TWI577128B - DC motor control device - Google Patents

Description

直流馬達控制裝置

本發明是有關於一種控制裝置， 特別是指一種直流馬達控制裝置。

如圖1 所示，一般直流馬達控制電路100之設計，並無逆接保護設計，一旦使用者錯誤逆接直流電源200時，會導致大電流流經二極體101，而造成開關102與二極體101損壞。且該直流馬達控制電路100設計，會造成流經馬達103的電流振幅變化過大，除了會造成較高EMI輻射干擾外，輸入電流漣波亦較大，而無法準確偵測判斷堵轉電流，易造成誤判而導致直流馬達103損毀。因此，目前的直流馬達控制電路100仍有改良的空間。

因此，本發明之目的，即在提供一種具有逆接保護且易於偵測堵轉電流的直流馬達控制裝置。

於是，本發明直流馬達控制裝置，適用於電連接於一個直流電源與一個直流馬達間，並包含：一個第一開關模組、一個第二開關模組、一個電感元件、一個蓄電元件、一個第一閥控元件，及一個第二閥控元件。該第一開關模組是以其一端電連接於該直流馬達正極與該第一輸入端間，並可於該第一輸入端與該第二輸入端分別電連接該直流電源之正極與負極時被觸發閉合，可於該第一輸入端與該第二輸入端分別電連接該直流電源之負極與正極時被觸發斷開。該第二開關模組是串聯於該直流馬達負極與該第二輸入端間，並可受脈寬調變訊號控制閉合與斷開。該電感元件是以其一端電連接於該第一開關模組之另一端。該蓄電元件是以其一端電連接於該電感元件之另一端，而以其另一端電連接於該第二輸入端。該第一閥控元件是以其一端電連接於該直流馬達負極與該第二開關模組間，而以其另外一端電連接於該電感元件與該蓄電元件間，並可於該第一輸入端導接該直流電源之正極且該第二開關模組閉合時，被觸發單向導通該直流馬達負極與該蓄電元件。該第二閥控元件是與該第二開關模組並聯，並可於該第二輸入端導接該直流電源之正極時， 被觸發單向導通該第二輸入端與該直流馬達。

本發明之功效在於：透過該直流馬達控制裝置的電路設計，可有效降低流經該直流馬達之電流漣波與電磁輻射干擾，使該堵轉電流可更容易且更準確地被偵測，並可提高能源效率，是一種創新的直流馬達控制裝置設計。

參閱圖2與圖3，本發明直流馬達控制裝置之實施例，適用於電連接於一個直流電源700與一個直流馬達800間，並電連接於一個用以控制該直流馬達800轉速的轉速控制裝置（圖未示）。

該直流馬達控制裝置包含一個電源輸入單元31、一個第一開關模組32、一個電感元件33、一個蓄電元件34、一個第二開關模組35、一個第一閥控元件36，及一個第二閥控元件37。該電源輸入單元31是用以電連接於該直流電源700，具有一個第一輸入端311與一個第二輸入端312。

該第一開關模組32、該電感元件33與該蓄電元件34是串聯於該第一輸入端311與該第二輸入端312間。該第一開關模組32是以其一端電連接於該第一輸入端311與該直流馬達800之正極間， 可於該第一輸入端311與該第二輸入端312分別導接該直流電源700之正極與負極時，也就是正接該直流電源700時，被觸發閉合（ON），而於該第一輸入端311與該第二輸入端312分別導接該直流電源700之負極與正極時，也就是逆接該直流電源700時，被觸發斷開（OFF）。

在本實施例中，該第一開關模組32為電晶體開關，例如MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）、GTO（Gate Turn-Offthyristor）或BJT（ bipolar junction transistor） 等，但實施時不以上述類型為限。

