專利名稱：使用于無刷直流馬達的電子剎車暨能源回收系統的制作方法
技術領域：
本發明是關于一種使用于無刷直流馬達的電子剎車暨能源回收系統。
背景技術：
早期的電子剎車系統是基于定速控制電機產品的需要，例如常見的殘障代步車(Medical Scooter)，市場或工廠內的電動拖車(electro-trailer)，這些電動機(Electrical Machine)的設計考慮在于如何提供安全而可靠的電子控速(Electronic Speed-Control)，因此如何通過電動機提供平順可靠(smoothand reliable)的剎車阻力，成為這一類產品的設計重點。由于直流馬達可同時用于將電能轉化成動力，或將動能以發電方式轉化成電能，隨著電子及電機的技術發展的過程中，電動車的續航能力便逐漸成為設計的重要指標，行進能源使用效率逐漸成為設計的重點，因此在同一顆直流無刷馬達中，是否能在電子剎車的同時，將多余的動能轉換成電能回存電池，逐漸成為技術研發的重點。
直流有刷馬達(DC Blush Motor)雖然有碳刷阻抗及碳刷造成粉塵的問題，但是由于直流有刷馬達等效的內部繞阻(Equivalent Internal Winding)只有一組，因此具有易于控制，并且控制器的成本較低等優點，而近年來電力電子(Power Electronic)的技術發展，趨向快速精確(High-Speed and Accurate)的控制訊號，使得高功率的金氧半場效晶體管(Metal Oxide Semiconductor FET，MOSFET)能以更高的效率控制電能的方向，電子剎車的目的便不再只是提供減速時所需的阻力，而可靠且具有效率(reliable and high efficient)的直流無刷馬達，便成為電子剎車技術的研發重點。
而目前使用于殘障代步車的電機系統，仍以直流有刷馬達為主，主要的考量在以簡單的控制系統提供平順而可靠速度控制。如圖1、圖2及圖3所示，就是直流有刷馬達系統工作時的示意圖。由于直流有刷馬達內部只有單一等效線圈(Single Equivalent Coil)，此一線圈的電流走向便是馬達扭力的方向。如圖1中的四顆金氧半場效晶體管的開啟或關閉，便可輕易決定線圈內的電流走向，即馬達的扭力方向。由于馬達線圈上的感應電壓大約是與馬達的轉速成正比，在高轉速下激活電子剎車時，馬達的感應電壓較大，甚至或等于電池電壓(極速下，under maximum speed)，此時只需開啟另一側下臂(low-side)的MOSFET，便可以線圈上的感應電壓對線圈上的電感充磁，而在此一下臂的MOSFET關閉時，電感的電流慣性所形成的感應電動勢，便會強迫電流通過MOSFET的寄生二極管(body diode)，而將電能回送至電源端。在馬達轉速較低時，馬達線圈上的感應電壓較低，而馬達線圈電流的增加較慢(ε_motor×Δt_ON＝L_motor×Δi_motor)，單純以下臂調節已無法提供足夠的剎車扭力，此時必需啟用反轉電流，以提升反向扭力，以此阻止電動機的前進，此時的運作是屬于一種損耗電能的電子剎車。但由于此時繞組相電流的增加，同時來自于電源電壓及馬達的感應電壓，又沒有適當的電能釋放時間，在使用上必需注意反向扭力的增加幅度，并輔以適時的機械剎車剎車，以確保電動機停止后，不會朝反方向運動。現有的電子剎車系統，并不考慮能源回收的問題，而只著重在如何有效的控制電動機的速度。因此現有的有刷控制系統只能滿足剎車的效果。
而現有的直流無刷馬達的運作方式，如圖4所示。圖中馬達為三相線圈繞阻，在考慮電子剎車或能源回收的機制上較為困難，傳統上可將馬達繞組成視為電感組件，而馬達的轉速可反應于線圈上的感應電壓，理論上可使用固態開關(Solid Switch-Relay)或其它電子開關(Electronic Switch，such as MOSFET，and BJT)適時的切換，將電能回送至對應感應電壓的電池組或超電容中(SuperCapacitor)，如此以動能回送至電能的基本概念運作，所有控制的依據只是偵測到的感應電壓，確實可以大幅減少控制的復雜度，理論上也可避免馬達相間電流的失控，而燒毀系統。但是實際使用上，電源電池組是不容許有單電池之間(Battery Cell)的容量差異，若使用超電容，再以直流轉換升壓(BoostConverter)的方式，回送至電源端，除了必需考慮電能的轉換效率，也需要額外的電路才能完成。
