专利名称：可程序型快速马达扭力控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型是关于一种可程序型快速马达扭力控制器，特别是指一种巧妙的结合切换控制晶片(PWM IC)快速即时控制的特性及微处理器(MCU)可程序的信号输出，以达到省电快速、安全可靠的可程序型快速马达扭力控制器。
背景技术：
现有的马达控制器，在节省电力转换的损失考量下，皆已全面改用脉宽调变式切换控制器(Pulse Width Modulation Controller)，该脉宽调变式切换控制器常以切换控制晶片(PWM IC)，使其具有脉宽调变信号产生(PWMGenerator)的微处理器(MCU)或数位信号处理器(DSP)；但现有的技术或元件，皆隐含了一些缺点或限制。以下针对现有系统的缺失作一说明1.使用切换控制晶片(PWM IC)是最直接的做法，由于电力电子学的推进，目前的切换控制晶片，不但可以将切换频率提升至500KHz，且内建部分的回授控制混合电路可提供基本的定电压、定电流输出的控制，亦有部分切换控制晶片内建栅极高压驱动器及参考电压输入的控制功能；但该控制晶片在设计时即已定义可能支援的功能，并无法针对特殊需求修改适当的功能定义；例如在电动自行车的使用中，若定义一组电子开关，该电子开关在马达不输出动力时，即会截断马达的电流回路，然而，如此简单的功能即难以现有的切换控制晶片来达成；再者，内建栅极高压驱动器及参考电压输入的控制功能的切换控制晶片，价格上多是难以接受。
2.使用脉宽调变信号产生(PWM Generator)的微处理器(MCU)，现有微处理器中，有部分微处理器已内建脉宽调变信号产生器，可在有限的范围内，实践马达输出控制，但是这一类的微处理器，都受限于本身运算的速度，无法快速对马达实际的电流状态做有效即时控制，不但往往降低切换电路的效率，亦迫使电力系统切换在音频的范围(＜20KHz)，致使电力切换系统及马达产生噪音及高热。
3.使用脉宽调变信号产生(PWM Generator)的数位信号处理器(DSP)，目前仅有少数几家厂商能够提供如此快速的马达专用数位信号处理器，但是使用的数量很少，价格仍是难以接受；另外，为了能对控制状态提供快速的调变，该数位信号处理器必需操作在极高的运转速度下，并不适合低耗电的设计。
4.马达逆转时的阻力问题，如图1所示，在现有马达控制器架构中，由于必须提供一飞轮二极管10(Free Wheeling Diode)于马达11的二输入端，以提供一马达11电感电流的泄放回路，以免其他元件因感应电压损毁，但此举同时使得该飞轮二极管10于马达11反转时，成为顺向导通状态，形成一强大的刹车阻力效果，此现象于电动自行车或机车上会造成倒车困难的问题。
由此可见，上述现有物品仍有诸多缺失，实非一良善的设计，而亟待加以改良。
本实用新型发明人，鉴于上述现有马达扭力控制器所衍生的各项缺点，加以改良创新，并经多年苦心孤诣潜心研究后，终于成功研发完成本件可程序型快速马达扭力控制器。
实用新型内容本实用新型的目的即在于提供一种结合切换控制晶片的快速安全及微处理器省电可程序双重优点的可程序型快速马达扭力控制器。
本实用新型的另一目的是在于提供一种透过内建的电源回路开关，达到降低马达运转阻力功效的可程序型快速马达扭力控制器。
可达成上述实用新型目的的可程序型快速马达扭力控制器，主要是结合限电流型切换控制器(PWM IC)的快速安全及微处理器省电可程序的双重优点，建构一新的马达控制电路，并以接近数位信号处理器十分之一的代价，达到与数位信号处理器相近的功能性；该微处理器并不直接控制电子栅的开关(N型金属氧化硅场效电晶体，N-MOSFET)，而是经由程序运作，由内建的脉宽调变信号产生器(PWM Generator)送出对于电流控制所需的脉波宽度，并在快速比较器中与马达运转中即时电流比对，透过限电流型切换控制晶片(PWM IC)的过流保护瞬间中断电路(OverCurrent Protection)，控制切换控制晶片是否继续对马达输出电力；并可内建一组电源回路开关，该开关可在无动力输出要求时，切断马达逆转的电流回路，以大幅降低马达逆转的阻力。
