TW202107824A - 馬達驅動系統及馬達驅動裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種馬達驅動系統(300)，其中，驅動移動磁鐵方式的馬達的反向器電路(20)的上臂開關元件係由使用在閘極電源電路中共同的電源的閘極驅動電路所驅動。控制部(23)係在未接收馬達控制有效指令的期間，停止用於上臂開關元件的驅動指令的輸出，並且對下臂開關元件在可維持驅動上臂開關元件所需的電源的時點持續開關交換，而在接收馬達控制有效指令時驅動馬達。前述時點中之下臂開關元件的導通時間，為在未接收馬達控制有效指令的期間中，於下臂開關元件導通之期間中上臂閘極電源的電源電壓上昇量，與於下臂開關元件關斷之期間中上臂閘極電源的電源電壓下降量成為相等的導通時間。

Description

馬達驅動系統及馬達驅動裝置
本發明係關於一種驅動馬達的馬達驅動系統及馬達驅動裝置。
馬達驅動裝置係具備對馬達供給交流電力的反向器(inverter，依國立教育研究院電子計算機名詞工具書亦可稱為反用換流器或逆變器)電路。反向器電路係具有兩個以上串聯上臂(arm)開關元件與下臂開關元件的支線(leg)所構成。上臂係指高電位側，而下臂係指低電位側。
就反向器電路所具備的各開關元件的控制而言，需要用以對各開關元件施加閘極驅動電壓的閘極驅動電路。此外，為使閘極驅動電路動作，需要閘極電源。就閘極驅動電路的電源方式而言會有下述方式：對用以驅動反向器電路的上臂開關元件的閘極電源電源電路獨立地連接閘極電源的獨立電源方式；以及對用以驅動上臂開關元件的閘極電源電路連接共同的閘極電源的共同電源方式。
獨立電源方式相對於共同電源方式必須準備大量的閘極電源，所以耗費高成本。共同電源方式中，當驅動上臂開關元件時，必須預先使對應的下臂開關元件動作，以完成閘極電源電路所具備的電荷泵(charge pump)電路的充電。電荷泵電路的充電需要某程度的時間。因此，自驅動指令發出到實際ON(導通)動作或OFF(關斷)動作的時間，在上臂開關元件與下臂開關元件之間中會有不一致。而且，電荷泵電路的充電時間也會有不同，因此在上臂開關元件間中也會在ON動作或OFF動作的時間產生不一致。
下述專利文獻1的電力轉換裝置係為了使馬達動作相對於共同電源方式的閘極驅動電路提早開始，在反向器暫歇期間(反向器暫歇期間)設下臂開關元件為ON(導通)，藉此維持上臂閘極電源(上臂開關元件的閘極電源)。藉此，在下述專利文獻1的電力轉換裝置中，會在反向器暫歇期間後，使用上臂閘極電源立即開始馬達動作。
此外，藉由反向器電路所驅動的馬達大致分類為：轉子繞著旋轉軸旋轉的旋轉式馬達，及無旋轉軸而進行直線行進運動的線性馬達。一般而言線性馬達的構成為：在地面側配置作為固定部的磁鐵對，且在可動部側配置線圈的方式。在該方式中，可動部的線圈係由從馬達驅動裝置所供給的電流來驅動。
然而，在線圈位於可動部的方式中，需要使對可動部施加電源電壓所需的電源纜線追隨著可動部的線圈的動作而並排行走的機制。或者是，需要增設非接觸供電裝置等，藉此對可動部施加電源電壓的機制。在追隨著可動部的線圈的動作而使電源電纜並排行走的情形中，若如繞行般的運轉路徑的情形，會有纜線長度、纜線捻合的限制。此外，若增設非接觸供電裝置的情形，會有耗費大量費用的課題。
對於上述的課題，亦有與一般的線性馬達相反的構成的方式，亦即將線圈作為固定部並配置於地面側，且於可動部配置磁鐵的方式。該方式係稱為：「移動磁鐵(moving magnet)方式」或「移動磁鐵控制」等。移動磁鐵方式的情形，由於可動部為磁鐵，而無須用於可動部的電源供給。因此，不會發生在於可動部配置線圈之方式的線性馬達中成為課題之纜線長度、纜線捻合的限制。此外，該移動磁鐵方式的情形，也無須非接觸供電裝置的設置。 [先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本特開平9-219976號公報
[發明所欲解決的課題]
然而，於移動磁鐵方式仍有課題。例如，若屬於可動部的動作範圍的行程(stroke)達超過某一定以上長度，以一組的線圈與一台的馬達驅動裝置，行程會無法確保，而必須準備複數組線圈及馬達驅動裝置。並且，此準備的複數個線圈當中，切換激磁對象的線圈時，需要有確保控制的連續性，以平穩地進行線圈間之切換的技術。
上述專利文獻1的共同電源方式的閘極驅動電路時，若將用於下臂開關元件的充電脈衝設為長時間ON(導通)，會發生動態制動(dynamic brake)的作用達到使下臂開關元件ON(導通)之時間。動態制動係使旋轉能量熱消耗而使馬達停止的制動器。因此，在上述專利文獻1的共同電源方式的閘極驅動電路中，是無法平穩地進行移動磁鐵方式中的複數個線圈間的切換。
本發明係有鑑於上述課題所研創者，目的在於獲得在切換激磁對象的線圈時，可平穩地進行線圈間的切換的馬達驅動系統。 [解決課題的手段]
