TWI403086B - 用於控制刷型電動機之旋轉方向及速度之裝置及方法 - Google Patents

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Description

用於控制刷型電動機之旋轉方向及速度之裝置及方法
本發明係關於電動機速度控制，特定言之，本發明係關於一種用於電動機之反轉及制動而利用升壓之高效率電動機速度控制。
一種典型的雙向電動機速度控制依賴於一種稱為H橋(H－Bridge)之開關裝置配置。H橋配置可允許電流往兩個方向之一者通過待操縱之電動機，該兩個方向准許電動機之正向旋轉或反向旋轉。在H橋配置內，電動機內之電流始終流動通過兩個開關裝置。各開關裝置引起一效率損失。典型的刷型電動機控制利用一固態H橋以反轉跨電動機的電壓。該H橋亦可用於電動機制動。令人遺憾地，H橋導致兩個開關裝置與電動機串聯，其減少操作電壓、增加電力消耗，及降低效率。在多數應用中，電動機之反向旋轉的效能不需要相同於電動機之正向旋轉的效能。一項實例係於電車。在此等情況下，正向旋轉在提供最大效率上比輔助的反向旋轉更為重要。
請參照圖1，其描述為一用於以正向方向及反向方向控制電動機之先前技術H橋之示意方塊圖。一用於控制通過電動機102之電流方向之開關組態，(即，用於切換在電動機102終端處的電壓極性)包括以H橋組態配置之電力電晶體110、104、106及108。取決於所希望之電動機102之旋轉方向，電力電晶體104及110經調適用以耦合電動機102 到一電壓源112(VBUS )，並且電力電晶體106與108經調適用以耦合電動機102到電壓源112(例如，電池(見圖7))之回路(接地或共同端)114。可藉由閘極輸入124、126、128與130處之控制信號分別控制電力電晶體110、104、106與108之通或斷。
請參照圖2，其描述一經組態用於電動機之正向方向的圖1之H橋的示意方塊圖。當希望電動機102以正向方向旋轉(例如，在文中任意地選定以作為說明目的)時，分別地藉由控制信號130與126接通電力電晶體110與106，及分別地藉由控制信號124及128斷開電力電晶體104與108。此開關組態將允許電流於方向250(同時以示意圖之粗體線所表示)流動通過電動機102。
請參照圖3，其描述一經組態用於電動機之反向方向的圖1之H橋的示意方塊圖。當希望電動機102以反向方向旋轉(例如，在文中任意地選定以作為說明目的)時，分別地藉由控制信號124與128接通電力電晶體104與108，及分別地藉由控制信號130與126斷開電力電晶體110與106。此開關組態將允許電流於方向350(同時以示意圖之粗體線所表示)流動通過電動機102，該方向350相反於圖2所示之電流方向250。
藉由切換電流流動於方向250或方向350(即，使耦合於電壓源112及電壓源回路114的電動機102之終端反轉)，可使該電動機102之旋轉反轉。然而，在電流路徑上總是存在兩個電力電晶體，因此通過該兩個電力電晶體導致電力 損耗。
因此，在此需要提供一種更有效率及成本效益之運作於直流電(DC)的刷型電動機之正向旋轉控制。根據本發明之教導，當電動機以主要旋轉方向(例如，正向旋轉)運作於時，僅用串聯於電動機的一個開關裝置來建構電動機控制器是有可能的。其次，可用一升壓電源供應器，及串聯連接之二極體及電力電晶體來實行(例如，反轉)旋轉，但效率低於主要(正向)電力控制組態。因此當使電動機運行於主要旋轉方向(正向旋轉)但仍允許刷型電動機之反轉及制動運作時，可實現刷型電動機控制之最佳效率及效能。
根據本發明之特定示範性實施例，一種用於控制刷型電動機之旋轉方向及速度之裝置可包括：一刷型電動機，其具有連接到一電壓源的一第一電力終端；一第一電力電晶體，其耦合於一電壓源回路與該刷型電動機之一第二電力終端之間；一升壓電感器；一第二電力電晶體；一第三電力電晶體；及一電力二極體；其中該升壓電感器之一端耦合於該電壓源，該升壓電感器之另一端耦合於該第三電力電晶體及該電力二極體，該第三電力電晶體耦合於該電壓源回路與該升壓電感器之間，且該第二電力電晶體耦合於該電力二極體與該電動機之該第二電力終端之間；藉此，當該第一電力電晶體為通及該第二電力電晶體為斷時，該刷型電動機旋轉於一第一方向，當該第二電晶體為通及該第一電晶體為斷時，該刷型電動機旋轉於一第二方向，及 當該第三電力電晶體為通時，電流自該電壓源流經該升壓電感器到該電壓源回路。
