TWM597890U - 電動機動態煞車控制系統 - Google Patents

Abstract

一種電動機動態煞車控制系統，透過全橋逆變器的第一電路全關並動態調控第二電路導通的時間占比，切換電流於電動機內阻消耗或回灌直流母線(DC Bus)之時間占比，過程中也透過監看電壓與電流回授進行第二電路導通狀態於每個脈波寬度調變週期的時間占比的調控，防止電流過高傷害全橋逆變器及電動機，亦防止直流母線之電壓超過容許範圍。利用動態調控第二電路導通狀態於每個脈波寬度調變週期的時間占比技術，不需硬體動態煞車相關硬體配合，即可達到更佳煞車效率。

Description

電動機動態煞車控制系統

本創作是關於一種電動機動態煞車，尤其是關於利用軟體調控以達到更佳煞車效率的電動機動態煞車控制方法及其系統。

動態煞車用於驅動在機床或工業機械的進給軸、工業用機器人等中使用的同步電動機的電動機驅動裝置中，例如，為了保護同步電動機以及電動機驅動裝置不受過電流或過負荷等異常的影響，設置使電動機驅動裝置報警停止的安全裝置。此外，有時為了用戶(操作者)出於某種原因使同步電動機緊急停止，在電動機驅動裝置中設置緊急停止按鈕。

如美國專利US8803458主要採取硬體方式，只是在硬體動態煞車開關啟動前，採軟體動態煞車開啟下臂電路，直到硬體動態煞車啟動才關閉軟體動態煞車，用以得到最短的煞車距離與延長繼電器壽命。

如此，現有動態煞車(Dynamic brake)需要額外的外加硬體配合，增加成本，也增加零件損耗所產生的後續維修的問題。

於是，為解決習知動態煞車(Dynamic brake)需要額外的外加硬體配合，本創作的目的即在提供一種電動機動態煞車控制方法及其系統，不需動態煞車相關硬體配合，即可達到更佳煞車效率。

為達上述目的，本創作揭露一種電動機動態煞車控制方法，其方法包括：當一驅動器收到需動態煞車一電動機的訊息後，該驅動器控制連接該電動機的一全橋逆變器，使該全橋逆變器內一第一電路的開關元件全部斷開且一第二電路的開關元件全部導通，及該第一電路的開關元件全部斷開且該第二電路的開關元件全部斷開，二種狀態的循環切換於每個脈波寬度調變週期；該驅動器檢測得該電動機當時的電流值，當該電動機當時的電流值在一第一電流值與一第二電流值區間時，該第二電路的開關元件全部導通於每個脈波寬度調變週期的時間占比不改變；其中該第二電流值大於該第一電流值；當該電流值小於或等於該電動機的該第一電流值時，增加該第二電路的開關元件全部導通於每個脈波寬度調變週期的時間占比；以及當該電流值大於該電動機的該第二電流值時，減少該第二電路的開關元件全部導通於每個脈波寬度調變週期的時間占比。

本創作揭露一種電動機動態煞車控制系統，其系統包括：一電動機；一全橋逆變器連接該電動機，該全橋逆變器內設有一第一電路及一第二電路；一驅動器耦接該電動機及該全橋 逆變器；當該驅動器收到需動態煞車該電動機的訊息後，該驅動器控制該全橋逆變器內該第一電路的開關元件全部斷開且第二電路的開關元件全部導通，及該第一電路的開關元件全部斷開且第二電路的開關元件全部斷開，二種狀態的循環切換於每個脈波寬度調變週期；該驅動器檢測得該電動機當時的一電流值，當該電流值小於該電動機的一第一電流值時，增加該第二電路的開關元件全部導通於每個脈波寬度調變週期的時間占比；當該電流值大於該電動機的一第二電流值時，減少該第二電路的開關元件全部導通於每個脈波寬度調變週期的時間占比；其中該第二電流值大於該第一電流值。

