统需要比较大的刹车扭力时，马达线圈不再会进入到零电流的状态，而是所谓的连续导通状态时(Continuous Mode)，此时的工作周期可表示为：

Duty＝Δt_ON/(Δt_ON+Δt_OFF)    (5)，

而此时开、关周期的伏秒关系分别为：

(ε_motor+V_source)×Duty×Δt＝L_motor×Δi_motor    (6)，

(ε_motor-V_source)×(1-Duty)×Δt＝L_motor×Δi_motor  (7)，

在短时间下(Under Momentary Consideration)，每一周期的电流变化，接近为零，则Duty可再表示为：

$\mathrm{Duty}\≈\frac{(V_{\mathrm{source}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{motor}})}{2\×V_{\mathrm{source}}}---\left(8\right),$

$(1-\mathrm{Duty})\≈\frac{(V_{\mathrm{source}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{motor}})}{2\×V_{\mathrm{source}}}---\left(9\right),$

而电功率同样可表示为0.5×V__source×Δi__motor×Δt，于是在此控制机下能源回收(关周期)与能源送出(开周期)的比例为：

$\frac{(V_{\mathrm{source}}+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{motor}})}{(V_{\mathrm{source}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{motor}})}=1+\frac{2\×{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{motor}}}{(V_{\mathrm{source}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{motor}})}---\left(10\right),$

从第(4)式及第(10)式中，便可发现能源回收的比例是绝对大于等于一的，并且随感应电动势的增加而大幅增加，这也说明了这样的电子刹车机制是绝对的能源回收，不再有损耗电能刹车的问题。

当然以上的推论是假设所有电子开关、导线、及马达线圈等都没有任何功率的损耗，但从第(4)式及第(10)式可以得知这样的电子刹车机制确实是最大比例的能源回收。

旋转中无刷三相马达的三组线圈间，可能出现的线圈相位(正负电压)关系共有六种，图8所示是其中的一种，如图8所示，由于上臂右侧及下臂左侧同步切换的缘故，另外两组线圈的感应电压，并不会影响控制机制的运作。

请参阅图9，为本发明使用在无刷直流马达上的电子刹车暨能源回收系统的实施例示意图，图中为一简单的使用范例，其基本架构来自于专利(TW：M251395，US：6,960,896)，所不同的是将原有的紧急停止运作讯号，改为刹车讯号使用。逻辑栅1(GAL，Gate Array Logics)在此担任讯号译码的工作，除了正常转动的三相上、下臂的相位讯号，也负责在刹车讯号输入时，提供正确的三相上、下臂相位讯号。微处理器2(MCU，Micro-Control Unit)在此则负责将扭力命令转换成电流命令，并以电源控制的方式监控系统安全。单纯的微电阻(SimpleShunt)则用以将电流讯号转换成为电压讯号，这个电压讯号则会经过放大之后送入比较器3(Comparator)，再输入控制限电流型脉波宽度控制器4(CurrentMode PWM Controller，ST3842)，做为脉波宽度调变的依据。图10为实际量测得的电源端电流波形，正电流为电源流向电机系统，也就是能源输出，负电流则表示电机系统流回电源端，也就是能源回收。图中可见在定速状况下，能源回收的比例几乎是一个固定值。

上列详细说明是针对本发明之一可行实施例的具体说明，惟该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明技艺精神所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (2)

1.一种使用于无刷直流马达的电子刹车暨能源回收系统，其特征在于：是在电子刹车系统激活时，该系统以反转模式的相位电压施在对应的马达线圈上，通过电子栅位讯号的转换，使得上、下臂在切换时，将马达线圈的电流回灌到电源端，达到能源回收的目的。

2.根据权利要求1所述的使用于无刷直流马达的电子刹车暨能源回收系统，其特征在于：其中该电子栅位讯号的转换，在相位对应的马达线圈上，施以相同讯号的上、下臂栅位讯号，使上、下臂的金氧半场效晶体管产生同步切换。

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