為解決上述課題並達成目的，本發明的馬達驅動系統係具備：第一及第二馬達驅動裝置及上位控制裝置。第一馬達驅動裝置係具備：第一控制部及第一反向器電路，且根據第一控制部所產生的第一驅動指令來驅動第一馬達。第二馬達驅動裝置係具備：第二控制部及第二反向器電路，且根據第二控制部所產生的第二驅動指令來驅動第二馬達。上位控制裝置係產生馬達控制有效指令，且根據馬達控制有效指令來控制第一及第二馬達驅動裝置的動作。第一馬達係由配置於固定部的第一線圈以及複數個磁鐵對所構成，該複數個磁鐵對係配置於以可沿第一方向的正側及負側移動之方式所構成的可動部。第二馬達係由配置於固定部且在第一方向的正側與第一線圈鄰接的第二線圈，及複數個磁鐵對所構成。第一及第二線圈係伴隨著可動部的移動依序切換與第一方向的正側或負側鄰接的線圈。上位控制裝置係對第一及第二馬達驅動裝置中之任一者輸出馬達控制有效指令。第一反向器電路的第一上臂開關元件係由第一閘極驅動電路所驅動，該第一閘極驅動電路係使用在驅動第一上臂開關元件的閘極電源電路中共同的電源。第二反向器電路的第二上臂開關元件係由第二閘極驅動電路所驅動，該第二閘極驅動電路係使用在驅動第二上臂開關元件的閘極電源電路中共同的電源。第一控制部係在未接收馬達控制有效指令的期間，停止用於第一上臂開關元件的第一驅動指令的輸出，並且對第一反向器電路的第一下臂開關元件在可維持驅動第一上臂開關元件所需的第一上臂閘極電源的第一時點持續開關交換，而在接收到馬達控制有效指令時輸出第一驅動指令。第二控制部係在未接收馬達控制有效指令的期間，停止用於第二上臂開關元件的第二驅動指令的輸出，並且對第二反向器電路的第二下臂開關元件在可維持驅動第二上臂開關元件所需的第二上臂閘極電源的第二時點持續開關交換，而在接收到馬達控制有效指令時輸出第二驅動指令。於第一時點中的第一下臂開關元件的第一導通時間，為在未接收馬達控制有效指令的期間中，於第一下臂開關元件導通之期間中第一上臂閘極電源的電源電壓上昇量，與於第一下臂開關元件關斷之期間中第一上臂閘極電源的電源電壓下降量成為相等的導通時間。於第二時點中的第二下臂開關元件的第二導通時間，為在未接收馬達控制有效指令的期間中，於第二下臂開關元件導通之期間中第二上臂閘極電源的電源電壓上昇量，與於第二下臂開關元件關斷之期間中第二上臂閘極電源的電源電壓下降量成為相等的導通時間。 [發明之效果]
根據本發明的馬達驅動系統達成在切換激磁對象的線圈時，可平穩地進行線圈間的切換的效果。
以下，根據圖式詳細說明本發明的實施型態的馬達驅動系統及馬達驅動裝置。另外，本發明並不受以下的實施型態所限定。
實施型態1. 圖1係顯示實施型態1之使用於馬達驅動系統的馬達驅動裝置200之構成的方塊圖。如圖1所示，馬達驅動裝置200係使用從交流電源26所供給的電力，來驅動屬於負載的馬達150的驅動裝置。馬達驅動裝置200係具備：轉換電路18、反向器電路20、平滑電容器22、控制部23及閘極驅動電路24。
轉換電路18係將從交流電源26所施加的交流電壓整流並轉換成直流電壓。轉換電路18的一例係由二極體電橋(diode bridge)所構成的全波整流電路。轉換電路18的輸出端係連接反向器電路20。轉換電路18與反向器電路20係藉由高電位側的直流母線27及低電位側的直流母線28來連接。在直流母線27與直流母線28之間係配置有平滑電容器22。直流母線27與直流母線28之間的電壓係稱為：「母線電壓」。平滑電容器22係承擔將母線電壓平滑，並使母線電壓穩定化的任務。
反向器電路20係將由平滑電容器22所平滑化的直流電壓轉換成交流電壓並施加至馬達150。馬達150係藉由自反向器電路20所供給的交流電力而驅動。馬達150係設置有位置感測器130。位置感測器130係檢測馬達150中之省略圖示的轉子的旋轉位置。由位置感測器130所檢測的位置感測信號132係輸入至控制部23。
控制部23係具備：處理器23a及記憶體23b。處理器23a係根據位置感測信號132，來產生用以控制反向器電路20的開關元件21的驅動指令30。閘極驅動電路24係根據驅動指令30來產生驅動電壓32。驅動電壓32係用以驅動反向器電路20的開關元件21的閘極驅動電壓。
處理器23a亦可為稱為微處理器、微電腦、微計算機、CPU (Central Processing Unit，中央處理器)或DSP(Digital Signal Processor，數位信號處理器)者。
記憶體23b係保存著：藉由處理器23a讀取的程式；藉由處理器23a參照的參數；藉由處理器23a的處理而獲得的資料等。記憶體23b亦被使用作為處理器23a進行演算處理時的作業區域。記憶體23b一般而言為：RAM(Random Access Memory，隨機存取記憶體)、快閃記憶體(flash memory)、EPROM(Erasable Programmable ROM，可抹可規劃唯讀記憶體)、EEPROM(註冊商標)(Electrically EPROM，可電子清除可規劃唯獨記憶體)的非揮發性或揮發性的半導體記憶體。
另外，圖1中，交流電源26為三相電源，惟不限定於此。交流電源26亦可為單相電源。當交流電源26為單相電源的情形，轉換電路18係構成為與單相電源匹配。馬達150的一例為三相馬達。若馬達150為三相馬達的情形，反向器電路20亦為三相的電路構成。
圖2係顯示圖1所示之反向器電路20的詳細構成的電路圖。如圖2所示，反向器電路20係具有：支線21A、支線21B及支線21C。支線21A、支線21B及支線21C係在直流母線27與直流母線28之間，彼此並聯。支線21A為串聯U相的上臂開關元件21UP與下臂開關元件21UN的電路部。支線21B為串聯V相的上臂開關元件21VP與下臂開關元件21VN的電路部。支線21C為串聯Ｗ相的上臂開關元件21WP與下臂開關元件21WN的電路部。
另外，圖2中，雖然例示上臂開關元件21UP、21VP、21WP及下臂開關元件21UN、21VN、21WN為金屬氧化物半導體場效應電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：MOSFET)的情形，惟不限定於此。亦可使用絕緣閘雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor：IGBT)，來取代MOSFET。
