TWI689150B - 馬達斷電剎車系統及方法 - Google Patents

Abstract

一種馬達斷電剎車系統及方法，用以解決習知馬達斷電剎車的開關操作引發突波破壞馬達線圈繞組的問題。係包含：一電源；一驅動電路，電性連接該電源；一馬達線圈，電性連接該驅動電路；一電壓感測模組，電性連接該電源，用以量測該電源之電壓，並產生一偵測電壓值；及一控制模組，分別電性連接該驅動電路及該電壓感測模組，由該驅動電路引導該電源之一驅動電流進入該馬達線圈，比較該偵測電壓值是否大於一停止電壓，若比較結果為否，則控制該驅動電路形成斷路以中止電流經過該馬達線圈，並維持一持續時間。

Description

馬達斷電剎車系統及方法

本發明係關於一種電力系統防護方法，尤其是一種避免突波導致電路元件損壞的馬達斷電剎車系統及方法。

在電力系統中，開關操作所引起的開關突波(Switching Surge)，係電路中的儲能元件(電感及電容)，在切斷或導通電路的瞬間，造成的暫態電壓波或暫態電流波，突波通常僅存在於電路中數個微秒(microsecond,μs，即百萬分之一秒)，而且突波的波幅往往是正常波幅的數十數百倍，因此，突波發生瞬間的高能量衝擊會造成電路過載，且為一般電路保護元件所來不及反應。

一般馬達的線圈繞組及耦合鐵芯包含絕緣成分，當馬達斷電剎車停止而產生開關突波時，超出馬達使用規格的高電壓或電流可能破壞元件上的絕緣成分，導致線圈繞組短路。因此，馬達反覆作啟動及停止切換而長時間接收突波干擾，將導致馬達的線圈繞組損壞及降低電路元件的使用壽命。

有鑑於此，習知的馬達斷電剎車系統確實仍有加以改善之必要。

為解決上述問題，本發明的目的是提供一種馬達斷電剎車系統及方法，係可以預測突波發生，並防止突波進入馬達線圈繞組。

本發明的馬達斷電剎車系統，包含：一電源，該電源係產生一驅動電流，該電源分別電性連接數個整流元件；一驅動電路，該驅動電路分別透過數個該整流元件電性連接該電源；一馬達線圈，該馬達線圈電性連接該驅動電路，由該驅動電路導引該驅動電流通過該馬達線圈；一電壓感測模組，具有一電壓感測器，及一分壓迴路電性連接該電壓感測器，該分壓迴路透過一個該整流元件電性連接該電源，該電壓感測器用以量測該電源之電壓，並產生一偵測電壓值；及一控制模組，該控制模組透過一個該整流元件電性連接該電源，該控制模組分別電性連接該驅動電路及該電壓感測模組，並接收該偵測電壓值，該控制模組依據該偵測電壓值判斷該電源即將斷電，係由該控制模組產生一控制訊號，切換該驅動電路及該馬達線圈形成斷路並維持一持續時間，再切換該驅動電路及該馬達線圈形成封閉迴路。

本發明的馬達斷電剎車方法，包含：一運轉階段，由一驅動電路引導一電源之一驅動電流進入一馬達線圈，並由一電壓感測模組測量該電源，而得到一偵測電壓值，比較該偵測電壓值是否大於一工作電壓，若比較結果為是，則維持該運轉階段，若比較結果為否，則該電壓感測模組增加單位時間內讀取該偵測電壓值的次數，並繼續比較該偵測電壓值是否大於一停止電壓，若比較結果為是，則維持該運轉階段；及一截止階段，該運轉階段的該偵測電壓值不大於該停止電壓，則由該驅動電路形成斷路以中止電流經過該馬達線圈，並維持一持續時間。

據此，本發明的馬達斷電剎車系統及方法，係藉由偵測該電源之電壓變化預測突波發生，並通過截止該驅動電路以阻斷突波進入該馬達線圈，而降低突波對線圈繞組及電路元件的干擾，係具有避免馬達組件損壞及 增加馬達使用壽命的功效。