根據本發明之另一特定示範性實施例，一種用於控制刷型電動機之旋轉方向及速度之方法可包括如下步驟：提供一刷型電動機，其具有連接至一電壓源之一第一電力終端；提供一第一電力電晶體，其耦合於一電壓源回路與該刷型電動機之一第二電力終端之間；提供一升壓電感器，其耦合於該電壓源；提供一第二電力電晶體，其耦合於該刷型電動機及該第一電力電晶體；提供第一第三電力電晶體，其耦合於該升壓電感器及該電壓源回路之間；提供一電力二極體，其耦合於該升壓電感器與該第二電力電晶體之間；藉由開啟該第一電力電晶體及關閉該第二電力電晶體以使該刷型電動機於一第一旋轉方向旋轉；藉由開啟及關閉該第三電力電晶體，產生極性相反於該電壓源之一第二旋轉方向電壓；及藉由關閉該第一電力電晶體以使該刷型電動機於一第二旋轉方向旋轉及藉由開啟該第二電力電晶體以施加該第二旋轉方向電壓到該刷型電動機。
以下請參照圖式，其以示意圖說明特定示範性實施例之描述。該等圖式內之類似元件將由類似數字代表，及類似的元件將由以不同的小寫字母為下標的類似數字作為代表。
請參照圖4，其描述一根據本發明之特定示範性實施例之電動機控制器之示意方塊圖，該電動機控制器具有有效 率的正向方向控制，同時具有反向方向及制動控制能力。電動機控制器(大體由數字400所表示)可包括一電力電晶體408、一電力電晶體406及一升壓電源供應器440。該升壓電源供應器440可包括一升壓電感器412、一電力二極體410及一電力電晶體404。該電力電晶體408是一低側電力開關，其耦合電動機102及電壓源112之回路(接地或共同端)114。可藉由閘極輸入428處之控制信號進行控制該電力電晶體404之通或斷。該電動機102總是被連接到電壓源112，由於在電動機102之電力終端與電壓源112之間沒有開關裝置，因此減少了電力損耗。於電力電晶體404為通時可對電感器412進行充電，隨後當電力電晶體404為斷及電力電晶體406為通時，圍繞電感器412之崩潰磁場將引起與電力電晶體408為通時電動機電流流動方向相反方向的一電流流過電動機102之電力終端。可分別地藉由閘極輸入424及428處之控制信號來控制電力電晶體404及408之通及斷。應預期及在本發明之範疇內，該等電力電晶體可為諸如電力金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)及等等之任一類型的可控制型直流電源開關。
請參照圖5，描述一種根據本發明之特定示範性實施例之經組態用於有效率正向方向之圖4之電動機控制器之示意方塊圖。當電力電晶體408為通時，該電動機102將於正向方向旋轉，並且及電流往由箭頭550(同時以示意圖之粗體線所表示)所表示之方向流動。由於介於電壓源112及電壓源回路114之間僅有一個開關電力電晶體408串聯於電動 機，因此將產生電動機控制器400之最有效率運行(最小損耗)。電力電晶體406在電動機102之正向旋轉期間保持斷狀態，因此有效地將升壓電源供應器440自電動機102去耦。
請參照圖6，其描述一根據本發明之特定示範性實施例之經組態用於反向方向的圖4之電動機控制器之示意方塊圖。當電力電晶體404為通時，自電壓源112流出之電流通過電感器412及電力電晶體404到電壓源回路114。此電流產生一圍繞於電感器412之磁場。當電力電晶體404為斷及電力電晶體406為通時，圍繞於電感器412周圍的磁場將消失，從而產生一相反方向的電流，以箭頭650為表示(同時以示意圖之粗體線所表示)，該電流通過電感器412、二極體410、電力電晶體406及電動機102。此將導致電動機反向旋轉及/或制動自正向旋轉。可分別由自數位裝置施加至閘極輸入428、426及424的脈寬調變(PWM)信號所控制電力電晶體408、406及404，用於控制旋轉速度及方向兩者。可藉由升壓電源供應器440所產生之電壓來控制電動機102的反向旋轉速度及/或自正向旋轉方向制動。可用由數位裝置(見圖7)產生之PWM信號來控制此升壓電壓。升壓電源供應器440可為任一標準設計的升壓電源供應器，其為開關電源供應器電路設計之一般技術者所熟知。