此外，各開關元件亦可具備反向並聯的二極體。當開關元件為MOSFET的情形，MOSFET本身亦可使用於內部所具有的寄生二極體。寄生二極體亦稱為體二極體(body diode)。
圖3係使用於說明實施型態1中之閘極驅動電路24的構成的電路圖。圖3中，顯示配置於圖1所示之處理器23a與反向器電路20之間的閘極驅動電路24的詳細連接關係。實施型態1中的閘極驅動電路24係共同電源方式的閘極驅動電路。
如圖3所示，實施型態1中的閘極驅動電路24係具有：閘極電源電路24a、24b、24c、24d。閘極電源電路24a、24b、24c為上臂開關元件用的閘極電源電路。閘極電源電路24a係具備：電阻241；屬於信號傳達手段及絕緣手段的光耦合器(photocoupler)242；用以維持各上臂閘極電源的電荷泵電路；及直流電源243。電荷泵電路係具有：整流二極體246；電阻245；齊納二極體(Zener diode)247；及電容器248。閘極電源電路24b、24c亦與閘極電源電路24a同樣的方式構成。
此外，閘極電源電路24d係下臂開關元件用的閘極電源電路。依每下臂開關元件各自具備電阻241及光耦合器242的構成，除不存在有電荷泵電路以外，其餘與上臂開關元件用的閘極電源電路24a、24b、24c相同。
此外，圖3所示的閘極電源電路24d為下臂閘極電源共同化並具備一個直流電源244的構成。這是因為，在反向器電路20中，下臂開關元件的源極端子彼此各自連接並為同電位，且可將該電位設為閘極電源電路24d的基準電位。因此，閘極驅動電路為獨立電源方式還是共同電源方式，係取決於上臂閘極電源是否共同化。另外，不言而喻，亦可不使下臂閘極電源共同化，而使用三個直流電源來構成。
當從處理器23a發出驅動指令30時，藉由驅動指令30使光耦合器242導通。例如，驅動指令30屬於使U相的上臂開關元件21UP導通(ON)的驅動指令時，閘極電源電路24a的光耦合器242會導通，且對上臂開關元件21UP施加驅動電壓32。藉此，上臂開關元件21UP係成為ON(導通)。其他的開關元件亦以同樣的方式驅動。此外，當光耦合器242的導通被遮斷時，開關元件係成為OFF(關斷)。
接著，說明上述所說明之馬達驅動裝置200的應用例。圖4係顯示使用圖1所示之馬達驅動裝置200的實施型態1的馬達驅動系統300的構成例之圖。圖4所示的馬達驅動系統300的驅動對象為移動磁鐵方式的線性馬達。移動磁鐵方式的線性馬達中，於被構成於地面側的固定部係配置有複數個線圈，而於可動部係配置有複數個磁鐵對。各線圈係具有藉由星形結線等所結線的三個線圈構件。
在圖4中，作為複數個線圈的例示，於地面側係沿著屬於第一方向的x1的正方向依序配置三個線圈100a、100b、100c。此外，作為複數個磁鐵對的例示，於構成可動部的可動台車124係搭載著三個磁鐵對120。利用線圈100a、100b、100c與搭載於可動台車124的三個磁鐵對120來構成線性馬達。
磁鐵對120的磁極方向為屬於第二方向的y1的方向。y1係與x1正交的方向。三個磁鐵對120係被連結，且相鄰的磁鐵對彼此的磁極的NS係反轉180°。藉此，當可動台車124沿第一方向移動時，從線圈側所參照的磁鐵對120的磁極係成為N極與S極交替地呈現。
將一個線圈的x1方向的長度設為L1，而將三個磁鐵對120整體的x1方向的長度設為L2。圖4之例的情形，在該等L1、L2之間具有L1＜L2＜2×L1的關係。L1＜L2＜2×L1的關係意指：除由複數個線圈所構成的線圈群的兩端以外，三個磁鐵對120會形成跨及兩個線圈的狀態，並且不存在有跨及三個以上的線圈的狀態。例外，根據系統的規格亦可具有容許跨及三個以上的線圈的狀態的情形。而且，根據系統的規格亦會有成為L1＞L2的情形。
於地面側係載置有馬達驅動裝置200a、200b、200c。馬達驅動裝置200a、200b、200c的各個與線圈100a、100b、100c的各個係以1對1的方式連接。線圈100a係受馬達驅動裝置200a所輸出的電流而激磁。藉此，使線圈100a形成電磁鐵，且在與配置於可動台車124的磁鐵對120之間產生吸引力或排斥力，而可動台車124會沿x1的正方向前進。
而且，在線圈100a、100b、100c中的各個係各自配置有感測器130a、130b、130c。感測器130a、130b、130c的一例為光學感測器，光學感測器的具體係為條碼讀取機(bar code reader)。於可動台車124以可由屬於條碼讀取機的感測器130a、130b、130c讀取之方式，貼附有作為位置識別符的條碼123。另外，在圖4中，線圈100a、100b、100c係顯示一部份者，而線圈的數量係取決於系統的規模。此外，圖4中，各線圈係無間隙地配置，惟各線圈亦可空開間隙而配置。此外，感測器130a、130b、130c亦可為磁性感測器。該情形，可動台車124亦可不設置條碼123。
馬達驅動裝置200a係藉由通信線106與馬達驅動裝置200b連接，且馬達驅動裝置200b係藉由通信線106與馬達驅動裝置200c連接。也就是，馬達驅動裝置200a、200b、200c係藉由通信線106而串列地連接。馬達驅動裝置200a又藉由通信線106與屬於上位控制裝置的控制器125連接。
控制器125係產生控制指令140。控制指令140係通過通信線106而傳送至馬達驅動裝置200a。控制指令140係包含：運轉指令、位置指令、速度指令及馬達控制有效指令。運轉指令係用以決定使屬於可動部的可動台車124動作或停止的指令值或指令信號。位置指令係用以指示可動台車124的位置的指令值或指令信號。速度指令係用以指示可動台車124的速度的指令值或指令信號。馬達控制有效指令，茲容後述。