若是將直流有刷馬達的控制機制用于直流無刷馬達，則控制機制可能如圖5及圖6所示。除了必需忍受相同的問題，例如必需同時內建兩種控制機制以便適應高、低速時的感應電壓，低速模式的扭力增加十分快速，能量回收比例不高，必需使用機械輔助剎車，同時更必需建立雙向的電流感知器(Bi-directional Current Sensor)，以偵測線圈內反向電流的大小，而更重要的是此一剎車機制必需假設其它兩相(Phase)均不會因感應電壓而產生感應電流，干擾原有的控制機制。
由此可見，上述現有技術仍有諸多問題及不足，而亟待加以改良。
發明內容
本發明的目的在于提供一種使用于無刷直流馬達的電子剎車暨能源回收系統，可在不變更原有硬件架構下，使得上、下臂在關閉時，馬達線圈的電流將回灌到電源端，實現能源的回收。
本發明的技術解決方案是在電子剎車系統激活時，該系統將以反轉模式的電壓施在馬達線圈上，通過同步切換(Synchronous Switching)控制上、下臂的金氧半場效晶體管(MOSFET)動作(具有六種組合控制方式)，使得上、下臂在關閉時，馬達線圈的電流將回灌到電源端，達到能源回收的目的。
本發明借著簡單的電子柵位(Gate Voltage)訊號的轉換，即可輕易實踐控制反向扭力剎車能源回收的功能，同時提供電動機平順而可靠的剎車扭力，且不因多相線圈而需要復雜的電路架構，將馬達動能做最大比例的回收。
圖1為現有直流有刷控制器動力輸出時的電流方向示意圖；圖2為現有直流有刷控制器在高速運轉時，以下臂切換控制電流方向，以此輸出反向扭力的示意圖；圖3為現有直流有刷控制器在低速運轉時，以上臂切換控制電流方向的示意圖；圖4為現有直流無刷控制器動力輸出時的電流方向示意圖(另外兩相均為截止狀態)；圖5為現有直流無刷控制器在高速運轉時，以下臂切換控制電流方向的示意圖；圖6為現有直流無刷控制器在低速運轉時，以上臂切換控制電流方向的示意圖；圖7為本發明的直流無刷控制器，以反向的上、下臂切換控制電流方向的示意圖；圖8為本發明的直流無刷控制器，以反向的上、下臂切換控制，同時考慮三相電流方向的示意圖；圖9為本發明以簡單的邏輯柵(Gate Array Logics)實踐電子剎車控制的實施例示意圖；圖10為上述實施例所得到的回收電流波形示意圖；1、邏輯柵，2、微處理器，3、比較器，4、限電流型脈波寬度控制器。
具體實施例方式
本發明使用在無刷直流馬達上的電子剎車暨能源回收系統，可在不變更原有馬達控制器及馬達的硬件架構下，借著簡單的電子柵位(Gate Voltage)訊號的轉換，即可實踐控制反向扭力剎車的功能，且不受多相線圈的干擾，將馬達動能做最大比例的回收。請參閱圖7，電路中標示了控制中的馬達線圈的電流方向，當電子剎車系統激活，控制器以反轉模式的電壓施在馬達線圈上，此時馬達線圈上的電流關系式為(伏秒定律，Voltage-Time LawV_motor×Δt_ON＝L_motor×Δi_motor)(εmotor+Vsource)×ΔtON＝Lmotor×Δimotor(1)，唯一不同的是此時左側下臂的金氧半場效晶體管(MOSFET)并不是維持開的狀態(On Status)，而是隨著右側上臂做同步切換(Synchronous Switching)，這樣的安排會使在上、下臂關閉時，馬達線圈的電流回灌到電源端。于是在電動機高速運轉剎車，或是系統需要的剎車扭力較小時，上、下臂關閉的階段，馬達線圈會恢復到零電流的狀態，這個模式下的操作是在零電流切換(Zero-Current Switching)。在關閉周期的伏秒關系為Vsource×Δt→Zero＝Lmotor×Δimotor(2)，因為每一次都恢復至零電流狀態，于是可得開、關周期的時間比為ΔtONΔt→Zero=Vsource(Vsource+ϵmotor)---(3),]]>而電功率可為0.5×V_source×Δi_motor×Δt，于是在此控制機下能源回收(關周期)與能源送出(開周期)的比例為(Vsource+ϵmotor)(Vsoutce)=1+ϵmotorVsource---(4),]]>
