JP2007312593A

JP2007312593A - 直流ブラシレスモーター用電子ブレーカー及びエネルギー回収システム

Info

Publication number: JP2007312593A
Application number: JP2007129048A
Authority: JP
Inventors: Ying-Hao Shu; 舒英豪; Kokumei Ri; 李國銘; Hingen Ba; 馬斌嚴
Original assignee: Wiz Energy Tech Co Ltd
Current assignee: Wiz Energy Tech Co Ltd
Priority date: 2006-05-16
Filing date: 2007-05-15
Publication date: 2007-11-29
Also published as: US20070267988A1; US7560884B2; TWI319932B; TW200744304A

Abstract

【課題】簡単なゲート・ボルテージ(Gate Voltage)の信号転換によって、反対方向トルクブレーキのエネルギー回収を容易く実現し、同時に電動機にスムーズ且つ信頼できるブレーキトルクを提供し、且つマルチフェーズ・コイルのために複雑な電気回路フレームワークを必要とせず、モーター動力エネルギーを最大限に回収する。
【解決手段】直流ブラシレスモーター用電子ブレーカー及びエネルギー回収システムであって、電子ブレーカーシステムを起動するとき、その制御器は反転モードの電圧をモーターコイルに加え、ハイ/ローサイドのMOSFET作動を同期切り替え(Synchronous Switching)制御することによって、ハイ/ローサイドが閉じるとき、モーターコイルの電流が電源側に回流し、エネルギー回収の目的を達成する。
【選択図】図７

Description

本発明は、直流ブラシレスモーター用電子ブレーカー及びエネルギー回収システム、特に既存のハードウェアフレームワークを変更しない状態で、且つ簡単なゲート・ボルテージ(Gate Voltage)信号の転換によって、反対方向ブレーキ・トルクを制御する機能を実現でき、且つマルチフェーズ・コイルの干渉を受けず、モーターの動力エネルギーを最大限に回収できるシステムに関するものである。

早期の電子ブレーカーシステムは、電気製品を定速で制御する必要に基づいたもので、例えば、よく見かけるメディカル・スクーター(Medical Scooter)や、市場或いは工場内の電動トレーラー(electro-trailer)など、これら電動機(Electrical Machine)の設計ポイントは、如何にして安全且つ信頼できる電子的スピードコントロール(Electronic Speed-Control)を提供するかにある。従って、如何にして電動機によってスムーズで信頼できる(smooth and reliable)ブレーキを掛けるかが、この種の製品設計の重点となっている。
直流モーターは、同時に電気エネルギーを動力として転化、或いは、動力エネルギーを発電方式で電気エネルギーに転化することにも使用できるので、電子及び電機技術の向上に伴って、電動車の航続能力が次第に設計の重要な指標となり、行進中のエネルギー使用効率が次第に設計の重点となっている。従って、同じ直流ブラシレスモーターにおいても、電子ブレーキを掛けると同時に、余分の動力エネルギーを電気エネルギーとして転換して電池へ還流保存することが出来るかどうかが、技術研究開発の重点となっている。

直流ブラシモーター(DC Blush Motor)は、カーボンブラシのインピーダンス及びカーボンブラシによる粉塵の問題があるが、しかし、直流ブラシモーターの等価内部ワインディング(Equivalent Internal Winding)は一組しかないので、制御し易く、且つ制御器のコストがより安いなどの長所がある。

一方、近年来、電力電子(Power Electronic)の技術発展は、高速且つ精確(High-Speed and Accurate)な制御信号に置かれ、ハイパワーのメタルオキサイド・セミコンダクター(Metal Oxide Semiconductor FET,MOSFET)によって電気エネルギーを一層高い効率で制御する方向に向かい、電子ブレーカーの目的はもはや減速時に必要な阻止力を提供することのみではなく、高信頼性と高効率(reliable and high efficient)の直流ブラシレスモーターが、電子ブレーカー技術の研究開発重点となっている。

一方、現在メディカル・スクーターに使用されている電機システムは、依然直流ブラシモーターを主としており、その主な考慮は簡単な制御システムによるスムーズで信頼できるスピード・コントロールにある。