馬達驅動裝置200a係將接收的控制指令140傳送至馬達驅動裝置200b。馬達驅動裝置200b係將接收的控制指令140傳送至馬達驅動裝置200c。另外，圖4的連接例為一例，並不受該例所限定。若由控制器125所產生的控制指令140可傳送至馬達驅動裝置200a、200b、200c，則亦可為任何的連接型態。此外，雖然圖4中係以有線方式連接，惟亦可以無線方式連接。
接著，就圖4所示的馬達驅動系統300的動作，除圖4外，又參照圖5至圖7的圖式加以說明。圖5係將即將使馬達控制有效的線圈從第一線圈切換成第二線圈之前的動作狀態顯示於圖4之圖。圖6係將使馬達控制有效的線圈剛切換成第二線圈後的動作狀態顯示於圖4之圖。圖7係供以圖4所示之馬達驅動系統300的動作說明的時間關係圖(time chart)。補充圖示，圖4中係顯示使馬達控制有效的線圈為第一線圈時的動作的模樣。此外，圖7中係顯示使馬達控制有效的線圈從第一線圈切換成第二線圈時的動作。
圖7中，首先，在時刻 t1，藉由控制器125對馬達驅動裝置200a輸出位置指令(參照圖7(d))，且對馬達驅動裝置200a輸出馬達控制有效指令(參照圖7(f))。在圖7(f)、(g)中，以“ON(導通)”來表示接收馬達控制有效指令並且馬達控制屬於有效的狀態，而以“OFF(關斷)”來表示未接收馬達控制有效指令並且馬達控制屬於非有效的狀態。馬達驅動裝置200a的動作狀態從OFF(關斷)切換成ON(導通)，動作開始。馬達驅動裝置200a為ON(導通)狀態時，馬達驅動裝置200a係會使線圈100a激磁，所以可動台車124會被驅動而移動，可動台車124的位置產生變化(參照圖7(a))。圖7(b)係顯示由感測器130a所檢測出之可動台車124的位置資訊。位置資訊係經由馬達驅動裝置200a而傳送至控制器125。另外，雖然在圖7中，在對馬達驅動裝置200a輸出位置指令的同時刻 t1 使可動台車124的位置變化，而實際上，不言可喻會受到控制的時間延遲，使可動台車124的位置變化會比位置指令的變化還延遲而產生。
另一面，時刻 t1 時，未對馬達驅動裝置200b輸出馬達控制有效指令，而馬達驅動裝置200b的動作狀態保持為OFF(關斷)狀態(參照圖7(g))。在此，補充馬達控制有效指令。如前述，馬達控制有效指令為從控制器125所輸出的控制指令140的一者。控制器125係在輸出馬達控制有效指令時，指定將馬達控制設為有效的一個馬達驅動裝置。另外，不會對一台可動台車124同時指定複數台馬達驅動裝置。
返回圖7的說明，對於馬達驅動裝置200a的位置指令，會超過時刻t3並持續到時刻 t12 為止，而對於馬達驅動裝置200b的位置指令，從即將成為時刻t3的時刻t11開始。也就是，對於馬達驅動裝置200a、200b的位置指令會在時刻 t11、t12 間重疊(overlap)。另一方面，對於馬達驅動裝置200a的馬達控制有效指令與對於馬達驅動裝置200b的馬達控制有效指令係以不會重疊的方式在時刻 t3 進行切換 (參照圖7(f)、(g))。圖5係顯示時刻 t11 的狀態，圖6係顯示時刻 t12 的狀態。
圖5及圖6的情形，感測器130a、130b雙方係相對於條碼123處於可進行讀取的位置關係，故感測器130a、130b雙方有檢測出位置資訊(參照圖7(b)、(c))。另外，雖然省略圖示，時刻 t2 係條碼123的右端到達至感測器130b的時刻，而時刻t4係條碼123的左端脫離了感測器130a的時刻。
移動磁鐵方式的線性馬達的情形，搭載於可動台車124的磁鐵對120為有限長，僅一個線圈下，無法使可動台車124在整體區域中動作。因此，如圖5及圖6所示方式，可動台車124行進某一距離，並在與磁鐵對120相對向的長度成為屬於第二線圈的線圈100b比屬於第一線圈的線圈100a還更長的時點(timing)切換馬達控制的有效。亦可以同樣方式進行自線圈100b往線圈100c的切換。當從線圈100b切換成線圈100c的情形，線圈100b成為第一線圈、線圈100c成為第二線圈。此外，當將使第一線圈激磁的馬達驅動裝置設為第一馬達驅動裝置，將使第二線圈激磁的馬達驅動裝置設為第二馬達驅動裝置時，驅動線圈100b的馬達驅動裝置200b為第一馬達驅動裝置，而驅動線圈100c的馬達驅動裝置200c為第二馬達驅動裝置。
在此，說明第一馬達驅動裝置為馬達驅動裝置200a，第二馬達驅動裝置為馬達驅動裝置200b之情形下的馬達驅動裝置200a、200b所具備的構成元件的關係。馬達驅動裝置200a的控制部23為第一控制部，而馬達驅動裝置200b的控制部23為第二控制部。該情形，馬達驅動裝置200a所產生的驅動指令30為第一驅動指令，而馬達驅動裝置200b所產生的驅動指令30為第二驅動指令。此外，馬達驅動裝置200a的反向器電路20為第一反向器電路，而馬達驅動裝置200b的反向器電路20為第二反向器電路。此外，馬達驅動裝置200a的上臂開關元件21UP、21VP、21WP為第一上臂開關元件，而馬達驅動裝置200b的上臂開關元件21UP、21VP、21WP為第二上臂開關元件。此外，馬達驅動裝置200a的下臂開關元件21UN、21VN、21WN為第一下臂開關元件，而馬達驅動裝置200b的下臂開關元件21UN、21VN、21WN為第二下臂開關元件。此外，馬達驅動裝置200a的閘極驅動電路24為第一閘極驅動電路，而馬達驅動裝置200b的閘極驅動電路24為第二閘極驅動電路。此外，馬達驅動裝置200a的上臂閘極電源為第一上臂閘極電源，而馬達驅動裝置200b的上臂閘極電源為第二上臂閘極電源。
