專利名稱：可程序型快速馬達(dá)扭力控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是關(guān)于一種可程序型快速馬達(dá)扭力控制器，特別是指一種巧妙的結(jié)合切換控制晶片(PWM IC)快速即時(shí)控制的特性及微處理器(MCU)可程序的信號輸出，以達(dá)到省電快速、安全可靠的可程序型快速馬達(dá)扭力控制器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的馬達(dá)控制器，在節(jié)省電力轉(zhuǎn)換的損失考量下，皆已全面改用脈寬調(diào)變式切換控制器(Pulse Width Modulation Controller)，該脈寬調(diào)變式切換控制器常以切換控制晶片(PWM IC)，使其具有脈寬調(diào)變信號產(chǎn)生(PWMGenerator)的微處理器(MCU)或數(shù)位信號處理器(DSP)；但現(xiàn)有的技術(shù)或元件，皆隱含了一些缺點(diǎn)或限制。以下針對現(xiàn)有系統(tǒng)的缺失作一說明1.使用切換控制晶片(PWM IC)是最直接的做法，由于電力電子學(xué)的推進(jìn)，目前的切換控制晶片，不但可以將切換頻率提升至500KHz，且內(nèi)建部分的回授控制混合電路可提供基本的定電壓、定電流輸出的控制，亦有部分切換控制晶片內(nèi)建柵極高壓驅(qū)動(dòng)器及參考電壓輸入的控制功能；但該控制晶片在設(shè)計(jì)時(shí)即已定義可能支援的功能，并無法針對特殊需求修改適當(dāng)?shù)墓δ芏x；例如在電動(dòng)自行車的使用中，若定義一組電子開關(guān)，該電子開關(guān)在馬達(dá)不輸出動(dòng)力時(shí)，即會(huì)截?cái)囫R達(dá)的電流回路，然而，如此簡單的功能即難以現(xiàn)有的切換控制晶片來達(dá)成；再者，內(nèi)建柵極高壓驅(qū)動(dòng)器及參考電壓輸入的控制功能的切換控制晶片，價(jià)格上多是難以接受。
2.使用脈寬調(diào)變信號產(chǎn)生(PWM Generator)的微處理器(MCU)，現(xiàn)有微處理器中，有部分微處理器已內(nèi)建脈寬調(diào)變信號產(chǎn)生器，可在有限的范圍內(nèi)，實(shí)踐馬達(dá)輸出控制，但是這一類的微處理器，都受限于本身運(yùn)算的速度，無法快速對馬達(dá)實(shí)際的電流狀態(tài)做有效即時(shí)控制，不但往往降低切換電路的效率，亦迫使電力系統(tǒng)切換在音頻的范圍(＜20KHz)，致使電力切換系統(tǒng)及馬達(dá)產(chǎn)生噪音及高熱。
3.使用脈寬調(diào)變信號產(chǎn)生(PWM Generator)的數(shù)位信號處理器(DSP)，目前僅有少數(shù)幾家廠商能夠提供如此快速的馬達(dá)專用數(shù)位信號處理器，但是使用的數(shù)量很少，價(jià)格仍是難以接受；另外，為了能對控制狀態(tài)提供快速的調(diào)變，該數(shù)位信號處理器必需操作在極高的運(yùn)轉(zhuǎn)速度下，并不適合低耗電的設(shè)計(jì)。
4.馬達(dá)逆轉(zhuǎn)時(shí)的阻力問題，如圖1所示，在現(xiàn)有馬達(dá)控制器架構(gòu)中，由于必須提供一飛輪二極管10(Free Wheeling Diode)于馬達(dá)11的二輸入端，以提供一馬達(dá)11電感電流的泄放回路，以免其他元件因感應(yīng)電壓損毀，但此舉同時(shí)使得該飛輪二極管10于馬達(dá)11反轉(zhuǎn)時(shí)，成為順向?qū)顟B(tài)，形成一強(qiáng)大的剎車阻力效果，此現(xiàn)象于電動(dòng)自行車或機(jī)車上會(huì)造成倒車?yán)щy的問題。