整體實現方法為，透過全橋逆變器的第一電路全關並動態調控第二電路導通的時間占比，藉此將電動機控制在最佳的煞車狀態，達到高速運轉遇緊急狀況時能快速煞車之目的。動態調控第二電路導通狀態於每個脈波寬度調變週期的時間占比，目的在於切換電流於電動機內阻消耗或回灌直流母線(DC Bus)之時間占比，過程中也透過監看電壓與電流回授進行第二電路導通狀態於每個脈波寬度調變週期的時間占比的調控，防止電流過高傷害全橋逆變器及電動機，亦防止直流母線之電壓超過容許範圍。

本創作的優點在於，不需要額外的外加硬體配合，在不增加成本與零件損耗的情況下，可減少後續維修的問題。利用動態調控第二電路導通狀態於每個脈波寬度調變週期的時間占比技術，不需動態煞車相關硬體配合，即可達到更佳煞車效率。

100‧‧‧全橋逆變器

110‧‧‧第一電路

120‧‧‧第二電路

200‧‧‧電動機

300‧‧‧驅動器

301‧‧‧緊急停止信號

310、320‧‧‧訊號線

400‧‧‧直流母線

Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6‧‧‧開關元件

S501、S502、S503、S504、S505、S505、S507‧‧‧步驟

圖1為本創作電動機驅動裝置的電路示意圖。

圖2為本創作的電路狀態一示意圖。

圖3為本創作的電路狀態二示意圖。

圖4為本創作電動機動態煞車的動作流程圖。

為了使本技術領域的人員更好地理解本創作方案，下面將結合本創作實施例中的附圖，對本創作實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本創作一部分的實施例，而不是全部的實施例。基於本創作中的實施例，本領域普通技術人員所做的等效變化與修飾前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬於本創作保護的範圍。

需要說明的是，本創作的說明書和權利要求書及上述附圖中的術語“第一”、“第二”等是用於區別類似的物件，而不必用於描述特定的順序或先後次序。應該理解這樣使用的資料在適當情況下可以互換，以便這裡描述的本創作的實施例能夠以除了在這裡圖示或描述的那些以外的順序實施。此外，術語“包括”和“具有”以及他們的任何變形，意圖在於覆蓋不排他的包含，例如，包含了一系列步驟或單元的過程、方法、裝置、產品或設備不必限於清楚地列出的那些步驟或單元，而是可包括沒有清楚地列出的或對於這些過程、方法、產品或設備固有的其它步 驟或單元。

首先，請參閱圖1為本創作電動機驅動裝置的電路示意圖。一種電動機動態煞車控制系統，裝置於將直流轉換為交流並將該交流作為驅動電力驅動同步電動機，其系統包括：一電動機200；一全橋逆變器100連接該電動機200，該全橋逆變器100內設有一第一電路110及一第二電路120，在第一電路110以及第二電路120分別設置多組開關元件Q1~Q6(每個開關元件包含並聯連接的電晶體與二極體)，通過對各開關元件Q1~Q6進行接通斷開控制，將在直流母線400的直流(Vdc)轉換為交流的全橋逆變器100。

在正常使用狀態下，該全橋逆變器100多組開關元件Q1~Q6形成的逆變元件，且電動機200的每個電源輸入端U、V和W分別連接在相應的一對開關元件(Q1與Q4，Q2與Q5，Q3與Q6)之間，從而輸入來自全橋逆變器100的三相電壓。

此外，在此雖然未圖示，但是，在全橋逆變器100左側的直流母線(DC Bus)400(直流輸入側Vdc)設置了將從工業用的交流電源輸入的交流轉換為直流後輸出的變換器。

一驅動器300透過訊號線310連接該全橋逆變器100，且透過訊號線320連接該電動機200用以接收其電流回授。該驅動器300為了將輸入的直流轉換為用於驅動該電動機200希望的頻率的交流，對全橋逆變器100輸出用於對開關元件Q1~Q6進行脈波寬度調變週期(PWM)控制的PWM開關指令。當電動機200驅動裝置尚未接收到緊急停止信號時(即無需執行動態煞車時)，該驅動器 300為了將輸入的直流轉換為用於驅動電動機200的交流電頻率，將用於對開關元件Q1~Q6進行接通斷開控制的開關指令輸出到全橋逆變器100。在這個期間，不輸入緊急停止信號，全橋逆變器100的第一電路110以及第二電路120的開關元件Q1~Q6按照PWM開關指令，進行PWM開關動作，全橋逆變器100將所輸入的直流(Vdc)轉換為用於驅動電動機200的交流電頻率。