另外，雖然在上述的說明中，針對要使之動作的可動台車124的台數為一台的情形加以說明，惟未限定於此。要使之動作的可動台車124的台數亦可為複數台。若要使之動作的可動台車124的台數為複數台時，對可動台車124中的各個指定第一馬達驅動裝置。此外，依每台可動台車124，進行上述的線圈及馬達驅動裝置的切換。
此外，雖然在圖4至圖6的例中，以可動台車124係以沿 x1 的正方向前進之例進行說明，惟可動台車124亦可沿 x1 的負方向前進。當可動台車124沿 x1 的負方向前進時，進行從線圈100b往線圈100a的切換。該情形，第一線圈係從線圈100c切換成線圈100b，而第二線圈係從線圈100b切換成線圈100a。此外，第一馬達驅動裝置係從馬達驅動裝置200c切換成馬達驅動裝置200b，而第二馬達驅動裝置係從馬達驅動裝置200b切換成馬達驅動裝置200a。
此外，雖然在圖5及圖6之例中，以根據與磁鐵對120相對向的長度的長短來切換馬達控制的有效之例加以說明，惟不限定於此。線圈切換的手法有各式各樣，亦可採用其他的手法。茲舉一例，可考慮根據位置感測信號132的檢測準位來切換馬達控制的有效。
當具有使用電荷泵電路所構成的閘極電源的閘極驅動電路24的情形，即使不需要馬達控制的情形，亦為了確保上臂閘極電源，必須持續下臂開關元件的開關交換(switching)。當持續下臂開關元件的開關交換時，藉由動態制動而使制動電流流通，對馬達產生制動力並使馬達減速。
在此，說明圖3所示之閘極驅動電路24的電荷泵電路中的上臂閘極電源電壓的波形與下臂開關元件的閘極信號(閘極驅動信號)的關係。圖8係使用於說明圖3所示之上臂閘極電源電壓的波形與下臂開關元件的閘極信號的關係之圖。圖8所示的動作係在馬達控制有效指令為OFF (關斷)之期間所進行。例如，於圖7(f)所示之馬達控制有效指令為OFF(關斷)之期間(時刻 t3 之後)，如圖8所示方式，對於馬達驅動裝置200a執行使下臂開關元件的閘極信號為ON(導通)達到特定的時間之動作。
圖8所示的時間 Ton 為下臂開關元件的ON(導通)時間，時間Toff 為下臂開關元件的OFF(關斷)時間。上臂閘極電源電壓305係光耦合器242的輸出側的電源電壓。亦即，上臂閘極電源電壓305係等同於下述電壓：施加於連接光耦合器242的電壓輸入側和整流二極體246的陰極側的連接點，與連接光耦合器242的電壓輸出側和齊納二極體247的陽極側的連接點之間的電壓。
必要電源電壓303為驅動上臂開關元件所需的上臂閘極電源的電源電壓。要使下臂開關元件動作並完成電荷泵電路之充電時的電源電壓係設為較驅動上臂開關元件所需之電源電壓還大的電源電壓。本實施型態的馬達驅動裝置200係維持上臂閘極電源電壓305，俾以不低於必要電源電壓303。
電壓下降量 ya為在下臂開關元件OFF(關斷)之期間，上臂閘極電源電壓305所下降的量。電壓上昇量 yb 為在下臂開關元件ON(導通)之期間，上臂閘極電源電壓305所上昇的量。
閘極供給電壓電源 V0 係藉由直流電源243供給至閘極電源電路24a的電源電壓。電壓 Vini 係對上臂閘極電源充電完成的電壓。電壓 Vini 係較必要電源電壓303還大的電壓值。時間 Toffset 係使上臂閘極電源電壓305從 0V 上昇至電壓上昇量 yb 的下限電壓值為止所需的時間。電壓上昇量 yb 的下限電壓值為在將第一電壓值至電二電壓值為止的電壓上昇量設為電壓上昇量 yb 時的第一電壓值。上臂閘極電源電壓305係在時間 Toffset 之期間從0V上昇至第一電壓值為止，之後在時間 Ton 之期間上昇達電壓上昇量 yb 而成為第二電壓值。
上臂閘極電源電壓305係在時間 Toff 之間使上臂閘極電源電壓305下降。馬達驅動裝置200係在上臂閘極電源電壓305成為電壓 Vini 的時點將下臂開關元件設為ON(導通)，藉此使上臂閘極電源電壓305上昇。馬達驅動裝置200係反覆上述的處理，藉此維持上臂閘極電源電壓305，俾使上臂閘極電源電壓305不會低於必要電源電壓303。
例如，馬達驅動裝置200a屬於第一馬達驅動裝置時，第一控制部係在未接收馬達控制有效指令的期間，停止用於第一上臂開關元件的第一驅動指令的輸出，並且對於第一反向器電路的第一下臂開關元件在可維持驅動第一上臂開關元件所需的第一上臂閘極電源的第一時點持續開關交換，而在接收到馬達控制有效指令時輸出第一驅動指令。此外，馬達驅動裝置200b屬於第二馬達驅動裝置時，第二控制部係在未接收馬達控制有效指令的期間，停止用於第二上臂開關元件的第二驅動指令的輸出，並且對於第二反向器電路的第二下臂開關元件在可維持驅動第二上臂開關元件所需的第二上臂閘極電源的第二時點持續開關交換，而在接收到馬達控制有效指令時輸出第二驅動指令。
在第一時點的開關交換中的下臂開關元件的ON(導通)時間之例為可維持第一上臂閘極電源，並且下臂開關元件的ON(導通)時間為最小的ON(導通)時間。在第二時點的開關交換中的下臂開關元件的ON(導通)時間之例為可維持第二上臂閘極電源，並且下臂開關元件的ON(導通)時間為最小的ON(導通)時間。
電荷泵電路的時間 Ton(下臂開關元件的ON(導通)時間)會為最小之情形，是在上臂閘極電源電壓305為必要電源電壓303以上，並且電壓下降量 ya 與電壓上昇量 yb 成為相等的情形。電壓下降量 ya 係以下述式(1)所示。此外，電壓上昇量 yb 係以下述式(2)所示。如此，當電壓下降量 ya 與電壓上昇量 yb 成為相等時的下臂開關元件的ON(導通)時間會成為最小的ON(導通)時間(最小的時間 Ton)。最小的ON(導通)時間係上臂閘極電源電壓305形成必要電源電壓303以上的ON(導通)時間當中，最小的ON(導通)時間。當第一馬達驅動裝置為馬達驅動裝置200a，且第二馬達驅動裝置屬於馬達驅動裝置200b時，馬達驅動裝置200a中之最小的ON(導通)時間為第一最小ON(導通)時間，而馬達驅動裝置200b中之最小的ON(導通)時間為第二最小ON(導通)時間。以下的說明中，會有將下臂開關元件的最小的ON(導通)時間稱為下臂最小ON(導通)時間的情形。