請參照圖7，描述一種根據本發明之特定示範性實施例之用於控制圖4之電動機控制器之數位裝置之示意方塊圖。一數位裝置702(例如，微處理器、微控制器、數位信 號處理器(DSP)，可程式化邏輯陣列(PLA)、特定應用積體電路(ASIC)，等等)可被用於控制電動機控制器400及/或升壓電源供應器440。輸出724、726及728可分別地耦合於閘極輸入424、426及428。數位裝置702可使用輸出724、726及/或728之任一者或所有輸出上的PWM信號。
雖然本發明之實施例已被描述、說明，並由參照於本發明之該等示範性實施例所定義，上述參照並不意味著限制本發明，也並無推斷就此進行限制。本發明之主旨係揭示能夠進行相當大的修改、改變，及等效的形式及功能，作為顯示於對相關技術之該等一般技術者。所描述及說明的本發明之實施例僅作為例證，並無全部包括本發明之範疇。
102‧‧‧電動機
104‧‧‧電力電晶體
106‧‧‧電力電晶體
108‧‧‧電力電晶體
110‧‧‧電力電晶體
112‧‧‧電壓源
114‧‧‧電壓源回路
124‧‧‧閘極輸入
126‧‧‧閘極輸入
128‧‧‧閘極輸入
130‧‧‧閘極輸入
250‧‧‧電動機之旋轉方向
350‧‧‧電動機之旋轉方向
400‧‧‧電動機控制器
404‧‧‧電力電晶體
406‧‧‧電力電晶體
408‧‧‧電力電晶體
410‧‧‧二極體
412‧‧‧電感器
424‧‧‧閘極輸入
426‧‧‧閘極輸入
428‧‧‧閘極輸入
440‧‧‧升壓電源供應器
550‧‧‧電動機之旋轉方向
650‧‧‧電動機之旋轉方向
702‧‧‧數位裝置
724‧‧‧耦合於閘極輸入的輸出裝置
726‧‧‧耦合於閘極輸入的輸出裝置
728‧‧‧耦合於閘極輸入的輸出裝置
VBUS ‧‧‧VBUS
圖1是一用於以正向方向及反向方向控制電動機之先前技術H橋之示意方塊圖；圖2是一經組態用於電動機之正向方向的圖1之H橋的示意方塊圖；圖3是一經組態用於電動機之反向方向的圖1之H橋的示意方塊圖；圖4是一根據本發明之特定示範性實施例之電動機控制器之示意方塊圖，該電動機控制器具有有效率的正向方向，同時具有反向方向及制動能力；圖5是一種根據本發明之特定示範性實施例之經組態用於有效率正向方向之圖4之電動機控制器之示意方塊圖； 圖6是一種根據本發明之特定示範性實施例之經組態用於反向方向的圖4之電動機控制器之示意方塊圖；及圖7是一根據本發明之特定示範性實施例用於控制圖4之電動機控制器之數位裝置。
同時本發明易於進行各種修改及替代形式，其中特定示範性實施例已顯示於該等圖式中及已在文中作了詳細的描述。應明白，然而，文中特定示範性實施例之描述無意於限制本發明於文中之該等特定形式，但與此相反，本發明係已涵蓋了所有修改及相等於由所附請求項之定義。
102‧‧‧電動機
112‧‧‧電壓源
114‧‧‧電壓源回路
400‧‧‧電動機控制器
404‧‧‧電力電晶體
406‧‧‧電力電晶體
408‧‧‧電力電晶體
410‧‧‧二極體
412‧‧‧電感器
424‧‧‧閘極輸入
426‧‧‧閘極輸入
428‧‧‧閘極輸入
440‧‧‧升壓電源供應器
VBUS ‧‧‧VBUS

Claims (19)

  1. 一種用於控制一刷型電動機之旋轉方向及速度之裝置，其包括：一刷型電動機，其具有連接到一電壓源的一第一電力終端；一第一電力電晶體，其耦合於一電壓源回路與該刷型電動機之一第二電力終端之間；一升壓電感器；一第二電力電晶體；一第三電力電晶體；及一電力二極體；其中該升壓電感器之一端耦合於該電壓源，該升壓電感器之另一端耦合於該第三電力電晶體及該電力二極體，該第三電力電晶體耦合於該電壓源回路與該升壓電感器之間，且該第二電力電晶體耦合於該電力二極體與該電動機之該第二電力終端之間；藉此，當該第一電力電晶體為通及該第二電力電晶體為斷時，該刷型電動機旋轉於一第一方向，當該第二電晶體為通及該第一電晶體為斷時，該刷型電動機旋轉於一第二方向，及當該第三電力電晶體為通時，電流自該電壓源流經該升壓電感器到該電壓源回路。