該第二開關模組35是一個可接受高頻訊號的功率模組，是串聯於該直流馬達800之負極與該第二輸入端312間，並與該轉速控制裝置電連接，可被該轉速控制裝置輸出之PWM（脈寬調變，Pulse Width Modulation）訊號控制，可在該脈寬調變訊號之工作週期（dutycycle）期間被觸發閉合，所以會根據該脈寬調變訊號反覆交替地在閉合狀態與斷開狀態間切換，進而調變該直流馬達800被驅動運作時的工作電壓，相對調變該直流馬達800的轉速。在本實施例中，該第二開關模組35同樣是電晶體開關製成，例如上述MOSFET、IGBT、GTO或BJ T等，但實施時不以上述類型為限。

該第一閥控元件36是以其一端電連接於該直流馬達800之負極與該第二開關模組35間，而以其另一端電連接於該電感元件33與該蓄電元件34間。在本實施例中，該第一閥控元件36為二極體，是以及其正極電連接於該直流馬達800之該負極端與該第二開關模組35間，而以其負極電連接於該電感元件33與該蓄電元件34間，可於該電源輸入單元31正接該直流電源700，且該第二開關模組35斷開時，被驅動單向導通該直流馬達800負極與該蓄電元件34，但實施時，該第一閥控元件36類型不以此為限。

該第二閥控元件37是與該第二開關模組35並聯，在本實施例中，該第二閥控元件37為二極體，可於該電源輸入單元31逆接該直流電源700時，被觸發單向導通該第二輸入端312與該直流馬達800負極。但實施時，該第二閥控元件37類型不以此為限。

參閱圖3與圖4，本發明直流馬達控制裝置使用時，會將該第二開關模組35訊號連接於該轉速控制裝置，且通常是將該電源輸入單元31正接於該直流電源700。當該電源輸入單元31正接於該直流電源700時，該第一開關模組32會立即被觸發閉合（ON），此時，該第二開關模組35可接收該轉速控制裝置輸出之脈寬調變訊號的控制，而反覆在閉合狀態與斷開狀態間切換，且會隨著該脈寬調變訊號之工作週期大小改變處於閉合狀態之時間，藉此設計，可控制該直流馬達800被驅動運作時的工作電壓大小，該工作電壓大小會等於該直流電源700乘以該脈寬調變訊號之工作週期。由於利用脈寬調變訊號調控該直流馬達800轉速為習知技術，因此不再詳述。

在第二開關模組35閉合期間，也就是在該脈寬調變訊號之高電平的工作週期期間，該直流馬達800會被驅動運作，且會隨著該工作週期大小改變轉速。

當該第二開關模組35斷開時，也就是在該脈寬調變訊號的低電平期間，該第一閥控元件36會被觸發單向導通該直流馬達800與該蓄電元件34，該直流馬達800會轉變成發電機態樣，其產生的反電動勢會開始對該蓄電元件34進行充電，電流迴路如箭頭301所示，當該直流馬達800之反電動勢無法對該蓄電元件34充電，且該直流電源700電壓大於該蓄電元件34電壓時，該直流電源700也會經由該第一開關模組32與該電感元件33而對該蓄電元件34進行充電，電流迴路如箭頭302所示。

當該第二開關模組35再次被該脈寬調變訊號觸發切換至閉合狀態時，除了該直流電源700會用以提供該直流馬達800運作所需之電能外，電流迴路如箭頭303所示，該蓄電元件34也會經由該電感元件33與該第一開關模組32放電以提供部分電能，電流迴路如箭頭304所示，所以該直流電源700不需提供該直流馬達800運作時所需的全部電能，使得整個直流馬達控制裝置會具有較佳能源利用效率。

此外，由於該第二開關模組35斷開時，該直流電源700提供之電能會改由對該蓄電元件34進行充電，所以流經該直流馬達700之電流會緩慢下降，不會驟降，可有效降低流經該直流馬達800之電流的漣波，並相對可降低電磁干擾(Electro Magnetic Interference)，而可更容易且更準確地偵測判斷該直流馬達800之堵轉電流。

參閱圖5，當使用者錯誤逆接該直流電源700時，該第一開關模組32與該第二開關模組35會立即被觸發斷開，且該第二閥控元件37會被觸發單向導通該第二輸入端312與該直流馬達800，使電流流經該直流馬達800，電流迴路如箭頭305所示，以驅動直流馬達800逆轉。因此，當該直流馬達控制裝置逆接該直流電源700時，可避免大電流流經該第一開關模組32與該第二開關模組35， 而造成元件損壞的情況。