Figure 02_image001
Figure 02_image003
式(2)所示的電壓上昇量 yb 係根據由電荷泵電路的電阻245和電容器248以及直流電源243所構成的一般性CR電路的CR時間常數(充電時間常數)而上昇。該情形，電荷泵電路係從上臂閘極電源電壓305維持某一大小的狀態起開始充電，所以電壓上昇必須減去電壓 Vini 而算出。另一方面，式(1)所示的電壓下降量 ya 係由於從電容器248以大致定電流方式供給用於閘極驅動電路24的電壓，所以根據電容器248的定電流放電時的電壓下降而下降。
實施型態1的馬達驅動系統300係在採用共同電源方式的閘極驅動電路24的狀態下，控制下臂開關元件的ON(導通)時間，俾使電壓下降量 ya 與電壓上昇量 yb 相等，故可使承受動態制動的影響之下臂開關元件的ON(導通)時間成為最小。藉此，馬達驅動系統300係可將確保上臂閘極電源時的動態制動的發生予以抑制為最小限。
此外，馬達驅動系統300係在反向器暫歇期間中進行電荷泵電路的充電，所以不需要將馬達控制從OFF(關斷)切換成ON(導通)時之屬於共同電源方式之缺點的事前的充電處理，而消除在線圈切換時不進行控制的期間。藉此，馬達驅動系統300能夠以在獨立電源方式無法實現之價廉的馬達驅動電路，實現效率優良的馬達控制。
此外，當移動磁鐵方式的線性馬達的情形，如圖4所示方式，磁鐵對120在從第一線圈切換成第二線圈的過程，第一線圈及第二線圈的雙方存在著與磁鐵對120重疊的情形。另一面，在實施型態1的手法中，馬達控制為非有效的情形，上臂開關元件沒有設ON(導通)的情形，且在下臂開關元件中ON(導通)時間也變得極小。因此，可將由動態制動所致的干擾或衝擊的發生抑制為最小限度，且可在線圈彼此的銜接的部位，平滑地進行線圈間的切換。
但是，由電荷泵電路的電阻245及電容器248與開關交換頻率F的關係，當下臂最小ON(導通)時間成為開關交換頻率F的倒數的2分之1以上時，會使下臂開關元件的ON(導通)時間本身變長。亦即，當將下臂開關元件的ON(導通)時間除以下臂開關元件的動作時間而得的值，亦即工作比為50％以上時，由動態制動的影響所致的制動力會大量發生。因此，本實施型態的馬達驅動裝置200亦可設為採用滿足下述式(3)所示之條件的開關交換頻率F。也就是，亦能以開關交換頻率F會比對由電阻245及電容器248的常數所決定的CR時間常數乘以2之值的倒數還小的方式，對馬達驅動裝置200設定CR時間常數。
Figure 02_image005
如以上說明的方式，根據實施型態1的馬達驅動系統，上位控制裝置係對第一及第二馬達驅動裝置中之任一者輸出馬達控制有效指令，而第一及第二控制部係組構成：在未接收馬達控制有效指令的期間，停止上臂的驅動指令的輸出，且輸出下臂的驅動指令俾使ON(導通)時間小於 Toff 。藉此，當切換由第一馬達驅動裝置所激磁的第一線圈及由第二馬達驅動裝置所激磁的第二線圈時，可平滑地進行線圈間的切換。
此外，實施型態1的馬達驅動系統可應用於下述方式構成的線性馬達，亦即該線性馬達為：第一馬達係由配置於固定部的第一線圈及配置於以可沿第一方向的正側及負側移動之方式構成的可動部的複數個磁鐵對所構成；第二馬達係由配置於固定部且在第一方向的正側與第一線圈鄰接的第二線圈及複數個磁鐵對所構成。此時，由第一馬達驅動裝置所激磁的第一線圈及由第二馬達驅動裝置所激磁的第二線圈係隨著可動部的移動而依序進行切換與第一方向的正側或負側鄰接的線圈。並且，上位控制裝置係對第一及第二馬達驅動裝置中之任一者輸出馬達控制有效指令，且第一及第二控制部係在未接收馬達控制有效指令的期間，停止上臂的驅動指令的輸出，且使下臂的驅動指令以會成為未達Toff之ON(導通)時間之方式輸出。藉此，即使第一及第二線圈的雙方存在與磁鐵對重疊的期間，亦無第一及第二線圈的雙發同時被激磁的情形，在下臂的驅動指令成為ON(導通)的短時間以外，開關元件為OFF(關斷)，而無動態制動電流流通。藉此，可抑制動態制動的發生。此外，在切換由第一馬達驅動裝置所激磁的第一線圈及由第二馬達驅動裝置所激磁的第二線圈時，可平滑地進行線圈間的切換。
此外，由於在瞬時地判斷馬達控制的有效與否，因此亦可將從上位控制裝置所傳送的馬達控制有效指令的資訊設為參數，並記憶至記憶體23b。若如此上述方式，則易使既存的功能與新規的功能的共存，可削減系統建構的成本。另外，以下顯示參數的使用方法的一例。
(1) 通常的馬達控制的情形 ・參數設定為“0”。 ・當參數為“0”時，且未輸出馬達控制有效指令時係將全部的開關元件設為OFF(關斷)。 (2) 移動磁鐵控制的情形 ・將參數設定為“1”。 ・當參數為“1”時，且未輸出馬達控制有效指令時將上臂的開關元件設為OFF(關斷)，且下臂的開關元件係在第一及第二時點持續開關交換。
實施型態2. 如實施型態1，馬達在動作當中切換控制對象的系統的構成中，例如必須對高速旋轉的馬達開始馬達控制。以往的馬達驅動裝置中，並未設想這樣的狀況。因此，在以往的保護功能中，盡管並非異常，也會發出位置偏差異常、速度檢測異常、位置檢測異常、速度指令異常等的警報。因此，在實施型態2中，提出利用在實施型態1所說明的馬達控制有效指令，來抑制警報的誤偵測的控制手法。