由此可見，上述現(xiàn)有物品仍有諸多缺失，實(shí)非一良善的設(shè)計(jì)，而亟待加以改良。
本實(shí)用新型發(fā)明人，鑒于上述現(xiàn)有馬達(dá)扭力控制器所衍生的各項(xiàng)缺點(diǎn)，加以改良創(chuàng)新，并經(jīng)多年苦心孤詣潛心研究后，終于成功研發(fā)完成本件可程序型快速馬達(dá)扭力控制器。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的即在于提供一種結(jié)合切換控制晶片的快速安全及微處理器省電可程序雙重優(yōu)點(diǎn)的可程序型快速馬達(dá)扭力控制器。
本實(shí)用新型的另一目的是在于提供一種透過內(nèi)建的電源回路開關(guān)，達(dá)到降低馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)阻力功效的可程序型快速馬達(dá)扭力控制器。
可達(dá)成上述實(shí)用新型目的的可程序型快速馬達(dá)扭力控制器，主要是結(jié)合限電流型切換控制器(PWM IC)的快速安全及微處理器省電可程序的雙重優(yōu)點(diǎn)，建構(gòu)一新的馬達(dá)控制電路，并以接近數(shù)位信號處理器十分之一的代價(jià)，達(dá)到與數(shù)位信號處理器相近的功能性；該微處理器并不直接控制電子?xùn)诺拈_關(guān)(N型金屬氧化硅場效電晶體，N-MOSFET)，而是經(jīng)由程序運(yùn)作，由內(nèi)建的脈寬調(diào)變信號產(chǎn)生器(PWM Generator)送出對于電流控制所需的脈波寬度，并在快速比較器中與馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)中即時(shí)電流比對，透過限電流型切換控制晶片(PWM IC)的過流保護(hù)瞬間中斷電路(OverCurrent Protection)，控制切換控制晶片是否繼續(xù)對馬達(dá)輸出電力；并可內(nèi)建一組電源回路開關(guān)，該開關(guān)可在無動(dòng)力輸出要求時(shí)，切斷馬達(dá)逆轉(zhuǎn)的電流回路，以大幅降低馬達(dá)逆轉(zhuǎn)的阻力。
一種可程序型快速馬達(dá)扭力控制器，包括
一限電流型切換控制器，其是透過電流流過微電阻器所形成的壓降，判斷即時(shí)電流是否超過電流限制點(diǎn)；該切換控制器的第一電子?xùn)砰_關(guān)開啟時(shí)，馬達(dá)電流將流經(jīng)下部的微電阻器，產(chǎn)生相對于瞬時(shí)電流的電壓信號，此一瞬時(shí)電壓信號經(jīng)過處理后，輸入電流比較器中；一微處理器，該微處理器可接受外來信號的控制，并依照微處理器內(nèi)部寫入的控制程序，產(chǎn)生對應(yīng)的電流命令；該微處理器收到從使用者界面?zhèn)鱽淼碾娏?扭力命令時(shí)，便由內(nèi)部程序決定脈寬調(diào)變信號產(chǎn)生器的頻率及脈波寬度，經(jīng)過外置電路轉(zhuǎn)換成電壓型的電流命令輸入電流比較器中；一電流比較器，其可快速比對馬達(dá)即時(shí)電流信號與微處理器的電流命令的差異，在每一次切換周期內(nèi)，做馬達(dá)電流的即時(shí)修正，大幅提高扭力控制的準(zhǔn)確及效率；一第二電子?xùn)砰_關(guān)，其是受微處理器控制的電源開關(guān)，主要是做為馬達(dá)電流回路的開關(guān)。