一种可程序型快速马达扭力控制器，包括
一限电流型切换控制器，其是透过电流流过微电阻器所形成的压降，判断即时电流是否超过电流限制点；该切换控制器的第一电子栅开关开启时，马达电流将流经下部的微电阻器，产生相对于瞬时电流的电压信号，此一瞬时电压信号经过处理后，输入电流比较器中；一微处理器，该微处理器可接受外来信号的控制，并依照微处理器内部写入的控制程序，产生对应的电流命令；该微处理器收到从使用者界面传来的电流/扭力命令时，便由内部程序决定脉宽调变信号产生器的频率及脉波宽度，经过外置电路转换成电压型的电流命令输入电流比较器中；一电流比较器，其可快速比对马达即时电流信号与微处理器的电流命令的差异，在每一次切换周期内，做马达电流的即时修正，大幅提高扭力控制的准确及效率；一第二电子栅开关，其是受微处理器控制的电源开关，主要是做为马达电流回路的开关。
所述的可程序型快速马达扭力控制器，其中该限电流型切换控制器内建一组电流监控电路。
所述的可程序型快速马达扭力控制器，其中该限电流型切换器的电流监控电路控制若检测到电流已超过限制点，即会关闭第一电子栅开关的输出；若是以绝对高于此一监控电压信号做为切换全关信号(logic″0″)或以零电压做为全开信号(logic″1″)；此一限制电流信号输入脚便可用于控制限电流型切换控制器的切换动作，且在切换全开的马达加速或扭力递增模式下，可使每一次的第一电子栅开关开启都达到最高效率。
所述的可程序型快速马达扭力控制器，其中该微处理器会依据是否有电流命令决定该第二电子栅开关的开启与否，并可同时达到对马达使用的保护，以及释放马达的逆转阻力。
所述的可程序型快速马达扭力控制器，其中该第一、第二电子栅开关可为N-MOSFET。
所述的可程序型快速马达扭力控制器，其中该第二电子栅开关可解决马达逆转阻力释放的问题，也在切换控制器的下串第一电子栅开关故障时，对马达使用提供更进一步的保护。
所述的可程序型快速马达扭力控制器，其中该电流比较器是以逻辑″0″与″1″的信号，快速而准确的表示马达瞬时电流是否满足电流命令。
所述的可程序型快速马达扭力控制器，其中该马达若为三相无刷直流马达时，即需考虑三相电流供应的相位转换，经由已程序化的逻辑运算，决定三组电子栅的开关时间，然而上端电子栅切换时间，仍依寻电流检测电路所回馈至限电流控制器的指令，如此三相无刷马达的电流控制，便可依此完成。
请参阅以下有关本实用新型一较佳实施例的详细说明及其附图，将可进一步了解本实用新型的技术内容及其目的功效；有关该实施例的附图为图1为现有速马达扭力控制器电路架构图；图2为本实用新型可程序型快速马达扭力控制器的电路架构图；
图3为本实用新型可程序型快速马达扭力控制器的应用实例图；图4为本实用新型可程序型快速马达扭力控制器的马达输入电压及电流曲线图；图5为本实用新型可程序型快速马达扭力控制器的马达输入电压及电流曲线图；以及图6为本实用新型可程序型快速马达扭力控制器的另一电路架构图。
具体实施方式
请参阅图2所示，本实用新型所提供的可程序型快速马达扭力控制器，主要包括有一限电流型切换控制器2(PWM