圖9係供以實施型態2之馬達驅動系統的動作說明的時間關係圖。圖9中(a)～(g)的波形係與圖7所示者相同。在實施型態2中，為了抑制警報的誤偵測，設定有使警報檢測成為有效的期間(參照圖9(h)、(i))。具體而言，在時刻 t21 (較時刻 t1晚的時刻)到時刻 t22 (較時刻 t3 早的時刻)之間中，對馬達驅動裝置200a，設定警報檢測有效期間。該警報檢測有效期間係由控制器125所設定。另外，在圖9中，警報檢測有效期間係設為較輸出馬達控制有效指令的期間還短的期間，惟亦可為與輸出馬達控制有效指令的期間相同的期間。若設為相同的期間，則時間管理變得容易，控制也變得簡易。
根據實施型態2的馬達驅動系統，由於根據馬達控制有效指令，來設定警報檢測有效期間，所以可抑制在馬達控制非有效期間中進行了意外的動作而發出警報的情形。
此外，根據實施型態2的馬達驅動系統，由於設定比馬達控制為有效期間還短的警報檢測有效期間，所以可減少因誤偵測而發出警報的可能性。
以下的實施型態所示的構成係顯示本發明的內容的一例，亦可與其他公知的技術結合，且在不脫離本發明內容的範圍內，亦可省略、變更構成的一部分。
18:轉換電路 20:反向器電路 21:開關元件 21A～21C:支線 21UN,21VN,21WN:下臂開關元件 21UP,21VP,21WP:上臂開關元件 22:平滑電容器 23:控制部 23a:處理器 23b:記憶體 24:閘極驅動電路 24a,24b,24c,24d:閘極電源電路 26:交流電源 27,28:直流母線 30:驅動指令 32:驅動電壓 100a,100b,100c:線圈 106:通信線 120:磁鐵對 123:條碼 124:可動台車 125:控制器 130:位置感測器 130a,130b,130c:感測器 132:位置感測信號 140:控制指令 150:馬達 200,200a,200b,200c:馬達驅動裝置 241,245:電阻 242:光耦合器 243,244:直流電源 246:整流二極體 247:齊納二極體 248:電容器 300:馬達驅動系統 303:必要電源電壓 305:上臂閘極電源電壓 L1,L2:長度 t1:時刻 t11:時刻 t12:時刻 t2:時刻 t3:時刻 t4:時刻 t21:時刻 t22:時刻 Toff:時間 Toffset:時間 Ton:時間 V0:閘極供給電壓電源 Vini:電壓 ya:電壓下降量 yb:電壓上昇量
圖1係顯示實施型態1之使用於馬達驅動系統的馬達驅動裝置之構成的方塊圖。 圖2係顯示圖1所示之反向器電路的詳細的構成的電路圖。 圖3係使用於說明實施型態1中之閘極驅動電路之構成的電路圖。 圖4顯示使用圖1所示的馬達驅動裝置的實施型態1的馬達驅動系統的構成例之圖。 圖5係將即將從第一線圈切換成第二線圈之前的動作狀態顯示於圖4之圖。 圖6係將剛切換成第二線圈後的動作狀態顯示於圖4之圖。 圖7係供以圖4所示之馬達驅動系統的動作說明的時間關係圖(time chart)。 圖8係使用於圖3所示之上臂閘極電源電壓的波形與下臂開關元件的閘極信號的關係之圖。 圖9係供以實施型態2之馬達驅動系統的動作說明的時間關係圖(time chart)。
303:必要電源電壓
305:上臂閘極電源電壓
Toff:時間
Toffset:時間
Ton:時間
V0:閘極供給電壓電源
Vini:電壓
ya:電壓下降量
yb:電壓上昇量

Claims (6)

  1. 一種馬達驅動系統，係具有： 第一馬達驅動裝置，係具備第一控制部及第一反向器電路，且根據前述第一控制部所產生的第一驅動指令來驅動第一馬達； 第二馬達驅動裝置，係具備第二控制部及第二反向器電路，且根據前述第二控制部所產生的第二驅動指令來驅動第二馬達；以及 上位控制裝置，係產生馬達控制有效指令，且根據前述馬達控制有效指令來控制前述第一及第二馬達驅動裝置的動作；其中， 前述第一馬達係由配置於固定部的第一線圈及複數個磁鐵對所構成，該複數個磁鐵對係配置於以可沿第一方向的正側及負側移動方式構成的可動部； 前述第二馬達係由配置於前述固定部且在前述第一方向的正側與前述第一線圈鄰接的第二線圈，及複數個前述磁鐵對所構成； 前述第一及第二線圈係隨著前述可動部的移動，而依序切換與前述第一方向的正側或負側鄰接的線圈； 前述上位控制裝置係對前述第一及第二馬達驅動裝置中的任一者輸出前述馬達控制有效指令； 前述第一反向器電路的第一上臂開關元件係由第一閘極驅動電路所驅動，該第一閘極驅動電路係使用在驅動前述第一上臂開關元件的閘極電源電路中共同的電源； 前述第二反向器電路的第二上臂開關元件係由第二閘極驅動電路所驅動，該第二閘極驅動電路係使用在驅動前述第二上臂開關元件的閘極電源電路中共同的電源； 前述第一控制部係在未接收前述馬達控制有效指令的期間，停止用於前述第一上臂開關元件的第一驅動指令的輸出，並且對於前述第一反向器電路的第一下臂開關元件在可維持驅動前述第一上臂開關元件所需的第一上臂閘極電源的第一時點持續開關交換，而在接收到前述馬達控制有效指令時輸出前述第一驅動指令； 前述第二控制部係在未接收前述馬達控制有效指令的期間，停止用於前述第二上臂開關元件的第二驅動指令的輸出，並且對於前述第二反向器電路的第二下臂開關元件在可維持驅動前述第二上臂開關元件所需的第二上臂閘極電源的第二時點持續開關交換，而在接收到前述馬達控制有效指令時輸出前述第二驅動指令； 前述第一時點中的前述第一下臂開關元件的第一導通時間，為在未接收前述馬達控制有效指令的期間中，於前述第一下臂開關元件導通之期間中前述第一上臂閘極電源的電源電壓上昇量，與於前述第一下臂開關元件關斷之期間中前述第一上臂閘極電源的電源電壓下降量成為相等的導通時間； 前述第二時點中的前述第二下臂開關元件的第二導通時間，為在未接收前述馬達控制有效指令的期間中，於前述第二下臂開關元件導通之期間中前述第二上臂閘極電源的電源電壓上昇量，與於前述第二下臂開關元件關斷之期間中前述第二上臂閘極電源的電源電壓下降量成為相等的導通時間。