其中，各該整流元件電性連接一儲能元件，各該整流元件透過該儲能元件接地。如此，該儲能元件可以是電容，則電壓高時電容充電及電壓低時電容放電，係具有穩定電壓之功效。

其中，該驅動電路是H電橋，該驅動電路具有二上橋單元及二下橋單元，該二上橋單元及該二下橋單元是金屬氧化物半導體場效電晶體。如此，通過控制閘極之電壓可以切換該二上橋單元及該二下橋單元形成導通或斷路，係具有切換電流正向、逆向、短路或斷路等狀態的功效。

其中，該上橋單元電性連接一分壓迴路，該分壓迴路電性連接該電源及串聯一電晶體開關。如此，係分別控制該二上橋單元形成導通或斷路之功效。

其中，該電壓感測器並聯一儲能元件。如此，該儲能元件可以穩定電壓，以避免電壓震盪影響測量，係具有降低電壓偵測誤判機率的功效。

其中，該電壓感測器及該控制模組係一微控制器。如此，係具有整合控制功能並節省安裝空間的功效。

另包含一減速階段，該截止階段維持該持續時間後，進入該減速階段，係由該驅動電路及該馬達線圈形成封閉迴路。如此，馬達慣性旋轉而該馬達線圈可以產生反向感應磁場，係具有馬達剎車的功效。

1:電源

11:整流元件

12:儲能元件

2:驅動電路

21、22:上橋單元

23、24:下橋單元

25:接地端

26:分壓迴路

27:電晶體開關

3:馬達線圈

3a、3b:接電端

4:電壓感測模組

41:電壓感測器

42:分壓迴路

43:儲能元件

5:控制模組

Vcc:直流電供應源

M:微控制器

D:驅動電流

V:偵測電壓值

C:控制訊號

S1:運轉階段

S2:截止階段

S3:減速階段

V1:工作電壓

V2:停止電壓

T:持續時間

〔第1圖〕本發明一較佳實施例的系統方塊圖。

〔第2圖〕本發明一較佳實施例的電路圖。

〔第3圖〕本發明一較佳實施例的方法流程圖。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參照第1圖所示，其係本發明馬達斷電剎車系統的較佳實施例，係包含一電源1、一驅動電路2、一馬達線圈3、一電壓感測模組4及一控制模組5，該電源1分別電性連接該驅動電路2及該電壓感測模組4，該驅動電路2電性連接該馬達線圈3，該控制模組5分別電性連接該驅動電路2及該電壓感測模組4。

請參照第2圖所示，該電源1包含一直流電供應源Vcc，該電源1還可以包含數個整流元件11，該直流電供應源Vcc分別電性連接該數個整流元件11，該整流元件11可以是整流二極體，該數個整流元件11係可以防止電流逆流至該直流電供應源Vcc；各該整流元件11還可以電性連接一儲能元件12，各該整流元件11透過該儲能元件12接地，該儲能元件12可以是電容，具有穩定電壓之功效。

該驅動電路2可以是H電橋(H-bridge)，該驅動電路2具有二上橋單元21、22及二下橋單元23、24，該二上橋單元21、22及該二下橋單元23、24可以是金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)，該二上橋單元21、22之源極電性連接該電源1，該二下橋單元23、24之源極電性連接一接地端25。另外，該二上橋單元21、22之閘極還可以分別電性連接一分壓迴路26，各該分壓迴路26電性連接該電源1及串聯一電晶體開關27，如此，該電源1、該分壓迴路26及該電晶體開關27係可以控制該閘極之電壓，具有分別控制該二上橋單元21、22形成導通或斷路之功效。