所述的可程序型快速馬達(dá)扭力控制器，其中該限電流型切換控制器內(nèi)建一組電流監(jiān)控電路。
所述的可程序型快速馬達(dá)扭力控制器，其中該限電流型切換器的電流監(jiān)控電路控制若檢測到電流已超過限制點(diǎn)，即會(huì)關(guān)閉第一電子?xùn)砰_關(guān)的輸出；若是以絕對高于此一監(jiān)控電壓信號做為切換全關(guān)信號(logic″0″)或以零電壓做為全開信號(logic″1″)；此一限制電流信號輸入腳便可用于控制限電流型切換控制器的切換動(dòng)作，且在切換全開的馬達(dá)加速或扭力遞增模式下，可使每一次的第一電子?xùn)砰_關(guān)開啟都達(dá)到最高效率。
所述的可程序型快速馬達(dá)扭力控制器，其中該微處理器會(huì)依據(jù)是否有電流命令決定該第二電子?xùn)砰_關(guān)的開啟與否，并可同時(shí)達(dá)到對馬達(dá)使用的保護(hù)，以及釋放馬達(dá)的逆轉(zhuǎn)阻力。
所述的可程序型快速馬達(dá)扭力控制器，其中該第一、第二電子?xùn)砰_關(guān)可為N-MOSFET。
所述的可程序型快速馬達(dá)扭力控制器，其中該第二電子?xùn)砰_關(guān)可解決馬達(dá)逆轉(zhuǎn)阻力釋放的問題，也在切換控制器的下串第一電子?xùn)砰_關(guān)故障時(shí)，對馬達(dá)使用提供更進(jìn)一步的保護(hù)。
所述的可程序型快速馬達(dá)扭力控制器，其中該電流比較器是以邏輯″0″與″1″的信號，快速而準(zhǔn)確的表示馬達(dá)瞬時(shí)電流是否滿足電流命令。
所述的可程序型快速馬達(dá)扭力控制器，其中該馬達(dá)若為三相無刷直流馬達(dá)時(shí)，即需考慮三相電流供應(yīng)的相位轉(zhuǎn)換，經(jīng)由已程序化的邏輯運(yùn)算，決定三組電子?xùn)诺拈_關(guān)時(shí)間，然而上端電子?xùn)徘袚Q時(shí)間，仍依尋電流檢測電路所回饋至限電流控制器的指令，如此三相無刷馬達(dá)的電流控制，便可依此完成。


請參閱以下有關(guān)本實(shí)用新型一較佳實(shí)施例的詳細(xì)說明及其附圖，將可進(jìn)一步了解本實(shí)用新型的技術(shù)內(nèi)容及其目的功效；有關(guān)該實(shí)施例的附圖為圖1為現(xiàn)有速馬達(dá)扭力控制器電路架構(gòu)圖；圖2為本實(shí)用新型可程序型快速馬達(dá)扭力控制器的電路架構(gòu)圖；
圖3為本實(shí)用新型可程序型快速馬達(dá)扭力控制器的應(yīng)用實(shí)例圖；圖4為本實(shí)用新型可程序型快速馬達(dá)扭力控制器的馬達(dá)輸入電壓及電流曲線圖；圖5為本實(shí)用新型可程序型快速馬達(dá)扭力控制器的馬達(dá)輸入電壓及電流曲線圖；以及圖6為本實(shí)用新型可程序型快速馬達(dá)扭力控制器的另一電路架構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
請參閱圖2所示，本實(shí)用新型所提供的可程序型快速馬達(dá)扭力控制器，主要包括有一限電流型切換控制器2(PWM