  2. 如請求項1所述之馬達驅動系統，其中，前述第一導通時間係比前述第一下臂開關元件為關斷的時間還短的時間； 前述第二導通時間係比前述第二下臂開關元件為關斷的時間還短的時間。
  3. 如請求項1或2所述之馬達驅動系統，其中，前述第一及第二控制部係具有記憶體， 於前述記憶體係寫入有：將從前述上位控制裝置所輸出的前述馬達控制有效指令的資訊所設成的參數； 前述第一及第二控制部係在未接收前述馬達控制有效指令的期間，停止用於前述第一及第二上臂開關元件的第一及第二驅動指令的輸出，並且對於前述第一及第二反向器電路的第一及第二下臂開關元件在可維持驅動前述第一及第二上臂開關元件所需的第一及第二上臂閘極電源的第一及第二時點持續開關交換，而在接收到前述馬達控制有效指令時，根據前述參數切換輸出前述第一及第二驅動指令之功能的有效無效。
  4. 一種馬達驅動系統，係具有： 第一馬達驅動裝置，係具備第一控制部及第一反向器電路，且根據前述第一控制部所產生的第一驅動指令來驅動第一馬達； 第二馬達驅動裝置，係具備第二控制部及第二反向器電路，且根據前述第二控制部所產生的第二驅動指令來驅動第二馬達；以及 上位控制裝置，係產生馬達控制有效指令，且根據前述馬達控制有效指令來控制前述第一及第二馬達驅動裝置的動作；其中， 前述第一馬達係由配置於固定部的第一線圈及複數個磁鐵對所構成，該複數個磁鐵對係配置於以可沿第一方向的正側及負側移動之方式所構成的可動部； 前述第二馬達係由配置於前述固定部且在前述第一方向的正側與前述第一線圈鄰接的第二線圈，及複數個前述磁鐵對所構成； 前述第一及第二線圈係伴隨著前述可動部的移動，而依序切換與前述第一方向的正側或負側鄰接的線圈； 前述上位控制裝置係對前述第一及第二馬達驅動裝置的任一者輸出前述馬達控制有效指令； 前述第一反向器電路的第一上臂開關元件係由第一閘極驅動電路所驅動，該第一閘極驅動電路係使用在驅動前述第一上臂開關元件的閘極電源電路中共同的電源； 前述第二反向器電路的第二上臂開關元件係由第二閘極驅動電路所驅動，該第二閘極驅動電路係使用在驅動前述第二上臂開關元件的閘極電源電路中共同的電源； 前述第一控制部係在未接收前述馬達控制有效指令的期間，停止用於前述第一上臂開關元件的第一驅動指令的輸出，並且對於前述第一反向器電路的第一下臂開關元件在可維持驅動前述第一上臂開關元件所需的第一上臂閘極電源的第一時點持續開關交換，而在接收到前述馬達控制有效指令時輸出前述第一驅動指令； 前述第二控制部係在未接收前述馬達控制有效指令的期間，停止用於前述第二上臂開關元件的第二驅動指令的輸出，並且對於前述第二反向器電路的第二下臂開關元件在可維持驅動前述第二上臂開關元件所需的第二上臂閘極電源的第二時點持續開關交換，而在接收到前述馬達控制有效指令時輸出前述第二驅動指令； 前述第一及第二控制部係具有記憶體， 於前述記憶體係寫入有：將從前述上位控制裝置所輸出的前述馬達控制有效指令的資訊所設成的參數； 前述第一及第二控制部係在未接收前述馬達控制有效指令的期間，停止用於前述第一及第二上臂開關元件的第一及第二驅動指令的輸出，並且對於前述第一及第二反向器電路的第一及第二下臂開關元件在可維持驅動前述第一及第二上臂開關元件所需的第一及第二上臂閘極電源的第一及第二時點持續開關交換，而接收到前述馬達控制有效指令時根據前述參數切換輸出前述第一及第二驅動指令之功能的有效無效。
  5. 一種馬達驅動裝置，係根據從上位控制裝置所送來的馬達控制有效指令，驅動移動磁鐵方式的馬達，該馬達驅動裝置係具備： 控制部；以及 反向器電路，係具有上臂開關元件及下臂開關元件； 前述上臂開關元件係由閘極驅動電路所驅動，該閘極驅動電路係使用在驅動前述上臂開關元件的閘極電源電路中共同的電源； 前述控制部係在未接收前述馬達控制有效指令的期間，停止用於前述上臂開關元件的驅動指令的輸出，並且對於前述下臂開關元件在可維持驅動前述上臂開關元件所需的上臂閘極電源的時點持續開關交換，而在接收到前述馬達控制有效指令時輸出前述驅動指令； 於前述時刻中的前述下臂開關元件的導通時間，為在未接收前述馬達控制有效指令的期間中，於前述下臂開關元件導通之期間中前述上臂閘極電源的電源電壓上昇量，與於前述下臂開關元件關斷之期間中前述上臂閘極電源的電源電壓下降量成為相等的導通時間。
  6. 一種馬達驅動裝置，係根據從上位控制裝置所傳送來的馬達控制有效指令，驅動移動磁鐵方式的馬達，該馬達驅動裝置係具備： 控制部；以及 反向器電路，係具有上臂開關元件及下臂開關元件； 前述上臂開關元件係由閘極驅動電路所驅動，該閘極驅動電路使用在驅動前述上臂開關元件的閘極電源電路中共同的電源； 前述控制部係在未接收前述馬達控制有效指令的期間，停止用於前述上臂開關元件的驅動指令的輸出，並且對於前述下臂開關元件在可維持驅動前述上臂開關元件所需的上臂閘極電源的時點持續開關交換，而在接收到前述馬達控制有效指令時輸出前述驅動指令； 前述控制部係具有記憶體； 前述記憶體係寫入有：將從前述上位控制裝置所輸出的前述馬達控制有效指令的資訊所設成的參數； 前述控制部係在未接收前述馬達控制有效指令的期間，停止用於前述上臂開關元件的驅動指令的輸出，並且對前述反向器電路的下臂開關元件在可維持驅動前述上臂開關元件所需的上臂閘極電源的時點持續開關交換，而在接收到前述馬達控制有效指令時根據前述參數切換輸出前述驅動指令之功能的有效無效。
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