  2. 根據請求項1之裝置，其中當該第三電力電晶體為通時該升壓電感器產生一磁場，以使得當該第三電力電晶體為斷及該第二電力電晶體為通時，該升壓電感器產生跨 該電動機之該第一電力終端與該第二電力終端之間的一第二旋轉方向電壓，致使該電動機以該第二方向進行旋轉。
  3. 根據請求項1之裝置，其中藉由控制該第一電力電晶體何時為通及斷的一脈寬調變信號來決定一第一旋轉速度。
  4. 根據請求項1之裝置，其中藉由控制該第二電力電晶體及該第三電力電晶體何時為通及斷的脈寬調變信號來決定一第二旋轉速度。
  5. 根據請求項4之裝置，其中開啟及關閉該第三電力電晶體以產生跨該刷型電動機之該該第一電力終端與該第二電力終端之間的一第二旋轉電壓。
  6. 根據請求項5之裝置，其中該第二旋轉電壓係用於制動該刷型電動機。
  7. 根據請求項1之裝置，其中該第一、第二及第三電力電晶體均為電力金屬氧化物半導體場效應電晶體。
  8. 根據請求項1之裝置，進一步包括一數位裝置，其耦合於該第一、第二及第三電力電晶體，並且該數位裝置控制該第一、第二及第三電力電晶體之通及斷操作。
  9. 根據請求項8之裝置，其中該數位裝置係選自由下列組成之群：一微處理器、一微控制器、一數位信號處理器(DSP)、一可程式化邏輯陣列(PLA)、及一特定應用積體電路(ASIC)。
  10. 一種用於控制一刷型電動機之旋轉方向及速度之方法， 該方法包括下列步驟：提供一刷型電動機，其具有連接至一電壓源之一第一電力終端；提供一第一電力電晶體，其耦合於一電壓源回路與該刷型電動機之一第二電力終端之間；提供一升壓電感器，其耦合於該電壓源；提供一第二電力電晶體，其耦合於該刷型電動機及該第一電力電晶體；提供一第三電力電晶體，其耦合於該升壓電感器及該電壓源回路之間；提供一電力二極體，其耦合於該升壓電感器與該第二電力電晶體之間；藉由開啟該第一電力電晶體及關閉該第二電力電晶體以使該刷型電動機於一第一旋轉方向旋轉；藉由開啟及關閉該第三電力電晶體，產生極性相反於該電壓源之一第二旋轉方向電壓；及藉由關閉該第一電力電晶體以使該刷型電動機於一第二旋轉方向旋轉及藉由開啟該第二電力電晶體以施加該第二旋轉方向電壓到該刷型電動機。
  11. 根據請求項10之方法，其中該產生該第二旋轉方向電壓之步驟包括：藉由使電流流動通過該升壓電感器及該第三電力電晶體而產生一圍繞於該升壓電感器之磁場之步驟。
  12. 根據請求項10之方法，進一步包括藉由開啟或關閉該第 一電力電晶體以控制一第一旋轉速度之步驟。
  13. 根據請求項12之方法，其中該控制該第一旋轉速度之步驟包含：以一脈寬調變信號開啟或關閉該第一電力電晶體之步驟。
  14. 根據請求項10之方法，進一步包括藉由開啟或關閉該第二電力電晶體以控制一第二旋轉速度之步驟。
  15. 根據請求項14之方法，其中控制該第二旋轉速度之步驟包含：以一脈寬調變信號開啟或關閉該第二電力電晶體之步驟。
  16. 根據請求項10之方法，進一步包括以該第二旋轉方向電壓制動該刷型電動機之步驟。
  17. 根據請求項10之方法，進一步包括以一數位裝置控制該第一、第二及第三電力電晶體之通及斷之時間之步驟。
  18. 根據請求項17之方法，其中以該數位裝置控制該第一、第二及第三電力電晶體之通及斷之時間之該等步驟包含：以自該數位裝置內發出的脈寬調變信號控制該第一、第二及第三電力電晶體之通及斷之時間之步驟。
  19. 根據請求項17之方法，其中該數位裝置係選自由下列組成之群：一微處理器、一微控制器、一數位信號處理器(DSP)、一可程式化邏輯陣列(PLA)、及一特定應用積體電路(ASIC)。
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