在電動低速運轉時，或是系統需要比較大的剎車扭力時，馬達線圈不再會進入到零電流的狀態，而是所謂的連續導通狀態時(Continuous Mode)，此時的工作周期可表示為Duty＝ΔtON/(ΔtON+ΔtOFF)(5)，而此時開、關周期的伏秒關系分別為(εmotor+Vsource)×Duty×Δt＝Lmotor×Δimotor(6)，(εmotor-Vsource)×(1-Duty)×Δt＝Lmotor×Δimotor(7)，在短時間下(Under Momentary Consideration)，每一周期的電流變化，接近為零，則Duty可再表示為Duty≈(Vsource-ϵmotor)2×Vsource---(8),]]>(1-Duty)≈(Vsource+ϵmotor)2×Vsource---(9),]]>而電功率同樣可表示為0.5×V_source×Δi_motor×Δt，于是在此控制機下能源回收(關周期)與能源送出(開周期)的比例為(Vsource+ϵmotor)(Vsource-ϵmotor)=1+2×ϵmotor(Vsource-ϵmotor)---(10),]]>從第(4)式及第(10)式中，便可發現能源回收的比例是絕對大于等于一的，并且隨感應電動勢的增加而大幅增加，這也說明了這樣的電子剎車機制是絕對的能源回收，不再有損耗電能剎車的問題。
當然以上的推論是假設所有電子開關、導線、及馬達線圈等都沒有任何功率的損耗，但從第(4)式及第(10)式可以得知這樣的電子剎車機制確實是最大比例的能源回收。
旋轉中無刷三相馬達的三組線圈間，可能出現的線圈相位(正負電壓)關系共有六種，圖8所示是其中的一種，如圖8所示，由于上臂右側及下臂左側同步切換的緣故，另外兩組線圈的感應電壓，并不會影響控制機制的運作。
請參閱圖9，為本發明使用在無刷直流馬達上的電子剎車暨能源回收系統的實施例示意圖，圖中為一簡單的使用范例，其基本架構來自于專利(TWM251395，US6,960,896)，所不同的是將原有的緊急停止運作訊號，改為剎車訊號使用。邏輯柵1(GAL，Gate Array Logics)在此擔任訊號譯碼的工作，除了正常轉動的三相上、下臂的相位訊號，也負責在剎車訊號輸入時，提供正確的三相上、下臂相位訊號。微處理器2(MCU，Micro-Control Unit)在此則負責將扭力命令轉換成電流命令，并以電源控制的方式監控系統安全。單純的微電阻(SimpleShunt)則用以將電流訊號轉換成為電壓訊號，這個電壓訊號則會經過放大之后送入比較器3(Comparator)，再輸入控制限電流型脈波寬度控制器4(CurrentMode PWM Controller，ST3842)，做為脈波寬度調變的依據。圖10為實際量測得的電源端電流波形，正電流為電源流向電機系統，也就是能源輸出，負電流則表示電機系統流回電源端，也就是能源回收。圖中可見在定速狀況下，能源回收的比例幾乎是一個固定值。
上列詳細說明是針對本發明之一可行實施例的具體說明，惟該實施例并非用以限制本發明的專利范圍，凡未脫離本發明技藝精神所為的等效實施或變更，均應包含于本案的專利范圍中。
權利要求
1.一種使用于無刷直流馬達的電子剎車暨能源回收系統，其特征在于是在電子剎車系統激活時，該系統以反轉模式的相位電壓施在對應的馬達線圈上，通過電子柵位訊號的轉換，使得上、下臂在切換時，將馬達線圈的電流回灌到電源端，達到能源回收的目的。
2.根據權利要求1所述的使用于無刷直流馬達的電子剎車暨能源回收系統，其特征在于其中該電子柵位訊號的轉換，在相位對應的馬達線圈上，施以相同訊號的上、下臂柵位訊號，使上、下臂的金氧半場效晶體管產生同步切換。
全文摘要
一種使用于無刷直流馬達的電子剎車暨能源回收系統，是在電子剎車系統激活時，該控制器將以反轉模式的電壓施在馬達線圈上，通過同步切換(Synchronous Switching)控制上、下臂的金氧半場效晶體管MOSFET作動，使得上、下臂在關閉時，馬達線圈的電流將回灌到電源端，達到能源回收的目的；本發明借著簡單的電子柵位(Gate Voltage)訊號的轉換，實現了可控制反向扭力剎車能源回收的功能，提供電動機平順而可靠的剎車扭力，且不因多相線圈而需要復雜的電路架構，將馬達動能做最大比例的回收。
文檔編號B60L7/12GK101085602SQ200610091588
公開日2007年12月12日 申請日期2006年6月7日 優先權日2006年6月7日
發明者舒英豪, 李國銘, 馬斌嚴 申請人:宇泉能源科技股份有限公司