図１・図２及び図３は、直流ブラシモーター・システムの作動略図である。直流ブラシモーター内部には、シングル等価コイル(Single Equivalent Coil)しかないので、このコイルの電流の流れが即ちモータートルクの方向となる。
図１中の四個のメタルオキサイド・セミコンダクターのオン又はオフが、コイル内電流の流れ、即ちモーターのトルク方向を、容易く決定できる。
モーターコイルの感応電圧はほぼモーターの回転スピードに正比例するので、高回転スピード下で電子ブレーカーを起動した場合、モーターの感応電圧が比較的大きく、場合によっては電池電圧に等しい(極速下、maximum speed)、この時、もう一方のローサイド(low-side)のMOSFETを開くだけで、コイルの感応電圧によってコイルのインダクタンスを磁化することが出来る。そして、このローサイドのMOSFETが閉じると、インダクタンスの電流慣性により形成された感応起電力が、電流を強制的にMOSFETの寄生ダイオード(body diode)を通過させて、電気エネルギーを電源側へ回送する。
モーターの回転スピードが比較的低い時は、モーターの感応電圧が比較的低く、そしてモーターコイル電流の増加が比較的遅く(ε__motor×Δt__ON = L __motor × Δi__motor)なり、単にローサイドを調節するだけでは十分なブレーキトルクを提供できない。この時、反転電流を起用して、反対方向のトルクを強めて、電動機の前進を阻止しなければならない。この場合の運行は電気エネルギーを消耗する電子ブレーキに属する。
しかし、この時ワインディング・フェーズ電流の増加によって、しかも電源電圧及びモーターからくる感応電圧には、電気エネルギーを釈放する適当な時間がないので、使用に際しては反対方向トルクの増加幅に注意し、適時に機械的ブレーキで補正し、電動機が止まった後、反対方向へ運動しないことを確保しなければならない。
従来の電子ブレーカーシステムは、エネルギー回収問題を考慮せず、ただ如何にして電動機のスピードを有効に制御するかに重点を置いている。従って、従来のブラシ制御システムではブレーキの効果を満足させるだけである。

一方、従来の直流ブラシレスモーターの運用方式は、図４に示す通りである。
図中、モーターは三相コイルワインディングであり、電子ブレーカー或いはエネルギー回収のメカニズムを考慮する面では比較的困難であり、伝統的には、モーターのワインディングをインダクタンス素子と見なし、モーターの回転スピードをコイルの感応電圧に反応させることが出来、理論的には、ソリッド・スイッチ・リレイ(Solid Switch-Relay)或いはその他の電子スイッチ(Electronic Switch, such as MOSFET, and BJT)を適時に切り替えて、電気エネルギーを対応する感応電圧の電池セット或いはスーパー・キャパシタ(Super Capacitor)の中へ回送することも出来る。

このようにして、動力エネルギーを電気エネルギーとして回送する基本概念で運用すれば、すべての制御根拠はただ検知された感応電圧のみとなり、確かに制御の複雑度を大幅に減らすことが出来、理論的にも、モーター・フェーズ間の電流の制御ミスによるシステムの破壊を避けることが出来る。
しかし、実用上では、電源電池セットは単電池間(Battery Cell)の容量の差異を許さない。
若しスーパー・キャパシタを使用し、更に直流転換で昇圧する方式(Boost Converter)で、電源側へ回送するなら、電気エネルギーの転換効率を考慮するほか、余分の電気回路を必要とする。

若し、直流ブラシモーターの制御メカニズムを直流ブラシレスモーターに応用した場合、制御メカニズムは図５及び図６に示す通りとなる。
上記と同じ問題を容認しなければならないほか、例えば、同時に二種類の制御メカニズムを内蔵させて高・低速時の感応電圧に適応すると、低速モードのトルク増加が非常に早くなり、エネルギー回収比例は高くないので、機械的補助ブレーキを使用し、同時に更に二方向電流センサー(Bi-directional Current Sensor)を付けてコイル内の反対方向電流の大小を検知しなければならない。

そして更に重要なことは、このブレーキメカニズムはその他の二つのフェーズ(Phase)が何れも感応電圧のために感応電流を生じて既存の制御メカニズムを干渉しないことを仮定しなければならないことである。

此れで分かるように、上述従来の技術には尚幾多の問題があり、よい設計とは言い難く、改良が待たれていた。
本案発明者は、上述従来技術に派生する各項の問題及び不足に鑑み、極力新規改善を試み、且つ長年苦心研鑽の末、ついに本件直流ブラシレスモーター用の電子ブレーカー及びエネルギー回収システムの研究開発に成功した。