請再參閱圖2及圖3為本創作的電路狀態一及狀態二之示意圖。當該驅動器300收到需動態煞車該電動機200的緊急停止信號301(或者報警通知信號)後，該驅動器300將控制該全橋逆變器100內的開關元件Q1~Q6於每個脈波寬度調變週期(PWM)內由以下兩種狀態進行切換：狀態一：使該全橋逆變器100內第一電路110的開關元件Q1~Q3全部斷開(off)，且第二電路120的開關元件Q4~Q6全部導通(on)，如圖2所示。狀態二：第一電路110的開關元件Q1~Q3全部斷開(off)且第二電路120的開關元件全部斷開Q4~Q6(off)，如圖3所示。將這二種狀態的循環切換於每個脈波寬度調變週期內。

狀態一：第一電路110的開關元件Q1~Q3全部斷開(off)，第二電路120的開關元件Q4~Q6全部導通(on)時，該電動機200三相短路，電流將於電動機200三相中互相流通，並透過內阻消耗能量。狀態一的時間占比即為第二電路120的開關元件Q4~Q6全部導通(on)於每個脈波寬度調變週期的時間占比。

狀態二：第一電路110的開關元件Q1~Q3全部斷開 (off)且第二電路120的開關元件Q4~Q6全部斷開(off)。狀態一切換至狀態二時，電動機200中之電流得以流入直流母線400中。狀態二之時間占比即為100%減去狀態一的時間占比。

實施上，當第二電路120的開關元件Q4~Q6全部導通(on)時(狀態一)，該電動機200內電流因反電動勢而上升，需適時切換為狀態二，使電動機200中之電流得以流入直流母線400中，防止電動機200與全橋逆變器100內的電流過高，此外亦加速消耗電動機200能量。而煞車過程中反電動勢隨轉速降低，若第二電路120的開關元件Q4~Q6全部導通(on)的時間占比固定(狀態一的時間占比固定)，煞車電流會漸低，煞車力道漸弱，使煞車距離過大；若狀態一的時間占比能在煞車過程中持續增加，則能使電流維持操作在較高電流，增加煞車效率並減短煞車距離。

隨轉速降低增加狀態一的時間占比可提升煞車效率，但過程中電流可能持續提升至安全範圍外，有造成電動機200或全橋逆變器100燒毀的疑慮。

請再參考圖4，為本創作電動機動態煞車的動作流程圖。實施上，除增加第二電路120導通(on)的時間占比提高煞車效率外，亦需使驅動器300或電動機200之電流操作在安全範圍內，也需要控制第二電路120導通(on)的時間占比，將電流控制在所需要的電流範圍內。

在步驟S501中，設定第二電路120導通(on)的時間占比。當該驅動器300收到需動態煞車該電動機200的緊急停止信號 301(或者報警通知信號)後，一開始設定該第二電路120的開關元件Q4~Q6全部導通(on)的起始導通狀態於每個脈波寬度調變週期的時間占比。

更進一步，該第二電路120的開關元件Q4~Q6全部導通(on)的起始導通狀態的時間占比為100%減去該電動機的反電動勢/輸入該全橋逆變器的直流電壓的百分比。如此一來，針對不同的電動機200，均可減少其煞車時間與煞車距離。

在步驟S502中，判斷電流是否小於或等於最大電流80%。該驅動器300檢測得該電動機200當時的電流值，當該電流值小於或等於該電動機200的一第一電流值時(第一電流值可以是最大電流70%~80%，本實施例以最大電流80%為說明例)，則進行步驟S503，增加時間占比不超過100%(該第二電路120的開關元件Q4~Q6全部導通(on)的狀態於每個脈波寬度調變週期的時間占比最大值為100%)，增加該第二電路120的開關元件Q4~Q6全部導通(on)於每個脈波寬度調變週期的時間占比，加強煞車力道。當該電流值大於該電動機200的第一電流值時，則進入步驟S504。