IC)，其內(nèi)建一組電流監(jiān)控電路，透過電流流過微電阻器R1所形成的壓降，判斷即時(shí)電流是否超過電流限制點(diǎn)(一監(jiān)控電壓)，若是檢測到電流已超過限制點(diǎn)，則關(guān)閉第一電子?xùn)?0的輸出；若是以絕對高于此一監(jiān)控電壓信號做為切換全關(guān)信號(logic″0″)或以零電壓做為全開信號(logic″1″)；此一限制電流信號輸入腳便可用于控制限電流型切換控制器2的切換動(dòng)作，且在切換全開的馬達(dá)3加速或扭力遞增模式下，可使每一次的第一電子?xùn)砰_關(guān)80開啟都達(dá)到最高效率；由于限電流型切換控制器2在此的功能單純，可以低成本、省電而快速的切換控制晶片輕易實(shí)踐此一目的；一微處理器4數(shù)位或類比信號的輸入，可使微處理器4接受外來信號的控制，而依照微處理器4內(nèi)部寫入的控制程序，產(chǎn)生對應(yīng)的電流命令41，透過微處理器4內(nèi)建的中低速脈波產(chǎn)生器，對下一級的電流比較器5輸出正確的電流命令41；由于微處理器4的主要功能，是在運(yùn)算外在的指令需求，并反應(yīng)于即時(shí)的脈波寬度，故采用一般省電低價(jià)的微處理器即可；一電流比較器5，其可快速比對馬達(dá)3即時(shí)電流信號31與電流命令41的差異，在每一次切換周期內(nèi)，做馬達(dá)電流的即時(shí)修正，大幅提高扭力控制的準(zhǔn)確及效率；一第二電子?xùn)砰_關(guān)81(N-MOSFET)，其是做為馬達(dá)3電流回路的開關(guān)，不但解決馬達(dá)3逆轉(zhuǎn)阻力釋放的問題，也在切換控制器2的下串第一電子?xùn)砰_關(guān)80(N-MOSFET)故障時(shí)，對馬達(dá)3使用提供更進(jìn)一步的保護(hù)；該第二電子?xùn)砰_關(guān)81并沒有類似機(jī)械式電流開關(guān)或繼電器可能產(chǎn)生的跳火問題，更可以快速的關(guān)閉超過保護(hù)區(qū)的電流，提升電子產(chǎn)品的可靠性；N-MOSFET的長壽特性更是目前機(jī)械式電流開關(guān)或繼電器無法達(dá)成的；另外，該第二電子?xùn)砰_關(guān)81是一個(gè)受微處理器4控制的電源開關(guān)；該微處理器會(huì)依據(jù)是否有電流命令決定該第二電子?xùn)砰_關(guān)81的開啟與否，并可同時(shí)達(dá)到對馬達(dá)3使用的保護(hù)，以及釋放馬達(dá)3的逆轉(zhuǎn)阻力；當(dāng)微處理器4收到從使用者界面?zhèn)鱽淼碾娏?扭力命令時(shí)，便由內(nèi)部程序決定脈寬調(diào)變信號產(chǎn)生器的頻率及脈波寬度，經(jīng)過外置電路轉(zhuǎn)換成電壓型的電流命令41輸入電流比較器5中；當(dāng)切換控制器2的第一電子?xùn)砰_關(guān)80開啟時(shí)，馬達(dá)3電流將流經(jīng)下部的微阻器R1，產(chǎn)生相對于瞬時(shí)電流的電壓信號，此一瞬時(shí)電壓信號經(jīng)過處理后，輸入電流比較器5的另一端，如此電流比較器就可以邏輯″0″與″1″的信號，快速而準(zhǔn)確的表示馬達(dá)3瞬時(shí)電流是否滿足電流命令41；限電流型切換控制器2則是切換控制的基礎(chǔ)核心，根據(jù)瞬時(shí)電流的比較結(jié)果，決定每一周期的開啟時(shí)間(Duty)；由于使用的控制方式為限電流保護(hù)中斷(OCP)，故采用一般的快速切換控制晶片即可。
請參閱圖3所示，是本實(shí)用新型的應(yīng)用實(shí)施示意圖，是將一光耦合器6(Photo-coupler)跨接于N-MOSFETM2上的信號開關(guān)，以做為微處理器4控制電源開關(guān)N-MOSFETM2的界面；該限電流型的切換控制器2則是選用常使用于電腦電源供應(yīng)器(PC Power Supply)的UC3842，而微處理器4則只是一顆具有振鈴(Ringing)輸出的簡單型微處理器4；全部的切換控制工作在音頻以上的固定頻率，最大額定電流可在50安培以上，效率則高于95％。