IC)，其内建一组电流监控电路，透过电流流过微电阻器R1所形成的压降，判断即时电流是否超过电流限制点(一监控电压)，若是检测到电流已超过限制点，则关闭第一电子栅80的输出；若是以绝对高于此一监控电压信号做为切换全关信号(logic″0″)或以零电压做为全开信号(logic″1″)；此一限制电流信号输入脚便可用于控制限电流型切换控制器2的切换动作，且在切换全开的马达3加速或扭力递增模式下，可使每一次的第一电子栅开关80开启都达到最高效率；由于限电流型切换控制器2在此的功能单纯，可以低成本、省电而快速的切换控制晶片轻易实践此一目的；一微处理器4数位或类比信号的输入，可使微处理器4接受外来信号的控制，而依照微处理器4内部写入的控制程序，产生对应的电流命令41，透过微处理器4内建的中低速脉波产生器，对下一级的电流比较器5输出正确的电流命令41；由于微处理器4的主要功能，是在运算外在的指令需求，并反应于即时的脉波宽度，故采用一般省电低价的微处理器即可；一电流比较器5，其可快速比对马达3即时电流信号31与电流命令41的差异，在每一次切换周期内，做马达电流的即时修正，大幅提高扭力控制的准确及效率；一第二电子栅开关81(N-MOSFET)，其是做为马达3电流回路的开关，不但解决马达3逆转阻力释放的问题，也在切换控制器2的下串第一电子栅开关80(N-MOSFET)故障时，对马达3使用提供更进一步的保护；该第二电子栅开关81并没有类似机械式电流开关或继电器可能产生的跳火问题，更可以快速的关闭超过保护区的电流，提升电子产品的可靠性；N-MOSFET的长寿特性更是目前机械式电流开关或继电器无法达成的；另外，该第二电子栅开关81是一个受微处理器4控制的电源开关；该微处理器会依据是否有电流命令决定该第二电子栅开关81的开启与否，并可同时达到对马达3使用的保护，以及释放马达3的逆转阻力；当微处理器4收到从使用者界面传来的电流/扭力命令时，便由内部程序决定脉宽调变信号产生器的频率及脉波宽度，经过外置电路转换成电压型的电流命令41输入电流比较器5中；当切换控制器2的第一电子栅开关80开启时，马达3电流将流经下部的微阻器R1，产生相对于瞬时电流的电压信号，此一瞬时电压信号经过处理后，输入电流比较器5的另一端，如此电流比较器就可以逻辑″0″与″1″的信号，快速而准确的表示马达3瞬时电流是否满足电流命令41；限电流型切换控制器2则是切换控制的基础核心，根据瞬时电流的比较结果，决定每一周期的开启时间(Duty)；由于使用的控制方式为限电流保护中断(OCP)，故采用一般的快速切换控制晶片即可。
请参阅图3所示，是本实用新型的应用实施示意图，是将一光耦合器6(Photo-coupler)跨接于N-MOSFETM2上的信号开关，以做为微处理器4控制电源开关N-MOSFETM2的界面；该限电流型的切换控制器2则是选用常使用于电脑电源供应器(PC Power Supply)的UC3842，而微处理器4则只是一颗具有振铃(Ringing)输出的简单型微处理器4；全部的切换控制工作在音频以上的固定频率，最大额定电流可在50安培以上，效率则高于95％。
若以一外置的电压信号作为电流命令，则在图4中可看出，在扣除电压的偏移量后，输入马达3的电流是以几乎等比例的方式追随输入电压。若是在微处理器4的程序中，加入和缓启动(Soft Star)的功能，在收到骤升的马达电流命令时，该电流必需以阶梯方式的调升，则在图5可以看见，马达的电流变化曲线，如同所预期的一般，以阶梯方式递增。可见此一电路架构确实可改善马达驱动系统的效率及性能，并可用简单的方式及较低的成本来达成。
请再参阅图6所示，是本实用新型的另一电路架构图，其是运用于三相无刷直流马达7的控制，所不同之处仅有三相马达7需考虑三相电流供应的相位转换，经由已程序化的逻辑运算，决定三组电子栅82(N-MOSFET)的开关时间，然而上端电子栅821切换时间(switching duty)，仍依寻电流检测电路所回馈至限电流控制器2的指令，如此三相无刷马达7的电流控制，便可依此完成。
本实用新型所提供的可程序型快速马达扭力控制器，与其他现有技术相互比较时，更具有下列的优点1.本实用新型是结合切换控制晶片的快速安全及微处理器省电可程序的双重优点。
2.本实用新型是透过内建的电源回路开关，达到降低马达运转阻力的功效。