本発明の目的は、簡単なゲート・ボルテージ(Gate Voltage)の信号転換によって、反対方向トルクブレーキのエネルギー回収を容易く実現し、同時に電動機にスムーズ且つ信頼できるブレーキトルクを提供し、且つマルチフェーズ・コイルのために複雑な電気回路フレームワークを必要とせず、モーター動力エネルギーを最大限に回収することにある。

本発明の直流ブラシレスモーター用電子ブレーカーは、既存のハードウェアフレームワークを変更しない状態で、電子ブレーカー・システムを起動するとき、その制御器が反転モードの電圧をモーターコイルに加え、同期切り替え(Synchronous Switching )によってハイ/ローサイドのMOSFET作動（六種類の組合わせ制御方式がある）を制御し、ハイ/ローサイドがオフになった時、モーターコイルの電流を電源側へ回流させ、エネルギー回収の目的を達成する。

本発明に係る直流ブラシレスモーター用の電子ブレーカー及びエネルギー回収システムは、その他従来の技術に比べ、更に下記のような長所がある。
１．本発明に係る直流ブラシレスモーター用の電子ブレーカー及びエネルギー回収システムは、簡単なゲート・ボルテージ(Gate Voltage)信号の転換によって、反対方向トルクブレーキのエネルギー回収を容易く実現し、同時に電動機にスムーズ且つ信頼できるブレーキトルクを提供し、且つマルチフェーズ・コイルのために複雑な電気回路フレームワークを必要とせず、モーター動力エネルギーを最大限に回収できる。
２．本発明に係る直流ブラシレスモーター用の電子ブレーカー及びエネルギー回収システムは、製品使用の安定度を高め、使用寿命を延長し、コストダウン及び設置スペースを節約するなどの長所がある。

本発明の直流ブラシレスモーター用の電子ブレーカー及びエネルギー回収システムは、既存のモーター制御器及びハードウェアフレームワークを変更しない状態で、簡単なゲート・ボルテージ(Gate Voltage)の信号転換によって、反対方向トルクブレーキの機能を実現でき、且つマルチフェーズ・コイルの干渉を受けず、モーター動力エネルギーを最大限に回収できる。

図７を参照して、電気回路には制御中のモーターコイルの電流方向を標示してある。
電子ブレーカー・システムが起動すると、その制御器は反転モードの電圧をモーターコイルに加える。この時、モーターコイルの電流関係式は（ Voltage-Time Law： V__motor×Δt__ON = L __motor × Δi__motor ）

となり、ただ一つ異なるのはこの時の左側サイドのMOSFETは、オンの状態(On Status)を維持せず、右側サイドに連れて同期切り替え(Synchronous Switching )を行う。

このような按配によって、ハイ/ローサイドがオフになった時、モーターコイルの電流が電源側へ回流する。
すると、電動機が高速運転中にブレーキを掛けた場合、或いはシステムの必要とするブレーキトルクが比較的小さい場合、ハイ/ローサイドがオフになった段階で、モーターコイルが電流ゼロの状態に戻り、このモードでの操作はゼロ電流切り替え(Zero-Current Switching )となる。
オフ周期のボルト秒関係は、

毎回電流ゼロの状態に戻るので、オン・オフの周期の時間比は、

となる。
そして電力は、0.5 × V__source ×Δi__motor× Δtとなる、そこでこの制御下でのエネルギー回収（オフ周期）及びエネルギー発送（オン周期）の比例は、

となる。
電動機が低速運転中、或いはシステムが比較的大きいブレーキトルクを必要とする場合は、モーターコイルはゼロ電流の状態に入らず、いわゆる連続導通状態(Continuous Mode)にあり、この時の作動周期は、

と表すことが出来る。
そして、この時のオン・オフ周期のボルト秒関係はそれぞれ、

となる。
短時間状態（Under Momentary Consideration）では、周期毎の電流変化は、ゼロに近く、そこでDutyを更に

と表すことが出来る。
そして、電力を同様に0.5 × V__source ×Δi__motor× Δtで表すことが出来る。そこでこの制御下でのエネルギー回収（オフ周期）及びエネルギー発送（オン周期）の比例は、

となる。

第４式及び第１０式から、エネルギー回収の比例は絶対に≧１であり、しかも感応起電力の増加に連れて大幅に増加することが分かる、このことは、このような電子ブレーキ・メカニズムなら絶対にエネルギーを回収でき、電気エネルギーを消耗するブレーカーの問題はなくなることを説明している。