該馬達線圈3係由金屬導線纏繞形成數個繞線組，本實施例中該馬達線圈3具有二接電端3a、3b，係用於單相馬達，惟，本發明還可以應用於雙相、三相等馬達，不以此為限。該馬達線圈3之該接電端3a電性連接該上橋單元21之汲極及該下橋單元23之汲極，該接電端3b電性連接該上橋單元22之汲極及該下橋單元24之汲極，該馬達線圈3經由該驅動電路2通電產生電磁場，係可以與永久磁鐵作用，產生磁力推動馬達旋轉。

該電壓感測模組4由一電壓感測器41電性連接一分壓迴路42，該分壓迴路42電性連接該電源1，該電壓感測器41係可以偵測該電源1之電壓變化，另外，該電壓感測器41還可以並聯一儲能元件43，該儲能元件43可以是電容，具有穩定電壓之功效。

該控制模組5分別電性連接該二電晶體開關27之基極及該二下橋單元23、24之閘極，該控制模組5係可以藉由分別控制該二電晶體開關27及下橋單元23、24為通路或斷路，以切換該馬達線圈3通過該驅動電路2形成不同電流方向之通路、封閉迴路及斷路等狀態。另外，該控制模組5及該電壓感測器41較佳整合為一微控制器(Micro Control Unit,MCU)M，且該微控制器M電性連接該電源1，係可以由該電源1供應該控制模組5及該電壓感測器41所使用之電力。

請參照第1圖所示，據由前述結構，該電源1產生一驅動電流D，由該驅動電路2導引該驅動電流D通過該馬達線圈3，該電壓感測模組4用以量測該電源1之電壓，並產生一偵測電壓值V，由該控制模組5接收該偵測電壓值V，該控制模組5依據該偵測電壓值V產生一控制訊號C，再由該驅動電路2接收該控制訊號C，該驅動電路2依據該控制訊號C切換該馬達線圈3之導通狀態。

請參照第1及2圖所示，該驅動電路2依據該控制訊號C可 以使該上橋單元21及該下橋單元24為通路，且該上橋單元22及該下橋單元23為斷路，使該驅動電流D以該接電端3a往接電端3b之方向通過該馬達線圈3；或使該上橋單元22及該下橋單元23為通路，且該上橋單元21及該下橋單元24為斷路，使該驅動電流D以該接電端3b往接電端3a之方向通過該馬達線圈3。如此，該驅動電路2依據該控制訊號C輪流切換該馬達線圈3上的電流方向，係可以使該馬達線圈3產生的磁極變化，持續推動馬達之轉子旋轉。

該驅動電路2依據該控制訊號C還可以使該二上橋單元21、22及該二下橋單元23、24均為斷路，使該馬達線圈3成斷電狀態。如此，開關操作所引起的開關突波係無法進入該馬達線圈3，具有避免突波造成繞組損壞的功效，而馬達之轉子會因為慣性作用繼續旋轉。

該驅動電路2依據該控制訊號C還可以使該二上橋單元21、22為斷路，使該二下橋單元23、24及該馬達線圈3形成封閉迴路，如此，當馬達之轉子因為慣性作用旋轉而使通過該馬達線圈3之磁通量變化時，該馬達線圈3產生反向感應磁場，以抵銷通過該馬達線圈3之磁通量變化，而反向之磁場具有馬達剎車的功效。

請參照第3圖所示，其係本發明馬達斷電剎車方法的較佳實施例之流程圖，係包含一運轉階段S1、一截止階段S2及一減速階段S3。

該運轉階段S1，係由該驅動電路2引導該電源1之該驅動電流D進入該馬達線圈3，且該電壓感測模組4讀取該偵測電壓值V，再由該控制模組5比較該偵測電壓值V是否大於一工作電壓V1，若比較結果為是，則維持該運轉階段S1，若比較結果為否，則該電壓感測模組4增加單位時間內讀取該偵測電壓值V的次數，並繼續比較該偵測電壓值V是否大於一停止電壓V2，若比較結果為是，則維持該運轉階段S1，若比較結果為否，則進入 該截止階段S2。其中，該工作電壓V1大於該停止電壓V2。