上列详细说明是针对本实用新型的一可行实施例的具体说明，惟该实施例并非用以限制本实用新型的专利范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所为的等效实施或变更，例如等变化的等效性实施例，均应包含于本案的专利范围中。
权利要求1.一种可程序型快速马达扭力控制器，其特征在于，包括一限电流型切换控制器，其是透过电流流过微电阻器所形成的压降，判断即时电流是否超过电流限制点；该切换控制器的第一电子栅开关开启时，马达电流将流经下部的微电阻器，产生相对于瞬时电流的电压信号，此一瞬时电压信号经过处理后，输入电流比较器中；一微处理器，该微处理器可接受外来信号的控制，并依照微处理器内部写入的控制程序，产生对应的电流命令；该微处理器收到从使用者界面传来的电流/扭力命令时，便由内部程序决定脉宽调变信号产生器的频率及脉波宽度，经过外置电路转换成电压型的电流命令输入电流比较器中；一电流比较器，其可快速比对马达即时电流信号与微处理器的电流命令的差异，在每一次切换周期内，做马达电流的即时修正，大幅提高扭力控制的准确及效率；一第二电子栅开关，其是受微处理器控制的电源开关，主要是做为马达电流回路的开关。
2.如权利要求1所述的可程序型快速马达扭力控制器，其特征在于，所述该限电流型切换控制器内建一组电流监控电路。
3.如权利要求2所述的可程序型快速马达扭力控制器，其特征在于，所述该限电流型切换器的电流监控电路控制若检测到电流已超过限制点，即会关闭第一电子栅开关的输出；若是以绝对高于此一监控电压信号做为切换全关信号(logic″0″)或以零电压做为全开信号(logic″1″)；此一限制电流信号输入脚便可用于控制限电流型切换控制器的切换动作，且在切换全开的马达加速或扭力递增模式下，可使每一次的第一电子栅开关开启都达到最高效率。
4.如权利要求1所述的可程序型快速马达扭力控制器，其特征在于，所述该微处理器会依据是否有电流命令决定该第二电子栅开关的开启与否，并可同时达到对马达使用的保护，以及释放马达的逆转阻力。
5.如权利要求1所述的可程序型快速马达扭力控制器，其特征在于，所述该第一、第二电子栅开关可为N-MOSFET。
6.如权利要求1所述的可程序型快速马达扭力控制器，其特征在于，所述该第二电子栅开关可解决马达逆转阻力释放的问题，也在切换控制器的下串第一电子栅开关故障时，对马达使用提供更进一步的保护。
7.如权利要求1所述的可程序型快速马达扭力控制器，其特征在于，所述该电流比较器是以逻辑″0″与″1″的信号，快速而准确的表示马达瞬时电流是否满足电流命令。
8.如权利要求1所述的可程序型快速马达扭力控制器，其特征在于，所述该马达若为三相无刷直流马达时，即需考虑三相电流供应的相位转换，经由已程序化的逻辑运算，决定三组电子栅的开关时间，然而上端电子栅切换时间，仍依寻电流检测电路所回馈至限电流控制器的指令，如此三相无刷马达的电流控制，便可依此完成。
专利摘要一种可程序型快速马达扭力控制器，主要是利用经常使用于切换式电源(Switching Power Supply)的电流型切换控制器(Current Mode PWM Controller)对马达的运转电流做即时的硬件控制，并以微处理器做操控界面，经由比较器及相关类比电路的使用，将马达即时电流与微处理器命令的差异，经由限电流型切换控制器转换开关的输出信号，进一步控制栅控开关元件(MOSFET/IGBT)，以控制马达实际的运行电流，使其可以近乎数位信号处理器十分之一的代价，达到与数位信号处理器相近的功能；另外，并可内建一组电源回路开关，该开关可在无动力输出要求时，切断马达逆转的电流回路，以大幅降低马达逆转的阻力。
文档编号H02P7/285GK2689590SQ20042000383
公开日2005年3月30日 申请日期2004年2月24日 优先权日2004年2月24日
发明者舒英豪, 连伟如, 江培彰, 马斌严 申请人:威达能源科技股份有限公司