若以一外置的電壓信號作為電流命令，則在圖4中可看出，在扣除電壓的偏移量后，輸入馬達(dá)3的電流是以幾乎等比例的方式追隨輸入電壓。若是在微處理器4的程序中，加入和緩啟動(dòng)(Soft Star)的功能，在收到驟升的馬達(dá)電流命令時(shí)，該電流必需以階梯方式的調(diào)升，則在圖5可以看見，馬達(dá)的電流變化曲線，如同所預(yù)期的一般，以階梯方式遞增?？梢姶艘浑娐芳軜?gòu)確實(shí)可改善馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率及性能，并可用簡單的方式及較低的成本來達(dá)成。
請?jiān)賲㈤唸D6所示，是本實(shí)用新型的另一電路架構(gòu)圖，其是運(yùn)用于三相無刷直流馬達(dá)7的控制，所不同之處僅有三相馬達(dá)7需考慮三相電流供應(yīng)的相位轉(zhuǎn)換，經(jīng)由已程序化的邏輯運(yùn)算，決定三組電子?xùn)?2(N-MOSFET)的開關(guān)時(shí)間，然而上端電子?xùn)?21切換時(shí)間(switching duty)，仍依尋電流檢測電路所回饋至限電流控制器2的指令，如此三相無刷馬達(dá)7的電流控制，便可依此完成。
本實(shí)用新型所提供的可程序型快速馬達(dá)扭力控制器，與其他現(xiàn)有技術(shù)相互比較時(shí)，更具有下列的優(yōu)點(diǎn)1.本實(shí)用新型是結(jié)合切換控制晶片的快速安全及微處理器省電可程序的雙重優(yōu)點(diǎn)。
2.本實(shí)用新型是透過內(nèi)建的電源回路開關(guān)，達(dá)到降低馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)阻力的功效。
上列詳細(xì)說明是針對本實(shí)用新型的一可行實(shí)施例的具體說明，惟該實(shí)施例并非用以限制本實(shí)用新型的專利范圍，凡未脫離本實(shí)用新型技藝精神所為的等效實(shí)施或變更，例如等變化的等效性實(shí)施例，均應(yīng)包含于本案的專利范圍中。
權(quán)利要求1.一種可程序型快速馬達(dá)扭力控制器，其特征在于，包括一限電流型切換控制器，其是透過電流流過微電阻器所形成的壓降，判斷即時(shí)電流是否超過電流限制點(diǎn)；該切換控制器的第一電子?xùn)砰_關(guān)開啟時(shí)，馬達(dá)電流將流經(jīng)下部的微電阻器，產(chǎn)生相對于瞬時(shí)電流的電壓信號，此一瞬時(shí)電壓信號經(jīng)過處理后，輸入電流比較器中；一微處理器，該微處理器可接受外來信號的控制，并依照微處理器內(nèi)部寫入的控制程序，產(chǎn)生對應(yīng)的電流命令；該微處理器收到從使用者界面?zhèn)鱽淼碾娏?扭力命令時(shí)，便由內(nèi)部程序決定脈寬調(diào)變信號產(chǎn)生器的頻率及脈波寬度，經(jīng)過外置電路轉(zhuǎn)換成電壓型的電流命令輸入電流比較器中；一電流比較器，其可快速比對馬達(dá)即時(shí)電流信號與微處理器的電流命令的差異，在每一次切換周期內(nèi)，做馬達(dá)電流的即時(shí)修正，大幅提高扭力控制的準(zhǔn)確及效率；一第二電子?xùn)砰_關(guān)，其是受微處理器控制的電源開關(guān)，主要是做為馬達(dá)電流回路的開關(guān)。
2.如權(quán)利要求1所述的可程序型快速馬達(dá)扭力控制器，其特征在于，所述該限電流型切換控制器內(nèi)建一組電流監(jiān)控電路。