綜上所述，透過該直流馬達控制裝置的電路設計，可利用該蓄電元件34有效降低流經該直流馬達800之電流的漣波與電磁輻射干擾，使該堵轉電流可更容易且更準確地被偵測，而易於進行堵轉電流保護，且可利用該蓄電元件34於該第二開關模組35斷開期間會被充電蓄能，而於該第二開關模組35閉合期間可放電提供電能的設計，使得該直流電源700不需提供用以驅動該直流馬達800之全部電能，而可提高整個直流馬達控制裝置的能源效率，可有效改善現有直流馬達800控制電路的缺點，是一種創新的直流馬達控制裝置設計，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

31‧‧‧電源輸入單元

311‧‧‧第一輸入端

312‧‧‧第二輸入端

32‧‧‧第一開關模組

33‧‧‧電感元件

34‧‧‧蓄電元件

35‧‧‧第二開關模組

36‧‧‧第一閥控元件

37‧‧‧第二閥控元件

700‧‧‧直流電源

800‧‧‧直流馬達

本發明之其他的特徵及功效， 將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現， 其中： 圖1 是習知直流馬達控制電路； 圖2 是本發明直流馬達控制裝置的一實施例的電路圖，說明該實施例安裝於一個直流電源與一個直流馬達的態樣； 圖3 是類似圖2 之視圖，示意說明一個第一開關模組與一個第二開關模組被驅動閉合時的電流迴路； 圖4 是類似圖2 之視圖，示意說明該第一開關模組被驅動閉合，而該第二開關模組被驅動斷開時的電流迴路； 及 圖5 是類似圖2 之視圖，示意說明該實施例逆接直流電源時的電流迴路。

<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0014"><TBODY><tr><td> 31········ 電源輸入單元 311······· 第一輸入端 312······ 第二輸入端 32········ 第一開關模組 33········ 電感元件 </td><td> 34········ 蓄電元件 35········ 第二開關模組 36········ 第一閥控元件 37········ 第二閥控元件 800······ 直流馬達 </td></tr></TBODY></TABLE>

Claims (4)

1. 一種直流馬達控制裝置，適用於電連接於一個直流電源與一個直流馬達間，並包含：一個電源輸入單元，具有分別用以電連接於該直流電源的一個第一輸入端與一個第二輸入端；一個第一開關模組，以其一端電連接於該直流馬達正極與該第一輸入端間，並可於該第一輸入端與該第二輸入端分別電連接該直流電源之正極與負極時被觸發閉合，可於該第一輸入端與該第二輸入端分別電連接該直流電源之負極與正極時被觸發斷開；一個第二開關模組，串聯於該直流馬達負極與該第二輸入端間，並可受脈寬調變訊號控制閉合與斷開；一個電感元件，以其一端電連接於該第一開關模組之另一端；一個蓄電元件，以其一端電連接於該電感元件之另一端，而以其另一端電連接於該第二輸入端；一個第一閥控元件，以其一端電連接於該直流馬達負極與該第二開關模組間，而以其另外一端電連接於該電感元件與該蓄電元件間，並可於該第一輸入端導接該直流電源之正極且該第二開關模組斷開時，被觸發單向導通該直流馬達負極與該蓄電元件；及一個第二閥控元件，與該第二開關模組並聯，並可於該第二輸入端導接該直流電源之正極時，被觸發單向導通該第二輸入端與該直流馬達。
2. 如請求項1所述的直流馬達控制裝置，其中，該第一閥控元件為二極體，是以其正極電連接於該直流馬達負極與該第二開關模組間，而以其負極電連接於該電感元件與該蓄電元件間。
3. 如請求項1所述的直流馬達控制裝置，其中，該第二閥控元件為二極體，是以其負極電連接於該第二開關模組與該第一閥控元件間，而以其正極電連接於該第二輸入端。
4. 如請求項1所述的直流馬達控制裝置，其中，該第一開關模組與該第二開關模組分別為電晶體開關。