勿論、上記推論は、すべての電子スイッチ・導線及びモーターコイルなどに如何なるパワー損失もないことを仮定しているが、しかし、第４式及び第１０式から、このような電子ブレーカー・メカニズムは確かにエネルギーを最大限に回収できることが分かる。

回転中のブラシレス三相モーターの３組のコイル間に、出現し得るコイルフェーズ（プラスマイナス電圧）関係は合計六種類ある。
図８はその内の一種類である、図８に示すように、ハイサイド右側及びローサイド左側が同期切り替えを行うため、ほかの二組のコイルの感応電圧は、制御メカニズムの運営には影響しない。

図９は、本発明の直流ブラシレスモーター用の電子ブレーカー及びエネルギー回収システムの実施例略図であり、図中には簡単な使用範例を示す。
その基本フレームワークは特許（TW:M251395;US:6,960,896）からきているが、異なるところは本来の非常停止信号をブレーキ信号として使用したことにある。
ゲート・アレイ１（GAL, Gate Array Logics）がここで信号解読の仕事を担当し、正常に回転する三相ハイ/ローサイドの位相信号のほかにも、ブレーキ信号を入力するとき正確な三相ハイ/ローサイドの位相信号を提供する責任を受け持つ。
マイクロ・コントロール・ユニット２(MCU, Micro-Control Unit)がここでトルク命令を電流命令に転換し、且つ電源制御の方式でシステムの安全を監視する。
単純なマイクロレジスター(Simple Shunt)によって電流信号を電圧信号へ転換し、この電圧信号を拡大してコンパレーター３Comparator)へ送り込み、更に電流制限型パルスワイズ制御器４(Current Mode PWM Controller, ST3842)へ入力し、パルスワイズ変調の根拠とする。

図１０は、実測による電源側の電流波形である、プラス電流は電源から電機システムへの流れ、つまりエネルギーの出力を表し、マイナス電流は電機システムから電源側への回流、つまりエネルギーの回収を表す。図中では定速状況下で、エネルギー回収の比例はほとんど一つの固定値であることが見られる。

上記詳細な説明は、本発明の実行可能な実施例の具体的説明であり、但し前記実施例は、本発明の特許請求範囲を制限するものではなく、凡そ本発明の技芸精神を逸脱せずなされる等価実施又は変更は、すべて本案の特許請求範囲に含まれるものとする。

従来の直流ブラシ制御器の動力出力時の電流方向略図である。従来の直流ブラシ制御器で高速運転するとき、ローサイド切り替えによって電流方向を制御することによって反対方向トルクを出力する略図である。従来の直流ブラシ制御器で低速運転するとき、ハイサイド切り替えによって電流方向を制御する略図である。従来の直流ブラシレス制御器で動力を出力するときの電流方向略図である（残り二つのフェーズは何れもシャットオフ状態である）。従来の直流ブラシレス制御器で高速運転するとき、ローサイド切り替えによって電流方向を制御する略図である。従来の直流ブラシレス制御器で低速運転するとき、ハイサイド切り替えによって電流方向を制御する略図である。本発明の直流ブラシレス制御器で、反対方向のハイ/ローサイド切り替えによって電流方向を制御する略図である。本発明の直流ブラシレス制御器で、反対方向のハイ/ローサイド切り替えによって電流方向を制御すると共に、三相電流の方向を考慮した略図である。本発明において簡単なゲート・アレイ・ロジック(Gate Array Logics)によって電子ブレーカーを制御する実施例略図である。上述実施例によって得られた回収電流波形の略図である。

符号の説明

１ゲート・アレイ・ロジック
２マイクロプロセッサー
３コンパレーター
４電流制限型パルスワイズ制御器

Claims

電子ブレーカー・システムを起動したとき、
その制御システムが反転モードの位相電圧を対応するモーターコイルに加え、
ゲート・ボルテージ(Gate Voltage)信号の転換によって、ハイ/ローサイドが切り替えられるとき、モーターコイルの電流を電源側へ回流させ、エネルギー回収の目的を達成することを特徴とする、
直流ブラシレスモーター用の電子ブレーカー及びエネルギー回収システム。
前記ゲート・ボルテージ信号の転換は、位相が対応するモーターコイルに同じ信号のハイ/ローサイド・ゲート・ボルテージ信号を加えることによって、ハイ/ローサイドのMOSFETに同期切り替え(Synchronous Switching)の動作を行わせることを特徴とする、請求項１に記載の直流ブラシレスモーター用の電子ブレーカー及びエネルギー回収システム。