該截止階段S2，係由該控制模組5以該控制訊號C切換該驅動電路2形成斷路，使電流無法進入該馬達線圈3，該截止階段S2維持一持續時間T後，進入該減速階段S3。在該截止階段S2中，突波係無法進入該馬達線圈3，具有避免突波造成馬達線圈3之繞組損壞的功效。

該減速階段S3，係由該控制模組5以該控制訊號C切換該驅動電路2及該馬達線圈3形成封閉迴路。該馬達線圈3依慣性旋轉而產生反向感應磁場，具有剎停馬達旋轉的功效。

綜上所述，本發明的馬達斷電剎車系統及方法，係藉由偵測該電源之電壓變化預測突波發生，並藉由截止該驅動電路以阻斷突波進入該馬達線圈，而降低突波對線圈繞組及電路元件的干擾，係具有避免馬達組件損壞及增加馬達使用壽命的功效。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1      電源 2      驅動電路 3      馬達線圈 4      電壓感測模組 5      控制模組 D     驅動電流                              V     偵測電壓值 C      控制訊號

Claims (8)

1. 一種馬達斷電剎車系統，包含：一電源，該電源係產生一驅動電流，該電源分別電性連接數個整流元件；一驅動電路，該驅動電路分別透過數個該整流元件電性連接該電源；一馬達線圈，該馬達線圈電性連接該驅動電路，由該驅動電路導引該驅動電流通過該馬達線圈；一電壓感測模組，具有一電壓感測器，及一分壓迴路電性連接該電壓感測器，該分壓迴路透過一個該整流元件電性連接該電源，該電壓感測器用以量測該電源之電壓，並產生一偵測電壓值；及一控制模組，該控制模組透過一個該整流元件電性連接該電源，該控制模組分別電性連接該驅動電路及該電壓感測模組，並接收該偵測電壓值，該控制模組依據該偵測電壓值判斷該電源即將斷電，係由該控制模組產生一控制訊號，切換該驅動電路及該馬達線圈形成斷路並維持一持續時間，再切換該驅動電路及該馬達線圈形成封閉迴路。
2. 如申請專利範圍第1項所述之馬達斷電剎車系統，其中，各該整流元件電性連接一儲能元件，各該整流元件透過該儲能元件接地。
3. 如申請專利範圍第1項所述之馬達斷電剎車系統，其中，該驅動電路是H電橋，該驅動電路具有二上橋單元及二下橋單元，該二上橋單元及該二下橋單元是金屬氧化物半導體場效電晶體。
4. 如申請專利範圍第3項所述之馬達斷電剎車系統，其中，該上橋單元電性連接一分壓迴路，該分壓迴路電性連接該電源及串聯一電晶體開關。
5. 如申請專利範圍第1項所述之馬達斷電剎車系統，其中，該電壓感測器並聯一儲能元件。
6. 如申請專利範圍第1項所述之馬達斷電剎車系統，其中，該電壓感測器及該控制模組係整合為一微控制器。
7. 一種馬達斷電剎車方法，包含：一運轉階段，由一驅動電路引導一電源之一驅動電流進入一馬達線圈，並由一電壓感測模組測量該電源，而得到一偵測電壓值，比較該偵測電壓值是否大於一工作電壓，若比較結果為是，則維持該運轉階段，若比較結果為否，則該電壓感測模組增加單位時間內讀取該偵測電壓值的次數，並繼續比較該偵測電壓值是否大於一停止電壓，若比較結果為是，則維持該運轉階段；及一截止階段，該運轉階段的該偵測電壓值不大於該停止電壓，則由該驅動電路形成斷路以中止電流經過該馬達線圈，並維持一持續時間。
8. 如申請專利範圍第7項所述之馬達斷電剎車方法，另包含一減速階段，該截止階段維持該持續時間後，進入該減速階段，係由該驅動電路及該馬達線圈形成封閉迴路。

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