3.如權(quán)利要求2所述的可程序型快速馬達(dá)扭力控制器，其特征在于，所述該限電流型切換器的電流監(jiān)控電路控制若檢測到電流已超過限制點(diǎn)，即會(huì)關(guān)閉第一電子?xùn)砰_關(guān)的輸出；若是以絕對高于此一監(jiān)控電壓信號做為切換全關(guān)信號(logic″0″)或以零電壓做為全開信號(logic″1″)；此一限制電流信號輸入腳便可用于控制限電流型切換控制器的切換動(dòng)作，且在切換全開的馬達(dá)加速或扭力遞增模式下，可使每一次的第一電子?xùn)砰_關(guān)開啟都達(dá)到最高效率。
4.如權(quán)利要求1所述的可程序型快速馬達(dá)扭力控制器，其特征在于，所述該微處理器會(huì)依據(jù)是否有電流命令決定該第二電子?xùn)砰_關(guān)的開啟與否，并可同時(shí)達(dá)到對馬達(dá)使用的保護(hù)，以及釋放馬達(dá)的逆轉(zhuǎn)阻力。
5.如權(quán)利要求1所述的可程序型快速馬達(dá)扭力控制器，其特征在于，所述該第一、第二電子?xùn)砰_關(guān)可為N-MOSFET。
6.如權(quán)利要求1所述的可程序型快速馬達(dá)扭力控制器，其特征在于，所述該第二電子?xùn)砰_關(guān)可解決馬達(dá)逆轉(zhuǎn)阻力釋放的問題，也在切換控制器的下串第一電子?xùn)砰_關(guān)故障時(shí)，對馬達(dá)使用提供更進(jìn)一步的保護(hù)。
7.如權(quán)利要求1所述的可程序型快速馬達(dá)扭力控制器，其特征在于，所述該電流比較器是以邏輯″0″與″1″的信號，快速而準(zhǔn)確的表示馬達(dá)瞬時(shí)電流是否滿足電流命令。
8.如權(quán)利要求1所述的可程序型快速馬達(dá)扭力控制器，其特征在于，所述該馬達(dá)若為三相無刷直流馬達(dá)時(shí)，即需考慮三相電流供應(yīng)的相位轉(zhuǎn)換，經(jīng)由已程序化的邏輯運(yùn)算，決定三組電子?xùn)诺拈_關(guān)時(shí)間，然而上端電子?xùn)徘袚Q時(shí)間，仍依尋電流檢測電路所回饋至限電流控制器的指令，如此三相無刷馬達(dá)的電流控制，便可依此完成。
專利摘要一種可程序型快速馬達(dá)扭力控制器，主要是利用經(jīng)常使用于切換式電源(Switching Power Supply)的電流型切換控制器(Current Mode PWM Controller)對馬達(dá)的運(yùn)轉(zhuǎn)電流做即時(shí)的硬件控制，并以微處理器做操控界面，經(jīng)由比較器及相關(guān)類比電路的使用，將馬達(dá)即時(shí)電流與微處理器命令的差異，經(jīng)由限電流型切換控制器轉(zhuǎn)換開關(guān)的輸出信號，進(jìn)一步控制柵控開關(guān)元件(MOSFET/IGBT)，以控制馬達(dá)實(shí)際的運(yùn)行電流，使其可以近乎數(shù)位信號處理器十分之一的代價(jià)，達(dá)到與數(shù)位信號處理器相近的功能；另外，并可內(nèi)建一組電源回路開關(guān)，該開關(guān)可在無動(dòng)力輸出要求時(shí)，切斷馬達(dá)逆轉(zhuǎn)的電流回路，以大幅降低馬達(dá)逆轉(zhuǎn)的阻力。
文檔編號H02P7/285GK2689590SQ20042000383
公開日2005年3月30日 申請日期2004年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月24日
發(fā)明者舒英豪, 連偉如, 江培彰, 馬斌嚴(yán) 申請人:威達(dá)能源科技股份有限公司