值得注意的是，在本創作實施例中，電動機200與驅動器300各自所能承受的最大電流可以相同或相異，以下分別說明三種情況。第一、當電動機200與驅動器300各自所能承受的最大電流相同時，第一電流值可設定為最大電流80%。第二、電動機200所能承受的最大電流大於驅動器300所能承受的最大電流時，第一電流值可設定為驅動器300最大電流80%。第三、電動機200所能承 受的最大電流小於驅動器300所能承受的最大電流時，第一電流值可設定為電動機200最大電流80%。

然而，隨著電動機200的種類不同，第一電流值的設定範圍也會有所差異，在另一實施例中，第一電流值可為電動機200所能承受的最大電流70%。值得注意的是，第一電流值具有一定的設定範圍，設定太低(如電動機200所能承受的最大電流50%)會讓煞車效率變差；設定太高(如電動機200所能承受的最大電流95%)則會造成電流快速上升超過電動機200或驅動器300所能承受的最大電流而受損。

步驟S504中，當該電流值大於該電動機200的一第二電流值時(此實施例第二電流值為最大電流100%)，則進行步驟S505，降低時間占比不小於0%(該第二電路120的開關元件Q4~Q6全部導通(on)的狀態於每個脈波寬度調變週期的時間占比最小值為0%)，減少該第二電路120的開關元件Q4~Q6全部導通(on)於每個脈波寬度調變週期的時間占比，防止電動機200或驅動器300過電流。其中所述的第二電流值大於第一電流值。

值得注意的是，在本創作實施例中，電動機200與驅動器300各自所能承受的最大電流可以相同或相異，以下分別說明三種情況。第一、當電動機200與驅動器300各自所能承受的最大電流相同時，第二電流值可設定為最大電流100%。第二、電動機200所能承受的最大電流大於驅動器300所能承受的最大電流時，第二電流值可設定為驅動器300最大電流100%。第三、電動機200 所能承受的最大電流小於驅動器300所能承受的最大電流時，第二電流值可設定為電動機200最大電流100%。

步驟S504中，當該電流值小於或等於該電動機200的第二電流值時，則進入步驟S506；且步驟S503及步驟S505調整好狀態一的時間占比後，也進入步驟S506。

如果前述狀態一的時間占比介於兩者間(0%~100%)則維持當下狀態一的的時間占比，進行步驟S506的時間占比輸出，該驅動器300將控制該全橋逆變器100內的開關元件Q1~Q6進行狀態一與狀態二這二種狀態的循環切換於每個脈波寬度調變週期內，進行電動機200動態煞車。

步驟S506後進入步驟S507判斷煞車是否完成(例如與電動機200的目標轉速比較)，如果已完成，則完成電動機200動態煞車程序。如果未完成則再回到步驟S502進行循環動作。

實施中，上述動作時間占比的調控過程中，前述電流小於或等於80%最大電流，則持續增加該第二電路120的開關元件Q4~Q6全部導通(on)於每個脈波寬度調變週期的時間占比。如果前述電流超過80%最大電流後，若介於80~100%則不調整第二電路120的開關元件Q4~Q6全部導通(on)於每個脈波寬度調變週期的時間占比。而隨電機減速，反電動勢降低，則電流會再次低於80%最大電流，此時再增加狀態一的時間占比，使其回到80~100%最大電流區間。

其中，當狀態一的時間占比達100%而無法再提升， 而隨電動機200減速，反電動勢降低，回流的電流亦逐漸降低，最後電動機200煞車完成。在前述控制時間占比的演算法下，煞車時的電流多操作在80~100%最大電流內，所以本創作技術使用上無過電流的疑慮。

除了前述控制電流的時間占比演算法之外，儘管電流小於或等於80%最大電流，但當直流母線400(直流輸入側Vdc)的電壓大於設定的一電壓值(即驅動器300的保護電壓)時，實施上可以將該電壓值設定為驅動器300最大可容許電壓的90%，此時依然須降低該第二電路120的開關元件Q4~Q6全部導通(on)於每個脈波寬度調變週期的時間占比，減少電流回灌；待直流母線400間的電壓恢復到安全範圍後，才恢復到前述的電流控制機制。

值得注意的是，驅動器300的保護電壓不可設定的過高(如驅動器300最大可容許電壓的100%)，若設定過高易造成過衝使得驅動器300損壞。

例如，該驅動器300可容許最大電壓為400V，小瓦數驅動器搭配大瓦數電機及高慣量，於3000rpm下進行動態煞車使電壓回灌，在無電壓保護下，電壓最大抬升至409V，有安全疑慮；加入這電壓保護後，最大電壓僅抬升至360V，效果顯著且無安全疑慮。

本創作透過全橋逆變器100的第一電路110全關並動態調控第二電路120導通的時間占比，藉此將電動機200控制在最佳的煞車狀態，達到高速運轉遇緊急狀況時能快速煞車之目的。 動態調控第二電路120導通狀態於每個脈波寬度調變週期的時間占比，防止電流過高傷害全橋逆變器100及電動機200，亦防止直流母線400之電壓超過容許範圍。在不需要額外的外加硬體配合，不增加成本與零件損耗的情況下，利用動態調控第二電路120導通狀態於每個脈波寬度調變週期的時間占比技術，不需硬體動態煞車相關硬體配合，即可達到更佳煞車效率。

惟以上所述者，僅為本創作之較佳實施例而已，當不能以此限定本創作實施之範圍，即大凡依本創作申請專利範圍及新型說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本創作專利涵蓋之範圍內。

100‧‧‧全橋逆變器

110‧‧‧第一電路

120‧‧‧第二電路

200‧‧‧電動機

300‧‧‧驅動器

301‧‧‧緊急停止信號

310、320‧‧‧訊號線

400‧‧‧直流母線

Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6‧‧‧開關元件

Claims (7)

1. 一種電動機動態煞車控制系統，其系統包括：

   一電動機；

   一全橋逆變器，其連接該電動機，該全橋逆變器內設有一第一電路及一第二電路；

   一驅動器，其耦接該電動機及該全橋逆變器，其中，當該驅動器收到需動態煞車該電動機的訊息後，該驅動器控制該全橋逆變器內該第一電路的開關元件全部斷開且第二電路的開關元件全部導通，及該第一電路的開關元件全部斷開且第二電路的開關元件全部斷開，二種狀態的循環切換於每個脈波寬度調變週期；

   該驅動器檢測得該電動機當時的電流值，當該電流值小於或等於該電動機的一第一電流值時，增加該第二電路的開關元件全部導通於每個脈波寬度調變週期的時間占比；

   當該電流值大於該電動機的一第二電流值時，減少該第二電路的開關元件全部導通於每個脈波寬度調變週期的時間占比；以及，其中該第二電流值大於該第一電流值。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電動機動態煞車控制系統，其中，當該電動機的電流值在該第一電流值與該第二電流值區間時，該第二電路的開關元件全部導通於每個脈波寬度調變週期的時間占比不改變。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電動機動態煞車控制系統，其中， 進一步該第二電路的開關元件全部導通的起始導通狀態的時間占比為100%減去該電動機的反電動勢/輸入該全橋逆變器的直流電壓的百分比。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電動機動態煞車控制系統，其中，該第二電路的開關元件全部導通的狀態於每個脈波寬度調變週期的時間占比最大值為100%。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電動機動態煞車控制系統，其中，該第二電路的開關元件全部導通的狀態於每個脈波寬度調變週期的時間占比最小值為0%。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電動機動態煞車控制系統，其中該第一電流值為該電動機最大電流值的70%~80%，該第二電流值為該電動機最大電流值的100%。
7. 如申請專利範圍第1項所述之電動機動態煞車控制系統，其中，當輸入該全橋逆變器的直流電壓大於設定的一電壓值時，減少該第二電路的開關元件全部導通於每個脈波寬度調變週期的時間占比。

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